基于磁致旋光效应的光双稳态装置

胡章伟，吴泳波,2，3，邱文婷，黄容涛， 陈绍雄，胡瑢婕，唐志列,2,3

(1.华南师范大学 a.物理与电信工程学院；b.信息光电子科技学院，广东 广州 510006； 2.广东省光电检测仪器工程技术研究中心，广东 广州 510006； 3.广东省量子调控工程与材料重点实验室，广东 广州 510006)

Szoke,Gibbs等人在理论和实验上分别提出了光双稳态的概念[1-2]：对应于某一输入光学参量，输出参量存在2个可输出的稳定态，即在非线性光学系统中，系统的输出光强和输入光强之间会出现类似于磁滞回线的滞后现象. 光学双稳器件被广泛应用在高速光通信、光学图像处理、光存储、光学限幅器以及光学逻辑元件等方面，尤其是用半导体材料制成的光学双稳器件，具有尺寸小、功率低、开关时间短等优势，将成为未来光计算机的逻辑元件. 由于光双稳态的这些重要应用价值，在光子信息技术领域一直被重点研究. 近年来，一些学者开始利用石墨烯等新型材料制备光双稳态，并在此基础上将光双稳器件的响应时间缩短到800 fs[3-6]，取得了非凡的研究成果.

根据反馈机制不同，光学双稳态装置可分为2大类：一类是全光型，利用法布里-珀罗腔的反射镜实现纯光学反馈；另一类则是混合型，如电光混合型光双稳装置[7]. 电光混合型光双稳装置不需要用法布里-珀罗腔进行反馈，系统结构简单. 但这种混合型光双稳装置一般利用LiBbO3晶体等电光晶体为非线性介质，其工作电压约1 000～3 000 V，需要加高压屏蔽的保护才能保证操作人员的安全[8]. 另一方面，使用液晶作为电光调制器的非线性介质，则受限于光学实验上所要求的高纯度液晶价格昂贵而不能广泛推广. 而利用与电光效应类似的法拉第旋光效应构建的磁光混合型光双稳装置国内外相关研究报道很少，磁光调制器所使用的重火石玻璃材料价格便宜，容易获得，同时调制系统的工作电压低，易工作，易控制. 本文构建的磁光混合型光双稳装置与之前报道的工作[9]相比，反馈系统采用了较为简单的加法器反馈电路，实验系统更加简单. 在光双稳装置中，光双稳宽度即产生光双稳态的输入信号范围大小和双稳输入启动信号即能够产双稳态的最小输入信号，都会影响其工作性能：双稳宽度大，双稳开关等双稳器件的有效工作范围就大；双稳输入启动信号大，对激光源的功率要求就高，光双稳装置就无法持久稳定地工作[10]. 本文将从理论和实验上研究在实验室条件下如何构建基于磁致旋光效应的低工作电压的光双稳装置，并在此基础上探究初始偏置宗量φ0、平均输入信号强度Ui等系统参量对光双稳装置的双稳宽度Δx、双稳输入启动信号大小x1的影响，找出合适的系统参量取值使光双稳装置具有较高的工作性能.

1 实验原理

1.1 法拉第旋光效应

利用人工方法可以使物质产生旋光性. 假如有1束线偏振光，当它沿外加磁场方向或磁化强度方向通过介质时偏振面会发生旋转，这种现象称为法拉第旋光效应[11]. 法拉第旋光效应与电光效应有类似之处，它在测量磁场、磁光器件制作等领域上都有重要的应用[12-14].

假设入射光为线偏振光，当它在介质中沿z轴方向传输距离L后，其电场强度矢量E相对于x轴，即相对于原来的振动方向转过了θ角，该角度满足

(1)

式中，n+和n-分别是入射光分解为右旋圆偏振光和左旋圆偏振光后，2束圆偏振光进入介质后的折射率.

为表征介质磁致旋光效应的强弱，定义单位长度上的法拉第旋转为旋光率，其表达式为

(2)

实验发现，光振动平面转过的角度θ与光在物质中通过的长度L和磁感应强度B成正比，即

θ=VBL，

(3)

式中,V是与物质性质、温度及入射波波长有关的常量，表达了介质旋光光特性的强弱，称作维尔德系数.

磁光调制器正是应用了法拉第旋光效应这一物理现象而使光波载荷信号的元件[15]. 当信号电流通过螺线管产生磁场时，光波的振动面发生偏转，转角与信号电流成正比，因而输出光波的偏振方向会发生变化，若让该光再通过一偏振片，则因偏振方向变化而导致从偏振片射出的光强随信号变化，这种调制被称为振幅调制[16].

1.2 理论分析

磁光混合型光学双稳装置由传输与输出反馈系统2部分组成. 其动态特性为

(4)

(5)

其中，τ1和τ2为系统和反馈部分的时间常量，k为反馈系数，T(φ)为传输部分的透过率函数，φ0是在不施加外磁场作用时的初始偏置宗量[9]，φ为控制透过率大小的量，本实验中为入射磁光调制系统的光波振动方向与出射磁光调制系统的光波振动方向间夹角的余角，称为偏置宗量，在磁光作用下，正比于加在磁光调制器的螺线管两端的激励电流.

螺线管接通一定激励电流. 输出光强经光电探测器实现光电变换，得到的电信号经过放大器放大后反馈到螺线管上，从而构成反馈回路，控制输出光强，促成输入光强-输出光强x-y之间的双稳关系.

透过率T(φ)的函数关系为

(6)

(7)

只要合理选择参量φ0和N，就可以使y成为x的多值函数，即有多解. 当N值确定时，存在最大的φ0=φ1，使φ0≥φ1时只有1个解，双稳态消失.φ1即为初始偏置宗量临界值，在临界点上由式(7)求导可得

(8)

(9)

消光比N是由作为磁光调制器材料的重火石玻璃本身性质与光线入射角决定的，实验中消光比经测量约为30，故N=30，此时φ1≈14°23′. 对φ0取不同值时，依据式(7)利用Mathematica数学软件从理论上作出系统输出量y和输入量x间的关系曲线[17]，如图1～2所示.

图1 系统输出量y与输入量x关系图1

图2 系统输出量y与输入量x关系图2

1个输入信号如果对应多个输出信号，则该信号可以产生双稳态. 能产生双稳态的输入信号范围称作双稳宽度，能够产生双稳态的最小输入信号称作双稳输入启动信号.

2 实验装置

使用信号发生器提供频率为100 Hz的正弦信号为激光源提供激励电压，从而周期性地改变输入光强的强度，通过改变信号源电压范围可以改变激光源输入光强的强度变化范围.

实验装置如图3所示，采用F05型数字信号发生器和波长670 nm、功率10 mW的HW670AD10-16GD型激光器，示波器是Pico Technology PC(PicoScope 6型)数字示波器，可连接到计算机上，PicoScope软件操控. 探测器由光电传感器ZL-G0010模块组成，接收面尺寸为10 mm×10 mm，磁光调制系统由磁光玻璃外加约1 200匝线圈密绕组成，磁光玻璃采用直径为0.8 cm、长为10 cm、维尔德系数约为800 V/(°)·T-1·m-1的重火石玻璃，为保证系统有适当的调制幅度[18-19]，用频率为1 kHz、峰峰值为10 V的正弦交变信号和输出信号经由加法器反馈电路对螺线管两端加电流进行调制. 为使重火石玻璃有较大的消光比，在玻璃上镀了1层有较高反射率的反射膜. 调整入射光角度，测得消光比约为30.

图3 实验装置示意图

为了实现同相求和，可将各输入电压加在集成运放的同相输入端，但为了引入深度负反馈，反馈电阻Rf仍需接到反相输入端. 由于“虚断”，i+=0，故对运放的同相输入端可列出节点方程

(10)

又由于“虚短”，即u+=u-，则输入电压为

(11)

由式(11)即知电路可以实现2个信号的加法运算[20]，如图4所示.

图4 加法器电路图

首先让激光源发出周期变化的光经过偏振片P1得到线偏振光，再经由和P1有相同透光方向的偏振片P2射出后，通过分光镜，一束由探测器D1接收，作为输入信号由计算机上的数字示波器软件进行观测，另一束进入由通电螺线管密绕石英玻璃构成的磁光调制器进行调制. 经正弦调制后射出的光偏振方向发生偏转，再经过偏振片P3射出，其中P3与P1夹角的余角即为初始偏置宗量φ0，经P3射出的光强由探测器D2接收并转换为电压信号后，分为2路:一路和信号发生器提供的正弦交变信号一起作为加法器电路的输入端；另一路作为输出信号经由计算机上的数字示波器软件进行观测. 通过改变初始偏置宗量φ0的值或平均输入信号的Ui强度变化范围，研究两者对双稳宽度、双稳输入启动信号大小的影响，并找到这2个参量的合适取值使光双稳装置具有更好的工作性能.

3 实验结果与讨论

3.1 初始偏置宗量驱动双稳态

输入光强对应的平均输入电压信号Ui在2～16 mV变化时，改变偏振片P3的偏转角度来改变初始偏置宗量，得到输出电压信号Uo和输入电压信号Ui关系曲线如图5所示.

(a)φ1-φ0≈6°

(b)φ1-φ0≈2°

(c)φ0≈φ1图5 不同初始偏置宗量下的输出电压信号Uo和输入电压信号Ui关系图像

从图5可以看出初始偏置宗量φ0越接近临界值φ1，双稳宽度越小，φ0=φ1时，双稳宽度为0，双稳态恰好消失,这与理论分析一致.

3.2 输入光强驱动双稳态

当初始偏置宗量φ1-φ0≈6°时，将输入信号的变化范围调整到10～15 mV，得到图6所示图像.

图6 输入信号为10～15 mV时，输出电压信号Uo和输入电压信号Ui关系图像

由图5(a)与图6比较发现，改变输入光强变化范围后，关系图像发生变化，图像由2条双稳曲线组成，从理论上看，理论双稳回线在输入信号增大时，将会出现2个以上的y值与同一个x值对应的情况，双稳曲线的个数也因此而增加.

3.3 合适初始偏置宗量的选取

输入光强对应的平均输入电压信号Ui在2～16 mV变化时，改变偏振片P3的偏转角度来改变初始偏置宗量，测量相应的双稳宽度Δx和双稳启动信号大小x1，得到不同初始偏置宗量下Δx，x1变化曲线图，如图7所示.

图7 不同初始偏置宗量下Δx与x1变化曲线图

从图7可以看出初始偏置宗量φ0≈15°时双稳态消失，因此取临界初始偏置宗量φ1=15°，当φ0≈10°时，系统有较大的双稳宽度和较小的双稳输入启动信号，此时光双稳装置工作性能较高.

3.4 合适输入信号范围的选取

当φ1-φ0≈6°时，改变输入信号变化范围，因为双稳输入启动信号大小此时基本不变，故测量相应的双稳宽度Δx，得到不同的平均输入信号下Δx的变化关系图，如图8所示.

从图8可以看出当平均输入信号Ui(输入光强经探测器转化的平均电压)在12～18 mV时，光双稳宽度都较大，低于12 mV或高于18 mV，光双稳宽度减小得都较快，因此选择12～18 mV的平均输入信号，能使光双稳装置有较高的工作性能.

图8 不同平均输入信号Ui下的Δx变化关系图

4 结束语

从理论上分析了磁光混合型光双稳装置的双稳态驱动机制，在实验室条件下对光双稳态产生和消失条件进行验证. 研究了初始偏置宗量φ0和平均输入信号Ui对光双稳装置双稳宽度Δx、双稳输入启动信号大小x1等工作性能的影响，最后找出了系统参量的合理取值，使光双稳装置具有较高的工作性能，从而提高了磁光混合型光双稳装置的实用性. 实验所构建的基于磁致旋光效应的光双稳装置可以在一般实验室条件下搭建，安全性和可操作性强.