[论文解读] Ultra-high-Q free space coupling to microtoroid resonators

Sartanee Suebka, Euan McLeod+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 1, 2023

Photonic and Optical DevicesEngineering被引用 3

一句话总结

本论文提出一种基于单个长工作距离物镜和数字微镜器件（DMD）的自由空间耦合方法，用于回音壁模式（WGM）微环谐振器，无需使用易碎的锥形光纤。该系统实现了高达1.6 × 10⁸的Q值，通过多模耦合实现了EIT类和Fano共振的观测，并成功结合FLOWER技术实现温度传感，展示了高灵敏度、无光纤的生物传感能力，同时具备更高的鲁棒性和可扩展性。

ABSTRACT

Whispering gallery mode (WGM) microtoroid resonators are one of the most sensitive biochemical sensors in existence, capable of detecting single molecules. The main barrier for translating these devices out of the laboratory is that light is evanescently coupled into these devices though a tapered optical fiber. This hinders translation of these devices as the taper is fragile, suffers from mechanical vibration, and requires precise positioning. Here, we eliminate the need for an optical fiber by coupling light into and out from a toroid via free-space coupling and monitoring the scattered resonant light. A single long working distance objective lens combined with a digital micromirror device (DMD) was used for light injection, scattered light collection, and imaging. We obtain Q-factors as high as $1.6 imes 10^8$ with this approach. Electromagnetically induced transparency (EIT)-like and Fano resonances were observed in a single cavity due to indirect coupling in free space. This enables improved sensing sensitivity. The large effective coupling area (~10 $μ$m in diameter for numerical aperture = 0.14) removes the need for precise positioning. Sensing performance was verified by combining the system with the frequency locked whispering evanescent resonator (FLOWER) approach to perform temperature sensing experiments. We believe that this work will be a foundation for expanding the implementation of WGM microtoroid resonators to real-world applications.

研究动机与目标

• 为克服WGM微环谐振器中锥形光纤耦合的局限性，如易碎性、对振动敏感及对准复杂性。
• 开发一种坚固、紧凑且可扩展的自由空间耦合系统，适用于微环谐振器的实际应用与片上集成。
• 通过自由空间照明与散射光收集，实现高Q值及多模耦合效应（EIT类与Fano共振）。
• 通过结合FLOWER技术的温度传感实验，验证系统的传感能力。
• 利用品质因数（FoM）与耦合图，量化耦合效率、Q值与机械稳定性之间的权衡。

提出的方法

• 采用单个长工作距离物镜聚焦输入光、收集谐振散射光并成像微环，替代锥形光纤。
• 利用数字微镜器件（DMD）选择感兴趣区域（ROI），过滤杂散光，并将散射光导向光电探测器，同时将成像信号传输至CCD。
• 监测谐振散射而非透射光，以降低背景噪声与法布里-珀罗干涉效应，提升信噪比。
• 使用可调光束腰（通过数值孔径NA = 0.14或0.42控制）的高斯光束，研究耦合效率与多模激发特性。
• 通过扫描光束-谐振腔位置生成耦合图，评估系统容差并可视化电场分布，结果经有限元仿真验证。
• 集成FLOWER（频率锁定回音漏泄谐振器）技术，实现高分辨率、高带宽的波长追踪，适用于传感应用。

实验结果

研究问题

• RQ1 通过单个物镜与DMD实现的自由空间耦合能否在无锥形光纤的情况下实现微环谐振器的高Q值？
• RQ2 光束腰尺寸（通过NA调节）如何影响自由空间耦合WGM谐振器的耦合效率与多模激发？
• RQ3 在单个谐振腔中，能否通过间接自由空间耦合观测到EIT类与Fano共振？其可调谐性如何通过光束-谐振腔距离实现？
• RQ4 该自由空间系统的有效耦合区域与位置容差是多少？其对机械振动的鲁棒性如何提升？
• RQ5 该自由空间耦合系统能否与FLOWER技术有效结合，实现高灵敏度、实时传感？

主要发现

• 系统实现了高达1.6 × 10⁸的Q值，证明自由空间耦合可达到甚至超越光纤耦合的性能。
• 由于聚焦高斯光束引发的多模耦合，单个谐振腔中观测到EIT类与Fano共振，表明通过模式干涉实现间接耦合。
• 通过调节光束-谐振腔距离，Fano共振线型可调谐，因不同模式在不同速率下改变有效折射率。
• 采用宽松聚焦光束（NA = 0.14）时，有效耦合区域直径约为10 μm，显著降低对准敏感性，提升机械鲁棒性。
• 耦合图揭示了电场强度的空间分布变化，与有限元仿真结果高度一致，验证了该方法探测模式分布的能力。
• 结合FLOWER技术的温度传感实验表明，微环谐振波长漂移与热敏电阻测量结果高度一致，证实系统适用于高灵敏度传感应用。