基于可控光子跃迁的光子晶体二极管非互易传输特性及物理机制研究

Nonreciprocal transmission of light is important and fundamental in all-optical information processing. How to realize a simultaneously broad-bandwidth, high-contrast-ratio, high-unidirectional-transmission-rate all-optical diode (AOD) under low pump power, is a recognized challenging problem. Noting the abundant dynamic properties of the cascaded nonlinear cavities, in this project we present a physical mechanism to achieve nonreciprocal transmission of light, via controllable transiting between the multistable states of two cascaded nonlinear nanocavities. This approach may pave the way to break through the above-mentioned bottleneck. We will investigate AOD theoretically and experimentally. By presenting a physical model to describe the optical properties of the cascaded nonlinear nanocavities under the influence of transient Kerr effect, the critical conditions for signal light and control light to precisely mold the photon transiting between multistable states is revealed; we will explore the effective approaches to obtain broader bandwidth and less insertion loss, while simultaneously maintaining the ultrahigh contrast ratio; by optimal design on the key factors such as the arrangement of the cascaded nanocavities, the modification of the waveguide-air interface, pump power and the frequency detuning, etc., the high-performance photonic crystal AOD will be realized. The achievements of this project will be significant to promote the developments of the theory and techniques for AOD.

光的非互易性传输是全光信息处理中的一个重要而基本的问题。而如何实现在较低的入射光功率下，使光二极管既具有超高的正反向传输对比度，同时又具有较大的工作带宽和正向透过率，是当前光二极管研究领域公认的难题。本项目借助级联非线性微腔丰富的动态特性，提出了一种利用光子在级联微腔多稳态间的可控跃迁来实现非互易光传输的物理机制，从而为突破上述瓶颈开辟了一条新的途径。本项目将从理论上和实验上对此进行深入研究。通过建立描述瞬态Kerr效应作用下级联非线性微腔动态特性的理论模型，揭示出为精确操控光子在多稳态间的跃迁，信号光和控制光所应满足的阈值条件；探讨在保持超高正反向传输对比度的同时，增大光二极管工作带宽以及减少插入损耗的有效方法；通过对微腔级联方式、波导-空气界面修饰、泵浦功率和频率失谐量等关键因素进行优化设计，实现高性能的光子晶体全光二极管。这些研究成果对于推动全光二极管理论和技术的发展具有重要的意义。

如何实现在较低的入射光功率下，使光二极管既具有超高的正反向传输对比度，同时又具有较大的工作带宽和正向透过率，并且导通方向可以受控反转，是当前光二极管研究领域亟需解决的难题。本项目提出了一种基于可控光子跃迁的新型物理机制，通过对信号光、超短脉冲泵浦光和非线性微腔间丰富的动态相互作用进行精确调控，实现了高效的非互易光传输。所取得的重要成果包括：（1）建立和完善了瞬态Kerr效应作用下非线性微腔光学特性的理论模型，阐明了非线性微腔-波导系统的非互易传输特性及其物理机制；（2）推导出为精确操控光子在多稳态间的跃迁,信号光和控制光所应满足的阈值条件，揭示出不同的微腔级联方式及控制光泵浦功率对级联微腔能量态的含时演化特性的影响，明确了其对光二极管导通方向反转的作用机理。（3）发现了微腔内信号光的能量态和脉冲控制光泵浦功率之间存在复杂的依赖关系，存在多个离散的微腔能量阈值区域，并对信号光及脉冲控制光到达微腔的相对时延差十分敏感。利用这些新的自由度，我们仅借助一个非线性微腔便在双稳区的整个有效频域宽度内对信号光实现非互易光传输，从而显著地增大光二极管的工作带宽（超过7.5 nm），同时又具有较高的正反向传输对比度（大于20 dB）和较高的单向透射率（超过80%）；（4）在不改变信号光的波长和功率的情况下，首次实现了对同一信号光导通方向的可控反转；（5）我们还将研究成果进一步拓展，提出了一种基于光子模间跃迁的新型动态光存储机制，并对基于电磁感应透明效应的可控光存储进行了深入研究，突破了延迟-带宽乘积的限制，所得的延迟-带宽乘积高达460，远高于传统的微腔系统（不超过2pi）。（6）发现了一种新型高阶拓扑角态，通过对拓扑角态远场相互作用的调控，实现了受拓扑保护的电磁感应透明效应，这为将来进一步实现受拓扑保护的光二极管奠定了基础。这些研究成果在全光通信、量子计算、激光技术等领域具有潜在的应用前景。