2018-12-22 10:54:02
电子可编程光子分子

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具有离散能级的物理系统在本质上无处不在并且形成量子技术的基本构建块。先前已经证明人造原子样和分子状系统可以调节光,以便对光子的频率,振幅和相位进行相干和动态控制。在最近的一项研究中,Mian Zhang及其同事设计了一种具有两种不同能级的光子分子,使用可通过外部微波激发控制的耦合铌酸锂微环谐振器。光的频率和相位可以通过编程的微波信号精确地操作,使用规范的两级系统,包括Autler-Townes分裂,Stark偏移,Rabi振荡和Ramsey干涉现象。通过这种相干控制,科学家们通过将光子分子重新配置成明暗模式对,显示了按需光学存储和检索。在可编程和可扩展的电光系统中对光的动态控制将为微波信号处理,频域中的量子光子门以及探索光学计算和拓扑物理学中的概念打开大门。

结果现在发表在Nature Photonics上,张等人在那里。克服了现有的性能折衷,实现了可编程光子二级系统,可通过千兆赫微波信号动态控制。为了实现这一目标,科学家使用一对集成的铌酸锂微环谐振器创建了一个微波可寻址光子分子,这些谐振器彼此相邻(半径80μm)。低光学损耗,光波导和微波电极的有效协整的组合效果允许同时实现大的电带宽(> 30GHz),强调制效率和长光子寿命(~2ns)。

两级系统的光子模拟通常可以促进材料,电子和光学中复杂物理现象的研究。这种系统传达了重要的功能,包括独特的按需光子存储和检索,相干光频移和室温下的光量子信息处理。对于光子两级系统的动态控制,电光方法由于其快速响应,可编程性和大规模集成的可能性而非常适合。

对于两级系统的电光控制,每个能量状态的光子寿命必须长于系统从一个状态驱动到另一个状态所需的时间。迄今为止,传统的集成光子平台还不能满足同时长光子寿命和快速调制的要求。电活性光子平台(基于硅,石墨烯和其他聚合物)允许在千兆赫兹频率下进行快速电光调制,但光子寿命较短。然而,纯电调谐仍然是非常需要的,因为窄带微波信号提供了更好的控制,具有最小的噪声和可扩展性。

在他们的工作中,张等人。表明光子分子的光学传输使用电信波长激光器测量,支持一对明确定义的光学能级。通过微环谐振器之间的500nm间隙实现从一个谐振器到另一个谐振器的光的渐逝耦合,以形成两个良好分辨的光能级。科学家们研究了原子和光子两能级系统之间的类比,以证明光子分子的控制。

在实验中,来自可调谐电信波长激光器的光被发射到铌酸锂波导中,并通过一对透镜光纤从它们收集。科学家们使用任意波形发生器来操作微波控制信号,然后再将它们发送到电子放大器。在系统中观察到的微波和光场之间的有效重叠使得调谐/调制效率比先前用大容量电光系统观察到的更高。这种相干的微波到光学转换可以通过低损耗光学通信将电子量子过程和存储器连接起来,用于未来量子信息网络中的应用。

张等人。接下来使用连续波相干微波场来控制光子两级系统。在该系统中,可以填充两个级别中的每一个的光子数量不限于一个。通过控制微波信号的幅度,系统的分裂频率被精确地控制到几千兆赫兹。该效应用于控制光子分子的能级之间的有效耦合强度。研究了光子分子中的相干光谱动力学应用于光子二能级系统的各种微波强度。科学家还使用Rabi振荡和Ramsey干涉描述了系统的受控幅度和相位,同时使用光子二能级系统的Bloch球/几何表示来表示现象。

这项工作允许从外部波导控制写入和读取光进入谐振器,以实现按需光子存储和检索,这是光信号处理的关键任务。为了便于实验,张等人。施加较大的直流偏压(15 V),将双环系统重新配置成一对明暗模式。在设置中,位于第一环中的模式提供了对光波导的访问并变为光学亮(亮模式)。另一种模式位于第二环中,该第二环几何上与输入光波导分离,变为光学暗。因此,科学家通过研究中的细致实验证明了具有微波场和按需光子存储/检索的两级光子分子的相干和动态控制。这项工作开辟了一条通往光子控制新形式的道路。结果是在信号处理和量子光子学中可能立即应用的第一步。

耦合谐振器的设计参数为研究两级和多级光子系统的动态控制提供了空间,从而产生了一类新的光子技术。科学家们预计,这些研究结果将在不久的将来导致拓扑光子学,先进的光子计算概念和片上基于频率的光学量子系统的进步。

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