马普所中国学者开发漩涡光隔离器，隔离效率达到99.5%

近日，德国马克斯普朗克光学研究所资深研究员曾星琳、和所在团队开发了一种漩涡光隔离器，其基于螺旋光子晶体光纤中的拓扑选择性布里渊散射，隔离效率达到 99.5%，实际应用中的背向散射则可直接降低到 99.5%。

这意味着该成果填补了漩涡光领域的一个空白，为研发高纯度、高功率的漩涡激光打下了基础。

对于课题组观察到的拓扑选择性布里渊散射效应，评审专家予以赞扬，并表示这是漩涡光领域的一个重要突破，还称漩涡光隔离器的用处将会非常广泛，或成为诸多应用中的基本元件。

在经典或量子的信息处理中、以及光镊、光纤通信系统等领域，如果没有隔离器来控制信号纯度和保护设备，系统的扩展估计会大受影响。而漩涡光是高维光子的典型代表，因此可用于上述场景。

图 | 曾星琳（来源：曾星琳）

从梅曼发明激光器说起

自美国物理学家西奥多·梅曼（Theodore Maima）于 1960 年发明激光器以来，光子学领域的研究开始突飞猛进。特别在最近一二十年，学界开始着眼于高维度光子的研究，将高阶光模态拓展到了传统领域。

以当下比较热门的空分复用光纤通信为例，该系统将光纤中的多个本征光模式利用起来，每个模式代表一个空间信道，这样就能在原基础上继续提升通信容量，以满足人们对数据通信的更多需求。

另外，高阶光模式还可以应用于激光捕获和激光冷却，让粒子沿着高阶光场的能量流动方向活动，从而对粒子实现灵活控制。

高阶光模式也已广泛用于量子信息处理中，其原理与空分复用系统类似，它可以实现多维度、大容量的量子信息处理。

作为光纤模式的其中一类，光学漩涡也已被大面积用于上述领域。该模式的特殊之处在于，它携带了轨道角动量和自旋角动量，并且其能量流动或相位、可以沿着传播方向呈螺旋式分布。

针对此类模式的操控，科学家已经展开了一系列研究，设计并制作了模式转换器、漩涡光激光器和漩涡光放大器等。

然而，截止目前，用于消除传输过程中的背向散射的漩涡光隔离器，尚未被研制出来。在很多激光器和放大器系统里，这种背向散射都是致命性的存在，且在多数情况下会直接损坏激光源等前置装置。

开发这种高阶模式的隔离器难题在于，大部分光学系统都存在基本的互易性，即当发射点和观察点互换时，传输通道的响应是对称的。

针对这样一个问题，曾星琳和合作导师德国马克斯普朗克光科学研究所所长菲利普·罗素（Philip Russell）教授、以及比吉特·斯蒂勒（Birgit Stiller）博士，进行了此次研究。

据介绍，螺旋光子晶体光纤是一种在横断面结构、沿着传播方向发生周期性螺旋的光纤，它可以稳定地传输漩涡光。

自 2012 年由菲利普教授发明螺旋光子晶体光纤以来，研究团队已在该光纤上演示了多个特殊的手性非线性效应，并先后在 Science 和 Science Advances 上发表论文。

而此次论文提到的拓扑选择性布里渊散射（topology-selective stimulated Brillouin scattering），是他们在此光纤中的又一次探索成果。它意味着在螺旋光子晶体光纤的布里渊散射中，泵浦光和散射光的拓扑数以及自旋数均是相反的（如下图），这就使得在漩涡光隔离器中，不同信号能以选择性的方式，被控制光精准地隔离。

图 | 拓扑选择性布里渊散射基本原理示意图（来源：Science Advances）

而下图则展示了隔离器工作原理示意图。在没有控制光（下标为 ctrl）的情况下，除了有相同的线性损耗，两个方向的信号光（下标为 sig）在传播过程中不发生任何变化。

图 | a. 漩涡光隔离器工作原理示意图; b. 以及漩涡光单向放大器工作原理示意图（来源：Science Advances）

当控制光由后向输入，且其拓扑数和自旋数和信号光呈相反方向时，前向传播的信号光会收到布里渊散射的作用，这时信号光开始耗散。而后向传播的信号不发生任何改变。

这种高效率的信号隔离，由受激布里渊散射（stimulated Brillouin scattering）中声波传播的方向性、能量守恒以、及动量守恒共同决定。

除了隔离器，还可以利用这种原理实现信号单向放大器，也即前向放大、反向不变。

近日，相关论文以《基于拓扑选择性受激布里渊散射的非互易涡流隔离器》（Nonreciprocal vortex isolator via topology-selective stimulated Brillouin scattering）为题发表在 Science Advances 上，曾星琳担任一作兼共同通讯，比吉特·斯蒂勒（Birgit Stiller）是共同通讯作者。

图 | 相关论文（来源：Science Advances）

“做科研不能一头撞进死胡同”

据介绍，曾星琳刚到马普光学所时，和合作导师商量的课题是螺旋光子晶体光纤中的前向布里渊散射研究。这期间，实验室前辈一起帮助他从 0 到 1 搭建实验平台。

然而，光纤中的前向布里渊散射信号太弱，为此他耗时整整一年，却基本“颗粒无收”。

后来，菲利普教授建议他转向研究光纤反向布里渊散射。因为从理论上来讲，反向布里渊散射信号的强度，要比前向信号强很多。

但是，曾星琳当时有点抗拒，毕竟研究后向布里渊的实验室已有很多，这样一来本次研究的创新性会打折扣，所以他一直把这个事情拖着。

一个月后，菲利普教授直接单独找到他，问为什么不按照他的思路走。曾星琳把自己想法告诉他之后，菲利普教授对曾星琳说：“做科研不能一头撞进死胡同，当发现这条路暂时走不通时，一定要找另外一条容易的路先走。条条大路通罗马，很有可能这条容易的路会越过以前的死胡同，直接到达最初想要的终点。而且，在走另外一条路的过程中，往往也有很多困难，攻破这些困难也是在为啃最后的硬骨头积累经验。”

这番话让曾星琳印象非常深刻，并且后来证明这是对的。沿着菲利普教授的思路，他发现了很多新的物理现象。

转向之后，曾星琳很快就从光谱仪上观察到了信号，然而却无法获取散射光的光场分布、拓扑数和自旋数。后来，他又花了一个多月，和很多位同事进行讨论，其中一位同事给到一个非常好的建议。

这个建议便是使借助生物成像领域里的近场光纤扫描法，将信号以像素的形式获取下来。同时，用滤波器将每一个像素里的噪声和杂散光滤掉，最后再将提纯后的像素逐个恢复出来，借此就能得到散射光的光场分布。

而且，拓扑数和自旋数也能按照此方法逐一获取。至此，课题组基本上完全观察到了拓扑选择性布里渊散射现象。

为进一步提升该工作的影响力，曾星琳决定针对此次物理现象，设计一个应用实验。为此，他阅读了大量文献，找到了一篇菲利普教授在 2012 年发表的关于线偏振光隔离器的论文。

当时，他便产生了一个想法，是否可以借鉴那篇论文的实验装置，利用此次观察到的现象，设计出漩涡光的隔离器？

后来，花了不到一个星期，他就设计出了整套系统，又花一个月完成了初步测量。合作导师都对结果比较满意，实验结果最先被激光领域顶会 CLEO 2022 录取为截后论文。后来，课题组把扩充后的实验结果整理为论文，最终被 Science Advances 接收。

一定能拔出下一个“大萝卜”

下一步，曾星琳将继续最初的想法，展开前向布里渊散射的研究。前向布里渊散射将会有更复杂的拓扑选择性，会发生拓扑数的转换自旋数的转换，而其声波场则会携带大量的横向分量、扭矩和角动量。

曾星琳表示：“未来的工作也会很新颖、但也非常困难。不过，已经有了后向布里渊散射的研究经验，我相信一定能把这个‘大萝卜’拔出来。”

作为一名已成家的青年学者，家人的支持也很重要。曾星琳表示：“我很希望借助 DeepTech 感谢一下我的妻子，她辞去国内工作和我一起来到德国，一直都默默支持我的工作。没有她的理解与支持，这项成果应该很难完成。”

图 | 曾星琳和家人（来源：曾星琳）

在实验和撰写论文期间，妻子正怀着宝宝，为了不让曾星琳分心，一直到孩子出生她都很少来打扰，这让曾星琳可以在研究所里专心地工作。“最后，也要感谢一直在国内默默支持的父母和家人们。”曾星琳说。

另据悉，他考虑项目做完之后回国申请教职。其表示：“出国已经有好几年了，始终想着有一天能为祖国做点事，希望能把自身所学都发挥出来。

参考资料：

1.Zeng, X., Russell, P. S. J., Wolff, C., Frosz, M. H., Wong, G. K., & Stiller, B. (2022). Nonreciprocal vortex isolator via topology-selective stimulated Brillouin scattering. Science Advances, 8(42), eabq6064.