超高效的光学传感器可以让光在微观芯片内循环更长时间

科罗拉多大学博尔德分校的研究人员制造了高性能光学微谐振器，为新传感器技术打开了大门。在最简单的形式中，微谐振器是一种微小的装置，可以捕获光线并增强其强度。当强度足够高时，研究人员可以进行独特的光照操作。

“我们的工作是关于在未来使用这些谐振腔时减少光功率使用，”电气与计算机工程四年级博士生、该研究的主要作者Bright Lu说。“有一天，这些微共振器可以被改装用于从导航到识别化学品的各种传感器。”

这项发表在《应用物理快报》上的项目中，团队专注于“赛道”谐振器，因其细长形状，类似跑道而得名。

具体来说，研究人员使用了“欧拉曲线”——一种在道路和铁路设计中也常见的平滑曲线。正如汽车无法在行驶中做出急转直角，光线也无法强行进入急转弯。

“这些赛道曲线最大限度地减少了弯曲损失，”该研究的联合顾问、电气工程谢泼德教授朴元说。“我们的设计选择是本项目的关键创新。”

通过平稳引导光线通过谐振腔，它们大大减少了光损失，使光子能够更长时间地循环，并在器件内更强地相互作用。

卢说，如果光线损失过多，微谐振腔无法达到高光强度，从而无法以所需的性能工作。

科罗拉多制造

这些微谐振器体积极小，采用科罗拉多纳米制造与表征共享仪器（COSINC）洁净室的新型电子束光刻系统制造。

该设施提供了一个高度受控的环境，能够在微观尺度下工作，从而实现设备的可靠性。

许多光学和光子器件的尺寸比纸张的宽度还小，这意味着即使是微小的尘埃颗粒或表面瑕疵也可能干扰光在材料中的传播方式。

“传统光刻使用光子，且受光波长基本限制，”陆说。“然而，电子束光刻没有这样的限制。有了电子，我们可以实现亚纳米分辨率的结构，这对我们的微谐振腔至关重要。”

对Lu来说，亲手制作过程是项目中令人满足的方面。

“无尘室就是酷。你在操作这些庞大而精密的机器，然后你还能看到自己制造的只有微米宽的结构图像。将一层薄膜玻璃变成一个正常工作的光学电路，真的令人满足。”

这项工作的关键成功之一是研究人员能够使用“卤素化合物”，这是一个涵盖一类专用半导体玻璃的广义术语。

朴说：“这些碳化物因其高透明度和非线性，是光子学的极佳材料。”“我们的研究代表了使用卤素化合物表现最好的设备之一，甚至可以说是最好的。”

青素化合物很有用，因为它们具有强透性，使光能在微谐振腔所需的高强度光线通过器件。

然而，这些材料对该装置来说并不容易处理，因此需要在权衡中取得平衡。

“黄铜矿化物是对光子非线性器件来说难以操作但极具回报的材料，”与帕克合作该项目超过10年的朱丽叶·戈皮纳特教授说。“我们的结果表明，最小化弯曲损耗使得超低损耗器件能够媲美其他材料平台上的先进技术。”

微观测量光

微谐振器制造完成后，交由物理学博士生詹姆斯·埃里克森领导，他专注于激光测量。他小心地将激光与微波导对准，将光线耦合进出装置，同时监测其内部表现。

研究人员寻找透射光数据中的“凹陷”，这些凹陷表明光子被捕获时会产生共振。通过分析这些凹陷的形状，他们能够提取吸收和热效应等特性。

“设备质量最明显的指标是共振的形状，我们希望它们深且窄，就像针头穿透信号背景，”埃里克森说。“我们追寻这种共振器已经很久了，当我们看到这个新装置上的尖锐共振时，立刻知道我们终于破解了密码。”

埃里克森补充说，要做出一个好的设备，你需要知道吸收和透射的光量。增加激光功率时，热效应尤为重要，因为你有损坏设备的风险。

埃里克森说：“大多数材料与光的相互作用方式也会随着材料的温度而变化。”“所以，当装置加热时，它的性质会发生变化，导致其工作方式不同。”

未来，微谐振器可能用于紧凑型微激光器、先进的化学和生物传感器，甚至量子计量和网络工具。

“许多来自激光、调制器和探测器的光子元件正在开发中，像我们这样的微共振器将帮助将所有这些环节联系起来，”卢说。“最终，目标是制造出一个你可以交给制造商并制造成千上万台的机器。”

《应用物理快报》（2026年）。DOI：10.1063/5.0305459

期刊信息：应用物理快报 

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