Использование когерентной осцилляции населенности CPO

Использование CPO (или КОН) позволяет получить (причем при комнатной температуре) групповую скорость 58 м/с (кристалл рубина [19]), сравнимую с тем, что было получено при глубокой отрицательной температуре в конденсате ВЕС. Что же такое СРО и как оно влияет на характеристики материалов?

Эффект СРО в рубине и александрите. Применительно к экспериментам авторов с рубином (1988 год) в [19,20] приводятся следующие объяснения. В экспериментах для накачки населенности полосы поглощения (зоны) 4F2 кристалла рубина использовался пучок аргонового лазера (длина волны 514,5 нм). Накачанные электроны (в результате релаксации) в течение нескольких пикосекунд переходят из этой зоны на метастабильный уровень и, фактически, возвращаются к основному состоянию в течение нескольких миллисекунд — времени релаксации Т1. В кристалле рубина распространялся также сигнальный пучок, который приводил к модуляции интенсивности накачки и был представлен в виде боковых полос симметрично сигналу накачки. Этот пучок и вызывал осцилляцию электронной населенности между основным и метастабильным уровнями с частотой биений d между частотами накачки и сигнала. Однако из-за большого времени релаксации эти осцилляции имели заметную амплитуду тогда, когда произведение dТ1 «1. При выполнении этого условия поглощение сигнальной волны уменьшалось на очень узком частотном интервале порядка 1/Т1 (37 Гц) (см. профиль поглощения на рис.17в), что приводило к быстрому возрастанию ПП в этой области (особенность, хорошо известная в оптике и описываемая соотношениями Крамерса-Кронига). В результате быстрого спектрального изменения n (d), групповой ПП nг = n0 + wdn (d)/dd становится очень большим и скорость vг = c/nг резко снижается. Если провал (уменьшение) на спектральном профиле поглощения приводит к замедлению света, то горб (возрастание) на профиле поглощения вызывает ускорение света.

Резюмируя, можно описать суть СРО и его влияние на характеристики материалов так.

• · населенность основного состояния осциллирует с частотой биений d (d < 1/ T1, T1 — время релаксации населенности).
• · осцилляция населенности приводит к возникновению провала в спектре поглощения оптического сигнала;
• · быстрые спектральные изменения ПП, ассоциированные с провалом в профиле поглощения приводят к огромному групповому ПП в этой области и широкому диапазону его вариаций в различных материалах (кристаллах):
  • — сверхмедленный свет наблюдается в кристалле рубина (nг > 106), ширина провала 8,4 Гц [19];
  • — сверхбыстрый свет наблюдается в кристалле александрита (nг = -4· 105), ширина горба 612 Гц [20];
• · эффект медленного и быстрого света наблюдается при комнатной температуре.

В александрите [20] можно наблюдать как замедление, так и ускорение света. Александрит можно сформировать путем легирования кристалла BeAl2O4 ионами Cr3+. Эти ионы замещают ионы Al3+. Одна часть (78%) ионов Cr3+ получает зеркальную симметрию, другая — инверсную симметрию. В результате их сечения поглощения s, времена релаксации населенности Т1 и интенсивности насыщения Is = h-w/s1T1 — различны (рис.18). Ионы с зеркальной симметрией имеют время релаксации населенности 260 мкс, а с инверсной симметрией — 50 мс. В эксперименте с 4-см кристаллом александрита [20] аргоновый лазер накачки (длина волны накачки 488 нм) модулировался по интенсивности синусоидальным сигналом, вызывая появление боковых мод, которые, модулируя сигнальный пучок, взаимодействовали с пучком накачки. На рис. 19 показаны результаты эксперимента в части достигнутой задержки света. Максимально достигнутая задержка составила порядка 300 мкс при частотах модуляции, не превышающих 60 Гц, а максимальное опережение — 20 мкс. Достоинством CPO в кристаллах является большая достижимая величина задержки и опережения. Недостатком — узкая полоса реализации эффекта (единицы-десятки герц).

Эффект CPO в системах с квантовыми точками. Медленный и быстрый свет, объясняемый механизмом CPO, одновременно наблюдается в ряде кристаллов (минералов), а не только в рубине и александрите. Так, в минерале галенит (сульфид свинца — PbS), содержащем п/п квантовые точки в жидком растворе (2,9 нм в диаметре), согласно обзору [2], наблюдается 3 пс задержка 16 пс оптических импульсов длиной волны 795 нм в режиме насыщения интенсивности (по отношению к линейному режиму).

Эффект CPO в SOA. Управляемую задержку, объясняемую механизмом CPO, можно получить и в п/п оптических средах типа п/п оптических усилителей (ПОУ, или SOA). Так в работе [21] сообщается о достижении 40% управляемой относительной задержки коротких (170 фс) импульсов при прохождении их через SOA с квантовыми точками при комнатной температуре. Схема эксперимента приведена на рис. 20.

Сигнал от источника импульсов — Ti-сапфирового лазера (длина его волны 1260 нм соответствует переходу основного состояния квантовой точки) подается на акустооптический модулятор (АОМ), работающий на частоте 40 МГц. Биения, моделирующие схему CPO, возникают между импульсами источника и АМ-составляющими импульсами, формируемыми с помощью AOM, при прохождении комплексного сигнала через SOA. Этот сигнал затем детектируется и сравнивается на выходе с опорным сигналом от AOM. Характер изменения относительной длительности задержки от энергии входного импульса. Параметром этого семейства кривых является ток смещения, увеличение которого приводит к уменьшению задержки и переходу из режима задержки в режим опережения.

В этих экспериментах (в отличие от СРО в кристаллах) эффект задержки наблюдался при очень малом изменении группового ПП (Dnг = 4· 10−3), однако ширина полосы была очень большой — 2,6 ТГц.

Эффект CPO в усилителях EDFA. Управляемую задержку, объясняемую механизмом CPO, можно наблюдать при комнатной температуре и в оптоволоконных усилителях типа EDFA. Так в работе [22] сообщается, что при передаче через такой усилитель синусоидально модулированного сигнала 1550 нм мощностью 0,8 мВт можно наблюдать как его запаздывание, так и ускорение в зависимости от мощности сигнала накачки 980 нм .При этом максимальное относительное запаздывание составило 0,08 при отсутствии накачки. С ростом сигнала накачки оно уменьшалось, и при накачке 9,0 мВт запаздывание перешло в опережение, которое достигло максимума 0,125 при накачке 97,5 мВт. Характер изменения задержки и опережения в зависимости от логарифма величины, обратной ширине импульса, показан на рис.23а, б. Частота модуляции менялась от 10 Гц до 100 кГц, причем на частотах выше 1 кГц практически пропадал эффект замедления, а выше 10 кГц — эффект ускорения.

Замедление и ускорение света в различных средах стало в последнее время предметом пристального внимания исследователей не только потому, что это им интересно, а потому, что это (особенно замедление) важно для выяснения возможностей создания управляемых оптических запоминающих устройств динамического типа — регистров памяти, основных элементов будущих оптических вычислительных устройств — оптических элементов как полностью оптических сетей (AON) пакетной передачи, так и компьютеров будущего.