（光学专业论文）掺铁铌酸锂晶体中光写入三维波导的实验研究.pdf

两北l ：业入学硕i ：学位论文 l 掺铁铌酸锂晶体中光写入三维波导的实验研究冉 摘要 光波导作为集成光学系统的基本元件，在光通信、光互连和光学信息处理方面具有 广泛的应用。制作光波导的方法有多种，其中传统的制作工艺，如质子交换、离子注入、 刻蚀等，存在工艺繁杂、制作周期长、成本高等缺点，而且难于实现在材料体内制作波 导结构。近年来，光写入技术被认为是一种直接、快速、低成本、高效益的三维波导制 备技术，引起广泛关注。本文主要研究利用会聚激光扫描、结构光辐照以及空间光孤子 技术在掺铁铌酸锂( l i n b q ：f e ) 晶体中写入三维波导的方法。所完成的主要工作如下： ( 1 ) 通过求解光折变动力学方程组，对会聚激光束沿不同方向扫描l i n b o ，晶体写 入波导结构时的最佳曝光间距进行了详细的理论分析及数值模拟，并在l i n b 0 3 ：f e 晶体 中进行了实验验证。利用5 3 2 n m 的会聚激光束扫描l i n b 0 3 ：f e 晶体，采用最佳曝光间距 曝光，制作了弯曲型和y 型分叉光波导，并进行了初步的导光钡9 试。 ( 2 ) 在l i n b 0 3 晶体中对光诱导任意折射率变化分布进行了详细的理论分析和实验 研究。推导了一维情况下光致折射率变化分布与写入光强度分布之间的解析关系式；通 过数值模拟得出了与二维折射率变化分布( 如高斯分布、平方律分布或环形分布) 对应 的写入光束的强度分布。分别对上述两种情况在l i n b 0 3 ：f c 晶体中进行了实验验证。 ( 3 ) 利用结构光辐照技术并采用自制的掩模板在l i n b 0 3 ：f e 晶体中写入了2 x 2 分 叉型光波导；利用空间光调制器作为光学掩模板，在体块l i n b 0 3 ：f e 晶体中写入了马赫 曾德型光波导。 ( 4 ) 分析了两种类型( 即相位型和振幅型) 的扰动对均匀入射光束的调制效果。 利用上述两种扰动引起的光强调制，对相干暗光伏孤子诱导平面光波导、y 型分叉光波 导进行了理论分析及数值模拟，并在l i n b 0 3 ：f e 晶体中得到了实验验证。同时利用非相 干暗光伏孤子在l i n b 0 3 ：f e 晶体中写入了平面光波导、y 型分叉光波导。最后利用一维 非相干暗光伏孤子通过两次正交曝光在块状l i n b 0 3 ：f e 晶体中写入了通道波导，并对其 进行了初步的导光测试。 关键词：掺铁铌酸锂晶体，三维光波导，会聚激光扫描，结构光辐照，空间光孤子 + 国家自然科学基金( 批准号：6 0 0 7 7 0 1 8 ) 、西：i l ：y 业大学青年教师刨新基金、博士论文创新基金 ( c x 2 0 0 5 1 4 ) 和研究生创业种子基金( z 2 0 0 3 0 0 8 8 ) 资助的课题。 柏北j - 业人学硕士学位论文i i ! ! ! = ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! = ! ! ! ! ! = ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! = ! = = = 目= b e = = = ! ! ! ! ! = 一 e x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o n so np h o t o w r i t t e n3 - dw a v e g u i d e si n i r o n d o p e dl i t h i u mn i o b a t ec r y s t a l s 古 a b s t r a c t o p t i c a lw a v e g u i d ei st h eb a s i ce l e m e n to fa l lo p t i c a li n t e g r a t e ds y s t e m ，a n di ti sp l a y i n ga n i m p o r t a n tr o l e i nt h ea p p l i c a t i o n so fo p t i c a lc o m p u t a t i o n s ，o p t i c a ld y n a m i ci n t e r c o n n e c t i o n s a n di n f o r m a t i o np r o c e s s i n g p r o t o ne x c h a n g e ，i o ni m p l a n t i n g ，a n d e t c h i n g a r es o m e t r a d i t i o n a lw a v e g u i d ef a b r i c a t i o nt e c h n i q u e si nat w o d i m e n s i o n a jp l a l l e ，b u ta l jo ft h e s e m e t h o d sa r ec o m p l i c a t e di nt e c h n i c s r e c e n t l y ，1 i g h t i n d u c t i o nm e t h o d sa t t r a c tm u c hr e s e a r c h i n t e r e s t i nt h i st h e s i s t h r e em e t h o d st of o r m3 - dw a v e g u i d es t r u c t u r e si nl i t h i u mn i o b a t e ( l i n b 0 3 ) c r y s t a l s ，i n c l u d i n g l a s e r m i c r o m a c h i n i n g ，s t r u c t u r e l i g h ti l l u n i n a t i n g ，a n d p h o t o v o l t a i cs p a t i a lo p t i c a ls o l i t o ni n d u c t i o nt e c h n i q u ea r ei n v e s t i g a t e de x p e r i m e n t a l l yi n d e t a i l t h em a i nw o r ki sa sf o l l o w s ： ( 1 ) b ys o l v i n gt h ep h o t o r e f r a c t i v ed y n a m i ce q u a t i o n s ，t h eo p t i m a li n t e r v a l sf o rw a v e g u i d e f a b r i c a t i o n sj nl i n b o ，c r y s t a la r en u m e r i c a l l ys p e c i f i e dw h e nt h ef o c u s e d1 a s e rb e a m ss c a n a l o n gd i t i e r e n td i r e c t i o n s ，c u r v e da n dy - b r a n c h e sw a v e g u i d e sa r ee x p e r i m e n t a l l yf o r m e di n a ni r o nd o p e dl i n b 0 3c r y s t a l t h en e a rf i e l dp a t t e r na n dt h er e s u l t so ft h eg u i d i n gt e s t ss h o w t h a tt h ew a v e g u i d ea r es u c c e s s f u l l yf a b r i c a t e d ( 2 ) i n d e xc h a n g e si nl i n b 0 3c r y s t a l si n d u c e db y w r i t i n gb e a m sw i t hd i f f e r e n ti n t e n s i t y p r o f i l e sa r et h e o r e t i c a l l ya n a l y z e da n dn u m e r i c a l l ys i m u l a t e d f o rt h eo u e d i m e n s i o n a lc a s e s ， a n a l y t i cr e l a t i o n sb e t w e e nt h ei n t e n s i t yp r o f i l e so fw r i t m gb e a m sa n dt h ei n d e xd i s t r i b u t i o n s a r eo b t a i n e d w h i l ef o rt h et w o d i m e n s i o n a lc a s e s ，n u m e r i c a ls o l u t i o nm e t h o d sa r ee m p l o y e d t oo b t a i nt h ei n t e n s i t yp r o f i l e so ft h ew r i t i n gb e a m sc o r r e s p o n d i n gt ot h ed e s i r e di n d e x c h a n g e sw i t hd i s t r i b u t i o n so fg a u s s i a n ，s q u a r el a w , o rr i n gt y p e t h e s ea r ee x p e r i m e n t a l l y d e m o n s t r a t e di na l lj r o nd o p e dl i n b 0 3c r y s t a l ( 3 ) f a b r i c a t i n ga2 2l i g h tc o u p l e re m p l o y i n gs t r u c t u r e l i g h t sf o r m e db yab i n a r yo p t i c a l m a s ki s i n v e s t i g a t e de x p e r i m e n t a l l y i na ni r o nd o p e dl i n b 0 3c r y s t a l m a c h - z e h n d e r w a v e g u i d ee m p l o y i n gs t r u c t u r el i g h t sf o r m e db ya l ll c l vi so b t a i n e di na ni r o nd o p e d l i n b 0 3c r y s t a l ， ( 4 ) f o r m a t i o n so f1 - dd a r kp h o t o v o l t a i cs p a t i a lo p t i c a ls o l i t o n sa r en u m e r i c a l l ys i m u l a t e d a n de x p e r i m e n t a l l yd e m o n s t a t e di na 玎i r o nd o p e dl i n b 0 3c r y s t a l p l a n a r , 拉b r a n c h e sa n d c h a n n e lw a v e g u i d e sa r es u c c e s s f u l l yf a b r i c a t e di nl i n b 0 3 ：f ec r y s t a lb yi n t r o d u c i n gp h a s e p e r t u r b a t i o n sa n da m p l i t u d ep e r t u r b a t i o n si nu n i f o r m i n c i d e n tb e a m s ，r e s p e c t i v e l y k e y w o r d ：i r o nd o p e dl i n b 0 3c r y s t a l ，3 - do p t i c a lw a v e g u i d e s ，l a s e rm i c r o m a c h i n g ， s t r u c t u r e l i g h t si l l u m i n a t i n g ，s p a t i a lo p t i c a ls o l i t o n s * n a t i o n a l n a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no f c h i n a ( g r a n t n o6 0 0 7 7 0 1 8 ) ，t h e y o u t h f o r n o r t h w e s t e r np o l y t e c h n i c a lu n i v e r s i t y ( n p u ) t e a c h e r ss c i e n t i f i ca n dt e c h n o l o g i c a l n l l o v a t i o nf o u n d a t i o n ，t h ed o c t o r a t ef o u n d a t i o n o fn p u ( g r a n tn o c x 2 0 0 51 4 ) a n dt h ep o s t g r a d u a t es e e d sf o u n d a t i o no f n p u ( g r a n in oz 2 0 0 3 0 0 8 8 ) 第l 章绪论 第1 章绪论 随着光通信技术及产业的迅速发展，高性能、商密度的集成光学器件的发展成为世 界各国竞争的焦点之一。近年来，由于通信业务的不断扩张和用户数目的迅猛增长，人 们不得不千方百计地提高数据传输率和信道数目，以适应发展的需求。基于平面光波导 技术的传统集成光路，仅利用了空间中的一个平面，大大限制了可利用的通道数目，并 且只能处理一维空间光信息，所以具有很大的局限性。另外，在人工视觉、神经网络、 光并行逻辑信息处理中，所遇到的都是二维空间光信息，一维集成光学器件已不能满足 人们的需要，因此三维集成光波导器件便成为集成光学发展的必然趋势。本章概述集成 光学的发展历程及三维集成光波导的传统制作工艺，重点讨论光写入三维光波导的技 术，晟后给出本文的主要工作。 1 1 集成光学的提出 集成光学是由于光通信、光学计算机及光信息处理等新兴技术的发展需要而产生 的。为了便于实现对光信号的传输、处理和控制，人们希望将光学元件微型化，且又能 够集成为完成某种功能的光学系统。基于这样的一种思想。1 9 6 9 年，美国贝尔实验室的 s h m i l l e r 博士提出了光集成这一概念峨2 0 世纪7 0 年代初期，无论是混合集成光路 还是单片集成光路都只属于起步阶段。进入2 0 世纪8 0 年代，由于光纤通信技术的单模 化取得了进展，众多日本光学技术工作人员对集成光路投入了大量的研究。经过近四十 年的发展，集成光学系统这一领域已从基础和开发研究进入了工程应用阶段。 集成光学元件的最大优点之一是它能将常规的具有各种功能的分立光学元件集成 到同一光学衬底表面上，并且与多个分立光学元件所构成的庞大光学系统具有同样的光 信号处理功能。与分立光学元件相比较，集成光学元件具有体积小、结构紧凑坚固、抗 干扰能力强、稳定可靠、寿命长等优点【2 1 。要想制作集成光路，酋先必须能够制作其基 本构件光波导。光波导是集成光学器件的基础，在光通信和光学信息处理中占据着 重要地位。光波导是由低折射率介质围着一个截面尺度为波长量级( 几微米) 的高折射 率介质所形成的，它允许光波无衍射地在高折射率介质中传播。所以它可以通过全内反 射方法将光波限制在一维或二维空间中，使其传播时横向尺度不发生扩展。经过三十多 年的发展，集成光波导器件的研究已从最初的单元件、单功能光波导器件，向多元件、 多功能单片集成的方向发展。在这种情况下。就要求科研工作者对于制备光波导的各种 方法进行深入的研究。 1 2 集成光波导的传统制作工艺 光波导可以采用不同的制作工艺来制取。而传统的制作三维光波导的方法主要有： 质子交换、刻蚀、光刻等。以下对这几种方法进行简单介绍。 曲j 匕f i 、啦人学坝l 学位论文 ( 1 ) 质子交换 质予交换主要应用于制作l i n b 0 3 光波导。所谓质子交换，是指将l i n b 0 3 晶片置入 熔融的酸溶液中，酸中的h + 与l i n b 0 3 中的l i + ，在l i n b 0 3 表面形成厚度约微米量级的 心l i l 。n b 0 3 ，h ，l i l 0 n b 0 3 的折射率大于衬底材料l i n b 0 3 的折射率，在一定的交换温度 和交换时间条件下，就可以形成光波导。 ( 2 ) 刻蚀 刻蚀是利用显影后的光刻胶图形作为掩模，在s i 0 2 和多晶硅等衬底上腐蚀掉定 厚度的薄膜物质，得到与光刻胶图形相同的集成光路图形。光刻和刻蚀技术决定着集成 光路图形的精细程度，同时也决定着集成光学器件的质量和成品率。刻蚀分为化学刻蚀 ( 湿刻) 和等离子体刻蚀( 干刻) 。通常，在光波导器件的制备工艺中都是由光学刻蚀 配以化学刻蚀或等离子体刻蚀来完成整个器件的制作工艺。随着集成光路集成度的提高 和集成光学器件线宽的减小，刻蚀技术也在不断地提高和改进，还陆续开发了激光束激 励刻蚀法等无掩模干式腐蚀法。 ( 3 ) 光刻 光刻是一种集复印图像和化学腐蚀相结合的精密表面加工技术。利用类似照相制版 的原理，在半导体晶片表面的掩膜层上面刻蚀精细图形的表面加工技术。也就是使用可 见光和紫外光线把电路图案投影“印刷”到覆有感光材料的硅晶片表面，再经过蚀刻工 艺去除无用部分，所剩就是电路本身了。光刻工艺的流程中有制版、硅片氧化、涂胶、 曝光、显影、腐蚀、去胶等等。光刻的曝光方法也有多种，如接触式、投影式、电予束、 电子束投影、x 射线等曝光方法。这些工艺都是在极微观的范围内进行的，要求操作环 境和仪器设备的条件都极高。整个工艺过程都要求在超净车间中进行。在光折变晶体中 制作光波导时，波导的图形与尺寸都是由器件所需要达到的设计尺寸决定的。多数情况 下，在晶体中所制作的波导宽度都要求在3 “m 以上，因此图形形成时通常都是采用光 刻这种技术。 1 9 9 9 年，s m ，g a r n e r 等报道了用于在聚合物中制作复杂三维集成光路结构韵三种 技术：阴影反应离子刻蚀、阴影光刻和灰度光刻 3 1 。2 0 0 4 年，k ，hk i m 等采用阴影反 应离子刻蚀技术在聚合物材料中制作了垂直的热光开关结构【4 j 。对于质子交换、刻蚀、 光刻等传统制作光波导的工艺【5 l ，有其局限性：一方面需要复杂的仪器设备、苛刻的环 境条件阻及繁杂的工艺过程，另一方面不适于制作结构复杂的集成光路，因此进展缓慢。 在这种情况下，不断涌现出许多制备三维集成光路的新方法、新材料，目前的研究热点 有光写入光波导陋、光子晶体光波导f 9 _ 田以及纳米光波导等技术。 1 3 光写入波导技术的研究现状 集成光学的概念一提出，有关集成光路的研究在以美国为中心，包括日本在内的许 多国家中开始盛行起来。从2 0 世纪7 0 年代后期到现在，有关三维集成光学方面的国际 2 第1 章绪论 会议大量增加。i o o c ( 集成光路和光纤通信国际会议) ，1 9 8 3 年在日本召丌了第4 届会 议，1 9 8 9 年在日本召开了第7 届会议。o e c ( o p t o e l e c t r o n i c sc o n f e r e n c e ，光电子学会 议) 作为日本国内的会议，从1 9 8 6 年起相隔一年召开一次。i g w o ( 集成和光波导学会 议) ，1 9 9 0 年起更名为i p r ( i n t e g r a t e dp h o t o n i c sr e s e a r c h ，集成光学研讨会) ，每年召丌 一次。还有，欧洲每年都要召开e c i o ( e u r o p e a nc o n f e r e n c eo ni n t e g r a t e do p t i c s 。欧洲 集成光学议) 。这些会议频繁地传递着国际间有关集成光路方面的信息，同时也加快了 集成光路的研究进展l l “。 自2 0 世纪8 0 年代，人们意识到激光束在某些光学材料中导致的折射率变化可以被 用来制作高质量的波导器件以来，国内外科学家对这方面作了大量的实验研究。人们相 继开展了在光致聚合物 13 - 1 9 1 、玻璃 2 0 - 2 4 1 以及光折变晶体1 2 5 - 5 3 1 等材料中利用激光辐照来制 作各种光波导器件( 例如波导光栅、阵列波导、波导耦合器等) 的技术，并日臻完善。 光敏聚合物中光写入波导技术的提出可追溯到2 0 世纪8 0 年代中期，美国海军研究 实验室的j fg i u l i a n i 等利用波长为4 8 8 n m 的氩离子激光辐照具有双功能团的一种低聚 体，由光致聚合效应得到了以玻璃为衬底的条形通道波导化学气相微传感器1 1 3 1 。1 9 8 9 年，k b r o c h f o r d 等利用聚合联乙炔薄膜的不可逆光致漂白效应，写入了通道波导阵 列结构1 。1 9 9 2 年，ws b r o c k l e s b y 等在离子注入的b o o 晶体中用自写入方法制作了 光波导f ”】。这种自写入持久性波导的锥形结构在环氧树脂中发现，这种持久性的折射率 变化响应于5 3 2 n m 的光照。实验中由一束连续的激光束辐照环氧树脂，并写入锥形结构， 在写入了光波导结构的环氧树脂中导光。由于折射率变化保存时间很长，可以采用这种 方法用其他波长的光束在环氧树脂中写入锥形波导结构。1 9 9 3 年，s j f r i s k e n 首次在 紫外固化的体块环氧树脂中利用光纤传光成功地写入了永久性的锥形光波导结构【1 ”。 1 9 9 8 年，s ，s l e e 等利用电光聚合物的光致漂白和光致退极化效应写入了y 型偏振波 导分束器i ”1 。1 9 9 9 年，m pj o s h i 等在光固化和热固化的体块环氧树脂样品中利用光致 聚合效应进行了三维光路的写入研究，并成功地得到了一个l x 2 分束器和一个光栅耦合 器( 堰l 。2 0 0 2 年，i a s s a j f d 等首次研究了光敏聚合物在紫外区域的光致漂白与聚合物在光 通信波段折射率变化的关系，研究表明可以通过控制紫外光源来提高折射率调制度，以 适应在光敏聚合物中光写入集成光路的需要l i 。 1 9 9 6 年，k m d a v i s 和k h i r a o 等首次提出可以利用飞秒激光辐照玻璃材料来制 作光波导【2 0 】。此后，人们对玻璃材料在超短脉冲激光辐照下写入波导的技术展玎了深入 的研究。1 9 9 7 年，k m i u r a 等利用超短脉冲激光( 1 2 0 f s ) 在多种玻璃材料中展开了光 写入光波导结构的实验研究f 2 i 】。1 9 9 8 年，t m m o n r o 等【2 2 j 在硅酸锗玻璃中观测双光予 吸收过程时发现光写入通道波导中的自陷光束现象。2 0 0 1 年，c c o n t a r d i 等分别利用波 长为2 4 8 n m 的脉冲k r f 准分子激光和波长为2 4 4 n m 的连续氩离子倍频激光在硅酸铅玻 璃材料中写入了损耗为4 8 d b c m 和5 o d b l c m 的通道光波导忙”。2 0 0 2 年，a m l j u n g s t r 6 m 等在掺n b 的b k 7 体块玻璃中观察到了光致折射率减小的现象，并对利用圆 两北i ：业人学硕士学位论文 环光束辐照玻璃写入复杂波导结构的情况进行了模拟f 2 钔。 1 4 光折变晶体中光写入三维光波导的技术 近年来，人们对各种光折变品体( l i n b 0 3 、s b n 、k n b 0 3 等) 中采用不同的物理效 应( 光折变效应、空间光孤子以及带间光折变效应等) 以及不同的辐照方式写入各种光 折变波导结构的技术进行了大量的研究，并取得了很大的进展。利用光辐照在光折变晶 体中写入光波导的技术，对仪器条件要求较低，仅用激光以不同的方式辐照晶体，就可 以在晶体中写入各种不同的光波导结构。迄今为止，人们提出了很多基于光折变晶体的 波导写入技术，概括起来大致可以分为三类：第一类是会聚激光扫描技术，这种技术利 用一个高度会聚的光点逐点扫描晶体来制作波导结构28 。3 9 j ；第二类是用掩模板或多光 束干涉形成的结构光辐照晶体写入具有各种不同结构的光波导或光波导阵列4 0 5 3 1 ：第三 类是用光折变空间孤予写入波导的技术口“。本文所做的工作正是围绕这三种技术而展丌 的，下面分别进行介绍。 1 ，4 。l 会聚激光扫描技术 图】4 1 为会聚激光扫描体块材料制作光波 导的方法示意罔【5 ”。会聚的细激光束辐照在光折 变晶体上，由于光伏效应，光照区的折射率发生 变化，高折射率区形成波导。这种写入光波导结 构的方法是由日本大阪大学的0 m a t o b a 和k 1 t o h 所在的研究小组提出并率先开展f l _ f 3 f _ 2 s j ，他们 对利用该方法在l i n b 0 3 晶体中写入波导结构进 行了详细的研究，并探讨了光写入的波导在动态 光互连和光学神经网络中的应用【2 ”。到目前为 止，该技术一南局限于l i n b 0 3 晶体，并且绝大 图1 4 ，l 会聚激光扫描体块材料制 乍光 多数工作都是由该研究小组完成的。1 9 9 3 年， 波导的方法示意图m 1 0 m a t o b a 等在该年度的神经网络国际联合会议 中首次报道了采用聚焦的a r 十激光束对l i n b o ，晶体进行逐点扫描( 曝光间隔为几微米) 写入直线和弯曲型光折变波导结构的实验结果口9 j 。该结果于1 9 9 4 年发表在o p t i c s l e t t e r s l 2 5 1 上，同年他们建立了一个参数模型柬估计这种光写入波导的折射率分布，并 进行了数值仿真【3 0 。1 9 9 5 年，他们从实验和数值分析两个方面分别对光写入波导中的 导波光束可以改变波导结构的新方法进行了研究，结果表明该现象可用于动态光互连 刖。与此同时，他们在s h e 会议上作了题为“l i n b 0 3 晶体中用于神经网络的光学动 态光互连”的特邀报告，回顾了波导的写入技术并介绍了光写入光折变波导的动态特 性【3 2 】。1 9 9 6 年，他们对波导的写入方法进行了优化，研究表明，利用强度不均匀的写 第l 苹绪论 入光并结合不连续的光点移动和采用一种离轴的光点移动方式可以在晶体中写入高质 量的波导结构【33 1 。1 9 9 7 年，他们提出了一种利用导波光束实时改变波导结构以实现自 学习功能的三层光学神经网络模型1 3 4 。同年，在第六届国际微光学会议中他们提出了 采用聚焦的激光束以“三明治”的辐照方式在l i n b 0 3 ：f e 晶体中写入段式光波导( s p w ) 的方法。这种段式光波导结构由许多沿径向周期性非均匀排列的高折射率区域单元组 成，通过改变光束入射角或入射点的位置，或者通过增加或擦除局部的高折射率单元 可以获得不同的互连路径，因而有可能被作为一种自适应互连器件而应用于光学神经 网络系统。该会议论文被收录于美国光学学会出版的1 9 9 7 年度以光折变材料、效应和 器件为主题的会议论文集中 3 5 o 相关的结果发表于1 9 9 8 年的美国光学学会会刊 ( j o s a b ) 上【3 6 l ，同时在该年度的国际激光和光电子会议( c l e o ) 上报道了列光折变 段式光波导中光束动态传输特性的研究【3 ”。1 9 9 9 年，在s p i e 关于光学信息处理的算 法、器件和系统的会议中对光写入光折变段式光波导的方法、特性以及在光互连中的 应用做了系统地回顾【3 8 】。同年，在i e e e 国际会议中他们全面地总结了在l i n b 0 3 晶体 中光写入光波导方面所做的工作f 2 8 1 。后来他们的这些工作被收入f r a n c i sy u 和s h i z h u o y i n 主编的，由学术出版社出版的! ( p h o t o r e f r a c t i v eo p t i c s ) ) 一书( 第1 3 章：d y n a m i c i n t e r c o n n e c t i o n su s i n gp h o t o r e f r a c t i v ec r y s t a l s ) 中1 3 。在2 0 0 5 年第二届国际先进光学制 造与检测学术会议上，本实验室总结了利用会聚激光扫描技术在l i n b 0 3 ：f e 晶体中写 入弯曲型和y 型光波导的研究结果【5 1 ，进一步的实验研究还在进行中。 1 4 2 结构光辐照技术 结构光辐照技术，即利用简单的光学元件或 掩模板形成的结构光直接辐照光折变晶体从而在 晶体中写入波导的技术。对此技术的研究相对较 少，这是因为光束在光折变晶体中传输时，由于 衍射、散射等原因会大大降低光束的质量而直接 影响光写入波导的质量。但利用该技术可以在片 状光折变晶体或光折变晶体薄膜材料中方便地写 入各种光折变波导结构，甚至整个集成光路。如 图1 4 2 利用结构光辐照技术在晶体中 图1 4 , 2 。用均匀光通过自制的马赫曾德型掩模板 写入马赫曾德型光波导的方法示意图 辐照晶体，在晶体中写入马赫增德型光波导。目 前，这方面的研究工作是由作者所在的西北工业大学光信息科学与技术研究所开展的。 2 0 0 2 年，在第八届i u m r s 国际电子材料会议上，我们首次报道了在k n s b n 晶体中利 用细激光束和柱透镜产生的片光写入光纤状和平面光波导的实验研究。相关结果发表 在e l s e v i e r 公司出版的杂志o p t i c a lm a t e r i a l s 上【4 0 1 。在同一会议上还发表了我们对 l i n b 0 3 ：f e 晶体在不同结构光辐照下折射率变化规律研究的结果【4 “。2 0 0 3 年，我们研 阳北l ：业入学颂：e 学位论文 究了利用柱透镜产生的高斯片光并采用“三明治”辐照方式在l i n b 0 1 ：f e 晶体巾写入 平面光波导时晶体折射率的变化规律【4 2 j 。随后利用这种方法在l i n b 0 3 ：f e 晶体中写入 了平面光波导结构，并从光折变效应的单中心模型和载流子的光伏迁移机制出发给出 了高斯片光在l i n b 0 3 ：f e 晶体中写入的平面光波导的横向折射率分布的解析表达式， 基于该表达式利用射线方程对光写入的平面波导的导光特性进行了数值仿真1 4 ”。此外， 利用均匀分布的激光束照明二元振幅掩模板产生的结构光在l i n b 0 3 ：f e 晶体中写入了 平面和y 型光波导结构，并对沿写入光束方向上折射率变化的不均匀性从理论和实验 两个方面进行了详细研究m j 。同时，基于空间光调制器对光束形状和强度分布的调制 功能，我们首次提出了利用空问光调制器制作- - 或灰度分布的掩模板在光折变晶体 中写入各科，光波导结构的新方法。并利用液晶光阀制作的二元掩模板在l i n b o ，：f e 晶 体中成功的写入了光纤状和y 型波导结构，测量了波导的折射率分布并进行了导光测 试1 4 ”。同时利用液晶光阊制作的灰度掩模板在l i n b 0 3 ：f e 晶体中写入了具有高斯型和 平方率分布的梯折通道波导结构1 46 1 。在2 0 0 3 年第八届国际光电予和通信会议上，我们 总结了利用掩模板在l i n b 0 3 ：f e 晶体中写入波导结构的研究结果1 4 7 1 。 1 9 9 6 年，om a t o b a 等在研究光写入波导的会聚激光扫描技术的同时，在以科学和 新技术中的光学为主题的s p i e 会议上首次提出了利用四柬平面波形成的无衍射干涉场 辐照l i n b 0 3 晶体写入可用于大规模并行光互连的通道光波导阵列的方法t 4 叭。相关内容 发表在同年的o p t i c sl e t t e r s 上，他们实验验证了平面和通道光波导阵列的制作，并数 值计算了光折变波导的最大密度 4 9 1 。随后他们又改进了该方法以得到折射率调制度更 好的通道波导阵列结构 5 0 。2 0 0 2 年，杨立森等采用对四个点光源进行傅里叶变换的方 法在l i n b 0 3 ：f e 晶体中写入了6 9 m x 6 9 m 的( 2 + 1 ) 维阵列波导，并证明了波导阵列实 质上是二维体相位光栅【s i 。近来，作者所在的研究室报道t n 用双光束干涉的方法在 l i n b 0 3 ：f e 晶体【5 2 1 和掺杂s b n 晶体中写入平面光波导阵列的实验结果【s 3 1 。为了使得在 l i n b o ，：f e 晶体中光写入的通道波导阵列具有较高的折射率调制度并且简化波导写入 方法，我们提出了利用两个不相干双光束干涉场同时或两次辐照晶体写入通道波导阵 列的方法。通过方便的调节实验参数，可以得到具有不同形状、不同周期的通道波导 阵列。我们采用双光束干涉场以不同方式两次辐照l i n b 0 3 ：f e 晶体成功地写入了援方 形和矩形的通道波导阵列1 4 “。 1 4 , 3 空间孤子诱导波导技术 在光折变材料中传播的光束，当其衍射 发散作用和光束在材料中引起的自聚焦( 自 散焦) 效应相平衡时，就会形成光折变空间 光孤子，此时光束在传播过程中的形状和强 度空间分布均保持不变。如图1 4 - 3 为孤子图1 4 3 孤子诱导波导的示意图 第1 章绪论 诱导波导的示意图1 5 ”。自1 9 9 2 年ms e g e v 等1 5 8 1 最先从理论上预言了光折变空间光孤 子的存在，以及1 9 9 3 年gc d u r e e 等【5 9 】首次在掺杂s b n 晶体中观察到了光折变空阳j 光孤子以来，十几年中光折变空间孤子以其写入功率低以及能形成( 2 + 1 ) 维孤子等优 于k e r r 孤子的特点，成为孤子研究最为活跃的领域之一，并在理论及其应用方面取得 了长足的进展【5 ”。截止目前，人们在光折变材料中发现的孤子类型有瞬态空f 卣j 孤子【5 8 捌、屏蔽和光生伏扣空间孤子6 、复合矢量孤子( 涡旋孤子硒船、缠绕孤子【6 3 j ) 以及 离散孤子【叫等。光折变晶体中的孤子效应使得光束可以在晶体中无衍射的传播，因而 利用孤子在晶体中诱导的折射率变化可以得到高质量的波导结构。利用光折变孤子在 光折变晶体中写入并存储波导的方案最早是由美国斯坦福大学的m t a y a 等人于1 9 9 5 年提出韵，并在l i n b 0 3 晶体中得到了实验验证f 6 “。同年，m m o r i n 等在s b n 晶体中 利用瞬态空间孤子成功的写入了平面波导结构1 6 5 1 。从此人们对光折变晶体中孤子诱导 波导的研究掀开了序幕。1 9 9 6 年，刘思敏等在l i n b 0 3 ：f e 晶体中利用光伏暗空间孤子 写入了( 2 + 1 ) 维波导【6 们，并给出了由光折变空间孤子写入波导的研究现状【6 7 1 。1 9 9 7 年，美国普林斯顿大学的m s h i h 等对光折变屏蔽光孤子产生波导的特性进行了深入的 理论和实验研究 2 矾。1 9 9 8 年，a b e k k e r 等以屏蔽效应形成的畴为基础，利用其可擦除 的固化机理在s b n 晶体中制作并固定了平面光波导【6 引。1 9 9 9 年，p h d i t t r i c h 等在 k n b o ，晶体中利用带间光折变效应产生的屏蔽空间孤子写入了可实时改变结构的波导 2 7 1 。2 0 0 1 年，a g u o 等在s b n 晶体中固定了由光折变孤子产生的多种波导结构，包 括方向耦合器和分束器【6 9 1 。同年，刘继芳等对光折变晶体中亮孤子和暗孤子诱导波导 的折射率分布从理论上进行了研究1 7 0 1 。2 0 0 2 年以来，在光折变晶体中利用空间光孤子 写入的非线性波导阵列结构引起了人们极大的兴趣f 6 4 7 1 - 9 4 。这是由于光写入的光折变 非线性波导阵列结构，给人们提供了研究离散光孤子等光波非线性传播现象的方便场 所，具有非常重要的科学意义。2 0 0 3 年3 月和8 月的n a t u r e 杂志分别刊登了有关在s b n 晶体中光写入的光折变非线性波导阵列中观察离散光孤子行为的报道 阳。7 钔。目前，用 于研究离散光孤子行为的一维和二维非线性波导阵列多数都是利用两束或四束平面波 干涉的方法在光折变晶体中写入的 7 1 - 7 4 1 。2 0 0 3 年，z c h e n 等利用非相干光通过振幅掩 模板在s b n 晶体中形成的类像素孤子写入了波导阵列结构p ”。 1 9 9 6 年，m i t c h e l l 等1 7 6 j 首次实现了准单色空间部分非相干光束的一维自陷。次年， m i t c h e l l 等建立了非相干光孤子理论，对非相干光束的一维自陷作出了解释。同年， m i t c h e l l 和s e g e v 利用发光光谱范围为3 8 0 7 2 0 n m 的白炽灯泡作为光源，首次实现了白 光( 时间和空间都不相干) 的二维自陷，当年n a t u r e 对此成果进行了报道。1 9 9 8 年， d n c h 6 s t o d o l i d e s 等【7 7 1 在理论上论证了在非瞬时响应的非线性介质中存在非相干暗空间 孤子的可能性。同年，z c h e r t 等【7 圳实验证实了非相干暗空间孤子的存在。1 9 9 9 年，z c h e n 等 7 9 1 首次用非相干光在光折变材料中写入波导。实验结果表明：维情况下，自 陷的非相干暗条纹诱导所形成的平面光波导或者y 型分叉波导能够引导另外一束波长 7 两北工业火学硕十学位论文 不同的相干光：在二维的情况下，非相干暗孤子的形成起凶于光学涡动所引起的折射率 变化，该变化类似于一个环形波导。2 0 0 2 年，他们【7 9 】对部分空间非相干光产生孤子阵 列进行了实验研究，通过调制部分空间非相干光在非瞬时响应的自聚焦光折变介质中得 到了一个3 2 x 3 2 的刁& 子阵列。 三维集成光学是2 1 世纪的集成光学。集成光学在光信息处理中的地位z s u 集成电 路在电子技术中的地位相当，因此，集成光学将会成为当代技术发展上的日渐重要、并 引人注目的新科学技术。综合这三种光写入技术在体块光折变晶体中构建光学回路，可 以极大地提高集成光路的集成度和灵活性。光敏材料中制备集成光波导器件的光写入技 术，不仅具有直接、快速、低成本、高效益的优点，更为重要的是它使得在体块光学材 料中制作三维立体集成光路成为可能。因此深入研究三维集成光路的设计及其光写入技 术利于提高微光机电系统的集成度、增加通信系统中的通道数目以及实现光计算、光学 神经网络等具有重大意义。 1 5 本文的主要工作 本论文主要探讨利用会聚激光扫描技术、结构光辐照技术以及光折变空间孤子技术 在l i n b 0 3 ：f e 晶体中写入光波导结构的方法，对所写入波导的折射率分布进行测量分析， 并对所写入的波导进行初步的导光实验。 全文共分为6 章，具体安排如下： 第1 章：介绍三维集成光学的发展及其传统制作工艺，重点讨论光写入三维光波导 的技术。 第2 章：从光折变效应产生的物理机制以及描述光折变晶体中光折变过程的动力学 方程组出发，推导光波在l i n b 0 3 晶体中的非线性传播方程。并给出利用数字全息术对 光折变晶体中光致折射率变化进行三维可视化的方法。 第3 章：通过求解光折变动力学方程组，对会聚激光在l i n b 0 3 晶体中沿不同方向 扫描写入光波导时的最佳曝光间距进行详细的理论分析及数值模拟。利用数值分析得到 的曝光间距，并采用5 3 2 n m 的聚焦激光柬扫拄l i n b 0 3 ：f e 晶体，制作弯曲型和y 型分 叉波导。 第4 章：在l i n b 0 3 晶体中对光诱导任意折射率变化进行详细的理论分析及实验研 究。推导在一维情况下光致折射率变化分布与写入光强度分布之间的解析关系；数值计 算二维情况下折射率变化分布( 如呈高斯分布、平方律分布或环状分布) 对应的写入光 束的强度分布，并在l i n b o ：f e 晶体中得到实验验证。实验研究利用结构光辐照技术在 晶体中写入各种波导结构的方法：采用自制的掩模板在l i n b 0 3 ：f e 晶体中写入2 x 2 分叉 型光波导；利用液晶光阀作掩模板在该晶体中写入马赫一曾德型光波导。 第5 章：分析两种类型( 即相位型和振幅型) 的扰动对均匀入射光束的调制效果， 实验研究l i n b 0 3 ：f e 晶体中一维暗光伏孤予的形成，成功地在晶体中写入平面孤子波导 第1 章绪 论 和y 型分叉波导：同时利用这两种类型的扰动，利用非相干暗光伏孤子在晶体中诱导平 面波导和y 型分叉波导，给出初步的导光实验结果。基于非相干暗光伏孤予的写入基础， 提出利用一维非相干空间孤子在块状晶体材料中写入通道波导的方法，并在l i n b 0 3 ：f e 晶体中得到实验验证。 第6 章：对本文工作中得到的结论进行总结，并对下一步工作的开展提出一些建议。 9 两北l 业人学硕士学位论文 第2 章理论基础