Science发表“极端光学创新研究团队”肖云峰、龚旗煌在微腔光学研究中的突破性成果

最近，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领导的课题组，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需要相位匹配（即动量守恒）的限制。相关研究于2017年10月20日发表在《科学》（Science）上。(DOI: 10.1126/science.aao0763)

动量守恒是自然界中最普遍的客观规律之一，反映了时空性质。大到宇宙星系运动，小到质子、电子或光子等基本粒子间的相互作用，一个封闭系统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，但由此限制了诸多重要的光子学应用。

光学微腔应用的关键前提是其与光波导之间的有效耦合，即能量交换。长期以来，国际学术界主要通过建立波导模式与微腔模式的直接相互作用，实现有效耦合，该过程需要满足动量匹配条件，即光在波导和微腔传输时的动量一致。就好像骑自行车的人想把一个包裹传递到汽车，如果两者速度一样或者接近，则较为容易；而如果汽车高速行驶，由于速度相差太大，则无法实现有效投递。由于波导与微腔的材料和几何性质影响，动量匹配条件仅在较窄光谱范围内满足，严重制约了微腔宽带光子学应用。光学微腔可以将光子长时间局域在很小的空间内，由于能量累积效应，极大地增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重要平台。如同北京天坛的回音壁可以将声波汇聚在弯曲墙壁内侧进行传播，光学微腔中也有一种相似原理的回音壁模式谐振腔，它利用的是光在介质微腔内表面的连续全反射，从而相干叠加形成谐振模式。光的全反射损耗极小，显著地增加了腔内光子寿命，因而更大地增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、高灵敏生化传感和精密测量等应用研究。

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形状，打破了传统微腔的旋转对称性，调控了局域光场分布，从而在支持分立的超高品质回音壁模式的同时获得了大量准连续的混沌模式。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，混沌运动使得光子角动量不断发生变化。尤其引人注目的是，微腔内的混沌光子运动并非毫无规律，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（一皮秒相当于一万亿分之一秒）随混沌运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运动中的快速转换，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拟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。结果表明，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纳米 – 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实了该角动量转化耦合过程具有超宽带的特性。该原理也在三次谐波等非线性频率转换实验中得到了重要应用：如图三所示，用1550纳米波长激光激发相同的光学微腔，在同一激发强度下，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提高了三个量级。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巨大优势。

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重要作用。

微腔光学研究领域著名国际专家，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届博士毕业生姜雪峰和信息科学技术学院2014届本科毕业生邵林博，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，论文通讯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 Lon?ar教授，加州理工学院的易煦博士（物理学院2012届本科毕业生）和马格德堡大学的Jan Wiersig 教授等人。

该研究工作得到了国家自然科学基金委、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心、极端光学协同创新中心等的支持。

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