慢速和快速光半导体波导效应在微波光子学的应用_3.docx

慢速和快速光半导体波导效应在微波光子学的应用论文导读：相干群振荡（CPO）。级联装置。光学滤波。偏振旋转的利用。相干群振荡，慢速和快速光半导体波导效应在微波光子学的应用。关键词：相干群振荡，级联装置，光学滤波，偏振旋转 (一) 引言从慢速光的发展起，关于光的相关研究日益涌现，随后我们探索了很多不同的物理计划和媒介，并通过对光和物质相互作用的基本特性的更进一步的理解，以及利用这些相互作用应用到各个方面的可能性的增加，从而激发人们研究光速控制问题的兴趣。毕业论文，相干群振荡。更为特别的是，已经有人建议将慢速光效应应用到光的缓冲上来2，但也有人指出，在可以实现的延迟时间和可以容纳的带宽之间的反映问题上，基本物理极限是有折衷的3。有两个例子可以说明，一个是对光馈相控天线阵的控制及合成，另一个是对微波滤波器的控制。对实际应用来说，我们特别感兴趣的是，通过使用这种媒介，实现对廉价和小型设备的认识，并允许这些设备其他功能的集成。因此，那些以半导体为基础的设备尤其受到人们的关注。并且，在这些设备结构里慢速和快速光效应的研究上，人们已经做了很多工作。但不幸的是，半导体材料中的电磁感应透明现象是很难被人们所认识的1。因此，移相的时间很短，而离散层次结构（它对于实施电磁感应透明的计划是必要的）可以通过利用半导体量子点来被人们所认识。利用现如今的技术所获得的大小波动，将导致这种不均匀的扩大，从而减弱其影响2。毕业论文，相干群振荡。相反，人红宝石晶体所表现出的振荡效果（CPO），已经被不同的组数利用，以实现在半导体波导光中的光速控制6-15。从最近的评论来看，本文重新认识了CPO的物理效应，并强调了提高相移和频率范围的不同计划。(二) 慢速光的基本原理连续波（CW）光束在折射率为n的介质中传播时，其传播速度v =c / n，其中C是真空中的光速。折射率n与该介质中的相对介电常数通过等式相互联系起来。如果信号强度随时间而变化，即信号的频谱具有有限的宽度，那么强度调制的传播速度由群速度所给定，有如下等式: （1） 其中，Ng表示的是群折射率而w是光的频率。因此，可以看出，群速度随媒质和频率中相速度的不同而不同，其中的折射率与频率方面存在一阶非零的的导数。如果光的强度被调制了（例如正弦调制），那么群速度由通过设备传输强度模式的速度所描述。在讨论光的放缓问题的时候，我们感兴趣的是由媒质分散所导出的方程组（1）式，既然群折射率的这一部分可能因此而被改变，它就使我们能够控制光的速度。(三) 相干群振荡（CPO）CPO所产生的效应依赖于能够激发半导体的外部激光束，它导致了在半导体中载波分配的调制以及随后折射率的分散和改变。毕业论文，相干群振荡。在一般情况下，该效应可以通过建立在四波混频（FWM）理论的频率域来分析。然而，在实际情况下，重要的外部信号是由调制激光束的强度产生的，在动态折射率可以忽略的情况下，该效应可以由时域中的饱和作用来解释9。毕业论文，相干群振荡。在波导吸收的理论下（也就是说，存在一个电子吸收（EA），CPO效应导致了慢速光的产生，对应于相位的延迟，波导的放大，而半导体光放大器（SOA）导致快速光的产生，对应于相位的超前。在这两种情况下，饱和功率和有效载体的周期就分别是功率分配和频率独立性的重要特征。根据激光束和调制频率之间的频率的不同，载波分配的不同动态效应就显得尤为重要。活性层的内部结构（即散装或低维度）会因此成为影响快速和慢速光行为特征的因素。(四) 级联装置既然电子吸收（EA）结构显示出的寿命要比半导体光放大器（SOA）结构显示出的寿命短得多（因为SOA存在多载波扫频），那么电子吸收（EA）就成为高频率应用的最佳选择。但另一方面，这种吸收限制了传播力度。解决该问题的一个办法是将上述两种结构结合，这是因为，不同的反应能够受益于EA部分的慢速光效应，而从SOA部分获得增益，并且没有快速光在该部分的抵消作用11。此外，通过连接几个这样的结构，可以增加总微波的相位延迟12。毕业论文，相干群振荡。图1显示出了照片，并编制了一个多部分的设备原理图和相对应相位变化的测量。在等高线图中，它作为输入光的强度和反向偏置的功能图。根据图中所显示的，要控制光放缓的程度是可能的，要么通过反向电偏移，要么通过光纤输入光信号强度。对于固定反向偏置，我们观察到一个最佳的强度，这是由于诱导输入信号的饱和度和观察固定光学输入强度的最佳反向偏置5，这也反映了增加电压有源区跌幅的载波扫出时间9。在这种特殊情况下，对于SOA部分的固定电流和EA部分的反向电压来说，我们能够获得大约140度的最高相位变化。如果电气偏移允许我们改变反向偏置，绝对相位的变化可能获得进一步增加，最近，这一结论被一个独立部分的波导所论证13。Figure 1.(五) 光学滤波人们已经证明，对于强度调制来说，比如双边带，输入信号的相移只取决于动态增益9，10。然而，折射率的调制可以通过演示光学过滤前检测来增加相移（即调制一个非零线宽增强因子）14。该实验装置如图1所示，波长为1539.46nm的激光被网络分析仪所调制，它通过一个推拉式的Mach-Zehnder强度调制器（MZM）生成了两个边带（红移边带，蓝移边带），并伴随有强大的载体,其中ares=-0.2。经过了大量的SOA检测（这里四波混频效应将导致相位的变化和两个边带的增强），两个边带其中之一（红移边带或蓝移边带）将会在检测前被具有0.1nm带宽的光纤光栅陷波器所阻止。当调制频率大于4GHz时，一个边带可以很容易地被清除，而不破坏或其他边带或载波，通过采用光纤放大器（EDFA）和可变光衰减器（VOA），输入光功率可以调整在-10.3dBm和13.6dBm之间。毕业论文，相干群振荡。实验结果显示，如图所标记的三种不同的情况，即无过滤（黑），阻塞蓝边带和通过红边带（红色），阻塞红边带而通过蓝边带（蓝色）。该结果与以波混合模型为基础的数值模拟相比较，显示出了良好的吻合度。结果表明，绝对相移以及工作频率可以通过阻塞红移边带而大大加强。另一方面，阻断蓝移边带只会导致相移发生微小的变化。这种现象可以通过如下原因解释，即当我们考虑经过波混频后，它导致了两个边带的有效增益和相位变化，因为它不同组成部分之间相位的变化在这里发挥了重要作用。Figure 2.(六) 偏振旋转的利用最后，我们可以展示一个完全不同的方法，该方法通过利用极化效应来实现对微波相移控制，该实验装置如图3所示，波长为1550nm的激光束被网络分析仪正弦调制，它是通过一个 Mach-Zehnder强度调制器（MZM）来确保相反符号转移曲线的TE和TM组件正常运行。利用这种方法，被调制的TE和TM组件之间的相位实现了180 °的相移。通过利用SOA（半导体光放大器）中依赖强度的偏振旋转，并在光电检测之前引进偏振选择性的组成部分，我们因此可以控制相移。在实验中，通过引入一种掺铒光纤放大器（EDFA）和可变光衰减器（VOA），SOA的输入光功率可以在- 7dBm的和13dBm之间调节，这将促使SOA信号的偏振旋转14。在经过SOA以后，通过网络分析仪，我们用一个偏振控制器（PC3）和偏振分光镜（PBS）来选择需要被检测的偏振性。SOA的源电流固定在160毫安，调制的射频功率为0dBm。测量结果表明，该相位可以通过输入光功率和大约150 °的相移控制而不断的调整，它所获得的高调制频率高达19 GHz。Figure 3.(七) 结论我们已经介绍并展示了控制强度调制光信号相移的不同计划，它建立在半导体光波导中慢速和快速光效应的基础之上。我们发现，通过级联设备或利用光学过滤设备可以进一步增强活动区域中混合波的基本作用。此外，我们可以实现移相器，方法是在两个光场偏振元件上引入不同的相移，并通过利用非线性偏振旋转效应不断交换它们之间的相移。在这个时候，最大的相移达到了我们所要求的180 °并且能够获得高达20 GHz频率。为了足够灵活的实施相控天线阵和微波滤波器，相移的控制应该被进一步增加到360°，并且可根据实际应用增加额外的要求。【参考文献】1L. V. Hau, S. E. Harris, Z.Dutton and C. H. Behroozi, “Light speedreduction to 17 meters per second in anultracold atomic gas.” Naturevol. 397, pp. 594598, 1999.