基于冷原子系综电磁诱导透明的光隔离器和光隔离方法

1.本发明实施例涉及光隔离器技术领域，尤其涉及一种基于冷原子系综电磁诱导透明的光隔离器和光隔离方法。


背景技术：

2.随着通信技术的高速发展，以光子为信息载体的全光通信和量子网络受到越来越广泛的关注。非互易器件作为不可或缺的元件可以有效地控制光信号的定向传输、分离相向传输的光信号。1964年，aplet等利用法拉第效应实现了磁光隔离器。通过在法拉第旋转器前后放置两个偏振相差45
°
的偏振器，就得到了最传统的磁光隔离器。2009年yu等在理论上提出利用时空折射率行波调制实现波导传输模式间单向跃迁、进而获得非互易传输的方案。2012年hafezi等首次在理论上提出了在高品质微环行波腔中利用光机械耦合实现信号光非互易传输的方案。2021年，you等利用磁子能级手性电磁诱导透明实现了非互易传输。2013年horsley等提出了移动布拉格镜的方案，利用宏观的多普勒效应实现了非互易。美国普渡大学的fan等在science上报道了利用热光自kerr非线性效应实现无源无磁光二极管的研究结果。
3.磁光材料的生长和硅基材料不兼容，并且强磁场不仅体积大且对芯片也很不利。


技术实现要素：

4.本发明实施例提供一种基于冷原子系综电磁诱导透明的光隔离器和光隔离方法，以解决现有技术中磁光材料的生长和硅基材料不兼容，强磁场体积大且对芯片也很不利的问题。
5.为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种基于冷原子系综电磁诱导透明的光隔离器，包括冷原子系综、探测光、耦合光和探测器；
6.所述冷原子系综用于基于二维磁光阱技术囚禁铷原子得到冷原子团，所述冷原子团的光学厚度为300；
7.所述探测光沿第一光轴正向、反向同时作用于所述冷原子团，所述探测光为弱相干光；
8.所述耦合光沿第二光轴正向作用于所述冷原子系综，所述耦合光为强耦合共振相干光；
9.所述探测器用于测量正向、反向传播的探测光，得到光信号波形图。
10.作为优选的，所述光隔离器包括沿第一光轴依次设置的第一偏振分束器、第一四分之一波片、第二四分之一波片和第二偏振分束器；所述第一四分之一波片和所述第二四分之一波片分别位于所述冷原子团的两侧；
11.所述第一四分之一波片和所述第二四分之一波片均用于把由正向、反向的探测光转变为圆偏振光与原子团相互作用并还原；
12.所述第一偏振分束器和所述第二偏振分束器均用于过滤掉目标偏振光子以外的
偏振噪声光子。
13.作为优选的，所述探测光的波长为795nm，频率为铷85原子5s
1/2
，f＝2能级到5p
1/2
，f＝3能级；
14.所述耦合光的波长为795nm，频率为铷85原子5s
1/2
，f＝3能级到5p
1/2
，f＝3能级。
15.作为优选的，所述冷原子团为长条形冷原子团，探测光传播方向为z轴方向，所述长条形冷原子团长轴沿z轴方向；所述第一光轴和所述第二光轴与所述z轴方向的角度范围为2.3
°
。
16.第二方面，本发明实施例提供一种根据本发明第一方面实施例所述基于冷原子系综电磁诱导透明的光隔离器的光隔离器方法，包括：
17.步骤s1、基于二维磁光阱方法囚禁铷原子得到的冷原子团，所述冷原子团的光学厚度为300，温度为200μk；
18.步骤s2、将探测光第一光轴正向、反向同时作用于所述冷原子团，将耦合光沿第二光轴正向作用于所述冷原子系综；基于电磁诱导透明效应，正向传输的探测光呈现完全透明现象，反向传输的探测光没有电磁诱导透明现象，呈完全吸收，实现光隔离。
19.作为优选的，所述步骤s1中，所述探测光的波长为795nm，频率为铷85原子5s
1/2
，f＝2能级到5p
1/2
，f＝3能级；
20.所述耦合光的波长为795nm，频率为铷85原子5s
1/2
，f＝3能级到5p
1/2
，f＝3能级。
21.作为优选的，所述冷原子团为长条形冷原子团，探测光传播方向为z轴方向，所述长条形冷原子团长轴沿z轴方向；所述第一光轴和所述第二光轴与所述z轴方向的角度范围为2.3
°
。
22.本发明实施例提供的一种基于冷原子系综电磁诱导透明的光隔离器和光隔离方法，利用二维磁光阱技术囚禁铷原子得到的大光学厚度冷原子团，温度接近多普勒冷却极限，约200μk，其光学厚度越大，光和原子系综的耦合强度越大，光隔离效果越好；将一束强共振耦合光作用于冷原子系综，发生电磁诱导透明效应，使探测光呈现完全透明现象；当探测光反向传输时，特定频率的激光与原子介质的相互作用下，光信号呈现出吸收的特性；利用电磁诱导透明效应，正向传输探测光呈现完全透明现象，反向传输没有电磁诱导透明现象，呈完全吸收，实现了光的隔离。该方法适用于多种碱金属原子体系，如：锂、钠、钾、铷、铯等。利用光与原子介质作用的半经典理论，能在任意多能级结构中在单光子水平实现光学的非互易，实现高隔离度光隔离，同时在单光子水平为光学非互易的研究提供新的研究途径；其隔离度与光学厚度呈正相关特性，在大光学厚度的原子系综下，能够实现超高隔离度的光学隔离器。
附图说明
23.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
24.图1为根据本发明实施例的基于冷原子系综电磁诱导透明的光隔离器结构示意图；
25.图2为根据本发明实施例的电磁诱导透明效应的能级结构。
具体实施方式
26.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
27.本技术实施例中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b这三种情况。
28.本技术实施例中的术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。本技术的描述中，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列部件或单元的系统、产品或设备没有限定于已列出的部件或单元，而是可选地还包括没有列出的部件或单元，或可选地还包括对于这些产品或设备固有的其它部件或单元。本技术的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
29.在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本技术的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
30.随着通信技术的高速发展，以光子为信息载体的全光通信和量子网络受到越来越广泛的关注。非互易器件作为不可或缺的元件可以有效地控制光信号的定向传输、分离相向传输的光信号；磁光材料的生长和硅基材料不兼容，并且强磁场不仅体积大且对芯片也很不利。
31.因此，本发明实施例提供一种基于冷原子系综电磁诱导透明的光隔离器和光隔离方法，本实施例的方法适用于多种碱金属原子体系，如：锂、钠、钾、铷、铯等。利用光与原子介质作用的半经典理论，能在任意原子的多能级结构中在单光子水平实现光学的非互易，实现高隔离度光隔离，同时在单光子水平为光学非互易的研究提供新的研究途径；其隔离度与光学厚度呈正相关特性，在大光学厚度的原子系综下，能够实现超高隔离度的光学隔离器。下面结合附图描述本发明实施例的一种基于冷原子系综电磁诱导透明的光隔离器和光隔离方法。
32.图1和图2为根据本发明实施例提供一种基于冷原子系综电磁诱导透明的光隔离器，包括冷原子系综1、探测光2、耦合光3和探测器7；
33.所述冷原子系综1用于基于二维磁光阱技术囚禁铷原子得到冷原子团，所述冷原子团的光学厚度为300；温度接近多普勒冷却极限，约200μk，其光学厚度越大，光和原子系综的耦合强度越大，光隔离效果越好。
34.所述探测光2沿第一光轴正向、反向同时作用于所述冷原子团，所述探测光为弱相干光；
35.所述耦合光2沿第二光轴正向作用于所述冷原子系综，所述耦合光为强耦合共振
相干光；
36.其中，耦合光入射至铷原子时，耦合跃迁产生一对修饰态跃迁，把探测光的光场跃迁一分为二，分裂后的两个探测跃迁由修饰态相干对吸收引起相消干涉，从而抑制吸收，使介质在强相干场作用下呈现完全透明现象。探测光与耦合光作用于冷原子系综1，发生电磁诱导透明效应。当探测光反向传输时，特定频率的激光与原子介质的相互作用下，光信号呈现出吸收的特性。利用电磁诱导透明效应，正向传输探测光呈现完全透明现象，反向传输的探测光没有电磁诱导透明现象，呈完全吸收，实现了光隔离。
37.所述探测器7用于测量正向、反向传播的探测光，得到光信号波形图。
38.在上述实施例的基础上，作为一种优选的实施方式，包括沿第一光轴依次设置的第一偏振分束器51、第一四分之一波片41、第二四分之一波片42和第二偏振分束器52；所述第一四分之一波片41和所述第二四分之一波片42分别位于所述冷原子团的两侧；
39.所述第一四分之一波片41和所述第二四分之一波片42均用于把由正向、反向的探测光转变为圆偏振光与原子团相互作用并还原；其后面搭配偏振分束器组合成偏振滤波结构，作用是将目标光子偏振以外的其他偏振的噪声光子过滤掉，提高信噪比。
40.所述第一偏振分束器51和所述第二偏振分束器52均用于过滤掉目标偏振光子以外的偏振噪声光子，搭配四分之一波片，便组合成偏振滤波结构，起偏振滤波作用，作用是过滤掉目标光子偏振以外的其他偏振的噪声光子，提高信噪比。
41.在上述实施例的基础上，作为一种优选的实施方式，波长为795nm，频率为铷85原子5s
1/2
，f＝3能级到5p
1/2
，f＝3的强耦合光在冷原子系综1且与z轴成小角度入射后，强耦合光场入射至铷原子时，耦合跃迁产生一对修饰态跃迁，把探测场跃迁一分为二，分裂后的两个探测跃迁由修饰态相干对吸收引起相消干涉，从而抑制吸收，使介质在强相干场作用下呈现完全透明现象。
42.如图2所示，是基于冷原子系综1，利用电磁诱导透明效应的能级结构，其中5s
1/2
，f＝3、5p
1/2
，f＝3和5s
1/2
，f＝3能级在强耦合光的作用下构成∧型三能级电磁诱导透明模型。将一束强耦合光作用到原子团上，并且共振耦合5s
1/2
，f＝3能级到5p
1/2
，f＝3能级，构建电磁诱导透明通道。
43.本实施例中，当正向传输时，偏振为σ-强耦合光作用原子团，为偏振为σ-的探测光构建了完全透明通道；当反向传输时，偏振为σ-强耦合光作用原子团，无法为偏振为σ+的探测光构建了完全透明通道，呈现了完全吸收效果，吸收的强度取决于原子团光学厚度，原子团光学厚度越大，光隔离效果越好。
44.在上述实施例的基础上，作为一种优选的实施方式，所述冷原子团为长条形冷原子团，探测光传播方向为z轴方向，所述长条形冷原子团长轴沿z轴方向；所述第一光轴和所述第二光轴与所述z轴方向的角度范围为2.3
°
。
45.本发明实施例还提供一种根据上述实施例所述基于冷原子系综电磁诱导透明的光隔离器的光隔离方法，该定时设置方法也可应用于上述基于冷原子系综电磁诱导透明的光隔离器中，如图2中所示，该定时设置方法包括：
46.步骤s1、基于二维磁光阱方法囚禁铷原子得到的冷原子团，所述冷原子团的光学厚度为300，温度为200μk；波长为795nm，频率为铷85原子5s
1/2
，f＝3能级到5p
1/2
，f＝3的强耦合光在冷原子系综1且与z轴成小角度入射后，强耦合光场入射至铷原子时，耦合跃迁产
生一对修饰态跃迁，把探测场跃迁一分为二，分裂后的两个探测跃迁由修饰态相干对吸收引起相消干涉，从而抑制吸收，使介质在强相干场作用下呈现完全透明现象。
47.步骤s2、将探测光第一光轴正向、反向同时作用于所述冷原子团，将耦合光沿第二光轴正向作用于所述冷原子系综；基于电磁诱导透明效应，正向传输的探测光呈现完全透明现象，反向传输的探测光没有电磁诱导透明现象，呈完全吸收，实现光隔离。
48.综上所述，本发明实施例提供的一种基于冷原子系综电磁诱导透明的光隔离器和光隔离方法，适用于多种碱金属原子体系，如：锂、钠、钾、铷、铯等，利用二维磁光阱技术囚禁铷原子得到的大光学厚度冷原子团，温度接近多普勒冷却极限，约200μk，其光学厚度越大，光和原子系综的耦合强度越大，光隔离效果越好；将一束强共振耦合光作用于冷原子系综，发生电磁诱导透明效应，使探测光呈现完全透明现象；当探测光反向传输时，特定频率的激光与原子介质的相互作用下，光信号呈现出吸收的特性；利用电磁诱导透明效应，正向传输探测光呈现完全透明现象，反向传输没有电磁诱导透明现象，呈完全吸收，实现了光的隔离。利用光与原子介质作用的半经典理论，能在任意多能级结构中在单光子水平实现光学的非互易，实现高隔离度光隔离，同时在单光子水平为光学非互易的研究提供新的研究途径；其隔离度与光学厚度呈正相关特性，在大光学厚度的原子系综下，能够实现超高隔离度的光学隔离器。
49.在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用软件实现时，可以全部或部分地以计算机程序产品的形式实现。所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载和执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本技术所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线)或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输。所述计算机可读存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，dvd)、或者半导体介质(例如固态硬盘solid statedisk)等。
50.本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，该流程可以由计算机程序来指令相关的硬件完成，该程序可存储于计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法实施例的流程。而前述的存储介质包括：rom或随机存储记忆体ram、磁碟或者光盘等各种可存储程序代码的介质。
51.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

技术特征：
1.一种基于冷原子系综电磁诱导透明的光隔离器，其特征在于，包括冷原子系综、探测光、耦合光和探测器；所述冷原子系综用于基于二维磁光阱技术囚禁铷原子得到冷原子团，所述冷原子团的光学厚度为300；所述探测光沿第一光轴正向、反向同时作用于所述冷原子团，所述探测光为弱相干光；所述耦合光沿第二光轴正向作用于所述冷原子系综，所述耦合光为强耦合共振相干光；所述探测器用于测量正向、反向传播的探测光，得到光信号波形图。2.根据权利要求1所述的基于冷原子系综电磁诱导透明的光隔离器，其特征在于，包括沿第一光轴依次设置的第一偏振分束器、第一四分之一波片、第二四分之一波片和第二偏振分束器；所述第一四分之一波片和所述第二四分之一波片分别位于所述冷原子团的两侧；所述第一四分之一波片和所述第二四分之一波片均用于把正向、反向的探测光转变为圆偏振光与原子团相互作用并还原；所述第一偏振分束器和所述第二偏振分束器均用于过滤掉目标偏振光子以外的偏振噪声光子。3.根据权利要求1所述的基于冷原子系综电磁诱导透明的光隔离器，其特征在于，所述探测光的波长为795nm，频率为铷85原子5s
1/2
，f＝2能级到5p
1/2
，f＝3能级；所述耦合光的波长为795nm，频率为铷85原子5s
1/2
，f＝3能级到5p
1/2
，f＝3能级。4.根据权利要求1所述的基于冷原子系综电磁诱导透明的光隔离器，其特征在于，所述冷原子团为长条形冷原子团，探测光传播方向为z轴方向，所述长条形冷原子团长轴沿z轴方向；所述第一光轴和所述第二光轴与所述z轴方向的角度范围为2.3
°
。5.一种基于冷原子系综电磁诱导透明的光隔离方法，其特征在于，包括：步骤s1、基于二维磁光阱方法囚禁铷原子得到的冷原子团，所述冷原子团的光学厚度为300，温度为200μk；步骤s2、将探测光第一光轴正向、反向同时作用于所述冷原子团，将耦合光沿第二光轴正向作用于所述冷原子系综；基于电磁诱导透明效应，正向传输的探测光呈现完全透明现象，反向传输的探测光没有电磁诱导透明现象，呈完全吸收，实现光隔离。6.根据权利要求5所述的基于冷原子系综电磁诱导透明的光隔离方法，其特征在于，所述探测光的波长为795nm，频率为铷85原子5s
1/2
，f＝2能级到5p
1/2
，f＝3能级；所述耦合光的波长为795nm，频率为铷85原子5s
1/2
，f＝3能级到5p
1/2
，f＝3能级。7.根据权利要求5所述的基于冷原子系综电磁诱导透明的光隔离方法，其特征在于，所述冷原子团为长条形冷原子团，探测光传播方向为z轴方向，所述长条形冷原子团长轴沿z轴方向；所述第一光轴和所述第二光轴与所述z轴方向的角度范围为2.3
°
。

技术总结
本发明实施例提供一种基于冷原子系综电磁诱导透明的光隔离器和光隔离方法，方法适用于多种碱金属原子体系，如：锂、钠、钾、铷、铯等。以下以铷85原子体系为例，介绍本发明的方案。利用二维磁光阱技术囚禁铷原子得到的大光学厚度冷原子团，其光学厚度越大，光和原子系综的耦合强度越大，光隔离效果越好；将一束强共振耦合光作用于冷原子系综，发生电磁诱导透明效应；当探测光反向传输时，激光与原子介质的相互作用下，光信号呈现出吸收的特性；利用电磁诱导透明效应，正向传输探测光呈现完全透明现象，反向传输呈完全吸收，实现了光的隔离。其隔离度与光学厚度呈正相关特性，在大光学厚度的原子系综下，能够实现超高隔离度的光学隔离器。器。器。


技术研发人员：黄培生 李建锋 王云飞 温永立 彭雨晴 钟艺 颜辉
受保护的技术使用者：华南师范大学
技术研发日：2023.02.24
技术公布日：2023/7/21