全光控制的集成光學(xué)非互易器件

  南京大學(xué)夏可宇教授課題組與美國(guó)阿肯色大學(xué)Min Xiao教授和日本理化學(xué)研究所Franco Nori教授合作，提出一種量子壓縮誘導(dǎo)的光學(xué)非互易的理論方案。基于提出的非互易光學(xué)系統(tǒng)，理論上可實(shí)現(xiàn)片上集成的全光隔離器和環(huán)形器以及非互易的光子晶體管，為片上集成的非互易量子信息處理提供了新的途徑。相關(guān)研究成果以“Quantum Squeezing Induced Optical Nonreciprocity（量子壓縮誘導(dǎo)光學(xué)非互易）”為題，2022年2月23日在線發(fā)表于Physical Review Letters。

  研究背景

  從麥克斯韋方程出發(fā)導(dǎo)出的洛倫茲互易定理是電磁波傳播普遍遵從的基本物理規(guī)律。該定理指出了電磁波傳播的時(shí)間反演對(duì)稱性或者可逆性，即電磁波在普通線性時(shí)不變介質(zhì)中傳播的路徑是可逆的。研究非互易性不僅具有基礎(chǔ)科學(xué)意義，還具有廣泛應(yīng)用價(jià)值。非互易光學(xué)器件，比如光隔離器和光環(huán)形器，只允許光單向傳播，隔離背向散射光。非互易光學(xué)器件不僅被應(yīng)用于激光防護(hù)、光通信和光信息處理，還是很多非傳統(tǒng)量子計(jì)算、量子測(cè)量和量子網(wǎng)絡(luò)等特殊量子信息處理協(xié)議中不可或缺的功能單元。

  雖然基于磁光效應(yīng)的塊狀非互易器件在各領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，但是如何實(shí)現(xiàn)芯片集成的全光非互易器件仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。缺少芯片集成的無(wú)磁光隔離器和環(huán)形器是限制光子芯片集成度的主要因素之一，也限制了激光雷達(dá)和激光陀螺儀的集成化。片上集成光學(xué)非互易器件對(duì)集成光量子信息處理至關(guān)重要, 夏可宇教授課題組與國(guó)際合作者理論提出一種片上集成的全光控制的光隔離方法和非互易光子晶體管方案。

  研究創(chuàng)新點(diǎn)

  該項(xiàng)成果創(chuàng)新性地提出一種利用單向壓縮腔模誘導(dǎo)光學(xué)非互易的理論方案。圖1所示光學(xué)非互易系統(tǒng)由兩個(gè)具有二階光學(xué)非線性的鈮酸鋰基環(huán)形微腔和兩根耦合波導(dǎo)組成。泵浦光從端口3入射，在滿足相位匹配條件下，RB腔內(nèi)發(fā)生非線性參量下轉(zhuǎn)換產(chǎn)生逆時(shí)針的壓縮腔模，但是順時(shí)針腔模仍為本征腔模。正向信號(hào)光從端口1入射，在RA腔中激發(fā)順時(shí)針本征腔模，與RB腔內(nèi)的逆時(shí)針壓縮腔模耦合。但是對(duì)于從端口2入射的反向信號(hào)光，系統(tǒng)中兩個(gè)本征腔模耦合。

圖1 利用經(jīng)典光泵浦鈮酸鋰微腔壓縮腔模誘導(dǎo)光子——光子手性耦合，實(shí)現(xiàn)非互易光傳輸。

(a)正向信號(hào)光入射，量子壓縮調(diào)制的光子——光子耦合；(b)反向信號(hào)光入射，腔模相互作用不受量子壓縮調(diào)制

  信號(hào)光正向與反向入射情況相比，壓縮腔模與本征腔模的耦合強(qiáng)度大于兩個(gè)本征腔模的耦合，強(qiáng)耦合相比弱耦合形成模式劈裂，如圖2(a)所示。并且等效壓縮腔模頻率小于本征腔模頻率，產(chǎn)生模式頻率漂移，如圖2(b)所示。由此引起的光學(xué)非互易可以實(shí)現(xiàn)隔離度大于40 dB的光隔離和保真度大于98%的三端口準(zhǔn)環(huán)形器(1→2→3)。如果再?gòu)亩丝?向腔內(nèi)注入與壓縮腔模匹配的壓縮真空?qǐng)?，泵浦引入的噪聲將被消除，從而?shí)現(xiàn)單光子隔離器和環(huán)形器。

  開(kāi)關(guān)弱泵浦光可以控制強(qiáng)信號(hào)光從端口1到2傳輸?shù)耐〝?。?dāng)外加弱泵浦光時(shí)，強(qiáng)信號(hào)光允許從端口1到2傳輸；但關(guān)閉弱泵浦光時(shí)，強(qiáng)信號(hào)光從端口1到2傳輸被中斷。除此之外，從端口3入射的泵浦光不能控制信號(hào)光從端口2到1的傳輸。因此該方案可以實(shí)現(xiàn)控制增益G大于1的非互易光子晶體管，如圖3所示。

圖3 全光晶體管增益：(a)非互易模式劈裂類型的晶體管增益，(b)非互易模式頻率類型的晶體管增益

  總結(jié)與展望

  該工作報(bào)道的全光控制的光學(xué)非互易器件，采用鈮酸鋰光學(xué)微腔，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可用于經(jīng)典相干光和單光子的非互易調(diào)控，為實(shí)現(xiàn)集成非互易量子信息處理提供了一種新的方案。研究人員包括南京大學(xué)現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院博士生唐磊、唐江山和陳明遠(yuǎn)，以及南京大學(xué)夏可宇教授、美國(guó)阿肯色大學(xué)Min Xiao教授和日本理化學(xué)研究所Franco Nori教授。

  上述研究工作得到了科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金委、江蘇省“雙創(chuàng)人才”和“雙創(chuàng)團(tuán)隊(duì)”計(jì)劃及南京大學(xué)卓越研究計(jì)劃項(xiàng)目的支持。

  論文鏈接：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.128.083604