[发明专利]基于里德堡原子强相互作用的全光单光子开关方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及全光开关技术，具体为一种基于里德堡原子强相互作用的全光单光子开关方法及装置。

背景技术

光开关是一种对光传输线路或光路中的光信号进行物理切换或逻辑操作的元器件。目前广泛应用的是传统的机械光开关和近年来发展起来的如电光开关、声光开关等新型的光开关。机械式光开关依靠光学元件的移动，使光路发生改变达到开关光路的作用，其优点是插入损耗较低，不受偏振和波长的影响，缺点是开关时间较长(一般为ms数量级)。新型的光开关依靠电光和声光等效应改变开关介质的折射率而达到开关的作用，这类开关的优点是开关时间短，不足之处是插入损耗大，隔离度低。

发明内容

本发明为解决目前光开关技术存在的开关时间长和插入损耗大等技术问题，提供一种基于里德堡原子强相互作用的全光单光子开关方法及装置。

本发明所述的基于里德堡原子强相互作用的全光单光子开关方法是采用以下技术方案实现的：一种基于里德堡原子强相互作用的全光单光子开关方法，包括如下步骤：（a）在单模光纤介质中掺入一些碱金属原子；（b）将单光子激发光光源发出的激光经光开关后，再经第一光纤耦合器耦合到单模光纤中，所述单光子激发光光源能够实现碱金属原子里德堡态的共振激发，从而制备几个里德堡原子；（c）将激光光源发出的激光经第二光纤耦合器从单模光纤的另一端耦合到单模光纤中；所述激光光源发出的激光频率满足碱金属里德堡原子阶梯型三能级系统电磁感应透明的条件；（d）当光开关关闭时，激光光源发出的激光满足碱金属里德堡原子阶梯型三能级系统电磁感应透明的条件，激光可以通过单模光纤并经第一光纤耦合器出射，形成通路；而当光开关打开时，单光子激发光光源在光纤介质中制备了里德堡原子，里德堡原子的强相互作用使相邻原子的能级发生频移，破坏了碱金属里德堡原子阶梯型三能级系统电磁感应透明的条件，激光光源发出的激光被碱金属原子强烈吸收，形成断路。

本发明所述的单光子激发光光源包含有两种波长的激光，对应于碱金属原子的基态-第一激发态-里德堡态的跃迁（对应双光子激发）；或者包含有一种波长的激光，对应于碱金属原子的基态-里德堡态的跃迁（对应单光子激发）；所述的激光光源包含有两种波长的激光，满足碱金属里德堡原子阶梯型三能级系统的电磁感应透明条件。将两束波长不同的激光整合为一束并出射是本领域的公知技术，有多种方法可以实现。

里德堡原子是主量子数很大的原子，具有原子半径大，相互作用强和极化率大等奇特性质。里德堡原子的强相互作用可以使相邻原子的能级发生频移，阻止了相邻原子的进一步激发，形成一个阻塞区域，在阻塞区域只有一个原子可以被激发到里德堡态。

双光子激发与碱金属原子的三能级形成阶梯型三能级系统，产生电磁感应透明。在激发区域内，碱金属里德堡原子阶梯型三能级系统的电磁感应透明共振条件是否满足，取决于激发区域内是否存在有里德堡原子。如果在激发区域没有里德堡原子，则里德堡原子电磁感应透明共振条件满足，激光可以透过，形成通路。如果在激发区域有里德堡原子，则碱金属里德堡原子电磁感应透明共振条件被破坏，激光被强烈吸收，形成断路，实现单光子开关。

本发明所述的基于里德堡原子强相互作用的全光单光子开关装置是采用以下技术方案实现的：一种基于里德堡原子强相互作用的全光单光子开关装置，包括单光子激发光光源、顺次连接在单光子激发光光源出射光路上的光开关以及第一光纤耦合器；第一光纤耦合器的一个出射端连接有单模光纤，所述单模光纤介质中掺入一些碱金属原子；还包括激光光源；所述激光光源的出射端通过第二光纤耦合器与单模光纤相连接；所述单模光纤的一端与第一光纤耦合器相连接，单模光纤的另一端与第二光纤耦合器的出射端相连接；所述单光子激发光光源出射的激光能够实现单模光纤中碱金属原子里德堡态的制备；所述激光光源出射的激光频率满足碱金属里德堡原子阶梯型三能级系统的电磁感应透明条件。

工作时，激光光源发出的激光（如铯原子的852nm和510nm的激光），其激光频率满足碱金属里德堡原子阶梯型三能级系统的电磁感应透明条件。将激发光经第二光纤耦合器反向耦合到单模光纤介质中。

当光开关关闭时，激光光源发出的激光满足碱金属里德堡原子阶梯型三能级系统的电磁感应透明条件，原子不吸收激光，激光透过单模光纤介质，形成通路。当光开关打开时，单光子激发光光源在激发区域激发制备了几个里德堡原子，则激光光源与单模光纤中的碱金属里德堡原子的电磁感应透明共振条件被破坏，激光被强烈吸收，形成断路，实现单光子开关。因此，本发明所述的单光子开关装置是利用里德堡原子的强相互作用而实现的全光单光子开关的装置。