基于多模WGM谐振器中多重类EIT效应的多通道分/插滤波特性研究

Owing to the potential implications for high-performance on-chip optical interconnection, microprocessors using optical interconnection, and even supercomputers using optical interconnection, the WGM resonator based multi-channel add/drop filtering characteristics have been attracting more and more research interest in the field of integrated photonics. Nevertheless, there is always a fundamental tradeoff between the Q factor (the fineness F) and the resonator number M without solution, limiting the performance improvement of the filtering characteristics. To overcome the tradeoff, this project will focus on the scientific problems on the high Q (F) multi-channel add/drop filtering characteristics based on multiple EIT-like effect in multimode WGM resonators. In multimode WGM resonator configurations with low M, the scheme, the evolution, the generation mechanism, and the design rule will be studied for high Q (F) EIT-like effect, multiple EIT-like effect, and multi-channel add/drop filtering characteristics, respectively. The project not only can lay the foundation for the research on multimode WGM resonator based EIT-like effect, multiple EIT-like effect, and multi-channel add/drop filtering characteristics, but also can provide prototypes for on-chip wavelength division (de)multiplexers with high Q (F) and low M, being of theoretical significance for research and development of large-capacity and highly integrated on-chip optical interconnect with low power consumption.

WGM谐振器的多通道分/插滤波特性研究，由于对实现高性能的片上光互连、光互连处理器，甚至是光互连超级计算机的潜在意义，因而成为国际光子学领域的重要研究热点。然而，一个限制性能提升的基本矛盾，即提升Q值（或精细度F）与降低谐振器个数M之间的矛盾，一直未获得解决。为解决这一矛盾，本项目针对利用多模WGM谐振器中多重类EIT效应实现高Q（F）值多通道分/插滤波特性的科学问题，研究低M多模WGM谐振器结构中高Q（F）值类EIT效应、多重类EIT效应、多通道分/插滤波特性的实现方案、演化规律、产生机理、设计原则与方法。本项目不仅能够为基于多模WGM谐振器的类EIT效应、多重类EIT效应、多通道分/插滤波特性研究奠定理论基础，还能为高Q（F）值低M的片上多通道波分复用器提供技术原型，对于推动大容量、高集成度、低功耗的片上光互连的研究发展有着极为重要的理论意义。

回音壁模式谐振器凭借其高品质因子、高度集成化的尺寸成为了众多光子学应用的基石。近年来，这种回音壁模式微腔又因其是开放体系，逐渐地成为了研究非厄米物理学的理想平台，比如非厄米物理的标志宇称-时间对称系统的实验验证最早就是在回音壁模式微腔上完成的。最近，非厄米物理引发了众多学者大量的研究兴趣，其中最吸引人的就是奇异点。一方面，奇异点涉及基础物理，如分数拓补电荷、相变、量子状态交换、以及本证值的奇异性等非平凡拓补现象。另一方面，奇异点的这些性质，可以实现超高灵敏度的传感、单模激光、拓补能量转移、模式和偏振转化器等丰富且意义深远的全新应用。不过，这些奇异点都是通过多个微腔之间的耦合实现的，尽管回音壁模式光学微腔本身就是一个多模系统，除了完美对称的圆形腔以外。因此，本项目提出了以变形的多模光学微腔作为平台来研究避免共振交叉效应和奇异点。首先，为了更快速更清晰地研究与设计变形微腔，我们发展了多种针对回音壁模式光学微腔的电磁理论，搭建了相应的数值计算平台；其次，根据电磁理论与计算平台的结果，设计了简谐变形微腔实现了避免共振交叉效应，揭示了弱耦合和强耦合在模式杂化上的差异是一种相变；最后，根据电磁理论与计算平台的结果，设计了简谐变形微腔实现了奇异点，揭示了微腔中的非对称耦合也可以产生奇异点。这些研究结果深化了回音壁模式光学微腔的电磁理论，丰富了避免共振交叉效应和奇异点的研究，为非厄米物理效应在光学微腔中的应用铺平了道路，奠定了物理基础。