Laser & Photonics Reviews :基于受激布里渊散射的片上光隔离器及非互异宇称-时间对称

芯片集成光隔离器在光信号传输系统中极其重要,其作用包括调控光信号传输路径、保护光学元件不受背向杂散激光干扰等。传统光隔离器基于法拉第磁光效应,该类型光隔离器不易在芯片集成,且具有较高的插入损耗。外加磁场也会对周围的光电器件产生影响。近年来,科学家致力于研制非磁光效应的片上集成光隔离器,并利用光子带间跃迁、光力效应、非线性效应取得了一些进展。但是片上非磁光隔离器仍有许多问题有待解决,例如工作带宽窄、插入损耗较大等。

针对这一系列问题,南京大学量子电子学与光学工程系姜校顺、肖敏团队与合作者美国肯内索州立大学温健明教授、芝加哥大学蒋良教授利用氧化硅微环芯腔中受激布里渊散射单向传输的特性,实现了具有高隔离度、低插入损耗的非磁光效应可调光隔离器。并进一步在耦合微腔系统中利用体块受激布里渊散射实现非互异的宇称-时间对称。相关成果发表在 Laser & Photonics Reviews (DOI: 10.1002/lpor.201900278)。

体受激布里渊散射是一个光声耦合的相互作用过程。泵浦光与介质相互作用后会有部分光子湮灭,产生出新的声子和信号光光子。由于相位匹配的限制,信号光只存在于与泵浦光传输相反的方向。即体受激布里渊散射是一个单向激发过程。基于这一独特的物理过程外加高品质因子光学微腔这一优异的光与物质相互作用平台,研究团队实现了非磁效应的片上光隔离器。该隔离器插入损耗低,隔离度达到17.7 dB,可以在1 µW至100 µW以内的信号光功率范围内工作并且隔离度可调。由于体受激布里渊散射较大的斯托克斯频移量(在1550 nm波段约11 GHz),泵浦光可以被很容易地从信号光中滤除,使信号光免受其影响。更重要的是,该隔离器可以在信号光从两个方向同时输入时工作。进一步,该团队将体块受激布里渊散射应用于耦合微腔系统,实现了非互异的宇称-时间对称即宇称-时间对称现象只存在于具有增益效应的反向信号光中,正向信号光由于缺少增益无法形成宇称-时间对称条件。这一非互异过程解除了耦合微腔正反向奇异点的简并性。由于奇异点附近的探测灵敏度远高于奇异点以外的地方,该非互异系统未来可用于实现双向、多灵敏度的多功能纳米颗粒传感器,在两个方向探测不同尺寸或类型的纳米颗粒。