科学家研制出能“抓住”光的超低损耗芯片器件

微型谐振器是一种能将光限制在狭小空间内的微观结构。当光在其内部循环时，强度会不断增强。当强度达到足够水平时，科学家就能进行特定的光学过程，实现传感等高级功能。该研究的主要作者之一、电气与计算机工程专业四年级博士生布莱特·卢（Bright Lu）表示：“我们的研究旨在让这些谐振器在未来应用中使用更少的光功率。未来，这些微型谐振器有望应用于从导航到化学物质识别等多种传感器。”这项研究发表在《应用物理快报》（Applied Physics Letters）上。

为实现更强性能，研究团队将重点放在“跑道形”谐振器上，因其细长的环形结构类似跑道而得名。他们融入了“欧拉曲线”——一种在道路和铁路设计中也会用到的平滑曲线。就像车辆无法高速通过突然的直角转弯一样，光在尖锐拐角处的传播效率也很低。该项目的联合顾问、谢泼德电气工程教授元·帕克（Won Park）表示：“这些跑道形曲线将弯曲损耗降至最低。我们的设计选择是该项目的关键创新点。”通过引导光穿过精心设计的平缓曲线，研究人员显著减少了光的逃逸量。这使得光子能在谐振器内循环更长时间，相互作用也更强烈。卢解释道，过多的光损耗会阻碍设备达到最佳运行所需的高强度。

这些微型谐振器是在科罗拉多纳米制造与表征共享仪器中心（COSINC）的洁净室中，使用新型电子束光刻系统制造的。这类设施能维持严格控制的环境，这对于制造极小尺寸的可靠设备至关重要。许多光学和光子元件比一张纸的宽度还小，因此即使是微小的灰尘颗粒或轻微的表面缺陷，都可能干扰光在其中的传播。卢表示：“传统光刻技术使用光子，本质上受限于光的波长。而电子束光刻则没有这种限制。利用电子，我们可以实现亚纳米分辨率的结构，这对我们的微型谐振器至关重要。”卢称制造过程是该项目最有成就感的部分之一。“洁净室太酷了。你操作着这些大型精密机器，然后能看到自己制作的只有几微米宽的结构图像。将一层薄薄的玻璃薄膜变成一个能工作的光学电路，这种感觉非常令人满足。”

该团队的一个重要里程碑是成功使用硫系玻璃（一类特殊的半导体玻璃）制造出这些器件。帕克说：“硫系玻璃具有高透明度和非线性特性，是光子学的优良材料。我们的研究成果即使不是性能最佳的硫系玻璃器件，也堪称其中之一。”硫系玻璃能让强光以最小损耗通过，这对高性能微型谐振器至关重要。同时，它们也是难以加工的材料，在制造过程中需要仔细平衡各种条件。与帕克合作该项目超过10年的朱丽叶·戈皮纳斯（Juilet Gopinath）教授表示：“对于光子非线性器件而言，硫系玻璃虽然难以操作，但成果丰硕。我们的结果表明，将弯曲损耗降至最低，能制造出与其他材料平台最先进水平相当的超低损耗器件。”

制造完成后，这些器件在专攻激光测量的物理学博士生詹姆斯·埃里克森（James Erikson）的带领下进行了评估。他将激光与微型波导精确对准，使光进出谐振器，同时监测其内部行为。研究团队在透射光信号中寻找表明共振的“凹陷”——当光子被捕获并在结构内循环时就会发生共振。通过研究这些凹陷的形状，他们能够确定吸收和热效应等特性。埃里克森说：“器件质量最明显的指标是共振的形状，我们希望它们深而窄，就像一根针穿透信号背景。我们追求这种谐振器已经很久了，当在新器件上看到尖锐的共振时，我们立刻知道终于成功了。”埃里克森指出，了解光的吸收量与透射量之比对器件性能至关重要。增加激光功率会导致发热，进而改变材料特性甚至损坏器件。“大多数材料与光的相互作用方式也会随材料温度变化，”埃里克森说，“因此，当器件温度升高时，其特性会发生变化，导致工作方式改变。”

展望未来，这些微型谐振器可用于制造紧凑型微型激光器、高灵敏度化学和生物传感器，以及量子计量和网络工具。卢说：“许多光子元件，如激光器、调制器和探测器正在研发中，像我们这样的微型谐振器将有助于把所有这些元件连接起来。最终目标是制造出可以交给制造商进行大批量生产的产品，一次就能生产数十万个。”