【《集成微腔的光场成像研究文献综述》2700字（论文）】

集成微腔的光场成像研究文献综述为了深入研究集成微腔内部光子与物质的相互作用，需要掌握特定谐振模式在腔内的光场分布情况，国内外科研人员在该领域进行了一系列的探索。图11纳米金属尖端引起的磁扰动示意图[80]Figure11Schemeofthemagneticperturbationinducedbythenanometricmetallictip[80]a)带有磁场的金属尖端置于待测样品上a)Ametallictipwithamagneticfieldplacedonthesamplesurfacetobetestedb)通过金属环的磁通量感应出磁矩b)Magneticmomentinducedbythemagneticfluxthroughoutthemetallicring2010年，意大利佛罗伦萨大学的研究人员利用近场扫描显微镜的金属探针测量嵌有量子点的光子晶体微腔[80]，其工作原理如图1-1所示。根据法拉第-诺依曼定律，探针尖端镀有铝膜的导电圆环会受到微腔外部的磁场而感应出电流。导电圆环会同时产生与感应磁场相反的磁矩，给光子晶体微腔的倏逝场引入了磁场微扰，从而造成腔内本征模式的频率偏移，精确测量频率的偏移量即可实现微腔内的光场成像。根据以上原理，科研人员测量了光子晶体微腔的的发光光谱，得到两个不同频率的谐振模式，再利用金属探针在微腔四周近场扫描，测量出光谱强度的变化，得到两个不同模式的光场分布如图1-2b)和d)所示。通过与仿真结果对比，可以看到左侧实验结果在细节分辨上还有一定的提升空间。探针近场扫描显微技术依靠提取倏逝波信息实现对微腔内部的光场成像，受到科研人员的追捧。然而，该技术需要灵敏度极高的精细探针去重构光场，附加复杂的反馈系统，在整个操作过程中需要精确控制探针，维持在纳米量级的高度不变。为了提高成像分辨率，需要探针尽可能的靠近腔体外表面。这一系列要求大大提高测量成本，也限制该技术的推广应用。对于具有超高Q值的谐振模式，探针对腔外倏逝波带来的微扰，会影响腔内模式的光场实际分布[81]。此外，对于镀有介质保护层的微腔，利用探针无法近距离地提取腔外呈指数衰减的倏逝场。因此，科研人员试图寻找其他办法替代类似的物理接触。图12两个不同模式的实验和仿真光场分布图[80]Figure12Twodifferentmodesofexperimentalandsimulatedfielddistribution[80]a,b)两个不同模式的实验光场分布a,b)Theexperimentalfielddistributionoftwodifferentmodesc,d)两个对应模式的仿真光场分布c,d)Thesimulatedfielddistributionoftwocorrespondingmodes2012年，伦敦国王学院的R.Sapienza等人利用电子束扫描无源的光子晶体微腔[82]，探测出射的电子成功扫描到腔内多个谐振模式，另外也有一些课题组通过测量电子衰减的能量来描绘光场的分布[83-86]。2016年，美国马里兰大学研究小组提出用聚焦的锂离子束作为“探针”去扫描硅基微腔表面[87]。采用离子束的优点是无需接触腔体的边缘，不会对腔外的倏逝场带来微扰，整个测量过程降低了对离子束“探针”的操作难度，测量装置和工作原理如图1-3a)所示。一束激光从可调谐激光器输出经过光纤耦合进片上波导，再从侧边耦合进圆盘微腔中，在输出端被光电探测器接收。将锂离子束加速后聚焦在微盘腔表面，高能的锂离子将硅晶格打出空位缺陷。大量缺陷态会导致谐振模式的中心波长发生偏移，透射光谱的强度也随之变化。利用该方法，研究人员对圆形微腔内不同阶数的回音壁模式进行了光场分布测量。考虑到待测对象具有中心对称性，研究人员仅沿轴线方向测量了一维光场强度分布图。实验中选择三个不同的谐振模式，将其透射率的变化分别描绘成曲线，发现不同模式存在不同数量的峰值，结合模拟计算得到电场能量密度的强度分布图，可以判断该模式依次为基模、一阶模和二阶模。图13聚焦离子束测量系统[87]Figure13Focusedionbeammeasurementsystem[87]a)测量装置示意图a)Schematicofmeasuringdeviceb)微盘腔波导耦合结构电镜照片b)TheSEMofthemicrodiskandcouplingwaveguidec)微盘腔表面注入锂离子示意图c)Schematicoflithiumionimplantationatthemicrodisksurface聚焦的离子束直径在100nm左右，因此用其扫描光场能获得很高的分辨率。为了证明优越性，该小组在2017年推出了新的工作[88]，如图1-4所示。通常在完美的圆形微腔内，由于旋转对称性，顺时针（Clockwise,CW）和逆时针（Counterclockwise,CCW）分量是一对简并模式。然而，微纳制备上存在的误差缺陷会打破圆腔的旋转对称性，使得谐振模式的透射光谱由一个峰劈裂成两个峰，双峰分别对应CW和CCW行波耦合产生的两个能量不同的驻波模式对。科研人员利用二维逐点扫描其中短波长的谐振，成功描绘出高低能量的驻波节点，如图1-4a)所示。然而，高能的离子束将硅基微腔的晶格轰击出大量的空位缺陷，经科研人员统计平均一个离子会激发出70个空位。大量的缺陷态给微腔带来不可逆转的损伤，最直接的表现就是Q值的降低和谐振波长的永久偏移。实验表明，对于直径10μmQ值为30000的谐振模式，经过12次径向离子束扫描后，其Q值降低了15%。图14微腔内部驻波光场成像[88]Figure14Imagingofopticalstandingwavefieldinsidethemicrocavity[88]a)TM偏振驻波光场成像实验图a)TheexperimentalfieldimagingofTMpolarizationstandingwavemodec)微盘腔波导耦合结构电镜照片c)TheSEMofthemicrodiskandcouplingwaveguideb)对应驻波光场分布仿真图b)ThesimulatedfielddistributionofcorrespondingTMstandingwavemoded)测量驻波模式的谐振透射光谱d)Thetransmittancespectrumofthemeasuredstandingwavemode同一时期，英国南安普顿大学的Roman课题组提出用超快光调制技术实现对硅基圆环微腔的光场成像[89]，设计思路如图1-5所示。图15超快光调制光场测量系统[89]Figure15Opticalsetupformappingfieldbyultrafastphotomodulationspectroscopy[89]一束重复频率为250kHz脉宽为150fs的400nm泵浦激光经物镜聚焦在圆环微腔上表面，另外一束1550nm的探测脉冲激光耦合到片上系统，再由波导耦合进圆环微腔，透射光经光栅耦合器输出被光谱仪采集。该课题组前期验证[90]，400nm的飞秒激光泵浦在SOI波导上可以产生浓度超过1022cm-3的自由载流子，使波导中的TE基模有效折射率至少降低0.4，在几微米的范围内其相位偏移超过2π，同时带来谐振中心波长的偏移和透射率的变化。在光场扫描过程中，定义T为未调制时待测模式的透射率，T为脉冲激光调制时透射率的改变量，用T/T定义调制的强度，利用该参数即可实现对圆环腔内的光场成像。移动物镜在圆环微腔上表面进行二维扫描，得到的场分布如图1-6所示。1-6a)图展示的是光谱谐振处受到调制时透射率变化和调制强度的变化，分别在5个不同波长处探测，得到的结果如图1-6b-f)所示。其中b)和c)中的探测波长小于谐振中心波长，调制的结果造成谐振蓝移从而使透射率降低。当探测波长逐渐靠近谐振波长，透射率明显增强，调制强度从负转正。在五幅图中，波导均显示为蓝色条纹，因为它不是谐振结构，和激发的自由载流子吸收无关。图16空间光场成像图[89]Figure16Spatialfieldmaps[89]a)未调整和调整后的微环透射光谱a)SketchoftheuntunedandtunedtransmissionspectraTofaringb-f)不同波长处的光场分布实验图b-f)Theexperimentalfielddistributionatdifferentwavelengths参考文献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,ÖzdemirŞK,ZhaoG,etal.ExceptionalPointsEnhanceSensinginanOpticalMicrocavity[J].Nature,2017,548(7666):192-196.HeL,ÖzdemirŞK,ZhuJ,etal.DetectingSingleVirusesandNanoparticlesUsingWhisperingGalleryMicrolasers[J].NatureNanotechnology,2011,6(7):428-432.LuT,LeeH,ChenT,etal.HighSensitivi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