基于回音壁模式微腔的多模光力学

Optomechanical systems are one of the very effective systems in studying macroscopic quantum physics, in which whispering-gallery-mode (WGM) microresonators gradually become the hot research in quantum and nonlinear optics with the advantages of high quality factors, small mode volume, and easy integration. However, the current researches focus on single mode optomechanical systems.. Multimode optomechanics (MOM) provides more controlled degrees of freedom, which mean more potential applications. This program is based on WGM resonators as the research object, and we intend to study the multimode optomechanical systtems by using its own multitude of optical and mechanical modes. The natural degenerate modes in traveling-wave microresonators form a decoherence-free subspace, which is robust against environmental noises. The optomechanical coupling of traveling-wave modes can be controlled by optically pumping in different directions, which can be applied to degenerate pair generation, phase-controlled non-reciprocity, and phononic parity-time symmetry. Squeezing of modes can enhance optomechanical couplings, and we can apply it into MOM to analyze phase-controlled optomechanical coupling. We can further explore multiple WGM microresonators, and construct artificial magnetic field so as to realize photonic and phononic topological states. This study provides the theoretical basis for the experimental application.

光力系统是研究宏观量子物理非常有效的体系之一，其中回音壁模式微腔由于具有高品质因子、小的模式体积以及可集成化的优点，逐渐成为研究量子光学和非线性光学的热点。然而，目前的研究主要集中于单个光力模式的耦合系统。. 多模光力系统具有更多可操控的自由度，展现出更大的应用潜力。本项目是以回音壁模式微腔为研究对象，利用其本身的多个光学和机械模式，拟开展多模式光力耦合系统研究。天然简并的行波模式能够形成一个无消相干子空间，具有非常强的抗环境噪声能力。行波模式的光力耦合通过不同方向的驱动光来调控，可用于简并光子对的产生、相位控制的非互易性、声子的宇称-时间对称性等方面。模式的压缩可以用来增强光力耦合强度，拟将其推广到多模式体系中，分析相位控制的光力耦合。进一步探索多个回音壁模式微腔系统，构造人工磁场，从而实现光子和声子拓扑态。该研究为多模光力的实验应用提供了理论基础。

光力系统不仅是研究宏观量子物理非常有效的体系之一，而且在光学集成芯片方面具有非常大的潜在应用，最终应用于经典或者量子信息处理。然而，目前研究主要集中在单个光力模式耦合系统，多模式的优势还未充分利用。本项目以回音壁模式微腔为研究对象，利用其中天然多模式的优势，研究多模式光力系统在光力纠缠、冷却、非互易器件方面的应用。通过辅助模式的耗散控制能够恢复由于噪声破坏的光力纠缠，提高光力冷却效果一个量级；基于参量放大和相位控制实现光力系统的强耦合，并且还能实现指数增强的辐射压力、参量放大和三模共振光力耦合的任意转换，作为其中的一个应用，我们进一步讨论了相位控制的低阈值声子激光；同实验组合作，利用光波的行波模式和双波导耦合系统，实验上实现了平均隔离度达到13dB的环形器，透射率对比度达到34.3 dB的定向放大器；利用行波背散和控制光相位在单个微腔中构造人工合成规范场，实现模式之间的非互易转换。总之，我们建立了基于回音壁模式微腔多模式光力学方面的一般理论，并同实验组合作验证了多模式在微纳光学器件的优势。