Оптические микрорезонаторы на основе пористого кремния демонстрируют значительный потенциал в области фотоники, сочетая высокую технологичность, экономическую эффективность и уникальные эксплуатационные характеристики. Эти устройства, изготавливаемые посредством методов электрохимического травления непосредственно в кремниевых подложках, позволяют регулировать структуру слоев с высокой степенью точности. Однако, несмотря на эти преимущества, существующие подходы сталкиваются с физическими ограничениями, включающими сложность настройки параметров и низкую добротность, обусловленную быстрым рассеянием света.
Коллектив Центра "Нано-Фотон" НИЯУ МИФИ разработал инновационную методологию проектирования оптических микрорезонаторов, основанную на инженерных расчетах и компьютерном моделировании. В отличие от традиционных эмпирических подходов, данный метод обеспечивает высокую степень предсказуемости и точности проектирования. На первом этапе проводится детальное компьютерное моделирование для определения оптимальных параметров пористости и геометрии микрорезонатора. Затем осуществляется настройка процесса электрохимического травления, а результаты верифицируются экспериментально через анализ спектров отражения и пропускания света.
Применение данной методологии позволило значительно повысить добротность оптических микрорезонаторов на основе пористого кремния. Добротность была увеличена примерно в два раза по сравнению с предшествующими результатами, что свидетельствует о высокой эффективности разработанного подхода. Теоретические расчеты указывают на возможность дальнейшего улучшения характеристик удержания фотонов путем оптимизации структуры резонатора и параметров травления, что открывает перспективы для дальнейших исследований в данной области.
Дополнительно было обнаружено, что флуорофоры, интегрированные в оптимизированные микрорезонаторы, обладают уникальными фотофизическими свойствами. Введение излучающих молекул приводит к сужению полосы флуоресценции примерно на порядок и значительному увеличению ее интенсивности. Микрорезонаторы эффективно ограничивают спектр излучения и усиливают его в заданном диапазоне, что открывает новые возможности для их применения в различных областях.
Разработанная технология имеет значительный потенциал для создания доступных источников одиночных фотонов, высокочувствительных биосенсоров и оптоэлектронных устройств. Узкая спектральная полоса и высокая эффективность люминесценции делают эти микрорезонаторы перспективными для применения в спектроскопии, сенсорике и квантовой информатике. Основные результаты исследования были опубликованы в престижном международном журнале Nanomaterials, что подтверждает их научную значимость. Проект финансировался Министерством науки и высшего образования Российской Федерации в рамках гранта № 075-15-2025-609 под руководством профессора Николая Каргина, что свидетельствует о высоком уровне поддержки и признания данной работы в научном сообществе.