21世纪以来光学微腔在传感领域展现出巨大的发展潜力，在包括环境监测、生物分子的无标记检测等等场景都得到了充分的应用。但与此同时，微腔的探测能力受到微腔品质因数和实验系统波长分辨能力的限制，引入全新的物理机制来提高微腔传感器的性能成为近年的研究热点。

本文利用片上波导微环系统中存在的多模式耦合效应，通过设计微腔的几何结构来操纵不同模式之间的耦合强度，实现了自参照温度传感的增强。在实验中，与同一片中加工的非模式耦合结构相比，多模式耦合系统在频域的分辨能力得到了3倍的提高，在温度传感中的灵敏度也得到了7.2倍的提升。

当一个离散模式和连续模式在在弱耦合强度的区间发生相干作用时，会导致离散模式经历频移和线宽的锐化，其程度是由它们之间的失谐量和耦合强度决定的。当多个离散模式共同耦合时，耦合效应通常对它们造成不同的影响，因此微腔中的TE与TM模式在与波导模式耦合时经历不同的频移，并且线宽都得到降低。当耦合效应导致微腔模式远离彼此时，我们就可以更好地在自参照探测系统中分辨二者。

图1 片上跑道环结构中的多模式耦合系统示意图。

实验中通过设计滑轮耦合结构的长度和角度，我们使得腔模处于过耦合范围中，并且保持TE模式的耦合强度较TM模式大一个数量级，确保二者在耦合中表现出不同的频率移动。在频域中可以观察到，耦合效应使得微腔的透射谱呈现出尖锐的、非对称线型。因此导致处于分辨增强条件中的腔模在频域中的分辨能力（波长差与线宽和之比）得到了3倍的增强。当经历温度控制下的微弱折射率变化时，多模式耦合条件下的微腔不但较之前光学谐振腔中的自参照温度传感器有更好的灵敏度，并且较同一片绝缘体薄膜铌酸锂上加工的非模式耦合的微腔波导系统得到了7.2倍的温度灵敏度提高，达到了44pm/℃。与此同时，多模式耦合系统的线型受到相对相位的调控，在温度传感中展现出6.46 × 10^-3/pm的灵敏响应，相较非多模式耦合微腔系统提高了24倍，实现了片上可集成的微腔探测性能的增强。

图2 (a) 温控下多模式耦合和(b)非模式耦合系统的透射谱，(c)温控中二者频率差的改变量， (d)线型对比度的改变量。 (e)模式耦合系统的透射谱， (f)透射谱中的模式分离程度。

该工作被发表在“Xueyi Wang, Tingge Yuan, Jiangwei Wu, Yuping Chen, and Xianfeng Chen,  Enhanced temperature sensing by multi-mode coupling in an on-chip microcavity system, Laser & Photonics Reviews, 2300760 (2024)”。

论文链接：https://doi.org/10.1002/lpor.202300760