柳春郁，葉紅安

（黑龍江省普通高等學(xué)校電子工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150080）

0 引 言

由于光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)器件 （Optical Bistability Device，簡稱為OBD）能直接處理光信號，并具有帶寬大、開關(guān)時間短、并行處理信號等優(yōu)點(diǎn)，所以在光信息處理［1－2］、光檢測、快速光開關(guān)、光邏輯門［3－4］、激光功率穩(wěn)定器［5］、高速光纖通信、光存儲領(lǐng)域及光學(xué)計(jì)算機(jī)等技術(shù)應(yīng)用廣泛［6－8］。實(shí)驗(yàn)中的混合型光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)裝置，在ASE光源1 525～1 565nm的40nm帶寬范圍內(nèi)得到了頻域可連續(xù)調(diào)變的光輸出。光纖邁克爾遜干涉儀 （Michelson Interferometer，MI）采用薩格耐克干涉儀作為反射鏡，與傳統(tǒng)的光纖邁克爾遜干涉儀反射鏡采用光纖端面鍍膜的制作工藝［9］比較，制作簡單，使用方便；與光纖布拉格光柵 （Fiber Bragg Grating，F(xiàn)BG）結(jié)構(gòu)作為非線性調(diào)制器［5，7］比較，對比度可調(diào)諧，間距可調(diào)，波長可選擇。利用光纖MI作為光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)的調(diào)制器，當(dāng)頻域可連續(xù)調(diào)變的光入射到光纖MI后得到關(guān)于光纖MI透射率的調(diào)制曲線，同時從其透射光中取樣，將得到的光強(qiáng)信號轉(zhuǎn)換為電壓信號作為反饋電壓加到FFP上。實(shí)驗(yàn)通過改變加在FFP上的偏置電壓VB，改變光纖MI的輸入光強(qiáng)Iin以及改變反饋電壓增益G3種運(yùn)行方式分別實(shí)現(xiàn)了光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論一致。

1 實(shí)驗(yàn)原理

混合型光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)裝置一般由光調(diào)制器M（控制參量為φ）、光束分離器P、光電檢測器D、反饋放大器F組成，見圖1。強(qiáng)度為Iin的輸入光線進(jìn)入調(diào)制器M，輸出光的一部分由P取樣，經(jīng)D光電轉(zhuǎn)換后由F放大，反饋回去再控制調(diào)制器M的控制參量φ。將M，P所組成的系統(tǒng)稱為傳輸系統(tǒng)，D，F(xiàn)以及F到M間的轉(zhuǎn)換元件所組成的系統(tǒng)稱反饋系統(tǒng)。

圖1 混合型光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)框圖Fig．1 Frame of hybrid bistability

實(shí)現(xiàn)雙穩(wěn)態(tài)必須同時滿足如下兩個條件：

1）雙穩(wěn)系統(tǒng)中必須存在一個物理量φ能夠?qū)ν干涔鈴?qiáng)It進(jìn)行調(diào)制，使該物理量與透過率之間具有非線性關(guān)系，即要有非線性調(diào)制特性：

其中Iin為入射光強(qiáng)。

2）透射光必須能通過某種反饋方式進(jìn)行反饋控制該物理量，使該物理量的改變量Δφ隨透射光強(qiáng)It變化，即要有負(fù)反饋特性：

其中，K為比例常數(shù)。

反饋曲線和調(diào)制曲線的交點(diǎn)就是光學(xué)雙穩(wěn)器件的工作點(diǎn)。

2 實(shí) 驗(yàn)

由實(shí)驗(yàn)裝置圖2可知，ASE光源輸出的寬帶經(jīng)過FFP，由壓電陶瓷驅(qū)動FFP進(jìn)而控制注入到MI的光強(qiáng)Iin，PZT電壓由偏置電壓VB（式 （1）中的φ）和反饋電壓VF（式 （2）中的Δφ）兩部分構(gòu)成。

利用光纖MI作為該光學(xué)雙穩(wěn)系統(tǒng)的調(diào)制器，該結(jié)構(gòu)中光纖MI采用自行拉錐制作耦合器構(gòu)造的薩格耐克干涉儀作為反射鏡，薩格耐克干涉儀可以反復(fù)利用，反射率方便可調(diào)，不同于傳統(tǒng)的光纖反射鏡結(jié)構(gòu)見圖2。當(dāng)頻域可連續(xù)調(diào)變的光通過光纖邁克爾遜干涉儀后輸出的光被50：50的耦合器C1分束，一路光經(jīng)由耦合器C1的一個輸出臂至分束比為80：20的耦合器C2分束，80%的光輸入至光功率計(jì)以監(jiān)測光功率，20%的光輸出至光譜儀以監(jiān)測光譜。另一路光由耦合器C1的另外一個輸出臂從通過MI后的透射光中取樣，經(jīng)光電探測器進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，將光強(qiáng)信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，再由電子放大器A對該微弱電信號放大后作為反饋電壓VF施加到FFP中的壓電陶瓷PZT上，構(gòu)成光電反饋電路。

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig．2 Experimental setup

光纖MI作為非線性調(diào)制器，輸出光譜圖見圖3。

從ASE發(fā)出的寬帶光經(jīng)ISO、MI后輸出光譜見圖3（位于中間位置的干涉條紋）。其上方為ASE光源的輸出光譜，下方光譜圖為以上2個光譜圖作差而成。

圖3 ASE寬帶光經(jīng)ISO、MI后輸出光譜圖Fig．3 Output spectral diagram when wide－band light of ASE via ISO and MI

圖2所示裝置有3種雙穩(wěn)工作方式：

1）通過固定輸入光強(qiáng)Iin，改變加在FFP濾波器上的偏置電壓VB，使反饋曲線發(fā)生平移。在此過程中，反饋曲線與調(diào)制曲線的交點(diǎn)為該工作方式下的雙穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)，即通過調(diào)節(jié)VB實(shí)現(xiàn)雙穩(wěn)運(yùn)行。

2）通過固定FFP濾波器上的偏置電壓VB，改變輸入光強(qiáng)Iin，從而改變反饋曲線的斜率，實(shí)現(xiàn)雙穩(wěn)運(yùn)行。

3）通過固定FFP濾波器上的偏置電壓VB、輸入光強(qiáng)Iin，改變反饋曲線的斜率即調(diào)節(jié)放大器的增益G，從而改變反饋曲線的斜率，實(shí)現(xiàn)雙穩(wěn)運(yùn)行。

3種雙穩(wěn)工作方式分別見圖4～圖6。

1）當(dāng)固定MI的輸入光強(qiáng)Iin時，調(diào)FFP的偏置電壓VB所得實(shí)驗(yàn)曲線見圖4。實(shí)驗(yàn)裝置中光電反饋電路包括光電探測器D和電子放大器A兩部分，G為反饋電路的反饋放大系數(shù)，G＝10 000。

圖4 偏置電壓VB與輸出光強(qiáng)Iout關(guān)系圖Fig．4 Relationship between input intensity VB and output intensity Iout

2）當(dāng)固定FFP中PZT的偏置電壓VB＝8．645V，調(diào)Iin時，實(shí)驗(yàn)曲線見圖5。反饋電路的反饋放大系數(shù)，G＝10 000。

3）當(dāng)固定FFP中PZT的偏置電壓VB＝8．645V，固定MI的輸入光強(qiáng)Iin，調(diào)反饋電路增益G時，實(shí)驗(yàn)曲線見圖6。

3 結(jié) 論

實(shí)驗(yàn)中利用Amplified Spontaneous Emission（ASE）光源和 Fiber Fabry－Perot（FFP）光纖掃描濾波器，在ASE光源1 525～1 565nm的40nm帶寬范圍內(nèi)得到了頻域可連續(xù)調(diào)變的光輸出。利用光纖MI作為光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)的調(diào)制器，當(dāng)頻域可連續(xù)調(diào)變的光入射到光纖MI后得到關(guān)于光纖MI透射率的調(diào)制曲線，同時從其透射光中取樣，將得到的光強(qiáng)信號轉(zhuǎn)換為電壓信號作為反饋電壓加到FFP上，實(shí)現(xiàn)了3種運(yùn)行方式，分別實(shí)現(xiàn)了光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論一致。

該實(shí)驗(yàn)提供了一種新型的多種運(yùn)行方式電光混合頻域光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)器件，可以用于光纖通信、光纖傳感領(lǐng)域。

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