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慢光的产生及其时延测量的研究 摘要 光作为一种信息载体，已经广泛服务于人类社会。但是在存储与 处理技术方面，利用光的技术却明显地落后。为了能对光信息进行存 储与处理，必须先将光信号变为电信号。这不但丢失了光信号中的相 位和偏振信息，而且在转换速率上，已经接近了光电转换速率的极限。 这使得光信息技术的继续发展受到明显的制约。 本文是自然科学基金项目基于高非线性光纤光栅的光缓存研 究的部分内容，主要研究慢光的产生及其时延测量。本文分析了产生 慢光的几种不同的机制。研究了超短激光脉冲的产生技术，并对孤子 的传输特性进行了数值仿真。针对测量超短激光脉冲参数的各种方法， 分别对皮秒脉冲测量技术和飞秒脉冲测量技术进行了讨论。在对此研 究的基础上，本文作者提出了一种新的测量飞秒脉冲传播时延的方法 基于自相关法的飞秒脉冲传播时延测量方法，对四波混频所产生 的闲频光代表了两列脉冲的时间相关性进行了理论推导，并且为验证 此方案的可行性，利用o p t i s y s t e m 仿真软件做了测量系统的仿真，利 用m a t l a b 工具对其做了数值分析，仿真分析结果与理论推导完全符合。 针对在较高入射光功率的情况下，光纤光栅产生的性质对慢光的产生 有一定的影响，建立了光纤光栅反射中心波长的测量实验系统，进行 了相关的实验，并对实验数据进行了分析，该实验结果证明光纤光栅 的反射中心波长随输入功率的不同而产生不规则的变化。最后，简明 i 扼要地总结了全文已得出的结论，并指出有待进一步研究的问题及展 望。 关键字：慢光超短脉冲自相关技术时延测量 r e s e a r c ho ns l o wl i g h td e l a ym e a s u r e m e n t a b s t r a ( 了r r e c e n ty e a r s ，o p t i c st a k e sm o r ea n dm o r ei m p o r t a n tp a r ti np e o p l e s l i v e sa si n f o r m a t i o nc a r d e r s b u ti ns t o r a g ea n db u f f e rt e c h n i q u ea r e a ， o p t i c a li n f o r m a t i o nt e c h n i q u ef a i l st ok e e pu pap a c e i no r d e rt o s t o r e o p t i c a li n f o r m a t i o n ，o p t i c a ls i g n a l sa l w a y sn e e dt ob et r a n s f e ri n t oe l e c t r i c a l s i g n a l s ，w h i c hn o to n l yl o s et h ei n f o r m a t i o no fp h a s ea n dp o l a r i z a t i o n ，b u t a l s ol i m i ti nt r a n s f e rd a t er a t e t h i sw o r ki s p a r t i a l l ys u p p o r t e db y n a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c e f o u n d a t i o no fc h i n a o p t i c a lb u f f e rr e s e a r c hb a s e do nh i g hn o n l i n e a rf i b e r g r a t i n g t h e a r t i c l ei s c o m p o s e do f6c h a p t e r s a tf i r s t ，c o n t e n t sa n d s i g n i f i c a n c e so fr e s e a r c ha r ei n t r o d u c e di nc h a p t e r1 a n dt h e n ，s o m ek i n d s o fs l o w l i g h ts y s t e m a r ei n t r o d u c e di n c h a p t e r 2 i nc h a p t e r 3 ，t h e p r o d u c t i o no fs o l u t i o ni sd e s c r i b e db e c a u s et h eo p t i c a ls o u r c ei nt h i sp r o j e c t n e e d st ob eu l t r a - s h o r tl a s e rp u l s e s i nc h a p t e r4 ，t h et h e o r ya b o u tp a r a m e t e r m e a s u r e m e n to fu l t r a - s h o r tl a s e rp u l s e si sd e s c r i b e d c h a p t e r5p r o p o s e sa n a l l f i b e ra u t o c o r r e l a t i o n t e c h n i q u e b a s e do nf w mu s e dt om e a s u r e p r o p a g a t i o nd e l a y o ff e m t o s e c o n dl a s e r p u l s e s i nas p e c i m e na n d e s t a b l i s h e sam e a s u r e m e n t s y s t e m b a s e do nt h i s t e c h n i q u e t h i s m e a s u r e m e n ts y s t e mi st e s t e db ys i m u l a t i o ns o f t w a r e o p t i s y s t e mt o d e m o n s t r a t ei t sf e a s i b i l i t y , a n dg oa l o n gw i t hn u m e r i c a la n a l y s i sb ym a t l a b t h ed e l a yo fas h o r tf i b e ri sm e a s u r e d ，a n dt h es i m u l a t i o nm e a s u r e m e n t r e s u l ts h o w st h ed e l a yo ft h es h o r tf i b e ri s3 0 0 f s a ne x p e r i m e n ta n d a n a l y s i so ft h ed a t aa r ei n c l u d e d i nt h el a s tc h a p t e r , a n dt h ee x p e r i m e n t r e s u l ts h o w st h a tt h ef i b e rg r a t i n g sr e f l e c t e dw a v e l e n g t hw i l lc h a n g e d a c c o r d i n gt od i f f e r e n tp o w e ro fi n c i d e n tl i g h t k e yw o r d s ：s l o wl i g h t ，u l t r a s h o r tp u l s e ，a u t o c o r r e l a t i o nt e c h n i q u e ，d e l a y m e a s u r e m e n t i i i 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，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邮电大学或其他 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。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：表区延日期：兰竺5 ：墨：鳌 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电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邮电大学。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。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在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。 本人签名： 垒文盘日期：堕罩：墨：里 导师签名：么釜望堑r 期：塑! ：墨：墨 北京邮电大学硕： ：研究生论文 第一章绪论 1 1 本课题背景和研究意义 光作为一种信息载体，已经广泛服务于人类社会。信息技术基本上可以分为信 息的采集、传输、处理、存储和显示等5 个方面。与电子信息技术相比，光在采 集、传输以及显示技术方面，都占据了优势。光纤通信的飞速发展，没有人怀疑 光通信在信息网络的主流地位。越洋通信、海底光缆已经把世界变得不再遥远。 光检测技术以其高精度、高分辨率、无损、非接触等方面的优势，也正成为检测 技术的高端产品。绚丽多姿的各种显示屏，把人们带进了美妙的虚拟世界。然而， 在存储与处理技术方面，光信息技术却明显地落后。数十年来，人们梦寐以求的 光计算机并没有如期出现。光盘因为其读写速度慢，不能作为实时处理的存储器。 为了能对光信息进行存储与处理，必须先将光信号变为电信号。这不但丢失了光 信号中的相位和偏振信息，而且在转换速率上，人类已经接近了光电转换速率的 极限，大约为1 0 0 g b s 。这使得光信息技术的继续发展受到明显的制约，其根本 原因就是没有光存储技术。l l 】 光子是玻色子，如果不把光子转换为其他形式的能量，理论上说光子是不可能 停下来的，唯一的办法就是使光信号延迟一段时间，以便于对高速的光信号进行 处理。比如收到一个来自于远方的文件形式的光信息，长度约为1 0 0 k 字节，假定 线路上的传输速率为2 5 g b s ，大约4 0 1 1s 就接收完了。但是我们要在4 0 t ts 内识 别这个光信息是否是我所需要的，以便决定是否要接受它，几乎是不可能的，即 使对于主频为1 0 g h z 的计算机仍然是十分苛刻的要求。如果能把这个时间延缓到 毫秒量级，问题就会好解决得多，而且延迟时间的大小必须是由中央处理器( c p u ) 根据处理情况可随机控制的。实现这种可以用读写信号控制的延缓光信号时间的 器件称为光缓存器。全光缓存器是对高速光信息处理的前提。 我们知道，光信号的传输时间为t = v 立l ，其中l 是光路的长度，v 卫是群速 度。所以光缓存有两个思路：一个是延长传输路径的长度；另一个是减慢光的速度。 对于延长光路长度人们已经提出了许多方案，总的来说可以分为两种：一种是f j 向 型结构：另一种是称为反馈型结构。 前向型结构由一系列的2 2 光丌关和一系列为单位长度整数倍的光纤所构 成，如图1 1 所示。如果单位长度光纤的延迟时间为t ，当需要不同的缓存时间时 ( 比如7 t ) ，则可以分别接通不同的开关( 比如接通开关k 1 ，l q ，硒) 。如果变 更缓存时间( 比如6 t ) ，则变更丌关的状态( 比如使k 1 ，k 2 呈交叉连接) 。这样 就可以使光脉冲延迟不同的时间。这种类型的缓存器本质上是一种延迟时间可变 北京邮电人学硕十研究生论文 的延迟器。因为它完全没有读写功能，延迟的时间( 开关的接通状态) 要事先预定。 控制信号 图1 - 1 前向型光纤缓存器 反馈型的缓存器和前向型不同，最基本的思路是由一个光“写 控制信号将用 户的光脉冲引入到一个光纤环，并让它多次在里面绕圈，然后由一个光“读 控 制信号将它导出( 如图1 2 ) 。这种缓存器是真正意义上的随机缓存器，缓存时间不 需要事先设定。因此这种缓存器的关键问题是如何用控制信号将用户光信号引入 和导出。 图卜2 反馈型光纤缓存器 一个典型的例子是双坏耦合全光缓存器d l o b ( d u a ll o o po p t i c a lb u f f e r ) ，其中 一种返回式结构如图1 3 所示。这是一种基于3 3 光纤耦合器的双环耦合结构， 它不仅存储的是光信号，而且读写操作也是在另一个光信号的控制下根据需要进 行的。它利用一个3 x 3 光纤耦合器的两侧端口经过光纤反馈构成双环，以左侧中 间端口作为缓存器的输入、输出端口。在右侧的光纤环中，有一个半导体光放大 器s o a ，并通过波分复用光纤耦合器引入和导出控制光。当用户输入数据流从耦 合器的左侧中间端口输入时，平行排列的3 3 耦合器将把光分配到右侧的环1 中， 形成顺时针和逆时针的两束光，其中一束光经过s o a l 时，在写控制光功率的作 用下产生的相移。当这两束光返回到3 3 耦合器时，由于存在了的相位差， 干涉的结果将进入右侧的环2 。如果不引入新的控制光，二者始终保持着的相位 差，于是光信号始终存在于两个坏之中循环。这就是存储效应。当需要读出的时 候，只需在环1 的s o a 对一束光再产生的的相位差。于是光脉冲就从耦合器的 左侧，中间端口并经过一个光环行器读出。但这种思路的问题是，体积比较大且稳 定性差，在光纤环中绕行的圈数也有限。随着圈数的增加，光纤传输的各种问题 都显现出来，比如色散、损耗、噪声、偏振稳定性等。因此，人们把目光转向减 2 北京邮电大学硕上研究生论文 慢光的速度。这样，追求极慢的光速就成为当前光信息技术的一个热点问题。 图卜3 双环耦舍全光缓存器( 返回式) 大家知道，光在介质中的传播速度要比真空中慢。比如，在石英玻璃中的速度 大约是真空中的2 倍。所以，光速减慢是自然界的一种普遍现象，并不是什么新奇 的发现。问题在于我们能将光速减慢到什么程度，和怎样控制光速为我们人类社 会服务。 虽然光速的概念是一个复杂的问题，但我们这里仅涉及相速和群速这两个概 念。作为单一波长的稳态的电磁波，波的各点都在作稳态的简谐电磁振荡。波的 传播理解为相位的传播，因此它只有相速度的概念。尽管每一点的电磁振荡都存 在幅度( 包括偏振) 和相位两个参数，但相位分布是决定波动的关键因素，波动场的 波动性是由相位场所决定。 我们要传递的光信号是一个个承载信息的光脉冲，每个光脉冲可以看成一系列 光频率分量的叠加，通常被称为波包。这种光脉冲( 波包) 通过介质时各单色的频率 分量将以不同相速传播，波包在传输过程中会发生畸变，波包的不同点以不同的 速度传播，因此我们不能以“波包的传播速度 作为群速度。对于一个波包，两 个不同点平均达到时刻的差值，就是波包的传输时间。用这两点间的距离除以波 包传输时间得到的速度才是严格意义的群速度v g 。要想降低光信号( 光脉冲) 的传播 速度，可以有两个思路，一是增大折射率n ，二是增大折射率的相对变化率竺罢。 t d 由于普通介质的折射率与真空中的折射率相差不大，依靠增大折射率1 1 获得光速 的减慢是十分有限的，所以出路就是增大折射率的相对变化率竺_ d n 。从介质极化 乃d 的微观机理我们知道，介质的折射率变化在共振频率附近最大，从而可以明显的 减慢光速。 利用e i t 现象，进一步寻找在共振频率具有很大折射率的相对变化率6 0n d n d a ) 的介质，就可以大幅度地降低光的群速度。在这个领域，最具代表性的是h a ul v 研究小组工作。然而，h a ul v 等人的实验装置十分复杂，需要工作在绝对零度附 近，没有实际应用意义。人们目光转向寻求较高温度甚至室温的光速减慢，c h a n g 3 北京邮电大学硕士研究生论文 h a s n a i ncj 等人的理论工作表明，利用半导体量子点的精细结构，同样可以产生 e i t 现象，从而制造出体积小、常温下工作的集成度高的全光缓存器。这个理论结 果，燃起了人们对于集成的全光缓存器的新希望，而由此引发的光域的信号处理 技术( 也称为全光信号处理技术) ，也正在孕育之中，目前光信息科学界正密切关 注着它的进展。虽然，实际的实验成果还没有公布，但通过研究者的不懈努力， 实现可控制的全光缓存已经是指日可待了。 1 2 国内外光缓存的研究现状 如图1 4 所示，光缓存器是一个具有无需进行光电变换的光输入和光输出数据 流的器件。输出数据流f o u t ( t ) 应该是输入数据流f i n ( t ) 的拷贝，并且在一定的失真 和损耗的范围内缓存一定的时间s ，即f o u t ( t ) = f i n ( t ) ，而且缓存器的写入与读出( 以 及缓存时间) 应该在外部读写光信号控制下可随机变动。理论上，光脉冲的缓存时 间s = l v ，其中l 是光脉冲的缓存长度，v 是光脉冲的群速度。控制缓存时间 意味着需要控制缓存长度或者控制群速度，或二者同时进行。【2 叫 图1 - 4 全光缓存器模型 如表1 - 1 所示，目前光缓存器的研究大致可以分为两大类十个方向。【2 l 袁1 - 1 各种光缓存器技术的比较 光缓存器的研究方法技术方案备注 改变光信号能量的存基于电子捕获效应 在形式 光谱烧孔光缓存器 基于延迟线加光开关方案 保持光信号能量的存 基于反射光纤( f p 腔) 加光开关 保持既定的光速 在形式 基于光纤坏的方案 利用减慢光速的介质延迟光速降低光速 4 北京邮电火学硕： ：研究生论文 1 2 1 基于光信号能量的存在形式改变光缓存 利用光信号能量转换实现缓存的方法由于处理速度慢、与光纤匹配问题没有解 决，所以不能满足当前大容量、高速交换网络节点的需要，目前研究较少。 1 2 2 保持光信号能量的存在形式的光缓存 光子是玻色子，它的静止质量为零，不能停止运动，所以光子的缓存介质必须 采用一种光子能在其间运动的介质。在时间域对光信号进行处理正是满足了光的 这一特性，近年来国际上对此进行了广泛的研究，并取得了不少进展。在时间域 对光信号进行处理主要有延迟线加光开关、反射光纤( f p 腔) 加光开关、光纤环等 方案。 ( 1 ) 延迟线加光开关( 下图为交换延迟线) i n l i n 2 ljj d l ld l 2 s w l s w 2s w 3 图1 - 5 交换延迟线 0 u t l o u t 2 缺点：它不是一个真正意义的缓存，而只是一个暂存器( t r a n s i e n tb u f f e r ) ，缓 存时间很有限。 ( 2 ) 反射光纤( f p 腔) 加光开关 m 1 一口 图1 - 6f p 腔光缓存器 m 2 缺点：此方案用作光放大器的p i a 需要很高的光功率而且需要两个光开关来 分别控制读写。由于各种光开关对于信号的同步要求较高，对于处理长连0 或长 5 北京邮电人学硕上研究生论文 连1 的能力弱，而且很难做到1 0 0 全反射，技术上实现比较困难。 ( 3 ) 带有功率补偿的光纤环缓存方案 图卜7 基于s o h 光开关的缓存器 缺点：体积庞大，不利于集成，并且在各种方案中，大量使用光开关、波长变 换器、光放大器等器件，这些器件不仅昂贵，而且而且将引入噪声、串音等一系 列问题。 ( 4 ) 利用减慢光速的介质延迟光速 按照缓存体( 介质) 进行分类，目前主要有以下2 种： a ) 基于电诱导透明e i t 原理的慢光缓存器 原理：是以半导体量子点、原子气和固态材料为存储体的慢光缓存器。 优缺点：e i t 介质具有长的缓存时间以及可以调节的延时特性，但是它的昂贵 的成本、特定波长的限制以及还没有进行读写控制实验，许多问题尚未暴露。 b ) 以啁啾光栅为存储体的光栅型缓存器 原理：摩尔光纤光栅是采用2 个具有微小周期差异的紫外光条纹对光纤的同一 位置进行二次曝光的结果，其谱特征是在反射带中开了一个很窄的透射窗口，正 是由于这样的排列，群速度得到了很大的降低。 优点：简易，紧凑，耐久性强，低成本，低维护。 缺点t 随着光速的缩减量变大，透射带宽也会降低。 总结：保持既定的光速的光缓存方案大多体积比较大且稳定性差，随着缓存的 时间变长，光波在缓存介质中的传播路程变大，各种问题都显现出来，比如色散、 6 北京邮i u 人学硕l ：研歹生论文 损耗、噪声、偏振稳定性等。对于减缓光速的光缓存方案，当前，国际上在利用 纳米材料降低光速和光双稳态存储器等方面实现光缓存器取得了一些理论和实验 上的进展，但在短时间内还无法实用化。目前限于对光速减慢存储体的探索阶段， 离可控的适于高速数据流缓存的缓存器相距甚远。 1 3 本文研究内容的安排 针对现有的光缓存器所存在的问题，本文开展了慢光的产生技术及其时延测量 方案的研究，分析了几种慢光产生技术和时延测量的基本方法。提出了一种基于 自相关法的超短光脉冲时延测量方案，并对其进行了模拟仿真和数值分析。本文 由以下6 个部分组成： 第一章主要介绍了本课题研究的背景和研究意义及光缓存系统的国内外研究 现状。 第二章中讨论产生慢光的几种不同的机制。 第三章分析超短激光脉冲的产生技术，由于本文中产生的慢光是超短激光脉 冲，因此本章在本文中是一个重要的部分。 第四章针对测量超短激光脉冲参数的各种方法，分别对皮秒脉冲测量技术和飞 秒脉冲测量技术进行研究。 第五章对本文作者提出的一种新的测量飞秒脉冲传播时延的方法进行理论推 导和模拟仿真。为了研究光纤光栅的反射中心波长随输入功率的不同是否产生变 化，进行了相关的实验。 第六章总结全文已得出的结论，提出存在的问题，对本课题的后续工作进行展 望。 本论文由国家自然科学基金项目基于高非线性光纤光栅的光缓存研究( n o 6 0 6 7 7 0 0 3 ) 资助。 7 北京邮l 乜人学硕i j 研究生论文 第二章产生慢光的方案研究 2 1 慢光的研究进展 自从人们认定光是一种电磁波以来，对于光速的研究一直没有停止过。1 6 7 6 年1 1 月2 2 日，丹麦天文学家r c r n e r o 向法国科学院提供了历史上第一个光速的 观测数据：c = 2 1 4 x1 0 8m s ，尽管比真实值低了3 0 ，但它说明人们已经认识 到光的行进需要时间。经过了3 0 0 年的努力，1 9 7 5 年1 5 届国际计量大会认可了 真空中光速c = 2 9 9 7 9 2 4 5 8 m s 。光速的测量促进了基础科学的发展，麦克斯韦就 是把电磁波速度的计算结果与当时已有的4 个光速测量数据进行比较后，于1 8 6 5 年提出“光是一种电磁波 的论断的。i l l 虽然光速的概念是一个复杂的问题，但我们这里仅涉及相速和群速这两个概 念。作为单一波长的稳态的电磁波，波的各点都在作稳态的简谐电磁振荡。波的 传播理解为相位的传播，因此它只有相速度的概念。尽管每一点的电磁振荡都存 在幅度( 包括偏振) 和相位两个参数，但相位分布是决定波动的关键因素，波动场 的波动性是由相位场所决定。比如一个感应场，尽管各点的场强不同，但相位都 相同，所以不是波。相位场由( r ) 是一个标量场，最关键的参数就是梯度，波矢就 是相位场的负梯度，即 k = - r e ( , - ) ( 2 - 1 ) 而波矢的大小就是相移常数1 3 = ia 巾( r ) i = k o n ，其中k 0 是真空中的波数，1 1 为折射率。相移常数的倒数就是相速度 v 。= 1 v b ( r ) l ( 2 - 2 ) 在均匀介质中，理想的单一波长的平面波v p 是一个常数。由于我们没有办 法测得光场的相位，所以相速度是不能直接测量的，通常是通过测定折射率1 1 来间接获得均匀材料中的相速度。在真空中，相速度与频率( 波长) 无关，而在介 质中它与频率有关。 我们要传递的光信号是一个个承载信息的光脉冲，每个光脉冲可以看成一系 列光频率分量的叠加，通常被称为波包。这种光脉冲( 波包) 通过介质时各单色的 频率分量将以不同相速传播，波包在传输过程中会发生畸变，波包的不同点以不 同的速度传播，因此我们不能以“波包的传播速度”作为群速度。对于一个波包 ( p ( t ) ( 电场的量纲) ，可定义这个波包的平均达到空间某一点的时刻为 北京邮电火学硕上研究生论文 伽尝 弘研d t 两个不同点平均达到时刻的差值，就是波包的传输时间。用这两点间的距离 除以波包传输时间得到的速度才是严格意义的群速度v g ，不难证明，心= 万d 0 9 。 对于色散介质，由于卢；一0 9 厅，可以得到 生d o j ! c 卜鱼d o j 】 ( 2 q 二- = 一i 甩+ li z 4 ) ll 、7 这样 定义光在真空中的速度与实际的群速度之比为减慢因子s ，于是 s 。( 1 + 詈老) ( 2 - 5 ) ( 2 - 6 ) 从公式( 2 6 ) 可知，要想降低光信号( 光脉冲) 的传播速度，可以有两个思路，一是 ，、， 增大折射率i i ，二是增大折射率的相对变化率兰等。由于普通介质的折射率与 万d 真空中的折射率相差不大，依靠增大折射率1 1 获得光速的减慢是十分有限的，所 ，- 以出路就是增大折射率的相对变化率兰等。从介质极化的微观机理我们知道， nd 介质的折射率变化在共振频率附近最大，从而可以明显的减慢光速。但是在共振 频率附近，介质极化率不仅它的实部( 折射率) 很大，而且其虚部也很大，这意味 着介质伴随着强烈的吸收，所以关键就在于既获得很大的折射率变化率，又要使 介质仍然保持透明。能够达到这一目的的就是电磁诱导透明 e i t ( 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 ) 。 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。电磁诱导透明的原理可以归结为无粒子数反转的光放大。根据爱囚斯 坦速率方程，无粒子数反转的光放大是不可能实现的。但k o c h a r o v s k a y a ，k h a n i n 和h a r r i ss 等人认为，这是由于介质中同时存在受激辐射和受激吸收两个过程所 致。如果受激吸收过程不存在，或者大大减少，就有可能实现无粒子数反转光放 大。同样，如果减少了受激吸收，介质也就变成透明了。于是，研究者们丌始探 9 北京邮电大学硕上研究生论文 索如何实现减少受激吸收、甚至完全不吸收的方法。 1 9 7 6 年，意大利比萨大学的g 阿尔热塔等人研究了钠原子的超精细结构， 它是一种在类似人形的三能级模式，并存在两个非常接近的低能级态l1 ) 和i 2 ，见图2 1 。图2 1 中，( i ) c 是常规跃迁频率，6 0 p 是抽运光频率。他们发现， 当某个多模激光场各模之间的频率间隔和这些超精细态之间的间隔相同时，从高 能级态l3 ) 出射的荧光将大大减少。这表明钠原子介质中的每个原子的概率振 幅( 决定介质中所有原子的能级分布) 都被“驱使 到了由两低能级i1 ) 和i2 ) 组成的相干叠加态上，高能级态i3 ) 上没有概率振幅的布居。这个过程称为相 干布居捕获( c o h e r e n tp o p u l a t i o nt r a p p i n g ) 或简称为相干捕获( c o h e r e n tt r a p p i n g ) 。 如果原子处于相干捕获态，这种介质就有可能对入射光场“透明”，它既不吸收 也不发射光子，这就是电磁场诱导介质透明现象。 图2 - 1 三能级系统的e i t 现象 n m 这一设想首先于1 9 9 1 年被h a r r i s 等人用实验证实，实验是在锶气中完成的 【2 1 。对介质注入i2 ) i3 能级跃迁的强共振抽运光，并同时注入一个i1 ) i3 ) 能级跃迁的弱探测光，用来探测i1 ) 与l3 ) 能级间的吸收谱线。实验 结果表明，当关闭抽运光时，探测光通过介质的透射比为e x p ( 2 0 ) ，而当打开 抽运光时，透射比上升为e x p ( 1 1 。这就是著名的ei t 现象的实验。这表明，当 介质与一个电磁场发生耦合作用时吸收能量，如果同时用另一电磁场探测介质的 吸收谱线时，只要这两个电磁场与原子能级之间满足双共振条件，介质就不再吸 收后一个场的能量，而变成透明的了。这是由于相干电磁场与原子体系之间的相 互作用导致原子念之间的相干叠加，同时原子态之问的相干叠加又显著改变了原 子体系与电磁场l 日j 相互作用的结果。产生e i t 现象的双共振( 探测吸收共振) 被称 作“黑色共振( d a r kr e s o n a n c e ) ”，此时原子系统处于“暗态( d a r k s t a t e ) 上， 这个态不会与电磁场发生耦合作用。 1 0 北京邮电人学硕士研究生论文 利用e i t 现象，进一步寻找在共振频率具有很大折射率的相对变化率6 0 n d n d o d 的介质，就可以大幅度地降低光的群速度。在这个领域，最具代表性的是 h a ulv 研究小组工作。他们用冷却至接近绝对零度时的n a 原子气作介质，用 特定波长的激光抽运，使n a 原子气处于一种特殊的量子相干态，成功地提高了 介质的折射率，并使介质的非线性效应增强和探测光速减慢，表现出非常大的光 学非线性。1 9 9 9 年，h a ulv 等人，在n a t u r e 杂志上发表了他们的研究成果， 将光速降低到了1 7 m s 。这个速度甚至低于汽车的速度。开着车与光赛跑，这 几乎是一个难以想象的事实。但这毕竟是实实在在的研究成果，它标志人类光技 术的一个新的里程碑。此后，光速减慢的报道就逐渐多了起来。2 0 0 1 年以后， k o c h a r o v s k a y a 和k h a n i n 声称光速甚至可以减到零。最近，减慢和停止光也在掺 镨硅酸钇晶体固体材料( p r ：y 2s i 0 5 ) 中实现。所观测到的群速度为3 3 m s ( 对应 于1 1 9 k m h ) 的光，通过了3 r a m 长的晶体( ( 对应的缓存时间为0 0 9 m s ) 。所观察 到的光速都比基于e i t 线宽的减速低几个数量级，实验是在近5 k 的温度下做出 的。 然而，h a ulv 等人的实验装置十分复杂，需要工作在绝对零度附近，没有 实际应用意义。人们目光转向寻求较高温度甚至室温的光速减慢，由于半导体量 子点q d ( q u a n t u md o t ) 具备了精细的三维结构，从而具有一系列的离散的能态。 这些离散的能态同样可以产生e i t 现象。由于半导体量子点q d 的体积小、又可 以在常温下工作，因此是一个极具竞争力的光速减慢的器件。图2 2 是c h a n g h a s n a i ncj 等人提出的一种量子点结构。 图2 - 2 慢光的量子点结构 按照c h a n g h a s n a i ncj 的说法，有很多方法在半导体中构造慢光的“激活 区。他们选择了在i n a s 中的3 能级阶梯结构，其中能级l1 ) 是空穴能带的一个 能级，i2 ) 与i3 ) 能级是电子在导带的两个能级，如图1 - 6 所示。尽管这可能不 是产生大减慢因子的最佳系统，但它是一个熟知的特性可描述的系统。在这里量 北京邮电大学硕士研究生论文 子点被描述为一个量子盘，半径a 为9 n m ，高h 为3 5 r i m 。通过解薛定谔方程可 以得到有效材料近似下量子盘的波函数，然后进一步通过求解密度矩阵，可以得 一一 广 到介质的复介电常数。而速度减慢因子为s 。r e 4 7 + c o dr _ e , , e 。图2 3 一图2 - 6 d 0 3 是计算的结果，图中信号的频率失调a s 定义为as = ( 1 ) ( i ) s ，其中( ) s 是i1 ) 到i2 ) 跃迁的频率( 波长，1 3 6i lm ) ，单位为m e v 。图2 3 是材料的吸收损耗( 介 电常数的虚部) 随着信号频率失调的变化。由图1 7 可见，曲线呈马鞍形，在鞍 形的中部吸收损耗很低，表明频率失调在一定的范围内，材料是“透明的。在 e i t 透明范围两边，存在两个“边峰。随着注入抽运光强度的增大，透明范围 增大，而且透光系数接近于1 ，这就是电磁诱导透明现象。图2 4 是折射率( 介 电常数的实部) 随着信号频率失调的变化。由图2 5 可见，在对应于图2 4 靠近电 磁诱导透明边峰的区域，折射率随频率失调呈现为递减函数。这表明在这个范围 内，光的群速度将减慢。图2 - 6 是减慢因子随抽运光功率的变化曲线。随着抽运 一一 厂 光强度增加，起初减慢因子是增加的。由于两个边峰的存在，dr _ e 4 e 从负值 d 变到正值。抽运光强度继续增加，则两个边峰越离越远，且减慢因子下降。对应 于3 x1 0 - 6 ，9 1 0 弓和2 m w c m 23 种不同情况的抽运功率密度，减慢因子的 最大值分别为1 0 7 ，3 4 1 0 4 和5 1 。 p s- - 1 - s 、 1 3 1 2 图2 - 3 量子点的能级结构 1 2 北京邮电人学硕- t ：f f 究生论文 佰号的舞事失调a w v 图2 4 介电常数虚部系数与频率失调的关系【1 l 信号的缓事失i j ld 曲睇v 图2 - 5 介电常数实部与频率失调的关系【1 l 抽运光功弗密度，( m w ，c m 勺 图2 - 6 光速减缓因子【1 1 c h a n g h a s n a i ncj 等人的理论工作表明，利用半导体量子点的精细结构， 同样可以产生e i t 现象，从而制造出体积小、常温下工作的集成度高的全光缓存 器。这个理论结果，燃起了人们对于集成的全光缓存器的新希望，而由此引发的 北京邮电大学硕上研究生论文 光域的信号处理技术( 也称为全光信号处理技术) ，也正在孕育之中，目前光信 息科学界正密切关注着它的进展。虽然，实际的实验成果还没有公布，但通过研 究者的不懈努力，实现可控制的全光缓存已经是指日可待了。 2 2 电磁感应透明( eit ) 效应 自上世纪6 0 年代激光发明以来，人们对光的性质的研究已经从经典光学拓 展到非线性光学和量子光学等领域。由于激光的高度相干性和高强度等特点，光 与物质的相互作用被广泛而深入地研究，例如各种非线性效应如谐波产生、频率 转换、四波混频以及量子相干效应等。对于光的量子相干效应，利用激光诱导的 原子态相干效应能使跃迁通道之间形成量子干涉，从而能够修正介质对光场的响 应。原子相干效应可以使原子共振跃迁频率附近的光学性质如吸收和折射( 线性 极化率) 、非线性极化率等发生奇特的变化，产生粒子数相干布居囚禁( c o h e r e n t p o p u l a t i o nt r a p p i n g ，c p a 3 、电磁感应透日f j ( 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 r ) 、无粒子数反转激光( 1 a s i n gw i t h o u ti n v e r s i o n ，l w i ) 以及巨克尔非线性( g i a n t k e r re f f e c t ) 等效应。这些效应在光速调控、非线性光学、量子信息等领域都有重 要的应用。1 5 1 2 2 1e i t 的基本原理 电磁感应透明的概念是由h a r r i s 等人在1 9 9 0 年首次提出的，它是由原子光 激发通道之问的量子相干效应引起的，并导致光在原子共振吸收频率处的吸收减 小甚至于变成完全透明。研究表明，能够形成电磁感应透明效应的原子能级组态 有很多种。图2 7 是典型的用于产生电磁感应透明效应的人型三能级系统，其中 能级l1 一能级l2 ) 的跃迁是偶极禁戒的。近共振地给介质外加两束光场，其 中一束光的频率6 0 p 与能级i1 ) 和能级i3 ) 间的跃迁频率相近，用以探测介质 对光场的吸收，称作探测光；另一束频率为c 的光将态l2 ) 和态l3 ) 耦合起 来，称作耦合光( 或抽运光，控制光) 。当两束光的频率满足共振条件，即光频率 与能级跃迁频率的失谐为零时，探测光能够无吸收地通过介质，即介质对探测 光是透明的，这就是电磁感应透明现象。 1 4 北京邮电大学硕卜研究生论文 图2 - 7 人型三能级系统与两束光场的耦合 电磁感应透明效应的物理机制可用原子与光场相互作用的缀饰态理论来解 释。当把裸原子和与原子能级相互作用的近共振电磁场看作一个整体时，可求得 此系统有3 个本征态，其中一个本征态仅仅是态l1 ) 和态i2 ) 的叠加，与态i 3 ) 无关，被称作为暗态。当系统处于暗态时，原子能级l3 上没有粒子数分布， 此时原子与外光场之间不耦合，即产生粒子数相干布居囚禁。当探测场强远小于 耦合场强以及探测场的失谐为零时，可求得另外两个本征态l + ) 和i ，即 为电磁感应透明在强耦合场和弱探测场近似下的一对缀饰态。图2 2 所示的是与 图2 8 的三能级系统相对应的缀饰态能级，两个缀饰态能级i + ) 和i - ) 与探测 场的共振点具有大小相等方向相反的失谐。原子在从态1 跃迁到高能级的过程 中，由于无法判别其跃迁的末态是i + ) 还是i ，因此在跃迁的不同通道间产 生了相消性的量子干涉，使得探测光在共振点附近的吸收减小，从而使介质对探 测光的吸收几乎为零。 jl ( i ) p l + i l 图2 - 8 对应于人型三能级系统的缀饰态能级 介质处在电磁感应透明状态时，其光学性质发生了很大的变化，尤其是在原 子共振频率附近。图2 - 9 所示的是处于电磁感应透明状态下介质的线性极化率x 北京邮电大学硕上研究生论文 随失谐量的变化情况。图中虚线表示极化率的虚部( i m 【x 】) ，对应的是介质 对探测光的吸收。可以看到，当探测光频率满足共振条件时，线性极化率的虚部 为零，也就是介质的吸收为零，这时介质对探测光是透明的。实线表示极化率的 实部( r e 【x 】) ，对应于介质的折射率。从图中可以看到，介质折射率在共振频 率附近随频率变化曲线斜率非常陡峭，表明此时介质具有强烈的色散效应。除了 介质的线性极化率的特性发生了很大变化之外，介质在共振频率附近还具有非常 大的非线性极化率。基于以上性质，电磁感应透明效应能够产生一些奇特的效应， 例如超慢光群速、光脉冲存储、单光子非线性效应以及量子相干效应等。 图2 - 9 介质线性极化率作为探测光失谐量的函数【5 】 2 2 2 气体介质中的e lt 效应 早期的电磁感应透明效应实验都是在气体中开展阿，因为原子气体的相干失 相速率较小，拉曼跃迁线宽一般比固体的非均匀展宽小很多。h a r r i s 小组于1 9 9 1 年在锶原子蒸汽中最早实现电磁感应透明效应。在随后的几年里，基于电磁感应 透明效应的各种光学效应及应用如光速调控、频率转换、四波混频、巨克尔效应 以及光子量子态的存储等实验大量出现。 原子气体介质的优点是在真空紫外和红外区通常都是透明的，并且具有相对 高的光损伤阈值。但是对于实际应用来说，固体比气体具有明显的优势，下面我 们介绍电磁感应透明效应在固体介质中的实现和相关的应用。 2 2 3 固体介质中的e it 效应 固体比气体易于操作使用，原子数密度相对要高。对于量子信息存储等应用 来说，原子气体的运动会影响存储器件的性能，而在固体中则没有气体的这种原 子扩散效应。与原子气体相比，固体具有较宽的光吸收线宽，而且，由于一般固， 体中电子与晶格振动( 声子) 的相互作用，导致原子退相速率极快，即使把固体冷 却到液氦温度，以减少声子数目，从而抑制声子引起的退相效应，其相干时间仍 1 6 北京邮电人学硕 ：研究生论文 然比原子气体的相干时间要短，这些因素不利于在固体中实现电磁感应透明。然 而，也有一些固体材料，包括掺稀土离子晶体、低维半导体g a a s 材料和氮空位 色心金刚石( n - vc o l o rc e n t e r si nd i a m o n d ) 等具有相对较长的相干时间。目前，在 固态介质中的电磁感应透明效应研究主要是在上述介质中展开的。 2 2 4 其他固体介质中的e lt 效应 由于实现电磁感应透明效应的基本条件是耦合光的拉比频率要大于能级的 失相速率，这在原子气体中和前面提到的一些掺稀土晶体中是比较容易实现的。 但是，半导体中电子相干的衰减时间很短，约在皮秒量级，使得电磁感应透明很 难在半导体中实现。尽管如此，由于半导体量子阱自身的一些优势，如跃迁能量、 偶极子和对称性能够人为加工调控，而且由于导带电子有效质量轻，带间偶极元 大，因此，在半导体量子阱中也有有关隧穿感应透明( t u n n e 2 1 i n gi n d u c e d t r a n s p a r e n c y ) 和电磁感应透明效应的报道。s e r a pi g l i a 等人最早在半导体量子阱系 统中实现了电磁感应透明效应，他们在量子阱的3 个电子子带能级间实现了量子 相干，实验中观察到介质对光的吸收减少了6 7 。另外，p h i l l i p h s 等人实现了由 量子阱中激子的相反方向自旋态的相干所导致的瞬态电磁感应透明现象。2 0 0 5 年，f u 等人在强磁场下的高纯度n 型g a a s 半导体中形成了相干布居囚禁，与此 前所使用的半导体材料相比，这种材料非均匀展宽较小，基态寿命长。 在氮空位色心金刚石中，也有关于电磁感应透明方面的工作报道。这种材料 的优点是光跃迁振子强度大( 0 1 ) ，自旋相干寿命长( 1