中国科大开辟非互易领域新方向实现50dB的无噪声全光隔离

2021年04月25日

中国科大开辟非互易领域新方向实现50dB的无噪声全光隔离

我校郭光灿院士团队在光学非互易领域取得新进展。该团队邹长铃研究组与山西大学张鹏飞、张天才教授等人合作，在原子系综中实现了51.5dB的非互易隔离，是目前无磁非互易领域中的最高隔离比，并且首次探讨了非互易器件中量子噪声问题，证明了该新的全光非互易效应不会引入额外的量子噪声。该成果于2021年4月22日发表在国际知名期刊《自然•通讯》上。

非互易是光学领域中重要的基础概念，由此衍生出的隔离器、环路器等都是光路中不可或缺的元件。以磁光效应圆偏双折射为原理的法拉第隔离器因其易于搭建、隔离度高、低损耗等特性被广泛地使用于各种光路系统中。然而在集成化的光路中，传统的法拉第隔离器会受到种种限制，一是难以制备高性能的片上磁光介质，二是其所需的强磁场会对周围的器件产生干扰，因此如何实现可集成的无磁非互易在近些年来倍受大家关注。邹长铃和董春华等合作者致力于非互易光子器件，在此方向做出了一系列重要的成果，包括Nature Communications 6, 6193 (2015); Nature Photonics 10, 657-661 (2016); Physical Review Letters 117, 123902 (2016); Nature Communications 9, 1797 (2018); Laser & Photonic Review 14, 1900252 (2020); Physical Review Letters 126, 123603 (2021)。

该研究组利用圆偏泵浦光将气室中的原子极化到一个特定的磁自旋态上，对不同偏振的光产生不同的吸收和色散，实现了约30dB的隔离比。在此基础上，研究组加入了一个行波腔，大幅增强了光与原子之间的相互作用，最终将隔离比提高到了51.5dB，成功地制备出了基于原子系综的非互易介质。这套系统有较好的鲁棒性，对于外界弱磁场的干扰、泵浦光频率和功率的浮动等均不敏感，具有实际应用的价值。

实验装置图以及非互易效果图

此外，该研究组首次在非互易领域中提出并回答了非互易器件本身是否会产生噪声光子的问题。他们通过测量相干光和伪热光通过该系统前后的二阶相干函数的改变，间接地计算出系统自身产生的噪声光子数小于0.0084个（99.7%置信），证明该系统并不会产生额外的量子噪声。

该成果在非互易领域开辟出了一个新的方向，并在实际应用中具有重要意义。审稿人给予了高度评价：“Hu et al, address an important challenge in achieving a stable and robust non-reciprocal device and demonstrate a very low-noise device（胡等人在实现鲁棒非互易器件上解决了一个重要的挑战，展示出了一个噪声非常低的系统）”； “The results are very impressive and seem encouraging towards realizing non-reciprocal devices.(实验结果令人印象深刻，在实现非互易器件这条道路上是十分鼓舞人心的)”

中科院量子信息重点实验室的博士研究生胡昕欣和王竹博为论文共同第一作者，通讯作者为我校邹长铃教授、董春华教授和山西大学的张鹏飞教授。该项研究得到了国家自然科学基金委、科技部重点研发计划和安徽省引导专项的支持。

文章链接：https://www.nature.com/articles/s41467-021-22597-z

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