光在一般介質(zhì)中具有雙向傳輸?shù)幕ヒ仔?，而打破這種互易性，即實現(xiàn)對光傳輸方向的非互易性，在經(jīng)典和量子信息處理中具有重要意義。光環(huán)形器、隔離器、定向放大器等是典型的非互易器件。其中光環(huán)形器允許光以“環(huán)形”的方式傳輸，可用于光源保護、精密測量，這種功能還可實現(xiàn)經(jīng)典或量子計算或通訊中信號的雙向處理，有利于提高信道容量與降低功耗。定向放大器也已經(jīng)被證明在基于超導(dǎo)回路的量子計算中具有重要意義。

最常見的光學(xué)非互易器件主要利用磁光晶體的法拉第效應(yīng)，但在器件集成化方面卻面臨著挑戰(zhàn)，難點包括磁光材料與傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料不匹配、需要外加強磁場、在光頻范圍內(nèi)磁光材料具有很高的傳輸損耗等。因此全光控制的片上光環(huán)形器、隔離器以及定向放大器一直是研究的熱點。

中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授郭光燦團隊在非互易光子器件研究方面取得新進展。該團隊的董春華研究組首次利用回音壁模式微腔中腔光力的非互易特性，實現(xiàn)了全光控制的非互易多功能光子器件，并首次實現(xiàn)集成光學(xué)定向放大器。該成果于5月4日在線發(fā)表在國際期刊《自然-通訊》（Nature Communications）上。

基于腔光力學(xué)的環(huán)形器與定向放大器示意圖

據(jù)悉，2016年該研究組實驗驗證了回音壁模式微腔中腔光力的非互易特性[Nature Photonics 10, 657-661 (2016)]。在此基礎(chǔ)上，研究組利用單個光力微腔與雙波導(dǎo)耦合的體系，實現(xiàn)了多功能的光子器件，包括窄帶濾波器，具有非互易功能的四端口光環(huán)形器與定向放大器，并且這些功能模式可以通過改變控制光來實現(xiàn)任意切換。對于環(huán)形器而言，從端口1入射的信號光從端口2出射，從端口2入射的信號光從端口3出射，依此類推，構(gòu)成1-2-3-4-1的環(huán)形路徑，當只關(guān)注端口1和2時，它也是一個高效的光隔離器；對于定向放大器，從端口1入射的信號光被放大后從端口2出射，但從端口2入射的信號光從端口3出射，而不會從端口1出射，因此在1-2的方向上具有定向放大的功能。該器件結(jié)構(gòu)簡單，原理具有普適性，甚至可實現(xiàn)單光子水平的光環(huán)形器，同時可推廣到任一具有行波模式的光力學(xué)體系，包括微波超導(dǎo)器件和集成聲學(xué)器件。

助理研究員沈鎮(zhèn)、博士后張延磊、博士研究生陳元為該論文的共同第一作者，董春華、鄒長鈴、孫方穩(wěn)為通訊作者。上述研究得到了科技部重點研發(fā)計劃、中科院、國家自然科學(xué)基金委、量子信息與量子科技前沿協(xié)同創(chuàng)新中心的支持。