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Science:单个光学腔中构建两个独立的人工维度

【导读】
      近年来,光子学中人工维度(synthetic dimension in photonics)的概念受到了广泛的关注[1]。在光学谐振腔中,通过动态调制,利用光的频率自由度来构建人工维度,是当前光子学乃至整个光学研究领域中一个极具潜力的研究方向[2]。在以往的研究中,研究人员在理论上已经成功在单个光学腔(零维)中构建出二维的人工参数空间[3]。近日,美国斯坦福大学的Shanhui Fan教授课题组与合作者首次实验验证了单个光学腔中构建两个独立的人工维度,并在该参数空间中探索了许多重要的物理现象。该研究成果以”A single photonic cavity with two independent physical synthetic dimensions”为题于2019年11月28日在Science上以预印版(First release)的形式在线发表。斯坦福大学的Shanhui Fan教授和上海交通大学的袁璐琦研究员为文章的共同通讯作者。武汉大学的肖孟教授也参与了这项工作。
      
      【创新研究】
      研究人员构建了一个由光纤构成的环型谐振腔,该谐振腔具有一系列的谐振模式。在不考虑光纤中的群速度色散时,这些谐振模式在频率维度上等间距分布。如果在光纤环中置入电光调制器,并加以精确设计的周期性调制电压,这些谐振模式会产生有效的耦合,从而构成了光的频率自由度上的人工维度。在此基础之上,研究人员利用两组不同长度的波导,使得环形谐振腔中的顺时针光场模式与逆时针光场模式产生耦合,从而构建出由顺时针/逆时针光场组成的额外自由度。这两个相互独立的人工维度形成了一个二维的人工参数空间(图一)。通过调节波导的长度,研究人员能够在人工维度上实现可控的模式跃迁,从而实现作用于光的等效规范场。
      在实验中,研究人员在所构建的二维人工空间中,观察到了光场的等效磁规范势(effective magnetic gauge potential)以及拓扑单向边界流(topological chiral one-way edge current),这些现象在理论上与霍尔阶梯晶格(Hall ladder)一一对应。其中,研究人员通过外差探测直接观察到了人工霍尔晶格所对应的手征流(chiral currents)。通过改变等效磁规范势的作用方向,不同方向的手征流在实验中被成功探测(图二)。
      该项工作在实验上证实了通过构建多个人工维度的方式,能够在一个简单的光学系统中设计并实现高维度、复杂的物理效应。这大大丰富了人工维度的应用前景。此外,复杂物理效应的实现也为光学系统中光学调控提供了更加丰富的手段。
      
      【图文速览】
      

图一:动态调制的环型谐振腔支持两个独立人工维度(图片来源:Science A single photonic cavity with two independent physical synthetic dimensions)


图二:直接观察到与人工霍尔阶梯晶格相关的光场单向边界流(图片来源:Science A single photonic cavity with two independent physical synthetic dimensions)


参考文献
      [1] L. Yuan, Q. Lin, M. Xiao, and S. Fan, “Synthetic dimension in photonics,” Optica 5, 1396 (2018).
      [2] A. Dutt, M. Minkov, Q. Lin, L. Yuan, D. A. B. Miller, and S. Fan, “Experimental band structure spectroscopy along a synthetic dimension,” Nat. Commun. 10, 3122 (2019).
      [3] L. Yuan, Q. Lin, A. Zhang, M. Xiao, X. Chen, and S. Fan, “Photonic gauge potential in one cavity with synthetic frequency and orbital angular momentum dimensions,” Phys. Rev. Lett. 122, 083903 (2019).
      原文引自“两江科技评论”微信公众号。
      原文地址:https://mp.weixin.qq.com/s/1mAm0QO0P3_vy59gwhHEew
      上海复享光学股份有限公司(简称:复享光学)诞生于中国的高校实验室,是一家高科技型光谱仪器公司。公司为科学家和工程师提供光谱产品、系统、服务。“让光谱简单"是公司发展理念,“光谱改变生活”是公司的愿景。
      公司专注光谱仪器发展超过八年,公司获得国家高新技术企业资质,于2016年登陆新三板(NEEQ:838781)。公司位于复旦大学科技创业园,目前拥有约40名高学历工程师。公司官网:www.ideaoptics.com