论文导读:：首先回顾了近10年中的慢光技术研究的发展历程，简要介绍了实现慢光技术的几种方法——EIT、SBS和CPO，重点介绍了CPO产生慢光的原理和取得的最新进展，简要讨论了实用化过程中存在的问题，最后简述了慢光技术研究的应用和发展趋势。
论文关键词：慢光，CPO，光纤，掺铒光纤
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，通过采用非线性光学手段以获得慢光引起许多学者广泛的关注，因为光速减慢可能会极大地促进通信系统中光缓存器的发展，是未来实现全光网的关键性技术。
利用EIT方法Kasapi在铅蒸气细胞中观测到群速度为Vg=C/165的光信号，Hau 在Bose-Einstein凝析油中观测到群速度Vg为17m/s的光信号。Turukhin使用EIT方法在5K的低温掺Pr的Y2SiO5的固体材料中得到45m/s的群速度[1]。随着研究的进行，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KwangYong Song等人在光纤中利用SBS实现了对光速的减慢[2]。
2003年美国Rochester大学的Matthew S．Bigelow实验小组在红宝石和紫翠玉晶体中实现了超慢光，首次在红宝石晶体中使光速最低降低到了57.5m/s。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和半导体结构中同样得以实现,大大增强了在实际应用中的可行性。E．Baldit等人和A．Schweinsberg等人都在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[3]。
比较各种实现光速操控的方法，可以发现基于CPO原理实现慢光的技术具有非常高的实用价值。由于电磁感应透明（EIT）方法要求精确的量子干涉效应则必须工作在低温下并使用低密度原子气体，因此具有很大的局限性。而我们利用相干粒子数振荡（CPO）效应实现慢光，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掺铒光纤，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。另外，选择掺铒光纤作为实现慢光的介质，原因是其在光网络中被广泛使用，且有良好的兼容性。如果提高掺铒光纤的浓度，有利于光纤器件尺寸的缩小。因此CPO技术已经成为光学领域的一个研究热点。
2 相干粒子数振荡（CPO）实现慢光的原理
光脉冲在介质中的群速度可表示为： 其中C为光在真空中的传输速度， 为群折射率。
由此可见，当 >0时（在正常色散区域内）， <C则产生慢光。相反，当<0
（在反常色散区域内）时, >C时产生快光论文开题报告范例。其中，群折射率是一个与频率有关的量： 当折射率的变化率较大时，群折射率较大，群速度vg
较小，光也就越慢了。
相干粒子数振荡效应发生在可饱和吸收的固体中，这种固体在一定条件下可同时产生较高的光谱散射和较低的吸收，这对慢光传播在室温固体是必须的。一个强功率的泵浦光束 与一束频率稍有差别的信号光束 相互作用，两者拍频 等于原子系统的谐振频率，从而导致了粒子数在基态与激发态间的谐振，又称为相干振荡[4]。由于相干粒子数振荡造成的是粒子数整体振荡，因此对频移十分敏感，能由频率改变产生很大的折射率变化，由此得到较大的群折射率，解决了EIT中对频移模糊，折射率改变小的缺点。
3 利用CPO效应产生慢光的实验
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。
3.1红宝石和紫玉晶体中的实验
2003年美国Rochester大学的Matthew S．Bigelow实验小组首先在红宝石晶体中实现了慢光,并使光速最低降低到57.5 m /s。实验系统如图1所示。
图1在红宝石产生慢光装置
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进入一个电光调制器。调制器是由一个函数发生器来驱动的掺铒光纤，以提供实验所需的各种宽度的光脉冲。在光束到达红宝石晶体之前,由一个40cm焦距的分光镜分出5％的光到一个光检测器作为参考。剩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。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，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。
除了红宝石晶体，Bigelow 和Boyd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。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[3]。
3.2在掺铒晶体和掺铒光纤中的实验
E．Baldit等人和A．Schweinsberg等人都在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2.7 m /s，实验系统如图2所示。
图2在掺铒晶体产生慢光装置
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。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[3]。
4 在掺铒光纤中的慢光
2006年，SCHWEINSBERG等人[5-6]第一次通过CPO过程在室温下EDF中观测到了极慢光速。这是人们首次将慢光技术和光纤相结合，使慢光在光纤通信和光纤传感领域中的应用成为可能。一个波长为980nm的可变功率泵在掺铒光纤中发射出一个波长为1550nm的信号，观测到最大小数延迟为0.089，这种效果在正弦调制信号和高斯脉冲中都能出现。另外，实验还证明了掺铒光纤中的慢光光速可通过改变泵功率来调节。
2007年哈尔滨工业大学邱巍等人[7]在EDF中观测到了光速为 的慢光。试验系统如图3所示。
图3EDF中光群速可控实验结构框图
该实验以CPO及增益理论为基础，实验用的EDF长度为30m。波长为1550nm的信号光经调制后通过光衰减器由分束器分为两束，其中一部分作为参考信号直接由探测器接收并送入示波器。余下的部分则作为主光路光信号经过隔离器后进去EDF。同时，980nm泵浦激光经波分复用器后也进入EDF。信号光经WDM的输出端口进入同一探测器被接收，并将探测器的信号也输入示波器。最后，通过比较示波器上主光路和参考光路的信号在时域上的位置变化就可以确定通过EDF的光信号所发生的时间延迟。
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