无磁光学非互易研究进展

张示城，钮月萍，林功伟，龚尚庆

华东理工大学 理学院激光物理与量子调控研究室，上海 200237

1 光学非互易

自1897年汤姆森在研究阴极射线时发现电子以来，以电子作为信息载体的信息科学得到了极大的发展。电子晶体管是电子信息科学的基本单元之一，包括常见的二极管和三极管等。二极管是一种只允许电流单向通过的器件，电流只能从二极管的一端流向另外一端，而无法反向通过。二极管的这种奇特的性质使得其在电子电路中具有整流、滤波、稳压和调制等功能，是电子信息科学中不可或缺的基本元件。随着信息科学的不断发展，爆炸式增长的信息量使得人们对于信息载体的容量和信息传输的速率等要求越来越高。在传统的电子信息科学中，信息是通过电子进行编码和传递的。相比于电子，光子可以用来编码的自由度更多，例如偏振、频率、模式等，因此可以实现超高密度的信息编码。此外，人们已经可以在几纳秒的时间内控制光子的状态。光子的这些特性使其成为一种具有超大容量和超高传输速率的载体，因此人们就希望用光子代替电子实现更高效、更快速的信息传输。随着现代信息科学向全光通信领域的不断发展，类似于电子信息科学中的二极管，可以使光子具有单向传输特性的光学元件，即光学非互易器件在现代信息科学中同样有着不可或缺的作用。我们将这种光子单向传输的特性称为光学非互易。

在一般的光学介质中，其介电常数是各向同性且不含时的，根据洛伦兹互易原理，光子的传输是互易的。1845年，法拉第发现当一束线偏振光通过置于平行磁场中的磁光介质时，偏振光的偏振方向会发生旋转，这个现象也称为法拉第磁光效应(图1)。目前比较成熟的商用光隔离器一般都是基于上述法拉第磁光效应实现的。由于磁光介质的磁光系数一般比较小，因此需要外加强磁场才能实现很好的隔离效果。然而，磁光材料的生长和硅基材料不兼容，导致在小型化和集成化方面遇到了瓶颈，并且强磁场不仅体积大且对芯片也很不利。在这样的背景下，研究者们开始转向无磁光学非互易的研究，以解决小型化和可集成的问题。

图1 法拉第磁光效应原理图

2 无磁光学非互易研究现状

2.1 折射率时空调制

根据洛伦兹互易原理可知，通过打破介质介电常数的时间和空间对称性可以实现光学非互易。2009年Fan等[1]就提出了利用折射率空间-时间调制实现光隔离。在该方案中，研究人员通过光子跃迁过程中频率和波矢的移动实现了线性和宽带的非互易光隔离。2012年，他们又发现通过电驱动的方式可以使两个单模波导之间的跃迁系数变得依赖于传播方向，再通过这种光子带隙跃迁的方式，他们在硅基芯片上制作出了电驱动的光学非互易器件[2]。Russell等[3]在光子晶体光纤中利用声子与光子的模式转换实现了全光隔离。Alù等[4]通过调制三个独立对称，且具有强耦合的共振环之间的参量，实现了射频波段的光学非互易。近期还有文章报道，利用带间跃迁获得宽带[5]和可调谐波长[6]的非互易。

2.2 非线性

利用介质的非线性效应也可以打破洛伦兹互易性。2012年Weiner等[7]就利用强非线性实现了光隔离器，其基本原理是调节微腔和波导之间的距离，使得正向和反向的耦合效率呈现非互易特性，但是该方案的插入损耗大。之后，他们在此基础上通过对微环加热的方式将插入损耗降低到了15.5 dB，同时隔离度达到40 dB[8]。Yang小组和Xiao小组则在回音壁模式微腔中，通过调节两个耦合环的增益和吸收关系实现了光场的非互易传输[9-10]。Wan等[11]利用四波混频增益系统实现了光场的非互易透明。Fan等[12]则指出，由于动态非互易，这些方案只适用于强的信号光场。

2.3 手性量子光学

2014年Xia等[13]利用原子内态的非对称耦合实现了非互易，提出了可以实现光隔离器的方案。之后，Rauschenbeutel等在实验上对该原理进行验证，实现了光隔离[14]和光循环器[15]。2017年Zoller等[16]在《自然》杂志上发表了一篇综述文章提出了手性量子光学的概念。在光与物质相互作用的过程中，其耦合强度依赖于光场的传输方向和原子跃迁偶极矩的极化状态。手性量子光学系统为光学非互易的研究(尤其是单光子水平)提供了一种新的途径。

2.4 光机系统等

2012年Hafezi等[17]提出了利用光机系统实现光学非互易的方案。2016年，Shen等[18]对该原理进行实验验证，观察到非互易透射甚至增益。除此之外，2013年Wang等[19]和Wu等[20]分别提出“移动的光子晶体”和“移动的布拉格镜”方案来实现光学二极管效应。

可以看到，无磁光学非互易传输的研究经历了近十年的发展仍处于原理探索和实验研究阶段。如何实现简单有效、可在常温下工作的光学非互易效应仍然是研究人员期待解决的问题。华东理工大学激光物理与量子调控研究室的研究人员利用自然存在的原子热运动，结合量子相干效应开展了常温下无磁光学非互易的研究。研究人员通过巧妙的设计，将通常认为需要消除的原子热运动转化为有利的因素，提出了原子热运动诱导光学非互易的物理机制，并在实验上验证了光学隔离器和非互易放大的可行性。

3 原子热运动诱导光学非互易

3.1 光学隔离器

我们知道，在常温下构成物质的原子或分子都在永不停息地做无规则的热运动，温度越高热运动就越剧烈。以空气中的氢气为例，室温下其平均运动速率约为2 km/s，这样高速运动的粒子如同过眼云烟，不可捉摸。此外，在研究光与物质相互作用的过程中，原子或分子的运动会引入多普勒效应。也就是说，相对于入射的光场频率ω，运动的原子或分子感受到的光场频率为ω′，发生了频移。假设原子的运动速度为v，则频率的移动量为其中θ是原子的速度方向与光场传播方向(k是光场的波矢)之间的夹角，c是光速。因为原子的运动速度是完全随机的，所以在量子光学的研究中，这种热运动往往扮演着“破坏者”的角色，通常需要利用各种冷却机制，比如激光冷却，来降低其带来的影响。1985年朱棣文小组就用6束相互垂直的激光束捕获到了温度约为240 μK的“光学黏团”。此后，各种激光冷却的方案和理论层出不穷，其中法国Cohen-Tannoudji小组提出的速度选择相干布局捕获的方法，可以突破单光子反冲极限温度。在这个方案中，研究人员利用两束相向传输的激光可以将速度接近零的原子捕获在特殊的量子态，即暗态上。处于暗态的原子不会再与激光场相互作用，也不存在自发辐射，因此实现了单光子反冲极限的原子冷却。受到这篇文章的启发，我们小组和合作者一起，提出将暗态和原子热运动结合实现光场传输的非互易(图2)[21]。

我们利用Λ型的三能级结构：当原子无热运动时，原子感受到的光场频率与光的传输方向无关；而当原子具有热运动时，原子感受到的光场频率与光的传输方向有关，此时原子的极化率与光场的传输方向有关，形成极化率-动量锁定。将这个系统放入一个环形光学腔中，当腔模与原子系统处于强耦合条件时：同向传输的信号光与控制光形成腔内暗态，因此可以无损耗地通过腔；而反向传输的信号光由于暗态条件的破坏和强耦合形成的真空拉比分裂，导致信号光被腔反射。我们在实验上对该方案进行原理性的验证，在温度为55 ℃的条件下实现了透过率达53%、对比度达0.93的光隔离效果。利用冷原子系统做对比实验，实验结果进一步验证了该方案的正确性。

图2 热运动诱导光学非互易原理图：(a)无热运动时的原子能级结构；(b)有热运动时的原子能级结构；(c)光学非互易的装置原理图；(d)同向和反向传输时的信号光透射谱

3.2 非互易放大

非互易放大是指一个方向传输的光会被放大，而相反方向传输的光不会被放大，甚至被吸收(图3)。单向放大因其对噪声的抑制，在光通信和信号处理中具有重要的意义。近年来，研究人员在多种系统中提出非互易放大的理论方案，包括Josephson环系统[22]、Reservior engineering[23]、非厄米的time-floquet系统[24]和光机系统。实验方面，目前只有极少的报道：超导环中微波的非互易放大[26-27]和光机系统中光波的非互易放大[28-29]。但这两个方案都需要使用高品质的光学腔，对实验要求较高。

图3 非互易放大的原理图：(a)实验装置图；(b)能级结构图；(c)缀饰态结构图

我们在上述原子热运动诱导光学非互易实现光隔离器方案的基础之上，通过引入一束泵浦光，打开增益通道。在此泵浦光的作用下，同向传输的信号光可以被极大地放大，而反向传输的信号光几乎不受影响，仍然呈现出强吸收特性(图4)[30]。实验上，在温度为80 ℃时，获得了同向约26 dB的增益和反向超过30 dB的隔离。相比于在光机系统中实现非互易放大的工作，我们的方案不需要高品质光学腔，简化了对实验的要求。

图4 非互易放大的实验结果

4 总结和展望

无磁光学非互易是一个新兴的研究课题，还有很多值得探索的研究内容，但是距离真正走向实用化还有很多需要克服的困难。我们实验室在常温无磁光学非互易方面进行的探索研究，为常温可用、装置简单的无磁光学非互易实现提供了一种全新的途径。