[论文解读] Nonreciprocal photon blockade via quadratic optomechanical coupling

Xun‐Wei Xu, Yan-Jun Zhao+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 20, 2018

Mechanical and Optical Resonators参考文献 63被引用 13

一句话总结

本文通过在回音壁模式（WGM）光机械系统中利用模式反交叉工程实现二次光机械耦合，提出了一种非互易光子阻塞效应，当单向光泵浦时，实现了具有强光子反聚束特性的定向单光子传输。关键结果是通过非线性耦合与热声子调控，实现了高隔离度且可调谐量子统计的单向光子阻塞。

ABSTRACT

We propose to manipulate the statistic properties of the photons transport nonreciprocally via quadratic optomechanical coupling. We present a scheme to generate quadratic optomechanical interactions in the normal optical modes of a whispering-gallery-mode (WGM) optomechanical system by eliminating the linear optomechanical couplings via anticrossing of different modes. By optically pumping the WGM optomechanical system in one direction, the effective quadratic optomechanical coupling in that direction will be enhanced significantly, and nonreciprocal photon blockade will be observed consequently. Our proposal has potential applications for the on-chip nonreciprocal single-photon devices.

研究动机与目标

• 在WGM光机械系统中通过二次光机械耦合演示非互易光子阻塞。
• 通过模式反交叉消除线性光机械耦合，以在正常光学模式中隔离二次耦合。
• 通过单向光泵浦实现对光子统计的方向性控制。
• 研究热声子在调制非互易传输与光子统计中的作用。
• 实现片上非互易单光子器件，如隔离器、路由器和光源。

提出的方法

• 通过在WGM系统中不同光学模式的反交叉，消除线性耦合，以工程化实现二次光机械耦合。
• 使用强单向光泵浦，仅在泵浦方向增强有效二次耦合。
• 推导包含二次光机械相互作用项的有效哈密顿量，其中耦合强度为G，失谐为Δ。
• 在分辨边带极限（ωm ≫ γc）下分析系统，以确保强非线性效应。
• 计算透射系数T21和T12，以及二阶相关函数g(2)21(0)，以量化非互易性与光子统计。
• 在实验实现中使用光谱滤波技术，从强驱动场中分离出微弱探测信号。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过抑制线性耦合，在WGM系统的正常光学模式中工程化实现二次光机械耦合？
• RQ2 单向光泵浦如何增强二次耦合并诱导非互易光子阻塞？
• RQ3 热声子在调制非互易状态下的隔离比与光子统计中起什么作用？
• RQ4 能否实现高透射率与强反聚束特性的非互易光子阻塞？
• RQ5 系统在不同失谐下（特别是Δ = ±√6G和Δ = √2G附近）的行为如何变化？

主要发现

• 当系统在某一方向泵浦时，透射系数T21 ≫ T12，实现了非互易光子阻塞，表明实现了单向单光子传输。
• 在失谐Δ = ±√6G时，隔离比T21/T12随热声子数n_th增加而增大，这是由于|1₀⟩声子态布居增强所致。
• 在Δ = ±√6G时观察到光子反聚束（g(2)21(0) < 1），表明透射场具有强单光子特性。
• 在Δ = √2G时，尽管存在热声子，系统仍表现出鲁棒的隔离性能，但反聚束特性随n_th增加而减弱。
• 在Δ = 0和Δ = ±√2G时，隔离度与g(2)21(0)均对热声子高度敏感，具有潜在的超低温传感应用价值。
• 实验可行性得到光谱滤波技术以及在石墨烯或光子晶体WGM腔中可实现分辨边带条件的支持。