基于CPO的慢光技術研究及其進展

陳譯聯

（華東師范大學信息科學技術學院，上海 200241）

基于CPO的慢光技術研究及其進展

陳譯聯

（華東師范大學信息科學技術學院，上海 200241）

首先回顧了近10年中的慢光技術研究的發展歷程，簡要介紹實現慢光技術的幾種方法——EIT、SBS和CPO；重點介紹了 CPO產生慢光的原理和取得的最新進展，簡要討論實用化過程中存在的問題，最后簡述慢光技術研究的應用和發展趨勢。

慢光；CPO；光纖；摻鉺光纖

（一）引言

隨著光通信系統的日益發展，在享受光通信帶來的高速、低損耗、安全等等優點的同時，通過采用非線性光學手段以獲得慢光引起許多學者廣泛的關注，因為光速減慢可能會極大地促進通信系統中光緩存器的發展，是未來實現全光網的關鍵性技術。

利用 EIT方法 Kasapi在鉛蒸氣細胞中觀測到群速度為Vg=C/165的光信號，Hau 在Bose-Einstein凝析油中觀測到群速度Vg為17m/s的光信號。Turukhin使用EIT方法在5K的低溫摻Pr的Y2SiO5的固體材料中得到45m/s的群速度。隨著研究的進行，人們發現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Kwang Yong Song等人在光纖中利用SBS實現了對光速的減慢。

2003年美國Rochester大學的Matthew S.Bigelow實驗小組在紅寶石和紫翠玉晶體中實現了超慢光，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,人們又不斷研究和發展了這一技術，使得基于 CPO的慢光可以在室溫下的摻鉺光纖和半導體結構中同樣得以實現,大大增強了在實際應用中的可行性。E.Baldit等人和A.Schweinsberg等人都在2005年利用CP0原理在摻鉺光晶體和摻鉺光纖中做了相關實驗并發表了文章。其中Baldit等人在摻鉺晶體中做出了一個線寬為 26Hz的窄燒孔,并把光速最低下降到2.7m/s。

比較各種實現光速操控的方法，可以發現基于 CPO原理實現慢光的技術具有非常高的實用價值。由于電磁感應透明（EIT）方法要求精確的量子干涉效應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振蕩（CPO）效應實現慢光，其最大的優點在于可在室溫下實現。其次，它對于光速的可控范圍更廣，產生的光延遲更大。CPO產生的光延遲可以達到毫秒數量級，而SBS產生的延遲目前只能達到納秒數量級。另外，選擇摻鉺光纖作為實現慢光的介質，原因是其在光網絡中被廣泛使用，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技術已經成為光學領域的一個研究熱點。

（二）相干粒子數振蕩（CPO）實現慢光的原理

其中C為光在真空中的傳輸速度，gn為群折射率。

相干粒子數振蕩效應發生在可飽和吸收的固體中，這種固體在一定條件下可同時產生較高的光譜散射和較低的吸收，這對慢光傳播在室溫固體是必須的。一個強功率的泵浦光束與一束頻率稍有差別的信號光束相互作用，兩者拍頻等于原子系統的諧振頻率，從而導致了粒子數在基態與激發態間的諧振，又稱為相干振蕩。由于相干粒子數振蕩造成的是粒子數整體振蕩，因此對頻移十分敏感，能由頻率改變產生很大的折射率變化，由此得到較大的群折射率，解決了EIT中對頻移模糊，折射率改變小的缺點。

（三）利用CPO效應產生慢光的實驗

利用 CPO產生可控快慢光可以在室溫下的固體材料中實現，目前人們已經在多種材料中對它進行了研究，并獲得成功。

1.紅寶石和紫玉晶體中的實驗

2003年美國Rochester大學的Matthew S.Bigelow實驗小組首先在紅寶石晶體中實現了慢光,并使光速最低降低到57.5 m /s。實驗系統如圖1所示。

圖1 在紅寶石產生慢光裝置

實驗中使用 514.5nm的氬離子激光器作為光源。光波首先通過一個可變衰減器進入一個電光調制器。調制器是由一個函數發生器來驅動的，以提供實驗所需的各種寬度的光脈沖。在光束到達紅寶石晶體之前，由一個40cm焦距的分光鏡分出5%的光到一個光檢測器作為參考。剩下的光則通過一個透鏡聚焦成84μm的細窄光路到一個長7.25cm的紅寶石細桿的一端。紅寶石是一種單軸晶體,實驗中可以通過旋轉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光檢測器中,它與之前檢測的參考光一起輸人數字示波器進行比較,最后數據輸入電腦計算出前后兩路光信號的幅度和延遲等數據。速度以及延遲的量是可控的，這主要體現在兩個方面：一是通過調節泵浦光的功率，高的泵浦功率可以帶來更大的延遲；二是通過調節調制輸入光的頻率，調制頻率超過300Hz時，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實現了可控快光。在特定的波長下，紫翠玉有負群折射率的特性。實驗裝置基本上與紅寶石相同，在紫翠玉的吸收譜上可以產生線寬為612Hz的燒孔(相對與紅寶石的 37Hz)，在更寬的調制頻率范圍得到了負延遲，即快光。

2.在摻鉺晶體和摻鉺光纖中的實驗

E.Baldit等人和A.Schweinsberg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實驗并發表了文章。其中 Baldit等人在摻鉺晶體中做出了一個線寬為26Hz的窄燒孔,并把光速最低下降到 2.7 m /s，實驗系統如圖2所示。

圖2 在摻鉺晶體產生慢光裝置

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聯合起來用于控制激光器的功率，經過聲光調制器 AOM調制成波形的光脈沖信號。調制后的光通過分光器分成 2路，一路作為參考光路，另一路通過一個透鏡聚焦到摻鉺光晶體中去，其輸出的光信號由一個InGaAs檢測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制頻率實現對光速和延遲的控制。

（四）在摻鉺光纖中的慢光

2006年，SCHWEINSBERG等人第一次通過CPO過程在室溫下 EDF中觀測到了極慢光速。這是人們首次將慢光技術和光纖相結合，使慢光在光纖通信和光纖傳感領域中的應用成為可能。一個波長為 980nm的可變功率泵在摻鉺光纖中發射出一個波長為1550nm的信號，觀測到最大小數延遲為0.089，這種效果在正弦調制信號和高斯脈沖中都能出現。另外，實驗還證明了摻鉺光纖中的慢光光速可通過改變泵功率來調節。

2007年哈爾濱工業大學邱巍等人在EDF中觀測到了光速為的慢光。試驗系統如圖3所示。

圖3 EDF中光群速可控實驗結構框圖

該實驗以CPO及增益理論為基礎，實驗用的EDF長度為30m。波長為 1550nm的信號光經調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直接由探測器接收并送入示波器。余下的部分則作為主光路光信號經過隔離器后進去EDF。同時，980nm泵浦激光經波分復用器后也進入EDF。信號光經 WDM的輸出端口進入同一探測器被接收，并將探測器的信號也輸入示波器。最后，通過比較示波器上主光路和參考光路的信號在時域上的位置變化就可以確定通過 EDF的光信號所發生的時間延遲。

由此可知，通過CPO在EDF中實現慢光，不僅成功地在室溫下使光速減慢，還實現了慢光和光纖之間的結合，并最終實現光速的人為可控，這種實驗機理有著巨大的潛在應用價值。但從實際應用來看，CPO帶寬很低，所以如何擴展CPO的帶寬使EDF慢光系統更加實用化是當前有待解決的問題。

（五）實用化過程中存在的問題

目前人們在各種材料的研究中都成功的實現了對光速的有效控制，但還有一些問題有待解決，比如：實驗中的光信號只能丁作存特殊的波長，需視材料而定，有些波長并不在光通信的主要波長上。而且對于特殊的晶體材料還要用集成電子學制成集成模塊，這在實際應用中也并不簡單。其中一個解決方法是前言中提到的利用 SBS或 SRS(受激拉曼散射)在光纖中實現可控光，這在近年來也越來越引起人們的注意，但是它也存在自己的問題，納秒級的延遲影響了它的進一步實用化。

另外還有一個問題是最大調制帶寬，由于脈沖帶寬必須限制在n(ω)的線性區內，所以使最大帶寬在數值上要小于基態恢復時間的倒數，這樣光脈沖不能做得太窄，這在高速通信系統中應用時會受到限制。早期的輸入光脈沖是毫秒級的，但是現在人們已經對此有所研究，California大學的Xiaoxue Zhao和TexesA&M大學的Berkeley等人最近的工作中已經可以把光脈沖做到125ps，調制帶寬達到2.8GHz。

摻鉺光纖中的慢光現象一般伴隨有光的放大，但有時這種放大是不需要的，如何消除光放大的影響也需進一步改進，這對全光通信也很有意義。

（六）慢光的應用和發展趨勢

現在，光學家將他們的興趣轉向了慢光的應用，包括光緩存器、數據同步、光記憶器以及光信號處理器等。所謂光緩存器是可將光信號暫存于其中、并且在控制下進行寫入和讀出的裝置。光緩存器使得交換網絡的性能在高速環境下得以動態提高。在目前的光通信系統中光電并存，非全光通信系統。如果光不轉換到電信號，將很難進行存儲、路由等處理。因此，“電”成為速度提高的瓶頸。但是我們可以利用光速的可控性，在光節點上實現光信號的緩存。利用光緩器可以在光域條件下提高網絡動態交換速度。另外由于時鐘對光信號進行再同步等等工作也完全可以在光域中進行，因而無需再進行光電轉換，這就簡化了光節點。因此這是未來實現全光網的關鍵性技術。

慢光技術不僅可以直接應用于依賴光脈沖延遲的光緩存器中，還可以應用在傳統的如薩格納克干涉儀等光學儀器中，使原有儀器的性能得到改善。2007年北京大學的 Chao Peng研究小組報道了基于高群色散慢光共振結構的旋轉傳感系統，該傳感機理的前提條件是介質和干涉儀之間有相對運動。得出慢光媒介可以被用于測量相對運動，并且慢光共振結構適用于檢測航海方面的絕對轉動，基本思想是檢測由閉環薩格納克效應引起的相移。在高色散介質中研究了薩格納克效應，并且建立了一個當介質和干涉儀之間有相對運動的相移表達式，相移正比于群指數 ng，定義為自由空間光速和群速度的比值。

到目前為止，一些實用價值很高的慢光產生機理已經有了初步的應用，如光緩存器、旋轉（角速度）傳感器等。相信在未來的幾年中，這些技術成熟的實驗機理會有更進一步的應用，同時，還會有更多實用性更強的實驗機理被學者們開發出來，從而激發出慢光技術更多更新穎的應用價值。

（七）結束語

本文討論了慢光技術在過去10年中的成長和發展歷程。目前，慢光技術經過不斷地發展和完善已經有了較好的理論和實驗基礎，而且人們已經開始對基于慢光技術的光緩存器、光存儲器、數據同步、光信號處理、慢光光纖傳感器和慢光陀螺儀等進行了初步的應用研究。這些應用也許會對未來光學領域產生巨大的影響，甚至使全光學計算機的實現不再是夢想。

[1] M.S.Bigelow,N.N.Lepeshkin and R.W.Boyd,“Observation of ultraslow light propagation in a ruby crystal at room temperature,”Phys Rev. Lett,113903(2003).

[2] SONG K Y, HERRAEZ M G,THEVENAZ L. Observation of pulse delaying and advancement in optical fibers using stimulated Brillouin scattering[J].OPT EXPRESS,2005,13(1):82-88.

[3] 蔣器成,薛燕陵.基于 CPO 的可控光速技術研究的最新進展[A].光通信技術,2008-01-04.

[4] Daniel J.Gauthier,Alexander L.Gaeta and Robert W.Boyed[March 2006].SLOW LIGHT: From Basic to Future Prospects.PHOTONICS SPECTRA.

[5] SCHWEINSBERG A,LEPESHKIN N N, BIGELOW M S,et al.. Observation of superluminal and slow light propagation in erbium-doped optical fiber[J]. EUROPHYSICS LETTERS,2006,73(20):218-224.

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2010-12-14

陳譯聯（1986－），女，華東師范大學信息科學技術學院通信與信息系碩士，研究方向為光通信、非線性光學、慢光。