• / 19
  • 下載費用:30 金幣  

基于量子干涉的任意波形電光調制器.pdf

摘要
申請專利號:

CN201510477100.8

申請日:

2015.08.06

公開號:

CN104991393A

公開日:

2015.10.21

當前法律狀態:

授權

有效性:

有權

法律詳情: 授權|||實質審查的生效IPC(主分類):G02F 1/21申請日:20150806|||公開
IPC分類號: G02F1/21 主分類號: G02F1/21
申請人: 中國科學院上海高等研究院
發明人: 秦立國; 王中陽; 吳士超
地址: 201210上海市浦東新區海科路99號
優先權:
專利代理機構: 上海光華專利事務所31219 代理人: 余明偉
PDF完整版下載: PDF下載
法律狀態
申請(專利)號:

CN201510477100.8

授權公告號:

||||||

法律狀態公告日:

2018.01.30|||2015.11.18|||2015.10.21

法律狀態類型:

授權|||實質審查的生效|||公開

摘要

本發明提供一種基于量子干涉的任意波形電光調制器,包括:相對設置的固定腔鏡及可移動腔鏡,兩者間形成設有相互作用介質的光學腔,可移動腔鏡充有電荷;光學腔內注入探測光及入射光場,入射光場與光學腔共振形成腔場;電荷體,與可移動腔鏡間形成電容性耦合;外部電路,包括:電流發生器;電流發生器與電荷體電性連接,用于向電荷體注入電荷,并通過調整注入的電荷數調控探測光在相互作用介質內的吸收,以得到所需波形的光輸出。本發明通過簡單的調節電路中的電流,可以產生需求波形的光場,具有電控制高集成化優勢、腔品質調節的功能及相互作用介質具有廣泛的選擇性的優點。

權利要求書

權利要求書
1.  一種基于量子干涉的任意波形電光調制器,其特征在于,包括:
相對設置的固定腔鏡及可移動腔鏡,兩者間形成設有相互作用介質的光學腔,所述可移動腔鏡充有電荷;所述光學腔內注入探測光及入射光場,所述入射光場與所述光學腔共振形成腔場;
電荷體,與所述可移動腔鏡間形成電容性耦合;
外部電路,包括:電流發生器;所述電流發生器與所述電荷體電性連接,用于向所述電荷體注入電荷,并通過調整所述注入的電荷數調控所述探測光在所述相互作用介質內的吸收,以得到所需波形的光輸出。

2.  根據權利要求1所述的基于量子干涉的任意波形電光調制器,其特征在于:通過調整所述注入的電荷數調控所述探測光在所述相互作用介質內的吸收,以得到所需波形的光輸出,包括:
通過調整所述注入的電荷數控制所述電荷體同所述可移動腔鏡上電荷間的庫侖力,以控制所述可移動腔鏡相對固定腔鏡位移;所述光學腔因所述位移而變化腔長度,使所述光學腔內因外部作用而產生的腔場的強度發生變化,根據所述腔場強度的變化相干地調控所述探測光在所述相互作用介質內的吸收,以得到所需波形的光輸出。

3.  根據權利要求2所述的基于量子干涉的任意波形電光調制器,其特征在于:根據所述腔場強度的變化相干地調控所述探測光在所述相互作用介質內的吸收,包括:
所述腔場強度變化使光學腔和所述入射光場之間失去共振而減少光學腔內光子數量,所述光學腔內光子數量減少使得所述探測光在所述相互作用介質內的極化率隨之相應變化,極化率的虛部決定所述探測光在所述相互作用介質內的吸收率,進而實現相干地調控所述探測光在所述相互作用介質內的吸收。

4.  根據權利要求3所述的基于量子干涉的任意波形電光調制器,其特征在于:所述極化率的虛部與所述電荷體上注入的電荷數具有一一對應的關系,依據所需波形的光輸出在所述相互作用介質中的吸收率向所述電荷體上注入相應的電荷數即可得到所需波形的光輸出。

5.  根據權利要求4所述的基于量子干涉的任意波形電光調制器,其特征在于,所述電荷體上注入的電荷數與所述極化率的虛部的對應關系式為:
nq=m22G0ηg2ϵc2sIm(x)-γγs-κ2]]>
其中,nq為電荷體上注入的電荷數;m為可移動腔鏡的質量;ωm為振動頻率;G0為光力學耦合強度;Qmr為可移動腔鏡上的電荷數,r為可移動腔鏡與電荷體的距離;g為腔場與相互作用介質的耦合強度;εc為入射光場的強度;μba為偶極躍遷動量;γ為相互作用介質上能級的衰減;γS為兩個亞穩態之間的衰減;Im(x)為極化率的虛部;κ為腔場的衰減因子。

6.  根據權利要求1所述的基于量子干涉的任意波形電光調制器,其特征在于,所述入射光場的強度大于所述探測光所形成光場的強度。

7.  根據權利要求1所述的基于量子干涉的任意波形電光調制器,其特征在于,所述可移動腔鏡為可帶電的納米機械振子,所述可移動鏡的移動還受到光壓和外部熱環境的作用。

8.  根據權利要求1所述的基于量子干涉的任意波形電光調制器,其特征在于,所述固定腔鏡朝向腔外的第一壁面為光入射面,所述固定腔鏡朝向腔內的第二壁面為反射面;所述可移動腔鏡朝向腔外的第三壁面充有電荷,其朝向腔內的第四壁面為反射面;所述電荷體對應所述第三壁面設置并與其保持預定距離。

9.  根據權利要求1所述的基于量子干涉的任意波形電光調制器,其特征在于,所述相互作用介質為三能級系統。

10.  根據權利要求1所述的基于量子干涉的任意波形電光調制器,其特征在于:所述外部電路還包括:被調制激光器及同步信號發生器;
所述被調制激光器用于發射所述探測光,且所述被調制激光器通過所述同步信號發生器與所述電流發生器電連接。

11.  根據權利要求1所述的基于量子干涉的任意波形電光調制器,其特征在于,所述電流發生器為電流脈沖發生器。

說明書

說明書基于量子干涉的任意波形電光調制器
技術領域
本發明涉及量子通信技術領域,特別是涉及一種基于量子干涉的任意波形電光調制器。
背景技術
隨著光通信、信號處理技術和集成光子學的發展,對光信號的處理變得越來越重要。當今,對光信號的主要調制手段有直接調制和間接調制兩種方式。直接調制一般只適用于半導體光源激光器,其中除了輸出光強隨調制信號發生變化外,輸出光的頻率也會發生移動,即振幅和頻率雙調制,存在啁啾(chirp)特性。這種啁啾特性不僅使光場線寬展寬,而且在傳播過程中受色散的影響,非線性失真增大。間接調制:主要是利用晶體的電光效應、聲光效應、磁光效應和電吸收效應等性質來對激光實現調制,主要包括電光調制,聲光調制,磁光調制和電吸收調制等,其中應用比較普遍的是電光調制。
電光調制器主要原理是利用施加電場調制光在相互作用介質中折射率的實部和虛部,其分別對應于電光效應和電吸收效應。電光效應是指相互作用介質在外加直流或低頻電場作用下,由于極化而出現光學特征(各向異性)的改變,進而影響到光波在相互作用介質中的傳播特性的性質,本質就是指某些晶體在光波電場與外電場的共同作用下出現非線性的極化和雙折射現象,從而引起相互作用介質折射率變化。這類電光效應主要包括Pockels效應和Kerr效應,Pockels效應又稱線性電光效應,是指相互作用介質的折射率與施加電場強度的一次方成正比;Kerr效應又稱二階光電效應,是指相互作用介質的折射率與施加電場強度的二次方成正比。電吸收效應是指半導體材料對入射光的吸收系數隨外加電場不同而產生變化,主要包括在傳統塊狀半導體材料中的Franz-Keldysh效應和量子阱結構材料中的量子限制Stark效應。在半導體量子阱材料中,當法向電場施加于量子阱層時,電子和空穴的能級發生偏移,導帶底能級與價帶頂能級之間的能量差變小,同時電子和空穴在外電場的作用下分別向相反的方向移動使得激子能量降低,造成激子吸收的Stark移位。在外加電場的作用下,材料對光場的吸收譜發生了變化。
然而目前出現的電光調制器對強度波形的調整還非常有限,尤其是任意波形的產生器。不能很好的根據需求來隨意的調制波形,即使可以調節,也要通過非常復雜的技術手段。而本發明將基于量子干涉的機制—利用相互作用介質內態中兩束光的相干干涉現象來實現電光調制,并且建立了一種一一對應的電光連接,為獲得某種需求波形的光輸出,只需要輸入一種相應波形的電荷即可,即可以獲得一種產生任意波形的電光調制器。
發明內容
鑒于以上所述現有技術的缺點,本發明的目的在于提供一種基于量子干涉的任意波形電光調制器,通過量子干涉機制來實現電光調控,并建立一一對應的電光連接,以解決現有技術中電光調制器對強度波形的調整非常有限,不能很好的根據需求來隨意的調制波形,即使可以調制,也要通過非常復雜的技術手段的問題。
為實現上述目的及其他相關目的,本發明提供一種基于量子干涉的任意波形電光調制器,所述基于量子干涉的任意波形電光調制器包括:相對設置的固定腔鏡及可移動腔鏡,兩者間形成設有相互作用介質的光學腔,所述可移動腔鏡充有電荷;所述光學腔內注入探測光及入射光場,所述入射光場與所述光學腔共振形成腔場;
電荷體,與所述可移動腔鏡間形成電容性耦合;
外部電路,包括:電流發生器;所述電流發生器與所述電荷體電性連接,用于向所述電荷體注入電荷,并通過調整所述注入的電荷數調控所述探測光在所述相互作用介質內的吸收,以得到所需波形的光輸出。
作為本發明的基于量子干涉的任意波形電光調制器的一種優選方案,通過調整所述注入的電荷數調控所述探測光在所述相互作用介質內的吸收,以得到所需波形的光輸出,包括:
通過調整所述注入的電荷數控制所述電荷體同所述可移動腔鏡上電荷間的庫侖力,以控制所述可移動腔鏡相對固定腔鏡位移;所述光學腔因所述位移而變化腔長度,使所述光學腔內因外部作用而產生的腔場的強度發生變化,根據所述腔場強度的變化相干地調控所述探測光在所述相互作用介質內的吸收,以得到所需波形的光輸出。
作為本發明的基于量子干涉的任意波形電光調制器的一種優選方案,根據所述腔場強度的變化相干地調控所述探測光在所述相互作用介質內的吸收,包括:
所述腔場強度變化使光學腔和所述入射光場之間失去共振而減少光學腔內光子數量,所述光學腔內光子數量減少使得所述探測光在所述相互作用介質內的極化率隨之相應變化,極化率的虛部決定所述探測光在所述相互作用介質內的吸收率,進而實現相干地調控所述探測光在所述相互作用介質內的吸收。
作為本發明的基于量子干涉的任意波形電光調制器的一種優選方案,所述極化率的虛部與所述電荷體上注入的電荷數具有一一對應的關系,依據所需波形的光輸出在所述相互作用介質中的吸收率向所述電荷體上注入相應的電荷數即可得到所需波形的光輸出。
作為本發明的基于量子干涉的任意波形電光調制器的一種優選方案,所述電荷體上注入的電荷數與所述極化率的虛部的對應關系式為:
nq=m22G0ηg2ϵc2SIm(x)-γγS-κ2]]>
其中,nq為電荷體上注入的電荷數;m為可移動腔鏡的質量;ωm為振動頻率;G0為光力學耦合強度;Qmr為可移動腔鏡上的電荷數,r為可移動腔鏡與電荷體的距離;g為腔場與相互作用介質的耦合強度;εc為入射光場的強度;μba為偶極躍遷動量;γ為相互作用介質上能級的衰減;γS為兩個亞穩態之間的衰減;Im(x)為極化率的虛部;κ為腔場的衰減因子。
作為本發明的基于量子干涉的任意波形電光調制器的一種優選方案,所述入射光場的強度大于所述探測光所形成光場的強度。
作為本發明的基于量子干涉的任意波形電光調制器的一種優選方案,所述可移動腔鏡為可帶電的納米機械振子,所述可移動鏡的移動還受到光壓和外部熱環境的作用。
作為本發明的基于量子干涉的任意波形電光調制器的一種優選方案,所述固定腔鏡朝向腔外的第一壁面為光入射面,所述固定腔鏡朝向腔內的第二壁面為反射面;所述可移動腔鏡朝向腔外的第三壁面充有電荷,其朝向腔內的第四壁面為反射面;所述電荷體對應所述第三壁面設置并與其保持預定距離。
作為本發明的基于量子干涉的任意波形電光調制器的一種優選方案,所述相互作用介質為三能級系統。
作為本發明的基于量子干涉的任意波形電光調制器的一種優選方案,所述外部電路還包括:被調制激光器及同步信號發生器;
所述被調制激光器用于發射所述探測光,且所述被調制激光器通過所述同步信號發生器與所述電流發生器電連接。
作為本發明的基于量子干涉的任意波形電光調制器的一種優選方案,所述電流發生器為電流脈沖發生器。
如上所述,本發明的基于量子干涉的任意波形電光調制器,具有以下有益效果:
1)采用全新機制的電光調控原理:本發明是基于量子物理的本質特性-量子干涉來實現對光的干涉相消從而達到調制的目的,其調制手段是通過外部電路中電流脈沖實現 的,完全不同于傳統的電光調制方案基本原理。
2)可以調制出所需的任意波形的光場:根據光場吸收系數與電信號的一一對應的關系,通過簡單的調節電路中的電流,可以產生需求波形的光場。
3)具有電控制高集成化優勢:利用靈敏快速相應的電納米機械振子和光學微腔與電路相連接,具有很高的集成性。
4)具有腔品質調節的功能:由于納米機械振子作為腔的一個腔壁,通過電場實現對納米機械振子腔壁的控制,可以有效的實現對腔品質因子的調節,并且是一種動力學的調制。
5)廣泛的相互作用介質:相互作用介質可以是原子分子、量子點、量子阱、超導或者具有缺陷態的固態材料(如NV色心)等可以實現EIT的介質材料。其能級結構可以是Λ型,V型和Ξ型,甚至可以推廣到N或M型的EIT能級結構材料中。
附圖說明
圖1顯示為本發明的基于量子干涉的任意波形電光調制器的結構示意圖。
圖2顯示為本發明的基于量子干涉的任意波形電光調制器中相互作用介質躍遷的原理示意圖。
圖3顯示為本發明的基于量子干涉的任意波形電光調制器中EIT現象中探測光的吸收隨電荷數及失諧量變化的坐標示意圖。
圖4a至圖6b顯示為本發明的基于量子干涉的任意波形電光調制器中在近似條件下求解確定的電荷數與探測光吸收的關系示意圖;其中,圖4a為方波對應的探測光吸收隨時間變化的坐標示意圖,圖4b為根據圖4a求解得到的電荷數隨時間變化的坐標示意圖;圖5a為鋸齒波對應的探測光吸收隨時間變化的坐標示意圖,圖5b為根據圖5a求解得到的電荷數隨時間變化的坐標示意圖;圖6a為余弦波對應的探測光吸收隨時間變化的坐標示意圖,圖6b為根據圖6a求解得到的電荷數隨時間變化的坐標示意圖。
圖7顯示為在本發明的基于量子干涉的任意波形電光調制器中的電荷體上輸入不同電荷數得到的探測光吸收隨時間變化的坐標示意圖,其中,nq為圖4b中對應的電荷數。
圖8顯示為在本發明的基于量子干涉的任意波形電光調制器中的電荷體上輸入不同電荷數得到的探測光吸收隨時間變化的坐標示意圖,其中,nq為圖5b中對應的電荷數。
圖9顯示為在本發明的基于量子干涉的任意波形電光調制器中的電荷體上輸入不同電荷數得到的探測光吸收隨時間變化的坐標示意圖,其中,nq為圖6b中對應的電荷數。
元件標號說明
1    固定腔鏡
2    可移動腔鏡
3    相互作用介質
4    入射光場
5    探測光
6    電荷體
7    電流發生器
8    同步信號發生器
具體實施方式
以下通過特定的具體實例說明本發明的實施方式,本領域技術人員可由本說明書所揭露的內容輕易地了解本發明的其他優點與功效。本發明還可以通過另外不同的具體實施方式加以實施或應用,本說明書中的各項細節也可以基于不同觀點與應用,在沒有背離本發明的精神下進行各種修飾或改變。
請參閱圖1至圖9,需要說明的是,本實施例中所提供的圖示僅以示意方式說明本發明的基本構想,雖圖示中僅顯示與本發明中有關的組件而非按照實際實施時的組件數目、形狀及尺寸繪制,其實際實施時各組件的型態、數量及比例可為一種隨意的改變,且其組件布局型態也可能更為復雜。
請參閱圖1,本發明提供一種基于量子干涉的任意波形電光調制器,所述基于量子干涉的任意波形電光調制器包括:由相對設置(優選為相對平行設置)的固定腔鏡1及可移動腔鏡2組成的光學微腔,兩者間形成設有相互作用介質3的光學腔,所述可移動腔鏡2充有電荷;所述光學腔內注入探測光5及入射光場4,所述入射光場4與所述光學腔共振形成腔場;電荷體6,與所述可移動腔鏡2間形成電容性耦合;外部電路,所述外部電路包括:電流發生器7;所述電流發生器7與所述電荷體6電性連接,用于向所述電荷體6注入電荷,并通過調整所述注入的電荷數調控所述探測光5在所述相互作用介質3內的吸收,以得到所需波形的光輸出。
作為示例,通過調整所述注入的電荷數調控所述探測光5在所述相互作用介質3內的吸收,以得到所需波形的光輸出,包括:通過調整所述注入的電荷數控制所述電荷體6同所述可移動腔鏡2上電荷間的庫侖力,以控制所述可移動腔鏡2相對固定腔鏡1位移;所述光學腔因所述位移而變化腔長度,使所述光學腔內因外部作用而產生的腔場的強度發生變化,根 據所述腔場強度的變化相干地調控所述探測光5在所述相互作用介質3內的吸收,以得到所需波形的光輸出。
作為示例,根據所述腔場強度的變化相干地調控所述探測光5在所述相互作用介質3內的吸收,包括:所述腔場強度變化使光學腔和所述入射光場4之間失去共振而減少光學腔內光子數量,所述光學腔內光子數量減少使得所述探測光5在所述相互作用介質3內的極化率隨之相應變化,而極化率的虛部決定所述探測光5在所述相互作用介質3內的吸收率,因而可以實現相干地調控所述探測光5在所述相互作用介質3內的吸收。
作為示例,所述極化率的虛部與所述電荷體6上注入的電荷數具有一一對應的關系,依據所需波形的光輸出在所述相互作用介質3中的吸收率向所述電荷體6上注入相應的電荷數即可得到所需波形的光輸出。
作為示例,所述電荷體6上注入的電荷數與所述探測光5在所述相互作用介質3內的極化率的虛部的對應關系式為:
nq=m22G0ηg2ϵc2SIm(x)-γγS-κ2]]>
其中,nq為電荷體上注入的電荷數;m為可移動腔鏡的質量;ωm為振動頻率;G0為光力學耦合強度;Qmr為可移動腔鏡上的電荷數,r為可移動腔鏡與電荷體的距離;g為腔場與相互作用介質的耦合強度;εc為入射光場的強度;μba為偶極躍遷動量;γ為相互作用介質上能級的衰減;γS為兩個亞穩態之間的衰減;Im(x)為極化率的虛部;κ為腔場的衰減因子。
下面結合圖1通過具體示例對基于量子干涉的任意波形電光調制器的結構進行詳細闡述:
光學微腔:如圖1所示,所述固定腔鏡1朝向腔體外的第一壁面為光入射面,所述入射光場4可以從所述第一壁面入射,所述歸固定腔鏡1朝向腔內的第二壁面為高反射面,幾乎99.9%的光都被反射;所述可移動腔鏡2朝向腔外的第三壁面充有例如正電荷(例如電荷數為Qmr),則所述電荷體6上對應為負電荷而形成電容性耦合,反之亦可;所述可移動腔鏡2朝向腔內的第四壁面為反射面;所述電荷體對應所述第三壁面設置并與其保持預定距離;所述 可移動腔鏡2為可移動的全發射鏡,可以作為可移動的帶電納米機械振子,其質量為m,振動頻率為ωm,阻尼系數為γm,采用這種靈敏的納米機械振子是為了在快速的調制中實現腔場的快速響應;設腔的長度是L,頻率為其中c是光速,n是整數;在頻率為ω0的入射光場沿x軸方向入射到光學腔內形成腔場的情況下,相對強度較弱的探測光沿著z軸從腔鏡的方向入射到光學腔內與原子系綜相互作用,其頻率為ωp,拉比頻率是Ωp。根據需求的精度其納米機械振子可以用非簡諧的可移動的腔壁代替。
三能級系統:所述相互作用介質3為具有三能級的系統,所述三能級系統只要滿足:可分別與兩束激光場發生偶極躍遷相互作用,并且躍遷路徑可實現干涉相消,即量子干涉。其能級結構可以是實現電磁誘導透明的三能級結構:例如Λ型,V型、Ξ型、N型或M型。這種三能級系統可以是原子能級系統:如銣原子、銫原子、里德堡原子等,或固態系統:缺陷態(NV色心)、半導體量子點、超導等系統。本發明方案中以原子系統為例,但不局限于原子系統。腔內放著N個冷的Λ型的三能級原子團,其體積為V,(注:這里選的是Λ型但不局限于Λ型結構)其能級躍遷如附圖2所示:|a>,|b>,|c>是原子的三能級,可以選擇87Rb的三個能級:
|a>=|52P1/2,F=2>,|b>=|52S1/2,F=1>,|C>=|52S1/2,F=2>;
入射光場通過共振入射到腔內,形成腔場,被調制的探測光激發原子|a>,|b>之間的偶極躍遷相耦合,耦合強度為gp,失諧為Δp,腔場與|a>,|c>之間的偶極躍遷相耦合,耦合強度為g,失諧為δ。圖上的為腔內光子數的湮滅算符,腔場是量子化的。
外部電路:在與納米機械振子的平衡位置相距r之處放有一個與其帶相反電荷(-nqe)的電荷體6(nq是電荷體上帶的電荷數),所述電荷體6與有電流發生器7的外部電路相連接,所述電流發生器7可以為電流脈沖發生器,所述電流發生器7通過同步信號發生器8與被調制激光器相連接。所述電流發生器7可以根據需求產生任意相應的電流,所述電荷體6上的電荷可以通過所述電流發生器7注入,所以電流發生器7控制著所述電荷體6上的電量,而這些電量直接影響這種納米機械振子與所述電荷體6之間的庫侖力,從而控制著電納米機械振子的位移,實現了對腔長度的控制,即對腔場失諧量實現了電控制。所以此設計的裝置可以通過在外部電路中注入電流脈沖實現對腔場的控制。需要說明的是,這種庫侖力的驅動,也可以推廣到利用交變的電流驅動電納米機械振子,即在納米機械振子上加上交變的電流, 其交變電流的強度和頻率決定了納米機械振子的位移量。
對于納米機械振子(即可移動腔鏡2)的移動主要來源于兩個方面:一是所述電荷體6對納米機械振子的庫倫力,為主要的驅動力;另一方面是光壓相對于電荷引起的位移,光壓引起的移動尺度非常小,可以忽略。當所述電荷體6上的電荷通過一電流脈沖被絕熱地注入過程中,納米機械振子位移可表示為其中所以納米機械振子的位移與所述電荷體6帶的電荷數nq成正比。由于納米機械振子的位移發生移動,所以光學腔的腔長度發生變化,腔的頻率也相應的發生變化,在所述入射光場4不變的情況下,所述入射光場4與光學腔不再共振,腔內光子數也隨之發生相應的變化,舍去微弱的拉曼過程注入到腔內的光子經過計算,腔內絕熱變化的光子數為:其中是入射光場4的強度,pc是入射激光的功率,κ是腔的衰減因子,失諧是光力學耦合強度。由此腔內光子數的公式可以看出只要調節電荷體上的電荷數就可以控制腔內光子數,即腔場的變化。腔的有效品質因子可以寫為:所以腔的品質因子也可以通過外部電路來實現動力學的調節。通過絕熱的求解動力學方程,系統中探測場在介質內的極化率可表示為:
χ=baϵcΩpσba,]]>
其中,μba為偶極躍遷動量,εc為入射光場的強度,Ωp為拉比頻率,
其中,γ是上能級|a>的衰減,γs是兩個亞穩態之間的衰減且γs<<γ。
由以上可知納米機械振子的位移與電荷數成正比關系,而腔場與電荷數是平方反比關系,極化率與光子數成反比關系,因此系統中的這些物理量是可以通過調節電荷數來實現有效的調控。
為了獲得對探測光的調制,需要研究探測光5在所述相互作用介質3中的相互作用,即在所述相互作用介質3中的吸收,其中極化率的虛部代表著所述相互作用介質3的吸收,調節其虛部的變化即可以相應的調節光場在所述相互作用介質3中的吸收強度。在電磁誘導透明(EIT)現象中,當腔場足夠強時,系統就打開一個共振無吸收的透明窗口。當δ=0時,其透明窗口隨著電荷數的變化如圖3所示,由圖3可以清晰的看出,電荷數的變化可以有效的調節探測光5的透明窗口,達到對探測光5的吸收和透射的有效調控。
當探測光5與腔場與原子能級之間是共振的時候,經計算極化率的虛部,即介質的吸收可表示為:
Im(χ)=Aγsγγs+g2&epsiv;c2κ2+(2G0ηm2nq)2]]>
因此,在共振情況下,通過反變換得到其中的電荷數為:
nq=m22G0ηg2&epsiv;c2SIm(x)-γγS-κ2]]>
其中,nq為電荷體上注入的電荷數;m為可移動腔鏡的質量;ωm為振動頻率;G0為光力學耦合強度;Qmr為可移動腔鏡上的電荷數,r為可移動腔鏡與電荷體的距離;g為腔場與相互作用介質的耦合強度;εc為入射光場的強度;μba為偶極躍遷動量;γ為相互作用介質上能級的衰減;γS為兩個亞穩態之間的衰減;Im(x)為極化率的虛部;κ為腔場的衰減因子。
需要說明的是,為了保證其物理意義,其中極化率的虛部的取值范圍為:由此公式可知,探測光5的吸收和電荷數之間具有清晰的一一對 應的關系,要想獲得什么樣的探測光吸收,只要輸入到電荷體6上相應的電荷數即可。本發明方案通過電控制介質的吸收可調制光通過介質的透射率,獲得調制光場強度的效果。
結合上述內容,對本發明的電光調制進行過程原理的詳細解釋:
電光調制:
設計的模型如圖1所示,起初入射光場沿著x軸通過與光學腔共振垂直注入到腔內,可2移動鏡子作為一種高靈敏的納米機械振子,在光壓的作用下,做振幅比較小的簡諧運動。由于腔場與腔內調制媒介介質存在偶極躍遷相互作用,在探測光5入射前,腔場作為一種泵浦場使原子系綜被泵浦,幾乎所有的原子都布據在基態上。之后,探測光5(被調制光)沿著z軸進入腔內,與腔內的原子系綜相互作用。于此同時,通過同步信號發生器8相連接的電流發生器7產生調制的電流脈沖,使電荷體6上聚集電荷(注:輸入的電流脈沖形狀變化或者電荷體6上電荷數由調制需求確定和獲得)。隨著電荷體6上電荷數的增多,振子與電荷體6之間的庫侖力增強,在庫侖力的作用下,振子的位移發生變化,這種位移要比光壓引起的振子機械振動的位移大的多。因此在電流脈沖的作用下,腔場的長度發生變化,使共振入射的光場產生失諧。由于納米機械振子振動和電荷的聚集的時間尺度是可控,它的時間尺度要比光與原子相互作用的時間尺度長很多,可以認為是一種緩慢絕熱變化的過程,因此腔內的光子數也因非共振失諧,隨著振子緩慢的移動而緩慢的絕熱地減少。通過腔內原子系綜與光場的偶極躍遷相互作用,這種變化引起了腔內調制的探測光5在相互作用介質3內的吸收變化,即通過腔場與探測光5干涉相消來調制探測光5在相互作用介質3中的吸收。當電荷體6上沒有電荷或者非常少時,腔場比較大,此時將出現電磁誘導透明現象,探測光5可以無吸收的通過相互作用介質3。當電荷體6上輸入電荷后,腔場將減小,透明窗口變窄,最后消失,探測光5會被吸收,其吸收率有極化率的虛部決定,極化率的虛部與電荷體6上的電荷數具有一一對應關系所以通過控制電荷數實現對探測光5透射率的相干控制,從而實現了相干控制的作用,獲得了對探測光5的調制。在在考慮電荷數緩變的絕熱情況下,為獲得方波(如圖4a)、鋸齒波(如圖5a)和余弦波(如圖6a)的吸收,需要輸入的電荷的變化情況分別如圖4b、5b和6b。根據圖4a、5a和6b所需求的絕熱時吸收波形,輸入如圖4b、5b和圖6b所示的電荷數時,在無絕熱情況下對動力學過程數值模擬出其吸收波形如圖7至圖9所示。前后對比可以得出其吸收波形具有非常好的匹配性。
本發明方案與傳統的電光調制方案區別:(1)機制不同:傳統電光調制方案一般是基于光電效應和電吸收效應,而本發明方案是基于量子干涉調控,即在具有EIT能級的系統中,存在內態能級之間的兩個躍遷路徑,這兩個可能的路徑耦合相互作用,形成干涉相消的現象,從而來實現對另一束光的強度調制。(2)調制便利:由于輸入電荷數與極化率的虛部具有一一對應關系,需要什么波形的調制,只需要輸入相應的電荷數就可以實現。(3)靈敏度高:本發明方案是在一個高靈敏的光力學腔內實現的,其中納米機械振子的調控對腔內光場和電荷數具有高的靈敏性、快速相應性。(4)集成化強:本發明方案是在一個由微腔、電納米機械振子和外部電路組成的系統中完成,具有很好的集成化和微型化;這種方案對未來量子集成芯片的應用具有重要的意義。
綜上所述,本發明提供一種基于量子干涉的任意波形電光調制器,基于量子干涉的任意波形電光調制器,所述基于量子干涉的任意波形電光調制器包括:相對設置的固定腔鏡及可移動腔鏡,兩者間形成設有相互作用介質的光學腔,所述可移動腔鏡充有電荷;所述光學腔內注入探測光及入射光場,所述入射光場與所述光學腔共振形成腔場;電荷體,與所述可移動腔鏡間形成電容性耦合;外部電路,包括:電流發生器;所述電流發生器與所述電荷體電性連接,用于向所述電荷體注入電荷,并通過調整所述注入的電荷數調控所述探測光在所述相互作用介質內的吸收,以得到所需波形的光輸出。
本發明與現有技術相比較,具有如下顯而易見的突出的特點和技術效果:
(1)全新機制的電光強度調制:本方案是基于量子物理的本質特性-量子干涉來實現對光的干涉相消從而達到調制的目的,其調制手段是通過外部電路中電流脈沖實現的,完全不同于傳統的電光調制方案基本原理。
(2)可調制出所需求的任意波形的光場:通過求解系統演化方程,獲得了絕熱情況下光場的吸收公式,得到了光場的吸收率與電荷體上電荷數的一一對應關系,因此理論上可以通過對電荷體上電荷數的控制實現任意比率的光吸收,即通過電的控制實現需求波形調制,即需要什么樣的光只需要輸入相應的電流脈沖(電荷數)就可實現調制。
(3)具有電控制高集成化優勢:利用靈敏快速相應的電機械振子和光學微腔與電路相連接,具有很高的集成性。本發明通過巧妙地設計,實現了用電對光物質相互作用的控制,獲得了電控制的量子干涉相消效應,即通過發射電流脈沖實現了對調制光強度透射率的調制。這種控制的改進,將極大的推進量子干涉調制在集成化和微型化方面的研究進展。量子干涉在量子通信、量子網絡以及量子計算中起著核心的作用,其集成化的發展,將極大的推動量子信息技術在實踐應用中的可能性。
(4)具有腔品質調節的功能:由于納米機械振子作為腔的一個腔壁,通過電場實現對納米機械振子腔壁的控制,可以有效的實現對腔品質因子的調節,并且是一種動力學的調制。當腔與入射場和原子間的偶極躍遷共振時,腔的品質最高,光物質相互作用進入強耦合,隨著振子的移動,腔失諧變大,品質降低,相互作用降低。從而有效的調節腔內光物質之間的相干作用。
(5)相互作用介質廣泛:相互作用介質可以是原子分子、量子點、量子阱、超導或者具有缺陷態的固態材料(如NV色心)等可以實現EIT的介質材料。其能級結構可以是Λ型,V型和Ξ型,甚至可以推廣到N或M型的EIT能級結構材料中。
上述實施例僅例示性說明本發明的原理及其功效,而非用于限制本發明。任何熟悉此技術的人士皆可在不違背本發明的精神及范疇下,對上述實施例進行修飾或改變。因此,舉凡所屬技術領域中具有通常知識者在未脫離本發明所揭示的精神與技術思想下所完成的一切等效修飾或改變,仍應由本發明的權利要求所涵蓋。

關 鍵 詞:
基于 量子 干涉 任意 波形 電光 調制器
  專利查詢網所有資源均是用戶自行上傳分享,僅供網友學習交流,未經上傳用戶書面授權,請勿作他用。
關于本文
本文標題:基于量子干涉的任意波形電光調制器.pdf
鏈接地址:http://www.rgyfuv.icu/p-6353652.html
關于我們 - 網站聲明 - 網站地圖 - 資源地圖 - 友情鏈接 - 網站客服客服 - 聯系我們

[email protected] 2017-2018 zhuanlichaxun.net網站版權所有
經營許可證編號:粵ICP備17046363號-1 
 


收起
展開
山东11选5中奖结果走势图