專利名稱：多通道光子開關的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種光子開關裝置，尤其涉及基于激光與原子相干相互作用的光子開關，適用于量子信息、多路不同頻率光的控制、通信信道擴展等領域。
背景技術：
電磁誘導透明(Electromagnetically Induced Transparency，簡稱EIT)現(xiàn)象具有豐富的物理內涵和誘人的應用前景。在基礎研究方面，與EIT相關的量子相干與干涉效應是量子光學的前沿問題，對理解光與介質相干相互作用的物理機制有重要意義。在應用研究方面，探測光在EIT介質中的減速及光信息的“存儲”原理在通信、量子信息處理、量子器件研制等方面有潛在的應用價值。例如，光存儲技術的非破壞性，使其成為在兩個量子力學系統(tǒng)間實現(xiàn)相干通信的可能方案；該技術已用于研究量子中繼器和可調諧單光子存儲；基于EIT的弱光非線性效應，可用于光子開關的研究。從國際上EIT研究的發(fā)展趨勢來看，基于EIT的弱光非線性光學效應，特別是光開關的研究，與量子信息的關系日漸密切，已越來越受到重視。
盡管人們在EIT介質光開關效應的研究方面取得了重要進展，但要真正在單光子水平上實現(xiàn)頻率擴展的光子開關，并將其應用于量子信息的處理或量子器件的研究，還有很長一段的路要走。主要的問題是如何有效地實現(xiàn)EIT光子開關的頻率擴展？目前關于光子開關的研究，僅限于單色EIT體系，只能實現(xiàn)對單一頻率探測光的開關控制，類似于電路中的“單刀單擲”開關。如果能同時實現(xiàn)用一束開關光束對兩種不同頻率或更多頻率探測光束的開關控制、擴展EIT光開關的頻率范圍，從而實現(xiàn)光路的“單刀雙擲”或“單刀多擲”開關，這將使EIT光子開關具有更重要的意義和更大的應用潛力。
現(xiàn)有的研究工作是通過選擇合適的多能級原子體系來實現(xiàn)EIT的頻率擴展。人們已經(jīng)利用多能級原子EIT體系實現(xiàn)了一些非線性光學過程，如光學諧波的產(chǎn)生、頻率轉換、四波混頻、光束聚焦、光子開關以及波導效應等；利用原子磁子能級EIT系統(tǒng)可實現(xiàn)弱光非線性效應。
以上采用多能級原子的EIT方案，都不能很好地實現(xiàn)有效的頻率擴展。現(xiàn)有的實驗方案，由于實驗條件苛刻或能級體系比較復雜，在實驗上具有一定的困難。要解決以上比較突出的問題，就必須需尋求新的實施方案。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是在于提供一種多通道光子開關，利用雙色EIT體系來有效地解決了光子開關的頻率擴展問題，實現(xiàn)真正意義上的多通道光子開關，本發(fā)明結構簡單，可行性強。
為了達到上述目的，本發(fā)明采用以下技術方案整個裝置由耦合光激光器、聲光調制器、反射鏡、分束鏡、控制光激光器、信號光激光器、二分之一波片、偏振分束棱鏡、原子吸收泡、光柵和信號光束接收器組成。耦合光激光器輸出的光束經(jīng)過聲光調制器產(chǎn)生零級光束和一級光束，用反射鏡和分束鏡將二者在空間疊合而成雙色耦合光束?？刂乒饧す馄鬏敵龅目刂乒馐?jīng)分束鏡與雙色耦合光束在光路上重合。信號光激光器提供的信號光束經(jīng)過聲光調制器產(chǎn)生零級光束和一級光束，再經(jīng)用反射鏡和分束鏡在空間疊合而成雙色信號光束。雙色信號光束經(jīng)二分之一波片轉換為水平線偏振光束，經(jīng)偏振分束棱鏡后與豎直線偏振的雙色耦合光束和控制光束在光路上重合，并一同穿過原子吸收泡，經(jīng)過第二塊偏振分束棱鏡后，雙色耦合光束和控制光束被反射，光路偏轉90°，信號光束沿原方向入射到光柵上，經(jīng)光柵衍射后，雙色信號光束在空間分開，并分別入射到兩個信號光束接收器上。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比具有以下優(yōu)點利用雙色EIT體系來有效地解決了光子開關的頻率擴展問題，實現(xiàn)了真正意義上的光路“單刀雙擲”或“單刀多擲”開關。雙色光場耦合EIT體系是研究雙色光開關的理想體系。當?shù)葟姸入p色耦合光場頻率的平均值與原子的躍遷頻率共振時，原子的激發(fā)態(tài)綴飾能級呈現(xiàn)為一系列等間距梯子型子能級。在這種EIT體系中，探測光的吸收光譜將呈現(xiàn)為多吸收峰和多EIT窗口結構，吸收峰間的EIT窗口位于綴飾態(tài)中間。與傳統(tǒng)的EIT體系相比，雙色EIT體系可以在探測光的不同頻率處形成多個透明窗口。申請人已經(jīng)在實驗上觀察到了這種雙色EIT現(xiàn)象，圖3為耦合光頻率差為80MHz(13.3Γ)時雙色EIT的實驗結果，該結果已發(fā)表在《物理評論》上[參見Physical Review A 68，063810(2003)]。圖3中實線為理論擬合，虛線為實驗數(shù)據(jù)?？梢钥闯觯谛盘柟馐еC±20MHz處，原子介質對信號光的吸收為極小值，即系統(tǒng)對信號光在失諧±20MHz處有兩個透明窗口。如果此時有兩個頻率的信號光分別調諧在這兩個窗口處，在滿足EIT條件時，原子介質對這兩個頻率的信號光束處于“打開”的狀態(tài)；相反，如果施加一個控制光束，使系統(tǒng)不滿足EIT條件，則沒有透明窗口出現(xiàn)，原子介質對這兩個頻率的信號光束處于“關閉”的狀態(tài)。實驗結果還表明，當雙色耦合光束更強時，EIT系統(tǒng)會出現(xiàn)更多的透明窗口。因此，將雙色EIT體系應用于光子開關，就有可能同時實現(xiàn)用單個開關控制光束對兩個或多個不同頻率的探測光束的開關控制，實現(xiàn)了真正意義上的光路“單刀雙擲”或“單刀多擲”開關。


圖1為一種多通道光子開關的結構示意圖。
圖2為一種多通道光子開關所采用的銣(87Rb)原子的能級示意圖。
圖3為耦合光頻率差為80MHz(13.3Γ)時雙色EIT的實驗結果，其中實線為理論擬合，虛線為實驗數(shù)據(jù)。
具體實施方案下面結合附圖對本發(fā)明作進一步詳細描述根據(jù)圖1、圖2可知，控制光激光器2選用普通的光柵外腔穩(wěn)頻半導體激光器，輸出激光功率5mW以上、波長調諧在795nm，豎直偏振，用來提供控制光束2a。
耦合光激光器1一般選用普通的光柵外腔穩(wěn)頻半導體激光器，輸出激光功率80mW以上、波長調諧在795nm，豎直偏振，用來提供雙色耦合光束1a、1b(在本發(fā)明內容中用一個光束便為耦合光束1a或1b)。
信號光激光器3選用普通的光柵外腔穩(wěn)頻半導體激光器，輸出激光功率5mW左右、波長調諧在795nm，豎直偏振，用來提供雙色信號光束3a、3b(在本發(fā)明內容中用一個信號光束便為信號光束3a或3b)。
聲光調制器4、5選用普通的聲光調制器，調諧范圍±50MHz，用來對耦合光束和信號光束進行調制，以產(chǎn)生頻率差相同的雙色耦合光束1a、1b和雙色信號光束3a、3b。兩個聲光調制器的工作參數(shù)相同。
反射鏡6a、6b對激光束反射，以改變光束傳播方向。
分束鏡7共三片，包括7a、7b、7c，對入射光束半透半反，用以將雙色耦合光束1a、61b、控制光束1a，以及雙色信號光束3a、3b分別在光路上重合。
二分之一波片8波長為795nm，用以改變信號光束的偏振方向，使其與耦合光束的偏振方向垂直。
偏振分束棱鏡9；共兩塊，包括9a、9b，分別置于原子吸收泡的入射窗口和出射窗口處。用以將偏振方向互相垂直的信號光束和耦合光束(含控制光束)在吸收泡入射窗口前重合，并且在出射窗口后分開。
原子吸收泡10采用圓柱形玻璃小泡，小泡內封裝1毫克左右的金屬銣，作為原子樣品。
光柵11置于原子吸收泡10和偏振分束棱鏡9b之后，光柵11接收從原子吸收泡出射的信號光束，并使其發(fā)生衍射，用以使不同頻率的信號光束在空間上分開。
信號光接收器12共兩個，包括12a、12b，分別接受通過原子吸收池的雙色信號光束3a、3b。
根據(jù)圖1所示，該光子開關由耦合光激光器1、聲光調制器4、5、反射鏡6a、6b、分束鏡7a、7b、7c、控制光激光器2、信號光激光器3、二分之一波片8、偏振分束棱鏡9a、9b、原子吸收泡10、光柵11和信號光束接收器12a、12b組成，耦合光激光器1輸出的光束與聲光調制器4相連，耦合光束1b與反射鏡6a相連，雙色耦合光束1a、1b分別與分束鏡7a、7b、偏振分束棱鏡9a、原子吸收泡10、偏振分束棱鏡9b相連。耦合光激光器1輸出的光束經(jīng)過聲光調制器4產(chǎn)生零級耦合光束1a和一級耦合光束1b，用反射鏡6a和分束鏡7a將二者在空間疊合而成雙色耦合光束?？刂乒饧す馄?與控制光束2a相連，控制光束2a依次與分束鏡7b偏振分束棱鏡9a、原子吸收泡10、偏振分束棱鏡9b相連?？刂乒饧す馄?輸出的控制光束2a經(jīng)分束鏡7b與雙色耦合光束1a、1b在光路上重合。信號光激光器3輸出的光束與聲光調制器5相連，信號光束3b與反射鏡6b相連，雙色信號光束3a、3b分別與分束鏡7c、二分之一波片8、偏振分束棱鏡9a、原子吸收泡10、偏振分束棱鏡9b、光柵11和信號光束接收器12a、12b相連。信號光激光器3提供的信號光束經(jīng)過聲光調制器5產(chǎn)生零級信號光束3a和一級信號光束3b，再經(jīng)用反射鏡6b和分束鏡7c在空間疊合而成雙色信號光束?？刂乒馐?a與雙色耦合光束1a、1b的偏振方向相同，與雙色信號光束3a、3b的偏振方向垂直，在偏振分束棱鏡9a與偏振分束棱鏡9b之間的光路上，所有的光束都在空間重合。雙色信號光束經(jīng)二分之一波片8轉換為水平線偏振光束，經(jīng)偏振分束棱鏡9a后與豎直線偏振的雙色耦合光束1a、1b、控制光束2a在光路上重合，一同穿過原子吸收泡10，經(jīng)過第二塊偏振分束棱鏡9b后，雙色耦合光束1a、1b、控制光束2a被反射，光路偏轉90°，雙色信號光束3a、3b沿原方向入射到光柵11上，經(jīng)光柵衍射后，雙色信號光束3a、3b在空間分開，并分別入射到兩個信號光束接收器12a、12b上。
根據(jù)圖2所示，雙色耦合光束(1a、1b，頻率分別記為ω1a，ω1b)與87Rb原子D1線5S1/2，F(xiàn)＝1→5P1/2，F(xiàn)′＝1的躍遷近共振；雙色信號光束(3a、3b，頻率分別記為ω3a，ω3b)在5S1/2，F(xiàn)＝2→5P1/2，F(xiàn)′＝1躍遷附近掃描；開關控制光束(2a，頻率記為ω2a)與5S1/2，F(xiàn)＝2→5P1/2，F(xiàn)′＝2的躍遷近共振。如果沒有開關控制光束2a，耦合光束1a、1b、雙色信號光束3a、3b與原子的三個能級(F＝1、F＝2，F(xiàn)′＝1)形成雙色EIT系統(tǒng)，探測光束在雙色光耦合造成的透明窗口處不被吸收，理想情況下，探測光束可以完全透過EIT介質，即處于“打開”狀態(tài)。當施加開關光束后，雙色EIT的條件被破壞，介質對探測光束強烈吸收，此時介質對探測光束處于“關閉”狀態(tài)。因此，通過對開關光束的人為控制，可有效地實現(xiàn)探測光束的開關效應。與通常的EIT光開關不同，在雙色EIT體系，一個頻率的開關光束可同時對兩種以上頻率的探測光束進行開關控制。
以上技術方案可實現(xiàn)一種結構簡單、穩(wěn)定度高、小型化的光子開關，具有廣闊的應用前景。
權利要求
1.一種多通道光子開關，它由控制光激光器(2)、耦合光激光器(1)、信號光激光器(3)、聲光調制器(4、5)、反射鏡(6a、6b)、信號光接收器(12a、12b)組成，其特征在于耦合光激光器(1)輸出的光束與聲光調制器(4)相連，耦合光束(1b)與反射鏡(6a)相連，雙色耦合光束(1a、1b)分別與分束鏡(7a、7b)、偏振分束棱鏡(9a)、原子吸收泡(10)、偏振分束棱鏡(9b)相連。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種多通道光子開關，其特征是控制光激光器(2)與控制光束(2a)相連，控制光束(2a)依次與分束鏡(7b)偏振分束棱鏡(9a)、原子吸收泡(10)、偏振分束棱鏡(9b)相連。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種多通道光子開關，其特征是信號光激光器(3)輸出的光束與聲光調制器(5)相連，信號光束(3b)與反射鏡(6b)相連，雙色信號光束(3a、3b)分別與分束鏡(7c)、二分之一波片(8)、偏振分束棱鏡(9a)、原子吸收泡(10)、偏振分束棱鏡(9b)、光柵(11)和信號光束接收器(12a、12b)相連。
4.根據(jù)權利要求2所述的一種多通道光子開關，其特征是控制光束(2a)與雙色耦合光束(1a、1b)的偏振方向相同，與雙色信號光束(3a、3b)的偏振方向垂直，在偏振分束棱鏡(9a)與偏振分束棱鏡(9b)之間的光路上，所有的光束都在空間重合。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種多通道光子開關，它由耦合光激光器、聲光調制器、反射鏡、分束鏡、控制光激光器、信號光激光器、二分之一波片、偏振分束棱鏡、原子吸收泡、光柵和信號光接收器組成。耦合光激光器輸出的光束分別與聲光調制器、反射鏡、分束鏡、偏振分束棱鏡、原子吸收泡相連?？刂乒饧す馄髋c控制光束相連，控制光束與耦合光束重合。信號光激光器輸出的光束與聲光調制器、反射鏡、分束鏡、偏振分束棱鏡、原子吸收泡、光柵和信號光接收器相連。本發(fā)明結構簡單，增加了實現(xiàn)光子開關的通道數(shù)，可行性強。
文檔編號H01S5/00GK1844994SQ200610018980
公開日2006年10月11日 申請日期2006年4月29日 優(yōu)先權日2006年4月29日
發(fā)明者王謹, 涂鮮花, 詹明生 申請人:中國科學院武漢物理與數(shù)學研究所