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
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
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.
[16] Chapman S .MATLAB programming for engineers[M].C engage Learning,2007
[17] Konrad P K, Chumming S L. Slow-to-fast light using absorption to gain switching in quantum-well semiconductor optical amplifier[J]. Optics express, 2007,15(16):9963-9969
[18] Yan W, Wang H. Electromagnetically induced transparency due to inter valence band coherence in a Ga-As quantum well [J]. Optics letters, 2003,28(10):831-833
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[20] Safavi-Naeini A H, Albireo T P M, Chan J, ET Al. Electromagnetically induced transparency and slow light with optomechanics [J]. Nature,2011,472(7341):69-73
4.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
。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299792458 m/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（Electromagnetically Induced Transparency: 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360 nK的铷蒸汽中得到了90 m/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17 m/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8 m/s的超慢光速。20##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。20##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。20##年，Turpin等人将Pr:YSO晶体置于5 K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45 m/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44 m/s的低光速。20##年，基于相干布居数振荡（Coherent Population Oscillation: 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
57.5 m/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。
20##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100 NS的光脉冲在11.8 km光纤中延时30 NS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:
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:
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散射(SBS),或者强信号光发生自发布里渊散射,从而影响信号光的传输,对光通信系统有一定的害处,但同时它对基于光纤的布里渊激光器和放大器又很有用。若能很好利用SBS的优点,将会给光通信系统带来意想不到的春天。
6、完成毕业设计所必须具备的工作条件
1.能自行进入期刊数据库查阅相关的文件。
2.需要一台计算机完成MATLAB编程及文字编辑工作。
3.需要具备较好的量子力学知识。
4.有较好的数学符号运算能力。
5.具备基本的word排版能力。
7、工作的阶段、进度及解决办法
7．1工作的阶段、进度
一、熟悉题目（2014.12.10—2015.01.12）
完成对题目的初步了解，明白所需要完成的工作。查询相关的中英文文献，明确后期工作的方向。
二、理论准备（2015.01.16—2015.03.22）
学习MATLAB编程、学习高等量子力学、激光物理知识为后期论文的完成做好基础准备。
三、主体部分（2015.03.22—2015.05.15）
学习高等量子力学知识，查看相关文献完成对论文主体的撰写。完成应该的数据计算，理论分析，征求指导老师意见得出研究结果，并对结果作出分析。
四、后期完善（2015.05.16—2015.05.31）
后期完善论文排版，检查改错，改掉论文中出现的错误论文。
7.2 解决办法
1.对于不理解的公式，概念自行去图书馆和网上查找相关资料予以理解。
1.计算对称量子阱中的能级关系然后计算复介电常数。
2.利用高等激光物理中的密度矩阵方法计算复介电常数一次表示折射率变化率。
3.用MATLAB计算密度矩阵以此得出复介电常数进而计算群速度，根据群速度算出减慢因子。
4.对于在计算过程中有不懂的地方，或者和查阅资料有不符的地方，征求指导老师意见，得出自己的结果。
８、指导老师审查意见
长江大学毕业论文(设计)指导教师评审意见
长江大学毕业论文(设计)评阅教师评语
长江大学毕业论文(设计)答辩记录及成绩评定
光纤中受激散射慢光研究
1 引言
1.1 全光通信
用户与用户之间的信号传输与交换全部采用光波技术是指全光通信，即数据从源节点到目的节点的传输过程都在光域内，并且在各个网络节点的交换使用高可靠、大容量和高度灵活的光交叉连接设备。由于无需电信号的处理，在全光网络中，允许存在不同的协议和编码，使信息传输具有透明性。
光纤低损耗区30THz带宽的一种可行技术，可以打破单个波长系统带宽的限制，是提高光纤容量的一种有效途径。但是光纤传输系统速率的提高也带来了一个新的问题。在这种高速传输的网络中，如果网络节点仍以电信号处理信号的速度进行交换，就会收到所谓“电子瓶颈”的限制，节点将变得庞大而复杂，超高速船速所带来经济效益将被光-电和电-光转换费用所抵消。传统的点到点的单个波长的光纤通信方式不能满足要求，所以波分复用（WDM）、时分复用（TDM）以及空分复用（SDM）等技术越来越引起科学家的重视。目前，基于WDM的光纤通信系统已经达到了实用化的水平。为了解决这问题，人们提出了“全光网”的概念，即数据从源节点到目的节点的传输过程中始终在光域内，这就避免了在所经过的各个节点上的光电-电光转换，即“电子瓶颈”。光信号在传输过程中没经过电的处理，所以全光网不关心所传输数据的格式。
在全光通信中,首先要解决的是不同信号的分离，当两路高速的光数据包同时抵达接收端时为了顺畅地实现数据的光包交换及路由,一个非常基本而关键的功能是实现光脉冲的缓存或控制脉冲信息的到来,即所谓的光缓存。
1.2 光缓存问题
近年来，光计算机并没有如期出现。光盘读写速度慢，不能作为实时处理的存储器，为了能对光信息进行存储与处理，必须先将光信号转换成电信号。这不但丢失了光信号中的相位和偏振信息，而且在转换速率上，人类接近了光电转换速率的极限100Gb/s。这使得光信息技术的继续发展受到了影响，根本原因就是没有光存储技术。
光子是波色子，如果不把光子转换为其他形式的能量，理论上说光子是不能停下来的，唯一的出路是使光信号延迟一段时间，以便于对高速的光信号进行处理。如果能把时间延迟到毫秒量级，问题就会好解决多了，而延迟时间的大小必须是由中央处理器根据处理情况肯呢过随机控制的，实现这可以用读写信息控制的延缓光信号时间器件称为光缓存器。全光缓存器是对高速光信息处理的前提。
近年来，科学家探索出实现全光缓存的一个可能办法是直接减小光脉冲的传输速度，即光速减慢或慢光(slowlight)。
1.3 慢光
慢光，即减慢光在介质中的传播速度。众所周知，任意频率的光波入射到某一介质，并在其中传播时会与介质发生相互作用。这种甚至多种相互作用使光在介质中的传播速度发生变化。通过一些方法控制光与介质的相互作用，从而达到减小光在介质中的传播速度，实现慢光。近些年来，全光技术的发展和需要使得慢光技术越来越受到了人们的重视。
1.4慢光在光纤中的利用
受激布里渊散射是光在光纤中传输时,所体现出来的重要现象之一。在1922年法物理学家布里渊预言了这种散射,在1932年实验证明了这种散射,人们为了纪念布里渊的贡献,就你他的姓氏命名了这种散色现象[18]。布里渊散射(Brillouin scattering,SBS )现象可以由不同的入射光的强度,分为受激布里渊散射与自发布里渊散射。当入射光很强时,这时的散射是受激布里渊散射,因为光纤的光特性已经发生了改变[19,20]。当入射光弱时,这时的散射是自发布里渊散射,因为此时没有改变光纤中光的特性[19,20]。
受激布里渊散射是一种非线性的过程，是强感应波长对入射光的作用所产生的。受激布里渊散射可以解释为光吸收与电致伸缩原理。受激布里渊散射是当入射光到某一个阈值后，散射光的频率与入射光的频率之差是非常大。
为SBS阈值估算的简单形式，其中Aeff 为有效纤芯面积，G为SBS增益系数。要产生受激布里渊散射，需要高精度的的时空相干性，还有准单色激光与高功率的光源。利用多普勒效应，散射光频率将产生下移。如果声波场得到增强，向前传输的电致伸缩声波与后向散射的光波场就克服了各自的损耗。从而使大部分传输光的功率转化成了后向的散射光，就产生了SBS。
1.5 全文结构
本论文共四章，具体内容如下：
第一章为前言，介绍了全光通信，光缓存，慢光，及光纤中利用SBS实现慢光。
第二章的内容是慢光在全光通信技术的应用和慢光的基本原理，其中利用了密度矩阵进行技术和推理。
第三章详细介绍了基于布里渊散射实现慢光的原理
第四章为本论文的结论。
二 慢光在全光通信技术的应用和慢光的基本原理
2.1 慢光
光在介质中的传输速度与介质的折射率有关，色散又与光波的频率有关。对于单色波来讲，整个光波以同样的速度：
这也是光波等相面的传播速度，为相速度。而非单色光，由傅里叶可知，非单色光可以看成是诸多不同频率的单色光的叠加。由介质的色散效应，每个频率色光看成是不同频率的单色光传输速度都不相同，整个光波的速度用群速度来表示：
由于实际上的单色波是不存在，所以我们一般情况下所说的光速都是指光波的群速度。
从群速度的定义公式，证明光波的群速度与折射率的关系为：
上式分母中第一项
为介质的折射率，是光频率的函数，他的值接近1。第二项与介质的色散度很大，则介质的折射率是随光波频率变化很大，群速度就会变得很小。在小频率的范围内，介质的折射率发生急剧变化是实现光速减慢的关键。
然而怎么才可以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说起。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
的实部
和虚部
分别为：
可以知道电极化率的虚部，就能得出它的实部：反过来，知道电极化率的实部，就能得出它的虚部。虚部决定了介质的增益或吸收：实部决定介质的有效折射率。有折射率和极化率响应函数之间以及极化率响应函数的实部与增益系数的相互关系可知：
只要在某频率附近有强烈的增益或吸收就会出现折射率随频率的急剧变化。所以事先慢光的重点就是如何获得强烈的增益。而非线性效应中的受激布里渊散射（SBS）
和受激拉曼散射正好满足这样要求。
只有我们能连续改变折射率的变化，就能连续改变光的群速度。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出的折射率可以控制特定载频信号光的传播速度货实现可调谐光学延迟，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，可以通过对一列信号进行慢光作用从而实现信号的缓存和筛选。