北京大学电子学院彭超团队在光学微腔多稳态研究中取得重要进展

多稳态（multistability）是指系统在同一外部条件下存在多个稳定状态，它是复杂非线性系统的核心特征之一，也是实现多值光存储所亟需的关键要素。然而，由于光学非线性效应较弱，在微纳尺度下实现光学多稳态一直是该领域的一大挑战。近日，北京大学电子学院彭超团队联合哈尔滨工程大学、俄罗斯ITMO大学团队，在《自然-纳米技术》（Nature Nanotechnology）上发表了题为“Optical multistability in a compact microcavity enabled by near-exceptional coupling”的研究论文。他们通过在光子晶体微腔中设计一对近简并的超高品质因子（Q）谐振模式，实现了非厄米体系的近奇异点耦合（near-exceptional coupling，NEC）机制，并成功在紧凑的硅基芯片上实现了低阈值的光学三稳态。

图1 紧凑光子晶体微腔中的光学多稳态

研究团队从光子晶体微腔的对称性出发，巧妙利用布里渊区折叠构造简并模式，并通过结构扰动引入了一种共享辐射通道的非厄米耦合。当系统接近奇异点时，两个特征模式发生耦合杂化，产生波长和线宽几乎相等的混合模式。在这种被称为“近奇异点耦合（NEC）”的状态下，微腔能够与辐射通道高效交换能量，并维持稳定的模式间相互作用，从而为光学多稳态的产生奠定基础。

图2 近奇异点耦合（NEC）原理与微腔设计

实验中，团队在直径仅为20微米的硅基光子晶体微腔内，实现了品质因子高达10^6的谐振模式。这得益于极高的Q值和NEC机制所带来的双模式腔内场增强，系统展现出显著的基于热光非线性的三稳态特征。实验观测到的迟滞回线显示，在仅为240μW的极低输入功率下，系统即可在三个稳定状态之间切换。

图3 热光非线性触发的三稳态现象

基于这一发现，研究团队进一步展示了多值光学存储器的原型器件。通过对输入光功率或波长的调制，系统可以在三个稳定的强度状态之间进行快速、可靠的切换。这一成果不仅验证了利用非厄米物理调控光学非线性的可行性，也为开发可扩展、可重构的光学神经网络和神经形态计算处理器提供了新型基本构建单元。

该研究揭示了一种在紧凑光子系统中通过控制模式辐射耦合来实现稳健多稳态的通用策略。北京大学电子学院博士生刘臻为第一作者，北京大学电子学院、光子传输与通信全国重点实验室王非凡博士和彭超为论文共同通讯作者。该工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的支持。