科罗拉多大学博尔德分校的研究人员设计出能够以极高效率捕获和放大光线的微型“跑道”。通过借鉴高速公路工程中的平滑曲线设计，他们减少了能量损失，使光线在设备内部循环更长时间。这些以亚纳米级精度制造的谐振器在硫系玻璃器件中性能名列前茅。该技术有望应用于紧凑型传感器、微型激光器以及先进量子系统。
微谐振器是一种微观结构，旨在将光限制在微小空间内。当光在其中循环时，其强度会增强。当强度达到足够水平，科学家便可执行专业光学过程，从而实现传感及其他高级功能。
该研究的主要作者、电气与计算机工程四年级博士生Bright Lu表示：“我们的工作旨在用更少的光功率实现这些谐振器的未来应用。有朝一日，这些微谐振器可适用于从导航到化学物质识别等广泛传感器领域。”
该研究发表于Applied Physics Letters。
跑道型谐振器设计减少光损耗
为实现更强性能，团队聚焦于“跑道型”谐振器，因其细长环形类似跑道而得名。
他们引入了“欧拉曲线”——一种也用于道路和铁路设计的平滑曲线。正如车辆无法高速通过急转弯，光在急弯中传播效率也不高。
该项目联合导师、电气工程Sheppard教授Won Park表示：“这些跑道型曲线最大限度地减少了弯曲损耗。我们的设计选择是该项目的一项关键创新。”
通过引导光穿过经过精心设计的渐变曲线，研究人员显著限制了光的外泄量。这使得光子能在谐振器内循环更长时间，并进行更强烈的相互作用。
Lu解释说，过度的光损耗会阻止器件达到最佳工作所需的高强度。
COSINC的精密纳米制造
这些微谐振器是在科罗拉多共享纳米制造与表征设备（COSINC）洁净室中，使用新型电子束光刻系统制造的。
此类设施维持严格受控的环境，这对于在极小尺度上制造可靠器件至关重要。许多光学和光子元件比一张纸的厚度还小，因此即便是微小的尘埃颗粒或细微的表面缺陷，也会干扰光在其中的传播。
Lu说：“传统光刻使用光子，从根本上受限于光的波长。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，这对我们的微谐振器至关重要。”
Lu将制造过程描述为该项目中最有价值的环节之一。
“洁净室真的很酷。你操作着这些庞大而精密的机器，然后看到自己制造的仅有几微米宽的结构图像。将玻璃薄膜转变为可工作的光学电路，真的很有成就感。”
硫系玻璃实现超低损耗性能
该团队的一个重要里程碑是成功使用硫系化合物（一类特殊的半导体玻璃）制造了器件。
Park说：“这些硫系化合物因其高透明度和非线性而成为优秀的光子学材料。我们的工作代表了使用硫系化合物的性能最佳的器件之一，如果不是最佳的话。”
硫系化合物允许强光以最小损耗通过，这对于高性能微谐振器至关重要。同时，它们也是难以加工的材料，需要在制造过程中仔细平衡。
与Park在该项目上合作超过10年的Juilet Gopinath教授说：“硫系化合物是难以操作但回报丰厚的光子非线性器件材料。我们的结果表明，最小化弯曲损耗可实现超低损耗器件，性能与其他材料平台的最先进器件相当。”
激光测试与共振测量
制造完成后，器件在专门从事激光测量的物理学博士生James Erikson的领导下进行了评估。他精确地将激光与显微波导对准，将光送入和送出谐振器，同时监测光在内部的行为。
团队寻找透射光信号中的“凹陷”，这些凹陷指示共振，即光子被捕获并在结构内循环时发生。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。
Erikson说：“器件质量最明显的指标是共振的形状，我们希望它们又深又窄，像一根针穿透信号背景。我们追寻这种谐振器已经很久了，当看到这个新器件上的尖锐共振时，我们立刻知道终于破解了密码。”
Erikson指出，了解光被吸收多少与透射多少对于器件性能至关重要。增加激光功率可能会引起加热，进而改变材料特性，甚至损坏器件。
Erikson说：“大多数材料与光相互作用的方式也会随材料温度的变化而变化。因此，随着器件升温，其特性可能会改变，导致其工作方式发生变化。”
迈向微型激光器与量子光子学
展望未来，这些微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，以及量子计量和量子网络工具。
Lu说：“从激光器、调制器到探测器，许多光子元件正在开发中，而像我们这样的微谐振器将有助于将这些部件整合在一起。最终，目标是制造出可以交给制造商并批量生产数十万个的产品。”