基于CPO的可控光速技术研究的最新进展

1 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,由于光信号难以存储，造成在网络节点处繁琐的光电转换等缺陷已经越来越引起人们的注意。慢光和快光的实现成为解决这个问题的一个焦点。

2003年，Bigelow Bovd等人提出了基于相干粒子数振荡(CPO)理论的慢光实现方法.并且在红宝石和紫翠玉晶体中实现了超慢光[8, 9]。重要的是,这是人们首次在室温下实现对光速的减慢,是这一领域的又一重大突破。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[10,11]和半导体结构[12-14]中同样得以实现,大大增强了在实际应用中的可行性。

随着研究的进行，人们也把目光转向了光纤中,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等人在光纤巾利用SBS实现了对光速的减慢[15]。

比较各种实现光速操控的方法，可以发现基于CPO原理的技术具有非常高的实用价值，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。因此CPO技术已经成为光学领域的一个研究热点。本文将重点介绍基于CPO原理的可控光速技术及最近几年这一领域的最新研究进展。

2 利用CPO产生快慢光的实验

2.1 红宝石和紫翠玉晶体中的实验

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。2003年美国Rochester大学的Matthew S.Bigelow实验小组首先在红宝石品体中实现了对光速的控制,并使光速最低降低到57.5111/s[8]。实验装置如图1所示。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,然后进入一个电光调制器。调制器由一个函数发生器来驱动，以提供实验所需的各种宽度的光脉冲。然后,在光束到达红宝石晶体之前,由一个分光镜分出5%的输入光到一个光检测器作为参考。余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。实验结果如图2所示。实验中泵浦功率为0.25W时,可以得到最大延迟为1.26ms,相应的群速度达到最小为57.5m/s。当然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,从图2可以看到，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。在Bigelow等人的文章中[8]，他们还提出，在红宝石中,甚至不用提供独寺的泵浦光和探测光,一个单独的光脉冲信号能够为自己提供减速和延迟。我们分析后认为：这种情况下，由于单一光脉冲信号所对应的色散曲线的变化较缓，dn(ω)/dω较小，群速度不会太小，延迟的量不会太大，因而慢光效果不会太好。

除了红宝石晶体，Bigelow 和Bovd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[9]。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(图3)。

2.2 在掺铒光晶体和掺铒光纤中的实验

E.Baldit等人[10]和A.Schweinsberg等人[11]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，实验装置如图4所示。

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。实验结果如图5。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。但是从图5(a)可知,在泵浦功率提高到200μW以上时，受到功率饱和的影响，光的延迟下降到零。而Baldit等人在该实验中达到的2.7m/s的光速，也是目前在各种材料中所得的最低的光速。

Baldit等人还在该实验中提出了一点值得关注的问题，就是在掺铒光晶体中光脉冲的非均匀展宽问题。利用它可以对进一步降低光速提供有利的影响,如图5(b)中的小图所示。红色实线是理论计算值。它只考虑了均匀展宽的情况,而在相同条件下实际测得的数值由黑点表示，在光纤中非均匀展宽的影响下,延迟值普遍比理论值要高。

近年来，人们对于CPO产生可控快慢光的实验不仅于此。X.Zhao小组[12].Hui Su[13]以及FiliD Ohman小组[14]在2005～2006年间都在半导体结构中进行了相关实验并获得成功。但是在以上各种材料中要将之实用化尚存在一些问题。这也是未来研究所必须面对的。

3 目前研究存在的问题

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，但是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。其中的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[21]。

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[22]。

4 结束语

目前的通信系统已经逐步向全光通信发展，而对光速的控制则无疑在全光通信领域有着广阔的前景。在目前的光通信系统中，如果光不转换到电信号，将很难进行存储，路由等处理。但是利用光速的可控性，在光节点上可以实现光信号的缓存。另外由于时钟对光信号进行再同步等等工作也完伞可以存光域中讲行，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。