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镶嵌式光纤环中的快慢光及其提高干涉仪灵敏度的研究

王金芳  
【摘要】:研究表明强烈的正常色散和反常色散将会引起慢光和快光传播。快慢光有望成为21世纪某些前沿技术成功实现的保证(例如:大容量通信网络,量子计算,快速全光信息处理、精密测量等等)。这使得快慢光的研究迅速成为一个研究热点,在这个背景下,本论文分别从理论和实验上研究了光纤环形谐振腔中实现快慢光的物理机制,同时系统地分析了光信号群速度的影响因素,并且初步探讨了利用快慢光来提高光纤干涉仪的灵敏度。 光速控制的研究主要可以分为两大类:一是利用材料色散来实现对光速的控制(包括电磁感应透明技术,受激布里渊散射技术,相干布居振荡技术,受激拉曼散射技术等);另一类就是利用结构色散来实现对光速的控制(光纤光栅、光子晶体和耦合谐振腔等)。本文首先概述了各种研究方法的研究进展,并且分析了他们各自的优缺点。一般情况下慢光( v_g c,v_g为光在介质中传播的群速度,c为真空中的光速)和快光( v_g c或者v_g 0)是指在光在介质或某种结构中传播时群速度相对于真空中的光速变慢或者加快的物理现象,为便于读者理解,本文介绍了几种光速的定义,并且以单环谐振腔为例介绍了环形谐振腔中慢光的基本理论,此外还介绍了谐振腔中的Kramers-Kronig (K-K)关系和慢光干涉仪的基本理论知识。 其次,研究了单环镶嵌谐振腔中产生快慢光的物理机制,以及光信号通过该谐振腔后的吸收响应,内部强度放大率,及其色散响应(包括光信号通过该结构的有效相移,色散,群延迟等);并且在实验上观测到了光信号通过单环镶嵌式谐振腔结构的透过谱以及群延迟随透过系数的变化规律。 再次,提出了一种能够同时产生快慢光的镶嵌式光纤环结构,该镶嵌式光纤环的两个输出端具有不同的传输特性,并且表现为相反的色散特性,从而利用该结构可以在相同条件下同时在两个输出端得到光信号延迟和超前,即可以实现快慢光的同时输出。并且分析了光纤环结构参数(透射系数,衰减系数,光纤环长度)对其透过率,色散特性和群延迟的影响。理论和实验研究表明:(1)耦合器的透射系数的变化会导致镶嵌式光纤环发生欠耦合-临界耦合-过耦合的转变,耦合性质的转变将导致其色散性质和群延迟发生相应的的转变;(2)光纤环衰减系数的增加将导致该镶嵌式光纤环的色散响应增强以及群延迟增加;(3)光纤环长度的变化会影响透过率自由光谱范围和半高全宽的变化,还会引起谐振点对应的中心波长发生改变;(4)通过调节结构参数可使得谐振腔的群延迟在一定范围内连续可调。 最后,研究了利用光纤环结构的色散特性增强M-Z光纤干涉仪的灵敏度。提出了一种结合正常色散和反常色散效应来提高M-Z光纤干涉仪灵敏度的新方法,并在实验上验证了该方法的有效性。研究表明:(1)耦合光纤环M-Z光纤干涉仪在光纤环谐振区域会大幅提高干涉仪的灵敏度,并且在谐振点处的色散灵敏度达到最大值;(2)耦合光纤环M-Z光纤干涉仪色散灵敏度增加系数随光纤环耦合系数的变化而变化,在临界耦合时达到最大值;(3)将正常色散和反常色散相结合会进一步提高干涉仪的灵敏度。


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