石墨烯辅助微谐振器中可调谐诱导透明与非互易传输：实现光速调控的新机制

研究人员针对光通信中非互易传输与光速调控的难题，通过理论分析石墨烯辅助耦合微谐振器系统，揭示了光学诱导透明（OIT）与慢光/快光效应。该研究利用石墨烯层调控损耗与拉曼增益的协同作用，实现了16 dB的高隔离比非互易传输，并观察到群速度正负可调现象，为集成光学隔离器、传感器及超快信号处理提供了新平台。

　　

在光通信与集成光子学领域，实现高效非互易传输和精确光速调控一直是核心挑战。传统磁光材料因体积大、需外场调控而难以集成，而基于非线性效应的方案又面临功率依赖性强的问题。与此同时，石墨烯这一二维材料因其独特的电光可调性、超高载流子迁移率和强非线性系数，为微型化非互易器件提供了新思路。

针对这一需求，研究人员开展了一项创新性理论研究，聚焦于石墨烯辅助的耦合微谐振器系统。该系统由两个氮化铝（AlN）微环构成：一个通过拉曼散射提供光学增益，另一个通过石墨烯层引入对称损耗。这种设计巧妙结合了增益-损耗平衡与石墨烯的可调特性，成功实现了光学诱导透明（OIT）效应——即在特定频率下原本不透明的介质突然变得透明，这一现象源于量子干涉效应。

研究团队通过求解场模耦合方程，系统分析了探针场的吸收/色散特性。结果显示，石墨烯诱导的损耗可动态调控腔内场强度的抑制与恢复，形成可调谐透明窗口。更引人注目的是，该系统展现出显著的非互易传输特性，在优化参数下隔离比高达16 dB，远超传统线性器件的性能。相位分析进一步揭示了群速度的双向调控能力：相位反常色散（负群速度）与正常色散（正群速度）的切换，实现了慢光（光速减缓）到快光（光速加快）的连续过渡。

关键技术方法包括：1）耦合微谐振器的理论建模，其中主动环通过拉曼泵浦产生增益，被动环通过石墨烯引入损耗；2）探针场传输谱的量子干涉分析；3）非互易传输的散射矩阵对称性破缺验证；4）群延迟计算基于相位对频率的导数。

研究结果可归纳为：

1. 模型系统与解算：双微环结构中，石墨烯的化学势调控可灵活改变系统损耗，而拉曼增益补偿损耗形成透明窗口。
2. 结果与讨论：探针场吸收谱出现典型透明峰，其线宽随石墨烯损耗系数γ_g增大而展宽（γ_g=0.5k₁时效果最佳）。
3. 相位调控：当微环b的衰减率k₂=3k₁时，相位呈现反常色散，对应负群速度；k₂=0.2k₁时转为正常色散，实现快光传播。
4. 非互易传输：正向/反向传输比显示16 dB的强非对称性，打破洛伦兹互易定理。
5. 慢光到快光：最大群延迟达0.4 ms，可通过石墨烯层数动态调节。

这项发表于《Optik》的研究具有多重意义：首先，它首次在理论上证实石墨烯-微谐振器混合系统可实现OIT与非互易传输的协同调控；其次，提出的全光学调控方案无需外磁场，兼容CMOS工艺，为芯片级光学隔离器设计指明新方向；最后，光速连续可调特性在光缓存、量子网络和超快信号处理中具有广阔应用前景。Kousik Mukherjee和Paresh Chandra JANA的工作不仅深化了对纳米光子器件中量子干涉效应的理解，更为下一代集成光路提供了可扩展的理论框架。