中國科大首次研制成功全光控制的非互易微腔器件

　　中國科學院院士、中國科學技術大學教授郭光燦領導的中科院量子信息重點實驗室在腔光力學研究領域取得新進展。該實驗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》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芯片研究的熱點，這些光學器件都基于光學的非互易特性。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，難以集成較小的尺寸，因而實現(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，僅僅當驅(qū)動光和信號光耦合到同一個光學模式時，驅(qū)動光才能激發(fā)信號光子和聲子的相干轉(zhuǎn)換，因此導致了光傳播的非互易特性。在此基礎上，研究小組實現(xiàn)了單向驅(qū)動光導致的光力誘導透明和放大的非互易現(xiàn)象，實現(xiàn)了多達40度的非互易相移，這是實現(xiàn)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，進而實現(xiàn)這兩個光學模式的相干轉(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的行波模式系統(tǒng)，實現(xiàn)集成化的微腔芯片元器件，甚至實現(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撲性質(zhì)，實現(xiàn)手性邊緣態(tài)和拓撲保護。

　　這項研究成果是去年該小組關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，將工作波長擴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，這將在以后的復合量子網(wǎng)絡方面發(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實驗簡圖;(b)光力誘導透明(OMIT)和放大(OMIA)示意圖;(c-f)非互易特性譜線圖。