The ability to detect and size individual nanoparticles with high resolution is crucial to understanding behaviours of single particles and effectively using their strong size-dependent properties to develop innovative products. We report real-time, in-situ detection and sizing of single nanoparticles, down to 30 nm in radius, using mode-splitting in a monolithic ultra-high-Q whispering-gallery-mode (WGM) microtoroid resonator. Particle binding splits a WGM into two spectrally shifted resonance modes, forming a self-referenced detection scheme. This technique provides superior noise suppression and enables extracting accurate size information in a single-shot measurement. Our method requires neither labelling of the particles nor apriori information on their presence in the medium, providing an effective platform to study nanoparticles at single particle resolution.

Non-reciprocal devices, such as circulators and isolators, are indispensable components in classical and quantum information processing in an integrated photonic circuit. Aside from those applications, the non-reciprocal phase shift is of fundamental interest for exploring exotic topological photonics, such as the realization of chiral edge states and topological protection. However, incorporating low optical-loss magnetic materials into a photonic chip is technically challenging. In this study, we experimentally demonstrate non-magnetic non-reciprocity using optomechanical interactions in a whispering-gallery microresonator, as proposed by Hafezi and Rabl. Optomechanically induced non-reciprocal transparency and amplification are observed, and a non-reciprocal phase shift of up to 40 degrees is demonstrated in this study. The results of this study represent an important step towards integrated all-optical controllable isolators and circulators, as well as non-reciprocal phase shifters.

Dielectric metasurfaces built up with nanostructures of high refractive index represent a powerful platform for highly efficient flat optical devices due to their easy-tuning electromagnetic scattering properties and relatively high transmission efficiencies. Here we show visible-frequency silicon metasurfaces formed by three kinds of nanoblocks multiplexed in a subwavelength unit to constitute a metamolecule, which are capable of wavefront manipulation for red, green, and blue light simultaneously. Full phase control is achieved for each wavelength by independently changing the in-plane orientations of the corresponding nanoblocks to induce the required geometric phases. Achromatic and highly dispersive meta-holograms are fabricated to demonstrate the wavefront manipulation with high resolution. This technique could be viable for various practical holographic applications and flat achromatic devices.

The law of momentum conservation rules out many desired processes in optical microresonators. We report broadband momentum transformations of light in asymmetric whispering gallery microresonators. Assisted by chaotic motions, broadband light can travel between optical modes with different angular momenta within a few picoseconds. Efficient coupling from visible to near-infrared bands is demonstrated between a nanowaveguide and whispering gallery modes with quality factors exceeding 10 million. The broadband momentum transformation enhances the device conversion efficiency of the third-harmonic generation by greater than three orders of magnitude over the conventional evanescent-wave coupling. The observed broadband and fast momentum transformation could promote applications such as multicolor lasers, broadband memories, and multiwavelength optical networks.

Polydimethylsiloxane (PDMS) optical microspheres are fabricated and whispering gallery modes with quality factors of 106 in the 1480 nm band are demonstrated. The dependence of the resonance shifts on the input power is investigated in both the transient (blueshift) and the steady-state (redshift) regimes. Moreover, we demonstrate that such high-Q PDMS optical resonators can be used as highly sensitive thermal sensors with temperature sensitivity of 0.245 nm/°C, which is one order of magnitude higher than conventional silica microsphere resonators. The estimated thermal resolution of the sensor is 2×10−4 °C.

Significance Optical sensing with ultrahigh sensitivity of single nanoscale objects is strongly desirable for applications in various fields, such as in early-stage diagnosis of human diseases and in environmental monitoring, as well as in homeland security. In this article, we report an optical technique for single nanoparticle detection in both air and an aqueous environment, with an ultralow detection limit.

Cooling of mesoscopic mechanical resonators represents a primary concern in cavity optomechanics. In this Letter, in the strong optomechanical coupling regime, we propose to dynamically control the cavity dissipation, which is able to significantly accelerate the cooling process while strongly suppressing the heating noise. Furthermore, the dynamic control is capable of overcoming quantum backaction and reducing the cooling limit by several orders of magnitude. The dynamic dissipation control provides new insights for tailoring the optomechanical interaction and offers the prospect of exploring mesoscopic quantum physics.

Abstract Optical whispering‐gallery mode (WGM) microcavities featuring ultrahigh Q factors and small mode volumes enhance significantly the interaction between light and matter, becoming an excellent platform for achieving ultralow‐threshold microlasers. However, the emission of traditional WGMs is isotropic due to the rotational symmetry of cavity geometries, which hinders the potential photonics applications. In this review, the progress in WGM microcavities towards unidirectional laser emission is summarized. When a subwavelength scatterer is placed on the boundary of the microcavity, the unidirectional emission occurs due to the collimation effect of the microcavity‐enhanced scattering field. Furthermore, microcavities deformed from the circular shapes can not only produce the chaos‐assisted unidirectional emission, but also maintain high Q factors by special design and fabrication processes. Finally, gratings along the circumference of the WGM microdisk or microring can scatter the WGMs in the vertical direction. The review also lists several important applications of these types of microcavities, such as wide‐band laser illumination source, free‐space coupling, evanescent‐field enhancement, optical energy storage, and sensing. image

Abstract Electromagnetically induced transparency (EIT) is a quantum interference effect arising from different transition pathways of optical fields. Within the transparency window, both absorption and dispersion properties strongly change, which results in extensive applications such as slow light and optical storage. Due to the ultrahigh quality factors, massive production on a chip and convenient all-optical control, optical microcavities provide an ideal platform for realizing EIT. Here we review the principle and recent development of EIT in optical microcavities. We focus on the following three situations. First, for a coupled-cavity system, all-optical EIT appears when the optical modes in different cavities couple to each other. Second, in a single microcavity, all-optical EIT is created when interference happens between two optical modes. Moreover, the mechanical oscillation of the microcavity leads to optomechanically induced transparency. Then the applications of EIT effect in microcavity systems are discussed, including light delay and storage, sensing, and field enhancement. A summary is then given in the final part of the paper.