撰稿  |  汪 帥  劉 帥

集成光學(xué)芯片被視為延續(xù)摩爾定律的一個(gè)重要的可行方案，在過去幾十年中被人們廣泛關(guān)注和研究，受益于半導(dǎo)體制備工藝的快速發(fā)展，相比于傳統(tǒng)的光學(xué)器件，集成光學(xué)芯片在其尺寸、成本、能耗、性能和穩(wěn)定性等眾多方面都展現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢(shì)。

特別是隨著自動(dòng)駕駛激光雷達(dá)、超高速光通信、量子計(jì)算以及人工智能等眾多領(lǐng)域龐大的市場(chǎng)需求，集成光學(xué)芯片的技術(shù)開始從實(shí)驗(yàn)室走向商業(yè)市場(chǎng)，某些關(guān)鍵的技術(shù)突破也無疑會(huì)帶來新的爆炸式的技術(shù)革新。

光學(xué)微腔是集成光學(xué)芯片中最核心且應(yīng)用最廣的一類元件，一直是人們重點(diǎn)研究的領(lǐng)域。光學(xué)微腔中幾乎所有的性質(zhì)都由其諧振模式（光場(chǎng)分布）決定，如光學(xué)損耗、耦合效率、激光閾值等，這些性質(zhì)對(duì)于器件設(shè)計(jì)、制備和測(cè)試應(yīng)用都至關(guān)重要。

通常，光學(xué)微腔中諧振模式的光場(chǎng)分布可以借助數(shù)值仿真模擬的方式獲取，而在實(shí)驗(yàn)中僅僅判斷模式的類型就十分困難，往往只能靠“猜”的方式，借助于測(cè)量結(jié)果中的某些特定參數(shù)與仿真結(jié)果進(jìn)行比較，例如相鄰模式的自由光譜區(qū)（FSR）、遠(yuǎn)場(chǎng)能量出射分布等，要想直接得到某一模式的場(chǎng)分布就更加困難。

要實(shí)現(xiàn)對(duì)模式場(chǎng)分布的實(shí)驗(yàn)測(cè)量，最常用的方法是探針近場(chǎng)掃描：通常光學(xué)模場(chǎng)并不會(huì)完全限制在腔內(nèi)，會(huì)有一部分光以倏逝波在腔表面?zhèn)鞑?，在不同位置?huì)有不同強(qiáng)度，如微盤腔中回音壁模式（Whispering-Gallery mode）光場(chǎng)會(huì)集中在邊界，在內(nèi)圓區(qū)域則幾乎沒有光場(chǎng)分布。探針進(jìn)場(chǎng)掃描測(cè)量是通過將探針靠近在微腔表面，使其與倏逝波相互作用，掃描探針的同時(shí)測(cè)量微腔的諧振變化，在光場(chǎng)分布較強(qiáng)的位置諧振受到探針影響較大，而光場(chǎng)分布較弱的位置則受到較小影響，通過不同位置的諧振變化大小來得到光場(chǎng)分布。

然而，這類方法也有其局限性：

首先，倏逝波往往在微腔表面很近的范圍傳播，探針要實(shí)現(xiàn)較強(qiáng)的影響需要貼近微腔表面掃描，對(duì)于高折射率材料如硅更是挑戰(zhàn)；

其次，探針與微腔表面的相對(duì)位置也會(huì)對(duì)諧振變化的強(qiáng)度有較大影響，這就要求探針與微腔保持一致的相對(duì)位置，這對(duì)機(jī)械控制系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性要求苛刻；

對(duì)于一些特殊工作環(huán)境的微腔，如液體環(huán)境中或者有保護(hù)層的微腔，如硅微腔通常會(huì)有一層二氧化硅保護(hù)層，此時(shí)探針近場(chǎng)掃描的方法同樣會(huì)存在局限性。

基于此，哈爾濱工業(yè)大學(xué)（深圳）宋清海教授團(tuán)隊(duì)和紐約市立大學(xué)Li Ge團(tuán)隊(duì)合作提出了一種更為簡(jiǎn)捷且低成本的方法，可以直接觀測(cè)出光學(xué)微腔中諧振模式的光場(chǎng)分布。

該成果以 Direct Observation of Chaotic Resonances in Optical Microcavities 為題發(fā)表在Light: Science & Applications。

以SOI光學(xué)芯片為平臺(tái)，該團(tuán)隊(duì)將420 nm納秒激光聚焦在微腔表面，造成硅中載流子吸收產(chǎn)生熱效應(yīng)，從而帶來局部的折射率變化。在光場(chǎng)分布較強(qiáng)的位置，局部折射率變化帶來的諧振變化較大，光場(chǎng)分布較弱的位置則會(huì)有較小諧振變化，因此通過掃描激光在微腔表面位置的同時(shí)對(duì)諧振變化進(jìn)行測(cè)量，實(shí)現(xiàn)“看得見”微腔內(nèi)的光場(chǎng)分布。

該測(cè)量光路如圖1所示，經(jīng)過準(zhǔn)直和聚焦光路，420 nm納秒激光泵浦在SOI微腔上，在光斑的作用范圍內(nèi)會(huì)造成硅中載流子吸收并釋放熱量，進(jìn)而通過熱-光效應(yīng)改變了光斑作用范圍內(nèi)硅的折射率。在光場(chǎng)分布較強(qiáng)的位置，折射率的變化會(huì)造成較強(qiáng)的諧振變化，而光場(chǎng)分布較弱的位置則變化較小，通過控制掃描激光斑在微腔上的位置，同時(shí)測(cè)量諧振變化的大小則可得到腔內(nèi)的光場(chǎng)分布。

圖一 測(cè)量光路示意圖

圖2a以SOI純圓形微盤腔為例，其中圖2b為測(cè)量得到的透射光譜，可以看到光譜中有多個(gè)模式存在。傳統(tǒng)方法中，要區(qū)分每個(gè)模式的類型則需要統(tǒng)計(jì)每組模式的FSR并與數(shù)值仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，但是實(shí)驗(yàn)中往往存在很多FSR極為近似的模式（參考圖2c），如微盤腔中的基模和高階WGMs，在實(shí)驗(yàn)中區(qū)分模式類型就非常困難。圖2d為該團(tuán)隊(duì)成員直接測(cè)量到的光場(chǎng)沿徑向分布，可以看到三類模式有明顯的區(qū)別，同時(shí)與數(shù)值仿真結(jié)果也保持非常高的一致性，表明該方法的準(zhǔn)確性。

 圖2 圖形微腔內(nèi)不同階數(shù)的回音壁模式光場(chǎng)徑向強(qiáng)度分布

接著，研究者將該光場(chǎng)分布測(cè)量方法直接應(yīng)用在Quadruple型變形微腔中，相比傳統(tǒng)的純圓形微腔，這類的微腔支持更多種類的模式，因此直接從光譜中“猜”出準(zhǔn)確的模式類型變得尤為困難，如圖3b所示透射光譜。在光譜中，研究者選取了4中不同類型模式進(jìn)行了光場(chǎng)分布直接測(cè)量，其測(cè)量結(jié)果如圖3d所示，場(chǎng)分布也與數(shù)值仿真中保持了較高的一致性，這也與反推FSRs得到的結(jié)論一致。從圖3d中模式1的場(chǎng)分布可以看到,“棱形”分布的模式被稱為“穩(wěn)定態(tài)”模式，在能夠分辨出模式的類別后，研究者能夠準(zhǔn)確地選擇出腔內(nèi)的特定模式進(jìn)行詳細(xì)研究，避免“猜”造成的誤差。

圖3 Quadruple變形微腔內(nèi)不同諧振模式光場(chǎng)分布。

在圖4a中，研究者將一個(gè)波導(dǎo)直接與微腔theta=-36.3°位置相連，通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的場(chǎng)分布可以清楚看到該波導(dǎo)與棱形的“穩(wěn)定態(tài)”模式并沒有重合。而觀察從端口1到端口3的透射譜可以清晰看出，棱形的“穩(wěn)定態(tài)”在端口3有能量輸出，這說明該“穩(wěn)定態(tài)”模式是通過隧穿到臨近的“混沌態(tài)”模式中，最終從端口3中出射，這一結(jié)果是對(duì)變形腔中混沌輔助隧穿效應(yīng)的直接實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。如圖4b所示，研究者又將端口3作為輸入，在端口1中測(cè)量到的光譜中看到相同的棱形“穩(wěn)定態(tài)”模式被激發(fā)，這也說明光是通過端口3所連接“混沌態(tài)”隧穿回“穩(wěn)定態(tài)”中，首次直接實(shí)驗(yàn)證明了該過程是時(shí)間反演的。

圖4 Quadruple變形微腔內(nèi)“穩(wěn)定態(tài)-混沌態(tài)”雙向隧穿效應(yīng)。

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本文中，研究者通過實(shí)驗(yàn)讀取變形微腔中的光場(chǎng)模式分布，直接實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了“穩(wěn)定態(tài)-混沌態(tài)”的量子隧穿過程，為變形微腔的研究提供了重要的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

研究者開發(fā)的光學(xué)微腔中光場(chǎng)分布測(cè)量方法并不依賴于特定的材料體系和微腔形狀，理論上任何能產(chǎn)生光致折射率變化材料和機(jī)制都可適用于該系統(tǒng)；該方法測(cè)得的光場(chǎng)分布并不受限于文中的分辨率，更低波長(zhǎng)的激光和更小的聚焦光斑還能進(jìn)一步增加分辨率。該系統(tǒng)也并不只局限于對(duì)光場(chǎng)分布的測(cè)量，可以作為重要的潛在工具，通過直接光調(diào)控腔內(nèi)模式來實(shí)現(xiàn)相鄰模式間的耦合等動(dòng)態(tài)控制。

論文信息

Wang, S., Liu, S., Liu, Y. et al. Direct observation of chaotic resonances in optical microcavities. Light Sci Appl 10, 135 (2021). https://doi.org/10.1038/s41377-021-00578-7

論文地址

https://doi.org/10.1038/s41377-021-00578-7

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編輯 | 趙陽

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