腔量子系統(tǒng)中的高階邊帶和光傳輸特性研究.pdf

1、光子在信息傳輸方面的巨大優(yōu)勢使其在信息處理、采集、控制方面有著非常重要和廣泛的應(yīng)用。特別是在激光問世之后，光通信迅速發(fā)展并取得了很多突破性的成果。由光學(xué)諧振腔組建的系統(tǒng)，可以把光束縛在極小的空間內(nèi)，從而能增大光強(qiáng)和光-物質(zhì)相互作用強(qiáng)度。在這種系統(tǒng)中可以進(jìn)行單光子級別的光信息傳遞和轉(zhuǎn)換的研究，因此諧振腔組建的系統(tǒng)在構(gòu)建光信息器件方面有著巨大的優(yōu)勢。構(gòu)造簡單但功能多樣的腔量子電動力學(xué)（QED）系統(tǒng)和光機(jī)械系統(tǒng)，是近些年的國際研究熱點(diǎn)，在量子

2、信息和量子網(wǎng)絡(luò)方面有著重要應(yīng)用。本文以腔QED和光機(jī)械系統(tǒng)為研究平臺，探討了其中的非線性效應(yīng)和光信息傳輸過程。主要內(nèi)容包括：
　　一、我們提出了利用量子點(diǎn)和高階邊帶進(jìn)行光子轉(zhuǎn)換和信息處理的理論方案。在支持偏振方向相互正交的兩個(gè)光模的光子晶體腔中，通過巧妙放置量子點(diǎn)（人造原子）的位置，使其同時(shí)和兩個(gè)腔模產(chǎn)生耦合。在由兩束連續(xù)光組成的外場的驅(qū)動下，量子點(diǎn)與腔模的耦合會產(chǎn)生有效的強(qiáng)三階非線性，致使系統(tǒng)中發(fā)生拉曼散射和四波混頻，從而產(chǎn)生高

3、階邊帶，最終使輸出光譜呈現(xiàn)出等間距的光梳分布。量子點(diǎn)作為媒介，承載著兩個(gè)腔模之間的能量轉(zhuǎn)換，使得信息可以在光模和量子點(diǎn)中進(jìn)行有效的轉(zhuǎn)移和轉(zhuǎn)換。因此盡管只有一個(gè)光模被驅(qū)動，但是未被驅(qū)動的光模也有高階邊帶的產(chǎn)生。我們探討了高階邊帶的產(chǎn)生原理和邊帶在兩個(gè)光模之間的轉(zhuǎn)化效率，以及系統(tǒng)各參數(shù)對該轉(zhuǎn)化效率的影響。方案的實(shí)驗(yàn)可行性和相關(guān)物理機(jī)制在文中也有詳盡闡述。我們構(gòu)建的這個(gè)系統(tǒng)具有操控不同頻率模式下的光子相互之間轉(zhuǎn)化的能力，在經(jīng)典通信系統(tǒng)和集成量

4、子網(wǎng)絡(luò)中都有廣泛的潛在應(yīng)用。
　　二、我們提出了結(jié)合宇稱-時(shí)間反演（PT）對稱理論的高階邊帶增強(qiáng)方案。PT對稱概念最初是在數(shù)學(xué)上被提出的，它完善了量子力學(xué)關(guān)于非厄米哈密頓量的理論。引入了增益和衰減構(gòu)建的PT對稱光學(xué)系統(tǒng)為人們探究光-物質(zhì)相互作用提供了新的平臺。這里，我們研究了由一個(gè)含非線性介質(zhì)的衰減腔和一個(gè)增益空腔構(gòu)成的PT對稱系統(tǒng)的線性和非線性的光傳輸效應(yīng)。通過調(diào)節(jié)雙腔耦合強(qiáng)度，可以控制系統(tǒng)參數(shù)處于PT對稱區(qū)域或者對稱性破缺區(qū)域

5、。通過理論推導(dǎo)和數(shù)值模擬研究發(fā)現(xiàn)，PT對稱系統(tǒng)中的低階和高階的邊帶產(chǎn)生效率均被大大增強(qiáng)，尤其是在PT對稱破缺點(diǎn)附近。這種增強(qiáng)效應(yīng)實(shí)質(zhì)上源于PT對稱系統(tǒng)中的非線性增強(qiáng)，我們從理論推導(dǎo)出發(fā)，對其物理圖像進(jìn)行了詳細(xì)的闡述。我們的研究提供了在弱驅(qū)動和弱非線性下獲得強(qiáng)高階邊帶的途徑，有利于光頻梳和芯片光通信的發(fā)展。
　　三、我們提出了增強(qiáng)光機(jī)械系統(tǒng)非互易性效應(yīng)的方案。該方案中，我們結(jié)合了PT對稱概念和光機(jī)械系統(tǒng)，研究了這個(gè)組合系統(tǒng)的光傳輸效