龙桂鲁研究组在新型基础光信息处理器件研究方面取得重要进展

2014年4月01日

龙桂鲁教授和他的博士生雷府川与美国圣路易斯华盛顿大学杨兰教授等合作，于2014年4月6日在《自然-物理》（Nature Physics）杂志上在线发表了题为《宇称时间对称的回音壁微腔》（Parity–time-symmetric whispering-gallery microcavities）的论文[Peng, B. et al. Nature Phys. (2014)]^[1]，并被《自然-物理》（Nature Physics）杂志以《从对称走来的不对称》（Asymmetry from symmetry）为题在“新闻与视点”（News&Views）栏目点评^[2]。该论文中的研究成果首次实验实现了基于宇称时间对称结构光学微腔的光学二极管，这一器件的研制对新型计算机和激光器等的发展将产生重要影响。该器件利用了两个回音壁模式的微腔耦合方式，把其中一个微腔掺杂铒离子作为增益腔，另外一个作为损耗腔，通过倏逝场相互耦合，并通过微纳光纤波导将光耦合进入和输出，观察到了光的单向传输。

宇称-时间对称（Parity-Time-symmetry）理论由卡尔班德（Carl Bender）和他的合作者提出的，是基础物理学的研究热点。宇称-时间对称体系具有许多奇妙的性质，如预言了超速态演化（这一预言已经被龙桂鲁研究组在2013年进行过实验模拟）。在光学中，人们意识到基于宇称-时间对称结构的光学系统会展现出许多奇特的性质。人们首先在波导耦合系统中，实现了这种宇称-时间对称的结构。但是在这个系统中，光学共振不能发挥作用。因此，许多理论预言的现象都还未被观察到，比如，光的不可逆传输、光学类比拓扑绝缘体、激光中的反常点等。这些现象既需要宇称-时间对称，也需要光学共振效应。特别是，上述现象中的光的不可逆传输（光学二极管效应）有着重要的实际应用意义。

实验中观察到调节增益和耦合强度可以实现宇称-时间对称性从未破坏到破坏的相互转换，与理论预言一致。另外，他们实验中发现，宇称-时间对称性破坏以后的耦合光学微腔可以让光场局限在其中一个腔中，从而导致了很强的光学非线性，他们利用这种强的光学非线性，实现了光的不可逆传输，即光学二极管效应。该项工作是回音壁模式微腔向着实际应用研究的重要进展。

此项工作得到了清华大学、国家自然基金委、科技部的支持。