我国学者在导模共振态研究方面取得重要进展

图1. 偏振涡旋携带的拓扑荷渐进合并与光逃逸能量渐进关系的跃变(平方率至六次方率)(a)光子晶体结构与能带;(b)动量空间中Q值分布与拓扑荷演化;(c)布里渊中心附近谐振模式Q值的渐进关系

实现微小尺度下的光束缚是构造光缓存、光逻辑和光量子计算的基础。光场束缚一般通过光学微腔实现,即使允许光场逃逸,仍可在特定的干涉相消条件下实现光束缚,即连续区束缚。由于实际器件中的工艺误差,理想干涉相消条件被破坏,光束缚能力必然随之劣化。在光子学领域,连续区束缚态本质上是光子偏振在动量空间缠绕的涡旋,即携带整数拓扑荷的拓扑缺陷。由于拓扑荷处的偏振无法定义,可以通过拓扑方法研究光子体系的内在性质,使光逃逸被完全抑制。

基于上述思路,彭超副教授团队提出了一种新型的光子晶体平板结构,有效抑制了随机散射泄露,实现了光场束缚。该结构采用二维、四方晶格周期排布的圆孔,在布里渊区中心形成一个对称性保护、固定的整数拓扑荷,并被八个沿高对称线分布、可调的整数拓扑荷环绕;通过调节结构参数,使这八个拓扑荷连续演变,并渐进合并至布里渊区中心,进而形成动量空间里偏振涡旋的完美风暴。在这一拓扑演化下,光逃逸能量随波矢的渐进关系从平方率跃变为六次方率,即对于同样的波矢偏移,光逃逸能量大幅减弱。因此,即使在工艺误差引入随机波矢偏移时仍具有优异的光束缚性能。光束缚能量一般以品质因子(Q值)来衡量,即光子在体系中的存活寿命。在制备的样品中,利用谐振泵浦技术激发光子能带,实验观测到Q值达4.9×105,较传统设计提升了12倍,证明了渐进合并拓扑荷方法对抗随机散射泄露的有效性。研究工作为实现光场束缚开拓了新方向,亦在微腔光子学、非线性光学、低功耗激光器等领域具有潜在应用前景。

图2. 谐振泵浦激发下的远场辐射等频率面(a)等频率面观测结果及给定波矢处谐振模式Q值;(b)合并拓扑荷和孤立拓扑荷结构Q值对比