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北京大学肖云峰、龚旗煌团队:光子动量转换的“混沌高速路”

2017-11-06

北京大学肖云峰、龚旗煌团队:光子动量转换的“混沌高速路”

近日,北京大学肖云峰研究员和龚旗煌院士带领的研究团队,在微腔光学研究中取得重要进展。他们提出了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之间高效、超宽谱的光耦合,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。相关研究成果发表在Science [358(6361): 344-347, (2017)]上。

光学微腔可以将光子长时间局域在很小的空间内,极大地增强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壁内侧进行传播,光学微腔中也有一种相似原理的回音壁谐振模式。它利用光在微腔介质内表面的连续全反射,从而相干叠加形成谐振模式。

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,即光在波导和微腔中传输时的动量一致。就好像骑自行车的人想把包裹传递到汽车,如果两者速度一样或者接近,则较为容易;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(如图1左所示)。由于受到波导与微腔的材料和几何性质的影响,动量匹配条件仅在较窄的光谱范围内被满足,这严重制约了微腔的宽带光子学应用。

图1 骑行者传递包裹到行进的汽车,揭示光波导和光学微腔的耦合过程。左图:没有混沌辅助,光子(包裹)传递很低效。右图:有混沌辅助,光子高效传递。(Yin Feng 和Xuejun Huang制作)

研究人员通过精心设计光学微腔的几何形状,打破传统微腔的旋转对称性,调控局域光场分布,从而使微腔在支持分立的超高品质回音壁模式的同时获得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,实现入射光子的角动量在皮秒时间尺度内随混沌运动从小到大的快速转换。当混沌光子的角动量接近回音壁模式角动量时,两者之间可以发生共振隧穿过程,实现纳米尺度波导与回音壁光学模式的超宽带耦合(如图1右所示)。

该团队首次提出混沌辅助的动量转换新机制,深入研究了动量转换过程,并从实验上验证了该机制在微腔宽带光子学应用中的巨大优势(图2)。此外,混沌辅助的动量转换机制具有普适性,可以扩展到其它类型的光学微腔(例如光子晶体腔、法布里-珀罗腔等)和其它电磁波频段(例如微波、太赫兹波等),有望在集成光子学、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。
 

图2 混沌辅助的角动量转换新原理研究成果:混沌瞬态动力学过程、宽带级联拉曼激光实验和三次谐波频率转换实验

该成果第一作者为姜雪峰和邵林博,通讯作者为肖云峰研究员。合作者包括美国华盛顿大学圣路易斯分校、哈佛大学、加州理工学院和德国马德堡大学的研究人员。



论文信息:Xuefeng Jiang, Linbo Shao, Shu-Xin Zhang, Xu Yi, Jan Wiersig, Li Wang, Qihuang Gong, Marko Loncar, Lan Yang, and Yun-Feng Xiao, "Chaos-assisted broadband momentum transformation in optical microresonators" Science 358, 344 (2017).

论文链接:http://science.sciencemag.org/content/358/6361/344