01导读

近日，上海交通大学物理与天文学院的陈险峰教授和陈玉萍教授团队在片上薄膜铌酸锂（LNOI）平台上设计了一种基于多模式耦合效应的微腔传感器，利用模式耦合引起的模式频移和线宽降低，成功实现了自参照微腔热传感的增强。

相关研究成果以“Enhanced Temperature Sensing by Multi-Mode Coupling in an On-Chip Microcavity System”为题，发表在Laser Photonics Reviews上。

02 研究背景

21世纪以来，光学微腔在包括非线性产生、低阈值激光等领域的研究受到广泛的关注：其超高的品质因子和极小的模式体积更是在无标记传感中展现出巨大的发展潜力，在包括环境监测、生物分子的无标记检测等场景中都得到了充分的应用。但与此同时，微腔探测器的分辨率和灵敏度受到微腔几何结构和实验系统波长分辨能力的限制，因此引入全新的物理机制来提高微腔传感器的性能成为近年的研究热点，也是该领域长期追求的目标。

03研究创新点

该课题组利用片上波导微环系统中存在的多模式耦合效应，通过设计微腔的几何结构来操纵不同模式之间的耦合强度，成功实现了自参照温度传感器在频域分辨能力和灵敏度中全方位的性能提升。通常情况下当一个离散模式和连续模式在在弱耦合强度的区间发生相干作用时，会导致离散模式经历频移和线宽的锐化，因此微腔中的TE与TM模式在与波导模式耦合时经历不同的频移，并且线宽都得到降低。当耦合效应导致微腔模式远离彼此时，就可以更好地在自参照探测系统中分辨二者。在实验中，与同一片薄膜中加工的非模式耦合结构相比，多模式耦合系统在频域中的分辨能力得到了3倍的提高，在温度传感中的灵敏度也得到了7.2倍的提升。达到了44pm/℃。与此同时，多模式耦合系统的线型受到相对相位的控制，在温度传感中展现出6.46 × 10^-3/pm的灵敏响应，相较非耦合系统提高了24倍，实现了片上可集成的微腔探测器性能的增强。

图1 片上跑道环结构中的多模式耦合系统示意图。

图2 (a) 温控下多模式耦合和(b)非模式耦合系统的透射谱，(c)温控中二者频率差的改变量，(d)线型对比度的改变量。(e)模式耦合系统的透射谱，(f)透射谱中的模式分离程度。

04总结与展望

尽管设计和实验是在LNOI上跑道型微腔中进行的，但这种方法不局限于具体的微腔构型和基底材料。该论文工作的片上集成光学传感器的实现不仅有利于PIC系统在不同情景下的应用，而且使得多种传感器的高效、低能耗集成成为可能。从多模式耦合理论出发，采用多个高品质因子微腔级联耦合，甚至多重奇异点效应等，均有机会在此基础上更进一步提高传感器的性能，有望在蛋白质检测、多种环境因素分析等复杂、精确的应用场景中发挥巨大的应用潜力。

论文第一作者为上海交通大学物理与天文学院硕士生王雪逸和博士生袁汀格，通讯作者为上海交通大学陈玉萍教授，论文合作者为上海交通大学陈险峰教授。该工作得到国家自然科学基金重点项目、上海交通大学“重点前瞻布局基金” 项目、上海交通大学区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室的大力支持，在此深表感谢。

论文链接：https://doi.org/10.1002/lpor.202300760