光学微腔特性研究及其应用.ppt
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新型光学微腔的设计及应用研究光学微腔是一种具有极高品质因子(Q值)的微型光学元件,其可以将光嵌入腔内引起能量积累,从而提高光与物质相互作用的效率。
近年来,随着纳米技术的发展和微纳制造技术的进步,新型的光学微腔不断涌现,其在光子学、量子光学、生物医学等领域的应用研究得到了广泛的关注。
本文将从光学微腔的基本结构、设计与制备方法以及应用研究等方面探讨其发展现状和未来前景。
一、光学微腔的基本结构光学微腔通常采用两个高反射率的反射镜将光嵌入到腔内,其形状可以是球形、圆盘形、梳齿形等不同形态。
其中,球形微腔是最为常见的一种形式,其具有通用性和可制备性的优势。
在球形微腔中,光线会被内表面的反射作用限制在微腔内部运动而不流失,从而形成驻波模式。
驻波模式中的光子密度很高,散射噪声很小,可以引起光子-物质耦合现象、色散效应等。
二、光学微腔的设计与制备方法对于微腔的设计来说,主要需要考虑的因素是腔的几何形态、介质材料选取、反射镜的反射率等。
典型的制备步骤包括微晶固态反应、溶胶-凝胶法、光子晶体制备等。
其中,微晶固态反应法是一种最古老的制备方法,其通过尿素与硫酸相互作用产生的慢性物质难以溶解的特点,可制备出Q值较高的多晶微腔。
溶胶-凝胶法是将铝、矽等金属离子与偏硅酸盐、三乙醇胺等溶胶混合,在玻璃基片上进行成膜、退火,最终形成微腔的制备方法。
光子晶体制备则是在光子晶体的制备过程中,采用完美的平坦的腔和反射镜,从而得到Q值高达10万以上的光子晶体微腔。
三、光学微腔的应用研究在光子学领域,微腔的大量制备和测量技术的进步,使得人们可以更深入地研究微腔场中光子的行为,例如驻波、模式耦合、非线性效应等。
除此之外,微腔还可以被用于单个光子的储存、量子加密、量子计算等研究。
在生物医学领域,微腔可以被用于生物传感器、分子检测、细胞成像等方面。
通过将特定的靶分子引入腔内,微腔可产生独特的光谱响应,进而确定微环境中的成分和浓度。
四、展望与结论随着技术不断进步,光学微腔的发展前景越来越广阔。
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。
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。
光学微球腔及其应用前言前言::光学微球腔因其极高的品质因数和极小的模式体积,在非线性光学、腔体量子电动力学以及窄带光学滤波、高灵敏度运动传感器、极低阈值激光器等许多研究与应用领域具有广泛的应用前景.文章对光学微球腔的谐振原理、特点、耦合、制备和应用进行了综述.一、一、球形光学微腔发展背景球形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、二、微腔的种类及微腔的种类及微腔的种类及发展成果发展成果从应用的角度来看,微腔大致分为三种。
第一种是传统的F-P腔,它是由两个高反射率的腔镜组成的谐振腔[4]。
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。
光子晶体微腔的相关研究和应用摘要:光子晶体是指具有光子带隙的特性的人造周期性电解质结构,因在光传输、囚禁、存储等方面的巨大应用潜力,一直以来备受研究者们的关注,光子晶体微腔就是其中的一种。
光子晶体微腔能够很好地将光场束缚在光子晶体缺陷中,并且由于其具有较高的品质因子和较小的模式体积,在光子芯片集成、局域场增强、光子晶体激光器,以及研究光与其他物质相互作用方面具有非常广泛的应用。
本文将简单介绍一下光子晶体微腔的相关的研究以及它的一些应用。
关键词:光子晶体微腔基础研究应用一、简介光子晶体自1987年由Yabonovich 和John提出以来[1-2], 因其奇特的操纵光的能力而被广泛应用在物理学和通讯工程中的很多领域,如光子芯片、高品质光学谐振腔、低阈值小型化激光器、超小型滤波器等。
其中,基于光子晶体微腔的研究更是引起了人们广泛的关注[3-6]. 与传统的光学谐振腔相比,光子晶体微腔具有更高的品质因子(Q)和模式体积(V)。
这对于应用到高密度的光学集成以及超高精度的光学信息测量等领域具有显著的优势。
我们都知道,对于一个光学谐振腔而言,腔内的光子密度取决于谐振腔的品质因子和模式体积的比值,即/Q V。
基于光子晶体微腔的高Q值以及微小的模式体积,局域在光子晶体中的光场可以得到极大地增强,此时对于研究光与其他物质的相互作用以及利用光学微腔进行精密测量来说起到了非常重要的作用。
光子晶体微腔和光子晶体一样,是由周期性的结构的介电材料构造而成,通过人工构造不同的周期结构,可以有效的调控光子晶体的色散关系[]到调控光在光子晶体微腔中的传播。
除了增强局域场之外,还可以通过利用光子晶体的慢光效应来增加光与物质的作用时间,从而同样可以增强光与物质的相互作用。
此外,利用光子晶体谐振腔的反馈特性以及局域场非线性的增强,可以用来研究光学双稳态[7]、随机共振[8]、量子存储[9]等非线性光学效应。
基于光子晶体微腔的巨大应用前景,很多的研究者都投身于光子晶体方向的研究。
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。
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。
返回光学微腔研究小组简介光学微腔研究小组着重对尺寸为波长大小的微型光学谐振器即光学微腔及其器件开展探索性研究。
最近,我们已成功地研制出独具特色的发光波长分别为1.5m m、0.65m m和0.38- 0.61m m的半导体InGaAsP单量子阱、InGaP、GaN系多量子阱和有机平面法布里-珀罗光学微腔,取得一定的成果。
该组从介观物理的角度充分利用物理系及人工微结构和介观物理国家重点实验室的条件有可能研制各种材料和结构的半导体和有机物光学微腔并研究其微腔效应。
具体而言,利用微加工工艺线、显微荧光图象采集和分析系统、光致发光、近场光学和超快速光学测量等系统,对各种微腔结构进行设计、微加工、特性研究和解释。
有关课题受到中国国家自然科学基金的资助。
本项目人员:章蓓教授、王舒民教授级高工、王若鹏副教授和戴伦讲师等。
光学微腔课题组近两年(96-97)小结章蓓1998年4月近两年研究进展继1992年美国的Bell 实验室演示成功第一个半导体微盘激光器,我们于1993年起步及时跟踪国际前沿进行具有自己的特色的光学微腔的探索,在国内率先相继研制成功液相外延InGaAsP 单量子阱和InGaP半导体回音壁模式微盘以来,探讨了新型氮化物半导体及其量子阱结构的光学微盘的研制和性质,同时还提出和研制成功两种独特的法布里-珀罗模式(Febry-Perot)型结构的有机半导体)和稀土配合物LB膜平面型光学微腔,对这些半导体微腔的光学性质和模(Alq3式进行了研究。
具体地说,发展了相应的半导体和有机光学微腔深亚微米加工技术,成功地解决了由于稀土的发光光谱极窄给稀土薄膜微腔制备带来的难点,为发展新型微腔器件奠定了基础;在微盘中得到自发发射增强的微腔效应,在极低泵浦功率条件下得到单模发射,观测到光学微腔对自发发射强烈的模式选择性和对载流子超快弛豫过程的调制作用;利用显微荧光图象和数字采集技术,对光学微盘的荧光图象和发光模式进行了观测和研究;同时,利用微腔效应,在同一个)的有机半导体微腔中,成功地实现了微腔对自发发射波长的调制发光材料(Alq3作用,分别得到红、黄、绿单色光发光,为光学微腔在彩色显示中的应用提供基础;此外,在以金属膜为腔镜的微腔或有机溶液的微腔中能否改变自发发射的寿命一直是多年来有很大争议的问题,通过我们提出和研制成功的一种新颖的以金属膜作为腔镜、以稀土金属Eu配合物L-B (Langmuir-Blodgett)膜为有源介质的平面光学微腔,从实验上证实了稀土半波共振微腔中自发发射寿命的明显缩短,使稀土有机微腔的研究有了新的突破;以上成果在国际上也是首次报导,使我们步入这一领域国际研究的先进行列。