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現(xiàn)代光芯片要想實(shí)時(shí)調(diào)控光信號(hào)，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(jí)。這種切換究竟能快到什么程度？是否存在物理定律設(shè)定的終極限速？

北京大學(xué)物理學(xué)院團(tuán)隊(duì)近期在《物理評(píng)論快報(bào)》（Physical Review Letters）發(fā)表了一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)研究。他們首次精確測(cè)定了微腔激光器狀態(tài)切換的完整動(dòng)態(tài)過(guò)程，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)簡(jiǎn)潔的冪律標(biāo)度關(guān)系：切換時(shí)間與控制參數(shù)的掃描速度遵循平方根反比律。換句話說(shuō)，當(dāng)你把"換擋"操作加快4倍，實(shí)際的切換時(shí)間只會(huì)縮短一半。這個(gè)指數(shù)為0.5的普適規(guī)律，為光芯片的設(shè)計(jì)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(shí)針和逆時(shí)針兩個(gè)方向傳播。這兩個(gè)方向的光波相互耦合，形成兩種具有相反對(duì)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(jìng)爭(zhēng)狀態(tài)。

當(dāng)外部條件變化時(shí)，激光不會(huì)平滑過(guò)渡，而是會(huì)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(kāi)放系統(tǒng)中，但過(guò)去的研究大多只能看到"起點(diǎn)"和"終點(diǎn)"，中間那關(guān)鍵的瞬態(tài)過(guò)程——激光如何從一個(gè)狀態(tài)衰落到另一個(gè)狀態(tài)崛起——始終是一片模糊。這主要是因?yàn)榍袚Q發(fā)生在納秒量級(jí)，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(xué)團(tuán)隊(duì)搭建了一個(gè)獨(dú)特的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。他們?cè)诔逹值（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(guò)精確控制回注光的相位，研究人員可以調(diào)節(jié)兩個(gè)競(jìng)爭(zhēng)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(fù)的增益-損耗景觀，而非簡(jiǎn)單地移動(dòng)共振頻率。這讓團(tuán)隊(duì)能夠以可控方式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)穿越臨界點(diǎn)。

為了"拍攝"切換過(guò)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(xué)變化轉(zhuǎn)化為可測(cè)的電學(xué)信號(hào)。這種方法實(shí)現(xiàn)了亞10納秒的時(shí)間分辨率，將原本不可見(jiàn)的內(nèi)部躍遷轉(zhuǎn)化為可量化的"高速電影"。

在能夠?qū)崟r(shí)記錄切換后，團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了一系列系統(tǒng)性實(shí)驗(yàn)。他們重復(fù)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(shí)間與掃描速度的-0.5次方成正比。

也就是說(shuō)，切換時(shí)間遵循冪律標(biāo)度，指數(shù)穩(wěn)定在0.5附近。這揭示了一個(gè)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(dāng)你將控制速度提升100倍，切換時(shí)間僅縮短10倍。這為微激光器的"換擋"速度設(shè)定了一個(gè)基本的標(biāo)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(luò)中也有報(bào)道。這表明該規(guī)律并非特定器件的巧合，而是驅(qū)動(dòng)-耗散光子系統(tǒng)中非平衡臨界動(dòng)力學(xué)的深層體現(xiàn)。對(duì)于需要快速重構(gòu)的片上光子器件，以及用于優(yōu)化計(jì)算和模擬計(jì)算的耦合激光網(wǎng)絡(luò)而言，這一標(biāo)度律提供了精確的預(yù)測(cè)工具。

這項(xiàng)研究發(fā)表于2026年2月，代表著中國(guó)在微腔光學(xué)與非厄米光子學(xué)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(xué)團(tuán)隊(duì)，長(zhǎng)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(guó)際領(lǐng)先。此前，他們已在《自然·物理》《物理評(píng)論快報(bào)》等期刊發(fā)表了一系列關(guān)于微腔非對(duì)稱傳輸、奇異點(diǎn)（Exceptional Points）操控的工作。

從更廣闊的視野看，中國(guó)在微納光子學(xué)領(lǐng)域的整體布局已呈現(xiàn)多點(diǎn)開(kāi)花的態(tài)勢(shì)。中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭光燦院士、董春華教授團(tuán)隊(duì)在微腔光力學(xué)和量子存儲(chǔ)方面成果卓著；浙江大學(xué)劉旭教授、童利民教授團(tuán)隊(duì)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(dǎo)體所也在主動(dòng)調(diào)控微激光器方面積累了深厚的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

特別值得注意的是，非厄米光子學(xué)作為一個(gè)新興前沿方向，中國(guó)學(xué)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(tuán)隊(duì)通過(guò)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(dòng)態(tài)臨界過(guò)程，為這一領(lǐng)域提供了難得的實(shí)驗(yàn)基準(zhǔn)。在光芯片國(guó)產(chǎn)化的戰(zhàn)略背景下，這類基礎(chǔ)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(shè)計(jì)提供了不可多得的"物理羅盤(pán)"。

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