超模光学微腔中的强布里渊光力耦合 | 进展

布里渊散射来源于材料中光子与声子的相互作用，是由材料的电致伸缩效应和光弹效应共同作用而产生的。受激布里渊散射过程将一个泵浦光子转化成一个频率降低的斯托克斯光子和一个声学声子。当泵浦光提供的增益大于光子或声子的传播损耗时，即可产生相干性极高的布里渊光子激光或声子激光。利用光学微腔或微纳波导可进一步增强光声相互作用，从而降低受激布里渊散射的阈值。近年来，研究者已在多种光学微腔体系中实现布手机布里渊散射，如氟化钙晶体腔、二氧化硅微球腔和微盘腔、硫系玻璃微环腔、硅跑道腔、氮化硅微环腔等，并利用微腔布里渊激光实现窄线宽激光器、低相噪微波源、高灵敏陀螺仪等方面的应用。

然而，常见材料的布里渊增益带宽一般只有几十兆赫兹，且考虑到只有满足光学共振条件的光才能够在微腔中稳定存在，因此在微腔中实现受激布里渊散射需要泵浦光与斯托克斯光同时与微腔模式共振，即需要光学微腔同时支持一对相隔布里渊频移的光学模式。在微腔中实现这一双共振条件通常采用两种方案，第一种方案是：通过精确设计微腔的尺寸，使其一倍或多倍的自由光谱范围刚好匹配布里渊频移。然而这种方法使得光学微腔尺寸较大，通常在毫米到厘米量级。较 大的模式体积不利于器件的小型化，同时也显著降低了该体系的单光子光力耦 合强度。此外，这种方案还会造成布里渊激光的级联，这不仅会使布里渊激光的功率被钳制，还会增加布里渊激光的线宽。另一种方案是：利用微球腔或晶体腔等模式较密的多模微腔，从而随机寻找一对相隔布里渊频率的光学模式。然而，在这种方案中，泵浦模式与斯托克斯模式属 于微腔不同的模式家族，具有不同的空间光场分布，因此他们之间的空间交叠一般较小，从而造成单光子耦合强度较小。

图1 实现布里渊光力相互作用的微腔结构。(a) 用于布里渊光力学的微腔及其相应的模式结构。(b) 上：自由光谱范围匹配布里渊频移的微腔（左）和超模微腔（右）的图片。中：超模光学微腔的扫描电子显微镜图像。下：微腔边界的扫描电子显微镜图像的放大图。

为了提高微腔布里渊散射的光力耦合强度，近期，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心的李贝贝特聘研究员团队和北京大学的杨起帆研究员、刘文静研究员团队合作，设计并制备了一种新型的超模光学微腔，实现了布里渊光力耦合强度的显著提升。 他们 通过在微腔边缘设计周期性调制，使得微腔内光场可发生背向散射，从而使微腔的顺时针传播模式和逆时针传播模式发生强耦合，从而实现模式劈裂（ 图1(a)）。 通过控制边缘周期调制大小，可使模式劈裂量刚好匹配布里渊频移。 这种机制使得可以在尺寸较小的集成微腔中实现受激布里渊散射，且泵浦模式与斯托克斯模式具有完美的空间交叠，因此可显著提高布里渊光力耦合强度。

图2 超模光学微腔的设计及表征。(a) 半径r0=20μm的SiO2超模光学微腔中不同机械模式的单光子光力耦合强度(g0/2π)的模拟结果，橙色和蓝色分别表示光弹效应(gpe0/2π)和移动边界效应(gmb0/2π)贡献的单光子光力耦合强度。插图：单光子光力耦合强度最大的机械模式的应变分布示意图。(b) 半径r0=20μm、调制量α≈12.6 nm、目标模式角模式数m=101的SiO2超模光学微腔的光学透过率谱。插图：目标模式的模式劈裂量（左）和光学品质因子（右）。

该工作设计并制备了半径仅为20µm、边缘周期调制量为12nm的二氧化硅超模光学微腔(图1(b))，其光学品质因子达到2×106以上，模式劈裂量为10.4GHz，刚好匹配二氧化硅微腔的布里渊频移（图2(b)）。由于该超模光学微腔同时具有较小的模式体积和较高的模式交叠，该体系的单光子耦合强度高达12.52kHz（图2(a)），相比前期二氧化硅微腔中实现受激布里渊散射的工作提高了30倍。通过泵浦超模光学微腔中的高频模式，实验上实现了阈值为8.28mW的声子激光，声子激光的线宽窄至68.8Hz（图3）。此外，通过泵浦超模光学微腔中的低频模式，实验上观测到了光力强耦合（图4）。光力强耦合意味着光子与声子之间能量交换的速率大于光子和声子各自的损耗速率，因此能够通过光子实现对声子的操控。且由于参与受激布里渊散射的声子频率在10GHz量级，室温下声子布居数仅为600左右，因此更易于达到量子基态，有望应用于量子网络中量子态的存储和操控。此外，这种方案适用于任何材料的微腔，是一种实现受激布里渊散射的普适方案。

图3 声子激光结果图。(a) 泵浦超模光学微腔的高频模式时声子激光的物理机制示意图。(b) 输入顺时针方向泵浦光时，顺时针和逆时针方向的斯托克斯光的光谱图。(c) 声子激光的阈值曲线，阈值功率约为8.28 mW。插图：逆时针和顺时针方向的斯托克斯光功率之比。(d) 不同斯托克斯光功率下的声子激光的单边带频率噪声谱。绿色、红色、橙色和蓝色曲线分别对应于斯托克斯光功率为0.167 mW、0.289 mW、1.03 mW和3.59 mW。(e) 不同斯托克斯光功率下的的声子激光线宽。插图：声子激光的电学频谱图。

图4 光力强耦合结果图。(a) 泵浦超模光学微腔的低频模式时的反斯托克斯过程的物理机制示意图。(b) 不同失谐量下高频模式附近的功率谱。(c) 实验测量（上）和理论预测（下）的强耦合模式反交叉图。(d) 不同腔内功率下的腔增强的光力耦合强度。

相关研究成果以“Taming Brillouin Optomechanics Using Supermode Microresonators”为题于2024年3月26日在Physical Review X期刊上发表。中国科学院物理研究所的博士生王敏和胡志刚为共同第一作者，中国科学院物理研究所李贝贝特聘研究员和北京大学杨起帆研究员为共同通讯作者。上述研究工作得到了国家重点研发计划（2021YFA1400700）、国家自然科学基金委项目（11934019，12174438，62222515，91950118，92150108）、北京市自然科学基金（Z210004）、中国科学院基础研究青年科学家项目（YSBR-100）和中国科学院基础前沿科学研究计划从0到1项目（ZDBS-LY-JSC003）的大力支持。

编辑：尼洛

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