基于光纤中受激散射慢光研究

学号：201106470毕业论文(设计)题目名称：光纤中受激散射慢光研究题目类别:研究论文学生姓名：孙冲院(系)：物理与光电工程学院专业班级：应物11102班指导教师：郁春潮辅导教师：郁春潮时间：2015年1月至2015年6月-I-长江大学毕业设计(论文)开题报告题目名称光纤中受激散射慢光研究院（系）物理与光电工程学院专业班级应物11102班学生姓名孙冲指导教师郁春潮辅导教师郁春潮开题报告日期2015年3月17日-I-光纤中受激散射慢光研究1．题目来源结合科研项目2．研究的目的和意义光运动的速度非常快，以至于人类历史上的大多数时间里，它被认为是瞬时传播的，1676年11月22日，丹麦天文学家Roamer向法国科学院提供了历史上第一个光速的观测数据：214.000km／s，尽管比真实值低了30%。经过300年的努力，1975年第15届国际计量大会认定了真空中光速c=299,792,458m／s，光速测定促进了基础科学的发展。今年来，光作为一种信息载体，已经广泛服务于人类社会。在光纤通信系统中，对信号进行处理和存储时，进行光信号和电信号之间的转换是必不可少的。而光通信系统被这些光电转换装置中电子器件的带宽所限制，根本不可能完成更高速率的数据传输和处理。除此之外，大量的光-电-光光转换过程使通信系统复杂程度增加，降低了整个系统的可靠性和稳定性。人们为了既能利用光纤通信的带宽优势，又能解决以上存在的问题，努力探索着如何实现全光通信。全光通信，就是在整个通信系统中利用光集成器件取代诸多的电子交换设备，传输信号自始至终以光波的形式实现传输、路由、放大和交换等过程。网络中的电节点都被光节点取代，进而用光纤将网络中各个光节点互相连结起来，从源节点到目的节点之间的所有过程都在光领域内进行。和电子交换系统相比，光纤受激布里渊散射慢光时间延迟管控技术研究克服了现有网络在传输和交换时的瓶颈，能够大大提高网络的吞吐量。全光通信网络的实现依赖于光交换、光路由等关键技术的解决。光纤中基于受激布里渊散射的可控慢光是慢光走向实际应用的关键，该技术由于成本低、可控性强等特点，是国内外研究的热点，当前研究重点主要集中在提高可控慢光系统的传输带宽，增加脉冲的相对延迟，减小信号脉冲失真以及理想慢光介质的选择等方面。目前的研究成果还只是停留在实验室阶段，距离实用化还有一定距离。但是，随着研究的不断深入和成熟，全光通信在不久的将来将变为现实。科研人员在光纤中基于受激布里渊散射效应获得了慢光。受激布里渊散射射过程使信号光得到指数放大。这个放大过程强烈的折射率改变，而且可以通过调节泵强度来达到相对简单的控制慢光的目的。基于受激布里渊散射效应的慢光比以前验证过的慢光技术有很多优点：它可以利用现有的光纤网络器件，这样就可以避免额外的开销。另外，通过调节泵浦光的频率，慢光作用区域可以在光通信窗口中调节到任意频率。3．阅读的参考文献及资料名称[1]郁春潮.基于量子点的超快极化全光开关及慢光特性研究[D].武汉:华中科技大学，2013[2]王士鹤.单模光纤中受激散射效应导致光速变慢研究[D].西安:中国科学院西安光学精密机械研究所，2008[3]巨海娟.光纤受激布里渊散射慢光时间延迟管控技术研究[D].西安:中国科学院西安光学精密机械研究所，2013[4]严伟.半导体多量子阱中光学非线性效应的研究[D].武汉:华中科技大学,2013[5]王大伟.基于电磁感应透明和相干拉曼增益的量子相位门和光速减慢[D].吉林:吉林大学,2010[6]陈海燕.激光原理与技术[M].湖北:武汉大学出版社,2011[7]牛春晖，吕勇.MATLAB仿真辅助”激光原理与应用”课程教学与研究[J]武汉大学学报(理学版)[8]周世勋.量子理学教程[M].北京:高等教学出版社,2009[9]李福利.高等激光物理学[M].第二版.北京:高等教学出版社,2006:1-46,475-487[10]贾学娟.电磁感应透明介质中的慢光操控[D].太原:山西大学,2005[11]陈伟,李师愈,陆培祥.光纤慢光与全光通信技术[J].光通信研究,2009:39-47[12]赵勇,赵华炜,张馨元.慢光产生的新机理及其应用[J].光学精密工程,2009:237-245[13]李曙光,刘晓东,候蓝田.光子晶体光纤的导波模式和色散特性研究[J].物理学报,2009:2811-2817[14]陈光熙.拉曼布里渊散射原理及其应用[M].北京:科学出版社,2001,35-36[15]赵军发,杨秀峰,李元.光子晶体光纤中受激布里渊散射慢光研究[J].光学学报，2010:16-17.-I-[16]ChapmanS.MATLABprogrammingforengineers[M].CengageLearning,2007[17]KonradPK,ChummingSL.Slow-to-fastlightusingabsorptiontogainswitchinginquantum-wellsemiconductoropticalamplifier[J].Opticsexpress,2007,15(16):9963-9969[18]YanW,WangH.ElectromagneticallyinducedtransparencyduetointervalencebandcoherenceinaGa-Asquantumwell[J].Opticsletters,2003,28(10):831-833[19]MaSM,XuH,HamBS.Electromagnetically-inducedtransparencyandslowlightinGa-As/Alga-Asmultiplequantumwellsinatransientregime[J].Opticsexpress,2009,17(17):14902-14908[20]Safavi-NaeiniAH,AlbireoTPM,ChanJ,ETAl.Electromagneticallyinducedtransparencyandslowlightwithoptomechanics[J].Nature,2011,472(7341):69-734.国内外现状和发展趋势与研究的主攻方向慢光，是指传播速度小于光在真空中的传播速度的光，即cug。人类对慢光的探索是一个漫长的过程。早期主要研究在固体介质中的慢光，发展到近期，为了将慢光更进一步推向实际化应用，开始掀起了研究光纤介质中的慢光的热潮。由于光的速度非常高，一开始人们认为光在空气中是瞬时传播的，到1865年有人提出“光是一种电磁波”的论断，再到1975年国际计量大会上确定了光在真空中的速度为299792458m/s，一直到近些年来通过采取一定的方法，试图控制光在介质中的传播速度，人类对光的探索从未停止过。1990年，哈佛大学的Harris等人提出一种使光速减慢但是几乎不被吸收的方法，即电磁感应透明（ElectromagneticallyInducedTransparency:EIT）技术。1992年，Harris等人又根据电磁感应透明技术，估算得出光的传播速度在铅蒸汽中较真空中降低了两个数量级[。基于电磁感应透明技术，1999年，Kash等人在360nK的铷蒸汽中得到了90m/s的超慢光。同一年，L.V.Han等用激光制冷到450nK的超低温度下，在Na原子蒸汽中得到了17m/s的光速，并在Nature上发表文章报道了他们的结果。随后，在此技术下，Bunker等人又得到了8m/s的超慢光速。2000年，Lin等人用铌酸锂晶体做慢光实验，得到了与真空中光速比值为1:7.5的光速，这为后来在室温下的固体介质中研究慢光拉开了序幕。2001年，O.Tchaikovsky等验证了利用EIT技术对多普勒展宽型介质进行相干驱动，实现了将光速调制为零甚至为负值的结果，该研究成果发表在Phys.Rev.Lott.上。2002年，Turpin等人将Pr:YSO晶体置于5K低温环境中，进行了基于EIT技术的慢光实验研究，将光速减慢到了45m/s。同年，Patna等又在拉细的光纤中基于电磁诱导透明技术得到了44m/s的低光速。2003年，基于相干布居数振荡（CoherentPopulationOscillation:CPO），Rochester大学的研究小组研究了室温下紫翠玉和红宝石晶体中的光谱烧孔现象，实现了慢光，使光速最低降到了57.5m/s，自此引发了快慢光研究的高潮。国内哈尔滨工业大学的掌蕴东和范宝华等也在红宝石晶体中观测到了慢光。对慢光的研究发展到近期，人们为了达到该技术与通信系统兼容的目的，开始将慢光研究转移到基于非线性效应的光纤介质中来，并取得了一些可喜的研究成果。2004年，Lucy小组的Song等人利用受激布里渊散射（SBS）首次在普通单模光纤中实现了慢光，通过对布里渊增益的控制，可以将脉宽100NS的光脉冲在11.8km光纤中延时30NS以上，这开创了在光纤中实现慢光的新纪元.受激布里渊散射(SBS)可以经典的描述为在介质中同时注入相同的传输的两束光,一束是强的连续泵浦光,一束是弱的信号脉冲光.由于电致伸缩效应,引起纤芯的密度起伏同时产生了与泵浦光同方向运动的折射率光栅或声波场,该声波场的频率等于泵浦光与信号光之间的频率间隔.于此同时,运动的折射率光栅对泵浦光产生强的后向散射,使得泵浦光光子经历向下频移后产生于信号光频率相同的斯托克斯光光子,同时释放出一个声子,分别使得信号光脉冲和声波场得到了干涉增强.受激布里渊散射(SBS)和受激拉曼散(SRS)虽然都是光与物质所产生的非线性效应,都会产生频率下移的斯托克斯光,但是却有很大的不同.例如:在单模光纤中,SBS只产生后向的斯托克斯光波而SRS前向后向都能产生.SBS的斯托克斯频移只有约10GHz远远小于SRS.对于连续泵浦光或者脉冲宽度较宽(l微秒)的脉冲来说SBS的闭值仅约为1,远远小于SRS.以及当泵浦脉冲宽度小于10ns时,SBS几乎不会发生.主攻方向有受激拉曼散射，受激布里渊散射，以及单模中SBS的理论基础及小信号增益下的SBS慢光.5.主要研究内容慢光顾名思义就是光速减慢.光在介质中的传播速度与介质的色散(折射率)有关，而色散又与光波的频率有关.对于单色波来说,整个光波以同样的速度:传播.这也-I-是光波等相面的传播速度,称为相速度.而对于非单色光,由傅里叶分析可知,非单色光可以看成是诸多不同频率的单色光的叠加.由于介质的色散效应,每个频率成分的单色光的传输速度都不相同,整个光波的速度(也等同于光波能量的传播速度度)用群速度来表示,群速度定义为:])(/[dwdnncvg第二项与介质的色散度有关。所以在小频率范围内，介质的折射率发生急剧变化的是实现减慢的关键.然而怎样才能实现折射率在小频率范围内的急剧变化呢?我们不得不从光与物质的相互作用谈起.光照射在物质上,会引起物质电极化率的改变。由关系可知电极化率的频率响应函数χ(ω)的实部和虚部分别为:0'22'''''')(2)(dxx'022')''''(2)(dxx从式中可以看出光的群速度是折射率的连续函数，也就是说只要我们能连续改变折射率的变化，就能连续地改变光的群速度。而且光的群速度也是频率的连续函数，这就证明通过改变特定频率处的折射率可以控制特定载频信号光的传播速度或实现可调谐光学延迟，而对其他载频的光信号没有影响。在光通信系统中，这显得尤为重要:当两列信号同时到达接收端时，就可以通过对其中一列信号进行慢光作用从而实现信号的缓存和筛选。受激布里渊散射（SBS）是一种闭值远低于受激拉曼散射(SRS)的非线性过程。一旦达到布里渊阈值,后向斯托克斯波将会承载大部分能量。使得受激布里渊散射过程中布里渊频移处的信号光迅速放大,光强随频率的急剧变化使得折射率随频率急剧变化,从而极大的提高信号群折射率,使信号光光速减慢。在光通信系统中由于布里渊闭值很低使得相邻频率信号脉冲之间容易发生受激布里渊