光学微腔研究现状和成果

　 基于回音壁模式的光学微腔(Whispering gallery mode,简称WGM)近年来已经成为研究的热点。首先，作为一个尺寸与光的波长相当的光学谐振腔，它使得凝聚态物质中的一些量子电动力学现象得以研究；其次，作为一种低阈值激光微腔，它被用于集成光学、信息光学等许多应用领域都有很好的应用前景。目前有各种形状的光学介质微腔，主要是微球腔、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和成果。

片上光学微腔示意图

　　一、光学微腔发展背景

         1.光通信，顾名思义，就是利用光作为信息的载体来传输信号。自1960年美国科学家梅曼发明第一台红宝石激光器以来，2009年诺贝尔物理学奖得主高琅(CharlesK.Kao)和他的同事霍克曼(GA.Hckman)于1966年提出玻璃纤维可以传输光信号，并指出对通信光纤的要求是每公里的衰减小于20分贝(dB)后。通信领域已经进入了一个新时代——光纤通信技术时代。在光纤通信新兴技术的推动下，整个通信技术得到了快速发展。自DWDM系统首次商用以来，光纤通信的发展一直在加速。首先，它的容量增加了一倍。短短几十年间，光纤通信技术得到迅速普及和发展，极大地推动了人类社会信息化建设的步伐。然而，随着光纤传输容量的增大和器件尺寸的不断减小，行业很难以摩尔定律的速度发展。传统电信号处理设备面临“电子瓶颈”的限制，从而引发了全光网络的出现，掀起了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完全在光域内传输和交换，即全部采用光波技术来完成信息传输和交换的宽带网络信息。这样可以避免通信网络向宽带化的“电子瓶颈” ，大容量开发的首选解决方案。全光通信网络一经问世就引起了人们的极大兴趣。许多国家以关键技术、装备及零部件、材料的研发为突破口，通过现场试验推动其实用化和商业化。在此背景下，全球学术界和工业界掀起了全光信息处理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)系统的快速发展，通信系统的容量得到了极大的提高。同时，WDM系统需要高性能的通道分离滤波器来直接分离或加载来自不同通道的信号。谐振滤波器是WDM系统中滤波器的最佳选择，因为它们具有尽可能窄的线宽。光谐振器可以对不同通道的信号进行分支，而不影响其他通道信号，逐渐成为企业界和研究机构广泛研究的热点。微环谐振器的尺寸非常小(微米级)，集成度高，并且具有相对较大的自由谱宽度(FSR)。除了在分叉复用器和滤波器中的应用之外，光学谐振腔在调制器、光学延迟线和生物传感检测中也具有潜在的应用。因此，设计一种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

　　事实上，早在1899年，当Fabry和Perot将平行板谐振器描述为干涉滤波器时，光学谐振器就被提出作为一种有用的器件。通过使用多个反馈回路，法布里-珀罗干涉仪能够通过调整精细因子来增加光传输的有效路径长度。与弱反射端的结构相比，强反射端的结构将具有更高的精度和更窄的通带。 20世纪90年代初期，环形谐振器开始作为全通滤波器应用于光通信中，用于色散补偿和相位均衡(仅基于相位调制原理)。 1990年，朗讯公司的Cimini等人提出利用Gires-Tournois干涉仪来实现上述功能。后来的研究发现，通过组合多个环可以实现具有增强的通带特性的高阶滤波器。后来，BELittle 等人研究了环形谐振腔分流滤波器(ChannelDropping)。与单个波导只能收集谐振波长一半功率的情况相比，增加另一个精密波导可以获得信号的全部功率。 1992年，美国贝尔实验室成功演示了第一台半导体微盘激光器。 SLMcCall等人采用湿法刻蚀方法制备微盘腔体来制备激光器。他们认为微盘腔在制备单模、低阈值激光器方面具有巨大潜力。实验表明，1.3微米和1.5微米波长的激光阈值可低于100微瓦。

　　延伸阅读：

　　光学微腔是一种光学器件，通常用于控制和增强光的相互作用，以实现一系列光学应用，包括传感、激光、单光子光源和光量子计算等。这些微腔通常是微米级和纳米级结构其中光可以被限制和传播以增强特定波长的光的效果。以下是光学微腔的基本原理：

         1.反射和折射：光学微腔通常由高折射率和低折射率的材料层组成。光在两种材料之间反射和折射，导致光被限制在微腔内并传播。这些材料之间的折射率差异是形成光学微腔的基础。

         2.光的反射和干涉：光在微腔中传播时，会经历多次反射和干涉，导致特定波长的光被放大或衰减。这种现象是由光的波动性和光学干涉效应决定的。

         3.驻波模式：光学微腔支持不同的驻波模式，即光在微腔中的振动模式。这些驻波图案对应于不同的波长和频率，可用于选择和增强特定波长的光。

         4.波导效应：光学微腔还可以包含波导，使得光可以通过波导传输并在微腔中反射和干涉。波导可用于引导光以增强特定的光学效果。

         5.共振：当微腔的尺寸和折射率选择适当时，微腔会产生光的共振。共振是指特定波长的光在微腔中被强烈增强，而其他波长的光被抑制。这种效应通常用于增强传感、激光和单光子源的性能。

         6.应用：光学微腔可用于多种应用，包括传感技术。微腔的共振频率对环境条件的变化非常敏感，可用于检测化学物质、生物分子等，还可用于激光、单光子源和光量子计算等领域。

　　简而言之，光学微腔的原理是基于光的波动特性、反射、干涉和共振效应。通过调节微腔的尺寸和折射率，可以实现对光的高度控制，从而应用于各种光学技术和器件中。这些微腔的设计和制造通常需要精密工程和纳米制造技术。