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光學工程
全光控制,構建光學傳輸的“單行道”

光在一般線性介質中具有雙向傳輸的互易性。然而在光子集成電路中,對光的單向控制是經典和量子信息處理中最基本的要求之一。

全光控制的光隔離器、環形器以及非互易移相器一直是光學芯片研究的熱點,這些光學器件都基于光學的非互易特性。一般的非互易器件是基于磁光材料的特性,但是這樣的材料往往需要強磁場,且不便于實現與光子芯片的集成。構建可集成化的全光非互易器件仍然面臨巨大的挑戰。

近日,中國科學技術大學中科院量子信息重點實驗室董春華研究小組首次在回音壁模式微腔內實現了腔光力體系的非互易光學傳輸,得到了全光控制的非互易微腔器件。該成果于2016年8月22日在線發表在Nature Photonics [doi:10.1038/nphoton.2016.161]上。

這一工作利用了回音壁模式微腔內常見的光力相互作用。不過與以往不同的是,其光學模式是兩個簡并的順時針方向和逆時針方向的行波模式,這兩個簡并的光學模式具有完全相反的軌道角動量。在滿足角動量匹配的情況下,僅僅當驅動光和信號光耦合到同一個光學模式時,驅動光才能激發信號光子和聲子的相干轉換,因此導致了光傳播的非互易特性。

在此基礎上,研究小組觀察到了單向驅動光導致的光力誘導透明和放大的非互易現象,證實了多達40°的非互易相移,這是實現光隔離器、環形器的基礎。此光力體系誘導的非互易性還可通過相向傳播的驅動光同時激發順時針和逆時針方向的行波模式來調控,進而實現這兩個光學模式的相干轉換。該特性能用于可調窄帶反射器,此外,它還擴充了適合作為非互易器件的腔光力體系,將工作波長擴大到整個光波甚至微波波段。


圖1 (a) 腔光力體系非互易光學實驗簡圖。只有當驅動光與入射信號一致時,才能增強腔光力相互作用;(b) 光力誘導透明(OMIT)和放大(OMIA)示意圖;(c-f) 非互易特性譜線。

該工作研究的非互易機理具有普適性,可推廣到任何具有機械振動的行波模式系統,有助于實現集成化的微腔芯片元器件。在此得到證明的非互易相移也可用于研究光子的拓撲性質,實現手性邊緣態和拓撲保護。特別應當指出的是,若當力學體系處于量子基態時,單光子水平的光隔離便也成為可能,這將在復合量子網絡領域發揮重要作用。


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