制造高性能光学谐振腔的新方法

哈佛大学约翰·保尔森工程与应用科学学院（SEAS）与文理学院的研究人员发明了一种新方法，制造出迄今最小、最光滑的镜片之一，用于控制单个光子。这些镜片在未来量子计算机、量子网络、集成激光器、环境传感设备等领域将发挥关键作用。

由SEAS电气工程教授、Tiantsai Lin讲席教授马科·隆卡尔，物理系Joshua and Beth Friedman讲席教授米哈伊尔·卢金，以及SEAS电气工程助理教授梁启耀领导的团队，在《光学》期刊上发表了关于制造高性能弯曲光学镜片的新方法。利用两个此类镜片将光束缚其间，该团队展示了最先进的光学谐振器，能够控制在近红外波长下的光，这对于量子计算应用中操控单个原子至关重要。

光学谐振器，也称光学腔，是当今无数光基设备的基础构建模块，从用于计时和光谱学的精密仪器，到激光器和数据中心的光互连。它们就像吉他的琴弦，但作用对象是光：只有特定波长的光（而非声音）才能适配在两个镜片之间的空间并被增强。量子应用日益需要相同类型的光学腔，但要求尺寸更小、信号损失更低。

哈佛团队这项新微制造方法的灵感，源于其实验物理学同事们面临的一个实际问题——他们正尝试用超冷单原子构建量子网络。同事们需要寻找具有极致光滑镜面的光学腔，这种腔能使原子与光子强耦合，能在特定波长下工作，并且可扩展、可塑形。

论文合著者、卢金实验室的博士后研究员Brandon Grinkemeyer耶说："我们需要这些高质量的光子接口，来创造高效方式，实现单光子与单原子的相互作用，从而实现快速、高保真度的量子网络"。

然而，当今大多数光刻或蚀刻方法，都无法为要求最严苛的量子应用制造出足够光滑的镜面。

Xiaoyan Ding的新方法是"巧干而非蛮干"的典范。

研究人员从硅晶圆入手，利用热氧化法在表面生长一层薄薄的氧化硅，这层氧化硅能抚平原有的凸起和凹槽。将其移除后，下方会留下一片光滑的硅表面。接着，研究人员在这片光滑表面上沉积了一层精密设计的透明氧化物堆栈，称为介质镜涂层。当从背面蚀刻出一个孔，并将涂层从硅晶圆上释放时，由于内置机械应力的作用，涂层会弯曲成完美的弧形，自然形成一个高品质镜面。

这一过程使研究人员能够控制镜面曲率半径以及镜面将反射的光的波长，从而使该方法具有高度可扩展性和相对简单的特点。

Ding说："在微制造中，我们有时会被一种思维所局限，认为表面粗糙度是由蚀刻或掩膜决定的，并极力优化它们。但当我们利用材料本身的特性时，就不需要那么多优化，结果也更稳定可靠。"

研究人员展示，其微加工谐振器在780纳米波长处可达到创纪录的90万"精细度"，这意味着光在散射前能在腔内来回反射近一百万次。相比之下，光通信信号传输使用的是1550纳米波长。

利用Xiaoyan Ding的新方法制造的光学腔，可用于模块化量子计算应用，即通过光纤中的光子将多个原子连接起来。这些光学腔将成为关键接口，使原子的量子态能够转化为光，进行传输，并再写入另一个原子。

这项工作的潜在影响超越了量子计算领域。由于其多功能性和可扩展性，它还可适用于其他波长，服务于超紧凑激光器、光谱传感器以及可将众多光学谐振器直接集成在芯片上的集成光子学。

相关链接：https://dx.doi.org/10.1364/optica.582994