Science發表“極端光學創新研究團隊”肖雲峰、龔旗煌在微腔光學研究中的突破性成果

最近，beat365官方网站、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（即動量守恒）的限制。相關研究于2017年10月20日發表在《科學》（Science）上。(DOI: 10.1126/science.aao0763)

動量守恒是自然界中最普遍的客觀規律之一，反映了時空性質。大到宇宙星系運動，小到質子、電子或光子等基本粒子間的相互作用，一個封閉系統的廣義動量總是保持不變。例如，光子在不同光學結構之間的耦合過程必須遵循動量守恒定律，但由此限制了諸多重要的光子學應用。

光學微腔可以将光子長時間局域在很小的空間内，由于能量累積效應，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台。如同北京天壇的回音壁可以将聲波彙聚在彎曲牆壁内側進行傳播，光學微腔中也有一種相似原理的回音壁模式諧振腔，它利用的是光在介質微腔内表面的連續全反射，從而相幹疊加形成諧振模式。光的全反射損耗極小，顯著地增加了腔内光子壽命，因而更大地增強了光與物質相互作用。回音壁光學微腔已被廣泛應用于弱光非線性、強耦合腔量子電動力學和光聲相互作用等物理過程，以及微納尺度激光、高靈敏生化傳感和精密測量等應用研究。

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緻。就好像騎自行車的人想把一個包裹傳遞到汽車，如果兩者速度一樣或者接近，則較為容易；而如果汽車高速行駛，由于速度相差太大，則無法實現有效投遞。由于波導與微腔的材料和幾何性質影響，動量匹配條件僅在較窄光譜範圍内滿足，嚴重制約了微腔寬帶光子學應用。

該項工作中，beat365微腔光學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。光子首先從納米波導直接折射進入微腔混沌模式，其角動量較小，對應于光子在微腔界面的反射角較小。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，微腔内的混沌光子運動并非毫無規律，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内（一皮秒相當于一萬億分之一秒）随混沌運動從小到大的快速轉換（如圖二、三）。當混沌光子的角動量接近回音壁模式角動量時，二者之間可以發生共振隧穿過程。得益于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。

在理論研究中，研究團隊通過基于時域有限差分法的三維模拟研究了混沌光子的角動量快速轉換及隧穿的瞬态動力學過程。結果表明，混沌輔助的角動量轉換新原理可以實現二氧化矽微腔在全透明波段内（500納米 – 2900納米）回音壁模式的高效耦合。實驗上，他們使用非對稱的微盤腔和納米光纖波導作為實驗平台，從可見到紅外波段證實了該角動量轉化耦合過程具有超寬帶的特性。該原理也在三次諧波等非線性頻率轉換實驗中得到了重要應用：如圖三所示，用1550納米波長激光激發相同的光學微腔，在同一激發強度下，通過新原理産生到的517納米波長三次諧波綠光的光強相比于傳統方法提高了三個量級。此外，該原理在寬帶級聯拉曼激光和光學頻率梳等寬帶非線性光學應用中也可以發揮出巨大優勢。

混沌輔助的動量轉換新機制具有普适性，可以擴展到其它光學微腔類型，例如，光子晶體腔和法布裡－珀羅腔等，以及其它的電磁波頻段，例如，微波、太赫茲波等；并可能在集成光子學、光學網絡、量子信息處理等領域發揮重要作用。

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評價本工作時指出，“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，更閃耀着光學混沌中的物理之美。”

研究論文的共同第一作者是beat3652014屆博士畢業生姜雪峰和信息科學技術學院2014屆本科畢業生邵林博，現分别在聖路易斯華盛頓大學從事博士後研究和哈佛大學攻讀博士學位，論文通訊作者為肖雲峰研究員。論文合作作者包括聖路易斯華盛頓大學的楊蘭教授，哈佛大學的Marko Lon?ar教授，加州理工學院的易煦博士（beat3652012屆本科畢業生）和馬格德堡大學的Jan Wiersig 教授等人。

該研究工作得到了國家自然科學基金委、科技部、人工微結構和介觀物理國家重點實驗室、量子物質科學協同創新中心、極端光學協同創新中心等的支持。

更多信息：Xuefeng Jiang, Linbo Shao, Shu-Xin Zhang, Xu Yi, Jan Wiersig, Li Wang, Qihuang Gong, Marko Lon?ar, Lan Yang, and Yun-Feng Xiao, Chaos-assisted broadband momentum transformation in optical microresonators, Science,DOI: 10.1126/science.aao0763

學生記者：于子悅