光学微腔特性研究及其应用VIP

光学微腔、光学微腔的概述以及光学微腔是能够将光场限制在微米级区域的光学谐振器。 利用介电常数不连续材料界面处的反射、散射和衍射，将光能限制在较小区域，增加光子寿命，减少光场模式的数量。 当增益介质(偶极子)置于微腔中时，其自发辐射特性在局部真空场中被显着调制，产生低阈值激光。 一般谐振腔、光学微腔、光学微腔的研究背景、光路集成包括光波的发射、传输、调制解调、上载、下载、接收、存储、显示等一系列过程。 近年来，随着微电子薄膜技术的不断提高，研究人员将微波理论与激光技术相结合，利用微纳加工技术在各种均匀的光学材料上形成了各种波长尺度的结构，控制了光信号的传播，产生了新的物理效应，创造了新的光子光学器件。 基于此背景正式提出了微腔型光电子器件。 这种装置具有小尺寸、易集成、功耗低、质量因子高等优点，在信号的发送、处理和传感等方面，显示了高性能光源、光存储器、光开关、高密度波分复用系统(DWDM )上传滤波器、生化传感器等的巨大前景此外，光学微腔在极小的空间内产生巨大的光强度，同时减少了空腔内的图案数量，影响了空腔内物质原子的自发福射特性，是揭示物质世界本质的自然科学领域。 光学微腔的分类依工作介质而不同1 .有源微腔：“有源”意味着空腔内的工作介质具有增益，这种微腔在外部光被激励或电激励时通过谐振器的模式选择产生激光发射2 .无源微腔：“无源”意味着， 空腔内的工作介质无增益，这种空腔主要通过空腔的固有光学模式选择来调制入射光，并且主要应用于信号处理中的滤波器、光开关、传感器等。 根据空腔对光场的约束机制，1 .法布里-珀罗型空腔(FP型空腔)的有源区域通常是量子阱材料，并且有源区域的上、下两侧分别包括具有极高反射率的反射镜，并且光通过两个反射镜反射和谐振。 FP型微腔的反射镜多为分布布拉格反射(DBR )。 在FP微型腔中，腔长度短，单程增益小，因此只有在FP腔的镜面具有高反射率的情况下，才能够形成高品质的因子腔。 在半导体材料中，各层的材料之间的折射率差小，单层DBR的反射率低，因此，为了实现99%以上的镜面有效反射率，一般需要精密地生长二十对左右的DDB。 另外，FP型微腔激光的光方向垂直于表面，因此最适合制作高密度的二维激光阵列。 其中，典型的FP型微腔激光器是垂直腔面反射激光器(verticalcavitysurfaceemittinglaser，VCSEL )。光学微腔分类，2 .光子晶体微腔(PC型微腔)光子晶体是具有周期介电常数的材料，由于光子带隙的存在，只能通过特定波长的光。 当在周期结构中引入缺陷以形成微腔时，出现与光子带隙对应的缺陷级，并且具有缺陷级的频率的光通过光子晶体沿着缺陷传播或局部化振动，因此，光场的分布可以被控制，如F-P微腔。 该腔是周期性结构中人工引入的缺陷，其模型体积非常小，为了通过微纳加工技术准确控制缺陷腔的形状谐振波长，广泛应用于激光、滤波、传感器和量子信息领域。光学微腔分类，3 .回声壁式微腔(WG式微腔)光波在腔内沿环路形成共振，通过由腔内高折射率介质和外部低折射率介质构成的全反射界面对光形成强的限制。 根据型腔的形状，WG型型腔分为环形型腔和多边形型腔，环形型腔包括微球、微圆盘、微环、微柱等多边形空腔，包括三角形、四边形和六边形空腔。圆形微腔使用全反射理论可以很容易地理解回声壁图案。 如图所示，光线从a点沿着微小空洞的边缘传播，入射角为。 由于旋转对称性，光可以在腔内以相同的入射角继续全反射。 有限次反射后，光返回原点a。 如果满足相位匹配条件，则在谐振器中形成等距离的谐振模式，并且这一模式被称为回声壁模式。回声壁式微腔(WG型微腔)、理论分析无论是三维微盘还是二维微环，这些回声壁模式分析都可通过不同于有效折射率法的边界条件设定简化二维微盘的固有模式分析。 二维微盘回声壁模型在柱坐标下可严格分解为横向电模型(TE )和横向磁模型(TM )两者的Maxwell方程对应的Helmholtz方程：其中，在谐振模式的真空中的波长，真空中的光传播速度是回声壁模型的有效折射率。 在二维的情况下，我们不考虑垂直方向的电磁波，在柱坐标Helmholtz方程式中，因为上式的变量无关，所以上式能够分离变量，成为下面的两个方程式。 而且，利用回声壁模型的物理特征简化了上述方程，因为如果假定微盘以外的位置在任何地方都为零，那么它对应于00000000000埃气高阶贝塞尔函数(是正整数)，所以上述方程被简化如下， 回声壁微腔(WG型微腔)、自由光谱范围的相邻竖直模式的波长或频率间隔定义为自由光谱范围(FreeSpectrumRange，FSR )，这是在实验中确定微腔的光学模式是否适合于回声壁模式的重要依据。 根据以下公式，m阶和m-1阶模式间隔表示模式的有效半径：回声壁式微腔(WG型微腔)、质量因子质量因子(Qualityfactor，一般表示为q )是光学模式最基本的物理量，表现谐振器中的能量衰减的速度及其储存能量的能力。 q的定义很多，在不同的定义之间常数可能不同，最普遍的定义方式：其中，u是腔内积累的总能量，每单位时间的损耗能量，即耗散功率，在光场的圆频率，其中为光场频率。 q可关联到腔内的光学模式的光子寿命和谐振幅度，其中，特定关系是光子寿命和频率谐振幅度。 回声壁式微腔的制作方法、近年来发展起来的微加工技术和纳米技术使得在各种天然和人工合成材料的基础上制造各种特异形状的光微谐振器成为可能。 集成的微环、微盘谐振器和光学晶体缺陷微腔通常利用相对丰富的集成电路微加工技术，例如镀膜、光刻和蚀刻技术在基板上制作而成。 在制造过程中，基本上通过的制造工艺有3个：回声式微空洞的制造工艺图，基板的准备，第一阶段包括在基板表面生成不同成分和厚度的功能膜层，得到必要的垂直方向结构。 膜层的生成可以根据所选择的材料而采用不同的膜层生成方法，例如分子束外延(MBE )、化学或物理气相沉积、膜层粘合等。 具体地，如何选择产生方案与所要求的微谐振器的结构、材料和制造精度密切相关。 例如，半导体材料为了得到垂直结构而连续生长数步，与此相对，高分子聚合物层仅仅涂布在基板上就能满足要求。光刻、光刻工艺能够将谐振器结构形状通过多段光刻复制到基板表面，首先通过形状的浇铸或剥离将对光敏感的抗蚀剂涂布到基板的表面后，将掩模放置在基板上，仅能够使光从掩模的间隙透过，图案的光被遮断图案可以根据要求在表面抗蚀剂上转印的谐振器的形状、尺寸和制造精度要求来选择不同类型的曝光装置，包括可见光曝光、极紫外线曝光、x射线曝光和电子束曝光，在曝光期间受光照射的抗蚀剂发生交联或分裂。 因此，曝光后将基板浸渍在显影液中，去除反应的光刻胶的一部分，称为显影。 通过以上的曝光、显影工艺，掩模上的图案被转印到抗蚀剂图案上。 在图案的特定区域，基板表面有抗蚀剂掩模，其他区域相反。 用一定的蚀刻手段蚀刻未被抗蚀剂保护的区域，去除表面所要求厚度的材料，形成与掩模类似的图案，就是蚀刻所得到的谐振器图案。 蚀刻、药液蚀刻是浸渍在酸性溶液中的基板选择性地熔化露出到外部的二氧化硅部分的一般的蚀刻方法。 但是，如果要求所制作的微谐振器具有垂直或较大倾斜角的侧壁，则必须利用干蚀刻的干蚀刻法发展至今，有很多种类，其中最广泛使用的等离子体蚀刻是由无线电波放电产生的等离子体产生离子被蚀刻基板干法蚀刻包括溅射蚀刻、离子铣削(离子束蚀刻)、反应性蚀刻和反应性离子束蚀刻。 除了干蚀刻之外，作为阳极蚀刻法，还有应用附加了电场作用的湿蚀刻，通过电极的作用使蚀刻具有一定的方向性的蚀刻。 蚀刻结束后，残留的抗蚀剂根据抗蚀剂的种类被丙酮和其他有机溶剂除去。 随着微腔的应用，近年来微纳米加工技术和半导体工艺的成熟，光学微腔得到了迅速发展。 基于质量因子高、频谱宽度窄、有效模体积小、振荡阈值低等一系列突出优势，光微腔广泛应用于低阈值激光、空腔量子电动力学(QED )、生物探测、高性能滤波器等领域。低阈值激光、产生激光振荡，必须满足谐振器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，达到阈值条件时才开始发生激发辐射。 另一方面，光学微腔与传统谐振器相比，由于光子和腔内的原子发生量子相互作用，原子的自发发射概率大幅度增强，微腔的振动阈值显着降低。 2013年，Takahashi等人通过光子晶体线缺陷空洞成功制造了低阈值拉曼硅系激光器。 其输出功率与吸收功率的关系曲线如图所示。 从图中可以看出，吸引电力达到数微瓦时，就会产生拉曼输出。滤波器、1997年，Little等人提出了一种基于波导和微环腔的耦合系统以实现通信信道中的滤波。 在该方法中，一个波导与微环耦合，并且与另一个波导耦合作为输出。 在图示的光路中，只有频率与谐振频率一致的光与微信道耦合，并且获得滤波效果。 生物勘探由于高q值，外界环境的干扰使回声壁模式的微腔谱的位置变化显着，易于观测，因此实现了某种特殊参数的检测，感测有很大前景。从1916年爱因斯坦首次提出自发辐射概念以来，空洞量子电动力学一直认为自发辐射是原子的固有性质，不能改变。 实际上，自发辐射是原子与真空电磁量子波动的相互作用过程。原子在波长水平的微小空洞中时，空洞内的真空的量子波动受到空洞边界条件的制约，因此原子的自发放射特性发生变化。 空腔量子电动力