华中科技大学光学与电子信息学院下一代互联网接入系统国家工程实验室孙琪真教授和刘德明教授带领的研究团队，在微纳光纤谐振器件的研究中取得了重要进展。他们设计实现了一种微纳光纤桥接环形谐振器（Micro/nanofiber Bridged Ring Resonator, MBRR），首次从实验中观察到基于全光纤器件的类电磁感应透明效应（Electromagnetic Induced Transparency, EIT），并利用这一效应实现从光超前至光延迟的大范围连续可调谐光速控制，揭示了全光纤微小器件在光速控制和光存储领域中的潜在应用价值。

全光通信网，又称宽带高速光联网，是光纤通讯领域的前沿技术。它在光域上实现信息的高速传输和交换，数据信号从源节点到目的节点的整个传输过程中始终采用光信号。全光路由器是全光通信网络中的关键器件，需要具备对信号进行短时间存储、对光速延迟量进行动态控制的能力。因此，高效的光速调控对全光通信网的发展具有重要意义。

近年来，科学家们发现利用电磁感应透明效应，即激光与多能级原子之间的量子干涉效应，光速在原子云中可以被降低至17 m/s。 由于对光速的高效调控能力，经典EIT效应一直是全光存储领域的前沿研究课题，在超慢光传输和全光存储等量子信息领域具有重要的科学意义和应用潜力。但是，经典EIT效应的产生需要激光的频率与多能级原子的能级结构相匹配，仅能够在有限的光谱范围内产生，严重制约了其在宽带光通信领域中的应用。为了解决这一问题，研究者们提出采用硅基光子谐振系统替代原子系统，产生类似于EIT效应的谐振透明效应，但是要求两个谐振器的模式失配小于单个谐振器的宽度，或者两个谐振器的品质因数相差不超过两个数量级。为了达到这些要求，器件的制备过程需要非常精准的刻蚀工艺，导致成本居高。此外，硅基光子器件与现有光纤系统的低损耗耦合连接实现困难较大。

微纳光纤是指直径在波长甚至亚波长量级的特种光纤波导，具有强光学束缚、大倏势场、低损耗、高非线性等显著优势。这种微尺度波导为科研工作者提供了一个探索光物理学现象的研究平台，也拓展出更为丰富的应用场景。其中，基于微纳光纤的自耦合型谐振器已在光纤传感、光纤通信、信号处理等领域获得广泛关注。

孙琪真教授和刘德明教授研究团队，与上海大学“青年人才”牟成博教授、新加坡南阳理工大学Perry Shum Ping教授等人合作，指导博士研究生徐志林、罗亦杨等人首次利用微纳光纤设计实现了一种具有类EIT效应的微纳光纤桥接环形谐振器（MBRR）。不同于硅基光子谐振系统由两个谐振器组成，MBRR是形状类似字符“θ”的单个谐振器（如图1所示），顺时针和逆时针方向的光可同时存在于谐振腔内，并发生相消干涉，从而在MBRR中产生宽波段范围内的谐振透明效应。通过调节MBRR的耦合参数，研究者在实验中观察到了谐振透明效应的全部演化过程（如图2所示），这是国际上首次实验验证的基于全光纤器件的类EIT效应。
 

图1 微纳光纤桥接环形谐振器（MBRR）的结构示意图及实验制备结果

图2 MBRR谐振透明效应的理论和实验结果
 

在此基础上，该课题组深入研究了MBRR对光速调控的理论机制，并从实验上验证了MBRR对光速延迟量的大范围控制能力（如图3所示）。理论研究表明，得益于MBRR中的类EIT效应，谐振波长处模式的相位会发生剧烈变化，产生很大的群延时，从而实现光延迟。同时，由于MBRR的谐振光谱线宽较大，谐振波长处模式的色散特性不会被强烈改变，因此在MBRR中也可以实现光速超前。在耦合损耗极低的情况下，利用MBRR可获得高达5 ns的光速超前或延迟。实验中通过耦合效率和耦合损耗的调控，成功实现了光速从超前60 ps到延迟160 ps的连续调谐，相比国际上已报道的光纤器件光延迟量提高了一个数量级。
 

图3 MBRR应用于光速调控的理论和实验结果
 

该项研究工作填补了全光纤结构中类EIT效应的研究空白，研制的MBRR具有全光纤、低损耗、微小尺寸、宽波段多通道和光速大范围调控等优点。同时，MBRR仅由标准通信光纤制备而成，操作简单、过程可控且成本极低，在全光通信网络和光存储领域中的应用潜力巨大。相关工作发表在OSA旗舰期刊Optica [4(8), 945-950, 2017]上。

论文链接：https://www.osapublishing.org/optica/abstract.cfm?uri=optica-4-8-945