纳米光子学全光开关研究进展

全光开关是全光网络和数字光信息处理的基本器件,该器件主要基于非线性光学原理．自激光发明以来,对该器件的研究已历时半个世纪．虽然全光开关的基础研究十分活跃,研究成果丰硕,但是至今尚未做出实用器件．文章分析了全光开关面临的困难,指出只有在极小的时空条件下,也就是采用飞秒激光驱动的纳米尺寸器件,才有可能研制出低开关功率、高开关速度、低插入损耗的实用的全光开关器件．文章简要介绍了近10年来纳米全光开关的研究成果,包括纳米尺寸干涉仪开关（空间开关）、量子限制光双稳触发器（时间开关）、半导体光放大器的波长转换器（波长开关）、光子晶体带隙移动开关和表面等离子体激元开关（强度开关）等5类16种典型的纳米全光开关器件．     

低功耗非线性光纤光栅全光开关

全光开关是未来全光通信和光计算机的关键器件.已经研究过的全光开关的种类很多,其中光纤光栅全光开关最容易与光纤系统匹配.文章首先陈述两种基于普通石英光纤的单光栅全光开关,即光纤布拉格光栅(FBG)全光开关和长周期光纤光栅(LPFG)全光开关,这两种低非线性的光开关要求千瓦量级的高开关功率,故不宜应用;然后重点介绍两种高非线性的光纤光栅全光开关,它们分别由单个高非线性FBG和用高非线性光纤连接的LPFG对构成.文章所介绍的非线性光纤材料是以掺稀土石英光纤为例.这两种高非线性的光纤光栅全光开关具有毫瓦量级的低开关功率,有可能获得实际应用.     

有源光子带隙高速全光开关的研究

研究了一种新颖的基于非共振光学斯塔克效应的有源光子带隙全光偏振开关的理论模型,模拟了在抽运光作用下全光开关有源光子带隙的反射谱的变化情况;反射式全光偏振开关的对比度随延迟时间和抽运功率密度的变化以及插入损耗随延迟时间的变化;周期无序和折射率测量误差对光子禁带的影响.由于超辐射模的快速辐射衰减,在非共振抽运脉冲通过后,材料光谱特性将迅速恢复,可形成太赫兹的开关;并且材料的光子禁带对激子共振频率的变化非常敏感,使得光开关控制光能量比普通多量子阱光开关的小很多.     

基于二维非线性光子晶体的全光开关特性

为获得一个优化的全光开关结构,在光子晶体90°弯曲波导的基础上,进一步改进光子晶体结构,并在其中加入克尔型非线性介质柱,得到了非线性光子晶体全光开关结构。通过时域有限差分(FDTD)法数值分析表明,该开关结构能够实现的带宽大约为50nm,消光比大于40dB,阈值功率密度约为5.2W/μm。同时,该结构还可以实现基本的逻辑功能。     

自聚焦材料弧形全光开关的研究

应用光束传播法,比较基于自聚焦和自散焦材料的全光波导开关的开关特性,指出基于自聚焦材料的全光开关具有较低开关功率、数值化多次开关特性等优越性,并对波导参数进行了全面的优化设计。     

基于非线性偏振旋转效应的半导体光放大器级联式高速全光开关

根据级联半导体光放大器(SOA)的偏振主态对准(PSP)与邦加球相关性之间的关系,研究了多级SOA级联式系统的偏振主态对准方法。提出了基于非线性偏振旋转效应(NPR)的多级SOA级联式全光开关结构。实际搭建出两级SOA级联式全光开关实验系统,并以幅值为6 m W的方波控制光对50μW信号光实现了全光开关操作,开关速度达到200 ps,优于传统的电光开关,并存在较大的提升空间。工作波段位于1510~1570 nm,插损为3.62 d B,功耗为12 m W。开关速度快、插损小、功耗低并与光纤通信系统兼容性好。该全光开关的研制成功,将有助于推动全光开关和全光网络技术的发展,以及光计算和全光信号处理等领域的技术进步。     

基于表面等离激元的金属波导全光开关设计

利用金属表面等离激元(SPP)对光波的束缚和局域增强作用,设计了一种基于金属-电介质-金属波导布拉格光栅的全光开关。根据波导的电介质材料及其结构对有效折射率的调制作用,确定了开关各结构组成部分的材料和尺寸。通过引入金属波导滤波结构对抽运光和信号光进行了有效地分离,防止了抽运光对信号光及后续光路的干扰。使用时域有限差分算法(FDTD)对开关性能进行仿真,结果表明:新设计的全光开关在抽运光的光强为50 MW/cm2时其消光比达到7.32 d B,开关响应时间小于2 ps,结构的横向尺寸约为400 nm。     

基于自相位调制和交叉相位调制的全光开关特性研究

提出一种优化含有掺铒光纤放大器的非线性Sagnac干涉仪全光开关的新方法,建立了基于自相位调制和交叉相位调制两种解析模型,讨论了掺铒光纤放大器的小信号增益和饱和输出功率对开关性能的影响.分析表明掺铒光纤放大器的性能参量对开关所需要的Sagnac环中光子晶体光纤长度产生限制.当采用相同长度的光子晶体光纤时,基于交叉相位调制方式的全光开关与基于自相位调制方式的全光开关相比能够显著降低开关功率.采用分布傅里叶法数值求解非线性薛定谔方程,优化了开关结构,讨论了重复频率为40 GHz脉宽为5 ps的高斯型信号脉冲在开关时沿Sagnac环的传输特性.模拟结果表明,通过合理选择高非线性光子晶体光纤长度和掺铒光纤放大器的性能参量能够实现超低开关功率（＜1 mW）的开关操作.     

激发态质子转移分子2-(2'-羟基苯基)苯并噻唑溶液的全光开关效应

研究了激发态质子转移(ESPT)分子2-(2'-羟基苯基)苯并噻唑(HBT)在不同极性溶剂中的光开关行为,探讨了溶剂极性对HBT分子光开光效应的影响.揭示了光开关脉冲信号的形成原因,建立了基于光诱导HBT分子激发态非线性折射效应的皮秒全光开关的理论模型.根据对时间响应函数的理论计算和实验结果分析,确定了光开关脉冲信号下降前沿和上升后沿的形成机理以及影响因素,并提出了增强光开关信号下降前沿的关断深度,提升上升后沿的恢复速度的有效途径和方法.本文工作为制成皮秒量级关断,微秒甚至纳秒量级重新打开的快速全光开关器 关键词： 全光开关 2-(2'-羟基苯基)苯并噻唑(HBT) 激发态质子转移 非线性光学特性     

基于激发态吸收的C60分子全光开关特性研究

用５３２．０ｎｍ的脉冲Ｎｄ：ＹＡＧ激光作为泵浦光，７４７．０ｎｍ的连续半导体激光作为探测光，在Ｃ₆₀甲苯溶液中，利用Ｃ₆₀分子的三重态－三重态非线性吸收效应，获得Ｃ₆₀分子的全光开关和全光调制特性，并用速率方程进行了动力学数值模拟，得到与实验相一致的结果。 关键词：     

Silicon Photonics Rectangular Universal Interferometer

Universal multiport photonic interferometers that can implement any arbitrary unitary transformation between input and output optical modes are essential to support advanced optical functions. Integrated versions of these components can be implemented by means of either a fixed triangular or a fixed rectangular arrangement of the same components. We propose the implementation of a fixed rectangular universal interferometer using a reconfigurable hexagonal waveguide mesh circuit. A suitable adaptation synthesis algorithm tailored to this mesh configuration is provided and the experimental demonstration of a rectangular multiport interferometer by means of a fabricated silicon photonics chip is reported. The 7‐hexagonal cell chip can implement 2 × 2, 3 × 3 and 4 × 4 arbitrary unitary transformations. The proposed hexagonal waveguide mesh operates in a similar way as a Field Programmable Gate Array (FPGA) in electronics. We believe that this work represents an important step‐forward towards fully programmable and integrable multiport interferometers.     

非线性光学与光学教学

在简要介绍非线性光学的基础上说明非线性光学不仅是强光光学。在低功率激光、非相干光下,仍存在丰富多彩的非线性光学现象。因此在有关的光学课程中应改进其非线性光学部分的教学。     

Quantum noise limits to terabaud communications

From a general model of fiber optics, we investigate the physical limits of soliton-based terabaud communication systems. In particular we consider Raman and initial quantum noise effects which are often neglected in fiber communications. Simulations of the position diffusion in dark and bright solitons show that these effects become increasingly important at short pulse durations, even over kilometer-scale distances. We also obtain an approximate analytic theory in agreement with numerical simulations, which shows that the Raman effects exceed the Gordon-Haus jitter for sub-picosecond pulses.     

Atomic spectroscopy and quantum optics in hollow‐core waveguides

Atomic spectroscopy is a well‐established, integral part of the physicist's toolbox with an extremely broad range of applications ranging from astronomy to single atom quantum optics. While highly desirable, miniaturization of atomic spectroscopy techniques on the chip scale was hampered by the apparent incompatibility of conventional solid‐state integrated optics and gaseous media. Here, the state of the art of atomic spectroscopy in hollow‐core optical waveguides is reviewed The two main approaches to confining light in low index atomic vapors are described: hollow‐core photonic crystal fiber (HC‐PCF) and planar antiresonant reflecting optical waveguides (ARROWs). Waveguide design, fabrication, and characterization are reviewed along with the current performance as compact atomic spectroscopy devices. The article specifically focuses on the realization of quantum interference effects in alkali atoms which may enable radically new optical devices based on low‐level nonlinear interactions on the single photon level for frequency standards and quantum communication systems.     

多层共轭自适应光学系统中等晕角的计算

介绍了多层共轭自适应光学(MCAO)系统的基本原理及其对提高自适应光学系统的等晕角的作用。介绍了用计算机模拟计算MCAO等晕角所用的数值方法,并给出了相应的算法。计算了在传统的自适应光学系统中的等晕角的大小以及采用多层共轭技术的自适应光学系统的等晕角的大小,并对二者进行了比较,说明了多层共轭自适应光学系统相对于传统的自适应光学系统在提高系统的等晕角方面的优越性。结果表明,在MCAO中,变形镜的个数越多其等晕角越大。     

HMO in geometrical optics

ＨＭＯｉｎｇｅｏｍｅｔｒｉｃａｌｏｐｔｉｃｓ￥ＧＵＯＨｏｎｇ；ＬＩＮＴａｏ；ＷＡＮＧＧａｎｇ；ＺＨＡＮＧＹｕａｎｓｈｅｎｇ；ＤＥＮＧＸｉｍｉｎｇ（１．ＮａｆｉｏｎａｌＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｎＨｉｇｈＰｏｗｅｒＬａｓｅｒａｎｄＰｈｙｓｉｃｓ，Ｓｈａｎｇ...     

Parallel generation of 31 tripartite entangled states based on optical frequency combs

Quantum entangled states, especially those having particular properties, are key resources for quantum information and quantum computation. In this paper, we put forward a new scheme to produce 31 continuous–variable(CV) tripartite entanglement fields based on three optical frequency combs via cascade nonlinear processes in an optical parametric cavity,and investigate the spectral characteristics of three frequency combs. The center wavelengths of the three combs are designed as 852 nm, 780 nm(atomic transition lines), and 1550 nm(fiber communication wavelength). The positivity under partial transposition(PPT) criterion, which is sufficient and necessary, is used to evaluate the entanglement in each group of comb lines. This scheme is experimentally feasible and valuable for constructing quantum information networks in future.     

衍射光学二维激光扫描器设计制作研究

提出、设计并采用激光直写和反应离子刻蚀技术制作出一种新型的衍射光学纯相位型二维激光扫描器,并进行了系统参数的实验测试,其扫描角度为２５°×２５°,衍射效率为４１％。     

四孔径衍射屏在近场形成的光强分布及拓扑荷

利用基尔霍夫衍射理论计算模拟了四圆孔径衍射屏在菲涅耳深区形成的衍射光场的强度、零值线和相位的分布,发现衍射光场亮斑关于中心呈对称分布,在距离衍射屏较近的观察面上,光强值为零的点组成光强零值线段,该线段上光强等值线的离心率都接近或等于1,其两侧的光强值变化非常剧烈。复振幅的实部和虚部零值线多为封闭的曲线,零值线交叉点的个数为偶数,并且正负相位奇异点的个数相等。特殊相位奇异点周围的相位不仅呈对称分布,而且该点的拓扑荷的值近似为零。随着光波的传播,在不同的观察面上光强零值线段逐渐变短,最终趋于一点。     

Influence of the counter-rotating terms on the squeezing and rabi oscillations in the Jaynes-Cummings model

Summary The significant influence of the counter-rotating terms on the squeezing and collapse (revival) phenomena in the Jaynes-Cummings model is pointed out. Numerical results for the time evolution of the atomic population inversion, and atomic and field squeezing parameters for different initial fields (coherent and squeezed) are presented. The author of this paper has agreed to not receive the proofs for correction.