我國非互易光子器件研究方面取得新進(jìn)展

我國非互易光子器件研究方面取得新進(jìn)展

[導讀] 中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授郭光燦團隊在非互易光子器件研究方面取得新進(jìn)展，團隊**利用回音壁模式微腔中腔光力的非互易特性，實(shí)現了全光控制的非互易多功能光子器件，并**實(shí)現集成光學(xué)定向放大器。

中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授郭光燦團隊在非互易光子器件研究方面取得新進(jìn)展。該團隊的董春華研究組**利用回音壁模式微腔中腔光力的非互易特性，實(shí)現了全光控制的非互易多功能光子器件，并**實(shí)現集成光學(xué)定向放大器。該成果于5月4日在線(xiàn)發(fā)表在國際期刊《自然-通訊》(Nature Communications)上。

光在一般介質(zhì)中具有雙向傳輸的互易性，而打破這種互易性，即實(shí)現對光傳輸方向的非互易性，在經(jīng)典和量子信息處理中具有重要意義。光環(huán)形器、隔離器、定向放大器等是典型的非互易器件。其中光環(huán)形器允許光以“環(huán)形”的方式傳輸，可用于光源保護、精密測量，這種功能還可實(shí)現經(jīng)典或量子計算或通訊中信號的雙向處理，有利于提高信道容量與降低功耗。定向放大器也已經(jīng)被證明在基于超導回路的量子計算中具有重要意義。*常見(jiàn)的光學(xué)非互易器件主要利用磁光晶體的法拉第效應，但在器件集成化方面卻面臨著(zhù)挑戰，難點(diǎn)包括磁光材料與傳統半導體材料不匹配、需要外加強磁場(chǎng)、在光頻范圍內磁光材料具有很高的傳輸損耗等。因此全光控制的片上光環(huán)形器、隔離器以及定向放大器一直是研究的熱點(diǎn)。

2016年該研究組實(shí)驗驗證了回音壁模式微腔中腔光力的非互易特性[Nature Photonics 10, 657-661 (2016)]。在此基礎上，研究組利用單個(gè)光力微腔與雙波導耦合的體系，實(shí)現了多功能的光子器件，包括窄帶濾波器，具有非互易功能的四端口光環(huán)形器與定向放大器，并且這些功能模式可以通過(guò)改變控制光來(lái)實(shí)現任意切換。對于環(huán)形器而言，從端口1入射的信號光從端口2出射，從端口2入射的信號光從端口3出射，依此類(lèi)推，構成1-2-3-4-1的環(huán)形路徑，當只關(guān)注端口1和2時(shí)，它也是一個(gè)高效的光隔離器;對于定向放大器，從端口1入射的信號光被放大后從端口2出射，但從端口2入射的信號光從端口3出射，而不會(huì )從端口1出射，因此在1-2的方向上具有定向放大的功能。該器件結構簡(jiǎn)單，原理具有普適性，甚至可實(shí)現單光子水平的光環(huán)形器，同時(shí)可推廣到任一具有行波模式的光力學(xué)體系，包括微波超導器件和集成聲學(xué)器件。

助理研究員沈鎮、博士后張延磊、博士研究生陳元為該論文的共同**作者，董春華、鄒長(cháng)鈴、孫方穩為通訊作者。上述研究得到了科技部重點(diǎn)研發(fā)計劃、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**中心的支持。

基于腔光力學(xué)的環(huán)形器與定向放大器示意圖