光芯片'換擋'有多快？北京大學發(fā)現(xiàn)微激光模式切換的冪律極限

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現(xiàn)代光芯片要想實時調(diào)控光信號，微激光器必須在不同工作模式間極速"換擋"。這類似于汽車在行駛中切換檔位，但發(fā)生在納秒量級。這種切換究竟能快到什么程度？是否存在物理定律設定的終極限速？

北京大學物理學院團隊近期在《物理評論快報》（Physical Review Letters）發(fā)表了一項實驗研究。他們首次精確測定了微腔激光器狀態(tài)切換的完整動態(tài)過程，發(fā)現(xiàn)了一個簡潔的冪律標度關(guān)系：切換時間與控制參數(shù)的掃描速度遵循平方根反比律。換句話說，當你把"換擋"操作加快4倍，實際的切換時間只會縮短一半。這個指數(shù)為0.5的普適規(guī)律，為光芯片的設計劃定了明確的物理邊界。

在直徑僅幾十微米的二氧化硅微球腔中，光可以沿順時針和逆時針兩個方向傳播。這兩個方向的光波相互耦合，形成兩種具有相反對稱性的駐波態(tài)，也就是所謂的"超模式"。它們能量相近，始終處于競爭狀態(tài)。

當外部條件變化時，激光不會平滑過渡，而是會發(fā)生類似"相變"的突然跳變。這種非平衡態(tài)相變普遍存在于開放系統(tǒng)中，但過去的研究大多只能看到"起點"和"終點"，中間那關(guān)鍵的瞬態(tài)過程——激光如何從一個狀態(tài)衰落到另一個狀態(tài)崛起——始終是一片模糊。這主要是因為切換發(fā)生在納秒量級，且系統(tǒng)持續(xù)受驅(qū)、不斷損耗，噪聲和耗散交織其中。

北京大學團隊搭建了一個獨特的實驗平臺。他們在超高Q值（品質(zhì)因數(shù)）微腔外增加了一條反饋環(huán)路，將少量激光重新注入腔體。通過精確控制回注光的相位，研究人員可以調(diào)節(jié)兩個競爭模式之間的損耗平衡，就像調(diào)整蹺蹺板的兩端。

這種調(diào)控方式屬于"非厄米"控制。它直接重塑決定模式勝負的增益-損耗景觀，而非簡單地移動共振頻率。這讓團隊能夠以可控方式驅(qū)動系統(tǒng)穿越臨界點。

為了"拍攝"切換過程，研究人員采用了射頻拍頻技術(shù)。他們將激光輸出與穩(wěn)定參考光混頻，把超快的光學變化轉(zhuǎn)化為可測的電學信號。這種方法實現(xiàn)了亞10納秒的時間分辨率，將原本不可見的內(nèi)部躍遷轉(zhuǎn)化為可量化的"高速電影"。

在能夠?qū)崟r記錄切換后，團隊進行了一系列系統(tǒng)性實驗。他們重復切換操作，但每次以不同的速度掃描控制參數(shù)。結(jié)果呈現(xiàn)出驚人的規(guī)律性：在很寬的掃描速度范圍內(nèi)，切換時間與掃描速度的-0.5次方成正比。

也就是說，切換時間遵循冪律標度，指數(shù)穩(wěn)定在0.5附近。這揭示了一個普適的物理圖像：雖然更快的掃描能加速切換，但收益遵循平方根遞減。當你將控制速度提升100倍，切換時間僅縮短10倍。這為微激光器的"換擋"速度設定了一個基本的標度極限。

值得注意的是，類似的冪律行為在耦合腔激光網(wǎng)絡中也有報道。這表明該規(guī)律并非特定器件的巧合，而是驅(qū)動-耗散光子系統(tǒng)中非平衡臨界動力學的深層體現(xiàn)。對于需要快速重構(gòu)的片上光子器件，以及用于優(yōu)化計算和模擬計算的耦合激光網(wǎng)絡而言，這一標度律提供了精確的預測工具。

這項研究發(fā)表于2026年2月，代表著中國在微腔光學與非厄米光子學交叉領(lǐng)域的持續(xù)深耕。以肖云峰教授、龔旗煌院士為代表的北京大學團隊，長期在超高Q值微腔制備、超靈敏傳感及非厄米物理方面保持國際領(lǐng)先。此前，他們已在《自然·物理》《物理評論快報》等期刊發(fā)表了一系列關(guān)于微腔非對稱傳輸、奇異點（Exceptional Points）操控的工作。

從更廣闊的視野看，中國在微納光子學領(lǐng)域的整體布局已呈現(xiàn)多點開花的態(tài)勢。中國科學技術(shù)大學郭光燦院士、董春華教授團隊在微腔光力學和量子存儲方面成果卓著；浙江大學劉旭教授、童利民教授團隊在微納光纖及微腔激光器制備工藝上持續(xù)突破；中科院物理所、半導體所也在主動調(diào)控微激光器方面積累了深厚的實驗基礎。

特別值得注意的是，非厄米光子學作為一個新興前沿方向，中國學者正從早期的跟跑轉(zhuǎn)變?yōu)椴⑴苌踔敛糠诸I(lǐng)跑。此次北大團隊通過精巧的反饋控制手段，將非厄米物理從靜態(tài)調(diào)控拓展到動態(tài)臨界過程，為這一領(lǐng)域提供了難得的實驗基準。在光芯片國產(chǎn)化的戰(zhàn)略背景下，這類基礎研究不僅揭示自然規(guī)律，更為下一代可重構(gòu)光子器件的工程設計提供了不可多得的"物理羅盤"。

Qi-Tao Cao et al, Power-Law Scaling of Lasing-State Switching in Optical Microcavities, Physical Review Letters (2026). DOI: 10.1103/s2x6-5k55