Science发表肖云峰、龚旗煌课题组在微腔光学研究中的突破性成果

近日，北京大学物理学院、人工微结构和介观物理国家重点实验室“极端光学创新研究团队”肖云峰研究员和龚旗煌院士向导的课题组提出混沌辅助的光子动量快速转换的新原理，实现了超高品质因子光学微腔和纳米尺度波导的超宽带耦合，突破了微纳光学器件近场耦合必要相位匹配（即动量守恒）的限定。相干研究于2017年10月20日发表在国际顶级学术期刊《科学》（Science）上（Xuefeng Jiang, Linbo Shao, Shu-Xin Zhang, Xu Yi, Jan Wiersig, Li Wang, Qihuang Gong, Marko Lonč

动量守恒是天然界中最普遍的客观规律之一，反映了时空性子。大到宇宙星系活动，小到质子、电子或光子等基本粒子间的相互作用，一个封闭体系的广义动量总是保持不变。例如，光子在不同光学结构之间的耦合过程必须遵循动量守恒定律，但由此限定了诸多紧张的光子学应用。

光学微腔可以将光子长时间局域在很小的空间内，形成明显的能量累积效应，因而加强了光和物质的相互作用，已经成为基础光物理和光子学研究的紧张平台。正如北京天坛的回音壁可以将声波汇聚在一个特定的空间内进行传播，光学微腔中也有一种相似原理的回音壁模式谐振腔，它行使的是光在介质微腔内外观的延续全反射，从而干系叠加形成谐振模式。光的全反射损耗极小，明显地增长了腔内光子寿命，因而更大地加强了光与物质相互作用。回音壁光学微腔已被广泛应用于弱光非线性、强耦合腔量子电动力学和光声相互作用等物理过程，以及微纳尺度激光、高灵敏生化传感和细密测量等应用研究。

光学微腔应用的关键前提是其与光波导之间的耦合。长期以来，国际学术界重要是通过建立波导模式与微腔高度局域模式的直接相互作用，实现有用耦合，故而必要知足相位匹配条件（动量守恒）；然而，因为波导与微腔存在不同的材料和几何色散，相位匹配条件仅在较窄光谱范围内知足，紧张制约了微腔宽带光子学应用。

该项工作中，北京大学微腔光学课题组通过精心设计光学微腔的几何外形，打破了传统微腔的旋转对称性，调控下场域光场分布，从而在支撑分立的超高品质回音壁模式的同时获得了大量准延续的混沌模式。光子首先从纳米波导直接折射进入微腔混沌模式，其角动量较小，对应于光子在微腔界面的反射角较小。与旋转对称微腔不同，混沌活动使得光子角动量赓续发生转变。尤其引人注目的是，微腔内的混沌光子活动并非毫无规律，而是遵循特定的短时动力学规律，从而实现入射光子的角动量在皮秒时间尺度内（一皮秒相称于一万亿分之一秒）随混沌活动从小到大的快速转换（如图二、三）。当混沌光子的角动量接近回音壁模式角动量时，二者之间可以发生共振隧穿过程。得益于光子角动量在混沌活动中的快速转换，此创新方法可以实现纳米尺度波导与回音壁光学模式的超宽带耦合。

在理论研究中，研究团队通过基于时域有限差分法的三维模仿研究了混沌光子的角动量快速转换及隧穿的瞬态动力学过程。效果注解，混沌辅助的角动量转换新原理可以实现二氧化硅微腔在全透明波段内（500-2900纳米）回音壁模式的高效耦合。实验上，他们使用非对称的微盘腔和纳米光纤波导作为实验平台，从可见到红外波段证明了该角动量转化耦合过程具有超宽带的特征。该原理也在三次谐波等非线性频率转换实验中得到了紧张应用：如图三所示，用1550纳米波长激光激发雷同的光学微腔，在统一激发强度下，通过新原理产生到的517纳米波长三次谐波绿光的光强相比于传统方法进步了三个量级。此外，该原理在宽带级联拉曼激光和光学频率梳等宽带非线性光学应用中也可以发挥出伟大上风。

混沌辅助的动量转换新机制具有普适性，可以扩展到其它光学微腔类型，例如，光子晶体腔和法布里－珀罗腔等，以及其它的电磁波频段，例如，微波、太赫兹波等；并可能在集成光子学、光学网络、量子信息处理等领域发挥紧张作用。

微腔光学研究领域闻名国际专家，加州理工学院讲席教授Kerry Vahala评价本工作时指出：“混沌驱动的动力学建立了波导模式与微腔局域模式的桥梁，从而在极其宽谱范围实现两者的耦合，不仅从本质上提出了一种研究光学微腔的新方法，更闪耀着光学混沌中的物理之美。”

研究论文的共同第一作者是物理学院2014届博士卒业生姜雪峰和信息科学技术学院2014届本科卒业生邵林博，现分别在圣路易斯华盛顿大学从事博士后研究和哈佛大学攻读博士学位，论文通信作者为肖云峰研究员。论文合作作者包括圣路易斯华盛顿大学的杨兰教授、哈佛大学的Marko Lončar教授、加州理工学院的易煦博士（物理学院2012届本科卒业生）和马格德堡大学的Jan Wiersig教授等人。

该研究工作得到了国家天然科学基金委、科技部、人工微结构和介观物理国家重点实验室、量子物质科学协同创新中间、极端光学协同创新中间等的支撑。（消息网门生记者于子悦对本文亦有贡献）

编辑：白杨