弱光水平下非互易光孤子的传输特性及其应用研究

Nonreciprocal propagation of light and nonreciprocal optical devices such as optical isolator and circulator play important role in all-optical network and quantum information processing. In this proposal, we will study dynamics and applications of nonreciprocal optical solitons with low light levels in multilevel quantum systems. Via constructing nonreciprocal quantum systems, we will explore effective mechanisims to produce strong optical nonlinearty of nonreciprocity under low light levels, so that nonreciprocal optical solitons of weaklight can be generated with low loss and high controllability in such quantum systems. We will also investigate control of the bandwidth of nonreciprocity and the propagation contrast of the optical solitons, and further propose schemes to realize optical soliton isolators and circulators with wide-band, low loss and high contrast at low light levels.

在全光网络、量子信息处理等方面，光场的非互易传输和光隔离器、循环器等非互易器件至关重要。本项目拟开展多能级量子系统中弱光水平下的非互易光孤子动力学及其在光学非互易器件方面应用的研究。通过构建非互易性的量子系统，探讨在弱光水平下产生强非互易光学非线性的有效机制，实现低损耗、可操控的非互易光孤子传输。探索在弱光水平下调控非互易光孤子带宽和传输对比度的机理，寻求弱光水平下的宽带、低损耗、高对比度的光孤子隔离器、循环器等非互易光学器件的合理方案。

无磁光学非互易和非互易光学器件如光隔离器、光循环器等在光网络、光信息处理等领域有重要的应用，也是近年来量子光学和非线性光学领域的研究热点。本项目开展了原子系统及半导体量子点等纳米结构材料中的无磁光学非互易传输的理论和实验研究，主要在热原子中光非互易传输的新机理、基于非线性效应的光非互易传输、光隔离器和光循环器等非互易光学器件应用等方面取得了一定的研究进展。已完成的主要工作包括：在热原子系统中，基于光泵浦和V型原子系统提出并实验上实现了多波长可调的光非互易传输和光隔离器方案、利用简单的二能级系统实现了灵活可调的光场非互易传输、在N型四能级原子系统中实现了宽带的光非互易传输等；利用光学非线性效应，实现无磁无源的光隔离器和基于光学双稳态的光非互易传输；提出基于手性量子耦合的光隔离器和光循环器方案；利用原子系统的跃迁选择实现无磁单向偏振旋转和光隔离器；等等.项目研究成果已在国内外重要研究刊物上发表SCI收录论文15篇，其中包括知名物理学和光学刊物Physical Review Applied/A 3篇，Applied Physics Letters 1篇，Optics Express 1篇，Quantum Information Processing 1篇，Journal of Physics D/Condensed Matter 2篇，Optics Communications 2篇等等，顺利完成了既定的学术论文研究目标。项目成果自发表以来，也引起了国内外同行的关注和引用，尽管发表时间不长，但至今已有国内外同行他人引用58次。