探索宇宙奧秘 · 理性思考

2026年2月23日，美國科羅拉多大學博爾德分校的工程師們在《應用物理快報》上發(fā)表了一項成果：他們制造出一種高性能的光學微諧振器，能讓光在比頭發(fā)絲還細十倍的芯片里循環(huán)更長時間。聽起來像是把光“關(guān)”進了籠子，但這項技術(shù)一旦成熟，小到化學物質(zhì)檢測，大到飛行器導航，都可能迎來新變革。

要理解這個器件，不妨先想象一條環(huán)形跑道。光在微諧振器里跑圈，就像運動員在跑道上奔跑。如果跑道有直角彎，運動員必須減速；同樣，光如果遇到急轉(zhuǎn)彎，也會有一部分“跑偏”損失掉。 這種損耗被稱為彎曲損耗，是限制微諧振器性能的關(guān)鍵瓶頸。

科羅拉多大學團隊給出的解決方案，是借鑒了公路和鐵路設計中常用的“歐拉曲線”。這種曲線最大的特點是曲率平滑過渡，沒有突然的轉(zhuǎn)折。他們將微諧振器設計成類似田徑跑道的形狀，直道部分用來增加光與物質(zhì)的相互作用長度，彎道則采用歐拉曲線，讓光像賽車過彎一樣順暢通過。

項目負責人之一、電氣工程教授Won Park解釋道：“這些跑道形曲線最大限度地減少了彎曲損耗。我們的設計選擇是這項課題的關(guān)鍵創(chuàng)新?！闭沁@一看似簡單的幾何優(yōu)化，讓光得以在諧振器中滯留更久，強度不斷疊加，最終達到足以開展各類精密測量的水平。

光跑得久還不夠，跑道本身的材質(zhì)同樣重要。研究團隊使用的是一種名為“硫系玻璃”的特殊半導體材料。這類玻璃對中紅外光透明度極高，而且具有極強的光學非線性——也就是說，當光強度足夠高時，它能主動改變自身折射率，從而調(diào)控光的傳播行為。

硫系玻璃也是一位“難伺候”的主。它難以加工，對加工精度和表面平整度要求極為苛刻。研究人員必須在一片玻璃薄膜上刻出光路，任何微小的瑕疵都會讓光散射殆盡。

“硫系玻璃很難操作，但對于光子學非線性器件來說，它們是值得付出努力的回報豐厚的材料。”在該領(lǐng)域深耕超過10年的Juliet Gopinath教授表示。最終，他們的器件性能“足以與其他材料平臺中的頂尖成果相媲美”，甚至可以說是目前基于硫系玻璃的最優(yōu)器件之一。

要在如此嬌貴的材料上實現(xiàn)歐拉曲線，普通的光刻技術(shù)無能為力。傳統(tǒng)光刻受限于光波長，分辨率存在理論極限。而科羅拉多團隊借助了校內(nèi)納米加工設施的新一代電子束光刻系統(tǒng)。

電子束的波長極短，理論上可以實現(xiàn)亞納米級別的分辨率。博士生Bright Lu描述道：“用電子束，我們可以實現(xiàn)亞納米分辨率的圖形，這對我們的微諧振器至關(guān)重要。”在潔凈室中，他們將從一片玻璃薄膜，變成了一個功能完整的光學回路。

Lu甚至覺得這個過程很“酷”：“潔凈室很酷，你操作著巨大的精密機器，然后看到自己制造出來的只有幾微米寬的結(jié)構(gòu)。把一片玻璃薄膜變成一個工作著的光學回路，真的很讓人滿足。”

器件制造完成后，物理系博士生James Erikson接手測試。他用激光精確耦合進微諧振器，監(jiān)測光在里面的一舉一動。判斷器件好壞的關(guān)鍵，是觀察透射光中出現(xiàn)的“凹陷”，即共振峰。

“共振峰的形狀是器件質(zhì)量最明顯的指標，我們希望它們深而窄，像一根針穿透信號背景?！盓rikson說。當看到新器件上出現(xiàn)了無比尖銳的共振峰時，他知道“終于破解了密碼”。深窄的共振峰意味著光在腔內(nèi)循環(huán)了極長時間（即品質(zhì)因子Q值極高），能量被牢牢鎖定在腔內(nèi)。

這種高Q值微諧振器一旦成熟，將可被用于制造微型激光器、超高靈敏度化學與生物傳感器，甚至用于量子精密測量和量子網(wǎng)絡。博士生Bright Lu展望：“未來，我們可以把這些微諧振器交給制造商，一次生產(chǎn)出成千上萬個?！?/p>

科羅拉多大學的這項研究，是集成光子學領(lǐng)域多年積累的一個縮影。從彎曲損耗的理論分析，到非線性材料的工程應用，再到納米加工技術(shù)的進步，每一個環(huán)節(jié)都體現(xiàn)了基礎(chǔ)研究與工藝創(chuàng)新的結(jié)合。

回到國內(nèi)，中國科學家在光學微腔領(lǐng)域同樣耕耘已久。例如，中科院上海微系統(tǒng)所在超高品質(zhì)因子微腔的制備與傳感應用方面取得系列進展；北京大學、南京大學等高校在片上微腔與非線性光學頻率轉(zhuǎn)換研究中屢有突破；在硫系玻璃材料方面，寧波大學、中科院上海光機所等單位也實現(xiàn)了高質(zhì)量薄膜的制備與器件集成。 可以說，在微諧振器這條“光跑道”上，中國不僅沒有缺席，而且在材料、器件、應用等多個維度都處于國際并跑甚至領(lǐng)跑的位置。

當然，要真正實現(xiàn)從實驗室樣品到工業(yè)級產(chǎn)品的跨越，還需要解決封裝、穩(wěn)定性、成本等一系列工程難題。但正如科羅拉多團隊所展示的，一次對曲線形狀的“微調(diào)”，一次對材料的“死磕”，都可能帶來性能的躍升。微諧振器的故事才剛剛開始。