基于白光腔的光学功能器件的设计与研究

White light cavity is a new kind of resonator, in which wide band frequencies are resonant simultaneously. The Q factor is on longer inverse proportional to the FWHM. Based on its special character, we will study and design two kinds of optical devices. The first is the short-pulse laser based on white light cavity. According to the Fourier transform, the frequency and time is the amount of a pair of conjugate.If a short pulse obtained in the time domain, it inevitably requires a wide spectrum. Therefore,it is physically feasible to achieve short pulse laser by using white light cavity. The second is the full-optical switcher possessing low operating power and short switch time simultaneously. The useful optical switcher requires both the lower operating power and short switch time. However, these two requirements can not be fitted simutaneously. The reason is that the operating power is inversed to Q factor, while the operating time is proportional to FWHM. Though the combination of white light cavity can deal with such dilemma. Our project is promising in application of photonics and full-optical switcher.

白光腔是一种新型的谐振腔，这种腔的显著特性在于其能对很宽的频带实现共振，腔的品质因子和半高带宽不再是此消彼长的关系。利用其特殊的性质，我们将研究和设计两种基于白光腔的新型光学功能器件。第一个器件是基于白光腔的短脉冲激光器。根据傅里叶变换，频率和时间是一对共轭量，如果要在时域上形成短脉冲，必然要求很宽的频谱。而白光腔具有宽频共振特性，从而能够实现短脉冲激光器。第二个器件是小功率超快环共振器全光开关。全光开关的实用化需要低的操作功率和短的开关时间，但一般情况这两个条件不能同时满足。对于通常的双耦合共振环全光开关，操作功率与腔的Q值成反比，但开关时间与半高带宽成正比。将共振环内设计为白光腔使其既具有高Q值又具有低的半高带宽，从而可以克服这一困难。我们的研究对光子学和光开关的实用化有积极的促进作用。

近年来，由于量子物理在应用领域的迅速发展，光子作为信息载体在量子信息、量子通信以及量子检测等方面承载着重要的作用。量子纠缠和量子相干态是量子信息处理的重要物理资源。因此，选择合适的物理系统有效实现光子可控以及量子纠缠与量子相干操作一直以来都是一个至关重要的研究课题。腔光耦合系统作为人工受限量子系统在单光子操控、量子纠缠态操作、量子相干性保持以及光子器件设计等方面具有一定的优势。项目围绕腔-光相互作用系统，分别研究了基于电磁诱导透明的光子阻塞增强与调控、单光子路由器、非互易的单光子频率转换器等腔-原子耦合系统的物理问题，基于非简并光学参量器件实现量子纠缠态的制备、操作及量子通信方案的研究，以及由单模腔与无穷自由度热库组成的多层环境中N量子比特态的量子纠缠动力学问题研究。在白光腔研究中发现在腔内引入反常色散物质使单个共振峰变宽，由于不引入额外损耗，Q因子保持不变。而超短脉冲激光器的工作原理是很多分离周期的共振频率参与形成的, 超短脉冲脉宽倒数决定谱宽。由原子引入反常色散带宽比较窄, 白光腔一般只使单个共振峰变宽，不可能使很多纵模同时变宽。项目研究了在腔QED系统中三能级原子和单模腔的强耦合，在泵浦光和控制光的驱动条件下，通过控制光单光子共振、失谐以及光强变化，得到了腔场和原子相互作用所导致的系统缀饰态能级结构的改变对腔场量子特性的影响规律；在双腔和原子复合系统以及V型三能级系统与两个波导手性耦合系统研究中，通过控制耦合因子的相位差以及经典光场Rabi频率和入射光子频率，揭示了相位操控的单光子路由器和非互易的单光子频率转换器实现机理；通过非简并光学参量器件设计，得到了纠缠光束量子特性可控的方案，并提出了利用可调热态光场与双模纠缠态的量子通信方案，以及揭示了单模腔-热库量子系统的纠缠态演化的动力学规律。项目研究在基于腔光耦合系统的光子器件设计与量子纠缠态制备与操作等方面具有一定的理论参考意义。