增益-损耗型腔光力学系统中非互易性传输的理论研究

Nonreciprocal devices including optical isolator and circulators play an important role in integrated optical circuitry, which have attracted extensive research interest. In the past decade, methods including Faraday magneto-optic effect have been applied to realize nonreciprocal transmission. Recently, optical nonreciprocity in cavity optomechanical systems has become a new hot topic in this research field. In our previous works, we have investigated systematically the phenomena of optomechanically induced transparency, optomechanically induced absorption and amplification, and Fano resonance in cavity optomechanical systems. In this project, by solving the linearized quantum Langevin equations, we’re going to investigate the nonreciprocal transmission in cavity optomechanical systems with gain and loss, including optical diode, quantum-limited directional amplifier, and nonreciprocal Fano resonance. This project aims at elucidating some novel effects about nonreciprocal transmission induced by optical gain and parity-time-symmetry, and providing theoretical guide to design the relevant nonreciprocal devices.

光学隔离器、循环器、单向放大器等非互易性器件在光子集成电路中起着非常重要的作用，一直以来受到人们的广泛关注。在过去的十几年中，包括利用法拉第磁光效应在内的多种方法相继被提出用于实现光学非互易性传输。最近，腔光力学系统中的非互易性传输成为该领域一个新的研究热点。在前期的研究工作中，申请者已经对腔光力学系统中的光力诱导透明、光力诱导吸收和放大以及Fano共振等光学传输现象进行了深入、系统的研究。在此基础之上，本项目拟以增益-损耗型腔光力学系统为研究对象，通过求解线性化量子郎之万方程的方法，研究系统中的光学非互易性传输特性，包括具有单向传输性的光学二极管、量子极限的单向放大器以及非互易性Fano共振等方面。本项目旨在揭示系统中光学增益甚至宇称-时间-对称性对非互易性传输带来的新颖的现象，并为相关的光学非互易性器件设计提供强有力的理论指导。

腔光力学系统主要研究光学微腔（微波腔）与机械振子通过辐射压力耦合形成的相互作用及其产生的各种物理效应，为研究光学隔离器、循环器、单向放大器等非互易性器件提供了一个很好的平台。本项目研究了多种腔光力学系统中的光学响应特性，包括光力诱导透明、放大、Fano共振和慢光效应等，揭示了光学增益引起的单向放大现象，进一步提出了一种实现微波和光学光子间相位敏感的单向放大器的方案。此外，在两个具有非互易性传输特性的光力系统中，我们研究了规范相位调控的量子纠缠现象。最后，我们探讨了包含奇异点的多模光力系统中的能级吸引以及机械振子的冷却，发现声子输运在奇异点处变得非互易甚至具有单向性。在本项目资助下，共发表SCI学术论文11篇，其中包括4篇Phys. Rev. A和2篇Opt. Expres等；出版学术专著一部；授权国家实用新型专利三项。这些结果不仅对揭示光力系统中的量子光学效应有着重要的意义，还可以为相关的非互易性器件设计提供强有力的理论指导。