中国科学技术大学董春华课题组在非互易光子器件研究方面取得重要进展。该团队首次利用回音壁模式微腔中腔光力的非互易特性，实现了全光控制的非互易多功能光子器件，并首次实现集成光学定向放大器。

近年来用于经典和量子信息处理的光子集成器件取得了长足的发展，但如何得到具有非互易性和增益特性的集成光子学元件仍然是一大挑战。特别是对于非互易集成器件，比如环形器和隔离器，一直是微纳光学研究的热点。其中光环形器允许光以“环形”方式传输，可用于光源保护和精密测量，这种功能还可实现经典/量子计算或通讯中信号的双向处理，有利于提高信道容量与降低功耗。同时，具有增益特性的定向放大器已经在量子计算中发挥了重要的作用。常见的光学非互易器件主要利用磁光晶体的法拉第效应，其在器件集成化方面面临着挑战，难点包括磁光材料与传统半导体材料不匹配、需要外加强磁场、在光频范围内磁光材料具有很高的传输损耗等。

图1 基于腔光力学的环形器与定向放大器示意图

研究人员利用回音壁微腔与双波导耦合的光力体系，实现了多功能的光子器件，包括窄带滤波器和具有非互易功能的四端口光环形器与定向放大器，并且这些功能模式可以通过改变控制光来实现任意切换。对于环形器而言，从端口1入射的信号光从端口2出射，从端口2入射的信号光从端口3出射，依此类推，构成“1-2-3-4-1”的环形路径，当只关注端口1和2时，它也是一个高效的光隔离器。实验中，器件“1-2-3-4-1”路径的透过率为60%~80%，而反向的透过率接近0，证明该器件已具备环形器的功能，且4端口平均隔离度为13 dB，平均插入损耗为2 dB。

对于定向放大器，从端口1入射的信号光被放大后从端口2出射，但从端口2入射的信号光从端口3出射，而不会从端口1出射，因此在“1-2”的方向上具有定向放大的功能。实验中，“1-2”方向的信号光被放大约19 dB，但“2-1”方向的信号光则经历15 dB的衰减，因此透过率之比可以达到34 dB。验证了该器件只需改变控制光频率即可转换器件功能的性能。

图2 （a）理想环形器传输矩阵；（b）~（d）器件滤波器、环形器和定向放大器模式下的传输矩阵

为了详细表征该器件的性能，研究人员测量了该器件不同功能下4端口完整的传输矩阵（图2）。在没有控制光的情况下，器件可作为窄带滤波器使用，器件的互易性使其传输矩阵沿对角线对称；在控制光的作用下，传输矩阵不再沿对角线对称，表明器件具备非互易的特性。实验结果表明，增强控制光有利于提高器件非互易性能，使其更趋近于理想光学环形器和定向放大器。

该器件结构简单，原理具有普适性，甚至可实现单光子水平的光环形器，同时可推广到任一具有行波模式的光力学体系，包括微波超导器件和集成声学器件。相关成果发表在Nature Communications [9, 1797 (2018)]上。论文共同第一作者为沈镇、张延磊和陈元，通讯作者为董春华、邹长铃和孙方稳。

上述研究得到了科技部重点研发计划、中国科学院、国家自然科学基金委、量子信息与量子科技前沿协同创新中心的支持。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-018-04187-8