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回音壁模式光学微腔:精细入微,曲尽其妙
电子信息,先进制造
2018-09-26 14:55
作者  张靖 刘玉玺

回音壁模式光学微腔具有极高的品质因子和极小的模式体积,因此人们可以在这类光器件中观测到很多传统光学器件观测不到的新奇物理效应,其中很多物理特性都可用于设计不同的微纳传感器,测量热、力、电等信号,并用于微纳器件信息读取和生物传感等领域。

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随着新一代集成芯片技术、量子信息、纳米医药等新兴领域的发展,人们对传感器的尺寸和精度提出了更高的要求,在这一背景下,新型的微纳传感器及微纳传感技术应运而生。

在不同类型的微纳传感器中,基于微纳光学器件的传感器因其成本低廉、原理简单、灵敏度高一直备受人们的关注。基于微纳光学器件的传感器基本原理是将被测对象置于微纳光结构中,从而将微纳结构中的光场与被测对象耦合起来,处于光场中的被测对象会改变光场的光学性质,如光场的强度、波长、频率、相位、偏振态等,通过测量光场的这些光学性质的改变就可以反推出被测对象的信息。由于微纳光学器件可以将高能量的光信号局域在微纳尺度上,因此这类器件对微弱信号具有极高的响应灵敏度。

为了提高微纳光学传感器的传感精度,需要引入有效的纳米光学场增强机制,提高光场与被测对象的耦合强度。针对这一问题,一种可能的解决方法是引入光学微腔,延长光场中光子在微纳光结构中的寿命,通过光学微腔的共振增强效果提高光场与被测对象的耦合强度,从而提高传感器的传感精度。

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回音壁模式光学微腔的基本性质

回音壁模式的光学微腔是将玻璃或其他导光材料制备成圆形结构,当光沿切向方向进入此类环形微腔时,由于玻璃等导光材料与空气接触面的全反射效应,光会沿环形微腔的外壁反射传播。由于此类微腔光的传播路径类似于北京天坛公园著名建筑回音壁的声波沿回音壁围墙传播,因此被命名为回音壁模式微腔。

回音壁模式微腔中,光场不仅被限制在环状结构内,有部分光场会泄露到环状结构附近的区域内,称为倏逝场。当人们将被测对象贴近回音壁模式微腔,进入倏逝场作用范围内时,被测对象会影响回音壁模式中的光场分布,从而可用于微纳传感。

由于光学微腔可以将高能量密度的光局域于很小的尺度上,且光子在这类结构中通常具有很长的寿命,因而可以很好地与放置在光场中的被测对象发生相互作用。将光学微腔用于微纳传感的传感灵敏精度通常由如下公式决定:

光腔传感器灵敏精度=光腔品质因子/光腔模式体积

其中,光腔品质因子是描述光腔好坏程度的一个非常重要且基本的指标,其定义为当光进入光学微腔之后,被局域于光学微腔中的能量与泄露到光学微腔之外的能量的比例。光腔的模式体积是光腔另一个重要且基本的指标,代表光学模式在空间中的局域程度,定义为光学模式在全空间积分比上光学模式在空间中强度的最大值,模式体积越小说明光在微纳结构中局域化程度越好。从光腔传感器的灵敏精度公式可以看出光腔品质因子越高,模式体积越小,光腔传感器的精度越高。在不同的光学微腔中,回音壁模式的微腔具有光学品质因子高,模式体积小的特点,因此特别适合做微纳传感器。

回音壁模式微腔根据制备工艺、形状等不同,分为微型环芯腔、微球腔、微盘腔、微环腔、微瓶腔等不同的类型(见图1a)。相比于其他类型的回音壁模式微腔,微型环芯腔具有更高的品质因子,更小的模式体积。此外,微型环芯腔基于传统的湿法刻蚀的硅基加工工艺制备,为硅芯片上的集成光器件,更便于器件在芯片上的集成,因此近年来越来越受到人们的重视。

图1b给出了微型环芯腔的基本制作工艺,主要是基于硅加工的标准湿法刻蚀。图1c给出了经过加工之后得到的微型环芯腔样品的扫描电镜显微镜(SEM)成像图。图1d给出了微型环芯腔光场导入与导出的方法,在实验中将拉细的光纤(Taper)靠近微型环芯腔(Mirotodoid),通过倏逝场可以实现光场通过光纤向微型环芯腔的导入导出。

图1回音壁模式环形微腔(网站)(1).jpg

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回音壁模式光学微腔的物理特性及其在微纳传感的应用

回音壁模式光学微腔具有极高的品质因子和极小的模式体积,因此人们可以在这类光器件观测到很多传统光学器件中观测不到的新奇物理效应,其中,很多物理特性都可用于设计不同的微纳传感器,测量热、力、电等信号,并用于微纳器件信息读取和生物传感等领域。

处于光场中的被测对象会引起回音壁模式微腔光学性质的变化,从而可用于微纳传感。如图2a所示,在没有被测纳米粒子时,回音壁模式微腔的输出光谱按洛伦兹线形分布。当纳米粒子贴近回音壁模式微腔进入倏逝场作用范围内时,会引起微腔共振频率的变化,从而引起输出洛伦兹谱线中心位置的移动,称为模式移动,通过探测输出谱线的模式移动可以感知是否有纳米粒子接近微腔。进入倏逝场作用范围内的纳米粒子还会引起输出洛沦兹谱线线宽的增加,称为模式增宽,通过测量模式增宽也可以感知是否有纳米粒子接近微腔(见图2b)。

图2 微腔中的热效应(网站)(1).jpg

基于模式移动和模式增宽的方法探测纳米粒子只能得到定性的结果,即只能感知是否有纳米粒子接近微腔,并不能测得纳米粒子的大小。此外模式移动和模式增宽的方法探测纳米粒子受环境噪声的影响较大,无法消除环境噪声引起的模式移动和模式增宽等伪信号。为解决上述问题,人们提出了利用模式劈裂的方法探测纳米粒子。当纳米粒子处于超高品质因子的微腔,如微型环芯腔的倏逝场中时,由于纳米粒子对于光场的反射作用,进入光腔的光会有部分光被反射,从而形成沿顺时针旋转的光模和沿逆时针旋转的光模,两个光模由于纳米粒子的反射作用会相互耦合在一起,形成光学超模,在输出场会表现为模式的解简并,即在输出谱中出现模式的劈裂。进一步的定量研究表明,劈裂的两个洛伦兹峰之间的距离正比于顺时针方向的行波(CW)模式和逆时针方向的行波(CCW)模式的相互作用强度,并进一步正比于纳米粒子的大小,因此通过测量输出谱中劈裂的洛伦兹峰间的距离可以定量得到纳米粒子的大小。此外,外界噪声会对CW模式和CCW模式产生同方向的模式移动和模式展宽,因此劈裂的模式之间的距离原则上不受外界噪声的影响。

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在回音壁模式光学微腔中还可以观测到光所引起的光学器件的机械运动,即光机械效应。回音壁模式光学微腔作为光机械效应的载体,具有尺度小、易控制等特点。且由于微型环芯腔位于硅芯片上,因此便于与超导器件等芯片上的器件集成,构成更复杂的混合器件。此外,微型环芯腔系统作为纳米机械振子,具有从低频(约几兆赫)到高频(百兆赫)不同频段的振动模式,且便于从光腔输出谱中提取振动信息,因此是很好的光机械效应的物理载体。

在回音壁模式光学微腔中,光可以通过法拉第效应、克尔磁光效应、塞曼效应、科顿-穆顿效应等与磁性介质发生耦合,引起光磁效应,且光磁效应可通过场增强机制予以增强。目前微腔中已有的光磁耦合方案主要包括两种:一是将微腔的导光材料(如二氧化硅材料)的中心掏空,嵌入磁性材料;另一种方案是利用特殊的光磁材料(如钇铁石榴石材料)制备光学微腔。

在回音壁模式光学微腔中还可以实现电光的有效耦合。实现电光耦合的一种可能途径是采用特殊的光电材料制备回音壁模式光学微腔。另一种是将具有等离激元效应的金棒放置于回音壁模式微球腔表面,利用两者的增强效果探测单原子级的离子。

在回音壁模式光学微腔中,当输入光的强度足够强时,会激发热效应。以微型环芯腔为例,当输入微腔中的光强足够强时,热效应引起的热胀冷缩会导致微腔膨胀变形,从而导致腔场模式频率的变低。光学微腔的热效应对于观测微腔中的物理现象至关重要,事实上正是依靠微腔热效应所引起的腔模自锁频现象,我们才能在光学输出谱中观测到光机械效应所引起的快变抖动信号。此外,微腔的热效应还可用于制备高精度的温度传感器。

应该指出,目前有关回音壁模式光学微腔的研究大部分还限于物理现象的观测,未来的发展将面向实用化的具有特定功能的芯片上光器件。实用化的芯片上的光器件将涉及声光、电光、磁光等不同物理效应在芯片上的融合。未来实用性的微纳光器件将主要受限于微纳光器件的规模化集成。目前在集成方面较为成熟的回音壁模式光学微腔(如微环、微盘等)主要基于传统的化学刻蚀加工工艺,在部分重要光学指标(如品质因子、模式体积等)方面没有优势。而品质因子、模式体积等光学指标相对较好的回音壁模式光学微腔(如微型环芯腔等)在规模化集成方面有待进一步探索。

致谢:感谢国家973计划课题“固体量子计算的器件物理基础”(课题编号:2014CB921401)的支持。

本文刊登于IEEE Spectrum中文版《科技纵览》2018年7月刊。

作者:张靖、刘玉玺

(张靖,清华大学自动化系副教授、博士生导师,清华大学信息科学国家实验室量子信息科学与技术中心。国家自然科学基金优秀青年基金获得者,教育部青年长江学者。主要研究领域为:光机械系统中的信息处理与控制理论与实验;基于微光学腔的硅基微纳光子学实验;超导电路中的量子信息处理与控制理论;量子测量与量子反馈控制理论等领域。

刘玉玺,教授、博士生导师,清华大学微电子所、清华大学信息科学国家实验室量子信息科学与技术中心。国家杰出青年科学基金获得者,973计划项目首席科学家。主要研究方向为超导等固态量子相干器、固态量子信息处理和量子人工智能等。在超导量子计算器件的设计与性能,超导量子芯片上的微波光子学,纳光力器件的量子调控和超导量子计算等方面的研究具重要影响,多个理论方法和理论结果被多个国际著名实验室采用或正实。)

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