让光在芯片里多跑一会儿，美国科学家造出“超长待机”微谐振器

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2026年2月23日，美国科罗拉多大学博尔德分校的工程师们在《应用物理快报》上发表了一项成果：他们制造出一种高性能的光学微谐振器，能让光在比头发丝还细十倍的芯片里循环更长时间。听起来像是把光“关”进了笼子，但这项技术一旦成熟，小到化学物质检测，大到飞行器导航，都可能迎来新变革。

要理解这个器件，不妨先想象一条环形跑道。光在微谐振器里跑圈，就像运动员在跑道上奔跑。如果跑道有直角弯，运动员必须减速；同样，光如果遇到急转弯，也会有一部分“跑偏”损失掉。 这种损耗被称为弯曲损耗，是限制微谐振器性能的关键瓶颈。

科罗拉多大学团队给出的解决方案，是借鉴了公路和铁路设计中常用的“欧拉曲线”。这种曲线最大的特点是曲率平滑过渡，没有突然的转折。他们将微谐振器设计成类似田径跑道的形状，直道部分用来增加光与物质的相互作用长度，弯道则采用欧拉曲线，让光像赛车过弯一样顺畅通过。

项目负责人之一、电气工程教授Won Park解释道：“这些跑道形曲线最大限度地减少了弯曲损耗。我们的设计选择是这项课题的关键创新。”正是这一看似简单的几何优化，让光得以在谐振器中滞留更久，强度不断叠加，最终达到足以开展各类精密测量的水平。

光跑得久还不够，跑道本身的材质同样重要。研究团队使用的是一种名为“硫系玻璃”的特殊半导体材料。这类玻璃对中红外光透明度极高，而且具有极强的光学非线性——也就是说，当光强度足够高时，它能主动改变自身折射率，从而调控光的传播行为。

硫系玻璃也是一位“难伺候”的主。它难以加工，对加工精度和表面平整度要求极为苛刻。研究人员必须在一片玻璃薄膜上刻出光路，任何微小的瑕疵都会让光散射殆尽。

“硫系玻璃很难操作，但对于光子学非线性器件来说，它们是值得付出努力的回报丰厚的材料。”在该领域深耕超过10年的Juliet Gopinath教授表示。最终，他们的器件性能“足以与其他材料平台中的顶尖成果相媲美”，甚至可以说是目前基于硫系玻璃的最优器件之一。

要在如此娇贵的材料上实现欧拉曲线，普通的光刻技术无能为力。传统光刻受限于光波长，分辨率存在理论极限。而科罗拉多团队借助了校内纳米加工设施的新一代电子束光刻系统。

电子束的波长极短，理论上可以实现亚纳米级别的分辨率。博士生Bright Lu描述道：“用电子束，我们可以实现亚纳米分辨率的图形，这对我们的微谐振器至关重要。”在洁净室中，他们将从一片玻璃薄膜，变成了一个功能完整的光学回路。

Lu甚至觉得这个过程很“酷”：“洁净室很酷，你操作着巨大的精密机器，然后看到自己制造出来的只有几微米宽的结构。把一片玻璃薄膜变成一个工作着的光学回路，真的很让人满足。”

器件制造完成后，物理系博士生James Erikson接手测试。他用激光精确耦合进微谐振器，监测光在里面的一举一动。判断器件好坏的关键，是观察透射光中出现的“凹陷”，即共振峰。

“共振峰的形状是器件质量最明显的指标，我们希望它们深而窄，像一根针穿透信号背景。”Erikson说。当看到新器件上出现了无比尖锐的共振峰时，他知道“终于破解了密码”。深窄的共振峰意味着光在腔内循环了极长时间（即品质因子Q值极高），能量被牢牢锁定在腔内。

这种高Q值微谐振器一旦成熟，将可被用于制造微型激光器、超高灵敏度化学与生物传感器，甚至用于量子精密测量和量子网络。博士生Bright Lu展望：“未来，我们可以把这些微谐振器交给制造商，一次生产出成千上万个。”

科罗拉多大学的这项研究，是集成光子学领域多年积累的一个缩影。从弯曲损耗的理论分析，到非线性材料的工程应用，再到纳米加工技术的进步，每一个环节都体现了基础研究与工艺创新的结合。

回到国内，中国科学家在光学微腔领域同样耕耘已久。例如，中科院上海微系统所在超高品质因子微腔的制备与传感应用方面取得系列进展；北京大学、南京大学等高校在片上微腔与非线性光学频率转换研究中屡有突破；在硫系玻璃材料方面，宁波大学、中科院上海光机所等单位也实现了高质量薄膜的制备与器件集成。 可以说，在微谐振器这条“光跑道”上，中国不仅没有缺席，而且在材料、器件、应用等多个维度都处于国际并跑甚至领跑的位置。

当然，要真正实现从实验室样品到工业级产品的跨越，还需要解决封装、稳定性、成本等一系列工程难题。但正如科罗拉多团队所展示的，一次对曲线形状的“微调”，一次对材料的“死磕”，都可能带来性能的跃升。微谐振器的故事才刚刚开始。