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光學工程
“一拍即合”:周期性向混沌的華麗蛻變

光機械微腔是一種可以在微納尺度上實現光與機械振動耦合的新型器件,利用其可以實施針對光場和機械振動模式的精細調控。基于這些優勢,光機械微腔可望在引力波探測、高精度計量、量子計算與量子通信等重要研究領域得到直接應用。要充分發揮光機械微腔的諸多應用潛力,充分理解該體系中光與機械振動的耦合作用是關鍵。

光與機械振動二者之間的強耦合作用會使得光機械微腔表現出豐富的非線性行為。而非線性動力學行為往往能夠誘發混沌現象,令體系對于初始條件極其敏感,同時導致體系演化的結果難以預測。不過,混沌現象也并非全無是處,它的這些特征也使其能夠有效壓制退相干,保障安全通信,替代背景噪聲。恰當利用便可以化弊為利。

然而目前光機械系統的混沌行為還尚未得到廣泛的實驗關注。為改變這一局面,清華大學自動化系張靖副教授與微電子學研究所劉玉璽教授等研究人員所組成的研究團隊,與美國圣路易斯華盛頓大學楊蘭教授研究團隊、日本理化研究所研究人員合作,以硅基微型環芯腔系統為主要物理載體,實驗證實了混沌這一強非線性效應借由光機械耦合從強光向弱光的傳遞及混沌的倍周期分岔過程,并首次在光機械系統中觀測到由混沌引起的隨機共振現象。該項研究成果以長文形式發表于Nature子刊Nature Photonics [10, 399 (2016)],并被Nature Photonics選為2016年6月刊的封面論文。

圖1 Nature Photonics 2016年6月刊的封面圖

該研究組利用強光場作抽運,激發環芯腔系統的機械振蕩,實現與位于同一微腔中的弱光場(作為探針)的耦合。實驗發現,隨著抽運功率的提高,探針光場和抽運光場循相同的分岔路徑由周期振蕩經準周期振蕩最終實現混沌振蕩。由于兩個光場之間不發生直接交互作用,因而這一混沌轉移過程必然是由諧振腔的機械振動作為媒介。

圖2 光機械耦合作用導致強弱光場間混沌的產生和傳遞過程

隨機共振是非線性系統對含噪聲周期驅動信號的一種特殊響應。通常,當人們將含噪聲的信號輸入到系統中時,如果信號強度不變,噪聲強度提高,那么在系統輸出響應中,信噪比會顯著降低。而在隨機共振系統中,在信號強度不變的情況下,如果增大噪聲強度,反而可能導致輸出響應中信噪比的提高。這一反直覺的物理現象是由于信號與噪聲之間的相干效應引起的。

在光機械微腔實驗中,研究成員觀測到了類似隨機共振的反常信噪比提高現象。這在實驗上尚屬首次。不同于傳統隨機共振,這里信噪比的提高是由混沌作為“確定的隨機噪聲”與周期驅動信號間的相干效應引起的。該研究成果為光機械微腔中的混沌調控提供了實驗依據。

這一工作為未來硅芯片上量子非線性光學現象研究、集成量子光器件設計等提供了新啟發,也為光機械微腔應用于量子信息、保密光通信、精密傳感等眾多領域開辟了一條新的路徑。


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