光學(xué)微腔能夠同時在空間和時間維度上約束光場,從而增強光與物質(zhì)相互作用,被廣泛用于基礎(chǔ)光物理和光子學(xué)應(yīng)用研究.其中,回音壁光學(xué)微腔具有超高的品質(zhì)因子和很小的模式體積,是當前微腔研究的學(xué)術(shù)前沿.隨著光學(xué)材料微納加工和半導(dǎo)體芯片制備工藝的發(fā)展,超高品質(zhì)因子回音壁光學(xué)微腔研究的重要趨勢之一是片上集成化.例如,超高品質(zhì)因子片上光學(xué)微腔已經(jīng)在光子學(xué)芯片、集成光計算、片上光互聯(lián)、光學(xué)精密測量等眾多領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用.本文重點介紹了片上回音壁光學(xué)微腔在微型激光器、非線性光學(xué)、集成光子學(xué)回路和高靈敏光學(xué)傳感等研究中的基本原理、發(fā)展歷程和最新進展;進一步展望了超高品質(zhì)因子片上微腔光子學(xué)未來研究的發(fā)展方向. 

【文章來源】：科學(xué)通報. 2020,65(27)北大核心EICSCD

【文章頁數(shù)】：15 頁

【圖文】：

圖2 片上回音壁微腔激光器.(a)鉺離子摻雜的微芯圓環(huán)腔激光器[7].(b) Cd Se/Zn S量子點涂覆的微芯圓環(huán)腔激光器[8].左邊為激光器的掃描電子顯微鏡圖片,右邊為受到泵浦的發(fā)光微腔的光學(xué)顯微圖像.(c)室溫超低閾值連續(xù)光泵浦的In As/Ga As量子點微盤腔激光器[9].(d)回音壁微腔激光器的單向性出射[10].(e)回音壁微腔的軌道角動量激光[11]

第三階段:最近10年來,超高品質(zhì)因子回音壁微腔非線性光學(xué)效應(yīng)研究的主要趨勢轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)展高性能片上集成光子學(xué)器件,并開展相關(guān)應(yīng)用研究.在這期間,人們已經(jīng)能夠在諸多不同結(jié)構(gòu)和材料中獲得超高品質(zhì)因子的片上光學(xué)微腔,例如二氧化硅楔形微盤腔[46,47](Q>108)、氮化硅微環(huán)腔[48](Q>107)、III-V族半導(dǎo)體微環(huán)腔[49](Q>106)、鈮酸鋰微盤腔[50](Q～107)、氮化鋁微環(huán)腔[51](Q>106)等.主要的非線性光學(xué)應(yīng)用包括利用微腔受激布里淵散射或克爾光頻梳產(chǎn)生低噪聲相干微波信號源[40,52];利用微腔受激散射拉曼散射實現(xiàn)納米尺度單顆粒檢測[53,54];利用受激布里淵散射結(jié)合Sagnac效應(yīng)精確測量地球自轉(zhuǎn)[55];利用普克爾效應(yīng)等實現(xiàn)高速光調(diào)制器[56];利用熱光效應(yīng)、二次合頻、四波混頻等效應(yīng)實現(xiàn)光學(xué)隔離器[57～59].此外,單光子水平的非線性光學(xué)效應(yīng)同樣可以在光學(xué)微腔中顯著增強,進一步應(yīng)用于各種片上量子光學(xué)器件.例如,利用光學(xué)克爾非線性產(chǎn)生光子阻塞效應(yīng)獲得單光子源[60,61],利用閾值之下光學(xué)參量振蕩或自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換效應(yīng)制備量子糾纏光源等[62～64].另一方面,在基礎(chǔ)研究上也廣泛而深入地探究了新物理新現(xiàn)象,包括光場自發(fā)對稱性破缺[65]、非厄米光學(xué)[66]、光學(xué)誘導(dǎo)透明[67]、光學(xué)同步[68,69]、表面非線性光學(xué)[70]等.微腔光學(xué)頻率梳是當前光學(xué)微腔中受關(guān)注最廣泛、發(fā)展最迅速的重要非線性光學(xué)效應(yīng)之一.光學(xué)頻率梳(以下簡稱光梳)是由一系列頻率間隔嚴格相等的窄線寬激光組成的寬譜相干光源,在頻譜上呈梳子狀,因此得名.光梳提供了一個連接光頻段與射頻段的橋梁,革命性地改變了精密測量的方式.作為世界上精度最高的頻率標準,光梳已被廣泛應(yīng)用于時間標準、精密光譜、激光雷達和地外行星探尋等眾多領(lǐng)域,在基礎(chǔ)科學(xué)研究、產(chǎn)業(yè)應(yīng)用和軍事國防上都具有重要意義[71].2005年,德國馬克斯·普朗克研究所的Hansch和美國國家標準技術(shù)研究所的Hall因在光頻梳以及精密測量領(lǐng)域的貢獻分享了諾貝爾物理學(xué)獎.傳統(tǒng)的光頻梳主要基于飛秒鎖模激光器,其體積大、功耗高、造價昂貴,而且對工作環(huán)境非常敏感.

具有超高品質(zhì)因子的回音壁光學(xué)微腔由于具有很長的腔中光子壽命(超過百納秒),因此是一個天然的光子存儲器,并且可以通過外部調(diào)控來實現(xiàn)任意讀取和寫入操作[86].另一方面,通過光與其他物質(zhì)的相互作用,可以把光子態(tài)有效地轉(zhuǎn)移到其他具有更長壽命的物理態(tài)中進行存儲.例如,2015年Dong等人[87]利用受激布里淵散射過程將光場能量儲存于傳播的聲子中,存儲時間可以超過50μs.對于常規(guī)的微腔-波導(dǎo)耦合系統(tǒng),透射端在頻域上腔模共振位置處通常表現(xiàn)為一個洛倫茲型吸收谷,因此可以有效地過濾對應(yīng)頻率的光信號[88].2004年,Vahala研究組[84]采用片上微芯圓環(huán)腔并搭建了分插-復(fù)用結(jié)構(gòu)濾波器(圖5(b)),使得輸入波導(dǎo)中的信號光僅有與腔模頻率相同的成分得以耦合進入微腔從另一根波導(dǎo)中輸出,而其余頻率的信號在輸入波導(dǎo)中被過濾掉.此外,為達到更好的信號輸出,還可以在系統(tǒng)中加入多個諧振腔形成級聯(lián)微腔,通過各個腔之間耦合,可以使隔離度和帶寬得到進一步提高.

【參考文獻】：
期刊論文
[1]回音壁模式光學(xué)微腔傳感[J]. 唐水晶,李貝貝,肖云峰.  物理. 2019(03)



本文編號：3269451