非互易光学器件是现代光学技术中不可或缺的核心元件。这类器件只允许光在特定方向传播，能有效隔离背向散射光或将其引导至其他通道，在激光防护、光通信、量子计算、量子测量和量子网络中具有重要作用。然而，传统非互易器件的芯片集成化仍是限制其功能拓展的重要瓶颈。四川师范大学物理与电子工程学院教师唐磊博士针对这一挑战，设计了多种芯片集成的非互易光学器件，并发表了多篇学术论文。这些研究为实现高效、集成化的非互易光学功能提供了全新的理论框架和解决方案。以下是主要成果概述：
  唐磊博士设计了一种基于非线性光波导的动态移动光栅，实现了非互易光传输和非互易光反射。系统结构如图1(a)和1(b)所示，两束振幅相同但频率失谐的泵浦光从相反方向入射，在非线性光波导中形成移动的干涉图样。受克尔非线性效应影响，该干涉图样的光场振幅调制了光波导的折射率，从而形成一个单向移动的光栅。此光栅打破了时间反演对称性，使得当信号光以相反方向入射时，系统同时表现出非互易透射(图1(c))和非互易反射(图1(d))的特性。该研究成果以论文题目 “Integrated all-optical nonreciprocity based on a moving index grating” 于2025年1月发表在光学权威期刊《Optics Express》上。唐磊博士为论文第一兼通讯作者，四川师范大学为第一单位，南京大学夏可宇教授为共同通讯作者，唐江山博士为共同作者。本研究提出了一种芯片集成光隔离器的全新理论方案，同时系统实现的非互易传输和反射特性为开发多功能光学器件提供了潜力。论文链接：https://doi.org/10.1364/OE.546389。

图1 移动光栅模型图和非互易传输特性

  唐磊博士设计了一种基于单向量子压缩的光与力学振子手性耦合系统，实现了非互易混沌信号的产生。系统结构如图2(a)和2(b)所示，由铌酸锂非线性环形微腔、机械薄膜和波导组成。通过单向泵浦环形微腔，产生单向压缩腔模，从而显著增强光力耦合强度并诱导光子—声子的手性耦合。当系统在正反向驱动功率相同时，手性耦合使其表现出截然不同的动力学行为：正向驱动下呈现周期性演化，而反向驱动下则出现显著的混沌行为(图2(c)和2(d))。这一研究成果以论文题目 “Squeezing-induced nonreciprocal chaos in a cavity optomechanical system” 于2025年1月发表在物理学知名期刊《Physics Letters A》上。硕士研究生张振宇为第一作者，唐磊博士为通讯作者，侯邦品教授为共同作者，四川师范大学为第一单位。本研究提出了一种实现芯片集成非互易混沌信号器的新理论方案，同时为探索复杂非线性量子系统提供了全新的研究框架和方向。论文链接：https://doi.org/10.1016/j.physleta.2025.130222。

图2 非互易混沌的系统结构与数值结果

  唐磊博士设计了一种非对称非线性马赫-曾德尔干涉仪，成功实现了芯片集成光隔离器和环形器的功能。如图3所示，该干涉仪的一臂采用非线性光波导设计，并在一个端口设置光学吸收体，从而构建了一个非对称的非线性光学系统。当信号光正向和反向入射时，分别受到自克尔效应和互克尔效应的非线性调制，从而实现动态非互易特性，满足光隔离器和环形器的功能需求。该研究成果以论文题目 “Broadband dynamic nonreciprocity based on a nonlinear Mach-Zehnder interferometer” 于2024年10月发表在物理学权威期刊《Physical Review A》上。唐磊博士为通讯作者，南京大学潘瑞恺同学为第一作者，夏可宇教授为共同通讯作者，南京大学为第一单位，四川师范大学为合作单位。本研究为实现宽带动态非互易光学器件提供了一种创新的理论方案，为芯片集成光子器件的功能性拓展开辟了新路径。论文链接：https://journals.aps.org/pra/abstract/10.1103/PhysRevA.110.043505。

图3 非线性马赫-曾德尔干涉仪

  唐磊博士设计了一种基于非对称非线性光学环形腔的芯片集成光隔离器和环形器，突破了动态非互易光学器件的实现瓶颈。该环形腔利用克尔非线性效应，通过非对称的腔结构设计，实现了高效的动态非互易光学功能。该研究为芯片集成化的光隔离器和环形器提供了全新解决方案。该成果以论文题目 “Dynamic Nonreciprocity with a Kerr Nonlinear Resonator” 于2022年11月发表在《Chinese Physics Letters》(Express Letter, Highlight)上。唐磊博士为通讯作者，南京大学潘瑞恺同学为第一作者，夏可宇教授为共同通讯作者，日本理化学研究所Franco Nori教授为共同作者。南京大学为第一单位，四川师范大学为合作单位。此研究因其创新性与重要性，被国际权威科技杂志 Physics World 专题报道（https://physicsworld.com/a/nonlinear-resonator-breaks-dynamic-optical-nonreciprocity/），展现了其广泛的学术影响力。论文链接：https://iopscience.iop.org/article/10.1088/0256-307X/39/12/124201。

图 4 国际权威科技杂志Physics World报道页面

  唐磊博士的研究从基础理论出发，逐步构建了面向实际应用的芯片集成非互易器件体系，为推动光子芯片的功能性和拓展性提供了重要理论基础。这些成果不仅助力高性能光学系统的开发，还为量子信息技术的未来发展铺平了道路。相关研究工作得到国家自然科学基金青年科学项目(12305023)和四川省自然科学基金青年基金项目(2024NSFSC1353)支持。