基于腔光力学的片上非互易器件的实验研究

Aiming at the current situation that miniaturization and integration of magneto-optical non-reciprocal devices are challenging, an on-chip non-reciprocal device is designed and studied by using the method of optomechanically induced non-reciprocity. The radiation-pressure-induced coupling between light and mechanical motion in travelling wave resonators has been exploited to break the Lorentz reciprocity, enabling non-reciprocal devices without magnetic materials. By optimizing the micro-manufacturing process and improving the coupling strength between the photon and phonon, the high isolation and low insertion loss of the non-reciprocal device are realized, as well as the improvement of the working bandwidth and the power consumption. Project applicant strives to achieve reconfigurable all-optical on-chip non-reciprocal devices, and be able to realize more complex optical signal processing, and even quantum-level optical isolation, storage, optical frequency conversion and other operations. The research results of the project are of great significance for realizing non-reciprocity without magnetic materials and lay the foundation for realizing all-optical non-reciprocal devices on chip.

针对磁光非互易器件难以实现小型化与集成化的现状，采用腔光力学诱导非互易的方法，设计和研究腔光力学的片上非互易器件。行波腔中的光力相互作用已经被证明可以用来打破洛伦兹互易性，实现无磁性材料的非互易器件。通过优化加工工艺，提高样品品质因子与光力耦合强度，实现非互易器件高隔离度与低插入损耗的同时，提高器件工作带宽、降低器件功耗。争取实现可重构的全光的片上非互易器件，并能够实现复杂的光信号处理，甚至进行量子水平的光隔离、存储、光频率转换等操作。项目研究成果对实现无磁性材料非互易具有重要意义，为实现片上全光非互易器件奠定基础。

针对磁光非互易器件难以实现小型化与集成化的现状，采用腔光力学诱导非互易的方法，设计和研究腔光力学的片上非互易器件。借助腔光力学相互作用，围绕非互易原理验证，非互易器件小型化实现以及通过耗散调控增强机械振子冷却从而实现量子非互易器件等方面展开相关研究。我们通过合成磁场实现光子的非互易传输，通过微腔支持多模式相互作用的特点，我们证明光子在多个模式间耦合输运会获得与路径相关的相位差，从而实现了光子的等效合成磁场。我们在三个模式相互作用的基础上，展开了进一步的实验工作。当引入不同频率的光学模式后，通过光学控制相位，实现了光子非互易的波长转换。将机械振子冷却到量子基态后，可以实现量子非互易效应，研究单声子调控。对于机械振子冷却，有经典的激光边带冷却方案以及反馈冷却等方式。我们提出利用耗散调控机制，增强激光边带冷却的效果。实验中首先通过布里渊散射过程将辅助高频行波声子与目标光学模式耦合，实现对光学模式线宽的有效调节，调节范围超过一个数量级。随后通过减小光学模式线宽，有效提高了目标光学模式与声学模式的协同系数，进而达到增强边带冷却的目的。实验结果表明，该方案可以将激光边带冷却效果提高80%。项目研究成果对实现无磁性材料非互易具有重要意义，为实现片上量子非互易器件奠定了基础。