CN112423163B - 一种基于相干反馈的光缓存器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于相干反馈控制的全光缓存装置。该装置由两个线性的光学谐振腔和两个光学隔离器组成，其中一个光学谐振腔作为缓存光的主体元件，另一个腔则是通过两个隔离器与主腔单向耦合的反馈控制元件。我们发现该系统可以呈现可控的类电磁诱导透明现象，从而实现慢光效应即光信号的缓存。由于反馈控制回路增加了系统的可操控自由度，本方案可以在保持光完全透明即无损耗的情况下操控群速度延迟的大小。通过打开和关闭反馈回路，我们可以控制光信号的缓存和重新释放，且延迟的时间由反馈回路的参数调控。本方案具有装置简单、全光型、损耗小、群速度延迟大等特点。

Description

一种基于相干反馈的光缓存器
技术领域
本发明涉及一种光缓存器，特别是涉及基于诱导透明现象引起慢光效应的光缓存器。
背景技术
在光通信领域，尤其是目前正在尝试推行的全光通信领域，光的存储或缓存装置是不可或缺的。在传统的光通信中，人们主要通过光盘等需要光-电-光转换的方式在存储光信号。这类存储方式不仅会丢失部分光信息，且光电转换速率的有限性还制约了光通信的进一步发展。因此，实现有效的全光缓存是全光通信领域中迫切需要解决的问题之一。当前，研究者们主要朝着两个方向进行光缓存的研究：一是采用光延迟线等增加光程的方式；二是运用电磁诱导透明等减慢光速的方式。这两种方式都有不可忽视的缺点，目前都无法很好地胜任实际全光通信中的光缓存功能。采用光延迟线等增加光程方式会出现延迟时间有限和全光开关控制困难等问题。电磁诱导透明现象主要是基于量子干涉效应令介质的极化率出现巨大的变化，从而使得光在其中的群速度的大幅度降低。已有很多理论和实验研究证实了电磁诱导透明现象在光延迟和存储中的有效性。然而，电磁诱导透明现象一般发生在需要精密相干控制的量子系统中，对应用条件和操控技术要求较高，不方便直接应用于集成光学线路中。于是，研究者们在经典光学或者人工光学材料系统中发展出了多种多样的类电磁诱导透明现象，比如全光系统中的耦合腔诱导透明现象和人工材料中的等离子体诱导透明现象等。这些类电磁诱导透明现象，尤其是全光系统中的耦合腔透明现象，为全光量子通信中光缓存和光路由等问题提供了优良的物理机制。但是，它们也有较明显的缺点，如可操控性不够好，光透明度的最大化和群速度延迟的最优化等不能同时兼顾等，限制了部分的实际应用。因此，迫切需要设计一种装置简单、全光系统、低损耗、大的群速度延迟的诱导透明机制来实现光延迟的可控实现，以更好地服务于未来的全光通信。
发明内容
本发明的目的是针对现有的全光缓存装置的系统复杂、延迟有限、损耗大等问题，提出一种利用相干反馈诱导光透明原理来实现系统简单、群速度延迟大且损耗小的全光缓存器。
本发明是这样实现的，一种光缓存器，它包括线性的光学谐振腔一、分束器、光隔离器一、线性的光学谐振腔二、光隔离器二，其特征在于：线性的光学谐振腔一、分束器、光隔离器一、线性的光学谐振腔二和光隔离器二依次串联连接形成光回路，所述线性的光学谐振腔一作为主腔，所述线性的光学谐振腔二作为控制腔。
所述线性的光学谐振腔一由两块左右平行放置的半透半反腔镜组成。
所述分束器为50:50的线性光分束器。
所述光隔离器一和光隔离器二都是单向传光。
所述两个用于单向传光的光隔离器一、光隔离器二和作为控制元件的线性的光学谐振腔二(控制腔)形成反馈控制回路。
所述线性的光学谐振腔二是由两块平行放置的腔镜组成，其中一个腔镜半透半反，另一个腔镜则是全反射平面镜。
当待缓存的信号光从主腔的左侧腔镜输入后，其输出光会经由光隔离器一单向地输入控制腔，然后经由另一隔离器二单向地从主腔的右侧腔镜反馈回主腔。于是，腔内原有的光场和反馈回来的光场会在一定条件下发生相消干涉效应，从而导致系统的输出光呈现透明现象。根据电磁诱导透明(或者类电磁诱导透明)的原理，在透明窗口(即当输入光频率与主腔频率共振)，光的群速度会出现明显的减慢，即能达到缓存光的目的。
本发明的技术效果是：我们发现该光缓存器可以呈现可控的类电磁诱导透明现象，从而实现慢光效应即光信号的缓存。由于反馈控制回路增加了光缓存器的可操控自由度，本方案可以在保持光完全透明即无损耗的情况下操控群速度延迟的大小。通过打开和关闭反馈回路，我们可以控制光信号的缓存和重新释放，且延迟的时间由反馈回路的参数调控。本方案具有装置简单、全光型、损耗小、群速度延迟大等特点。
附图说明
图1为基于反馈控制的光缓存器的模型图。
图2为在不同的控制腔参数下，光信号的透射率和群速度延迟图；
图3为当输入信号的频率与主腔共振时的群速度延迟(即群速度延迟的峰值)随控制腔衰减率的变化图。
在图中，1、线性的光学谐振腔一2、分束器3、光隔离器一4、线性的光学谐振腔二5、光隔离器二。
具体实施方案
如图1所示，本发明是这样实现的，一种光缓存器，线性的光学谐振腔一1、分束器2、光隔离器一3、线性的光学谐振腔二4和光隔离器二5依次串联连接形成光回路，所述线性的光学谐振腔一作为主腔，所述线性的光学谐振腔二作为控制腔。
建立如图1所示的物理模型，根据量子光学理论列出主腔和控制腔中光场的运动方程
Figure BDA0002719669270000041
Figure BDA0002719669270000042
其中，a和c分别是主腔和控制腔中光场振幅；E为所输入的待缓存光的强度；γ1和γ2分别为主腔的左侧和右侧腔镜的衰减率，γc为控制腔的半透半反腔镜的衰减率；Δa和Δc分别为主腔和控制腔的共振频率与输入光频率之差，即光失谐；η为分束器的透射系数。
计算在稳态下输出光场的强度和群速度延迟与系统参数之间的关系：
稳态时，主腔中光场的振幅为
Figure BDA0002719669270000043
根据光场的输入输出关系
Figure BDA0002719669270000044
可以得到稳态下输出光场的振幅为
Figure BDA0002719669270000045
则最后输出的光信号的透射率、相位移动和群速度延迟可以由以下关系得出
Figure BDA0002719669270000051
Figure BDA0002719669270000052
Figure BDA0002719669270000053
确定既保证系统对光完全透明(即无损耗)又出现慢光(即实现光缓存)所需要的条件；
根据诱导透明现象的基本规律，当出现透明窗口时，输入信号的群速度会降低，即光速变慢。这里牵涉到两个对于光缓存器很重要的指标：信号光的缓存时间和损耗率。缓存时间直接决定于群速度延迟的大小，而光信号的损耗则可由透明度或者透射率来控制。在一般的电磁诱导透明或者类电磁诱导透明(如耦合腔诱导透明)中，这两个量是相互关联，无法独立控制，即调控其中一个量会影响另外一个量的优化。而在我们的设计方案中，由于反馈回路中主腔向控制腔的耦合强度与控制腔与主腔的耦合强度可以分别控制，多了操控自由度，于是达到了透射率与群速度延迟的独立控制。该规律可由透明窗口中心即共振处(Δa＝Δc＝0)的透射率与群速度延迟公式可以验证：
Figure BDA0002719669270000054
Figure BDA0002719669270000055
可以看出，在透明窗口中心处，透射率T完全由γ1，γ2和η决定，与控制腔参数γc无关，而群速度延迟τg与γ1、γ2、η和γc均有关。因此，可以做到在保证透射率最大的情况下，控制γc来独立调控群速度延迟的大小。
我们选取反射率和透射率相等的分束器(即
Figure BDA0002719669270000061
)，对输入信号的透射率在共振条件下求极大值，找到了透射率为100％的系统参数(即γ2＝5.8γ1或0.17γ1)。于是，我们在此条件下(γ2＝5.8γ1)选取三个不同的控制腔参数(γc＝0.01γ1,0.5γ1,2γ1),分别画透射谱和群速度延迟(图2)。可以发现，群速度延迟随着控制腔的衰减率减小而逐渐增大，而透射率一直保持100％。因此，我们的方案可以实现群速度延迟可控增加的同时让输入光在不考虑器件因素的情况下无损耗。
为了分析本设计方案中信号光出现群速度延迟的范围和适用参数条件，图3显示了在控制腔的衰减率在(10-5γ1-10γ1)范围内群速度延迟峰值的变化规律。可以看出，在该范围内，随着控制腔衰减率的减小，光信号的群速度延迟在持续增大，最大可以达到106。对于这个参数条件，即控制腔的衰减率是主腔衰减率的十万分之一，对于现有的技术来说完全没有难度，只需将主腔设计为品质因子很低的坏腔，那么，控制腔所需的较低衰减率或者较高品质因子就可以不难达到了。因此，本设计方案在系统简单、实际所需参数条件不高的情况下，能够实现全光型的低损耗、高群速度延迟的光缓存功能。

Claims (3)

1.一种基于相干反馈的光缓存器，它包括线性的光学谐振腔一、分束器、光隔离器一、线性的光学谐振腔二、光隔离器二，其特征在于：线性的光学谐振腔一、分束器、光隔离器一、线性的光学谐振腔二和光隔离器二依次串联连接形成光回路，所述线性的光学谐振腔一作为主腔，所述线性的光学谐振腔二作为控制腔；所述光隔离器一、光隔离器二和作为控制腔的线性的光学谐振腔二形成反馈控制回路；所述线性的光学谐振腔一由两块左右平行放置的半透半反腔镜组成；所述线性的光学谐振腔二是由两块平行放置的腔镜组成，其中一个腔镜半透半反，另一个腔镜则是全反射平面镜。
2.根据权利要求1所述的一种基于相干反馈的光缓存器，其特征在于：所述分束器为50:50的线性光分束器。
3.根据权利要求1所述的一种基于相干反馈的光缓存器，其特征在于：所述光隔离器一和光隔离器二都是单向传光。
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