CN100386692C - 多通道光子开关 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多通道光子开关，它由耦合光激光器、声光调制器、反射镜、分束镜、控制光激光器、信号光激光器、二分之一波片、偏振分束棱镜、原子吸收泡、光栅和信号光接收器组成。耦合光激光器输出的光束分别与声光调制器、反射镜、分束镜、偏振分束棱镜、原子吸收泡相连。控制光激光器与控制光束相连，控制光束与耦合光束重合。信号光激光器输出的光束与声光调制器、反射镜、分束镜、偏振分束棱镜、原子吸收泡、光栅和信号光接收器相连。本发明结构简单，增加了实现光子开关的通道数，可行性强。

Description

多通道光子开关

技术领域：

本发明涉及一种光子开关装置，尤其涉及基于激光与原子相干相互作用的光子开关，适用于量子信息、多路不同频率光的控制、通信信道扩展等领域。

背景技术：

电磁诱导透明(Electromagnetically Induced Transparency，简称EIT)现象具有丰富的物理内涵和诱人的应用前景。在基础研究方面，与EIT相关的量子相干与干涉效应是量子光学的前沿问题，对理解光与介质相干相互作用的物理机制有重要意义。在应用研究方面，探测光在EIT介质中的减速及光信息的“存储”原理在通信、量子信息处理、量子器件研制等方面有潜在的应用价值。例如，光存储技术的非破坏性，使其成为在两个量子力学系统间实现相干通信的可能方案；该技术已用于研究量子中继器和可调谐单光子存储；基于EIT的弱光非线性效应，可用于光子开关的研究。从国际上EIT研究的发展趋势来看，基于EIT的弱光非线性光学效应，特别是光开关的研究，与量子信息的关系日渐密切，已越来越受到重视。

尽管人们在EIT介质光开关效应的研究方面取得了重要进展，但要真正在单光子水平上实现频率扩展的光子开关，并将其应用于量子信息的处理或量子器件的研究，还有很长一段的路要走。主要的问题是：如何有效地实现EIT光子开关的频率扩展？

目前关于光子开关的研究，仅限于单色EIT体系，只能实现对单一频率探测光的开关控制，类似于电路中的“单刀单掷”开关。如果能同时实现用一束开关光束对两种不同频率或更多频率探测光束的开关控制、扩展EIT光开关的频率范围，从而实现光路的“单刀双掷”或“单刀多掷”开关，这将使EIT光子开关具有更重要的意义和更大的应用潜力。

现有的研究工作是通过选择合适的多能级原子体系来实现EIT的频率扩展。人们已经利用多能级原子EIT体系实现了一些非线性光学过程，如光学谐波的产生、频率转换、四波混频、光束聚焦、光子开关以及波导效应等；利用原子磁子能级EIT系统可实现弱光非线性效应。

以上采用多能级原子的EIT方案，都不能很好地实现有效的频率扩展。现有的实验方案，由于实验条件苛刻或能级体系比较复杂，在实验上具有一定的困难。要解决以上比较突出的问题，就必须需寻求新的实施方案。

发明内容：

本发明的目的是在于提供一种多通道光子开关，利用双色EIT体系来有效地解决了光子开关的频率扩展问题，实现真正意义上的多通道光子开关，本发明结构简单，可行性强。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

整个装置由耦合光激光器、声光调制器、反射镜、分束镜、控制光激光器、信号光激光器、二分之一波片、偏振分束棱镜、原子吸收泡、光栅和信号光束接收器组成。耦合光激光器输出的光束入射到第一声光调制器后，射出的第一耦合光束、第二耦合光束分别经第一分束镜、第一反射镜反射后在光路上重合，再依次经过第二二分束镜、第一偏振分束棱镜、铷原子吸收泡、第二偏振分束棱镜，控制光激光器输出的控制光束依次经过第二分束镜、第一偏振分束棱镜、铷原子吸收泡、第二偏振分束棱镜，信号光激光器输出的光束入射到第二声光调制器，出射的第一信号光束、第二信号光束分别经第三分束镜、第二反射镜、反射后在光路上重合，再依次经过二分之一波片、第一偏振分束棱镜、铷原子吸收泡、第二偏振分束棱镜、光栅和第一信号光接收器、第二信号光接收器。双色信号光束经二分之一波片转换为水平线偏振光束，经偏振分束棱镜后与竖直线偏振的双色耦合光束和控制光束在光路上重合，并一同穿过铷原子吸收泡，经过第二偏振分束棱镜后，双色耦合光束和控制光束被反射，光路偏转90°，信号光束沿原方向入射到光栅上，经光栅衍射后，双色信号光束在空间分开，并分别入射到两个信号光束接收器上。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

利用双色EIT体系来有效地解决了光子开关的频率扩展问题，实现了真正意义上的光路“单刀双掷”或“单刀多掷”开关。双色光场耦合EIT体系是研究双色光开关的理想体系。当等强度双色耦合光场频率的平均值与原子的跃迁频率共振时，原子的激发态缀饰能级呈现为一系列等间距梯子型子能级。在这种EIT体系中，探测光的吸收光谱将呈现为多吸收峰和多EIT窗口结构，吸收峰间的EIT窗口位于缀饰态中间。与传统的EIT体系相比，双色EIT体系可以在探测光的不同频率处形成多个透明窗口。申请人已经在实验上观察到了这种双色EIT现象，图3为耦合光频率差为80MHz(13.3Г)时双色EIT的实验结果，该结果已发表在《物理评论》上[参见Physical Review A 68，063810(2003)]。图3中实线为理论拟合，虚线为实验数据。可以看出，在信号光失谐±20MHz处，原子介质对信号光的吸收为极小值，即系统对信号光在失谐±20MHz处有两个透明窗口。如果此时有两个频率的信号光分别调谐在这两个窗口处，在满足EIT条件时，原子介质对这两个频率的信号光束处于“打开”的状态；相反，如果施加一个控制光束，使系统不满足EIT条件，则没有透明窗口出现，原子介质对这两个频率的信号光束处于“关闭”的状态。实验结果还表明，当双色耦合光束更强时，EIT系统会出现更多的透明窗口。因此，将双色EIT体系应用于光子开关，就有可能同时实现用单个开关控制光束对两个或多个不同频率的探测光束的开关控制，实现了真正意义上的光路“单刀双掷”或“单刀多掷”开关。

附图说明：

图1为一种多通道光子开关的结构示意图。

图2为一种多通道光子开关所采用的铷(⁸⁷Rb)原子的能级示意图。

图3为耦合光频率差为80MHz(13.3Г)时双色EIT的实验结果，其中实线为理论拟合，虚线为实验数据。

具体实施方案：

下面结合附图对本发明作进一步详细描述：

根据图1、图2可知，控制光激光器2：选用普通的光栅外腔稳频半导体激光器，输出激光功率5mW以上、波长调谐在795nm，竖直偏振，用来提供控制光束2a。

耦合光激光器1：一般选用普通的光栅外腔稳频半导体激光器，输出激光功率80mW以上、波长调谐在795nm，竖直偏振，用来提供第一耦合光束1a、第二耦合光束1b(在本发明内容中用一个光束便为第一耦合光束1a或第二耦合光束1b)。

信号光激光器3：选用普通的光栅外腔稳频半导体激光器，输出激光功率5mW左右、波长调谐在795nm，竖直偏振，用来提供第一信号光束3a、第二信号光束3b(在本发明内容中用一个信号光束便为第一信号光束3a或第二信号光束3b)。

第一声光调制器4、第二声光调制器5：选用普通的声光调制器，调谐范围±50MHz，用来对耦合光束和信号光束进行调制，以产生频率差相同的第一耦合光束1a、第二耦合光束1b和第一信号光束3a、第二信号光束3b。两个声光调制器的工作参数相同。

第一反射镜6a、第二反射镜6b：对激光束反射，以改变光束传播方向。

分束镜7：共三片，包括第一分束镜7a、第二分束镜7b、第三分束镜7c，对入射光束半透半反，用以将第一耦合光束1a、第二耦合光束1b、控制光束2a，以及第一信号光束3a、第二二信号光束3b分别在光路上重合。

二分之一波片8：波长为795nm，用以改变信号光束的偏振方向，使其与耦合光束的偏振方向垂直。

偏振分束棱镜9；共两块，包括第一偏振分束棱镜9a、第二偏振分束棱镜9b，分别置于原子吸收泡的入射窗口和出射窗口处。用以将偏振方向互相垂直的信号光束和耦合光束(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开。

铷原子吸收泡10：采用圆柱形玻璃小泡，小泡内封装1毫克左右的金属铷，作为原子样品。

光栅11：置于铷原子吸收泡10和第二偏振分束棱镜9b之后，光栅11接收从铷原子吸收泡出射的信号光束，并使其发生衍射，用以使不同频率的信号光束在空间上分开。

信号光接收器12：共两个，包括第一信号光接收器12a、第二信号光接收器12b，分别接受通过如原子吸收泡10的第一信号光束3a、第二信号光束3b。

根据图1所示，该光子开关由耦合光激光器1、第一声光调制器4、第二声光调制器5、第一反射镜6a、第二反射镜6b、第一分束镜7a、第二分束镜7b、第三分束镜7c、控制光激光器2、信号光激光器3、二分之一波片8、第一偏振分束棱镜9a、第二偏振分束棱镜9b、铷原子吸收泡10、光栅11、第一信号光接收器12a和第二信号光接收器12b组成，耦合光激光器1输出的光束入射到第一声光调制器4后，射出的第一耦合光束1a、第二耦合光束1b分别经第一分束镜7a、第一反射镜6a反射后在光路上重合，再依次经过第二分束镜7b、第一偏振分束棱镜9a、铷原子吸收泡10、第二偏振分束棱镜9b，耦合光激光器1输出的光束经过第一声光调制器4产生零级第一耦合光束1a和一级第二耦合光束1b，用第一反射镜6a和第一分束镜7a将二者在空间叠合而成双色耦合光束。控制光激光器2输出的控制光束2a依次经过第二分束镜7b、第一偏振分束棱镜9a、铷原子吸收泡10、第二偏振分束棱镜9b，控制光激光器2输出的控制光束2a经第二分束镜7b与第一耦合光束1a、第二耦合光束1b在光路上重合。信号光激光器3输出的光束入射到第二声光调制器5，出射的第一信号光3a、第二信号光3b分别经第三分束镜7c、第二反射镜6b、反射后在光路上重合，再依次经过二分之一波片8、第一偏振分束棱镜9a、铷原子吸收泡10、第二偏振分束棱镜9b、光栅11和第一信号光接收器12a、第二信号光接收器12b，信号光激光器3提供的信号光束经过第二声光调制器5产生零级第一信号光束3a和一级第二信号光束3b，再经用第二反射镜6b和第三分束镜7c在空间叠合而成双色信号光束。控制光束2a与第一耦合光束1a、第二耦合光束1b的偏振方向相同，与第一信号光束3a、第二信号光束3b的偏振方向垂直，在第一偏振分束棱镜9a与第二偏振分束棱镜9b之间的光路上，所有的光束都在空间重合。双色信号光束经二分之一波片8转换为水平线偏振光束，经第一偏振分束棱镜9a后与竖直线偏振的第一耦合光束1a、第一耦合光束1b、控制光束2a在光路上重合，一同穿过铷原子吸收泡10，经过第二偏振分束棱镜9b后，第一耦合光束1a、第二耦合光束1b、控制光束2a被反射，光路偏转90°，第一信号光束3a、第二信号光束3b沿原方向入射到光栅11上，经光栅衍射后，第一信号光束3a、第一信号光束3b在空间分开，并分别入射到第一信号光接收器12a、第二信号光接收器12b上。

根据图2所示，双色耦合光束(第一耦合光束1a、第二耦合光束1b，频率分别记为ω_1a，ω_1b与⁸⁷Rb原子D₁线5S_1/2，F＝1→5P_1/2，F′＝1的跃迁近共振；双色信号光束(第一信号光束3a、第二信号光束3b，频率分别记为ω3a，ω3b)在5S1/2，F＝2→5P1/2，F′＝1跃迁附近扫描；开关控制光束(2a，频率记为ω2a)与5S1/2，F＝2→5P1/2，F′＝2的跃迁近共振。如果没有开关控制光束2a，第一耦合光束1a、第二耦合光束1b、第一信号光束3a、第二信号光束3b与原子的三个能级(F＝1、F＝2，F′＝1)形成双色EIT系统，探测光束在双色光耦合造成的透明窗口处不被吸收，理想情况下，探测光束可以完全透过EIT介质，即处于“打开”状态。当施加开关光束后，双色EIT的条件被破坏，介质对探测光束强烈吸收，此时介质对探测光束处于“关闭”状态。因此，通过对开关光束的人为控制，可有效地实现探测光束的开关效应。与通常的EIT光开关不同，在双色EIT体系，一个频率的开关光束可同时对两种以上频率的探测光束进行开关控制。

以上技术方案可实现一种结构简单、稳定度高、小型化的光子开关，具有广阔的应用前景。

Claims (2)

1.一种多通道光子开关，它由控制光激光器(2)、耦合光激光器(1)、信号光激光器(3)、第一声光调制器(4)、第二声光调制器(5)、第一反射镜(6a)、第二反射镜(6b)、第一信号光接收器(12a)、第二信号光接收器(12b)组成，其特征在于：耦合光激光器(1)输出的光束入射到第一声光调制器(4)后，射出的第一耦合光束(1a)、第二耦合光束(1b)分别经第一分束镜(7a)、第一反射镜(6a)反射后在光路上重合，再依次经过第二分束镜(7b)、第一偏振分束棱镜(9a)、铷原子吸收泡(10)、第二偏振分束棱镜(9b)，控制光激光器(2)输出的控制光束(2a)依次经过第二分束镜(7b)、第一偏振分束棱镜(9a)、铷原子吸收泡(10)、第二偏振分束棱镜(9b)，信号光激光器(3)输出的光束入射到第二声光调制器(5)，出射的第一信号光束(3a)、第二信号光束(3b)分别经第三分束镜(7c)、第二反射镜(6b)、反射后在光路上重合，再依次经过二分之一波片(8)、第一偏振分束棱镜(9a)、铷原子吸收泡(10)、第二偏振分束棱镜(9b)、光栅(11)和第一信号光接收器(12a)、第二信号光接收器(12b)。

2.根据权利要求1所述的一种多通道光子开关，其特征是控制光束(2a)与第一耦合光束(1a)、第二耦合光束(1b)的偏振方向相同，与第一信号光束(3a)、第二信号光束(3b)的偏振方向垂直，在第一偏振分束棱镜(9a)与第二偏振分束棱镜(9b)之间的光路上，所有的光束都在空间重合。

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