分数光学角动量在光子晶体微环中的回音壁模式

回音壁模式，最早发现于声学体系中。早在19 世纪，著名科学家Rayleigh 就首次分析了其中的声学原理给出了物理解释。他认为：这是由于声波沿着回廊光滑的墙内壁连续反射来进行传播，传播损耗很小。这种声波模式也因此被命名为“耳语回廊模式”，中国习惯称为“回音壁模式”，已被证明可用于光学技术的发展。

图1 （左上）半整数角动量的概念图；谐振器内部(左中)的电场同时取决于场包络相位(左上)和角动量相位(左下)，每个相位需要两次往返才能恢复到原来的值；携带半整数角动量的光可以通过在光子晶体环中引入奇数个单元来创建，例如，在实际制造的设备的左侧示意图中为11个，右侧图像中为333个。一个红外图像显示携带半整数角动量的光线覆盖在右上角设备的扫描电子显微镜图像上。一个红外图像显示携带半整数角动量的光线覆盖在右上角设备的扫描电子显微镜图像上。右下角的图像显示了微型齿轮光子晶体的一部分的详细结构，包括约12个单元。（图片来源：MingKang Wang 和 Xiyuan Lu）

近日，美国国家标准与技术研究院和马里兰大学巴尔的摩分校合作团队已开发出了一种独特光子晶体微环，可以通过分数光学角动量实现回音壁模式，以上结果已发表在期刊《Physical Review Letters》。

“这篇PRL论文建立在我们之前在自然-光子学方面的工作基础上。先前，我们介绍了一个‘微型齿轮’光子晶体环结构，”进行这项研究的研究人员之一Xiyuan Lu采访称，“在这项新的工作中，我们展示了半整数角量子数，与我们之前研究的光子晶体环所获得的偶数相比，我们得到的整数光角量子数类似于传统的微环，被称为‘耳语画廊模式’”。

在他们最近的工作中，Lu 及其同事继续研究了先前论文中介绍的光子晶体微环，并介绍其新功能。此外，该团队还希望在谐振器中引入多个缺陷，探索这些缺陷是如何影响其定位能力和对光的空间控制。

“‘半整数角动量’的意思是，光需要绕谐振器两个来回才能回到其初始相位(模2 * pi) ，这与传统的微环不同，后者只需要一个来回,”参与这项研究的另一位研究人员卡蒂克 · 斯里尼瓦桑(Kartik Srinivasan)采访称。“这就是为什么我们的谐振器有时被比作莫比乌斯带。”

为了达到半整数角动量，该团队简单地使用周长内的奇数个周期排列的电池来设计他们的环，而不是选择偶数个电池。这使得他们能够访问先前设计的光子晶体环所访问的另一半参数空间。

“我们的设备中的多重缺陷的实现也远不复杂，因为我们只是在我们的环中引入了多重缺陷调制，”Lu 说，“由于这种独特的设计，我们可以在硅光子学中实现两种功能，半整数角动量或多个缺陷定位，制作方法可以扩展。”

设计高 Q 值光子晶体，包括结合缺陷来强烈定位光的几何结构，通常是具有挑战性和耗时的，因为它需要运行几个模拟和完成各种优化步骤。相比之下，卢和他的同事们创造的微环设计非常简单直接，不需要通过模拟和优化来完善。

Srinivasan说：“我们已经看到，我们可以减慢光的速度，并将其高度定位到环的一小部分内(这是我们早期论文的重点) ，现在我们证明，我们可以在同一个环中创建半整数的角动量状态和多个高度定位的缺陷状态，我们可以使用这些相同的缺陷来控制慢光低语画廊模式的方向。”

图2 光子晶体环(左)中的四个缺陷(d1-d4)可以容纳一个缺陷光子晶体模式(例如 d1) ，也可以固定高阶模式(例如 s4)的方向。（图片来源: MingKang Wang 和 Xiyuan Lu）

虽然不是所有效果都能同时使用，但在某些情况下，我们可以将一种效果用于一种模式，将另一种效果用于另一种模式，最重要的是，我们知道如何设计和控制效果。”

Lu、 Srinivasan 及其同事最近发表的两篇论文表明，在微环谐振器中引入独特的光子晶体模式可以深刻地改变电磁场的特性。在未来，他们的谐振器设计和由此产生的电磁场控制可能有助于解决涉及光物质相互作用的许多研究问题，例如实现微环中的多个量子节点或非线性发光。

Lu说：“对我来说，重要的一点是，这项工作在如何在微环中实现多个量子节点方面一步到位，特别是提出了一个问题，即缺陷之间的弱耦合是不可忽视的，需要加以解决。这种弱耦合让我有点吃惊。”

研究人员计划测试他们的设计的价值，以实现对与物质相互作用的电磁场的控制。更具体地说，他们计划将其应用于非线性光学技术和由原子或量子点构成的量子光学的发展。

“我们计划进一步研究弱耦合的起源，以便在今后更好地操控它，”Lu 说，“我们还在研究这些器件中局域模式的非线性光学相互作用以及与原子和量子点的量子相互作用。”

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https://phys.org/news/2022-12-gallery-modes-fractional-optical-angular.html