极端光学创新研究团队在微腔光学研究中取得新突破

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。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。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。

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。该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。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随混沌运动从小到大的快速转换。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。混沌辅助的动量转换新机制具有普适性，有可能在集成光子学、光学网络、量子信息处理等领域发挥重要作用。

相关研究成果近期发表在《Science》上。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评价该工作时指出，“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。”