（光学专业论文）基于hpdlc光栅的edfa增益均衡器的研究.pdf

摘要 摘要 在光纤通信中e d f a ( 掺铒光纤放大器) 性能的某些缺陷会导致信号的失真。 因此很有必要对e d f a 进行增益均衡。本文提出了一种新颖的方法对e d f a 的增 益谱进行平坦：运用h - p d l c ( 聚合物分散液晶全息) 光栅来平坦e d f a 的增益 谱，并利用光栅的电压可调特性实现动态增益均衡。文中首先由给定的e d f a 的 增益谱理论模拟出用于平坦的聚合物分散液晶全息光栅的参数，这一部分工作 由m a t l a b 语言编写程序利用遗传算法由计算机自动实现。光栅参数求得后可用 于指导实验制作光栅，并可理论模拟由电压控制光栅的折射率调制度来实现 e d f a 的动态增益均衡。 h p d l c 光栅作为动态增益均衡具有体积小、成本低、响应时间短、低功耗 和平坦效果较好( 增益平坦度小) 等优点，是一种新颖的容易实现的方法，因 此研究它具有很高的实用价值。理论模拟结果显示：运用该方法可在c - b a n d ( 1 5 3 0 1 5 6 0 n m ) 内温度在0 6 5 内变化增益平坦度达0 2 d b ，。；波长在1 5 2 5 1 5 6 5 n m 内温度在o 6 5 内变化增益平坦度达0 4 5 d b ，。；波长在1 5 2 0 1 5 7 0 n m 内温度在o 6 5 内变化增益平坦度达0 5 d b 。 我们还进一步研究了厚光栅的耦合波理论，得蓟了b - p d l c 光栅衍射效率的 具体计算公式：实现了光栅衍射特性的基于m a t l a b 语言的理论模拟；在实验方 面研究了h - p d l c 光栅在6 3 2 8 n m 和1 5 5 0 r i m 光入射下的衍射特性；实验研究结 果与理论比较后表明运用耦合波理论来解释光栅的衍射特性是恰当的。 关键词：e d f a 光栅，h - p d l c ，增益均衡器，耦合波理论 a b s t r a c t a b s t r a c t i nf i b e rc o m m u n i c a t i o n st h es h o r t c o m i n g so fe d f a ( e r b i u m d o p e d f i b e ra m p l i f i e r ) m a y b el e a dt ot h ed i s t o r t i o n s o i ti s n e c e s s a r y t o e q u a l i z et h eg a i ns p e c t r u m i n t h ep a p e ran o v e lm e t h o di sp r e s e n t e dt h a t u s i n gt h eh - p d l c ( h o l o g r a p h i c a l p o l y m e rd i s p e r s e dl i q u i dc r y s t a l ) g r a t i n g t of l a t t e nt h e g a i ns p e c t r u m a n d u s i n g t h e e l e c t r o o p t i c a l p r o p e r t i e so f t h eh p d l c g r a t i n gt oi m p l e m e n t t h ed y n a m i c e q u a l i z a t i o n f r o mt o0 * ct o6 5 。ch a v eb e e ns u c c e s s f u li nt h e o r y f i r s t l yt h ep r o g r a m s o fm a t l a b l a n g u a g e h a v eb e e nc o d e du s e dg a t og e tt h ep a r a m e t e r so ft h e g r a t i n g t o e q u a l i z e t h e e d f a ，t h e n t h e p a r a m e t e r s c a n g u i d e t h e m a n u f a c t u r e t h ed y n a m i ce q u a l i z e rh a sm u c hm e r i ts u c ha ss m a l lv o l u m e ，l o w c o s t ，q u i c kr e s p o n s e ，l i t t l ep o w e rl o s s a n dg o o df l a t n e s s s ot h en o v e l m e t h o dt h a ti s e a s yt oa c h i e v eh a sg r e a tp r a c t i c a lv a l u et os t u d yi t t h e r e s u l t so ft h es i m u l a t i o nh a v eb e e n g o t t h a to n15 3 0 - 15 6 0 n mb a n d - w i d t h f r o m0 t o6 5 t h e g a i n f l a t n e s sh a sa t t a i n e d o 2 d b r 。p o n 1 5 2 5 - 1 5 6 5 n mb a n d w i d t hf r o m0 0t o6 54 c t h eg a i nf l a t n e s sh a sa t t a i n e d o ，4 5 d b p _ pa n d 0 n1 5 2 0 - 1 5 7 0 n mb a n d - w i d t hf r o m0 * ct o6 56 ct h eg a i n f l a t n e s sh a sa t t a i n e d0 5 0 d b p p o nh p d l cg r a t i n g s ，f i r s t l yt h ec o u p l e d - w a v et h e o r yo ft h et h i c k g r a t i n gh a sb e e ns t u d y , t h ef o r m u l a t oc a l c u l a t et h ed i f f r a c t i o ne f f i c i e n c y o ft h eg r a t i n gh a sb e e nd e d u c e da n dt h ec h a r a c t e r so ft h eg r a t i n gh a v e b e e ns i m u l a t e d t h e o r e t i c a l l yb y m a t l a b l a n g u a g e s e c o n d l y t h ed i f f r a c t i v e c h a r a c t e ro ft h eg r a t i n gi n c i d e n c ew i t ht h el i g h to f6 3 2 8 n mw a v e l e n g t h a n d15 5 0 n m w a v e l e n g t hh a v eb e e ns t u d i e de x p e r i m e n t a l l y t h i r d l yt h e e l e c t r o o p t i c a lp r o p e r t i e s o ft h eh p d l c g r a t i n g h a sb e e ni n c l u d e d i i a b s t r a c t f i n a l l yt h er e s u l t so ft h e o r ya n de x p e r i m e n th a v eb e e nc o m p a r e da n dt h e c o n c l u s i o nh a sb e e nd r a w nt h a ti ti ss u i t a b l et ou s et h e c o u p l e d w a v e t h e o r y t oe x p l a i nt h ed i f f r a c t i v ec h a r a c t e ro f t h e g r a t i n g k e yw o r d ：e d f a ，g r a t i n g ，h - p d l c ，g a i n e q u a l i z e r ， c o u p l e d w a v et h e o r y 工维锃硕士学位论文答辩委员会成员名单 姓名职称单位备注 丁良恩教授华东师范大学主席 陈扬驭教授华东师范大学 杨晓华副教授华东师范大学 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我在导师的指导下进行的研究工作及 取得的研究成果据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论 文不包含其他个人已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做 出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并表示谢意。 作者签名：工! i 塾塑日期：z 丝皇：皇：些 学位论文授权使用声明 本人完全了解华东师范大学有关保留、使用学位论文的规定， 学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的 电子版和纸质版。有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允 许论文进入学校图书馆被查阅有权将学位论文的内容编入有关数 据库进行检索有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学 位论文在解密后适用本规定 学位论文作者签名：百参俸银 日期：丕2 翌：生! f 圣 导师签名：鹰位为 日期：盟芝生：笠z 华东师范大学硕士学位论文 第一章引言 第一章引言 1 1 光纤通信中的e d f a 以及其增益均衡的必要性 光纤通信主要是指利用激光作为信息的载波信号并通过光导纤维来传递信 息的通信系统。光纤通信的主要优点有：光波频率很高，光纤传输频带很宽， 故传输容量很大，理论上可传输上亿门话路或上万套电视，可进行图像、数据、 传真、控制、打印等多种业务：不受电磁干扰，保密性好，可利用高压电缆架 空敷设，用于国防、铁路、防爆等；耐高温、高压，抗腐蚀，不受潮，工作十 分可靠；光纤材料来源丰富，可节约大量有色金属，且直径小、重量轻、可挠 性好。 正是因为光纤通信具有上述这些优越性，光纤通信技术自出现以后短短几 十年就有了飞速的发展。就其发展阶段来说，光纤通信的发展主要可分为四代。 第一代光纤通信的工作波长为九。= 8 5 0 n m ，传输光纤是多模光纤。光源使用铝 砷半导体激光器。第二代光纤通信的工作波长为九。= 1 3 0 0 n m ，传输仍然用多模 光纤。该波段属于长波段，是石英的第二个低损窗口，有较低的功率损耗和波 长色散。相应的光源是半导体激光器，光电探测器采用锗材料。1 9 8 4 年实现了 波长为 。= 1 3 0 0 n m 单模光纤通信系统。这是第三代光纤通信。单模光纤比多模 光纤色散低得多，损耗也更小。这代光纤通信广泛地用于长途干线和跨洋通信 中。第四代光纤通信是实现了 。= 1 5 5 0 h m 单模光纤通信。1 5 5 0 n m 是石英光纤 的低损耗、低色散窗口，利用此波段单模光纤，增加了无中继传输距离和传输 容量。 光纤通信主要用于远程通信。由于光通信线路中光信号的损耗，远程传输 光信号必须使用中继放大。传统的光纤通信系统采用光一电一光中继方式，光纤 放大器自1 9 8 1 年发明以后因其自身的优点有了长足发展大有取代电信号放大的 趋势。常用光纤放大器有半导体激光放大器、r a m a n 放大器、掺铒的光纤放大 器( e r b i u md o p e df i b e ra m p l i f i e r ，e d f a ) 。其中e d f a 能直接对光纤通信用波 长1 5 5 0 n m 左右的光信号进行放大而成为主流。从此光纤通信可采用光一光一光全 光中继的方式放大，其意义可与当年用晶体管代替电子管相提并论。 但是，在波分复用( w a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x e d ，w d m ) 系统中，除 了要求有足够高的增益外。还要求有足够的增益带宽。而随着高速率w d m 通信 的发展，e d f a 性能的某些缺陷如：增益谱不均匀性( 不同的波长处增盏不同) 华东师范大学硕士学位论文 第一章引言 和噪声特性对系统的影响也愈加明显地暴露出来。由于e d f a 的增益不平坦现 象，特别是在多个e d f a 级联时，某些波长光的增益将明显小于另一些波长光的 增益，从而使这些波长光的信道产生很大的误码，甚至导致信号的失真，这样 势必影响w d m 系统的传输距离，因此很有必要对e d f a 的增益谱进行平坦。 常用的e d f a 的增益谱如图卜1 。e d f a 的增益带宽约3 0 h m ，但由于铒离子精 细能级的影响，在c - b a n d ，典型的e d f a 增益谱在1 5 3 0 n m 处有一个峰值，此外， 15 3 0 h m 波长以后的波段增益谱也有相对较小的增益起伏。 w a v e l e n g t h r i m 图卜1 一条典型的e d f a 增益谱线 f i g t - lat y p i c a lg a i ns p e c t r u mo f e d f a e d f a 的增益谱不平坦是光通信系统中必须解决的技术问题，当e d f a 增益 平坦度( 增益最大值与增益最小值之差) 大于通信系统可以接受的值l d b 时，经 过多个e d f a 级联放大后增益不平坦会导致不同波长的各个信道的增益偏差累 积，以至于低电平信道信号信噪比( s n r ) 恶化，高电平信道信号也因光纤非线 性效应而使信号特性恶化。基于上述原因，如何对e d f a 增益谱线进行平坦化是 光通信中的一个重要的研究课题。 本课题提出了利用聚合物分散液晶全息( h p d l c ) 光栅对e d f a 进行增益均衡 的方法。利用h p d l c 光栅的电压可调特性可实现动态增益均衡。对h - p d l c 光 栅的实验研究证明了该方法的可行性。p d l c 材料对1 5 5 0 n m 附近的光吸收和散 射少。该方法原理直观，容易实现，成本低，可对任意一条e d f a 的增益谱线进 行平坦。 1 2 国内外e d f a 增益均衡的研究概况 1 2 1 国外方面 从九十年代初，国际上就开始研究e d f a 的平坦化。e d f a 的增益均衡方法 2 华东师范太学硕士学位论文 第一章引言 有静态和动态两种。据目前国外文献报道静态增益均衡器主要采用以下几种增 益均衡的方法： ( 1 ) 一种是改变掺饵光纤自身的材料组成“，2 3 ：例如e d f a 粒子数强烈反转法口， e d f a 优化设计，增益钳制，本征平坦，优化掺铒光纤长度等。 ( 2 ) 滤波法：例如光纤滤波器 ，、陷波滤波器口3 、光纤b r a g g 光栅陋“、长周 期光栅d o 】、光纤声光可调滤波器1 2 , 1 3 , 1 4 m a c h z e h n d e r 滤波器“5 ” 1 7 ”1 等。 ( 3 ) 衰减法啪 ：用衰减法实现增益均衡的原理是：用解复用器把各波长信号分 开，分别对不同波长的信号进行不问的衰减，使增益大的波长对应大的衰减 值，这样就实现了增益均衡。 ( 4 ) 增益互补法乜1 ：原理是把掺杂不同的增益互补的两段掺铒光纤连接起来， 不但能实现增益均衡，而且能做到不影响放大器的工作效率。 ( 5 ) 反馈法 2 2 ：反馈法是引入负反馈将输出功率反馈到输入端进行控制。 ( 6 ) 特种光纤放大器乜“：用特殊光纤制作的放大器，放大器的增益特性平坦，从 而使整个w d m 光纤通信系统得以简化，有很好的适应性，成为发展的趋势。 现有的静态增益滤波器远不能满足w d m 系统的基本要求，因此许多研究人员 致力于研究动态增益均衡滤波器( d g e f ) 来得到更为灵活的动态e d f a 的设计。 其中就工作特点而言可分为无源动态增益均衡器和有源动态增益均衡器。无源 动态增益均衡的方法：最常见的是采用无源滤波器，如长周期光纤光栅以及基 于动态增益平坦e d f 的无源增益平坦e d f a 。然而无源增益均衡器只能实现特定 的输入条件下的增益平坦化。当输入条件发生变化，如链路损耗发生变化，则 需要配以一个可变衰减器以自动控制e d f a 输出功率。但是这种方案不仅在精确 的对滤波器波形匹配上存在困难，而且除非让大量的光功率损失在衰减器中， 否则其动态范围非常有限。因此不适用于如前所述的w d m 系统变化的要求。目 前已报道的有源动态均衡器有：利用可变衰减器的有源增益均衡器、带有热光 波导阵列的m a e h - z e h n d e r 滤波器、全光纤声光可调滤波器、利用高双折射光纤 环镜动态增益平坦、基于级联的m a c h - z e h n d e r 干涉仪的有源增益均衡器、基于 阵列波导光栅( a w g ) 干涉仪的增益均衡器、基于声光调制器和解复用器的增益 均衡器、液晶反射光栅技术、衍射m e m s 技术、电控开关布喇格光栅。 以上的增益均衡方法中成果较显著的有：g o d s t e i nel 等人口】用e d f a 粒子 数强烈反转法在c - b a n d 内得到0 4 d b 的增益平坦度；h w a n gsm 等人 s 1 用陷波 滤波器在c b a n d 内得到i d b 的增益平坦度；k y oi 等人c 1 8 1 用m a c h z e h n d e r 滤 波器在c b a n d 内得到0 4 d b 的增益平坦度：a s h i s hmv 等人“1 用光纤滤波器 在c b a n d 内得到0 3 d b 的增益平坦度；c a ijx 等人1 用声光可调滤波器在 华东师范大学硕士学位论文第一章引言 c b a n d 内得到o 2 d b 的增益平坦度：y a m a d a m 等人c t ? l 用特种光纤放大器在c - b a n d 内得到0 i d b 的增益平坦度。 1 ，2 。2 国内方面 国内研究e d f a 增益均衡的主要有：南开大学的董孝义、袁树忠、蒙红云和 姜莉等人；北方交通大学的简水生、李唐军和陈根祥等人；天津大学的李世忱、 葛春风和林冉等人：上海大学的林如俭、惠小丽和薛自醒等人。董孝义等人主 要利用长周期光纤光栅 2 们( c - b a n d 内达到0 5 d 8 ) 、对e d f a 进行优化设计 2 5 ( c - b a n d 内达到0 3 3 d b ) 和光纤环镜旺司( c b a n d 内达到0 1 d b ) 等方法对 e d f $ 增益进行平坦；筒水生等人主要利用长周期光纤光栅船7 ”1 ( c - b a n d 内达到 0 3 d b ) 和优化掺铒光纤长度。们的方法来对e d f a 增益进行平坦；李世忱等人 主要利用光格型f i r 3 叩( c b a n d 内达到0 4 d b ) 、长周期光纤光栅口”( c b a n d 内达到0 5 d b ) 和单模光纤0 2 ( c b a n d 内达到0 6 d b ) 等方法来对e d f a 增益 进行平坦；林如俭等人主要利用优化设计e d f a ( c b a n d 内达到l d b ) 、单个光 纤光栅( c - b a n d 内达到0 。5 d b ) 和全光增益籍位( c - b a n d 内达到l d b ) 的方法 来对e d f a 增益进行平坦。此外清华大学刘小明、张岩滨等人利用本征平坦在 1 5 6 9 1 6 0 2 r i m 范围内达到0 5 d b 口；中山大学的陈冠三、罗聪等人优化设计e d f a 在c - b a n d 内达到l d b 3 “：华东师范大学物理系h 令兵和蔡继光等人利用耦合器 理论模拟在c b a n d 内可得0 4 5 d b 的增益不平坦度o 。 1 3 国内外h - p d l c 光栅的研究概况 1 3 1 国外方面 1 9 2 5 年，z 6 c h e 和他的合作者发表了一篇文章，记载了液晶棒的出现。1 9 6 9 年，f r a n k 和p r y e e 在p r l 上发表了一篇名为“p i e z o e l e c t r i ce f f e c t si n l i q u i dc r t s a l s ”的文章报道了双极型的液晶结构。1 9 8 1 年，f e r g a s o n 在专 利应用中揭示了聚合物分散液晶( p o l y m e rd i s p e r s e dl i q u i dc r y s t a l ，p d l c ) 系统新颖的电光特性。1 9 8 5 年d o a n e 等人报道了有相分离方法制作电可控的p d l c 膜。1 9 9 5 年由p a u ls d r z a i c 撰写，世界科学出版公司出版了第一部关于p d l c 材料的专著“l i q u i dc r y s t a ld i s p e r s i o n s ”，成为p d l c 材料研究的经典著作。 上世纪九十年代中期国外展开了对全息聚合物分散液晶( b o l o g r a p h i c a l - 4 华东师范大学硕士学位论文第一章引言 p o l y m e rd i s p e r s e dl i q u i dc r y s t a l ，h - p d l c ) 光栅的深入研究。h - p d l c 光栅有 多种制作方法 3 6 。“，如刻蚀法、光掩膜法、光刻法、光固化相分离法和全息法 等。全息方法制作h p d l c 光栅是随着p d l c 材料科学的发展而产生的一种新兴 方法。这种方法目前研究比较多。目前美国科学应用国际公司( s c i e n c e a p p l i c a t i o n si n t e r n a t i o n a lc o r p o r a t i o n ) 的s u t h e r l a n drl 、n a t a r a j a nl v 和t a n d i g l i avp 等人，美国空军研究实验室( a i rf o r c el a b o r a t o r y ) 的 b u n n i n gtj 等人，著名的光学公司d i g i l e n s 的s m i t hr 、d o m a s hlh 和a s h m e a d a 等人，k e n t 州大学物理系的j o h n s o ndj 、v i t h a n ah 、b o spj 、c h e nj 和 d o a n ejw 等人，b r o w n 大学物理系的f o n t e c c h i oak 、c r a w f o r dgp 、h ec 和c o n t e n td 等人，美国国家航空和宇宙航行局( n a s a ) ，俄罗斯科学院( r u s s i a n a c a d e m yo fs c i e n c e ) 的d u c ad 、s u k h o vav 和u m e t o nc 等人，意大利应用 光学实验室( l a b o r a t o r id io t t i c aa p p l i c a t a ，l o a ) 的v i l l a n op 、c i p p a r r o n e g 、r a g o s t ag 和m u s t op ，以及德国、日本、波兰等多个世界著名的研究室都 在开展对h p d l c 光栅的应用研究。 s u t h e r l a n drl 、n a t a r a j a nlv 和t a n d i g li avp 等人主要研究h p d l c 光栅的衍射特性和电控特性，并用激光全息的方法制作了5 0 至u8 0 的h - p d l c 光栅和1i v um 的调控电场【4 。同时用p d l c 材料制作了1 0 0 ；1 的调焦范围和 1 0 5 0ps 的反应时间的可调光学镜头 4 “。d o m a s hl 和h a u g a j a ap 实现5 0us 的光开关和1 0 0 衍射效率的光栅 4 53 。c r a w f o r dgp 和a s h m e a da 等人研究h p d l c 电控调节范围达到3 5 d b ，散射损耗小于1 0 n “。 1 3 2 国内方面 国内对h - p d l c 光栅的研究比较滞后，九十年代中期才有对p d l c 材料的研 究报道。主要有中国科学院长春光机所北方液晶工程研究中心的任洪文、马凯 和黄锡珉等人，上海理工大学的庄松林院土等人，清华大学液晶研究中心的高 鸿锦、王焕茹和程鸿飞等人，电子科技大学和中国科技大学等单位。任洪文等 人采用光掩膜法和光固化相分离法用紫外光曝光制作光栅，研究液晶含量对光 栅衍射效率的影响( 液晶含量在3 0 - - 4 5 之间比较好) 、光栅的电控特性和开关 比( 8 7 ：1 ) ，并提出克服偏振损耗的方法 4 7 - 4 9 庄松林等人主要从事p d l c 材 料配方及其特性、全息法制作h - p d l c 光栅、h - p d l c 光栅的衍射效率影响因素、 光开关和h p d l c 光栅应用的研究，他们报道了用折射率调制度为0 0 1 7 的p d l c 材料，制作了厚度为1 0 um ，光栅周期为1 4 3 0 h m 的衍射效率为9 0 的光栅以及 动态范围为7 d b 驱动电压在5 v l u 1 0v um 的电控光栅 b o , b i 。 华东师范大学硕士学位论文 第一章引言 1 4 本课题的研究内容及意义 国内外对h - p d l c 光栅的研究虽然很多，但大部分是对p d l c 材料配方的研 究及其光开关特性，而光栅的衍射谱很少有人研究。还有h _ p d l c 光栅在e d f a 动态增益均衡方面的应用很少有人涉及。另外e d f a 动态增益均衡的可用手段较 少，且大部分方法所用的器件存在有很多缺点，如体积大、成本高、响应时间 过长、高功耗和平坦效果较差( 增益平坦度太大) 等等。 1 4 1 本课题的研究内容 实验方面主要有：利用傅立叶光学全息理论研究、设计光栅制作光路，优 化光栅制作工艺；制作不同参数的光栅，并研究光栅的衍射特性、透射特性、 反射特性、散射特性和吸收特性以及衍射效率与光栅参数的关系；电控聚合物 分散液晶全息光栅的衍射特性研究，包括衍射效率、电压调控范围、电控特性 的研究：实验结果与耦合波理论计算结果的比较。 理论模拟方面主要有：耦合波理论的计算机模拟；h p d l c 光栅理论模型的 建立及其衍射特性的计算机模拟；遗传算法的计算机实现；基于h - p d l c 光栅的 可调增益均衡器的理论模拟。 1 4 2 本课题的研究意义 h - p d l c 光栅有广泛的应用前景：可用于光开关、可调光衰减器、补偿器、 动态增益均衡器和波长选择器等。对h - p d l c 光栅的研究有助于将其投入生产； h p d l c 光栅作为动态增益均衡具有体积小、成本低、响应时间短、低功耗和平 坦效果较好( 增益平坦度小) 等优点。目前，光通信领域的发展呈指数增长， 专家预测在增益均衡器方面在全球有6 0 亿美元的需求额。基于h - p d l c 光栅的 可调增益均衡器是一个新颖的方案，控制方法简单，成本低，有广阔的市场； 理论模拟成本低，可用于指导工业生产。e d f a 的增益均衡的试产投资多，风险 大，理论的预先模拟可降低风险，指导生产，确保试产成功。 华东师范大学硕士学位论文 第二章理论基础 第二章理论基础 2 。1 掺铒光纤放大器的理论 典型的e d f a 的基本结构魄1 如图2 - 1 所示。它是由掺铒光纤e d f 、泵浦源和 波分复用器组成。其中掺铒光纤提供放大，泵浦源提供足够强的泵浦功率，波 分复用器起信号光与泵浦光的混合作用。 图2 - i e d f a 的基本结构 f i g 2 - 1t h e s t r u c t u r eo f e d f a e d f 是e d f a 的核心部分，铒离子的外层电子具有的能级结构如图2 2 所示 4 g l l n 2 h i i n 4 s i n 4 f g n 4 1 9 a 4 i ，i 盘 4 i i 托 0 。5 1 4u m 0 5g t m u 9 8 u m 1 4 8 u m 图2 - 2 铒离子的能级 f i g 2 - 2t h ee n e f g i cl e v e lo r e , ” 当用高能量的泵浦激光器来激励e d f 时，可以使铒离子( e ，3 + ) 的束缚 电子从基态能级e 。大量激发到高能级e 上，如图2 - 3 所示。高能级是不稳 定的，因而铒离子很快会经历无辐射跃迁跃入亚稳态能级e 2 ，受激电子将 发出很宽光谱范围的光，称荧光带。当泵浦光足够强时，可以使能级e ，和e 2 7 华东师范大学硕士学位论文 第二章理论基础 间形成粒子数的反转分布，此时如果入射信号光的波长恰好落在上述荧光 带时，则当泵浦光与信号光同时通过该掺铒光纤时，荧光带能量会转移到 信号光上，即信号光可以通过受激辐射过程从离子系统获取能量，从而不 断增强而获得放大信号。由于泵浦光与信号光在光纤中均以导波形式传输， 因而二者之间可以有效地交换能量，效率相当高。 图2 - 3 铒离子与光的相互作用 f i g 2 - 3t h e i n t e r a c t i o nb e t w e e nt h ee r 3 + a n dt h el i g h t 详细的能级跃迁如图2 4 所示。放大过程中除1 5 2 0 1 5 7 0 h m 的光被放大 外，亚稳态的粒子也会以自发辐射的方式跃迁到基态，所产生的光子也会 被放大，这种放大的自发发射( a m p l i f i e ds p o n t a n e o u se m i s s i o n ，a s e ) 会消耗泵浦功率并引入噪声。随着半导体技术的发展，9 8 0 n m 激光器的输出 功率和使用寿命不断提高，越来越多的厂家均选择9 8 0 n m 作为泵浦波长。 图2 - 4 铒离子能级间的跃迁 f i g 2 - 4t h e t r a n s i t i o no f e n g e r g i cl e v e li ne 3 十 当光信号通过e d f a 时就会产生放大，放大倍数为： 4 ( = 只。( ，匕 式中：p ，。为输入的光信号功率；( a ) 为输出的光信号功率；a ( a ) 为放大倍数。 其中只。，( 五) ，彳( 五) 是波长 的函数。 8 华东师范大学硕士学位论文 第二章理论基础 习惯上将放大倍数表示为增益的形式 g ( z ) = 1 0 l g 4 ( 丑) ( 2 - i ) 由此可见g ( 丑) 也是波长 的函数，以后所提到的e d f a 的增益谱就是指它。 2 2h - p d l c 光栅的形成机理 制备h _ p d l c 光栅，不论是低频面全息光栅，还是高频体全息光栅，主要制 作过程都要包括：全息光路的搭建，p d l c 的配制，i t o 导电液晶盒的制作，曝 光相分离四大步骤。 2 2 1h - p d l o 光栅的结构 光栅样品结构如图2 - 5 所示：光栅上下两个外层是镀有氧化铟锡( i t o ) 导 电膜的长方体光学玻璃，玻璃厚2 0 n ：m 、长1 8 0 r r 】i r i 、宽5 0 r m ；i t o 导电膜用于外 加电场时焊电极，膜厚约几十纳米；中间一层是p d l c 材料，厚度在1 0 1 0 0 u m 之间，可根据需要由t e f l o n ( 聚四氟乙烯) 隔离物的厚度来控制，p d l c 材料的组 成可由实验需要来配制，其中的白色微滴是液晶；液晶尺寸一般在5 0 n m 左右数 量级，聚合物的尺寸在1 0 0 2 0 0 n m 之间，总的光栅厚度在4 1 m m 左右。 嶝- r 二二 图2 - 5h - f d l c 光栅姆结构 f i g 2 - st h es t r u c t u r eo f t h eh p d l cg r a t i n g 2 2 2p d l o 材料的组成 材料组成的选择直接决定了h - p d l c 光栅的电光特性。一般的预聚物溶液是 由液晶、多功能单体、光敏剂、协同引发剂、交联剂和表面活性剂等组成。选 择合适的配方是实验成功的关键。 1 、液晶 9 华东师范大学硕士学位论文 第二章理论基础 液晶决定h - p d l c s 的电光特性和衍射特性，因此选择合适的液晶是非常重 要的。目前几乎所有的有关h - p d l c s 的文献都报道使用具有正的介电各向异性 的向列液晶材料。大的an 和ae 可以产生较高的衍射效率和较低的关门电场， 因此液晶的选择主要是看an 和ae 这两个参数。另外液晶的寻常折射率和聚 合物的折射率相匹配也是很重要的。在众多的向列液晶材料中有两类比较典型 的材料用于h - p d l c 体系中：一类是德国m e r k 公司的e 7 ( 1 4 7 9 0 和1 6 6 3 6 ) 和b l 型材料，它们是由氰化联苯和芳香族同系物混合丽成，an 在0 2 1 到0 2 8 之 间变化，ae 在1 3 到1 8 之间变化，这类液晶材料中含有难以提纯的离子杂质， 这将影响器件的电场特性，特别是长期的稳定性和功率损耗，另外这种材料在 3 5 0 r i m 波段左右处有强烈的吸收，因此其紫外波段的稳定性很差，这类液晶材 料的主要优点是它们与丙烯酸基单体和n o r l a n d 单体有很好的兼容性；另一类 液晶材料是商业可获得的t l 系列混合物，它们是由有机高分子的氯和氟的取代 物混合而成的，t l 系列液晶材料的显著优点是具有很强的环境稳定性、很高的 电阻系数( 1 1 0 ”q ) 、较低的关门电场( 1 v i jm ) 和很高的电压可控性( 9 0 ) 。此外还有日本l o r i cc o 生产的p n 一0 0 1 ，国内石家庄力克公司产的液晶 和清华大学生产的t l 0 2 3 向列液晶，另外也有人采用铁电液晶材料。p d l c s 制 备成败的关键是材料的选择，材料的选择的最基本的要求是液晶材料的寻常光 和非寻常光的差值要大，固化后聚合物单体材料的折射率要和液晶材料的寻常 光的折射率相等。 另外液晶材料的n - i 转换温度也是选择液晶的考虑因素之一，这对高温下 工作的器件尤为重要。e 7 的n i 转换温度大约在5 9 左右，b l 系列的n i 转 换温度在7 0 到9 0 之间，t l 系列的n i 转换温度在7 7 到9 1 之间。 2 、聚合物单体 要得到高的衍射效率，在液晶层中就要求高浓度小尺寸的向列微滴，这一 点对于反射光栅尤为重要。可以通过快速冻结单体的方法来形成尺寸非常小的 微滴，多功能单体快速冻结只需要几秒钟并同时伴随位相分离从而形成亚微米 量级的微滴。目前有两类比较典型的单体用于h - p d l c 材料中：一种是基于自由 基加聚反应而生成的；另一种是自由基的化合和机体的逐步衍生而生成的。自 由基加聚反应可以在几秒钟内形成高分子聚合物，多功能丙烯酸酯单体在这一 点上是尤其显著。目前所使用的单体有丙烯酸丁酯，甲基丙烯酸甲酯，甲基丙 烯酸丁酯，环氧丙烯酸树脂，聚氨酯丙烯酸树脂，还有很多种丙烯酸酯，以上是 国内主要采用的材料，国外制备p d l c s 所用大部分也都是选用丙烯酸酯系统， 如二季戊四醇羟基五丙烯酸酯、氨基甲酸丙烯酸酯低聚物和双酚a ( 2 ，2 - 双对 羟苯基丙烷) 丙烯酸酯。h - p d l c 光栅中使用的其他类型的单体有n o r l a n d 公司 1 0 华东师范大学硕士学位论文 第二章理论基础 生产的树脂，这类材料内含有硫醇和丙二烯衍生物，并可进行自由基聚合和逐 步聚合反应。其中研究最多和应用最广泛的是n o r l a n d 光学粘合荆n o a 6 5 ( n o r l a n do p t i c a la d h e s i v e ) 。这类材料的弹性特性将削弱向列微滴的表面相 互作用，因此n o r l a n d 的聚合物的固化速率要比通常的丙烯酸酯慢，形成的微 滴尺寸大于5 微米。t a n a k a 等曾成功地使用这种单体制作反射光栅，但观察到 的微滴尺寸很大而目的却是想得至较小尺寸的微滴。为克服这种局限，他们使 用高功率激光( 10 0 3 0 0 m w c m 2 ) 制作光栅，可获得7 0 的衍射效率。 3 、光敏剂 光敏剂朝的作用是吸收光能并转化为另一种有用形式的能而引起粘合作用 聚合成硬的固态物质，它能够吸收光辐射，提供聚合物发生聚合反应所需的能 量从而促进光聚合反应的发生，并生成初级反应物。光敏剂的光谱特性决定选 用何种波长的激光器。为自由基聚合选择合适的光敏剂染料是非常困难的任务， 因为在可见光区域( 4 5 0 6 5 0 n m ) 可用的染料的种类很少。对光敏剂要求是其在 写入光波段处有强烈的吸收，且有和协同引发剂相互作用产生自由基的能力。 目前常用的光敏剂是盂加拉红( r o s eb e n g a l ，r b ) ，它在4 5 0 n m 到6 5 0 n m 区域 内有很宽的吸收带，根据孟加拉红的光谱特性我们可以选用的激光器有氩离子 激光器( 4 7 6 n m 、4 8 8 n m 、5 1 4 n m ) 或者v e r d i 激光器( 5 3 2 n m ) 。用氩离子激光 器制作h - p d l c 光栅可选用的其光敏剂有7 一二乙基氨基乙基香豆素和 d i b r 伽o f l o u r e s c e n e 。最近还有报道使用由t i t a n o c e n e 衍生而来的有机金属合 成体充当光敏剂，它的吸收带从4 0 0 n m 到5 6 0 h m 。当写入光栅的激光波长大于 6 0 0 n m 时相对应的光敏剂很少，在这一波段内我们所知道的光敏剂有亚甲基蓝、 三氰基3 一异咕吨酮和青色素。使用这些染料，光敏聚合物光栅的写入光波理论 上可选用氦氖激光束( 6 3 2 8 r i m ) 和氪离子激光束( 6 4 7 n m ) ，但目前还没有文献报 道使用这些激光束来制作光栅。就这些长波波段的染料而言，它们在热和光化 学稳定性及漂白速度方面还有很多问题有待解决。因此长波波段的染料有待更 进一步的研究，特别是近红外波段。近期有报道称可使用近红外二极管辐射 ( 8 5 0 h m ) 制作h - p d l c 透射光栅。近红外的光波可通过二极管激光器和钛兰宝 石激光器( 7 5 0 - 9 5 0 n m ) 很容易获得，因此研制大于7 0 0 n m 近红外波段的光敏剂 染料成为迫切需要 5 。 4 、交联剂 一般在制作p d l c s 时都加入少量的交联剂n 一乙烯基吡咯烷酮( n v i n y l p y r r o l i d i n o n e ，n v p ) ，它的作用是促进各个不同的材料相互溶解形成均匀的溶 液。n v p 在相分离过程中的作用还没有完全研究清楚。b u n n i n gt j 和他同事的 华东师范大学硕士学位论文 第二章理论基础 研究表明m ，5 “，生成的微滴的尺寸会随n v p 的含量增加而减小，这对制作高频 率的光栅的很有利的，并且增加n v p 的含量降低了微滴的各向异性，从而提高 衍射效率。这是因为n v p 与氧原子有很强的亲和力，增加n v p 的浓度会提高氧 原子的活性，从而提高固化率，另外写光栅时高的激光功率( 2 0 m w c m 2 ) 也可 在很大程度上提高氧原子的活性。 5 、协同引发剂 协同引发剂n 一苯基甘氨酸( n - p h e n y l g l y c i n e ，n p g ) 可以促进电子转移，加 快反应速率，从而加快聚合反应的速度，增加弹性驱动力。在协同引发剂n p g 含量较少时相分离过程时产生的液晶微滴更接近于球形，随着n p g 含量的增大 微滴外形有从球形到椭圆的变化趋势，并逐渐拉长。另外还有研究发现”，在 协同引发剂n p g 含量较低时所制作的光栅样品在光栅平面方向的许多地方都产 生了裂痕，因而光栅的光学性质受到很大的负面影响。总的来说，增加协同引 发剂n p g 的含量可以缩短曝光时间，提高光栅的衍射效率和电控性能。 6 、表面活性齐4 n a t a r a j a n 等人的研究表明不管是透射光栅还是反射光栅通过添加表面活性 剂如长链烃基脂肪酸可以降低关门电场，改善光栅的光学性质。常用的表面活 性荆是辛酸 5 ，它可以降低聚合物表面向列微滴的稳定性并提高其电导率，从 而有利于降低关门电场。另外通过添加含有长链烃基乙烯基群的单体也可观察 到相似的效应。 我们在实验中常用的配方是p o l y m e r ：l i q u i d = l ：1 ，光敏剂、协同引发剂、 交联剂和表面活性剂各占0 5 。聚合物用d h p a ( 折射率为1 4 7 9 9 ) 或者用p 1 ( 折 射率为1 4 7 0 9 ) ；液晶选用清华大学的t l 0 2 3 ( n 。为1 5 2 4 ，1 3 。为1 7 1 3 6 ，清 亮点为6 0 ) ；光敏剂用孟加拉红( r b