光学双稳性研究的新进展-《非线性光学与光子学》

在新的世纪里，尽管光学双稳态的研究仍然面临着寻求具有高n2值的新颖材料和避免光热效应的挑战，但在探索光学双稳态装置在有关快速光开关、光计算、光数据处理与传输等领域内的应用潜力的努力中，仍然取得了一些新进展。

首先值得介绍的是一类基于半导体材料光子晶体（photonic crystal，PhC）结构内所形成的纳米微腔的新型双稳态器件研制。例如，在由Kim等人报道的工作中，采用了如图11-15（a）所示的微结构［64］，该结构是在基底为InGaAsP薄片而表面涂镀有四重In0.76Ga0.24 As0.75 P0.25的量子阱层上，以空间周期排列分布的空孔点群而形成两维的PhC结构，其分布周期为460 nm，而空孔半径为160 nm，在该图中央所示为一个长度为5个空孔周期的微共振腔，其对应的共振光波长约为1 610 nm，理论计算出的腔内共振光子密度分布如11-15（b）所示。利用锥形和强烈弯曲的单模光纤作为耦合器，紧贴样品表面并借助表面渐逝场实现输入与输出的能量耦合。输入光出自一台连续波激光器，波长在1 608～1 614 nm范围内可调，而微腔的初始失共振量被定义为

图11-15　在InGaAsP晶片表面镀层上制作的光子晶体结构（周期分布空孔点群）与长度为5个周期的纳米微腔（a）、计算出的腔内光子密度集中分布地区（b）以及在不同初始空腔波长失调谐δ0值条件下测得的双稳态输出/输入特性曲线（c）（分贝标度）［64］

式中，λin为输入激光波长，λres为微腔共振峰值波长，Δλres为微腔允许通过光谱线全宽，后者的测量值为0.732 nm。图11-15（c）所示是在不同δ0值条件下测得的输出/输入特性曲线，表明了开始出现双稳态跃变时的阈值输入功率接近于35 μW，然后随着输入功率的进一步提高而迟滞回线的面积不断扩大。最后，该工作的作者还表示，与电子带边跃迁有关的非线性贡献远大于热效应的贡献。

图11-16　以InGaAsP为衬底的光子晶体结构、输入/输出波导和微共振腔结构（a）、在不同波长失共振条件下测得的迟滞回曲线图形（b）、光学双稳态的〈开〉与〈关〉控制脉冲以及状态保持与切换操作（c）［67］

另一相似的工作是由Shinya等人所报道的全光学双稳态记忆型装置［67］。该装置是基于一个由图11-16（a）所示在InGaAsP样品中制成的空芯光波导，其周围由一系列周期分布的空孔而形成空间周期为430 nm的PhC结构，空孔大小和波导芯厚度均为200 nm；位于图中央的微共振腔是借助于将位于波导中间两侧的三列空孔分别外移9，6，3 nm而形成的，而输入与输出能量的耦合则是靠图中上方所示的两个空芯波导而实现的。测得的微腔峰值共振波长为1 585.115 1 nm，在该波长处的线性吸收很小，因为样品材料的带隙跃迁波长约为1.3μm。输入激光波长在1 585 nm左右可调谐，并具有时宽为100 ns的三角形脉冲波形。图11-16（b）为几种不同的输入波长条件下测得的迟滞回线图形，表明为产生双稳态作用所需阈值功率只有几十微瓦（μW）量级。此外，该装置的开关动态响应和记忆保持时间如图11-16（c）所示，此情况下采用一个强度增加而时宽为100 ps的输入脉冲作为开启脉冲，而另一个强度下降而时宽为500 ps的输入脉冲作为复位脉冲。当不施加前者时，装置在低于阈值功率下工作从而只提供低输出；一旦施加前者，装置立刻进入高输出状态，并且能保持该状态直到施加第二个脉冲为止，后者的作用是使装置重新复位到初始的低输出状态。实际测得的高透状态的最长保持时间可达150 ns。作者指出该装置的工作机理，是基于借助于载流子等离子体增强的双光子跃迁导致的感应折射率变化。

现今光学双稳态研究的另一努力方向，是探索和实现有关非线性折射率变化的各种新的共振增强机制以及使用其他类型的共振腔或干涉仪代替F-P装置。例如在探索新机制方面，可以利用电磁诱导透明（EIT）效应（参见16.5.1节）或者共振拉曼效应来达到工作系统非线性增强的目的，这两种情况下，均需要两种入射光的同时作用［68，69］。

在采用其他腔型与双光束输入实现光学双稳态功能的新尝试方面，有Sheng等人报道的，将一充87Rb蒸气盒放置于一个环形腔内而实现双稳态运转的实验［68］。此情况下，如图11-17（a）所示，使用了出自两个二极管激光器并且波长在795 nm附近可调谐的两束光，其中一束作为探测光束与环形腔发生共振作用，另一束控制光束用来与非线性介质（Rb蒸气）相互作用。为达到通过EIT效应而实现非线性增强变化的目的，必须使两注入光束的频率差，调到与87 Rb原子D1谱线的A型三能级结构相匹配。在蒸气盒温度为105℃、探测光频率失共振量为-137.7 MHz、控制光失共振为-227.7 MHz条件下，通过扫描变化探测光功率（0～15 mW），可得到如图11-17（b）所示在不同控制光功率注入水平下，整个系统的双稳以及多稳态工作特性曲线。这些多稳态工作曲线。可以经由改变不同的实验参数进一步加以控制，从而有助于更好地理解发生在该系统内的有关非线性光学过程。(www.xing528.com)

到目前为止，只讨论了光学双稳态装置作为一种被动元件，在全光学开关与逻辑回路系统中所起的作用。实际上，相同的功能也可以通过研制出具有双稳态特性的主动元件，特别是半导体微型激光器而加以实现［70～72］。下面，列举两个在该研究方向的最近进展实例。

图11-17　内含87 Rb蒸气盒的环形腔光学多稳定态实验装置（a）（相关的原子跃迁能级以及两入射光束频率如图右上角所示）以及在不同控制光束功率水平下测得的输出/输入特征工作曲线（b）［68］

首先是一种由Mori等人报道的垂直腔面发射激光器（VCSEL）的偏振双稳态运作［70］。这是一种结构如图11-18（a）所示的电激励半导体激光器，在注入4.0 mA电流时输出激光波长为980 nm而功率为520 μW。可能由于增益区域内残余光学各向异性，该装置输出激光中包含了两个相互正交的线偏振（0°与90°）模式，并且两者之间有一个小的波长差异（0.014 nm）。在自由运转条件下，0°模式输出显著强于90°模式。然而，正如图11-18（a）所示，当在器件表面垂直方向上注入一个偏振态为90°的外加光脉冲时，该装置的90°模式输出显著增而0°模式被抑止。之后90°模式输出可以保持在一定的时间范围（相当于该模式被锁定），直到第二个具有0°偏振的外加光脉冲注入时为止，此后装置又恢复到以0°模式输出为主。图11-18（b）为在开关调制频率为540 MHz条件下，测得的两种控制光脉冲波形和90°模式激光输出波形，所注入的促变光脉冲与复位光脉冲的能量分别为0.2，0.3 fJ（飞焦耳），而最高脉冲调制频率可达10 GHz。

图11-18　具有偏振双稳态特性的VCSEL的结构和外加光脉冲控制（a）、在540 MHz调制作用下的两种控制光脉冲波形以及相应的90°模式激光输出波形（b）［70］

作为主动元件光学双稳运转的第二个例子，是由Chen等人在基于一种连续光泵浦InGaAsP波导式激光器中实现的，工作温度为室温，输入泵浦波长为1.31 μm、功率为100 μW、输出激光波长在1.5μm区域［71］。该波导激光器的结构如图11-19（a）所示，其中直线状增益波导被其周围的由周期分布的空孔点群所围绕，波导内的增益体积为4μm×0.3μm×0.16 μm。在自由运转条件下，有两个输出激光模式：较强的波长为1 541.76 nm的模式B、较弱的波长为1 542.99 nm的模式A，如图11-19（b）上图所示。在此情况下，如果通过输出耦合波导向该装置注入反向控制激光脉冲，其波长接近于模式A的波长（λ=λA+δ），则输出激光模式A可以得到增强，而输出模式B被明显减弱，如图11-19（b）下图所示。图11-19（c）为在反向注入光具有不同波长失共振δ值条件下，通过连续改变注入光功率而测得的相对于模式B输出功率而言的双稳迟滞回线形状。进一步，为演示该装置与由图11-16（c）所示相类似的光学记忆功能，曾采用了时宽为200 ns和重复率为0.5 MHz的促变/复位脉冲组合，测得的开关时间可快至60 ps。

图11-19　光学泵浦的光子晶体波导激光器结构（a）；自由运转时两种不同波长激光模式和外注入光谱线位置［（b）上］，当注入共振控制光后，模式B被减弱［（b）下］；在不同控制光失共振δ值条件下，测得的相对于输出模式B而言的双稳迟滞回线（c）［71］