Light| 耗散诱导光学非互易

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撰稿 | 课题组

光学非互易是指光沿一个方向通过光学系统后不能沿原路返回的特性（图1），实现光学非互易无论是在光通信、光信息处理、基础物理研究还是交叉学科研究中都有重要的意义。例如，基于非互易原理的元器件在各种光路中起着不可替代的重要作用。其中，光隔离器能够使光场单向传输从而抑制反射光进入光源，是几乎所有光路都必须用到的器件，缺少光隔离器将使光源无法正常工作而使整个光路失效；光环形器可将正向输入光与反向输出光精确分离，是实现光学信号准确控制的关键元件；定向放大器可实现信号的单向放大，在经典和量子信息处理领域都有重要的作用。另外，由于非互易光场具有单向传输的特性，能够抑制背向散射干扰，表现出优异的拓扑性质，因此非互易光学器件也成为了拓扑光子学、手性量子光学等相关学科的重要研究平台。此外，非互易在电磁学、声学、工程科学及多个交叉学科领域中也起着重要的作用。

近日，清华大学物理系刘永椿副教授研究组提出了一种利用耗散实现光学非互易的新型物理机制，无需依赖于磁场、介电常数调制及非线性效应，仅利用系统能量耗散，可实现光学非互易及能量单向传输。

图1 光学非互易示意图

由于麦克斯韦方程组具有线性特性，基于此推导出的洛伦兹互易定理表明通常情况下的光场都具有互易性，如何实现光学非互易是光学及相关领域长期以来的重要难题。

要实现光场非互易，就必须打破洛伦兹互易定理。根据如何打破洛伦兹互易定理的情况，可将已有方法归为三类。第一类方法是引入磁场，打破时间反演对称性，从而打破洛伦兹互易定理，例如典型的自由空间光隔离器就是利用磁光材料的法拉第磁致旋光效应实现的。由于这种方法需要利用磁光材料，且需要外加强磁场，其应用受到很大限制，尤其是磁光材料与传统半导体材料晶格不匹配，使得其集成较为困难，而且外加磁场会分布在较大的空间范围内，容易引起对其他信号的干扰。第二类方法是通过引入介电常数的时空调制来打破洛伦兹互易定理。由于该方法要求不同位置处的介电常数都进行动态调制，其实现较为困难。第三类方法是通过引入光学非线性来打破洛伦兹互易定理。由于一般光学材料非线性较弱，这种方法通常需要很强的光强，难于应用于弱光情况，而且这种方法只能实现不完全的非互易。

图2 利用耗散及不同耦合通道间的干涉实现光学非互易原理图

耗散普遍存在于各类物理系统，其来源是系统与环境的相互作用，使系统能量发生衰减。耗散的存在使得系统的时间反演对称性被破坏，然而由于存在耗散的情况下光学系统正向和反向的透过率一般没有差别，通常认为耗散并不能作为产生光学非互易的手段。

本文通过构建多个耗散通道干涉的模型，发现利用耗散引起的相位延迟结合多通道干涉，可有效地实现光学非互易。从图2所示的基本模型出发，考虑无直接相互作用的共振模式间由具有耗散的模式连接，通过绝热消除高耗散（或大失谐）的模式，得到共振模式间的等效耦合项，其耦合系数相位包含相干耦合相位和耗散相位两部分。由于耗散相位与能量传输方向无关，通过引入多个耗散模式使不同耗散通道间发生干涉，前向与后向的耦合强度在相位调控下产生差别。当调控相位满足一个方向耦合强度为0而另一个方向不为0时，系统可实现完全的光学非互易（图3）。

图3 调控相位实现不相等的前向与后向耦合强度

非互易还可以从系统的能量本征值和本征模式中得到体现（图4）。对于两个共振模式耦合的系统，随着体系的非互易增强，系统的能级裂距逐渐缩小，当实现完全的非互易时，系统的能级出现简并，系统的本征模式变成一个，此时系统出现奇异点（Exceptional Point）。

图4 系统的本征值和本征模式

利用耗散诱导非互易机制，可实现能量在多个共振模式间的单向传输（图5）。

图5  单向能量传输结果

不同于依赖磁场、非线性和介电常数时空调制来产生光学非互易的方案，该研究工作提出了一种利用普遍存在于物理系统中的能量耗散来产生光学非互易的新型物理机制。该方案具有普适性，为非互易器件的设计和耗散系统拓扑特性的研究提供了新的思路。

本文第一作者为清华大学物理系博士后黄馨瑶，通讯作者为刘永椿副教授，合作者包括北京理工大学物理学院路翠翠研究员。