[0001] 本申请涉及量子光学技术领域，具体而言，涉及一种光学微腔和光学器件。

[0002] 光学微腔是一种微型化的光学谐振腔，可以过各种光学效应（如反射、全反射、散射或衍射）将光限制在极小的空间内。

[0003] 通过减小光学微腔的尺寸，可以将光场束缚在接近衍射极限的区域内，以增强光场的强度。以及通过减小光学微腔内的吸收和辐射损耗，可以提高光学微腔内光子的寿命，以增强光与物质的相互作用时间。因此，光学微腔通过减少模式体积Vm和增大光学微腔的品质因子Q，可以使得光学微腔具有较强的光与物质相互作用（即Q/Vm）。

[0004] 目前现有技术中的光学微腔一般通过具有高Q值（约108）的回音壁模式的微盘和3
微球腔、模式体积Vm较小（＜λ ，λ为真空波长）的表面等离激元模式的金属微纳结构、具有较高Q值和较小模式体积Vm的光子晶体型微腔等技术方案才实现高Q/Vm。

[0005] 但本申请的发明人发现，在实际的光学微腔器件的应用中，除了考虑高Q值因素和较小模式体积Vm因素外，还需要考虑光学微腔与外界光场的有效耦合（近高斯型远场辐射光场模式）。

[0019] 现在将参考附图更全面地描述示例实施例。然而，示例实施例能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施例；相反，提供这些实施例使得本申请将全面和完整，并将示例实施例的构思全面地传达给本领域的技术人员。在图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。

[0020] 所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本公开的实施例的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本公开的技术方案而没有这些特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方式、组元、材料、装置等。在这些情况下，将不详细示出或描述公知结构、方法、装置、实现、材料或者操作。

[0021] 此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。

[0022] 本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。

[0023] 下面结合本申请实施例中的附图，对本申请的技术方案进行清楚、 完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

[0024] 目前，与其它微腔结构相比，由一对分布式布拉格反射镜（DBR膜层结构：Distributed Bragg Reflector）相向形成的微柱腔具有高斯型远场辐射光场和较高的Q值特性。

[0025] DBR膜层结构是一种光学薄膜结构，用于反射特定波长的光。DBR膜层由多个周期性的介质层组成，每个层的折射率不同，可以通过调节层的厚度和折射率来实现对特定波长的光的反射。DBR膜层结构在光学器件中具有广泛的应用，如激光器、单光子和光子对源、光纤通信和太阳能电池等。

[0026] 图1示出一现有微柱腔的结构示意图。如图1所示，微柱腔包括上DBR反射层、腔中心层、下DBR反射层和衬底层，上DBR反射层、腔中心层和下DBR反射层依次设置在衬底层上。但本申请发明人发现，此类微柱腔结构的高斯型远场辐射光场和较高Q值特性只能适用于较大体积模式Vm（即大直径）的应用场景。

[0027] 图2示出一现有微柱腔Q值、Q/Vm、远场模式随直径变化的示意图。

[0028] 发明人发现，微柱腔的品质因子Q值会受到腔光子的辐射损耗的影响，辐射损耗主要由有限对数DBR引起的传输损耗和腔与DBR界面的散射损耗造成。如图2所示，随着直径的减小到1.5um以内，微柱腔的品质因子Q值快速下降，模式体积Vm的减少不能抵消腔损耗的增加，从而使得Q/Vm也随着Q值一起降低。

[0029] 另外，现有微柱腔结构可以通过绝热锥形腔设计来降低腔膜与DBR层布洛赫膜之间失配所引起的散射损耗。现有绝热锥形腔可以在减少模式体积Vm的同时具有高Q值，以取得较大的Q/Vm。但发明人还发现，现有绝热锥形腔并未考虑器件与外界光场的耦合效率。

[0030] 例如，在微柱腔的实际应用场景中，需要要求腔膜的远场与通讯光纤的光场模式相匹配，即近高斯型远场辐射光场模式。但根据图2可知，小直径下的微柱腔的远场辐射光场模式已经不再符合高斯模式，不利于与单模光纤的耦合。发明人认为，在实际的光学微腔器件的应用中，除了考虑高Q值因素和较小模式体积Vm因素外，还需要考虑光学微腔与外界光场的有效耦合（近高斯型远场辐射光场模式）。

[0031] 因此，如何在接近光学衍射极限的模式体积Vm（如近波长直径）的应用场景下，同时满足高Q值和近高斯型远场辐射光场特性是本申请期待解决的技术问题。

[0032] 图3示出本申请实施例的光学微腔的结构示意图。

[0033] 根据本申请的一方面，本申请提供了一种光学微腔，用于提供一种在小直径（近波长直径）应用场景下具有高Q值和近高斯型远场辐射光场模式的微柱腔。

[0034] 示例性地，该光学微腔可以为绝热锥形微柱腔。下文以绝热锥形微柱腔为例对本申请进行详细介绍。

[0035] 根据示例实施例，如图3所示，光学微腔包括衬底层10、第一DBR反射层20、第二DBR反射层30、腔中心层40、第一DBR绝热层50和第二DBR绝热层60。

[0036] 第一DBR反射层20设置在衬底层10上。第一DBR反射层20包括第一预设对数的交替生长的第一反射介质层71和第二反射介质层72。

[0037] 第二DBR反射层30设置在光学微腔顶部。第二DBR反射层30包括第二预设对数的交替生长的第一反射介质层71和第二反射介质层72。

[0038] 腔中心层40设置在光学微腔的中部。

[0039] 通过设置第一预设对数的大小可以调节第一DBR反射层20的厚度；通过设置第二预设对数的大小可以调节第二DBR反射层30的厚度。

[0040] 第一反射介质层71具有第一预设厚度T1，第二反射介质层72具有第二预设厚度T2。

[0041] 第一预设对数、第二预设对数、第一预设厚度T1和第二预设厚度T2可以为用户根据光学微腔的设计需求所自定义设置的。

[0042] 示例性地，第一DBR反射层20或第二DBR反射层30由第一反射介质层71和第二反射介质层72两种不同折射率的材料交替排列形成。当光线从第一反射介质层71进入到第二反射介质层72时，会发生反射和透射。通过设置第一反射介质层71和第二反射介质层72的厚度和折射率，光学微腔可以实现对反射光或透射光的相位调制，从而可以使得光学微腔可以在空间和时间两个维度上有效地束缚光场。

[0043] 根据示例实施例，如图3所示，第一DBR绝热层50设置在第一DBR反射层20与腔中心层40之间。第一DBR绝热层50包括第三预设对数的交替生长的第一绝热介质层81和第二绝热介质层82。

[0044] 第二DBR绝热层60设置在第二DBR反射层30与腔中心层40之间。第二DBR绝热层60包括第四预设对数的交替生长的第一绝热介质层81和第二绝热介质层82。

[0045] 通过设置第三预设对数的大小可以调节第一DBR绝热层50的厚度；通过设置第四预设对数的大小可以调节第二DBR绝热层60的厚度。

[0046] 第一绝热介质层81具有第三预设厚度T3，第二绝热介质层82具有第四预设厚度T4。

[0047] 第三预设对数、第四预设对数、第三预设厚度T3和第四预设厚度T4可以为用户根据光学微腔的设计需求所自定义设置的。

[0048] 示例性地，第一DBR绝热层50或第二DBR绝热层60由第一绝热介质层81和第二绝热介质层82两种不同折射率的材料交替排列形成。

[0049] 第一绝热介质层81和第二绝热介质层82的预设厚度沿着朝向腔中心层40方向逐步减小，以使得在第一DBR反射层20和第二DBR反射层50之间可以形成绝热锥形腔。

[0050] 通过上述实施例，本申请提供的光学微腔通过在第一DBR反射层和第二DBR反射层之间设置具有预设厚度的DBR绝热层，可以形成绝热锥形腔。通过将常规DBR腔区域替换为绝热锥形DBR腔区域，光学微腔可以减少在小直径（如近波长直径）应用场景下腔膜驻波与DBR中布洛赫模失配引起的散射损耗，从而可以改善光学微腔在小直径应用场景下的低Q值的问题，并可以通过调整锥形梯度来调整远场，进而提高与单模光纤的直接耦合效率。

[0051] 可选地，第一反射介质层71的第一预设厚度T1为：

[0052] 其中，λ为波长，n1为第一反射介质层71的有效折射率。

[0053] 可选地，第二反射介质层72的第二预设厚度T2为：

[0054] 其中，λ为波长，n2为第二反射介质层72的有效折射率。

[0055] 可选地，第一绝热介质层81的第三预设厚度T3为：

[0056] 其中，ρ为锥形梯度，i为第一绝热介质层81在第一DBR绝热层50或第二DBR绝热层60中的层数。

[0057] 示例性地，第一绝热介质层81在第一DBR绝热层50或第二DBR绝热层60中的层数i的确定方向为第一绝热介质层81朝向腔中心层40的方向。

[0058] 可选地，第二绝热介质层82的第四预设厚度T4为：

[0059] 其中，ρ为锥形梯度，i为第二绝热介质层82在第一DBR绝热层50或第二DBR绝热层60中的层数。

[0060] 示例性地，第二绝热介质层82在第一DBR绝热层50或第二DBR绝热层60中的层数i的确定方向为第二绝热介质层82朝向腔中心层40的方向。

[0061] 可选地，腔中心层40具有第五预设厚度T5，第五预设厚度T5为：

[0062] 其中，N为第一绝热介质层81或第二绝热介质层82的总层数。

[0063] 图4示出本申请实施例的光学微腔Q值、Q/Vm、远场模式随锥形梯度ρ变化的示意图。

[0064] 如图4所示，在直径为1000nm（小直径）的应用场景下，绝热锥形微柱腔仍能保持较高的Q值，并且具有较大的Q/Vm。

[0065] 示例性地，当例如ρ=0.016时，Q值=395699，Vm=0.157λ3。与现有微腔柱相比，本申请提供的光学微腔可以将微腔的Q值提高7.6倍，以及可以将Q/Vm提高7.8倍等。

[0066] 图5示出现有微柱腔与本申请光学微腔与单模光纤直接耦合效率的对比示意图。

[0067] 参见图5，图5示出了现有微柱腔（λ）和本申请光学微腔（taper）的直接耦合效率η随微腔上端面与单模光纤下端面的距离h的变化趋势。

[0068] 示例性地，如图5所示，现有微柱腔与光纤的直接耦合效率最大可以为31%,而本申请光学微腔与光纤的直接耦合效率最大可以为71%。与现有微腔柱相比，本申请提供的光学微腔与光纤的直接耦合效率可以提高2.3倍，并且此时Q值和Q/Vm分别提高2.6和2.7倍。

[0069] 可选地，第一反射介质层71可以为GaAs层，第二反射介质层72可以为AlGaAs层；第一绝热介质层81可以为GaAs层，第二绝热介质层82可以为AlGaAs层；腔中心层可以40为GaAs层。

[0070] 可选地，第一预设对数为40.5对，第二预设对数为25对，第三预设对数为4对，第四预设对数也为4对。

[0071] 通过上述实施例，本申请提供的光学微腔通过设置绝热层，可以在光学微腔内实现绝热锥形腔设计。并且通过调整绝热锥形腔的锥形梯度参数ρ，可以使得光学微腔可以在小直径的应用场景下仍具有较高的Q值，以实现较大的Q/Vm。以及不同的锥形梯度参数ρ会导致不同的远场辐射光场模式。

[0072] 本申请提供的光学微腔同时结合了高品质因子的Q值、接近光学衍射极限的模式体积以及近高斯型远场辐射光场模式等三种需求特性，通过调整锥形梯度参数ρ，可以实现近波长直径下的较高Q值和近高斯远场特性的技术效果。

[0073] 本申请的另一方面，本申请还提供了一种光学器件。所述光学器件包括如上文所述的光学微腔。

[0074] 示例性地，所述光学器件包括但不限于是光开关或低阈值激光器。

[0075] 最后应说明的是，以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，尽管参照前述实施例对本申请进行详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本申请的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。