我系董春华研究组首次研制成功全光控制的非互易微腔器件

我系郭光灿院士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重要进展,董春华研究小组与邹长铃博士后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8月22日在线发表在《自然-光子学》上。

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。

本实验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,本实验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。



(a) 腔光力体系非互易光学实验简图;(b) 光力诱导透明(OMIT)和放大(OMIA)示意图
(c-f) 非互易特性谱线图

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 (2015).]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。

上述研究得到了科技部、中国科学院、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。

(中科院量子信息重点实验室、量子信息与量子科技前沿创新中心)

附论文链接:
http://www.nature.com/nphoton/journal/vaop/ncurrent/full/nphoton.2016.161.html

编辑时间:2016-08-24