（凝聚态物理专业论文）频谱对受激布里渊散射光存储的影响的理论研究.pdf

摘要 基于受激布里渊散射的光存储的数值模拟 摘要 在过去的十年间，慢光和快光技术吸引了很多人的注意力，因为这种 技术为实现光信号的可调谐延迟提供了可能性。在光纤中实现慢光的技术 主要包括：电磁感应透明( e i t ) 、相干布居数振荡( c p o ) 、受激拉曼散射( s r s ) 和受激布里渊敞射( s b s ) 等。2 0 0 7 年z h a o m i n gz h u 等人提出了基于受激 布里渊散射( s b s ) 的光存储模型，包含信息的数据脉冲在与反方向传播的 写脉冲作用后，将信息传递给光纤中的声激励，随后声激励与读脉冲作用， 又将信息传递给恢复的数据脉冲。这种基于s b s 的光存储技术具有存储 时间连续可调、对光的工作频率没有限制等优点。本文对基于受激布里渊 散射( s b s ) 的光存储技术进行了理论研究和数值模拟，主要内容包括： 1 根据麦克斯韦方程组和纳维斯托克斯方程推导出受激布里渊散射 的耦合波方程组。讨论了发生受激布里渊散射的阈值条件以及s b s 光存 储过程中的相位匹配条件。在经过一些近似处理之后，对耦合波方程组进 行离散化，从而建立了s b s 光存储的数学模型，并通过m a t l a b 编程进行 数值模拟。 2 讨论了s b s 光存储的基本规律，s b s 光存储的结果主要由恢复的数 据脉冲的读出效率和脉宽来描述，读出效率越大，脉宽越接近原始数据脉 冲的脉宽，说明s b s 光存储的结果越好。讨论了存储时间、读写脉冲的 功率以及声子寿命对恢复的数据脉冲的读出效率和脉宽的影响。 3 讨论了频谱对基于s b s 的光存储的影响。相同脉冲波形时( 比如都 是高斯脉冲) ，脉宽越小，频谱越宽；脉宽越大，频谱越窄。相同脉宽时( 比 如都是2 n s ) ，矩形脉冲、高斯脉冲、指数脉冲的频谱宽度依次减小。( 比 如都是1 5 n s ) ，高斯脉冲、矩形脉冲、啁啾高斯脉冲的频谱宽度依次增大。 ( 1 ) 模拟了读写脉冲为1 5 n s 高斯脉冲时，数据脉冲分别为2 n s 的高斯 脉冲、指数脉冲和矩形脉冲三种情况下的s b s 光存储。讨论了三种数据 脉冲情况下的恢复的数据脉冲的畸变、读出效率和脉宽与频谱的关系。 ( 2 ) 为了便于对比，将( 1 ) 中的读写脉冲由1 5n s 高斯脉冲分别改为 1 5 凇矩形脉冲和1 5 n s 啁啾高斯脉冲，重复( 1 ) 中的计算，并讨论s b s 光 存储的规律。 ( 3 ) 模拟了数据脉冲为2 n s 高斯脉冲时，写脉冲和读脉冲分别是1 5 邶 高斯脉冲、矩形脉冲、啁啾高斯脉冲三种情况时的s b s 光存储。讨论了 九种数据脉冲情况下的恢复的数据脉冲的畸变、读出效率和脉宽与频谱的 关系。 北京化工人学硕十学位论文 关键词：受激布里渊散射；光存储；读出效率；存储时间；频谱宽度； h a b s t r a c t s i m u l a t i o n so fs t o r e dl i g h t as t i m u l a t e d b r i l l o u i ns c a t t e n g a b s t r a c t o v e rt h ep a s td e c a d e ，t h es l o w c o n s i d e r a b l ei n t e r e s t ，s i n c et h e yh a v e a n df a s t l i g h td e v i c e sh a sa t t r a c t e d p r o b e do n eo ft h ek e yc h a l l e n g e st o r e a l i z ea l lo p t i c a l l yt u n a b l ed e l a y1 i n e sf o rp h o t o n i cs i g n a lp r o c e s s i n g m e t h o d so f s l o w l i g h t i nf i b e r i n c l u d e ：e l e c t r o m a g n e t i c a l l y i n d u c e d t r a n s p a r e n c y ( e i t ) ，c o h e r e n tp o p u l a t i o no s c i l l a t i o n ( c p o ) ， s t i m u l a t e d r a m a ns c a t t e r i n g ( s r s ) a n ds 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 b s ) a n ds oo n am e t h o do fl i g h ts t o r a g eb a s e do ns 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 b s ) w a si n t r o d u c e db yz h a o m i n gz h ui nt h ey e a r2 0 0 7 t h ei n f o r m a t i o nc o n t e n to f d a t a p u l s e t r a n s f e r r e di n t ot h ef i b e ra c o u s t i ce x c i t a t i o n b y a c o u n t e r p r o p a g a t i o n “w r i t e p u l s ep r o p a g a t i o n a n d1 a t e ro ni sr e t r i e v e db a c k i n t ot h eo p t i c a ld a t ap u l s eb ya na d d i t i o n a l “r e a d ”p u l s e t h es t o r a g et i m ei s c o n t r o l l a b l e ，t h es b sp r o c e s sw o r k sf o rd a t ap u l s ea ta n yc a r r i e rf r e q u e n c ys o l o n ga st h ew r i t ea n dr e a dp u l s e f r e q u e n c i e sa r el o w e rt h a nt h ed a t ap u l s e f r e q u e n c yb yb r i l l o u i nf r e q u e n c ys h f i t i nt h i sp a p e lw es t u d yt h et h e o r yo f l i g h ts t o r a g ev i as 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 ，a n ds i m u l a t e dt h ep r o c e s s ， t h em a i nw o r ko ft h i sp a p e ri n c l u d e s ： 1 w 色d e r i v ec o u p l e dw a v ee q u a t i o n so fs b sf r o mm a x w e l le q u a t i o n s a n dn a v i e r s t o k e se q u a t i o n ，d i s c u s st h es b st h r e s h o l da n dt h ea m p l i t u d e m a t c hf o rs b sl i g h ts t o r a g e t h ec o u p l e dw a v ee q u a t i o n sa r es i m p l i f i e d a c e o r d i n gt op r a c t i e a lc o n d i t i o n a n dam a t h e m a t i c a lm o d e li so b t a i n e d t h e n t h ep r o c e s so f1 i g h ts t o r a g ei ss i m u l a t e db ym a t l a b 2 w es t u d yb a s i cl a w so fl i g h ts t o r a g ev i as 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 g t h er e s u l to fs b sl i g h ts t o r a g ei sd e s c r i b e db yr e a d - o u te f f i c i e n c y a n dp u l s ew i d t ho fr e t r i e v e dd a t ap u l s e w - ew i s ht oo b t a i nh i g hr e a d - o u t e 所c i e n c ya n dac l o s e rp u l s ew i d t ho fr e t r i e v e dd a t ap u l s et oo r i g i n a ld a t a p u l s e f i n dt h ei m p a c to fs t o r a g et i m e ，p o w e ro fr e a da n dw r i t ep u l s e sa n dt h e p h o n o nl i f e t i m eo nr e a d o u te 所c i e n c ya n dp u l s ew i d t ho fr e t r i e v e dd a t ap u l s e 3 w ed i s c u s st h ei m p a c to ff r e q u e n c ys p e c t r u mo ns b sl i g h ts t o r a g e f o r t h es a m ep u l s es h a p e ( f o re x a m p l eg a u s s i a np u l s e ) ，t h es m a l l e rp u l s ew i d t hi s ， t h ew i d e rs p e c t r u mi s ；t h el a r g e rp u l s ew i d t hi s ，m o r en a r r o wt h es p e c t r u mi s f o rt h es a m ep u l s ew i d t h ( f o re x a m p l e2 n s ) ，t h es p e t r ab a n d w i d t ho f r e c t a n g u l a rp u l s e ，g a u s s i a np u l s ea n dt h ee x p o n e n t i a lp u l s er e d u c ei nt u r n f o r t h es a m ep u l s ew i d t h ( f o re x a m p l e1 5 n s ) ，t h es p e c t r a lw i d t ho fg a u s s i a np u l s e ， r e c t a n g u l a rp u l s e ，g a u s s i a nc h i r p e dp u l s ei n c r e a s ei nr u m i i i 北京化工人学硕i ：学位论文 ( 1 ) s i m u l a t et h es b sl i g h ts t o r a g ep r o c e s sw h e nt h er e a da nw r i t ep u l s e i s g a u s s l a np u l s ew i t h1 5 n sp u l s ew i d t h ，a n dt h ed a t ap u l s e sa r eg a u s s i a n p u l s e ，e x p o n e n t i a lp u l s ea n dr e c t a n g u l a rp u l s ew i t h2 n sp u l s ew i d t h r e s p e c t i v e l y d i s c u s st h ei m p a c to fs p e c t r aw i d t ho nw a v e f o r m s ，r e a d o u t e f f i c i e n c ya n dp u l s ew i d t ho fr e t r i e v e dd a t ap u l s e ( 2 ) i no r d e rt oc o m p a r ew i t ht h ec o n d i t i o ni n ( 1 ) ，w ec h a n g er e a da n d w r i t ep u l s e si n ( 1 ) f r o mg a u s s i a np u l s ew i t h1 5 n sp u l s ew i d t ht or e c t a n g u l a r p u l s ea n dc h i r p e dg a u s s i a np u l s ew i t ht h es a m ep u l s ew i d t h r e p e a tt h ew o r ki n ( 1 ) ，a n do b t a i nt h el a wo fs b sl i g h ts t o r a g e ( 3 ) s i m u l a t et h ep r o c e s so fs b sl i g h ts t o r a g ew h e nd a t ap u l s ei sg a u s s i a n p u l s ew i t h2 n sp u l s ew i d t h ，t h ew r i t ep u l s ea n dr e a dp u l s e sa r eg a u s s i a np u l s e ， r e c t a n g u l a rp u l s e ，c h i r p e dg a u s s i a np u l s ew i t h1 5 n sp u l s ew i d t hr e s p e c t i v e l y k e yw o r d s ：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 t o r e dl i g h t ；r e a d o u t - 一 e t t l c l e n c y ；a c o u s t i cl i t i o t i m e ：s o e c t r a i v 符号说明 符号说明 入射光子 散射光子 感应产生的声子的频率 波量子的波矢 波量子的波矢 波量子的波矢 吸收率 增益因子 布里渊增益系数 电致伸缩系数 读写脉冲的振幅 数据脉冲的振幅 光纤的膜折射率 介质的折射率 中心波长 中心频率 介电常数 光散射角 真空中的介电常数 相对介电常数 角频率 剪切粘滞系数 体粘滞系数。 布里渊频移 受激布里渊散射 电磁感应透明 受激喇曼散射 自相位调制 光参量放大 k r a m e r s k r o n i g 关系 掺铒光纤放大器 密集波分复用系统 光纤延迟线 吃屹kbk口g踟以以以叶如咖。如韩佻哪町|；|洲叭照删啪吼 北京化丁人学硕j j 学位论义 c p o h n l f 相干布居数振荡 非线性光纤 x 北京化工大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，本论文不含 任何其他个人或集体已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，均己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。 作者签名： 参曼勉 日期： 丝包主：孕 一 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文的规 定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京化工大 学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可 以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在上年解密后适用本授 权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 作者签名： 纽兹 日期： 2 1 i 旦，s ! 埤 导师签名：寻箩1 日期：盈出h l 习l 一 可妹 第一章绪论 1 1 论文背景 第一章绪论 慢光延迟与存储技术的研究为近几年来国际物理学界与通信信息处理领域的研 究热点。利用不同的物理机制，将光的传输速度在介质中加以控制，以便应用在不同的 领域，其主要应用领域包括：( 1 ) 光信息处理( 2 ) 光通信系统及全光网络，尤其是可调的 延迟线具有更为广泛的用途。自上个世纪8 0 年代以来，由于光纤本身的优点，光通信的 发展非常迅速，传输信息的容量以接近每九个月增加一倍的速度提高( 超过了电子学 中的摩尔定律) 。光纤通信已经成为国民经济发展的重要支撑技术。目前，相关技术的 发展( 如光纤到户f t t h ，网络电视i p t v 等等) 对通信带宽提出了更高的需求，也使得关 于光纤通信的研究始终处于科技发展的前沿，对相关领域的研究也是各个国家投入的 重点。目前的光通信系统与网络中某些关键技术还是通过将光信号转化为电信号来实 现，例如信息的存储、路由、开关以及其他信号的处理。显然，传统的光电转换由于受 转换极限速率以及成本的限制已不能满足网络容量的发展需求，下一代光通信系统的 必然方向将是全光通信。在这样的网络或系统中，不是通过光电转换来处理光信息，而 是直接利用光来控制光信号。主要功能如同步，缓存，路由，开关以及信息的提取等等 都由光来实现。从这个意义上来讲，利用光纤中可控慢光技术的研究将是满足全光通 信发展需求的重要方向。能够在光纤中控制工作在通信波段的光速来实现相关功能的 话，这些相关的技术将具有实用性强和成本低的明显优势，是以前光电转换或其他方 法所不能比拟的。另外，基于集成器件的慢光延迟在光逻辑和光信息处理方面的应用 显然对下一代光计算机的发展也是一个促进，其重要性也不言而喻【l 】。 1 2 慢光技术的发展 慢光是一项前沿科学与高新技术，国际上很早就开展了各种慢光技术的研究。早 在1 9 9 9 年，美国海陆空军研究室的l v h a u 等【2 】将钠原子冷冻至u 4 5 0 n k 的低温( 低于钠 原子产生玻色一爱因斯坦凝聚b o s e e i n s t e i n 的临界温度) ，得到了o 1 8 铡2 一的非线 性折射率，并采用电磁诱导透明( e i t ) 量子相干效应的方法获得了1 7m s 的超慢光速以 及3 个脉冲的时延。2 0 0 5 年，澳大利亚j j l o n g d e l l 等【3 】采用e i t 技术在掺y 2 s i o , 的镨 晶体中使2 0 膨的脉冲储存时间超过了1 s 。这些技术方案都是采用原子凝聚温度下的 电磁诱导吸收方法实现光速的减慢，实际应用难度非常大，而且设备复杂，耗资巨大。 因此，必须寻求室温下较为容易实现的方案将光速减慢。 2 0 0 3 年，b i g e l o w 等【4 j 在室温下分别在紫翠玉和红宝石晶体中利用相干粒子振荡 北京化工人学硕i ：学位论文 ( c p o ) 量子相干效应实现了超慢光：在紫翠玉中实现了9 1 m s 的群速度，红宝石晶体中 的群速度降低到5 7 5 m s 。2 0 0 5 年1 月，k y s o n g 5 】等人利用光纤受激布里渊散射 ( s t i m u l a t e db r l l o u i ns c a t t e r i n g ，s b s ) 效应实现了快慢光控制，通过控制布旱渊增 益可以将脉冲延时变化3 0 n s 以上，随后又相继出现了基于光纤受激拉曼散射 ( s t i m u l a t e dr a m a ns c a t t e r i n g ，s r s ) 宽带脉冲慢光和基于光纤四波混频 ( f o u r w a v e m i x i n g ，f w m ) 效应的快慢光实验报道。2 0 0 7 年1 2 月，美国杜克( d u k e ) 大学 的z h a o m i n gz h u 等【6 】在s c i c e n c e 杂志上发表论文称，利用光纤中的s b s 非线性效应，成 功进行了慢光的读写试验，实现了慢光的全光缓存技术，这是全光通信史上的重大技 术突破，该实验实现了6 个归一化脉冲时延，这是目前光纤s b s 慢光的最大归一化时延。 文中提出了基于受激布罩渊散射( s b s ) 的光存储模型，包含信息的数据脉冲在与反方 向传播的写脉冲作用后，将信息传递给光纤中的声激励，随后声激励与读脉冲作用， 又将信息传递给恢复的数据脉冲。这种基于s b s 的光存储技术具有存储时间连续可调、 对光的工作频率没有限制等优点。 1 3s b s 慢光的发展状况 1 3 1 在增加延迟时间方面的研究进展 慢光延迟线的延迟时间通常是根据一个单高斯脉冲的峰值位置变化定义的。而人 们真正感兴趣的是超出一个脉冲宽度的延迟方法，即相对脉冲延迟，定义为脉冲延迟 对脉宽的归一化。k y s o n g 等首次报道了在室温单模光纤中用s b s 中的布里渊增益 区域实现了光延迟后，y o k a w a c h i 等【7 j 明确提出了可控全光延迟线的概念。实验中的 可控全光延迟线是利用发生在布里渊增益特征区域折射率的快速变化而实现的，通过 控制抽运激光的波长实现了延迟线的波长调谐，通过控制抽运光的强度实现了延迟量 从2 5 6 3 n s 的连续调制，具有高斯形状的光脉冲和中等脉冲畸变，这种技术可以被应 用到短于1 5 n s 的激光脉冲。z m z h u 等【8 】数值研究了在室温单模光纤中由s b s 引起的 全光慢光延迟线。在小信号区域和增益饱和区域，研究了斯托克斯脉冲的延迟和展宽 问题。研究表明，光脉冲的延迟被布里渊放大器的增益饱和所限制。在小信号区域， 脉冲的延迟时间和展宽宽度随增益的增加而增加，在增益饱和区域，脉冲的延迟时间 和展宽宽度随增益的增加而减小。在增益饱和区域，脉冲如果在中等畸变的情况下， 可以取得大于一个脉冲宽度的延迟，如果在大畸变的情况下，可以取得远大于一个脉 冲宽度的延迟。 从以上的工作中可知，利用s b s 在室温单模光纤的通讯波段实现慢光延迟线受可 允许的脉冲畸变的限制，怎样在相同的畸变下取得更大的延迟呢? 基于多增益线的慢 光系统可以有效地延长延迟时间【9 以羽。使用布里渊增益双线能有效地减少畸变对延迟 2 第一章绪论 线的限制，使用同样的实验装置取得了三条等空间分布的布里渊增益谐振线，更进一 步增加了受畸变限制的脉冲延迟线。上述脉冲延迟线延迟时间的定义没有考虑延迟脉 冲的数据保真度和时间脉冲线型。在实际应用中，常常使用脉冲畸变定量化的标准， 即最大可取得到的分数延迟r 一= a 瓦。2 7 r a v ( 其中乙。是最大可取得的绝对延 迟，a v 是信号光的线宽) ，这也是慢光装置最基本的性能指标，受限制于脉冲畸变， 尤其是当信号光的线宽与特征增益谱的谱宽可以相比拟时。z h i m i ns h i 等【l3 】应用上述 标准，在具有高数据保真度的情况下，最佳设计的三增益线介质中取得比单增益线介 质高两倍的最大分数延迟，高三倍的增益带宽。 在固有的布罩渊放大过程中，最大的脉冲延迟时间是受抽运抽空效应限制的，所 以人们研究了延迟脉冲与放大过程失耦合的s b s 慢光系统【1 4 _ 们。t s c h n e i d e r 等【1 7 】 认为影响s b s 慢光延迟线的是脉冲放大过程中的抽运抽空效应，而抽运抽空依靠布里 渊增益中心线的绝对高度，因此脉冲延迟是布罩渊增益在频域形状的函数，如果形状 保持相同，高度和延迟信号的振幅将减小，但是延迟时间不会变，因为抽运抽空被减 小使获得长延迟时间成为可能。实验中使用的双抽运光的布里渊增益线型如图1 所 示。一束频率为f p 的抽运光在频域厂p 一厶和厂p + 厶处分别产生斯托克斯增益和反斯 嘲w n c y 图1 - 1 两个激光器产生的布里渊增益和损耗谱 f i g 1 - 1b r i l l o u i ng a i na n da b s o r p t i o ns p e c t r ag e n e r a t e db yt w ol a s e r s 托斯损耗，如虚曲线所示。 为光纤中的布里渊频移，第二束抽运光频率为 厶：= 厶+ 2 a ，它在频域厶：+ 厶和冉：一厶处分别产生损耗和增益，如虚点线所示。来 自于频率f p 的损耗中心与来自于f p 2 的增益中心重合，重叠谱形状如实线所示。应用 这个原理，在一个光纤循环中可取得近1 0 0 i s 的延迟，但是需要很高的抽运功率。 合理设计增益和损耗谱重叠的慢光系统可以有效延长延迟时间【l7 ，l 引。 t s c h n e i d e r 等【l7 ，1 8 j 将损耗加在s b s 增益线的两翼，增加了延迟时间，结果如图1 - 2 所 示。在功率较低处，延迟时间比零增益时增加5 0 。用这种方法，3 0r s 宽的时问脉冲 可以取得延迟时间1 2 0 n s ，这是到目前为止，在一个光纤环中可取得的最大延迟时间。 这种方法对高字节速率信号还具有潜在降低脉冲畸变的作用。t s a k a m o t o 等【l9 】用光 学频率梳产生技术，得到了由2 0 个分离线谱产生的宽带平顶布里渊增益谱，增益谱的 3 北京化工人学硕17 学位论文 带宽是2 0 0 m h z ，对于5 4 4 n s 持续时间的脉冲展宽因子小于1 1 9 的条件下，实现了最大 相对脉冲延迟2 4 6 。也有文献【2 0 川报道了通过级联几条延迟线可以得到长的时间延 迟，但是增加了系统的复杂性。m l e e 等2 2 1 把f p 滤波器结合在s b s 慢光系统中，有效 地提高了分数延迟。 图1 - 2 最大增黼和最大延迟随入射功率的变化规律 f i g 1 - 2m a x i m u mg a i na n dm a x i m u md e l a yw i t hd i f f e r e n ti n p u tp o w e r 1 3 2 光在拓展s b s 增益带宽方面的研究进展 目前各种全光延迟线技术的最主要限制是它的带宽。对于s b s 慢光延迟线技术， 在传统的单模光纤中，在通讯波段自然布罩渊带宽被限制在3 0 m h z 左右，被延迟系统 的数据传输速率大约是1 5 m b s ，与现有通讯系统的数据传输速率相差甚远。研究表明， 应用谱工程可以克服固有的布里渊增益带宽的限制，增加延迟线的带宽。在有效地拓 展s b s 增益谱带宽方面所做的工做主要有以下几方面： ( 1 ) 直接调制抽运激光的频率，从而对布罩渊增益谱进行设计与裁剪【2 3 。2 6 1 。 a z a d o k 等1 27 j 用直接调制的抽运激光展宽了s b s 的固有线宽，设计了调制波形，获得 了具有陡的前后沿的谱，增强了相位梯度。与通过随机调制抽运光得至u s b s 慢光延迟 线相比较，裁剪调制波形可以延长延迟线3 0 - 4 0 ，使用这种技术，5 g b s 的伪随机码 流( p r b s ) 被成功延迟到1 2 0 p s 。通过调制抽运激光产生布罩渊多增益线【9 。i , 1 3 , 2 7 j ，并 且通过控制调制信号振幅和频率的变化可以控制多增益线的强度和频率分离，合理设 计增益谱的形状有效地展宽了延迟线的带宽。z w l u 等【l l 】通过对抽运波的相位进行 调制，产生了具有多增益线的谱，重叠多增益线获得了平顶增益谱，将延迟线的带宽 增加到3 3 0 m h z 。通过改变谱线的数量和相邻谱线问的频率分离实现了带宽的可调谐。 ( 2 ) 调制抽运激光的带宽得到宽带抽运光，实现慢光延迟线的带宽展宽1 2 7 3 l 】。m g h e r r a e z 等【z 副研究认为，s b s 通常用相向传播的强抽运波和弱探测波的相互作用来描 述，当两波的频率满足相位匹配条件y = v 胛k + g 占( g 口是布旱渊频移) 时产生声 波，声波把抽运波的光子散射到探测波，所以s b s 以被看成是一种窄带放大过程，是 4 第一章绪论 强的抽运波在谱区y 。一g b 附近产生的增益。根据k r a m e r s - k r o n i g 关系，与布罩渊增 益过程有关的折射率发生了变化，群折射率是折射率跃变的结果。用1 5 5 , u r n 相干光 抽运传统的单模光纤，增益窗具有洛仑兹线型，特征谱宽是3 5 m h z ，然而当抽运波被 调制时，增益带宽是抽运谱和布罩渊增益曲线的卷积。如果抽运谱能够近似表示为洛 仑兹线，实际的增益线型保持为洛仑兹线型，带宽就会等于抽运谱的宽度与特征布罩 渊增益谱宽的和，延迟线的带宽被有效展宽至1 3 2 5m h z 带宽。z m z h u 等【3 l 】运用上述 原理，获得了1 2 6 g h z 的延迟线带宽，还指出用宽带抽运光增加了s b s 慢光延迟线的带 宽，但当抽运光的线宽增加到数倍的布里渊频移时，反斯托克斯吸收谐振取代了斯托 克斯放大谐振，因此取消了s b s 慢光效应。用宽带抽运光实现宽带慢光延迟线必须使 用高的抽运光强或者在具有高增益的光纤中才能实现。 ( 3 ) 使用宽带双抽运激光实现慢光延迟线的带宽展科3 3 4 1 。在s b s 慢光系统中，在 单一抽运光的情况下，不管用什么方法慢光信号的最大可调谐带宽的数量级是布里渊 频移的2 倍。一般情况下，自然的布里渊频移是9 6 g h z ，那么基于s b s 慢光系统的数据 传输速率大约是l o g b s ，而现有的光纤通讯系统普遍使用的数据传输速率是4 0 g b s ， 甚至更大，所以需要找到更好的方法突破这种限制。t s c h n e i d e r 等【3 3 】研究表明，一 个抽运光产生的反斯托克斯损耗谱可以通过与另一个抽运光增益谱的重叠被补偿，可 以克服2 倍自然布罩渊频移的限制。k y s o n g 等【3 4 】使用双布里渊抽运光实现了布罩渊 慢光的带宽增加到2 5g h z ，实验装置如图3 所示。3 7 p s 脉冲延迟1 0 9p s 的结果，产生 于一束宽带抽运光的损耗谱被产生于另一束宽带抽运光的增益谱所补偿。在s b s 慢光 形成过程中，如果一束抽运光增益和损耗谱的峰值被分离2 倍的布里渊频移，对于用 类噪声调制产生的具有高斯型分布的增益和损耗谱，在抽运光的谱宽增加到一个布里 渊频移时，增益和损耗谱开始发生重叠，结果导致了增益谱的畸变，形成了一个非对 称的增益谱，这不仅降低了延迟脉冲的谱宽，而且增加了延迟脉冲的畸变。如果用相 同的调制方法得到的具有相同功率的两束宽带光作为抽运光，当一束抽运光增益和损 耗谱的峰值分离为2 倍的布里渊频移时，一束抽运光的损耗谱完全被另一束抽运光的 增益谱补偿，如图1 - 4 所示，增益带宽增加到两倍的布罩渊频移。 黼煳 图卜3 具有双布里渊抽运光的s b s 慢光 f i g 1 - 3s b ss l o wl i g h ts y s t e mw i t hd o u b l ep u m p s 5 北京化工人学硕1 j 学位论文 l 塑鲤鱼塑塑! ! 堡【里螋! 堕型! ! ! 竺坚l 匪二丽丽 罢i j 1 一y 竺曼l 甄1 一， 。l 口咖ll 口端p u m p l ：啪2 i = 冀挈寸 警妒 一也幺号 3 s 7 a )伪) 图1 - 4 增益和损耗谱的比较图 f i g 1 - 4c o m p a r i o no fg a i na n da b s o r p t i o ns p e c t r a 1 3 3延迟脉冲在时间线型的控制和抑制畸变方面的研究进展 最初得到的s b s 慢光是由布里渊谐振频率附近一小部分脉冲谱的放大引起的，是 一种窄带增益，所以s b s 增益的滤波效应和伴随着慢光过程的色散必然导致延迟脉冲 的时间线型( 脉宽) 展宽。在实际应用中，数据流用等宽的脉冲“o ”和“l 来代替， 所以脉冲的最大的展宽不得不小于原始脉冲宽度的2 倍，否则“0 将被判定为“l ， 这种脉冲展宽限制了最大的时问延迟。换句话说，一般的s b s 慢光延迟线，脉冲延迟 时间和脉冲畸变是对立的。大的脉冲延迟是以大的脉冲畸变为代价的。减小延迟脉冲 的畸变可以通过裁剪由抽运光产生的增益线型来获得【8 , 9 , 1 2 , 3 4 ，如布里渊增益双线、增 益三线都能在减小畸变、增加延迟方面有重要作用。如果延迟脉冲是通过布里渊放大 谐振取得的，延迟是与指数增益成正比，这样数据脉冲经过慢光延迟通道后，数据脉 冲的强度将有大的变化，数据流中脉冲功率大的变化将引起系统性能的下降，所以z m z h u 等【1 4 j 提出了一种使用两束具有较大分离的反斯托克斯吸收谐振线，取得了零增 益的慢光，慢光带宽为1 5 0 m h z ，对于脉宽9 n s 的脉冲相对延迟0 3 n s 。r p a n t 等f 3 6 】研 究了依靠增益的、可调谐的宽带s b s 慢光延迟线装置的光学增益线型的设计方法。光 学增益线型受畸变、抽运功率、总抽运功率和最大增益限制。选择高斯噪声展宽抽运 源、仅有光学增益和光学增益加吸收三种系统作为研究对象，研究表明光学增益加吸 收系统的延迟性能比高斯噪声展宽抽运系统提高了2 1 倍，比仅有光学增益系统提高 了1 3 倍。s h w a n g 等1 37 】提出了一种裁剪s b s 慢光增益谱的新方法。研究中使用的是 两束具有不同功率和谱宽的高斯型宽带抽运光，两束抽运光的中心频率间隔被设置为 2 倍固有的布罩渊频移，保证一束抽运光的增益谱与另一束抽运光的损耗谱有相同的 中心频率，增益线型保证了信号脉冲的零展宽。 6 第一章绪论 主 孳 耄 ； 昙 量 图卜5 双宽带抽运光的频谱 f i g 1 - 5g a i na n da b s o r p t i o ns p e c t r ao fd o u b l ep u m p s 图卜5 为双抽运光的增益和损耗线的谱图。该研究提供了人工设计和最佳化增益 谱线型的新方法。然而，因为是宽带增益，所以减少了可取得的延迟时间，而且最后 增益线的形成也利用了损耗谱，所以导致延迟时间的进一步减少。但是，因为该研究 中没有积累的脉冲展宽，所以长延迟时间的延迟线可用级联几个这样的延迟线取得， 但相应地增加了系统的复杂性。t s c h n e i d e r 等【3 8 】研究了一种脉冲零展宽延迟线，窄 带布里渊增益被伴随在脉冲延迟线过程中群速度色散所补偿。l l y i 等 3 9 】根据误码 率和灵敏度这两个指标研究了以1 0 g b s 传输的慢光系统的性能，使人们的研究向着实 用化方向迈进了一步。 1 4 本论文的主要工作 前面综述中讲到，美国杜克大学的d a n i e lg a u t h i e r 领导的小组成员z h uz h a o m i n g 等在2 0 0 7 年研究发现了一种可实现存储时间持续可调的全光存储器，这一研究成果 使s b s 慢光延迟线在光通讯领域得到应用成为现实。本论文的主要内容是以上述文献 中的理论为基础，从理论上研究关于如何利用受激布里渊散射( s b s ) 在光纤中实现光 存储。 本文的主要内容具体安排如下： 第一章主要介绍光纤中实现光存储的研究背景。随后综述慢光技术的发展状况， 并详细介绍受激布罩渊散射慢光技术的进展。 第二章主要介绍受激布罩渊散射的一般描述，推导受激布里渊散射耦合波方程 组。 第三章主要描述用受激布罩渊散射在光纤中实现光存储的物理模型和数学模型， 并讨论受激布罩渊散射的阈值和受激布里渊散射光存储的相位匹配条件。 第四章数值模拟光纤中的受激布里渊散射光存储过程，讨论存储时间，控制脉冲 功率，声子寿命对读出效率的影响。讨论不同数据脉冲波形和控制脉冲波形时，读出 7 北京化t 人学倾i j 学位论文 效率和恢复的数据脉冲脉宽的变化规律，比较数据脉冲和控制脉冲的频谱，讨论频谱 对受激布里渊散射光存储的影响。 第五章为结论，总结论文所做工作。 第一二章受激布单渊散射的毖奉理论 2 1 引言 第二章受激布里渊散射的基本理论 布里渊散射起源于激光电场与分子或固体中的声波场的相互作用，也就是光子与 声子的相互作用。布罩渊散射的特点是散射光的频率与入射光的不同，并且散射光的 频移大小与散射角及截止的声波特性有关。与自发布里渊散射不同，受激布里渊散射 的产生过程是：在激光电场作用下，通过电致伸缩效应，使介质发生周期性密度和介 电常数的变化，感生声波场，而导致入射光与声波场间发生相干散射过程【4 0 】。 与自发辐射光散射( 如拉曼散射，布里渊散射) 相比，受激散射( 如受激拉曼散射， 受激布罩渊散射) 具有如下特点： ( 1 ) 高输出强度。受激辐射的输出光可达到与入射光同数量级的强度，甚至更强( 具 放大作用) ，受激散射光可把入射激光能量耗尽。 ( 2 ) 高定向性。前向和后向受激散射光的发散角可达到与入射激光相近的发散角， 如达到毫弧度，甚至衍射极限。 ( 3 ) 高单色性。散射光谱的宽度明显变窄，可达到与入射激光相当或更窄的单色光。 ( 4 ) 脉宽压缩性。受激散射光脉冲宽度远小于入射激光脉冲宽度。 ( 5 ) 阈值性。入射激光的强度大于某一阈值光强后，散射光的相干性，方向性和散 射光强才有明显提高。 ( 6 ) 相位共轭特性。所产生的受激散射光的相位特性与入射光的相位特性有共轭关 系【4 。 受激布里渊散射是一种重要的受激散射，它是1 9 6 4 年c h i a o ，t o w n e s 和s t o i c h e f f 利用激光这种当时的新型光源发现的【4 2 】。激光由于具有高强度和高度的相干性，可以 在介质内产生相干的声波场，这些声波场相当于位相光栅，在这些光栅上的衍射光可 以发生干涉，从而加强了散射光强，而加强了的散射光又与入射激光相互作用，反过 来加强了声光栅的作用，这又进一步加强了散射光的强度。这样，就形成了受激布里 渊散射。 2 2 受激布里渊散射的一般描述 根据量子理论，入射光子( y 尸，砟) ，散射斯托克斯光子( ，露) 与声子( ，疋) 之间 必须满足能量守恒和动量守恒条件，即 y p2y s + l 口 9 ( 2 - 1 ) 北京化t 人学硕17 学位论文 k p = k s + 丸( 2 - 2 ) 布里渊散射分为前向散射和后向散射两种，它们的动量匹配关系如图2 1 和图2 - 2 所示，其中0 是t 尼p ( a ) 前向散射 尼p ( b ) 后向散射 图2 - 1 布里渊散射斯托克斯光动量匹配关系 f i g 2 - 1t h er e l a t i o n s h i po fm o m e n t u m sf o rs t o k e sl i g h t k p k l , ( a ) 前向散射( b ) 后向散射 图2 - 2 布里渊散射反斯托克斯光动量匹配关系 f i g 2 1t h er e l a t i o n s h i po f m o m e n t u m sf o ra n t i - s t o k e sl i g h t 式( 2 1 ) 和( 2 2 ) 中咋，珞和屹分别表示入射光子、散射光子和感应产生的声子的 频率；砟，蟊和k 。分别表示三者的波矢。由上述关系式可以看出，当略小于v p 时的 散射称为斯托克斯散射。 在受激布里渊散射中，由于声子频率比光子频率小得多，即即 a p ，故p p o ，从而有： 鲁+ 刀p ) = o 对( 2 1 8 ) 式两边取散度，将式( 2 1 4 ) 代入得： v 2 鲁一害= 等v 2 陋2 ) 利用介质绝热弹性模量的表示式： f l = p o 竺 d p 以及声学理论： 可将声波场最终表示为： 旦：v 。z ，r ：口。v 。 , c o 1 3 ( 2 - 1 9 ) ( 2 - 2 0 ) ( 2 - 2 1 ) ( 2 2 2 ) ( 2 2 3 ) 北京化工大学硕士学位论文 v 2 尸一詈害一专事= 等v 2 仁2 ) 陋2 4 ， 将( 2 - 1 6 ) 式和( 2 2 4 ) 式联立，便得到了描述受激布罩渊散射的耦合波方程组： v 2 雷一7 n 2 矿0 2 雷一詈堕o t = 鳓s 。去生o 挲t c ia t zc “u o 、 2 v2p一堕v望一古聋=古型v2忙2)a o to t2 。 1 ，口2 2 y n 2 、 2 4 布里渊散射的阈值 ( 2 - 2 5 ) ( 2 - 2 6 ) 在平面波近似，且忽略电场的横向分布情况下，即将两光场及声波场视为平面波， 其表达式分别为： 戽( z ，f