Замедление света в твердотельных материалах

Замедление света в твердотельных материалах при комнатной температуре может быть осуществлено различными способами, использующими следующие физические эффекты/явления нелинейной оптики [8,9]:

• · вынужденное рассеяние Бриллюэна (ВРМБ, или SBS);
• · вынужденное рамановское рассеяние (ВРР, или SRS);
• · конвертирование длин волн и дисперсию;
• · когерентные осцилляции населенности (КОН, или CPO):
• — в кристаллах рубина и александрита;
• — в кристалле PbS (используя п/п квантовые точки);
• — в п/п оптических усилителях (ПОУ, или SOA);
• — в оптических усилителях на ОВ, типа (EDFA).

Замедление света с помощью ВРМБ

Замедление света, связанное с эффектом ВРМБ [9], основано на быстром изменении группового ПП nг пропорционально коэффициенту резонансного усиления в районе линии (частоты) Бернулли w0. Эффект ВРМБ заключается в том, что при непрерывной накачке определенной мощности с частотой wн в области, сдвинутой вниз на частоту nБ (сдвиг Бернулли, для кварцевого стекла примерно равный 13 ТГц), появляется область резонансного узкополосного усиления, обусловленная появлением стоксовой составляющей wС = wн — nБ.

Важное преимущество использования вынужденного рассеяния (как ВРМБ, так и ВРР) для изменения групповой скорости света (по сравнению с другими возможными механизмами ее изменения) в том, что положение и амплитуда резонанса полностью управляются длиной волны и мощностью сигнала накачки [10].

Изменение группового ПП и приводит к замедлению распространения света пропорционально коэффициенту усиления На видно, что выходной сигнал (ширина сигнала 15 нс) запаздывает относительно входного примерно на 18 нс при усилении G = 10,4 дБ [10]. Используя уравнение для групповой задержки, можно рассчитать оптическую временную задержку, как функцию усиления, если принять, что спектр усиления ВРМБ может быть аппроксимирован профилем Лоренца. Результаты аппроксимации и расчетов временной задержки для двух типов одномодовых (ОМ) волокон — стандартного (SF) и со сдвигом дисперсии (DSF), полученные в [11], приведены на.

Полученная линейная аппроксимация хорошо согласуется в области задержки импульсов с результатами лабораторного эксперимента (фактические наклоны прямых чуть меньше (0,97 и 0,65 нс/дБ, вместо 1,04 и 0,73 нс/дБ, соответственно).Таким образом, для SF максимальная задержка составила 30 нс при усилении 30 дБ, а для DSF — 18 нс при усилении 25 дБ.

Резонансное усиление ВРМБ процесс узкополосный. Ширина его полосы на уровне половинной мощности (FWHM) составляет 30−35 МГц, а коэффициент усиления зависит от накачки и может достигать 30 дБ. Ширину полосы усиления ВРМБ можно увеличить, используя две (или более) частоты накачки, формирующие две (или более) близко расположенные резонансные полосы усиления ВРМБ. Их общая огибающая дает не только расширение полосы усиления, но и приводит к уплощению амплитудно-волновой характеристики (АВХ),.

Влияние мощности накачки на максимальную задержку и усиление ВРМБ показано на Параметром семейства кривых выступает ширина импульса.

Диапазон ее изменения 20−80 нс, что соответствует длине битового интервала 40−160 нс или в пересчете на скорость передачи 6,25−25 Мбит/с (не характерный диапазон для современных систем оптической передачи). Ясно, что чем импульс короче, тем шире требуемая полоса пропускания для его передачи, тем меньше усиления он будет получать при той же мощности накачки и тем меньшего уровня максимальной задержки можно будет достичь, учитывая характерное насыщение при больших уровнях накачки.

Результаты, приведенные выше, говорят о том, что ВРМБ является удобным инструментом для создания управляемой оптической задержки. Однако нужно иметь в виду и недостатки этого метода: обратно пропорциональная зависимость амплитуды импульса от уровня задержки [11], узкая ширина полосы усиления Бернулли [10,11], а также рост порога ВРМБ, например при увеличении ширины излучения накачки [12]. Увеличить полосу усиления можно путем расширения спектра накачки. Это можно сделать путем уширения спектра источника накачки, или дитеринга (dithering) [10−12], например путем фазовой модуляции центральной частоты источника. Такая модуляция (частотой 10 МГц), позволяет вдвое увеличить ширину полосы усиления (в данном эксперименте с 28 до 60 МГц). Это, однако, приводит к снижению максимального усиления (в данном случае на 4 дБ), а значит и к снижению максимально достижимой задержки. Компенсировать его можно, но за счет увеличения мощности накачки.