微纳光子学

3.微纳光子学

       微纳光子学主要研究在微纳尺度下光与物质相互作用的规律及其光的产生、 传输、调控、探测和传感等方面的应用。微纳光子学亚波长器件能有效提高光子集成度，有望像电子芯片一样把光子器件集成到尺寸很小的单一光芯片上。纳米表面等离子体学是一新兴微纳光子学领域，主要研究金属纳米结构中光与物质的相互作用。它具有尺寸小，速度快和克服传统衍射极限等特点。纳米等离子体波导结构，具有良好的局域场增强和共振滤波特性，是制作纳米滤波器、波分复用器、光开关、激光器等微纳光器件的基础。光学微腔将光束缚在微小的区域内，极大地增强了光与物质的相互作用。因此高品质因子的光学微腔是高灵敏度传感和探测的重要方式。

3.1 WGM微腔

       近年来，光学微腔由于其巨大的应用潜力和科学意义而备受关注，获得深入研究。光学微腔主要包括微球、微柱、微环等几何形貌，它是一种形貌依赖的光学谐振腔。微腔内的光波由于在微腔界面发生全反射，从而会产生被称为耳语回廊模（whispering gallery mode, WGM）的共振模式。相对于其他的光学共振腔，微腔具有高Q值（大于10^6）、低模式体积、体积小易于集成等特点，已经应用到高灵敏度生化传感，超低阈值的激光器和非线性作用等方面。我们的研究目标是寻找和研究不同结构和不同形貌微腔的特性，并且应用这些新特性。主要的研究方向包括：WGM微腔的光学特性研究，微腔的制作研究，微腔的应用研究等。

3.1.1 WGM微腔生化传感       实验利用四阶的高阶WGM模式M1（图 7 (a)）来进行传感测量，相对低阶的模式，高阶模式的灵敏度会获得极大的提升（ 图 7(b)）。

图 7. 微毛细管谐振腔的共振模式（a）及其相对应的折射率灵敏度（b）

3.1.2高Q值的可调谐光学滤波器

       首先拉制出径向缓变的柱形微腔，然后利用共振波长以来形貌尺寸的原理，通过机械移动耦合位置就可以实现波长调谐（图 8 (a)），其可调谐性能和滤波带宽见图 8 (b)和(c)。另外，该装置可以实现亚纳米精度的光学位移传感。

图 8.可调谐光学滤波器的示意图(a)，可调谐性能(b)和滤波带宽(c)

3.1.3  WGM微流液滴谐振腔

       在微流控芯片内，尤其是针对油里面的液滴（droplet-in-oil）的情况，由于表面张力的特性，对于直径在数十甚至数百微米级别的液滴，其将悬浮在油中，形成一个近乎完美的球体。通过折射率的优化，液滴自身就是一个完美的球形谐振腔，品质因子达到10^8以上。同时在油里面避免了蒸发的问题。对于体积相对较大的液滴，由于密度差其将“坐”在上侧壁或者下侧壁。此类型液滴只能采用横向激励模式。在微流管道中，如图 9(b)所示，在微流管道的两侧壁构造两个45度的反射面，以提高激励和收集效率。如需要进一步提高效率，也可采用如图(c)的方式，锥形斜面可以收集各个方向的光。

                                                        (a)                                                  (b)                                                            (c)

图 9.微液滴谐振腔的激发和接收设计

3.2.微纳光纤器件及表面等离子激元器件的理论分析和实验研究

       微纳光纤具有较低的传输损耗、较好的模式束缚特性以及较强的渐逝场等特性，广泛用于微纳光器件的制备、生物传感以及用于激励金属表面的等离子激元等应用。用微纳光纤做的微环，具有较高的品质因子，广泛用于生物传感。前期的研究中提出了微纳光纤环形谐振腔的偏振理论，分析了微环内部偏振态之间的互相耦合特性，该理论分析结果受到国际同行的普遍关注。

图 10. 微纳光纤谐振腔模式相关特性

G. H. Wang, et.al, PTL, vol. 22, pp. 586-588, 2010

       在微纳光纤传感的研究方面，实现了在微纳光纤上刻写光纤光栅，以及用微纳光纤搭干涉仪，来进行高灵敏度的传感器研究。另外本方向还开展了一些微纳光纤光栅的理论分析工作，并研究其在生物检测中的应用。

图 11. 相移微纳光纤光栅用于生物检测

Wo, J., G. H. Wang, et.al, Optics Letters, 2012. 37(1): p. 67-69.

G. H. Wang, et.al, Optics Express, 2011. 19(9).

       微纳光纤有较强的渐逝场，通过导波的有效折射率的优化，其是一种较好的激励SPP的方式。 本研究中，基于dielectric loaded 的结构，将研究微纳光纤SPP波导的特性及应用。

图 12. 微纳光纤用于激励金膜表面的SPP