CN112074778A - 分离电磁辐射模式的解复用器和方法 - Google Patents

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Abstract

用于分离两个共传播的电磁辐射模式的解复用器(1)包括具有用于接收电磁辐射的路径的主体(2)、用于引导两个共传播的电磁辐射模式以入射到所述主体上的输入件(8)、被布置为产生时间依赖性控制场的电磁辐射控制源(12)。所述主体被布置为并且所述时间依赖性控制场被成形为使得当所述两个共传播的电磁辐射模式和所述时间依赖性控制场同时入射到所述主体上时，所述时间依赖性控制场引起所述主体在没有任何参数非线性光学相互作用发生的情况下将两个电磁辐射模式中的一个接收到所述主体的模式上，并反射或透射两个电磁辐射模式中的另一个，从而在空间和/或时间上将两个电磁辐射模式彼此分离。

Description

分离电磁辐射模式的解复用器和方法
本发明涉及一种用于分离电磁辐射模式的解复用器，特别是涉及一种用于分离两个共同传播的电磁辐射模式的解复用器，其中两个模式的电场彼此正交。
电信信号作为编码信号进行传输，其中通常将两个或多个电磁辐射模式一起编码和传输，以便在传输信号时提高可用带宽的数据传输速率。通过使用强度正交状态，可以实现将数据传输介质(例如，光纤或无线传输)的容量划分为多个模式，这是由于传统的检测器(其用于接收和解码所传输的信号)能够测量入射电磁辐射的强度。因此，这样的检测器能够分离(即，解复用并因此解码)已经以这种方式被复用和传输的电磁辐射的多个模式，从而携带信息的电磁辐射的原始分量信号(模式)被编码为传输信号。
这种编码、传输和解码电磁辐射信号的设备和方法，由于对于这种强度正交模式(例如在单模式光纤中)最大程度地利用了相空间，因此无法进一步提高数据传输速率。
本发明的目的是提供用于解复用电磁辐射模式的改进的设备和方法。
从第一方面来看，本发明提供了一种用于分离两个共传播的电磁辐射模式的解复用器，其中两个电磁辐射模式的电场彼此正交，其中解复用器包括：
包括穿过其中的路径的主体(volume)，所述路径用于接收电磁辐射；
用于引导两个共传播的电磁辐射模式入射到所述主体上的输入件，其中所述两个电磁辐射模式的电场彼此正交；
光或微波电磁辐射的控制源，其布置为生成时间依赖性控制场，其中来自所述控制源的所述时间依赖性控制场被布置为入射到所述主体上，并且与所述两个共传播的电磁辐射模式同时并且在空间上重叠；
其中所述主体被布置为并且所述时间依赖性控制场被成形为使得当所述两个共传播的电磁辐射模式和所述时间依赖性控制场同时入射到所述主体上时，所述时间依赖性控制场引起所述主体在没有任何参数非线性光学相互作用发生的情况下将两个电磁辐射模式中的一个接收到所述主体的模式上，并反射或透射两个电磁辐射模式中的另一个，从而在空间和/或时间上将两个电磁辐射模式彼此分离。
从第二方面来看，本发明提供了一种用于分离两个共传播的电磁辐射模式的方法，其中两个电磁辐射模式的电场彼此正交，其中所述方法包括：
引导两个共传播的电磁辐射模式入射到主体上，其中所述两个电磁辐射模式的电场彼此正交；并且所述主体包括穿过其中的路径，其用于接收电磁辐射；
成形并引导光或微波电磁辐射的时间依赖性控制场，使其入射到所述主体上，并且与所述两个共传播的电磁辐射模式同时并且在空间上重叠；
其中所述主体被布置为并且所述时间依赖性控制场被成形为使得当所述两个共传播的电磁辐射模式和所述时间依赖性控制场同时入射到所述主体上时，所述时间依赖性控制场引起所述主体在没有任何参数非线性光学相互作用发生的情况下将两个电磁辐射模式中的一个接收到所述主体的模式上，并反射或透射两个电磁辐射模式中的另一个，从而在空间和/或时间上将两个电磁辐射模式彼此分离。
因此，本发明提供了用于分离两个共传播的电磁辐射模式、其电场彼此正交的两个电磁辐射模式的解复用器和方法。该解复用器包括主体，其用于接收沿着穿过所述主体的路径的电磁辐射(例如，两个共同传播模式中的一个或两个)。
解复用器还包括输入件，其用于引导电磁辐射的两个共同传播的时间场正交模式(即，期望被分离的两个模式)入射到所述主体上，例如，使得两个共传播模式中的一个或两个被引导沿着穿过所述主体的路径。
解复用器还包括电磁辐射的控制源，其产生时间依赖性控制场。来自控制源的时间依赖性控制场被布置为入射在所述主体上，使得其在空间和时间上都与两个共传播的电磁辐射模式入射在所述主体上重叠。
解复用器被配置为(即，主体被布置为和时间依赖性控制场被成形为)使得当两个共传播的电磁辐射模式和时间依赖性控制场同时入射到所述主体上时，时间依赖性控制场导致选择两个共传播的电磁辐射模式的一个，并导致所述主体将两个电磁辐射模式的这一个接收到所述主体的模式上(即，该模式因此沿穿过所述主体的路径行进)，其没有参数非线性光学相互作用
由于解复用器在没有任何参数非线性光学器件的情况下运行，因此当两个共传播的电磁辐射模式的一个被接收到所述主体的模式上时所述主体非参数地运行(即，在解复用器的允许期间，能量留在所述主体中)。这有助于使解复用器分离两个共传播的电磁辐射模式。
当所述主体将两个电磁辐射模式中的一个接收到所述主体的模式上时，所述主体反射或透射两个电磁辐射模式中的另一个(即，另一个模式不被所述主体接收)。这具有解复用器在空间和/或时间上将两个电磁辐射模式彼此分离的效果，从而允许将它们分开检测以进行解码。
因此，应当理解，本发明的解复用器提供了一种装置，该装置由于模式选择性时间依赖性控制场以没有经典参数非线性光学器件的方式作用于所述主体，能够在时间和/或空间上分离电磁辐射的时间正交模式。因此，例如，解复用器允许将这种时间场正交模式用于编码电信数据。
技术人员将理解，这样的时间场正交模式使得能够利用时频域，其从而为数据编码开辟了更多的空间，从而例如使得这样的模式能够将更多的数据打包到现有的电信频带中。实际上，申请人已经意识到，与对于打包时频空间不是最佳的强度的准正交模式相比，这可以允许增加编码数据的密度。
这是特别有用的，因为技术人员还将意识到，在电信中(例如，在IEEE C频段中)存在有限数量的频率空间，因此能够将尽可能多的数据打包到该空间中以优化可用空间的使用是有益的。在至少优选的实施例中，本发明的解复用器与密集波分复用(DWDM)兼容。
用于由解复用器分离并使用本发明方法分离并输入以通过解复用器的输入件入射到主体上的两个共同传播的电磁辐射模式可以是其时间电场彼此正交的任意合适的和期望的电磁辐射模式。优选地，两个电磁辐射模式包括(例如被编码为)电磁辐射的单个脉冲。
在一个优选的实施例中，解复用器包括电磁辐射的信号源，用于产生(并且例如复用)两个共传播的电磁辐射模式。在优选的实施例中，电磁辐射的信号源包括激光器。优选地，信号源(例如激光器)被布置成引导其经由解复用器的输入件(例如沿着波导(例如光纤))产生的电磁辐射入射到所述主体上。
电磁辐射的信号源可以被布置为生成两个共传播的电磁辐射模式，以任何合适和期望的方式入射到所述主体上。在优选的实施例中，信号源被布置为产生电磁辐射的脉冲。因此，优选地，入射到原子系综上的两个共传播的电磁辐射模式是脉冲的。
可以使用用于提供电磁辐射的两个共同传播的时间场正交模式的任何合适和期望的基础。在优选实施例中，电磁辐射的两个共同传播的时间场正交模式包括埃尔米-高斯模式，即使用一组埃尔米-高斯函数描述的模式。技术人员将理解，埃尔米-高斯模式是有利的，因为它们在时频空间中是紧凑的(由于埃尔米-高斯函数是傅立叶变换的本征函数)，因此，时间和空间上的这种最小扩展给出了模式的有效压缩。
电磁辐射的信号源可以被布置为以任何合适和期望的频率或波长产生两个共传播的电磁辐射模式。优选地，两个共传播的电磁辐射模式具有在187THz与200THz之间的频率，对应于在1600nm与1500nm之间的波长。这样的频率适合用于电信。在一个实施例中，两个共传播的电磁辐射模式具有在195.9THz和191.6GHz之间的频率(对应于从1565nm到1530nm的波长)，即在用于红外的IEEE C波段中。在另一实施例中，两个共传播的电磁辐射模式具有在190.1THz和197.2THz之间的频率(对应于从1577.03nm到1520.25nm的波长)，即在国际电信联盟(ITU)DWDM频率网中(例如，来自72个频道中的一个)。优选地，两个共传播的电磁辐射模式具有彼此相同的频率。
可以以任何合适且期望的方式提供具有穿过其中的路径以接收电磁辐射(例如，其模式)的主体。在一实施例中，该主体包括(例如光学)腔。在一个实施例中，该主体包括(例如，包含)原子系综。这两个实施例将在下面进一步讨论。
该主体具有无经典参数非线性光学相互作用的模式。优选地，该模式是主体的固定模式，并且因此优选地，两个共传播的电磁辐射模式之一被接收到主体的固定模式上。
用于引导两个共传播的电磁辐射模式(用于通过解复用器分离)入射到该主体上的输入件可以是任何合适且期望的输入件。在优选的实施例中，输入件包括波导，例如光纤。优选地，输入源例如经由波导耦合到所述主体。
时间依赖性控制场可以由控制源以任何适当和期望的方式提供。优选地，控制场包括电磁辐射的脉冲。优选地，控制源被布置为在与两个共传播的电磁辐射模式共线的方向上引导控制场。
在一个实施例中，控制源被布置成在与两个共传播的电磁辐射模式相同的方向上引导控制场，例如使得控制场和两个共同传播的电磁辐射模式都在同一位置入射到所述主体上。在另一个实施例中，控制源被布置成在与两个共传播的电磁辐射模式相反的方向上(例如，与之反向传播)引导控制场，例如使得控制场和两个共传播的电磁辐射模式入射到主体上(例如在其相对端)，然后在主体内重叠。
因此，控制场和两个共传播的电磁辐射模式可以入射到主体内部并在同时在空间上重叠(例如沿着穿过主体的路径)，或者可以在主体的输入窗口或镜上同时在空间上重叠。
控制场可以具有(并且控制源可以被布置为产生控制场，其具有)任何合适且期望的时间依赖性控制场，使得它能够例如与所述主体一起在时间和/或空间上分离两个电磁辐射模式。在优选实施例中，控制场(例如，其脉冲)的带宽大于两个共传播的电磁辐射模式(例如，其脉冲)的带宽。优选地，时间依赖性控制场改变幅度(例如，接通)的持续时间小于两个共传播的电磁辐射模式的(例如，其脉冲)的持续时间。
在一实施例中，控制场(例如，其脉冲)的带宽小于50GHz。优选地，控制场(例如，其脉冲)的带宽与ITU DWDM频率网兼容。
控制场可以具有(并且控制源可以被布置为产生控制层，其具有)任何合适且期望的频率。在一实施例中，控制场的频率在1GHz和400THz之间。
在优选实施例中，时间依赖性控制场包括(并且控制源被布置为生成)复数控制场(即，控制场引起在主体上的变化，使得其影响可以通过实和虚耦合参数来描述)。优选地，控制场的实部和虚部都是时间依赖性的。控制场的实部的调制优选地被布置为作用于(例如调制)两个共传播的电磁辐射模式(例如，被反射或透射的模式)中的一个或两个的振幅。控制场的虚部的调制优选地被布置为作用于(例如调制)两个共传播的电磁辐射模式(例如，被反射或透射的模式)中的一个或两个的相位。
时间依赖性控制场可以以任何合适且期望的方式成形(例如，通过控制源进行调制)，以使得(例如，与所布置的主体一起)其将两个共传播的电磁辐射模式分开。优选地，当两个共同传播的电磁辐射模式入射到所述主体上时，控制源被布置成调制(成形)控制场。优选地，控制场包括电磁辐射的脉冲。
在一个实施例中(例如，除了上面概述的时间依赖性特征之外)，控制场被布置成例如通过控制源被预成形。控制场的(例如，预)成形可以取决于将要分离的两个共传播的电磁辐射模式。因此，优选地，选择控制场的形状(例如，将控制源布置成以(例如预定的)形状产生控制场)，以将两个特定的共传播的电磁辐射模式(例如，来自两个特定基础(例如埃尔米-高斯)模式的两个模式)分开。可以从不同形状的库中选择控制场的形状，例如使用查找表，其对应于期望分离的两个不同的共传播的电磁辐射模式。如将在下面讨论的，控制场的形状可以取决于所述主体的性质。
该主体所接收的电磁辐射的模式可以以任何合适和期望的方式来获取(例如，用于检测和解码)。在一个实施例中，可以将主体布置成被动地输出接收的模式。例如，该主体可以布置成允许接收的模式例如通过泄漏镜从该主体泄漏出去。该主体可以被配置为允许接收的模式泄漏出该主体(例如，在相对于共传播电磁辐射模式的另一个被反射或透射的方向的方向上)，使得两个共传播的电磁辐射模式在时间和/或空间上彼此分开。
在另一个实施例中，从主体主动地输出主体所接收的电磁辐射的模式。优选地，控制场用于从主体输出接收的电磁辐射模式。这有助于在时间上(和例如在空间上)彼此分离两个共传播的电磁辐射模式，例如，控制场可以在一定时间段后应用于主体，以使接收的电磁辐射模式在反射或透射另一电磁辐射模式后从所述主体输出。
因此，在一个实施例中，控制源被布置为在电磁辐射的模式已经被接收到主体中之后(例如，在大于两个共传播的电磁辐射模式(例如，其脉冲)的持续时间的时间段之后)调制控制场，以便从主体中输出接收的电磁辐射模式，例如使得其可以被接收(检测)并解码。控制场的这种(第二)调制作用于主体的(例如，固定)模式(电磁辐射的入射模式已被接收在该主体模式上)，以从主体输出接收的电磁辐射模式。因此，优选地，该方法包括(并且控制源被布置为)成形和引导时间依赖性控制场入射到所述主体上，以从主体输出接收的电磁辐射模式。
如同当两个共传播的电磁辐射模式首先入射到主体上时对控制场的调制一样，优选地，可以以任何合适且期望的方式对时间依赖性控制场进行成形(例如，通过控制源进行调制)，使得(例如，与所布置的主体一起)输出被接收到该主体中的电磁辐射模式。因此，优选地，被布置成入射到主体上以从主体输出接收的电磁辐射模式的时间依赖性控制场包括电磁辐射脉冲。
在一个实施例中(例如，除了上面概述的时间依赖性特征之外)，控制场被布置成例如通过控制源被预成形，以用于从主体输出接收的电磁辐射模式。控制场的(例如，预)成形可以取决于将从主体输出的接收的电磁辐射模式。因此，优选地，选择控制场的形状(例如，将控制源布置成以(例如预定的)形状产生控制场)，以输出接收的电磁辐射模式(例如，来自特定基础(例如埃尔米-高斯)模式的模式)。可以从不同形状的库中选择控制场的形状，例如使用查找表，对应于期望从该主体输出的电磁辐射的模式。如将在下面讨论的，控制场的形状可以取决于所述主体的性质。
布置成从腔输出接收的电磁辐射模式的控制场(例如，其调制)可以由控制源生成，该控制源生成用于分离两个共传播的电磁辐射模式的控制场。例如，控制源可以布置控制场包括要入射到主体上的两个电磁辐射脉冲，第一个用于将两个共传播的电磁辐射模式的一个接收到主体中(并反射或透射另一个模式)，第二个用于(在随后的时间)从主体输出接收的模式。
但是，可能会有单独的控制场用于接收的电磁辐射模式的输入和输出。因此，在一个实施例中，解复用器包括输入控制源，该输入控制源被布置为生成被布置为使主体将电磁辐射的两个模式之一接收到主体的模式上的时间依赖性输入控制场和布置成使主体从主体输出接收的电磁辐射模式的时间依赖性输出控制场。
在一些实施例中，当控制场被用于(例如调制)以从主体输出接收的模式时，控制源可以被布置成使控制场成形，使得当从主体输出时接收的电磁辐射模式被转换成不同的模式(例如从特定基础(例如埃尔米-高斯)模式)。这可以以任何合适和期望的方式来实现，例如通过控制源对控制场进行成形。
在其中主体包括腔的实施例中，优选地，腔被布置为将两个共传播的电磁辐射模式之一接收到腔中并且反射或透射两个电磁辐射模式中的另一个。因此，优选地，被接收到腔中的模式在腔中执行至少一个(并且优选地，多个)往返行程。优选地，腔时间(用于接收的模式执行往返行程)(例如非常)小于(例如短于)两个共传播的电磁辐射模式(例如其输入脉冲)的长度(持续时间)。优选地，被接收到腔中的模式的带宽(例如非常)小于腔的带宽。
优选地，被接收到腔中的模式被过滤(例如，通过控制场选择该模式)到腔的固定模式上(而两个共传播模式中的另一个不这样，因此将两个模式彼此分离)。因此，优选地，腔被布置(例如设计，例如定尺寸)为将两个共传播的电磁辐射模式之一与腔的(例如固定)模式(其没有经典参数非线性光学器件)匹配，因此从透射或反射的模式中选择接收的模式。
优选地，腔被布置为在不良的腔状态下操作，例如，优选地，被接收到腔中的模式的带宽(例如非常)小于腔的带宽。优选地，腔被布置为以高保真度操作，例如使得正交时间模式之间的串扰低。腔的高保真度有助于尽可能有效地分离两个共传播模式，并有助于最小化腔的损失。
在优选的实施例中，腔包括电光调制器，该电光调制器被布置为由控制场控制，例如，优选地，控制场和两个共传播的电磁辐射模式被布置为入射在电光调制器上。优选地，电光调制器被布置为调制两个共传播模式(例如，其振幅和/或相位)(当两个共传播的电磁辐射模式入射在腔上(并因此通过电光学调制器)时)，以使两个电磁辐射模式中的一个被接收到腔中，而两个电磁辐射模式中的另一个从腔反射或透射通过腔。优选地，控制场包括射频(RF)场。
在优选的实施例中，电光调制器包括移相器，该移相器被布置为使通过其的电磁辐射的相位移位。将理解的是，将控制场应用于电光调制器调制电光调制器(例如，其材料)的相位响应，从而调制通过其中的电磁辐射(例如，两个共传播模式)的相位。优选地，电光调制器的带宽大于两个共传播的电磁辐射模式(例如，其脉冲)的带宽。
优选地，电光调制器被定位在腔的输入件(例如，窗口或反射镜)处，该输入件例如耦合至解复用器的输入件(两个共传播的电磁辐射模式通过其被输入以入射在腔上)。在一个实施例中，腔的输入窗口或反射镜包括(例如，仅单个)电光调制器。在另一个实施例中，腔包括布置在(例如，马赫-曾德尔)干涉仪中的两个电光调制器(因此，优选地，腔包括输入耦合器(其为第二内部干涉仪)，其包含两个电光调制器)。
上面概述的用于(例如单个)电光调制器的一个或多个或全部可选和优选特征也适用于两个电光调制器的每一个。因此，优选地，每个电光调制器被布置为由控制场控制，例如，优选地，控制场和两个共传播的电磁辐射模式被布置为入射在电光调制器上。优选地，每个电光调制器的带宽大于两个共传播的电磁辐射模式(例如，其脉冲)的带宽。
两个电光调制器可以由单个控制场控制。然而，优选地，每个电光调制器由单独的控制场控制。因此，在优选实施例中，电磁辐射的控制源(或电磁辐射的两个控制源)被布置为生成两个时间依赖性控制场，其中两个时间依赖性控制场被布置为分别入射在两个光学调制器上并且与两个共传播的电磁辐射模式同时地和在空间上重叠，例如，每个时间依赖性控制场布置为与入射在控制场正在控制的电光调制器上的电磁辐射模式同时和在空间上重叠。
优选地，所述(或每个)控制源被布置为产生两个时间依赖性控制场，使得两个时间依赖性控制场一起产生输入耦合，该输入耦合使得腔接收电磁辐射的两个模式之一并反射或透射电磁辐射的两个模式中的另一个，以在空间和/或时间上将电磁辐射的两个模式彼此分离。这可以以任何合适和期望的方式实现，例如通过对控制场进行成形。
在优选实施例中，两个控制场被布置为控制由两个电光调制器中的每一个引入两个共传播的电磁辐射模式中的相移，例如通过所述(或每个)控制源对两个控制场进行成形以控制相移。优选地，相移之和(例如，输入耦合的虚部)被布置为调制两个共传播的电磁辐射模式的虚部以及相移之差(例如，输入耦合的实部)被布置成调制两个共传播的电磁辐射模式的实部。由于可以以这种方式调谐电光调制器的相移以分离两个共传播模式，因此这有助于从腔反射或透射两个共传播模式中的一个，并接收另一个模式。
在优选实施例中，通过调制时间依赖性耦合γ(t)为单谐波振荡器模式例如要被接收到腔中的模式来执行控制场的模式选择。当此模式是限制在腔中的光学模式时，γ(t)＝[1-αR(t)]/τ是腔模式的瞬时线宽，其中α腔往返振幅传输，τ腔往返时间，以及R(t)输入/输出耦合器(例如电光调制器)时间依赖性幅度反射率。
对于具有1-α＜＜γτ的低损耗腔，由腔选择的模式E(t)由下式给出
Figure BDA0002534538610000081
可以将其反转以找到所需的反射率调制时间曲线
Figure BDA0002534538610000082
当输出电磁辐射的存储模式时，控制场可以以类似的方式成形。
优选地，干涉仪包括一个或多个(例如，两个)分束器，并且优选地，两个电光调制器被布置(例如，相对于(一个或多个)分束器)在干涉仪的不同光路中。因此，应当理解，在这种布置中，入射的两个共传播的电磁辐射模式将在干涉仪的两个不同的光路之间分开，因此，两个共传播的电磁辐射模式的每个模式的部分将通过每个电光调制器(使得它们可以被相应的电光调制器作用以将两个模式彼此分开)。
可以以任何合适且期望的方式使用(一个或多个)控制场的时间依赖性(例如，可以将控制源布置成调制(一个或多个)控制场)，以分离两个共传播的电磁辐射模式。优选地，控制源被布置为当两个共同传播的电磁辐射模式入射到腔上时(并因此通过电光调制器)调制控制场(例如，调制电光调制器的相移)。电光调制器的这种相位调制被布置为将两个共传播的电磁辐射模式之一接收到腔中，并从或通过所述腔反射或透射两个共传播的电磁辐射模式中的另一个。这可以以任何合适且期望的方式来完成，例如通过对控制场进行成形以使得它们对于要分离的两个模式是特定的。
在这些实施例中，通过将一个模式接收到腔中并反射或透射另一个模式来分离两个共传播的电磁辐射模式。优选地，腔和/或控制场被布置成在已经接收到腔中之后，优选在接收的模式已经执行了通过腔的一次或多次往返之后，例如使得引入了接收的模式的透射的时间延迟(与电磁辐射的反射或透射的模式的反射或透射相比)，透射所述接收的模式。
在一个实施例中，控制源被布置为在电磁辐射的模式已经被接收到腔中之后(例如，在大于两个共传播的电磁辐射模式(例如，其脉冲)的持续时间的时间段之后)调制控制场(例如，调制电光调制器的相移)(例如，再次)，以便从腔中输出接收的电磁辐射模式，例如使得其可以被接收(检测)并解码。
在主动地使用控制场来输出已被接收到腔中的电磁辐射的模式的上述实施例中，腔在腔的每个端部处包括反射镜，其中反射镜的反射率基本上为100％。这有助于允许将接收的电磁辐射模式保留在腔内，直到将控制场应用于腔以输出接收的模式为止。
腔(和例如控制源)可以被布置为以任何合适的和期望的方向从腔输出接收的电磁辐射模式，例如，取决于控制源施加控制场的方向或施加到腔的哪个部分(例如，在输入镜(两个共传播的电磁辐射模式首先入射到的反射镜)的方向上或到输入镜的方向上，或在输出镜(位于与输入镜相对的腔另一端处的反射镜)的方向上或到输出镜的方向上)。因此，控制源可以被布置为向腔的输入或输出镜或在腔的输入或输出镜的方向上施加控制场(用于输出接收的模式)，或者解复用器可以包括被布置为向腔的输入或输出镜或在腔的输入或输出镜的方向上施加控制场(用于输出接收的模式)的另一控制源。
替代地或附加地，可以布置电光调制器和/或干涉仪(例如，其位置和/或配置)以控制从腔输出接收的电磁辐射模式的方向。
控制源可以被布置成调制控制场，使得两个共传播的电磁辐射模式的一个以与被输入并被接收到腔中的模式相同的模式输出。然而，在一个实施例中，控制源被布置成调制控制场，使得接收的电磁辐射模式以与被输入并被接收到腔中的模式不同的模式输出。因此，接收的模式可以能够在其从腔输出时转换成不同的模式。优选地，这是通过对控制场进行成形(调制)来实现的，从而在要输出接收的模式时转换模式。
在另一实施例中，将腔布置成例如在执行腔的一次或多次往返之后允许接收的电磁辐射模式泄漏出腔(例如，被动地)，从而暂时彼此分离两个共传播的电磁辐射模式。优选地，腔在腔的一端或两端包括反射镜，其中该反射镜(例如，该反射镜的反射率)布置成允许接收的电磁辐射模式泄漏出腔。因此，腔可以布置成允许接收的电磁辐射模式从腔的任一端泄漏出，例如通过输入或输出镜。因此，将认识到，这可以允许两个共传播的电磁辐射模式在时间和/或空间上分开。
在一实施例中，腔包括增益介质。这有助于维持两个共传播的电磁辐射模式的强度，特别是被接收到腔的模式。当腔包括一个或多个电光调制器时，这也可能是有帮助的，因为这种调制器有时会有点损耗。
在其中主体包括原子系综的实施例中，优选地，原子系综被布置为将两个共传播的电磁辐射模式之一接收到原子系综中并且通过原子系综透射两个电磁辐射模式中的另一个。优选地，原子系综包含具有第一态、第二态和第三态的原子价电子，其中第二态具有比第一态更高的能量，并且通过原子跃迁与第一态关联，并且第三态具有比第二态更高的能量并通过原子跃迁与第二态关联。
优选地，原子系综被布置成通过(输入)引导两个共传播的电磁辐射模式入射到原子系综上而将两个共传播的电磁辐射模式之一接收到原子系综中。优选地，两个共传播模式中的一个被布置成在第一态与第二态之间或在第二态与第三态之间激发(例如，非共振)原子价电子在原子系综中的跃迁。优选地，控制场被布置成入射在原子系综上以在第二态与第三态之间或在第一态与第二态之间激发(例如，非共振)原子价电子在原子系综中的跃迁(即，两个跃迁中的另一个跃迁是两个共传播的电磁辐射模式之一正在激发的跃迁)。
优选地，原子系综被布置成使得在两个共传播的电磁辐射中的一个和控制场入射到原子系综时，产生第一态和第三态之间的跃迁的相干激励，使得控制场选择两个共传播的电磁辐射模式的一个，从而在原子系综中接收(例如存储)该模式。
因此，在该实施例中，原子系综充当两个共传播的电磁辐射模式中被接收到原子系综中的一个的量子储存存储介质(例如，该模式被“写入”到量子存储器中)，其中原子系综具有原子价电子的原子态的“梯”构型。
优选地，原子系综被布置成使得两个共传播的电磁辐射模式中的另一个优选不与原子系综中的原子价电子形成相干激发(与控制场一起)，使得两个模式中的另一个透射通过原子系综，因此将该透射的模态与接收到原子系综中的模式分开。
优选地，将两个共传播的电磁辐射模式之一与控制场布置成使得由于两个共传播的电磁辐射模式之一与控制场入射到原子系综中的原子价电子上而导致的剩余多普勒线宽的倒数大于第一态和第三态之间的跃迁的相干激发的寿命的一半(即1/ΔWD>τ13/2，其中ΔWD是剩余多普勒线宽，τ13是相干激励的寿命)。这有助于减少多普勒频移，从而在原子系综中保持相干激发。多普勒移相的影响可以通过将重述或状态准备技术应用于原子系综而降低。
剩余多普勒线宽ΔWD是两个共传播模式之一与控制场的电磁辐射的剩余波矢量与原子系综中原子的热速度的(标量)乘积(即ΔWD＝Δk.v，其中Δk是两个共传播模式之一和控制场的电磁辐射的剩余波矢量(即，来自两个共传播模式之一和控制场的每一个的电磁辐射的波矢量的矢量和)和v是原子系综中原子的热速度)。
控制场和两个共同传播模式中的一个(将被接收的模式)可以被布置成分别刺激原子系综中原子价电子的跃迁梯的下部(在第一和第二态之间)和上部(在第二和第三态之间)跃迁(反之亦然)，如合适和期望的。优选地，选择跃迁梯，使得要被接收的模式其频率与原子系综中原子价电子的两个跃迁之一匹配，并且控制场其频率与两个跃迁中的另一个匹配，因此可以建立相干激励。优选地，原子系综中的原子价电子的两个跃迁之一(例如，与两个共传播的电磁辐射模式之一匹配的跃迁)具有用于电信的频率，例如，电信频带中的频率。因此，如将在下面看到的，可以选择原子系综，以使其在原子系综中提供合适的原子价电子的跃迁梯。
优选地，待被原子系综接收的两个共传播的电磁辐射模式中的一个具有与原子系综中的原子价电子的第一态和第二态之间或第二态和第三态之间的非共振原子跃迁相对应的频率。优选地，控制场具有与原子系综中的原子价电子的第二态和第三态之间或第一态和第二态之间的非共振原子跃迁相对应的频率。在第一态和第二态以及第二态和第三态之间使用非共振跃迁(由于选择了两个共传播的电磁辐射模式之一和控制场的频率)可以通过帮助消除荧光噪声有助于减小解复用器的噪声。
优选地，所述控制源被布置为产生两个时间依赖性控制场，使得时间依赖性控制场产生输入耦合，该输入耦合使得原子系综接收电磁辐射的两个共传播模式之一并透射电磁辐射的两个模式中的另一个，以在空间和/或时间上将电磁辐射的两个模式彼此分离。这可以以任何合适和期望的方式来实现。
可以以任何合适且期望的方式使用控制场的时间依赖性(例如，可以将控制源布置成调制所述控制场)，以分离两个共传播的电磁辐射模式。优选地，控制源被布置为当两个共传播的电磁辐射模式入射在原子系综上(并因此与原子系综中的控制场重叠)时调制所述控制场。控制场的这种调制被布置成接收两个共传播的电磁辐射模式之一进入原子系综(即，通过与控制场形成相干激发)并通过原子系统透射两个共传播的电磁辐射模式中的另一个。
这可以以任何合适且期望的方式来完成，例如通过对控制场适当地进行成形以使得它对于要分离的两个模式是特定的。在优选实施例中，控制场包括(并且控制源被布置为产生)将要入射到原子系综上的电磁辐射的脉冲。
在一个优选的实施例中，控制场与要被接收到原子系综中的模式耦合由下式给出：γ(t)∝|Ω(t)|2，其中Ω(t)是时间依赖性拉比频率，其描述介导原子吸收的控制场的形状。在一实施例中，原子共振经历斯塔克位移δ(t)∝|Ω(t)|2，其应该得到补偿。因此，控制场优选地由下式给出
Figure BDA0002534538610000111
当输出电磁辐射的存储模式时，控制场可以以类似的方式成形。
在实施例中，通过将一个模式接收到原子系综中并透射另一个模式来分离两个共传播的电磁辐射模式。优选地，原子系综和/或控制场被布置成在已将其接收到原子系综之后发送(输出)所接收的模式，例如使得引入了接收的模式的透射的时间延迟(与电磁辐射的透射的模式的透射相比)，透射所述接收的模式。
优选地，控制源被布置为在电磁辐射的模式已经被接收到原子系综中之后(例如，在大于两个共传播的电磁辐射模式(例如其脉冲)在主体中的持续时间的时间段之后和/或优选在小于原子系综中原子价电子的第一态和第三态之间的相干寿命的时间段之后)，调制(例如成形)控制场(例如，再次)，以便从原子系综中输出接收的电磁辐射模式，例如使得其可以被接收(检测)并解码。
布置成从原子系综输出接收的模式的控制场可以是与用于将模式接收到原子系综中的控制场(和控制源)不同的控制场(并因此可以由不同的控制源生成)。然而，优选地，用于生成用于将模式接收到原子系综中的控制场的控制源也被布置为生成(例如，相同的)用于从原子系综中输出接收的模式的控制场。
控制场的此后续调制(例如，来自控制源的电磁辐射的后续脉冲入射在原子系综上)刺激了来自原子系综的电磁辐射的接收的(存储的)模式的发射，从而从原子系综中传输(即获取)接收的电磁辐射模式(即从量子存储器“读取”该模式)，然后将该模式与先前传输的两个共传播电磁辐射模式之一在时间上分开。
优选地，控制场包括电磁辐射的脉冲。因此，在优选实施例中，控制场的脉冲被布置为入射在原子系综上，以将接收的模式存储在原子系综中，并且控制场的另一个(随后的)脉冲被布置为入射在原子系综上以从原子系综输出接收的模式。
原子系综可包含任何合适的和期望的原子。在优选的实施方式中，原子系综包括碱金属原子(第1族元素)或碱土金属原子(第2族元素)，例如锶。优选地，原子系综包括铷原子、铯原子或钠原子。
可以以任何合适和期望的状态制备原子系综。在一个实施例中，原子系综是固体，例如晶体，例如稀土掺杂的晶体。然而，优选地，原子系综是气体，例如蒸气。
可以以任何合适和期望的方式在解复用器中提供原子系综。在优选的实施例中，解复用器包括蒸气池，原子系综被保持在蒸气池中。
原子系综中原子价电子的第一、第二和第三态以及它们之间的原子跃迁可以是任何合适的和期望的原子态和原子跃迁。在一个优选的实施方案中，第一态是原子系综中原子价电子的基态之一。第二态高于第一态，并且第三态高于第二态。第一态通过(例如单个)原子跃迁(例如直接)关联到第二态。第二态通过(例如单个)原子跃迁(例如直接)关联到第三态。
优选地，第一、第二和第三态具有不同的轨道角动量量子数。优选地，第一态与第二态之间的轨道角动量量子数之差为1。优选地，第二态与第三态之间的轨道角动量量子数之差为1。因此，在特别优选的实施例中，第一态的轨道角动量量子数为0(即，S态)。优选地，第二态的轨道角动量量子数为1(即P态)。优选地，第三态的轨道角动量量子数为2(即，D态)。
输入件和控制源可以被布置为将两个共传播的电磁辐射模式和控制场分别引导到原子系综中，使得它们以任何合适和期望的方式在原子系综中在空间和时间上重叠。在一个实施例中，输入件和控制源被布置成将两个共传播电磁辐射模式和控制场分别沿彼此基本相同(例如共线)的方向引导到原子系综中。然而，在优选实施例中，输入件和控制源被布置为将两个共传播电磁辐射模式和控制场分别沿基本上相反(并且例如共线)的方向引导到原子系综中。
除了使两个共传播电磁辐射模式和控制场更容易在原子系综内重叠之外，将这些场以相反的方向引导到原子系综中还有助于抵消由这些场引起的对原子系综的任何多普勒频移。这有助于减少第一态和第三态之间的相干激发的多普勒相移(原子的热运动对寿命的不利影响)。
优选地，由于两个共传播的电磁辐射模式之一和控制场入射到原子系综中的原子价电子上而引起的剩余多普勒线宽的倒数比实现解复用操作所需的第一态和第三态之间的跃迁的相干激励的寿命更大(例如大两倍)。
应当理解，用于本发明的解复用器的原子系综的状态和跃迁优选地取决于原子系综的组成(即原子类型)，使得两个共传播的电磁辐射模式的一个和控制场能够刺激第一态和第二态之间以及第二态和第三态之间的(例如，非共振的)跃迁(反之亦然)。
在一个特别优选的实施例中，原子系综包含铷原子；第一态是铷的5S态，第二态是铷的5P态，第三态是铷的4D态。因此，优选地，将两个共传播的电磁辐射模式的(由原子系综接收的)一个或控制场布置成激发铷从5S到5P的跃迁，而控制场或两个共传播电磁辐射模式的一个布置成刺激铷从5P到4D的跃迁。
应当理解，铷从5P到4D的跃迁(在1528nm处)处于适合用于电信的频率(并因此优选地两个共传播的电磁辐射模式之一被布置为刺激铷从5P到4D的跃迁和控制场被布置为刺激铷从5S到5P的跃迁)。此外，将认识到铷从5P至4D的跃迁具有时间依赖性，从而将时间依赖性控制场应用于铷从5S至5P的跃迁有助于使原子系综在入射到原子系综的两个共同传播的电磁辐射模式之间具有模式选择性。
在优选的实施例中，解复用器包括腔，并且原子系综被布置在腔内部。这可以帮助增加控制场和两个共传播的电磁辐射模式之一与原子系综的原子价电子的相应跃迁的耦合(例如，由于腔的保真度提高)和/或可以帮助原子系综成为单一模式(例如，对于接收的两个共传播的电磁辐射模式之一)。因此，这有助于选择两个共传播的电磁辐射模式之一，并且与两个模式中的另一个分开。
尽管至少在优选实施例中，第一态和第三态之间的相干激励的寿命可能相对较短，但是应当理解，这可能足够长以在原子系综中接收(存储)和输出(获取)两个共传播的电磁辐射模式中的一个，例如取决于设备定时的速率。还应当理解，当原子系综包括铷原子并且第三态是4D态时，该状态的寿命(其是相干激发的寿命的限制因素)大约为80ns，这可能足够长以在原子系综中接收和输出两个共传播的电磁辐射模式之一。
两个共传播的电磁辐射模式中的一个可以具有与原子系综中原子价电子的第一态和第二态之间或(例如优选地)第二态和第三态之间的(例如，非共振的)原子跃迁相对应的任何合适且期望的频率。在优选的实施例中，由信号源产生的电磁辐射的频率大约为196THz或1528nm(即对应于铷中5P到4D跃迁)。
如所示，优选地，两个共传播的电磁辐射模式之一的频率从其激发的原子系综中原子价电子的跃迁失谐(非共振)。在优选实施例中，两个共传播的电磁辐射模式中的一个的频率从原子系综中原子价电子的第一态与第二态之间或(例如，优选地)第二态与第三态之间的跃迁频率失谐(非共振)5GHz和100GHz之间，例如大约50GHz。优选地，两个共传播的电磁辐射模式之一从其所激发的跃迁频率的失谐大约是两个共传播的电磁辐射模式之一的带宽的十倍。还优选地，两个共传播的电磁辐射模式之一从其所激发的跃迁频率的失谐大于多普勒线宽(例如，在任何多普勒抵消之后)和例如超精细分裂。
以任何合适和期望的方式提供电磁辐射的控制源，其布置为生成电磁辐射的控制场，该控制场的频率与原子系综中的原子价电子的第二态和第三态之间或第一态和第二态之间的(例如非共振的)原子跃迁相对应并被布置为激发该原子跃迁。在优选的实施例中，电磁辐射的控制源包括激光器。因此，优选地，将激光器布置成引导其产生的电磁辐射，例如沿着波导(例如，光纤)，以入射到原子系综上。
电磁辐射的控制源可以具有与原子系综中的原子价电子的第二态与第三态之间或第一态与第二态之间的(例如，非共振的)原子跃迁相对应的任何合适且期望的频率。在优选的实施例中，由控制源产生的控制场的频率为大约384THz或780nm(即，对应于铷中从5S到5P的跃迁)。
如所指示的，优选地，控制场的频率从其激发的在原子系综中原子价电子的跃迁(例如，在第二态与第三态之间或者在第一态与第二态之间)失谐(非共振)。在一个优选的实施例中，控制场的频率从它在原子系综中激发的原子价电子的跃迁频率失谐(非共振)5GHz到100GHz之间，例如大约50GHz。优选地，控制场从它所激发的跃迁频率的失谐大约是控制场的带宽的十倍。
控制源可以被布置为以任何合适和期望的方式生成将要入射到原子系综上的控制场。如上所述，在优选实施例中，控制源被布置为产生电磁辐射脉冲。因此，优选地，脉冲入射到原子系综上的控制场。如上所述，优选地，控制场(例如，其一个或多个脉冲)由控制源成形，以与入射在原子系综上的两个共传播的电磁辐射模式之一耦合，以产生原子系综的相干激发。
优选地，来自控制源的控制场的脉冲的带宽在1MHz至1.7THz之间，例如在100MHz至1THz之间，例如在1GHz至1THz之间，例如在10GHz至500GHz之间，例如大约100GHz。优选地，来自控制源的控制场的电磁辐射脉冲的持续时间在10ps与500ps之间，例如在20ps与400ps之间，例如大约50ps。
优选地，来自控制源的控制场的脉冲的带宽大于或近似等于(将被原子系综所接收的)两个共传播的电磁辐射模式的脉冲的带宽，因为这可帮助使控制场与两个共传播的电磁辐射模式重叠，并因此在原子系综中接收两个共传播模式之一。
解复用器(例如，其原子系综)被配置为使得当两个共传播的电磁辐射模式之一和控制场入射到原子系综上时，这产生第一态和第三态之间的双光子跃迁的相干激励。优选地，相干激励与该跃迁谐振。因此，尽管两个共传播的电磁辐射模式中的一个和控制场的频率优选地(例如，各自)从它们刺激的第一、第二和第三态之间的相应跃迁失谐(非共振)，但是优选地它们一起(通过非共振第二态)与第一态和第三态之间的组合的跃迁共振。因此，在优选实施例中，两个共传播的电磁辐射模式之一与控制场的频率之和与在原子系综中原子价电子的第一和第二态之间的跃迁的频率与第二和第三态之间的跃迁的频率之和基本相等(例如，具有小于500MHz的失谐)。
输入件和控制源可以相对于彼此(并且相对于原子系综)布置，并且布置成以任何合适和期望的配置来引导它们的各自产生的电磁辐射。优选地，两个共传播的电磁辐射模式和控制场被布置成以基本上相反的方向入射在原子系综上。优选地，两个共传播的电磁辐射模式和控制场被布置成基本上共线(尽管在不同的方向上)。
控制源可以被布置成调制控制场，使得两个共传播的电磁辐射模式的一个以与被输入并被接收到原子系综中的模式相同的模式输出。然而，在一个实施例中，控制源被布置成调制控制场，使得接收的电磁辐射模式以与被输入和接收到原子系综中的模式不同的模式输出。因此，接收的模式可能能够在其从原子系综输出时转换为不同的模式。优选地，这是通过对控制场进行成形(调制)来实现的，从而在要输出接收的模式时转换模式。
此外，也可以例如通过调制控制场的频率来调制接收的模式的频率，例如通过从其激发的跃迁中使控制场失谐，但仍然在原子系综中保持与接收的模式的相干跃迁。
将设备操作为模式转换器本身被认为是新颖和创新的，因此，从另一方面来看，本发明提供了一种模式转换器，用于将电磁辐射的模式从第一模式转换为第二模式，所述转换器包括：
原子系综，其包含具有第一态、第二态和第三态的原子价电子，其中第二态具有比第一态更高的能量，并且通过一个或多个原子跃迁与第一态关联，并且第三态具有比第二态更高的能量并通过原子跃迁与第二态关联；
电磁辐射的信号源，其布置为产生第一模式的电磁辐射，该第一模式的电磁辐射的频率与原子系综中原子价电子的第二态和第三态之间的非共振原子跃迁对应，其中来自所述信号源的第一模式的电磁辐射被布置为入射在所述原子系综上以刺激在所述原子系综中的原子价电子在第二态和第三态之间的非共振跃迁，并且优选地其中所述电磁辐射的信号源的带宽大于1GHz；
一个或多个电磁辐射控制源，每个控制源布置成产生电磁辐射，所述电磁辐射的频率与来自关联所述原子系综中原子价电子的第一态和第二态的所述一个或多个原子跃迁的非共振原子跃迁对应，其中来自所述一个或多个控制源的电磁辐射被布置成入射在所述原子系综上，以刺激所述原子系综中原子价电子在第一态和第二态之间的非共振跃迁，并且优选地其中来自所述一个或多个控制源中的每一个的电磁辐射的带宽大于1GHz；和
其中所述模式转换器被布置成使得在来自所述信号源的第一模式的电磁辐射和来自所述一个或多个控制源中的每一个的电磁辐射入射到所述原子系综上时，形成第一态和第三态之间的跃迁的相干激励，其将来自所述信号源的第一模式的电磁辐射存储在所述原子系综中；
其中所述一个或多个控制源各自被布置成对来自所述一个或多个控制源中的每个的电磁辐射成形，使得来自所述一个或多个控制源中的每个的电磁辐射随后入射在所述原子系综上刺激第二模式的电磁辐射从所述原子系综发出，使得第一模式的电磁辐射被转换为第二模式的电磁辐射；和
其中第二模式的电磁辐射具有与第一模式的电磁辐射基本上相同的频率，并且第二模式的电磁辐射是与第一模式的电磁辐射不同的函数模式。
本发明还提供了一种使用模式转换器转换电磁辐射的模式的方法，所述模式转换器包括：
原子系综，其包含具有第一态、第二态和第三态的原子价电子，其中第二态具有比第一态更高的能量，并且通过一个或多个原子跃迁与第一态关联，并且第三态具有比第二态更高的能量并通过原子跃迁与第二态关联；
所述方法包括：
通过以下在所述原子系综中存储第一模式的电磁辐射：
通过布置由电磁辐射的信号源产生的第一模式的电磁辐射入射到所述原子系综上，刺激所述原子系综中原子价电子在第二态和第三态之间的非共振跃迁，其中来自所述信号源的电磁辐射的频率对应于所述原子系综中原子价电子的第二态和第三态之间的非共振原子跃迁，并且优选地其中所述电磁辐射的信号源的带宽大于1GHz；和
通过布置由一个或多个电磁辐射控制源产生的电磁辐射各自入射到所述原子系综上，刺激所述原子系综中原子价电子在第一态和第二态之间的非共振跃迁，其中来自所述一个或多个控制源的电磁辐射的频率各自对应于来自关联所述原子系综中原子价电子的第一态和第二态的所述一个或多个原子跃迁的非共振原子跃迁，并且优选地其中来自所述一个或多个控制源中的每一个的电磁辐射的带宽大于1GHz；
其中来自所述信号源的第一模式的电磁辐射和来自所述一个或多个控制源中的每一个的电磁辐射被布置为入射在所述原子系综上，使得形成第一态和第三态之间的跃迁的相干激励，其将来自所述信号源的第一模式的电磁辐射存储在所述原子系综中；和
通过以下将已存储在所述原子系综中的第一模式的电磁辐射转换为第二模式的电磁辐射：
通过在已经将所述信号源产生的第一模式的电磁辐射存储在所述原子系综中之后布置由一个或多个电磁辐射控制源产生的电磁辐射各自入射到所述原子系综上，进一步刺激所述原子系综中原子价电子在第一态和第二态之间的非共振跃迁；
其中来自所述一个或多个控制源中的每一个的电磁辐射被布置为入射在所述原子系综上以刺激从所述原子系综发出第二模式的电磁辐射；
其中来自所述一个或多个控制源中的每个的电磁辐射被成形为将第一模式的电磁辐射转换为第二模式的电磁辐射；和
其中第二模式的电磁辐射具有与第一模式的电磁辐射基本上相同的频率，并且第二模式的电磁辐射是与第一模式的电磁辐射不同的函数模式。
如本领域技术人员将认识到的，本发明的这些方面可以并且优选地适当时确实包括本文所讨论的本发明的任何一个或多个或所有的优选和可选特征。
优选地，由于由信号源和一个或多个控制源产生的电磁辐射入射到原子系综中的原子价电子上导致的剩余多普勒线宽的倒数大于在第一态和第三态之间跃迁的相干激励的寿命的一半。优选地，电磁辐射的第一和第二模式是(例如，埃尔米-高斯)时间场正交模式。
模式转换器可以单独使用；然而，在优选实施例中，模式转换器位于解复用器的下游，并且被布置为从解复用器接收电磁辐射的分离的输出模式之一作为模式转换器的输入，例如，解复用器用作模式转换器的信号源，以便可以将该模式转换为例如与来自解复用器的电磁辐射的分离的输出模式的另一个相同的模式。
现在将参考附图仅以举例的方式描述本发明的某些优选实施例，其中：
图1示意性地示出了根据本发明实施例的解复用器；
图2示出了两个共传播的电磁辐射模式，用于输入到图1所示的解复用器并由其进行分离；
图3示出了与图1所示的解复用器一起使用的控制场的时间依赖性；
图4示意性地示出了根据本发明另一实施例的解复用器；
图5和6示意性地示出了根据本发明实施例的量子存储器解复用器；
图7示出了在图5和图6所示的量子存储器解复用器的实施例中使用的原子水平方案；
图8示意性地示出了由图5和图6所示的量子存储器解复用器分离的两个共传播的电磁辐射模式；
图9示意性地示出了根据本发明另一实施例的量子存储器解复用器；和
图10示意性地示出了根据本发明另一实施例的与模式转换器结合使用的解复用器。
为了接收、检测并随后解码已被编码为多个共同传播模式的电信信号，需要解复用器将模式彼此分离，从而能够检测这些模式。现在将描述根据本发明实施例的解复用器，该解复用器能够分离两个共传播的电磁辐射模式，其中两个模式的电场在时间上彼此正交。
图1示意性地示出了根据本发明实施例的解复用器1。解复用器1包括模式选择性光学腔2，其具有固定腔模式
Figure BDA0002534538610000181
(其没有经典参数非线性光学器件)。腔2具有输入镜4，该输入镜包含电光调制器和两个其他镜6，它们限定了腔2。
解复用器1具有用于将来自信号源9的电磁辐射通过输入镜4引导到腔2中的输入件8以及用于接收从腔2输出的电磁辐射的输出10。输入件8被布置成引导由信号源9产生的电磁辐射
Figure BDA0002534538610000182
的两个(或更多个)共同传播的模式进入腔2。
图2示出了两个共传播的电磁辐射模式，用于输入到图1所示的解复用器1并由其进行分离。图2中HG0和HG1所示的两个模式是零阶和一阶埃尔米-高斯函数。当将这些函数用作要输入到腔2中以进行分离的两个共传播的电磁辐射模式时，这导致这两个共传播模式在时间上彼此正交。
如图1所示，解复用器1还包括电磁辐射的控制源12，该电磁辐射的控制源被布置为生成将入射到输入镜4中的电光调制器上的复数的时间依赖性控制场R(t)，以调制入射到输入镜4上的电磁辐射的相位。由于控制场R(t)的时间依赖性，从腔的输出10输出的电磁辐射
Figure BDA0002534538610000191
分别包括在时间上分开的两个模式，如现在将描述的。
现在将参考图1、2和3描述解复用器的操作。
图3显示了控制场R(t)的时间依赖性及其对两个共传播电磁辐射
Figure BDA0002534538610000192
模式的影响，这些辐射被引导通过解复用器1的输入件8，入射在腔2的输入镜4上。
在解复用器1的操作中，期望被分离以用于解码的两个共传播的电磁辐射
Figure BDA0002534538610000193
模式(例如，其已经被编码并一起作为电信信号发送)被引导通过解复用器1的输入件8，以入射到腔2的输入镜4上。同时，控制源12产生时间依赖性控制场R(t)，以入射到输入镜4上，使得在输入镜4上它与两个共同传播的电磁辐射
Figure BDA0002534538610000194
模式在空间上和同时重叠。
时间依赖性控制场R(t)在腔2的输入镜4上的入射使腔2接收共传播电磁辐射
Figure BDA0002534538610000195
模式的一个(例如，模式HG1，如图3所示)到腔2的固定模式
Figure BDA0002534538610000196
上。共传播电磁辐射
Figure BDA0002534538610000197
模式的另一个(例如，图3所示的模式HG0)从腔2的输入镜4反射，并因此通过解复用器1的输出10作为电磁辐射
Figure BDA0002534538610000198
的单一模式被输出。
在一段时间之后——在此期间，接收的电磁辐射模式通过限定腔2的输入镜4和另外两个镜子6保留在腔2内(映射到腔2的固定模式
Figure BDA0002534538610000199
上)，控制场R(t)被调制成使得通过腔2的输入镜4输出接收的模式，并由此通过解复用器1的输出10作为电磁辐射
Figure BDA00025345386100001910
的单一模式输出。
电磁辐射
Figure BDA00025345386100001911
的时间上分离的输出模式然后可以被检测并适当解码。
图4示意性地示出了根据本发明另一实施例的解复用器21。图4中所示的解复用器21类似于图1中所示的解复用器1(即，它基于没有经典参数非线性光学器件的腔22)，不同在于，代替电光调制器结合到输入镜中，图4所示的解复用器21包括输入镜24、输出镜25和两个另外的镜36，它们限定了马赫-曾德尔干涉仪。输入镜24和输出镜25还用作马赫-曾德尔干涉仪中的分束器并用作腔22的一部分。
马赫-曾德尔干涉仪包括两个电光调制器
Figure BDA00025345386100001912
它们定位在马赫-曾德尔干涉仪的臂上。解复用器1还包括电磁辐射的两个控制源32、33，其被布置成产生复数时间依赖性控制场R1(t)、R2(t)以分别入射在两个电光调制器
Figure BDA00025345386100001913
上。控制场R1(t)、R2(t)被用于控制分别穿过两个电光调制器
Figure BDA00025345386100001914
的电磁辐射的相位。
与图1所示腔的另一个不同之处在于，图4所示腔22具有泄漏的下部镜27，并因此其布置为提供电磁辐射
Figure BDA0002534538610000201
模式的输出34。解复用器21还包括输出30，其被布置为从输出镜25接收另一模式的电磁辐射
Figure BDA0002534538610000202
由于控制场R1(t)、R2(t)的时间依赖性，从腔2的输出30、34输出的电磁辐射
Figure BDA0002534538610000203
分别包括空间上分离的两个模式，这将在下面描述。
在解复用器21的操作中，期望被分离以用于解码的两个共传播的电磁辐射
Figure BDA0002534538610000204
模式(例如，其已经由信号源29产生并被编码并一起作为电信信号发送)被引导通过解复用器21的输入件28，以入射到腔22的输入镜24上。同时，控制源32、33生成相应的时间依赖性控制场R1(t)、R2(t)以入射到相应的电光调制器
Figure BDA0002534538610000205
使得在电光调制器
Figure BDA0002534538610000206
上它们与两个共同传播的电磁辐射
Figure BDA0002534538610000207
模式在空间上和同时地重叠。
时间依赖性控制场R1(t)、R2(t)在腔22的电光调制器
Figure BDA0002534538610000208
上的入射使腔22接收共传播电磁辐射
Figure BDA0002534538610000209
模式的一个到腔22的固定模式
Figure BDA00025345386100002010
上。因此共传播的电磁辐射
Figure BDA00025345386100002011
模式的另一个由马赫-曾德尔干涉仪通过输出镜25输出，其中其由解复用器21的输出30接收为电磁辐射
Figure BDA00025345386100002012
的单一模式。
通过在马赫-曾德尔干涉仪中电光调制器
Figure BDA00025345386100002013
的作用映射到腔22的固定模式
Figure BDA00025345386100002014
的接收的电磁辐射模式由腔反射镜26、27保持在腔22中。然而，由于泄漏的下反射镜27，接收的模式通过反射镜27泄漏出去，在那里它被解复用器21的另一输出34作为电磁辐射
Figure BDA00025345386100002015
的单一模式接收。当两个不同的输出模式
Figure BDA00025345386100002016
通过不同的输出30、34输出时，由于由控制场R1(t)、R2(t)驱动的电光调制器
Figure BDA00025345386100002017
的作用，输入到解复用器21的两个共传播的电磁辐射
Figure BDA00025345386100002018
模式在空间上被分离。
电磁辐射模式
Figure BDA00025345386100002019
的空间上分离的输出模式然后可以被检测并适当解码。
现在将描述使用量子存储器设备实现的解复用器的另一实施例。图5是示意性地示出根据本发明实施例的量子存储器解复用器41的图。
量子存储器解复用器41包括蒸气室42，该蒸气室包含例如铷或铯原子的原子系综44。量子存储器解复用器41还包括输入信号46(用于输入两个共传播的电磁辐射
Figure BDA00025345386100002020
模式)和控制激光48，控制激光用作将入射到蒸气室42内的原子系综44上的脉冲式近红外辐射
Figure BDA00025345386100002021
的控制场源。
图6更详细地示出了图5所示的蒸气室42。蒸气室42形成为空心核54，该空心核将原子系综44包含在光子晶体光纤56中，光子晶体光纤56具有围绕空心核54的晶格58。包含空心芯54的光子晶体光纤56被接合到光纤60中。光纤60的任一端连接到输入信号46和控制激光器48，以使它们能够引导其辐射
Figure BDA00025345386100002022
入射到蒸气室42的原子系综44上。
现在将参照图7和图8描述图5和图6所示的量子存储器解复用器41的操作。图7示出了当蒸气室42包含铷原子的原子系综44时，在图5和图6所示的量子存储器解复用器41中使用的原子水平方案的具体实例。图8示意性地示出了由图5和图6所示的量子存储器解复用器41分离的两个共传播的电磁辐射模式。
光纤60制备为将晶体纤维56接合到其中，并且在形成蒸气室42的晶体纤维56的空心芯54中包含铷原子的原子系综44。光纤60连接在输入信号46(其产生两个共传播的电磁辐射
Figure BDA0002534538610000211
模式，其波长为1528nm(对应于196THz的频率))和波长为780nm(对应于384THz的频率)的控制激光器48之间。
由输入信号46产生的两个共传播的电磁辐射
Figure BDA0002534538610000212
模式因此被布置成激发原子系综44中的原子价电子的1528nm 5P-4D跃迁，以及由控制激光器48产生的控制场的电磁辐射
Figure BDA0002534538610000213
被布置成激发原子系综44中原子价电子的780nm 5S-5P跃迁。但是，由输入信号46和控制激光器48分别产生的电磁辐射
Figure BDA0002534538610000214
被布置成分别从5S-5P和5P-4D跃迁失谐至多1THz，但使得两个共传播模式之一和控制场的电磁辐射
Figure BDA0002534538610000215
结合应用与双光子5S-4D跃迁
Figure BDA0002534538610000216
共振。
因此，当两个共传播的电磁辐射
Figure BDA0002534538610000217
和控制场
Figure BDA0002534538610000218
的第一个脉冲同时入射在原子系综44上(分别刺激原子系综44的5P-4D和5S-5P跃迁)时，控制场
Figure BDA0002534538610000219
以及两个共传播的电磁辐射
Figure BDA00025345386100002110
模式之一形成双光子5S-4D跃迁
Figure BDA00025345386100002111
的相干激发。这具有“存储”两个共传播的电磁辐射
Figure BDA00025345386100002112
模式的一个并允许两个共传播的电磁辐射
Figure BDA00025345386100002121
模式的另一个穿过蒸气室42中的原子系综44的效果，使得其作为电磁辐射
Figure BDA00025345386100002113
的单一模式在时间t0处输出(如图8所示)。
为了从原子系综44获取存储的电磁辐射
Figure BDA00025345386100002114
模式，将由控制激光器48产生的控制场的另一个脉冲
Figure BDA00025345386100002115
入射到原子系综44上。该控制脉冲
Figure BDA00025345386100002116
刺激5S-5P跃迁，导致在时间t1从原子系综44发出所述存储的电磁辐射
Figure BDA00025345386100002117
模式(如图8所示)。
电磁辐射的时间上分离的输出模式
Figure BDA00025345386100002118
然后可以被检测并适当解码。
图9示意性地示出了根据本发明另一实施例的量子存储器解复用器。
在图9所示的解复用器61中，原子系综62被放置在腔64内。待分离的两个共传播的电磁辐射模式
Figure BDA00025345386100002119
通过腔的反射镜66输入，其中时间上分离的输出模式
Figure BDA00025345386100002120
通过同一反射镜66输出。
在操作中，图9所示的量子存储器解复用器61以与图5-8所示的实施例相同的方式操作，不同在于腔64有助于增加控制场和两个共传播的电磁辐射模式的一个与原子系综的原子价电子的相应跃迁的耦合。
图10示意性地示出了根据本发明另一实施例的与模式转换器72结合使用的解复用器71。
如上所述使用解复用器71(其可以是根据图5-10所示的实施例的任何量子存储器解复用器)，以分离两个共传播的电磁辐射模式
Figure BDA0002534538610000221
为两个在时间上分开的电磁辐射输出模式
Figure BDA0002534538610000222
例如，输出模式之一
Figure BDA0002534538610000223
可对应于图2所示的模式HG0和另一输出模式
Figure BDA0002534538610000224
可对应于图2所示的模式HG1。
除了仅输入电磁辐射的单一模式
Figure BDA0002534538610000225
以接收到原子系综中以外，以与解复用器71相同的方式配置模式转换器72。因此，模式转换器72相对于解复用器71定位，使得电磁辐射的输出模式之一
Figure BDA0002534538610000226
被模式转换器72接收并输入到模式转换器72中。成形并使用控制场
Figure BDA0002534538610000227
其中电磁辐射模式
Figure BDA0002534538610000228
输入到模式转换器72中以产生模式转换器72的原子系综的相干激励，使得电磁辐射模式
Figure BDA0002534538610000229
存储在模式转换器72的原子系综中。以与解复用器相同的方式，控制场
Figure BDA00025345386100002210
随后被成形并使其入射在模式转换器72的原子系综上，使得电磁辐射模式
Figure BDA00025345386100002211
作为不同的电磁辐射模式输出，例如对应于图2所示的HG0模式。
因此，解复用器71和模式转换器72的组合可以用于分离两个共传播的电磁辐射模式
Figure BDA00025345386100002212
为两个在时间上分开的由相同函数(如埃尔米-高斯)模式描述的电磁辐射输出模式。
从上面可以看出，至少在优选实施例中，本发明提供了一种解复用装置，该装置由于模式选择性时间依赖性控制场以没有经典参数非线性光学器件的方式作用于所述主体，能够在时间和/或空间上分离电磁辐射的时间场正交模式。因此，例如，解复用器允许将这种时间场正交模式用于编码电信数据。例如，这有助于打开更多空间用于数据编码，从而使这类模式能够将更多数据打包到现有的电信频段中，并且可以与密集波分复用(DWDM)兼容。
本发明是在美国政府的支持下在美国国家科学基金会授予的#1521466下进行的。美国政府享有本发明的某些权利。

Claims (30)

1.一种用于分离两个共传播的电磁辐射模式的解复用器，其中两个电磁辐射模式的电场彼此正交，其中所述解复用器包括：
包括穿过其中的路径的主体，所述路径用于接收电磁辐射；
用于引导两个共传播的电磁辐射模式入射到所述主体上的输入件，其中所述两个电磁辐射模式的电场彼此正交；
光或微波电磁辐射的控制源，其布置为生成时间依赖性控制场，其中来自所述控制源的所述时间依赖性控制场被布置为入射到所述主体上，并且与所述两个共传播的电磁辐射模式同时并且在空间上重叠；
其中所述主体被布置为并且所述时间依赖性控制场被成形为使得当所述两个共传播的电磁辐射模式和所述时间依赖性控制场同时入射到所述主体上时，所述时间依赖性控制场引起所述主体在没有任何参数非线性光学相互作用发生的情况下将两个电磁辐射模式中的一个接收到所述主体的模式上，并反射或透射两个电磁辐射模式中的另一个，从而在空间和/或时间上将两个电磁辐射模式彼此分离。
2.根据权利要求1所述的解复用器，其中所述两个共传播的电磁辐射模式包括时间场正交模式。
3.根据权利要求1或2所述的解复用器，其中所述两个共传播的电磁辐射模式具有在1GHz和400THz之间的频率。
4.根据权利要求1、2或3所述的解复用器，其中所述主体的模式是所述主体的固定模式，并且所述两个共传播的电磁辐射模式的一个被接收到所述主体的固定模式上。
5.根据前述权利要求中任一项所述的解复用器，其中所述控制源被布置为在与所述两个共传播的电磁辐射模式共线的方向上引导所述控制场。
6.根据前述权利要求中任一项所述的解复用器，其中所述控制场的带宽大于所述两个共传播的电磁辐射模式的带宽。
7.根据前述权利要求中任一项所述的解复用器，其中所述时间依赖性控制场包括复数控制场。
8.根据前述权利要求中任一项所述的解复用器，其中所述控制源被布置为当所述两个共传播的电磁辐射模式入射到所述主体上时调制所述控制场。
9.根据前述权利要求中任一项所述的解复用器，其中所述控制源被布置为成形并引导所述时间依赖性控制场以入射到所述主体上，以从所述主体输出已接收的电磁辐射模式。
10.根据前述权利要求中任一项所述的解复用器，其中所述主体包括腔，并且所述腔包括布置成由所述控制场控制的电光调制器，其中所述控制场和所述两个共传播的电磁辐射模式被布置为入射到所述电光调制器上，并且其中所述电光调制器被布置为调制两个共传播模式，使得两个电磁辐射模式中的一个被接收到所述腔中而两个电磁辐射模式中的另一个被所述腔反射或透射。
11.根据权利要求10所述的解复用器，其中所述电光调制器的带宽大于所述两个共传播的电磁辐射模式的带宽。
12.根据权利要求10或11所述的解复用器，其中所述腔包括布置在干涉仪中的两个电光调制器，并且其中所述电磁辐射的控制源布置成生成两个时间依赖性控制场，其中所述两个时间依赖性控制场被布置成分别入射在所述两个电光调制器上，并且与所述两个共传播的电磁辐射模式同时且在空间上重叠。
13.根据权利要求1至9中任一项所述的解复用器，其中所述主体包括原子系综，
其中所述原子系综包含具有第一态、第二态和第三态的原子价电子；
其中第二态具有比第一态更高的能量，并且通过原子跃迁与第一态关联，并且第三态具有比第二态更高的能量并通过原子跃迁与第二态关联；
其中两个共传播模式中的一个被布置为刺激所述原子系综中原子价电子在第一态和第二态之间或者在第二态和第三态之间的跃迁，并且所述控制场被布置为入射在所述原子系综上以刺激所述原子系综中原子价电子在第二态与第三态之间或在第一态与第二态之间跃迁；
并且其中所述原子系综被布置为使得在所述两个共传播的电磁辐射模式中的一个和所述控制场入射到所述原子系综时，产生在第一态和第三态之间的跃迁的相干激励，使得所述原子系综将所述两个共传播的电磁辐射模式的一个接收到所述原子系综中，并将所述两个电磁辐射模式中的另一个通过所述原子系综传输。
14.根据权利要求13所述的解复用器，其中所述原子系综包括铷原子；第一态是铷的5S态，第二态是铷的5P态，第三态是铷的4D态。
15.一种用于分离两个共传播的电磁辐射模式的方法，其中两个电磁辐射模式的电场彼此正交，其中所述方法包括：
引导两个共传播的电磁辐射模式入射到主体上，其中所述两个电磁辐射模式的电场彼此正交；并且所述主体包括穿过其中的路径，其用于接收电磁辐射；
成形并引导光或微波电磁辐射的时间依赖性控制场，使其入射到所述主体上，并且与所述两个共传播的电磁辐射模式同时并且在空间上重叠；
其中所述主体被布置为并且所述时间依赖性控制场被成形为使得当所述两个共传播的电磁辐射模式和所述时间依赖性控制场同时入射到所述主体上时，所述时间依赖性控制场引起所述主体在没有任何参数非线性光学相互作用发生的情况下将两个电磁辐射模式中的一个接收到所述主体的模式上，并反射或透射两个电磁辐射模式中的另一个，从而在空间和/或时间上将两个电磁辐射模式彼此分离。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述两个共传播的电磁辐射模式包括时间场正交模式。
17.根据权利要求15或16所述的方法，其中所述两个共传播的电磁辐射模式具有在4GHz和400THz之间的频率。
18.根据权利要求15、16或17所述的方法，其中所述主体的模式是所述主体的固定模式，并且所述两个共传播的电磁辐射模式的一个被接收到所述主体的固定模式上。
19.根据权利要求15-18中任一项所述的方法，其包括在与所述两个共传播的电磁辐射模式共线的方向上引导所述控制场。
20.根据权利要求15-19中任一项所述的方法，其中所述控制场的带宽大于所述两个共传播的电磁辐射模式的带宽。
21.根据权利要求15-20中任一项所述的方法，其中所述时间依赖性控制场包括复数控制场。
22.根据权利要求15-21中任一项所述的方法，包括当所述两个共传播的电磁辐射模式入射到所述主体上时调制所述控制场。
23.根据权利要求15-22中任一项所述的方法，其包括成形并引导所述时间依赖性控制场以入射到所述主体上，以从所述主体输出已接收的电磁辐射模式。
24.根据权利要求15至23中任一项所述的方法，其中所述主体包括腔，并且所述腔包括电光调制器，其中所述方法包括引导所述控制场入射到所述电光调制器上以控制所述电光调制器，引导所述两个共传播的电磁辐射模式入射到所述电光调制器上，并对所述控制场成形以控制所述电光调制器以调制两个共传播模式，使得两个电磁辐射模式中的一个被接收到所述腔中而两个电磁辐射模式中的另一个被所述腔反射或透射。
25.根据权利要求24所述的方法，其中所述电光调制器的带宽大于所述两个共传播的电磁辐射模式的带宽。
26.根据权利要求24或25所述的方法，其中所述腔包括布置在干涉仪中的两个电光调制器，并且其中所述方法包括生成两个时间依赖性控制场，以入射在所述两个电光调制器上，并且与所述两个共传播的电磁辐射模式同时且在空间上重叠。
27.根据权利要求15至23中任一项所述的方法，其中所述主体包括原子系综，
其中所述原子系综包含具有第一态、第二态和第三态的原子价电子；
其中第二态具有比第一态更高的能量，并且通过原子跃迁与第一态关联，并且第三态具有比第二态更高的能量并通过原子跃迁与第二态关联；
其中所述方法包括通过布置两个共传播模式的一个以入射到所述原子系综上，刺激所述原子系综中的原子价电子在第一态和第二态之间或者在第二态和第三态之间跃迁，以及通过布置所述控制场以入射到所述原子系综上，刺激所述原子系综中的原子价电子在第二态和第三态之间或者在第一态和第二态之间跃迁；
并且其中所述原子系综被布置为使得在所述两个共传播的电磁辐射模式中的一个和所述控制场入射到所述原子系综时，产生在第一态和第三态之间的跃迁的相干激励，使得所述原子系综将所述两个共传播的电磁辐射模式的一个接收到所述原子系综中，并将所述两个电磁辐射模式中的另一个通过所述原子系综传输。
28.根据权利要求27所述的方法，其中所述原子系综包括铷原子；第一态是铷的5S态，第二态是铷的5P态，第三态是铷的4D态。
29.一种模式转换器，其用于将电磁辐射的模式从第一模式转换为第二模式，所述模式转换器包括：
原子系综，其包含具有第一态、第二态和第三态的原子价电子，其中第二态具有比第一态更高的能量，并且通过一个或多个原子跃迁与第一态关联，并且第三态具有比第二态更高的能量并通过原子跃迁与第二态关联；
电磁辐射的信号源，其布置为产生第一模式的电磁辐射，该第一模式的电磁辐射的频率与原子系综中原子价电子的第二态和第三态之间的非共振原子跃迁对应，其中来自所述信号源的第一模式的电磁辐射被布置为入射在所述原子系综上以刺激在所述原子系综中的原子价电子在第二态和第三态之间的非共振跃迁，并且优选地其中所述电磁辐射的信号源的带宽大于1GHz；
一个或多个电磁辐射控制源，每个控制源布置成产生电磁辐射，所述电磁辐射的频率与来自关联所述原子系综中原子价电子的第一态和第二态的所述一个或多个原子跃迁的非共振原子跃迁对应，其中来自所述一个或多个控制源的电磁辐射被布置成入射在所述原子系综上，以刺激所述原子系综中原子价电子在第一态和第二态之间的非共振跃迁，并且优选地其中来自所述一个或多个控制源中的每一个的电磁辐射的带宽大于1GHz；和
其中所述模式转换器被布置成使得在来自所述信号源的第一模式的电磁辐射和来自所述一个或多个控制源中的每一个的电磁辐射入射到所述原子系综上时，形成第一态和第三态之间的跃迁的相干激励，其将来自所述信号源的第一模式的电磁辐射存储在所述原子系综中；
其中所述一个或多个控制源各自被布置成对来自所述一个或多个控制源中的每个的电磁辐射成形，使得来自所述一个或多个控制源中的每个的电磁辐射随后入射在所述原子系综上刺激第二模式的电磁辐射从所述原子系综发出，使得第一模式的电磁辐射被转换为第二模式的电磁辐射；和
其中第二模式的电磁辐射具有与第一模式的电磁辐射基本上相同的频率，并且第二模式的电磁辐射是与第一模式的电磁辐射不同的函数模式。
30.一种使用模式转换器转换电磁辐射的模式的方法，所述模式转换器包括：
原子系综，其包含具有第一态、第二态和第三态的原子价电子，其中第二态具有比第一态更高的能量，并且通过一个或多个原子跃迁与第一态关联，并且第三态具有比第二态更高的能量并通过原子跃迁与第二态关联；
所述方法包括：
通过以下在所述原子系综中存储第一模式的电磁辐射：
通过布置由电磁辐射的信号源产生的第一模式的电磁辐射入射到所述原子系综上，刺激所述原子系综中原子价电子在第二态和第三态之间的非共振跃迁，其中来自所述信号源的电磁辐射的频率对应于所述原子系综中原子价电子的第二态和第三态之间的非共振原子跃迁，并且优选地其中所述电磁辐射的信号源的带宽大于1GHz；和
通过布置由一个或多个电磁辐射控制源产生的电磁辐射各自入射到所述原子系综上，刺激所述原子系综中原子价电子在第一态和第二态之间的非共振跃迁，其中来自所述一个或多个控制源的电磁辐射的频率各自对应于来自关联所述原子系综中原子价电子的第一态和第二态的所述一个或多个原子跃迁的非共振原子跃迁，并且优选地其中来自所述一个或多个控制源中的每一个的电磁辐射的带宽大于1GHz；
其中来自所述信号源的第一模式的电磁辐射和来自所述一个或多个控制源中的每一个的电磁辐射被布置为入射在所述原子系综上，使得形成第一态和第三态之间的跃迁的相干激励，其将来自所述信号源的第一模式的电磁辐射存储在所述原子系综中；和
通过以下将已存储在所述原子系综中的第一模式的电磁辐射转换为第二模式的电磁辐射：
通过在已经将所述信号源产生的第一模式的电磁辐射存储在所述原子系综中之后布置由一个或多个电磁辐射控制源产生的电磁辐射各自入射到所述原子系综上，进一步刺激所述原子系综中原子价电子在第一态和第二态之间的非共振跃迁；
其中来自所述一个或多个控制源中的每一个的电磁辐射被布置为入射在所述原子系综上以刺激从所述原子系综发出第二模式的电磁辐射；
其中来自所述一个或多个控制源中的每个的电磁辐射被成形为将第一模式的电磁辐射转换为第二模式的电磁辐射；和
其中第二模式的电磁辐射具有与第一模式的电磁辐射基本上相同的频率，并且第二模式的电磁辐射是与第一模式的电磁辐射不同的函数模式。
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