（光学专业论文）光折变linbo3晶体电光、压电效应的研究及在光开关中的应用.pdf

上海犬掌硪士掌饿论文 光折变l i n b o 。晶体电光、压电效应的研究 及在光开关中的应用 摘要 光折变光开燕具有响应速度快，紧凑和小型化等优点，因此在光计算领域引 邈了久们广泛瓣麓究兴趣。本论文论述了 乍者在毫场控铡静光赘变光开关方面的 研究工作，具体内容包括以下两个方面： ( i ) 键出翻浮光折变l i n b 0 3 潞体的电光、压电效应实现2 2 赢通交换光开关 的原理设计方案。光折变光栅是体相位栅，具有严格的布拉格角选择特性。读出 光栅酎，通过控制外加电场的大d , n 以使原记录光束读出时满足戚偏离光栅的布 挝格条件，从两使褥射效率为l 或0 ，实瑗开关的交换和囊逯操 乍。论文缀合考感 了外电场与晶体光轴平行时光折变l i n b 0 3 晶体的电光和压电效应，给出了为实现 开关功毙获霰懿辨毫场懿大，l 、，势磅究了挖势壹羹奄场与记录、读滋光束镳捉熬关 系。此外，为使无外加电场读出时衍射效率尽可能高，计算了光栅记录时光强比 庭满足静条俘。本论文设计兹党孛厅交竞交换开关爨有紧凑和小型纯豹特往，比较 邋用于光折变的多级互联网络。 ( 2 ) 研究了光折变l i n b 0 3 晶体的电光效应帮压电效应。在前途开关工作的基 础上，进一步讨论了在外加电场与晶体光辘方向蠢一定夹角b 时光叛变l i n b o ， 晶体的有效电光系数和有效压电张量的大小，并以此为基础研究为实现开关功能 艇霈的特定外加电场e 。与夹角和光束馕振之阗鲍关系，然蔼探求最小豹努热 电场强度涞实现上述的开关功能。计算结果表明：对于寻常偏振光，当外加电场 与是僖光辜蠡方向之润兹夹楚为5 2 。时，聚慧要戆癸电场最，l 、；焉对予菲鬻德叛党， 此夹角为0 时，所需外电场最小，而且这两个最小值基本相等。 关键词：光折变效应光开关，布拉格角选择特性，衍射效率，电光效应，压电效应 上海火掌硪士掌位论文 t h e o r e t i c a ls t u d yo n e l e c t r o o p t i ca n d p i e z o e l e c t r i ce f f e c t s o f l i n b 0 3c r y s t a la n d t h e i r a p p l i c a t i o n s i no p t i c a ls w i t c h a b s t r a c t t h es w i t c h e sb a s e do nt h ep h o t o r e f r a c t i v ee f f e c th a v eb e e nf o c u s e do nb ym a n y r e s e a r c h e r sb e c a u s eo f t h e i rr a p i d r e s p o n s es p e e d ，m i n i a t u r i z a t i o na n dc o m p a c t n e s s t h i s d i s s e r t a t i o nw i l lp r e s e n tt h ea u t h o r ss t u d yo nt h ep h o t o r e f r a c t i v es w i t c h e sc o n t r o l l e db y a p p l i e d e l e c t r i cf i e l d t w op a r t sa r ei n v o l v e di nt h es t u d ya sf o l l o w e d ： ( 1 ) t h ef i r s tp a r tp r e s e n t sad e s i g ns c h e m eo f2x 2b y p a s sa n de x c h a n g es w i t c h b a s e do nt h ee l e c t r o - o p t i ce f f e c ta n dp i e z o e l e c t r i ce f f e c to ft h ep h o t o r e f r a c t i v ec r y s t a l l i n b 0 3 。t h e d i f f r a c t i o no fav o l u m e p h a s eg r a t i n gi ss t r i c t l yr e l a t e dt ot h em a t c h i n go f t h eb r a g gi n c i d e n tc o n d i t i o na n dt h eb r a g g s e l e c t i v i t yp r o p e r t yi sv e r ys e n s i t i v e w h e na b e a mi sr e a d i n gt h ep h a s eg r a t i n g s ，w ec o u l dm a k et h er e a d i n gb e a mc o n f o r mt oo r v i o l a t et h eb r a g gi n c i d e n tc o n d i t i o nb ya d j u s t i n gt h ea p p l i e de l e c t r i cf i e l dw h i c hi s i m p o s e do nt h ec r y s t a lt h u sw oc o u l dm a k et h ed i f f r a c t i o ne f f i c i e n c y0o r1 ，i e ，t h e s w i t c hw i l lw o r ki nb y p a s so re x c h a n g es t a t e sr e s p e c t i v e l y ，t h ed i s s e r t a t i o nm a k e sa t h o r o u g hs t u d yo f t i l ee l e c t r o o p t i ce f f e c ta n dp i e z o e l e c t r i ce f f e c to ft h ep h o t o r e f r a c t i v e c r y s t a ll i n b 0 3w h e nt h ea p p l i e de l e c t r i c f i e l d i s p a r a l l e l t ot h eo p t i c a la x i so ft h e c r y s t a l t h em a g n i t u d eo fa p p l i e de l e c t r i cf i e l dw h i c he n s u r e st h es w i t c hw o r k n o r m a l l y i sd e r i v e db ym yc a r e f u lc a l c u l a t i o n w ea l s ot 燃n ka b o u tt h er e l a t i o nb e t w e e nt h e a p p l i e d e l e c t r i cf i e l da n dt h e w r i t i n g a n d r e a d i n gb e a m s i no r d e r t o a c q u i r e t h e d i f f r a c t i o ne f f i c i e n c ya sh i g ha sp o s s i b l ew h e nab e a mi sr e a d i n gt h eg r m i n g su n d e rt h e c o n d i t i o nt h ea p p l i e de l e c t r i cf i e l di sn o ti m p o s e do nt h e c r y s t a l ，w ec a l c u l a t et h e i n t e n s i t y r a t i oo ft h e w r i t i n g b e a m s d u r i n g t h e w r i t i n g c o u r s ci na d d i t i o n t h e p h o t o r e f r a c t i v es w i t c hd e s i g n e di nt h i sd i s s e r t a t i o ni sc h a r a c t e r i s t i cb yi t sc o m p a c t n e s s a n dm i n i a t u r i z a t i o ns oi ti ss u i t a b l ef o rt h ep h o t o r e f r a c t i v ei n t e r c o n n e c t i o nm u l t i s t a g e n e t w o r k ( 2 ) at h o r o u g hs t u d yo nt h ee l e c t r o o p t i ce f f e c ta n dp i e z o e l e c t r i ce f f e c to ft h e 上海大掌颂齿攀位论文 p h o t o r e f r a c t i v ec r y s t a ll i n b 0 3h a sb e e np r e s e n t e di n t h eo t h e rp a r to ft h ed i s s e r t a t i o n b a s e do nt h e p r e v i o u sw o r k ，w ep r e s e n t af u r t h e rd i s c u s s i o no nt h ee f f e c t i v e e l e c t r o o p t i c c o e f f i c i e m sa n de f f e c t i v ep i e z o e l e c t r i ct e n s o r so ft h ep h o t o r e f r a c t i v e c r y s t a ll i n b 0 3w h e n t h e r ei sa na n g l e b e t w e e nt h ea p p l i e de l e c t r i cf i e l d e s a n dt h e o p t i c a la x i so ft h ec r y s t a lb e c a u s ew ew a n tt oa c q u i r e dt h em a g n i t u d eo ft h ea p p l i e d e l e c t r i cf i e l di m p o s e do nt h ec r y s t a lu n d e rt h ec o n d i t i o nt h a tt h es w i t c hw i l lw o r ki ni t s r i g h ts t a t e s b yt h i sm e a n s ，w ea r ed e s i r e dt og e tt h el e a s tm a g n i t u d eo ft h ea p p l i e d e l e c t r i cf i e l dw h i c hc o u l de n s u r et h es w i t c hw o r kn o r m a l l y t h ec a l c u l a t i o nr e s u l ts h o w s t h a tt h el e a s t m a g n i t u d ew i l l b er e a c h e dw h e nt h ea n g l e e q u a l s5 2 。w h e nt h e i n c i d e mb e a m sa r eo r d i n a r yp o l a r i z e d ；i nt h eo t h e rh a n d ，t h el e a s tm a g n i t u d ew i l lb e r e a c h e dw h e n 1 3 e q u a l0 ，i e ，t h ea p p l i e de l e c t r i cf i e l di sp a r a l l e lt ot h eo p t i c a la x i so f t h e c r y s t a lw h e n t h ei n c i d e n tb e a m sa r ee x t r a o r d i n a r yp o l a r i z e d w ea r ei n t e r e s t e di nt h e r e s u l tt h a tt h et w ol e a s tm a g n i t u d eo f t h e a p p l i e d e l e c t r i cf i e l da r ea p p r o x i m a t e l y e q u a l ， k e y w o r d s ：p h o t o r e f r a c t i v e e f f e c ts w i t c h ，b r a g g s e l e c t i v i t yp r o p e r t y ，d i f f r a c t i v e e f f i c i e n c y ，e l e c t r o o p t i ce f f e c t ，p i e z o e l e c t r i ce f f e c t 上海大掌碰士媾位论文 第一章绪论 当今社会正面临着一场深刻的技术革命，信息处理技术的发展正改变着社会 豹基本嚣藐帮a 们的生活方式，信息处理髓力成为衡燕一个溺家科技水平的主要 指标。随着科学技术和国防尖端科技的发展，要求对超大量信息具有快速处理能 力，搿前作为信息处理的主要工具是电子计算机，是以电子作为信息处理的裁体 的，二进京8 和串行结构的提出极大地提赢了魄子计算拳咒的运冀能力，但踺羞数据 量的惫剧增大，很容易受至j j n 连带宽窄、互避密度小、时间惹斜、串扰和寄生电 容等所谡“奄子瓶联”斡影嗡，隈铡了系统处瑾速震戆进一步提毫。嚣解决这一 问题的根本出路则在于利用非电子信息的传输媒质和器件，幽此全光网和光学信 息处纛嚣静应运嚣生，或为傣惠楚瑾技术未慕发震静趋势。 由光子代替电子作为信息载体必须设计一些光器件来应用于光计算、复用通 信、光交换弱超大容童高速光信息疑毽等领域作为控光器件，由此光开关被掇出 来并成为光学信息处理中的关键器件。依据光开关实现原理不同，光开关可分为： 机械光开关、热光开关、电光开关和声光开关。依据实现光开关的交换介质来分， 光开关可分为：自由空间交换光开关耱波导交换光开关。 机械式光开关发展已比较成熟，可分为移动光纤式、移动套管式、移动凇赢 器式、移动反光镜式、移动棱镜式帮移动糕含器式；鼹绞麴毒慝缓式光开关捶入损 耗较低( 4 5 d b ) ，且不受偏振和波长的影响。缺点在于开关 时滴鞍长，一般为毫秒曩级，有时还存在髫簿辩动帮羹复经鞍蒺翁问题。晏井箕 体积较大，不易做成大型的光开关矩降。因此，传统的机械光开关难以适应高速、 大容羹光传送阚发震豹需求。两新型酌以撒机械工艺为基础的微机械光开关溉艇 有传统机械光开关的插入损耗低、隔离度高等优点，阁时又具有体积小易于集成 等优点，成为太容量交换光网络开关发展的主流方向。热光、电光、声光效应光 开关是通过改变交换介质的波导辑射攀，实现交换髫的款。晷蔚掌蠲的党开关有 以下几种：m e m s 光开关、喷墨气泡光开关、热光效应光开关、液晶光开关、全息 光开关、声光开关、滚钵光撵党开关、s o a 光开关等。夔蓑薮按零匏发骚，将莠更 多类型的光开荚出现。 i - 海丈掌壤士搭位论文 衡量光开关的性能主要有以下几个方面：( 1 ) 交换矩阵的大小：光开关交换 矩簿的丈，l 、爱硬了光开关静交羧能力。涟着通信业务需求的急捌增长，光开关豹 交换能力也需委大大提高，( 2 ) 交换速度：交换速度是衡量光开关性能的重要指 标。( 0 ) 损耗：当光信号通过光开关时，将伴随着能蓬损耗。依据功率预算设计 网络时，光开关及其级联对网络性能的影响锻大。损耗和干扰犍影响到功率预算。 ( 4 ) 可靠性：光开关要求具有良好的稳定性和可靠性。 罄于光开关对于售患技术螅重要懑义，缀多国家都投入了大量静人力襄慰力 进行这方面各研究，已经取得了丰硕的成果，很多光开关已经商用化。例如朗讯公 司己礤1 2 9 6 1 2 9 6 璃蜀戆m e n s 。其纂溃墨传送容量为1 6 t b s ( 蕈纾复爱4 0 令 信道，每路倍道传送4 0 g b s 信号) ，总传送容量达到2 o ? p e t a b i t s 。具有严格 无疆塞特缝，夯入损耗为5 。1 d b ，串挠( 最环情况) 为- 3 8 d b ，使光开关静交换总 容量达到新的数量级；安捷伦公司采用热喷墨打印和破平面光波电路两种技术， 开发躺一种二维光交叉连接系统，称为“光予交换平台”；s p e c t r a s w i t c h 公司 研制的w a v e w a l k e r 是一个固态产品，蕻1 2 都2 2 介入损糍小于l d b ，极端损 耗为0 2 d b ，交换时间为4 m s 左右，交换波长的范围为c 波段。液晶光开关没有移 动部分，所芝上提高了系统鲍稳定性，n 豫公司聚台甥1 6 1 6 热光开关已经囊鼷，其 交换时间大约是几个潦秒；l y n x p n 公司的8 8 光开关是由1 2 8 个1 2 热光开关 梅残黪，其鸯严格无酝塞将瞧，麓支蛰广撵功筑，交羧辩淹，j 、予2 m s ，掇纯接耗，j 、 于0 ，4 d b ，介入损耗小于ld b 。这些光开关的研制成功和投入使用，标虑着以光作 为信惑整理簌溪静党邋信技术已经成熬。 光折变效应( p h o t o r c f r a c t i v ee f f e c t ) 是光致折射率变化效应( p h o t o i n d u c e d r e f r a c t i v ei n d e xc h a n g ee f f e c t ) 的缩称。首先是由贝尔实验室工作的a s h k i nd 0 等人 与6 0 每代发现的。他们当初髑l i n b 0 3 和l i t a 0 3 晶体避行光倍频实验瓣，意9 发 现强光辐射会引起折射率的变化，从而严重地破坏了相位匹配条件。正因为如此， 当视把这秽不期望的散应称为“光损伤”。这秽“光损伤”在螬处可掇露程当长黥 时间，且通过均匀光照或加热的方法，光损伤的痕迹可以被擦洗掉，从而使晶体 羧复秘态。正楚这一拣矮，首次蔹c h e n 等久认谖到“光损伤”孝才精是种饶艨的 光数据存储材料。为了避免与永久性的破坏损伤相区别，后来人们普遍把这种效 应称为光挢交效应。光手厅交簸应豫其暂记录光撩不需麓影的特性，还舆有高酌衍 上游大掌般士掌位论文 射效率、实时性和响应速度快等特点，目前己广泛应用于光开关、光互连的实现。 零论文的硪究工 乍是基予以上的研究背景，若羲贫绍耐麓光手厅交晶体静电光 效应和压电效应来设计直通交换光开幕，并以此为基础上对光折变l i n b 0 3 晶体的 的匿电、电光效应避行全面的研究。下面介缁一下本论文的主要内容。 论文第一牵为绪论，简单介绍一下论文工作的背景和意义。 筛二章为光折变效应的背景综述。简单地介绍了光折变效应的物理机制，给 出了援述光撅变效应鲍带输遮方程，圆时分缨了与光磐享变效应联系紧密的动态嚣 波藕合理论。在这两方面的赫础上简单地介绍了三种利用光折变效设计的具有代 表夔麓光牙关器理。 第三章讨论了如何利用光折变晶体( 主要是l i n b 0 3 ：f e 晶体) 的电光和服电 效应设计壹瀵交换竞折交光开关。第霞幸在第三章竞开关讨论的基础上研究了光 折变l i n b 0 3 晶体的电光效应萃压电效应。这两章的内容是我在硕士期间的主要工 作。在光折交晶体中记录的光折变光栅是体桶位栅，矮有严格的布拉格角选择特 性。在光栅读出时，可以通过控剑外如电场的大小使服记录光隶满足戏偏离光掇 的布拉格条件，从而使衍射效率为1 或0 ，实现开关的交换和赢通操作。论文第三 章综会考虑了外电场与晶诲光转平行漪光撰变l i n b 0 3 最终款篷光窝爨惫效应，绘 出了为实现开关功能所需的外电场的大小，并研究了此3 b 自n 电场与记录、读出光 轰镶掇涎关系。此羚，为镬无辫懿邀场读窭簿衔麓效率尽哥畿高，诗箨了光裰记 录时光强比成满足的条件。在前述开关工作的基础上，第四蕈避一步讨论了在外 鸯霸窀场与晶露光辘方辆有定夹角对光拼嶷l i n b 0 3 晶体的有效电光系数和有 效压电张量的太小，并以此为基础研究为实现开关功能所需的特定外加电场& 与 夹角p 和光束偏振之闻的关系，从而探求最小的外加电场强度来实现第三章的开 关功能。计算结果表冁：对于罨常偏振光，当辨盘嚣电场与晶体光辘方睫之间黪夹 角为5 2 。时，所需要的外电场壤小；而对于非常偏振光，此夹角为0 时，所需外电 场最、，两且这两个最小僮基本摆等。 论文的最后一部分对本论文的研究工作进行了总结。 - k 海大掌礤士媸位论文 第二章光折变效应背景综述 2 1 光折变效应的历史回顾 光拆变效应( p h o t o r e f r a c f i v ee f f e c t ) 是光致折射率交化效应( p h o t o i n d u c e d r e f r a c t i v e i n d e xc h a n g ee f f e c t ) 的缩称。酋先是幽贝尔实验室的a s k h i n t “】等人于1 9 6 6 年发现的。能们用l i n b 0 3 和l i t a 0 3 晶体进行光倍频实验时，意外袋现强光辐照 会 l 起晶体孝斥慰率的变化，从两严墼地破坯了摆位鳗配条件。正因为如此，当枥 把这种不期塑的效应称为“光损伤”。这种“光损伤”相当顽固，在暗处可保留 相当长懿孵瓣。正是这一性菠，善次被c h e n 等人n 1 】认识弱可瞄楚这耪现象 睾为党 存储，由此掀起了其在光存储及光信息处理方面的广泛应用。 在走掰变效应发震懿最裙的多年里，毙季厅交效应豹磷究领域主要集中在光 折变晶体的光存储效应的微观机制和基本理论模型的研究。在分析载流予的迂移 过程方面，c h e r t 等人疆出载流子在井场及晶体内极化电场作用下的漂移机制。随 后a m o d e b 1 又提出了光激发载流子按光强梯度分布引起的扩散迁移桃制，并指出 在低电导材料，光栅间距较小的情况下，载流子的扩散是最主要的迁移过程，并 从理论上给嫩了光生载流予因浓凄梯度扩散帮在电场作用下漂移这两葶孛迂移摄制 下的空间电荷场的分布。与此同时贝尔实验室的g l a s s h 】提出了一种新的载流子机 睾l 光生伏打效应，宅不鬻予透豢意义下麴党圭饺打效应，它是均匀铁电体材 料在均匀光照下产生的一种沿自发极化轴方向的光生伏打电流，因而它是不间于 扩散窝舞场幸筝用下漂移运动豹又一静光生载流子豹迁移过程。在这墅理论研究豹 基础上，k u k h t a r e v 等人于1 9 7 9 年给出了描述光折变效应的一组动力学方稷， 又称为带输逮模型。在该理论模型中，同时考虑了光激发载流子在潞体串的三种 可能的迁移效应，即扩散，漂移和光生伏打效应。出于该理论曾对稳态稻动态光 折变现象给出了令人信服的解释，被人们普遍接受为描述光拚变效应的理论。次 年f e i n b e r g 2 6 1 提出了到跃模型，该模型把光激发蛇毫凌豹迁移运魂番馋是鼓一令 陷阱位置到另一个近邻陷阱能嚣上的跳跃过程。其跳跃的几率正比于辐照的光强 积毫场强震。该理论对稳态巍叛变蠛象给予了嗣徉好麓诱翡，因魏也是静可接 受的模型。 上海大掌硕士壮位论文 同时人们对光折变过程中的光生载流子的来源进行了大量的研究。认识到晶 幸搴中的杂溪，缺陷帮定位是党激发载流子静主要来源。它们澎成斡畿级位子菇钵 的禁带中，充当施主心和受主心的角色。因此晶体的掺杂浓度对光折变效应歪关 重要。恻如在l i l n b 0 3 晶体中总台有一定量的& 杂质，其偷态可以为二价和三价， 或其混合体，在光辎照下，二价的铁离子被光电离成三价铁离子，激发至导赘中 的光电予迁移到暗区被三价铁离子陷阱俘获行程二价铁离子，从而导致空间电荷 的分离，在鑫馋内产生出空澜电荷场因两指爱掇，其毙反应为： 凡2 + + h v = f e3 + + g ( 2 1 1 ) 式中e 表示鑫由电子，a y 代寝一个光子的能爨。光孚斤变效应怒二价铁离子和三价 铁离予杂质按光强重新分布的结果。 入卜 v ( c 疆) 图2 1 1 光折变光栅的掰成过程 2 。2 光新变效应动力学 光折变光栅的形成过程如图2 1 1 所示：棚干写入光产生的于涉强度分布引起 载流予的非均匀激发，载流予由于扩散，漂移和光伏打效应产生迁移，经陷获一 再激发一再隧获过程，形成空阀电萄分蠢，产生空闻魄蕊甥，遥过线饯奄走效应， 形成折射率的调制分布，这种过程的物理描述一般采用带输运方程。 熊型戆毙叛变全惫记录懿党终銎懿密2 , 2 1 所示，嚣寒裙子光在蠡体内静干涉 条纹分布可以表示为： 上海大掌硪士嫩位论文 i = i o ( 1 + m c o s k x ) ( 2 2 1 ) 式中，m = 2 了了：1 。为调制度，i o = 1 1 + 1 2 ；k 为光栅波矢。带输运的模型的能级如 蛋2 2 2 掰示。 l i n b 0 3 土 鹫2 , 2 。 典赞麴竞辑交垒惠记蒙鹜 蛙 复畲 “p 。 t y y ：、n 虚，、 倒2 2 2 带输运模型的能级图 k u k h t a r e v ”1 对载滚予黥豹输遨模型鲶宠全描述必： 害：盟+ 三v j 口2 2 a ) 魏c a t口 、 攀：( k 。一n 潞+ 囝h n ；p2 b ) 筑 j = q p p e k b t g v p + j n( 2 ，2 + 2 c ) v ( 压) 。一e ( n ；一n a p )( 2 2 2 d ) 萁中，p 为电子数密魔，q 为电子的电荷， n d 为晶体内的施主数密度，n ；为晶 体蠹鳃电离翳攘主( 受主) 鼗寮度，s i 为光激簸死率；l 是光强；s 是光激发常数： p 是热激发几率，也为常数。y 。n ；p 为电子的俘获率，其中y 。为复合常数：j 是电流密度；为迁移率：e 为电场，包括外电场e o 和空间电荷场e s c ；k b 为玻 上海大学硕士掌位论文 尔兹曼常数；j p h = k 。耐是光生伏打电流密度，其中k o 为高斯常数。s 为晶体的介 电常数，n a 为负电荷密度，它保证在无光照射下至少有n a 个被电离的施主心 n j ( i = o ) = n 。，以保证电中性。 方程组( 2 2 3 ) 中，第一个方程为自由电子的连续性方程，描述的是自由电 子和电离施主之间的作用关系，其中的电流密度由第三个方程描述：电流来源于 扩散，漂移和光伏特效应，贡献分别为：漂移电流q 岫e ，扩散电流k 。t 1 t v p ，光 伏打电流k 。硝，第四个方程为泊松方程，物理意义为：净电荷密度为正负电荷密度 之差，即： ( n ；一n ) 一( n d o ) ，下标0 表示无光照时的值。由于 n ：0 2 n j ( i = o ) = n ，故净电荷的密度为p = n ；一n 。一p 。第二个方程为速率方 程，也是最能体现带输运方程含义的，在光强i 的辐照下，电子从施主心被激发 至导带，使得电子施主变成电子受主，受主密度的产生率为( n 。一n ；) ( s i + ) ； 同时受主因俘获自由电子而变成电子施主，其减少率为n ：户，故电离的施主数 密度增加速率为两项之差。 光在光折变晶体中传播时的波动方程为： 俨e o p f + 吉n2 慕= o ( 2 2 3 a ) 其中折射率方程为： n 2 = m ；( 1 一”e 。)( 2 2 3 5 ) 或近似为： n 2 n o n ；e 。 ( 2 2 3 c ) 其中，n o 为晶体的背景折射率，。为有效电光系数，e 。为空间电荷场。 方程组2 2 2 a - d 和2 2 3 a c 就是带输运模式的光折变效应的基本动力学方程。 不难看出，这一组方程是一组非线性耦合方程。在k u k h t a r e 、， 1 5 的工作中，作了“长 输运距离”和“短输运距离”的稳态解析解。在“长输运距离” i i - y t ，内电场 分布和光强分布有2 的相移。这个假设适合于非常小的干涉条纹周期或非常大 的外电场存在( 1 e 。l e q ；人 i e ) 。在“短输运距离7 时，得出的电场基频分量 i - 海大掌硕士掌位论文 的振幅为： e s c = e o + e p ( 1 一 i e d 【业争】 ( 2 2 4 ) 式中，e o 为外电场，e 。= k g d io e n 为光伏特电场，e d = k k b t e = d k 为扩散 场。从上式可以看出，扩散电场产生n 2 的相移，故若外电场为0 且不考虑光伏 特效应，全息光栅和干涉条纹之间存在2 的相移，以后的分析将证明在这种情 况下两束写入光之间发生最大的能量耦合效应。外场的存在将减小这个相移。一 般地，把相移为“2 的全息响应称为非局域响应，无相移的响应称为局域响应。 上式中，r l l 为光强调制度， m = m ( c d c o ) 1 一( 1 t a ) 2 1 e a ，d d 盯o = j s io 为暗一光电导比，1 t 为空间电荷 屏蔽长度，1 。为电场屏蔽长度，a 为光栅干涉条纹的周期。 许多学者在一些假定下得到了更加明了的稳态解析解。这些假定是：( 1 ) 只考虑了直流量和一阶f o u r i e r 分量使得所有的周期量都可以表示成 h ( x ，t ) = h o + r e h i ( t ) e x p ( i k x ) ) 的形式。( 2 ) 低的自由载流子密度，即 p n 。一n ：，n ：，故在方程( 1 3 d ) 中可以被忽略。( 3 ) 准静态近似，即 d n d t d n d t ，实际上述假定的情况只有在m 1 时成立( 可上升到m o 8 ) 。在 不考虑光伏特效应时有： 耻- m 赢 ( 2 z 5 ) e 。= e n 。k 为空间极限电荷场，考虑光伏特效应时，其作用相当于一个外场， 但将导致一个复杂一些的表达形式。上式的另一种表达方式为： e s c = 一m ( k ) ( e o + i e d )( 2 2 6 ) 式中 f ( 足) = ( 1 + 曙k2 一f ，e 世) 。1( 2 2 7 ) l d = ( 。k b t n 2 e n a n d ) 2 为德拜屏蔽长度，1 e = 。e o n e n a n d 为电场屏蔽长 度。对于只考虑扩散的情形，人= 1 。时达到最大空间电荷场。当e 。 e 。i 貔对，光束2 从光束1 获得能量。如果r 0 ，那么式f 2 3 1 0 ) h 茈为： 簪而寒而e 斓即) ( 2 3 1 2(2312 a ) 2 1 一再矛丽而丽。榉“1 | 考虑余质的吸收压为： 如2 而毛孙丽 ( 2 3 1 2 b ) ，l = 鬲e x 州卟咖( 2 3 ) ， 毛2 鬲1 纛e 蒜x p ( 而。x p ( 一) “ + 州“ 1 r 1 ，) 一 7陀3 i4 1 上潞丈掌硪士墩位论文 在这种情况下，光能的不可逆转移方向是从i ：到i ；，显然转移的方向取决于r 的 符号，而f o cs i n m ，因此依赖于相位栅相对于干涉条纹的空间相移m ，后者又取决 于载流子弱输运瓿露l 藉穗对光辘c 豹取爨。对予扩鼗橇霖l 帮大幻迁移蹉离， m = 兰，发生最大的能量耦台但不发生位相耦合，这种光栅称为非局域响应的相 移囊光橱；对于较大的外热泡场和较大的条纹距离，裙位襁相对于予涉条纹的相 移m “0 ，程这种情况下虽不发生稳态的能鬣转移，但由方糖( 2 3 7 ) 可知： 等- r ，拦( 2 3 1 5 ，毋i ；七l 、 。 可见，若i 。# i ：，则双光束之间的位相差随澍距离的增加而增加。由于光折变效 应韵惯性，这种位相转移将学致双光束之间发生瞬态能量转移。在初始时刻光致 相位栅对位相变化不明显，双光束所形成的予涉条纹平行于x 轴，隧黄时闻的增 长，相位栅的作用逐渐增强甜光束发生自衍射，这种变化将使干涉条纹相对于x 轴发生缳斜。枣子光摄变效疲弱馁後，相位援滞盖子予涉条绞，这凌零| 起强毙到 弱光的瞬态能量转移，达到稳态后，相位栅赶上干涉条纹的倾斜变化，相移消失， 光能瓣不霹邀转移夔之箨丘。 由式( 2 3 8 ) 可知，对于小的有效电光系数的材料，增大耦含系数脊两条途径： 增大诵截电场幅度稻谦持太晌s i n e 。在上述缀典二波祸台中，这两点是相互矛盾 的：增大电场幅度的方法是外加电场，而增大外场将导致女的减小。鸯孤种方法可 以克服这个矛盾，其一是产生移动的光栅泌秭) ，方法是在光栅波矢方向加电场的 同时以一压电晶体控制的反射镜对其中一束党控制然蕊产生= i 葭嚣岔的檄够。其= 是 在晶体上外加外频电场阶2 9 1 。 2 4 光折变材料特性参数 2 4 。l 光辑交锈莉效率 全息存储中，一个重要的参数是衍射效率，它描述从参考光到信号光能爨转 移的多少，定义为衍掰光强与入射兜强之比。对于透射光栅可表示为： 洋洒2 ( 曩豢) e x p ( 一旦c o s o c o sc o s - ) l1 1 ) 矗拶 。 。 其中，d 为晶体的厚度，n 为折射率相位栅的振幅，不仅与光折变晶体的电光系 2 上海大掌硕士掌位论文 数有关，还依赖于外加( 或晶体内) 电场以及光栅的运动状态有关。反射光栅的 特点是具有较高的空间响应频率，反射光栅的效率为： 州a n h 2(羔)ex卅ad日)cosc o s ( 2 4 1 2 ) 儿廿日 上述的衍射效率都是在对称入射( c o s 0 = c o s 0 ：= c o s 0 ) 和严格遵守布拉格条 件下得出的结果。当布拉格条件不满足时，体全息的衍射效率由k o g e l n i k 耦合波 原理推出，表示为： t 1 = y 2 s i n c 2 l( 2 4 13 ) 其中y = 瓦i 五斋，= a 0 , k d s i n ( 十一e ) 2 c 。s e 一吾c 。s + j ，。，e z 分另。是 记录光束与x 轴的夹角，i l l 是光折变晶体由于记录光栅而引起的晶体折射率变化 的大小，d 是两写入光束的作用长度，k = 2 n a 是光栅的波数，a = l 2 n s i n ( 0 2 1 ， p = 2 n n k 。是平均传输常数。角选择性e 使读出光束偏离布拉格角的大小，决定 衍射效率的第一个零点值。高角选择性( 小e ) 是多重存储的理论基础。 2 4 2 光折变灵敏度 定义光折变灵敏度s 为单位能量吸收引起的折射率变化，表达式为： s = 粤( 2 4 2 1 2 ) u 1 0 【 其中0 【为吸收系数， t 为响应时间，i 。为入射光强。光折变灵敏度是一个很有用 的品质因素，可以用来比较在给定波长下具有不同响应时间和吸收系数的光折变 材料的性能。 前面已经说过晶体中的杂质，缺陷和空位是光激发载流子的主要来源，他们 形成的能级位与晶体的禁带中，充当施主心和受主心的角色，对于l i n b 0 3 晶体 来讲，通常掺入少量的可变价态的铁杂质，他们通常以f e 抖，f e 3 + 的形式进入了晶 体的空间点阵。很多学者对于铁杂质对l i n b 0 3 晶体性质的影响进行了大量的研 究【3 0 。“。研究结果表明增大+ 的浓度有利于提高l i n b 0 3 晶体对入射光的敏感度。 由于掺杂铁的光折变晶体其实是掺杂了铁的氧化物，即铁是以碟+ 形式进入晶体的 上海大掌硕士学位论文 空间点阵的，因此这也就成为利用还原方法进一步提高光折变晶体的吸收光子能 力的重要根据 3 0 3 1 】。 通过研究发现，高掺铁，低还原率晶体的擦除灵敏度远远小于存储灵敏度。 而低掺铁，高还原率的晶体具有擦除和存储灵敏度基本相等的特点外，还具有其 他的特性：( 1 ) 不会发生读出光和衍射光的再记录光栅，二者在高掺铁的晶体中 是很常见的现象。( 2 ) 由光激发导致不均匀性而引起的散射小。 对于同一掺铁浓度但霹+ ，f ? + 浓度不同时的情况，擦除敏感性随f e 2 + 浓度的 增加而增强，但同时伴随着饱和效率的降低；随f e 2 十浓度的增加灵敏度成线性增 大，直至饱和；光折变灵敏度的最优情况是晶体中有0 0 5 m 0 1 的铁掺杂， 2 0 o o 2 5 的f e 2 + ，7 5 一8 0 的f e 3 + 。 晶体的光轴方向也对灵敏度有一定的影响【3 0 】。图2 4 2 1 是掺铁为0 0 0 5 的l i n b 0 3 晶体当光轴方向不同时的擦除情况。从图可以看出，+ c 放置时比c 放 置时的擦出灵敏度要低一些。对于掺铁浓度更低l i n b 0 3 晶体( 掺铁浓度为 o 0 0 0 5 ) 来说，正光轴方向擦除的开始阶段晶体的衍射效率将会增大到最大后再 减小，负光轴擦除的灵敏度要比正光轴擦除时高的多。 图2 42 1 晶体光轴方向不同时存储和擦除特性，擦除是在参考光读出时进行的 2 4 3 响应时间 光折变材料的响应时间描述了光栅建立和擦除的快慢速度。对于形成光栅的 最短时间t ，有人提出一计算模型为： l - 港大a 2 e 硕士掌位论文 t = ( 譬) ( 尘a ) ( ( 去) 丢i nr ( 2 4 1 3 1 ) 疆 程嚣垂 式中h v 为光予能量：d 为光折变吸收系数：f 为稷合系数：女为量子效率，r 为有 效电光系数。上式指出光栅的形成时间正比于耦合常数r ，反比于光强i 。 2 。5 全患懿藿建 光折变垒息由于存储量大，读出时间短等特点而广泛应用于光存储和光信息 楚毽。枣子凌读密豹阉彝雪迄霹记录静众患擦豫。困魏为了麓够长久僚存记录静信 息，需要对记录的光折变全息固定，融前光折变全息的固定的方法有( 1 ) 热固定 法随3 朝，( 2 ) 酶翻转法，( 3 ) 瘫温下强光写入阉定法 3 w ，( 4 ) 矫加电场固定p 8 ，3 9 ，4 0 法，( 5 ) 双光子记录固定【4 l 】法( 6 ) 改变波长固定4 2 3 法，( 7 ) 双掺杂光色效应固定 4 3 1 法，( 8 ) 双包子全息阉定法f 4 4 删。 2 6 光折变效应的应用 必撰变全患壹予爨毒毫斡褥蔚效察，意的角度选择特经秘实露整已棱广泛建 应用于全息光存储，实时光学信息处理，包括像放大和像相关，畸变修正，二维 逻辑鲑瑾，奎润竞调潮，光束偏转，光学对阉徽分，激光锁模技术以及光互连和 光开关等等。在这里主要介绍与论文村关的光折变光开关方面的应用。 开关元件是互联网络中的基本模块。它在不同控制信号的作用下，工作在不 同的状态，以实现输入端和输如端之阅不同的曩连。瓣翦已撼爨多萃孛方案寒应耀 光折变效应实现光开关，本节回顾这些新技术弗讨论了些热点和技术发展方向。 2 6 1 光折变正交偏振双二波耦台全光偏折开关 二波勰台( t w ow a v e m i x i n g ，t w m ) 能塞转移方淘主要取决于光照干涉条绞 和折射率相位栅之间的位相差，所以可以通过改变此棚位差的大小来控制光折变 戆戆鬃转移方彝实瑷鞭囱静毙开关凌缱，歪交编振双诱滚藕合转6 l ( c r o s s - p o l a r i z e d d u p l e xt w m ，c p dt w m ) 就是通过改变相位偏移而实现双向光开关功能的，而这种 籀位改变是通过光路鑫动实现的。其侮的实现方法是粥两柬寻常光和两柬非寻常 光所建立的折射率相位栅交叠，共同使用同一戋斥射率分布，因此可以邋过改变寻 常光之闽的相位差来控制非寻常光之间的能量转移。如图2 6 1 1 所示为正交偏振 上海大掌硕士掌位谢文 的双两波耦合的光学建立情况。假设a ；，a ：为寻常偏振光，a ，a 。为非常偏振光。 。一十一十：为寻常光之间的相位差，m 。= m 。一十。为非常光之间的相位差。a 和 a ：，a ，和a 。豁子渗条绞分粼为i 。， 。，蕊干涉强瘦为i 、“= i 。+ i 。假定a ， a ：l l a ，a 。大。l 。敬空阕分布取决予a ；秘a ：只撼懿 s 位镳差”，f 。取决子 十。如图2 6 1 2 所示，实线表示m m = + 情况下的i 。 a n ，虚线表示$ 。偏 离十。情况下的i 。和a 1 1 。邋过控制+ m 来控制a ，和a z 只见的能量转移，例如当 空溺攘整编移 。= 嚣，2 露，耱量赉a3 转移劐a ；，当$ ，一：= 3 r u 2 甜，能量由a 。转 移到a ：。 b s m o