无磁光学非互易研究进展
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关键词 光学非互易；无磁；热运动；单向放大
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
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。
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。
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。
†通信作者，研究方向：量子相干调控。E-mail：niuyp@
343
Chinese Journal of Nature Vol. 41 No. 5 REVIEW ARTICLE
B ν E
β L
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 射率时空调制 根据洛伦兹互易原理可知，通过打破介质
doi: 10.3969/j.issn.0253-9608.2019.05.004
第 41 卷第 5 期 ■专题综述
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
摘要 光学非互易器件，例如光隔离器、循环器和移相器等，是全光通信的基本单元，在光学信号处理和量子网络等方面具 有重要应用。传统的实现光学非互易的方法是利用法拉第磁光效应，但所需要的强磁场会导致小型化和集成化的困难。因 此，部分研究者将目光投向无磁光学非互易的研究。文章介绍了无磁光学非互易的研究现状以及华东理工大学激光物理与 量子调控研究室在该方面的一些最新研究工作。
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。
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
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。
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。
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。
†通信作者，研究方向：量子相干调控。E-mail：niuyp@
343
Chinese Journal of Nature Vol. 41 No. 5 REVIEW ARTICLE
B ν E
β L
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 射率时空调制 根据洛伦兹互易原理可知，通过打破介质
doi: 10.3969/j.issn.0253-9608.2019.05.004
第 41 卷第 5 期 ■专题综述
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
摘要 光学非互易器件，例如光隔离器、循环器和移相器等，是全光通信的基本单元，在光学信号处理和量子网络等方面具 有重要应用。传统的实现光学非互易的方法是利用法拉第磁光效应，但所需要的强磁场会导致小型化和集成化的困难。因 此，部分研究者将目光投向无磁光学非互易的研究。文章介绍了无磁光学非互易的研究现状以及华东理工大学激光物理与 量子调控研究室在该方面的一些最新研究工作。
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。