光学微腔研究进展

前言

基于回音壁模式（Whispering Gallery Mode，简称WGM）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；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(CharlesK.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。在此背景之下，全球学术界和工业界都掀起了对全光信息处理中关键器件的研究热潮。随着高速以太网的普及和多媒体业务的发展，人们对现有通信系统的容量提出了更高的要求。随着波分复用(WDM)系统的迅速发展，通信系统的容量大大提高了。同时WDM系统需要高性能的信道分路滤波器来把不同信道的信号直接分路下来或者加载上去。谐振滤波器由于可能实现具有最窄的线宽的滤波器，而成为WDM系统中滤波器的最佳选择。光学谐振腔可以在不影响其他信道信号的同时，分路不同信道的信号，逐渐成为商界和研究机构广泛研究的热点。而微环谐振器由于在很小的尺寸上(微米尺度)实现，集成度很高，自由谱宽(FSR)也比较大。除了在分叉复用器，滤波器的应用，光学谐振腔在调制器，光学延迟线，生物传感检测上也有潜在的应用，所以设计简单可行的光学谐振腔，具有重要的实用价值。

图1-1微腔示意图

二、国内外研究现状

其实早在1899年，当Fabry和Perot描述了平行板谐振腔作为干涉滤波器的时候，光学谐振腔就作为一个有用的器件而提出来了。通过使用多次的循环反馈，Fabry-Perot干涉仪能够通过调节精细度因数来增加有效的光传输的路径长度。与弱反射端面的结构相比，具有强反射端的结构，将具有高的精细度和更窄的通频带。在90年代早期，环形谐振腔开始在光通信上用于色散补偿和相位均衡的全通滤波器(只基于相位调制原理)。1990年朗讯的Cimini等提出了用Gires-Tournois干涉仪来实现以上功能。后来的研究发现，通过多个环的稿合可以实现通带特性增加了的高阶滤波器。之后B.E.Little等研究了环形谐振腔分路滤波器(ChannelDropping)，与单波导祸合只能采到谐振波长处功率的一半的情况相比，增加另一个精合波导以便得到信号的所有功率。1992年美国的Bell实验室演示成功第一个半导体微盘激光器,S.L.McCall等人利用用湿腐蚀方法制备微盘腔制备了激光器，认为微盘腔在制备单模、低阈值的激光器上具有很大的潜力，实验表明在1.3微米和1.5微米波长处的激光阈值可低于100微瓦。

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