客服热线：
手机版
二维码
图1 左图描述了半整数角动量的概念。谐振器内的电场（中间）取决于场包络相位（顶部）和角动量相位（底部），每一个相位都需要两个往返才能返回到其原始值。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的单元而产生。显示携带半整数角动量的光的红外图像被叠加在右上角装置的扫描电子显微镜图像之上。右下方的图像是由大约12个单元组成的微齿轮光子晶体环的部分结构。
英国著名科学家瑞利勋爵（Lord Rayleigh）首次使用“耳语廊模式”，也称为“回音壁模式”一词来描述声波在圣保罗大教堂的圆顶中的传播原理。现在，回音壁波模式用来描述任何波在凹面周围传播的效果。由于其具有极高的品质因子和较小的模式体积，回音壁模式既可作为基础科学研究的平台，又被广泛应用于诸多重要的微纳光子器件。由于几何上的限制，在圆形对称的光学微谐振器（即可以限制光线的微米级结构）中，这些模式表现出整数量化的角动量值。虽然很多应用利用了这种模式，但也有一些应用可能需要非整数角动量。
美国国家标准与技术研究所和马里兰大学的研究团队近日成功研发出一种独特的光子晶体微环，可以实现具有分数阶光学角动量的回音壁模式，在传感器、精密测量、非线性光学器件设计等方面具有重要的应用价值，该成果被发表在Physical Review Letters。
团队主要研究成员Xiyuan Lu 表示，他们的这项最新研究是建立在之前被发表在Nature Photonics上的“微齿轮”光子晶体环结构的基础上的。“在最新的工作中，我们证明了光的半整数轨道角动量，与之前研究的光子晶体环获得的偶数相比，它给出的光的整数轨道角动量与它传统的微环相似，被称为'回音壁'模式。”
在最近的工作中，Lu和他的同事着手研究光子晶体微环的新能力。该团队还希望探索在谐振腔中引入多个缺陷将如何影响其定位能力和对光的空间控制。
“‘半整数角动量’的含义是，光需要绕谐振器进行两次往返才能回到它的初始相位，这与传统的微环只需要一次往返有所不同”，参与该研究的另一名研究人员员Kartik Srinivasan在报道中提到。“这就是为什么我们的谐振器有时被比作莫比乌斯带。”
为了实现半整数角动量，该团队在设计光子晶体微环时，只是在其圆周内使用奇数的周期单元，而不是选择偶数的单元。这使他们能够进入以前设计的光子晶体环所进入的另一半参数空间。
Lu 称，“在环形微谐振器中实现多重缺陷也并不是很复杂，因为我们只是在微环中引入多重缺陷调制。由于这种独特的设计，我们可以使用一种可扩展的制造方法在硅光子学中实现两种功能，即半整数角动量或多重缺陷定位。”
在最初的测试中，该团队开发的环形微谐振器表现出高Q值和良好的耦合性，结果非常可观。此外，该器件可以集成非线性光子学、量子光子学和生物传感应用，就像集成传统微环中的回音壁模式一样简单。
图2 光子晶体环（左）中的四个缺陷（d1-d4）可以承载一个缺陷光子晶体模式（如d1），也可以固定高阶模式（如s4）的方向。
如果要设计高Q值的光子晶体，包括包含缺陷的几何形状来对光局域化，通常比较耗时而且具有挑战性，因为它需要运行多个模拟并完成各种优化步骤。相比之下，Lu和他的同事设计的微环非常简单直接，不需要通过模拟和优化来完善。
Srinivasan表示，“显而易见，我们可以使光变慢，并将其高度局域化到环的某一小部分内(这是我们早期论文的重点)。现在我们可以在同一个环中创建半整数角动量状态和多个高度局域化缺陷状态，并且可以使用这些相同的缺陷来控制慢光回音壁模式的方向。”
"虽然不是每一种效应都可以同时使用，但在某些情况下，我们可以结合效应，或者对一种模式应用一种效应，对另一种模式应用另一种效应，而且最重要的是，我们知道如何设计和控制这些效应。"
Lu、Srinivasan和他们的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改变电磁场的特性。在未来，他们的微环谐振器和由此产生的对电磁场的控制可以帮助解决许多涉及光-物质相互作用的研究问题，例如能够在一个微环中实现多个量子节点或光的非线性生成。
“对我而言，重要的一点是，这项工作就如何在微环中实现多个量子节点方面迈出了一步，特别是提出了一个关键的问题：缺陷的弱耦合是不可忽略的，这种弱耦合让我有点惊讶，”Lu强调。
在他们接下来的研究中，研究人员计划测试微环在控制电磁场与物质相互作用方面的价值。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。
“我们有兴趣研究弱耦合的起源，以便在未来更好地控制它，” Lu表示。“我们也在研究非线性光学与局部模式的相互作用，以及与原子和量子点的量子相互作用。”
论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.186101
