激光调制掺铒光纤中光速及其在高灵敏光纤传感领域的潜在应用研究

孙维 张建鑫

摘要：光作为信息的载体，在信息领域发挥着重要作用。由于慢光能够对光的群速度进行调控，在全光通信、光纤传感、激光雷达及非线性效应增强等领域得到了广泛应用。基于相干布居振荡（Coherent Population Oscillation，CPO）效应引起的材料慢光具有结构简单、延时可调范围大、可在室温下操作等诸多优点，本文从理论和实验研究了激光调制掺铒光纤色散从而对光速进行调控的机理和测量，实验结果表明：泵浦激光频率为50Hz时，通过调节泵浦激光的功率，30cm掺铒光纤介质可实现群速度从-253.5497m/s到60.2561m/s的可控快慢光，延时为ms量级，群折射率改变量可达1.1832×106，这对设计非平衡M-Z慢光干涉解调系统提供了一种有效的工具，能够在很大程度上提高光纤传感器的灵敏度。

关键词：慢光;掺铒光纤;相干布局振荡;群速度

0 引言

快慢光是指光波在介质中传播时群速度加快或减慢的一种物理现象[1]。其中，慢光表示光波的群速度小于真空光速，而快光则表示光波的群速度大于真空光速。近年来，光纤通信与光计算的高速发展，光速控制技术已经成为了光学领域的研究热点，而光纤中可控快慢光技术由于具有结构简单紧凑、可室温工作、与现有光通信系统兼容性好等优势，其在光信息处理、光传感领域、非线性效应增强等方面存在巨大的应用潜力，具有很好的应用前景和重要的研究意义[2-3]。慢光根据产生的机理不同可分为两类：一类是基于材料色散，利用光与介质的非线性相互作用，在介质增益或吸收光谱中形成窄带实现减慢群速度，如电磁诱导透明、相干布居振荡、受激布里渊、光学参量放大等，常见的介质有晶体材料、光纤、半导体材料等;另一类是基于结构色散，具有周期性折射率分布的特殊结构对光包络进行调制后引起入射光群折射率增大，表现为光减速现象。这类结构包括光纤光栅、光子晶体光纤、F-P谐振腔、耦合谐振波导等。基于相干布居振荡（Coherent Population Oscillation，CPO）效应引起的材料慢光具有结构简单、延时可调范围大、可在室温下操作等诸多优点。本文从理论和实验研究了激光调制掺铒光纤色散从而产生CPO慢光的机理，在此基础上可以设计非平衡M-Z慢光干涉解调系统，从而大幅度提高光纤传感器的灵敏度。

1 掺铒光纤的慢光理论分析

光在介质中的传播可定义为相速度、群速度、能量速度、信号速度以及前沿速度。相速度 是单色光在介质中等相位面的传播速度，群速度 是非单色光的波包在空间中的传播速度，能量速度表示光场能量的传播速度。

2 激光调制掺铒光纤的慢光测量实验及结果

为了对掺铒光纤产生的慢光进行研究，搭建了如图2所示的测试系统。掺铒光纤类型为LIEKKI Er80，光源采用日本Santec公司提供的可调谐激光器（Tunable Semiconductor Laser，TSL）TSL-550，波长调谐范围为1500nm～1630nm，分辨率为5pm，线宽是200kHz。光电探测器PDB340C由索雷博公司提供，数字示波器MSO 2024B由安捷伦公司提供。

从可调谐光源输出的光被电光调制器（Electrooptical Optical Modulator，EOM）调制为正弦波信号，因为EOM与偏振有关，所以在EOM前用偏振控制器（Polarization Controller，PC）控制入射光的偏振态以减小偏振损耗。信号发生器用来调节EOM调制波的形状与幅度，同时信号发生器输出的信号也作为示波器的触发信号。经过EOM正弦调制后的光在频域上将在基频附近产生两个调制边带，以基频光作为泵浦光，两个边带光作为探测光，可避免用两台光源分别作为探测光和泵浦光时引起拍频不稳定的情况。980nm的泵浦光用来调控掺铒光纤对1550nm光的吸收和增益情况，从而影响边带基频光的功率。EOM输出的光经过50：50的耦合器分为两束，一路光路光直接进入PD1作为参考信号，另一部分光和980nm泵浦光一起经波分复用器（Wavelength Division Multiplexer，WDM）入射到EDF中，采用反向泵浦的作用是滤除980nm泵浦光，隔离器（Isolator，ISO）是用来防止980nm泵浦光进入耦合器，最后将探测光接入和参考端相同型号的PD2并用示波器检测，通过比较参考光和探测光时域波形位置变化情况，便可计算出通过掺铒光纤后在时间上的延迟或超前情况。

可调谐激光输出的光波长为1550nm，功率为10mW，EOM调制频率设置为70Hz，耦合器一端口输出的光经过30cm掺铒光纤后测量的原始输出波形和参考信号波形归一化结果如图3所示。在980nm泵浦功率为0mW时，信号光相对参考光有一定的延遲，泵浦功率为30mW时，信号光相对参考光出现了超前现象。

在光通信系统中，通常将输入信号与输出信号峰值位置之间的时间差定义为延迟量或超前量，延迟量或超前量与信号半宽之比定义为相对延迟量或相对超前量，用F表示，即 ，（  为信号半宽），延迟或超前量与群折射率的关系为[7]： 。由于慢光是光谱烧孔附近存在剧烈折射率变化引起的，随着泵浦功率增大，烧孔宽度增宽，慢光介质的响应带宽也将增大。不同980nm泵浦功率会对介质的吸收和增益状态产生影响，所以掺铒光纤快慢光大小不仅与调制频率有关，还和980nm泵浦功率有关。实验中掺铒光纤长为30cm，EOM正弦调制波形频率为10Hz～1kHz时测得的F值如图4所示，F值为负表示慢光，为正表示快光。当980nm泵浦为0mW，调制频率为50Hz时，最大相对时延量为-0.05916，计算出群折射率为 ，群速度 远远小于真空群速度。当980nm泵浦功率大于10mW后，随着泵浦功率增大逐渐出现快光;功率增大到30mW，调制频率为80Hz时，最大相对超前量为0.03983，群折射率为 ，群速度为 。当泵浦功率为0mW，调制频率为10Hz时，最大延迟时间为2.0641ms;功率增大到30mW时，测得的最大超前时间为0.8664ms。可以发现在泵浦功率较低时EDF为慢光介质，在泵浦功率较大时将成为快光介质。在调制频率一定的情况下，调节泵浦功率不仅能实现慢光到快光的转换过程，而且最佳调制频率点（即快慢光介质的带宽）也呈增大的趋势。D4B4F91D-123D-48EB-8206-9BBC992BFC04

由于 与光纤长度有关，对于高浓度掺饵光纤而言，光纤长度太长对光的吸收也会很强，进入光电探测器时信号光较弱，探测器可能无法响应或信号噪声很大，反而不利于比较不同长度对延迟的影响，因此实验中选择了30cm、50cm、70cm三种较短的光纤进行实验。在调制频率 时测量结果如图5所示。从图中可知，30cm长的EDF在980nm泵浦功率为12.73mW，出现延迟与超前的临界点，而50cm的EDF临界点功率为17.74mW，70cm长EDF在20mW内均为慢光。对不同长度的掺铒光纤而言，当介质都位于慢光区域时，光纤长度越大延迟量越大，70cm长的EDF最大延迟量达到了1.9747ms，所以应用时可通过延长光纤长度来增强慢光，实验结果也与理论相符。

3 结论

本文以慢光技术为切入点，以便于和光纤系统结合的掺铒光纤为慢光介质，进行基于CPO效应的慢光理论及实验研究。实验结果表明：在掺铒光纤中，调制频率越低延时越小，并且工作频率为低频，30cm掺铒光纤在调制频率为50Hz时，可实现群速度从-253.5497m/s到60.2561m/s的可控快慢光，延时为ms量级，群折射率改变量可达1.1832×106。在此研究基础上，我们可以通过采用慢光的可控群折射率对传感系统进行灵敏度调节，为提高传感系统灵敏度提供了一种新方法。本文在进行慢光实验时，研究了泵浦功率、调制频率等因素对慢光的影响情况，但没有考虑到掺铒光纤浓度对慢光的影响，所以还可以进一步深入研究不同粒子浓度对慢光的影响情况。

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作者简介：孙维（1980-），陕西澄城人，副研究员，现就职于中煤科工集团重庆研究院有限公司，从事智能传感和大数据应用技术研究。联系电话：13627665369，电子邮箱：16965737@QQ.com

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