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基于偏振叠加和干涉两种方法的可控光脉冲延时器 赵建领 吴令安 (中国科学院物理研究所和北京凝聚态物理国家实验室，光物理开放实验室，北京 (2009 年 3 月 8 日收到;2009 年 9 月 4 日收到修改稿) 100190) 可控的光信号延时在科研和通信领域有着广泛的应用. 本文提出了两种可控光脉冲延时器的方案，分别基于 偏振叠加和干涉原理. 通过相位调制器的调制将光脉冲约束在一个环路中，需要时再释放，以达到光脉冲延时的目 的. 调节环路的长度和循环的次数便可以实现延时时间的可控. 这两种方案均可以应用于全光纤光路中，通过集成 光学技术可以实现微小尺寸的封装. 基于偏振叠加的方案还可以方便地应用于自由空间光延时. 关键词: 光延时，可控，偏振，干涉 PACC: 4280，4230Q，4225J，4225K 目前，可调光延时的实现方法主要有如下几 种:光延时线加光开关［8］、自由空间型［9］、光纤光栅 型［10—16］、集成光波导型［17］、光纤加热与拉伸型［18］ 以及基于波长变换的干涉环［19］等. 这些方案存在可 调范围窄、系统复杂、稳定性差和精确度低等缺点. 光通信领域需要一种精确和高效的可调光脉冲延 时器. 本文提出两种可编程的光脉冲延时器方案，分 别基于偏振叠加和光的干涉来实现. 通过这两个方 案可以实现光脉冲信号延时，同时可通过编程来控 制延时的时间长短，延时范围依赖于光环路的长 度，可以制作成任意延时范围的器件，而且结构简 单，控制方便. 引 言 1. 在生产实践和科研中，信号的延时是一个十分 普遍而重要的问题，以保证各种信号的时序或同 步. 电子学领域中的时序控制电路可用精确的可编 程时钟延时器，其时间范围和精度可达到纳秒量 级. 而在光学领域，也需要对光信号进行精确的延 时，特别是对于脉冲光. 例如，在光通信中光延时有 着广泛的应用;在光包交换网的交换系统和接入系 统中经常出现包的竞争问题，比较好的解决方法就 是把相互竞争包的其中一个延时一段时间，待另一 个包完成交换后再处理这个包. 在光时分复用系统 中，通过光延时可以提取光交换所需要的时钟信 号. 在光纤码分多址技术中，通过可调光延时器可 以实现高速的编码 /解码器［1，2］. 时域的光学相干层 析术也需要长时间的光延时［3—5］. 同时，大容量的可 调光延时器还用于实现光缓存器［6］. 另外，目前热 门的光纤量子必威体育官网网址通信领域也需要精确的光脉冲 和电脉冲信号的可控延时［7］. 对于皮秒级的光延 时，一般采用延长光路的办法就可以解决，在自由 空间或光纤中都可以. 但如果需要大范围的延时， 此办法就不现实，因为要通过几十甚至几百米的光 程很麻烦，也会有各种各样的损耗. 而且这种方法 延时时间固定，可控性比较差. 基于偏振叠加的可控光脉冲延时器［20］ 2. 基于偏振叠加的可控光脉冲延时器原理如图 1 所示. 其中，PM 为相位调制器，PBS1 和 PBS2 为 4 端 口偏振分束器. 为了方便起见，这里假定 PBS1 和 PBS2 对平行偏振的光透射，对垂直偏振的光反射. 同时，PBS2 与 PBS1 的轴向呈 45°夹角. 这里输入到可控光脉冲延时器的一个光脉冲 L 在 PBS1 中为平行偏振，将透射通过并入射到 PBS2 ， 该光脉冲在 PBS2 的坐标系中，即图 2 ( a) 所 示 的 (X′，Y′)坐标系，为 － 45°偏振. 因此，该光束在 PBS2 * 国家重点基础研究发展规划(批准号:2006CB921107)和国家自然科学基金(批准号和资助的课题. 从上面的分析可以看出，对于从 PBS1 端口 A 输 入的平行偏振光脉冲，如果不进行调制则直接行走 一周从端口 B 输出，此时所走过的路程为 (AC + CE + EF + FG + GH + HD) + (DB) = Δ， (1) 这里 EF(GH)是指从 E( G) 端面到分束面到 F( H) 的距离，而 FG 是指 从 F 端 面 经 PM 到 G 端 面 的 距离. 如果 PM 调制 π 相位一次，则偏振旋转 90°，这 样光脉冲将一直在光路内部循环而不输出，这相当 于延时. 光脉冲在光路中每循环一周所走过的路 程为 图 1 基于偏振叠加的可控光脉冲延时器原理图 处平均分为两束 Lx′ 和 L′y . 其中，光束 L′x 通过相位调 制器 PM 后从 PBS2 的 F 端口入射，光束 L′y 通过 PM 后从 PBS2 的 G 端口入射. 如果相位调制器不工作，L′x 和 L′y 都将从 PBS2 的 H 端口出射，并由于走过的光程相等，将叠加重 新合成为原光脉冲 L，如图 2( b) 所示. 该光脉冲再 次入射到 PBS1