基于CPO的慢光技术研究及其进展

陈译联

（华东师范大学信息科学技术学院，上海 200241）

基于CPO的慢光技术研究及其进展

陈译联

（华东师范大学信息科学技术学院，上海 200241）

首先回顾了近10年中的慢光技术研究的发展历程，简要介绍实现慢光技术的几种方法——EIT、SBS和CPO；重点介绍了 CPO产生慢光的原理和取得的最新进展，简要讨论实用化过程中存在的问题，最后简述慢光技术研究的应用和发展趋势。

慢光；CPO；光纤；掺铒光纤

（一）引言

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。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。

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/s。

比较各种实现光速操控的方法，可以发现基于 CPO原理实现慢光的技术具有非常高的实用价值。由于电磁感应透明（EIT）方法要求精确的量子干涉效应则必须工作在低温下并使用低密度原子气体，因此具有很大的局限性。而我们利用相干粒子数振荡（CPO）效应实现慢光，其最大的优点在于可在室温下实现。其次，它对于光速的可控范围更广，产生的光延迟更大。CPO产生的光延迟可以达到毫秒数量级，而SBS产生的延迟目前只能达到纳秒数量级。另外，选择掺铒光纤作为实现慢光的介质，原因是其在光网络中被广泛使用，且有良好的兼容性。如果提高掺铒光纤的浓度，有利于光纤器件尺寸的缩小。因此 CPO技术已经成为光学领域的一个研究热点。

（二）相干粒子数振荡（CPO）实现慢光的原理

其中C为光在真空中的传输速度，gn为群折射率。

相干粒子数振荡效应发生在可饱和吸收的固体中，这种固体在一定条件下可同时产生较高的光谱散射和较低的吸收，这对慢光传播在室温固体是必须的。一个强功率的泵浦光束与一束频率稍有差别的信号光束相互作用，两者拍频等于原子系统的谐振频率，从而导致了粒子数在基态与激发态间的谐振，又称为相干振荡。由于相干粒子数振荡造成的是粒子数整体振荡，因此对频移十分敏感，能由频率改变产生很大的折射率变化，由此得到较大的群折射率，解决了EIT中对频移模糊，折射率改变小的缺点。

（三）利用CPO效应产生慢光的实验

利用 CPO产生可控快慢光可以在室温下的固体材料中实现，目前人们已经在多种材料中对它进行了研究，并获得成功。

1.红宝石和紫玉晶体中的实验

2003年美国Rochester大学的Matthew S.Bigelow实验小组首先在红宝石晶体中实现了慢光,并使光速最低降低到57.5 m /s。实验系统如图1所示。

图1 在红宝石产生慢光装置

实验中使用 514.5nm的氩离子激光器作为光源。光波首先通过一个可变衰减器进入一个电光调制器。调制器是由一个函数发生器来驱动的，以提供实验所需的各种宽度的光脉冲。在光束到达红宝石晶体之前，由一个40cm焦距的分光镜分出5%的光到一个光检测器作为参考。剩下的光则通过一个透镜聚焦成84μm的细窄光路到一个长7.25cm的红宝石细杆的一端。红宝石是一种单轴晶体,实验中可以通过旋转它来使它与光的交互作用最大化。光波与红宝石相互作用之后输出到另一个光检测器中,它与之前检测的参考光一起输人数字示波器进行比较,最后数据输入电脑计算出前后两路光信号的幅度和延迟等数据。速度以及延迟的量是可控的，这主要体现在两个方面：一是通过调节泵浦光的功率，高的泵浦功率可以带来更大的延迟；二是通过调节调制输入光的频率，调制频率超过300Hz时，延迟几乎下降到零。

除了红宝石晶体，Bigelow 和Boyd等人还尝试过别的材料，他们同样在紫翠玉晶体中也利用 CPO实现了可控快光。在特定的波长下，紫翠玉有负群折射率的特性。实验装置基本上与红宝石相同，在紫翠玉的吸收谱上可以产生线宽为612Hz的烧孔(相对与红宝石的 37Hz)，在更宽的调制频率范围得到了负延迟，即快光。

2.在掺铒晶体和掺铒光纤中的实验

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 2.7 m /s，实验系统如图2所示。

图2 在掺铒晶体产生慢光装置

光源使用1.536.1nm、2kHz线宽的CW激光器，半波片HWP1和偏正分光器 PBS联合起来用于控制激光器的功率，经过声光调制器 AOM调制成波形的光脉冲信号。调制后的光通过分光器分成 2路，一路作为参考光路，另一路通过一个透镜聚焦到掺铒光晶体中去，其输出的光信号由一个InGaAs检测器接收并与参考光路作比较。与红宝石中相似，也可以通过改变泵浦功率与调制频率实现对光速和延迟的控制。

（四）在掺铒光纤中的慢光

2006年，SCHWEINSBERG等人第一次通过CPO过程在室温下 EDF中观测到了极慢光速。这是人们首次将慢光技术和光纤相结合，使慢光在光纤通信和光纤传感领域中的应用成为可能。一个波长为 980nm的可变功率泵在掺铒光纤中发射出一个波长为1550nm的信号，观测到最大小数延迟为0.089，这种效果在正弦调制信号和高斯脉冲中都能出现。另外，实验还证明了掺铒光纤中的慢光光速可通过改变泵功率来调节。

2007年哈尔滨工业大学邱巍等人在EDF中观测到了光速为的慢光。试验系统如图3所示。

图3 EDF中光群速可控实验结构框图

该实验以CPO及增益理论为基础，实验用的EDF长度为30m。波长为 1550nm的信号光经调制后通过光衰减器由分束器分为两束，其中一部分作为参考信号直接由探测器接收并送入示波器。余下的部分则作为主光路光信号经过隔离器后进去EDF。同时，980nm泵浦激光经波分复用器后也进入EDF。信号光经 WDM的输出端口进入同一探测器被接收，并将探测器的信号也输入示波器。最后，通过比较示波器上主光路和参考光路的信号在时域上的位置变化就可以确定通过 EDF的光信号所发生的时间延迟。

由此可知，通过CPO在EDF中实现慢光，不仅成功地在室温下使光速减慢，还实现了慢光和光纤之间的结合，并最终实现光速的人为可控，这种实验机理有着巨大的潜在应用价值。但从实际应用来看，CPO带宽很低，所以如何扩展CPO的带宽使EDF慢光系统更加实用化是当前有待解决的问题。

（五）实用化过程中存在的问题

目前人们在各种材料的研究中都成功的实现了对光速的有效控制，但还有一些问题有待解决，比如：实验中的光信号只能丁作存特殊的波长，需视材料而定，有些波长并不在光通信的主要波长上。而且对于特殊的晶体材料还要用集成电子学制成集成模块，这在实际应用中也并不简单。其中一个解决方法是前言中提到的利用 SBS或 SRS(受激拉曼散射)在光纤中实现可控光，这在近年来也越来越引起人们的注意，但是它也存在自己的问题，纳秒级的延迟影响了它的进一步实用化。

另外还有一个问题是最大调制带宽，由于脉冲带宽必须限制在n(ω)的线性区内，所以使最大带宽在数值上要小于基态恢复时间的倒数，这样光脉冲不能做得太窄，这在高速通信系统中应用时会受到限制。早期的输入光脉冲是毫秒级的，但是现在人们已经对此有所研究，California大学的Xiaoxue Zhao和TexesA&M大学的Berkeley等人最近的工作中已经可以把光脉冲做到125ps，调制带宽达到2.8GHz。

掺铒光纤中的慢光现象一般伴随有光的放大，但有时这种放大是不需要的，如何消除光放大的影响也需进一步改进，这对全光通信也很有意义。

（六）慢光的应用和发展趋势

现在，光学家将他们的兴趣转向了慢光的应用，包括光缓存器、数据同步、光记忆器以及光信号处理器等。所谓光缓存器是可将光信号暂存于其中、并且在控制下进行写入和读出的装置。光缓存器使得交换网络的性能在高速环境下得以动态提高。在目前的光通信系统中光电并存，非全光通信系统。如果光不转换到电信号，将很难进行存储、路由等处理。因此，“电”成为速度提高的瓶颈。但是我们可以利用光速的可控性，在光节点上实现光信号的缓存。利用光缓器可以在光域条件下提高网络动态交换速度。另外由于时钟对光信号进行再同步等等工作也完全可以在光域中进行，因而无需再进行光电转换，这就简化了光节点。因此这是未来实现全光网的关键性技术。

慢光技术不仅可以直接应用于依赖光脉冲延迟的光缓存器中，还可以应用在传统的如萨格纳克干涉仪等光学仪器中，使原有仪器的性能得到改善。2007年北京大学的 Chao Peng研究小组报道了基于高群色散慢光共振结构的旋转传感系统，该传感机理的前提条件是介质和干涉仪之间有相对运动。得出慢光媒介可以被用于测量相对运动，并且慢光共振结构适用于检测航海方面的绝对转动，基本思想是检测由闭环萨格纳克效应引起的相移。在高色散介质中研究了萨格纳克效应，并且建立了一个当介质和干涉仪之间有相对运动的相移表达式，相移正比于群指数 ng，定义为自由空间光速和群速度的比值。

到目前为止，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，同时，还会有更多实用性更强的实验机理被学者们开发出来，从而激发出慢光技术更多更新颖的应用价值。

（七）结束语

本文讨论了慢光技术在过去10年中的成长和发展历程。目前，慢光技术经过不断地发展和完善已经有了较好的理论和实验基础，而且人们已经开始对基于慢光技术的光缓存器、光存储器、数据同步、光信号处理、慢光光纤传感器和慢光陀螺仪等进行了初步的应用研究。这些应用也许会对未来光学领域产生巨大的影响，甚至使全光学计算机的实现不再是梦想。

[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).

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[3] 蒋器成,薛燕陵.基于 CPO 的可控光速技术研究的最新进展[A].光通信技术,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.

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1008-1151(2011)03-0039-03

2010-12-14

陈译联（1986－），女，华东师范大学信息科学技术学院通信与信息系硕士，研究方向为光通信、非线性光学、慢光。