光纤与微环波导中的光速控制

论文摘要

光速控制是近年来光子学领域的一个研究热点,人们先后在冷原子蒸汽、红宝石晶体和半导体量子点等介质中实现了光速控制。由于其在光学延迟线、全光缓存、全光开关等方面的潜在应用,在光纤与微环波导中实现光速控制更具有实际意义。本论文详细研究了在光纤中利用相干布居数振荡、受激布里渊散射和光纤参量放大技术实现光速的控制,另外,还探讨了在微环波导中的光速控制方法。相干布居数振荡技术具有结构简单,易于实现的特点,而且利用掺饵光纤可以实现对通信波长1550nm的光速控制。以半经典理论和速率方程理论为基础,理论研究了信号光功率、光纤长度和掺杂浓度对1550nm信号光自延迟效应的影响以及利用980nm泵浦光对信号光群速度的控制。在10m长的掺饵光纤中,实验观察到了最大延迟时间为7.2ms,对应的最小群速度为1.39×103m/s。通过加入980nm泵浦光来调节相干布居数,在泵浦功率为50mW以上时,观察到了慢光向快光的转变,成功实现了利用泵浦光功率来控制信号光的群速度的目的,实验结果与理论预言相一致。受激布里渊散射是一种三阶非线性效应,由于其阈值较低,在光纤中较易实现,但是其增益带宽较窄,不利于实际应用。通过采用泵浦增宽和双泵浦激光技术,即可增加其带宽和减小脉冲畸变。另外,本文提出利用光纤参量放大技术在小信号增益情况下实现对信号光群速度的控制。通过改变泵浦光功率或泵浦波长,可实现对ps量级脉冲的光速控制,这种技术有可能应用于传输速率为Gbit/s的光纤通信系统中。最后,根据波导耦合方程,本文系统地理论研究了基于单环、双环和串联微环波导的光速控制特性。研究表明,单个微环波导在谐振状态时可以实现慢光和快光,但其透射率较低,如利用双环结构,则可以弥补这一缺陷,在对光速控制的同时,实现高透射;串联微环结构具有光子带隙特征,在带隙中心处,当环间耦合系数较小时,随着环数的增加,群速度逐渐减小;在光子带边处,群延时迅速变大,光速控制效果显著增强,这为实际利用微环波导制作光速控制器件奠定了理论基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 光速控制的物理基础
• 1.2.1 相速度与群速度
• 1.2.2 吸收与色散
• 1.3 国内外光速控制的研究历史及现状
• 1.3.1 光速控制的研究历史
• 1.3.2 光速控制的研究现状
• 1.4 光速控制的研究意义
• 1.5 本论文的研究目的及主要内容
• 第2章 光纤中基于相干布居数振荡实现光速控制
• 2.1 引言
• 2.2 相干布居数振荡的半经典理论
• 2.3 相干布居数振荡的速率方程理论
• 2.3.1 信号光的自延迟
• 2.3.2 泵浦光对信号光群速的调控
• 2.3.3 相干布居数振荡的实验研究
• 2.4 本章小结
• 第3章 光纤中基于受激布里渊散射实现光速控制
• 3.1 引言
• 3.2 受激布里渊散射实现光速控制的原理
• 3.3 基于泵浦调制技术拓展带宽和减少脉冲畸变
• 3.4 基于反斯托克斯波增加SBS带宽
• 3.5 基于双增益受激布里渊散射实现快光
• 3.6 本章小结
• 第4章 光纤中基于光学参量放大效应实现光速控制
• 4.1 引言
• 4.2 光纤参量放大的基本原理
• 4.3 基于双泵浦光纤参量放大实现光速控制
• 4.3.1 小信号条件下光纤参量放大的增益谱特性
• 4.3.2 小信号条件下光纤参量放大的光速控制
• 4.4 本章小结
• 第5章 微环波导中的光速控制
• 5.1 引言
• 5.2 基于单个微环的光速控制
• 5.2.1 脉冲在单环中的线性传播
• 5.2.2 脉冲在单环中的非线性孤子传播
• 5.3 基于双环耦合感应透明效应的光速控制
• 5.3.1 耦合感应透明效应
• 5.3.2 双环波导中的光速控制
• 5.4 基于串联微环谐振器的光速控制
• 5.4.1 串联微环的光子带隙
• 5.4.2 耦合系数和环数对串联微环控制光速的影响
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢