從麥克斯韋方程出發(fā)導(dǎo)出的洛倫茲互易定理是電磁系統(tǒng)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)用價值。基于非互易性的光學(xué)器件，比如光隔離器和光環(huán)形器，只允許光單向通過，隔離背向散射光，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*的功能單元。

雖然基于磁光效應(yīng)的塊狀光學(xué)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)。缺少可在芯片上集成的光隔離器和環(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)非互易器件對集成光量子信息處理也至關(guān)重要，夏可宇課題組與國際合作者理論提出片上集成的全光控制的光隔離方法和非互易光子晶體管。  該項成果創(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)由兩個鈮酸鋰基非線性環(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)生逆時針的壓縮腔模，但是順時針模式仍為普通腔模。正向信號光在RA腔中形成順時針普通腔模，與RB腔內(nèi)的逆時針壓縮腔模耦合。但是對于反向信號光，系統(tǒng)中兩個普通腔模耦合。

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，普通腔模與壓縮腔模耦合強(qiáng)度大于兩個普通腔模的耦合，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普通腔模頻率，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。如果再向腔內(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()。而且開關(guān)弱泵浦光可以控制正向強(qiáng)信號光從端口1到2傳輸?shù)耐〝啵遣荒芸刂品聪蛐盘柟狻?/span>

圖2.  (a, b)光隔離器與光環(huán)形器的透射譜，紅色曲線表示，藍(lán)色曲線表示，綠色曲線表示；(c, d)光子晶體管的增益。

這樣提出的方案可以實現(xiàn)控制增益G大于1的非互易光子晶體管。本工作報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開辟了新的途徑。

南京大學(xué)現(xiàn)代工學(xué)院夏可宇教授課題組與美國阿肯色大學(xué)肖敏教授和日本理化學(xué)研究所Franco Nori教授合作，2022年2月23日在物理學(xué)期刊《Physical Review Letters》以"Quantum Squeezing Induced Optical Nonreciprocity"為題發(fā)表了集成光學(xué)非互易器件的研究成果。南京大學(xué)現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院博士生唐磊為論文的作者，夏可宇教授為通訊作者，南京大學(xué)唐江山和陳明遠(yuǎn)同學(xué)及國際合作者肖敏教授和Franco Nori教授對本工作做出了重要貢獻(xiàn)。該工作得到了重點(diǎn)研發(fā)計劃項目、國家自然科學(xué)基金委、江蘇省"雙創(chuàng)人才"和"雙創(chuàng)團(tuán)隊"計劃及南京大學(xué)研究計劃項目的支持。