[论文解读] Parity-time-symmetric coupled microring lasers operating around an exceptional point

Hossein Hodaei, Mohammad‐Ali Miri+5 more|arXiv (Cornell University)|Sep 21, 2015

Quantum Mechanics and Non-Hermitian Physics参考文献 29被引用 126

一句话总结

该论文通过利用宇称-时间（PT）对称性并在非简并点附近工作，实现了光谱多模微环激光器中的稳定单模激光输出。通过差异性泵浦两个耦合的微环谐振器（其中一个具有增益，另一个具有损耗），系统在非简并点发生相变，强制激光仅在高Q值的PT对称性破缺模式中发生，从而实现通过温度控制连续调节超过3 nm的波长。

ABSTRACT

The behavior of a parity-time (PT) symmetric coupled microring system is studied when operating in the vicinity of an exceptional point. Using the abrupt phase transition around this point, stable single-mode lasing is demonstrated in spectrally multi-moded micro-ring arrangements.

研究动机与目标

• 通过PT对称耦合，实验演示在本质上多模的微环激光器中实现单模激光输出。
• 研究非厄米光子系统中非简并点在模式稳定化中的作用。
• 利用半导体中的热光效应，在单模PT激光器中实现连续波长调谐。
• 通过调节微环谐振器之间的增益-损耗对比度和耦合强度，控制激光行为。

提出的方法

• 使用时域耦模理论对耦合微环系统进行建模，本征频率由公式 (1) 推导：𝜔𝑛(1,2) = 𝜔𝑛 + i(𝛾𝑎𝑛+𝛾𝑏𝑛)/2 ± √𝜅𝑛² − ((𝛾𝑎𝑛−𝛾𝑏𝑛)/2)²。
• 通过控制间距（50–300 nm）制备基于InGaAsP的微环对，以调节通过近场重叠的耦合强度𝜅𝑛。
• 使用刀刃差异性阻挡泵浦光，选择性地在其中一个环中引入损耗，同时在另一个环中保持增益，从而穿越非简并点。
• 通过均匀泵浦配置下的波长分裂测量耦合强度，确认其与环间距的指数依赖关系。
• 利用温度调谐（270–300 K）以利用热光系数（𝑑𝑛/𝑑𝑇 ~10⁻⁴ K⁻¹）实现连续光谱调谐。
• 使用CCD相机和高分辨率光谱仪（0.4 nm分辨率）监测发射光谱和强度分布。

实验结果

研究问题

• RQ1 在微环激光器中，PT对称耦合是否能强制在本质上多模的系统中实现单模操作？
• RQ2 当系统穿越非简并点时，其行为如何？PT对称性破缺模式在激光稳定性中起什么作用？
• RQ3 在无模式跳跃的情况下，PT对称微环激光器的波长调谐范围有多大？
• RQ4 耦合强度和增益-损耗对比度如何影响系统穿越非简并点的转变？

主要发现

• 在非简并点（|𝛾𝑎𝑛−𝛾𝑏𝑛| = 2𝜅𝑛）处，两个本征模在实部和虚部均合并，导致急剧的相变。
• 通过非简并点后，仅PT对称性破缺模式——局域于增益环中——具有足够放大能力实现激光振荡，从而实现单模操作。
• 单模激光的线宽测量值约为10 GHz，证实了高光谱纯度。
• 在30 K温度范围内（270–300 K）实现了3.3 nm的连续波长调谐，且单模操作得以保持。
• 进一步提高温度导致自由光谱范围发生跳变，由于增益谱的移动，实现了额外3.3 nm的调谐范围。
• 实验测得耦合强度约为~10¹² s⁻¹，其与环间距的指数依赖关系与仿真结果一致。