激光調制摻鉺光纖中光速及其在高靈敏光纖傳感領域的潛在應用研究

孫維 張建鑫

摘要：光作為信息的載體，在信息領域發(fā)揮著重要作用。由于慢光能夠對光的群速度進行調控，在全光通信、光纖傳感、激光雷達及非線性效應增強等領域得到了廣泛應用。基于相干布居振蕩（Coherent Population Oscillation，CPO）效應引起的材料慢光具有結構簡單、延時可調范圍大、可在室溫下操作等諸多優(yōu)點，本文從理論和實驗研究了激光調制摻鉺光纖色散從而對光速進行調控的機理和測量，實驗結果表明：泵浦激光頻率為50Hz時，通過調節(jié)泵浦激光的功率，30cm摻鉺光纖介質可實現(xiàn)群速度從-253.5497m/s到60.2561m/s的可控快慢光，延時為ms量級，群折射率改變量可達1.1832×106，這對設計非平衡M-Z慢光干涉解調系統(tǒng)提供了一種有效的工具，能夠在很大程度上提高光纖傳感器的靈敏度。

關鍵詞：慢光;摻鉺光纖;相干布局振蕩;群速度

0 引言

快慢光是指光波在介質中傳播時群速度加快或減慢的一種物理現(xiàn)象[1]。其中，慢光表示光波的群速度小于真空光速，而快光則表示光波的群速度大于真空光速。近年來，光纖通信與光計算的高速發(fā)展，光速控制技術已經成為了光學領域的研究熱點，而光纖中可控快慢光技術由于具有結構簡單緊湊、可室溫工作、與現(xiàn)有光通信系統(tǒng)兼容性好等優(yōu)勢，其在光信息處理、光傳感領域、非線性效應增強等方面存在巨大的應用潛力，具有很好的應用前景和重要的研究意義[2-3]。慢光根據產生的機理不同可分為兩類：一類是基于材料色散，利用光與介質的非線性相互作用，在介質增益或吸收光譜中形成窄帶實現(xiàn)減慢群速度，如電磁誘導透明、相干布居振蕩、受激布里淵、光學參量放大等，常見的介質有晶體材料、光纖、半導體材料等;另一類是基于結構色散，具有周期性折射率分布的特殊結構對光包絡進行調制后引起入射光群折射率增大，表現(xiàn)為光減速現(xiàn)象。這類結構包括光纖光柵、光子晶體光纖、F-P諧振腔、耦合諧振波導等。基于相干布居振蕩（Coherent Population Oscillation，CPO）效應引起的材料慢光具有結構簡單、延時可調范圍大、可在室溫下操作等諸多優(yōu)點。本文從理論和實驗研究了激光調制摻鉺光纖色散從而產生CPO慢光的機理，在此基礎上可以設計非平衡M-Z慢光干涉解調系統(tǒng)，從而大幅度提高光纖傳感器的靈敏度。

1 摻鉺光纖的慢光理論分析

光在介質中的傳播可定義為相速度、群速度、能量速度、信號速度以及前沿速度。相速度 是單色光在介質中等相位面的傳播速度，群速度 是非單色光的波包在空間中的傳播速度，能量速度表示光場能量的傳播速度。

2 激光調制摻鉺光纖的慢光測量實驗及結果

為了對摻鉺光纖產生的慢光進行研究，搭建了如圖2所示的測試系統(tǒng)。摻鉺光纖類型為LIEKKI Er80，光源采用日本Santec公司提供的可調諧激光器（Tunable Semiconductor Laser，TSL）TSL-550，波長調諧范圍為1500nm～1630nm，分辨率為5pm，線寬是200kHz。光電探測器PDB340C由索雷博公司提供，數(shù)字示波器MSO 2024B由安捷倫公司提供。

從可調諧光源輸出的光被電光調制器（Electrooptical Optical Modulator，EOM）調制為正弦波信號，因為EOM與偏振有關，所以在EOM前用偏振控制器（Polarization Controller，PC）控制入射光的偏振態(tài)以減小偏振損耗。信號發(fā)生器用來調節(jié)EOM調制波的形狀與幅度，同時信號發(fā)生器輸出的信號也作為示波器的觸發(fā)信號。經過EOM正弦調制后的光在頻域上將在基頻附近產生兩個調制邊帶，以基頻光作為泵浦光，兩個邊帶光作為探測光，可避免用兩臺光源分別作為探測光和泵浦光時引起拍頻不穩(wěn)定的情況。980nm的泵浦光用來調控摻鉺光纖對1550nm光的吸收和增益情況，從而影響邊帶基頻光的功率。EOM輸出的光經過50：50的耦合器分為兩束，一路光路光直接進入PD1作為參考信號，另一部分光和980nm泵浦光一起經波分復用器（Wavelength Division Multiplexer，WDM）入射到EDF中，采用反向泵浦的作用是濾除980nm泵浦光，隔離器（Isolator，ISO）是用來防止980nm泵浦光進入耦合器，最后將探測光接入和參考端相同型號的PD2并用示波器檢測，通過比較參考光和探測光時域波形位置變化情況，便可計算出通過摻鉺光纖后在時間上的延遲或超前情況。

可調諧激光輸出的光波長為1550nm，功率為10mW，EOM調制頻率設置為70Hz，耦合器一端口輸出的光經過30cm摻鉺光纖后測量的原始輸出波形和參考信號波形歸一化結果如圖3所示。在980nm泵浦功率為0mW時，信號光相對參考光有一定的延遲，泵浦功率為30mW時，信號光相對參考光出現(xiàn)了超前現(xiàn)象。

在光通信系統(tǒng)中，通常將輸入信號與輸出信號峰值位置之間的時間差定義為延遲量或超前量，延遲量或超前量與信號半寬之比定義為相對延遲量或相對超前量，用F表示，即 ，（ ?為信號半寬），延遲或超前量與群折射率的關系為[7]： 。由于慢光是光譜燒孔附近存在劇烈折射率變化引起的，隨著泵浦功率增大，燒孔寬度增寬，慢光介質的響應帶寬也將增大。不同980nm泵浦功率會對介質的吸收和增益狀態(tài)產生影響，所以摻鉺光纖快慢光大小不僅與調制頻率有關，還和980nm泵浦功率有關。實驗中摻鉺光纖長為30cm，EOM正弦調制波形頻率為10Hz～1kHz時測得的F值如圖4所示，F(xiàn)值為負表示慢光，為正表示快光。當980nm泵浦為0mW，調制頻率為50Hz時，最大相對時延量為-0.05916，計算出群折射率為 ，群速度 遠遠小于真空群速度。當980nm泵浦功率大于10mW后，隨著泵浦功率增大逐漸出現(xiàn)快光;功率增大到30mW，調制頻率為80Hz時，最大相對超前量為0.03983，群折射率為 ，群速度為 。當泵浦功率為0mW，調制頻率為10Hz時，最大延遲時間為2.0641ms;功率增大到30mW時，測得的最大超前時間為0.8664ms。可以發(fā)現(xiàn)在泵浦功率較低時EDF為慢光介質，在泵浦功率較大時將成為快光介質。在調制頻率一定的情況下，調節(jié)泵浦功率不僅能實現(xiàn)慢光到快光的轉換過程，而且最佳調制頻率點（即快慢光介質的帶寬）也呈增大的趨勢。D4B4F91D-123D-48EB-8206-9BBC992BFC04

由于 與光纖長度有關，對于高濃度摻餌光纖而言，光纖長度太長對光的吸收也會很強，進入光電探測器時信號光較弱，探測器可能無法響應或信號噪聲很大，反而不利于比較不同長度對延遲的影響，因此實驗中選擇了30cm、50cm、70cm三種較短的光纖進行實驗。在調制頻率 時測量結果如圖5所示。從圖中可知，30cm長的EDF在980nm泵浦功率為12.73mW，出現(xiàn)延遲與超前的臨界點，而50cm的EDF臨界點功率為17.74mW，70cm長EDF在20mW內均為慢光。對不同長度的摻鉺光纖而言，當介質都位于慢光區(qū)域時，光纖長度越大延遲量越大，70cm長的EDF最大延遲量達到了1.9747ms，所以應用時可通過延長光纖長度來增強慢光，實驗結果也與理論相符。

3 結論

本文以慢光技術為切入點，以便于和光纖系統(tǒng)結合的摻鉺光纖為慢光介質，進行基于CPO效應的慢光理論及實驗研究。實驗結果表明：在摻鉺光纖中，調制頻率越低延時越小，并且工作頻率為低頻，30cm摻鉺光纖在調制頻率為50Hz時，可實現(xiàn)群速度從-253.5497m/s到60.2561m/s的可控快慢光，延時為ms量級，群折射率改變量可達1.1832×106。在此研究基礎上，我們可以通過采用慢光的可控群折射率對傳感系統(tǒng)進行靈敏度調節(jié)，為提高傳感系統(tǒng)靈敏度提供了一種新方法。本文在進行慢光實驗時，研究了泵浦功率、調制頻率等因素對慢光的影響情況，但沒有考慮到摻鉺光纖濃度對慢光的影響，所以還可以進一步深入研究不同粒子濃度對慢光的影響情況。

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作者簡介：孫維（1980-），陜西澄城人，副研究員，現(xiàn)就職于中煤科工集團重慶研究院有限公司，從事智能傳感和大數(shù)據應用技術研究。聯(lián)系電話：13627665369，電子郵箱：16965737@QQ.com

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