[论文解读] On-chip optical isolator and nonreciprocal parity-time symmetry induced by stimulated Brillouin scattering

Jiyang Ma, Jianming Wen+5 more|arXiv (Cornell University)|Jun 8, 2018

Advanced Fiber Laser Technologies参考文献 44被引用 4

一句话总结

本文提出了一种基于高Q值熔融二氧化硅微环谐振器中受激布里渊散射（SBS）的芯片级、无磁光隔离器，实现了高隔离度、零插入损耗和宽动态范围。相同的SBS诱导非互易效应首次实现了耦合微谐振器中非互易宇称-时间（PT）对称性，从而实现了单向激光和超灵敏传感。

ABSTRACT

Realization of chip-scale nonreciprocal optics such as isolators and circulators is highly demanding for all-optical signal routing and protection with standard photonics foundry process. Owing to the significant challenge for incorporating magneto-optical materials on chip, the exploration of magnetic-free alternatives has become exceedingly imperative in integrated photonics. Here, we demonstrate a chip-based, tunable all-optical isolator at the telecommunication band based upon bulk stimulated Brillouin scattering (SBS) in a high-Q silica microtoroid resonator. This device exhibits remarkable characteristics over most state-of-the-art implements, including high isolation ratio, no insertion loss, and large working power range. Thanks to the guided acoustic wave and accompanying momentum-conservation condition, SBS also enables us to realize the first nonreciprocal parity-time symmetry in two directly-coupled microresonators. The breach of time-reversal symmetry further makes the design a versatile arena for developing many formidable ultra-compact devices such as unidirectional single-mode Brillouin lasers and supersensitive photonic sensors.

研究动机与目标

• 开发一种与标准光子制造工艺兼容的芯片集成、无磁光隔离器。
• 克服在硅光子学平台中集成磁光材料的挑战。
• 利用受激布里渊散射（SBS）实现无需外加磁场的非互易光学响应。
• 通过SBS诱导的非互易性，实现在耦合微谐振器中的非互易宇称-时间（PT）对称性。
• 实现在芯片上实现新型功能，如单向激光和超灵敏光子传感。

提出的方法

• 利用高Q值熔融二氧化硅微环谐振器中的体相受激布里渊散射（SBS）诱导非互易光学响应。
• 利用导波声波和动量守恒打破系统的时间反演对称性。
• 采用两个直接耦合的微谐振器，通过SBS诱导的增益与损耗不对称性实现非互易宇称-时间（PT）对称性。
• 设计系统在通信C频段工作，支持可调谐泵浦和信号频率。
• 依赖光学模式与声学模式之间的相位匹配条件，以实现高效的SBS和非互易耦合。
• 采用单泵浦配置，通过SBS诱导的频率移位和增益不对称性实现非互易传输。

实验结果

研究问题

• RQ1 在高Q值微环谐振器中，受激布里渊散射能否实现无磁、芯片级光隔离器，具备高隔离度和低损耗？
• RQ2 如何利用SBS在无外加磁场的光子系统中打破时间反演对称性？
• RQ3 能否通过SBS诱导的非互易性在耦合微谐振器中实现非互易宇称-时间（PT）对称性？
• RQ4 该系统的性能极限在隔离度、插入损耗和动态范围方面如何？
• RQ5 该平台能否支持如单向激光和超灵敏传感等先进功能？

主要发现

• 器件在正向传输方向实现了超过30 dB的高隔离度和零插入损耗。
• 系统具有较大的工作功率范围，支持在宽动态输入功率范围内运行。
• 通过SBS诱导的非互易性，首次在两个直接耦合的微谐振器中实验验证了非互易宇称-时间（PT）对称性。
• 非互易PT对称性实现了单向单模布里渊激光，其方向性发射特性得到证实。
• 由于增强的非互易响应和高Q因子，该系统支持超灵敏光子传感。
• 结果在采用标准光子制造工艺制备的通信频段器件中得到验证，证实了与CMOS工艺的兼容性。