南京大学在片上集成光学非互易领域取得重要进展
来源：南京大学
从麦克斯韦方程出发导出的洛伦兹互易定理是电磁系统普遍遵从的基本物理规律。该定理指出了电磁波传播的时间反演对称性或者可逆性，即电磁波在普通线性介质中传播的路径是可逆的。研究非互易性不仅具有基础科学意义，还具有广泛应用价值。基于非互易性的光学器件，比如光隔离器和光环形器，只允许光单向通过，隔离背向散射光，不仅被应用于激光防护、光通信和光信息处理，还是很多非传统量子计算、量子测量和量子网络等特殊量子信息处理协议中不可或缺的功能单元。
虽然基于磁光效应的块状光学非互易器件在各领域得到了广泛应用，但是如何实现芯片集成的全光非互易器件仍然是一个挑战。缺少可在芯片上集成的光隔离器和环形器是限制光子芯片集成度的主要因素之一，也限制了激光雷达和激光陀螺仪的集成化。片上集成光学非互易器件对集成光量子信息处理也至关重要, 夏可宇课题组与国际合作者理论提出片上集成的全光控制的光隔离方法和非互易光子晶体管。
该项成果创新性地提出一种利用单向压缩腔模诱导光学非互易的理论方案。图1所示光学非互易系统由两个铌酸锂基非线性环形微腔和两根耦合波导组成。泵浦光从端口3入射，在满足相位匹配条件下，RB腔内发生非线性参量下转换产生逆时针的压缩腔模，但是顺时针模式仍为普通腔模。正向信号光在RA腔中形成顺时针普通腔模，与RB腔内的逆时针压缩腔模耦合。但是对于反向信号光，系统中两个普通腔模耦合。信号光正向与反向入射情况相比，普通腔模与压缩腔模耦合强度大于两个普通腔模的耦合，强耦合相比弱耦合形成模式劈裂，如图2(a)所示。并且等效压缩腔模频率小于普通腔模频率，产生模式频率漂移，如图2(b)所示。由此引起的光学非互易可以实现隔离度大于40 dB的光隔离和保真度大于98%的三端口准环形器。如果再向腔内注入与压缩腔模匹配的压缩真空场，泵浦引入的噪声将被消除，从而实现单光子隔离器和环形器()。而且开关弱泵浦光可以控制正向强信号光从端口1到2传输的通断，但是不能控制反向信号光。这样提出的方案可以实现控制增益G大于1的非互易光子晶体管。本工作报道的全光控制的光学非互易器件，采用铌酸锂光学微腔，结构简单，可用于经典相干光和单光子的非互易调控，为实现集成非互易量子信息处理开辟了新的途径。
图1 利用经典光泵浦铌酸锂微腔压缩腔模诱导光子——光子手性耦合，实现非互易光传输。(a)正向信号光入射，量子压缩调制的光子——光子耦合； (b)反向信号光入射，腔模相互作用不受量子压缩调制。
图2 (a, b)光隔离器与光环形器的透射谱，红色曲线表示，蓝色曲线表示，绿色曲线表示；(c, d)光子晶体管的增益。
南京大学现代工学院夏可宇教授课题组与美国阿肯色大学肖敏教授和日本理化学研究所Franco Nori教授合作，2022年2月23日在物理学权威期刊《Physical Review Letters》以"Quantum Squeezing Induced Optical Nonreciprocity"为题发表了集成光学非互易器件的最新研究成果。南京大学现代工程与应用科学学院博士生唐磊为论文的第一作者，夏可宇教授为通讯作者，南京大学唐江山和陈明远同学及国际合作者肖敏教授和Franco Nori教授对本工作做出了重要贡献。该工作得到了科技部重点研发计划项目、国家自然科学基金委、江苏省"双创人才"和"双创团队"计划及南京大学卓越研究计划项目的支持。
论文链接：
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.128.083604