基于腔电磁感应透明的光开关和光场强度关联的研究

论文摘要

光开关作为信息网络的核心元件,在解决复杂网络中的波长争用、提高波长重用率、实现动态光路径管理和进行网络灵活配置等方面具有重要的意义。不仅如此,光开关也是未来光量子计算机芯片的基本器件,相比电子计算机中的逻辑单元,利用光开关组成的光学逻辑门可以实现并行运算,能够有效地提升光量子计算机的运行速度和信息存储容量。基于“光控光”的全光开关,可以实现全光通信和全光计算,是构建光信息网络的重要研究课题之一。人们利用原子介质、纳米材料及光纤等系统展开了许多以光场调控光场的深入研究,并实现了光学双稳光开关、宽频带光开关、无相互作用光开关等一系列设想。然而在这些研究中,普遍将开关场施加到一个基态能级和一个激发态能级之间,人们不得不采用强开关场控制弱探测场（信号场）的输出,从而影响了光开关的效率和响应时间。本论文针对四能级原子-腔系统,利用腔电磁感应透明（electromagnetically induced transparency,简称EIT）技术,实现了对信号光场更有效地调控。不仅是对输出光场强度进行调控,同时也对输出光场的相位以及输出场的强度关联即量子关联进行调控。通过将微腔技术与EIT技术结合,有效地提高了系统的输出效率。这种光开关研究在近十年内获得了广泛的关注,它不仅能有效地降低光场损耗,极大地提高系统的光学非线性,同时还能有效地压缩输出线宽,提高信息网络中高速传输的光信号的开关效率。本论文的第一个工作是在四能级原子-腔结构中,将开关场与两个基态能级进行耦合实现低开关功率下的光开关。这样的耦合方式更易于实现腔内暗态的劈裂,利于在实验上观测到双EIT窗口,克服了之前工作中采用三能级系统造成的开关功率降低受限的弊端。因此,基于腔内暗态劈裂效应的光开关要比利用传统EIT技术（单EIT窗口）的光开关效率高。同时,由于基态能级的弛豫率比激发态能级的弛豫率小好几个量级,在本文的系统中开关场强度只需与基态能级弛豫率在一个量级,便能实现对输出光场的“开”和“关”调控。我们采用铷原子系统,所需开关场的拉比频率可减少至0.6MHz（相当于μW量级）,且双向输出通道的开关效率分别达到了98%和94%。受前人工作的启发,本论文接下来的工作是在四能级原子-腔结构中引入闭合相互作用结构,进一步实现了多参量、更精细的光场调控。与前人工作不同的是,本工作利用原子的三个基态能级和一个激发态能级,而不是两个基态能级和两个激发态能级。因此输出信号的线宽将被压缩得更窄,更利用实现多通道光信息网络中的光开关。由于闭合环的引入,系统呈现出相位相关的EIT效应,利用输入场的相位不仅能实现对系统输出强度的控制,也能实现单EIT窗口与双EIT窗口之间的连续可调。相位相关的EIT技术在交叉相位调制方面的影响也很明显,反射信号出现了显著的相位反转（-?→?）,这在基于相位相关EIT技术的量子相位门研究中具有潜在的应用价值。接下来,本论文开展了相位相关EIT技术在输出场强度关联方面的研究,将相位相关EIT技术与相干探测场双边驱动的方式相结合,通过调节四能级原子-腔系统中的闭合环相位和驱动场相位控制系统的相干特性从而影响系统的量子关联。我们研究了这两种相位对系统光场输出特性及两输出通道间关联函数演化的影响。所得结果有:（1）驱动场相位为零,且闭合环相位为?2的奇数倍时,在探测场共振处入射探测场完全被腔内介质吸收（coherent perfect absorption,简称CPA）;当驱动场相位为?时,系统则处于完全反射的状态,因此以这两种相位为开关变量,可在理论上实现对光场输出调控效率为100%的光开关;（2）不同闭合环相位条件下,能够实现对两输出通道稳定关联的调控（驱动场相位为零时,共振频率处:0.27→0.46,非共振处:0.31→0.70）;（3）调节驱动场相位能改变系统的相干特性,并影响两个输出通道的抗噪声能力。闭合环相位和驱动场相位均为?2时,这两个输出通道之间稳定关联最弱（几乎为0）,此时系统的抗噪声能力最弱;当驱动场相位为?时,这两个输出通道之间实现了最大稳定关联（关联值为1）,且抗噪声能力最强。本文中关于光场关联函数的研究,有望应用在光场关联成像、图像加密传输及提高量子系统的抗噪声能力等方面。

论文目录

文章来源

类型: 博士论文

作者: 郭苗迪

导师: 苏雪梅

关键词: 量子相干,腔量子电动力学,电磁感应透明,光开关,关联函数,量子关联,量子相位门,量子纠缠

来源: 吉林大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 物理学

单位: 吉林大学

分类号: O431.2

总页数: 111

文件大小: 5349K

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