集成微腔的光場(chǎng)成像研究文獻(xiàn)綜述為了深入研究集成微腔內(nèi)部光子與物質(zhì)的相互作用，需要掌握特定諧振模式在腔內(nèi)的光場(chǎng)分布情況，國(guó)內(nèi)外科研人員在該領(lǐng)域進(jìn)行了一系列的探索。圖11納米金屬尖端引起的磁擾動(dòng)示意圖[80]Figure11Schemeofthemagneticperturbationinducedbythenanometricmetallictip[80]a)帶有磁場(chǎng)的金屬尖端置于待測(cè)樣品上a)Ametallictipwithamagneticfieldplacedonthesamplesurfacetobetestedb)通過金屬環(huán)的磁通量感應(yīng)出磁矩b)Magneticmomentinducedbythemagneticfluxthroughoutthemetallicring2010年，意大利佛羅倫薩大學(xué)的研究人員利用近場(chǎng)掃描顯微鏡的金屬探針測(cè)量嵌有量子點(diǎn)的光子晶體微腔[80]，其工作原理如圖1-1所示。根據(jù)法拉第-諾依曼定律，探針尖端鍍有鋁膜的導(dǎo)電圓環(huán)會(huì)受到微腔外部的磁場(chǎng)而感應(yīng)出電流。導(dǎo)電圓環(huán)會(huì)同時(shí)產(chǎn)生與感應(yīng)磁場(chǎng)相反的磁矩，給光子晶體微腔的倏逝場(chǎng)引入了磁場(chǎng)微擾，從而造成腔內(nèi)本征模式的頻率偏移，精確測(cè)量頻率的偏移量即可實(shí)現(xiàn)微腔內(nèi)的光場(chǎng)成像。根據(jù)以上原理，科研人員測(cè)量了光子晶體微腔的的發(fā)光光譜，得到兩個(gè)不同頻率的諧振模式，再利用金屬探針在微腔四周近場(chǎng)掃描，測(cè)量出光譜強(qiáng)度的變化，得到兩個(gè)不同模式的光場(chǎng)分布如圖1-2b)和d)所示。通過與仿真結(jié)果對(duì)比，可以看到左側(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果在細(xì)節(jié)分辨上還有一定的提升空間。探針近場(chǎng)掃描顯微技術(shù)依靠提取倏逝波信息實(shí)現(xiàn)對(duì)微腔內(nèi)部的光場(chǎng)成像，受到科研人員的追捧。然而，該技術(shù)需要靈敏度極高的精細(xì)探針去重構(gòu)光場(chǎng)，附加復(fù)雜的反饋系統(tǒng)，在整個(gè)操作過程中需要精確控制探針，維持在納米量級(jí)的高度不變。為了提高成像分辨率，需要探針盡可能的靠近腔體外表面。這一系列要求大大提高測(cè)量成本，也限制該技術(shù)的推廣應(yīng)用。對(duì)于具有超高Q值的諧振模式，探針對(duì)腔外倏逝波帶來的微擾，會(huì)影響腔內(nèi)模式的光場(chǎng)實(shí)際分布[81]。此外，對(duì)于鍍有介質(zhì)保護(hù)層的微腔，利用探針無法近距離地提取腔外呈指數(shù)衰減的倏逝場(chǎng)。因此，科研人員試圖尋找其他辦法替代類似的物理接觸。圖12兩個(gè)不同模式的實(shí)驗(yàn)和仿真光場(chǎng)分布圖[80]Figure12Twodifferentmodesofexperimentalandsimulatedfielddistribution[80]a,b)兩個(gè)不同模式的實(shí)驗(yàn)光場(chǎng)分布a,b)Theexperimentalfielddistributionoftwodifferentmodesc,d)兩個(gè)對(duì)應(yīng)模式的仿真光場(chǎng)分布c,d)Thesimulatedfielddistributionoftwocorrespondingmodes2012年，倫敦國(guó)王學(xué)院的R.Sapienza等人利用電子束掃描無源的光子晶體微腔[82]，探測(cè)出射的電子成功掃描到腔內(nèi)多個(gè)諧振模式，另外也有一些課題組通過測(cè)量電子衰減的能量來描繪光場(chǎng)的分布[83-86]。2016年，美國(guó)馬里蘭大學(xué)研究小組提出用聚焦的鋰離子束作為“探針”去掃描硅基微腔表面[87]。采用離子束的優(yōu)點(diǎn)是無需接觸腔體的邊緣，不會(huì)對(duì)腔外的倏逝場(chǎng)帶來微擾，整個(gè)測(cè)量過程降低了對(duì)離子束“探針”的操作難度，測(cè)量裝置和工作原理如圖1-3a)所示。一束激光從可調(diào)諧激光器輸出經(jīng)過光纖耦合進(jìn)片上波導(dǎo)，再?gòu)膫?cè)邊耦合進(jìn)圓盤微腔中，在輸出端被光電探測(cè)器接收。將鋰離子束加速后聚焦在微盤腔表面，高能的鋰離子將硅晶格打出空位缺陷。大量缺陷態(tài)會(huì)導(dǎo)致諧振模式的中心波長(zhǎng)發(fā)生偏移，透射光譜的強(qiáng)度也隨之變化。利用該方法，研究人員對(duì)圓形微腔內(nèi)不同階數(shù)的回音壁模式進(jìn)行了光場(chǎng)分布測(cè)量。考慮到待測(cè)對(duì)象具有中心對(duì)稱性，研究人員僅沿軸線方向測(cè)量了一維光場(chǎng)強(qiáng)度分布圖。實(shí)驗(yàn)中選擇三個(gè)不同的諧振模式，將其透射率的變化分別描繪成曲線，發(fā)現(xiàn)不同模式存在不同數(shù)量的峰值，結(jié)合模擬計(jì)算得到電場(chǎng)能量密度的強(qiáng)度分布圖，可以判斷該模式依次為基模、一階模和二階模。圖13聚焦離子束測(cè)量系統(tǒng)[87]Figure13Focusedionbeammeasurementsystem[87]a)測(cè)量裝置示意圖a)Schematicofmeasuringdeviceb)微盤腔波導(dǎo)耦合結(jié)構(gòu)電鏡照片b)TheSEMofthemicrodiskandcouplingwaveguidec)微盤腔表面注入鋰離子示意圖c)Schematicoflithiumionimplantationatthemicrodisksurface聚焦的離子束直徑在100nm左右，因此用其掃描光場(chǎng)能獲得很高的分辨率。為了證明優(yōu)越性，該小組在2017年推出了新的工作[88]，如圖1-4所示。通常在完美的圓形微腔內(nèi)，由于旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性，順時(shí)針（Clockwise,CW）和逆時(shí)針（Counterclockwise,CCW）分量是一對(duì)簡(jiǎn)并模式。然而，微納制備上存在的誤差缺陷會(huì)打破圓腔的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性，使得諧振模式的透射光譜由一個(gè)峰劈裂成兩個(gè)峰，雙峰分別對(duì)應(yīng)CW和CCW行波耦合產(chǎn)生的兩個(gè)能量不同的駐波模式對(duì)?？蒲腥藛T利用二維逐點(diǎn)掃描其中短波長(zhǎng)的諧振，成功描繪出高低能量的駐波節(jié)點(diǎn)，如圖1-4a)所示。然而，高能的離子束將硅基微腔的晶格轟擊出大量的空位缺陷，經(jīng)科研人員統(tǒng)計(jì)平均一個(gè)離子會(huì)激發(fā)出70個(gè)空位。大量的缺陷態(tài)給微腔帶來不可逆轉(zhuǎn)的損傷，最直接的表現(xiàn)就是Q值的降低和諧振波長(zhǎng)的永久偏移。實(shí)驗(yàn)表明，對(duì)于直徑10μmQ值為30000的諧振模式，經(jīng)過12次徑向離子束掃描后，其Q值降低了15%。圖14微腔內(nèi)部駐波光場(chǎng)成像[88]Figure14Imagingofopticalstandingwavefieldinsidethemicrocavity[88]a)TM偏振駐波光場(chǎng)成像實(shí)驗(yàn)圖a)TheexperimentalfieldimagingofTMpolarizationstandingwavemodec)微盤腔波導(dǎo)耦合結(jié)構(gòu)電鏡照片c)TheSEMofthemicrodiskandcouplingwaveguideb)對(duì)應(yīng)駐波光場(chǎng)分布仿真圖b)ThesimulatedfielddistributionofcorrespondingTMstandingwavemoded)測(cè)量駐波模式的諧振透射光譜d)Thetransmittancespectrumofthemeasuredstandingwavemode同一時(shí)期，英國(guó)南安普頓大學(xué)的Roman課題組提出用超快光調(diào)制技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)硅基圓環(huán)微腔的光場(chǎng)成像[89]，設(shè)計(jì)思路如圖1-5所示。圖15超快光調(diào)制光場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)[89]Figure15Opticalsetupformappingfieldbyultrafastphotomodulationspectroscopy[89]一束重復(fù)頻率為250kHz脈寬為150fs的400nm泵浦激光經(jīng)物鏡聚焦在圓環(huán)微腔上表面，另外一束1550nm的探測(cè)脈沖激光耦合到片上系統(tǒng)，再由波導(dǎo)耦合進(jìn)圓環(huán)微腔，透射光經(jīng)光柵耦合器輸出被光譜儀采集。該課題組前期驗(yàn)證[90]，400nm的飛秒激光泵浦在SOI波導(dǎo)上可以產(chǎn)生濃度超過1022cm-3的自由載流子，使波導(dǎo)中的TE基模有效折射率至少降低0.4，在幾微米的范圍內(nèi)其相位偏移超過2π，同時(shí)帶來諧振中心波長(zhǎng)的偏移和透射率的變化。在光場(chǎng)掃描過程中，定義T為未調(diào)制時(shí)待測(cè)模式的透射率，T為脈沖激光調(diào)制時(shí)透射率的改變量，用T/T定義調(diào)制的強(qiáng)度，利用該參數(shù)即可實(shí)現(xiàn)對(duì)圓環(huán)腔內(nèi)的光場(chǎng)成像。移動(dòng)物鏡在圓環(huán)微腔上表面進(jìn)行二維掃描，得到的場(chǎng)分布如圖1-6所示。1-6a)圖展示的是光譜諧振處受到調(diào)制時(shí)透射率變化和調(diào)制強(qiáng)度的變化，分別在5個(gè)不同波長(zhǎng)處探測(cè)，得到的結(jié)果如圖1-6b-f)所示。其中b)和c)中的探測(cè)波長(zhǎng)小于諧振中心波長(zhǎng)，調(diào)制的結(jié)果造成諧振藍(lán)移從而使透射率降低。當(dāng)探測(cè)波長(zhǎng)逐漸靠近諧振波長(zhǎng)，透射率明顯增強(qiáng)，調(diào)制強(qiáng)度從負(fù)轉(zhuǎn)正。在五幅圖中，波導(dǎo)均顯示為藍(lán)色條紋，因?yàn)樗皇侵C振結(jié)構(gòu)，和激發(fā)的自由載流子吸收無關(guān)。圖16空間光場(chǎng)成像圖[89]Figure16Spatialfieldmaps[89]a)未調(diào)整和調(diào)整后的微環(huán)透射光譜a)SketchoftheuntunedandtunedtransmissionspectraTofaringb-f)不同波長(zhǎng)處的光場(chǎng)分布實(shí)驗(yàn)圖b-f)Theexperimentalfielddistributionatdifferentwavelengths參考文獻(xiàn)LeeH-K,ChoH-S,KimJ-Y,etal.AWDM-PONwithan80Gb/sCapacityBasedonWavelength-LockedFabry-PerotLaserDiode[J].OpticsExpress,2010,18(17):18077-18085.LinG-R,LiaoY-S,ChiY-C,etal.Long-CavityFabry-PerotLaserAmplifierTransmitterwithEnhancedInjection-LockingBandwidthforWDM-PONApplication[J].JournalofLightwaveTechnology,2010,28(20):2925-2932.MondalS,RoycroftB,LambkinP,etal.AMultiwavelengthLow-PowerWavelength-LockedSlottedFabry-PerotLaserSourceforWDMApplications[J].IEEEPhotonicsTechnologyLetters,2007,19(10):744-746.ShihFY,YehCH,ChowCW,etal.UtilizationofSelf-InjectionFabry-PerotLaserDiodeforLong-ReachWDM-PON[J].OpticalFiberTechnology,2010,16(1):46-49.BarwiczT,PopovicMA,RakichPT,etal.Microring-Resonator-BasedAdd-DropFiltersinSiN:FabricationandAnalysis[J].OpticsExpress,2004,12(7):1437-1442.HryniewiczJ,AbsilP,LittleB,etal.HigherOrderFilterResponseinCoupledMicroringResonators[J].IEEEPhotonicsTechnologyLetters,2000,12(3):320-322.LittleB,ChuS,AbsilP,etal.VeryHigh-OrderMicroringResonatorFiltersforWDMApplications[J].IEEEPhotonicsTechnologyLetters,2004,16(10):2263-2265.LittleBE,ChuST,HausHA,etal.MicroringResonatorChannelDroppingFilters[J].JournalofLightwaveTechnology,1997,15(6):998-1005.ChenW,?zdemir?K,ZhaoG,etal.ExceptionalPointsEnhanceSensinginanOpticalMicrocavity[J].Nature,2017,548(7666):192-196.HeL,?zdemir?K,ZhuJ,etal.DetectingSingleVirusesandNanoparticlesUsingWhisperingGalleryMicrolasers[J].NatureNanotechnology,2011,6(7):428-432.LuT,LeeH,ChenT,etal.HighSensitivityNanoparticleDetectionUsingOpticalMicrocavities[J].ProceedingsoftheNationalAcademyofSciences,2011,108(15):5976-5979.WardJM,YangY,LeiF,etal.NanoparticleSensingBeyondEvanescentFieldInteractionwithaQuasi-DropletMicrocavity[J].Optica,20