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在中红外片上光子学领域，缺乏超高 Q 值（UHQ）谐振器成为发展瓶颈。韩国科学技术院等机构的研究人员开展了中红外 UHQ 谐振器及布里渊激光器的研究。他们制备出 Q 值达 3800 万的谐振器，实现低阈值中红外布里渊激光激射，推动了片上光子学发展。
在科技飞速发展的当下，光子学领域的研究不断深入。片上光子学凭借其独特优势，成为众多科研人员关注的焦点。其中，超高 Q 值（UHQ）光学微腔在近红外区域取得了显著进展，推动了如克尔效应（Kerr effect）、波克尔斯效应（Pockel effect）等光学非线性过程的研究，实现了超窄线宽激光器、光波长转换器等多种功能。
然而，当研究目光转向中红外区域时，问题接踵而至。中红外区域对于分子传感 / 光谱学（molecular sensing/spectroscopy）、生化成像（biochemical imaging）和化学处理（chemical processing）等至关重要，因为分子在该区域展现出基本吸收带，可用于监测和操控分子振动动力学 。但传统材料在中红外区域面临多声子吸收导致的过高材料损耗，使得 UHQ 谐振器难以实现。尽管硫系玻璃（ChG）等由较重元素组成的材料能缓解部分问题，但基于它们的片上波导损耗仍高于光纤，且尚无有效解决办法。
为了攻克这些难题，韩国科学技术院（KAIST）、耶鲁大学（Yale University）、宁波大学等机构的研究人员展开了深入研究。他们致力于实现中红外光谱范围内的 UHQ 谐振器，并取得了令人瞩目的成果。相关研究发表在《Nature Communications》上。
研究人员采用了一系列关键技术方法。在器件制备方面，利用材料沉积过程中自发形成光波导结构的方法，避免了传统刻蚀工艺带来的高散射损耗；通过在单一高真空腔室内依次沉积多层 ChG，减少了工艺污染，并对表面粗糙度进行优化 。在测量方面，运用激光频率扫描技术结合自由空间干涉仪校准来测量 Q 值；通过波导耦合输入泵浦功率，观察布里渊激光信号。
研究结果主要包含以下几个方面：
- 设计与制备片上硫系玻璃谐振器：选择 ChG 作为 UHQ 谐振器的材料平台，通过优化制备工艺，减少表面散射、材料吸收和杂质等引起的光学损耗。例如，通过在湿蚀刻的 SiO2梯形亚结构上定向沉积 ChG，自发形成光波导几何结构，降低表面散射损耗；采用底部 ChG 包层，减少 SiO2在中红外的吸收损耗；使用高纯度 ChG 材料并在单一高真空腔室内沉积多层结构，减少杂质和污染。最终制备出在 3.86μm 波长处 Q 值高达 3800 万的谐振器，远超之前的报道。
- 分析后制备过程中的损耗：研究发现中红外片上器件易受表面吸附分子的吸收损耗影响。通过测量不同上包层厚度谐振器的 Q 值光谱，分析了表面吸附的水和碳氢化合物对 Q 值的影响。结果表明，合适的上包层厚度（如 800nm）可显著提高 Q 值，且通过这种方法能够定量评估表面分子吸收，为进一步提高 Q 值提供了依据。
- 实现中红外片上布里渊激光器：利用制备的超高 Q 值微谐振器，首次在中红外区域实现了布里渊激光激射。通过有限元方法确定了能产生最高布里渊增益的光学模式和声子模式，其模式重叠因子约为 0.96。实验观察到了级联至第 8 阶斯托克斯波的过程，激光阈值低至 91.9μW，理论计算的肖洛 - 汤斯（Schawlow-Townes）线宽为 83.5Hz，远窄于商用量子级联激光器（QCLs）。
研究结论与讨论部分指出，该研究通过优化设计和制备方法，成功解决了中红外集成光子学中多个突出的损耗问题，实现了超高 Q 值的中红外片上谐振器。在此基础上，首次实现了低阈值、超窄线宽的中红外布里渊激光器，展示了在中红外片上实现高效超窄线宽激光器的潜力。该研究成果不仅为中红外片上光子学的发展提供了关键支撑，还有望通过与多种材料集成的光子平台进行异质 / 混合集成，推动先进集成中红外光子学的发展，为分子科学等领域的研究开辟新途径 。
