宇称-时间对称性：让光信号处理更快更强

华中科技大学张新亮教授团队联合丹麦科技大学蒲敏皓教授团队、华盛顿大学圣路易斯分校杨兰教授开发了超低功耗全光信号处理集成器件。该器件基于宇称-时间（Parity-Time）对称性对损耗的操控，同时利用奇异点和对称破缺相，突破了单个微腔中的速率和效率相互制约的矛盾，在40G速率下将非线性转换效率提升100倍，首次将高品质因子微腔应用于高速光信号处理。结合铝镓砷高非线性平台，验证了38G波特率无误码波长转换光通信网络应用，泵浦功率仅1毫瓦，意味着可轻松使用片上激光器作为泵浦源驱动，为全光信号处理器件走向实用化迈出了重要一步。

研究成果以“Parity-time symmetry enabled ultra-efficient nonlinear optical signal processing”为题，于2024年4月4日发表于卓越计划高起点新刊《eLight》上。

02研究背景

今天，90%以上的信息都是通过光传递的，但绝大部分的信息处理仍需将光信号转换为电信号再进行处理。然而，电信号处理速率严重滞后于光传输的速率，且光电光转换过程也极大地增加了系统的复杂性和成本。相比而言，全光信号处理直接在光域完成信息处理，避免了光电光转换过程，且开关速率比电开关速率高出3到5个数量级，极大地突破了电信号处理的速率限制。然而，由于光子之间直接作用困难，常常需要以物质为中介，这导致光开关的功耗依然很高，这成为了困扰非线性光信号处理走向实用化的关键问题。

高品质因子光学微腔可以将光限制在微腔中循环百万次以上，大大增加了光与物质的相互作用时间，可极大提升非线性效率。利用高品质因子光学微腔产生克尔光学频率梳就是一个典型的例子。然而，高品质因子光学微腔在提升非线性的同时牺牲了器件的响应速度，严重阻碍了高品质因子在全光信息处理中的应用。这是因为相互作用时间越长，微腔品质因子越高，微腔的谐振峰线宽越窄。根据傅里叶变换原理，线宽越窄可允许通过的光信号的传输速率越低。因此，微腔的非线性效率随着信号处理速率的升高而急剧下降（图1）。因此，如何借助高品质因子微腔实现更快更强的光信号处理是一件十分具有挑战性的事情。

图1 微腔用于全光信号处理存在速率和效率的矛盾

03研究创新点

基于宇称时间对称性的微腔光谱线宽调控

虽然很多情况下人们希望避免损耗，但是当把损耗加入光学微腔的时候，微腔的谐振峰线宽得以展宽，根据傅里叶变换的原理，谐振峰允许通过的信息速率就得到提升，因此损耗在信号处理中可以起到积极的作用。研究团队注意到，在简并的四波混频过程中（一种常见的三阶非线性效应，被广泛用于全光信号处理），一束泵浦光和一束信号光产生一束新的光（称为闲频光）。泵浦光湮灭两个光子，产生一个信号光子和一个闲频光子，且两个泵浦光子的能量之和等于信号光子和闲频光子的能量之和。这就意味着，在使用微腔进行非线性光信号处理的过程中，泵浦光、信号光和闲频光分别使用微腔的三个不同谐振峰。通过选择性的增加信号光子和闲频光子的谐振峰宽度，同时保留泵浦光子的谐振峰的高品质因子特性（窄线宽），可以让信号光和闲频光携带高速信息，同时泵浦光获得极大场增强，从而让光信号处理变得更快更强（图2a）。

图2 基于宇称时间对称性的微腔光谱调控

借助宇称-时间（Parity-Time，PT）对称性对损耗的操控，研究团队设计了一种特殊的耦合双环结构，利用耦合微腔系统在奇异点（EP点）和宇称时间对称性破缺这两个不同状态的物理特性，可满足光信号处理对不同光选择性增强的要求。采用一对耦合微腔（图2b），半径比为1:2，其中小环与直波导耦合，实现对小环耦合损耗的调控以及输入输出。通过适当设置波导与小环的耦合系数，以及小环与大环之间的耦合系数，该结构的谐振峰呈现出宽窄交替的特征（图2c）。

宽峰的形成得益于EP点附近的特性，此时小环与大环的模式耦合之后形成展宽的谐振峰，窄峰的形成是由于系统在泵浦波长处于深度对称性破缺状态，局域在大环内的低损耗模式的场增强恢复为接近本征损耗的状态。此时，泵浦光在大环内得到了极大场增强，同时信号光和闲频光均匀分布在大小环内，感受到更大的损耗因此谐振峰展宽，符合PT系统的模式分布特征，也保证了大环内能够有效产生四波混频效应（图2d）。图3给出了实验测得的双环耦合结构透射谱随波导耦合损耗的变化曲线，验证了PT对称性对微腔合成线宽的调控。

图3 实验测得的双环耦合结构的PT对称性

基于绝缘体上铝镓砷的超低功耗高速全光波长转换

近年来，绝缘体上铝镓砷（AlGaAsOI）在集成高非线性材料平台中表现突出。铝镓砷材料能够很好的兼顾双光子吸收和非线性，加上波导色散控制（如对波导横截面尺寸加以设计），可以获得超大转换带宽，该材料平台已在低功耗光频梳和光信号处理等方面取得了快速进展。

借助结构与材料的双重优势，研究人员在铝镓砷材料平台制备了该结构（图4a）。图4b给出了该器件用于光信号处理时的典型透射谱，具有明显的宽窄交替特性。通过在铝镓砷材料平台制备具有相同带宽的双环结构与单环对照结构，验证了非线性效应提升，在40GBaud速率下双环结构的非线性效率相比于单环结构提升两个数量级（100倍）（图4c）。

更进一步对双环结构进行波长转换系统测试表明，该结构仅需1mW泵浦光就能实现38GBaud信号的无误码波长转换操作（图4d），意味着可以轻松将泵浦源集成到片上。进一步测试不同带宽耦合双环器件性能表明，该结构对设计带宽以内的波长转换操作没有引入明显的信号质量劣化（功率代价均小于1dB）。值得注意的是，系统通过临界耦合对泵浦光回收利用，为后续泵浦光的抑制提供了便利，这一点在量子应用中尤为重要。除此之外，该结构还具有大转换带宽（>170nm）（图4f）和小尺寸（<0.01mm2）的优势。

图4 超低功耗全光波长转换实验结果

04总结与展望

该工作打破了人们对高品质因子微腔无法用于高速光信号处理的刻板印象，一反常规地利用损耗让光子器件变得更快更强，在光通信、光开关、光计算等应用中具有重要意义。结合PT对称性对损耗的操控以及绝缘体上铝镓砷高非线性平台，研究团队展示了具有低功耗、高速率、无劣化、小尺寸和大转换范围等诸多优点的非线性光信号处理集成器件，未来有望将泵浦源集成到片上，为全光信号处理走向实用化迈出了重要一步。PT对称性与光信号处理的结合为解决速率和效率这对矛盾提供了新的思路，潜在应用包括光电器件设计（放大器、探测器、传感器）、光力学、量子光学、原子物理等。

Chanju Kim博士和博士生鲁欣达为该工作的共同第一作者，蒲敏皓教授和徐竞教授为该工作的共同通讯作者。本工作受到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、欧洲研究理事会基金(REFOCUS)、丹麦国家研究基金(SPOC)以及武汉市知识创新专项等项目支持。

论文链接：https://doi.org/10.1186/s43593-024-00062-w