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光學工程
“光控制光”,只要指甲蓋大小的地方就成

 電磁誘導透明(EIT)為實現光控制光提供了重要手段,這正是全光控制及量子信息處理中所夢寐以求的。人們利用EIT效應已經實現了慢光(甚至停光)、全光開關、光存儲等,從而為量子物理及信息科學提供了一個無限的平臺。雖然EIT的意義毫無疑問,但在實際應用過程中,受其苛刻的實驗條件限制,其整個實驗裝置往往非常復雜和龐大。小型化乃至片上集成成為它在實際應用中所面臨的重要挑戰。

近年來,人們發現耦合微腔系統、光子晶體及等離子超穎材料等可以通過經典光學的途徑實現類似EIT的透射特性。其中回音壁模式(WGM)光學微腔之間的耦合可以在微米級尺度上對系統的透射譜線實現同樣的調制,使得利用耦合光學微腔實現類EIT效應變得火熱。在光學微腔芯片上實現類EIT現象,極大地簡化了實現這一效應的系統,從而有望得到廣泛應用。

近期,上海交通大學萬文杰課題組與陳險峰課題組提出了利用單個光學微腔中不同回音壁模式之間的非線性耦合實現類EIT效應的新思路,并在實驗上驗證了一種光誘導透明(OIT)的新方法。其研究為實現片上全光控制提供了新的方案,相關工作發表在Light: Science & Applications [5, e16072 (2016)]上。

圖1: 光學微腔中的光誘導透明原理示意圖 (a)信號光波長與微腔諧振時無法通過耦合光纖;(b)通過控制光打開透射譜,使得信號光可以通過耦合光纖;(c)球型微腔實物照片,內嵌圖為實驗中的光纖與微腔耦合系統。

他們利用熔融單模光纖尖端形成的球型光腔與拉錐光纖形成的耦合系統演示了這一新原理,其原理示意圖如圖1所示。當注入的信號光波長與微腔諧振時,信號光耦合進入微腔而無法通過耦合光纖,系統對信號光呈現OFF狀態(圖1a);通過注入控制光(抽運光)調制信號光透射譜線,產生OIT效應,信號光透射譜線受到調制,使得信號光可以通過耦合光纖,此時系統對信號光呈現ON狀態(圖1b)。其核心是通過光學四波混頻的方法引入參量增益,使得間隔數個自由光譜范圍(FSR)的兩個不同頻率回音壁模式(信號光和閑置光)產生相互耦合,模擬耦合微腔系統利用經典光學方法實現類EIT透射特性的途徑。這一方案的好處是可以在設定的諧振波長處實現想要的類EIT效果,并且耦合的強弱可以通過抽運光的強度控制,從而對應用更有實際價值。

他們所提出的OIT的方法,與傳統EIT及其它在耦合腔中實現類EIT的方法相比,具有全光的特點,即可以通過全光的方法實現效應的開關切換及控制,只要通過開關抽運光即可實現OIT的切換。同時信號光在這一系統中的傳輸還具有非對易性(Non-reciprocity),這一效果類似“光學二極管”,即信號光只能沿著抽運光的方向通過,反向則不透明。OIT這些特性為模擬原子量子干涉效應提供了簡便的方法,同時也為片上全光控制提供了一種新的方案,并在芯片上實現光隔離、全光開關及波長轉換等領域有所應用。


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