基于CPO的可控光速技術(shù)研究的最新進(jìn)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(diǎn)的同時(shí),由于光信號(hào)難以存儲(chǔ)，造成在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)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(shí)現(xiàn)成為解決這個(gè)問題的一個(gè)焦點(diǎn)。

　　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(shí)現(xiàn)方法.并且在紅寶石和紫翠玉晶體中實(shí)現(xiàn)了超慢光[8, 9]。重要的是,這是人們首次在室溫下實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)現(xiàn),大大增強(qiáng)了在實(shí)際應(yīng)用中的可行性。

　　隨著研究的進(jìn)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(shí)現(xiàn)了對(duì)光速的減慢[15]。

　　比較各種實(shí)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(shí)用價(jià)值，其最大的優(yōu)點(diǎn)在于可在室溫下實(shí)現(xiàn)，其次，它對(duì)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(dá)到毫秒數(shù)量級(jí)，而SBS產(chǎn)生的延遲目前只能達(dá)到納秒數(shù)量級(jí)。因此CPO技術(shù)已經(jīng)成為光學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。本文將重點(diǎn)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(jìn)展。

　　2 利用CPO產(chǎn)生快慢光的實(shí)驗(yàn)

　　2.1 紅寶石和紫翠玉晶體中的實(shí)驗(yàn)

　　利用CPO產(chǎn)生可控快慢光可以在室溫下的固體材料中實(shí)現(xiàn)，目前人們已經(jīng)在多種材料中對(duì)它進(jìn)行了研究，并獲得成功。2003年美國(guó)Rochester大學(xué)的Matthew S.Bigelow實(shí)驗(yàn)小組首先在紅寶石品體中實(shí)現(xiàn)了對(duì)光速的控制,并使光速最低降低到57.5111/s[8]。實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。實(shí)驗(yàn)中使用514.5nm的氬離子激光器作為光源。光波首先通過一個(gè)可變衰減器,然后進(jìn)入一個(gè)電光調(diào)制器。調(diào)制器由一個(gè)函數(shù)發(fā)生器來驅(qū)動(dòng)，以提供實(shí)驗(yàn)所需的各種寬度的光脈沖。然后,在光束到達(dá)紅寶石晶體之前,由一個(gè)分光鏡分出5%的輸入光到一個(gè)光檢測(cè)器作為參考。余下的光則通過一個(gè)透鏡聚焦成84μm的細(xì)窄光路到一個(gè)長(zhǎng)7.25cm的紅寶石細(xì)桿的一端。紅寶石是一種單軸晶體,實(shí)驗(yàn)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(gè)光檢測(cè)器中,它與之前檢測(cè)的參考光一起輸人數(shù)字示波器進(jìn)行比較,最后數(shù)據(jù)輸入電腦計(jì)算出前后兩路光信號(hào)的幅度和延遲等數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。實(shí)驗(yàn)中泵浦功率為0.25W時(shí),可以得到最大延遲為1.26ms,相應(yīng)的群速度達(dá)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(gè)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(shí)，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(dú)寺的泵浦光和探測(cè)光,一個(gè)單獨(dú)的光脈沖信號(hào)能夠?yàn)樽约禾峁p速和延遲。我們分析后認(rèn)為：這種情況下，由于單一光脈沖信號(hào)所對(duì)應(yīng)的色散曲線的變化較緩，dn(ω)/dω較小，群速度不會(huì)太小，延遲的量不會(huì)太大，因而慢光效果不會(huì)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(shí)現(xiàn)了可控快光[9]。在特定的波長(zhǎng)下,紫翠玉有負(fù)群折射率的特性。實(shí)驗(yàn)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(duì)與紅寶石的37Hz)，在更寬的調(diào)制頻率范圍得到了負(fù)延遲.即快光(圖3)。

　　2.2 在摻鉺光晶體和摻鉺光纖中的實(shí)驗(yàn)

　　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(shí)驗(yàn)并發(fā)表了文章。其中Baldit等人在摻鉺晶體中做出了一個(gè)線寬為26Hz的窄燒孔,并把光速最低下降到2.7m/s，實(shí)驗(yàn)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(hào)。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(gè)透鏡聚焦到摻鉺光晶體中去，其輸出的光信號(hào)由一個(gè)InGaAs檢測(cè)器接收并與參考光路作比較。實(shí)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)，受到功率飽和的影響，光的延遲下降到零。而Baldit等人在該實(shí)驗(yàn)中達(dá)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(shí)驗(yàn)中提出了一點(diǎn)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(duì)進(jìn)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(shí)線是理論計(jì)算值。它只考慮了均勻展寬的情況,而在相同條件下實(shí)際測(cè)得的數(shù)值由黑點(diǎn)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(duì)于CPO產(chǎn)生可控快慢光的實(shí)驗(yàn)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(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)并獲得成功。但是在以上各種材料中要將之實(shí)用化尚存在一些問題。這也是未來研究所必須面對(duì)的。

　　3 目前研究存在的問題

　　目前人們?cè)诟鞣N材料的研究中都成功的實(shí)現(xiàn)了對(duì)光速的有效控制，但是還有一些問題有待解決，比如：實(shí)驗(yàn)中的光信號(hào)只能丁作存特殊的波長(zhǎng)，需視材料而定，有些波長(zhǎng)并不在光通信的主要波長(zhǎng)上。而且對(duì)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(shí)際應(yīng)用中也并不簡(jiǎn)單。其中的一個(gè)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(shí)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(jí)的延遲影響了它的進(jìn)一步實(shí)用化[21]。

　　另外還有一個(gè)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(shí)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(shí)會(huì)受到限制。早期的輸入光脈沖是毫秒級(jí)的，但是現(xiàn)在人們已經(jīng)對(duì)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(dá)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(duì)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(hào)，將很難進(jìn)行存儲(chǔ)，路由等處理。但是利用光速的可控性，在光節(jié)點(diǎn)上可以實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的緩存。另外由于時(shí)鐘對(duì)光信號(hào)進(jìn)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(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，這就簡(jiǎn)化了光節(jié)點(diǎn)。因此這是未來實(shí)現(xiàn)全光網(wǎng)的關(guān)鍵性技術(shù)。