[论文解读] Multimode Single-Ring Photonic Molecule

Jiang Lu, Ileana-Cristina Benea-Chelmus+4 more|arXiv (Cornell University)|Jan 14, 2026

Quantum Mechanics and Non-Hermitian Physics被引用 0

一句话总结

该论文在单个环形谐振腔内构建多模光子分子，使用透射模式转换器耦合 TE0、TE1（及更多模态），实现任意模态间耦合、受控共振分裂，并在集成平台内探索非厄米现象。

ABSTRACT

Photonic molecules can mimic interactions of atomic energy levels, offering new ways to manipulate cavity eigenstates. Current methods using evanescent coupling of multiple cavities face challenges in scalability, flexibility, and coupling control, especially for complex systems. Here we introduce a new method that uses a single multimode optical ring resonator to create photonic molecules. Our design uses multiple waveguide transverse modes in one resonator, providing flexibility to engineer complex interactions without typical coupling constraints. We demonstrate arbitrary inter-mode coupling through transmissive mode converters, allowing precise tuning of resonance splitting and intrinsic losses. This approach enables selective bright-dark mode pair generation and the exploration of novel photonic phenomena such as exceptional points. This multimode photonic molecule overcomes traditional limitations and offers new possibilities for integrated photonic circuits, optical processing, and studies in non-Hermitian and nonlinear photonics.

研究动机与目标

• 通过使用单一多模环，克服传统多腔光子分子在扩展性和耦合控制方面的限制。
• 开发适用于环腔中任意模数与耦合数量的广义解析框架。
• 通过透射模式转换器实现对模间耦合的精确控制，以调谐共振分裂和内在损耗。
• 在一个集成平台中实现明亮-暗模式对的选择性产生，并访问非厄米与非线性光子学现象。

提出的方法

• 提出一个包含 TE0 和 TE1（及潜在更多模态）的单多模硅环形谐振腔。
• 实现带有较长光栅周期和浅波纹的透射模式转换器（TMCs），以实现模间的同向耦合。
• 使用相位匹配条件 Lambda1 = lambda0 / Δneff,01 来优化 TE0–TE1 的耦合。
• 提供对 M 模态的解析传输函数框架，包括带有 s_out/s_in 表达式的两模态情况，以及 η = τ^2 与 τ^2 = 1 - η。
• 应用耦合模理论推导本征值分裂并识别对角点、反交叉和惊异点。
• 通过广义传输-猴框架（方程 Eq. 2 及其扩展）支持更广的建模以拟合实验光谱。

实验结果

研究问题

• RQ1 单个多模环形谐振腔是否能够复制多腔耦合光子分子的功能，实现任意模间耦合？
• RQ2 如何设计透射模式转换器以实现高转换效率和模间耦合的可调共振分裂？
• RQ3 是否能够在多模环形系统中实现并观测明亮-暗模式对及惊异点动力学？
• RQ4 模间转换效率、内在损耗与多模超模态的有效自由光谱范围之间的关系是什么？
• RQ5 在单个环内扩展到更大模集（例如至光子三聚体）的可扩展性如何？

主要发现

• 测量的透射光谱显示有两个混合模，分裂为 2 Re(sigma) = 2π × 21.8 GHz。
• 自由光谱范围 Δω_FSR = 2π × 147.7 GHz；内在品质因子为 Q0 = 6.5×10^4，Q1 = 4.3×10^4。
• 在 N1 = 33 时，TE0–TE1 的最大功率转换效率 η 达到 0.94（反射可忽略）。
• 随着 N1 的变化，由于光栅周期和相位匹配导致 η 变化，产生菱形形状的共振分裂模式，表明 TE0 与 TE1 之间的能量周期性交换。
• 实验揭示了实部（频率）和虚部（损耗）本征值分裂及惊异点特征，与耦合模理论一致。
• 时域有限差分法仿真和传输函数分析与测量光谱高度吻合，验证了解析框架（ Eq. 2 ）及一般 M 模态扩展。
• 通过再增加一个 TMC（TE0–TE2），方法可扩展到光子三聚体，最高实现三向分裂，并有可能实现 FSR 的三等分。
• 该方法能够独立控制本征值实部与虚部，提供明亮-暗模式对及紧凑集成平台中的非厄米动力学。