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1、目 录第一章 引言11.1 课题研究背景11.2 世界各国研究开发现状及优缺点21.3 研究意义31.4 主要工作4第二章 半导体光放大器相关理论52.1 基本物理模型52.1.1 基本结构52.1.2 PN结的光增益62.1.3 半导体PN结62.1.4 双异质结72.1.5 端面反射率72.2 半导体光放大器的各项参数72.2.1 半导体内光与载流子的相互作用82.2.2 自发复合速率与载流子寿命92.2.3 线宽增强因子102.2.4 光功率限制因子102.2.5 腔内平均光子浓度112.2.6 载流子速率方程122.2.7 半导体内的载流子感应折射率变化122.3 FPSOA的增益13
2、2.4 小结14第三章 光学双稳态相关理论153.1 双稳态简介153.2 光双稳器件153.3 光学双稳态理论163.4 光学双稳态的应用173.4.1 光开关173.4.2 稳定光源光强183.4.3 波长切换19第四章 功率双稳模型的建立214.1 理论分析214.2 相关公式推导224.3 模型建立过程254.4 小结26第五章 对仿真模型的计算与分析285.1 偏置电流的影响285.2 初始相位失谐量的影响295.3 顶端反射率的影响315.4小结33第六章 结束语346.1 本文内容346.2 下一步学习工作方向34参考文献35致谢37外文资料原文38外文资料译文41V摘要摘 要光
3、放大器是现今光通信网络中的关键光学器件。本文主要讨论分析了通过设定平均光强为中间变量、引入载流子速率方程建立法布里珀罗光放大器（FPSOA）功率双稳模型的过程，从理论上给出了偏置电流、相位失谐量、线宽展宽因子、顶端面反射率等参数对FPSOA的跳变点、双稳环宽，开关功率等物理特性的影响，并在matlab中仿真。FPSOA具有一些特殊的性质，能够优化在光信号处理中的性能，但少有研究，所以研究它的双稳特性具有重要的意义。关键词：FPSOA，功率双稳模型，双稳环宽，跳变点IABSTRACTAbstractOptical amplifier is the key optp-electric device
4、 in modern optical communications.This article focuses on analyses by setting the average light as the middle variable, adding the rate equation of carrier to build Fabry-perot amplifier (FPSOA) power bistable model, We find out the bias current,linewidth enhancement factor,initial phase detuning,to
5、p mirror reflectivity of FPSOA,are used to control the optical power switching,the contrast ratio,and the wider of the hysteresis cycle,which can adjust the optical switching process.FPSOA Have some special properties,To optimize the performance of optical signal processing,but there are few Researc
6、h,So the bistable characteristics of it is of great importance.Keywords: FPSOA, Power bistable model, The loop width, Jump Point1第一章 引言第一章 引言在高度信息化的今天，通信已经成为了人们日常生活的一部分，各种通信新业务的出现和使用者的增多，无疑对通信网容量提出了极大的挑战。而光通信2以其高速率、大容量、可透明传送数据等优点，从一开始就吸引着人们的目光。现在光纤技术已经成为全球信息的最主要的承载体，从各国之间的国际光缆到国内的长途干线网无处不是光纤技术的贡献。人们
7、已共同意识到未来光网络应具有的能力包括：具有能传输各种业务几乎无限的带宽，能透明传输数据以使通信终端能灵活方便的升级和选择路由，而光放大器使得上述光网络优势的实现成为可能。传统的光信号放大技术采用光-电-光方法1，这种结构的光纤通信系统对长距离信号传输存在几个明显的不足：(1)由于沿途需要设置很多中继站并采用很多电子和光电子器件，极大地增加了系统的建设以及运行和维护成本。同时也减低了系统的可靠性；(2)由于中继器中电子电路响应速度和带宽的限制，使得对使用原有系统进行高速率信号传输受到“电子瓶颈”的影响而变得十分困难；(3)建造多波长中继器的复杂性使得利用DWDM技术对系统进行大规模扩容升级几乎
8、不可能实现。如果能够不经过光电和电光转换而直接对衰减了的光信号进行放大，则上述闯题均可以迎刃而解，因此对各种光放大技术的研究对光纤通信系统的发展意义十分重大，一直是光纤通信和光电子技术领域的一个倍受关注的热点研究与开发方向。1.1 课题研究背景半导体光放大器是出现最早的光放大器，它的基本结构类似于无反馈或反馈量不足以引起振荡的半导体激光器SOA在正偏压、强注入电流作用下，有源区半导体内的导带与价带间由于非平衡载流子的注入而形成粒子数分布反转，在入射光作用下通过受激跃迁产生光增益，使输入光信号得到放大3。在60年代半导体激光二极管尚未成熟，但已在温度力77K下，首先进行了GaAs同质结行波半导体
9、放大器的研究，开创了半导体光放大器研究的先河，确立了半导体光放大器的基本理论。至1970年，双异质结结构激光器问世后，又实现了行波(TW)半导体光放大器的室温连续工作。在1973年至1975年问，开始从光纤通信应用要求出发研究双异质结结构行波(TW)型和法布里珀罗(F-P)型光放大器4的特性并取得重要进展，其中在1970，zeidle和personic进行了最初的SOA实验。80年代初，采用消除反射光的光隔离器和精确的光频率调谐技术，深入研究了AIGaAs F-P光放大器5的增益、带宽、饱和增益与噪声特性及其对光纤通信系统性能的影响。同时开始研究半导体放大器的注入锬定现象、机理、设计和放大特性
10、。80年代中期开始研究适用于1.3m和1.5m波长的InGaAsP半导体光放大器。90年代以前SOA的研究主要集中在SOA的增益、饱和增益、噪声、带宽、饱和输出功率等主要特性上。90年代初，低噪声掺铒光纤放大器(EDFA)的出现使SOA的功率放大功能在光纤线路放大方面的地位受到了极大的挑战，1.55m窗口的在线放大功能基本上由EDFA完全取代。进入90年代以后，由于量子阱、超晶格技术的发展，特别是应变量子阱技术的日趋成熟，半导体光放大器的研究进入了一个新的空间，半导体光放大器的性能得到全面和大幅度的提高，特别是增益的偏振灵敏度、噪声指数已明显降低，已达到和EDFA相比拟的水平，饱和输出功率、小
11、信号增益也有显著提高。光学双稳态6是指光学系统中在一定的输入范围内对给定的输入存在着两种可能的输出状态的现象.值得注意的是,这两种状态必须可以互相转换.以光强状态为例,具有光学双稳态的系统,其输出光强和输入光强的关系呈现滞后回线.光学双稳态的必要条件是系统同时具有光学非线性和反馈机制两个因素.反馈的作用是重要的:两个输出状态的稳定性是由系统的负反馈决定而两个输出间的快速转换则起因于系统的正反馈.具有光学双稳态的光学器件称之为光双稳器件.非线性法布里一拍罗标准具是典型的光双稳器件.这种器件由非线性光学材料和反馈光腔构成.在强光的作用下,介质的非线性参数(非线性吸收系数或非线性折射率)发生变化,从
12、而引起透射光强发生变化.光强的变化进一步引起非线性参数的变化.在光腔的反馈作用下,这种变化形成正反馈过程,因而产生光学双稳态.1.2世界各国研究开发现状和优缺点 在欧洲，在欧共体的ESPRIT和RACE计划基金支持下，许多欧洲大公司正在从事SOA研究和开发，其工作中心主要集中于电信应用的SOA器件和子系统，最具实力的公司是Uniphase和Philips，他们主要进行SOA器件和子系统的生产尝试。其它公司，如Siemens、Optpspeed、Kamelian也启动对SOA开发。在北美，SOA开发主要由美国防御先进的规划机构支持，最终使用主要瞄准在与防御相关的纤维光学线路、卫星光波通信和光计算
13、机。Lucent技术Bell实验室继续领导SOA的研究和开发工作。最近几年内，一些新的北美公司(如Genoa、Agility和Axon)也开始从事SOA器件和子系统开发。日本的SOA开发工作主要瞄准实用化商用产品开发，以NEC、Mitsubishi和NTT为代表的公司致力于分组交换的SOA产品，据报道已开发出30dB增益和6dB噪声值的SOA器件。最近又提出一种新的光放大器的理论：LOA。LOA是在有源区的上下面之间设有反射层，在激光器发生振荡时，增益与反射镜的反射率之积为1，也就是说当激光器的反射率一定时，其增益也保持一定。2003年NEC公司采用了Genoa公司的第二代线性光放大器芯片，以
14、及EML芯片和调制驱动芯片，推出了传输距离达80km、10Gbps光转发器。2003年4月美国Finisar公司并购了Genoa并成功推出了LOA的商品G111，它不但可以提供可靠增益(8nm带宽增益平坦度7为0.5，整个带宽增益平坦度为1.0)，并在40Gbps的DWDM系统中极好地抑制了串扰。这种LOA的参数：带宽15301565nm，增益17dB，输出10dBm，工作电流200300mA。半导体光放大器的主要优点：(a)工作波长范围大。基于InGaAsP/In材料系的SOA能够覆盖全部的光纤低损耗窗口。(b)体积小、结构简单、功耗低、反应速度快；(c)可与其它有源和无源光电子器件进行混合
15、或单片集成。半导体光放大器存在的主要缺点：(a)不同波长通道间存在较强的交叉增益调制与非线性相互作用；(b)为消除SOA端面反射所形成的Fabry-Perot效应，需要在端面上镀抗反射膜，增加了工艺难度和制作成本。（C)在与光纤进行耦合时，芯片两端与光纤的耦合损耗均在3dB以上；(d)SOA输入端与光纤的耦合损耗将直接表现为放大器噪声因子的增加，造成SOA噪声特性的劣化。1.3研究意义利用法布里一珀罗半导体光放大器的信号处理功能，能大大优化它的性能。所以分析FPSOA的双稳特性具有十分重要的意义。另外，对半导体光放大器的数值建模与仿真分析是对其进行分析与设计的基本技术基础。同实验研究相比，它具
16、有简单、方便、分析设计速度快、成本低廉等优点。同时，它同实验研究也是相辅相成的，通过仿真分析可以指导实验研究，而实验结果又可以为仿真分析中所使用的模型与参数的改进提供可靠的依据。1.4 主要工作本论文的主要研究内容是研究和分析半导体的双稳态，根据边界条件以及F-P腔的标准理论得到腔内平均光子数与输入信号光功率之间的关系，结合载流子密度的速率方程，并考虑到半导体光放大器有源腔有效折射率和载流子浓度之间的关系来分析半导体光放大器的功率双稳特性8。通过建立出理论模型，来确定产生双稳态的必要条件，并且寻找控制双稳环宽度的途径。43第二章 半导体光放大器相关理论第二章 半导体光放大器相关理论2.1 基本
17、物理模型2.1.1 基本结构 半导体光放大器是出现最早的光放大器，它类似于一个无反馈或反馈量不足以引起激射的半导体激光器，其基本结构是一个半导体PN结，SOA在正偏压、强注入电流作用下，有源区半导体内的导带与价带间由于非平衡载流子的注入而形成粒子数分布反转，在入射光作用下通过受激跃迁产生光增益，使输入光信号得到放大。SOA两端施以抗反射涂层，以减小半导体材料与空气分界面上的菲涅尔反射。半导体光放大器还包括了数个外延生长的材料层，其中最主要的是有源层，有源层内的载流子是由加在半导体PN结上的正向偏置电流注入的。在采用双异质结构的半导体光放大器中，有源层周围是具有较低折射率的宽带隙材料，而有源层的
18、半导体材料通常具有较高的折射率和较窄的带隙，从而对注入载流子和光场形成有效的限制，使器件的注入效率和受激辐射效率大大提高。半导体光放大器现在主要利用其非线性大的优点，用予波长变换，光开关和光逻辑器件等方面，同时短距离的中继放大也可采用半导体光放大器图 2-1半导体光放大器结构示意图通常光半导体放大器分为两大类：一种是将普通半导体激光器用作光放大器，称为法布里-珀罗(F-P)半导体激光放大器，另一种是在F-P激光器的两个端面上涂上抗反射膜，以获得宽频、低噪的高输出特性。由于这种放大器是在光行进过程中对光进行放大的，故被称为行波式光放大器。图3-1给出了SOA的基本结构。但是我们必须考虑在法布里珀
19、罗腔体界面上的多次反射。这就是F-P光放大器。入射光从左端面进入，通过具有增益的有源层介质之后到达右端面，部分从端面反射，大部分从端面出射。反射光反向通过有源层至左端面，又经过一次放大，部分从左端面出射，其余部分又从左端面反射，再次通过有源层得到放大，如此反复，使反射光得到多次放大。 2.1.2 PN结的光增益如果P-N结两端加正向偏压V，则P-N结势垒将在外电场的作用下降低为(VDv)，即外电场削弱了内建电场对载流子扩散运动的阻挡作用。这时，在P-N结内原来靠载流子扩散所建立起来的平衡被外电场作用下注入的非平衡载流子所破环，使得P区和N区的费米能级重新发生分离，形成准费米能级，且满足： （2
20、-1）注入到耗尽层的非平衡载流子将通过自发辐射复合产生电致发光。当外加电压满足： （2-2）在外电场作用下，注入耗尽区内的电子和空穴通过辐射复合而产生光子的速率将大于材料对光予的吸收速率，从而在半导体内产生增益。2.1.3 半导体PN结P-N结是由P型半导体和N型半导体结合在一起构成的。由于P型半导体内具有很高的空穴浓度，而N型半导体内则具有很高的电子浓度，当两者结合在一起构成P-N结时，它们之间存在很大的载流子浓度差，使得P型半导体内的空穴向N区扩散，而N型半导体内的电子向P区扩散。这种扩散运动使得P区一侧由于缺少了空穴而形成一个带负电荷的区域，N区一侧由于缺少了电子而形成一个带正电荷的区域
21、，从而在这部分空间电荷区形成一个由N区指向P区的内建电场。这一电场使得P区的电子向N区漂移，N区的空穴向P区漂移，具有阻止载流子进一步扩散的作用。随着扩散运动的进行，内建电场逐步加强，最终扩散运动和漂移运动将达到平衡。这时，空间电荷区具有一定的宽度，内建电场也不再进一步加强而达到一定的值。根据P型半导体和N型半导体的费米能级位置可以得到P-N结的势垒高为： （2-3）由于扩散和漂移运动的结果，使得P-N结空间电荷区内的载流子浓度极低，因此也称为耗尽层。耗尽层的宽度取决于半导体材料的掺杂浓度，掺杂浓度越高，形成足够的内建电场所需的耗尽层也越窄。2.1.4 双异质结半导体同质结器件制作较为简单，但
22、有两个主要的缺点，首先注入的非平衡载流子弥散在较宽的范围内，不能有效的限制在有源区，其次，由于PN结是同种材科组成，不利于形成波导效应。这种载流子与光场在空间的弥散非常不利于两者的捃互作用，其效率也很低。采用半导体异质结可以克服上述同质结的不足异质结由具有不同带隙的半导体材料组成，可以分成同型异质结和异型异质结。半导体异质结器件一般采用双异质结，通常包括一个同性异质结和异型异质结异质结势垒对注入的非平衡载流予形成了良好的限制。由于有源区的半导体材料通常具有较高的折射率，因此双异质结还将同时形成波导提供对光场的限制作用，使光场和注入非平衡载流子同时被限制在有源区内，极大地提高了器件的注入效率和受
23、激辐射效率。2.1.5 端面反射率由于半导体材料与空气问折射率差的存在，根据菲涅尔反射定律，在半导体光放大器的端面上将存在反射。反射光对光信号的增益和整个光通信系统具有不利的影响，因此必须要减少端面的反射率。最常用的是在半导体光放大器的两个端面上施加高质量的抗反射涂覆层9。2.2 半导体光放大器的各项参数目前以半导体材料为主的光电子器件(如激光器、探测器等)和高速电子器件的制造工艺已经比较成熟,包括短波长的GaAs。和长波长的Inp体系,由于光通信技术的推动而发展迅速,它们已经发展为量子阱器件.为了实现半导体的光电子混合集成,也不可缺少半导体的光双稳器件.另一方面从材料的光学非线性来看,半导体
24、也是最好的材料.GaAs量子阱材料是室温条件下光学非线性最强的一种半导体材料.而且它具有ns量级的非线性响应时间.可以作成具有ns开关速度的光双稳器件.这种器件的开关速度主要受半导体载流子复合寿命的限制.为了提高开关速度,可以将器件的厚度尺寸做得很小,比如小于1m,利用表面复合响应提高开关速度.另外也可以采用掺杂质的办法提高器件的开关速度.量子阱半导体器件还有一个优点,就是可以利用调节阱宽的办法随意改变工作波长.2.2.1 半导体内光与载流子的相互作用半导体材料中能带之间的电子辐射跃迁和简单的二能级材料系统中的电子在分离的上下能级之问的辐射跃迁十分相似10。(1)自发辐射根据费米统计的一般原理
25、，电子总是以较大的几率占据能量较低的状态，导带电子主要处于导带底部，而价带空穴则主要处于价带顶部。同时，处于导带底的电子可以自发地返回到价带与价带顶的空穴复合，同时将多余的能量以光子的形式放出.(2)受激辐射当外场中的电子能量大于半导体的禁带宽度时，该光子可以使处于导带的电子跃迁到价带，与价带的空穴复合，同时释放出一个与入射光子相同的光子。(3)受激吸收和光生载流子在外部辐射场的激励下，处于价带中的电子可以通过吸收一个光子的能量而跃迁到导带，产生电子一空穴对。此外，半导体内电子发生辐射跃迁需要满足以下两个基本条件：一是，电子在能带问的辐射跃迁需要满足能量守恒和动量守恒条件；二是，在发生辐射跃迁
26、的始末态之间，始态上必须存在电子，同时相应的末态上必须存在空穴。由于半导体内载流子可以通过自由扩散或漂移运动进行转移，根据半导体材料的这一特性可以通过简单的直接电流注入对半导体光放大器迸行泵浦。一方面，外部的正向偏置电压使耗尽区的P-N结势垒降低；另一方面由偏置电流注入的非平衡载流子将通过扩散运动进入耗尽区(有源区)，从而在有源区内形成粒子数反转分布，从两利于实现对光信号的放大。2.2.2 自发复合速率与载流子寿命在没有外场作用的情况下，半导体内的非平衡载流子可以通过自发复合向平衡态过度。半导体内的自发复合过程主要包括自发辐射、Auger复合和SRH复合一次自发辐射过程是一个导带电子与一个价带
27、空穴复合而发出光子的过程，因此自发辐射速率与材料中的导带电子浓度及价带空穴浓度成正比： （2-4）其中Brad为比例系数。由于有源区半导体材料一般为非故意掺杂的本征型半导体，有np，因此； （2-5）同时自发辐射速率也可以用载流子自发辐射寿命表示为： （2-6）Auger复合是一对电子一空穴对复合后产生的能量和动量使另一个载流子跃迁至更高能态的过程，属非辐射复合。这个过程涉及到两个电子和一个空穴或者一个电子与两个空穴考虑到有源区内n p的情况，Auger复合速率可表示为； （2-7）其中为Auger复合系数。 另外一种非辐射复合过程是在声子的参与下载流子被处于禁带中的半导体材料缺陷态和表面态所
28、俘获的过程。这种过程一般不能满足动量守衡条件，过程中将伴随声子的吸收或发射。由于过程中只涉及一个电子或一个空穴，考虑到有源区内np的情况，复合速率可表示为： （2-8）所有总的自反复合的载流子速率为： （2-9）上述载流子的自发复合速率也可以用载流子寿命表示为： （2-10）2.2.3 线宽增强因子线宽增强因子定义为极化卓的实部对载流子浓度的微分和极化率的虚部对载流子浓度的微分的此率，即： （2-11）根据Kramers-Kronig关系，把极化率转化为线性增益和微分增益，便可以得到线宽增强因子和线性增益或微分增益之间的关系： （2-12）2.2.4 光功率限制因子光功率限制因子是器件横截面上
29、光强在有源区内分布的一个参数，是有源区内所传导的光功率占总光功率的比例。半导体光放大器中的横向光场，分布在器件横截面上有源区周围的一个区域内，但只有分布在半导体光放大器有源区内的光子才能与注入载流子发生相互作用而被放大。光通过SOA时所能获得的光增益应当是材料增益与光功率限制因子的乘积。图2-2 半导体光放大器有源区的光功率限制作用示意图2.2.5 腔内平均光子浓度 有源腔内由自发辐射引起的平均光子浓度11又S1av为： （2-13）其中自发辐射项，B:自发辐射速率。有源腔内由注入信号光引起的平均光子浓度S2av： （2-14）其中Pin：注入信号光功率，有源区截面积，vg:群速度。根据腔内载
30、流子守恒可以得到 （2-15）其中载流子复合项，A为缺陷复合速率，C为俄歇复合速率，jp为泵浦电流密度，自发辐射因子就是沿放大器轴向的自发辐射光子率。e为电子电量。FPSOA的阈值条件为。结合前面的方程可以得到阈值载流子浓度为： （2-16）在阈值点忽略手机辐射项和输入光功率项，令S1av和S2av为0,可以导出有效的注入阈值电流密度12jth： （2-17）2.2.6 载流子速率方程载流子速率方程反映的是半导体光放大器中载流子的变化规律。从前面的分析可以看出，载流子随时间的变化率主要由三部分决定：注入载流子的速率，信号光和噪声光信号受激辐射而复合的载流子速率，以及载流子的自发复合速率即： （
31、2-18）其中J表示注入电流密度，表示电流注入效率，dact表示半导体光放大器有源区的厚度R(N)表示自发复合所引起的载流子减少的速率，是为描述饱和特性而引入的增益压缩因子，P为所考察点处总的光功率，表示正、反向缓变光场。式中R(N)可表示为： （2-19）或者： （2-20）前者是从自发复合过程的角度来考虑，后者是从载流子自发复合寿命的角度来考虑。2.2.7 半导体内的载流子感应折射率变化在特定载流子浓度注入情况下可以得到半导体光放大器的增益谱，对于不同的载流子浓度，SOA的增益是不同的，同时光信号感应折射率也各不相同，它可以由Kramers-Krongig关系导出 （2-21）其中CP函数
32、是取积分主值。因为包含一个奇点，即当w=w0时被积函数发散，取积分主值是在复平面内挖掉奇点后所完成的对频率域的积分2.3 FPSOA的增益假设有源区载流子浓度是均匀的，入射光场为，SOA左右端面的透射系数分别为tl和t2，反射系数分别为r1和r2，有源层长度为L，则SOA输出光为多次透射光之和，可写为: （2-22）为有源层的复传输常数，可表示为： （2-23）其中为模式限制因子，g为有源层增益系数，砸为有源层损耗系数，为有源层相位系数，n为有源层折射率。经过一定转换，我们可以得出SOA的增益表达式为： （2-24）式中，R1和R2为FPSOA的端面反射率，Gs为有源区单程增益，其表达式为：
33、（2-25）其中，为光场限制因子，gm为有源区材料增益系数，gm和与载流子浓N和入射光波长有密切关系,有源层损耗系数，K0为本征吸收损耗系数，K1为非本征吸收损耗系数.为单程相移，其表达式为： （2-26）其中，是注入光的波长，是放大器波导的有效折射率，其表达式为： （2-27）其中为载流子浓度为0时的有效折射率，为有效折射率与载流子浓度的差分系数，N为载流子浓度。2.4 小结 本章首先给出了关于半导体光放大器的基础结构，类似于一个无反馈或反馈量不足以引起激射的半导体激光器，其基本结构是一个半导体PN结。然后就后面几张中讨论的物理参量来进行讨论，如端面反射率，线宽增强因子等等。本章中还着重介绍
34、了载流子速录方程，这是解光放大器相关知识的根本，许多公式均是在速率方程来演化推导而出的，并且与载流子寿命密切相关。最后还介绍了FP腔的增益公式，这个也是最后我们研究的基础。第三章 光学双稳态相关理论第三章 光学双稳态相关理论3.1 双稳态简介光学双稳态（Optical Bistability）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。作为一种重要的非线性光学现象,法布里一珀罗标准是作为典型的非线性光双稳器件，研究其双稳性在非线性学科基础研究领域具有重要意义。这种器件由非线性光学材料和反馈光腔构成.其外形很像一个激光
35、器.不同的是其中的介质不是激光放大介质,而是非线性介质.在强光的作用下,介质的非线性参数(非线性吸收系数或非线性折射率)发生变化,从而引起透射光强发生变化.光强的变化进一步引起非线性参数的变化.在光腔的反馈作用下,这种变化形成正反馈过程,因而产生光学双稳态.人们对光学双稳态有兴趣的主要原因是因为光学双稳器件大多数被应用在光计算、高速光通信、光储存、光学逻辑元件，以及光传感、光学图像的处理、光学限幅器、光学精密计量技术以及激光控制等方面。由于半导体技术及半导体材料等方面的发展，由半导体材料(GaAs、InSb、AIGaAs等)制成的半导体光学双稳器件，这种器件的直径约为几毫米，厚度也不足几百微米
36、，开关时间大概为10-12秒，功率大约为10微瓦平方微米l毫瓦/平方微米之间，由于他的这种尺寸小，功率低等优点，可以把它集成化，成为未来光计算的主要应用元件。3.2 光双稳器件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的某一
37、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13，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
38、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、磁光调制器、声光调制器以及干涉仪结构等等。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。 3.3 光学双稳态理论典型的光学双稳器件和激光器同样都有光学谐振腔,激光器的谐振腔理论14完全适用于光双稳器件.与激光理论
39、一样,光学双稳态理论也具有经典理论、速率方程理论和半经典理论等形式.甚至有人建立了光学双稳性与激光器的统一理论.在光与物质作用的描述中对激光器其增益系数为正号,而对光学双稳性改为负号,变成吸收系数.尽管光双稳态在理论处理方法上与激光有相似之处,而且从热力学观点来看两者皆属于耗散系统,但是两者有着本质的区别.可以证明激光器是第二类热力学相变系统,而光学双稳态则是第一类热力学相变系统.光学双稳态是指给定的一个光强的激光束入射到某种系统，透射光强具有两个可以相互转换的稳定的状态，且这两个稳定输出光强状态可以相互转换。能产生光学双稳态的装置称为双稳装置。其光学系统产生光学双稳态的必要条件是系统同时具有
40、反馈机制和非线性两个因素，缺一不可，但是反馈机制是最重要的，两个输出的光信号可以快速的发生转换是取决于光学系统的正反馈，对于其中可以产生稳定的输出信号是由光学系统的负反馈所决定的。在普通物理中的电磁学中曾介绍过磁滞回线，在非线性光学中的光学双稳态也产生类似磁滞回线的现象，在光学双稳态的特征曲线中，即延迟性和突变型。此外,光学双稳态还有其不同的理论描述,如图解法、势阱模型、突变理论、相变模型等.光学双稳态的动态行为可以分为两类一类是不稳定性.它是研究当系统的输入光强不物理变时由于系统内在的原因而发生不稳定输出的现象.包括周期振荡、分岔和混沌等.产生不稳定性的原因很多,通常较多的原因是系统内有两种
41、作用相反的非线性机制相互竞争(Mcc4ll不稳定性）,或者因为反馈系统的延时作用(kIeda不稳定性).双稳态不稳定性理论的发展推动了激光器不稳定性的研究.另一类是瞬态行为.它研究输入光的强度与相位发生瞬态变化或外加控光脉冲作用引起系统输出的瞬态变化规律.总之,光学双稳态是研究具有反馈的非线性光学系统的稳态和动态行为的光学前沿课题.光学双稳态的研究开辟了非线性光学的新领域,它对激光物理学、凝聚态物理学、非平衡态物理学和非线性科学的发展起了促进作用.3.4 光学双稳态的应用3.4.1 光开关光学双稳器件具有不同的高、低两种输出状态，并且两种状态可以通过光信号进行控制，这一点类似于电子器件中广泛应
42、用的逻辑门，也就是说可以实现与电子器件类似的功能。而与电子器件相比，由于它处理的是光信号，所以又具有开关速度快和不受电磁干扰等优点，因此可以广泛应用于光开关器件、光逻辑计算器件、光纤通信和光信息处理等很多方面，甚至未来的光计算机中它将成为集成光学的一种基本元件。人们利用各种器件的非线性特征实现光开关。2004年，陈明等在光子晶体中利用材料中的光生载流子引起的“带填充”效应，导致非线性光子晶体具有较大的光调制特性，实现了低阈值高效光开关和100 ps的光双稳开关时间。2009年，Brissinger在机械控制的纳米腔中实现了光学双稳，利用电磁在腔场增加情况下提高光与物质的相互作用，实现了机械控制
43、的硅腔中的光学双稳态，可以在单稳态和双稳态之间切换15。2009年，Bhargava 利用非对称的F-P非线性光学介质腔16，设计光学双稳态器件。计算三阶非线性极化率实部和虚部，数值模拟证明，优化装置操作，可以在两个稳定状态之间运行，讨论了作为不同的腔参数下的双稳运转。该方法可为设计与采用全光开关，光再生和光信号处理领域应用的实用装置的有用工具。 作为全光网络主要技术的全光开关越来越引起人们的关注。超快速、低能量和高稳定，是光开关发展的方向。作为一种光控光的器件，在光学通信、光学计算机、集成光学等方面都有重要应用。 3.4.2 稳定光源光强20 世纪 80 年代中期到 90 年代初，光学双稳态
44、半导体激光器在光通信系统、光交换和光信号恢复或再生等方面的应用受到人们的重视。双稳态半导体激光器最早被G.J.Lasher提出，采用电隔离增益和吸收区，利用吸收区饱和光吸收效应实现光双稳态。这种激光器具有S型，也就是双稳运转的输出-输入关系，激光器的输出可以受电流触发在高、低状态间转换，也可以通过光触发从低态跳变到高态。随后被应用到制作半导体激光器中，但受限于吸收区载流子弛豫时间，双稳态激光器光交换速度一般在纳秒量级，而且其尺寸较大不适于光子集成。同一时期，非线性标准具光双稳态在光计算方面的应用也吸引了许多研究，但由于光交换能量太高、速度太慢以及难于级联和集成大量器件，实用的非线性标准具逻辑回
45、路非常难于实现。 近十几年来，具有高速光交换能力的双模竞争双稳态半导体激光器引起人们的重视。双模速率方程得出模式竞争分叉（pitchfork bifurcation）光学双稳现象：当电流从零开始加大时，由于线性增益或光子寿命的差别，一个模式开始占优激射，另一个模式则受激射模交叉非线性增益抑制而变弱；在更高的注入电流时，非线性增益抑制会大于线性增益或光子寿命的差别，这时注入光会使激射模式跳变到注入光对应的模式，而且注入光撤掉后还保持不变。与S型双稳态不同，光学双稳态的光交换只能由注入光调制，不能靠改变注入电流实现完全光转换。垂直腔面发射激光器（Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser，简称VCSEL）的偏振模式竞争是最早实现的双模竞争双稳态激光器。 在垂直腔表面发射激光器中利用波长的偏振作为开关，实现了1550nm 光学双稳，具有大的双稳宽度。不同形式进行了实验，得出不同的输入光偏振角影响光学双稳运转。 在环形腔半导体激光器中顺时针和逆时针方向传播的行波模对应两个方向光输出，行波模竞争导致的行波模跳变会出现单一方向光输出跳变的单向光