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光学微腔是集成光学芯片中最核心且应用最广的一类元件，一直是人们重点研究的领域。光学微腔中几乎所有的性质都由其谐振模式（光场分布）决定，如光学损耗、耦合效率、激光阈值等，这些性质对于器件设计、制备和测试应用都至关重要。通常，光学微腔中谐振模式的光场分布可以借助数值仿真模拟的方式获取，而在实验中仅仅判断模式的类型就十分困难，往往只能靠“猜”的方式，借助于测量结果中的某些特定参数与仿真结果进行比较，例如相邻模式的自由光谱区（FSR）、远场能量出射分布等，要想直接得到某一模式的场分布就更加困难。
要实现对模式场分布的实验测量，最常用的方法是探针近场扫描：通常光学模场并不会完全限制在腔内，会有一部分光以倏逝波在腔表面传播，在不同位置会有不同强度，如微盘腔中回音壁模式（Whispering-Gallery mode）光场会集中在边界，在内圆区域则几乎没有光场分布。探针进场扫描测量是通过将探针靠近在微腔表面，使其与倏逝波相互作用，扫描探针的同时测量微腔的谐振变化，在光场分布较强的位置谐振受到探针影响较大，而光场分布较弱的位置则受到较小影响，通过不同位置的谐振变化大小来得到光场分布。然而，这类方法也有其局限性：首先，倏逝波往往在微腔表面很近的范围传播，探针要实现较强的影响需要贴近微腔表面扫描，对于高折射率材料如硅更是挑战；其次，探针与微腔表面的相对位置也会对谐振变化的强度有较大影响，这就要求探针与微腔保持一致的相对位置，这对机械控制系统的精度和稳定性要求苛刻；对于一些特殊工作环境的微腔，如液体环境中或者有保护层的微腔，如硅微腔通常会有一层二氧化硅保护层，此时探针近场扫描的方法同样会存在局限性。
近日，哈尔滨工业大学（深圳）宋清海教授团队和纽约市立大学Li Ge团队合作提出了一种更为简捷且低成本的方法，可以直接观测出光学微腔中谐振模式的光场分布。以SOI光学芯片为平台，该团队将420 nm纳秒激光聚焦在微腔表面，造成硅中载流子吸收产生热效应，从而带来局部的折射率变化。在光场分布较强的位置，局部折射率变化带来的谐振变化较大，光场分布较弱的位置则会有较小谐振变化，因此通过扫描激光在微腔表面位置的同时对谐振变化进行测量，实现“看得见”微腔内的光场分布。在实验中，该团队成员实现了对多种不同模式间的辨别，展现出较高的分辨率，与数值仿真结果有非常高的一致性。借助以上方法为工具，该团队成员实现了对变形光学微腔中混沌辅助隧穿现象的直接观测，并首次在实验中验证了“稳定态-混沌态”之间隧穿的时间反演性。
光学微腔除了拥有巨大的商业应用前景，同时也是基础研究的一个很好平台。与传统光学微腔（通常为纯圆形）相比，变形微腔可以通过改变自身形状带来更多的自由度，从而调控自身模式来实现需要的功能。早期的研究中，变形腔主要是来构建有源微腔激光器的方向性出射，从而实现定向的激光收集与应用。随着研究的深入，学者们发现某些特殊形状可以构建出能够支持多种“混沌模式”的“混沌”微腔，成为一个很好的研究“混沌”、“量子隧穿”等基础研究的平台。其中，“稳定态-混沌态”之间的量子隧穿效应一直这个方向重要的研究课题，该领域的实验研究主要还是以有源变形腔激光器做为平台，主要原因就是实验中测量得到的光谱FSR和远场能量分布要结合数值仿真中的模拟结果来“猜”模式，过去的研究中并没有直接的实验证据，如光场分布，来直接验证“稳定态-混沌态”量子隧穿效应。
同时，随着半导体制备工艺的快速发展，制备超低损耗且超低成本的的集成硅光芯片成为可能，结合变形微腔中丰富的模式特性以及更多维度的模式调控方式，给传统以纯圆形微腔为基础的集成光芯片注入了新的活力，如光学频率梳超宽光谱高效率耦合，调控模式相互作用实现模式强耦合、法诺共振或电磁诱导透明等诸多应用。相比于传统纯圆形微腔较规则的光场分布，变形微腔中模式场分布更为复杂多变，更需要腔内模式场分布信息进行研究，若能同时保持操作简捷、快速且低成本，则更能在未来集成光芯片发展中起到重要作用。
来自哈尔滨工业大学（深圳）宋清海团队和纽约城市大学Ge Li团队基于激光导致硅中载流子吸收效应，利用其造成的热-光效应造成的局部折射率变化，实现了对光学微腔中任意模式的“看得见”。该测量光路如图1所示，经过准直和聚焦光路，420 nm纳秒激光泵浦在SOI微腔上，在光斑的作用范围内会造成硅中载流子吸收并释放热量，进而通过热-光效应改变了光斑作用范围内硅的折射率。在光场分布较强的位置，折射率的变化会造成较强的谐振变化，而光场分布较弱的位置则变化较小，通过控制扫描激光斑在微腔上的位置，同时测量谐振变化的大小则可得到腔内的光场分布。
图1 测量光路示意图。
图2 圆形微腔内不同阶数的回音壁模式光场径向强度分布。
接着，研究者将该光场分布测量方法直接应用在Quadruple型变形微腔中，相比传统的纯圆形微腔，这类的微腔支持更多种类的模式，因此直接从光谱中“猜”出准确的模式类型变得尤为困难，如图3b所示透射光谱。在光谱中，研究者选取了4中不同类型模式进行了光场分布直接测量，其测量结果如图3d所示，场分布也与数值仿真中保持了较高的一致性，这也与反推FSRs得到的结论一致。从图3d中模式1的场分布可以看到，“棱形”分布的模式被称为“稳定态”模式，在能够分辨出模式的类别后，研究者能够准确地选择出腔内的特定模式进行详细研究，避免“猜”造成的误差。
图3 Quadruple变形微腔内不同谐振模式光场分布。
在图4a中，研究者将一个波导直接与微腔theta=-36.3°位置相连，通过实验测量得到的场分布可以清楚看到该波导与棱形的“稳定态”模式并没有重合。而观察从端口1到端口3的透射谱可以清晰看出，棱形的“稳定态”在端口3有能量输出，这说明该“稳定态”模式是通过隧穿到临近的“混沌态”模式中，最终从端口3中出射，这一结果是对变形腔中混沌辅助隧穿效应的直接实验验证。如图4b所示，研究者又将端口3作为输入，在端口1中测量到的光谱中看到相同的棱形“稳定态”模式被激发，这也说明光是通过端口3所连接“混沌态”隧穿回“稳定态”中，首次直接实验证明了该过程是时间反演的。
图4 Quadruple变形微腔内“稳定态-混沌态”双向隧穿效应。
本文中，研究者通过实验读取变形微腔中的光场模式分布，直接实验验证了“稳定态-混沌态”的量子隧穿过程，为变形微腔的研究提供了重要的实验依据。研究者开发的光学微腔中光场分布测量方法并不依赖于特定的材料体系和微腔形状，理论上任何能产生光致折射率变化材料和机制都可适用于该系统；该方法测得的光场分布并不受限于文中的分辨率，更低波长的激光和更小的聚焦光斑还能进一步增加分辨率。该系统也并不只局限于对光场分布的测量，可以作为重要的潜在工具，通过直接光调控腔内模式来实现相邻模式间的耦合等动态控制。
本文共同第一作者分别为哈尔滨工业大学（深圳）Shuai Wang和Shuai Liu。哈尔滨工业大学（深圳）Qinghai Song，Shumin Xiao和纽约市立大学Li Ge为共同通讯作者。
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