以新奇的光學電晶體控制光的流動

Controlling the flow of light with a novel optical transistor
http://www.physorg.com/news/2010-11-optical-transistor.html

November 11, 2010

在一篇出現在 11/11 當期 Science 期刊中的文章裡，EPFL 與 Max Planck Institute of Quantum Optics 的研究者宣佈發現一種耦合光子與機械振動（mechanical vibrations，力學振動）的方法，那在電信與量子資訊科技中具有眾多應用。

控制與調變光的流動在今日基於長途電信的社會中不可或缺。Tobias Kippenberg 教授及其在 EPFL 光電與量子測量實驗室的團隊已發現一種將光與振動耦合的新奇方法。利用這項發現，他們打造出一種裝置，在其中，有道光束通過一個光學微共振器（optical microresonator）可受第二道、更強的光束控制。該裝置就像一個光學電晶體，其中一道光束能影響另一道光束的強度。

他們的光學微共振器有二種特性：首先，它在微小的玻璃結構中將光陷住，將光束引導至一個圓形模板（circular pattern）。其次，此結構如同酒杯，會在明確的頻率下振動。因為此結構如此微小（人類頭髮直徑的一小部份），所以這些頻率比酒杯的振動要高出 10,000 倍以上。當光被注入這個裝置後，光子會施加一種稱為輻射壓的力量，那由共振器大幅強化。增加的壓力使共振腔變形（deforms），使光耦合至機械振動。若用了二種光束，則二道雷射與機械振動的交互作用形成某種光學「交換（switch）」：較強的「控制（control）」雷射可開啟或關閉較弱的「探測（probe）」雷射，這猶如電子的電晶體一樣。

"我們知道此效應在理論上可行已超過二年了，" Max-Planck 研究所科學家 Albert Schliesser 解釋，但證明它是件難事。"一旦我們我們知道該看哪裡，它就會在那裡，" EPFL 博士生 Stefan Weis 表示，該論文其中一位第一作者。資深 EPFL 科學家 Samuel Deleglise 提到，"理論與實驗之間的契合著實令人驚訝。"

這種新奇效應，被封為「光力學誘發透明（optomechanically-induced transparency，OMIT）」，其應用能提供全新功能給光電學。輻射到振動（Radiation-to-vibration）轉換已廣泛使用；例如，在手機當中，一接受器將電磁輻射轉換成機械振動，讓訊號能有效地被過濾。不過光不可能做到這種轉換。利用一種基於 OMIT 的裝置，光學光場將首度能被轉換成機械振動。因而能在長途通訊中開啟廣泛的可能性。例如，能設計出新奇的光學緩衝器，那能夠儲存光資訊達數秒鐘。

在一更基礎的層次上，世界各地的研究者都在試圖尋找在量子層次上控制光力學系統（optomechanical systems）的方法：這種由 EPFL-Max Planck 團隊所證明的可交換耦合，能幫助社群清除這種障礙，在混合量子系統中充當一種重要的界面。

※ 相關報導：

＊ Optomechanically Induced Transparency
http://www.sciencemag.org/content/330/6010/1520.abstract

Stefan Weis, Remi Riviere, Samuel Deleglise, Emanuel Gavartin,
Olivier Arcizet, Albert Schliesser and Tobias J. Kippenberg
Science 10 December 2010: Vol. 330 no. 6010 pp. 1520-1523
doi: 10.1126/science.1195596

Electromagnetically induced transparency is a quantum interference effect observed in atoms and molecules, in which the optical response of an atomic medium is controlled by an electromagnetic field. We demonstrated a form of induced transparency enabled by radiation-pressure coupling of an optical and a mechanical mode. A control optical beam tuned to a sideband transition of a micro-optomechanical system leads to destructive interference for the excitation of an intracavity probe field, inducing a tunable transparency window for the probe beam. Optomechanically induced transparency may be used for slowing and on-chip storage of light pulses via microfabricated optomechanical arrays.

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