光学微腔特性研究及其应用

光学微腔光学微腔概述光学微腔是一种能够把光场限制在微米量级区域中的光学谐振腔。它利用在介电常数不连续的材料界面的反射、散射或衍射，将光能量限制在很小的区域内来回振荡，从而增加光子寿命，减少光场模式数目。当增益介质(偶极子)置于微腔中，它的自发辐射性质受到局域真空场的显著调制，因此产生低阈值的激光。普通谐振腔光学微腔光学微腔的研究背景集成光路包括光波的发射、传输、调制-解调、上载、下载、接收、存储、显示等一系列的过程。近年来，随着微电子学的薄膜工艺提高,研究者们将微波理论和激光技术相结合，采用微纳加工技术在各种均匀的光学材料中制备各种波长尺度的结构来控制光信号的传播或产生新的物理效应，从而创造出新型光子学器件。微腔型光电子器件正式基于此背景提出的。这类器件具有尺寸小、易于集成、功耗低以及品质因子高等优点，在信号的发射、处理和传感等方面表现出很大的前景，例如高性能光源，光存储器、光开关、密集波分复用系统(DWDM)的上下载滤波器以及生化传感器等。除此之外，由于光学微腔可以在极小的空间内产生巨大的光强，同时降低了腔内模式数目，影响腔内物质原子的自发福射特性，因此在揭示物质世界本质的自然科学领域。光学微腔分类依据工作介质不同1.有源微腔：“有源”是指腔内的工作介质具有增益，这类微腔在外部光激励或者电激励的时通过谐振腔的模式选择产生激光出射2.无源微腔：“无源”指腔内工作介质无增益，这种微腔主要通过微腔的本征光学模式选择对入射光进行调制，主要应用于信号处理中的滤波器、光开关、或者传感器等。光学微腔分类依据腔体对光场的不同限制机理1.法布里波罗型微腔（FP型微腔）其有源区多为量子阱材料，有源区上下两边分别由具有极高反射率的反射镜组成，光在两个反射镜中反射形成谐振。FP型微腔的反射镜多为分布布拉格反射(DistributedBraggerReflector,DBR)。对于FP微腔,由于其腔长短,单程增益小，因此只有FP腔镜面具有很高的反射率时才能形成高品质因子腔。对于半导体材料来说，由于各层材料之间的折射率相差较小，单层DBR的反射率较低，一般需要精密生长二十对左右的DDB才能达到99%以上的镜面有效反射率。而且，由于FP型微腔激光器的出光方向垂直于表面，非常适合于制作高密度的二维激光器阵列。其中，具有代表性的FP型微腔激光器是垂直腔面反射激光器(Vertical-CavitySurface-EmittingLaser,VCSEL)。光学微腔分类2.光子晶体微腔（PC型微腔）光子晶体是一种具有周期性介电常数的材料，由于光子带隙的存在只有特定波长的光才能通过。当周期结构中引入缺陷形成一个微腔，光子带隙中出现相应的缺陷态能级,频率在缺陷能级的光在光子晶体中沿着缺陷传播或局域化振荡，因此可以像F-P微腔一样控制光场的分布。由于这种腔是在期性结构中人工引入的缺陷，它的模式体积非常小，并且通过微纳加工技术准确的控制缺陷腔的形状和谐征波长，因此在激光器、滤波器、传感器和量子信息领域得到广泛应用。光学微腔分类3.回音壁式微腔（WG式微腔）光波在腔内沿环形回路形成谐振，并通过腔内高折射率介质与外部低折射率介质所构成的全反射界面来形成对光的强限制。按腔的形状，WG型腔可分为环形腔和多边形腔，其中环形腔包括微球、微盘、微环、微柱等；多边形腔则包括三角形、四边形、甚至六边形腔。通过圆形微腔，我们可以用全反射理论很容易地理解回音壁模式。如图所示，光线从A点沿微腔边缘传播，入射角为。由于旋转对称性，光线在腔内能够以同一入射角持续全反射。在有限次反射之后，光线会回到原点A。当满足相位匹配条件，在谐振腔内会形成等间距的共振模，这种模式就称为回音壁模式。回音壁式微腔（WG型微腔）理论分析无论是三维的微盘还是二维的微环，它们的回音壁模式分析都可以通过有效折射率法和不同的边界条件设定简化为二维的微盘的本征模式分析。二维的微盘的回音壁模式在柱坐标下可以严格地分解成横电模（TE）和横磁模（TM）两者都可以通过Maxwell方程得到对应的Helmholtz方程：式中，是谐振模式在真空中的波长，是真空中的光传播速度是回音壁模式的有效折射率。在二维的情况下，我们不考虑垂直方向的电磁波，在柱坐标下Helmholtz方程可以写为：上式中的变量是不相关的，因而上式可以分离变量成为以下两个方程：2222(/c)0effn2/cceffn2222,(/c)(,)0reffnr,r回音壁式微腔（WG型微腔）其中，可得上式中是归一化因子。再利用回音壁模式的物理特征简化上述方程，假设微盘的外面的场处处为零，即可得，222222(r)(r)(krN)R(r)0ddrRrRdrdr222()()0dMd/effknc,,(r,)(rn/)eiMMNMNeffAJc,MNA(R,)0,,MNMNeffXcnR回音壁式微腔（WG型微腔）其中是阶贝塞尔函数的阶零点值，是微盘的半径，对应模式的角向分布，对应模式的径向分布。对于高阶贝塞尔函数而言相应的（为正整数）因此上式简化为：,MNXMNRMN,MNXL2effMRnLL回音壁式微腔（WG型微腔）自由光谱范围相邻纵模的波长或者频率间隔定义为自由光谱范围(FreeSpectrumRange，FSR)，它是实验中判别微腔光学模式是否符合回音壁模式的一个重要依据。根据下式可得第M阶和M+1阶模式间隔为：如果用表示模式的有效半径，则有：212MMeffnReffR22effnR回音壁式微腔（WG型微腔）品质因子品质因子(Qualityfactor，一般用Q表示)是光学模式的一个最基本的物理量，用于表征谐振腔中能量衰减的快慢或其存储能量的能力。Q的定义很多，不同定义之间可能相差一个常数，最普遍的定义方式：其中U为腔内储存的总能量，为单位时间内损耗的能量，即耗散功率，为光场的圆频率，，其中为光场频率。Q可以和腔内光学模式的光子寿命以及谐振宽度联系起来，具体关系为，，其中和分别为光子寿命和频率谐振宽度。/UUQPdUdt/PdUdt22CQ/QC回音壁式微腔制作方法近年来不断发展的微细加工技术以及纳米技术，使得以各种天然和人工合成材料为基础制造各种特异形状的光微谐振腔成为可能。集成化的微环以及微盘谐振腔与光学晶体缺位微腔通常是使用已经比较丰富的集成电路微细加工工艺如镀膜、光刻以及刻蚀技术在基片上制作而成。在制造过程中，基片经过的制作流程基本上有三个：基片准备光刻刻蚀回音壁式微腔制作流程图基片准备第一步包括在基片表面不同成分或者厚度的功能膜层的生成，来得到所需要的垂直方向结构。膜层的生成可根据选用材料的不同使用不同的膜层生成方式，例如分子束外延(MBE)，化学或物理气相沉积，以及膜层粘接等等。具体如何选择生成方式与所要得到的微谐振腔结构、材料以及要求的制造精度密切相关。例如，半导体材料通常要使用几步连续的生长来得到垂直结构，而高分子聚合物层只需要简单地涂敷在基片上即满足要求。光刻光刻过程可将谐振腔的结构形状通过多步的光刻转移至基片表面首先将对光敏感的光刻胶通过形状甩胶或者是提拉涂胶的方法，涂敷在基片的表面其后，将掩模板放置在基片上，光只能从掩模板的空隙处透过，而图形处的光被挡住，将图形转移到表面的光刻胶上；依照所要求的谐振腔的形状、尺寸和制造精度的要求，可以选用不同类型的曝光手段，其中包括：可见光曝光、极紫外线曝光，X射线曝光以及电子束曝光，在曝光过程中,受到光的作用的光刻胶会产生交连或者裂解。因此在曝光以后将基片浸没在显影液中，可以去除发生反应的部分光刻胶，称之为显影。经过如上的曝光、显影过程以后，掩模上的图形已经转移成为光刻胶图形。在图形的特定区域内，基片表面有光刻胶覆盖，而其他区域则相反。无光刻胶保护的区域用一定的刻蚀手段进行刻蚀，去除表面要求厚度的材料，形成与掩模板相类似的图形，即为刻蚀所得谐振腔图形。刻蚀化学溶液腐蚀方法是一种常用的刻蚀方法，它可以选择性地融解浸没在酸性溶液中的基片暴露在外的二氧化硅部分。但是，如果要求制作的微谐振腔具有垂直或大倾斜角的侧壁，那么就要求必须使用干法刻蚀干法刻蚀发展到现在，也已经有很多种类，其中最为广泛应用的等离子体刻蚀，其工作原理为通过射频放电导致的等离子体产生的离子与被刻蚀基片物质反应，生成可挥发的气相产物，被真空系统抽出。干法刻蚀还包括溅射刻蚀、离子铣（离子束刻蚀）、反应刻蚀以及反应离子束刻蚀。除干法刻蚀外，还有一种刻蚀为阳极浸蚀法，即应用附加电场作用的湿法腐蚀，由于电极的作用使得刻蚀具有一定的方向性。在刻蚀工作结束后，残余的光刻胶按照光刻胶种类的不同被使用丙酮或者其他的有机溶剂去除。微腔应用近年来，随着微纳加工技术和半导体工艺的逐渐成熟，光学微腔得到了快速发展。基于品质因子高、谱宽窄、有效模体积小、振荡阈值低等一系列突出优势，光学微腔在低阈值激光器、腔量子电动力学（QED）、生物探测、高性能滤波器等领域得到了广泛应用。低阈值激光器产生激光振荡，必须满足谐振腔内反转粒子数大于阈值反转粒子数。腔内最初的光场是自发辐射场，当达到阈值条件时，才开始发生受激辐射。而光学微腔相对于传统谐振腔，由于光子与腔内原子发生量子相互作用，使得原子的自发辐射概率大大增强，明显降低了微腔的振荡阈值。2013年，Takahashi等通过光子晶体线缺陷腔成功制备低阈值拉曼硅基激光器。其输出功率与抽运功率关系曲线如图所示。从图可以看出，当抽运功率达到几微瓦，就产生了拉曼激光输出。滤波器1997年，Little等人提出了基于波导和微环腔的耦合系统，用以实现通信信道中的滤波。在这个方案中使用一个波导与微环耦合作为输入端，同时微环再与另一个波导耦合作为输出。如图所示光路中，输入通道中的信号光仅有频率与腔的谐振频率一致的光可以耦合进微腔中，从而达到滤波的效果。生物探测由于高Q值，外界环境的扰动会导致回音壁模式微腔谱线的位置变化显著，很容易被观测到，从而实现某些特殊的参数的检测，被认为在传感方面有重大前景。腔量子电动力学自1916年爱因斯坦首次提出自发辐射概念后，很长一段时间内，人们都认为自发辐射是原子的固有性质，不可改变。实际上，自发辐射是原子与真空电磁量子涨落的相互作用过程。当原子处于尺度在波长量级的微腔中，由于腔内真空的量子起伏受到腔体边界条件的制约，原子的自发辐射特性发生改变。腔量子电动力学就是要研究微腔中原子与光场的量子相互作用过程，对量子光学的发展具有十分重要的意义。当原子体系与腔内电磁场相互作用处于弱耦合状态下时，谐振腔内的自发辐射会产生增强或抑制等效应。当两者处于强耦合状态下时，此时系统处在非经典的状态下，在这种状态下出现了单原子激光、光子阻塞、真空Rabi劈裂以及Rabi振荡等一系列量子现象。基于这些现象，新型灵敏光电子器件、纠缠操控以及可控单光子源都得到了快速发展。谢谢！