光学微腔研究进展

光学微腔研究进展
前言
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、微盘腔、微环腔、微芯环腔几种。

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。

一、光学微腔发展背景
光通信，顾名思义，即用光作为信息的载体来传递信号。

自从1960年美国科学家梅曼（Maiman)发明了第一台红宝石激光器。

2009年的诺贝尔物理学获得者高琅(Charles K.Kao)和他的同事霍克曼(GA.Hckman)于1966年提出玻璃纤维可传输光信号，并指出通信光纤的要求是每公里衰减小于20分贝(dB)之后。

通信领域进入了一个崭新的时代--光纤通信技术时代。

在光纤通信层出不穷的新技术的推动下，整个通信技术得到了快速的发展。

自DWDM系统首次商用以来，光纤通信的发展速度日益加快。

首先其容量成倍增加。

短短几十年的时间，光纤通信技术得到了迅速的普及和发展，极大地促进了人类社会信息化建设的步伐。

但是随着光纤传输容高，器件尺寸的不断下降，工业上已经很难按照摩尔定律的速度发展了。

传统电信号处理设备面临"电子瓶颈"的限制，这导致了全光网的产生和全光信号处理研究的热潮。

所谓全光通信网络是指信息从源节点到目的节点的传输与交换完全在光域进行，即全部采用光波技术完成信息的传输和交换的宽带网络，可以避免"电子瓶颈"是通信网向宽带、大容量发展的首选方案。

全光通信网络一问世即引起了人们极大的兴趣，很多国家都以关键技术、设备与部件以及材料的研制开发为突破口，通过现场实验来推动其实用化和商用化进程。

在此背景之下，全球学术界和工业界都掀起了对全光信息处理中关键器件的研究热潮。

随着高速以太网的普及和多媒体业务的发展，人们对现有通信系统的容量提出了更高的要求。

随着波分复用(WDM)系统的迅速发展，通信系统的容量大大提高了。

同时WDM 系统需要高性能的信道分路滤波器来把不同信道的信号直接分路下来或者加载上去。

谐振滤波器由于可能实现具有最窄的线宽的滤波器，而成为WDM系统中滤波器的最佳选择。

光学谐振腔可以在不影响其他信道信号的同时，分路不同信道的信号，逐渐成为商界和研究机构广泛研究的热点。

而微环谐振器由于在很小的
尺寸上(微米尺度)实现，集成度很高，自由谱宽(FSR)也比较大。

除了在分叉复用器，滤波器的应用，光学谐振腔在调制器，光学延迟线，生物传感检测上也有潜在的应用，所以设计简单可行的光学谐振腔，具有重要的实用价值。

二、国内外研究现状
其实早在1899年，当Fabry和Perot描述了平行板谐振腔作为干涉滤波器的时候，光学谐振腔就作为一个有用的器件而提出来了。

通过使用多次的循环反馈，Fabry-Perot干涉仪能够通过调节精细度因数来增加有效的光传输的路径长度。

与弱反射端面的结构相比，具有强反射端的结构，将具有高的精细度和更窄的通频带。

在90年代早期，环形谐振腔开始在光通信上用于色散补偿和相位均衡的全通滤波器(只基于相位调制原理)。

1990年朗讯的Cimini等提出了用Gires-Tournois干涉仪来实现以上功能。

后来的研究发现，通过多个环的稿合，可以实现通带特性增加了的高阶滤波器。

之后B.E.Little等研究了环形谐振腔分路滤波器(Channel Dropping)，与单波导祸合只能采到谐振波长处功率的一半的情况相比，增加另一个精合波导以便得到信号的所有功率[13]。

1992年美国的Bell实验室演示成功第一个半导体微盘激光器,S.L.McCall等人利用用湿腐蚀方法制备微盘腔制备了激光器，认为微盘腔在制备单模、低阈值的激光器上具有很大的潜力，实验表明在1.3微米和1.5微米波长处的激光阈值可低于100微瓦[4]。

1997年，B.E.Little等人利用微环腔制成了密集、窄波段及大自由光谱范围的奇偶滤波器，还通过级联微腔的方法改善了滤波的带宽[5]。

1999年，M.K.Chin 等人首次提出以砷化镓为材料的跑道形微腔，将其作为分插复用器，得到很大的自由光谱范围。

他们认为该微腔最大的传输率跟每次循环引起的功率损耗及耦合效率是密切相关的[6]。

在2000年，J.V.Hryniewicz等人利用AlGaAs–GaAs材料制备跑道形为腔，将其作为滤波器，并利用级联滤波以得到比较接近矩形波的滤波光谱，滤波深度可到35dB以上，还提出利用电光效应调谐微腔的折射率来制备成可调谐的滤波器，以及提出用于光开关等方面的器件上。

2002年，Vollmer.F 等人利用硅基微腔对周围环境变化极其敏感的特性对蛋白质进行了探测，结果表明微腔表面与蛋白质结合的数目多少会引起谐振波长的变化，这些特点成为了硅基微腔可作为生物探测器的依据[7]。

2003年，Bumki Min等人成功利用微球腔制备出密集的级联拉曼激光器，他们利用光功率低于900微瓦波长为980nm的泵浦光激发起斯托克斯(stokes)效应，产生了五级联激光，其中第一阶斯托克斯光的阈值为56.4微瓦[8]。

2003年，加州理工的K.J.Vahala研究组提出使用光刻、干刻法蚀以及选择性熔化得到微环形状的谐振腔，使用激光器对2微米厚度的圆
环谐振腔外缘进行熔融处理以得到光滑表面，使测量的Q值可以达到1×108较处理之前的微腔Q值提高了4个量级，同时具有良好的制造性和可集成性[9]，同时可使用光纤与谐振腔进行耦合。

2005年，其制作的微环状谐振腔Q值达到4×108可在多种基础研究领域得到应用[10]。

2006年，使用此类为谐振腔实现单片微谐振腔与原子之间的强耦合。

对于微芯环腔，目前的实验上能够达到的最高Q值有5×108。

微芯环腔与光纤锥能够以倏逝波的形式进行高效率的耦合，耦合效率高达99.97%[11]。

P.Del’Haye等人首次将微芯环腔制成梳状滤波器，2008年他们将多个微芯环腔级联制成信道宽度86GHz的梳状滤波器。

H.Rokhsari和K.J.Vahala等人将两根光纤同时与一个微芯环腔耦合，实现光的上行下载功能[12]。

因为该微腔具有较高的Q 值，还可用于低阈值激光的研究。

此外该微腔也可以用于腔QED、非线性、传感器方面的研究。

国外有许多小组在做相关的研究，比较著名的有美国加州理工学院Vahala 小组、Kimble小组、Painter小组，美国佐治亚理工学院的Chapman小组、俄勒冈的Wang小组等。

国内的有中国科技大学韩正甫小组、北京大学的肖云峰、上海复旦大学、山西大学光电研究所等。

这一前沿技术在不断地发展和完善之中，但还不能真正商品化，主要是因为整个过程对环境要求高，成本相当大，还需要探索新的制备方法。

三、主要成果及存在问题
光学介质微腔是一种能够在较长时间内将光限制在特定空间内传输的微小器件，将耦合输入的光场压缩到一定的体积内，该模式称为回音壁模式（Whispering Gallery Mode,WGMs）。

这种模式具有较小的径向模式数以及较大角模子数的谐振模式。

这个现象的发现源于上个世纪初，Lord Rayleigh在英国的圣保罗大教堂里发现声波会在回廊上弯曲传播，后来把这种模式称为回音壁模式。

此外，Mie和Debye也研究了这种现象，至1939年Richtmyer提出轴对称介质微腔可以作为高品质因子的电磁谐振腔。

如今随着精细加工技术的发展，这种微腔被应用于微波、光学领域。

在实际中观察到光波频率下的WGMs可回溯到二十世纪六十年代，人们发现液滴在表面张力作用下自然形成类球状，将适当波长的光耦合进液滴中，会建立起强光场。

这种由液滴形成的微腔就是回音壁模式微腔。

它的本质是利用光在微腔内不同折射率材料交界上发生全反射，使某些特定波长的光被限制在微腔内循环传播，而不会出射到周围较低折射率的介质中去，只有当满足一定条件下，可耦合出来，也就是说微腔可用于调制光场。

经过
十年多的研究，人们发现可以通过加热熔融光纤的尾端而自然形成固体介质微球腔。

这种近似原子量级的光滑表面使得其内传输的光损耗极低，光场的能量密度高，且模式体积小，可用于一些基础研究，比如腔量子电动力学、非线性光学、生物化学医药传感探测、激光器、滤波器等。

光学微腔在CQED的量子运算方面也具有很可观的应用前景。

量子门是构成量子计算机的基础，其主要研究在小腔模体积内的单光子和单原子方面的相互作用，来得到未来量子计算机的逻辑单元。

目前光学介质微腔的形状也多种多样，主要有微球腔(microsphere)、微盘腔(microdisk)、微环腔(microring)、微芯环腔(microtoroid)几种。

这些微腔具有极高的品质因子（Q值）和很小的模式体积。

目前实验上微球腔的Q值可以达到109，微芯环腔的Q值高于108。

它们已被广泛应用于光通信的有源（如激光）、无源器件（滤波器、波分复用器等）及基础科学（腔QED和非线性光学）方面的研究。

微球腔虽然具有极高的Q值，但是不易于与电子器件集成，且其形状不易控制停止，因而无法投入商业应用。

微盘腔则是随后发展的一种平面微腔，但是干法腐蚀无法形成理想光滑的二氧化硅边缘，品质因子Q低于微球腔两三个量
激光器对其边缘熔融，利用级。

为了改善微腔的Q值，Vahala等人提出利用CO
2
其表面张力作用形成微芯环腔，Q值提高了一两个量级。

对于激励微腔谐振的方式，最初是空间直接激励，但是效率极低，后来发展起近场耦合。

目前近场耦合器件有棱镜、波导、一端斜抛光的光纤、光纤锥等，其中光纤锥的耦合效率最高，且它易于芯片集成，是目前最常用的。

耦合器件通过与上述所提到的微腔“相切”来实现耦合。

耦合空间都是基于点和线或者是点和面之间（这些微腔基本都是弧形状的，耦合器件是面或者线状的），耦合区域很小，两者间距大概在几百纳米内才能有效地耦合。

鉴于如此，许多非完全对称腔相继出现，如四边形微腔、六边形微腔、八边形微腔、体育场形微腔等。

其中多边形微腔作为有源器件，对方向性控制非常有利，但是在无源器件中，其性能不是很理想，损耗过大。

也提出过拐角处为弧边形的多边形微腔，以降低损耗，但总体较高。

至于跑道形微腔，它的提出就是为了保持微环腔的性能而加入的两端直边耦合部分，相比之下，损耗会比其他类型的非对称腔来得低。

目前比较常见的是方形波导的跑道形微腔（racetrack microcavity）。

它是由跑道形（两条直边和两个半圆弧形边）波导组成的。

这些微腔因其直边作为耦合边，所以与外部器件耦合时具有较大的耦合区域和更高的耦合功率。

此外它还具有较大的自由光谱范围（free spectral range FSR）宽度和Q值。

部分微腔的示意图如图1-1所示。

图1-1微腔示意图
四、发展趋势
微细加工技术的发展使得使用各种天然以及合成材料制造新型光微谐振腔的精确控制成为可能。

具有高Q值的微谐振腔在诸多方面有应用前景，诸如低成本高密度集成光路、高灵敏度的生物传感器、以及具有增强功能的紧凑高效激光器等。

随着新材料的发展以及设计的改进，量子点、量子线以及光学晶体结构会成为高性能的光谐振腔。

这些新型的光谐振腔将会在全光波段网络、量子物理和量子信息等基础研究方面得到应用。

基于WG模式工作的微环腔以及微盘谐振腔具有一些固有优点：只支持很少的放射发散及方位角模式，因此理论上此种谐振腔可提供单一工作模式；其品质系数高，而且具有非常小的模式体积，可在单原子和谐振腔的WG模式场之间实现非常高的相干耦合；此种几何的微腔与微球腔相比可提供突出的几何形状控制，可实现实验的重复性以及腔模式的可控性。

更为重要的是，使用光纤锥波导与微腔进行耦合，可极为有效地提高其集成性能，这对将来实现高性能的量子网络、量子逻辑以及量子计算机工作是很有帮助的。

微芯环腔是目前具有可集成、模式数少、品质因子高、工艺简单等优点的固态光学介质微腔，一直受到青睐，发展十分迅速。

微芯环腔在平面激光器制备上开展许多研究，有望制成便携式器件，有潜在的商业应用前景。

该微腔还具有很强的光场能量密度，因此还可以用于低阈值非线性方面的研究，如拉曼激光器等。

此外利用微芯环腔在腔量子电动力学中的研究已经取得许多成果，未来在态制备以及量子通信中具有许多应用。

微盘谐
振腔由于边缘未经过选择性融化，因此其品质系数Q要低于微环腔，但由于其未经融化处理，使得微腔边缘几何形状可得到良好保持，易于实现一些异型腔，如椭圆、四极圆型微腔等。

如何制作的微盘型谐振腔，可以在保证得到支持极少工作模式的高性能微腔同时，同时实现其小WG模式体积、可控几何形状、实验的重复性以及腔模式的可控性，已成为目前为微腔制作研究的热点方向之一。

五、参考文献
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