“看见”光：谐振腔内的模场成像技术

撰稿  |  汪 帅  刘 帅

集成光学芯片被视为延续摩尔定律的一个重要的可行方案，在过去几十年中被人们广泛关注和研究，受益于半导体制备工艺的快速发展，相比于传统的光学器件，集成光学芯片在其尺寸、成本、能耗、性能和稳定性等众多方面都展现出明显的优势。

特别是随着自动驾驶激光雷达、超高速光通信、量子计算以及人工智能等众多领域庞大的市场需求，集成光学芯片的技术开始从实验室走向商业市场，某些关键的技术突破也无疑会带来新的爆炸式的技术革新。

光学微腔是集成光学芯片中最核心且应用最广的一类元件，一直是人们重点研究的领域。光学微腔中几乎所有的性质都由其谐振模式（光场分布）决定，如光学损耗、耦合效率、激光阈值等，这些性质对于器件设计、制备和测试应用都至关重要。

通常，光学微腔中谐振模式的光场分布可以借助数值仿真模拟的方式获取，而在实验中仅仅判断模式的类型就十分困难，往往只能靠“猜”的方式，借助于测量结果中的某些特定参数与仿真结果进行比较，例如相邻模式的自由光谱区（FSR）、远场能量出射分布等，要想直接得到某一模式的场分布就更加困难。

要实现对模式场分布的实验测量，最常用的方法是探针近场扫描：通常光学模场并不会完全限制在腔内，会有一部分光以倏逝波在腔表面传播，在不同位置会有不同强度，如微盘腔中回音壁模式（Whispering-Gallery mode）光场会集中在边界，在内圆区域则几乎没有光场分布。探针进场扫描测量是通过将探针靠近在微腔表面，使其与倏逝波相互作用，扫描探针的同时测量微腔的谐振变化，在光场分布较强的位置谐振受到探针影响较大，而光场分布较弱的位置则受到较小影响，通过不同位置的谐振变化大小来得到光场分布。

然而，这类方法也有其局限性：

首先，倏逝波往往在微腔表面很近的范围传播，探针要实现较强的影响需要贴近微腔表面扫描，对于高折射率材料如硅更是挑战；

其次，探针与微腔表面的相对位置也会对谐振变化的强度有较大影响，这就要求探针与微腔保持一致的相对位置，这对机械控制系统的精度和稳定性要求苛刻；

对于一些特殊工作环境的微腔，如液体环境中或者有保护层的微腔，如硅微腔通常会有一层二氧化硅保护层，此时探针近场扫描的方法同样会存在局限性。

基于此，哈尔滨工业大学（深圳）宋清海教授团队和纽约市立大学Li Ge团队合作提出了一种更为简捷且低成本的方法，可以直接观测出光学微腔中谐振模式的光场分布。

该成果以 Direct Observation of Chaotic Resonances in Optical Microcavities 为题发表在Light: Science & Applications。

以SOI光学芯片为平台，该团队将420 nm纳秒激光聚焦在微腔表面，造成硅中载流子吸收产生热效应，从而带来局部的折射率变化。在光场分布较强的位置，局部折射率变化带来的谐振变化较大，光场分布较弱的位置则会有较小谐振变化，因此通过扫描激光在微腔表面位置的同时对谐振变化进行测量，实现“看得见”微腔内的光场分布。

该测量光路如图1所示，经过准直和聚焦光路，420 nm纳秒激光泵浦在SOI微腔上，在光斑的作用范围内会造成硅中载流子吸收并释放热量，进而通过热-光效应改变了光斑作用范围内硅的折射率。在光场分布较强的位置，折射率的变化会造成较强的谐振变化，而光场分布较弱的位置则变化较小，通过控制扫描激光斑在微腔上的位置，同时测量谐振变化的大小则可得到腔内的光场分布。

图一 测量光路示意图

图2a以SOI纯圆形微盘腔为例，其中图2b为测量得到的透射光谱，可以看到光谱中有多个模式存在。传统方法中，要区分每个模式的类型则需要统计每组模式的FSR并与数值仿真结果进行对比，但是实验中往往存在很多FSR极为近似的模式（参考图2c），如微盘腔中的基模和高阶WGMs，在实验中区分模式类型就非常困难。图2d为该团队成员直接测量到的光场沿径向分布，可以看到三类模式有明显的区别，同时与数值仿真结果也保持非常高的一致性，表明该方法的准确性。

 图2 图形微腔内不同阶数的回音壁模式光场径向强度分布

接着，研究者将该光场分布测量方法直接应用在Quadruple型变形微腔中，相比传统的纯圆形微腔，这类的微腔支持更多种类的模式，因此直接从光谱中“猜”出准确的模式类型变得尤为困难，如图3b所示透射光谱。在光谱中，研究者选取了4中不同类型模式进行了光场分布直接测量，其测量结果如图3d所示，场分布也与数值仿真中保持了较高的一致性，这也与反推FSRs得到的结论一致。从图3d中模式1的场分布可以看到,“棱形”分布的模式被称为“稳定态”模式，在能够分辨出模式的类别后，研究者能够准确地选择出腔内的特定模式进行详细研究，避免“猜”造成的误差。

图3 Quadruple变形微腔内不同谐振模式光场分布。

在图4a中，研究者将一个波导直接与微腔theta=-36.3°位置相连，通过实验测量得到的场分布可以清楚看到该波导与棱形的“稳定态”模式并没有重合。而观察从端口1到端口3的透射谱可以清晰看出，棱形的“稳定态”在端口3有能量输出，这说明该“稳定态”模式是通过隧穿到临近的“混沌态”模式中，最终从端口3中出射，这一结果是对变形腔中混沌辅助隧穿效应的直接实验验证。如图4b所示，研究者又将端口3作为输入，在端口1中测量到的光谱中看到相同的棱形“稳定态”模式被激发，这也说明光是通过端口3所连接“混沌态”隧穿回“稳定态”中，首次直接实验证明了该过程是时间反演的。

图4 Quadruple变形微腔内“稳定态-混沌态”双向隧穿效应。
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本文中，研究者通过实验读取变形微腔中的光场模式分布，直接实验验证了“稳定态-混沌态”的量子隧穿过程，为变形微腔的研究提供了重要的实验依据。

研究者开发的光学微腔中光场分布测量方法并不依赖于特定的材料体系和微腔形状，理论上任何能产生光致折射率变化材料和机制都可适用于该系统；该方法测得的光场分布并不受限于文中的分辨率，更低波长的激光和更小的聚焦光斑还能进一步增加分辨率。该系统也并不只局限于对光场分布的测量，可以作为重要的潜在工具，通过直接光调控腔内模式来实现相邻模式间的耦合等动态控制。

论文信息

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

论文地址

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

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编辑 | 赵阳

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