人工微結構和介觀物理國家重點實驗室在微腔光學研究中取得新突破

2020-11-24 科學技術部

    動量守恆是自然界中最普遍的客觀規律之一,反映了時空性質。光子在不同光學結構之間的耦合過程必須遵循動量守恆定律,但由此限制了諸多重要的光子學應用。

    光學微腔可以將光子長時間局域在很小的空間內,由於能量累積效應,極大地增強了光和物質的相互作用,已經成為基礎光物理和光子學研究的重要平臺。光學微腔應用的關鍵前提是其與光波導之間的有效耦合,即能量交換。長期以來,國際學術界主要通過建立波導模式與微腔模式的直接相互作用,實現有效耦合,該過程需要滿足動量匹配條件,即光在波導和微腔傳輸時的動量一致。

    人工微結構和介觀物理國家重點實驗室「極端光學創新研究團隊」肖雲峰研究員和龔旗煌院士領導的課題組,提出混沌輔助的光子動量快速轉換的新原理,實現了超高品質因子光學微腔和納米尺度波導的超寬帶耦合,突破了微納光學器件近場耦合需要相位匹配(即動量守恆)的限制。該課題組通過精心設計光學微腔的幾何形狀,打破了傳統微腔的旋轉對稱性,調控了局域光場分布,從而在支持分立的超高品質回音壁模式的同時獲得了大量準連續的混沌模式。與旋轉對稱微腔不同,混沌運動使得光子角動量不斷發生變化。尤其引人注目的是,微腔內的混沌光子運動並非毫無規律,而是遵循特定的短時動力學規律,從而實現入射光子的角動量在皮秒時間尺度內隨混沌運動從小到大的快速轉換。得益於光子角動量在混沌運動中的快速轉換,此創新方法可以實現納米尺度波導與回音壁光學模式的超寬帶耦合。混沌輔助的動量轉換新機制具有普適性,有可能在集成光子學、光學網絡、量子信息處理等領域發揮重要作用。

    相關研究成果近期發表在《Science》上。微腔光學研究領域著名國際專家,加州理工學院講席教授Kerry Vahala評價該工作時指出,「混沌驅動的動力學建立了波導模式與微腔局域模式的橋梁,從而在極其寬譜範圍實現兩者的耦合,不僅從本質上提出了一種研究光學微腔的新方法,更閃耀著光學混沌中的物理之美。」

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