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0431-81702023
光学工程
全光控制,构建光学传输的“单行道”

光在一般线性介质中具有双向传输的互易性。然而在光子集成电路中,对光的单向控制是经典和量子信息处理中最基本的要求之一。

全光控制的光隔离器、环形器以及非互易移相器一直是光学芯片研究的热点,这些光学器件都基于光学的非互易特性。一般的非互易器件是基于磁光材料的特性,但是这样的材料往往需要强磁场,且不便于实现与光子芯片的集成。构建可集成化的全光非互易器件仍然面临巨大的挑战。

近日,中国科学技术大学中科院量子信息重点实验室董春华研究小组首次在回音壁模式微腔内实现了腔光力体系的非互易光学传输,得到了全光控制的非互易微腔器件。该成果于2016年8月22日在线发表在Nature Photonics [doi:10.1038/nphoton.2016.161]上。

这一工作利用了回音壁模式微腔内常见的光力相互作用。不过与以往不同的是,其光学模式是两个简并的顺时针方向和逆时针方向的行波模式,这两个简并的光学模式具有完全相反的轨道角动量。在满足角动量匹配的情况下,仅仅当驱动光和信号光耦合到同一个光学模式时,驱动光才能激发信号光子和声子的相干转换,因此导致了光传播的非互易特性。

在此基础上,研究小组观察到了单向驱动光导致的光力诱导透明和放大的非互易现象,证实了多达40°的非互易相移,这是实现光隔离器、环形器的基础。此光力体系诱导的非互易性还可通过相向传播的驱动光同时激发顺时针和逆时针方向的行波模式来调控,进而实现这两个光学模式的相干转换。该特性能用于可调窄带反射器,此外,它还扩充了适合作为非互易器件的腔光力体系,将工作波长扩大到整个光波甚至微波波段。


图1 (a) 腔光力体系非互易光学实验简图。只有当驱动光与入射信号一致时,才能增强腔光力相互作用;(b) 光力诱导透明(OMIT)和放大(OMIA)示意图;(c-f) 非互易特性谱线。

该工作研究的非互易机理具有普适性,可推广到任何具有机械振动的行波模式系统,有助于实现集成化的微腔芯片元器件。在此得到证明的非互易相移也可用于研究光子的拓扑性质,实现手性边缘态和拓扑保护。特别应当指出的是,若当力学体系处于量子基态时,单光子水平的光隔离便也成为可能,这将在复合量子网络领域发挥重要作用。


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