集成光學(xué)微腔技術(shù)發(fā)展研究文獻(xiàn)綜述目錄TOC\o"1-3"\h\u11623集成光學(xué)微腔技術(shù)發(fā)展研究文獻(xiàn)綜述 1133701.1集成微腔的光場成像研究 152551.2集成微腔中的模式耦合與調(diào)控研究 6249621.3集成微腔中的激光研究 1031681.4集成微腔中的傳感應(yīng)用研究 151029參考文獻(xiàn) 18集成光學(xué)微腔是一種利用諧振效應(yīng)將光子局限在微米空間中的光學(xué)器件。微腔的Q值越高意味著腔體局限光子的能力更強(qiáng)，光子長時(shí)間在其中諧振增強(qiáng)了光與物質(zhì)的相互作用。目前，基于回音壁模式的光學(xué)微腔相對容易獲得很高的Q值，因而備受科研人員的青睞。其工作原理可用線光學(xué)理論定性解釋為：在一個(gè)高折射率介質(zhì)的腔體中，光從其中向低折射率介質(zhì)傳輸時(shí)，當(dāng)入射角度大于等于全反射角，光就在界面處發(fā)生全反射。在腔體內(nèi)全反射一周的光程恰好是波長的整數(shù)倍，該頻率的光將在腔內(nèi)發(fā)生諧振，并且形成穩(wěn)定的光場分布。隨著微納加工技術(shù)的不斷成熟，光學(xué)微腔向集成化高速發(fā)展，在科研界掀起了一陣研究熱潮。早在上世紀(jì)60年代，貝爾實(shí)驗(yàn)室首次制備出摻Sm的CaF2晶體微腔并且觀察到激光出射的現(xiàn)象[73]。1981年，Ashkin等人發(fā)現(xiàn)懸浮的液滴在表面張力作用下，外表面非常光滑均勻，成功的利用球形液滴作為光學(xué)微腔并研究了激光特性[74]。然而，液滴穩(wěn)定性較差且對實(shí)驗(yàn)環(huán)境要求很高限制了其實(shí)際應(yīng)用。為此，科研人員將目標(biāo)再次轉(zhuǎn)移到固體介質(zhì)的光學(xué)微腔上。1989年，莫斯科大學(xué)的Braginsky等人利用加熱熔融的二氧化硅類比懸浮液滴，在張力作用下同樣獲得表面超光滑的固態(tài)二氧化硅微球腔，測量其Q值高達(dá)108[75]。由于制備簡單、材料成本低廉且具有很高的穩(wěn)定性，二氧化硅球形微腔成為當(dāng)時(shí)科研人員的研究熱點(diǎn)。2003年，加州理工學(xué)院Armani等人利用熱回流工藝對二氧化硅腔邊緣進(jìn)行了光滑處理，首次制備出片上集成的微環(huán)芯腔[76]。為了提高傳統(tǒng)棱鏡和光學(xué)微腔之間的耦合效率，Vahala等人利用熱拉法制備出拉錐光纖，通過調(diào)節(jié)耦合區(qū)域拉錐光纖的直徑和光纖與腔體之間的間距，實(shí)現(xiàn)了高達(dá)99%的耦合效率[77-79]。集成光學(xué)微腔由于具有高Q值、窄線寬和小模式體積，被廣泛應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域?；诖?，本文接下來將從集成微腔在模場成像、腔內(nèi)模式耦合、鈣鈦礦低閾值激光及高靈敏傳感探測方面展開詳細(xì)介紹。1.1集成微腔的光場成像研究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)的光場分布情況，國內(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)帶有磁場的金屬尖端置于待測樣品上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掃描顯微鏡的金屬探針測量嵌有量子點(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)磁場相反的磁矩，給光子晶體微腔的倏逝場引入了磁場微擾，從而造成腔內(nèi)本征模式的頻率偏移，精確測量頻率的偏移量即可實(shí)現(xiàn)微腔內(nèi)的光場成像。根據(jù)以上原理，科研人員測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掃描，測量出光譜強(qiáng)度的變化，得到兩個(gè)不同模式的光場分布如圖1-2b)和d)所示。通過與仿真結(jié)果對比，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。探針近場掃描顯微技術(shù)依靠提取倏逝波信息實(shí)現(xiàn)對微腔內(nèi)部的光場成像，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，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量成本，也限制該技術(shù)的推廣應(yīng)用。對于具有超高Q值的諧振模式，探針對腔外倏逝波帶來的微擾，會(huì)影響腔內(nèi)模式的光場實(shí)際分布[81]。此外，對于鍍有介質(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。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)和仿真光場分布圖[80]Figure12Twodifferentmodesofexperimentalandsimulatedfielddistribution[80]a,b)兩個(gè)不同模式的實(shí)驗(yàn)光場分布a,b)Theexperimentalfielddistributionoftwodifferentmodesc,d)兩個(gè)對應(yīng)模式的仿真光場分布c,d)Thesimulatedfielddistributionoftwocorrespondingmodes2012年，倫敦國王學(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量電子衰減的能量來描繪光場的分布[83-86]。2016年，美國馬里蘭大學(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)對腔外的倏逝場帶來微擾，整個(gè)測量過程降低了對離子束“探針”的操作難度，測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)，再從側(cè)邊耦合進(jìn)圓盤微腔中，在輸出端被光電探測器接收。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，研究人員對圓形微腔內(nèi)不同階數(shù)的回音壁模式進(jìn)行了光場分布測量。考慮到待測對象具有中心對稱性，研究人員僅沿軸線方向測量了一維光場強(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聚焦離子束測量系統(tǒng)[87]Figure13Focusedionbeammeasurementsystem[87]a)測量裝置示意圖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)對稱性，順時(shí)針（Clockwise,CW）和逆時(shí)針（Counterclockwise,CCW）分量是一對簡并模式。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?？蒲腥藛T利用二維逐點(diǎn)掃描其中短波長的諧振，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的永久偏移。實(shí)驗(yàn)表明，對于直徑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)部駐波光場成像[88]Figure14Imagingofopticalstandingwavefieldinsidethemicrocavity[88]a)TM偏振駐波光場成像實(shí)驗(yàn)圖a)TheexperimentalfieldimagingofTMpolarizationstandingwavemodec)微盤腔波導(dǎo)耦合結(jié)構(gòu)電鏡照片c)TheSEMofthemicrodiskandcouplingwaveguideb)對應(yīng)駐波光場分布仿真圖b)ThesimulatedfielddistributionofcorrespondingTMstandingwavemoded)測量駐波模式的諧振透射光譜d)Thetransmittancespectrumofthemeasuredstandingwavemode同一時(shí)期，英國南安普頓大學(xué)的Roman課題組提出用超快光調(diào)制技術(shù)實(shí)現(xiàn)對硅基圓環(huán)微腔的光場成像[89]，設(shè)計(jì)思路如圖1-5所示。圖15超快光調(diào)制光場測量系統(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)帶來諧振中心波長的偏移和透射率的變化。在光場掃描過程中，定義T為未調(diào)制時(shí)待測模式的透射率，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)對圓環(huán)腔內(nèi)的光場成像。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)不同波長處探測，得到的結(jié)果如圖1-6b-f)所示。其中b)和c)中的探測波長小于諧振中心波長，調(diào)制的結(jié)果造成諧振藍(lán)移從而使透射率降低。當(dāng)探測波長逐漸靠近諧振波長，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)不同波長處的光場分布實(shí)驗(yàn)圖b-f)Theexperimentalfielddistributionatdifferentwavelengths1.2集成微腔中的模式耦合與調(diào)控研究擁有對微腔中光場的成像技術(shù)，就能更深入的研究腔內(nèi)不同諧振模式之間的相互作用，也更方便對其進(jìn)行人為調(diào)控，從而實(shí)現(xiàn)特定的功能。由于圓形微腔具有旋轉(zhuǎn)對稱性，導(dǎo)致內(nèi)部主要是回音壁模式，種類單一。尤其是有源圓形微腔，各向同性使其沿各個(gè)方向均能出射激光，大大降低了激光的利用效率，直至1997年耶魯大學(xué)Stone等人提出了變形微腔[91]，豐富的模式種類和可實(shí)現(xiàn)激光定向出射吸引了大量科研人員的關(guān)注。改變微腔變形度來打破旋轉(zhuǎn)對稱性，是在犧牲Q值的前提下，使激光定向出射[92-94]。2006年德國不來梅大學(xué)研究人員提出利用增強(qiáng)避免諧振交叉點(diǎn)處的動(dòng)態(tài)隧穿效應(yīng)[95]，在圓形微腔中將一個(gè)高Q值模式和低Q值但具有方向性出射的模式相互耦合，最終實(shí)現(xiàn)高Q值模式的定向出射。2010年普渡大學(xué)Narimanov等人在變形微盤諧振腔中觀察到激光遠(yuǎn)場出射方向的變化，發(fā)現(xiàn)腔內(nèi)模式存在穩(wěn)定態(tài)向混沌態(tài)的輔助隧穿現(xiàn)象[96]。一般情況下，諧振腔內(nèi)全反射的模式具有很強(qiáng)的穩(wěn)定性和很高的Q值。對于該研究中的矩形諧振模式，在相空間中的分布是具有固定周期的“島”，然而從遠(yuǎn)場圖案可以判斷該現(xiàn)象并非由穩(wěn)定的“島”結(jié)構(gòu)輻射產(chǎn)生，而是隧穿至混沌態(tài)后再向外輻射所致。實(shí)驗(yàn)上對該矩形模式進(jìn)行選擇性激發(fā)，利用紅外CCD觀察到激光的出射方向，驗(yàn)證了腔內(nèi)輔助隧穿的現(xiàn)象。圖17非厄密共軛系統(tǒng)中布里淵控制的狀態(tài)向量[102]Figure17Brillouincontrolofstatevectorsinanon-Hermitiansystem[102]a)微腔中雙重受激布里淵激光過程a)Dual-stimulatedBrillouinlaser(SBL)processinamicroresonatorb)泵浦光激發(fā)出布里淵增益帶寬內(nèi)的斯托克斯激光b)TheStokeslaserexcitedbypumplaserwithintheBrillouingainbandwidthc)雙重受激布里淵激光拍頻與泵浦失諧頻率的關(guān)系c)Thedependenceofthedual-SBLbeatingfrequencyonthepumpdetuningfrequency光學(xué)微腔內(nèi)部的模式相互耦合，達(dá)到某個(gè)臨界值會(huì)出現(xiàn)一些神奇的光學(xué)現(xiàn)象，通常將該臨界值稱為奇點(diǎn)[97-99]。2014年華盛頓大學(xué)的Yang課題組提出在兩個(gè)圓盤微腔耦合系統(tǒng)中，利用Cr探針動(dòng)態(tài)調(diào)控其中一個(gè)微腔的損耗，在該過程中會(huì)存在激光的抑制和恢復(fù)的現(xiàn)象[100]。當(dāng)?shù)陀谂R界值，增加損耗會(huì)湮滅激光，然而超過臨界值，隨著損耗的增加，激光會(huì)重新恢復(fù)。實(shí)驗(yàn)證明在奇點(diǎn)附近能夠?qū)p耗轉(zhuǎn)化為增益的新穎現(xiàn)象。2017年，該團(tuán)隊(duì)又在奇點(diǎn)處實(shí)現(xiàn)納米顆粒探測[101]。2019年加州理工學(xué)院Vahala課題組在實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證出光學(xué)陀螺儀在奇點(diǎn)附近能夠改善旋轉(zhuǎn)響應(yīng)[102]，如圖1-7所示。在微腔光纖耦合系統(tǒng)中，布里淵增益和色散的相位匹配顯示在奇點(diǎn)附近CW和CCW激光模式能夠受到精確控制。這種可控和相對穩(wěn)定的激光模式可以探測到系統(tǒng)對旋轉(zhuǎn)特性的響應(yīng)增強(qiáng)現(xiàn)象。經(jīng)測量在奇點(diǎn)附近，薩格納克系數(shù)增強(qiáng)了四倍。圖18操縱手性間接耦合回音壁模式微諧振器[109]Figure18IndirectlycoupledWGMmicroresonatorswithmanipulationofchirality[109]除此之外，微腔中模式相互作用還會(huì)出現(xiàn)電磁誘導(dǎo)透明現(xiàn)象[103-106]。2006年康奈爾大學(xué)Lipson課題組通過調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)尺寸，在兩個(gè)微環(huán)腔中觀察到該現(xiàn)象[107]。然而，實(shí)驗(yàn)方法對條件要求非?？量?，需要精確控制微腔之間的間距，這限制了它的實(shí)際應(yīng)用。2016年上海交通大學(xué)研究人員提出一種新的機(jī)制，利用四波混頻的增益非線性，將兩個(gè)分離的諧振模式耦合，可以觀察到明顯的法諾共振，此外四波混頻的單向增益會(huì)導(dǎo)致透明窗口處不可逆的傳輸現(xiàn)象[108]。2020年Yang課題組將奇點(diǎn)和電磁誘導(dǎo)透明現(xiàn)象結(jié)合在一起[109]，如圖1-8所示。在兩個(gè)不同尺寸的微盤腔系統(tǒng)中，向微腔表面轉(zhuǎn)移納米顆粒，它會(huì)對耦合進(jìn)腔的光有反射作用。將一根拉錐光纖調(diào)控較大尺寸的微腔至奇點(diǎn)處，此時(shí)只有一個(gè)本征態(tài)。控制本征態(tài)為不同的手性，可以實(shí)現(xiàn)電磁誘導(dǎo)透明現(xiàn)象的開啟和關(guān)閉。在長距離光信號傳輸中，為了實(shí)現(xiàn)高速光通信，單縱模激光器成為解決方案之一[110-113]。抑制其它分量的產(chǎn)生，可以有效減少色散影響，而這也可通過腔內(nèi)模式的相互作用來實(shí)現(xiàn)。2014年加州大學(xué)伯克利分校Zhang課題組提出利用打破宇稱-時(shí)間對稱性實(shí)現(xiàn)單模激光出射[114]，具體在單個(gè)InGaAsP環(huán)形微腔上鍍上Cr/Ge，形成增益和損耗區(qū)域周期性排列。同一時(shí)期，中佛羅里達(dá)大學(xué)研究人員制備兩個(gè)半徑10μm間距為200nm的圓環(huán)諧振腔，當(dāng)納秒激光泵浦其中一個(gè)微腔，旁邊的微腔作為損耗區(qū)域抑制了其他縱模的產(chǎn)生，邊模抑制比超過20dB，最終實(shí)現(xiàn)單縱模激光出射[115]，如圖1-9所示。圖19打破宇稱-時(shí)間對稱實(shí)現(xiàn)單模激光[115]Figure19Breakingtheparity-timesymmetrytorealizesingle-modelaser[115]通常情況下，微腔和光纖之間的耦合需要滿足相位匹配條件[116-118]，即滿足動(dòng)量守恒。然而，由于材料色散和波導(dǎo)色散的存在，微腔和光纖只能在一段很窄的光譜范圍內(nèi)滿足守恒條件，如何提高寬譜范圍內(nèi)的耦合效率成為科研人員的研究重點(diǎn)。2017年北京大學(xué)Xiao團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)在變形的光學(xué)微腔內(nèi)，通過混沌輔助作用，光子在皮秒量級會(huì)發(fā)生角動(dòng)量的快速轉(zhuǎn)變，當(dāng)混沌光子的角動(dòng)量和穩(wěn)定的回音壁模式角動(dòng)量接近時(shí)，兩者會(huì)發(fā)生隧穿效應(yīng)，從而使入射光子最終形成穩(wěn)定的回音壁模式[119]。這一研究表明，即使耦合光纖中的波導(dǎo)模式有效折射率明顯低于腔內(nèi)回音壁模式，也能在很短時(shí)間內(nèi)提高混沌模式的有效折射率最終轉(zhuǎn)變成回音壁模式，如圖1-10所示。為對比兩個(gè)不同機(jī)制在耦合效率上的差異，研究人員在500nm-2500nm波長范圍內(nèi)，計(jì)算了變形微腔和圓形微腔的耦合效率，結(jié)果顯示具有角動(dòng)量變換的變形微腔在耦合效率強(qiáng)度和耦合波長范圍上均優(yōu)于圓形微腔中的相位匹配耦合機(jī)制，最終在實(shí)驗(yàn)上也驗(yàn)證了該現(xiàn)象。圖110光學(xué)微諧振器中寬帶動(dòng)量轉(zhuǎn)換示意圖[119]Figure110Schematicofbroadbandmomentumtransformationinanopticalmicroresonator[119]a)變形微腔與納米波導(dǎo)耦合的電鏡照片a)ASEMofadeformedmicroresonatorcoupledwithanopticalnanowaveguideb)支持寬帶耦合的混沌輔助角動(dòng)量轉(zhuǎn)換原理圖b)Schematicforthechaosassistedmomentumtransformation–enabledbroadbandcouplingprocessc)變形微腔和圓腔與納米波導(dǎo)的耦合效率c)Couplingefficienciesofadeformedandacircularmicroresonatorcoupledwithananowaveguide1.3集成微腔中的激光研究作為形成激光的三大必要條件之一，光學(xué)微腔在低閾值激光器上有重大研究進(jìn)展。尤其是近幾年火熱的鈣鈦礦材料，它在光電應(yīng)用上表現(xiàn)出諸多優(yōu)異特性，例如單晶缺陷密度低[120,121]、吸收系數(shù)高[122]、載流子擴(kuò)散距離長[123]以及波長可調(diào)諧等。利用簡單的溶液法即可完成對鈣鈦礦單晶的生長，由于材料本身具有增益特性且晶體的形狀構(gòu)成了簡易的光學(xué)諧振腔，使得鈣鈦礦成為研究微納激光器的重要對象。鈣鈦礦單晶可以自主形成多種不同形狀的腔體，最常見的有方形片狀、納米線、微米線、微球等。2015年首都師范大學(xué)Fu課題組利用一步溶液法合成出大量的方形鈣鈦礦單晶[124]，該形狀的腔體容易形成四次反射的WGM激光。同一時(shí)期，哥倫比亞大學(xué)Zhu等人利用溶液法合成出高質(zhì)量的鈣鈦礦納米線[125]，在飛秒激光的泵浦下，線狀腔體內(nèi)形成FP模式激光出射。由于納米線單晶質(zhì)量高，出射激光的閾值低達(dá)220nJ/cm2，Q值達(dá)到3600。2016年湖南大學(xué)Pan團(tuán)隊(duì)采用氣相沉積的辦法，制備出截面呈三角形的納米線[126]。改變沉積前的反應(yīng)物種類，可以實(shí)現(xiàn)415-673nm的激光出射。2017年哈爾濱工業(yè)大學(xué)Song團(tuán)隊(duì)利用溶液法制備出純無機(jī)鈣鈦礦微米線，由于微米線的腔體結(jié)構(gòu)特殊，既能形成沿長軸方向諧振的FP模式激光，又能在某一截面處形成面內(nèi)的WGM激光，改變飛秒激光泵浦的位置，可以實(shí)現(xiàn)兩種不同模式的激光出射[127]。因?yàn)榫w缺陷密度低且截面內(nèi)的WGM損耗小，測量到該模式激光的Q值高達(dá)7000。圖111鈣鈦礦微球腔出射激光[128]Figure111Thelaseremittedfromperovskitemicrospheres[128]a,c)兩個(gè)微球的輻射激光光譜a,c)Laserspectraemittedfromtwomicrospheresb,d)對應(yīng)的數(shù)值仿真場分布b,d)Thecorrespondingnumericalsimulationsoffielddistributions2020年中科院研究人員采用化學(xué)氣相沉積的辦法制備出無機(jī)鈣鈦礦微球[128]，微球的直徑從500nm到2μm不等。科研人員利用微納操作將兩個(gè)不同尺寸的微球轉(zhuǎn)移到一起，間距約30nm。當(dāng)同時(shí)泵浦兩個(gè)微球并出射激光時(shí)，兩者發(fā)生耦合存在游標(biāo)效應(yīng)，可以實(shí)現(xiàn)線偏振、單縱模激光出射，如圖1-11所示。圖112大規(guī)模陣列鈣鈦礦微納激光器的制備[131]Figure112Fabricationoflarge-scalearraysofperovskitemicrolasers[131]陣列排布的集成微腔在激光顯示上具有重大應(yīng)用價(jià)值。2016年首都師范大學(xué)Fu課題組提出用溶液限制生長法一次性大批量合成出鈣鈦礦單晶陣列[129]。首先制備一個(gè)硅基的圓柱陣列作為微納模具，將聚二甲基硅氧烷懸涂在上表面，加熱使其凝固后得到一個(gè)圓孔陣列模板，將模板壓在涂有鈣鈦礦溶液的基底上，限制在圓孔陣列中的鈣鈦礦溶液最終成核結(jié)晶形成鈣鈦礦單晶陣列。通過改變?nèi)芤褐宣u族元素，該辦法實(shí)現(xiàn)了426nm-527nm的陣列激光出射。同年，南洋理工大學(xué)研究人員提出在二氧化硅基底上轉(zhuǎn)移一層六方氮化硼薄膜[130]，對薄膜進(jìn)行光刻和刻蝕，得到設(shè)計(jì)好的圖形陣列，再利用物理氣相沉積的工藝在其上生長鈣鈦礦單晶。陣列排布的氮化硼能夠幫助鈣鈦礦單晶成核并且起到覆蓋層的作用。改變氮化硼基本單元的大小可以控制鈣鈦礦晶體的尺寸，最終可以實(shí)現(xiàn)波長可調(diào)諧的陣列激光出射。2019年俄羅斯研究人員提出在鈣鈦礦薄膜上，利用圓形激光光束直寫，精確制備出鈣鈦礦微納激光器陣列[131]，如圖1-12所示。相對傳統(tǒng)的溶液法合成，該方法能精確控制微腔的尺寸，實(shí)現(xiàn)高速、大批量、重復(fù)性高的微納制備。為了將鈣鈦礦微腔出射的激光應(yīng)用到光子集成回路，科研人員做了一系列研究?？紤]光纖是光通信系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛的傳輸媒介，將鈣鈦礦微腔出射的激光和光纖高效率的耦合必將推進(jìn)其進(jìn)一步發(fā)展。2016年哈爾濱工業(yè)大學(xué)Song課題組提出微納轉(zhuǎn)移的辦法，將鈣鈦礦納米線轉(zhuǎn)移至單模拉錐光纖上[132]。納米線經(jīng)泵浦出射激光，可以高效的耦合進(jìn)光纖。為了和傳統(tǒng)方法對比，科研人員用一個(gè)40倍數(shù)值孔徑為0.6的物鏡從上方采集光譜，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明從光纖兩端采集到的光譜強(qiáng)度比物鏡采集高一個(gè)數(shù)量級，顯示出該方法的優(yōu)越性。同年，該課題組優(yōu)化了鈣鈦礦單晶生長工藝，能夠生長出片狀和線狀相連的混合體[133]。通過泵浦片狀單晶，鈣鈦礦出射的激光能從側(cè)面線狀單晶傳輸至末端。然而，可控且穩(wěn)定生長是該方法面臨的最主要挑戰(zhàn)。2017年德國科研人員利用氮化硅在可見光波段吸收低，實(shí)現(xiàn)與鈣鈦礦微腔出射激光耦合輸出[134]。制備一根氮化硅波導(dǎo)，鍍上一層二氧化硅，通過微納加工在二氧化硅層刻蝕出跑道型微腔溝道，將鈣鈦礦溶液旋涂進(jìn)溝道，形成鈣鈦礦微環(huán)諧振腔，如圖1-13所示。通過控制刻蝕深度，利用垂直耦合將鈣鈦礦出射的WGM激光耦合進(jìn)波導(dǎo)輸出。圖113氮化硅波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)鈣鈦礦激光耦合輸出[134]Figure113Theperovskitelasercoupledoutbysiliconnitridewaveguide[134]a)跑道型鈣鈦礦激光器的示意圖a)Sketchoftheracetrackperovskitelaserb)耦合區(qū)域的橫截面b)Crosssectionofthecouplingarea2018年該課題組又采用全刻蝕鈣鈦礦微盤腔的工藝，精確控制垂直耦合參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了閾值低達(dá)4.7μJ/cm2的激光高效率輸出[135]，如圖1-14所示。圖114參數(shù)精確可控的氮化硅波導(dǎo)與鈣鈦礦激光耦合輸出[135]Figure114Coupledoutputofsiliconnitridewaveguideandperovskitelaserwithpreciseandcontrollableparameters[135]a)鈣鈦礦微盤與氮化硅波導(dǎo)耦合示意圖a)Sketchofaperovskitemicrodiskcoupledwithsiliconnitridewaveguideb)微盤與波導(dǎo)耦合區(qū)域的橫截面b)Crosssectionofthemicrodiskcoupledwithwaveguide2016年中科院化學(xué)所Zhao研究團(tuán)隊(duì)提出以銀納米線為核生長鈣鈦礦單晶，最終形成鈣鈦礦單晶與銀納米線的混合體，即每根銀納米線嵌在鈣鈦礦單晶中[136]。泵浦鈣鈦礦單晶出射激光，銀納米線會(huì)形成金屬等離子體共振，從而能夠讓激光沿著銀納米線傳輸至末端，如圖1-15所示。圖115鈣鈦礦與銀納米線的異質(zhì)結(jié)構(gòu)[136]Figure115TheheterostructureofperovskiteandAgnanowires[136]a)異質(zhì)結(jié)構(gòu)的電鏡照片a)TheSEMoftheperovskite/Agnanowireheterostructureb)異質(zhì)結(jié)構(gòu)的明場與發(fā)光照片b)Thebrightfieldandluminescenceimagesoftheheterostructure然而，由于金屬在可見光波段具有很高的損耗，利用金屬波導(dǎo)傳輸激光的長度大大受限。另外，銀作為貴金屬會(huì)與鈣鈦礦發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，其發(fā)光性能也受到很大影響。圖116鈣鈦礦與磷化鎵結(jié)構(gòu)的激光特性[137]Figure116Thelasingpropertiesofaperovskite-GaPphotonicdesign[137]a)鈣鈦礦與磷化鎵異質(zhì)結(jié)構(gòu)的電鏡照片a)TheSEMoftheperovskite-GaPheterostructurec)不同泵浦能量下的鈣鈦礦輻射光譜c)Theemittedspectraofperovskiteunderdifferentpumpdensitiesb)異質(zhì)結(jié)構(gòu)出射激光的測量方案b)Schemeofexperimentonlasingfromtheheterostructured)光譜強(qiáng)度和半高寬與泵浦能量的關(guān)系d)DependenceoftheemissionintensityandFWHMonthepumpdensities為此，俄羅斯研究人員在2020年提出利用磷化鎵納米線取代銀納米線和無機(jī)鈣鈦礦結(jié)合[137]，如圖1-16所示。選擇磷化銦納米線有以下幾點(diǎn)原因：第一，磷化銦具有很高的折射率，在550nm折射率高達(dá)3.45，在0.5-11μm波長范圍內(nèi)具有很低的損耗，因此磷化銦波導(dǎo)能很好的將光限制在其中并實(shí)現(xiàn)有效的傳輸；第二，磷化銦具有很高的熱導(dǎo)系數(shù)。第三，磷化銦性質(zhì)極其穩(wěn)定。得益于以上三大優(yōu)點(diǎn)，磷化銦波導(dǎo)成功將鈣鈦礦單晶出射的激光采集并實(shí)現(xiàn)高達(dá)20μm的傳輸距離。1.4集成微腔中的傳感應(yīng)用研究集成光學(xué)微腔Q值很高，代表其具有很強(qiáng)限制光的能力，使得光子有足夠多的時(shí)間在腔內(nèi)諧振，增加了光子與物質(zhì)的相互作用。另外，當(dāng)模式體積較小時(shí)，意味著光場被高度局域在腔內(nèi)，光與物質(zhì)之間的作用將進(jìn)一步增強(qiáng)。因此，同時(shí)具有高Q值低模式體積的集成光學(xué)微腔具有很多重要的應(yīng)用，超靈敏傳感便是其中之一。在一個(gè)集成光學(xué)微腔和拉錐光纖的耦合系統(tǒng)中，當(dāng)一個(gè)彈性散射小顆粒附著在微腔的側(cè)壁，由于存在光的散射，簡并的諧振模式會(huì)被破壞，產(chǎn)生一個(gè)CW和CCW的傳輸分量。當(dāng)兩個(gè)分量發(fā)生耦合作用，就會(huì)產(chǎn)生諧振模式的移動(dòng)[138-140]和劈裂現(xiàn)象[141-143]。當(dāng)模式劈裂程度小于其線寬，會(huì)引起模式的展寬[144,145]。如果顆粒具有非彈性散射特性，它會(huì)吸收一部分光子從而也使諧振模式展寬。由此可見，集成微腔在納米顆粒傳感的應(yīng)用上，主要表現(xiàn)在諧振光譜的移動(dòng)、劈裂和展寬。圖117利用回音壁模式移動(dòng)測量單個(gè)病毒裝置[146]Figure117Singlevirusdetectionfromthereactiveshiftofawhispering-gallerymode[146]2008年美國哈佛大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)利用集成微腔成功實(shí)現(xiàn)探測流感病毒[146]。為確定方案的可行性，研究人員先用該系統(tǒng)測量半徑為250nm的PS小球。當(dāng)透射光譜發(fā)生明顯的移動(dòng)，可以判斷此時(shí)有PS小球附著在腔體表面，其中光譜移動(dòng)最大時(shí)意味著PS小球吸附在腔體光場分布最強(qiáng)的位置。在測量過程中，人們發(fā)現(xiàn)小球沒有吸附在腔體時(shí)也能被探測，因此該方法可以動(dòng)態(tài)的測量納米顆粒和微腔的吸附過程，如圖1-17所示，最終科研人員成功探測到半徑為50nm的病毒分子。2013年哈佛大學(xué)Crozier等人利用一維光子晶體微腔實(shí)現(xiàn)對直徑為80nm的銀納米顆粒探測[147]，諧振波長偏移量和納米顆粒的數(shù)量成正相關(guān)。2015年哈佛大學(xué)Quan等人利用Q值高達(dá)2.5×105的光子晶體微腔探測到最小直徑為1.8nm的金納米顆粒[148]。圖118圓球微腔對拉錐光纖的探測示意圖[149]Figure118Schematicofdetectionoftaperedfiberbysphericalmicrocavity[149]a)微球腔實(shí)現(xiàn)拉錐光纖的探測裝置a)Microspherecavitytorealizetaperedfiberdetectiondeviceb)2號探測器采集的雙峰光譜b)AnexampleofthedoubletspectrumrecordedonPD2利用諧振光譜劈裂的特征，研究人員也做了一系列相關(guān)工作。2007年瑞士研究人員用一根拉錐光纖取代納米顆粒去靠近微球諧振腔，實(shí)驗(yàn)中共使用三個(gè)光電探測器[149]，如圖1-18a)所示。經(jīng)棱鏡收集后1號探測器測量透射光譜，2號探測器利用多模光纖采集微球腔的散射光譜，3號探測器接收拉錐光纖的光信號。其中2號探測器可以接收到劈裂的光譜如圖1-18b)所示，當(dāng)探針沿著微球的不同徑向、方位角和極性方向移動(dòng)，諧振光譜劈裂的程度將隨之改變，證明了該方案的可行性。2010年華盛頓大學(xué)Yang課題組利用兩根拉錐光纖靠近微腔，同樣觀察到模式劈裂，改變光纖位置能夠動(dòng)態(tài)調(diào)控劈裂的模式，在頻率和線寬上分別出現(xiàn)交叉和反交叉的現(xiàn)象[150]。同年該課題組通過一個(gè)Q值高達(dá)108的微腔成功探測到納米顆粒的尺寸[151]，如圖1-19所示。研究人員首先測量沒有納米顆粒附著的微腔透射光譜，確保自身不存在模式劈裂。然后動(dòng)態(tài)增加附著納米顆粒的數(shù)量，觀察透射光譜的實(shí)時(shí)變化。只有一個(gè)納米顆粒附著時(shí)，單個(gè)洛倫茲型譜線劈裂成兩個(gè)峰，逐漸增加納米顆粒的數(shù)量，劈裂后的兩個(gè)峰半高寬隨之變大。由于納米顆粒附著的位置具有很大的隨機(jī)性，連續(xù)增加顆粒的數(shù)量并不會(huì)導(dǎo)致半高寬的持續(xù)變化。為深入研究納米顆粒和模式劈裂之間作用的機(jī)理，研究人員建立模型進(jìn)行理論推導(dǎo)，得出納米顆粒的尺寸和兩個(gè)劈裂模式的耦合強(qiáng)度及線寬增加三者之間的關(guān)系。推算出納米顆粒的尺寸與電子掃描顯微鏡（Scanningelectronmicroscope,SEM）測量的實(shí)際尺寸對比，平均誤差不超過3%，具有很大的應(yīng)用價(jià)值。值得注意的是，該方法不受納米顆粒的位置影響，這也是和諧振波長偏移傳感機(jī)制的最大區(qū)別。圖119實(shí)驗(yàn)裝置與微環(huán)腔納米顆粒傳感系統(tǒng)[151]Figure119Experimentalset-upandcoupledmicrotoroidcavity-nanoparticlesystem[151]a)實(shí)驗(yàn)裝置示意圖a)Schematicoftheexperimentalset-upc)測量結(jié)構(gòu)渲染圖及微腔橫截面模擬場圖c)Renderingimageofmeasuredstructureandthecrosssectionoffieldprofileb)微環(huán)腔納米顆粒傳感機(jī)制圖b)Nanoparticlesensingmechanismbymicrotoroidd)附著在微腔表面的納米顆粒電鏡照片d)TheSEMofananoparticledepositedupontheresonator如果模式劈裂程度小于線寬，在光譜上即表現(xiàn)出模式展寬。造成模式展寬的原因主要有兩個(gè)，其一是由兩個(gè)劈裂模式的耦合強(qiáng)度決定，另一個(gè)是由納米顆粒引起的散射強(qiáng)度決定。當(dāng)待測納米顆粒足夠小，模式展寬主要由前者造成，這是實(shí)現(xiàn)納米顆粒傳感的基本原理[152]。和模式劈裂不同的是，模式展寬對微腔的Q值沒有太高要求。除此之外，它對激光頻率噪聲和熱波動(dòng)的敏感度很低，這些優(yōu)點(diǎn)使模式展寬傳感機(jī)制具有更強(qiáng)的適用性。2013年北京大學(xué)Xiao團(tuán)隊(duì)利用該機(jī)制探測到半徑為70nm的PS小球[153]。在實(shí)驗(yàn)中，為確認(rèn)模式展寬是由納米顆粒引起，研究人員使用了輕微變形的微腔。傳統(tǒng)情況下，科研人員均使用圓形微腔和拉錐光纖的耦合系統(tǒng)，然而由于光纖穩(wěn)定性較差易受機(jī)械振動(dòng)影響，在耦合過程中容易造成本征的模式展寬。因此，該團(tuán)隊(duì)提出利用變形微腔，采用自由空間直接耦合和收集光譜，有效的避開上述問題。為抑制實(shí)驗(yàn)過程中探測激光帶來的熱光噪聲和環(huán)境溫度變化引起的波長漂移，研究人員在微腔外壁包裹一層PDMS，實(shí)驗(yàn)裝置如圖1-20所示。最終，當(dāng)微腔外壁附著的納米顆粒逐漸增加，模式的線寬也隨之有規(guī)律的展寬。圖120納米顆?；蚵《緳z查的自由空間耦合系統(tǒng)[153]Figure120Free-spacecouplingsystemfornanoparticles/lentivirusesdetection[153]a)使用自由空間耦合系統(tǒng)探測PS納米顆粒和病毒的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖a)ExperimentalsetupforPSnanoparticlesandvirusdetectionusingafree-spacecouplingsystemc)涂有PDMS的變形微腔電鏡照片c)TheSEMofaPDMScoateddeformedmicrotoroidb)具有不同耦合效率但相同線寬的兩個(gè)自由空間透射光譜b)Twofree-spacetransmissionspectrafordifferentcouplingefficiencieswiththesamelinewidthd)附著在微腔表面的納米顆粒電鏡照片d)TheSEMofananoparticledepositedonthemicrotoroidsurface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-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