手性克尔光学非线性的量子调控

来源：中国激光

      南京大学夏可宇教授和肖敏教授团队，联合日本理化学研究所Franco Nori教授，提出一种构建手性克尔光学非线性的量子调控理论方案，突破了被普遍接受的非线性光学动态互易性，并用于构建不需要光学腔的宽带光隔离器和环形器，于2018年11月发表在Physical Review Letters上，最近被史保森教授和郭光灿院士团队实验实现 [arXiv:1908.07210]。理论突破了动态互易限制，为实现无磁场光隔离和非互易光学奠定了基础。

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非互易光学研究光的非可逆传输如光隔离，在激光防护、光网络和量子信息处理中有重要应用，是光学、量子光学和量子信息技术的交叉前沿，涉及到时间反演对称破缺和非厄米动力学等最深层物理，也为光场手性和非互易调控提供了手段。最近，国际上围绕非互易光学和非互易光器件的研究竞争进入了白热化。

从麦克斯韦方程出发，洛伦兹推导了普适的电磁波传输互易定理，指出在线性时不变系统中光的传输是互易的，即满足可逆性原理。如何突破这个互易定理的限制实现光非互易传输一直是物理学家探索的问题和光学工程师们追求的目标。

传统光隔离长期利用法拉第磁光效应，但是需要强磁场而且尺寸大，不利于集成，更不适用于磁场敏感环境。寻找不需要外加磁场的光隔离方案吸引了广泛研究兴趣但充满挑战。在光学系统中引入克尔非线性是可以破坏洛伦兹互易定理的前提条件之一，而且能采用成熟的硅材料加工技术，一度被认为是打破洛伦兹互易定理实现无磁场可集成光隔离器的理想途径。但是2015年斯坦福大学和威斯康辛州立大学的科学家研究了这类传统克尔非线性光学系统后在Nature Photonics上发文指出，弱光在克尔或类克尔非线性光学系统中的传输是互易的，存在动态互易所以不能被隔离。这一发现宣告了非线性光隔离器的终结，并很快获得广泛认可。

本研究团队与国际合作者考虑到非线性动态互易的结论是以空间对称的光学非线性为前提基础，理论提出了人工构建一个具有空间非对称特性的强手性光学克尔非线性来突破非线性光学动态互易这一物理规律的限制，达到隔离弱光甚至单光子的目的。该理论设计了一种新型手性非线性光学材料，为光学提供了新的研究领域和调控手段。

图1：（a）利用一维填充N型原子气体的手性非线性光波导实现光环形器示意图。（b）在N型四能级原子系统中通过控制场Ωc诱导调制场Ωs和探测光Ωp之间的强手性交叉克尔非线性。（c）光学环形器的非对称散射矩阵。

该团队通过构建手性非线性光学介质，消除了非线性光学动态互易从而实现弱光光隔离。结合原子热运动引起的微观多普勒频移，定向传播的调制光通过N型四能级原子系综对探测光产生手性幅度和相位调制，控制与其同向传播的探测光产生180°相位移动，反向传播的光几乎没有相移。将这种具有手性交叉克尔非线性的人工光学介质嵌入一维光波导后，再插入一个马赫曾德尔干涉仪的一路，构建了一个手性马赫曾德尔干涉仪，可以实现常温可集成全光控制光环形器。

这种光环形器可以实现光的非互易传输，让从端口A入射的光从端口B出射，从端口B进入的背散射光从第三个端口C出射，隔离背散射光对入射端口A的影响，其保真度可达0.9，附加损耗仅1.6dB。该方案不需要技术复杂的高品质光学腔，带宽相对更大。通过调制光诱导探测光的手性吸收，该团队还设计了一种隔离度可达40dB的光隔离器。这两种类型的光非互易器件对不同功率的探测光都适用，可以高效隔离单光子和经典光。提出的理论也将光学研究领域扩展到了手性非线性光学。

相关成果以“Cavity-free optical isolators and circulators using a chiral cross-Kerr nonlinearity”为题发表在PhysicalReview Letters上。

该研究得到了科技部重点研发计划、国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费专项基金项目的资助，也得到南京大学固体微结构国家重点实验室、现代工程与应用科学学院和人工微结构科学与技术协同创新中心支持。

论文链接：

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.121.203602