基于CPO的慢光技術(shù)研究及其進(jìn)展

陳譯聯(lián)

（華東師范大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，上海 200241）

基于CPO的慢光技術(shù)研究及其進(jìn)展

陳譯聯(lián)

（華東師范大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，上海 200241）

首先回顧了近10年中的慢光技術(shù)研究的發(fā)展歷程，簡要介紹實(shí)現(xiàn)慢光技術(shù)的幾種方法——EIT、SBS和CPO；重點(diǎn)介紹了 CPO產(chǎn)生慢光的原理和取得的最新進(jìn)展，簡要討論實(shí)用化過程中存在的問題，最后簡述慢光技術(shù)研究的應(yīng)用和發(fā)展趨勢。

慢光；CPO；光纖；摻鉺光纖

（一）引言

隨著光通信系統(tǒng)的日益發(fā)展，在享受光通信帶來的高速、低損耗、安全等等優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，通過采用非線性光學(xué)手段以獲得慢光引起許多學(xué)者廣泛的關(guān)注，因?yàn)楣馑贉p慢可能會(huì)極大地促進(jìn)通信系統(tǒng)中光緩存器的發(fā)展，是未來實(shí)現(xiàn)全光網(wǎng)的關(guān)鍵性技術(shù)。

利用 EIT方法 Kasapi在鉛蒸氣細(xì)胞中觀測到群速度為Vg=C/165的光信號，Hau 在Bose-Einstein凝析油中觀測到群速度Vg為17m/s的光信號。Turukhin使用EIT方法在5K的低溫?fù)絇r的Y2SiO5的固體材料中得到45m/s的群速度。隨著研究的進(jìn)行，人們發(fā)現(xiàn)利用受激布里淵散射(SBS)或受激拉曼散射(SRS)能夠控制光脈沖在光纖中的傳播速度。2005年Kwang Yong Song等人在光纖中利用SBS實(shí)現(xiàn)了對光速的減慢。

2003年美國Rochester大學(xué)的Matthew S.Bigelow實(shí)驗(yàn)小組在紅寶石和紫翠玉晶體中實(shí)現(xiàn)了超慢光，首次在紅寶石晶體中使光速最低降低到了57.5m/s。2003年至2006年間,人們又不斷研究和發(fā)展了這一技術(shù)，使得基于 CPO的慢光可以在室溫下的摻鉺光纖和半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中同樣得以實(shí)現(xiàn),大大增強(qiáng)了在實(shí)際應(yīng)用中的可行性。E.Baldit等人和A.Schweinsberg等人都在2005年利用CP0原理在摻鉺光晶體和摻鉺光纖中做了相關(guān)實(shí)驗(yàn)并發(fā)表了文章。其中Baldit等人在摻鉺晶體中做出了一個(gè)線寬為 26Hz的窄燒孔,并把光速最低下降到2.7m/s。

比較各種實(shí)現(xiàn)光速操控的方法，可以發(fā)現(xiàn)基于 CPO原理實(shí)現(xiàn)慢光的技術(shù)具有非常高的實(shí)用價(jià)值。由于電磁感應(yīng)透明（EIT）方法要求精確的量子干涉效應(yīng)則必須工作在低溫下并使用低密度原子氣體，因此具有很大的局限性。而我們利用相干粒子數(shù)振蕩（CPO）效應(yīng)實(shí)現(xiàn)慢光，其最大的優(yōu)點(diǎn)在于可在室溫下實(shí)現(xiàn)。其次，它對于光速的可控范圍更廣，產(chǎn)生的光延遲更大。CPO產(chǎn)生的光延遲可以達(dá)到毫秒數(shù)量級，而SBS產(chǎn)生的延遲目前只能達(dá)到納秒數(shù)量級。另外，選擇摻鉺光纖作為實(shí)現(xiàn)慢光的介質(zhì)，原因是其在光網(wǎng)絡(luò)中被廣泛使用，且有良好的兼容性。如果提高摻鉺光纖的濃度，有利于光纖器件尺寸的縮小。因此 CPO技術(shù)已經(jīng)成為光學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。

（二）相干粒子數(shù)振蕩（CPO）實(shí)現(xiàn)慢光的原理

其中C為光在真空中的傳輸速度，gn為群折射率。

相干粒子數(shù)振蕩效應(yīng)發(fā)生在可飽和吸收的固體中，這種固體在一定條件下可同時(shí)產(chǎn)生較高的光譜散射和較低的吸收，這對慢光傳播在室溫固體是必須的。一個(gè)強(qiáng)功率的泵浦光束與一束頻率稍有差別的信號光束相互作用，兩者拍頻等于原子系統(tǒng)的諧振頻率，從而導(dǎo)致了粒子數(shù)在基態(tài)與激發(fā)態(tài)間的諧振，又稱為相干振蕩。由于相干粒子數(shù)振蕩造成的是粒子數(shù)整體振蕩，因此對頻移十分敏感，能由頻率改變產(chǎn)生很大的折射率變化，由此得到較大的群折射率，解決了EIT中對頻移模糊，折射率改變小的缺點(diǎn)。

（三）利用CPO效應(yīng)產(chǎn)生慢光的實(shí)驗(yàn)

利用 CPO產(chǎn)生可控快慢光可以在室溫下的固體材料中實(shí)現(xiàn)，目前人們已經(jīng)在多種材料中對它進(jìn)行了研究，并獲得成功。

1.紅寶石和紫玉晶體中的實(shí)驗(yàn)

2003年美國Rochester大學(xué)的Matthew S.Bigelow實(shí)驗(yàn)小組首先在紅寶石晶體中實(shí)現(xiàn)了慢光,并使光速最低降低到57.5 m /s。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 在紅寶石產(chǎn)生慢光裝置

實(shí)驗(yàn)中使用 514.5nm的氬離子激光器作為光源。光波首先通過一個(gè)可變衰減器進(jìn)入一個(gè)電光調(diào)制器。調(diào)制器是由一個(gè)函數(shù)發(fā)生器來驅(qū)動(dòng)的，以提供實(shí)驗(yàn)所需的各種寬度的光脈沖。在光束到達(dá)紅寶石晶體之前，由一個(gè)40cm焦距的分光鏡分出5%的光到一個(gè)光檢測器作為參考。剩下的光則通過一個(gè)透鏡聚焦成84μm的細(xì)窄光路到一個(gè)長7.25cm的紅寶石細(xì)桿的一端。紅寶石是一種單軸晶體,實(shí)驗(yàn)中可以通過旋轉(zhuǎn)它來使它與光的交互作用最大化。光波與紅寶石相互作用之后輸出到另一個(gè)光檢測器中,它與之前檢測的參考光一起輸人數(shù)字示波器進(jìn)行比較,最后數(shù)據(jù)輸入電腦計(jì)算出前后兩路光信號的幅度和延遲等數(shù)據(jù)。速度以及延遲的量是可控的，這主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是通過調(diào)節(jié)泵浦光的功率，高的泵浦功率可以帶來更大的延遲；二是通過調(diào)節(jié)調(diào)制輸入光的頻率，調(diào)制頻率超過300Hz時(shí)，延遲幾乎下降到零。

除了紅寶石晶體，Bigelow 和Boyd等人還嘗試過別的材料，他們同樣在紫翠玉晶體中也利用 CPO實(shí)現(xiàn)了可控快光。在特定的波長下，紫翠玉有負(fù)群折射率的特性。實(shí)驗(yàn)裝置基本上與紅寶石相同，在紫翠玉的吸收譜上可以產(chǎn)生線寬為612Hz的燒孔(相對與紅寶石的 37Hz)，在更寬的調(diào)制頻率范圍得到了負(fù)延遲，即快光。

2.在摻鉺晶體和摻鉺光纖中的實(shí)驗(yàn)

E.Baldit等人和A.Schweinsberg等人都在2005年利用 CP0原理在摻鉺光晶體和摻鉺光纖中做了相關(guān)實(shí)驗(yàn)并發(fā)表了文章。其中 Baldit等人在摻鉺晶體中做出了一個(gè)線寬為26Hz的窄燒孔,并把光速最低下降到 2.7 m /s，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 在摻鉺晶體產(chǎn)生慢光裝置

光源使用1.536.1nm、2kHz線寬的CW激光器，半波片HWP1和偏正分光器 PBS聯(lián)合起來用于控制激光器的功率，經(jīng)過聲光調(diào)制器 AOM調(diào)制成波形的光脈沖信號。調(diào)制后的光通過分光器分成 2路，一路作為參考光路，另一路通過一個(gè)透鏡聚焦到摻鉺光晶體中去，其輸出的光信號由一個(gè)InGaAs檢測器接收并與參考光路作比較。與紅寶石中相似，也可以通過改變泵浦功率與調(diào)制頻率實(shí)現(xiàn)對光速和延遲的控制。

（四）在摻鉺光纖中的慢光

2006年，SCHWEINSBERG等人第一次通過CPO過程在室溫下 EDF中觀測到了極慢光速。這是人們首次將慢光技術(shù)和光纖相結(jié)合，使慢光在光纖通信和光纖傳感領(lǐng)域中的應(yīng)用成為可能。一個(gè)波長為 980nm的可變功率泵在摻鉺光纖中發(fā)射出一個(gè)波長為1550nm的信號，觀測到最大小數(shù)延遲為0.089，這種效果在正弦調(diào)制信號和高斯脈沖中都能出現(xiàn)。另外，實(shí)驗(yàn)還證明了摻鉺光纖中的慢光光速可通過改變泵功率來調(diào)節(jié)。

2007年哈爾濱工業(yè)大學(xué)邱巍等人在EDF中觀測到了光速為的慢光。試驗(yàn)系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 EDF中光群速可控實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)框圖

該實(shí)驗(yàn)以CPO及增益理論為基礎(chǔ)，實(shí)驗(yàn)用的EDF長度為30m。波長為 1550nm的信號光經(jīng)調(diào)制后通過光衰減器由分束器分為兩束，其中一部分作為參考信號直接由探測器接收并送入示波器。余下的部分則作為主光路光信號經(jīng)過隔離器后進(jìn)去EDF。同時(shí)，980nm泵浦激光經(jīng)波分復(fù)用器后也進(jìn)入EDF。信號光經(jīng) WDM的輸出端口進(jìn)入同一探測器被接收，并將探測器的信號也輸入示波器。最后，通過比較示波器上主光路和參考光路的信號在時(shí)域上的位置變化就可以確定通過 EDF的光信號所發(fā)生的時(shí)間延遲。

由此可知，通過CPO在EDF中實(shí)現(xiàn)慢光，不僅成功地在室溫下使光速減慢，還實(shí)現(xiàn)了慢光和光纖之間的結(jié)合，并最終實(shí)現(xiàn)光速的人為可控，這種實(shí)驗(yàn)機(jī)理有著巨大的潛在應(yīng)用價(jià)值。但從實(shí)際應(yīng)用來看，CPO帶寬很低，所以如何擴(kuò)展CPO的帶寬使EDF慢光系統(tǒng)更加實(shí)用化是當(dāng)前有待解決的問題。

（五）實(shí)用化過程中存在的問題

目前人們在各種材料的研究中都成功的實(shí)現(xiàn)了對光速的有效控制，但還有一些問題有待解決，比如：實(shí)驗(yàn)中的光信號只能丁作存特殊的波長，需視材料而定，有些波長并不在光通信的主要波長上。而且對于特殊的晶體材料還要用集成電子學(xué)制成集成模塊，這在實(shí)際應(yīng)用中也并不簡單。其中一個(gè)解決方法是前言中提到的利用 SBS或 SRS(受激拉曼散射)在光纖中實(shí)現(xiàn)可控光，這在近年來也越來越引起人們的注意，但是它也存在自己的問題，納秒級的延遲影響了它的進(jìn)一步實(shí)用化。

另外還有一個(gè)問題是最大調(diào)制帶寬，由于脈沖帶寬必須限制在n(ω)的線性區(qū)內(nèi)，所以使最大帶寬在數(shù)值上要小于基態(tài)恢復(fù)時(shí)間的倒數(shù)，這樣光脈沖不能做得太窄，這在高速通信系統(tǒng)中應(yīng)用時(shí)會(huì)受到限制。早期的輸入光脈沖是毫秒級的，但是現(xiàn)在人們已經(jīng)對此有所研究，California大學(xué)的Xiaoxue Zhao和TexesA&M大學(xué)的Berkeley等人最近的工作中已經(jīng)可以把光脈沖做到125ps，調(diào)制帶寬達(dá)到2.8GHz。

摻鉺光纖中的慢光現(xiàn)象一般伴隨有光的放大，但有時(shí)這種放大是不需要的，如何消除光放大的影響也需進(jìn)一步改進(jìn)，這對全光通信也很有意義。

（六）慢光的應(yīng)用和發(fā)展趨勢

現(xiàn)在，光學(xué)家將他們的興趣轉(zhuǎn)向了慢光的應(yīng)用，包括光緩存器、數(shù)據(jù)同步、光記憶器以及光信號處理器等。所謂光緩存器是可將光信號暫存于其中、并且在控制下進(jìn)行寫入和讀出的裝置。光緩存器使得交換網(wǎng)絡(luò)的性能在高速環(huán)境下得以動(dòng)態(tài)提高。在目前的光通信系統(tǒng)中光電并存，非全光通信系統(tǒng)。如果光不轉(zhuǎn)換到電信號，將很難進(jìn)行存儲(chǔ)、路由等處理。因此，“電”成為速度提高的瓶頸。但是我們可以利用光速的可控性，在光節(jié)點(diǎn)上實(shí)現(xiàn)光信號的緩存。利用光緩器可以在光域條件下提高網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)交換速度。另外由于時(shí)鐘對光信號進(jìn)行再同步等等工作也完全可以在光域中進(jìn)行，因而無需再進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，這就簡化了光節(jié)點(diǎn)。因此這是未來實(shí)現(xiàn)全光網(wǎng)的關(guān)鍵性技術(shù)。

慢光技術(shù)不僅可以直接應(yīng)用于依賴光脈沖延遲的光緩存器中，還可以應(yīng)用在傳統(tǒng)的如薩格納克干涉儀等光學(xué)儀器中，使原有儀器的性能得到改善。2007年北京大學(xué)的 Chao Peng研究小組報(bào)道了基于高群色散慢光共振結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)傳感系統(tǒng)，該傳感機(jī)理的前提條件是介質(zhì)和干涉儀之間有相對運(yùn)動(dòng)。得出慢光媒介可以被用于測量相對運(yùn)動(dòng)，并且慢光共振結(jié)構(gòu)適用于檢測航海方面的絕對轉(zhuǎn)動(dòng)，基本思想是檢測由閉環(huán)薩格納克效應(yīng)引起的相移。在高色散介質(zhì)中研究了薩格納克效應(yīng)，并且建立了一個(gè)當(dāng)介質(zhì)和干涉儀之間有相對運(yùn)動(dòng)的相移表達(dá)式，相移正比于群指數(shù) ng，定義為自由空間光速和群速度的比值。

到目前為止，一些實(shí)用價(jià)值很高的慢光產(chǎn)生機(jī)理已經(jīng)有了初步的應(yīng)用，如光緩存器、旋轉(zhuǎn)（角速度）傳感器等。相信在未來的幾年中，這些技術(shù)成熟的實(shí)驗(yàn)機(jī)理會(huì)有更進(jìn)一步的應(yīng)用，同時(shí)，還會(huì)有更多實(shí)用性更強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)機(jī)理被學(xué)者們開發(fā)出來，從而激發(fā)出慢光技術(shù)更多更新穎的應(yīng)用價(jià)值。

（七）結(jié)束語

本文討論了慢光技術(shù)在過去10年中的成長和發(fā)展歷程。目前，慢光技術(shù)經(jīng)過不斷地發(fā)展和完善已經(jīng)有了較好的理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，而且人們已經(jīng)開始對基于慢光技術(shù)的光緩存器、光存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)同步、光信號處理、慢光光纖傳感器和慢光陀螺儀等進(jìn)行了初步的應(yīng)用研究。這些應(yīng)用也許會(huì)對未來光學(xué)領(lǐng)域產(chǎn)生巨大的影響，甚至使全光學(xué)計(jì)算機(jī)的實(shí)現(xiàn)不再是夢想。

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2010-12-14

陳譯聯(lián)（1986－），女，華東師范大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院通信與信息系碩士，研究方向?yàn)楣馔ㄐ?、非線性光學(xué)、慢光。