無磁光學(xué)非互易研究進(jìn)展

張示城，鈕月萍，林功偉，龔尚慶

華東理工大學(xué) 理學(xué)院激光物理與量子調(diào)控研究室，上海 200237

1 光學(xué)非互易

自1897年湯姆森在研究陰極射線時發(fā)現(xiàn)電子以來，以電子作為信息載體的信息科學(xué)得到了極大的發(fā)展。電子晶體管是電子信息科學(xué)的基本單元之一，包括常見的二極管和三極管等。二極管是一種只允許電流單向通過的器件，電流只能從二極管的一端流向另外一端，而無法反向通過。二極管的這種奇特的性質(zhì)使得其在電子電路中具有整流、濾波、穩(wěn)壓和調(diào)制等功能，是電子信息科學(xué)中不可或缺的基本元件。隨著信息科學(xué)的不斷發(fā)展，爆炸式增長的信息量使得人們對于信息載體的容量和信息傳輸?shù)乃俾实纫笤絹碓礁?。在傳統(tǒng)的電子信息科學(xué)中，信息是通過電子進(jìn)行編碼和傳遞的。相比于電子，光子可以用來編碼的自由度更多，例如偏振、頻率、模式等，因此可以實(shí)現(xiàn)超高密度的信息編碼。此外，人們已經(jīng)可以在幾納秒的時間內(nèi)控制光子的狀態(tài)。光子的這些特性使其成為一種具有超大容量和超高傳輸速率的載體，因此人們就希望用光子代替電子實(shí)現(xiàn)更高效、更快速的信息傳輸。隨著現(xiàn)代信息科學(xué)向全光通信領(lǐng)域的不斷發(fā)展，類似于電子信息科學(xué)中的二極管，可以使光子具有單向傳輸特性的光學(xué)元件，即光學(xué)非互易器件在現(xiàn)代信息科學(xué)中同樣有著不可或缺的作用。我們將這種光子單向傳輸?shù)奶匦苑Q為光學(xué)非互易。

在一般的光學(xué)介質(zhì)中，其介電常數(shù)是各向同性且不含時的，根據(jù)洛倫茲互易原理，光子的傳輸是互易的。1845年，法拉第發(fā)現(xiàn)當(dāng)一束線偏振光通過置于平行磁場中的磁光介質(zhì)時，偏振光的偏振方向會發(fā)生旋轉(zhuǎn)，這個現(xiàn)象也稱為法拉第磁光效應(yīng)(圖1)。目前比較成熟的商用光隔離器一般都是基于上述法拉第磁光效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的。由于磁光介質(zhì)的磁光系數(shù)一般比較小，因此需要外加強(qiáng)磁場才能實(shí)現(xiàn)很好的隔離效果。然而，磁光材料的生長和硅基材料不兼容，導(dǎo)致在小型化和集成化方面遇到了瓶頸，并且強(qiáng)磁場不僅體積大且對芯片也很不利。在這樣的背景下，研究者們開始轉(zhuǎn)向無磁光學(xué)非互易的研究，以解決小型化和可集成的問題。

圖1 法拉第磁光效應(yīng)原理圖

2 無磁光學(xué)非互易研究現(xiàn)狀

2.1 折射率時空調(diào)制

根據(jù)洛倫茲互易原理可知，通過打破介質(zhì)介電常數(shù)的時間和空間對稱性可以實(shí)現(xiàn)光學(xué)非互易。2009年Fan等[1]就提出了利用折射率空間-時間調(diào)制實(shí)現(xiàn)光隔離。在該方案中，研究人員通過光子躍遷過程中頻率和波矢的移動實(shí)現(xiàn)了線性和寬帶的非互易光隔離。2012年，他們又發(fā)現(xiàn)通過電驅(qū)動的方式可以使兩個單模波導(dǎo)之間的躍遷系數(shù)變得依賴于傳播方向，再通過這種光子帶隙躍遷的方式，他們在硅基芯片上制作出了電驅(qū)動的光學(xué)非互易器件[2]。Russell等[3]在光子晶體光纖中利用聲子與光子的模式轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)了全光隔離。Alù等[4]通過調(diào)制三個獨(dú)立對稱，且具有強(qiáng)耦合的共振環(huán)之間的參量，實(shí)現(xiàn)了射頻波段的光學(xué)非互易。近期還有文章報道，利用帶間躍遷獲得寬帶[5]和可調(diào)諧波長[6]的非互易。

2.2 非線性

利用介質(zhì)的非線性效應(yīng)也可以打破洛倫茲互易性。2012年Weiner等[7]就利用強(qiáng)非線性實(shí)現(xiàn)了光隔離器，其基本原理是調(diào)節(jié)微腔和波導(dǎo)之間的距離，使得正向和反向的耦合效率呈現(xiàn)非互易特性，但是該方案的插入損耗大。之后，他們在此基礎(chǔ)上通過對微環(huán)加熱的方式將插入損耗降低到了15.5 dB，同時隔離度達(dá)到40 dB[8]。Yang小組和Xiao小組則在回音壁模式微腔中，通過調(diào)節(jié)兩個耦合環(huán)的增益和吸收關(guān)系實(shí)現(xiàn)了光場的非互易傳輸[9-10]。Wan等[11]利用四波混頻增益系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了光場的非互易透明。Fan等[12]則指出，由于動態(tài)非互易，這些方案只適用于強(qiáng)的信號光場。

2.3 手性量子光學(xué)

2014年Xia等[13]利用原子內(nèi)態(tài)的非對稱耦合實(shí)現(xiàn)了非互易，提出了可以實(shí)現(xiàn)光隔離器的方案。之后，Rauschenbeutel等在實(shí)驗(yàn)上對該原理進(jìn)行驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了光隔離[14]和光循環(huán)器[15]。2017年Zoller等[16]在《自然》雜志上發(fā)表了一篇綜述文章提出了手性量子光學(xué)的概念。在光與物質(zhì)相互作用的過程中，其耦合強(qiáng)度依賴于光場的傳輸方向和原子躍遷偶極矩的極化狀態(tài)。手性量子光學(xué)系統(tǒng)為光學(xué)非互易的研究(尤其是單光子水平)提供了一種新的途徑。

2.4 光機(jī)系統(tǒng)等

2012年Hafezi等[17]提出了利用光機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)光學(xué)非互易的方案。2016年，Shen等[18]對該原理進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，觀察到非互易透射甚至增益。除此之外，2013年Wang等[19]和Wu等[20]分別提出“移動的光子晶體”和“移動的布拉格鏡”方案來實(shí)現(xiàn)光學(xué)二極管效應(yīng)。

可以看到，無磁光學(xué)非互易傳輸?shù)难芯拷?jīng)歷了近十年的發(fā)展仍處于原理探索和實(shí)驗(yàn)研究階段。如何實(shí)現(xiàn)簡單有效、可在常溫下工作的光學(xué)非互易效應(yīng)仍然是研究人員期待解決的問題。華東理工大學(xué)激光物理與量子調(diào)控研究室的研究人員利用自然存在的原子熱運(yùn)動，結(jié)合量子相干效應(yīng)開展了常溫下無磁光學(xué)非互易的研究。研究人員通過巧妙的設(shè)計，將通常認(rèn)為需要消除的原子熱運(yùn)動轉(zhuǎn)化為有利的因素，提出了原子熱運(yùn)動誘導(dǎo)光學(xué)非互易的物理機(jī)制，并在實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證了光學(xué)隔離器和非互易放大的可行性。

3 原子熱運(yùn)動誘導(dǎo)光學(xué)非互易

3.1 光學(xué)隔離器

我們知道，在常溫下構(gòu)成物質(zhì)的原子或分子都在永不停息地做無規(guī)則的熱運(yùn)動，溫度越高熱運(yùn)動就越劇烈。以空氣中的氫氣為例，室溫下其平均運(yùn)動速率約為2 km/s，這樣高速運(yùn)動的粒子如同過眼云煙，不可捉摸。此外，在研究光與物質(zhì)相互作用的過程中，原子或分子的運(yùn)動會引入多普勒效應(yīng)。也就是說，相對于入射的光場頻率ω，運(yùn)動的原子或分子感受到的光場頻率為ω′，發(fā)生了頻移。假設(shè)原子的運(yùn)動速度為v，則頻率的移動量為其中θ是原子的速度方向與光場傳播方向(k是光場的波矢)之間的夾角，c是光速。因?yàn)樵拥倪\(yùn)動速度是完全隨機(jī)的，所以在量子光學(xué)的研究中，這種熱運(yùn)動往往扮演著“破壞者”的角色，通常需要利用各種冷卻機(jī)制，比如激光冷卻，來降低其帶來的影響。1985年朱棣文小組就用6束相互垂直的激光束捕獲到了溫度約為240 μK的“光學(xué)黏團(tuán)”。此后，各種激光冷卻的方案和理論層出不窮，其中法國Cohen-Tannoudji小組提出的速度選擇相干布局捕獲的方法，可以突破單光子反沖極限溫度。在這個方案中，研究人員利用兩束相向傳輸?shù)募す饪梢詫⑺俣冉咏愕脑硬东@在特殊的量子態(tài)，即暗態(tài)上。處于暗態(tài)的原子不會再與激光場相互作用，也不存在自發(fā)輻射，因此實(shí)現(xiàn)了單光子反沖極限的原子冷卻。受到這篇文章的啟發(fā)，我們小組和合作者一起，提出將暗態(tài)和原子熱運(yùn)動結(jié)合實(shí)現(xiàn)光場傳輸?shù)姆腔ヒ?圖2)[21]。

我們利用Λ型的三能級結(jié)構(gòu)：當(dāng)原子無熱運(yùn)動時，原子感受到的光場頻率與光的傳輸方向無關(guān)；而當(dāng)原子具有熱運(yùn)動時，原子感受到的光場頻率與光的傳輸方向有關(guān)，此時原子的極化率與光場的傳輸方向有關(guān)，形成極化率-動量鎖定。將這個系統(tǒng)放入一個環(huán)形光學(xué)腔中，當(dāng)腔模與原子系統(tǒng)處于強(qiáng)耦合條件時：同向傳輸?shù)男盘柟馀c控制光形成腔內(nèi)暗態(tài)，因此可以無損耗地通過腔；而反向傳輸?shù)男盘柟庥捎诎祽B(tài)條件的破壞和強(qiáng)耦合形成的真空拉比分裂，導(dǎo)致信號光被腔反射。我們在實(shí)驗(yàn)上對該方案進(jìn)行原理性的驗(yàn)證，在溫度為55 ℃的條件下實(shí)現(xiàn)了透過率達(dá)53%、對比度達(dá)0.93的光隔離效果。利用冷原子系統(tǒng)做對比實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了該方案的正確性。

圖2 熱運(yùn)動誘導(dǎo)光學(xué)非互易原理圖：(a)無熱運(yùn)動時的原子能級結(jié)構(gòu)；(b)有熱運(yùn)動時的原子能級結(jié)構(gòu)；(c)光學(xué)非互易的裝置原理圖；(d)同向和反向傳輸時的信號光透射譜

3.2 非互易放大

非互易放大是指一個方向傳輸?shù)墓鈺环糯?，而相反方向傳輸?shù)墓獠粫环糯螅踔帘晃?圖3)。單向放大因其對噪聲的抑制，在光通信和信號處理中具有重要的意義。近年來，研究人員在多種系統(tǒng)中提出非互易放大的理論方案，包括Josephson環(huán)系統(tǒng)[22]、Reservior engineering[23]、非厄米的time-floquet系統(tǒng)[24]和光機(jī)系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)方面，目前只有極少的報道：超導(dǎo)環(huán)中微波的非互易放大[26-27]和光機(jī)系統(tǒng)中光波的非互易放大[28-29]。但這兩個方案都需要使用高品質(zhì)的光學(xué)腔，對實(shí)驗(yàn)要求較高。

圖3 非互易放大的原理圖：(a)實(shí)驗(yàn)裝置圖；(b)能級結(jié)構(gòu)圖；(c)綴飾態(tài)結(jié)構(gòu)圖

我們在上述原子熱運(yùn)動誘導(dǎo)光學(xué)非互易實(shí)現(xiàn)光隔離器方案的基礎(chǔ)之上，通過引入一束泵浦光，打開增益通道。在此泵浦光的作用下，同向傳輸?shù)男盘柟饪梢员粯O大地放大，而反向傳輸?shù)男盘柟鈳缀醪皇苡绊?，仍然呈現(xiàn)出強(qiáng)吸收特性(圖4)[30]。實(shí)驗(yàn)上，在溫度為80 ℃時，獲得了同向約26 dB的增益和反向超過30 dB的隔離。相比于在光機(jī)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)非互易放大的工作，我們的方案不需要高品質(zhì)光學(xué)腔，簡化了對實(shí)驗(yàn)的要求。

圖4 非互易放大的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4 總結(jié)和展望

無磁光學(xué)非互易是一個新興的研究課題，還有很多值得探索的研究內(nèi)容，但是距離真正走向?qū)嵱没€有很多需要克服的困難。我們實(shí)驗(yàn)室在常溫?zé)o磁光學(xué)非互易方面進(jìn)行的探索研究，為常溫可用、裝置簡單的無磁光學(xué)非互易實(shí)現(xiàn)提供了一種全新的途徑。