光在一般介质中具有双向传输的互易性，而打破这种互易性，即实现光学非互易传输，从而构造出光隔离器等光学器件，在光学信号处理中具有重要意义。近日，美国佛罗里达大学光学与光子学院Demetrios N. Christodoulides教授和以色列理工学院机械工程学院Tal Carmon教授等人报道了一种利用高速旋转的光学介质谐振腔实现光学非互易传输的方法，其相关工作发表在近期的《Nature》杂志上。

光学非互易传输在实际应用中具有重要价值，但实现光学非互易十分困难。使用旋转的机械部件是一种可行的方式[1]。对于声波，由于旋转机械部件拥有一定的旋转方向，因而相向而行的声波能够感受到不同的相对速度，从而实现不可逆调制。利用这种方法可以简单地实现非互易传输。同样的，旋转也会影响到德布罗意波的传输行为[2]。当电介质材料与光波之间发生快速的相对移动时，电介质材料的等效折射率会发生微小的变化。这种现象在水流中首次被证实，并且成为了狭义相对论发展中的一个至关重要的实验[3]。当然，以这种方式调控光子结构非常有挑战性，由于光传播速度比声波快的多，因而对于机械旋转的旋转速率具有极高的要求，这使得纳米级精度的自定位难以实现，而且往往导致难以克服的机械摆动，从而改变旋转装置与耦合器之间的间隔，难以保持临界耦合条件[4]。因此，目前的光隔离器件通常使用位置固定的电介质材料，一般较少用到机械旋转部件。

在硬盘驱动器技术中，硬盘驱动器上方的磁读取头悬浮在高速旋转的圆盘上，以纳米级的精度快速读取数据。这种精确的机械控制得益于磁头四周的一层阻力近乎为0的薄层空气，它起到了润滑层的作用。受此启发，Tal Carmon教授等人设计出一种新型的光耦合器(将光耦合到谐振器中的锥形光纤)，该耦合器悬浮在高速旋转的球形谐振腔上方，两者之间的距离仅几纳米。球形谐振腔旋转的速度足够快，使得锥形光纤中前向和反向光波感受到的谐振腔等效折射率不同，从而使得相应的谐振频率发生劈裂。通过精确设计结构参数，使得光纤耦合器中的光波从一个方向传输时能够透射，另一个方向传输时不能透射，在标准通信光纤中能够提供99.6%的光隔离效应，从而实现了光的非互易传输。在光纤和球体之间，通过特殊的鞍状、凸起等几何设计，使得两者能够更加紧密地结合在一起，从而实现纳米级的间距控制。

图1 实验原理及装置示意图

a，b，非互易传输原理示意图；

c，两端同时入射光波，在锥形光纤中实现单向非互易传输；

d，实验装置的显微照片。

图2  实验测得的分离度为99.6%

a，b，在扫描激光频率的同时从左（红色）和右（蓝色）同时进行光的光传输；

c，实验测量的隔离（圆圈）和理论拟合（线），曲线峰值最大隔离度为99.6％±1.6％；

d，光纤附近的气流推动锥形（空心圆）远离旋转球体的界面（底部的灰色表面）。

图3  斐索转变

a：谐振腔转速与谐振峰劈裂之间的函数关系；

b、c：在谐振器静止时的对照实验中的透射光谱（b：对应于a中的绿色阴影点），以及谐振器以6.6kHz旋转时的透射光谱（c：对应a中的紫色阴影点）。

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