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研究快讯 | 光学克尔非线性谐振腔中的动态非互易
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EXPRESS LETTER
Dynamic Nonreciprocity with a Kerr Nonlinear Resonator
Rui-Kai Pan (潘瑞恺), Lei Tang (唐磊), Keyu Xia (夏可宇), and Franco Nori
Chin. Phys. Lett. 2022 39 (12): 124201
DOI: 10.1088/0256-307X/39/12/124201
文章亮点
利用光学克尔非线性腔内自克尔非线性和互克尔非线性对腔谐振频率的手性调制，提出一种具有动态非互易性的片上光隔离器和环形器方案。
基于克尔非线性谐振腔的动态非互易的计算与仿真结果。上：FDTD仿真得到的系统稳定后的电场分布，其中端口2后有一吸收体并已用白色虚线标出。从端口1入射的光大部分由端口2输出，从端口2入射的光大部分由端口3输出。左下：由耦合模方程得到的固定光与谐振腔失谐后，扫描光场振幅时稳态下各端口的透过率变化。当功率处于合适的范围时，端口2和端口3的透过率均远大于端口1的透过率，系统表现出隔离器与准环形器的效果。右下：由FDTD仿真得到固定光的频率后，扫描光场振幅时稳态下各端口的透过率变化。由于参数存在区别，左下与右下图示的透过率的具体数值略有不同，但两种方法得到的各端口透过率随光场振幅变化的线型基本一致。
光学克尔非线性谐振腔中的动态非互易
研究背景
光隔离器和光环行器等光学非互易器件可以起到隔离有害的背向散射光和控制光传输路径的作用，因而对于光信息处理有重要意义。磁光效应被广泛应用于光隔离，但不利于片上集成。尽管目前已有很多非磁的光非互易器件，但实现集成仍富有挑战性。基于光学材料的非线性实现非互易的器件易于集成，但是面临打破动态互易的问题，即正向和反向信号光同时进入克尔非线性系统中，系统不再表现出非互易特性。因此，在光学克尔非线性系统中克服动态互易的非互易光传输仍然是一个重大的挑战。
内容简介
最近，南京大学夏可宇教授课题组与日本理化所Franco Nori教授合作，提出一种基于克尔非线性光学腔中自克尔与互克尔非线性调制的不相等(即手性)实现光隔离器和环形器的理论方案。该系统由一个克尔非线性光学微环形腔和两根波导组成。考虑两束完全相同的光同时分别进入两根波导，其中正向入射光进入下面没有衰减的波导，而反向入射光进入上面的波导后经过一个具有很小衰减率的衰减器。入射光与微腔存在一定失谐。正向和反向的光分别在腔内激发出逆时针模式和顺时针模式。由于衰减器的存在，两种模式的强度一开始就具有微小差异。由于非线性调制改变材料的折射率，从而改变光与微腔的失谐。由于克尔材料的交叉克尔非线性强度是自克尔非线性强度的两倍，即互克尔调制是自克尔调制的两倍，强度较小的模式会受到更强的调制。经过一定时间的演化，腔内两种模式的强度出现较大差异，从而产生动态非互易。作者分别通过解耦合模方程和有限差分时域（FDTD）仿真研究了该系统各端口的透过率。
研究意义和重要性
本文提出并利用耦合模方程和FDTD仿真证明了一种光隔离器和准环形器的动态非互易性，器件可实现片上光隔离，有利于推动光芯片的集成。
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