一种实现双向光学二极管的方法及装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及量子光学及光与物质相互作用技术领域，具体是通过两束偏振相同、具有固定频率失谐的、对向入射的耦合激光作用于碱金属原子汽室，使原子介质对入射探针光的折射率产生周期性的吸收调制，使对向入射探针光的透射特性得到有效操控，从而实现双向光学二极管功能的方法及装置。
【背景技术】
[0002]光学二极管是一种具有单向导通性的无源器件，即只允许单一方向的光通过，而不影响其传输特性，在激光技术和量子光学领域，被广泛应用于光隔离技术和全光控制过程。目前实现光学二极管功能的途径主要有两种:一种是基于磁光晶体的法拉第旋转效应，另一种是基于非线性材料的不对称结构形成的光子晶体。
[0003]基于磁光晶体法拉第效应的光隔离器，其工作原理是:具有旋光性的材料在磁场作用下，可以使通过该物质的光的偏振方向发生旋转，即磁致旋光效应。当一束正向入射的光，经过起偏器后变为线偏振光，并在法拉弟旋磁介质和外磁场作用下偏振顺时针旋转45度，并恰好穿过与起偏器成45度放置的检偏器；而对于反向入射的光，经过检偏器后变为线偏振光，并经过旋磁介质和外磁场时，偏振方向也顺时旋转45度，刚好与起偏器方向正交，因此隔离反向光的传输。该类型隔离器广泛用于激光光源的输出端，用于防止光学器件表面反射的光进入激光设备，以减少反射光对光源的功率和频率稳定性产生的不良影响，改善光源的工作稳定性。在光纤通信系统中，利用光隔离器可防止后向传输光产生的附加噪声，减少受激布里渊散射引起的功率损失，等等。然而在基于光与物质相互作用的量子信息存储及量子通信领域，由于光隔离器具有强磁场的特点，会引起原子能级的塞曼分裂和光束的偏振状态改变，为避免磁场的影响，需要对光隔离器磁场进行屏蔽，增大了实验系统地空间，因此限制了光路系统向小型化集成化的发展。
[0004]光子晶体是不同折射率的介质周期性排列形成的人工光学微结构。由于该介质的介电常数在空间上具有周期性，引起对光波的空间折射率周期变化，从而对光波的色散形成能带结构，即光子带隙，能够阻断特定频率的光子通过晶体，实现光隔离功能。而具有不对称结构的非线性材料形成的光子晶体，可以对光的传输产生各向异性，使某固定频率的光沿某一方向单向穿过晶体而不被阻止，形成光学二极管。该类型光学二极管容易实现小型化和实用化，比如集成二极管芯片等，已广泛应用于光纤网络通信中。然而受到材料结构及特性本身的限制，该类型光子晶体只能针对一些特定频率的光产生二极管效应，而且只允许光沿某一固定方向传播，并且很难实现频率的连续调谐和全光调谐操控。因此，在基于光与原子相互作用的量子信息存储、量子中继网络等量子通讯领域中，实现频率可调并多通道全光控制的集成化双向光学二极管是非常必要的。
【发明内容】
[0005]本发明为解决传统的利用旋磁介质或光子晶体材料产生光隔离的功能存在的只允许光沿某一固定方向传播且很难实现频率的连续调谐和全光调谐操控的技术问题，通过两束对射的、具有一定频率失谐的耦合场与碱金属原子汽室的相互作用，提供一种实现双向光学二极管的方法及装置。
[0006]本发明所述的一种实现双向光学二极管的方法是采用以下技术方案实现的:一种实现双向光学二极管的方法，包括以下步骤:(a)、将两束对向入射的，具有一定频率失谐的耦合场作用在热碱金属原子介质中，使原子介质对光的折射率产生周期性的调制，形成了失谐驻波模型；(b)、将两束频率相同的探针场对向穿过热原子介质，在探针场频率处于双光子共振中心附近，当前向入射的探针场能透过热原子介质时，后向入射的探针场刚好被热原子介质完全吸收，反之亦然，从而对双向入射探针光的透射特性得到有效操控，实现了具有一定频率间隔和频率宽度的双向光学二极管功能；该频率间隔取决于双向耦合场之间的频率失谐之差，而频率宽度取决于热原子无规则运动引起的多普勒效应。
[0007]驻波是由偏振、频率相同的两束光对射形成，而本申请中提到的失谐驻波是指具有一定频率失谐的两束光对射形成的具有一定移动速度的驻波，移动速度取决于两束光场之间的失谐，因此称为失谐驻波；双光子共振是指相对各自作用的原子跃迀能级，耦合光和探针光具有相同的频率失谐量；多普勒效应是指在热原子汽室中，不同速度的同种原子感应到的共振跃迀频率不同，同向时感应到的频率偏小，反向时感应到的频率偏大。
[0008]在引入耦合场的同时向热原子介质中引入一对相干泵浦场；用于提高该光学二极管的单向透射效率，而不影响其隔离比。
[0009]进一步的，热原子介质为铯蒸汽；耦合场采用波长为894.5nm、可连续调谐的耦合激光，其频率作用于铯原子Dl线基态Fg= 4至激发态Fe= 4的能级跃迀；探针场采用波长为894.5nm、可连续调谐的探针激光，其频率作用于铯原子Dl线基态Fg= 3至激发态F e =4的能级跃迀，耦合激光、探针激光与铯原子作用形成Λ型电磁诱导透明能级系统；泵浦场采用波长为852.3nm、可连续调谐的泵浦激光，其频率作用于铯原子D2线基态Fg= 3至激发态F6= 4的能级跃迀。
[0010]理论上讲，只要是具有多能级系统的原子，都可以在本发明所述方法下利用失谐驻波模型实现双向光学二极管；通常则采用碱金属原子。
[0011]本发明所述的实验装置，是采用以下技术方案实现的:一种实现双向光学二极管的装置，包括失谐驻波耦合场和原子汽室耦合系统；该系统包括作为耦合光光源的第一半导体激光器、顺次位于第一半导体激光器出射光路上的第一半波片和第一偏振分光棱镜；第一偏振分光棱镜的透射光路上顺次设有第一声光调制器、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设有第一格兰棱镜；第一偏振分光棱镜的反射光路上设有第一全反镜，第一全反镜的反射光路上顺次设有第二声光调制器、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设有第二格兰棱镜；所述第一、第二格兰棱镜的反射光路呈共线对射且第一、第二格兰棱镜的反射光路上设有内充碱金属原子介质的原子气室；还包括探针光系统，所述探针光系统包括作为探针光光源的第二半导体激光器，第二半导体激光器的出射光路上顺次设有第四半波片和第二偏振分光棱镜，第二偏振分光棱镜的反射光路上顺次设有第五半波片和第一透射率99%分束器；第二偏振分光棱镜的透射光路上设有第二全反镜；第二全反镜的反射光路上顺次设有第六半波片和第二透射率99%分束器；所述第一格兰棱镜和第二格兰棱镜位于第一透射率99%分束器和第二透射率99%分束器之间，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线，且第一透射率99%分束器的反射光路穿过第一格兰棱镜并与第一格兰棱镜的反射光路重合，第二透射率99%分束器的反射光路穿过第二格兰棱镜并与第二格兰棱镜的反射光路重合；还包括信号探测系统，所述信号探测系统包括位于第二透射率99%分束器反射光路反向延长线上的第一光电探测器以及位于第一透射率99%分束器反射光路反向延长线上的第二光电探测器；第一、第二光电探测器的信号输出端共同连接有数字存储示波器。
[0012]所述“失谐驻波耦合场和原子汽室耦合系统”用于构造原子介质中的折射率调制模块，探针光系统用于产生前后两束对射的探针光(探针场)，入射至原子介质中，以实现具有一定频率间隔和频率宽度的双向光学二极管功能。
[0013]进一步的，还包括泵浦光光路系统；所述泵浦光光路系统包括作为泵浦光光源的第三半导体激光器、顺次设于第三半导体激光器出射光路上的第七半波片和第三偏振分光棱镜；第三偏振分光棱镜的反射光路穿过第一 50/50分束器并与第一 50/50分束器的反射光路重合，第三偏振分光棱镜的透射光路上设有第三全反镜，第三全反镜的反射光路穿过第二 50/50分束器并与第二 50/50分束器的反射光路重合；第三全反镜与第二 50/50分束器之间设有第八半波片。
[0014]进一步的，第一半导体激光器提供波长为894.5nm、可连续调谐的耦合激光，其频率锁定在铯原子Dl线基态Fg = 4至激发态Fe = 4的能级跃迀附近，第二半导体激光器提供的也是波长为894.5nm、可连续调谐的探针激光，其频率在铯原子Dl线基态Fg = 3至激发态Fe = 4的共振中心扫描，二者与原子作用形成了三能级Λ型电磁诱导透明(EIT)能级系统，第三半导体激光器提供波长为852.3nm