综述|基于回音壁微腔的非互易光子器件
非互易光子器件是光信息科学领域的重要基础器件，目前商用的非互易器件大多数为非集成器件，因此开展集成非互易光子器件研究具有重要意义。中国科学技术大学邹长铃、董春华教授课题组和商丘师范学院舒方杰教授合作在《科学通报》发表评述文章，综述了基于回音壁光学微腔的非互易光子器件研究，分析了现存的问题，展望了未来研究的方向。
互易性是光学理论和实践中备受关注的问题。理论上已经证明互易原理与受限时间反演对称性等价。为了打破这种对称性，光学系统需包含非线性、磁光效应或时间调制。光路中的一些关键部件，如隔离器、环形器和相移器，是典型的非互易器件。它们目前是基于传统自由空间光学中磁光材料的法拉第效应实现的。然而，磁光材料与集成光学器件兼容性不足。因此，人们在追求片上磁光集成的同时，也致力于发展非磁性材料的非互易理论和器件。
回音壁模式（WGMs）光学微腔具有模体积小、品质因子高的优点。因此，光子集成中的许多非互易策略都基于WGM光学微腔。与磁光效应的非互易原理类似，需要引入外部偏置场（如磁场、角动量、线动量等）来打破时间反演对称性。本文回顾了WGM光学微腔中非互易光学的研究，并总结了近期在以下相互作用类别中的研究成果：磁光效应、能级分布偏置下的原子手性态耦合、角动量偏置的宏观多普勒效应、光力驱动、声光调控和非线性驱动的非互易。
首先，即使在芯片上，磁光效应也是实现非互易性的重要途径。非互易性可以通过在硅芯片上沉积/键合磁光材料或在外部磁场的帮助下使用钇铁石榴石微球中WGM的自旋轨道相互作用来实现。其次，将原子制备到特定的塞曼能级也可以导致原子与光子之间发生与极化相关的相互作用，从而可以基于原子基态布居的控制来实现光子的非互易性。第三，多普勒效应可以使运动的电介质产生与速度相关的附加折射率。此时，与介质同向传播和相向传播光的有效折射率不同。系统的互易性被破坏，从而实现非互易性。最后，光力系统的非互易性、声光调制和非线性效应可以用光子-声子相互作用的角动量守恒来解释。
作为总结，相关实验中获得的隔离器的一些代表性参数通过表1展示。现有的非互易解决方案也根据角动量和相互作用不同进行了分类（图1），有利于深入了解现有解决方案并开发潜在的非互易方法。最后，通过列举待研究的问题对非互易性的研究进行了展望：（1）如何进一步提升关键性能增强实用性。（2）将非互易特性从经典体系拓展到量子体系。（3）通过引入多模式的非互易作用拓展新的研究。（4）如何优化微波、声波和光学等各种波动场之间互为偏置的非互易器件。（5）非互易现象与热力学关系的研究。
表1 隔离器关键技术指标比较
图1 非互易机理按照相互作用类型和角动量维度归类
汪昱, 舒方杰, 沈镇, 柴诚哲, 张延磊, 董春华, 邹长铃. 基于回音壁微腔的非互易光子器件. 科学通报, 2022, 67(28-29): 3372–3385, doi: 10.1360/TB-2022-0118（“阅读原文”直达）
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