掺铒光纤中光波群速可控的研究

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光速减慢是目前光学领域的研究热点课题,而实现室温条件下固体介质中的光波群速可控的研究是光学领域新近兴起的一个非常重要的方面,它在光信号延迟及量子计算机等方面都有广阔的应用前景。本文主要介绍了利用相干布居粒子振荡实现掺铒光纤中的群速可控的研究。全文共分为六个部分,分别就课题背景、光速减慢的理论基础、相干布居振荡效应的分析、掺铒光纤中光速可控的可行性分析、实验上实现掺铒光纤中光群速可控及光信号形变几个方面做了详细的阐述。  近几年出现了大量关于光速减慢及超光速实验的报道,按照其所用的实验技术可以分为二类:改变光学介质的群折射率、使用色散装置。第一种方法通常用到非线性光学技术,例如:电磁感应透明技术(EIT)、相干布居振荡技术(CPO)、光折变材料中双波耦合技术(PR-TWM)、受激布里渊散射(SBS)和受激拉曼散射(SRS)等。第二种方法利用 Fabry-Perot谐振腔及光子晶体等。目前,对光速减慢的材料的选取多集中在原子蒸汽、掺杂晶体、光纤、光子晶体、生物薄膜和半导体波导等。为了理解光波以极慢速度或超光速在介质中传输的过程,我们给出了群速度的定义及色散关系,并详细地论证了布居振荡量子相干技术的实现条件,同时讨论了这种布居粒子振荡在均匀加宽介质中产生的光谱烧孔。光谱烧孔对应着急剧的折射率变化,这样就在介质的烧孔区域同时实现了高透射率和强色散,从而可以有效的减慢光速。另外,着重对掺铒光纤中所实现光波群速可控的可行性进行分析讨论,建立群速可控的理论模型,并同时给出了数值模拟结果。  在实验方面,基于相干布居振荡技术,利用不同功率的泵浦光,在介质吸收光谱上观测到烧孔及反烧孔。由增益理论分析得到不同泵浦光功率影响介质吸收状态。在介质的吸收区域,振荡导致光脉冲经历饱和吸收,脉冲传输延迟;在介质的增益区域,振荡又导致光脉冲经历增益饱和,脉冲传输超前,这样在室温条件下掺铒光纤中观测到了极慢光速及超光速现象。在掺铒光纤中得到的最慢的光群速度为228m/s,对应的时间延迟量为8.75ms。当外部结合980nm泵浦光源时,观测到2.59ms的时间超前,对应的光群速度为-3.85×103m/s。  慢光延迟线最重要的方面并不是仅仅追求大的时间延迟,而是要获得大的相对时延,因为此参数表征了介质对信息存储的能力。经过实验验证及理论分析可知:不同的掺杂铒离子浓度对时间延迟及相应的群速度有着重大的影响。通过控制离子浓度效应,可以进一步提高掺杂光纤中所获得的相对时延。此外,除了控制掺杂铒离子浓度外,提高相对时延的另一可行的方案,便是增大相互作用距离,即:提高实验中所用的掺铒光纤的长度。另外,也可以通过控制入射信号光功率,利用功率饱和效应来提高相对时延及时间延迟。  在实验中测量了时间延迟及所对应的群速度和相对时延对温度的依赖关系。此外,针对光信号通过强吸收介质,群速度减慢传输的同时,功率损耗很大,在理论上提出了功率增益放大理论模型同时进行了实验验证。
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