单向性和高品质因子非对称光学微腔的设计、制备及其应用

当光学微腔的几何存在特定变形时，模式光场分布不再各向同性而具有特定的方向性。非对称腔已经成为光学微腔研究的一个热点。一方面，在非对称腔中，无需外部耦合器件，即可有效激发腔内模式和收集其发射，从而降低了器件的复杂度。另一方面，非对称腔也可以作为混沌理论的具体例子，用来模拟研究量子混沌和非线性物理。.尽管非对称腔的研究已经取得很多重要的进展，但腔模的品质因子和发射的方向性一直没能同时得到改善，限制了其实际应用。针对这些问题，本项目将通过微腔中的光线轨迹分析，对非对称微腔的边界形状与方向性出射的物理机制进行系统研究。结合申请者近期的研究成果，我们拟同时打破微腔x和y轴的对称性，设计并在硅芯片上制备出高品质因子非对称光学微腔，在1550 nm通信波段得到单向性发射，使得非对称光学微腔可以在硅芯片上集成，更好的应用于高效可控单光子光源研制和低阈值微型激光器等交叉学科研究。

通过三年努力，我们在非对称微腔定向性出射的物理机制、实验制备和应用方面进行了系统研究，取得了一系列创新性研究成果，课题负责人以第一/通信作者发表学术论文20余篇，其中Phys. Rev. Lett. 3篇，Adv. Mater. 2篇，Phys. Rev. A–Rapid Commun.栏目2篇，Laser & Photonics Reviews 1篇，以及Appl. Phys. Lett.、Opt. Lett.和Phys. Rev. A等杂志10余篇；课题负责人在国内外学术会议上做邀请报告10余次，在国际微腔学术界占据了一席之地。代表性成果如下：.（1）理论设计并在硅芯片上制备出了同时具有超高品质因子和远场定向发射的非对称光学微腔。实验上，该类光学微腔的品质因子创纪录的超过10^8。基于同样的技术手段获得了超低阈值、高度单向性的铒掺杂微型激光器：通过自由空间光束有效激励，在1550nm通信波段获得了具有极佳单向性出射的激光，阈值小于2微瓦，实验测量得到的远场发射角小于10度。这一研究结果发表在著名期刊《先进材料》上，并被选为特刊《先进光材料》（其时，尚未独立成刊）的封面文章。国际科技新闻网站Materials Views以及美国光学学会OPN杂志报道了该项成果。.（2）进一步，我们发展了非对称光学微腔的自由空间耦合技术，并据此提出在非对称光学微腔中实现传感的新物理机制 - 模式加宽，具有高灵敏度和抗热噪声等优良特性，更适合于真实环境下的生物传感研究和应用，并在实验上成功实现了单个纳米粒子和慢病毒的快速检测。文章发表在《先进材料》上，被选为Frontispiece文章，且被Materials View网站首页以“新的光学传感器可以检测单个纳米尺度粒子”为题进行专题报道。.（3）在硅芯片上的非对称光学微腔中发现一种新的诱导透明现象：遂穿诱导透明。当探测光耦合至微腔时，以前的研究一般认为该耦合体系的传输谱主要表现为高品质微腔模式的吸收。而我们实验发现在非对称光学微腔中，微腔模式对探测光的吸收可以表现出“透明”，这归因于两条光学路径的干涉。上述工作在线发表后，Materials Views科技新闻网站在其首页以“在混沌微腔中实现了隧穿诱导透明”为题报道了的该工作。