光学微球腔及其应用

光学微球腔及其应用前言前言：：光学微球腔因其极高的品质因数和极小的模式体积,在非线性光学、腔体量子电动力学以及窄带光学滤波、高灵敏度运动传感器、极低阈值激光器等许多研究与应用领域具有广泛的应用前景.文章对光学微球腔的谐振原理、特点、耦合、制备和应用进行了综述.一、一、球形光学微腔发展背景球形光学微腔发展背景光学微腔是一种尺寸在微米量级或者亚微米量级的光学谐振腔，它利用在折射率不连续的界面上的反射、全反射、散射或者衍射等效应，将光限制在一个很小的区域。

基于回音壁模式(Whispering Gallery Mode，简称WGM [1])的光学微腔成为了近年来研究的热点。

首先它作为一种尺寸可与光波长相比拟的光学谐振腔，使得凝聚态中的一些量子电动力学现象得以研究[2]；其次作为一种低阈值激光微腔，在集成光学、信息光学等诸多应用领域有很好的应用前景。

目前光学介质微腔的形状也多种多样，主要有微球腔[3]、微盘腔[4]、微环腔[5]、微芯环腔[6]几种。

本文主要总结了近年来国内外光学微腔的一些研究现状及成果，并分析了未来的发展趋势。

目前信息与通信技术正以前所未有的速度发展,根据摩尔定律的预测,大约每18个月处理器的速度和内存的大小就会翻倍,而且这个速度还将持续十年。

如果光学能够在信息与通信领域发挥重大的作用,无疑它将以飞快的速度发展。

全光信号处理技术,由于不需要进行光-电-光转换,逐渐成为全光网络系统中前景广阔的领域之一。

对于全光网络设想的实现更需要一些体积更小,结构简单,性能较稳定的光学器件。

光学谐振腔是一个重要的光学器件,它在光通讯器件、光纤传感等领域里得到了广泛的应用,同时也是激光器的重要组成部分。

所以具有高集成度的微纳米光学谐振腔器件必将成为一个研究的热点。

二、二、微腔的种类及微腔的种类及微腔的种类及发展成果发展成果从应用的角度来看，微腔大致分为三种。

第一种是传统的F-P腔，它是由两个高反射率的腔镜组成的谐振腔[4]。

该腔的性能与腔镜反射率的高低有着密切的关系，腔镜的反射率越高，品质因子（Q值）就越高。

F-P腔的性能可以通过提高镀膜技术来提高腔镜的反射率，以及通过减小腔的反射面积来降低模式体积来改善，不过这些在工业生产上都有一定的限制。

这种微腔主要被用于腔量子电动力学方面的实验研究，比如用来制备一些量子态，进行密钥分配，量子通信等。

第二类是光子晶体缺陷微腔[5]，是一种折射率周期性排布的介质。

若在这种周期性结构中设计一个小缺陷，使其形成一个微腔，在原来不透光的禁带内就能出射与其共振的光。

光子晶体具有很小的模式体积，且共振波长可以预先设计，制作灵活。

目前光子晶体微腔已被应用于激光器、滤波器等器件以及腔量子电动力学（CQED）方面的研究。

第三类是光学微谐振腔。

光谐振腔内的光的不断循环，使得在谐振腔频率附近的光能量的储存成为可能，光学微谐振腔的场的作用和反作用之间的相互作用可以成为一些基础研究领域的关键，例如腔量子电动力学实验，自发发射控制，非线性光学，生物化学探测及量子信患处理。

以回音壁模式工作的高性能光学微腔（包括微柱、微盘以及为球形）以其所具有的超高品质系数，小模式体积，以及相对简单的制作过程，使得它们成为FP型微腚以外的最有前途的腔量子电动力学研究手段。

光学谐振腔微小的水滴由于表面张力可能形成球形，全内反射的光线在这种球体体形成闭合回路所对应的受限模式往往具有很高的品质因子。

对这种光学微腔的研究可以上溯到近100年前对尺度与光波长相当的云的水滴和悬浮胶体粒子对光散射作用的研究，云中的水滴可能含有自然形成的具肖高品质因子(Q因子)的球形谐振腔，而光散射受腔中模式的影响。

Purcell在1946年提出微腔中模式态密度变化对跃迁几率的增强作用，这是最早涉及微腔中自发辐射控制的研究。

实际上在光学微腔中，除了态密度的改变，腔中不同点模式场强的变化也对相应位置的辐射几率有调制作用。

在光学微腔中，自发辐射会受到调制，人们据此能够研制出具有极低阈值的微腔激光器及高效率的发光管，而且光学微腔在量子光学、量子电动力学、非线性光学等方面也有许多值得研究的物理问题。

今天，液滴形成的微腔以及玻璃微球中的回音壁模式（Whispering Gallery Mode-WGM）引起人们的很大重视，实验上已观察到模式Q因子达到lO10的玻璃微球。

在一个绝缘空体积内的光的不断循环，使得在谐振腔频率附近的光能量的储存成为可能，光学微谐振腔的场的作用和反作用之间的相互作用可以成为一些基础研究领域的关键，例如腔量子电动力学实验，发射控制，非线性光学，生物化学探测以及量子信息处理微谐振腔的发展，不仅在基础科学研究领域也有其应用，而且可以应用于光电器件技术。

基于可以约束光子和电予的光学微谐振腔的光电予元件是下一代小尺寸、低能量以及高速光路(photonic circuits)的基础。

通过改变谐振腔的形状、尺寸以及材料成分，微谐振腔可以提供一系列具有特定的极性、频率以及发射图案的光（即电磁）模式的光谱、如此，可以在将来发展用来制作新型光器件，例如发光：极管、低阈值微激光器、超小型光过滤器、波分复用器(WDM—wavelength-division．multiplexed)的开关以及彩色驻示等等。

这种微腔是基于半导体加工工艺制作而成的。

与光子晶体相比，它具有更高的品质因子[6,7,8]。

该类微腔中所存在的模式，称为耳语回音壁模式（WGM）。

该名称源于20世纪初，瑞利和拉曼等物理学家针对在圣保罗教堂内可以听见远处的谈话的现象，提出了耳语回音的问题，后来相继有人验证该现象。

瑞利在描述耳语回音的问题上说“微小的话语似乎是从水平方向传来的，但不一定沿着直线传来，而是沿着话语所面对的弧传来”[9]。

这些现象是由于声波被激发后能够沿着高折射率界面一直全反射传输引起的。

后来该现象被应用于调制光波的微腔研究。

早在100多年前人们就发现微小的液体在表面张力作用下会自动形成球形，耦合进入微球的光可以在微球内不断循环，从而建立起很强的光场。

随着制作工艺的发展，微球的体积可以做得很小而且损耗也很低。

这种微球腔叫做WGM微腔，它们具有较高Q值，能够将光囚禁在腔内一段时间并改变腔内的光场。

在上个世纪40年代就有人提出利用与光波尺寸相似的介质微腔来调制物质与光场之间的相互作用，用于CQED方面的研究[10]。

光学微腔的种类也很多，主要代表如图1-1所示。

>109108105~106各种旋转对称的微腔光学微球腔是指直径约在5μm至500μm之间的光学介电微球谐振器,通常使用的介电材料是二氧化硅等光学玻璃.近年来,光学微球腔由于其极高的品质因数(Q0>109[1])和极小的模式体积而受到日益广泛的关注,它将在要求极细线宽、极高能量密度和亮度或极细微探测能力的场合中得到重要应用,例如非线性光学和腔体量子电动力学,以及窄带光学滤波、高灵敏度运动传感器和极低阈值激光器.微球腔的特性来源于其独特的回音壁模式(whispering gallery mode,简称WGM或WG模式):光波在微球内表面上不断进行全反射,从而被约束在球内并沿球的大圆绕行.对介电微球腔中的WG模式的理论分析在很早就开始了[2],并且在1939年Richtmyer就已经观测到球形物体中维持的高品质因数模式[3].但是其应用却因为缺乏优良的介电材料和实用而高耦合效率的耦合方式与器件而停滞.1989年,Branginsky等人首次使用熔融二氧化硅介质的微球,通过棱镜的近场耦合,在微球内直接激发出WG模式[4],推动了微球腔研究与应用的发展.之后耦合理论得到了较大发展[5—8],并且产生了各种耦合器件,其中以一定倾角磨平的光纤和带状基底抗谐振反射光波导(thestripline pedestal anti2resonant reflecting opticalwaveguide,SPARROW)两种耦合器件被认为是近年来发展出的较好的器件.在此基础上,微球腔在许多领域得到应用[13—18],特别是在腔体量子电动力学和极低阈值激光器中得到了较多应用.国内也开展了对微球腔的研究[19,20],例如Lu Ying 等讨论了锥形光纤与微球耦合的优化条件,并且对使用了非线性介质的该耦合系统的光学双稳态和差分放大现象进行了研究.中国科学院上海光学精密机械研究所的王育竹等利用固体微球腔量子电动力学效应,获得了新的激光谱线[21].微球腔（microsphere）是目前品质因子最高的光学微腔（~109）。

其性能好，但是不易集成而且不好控制尺寸，所以还没投入工业上的生产。

而平面型的光学微腔即硅基微腔，如微盘腔(microdisk)、微环腔(microring)、微芯环腔(microtoroid)等旋转对称腔相对比较易于集成。

它们的品质因子大约在105~108，低于微球腔，但具有更少的模式数及更小的腔模体积。

这一类微腔目前也越来越受到人们的重视。

随着技术的不断发展，尤其是半导体加工技术精细度的提高，人们已经可以制造出微米甚至纳米量级尺寸的平面光学微腔了。

光学微球腔的特点：由于WG模式对光波的强烈约束作用,使光学微球腔具有极高的品质因数和极小的模式体积.它的品质因数Q0(非耦合状态下)由以下一些因素决定:1/Q0=1/Q rad+1/Q s.s.+1/Q mat,其中Q rad为本征品质因数,指由微球表面曲率导致的本征辐射损失,也称为WG损失.Q s.s.指散射损失,包括由介质的不均匀性和污物引起的损失以及微球表面附近空气中的水汽导致的损失,可基于瑞利散射模型估算.Q mat指材料吸收导致的损失.由于本征辐射损失随微球直径上升而指数下降,当D/λ≥15时(D为微球直径),Q rad>1011[1],Q0主要由散射损失和材料吸收损失决定.而对于小尺寸微球(D/λ≤10),Q0主要由本征辐射损失决定.另外,若将微球浸没在折射率n0较高的液体中(1< n0<n s),也会使本征辐射损失显著增加[6].实验上,一个750μm的熔融二氧化硅制成的微球腔,置于空气中,在光波长为633nm 时,Gorodetsky等[1]观测到的品质因数值为Q0=(0.8±0.1)×1010.WG模式下的光学微球腔同时具有很小的模式体积.由于微球本身的体积小,而在基本WG模式下,光波的能量在径向和极距角方向都仅有一个极大值,能量集中在赤道面上紧贴球面的大圆环这一狭小区域.一个直径为40μm的微球,模式体积最小可降为100μm[22].三、光学微球腔的应用由于其极高的品质因数、极低的模式体积以及易制备和易操纵性,光学微球腔已经在许多领域得到了初步应用.这里限于篇幅,只选一例作一简单介绍.1.腔体量子电动力学中的应用及极低阈值激光器在腔体量子电动力学中,需要高品质因数和低模式体积的谐振腔,以获得极高的能量密度,从而观测各种量子光学效应,或者实现低阈值的激光发射.以前的多层半导体激光器和光学微介质盘激发阈值低,但工作于低品质因数的方式下.而高品质因数的Fabry2Perot微谐振腔又需要特殊的超高反射膜以及极精确的加工和定位装置,技术上实现较难.相比之下,WG模式下的光学微球腔既具有高品质因素,又易于制备和操纵,因而是更理想的谐振腔.Norris等使用微球腔成功地实现了对球腔表面单分子的激发,揭示了单分子腔体量子电动力学现象.在低阈值的激光发射方面,含有不同掺杂物的极低阈值的微球腔激光器已由多人实现[13,14,16,17].例如,1996年,Sandoghdar与其合作者实现了吸收抽运功率为200nW的激光器[14].图3是其激光器原理图.该激光器使用了掺钕离子的二氧化硅介电微球,直径在50μm至80μm之间,品质因数为108数量级.两个二极管激光器LD1和LD2发出的807nm和1080nm光束,在介电微球内激发出WG模式.光电二极管PD1检测被吸收的功率,PD2检测出钕离子能级跃迁时产生的1060—1090nm的激光.实验中通过逐步增加入射功率来探测该激光器的阈值.当入射到棱镜面上的抽运功率为1mW,而PD1检测到的吸收抽运功率为200nW时,PD2检测到了激光输出.由于激光从微球耦合到棱镜的效率仅有5%,并且探测路径上的能量损失为90%,因此在吸收抽运功率为200nW至800nW时,PD2检测到激光输出功率为10pW至150pW.理论计算表明,在该实验参数下,单个WG模式下激发出激光时的吸收抽运功率可以降为2nW,而实验中由于同时激发出60至80个模式,因而实测阈值为200nW.该阈值比传统的钕离子光纤激光器的阈值低三个数量级.而且近一步计算表明,若将实验温度从室温降低到液氦温度,由于线宽的进一步减小,可以制成无阈值的激光器.在该激光器中,激光激发仅需要一个钕离子和很少量的几个光子.他们还通过改变耦合间距来观测激光器阈值与微球腔的品质因数的关系.实验结果表明,阈值随Q-1的增加而线性增长,与理论相符合.2.极高灵敏度的运动传感器基于光学微球腔的运动传感器对运动的测量主要通过检测运动对谐振特征参量的改变,例如谐振的频率、线宽和振幅.运动对谐振参量的影响途径有两种:一种是通过微球半径和折射率的改变,另一种是耦合参数(例如棱镜与微球的耦合间距)的改变.由于微球腔的极高品质因数,通过检测谐振参数能够极灵敏地探测到上述两类改变.Laine与其合作者利用光学微球腔实现了高灵敏度加速度探测器[18].他们采用新型的光波导SPARROW与微球耦合,其原理如图4所示.微球通过光纤柄悬于波导上方.装置的运动将使微球相对于波导的位置发生改变,导致耦合参数改变.他们通过检测谐振振幅和线宽的改变,成功地从100μg的背景噪声中实现了1mg的高灵敏度的加速度探测.加速度传感器原理图参考文献[1]Gorodetsky M L et al.Opt.Lett.,1996,21(7):453[2]Ilchenko V S et m.,1998,145:86[3]SchillerS,ByerRL.Opt.Lett.,1991,16(15):1138[4]Braginsky V B et al.Phys.Lett.A.,1989,137:393[5]Norris D J et al.Appl.Phys.Lett.,1997,71(3):297[6]LittleB E et al.J.Lightwave Technol.,1999,17(4):704 Ishikawa H et al.Opt.Lett.,1999,24(10):643。