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(dǎo)的中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在腔光力學(xué)研究領(lǐng)域取得新進(jìn)展。該實(shí)驗(yàn)室董春華研究小組與博士后鄒長鈴首次在回音壁模式微腔內(nèi)觀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?shù)幕ヒ仔?，然而在光子集成電路中，對光的單向控制是?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(qiáng)磁場，難以集成較小的尺寸，因而實(shí)現(xiàn)可集成化的全光非互易器件仍然面臨巨大的挑戰(zhàn)。

　　該研究利用回音壁模式微腔內(nèi)常見的光力相互作用，與以往不同的是其光學(xué)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(xué)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(dāng)驅(qū)動光和信號光耦合到同一個光學(xué)模式時，驅(qū)動光才能激發(fā)信號光子和聲子的相干轉(zhuǎn)換，因此導(dǎo)致了光傳播的非互易特性。在此基礎(chǔ)上，研究小組實(shí)現(xiàn)了單向驅(qū)動光導(dǎo)致的光力誘導(dǎo)透明和放大的非互易現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)了多達(dá)40度的非互易相移，這是實(shí)現(xiàn)光隔離器、環(huán)形器的基礎(chǔ)。此光力體系誘導(dǎo)的非互易性可以通過相向傳播的驅(qū)動光，同時激發(fā)順時針和逆時針方向的行波模式來調(diào)控，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)這兩個光學(xué)模式的相干轉(zhuǎn)換，該特性還可用于可調(diào)窄帶反射器。該實(shí)驗(yàn)研究的非互易機(jī)理具有普適性，可推廣到任何具有機(jī)械振動的行波模式系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)集成化的微腔芯片元器件，甚至實(shí)現(xiàn)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?fù)湫再|(zhì)，實(shí)現(xiàn)手性邊緣態(tài)和拓?fù)浔Ｗo(hù)。

　　這項(xiàng)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(kuò)大了適用于非互易器件的腔光力體系，將工作波長擴(kuò)大到整個光波長甚至微波，尤其在體系的量子基態(tài)時，使單光子水平的光隔離成為可能，這將在以后的復(fù)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(xiàng)目培育基金的支持。

　　(a)腔光力體系非互易光學(xué)實(shí)驗(yàn)簡圖;(b)光力誘導(dǎo)透明(OMIT)和放大(OMIA)示意圖;(c-f)非互易特性譜線圖。