慢光技术及其应用

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慢光技术及其应用讲座学习报告

2013年5月26日晚7时30分至9时00分，信息科学与技术学院的郑狄老师在网络教育学院5302室做了以《慢光技术及其应用》为题的学术报告。听此报告，让我们对光通信有了另一层面的新认识。慢光(Slow light)效应是在高色散器件和媒质中存在的一种反常的物理现象，通过对光速减慢的研究不但可以加深人们对光与物质相互作用本质的理解，而且有利于发现新的物理现象。利用慢光效应，一方面可以构造光延时器、光缓存器等，这些器件将是解决全光通信系统中光路由和光交换问题的核心器件；另一方面，当光脉冲在慢光波导中传输时，将经历空间上的压缩，其能量密度将明显增大，能有效提高传感器的灵敏度。

报告主要介绍了三大部分：引言、基于受激布里渊散射(SBS)的慢光技术、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的超冷原子中实现了17ｍ/s的极慢光速。

2011年9月23日，在欧洲核子研究中心（CERN），科学家们发现了意料之外的现象：被送往732公里之外Gran Sasso实验室的中微子们比光速快了60纳秒到达。用更大的数字来表示，就是光速299,792,458m/s，而他们在实验中检测到中微子速度是 299,799,953m/s。这一数值的实验误差是10纳秒，换言之，基本上比光速快是没错的！虽然只是0.0025%的区别，但这一挑战狭义相对论光速不变原理基石的发现一旦得到证实，将会给物理学界带来巨大的变化。

慢光的发展无疑会带来光学非线性效应的增强，以及全光信息器件如光缓存、光开关和光学路由器等的发展。尤其是全光信息器件已经是慢光发展的主要的动力之一，因为全光信息器件可能就是下一代的通讯网络的核心器件。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的产生。一般而言,光在介质中的速度和介质折射率有关,而光的传播速度又可以分为单一频率光波传播的相速度和许多频率成分组成的光波波包传播的群速度。相速度是指单色平面波在介质中其等相位面的传播速度。对于色散介质因而不同频率的单色平面波将以不同的相速度在介质中传播。对由多个单色平面波构成的波包络,其传播速度用群速度。

从本质上来说,控制群速度就是控制介质的色散特性,要想实现大的群速度改变,就得产

生强色散曲线。获得强色散曲线的方法大体上可分为两类:一类是在介质中通过控制光的吸收或增益来改变介质的色散特性,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。

另一类产生强色散的方法是通过结构共振改变介质的色散特性,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

由介质极化的微观机理可知,在介质共振频率处存在大的折射率改变,可有效减慢光的传播速度,但与此同时,介质共振频率处存在强吸收,使得光波很难透过介质而被实验观察,因而在很长一段时间内对慢光的研究都停滞不前。

为克服介质共振频率处的强吸收,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播过程中介质的影响。

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的一种技术,在实现强色散的同时得到高透射率,减小慢光过程中介质对光波的吸收。

1999年，L. V. Haus等人首先利用EIT技术在450nK的超冷钠原子气体中将光速减慢到17m/s，产生的群折射率高达10的6次方量级,这一开创性的研究工作掀起了慢光研究的热潮.

M. M. Kash等人在热原子气体中也实现了 EIT效应，得到的群速度约为90m/s。

2001年，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等人进一步增强基于EIT技术的慢光延迟性能，并将光在铷蒸汽中停留了 0.5ms，首次实现了光存储。

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

随后几年,科研人员对不同介质中的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储

(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,如果另一束与抽运光频率相近的探测光同时注入介质中,由于抽运光的存在,在材料的吸收谱上产生一个很窄的光谱烧孔,消弱对探测光的吸收,他们称这一现象为CPO。

国内哈尔滨工业大学的掌蕴东，范保华等人也在红宝石晶体中实现了超慢光，最初的实验都是在红宝石或紫翠玉这样的晶体里面实现的超慢光。但是值得一提的是，近年来有报道在掺铒光纤（EDF）中也可以利用 CPO 同时实现快慢光

(3)光纤的非线性效应

虽然电磁诱导透明技术和利用相干布居振荡产生介质中的光谱烧孔效应可实现光速减慢，但是这两种技术不但对实验条件的要求较高，而且只能在一些特殊气体或晶体中针对某

些特定波长的光实现光速减慢。所以从应用的角度看，难以实用。为了克服这些缺陷，使光速减慢向实用化的方向发展，人们利用光纤的非线性效应实现了光速减慢。光纤的非线性效应包括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。由于光纤中输入的泵浦波持续时间为纳秒量级，1922年,L.Brillouin在研究液体中密度热起伏引起的光散射时预言,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起的声子波(传输的压力波或密度波)将散射入射光,由于该散射光起源于非弹性散射,因而其频率与入射光频率不同,且分别位于输入光频率的两侧。

(1) 受激布里渊散射（SBS）

SBS是入射抽运光与介质内传输的声波场相互作用产生的一种受激光散射现象。与自发布里渊散射不同,SBS过程中的声波场由强抽运光引起的电致伸缩效应产生,因而是一种相干声波场。这种相干声波场将大大增大对抽运光的散射,使得散射光强成指数增长。

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的涯灭伴随着一个散射光子的产生时

2004年,美国杜克大学的D. J. Gauthier教授最先提出利用光纤中SBS效应实现慢光的思想

(2)非线性放大效应——受激拉曼散射

2005年,美国康纳尔大学的J. E. Sharping等人在高非线性光纤中利用SRS效应将脉宽430fs的脉冲延迟了 370fs,相对延迟量达到0.85

OPA 实际上是一种简并的四波混频，通过强泵浦光和信号光的强非线性相互作用，信号光获得增益的同时产生和信号光共轭的闲频光。通常 OPA 的增益谱是关于泵浦波长对称的双峰结构，由于具有较陡的增益峰，根据 KK 关系就会导致折射率的剧烈变化，从而影响群速度。

(4)光子晶体慢光

一类在光学尺度上具有周期性介电结构的材料,其介电常数的空间周期性分布特性使得在某些特定频带内的光子无法传输,通常称这些频带为光子带隙。由于光子带隙的边沿存在强烈的色散效应,因而可以用于光速减慢

IBM科学家表示通过引导光穿过一个精心设计的被称为“光子晶体波导管”的多孔硅通道，成功地将光速降低到不到正常速度的三百分之一。此外，只需通过为波导管加上一个电压就能够在很大的范围内轻松改变光的速度。

2007年，IBM的研究者通过级联100个全通滤波器型亚微米环形谐振腔在0.09mm2的硅片上实现了对20Gb/s数据超过10比特的延迟[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的共振特性时发现的,它利用模式分裂和相消干涉有效抑制了谐振频率处的强吸收,其作用类似于EIT效应。

比较典型的一个实验是 Xu, Q. F. 等[38]通过在单晶硅上刻蚀的具有两个共振环结构的光波导，利用两个共振器间的耦合相干获得类似于 EIT 技术产生的吸收峰，从而获得快慢光。此文的结构中，光的透过率与延迟不会相互消减，信号峰延迟的大小主要由两环间的失调（及周长差）决定。通过对两个振荡器的热调节可以获得不同大小的延迟时间。