慢光技术
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IBM科学家利用“慢速光”实现光通 科学家利用“慢速光” 科学家利用 信
（2005年11月3日，纽约YORKTOWN HEIGHTS讯）IBM日前宣布 该公司的研究人员已经制造出一种微型器件，向最终实现以光取代电 流来连接电子器件迈出了一大步，为大幅度提高计算机和其它电子设 备性能提供了可能性。 在11月出版的《自然》杂志上，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，这一设备的独特设计还能够在很大的范围内轻松改变光的 速度。 研究人员多年以前就已经知道如何在实验室环境中大大降低光的速 度，但这是第一次在一块硅芯片上，通过使用标准的微米电子和纳米 电子制造技术来主动控制光速。这一设备具有小型化特点，使用标准 半导体材料，并能对这种“慢速光”进行精密的控制，所有这些特征 使该技术可用于制造极其紧凑的光通信电路，集成到计算机系统之中 也将成为可能。 IBM研究团队成功地使用了一种光子晶体波导管，这种穿由一组规 则孔洞的薄硅片可以令光发生散射。这些孔洞的结构和大小使这种材 料拥有非常高的折射率—— 折射率越高，光的速度就越慢。通过使用 微小电流对波导管进行局部加热可以改变折射率，因此使用非常小的 电流就可以大范围快速调节光的速度。
• 右图表示一个典型的光子晶 体带隙结构图,横坐标代表电 磁波入射晶体的方向,纵坐标 表示频率,中间部分的灰色区 块即为带隙,频率在这段区域 内的电磁波都不能穿透。当 频率落在带隙中的电磁波由 外部入射至光子晶体区域时, 由于在光子晶体中没有与其 对应的传播模态,因此电磁波 会被完全地反射回去。 • 因为光脉冲的群速度vg = c/ ng , 其中ng 为材料的群折射 率,它控制着材料的色散和光 速减慢的程度。反常色散时, ng很大, 此时群速度vg就会 变得很小甚至为零。
慢光技术
张烁 张新知 舒一兴 刘君泽 徐慧
科学家将光速降低到每秒17米 科学家将光速降低到每秒 米
• 一个国际科研小组利用一种超低温原子云为“介 质”,成功地使光在其中的传播速度降低到真空中 的2万分之一这一成果在光计算机、光通信等领域 具有广阔的应用前景.光在这一“介质”中传播速 度最低是达到每秒17米,而目前自行车比赛世界记 录保持者每秒最快可骑92米,能够将在新“介质” 中传播的光远远抛于身后.这些科学家希望不久还 将使光的速度进一步降低到每小时40米左右,慢到 几乎与乌龟爬行相等的速度. (摘自《科学时报》）
光子晶体波导中的慢光
光子晶体波导产生慢光与其它慢光产生机制相比,其 优势在于能够在室温下产生任意波长、带宽很大的慢光, 而且光子晶体波导慢光系统的体积小、器件种类少、结构 紧凑,在全光缓存、光通信、光传感等领域具有广阔的应 用前景,因此受到各国科学家的广泛关注 从材料结构上看,光子晶体是一种在光学尺度上具有周 期性介电结构的人工设计和制造的晶体。光子晶体具有能 带结构,能带与能带之间有带隙,即光子带隙,能量处在光子 带隙内的光子不能进入该晶体,从而光带隙结构控制着光 在光子晶体中的运动。人们可以通过设计和制造光子晶体 及其器件,达到控制光运动的目的。
产生原理
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 波传播的相速和许多频率成分组成的光波波包 传播的群速。本文中讨论的是光波传播的群速 度。由光波群速度的公式vg = dω/ dk = c/ ng 可得出光波在介质中传播的群速vg 的表达式:
其中,ω为光波频率, c 为光在真空中的传播 速度,n 为介质的折射率, k 为传播常数。由 ,n , 于折射率n的变化范围有限, 所以仅靠增加 折射率来减小群速vg 的办法并不可取,而如 果有办法使得折射率d n/ dω的变化率很大, 则群速度会发生剧烈的变化,且当d n/ dωm 1 时, 群速度会变得很小, 这时就产生了慢光。
•
*烧孔效应：非均匀加宽气体激光器的增益曲线上 ，与中心频率对称的两个频 率处下降的现象 。入射光变强后，通过受激发射使具有某一速度的气体分子 的反转粒子数减少，表现为增益曲线在该激光频率处下降，形成一个“烧 孔”，光强越大，“烧孔”越 深。因为激光是在谐振腔内往返传播，使具有 与上述速度大小相等、方向相反的气体分子的反转粒子数也减少。结果在增 益曲线上出现两个对中心频率对称的“烧 孔”，这两部分的气体分子对激光 都有贡献。
美国科学家成功地把光速降为零
• 美国哈佛大学两个研究小组1月19日宣布,他们勒住了光的缰绳, 让光停止不前。据研究人员提供的新闻公报称, 光在进入水或玻 璃等介质后由于折射关系传输速度会变, 但在普通的光学材料中 减慢光速的程度存在一定限制, 一般只会减慢到原来的几分之一。 但在特定条件下,这种限制可以打破, 光速也因此而可能减慢至 惊人程度。科学家采用的特殊介质 由施加激光后的超低温原子 云构成。研究人员首先将大量金属原子组成的原子云冷却至接 近绝对零度后形成所谓的玻色- 爱因斯坦凝聚状态, 在这种低温 状态下, 原子的速度几乎等于零。结果金属原子就被迫互相重叠, 形成一种冷凝物。这种冷凝物一般会吸收照射它的光线, 但科学 使用一种特殊激光束对其进行处理, 使光可以通过, 然后经过调 整使光速降为零。哈佛大学两个研究小组分别采用了铷和钠原 子作为冷凝物 的材料。降低光速,有很多实际用途。不仅对于研 制未来的光学计算机具有非常重要的意义, 而且利用它可开发减 少通信系统中噪音的技术并可研制性能更好的视频显示和夜视 装置等。
慢光的应用
• 早在2003 年,加州大学伯克利分校的CON2NIE J . CHAN G2HASNAIN 等人阐述了利用慢光在半导体纳米结构中实 现可变光缓存器的实验机理。提出了一种半导体量子点 (Quant umDot , QD) 结构的紧凑型可变全光缓存器。这种 缓存作用是通过EIT 效应利用外部控制光源去改变介质的 色散特性,而使光信号变慢而得到的。 • 近几年,我国也逐渐开始了慢光光缓存器方面的应用研究。 2007 年重庆邮电大学的卢超等人[27 ] 讨论了慢光缓存器 及其在光分组交换中的应用,并进行了性能仿真。仿真结 果表明,所设计的光分组交换(Optical Packet Switching , OPS)结构具有很好的性能,且很好地解决了传统OPS的一 系列问题。同年北京交通大学的吴重庆阐述了SBS 慢光 型光纤全光缓存器的研究进展,并指出目前尚未开发出一 种能够完全达到各项指标的慢光缓存器,应该继续加大研 发力度并发展综合型的光缓存系统。
随着慢光产生技术的日趋完善,对慢光的 应用研究也日渐增多。其实,慢光技术的应用 很大程度上依赖于慢光产生的实验机理。到 现在为止,一些实用价值很高的慢光产生机理 已经有了初步的应用,如上所提及的慢光光缓 存器、旋转(角速度) 传感器等。相信在未来 的几年中,这些技术成熟的实验机理会有更进 一步的应用,与此同时,还会有更多实用性更强 的实验机理被人们开发出来,从而激发出慢光 技术更多更新颖的应用价值 。
哈工大教授实现慢光
• 2004 年哈尔滨工业大学掌蕴东研究小组利用相干布居振 荡(CPO) 产生光谱烧孔的现象在常温下红宝石晶体中实现 了慢光,这使慢光的研究更具实用意义。光谱烧孔产生慢 光的实质是用烧孔效应*造成折射率的剧烈变化而使光速 变慢,在该试验中观察到的延时为(2.314±0.005)ms,推断 出光速值为(43.215±0.094)m/s。
IBM科学家利用“慢速光”实现光通 科学家利用“慢速光” 科学家利用 信
（2005年11月3日，纽约YORKTOWN HEIGHTS讯）IBM日前宣布 该公司的研究人员已经制造出一种微型器件，向最终实现以光取代电 流来连接电子器件迈出了一大步，为大幅度提高计算机和其它电子设 备性能提供了可能性。 在11月出版的《自然》杂志上，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，这一设备的独特设计还能够在很大的范围内轻松改变光的 速度。 研究人员多年以前就已经知道如何在实验室环境中大大降低光的速 度，但这是第一次在一块硅芯片上，通过使用标准的微米电子和纳米 电子制造技术来主动控制光速。这一设备具有小型化特点，使用标准 半导体材料，并能对这种“慢速光”进行精密的控制，所有这些特征 使该技术可用于制造极其紧凑的光通信电路，集成到计算机系统之中 也将成为可能。 IBM研究团队成功地使用了一种光子晶体波导管，这种穿由一组规 则孔洞的薄硅片可以令光发生散射。这些孔洞的结构和大小使这种材 料拥有非常高的折射率—— 折射率越高，光的速度就越慢。通过使用 微小电流对波导管进行局部加热可以改变折射率，因此使用非常小的 电流就可以大范围快速调节光的速度。
• 右图表示一个典型的光子晶 体带隙结构图,横坐标代表电 磁波入射晶体的方向,纵坐标 表示频率,中间部分的灰色区 块即为带隙,频率在这段区域 内的电磁波都不能穿透。当 频率落在带隙中的电磁波由 外部入射至光子晶体区域时, 由于在光子晶体中没有与其 对应的传播模态,因此电磁波 会被完全地反射回去。 • 因为光脉冲的群速度vg = c/ ng , 其中ng 为材料的群折射 率,它控制着材料的色散和光 速减慢的程度。反常色散时, ng很大, 此时群速度vg就会 变得很小甚至为零。
慢光技术
张烁 张新知 舒一兴 刘君泽 徐慧
科学家将光速降低到每秒17米 科学家将光速降低到每秒 米
• 一个国际科研小组利用一种超低温原子云为“介 质”,成功地使光在其中的传播速度降低到真空中 的2万分之一这一成果在光计算机、光通信等领域 具有广阔的应用前景.光在这一“介质”中传播速 度最低是达到每秒17米,而目前自行车比赛世界记 录保持者每秒最快可骑92米,能够将在新“介质” 中传播的光远远抛于身后.这些科学家希望不久还 将使光的速度进一步降低到每小时40米左右,慢到 几乎与乌龟爬行相等的速度. (摘自《科学时报》）
光子晶体波导中的慢光
光子晶体波导产生慢光与其它慢光产生机制相比,其 优势在于能够在室温下产生任意波长、带宽很大的慢光, 而且光子晶体波导慢光系统的体积小、器件种类少、结构 紧凑,在全光缓存、光通信、光传感等领域具有广阔的应 用前景,因此受到各国科学家的广泛关注 从材料结构上看,光子晶体是一种在光学尺度上具有周 期性介电结构的人工设计和制造的晶体。光子晶体具有能 带结构,能带与能带之间有带隙,即光子带隙,能量处在光子 带隙内的光子不能进入该晶体,从而光带隙结构控制着光 在光子晶体中的运动。人们可以通过设计和制造光子晶体 及其器件,达到控制光运动的目的。
产生原理
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 波传播的相速和许多频率成分组成的光波波包 传播的群速。本文中讨论的是光波传播的群速 度。由光波群速度的公式vg = dω/ dk = c/ ng 可得出光波在介质中传播的群速vg 的表达式:
其中,ω为光波频率, c 为光在真空中的传播 速度,n 为介质的折射率, k 为传播常数。由 ,n , 于折射率n的变化范围有限, 所以仅靠增加 折射率来减小群速vg 的办法并不可取,而如 果有办法使得折射率d n/ dω的变化率很大, 则群速度会发生剧烈的变化,且当d n/ dωm 1 时, 群速度会变得很小, 这时就产生了慢光。
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*烧孔效应：非均匀加宽气体激光器的增益曲线上 ，与中心频率对称的两个频 率处下降的现象 。入射光变强后，通过受激发射使具有某一速度的气体分子 的反转粒子数减少，表现为增益曲线在该激光频率处下降，形成一个“烧 孔”，光强越大，“烧孔”越 深。因为激光是在谐振腔内往返传播，使具有 与上述速度大小相等、方向相反的气体分子的反转粒子数也减少。结果在增 益曲线上出现两个对中心频率对称的“烧 孔”，这两部分的气体分子对激光 都有贡献。
美国科学家成功地把光速降为零
• 美国哈佛大学两个研究小组1月19日宣布,他们勒住了光的缰绳, 让光停止不前。据研究人员提供的新闻公报称, 光在进入水或玻 璃等介质后由于折射关系传输速度会变, 但在普通的光学材料中 减慢光速的程度存在一定限制, 一般只会减慢到原来的几分之一。 但在特定条件下,这种限制可以打破, 光速也因此而可能减慢至 惊人程度。科学家采用的特殊介质 由施加激光后的超低温原子 云构成。研究人员首先将大量金属原子组成的原子云冷却至接 近绝对零度后形成所谓的玻色- 爱因斯坦凝聚状态, 在这种低温 状态下, 原子的速度几乎等于零。结果金属原子就被迫互相重叠, 形成一种冷凝物。这种冷凝物一般会吸收照射它的光线, 但科学 使用一种特殊激光束对其进行处理, 使光可以通过, 然后经过调 整使光速降为零。哈佛大学两个研究小组分别采用了铷和钠原 子作为冷凝物 的材料。降低光速,有很多实际用途。不仅对于研 制未来的光学计算机具有非常重要的意义, 而且利用它可开发减 少通信系统中噪音的技术并可研制性能更好的视频显示和夜视 装置等。
慢光的应用
• 早在2003 年,加州大学伯克利分校的CON2NIE J . CHAN G2HASNAIN 等人阐述了利用慢光在半导体纳米结构中实 现可变光缓存器的实验机理。提出了一种半导体量子点 (Quant umDot , QD) 结构的紧凑型可变全光缓存器。这种 缓存作用是通过EIT 效应利用外部控制光源去改变介质的 色散特性,而使光信号变慢而得到的。 • 近几年,我国也逐渐开始了慢光光缓存器方面的应用研究。 2007 年重庆邮电大学的卢超等人[27 ] 讨论了慢光缓存器 及其在光分组交换中的应用,并进行了性能仿真。仿真结 果表明,所设计的光分组交换(Optical Packet Switching , OPS)结构具有很好的性能,且很好地解决了传统OPS的一 系列问题。同年北京交通大学的吴重庆阐述了SBS 慢光 型光纤全光缓存器的研究进展,并指出目前尚未开发出一 种能够完全达到各项指标的慢光缓存器,应该继续加大研 发力度并发展综合型的光缓存系统。
随着慢光产生技术的日趋完善,对慢光的 应用研究也日渐增多。其实,慢光技术的应用 很大程度上依赖于慢光产生的实验机理。到 现在为止,一些实用价值很高的慢光产生机理 已经有了初步的应用,如上所提及的慢光光缓 存器、旋转(角速度) 传感器等。相信在未来 的几年中,这些技术成熟的实验机理会有更进 一步的应用,与此同时,还会有更多实用性更强 的实验机理被人们开发出来,从而激发出慢光 技术更多更新颖的应用价值 。
哈工大教授实现慢光
• 2004 年哈尔滨工业大学掌蕴东研究小组利用相干布居振 荡(CPO) 产生光谱烧孔的现象在常温下红宝石晶体中实现 了慢光,这使慢光的研究更具实用意义。光谱烧孔产生慢 光的实质是用烧孔效应*造成折射率的剧烈变化而使光速 变慢,在该试验中观察到的延时为(2.314±0.005)ms,推断 出光速值为(43.215±0.094)m/s。