慢光技术及其应用

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慢光技术及其应用讲座学习汇报
5月26日晚7时30分至9时00分, 信息科学与技术学院郑狄老师在网络教育学院5302室做了以《慢光技术及其应用》为题学术汇报。

听此汇报, 让我们对光通信有了另一层面新认识。

慢光(Slow light)效应是在高色散器件和媒质中存在一个反常物理现象, 经过对光速减慢研究不仅能够加深大家对光与物质相互作用本质了解, 而且有利于发觉新物理现象。

利用慢光效应, 首先能够结构光延时器、光缓存器等, 这些器件将是处理全光通信系统中光路由和光交换问题关键器件; 其次, 当光脉冲在慢光波导中传输时, 将经历空间上压缩, 其能量密度将显著增大, 能有效提升传感器灵敏度。

汇报关键介绍了三大部分: 引言、基于受激布里渊散射(SBS)慢光技术、慢光应用。

一、引言
1.慢光研究起源
1999年Harvard大学Hau等人利用电磁感应透明（EIT）技术在450nK超冷原子中实现了17ｍ/s极慢光速。

9月23日, 在欧洲核子研究中心（CERN）, 科学家们发觉了意料之外现象: 被送往732公里之外Gran Sasso试验室中微子们比光速快了60纳秒抵达。

用更大数字来表示, 就是光速299,792,458m/s, 而她们在试验中检测到中微子速度是 299,799,953m/s。

这一数值试验误差是10纳秒, 换言之, 基础上比光速快是没错! 即使只是0.0025%区分, 但这一挑战狭义相对论光速不变原理基石发觉一旦得到证实, 将会给物理学界带来巨大改变。

慢光发展无疑会带来光学非线性效应增强, 以及全光信息器件如光缓存、光开关和光学路由器等发展。

尤其是全光信息器件已经是慢光发展关键动力之一, 因为全光信息器件可能就是下一代通讯网络关键器件。

而且慢光还可能影响雷达系统、量子信息科学等等领域。

2.慢光原理
用相速度和群速度这两个概念来说明慢光产生。

通常而言,光在介质中速度和介质折射率相关,而光传输速度又能够分为单一频率光波传输相速度和很多频率成份组成光波波包传输群速度。

相速度是指单色平面波在介质中其等相位面传输速度。

对于色散介质所以不一样频率单色平面波将以不一样相速度在介质中传输。

对由多个单色平面波组成波包络,其传输速度用群速度。

从本质上来说,控制群速度就是控制介质色散特征,要想实现大群速度改变,就得产生强色散曲线。

取得强色散曲线方法大致上可分为两类:一类是在介质中经过控制光吸收或增益来改变介质色散特征,这种色散通常称为材料色散,其产生机理可由Kramers-Kronig (K-K)关系来解释。

另一类产生强色散方法是经过结构共振改变介质色散特征,这种色散通常称为波导色散, 如利用周期结构介质、耦合谐振透明, 技术(CRIT)等。

3.实现方法介绍及优缺点
(1)Electromagnetically-Induced Transparency (EIT)电磁诱导透明技术
由介质极化微观机理可知,在介质共振频率处存在大折射率改变,可有效减慢光传输速度,但与此同时,介质共振频率处存在强吸收,使得光波极难透过介质而被试验观察,所以在很长一段时间内对慢光研究都停滞不前。

为克服介质共振频率处强吸收,S.E.Harris等人于1990年提出了电磁感应透明技术
(EIT),其原理是利用量子相干效应消除电磁波传输过程中介质影响。

EIT技术是利用量子相干效应消除电磁波在传输中受介质影响一个技术,在实现强色散同时得到高透射率,减小慢光过程中介质对光波吸收。

1999年, L. V. Haus等人首先利用EIT技术在450nK超冷钠原子气体中将光速减慢到17m/s, 产生群折射率高达106次方量级,这一开创性研究工作掀起了慢光研究热潮.
M. M. Kash等人在热原子气体中也实现了 EIT效应, 得到群速度约为90m/s。

, O. Kocharovskaya等人报道了在热原子气中利用EIT技术将光速减为零。

D. F. Phillips等人深入增强基于EIT技术慢光延迟性能, 并将光在铷蒸汽中停留了
0.5ms, 首次实现了光存放。

A. V. Tumkhin等人在固体材料掺PrYaSiOs晶体材料中利用EIT技术实现了光速减慢并停止。

随即几年,科研人员对不一样介质中慢光研究如雨后春算般开展起来,相继在金属气体、稀土掺杂材料、光纤、光子晶体波导和微环谐振器等中实现了光速减慢甚至存放
(2)相干布居振荡技术
当一束强抽运光作用于介质时,会使介质产生均匀加宽,假如另一束与抽运光频率相近探测光同时注入介质中,因为抽运光存在,在材料吸收谱上产生一个很窄光谱烧孔,消弱对探测光吸收,她们称这一现象为CPO。

中国哈尔滨工业大学掌蕴东, 范保华等人也在红宝石晶体中实现了超慢光, 最初试验都是在红宝石或紫翠玉这么晶体里面实现超慢光。

不过值得一提是, 多年来有报道在掺铒光纤（EDF）中也能够利用 CPO 同时实现快慢光
(3)光纤非线性效应
即使电磁诱导透明技术和利用相干布居振荡产生介质中光谱烧孔效应可实现光速减慢, 不过这两种技术不仅对试验条件要求较高, 而且只能在部分特殊气体或晶体中针对一些特定波长光实现光速减慢。

所以从应用角度看, 难以实用。

为了克服这些缺点, 使光速减慢向实用化方向发展, 大家利用光纤非线性效应实现了光速减慢。

光纤非线性效应包含非线性折射率波动效应和非线性受激散射效应。

非线性受激散射可分为受激布里渊散射（SBS）和受激拉曼散射（SRS）两种形式。

因为光纤中输入泵浦波连续时间为纳秒量级,
1922年,L.Brillouin在研究液体中密度热起伏引发光散射时预言,当光与固体、液体或气体介质相互作用时,介质中分子或原子热运动引发声子波(传输压力波或密度波)将散射入射光,因为该散射光起源于非弹性散射,所以其频率与入射光频率不一样,且分别位于输入光频率两侧。

(1) 受激布里渊散射（SBS）
SBS是入射抽运光与介质内传输声波场相互作用产生一个受激光散射现象。

与自公布里渊散射不一样,SBS过程中声波场由强抽运光引发电致伸缩效应产生,所以是一个相干声波场。

这种相干声波场将大大增大对抽运光散射,使得散射光强成指数增加。

湮灭一个入射光子,同时产生一个散射光子和一个声子时
一个入射光子和一个声子涯灭伴伴随一个散射光子产生时
,美国杜克大学D. J. Gauthier教授最先提出利用光纤中SBS效应实现慢光思想
(2)非线性放大效应——受激拉曼散射
,美国康纳尔大学J. E. Sharping等人在高非线性光纤中利用SRS效应将脉宽430fs 脉冲延迟了 370fs,相对延迟量达成0.85
OPA 实际上是一个简并四波混频, 经过强泵浦光和信号光强非线性相互作用, 信号光取得增益同时产生和信号光共轭闲频光。

通常 OPA 增益谱是相关泵浦波长对称双峰结构, 因为含有较陡增益峰, 依据 KK 关系就会造成折射率猛烈改变, 从而影响群速度。

(4)光子晶体慢光
一类在光学尺度上含有周期性介电结构材料,其介电常数空间周期性分布特征使得在一些特定频带内光子无法传输,通常称这些频带为光子带隙。

因为光子带隙边缘存在强烈色散效应,所以能够用于光速减慢
IBM科学家表示经过引导光穿过一个精心设计被称为“光子晶体波导管”多孔硅通道, 成功地将光速降低到不到正常速度三百分之一。

另外, 只需经过为波导管加上一个电压就能够在很大范围内轻松改变光速度。

, IBM研究者经过级联100个全通滤波器型亚微米环形谐振腔在0.09mm2硅片上实现了对20Gb/s数据超出10比特延迟[23]。

(5)耦合谐振透明技术(CRIT)
CRIT效应是D. Smith在研究两个相邻顆合谐振腔共振特征时发觉,它利用模式分裂和相消干涉有效抑制了谐振频率处强吸收,其作用类似于EIT效应。

比较经典一个试验是 Xu, Q. F. 等[38]经过在单晶硅上刻蚀含有两个共振环结构光波导, 利用两个共振器间耦合相干取得类似于 EIT 技术产生吸收峰, 从而取得快慢光。

此文结构中, 光透过率与延迟不会相互消减, 信号峰延迟大小关键由两环间失调（及周长差）决定。

经过对两个振荡器热调整能够取得不一样大小延迟时间。

表1 慢光技术对比
二、基于受激布里渊散射(SBS)慢光技术及其研究方向
1.扩展布里渊增益谱带宽
日本NTT企业T.Sakamoto利用一个强度调制器和一个相位调制器对CW激光源进行连续调制,得到了包含20根谱线抽运光,产生布里渊增益谱带宽达成200MHZ。

哈尔滨工业大学吕志伟研究小组利用相位调制器调制CW光源产生梳状谱抽运光,在三根和五根等幅谱线下取得了150MHz和330MHz宽带布里渊增益谱,随即,该课题又采取多频调相技术,利用单个相位调制器分别得到了 7线和11线梳状谱抽运光,所产生布里渊增益谱宽
度达成340MHz和570MHz
受多线增益谱叠加以展宽有效布里渊增益谱带宽启示,科研人员采取宽带抽运光来深入增大布里渊增益谱带宽。

宽带抽运光频谱可看作是无数个离散频谱分量组合,其产生布里渊增益谱可了解为无数个本征洛伦兹型布里渊增益谱叠加。

Z.M.Zhu等人利用高斯噪声信号直接调制DFB激光器注入电流,在2krn长高非线性光纤中取得了带宽为12.6GHz准高斯型布里渊增益谱,实现了对lOGbit/s信号延迟,且布里渊增益谱宽度能够经过改变噪声源峰-峰值电压进行调整["7]。

,B.Zhang等人提出了一个更简便取得宽带抽运光方法,她们利用光滤波器对宽带ASE光源进行滤波,可方便得到~GHz带宽抽运光该方案不需要任何外调制器和信号发生器(如噪声源或任意函数产生器),所以结构简单,操作方便,且抽运光频谱形状仅与光滤波器透射谱或反射谱形状相关。

另外,假如使用梳状谱滤波器,可同时得到多路宽带抽运光,这在多信道延迟时含有显著优势。

2.延迟信号失真研究
延迟信号失真通常表现为展宽或畸变,其产生原因来自两方面: 一是信号频谱幅值改变, 二是信号频谱相位改变。

要想实现信号无失真延迟,其关键是信号全部频谱分量取得相同增益和延迟量,换言之,就是在整个信号频谱范围内,布里渊增益谱增益曲线为常数而相移曲线线性改变。

利用时频分析理论, 得到了脉冲展宽频域表示式, 将相位展宽和幅值展宽有效分离。

研究发觉,对于特定形状合成布里渊增益谱,可实现脉冲FWHM处零展宽延迟。

经过调整两损耗谱相对于增益谱中心位置,能够有效抑制延迟脉冲展宽甚至延迟脉冲宽度小于输入脉冲,试验中FWHM为1.9ns高斯脉冲在延迟1.5bit时,输出脉宽(FWHM)仅为输入脉冲80%。

其基础思想是在级联络统第一级用单个布里渊增益谱产生脉冲延迟,而在级联络统第二级对延迟脉冲频谱进行整形,以赔偿延迟脉冲展宽。

南加州大学L. Zhang等人研究数据流在SBS慢光中延迟特征时发觉,延迟后单“1”码和连“1”码存在幅值和延迟量上差异,提出将信号载波偏离布里渊增益谱中心方法以减小码型相关失真。

加州理工大学A.Zadok等人利用矢量分析方法研究了在双折射光纤中与布里渊散射偏振态相关SBS慢光展宽,试验结果表明,当输入信号偏振态与最大布里渊增益方向一致时,将取得最大延时量和最小展宽量,而输入信号偏振态偏离最大布里渊增益方向时,信号延迟量将减小且展宽量显著增大。

比如在OTDM系统中,低速率周期控制(时钟)信号常常见来解复用高速率数据流。

对于周期信号,因为其能量关键集中在基波和一系列谐波分量上,所以当使用一个频谱宽度包含周期信号关键频谱分量单布里渊增益谱时,即使也能使信号产生延迟,但布里渊增益谱利用率并不高。

3. 增大延迟带宽积
从两个方面着手: 首先是增大布里渊增益谱内相移曲线斜率, 其次是抑制布里渊增益饱和产生。

抽运光频谱形状进行优化,得到了含有平坦顶部和陡边缘布里渊增益谱,与高斯型布里渊增益谱相比,在相同增益谱带宽下,矩形布里渊增益谱能将SBS慢光延迟量提升30%-40%。

一个宽带损耗谱上叠加一个窄带增益谱方法来降低合成布里渊增益谱峰值强度,有效抑制了增益饱和产生,试验中将FWHM为37ns高斯脉冲延迟了 97ns,相对延迟量靠近3。

因为增益饱和限制,为深入提升SBS慢光延迟能力,必需借助其她技术手段。

K. Y. Song 等人提出利用多段光纤级联方法提升延迟量,试验中她将4段长1.1km单模光纤经过定向光衰减器依次相连,将40ns (FWHM)脉冲延迟了 150ns,相延迟量靠近4。

L.TMvenaz研究小组还研究了脉冲形状对延迟性能影响,经过对比指数型脉冲、高斯型脉冲和方波脉冲延迟性能发觉,在相同脉宽下,指数型脉冲含有最大延迟量,其延迟能力是高斯脉冲2.5倍。

,Z. M. Zhu等人利用光纤中SBS产生声波场来存放和释放数据流,成功实现了基于SBS 效应全光缓存技术,得到DBP为6。

三、慢光应用
1.慢光和光缓存器
2.停顿时间再生器
3.干涉测量和慢光
相控阵雷达, 同时阵列雷达。

S. Chin等人将SBS慢光与载波分离调制技术(SCT)相结合,实现了微波信号真延时,理论分析表明该真延时技术可使相控阵雷达含有-45° ~+45°扫描范围
4基于慢光微波光子滤波器
信息科学与技术学院工程硕士杨忠礼13043014。