耶鲁大学：芯片级光子谐振器的紫外光损耗再创新低

随着光子学在信息通讯和量子计算中的关键地位日益凸显，紫外光领域的研究显得尤为重要。近期，耶鲁大学一研究团队成功构建了一种基于芯片的光子谐振器，此谐振器可在紫外（UV）至可见光的光谱范围内工作，并展现出前所未有的低紫外光损耗。这种新型谐振器为扩大紫外光子集成电路（PIC）的设计尺寸、复杂度和保真度提供了坚实基础，有望推动基于微型芯片器件在光谱传感、水下通信以及量子信息处理等领域的应用。

该芯片级环形谐振器如图1 所示，能在紫外至可见光的光谱范围内工作，并实现了创纪录的低紫外光损失。图中谐振器（中间的小圆圈）以蓝光显示。

耶鲁大学的研究小组成员Chengxing He表示：“相较于已经相对成熟的电信光子学和可见光子学，紫外光子学的研究还相对较少。但考虑到在基于原子/离子的量子计算中需要利用紫外波长来操控某些原子态跃迁和激活特定荧光分子进行生化传感，这一领域的探索具有极高的价值。我们的研究为构建紫外波长光子电路奠定了重要基础。”

研究人员在论文中描述了基于氧化铝的光学微谐振器，以及他们如何通过将合适的材料与优化的设计和制造相结合，在紫外波长下实现前所未有的低损耗。

研究团队的负责人Hong Tang表示：“我们的研究表明，紫外光子集成电路（UV PICs）现已到达一个转折点，其光损失在紫外光谱中已不比可见光区域更严重。这意味着之前为可见光和电信波长开发的所有先进PIC结构，例如频率梳和注入锁定技术，现在都可以扩展应用到紫外波长。”

DOI:https://doi.org/10.1364/OE.492510

这款微谐振器是由高品质的氧化铝薄膜构成，这一薄膜由Integris公司的共同作者Carlo Waldfried和Jun-Fei Zheng采用先进的原子层沉积（ALD）技术制备而成。氧化铝拥有较大的带隙（约8 eV），使其对于能量较低（约4 eV）的紫外光子保持透明，因此，这种材料并不会吸收紫外线。

据悉，先前的纪录是使用带隙约6 eV的氮化铝实现的。与单晶氮化铝不同，非晶态的原子层沉积氧化铝缺陷更少，而且更易于生产，光损失更低。

在微谐振器的制作过程中，研究人员对氧化铝进行蚀刻，形成一种通常被称为“肋波导”的结构。在这种肋波导中，顶部的一条狭窄带条形成了限制光线传播的结构。波导肋部越深，光的约束就越强，但也意味着散射损失增加。为了优化结构，他们运用模拟技术，确定了最佳的蚀刻深度，旨在达到理想的光束约束，同时尽量减少散射损失。

研究团队将他们从波导的研究中获得的经验运用于制作半径为400 μm的环形谐振器。他们观察到，在400 nm厚度的氧化铝薄膜上，当蚀刻深度达到80 nm以上时，辐射损失在488.5 nm和390 nm处分别降低到少于0.06 dB/cm和0.001 dB/cm。

在按照这些参数制作的环形谐振器上，研究人员通过测量谐振峰宽度来评估品质因数Q，并对谐振器的光频率进行扫描。结果显示，390 nm波长（紫外光范围）的品质因数高达1.5×10⁶，而在488.5 nm（可见蓝光范围）则达到了1.9×10⁶（品质因数越高表示光损失越少）。

与专为可见光或电信波长设计的PICs相比，UV PICs可能因其更宽的带宽或在特定条件下（如水下）不易被吸收而在通讯领域占有优势。更值得注意的是，生产氧化铝的原子层沉积技术与CMOS技术是兼容的，这为CMOS与非晶态氧化铝光子学的融合创造了可能。

目前，研究人员正致力于研发能够调谐到多个波长的基于氧化铝的环形谐振器。这将有助于实现精确的波长控制，或是通过运用两个相互作用的谐振器来开发调制器。此外，他们还计划开发集成在PIC上的UV光源，进而构建一个完整的基于PIC的紫外系统。

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截稿日期：2023年12月10日。

出版时间：2024年第7期（4月）。

投稿方式及格式：通过《中国激光》期刊官网进入“作者中心”，按系统要求填写信息，上传稿件（作者留言中备注“极紫外光源及应用”专题投稿）。投稿模板及要求请详见官网“下载中心”。

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科学编辑 | 佚名