（光学专业论文）非线性导波双稳特性的理论研究.pdf

西南大学硕士学位论文 摘要 非线性导波双稳特性的理论研究 光学专业硕士研究生：田剑锋( $ 2 0 0 4 0 8 4 0 ) 指导教师：夏光琼教授 摘要 非线性导波双稳开关在光学逻辑运算、全光信号整形与再生、解分复用、光存储、全光 波长转换等光计算及光通信领域有着潜在的应用价值。研究表明，非线性光纤光栅双稳开关 作为全光双稳开关的一种典型器件，其在实际应用中存在着许多限制因数：阈值能量太大， 因而采用普通激光器比较难于实现，且容易导致光栅被损伤；双稳环宽度太小，使开关稳定 性较差；上支斜率太大，不利于对脉冲进行整形和限幅等等。因此，改善非线性布拉格光栅 的双稳态性能已成为人们研究的一个热点。基于此，本论文将对非线性布拉格光栅的双稳态 性能作较为深入的研究。 从耦合模理论出发，提出一种通过引入线性啁啾改善线性负切趾型布拉格光栅双稳态性 能的设计方案。结果表明：在线性负切趾型布拉格光栅中引入正啁啾，将有利于降低开关阈 值、使双稳环的上支变得平坦以及扩大能实现双稳的入射光波长范围：光栅长度对正啁啾、 线性负切趾型布拉格光栅的双稳开关阈值、环的宽度、开关对比度等都有明显的影响，合理 选择光栅长度，可对其双稳态性能进行进一步优化。 基于耦合模理论。利用椭圆积分方法对非线性布拉格光栅0 q l a g ) 的双稳特性进行了理论 分析，推导出较为普遍情形下表述n l b g 输出强度和输入强度之日j 关系的解析表达式，并采 用数值模拟的方法研究了非线性布喇格光栅双稳态对光栅内部参数的依赖性。结果表明： n l b g 双稳特性不仅对耦合系数与光栅长度的乘积具有整体依赖性而且对耦合系数和光栅长 度具有单一依赖性。 该论文的研究成果对非线性光纤光栅双稳开关的优化设计具有一定的指导意义。 关键词：光学双稳非线性光纤光栅线性啁瞅线性负切趾 椭圆积分 耦合系数光栅长度 两南丈学硕士学位论文 t h e o r e t i c a li n v e s t i g a t i n go nt h e c h a r a c t e r i s t i c so fn o n l i n e a r o p t i c a lb i s t a b l e s w i t c h i n g m a i o r ：o p t i c s a d v i s o r ：p r o f g u a n g q i o n gx i a a u t h o r ：j i a n f e n gt i a n ( s 2 0 0 4 0 8 4 0 ) a b s t r a c t 1 1 1 en o n l i n e a ro p t i c a lb i s t a b l es w i t c h i n gh a sc o n s i d e r a b l ep o t e n t i a l si n o p t i c a l c o m p u t a t i o na n do p t i c a lc o m m u n i c a t i o nf i e l d s ，s u c ha so p t i c a lg a t eo p e r a t i o n s ，s i g n a l r e s h a p e a n d r e g e n e r a t i o n , o p t i c a l t i m e - d i v i s i o n d e m u l p l e x i n g ，o p t i c a lm e m o r y , a l l o p t i c a lw a v e l e n g t hc o n v e r t i o n ，e t c t h er e s e a r c hr e s u l t sh a v es h o w e dt h a t , t h e n o n l i n e a r f i b e ，rg r a t i n g so p t i c a lb i s t a b l es w i t c h i n g ，a sat y p i c a lc o m p o n e n to f a l l - o p t i c a lb i s t a l es w i t c h i n g ，e x i s t sr e s t r i c t i o nf a c t o r sf o ra p p l i c a t i o n ，f o re x a m p l e ：t h e s w i t c h i n g - o nt h r e s h o l di ss oh i g ht h a ti ti sd i 仿c u l tt or e a l i z ef o rt h ec o m m o nl a s e ra n d t h ef i b e rg r a t i n gi se a s yt ob ed a m a g e du n d e rh i g hi n c i d e n tp o w e r ；t h es m a l lw i d t ho f t h eh y s t e r e s i sr e s u l t si nt h ei n s t a b i l i t yo f s w i t c h i n g ；t h es t e e pu p p e rb r a n c hi sh a r m f u lt o r e s h a p ea n dr 酷t r i c ta m p l i t u d et ot h ep u l s e , e t c ，b a s e do i lt h ea b o v ec o n s i d e r a t i o n s , i n t h i sp a p e r , t h eb i s t a b l ec h a r a c t e r i s t i c so fn o n l i n e a rf i b e rg r a t i n gh a v eb e e ni n v e s t i g a t e d f u r t h e r s t a n d i n gf r o mt h ec o u p l e dm o d et h e o r y , an o v e lm e t h o d ，b yi n t r o d u c i n gc h i r pi n l i n e a rn e g a t i v et a p e r e db r a g gg r a t i n g s ，i sp r o p o s e da n di n v e s t i g a t e df o ri m p r o v i n gt h e b i s t a b l ep e r f o r m a n c e 皿er e s u l t ss h o wt h a t , i n t r o d u c i n g p o s i t i v ec h i r pi n l i n e a r n e g a t i v et a p e r e db r a g gg r a t i n g si sh e l p f u lt od e c r e a s et h es w i t c h i n g - o nt h r e s h o l d ，f l a t t e n t h eu p p e rb r a n c ho fh y s t e r e s i s , a n dw i d e nt h eb i s t a b l e w a v e l e n g t hr a n g e ；a n dt h e 西南大学硕士学位论文a b s t r a e t i n f l u e n c eo f t h eg r a t i n gl e n g t ho nt h es w i t c h i n g - o nt h r e s h o l d ，t h ew i d t h o f t h eh y s t e r e s i s a n dt h eo n - o f fr a t i oo ft h eb i s t a b l es w i t c h i n ga r eo b v i o u s ，t h eb i s t a b l ep e r f o r m a n c ec a n b ef u r t h e ro p t i m i z e db yr e a s o n a b l ys e l e c t i n gt h el e n g t ho ft h el i n e a rn e g a t i v e - t a p e r e d b r a g gg r a t i n g sw i t hp o s i t i v ec h i r p b a s e do nt h ec o u p l e dm o d et h e o r y , t h eb i s t a b i l i t yp e r f o r m a n c eo fn o n l i n e a rb r a g g g r a t i n g s i sa n a l y z e dt h e o r e t i c a l l yi nt e r m so fe l l i p t i c i n t e g r a t i o n ，t h ea n a l y t i c a l e x p r e s s i o nd e s c r i b i n gt h er e l a t i o nb e t w e e nt h ei n p u ti n t e n s i t ya n dt h eo u t p u ti n t e n s i t yi s p r e s e n t e d c o n s e q u e n t l y ，t h ed e p e n d e n c eo ft h eb i s t a b i l i t y o nt h eg r a t i n g si n n e r p a r a m e t e r si si n v e s t i g a t e dn u m e r i c a l l y t h er e s u l t ss h o wt h a t , t h e b i s t a b i l i t y p e r f o r m a n c eo ft h en o n l i n e a rb r a g gg r a t i n g sd e p e n d so nn o to n l yt h ep r o d u c to ft h e c o u p l ec o e f f i c i e n ta n dt h eg r a t i n gl e n g t hb u ta l s ot h ec o u p l ec o e f f i c i e n ta n dt h eg r a t i n g s l e n g t hr e s p e c t i v e l y t h ea b o v er e s u l t sc a np r o v i d ea ni n s t r u c t i v ei n s i g h tt oo p t i m i z i n gt h en o n l i n e a r b r a g gg r a t i n g sb i s t a b l es w i t c h i n g k e y w o r d s ：o p t i c a lb i s t a b i l i t y , n o n l i n e a rf i b e rg r a t i n g s , l i n e a rn e g a t i v et a p e r , l i n e a r c h i r p , e l l i p t i ci n t e g r a t i o n ，c o u p l ec o e f f i c i e n t , g r a t i n gl e n g t h i n 独创性声明 学位论文题目：韭缦性昱这丞整挂：睦鲍堡淦盟塞 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得西南大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示谢意。 学位论文作者。豹硷j 锋签字日期：让胡年中月刁日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解西南大学有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许论文被查阅和借阅。本人授权西南大学研究生院可以将学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书，本论文：口不保密， 口保密期限至年月止) 学位论文作者签名“丑刽锋 签字日期：w 年牛月q 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 戮貅牛月习日 邮编： 西南大学硕士学位论文 绪论 1 1 引言 第一章绪论 非线性光学是描述物质对光场的响应与光的场强成非线性关系的光学，它是4 0 多年来随着激光器的诞生而迅速发展起来的一门新兴学科。研究光波通过具有波 长量级横向尺寸的波导的传播规律及各种效应的学科称为导波光学。在波导中由 于横向尺寸的限制导致很高的光功率密度及很长的光与介质无色散相互作用长 度，使得光波导中的非线性光学效应十分显著，因此由非线性光学与导波光学相 结合而形成的非线性导波光学有着重要的科学与应用意义。近十几年来，以微电 子器件为基础的电子技术在生产和生活中已经发挥了巨大的威力。可以预计，下 一阶段以光子器件为基础的光子技术由于克服了电子瓶颈的限制，具有快速、宽 带、平行处理、抗干扰等优点及很强的竞争潜力，其中非线性导波器件与技术无 疑将发挥重要作用。 非线性导波光学的研究范围十分广泛，涵盖光学和频与差频、四波混频，受 激拉曼与布里渊散射、超快非线性光学、压缩态、光学双稳态与混沌等领域。 光学双稳态作为非线性导波光学的重要分支，于1 9 7 5 年由贝尔实验室的 m c c a l l 等人首次发现。研究人员从置于法布里珀罗谐振腔中的钠蒸汽中测得了光 学双稳态特性【l 】。这种结合谐振腔与介质非线性的特性而得到的双稳态和不稳定性 等现象立即引起了科学家们极大的兴趣。此后的几年中，在气体、液体及半导体 等许多材料中都观察到了光学双稳态 2 - 3 1 。s m i t h 等人利用电子学与光学的结合发 展了混合型光学双稳态1 4 1 。g a r m i r e 在无腔条件下观察到双稳态现象。在1 9 8 0 年代， 人们对大量材料进行了研究，并且观察到光学双稳态效应。克尔效应以及自聚焦 等过程都可以用于产生光学双稳态。在具有大的非线性材料，如l n s b 中还观察到 多稳态与光学双稳态的实验相配合，a g r a w a l 、l u g i a t o 等人采用平均场模型对光 学双稳态作了理论处理，并在光学双稳态的稳定性等方面得到了许多研究成果p 。j 。 光学双稳态研究在1 9 8 0 年代之后取得了很大进展。研究范围由非线性法布里- 珀罗 腔及环形谐振腔推广到非线性布拉格光栅、半导体光放大器、两段式半导体激光器、 西南大学硕士学位论文 绪论 半导体光纤环激光器等无源及有源器件。应用方面，其开关效应已成功用于光学逻 辑开关、全光信号整形与再生、解分复用、光存储、全光波长转换等光计算及光通 信领域。 为了更好地理解非线性导波双稳器件的特性，我们首先对光学双稳的基本概念 作简单的概述，然后介绍光学双稳的类型及研究进展。 1 2 光学双稳概述 光学双稳态( o b i s ) 是指对于相同的输入，会有两个截然不同且稳定的光输 出态。这里的状态，可以是光功率，也可以是光波长、光场的偏振态及相位等物理 量。一般而言，光学双稳态的产生需满足两个必要条件：一是器件内部某些物理量 之间存在非线性关系；二是构成一正反馈环。如图i - l 所示：当逐渐增大输入光强时， 装置的输出光强就沿图中曲线a h b e 逐渐增大，但增幅相当缓慢，是一个稳态过 程：当入射光强增大到e 点后，输出光强就会有一个非常显著的增加，跳变到f 点， 此后，增大输入光强时，输出光强沿f i 曲线缓慢上升若此时再减小输入光强。 则输出光强沿i f d g 曲线缓慢下降，是另一个稳态过程，继续减小输入光强，透射 光强就会由g 点下跳到h 点，后又沿曲线i i a 缓慢下降，而不是沿i f e b h a 曲线 下降。 图1 1 功率双稳曲线示意图 其中：i 为输入光强，i o 为输出光强 2 西南大学硕七学位论文 绪论 1 3 光学双稳的类型及研究进展 光双稳按反馈的性质不同可以分成全光的和混合的两种。多数混合光双稳器 件是基于光电效应( 二阶非线性光学效应) 和探测器光电转换过程。全光双稳器是靠 纯光学的方法实现反馈，按其介质的性质不同可以分为有源的和无源的两类。有 源的是指其介质包含增益部分，例如双区( 吸收区和增益区) 共腔的半导体双稳激光 器。多数全光双稳器件的介质是被动介质。例如非线性法布里一珀罗标准具。全 光双稳器件是基于三阶非线性光学效应的器件。这类光双稳器件可按其介质的非 线性机制不同而分为两类：其中一类器件的非线性主要是由于强光引起介质的吸收 系数发生变化，称之为吸收型光双稳器件。另一类则是由于强光引起介质的折射 率发生变化，称之为色散型光双稳器件。目前所研究的光双稳器件大多数是色散 型光双稳器件。 1 3 i 色散型光学双稳 利用具有克尔效应( 折射率依赖光强变化) 的非线性材料构成光波导，可以制成 色散型光学双稳开关。这类双稳开关器件是基于失谐量与光强等参量间的反馈机 制。非线性法布里珀罗腔( n l f p c ) 、非线性环形谐振腔及利用非线性周期性介 质构成的非线性布拉格光栅( n l b g ) 就属这一类。 分布反馈型半导体激光放大器( d f b s o a ) 也是一种很有发展前途的色散型 开关器件。其主要特点是内部有增益介质，因此可以在较低的开关阈值下工作( 通 常低于m w 量级) 1 非线性f p 和环形谐振腔 f p 腔是由两个彼此平行的镜面构成。在两个相向的平面上镀有银或者其他反 射率较高的薄膜。若在其中置入某种非线性介质，就成为非线性f - p 腔。其腔长 可通过压电陶瓷等进行控制以实现可调谐 l ，两个端面的反射膜也可用由多层介 质薄膜构成的分布布拉格反射光栅( d b r ) 等代替。f - p 腔的双稳效应起源于由腔 内光功率、非线性折射率变化及共振频率构成的正反馈环，即：输入功率的增大 3 西南大学硕士学位论文绪论 通过非线性折射率变化使f - p 腔共振频率逐渐向入射光频率靠近，失谐量的减小 又会引起腔内光功率的增大，结果，当腔内光功率超过某一阈值时，f p 腔与入射 光处于共振态，出现上跳行为；反之，当输入功率在此基础上减小时，将以另一 种途径出现下跳行为，即与历史记忆有关。采用非线性系数较大的材料( 如多量 子阱、琉化玻璃、某些聚合物等l 协12 1 ) 有利于降低开启阈值。非线性环形谐振腔 在结构上与n l f p c 稍有不同，图1 2c a ) 给出了这种谐振腔的结构示意图。入射 光经由半反镜m l 、m e 、非线性介质及全反镜m 3 、m 4 在腔内往返运行，经历一定 的相移后与前一次留在腔内的入射光相干叠加，最后由m 2 输出。对于由光纤构成 的非线性环形谐振腔，镜面的作用可用光纤定向耦合器代替 1 3 - 2 1 l ，图1 2 ( b ) 给 出了其结构示意图。 ( a )( b ) 图1 2 ( a ) 非线性环形谐振腔( b ) 由光纤及定向耦合器组成的非线性环形谐振腔 非线性环形谐振腔的基本工作原理是：当入射能量较低时，若入射光频率偏 离腔体的谐振频率，能量透过率较低。随着入射能量的增大，腔体内部能量的增 大引起非线性介质折射率的改变，从而使谐振频率向入射光频率靠近，反过来促 使内部光能量增大。这种正反馈的最终结果是，当入射能量超过某一阈值时，输 出光能量出现上跳现象；反之则出现下跳现象。输入输出曲线表现为一迟滞回线， 即s 形双稳环。 上述双稳开关一个引人注目的特点是，当入射能量超过一定范围时，腔内介 质的非线性响应能够引发倍周期发展成为混沌【”捌。即使采用连续波注入，调制 不稳定性与反馈的共同作用也能破坏解的稳定性，形成周期性输出以至混沌现象。 不稳定性对双稳器件的开关特性不利，但是在时钟恢复等方面有一定的应用前景 4 西南大学硕士学位论文 绪论 【2 7 】。另一个特点是，在双稳开关的临界点附近，理论上对应无限长的响应时间， 称为临界慢化效应【2 ”。增大入射光功率，可在一定程度上抑制这种效应。实际上， 不稳定性和临界慢化效应是双稳系统的固有特性。 从实用的角度看，n l f p c 的腔长较短( 一般为um 量级) ，适合于超快光学逻 辑开关 2 9 - 3 2 及超短脉冲的整形等。2 0 0 2 年，v a n 等人基于g a a s - a i g a a s 等半导体 材料的双光子吸收( t p a ) 引起的自由载流子吸收( f c a ) 及非线性折射率变化， 制成了半径2 5um 的微型环形腔波导，腔体的品质因子高达1 0 0 0 0 。利用这一特 点，在较低的功率水平下观察到开关时间为p s 量级的光学双稳，并采用泵浦一探测 方案实现了光学路由、波长转换、解分复用、逻辑开关等功能p ”。 2 非线性布拉格光栅 图1 - 2 光纤光栅折射率变化示意图 纤芯 典型的n l b g 包括一维非线性周期性介质及非线性光纤光栅。一维非线性周 期性介质是将两种具有不同非线性折射率系数的介质薄膜周期性结合一起制成 的。普通的光纤光栅( 折射率沿轴向周期性变化，图i - 2 给出了其结构示意图) 在 高能量辐射条件下会表现出非线性效应。其制作过程利用了光纤在掺杂某些元素 ( 如锗、磷、硼、铝等) 后所具有的光敏性【3 4 】。光纤光栅最初是1 9 7 8 年由h i l l 等 人利用利用驻波法制造的1 3 5 1 ，但由于该方法制作的光栅只能工作在特定的波长附 近，限制了其使用范围。后来随着这一方法被发展为全息相干法 3 6 ，3 7 1 、相位掩膜 法1 3 8 3 9 及逐点写入法 4 0 , 4 ”，各种新型非均匀光纤光栅应运而生。光纤光栅可以广泛 地分为两类：光纤布拉格光栅( 又称为反射型光栅或短周期光栅) 和传输型光纤光栅 ( 又称为长周期光纤光栅) 。布拉格光栅中的耦合发生在反向传播的模式之间，而 长周期光纤光栅中的耦合发生在同向传播的模式之间。这一点是由两模式之间发 生耦合的相位匹配条件决定的。光纤中传播的两模式之间发生耦合的相位匹配条 西南大学硕士学位论文 绪论 件为： 屈一压= 妻， 其中屈和岛分别分别为模式i 和模式2 的传播常数，a 为光栅周期。由上式 可知，光栅周期的长短将决定传播常数差的大小，即参与耦合的两模式的传输方 向一致与否。当光栅周期较短时，正向传播的纤芯导模与反向传播的纤芯导模之 间发生耦合：当光栅周期较长时，正向传播的纤芯导模与正向传播的包层模之间发 生耦合。 厂、 饥 纠救 卅“1 翻1 驯秘15 7 x 1 0 4 图1 - 3 光纤光栅的反射谱 有两种方法用来研究布拉格光栅是如何影响波在光纤中的传播的。一种方法 是布洛赫理论( b l o c hf o r m a l i s m ) ；另一种方法是分别处理前向和后向传播的光。 布拉格光栅提供二者之间的耦合，这种理论就是所谓的耦合模理论，已经在不同 领域取得了一定的成功。研究表明，光栅的透过率与入射光频率有关，处于某一 频率范围的光会受到阻隔，形成光子带隙( p b g ) ，其大小与耦合系数有关( 图1 - 3 所示) 。n l b g 在光子带隙( p b g ) 边缘表现出丰富的非线性特性。在p b g 的高失 谐端，由于光栅具有较大的反常群速度色散而表现出慢布拉格孤子效应，可用于 光脉冲压缩以获得超短光脉冲1 4 “”。在光子带隙内，由于非线性折射率、内部能 量、入射光与布拉格谐振频率间的失谐量构成的正反馈环导致p b g 随入射能量的 变化而移动，最终呈现双稳开关效应i ”4 7 1 ，内部物理机制可作如下解释：当入射 强度较小时，光栅内部非线性效应较弱，入射波完全处于光子禁带( p b g ) i 为部，透 6 西南大学硕士学位论文 绪 论 射率很小；随着入射强度的增大，光栅内部能量增大，非线性效应增强，p b g 相 对于线性情形下向长波长方向移动；当入射强度增大到使入射波靠近p b g 边缘时， 输出端透射率将产生一个跳变，即双稳开关效应。同时，与n l f p c 类似，当输入 光很强时，输出功率由于反馈过强可能会表现出自脉动及混沌等特性 4 8 1 。 在n l b g 中观察光学双稳态要受较大的开关能量的限制( 对光纤而言，临界 功率通常超过l k w ) ，这可通过两种方法来解决。一种是让光栅工作在脉冲状态， 一方面可产生较大的峰值功率，另一方面又不致于对光栅造成损伤。另一种方法 是对n l b g 的纵向引入相移、啁啾及空间切趾等非均匀结构，可改善其双稳的开 关阚值、对比度等特性 4 9 - 铆。 研究发现，在n l b g 的中间引入2 相位差可使开关能量减少两个数量级甚 至更多【5 0 , s t l 。因为 4 ( 半光栅周期) 距离对应2 相位差，这种光栅称为 4 光 栅或相移光栅，通常用于制作分布反馈半导体激光器。如图l - 4 ( a ) 所示，将两 个均匀光栅紧靠相连，并在其间保持一固定距离可实现相移光栅。也可通过在制 作光栅时阻塞较小的区域，或者蚀刻掉光栅的一些部分实现这种结构。 如果使光栅的周期沿光纤纵向改变，就成为啁啾光栅，如图l - 4 ( b ) 所示。 特别地，将光栅周期设计为沿轴向线性变化，这样的光栅称为线性啁啾光栅。在 常用的全息相干法中，用不同曲率的干涉波前造成千涉图案的条纹间隔不均匀， 从而产生变化的周期。实际中，在干涉仪的一臂或双臂使用柱透镜。对光纤产生 机械变形或温度梯度场及系列均匀光栅复合的方法也可以实现啁啾光栅。这种非 线性光栅沿轴向存在多个布拉格谐振频率，有利于提高频谱利用率【5 2 1 。 将碉啾的概念进一步延伸，设法使光栅耦合系数沿纵向变得不均匀，就构成 了切趾光栅，如图l - 4 ( c ) 所示。实际上，紫外光的强度的变化通常转化为耦合 系数的轴向变化。耦合系数的变化可同时引起p b g 宽度及群速度色散的变化，通 过选择合适的切趾参数，可以优化脉冲压缩及双稳开关的效果m j 。 ( a ) 西南大学硕士学位论文绪论 折 ( b ) 射 塞 折 ( c ) 射 塞 图1 4 非均匀分布的非线性布拉格光栅折射率分布示意图。( a ) 相移型。( b ) 啁啾 型，( c ) 切趾型 3 半导体光放大器 半导体激光器( l d ) 在光纤通信领域有着广泛的应用。如果使其工作在激射 阈值以下，就成为半导体光放大器( s o a ) 。通常分为行波放大器( t w - s o a ) 和 f - p 谐振光放大器( f p - s o a ) 。其中，f p - s o a 由于具备选频功能而兼具放大和滤 波的作用。另外，在一定条件下，由增益饱和引起的失谐量与内部光场间的反馈 可激发双稳效应冈。实际上，f p s o a 的双稳及滤波功能可用分布反馈半导体光放 大器( d f b s o a ) 来代替 5 7 - 6 1 1 。相比之下，d f b s o a 由于其性能可以通过改变 内置光栅的结构进行优化而更具灵活性。如果使分布反馈激光器( ( d f b l d s ) t 作 在阐值电流以下，就构成了分布反馈半导体光放大器( d f b s o a s1 。由于内置光栅 的存在，放大器可对不同频率的光进行选择性放大，即兼具放大和滤波的作用。 另外，与f p 谐振腔光放大器类似，若入射功率接近有源层的饱和功率，有源层 内光功率、有效折射率、入射频率与放大器谐振频率间的失谐量形成一正反馈环， 导致色散型光学双稳的发生与无源双稳器件相比，它具有较小的上跳阈值( 通常低 于m w 量级) ，因而在光开关、光存储、光学逻辑运算、解复用、信号整形与再生 等领域更具潜力通过引入空间相移、啁啾等菲均匀性，可改善其开关阔值、开关 速度、对比度等双稳特性。例如，相移d f b s o a 表现出较低的上跳闽值，引入啁 啾增加了可利用的频率范围 6 2 5 1 。 实验方面，m a y w a r 等人报道了利用两束光在d f b s o a 中交叉相位调制来实现 全光寄存的方案脚l 。实验中将作为控制光的s e t r e s e t 信号均置于光栅的“光子带 隙”之外，且将r e s e t 信号的波长调整到d f b s o a 增益带宽之外，从而克服了全光 记忆装置所需负脉冲的困难。最近，k i m 等人利用集成的d f b s o a 芯片实现了各 0 西南大学硕七学位论文 绪论 种开关功能 6 7 1 。d f b s o a 的全光开关特性具有消光比较高的特点，还可用来克服 t w - s o a 在波长转换方面的不足，文献 6 8 1 给出了相关实验细节。 除了上面介绍的几种器件外，外腔半导体激光器、注入锁定半导体激光器中 也存在光学双稳等非线性行为陋翻，基本原理都是基于载流子消耗引起的增益介 质折射率与腔体谐振频率等物理量之间的反馈。从这个意义上说，它们同属色散 型光学双稳器件。 1 3 2 吸收型光学双稳 ( a ) ( b ) 图1 5 ( a ) 掩埋条形t b l d 结构示意图，( b ) l n g a a s p 多量子阱t b l d 结构示意图 两段式双稳半导体激光器( t b l d ) 是典型的吸收型双稳开关，由l a s h e r 等人 于1 9 6 4 年首次提出作为逻辑元件【7 3 】。图1 5 ( a ) 给出了一种利用液相外延生长法 ( l p g ) 制作的掩埋条形t b l d 结构示意图【7 4 】。其基本思想是将激光器的不同部 分注入不同的电流，其中一部分高于阈值，构成增益区，而另一部分则低于阈值， 构成吸收区。t b l d 双稳开关效应的原理是：当增益区注入电流增加时，腔内光子 数密度的变化引起吸收饱和效应，吸收区载流子密度及增益的恢复反过来又导致 光子数密度的增加，这种正反馈使之表现出开关行为。 有关t b l d 的开关特性已有大量的理论及实验研究【7 s 。”1 。尽管由于激光器的 开、关状态分别对应于激射态及自发辐射态，开关对比度很高，但从根本上说， 9 西南大学硕士学位论文 绪论 它是光电混合型的，而不是全光型的，加之载流子寿命的限制及容易表现出自脉 动等不稳定特性【”7 8 1 ，因而在提高开关速度、增强稳定性等方面有待改进。国内 外在这方面已有初步进展。从注入锁定半导体激光器的特性得到启示，采用注入 光技术可使t b l d 成为全光型开关，速度得以明显提耐酆l 。在此基础上，d u a n 等 人建议利用质子束轰击激光器吸收区的方法来提高开关速度。这种方法造成了被 轰击部分的缺陷，从而增加了无辐射复合的速率，结果，实现了2 5 g b s 且误码率 ( b e r ) 低于1 0 母的开关操作”近年来，基于多量子阱( m q w ) 材料制造的 t b l d 引起了人们的极大兴趣，因为它具有较大的微分增益系数、模场限制因子、 有利于光子集成，特别是具有较小的载流子寿命，可将开关时间减少至p s 量级。 图1 - 5 ( b ) 给出了利用金属有机化学气相沉积法( m o c v d ) 制作的i n g a a s p 多 量子阱t b l d 跖l ，分布反馈结构可保证较好的单模输出。实验取得了低于2 0 0 p s 的开启时间。 1 3 - 3 双模光学双稳 双模光学双稳态主要起源于两种振荡模式或极化模式间交叉增益饱和引起的 竞争。 1 双纵模光学双稳 这种光学双稳态的工作原理可表述为【8 7 l ：当输入电流超过阈值时，首先引起某 种振荡模式处于激射状态。此时，继续增加电流，非激射模的增强会引起激射模 的增益饱和。这种行为又进一步引起非激射模的增益恢复。最终，当电流超过某 一阈值时，激射模跳至自发辐射状态，而原来的非激射模则跳至激射状态，从而 形成反向的s 形双稳环。 2 0 0 2 年的一个实验在半导体光纤环激光器( b s f r l ) 中观察到了双纵模光学 双稳，如图1 - 4 ( a ) 所示【蚓。图中极化器用来实现波长可调谐，掺铒光纤放大器 ( e d f a ) 可放大光数据流以获得s e t 触发信号，r e s g t 信号则利用调节放大的自发 辐射噪声( a s e ) 水平来实现。实际上，通过调节s o a 的电流也可形成双稳环。 图1 4 ( b ) 、( c ) 分别给出了i 5 7 0 6 n m 及1 5 7 9 n m 的起振波长对应的功率一电流特 性曲线，从图中可看到两个模式的相互转换。同年，研究人员首先利用太赫兹光 西南大学硕士学位论文 绪论 ( b ) 学非对称解复用器( t o a d ) 在2 5 g h z 数据流中提取触发信号，再结合b s f r l 实现了全光i 己i - z , s g 。 ； l l h 粕i w c m m a z 一0 0 棚 ( b ) ( a ) 菩 | 州b q o s o a f - n ( c ) 图l - 4 ( a ) b s f r l 结构设计示意图，( b ) 1 5 7 0 6 n m 起振波长对应的功率一电 流特性曲线，( c ) 1 5 7 9 n m 起振波长对应的功率一电流特性曲线 2 极化模光学双稳 通常情况下，半导体激光器的激射模主要是t e 模，这是由于该模式比t m 模 的模场限制因子及净增益大得多。如果在有源层引入应力，将会改变其辐射特性。 内部应力引起了基片与外延层间的晶格失配，从而增强了t m 模的增益，激光输 出就会出现t m 模主导、模式共存、模式转换以及极化模光学双稳等现象。在实 际中，1 0 9 d y r d c m 2 的应力足以使t e 和t m 模的激射阈值几乎相等；通过温度的 改变也可以达到控制内部应力以及极化模特性的效果 9 0 1 。 极化模光学双稳也是两种极化模交叉增益饱和的结果1 9 1 1 。为了诱发全光型极 化模双稳，m o r i 等人提出采用t m 模相干光注入来提高开关速度 9 2 1 。如果将该方 西南丈学硕士学位论文 绪论 法应用于具有复耦合( 折射率及增益耦合) 的d f b 激光器，开关速度还可进一步 提高1 9 3 1 。k a w a g u c h i 等人在外腔激光器中观察到高速极化模开关效应，同时发现了 一种新的双稳环叉形双稳州。进一步引入失谐光注入，不仅可获得低于i n s 的转换速度，还可通过调节失谐量对开关特性进行灵活控制。 1 4 本文的工作及意义 本文将对非线性布拉格光栅的双稳特性进行理论研究，主要内容如下： 1 从耦合模理论出发，对线性负切趾型布拉格光栅中引入啁啾后其双稳特性 的变化进行了研究。结果表明：引入正啁啾有利于改善线性负切趾型布拉格光栅 的双稳态性能；通过合理选择正啁啾、线性负切趾型布拉格光栅的长度，可对其 双稳态性能进行进一步优化。 2 基于耦合模理论，利用椭圆积分方法对非线性布拉格光栅( n l b g ) 的双稳特 性进行了理论分析，推导出较为普遍情形下表述n l b g 输出强度和输入强度之间 关系的解析表达式，并采用数值模拟的方法研究了非线性布拉格光栅双稳态对光 栅内部参数的依赖性。结果表明：n l b g 双稳特性不仅对耦合系数与光栅长度的 乘积具有整体依赖性，而且对耦合系数和光栅长度具有单一依赖性。 光开关可实现在全光层的路由选择、波长选择、光交叉连接以及自愈保护等 重要功能；因此光开关是全光通信许多设备中的关键光器件，其性能将直接影响 全光通信的质量。本文对非线性布拉格光栅的双稳特性所作的研究，为这类器件 的优化设计提供了理论依据。 1 5 参考文献 【1 】s l m c c a l l ，h m g i b b s ，t n c v e n k a t e s a n o p t i c a lt r a n s i s t o ra n db i s t a b i l i t y j = o p t s o c a m 鼠6 5 ，1 1 8 40 9 7 5 ) 【2 】2d a b m i l l e r , d s c h e m l a , t c d a m e ne ta 1 n o v e lh y b r i do p t i c a l l yb i s t a b l e s w i t c h ：t h eq u a n t u mw e l ls e l f - e l e c t r o - o p t i ce f f e c td e v i c e a p p l p h y s l e f t ，4 s , 1 3 ( 1 9 8 4 ) 西南丈学硕士学位论文绪 论 【3 】t k o b a y a s h i ，n c k o r h a r i , h u c h i k i n o n d e g e n e r a t et w o - p h o t o no p t i c a l b i s t a b i l i t yi naf a b r y p e r o tc a v i t yf i l l e dw i t hl a r g e p e r m a n e n t - d i p o l em o l e c u l e g p h y s r e v a ，2 9 ，2 7 2 7 ( 19 8 4 ) 【4 】p w s m i t h h y b r i db i s t a b l eo p t i c a ld e v i c e s o p t e n g ，1 9 ，4 5 6 ( 1 9 8 0 ) f 5 】gp a g r a w a l ，c f l y t z a n i s t h e o r yo ft w o - p h o t o nd o u b l e - b e a mo p t i c a lb i s t a b i l i t y p h y s r e v a ，2 4 ，3 1 7 3 ( 1 9 8 1 ) 【6 】l - a l u g i a t o , j d f a r i n a , l m n a r d u e c i q u a n t u m - s t a t i s t i c a lt r e a t m e n to ft h e t r a n s i e n ti na b s o r p t i v eo p t i c a lb i s t a b i l i 够一l o c a lr e l a x a t i o n p h y s r e v 互2 2 ，2 5 3 ( 1 9 8 0 ) 【7 1l a l u g i a t o , r j h o r o w i e ze ta 1 i n s t a b i l i t i e si np a s s i v ea n da c t i v eo p t i c a l s y s t e m sw i t hag a u s s i a nt r a n s w e r s ei n t e n s i t yp r o f i l e p h y s r e v a ，3 0 ，1 3 6 6 ( 1 9 8 4 ) 【8 】a t d t r a n , y h l oe ta l s u r f a c em i e r o m a c h i n e df a b r y p e r o tt u n a b l ef i l t e r i e e e p h o t o n t e c h n 0 1 l e t t 8 ，3 9 3 ( 1 9 9 6 ) 【9 】p t a y e b a t i ，p d w a n g ，d v a k h s h o o r ie ta 1 w i d e l yt u n a b l ef a b r y - p e r o tf i l t e ru s i n g g a ( a i ) a s a i o xd e f o r m a b l em i r r o r s i e e e p h o t o n t e c h n o ll e t t 1 0 3 9 4 ( 1 9 9 8 ) 【1 0 】s r v i g i l ，z z h o u ，b k c a n f i e l de ta 1 zo p t s o c a m b ，d u a l c o f cs i n g l e - m o d en o n l i n e a rf i b e rc o u p l e r 1 5 ，8 9 5 ( 1 9 9 8 ) 【1 1 1d m a r c h e s e , m d es a i r o , a j h ae ta 1 h i g i l l yn o n l i n e a rg e s b a s e dc h a l c o h a l i d e g l a s sf o r a l l - o p t i c