全光控制的集成光学非互易器件

  南京大学夏可宇教授课题组与美国阿肯色大学Min Xiao教授和日本理化学研究所Franco Nori教授合作，提出一种量子压缩诱导的光学非互易的理论方案。基于提出的非互易光学系统，理论上可实现片上集成的全光隔离器和环形器以及非互易的光子晶体管，为片上集成的非互易量子信息处理提供了新的途径。相关研究成果以“Quantum Squeezing Induced Optical Nonreciprocity（量子压缩诱导光学非互易）”为题，2022年2月23日在线发表于Physical Review Letters。

  研究背景

  从麦克斯韦方程出发导出的洛伦兹互易定理是电磁波传播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时不变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。非互易光学器件，比如光隔离器和光环形器，只允许光单向传播，隔离背向散射光。非互易光学器件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。缺少芯片集成的无磁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至关重要, 夏可宇教授课题组与国际合作者理论提出一种片上集成的全光控制的光隔离方法和非互易光子晶体管方案。

  研究创新点

  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具有二阶光学非线性的铌酸锂基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，但是顺时针腔模仍为本征腔模。正向信号光从端口1入射，在RA腔中激发顺时针本征腔模，与RB腔内的逆时针压缩腔模耦合。但是对于从端口2入射的反向信号光，系统中两个本征腔模耦合。

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

  信号光正向与反向入射情况相比，压缩腔模与本征腔模的耦合强度大于两个本征腔模的耦合，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本征腔模频率，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(1→2→3)。如果再从端口3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。

  开关弱泵浦光可以控制强信号光从端口1到2传输的通断。当外加弱泵浦光时，强信号光允许从端口1到2传输；但关闭弱泵浦光时，强信号光从端口1到2传输被中断。除此之外，从端口3入射的泵浦光不能控制信号光从端口2到1的传输。因此该方案可以实现控制增益G大于1的非互易光子晶体管，如图3所示。

图3 全光晶体管增益：(a)非互易模式劈裂类型的晶体管增益，(b)非互易模式频率类型的晶体管增益

  总结与展望

  该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提供了一种新的方案。研究人员包括南京大学现代工程与应用科学学院博士生唐磊、唐江山和陈明远，以及南京大学夏可宇教授、美国阿肯色大学Min Xiao教授和日本理化学研究所Franco Nori教授。

  上述研究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://doi.org/10.1103/PhysRevLett.128.083604