光学微腔特性研究及其应用
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可调谐的氧化硅回音壁模式光学微腔应用研究
摘要回音壁模式光学微腔因其超高品质因子、小模式体积等特点在光学领域得到越来越多的研究。
它的品质因子超越了传统光学谐振腔数个量级，极大的增强了光与物质的相互作用，为光子学器件研究提供了一个理想的平台。
而在它的诸多应用中，可调谐性则是一项重要的功能。
本文围绕氧化硅微瓶腔和微球腔，介绍了回音壁模式微腔的基本理论、耦合特性及制备方法，研究了其在可调谐窄线宽光纤激光器和可调谐偏振分束器中的应用。
主要内容如下：(1)介绍了回音壁模式光学微腔特别是可调谐微腔的研究背景。
对氧化硅微球腔和微瓶腔的光场分布进行了计算分析，并引入了回音壁模式微腔的耦合理论和背向散射。
(2)提出了基于微瓶腔的全光可调的窄线宽光纤激光器。
给出了可调谐微瓶腔的制备和测试方法，利用背向散射和氧化铁颗粒抑制其高阶模式，并将其应用于光纤激光器环路中，实现了2.7 nm的调谐范围和500 Hz的超窄线宽激光。
(3) 利用微球腔上传下载结构，提出了基于氧化铁纳米颗粒嵌入微球的全光可调偏振分束器。
在对微球腔的偏振相关特性进行理论分析的基础上，得到了分离的正交偏振光，其隔离度超过20 dB，且调谐范围达5.5 nm。
关键词：光学微腔回音壁模式全光调谐窄线宽光纤激光器偏振分束器AbstractWhispering-gallery-mode optical microcavities have been paid more and more attention in optical research field due to their ultra-high quality factors, small mode volumes and easy preparation. Their quality factors surpass the traditional optical cavity several orders of magnitude, greatly enhancing the interaction between light and matter, providing a new platform for photonics device research. In many of its applications, tunability is an important performance parameter.In this paper, we introduce the mircobottle cavity and microsphere cavity, including their basic theory, coupling characteristics and fabrication. And the application in tunable ultra-narrow linewidth laser and tunable polarization beam splitter are introduced.The main content of the thesis includes:(1)The research background of whispering gallery mode is introduced, and research highlights on tunable microcavity and its application are summarized. The optical field distribution of the microsphere cavity and the microbottle cavity is analyzed. And the coupling theory and backscattering of the whispering gallery mode microcavity are introduced.(2) A narrow linewidth laser based on microbubble-based all-optical tuning is proposed. The preparation and testing methods of tunable micro-bottle cavity are introduced and applied to the fiber laser loop to achieve a tuning range of 2.7 nm and an ultra-narrow linewidth laser of 500 Hz.(3) An all-optically tuned polarization beam splitter based on magnetic fluid microspheres is proposed. Based on the theoretical analysis of the polarization-related properties of the microsphere cavity, using the add-drop model constructed by the combination of microfiber and microsphere cavity, the separated orthogonally polarized beams are obtained in the device. The separation ratio exceeds 20dB, and the all-optical tuning range reaches 5.5 nm.Key words: Optical microcavities Whispering gallery modes All-optical tuning Narrow-linewidth fiber lasers Polarization beam splitters目录摘要 (I)Abstract (II)1 绪论1.1 回音壁模式微腔及其应用 (1)1.2 氧化硅回音壁模式微腔调谐方案 (4)1.3本论文主要内容及研究意义 (8)2 回音壁模式微腔理论基础2.1 微腔理论模型 (9)2.2 微腔参数分析 (12)2.3 微腔耦合理论 (14)2.4 本章小结 (20)3 基于氧化硅微瓶腔的可调谐窄线宽光纤激光器3.1 可调谐微瓶腔的制备 (22)3.2 可调谐微瓶腔的性能测试 (25)3.3 可调谐窄线宽光纤激光器 (28)3.4 激光线宽测试 (30)3.5 本章小结 (32)4 基于氧化硅微球腔的可调谐偏振分束器4.1 可调谐偏振分束器基本原理 (34)4.2 氧化铁纳米颗粒嵌入的微球腔制备 (36)4.3 器件性能测试 (37)4.4 本章小结 (42)5 总结与展望 (43)致谢 (45)参考文献 (46)附录 1 攻读硕士学位期间发表论文目录 (50)附录 2 论文中缩略词含义 (51)1 绪论随着4G到5G通信技术的发展，通信容量呈爆炸式增长，光纤通信在整个通信链路中占比越来越高。
光学微腔特性研究及其应用_图文_图文
光学微腔特性研究及其应用_图文_图文.ppt
光学微腔是一种能够把光场限制在微米量级区域中的光学谐振腔。它利用在介电 常数不连续的材料界面的反射、散射或衍射，将光能量限制在很小的区域内来回 振荡，从而增加光子寿命，减少光场模式数目。当增益介质(偶极子)置于微腔中， 它的自发辐射性质受到局域真空场的显著调制，因此产生低阈值的激光。
(r, )
0
上式中的变量 r, 是不相关的，因而上式可以分离变量成为以下两个方程：
r2
d2 dr 2
R(r)
r
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R(r)(k2r2 源自N2 ) R(r)
0
d2 d 2
( )
M
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0
k neff / c
(r, ) AM ,N JM ,N (rneff / c) eiM
光学微腔分类
依据工作介质不同
1.有源微腔：“有源”是指腔内的工作介质具有增益，这类微腔在外部光激
励或者电激励的时通过谐振腔的模式选择产生激光出射
2.无源微腔：“无源”指腔内工作介质无增益，这种微腔主要通过微腔的本 征光学模式选择对入射光进行调制，主要应用于信号处理中的滤波器、光开 关、或者传感器等。
解回音壁模式。如图所示，光线从A点沿微腔边缘传播，入射角为 。由于旋转
对称性，光线在腔内能够以同一入射角持续全反射。在有限次反射之后，光线会 回到原点A。当满足相位匹配条件，在谐振腔内会形成等间距的共振模，这种模 式就称为回音壁模式。
回音壁式微腔（WG型微腔）
理论分析
无论是三维的微盘还是二维的微环，它们的回音壁模式分析都可以通过有效折 射率法和不同的边界条件设定简化为二维的微盘的本征模式分析。二维的微盘 的回音壁模式在柱坐标下可以严格地分解成横电模（TE）和横磁模（TM）两 者都可以通过Maxwell方程得到对应的Helmholtz方程：
光学微腔是一种能够把光场限制在微米量级区域中的光学谐振腔。它利用在介电 常数不连续的材料界面的反射、散射或衍射，将光能量限制在很小的区域内来回 振荡，从而增加光子寿命，减少光场模式数目。当增益介质(偶极子)置于微腔中， 它的自发辐射性质受到局域真空场的显著调制，因此产生低阈值的激光。
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上式中的变量 r, 是不相关的，因而上式可以分离变量成为以下两个方程：
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光学微腔分类
依据工作介质不同
1.有源微腔：“有源”是指腔内的工作介质具有增益，这类微腔在外部光激
励或者电激励的时通过谐振腔的模式选择产生激光出射
2.无源微腔：“无源”指腔内工作介质无增益，这种微腔主要通过微腔的本 征光学模式选择对入射光进行调制，主要应用于信号处理中的滤波器、光开 关、或者传感器等。
解回音壁模式。如图所示，光线从A点沿微腔边缘传播，入射角为 。由于旋转
对称性，光线在腔内能够以同一入射角持续全反射。在有限次反射之后，光线会 回到原点A。当满足相位匹配条件，在谐振腔内会形成等间距的共振模，这种模 式就称为回音壁模式。
回音壁式微腔（WG型微腔）
理论分析
无论是三维的微盘还是二维的微环，它们的回音壁模式分析都可以通过有效折 射率法和不同的边界条件设定简化为二维的微盘的本征模式分析。二维的微盘 的回音壁模式在柱坐标下可以严格地分解成横电模（TE）和横磁模（TM）两 者都可以通过Maxwell方程得到对应的Helmholtz方程：
光学微腔特性研究及其应用
解回音壁模式。如图所示，光线从A点沿微腔边缘传播，入射角为 。由于旋转
对称性，光线在腔内能够以同一入射角持续全反射。在有限次反射之后，光线会 回到原点A。当满足相位匹配条件，在谐振腔内会形成等间距的共振模，这种模 式就称为回音壁模式。
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回音壁式微腔（WG型微腔）
➢ 理论分析
无论是三维的微盘还是二维的微环，它们的回音壁模式分析都可以通过有效折 射率法和不同的边界条件设定简化为二维的微盘的本征模式分析。二维的微盘 的回音壁模式在柱坐标下可以严格地分解成横电模（TE）和横磁模（TM）两 者都可以通过Maxwell方程得到对应的Helmholtz方程：
对于半导体材料来说，由于各层材料之间的折射率相差较小，单层DBR的反射率 较低，一般需要精密生长二十对左右的DDB才能达到99%以上的镜面有效反射率。 而且，由于FP型微腔激光器的出光方向垂直于表面，非常适合于制作高密度的二 维激光器阵列。其中，具有代表性的FP型微腔激光器是垂直腔面反射激光器 (Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser, VCSEL)。
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回音壁式微腔（WG型微腔）
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N2 ) R(r)
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其中 k neff / c ，可得
(r, ) AM ,N JM ,N (rneff / c) eiM
上式中 AM ,N 是归一化因子。再利用回音壁模式的物理特征简化上述方程，假设 微盘的外面的场处处为零，即 (R, ) 0 可得，
(2
n
对称性，光线在腔内能够以同一入射角持续全反射。在有限次反射之后，光线会 回到原点A。当满足相位匹配条件，在谐振腔内会形成等间距的共振模，这种模 式就称为回音壁模式。
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回音壁式微腔（WG型微腔）
➢ 理论分析
无论是三维的微盘还是二维的微环，它们的回音壁模式分析都可以通过有效折 射率法和不同的边界条件设定简化为二维的微盘的本征模式分析。二维的微盘 的回音壁模式在柱坐标下可以严格地分解成横电模（TE）和横磁模（TM）两 者都可以通过Maxwell方程得到对应的Helmholtz方程：
对于半导体材料来说，由于各层材料之间的折射率相差较小，单层DBR的反射率 较低，一般需要精密生长二十对左右的DDB才能达到99%以上的镜面有效反射率。 而且，由于FP型微腔激光器的出光方向垂直于表面，非常适合于制作高密度的二 维激光器阵列。其中，具有代表性的FP型微腔激光器是垂直腔面反射激光器 (Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser, VCSEL)。
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回音壁式微腔（WG型微腔）
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其中 k neff / c ，可得
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上式中 AM ,N 是归一化因子。再利用回音壁模式的物理特征简化上述方程，假设 微盘的外面的场处处为零，即 (R, ) 0 可得，
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光学微腔特性研究及其应用
普通谐振腔
光学微腔
光学微腔的研究背景
集成光路包括光波的发射、传输、调制-解调、上载、下载、接收、存储、 显示等一系列的过程。近年来，随着微电子学的薄膜工艺提高,研究者们将微波 理论和激光技术相结合，采用微纳加工技术在各种均匀的光学材料中制备各种波 长尺度的结构来控制光信号的传播或产生新的物理效应，从而创造出新型光子学 器件。微腔型光电子器件正式基于此背景提出的。这类器件具有尺寸小、易于集 成、功耗低以及品质因子高等优点，在信号的发射、处理和传感等方面表现出很 大的前景，例如高性能光源，光存储器、光开关、密集波分复用系统(DWDM)的上 下载滤波器以及生化传感器等。除此之外，由于光学微腔可以在极小的空间内产 生巨大的光强，同时降低了腔内模式数目，影响腔内物质原子的自发福射特性， 因此在揭示物质世界本质的自然科学领域。
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上式中的变量
是不相关的，因而上式可以分离变量成为以下两个方程：
回音壁式微腔（WG型微腔）
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其中 k neff / c ，可得
(r, ) AM,N JM,N (rneff / c) eiM
上式中 AM ,N 是归一化因子。再利用回音壁模式的物理特征简化上述方程，假设 微盘的外面的场处处为零，即 (R, ) 0 可得，
M ,N
X M ,N c neff R
回音壁式微腔（WG型微腔）
其中 X M ,N 是M 阶贝塞尔函数的N 阶零点值R， 是微盘的半径M， 对应模式
光学微环谐振腔的研究与应用(张浩SY1119222)
光学微环谐振腔的研究与应用摘要：随着光纤通信技术的发展，光通信网络需要不断地提高工作性能和降低运营成本，其核心技术在于光波导器件的微型化、集成化和规模化，与此同时未来全光网络迫切需要能够实现多种功能的新型光波导器件。
微环谐振器(简称微环)满足了上述两个要求，其微纳米量级的尺寸非常适于大规模单片紧密集成。
本文首先说明了光的全反射理论和波导的基本结构。
然后介绍了光学微环谐振腔器件原理和他们的光学传输特性。
基于绝缘体上硅波导（Silicon-On-Insulator SOI）的微纳米环形谐振腔，由于其尺度为微纳米范围，具有超高的集成度并且其加工技术可以和互补型金属氧化物半导体(Complementary metal–oxide–semiconductor COMS)工艺相兼容，使其正在成为光器件加工的诱人方案。
我们在这里提出一种耦合的集成光波导结构，这样的结构可以使集成化的光波导陀螺的灵敏度得到加强。
关键词: 微谐振腔, 光波导，SOI，陀螺RESEARCH&APPLICATIONS OF OPTICAL MICRORINGRESONATORSAbstractWith the development of fiber-optic communication technologies, high-performance and low-cost are both desirable for optical communication networks.The core technology includes small-size optical waveguide devices with the potentials for integrations.In addition, optical waveguide devices with various functions for all optical signal processing are becoming more important for the realization of future all-optical networks.The microring resonator is a suitable candidate to meet these two requirements.Moreover, its small size is very suitable for integration with large dimension.In this thesis, we first introduce the light of total reflection theory and the basic structure of waveguide. Then we introduce the principle of mcroring resonator,analysis their transmission property. Micro-ring resonators based on silicon- on-insulator (SOI) structure are promising building-blocks for ultra-compact and highly integrated photonic circuits. The fabrication technology is mostly CMOS-compatible.We propose a configuration of integrated waveguide structure consisting of resonators coupled to an arc-shape waveguide. Such proposed configuration can be used to realize highly compact optical gyroscope for rotation sensing.Key words: microresonators ,waveguide ,SOI ,Gyroscope1. 引言光通信，顾名思义，即用光作为信息的载体来传递信号，在通信不发达的古代，人们就已经懂得利用光来传递信息。
基于回音壁模式光学微腔的细胞内传感
基于回音壁模式光学微腔的细胞内传感基于回音壁模式光学微腔的细胞内传感摘要：光学微腔作为一种新型的生物传感器，在生命科学中得到了广泛的应用，其基于回音壁模式的性质使得它可以实现高灵敏、高效率、非侵入式的细胞内传感。
本文将以回音壁模式光学微腔为核心，介绍其在细胞内传感方面的应用研究进展和主要应用场景。
首先，我们将介绍光学微腔回音壁模式的原理和特点，以及其与细胞生物学的关系。
接着，我们将详细讨论基于回音壁模式光学微腔的细胞内传感技术，包括气体、温度、压力、形态、质量、折射率等多项细胞内参数的测量原理和方法。
最后，我们将对该领域的研究现状和未来发展方向进行分析和展望。
关键词：光学微腔；回音壁模式；细胞内传感；气体；温度；压力；形态；质量；折射率引言：随着生命科学研究的深入和发展，对细胞内过程和环境的研究需求越来越迫切。
传统的分析方法需要对细胞进行破坏性取样分析，使得无法实时、动态地监测细胞内环境变化的情况。
因此，如何实现高灵敏、高效率、非侵入式的细胞内传感成为了一个重要的研究课题。
光学微腔作为一种新型的生物传感器，可以通过与物质相互作用而改变光场，从而实现对物质进行测量和传感。
其中，基于回音壁模式的光学微腔由于具有高灵敏度、高分辨率、免标记、实时监测等优点，被广泛应用于细胞内传感领域。
回音壁模式光学微腔的原理和特点光学微腔是一种光学共振器，在其内部，光波与微腔壁面多次反射形成驻波，即回音壁模式。
光子在光学微腔壁上来回反射的过程中，会受到微腔壁材料的光学性质影响，使得光子的相位和振幅发生变化。
这种光信号的微弱变化可以通过光纤耦合器和高灵敏光探测器测量，从而实现对光学微腔内环境参数的测量。
其中，回音壁模式是光学微腔的核心特点之一。
回音壁模式由于存在大量的回波，可以将光信号已在频域表示，从而实现高分辨率和高灵敏度的高精度测量。
此外，光学微腔还具有免标记、实时监测、高可重复性等优点，使得它成为了一种非常实用的细胞内传感器。
回音壁模式光学微腔传感
回音壁模式光学微腔传感光学微腔是一种特殊的光学器件，它利用光在内部的反射和干涉，形成一种特殊的光场分布，具有高灵敏度和高分辨率的传感特性。
回音壁模式光学微腔是一种在光学微腔内部形成的特殊模式，具有极高的品质因子和灵敏度，被广泛应用于生物医学、化学分析、环境监测等领域。
本文将介绍回音壁模式光学微腔的基本原理、传感机制和应用前景。
一、回音壁模式光学微腔的基本原理回音壁模式光学微腔是一种基于光在光学微腔内部的反射和干涉形成的特殊模式。
光学微腔是一种具有高品质因子的光学器件，其内部的光场可以在微腔内部反复传播，形成一种特殊的光场分布。
光学微腔一般由两个反射镜和一个介质构成，光在两个反射镜之间反复传播，形成回音壁模式。
回音壁模式的波长和频率受到光学微腔的几何结构、介质折射率和反射镜反射率等因素的影响。
回音壁模式的品质因子Q是衡量光学微腔性能的重要指标，它反映了光在微腔内部的衰减速度，Q值越高，衰减越慢，灵敏度越高。
回音壁模式的品质因子可以达到几万甚至几十万的级别，是其他光学器件难以比拟的。
二、回音壁模式光学微腔的传感机制回音壁模式光学微腔的传感机制基于微腔内部的光场分布和介质的折射率变化。
当微腔内部有介质进入或离开时，微腔内部的光场分布会发生变化，从而导致回音壁模式的波长和频率发生变化。
这种变化可以通过外部的激光光源和光谱分析仪进行测量和分析。
回音壁模式光学微腔的传感机制具有高灵敏度、高分辨率和高选择性的特点，可以用于检测微小的折射率变化和化学物质的浓度变化。
回音壁模式光学微腔的传感机制还可以通过表面修饰和功能化等方法实现对特定分子和生物分子的检测和识别。
三、回音壁模式光学微腔的应用前景回音壁模式光学微腔具有广泛的应用前景，在生物医学、化学分析、环境监测等领域都有着重要的应用。
在生物医学方面，回音壁模式光学微腔可以用于检测生物分子的浓度和识别，例如蛋白质、DNA、细胞等。
在化学分析方面，回音壁模式光学微腔可以用于检测化学物质的浓度和组成，例如气体、液体、药物等。
光学微腔的原理及制作研究
科研实践文献综述学院物理与信息工程学院专业应用物理学学号*********姓名指导教师题目光学微腔的原理及制作研究光学微腔的原理及制作研究一、光学微腔发展背景光学微腔是一种尺寸在微米量级或者亚微米量级的光学谐振腔，它利用在折射率不连续的界面上的反射、全反射、散射或者衍射等效应，将光限制在一个很小的区域。
基于回音壁模式( Whispering Gallery Mode，简称WGM[1])的光学微腔成为了近年来研究的热点。
首先它作为一种尺寸可与光波长相比拟的光学谐振腔，使得凝聚态中的一些量子电动力学现象得以研究[2]；其次作为一种低阈值激光微腔，在集成光学、信息光学等诸多应用领域有很好的应用前景。
目前光学介质微腔的形状也多种多样，主要有微球腔[3]、微盘腔[4]、微环腔[5]、微芯环腔[6]几种。
本文主要总结了近年来国内外光学微腔的一些研究现状及成果，并分析了未来的发展趋势。
目前信息与通信技术正以前所未有的速度发展,根据摩尔定律的预测,大约每18个月处理器的速度和内存的大小就会翻倍,而且这个速度还将持续十年。
如果光学能够在信息与通信领域发挥重大的作用,无疑它将以飞快的速度发展。
全光信号处理技术,由于不需要进行光-电-光转换,逐渐成为全光网络系统中前景广阔的领域之一。
对于全光网络设想的实现更需要一些体积更小,结构简单,性能较稳定的光学器件。
光学谐振腔是一个重要的光学器件,它在光通讯器件、光纤传感等领域里得到了广泛的应用,同时也是激光器的重要组成部分。
所以具有高集成度的微纳米光学谐振腔器件必将成为一个研究的热点。
二、光学微腔的常用制备方法硅基二氧化硅回音壁模式光学微腔具有高品质因子和小模式体积，使得腔内有较高的光场能量密度。
微腔位于硅基之上，与成熟的硅加工工艺相兼容，制作工艺简单，且能够与光纤锥进行高效的耦合，具有可在硅片上单片集成的特点。
基于以上特点，回音壁模式微腔可以广泛应用于光纤通信无源器件、非线性光学、低阈值激光器以及腔量子电动力学方面的研究。
光学微腔研究进展
光学微腔研究进展前言基于回音壁模式(Whispering Gallery Mode，简称WGM[1])的光学微腔成为了近年来研究的热点。
首先它作为一种尺寸可与光波长相比拟的光学谐振腔，使得凝聚态中的一些量子电动力学现象得以研究[2]；其次作为一种低阈值激光微腔，在集成光学、信息光学等诸多应用领域有很好的应用前景。
目前光学介质微腔的形状也多种多样，主要有微球腔、微盘腔、微环腔、微芯环腔几种。
本文主要总结了近年来国内外光学微腔的一些研究现状及成果，并分析了未来的发展趋势。
一、光学微腔发展背景光通信，顾名思义，即用光作为信息的载体来传递信号。
自从1960年美国科学家梅曼（Maiman)发明了第一台红宝石激光器。
2009年的诺贝尔物理学获得者高琅(Charles K.Kao)和他的同事霍克曼(GA.Hckman)于1966年提出玻璃纤维可传输光信号，并指出通信光纤的要求是每公里衰减小于20分贝(dB)之后。
通信领域进入了一个崭新的时代--光纤通信技术时代。
在光纤通信层出不穷的新技术的推动下，整个通信技术得到了快速的发展。
自DWDM系统首次商用以来，光纤通信的发展速度日益加快。
首先其容量成倍增加。
短短几十年的时间，光纤通信技术得到了迅速的普及和发展，极大地促进了人类社会信息化建设的步伐。
但是随着光纤传输容高，器件尺寸的不断下降，工业上已经很难按照摩尔定律的速度发展了。
传统电信号处理设备面临"电子瓶颈"的限制，这导致了全光网的产生和全光信号处理研究的热潮。
所谓全光通信网络是指信息从源节点到目的节点的传输与交换完全在光域进行，即全部采用光波技术完成信息的传输和交换的宽带网络，可以避免"电子瓶颈"是通信网向宽带、大容量发展的首选方案。
全光通信网络一问世即引起了人们极大的兴趣，很多国家都以关键技术、设备与部件以及材料的研制开发为突破口，通过现场实验来推动其实用化和商用化进程。
研究光学微腔中的光学共振现象
研究光学微腔中的光学共振现象光学微腔是一种能够在其中储存光子并使其产生共振现象的微型结构。
近年来，光学微腔的研究成为了光学领域的热点之一。
在这篇文章中，我们将探讨光学微腔中的光学共振现象的研究进展以及其在应用中的潜力。
首先，我们来了解一下什么是光学微腔。
光学微腔是一种具有高度反射边界的微型结构，通常由高折射率材料制成，例如二氧化硅或氮化硅。
这种结构能够通过将光子限制在其内部，使其具有长的光学传输路径，并且能够将光子有效地囚禁在其中。
通过调节微腔的尺寸和形状，可以实现不同波长范围内的光子共振。
光学微腔中的光学共振现象是指当入射光频率等于微腔的固有频率时，光子的振荡将得到放大，从而形成共振峰。
这种共振现象类似于弦乐器上的共振，当弦乐器的共振频率与音调匹配时，声音会变得更加响亮。
类似地，当光子的频率与微腔的固有频率匹配时，光强也会得到增强。
这种光学共振现象不仅可以用于增强光的强度，还可以用于增强光与物质的相互作用。
光学微腔中的光学共振现象在光学通信、传感和量子信息等领域有着广泛的应用。
例如，在光学通信中，光学微腔可以用作高速调制器和光放大器，可以实现高速数据传输和光信号处理。
在传感领域，由于光子在微腔中的长传输距离和高增益特性，光学微腔可用于检测微小的物理和化学变化，如生物分子的结合和温度的变化。
在量子信息学中，光学微腔可以作为量子比特和量子存储的载体，用于实现量子计算和量子通信。
光学微腔中的光学共振现象的研究已取得了一系列重要的成果。
目前，国际上已经实现了各种类型的光学微腔，如马氏型光学微腔、球形微腔和光子晶体微腔等。
这些微腔不仅具有高品质因子（Q因子），还能够在不同波长范围内生成共振峰。
通过优化微腔的尺寸和材料，可以实现更高的光子增益和更低的损耗。
此外，近年来，各种新型的光学微腔结构也被提出和研究。
例如，光学陷阱微腔利用光学力将光子限制在微腔中，形成共振现象。
这种结构具有更高的Q因子和更长的光学传输路径，有望在传感和量子信息领域有更广阔的应用前景。
光子晶体微腔的光学性质研究
光子晶体微腔的光学性质研究光子晶体是一种具有周期性介电常数分布的光学材料，由周期性排列的介电材料构成。
而光子晶体微腔则是指在光子晶体中引入缺陷或设计特定结构形成微小空腔，在其中储存和操控光的能量。
光子晶体微腔以其独特的光学性质吸引了广泛的研究兴趣，被应用于光通信、光传感、光计算等领域。
本文将重点讨论光子晶体微腔的特性及其在光学领域的应用。
首先，光子晶体微腔的研究离不开对其光学性质的探究。
光子晶体微腔通过调整晶格的结构和缺陷的引入来控制光的波导和耦合行为。
一种常见的光子晶体微腔是基于硅材料的平面型微腔。
硅是一种常见的光电材料，具有较高的折射率和较低的损耗，适合用于制作光子晶体微腔。
通过在硅基板上制作周期性结构，可以在光子晶体中形成光波导和微腔。
在光学性质方面，光子晶体微腔具有多种优越性能。
首先，光子晶体微腔可以实现高品质因子（Q因子），即光能在微腔中的衰减速率相对较低。
高品质因子意味着光子在微腔中能够储存更长的时间，增强了光与物质相互作用的可能性。
其次，光子晶体微腔可以实现超传输，即光的传输速度可以超过自由空间中的光速。
这是由于光子晶体微腔中的色散效应，使得光波包在微腔中传输时加速。
另外，光子晶体微腔还具有自由度高、可调控性强的特点。
通过改变光子晶体的晶格结构和微腔的形状，可以实现对反射率、传输谱和Q因子等光学性质的调节。
这为实现光子器件的灵活设计和集成提供了可能。
光子晶体微腔在光学领域有着广泛的应用。
一方面，光子晶体微腔可用于光通信领域。
光子晶体微腔的高品质因子和超传输特性使其成为理想的光滤波器、光放大器和光调制器等组件。
在光通信系统中，光子晶体微腔能够实现高速光信号传输和处理，提高光纤通信的带宽和传输速率。
另一方面，光子晶体微腔还可应用于光传感领域。
微小的光子晶体微腔具有高度敏感的光学特性，能够对周围环境中的折射率、温度等参数进行实时监测。
基于光子晶体微腔的传感器可用于生物医学、环境监测等领域，实现高灵敏度、高分辨率的光学传感。
《高Q值回音壁模式光学微腔研究与实现》范文
《高Q值回音壁模式光学微腔研究与实现》篇一一、引言随着现代光学技术的飞速发展，光学微腔作为一种重要的光子器件，在光通信、光子集成电路、量子信息处理等领域具有广泛的应用前景。
其中，回音壁模式（Whispering Gallery Mode，简称WGM）光学微腔以其独特的光学特性引起了研究者的广泛关注。
高Q值（Quality Factor）的回音壁模式光学微腔因其能够有效地限制光场在微腔内进行长时间的循环传播，具有高灵敏度、高分辨率等优点，在生物传感、化学检测等领域具有重要应用价值。
本文旨在研究高Q值回音壁模式光学微腔的原理、设计及实现方法。
二、光学微腔的基本原理光学微腔是指具有特定的形状和尺寸的微小空间，能够将光场有效地限制在其中。
而回音壁模式是光学微腔中的一种主要模式，它具有较小的传播损耗和较长的循环传播时间。
在回音壁模式下，光场在微腔内部经过多次反射后仍然能够保持原有的状态，形成一个长时间的驻波。
这种模式的特性使得它非常适合用于光子集成和光学传感等应用。
三、高Q值回音壁模式光学微腔的设计与实现（一）设计原理高Q值回音壁模式光学微腔的设计主要依赖于微腔的形状、尺寸和材料等参数。
设计时需要考虑到微腔的几何形状、表面粗糙度、材料折射率等因素对光场传播的影响。
此外，还需要考虑到微腔的加工工艺和封装技术等因素。
（二）设计方法设计高Q值回音壁模式光学微腔的方法主要包括有限元法（FEM）、时域有限差分法（FDTD）等数值模拟方法。
这些方法可以通过模拟光场在微腔内的传播过程，得到微腔的Q值和模式分布等信息。
同时，还需要考虑到微腔的稳定性、可重复性等因素。
（三）实现方法实现高Q值回音壁模式光学微腔的方法主要包括加工工艺和封装技术等。
加工工艺主要包括激光加工、化学腐蚀等方法，这些方法可以制备出具有特定形状和尺寸的微腔结构。
而封装技术则包括光路设计、光路耦合等技术，用于将微腔与外部光路进行连接，实现光场的输入和输出。
光子晶体光学微腔的制备及光电性能研究
光子晶体光学微腔的制备及光电性能研究第一章：研究背景与意义光子晶体是一种结构规则的介电质材料，具有周期性的电磁场分布，被广泛用于光学等领域的研究。
其中，光子晶体光学微腔是一种高品质因子微腔，其工作原理是利用介电介质中的布拉格反射，将光束限制在空间内，并增强光与物质之间的相互作用。
该技术在微型激光器、光调制器、单光子源和基于量子信息的通信等领域具有很广泛的应用前景。
然而，光子晶体光学微腔的制备与性能研究仍存在较多挑战，因此本文主要从材料的制备、微腔的结构设计和性能测试三个方面对光子晶体光学微腔的制备及光电性能进行综述与探讨。
第二章：光子晶体材料的制备目前，常见的光子晶体材料主要包括有机和无机两种。
对于有机光子晶体材料的制备，主要是采用层层组装的方法，即将带有离子性的聚合物分子或小分子基团通过静电相互作用，一层一层地堆积在基板上，最终形成晶体结构；或者采用柔性自组装技术，通过超分子自组装形成分子基纤维等结构，最后形成晶体结构。
而无机光子晶体材料的制备则主要依靠石墨烯、TiO2等具有对称结构的材料。
例如，可以利用光刻和干法蒸发技术制备具有二维光子晶体结构的TiO2膜；或者采用局部氧化法制备上有元器件的三维光子晶体材料。
第三章：光子晶体光学微腔的结构设计针对不同研究领域和应用需求，光子晶体光学微腔可以采用不同的结构设计。
例如，在微型激光器领域，可以采用具有谐振性的光子晶体微腔，并控制不同的反射面，以调节激光波长和增强能量密度。
在单光子源领域，则需要采用直径较小的微腔结构，以减小能级间隔，实现单光子引发等效振荡。
此外，还可以利用多种工艺手段对光子晶体光学微腔的结构进行改善，如采用微机电加工工艺制备具有微米级高质因子的光子晶体微腔，或者将其与纳米粒子等进行结合，实现多功能性能的拓展等。
第四章：光子晶体光学微腔的性能测试光子晶体光学微腔的性能测试主要涉及微腔的质因子、谐振波长、耦合效率、单光子发射等性能。
其中，微腔的质因子是衡量微腔损耗大小的一个关键参数，质因子越高则代表光子在微腔中传输损耗越小。
微腔的定义分类及应用范围
微腔的定义分类及应用范围微腔是一种特殊的物理结构，可以将光信号限制在一个非常小的体积内。
它通常由高折射率材料构成，例如光波导或光纤，形状可以是球形、圆柱形或其他几何形状。
微腔的直径通常在几微米到几毫米之间。
微腔内的光可以形成驻波模式，其中光的能量在微腔中来回传播。
根据微腔的形状和工作原理，微腔可以分为多种类型，包括谐振腔、光栅耦合腔、光子晶体腔等。
首先是谐振腔，它是最常见和简单的微腔类型。
谐振腔可以是球形、圆柱形或其他形状，通过控制腔体的尺寸和材料特性，可以选择相应的波长进行谐振。
谐振腔可以将光子储存在其中，形成高品质因子（Q值高）的共振模式。
谐振腔的应用包括光子学传感、激光器、光学时钟、光谱学等。
第二种类型是光栅耦合腔，它是通过光栅结构将光引入腔体中进行耦合的微腔。
光栅耦合腔可以根据光栅的周期、孔径和深度等参数调节光的耦合效率。
光栅耦合腔的特点是能够实现高效的能量耦合和调节。
它的应用包括高速光通信、光子集成芯片等。
第三种类型是光子晶体腔，它是利用光在周期性介质中形成布拉格反射的原理来实现的微腔。
光子晶体腔具有禁带结构，能够选择性地引导和限制特定波长的光。
光子晶体腔具有较高的品质因子，可以用于光纤通信、光学传感、量子光学等领域。
微腔的应用范围非常广泛。
首先，在光学通信领域，微腔可以用于实现高效的光耦合和光谱调制，提高光通信系统的性能和速度。
其次，在生物医学领域，微腔可以用于分子检测、细胞成像等应用，通过微腔的高灵敏度和选择性，可以实现高灵敏度的细胞检测和疾病诊断。
另外，微腔还可以用于量子光学和量子信息处理，由于微腔能够将光以高效率捕获和储存，可以用于实现量子比特的存储和传输。
此外，微腔还可以应用于光谱学、激光器、光频率合成、生物传感和化学分析等领域。
微腔是一个多学科交叉的研究领域，目前正被广泛探索和应用。
回音壁模式光学微腔传感
回音壁模式光学微腔传感回音壁模式光学微腔传感是一种利用光的性质在微米尺度下进行传感和检测的技术。
它利用了光在微结构中的干涉现象，将微腔结构设计成特定的形状和尺寸，使光在其中形成闭合回路，进而形成一种称为“回音壁模式”的光学场景。
通过监测微腔中光的传播和干涉特性的变化，可以实现对微环境的高灵敏度检测。
本文将详细介绍回音壁模式光学微腔传感的原理、应用以及相关研究进展。
回音壁模式光学微腔传感的原理是基于光与微腔结构相互作用的效应。
在微腔中，光的传播路径被限制在微腔的边界上，形成一种类似于声波在回音壁中传播的现象。
当外界环境发生变化时，如介质折射率的变化、温度的变化或化学物质的吸附等，会导致微腔中的光的传播特性发生变化，从而引起“回音壁模式”的场景发生改变。
通过监测这种场景的变化，可以实现对微环境的高灵敏度探测。
回音壁模式光学微腔传感技术具有高灵敏度、快速响应和小尺寸等优点，可以应用于生物医学、环境监测、化学分析等领域。
在生物医学中，回音壁模式光学微腔传感可以用于检测生物分子的吸附、生化反应的发生以及细胞的附着等过程。
例如，利用微腔表面功能化的方法，可以实现对生物分子的高灵敏度检测。
当生物分子吸附在微腔表面时，会引起微腔中光的散射和传播特性的变化，从而可以通过监测微腔中光的特性变化来实现对生物分子的检测。
此外，回音壁模式光学微腔传感还可以用于监测细胞的附着和增长情况，通过监测微腔中的光的传播特性的变化可以实时观察细胞的活动状态。
在环境监测中，回音壁模式光学微腔传感可以应用于水质、空气质量等方面的检测。
例如，将微腔表面功能化成特定的吸附材料，可以实现对环境中特定物质的高灵敏度检测。
通过监测微腔中光的特性变化，可以实时监测环境中的目标物质的浓度变化。
此外，由于回音壁模式光学微腔传感技术具有小尺寸和快速响应的特点，可以应用于便携式传感器的研发，实现对环境的实时监测。
在化学分析中，回音壁模式光学微腔传感可以用于检测化学反应的发生及反应过程的变化。
光学微腔的原理及制作研究
科研实践文献综述学院物理与信息工程学院专业应用物理学学号*********姓名指导教师题目光学微腔的原理及制作研究光学微腔的原理及制作研究一、光学微腔发展背景光学微腔是一种尺寸在微米量级或者亚微米量级的光学谐振腔，它利用在折射率不连续的界面上的反射、全反射、散射或者衍射等效应，将光限制在一个很小的区域。
基于回音壁模式( Whispering Gallery Mode，简称WGM[1])的光学微腔成为了近年来研究的热点。
首先它作为一种尺寸可与光波长相比拟的光学谐振腔，使得凝聚态中的一些量子电动力学现象得以研究[2]；其次作为一种低阈值激光微腔，在集成光学、信息光学等诸多应用领域有很好的应用前景。
目前光学介质微腔的形状也多种多样，主要有微球腔[3]、微盘腔[4]、微环腔[5]、微芯环腔[6]几种。
本文主要总结了近年来国内外光学微腔的一些研究现状及成果，并分析了未来的发展趋势。
目前信息与通信技术正以前所未有的速度发展,根据摩尔定律的预测,大约每18个月处理器的速度和内存的大小就会翻倍,而且这个速度还将持续十年。
如果光学能够在信息与通信领域发挥重大的作用,无疑它将以飞快的速度发展。
全光信号处理技术,由于不需要进行光-电-光转换,逐渐成为全光网络系统中前景广阔的领域之一。
对于全光网络设想的实现更需要一些体积更小,结构简单,性能较稳定的光学器件。
光学谐振腔是一个重要的光学器件,它在光通讯器件、光纤传感等领域里得到了广泛的应用,同时也是激光器的重要组成部分。
所以具有高集成度的微纳米光学谐振腔器件必将成为一个研究的热点。
二、光学微腔的常用制备方法硅基二氧化硅回音壁模式光学微腔具有高品质因子和小模式体积，使得腔内有较高的光场能量密度。
微腔位于硅基之上，与成熟的硅加工工艺相兼容，制作工艺简单，且能够与光纤锥进行高效的耦合，具有可在硅片上单片集成的特点。
基于以上特点，回音壁模式微腔可以广泛应用于光纤通信无源器件、非线性光学、低阈值激光器以及腔量子电动力学方面的研究。
光学微腔的作用
光学微腔的作用
光学微腔是一种能够将光能量限制在极小空间范围内的微型光学器件。
其具有高品质因子、高灵敏度和小尺寸等优点，在内部和外部场景中都有着广泛的应用。
以下是光学微腔的主要作用：
1. 光学微腔对于微型激光器件来说有着重要作用，它们能够让激光波长精度更高、能量更稳定，其次，微腔的高品质因子，可以使得激光器能够更好的进行调制，这些特性使得激光器能够更好地应用于精密测量、信息通信、生命科学和光电探测等领域。
2. 光学微腔的高灵敏度性质使其成为传感器的理想选择，尤其是在微型传感器的应用中，可以检测到微电子学、微纳米制造和量子领域中的各种物理量和化学物质，比如温度、压力、质量和折射率等，这应用于医学诊断、生物分析、环境监测等领域。
3. 光学微腔还能够用于制备高效改进的光学器件，这些器件包括光学谐振器、非线性光学器件、光开关、拓扑绝缘体和量子计算器件等。
利用光学微腔可制备具有高品质因子的微型光学谐振器，有助于提高光学器件的灵敏度和耐久性，同时也能够实现更高效的光学信号转换。
4. 光学微腔在量子信息领域中也有着广泛的应用。
光学微腔可以被应用为量子存储器和量子比特等，能够将光子束限制在空间和时间上的极小尺寸，可以使得量子信息处理能够更有效的实现。
综上所述，光学微腔凭借其高品质因子、高灵敏度和小尺寸等优点，在激光器件、传感器、光学器件和量子信息处理等领域都有非常广泛的应用。
光学微腔研究进展
光学微腔研究进展前言基于回音壁模式(Whispering Gallery Mode，简称WGM[1])的光学微腔成为了近年来研究的热点。
首先它作为一种尺寸可与光波长相比拟的光学谐振腔，使得凝聚态中的一些量子电动力学现象得以研究[2]；其次作为一种低阈值激光微腔，在集成光学、信息光学等诸多应用领域有很好的应用前景。
目前光学介质微腔的形状也多种多样，主要有微球腔、微盘腔、微环腔、微芯环腔几种。
本文主要总结了近年来国内外光学微腔的一些研究现状及成果，并分析了未来的发展趋势。
一、光学微腔发展背景光通信，顾名思义，即用光作为信息的载体来传递信号。
自从1960年美国科学家梅曼（Maiman)发明了第一台红宝石激光器。
2009年的诺贝尔物理学获得者高琅(Charles K.Kao)和他的同事霍克曼(GA.Hckman)于1966年提出玻璃纤维可传输光信号，并指出通信光纤的要求是每公里衰减小于20分贝(dB)之后。
通信领域进入了一个崭新的时代--光纤通信技术时代。
在光纤通信层出不穷的新技术的推动下，整个通信技术得到了快速的发展。
自DWDM系统首次商用以来，光纤通信的发展速度日益加快。
首先其容量成倍增加。
短短几十年的时间，光纤通信技术得到了迅速的普及和发展，极大地促进了人类社会信息化建设的步伐。
但是随着光纤传输容高，器件尺寸的不断下降，工业上已经很难按照摩尔定律的速度发展了。
传统电信号处理设备面临"电子瓶颈"的限制，这导致了全光网的产生和全光信号处理研究的热潮。
所谓全光通信网络是指信息从源节点到目的节点的传输与交换完全在光域进行，即全部采用光波技术完成信息的传输和交换的宽带网络，可以避免"电子瓶颈"是通信网向宽带、大容量发展的首选方案。
全光通信网络一问世即引起了人们极大的兴趣，很多国家都以关键技术、设备与部件以及材料的研制开发为突破口，通过现场实验来推动其实用化和商用化进程。
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光学微腔
光学微腔概述
光学微腔是一种能够把光场限制在微米量级区域中的光学谐振腔。它利用在介电 常数不连续的材料界面的反射、散射或衍射，将光能量限制在很小的区域内来回 振荡，从而增加光子寿命，减少光场模式数目。当增益介质(偶极子)置于微腔中， 它的自发辐射性质受到局域真空场的显著调制，因此产生低阈值的激光。
(2 n2eff 2 / c2 ) 0
式中 2 c / ， 是谐振模式在真空中的波长 ， 是真空中的光传播速度 neff 是回音壁模式的有效折射率。在二维的情况下，我们不考虑垂直方向的 电磁波，在柱坐标下Helmholtz方程可以写为：
c
(2r , n2eff 2 / c2 ) (r, ) 0
腔量子电动力学
自1916 年爱因斯坦首次提出自发辐射概念后，很长一段时间内，人们都认为 自发辐射是原子的固有性质，不可改变。实际上，自发辐射是原子与真空电磁量 子涨落的相互作用过程。当原子处于尺度在波长量级的微腔中，由于腔内真空的 量子起伏受到腔体边界条件的制约，原子的自发辐射特性发生改变。腔量子电动 力学就是要研究微腔中原子与光场的量子相互作用过程，对量子光学的发展具有 十分重要的意义。当原子体系与腔内电磁场相互作用处于弱耦合状态下时，谐振 腔内的自发辐射会产生增强或抑制等效应。当两者处于强耦合状态下时，此时系 统处在非经典的状态下，在这种状态下出现了单原子激光、光子阻塞、真空Rabi 劈裂以及Rabi 振荡等一系列量子现象。基于这些现象，新型灵敏光电子器件、纠 缠操控以及可控单光子源都得到了快速发展。
谢谢！
2 M M 1 2 neff R
如果用 Reff 表示模式的有效半径，则有：
2 2 nReff
回音壁式微腔（WG型微腔）
品质因子
品质因子(Quality factor，一般用Q表示)是光学模式的一个最基本的物理量，用于 表征谐振腔中能量衰减的快慢或其存储能量的能力。Q的定义很多，不同定义之 间可能相差一个常数，最普遍的定义方式： U U Q P dU / dt
光学微腔分类
依据工作介质不同 1.有源微腔：“有源”是指腔内的工作介质具有增益，这类微腔在外部光激
励或者电激励的时通过谐振腔的模式选择产生激光出射 2.无源微腔：“无源”指腔内工作介质无增益，这种微腔主要通过微腔的本 征光学模式选择对入射光进行调制，主要应用于信号处理中的滤波器、光开 关、或者传感器等。
光刻
光刻过程可将谐振腔的结构形状通过多步的光刻转移至基片表面 首先将对光敏感的光刻胶通过形状甩胶或者是提拉涂胶的方法，涂敷在基片 的表面 其后，将掩模板放置在基片上，光只能从掩模板的空隙处透过，而图形处的 光被挡住，将图形转移到表面的光刻胶上；依照所要求的谐振腔的形状、尺 寸和制造精度的要求，可以选用不同类型的曝光手段，其中包括：可见光曝 光、极紫外线曝光，X射线曝光以及电子束曝光，在曝光过程中,受到光的作 用的光刻胶会产生交连或者裂解。因此在曝光以后将基片浸没在显影液中， 可以去除发生反应的部分光刻胶，称之为显影。 经过如上的曝光、显影过程以后，掩模上的图形已经转移成为光刻胶图形。 在图形的特定区域内，基片表面有光刻胶覆盖，而其他区域则相反。无光刻 胶保护的区域用一定的刻蚀手段进行刻蚀，去除表面要求厚度的材料，形成 与掩模板相类似的图形，即为刻蚀所得谐振腔图形。
光学微腔分类
2.光子晶体微腔（PC型微腔）
光子晶体是一种具有周期性介电常数的材料，由于光子带隙的存在只有特定波长 的光才能通过。当周期结构中引入缺陷形成一个微腔，光子带隙中出现相应的缺 陷态能级,频率在缺陷能级的光在光子晶体中沿着缺陷传播或局域化振荡，因此 可以像F-P微腔一样控制光场的分布。由于这种腔是在期性结构中人工引入的缺 陷，它的模式体积非常小，并且通过微纳加工技术准确的控制缺陷腔的形状和谐 征波长，因此在激光器、滤波器、传感器和量子信息领域得到广泛应用。
刻蚀
化学溶液腐蚀方法是一种常用的刻蚀方法，它可以选择性地融解浸没在酸性 溶液中的基片暴露在外的二氧化硅部分。但是，如果要求制作的微谐振腔具 有垂直或大倾斜角的侧壁，那么就要求必须使用干法刻蚀 干法刻蚀发展到现在，也已经有很多种类，其中最为广泛应用的等离子体刻 蚀，其工作原理为通过射频放电导致的等离子体产生的离子与被刻蚀基片物 质反应，生成可挥发的气相产物，被真空系统抽出。干法刻蚀还包括溅射刻 蚀、离子铣（离子束刻蚀）、反应刻蚀以及反应离子束刻蚀。 除干法刻蚀外，还有一种刻蚀为阳极浸蚀法，即应用附加电场作用的湿法腐 蚀，由于电极的作用使得刻蚀具有一定的方向性。在刻蚀工作结束后，残余 的光刻胶按照光刻胶种类的不同被使用丙酮或者其他的有机溶剂去除。
普通谐振腔
光学微腔
光学微腔的研究背景
集成光路包括光波的发射、传输、调制-解调、上载、下载、接收、存储、 显示等一系列的过程。近年来，随着微电子学的薄膜工艺提高,研究者们将微波 理论和激光技术相结合，采用微纳加工技术在各种均匀的光学材料中制备各种波 长尺度的结构来控制光信号的传播或产生新的物理效应，从而创造出新型光子学 器件。微腔型光电子器件正式基于此背景提出的。这类器件具有尺寸小、易于集 成、功耗低以及品质因子高等优点，在信号的发射、处理和传感等方面表现出很 大的前景，例如高性能光源，光存储器、光开关、密集波分复用系统(DWDM)的上 下载滤波器以及生化传感器等。除此之外，由于光学微腔可以在极小的空间内产 生巨大的光强，同时降低了腔内模式数目，影响腔内物质原子的自发福射特性， 因此在揭示物质世界本质的自然科学领域。
基片准备
光刻
刻蚀
回音壁式微腔制作流程图
基片准备
第一步包括在基片表面不同成分或者厚度的功能膜层的生成，来得到所需要 的垂直方向结构。膜层的生成可根据选用材料的不同使用不同的膜层生成方式， 例如分子束外延(MBE)，化学或物理气相沉积，以及膜层粘接等等。具体如何选 择生成方式与所要得到的微谐振腔结构、材料以及要求的制造精度密切相关。例 如，半导体材料通常要使用几步连续的生长来得到垂直结构，而高分子聚合物层 只需要简单地涂敷在基片上即满足要求。
光学微腔分类
依据腔体对光场的不同限制机理
1.法布里波罗型微腔（FP型微腔）
其有源区多为量子阱材料，有源区上下两边分别由具有极高反射率的反射镜组成， 光在两个反射镜中反射形成谐振。FP型微腔的反射镜多为分布布拉格反射 (Distributed Bragger Reflector, DBR)。对于FP微腔,由于其腔长短,单程增益 小，因此只有FP腔镜面具有很高的反射率时才能形成高品质因子腔。 对于半导体材料来说，由于各层材料之间的折射率相差较小，单层DBR的反射率 较低，一般需要精密生长二十对左右的DDB才能达到99%以上的镜面有效反射率。 而且，由于FP型微腔激光器的出光方向垂直于表面，非常适合于制作高密度的二 维激光器阵列。其中，具有代表性的FP型微腔激光器是垂直腔面反射激光器 (Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser, VCSEL)。
回音壁式微腔制作方法
近年来不断发展的微细加工技术以及纳米技术，使得以各种天然和人工合成 材料为基础制造各种特异形状的光微谐振腔成为可能。集成化的微环以及微盘谐 振腔与光学晶体缺位微腔通常是使用已经比较丰富的集成电路微细加工工艺如镀 膜、光刻以及刻蚀技术在基片上制作而成。在制造过程中，基片经过的制作流程 基本上有三个：
滤波器
1997年，Little等人提出了基于波导和微环腔的耦合系统，用以实现通信信道中 的滤波。在这个方案中使用一个波导与微环耦合作为输入端，同时微环再与另一 个波导耦合作为输出。如图所示光路中，输入通道中的信号光仅有频率与腔的谐 振频率一致的光可以耦合进微腔中，从而达到滤波的效果。
生物探测
由于高Q值，外界环境的扰动会导致回音壁模式微腔谱线的位置变化显著，很容 易被观测到，从而实现某些特殊的参数的检测，被认为在传感方面有重大前景。
微腔应用
近年来，随着微纳加工技术和半导体工艺的逐渐成熟，光学微腔得到了快速发展。 基于品质因子高、谱宽窄、有效模体积小、振荡阈值低等一系列突出优势，光学 微腔在低阈值激光器、腔量子电动力学（QED）、生物探测、高性能滤波器等领 域得到了广泛应用。
低阈值激光器
产生激光振荡，必须满足谐振腔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，当达到阈值条件时，才开始发生受激辐射。而光学微腔相对 于传统谐振腔，由于光子与腔内原子发生量子相互作用，使得原子的自发辐射概 率大大增强，明显降低了微腔的振荡阈值。2013 年，Takahashi 等通过光子晶体 线缺陷腔成功制备低阈值拉曼硅基激光器。其输出功率与抽运功率关系曲线如图 所示。从图可以看出，当抽运功率达到几微瓦，就产生了拉曼激光输出。
其中 X M , N 是 M 阶贝塞尔函数的 N 阶零点值，R 是微盘的半径，M 对应模式的 N 对应模式的径向分布。对于高阶贝塞尔函数而言相应的 X M , N L 角向分布， （ L为正整数）因此上式简化为：
M
2 Rneff L
回音壁式微腔（WG型微腔）
自由光谱范围
相邻纵模的波长或者频率间隔定义为自由光谱范围(Free Spectrum Range，FSR)， 它是实验中判别微腔光学模式是否符合回音壁模式的一个重要依据。根据下式可 得第M阶和M+1阶模式间隔为：
其中U为腔内储存的总能量， P dU / dt 为单位时间内损耗的能量，即耗散功 2 ，其中 为光场频率。Q可以和腔内光学模式 率， 为光场的圆频率， Q / ，其中 C 的光子寿命以及谐振宽度联系起来，具体关系为 Q 2 C ， 和 分别为光子寿命和频率谐振宽度。
上式中的变量 r , 是不相关的，因而上式可以分离变量成为以下两个方程：
回音壁式微腔（WG型微腔）
d2 d r R (r) r R(r) (k 2 r 2 N 2 ) R(r) 0 2 dr dr
光学微腔概述
光学微腔是一种能够把光场限制在微米量级区域中的光学谐振腔。它利用在介电 常数不连续的材料界面的反射、散射或衍射，将光能量限制在很小的区域内来回 振荡，从而增加光子寿命，减少光场模式数目。当增益介质(偶极子)置于微腔中， 它的自发辐射性质受到局域真空场的显著调制，因此产生低阈值的激光。
(2 n2eff 2 / c2 ) 0
式中 2 c / ， 是谐振模式在真空中的波长 ， 是真空中的光传播速度 neff 是回音壁模式的有效折射率。在二维的情况下，我们不考虑垂直方向的 电磁波，在柱坐标下Helmholtz方程可以写为：
c
(2r , n2eff 2 / c2 ) (r, ) 0
腔量子电动力学
自1916 年爱因斯坦首次提出自发辐射概念后，很长一段时间内，人们都认为 自发辐射是原子的固有性质，不可改变。实际上，自发辐射是原子与真空电磁量 子涨落的相互作用过程。当原子处于尺度在波长量级的微腔中，由于腔内真空的 量子起伏受到腔体边界条件的制约，原子的自发辐射特性发生改变。腔量子电动 力学就是要研究微腔中原子与光场的量子相互作用过程，对量子光学的发展具有 十分重要的意义。当原子体系与腔内电磁场相互作用处于弱耦合状态下时，谐振 腔内的自发辐射会产生增强或抑制等效应。当两者处于强耦合状态下时，此时系 统处在非经典的状态下，在这种状态下出现了单原子激光、光子阻塞、真空Rabi 劈裂以及Rabi 振荡等一系列量子现象。基于这些现象，新型灵敏光电子器件、纠 缠操控以及可控单光子源都得到了快速发展。
谢谢！
2 M M 1 2 neff R
如果用 Reff 表示模式的有效半径，则有：
2 2 nReff
回音壁式微腔（WG型微腔）
品质因子
品质因子(Quality factor，一般用Q表示)是光学模式的一个最基本的物理量，用于 表征谐振腔中能量衰减的快慢或其存储能量的能力。Q的定义很多，不同定义之 间可能相差一个常数，最普遍的定义方式： U U Q P dU / dt
光学微腔分类
依据工作介质不同 1.有源微腔：“有源”是指腔内的工作介质具有增益，这类微腔在外部光激
励或者电激励的时通过谐振腔的模式选择产生激光出射 2.无源微腔：“无源”指腔内工作介质无增益，这种微腔主要通过微腔的本 征光学模式选择对入射光进行调制，主要应用于信号处理中的滤波器、光开 关、或者传感器等。
光刻
光刻过程可将谐振腔的结构形状通过多步的光刻转移至基片表面 首先将对光敏感的光刻胶通过形状甩胶或者是提拉涂胶的方法，涂敷在基片 的表面 其后，将掩模板放置在基片上，光只能从掩模板的空隙处透过，而图形处的 光被挡住，将图形转移到表面的光刻胶上；依照所要求的谐振腔的形状、尺 寸和制造精度的要求，可以选用不同类型的曝光手段，其中包括：可见光曝 光、极紫外线曝光，X射线曝光以及电子束曝光，在曝光过程中,受到光的作 用的光刻胶会产生交连或者裂解。因此在曝光以后将基片浸没在显影液中， 可以去除发生反应的部分光刻胶，称之为显影。 经过如上的曝光、显影过程以后，掩模上的图形已经转移成为光刻胶图形。 在图形的特定区域内，基片表面有光刻胶覆盖，而其他区域则相反。无光刻 胶保护的区域用一定的刻蚀手段进行刻蚀，去除表面要求厚度的材料，形成 与掩模板相类似的图形，即为刻蚀所得谐振腔图形。
光学微腔分类
2.光子晶体微腔（PC型微腔）
光子晶体是一种具有周期性介电常数的材料，由于光子带隙的存在只有特定波长 的光才能通过。当周期结构中引入缺陷形成一个微腔，光子带隙中出现相应的缺 陷态能级,频率在缺陷能级的光在光子晶体中沿着缺陷传播或局域化振荡，因此 可以像F-P微腔一样控制光场的分布。由于这种腔是在期性结构中人工引入的缺 陷，它的模式体积非常小，并且通过微纳加工技术准确的控制缺陷腔的形状和谐 征波长，因此在激光器、滤波器、传感器和量子信息领域得到广泛应用。
刻蚀
化学溶液腐蚀方法是一种常用的刻蚀方法，它可以选择性地融解浸没在酸性 溶液中的基片暴露在外的二氧化硅部分。但是，如果要求制作的微谐振腔具 有垂直或大倾斜角的侧壁，那么就要求必须使用干法刻蚀 干法刻蚀发展到现在，也已经有很多种类，其中最为广泛应用的等离子体刻 蚀，其工作原理为通过射频放电导致的等离子体产生的离子与被刻蚀基片物 质反应，生成可挥发的气相产物，被真空系统抽出。干法刻蚀还包括溅射刻 蚀、离子铣（离子束刻蚀）、反应刻蚀以及反应离子束刻蚀。 除干法刻蚀外，还有一种刻蚀为阳极浸蚀法，即应用附加电场作用的湿法腐 蚀，由于电极的作用使得刻蚀具有一定的方向性。在刻蚀工作结束后，残余 的光刻胶按照光刻胶种类的不同被使用丙酮或者其他的有机溶剂去除。
普通谐振腔
光学微腔
光学微腔的研究背景
集成光路包括光波的发射、传输、调制-解调、上载、下载、接收、存储、 显示等一系列的过程。近年来，随着微电子学的薄膜工艺提高,研究者们将微波 理论和激光技术相结合，采用微纳加工技术在各种均匀的光学材料中制备各种波 长尺度的结构来控制光信号的传播或产生新的物理效应，从而创造出新型光子学 器件。微腔型光电子器件正式基于此背景提出的。这类器件具有尺寸小、易于集 成、功耗低以及品质因子高等优点，在信号的发射、处理和传感等方面表现出很 大的前景，例如高性能光源，光存储器、光开关、密集波分复用系统(DWDM)的上 下载滤波器以及生化传感器等。除此之外，由于光学微腔可以在极小的空间内产 生巨大的光强，同时降低了腔内模式数目，影响腔内物质原子的自发福射特性， 因此在揭示物质世界本质的自然科学领域。
基片准备
光刻
刻蚀
回音壁式微腔制作流程图
基片准备
第一步包括在基片表面不同成分或者厚度的功能膜层的生成，来得到所需要 的垂直方向结构。膜层的生成可根据选用材料的不同使用不同的膜层生成方式， 例如分子束外延(MBE)，化学或物理气相沉积，以及膜层粘接等等。具体如何选 择生成方式与所要得到的微谐振腔结构、材料以及要求的制造精度密切相关。例 如，半导体材料通常要使用几步连续的生长来得到垂直结构，而高分子聚合物层 只需要简单地涂敷在基片上即满足要求。
光学微腔分类
依据腔体对光场的不同限制机理
1.法布里波罗型微腔（FP型微腔）
其有源区多为量子阱材料，有源区上下两边分别由具有极高反射率的反射镜组成， 光在两个反射镜中反射形成谐振。FP型微腔的反射镜多为分布布拉格反射 (Distributed Bragger Reflector, DBR)。对于FP微腔,由于其腔长短,单程增益 小，因此只有FP腔镜面具有很高的反射率时才能形成高品质因子腔。 对于半导体材料来说，由于各层材料之间的折射率相差较小，单层DBR的反射率 较低，一般需要精密生长二十对左右的DDB才能达到99%以上的镜面有效反射率。 而且，由于FP型微腔激光器的出光方向垂直于表面，非常适合于制作高密度的二 维激光器阵列。其中，具有代表性的FP型微腔激光器是垂直腔面反射激光器 (Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser, VCSEL)。
回音壁式微腔制作方法
近年来不断发展的微细加工技术以及纳米技术，使得以各种天然和人工合成 材料为基础制造各种特异形状的光微谐振腔成为可能。集成化的微环以及微盘谐 振腔与光学晶体缺位微腔通常是使用已经比较丰富的集成电路微细加工工艺如镀 膜、光刻以及刻蚀技术在基片上制作而成。在制造过程中，基片经过的制作流程 基本上有三个：
滤波器
1997年，Little等人提出了基于波导和微环腔的耦合系统，用以实现通信信道中 的滤波。在这个方案中使用一个波导与微环耦合作为输入端，同时微环再与另一 个波导耦合作为输出。如图所示光路中，输入通道中的信号光仅有频率与腔的谐 振频率一致的光可以耦合进微腔中，从而达到滤波的效果。
生物探测
由于高Q值，外界环境的扰动会导致回音壁模式微腔谱线的位置变化显著，很容 易被观测到，从而实现某些特殊的参数的检测，被认为在传感方面有重大前景。
微腔应用
近年来，随着微纳加工技术和半导体工艺的逐渐成熟，光学微腔得到了快速发展。 基于品质因子高、谱宽窄、有效模体积小、振荡阈值低等一系列突出优势，光学 微腔在低阈值激光器、腔量子电动力学（QED）、生物探测、高性能滤波器等领 域得到了广泛应用。
低阈值激光器
产生激光振荡，必须满足谐振腔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，当达到阈值条件时，才开始发生受激辐射。而光学微腔相对 于传统谐振腔，由于光子与腔内原子发生量子相互作用，使得原子的自发辐射概 率大大增强，明显降低了微腔的振荡阈值。2013 年，Takahashi 等通过光子晶体 线缺陷腔成功制备低阈值拉曼硅基激光器。其输出功率与抽运功率关系曲线如图 所示。从图可以看出，当抽运功率达到几微瓦，就产生了拉曼激光输出。
其中 X M , N 是 M 阶贝塞尔函数的 N 阶零点值，R 是微盘的半径，M 对应模式的 N 对应模式的径向分布。对于高阶贝塞尔函数而言相应的 X M , N L 角向分布， （ L为正整数）因此上式简化为：
M
2 Rneff L
回音壁式微腔（WG型微腔）
自由光谱范围
相邻纵模的波长或者频率间隔定义为自由光谱范围(Free Spectrum Range，FSR)， 它是实验中判别微腔光学模式是否符合回音壁模式的一个重要依据。根据下式可 得第M阶和M+1阶模式间隔为：
其中U为腔内储存的总能量， P dU / dt 为单位时间内损耗的能量，即耗散功 2 ，其中 为光场频率。Q可以和腔内光学模式 率， 为光场的圆频率， Q / ，其中 C 的光子寿命以及谐振宽度联系起来，具体关系为 Q 2 C ， 和 分别为光子寿命和频率谐振宽度。
上式中的变量 r , 是不相关的，因而上式可以分离变量成为以下两个方程：
回音壁式微腔（WG型微腔）
d2 d r R (r) r R(r) (k 2 r 2 N 2 ) R(r) 0 2 dr dr