慢光技术及其应用研究改好

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 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）IIResearch and Application of Slow LightAbstractSlow light effect in the high dispersion devices and media in the physical presence of a perverse 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 transparency 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 speed 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 resulting 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: Slow 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 .IAbstract .II1 绪论 .11.1 背景和意义 .11.2 慢光的研究现状 .11.3 本文的主要研究内容 .22.慢光的研究 .32.1 实现慢光的原理 .32.2 实现慢光的方法 .42.2.1 电磁诱导透明 .52.2.2 受激布里渊散射（SBS） .72.2.3 相干布居振荡 .92.2.4 光参量放大(OPA) .112.2.5 微球体系统（SOI） .143 慢光的应用 .163.1 光交换 .163.2 光缓存 .16结论 .18参考文献 .20致谢 .23华北电力大学科技学院本科毕业设计（论文）11 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299792458ms 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：，式中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2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LucTheve-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 SBigelow 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。EBaldit 等人和ASchweinsberg 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 等人在掺铒晶体中做出了一个线宽为 26Hz 的窄烧孔，并把华北电力大学科技学院本科毕业设计（论文）2光速最低下降到 2.7m/s5。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 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）32.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(2-1)cnpVn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V g=c/ng，这里是n g群折射率， ， 是角频率。因此，当折射率的谱变化为正值时产生/gnd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：（2-2）/gTnLC其中，为介质中的传输距离，单位为米，c是真空中的光速， 是群折射率的变化gn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Bi 12SO20 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:（2-3）g phcvdnw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/ 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、SRS 9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KramersKroig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(delaybandwidth 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（2-4）2322062() eTPAeefizTkii NA (2)光纤以其大容量和优越的传输性能在全球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； 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p频率产生) ， 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c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。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、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-v1v0 及动量守恒条件ks-k1q 时，泵浦光束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