基于CPO的慢光技術(shù)研究及其進(jìn)展_摻鉺光纖

1、基于CPO的慢光技術(shù)研究及其進(jìn)展_摻鉺光纖論文導(dǎo)讀:：首先回顧了近10年中的慢光技術(shù)研究的發(fā)展歷程，簡(jiǎn)要介紹了實(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(jiǎn)要討論了實(shí)用化過程中存在的問題，最后簡(jiǎn)述了慢光技術(shù)研究的應(yīng)用和發(fā)展趨勢(shì)。論文關(guān)鍵詞：慢光，CPO，光纖，摻鉺光纖 1 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(cè)

2、到群速度為Vg=C/165的光信號(hào)，Hau 在Bose-Einstein凝析油中觀測(cè)到群速度Vg為17m/s的光信號(hào)。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1。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KwangYong Song等人在光纖中利用SBS實(shí)現(xiàn)了對(duì)光速的減慢2。2003年美國(guó)Rochester大學(xué)的Matthew SBigelow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

3、,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。EBaldit等人和ASchweinsberg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/s3。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

4、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(duì)于光速的可控范圍更廣摻鉺光纖，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(jí)，而SBS產(chǎn)生的延遲目前只能達(dá)到納秒數(shù)量級(jí)。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)。2 相干粒子數(shù)振蕩（CPO）實(shí)現(xiàn)慢光的原理光脈沖在介質(zhì)中的群速度可表示為：其中C為光在真空中的傳輸速度，為群折射率。由此可見，當(dāng)>0時(shí)（在正常色散區(qū)域內(nèi)），C時(shí)產(chǎn)生快光論文開題報(bào)告范例。其中，群折射率是一個(gè)與頻率有關(guān)的量：當(dāng)折射率

5、的變化率較大時(shí)，群折射率較大，群速度vg較小，光也就越慢了。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(duì)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(hào)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4。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(duì)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(duì)頻移模糊，折射率改變小的缺點(diǎn)。3 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

6、們已經(jīng)在多種材料中對(duì)它進(jìn)行了研究，并獲得成功。3.1紅寶石和紫玉晶體中的實(shí)驗(yàn)2003年美國(guó)Rochester大學(xué)的Matthew SBigelow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)的摻鉺光纖，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(cè)器作為參考。剩下的光則通過一個(gè)透鏡聚焦成84m的細(xì)窄光路到一個(gè)長(zhǎng)7.25cm的紅寶石細(xì)桿的

7、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(cè)器中,它與之前檢測(cè)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(hào)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(zhǎng)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

8、的吸收譜上可以產(chǎn)生線寬為612Hz的燒孔(相對(duì)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3。3.2在摻鉺晶體和摻鉺光纖中的實(shí)驗(yàn)EBaldit等人和ASchweinsberg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(hào)。調(diào)制后的光通過分光器

9、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(hào)由一個(gè)InGaAs檢測(cè)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(duì)光速和延遲的控制3。4 在摻鉺光纖中的慢光2006年，SCHWEINSBERG等人5-6第一次通過CPO過程在室溫下EDF中觀測(cè)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(zhǎng)為980nm的可變功率泵在摻鉺光纖中發(fā)射出一個(gè)波長(zhǎng)為1550nm的信號(hào)，觀測(cè)到最大小數(shù)延遲為0.089，這種效果在正弦調(diào)制信號(hào)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7在EDF中觀測(cè)到了光速為的慢光。試驗(yàn)系統(tǒng)如圖3所示。圖3EDF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(zhǎng)度為30m。波長(zhǎng)為1550nm的信號(hào)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(hào)直接由探測(cè)器接收并送入示波器。