科学中国体育大学第三遍研制作而成功全光线调控制的非互易微腔器件,全光线调整非互易微腔器件问世

该实验室董春华研究小组与博士后邹长铃首次在回音壁模式微腔内观测到基于腔光力体系的非互易光学特性,该实验室董春华研究小组与博士后邹长铃首次在回音壁模式微腔内观测到基于腔光力体系的非互易光学特性,光环形器、隔离器、定向放大器等是典型的非互易器件

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中国科学技术大学中科院量子信息重点实验室在腔光力学研究领域取得新进展。该实验室董春华研究小组与博士后邹长铃首次在回音壁模式微腔内观测到基于腔光力体系的非互易光学特性,得到了全光控制的非互易微腔器件。该成果于8月22日在线发表于《自然—光子学》上。

中国科学院院士、中国科学技术大学教授郭光灿领导的中科院量子信息重点实验室在腔光力学研究领域取得新进展。该实验室董春华研究小组与博士后邹长铃首次在回音壁模式微腔内观测到基于腔光力体系的非互易光学特性,得到了全光控制的非互易微腔器件。该成果于8月22日在线发表在《自然-光子学》上。

中国科学院院士、中国科学技术大学教授郭光灿团队在非互易光子器件研究方面取得新进展。该团队的董春华研究组首次利用回音壁模式微腔中腔光力的非互易特性,实现了全光控制的非互易多功能光子器件,并首次实现集成光学定向放大器。该成果于5月4日在线发表在国际期刊《自然-通讯》(Nature
Communications)上。

该研究利用回音壁模式微腔内常见的光力相互作用,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,研究小组实现了单向驱动光导致的光力诱导透明和放大的非互易现象,实现了多达40度的非互易相移,这是实现光隔离器、环形器的基础。

光在一般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,因此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,难以集成较小的尺寸,因而实现可集成化的全光非互易器件仍然面临巨大的挑战。

光在一般介质中具有双向传输的互易性,而打破这种互易性,即实现对光传输方向的非互易性,在经典和量子信息处理中具有重要意义。光环形器、隔离器、定向放大器等是典型的非互易器件。其中光环形器允许光以“环形”的方式传输,可用于光源保护、精密测量,这种功能还可实现经典或量子计算或通讯中信号的双向处理,有利于提高信道容量与降低功耗。定向放大器也已经被证明在基于超导回路的量子计算中具有重要意义。最常见的光学非互易器件主要利用磁光晶体的法拉第效应,但在器件集成化方面却面临着挑战,难点包括磁光材料与传统半导体材料不匹配、需要外加强磁场、在光频范围内磁光材料具有很高的传输损耗等。因此全光控制的片上光环形器、隔离器以及定向放大器一直是研究的热点。

该实验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,实现集成化的微腔芯片元器件,甚至实现单光子水平的光隔离器。

该研究利用回音壁模式微腔内常见的光力相互作用,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,研究小组实现了单向驱动光导致的光力诱导透明和放大的非互易现象,实现了多达40度的非互易相移,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可以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,该特性还可用于可调窄带反射器。该实验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,实现集成化的微腔芯片元器件,甚至实现单光子水平的光隔离器。此外,该研究中非互易相移的特性还可用于研究光子的拓扑性质,实现手性边缘态和拓扑保护。

2016年该研究组实验验证了回音壁模式微腔中腔光力的非互易特性[Nature
Photonics 10, 657-661
]。在此基础上,研究组利用单个光力微腔与双波导耦合的体系,实现了多功能的光子器件,包括窄带滤波器,具有非互易功能的四端口光环形器与定向放大器,并且这些功能模式可以通过改变控制光来实现任意切换。对于环形器而言,从端口1入射的信号光从端口2出射,从端口2入射的信号光从端口3出射,依此类推,构成1-2-3-4-1的环形路径,当只关注端口1和2时,它也是一个高效的光隔离器;对于定向放大器,从端口1入射的信号光被放大后从端口2出射,但从端口2入射的信号光从端口3出射,而不会从端口1出射,因此在1-2的方向上具有定向放大的功能。该器件结构简单,原理具有普适性,甚至可实现单光子水平的光环形器,同时可推广到任一具有行波模式的光力学体系,包括微波超导器件和集成声学器件。

该研究将工作波长扩大到整个光波长甚至微波,尤其在体系的量子基态时,使单光子水平的光隔离成为可能,这将在以后的复合量子网络方面发挥重要作用。

这项研究成果是去年该小组关于布里渊非互易特性研究工作[Nature
Communications
6, 6193
]的延伸,扩大了适用于非互易器件的腔光力体系,将工作波长扩大到整个光波长甚至微波,尤其在体系的量子基态时,使单光子水平的光隔离成为可能,这将在以后的复合量子网络方面发挥重要作用。

助理研究员沈镇、博士后张延磊、博士研究生陈元为该论文的共同第一作者,董春华、邹长铃、孙方稳为通讯作者。上述研究得到了科技部重点研发计划、中科院、国家自然科学基金委、量子信息与量子科技前沿协同创新中心的支持。

(原载于《中国科学报》 2016-08-31 第1版 要闻)

上述研究得到了科技部、中科院、国家自然科学基金委、量子信息与量子科技前沿协同创新中心和中国科大重要方向项目培育基金的支持。

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文章链接

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腔光力体系非互易光学实验简图; 光力诱导透明和放大示意图;
非互易特性谱线图