全光網絡通信，具有抗干擾性強、容量大、傳輸效率高等優(yōu)點，已成為下一代通信系統(tǒng)的重要組成方式。作為全光網絡核心基礎，全光調控技術已被研究人員廣泛關注。目前，全光調控技術主要有非線性光柵，非線性耦合器，非線性放大器等。

　　在原子介質中引入量子相干效應為深入研究光與原子的相互作用開辟新的途徑，這為研究全光調控技術帶來了新的啟示。量子相干效應會產生許多新奇有趣的現(xiàn)象，如電磁感應透明(EIT)、相干布局俘獲、無反轉激光等。在Λ 型三能級原子EIT系統(tǒng)中，用駐波代替耦合場的行波可形成電磁感應光柵 (EIG) 效應。

　　與傳統(tǒng)光柵相比，EIG 可以主動實時調控光場，能夠同時實現(xiàn)振幅和相位的調制，可應用在量子全光開關等方面。

　　然而，EIG獲得的衍射效率相對較小。為了提高衍射效率，研究人員提出了電磁感應相位光柵(EIPG)，其一階衍射效率接近理想正弦相位光柵。盡管如此，EIPG的高階衍射效率還是相對較小，探測場的能量并沒有得到很好的放大。

　　創(chuàng)新研究

　　山西大學董雅賓副教授課題組在N型四能級原子系統(tǒng)[圖1(a)]中，發(fā)現(xiàn)了近共振增益光柵(NRGG)效應。當只有振幅調制時，在調制場和耦合場的共同作用下，衍射光被放大為探測場強度的4倍，并且主要集中在零階衍射方向。加入相位調制后，更多的能量將轉移到高階衍射方向，尤其是一階衍射效率可達95%[圖1(b)]。

　　圖1(a)N型四能級原子系統(tǒng)的能級結構;(b)沒有(虛線)和有(實線)相位調制下衍射強度隨sinθ 的變化

　　通常情況下，當光場的頻率與原子的躍遷頻率相同，即共振時，介質可看成一個吸收體，對光場強吸收。課題組研究發(fā)現(xiàn)，當光場處于近共振時，隨著調制場能量(Ωm)的改變，原子介質可以在吸收介質和增益介質之間連續(xù)變換。圖2(a)中被放大的曲線部分表示原子介質是增益介質，其他部分表示原子介質是吸收介質。

　　此外，對于一階、二階和三階衍射光來說，此過程中調制場存在閾值[圖2(b)]。當調制場的強度小于閾值時，幾乎沒有衍射光;當調制場的強度大于閾值時，各階衍射光的強度都會急劇增加。

　　圖2(a)探測場的虛部隨調制場拉比頻率的變化;(b)探測場的高階衍射強度隨x的變化

從圖1和圖2可以看出，利用NRGG效應可以實現(xiàn)全光開關和全光放大以及向高階方向衍射的功能。

　　之后，課題組具體研究了調制場和耦合場的能量(分別用Ωm和Ωc表示)對探測場衍射效率的影響(圖3)。從圖中可以看到，要想使能量往高階方向移動，需要將調制場的能量控制在0.28γ 到0.37γ 之間，同時增大耦合場的能量。

　　圖3 高階衍射強度隨Ωc和Ωm的變化。(a)一階衍射強度;(b)二階衍射強度;(c)三階衍射強度

　　最后，課題組研究了探測場和調制場的頻率失諧(分別用 ¤p和¤m 表示)對探測場衍射效率的影響(圖4)。在探測場和調制場近共振時，獲得了比正弦光柵衍射極限高2倍左右的衍射效率。

　　圖4 高階衍射強度隨¤p和¤m的變化。(a)一階衍射強度;(b)二階衍射強度;(c)三階衍射強度

　　總結與展望

　　研究結果表明，利用近共振增益光柵效應可以實現(xiàn)全光信息放大，在全光開關、全光路由、全光邏輯門等實際應用中具有重要的意義，有望應用于全光調控技術中。

　　全光調控作為網絡通信的重要基礎技術，它的應用和發(fā)展決定了通信網絡未來的前進方向。課題組未來將進一步在實驗中進行驗證，期望發(fā)現(xiàn)更多新的應用。

參考文獻： 中國光學期刊網

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