【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】多穩(wěn)態(tài)(multistability)是指系統(tǒng)在同一外部條件下存在多個穩(wěn)定狀態(tài)，它是復(fù)雜非線性系統(tǒng)的核心特征之一，也是實現(xiàn)多值光存儲所亟需的關(guān)鍵要素。然而，由于光學(xué)非線性效應(yīng)較弱，在微納尺度下實現(xiàn)光學(xué)多穩(wěn)態(tài)一直是該領(lǐng)域的一大挑戰(zhàn)。近日，北京大學(xué)電子學(xué)院彭超團(tuán)隊聯(lián)合哈爾濱工程大學(xué)、俄羅斯ITMO大學(xué)團(tuán)隊，在《自然-納米技術(shù)》(Nature Nanotechnology)上發(fā)表了題為“Optical multistability in a compact microcavity enabled by near-exceptional coupling”的研究論文。他們通過在光子晶體微腔中設(shè)計一對近簡并的超高品質(zhì)因子(Q)諧振模式，實現(xiàn)了非厄米體系的近奇異點耦合(near-exceptional coupling，NEC)機(jī)制，并成功在緊湊的硅基芯片上實現(xiàn)了低閾值的光學(xué)三穩(wěn)態(tài)。
 

　　研究團(tuán)隊從光子晶體微腔的對稱性出發(fā)，巧妙利用布里淵區(qū)折疊構(gòu)造簡并模式，并通過結(jié)構(gòu)擾動引入了一種共享輻射通道的非厄米耦合。當(dāng)系統(tǒng)接近奇異點時，兩個特征模式發(fā)生耦合雜化，產(chǎn)生波長和線寬幾乎相等的混合模式。在這種被稱為“近奇異點耦合(NEC)”的狀態(tài)下，微腔能夠與輻射通道高效交換能量，并維持穩(wěn)定的模式間相互作用，從而為光學(xué)多穩(wěn)態(tài)的產(chǎn)生奠定基礎(chǔ)。
 

　　實驗中，團(tuán)隊在直徑僅為20微米的硅基光子晶體微腔內(nèi)，實現(xiàn)了品質(zhì)因子高達(dá)10^6的諧振模式。這得益于極高的Q值和NEC機(jī)制所帶來的雙模式腔內(nèi)場增強(qiáng)，系統(tǒng)展現(xiàn)出顯著的基于熱光非線性的三穩(wěn)態(tài)特征。實驗觀測到的遲滯回線顯示，在僅為240μW的極低輸入功率下，系統(tǒng)即可在三個穩(wěn)定狀態(tài)之間切換。
 

　　基于這一發(fā)現(xiàn)，研究團(tuán)隊進(jìn)一步展示了多值光學(xué)存儲器的原型器件。通過對輸入光功率或波長的調(diào)制，系統(tǒng)可以在三個穩(wěn)定的強(qiáng)度狀態(tài)之間進(jìn)行快速、可靠的切換。這一成果不僅驗證了利用非厄米物理調(diào)控光學(xué)非線性的可行性，也為開發(fā)可擴(kuò)展、可重構(gòu)的光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和神經(jīng)形態(tài)計算處理器提供了新型基本構(gòu)建單元。
 

　　該研究揭示了一種在緊湊光子系統(tǒng)中通過控制模式輻射耦合來實現(xiàn)穩(wěn)健多穩(wěn)態(tài)的通用策略。北京大學(xué)電子學(xué)院博士生劉臻為第一作者，北京大學(xué)電子學(xué)院、光子傳輸與通信全國重點實驗室王非凡博士和彭超為論文共同通訊作者。該工作得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金等項目的支持。
 

　　引用：電子學(xué)院彭超團(tuán)隊在光學(xué)微腔多穩(wěn)態(tài)研究中取得重要進(jìn)展-北京大學(xué)【引用時間：2026年6月29日】