中國科大首次研制成功全光控制的非互易微腔器件

　　中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授郭光燦領(lǐng)導的中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗室在腔光力學(xué)研究領(lǐng)域取得新進(jìn)展。該實(shí)驗室董春華研究小組與博士后鄒長(cháng)鈴首次在回音壁模式微腔內觀(guān)測到基于腔光力體系的非互易光學(xué)特性，得到了全光控制的非互易微腔器件。該成果于8月22日在線(xiàn)發(fā)表在《自然-光子學(xué)》上。

　　光在一般介質(zhì)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(jīng)典和量子信息處理中最基本的要求之一，因此全光控制的光隔離器、環(huán)形器以及非互易移相器一直是光學(xué)芯片研究的熱點(diǎn)，這些光學(xué)器件都基于光學(xué)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(chǎng)，難以集成較小的尺寸，因而實(shí)現可集成化的全光非互易器件仍然面臨巨大的挑戰。

　　該研究利用回音壁模式微腔內常見(jiàn)的光力相互作用，與以往不同的是其光學(xué)模式是兩個(gè)簡(jiǎn)并的順時(shí)針?lè )较蚝湍鏁r(shí)針?lè )较虻男胁Ｊ?，這兩個(gè)簡(jiǎn)并的光學(xué)模式具有完全相反的軌道角動(dòng)量。在滿(mǎn)足角動(dòng)量匹配的情況下，僅僅當驅動(dòng)光和信號光耦合到同一個(gè)光學(xué)模式時(shí)，驅動(dòng)光才能激發(fā)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，研究小組實(shí)現了單向驅動(dòng)光導致的光力誘導透明和放大的非互易現象，實(shí)現了多達40度的非互易相移，這是實(shí)現光隔離器、環(huán)形器的基礎。此光力體系誘導的非互易性可以通過(guò)相向傳播的驅動(dòng)光，同時(shí)激發(fā)順時(shí)針和逆時(shí)針?lè )较虻男胁Ｊ絹?lái)調控，進(jìn)而實(shí)現這兩個(gè)光學(xué)模式的相干轉換，該特性還可用于可調窄帶反射器。該實(shí)驗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(dòng)的行波模式系統，實(shí)現集成化的微腔芯片元器件，甚至實(shí)現單光子水平的光隔離器。此外，該研究中非互易相移的特性還可用于研究光子的拓撲性質(zhì)，實(shí)現手性邊緣態(tài)和拓撲保護。

　　這項研究成果是去年該小組關(guān)于布里淵非互易特性研究工作[Nature Communications 6, 6193 (2015)]的延伸，擴大了適用于非互易器件的腔光力體系，將工作波長(cháng)擴大到整個(gè)光波長(cháng)甚至微波，尤其在體系的量子基態(tài)時(shí)，使單光子水平的光隔離成為可能，這將在以后的復合量子網(wǎng)絡(luò )方面發(fā)揮重要作用。

　　上述研究得到了科技部、中科院、國家自然科學(xué)基金委、量子信息與量子科技前沿協(xié)同創(chuàng )新中心和中國科大重要方向項目培育基金的支持。

　　(a)腔光力體系非互易光學(xué)實(shí)驗簡(jiǎn)圖;(b)光力誘導透明(OMIT)和放大(OMIA)示意圖;(c-f)非互易特性譜線(xiàn)圖。