基于里德堡原子強(qiáng)相互作用的全光單光子開關(guān)方法及裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及全光開關(guān)技術(shù)，具體為一種基于里德堡原子強(qiáng)相互作用的全光單光子開關(guān)方法及裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]光開關(guān)是一種對光傳輸線路或光路中的光信號進(jìn)行物理切換或邏輯操作的元器件。目前廣泛應(yīng)用的是傳統(tǒng)的機(jī)械光開關(guān)和近年來發(fā)展起來的如電光開關(guān)、聲光開關(guān)等新型的光開關(guān)。機(jī)械式光開關(guān)依靠光學(xué)元件的移動，使光路發(fā)生改變達(dá)到開關(guān)光路的作用，其優(yōu)點(diǎn)是插入損耗較低，不受偏振和波長的影響，缺點(diǎn)是開關(guān)時(shí)間較長(一般為ms數(shù)量級)。新型的光開關(guān)依靠電光和聲光等效應(yīng)改變開關(guān)介質(zhì)的折射率而達(dá)到開關(guān)的作用，這類開關(guān)的優(yōu)點(diǎn)是開關(guān)時(shí)間短，不足之處是插入損耗大，隔離度低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明為解決目前光開關(guān)技術(shù)存在的開關(guān)時(shí)間長和插入損耗大等技術(shù)問題，提供一種基于里德堡原子強(qiáng)相互作用的全光單光子開關(guān)方法及裝置。
[0004]本發(fā)明所述的基于里德堡原子強(qiáng)相互作用的全光單光子開關(guān)方法是采用以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:一種基于里德堡原子強(qiáng)相互作用的全光單光子開關(guān)方法，包括如下步驟:(a)在單模光纖介質(zhì)中摻入一些堿金屬原子;(b)將單光子激發(fā)光光源發(fā)出的激光經(jīng)光開關(guān)后，再經(jīng)第一光纖耦合器耦合到單模光纖中，所述單光子激發(fā)光光源能夠?qū)崿F(xiàn)堿金屬原子里德堡態(tài)的共振激發(fā)，從而制備幾個(gè)里德堡原子;(C)將激光光源發(fā)出的激光經(jīng)第二光纖耦合器從單模光纖的另一端耦合到單模光纖中；所述激光光源發(fā)出的激光頻率滿足堿金屬里德堡原子階梯型三能級系統(tǒng)電磁感應(yīng)透明的條件；(d)當(dāng)光開關(guān)關(guān)閉時(shí)，激光光源發(fā)出的激光滿足堿金屬里德堡原子階梯型三能級系統(tǒng)電磁感應(yīng)透明的條件，激光可以通過單模光纖并經(jīng)第一光纖耦合器出射，形成通路;而當(dāng)光開關(guān)打開時(shí)，單光子激發(fā)光光源在光纖介質(zhì)中制備了里德堡原子，里德堡原子的強(qiáng)相互作用使相鄰原子的能級發(fā)生頻移，破壞了堿金屬里德堡原子階梯型三能級系統(tǒng)電磁感應(yīng)透明的條件，激光光源發(fā)出的激光被堿金屬原子強(qiáng)烈吸收，形成斷路。
[0005]本發(fā)明所述的單光子激發(fā)光光源包含有兩種波長的激光，對應(yīng)于堿金屬原子的基態(tài)-第一激發(fā)態(tài)-里德堡態(tài)的躍迀(對應(yīng)雙光子激發(fā))；或者包含有一種波長的激光，對應(yīng)于堿金屬原子的基態(tài)-里德堡態(tài)的躍迀(對應(yīng)單光子激發(fā));所述的激光光源包含有兩種波長的激光，滿足堿金屬里德堡原子階梯型三能級系統(tǒng)的電磁感應(yīng)透明條件。將兩束波長不同的激光整合為一束并出射是本領(lǐng)域的公知技術(shù)，有多種方法可以實(shí)現(xiàn)。
[0006]里德堡原子是主量子數(shù)很大的原子，具有原子半徑大，相互作用強(qiáng)和極化率大等奇特性質(zhì)。里德堡原子的強(qiáng)相互作用可以使相鄰原子的能級發(fā)生頻移，阻止了相鄰原子的進(jìn)一步激發(fā)，形成一個(gè)阻塞區(qū)域，在阻塞區(qū)域只有一個(gè)原子可以被激發(fā)到里德堡態(tài)。
[0007]雙光子激發(fā)與堿金屬原子的三能級形成階梯型三能級系統(tǒng)，產(chǎn)生電磁感應(yīng)透明。在激發(fā)區(qū)域內(nèi)，堿金屬里德堡原子階梯型三能級系統(tǒng)的電磁感應(yīng)透明共振條件是否滿足，取決于激發(fā)區(qū)域內(nèi)是否存在有里德堡原子。如果在激發(fā)區(qū)域沒有里德堡原子，則里德堡原子電磁感應(yīng)透明共振條件滿足，激光可以透過，形成通路。如果在激發(fā)區(qū)域有里德堡原子，則堿金屬里德堡原子電磁感應(yīng)透明共振條件被破壞，激光被強(qiáng)烈吸收，形成斷路，實(shí)現(xiàn)單光子開關(guān)。
[0008]本發(fā)明所述的基于里德堡原子強(qiáng)相互作用的全光單光子開關(guān)裝置是采用以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:一種基于里德堡原子強(qiáng)相互作用的全光單光子開關(guān)裝置，包括單光子激發(fā)光光源、順次連接在單光子激發(fā)光光源出射光路上的光開關(guān)以及第一光纖耦合器;第一光纖耦合器的一個(gè)出射端連接有單模光纖，所述單模光纖介質(zhì)中摻入一些堿金屬原子;還包括激光光源;所述激光光源的出射端通過第二光纖耦合器與單模光纖相連接;所述單模光纖的一端與第一光纖耦合器相連接，單模光纖的另一端與第二光纖耦合器的出射端相連接;所述單光子激發(fā)光光源出射的激光能夠?qū)崿F(xiàn)單模光纖中堿金屬原子里德堡態(tài)的制備；所述激光光源出射的激光頻率滿足堿金屬里德堡原子階梯型三能級系統(tǒng)的電磁感應(yīng)透明條件。
[0009]工作時(shí)，激光光源發(fā)出的激光(如銫原子的852nm和510nm的激光)，其激光頻率滿足堿金屬里德堡原子階梯型三能級系統(tǒng)的電磁感應(yīng)透明條件。將激發(fā)光經(jīng)第二光纖耦合器反向耦合到單模光纖介質(zhì)中。
[0010]當(dāng)光開關(guān)關(guān)閉時(shí)，激光光源發(fā)出的激光滿足堿金屬里德堡原子階梯型三能級系統(tǒng)的電磁感應(yīng)透明條件，原子不吸收激光，激光透過單模光纖介質(zhì)，形成通路。當(dāng)光開關(guān)打開時(shí)，單光子激發(fā)光光源在激發(fā)區(qū)域激發(fā)制備了幾個(gè)里德堡原子，則激光光源與單模光纖中的堿金屬里德堡原子的電磁感應(yīng)透明共振條件被破壞，激光被強(qiáng)烈吸收，形成斷路，實(shí)現(xiàn)單光子開關(guān)。因此，本發(fā)明所述的單光子開關(guān)裝置是利用里德堡原子的強(qiáng)相互作用而實(shí)現(xiàn)的全光單光子開關(guān)的裝置。
[0011]特殊設(shè)計(jì)的單模光纖，其芯徑為5-15微米量級的單模光纖，并摻入堿金屬原子樣品。這種特殊的設(shè)計(jì)可以提高光與原子作用的效率，進(jìn)而提高單光子開關(guān)的開關(guān)效率。
[0012]本發(fā)明采用單光子激發(fā)光光源對激光光源所發(fā)射的探測光進(jìn)行通斷控制，實(shí)現(xiàn)了基于量子效應(yīng)的光開關(guān)，整個(gè)方法實(shí)現(xiàn)起來非常簡單，裝置采用摻入堿金屬原子的單模光纖作為開關(guān)介質(zhì)，布置十分簡便，易于實(shí)現(xiàn)微型化。本發(fā)明所述的基于量子效應(yīng)的光開關(guān)解決了開關(guān)時(shí)間長和插入損耗大的缺點(diǎn)，同時(shí)采用光纖介質(zhì)可以提高單光子開關(guān)的開關(guān)效率，并可以實(shí)現(xiàn)光開關(guān)的微型化，適于集成化和廣泛推廣。
【附圖說明】
[0013]圖1是本發(fā)明所述的單光子開關(guān)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0014]圖2是實(shí)現(xiàn)本發(fā)明所述的基于里德堡原子三能級系統(tǒng)電磁感應(yīng)透明的雙光子共振激發(fā)示意圖。
[0015]圖3是實(shí)現(xiàn)本發(fā)明所述的單光子激發(fā)光光源制備里德堡原子的能級示意圖。
[0016]1-單光子激發(fā)光光源，2-光開關(guān)，3-第一光纖