光芯片'换挡'有多快？北京大学发现微激光模式切换的幂律极限

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现代光芯片要想实时调控光信号，微激光器必须在不同工作模式间极速"换挡"。这类似于汽车在行驶中切换档位，但发生在纳秒量级。这种切换究竟能快到什么程度？是否存在物理定律设定的终极限速？

北京大学物理学院团队近期在《物理评论快报》（Physical Review Letters）发表了一项实验研究。他们首次精确测定了微腔激光器状态切换的完整动态过程，发现了一个简洁的幂律标度关系：切换时间与控制参数的扫描速度遵循平方根反比律。换句话说，当你把"换挡"操作加快4倍，实际的切换时间只会缩短一半。这个指数为0.5的普适规律，为光芯片的设计划定了明确的物理边界。

在直径仅几十微米的二氧化硅微球腔中，光可以沿顺时针和逆时针两个方向传播。这两个方向的光波相互耦合，形成两种具有相反对称性的驻波态，也就是所谓的"超模式"。它们能量相近，始终处于竞争状态。

当外部条件变化时，激光不会平滑过渡，而是会发生类似"相变"的突然跳变。这种非平衡态相变普遍存在于开放系统中，但过去的研究大多只能看到"起点"和"终点"，中间那关键的瞬态过程——激光如何从一个状态衰落到另一个状态崛起——始终是一片模糊。这主要是因为切换发生在纳秒量级，且系统持续受驱、不断损耗，噪声和耗散交织其中。

北京大学团队搭建了一个独特的实验平台。他们在超高Q值（品质因数）微腔外增加了一条反馈环路，将少量激光重新注入腔体。通过精确控制回注光的相位，研究人员可以调节两个竞争模式之间的损耗平衡，就像调整跷跷板的两端。

这种调控方式属于"非厄米"控制。它直接重塑决定模式胜负的增益-损耗景观，而非简单地移动共振频率。这让团队能够以可控方式驱动系统穿越临界点。

为了"拍摄"切换过程，研究人员采用了射频拍频技术。他们将激光输出与稳定参考光混频，把超快的光学变化转化为可测的电学信号。这种方法实现了亚10纳秒的时间分辨率，将原本不可见的内部跃迁转化为可量化的"高速电影"。

在能够实时记录切换后，团队进行了一系列系统性实验。他们重复切换操作，但每次以不同的速度扫描控制参数。结果呈现出惊人的规律性：在很宽的扫描速度范围内，切换时间与扫描速度的-0.5次方成正比。

也就是说，切换时间遵循幂律标度，指数稳定在0.5附近。这揭示了一个普适的物理图像：虽然更快的扫描能加速切换，但收益遵循平方根递减。当你将控制速度提升100倍，切换时间仅缩短10倍。这为微激光器的"换挡"速度设定了一个基本的标度极限。

值得注意的是，类似的幂律行为在耦合腔激光网络中也有报道。这表明该规律并非特定器件的巧合，而是驱动-耗散光子系统中非平衡临界动力学的深层体现。对于需要快速重构的片上光子器件，以及用于优化计算和模拟计算的耦合激光网络而言，这一标度律提供了精确的预测工具。

这项研究发表于2026年2月，代表着中国在微腔光学与非厄米光子学交叉领域的持续深耕。以肖云峰教授、龚旗煌院士为代表的北京大学团队，长期在超高Q值微腔制备、超灵敏传感及非厄米物理方面保持国际领先。此前，他们已在《自然·物理》《物理评论快报》等期刊发表了一系列关于微腔非对称传输、奇异点（Exceptional Points）操控的工作。

从更广阔的视野看，中国在微纳光子学领域的整体布局已呈现多点开花的态势。中国科学技术大学郭光灿院士、董春华教授团队在微腔光力学和量子存储方面成果卓著；浙江大学刘旭教授、童利民教授团队在微纳光纤及微腔激光器制备工艺上持续突破；中科院物理所、半导体所也在主动调控微激光器方面积累了深厚的实验基础。

特别值得注意的是，非厄米光子学作为一个新兴前沿方向，中国学者正从早期的跟跑转变为并跑甚至部分领跑。此次北大团队通过精巧的反馈控制手段，将非厄米物理从静态调控拓展到动态临界过程，为这一领域提供了难得的实验基准。在光芯片国产化的战略背景下，这类基础研究不仅揭示自然规律，更为下一代可重构光子器件的工程设计提供了不可多得的"物理罗盘"。

Qi-Tao Cao et al, Power-Law Scaling of Lasing-State Switching in Optical Microcavities, Physical Review Letters (2026). DOI: 10.1103/s2x6-5k55