作者：Andri M. Gretarsson 博士  安柏瑞德航空大学的物理学教授

           Garrett D. Cole 博士      亚利桑那大学光学科学系副教授及Nelson E. Claytor讲席教授

晶体超反射镜不仅仅是一种专门的镀膜技术——通过利用半导体制造工艺，它们为实现更高精度仪器的更低噪声提供了一条路径。

图1. 右图：Thorlabs的工艺工程师Catherine Nguyen手持首批生产的8英寸AlGaAs晶体超反射镜。将反射镜扩大至大尺寸是用于引力波探测器的必要条件。插图示出了GaAs的面心立方闪锌矿结构。在该单胞示意图中，镓阴离子为蓝色，砷阳离子为红色。在镀膜层的交替层中，部分镓原子被铝取代，形成三元合金AlₓGa₁₋ₓAs（AlGaAs），其中x为Al的摩尔分数，其折射率低于GaAs。左图：晶体镀膜工艺示意图。GaAs/AlGaAs外延布拉格反射镜生长在GaAs基生长晶圆上，该晶圆随后直接键合到光学基底上（此处为超抛光熔融石英）。键合采用等离子体激活工艺实现，并进行适度的（<150°C）接触后退火。然后通过湿法化学刻蚀选择性去除GaAs生长晶圆，将转移的外延布拉格结构留在最终光学元件上。

现代精密光学仪器日益受限的并非光源、电子器件或隔振系统，而是构成光学腔反射面的镜面镀膜层的微观热运动。在光原子钟、超稳激光器、稳频光频梳和引力波探测器中，这种来自多层膜镀层的固有热机械噪声设定了一个噪声底限，从而限制了此类仪器的性能。

镜面表面的热运动是布朗运动的一个实例，该现象由两个世纪前的植物学家罗伯特·布朗发现——他注意到花粉悬浮在液体中时会发生抖动（近一个世纪后，爱因斯坦才解释该运动源于热能）。要降低这种令人困扰的“布朗噪声”，需要开发兼具低弹性损耗和优异光学性能的镜面镀膜。尽管当前最先进的溅射镀膜具有优异的光学性能，但其弹性损耗较高，从而导致较高的布朗噪声。

相比之下，晶体镀膜表现出极低的布朗噪声，同时兼具优异的光学性能。正因如此，用于最高精度光原子钟的腔稳频激光器现在已采用晶体超反射镜。这些独特的高反射率镀膜由数十层外延生长的半导体层构成，通常以高折射率的砷化镓（GaAs）和三元合金铝砷化镓（AlₓGa₁₋ₓAs）交替构成低折射率层。

当前引力波探测器中使用的反射镜由离子束溅射（IBS）非晶氧化物多层堆栈构成。堆栈中的低折射率层通常由二氧化硅制成，其弹性损耗较低；高折射率层才是噪声的罪魁祸首，因为其弹性损耗相当高。高折射率层通常是金属氧化物合金——如TiO₂:Ta₂O₅、TiO₂:GeO₂或TiO₂:SiO₂——其弹性损耗（弹性常数虚部与实部之比）约为10⁻⁴。这些材料表现出优异的光学性能，但弹性损耗高到足以限制探测器的灵敏度，进而限制探测事件的发生率。

布朗噪声：挑战依然存在

数十年的材料开发已使问题有所缓解，但并未消除。事实上，在上一次观测运行中，LIGO探测器在其最灵敏且天体物理学上最重要的频段（几十到几百赫兹之间）受到镀膜布朗噪声的限制。相比之下，AlGaAs镀膜的热噪声对应的弹性损耗上限约为10⁻⁵。这使得晶体超反射镜成为引力波探测器的优异候选方案。随着探测器量子噪声的同步降低，晶体镀膜有望将引力波探测器在最高灵敏度探测波段的性能提升5倍。

将晶体超反射镜应用于引力波探测的主要挑战在于将其扩展到所需尺寸。光原子钟中使用的桌面级超稳腔通常采用厘米级（直径25.4毫米）的反射镜。这种1英寸晶体反射镜现已商业化生产，可从Thorlabs直接购买。相比之下，Advanced LIGO的臂腔反射镜——即响应引力波引起的时空波动的检验质量——直径为34厘米，而未来的探测器将需要更大的反射镜。将具有优异光学性能的厘米级镀膜扩大到引力波探测器所需尺寸，正是目前正在解决的挑战。

除了镜面镀膜的布朗噪声外，引力波探测器还受到量子噪声的限制。量子噪声由两部分组成：一是光子轰击引起的低频镜面运动，二是探测光电二极管上的高频泊松噪声——即“光子雨嘶声”。通过使用压缩光可以降低量子噪声，但压缩光会被探测器臂腔中的光学损耗所稀释。因此，这对镀膜的光学吸收和缺陷密度设定了严格限制。因此，在降低布朗噪声的同时，必须保持或改善镀膜的光学性能。

更大的探测器、晶体超反射镜，还是两者兼而有之？

由于镀膜布朗噪声的顽固性以及大幅降低量子噪声所面临的挑战，引力波学界正在采取两种互补策略。其一是将探测器做得更大。例如，Cosmic Explorer计划使用40公里长的臂，是LIGO长度的10倍。如果全球引力波探测器网络信号源定位能力不足，还可能会建造第二个臂长20公里的探测器。更长的臂会增加引力波信号强度，并使探测器对包括布朗噪声在内的基本噪声源不那么敏感。但更长的臂并不能使镀膜噪声无关紧要。镀膜热噪声仍然影响设计选择，特别是反射镜尺寸、光束尺寸、工作波长、光学吸收等。

第二种策略是直接解决镀膜问题。由衬底转移GaAs/AlGaAs镀膜制成的晶体超反射镜是当今领先的候选方案，因为它们已证明其镀膜热噪声远低于传统介质多层膜，同时保持相对较低的光学吸收。在2013年这项新型反射镜技术的首次演示中，Garrett Cole及其合作者报告了弹性损耗降低十倍以及由此带来的布朗噪声降低。这一结果使晶体镀膜成为任何需要超稳光学腔的仪器的严肃候选方案，包括引力波探测器和光原子钟。

在此首次演示的基础上，世界各国的国家计量实验室已将晶体反射镜技术纳入最先进的光学钟系统中。位于科罗拉多州博尔德的JILA和德国布伦瑞克的PTB现已实现了创纪录的性能，研究人员正在使用晶体反射镜集成低温硅腔，用于最低噪声的腔稳频激光系统。这些实验受益于晶体镀膜改善的布朗噪声性能，但也揭示了额外的复杂性。与非晶氧化物不同，某些晶体材料本质上具有各向异性。在安装晶体反射镜后，JILA和PTB的研究人员注意到一种新的、意料之外的噪声源——正交偏振光之间反相关的相位波动。这不是镀膜布朗噪声，似乎由入射光本身驱动。但这种新噪声的反相关特性是可利用的，因为它允许通过对两个等强度偏振模式进行平均来最小化该效应。通过这种方式，他们仍然实现了晶体镀膜的布朗噪声优势。

图2. 下一代激光干涉引力波天文台（称为LIGO A#）的噪声水平比较。与现有最好的非晶氧化物反射镜（橙色曲线）相比，基于AlGaAs的晶体超反射镜（蓝色曲线）在约100 Hz附近的最灵敏波段将信噪比提高了多达50%。因此，使用晶体超反射镜预计将使旋进双中子星的探测率提高约2.6倍。（噪声曲线改编自Post-O5研究组报告：https://dcc.ligo.org/LIGO-T2200287/public。）

多阶段制造工艺

与目前使用的物理气相沉积技术（如离子束溅射，IBS）不同，晶体镀膜采用多阶段制造工艺。它大量借鉴了基于半导体的异质集成平台，使用常见的化合物半导体材料和微细加工技术。该工艺始于在半导体晶圆上外延生长GaAs/AlGaAs布拉格反射镜，随后进行直接键合和后续的湿法化学衬底去除工艺。这使得单晶多层镀膜能够应用于任意光学基底，前提是基底具有足够的键合表面质量。

该工艺对于小型反射镜（如用于光原子钟中参考腔稳频的反射镜）现已成熟。为引力波探测器生产直径34厘米或更大的检验质量镀膜是一个令人振奋的前景。这种大面积晶体反射镜需要相应更大的单晶晶圆作为晶体生长的籽晶。其次，必须进行高度均匀且极低缺陷密度的外延生长。最后，必须进行高良率的直接键合和衬底去除，且不引入键合引起的应变变化等额外问题。同时，必须维持小尺寸镀膜中可实现的小于百万分之一量级的光学吸收，以允许未来引力波探测器臂腔中所需的兆瓦级激光功率。

这些都是重大挑战，但潜在的回报也很大。由GaAs/AlGaAs多层膜制成的晶体超反射镜是唯一被证明具有足够低的镀膜布朗噪声和光学吸收、可满足所有正在规划的未来引力波探测器的镀膜材料。更广泛的光子学意义也同样重要。低噪声反射镜可改进光原子钟、腔稳频激光器、频率梳系统、精密光谱学和紧凑型光学参考源。晶体超反射镜在中红外高功率应用中也有望优于非晶氧化物，因为在这些波长下已证明其具有极低的光学损耗。此外，高良率、大直径键合工艺的开发将推动半导体材料集成在通用微电子和光电子系统中的新进展。

镀膜噪声降低对未来探测器至关重要

美国目前在相关领域具有显著优势：半导体外延和微纳加工工艺、精密计量学、引力波仪器设备以及光学镀膜表征。但这些领域的前沿正变得越来越国际化。欧洲正在为下一代欧洲探测器——爱因斯坦望远镜开发镀膜技术。随着LIGO-印度在未来十年内上线，印度将成为全球探测器网络的合作伙伴。该网络中的其他探测器还包括日本天文台KAGRA和意大利的Advanced Virgo探测器。所有这些系统都将受益于镀膜噪声的降低。

晶体超反射镜不仅仅是一种专门的镀膜技术——它们利用了一种独特的半导体制造工艺，代表了在人类有史以来最精密的仪器中实现更低噪声的一条路径。