胡章偉，吳泳波,2，3，邱文婷，黃容濤， 陳紹雄，胡瑢婕，唐志列,2,3

(1.華南師范大學(xué) a.物理與電信工程學(xué)院；b.信息光電子科技學(xué)院，廣東 廣州 510006； 2.廣東省光電檢測儀器工程技術(shù)研究中心，廣東 廣州 510006； 3.廣東省量子調(diào)控工程與材料重點實驗室，廣東 廣州 510006)

Szoke,Gibbs等人在理論和實驗上分別提出了光雙穩(wěn)態(tài)的概念[1-2]：對應(yīng)于某一輸入光學(xué)參量，輸出參量存在2個可輸出的穩(wěn)定態(tài)，即在非線性光學(xué)系統(tǒng)中，系統(tǒng)的輸出光強和輸入光強之間會出現(xiàn)類似于磁滯回線的滯后現(xiàn)象. 光學(xué)雙穩(wěn)器件被廣泛應(yīng)用在高速光通信、光學(xué)圖像處理、光存儲、光學(xué)限幅器以及光學(xué)邏輯元件等方面，尤其是用半導(dǎo)體材料制成的光學(xué)雙穩(wěn)器件，具有尺寸小、功率低、開關(guān)時間短等優(yōu)勢，將成為未來光計算機的邏輯元件. 由于光雙穩(wěn)態(tài)的這些重要應(yīng)用價值，在光子信息技術(shù)領(lǐng)域一直被重點研究. 近年來，一些學(xué)者開始利用石墨烯等新型材料制備光雙穩(wěn)態(tài)，并在此基礎(chǔ)上將光雙穩(wěn)器件的響應(yīng)時間縮短到800 fs[3-6]，取得了非凡的研究成果.

根據(jù)反饋機制不同，光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)裝置可分為2大類：一類是全光型，利用法布里-珀羅腔的反射鏡實現(xiàn)純光學(xué)反饋；另一類則是混合型，如電光混合型光雙穩(wěn)裝置[7]. 電光混合型光雙穩(wěn)裝置不需要用法布里-珀羅腔進(jìn)行反饋，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單. 但這種混合型光雙穩(wěn)裝置一般利用LiBbO3晶體等電光晶體為非線性介質(zhì)，其工作電壓約1 000～3 000 V，需要加高壓屏蔽的保護(hù)才能保證操作人員的安全[8]. 另一方面，使用液晶作為電光調(diào)制器的非線性介質(zhì)，則受限于光學(xué)實驗上所要求的高純度液晶價格昂貴而不能廣泛推廣. 而利用與電光效應(yīng)類似的法拉第旋光效應(yīng)構(gòu)建的磁光混合型光雙穩(wěn)裝置國內(nèi)外相關(guān)研究報道很少，磁光調(diào)制器所使用的重火石玻璃材料價格便宜，容易獲得，同時調(diào)制系統(tǒng)的工作電壓低，易工作，易控制. 本文構(gòu)建的磁光混合型光雙穩(wěn)裝置與之前報道的工作[9]相比，反饋系統(tǒng)采用了較為簡單的加法器反饋電路，實驗系統(tǒng)更加簡單. 在光雙穩(wěn)裝置中，光雙穩(wěn)寬度即產(chǎn)生光雙穩(wěn)態(tài)的輸入信號范圍大小和雙穩(wěn)輸入啟動信號即能夠產(chǎn)雙穩(wěn)態(tài)的最小輸入信號，都會影響其工作性能：雙穩(wěn)寬度大，雙穩(wěn)開關(guān)等雙穩(wěn)器件的有效工作范圍就大；雙穩(wěn)輸入啟動信號大，對激光源的功率要求就高，光雙穩(wěn)裝置就無法持久穩(wěn)定地工作[10]. 本文將從理論和實驗上研究在實驗室條件下如何構(gòu)建基于磁致旋光效應(yīng)的低工作電壓的光雙穩(wěn)裝置，并在此基礎(chǔ)上探究初始偏置宗量φ0、平均輸入信號強度Ui等系統(tǒng)參量對光雙穩(wěn)裝置的雙穩(wěn)寬度Δx、雙穩(wěn)輸入啟動信號大小x1的影響，找出合適的系統(tǒng)參量取值使光雙穩(wěn)裝置具有較高的工作性能.

1 實驗原理

1.1 法拉第旋光效應(yīng)

利用人工方法可以使物質(zhì)產(chǎn)生旋光性. 假如有1束線偏振光，當(dāng)它沿外加磁場方向或磁化強度方向通過介質(zhì)時偏振面會發(fā)生旋轉(zhuǎn)，這種現(xiàn)象稱為法拉第旋光效應(yīng)[11]. 法拉第旋光效應(yīng)與電光效應(yīng)有類似之處，它在測量磁場、磁光器件制作等領(lǐng)域上都有重要的應(yīng)用[12-14].

假設(shè)入射光為線偏振光，當(dāng)它在介質(zhì)中沿z軸方向傳輸距離L后，其電場強度矢量E相對于x軸，即相對于原來的振動方向轉(zhuǎn)過了θ角，該角度滿足

(1)

式中，n+和n-分別是入射光分解為右旋圓偏振光和左旋圓偏振光后，2束圓偏振光進(jìn)入介質(zhì)后的折射率.

為表征介質(zhì)磁致旋光效應(yīng)的強弱，定義單位長度上的法拉第旋轉(zhuǎn)為旋光率，其表達(dá)式為

(2)

實驗發(fā)現(xiàn)，光振動平面轉(zhuǎn)過的角度θ與光在物質(zhì)中通過的長度L和磁感應(yīng)強度B成正比，即

θ=VBL，

(3)

式中,V是與物質(zhì)性質(zhì)、溫度及入射波波長有關(guān)的常量，表達(dá)了介質(zhì)旋光光特性的強弱，稱作維爾德系數(shù).

磁光調(diào)制器正是應(yīng)用了法拉第旋光效應(yīng)這一物理現(xiàn)象而使光波載荷信號的元件[15]. 當(dāng)信號電流通過螺線管產(chǎn)生磁場時，光波的振動面發(fā)生偏轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)角與信號電流成正比，因而輸出光波的偏振方向會發(fā)生變化，若讓該光再通過一偏振片，則因偏振方向變化而導(dǎo)致從偏振片射出的光強隨信號變化，這種調(diào)制被稱為振幅調(diào)制[16].

1.2 理論分析

磁光混合型光學(xué)雙穩(wěn)裝置由傳輸與輸出反饋系統(tǒng)2部分組成. 其動態(tài)特性為

(4)

(5)

其中，τ1和τ2為系統(tǒng)和反饋部分的時間常量，k為反饋系數(shù)，T(φ)為傳輸部分的透過率函數(shù)，φ0是在不施加外磁場作用時的初始偏置宗量[9]，φ為控制透過率大小的量，本實驗中為入射磁光調(diào)制系統(tǒng)的光波振動方向與出射磁光調(diào)制系統(tǒng)的光波振動方向間夾角的余角，稱為偏置宗量，在磁光作用下，正比于加在磁光調(diào)制器的螺線管兩端的激勵電流.

螺線管接通一定激勵電流. 輸出光強經(jīng)光電探測器實現(xiàn)光電變換，得到的電信號經(jīng)過放大器放大后反饋到螺線管上，從而構(gòu)成反饋回路，控制輸出光強，促成輸入光強-輸出光強x-y之間的雙穩(wěn)關(guān)系.

透過率T(φ)的函數(shù)關(guān)系為

(6)

(7)

只要合理選擇參量φ0和N，就可以使y成為x的多值函數(shù)，即有多解. 當(dāng)N值確定時，存在最大的φ0=φ1，使φ0≥φ1時只有1個解，雙穩(wěn)態(tài)消失.φ1即為初始偏置宗量臨界值，在臨界點上由式(7)求導(dǎo)可得

(8)

(9)

消光比N是由作為磁光調(diào)制器材料的重火石玻璃本身性質(zhì)與光線入射角決定的，實驗中消光比經(jīng)測量約為30，故N=30，此時φ1≈14°23′. 對φ0取不同值時，依據(jù)式(7)利用Mathematica數(shù)學(xué)軟件從理論上作出系統(tǒng)輸出量y和輸入量x間的關(guān)系曲線[17]，如圖1～2所示.

圖1 系統(tǒng)輸出量y與輸入量x關(guān)系圖1

圖2 系統(tǒng)輸出量y與輸入量x關(guān)系圖2

1個輸入信號如果對應(yīng)多個輸出信號，則該信號可以產(chǎn)生雙穩(wěn)態(tài). 能產(chǎn)生雙穩(wěn)態(tài)的輸入信號范圍稱作雙穩(wěn)寬度，能夠產(chǎn)生雙穩(wěn)態(tài)的最小輸入信號稱作雙穩(wěn)輸入啟動信號.

2 實驗裝置

使用信號發(fā)生器提供頻率為100 Hz的正弦信號為激光源提供激勵電壓，從而周期性地改變輸入光強的強度，通過改變信號源電壓范圍可以改變激光源輸入光強的強度變化范圍.

實驗裝置如圖3所示，采用F05型數(shù)字信號發(fā)生器和波長670 nm、功率10 mW的HW670AD10-16GD型激光器，示波器是Pico Technology PC(PicoScope 6型)數(shù)字示波器，可連接到計算機上，PicoScope軟件操控. 探測器由光電傳感器ZL-G0010模塊組成，接收面尺寸為10 mm×10 mm，磁光調(diào)制系統(tǒng)由磁光玻璃外加約1 200匝線圈密繞組成，磁光玻璃采用直徑為0.8 cm、長為10 cm、維爾德系數(shù)約為800 V/(°)·T-1·m-1的重火石玻璃，為保證系統(tǒng)有適當(dāng)?shù)恼{(diào)制幅度[18-19]，用頻率為1 kHz、峰峰值為10 V的正弦交變信號和輸出信號經(jīng)由加法器反饋電路對螺線管兩端加電流進(jìn)行調(diào)制. 為使重火石玻璃有較大的消光比，在玻璃上鍍了1層有較高反射率的反射膜. 調(diào)整入射光角度，測得消光比約為30.

圖3 實驗裝置示意圖

為了實現(xiàn)同相求和，可將各輸入電壓加在集成運放的同相輸入端，但為了引入深度負(fù)反饋，反饋電阻Rf仍需接到反相輸入端. 由于“虛斷”，i+=0，故對運放的同相輸入端可列出節(jié)點方程

(10)

又由于“虛短”，即u+=u-，則輸入電壓為

(11)

由式(11)即知電路可以實現(xiàn)2個信號的加法運算[20]，如圖4所示.

圖4 加法器電路圖

首先讓激光源發(fā)出周期變化的光經(jīng)過偏振片P1得到線偏振光，再經(jīng)由和P1有相同透光方向的偏振片P2射出后，通過分光鏡，一束由探測器D1接收，作為輸入信號由計算機上的數(shù)字示波器軟件進(jìn)行觀測，另一束進(jìn)入由通電螺線管密繞石英玻璃構(gòu)成的磁光調(diào)制器進(jìn)行調(diào)制. 經(jīng)正弦調(diào)制后射出的光偏振方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，再經(jīng)過偏振片P3射出，其中P3與P1夾角的余角即為初始偏置宗量φ0，經(jīng)P3射出的光強由探測器D2接收并轉(zhuǎn)換為電壓信號后，分為2路:一路和信號發(fā)生器提供的正弦交變信號一起作為加法器電路的輸入端；另一路作為輸出信號經(jīng)由計算機上的數(shù)字示波器軟件進(jìn)行觀測. 通過改變初始偏置宗量φ0的值或平均輸入信號的Ui強度變化范圍，研究兩者對雙穩(wěn)寬度、雙穩(wěn)輸入啟動信號大小的影響，并找到這2個參量的合適取值使光雙穩(wěn)裝置具有更好的工作性能.

3 實驗結(jié)果與討論

3.1 初始偏置宗量驅(qū)動雙穩(wěn)態(tài)

輸入光強對應(yīng)的平均輸入電壓信號Ui在2～16 mV變化時，改變偏振片P3的偏轉(zhuǎn)角度來改變初始偏置宗量，得到輸出電壓信號Uo和輸入電壓信號Ui關(guān)系曲線如圖5所示.

(a)φ1-φ0≈6°

(b)φ1-φ0≈2°

(c)φ0≈φ1圖5 不同初始偏置宗量下的輸出電壓信號Uo和輸入電壓信號Ui關(guān)系圖像

從圖5可以看出初始偏置宗量φ0越接近臨界值φ1，雙穩(wěn)寬度越小，φ0=φ1時，雙穩(wěn)寬度為0，雙穩(wěn)態(tài)恰好消失,這與理論分析一致.

3.2 輸入光強驅(qū)動雙穩(wěn)態(tài)

當(dāng)初始偏置宗量φ1-φ0≈6°時，將輸入信號的變化范圍調(diào)整到10～15 mV，得到圖6所示圖像.

圖6 輸入信號為10～15 mV時，輸出電壓信號Uo和輸入電壓信號Ui關(guān)系圖像

由圖5(a)與圖6比較發(fā)現(xiàn)，改變輸入光強變化范圍后，關(guān)系圖像發(fā)生變化，圖像由2條雙穩(wěn)曲線組成，從理論上看，理論雙穩(wěn)回線在輸入信號增大時，將會出現(xiàn)2個以上的y值與同一個x值對應(yīng)的情況，雙穩(wěn)曲線的個數(shù)也因此而增加.

3.3 合適初始偏置宗量的選取

輸入光強對應(yīng)的平均輸入電壓信號Ui在2～16 mV變化時，改變偏振片P3的偏轉(zhuǎn)角度來改變初始偏置宗量，測量相應(yīng)的雙穩(wěn)寬度Δx和雙穩(wěn)啟動信號大小x1，得到不同初始偏置宗量下Δx，x1變化曲線圖，如圖7所示.

圖7 不同初始偏置宗量下Δx與x1變化曲線圖

從圖7可以看出初始偏置宗量φ0≈15°時雙穩(wěn)態(tài)消失，因此取臨界初始偏置宗量φ1=15°，當(dāng)φ0≈10°時，系統(tǒng)有較大的雙穩(wěn)寬度和較小的雙穩(wěn)輸入啟動信號，此時光雙穩(wěn)裝置工作性能較高.

3.4 合適輸入信號范圍的選取

當(dāng)φ1-φ0≈6°時，改變輸入信號變化范圍，因為雙穩(wěn)輸入啟動信號大小此時基本不變，故測量相應(yīng)的雙穩(wěn)寬度Δx，得到不同的平均輸入信號下Δx的變化關(guān)系圖，如圖8所示.

從圖8可以看出當(dāng)平均輸入信號Ui(輸入光強經(jīng)探測器轉(zhuǎn)化的平均電壓)在12～18 mV時，光雙穩(wěn)寬度都較大，低于12 mV或高于18 mV，光雙穩(wěn)寬度減小得都較快，因此選擇12～18 mV的平均輸入信號，能使光雙穩(wěn)裝置有較高的工作性能.

圖8 不同平均輸入信號Ui下的Δx變化關(guān)系圖

4 結(jié)束語

從理論上分析了磁光混合型光雙穩(wěn)裝置的雙穩(wěn)態(tài)驅(qū)動機制，在實驗室條件下對光雙穩(wěn)態(tài)產(chǎn)生和消失條件進(jìn)行驗證. 研究了初始偏置宗量φ0和平均輸入信號Ui對光雙穩(wěn)裝置雙穩(wěn)寬度Δx、雙穩(wěn)輸入啟動信號大小x1等工作性能的影響，最后找出了系統(tǒng)參量的合理取值，使光雙穩(wěn)裝置具有較高的工作性能，從而提高了磁光混合型光雙穩(wěn)裝置的實用性. 實驗所構(gòu)建的基于磁致旋光效應(yīng)的光雙穩(wěn)裝置可以在一般實驗室條件下搭建，安全性和可操作性強.