工 学 硕 士 学 位 论 文掺 铒 光 纤 中 光 速 可 控 及 脉 冲 形 变 的 研 究叶 建 波哈 尔 滨 工 业 大 学2008 年 6 月国 内 图 书 分 类 号 ： TN786+.2国 际 图 书 分 类 号 ： 53工 学 硕 士 学 位 论 文掺 铒 光 纤 中 光 速 可 控 及 脉 冲 形 变 的 研 究硕 士 研 究 生： 叶 建 波导 师 ： 掌 蕴 东 教 授申 请 学 位： 工 学 硕 士学 科 、 专 业： 物 理 电 子 学所 在 单 位： 光 电 子 信 息 科 学 与 技 术 系答 辩 日 期： 2008 年 6 月授 予 学 位 单 位 ： 哈 尔 滨 工 业 大 学Classified Index: TN786+.2U.D.C: 53Dissertation for the Master Degree in EngineeringCONTROLLABLE GROUP VELOCITY OFLIGHT AND DISTORTION IN ERBIUM-DOPED OPTICAL FIBERCandidate： Ye JianboSupervisor： Prof. Zhang YundongAcademic Degree Applied for： Master of EngineeringSpeciality： Physical-ElectronicsDepartment of Optic-Affiliation ： electronics InformationScience and TechnologyDate of Defence： June, 2008Degree-Conferring-Institution： Harbin Institute of Technology哈 尔 滨 工 业 大 学 工 学 硕 士 学 位 论 文摘 要光 速 减 慢 是 目 前 光 学 领 域 的 研 究 热 点 课 题 ， 而 实 现 室 温 条 件 下 固 体 介 质中 的 光 波 群 速 可 控 的 研 究 是 光 学 领 域 新 近 兴 起 的 一 个 非 常 重 要 的 方 面 ， 它 在光 信 号 延 迟 及 量 子 计 算 机 等 方 面 都 有 广 阔 的 应 用 前 景 。 本 文 主 要 介 绍 了 利 用相 干 布 居 粒 子 振 荡 技 术 实 现 掺 铒 光 纤 中 群 速 可 控 及 信 号 形 变 的 研 究 。 全 文 共分 为 四 个 部 分 ， 分 别 为 课 题 背 景 、 掺 铒 光 纤 中 光 速 可 控 的 理 论 研 究 、 掺 铒 光纤 中 光 速 可 控 的 实 验 研 究 及 光 信 号 形 变 。目 前 改 变 光 速 的 方 法 主 要 有 以 下 几 种 ： 电 磁 感 应 透 明 技 术 (EIT)、 相 干布 居 振 荡 技 术 (CPO)、 光 折 变 材 料 中 双 波 耦 合 技 术 (PR-TWM)、 受 激 布 里 渊散 射 (SBS)和 受 激 拉 曼 散 射 (SRS)技 术 等 。 为 了 理 解 光 波 以 极 慢 速 度 或 超 光 速在 介 质 中 传 输 的 过 程 ， 我 们 给 出 了 群 速 度 的 定 义 ， 对 掺 铒 光 纤 中 所 实 现 光 群速 可 控 性 进 行 分 析 讨 论 ， 建 立 群 速 可 控 的 理 论 模 型 ， 并 同 时 给 出 了 数 值 模 拟结 果 。在 实 验 方 面 ， 基 于 相 干 布 居 振 荡 技 术 ， 利 用 不 同 功 率 的 泵 浦 光 ， 在 介 质吸 收 光 谱 上 观 测 到 烧 孔 及 反 烧 孔 。 由 增 益 理 论 分 析 得 到 不 同 泵 浦 光 功 率 影 响介 质 吸 收 状 态 。 在 介 质 的 吸 收 区 域 ， 振 荡 导 致 光 脉 冲 经 历 饱 和 吸 收 ， 脉 冲 传输 延 迟 ； 在 介 质 的 增 益 区 域 ， 振 荡 又 导 致 光 脉 冲 经 历 增 益 饱 和 ， 脉 冲 传 输 超前 。 这 样 ， 室 温 条 件 下 在 掺 铒 光 纤 中 观 测 到 了 极 慢 光 速 及 超 光 速 现 象 。慢 光 延 迟 线 最 重 要 的 方 面 并 不 是 仅 仅 追 求 大 的 时 间 延 迟 ， 而 是 要 获 得 大的 相 对 时 延 ， 因 为 此 参 数 表 征 了 介 质 对 信 息 存 储 的 能 力 。 经 实 验 验 证 及 理 论分 析 ， 提 高 相 对 时 延 的 可 行 方 案 主 要 有 ： 提 高 光 纤 掺 杂 浓 度 、 提 高 光 纤 长度 、 控 制 入 射 信 号 光 功 率 。由 于 信 号 在 色 散 介 质 中 传 播 时 普 遍 存 在 着 失 真 现 象 ， 使 得 对 信 号 的 保 真研 究 变 的 比 较 有 意 义 。 实 验 表 明 ， 可 以 通 过 调 节 泵 浦 光 功 率 、 调 制 频 率 、 调制 振 幅 以 及 光 纤 浓 度 等 参 数 来 最 优 化 相 对 超 前 、 信 号 输 入 输 出 宽 度 比 和 形 变D 因 子 三 者 之 间 的 关 系 。关 键 词 慢 光 与 超 光 速 ； 群 速 度 ； 掺 铒 光 纤 ； 形 变-I-哈 尔 滨 工 业 大 学 工 学 硕 士 学 位 论 文AbstractThere has recently been a flurry of interest in subject about the precisecontrol of the group velocity of propagation of light pulses through a solidmaterial at room-temperature for its potential applications such as all-opticalbuffers and quantum computer and so on. The body of this dissertation waswritten for introduction to a new investigation, which bases on the coherentpopulation oscillations technology, which produces controllable group velocitypropagation of light in an erbium-doped optical fiber, and something about pulsedistortion. There are four chapters in this dissertation, and they emphasizeparticularly on the background, the fundamental theories of contollable groupvelocity in erbium-doped fiber, experiments in erbium-doped fiber and pulsedistortion, respectively.In recently years many slow and superluminal light experiments werereported, there are four kinds of technologies in these experiments:electromagnetically induced transparency (EIT), coherent population oscillations(CPO), two-wave mixing in photorefractive materials (PR-TWM), stimulatedBrillouin scattering (SBS) and stimulated Raman scattering (SRS). Forunderstanding the process of light pulse propagation in mediums with ultraslowand fast group velocity, we introduced the concept of group velocity, and then wediscussed the feasible analysis of contollable group velocity in erbium-dopedfiber emphatically, while the model of the propagation of light pulses through anerbium-doped fiber was developed and the simulation results were givenaccordingly.In the part of experiments, we have observed spectral hole and anti-holesdue to population oscillation in the homogeneously broadeded absorption profileof erbium-doped fiber with different input pump power. Based on the theoreticalanalysis of gain the effect of absorption was from different pump power. In amedium with absorption the oscillation lead to pulse experiencing absorptionsaturation and propagation delay; in a medium with gain this effect induced pulseexperiencing gain saturation and propagation advance. We showed the both slowand fast light propagation can occur in erbium-doped optical fiber at room- II -哈 尔 滨 工 业 大 学 工 学 硕 士 学 位 论 文temperature.The important issue in slow light delay lines is not merely the achievementof large time delay but to produce large fractional delays (time delay normalizedto the time duration of the signal) since this parameter roughly measures theinformation storage capacity of the optical medium. We study in details theinfluences of the erbium ion density on the time delay and correspondingslowdown of group velocity of light. Using the fibers with