全光控制的集成光學非互易器件

  南京大學夏可宇教授課題組與美國阿肯色大學Min Xiao教授和日本理化學研究所Franco Nori教授合作，提出一種量子壓縮誘導的光學非互易的理論方案?；谔岢龅姆腔ヒ坠鈱W系統(tǒng)，理論上可實現(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（量子壓縮誘導光學非互易）”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間反演對稱性或者可逆性，即電磁波在普通線性時不變介質(zhì)中傳播的路徑是可逆的。研究非互易性不僅具有基礎(chǔ)科學意義，還具有廣泛應(yīng)用價值。非互易光學器件，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。非互易光學器件不僅被應(yīng)用于激光防護、光通信和光信息處理，還是很多非傳統(tǒng)量子計算、量子測量和量子網(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，但是如何實現(xiàn)芯片集成的全光非互易器件仍然是一個挑戰(zhàn)。缺少芯片集成的無磁光隔離器和環(huán)形器是限制光子芯片集成度的主要因素之一，也限制了激光雷達和激光陀螺儀的集成化。片上集成光學非互易器件對集成光量子信息處理至關(guān)重要, 夏可宇教授課題組與國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

  該項成果創(chuàng)新性地提出一種利用單向壓縮腔模誘導光學非互易的理論方案。圖1所示光學非互易系統(tǒng)由兩個具有二階光學非線性的鈮酸鋰基環(huán)形微腔和兩根耦合波導組成。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)生逆時針的壓縮腔模，但是順時針腔模仍為本征腔模。正向信號光從端口1入射，在RA腔中激發(fā)順時針本征腔模，與RB腔內(nèi)的逆時針壓縮腔模耦合。但是對于從端口2入射的反向信號光，系統(tǒng)中兩個本征腔模耦合。

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

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

  信號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度大于兩個本征腔模的耦合，強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。由此引起的光學非互易可以實現(xiàn)隔離度大于40 dB的光隔離和保真度大于98%的三端口準環(huán)形器(1→2→3)。如果再從端口3向腔內(nèi)注入與壓縮腔模匹配的壓縮真空場，泵浦引入的噪聲將被消除，從而實現(xiàn)單光子隔離器和環(huán)形器。

  開關(guān)弱泵浦光可以控制強信號光從端口1到2傳輸?shù)耐〝?。當外加弱泵浦光時，強信號光允許從端口1到2傳輸；但關(guān)閉弱泵浦光時，強信號光從端口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光從端口2到1的傳輸。因此該方案可以實現(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

  該工作報道的全光控制的光學非互易器件，采用鈮酸鋰光學微腔，結(jié)構(gòu)簡單，可用于經(jīng)典相干光和單光子的非互易調(diào)控，為實現(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現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學學院博士生唐磊、唐江山和陳明遠，以及南京大學夏可宇教授、美國阿肯色大學Min Xiao教授和日本理化學研究所Franco Nori教授。

  上述研究工作得到了科技部重點研發(fā)計劃項目、國家自然科學基金委、江蘇省“雙創(chuàng)人才”和“雙創(chuàng)團隊”計劃及南京大學卓越研究計劃項目的支持。

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