（光学工程专业论文）基于双环耦合全光缓存器和sbs慢光的多波长信号缓存研究.pdf

中文摘要 摘要：随着光通信技术的飞速发展，目前传输容量已经达到1 0 t b s ，然而频繁的 光电光转换却严重限制了交换速率的提高。全光交换是通信网的必然趋势，作为 交换网的关键部件一全光缓存器己开始成为国际上的一个研究热点。全光缓存器 能够在光域内直接完成高速数据包的缓存而不需要经过光一电一光的变换，有效 克服了光通信网络中的电子速率瓶颈，是全光包交换网络的关键技术之一。以半 导体光放大器为非线性元件的双环耦合全光缓存器( d l o b ) 是一种新型的全光缓存 器，它具有结构紧凑、读写易操作，可调范围大等优点。而基于受激布里渊散射 慢光型缓存器则可以在比特量级对数据包实现高精度调节，同时对于多波长信号 有一定的选择作用。以往无论是双环全光缓存器还是慢光型缓存器主要都是针对 单波长信号的，但是随着密集波分复用技术的成熟，高速多波长信号的缓存已成 为当前研究的热点之一。本文在国家“8 6 3 项目和国家自然基金项目的支持下， 在双环耦合全光缓存器和受激布里渊散慢光对多波长信号缓存应用方面进行了深 入研究和探讨，所得成果对多波长信号的缓存具有重要的参考价值。本文取得的 创新性成果主要包括以下几点： 1 利用“曲线分割法 研究了多波长信号在s o a 中的交叉增益调制特性，提出 了采用大功率控制光引入s o a 降低信道串扰的方法，对多波长信号在s o a 中 由于交叉相位调制引起的功率波动起到了很好的抑制作用，大大的提高了信号 的信噪比，降低了误码率。提出了一个由多波长信号交叉增益调制引起的功率 波动等同于噪声的分析模型，利用该模型分析了信道串扰对信号误码率的影 响。 2 提出了利用d l o b 实现双波长高速信号缓存的方法。实现了2 5 g b i t s 的双波长 信号多达1 0 圈的缓存，缓存时间长达1 2 5 u s 。针对2 个波长的高速信号在d l o b 中缓存时功率、相移不均衡问题，提出了优化控制光工作点的方法，即选择合 适的控制光工作点，使比特“1 ”和“1 + 1 ”之间的相位差满足l 仍一仍+ 。l 万， 其中万是相位差的容忍度( 本实验0 1 弧度) ，并在实验中验证了这种方法的有 效性。 3 提出了一种利用s o a 的增益饱和特性均衡多波长信号比特叠加所造成的比特 功率不一致的方法，改善了双波长及多波长信号缓存质量。利用功率均衡，双 波长信号的比特功率波动明显减小，缓存圈数由1 0 圈提高到了1 6 圈。通过功 率均衡，对于8 波长信号，比特功率波动范围由原来的1 ：8 倍降低到1 ：2 倍， 接近了双波长比特功率波动的情况。 4 提出了利用d l o b 缓存8 个波长高速信号的方法，成功实现了8 个波长1 0 g b s 高速信号在d l o b 中缓存5 圈的结果。分析了多波长信号在s o a 中四波混频 带来的信号损伤，提出了采取非等信道间隔和调节各个信道的偏振态减小四波 混频影响的方法。 5 分析了双波长信号对s b s 慢光延迟时间的影响，得到了双波长信号s b s 慢光 过程并非独立发生的结论，指出当双波长间隔较小时，可以增大延迟时问，从 而提出了一种增大延迟时间的方法。实验获得了单模光纤，光敏光纤和光子晶 体光纤中的受激布罩渊散射谱及其增益特性。实现了在单模光纤中双波长 1 0 0 n s 的光信号，最多可以延迟2 5 n s 的实验结果，即获得了比特级的缓存效果。 关键词：全光包交换；双环耦合全光缓存器；半导体光放大器；交叉相位调制； 交叉增益调制；多波长：受激布里渊散射 分类号：t n 9 2 9 a bs t r a c t a b s t r a c t ：a st h er a p i dd e v e l o p i n g o p t i c a l t r a n s m i s s i o nh a sa r r i v e d o ft h eo p t i c a lc o m m u n i c a t i o n ，t h ec a p a c i t yo ft h e t olo t b i t s b u t t h e f r e q u e n ts w i t c h i n g ( o p t i c a l e l e c t r o n i c - o p t i c a l ) i sas e r i o u sb o t t l e n e c kf o rh i g hs p e e ds w i t c h i n g b u f f e r i n g i s 龇e 毹c t i v em e n l o dt os o l v et h ep a c k e tc o n t e n t i o ni no p t i c a ld o m a i nw i t h o u tt l l e c o n v e r s i o no f “o p f i c a l e l e c t r o n i c o p t i c a l ( o w o ) ”a n da l l o p t i c a lb u f f e rb e c o m e st h e k e yc o m p o n e n ti no p t i c a ls w i t c h i n gn o d e t h ea l lo p t i c a lb u f f e rw h i c h i sb a s e do nd u a l l o o po p t i c a lb u f f e ra n ds b ss l o wl i g h ti sa n o v e lo p t i c a lb u f f e r t h eo p t i c a lb u f f e rh a s t h ea d v a n t a g e so fs t a b l e n e s s ，c o m p a c t n e s s ，l o wc o s ta n de a s yi m p l e m e n t a t i o n m o s to f p a s to p t i c a lb u f f e ra r ee x p e r i m e n t a l l yd e m o n s t r a t e df o rt 1 1 e s i n g l ew a v e l e n g t h ，l o w s p e e ds i g n a l sb u f f e r i n go ru s i n gaf r e q u e n c y - r o u t i n g - t y p et i m ed i v i s i o ni n t e r c o n n e c t i o n n e 时o r k t h er a p i dg r o w t ho fi pa n dm u l t i m e d i as e r v i c e sa r ed r i v i n gd e m a n df o rh i g h c a p a c i t ya n dh i g hs p e e do p t i c a ln e t w o r k s m u l t i - w a v e l e n g t h o p t i c a lb u f f e ri sm o r e r e q u i r e dt ob ei n v e s t i g a t e d i nt h i sp a p e r , w ef o c u so nt h em u l t iw a v e l e n g t hs i g n a l s b u f f e r i n gi no p t i c a lb u f f e rb a s e do nd l o b a n ds b ss l o wl i g h tu n d e rs u p p o r to ft h e “8 6 3 ”p r o j e c ta n dt h en a t i o n a ln a t u r es c i e n c ef o u n d a t i o n t h e s ec o n c l u s i o n sc a n a l s o b ea p p l i c a b l ef o ra l lt h eo t h e rs o ab a s e dr e - c i r c u l a la l l - o p t i c a lb u f f e r s w h a tih a v e d o n ed u r i n gt h ep h dp e r i o da r ea sf o l l o w s ： 1 b a s e do nt h em e t h o do f “c u r v ed i v i d e d ”，t h ec r o s sg a i nm o d u l a t i o ni sa n a l y z e d t h e m e t l l o do fr e d u c i n gt h ec r o s st a l k b yi n j e c t i n gh i g hp o w e rc o n t r o ll a s e rt os o a i s p r e s e n t e d u n d e rh i g hp o w e rc o n t i n u o u sl a s e r , t h ef l u c t u m i o no ft h es i g n a lp o w e r c a u s e db vc r o s sg a i nm o d u l a t i o ni sw e l lr e s t r a i n e d ，t h es i g n a ln o i s er a t i o ( s n r ) i s g r e a t l vi m p r o v e da n dt h eb i te r r o rr a t e ( b e r ) i s r e d u c e do b v i o u s l y am o d e lo f n o i s ee q u a lt ot h ef l u c t u a t i o no ft h es i g n a lp o w e rc a u s e db yt h ec r o s sg a i n m o d u l a t i o ni sb u i l t t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nb e r a n dt h en o i s ei ns o aa r ed e e p l y s t u d i e d 2 t h ed u a lw a v e l e n g t hs i g n a l sb u f f e r i n gi nd l o b a l es u c c e s s f u l l yd e m o n s t r a t e d t h e 2 5 g b sd a t ap a c k e t sa r ew e l lr e t r i e v e da f t e rt h e ya r eb u f f e r e d f o r10c y c l e s c o r r e s p o n d i n gt o1 2 5 u s a n “o p t i m a lp o w e ro fc o n t r o ll a s e r i sp r e s e n t e d t os o l v e m ep r o b l e mo ft h eu n b a l a n c e db i t sp o w e ra n dt h eu n b a l a n c e db i t sp h a s e s h i f t w h e n b u f f e r i n gt h ed u a lw a v e l e n g t hs i g n a l s ，t h en ou n i f o r mi n p u tp o w e r b e t w e e nb i t “1 a n d c1 + 1 ”w i l li n d u c eu n b a l a n c e dp o w e rg a i ni n s i d et h ep a c k e t i ti si m p o s s i b l et o v s t o r ea l ld u a l w a v e l e n g t hb i t sa tt h es a m et i m ei nt h i sc a s e w es o l v et h i sp r o b l e m b ya d j u s t i n gt h ec o n t r o ls i g n a l t oas u i t a b l e p o w e rl e v e l t h a ts a t i s f i e dt h e e q u a t i o n l a 矽, 一织l 万，万i st h et o l e r a n c eo f t h ep h a s ed i f f e r e n c e ( o 1 r a d ) i tg i v e sa c l e a rs o l u t i o nf o rd u a lw a v e l e n g t hs i g n a l sb u f f e r i n gi nd l o ba n dt h em e t h o di s f u l l yd e m o n s t r a t e db yt h ee x p e r i m e n t 3 am e t h o do f “p o w e re q u a l i z a t i o n i sp r e s e n t e dt os o l v et h eu n e q u a lb i t sp o w e rw h e n b u f f e r i n gm u l t i - w a v e l e n g t hs i g n a l s t h i sm e t h o di st h a tb ym a k i n gs o aw o r ka ti t s s a t u r a t i o np o i n t ；a l lb i t sp o w e rw i l lb ea p p r o x i m a t e l ye q u a l i tg i v e sa ne f f e c t i v e w a yt oi m p r o v et h eq u a l i t yo fd u a lw a v e l e n g t ha n dm u l t iw a v e l e n g t hs i g n a l s b u f f e r i n g b yu s i n g “p o w e re q u a l i z a t i o n ”，t h eb u f f e r i n gt i m eo ft h ed u a lw a v e l e n g t h s i g n a l si n c r e a s e sf r o m10c y c l e st o16c y c l e sa n dt h ep o w e rd i f f e r e n c ea m o n gt h e b i t so f8w a v e l e n g t h ss i g n a l sr e d u c e df o r m1 ：8t o1 ：2w h i c hn e a r l yr e t u r nt ot h ef a c t o fb u f f e r i n gd u a lw a v e l e n g t h ss i g n a l s 4 t h e8 10 g b i t sd a t ap a c k e t sb u f f e r i n gi nd l o bi ss u c c e s s f u l l yd e m o n s t r a t e d t h e d a t ap a c k e t sc a nb er e t r i e v e da f t e rt h e ya r eb u f f e r e df o r5c y c l e s o n eo ft h em a i n p r o b l e m sf o rl e s sb u f f e t i n gt i m ei st h ef o u rw a v em i x i n g ( f w m ) i ns o a i no r d e r t or e d u c et h ei m p a c to ff w m t h em e t h o do fu s i n g u n e q u a ls p a c ec h a n n e l sa n da d t h ep o l a r i z a t i o nm a t c h i n gi sp r e s e n t e d 5 am e t h o df o ra n a l y z i n gt h ed u a l - w a x ；e l e n g t hs i g n a l sd e l a y e dv i ab r i l l o u i ns l o w l i g h ti na no p t i c a lf i b e ri sp r e s e n t e d t h ee x p r e s s i o no fs t i m u l a t e db r i l l o u i n s c a t t e r i n gg a i na n dp h a s ec a u s e db yt w op u m p sa r eg i v e n t h ec o n c l u s i o no ft w o p u m p ss b sg a i na n dp h a s ea r en o td e p e n d e n ta r eo b t a i n e d t h es t i m u l a t e db r i l l i o n s c a t t e r ( s b s ) o p t i c a ls p e c t r u mi ns i n g l e m o d eo p t i c a lf i b e r ( s m f ) , l b h o t o s e n s i t i v e f i b r e s ( p s f ) a n dp h o t o n i cc r y s t a lf i b e r s ( p c f ) a l et e s t e da n dm e a s u r e d t h e d i f f e r e n tr e f r a c t i v ei n d e x e so ff i b b e r sc a u s ed i f f e r e n tb r i l l i o nf r e q u e n c ys h i f t s u n d e rt w op u m p s ，e a c hw a v e l e n g t hd e l a yo ft h es i g n a lc a nb ea l s oc o n t r o l l e db yt h e o t h e rw a v e l e n g t h f o rs i n g l ew a v e l e n g t h ，t h ew i d t ho flo o n sp u l s ec a nb ed e l a y e d f r o m0 n st o4 0 n sb yt u n i n gt h ep o w e ro ft h ep u m pw h i l ef o rd u a lw a v e l e n g t hp u m p s t h ed e l a yt i m ed e c r e a s et o2 5 n s k e y w o r d s ：a l l o p t i c a lp a c k e ts w i t c h i n gn e t w o r k ；d u a l l o o po p t i c a lb u f f e r ； s e m i c o n d u c t o ro p t i c a la m p l i f i e r ；c r o s sp h a s em o d u l a t i o n ；c r o s sg a i nm o d u l a t i o n ；m u l t i w a v e l e n g t h ；s t i m u l a t e db r i l l o u i ns c a t t e r i n g c l a s s n o ：t n 9 2 9 k 氐g a s e b p f c w c c w d l o b d s f d f b d w d m e i e d f a e v o a f b g f w m h n l f m z m z i n l e n o l m n p s n p d o p s o s c p c p p g s b s s d l s o a s p m 缩写词索引 a r r a yw a v e g u i d eg r a t i n g a m p l i f i e ds p o n t a n e o u se m i s s i o n b a n a s sf i l t e r c l o c k w i s e c o u n t e r - c l o c k w i s e d u a l l o o po p t i c a lb u f f e r d i s p e r s i o ns h i f tf i b e r d i s t r i b u t e df e e d b a c k d e n s ew a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g e l e c t r o m a g n e t i c a u yi n d u c e dt r a n s p a r e n c y e r b i u m - d o p e df i b e ra m p l i f i e r e l e c t r o n i cv a r i a b l eo p t i c a la t t e n u a t o r f i b e rb r a g gg r a t i n g f o u rw a v e l e n g t hm i x i n g h i g l ln o n l i n e a rf i b e r m a c h z e h n d e r m a c h - z e h n d e ri n t e r f e r o m e t e r n o n l i n e a re l e m e n t n o n l i n e a ro p t i c a ll o o pm i n o r n o n l i n e a rp h a s es h i f t n o n l i n e a rp h a s ed i f f e r e n c e o p t i c a lp a c k e ts w i t c h o s c i l l o g r a p h p o l a r i z a t i o nc o n t r o l l e r p u l s ep a t t e r ng e n e r a t o r s t i m u l a t e db r i l l o u i ns c a t t e r i n g s w i t c h e dd e l a yl i n e s e m i c o n d u c t o ro p t i c a la m p l i f i e r s e l f - p h a s em o d u l a t i o n 8 7 阵列波导光栅 放大自发辐射 带通滤波 顺时针方向 逆时针方向 双环耦合全光缓存器 色散位移光纤 分布反馈式 密集波分复用 电诱导透明 掺铒光纤放大器 电可调衰耗器 光纤布拉格光栅 四波混频 高非线性光纤 马赫一曾德尔 马赫一曾德尔干涉仪 非线性元件 非线性光学环路镜 非线性相移 非线性相移差 全光包交换网络 示波器 偏振控制器 码型发生器 受激布里渊散射 交换延迟线 半导体光放大器 自相位调制 j 匕塞交适盘堂墟堂位i 金塞 缩：要词塞到 s m f s l a l o m t o a d 、d m x p m x g m s i n g l em o d ef i b e r s e m i c o n d u c t o rl a s e ra m p l i f i e ri nal o o pm i r r o r t e r a h e r t zo p t i c a la s y m m e t r i cd e m u l t i p l e x e r w a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x e r c r o s s p h a s em o d u l a t i o n c r o s s g a i nm o d u l a t i o n 8 8 普通单模光纤 半导体激光放人器环路镜 太赫兹光学非对称解复用器 波分复用器 交叉相位调制 交叉增益调制 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：、司马勇 签字日期：。唧年多月f 8 日 矿 导师签名：多j 签字日期：。矽7 年石月昭日 f 、 了 ，屯 j 匕塞銮道厶堂墟堂僮论塞独创：眭岜明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成 果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研 究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了 谢意。 学位论文作者签名：l & 鹕 签字日期：d 卯尹月矿日 致谢 本论文的工作是在我的导师吴重庆教授的亲切关怀和悉心指导下完成的，导师 严谨的治学态度、睿智的思维、科学的工作方法以及远见卓识，使我受益匪浅。 导师的谆谆教导，耐心细致地一次次修改促使我顺利完成了博士论文，同时对我 今后的学习与工作产生了深远影响。攻读博士学位期间，师母李老师在生活上， 给了我极大的帮助与关心，使我能够有充足的动力顺利完成我的学业，在此谨向 恩师与师母致以最诚挚的谢意! 在南洋理工大学半年的学习交流过程中，沈平教授给予我大力的支持和帮助， 使我在科研能力，人际交往方面得到了很大的提高，在此向沈教授表示衷心的谢 意! 同时，要感谢付松年博士，董晖博士，夏历博士，唐明博士，肖晓胜博士和 郭宁博士的有益讨论，感谢任国斌博士，赵陆明博士，余霞博士，t s ec h u nh o 博士，武文玉，马琳，田靖等为我提供了良好的实验器材和生活氛围，感谢南洋 理工大学网络中心所有给予我帮助的人! 在课题研究进行期间，盛新志教授、王智教授、王玉凤教授、刘岚岚副教授、 王健副教授等老师给予了大量的帮助，为我解决了许多实验条件上的困难，在此 向他们表示衷心的感谢! 此外，非常感谢我们这个温暖和睦的实验室大家庭。感谢实验室的李政勇师 兄、王拥军师兄、李亚捷师姐、皱四化、孙广娜、杨双收、高凯强、赵爽、王亚 平、余贶碌、尚超、冯震等同学，是你们为实验室营造了一个活泼向上，积极进 取的氛围，并在实验与生活上给了我很多帮助，在此一并致谢! 深深感谢我的父母和家人，是你们含辛茹苦的抚育、朴实无华的精神使我能 始终如一地求学至今。特别感谢我的爷爷、奶奶，姥姥，姥爷，是他们给了我跨 越困难，勇往直前的动力。深情感谢问丽娜阿姨，石晓启叔叔和我的朋友石倩竹， 梁生，吴巍巍，宋凤来，是你们无微不至的关心、一如既往地支持和鼓励使我能 潜心于学术研究。 感谢所有审阅论文的老师，感谢你们极为宝贵的意见。此外，要感谢a g i l e n t 中国公司提供了高速通信测试仪器。 1 绪论 随着因特网的普及与光通信技术的迅猛发展，通信领域的信息量正以一种加速 度的形式膨胀。大量的话音、数据、图像信息需要传输、交换和处理，需要提供 t b i t s 的传输速率、t b i t s 的交换速率和t b i t 的信息存储能力，这是电子技术无法 做到的事情。光子技术在t i b s 量级的传输，交换和存储上显示出电交换无法比拟 的优势，充分利用光子技术建立全光传输及交换网的要求被提出来，国际电联 i t u t 特别规定：在全光网中，增加光层上实现路由交换及智能化的功能等，全光 交换技术在这些需求的驱动下，得以快速发展【1 】【2 】。 本论文结合国家8 6 3 重大项目“可变包长全光缓存器系统的研发 和“基于 双环全光缓存器的光弹性分组环”及国家自然科学基金项目“并行数字式级联结 构全光缓存器的研究 的实施，针对应用于大容量、高速率w d m 传输系统中的 多波长光包交换和双波长信号慢光进行了深入的理论与实验研究，不仅对整个多 波长数据包实现了胛级的全光缓存，同时利用受激布里渊慢光实现了双波长数据 包比特级的高精度调节，结合系统的应用进行了综合性的分析，获得了一些有较 大应用价值的新方法与新结论。 1 1 全光包交换( 0 p s ) 网络在多波长信号系统中应用 w d m 系统的出现使链路容量已经不再是网络瓶颈。但在网络的交换节点处仍 需对数据进行光一电一光的变换，虽然路由器制造商己推出了太比特级的电路由 器，但由于电子器件响应时间及节点设备本身带宽的限制形成了网络节点处的电 子速率瓶颈，与超大容量的光纤传输系统仍不适应，从而引起了互连网的拥塞。 由于电路由器的升级空间有限，这种局面促使人们将研究目标转向了全光包交换 网络( o p s ：o p t i c a lp a c k e ts w i t c h ) 3 - 7 】。 o p s 是分组级的光信号处理，与波分复用网络结合起来，能更加有效利用光 纤巨大的带宽资源，它的优点还在于：光信号在通过交换单元时不需要进行光一电 一光的变换，因此它不受检测器、调制器等光电器件响应速度的限制，对比特率 和调制方式透明，可以大大提高交换单元的吞吐量，给下一代网络带来广阔的应 用前景。单纯的w d m 光传送网对光信号进行的是线路级的处理，每一个传送波 长对应于一个传送信道，类似于现成的电路交换网，是粗粒度的信道分割，信道 带宽的利用率并不是很高。而光包交换技术，对电信号进行的是分组级的处理， 因此结合了光包交换技术的w d m 系统处理数据的能力更强，业务吞吐量更大， 带宽的利用率更高。 光交换可以分为两种情况，一是在光域内交换，但控制还必须在电域内完成， 称为电控光交换；二是实现全光的交换，由光控制的光交换，这也是发展的目标。 由于光逻辑器件的功能还非常简单，不能完成控制部分复杂的控制操作，因此目 前的光交换单元还都要由电信号来控制，即电控光交捌引。近年来多种基于o p s 的策略被提出，所有这些策略的共同点就是采用光电混合对数据包进行处理：包 头是在电域处理，净负荷则在光域处理【9 。1 3 】。o p s 网络节点的结构如图1 1 所示【1 4 1 。 主要包括三部分：包同步：用来对入口数据进行相位校准，在每个输入端口按初 始参数无源地对齐光包。包缓存单元：利用全光缓存器按需求提供一定的延缓时 间以便节点进行包头处理，而且当不同用户争用同一通道时，光缓存器能够提供 有效的解决方案，在提高网络节点吞吐量的同时可降低丢包率。包交换单元的作 用是将包发送的合理并实时地解决冲突，同时管理光包的填充以保证无负载时系 统能够正常运行。目前全光开关和信号处理器件相对成熟，因此光缓存器的研制 成为研究的重点。 糯m u h i p i l m e r 努拟轴_ 埘睹硪蟪蝴8 u r r e r t n gs 螂西峨 m u l d p l e z 艘 图1 1 全光包交换网络的节点结构 f i g 1 1t h en o d ec o n f i g u r a t i o no fa l l o p t i c a ls w i t c h i n gn e t w o r k 1 2 全光缓存器的研究进展 光予是玻色子，如果不把光子转变为其它形式的能量，理论上光子是不可能 停下来的，让光速减慢只能通过物理的方法延迟一段时间或使光的群速度减慢。 光信号的传输时间可表示为t = l ，其中为光传输路径长度，y ，是群速度，所 以“光缓存”可以从两方面着手：一是减慢光的传播速度；另一方面是延长传输 路径【l5 1 。目前提出的全光缓存器可分为两大类：一类是慢光型( s l o wl i g h tt y p e ) 全 光缓存器；一类是光纤延迟线或光纤环型( f i b e rd e l a yl i n eo rf i b e rl o o pt y p e ) 全光 缓存器。下面将做详细介绍。 就前一方法而言，通常将真空中的光速与介质中的光速比值定义为减慢因子 s ，即s = c v 。= n + a ，d n d c a 。由于普通介质的折射率与真空中的数值相差不大，所 以单纯依靠增大折射率”来获得光速减慢的程度很有限，于是人们就纷纷将目标转 向了增大折射率的相对变化率d n d c o 。目前已提出的慢光型缓存器方案按原理可 2 分为以下几种： 1 ) 基于电诱导透明e i t 原理的光缓存器【1 5 】 电磁诱导透明技术( e l e c t r o m a g n e t i c a l l yi n d u c e dt r a n s p a r e n c y , e i t ) 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。基于e i t 原理的超低速和 停止光脉冲的最初试验是利用原子气在超低温和8 0 0 c 实现的【1 6 】，减慢因子q 高 达7 个数量级，但实验系统过于复杂，离可实用化还有很长的一段距离。最近在 掺镨硅酸钇晶体固体材料( p r ：y 2 s i 0 5 ) 中也观察到了光速的减慢和停止现象，所观 测到的群速度降低到了3 3 m s 1 7 】。 类似于e i t 的现象在温度达3 0 k 的g a a s a 1 g a a s 量子阱中也曾观察到( 如图 1 2 ) ，但是由于多体互作用不是很理想【1 8 】。c h a n g h a s n a i n 等人的理论计算表明， 在室温下利用新的多泵浦方案可以得到4 0 左右的减慢因子，对于1 0 g b s 的系统有 8 7 n s 的缓存且不会出现脉冲的展宽和失真，实验中光速已减慢到了9 6 0 0 m s 1 1 9 】。 2 0 0 8 年z h a n gj 等人利用r bv a p o r 冷却气体将光速减慢到了4 8 k r n 。下表列出了 e i t 的发展过程和得到的实验结果： 表1 1e i t 的发展过程和实验结果 t a b l e 1 1t h ed e v e l o p m e n to fe i ta n di t sr e s u l t s e x p e r i m e n t a l m e d i u m v e l o c i t yo fl i g h t t e m p e r a t u r e u l t r a c o l d ( r b ) ( 1 2 ) 代表斯托克斯光场的复增益，。为泵浦光强度，c o 口为泵浦光频率，k 是布罩渊线 宽，g o 为中心带宽处的增益，q 占为布里渊频移。假定光纤介质的长度是，当带 宽很窄的脉冲( 即4 ( 0 9 一c o s ) 2 r ； 1 ) 通过光纤介质时，在泵浦光的作用下产生 的延迟时间可表示为 门 乃y - 1 3 2 ( o c o s ) k 2 ) ( 1 3 ) 工b 其中g = g o i p l 是功率增益，c o s = c o p q b 为布里渊峰值增益对应的斯托克斯 频率。由( 1 3 ) 式可知光速减慢因子可通过泵浦光的强度来控制，且当c o = c o s 时 光场可获得最大的时间延迟量，其数值为g r r 。 该方案实验系统如图1 3 所示，通过调节泵浦光的功率，可使s b s 效应产生 的斯托克斯光的延迟时间线性可调，当增益g 为2 9 d b 时观察到单脉冲的最大延迟 为2 5 n s ，带宽3 5 m h z ，所需的泵浦功率为2 5 0 m w 。和e i t 原理的慢光效应相比 较，该方案的优点在于实验装置简单，在室温条件下即可实现，为光速减慢的研 究开辟了新的领域。 图1 2 基于半导体量子点的慢光缓存器 f i g 1 2s c h e m a t i co fa no p t i c a lb u f f e rb a s e do n s e m i c o n d u c t o rq ds t r u c t u r e s 4 图1 3 基于光纤s b s 效应的慢光缓存器 f i g 1 3s l o wt y p eo p t i c a lb u f f e rb a s e do n s b si nf i b e r 2 0 0 6 年m i g u e l 等人利用展宽泵浦光的方法在6 7 公里的色散位移光纤中将 s b s 慢光效应的带宽提高到了3 2 5m h z ，产生的最大延迟为2 7a s ，对应的泵浦光 功率为3 0 m w t 2 2 1 。同年z h a o m i n gz h u 等人在2 公里的高非线性光纤中实现了 1 2 6 g h z 、4 7 p s 的光速减慢【2 3 】。2 0 0 6 年o f c 中报道日本的c j a u r e g u i 等人在2 公 里的b i s m u t h - o x i d 光纤中实现了4 6a s 的光速减慢【2 4 1 。表1 2 详细列出了近年来基 于s b s 效应的光速减慢实验的研究进展，由该表可以看到通过展宽泵浦光频谱的 方法虽然可以将工作带宽提高到1 2 6g h z ，但离高速通信网的要求还相距甚远。 由于布罩渊增益谱很窄，泵谱光波长为1 5 0 0 n m 时对应增益谱仅为1 0g h z 2 1 1 ，所 以带宽问题成为该类缓存器继续向前发展的最大限制因素。 表1 2 基于s b s 效应的光速减慢研究进展 t a b l e1 2t h ed e v e l o p m e n to fs l o w l i g h ti nf i b e rb a s e do ns b s f i b e r p u m pp o w e rg a i n m a xd e l a yb a n d w i d t h k w a n gys ，o p t i c a le x p r e s s ，1 3 ，2 0 0 5 s m f1 1 8 k mt e n so f m w3 0 d b3 0 n s3 5 m h z y o s h i t o m o ，p h y s r e v l t m ，9 4 ， d s f o 5k m2 5 0 m w2 9 d b2 5 n s 3 0 m h z 15 3 9 0 2 ，2 0 0 5 h e r r a z e ，o p t i c se x p r e s s ，1 4 ，13 9 5 d s f 6 7k m3 0 m w 3 0 d b2 7 n s 3 2 5 m h z z h uz ，o p t i c a lf i b e rc o m m un i c a t i o n h n l f 2 k m5 8 0 m w1 4 d b 4 7 p s 1 2 6 g h z c o n f e r e n c e2 0 0 5 j a u r e g u ic ，o p t i c a lf i b e r b i h n l f2 m4 1 0 m w2 9 d b4 6 n s4 0 m h z c o m m u n i c a t i o nc o n f e r e n c e2 0 0 6 y o s h i t o m o o c o n f e r e n c eo nl a s e r & s m f 5 0 0 ml o n w2 0 d b1 6 n s7 0 3 m h z e l e c t r o o p t i c s2 0 0 5 z h uz ，o p t i c se x p r e s s ，1 4 ，2 0 0 6 h n l f 2k m1 3 d b m1 2 3 d b9 n s 1 5 0 m h z l ，e ta 1 ，p h t o n t e e h l e t t ，1 9 ， s m f1 2 5k m2 3 d b m1 2 d b 5 2 0 p s 1 2 5 g h z 6 1 9 ，2 0 0 7 y il ，e ta 1 ，o p t i c se x p r e s s ，15