撰稿：曾星琳（德国马克斯普朗克光学研究所）
近几年，高维度光子操控技术被广泛探索并且应用于各种光学系统，比如利用光纤或者光波导中的模式正交性实现大容量空分复用光纤通信，利用高强度结构光实现光镊操作，激光冷却，以及高维量子信息处理等。
漩涡光作为高维度光场的其中一类模式群，已经被深度应用于以上的各个领域中。这种模式拥有特殊的螺旋相位分布并且携带有轨道角动量和自旋角动量；不同阶数的漩涡光在光波导中几乎无串扰。
为了可以将此类模式更好的应用到传统的光学系统，研究人员已经开发出了各种各样的漩涡光转换器，激光器，信号放大器等。然而，还没有一种可以让漩涡光前向传输且反向损耗的隔离器，用于消除传输过程中的背向散射。这种背向散射在很多激光器和放大器系统里面都是致命性的存在，并且在多数情况下可以直接损坏激光源等前置装置。
因此，漩涡光隔离器对于漩涡激光以及通信系统至关重要，它可以显著提高信号质量和纯度，同时保护系统设备。然而，开发这种设备的一个困难之处在于它需要打破一个基本的光学原理——互易性：它要求当发射点和观察点互换时传输通道的响应是对称的。
近日，德国马克斯普朗克光学研究所Philip Russell教授和Birgit Stiller博士领导的研究组利用螺旋光子晶体光纤中的拓扑选择性受激布里渊散射效应，实现了光学互易性又一新的突破：在拓扑数为0，1和2的漩涡光上实现了光学隔离，并且可以在模式复用的情况下对其中单个或多个模式进行隔离。
值得一提的是，自2012年该团队发明螺旋光子晶体光纤以来，已经在其中探索到了多个独特的手性非线性效应，在Science, Science Advances, Optica, Physical Review Letters等期刊中发表了多篇论文。本文涉及到的布里渊散射是该团队在此光纤中的又一次新的探索。
该团队在长度为200米的三重和六重旋转对称螺旋光子晶体光纤上实现了漩涡光隔离，并且当信号光功率动态变化35 dB时，隔离度均能保持在22 dB以上且变化范围不超过1 dB。
该成果发表在Science Advances，题为“Nonreciprocal vortex isolator via topology-selective stimulated Brillouin scattering”。德国马克斯普朗克光学研究所的曾星琳博士为论文的第一作者。
曾星琳博士毕业于北京邮电大学，博士期间在美国波士顿大学交流访问一年，先后在香港大学和马克斯普朗克学会担任博士后研究员。迄今为止发表研究论文近30篇，包括以第一作者在Science Advances, ACS Photonics等发表文章。
螺旋光子晶体光纤中的拓扑选择性受激布里渊散射效应如图1所示。携带不同拓扑数和不同自旋阶数的漩涡光可以稳定的，无串扰的在螺旋光子晶体光纤中传播。拓扑数代表光波沿着角向传播一圈所经历的周期数，自旋阶数代表左旋或者右旋圆偏振态。根据角动量守恒原理，受激布里渊散射中的泵浦光和斯托克斯光必须拥有相反且等绝对值的拓扑数和自旋，如图1中的箭头所示。同时，被激励起来的声波为平面纵波且不携带角动量。
图2展示了仅有泵浦光的情况下由热噪声诱发的受激布里渊散射测量结果。方括号中的第一个参数为拓扑阶数，第二个参数为自旋阶数。下标P或S代表泵浦光或斯托克斯光。从图中可以清楚的看到，随着泵浦功率的增大，仅有相反拓扑阶数和相反自旋阶数的斯托克斯光产生并放大，其他斯托克斯光基本保持功率为零。图2右侧还展示了光纤输出端的泵浦光和斯托克斯光的光场分布和与相干高斯光干涉后的螺旋条纹。
图2：泵浦光为[-1,+1]时的受激布里渊散射测量结果（a），以及泵浦光为[-2,+1]时的受激布里渊散射测量结果（b）
利用上述特殊的布里渊散射效应，该团队设计并实验演示了第一个漩涡光隔离器。图3a展示了该器件工作原理示意图。在没有控制光（下标为ctrl）的情况下，前向或后向传播的信号光（下标为sig）均保持一致且仅有线性损耗。当控制光（也即斯托克斯光）经由后向注入且其拓扑阶数和自旋阶数和信号光相反时，前向传播的信号光将会由于受激布里渊散射而耗散，而后向传播的信号没有任何改变。这种单向性是由受激布里渊散射中声波传播的方向性，相位匹配以及角动量守恒共同决定。
另外，当控制光频率等于信号光频率减去布里渊频率时，该系统为上述单向信号隔离器，当控制光频率等于信号光频率加上布里渊频率时，该系统则为单向信号放大器，如图b。
图3：漩涡光隔离器工作原理示意图（a），以及漩涡光单向放大器工作原理示意图（b）
该团队对漩涡光隔离效率和放大效率进行了精确测量，其中关于一阶拓扑漩涡的结果展示在了图4a，二阶拓扑漩涡的结果展示在了图4b。可以看到，随着控制光功率的增大，隔离效率和放大效率均增大且逐渐趋于饱和。在已有的实验条件下，课题组获得了不少于22 dB的信号隔离效率和21 dB的信号放大效率。其中关于隔离器的结果已经和目前基于布里渊散射的基模光隔离器的最佳性能相当。
图4：第一阶漩涡光隔离度和放大率测量结果（a），以及第二阶漩涡光隔离度和放大率测量结果（b）
为了进一步提高漩涡光的隔离度，降低光纤长度以及提升系统的集成度，未来可以制造软玻璃螺旋光子晶体光纤，比如硫化砷光纤或硒化砷光纤。此类软玻璃产生的布里渊增益比普通纯硅玻璃产生的布里渊增益要高100倍以上。
未来可以设计并制造拥有更多芯的螺旋光子晶体光纤，以提升模式容量，同时各个模式在光纤中稳定无串扰的传播。利用拓扑选择性布里渊散射可以实现对单个或多个模式同时隔离或放大。
未来团队还将进一步优化系统空间光路，力求做到集成化，同时降低由于空间耦合造成的模式串扰，进一步提升模式隔离度。
Zeng, Xinglin, et al. “Nonreciprocal vortex isolator via topology-selective stimulated Brillouin scattering.” Science advances 8.42 (2022): eabq6064.
https://doi.org/10.1126/sciadv.abq6064
