近日，哈佛大学工程与应用科学学院（SEAS）下设Federico Capasso实验室的研究人员开发了一种“超级模式”光学谐振器。它通过使用反射器将光从一种模式转换为另一种模式，能够以前所未有的方式操纵光，从根本上改变了谐振器的设计。

（图片来源：Capasso Lab, Harvard SEAS）

谐振器是光学、激光、显微镜、传感等大多数应用的核心组件。当下，除了传统的散射增强和抗反射外，光学谐振器已成为提高光伏、光催化以及发光器件性能的最有前景的方法之一。 它也是电信传输的关键，主要是通过光的频率编码图像和音频。

该研究论文的第一作者、SEAS客座教授、布鲁塞尔自由大学数学和物理学助理教授Vincent Ginis介绍称，光学谐振器由两个反射器组成，可以来回反射光线，例如将光集中在激光中，或者在光纤和电信等领域过滤光的频率。然而到目前为止，谐振器及其内部的两个反射镜控制着光的强度和频率，但不能控制光的模式，而光的模式又决定了光子在空间和时间中流动的形状和方式，因此这一方面的控制也非常关键。

Vincent Ginis教授表示，研究团队的目标是在谐振器内实现多模耦合光，这是传统谐振器无法实现的，目的在于规避上述的谐振器设计方面的权衡。将多种模式的光结合在一起，就形成了研究人员所说的“超级模式”。

Vincent Ginis教授补充称：“级联模谐振器是对传统法布里－珀罗谐振腔（Fabry－Perot resonator）的改进，因为它们能够帮助创建‘超级模型’，即将不同的横向波导模式耦合在一起的纵向模式。虽然Fabry－Pérot谐振器可以控制光的强度和频率，但它们不能控制光的横向模式（决定了光传播的横向形状）。”

光通常被认为以光束或直线的模式运动，但光束也能够以诸如螺旋等其他方式传播。据研究人员介绍，Federico Capasso实验室团队开发的谐振器是首个让科学家精确控制光的模式的设备。更重要的是，该器件使多模耦合光存在于谐振腔内——这是通过在谐振器装置两端的反射器表面蚀刻一种新型图案来实现的。

Federico Capasso实验室团队的研究助理、EPFL电子与微工程研究所的微工程助理教授Cristina Benea－Chelmus表示：“我们意识到可以在集成光子学平台上测试我们的新型谐振器概念，并选择了绝缘体上的硅作为材料，许多科学家和公司都使用这种材料进行传感或通信等应用。”

该团队的实验测试实现了光模式、光的强度和频率两个方面的控制：首先，蚀刻的尺寸约为300－600nm，使团队能够控制谐振器内光束的形状；而在谐振器的两端使用不同模式的反射器，则可以在光移动时改变光的形状。

Vincent Ginis教授指出：“在我们的系统中，当光从左到右，或从右到左时，模式是不同的。我们已经找到了打破谐振腔内部对称性的方法。”

这一突破具有巨大的潜力，可以提高利用光传输的信息带宽，并为研究人员在谐振器内操纵光解锁新的自由度。这种光学谐振器提供了一种新的工具来进行基础物理实验，比如利用光来使物体运动。通过在谐振器中放置一个物体，还可以操纵像微小原子、分子和DNA链这样的材料。

目前，哈佛大学技术开发办公室已经申请保护这一光学谐振器创新的知识产权，并且探索其商业化。Ginis表示，要让这项技术走向普及应用，还必须采取几个步骤：

首先，需要进行更多的研究和开发，以优化谐振器的设计和性能，并探索潜在的新应用。这可能涉及对不同材料和蚀刻技术的进一步实验，以及对谐振器特性、能力的更深入研究。

他补充称，除了光学谐振器之外，级联模谐振器的概念还可以应用于其他电磁谐振器，未来有望对包括无线通信、雷达系统和其他电磁传感技术在内的应用产生重大影响。然而，目前还需要进一步的研发，以确定将级联模谐振器应用于其他类型的电磁辐射的可行性和潜在效益。