（光学专业论文）非线性导波双稳开关的特性及应用研究.pdf

非线性导波双稳开关的特性及应用研究 学科专业：光学 指导教师：夏光琼教授 研究方向：激光与光通信 作 者：贾新鸿( 2 0 0 2 3 8 5 ) 中文摘要 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，双 稳开关在临界点附近理论上对应无限长的响应时间，即具有临界慢化效应；同 时，在双稳环上支，系统可能受非线性反馈作用的影响而进入自脉动以至混沌等 不稳定状态临界慢化及不稳定特性是双稳系统的固有属性，成为提高系统开关 速度、增强运行稳定性的主要制约因素。这些年来，国内外学者针对这一问题展 开了大嚣研究，并提出了一系列解决方案，但这些研究只是初步的，有待进一步 深入。基于此，本论文围绕若干典型非线性导波双稳开关的动态特性、稳定性及 应用等作了较为深入的研究，主要研究内容如下： 分析了线性切趾型非线性布喇格光栅( l t - n l b g ) 的双稳特性。利用线性稳定 性分析，研究了系统参量对器件动态稳定性的影响，发现负切趾光栅的稳定区范 围较正切趾更宽。 研究了相移、啁啾分布反馈半导体光放大器( d f b s o a ) 的动态双稳特性。结 果表明，相移使出射脉冲下降沿的形变及开启延迟随初始失谐量的减小呈现先恶 化后缓和的趋势。引入碉啾明显抑制了脉冲下降沿的形变，但是增加了开启延迟 所需的功率过载量。 提出一种将延时光电反馈引入两段式半导体激光器( t b l d ) 的吸收区，从而 达到控制其双稳及自脉动特性的方案，并具体分析了各参量对双稳环稳定区域、 稳定程度及自脉动等特性的影响。发现器件的稳定区域随延迟时间呈周期性变 化；双稳区域随延迟时间的增大而变窄：在一定的取值范围内，增大延迟时间有 利于增强双稳的稳定性；负反馈更容易出现不稳定性。 基于非线性f - p 腔( n l f p c ) 双稳效应，提出一种利用e d f a 和n l f p c 相 结合对经色散位移光纤压缩后的超短光脉冲迸行消基座的方案。数值模拟显示： 合理选择n l f p c 的端面反射率、e d f a 的增益以及调攘入射脉冲的中心频率与 n l f p c 腔的共振频率的失谐量，可以使入射脉冲的基座得到较好的抑制。 关键词：光学双稳，非线性布喇格光栅，分布反馈半导体光放大器，两段式半导 体激光器，非线性f - p 腔，切趾，相移，啁啾，延时光电反馈，消基座 f i c h a r a c t e r i s t i c sa n d a p p l i c a t i o n o fn o n l i n e a r o p t i c a l b i s t a b l e s w i t c h i n g m a j o r ：o p t i c s d i r e c t i o n ：l a s e r s o p t i cc o m m u n i c a t i o n a d v i s o r ：p r o f g u a n g q i o n g x i a a u t h o r ：x i n h o n gj i a 佗0 0 2 3 8 5 ) a b s t r a c t t h 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 d 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 ea n dr e g e n e r a t i o n , o p t i c a lt i m e - d i v i s i o nd 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 he o n v e f t e r , e t e 髓l cr e p o r t e dr e s u l t sh a v es h o w n t h a tt h eb i s t a b l e s w i t c h i n gc o r r e s p o n d st oi n f i n i t er e s p o n s et i m en e a rt h et r a n s i t i o np o i n t s ，c a l l e da s c r i t i c a l s l o w i n g - d o w ne f f e c t s a l s o ，t h eu n s t a b l es t a t e s s u c ha ss e l f - p u l s a t i o na n d c h a o s m a ye m e r g e i nt h eu p p e rb r a n c ho f t h eh y s t e r e s i su n d e rc e r t a i nc o n d i t i o n s ，t h e c r i t i c a l s l o w i n g - d o w na n d i n s t a b l ec h a r a c t e r i s t i c sa r et h ei n t r i n s i c p r o p e r t i e s o f b i s t a b l es y s t e m a n dr e g a r d e d 鹪t h ed o m i n a n tl i m i t e df a c t o r sf o ri n c r e a s i n gs w i t c h i n g s p e e da n de n h a n c i n gs y s t e ms t a b i l i t y i nr e c e n ty e a r s ，m a n y e f f o r t sh a v eb e e nm a d e a n dav a r i e t yo fs c h e m e sh a v eb e e np r o p o s e dt os o l v et h e s ei s s u e s h o w e v e r , t h e r e l a t e ds t u d i e sa r ep r e l i m i n a r ya n dn e e dt ob ei n s p e c t e dd e e p l y b a s e do i lt h ea b o v e c o n s i d e r a t i o m ，i nt h i sp a p e r , t h ed y n a m i c s ，s t a b i l i t ya n da p p l i c a t i o no f s o m et y p i c a l o p t i c a l b i s t a b l ed e v i c e sh a v eb e e ne x p l o i t e df l h 也e l t h em a i nw o r ko ft h i s d i s s e r t a t i o n8 x el i s t e da sf o l l o w s ： t h eb i s t a b l ec h a r a c t e r i s t i c so f l i n e a r l yt a p e r e dn o n l i n e a rb r a g gg r a t i n g ( l t - n l b g ) a r ei n v e s t i g a t e di nd e t a i l 髓el i n e a rs t a b i l i t ya n a l y s i si si m p l e m e n t e dt os t u d yt h e i n f l u e n c e so f s y s t e mp a r a m e t e r s o nd y n a m i cs t a b i l i t y t h er e s u l t ss h o wt h a tt h es t a b l e i i l r e g i m e c a nb ee n l a r g e da f t e r u t i l i z i n gn e g a t i v e - t a p e rc o m p a r e d w i t h p o s i t i v e t a p e r t h eb i s t a b l e d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fp h a s c d - s h i r e da n dc h i r p e dd i s t r i b u t e d f e e d b a c ks e m i c o n d u c t o ro p t i c a la m p l i f i e r s ( d f b s o a s ) a r ea n a l y z e d t h er e s u l t s s h o wt h a t , p h a s e - s h i f tm a k e st h e s h a p ed i m o r t i o no ff a l l i n g - e d g eo fo u t p u tp u l s e w o r s e n e d f i r s t l ya n d t h e na l l e v i a t e dw i t l lt h ed e c r e a s e di n i t i a ld e t u n i n g t h i st e n d e n c y e a r lb es u p p r e s s e db y i n l r o d u c i n gc h i r p 。 t h e o r e t i c a l i n v e s t i g a t i o n s o n c o m m a n d i n g t h e b i s t a b i l i t y a n d s e l f - p u l s a t i o n c h a r a c t e r i s t i c so f t w o - s e g m e n tb i s t a b l es e m i c o n d u c t o rl a s e rd i o d e ( t b l d ) u s i n g t h e d e l a y e do p t o e l e c t r o n i cf e e d b a c ka r ec a r r i e do u t t h ee f f e c t so fs y s t e mp a r a m e t e r so n s t a b i l i t yr e g i m e a n dd e g r e eh a v eb e e ns t u d i e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h es t a b l er e g i o n o ft b l d v a r i e s 跫- r i c d i e a d l yw i t ht h ed e l a y e dt i m e ；t h eb i s t a b l er e g i o ns h r i n k s 、析t 1 1 t h ei n c r e a s eo ft h ed e l a y e dt i m e ；t h es t a b i l i t yc a r lb ee n h a n c e df o rc e r t a i nv a l u e so f d e l a y e dt i m e ；a n d t h e i n s t a b i l i t y n b er e a c h e d e a s i l y f o r n e g a t i v ed e l a y e d o p t o e l e e t m n i c f e e d b a c k b a s e do nt h eo p t i c a lb i s t a b i l 玲e f f e c to fn o n l i n e a rf a b r y - p e r o tc a v i t y ( n l f p c ) ，a n o v e lm e t h o db yc o m b i n e dn l f p ca n de d f ai sp r o p o s e df o rp e d e s t a lr e d u c t i o n t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n sd e m o n s t r a t et h a to b v i o u sp e d e s t a lr e d u c t i o nc a nb e r e a l i z e db y s e l e c t i n gr e a s o n a b l y t h ef a c e tr e f l e c t i v i t yo f t h en l f p c ，t h eg a i no f e d f a ， a n dt h ed e t u n i n gb e t w e e nt h ec e n t l 吐f r e q u e n c yo fi n p u tp u l s ea n dt h er e s o n a n t f r e q u e n c y o f n l f p c + k e yw 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 r b r a g gg r a t i n g ，d i s t r i b u t e d - f e e d b a c k s e m i c o n d u c t o ro p t i c a la m p l i f i e r , t w o - s e g m e n tb i s t a b l el a s e rd i o d e ，n o n l i n e a rf - p c a v i t y , t a p e r , p h a s e - s h i f t , c h i r p ，d e l a y e do p t o e l e c t r o n i e f e e d b a c k ，p e d e s t a l s u p p r e s s i o n 西南师范大学研究生学位论文原创性声明 秉承我校勤奋、严谨学风，本人申明所呈交的论文是在导师指导下进 行研究工作所取得的成果，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他入已经发表或撰写过的研究成果，也不包含在我校或其他教 育机构获得学位论文上的材料，与我共同工作的同事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了谢意。 该申请学位论文与资料如有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名： 鬟垒l ! 鱼，日期：兰竺! 二歹 西南师范大学研究生学位论文版权协议书 本人完全了解西南师范大学有关保护知识产权之规定，即：研究生在 攻读学位期间所完成的论文的知识产权人单位为西南师范大学。本人保证 毕业离校后，发表攻读学位期间所完成的论文或使用这些论文中的原创性 技术成果时，署名单位为西南师范大学，或在明显位置标明，该成果是作 者在西南师范大学攻读学位期间完成的。学校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。学校可以公布 学位论文的全部或部分内容( 保密内容除外) ，可以采用影印、缩印或其 他手段保存论文。 论文作者签名：缝望翌! 垫 指导教师签名：虿拉堑 日 期：纽互，旦 非线性导波双稳开关的特性及应用研究 1 1 引言 第一章绪论 非线性光学是描述物质对光场的嚼应与光的场强成非线性关系的学科，它是 4 0 多年来随着激光器的诞生而迅速发展起来的- f 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 学相结合而形成豹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，将具有 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 激喇曼与布里渊散射、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。研究人员从置予法布里珀罗谐振腔中的钠蒸汽中测得了 光学双稳态特性“】。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1 2 - 3 。s m i t h 等人利用电予学与光学的结 合发展了混合型光学双稳态 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i 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【5 7 】。 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喇格光栅、半导体光放大器、两段式半 导体激光器、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 第一章绪论 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。评价光学双稳态器件性能的 标准主要有： 转换时间从一个状态转换到另一个状态，转换回去以及在另一个转换周 期开始之前延迟所需要的时间。 转换能量指状态转换所需的能量。分为上跳与下跳阈值。 开关对比度表示开、关两个状态的差别程度。 稳定性指两个状态的稳定性，特别是自发转换的可能性。 1 3 光学双稳的类型及研究进展 迄今，已经提出并研究了几种非线性导波双稳开关。按照形成的物理机制 的不同，大致可分为色散型、吸收型及混合型等几种。近年来，人们还在某些半 导体激光器中观察到了双模光学双稳。 1 3 1 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f p 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 成的非线性布喇格光栅( 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闽值下工作 ( 通常低于m w 量级) 。 非线性导波取稳开关的特性及应用研究 1 非线性f p 腔和环形谐振腔 f p 腔是由两个彼此平行的镜面构成，通常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【8 一，两个端面的反射膜也可用 由多层介质薄膜构成的分布布喇格反射光栅( d b r ) 等代替。采用非线性系数较 大的材料( 如多量子阱、琉化玻璃、某些聚合物等限1 5 1 ) 有利于降低开启阚值。 非线性环形谐振腔在结构上与n l f p c 稍有不同，图1 - 1 ( 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 s 、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 】，图1 1 ( b ) 给出了其结构示意图。 ( a )( b ) 图l - i ( 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 n l f p c 和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。输入一输出曲线表 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2 6 1 。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【2 7 】。另一个特点是，在双稳开关的i 临界点附近，理论上对应无限长的响应时 第一章绪论 间，称为临界慢化效应刚。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t u n 量级) ，适合于超快光学 逻辑开关 2 9 3 2 1 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 1 g a a s 等半 导体材料的双光子吸收( n 狐) 引起的自由载流予吸收( f c a ) 及非线性折射率 变化，制成了半径2 5 1 a n 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、逻辑开关等功能田l 。 2 非线性布喇格光栅 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) 在高能景辐射条件下会表现 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 1 。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，但由于该方法制作的光栅只能工作在特定的波长附近，限制了其使用范匿。 后来随着这一方法被发展为全息相干法 3 6 , 3 、相位掩膜法 3 8 , 3 9 1 及逐点写入法 4 0 , 4 1 ，各种新型非均匀光纤光栅应运丽生。 光栅的透过率与入射频率有关，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。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 散而表现出慢布瞬4 格孤子效应，可用于光脉冲压缩以获得超短光脉冲【4 2 舢1 。在光 子带隙内，由于非线性折射率、内部能量、入射光与布喇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 4 5 4 7 1 。同时i 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 引。 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( 对光纤而吉，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、碉啾及空间切趾等非均匀结构，可改善其双 非线性导波取稳开关的特性及应用研究 稳的开关阈值、对比度等特性1 4 9 - s 5 】。 研究发现，在n l b g 的中间引入r , 2 相位差可使开关能量减少两个数量级甚 至更多1 5 0 ，引】。这种光栅称为九“相移光栅，如图1 2 ( a ) 所示。将两个均匀光栅 紧靠相连，并在其问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级向改变，就成为骥瞅光栅，如图t - 2 ( 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干涉图案的条纹间隔不均匀， 从而产生变化的周期。实际中，在于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 # 线性光栅沿轴向存在多个布喇格谐振频率，有利于提高频谱利用纠鸵l 。 将啁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1 - 2 ( 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1 4 3 j 。 ( a ) 折 射 ( b ) 率 折 ，、 射 l c ) 塞 z t l 、厂八厂，j l 1 、八、厂，八 图1 - 2 非均匀分布的非线性布喇格光栅折射率分布示意图。( a ) 相移型，( b ) 啁瞅型， ( 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 ) 笫一章绪论 * d 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问的 反馈可激发双稳效应【5 “。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 l 。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。研究表明，对光栅的结构引入某 种非均匀性，可改进d f b s o a 的开关性能，尤其是可以克服有限的载流子寿命 对开关速度的限制。比如，对光栅引入相移，有助于降低开启阈值；引入啁啾则 有利于加宽可利用的频谱范围 6 2 彤】。 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 d f 交叉相位调制来实 现全光寄存的方案嗍。实验中将作为控制光的s e t 和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 各种开关功能【6 7 l 。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 、s o a 在波长转换方面的不足。文献【6 8 】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1 6 9 - 7 2 1 ，基本原理都是基予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 两段式双稳半导体激光器( 1 1 3 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 1 。图1 3 ( a ) 给出了种利用液相外延生 长法( l p g ) 制作的掩埋条形t b l d 结构示意图i7 4 1 。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 闽值，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 5 。嘲。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， 它是光电混合型的，而不是全光型的，加之载流予寿命的限制及容易表现出自脉 6 非线性导波双稳开关的特性及应用研究 动等不稳定特性 7 7 , 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，速度得以明显提高 8 3 】。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 - 9 的开关操作 蝴。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漉子寿命，可将开关时间减少至 p s 量级。图1 3 ( 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 【8 s 】，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 的开启时问。 ( a )( b ) 图1 - 3 ( a ) 掩埋条形t b l d 结构示意图，( b ) i n g a a s p 多量子阱t b l d 结构示意图 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 】；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 某一阙值时，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 第一章绪论 丽形成反向的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 u l 。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 e 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l - 4 ( b ) 、( c ) 分别给出了1 5 7 0 6 r i 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 实现了全光记忆【嘲。 看 l 重 占 ( a ) f l 州髓6 o j t 啊to f s o a ( 盯_ q ( b ) ( c ) 图1 - 4 ( a ) b s f r l 结构设计示意图，( b ) 1 5 7 0 ，6 狮起振波长对应的功率一电流辱寺性曲 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 非线性导波双稳开关的特性及康用研究 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 n 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【9 l l 。为了诱发全光型极 化模双稳，m o i l 等人提出采用t m 模相干光注入来提高开关速度1 9 2 。如果将该 方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。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。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 本文围绕若干典型非线性导波双稳器件的开关特性及应用进行研究，主要内 容如下： 1 基于非线性耦合模方程( n l c m e ) ，分析了线性切趾型非线性布喇格光 栅( l t n l b g ) 的双稳特性。利用线性稳定性分析，研究了系统参量对器件动 态稳定性的影响，发现负切趾光据的稳定区范围较正切趾更宽。原因在于，对二f 负切趾光栅，前向与后向波问的藕合力沿轴向递减，从而使光栅内部能量的分布 较为扩散，对扰动的放大作用也较弱。对于正切趾可给出类似解释。 2 从耦合模方程及载流予速率方程出发，数值分析了相移、啁啾d f b - s o a 的动态双稳特性。结果表明，相移使出射脉冲下降沿的形变及开启延迟随初始失 谐量的减小呈现先恶化后缓和的趋势，这与放大器内部能量分布相对集中有关。 引入啁啾后，某一入射频率的光只经历有限次谐振放大，从而使内部能量分布比 较均匀，明显抑制了脉冲下降沿的形变，但是增加了开启延迟所需的功率过载量。 3 提出一种将延时光电反馈引入t b l d 的吸收区，从而达到控制其双稳及 自脉动特性的方案，并利用速率方程模型，具体分析了各参量对双稳环稳定区域、 稳定程度及自脉动等特性的影响。发现t b l d 的稳定区域随延迟时间呈周期性变 化；双稳区域随延迟时间的增大而变窄；在一定的取值范围内，增大延迟时间有 9 第一章绪论 利于增强双稳的稳定性；负反馈更容易出现不稳定性。 4 基于n l f p c 双稳效应，提出一种利用e d f a 和n l f p c 相结合对经d s f 压缩后的超短光脉冲进行消基座的方案。该方案利用r 脉冲的主峰和两侧具有不 同透过率的思想。数值模拟显示：合理选择n l f p c 的端面反射率、e d f a 的增 益以及调整入射脉冲的中心频率与n l f p c 腔的共振频率的失谐量，可以使入射 脉冲的基座得到较好的抑制。 通信容量的增加对未来光信息数据的处理速度提出了更高的要求，因而不断 改善非线性导波双稳器件的开关速度、增强系统运行的稳定性等方面的熏要性是 不言而喻的。由于双稳系统的研究对象日趋复杂，各物理量间的复杂关联有待进 一步搽究，许多潜在的应用价值也有待进一步开发。本文对一些典型双稳器件特 性及应用所作的研究，为这类器件在提高开关速度及稳定性开辟新的应用领域 等方面提供了参考依据。 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 虹b i l i 劬 j o p t s o c a m b ，6 5 ，1 1 8 4 ( 1 9 7 5 ) 2 】d a b m i l l e r , d s c h e m l a , t c d a m e n e ta 1 n o v e lh y b d d o p f 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 t t ，4 5 ，1 3 ( 1 9 8 4 ) 3 】t k o b a y 勰h i ，n c k o r t m 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 ml 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 s p h y s r e v a ，2 9 ，2 7 2 7 ( 1 9 8 4 ) 4 】4p w s m i t h h y b d d b 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 ：5 6 ( 1 9 8 0 ) 【5 】g p a g r a w a l ，c f l y t z a n i s t h e o r yo f t w o - p h o t o n d 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 c 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 o n to f t 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 姆一l o c a lr e l a x a t i o n p h y s r e v a ，2 2 ，2 5 3 ( 1 9 8 0 ) 【7 】l a l u g i a t o ，j h o r o w i c ze ta 一i n s t a b i l i t i e s i np a s s i v ea n da c t i v eo p t i c a l 1 0 非线性导波双稳开关的特性及应用研究 s y s t e m s w i t hag a l l s s i a nl l a n s v e r s ei n t e n s i t y p 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 ，yh l oe la l s u r f a c em i c 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 ep h o t o r tt 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 ，pd w a n g ，d v a k h s h o o r ie ta l 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 r u s i n gg 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 ep h o 向n t e c h n 0 1 l e f 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 d e ta 1 d u a