光 被 延 迟 了 76 ns, 相 当 于 获 得 了 0.76 个 脉 宽 的 延 迟 量. 实 验 中 采 用 的 微 结 构 光 纤 具 有 的 高 非 线 性 是 实 现 大 的 慢 光 延 迟 量 的 主 要 原 因. 2 实 验 装 置 基 于 SBS 的 慢 光 延 迟 实 验 装

高 非 线 性 微 结 构 光 纤 中 基 于 受 激 布 里 渊 * 散 射 的 慢 光 延 迟 魏 巍 张 霞 于 辉 李 宇 鹏 张 阳 安 黄 永 清 陈 伟 2) 罗 文 勇 2) 任 晓 敏 ( 北 京 邮 电 大 学, 信 息 光 子 学 与 光 通 信 国 家 重 点 实 验 室, 北 京 100876 ) 2) ( 烽 火 通 信 科 技 股 份 有 限 公 司 光 纤 研 发 部, 光 纤 通 信 技 术 和 网 络 国 家 重 点 实 验 室, 武 汉 430074 ) ( 2013 年 4 月 12 日 收 到 ; 2013 年 6 月 6 日 收 到 修 改 稿 ) 全 光 连 续 可 调 的 慢 光 技 术 在 全 光 网 络 和 光 信 息 处 理 等 领 域 具 有 重 要 的 应 用 前 景. 利 用 自 行 设 计 并 拉 制 的 高 非 线 性 微 结 构 光 纤, 实 验 研 究 了 基 于 受 激 布 里 渊 散 射 的 可 调 谐 慢 光 延 迟. 采 用 单 抽 运 光 和 单 级 延 迟 方 案, 当 抽 运 光 功 率 为 162.6 mw 时, 在 长 度 为 120 m 的 高 非 线 性 微 结 构 光 纤 中 获 得 了 最 大 76 ns 的 延 迟 量, 相 当 于 0.76 个 脉 冲 宽 度. 通 过 调 节 抽 运 光 功 率 的 大 小, 可 以 实 现 对 慢 光 延 迟 量 的 可 调 谐. 该 慢 光 延 迟 方 案 具 有 延 迟 量 大 全 光 可 调 谐 及 与 现 有 光 通 信 系 统 兼 容 等 优 势. 关 键 词 : 慢 光, 微 结 构 光 纤, 受 激 布 里 渊 散 射 PACS: 42.65.Es, 42.81.Dp DOI: 10.7498/aps.62.184208 1 引 言 减 慢 光 脉 冲 的 传 输 速 度 ( 慢 光 ) 被 认 为 是 未 来 光 通 信 系 统 中 的 关 键 技 术 之 一, 在 光 延 迟 线 数 据 同 步 和 光 缓 存 等 方 面 均 具 有 重 要 的 应 用 前 景 [1]. 在 光 纤 中 实 现 慢 光 的 方 法 主 要 包 括 受 激 布 里 渊 散 射 (SBS) 受 激 拉 曼 散 射 (SRS) 和 光 参 量 放 大 (OPA) 等. 其 中, 基 于 SBS 的 慢 光 技 术 具 有 阈 值 低 能 在 较 低 的 抽 运 功 率 下 获 得 较 大 的 延 迟 量, 并 且 易 与 现 有 的 光 通 信 系 统 兼 容 等 优 势 [2]. 在 较 早 的 文 献 报 道 中, 大 多 采 用 普 通 单 模 光 纤 (SMF) 作 为 SBS 慢 光 介 质. 为 了 获 得 明 显 的 延 迟 量, 通 常 需 要 几 千 米 的 光 纤 或 瓦 级 的 抽 运 功 率, 这 些 都 限 制 了 它 的 实 用 性 [3,4]. 因 此, 在 获 得 较 大 的 慢 光 延 迟 量 的 前 提 下, 减 小 光 纤 长 度 和 降 低 抽 运 功 率 是 把 光 纤 中 基 于 SBS 慢 光 延 迟 技 术 推 向 应 用 的 重 要 途 径. 近 年 来, 微 结 构 光 纤 ( 又 称 光 子 晶 体 光 纤 ) 作 为 一 种 新 型 的 光 波 导 以 其 优 异 的 高 非 线 性 和 色 散 可 控 等 特 性 成 为 国 际 上 的 研 究 热 点 [5 10]. 微 结 构 光 纤 具 有 大 的 纤 芯 - 包 层 折 射 率 差, 可 以 增 强 光 纤 中 的 声 光 相 互 作 用 [11], 进 而 提 高 基 于 SBS 的 慢 光 延 迟 效 果. 例 如, 清 华 大 学 Yang 等 [12] 利 用 50 m 的 微 结 构 光 纤 在 抽 运 功 率 为 158.5 mw 时 获 得 了 约 半 个 脉 宽 的 慢 光 延 迟 量 ; Duke 大 学 Zhang 等 [13] 利 用 10 m 长 的 微 结 构 光 纤 在 抽 运 功 率 为 760 mw 时 获 得 了 38 ns 的 慢 光 延 迟 量. 本 文 利 用 自 行 设 计 并 拉 制 的 高 非 线 性 微 结 构 光 纤 进 行 了 基 于 SBS 的 慢 光 传 输 实 验. 实 验 中 采 用 脉 冲 宽 度 为 100 ns 的 光 脉 冲 作 为 信 号 光, 调 节 抽 运 光 的 载 频 使 之 与 信 号 光 的 载 频 相 差 布 里 渊 频 移. 当 抽 运 光 功 率 高 于 布 里 渊 阈 值 时, 调 节 抽 运 光 的 功 率 大 小, 信 号 光 的 延 迟 量 将 随 之 改 变, 从 而 达 到 调 谐 延 迟 量 的 目 的. 当 抽 运 光 功 率 为 162.6 mw 时, 信 号 * 国 家 重 点 基 础 研 究 发 展 计 划 ( 批 准 号 : 2010CB327605, 2010CB735904) 国 家 自 然 科 学 基 金 ( 批 准 号 : 61077049) 和 教 育 部 新 世 纪 优 秀 人 才 支 持 计 划 ( 批 准 号 : NCET-08-0736) 和 北 京 邮 电 大 学 优 秀 博 士 研 究 生 创 新 基 金 ( 批 准 号 : CX201322) 资 助 的 课 题. 通 讯 作 者. E-mail: xzhang@bupt.edu.cn c 2013 中 国 物 理 学 会 Chinese Physical Society http://wulixb.iphy.ac.cn 184208-1

光 被 延 迟 了 76 ns, 相 当 于 获 得 了 0.76 个 脉 宽 的 延 迟 量. 实 验 中 采 用 的 微 结 构 光 纤 具 有 的 高 非 线 性 是 实 现 大 的 慢 光 延 迟 量 的 主 要 原 因. 2 实 验 装 置 基 于 SBS 的 慢 光 延 迟 实 验 装 置 如 图 1 所 示. 从 可 调 谐 激 光 器 输 出 的 连 续 光 由 掺 铒 光 纤 放 大 器 放 大 后 作 为 抽 运 光, 抽 运 光 经 过 环 行 器 1 进 入 高 非 线 性 微 结 构 光 纤 用 来 激 发 SBS. 一 旦 抽 运 光 的 功 率 达 到 布 里 渊 阈 值, 其 大 部 分 功 率 会 转 移 到 后 向 的 斯 托 克 斯 波 中, 产 生 SBS 增 益. 从 分 布 反 馈 激 光 器 输 出 的 连 续 光 经 过 隔 离 器 进 入 电 光 强 度 调 制 器, 脉 冲 信 号 发 生 器 采 用 频 率 为 5 MHz 的 方 波 信 号 作 为 调 制 信 号, 调 制 出 的 脉 宽 为 100 ns 的 光 脉 冲 经 过 3 db 耦 合 器 分 成 两 部 分 : 一 部 分 作 为 信 号 光, 由 环 行 器 2 的 2 端 口 以 与 抽 运 光 相 反 的 方 向 进 入 高 非 线 性 微 结 构 光 纤, 故 SBS 信 号 光 将 被 延 迟 ; 另 一 部 分 用 作 初 始 信 号, 与 被 延 迟 的 信 号 光 同 时 进 入 示 波 器 观 测 其 波 形. 抽 运 光 产 生 的 SBS 增 益 谱 和 获 得 增 益 的 信 号 光 光 谱 通 过 环 行 器 1 的 3 端 口 进 入 光 谱 仪. 当 抽 运 光 和 信 号 光 的 载 频 恰 好 相 差 布 里 渊 频 移 时, 信 号 光 会 落 在 布 里 渊 增 益 峰 值 处 获 得 最 大 增 益. 此 时, 由 于 SBS 的 增 益, 介 质 折 射 率 会 发 生 微 小 的 改 变, 从 而 可 实 现 对 光 脉 冲 的 延 迟. 实 验 装 置 中 的 偏 振 控 制 器 分 别 用 来 使 SBS 增 益 ( 偏 振 控 制 器 1 和 偏 振 控 制 器 3) 和 经 过 强 度 调 制 器 的 透 射 光 ( 偏 振 控 制 器 2) 最 大 化. 图 1 实 验 装 置 图 图 2 高 非 线 性 微 结 构 光 纤 横 截 面 的 扫 描 电 镜 图 实 验 中, 作 为 SBS 慢 光 介 质 的 是 长 度 为 120 m 的 高 非 线 性 微 结 构 光 纤, 该 光 纤 由 烽 火 通 信 科 技 股 份 有 限 公 司 拉 制, 其 在 1550 nm 的 非 线 性 系 数 高 达 136 W km 1, 总 损 耗 ( 包 括 接 头 熔 接 损 耗 和 传 输 损 耗 等 ) 约 为 10 db. 高 非 线 性 微 结 构 光 纤 的 端 面 扫 描 电 镜 图, 如 图 2 所 示. 从 图 2 中 可 以 看 出 : 光 纤 由 围 绕 纤 芯 的 一 层 柚 子 形 空 气 孔 和 外 围 五 层 圆 形 空 气 孔 组 成. 具 体 结 构 参 数 为 : 纤 芯 直 径 约 1.46 µm; 圆 形 空 气 直 径 为 2.1 µm; 孔 间 距 为 2.6 µm. 第 一 层 柚 子 形 空 气 孔 可 以 有 效 地 减 小 模 场 面 积, 进 而 增 大 微 结 构 光 纤 的 非 线 性 系 数. 184208-2

3 结 果 与 讨 论 图 3(a) 是 没 有 信 号 光 输 入 时 不 同 抽 运 光 功 率 对 应 的 自 发 布 里 渊 增 益 谱. 从 图 3(a) 中 可 以 看 出 : 当 抽 运 光 功 率 为 19.5 mw 时, 在 低 于 抽 运 光 载 频 处 基 本 没 有 能 量 的 转 移, 未 产 生 布 里 渊 增 益 ; 当 抽 运 光 功 率 增 大 到 52.2 mw 时, 在 低 于 抽 运 光 载 频 处 出 现 了 能 量 的 转 移, 从 而 产 生 了 布 里 渊 增 益 ; 继 续 增 大 抽 运 光 功 率 至 86.7 mw, 与 抽 运 光 功 率 为 52.2 mw 时 相 比, 在 抽 运 光 载 频 处 的 功 率 并 没 有 明 显 增 加, 而 大 部 分 的 抽 运 光 功 率 都 转 移 到 了 位 于 低 频 的 布 里 渊 增 益 中. 所 以, 我 们 可 以 得 到 布 里 渊 阈 值 约 为 52.2 mw, 相 应 的 布 里 渊 频 移 为 10.99 GHz. 在 此 需 要 说 明 的 是, 与 之 前 文 献 报 道 相 比 [12,13], 我 们 利 用 高 非 线 性 微 结 构 光 纤 为 SBS 增 益 介 质 所 测 得 的 布 里 渊 阈 值 并 没 有 明 显 降 低, 这 是 由 于 所 拉 制 的 微 结 构 光 纤 样 品 损 耗 还 比 较 大 的 缘 故. 图 3(b) 是 反 向 通 入 信 号 光 并 使 其 载 频 与 抽 运 光 的 载 频 恰 好 相 差 布 里 渊 频 移 时 相 应 的 信 号 光 增 益 谱. 从 图 3(b) 中 可 见, 当 抽 运 光 功 率 未 达 到 布 里 渊 阈 值 时, 信 号 光 的 频 谱 与 初 始 信 号 光 的 频 谱 完 全 重 合 ; 当 抽 运 光 功 率 达 到 布 里 渊 阈 值 后, 信 号 光 便 开 始 获 得 了 增 益 ; 继 续 增 大 抽 运 光 功 率, 信 号 光 则 被 极 大 地 增 益 了. 当 抽 运 光 功 率 高 于 布 里 渊 阈 值 时, SBS 在 布 里 渊 频 移 处 产 生 了 增 益. 根 据 Kramers-Kronig 关 系, 介 质 增 益 ( 或 损 耗 ) 的 变 化 总 是 伴 随 折 射 率 的 改 变 [14], 当 信 号 光 的 载 频 落 在 布 里 渊 频 移 处 时, 其 与 未 加 入 抽 运 光 的 信 号 光 相 比 便 产 生 了 一 定 的 延 迟 量. 实 验 中, 初 始 信 号 光 是 采 用 频 率 为 5 MHz 的 方 波 信 号 调 制 出 来 的, 脉 冲 宽 度 为 100 ns, 如 图 4(a) 所 示. 初 始 信 号 光 经 过 高 非 线 性 微 结 构 光 纤 传 输 后 势 必 会 产 生 一 定 的 延 迟, 测 量 得 到 的 延 迟 为 77.6 ns. 此 时, 我 们 通 入 抽 运 光, 当 抽 运 光 功 率 为 162.6 mw 时, 延 迟 变 为 了 153.6 ns. 所 以, 由 于 高 非 线 性 微 结 构 光 纤 中 的 SBS 产 生 的 脉 冲 信 号 延 迟 量 为 76 ns, 相 当 于 0.76 个 脉 冲 宽 度. 从 图 4(a) 中 可 以 看 出, 由 SBS 延 迟 后 的 脉 冲 有 一 定 的 畸 变, 这 是 由 SBS 有 限 的 带 宽 和 由 此 产 生 的 群 速 度 色 散 所 导 致 的 [15]. 因 此, 我 们 标 定 延 迟 量 时 是 以 零 电 平 为 参 考 点 的. 图 4 (a) 初 始 和 延 时 后 的 信 号 脉 冲 时 域 图 ; (b) 不 同 抽 运 光 功 率 与 延 迟 量 的 关 系 图 3 增 益 谱 不 同 抽 运 光 功 率 下 的 (a) 自 发 布 里 渊 增 益 谱, (b) 信 号 光 改 变 抽 运 光 功 率 的 大 小, 信 号 光 的 延 迟 量 会 随 之 发 生 改 变, 进 而 可 实 现 延 迟 量 可 调 谐 的 目 的. 当 抽 运 光 功 率 为 58.9 mw ( 略 大 于 布 里 渊 阈 值 ) 时, 信 号 光 的 延 迟 量 为 32.2 ns. 增 大 抽 运 光 功 率, 信 号 光 获 得 的 延 迟 量 基 本 随 之 线 性 增 加, 如 图 4(b) 所 184208-3

示. 当 抽 运 光 功 率 超 过 170 mw 后, 信 号 光 的 延 迟 量 基 本 不 再 改 变, 这 是 由 于 受 到 SBS 增 益 饱 和 的 限 制 [16]. 4 结 论 基 于 高 非 线 性 微 结 构 光 纤 的 SBS 慢 光 延 迟 方 案 可 以 减 小 对 抽 运 光 功 率 的 需 求 或 利 用 较 短 的 光 纤 长 度 便 可 获 得 较 大 的 慢 光 延 迟 量. 本 文 采 用 自 行 设 计 并 拉 制 的 高 非 线 性 微 结 构 光 纤 作 为 慢 光 介 质, 实 验 上 获 得 了 76 ns ( 相 当 于 0.76 个 脉 宽 ) 的 慢 光 延 迟 量, 相 应 的 布 里 渊 阈 值 和 布 里 渊 频 移 分 别 为 52.2 mw 和 10.99 GHz. 本 文 中 微 结 构 光 纤 样 品 的 损 耗 还 较 大, 随 着 今 后 拉 制 工 艺 的 提 高, 微 结 构 光 纤 的 性 能 会 进 一 步 得 到 改 善. 利 用 微 结 构 光 纤 中 SBS 的 慢 光 技 术 有 延 迟 量 大 可 调 谐 及 与 现 有 光 纤 通 信 系 统 兼 容 等 优 势, 在 数 据 同 步 和 光 缓 存 等 方 面 具 有 重 要 的 应 用 前 景. [1] Mok J T, Eggleton B J 2005 Nature 433 811 [2] Okawachi Y, Bigelow M S, Sharping J E, Zhu Z, Schweinsberg A, Gauthier D J, Boyd R W, Gaeta A L 2005 Phys. Rev. Lett. 94 153902 [3] Song K Y, González-Herráez M, Thévenaz L 2005 Opt. Express 13 82 [4] González-Herráez M, Song K Y, Thévenaz L 2005 Appl. Phys. Lett. 87 08111 [5] Russell P St J 2003 Science 299 358 [6] Birks T A, Knight J C, Russell P St J 1997 Opt. Lett. 22 961 [7] Wang Q Y, Hu M L, Li Y F, Li S G, Ji Y L, Zhou G Y, Hou L T, Wei Z Y, Zhang J, Liu X D 2004 Acta Phys. Sin. 53 478 (in Chinese) [ 王 清 月, 胡 明 列, 栗 岩 峰, 李 曙 光, 冀 玉 领, 周 桂 耀, 侯 蓝 田, 魏 志 义, 张 军, 刘 晓 东 2004 物 理 学 报 53 478] [8] Xia C M, Zhou G Y, Han Y, Liu Z L, Hou L T 2011 Acta Phys. Sin. 60 094213 (in Chinese) [ 夏 长 明, 周 桂 耀, 韩 颖, 刘 兆 伦, 侯 蓝 田 2011 物 理 学 报 60 094213] [9] Zhang X Q, He H, Hu M L, Yan X, Zhang X, Ren X M, Wang Q Y 2013 Acta Phys. Sin. 62 076102 (in Chinese) [ 张 晓 青, 贺 号, 胡 明 列, 颜 鑫, 张 霞, 任 晓 敏, 王 清 月 2013 物 理 学 报 62 076102] [10] Dudley J M, Taylor J R 2009 Nature Photon. 3 85 [11] Dainese P, Ruseell P St J, Joly N, Knight J C, Wiederhecker G S, Frangnito H L, Laude V, Khelif A 2006 Nature Phys. 2 388 [12] Yang S G, Chen H W, Qiu C Y, Chen M H, Xie S Z, Li J Y, Chen W 2008 Opt. Lett. 33 95 [13] Zhang R, Zhu Y H, Wang J, Gauthier D J 2010 Opt. Express 18 27263 [14] Agrawal G P 2006 Nonlinear Fiber Optics (4th Ed.) (Salt Lake City: Academic Press) pp245 249 [15] Zadok A, Eyan A, Tur M 2011 Appl. Opt. 50 E38 [16] Zhu Z M, Gauthier D J, Okawachi Y, Sharping J E, Gaeta A L, Boyd R W, Willner A E 2005 J. Opt. Soc. Am. B 22 2378 184208-4

Slow light based on stimulated Brillouin scattering in microstructured fiber Wei Wei Zhang Xia Yu Hui Li Yu-Peng Zhang Yang-An Huang Yong-Qing Chen Wei 2) Luo Wen-Yong 2) Ren Xiao-Min ( State Key Laboratory of Information Photonics and Optical Communications, Beijing University of Posts and Telecommunications, Beijing 100876, China ) 2) ( State Key Laboratory of Optical Communication Technologies and Networks, Optical Fiber Department of Fiberhome Telecommunications Technologies Co. Ltd, Wuhan 430074, China ) ( Received 12 April 2013; revised manuscript received 6 June 2013 ) Abstract All-optical tunable slow light technology has promising applications in all-optical network and optical information process. Tunable slow light based on stimulated Brillouin scattering is experimentally investigated, using highly nonlinear microstructured fiber which is designed and drawn by ourselves. The experiment setup is composed of single pump and a single-stage delay. When the pump power reaches 162.6 mw, a maximum delay of 76 ns, equal to 0.76 pulse width, is achieved in the highly nonlinear microstructured fiber of 120 m in length. In addition, by adjusting the pump power, the tunable slow light can be realized. This scheme of slow light has advantages such as large delay, being all-optical tunable and compatible with optical communications systems. Keywords: slow light, stimulated Brillouin scattering, microstructured fiber PACS: 42.65.Es, 42.81.Dp DOI: 10.7498/aps.62.184208 * Project supported by the National Basic Research Program of China (Grant Nos. 2010CB327605, 2010CB735904), the National Natural Science Foundation of China (Grant No. 61077049), the Program for New Century Excellent Talents in University of Ministry of Education of China (Grant No. NCET-08-0736), and BUPT Excellent Ph. D. Students Foundation, China (Grant No. CX201322). Corresponding author. E-mail: xzhang@bupt.edu.cn 184208-5