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Abstract
Northwestern Polytechnical University, School of Physical Science and Technology, MOE Key Laboratory of Material Physics and Chemistry under Extraordinary Conditions, Key Laboratory of Light-Field Manipulation and Information Acquisition, Ministry of Industry and Information Technology, Shaanxi Key Laboratory of Optical Information Technology, Xi’an, China
Optical cavities play crucial roles in enhanced light–matter interaction, light control, and optical communications, but their dimensions are limited by the material property and operating wavelength. Ultrathin planar cavities are urgently in demand for large-area and integrated optical devices. However, extremely reducing the planar cavity dimension is a critical challenge, especially at telecommunication wavelengths. Herein, we demonstrate a type of ultrathin cavities based on large-area grown Bi2Te3 topological insulator (TI) nanofilms, which present distinct optical resonance in the near-infrared region. The result shows that the Bi2Te3 TI material presents ultrahigh refractive indices of >6 at telecommunication wavelengths. The cavity thickness can approach 1/20 of the resonance wavelength, superior to those of planar cavities based on conventional Si and Ge high refractive index materials. Moreover, we observed an analog of the electromagnetically induced transparency (EIT) effect at telecommunication wavelengths by depositing the cavity on a photonic crystal. The EIT-like behavior is derived from the destructive interference coupling between the nanocavity resonance and Tamm plasmons. The spectral response depends on the nanocavity thickness, whose adjustment enables the generation of obvious Fano resonance. The experiments agree well with the simulations. This work will open a new door for ultrathin cavities and applications of TI materials in light control and devices.
topological insulator optical nanocavity photonic crystal electromagnetically induced transparency-like effect Advanced Photonics
2024, 6(3): 036001
1 量子光学与光量子器件国家重点实验室 山西大学光电研究所 山西 太原 030006
2 山西大学 极端光学协同创新中心 山西 太原 030006
本文理论分析和实验测量研究了微波相位噪声对里德堡原子天线微波混频信号的影响。通过研究微波混频信号的相位噪声项,建立在信号场中加入相位噪声后微波混频信号强度变化的理论模拟图。实验基于室温铯原子气室中里德堡原子电磁感应透明光谱,实现里德堡原子|64S1/2?→|64P1/2?态的电偶极跃迁,得到频率13.806 057 GHz与13.806 000 GHz的微波场混频信号。同时,对混频信号强度的参数依赖关系进行研究。经实验发现,基于里德堡原子天线微波混频信号强度与参考场的功率有关,优化功率参数条件下,参考场可以实现约20dB的混频信号增强;当参考场调控里德堡原子达到微波混频效率最大时,在信号场中加入相位噪声,会导致混频信号强度的显著降低。
里德堡原子天线 相位噪声 微波混频信号 电磁感应透明 Rydberg atomic antenna Phase noise The microwave mixing signal Electromagnetically Induced Transparency 量子光学学报
2023, 29(2): 020501
光子学报
2023, 52(10): 1052408
1 兰州交通大学电子与信息工程学院，甘肃 兰州 730070
2 兰州交通大学光电技术与智能控制教育部重点实验室，甘肃 兰州 730070
近年来，电磁诱导透明（EIT）效应得到了广泛的研究，特别是对其群延迟的动态可调谐在光通信领域有良好的应用前景。提出了一种一维光子晶体纳米梁腔辅助微环谐振腔的动态可调谐电磁诱导透明系统。在该系统中引入了石墨烯，通过改变石墨烯的费米能级实现了对类电磁诱导透明的开关调控和群延迟的动态调谐。此外，在改变纳米梁腔与微环谐振腔的耦合距离和微环谐振腔的半径时，实现了对EIT窗口“关—开—关”的调控。采用三能级原子系统解释了类EIT效应的物理机制，采用三维时域有限差分法对该结构进行仿真，并分析了该结构的传感特性和延迟特性，仿真结果表明，灵敏度为614.4 nm/RIU、品质因数为370.8、群延迟为7.1 ps、群指数高达895。该系统为光开关、传感器和慢光器件的研发提供了一种可行方案。
电磁诱导透明效应 纳米梁腔 微环谐振器 石墨烯 集成光学 光学学报
2023, 43(22): 2223003
安徽理工大学力学与光电物理学院，安徽 淮南 232001
腔光力系统的反电磁诱导透明（IEIT）现象越来越多地受到研究者的广泛关注。所谓的IEIT现象发生在非线性系统中，在1个控制场和2个探测场的共同驱动下，腔内的机械振子对2个探测场的能量进行完全吸收，而不发生透射和反射现象。提出一个多模腔光力系统，该系统由2个机械振子和1个光学谐振腔构成，由1个控制场和2个探测场所驱动。通过控制该系统中有效的光力耦合速率（由腔场功率决定）、2个机械振子与腔光子耦合强度之间的比值，该腔光力系统出现了IEIT现象。此外，进一步解决了能量驻留的问题，发现在2个振子的作用下，系统的耦合效果得到显著增强。通过调节腔场的功率和机械振子与腔的耦合关系，该系统可以实现滤波、能量分配调节，此研究可能适用于量子通信和能量储存等领域。
反电磁诱导透明 非线性系统 腔光力系统 量子通信 光学学报
2023, 43(22): 2226001
1 重庆邮电大学光电工程学院，重庆 400065
2 重庆邮电大学光电信息感测与传输技术重庆市重点实验室博士后科研工作站，重庆 400065
3 重庆邮电大学高等研究院，重庆 400065
4 苏州科技大学物理科学与技术学院，江苏 苏州 215009
具有非对称电磁响应特性的单向类电磁诱导透明效应（EIT-like）是超材料领域重要的研究课题之一，然而目前缺少可动态切换的单向EIT-like实现手段。基于此，提出一种利用二端口的微带谐振腔与两个开口谐振环之间的耦合作用构造单向EIT-like的方法，只有特定端口能够激发出EIT-like效应，其非对称反射系数对比度达到98.7%。在此基础上，结合可调的复合左右手传输线，对微带谐振腔与开口谐振环间的耦合情况进行动态调控，从而改变单向EIT-like的激发端口，实现了激发端口可电切换的单向EIT-like，推动EIT-like在光学存储、光调制、传感等方面的应用。
类电磁诱导透明 复合左右手传输线 微带谐振腔 开口谐振环 单向反射 光学学报
2023, 43(21): 2119001
1 湘潭大学物理与光电工程学院，湖南 湘潭 411105
2 广东工业大学机电工程学院，广东 广州 510006
构建了由一束弱探测光和两束强控制光耦合到“三明治”型量子阱的能级之间形成N型四能级非对称双量子阱电磁诱导透明（EIT）介质模型，并研究了弱探测光在体系的线性吸收和非线性传播性质。结果表明，当两束控制光均开启后，体系的线性吸收特征曲线呈现出双EIT窗口。有趣的是，无论两束控制光的光强是否相等，所形成的双EIT窗口都呈对称分布。对于非线性情况，仅考虑低阶效应时体系所形成的光孤子并不能稳定地传播而是呈衰减状态；只有计及高阶效应时体系所形成的光孤子才能长距离稳定地传播，且光孤子可通过关闭和开启控制光进行存储和读取。同时还发现，体系所存取的光孤子幅度能通过控制光的光强进行调节。当保持第一控制光的光强不变时，所存取光孤子的幅度随着第二控制光光强的增大而增加；当保持第二控制光的光强不变时，所存取光孤子的幅度随着第一控制光光强的增大而降低。
非线性光学 光孤子的存储与读取 电磁诱导透明 半导体量子阱 光学学报
2023, 43(19): 1919001
1 安徽理工大学电气与信息工程学院，安徽 淮南 232001
2 枣庄学院光电工程学院，山东 枣庄 277160
提出一种由石墨烯和金属铝构成的复合结构的太赫兹超表面生物传感器。超表面由金属铝结构形成类电磁诱导透明谐振，并在铝结构表面通过湿法转移一层石墨烯。通过对石墨烯掺杂蚕丝蛋白来改变石墨烯费米能级，从而改变传感器透射光谱的振幅。实验结果表明，该传感器的检测极限可以达到0.35 ng/mL。利用石墨烯狄拉克点的电磁波调控特性和耦合模型对传感器的工作原理进行分析。在生物医学领域，该生物传感器为微量蛋白的高灵敏检测提供了一种方法。
太赫兹 石墨烯 生物传感器 类电磁诱导透明谐振 激光与光电子学进展
2023, 60(15): 1517001
国防科技大学 信息通信学院，湖北 武汉 430033
里德堡原子是一种高激发态的原子，具有较大电偶极矩，相邻能级差可覆盖DC~THz的超宽频谱范围，因而可以实现电磁场高灵敏、超宽带的传感接收。基于里德堡原子的无线电光学测量是通过碱金属原子在探测光和控制光等两束激光的精确调控下转变为里德堡原子，并使探测光透射光谱产生电磁诱导透明效应，进而在输入的无线电信号的作用下，使其透明光谱发生Autler-Townes (AT)劈裂，完成无线电信号到光学信号的转化，从而实现无线电信号频率、幅度、相位等信息的提取，具有直接解调、无需校准、抗电磁毁伤等特点。近年来，该技术在电场计量、电磁频谱侦测、通信、雷达等电子信息技术领域引起人们的强烈关注。该技术的关键在于如何从原子系统输出光谱中快速准确地提取出无线电信号的信息。针对静态无线电信号、动态无线电信号、单频无线电信号、多频无线电信号等不同类型的无线电信号，对应的信息提取和光谱处理方式也不同。依据不同类型的无线电信号，对基于里德堡原子的无线电光学测量及其光谱处理技术进行分类，并综述其原理、技术特点及国内外研究进展，最后结合该技术特点及其应用前景，对未来发展趋势作了展望。
里德堡原子 电磁诱导透明 无线电 光学测量 光谱处理 Rydberg atoms electromagnetically induced transparency radio optical measurement spectrum processing 红外与激光工程
2023, 52(6): 20230264
1 广西师范大学物理科学与技术学院，广西 桂林 541004
2 东北师范大学量子科学中心，吉林 长春 130024
提出一种基于非相干泵浦辅助的非厄密电磁诱导光栅的理论方案，其中物理系统由具有三能级Lambda型结构的超冷原子系综与非相干泵浦场组成。该方案仅通过单重空间周期调制便可获得光学宇称-时间对称和宇称-时间反对称等非厄密光学对称性。通过对探测光束透过该系统的远场衍射特性的研究发现：首先，通过非相干泵浦速率与控制光束失谐的操控可以实现不同非厄密光学对称性的切换；其次，在光学深度不变的前提下，可以通过非相干泵浦场对系统的衍射效率进行有效调制，从而引入全新的操控自由度；此外，控制光束失谐的相位可以有效操控系统的衍射对称性及衍射模式。该理论研究结果可以促进非厄密光学与散射型全光器件的研究与开发，并应用于量子光学与量子信息处理等领域。
衍射与光栅 电磁诱导透明 非厄密光学 非相干泵浦 衍射光栅 非对称衍射 光学学报
2023, 43(13): 1305002
