Nonreciprocal optical devices are important in wide areas, ranging from optical telecommunications to signal processing. Here, we experimentally realize the magnet-free and cavity-free optical nonreciprocity based on phase-matched four-wave mixing (FWM) in hot atoms. Specifically, the isolation of more than 20 dB and insertion loss less than 1 dB without using any optical cavity can be achieved simultaneously. Our results provide general insights into a broad class of parametrically modulated nonreciprocal behavior, paving the way toward optimal nonreciprocal devices based on the nonlinear FWM process.

1.
H. J.
Kimble
,
Nature
453
,
1023
1030
(
2008
).
2.
D.
Jalas
,
A.
Petrov
,
M.
Eich
,
W.
Freude
,
S.
Fan
,
Z.
Yu
,
R.
Baets
,
M.
Popović
,
A.
Melloni
,
J. D.
Joannopoulos
 et al,
Nat. Photonics
7
,
579
582
(
2013
).
3.
P.
Lodahl
,
S.
Mahmoodian
,
S.
Stobbe
,
A.
Rauschenbeutel
,
P.
Schneeweiss
,
J.
Volz
,
H.
Pichler
, and
P.
Zoller
,
Nature
541
,
473
480
(
2017
).
4.
Z.
Wang
,
Y.
Chong
,
J. D.
Joannopoulos
, and
M.
Soljačić
,
Nature
461
,
772
775
(
2009
).
5.
A. B.
Khanikaev
,
S. H.
Mousavi
,
G.
Shvets
, and
Y. S.
Kivshar
,
Phys. Rev. Lett.
105
,
126804
(
2010
).
6.
L.
Bi
,
J.
Hu
,
P.
Jiang
,
D. H.
Kim
,
G. F.
Dionne
,
L. C.
Kimerling
, and
C.
Ross
,
Nat. Photonics
5
,
758
762
(
2011
).
7.
K.
Srinivasan
,
C.
Zhang
,
P.
Dulal
,
C.
Radu
,
T. E.
Gage
,
D. C.
Hutchings
, and
B. J.
Stadler
,
ACS Photonics
6
,
2455
2461
(
2019
).
8.
K.
Tanaka
,
K.
Fujita
,
N.
Matsuoka
,
K.
Hirao
, and
N.
Soga
,
J. Mater. Res.
13
,
1989
1995
(
1998
).
9.
C. E.
Rüter
,
K. G.
Makris
,
R.
El-Ganainy
,
D. N.
Christodoulides
,
M.
Segev
, and
D.
Kip
,
Nat. Phys.
6
,
192
195
(
2010
).
10.
L.
Chang
,
X.
Jiang
,
S.
Hua
,
C.
Yang
,
J.
Wen
,
L.
Jiang
,
G.
Li
,
G.
Wang
, and
M.
Xiao
,
Nat. Photonics
8
,
524
529
(
2014
).
11.
M.
Hafezi
and
P.
Rabl
,
Opt. Express
20
,
7672
7684
(
2012
).
12.
K.
Xia
,
G.
Lu
,
G.
Lin
,
Y.
Cheng
,
Y.
Niu
,
S.
Gong
, and
J.
Twamley
,
Phys. Rev. A
90
,
043802
(
2014
).
13.
M.
Scheucher
,
A.
Hilico
,
E.
Will
,
J.
Volz
, and
A.
Rauschenbeutel
,
Science
354
,
1577
1580
(
2016
).
14.
Z.
Shen
,
Y.-L.
Zhang
,
Y.
Chen
,
C.-L.
Zou
,
Y.-F.
Xiao
,
X.-B.
Zou
,
F.-W.
Sun
,
G.-C.
Guo
, and
C.-H.
Dong
,
Nat. Photonics
10
,
657
661
(
2016
).
15.
Z.
Shen
,
Y.-L.
Zhang
,
Y.
Chen
,
F.-W.
Sun
,
X.-B.
Zou
,
G.-C.
Guo
,
C.-L.
Zou
, and
C.-H.
Dong
,
Nat. Commun.
9
,
1797
(
2018
).
16.
L. D.
Bino
,
J. M.
Silver
,
M. T. M.
Woodley
,
S. L.
Stebbings
,
X.
Zhao
, and
P.
Del'Haye
,
Optica
5
,
279
282
(
2018
).
17.
L.
Fan
,
J.
Wang
,
L. T.
Varghese
,
H.
Shen
,
B.
Niu
,
Y.
Xuan
,
A. M.
Weiner
, and
M.
Qi
,
Science
335
,
447
450
(
2012
).
18.
A. B.
Khanikaev
and
A.
Alu
,
Nat. Photonics
9
,
359
361
(
2015
).
19.
D. L.
Sounas
,
J.
Soric
, and
A.
Alu
,
Nat. Electron.
1
,
113
119
(
2018
).
20.
Z.
Yu
and
S.
Fan
,
Nat. Photonics
3
,
91
94
(
2009
).
21.
L.
Feng
,
M.
Ayache
,
J.
Huang
,
Y.-L.
Xu
,
M.-H.
Lu
,
Y.-F.
Chen
,
Y.
Fainman
, and
A.
Scherer
,
Science
333
,
729
733
(
2011
).
22.
M. S.
Kang
,
A.
Butsch
, and
P. S. J.
Russell
,
Nat. Photonics
5
,
549
553
(
2011
).
23.
H.
Lira
,
Z.
Yu
,
S.
Fan
, and
M.
Lipson
,
Phys. Rev. Lett.
109
,
033901
(
2012
).
24.
N. A.
Estep
,
D. L.
Sounas
,
J.
Soric
, and
A.
Alù
,
Phys. Rev. Lett.
10
,
923
927
(
2014
).
25.
D. L.
Sounas
and
A.
Alù
,
Nat. Photonics
11
,
774
783
(
2017
).
26.
D.-W.
Wang
,
H.-T.
Zhou
,
M.-J.
Guo
,
J.-X.
Zhang
,
J.
Evers
, and
S.-Y.
Zhu
,
Phys. Rev. Lett.
110
,
093901
(
2013
).
27.
S.
Horsley
,
J.-H.
Wu
,
M.
Artoni
, and
G. L.
Rocca
,
Phys. Rev. Lett.
110
,
223602
(
2013
).
28.
N.
Bender
,
S.
Factor
,
J. D.
Bodyfelt
,
H.
Ramezani
,
D. N.
Christodoulides
,
F. M.
Ellis
, and
T.
Kottos
,
Phys. Rev. Lett.
110
,
234101
(
2013
).
29.
H.
Ramezani
,
P. K.
Jha
,
Y.
Wang
, and
X.
Zhang
,
Phys. Rev. Lett.
120
,
043901
(
2018
).
30.
K.
Xia
,
F.
Nori
, and
M.
Xiao
,
Phys. Rev. Lett.
121
,
203602
(
2018
).
31.
S.
Zhang
,
Y.
Hu
,
G.
Lin
,
Y.
Niu
,
K.
Xia
,
J.
Gong
, and
S.
Gong
,
Nat. Photonics
12
,
744
748
(
2018
).
32.
G.
Lin
,
S.
Zhang
,
Y.
Hu
,
Y.
Niu
,
J.
Gong
, and
S.
Gong
,
Phys. Rev. Lett.
123
,
033902
(
2019
).
33.
C.
Liang
,
B.
Liu
,
A.-N.
Xu
,
X.
Wen
,
C.
Lu
,
K.
Xia
,
M. K.
Tey
,
Y.-C.
Liu
, and
L.
You
,
Phys. Rev. Lett.
125
,
123901
(
2020
).
34.
R. M.
Camacho
,
P. K.
Vudyasetu
, and
J. C.
Howell
,
Nat. Photonics
3
,
103
106
(
2009
).
35.
D.-S.
Ding
,
Y. K.
Jiang
,
W.
Zhang
,
Z.-Y.
Zhou
,
B.-S.
Shi
, and
G.-C.
Guo
,
Phys. Rev. Lett.
114
,
093601
(
2015
).
36.
A. M.
Marino
,
V.
Boyer
,
R. C.
Pooser
,
P. D.
Lett
,
K.
Lemons
, and
K. M.
Jones
,
Phys. Rev. Lett.
101
,
093602
(
2008
).
37.
Z.
Qin
,
L.
Cao
,
H.
Wang
,
A. M.
Marino
,
W.
Zhang
, and
J.
Jing
,
Phys. Rev. Lett.
113
,
023602
(
2014
).
38.
G.
Walker
,
A. S.
Arnold
, and
S.
Franke-Arnold
,
Phys. Rev. Lett.
108
,
243601
(
2012
).
39.
X.
Pan
,
S.
Yu
,
Y.
Zhou
,
K.
Zhang
,
K.
Zhang
,
S.
Lv
,
S.
Li
,
W.
Wang
, and
J.
Jing
,
Phys. Rev. Lett.
123
,
070506
(
2019
).
40.
S.
Li
,
X.
Pan
,
Y.
Ren
,
H.
Liu
,
S.
Yu
, and
J.
Jing
,
Phys. Rev. Lett.
124
,
083605
(
2020
).
41.
K.
Zhang
,
W.
Wang
,
S.
Liu
,
X.
Pan
,
J.
Du
,
Y.
Lou
,
S.
Yu
,
S.
Lv
,
N.
Treps
,
C.
Fabre
, and
J.
Jing
,
Phys. Rev. Lett.
124
,
090501
(
2020
).
42.
Y.
Mei
,
Y.
Zhou
,
S.
Zhang
,
J.
Li
,
K.
Liao
,
H.
Yan
,
S.-L.
Zhu
, and
S.
Du
,
Phys. Rev. Lett.
124
,
010509
(
2020
).
43.
W.
Zhang
,
D.-S.
Ding
,
Y.-K.
Jiang
,
B.-S.
Shi
, and
G.-C.
Guo
,
Appl. Phys. Lett.
104
,
171103
(
2014
).
44.
H.
Hu
,
D.
Luo
, and
H.
Chen
,
Appl. Phys. Lett.
115
,
211101
(
2019
).
45.
J.
Park
,
H.
Kim
, and
H. S.
Moon
,
Phys. Rev. Lett.
122
,
143601
(
2019
).
46.
Y.
Jiang
,
Y.
Mei
,
Y.
Zuo
,
Y.
Zhai
,
J.
Li
,
J.
Wen
, and
S.
Du
,
Phys. Rev. Lett.
123
,
193604
(
2019
).
47.
S.
Liu
,
Y.
Lou
, and
J.
Jing
,
Phys. Rev. Lett.
123
,
113602
(
2019
).
48.
S.
Liu
,
Y.
Lou
, and
J.
Jing
,
Nat. Commun.
11
,
3875
(
2020
).
49.
Y.
Lou
,
S.
Liu
, and
J.
Jing
,
Phys. Rev. Lett.
126
,
210507
(
2021
).
50.
S.
Liu
,
Y.
Lou
,
Y.
Chen
, and
J.
Jing
,
Phys. Rev. Lett.
126
,
060503
(
2021
).
51.
Y.
Hu
,
S.
Zhang
,
Y.
Qi
,
G.
Lin
,
Y.
Niu
, and
S.
Gong
,
Phys. Rev. Appl.
12
,
054004
(
2019
).
52.
P.
Yang
,
X.
Xia
,
H.
He
,
S.
Li
,
X.
Han
,
P.
Zhang
,
G.
Li
,
P.
Zhang
,
J.
Xu
,
Y.
Yang
, and
T.
Zhang
,
Phys. Rev. Lett.
123
,
233604
(
2019
).
53.
S.
Zhang
,
G.
Lin
,
Y.
Hu
,
Y.
Qi
,
Y.
Niu
, and
S.
Gong
,
Phys. Rev. Appl.
14
,
024032
(
2020
).
54.
E.-Z.
Li
,
D.-S.
Ding
,
Y.-C.
Yu
,
M.-X.
Dong
,
L.
Zeng
,
W.-H.
Zhang
,
Y.-H.
Ye
,
H.-Z.
Wu
,
Z.-H.
Zhu
,
W.
Gao
,
G.-C.
Guo
, and
B.-S.
Shi
,
Phys. Rev. Res.
2
,
033517
(
2020
).
55.
C. Y.
Wang
,
T.
Herr
,
P.
Del'Haye
,
A.
Schliesser
,
J.
Hofer
,
R.
Holzwarth
,
T. W.
Hänsch
,
N.
Picqué
, and
T. J.
Kippenberg
,
Nat. Commun.
4
,
1245
(
2013
).
56.
N. L.
Petrov
,
A. A.
Voronin
,
A. B.
Fedotov
, and
A. M.
Zheltikov
,
Appl. Phys. Lett.
110
,
181108
(
2017
).
57.
F.
Ripka
,
H.
Kübler
,
R.
Löw
, and
T.
Pfau
,
Science
362
,
446
449
(
2018
).
58.
M. O.
Scully
and
M. S.
Zubairy
,
Quantum Optics
(
Cambridge University Press
,
1997
).
59.
C.-K.
Chiu
,
Y.-H.
Chen
,
Y.-C.
Chen
,
I. A.
Yu
,
Y.-C.
Chen
, and
Y.-F.
Chen
,
Phys. Rev. A
89
,
023839
(
2014
).
60.
J.-Y.
Juo
,
J.-K.
Lin
,
C.-Y.
Cheng
,
Z.-Y.
Liu
,
I. A.
Yu
, and
Y.-F.
Chen
,
Phys. Rev. A
97
,
053815
(
2018
).
You do not currently have access to this content.