1、华北电力大学科技学院本科毕业设计（论文） I 慢光技术及其应用研究 摘要 慢光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。一方面，人们利用这种效应，可以构造光纤延时器，光缓存等，这些器件将是解决全光光纤通信系统和网络中路由和交换问题的核心器件。 自从在使用电磁感应透明技术（ EIT）之后首次实现光的减速之后就不停地有人向实现光速减慢的这个方面寻求更多的方法，之后便有了受激布里渊散射（ SBS）在可以实现 SBS的介质里 形成光栅从而使得光速变慢 。 再有 相干 布居震荡 （ CPO） ，使得布居在两个能态之间的震荡产生光谱烧孔而产生慢光。 光参量放大通过 二阶非线性光 学混频过程 使得
2、产生光学参量增大从而产生慢光。 微球体系统中的色散强烈依赖于光纤和微球体的耦合强度及球体中的环路损耗。在过耦合的状态下 ， 耦合程度比损耗大 ， 会观察到正常色散并且产生慢光。 关键词 ： 慢光 ； 电磁感应透明 ； 受激布里渊散射 ； 布居数震荡 ； 光参量放大 ； 华北电力大学科技学院本科毕业设计（论文） II Research and Application of Slow Light Abstract Slow light effect in the high dispersion devices and media in the physical presence of a perv
3、erse phenomenon. On the one hand, people use this effect, you can construct optical delay, optical buffer, etc., these devices will solve the all-optical fiber communication systems and network routing and switching in the core of the problem device. Since the electromagnetically induced transparenc
4、y in the use of technology (EIT) for the first time after the light was kept on after slow to realize this aspect of the speed of light slows down to find more ways, then there will be a stimulated brillouin scattering (SBS) can be achieved in the formation of grating in the SBS medium so that the s
5、peed of light slows down. Another coherent population oscillation (CPO), making the populations in the shock between two energy states produce spectral hole burning and produce slow light. Optical parametric amplification by nonlinear optical mixing process makes the optical parametric generation re
6、sulting in slow increase of light. Microspheres in the system depends strongly on fiber dispersion and micro-sphere and the sphere of coupling losses in the loop. In the past couple of state, the degree of coupling than the loss, will observe the normal dispersion and produce slow light. Keywords: S
7、low light; electromagnetically induced transparency; Stimulated brillouin scattering; populations the number of shocks; optical parametric amplification; 华北电力大学科技学院本科毕业设计（论文） 0 目录 摘要 . I Abstract . II 1 绪论 . 1 1.1 背景和意义 . 1 1.2 慢光的研究现状 . 1 1.3 本文的主要研究内容 . 2 2.慢光的研究 . 3 2.1 实现慢光的原理 . 3 2.2 实现慢光的方法 .
8、3 2.2.1 电磁诱导透明 . 5 2.2.2 受激布里渊散射（ SBS） . 6 2.2.3 相干布居振荡 . 8 2.2.4 光参量放大 (OPA) . 10 2.2.5 微球体系统（ SOI） . 13 3 慢光的应用 . 15 3.1 光交换 . 15 3.2 光缓存 . 15 结论 . 17 参考文献 . 18 致谢 . 21 华北电力大学科技学院本科毕业设计（论文） 1 1 绪论 1.1 背景和意义 对于光， 大家并不陌生 ， 真空中的光速 c等于 299792458m s这个速度相当于一秒钟绕地球七圈半 。 在爱因斯坦狭义相对论的最重要的推论质能等价理论中，即： 2mc ， 式
9、中 E为能量， m为质量， c为光速 。 此式说明一切物质都潜藏着质量乘于光速平方的能量 ，一个静止的物体 ， 其全部的能量都包含在静止的质量中。一旦运动，就要产生动能，运动的物体 ， 质量会增加。因此，根据爱因斯坦的相对论，任何物体的运 动速度不可能达到或超过光速 。 只有质量为零的粒子 ， 比如光子 ， 才能够以光速运动。 以上是光在真空中的情况。如果聪明地运用光， 使之能够充分地与周围介质发生作用，它将能够更好地为人类服务。由此 ， 人们产生了让光速慢下来的想法，慢光就应运而生了 。当光在介质中传播时其传播过程中与其它粒子发生作用传播速度会发生变化。传播速度低于真空中的光速时被称为慢光反
10、之，称为快光。从形式上看快光和慢光是完全对称的 慢光和快光各有应用。本文主要讨论慢光的原理、 产生及发展前景。科学家首先在冷原子蒸气下实现了慢光甚至“停光”， 之后又在 常温条件下用普通的激光束得到慢光 1。从此 ， 人们对于慢光的研究迅速发展 成为量子光学的一个分支。慢光最重要的应用是在光延时线方面的应用，这一直是光器件的难点。 瑞士的著名学者 Luc Theve-naz说：基于光纤的延时器的研究方面，光谱谐振产生快光和慢光的方法成为人们关注的热点 2。 1.2 慢光的研究现状 随着光通信系统的日益发展，在享受光通信带来的高速、低损耗、安全等等优点的同时，通过采用非线性光学手段以获得慢光引起
11、许多学者广泛的关注，因为光速减慢可能会极大地促进 通信系统中 光 缓存器 的 发展 ，是未来实现全 光网的关键性技术。 利用 EIT 方法 Kasapi 在 铅蒸气细胞 中观测到群速度为 Vg=C/165 的光信号， Hau 在Bose-Einstein 凝析油 中观测到群速度 Vg为 17m/s 的光信号。 Turukhin 使用 EIT 方法在 5K的低温掺 Pr 的 Y2SiO5 的固体材料中得到 45m/s 的群速度 3。 随着研究的进行，人们发现利用受激布里渊散射 (SBS)或受激拉曼散射 (SRS)能够控制光脉冲在光纤中的传播速度。2005 年 Kwang Yong Song 等人
12、在光纤 中 利用 SBS 实现了对光速的减慢 4。 2003 年美国 Rochester 大学的 Matthew S Bigelow 实验小组在红宝石和紫翠玉晶体中实现了超慢光 ， 首 次 在红宝石 晶 体中使光速最低降低到 了 57.5m/s。 2003 年至 2006 年间 ，人们又不断研究和发展了这一技术，使得基于 CPO 的慢光可以在室温下的掺铒光纤和半导体结构中同样得以实现 ， 大大增强了在实际应用中的可行性。 E Baldit 等人和A Schweinsberg 等人都在 2005 年利用 CP0 原理在掺铒光晶体和掺铒光纤中做了相关实验并发表了文章。其中 Baldit 等人在掺铒
13、晶体中做出了一个线宽为 26Hz 的窄烧孔 ， 并把光速最低 下降到 2.7m/s5。 华北电力大学科技学院本科毕业设计（论文） 2 1.3 本文的主要研究内容 通信技术日新月异，更多的通信的手段都需要更快，更有效的且 噪声越少的通信载体，电子慢慢地变得不适应现在通信的步伐，而现代通信慢慢地将视线转移到光身上去，而光作为最能以捕捉的粒子，却拥有着成为下一代通信技术载体的各种优点。 自从在使用电磁感应透明技术（ EIT）之后首次实现光的减速之后就不停地有人向实现光速减慢的这个方面寻求更多的方法，之后便有了受激布里渊散射（ SBS）在可以实现 SBS的介质里形成光栅从而使得光速变慢。再有相干布居震
14、荡（ CPO），使得布居在 两个能态之间的震荡产生光谱烧孔而产生慢光。光参量放大通过 二阶非线性光学混频过程 使得产生光学参量增大从而产生慢光。 微球体系统中的色散强烈依赖于光纤和微球体的耦合强度及球体中的环路损耗。在过耦合的状态下 ， 耦合程度比损耗大 ， 会观察到正常色散并且产生慢光。 在慢光的在光通信的应用就是路由、交换、时延、光同步、时分复用。但关键技术就是光缓存，要突破电子瓶颈首先要突破的就是光缓存。 华北电力大学科技学院本科毕业设计（论文） 3 2.慢光的研究 2.1 实现 慢光的原理 20世纪初光的群速度概念提出来的时候，引起了人们的广泛兴趣。 因为这个理论似乎跟具有统治地位的爱
15、因斯坦 的相对论之间产生矛盾 。 要理解慢光，首先要清楚光的相速度和群速度 ， 相速度和群速度的区别早在 1839年就被 willi Hami1ton界定了。 到 1909年 Hendrik IJorentz在他的经典论著中进一步完善群速度 的理论，将它系统化 6。相速度 Vp是指介质中具有相同相位点的传播速 度 cnpV (2-1) n是折射率， Vp就是我们平时所说的光速 。 在光通信中使用的光 ， 是以光脉冲的形式来传播信息的，而光脉冲的速度是光的群速度 Vg而不是光的相速度 Vp。由于 Vg=c/ng，这里是 ng群折射率， /gnn n d d ， 是角频率。因此，当折射率的谱变化为
16、正值时产生慢光 。 当折射率的谱变化为负值时产生快光。也就是我们常讲的正常色散时可能产生慢光 。当介质为光纤时，传输时延 T可以表示为 2： /gT n L C （ 2-2） 其中 ， 为介质中的传输距离，单位为米， c是真空中的光速， gn 是群折射率的变化量。在介质中折射率 n是随着频率变化的函数 。 正常色散、反常色散以及群速度等都跟 n有密切关系 ， 不同材料对于速波表现出来的不同响应是关键 ， 既然有色散的存在，光通信中说的光速都是指的群速度，所以 c虽然不能变，群速度在特殊的响应函数 (n随频率 )下会表现出来特别性质 特别小慢光，或者特别大快光。 另外 ， 一些新型的慢光产生技术
17、使得慢光产生原理也有所变化。 2006 年南开大学张国权小组利用光波位相耦合的色散效应在室温下的 Bi12SO20 晶体中实现了极慢 光速。在有位相耦合效应存在的情况下 ， 光波的群速度 vg 表示为 : gphcvddnn w cdd （ 2-3） 这时光在介质中的群速度不仅与介质的折射率变化率有关 ,而且与位相耦合系数 ph的色散特性有关。而当位相耦合效应的色散特性很强时 ， 光波的群速度 vg 主要由位相耦合系数 ph的色散特性决定 ， 所以可以使位相耦合系数具有正色散斜率来产生慢光。他们在常温条件下测得光经过晶体后延迟了 110 ms ， 相当于光在晶体中传播的群速为 0. 05 m/
18、 s。 2.2 实现 慢光的方法 有很多方法可以产生快光和慢光 ， 比如：用 SBS方法可以在任意波长产生与标准光纤华北电力大学科技学院本科毕业设计（论文） 4 匹配的长时延 。 并且操作简单 ， 由于光学谐振腔内的群速度可以被一个大的一阶色散降低 。因此最初人们常常采用大的材料色散来得到慢光 ， 后来也有采用改变结构的方法来得到大的色散 ， 比如光子晶体。总的来说，要实现慢光有两种途经：利用材料共振改变光速 ，具体实现方法是采用强光域的非线性现象改变信号光在介质材料中的响应 ， 就是窄谱共振现象。当发生窄谱共振时 ， 媒质中任何剧烈的谱改变都会在窄谱范围内导致谐振的波长附近的有效折射率产生一
19、个剧烈的准线 性变化 ， 这样就会在谐振中心引起群速度的剧变。典型的方法有前面提到的 EIT技术 ， 已有研究者将 EIT技术应用于成像 。 在慢光下得到没有强度和位相改变的无衍射图像。除此之外还有同调居量振荡 (coherent population osciuations CPO)技术 7,8、 SBS、 SRS9等。后面两种非线性方法折射率会产生强烈的谱变化，可以用Kramers Kroig方程来衡量的慢光效应。从材料结构人手 ， 比如光子晶体或微结构实现慢光效应 。 人们在如何得到慢光这一问题取得重大突破后 ， 转而致力于优化它 ， 着重 于用更低的能量、更紧凑的结构和更大的群速度折射
20、率来得到慢光。早期的研究工作除了希望得到低速的光外，人们还关注采用何种方法既能够降低光速又能够使传输脉冲不变形 ， 各种方法应运而生。 首先来谈谈增强光增益会带来哪些有益的影响。这里所指的光增益来源于更慢的光速和空间脉冲压缩带来的光能量密度的增高。由于更大的光增益可以使光与介质之间得到充分反应。很多象激光器、放大器和检测器这样的光设备就可以实现更加小型化。光的时延和光速的减慢实际上受光的生存时间所限制 ， 它主要受限于来自内部和外部的损耗。很多研究慢光的人员在优化慢光的 时候都不得不考虑到损耗因素常常把低吸收作为得到慢光的一个附加条件。目前 ， 损耗的存在使得人们对于慢光产生的光增益的研究成为
21、难点。减少损耗有几种途径其中有一种方法是通过抑制双光子效应来减少损耗 。 其次，光子晶体以其易于集成、宽的带宽、无色散并且能够在室温操作赢得了大家的青睐。对光子晶体波导进行数值模拟时，可以用平面波导纳法等方法 10。在研究的过程当中，有一个研究组独树一帜 。 用光子晶体研制出可调节的慢光这使得人们对于慢光的应用有可能具有更强的可操作性 11。此后 ， 又有研究小组采用纳米制作方法中的原子层 沉积法 。 通过调节光子晶体的层结构和制作材料 ， 也得到了可用于生产慢光器件的光子晶体 12。当考虑光子晶体波导产生的慢光时， 一般需要注意两个方面的问题： (1)一个是频率带宽。它由时延带宽积 (del
22、ay bandwidth pmduct)决定。虽然我们希望得到大的带宽，但是这通常以低的时延为代价 ， 现在已经可以在特定条件下做到 DBP为 80的慢光 ， 人们希望能够在任意波长和脉冲长度得到大的 DBP。 这方面仍然是一个非常活跃的研究领域 ， 比如 ， 用信道化的慢光就是一种得到较大的 DBP的途径。对这一问题可采用公式 (2)用分步 傅立叶方法进行数值模拟 10。 华北电力大学科技学院本科毕业设计（论文） 5 2332232202 2 62()22eT P Aee ffiA A AAz T Tkii A A A A N AA （ 2-4） (2)光纤以其大容量和优 越的传输性能在全球
23、通信中占据着无可替代的地位。在光纤中产生慢光，增益值由泵浦和光纤长度的乘积决定。 增益越高将会获得速度越慢的时延光。比如，用 SBS现象产生慢光，每 dB增益可以延迟 1ns。在高浓度的掺铒光纤中。通过改变光纤长度。入射功率以及掺铒浓度，还可以得到可调节的慢光。 2.2.1 电磁诱导透明 一束探测激光作为信号，照射在某些光学不透明介质上 (例如铅或锶蒸气 )，信号光束不能通过。 现 在用另一束频率不同的耦合激光作为控制光束，同时照射在这种介质上。 由于控制光束的作用，信号光束在介质中无衰减地传播，或透射率大为提高，使原来对信号光束不透明的 介质成为透明介质， 这就是电磁诱导透明 。 实验中用两
24、束频率不同的激光照射金属蒸气 ， 两激光的频率由介质的能级差决定 。 对于一个三能级系统的介质，可以用图 2-2来说明 。 三能态系统中上能态 |3以速率 T3衰变到系统外各状态； p 是由基态 | 1和激发态 | 3决定的探测激光的中心频率 (“透明” 在此频率产生 )， c 是 | 2态到 | 3态的耦合激光频率 。 图 2-1描述的是透明产生在由基态 |1和原子电离能以上某个能态决定的某个频率 p 。 图 2-1 原子能级图 如果电子同时受到两个同频率反向的正弦力的作用，电子就会停止运动 。 因此它们就对介电常数没有贡献 。 用量子力学解释，图 2-1中 |3的概率振幅是受到两项等值反号
25、的作用 。 一项是与基态 |1的概率振幅成正比，另一项是与 |2概率振幅成正比但反相 。 这两项作用具有相同的频率 ， 并因此与 |3态概率振幅平衡 。 由于量子相干，探测激光和耦合激光的共同作用，使原子的两个能态 |1和 | 2相互耦合，形成相干叠加，这样使探测激光偏离原子共振频率，即达到所谓相干布居数俘获， | 3态成为布居数为零的空态 。 从而吸收减小，透 射率大大提高 。 华北电力大学科技学院本科毕业设计（论文） 6 图 2-2 原子能级偏移图 电磁诱导透明的实验要求探测激光与耦合激光的强度相近 ， 耦合激光在探测激光之前调谐 。 这迫使布居数俘获态的本征量与原子基态一致 ， 然后探测
26、激光和耦合激光的场以足够慢的速度增加，使得系统保持这种本征态。即使 | 3态衰速率快得能与拉比频率相比，如果场波包变化足够慢，布居数将保持在 |1和 | 2态，和电磁场相互作用将很小 。 另外，必须注意匹配脉冲的特殊作用 。 如果探测激光和耦合激光的波包之差， f(t)-g(t)变化足够慢，原子粒子数就能跟随场的变化 。 如果 f(t)、 g(t)以不同的方式变化，且变化相当地快，原子就跟不上场的变化 。 但是，俘获的原子产生任意形状的光脉冲，这个光脉冲作为输入信号施加在介质中，又产生许多光脉冲 。 这些光脉冲传播一个特征距离后，都具有相同的形状或波包 。 这样的脉冲信 号被称之为匹配脉冲。
27、匹配的脉冲产生被 俘 获的原子，被俘获的原子产生匹配的脉冲。两者相互作用，当脉冲波包 f(t)和 g(t)相同，不论脉冲变化如何快，系统的“布居数俘获”本征态都保持不变 。 电 磁诱导透明是利用量子相干效应消除电磁辐射传输中的介质影响的方法， 这种方法是在 20世纪 90年代初期，首先由美国斯坦福大学哈里斯教授等人提出。在某些限定的条件下，电磁诱导透明可以用来消除光学自聚焦和 散焦现象，改善光 在通过折射率不均匀气体和金属蒸气时的传输质量。 电磁诱导透明方法还可以用来产生具有相同相位的原子的布居数，从而有可能制造出新型的光电装置；电磁诱导透明原理 可以用来制造新型的无粒子数反转激光器；电磁诱导
28、透明可以使光显著减速，甚至使光静止，这为制造光子存储器和量子计算机提供了可能。因此，电磁诱导透明研究具有诱人的应用前景。但是 EIT技术对实验条件要求很高 ,装置比较复杂 ， 而且介质为气体 ,很难进行实际应用。 2.2.2 受激布里渊散射（ SBS） 入射光很强时，光学媒质所产生的定向的具有相干特征的光散射。光通过媒质会产生各种散射效应。例如由气体中远小于辐射波长的独立粒子散射和非传播熵的涨落引起的瑞利散射；液体中单个分子的转动和振动跃迁以及固体中的光频声子和其 他激发产生的 喇曼散射，这种散射的频移相当大；由连续媒质中声波场或声频声子 所产生的布里渊散射等。在入射光强较弱时光散射是自发的、
29、非相干的。然而，当入射激光束的强度超过一定阈值时，如同自发辐射会转变为受激辐射一样，光散射过程也会由自发的转变为受激的。后一过程的特点是其散射光是一种具有明显方向性的相干光 13。 华北电力大学科技学院本科毕业设计（论文） 7 受激布里渊散射 。 当频率为 v1 波矢为 k1 的泵浦光入射于媒质，媒质中的自发超声场会对入射光产生经历了频移的自发布里渊散射。如果又有另一束频率为 vs、波矢为 ks 的激光同时作用于媒质，则由于这两束激光的同时作用， 媒质会产生感应的超声场。设感应超声场的频率为 v0，波矢为 q。在满足能量守恒条件 vs-v1 v0 及动量守恒条件 ks-k1q 时 ， 泵浦光束
30、会被感应超声场所衍射，衍射的方向正好是另一束频率为 vs 的入射激光的方向。在此情况下，这后一束入射激光便获得了增益，且增益的大小正比于泵浦光的强度。同时，感应超声场也会受到进一步的激励。当泵浦光强增加到能使增益大于媒质自身引起的损耗时 ,频率 vs， 波矢为 ks 的光束会产生自激。换言之 ， 即使只有泵浦光束 ， 也会在 ks的方向产生频率为 vs 的相干散射光。此时布里渊散射完成了由自发到受激的 转变。可以证明，上述能量和动量守恒条件要求 14 。 112 ( / ) s in 2sv v n v v c (2-5) 即在与泵浦光束成角的方向上 ,受激布里渊散射发生了大小为上式给出的数值
31、的频移。其中 n、 v和 c分别为媒质的折射率、媒质中的声速和真空中的光速。 在光纤中实现 S B S慢光的基本原理是：两束光同时从单模光纤的两端入射到光纤中，一束光是由强的连续波组成的抽运光，另一束是由弱的脉冲激光组成的信号光，由于电致伸缩效应，两束光引起光纤的密度起伏，产生的折射率光栅或称为声波沿着与抽运光束相同的方向传播，声波的频率等于抽运光与信号光的频率差。在移动的折射率光栅作用下，抽运光产生强的后向散射。散射光是在抽运光的频率下移到信号光的频率处时产生的光子， 结果是使信号脉冲和声波都得到放大。最强的 S B S 放大谐振发生在信号光的频移等于固有的布里渊频移处， 因为这个谐 振，引
32、起了通常的色散光纤中折射率随频率的快速变化，必然导致群折射率增加， 因此降低了信号脉冲的群速度， 产生 S B S 慢光。这种方法的优点是： 1 ) 只要简单地 改变抽运波长，受激散射就能够在任意波长发生； 2)因为光纤大的相互作用区域和小的模面积，所以需要的抽运功率较小； 3)可以与现有的通讯系统兼容； 4)可以在室温下操作。尽管用 SBS实现慢光有这么多的优点，但是也有以下几方面的缺点： 1)在标准的单模光纤中，对于波长为 1550 nm 的激光，固有的 SBS带宽仅有几十兆赫兹，这种窄的增益带宽引起了布里渊谐振附近 仅仅 为 -4,部分信号脉冲谱得到放大，所以 SBS慢光具有窄线宽的特点； 2)在 SBS慢光产生过程中伴随着脉冲的放大过程，由于存在抽运抽空效应，所以最大延迟时间受限； 3)因为延迟机制是一种色散过程，所以在整个过程中脉冲的时间线型要经历一种畸变，并伴随着脉冲的展宽 15。 基于多增益线的慢光系统可以有效地延长延迟时间 16-18。使用布里渊增益双线能有效地减少畸变对延迟线的限制，使用同样的实验装置取得了三条等空间分布的布里渊增益谐振线，更进一步增加了受畸变限制的脉冲延迟线。上述脉冲延迟线延迟时间的定义没有考虑延 迟脉冲的数据保真度和时间脉冲线型。在实际应用中，常常使用脉冲畸变定量化的标准，即最大可取得到的分数延迟 ：
