基于微纳光纤的新型波长转换技术及其物理机制研究

All-optical wavelength conversion is an important way for obtaining new light sources, and is widely applied in many fields such as fiber communications, quantum-information processing, single-photon detection, and biological-medical measurements, etc. Considering the limitations of the current nonlinear light-frequency-conversion technology, in this project we present a new mechanism based on microfiber. Via instantaneous tuning of the refractive index of the microfiber resonant cavity, the wavelengths of the photons localized inside the cavity can be adiabatically converted. In this project, we theoretically and experimentally investigate the features and physical mechanism of the single-/multi-wavelength conversion, trying to find the rules of the adiabatic wavelength conversion under the excitations of different pump power and pump time, designing high-performance single-/multi-wavelength conversion system based on microfiber. The achievements of this project will not only be helpful to gain a deeper insight into the physical mechanism of this new-type wavelength-conversion method, but also be significant to promote the development of the all-optical wavelength-conversion technology.

全光波长转换是获取新光源的重要手段，在光纤通信、量子信息处理、单光子探测、生物医疗诊断等领域具有极为广泛的应用前景。本项目针对现有的非线性波长转换技术的局限性，提出了一种基于微纳光纤的新型波长转换技术，通过对微纳光纤谐振腔材料折射率的瞬态调制，使得局域于腔内的光子实现绝热波长转换。本项目从理论上和实验上对微纳光纤环形谐振腔中的单波长/多波长绝热转换特性及其物理机制进行研究，探讨脉冲控制光在不同泵浦功率及泵浦时间下对腔内绝热波长转换的作用规律，设计出具有较高转换效率的微纳光纤单波长/多波长绝热转换系统。本项目的研究不仅有助于加深对这种新型绝热波长转换技术深层物理机制的理解，而且对于推动全光波长转换技术的发展具有重要的意义。

全光波长转换是获取新光源的重要手段，在光纤通信、量子信息处理、单光子探测、生物医疗诊断等领域具有极为广泛的应用前景。本项目针对现有的非线性波长转换技术的局限性，提出了一种基于高Q值微腔的新型波长转换技术，借助高Q值微腔对局域于腔内的泵浦光的多重反射所导致的周期性瞬态相移效应，将谐振腔模激励并耦合出来，以实现极低功率下的全光波长转换。本项目从理论上和仿真实验上对高Q值微腔中的单波长/多波长转换特性及其物理机制进行研究，探讨在光与微腔的相互作用下腔内光子成分的时域及频域演化规律，设计出具有较高转换效率和较大转换带宽的全光波长转换系统。所取得的重要成果包括：(1) 建立和完善了连续光激励下的多模时域耦合模理论及多模谐振理论，提出了一种基于高Q值光子微腔的新型多波长转换机制，并对这种新机制进行了理论阐述,证实了利用高Q值微腔对局域于腔内的泵浦光的多重反射所导致的周期性瞬态相移效应，将谐振腔模激励并耦合出来，从而实现极低功率下的全光波长转换； (2) 设计出高Q值、较大工作带宽的全光多波长转换系统，其波长转换范围超过200nm，而转换效率接近100%，并且无需使用非线性光学材料和相位匹配技术，应用前景将十分广泛；(3) 进一步利用该理论对腔量子电动力学中近来报道的新奇实验现象--非谐振腔模激发效应（例如Nature, 445:896,2007）的物理机制进行了阐释，指出该现象可能源于高Q值微腔对局域于腔内的泵浦光的多重反射所导致的周期性瞬态相移效应； (4) 此外，在非互易光传输的物理机制方面，提出通过对级联Fano微腔内多稳态间光子跃迁的精确控制,在较宽的工作带宽内（超过2nm,是现已报道的其他Fano型光二极管的近百倍）实现信号光的单向高透过率（大于80%）以及较高的正反向传输对比度（超过20dB）。这些研究成果在光计算、全光通信等领域具有广泛的应用前景。本项目的研究不仅有助于加深对基于高Q值微腔的新型波长转换技术深层物理机制的理解，而且对于推动全光波长转换技术的发展具有重要的意义。