慢速和快速光半導(dǎo)體波導(dǎo)效應(yīng)在微波光子學(xué)的應(yīng)用

1、慢速和快速光半導(dǎo)體波導(dǎo)效應(yīng)在微波光子學(xué)的應(yīng)用論文導(dǎo)讀：相干群振蕩（CPO）。級(jí)聯(lián)裝置。光學(xué)濾波。偏振旋轉(zhuǎn)的利用。相干群振蕩，慢速和快速光半導(dǎo)體波導(dǎo)效應(yīng)在微波光子學(xué)的應(yīng)用。關(guān)鍵詞：相干群振蕩，級(jí)聯(lián)裝置，光學(xué)濾波，偏振旋轉(zhuǎn)(一) 引言從慢速光的發(fā)展起，關(guān)于光的相關(guān)研究日益涌現(xiàn)，隨后我們探索了很多不同的物理計(jì)劃和媒介，并通過(guò)對(duì)光和物質(zhì)相互作用的基本特性的更進(jìn)一步的理解，以及利用這些相互作用應(yīng)用到各個(gè)方面的可能性的增加，從而激發(fā)人們研究光速控制問(wèn)題的興趣。畢業(yè)論文，相干群振蕩。更為特別的是，已經(jīng)有人建議將慢速光效應(yīng)應(yīng)用到光的緩沖上來(lái)2，但也有人指出，在可以實(shí)現(xiàn)的延遲時(shí)間和可以容納的帶寬之間的反映問(wèn)題上

2、，基本物理極限是有折衷的3。有兩個(gè)例子可以說(shuō)明，一個(gè)是對(duì)光饋相控天線陣的控制及合成，另一個(gè)是對(duì)微波濾波器的控制。對(duì)實(shí)際應(yīng)用來(lái)說(shuō)，我們特別感興趣的是，通過(guò)使用這種媒介，實(shí)現(xiàn)對(duì)廉價(jià)和小型設(shè)備的認(rèn)識(shí)，并允許這些設(shè)備其他功能的集成。因此，那些以半導(dǎo)體為基礎(chǔ)的設(shè)備尤其受到人們的關(guān)注。并且，在這些設(shè)備結(jié)構(gòu)里慢速和快速光效應(yīng)的研究上，人們已經(jīng)做了很多工作。但不幸的是，半導(dǎo)體材料中的電磁感應(yīng)透明現(xiàn)象是很難被人們所認(rèn)識(shí)的1。因此，移相的時(shí)間很短，而離散層次結(jié)構(gòu)（它對(duì)于實(shí)施電磁感應(yīng)透明的計(jì)劃是必要的）可以通過(guò)利用半導(dǎo)體量子點(diǎn)來(lái)被人們所認(rèn)識(shí)。利用現(xiàn)如今的技術(shù)所獲得的大小波動(dòng)，將導(dǎo)致這種不均勻的擴(kuò)大，從而減弱其影響2

3、。畢業(yè)論文，相干群振蕩。相反，人紅寶石晶體所表現(xiàn)出的振蕩效果（CPO），已經(jīng)被不同的組數(shù)利用，以實(shí)現(xiàn)在半導(dǎo)體波導(dǎo)光中的光速控制6-15。從最近的評(píng)論來(lái)看，本文重新認(rèn)識(shí)了CPO的物理效應(yīng)，并強(qiáng)調(diào)了提高相移和頻率范圍的不同計(jì)劃。(二) 慢速光的基本原理連續(xù)波（CW）光束在折射率為n的介質(zhì)中傳播時(shí)，其傳播速度v =c / n，其中C是真空中的光速。折射率n與該介質(zhì)中的相對(duì)介電常數(shù)通過(guò)等式相互聯(lián)系起來(lái)。如果信號(hào)強(qiáng)度隨時(shí)間而變化，即信號(hào)的頻譜具有有限的寬度，那么強(qiáng)度調(diào)制的傳播速度由群速度所給定，有如下等式: （1） 其中，Ng表示的是群折射率而w是光的頻率。因此，可以看出，群速度隨媒質(zhì)和頻率中相速度的不

4、同而不同，其中的折射率與頻率方面存在一階非零的的導(dǎo)數(shù)。如果光的強(qiáng)度被調(diào)制了（例如正弦調(diào)制），那么群速度由通過(guò)設(shè)備傳輸強(qiáng)度模式的速度所描述。在討論光的放緩問(wèn)題的時(shí)候，我們感興趣的是由媒質(zhì)分散所導(dǎo)出的方程組（1）式，既然群折射率的這一部分可能因此而被改變，它就使我們能夠控制光的速度。(三) 相干群振蕩（CPO）CPO所產(chǎn)生的效應(yīng)依賴于能夠激發(fā)半導(dǎo)體的外部激光束，它導(dǎo)致了在半導(dǎo)體中載波分配的調(diào)制以及隨后折射率的分散和改變。畢業(yè)論文，相干群振蕩。在一般情況下，該效應(yīng)可以通過(guò)建立在四波混頻（FWM）理論的頻率域來(lái)分析。然而，在實(shí)際情況下，重要的外部信號(hào)是由調(diào)制激光束的強(qiáng)度產(chǎn)生的，在動(dòng)態(tài)折射率可以忽略的情

5、況下，該效應(yīng)可以由時(shí)域中的飽和作用來(lái)解釋9。畢業(yè)論文，相干群振蕩。在波導(dǎo)吸收的理論下（也就是說(shuō)，存在一個(gè)電子吸收（EA），CPO效應(yīng)導(dǎo)致了慢速光的產(chǎn)生，對(duì)應(yīng)于相位的延遲，波導(dǎo)的放大，而半導(dǎo)體光放大器（SOA）導(dǎo)致快速光的產(chǎn)生，對(duì)應(yīng)于相位的超前。在這兩種情況下，飽和功率和有效載體的周期就分別是功率分配和頻率獨(dú)立性的重要特征。根據(jù)激光束和調(diào)制頻率之間的頻率的不同，載波分配的不同動(dòng)態(tài)效應(yīng)就顯得尤為重要?；钚詫拥膬?nèi)部結(jié)構(gòu)（即散裝或低維度）會(huì)因此成為影響快速和慢速光行為特征的因素。(四) 級(jí)聯(lián)裝置既然電子吸收（EA）結(jié)構(gòu)顯示出的壽命要比半導(dǎo)體光放大器（SOA）結(jié)構(gòu)顯示出的壽命短得多（因?yàn)镾OA存在多載波

6、掃頻），那么電子吸收（EA）就成為高頻率應(yīng)用的最佳選擇。但另一方面，這種吸收限制了傳播力度。解決該問(wèn)題的一個(gè)辦法是將上述兩種結(jié)構(gòu)結(jié)合，這是因?yàn)?，不同的反?yīng)能夠受益于EA部分的慢速光效應(yīng)，而從SOA部分獲得增益，并且沒(méi)有快速光在該部分的抵消作用11。此外，通過(guò)連接幾個(gè)這樣的結(jié)構(gòu)，可以增加總微波的相位延遲12。畢業(yè)論文，相干群振蕩。圖1顯示出了照片，并編制了一個(gè)多部分的設(shè)備原理圖和相對(duì)應(yīng)相位變化的測(cè)量。在等高線圖中，它作為輸入光的強(qiáng)度和反向偏置的功能圖。根據(jù)圖中所顯示的，要控制光放緩的程度是可能的，要么通過(guò)反向電偏移，要么通過(guò)光纖輸入光信號(hào)強(qiáng)度。對(duì)于固定反向偏置，我們觀察到一個(gè)最佳的強(qiáng)度，這是由于

7、誘導(dǎo)輸入信號(hào)的飽和度和觀察固定光學(xué)輸入強(qiáng)度的最佳反向偏置5，這也反映了增加電壓有源區(qū)跌幅的載波掃出時(shí)間9。在這種特殊情況下，對(duì)于SOA部分的固定電流和EA部分的反向電壓來(lái)說(shuō)，我們能夠獲得大約140度的最高相位變化。如果電氣偏移允許我們改變反向偏置，絕對(duì)相位的變化可能獲得進(jìn)一步增加，最近，這一結(jié)論被一個(gè)獨(dú)立部分的波導(dǎo)所論證13。Figure 1.(五) 光學(xué)濾波人們已經(jīng)證明，對(duì)于強(qiáng)度調(diào)制來(lái)說(shuō)，比如雙邊帶，輸入信號(hào)的相移只取決于動(dòng)態(tài)增益9，10。然而，折射率的調(diào)制可以通過(guò)演示光學(xué)過(guò)濾前檢測(cè)來(lái)增加相移（即調(diào)制一個(gè)非零線寬增強(qiáng)因子）14。該實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，波長(zhǎng)為1539.46nm的激光被網(wǎng)絡(luò)分析儀

8、所調(diào)制，它通過(guò)一個(gè)推拉式的Mach-Zehnder強(qiáng)度調(diào)制器（MZM）生成了兩個(gè)邊帶（紅移邊帶，藍(lán)移邊帶），并伴隨有強(qiáng)大的載體,其中ares=-0.2。經(jīng)過(guò)了大量的SOA檢測(cè)（這里四波混頻效應(yīng)將導(dǎo)致相位的變化和兩個(gè)邊帶的增強(qiáng)），兩個(gè)邊帶其中之一（紅移邊帶或藍(lán)移邊帶）將會(huì)在檢測(cè)前被具有0.1nm帶寬的光纖光柵陷波器所阻止。當(dāng)調(diào)制頻率大于4GHz時(shí)，一個(gè)邊帶可以很容易地被清除，而不破壞或其他邊帶或載波，通過(guò)采用光纖放大器（EDFA）和可變光衰減器（VOA），輸入光功率可以調(diào)整在-10.3dBm和13.6dBm之間。畢業(yè)論文，相干群振蕩。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，如圖所標(biāo)記的三種不同的情況，即無(wú)過(guò)濾（黑），阻塞

9、藍(lán)邊帶和通過(guò)紅邊帶（紅色），阻塞紅邊帶而通過(guò)藍(lán)邊帶（藍(lán)色）。該結(jié)果與以波混合模型為基礎(chǔ)的數(shù)值模擬相比較，顯示出了良好的吻合度。結(jié)果表明，絕對(duì)相移以及工作頻率可以通過(guò)阻塞紅移邊帶而大大加強(qiáng)。另一方面，阻斷藍(lán)移邊帶只會(huì)導(dǎo)致相移發(fā)生微小的變化。這種現(xiàn)象可以通過(guò)如下原因解釋，即當(dāng)我們考慮經(jīng)過(guò)波混頻后，它導(dǎo)致了兩個(gè)邊帶的有效增益和相位變化，因?yàn)樗煌M成部分之間相位的變化在這里發(fā)揮了重要作用。Figure 2.(六) 偏振旋轉(zhuǎn)的利用最后，我們可以展示一個(gè)完全不同的方法，該方法通過(guò)利用極化效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)微波相移控制，該實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示，波長(zhǎng)為1550nm的激光束被網(wǎng)絡(luò)分析儀正弦調(diào)制，它是通過(guò)一個(gè) Mach

10、-Zehnder強(qiáng)度調(diào)制器（MZM）來(lái)確保相反符號(hào)轉(zhuǎn)移曲線的TE和TM組件正常運(yùn)行。利用這種方法，被調(diào)制的TE和TM組件之間的相位實(shí)現(xiàn)了180 的相移。通過(guò)利用SOA（半導(dǎo)體光放大器）中依賴強(qiáng)度的偏振旋轉(zhuǎn)，并在光電檢測(cè)之前引進(jìn)偏振選擇性的組成部分，我們因此可以控制相移。在實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)引入一種摻鉺光纖放大器（EDFA）和可變光衰減器（VOA），SOA的輸入光功率可以在- 7dBm的和13dBm之間調(diào)節(jié)，這將促使SOA信號(hào)的偏振旋轉(zhuǎn)14。在經(jīng)過(guò)SOA以后，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)分析儀，我們用一個(gè)偏振控制器（PC3）和偏振分光鏡（PBS）來(lái)選擇需要被檢測(cè)的偏振性。SOA的源電流固定在160毫安，調(diào)制的射頻功率為0

11、dBm。測(cè)量結(jié)果表明，該相位可以通過(guò)輸入光功率和大約150 的相移控制而不斷的調(diào)整，它所獲得的高調(diào)制頻率高達(dá)19 GHz。Figure 3.(七) 結(jié)論我們已經(jīng)介紹并展示了控制強(qiáng)度調(diào)制光信號(hào)相移的不同計(jì)劃，它建立在半導(dǎo)體光波導(dǎo)中慢速和快速光效應(yīng)的基礎(chǔ)之上。我們發(fā)現(xiàn)，通過(guò)級(jí)聯(lián)設(shè)備或利用光學(xué)過(guò)濾設(shè)備可以進(jìn)一步增強(qiáng)活動(dòng)區(qū)域中混合波的基本作用。此外，我們可以實(shí)現(xiàn)移相器，方法是在兩個(gè)光場(chǎng)偏振元件上引入不同的相移，并通過(guò)利用非線性偏振旋轉(zhuǎn)效應(yīng)不斷交換它們之間的相移。在這個(gè)時(shí)候，最大的相移達(dá)到了我們所要求的180 并且能夠獲得高達(dá)20 GHz頻率。為了足夠靈活的實(shí)施相控天線陣和微波濾波器，相移的控制應(yīng)該被進(jìn)一步增加到360，并且可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用增加