【《集成光学微腔技术发展研究文献综述》11000字（论文）】

集成光学微腔技术发展研究文献综述目录TOC\o"1-3"\h\u11623集成光学微腔技术发展研究文献综述 1133701.1集成微腔的光场成像研究 152551.2集成微腔中的模式耦合与调控研究 6249621.3集成微腔中的激光研究 1031681.4集成微腔中的传感应用研究 151029参考文献 18集成光学微腔是一种利用谐振效应将光子局限在微米空间中的光学器件。微腔的Q值越高意味着腔体局限光子的能力更强，光子长时间在其中谐振增强了光与物质的相互作用。目前，基于回音壁模式的光学微腔相对容易获得很高的Q值，因而备受科研人员的青睐。其工作原理可用线光学理论定性解释为：在一个高折射率介质的腔体中，光从其中向低折射率介质传输时，当入射角度大于等于全反射角，光就在界面处发生全反射。在腔体内全反射一周的光程恰好是波长的整数倍，该频率的光将在腔内发生谐振，并且形成稳定的光场分布。随着微纳加工技术的不断成熟，光学微腔向集成化高速发展，在科研界掀起了一阵研究热潮。早在上世纪60年代，贝尔实验室首次制备出掺Sm的CaF2晶体微腔并且观察到激光出射的现象[73]。1981年，Ashkin等人发现悬浮的液滴在表面张力作用下，外表面非常光滑均匀，成功的利用球形液滴作为光学微腔并研究了激光特性[74]。然而，液滴稳定性较差且对实验环境要求很高限制了其实际应用。为此，科研人员将目标再次转移到固体介质的光学微腔上。1989年，莫斯科大学的Braginsky等人利用加热熔融的二氧化硅类比悬浮液滴，在张力作用下同样获得表面超光滑的固态二氧化硅微球腔，测量其Q值高达108[75]。由于制备简单、材料成本低廉且具有很高的稳定性，二氧化硅球形微腔成为当时科研人员的研究热点。2003年，加州理工学院Armani等人利用热回流工艺对二氧化硅腔边缘进行了光滑处理，首次制备出片上集成的微环芯腔[76]。为了提高传统棱镜和光学微腔之间的耦合效率，Vahala等人利用热拉法制备出拉锥光纤，通过调节耦合区域拉锥光纤的直径和光纤与腔体之间的间距，实现了高达99%的耦合效率[77-79]。集成光学微腔由于具有高Q值、窄线宽和小模式体积，被广泛应用到各个领域。基于此，本文接下来将从集成微腔在模场成像、腔内模式耦合、钙钛矿低阈值激光及高灵敏传感探测方面展开详细介绍。1.1集成微腔的光场成像研究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)Theexperimentalfielddistributionatdifferentwavelengths1.2集成微腔中的模式耦合与调控研究拥有对微腔中光场的成像技术，就能更深入的研究腔内不同谐振模式之间的相互作用，也更方便对其进行人为调控，从而实现特定的功能。由于圆形微腔具有旋转对称性，导致内部主要是回音壁模式，种类单一。尤其是有源圆形微腔，各向同性使其沿各个方向均能出射激光，大大降低了激光的利用效率，直至1997年耶鲁大学Stone等人提出了变形微腔[91]，丰富的模式种类和可实现激光定向出射吸引了大量科研人员的关注。改变微腔变形度来打破旋转对称性，是在牺牲Q值的前提下，使激光定向出射[92-94]。2006年德国不来梅大学研究人员提出利用增强避免谐振交叉点处的动态隧穿效应[95]，在圆形微腔中将一个高Q值模式和低Q值但具有方向性出射的模式相互耦合，最终实现高Q值模式的定向出射。2010年普渡大学Narimanov等人在变形微盘谐振腔中观察到激光远场出射方向的变化，发现腔内模式存在稳定态向混沌态的辅助隧穿现象[96]。一般情况下，谐振腔内全反射的模式具有很强的稳定性和很高的Q值。对于该研究中的矩形谐振模式，在相空间中的分布是具有固定周期的“岛”，然而从远场图案可以判断该现象并非由稳定的“岛”结构辐射产生，而是隧穿至混沌态后再向外辐射所致。实验上对该矩形模式进行选择性激发，利用红外CCD观察到激光的出射方向，验证了腔内辅助隧穿的现象。图17非厄密共轭系统中布里渊控制的状态向量[102]Figure17Brillouincontrolofstatevectorsinanon-Hermitiansystem[102]a)微腔中双重受激布里渊激光过程a)Dual-stimulatedBrillouinlaser(SBL)processinamicroresonatorb)泵浦光激发出布里渊增益带宽内的斯托克斯激光b)TheStokeslaserexcitedbypumplaserwithintheBrillouingainbandwidthc)双重受激布里渊激光拍频与泵浦失谐频率的关系c)Thedependenceofthedual-SBLbeatingfrequencyonthepumpdetuningfrequency光学微腔内部的模式相互耦合，达到某个临界值会出现一些神奇的光学现象，通常将该临界值称为奇点[97-99]。2014年华盛顿大学的Yang课题组提出在两个圆盘微腔耦合系统中，利用Cr探针动态调控其中一个微腔的损耗，在该过程中会存在激光的抑制和恢复的现象[100]。当低于临界值，增加损耗会湮灭激光，然而超过临界值，随着损耗的增加，激光会重新恢复。实验证明在奇点附近能够将损耗转化为增益的新颖现象。2017年，该团队又在奇点处实现纳米颗粒探测[101]。2019年加州理工学院Vahala课题组在实验上验证出光学陀螺仪在奇点附近能够改善旋转响应[102]，如图1-7所示。在微腔光纤耦合系统中，布里渊增益和色散的相位匹配显示在奇点附近CW和CCW激光模式能够受到精确控制。这种可控和相对稳定的激光模式可以探测到系统对旋转特性的响应增强现象。经测量在奇点附近，萨格纳克系数增强了四倍。图18操纵手性间接耦合回音壁模式微谐振器[109]Figure18IndirectlycoupledWGMmicroresonatorswithmanipulationofchirality[109]除此之外，微腔中模式相互作用还会出现电磁诱导透明现象[103-106]。2006年康奈尔大学Lipson课题组通过调节结构尺寸，在两个微环腔中观察到该现象[107]。然而，实验方法对条件要求非常苛刻，需要精确控制微腔之间的间距，这限制了它的实际应用。2016年上海交通大学研究人员提出一种新的机制，利用四波混频的增益非线性，将两个分离的谐振模式耦合，可以观察到明显的法诺共振，此外四波混频的单向增益会导致透明窗口处不可逆的传输现象[108]。2020年Yang课题组将奇点和电磁诱导透明现象结合在一起[109]，如图1-8所示。在两个不同尺寸的微盘腔系统中，向微腔表面转移纳米颗粒，它会对耦合进腔的光有反射作用。将一根拉锥光纤调控较大尺寸的微腔至奇点处，此时只有一个本征态。控制本征态为不同的手性，可以实现电磁诱导透明现象的开启和关闭。在长距离光信号传输中，为了实现高速光通信，单纵模激光器成为解决方案之一[110-113]。抑制其它分量的产生，可以有效减少色散影响，而这也可通过腔内模式的相互作用来实现。2014年加州大学伯克利分校Zhang课题组提出利用打破宇称-时间对称性实现单模激光出射[114]，具体在单个InGaAsP环形微腔上镀上Cr/Ge，形成增益和损耗区域周期性排列。同一时期，中佛罗里达大学研究人员制备两个半径10μm间距为200nm的圆环谐振腔，当纳秒激光泵浦其中一个微腔，旁边的微腔作为损耗区域抑制了其他纵模的产生，边模抑制比超过20dB，最终实现单纵模激光出射[115]，如图1-9所示。图19打破宇称-时间对称实现单模激光[115]Figure19Breakingtheparity-timesymmetrytorealizesingle-modelaser[115]通常情况下，微腔和光纤之间的耦合需要满足相位匹配条件[116-118]，即满足动量守恒。然而，由于材料色散和波导色散的存在，微腔和光纤只能在一段很窄的光谱范围内满足守恒条件，如何提高宽谱范围内的耦合效率成为科研人员的研究重点。2017年北京大学Xiao团队发现在变形的光学微腔内，通过混沌辅助作用，光子在皮秒量级会发生角动量的快速转变，当混沌光子的角动量和稳定的回音壁模式角动量接近时，两者会发生隧穿效应，从而使入射光子最终形成稳定的回音壁模式[119]。这一研究表明，即使耦合光纤中的波导模式有效折射率明显低于腔内回音壁模式，也能在很短时间内提高混沌模式的有效折射率最终转变成回音壁模式，如图1-10所示。为对比两个不同机制在耦合效率上的差异，研究人员在500nm-2500nm波长范围内，计算了变形微腔和圆形微腔的耦合效率，结果显示具有角动量变换的变形微腔在耦合效率强度和耦合波长范围上均优于圆形微腔中的相位匹配耦合机制，最终在实验上也验证了该现象。图110光学微谐振器中宽带动量转换示意图[119]Figure110Schematicofbroadbandmomentumtransformationinanopticalmicroresonator[119]a)变形微腔与纳米波导耦合的电镜照片a)ASEMofadeformedmicroresonatorcoupledwithanopticalnanowaveguideb)支持宽带耦合的混沌辅助角动量转换原理图b)Schematicforthechaosassistedmomentumtransformation–enabledbroadbandcouplingprocessc)变形微腔和圆腔与纳米波导的耦合效率c)Couplingefficienciesofadeformedandacircularmicroresonatorcoupledwithananowaveguide1.3集成微腔中的激光研究作为形成激光的三大必要条件之一，光学微腔在低阈值激光器上有重大研究进展。尤其是近几年火热的钙钛矿材料，它在光电应用上表现出诸多优异特性，例如单晶缺陷密度低[120,121]、吸收系数高[122]、载流子扩散距离长[123]以及波长可调谐等。利用简单的溶液法即可完成对钙钛矿单晶的生长，由于材料本身具有增益特性且晶体的形状构成了简易的光学谐振腔，使得钙钛矿成为研究微纳激光器的重要对象。钙钛矿单晶可以自主形成多种不同形状的腔体，最常见的有方形片状、纳米线、微米线、微球等。2015年首都师范大学Fu课题组利用一步溶液法合成出大量的方形钙钛矿单晶[124]，该形状的腔体容易形成四次反射的WGM激光。同一时期，哥伦比亚大学Zhu等人利用溶液法合成出高质量的钙钛矿纳米线[125]，在飞秒激光的泵浦下，线状腔体内形成FP模式激光出射。由于纳米线单晶质量高，出射激光的阈值低达220nJ/cm2，Q值达到3600。2016年湖南大学Pan团队采用气相沉积的办法，制备出截面呈三角形的纳米线[126]。改变沉积前的反应物种类，可以实现415-673nm的激光出射。2017年哈尔滨工业大学Song团队利用溶液法制备出纯无机钙钛矿微米线，由于微米线的腔体结构特殊，既能形成沿长轴方向谐振的FP模式激光，又能在某一截面处形成面内的WGM激光，改变飞秒激光泵浦的位置，可以实现两种不同模式的激光出射[127]。因为晶体缺陷密度低且截面内的WGM损耗小，测量到该模式激光的Q值高达7000。图111钙钛矿微球腔出射激光[128]Figure111Thelaseremittedfromperovskitemicrospheres[128]a,c)两个微球的辐射激光光谱a,c)Laserspectraemittedfromtwomicrospheresb,d)对应的数值仿真场分布b,d)Thecorrespondingnumericalsimulationsoffielddistributions2020年中科院研究人员采用化学气相沉积的办法制备出无机钙钛矿微球[128]，微球的直径从500nm到2μm不等。科研人员利用微纳操作将两个不同尺寸的微球转移到一起，间距约30nm。当同时泵浦两个微球并出射激光时，两者发生耦合存在游标效应，可以实现线偏振、单纵模激光出射，如图1-11所示。图112大规模阵列钙钛矿微纳激光器的制备[131]Figure112Fabricationoflarge-scalearraysofperovskitemicrolasers[131]阵列排布的集成微腔在激光显示上具有重大应用价值。2016年首都师范大学Fu课题组提出用溶液限制生长法一次性大批量合成出钙钛矿单晶阵列[129]。首先制备一个硅基的圆柱阵列作为微纳模具，将聚二甲基硅氧烷悬涂在上表面，加热使其凝固后得到一个圆孔阵列模板，将模板压在涂有钙钛矿溶液的基底上，限制在圆孔阵列中的钙钛矿溶液最终成核结晶形成钙钛矿单晶阵列。通过改变溶液中卤族元素，该办法实现了426nm-527nm的阵列激光出射。同年，南洋理工大学研究人员提出在二氧化硅基底上转移一层六方氮化硼薄膜[130]，对薄膜进行光刻和刻蚀，得到设计好的图形阵列，再利用物理气相沉积的工艺在其上生长钙钛矿单晶。阵列排布的氮化硼能够帮助钙钛矿单晶成核并且起到覆盖层的作用。改变氮化硼基本单元的大小可以控制钙钛矿晶体的尺寸，最终可以实现波长可调谐的阵列激光出射。2019年俄罗斯研究人员提出在钙钛矿薄膜上，利用圆形激光光束直写，精确制备出钙钛矿微纳激光器阵列[131]，如图1-12所示。相对传统的溶液法合成，该方法能精确控制微腔的尺寸，实现高速、大批量、重复性高的微纳制备。为了将钙钛矿微腔出射的激光应用到光子集成回路，科研人员做了一系列研究。考虑光纤是光通信系统中应用最广泛的传输媒介，将钙钛矿微腔出射的激光和光纤高效率的耦合必将推进其进一步发展。2016年哈尔滨工业大学Song课题组提出微纳转移的办法，将钙钛矿纳米线转移至单模拉锥光纤上[132]。纳米线经泵浦出射激光，可以高效的耦合进光纤。为了和传统方法对比，科研人员用一个40倍数值孔径为0.6的物镜从上方采集光谱，实验结果表明从光纤两端采集到的光谱强度比物镜采集高一个数量级，显示出该方法的优越性。同年，该课题组优化了钙钛矿单晶生长工艺，能够生长出片状和线状相连的混合体[133]。通过泵浦片状单晶，钙钛矿出射的激光能从侧面线状单晶传输至末端。然而，可控且稳定生长是该方法面临的最主要挑战。2017年德国科研人员利用氮化硅在可见光波段吸收低，实现与钙钛矿微腔出射激光耦合输出[134]。制备一根氮化硅波导，镀上一层二氧化硅，通过微纳加工在二氧化硅层刻蚀出跑道型微腔沟道，将钙钛矿溶液旋涂进沟道，形成钙钛矿微环谐振腔，如图1-13所示。通过控制刻蚀深度，利用垂直耦合将钙钛矿出射的WGM激光耦合进波导输出。图113氮化硅波导实现钙钛矿激光耦合输出[134]Figure113Theperovskitelasercoupledoutbysiliconnitridewaveguide[134]a)跑道型钙钛矿激光器的示意图a)Sketchoftheracetrackperovskitelaserb)耦合区域的横截面b)Crosssectionofthecouplingarea2018年该课题组又采用全刻蚀钙钛矿微盘腔的工艺，精确控制垂直耦合参数，实现了阈值低达4.7μJ/cm2的激光高效率输出[135]，如图1-14所示。图114参数精确可控的氮化硅波导与钙钛矿激光耦合输出[135]Figure114Coupledoutputofsiliconnitridewaveguideandperovskitelaserwithpreciseandcontrollableparameters[135]a)钙钛矿微盘与氮化硅波导耦合示意图a)Sketchofaperovskitemicrodiskcoupledwithsiliconnitridewaveguideb)微盘与波导耦合区域的横截面b)Crosssectionofthemicrodiskcoupledwithwaveguide2016年中科院化学所Zhao研究团队提出以银纳米线为核生长钙钛矿单晶，最终形成钙钛矿单晶与银纳米线的混合体，即每根银纳米线嵌在钙钛矿单晶中[136]。泵浦钙钛矿单晶出射激光，银纳米线会形成金属等离子体共振，从而能够让激光沿着银纳米线传输至末端，如图1-15所示。图115钙钛矿与银纳米线的异质结构[136]Figure115TheheterostructureofperovskiteandAgnanowires[136]a)异质结构的电镜照片a)TheSEMoftheperovskite/Agnanowireheterostructureb)异质结构的明场与发光照片b)Thebrightfieldandluminescenceimagesoftheheterostructure然而，由于金属在可见光波段具有很高的损耗，利用金属波导传输激光的长度大大受限。另外，银作为贵金属会与钙钛矿发生化学反应，其发光性能也受到很大影响。图116钙钛矿与磷化镓结构的激光特性[137]Figure116Thelasingpropertiesofaperovskite-GaPphotonicdesign[137]a)钙钛矿与磷化镓异质结构的电镜照片a)TheSEMoftheperovskite-GaPheterostructurec)不同泵浦能量下的钙钛矿辐射光谱c)Theemittedspectraofperovskiteunderdifferentpumpdensitiesb)异质结构出射激光的测量方案b)Schemeofexperimentonlasingfromtheheterostructured)光谱强度和半高宽与泵浦能量的关系d)DependenceoftheemissionintensityandFWHMonthepumpdensities为此，俄罗斯研究人员在2020年提出利用磷化镓纳米线取代银纳米线和无机钙钛矿结合[137]，如图1-16所示。选择磷化铟纳米线有以下几点原因：第一，磷化铟具有很高的折射率，在550nm折射率高达3.45，在0.5-11μm波长范围内具有很低的损耗，因此磷化铟波导能很好的将光限制在其中并实现有效的传输；第二，磷化铟具有很高的热导系数。第三，磷化铟性质极其稳定。得益于以上三大优点，磷化铟波导成功将钙钛矿单晶出射的激光采集并实现高达20μm的传输距离。1.4集成微腔中的传感应用研究集成光学微腔Q值很高，代表其具有很强限制光的能力，使得光子有足够多的时间在腔内谐振，增加了光子与物质的相互作用。另外，当模式体积较小时，意味着光场被高度局域在腔内，光与物质之间的作用将进一步增强。因此，同时具有高Q值低模式体积的集成光学微腔具有很多重要的应用，超灵敏传感便是其中之一。在一个集成光学微腔和拉锥光纤的耦合系统中，当一个弹性散射小颗粒附着在微腔的侧壁，由于存在光的散射，简并的谐振模式会被破坏，产生一个CW和CCW的传输分量。当两个分量发生耦合作用，就会产生谐振模式的移动[138-140]和劈裂现象[141-143]。当模式劈裂程度小于其线宽，会引起模式的展宽[144,145]。如果颗粒具有非弹性散射特性，它会吸收一部分光子从而也使谐振模式展宽。由此可见，集成微腔在纳米颗粒传感的应用上，主要表现在谐振光谱的移动、劈裂和展宽。图117利用回音壁模式移动测量单个病毒装置[146]Figure117Singlevirusdetectionfromthereactiveshiftofawhispering-gallerymode[146]2008年美国哈佛大学研究团队利用集成微腔成功实现探测流感病毒[146]。为确定方案的可行性，研究人员先用该系统测量半径为250nm的PS小球。当透射光谱发生明显的移动，可以判断此时有PS小球附着在腔体表面，其中光谱移动最大时意味着PS小球吸附在腔体光场分布最强的位置。在测量过程中，人们发现小球没有吸附在腔体时也能被探测，因此该方法可以动态的测量纳米颗粒和微腔的吸附过程，如图1-17所示，最终科研人员成功探测到半径为50nm的病毒分子。2013年哈佛大学Crozier等人利用一维光子晶体微腔实现对直径为80nm的银纳米颗粒探测[147]，谐振波长偏移量和纳米颗粒的数量成正相关。2015年哈佛大学Quan等人利用Q值高达2.5×105的光子晶体微腔探测到最小直径为1.8nm的金纳米颗粒[148]。图118圆球微腔对拉锥光纤的探测示意图[149]Figure118Schematicofdetectionoftaperedfiberbysphericalmicrocavity[149]a)微球腔实现拉锥光纤的探测装置a)Microspherecavitytorealizetaperedfiberdetectiondeviceb)2号探测器采集的双峰光谱b)AnexampleofthedoubletspectrumrecordedonPD2利用谐振光谱劈裂的特征，研究人员也做了一系列相关工作。2007年瑞士研究人员用一根拉锥光纤取代纳米颗粒去靠近微球谐振腔，实验中共使用三个光电探测器[149]，如图1-18a)所示。经棱镜收集后1号探测器测量透射光谱，2号探测器利用多模光纤采集微球腔的散射光谱，3号探测器接收拉锥光纤的光信号。其中2号探测器可以接收到劈裂的光谱如图1-18b)所示，当探针沿着微球的不同径向、方位角和极性方向移动，谐振光谱劈裂的程度将随之改变，证明了该方案的可行性。2010年华盛顿大学Yang课题组利用两根拉锥光纤靠近微腔，同样观察到模式劈裂，改变光纤位置能够动态调控劈裂的模式，在频率和线宽上分别出现交叉和反交叉的现象[150]。同年该课题组通过一个Q值高达108的微腔成功探测到纳米颗粒的尺寸[151]，如图1-19所示。研究人员首先测量没有纳米颗粒附着的微腔透射光谱，确保自身不存在模式劈裂。然后动态增加附着纳米颗粒的数量，观察透射光谱的实时变化。只有一个纳米颗粒附着时，单个洛伦兹型谱线劈裂成两个峰，逐渐增加纳米颗粒的数量，劈裂后的两个峰半高宽随之变大。由于纳米颗粒附着的位置具有很大的随机性，连续增加颗粒的数量并不会导致半高宽的持续变化。为深入研究纳米颗粒和模式劈裂之间作用的机理，研究人员建立模型进行理论推导，得出纳米颗粒的尺寸和两个劈裂模式的耦合强度及线宽增加三者之间的关系。推算出纳米颗粒的尺寸与电子扫描显微镜（Scanningelectronmicroscope,SEM）测量的实际尺寸对比，平均误差不超过3%，具有很大的应用价值。值得注意的是，该方法不受纳米颗粒的位置影响，这也是和谐振波长偏移传感机制的最大区别。图119实验装置与微环腔纳米颗粒传感系统[151]Figure119Experimentalset-upandcoupledmicrotoroidcavity-nanoparticlesystem[151]a)实验装置示意图a)Schematicoftheexperimentalset-upc)测量结构渲染图及微腔横截面模拟场图c)Renderingimageofmeasuredstructureandthecrosssectionoffieldprofileb)微环腔纳米颗粒传感机制图b)Nanoparticlesensingmechanismbymicrotoroidd)附着在微腔表面的纳米颗粒电镜照片d)TheSEMofananoparticledepositedupontheresonator如果模式劈裂程度小于线宽，在光谱上即表现出模式展宽。造成模式展宽的原因主要有两个，其一是由两个劈裂模式的耦合强度决定，另一个是由纳米颗粒引起的散射强度决定。当待测纳米颗粒足够小，模式展宽主要由前者造成，这是实现纳米颗粒传感的基本原理[152]。和模式劈裂不同的是，模式展宽对微腔的Q值没有太高要求。除此之外，它对激光频率噪声和热波动的敏感度很低，这些优点使模式展宽传感机制具有更强的适用性。2013年北京大学Xiao团队利用该机制探测到半径为70nm的PS小球[153]。在实验中，为确认模式展宽是由纳米颗粒引起，研究人员使用了轻微变形的微腔。传统情况下，科研人员均使用圆形微腔和拉锥光纤的耦合系统，然而由于光纤稳定性较差易受机械振动影响，在耦合过程中容易造成本征的模式展宽。因此，该团队提出利用变形微腔，采用自由空间直接耦合和收集光谱，有效的避开上述问题。为抑制实验过程中探测激光带来的热光噪声和环境温度变化引起的波长漂移，研究人员在微腔外壁包裹一层PDMS，实验装置如图1-20所示。最终，当微腔外壁附着的纳米颗粒逐渐增加，模式的线宽也随之有规律的展宽。图120纳米颗粒或慢病毒检查的自由空间耦合系统[153]Figure120Free-spacecouplingsystemfornanoparticles/lentivirusesdetection[153]a)使用自由空间耦合系统探测PS纳米颗粒和病毒的实验装置示意图a)ExperimentalsetupforPSnanoparticlesandvirusdetectionusingafree-spacecouplingsystemc)涂有PDMS的变形微腔电镜照片c)TheSEMofaPDMScoateddeformedmicrotoroidb)具有不同耦合效率但相同线宽的两个自由空间透射光谱b)Twofree-spacetransmissionspectrafordifferentcouplingefficiencieswiththesamelinewidthd)附着在微腔表面的纳米颗粒电镜照片d)TheSEMofananoparticledepositedonthemicrotoroidsurface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.HighSensitivityNanoparticleDetectionUsingOpticalMicrocavities[J].ProceedingsoftheNationalAcademyofSciences,2011,108(15):5976-5979.WardJM,YangY,LeiF,etal.NanoparticleSensingBeyondEvanescentFieldInteractionwithaQuasi-DropletMicrocavity[J].Optica,2018,5(6):674-677.AkahaneY,AsanoT,SongB-S,etal.High-QPhotonicNanocavityinaTwo-DimensionalPhotonicCrystal[J].Nature,2003,425(6961):944-947.BoseR,SridharanD,KimH,etal.Low-Photon-NumberOpticalSwitchingwithaSingleQuantumDotCoupledtoaPhotonicCrystalCavity[J].PhysicalReviewLetters,2012,108(22):227402.CarterSG,SweeneyTM,KimM,etal.QuantumControlofaSpinQubitCoupledtoaPhotonicCrystalCavity[J].NaturePhotonics,2013,7(4):329-334.KwonS-H,SünnerT,KampM,etal.OptimizationofPhotonicCrystalCavityforChemicalSensing[J].OpticsExpress,2008,16(16):11709-11717.LiB-B,XiaoY-F,YanM-Y,etal.Low-ThresholdRamanLaserfromanon-Chip,High-Q,Polymer-CoatedMicrocavity[J].OpticsLetters,2013,38(11):1802-1804.MinB,KimS,OkamotoK,etal.UltralowThresholdon-ChipMicrocavityNanocrystalQuantumDotLasers[J].AppliedPhysicsLetters,2006,89(19):191124.SuZ,LiN,MagdenES,etal.Ultra-CompactandLow-ThresholdThuliumMicrocavityLaserMonolithicallyIntegratedonSilicon[J].OpticsLetters,2016,41(24):5708-5711.TulekA,AkbulutD,BayindirM.UltralowThresholdLaserActionfromToroidalPolymerMicrocavity[J].AppliedPhysicsLetters,2009,94(20):133.XiaoY-F,DongC-H,ZouC-L,etal.Low-ThresholdMicrolase