光子晶体微环中具有分数光学角动量的耳语廊模式

耳语廊模式是一种可以在凹面周围传播的波，已被证明对新技术的发展很有前景，特别是在光子学领域。由于几何限制，在圆对称光学微谐振器(即可以限制光的微米级结构)中，这些模式表现出整数量化角动量值。虽然许多效应都利用了这种模式，但有些应用可能需要非整数角动量。

美国国家标准与技术研究院和马里兰大学的研究人员最近开发了一种独特的光子晶体微环，可以实现具有分数光学角动量的回音壁模式。这种在物理评论快报(PRL)中介绍的环形结构可以为创建传感器、测量工具、非线性光学设备和其他技术开辟有趣的可能性。

“我们最近的PRL论文建立在我们之前在NaturePhotonics上的工作的基础上，在那里我们介绍了‘微齿轮’光子晶体环的结构，”进行这项研究的研究人员之一卢西元告诉Phys.org。“在这项新工作中，我们展示了光的半整数轨道角动量，与我们之前研究的光子晶体环获得的偶数相比，它给出了类似于传统微环的光的整数轨道角动量，被称为‘耳语画廊模式’。”

在他们最近的工作中，Lu和他的同事着手研究他们之前论文中介绍的光子晶体微环的新功能。该团队还希望探索在谐振器中引入多个缺陷将如何影响其定位能力和光的空间控制。

“‘半整数角动量’的意思是光需要绕谐振器进行两次往返才能回到其初始相位(模2*pi)，这与传统的微环不同，在那里它只需要一个往返，”参与该研究的另一位研究员KartikSrinivasan告诉Phys.org。“这就是为什么我们的谐振器有时被比作莫比乌斯带。”

为了获得半整数角动量，该团队简单地在其圆周内使用奇数个周期性单元设计了他们的环，而不是选择偶数个单元。这使他们能够访问先前设计的光子晶体环访问的另一半参数空间。

“在我们的设备中实现多重缺陷也远非复杂，因为我们只是在我们的环上引入了多重缺陷调制，”Lu说。“由于这种独特的设计，我们可以通过可扩展的制造方法在硅光子学中实现两种功能，即半整数角动量或多重缺陷定位。”

光子晶体环(左)中的四个缺陷(d1-d4)可以承载缺陷光子晶体模式(例如，d1)并且还可以固定高阶模式(例如，s4)的方向。图片来源：MingkangWang和XiyuanLu。

在最初的测试中，这组研究人员开发的环形微谐振器取得了非常有前途的结果，表现出高Q值和良好的耦合。此外，该器件可以与非线性光子学、量子光子学和生物传感应用集成，就像集成传统微环中的回音壁模式一样容易。

设计高Q光子晶体(包括包含缺陷以强烈定位光的几何形状)通常具有挑战性且耗时，因为它需要运行多次模拟并完成各种优化步骤​​。相比之下，Lu和他的同事创造的微环设计非常简单直接，不需要通过模拟和优化来完善。

“我们已经看到我们可以减慢光速并将其高度定位在环的一小部分内(这是我们早期论文的重点)，现在我们表明我们可以创建半整数角动量状态和多个高度同一环中的局部缺陷状态，我们可以使用这些相同的缺陷来控制慢光回音壁模式的方向，”Srinivasan说。

“虽然并非所有效果都可以同时使用，但在某些情况下，我们可以组合效果，或者对一种模式应用一种效果，对另一种模式应用另一种效果，最重要的是，我们知道如何设计和控制效果。”

Lu、Srinivasan及其同事最近发表的两篇论文表明，在微环谐振器中引入独特的光子晶体图案可以深刻地改变电磁场的特性。未来，他们的谐振器设计和由此产生的电磁场控制可能有助于解决许多涉及光与物质相互作用的研究问题，例如实现微环中的多个量子节点或光的非线性产生。

“对我来说重要的一点是，这项工作在如何在微环中实现多个量子节点方面向前迈进了一步，特别是提出了一个问题，即缺陷的弱耦合是不可忽略的，需要注意的，”卢说。“这种弱耦合让我有点惊讶。”

在接下来的研究中，研究人员计划测试他们设计的价值，以实现对与物质相互作用的电磁场的控制。更具体地说，他们计划将其应用于非线性光学技术和由原子或量子点构成的量子光学的开发。

“我们有兴趣调查弱耦合的起源，以便在未来更好地控制它，”卢说。“我们还在研究与这些设备中的局部模式的非线性光学相互作用以及与原子和量子点的量子相互作用。”