一種實(shí)現(xiàn)雙向光學(xué)二極管的方法及裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及量子光學(xué)及光與物質(zhì)相互作用技術(shù)領(lǐng)域，具體是通過兩束偏振相同、具有固定頻率失諧的、對(duì)向入射的耦合激光作用于堿金屬原子汽室，使原子介質(zhì)對(duì)入射探針光的折射率產(chǎn)生周期性的吸收調(diào)制，使對(duì)向入射探針光的透射特性得到有效操控，從而實(shí)現(xiàn)雙向光學(xué)二極管功能的方法及裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]光學(xué)二極管是一種具有單向?qū)ㄐ缘臒o源器件，即只允許單一方向的光通過，而不影響其傳輸特性，在激光技術(shù)和量子光學(xué)領(lǐng)域，被廣泛應(yīng)用于光隔離技術(shù)和全光控制過程。目前實(shí)現(xiàn)光學(xué)二極管功能的途徑主要有兩種:一種是基于磁光晶體的法拉第旋轉(zhuǎn)效應(yīng)，另一種是基于非線性材料的不對(duì)稱結(jié)構(gòu)形成的光子晶體。
[0003]基于磁光晶體法拉第效應(yīng)的光隔離器，其工作原理是:具有旋光性的材料在磁場作用下，可以使通過該物質(zhì)的光的偏振方向發(fā)生旋轉(zhuǎn)，即磁致旋光效應(yīng)。當(dāng)一束正向入射的光，經(jīng)過起偏器后變?yōu)榫€偏振光，并在法拉弟旋磁介質(zhì)和外磁場作用下偏振順時(shí)針旋轉(zhuǎn)45度，并恰好穿過與起偏器成45度放置的檢偏器；而對(duì)于反向入射的光，經(jīng)過檢偏器后變?yōu)榫€偏振光，并經(jīng)過旋磁介質(zhì)和外磁場時(shí)，偏振方向也順時(shí)旋轉(zhuǎn)45度，剛好與起偏器方向正交，因此隔離反向光的傳輸。該類型隔離器廣泛用于激光光源的輸出端，用于防止光學(xué)器件表面反射的光進(jìn)入激光設(shè)備，以減少反射光對(duì)光源的功率和頻率穩(wěn)定性產(chǎn)生的不良影響，改善光源的工作穩(wěn)定性。在光纖通信系統(tǒng)中，利用光隔離器可防止后向傳輸光產(chǎn)生的附加噪聲，減少受激布里淵散射引起的功率損失，等等。然而在基于光與物質(zhì)相互作用的量子信息存儲(chǔ)及量子通信領(lǐng)域，由于光隔離器具有強(qiáng)磁場的特點(diǎn)，會(huì)引起原子能級(jí)的塞曼分裂和光束的偏振狀態(tài)改變，為避免磁場的影響，需要對(duì)光隔離器磁場進(jìn)行屏蔽，增大了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)地空間，因此限制了光路系統(tǒng)向小型化集成化的發(fā)展。
[0004]光子晶體是不同折射率的介質(zhì)周期性排列形成的人工光學(xué)微結(jié)構(gòu)。由于該介質(zhì)的介電常數(shù)在空間上具有周期性，引起對(duì)光波的空間折射率周期變化，從而對(duì)光波的色散形成能帶結(jié)構(gòu)，即光子帶隙，能夠阻斷特定頻率的光子通過晶體，實(shí)現(xiàn)光隔離功能。而具有不對(duì)稱結(jié)構(gòu)的非線性材料形成的光子晶體，可以對(duì)光的傳輸產(chǎn)生各向異性，使某固定頻率的光沿某一方向單向穿過晶體而不被阻止，形成光學(xué)二極管。該類型光學(xué)二極管容易實(shí)現(xiàn)小型化和實(shí)用化，比如集成二極管芯片等，已廣泛應(yīng)用于光纖網(wǎng)絡(luò)通信中。然而受到材料結(jié)構(gòu)及特性本身的限制，該類型光子晶體只能針對(duì)一些特定頻率的光產(chǎn)生二極管效應(yīng)，而且只允許光沿某一固定方向傳播，并且很難實(shí)現(xiàn)頻率的連續(xù)調(diào)諧和全光調(diào)諧操控。因此，在基于光與原子相互作用的量子信息存儲(chǔ)、量子中繼網(wǎng)絡(luò)等量子通訊領(lǐng)域中，實(shí)現(xiàn)頻率可調(diào)并多通道全光控制的集成化雙向光學(xué)二極管是非常必要的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明為解決傳統(tǒng)的利用旋磁介質(zhì)或光子晶體材料產(chǎn)生光隔離的功能存在的只允許光沿某一固定方向傳播且很難實(shí)現(xiàn)頻率的連續(xù)調(diào)諧和全光調(diào)諧操控的技術(shù)問題，通過兩束對(duì)射的、具有一定頻率失諧的耦合場與堿金屬原子汽室的相互作用，提供一種實(shí)現(xiàn)雙向光學(xué)二極管的方法及裝置。
[0006]本發(fā)明所述的一種實(shí)現(xiàn)雙向光學(xué)二極管的方法是采用以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:一種實(shí)現(xiàn)雙向光學(xué)二極管的方法，包括以下步驟:(a)、將兩束對(duì)向入射的，具有一定頻率失諧的耦合場作用在熱堿金屬原子介質(zhì)中，使原子介質(zhì)對(duì)光的折射率產(chǎn)生周期性的調(diào)制，形成了失諧駐波模型；(b)、將兩束頻率相同的探針場對(duì)向穿過熱原子介質(zhì)，在探針場頻率處于雙光子共振中心附近，當(dāng)前向入射的探針場能透過熱原子介質(zhì)時(shí)，后向入射的探針場剛好被熱原子介質(zhì)完全吸收，反之亦然，從而對(duì)雙向入射探針光的透射特性得到有效操控，實(shí)現(xiàn)了具有一定頻率間隔和頻率寬度的雙向光學(xué)二極管功能；該頻率間隔取決于雙向耦合場之間的頻率失諧之差，而頻率寬度取決于熱原子無規(guī)則運(yùn)動(dòng)引起的多普勒效應(yīng)。
[0007]駐波是由偏振、頻率相同的兩束光對(duì)射形成，而本申請(qǐng)中提到的失諧駐波是指具有一定頻率失諧的兩束光對(duì)射形成的具有一定移動(dòng)速度的駐波，移動(dòng)速度取決于兩束光場之間的失諧，因此稱為失諧駐波；雙光子共振是指相對(duì)各自作用的原子躍迀能級(jí)，耦合光和探針光具有相同的頻率失諧量；多普勒效應(yīng)是指在熱原子汽室中，不同速度的同種原子感應(yīng)到的共振躍迀頻率不同，同向時(shí)感應(yīng)到的頻率偏小，反向時(shí)感應(yīng)到的頻率偏大。
[0008]在引入耦合場的同時(shí)向熱原子介質(zhì)中引入一對(duì)相干泵浦場；用于提高該光學(xué)二極管的單向透射效率，而不影響其隔離比。
[0009]進(jìn)一步的，熱原子介質(zhì)為銫蒸汽；耦合場采用波長為894.5nm、可連續(xù)調(diào)諧的耦合激光，其頻率作用于銫原子Dl線基態(tài)Fg= 4至激發(fā)態(tài)Fe= 4的能級(jí)躍迀；探針場采用波長為894.5nm、可連續(xù)調(diào)諧的探針激光，其頻率作用于銫原子Dl線基態(tài)Fg= 3至激發(fā)態(tài)F e =4的能級(jí)躍迀，耦合激光、探針激光與銫原子作用形成Λ型電磁誘導(dǎo)透明能級(jí)系統(tǒng)；泵浦場采用波長為852.3nm、可連續(xù)調(diào)諧的泵浦激光，其頻率作用于銫原子D2線基態(tài)Fg= 3至激發(fā)態(tài)F6= 4的能級(jí)躍迀。
[0010]理論上講，只要是具有多能級(jí)系統(tǒng)的原子，都可以在本發(fā)明所述方法下利用失諧駐波模型實(shí)現(xiàn)雙向光學(xué)二極管；通常則采用堿金屬原子。
[0011]本發(fā)明所述的實(shí)驗(yàn)裝置，是采用以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:一種實(shí)現(xiàn)雙向光學(xué)二極管的裝置，包括失諧駐波耦合場和原子汽室耦合系統(tǒng)；該系統(tǒng)包括作為耦合光光源的第一半導(dǎo)體激光器、順次位于第一半導(dǎo)體激光器出射光路上的第一半波片和第一偏振分光棱鏡；第一偏振分光棱鏡的透射光路上順次設(shè)有第一聲光調(diào)制器、第二半波片和第一 50/50分束器；第一 50/50分束器的反射光路上設(shè)有第一格蘭棱鏡；第一偏振分光棱鏡的反射光路上設(shè)有第一全反鏡，第一全反鏡的反射光路上順次設(shè)有第二聲光調(diào)制器、第三半波片以及第二 50/50分束器，第二 50/50分束器的反射光路上設(shè)有第二格蘭棱鏡；所述第一、第二格蘭棱鏡的反射光路呈共線對(duì)射且第一、第二格蘭棱鏡的反射光路上設(shè)有內(nèi)充堿金屬原子介質(zhì)的原子氣室；還包括探針光系統(tǒng)，所述探針光系統(tǒng)包括作為探針光光源的第二半導(dǎo)體激光器，第二半導(dǎo)體激光器的出射光路上順次設(shè)有第四半波片和第二偏振分光棱鏡，第二偏振分光棱鏡的反射光路上順次設(shè)有第五半波片和第一透射率99%分束器；第二偏振分光棱鏡的透射光路上設(shè)有第二全反鏡；第二全反鏡的反射光路上順次設(shè)有第六半波片和第二透射率99%分束器；所述第一格蘭棱鏡和第二格蘭棱鏡位于第一透射率99%分束器和第二透射率99%分束器之間，第一透射率99%分束器和第二透射率99%分束器的反射光路反向共線，且第一透射率99%分束器的反射光路穿過第一格蘭棱鏡并與第一格蘭棱鏡的反射光路重合，第二透射率99%分束器的反射光路穿過第二格蘭棱鏡并與第二格蘭棱鏡的反射光路重合；還包括信號(hào)探測系統(tǒng)，所述信號(hào)探測系統(tǒng)包括位于第二透射率99%分束器反射光路反向延長線上的第一光電探測器以及位于第一透射率99%分束器反射光路反向延長線上的第二光電探測器；第一、第二光電探測器的信號(hào)輸出端共同連接有數(shù)字存儲(chǔ)示波器。
[0012]所述“失諧駐波耦合場和原子汽室耦合系統(tǒng)”用于構(gòu)造原子介質(zhì)中的折射率調(diào)制模塊，探針光系統(tǒng)用于產(chǎn)生前后兩束對(duì)射的探針光(探針場)，入射至原子介質(zhì)中，以實(shí)現(xiàn)具有一定頻率間隔和頻率寬度的雙向光學(xué)二極管功能。
[0013]進(jìn)一步的，還包括泵浦光光路系統(tǒng)；所述泵浦光光路系統(tǒng)包括作為泵浦光光源的第三半導(dǎo)體激光器、順次設(shè)于第三半導(dǎo)體激光器出射光路上的第七半波片和第三偏振分光棱鏡；第三偏振分光棱鏡的反射光路穿過第一 50/50分束器并與第一 50/50分束器的反射光路重合，第三偏振分光棱鏡的透射光路上設(shè)有第三全反鏡，第三全反鏡的反射光路穿過第二 50/50分束器并與第二 50/50分束器的反射光路重合；第三全反鏡與第二 50/50分束器之間設(shè)有第八半波片。
[0014]進(jìn)一步的，第一半導(dǎo)體激光器提供波長為894.5nm、可連續(xù)調(diào)諧的耦合激光，其頻率鎖定在銫原子Dl線基態(tài)Fg = 4至激發(fā)態(tài)Fe = 4的能級(jí)躍迀附近，第二半導(dǎo)體激光器提供的也是波長為894.5nm、可連續(xù)調(diào)諧的探針激光，其頻率在銫原子Dl線基態(tài)Fg = 3至激發(fā)態(tài)Fe = 4的共振中心掃描，二者與原子作用形成了三能級(jí)Λ型電磁誘導(dǎo)透明(EIT)能級(jí)系統(tǒng)，第三半導(dǎo)體激光器提供波長為852.3nm