导读

近日，来自美国亚利桑那大学怀恩特光学学院的Judith Su教授团队在Light: Science & Applications上发表了题为 “Ultra-high-Q free space coupling to microtoroid resonators”的高水平文章。研究人员使用单物镜进行谐振器激发，监测谐振波长和成像方式，通过信噪比> 26 dB的远场激励来消除对锥形光纤需求。该系统比锥形光纤耦合器更紧凑、更经济、更稳定，不再需要制作锥形纤维的复杂过程。使用100微米直径的微环实现了超高品质因子（> 10⁸）。Su的团队表明，通过使用高度发散的激光束以及扫描远场光束，可以增强远场耦合效率，并且可以研究谐振器内的电场分布。

研究背景

回音廊模式(WGM)微环谐振器是现存的最灵敏的传感器之一，能够进行单分子检测。WGM谐振器的高灵敏度、快速响应和无标签特性实现了许多生化应用，包括早期诊断和预测、监测食品和水质、化学威胁传感和早期检测有害气体等。在传统的锥形光纤耦合中，光通常通过直径数百纳米的锥形光纤逐渐耦合到微环谐振器中。尽管这些锥形光纤的耦合效率高达99%，但这种光纤很脆弱，容易受到流体或气流引起的机械振动的影响，而且制造时间长，需要笨重且昂贵的仪器。锥形光纤的缺点阻碍了这些系统集成到紧凑和便携的芯片实验室平台中，也阻碍了这些系统的多路复用。自由空间光与微环谐振器间的耦合技术仍然是限制WGM谐振腔的一大难题。

创新研究

Judith Su教授团队设计了一种使用单物镜和数字微镜装置(DMD)的对称微环自由空间耦合系统。使用单一物镜具有系统紧凑、设计成本低、容易对准等优点，而使用DMD可以过滤掉一些杂散光。与沿入射光束方向传输的光相比，可以获得较高的强度对比度。

图1. 自由空间耦合系统概述。L1：管状透镜。L2和L3是双凸透镜，形成4F系统。L4是双凸透镜以及成像透镜。黄色的棕色锥体表示照明光来自物镜周围的环形光，而不是腔体。插图(I)是自由空间中耦合微环的示意图。如红色圆锥体所示，激光会聚在环的边缘A以耦合到腔体中。然后，来自B边的散射光被相同的物镜收集，以观察橙色锥体所指示的共振波长。插图(II)是在实验过程中从电荷耦合器件获得的图像。插图(III)是通过DMD获取的图像。插图(IV)是L3平面上不同衍射级的示意图。

Judith Su教授研究团队比较了两种不同物镜的共振散射功率：数值孔径为0.14的物镜和0.42的物镜。通过调整束腔距离来改变耦合强度，研究了模间的失谐。构建了一个耦合图来研究自由空间耦合位置公差。最后，研究人员通过实验跟踪温度的变化，证明了所提出的光耦合系统与FLOW相结合的自由空间耦合系统适合于传感应用，以及这种光学配置也与其他WGM谐振器兼容。

图2. (a-c)是从自由空间耦合系统中观察到的共振线形状。黑点和实心红线显示了实验结果，并根据它们的形状进行了相应的曲线拟合。(a) 洛伦兹线形；(b) 标准Fano线型（c）广义Fano线形；(d) 两种不同物镜的耦合效率与Q因子的关系。虚线代表了这一趋势。蓝色和红色曲线图分别显示了NA=0.14和0.42物镜的结果。

图3. 自由空间耦合图。均使用5倍物镜(NA=0.14)。(a) 不同微环位置处的共振曲线。 (b) 颜色表示谐振功率，根据理论公式计算，当达到最高谐振功率处时，y-position被定义为0。正的y-position意味着减小了束腔距离。(c) Fano参数和相移随y-position的变化。(d) 按公式计算的谐振功率和由线宽计算的Q因子随y-position的变化曲线。

图4. 自由空间耦合图。均使用5倍物镜(NA=0.14)。(a) 微环的扫描电子显微镜图像。黄色的圆圈直径是小直径。(b) 在功率最高位置处的共振曲线。(c~d) 沿y轴 (c) 和z轴 (d) 扫描时微环外的光散射光谱图。(e) yz平面的共振功率图。(f) yz平面的共振波长移动图。(g) yz平面上的背景贴图。(h~i) 沿z=0 (h) 处的y轴和y=0 (i) 处的z轴求幂。实线表示与确定半高宽的高斯方程的拟合度。

研究人员采用单物镜和数字微镜装置(DMD)相结合的方式进行光注入、散射光采集和成像，最终得到了高达1.6×10⁸Q因子的微环谐振腔。由于自由空间中的间接耦合，在单个腔体中观察到了类电磁诱导透明（EIT）和FANO共振。该技术通过较大的有效耦合面积(直径约10 μm，数值孔径=0.14时)消除了对精确定位的需要。所提出的自由空间耦合方法具有更高的容忍度，并且有可能成为多路复用的基础，通过自由空间将光引导到微环阵列，而不需要多个纳米定位器。通过执行信噪比> 26 dB的远场激励来消除对锥形光纤需求的方法。这是通过使用单物镜进行谐振器激发，监测共振波长和成像来完成的。该系统比锥形光纤耦合器更紧凑、更经济、更稳定。不再需要拉锥形纤维的复杂过程。使用直径为100微米的微环体获得了超高质量因子(> 10⁸)。（来源：LightScienceApplications微信公众号）

图5. 采用自由空间耦合的温度传感实验。(a) 实验装置示意图。红色和橙色圆锥体分别表示入射光和散射光。(b) 不同温度下的共振曲线。波长失谐量?λ被定义为，当波长等于起始时刻的峰值波长时，?λ=0。(c) 使用花瓣的温度传感的实验结果。黑线和红线表示从热敏电阻测得的共振波长漂移和温度。插图表示共振波长随温度变化，传感器显示出强线性，斜率为10.2 pm/℃。(d) 热非线性观测。谐振波长漂移和光探测器信号 (V_PD) 随自由空间输入激光功率的变化。插图表示使用扫描方法观察到两种不同自由空间输入激光功率的共振曲线。

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-024-01418-0