光提供了一种不可替代的方式与我们的宇宙相互作用。它可以穿越银河系的距离，与我们的大气层碰撞，产生粒子流，讲述过去天文事件的故事。在地球上，控制光线可以让我们把数据从地球的一边发送到另一边。
考虑到它的广泛用途，光在21世纪的量子信息应用中发挥关键作用就不足为奇了。例如，科学家使用激光来精确控制原子，将它们转化为超敏感的时间、加速度甚至重力测量。目前，这种早期的量子技术受到尺寸限制，最先进的系统不能放在餐桌上，更不用说芯片了。为了实际应用，科学家和工程师需要将量子器件小型化，这就需要重新考虑利用光的某些组件。
现在IQUIST的成员Gaurav Bahl和他的研究小组已经设计了一种简单、紧凑的光子电路，利用声波控制光线。这项新研究发表在10月21日的《自然光子学》(Nature Photonics)杂志上，展示了一种隔离或控制光的方向性的强大方法。该团队的测量结果表明，他们的隔离方法目前优于所有之前的芯片上的替代方法，并在与基于原子的传感器的兼容性方面进行了优化。
“原子是自然界任何地方的完美参照，并为许多量子应用提供了基础，”巴尔说，他是伊利诺伊大学香槟分校机械科学与工程(MechSe)教授。“我们用来控制原子的激光器需要隔离器来阻止不需要的反射。但到目前为止，在大规模实验中工作良好的隔离器被证明很难小型化。”
即使在最好的情况下，光也是很难控制的——它会反射、吸收和折射，当它遇到一个表面时。一面镜子把光线反射回它原来的地方，一块玻璃碎片让光线通过时弯曲，而黑色的岩石吸收光线并将其转化为热量。从本质上说，光很乐意从它所经过的任何地方散射出去。这种笨拙的行为就是为什么即使是一点点的光也有利于在黑暗中看清东西。
在大型量子器件中控制光通常是一项艰巨的任务，涉及到大量的镜子、透镜、纤维等。这些组件的小型化需要采用不同的方法。在过去几年中，科学家和工程师在设计微芯片上的各种光控元件方面取得了重大进展。他们可以制造波导，即光传输通道，甚至可以使用某些材料改变其颜色。但是，强迫由光子构成的微小光点向一个方向移动，同时抑制不希望看到的反向反射是很棘手的。
该研究的第一作者本杰明·索恩(Benjamin Sohn)说:“隔离器是一种设备，它可以让光线不间断地从一个方向通过，并在相反的方向完全阻挡它。”索恩曾是Mechse的研究生和博士后研究员，现在在博尔德的NIST工作。“这种单向性不能用任何普通的介电材料或玻璃来实现，所以我们需要更创新一点。”我们还希望隔离器能在原子级传感器调谐的光波长下工作，这在大范围内也很难做到。”
在典型的实验中，实现单向性的最佳工具是磁铁。例如，几乎每一个激光器都有一个磁光隔离器，可以让光离开激光器，但防止它向后移动，这会扰乱激光器的功能。虽然激光器可以小型化，但缩小传统的隔离器存在两个问题。首先，在小型设备中，磁场会对附近的原子产生负面影响。第二，即使有办法解决这个问题，隔离器内部的材料在芯片上较小的长度尺度上也不能很好地工作。
Bahl的团队展示了一种新型的非磁性隔离器，设计简单，使用普通的光学材料，很容易适应不同波长的光。
“我们想设计一种能够自然避免损耗的设备，而做到这一点的最好方法就是让光穿过任何物体。可以引导光子沿受控路径前进的最简单的‘无’部件是波导，它是光子电路中非常基本的组件。”巴尔说。
在一个完整的原子系统中，波导将引导激光通过一系列元素进入一个包含原子的小房间。考虑到这一点，该团队优化了他们的芯片，可以使用780纳米的光，这是配置普通铷基传感器所需的波长。
这只是设计的前半部分，因为为了隔离，光线必须同时被阻挡在相反的方向上。此前，该团队展示了他们可以将声波发射到光子电路中，以打破对称的光流。在这项新的研究中，该团队将这个想法转化为一个功能芯片元素的演示。
完整的光子隔离器包含一个波导和一个相邻的环形谐振器，它看起来像一个长方形的跑道。正常情况下，入射光会从波导进入谐振器，而不考虑它的方向，因此阻塞了所有的光流。但当研究小组将声波应用到环上时，共振器只捕捉到通过波导向后移动的光。在前进方向，光通过波导畅通无阻，就像谐振器根本不存在一样。
该团队的测量结果显示，几乎每个光子都是向前通过波导的，而向后通过的几率只有万分之一。这意味着该设计将损耗或不良的光吸收降低到几乎为零，这是以往片上隔离器长期存在的问题。数据显示，新设备在芯片隔离方面表现出破纪录的性能，与更大的磁体设备一样运行。此外，该方法是灵活的，可以在不改变起始材料的情况下用于多个波长。
“制造的简单性是关键，通过我们的方法，你可以在同一时间在同一芯片上打印出任何波长的光子隔离器。这在今天的其他方法中是不可能的。”
这可能会使新的设计在其他应用中有用，比如量子计算，在量子计算中，不受控制的磁场和不必要的光会侵蚀设备的整体性能。
这项工作得到了国防高级研究计划局(DARPA)、空军科学研究办公室(AFOSR)、国家科学基金会(NSF)和海军研究办公室(ONR)的支持。
Gaurav Bahl，首席研究员。
Donggyu Benjamin Sohn，该研究的第一作者，前伊利诺伊大学博士后。目前在NIST博尔德。
Ogulcan Emre Orsel，电气工程研究生，联合第一作者
论文:声子介质光子奥特勒-汤斯分裂电驱动光学隔离
