Fabry-Perot腔與光學參量放大復合系統中實現可調諧的非常規光子阻塞*

李宏 張斯淇 郭明 李美萱 宋立軍?

1)(吉林工程技術師范學院量子信息技術交叉學科研究院,長春 130052)

2)(吉林省量子信息技術工程實驗室,長春 130052)

1 引 言

單光子源在量子光學領域至關重要,理想的單光子源在量子信息和量子通信領域意義重大.1997年,Imamoglu等[1]首次提出光子阻塞的概念,光子阻塞效應是實現單光子源的方法之一.2010年,Liew和Savona[2]在弱Kerr非線性條件下仍獲得強的反聚束效應,首次提出非常規光子阻塞的概念.近年來,腔光力系統在理論和實驗上都取得了快速的發展[3-7],為量子現象和光學效應研究提供了新途徑,尤其在非線性方面為光子阻塞機制實現單光子源奠定了基礎.Birnbaum等[8]首次在腔量子電動力學(quantum electro-dynamics,QED)系統中成功觀測到光子阻塞效應以來,人們分別在耦合空腔陣列[9,10]、一維光波導[11]、量子腔耦合系統[12]、光學系統[13-22]和電路QED系統[23]中觀測到光子阻塞現象.在實現非常規光子阻塞方面同樣進展迅速,如耦合單量子點腔系統[24]、有損雙模納米諧振腔系統[25,26]、三階非線性耦合的單模腔[11,15,27]、二階非線性耦合腔[10,28]、高斯壓縮態[29]和耦合光機械系統[30]等均觀測到了非常規光子阻塞現象.2018年,Wicz等[31]利用非互易量子光學首次揭示了依賴方向的光子阻塞效應.同年,石海泉等[32]在多模光力系統中研究了非傳統聲子阻塞效應.

本文研究基于包含簡并光學參量放大(optical parametric amplifier,OPA)的Fabry-Perot腔內實現非常規光子阻塞的可能性.盡管相關系統與內容已經有人研究,但本文包含復合型驅動強度的相位,并解析給出包含此相位的最優化條件.通過數值模擬,驗證了優化條件的有效性.研究發現復合型驅動的相位對非常規光子阻塞效應有著顯著的影響.

2 物理模型

考慮典型的光力系統：在Fabry-Perot腔中包含簡并的OPA裝置,如圖1(a)所示,系統的哈密頓量可以寫為[33]

其中a(a?)是 光模的降(升)算符,ωa是腔場的共振頻率,ωl是驅動激光頻率,?eiφ是復合型驅動強度,G是OPA的非線性增益,θ是外場驅動OPA的相位.

假設驅動強度?非常小,通過U=exp[iωlta?a]旋轉變換,有效哈密頓量變為

其中Δa=ωa-ωl表示腔的失諧量.在下面的研究中,主要探索相位φ對光子阻塞的影響.

圖1 (a)用激光抽運OPA,在腔內產生參量放大的腔結構示意圖;(b)量子干涉系統的躍遷路徑Fig.1.(a)Schematic diagram of the cavity setup with an OPA which is pumped by a laser to produce parametric amplification in the cavity;(b)transition paths of the system for quantum interference.

用等時二階關聯函數分析光子阻塞效應,其表達式如下：

二階關聯函數g(2)(0)＞1 表示光子存在聚束效應,會極大提高腔內雙光子存在的概率,反之g(2)(0)＜1表示光子存在反聚束效應,會有效抑制腔內雙光子存在的概率.如果二階關聯函數g(2)(0)!0,表示系統處于完全光子阻塞機制下,腔內同時出現兩個光子的概率趨近于零.

考慮到系統的耗散,系統動力學演化過程可以由如下主方程描述：

其中κ表示腔的耗散率.通過數值求解主方程得到穩態解

3 數值結果

圖2 等時二階關聯函數g(2)(0)隨OPA非線性增益G的變化?/κ=0.01,θ=-0.0341π,Δa=1Fig.2.Variation curves of the zero-time-delay second-order correlation functiong(2)(0)with the nonlinear gainGof the OPA.Other parameters are?/κ=0.01,θ=-0.0341π,Δa=1.

圖3 等時二階關聯函數 l g[g(2)(0)]數值結果隨OPA非線 性 增 益G和 相 位θ的 等 高 線 圖?/κ=0.01,Δa=1,φ=0.5radFig.3.C[ontour p]lot of the second-order correlation functions l gg(2)(0)vs.the nonlinear gainGof the OPA and phaseθ.Other parameters are?/κ=0.01,Δa=1,φ=0.5rad.

本文所有計算結果都是基于弱驅動條件,令?/κ=0.01,數值模擬結果如圖2和圖3所示.為方便起見,將耗散率κ歸一化.在圖2中,展示了關聯函數數值計算結果隨相位φ和G的變化,結果表明對于不同的G存在光子反聚束效應.相位φ分別取0.5,0.8和1.2 rad,數值結果表明φ=0.5rad時對應優化的強反聚束效應.為了[得到對應]反聚束效應的優化參數,圖3展示了 l gg(2)(0)隨OPA非線性增益G和相位θ的等高線圖,其他參數為φ=0.5rad,Δa=1 .由圖3可見,在一小區域內g(2)(0) 1,這區域內選定參數可實現強的反聚束效應.

4 光子阻塞最優條件

系統演化過程用Fock態表示,假設初始時刻處在j0i態 上,系統含時演化的態jΨi為

其中Cm(m=0,1,2)表示量子態的概率幅,通過求解薛定諤方程可得到Cm,考慮到系統的耗散情況,此時薛定諤方程為

有效非厄米哈密頓量

通過對系數耦合方程組的求解,可以得到穩態解.當態j2i等于0時,系統可達到完全光子阻塞效應,在此條件下可以解出光子阻塞的最優化條件.因此,在(9)式中,令C2=0,在弱驅動條件下,方程(9)中第一個式子總是近似滿足,所以只需考慮最后兩個方程進行計算：

為了保證C0和C1有非奇異解,可解析給出優化條件

和

其中“opt”表示G和θ的優化解.值得一提的是,這些條件取決于腔失諧、驅動激光振幅和復合驅動強度的相位.由于最優條件與驅動OPA的抽運場參數相對應,所以這些參數可以通過調節OPA抽運場來控制.當最優條件(11)和(12)式同時滿足時,可獲得較強的反聚束效應.

把方程(6)代入方程(3),在弱耦合條件下,態的概率幅滿足C0C1C2,此時得到等時二階關聯函數

在弱抽運極限下,基態布居數近似為1,其他能級布居數微乎其微,可忽略不計,在這種情況下,方程(9)變為

求解(14)式得到

通過數值求解方程(3)模擬了 l g[g(2)(0)]隨外場驅動OPA的相位θ和復合型驅動相位φ變化的等高線圖,結果如圖4所示.其中G滿足(11)式,即G=Gopt.其中紅色虛線由(11)式畫出,研究發現非常規光子阻塞發生的地方正好是[G取最]優值的地方.同樣地,在圖5中,模擬了 l gg(2)(0)隨非線性增益G和復合型驅動相位φ變化的等高線圖,其中θ滿足(12)式,即θ=θopt.其中紅色虛線部分由(12)式畫出,發現非常規光子阻塞發生的地方正好是θ取最優值的地方.由此可知,光子的統計性質可以通過改變復合型驅動強度的相位φ、OPA的非線性增益G和外場驅動OPA的相位θ來調節.系統的躍遷路徑如圖1(b)所示,雙光子激發共有2條躍遷路徑,一條是由驅動場激發從j0i態到j1i態,然后從j1i態 再到j2i態;另一條是 OPA作用直接從j0i態 到j2i態.當滿足阻塞優化條件時,這兩條路徑上的光子發生量子干涉相消,干涉的結果為光子不能占據j2i態,所以發生強反聚束效應,即產生光子阻塞效應.

圖4 等時二 階 關聯函數 l g[g(2)(0)]數 值結果隨 相 位 θ 和φ的等高線圖 ? /κ=0.01,Δa=1,G=GoptFig.4.C[ontour p]l ot of the second-order correlation functions l gg(2)(0)vs.the phase θ and φ .Other parameters are ? /κ=0.01,Δa=1,G=Gopt.

圖5 等時二階關聯函數lg[g(2)(0)]數值結果隨OPA非線性增益G和相位φ變化的等高線圖?/κ=0.01,Δa=1,G=GoptFig.5.C[ontour p]lot of the second-order correlation functions l gg(2)(0)vs.the nonlinear gain of the optical parametric amplifier G and phase φ .Other parameters are?/κ=0.01,Δa=1,G=Gopt.

在圖6中,分別數值模擬了二階關聯函數g(2)(0)隨 非線性增益 G 和相位 θ 的變化.圖6(a)為模擬得到的 g(2)(0)隨 G 的變化曲線,藍色實線是由數值求解方程(3)得到的,紅色菱形是由(13)和(15)式得到的解析結果,其中 θ=θopt和 φ=0.5rad;圖6(b)為模擬得到的 g(2)(0)隨 θ 的變化曲線,藍色實線是由數值求解方程(3)得到的,紅色圓形是由(13)和(15)式得到的解析結果,其中 G=Gopt和φ=0.5rad.可以看出數值模擬與解析結果相符合,說明了解析結果的正確性.

5 結 論

圖6 (a)二階關聯函數 g (2)(0)隨OPA非線性增益 G 的變化,其中藍色實線由數值求解方程(3)得出,紅色菱形由(13)和(15)式解析得出;其他參數為Δa=1,?/κ=0.01,φ=0.5rad,θ=θopt;(b)二階 關 聯 函數 g (2)(0)隨 相位 θ 的變化,藍色實線由數值求解方程(3)得出,紅色圓形由(13)和(15)式解析得出;其他參數為Δa=1,?/κ=0.01,φ=0.5rad,G=GoptFig.6.(a)The second-order correlation functionsg(2)(0)vs.the nonlinear gain of the optical parametric amplifier G;the blue solid line indicates the numerical results by numerically solving Eq.(3)and the red diamond corresponds to the analytical results of Eq.(13)and Eq.(15);other parameters are Δa=1,?/κ=0.01,φ=0.5rad,θ=θopt;(b)the second-order correlation functions g (2)(0)vs.the phase θ;the blue solid line indicates the numerical results by numerically solving Eq.(3)and the red diamond corresponds to the analytical results of Eq.(13)and Eq.(15).Other parameters areΔa=1,?/κ=0.01,φ=0.5rad,G=Gopt.

本文研究了在Fabry-Perot腔和OPA復合系統中實現非常規光子阻塞效應,給出了光子阻塞出現的最優化條件.研究發現,可以通過調整復合驅動強度中的相位來實現光子反聚束效應.本文考慮了弱驅動和弱非線性條件,通過選擇最優解,從數值和解析兩方面論證了系統的強反聚束現象,發現數值模擬與解析結果是一致的.本研究為精確控制光子阻塞提供了方案,并為制備優良單光子源提供了理論基礎.