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光学工程
“一拍即合”:周期性向混沌的华丽蜕变

光机械微腔是一种可以在微纳尺度上实现光与机械振动耦合的新型器件,利用其可以实施针对光场和机械振动模式的精细调控。基于这些优势,光机械微腔可望在引力波探测、高精度计量、量子计算与量子通信等重要研究领域得到直接应用。要充分发挥光机械微腔的诸多应用潜力,充分理解该体系中光与机械振动的耦合作用是关键。

光与机械振动二者之间的强耦合作用会使得光机械微腔表现出丰富的非线性行为。而非线性动力学行为往往能够诱发混沌现象,令体系对于初始条件极其敏感,同时导致体系演化的结果难以预测。不过,混沌现象也并非全无是处,它的这些特征也使其能够有效压制退相干,保障安全通信,替代背景噪声。恰当利用便可以化弊为利。

然而目前光机械系统的混沌行为还尚未得到广泛的实验关注。为改变这一局面,清华大学自动化系张靖副教授与微电子学研究所刘玉玺教授等研究人员所组成的研究团队,与美国圣路易斯华盛顿大学杨兰教授研究团队、日本理化研究所研究人员合作,以硅基微型环芯腔系统为主要物理载体,实验证实了混沌这一强非线性效应借由光机械耦合从强光向弱光的传递及混沌的倍周期分岔过程,并首次在光机械系统中观测到由混沌引起的随机共振现象。该项研究成果以长文形式发表于Nature子刊Nature Photonics [10, 399 (2016)],并被Nature Photonics选为2016年6月刊的封面论文。

图1 Nature Photonics 2016年6月刊的封面图

该研究组利用强光场作抽运,激发环芯腔系统的机械振荡,实现与位于同一微腔中的弱光场(作为探针)的耦合。实验发现,随着抽运功率的提高,探针光场和抽运光场循相同的分岔路径由周期振荡经准周期振荡最终实现混沌振荡。由于两个光场之间不发生直接交互作用,因而这一混沌转移过程必然是由谐振腔的机械振动作为媒介。

图2 光机械耦合作用导致强弱光场间混沌的产生和传递过程

随机共振是非线性系统对含噪声周期驱动信号的一种特殊响应。通常,当人们将含噪声的信号输入到系统中时,如果信号强度不变,噪声强度提高,那么在系统输出响应中,信噪比会显著降低。而在随机共振系统中,在信号强度不变的情况下,如果增大噪声强度,反而可能导致输出响应中信噪比的提高。这一反直觉的物理现象是由于信号与噪声之间的相干效应引起的。

在光机械微腔实验中,研究成员观测到了类似随机共振的反常信噪比提高现象。这在实验上尚属首次。不同于传统随机共振,这里信噪比的提高是由混沌作为“确定的随机噪声”与周期驱动信号间的相干效应引起的。该研究成果为光机械微腔中的混沌调控提供了实验依据。

这一工作为未来硅芯片上量子非线性光学现象研究、集成量子光器件设计等提供了新启发,也为光机械微腔应用于量子信息、保密光通信、精密传感等众多领域开辟了一条新的路径。


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