基于CPO的可控光速技術(shù)研究的最新進展

　　1 引言

　　隨著光通信系統(tǒng)的日益發(fā)展，在享受光通信帶來的高速、低損耗、安全等等優(yōu)點的同時,由于光信號難以存儲，造成在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點處繁瑣的光電轉(zhuǎn)換等缺陷已經(jīng)越來越引起人們的注意。慢光和快光的實現(xiàn)成為解決這個問題的一個焦點。

　　2003年，Bigelow Bovd等人提出了基于相干粒子數(shù)振蕩(CPO)理論的慢光實現(xiàn)方法.并且在紅寶石和紫翠玉晶體中實現(xiàn)了超慢光[8, 9]。重要的是,這是人們首次在室溫下實現(xiàn)對光速的減慢,是這一領(lǐng)域的又一重大突破。2003年至2006年間,人們又不斷研究和發(fā)展了這一技術(shù)，使得基于CPO的慢光可以在室溫下的摻鉺光纖[10,11]和半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)[12-14]中同樣得以實現(xiàn),大大增強了在實際應(yīng)用中的可行性。

　　隨著研究的進行，人們也把目光轉(zhuǎn)向了光纖中,人們發(fā)現(xiàn)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等人在光纖巾利用SBS實現(xiàn)了對光速的減慢[15]。

　　比較各種實現(xiàn)光速操控的方法，可以發(fā)現(xiàn)基于CPO原理的技術(shù)具有非常高的實用價值，其最大的優(yōu)點在于可在室溫下實現(xiàn)，其次，它對于光速的可控范圍更廣，產(chǎn)生的光延遲更大。CPO產(chǎn)生的光延遲可以達到毫秒數(shù)量級，而SBS產(chǎn)生的延遲目前只能達到納秒數(shù)量級。因此CPO技術(shù)已經(jīng)成為光學(xué)領(lǐng)域的一個研究熱點。本文將重點介紹基于CPO原理的可控光速技術(shù)及最近幾年這一領(lǐng)域的最新研究進展。

　　2 利用CPO產(chǎn)生快慢光的實驗

　　2.1 紅寶石和紫翠玉晶體中的實驗

　　利用CPO產(chǎn)生可控快慢光可以在室溫下的固體材料中實現(xiàn)，目前人們已經(jīng)在多種材料中對它進行了研究，并獲得成功。2003年美國Rochester大學(xué)的Matthew S.Bigelow實驗小組首先在紅寶石品體中實現(xiàn)了對光速的控制,并使光速最低降低到57.5111/s[8]。實驗裝置如圖1所示。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,然后進入一個電光調(diào)制器。調(diào)制器由一個函數(shù)發(fā)生器來驅(qū)動，以提供實驗所需的各種寬度的光脈沖。然后,在光束到達紅寶石晶體之前,由一個分光鏡分出5%的輸入光到一個光檢測器作為參考。余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(zhuǎn)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(shù)字示波器進行比較,最后數(shù)據(jù)輸入電腦計算出前后兩路光信號的幅度和延遲等數(shù)據(jù)。實驗結(jié)果如圖2所示。實驗中泵浦功率為0.25W時,可以得到最大延遲為1.26ms,相應(yīng)的群速度達到最小為57.5m/s。當(dāng)然速度以及延遲的量是可控的，這主要體現(xiàn)在兩個方面。一是通過調(diào)節(jié)泵浦光的功率,從圖2可以看到，高的泵浦功率可以帶來更大的延遲;二是通過調(diào)節(jié)調(diào)制輸入光的頻率，調(diào)制頻率超過300Hz時，延遲幾乎下降到零。在Bigelow等人的文章中[8]，他們還提出，在紅寶石中,甚至不用提供獨寺的泵浦光和探測光,一個單獨的光脈沖信號能夠為自己提供減速和延遲。我們分析后認為：這種情況下，由于單一光脈沖信號所對應(yīng)的色散曲線的變化較緩，dn(ω)/dω較小，群速度不會太小，延遲的量不會太大，因而慢光效果不會太好。

　　除了紅寶石晶體，Bigelow 和Bovd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(xiàn)了可控快光[9]。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(chǎn)生線寬為612Hz的燒孔(相對與紅寶石的37Hz)，在更寬的調(diào)制頻率范圍得到了負延遲.即快光(圖3)。

　　2.2 在摻鉺光晶體和摻鉺光纖中的實驗

　　E.Baldit等人[10]和A.Schweinsberg等人[11]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(guān)實驗并發(fā)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，實驗裝置如圖4所示。

　　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(lián)合起來用于控制激光器的功率,經(jīng)過聲光調(diào)制器AOM調(diào)制成波形的光脈沖信號。調(diào)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。實驗結(jié)果如圖5。與紅寶石中相似,也可以通過改變泵浦功率與調(diào)制頻率實現(xiàn)對光速和延遲的控制。但是從圖5(a)可知,在泵浦功率提高到200μW以上時，受到功率飽和的影響，光的延遲下降到零。而Baldit等人在該實驗中達到的2.7m/s的光速，也是目前在各種材料中所得的最低的光速。

　　Baldit等人還在該實驗中提出了一點值得關(guān)注的問題，就是在摻鉺光晶體中光脈沖的非均勻展寬問題。利用它可以對進一步降低光速提供有利的影響,如圖5(b)中的小圖所示。紅色實線是理論計算值。它只考慮了均勻展寬的情況,而在相同條件下實際測得的數(shù)值由黑點表示，在光纖中非均勻展寬的影響下,延遲值普遍比理論值要高。

　　近年來，人們對于CPO產(chǎn)生可控快慢光的實驗不僅于此。X.Zhao小組[12].Hui Su[13]以及FiliD Ohman小組[14]在2005～2006年間都在半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中進行了相關(guān)實驗并獲得成功。但是在以上各種材料中要將之實用化尚存在一些問題。這也是未來研究所必須面對的。

　　3 目前研究存在的問題

　　目前人們在各種材料的研究中都成功的實現(xiàn)了對光速的有效控制，但是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(xué)制成集成模塊，這在實際應(yīng)用中也并不簡單。其中的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(xiàn)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[21]。

　　另外還有一個問題是最大調(diào)制帶寬，由于脈沖帶寬必須限制在n(ω)的線性區(qū)內(nèi)，所以使最大帶寬在數(shù)值上要小于基態(tài)恢復(fù)時間的倒數(shù)，這樣光脈沖不能做得太窄，這在高速通信系統(tǒng)中應(yīng)用時會受到限制。早期的輸入光脈沖是毫秒級的，但是現(xiàn)在人們已經(jīng)對此有所研究，California大學(xué)的Xiaoxue Zhao和TexesA&M大學(xué)的Berkeley等人最近的工作中已經(jīng)可以把光脈沖做到125ps，調(diào)制帶寬達到2.8GHz[22]。

　　4 結(jié)束語

　　目前的通信系統(tǒng)已經(jīng)逐步向全光通信發(fā)展，而對光速的控制則無疑在全光通信領(lǐng)域有著廣闊的前景。在目前的光通信系統(tǒng)中，如果光不轉(zhuǎn)換到電信號，將很難進行存儲，路由等處理。但是利用光速的可控性，在光節(jié)點上可以實現(xiàn)光信號的緩存。另外由于時鐘對光信號進行再同步等等工作也完傘可以存光域中講行，因而無需再進行光電轉(zhuǎn)換，這就簡化了光節(jié)點。因此這是未來實現(xiàn)全光網(wǎng)的關(guān)鍵性技術(shù)。