2023-06-16 10:18:36, 光电行业都会关注 北京卓立汉光仪器有限公司
光学微腔是一种能够把光场限制在微米量级区域中的光学谐振腔,在信号发射、处理和传感等领域具有广阔前景。本期卓立汉光《视点前沿》栏目组邀请到来自北京大学长三角光电科技研究院 张方醒副研究员,做客直播间,为大家分享光学微腔在片上集成产业化生产的技术前景。
北京大学长三角光电科技研究院 张方醒老师(左) 北京卓立汉光仪器有限公司销售经理姚长野(右)
专业面向微腔应用与成果产业化的研究团队
目前,课题组在微腔光源上面的研究具有显著成果,将光纤微腔整合成一个超稳的腔,利用热补偿结构提高器件稳定性,克服自身频率漂移问题,基于这种器件,相关研究包括窄线宽激光研究,如多频率成分的飞秒光梳研究。此外,课题组在超声探测方向也有重要收获,利用光学微腔来进行超灵敏、宽带的超声研究。
光学微腔在片上集成的应用思路
光学微腔如果在片上集成既有优势又有难点。从优势来看包含两点,一方面片上集成意味着微腔可进行批量化的生产,尺寸在微米量级,八英寸硅片上可以做出来几十万个微腔,这在很大程度上降低成本至几块钱。另一方面微腔作为一种器件,以往作为分离器件的形式来使用,如果可以做片上集成,意味着可以将探测器,激光器,光源,调制器等这些独立的器件组合成真正的系统来用到实际,以上是他的两个优势。难点也包含两点:首先是片上集成很难实现高品质因子,例如WGM微腔、基于波导微环微腔等,低品质因子不具备市场竞争力,基于DBR的FP腔,它的品质因子可以到七次方,且具备更低的制作成本。另外一方面,即使通过激光加工、抛光等技术手段将片上集成的微腔品质因子做高, 但它并不是CMOS兼容,无法再添加其他器件,丧失掉集成的优势。
片上集成光学微腔是未来的发展方向和大趋势,但仍有很多技术难点需要解决。目前分离微腔具备一些实用场景,比如具备超高品质的因子的微腔在高精密、高灵敏度要求的应用。简而言之,其实要两条腿走路,就是不光要关注集成器件,也要关注一些分离器件,各有优势。
光学微腔是微型的谐振腔,谐振腔的本质是一个光学的部件或者元件。例如激光器是现在现代光学的重要基石,激光器主要包含三部分:谐振腔、外部激励、增益介质。激光器的基础构架就是一个腔,目前光学器件的趋势就是要把光学器件小型化、集成化,在这个大趋势下就有了把谐振腔变成微腔。在这个基础上不难发现,微腔在工业和科研上的应用仍基于微腔本质:具有优秀品质、高品质因子的腔。目前腔增强也可以用在传感上,如陀螺仪、粒子的传感、声学传感等。原来的传感如光学传感,是基于光纤的线性传感,它的传感就是单次的光与物质的相互作用,如果给它加一个腔就能把作用增强,从而大大增加传感效果。
总结来说,目前光学微腔的研究主要集中在光源和传感器这两方面应用:一方面要增强腔内能量,应用到激光增益中;第二方面是增强与物质相互作用,增强传感效果。
光学微腔仍需解决什么问题?发展方向是什么?
光学微腔面临的主要问题是:如何让光学微腔真正走出实验室?其实光学微腔在上个世纪中叶就有相关的理论提出,从上个世纪90年代开始大规模实验研究,到现在光学微腔已经发展30多年,现在所面临的主要问题是一定要让光学微腔真正走出实验室、走向应用。现在的光学微腔,要借助很精密的仪器,如显微镜,精密耦合机械结构等才能实现微腔功能。但是在实际应用中是无法满足实验室的条件,包括隔温隔震等环境需求。这意味着光学微腔需要有优良的封装技术。张老师课题组目前重点从事的就是将光学微腔做稳固性封装,使它具有更优的抵御外界环境扰动能力,从而把光学微腔从实验室设备真正的走向应用。光学微腔的器件化、模块化、产品化才是真正发展的趋势。
张方醒老师对国产仪器具有非常大的期待,他经常用到光谱仪、探测器、示波器、网络分析仪、ESA电学频谱分析仪等光电仪器,在仪器使用方面具备很多经验。像张老师这样的青年教师现在对国产仪器的信心也越来越足,目前很多国内优秀的厂商也在不断推陈出新,都非常感兴趣使用。张老师对电学,运动控制这一块的仪器更具期待,比如说频谱分析仪,网络分析仪等,目前国内的很多科研工作者需要用很高的溢价买国外设备的。张老师相信以中国的科研实力,肯定能突破现状,提供更好地产品服务科研。此外,张老师对纯光学设备也有信心,相信假以时日必将比肩国际水平。但是,我们也要意识到国产仪器的不足,一定要注重用户体验,不仅是硬件指标比肩国际,用户交互等方面也期望能有提升优化,相信经过足够的用户使用反馈,国产仪器必将越做越好,突破卡脖子技术难题。
结束语
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