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“慢光”，就是通過(guò)改變材料的色散特性使光的群速度降下來(lái)。對(duì)于用于通信和光數(shù)據(jù)處理的光學(xué)電路來(lái)講，慢光頗具應(yīng)用潛力�？茖W(xué)家最早在具有電磁感應(yīng)透明特性的介質(zhì)中發(fā)現(xiàn)了慢光，但是整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)非常復(fù)雜。最近，研究人員利用受激布里淵散射（SBS）和受激拉曼散射（SRS）在光纖和光子集成芯片中實(shí)現(xiàn)了慢光。

目前，由俄羅斯和美國(guó)的科學(xué)家組成的一個(gè)研究小組，在普通印刷電路板（PCB）上的聚合物波導(dǎo)中實(shí)現(xiàn)了慢光。研究人員利用SBS實(shí)現(xiàn)大范圍可調(diào)諧光延遲，進(jìn)一步拓展了慢光的潛在應(yīng)用領(lǐng)域。^[1]

基于SBS的慢光

該小組的研究人員來(lái)自莫斯科國(guó)立Lomonosov大學(xué)、俄羅斯科學(xué)院和美國(guó)得克薩斯A&M大學(xué)，他們首先利用紫外光刻技術(shù)在PCB上創(chuàng)造一系列長(zhǎng)度為5 cm、尺寸為50µm×50µm的聚合物波導(dǎo)陣列。在800nm波長(zhǎng)處，該聚合物波導(dǎo)核的折射率為1.46，包層的折射率為1.40。該聚合物波導(dǎo)的拉曼增益光譜主要由碳-氫（C-H）的振動(dòng)模式?jīng)Q定，該振動(dòng)模式對(duì)應(yīng)的波數(shù)約為3000cm^-1，相應(yīng)的振動(dòng)周期為11fs。

（a）     自相關(guān)測(cè)量顯示，斯托克斯脈沖通過(guò)一個(gè)5cm的聚合物波導(dǎo)后延遲450fs。（b）延遲時(shí)間隨增益變化的曲線。藍(lán)色曲線和紫色曲線分別表示斯托克斯輸入脈沖帶寬為5nm和8nm情形。

SBS慢光中斯托克斯脈沖由鈦藍(lán)寶石激光系統(tǒng)產(chǎn)生，該系統(tǒng)包括輸出脈寬為40fs的鎖模主振蕩器和輸出脈寬為60fs的多通放大器，中心波長(zhǎng)為800nm，典型帶寬為5nm。泵浦脈沖由頻率可調(diào)的光參量振蕩器產(chǎn)生，該系統(tǒng)輸出的脈沖寬度為100fs，中心波長(zhǎng)為650nm。泵浦脈沖放大斯托克斯脈沖，同時(shí)導(dǎo)致波導(dǎo)的折射率發(fā)生變化，使斯托克斯脈沖的傳播速度減小，實(shí)驗(yàn)時(shí)斯托克斯脈沖寬度在60~500fs之間變化。

斯托克斯輸出信號(hào)和寬度為200​​fs、波長(zhǎng)為800nm的參考脈沖，同時(shí)通過(guò)鋇硼酸鹽晶體獲得了和頻信號(hào)。研究人員測(cè)量了和頻信號(hào)與斯托克斯和參考脈沖之間的延遲時(shí)間的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)中，研究人員使用一個(gè)空間濾波器獲得帶寬小于拉曼線寬（5nm）的斯托克斯脈沖，從而確保斯托克斯脈沖和泵浦脈沖獲得最佳耦合。由于波導(dǎo)允許多模運(yùn)行，輸出斯托克斯脈沖寬度展寬達(dá)10％。

研究人員通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的理論模型預(yù)計(jì)，延遲時(shí)間和增益成線性關(guān)系；但實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在高增益下，由于克爾非線性效應(yīng)，延時(shí)將達(dá)到飽和。在輸入斯托克斯帶寬為5nm、信號(hào)增益為14dB時(shí)，光延時(shí)高達(dá)200fs。

研究人員表示，聚合物波導(dǎo)中泵浦脈沖和斯托克斯脈沖具有不同的折射率，這限制了它們的相互作用長(zhǎng)度。當(dāng)斯托克斯脈沖的帶寬為5nm時(shí)，其相互作用長(zhǎng)度約為13mm。采用不同的偏振態(tài)、多層包層或者優(yōu)化波導(dǎo)色散剖面，可以延長(zhǎng)相互作用長(zhǎng)度。

對(duì)于一塊大小為0.9µm×1.5µm的長(zhǎng)方形聚合物波導(dǎo)，若泵浦脈沖和斯托克斯脈沖的偏振態(tài)垂直，當(dāng)輸入脈沖為100fs時(shí)，在9cm的相互作用長(zhǎng)度內(nèi)可以產(chǎn)生高達(dá)1.4ps的延時(shí)。

具有更高密度C-H鍵的聚合物可以提高增益，初步的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，薄聚合物薄膜的增益可以增加4~5倍。

參考文獻(xiàn)

1. A.A. Lanin et al., Opt. Lett., 36, 10, 1788 (May 15, 2011).