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光纤中可控制慢光的研究 摘要 光纤中控制光的传播速度甚至将光“停 下来，在全光通讯和光 信息处理中具有重要意义。目前的光纤通信系统中，存在着较多的光 一电、电一光转换过程，给光纤通信系统带来诸多不利因素。为了充分 利用光纤通讯的带宽优势，人们一直梦想着能够实现全光通信技术。 缺少实用的光路由器是全光通信发展的一个瓶颈。而其关键部件 全光缓存器尚没有实用的技术途径。实现光缓存的办法之一就是 用光学的手段来控制光速。这就是研究光纤中的快慢光技术的目的一 研制一种全光存储器或是高精度的光学可控延迟线，以解决全光通 讯中光交换光路由的问题。此外，快慢光现象的研究还可以应用在 光信息处理和光存储等方面。 本文对光纤中光速减慢技术( “慢光 技术) ，特别是基于受激布 里渊放大的慢光技术进行了理论和实验上的研究。 本文首次提出了一科- 可以增强布里渊慢光缓存器延迟性能的高 功率布里渊放大器。泵浦和信号的功率之比如果越高会带来更高增 益，而信号的延迟时间同增益成正比，所以也会带来好的延迟性能。 高功率布里渊放大器利用较短的光纤长度提高了布里渊闽值，从而增 加了可用的泵浦功率，所以可以提高泵浦和信号的功率比。由于增益 饱和是布里渊慢光缓存器性能的主要限制之一，本文着重研究了这一 特征参数。同时还测量了其延迟性能，噪声指数等特征。此外，还分 析了高功率布里渊放大器的性能对其慢光缓存器应用的影响。结果表 明，对输入功率3 6 d b m 的信号，相对于低功率布里渊放大器，通过 使用高功率布里渊放大器，延迟时间可以增强超过2 4 n s 。 本文对布里渊慢光进行了深入的理论分析，推导了基于布里渊放 大的慢光缓存器的存储能力的公式，并通过数值模拟给出了其最大能 存储的比特数及获得最佳存储比特数的相应的比特率。首次从物理机 理上解释了目前所有的基于s b s 的慢光实验其延迟量都没有超过1 个比特的原因。 全光缓存器的宽带应用是发展趋势。通过调制泵浦增加泵谱光谱 宽度可以实现宽带布里渊放大。我们针对宽带布里渊慢光缓存器在不 同泵浦带宽( 或增益带宽) 的情形进行了详细的理论分析。结果表明， 对r z 码，其存储能力局限在1 2 比特左右。此结果是窄带情形的2 倍多。 本文还研究了基于光纤环形共振腔的慢光现象，详细分析了其各 种特性。着重分析了其振幅损耗系数对系统延迟和色散性能的影响。 结果表明，环内有增益时，且与振幅耦合比乘积为1 时会出现延迟和 色散突变等新现象。 关键词：受激布里渊散射，布里渊放大器，共振腔，光缓存器，延迟 线，慢光，全光通信 s t u d yo nc o n t r o l l a b l es l o 、v l i g h t p h e n o m e n o ni na no p t i c a lf i b e r a b s t r a c t i t i sas i g n i f i c a n tt e c h n i q u et oc o n t r o lt h es p e e do fl i g h ti na no p t i c a l f i b e rf o rt h ei n f o r m a t i o np r o c e s s i n ga n dt h ea l lo p t i c a lc o m m u n i c a t i o n s y s t e m s i nt h e p r e s e n t c o m m u n i c a t i o n s y s t e m s ，o p t i c e l e c t r i c c o n v e r t i o n sa r en e e d e di nm a n yp l a c e s ，w h i c hw i l lb r i n gu n f a v o r a b l e f a c t o r st ot h es y s t e m s ，s u c ha si n c r e a s et h es y s t e mc o m p l e x i t ya n dr e d u c e t h es i g n a lq u a l i t y s u c hs y s t e mi sn o tf i tf o rh i g hs p e e da p p l i c a t i o n t o a d d r e s st h ep r o b l e m ，m e nh a v e b e e n d r e a m i n g o ft h e c o m i n g o f a l l o p t i c a lc o m m u n i c a t i o nf o rm a n yy e a r s t u n a b l eo p t i c a lb u f f e r s ( t o b ) a r ek e yc o m p o n e n t si nf u t u r ea l l o p t i c a l r o u t e r s ( a o r ) t h el a c ko ff e a s i b l ea o r i saw e l l k n o w nb o t t l e n e c ko f d e v e l o p i n ga l l - o p t i c a lc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k t or e a l i z et h et o b ，o n e n e e d st oo p t i c a l l yc o n t r o lt h eg r o u pv e l o c i t yo fl i g h t i n v e s t i g a t i o no f s l o w l i g h tt e c h n i q u ea i m sa tr e a l i z i n gc o n t r o l l a b l eo p t i c a ld e l a y o ro p t i c a l b u f f e rw i t hh i g hp r e c i s i o n i na d d i t i o n ，s l o wl i g h tt e c h n i q u ec a na l s ob e a p p l i e d t oi n f o r m a t i o np r o c e s s i n ga n do p t i c a ls t o r a g e w eh a v es t u d i e dt h es l o w l i g h tt e c h n i q u e ，i np a r t i c u l a rt h es l o w l i g h t t e c h n i q u e t h a tb a s e do ns t i m u l a t e db r i l l o u i n a m p l i f i c a t i o n b o t h t h e o r e t i c a l l ya n de x p e r i m e n t a l l y w ef i r s tp r o p o s e da n dd e m o n s t r a t e dac o n t r o l l a b l eo p t i c a lb u f f e rb a s e d o nah i 曲p o w e rb r i l l o u i na m p l i f i e r a ne x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o ni s p e r f o r m e do ft h ec h a r a c t e r i s t i c s ，g a i n ，g a i ns a t u r a t i o na n dn o i s ef i g u r e ( n f ) o fah i g h p o w e rf i b e rb r i l l o u i na m p l i f i e r ( f b a ) f o rt h er e q u i r e m e n t o fs l o w l i g h tb u f f e ra p p l i c a t i o n a m o n gt h e s ef e a t u r e s ，g a i ns a t u r a t i o ni s h i g h l i g h t e db e c a u s e i ti saf u n d a m e n t a ll i m i t a t i o nf o rf b ab a s e d s l o w l i g h tb u f f e r a na n a l y s i so nh o wt h ep e r f o r m a n c eo ft h eh i g hp o w e r f b aa f f e c t sf b ab a s e db u f f e ri sp r e s e n t e d t h er e s u l t ss h o wt h a tf o ra 一30 d b mi n p u ts i g n a l ，u pt oa r o u n d2 0 n sd e l a ye n h a n c e m e n tc a nb e o b t a i n e db yu s i n gh i g h p o w e rf b a u pt on o w , i na l le x p e r i m e n t so fs b ss l o wl i g h t ，n op u b l i cr e p o r t sh a v e e v i d e n t l ys h o w n t h a tt h ed e l a yt i m ee x c e e d e do n eb i tp e r i o d t h ep h y s i c s o r i g i no ft h i sl i m i t a t i o nh a sn o tb e e nc l a r i f i e d w e ，t a k i n gi n t oa c c o u n t p u l s eb r o a d e n i n g ，p r o p o s e dad e t a i l e da n a l y s i so nt h eb u f f e ra b i l i t yo f s l o w l i g h tb u f f e r sb a s e do nt h ef b a o u ra n a l y s i ss h o w st h a tf o r c o n t i n u o u sw a v e ( c w ) o rq u a s i c wp u m pt h em a x i m u m s t o r a g eb i t si s d o m i n a t e db yt h ea v a i l a b l en e tg a i n ，w h i c hi sl i m i t e db yb o t ht h e s a t u r a t i o n g a i n a n d p u l s eb r o a d e n i n g f o rb i ts t r e a m si n o p t i c a l c o m m u n i c a t i o ns y s t e m s w es h o wt h er e a ls t o r a g ec a p a c i t yo fs bsb a s e d s l o wl i g h tb u f f e ri sa r o u n do n eb i t ( o 5f o rr zd a t aa n d1f o rn r z d a t a ) f o rc wo rq u a s i c wp u m p d e t a i l e da n a l y s i ss h o w st h a tf o rp u l s e s e q u e n c ew i t hg i v e np e a kp o w e r , t h eo p t i m u m d a t ab i tr a t et oa c h i e v et h e b e s ts t o r a g ec a p a c i t yc a nb eo b t a i n e db yu s i n go u rm e t h o d b r o a d b a n da p p l i c a t i o no fa l l o p t i c a lb u f f e r si sad e v e l o p i n gt r e n df o r h i g hs p e e dc o m m u n i c a t i o nr e q u i r e m e n t s 。t h es t o r a g ep e r f o r m a n c eo f b r o a d b a n db r i l l o u i ns l o w l i g h tb u f f e ri ss t i l lu n k n o w nu n t i ln o w w e p r o p o s eat h e o r e t i c a la n a l y s i so fb r o a d b a n dt u n a b l eb r i l l o u i ns l o wl i g h t w i t hv a r i a b l ep u m pb a n d w i d t h i ti ss h o w nt h a tt h es t o r a g ec a p a c i t yi s a r o u n d1 2b i tf o rd a t ao fr zc o d e t h ev a l u ei st w i c ea sw eo b t a i n e di n t h en a r r o wb a n da m p l i f i c a t i o nc a s e i na d d i t i o n ，w es t u d i e dt h es l o wl i g h tb a s e do nr e s o n a t o r w e i n v e s t i g a t e d s e v e r a l i m p o r t a n t c h a r a c t e r i s t i c so ft h er e s o n a t o r , i n p a r t i c u l a rt h ed e l a ya n dd i s p e r s i o np e r f o r m a n c ew i t hah i g ha m p l i t u d e l o s sc o e f f i c i e n t i ti ss h o w nt h a td e l a ya n dd i s p e r s i o nw i l lm u t a t ew h e n t h ep r o d u c to fa m p l i t u d el o s sc o e f f i c i e n ta n da m p l i t u d ec o u p l e dr a t i oi s a r o u n d1 k e y w o r d s ：s t i m u l a t e d b r i l l o u i n s c a t t e r i n g ( s b s ) ，f i b e r b r i l l o u i n a m p l i f i e r ( f b a ) ，r e s o n a t o r , o p t i c a lb u f f e r , o p t i c a ld e l a yl i n e ，s l o wl i g h t ， a l l o p t i c a lc o m m u n i c a t i o n 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作 所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集 体己经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 、 - 1 丸 1 日期：沙口年6 月胗日 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密瓯 ( 请在以上方框内打“4 ) 学位论文作者签名：指导教师签名：万宇g 危鬈 目期：加口眸乡月f 日 日期：2 阳疗6 月j ze t 第一章综述 第一章综述 1 。1 光纤中慢光现象的研究背景 “慢光，顾名思义就是减慢光的传播速度：与之对应的是“快光”，两者结 合可以控制光的传播速度。研究和控制光的传播速度一直是人类的梦想。当光进 入介质中传播时，由于光与介质有相互作用，其速度会有所改变，这样就使得控 制光速成为可能。随着光通信以及光计算的快速发展，控制光的传播速度的重要 性越来越突出。 目前的光纤通信系统中，存在着较多的光一电、电一光变换过程，给光纤通信 系统带来诸多不利因素电子器件带宽有限，串行电信号传输速率上限为 4 0 6 b p s ，只有光纤容量的干分之一，而目前由于掺铒光纤放大器( e d f a ) 和密集 波分复用( d w d m ) 系统的出现，实验室中光纤传输系统的容量已经高达l o t b s ； 光一电，电一光转换增加了设备的复杂性从而降低了系统稳定性和可靠性而且信号 容易失真。这样的系统难以完成高速宽带综合业务的传送和交换处理。为了解决 这些问题，充分利用光纤通讯的带宽优势，人们一直梦想着能够实现全光通信技 术。 全光通信，就是要针对目前的光通信系统中还存在的许多电子交换设备进行 技术改进，使信号的传输、放大、路由、交换等等全部采用光波技术。即记录着 数据信息的光脉冲从源节点到目的节点之问的传输过程都是在光领域内进行，而 节点内的交换也全部采用光网络交换技术。这样就可以避免电子器件速率难以提 高等一系列困难。 在理想的全光网( a o n ) 中，信号的交换、选路、传输和恢复等所有功能都 以光的形式进行。但足，目前的全光网络并非是整个网络的全部光学化，而是指 光信息流在传输和交换过程中以光的形式存在，用电路方法实现控制部分。要实 现整个网络的全光化是不现实也不必要的。在全光网络中，由于不需要电信号的 处理，所以允许存在各种不同的协议和编码形式，对信号的传输具有透明性。 全光通讯中涉及到的关键技术主要包括光监控技术、光信息的再生、整形、 光放大技术、光时分复用，波分复用技术、光交换光路由技术。这里要特别提 及的就是光交换光路由技术。 第一章综述 光交换光路由属于全光网络中关键光节点技术，主要完成光节点处任意光 纤端口之间的光信号交换及选路，它所完成的最关键工作就是波长变换。由于实 质上是对光的波长进行处理，所以更确切地说，光交换光路由应该称之为波长 交换波长路由。全光网络的几大优点如带宽优势、透明传送、降低接口成本等 都是通过该技术体现的。光交换光路由由于能保持信号的光域特性，突破了电 子网络的速率瓶颈。可以快速为客户提供端到端的高速宽带路由及虚拟光纤网 络。可以为网络提供商节约2 5 的费用，和电子交换系统相比，可以提高速率 十几倍。鉴于全光路由器的这些优点，人们一直想研制出性能优越的光路由器。 但是目前为止仍然没有解决的问题是，人们还没有研制出全光随机数据存储器 ( o r a m ) 和高灵敏度的光学可控延迟线( 缓存器) 。而没有光学缓存的光交换技 术当多个数据包同时需要被路由时不可避免的会导致一定比例的数据包丢失或 错误路由，从而导致路由器的响应时间增加，信息的误码率上升。 缺少实用的光路由器是全光通信发展的瓶颈。电路由器向更高的处理速率发 展是非常困难的。全光包交换网中的光路由器中包交换的关键部件包括交换矩 阵、信号处理单元和光缓存器。全光开关和信号处理的器件相对成熟，而全光缓 存器尚没有实用的技术途径，所以说全光缓存器是全光路由器的关键。实现光缓 存的办法之一就是用光学的手段来控制光速。虽然目前在用的光纤延迟线也 可以实现光信号缓存，但只能定量延迟光信号，不能实现延迟时问的可控制。如 果能直接控制光的传输速度，就可以实现光信号的可控延迟或存储。同时光缓存 在光计算方面也具有巨大的潜在应用，可以充当内存的功能。正因为控制光速实 现光缓存具有如此重要的意义，国际上掀起了可控制慢光的研究热潮，目前已经 成为光学领域研究的前沿和热点。 1 2 慢光现象的研究进展 光子没有静质量，是玻色子，理论上只能减慢其速度而不可能将其完全意义 地停下来。假设光在某一媒介中传播的速度是v ，传播距离是l ，那么其传播所 需要的时间t = - l v 。所以控制光传播的时间可以有两种途径：( a ) 通过改变其传 播距离l ；( b ) 通过改变其传播速度v 。利用方法( a ) 实现的方案包括光纤延迟 线( f d l ) 和各种环型结构。其显著缺点是由于所用的光纤长度或环长固定，所 2 第一章综述 以不能精确控制延迟光信号的时间( 延迟时间必须为光经过光纤长度或环长时间 的整数倍) 。利用方法( b ) 来实现光缓存的方案：从气体中利用电磁诱导透明( e i t ) 一超冷原子气体，超热原子气体；到晶体中利用相干布居数振荡( c p 0 ) 一红宝 石，紫翠玉，半导体量子点，量子阱；进一步发展到光纤中利用c p 一掺铒光 纤；利用受激光放大一布里渊，拉曼，参量放大等。本文主要研究利用方法( b ) 实现慢光的方案，特别是光纤中的慢光现象。 早在2 0 世纪初，人们就对研究光在色散介质中的传播速度产生了兴趣。但 是限于实验条件，直到1 9 6 0 年激光器问世以后，人们对物质中的快慢光现象的 实验和理论研究才取得明显进展【1 2 6 】。 按照经典理论：材料的折射率为复数，实部和虚部满足k r a m e r s k r o n i g ( k k 关系) 。材料在某波长处存在增益或吸收峰，增益或吸收将导致光群折射率的改 变，从而改变此波长光的传播群速度。增益或吸收峰越窄，增益或损耗越大，则 群折射率改变越大，光速的变化量也越大。因此可以通过控制增益或吸收谱的宽 度及其大小来控制光的传播速度，从而实现控制光信号延迟的大小。 1 2 1 电磁诱导透明 早期的慢光研究主要基于材料的吸收带来实现，材料折射率变化越剧烈的地 方，光速改变越大，同时吸收也越强烈，最终光信号会变得很弱在当时的实验条 件下难于观测。1 9 9 0 年，h a r r i s 等人提出了一种使光的速度减慢而几乎不被吸收 的方法电磁诱导透明( e i t ) 技术【4 】。1 9 9 2 年，h a r r i s 等人又具体估算了利 用电磁感应透明可以使铅蒸汽中的光速比真空中的光速降低两个数量级 5 】。 电磁诱导透明技术是利用量子相干效应消除电磁波传播过程中介质影响的 一种技术。具体的说就是利用一束探测光作为信号，照射在某些光学不透明介质 上，信号光不能通过现在用另一束频率不同的耦合光作为控制光束，同时照射在 这种介质上由于控制光束的作用，信号光在介质中无衰减的传播，或者透射率大 为提高，使原来对信号光束不透明的介质成为透明介质这就是电磁诱导透明光 学介质可以减慢光脉冲的速度，特别是在光脉冲的光学频率与介质产生共振时， 光脉冲的群速度减慢的更多。但是共振时介质会对光脉冲产生强烈吸收，这样就 限制了光脉冲在其中的慢光传输，使得慢光现象难以被观测到。应用了e i t 技术 3 第一章综述 以后，介质对光脉冲几乎无吸收，慢光现象才被明显的观测到。 最典型的利用e i t 减慢光速的实验结构由lv h a u 等人于1 9 9 9 年发表在自 然杂志上 1 0 1 。实验装置如图i - i 所示。他们利用激光制冷到4 5 0 n k ( 已小于钠 原子产生玻色爱闽斯= 【e i 凝聚的临界温度) 的钠原予蒸气使光速减慢到了惊人的 1 7 m s ，群折射率达到了1 0 的6 次方毋级( 圈1 4 ) 。由十玲原予速度很小，温度 很低，原子间的碰撞远远少丁热原子，因此能级宽度远小丁热原于，具有更精确 的原于能级结构和更窄的跃迁光谱。冷原予可以消除多昔勒效应，所以可以用较 小的控制光强度去分裂能级。使得分裂的能级非常接近以产生非常剧烈的折射率 变化，从而产生剧烈的群速度的减慢。 溯j 罔1 1e i t 实验装最图 f i gl 。1e x p e r i m e n t a ls e t u pu s e di nt h ee i t e x p e f i m e m 第一章综述 9n m 1 1 ) = i f = l ，作= 一1 ) 图1 2e i t 过程中钠原子能级分裂图 f i g 1 - 2e n e r g yl e v e l sa n dl a s e rf r e q u e n c i e s 如图1 2 所示，能级1 1 ，1 2 代表原子的两个基态。开始时原子都处于基 态能级1 1 ，当加入控制光束并耦合到基态1 2 和激发态1 3 后，由于基态1 2 没 有粒子数布居，控制光不会被吸收而且会将激发态对称的分裂为两个间隔仅 6 0 m h z 的能级1 3 ，1 4 。所产生的能级差异取决于控制光的强度。将探测光频 率调到等于态j i 到态1 3 的跃迁频率，入射入介质后就可以实现透明传输，同 时产生超慢光。探测光在介质中的相折射率变化如图1 3 所示。相折射率曲线的 斜率对应群速度的变化程度，斜率越大群速度变化越剧烈。 h a u 的实验虽然实现了极慢光速，但是所要求的实验条件过于苛刻。利用 e i t 技术还可以在更通常的情况下实现超慢光。k a s h 等人使用e i t 技术在3 6 0 k 的铷蒸气中实现了9 0 m s 的超慢光【2 7 】，而b u d k e r 等人又用该技术进一步将光速 减低到8 m s 2 8 】。t u r u k h i n 等人则第一次在p r 3 + ：y 2 s i 0 5 晶体材料中利用e i t 技术实现了4 5 m s 超慢光，但是他们必须将晶体冷却到5 k 的温度 1 6 】。此外 p a t n a i k 等人还提出了一种利用e i t 在光纤中产生慢光的新方法 2 9 】，他们将拉细 的光纤置于e i t 介质( 掺正氢的仲氢晶体点阵) 中，利用光纤中的消逝场同其周 围的e i t 介质的强烈耦合，以使介质满足e i t 的产生条件。结果他们得到了低 至4 4 m s 的群速度。 5 第一章综述 - 。 i 。 j。j 。 1 瞄 1 4 1 0 0 2 1 o o o o 9 o 9 9 b o 0 0 4 二1 ； vl _ -30-20一1 001 02 03 0 p r o b ed e t u n 旧 m h z ) 图1 - 3e i t 过程中( a ) 透射谱和( b ) 相应的相折射率变化 f i g 1 - 3t h e o r e t i c a l l yp r e d i c t e dp r o b e ( a ) t r a n s m i s s i o ns p e c t r u ma n d ( b ) r e s u l t i n gm o d i f i c a t i o no f 3 0 0 0 2 5 0 0 2 0 0 0 1 5 0 0 1 0 0 0 5 0 0 o 石、0 o 邑1 e - t h ep h a s er e f r a c t i v ei n d e x 一：3 02 0一1 001 02 03 0 3 0- 2 0- 1 0o1 02 03 0 6 ，2 兀( m h z ) 图1 - 4e i t 过程中( a ) 吸收谱和( b ) 相应的群折射率变化 f i g 1 - 4t h e o r e t i c a l l yp r e d i c t e dp r o b e ( a ) a b s o r p t i o ns p e c t r u ma n d ( b ) r e s u l t i n gm o d i f i c a t i o no ft h e g r o u pr e f r a c t i v ei n d e x 总体来说e i t 让人们相信了几乎无吸收的使光速减慢的可能性。但是其缺点 也是非常明显，比如需要极端的实验条件，耗资巨大，离实际应用相去甚远。 6 寰磊焉董一墓熏一耋瓮封e芷 一l-o一苎 第一章综述 1 2 2 相干布居数振荡 在2 0 0 3 年，b o y d 实验小组的b i g e l o w 等人连续发表了两篇文章，室温下分 别在紫翠玉和红宝石晶体中利用相干布居振荡( c p o ) 技术实现了超慢光 1 9 ， 2 0 。这是首次在室温晶体中实现超慢光，对慢光的发展曾起到巨大的推动作用。 c p o 的基本原理是使电子布居数在基态和激发态之间振荡，从而产生一个 很窄的吸收谱的光谱烧孔。根据k r a m a s k r o n i g 关系( k k 关系) 折射率就会产 生剧烈变化，进而影响群速度产生变化。具体描述为：用抽运光场将介质( 如红 宝石) 的基态粒子抽运到宽吸收带上，电子从这个能带在几个皮秒的时间内快速 驰豫到亚稳态，然后经亚稳态寿命丁时间( 如铒离子1 0 5 m s ，红宝石4 4 5 m s ) ，再 从亚稳态再回到基态。在此过程中如果引入另一束与抽运光频率相近的探测光， 通常实验中采用抽运光的幅度调制的边带作为探测光，当探测光和泵浦光的差小 于亚稳态能带宽度时，即a u 1 丁时( t 的倒数是能带宽度) ，粒子布居数会在基 态和亚稳态之间振荡。关于烧孔的宽度正比于粒子的弛豫时间成正比的解释：能 级内部有粒子驰豫，当能级寿命t 越大，假设能级内某处产生到基态的跃迁， 驰豫到该处的粒子就越多，从而谱线加宽，烧孔宽度越大。其中a u 为探测光与 抽运光的拍频( 也就是调制频率) ，电子布居数就会在基态和亚稳态之间以拍频 a u 振荡，从而导致探测光吸收的降低。吸收谱上就会产生一个很窄的烧孔由k k 关系可知探测光的群速度会大大减慢。 6 j 似ls 。多唧限 、乞2 一， ( a )( b ) 图1 - 5c p o 原理图( a ) 原始能级( b ) 简化能级 f i g 1 5t h ep r i n c i p l eo fc p o ( a ) o r i g i n a le n e r g yl e v e l ( b ) s i m p l i f i e de n e r g yl e v e l 图1 - 6 为利用c p o 技术在红宝石晶体中产生超慢光的实验结果图【3 0 】。从 7 第一章综述 图1 - 6 上可以看出利用c p o 技术在晶体中产生的慢光延迟与调制频率相关。调 制频率在1 0 0 0 h z 以内，延迟量在m s 量级，群速度减慢为几十k m s ，最慢可到 几十m s 。 詈 垂 m o d u l a t i o nf r e q u e n c y , 1l z 蓄 釜 蕃 薹 耋 争 墓 图1 - 6 利用c p o 技术在红宝石晶体中实现慢光的实验结果图 f i g 1 - 6t h er e s u l to fs l o w l i g h te x p e r i m e n tb yu s i n gc p ot e c h n i q u ei nr u b y 竞婶) s - i 图l - 7 利用c p o 技术在e d f 中实现快慢光的实验结果图 3 0 】 f i g 1 - 7t h er e s u l to fs l o wa n df a s tl i g h te x p e r i m e n tb yu s i n gc p ot e c h n i q u ei ne d f 国内哈尔滨工业大学的掌蕴东，范保华等人也在红宝石晶体中实现了超慢光 8 _o曾cm蹙一mto巷篷竺| 譬j静emoc，廿置twco奇d母i 第一章综述 【3 0 ，3 l 】。最初的实验都是在红宝石或紫翠玉这样的晶体里面实现的超慢光。但 是值得一提的是，近年来有报道在掺铒光纤( e d f ) 中也可以利用c p o 同时实 现快慢光 3 2 】。其实验结果如图1 7 所示，分别实现了0 1 2 4 和0 0 8 9 的相对加快 和延迟量。 除此之外，在半导体量子阱 3 3 】或量子点 3 4 ，3 5 中也可以利用c p o 原理实 现慢光，而且半导体的载带寿命是n s 量级的，其对应带宽可以为g h z 量级。两 者的区别在于，半导体量子点材料产生的慢光可以工作在室温，而半导体量子阱 材料则需要低至1 0 k 的温度。使用半导体材料的优势在于，其具有结构紧凑， 良好的电光集成性和电光可控性。 在室温固体中实现超慢光，标志着慢光研究又向前迈进了一步。c p o 的优 势在于使用固体材料，室温工作，装置相对e i t 简单，可以实现高效探测。但是 基于c p o 产生慢光的方法对实验条件要求同样也很高，而且只能在特定材料中 实现，信号工作在特定波长，带宽很窄( 室温晶体中只有k h z 量级) ，只能延迟 m s 级的脉冲，相对延迟很小，只有百分之几且难以控制，同e i t 方案一样有很 大的应用局限性。 1 2 3 耦合共振诱导透明 1 9 9 9 年，y a f i v 等人提出了耦合共振诱导透明( c 对t ) 的方法可以实现慢光， 这是类似于电磁诱导透明的一种效应 3 6 ，3 7 。它是利用在耦合共振结构中，在 吸收谱线中产生一烧孔，从而引起很大色散来产生快慢光的。( 图1 8 ) 比较典型的一个实验是x u ，q e 等 3 8 】通过在单品硅上刻蚀的具有两个共 振环结构的光波导，利用两个共振器间的耦合相干获得类似于e i t 技术产生的吸 收峰，从而获得快慢光。此文的结构中，光的透过率与延迟不会相互消减，信号 峰延迟的大小主要由两环问的失调( 及周长差) 决定。通过对两个振荡器的热调 节可以获得不同大小的延迟时i h j 。试验结果：对2 g h z 正弦信号获得了9 0 2 9 0 的群折射率，最大2 5 p s 的延迟。延时仅受由于波导边界的粗糙以及f p 共振失谐 造成的散射损耗的限制。 9 第一章综述 v 粥- 、 凸1 、3 、 ，；jt _ 扩1 ， 、 = ：j 、 1| ， ：； + 、一一一一- i2 。1 p “1 o 【 厂1 ( a )( b ) 目18 杷台菇振波导( a ) 站构削( b ) 透射谱 f i g 卜8c o u p e dr c s o n a t o ro p t i c a l w a v e g u i d e ( a ) s t e u cl u r e ( b ) o u t p u ts d e c t r u m 利用耦合共振波导可以产生类e i t 的透射谱，从而产生慢光。c r i t 可以与 光通信系统兼容，但是其只能针对特定共振波长延避，且延迟量报难控制，般 采用热控制方法，可以| 兑几乎小可能实现延迟时间的快速4 调，凶此同样也不适 用于全光交换中的光信号缓存。 1 2 4 光纤慢光主要方案及进展 在前面提到的这些实现慢光的力法中光只能工作在特定的波长，而且需要特 殊的晶体或者特定温度的气体，对实验条件要求较高，有很大的局限性。难以用 集成光电子学的办法做成集成模块离实际应用的要求还有一定距离。随着研究 的不断深入，近年来，人们对光速减慢这项研究工作的兴趣已逐渐转移剖r 光纤 这一光通信的介质中束。与其他介质d l n j ，光纤是莱性的k 距离传输介质，长距 离传输可以积累慢光的延迟量，实现大的延迟叫间。日前光纤慢光的研究已取得 了一系列的成果 3 2 ，3 9 7 9 ，大大加速了慢光技术的实用化进程。 光纤中实现慢光的方法，主要包括利用受激布里渊散射( s b s ) ，受激拉曼 散射( s r s ) ，光参量放大( o p a ) ，光纤环形共振腔，光纤光栅等。 前三种方法( s b s ，s r s ，o p a ) 都是基于光学放大的原理，其物理机埋都 是在透射光谱上产牛一个尖锐的增盏峰根据kk 关系透射谱上的增益峰会导 致脉冲经历很强的正常色散( 相折射率剧烈变化) ，从而减慢其群速度。三种方 案产生光速减慢的机理均如此，不吲在于采用了不同的放大机制来达到产生光速 第一章综述 减慢的效果。光纤环形共振腔和光纤光栅是基于滤波效应产生慢光的。下面分述 几种方案的特点： 1 、s b s ： s b s 是泵浦光，声波，探测光三波相互作用的非线性过程。泵浦光由电致伸 缩效应引起介质材料密度涨落，从而导致折射率变化，形成运动的光栅( 声波) ， 光栅散射泵浦光产生散射光。由于多普勒效应，散射光相对于泵浦光频率下移， 其相对于泵浦光的频率差为激发的声波的频率。通常散射光在泵浦光的反向最 强。如果在介质另一端同泵浦光反向入射一个比泵浦光频率小且与泵浦光相差布 里渊频移的探测光脉冲，探测光就会吸收泵浦光的能量而被放大，这就是布里渊 放大过程，在此过程中探测光脉冲的群速度就会减慢。这一现象最初由瑞士洛桑 理工学院的t h e v e n a 研究小组发现，他们的实验结果发表在光学快报上 4 4 】。他 们利用光纤中的s b s 过程首次在普通的光纤中实现了光速的操控。结果使得半幅 全宽( f w h m ) 为l o o n s 的光脉冲通过光纤的时间延迟了3 0 n s 。实验装置如图卜9 所示。 图i - 9 光纤中由s b s 产生的脉冲延迟装置 f i g 1 9e x p e r i m e n t a ls e t u po fs b ss l o wl i g h ti na l lo p t i c a lf i b e r 实验中光源为一个波长为1 5 5 2 n m 的分布反馈式激光二极管( d f bl d ) 。光源 发出的光输入到一个电光调制器( e o m ) 以产生两个一阶边频，其频率间隔为实 验中所用检测光纤的布里渊频移。频率较低的边频被窄带光纤布拉格光栅反射 后，经过由另一个e o m 构成的快速光门变成l o o n s 的脉冲光作为探测脉冲；频率 较高的边频则经过掺铒光纤放大器( e d f a ) 放大后作为连续波布里渊泵浦，并可 第一章综述 由可调衰减器( v o a ) 控制其光功率。在零到几十毫瓦的范围内改变泵浦功率，在 不同的布里渊增益下，通过数字示波器来测量探测脉冲的时间延迟。实验中先后 用了两种测试光纤以做比较。分别是1 1 8 k m 的标准光纤和6 7 k m 的色散位移光 纤( d s f ) 。测量结果参见图卜1 0 ，增益在o d b 到3 0 d b 之间每增加5 d b 对应图卜1 0 ( a ) 中的一条曲线。测试脉冲的f w h m 脉宽为l o o n s ，当增益为3 0 d b 时得到最 大的延迟时间，为3 0 n s 。作为比较，使用d s f 时当增益为2 5 d b 时得到最大的延 迟时间，为1 8 n s ，见图卜1 0 ( b ) 。 e g 馨 鞲 - 5 005 01 0 0t 6 02 0 07 5 03 0 0 时间i n s ( a ) 研 差 翟 鲴 划 1 5 1 0- 5051 01 52 02 53 0 增益，d b 图1 - 1 0s b s 慢光的实验结果 f i g 1 10r e s u l to fs b ss l o wl i g h te x p e r i m e n t 早期的布罩渊慢光的研究和报道还可以参见参考文献 4 0 ，4 2 ，5 0 】。布里渊慢 光实验第一次在光纤这一现代光通信的载体中实现了光速减慢，具有重大意义。 其优势在于室温工作，可工作在任意波长，与现代光通信系统良好的兼容性，相 对延迟较e i t ，c p o 等方法提高很多。但是其缺点是固有的窄带放大特性，其可 应用的带宽局限于几十m h z ，而且其延迟时间受限于放大器的增益饱和。后来 的实验通过采用级联衰减的办法克服了增益饱和的限制，将延迟时间提高到了 1 5 2 n s 4 5 ；又采用调制泵浦的方法实现了宽带布里渊慢光【5 3 ，6 1 ，6 4 ，7 7 ，带宽 甚至可高达2 5 g h z 7 3 。虽然扫除了布里渊慢光实用道路上的两大障碍，但是群 速度色散导致的脉冲展宽的影响，至今没有得到解决。而且更重要的是目前为止 所有布里渊慢光的实验结果都没有超过1 个比特的延迟。弄清其深层次的物理机 理及限制因素，以期进一步提高延迟量是本论文研究的主要内容之一。 2 、s r s ： 1 2 第一章综述 固体中s r s 同s b s 的产生机理类似。当泵浦光的强度足够强以至于可以激 发光频声子时就会产生受激拉曼散射。对石英光纤其增益带宽可以高达4 0 t h z ， 在频移1 3 t h z 附近有一个较宽的增益峰。但是同s b s