基于光纖邁克爾遜干涉儀的光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)器件研究

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(shí)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(shí)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(shí)滿足如下兩個(gè)條件：

1）雙穩(wěn)系統(tǒng)中必須存在一個(gè)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(gè)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(gè)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(gè)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(shí)，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(shí)，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(shí)，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(shí)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。

［1］ZHONG Lan－xiang，LI Jian－lang．Simple realization of switchable two－wavelength Yb－fiber and Er／Yb－fiber hybrid laser［J］．Chinese Journal of Lasers，2007，34（3）：345－349．

［2］Mao Qing－He，F(xiàn)eng Su－Juan，Jiang Jian，et al．Bistability－mapping of L－band dual－wavelength erbium－doped fiber laser based on fiber loop mirror［J］．Acta Physica Sinica，2007，48 （1）：296－300．

［3］Chen Ming，Xu Mai，Li Chunfei，et al．Optical switch and bistability based on nonlinear one－dimensional photonic crystals ［J］．Acta Photonica Sinica，2005，46（1）：98－101．

［4］Chen Li－xue，Li Chun－fei．Optical stabilizer using a bistable optical device with a exponential feedback ［J］．Journal of Harbin Institute of Technology，1983，（4）：26－35．

［5］Ye H A，Lv G H，Sun X D，et al．Hybrid optoelectronic bistability in a fiber Bragg grating by use of a tunable fiber laser［J］．Opt．Lett．，2005，30 （4）：418－420．

［6］Lv G H，Ye H A，Li J Q，et al．Hybrid optical spectral bistability in fiber michelson interferometer by use of a tunable fiber laser［J］．IEEE Photon．Technol．Lett．，2005，17：1 061－1 063．

［7］Ye H A，Liu CH Y，Lv G H，et al．Hybrid optoelectronic bistability in frequency－domain and its potential application in FBG sensors ［J］．CHIN．PHYS．LETT，2008，25 （12）：4 300－4 302．

［8］Lv G H，Ye H A，Jiang X，et al．Hybrid optical bistability by use of fiber Fabry－Perot filter ［J］．Optical Technique，2006，32 （1）：8－10．

［9］Lv G H，Ye H A，Li J Q，et al．Fiber optical bistability in frequency domain based on tunable fiber laser and its application［J］．Laser ＆ Optronics Progress，2005，42 （5）：37－42．