基于光纤迈克尔逊干涉仪的光学双稳态器件研究

柳春郁，叶红安

（黑龙江省普通高等学校电子工程重点实验室，哈尔滨 150080）

0 引 言

由于光学双稳态器件 （Optical Bistability Device，简称为OBD）能直接处理光信号，并具有带宽大、开关时间短、并行处理信号等优点，所以在光信息处理［1－2］、光检测、快速光开关、光逻辑门［3－4］、激光功率稳定器［5］、高速光纤通信、光存储领域及光学计算机等技术应用广泛［6－8］。实验中的混合型光学双稳态装置，在ASE光源1 525～1 565nm的40nm带宽范围内得到了频域可连续调变的光输出。光纤迈克尔逊干涉仪 （Michelson Interferometer，MI）采用萨格耐克干涉仪作为反射镜，与传统的光纤迈克尔逊干涉仪反射镜采用光纤端面镀膜的制作工艺［9］比较，制作简单，使用方便；与光纤布拉格光栅 （Fiber Bragg Grating，FBG）结构作为非线性调制器［5，7］比较，对比度可调谐，间距可调，波长可选择。利用光纤MI作为光学双稳态系统的调制器，当频域可连续调变的光入射到光纤MI后得到关于光纤MI透射率的调制曲线，同时从其透射光中取样，将得到的光强信号转换为电压信号作为反馈电压加到FFP上。实验通过改变加在FFP上的偏置电压VB，改变光纤MI的输入光强Iin以及改变反馈电压增益G3种运行方式分别实现了光学双稳态，实验结果与理论一致。

1 实验原理

混合型光学双稳态装置一般由光调制器M（控制参量为φ）、光束分离器P、光电检测器D、反馈放大器F组成，见图1。强度为Iin的输入光线进入调制器M，输出光的一部分由P取样，经D光电转换后由F放大，反馈回去再控制调制器M的控制参量φ。将M，P所组成的系统称为传输系统，D，F以及F到M间的转换元件所组成的系统称反馈系统。

图1 混合型光学双稳态框图Fig．1 Frame of hybrid bistability

实现双稳态必须同时满足如下两个条件：

1）双稳系统中必须存在一个物理量φ能够对透射光强It进行调制，使该物理量与透过率之间具有非线性关系，即要有非线性调制特性：

其中Iin为入射光强。

2）透射光必须能通过某种反馈方式进行反馈控制该物理量，使该物理量的改变量Δφ随透射光强It变化，即要有负反馈特性：

其中，K为比例常数。

反馈曲线和调制曲线的交点就是光学双稳器件的工作点。

2 实 验

由实验装置图2可知，ASE光源输出的宽带经过FFP，由压电陶瓷驱动FFP进而控制注入到MI的光强Iin，PZT电压由偏置电压VB（式 （1）中的φ）和反馈电压VF（式 （2）中的Δφ）两部分构成。

利用光纤MI作为该光学双稳系统的调制器，该结构中光纤MI采用自行拉锥制作耦合器构造的萨格耐克干涉仪作为反射镜，萨格耐克干涉仪可以反复利用，反射率方便可调，不同于传统的光纤反射镜结构见图2。当频域可连续调变的光通过光纤迈克尔逊干涉仪后输出的光被50：50的耦合器C1分束，一路光经由耦合器C1的一个输出臂至分束比为80：20的耦合器C2分束，80%的光输入至光功率计以监测光功率，20%的光输出至光谱仪以监测光谱。另一路光由耦合器C1的另外一个输出臂从通过MI后的透射光中取样，经光电探测器进行光电转换，将光强信号转换为电压信号，再由电子放大器A对该微弱电信号放大后作为反馈电压VF施加到FFP中的压电陶瓷PZT上，构成光电反馈电路。

图2 实验装置图Fig．2 Experimental setup

光纤MI作为非线性调制器，输出光谱图见图3。

从ASE发出的宽带光经ISO、MI后输出光谱见图3（位于中间位置的干涉条纹）。其上方为ASE光源的输出光谱，下方光谱图为以上2个光谱图作差而成。

图3 ASE宽带光经ISO、MI后输出光谱图Fig．3 Output spectral diagram when wide－band light of ASE via ISO and MI

图2所示装置有3种双稳工作方式：

1）通过固定输入光强Iin，改变加在FFP滤波器上的偏置电压VB，使反馈曲线发生平移。在此过程中，反馈曲线与调制曲线的交点为该工作方式下的双稳态工作点，即通过调节VB实现双稳运行。

2）通过固定FFP滤波器上的偏置电压VB，改变输入光强Iin，从而改变反馈曲线的斜率，实现双稳运行。

3）通过固定FFP滤波器上的偏置电压VB、输入光强Iin，改变反馈曲线的斜率即调节放大器的增益G，从而改变反馈曲线的斜率，实现双稳运行。

3种双稳工作方式分别见图4～图6。

1）当固定MI的输入光强Iin时，调FFP的偏置电压VB所得实验曲线见图4。实验装置中光电反馈电路包括光电探测器D和电子放大器A两部分，G为反馈电路的反馈放大系数，G＝10 000。

图4 偏置电压VB与输出光强Iout关系图Fig．4 Relationship between input intensity VB and output intensity Iout

2）当固定FFP中PZT的偏置电压VB＝8．645V，调Iin时，实验曲线见图5。反馈电路的反馈放大系数，G＝10 000。

3）当固定FFP中PZT的偏置电压VB＝8．645V，固定MI的输入光强Iin，调反馈电路增益G时，实验曲线见图6。

3 结 论

实验中利用Amplified Spontaneous Emission（ASE）光源和 Fiber Fabry－Perot（FFP）光纤扫描滤波器，在ASE光源1 525～1 565nm的40nm带宽范围内得到了频域可连续调变的光输出。利用光纤MI作为光学双稳态系统的调制器，当频域可连续调变的光入射到光纤MI后得到关于光纤MI透射率的调制曲线，同时从其透射光中取样，将得到的光强信号转换为电压信号作为反馈电压加到FFP上，实现了3种运行方式，分别实现了光学双稳态，实验结果与理论一致。

该实验提供了一种新型的多种运行方式电光混合频域光学双稳态器件，可以用于光纤通信、光纤传感领域。

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