科罗拉多大学博尔德分校的研究人员成功研制出高性能光学微谐振器，为新型传感器技术开辟了道路。在最基础的层面上，微谐振器是一种能够捕获光线并增强其强度的微型装置。当光强达到足够水平时，研究人员便可实施独特的光学操作。
“我们的工作旨在通过这些谐振器降低未来应用的光功率消耗，”电气与计算机工程专业四年级博士生、该研究的首席作者卢亮表示。“这些微谐振器终将能应用于从导航到化学物质识别的各类传感器。”
这项发表于《应用物理快报》的研究聚焦于“跑道型”谐振器——其名称源于类似田径跑道的细长形状。
研究人员采用“欧拉曲线”——一种常见于公路铁路设计的平滑曲线。正如行驶中的汽车无法急转弯，光线也无法承受剧烈弯折。“赛道曲线能最大限度减少弯折损耗，”电气工程系谢泼德讲席教授、该研究联合导师朴元解释道，“我们的设计选择是本项目关键创新点。”
通过引导光线平滑穿过谐振器，他们显著降低了光损耗，使光子能在器件内部更长时间地循环并产生更强烈的相互作用。卢教授指出，若光损耗过大，这些微谐振器将无法达到所需的高光强运行性能。
科罗拉多制造
这些微谐振器尺寸极其微小，是在科罗拉多纳米制造与表征共享仪器中心（COSINC）洁净室的新型电子束光刻系统上制造而成。该设施提供高度可控的环境，满足微观尺度操作所需条件，从而确保器件性能的可靠性。许多光学和光子器件的尺寸小于纸张宽度，这意味着即使微小的灰尘颗粒或表面瑕疵也会干扰光线在材料中的传播。
“传统光刻技术使用光子，其根本限制在于光的波长，”卢说，"但电子束光刻则没有这种限制。“利用电子束，我们能实现亚纳米级分辨率的结构制备，这对微谐振器至关重要。”对卢而言，亲手参与制造过程是项目中最具成就感的环节。“洁净室本身就令人着迷。操作着庞大精密的设备，最终能看到仅有微米级宽度的结构图像。将玻璃薄膜转化为可工作的光电路，这种成就感难以言喻。”
该研究的关键突破在于成功运用了硒化物材料——这一泛指特殊半导体玻璃的统称。“硒化物因其高透光性和非线性特性成为卓越的光子学材料，”朴教授指出，“我们的成果堪称硒化物器件中性能最优的代表之一。”硫属化物之所以有效，在于其强透光性可让光以微谐振器所需的高强度穿透器件。
然而该材料难以加工制备器件，因此需要权衡取舍。“对于光子非线性器件而言，硫属化物虽难加工却极具价值，”与朴教授合作逾十年的朱丽叶·戈皮纳斯教授指出，“我们的研究表明，通过最小化弯曲损耗，可实现与其他材料平台尖端技术相当的超低损耗器件。”
微尺度光测量
微谐振器制造完成后，便移交至由物理学博士生詹姆斯·埃里克森领导的测试团队。埃里克森专攻激光测量技术，他将激光器与微型波导精密对准，在监测光在器件内部行为的同时，实现光的耦合输入与输出。研究人员通过分析透射光数据中的“凹陷”现象来检测共振——当光子被困住时会产生这种特征。通过解析凹陷形态，他们成功提取出吸收特性与热效应等参数。
“共振形态是衡量器件品质的最直观指标，我们追求的是深而窄的共振峰，如同穿透信号背景的利针。”埃里克森解释道。“我们追寻这类谐振器已久，当看到新器件上出现锐利的共振峰时，立刻意识到终于破解了难题。”埃里克森补充道，制造优质器件需精确掌握光吸收与透射比例。随着激光功率提升，热效应变得至关重要——过高功率可能损坏器件。
“多数材料与光的交互特性会随温度变化，”埃里克森解释道，“因此器件升温时，其物理特性可能改变导致工作模式失常。”未来这些微谐振器有望应用于紧凑型微激光器、先进化学生物传感器，甚至量子计量与网络工具领域。“激光器、调制器和探测器等众多光子元件正在开发中，我们这类微谐振器将助力整合这些组件，”卢表示，“最终目标是打造可交付制造商量产数十万件的标准化产品。”
