近年来，我室陈少武研究员指导博士生张利斌等人在硅基非线性光子学方面取得了一定的研究进展，系统深入研究了硅基微环谐振腔的非线性动力学过程及实现非线性全光逻辑功能的技术途径。2012年理论研究了连续波泵浦光激发下硅基微腔的非线性动力学行为，探索出不同参数和注入条件下系统各种非线性动力学状态，包括双稳态、自脉动和混沌振荡等状态之间的激发、转换规律，相关研究成果发表在Opt. Express 20(7), 7454-7468 2012；2013年进一步研究了热光效应和载流子色散等非线性效应同时起作用时硅基微腔中的非线性动力学现象，国际上首次发现在某些波长范围内微腔的输出态将呈现出依赖于输入功率和波长的复杂动力学行为，即出现多双稳态和多自脉动态，研究成果发表在PHYSICAL REVIEW A 87, 053805 (2013)；随后对此现象进行了实验验证，论文发表在J. Opt. Soc. Am. B, Vol. 31, No. 2, 201-206, 2014上。这种输入功率和波长对多双稳态和多自脉动态的可控性对于实现新功能全光非线性器件具有重要意义。

　　论文发表后被美国光学学会Optics InfoBase网站选为光学领域的“关注焦点论文”（Spotlight  Article）予以介绍。评论全文如下：

　　“虽然光学谐振腔的研究最早可以追溯到一个多世纪前C. Fabry和A. Pérot的开创性工作，但是时至今日对光学谐振腔的研究仍然充满活力。光学谐振腔就像一个“魔盒”，各种新奇的现象层出不穷，特别是当谐振腔内各种不同的物理机制同时发生并相互作用时更是如此。尤其是光学谐振腔中的非线性动力学，乃是一个永无止境的发现之源。例如当谐振腔中的光功率密度达到足够高时，可以激发出非线性光学双稳态和自脉动效应。光学双稳态与谐振腔中存在的两个可能的稳定态有关，人们对其在光存储、全光触发器和逻辑器方面的应用特别感兴趣。自脉动通常发生在更高的功率密度下，与谐振腔在两个非稳态之间的周期性摆动振荡有关，其导致输入的连续波变为类似脉冲串的输出波形。自脉动效应在片上时钟信号广播方面可能会有一定的应用潜力。虽然现在人们常常听说到双稳态和自脉动，但是如果我们自认为我们了解所有光学谐振腔非线性动力学的话，我们可能会在一些新的事实面前感到惊奇。

　　事实上，非线性过程背后的物理内涵比人们起初预想的要丰富的多，尤其是在硅基微环谐振器这类半导体微腔中。在硅波导中，由非线性过程产生的自由载流子对于折射率的改变起到了一个双重的、自抵消的作用：自由载流子色散效应（FCD）导致折射率减小；而由于硅能带内、带间的载流子弛豫和声子激发会引发波导自加热，进一步由热光效应（TO）导致折射率的增大。取决于上述两种效应不同的响应时间，折射率的改变时而相互平衡，时而失衡，导致谐振腔表现出完全不同的非线性动力学过程。在一个无源硅波导微环中，自由载流子寿命和热扩散时间均为常数，因此触发和控制自脉动的唯一方法是改变入射光场的功率和波长。一旦能够至少控制上述两种特征时间中的一种，就提供了一种强有力的手段来使谐振腔在不同非线性动力学区域间任意转换，这样就为控制双稳态和自脉动机制提供了额外的自由度。

　　S. Chen和 L. Zhang 等人的研究工作证明了以上构想的确是可能实现的。他们研究了附带有PN结的硅微环谐振腔的非线性动力学过程。当PN结不加偏压时，自由载流子（在1550nm波段主要是由双光子吸收激发的）被PN结内建电场自动扫移出波导芯区，然后在波导边界的Si-SiO₂界面处发生复合（复合时间尺度约为3ns）在这些条件下，FCD和TO效应能够有效地相互平衡，实验中观察到输入光功率仅仅几毫瓦时就能引发微腔光场自脉动。通过调控入射波长相对于微腔谐振波长的失谐量，自脉动的频率可以在10-20MHz间连续调谐，输出脉冲波形的占空比也可以几乎在0-100%范围内调整。如果在PN结上施加反向偏压（-1V），自由载流子会被更快速地扫移出波导芯区，导致自由载流子有效寿命降低两个数量级（约为0.03 ns）。在这种情况下，FCD和TO效应之间的平衡被打破，导致在任何输入功率和波长失谐下都不会出现自脉动。这意味着凭借简单的外部电控，可以实现一种完全可控的方法来极大地调控谐振腔的非线性动力学状态。

　　这些研究成果开创了集成光学微腔应用的新领域，无论是线性或者非线性应用领域，亦或是作为下一代可重构光子集成回路的关键构建单元，这些非线性微腔都终将成为非常灵活的器件。对于那些对基础研究感兴趣的科研人员，这项工作给予我们的启事是，完全理解光学谐振腔的路途还很漫长，或许故事最激动人心的章节尚未到来。评论人：Francesco Morichetti”

　　  

　　美国光学学会Optics InfoBase网站评论原文链接：http://www.opticsinfobase.org/spotlight/summary.cfm?uri=josab-31-2-201