光學(xué)微腔研究進(jìn)展

前言

基于回音壁模式（Whispering Gallery Mode，簡稱WGM）的光學(xué)微腔成為了近年來研究的熱點。首先它作為一種尺寸可與光波長相比擬的光學(xué)諧振腔，使得凝聚態(tài)中的一些量子電動力學(xué)現(xiàn)象得以研究；其次作為一種低閾值激光微腔，在集成光學(xué)、信息光學(xué)等諸多應(yīng)用領(lǐng)域有很好的應(yīng)用前景。目前光學(xué)介質(zhì)微腔的形狀也多種多樣，主要有微球腔、微盤腔、微環(huán)腔、微芯環(huán)腔幾種。本文主要總結(jié)了近年來國內(nèi)外光學(xué)微腔的一些研究現(xiàn)狀及成果，并分析了未來的發(fā)展趨勢。

一、光學(xué)微腔發(fā)展背景

光通信，顧名思義，即用光作為信息的載體來傳遞信號。自從1960年美國科學(xué)家梅曼（Maiman)發(fā)明了第一臺紅寶石激光器。2009年的諾貝爾物理學(xué)獲得者高瑯(CharlesK.Kao)和他的同事霍克曼(GA.Hckman)于1966年提出玻璃纖維可傳輸光信號，并指出通信光纖的要求是每公里衰減小于20分貝(dB)之后。通信領(lǐng)域進(jìn)入了一個嶄新的時代--光纖通信技術(shù)時代。在光纖通信層出不窮的新技術(shù)的推動下，整個通信技術(shù)得到了快速的發(fā)展。自DWDM系統(tǒng)首次商用以來，光纖通信的發(fā)展速度日益加快。首先其容量成倍增加。短短幾十年的時間，光纖通信技術(shù)得到了迅速的普及和發(fā)展，極大地促進(jìn)了人類社會信息化建設(shè)的步伐。但是隨著光纖傳輸容高，器件尺寸的不斷下降，工業(yè)上已經(jīng)很難按照摩爾定律的速度發(fā)展了。傳統(tǒng)電信號處理設(shè)備面臨"電子瓶頸"的限制，這導(dǎo)致了全光網(wǎng)的產(chǎn)生和全光信號處理研究的熱潮。所謂全光通信網(wǎng)絡(luò)是指信息從源節(jié)點到目的節(jié)點的傳輸與交換完全在光域進(jìn)行，即全部采用光波技術(shù)完成信息的傳輸和交換的寬帶網(wǎng)絡(luò)，可以避免"電子瓶頸"是通信網(wǎng)向?qū)拵�、大容量發(fā)展的首選方案。全光通信網(wǎng)絡(luò)一問世即引起了人們極大的興趣，很多國家都以關(guān)鍵技術(shù)、設(shè)備與部件以及材料的研制開發(fā)為突破口，通過現(xiàn)場實驗來推動其實用化和商用化進(jìn)程。在此背景之下，全球?qū)W術(shù)界和工業(yè)界都掀起了對全光信息處理中關(guān)鍵器件的研究熱潮。隨著高速以太網(wǎng)的普及和多媒體業(yè)務(wù)的發(fā)展，人們對現(xiàn)有通信系統(tǒng)的容量提出了更高的要求。隨著波分復(fù)用(WDM)系統(tǒng)的迅速發(fā)展，通信系統(tǒng)的容量大大提高了。同時WDM系統(tǒng)需要高性能的信道分路濾波器來把不同信道的信號直接分路下來或者加載上去。諧振濾波器由于可能實現(xiàn)具有最窄的線寬的濾波器，而成為WDM系統(tǒng)中濾波器的最佳選擇。光學(xué)諧振腔可以在不影響其他信道信號的同時，分路不同信道的信號，逐漸成為商界和研究機(jī)構(gòu)廣泛研究的熱點。而微環(huán)諧振器由于在很小的尺寸上(微米尺度)實現(xiàn)，集成度很高，自由譜寬(FSR)也比較大。除了在分叉復(fù)用器，濾波器的應(yīng)用，光學(xué)諧振腔在調(diào)制器，光學(xué)延遲線，生物傳感檢測上也有潛在的應(yīng)用，所以設(shè)計簡單可行的光學(xué)諧振腔，具有重要的實用價值。

圖1-1微腔示意圖

二、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

其實早在1899年，當(dāng)Fabry和Perot描述了平行板諧振腔作為干涉濾波器的時候，光學(xué)諧振腔就作為一個有用的器件而提出來了。通過使用多次的循環(huán)反饋，F(xiàn)abry-Perot干涉儀能夠通過調(diào)節(jié)精細(xì)度因數(shù)來增加有效的光傳輸?shù)穆窂介L度。與弱反射端面的結(jié)構(gòu)相比，具有強(qiáng)反射端的結(jié)構(gòu)，將具有高的精細(xì)度和更窄的通頻帶。在90年代早期，環(huán)形諧振腔開始在光通信上用于色散補(bǔ)償和相位均衡的全通濾波器(只基于相位調(diào)制原理)。1990年朗訊的Cimini等提出了用Gires-Tournois干涉儀來實現(xiàn)以上功能。后來的研究發(fā)現(xiàn)，通過多個環(huán)的稿合可以實現(xiàn)通帶特性增加了的高階濾波器。之后B.E.Little等研究了環(huán)形諧振腔分路濾波器(ChannelDropping)，與單波導(dǎo)禍合只能采到諧振波長處功率的一半的情況相比，增加另一個精合波導(dǎo)以便得到信號的所有功率。1992年美國的Bell實驗室演示成功第一個半導(dǎo)體微盤激光器,S.L.McCall等人利用用濕腐蝕方法制備微盤腔制備了激光器，認(rèn)為微盤腔在制備單模、低閾值的激光器上具有很大的潛力，實驗表明在1.3微米和1.5微米波長處的激光閾值可低于100微瓦。

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