超高品质因子片上微腔光子学研究进展
发布时间：2021-07-07 10:16
光学微腔能够同时在空间和时间维度上约束光场,从而增强光与物质相互作用,被广泛用于基础光物理和光子学应用研究.其中,回音壁光学微腔具有超高的品质因子和很小的模式体积,是当前微腔研究的学术前沿.随着光学材料微纳加工和半导体芯片制备工艺的发展,超高品质因子回音壁光学微腔研究的重要趋势之一是片上集成化.例如,超高品质因子片上光学微腔已经在光子学芯片、集成光计算、片上光互联、光学精密测量等众多领域发挥着重要作用.本文重点介绍了片上回音壁光学微腔在微型激光器、非线性光学、集成光子学回路和高灵敏光学传感等研究中的基本原理、发展历程和最新进展;进一步展望了超高品质因子片上微腔光子学未来研究的发展方向.
【文章来源】：科学通报. 2020,65(27)北大核心EICSCD
【文章页数】：15 页
【图文】：
图2 片上回音壁微腔激光器.(a)铒离子掺杂的微芯圆环腔激光器[7].(b) Cd Se/Zn S量子点涂覆的微芯圆环腔激光器[8].左边为激光器的扫描电子显微镜图片,右边为受到泵浦的发光微腔的光学显微图像.(c)室温超低阈值连续光泵浦的In As/Ga As量子点微盘腔激光器[9].(d)回音壁微腔激光器的单向性出射[10].(e)回音壁微腔的轨道角动量激光[11]
第三阶段:最近10年来,超高品质因子回音壁微腔非线性光学效应研究的主要趋势转变为发展高性能片上集成光子学器件,并开展相关应用研究.在这期间,人们已经能够在诸多不同结构和材料中获得超高品质因子的片上光学微腔,例如二氧化硅楔形微盘腔[46,47](Q>108)、氮化硅微环腔[48](Q>107)、III-V族半导体微环腔[49](Q>106)、铌酸锂微盘腔[50](Q～107)、氮化铝微环腔[51](Q>106)等.主要的非线性光学应用包括利用微腔受激布里渊散射或克尔光频梳产生低噪声相干微波信号源[40,52];利用微腔受激散射拉曼散射实现纳米尺度单颗粒检测[53,54];利用受激布里渊散射结合Sagnac效应精确测量地球自转[55];利用普克尔效应等实现高速光调制器[56];利用热光效应、二次合频、四波混频等效应实现光学隔离器[57～59].此外,单光子水平的非线性光学效应同样可以在光学微腔中显著增强,进一步应用于各种片上量子光学器件.例如,利用光学克尔非线性产生光子阻塞效应获得单光子源[60,61],利用阈值之下光学参量振荡或自发参量下转换效应制备量子纠缠光源等[62～64].另一方面,在基础研究上也广泛而深入地探究了新物理新现象,包括光场自发对称性破缺[65]、非厄米光学[66]、光学诱导透明[67]、光学同步[68,69]、表面非线性光学[70]等.微腔光学频率梳是当前光学微腔中受关注最广泛、发展最迅速的重要非线性光学效应之一.光学频率梳(以下简称光梳)是由一系列频率间隔严格相等的窄线宽激光组成的宽谱相干光源,在频谱上呈梳子状,因此得名.光梳提供了一个连接光频段与射频段的桥梁,革命性地改变了精密测量的方式.作为世界上精度最高的频率标准,光梳已被广泛应用于时间标准、精密光谱、激光雷达和地外行星探寻等众多领域,在基础科学研究、产业应用和军事国防上都具有重要意义[71].2005年,德国马克斯·普朗克研究所的Hansch和美国国家标准技术研究所的Hall因在光频梳以及精密测量领域的贡献分享了诺贝尔物理学奖.传统的光频梳主要基于飞秒锁模激光器,其体积大、功耗高、造价昂贵,而且对工作环境非常敏感.
具有超高品质因子的回音壁光学微腔由于具有很长的腔中光子寿命(超过百纳秒),因此是一个天然的光子存储器,并且可以通过外部调控来实现任意读取和写入操作[86].另一方面,通过光与其他物质的相互作用,可以把光子态有效地转移到其他具有更长寿命的物理态中进行存储.例如,2015年Dong等人[87]利用受激布里渊散射过程将光场能量储存于传播的声子中,存储时间可以超过50μs.对于常规的微腔-波导耦合系统,透射端在频域上腔模共振位置处通常表现为一个洛伦兹型吸收谷,因此可以有效地过滤对应频率的光信号[88].2004年,Vahala研究组[84]采用片上微芯圆环腔并搭建了分插-复用结构滤波器(图5(b)),使得输入波导中的信号光仅有与腔模频率相同的成分得以耦合进入微腔从另一根波导中输出,而其余频率的信号在输入波导中被过滤掉.此外,为达到更好的信号输出,还可以在系统中加入多个谐振腔形成级联微腔,通过各个腔之间耦合,可以使隔离度和带宽得到进一步提高.
【参考文献】：
期刊论文
[1]回音壁模式光学微腔传感[J]. 唐水晶,李贝贝,肖云峰. 物理. 2019(03)
本文编号：3269451
【文章来源】：科学通报. 2020,65(27)北大核心EICSCD
【文章页数】：15 页
【图文】：
图2 片上回音壁微腔激光器.(a)铒离子掺杂的微芯圆环腔激光器[7].(b) Cd Se/Zn S量子点涂覆的微芯圆环腔激光器[8].左边为激光器的扫描电子显微镜图片,右边为受到泵浦的发光微腔的光学显微图像.(c)室温超低阈值连续光泵浦的In As/Ga As量子点微盘腔激光器[9].(d)回音壁微腔激光器的单向性出射[10].(e)回音壁微腔的轨道角动量激光[11]
第三阶段:最近10年来,超高品质因子回音壁微腔非线性光学效应研究的主要趋势转变为发展高性能片上集成光子学器件,并开展相关应用研究.在这期间,人们已经能够在诸多不同结构和材料中获得超高品质因子的片上光学微腔,例如二氧化硅楔形微盘腔[46,47](Q>108)、氮化硅微环腔[48](Q>107)、III-V族半导体微环腔[49](Q>106)、铌酸锂微盘腔[50](Q～107)、氮化铝微环腔[51](Q>106)等.主要的非线性光学应用包括利用微腔受激布里渊散射或克尔光频梳产生低噪声相干微波信号源[40,52];利用微腔受激散射拉曼散射实现纳米尺度单颗粒检测[53,54];利用受激布里渊散射结合Sagnac效应精确测量地球自转[55];利用普克尔效应等实现高速光调制器[56];利用热光效应、二次合频、四波混频等效应实现光学隔离器[57～59].此外,单光子水平的非线性光学效应同样可以在光学微腔中显著增强,进一步应用于各种片上量子光学器件.例如,利用光学克尔非线性产生光子阻塞效应获得单光子源[60,61],利用阈值之下光学参量振荡或自发参量下转换效应制备量子纠缠光源等[62～64].另一方面,在基础研究上也广泛而深入地探究了新物理新现象,包括光场自发对称性破缺[65]、非厄米光学[66]、光学诱导透明[67]、光学同步[68,69]、表面非线性光学[70]等.微腔光学频率梳是当前光学微腔中受关注最广泛、发展最迅速的重要非线性光学效应之一.光学频率梳(以下简称光梳)是由一系列频率间隔严格相等的窄线宽激光组成的宽谱相干光源,在频谱上呈梳子状,因此得名.光梳提供了一个连接光频段与射频段的桥梁,革命性地改变了精密测量的方式.作为世界上精度最高的频率标准,光梳已被广泛应用于时间标准、精密光谱、激光雷达和地外行星探寻等众多领域,在基础科学研究、产业应用和军事国防上都具有重要意义[71].2005年,德国马克斯·普朗克研究所的Hansch和美国国家标准技术研究所的Hall因在光频梳以及精密测量领域的贡献分享了诺贝尔物理学奖.传统的光频梳主要基于飞秒锁模激光器,其体积大、功耗高、造价昂贵,而且对工作环境非常敏感.
具有超高品质因子的回音壁光学微腔由于具有很长的腔中光子寿命(超过百纳秒),因此是一个天然的光子存储器,并且可以通过外部调控来实现任意读取和写入操作[86].另一方面,通过光与其他物质的相互作用,可以把光子态有效地转移到其他具有更长寿命的物理态中进行存储.例如,2015年Dong等人[87]利用受激布里渊散射过程将光场能量储存于传播的声子中,存储时间可以超过50μs.对于常规的微腔-波导耦合系统,透射端在频域上腔模共振位置处通常表现为一个洛伦兹型吸收谷,因此可以有效地过滤对应频率的光信号[88].2004年,Vahala研究组[84]采用片上微芯圆环腔并搭建了分插-复用结构滤波器(图5(b)),使得输入波导中的信号光仅有与腔模频率相同的成分得以耦合进入微腔从另一根波导中输出,而其余频率的信号在输入波导中被过滤掉.此外,为达到更好的信号输出,还可以在系统中加入多个谐振腔形成级联微腔,通过各个腔之间耦合,可以使隔离度和带宽得到进一步提高.
【参考文献】：
期刊论文
[1]回音壁模式光学微腔传感[J]. 唐水晶,李贝贝,肖云峰. 物理. 2019(03)
本文编号：3269451
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