孫維 張建鑫

摘要：光作為信息的載體，在信息領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。由于慢光能夠?qū)獾娜核俣冗M(jìn)行調(diào)控，在全光通信、光纖傳感、激光雷達(dá)及非線性效應(yīng)增強(qiáng)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用?；谙喔刹季诱袷帲–oherent Population Oscillation，CPO）效應(yīng)引起的材料慢光具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、延時(shí)可調(diào)范圍大、可在室溫下操作等諸多優(yōu)點(diǎn)，本文從理論和實(shí)驗(yàn)研究了激光調(diào)制摻鉺光纖色散從而對(duì)光速進(jìn)行調(diào)控的機(jī)理和測(cè)量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：泵浦激光頻率為50Hz時(shí)，通過調(diào)節(jié)泵浦激光的功率，30cm摻鉺光纖介質(zhì)可實(shí)現(xiàn)群速度從-253.5497m/s到60.2561m/s的可控快慢光，延時(shí)為ms量級(jí)，群折射率改變量可達(dá)1.1832×106，這對(duì)設(shè)計(jì)非平衡M-Z慢光干涉解調(diào)系統(tǒng)提供了一種有效的工具，能夠在很大程度上提高光纖傳感器的靈敏度。

關(guān)鍵詞：慢光;摻鉺光纖;相干布局振蕩;群速度

0 引言

快慢光是指光波在介質(zhì)中傳播時(shí)群速度加快或減慢的一種物理現(xiàn)象[1]。其中，慢光表示光波的群速度小于真空光速，而快光則表示光波的群速度大于真空光速。近年來，光纖通信與光計(jì)算的高速發(fā)展，光速控制技術(shù)已經(jīng)成為了光學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，而光纖中可控快慢光技術(shù)由于具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、可室溫工作、與現(xiàn)有光通信系統(tǒng)兼容性好等優(yōu)勢(shì)，其在光信息處理、光傳感領(lǐng)域、非線性效應(yīng)增強(qiáng)等方面存在巨大的應(yīng)用潛力，具有很好的應(yīng)用前景和重要的研究意義[2-3]。慢光根據(jù)產(chǎn)生的機(jī)理不同可分為兩類：一類是基于材料色散，利用光與介質(zhì)的非線性相互作用，在介質(zhì)增益或吸收光譜中形成窄帶實(shí)現(xiàn)減慢群速度，如電磁誘導(dǎo)透明、相干布居振蕩、受激布里淵、光學(xué)參量放大等，常見的介質(zhì)有晶體材料、光纖、半導(dǎo)體材料等;另一類是基于結(jié)構(gòu)色散，具有周期性折射率分布的特殊結(jié)構(gòu)對(duì)光包絡(luò)進(jìn)行調(diào)制后引起入射光群折射率增大，表現(xiàn)為光減速現(xiàn)象。這類結(jié)構(gòu)包括光纖光柵、光子晶體光纖、F-P諧振腔、耦合諧振波導(dǎo)等?；谙喔刹季诱袷帲–oherent Population Oscillation，CPO）效應(yīng)引起的材料慢光具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、延時(shí)可調(diào)范圍大、可在室溫下操作等諸多優(yōu)點(diǎn)。本文從理論和實(shí)驗(yàn)研究了激光調(diào)制摻鉺光纖色散從而產(chǎn)生CPO慢光的機(jī)理，在此基礎(chǔ)上可以設(shè)計(jì)非平衡M-Z慢光干涉解調(diào)系統(tǒng)，從而大幅度提高光纖傳感器的靈敏度。

1 摻鉺光纖的慢光理論分析

光在介質(zhì)中的傳播可定義為相速度、群速度、能量速度、信號(hào)速度以及前沿速度。相速度 是單色光在介質(zhì)中等相位面的傳播速度，群速度 是非單色光的波包在空間中的傳播速度，能量速度表示光場(chǎng)能量的傳播速度。

2 激光調(diào)制摻鉺光纖的慢光測(cè)量實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

為了對(duì)摻鉺光纖產(chǎn)生的慢光進(jìn)行研究，搭建了如圖2所示的測(cè)試系統(tǒng)。摻鉺光纖類型為L(zhǎng)IEKKI Er80，光源采用日本Santec公司提供的可調(diào)諧激光器（Tunable Semiconductor Laser，TSL）TSL-550，波長(zhǎng)調(diào)諧范圍為1500nm～1630nm，分辨率為5pm，線寬是200kHz。光電探測(cè)器PDB340C由索雷博公司提供，數(shù)字示波器MSO 2024B由安捷倫公司提供。

從可調(diào)諧光源輸出的光被電光調(diào)制器（Electrooptical Optical Modulator，EOM）調(diào)制為正弦波信號(hào)，因?yàn)镋OM與偏振有關(guān)，所以在EOM前用偏振控制器（Polarization Controller，PC）控制入射光的偏振態(tài)以減小偏振損耗。信號(hào)發(fā)生器用來調(diào)節(jié)EOM調(diào)制波的形狀與幅度，同時(shí)信號(hào)發(fā)生器輸出的信號(hào)也作為示波器的觸發(fā)信號(hào)。經(jīng)過EOM正弦調(diào)制后的光在頻域上將在基頻附近產(chǎn)生兩個(gè)調(diào)制邊帶，以基頻光作為泵浦光，兩個(gè)邊帶光作為探測(cè)光，可避免用兩臺(tái)光源分別作為探測(cè)光和泵浦光時(shí)引起拍頻不穩(wěn)定的情況。980nm的泵浦光用來調(diào)控?fù)姐s光纖對(duì)1550nm光的吸收和增益情況，從而影響邊帶基頻光的功率。EOM輸出的光經(jīng)過50：50的耦合器分為兩束，一路光路光直接進(jìn)入PD1作為參考信號(hào)，另一部分光和980nm泵浦光一起經(jīng)波分復(fù)用器（Wavelength Division Multiplexer，WDM）入射到EDF中，采用反向泵浦的作用是濾除980nm泵浦光，隔離器（Isolator，ISO）是用來防止980nm泵浦光進(jìn)入耦合器，最后將探測(cè)光接入和參考端相同型號(hào)的PD2并用示波器檢測(cè)，通過比較參考光和探測(cè)光時(shí)域波形位置變化情況，便可計(jì)算出通過摻鉺光纖后在時(shí)間上的延遲或超前情況。

可調(diào)諧激光輸出的光波長(zhǎng)為1550nm，功率為10mW，EOM調(diào)制頻率設(shè)置為70Hz，耦合器一端口輸出的光經(jīng)過30cm摻鉺光纖后測(cè)量的原始輸出波形和參考信號(hào)波形歸一化結(jié)果如圖3所示。在980nm泵浦功率為0mW時(shí)，信號(hào)光相對(duì)參考光有一定的延遲，泵浦功率為30mW時(shí)，信號(hào)光相對(duì)參考光出現(xiàn)了超前現(xiàn)象。

在光通信系統(tǒng)中，通常將輸入信號(hào)與輸出信號(hào)峰值位置之間的時(shí)間差定義為延遲量或超前量，延遲量或超前量與信號(hào)半寬之比定義為相對(duì)延遲量或相對(duì)超前量，用F表示，即 ，（ ?為信號(hào)半寬），延遲或超前量與群折射率的關(guān)系為[7]： 。由于慢光是光譜燒孔附近存在劇烈折射率變化引起的，隨著泵浦功率增大，燒孔寬度增寬，慢光介質(zhì)的響應(yīng)帶寬也將增大。不同980nm泵浦功率會(huì)對(duì)介質(zhì)的吸收和增益狀態(tài)產(chǎn)生影響，所以摻鉺光纖快慢光大小不僅與調(diào)制頻率有關(guān)，還和980nm泵浦功率有關(guān)。實(shí)驗(yàn)中摻鉺光纖長(zhǎng)為30cm，EOM正弦調(diào)制波形頻率為10Hz～1kHz時(shí)測(cè)得的F值如圖4所示，F(xiàn)值為負(fù)表示慢光，為正表示快光。當(dāng)980nm泵浦為0mW，調(diào)制頻率為50Hz時(shí)，最大相對(duì)時(shí)延量為-0.05916，計(jì)算出群折射率為 ，群速度 遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于真空群速度。當(dāng)980nm泵浦功率大于10mW后，隨著泵浦功率增大逐漸出現(xiàn)快光;功率增大到30mW，調(diào)制頻率為80Hz時(shí)，最大相對(duì)超前量為0.03983，群折射率為 ，群速度為 。當(dāng)泵浦功率為0mW，調(diào)制頻率為10Hz時(shí)，最大延遲時(shí)間為2.0641ms;功率增大到30mW時(shí)，測(cè)得的最大超前時(shí)間為0.8664ms?？梢园l(fā)現(xiàn)在泵浦功率較低時(shí)EDF為慢光介質(zhì)，在泵浦功率較大時(shí)將成為快光介質(zhì)。在調(diào)制頻率一定的情況下，調(diào)節(jié)泵浦功率不僅能實(shí)現(xiàn)慢光到快光的轉(zhuǎn)換過程，而且最佳調(diào)制頻率點(diǎn)（即快慢光介質(zhì)的帶寬）也呈增大的趨勢(shì)。D4B4F91D-123D-48EB-8206-9BBC992BFC04

由于 與光纖長(zhǎng)度有關(guān)，對(duì)于高濃度摻餌光纖而言，光纖長(zhǎng)度太長(zhǎng)對(duì)光的吸收也會(huì)很強(qiáng)，進(jìn)入光電探測(cè)器時(shí)信號(hào)光較弱，探測(cè)器可能無法響應(yīng)或信號(hào)噪聲很大，反而不利于比較不同長(zhǎng)度對(duì)延遲的影響，因此實(shí)驗(yàn)中選擇了30cm、50cm、70cm三種較短的光纖進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。在調(diào)制頻率 時(shí)測(cè)量結(jié)果如圖5所示。從圖中可知，30cm長(zhǎng)的EDF在980nm泵浦功率為12.73mW，出現(xiàn)延遲與超前的臨界點(diǎn)，而50cm的EDF臨界點(diǎn)功率為17.74mW，70cm長(zhǎng)EDF在20mW內(nèi)均為慢光。對(duì)不同長(zhǎng)度的摻鉺光纖而言，當(dāng)介質(zhì)都位于慢光區(qū)域時(shí)，光纖長(zhǎng)度越大延遲量越大，70cm長(zhǎng)的EDF最大延遲量達(dá)到了1.9747ms，所以應(yīng)用時(shí)可通過延長(zhǎng)光纖長(zhǎng)度來增強(qiáng)慢光，實(shí)驗(yàn)結(jié)果也與理論相符。

3 結(jié)論

本文以慢光技術(shù)為切入點(diǎn)，以便于和光纖系統(tǒng)結(jié)合的摻鉺光纖為慢光介質(zhì)，進(jìn)行基于CPO效應(yīng)的慢光理論及實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在摻鉺光纖中，調(diào)制頻率越低延時(shí)越小，并且工作頻率為低頻，30cm摻鉺光纖在調(diào)制頻率為50Hz時(shí)，可實(shí)現(xiàn)群速度從-253.5497m/s到60.2561m/s的可控快慢光，延時(shí)為ms量級(jí)，群折射率改變量可達(dá)1.1832×106。在此研究基礎(chǔ)上，我們可以通過采用慢光的可控群折射率對(duì)傳感系統(tǒng)進(jìn)行靈敏度調(diào)節(jié)，為提高傳感系統(tǒng)靈敏度提供了一種新方法。本文在進(jìn)行慢光實(shí)驗(yàn)時(shí)，研究了泵浦功率、調(diào)制頻率等因素對(duì)慢光的影響情況，但沒有考慮到摻鉺光纖濃度對(duì)慢光的影響，所以還可以進(jìn)一步深入研究不同粒子濃度對(duì)慢光的影響情況。

參考文獻(xiàn)：

[1]D. C. Hutchings， M. Sheik-Bahae， D. J. Hagan， et al. Kramers-Kronig Relations in Nonlinear Optics[J]. Optical and Quantum Electronics， 1992， 24（1）： 1-30.

[2]J. M?rk， R. Kj?r， M. v. d. Poel， K. Yvind， et al. Slow light in a semiconductor waveguide at gigahertz frequencies[J]. Optics Express， 2005， 13（20）： 8136-8145.

[3]B. K. Jacob， R. S. Tucker. Slow Light： Science and Applications[M]. CRC Press， 2008.

[4]T. F. Krauss. Why do we need slow light？[J]. Nature Photonics， 2008， 2（8）： 448-450.

[5]Z. M. Zhu， D. J. Gauthier， R. W. Boyd. Stored light in an optical fiber via stimulated Brillouin scattering[J]. Science， 2007， 318（5857）： 1748-1750.

[6]Z. M. Shi， R. W. Boyd， D. J. Gauthier， et al. Enhancing the spectral sensitivity of interferometers using slow-light media[J]. Optics Letters， 2007， 32（8）： 915-917.

[7]M. Bashkansky， F. Fatemi， Z. Dutton， et al. True-Time Delay Steering of Phased Array Radars Using Slow Light[C]. San Jose： Proceedings of SPIE， 2009： 72260A-1-72260A-13.

[8]Z. M. Shi， A. Schweinsberg， J. E. Vornehm. A slow-light laser radar[J]. Optics & Photonics News， 2012： 51.

[9]R. W. Boyd. Slow and fast light： fundamentals and applications[J]. Journal of Modern Optics， 2009， 56（18-19）： 1908-1915.

[10]崔秀國(guó)， 劉翔， 操時(shí)等. 光纖通信系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展、挑戰(zhàn)與機(jī)遇[J]. 電信科學(xué)， 2016， 32（05）： 34-43.

[11]王號(hào). 飽和及反飽和吸收介質(zhì)中的慢光和超光速研究[D]. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)， 2008.

[12]廖屏. 光速調(diào)控機(jī)理與相關(guān)光子器件的研究[D]. 北京郵電大學(xué)， 2012.

[13]U. Leonhardt， P. Piwnicki. Ultrahigh sensitivity of slow-light gyroscope[J]. Physical Review A， 2000， 62（5）： 055801.

[14]C. Peng， Z. Li， A. Xu. Rotation sensing based on a slow-light resonating structure with high group dispersion[J]. Applied Optics， 2007， 46（19）： 4125-4131.

[15]崔乃迪， 寇婕婷， 趙恒等. 應(yīng)用于相控陣?yán)走_(dá)的光子晶體慢光波導(dǎo)光實(shí)時(shí)延遲線[J]. 光學(xué)學(xué)報(bào)， 2016， 36（06）： 223-229.D4B4F91D-123D-48EB-8206-9BBC992BFC04

[16]李欣欣. 基于光纖布拉格光柵快慢光靈敏度增強(qiáng)的傳感器研究[D]. 安徽大學(xué)， 2018.

[17]J. F. Wang， Y. D. Zhang， X. N. Zhang， et al. Enhancing the sensitivity of fiber Mach-Zehnder interferometers using slow and fast light[J]. Optics Letters， 2011， 36（16）： 3173-3175.

[18]L. Wang， B. Zhou， C. Shu， et al. Stimulated Brillouin scattering slow-light-based fiber-optic temperature sensor[J]. Optics Letters， 2011， 36（3）： 427-429.

[19]M. J. F. Digonnet; H. Wen， A. Matthe， at.el .Slow light in fiber sensors[C]. San Francisco， 2012.

[20]Y. Zhao， Y. N Zhang， B. Han， et al. High Sensitive BOTDR Demodulation Method by Using Slow-Light in Fiber Grating[J]. Journal of Lightwave Technology， 2013， 31（21）： 3345-3351.

[21]Y. N. Zhang， Y. Zhao， Q. Wang. Improved design of slow light interferometer and its application in FBG displacement sensor[J]. Sensors and Actuators， 2014， 214： 168-174.

[22]Y. Y. Xiao， Y. W. Gao， Z. D. Shi， et al. High sensitivity magnetic field sensing method based on magneto-photonic crystal slow light Sagnac interferometers[J]. Optik， 2015， 126（23）： 4601-4604.

[23]O. S. Maga?a-Loaiza， B. Gao， S. A. Schulz， et al. Enhanced spectral sensitivity of a chip-scale photonic-crystal slow-light interferometer[J]. Optics Letters， 2016， 41（7）： 1431-1434.

作者簡(jiǎn)介：孫維（1980-），陜西澄城人，副研究員，現(xiàn)就職于中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，從事智能傳感和大數(shù)據(jù)應(yīng)用技術(shù)研究。聯(lián)系電話：13627665369，電子郵箱：16965737@QQ.com

通訊地址：重慶市、渝北區(qū)、黃山大道、56號(hào)、渝興廣場(chǎng)B1棟26層， 電話：13627665369。

* 重慶市九龍坡區(qū)科技計(jì)劃項(xiàng)目（2020-02-004-Z）;重慶市技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用發(fā)展專項(xiàng)面上項(xiàng)目（cstc2020jscx-msxmX0216）;天地科技股份有限公司科技創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)資金專項(xiàng)項(xiàng)目（2020-TD-ZD007）D4B4F91D-123D-48EB-8206-9BBC992BFC04