（微电子学与固体电子学专业论文）全光纤结构光学双稳态及其应用研究.pdf

中文摘要 i i - - - i i ii i i i i 宣i i i i i i i i i i i i i 萱i i i i i i 置i i i i i i i i i i i 宣i i i i i i i i i 中文摘要 光学双稳现象是光电子领域中的重要非线性光学现象。光学双稳态的研究及 其取得的成果，已构成了现代光学一大主题。具有逻辑和存贮功能的光学双稳器 件，是实现光开关、光限幅、光波长切换、光整形和光调制等功能的重要基础器 件。光子晶体技术、光纤技术及微电子技术的迅速发展，有力地促进了新结构光 学双稳器件的研发及其在光通信、光纤传感、光信号处理中的应用研究。本论文 开展了全光纤结构电光混合型光学双稳性的研究，分别利用光纤光栅、光纤过耦 合器、掺铒光纤自发辐射光放大( a m p l i f i e ds p o n t a n e o u se m i s s i o n ，简称a s e ) 光 源及非平衡马赫曾德尔滤波器的非线性功率谱特性，实现了光学双稳运转。在此 基础上，开展了光学双稳性在光纤传感、光波长切换、光功率稳定器等方面的应 用研究。主要研究内容如下： 利用光纤光栅的非线性反射功率谱特性，实现了电光混合型波长调制光学双 稳运转，分别研究了在调变偏置电压、放大回路增益及输入光强三种情况下，光 学双稳特征曲线与调变参数之间的变化关系。提出了基于光学双稳原理的光纤光 栅传感解调方法，阐明了其解调机理。将传感光纤光栅作为光学双稳系统的非线 性调制元件，搭建了相应的实验系统。利用调变偏置电压进行解调时，可实现为 0 7 0 6p m 的解调分辨率；利用调变反馈回路放大回路增益进行解调时，可实现为 0 3 3 2p m 的解调分辨率。 提出了利用光纤过耦合器的非线性透射功率谱实现光学双稳态运转的新方 法。利用熔融拉锥机制作了实验所需的过耦合器，并搭建了相应的实验系统。由 于光纤过耦合器的透射功率谱具有较好的周期性，所以利用光纤过耦合器构成的 光学双稳系统可以方便地实现光学多稳运转。利用这一特性，我们提出了基于光 学多稳原理的光波长切换方法。实验中利用调变偏置电压，实现了光学双稳运转。 实验结果与理论分析相符。 提出了利用a s e 光源在1 5 2 5n m - 1 5 3 5n m 波段的非线性功率谱实现光学双稳 黑龙江大学博士学位论文 i i i l 一 i i i 宣i i i i i i i i i i 暑 运转的方法。分别对三种不同的双稳运转方式进行了相关的理论分析和实验研究， 实验结果与模拟计算相符。在分析了各种运转方式下双稳曲线与调变参量间变化 关系的基础上，探讨了采用双馈式光学双稳系统在1 5 2 5n m - 1 5 3 5n m 波段获得稳定 光功率输出的方法，并验证了其有效性。 利用非平衡马赫- 曾德尔滤波器实现了光学双稳运转。提出利用非平衡马赫 曾德尔滤波器作为应力敏感元件，能够有效消除应变与温度交叉敏感问题，同时 仍然具有波长编码的优点。实验上搭建了单通道、多通道传感系统，进行相关的 实验研究，并对影响实验结果的因素进行了分析。 关键词光学双稳态；光纤光栅；光纤过耦合器；波长切换 n a b s t r a c t a b s t r a c t o p t i c a lb i s t a b i l i t yi sa ni m p o r t a n tn o n l i n e a ro p t i c a lp h e n o m e n o ni nt h ef i e l do f o p t o e l e c t r o n i c s o p t i c a lb i s t a b i l i t ya n di t sa c h i e v e m e n t sh a v ec o n s t i t u t e dam a j o rt h e m e o fm o d e r no p t i c s o p t i c a lb i s t a b l ed e v i c e 、新也l o g i ca n ds t o r a g ef u n c t i o n si sa n i m p o r t a n tb a s i sd e v i c et oa c h i e v eo p t i c a ls w i t c h i n g ，o p t i c a ll i m i t i n g ，o p t i c a lw a v e l e n g t h c o n v e r s i o n , l i g h ts h a p i n g ，o p t i c a lm o d u l a t i o na n do t h e rf u n c t i o n s i ti ss t r o n g l y p r o m o t e db yr a p i dd e v e l o p m e n to fp h o t o n i cc r y s t a lt e c h n o l o g y ，f i b e rt e c h n o l o g ya n d m i c r o e l e c t r o n i c st h a tr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fn e ws t r u c t u r eo fo p t i c a lb i s t a b l e d e v i c ea n di t sa p p l i c a t i o n si no p t i c a lc o m m u n i c a t i o n s ，o p t i c a ls e n s i n ga n do p t i c a ls i g n a l p r o c e s s i n g i nt h i sp a p e r , i tw a sc a r r i e do u tt h a ta p p l i c a t i o no fh y b r i do p t i c a lb i s t a b l ei n a l l f i b e rs t r u c t u r e ，a n do p t i c a lb i s t a b l eo p e r a t i o nw a so b t a i n e dr e s p e c t i v e l yb yu s i n g f i b e r b r a g gg r a t i n g ，f i b e ro v e r c o u p l e r , a m p l i f i e ds p o n t a n e o u se m i s s i o n s o u r c ei n e r b i u m - d o p e df i b e ra n dn o n - s y m m e t r i cm a c h - z c h n d c rf i b e rf i l t e r o nt h i sb a s i s ， a p p l i c a t i o no fo p t i c a lb i s t a b i l i t y w a sc a r r i e do u ti no p t i c a lf i b e r s e n s i n g ，o p t i c a l w a v e l e n g t hc o n v e r s i o n , o p t i c a lp o w e rs t a b i l i z e ra n ds oo n 硼1 em a i nr e s e a r c hi sa s f o l l o w s ： u t i l i z i n gn o n l i n e a rc h a r a c t e r i s t i c so ff b gr e f l e c t i o ns p e c t n n n ，e l e c t r o - o p t i c a l h y b r i do p t i c a lb i s t a b l eo p e r a t i o nw a so b t a i n e dw h i c hw a sm o d u l a t e db yw a v e l e n g t h a n dt h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n0 p t i c a lb i s t a b l ec h a r a c t e r i s t i cc u r v ea n dt r a n s f o r m p a r a m e t e r sw a ss t u d i e d , r e s p e c t i v e l y ，i nt h r e ec a s e s ，t h a ti st r a n s f o r mb i a sv o l t a g e ，g a i n o fa m p l i f i c a t i o nl o o pa n dm p u ti n t e n s i t y d e m o d u l a t i o nm e t h o df o rf b gs e n s o r 阳6 p r o p o s e db a s e do nt h ep r i n c i p l e o fo p t i c a lb i s t a b i l i t ya n dt h em e c h a n i s mo fi t s d e m o d u l a t i o nw e r ec l a r i f i e d u s i n gs e n s i n gf i b e rb r a g gg r a t i n ga sn o n l i n e a rm o d u l a t i o n c o m p o n e n t so fo p t i c a lb i s t a b l es y s t e m ，t h ec o r r e s p o n d i n ge x p e r i m e n t a ls y s t e mw a ss e t u p a st r a n s f o r mo fb i a sv o l t a g et od e m o d u l a t ef b g ，0 7 0 6p mc o u l db eo b t a i n e df o r d e m o d u l a t i o nr e s o l u t i o n ；a st r a n s f o r mo fa m p l i f i c a t i o nl o o pg a i nt od e m o d u l a t ef b g ， 0 3 3 2 p mc o u l db e o b t a i n e df o rd e m o d u l a t i o nr e s o l u t i o n t h i sm e t h o di s f u l l y a p p l i c a b l et ot h em u l t i f i b e rg r a t i n gs e n s i n gn e t w o r kd e m o d u l a t i o n am e t h o dt oa c h i e v e do p t i c a lb i s t a b l eo p e r a t i o nw a sp r o p o s e db yu t i l i z i n g n o n l i n e a rt r a n s m i s s i o np o w e rs p e c t r u mo ff i b e ro v e r c o u p l e r f i b e ro v e r c o u p l e rw h i c h i n 黑龙江大学博士学位论文 ir=i i i i i i 暑i 昌i i i i i i i i w a sn e e d e di ne x p e r i m e n tw a sp r o d u c e db yf u s e db i c o n i c a lt a p e ra n dc o r r e s p o n d i n g e x p e r i m e n ts y s t e mw a sd e s i g n e d f o rt h eb e t t e rc y c l eo ft r a n s m i s s i o np o w e rs p e c t r u m o ff i b e ro v e r c o u p l e r , i tw a se a s i l yt oo b t a i no p t i c a lm u l t i - s t a b l eo p e r a t i o nb yu s i n gt h i s c h a r a c t e r i s t i c w e p r o p o s e dw a v e l e n g t h c o n v e r s i o nm e t h o db a s e do n o p t i c a l m u l t i - s t a b l ep r i n c i p l e c o r r e s p o n d i n gt h e o r e t i c a la n a l y s i sa n de x p e r i m e n t a lr e s e a r c h w e r ec o m p l e t e d ，a n de x p e r i m e n t a lr e s u l t sw e r ea g r e e dw i t ht h e o r e t i c a la n a l y s i s i tw a s p r o p o s e d t h a t o p t i c a lb i s t a b i l i t y w a so b t a i n e di na s es o u r c eo f e r b i u m - d o p e df i b e rb yu s i n gi t sn o n l i n e a rp o w e rs p e c t r u ma t15 2 5n m 一15 3 5n m t h r e e k i n do f o p t i c a lb i s t a b l eo p e r a t i o n w e r er e s p e c t i v e l ya n a l y z e di nt h e o r ya n dr e s e a r c h e di n e x p e r i m e n t , a n de x p e r i m e n t a lr e s u l t sw e r ea g r e e dw i t hs i m u l a t i o n s b a s eo na n g a l y s i s o fr e l a t i o n s h i pb e t w e e no p t i c a lb i s t a b l ec u r v ea n dt r a n s f o r mp a r a m e t e r si na l lk i n d so f o p e r a t i o n s ，t h em e t h o dt oo b t a i ns t a b l el i g h tp o w e ro u t p u tb yd u a l - f e do p t i c a lb i s t a b l e s y s t e ma t1 5 2 5m 一1 5 3 5n l nb a n dw a sd i s c u s s e da n di t se f f e c t i v e n e s sw a sp r o v e d u t i l i z i n gn o n - s y m m e t r i cm a c h - z e h n d e rf i b e rf i l t e r , o p t i c a lb i s t a b i l i t yw a so b t a i n e d a n di tw a sp r o p o s e dt h a ts t r a i nw a sd e t e c t e db yu s i n gan o n - s y m m e t r i cm a e h - z e h n d e r f i b e rf i l t e ra ss e n s o r , w h i c he l i m i n a t e dc r o s ss e n s i t i v i t yb e t w e e ns t r a i na n dt e m p e r a t u r e a n da tt h es a m et i m es t i l lh a dt h ea d v a n t a g eo fw a v e l e n g t hc o d e t w os e n s i n gs y s t e m s o fi tw e r ed e s i g n e da n dr e s e a r c h e di ne x p e r i m e n ta n dt h e nt h ef a c t o r sw h i c hh a d i n f l u e n c eo nt h er e s u l t so f e x p e r i m e mw e r ea n a l y z e d k e y w o r d so p t i c a lb i s t a b i l i t y ；f i b e rg r a t i n g ；o p t i c a l f i b e r o v e r e o u p l e r ；w a v e l e n g t h c o n v e r s i o n i v 黑龙江大学博士学位论文 a b s t r a c ti nc h i n e s e c o n t e n t s c o n 田e n t s 。 c h a t e r ld e v e l e p m e n th i s t o r yo fo p t i c a lb i s t a b i l i t y i 。v 1 1e a r l ys t u d i e so fo p t i c a lb i s t a b i l i t y 1 1 2o p t i c a lb i s t a b l ed e v i c e 。2 1 2 1 c l a s s i f i c a t i o no fo p t i c a lb i s t a b l ed e v i c e 2 1 2 2f i b e rc o n s t r u c t i o no p n c a lb i s t a b l ed e v i c e 5 1 3a p p l i c a t i o no fo p t i c a lb i s t a b i l i t y 7 1 3 1a p p l i c a t i o no fo p t i c a lb i s t a b i l i t y - o p t i c a ls w i t c h 7 1 3 2 1a p p l i c a t i o no fo p t i c a lb i s t a b i l i t y - s t a b l i n gs o u r c ei n t e n s i t y 9 1 3 3a p p l i c a t i o no fo p t i c a lb i s t a b i l i t y - w a v e l e n g t hc o n v e r s i o n 1 0 1 4t h em a i nc o n t e n t s 。ll c h a p t e r2t h e 队s l cp r i n c i p l eo fh y b r l do p t l c a lb i s t a b i l i r 丫 2 1p h y s i c a la n dm “n 琚m 加c a lm o d e l so fo p t i c a lb i s t a b i l i t y 。1 3 2 1 1p h y s i c a lm o d e l so fo f n c a lb i s t a b i l i t y 1 3 2 1 ：zm a t h e m a t i c a lm o d e l so fo p t i c a lb i s t a b i l i t y 13 2 2o p t i c a lb i s t a b l eo p e r a t i o nm o d e 1 5 2 2 1u s i n gt r a n s f o r mo fi n p u ti n t e n s i t yt oc h a n g es l o p eo ft h ef e e d b a c kc u r v et oa c h i e v e b i s t a b l eo p e r a t i o n 1 5 2 2 2u s i n gt r a n s f o r mo fm o d u l a t i o nc u r v et r a n s m i s s i o nt oa c h i e v eb i s t a b l eo p e r a t i o n 1 7 2 2 3u s i n gc h a n g i n gr e l a t i v ep o s i t i o nb e t w e e nm o d u l a t i o nc u r v e sf e e d b c kc u r v et o a c 阿 e v eb i s t a b l eo p e r a t i o n 1 8 2 3t h ed e f i n i t i o no fs t a t i cs t a b i l i t ya n di t sp h y s i c a lm e a n i n go fo p t i c a lb i s t a b l l i t y 2 0 2 4c h a p t e rs u m m a r y 2l c h a p t e r 3o p t i c a lb i s t a b i l i t yo ff i b e rb r a g g g f 酗汀i n ga n di t sa p p l i c a t i o n 2 3 3 1o p t i c a lb i s t a b i l i t yo ff i b e rb r a g gg r a m o 2 3 3 1 1s p e c t r a lc h a r a c t e r i g n c so ff i b e rb r a c 抡g r t i n g ，。2 3 3 1 2u s i n gt r a n s f o r mo fb i a sv o l t a g et oa c h i e v eb i s t a b l eo p e r a t i o n 2 7 3 1 3u s i n gt r a n s f o r mo fa m p l i f i c a t i o nl o o pg a i nt oa c h l e 脆b i s t a b l e0 阿t 棚o n 3l 3 1 4u s i n gt r a n s f o r mo fi n p u ti n t e n s i t yt oa c h i e v eb i s t a b l eo p e r a t i o n 3 3 3 2u s i n gp r i n c i p l e so fo p t i c a lb i s l r a b l b1 dd e m o d u l a i em u l t i , g r a t i n gs e n s o r 3 5 i i 目录 3 2 1m e c h a n i s mo fd e m o d i 儿棚o n 3 5 3 2 2e x p e 删a lr 髓b 蟠屹h 3 8 3 3u s 眦gp l m q c m l e s0 f0 m c a lb i s t a b l e i dd e s i a 悄m u l t i - f i b e rb r a g gg r = n n gs e n s o r s 4 8 3 4c h p t e rs u n n 五a r y 5 0 c h a p t e r 4r e a l l z a t l o no fb i s t a b l eo p e r a t l o nb yu s i n gf i b e ro ，e r c o u p l e r s l 4 1m a n u f a c t u r ea n dw 霄厄l 日屺t hm e a s u 髓m e r ro ff i b e ro v e r a m ，兀e r 。51 4 1 1m a n u f a c t u r eo ff i b e ro v 职o d i 聃职5 1 4 1 21 聚a n s m i s s i a nw 强m 既e n g t hc 0 l 姐象o lo ff i b e r0 v e r c 0 u p l e r 5 5 4 2r e a l i z a t i o no fb i s t a b l eo p e r a t i o nu s i n gf i b e ro v e r c o u p l e r 6 5 4 2 1n o n l 矾e a r 硼r a n s s s l o l nh e rs p e c r r lj mo ff i b e ro v e r c o u p l e r 6 5 4 2 20 p n c a lb i s 瑚l ee x p e r i m e n t a lo ff i b e ro v e r c o u p l e r 。6 7 4 2 ：le x p e r i m e n t sa n dr e s u l t s 6 7 4 3w a v e l e n g t hc o n v e r s i o n 7 0 4 4c h a p t e rs u m m a r y 7 2 c h a p t e r 5r e a l i z a t l o no fb i s t a b l eo p e r a t i o nb yu s i n ga s e 7 4 5 1d e s | g 烈o fb i s l 【a b l eo p e r 枷0 i nb yu s i n ga s e 7 4 5 1 1o u t p u tp 0 w ，e rs p e c t r u mc h a r c r e r i s t l c so fa s e 。7 5 5 1 2d e s i o no fe x p 翻r n 艇丑盯a 1 s e t u p 7 6 5 2r f a u z a t i o no fb i s t a b l e0 p e r 加0 ni na s es t r u c t u r e 7 7 5 2 1u s i n gt r a n s f o r mo fb i a sv o l t a g et oa c h | e v eb i s t a b l eo p e r 棚c 村。7 8 5 2 2u s 矾gt r a n s f o r mo fi n p u ti n t e n s i t yt oa c h i e v eb i s l = a b l eo p e r a t i o n 7 9 5 2 3u s 日h 1 0t r a n s f o r mo fa 删i f i c t 1 0 nl 0 0 pg a i nt oa c h i e v eb i s i ：a b l eo p e r a t i o n 8 1 5 2 4d ( 唧m 踟- a ld a t a o fb i s t a b l eo p e r a t i o n 8 3 5 3u s 酣gb 璐t a l ed e v i c et os t a b l eo u t p u th ) w e ro fa s eu g h ts o u r c e 8 5 5 4c h a p t e rs u m m a r y 8 7 c h a p t e r 6a p p l i c a t i o no fn o n - s y m m e t r i cm a c h z e h n d e rf i b e rf i l t e r 8 8 6 1n o n s “m e l l u cm a c h - z e h n d e rf i b e rf i l t e r 。8 8 6 1 1o u t p u ts p e c t r u mc h a r a c t e r i s t i c so fn o n s y m m e t k i cm a c h - z e h n d e rf i b e rf i l t e r 8 8 6 1 2s e n s 烈gp r o p e r t i e so f o fn o n - s y m m e t r i cm a c h - z e h n d e rf i b e rf i l t e r 9 1 6 2u s i n gn o n - s y m m e t r i cm a c h - z e h n d e rf i b e rf i l t e rt oa c h i e v eb i s t a b l eo p e r a t i o n 9 5 6 2 1u s i n gt r a n s f o r mo fi n p u ti n t e n s i t yt oa c h i e v eb i s t a b l eo p e r a t i o n 9 6 6 2 2u s i n gt r a n s f o r mo fb i a sv o l t a g et oa c h i e v eb i s t a b l eo p e r a t i o n 。9 7 6 2 3u s i n gt r a n s f o r mo fa m p l i f i c a t i o nl o o pg a i nt oa c h i e v eb i s t a b l eo p e r a t i o n 9 8 6 3e ，e r m f 日灯隗lr e s u l t so fn o n - s y m m e l l t l cm a c h - z e h n d e rf i b e rf i l t e rs t r a i ns e n s o r 9 1 9 6 3 1s i n g l ec h a n n e ls t r a i ns e n s o r 1 0 0 6 3 2m u l t i - c h a n n e ls t r a i ns e n s o r 1 0 ：1 6 4c k s t e rs u m m a r y ：1 0 7 黑龙江大学博士学位论文 c o n c l u s i o n 。 r e f e r e n c e 0 4 t j , 6 , g t 0 0 0 0 i t 0 0 0 f “l * b t t 0 0 0 ”m 一”m m 1 0 9 1 1 1 p a p e r sr e l e a s e dd u r i n gt h e s t u d yf o rad e g r e e 1 2 0 a c k n o w l e d g e m e n t s 1 2 1 o r i g i n a ls t a t e m e n t 。”1 2 2 x 第1 章光学双稳态的发展历史 i i 第1 章光学双稳态的发展历史 1 1 光学双稳态早期研究 光学双稳态( o p t i c a lb i s t a b i l i t y ，简称o b ) 是指某一特定的光学系统中在一 定输入范围内，一种输入可能存在两种输出状态，而两个状态之间可以用光信号 控制使之发生转换的现象【- 】。它是非线性光学领域内的一个重要的研究方向。近几 十年来国内外在光学双稳态方面开展了大量的研究工作，并在理论和实验上取得 了重大的进展。 光学双稳态概念最早( 1 9 6 9 年) 是在可饱和吸收介质系统中提出的，s z o k e 首先在理论上推导了光学双稳态的存在。s z o k e 文献中指出用强激光作用在充有 s f 6 的法布里一珀罗( f a b r y - p e r o t ，简称f p ) 腔上，可以产生光学双稳态 2 1 ，但 是当时并未在实验上得以证实。1 9 7 1 年光学双稳态现象在美国贝尔实验室首先被 观察到：美国贝尔实验室的a u s t i n 等人研究内部放有染料的f - p 腔，他们观察到 了从这种腔透射的激光脉冲有变窄的现象；1 9 7 4 年该实验室的m c c a l l 进一步研究 了吸收型光学双稳态的理论，他利用二能级模型处理放于腔中的介质，并考虑腔 的特性，得到了光学双稳态的计算结果，证明了光学双稳态实现的可能。1 9 7 5 年， m c c a l l 、g i b b s 和v e r k a t e s a n 在充有钠蒸汽的f p 腔中观察到了在入射激光束为某 一些强度之时，出现了两个不同的输出光强。这是第一次在实验室实现了光学双 稳态现象。此后，人们又先后使用各种材料、结构实现光学双稳态：1 9 7 8 年，英 国的p w s i m 【3 】等人利用电子效应与光学效应结合发展了混合型光学双稳的理 论。他们在置有电光晶体的f p 腔中得到了一个输入光强对应两个不同的透射输 出，人们将这种双稳态称为混合型光学双稳态。1 9 7 9 年，g i b b s 等人用脉冲染料激 光入射到g a a s 薄片中，观察到了色散型光学双稳态。同年，英国的d a b m i l l e r 4 1 等人利用i n s b 半导体单晶做成f p 腔，用c o 激光入射，也观察到了光学双稳态 现象。1 9 8 1 年w e y e r 在钠原子束中首次观察到吸收型光学双稳态。 黑龙江大学博士学位论文 事实上在非线性折射系数介质中，也能观察到光学双稳态。并且有比吸收介 质更为优越的性能，譬如，光学双稳态的入射光强更低( 双稳工作的开关功率) ， 对光源的线宽没有更高要求，也没有吸收引起的热耗散问题，因而在光学双稳态 的应用上非线性折射系数介质型比吸收型装置更受人重视【5 1 。 各国科学家们相继进行了广泛的光学双稳研究，光学双稳作为非线性光学的 重要分支之一，仅短短几年的时间，就在各种不同特性的材料、结构中实现了光 学双稳运转，如：气体【6 】、液体川、半导体【8 】、液晶【9 1 ，在f - p 腔结构【3 ，8 1 0 1 、环形 腔结构【1 1 ，1 2 】、无腔结构等反馈结构中观察到光学双稳态现象。 尤其是用半导体材料( g a a s ，i n s b 等) 制成的光学双稳器件，尺寸小( 直径 在毫米量级，厚度由几十微米到几百微米不等) ，功率低( 由十微瓦微米到毫瓦 微米量级不等) ，开关时间短( 约1 0 秒) ，这有可能发展成为未来光计算机的逻辑 元件。 一 早期的光学双稳态研究，人们致力于在不同材料、不同结构中实现光学的双 稳运转，这时的光学双稳装置都是由分立元件构成的，因此具有体积庞大、调谐 比较困难、造价昂贵、工作稳定性差以及双稳工作的开关功率较大等缺点。这些 缺点导致光学双稳在当时并没有得到实际的应用。 1 2 光学双稳器件 1 2 1 光学双稳器件分类 由于光学双稳器件是一种具有反馈的非线性光学系统，因此可以按反馈的性 质不同而分成全光光学双稳( 也称为本征型) 和混合型光学双稳( 称为非本征型) 两种；而按非线性介质的性质不同，即是否包含增益又可以分为有源光学双稳和 无源光学双稳两类；按照介质的非线性机制不同可分为吸收型光学双稳和色散型 光学双稳两类，吸收型光学双稳是介质的吸收系数在强光作用下发生变化，色散 型光学双稳是介质的折射率在强光作用下发生变化；按入射光频率与非线性介质 第1 章光学双稳态的发展历史 的某一吸收中心频率是否重合，又可分为共振型光学双稳、准共振型光学双稳和 非共振型光学双稳三类：按激光光源的输出波长是固定的还是可调谐的，可以分 为强度型光学双稳和频域型光学双稳两类；此外，光学双稳器件还可以按介质的 不同性质、状态加以分类，如液体光学双稳器件、气体光学双稳器件、半导体光 学双稳器件、波导光学双稳器件以及光纤光学双稳器件等等。 全光光学双稳器件，即本征型光双稳器件，直接将部分光信号作为反馈调控 参量，非线性地控制器件的输出。这样的反馈直接利用材料的非线性性质，反馈 速度快。而混合型光学双稳器件，即非本征型光学双稳器件，运转则依靠外部电 路等机制来实现反馈控制，对介质的非线性要求不高，一般仅需一个具有非线性 透射或反射功能的光学元件和相应的反馈电路即可实现双稳运转。我们开展的研 究属于电光混合型光学双稳。 电光混合型【1 3 - 1 6 】光学双稳态是利用光电混合装置实现的光学双稳运转。电光 混合型光学双稳器件与全光型双稳器件相比，虽然采用了探测器和辅助电路，但 对光源的要求一般不高，可采用多模弱光，而且灵活多变，既可用光信号，也可 用电信号进行控制。其调制系统可以是电光调制器 1 7 - 1 9 1 、磁光调制器【2 0 ，2 l 】、声光调 制器田】以及干涉仪结构【2 3 】等等。但它们都具有某些共同的物理特性，非线性调制 特性，我们设计的也是混合型双稳器件。 混合光学双稳装置最早是在1 9 7 7 年，p w s m i t h 2 4 1 等人设计完成，他们做了 光一电混合型的双稳态实验，其实验装置结构如图1 1 所示。实验中使用一个腔长 为1 0c m 的共焦球面f p 干