（光学工程专业论文）光折变波导阵列的结构光写入方法研究.pdf

西北工业大学硕士学位论文 光折变波导阵列的结构光写入方法研究+ 摘要 新千年伊始，人类社会已步入高速传输数据、语音、影像等信息的多媒体因特网时 代。作为因特网发展基石的微处理器速度以及通信带宽正以m o o r e 定律飞速发展，光通 信系统中关键光电子器件的传统制造技术受到极大挑战。目前市场上还没有低成本的集 成光学器件，l 司此人们必须寻求新的制作技术以适应发展的需求。近年来光辐照法被认 为是一种直接、快速、低成本、高效益的集成光波导器件制作技术，备受关注。 本文主要研究利用不同的结构光在光折变晶体中写入各种波导结构的方法。所开展 的工作以及得到的结论如下：从光折变动力学方程组出发对光折变晶体中光致折射率 变化进行了理论分析，并建立了由写入光的强度分布得到光致折射率变化分布的数值模 拟方法。在功率密度为毫瓦量级的连续激光辐照下，对l i n b 0 3 ：f e 晶体中的光致折射 率变化规律进行了详细的实验研究，并对实验结果进行了理论分析及数值模拟。结果表 明：利用不同的结构光辐照l i n b 0 3 ：f e 晶体可以在其中有效的写入波导结构。对利用 柱透镜和光学二元掩模板形成的结构光在光折变晶体中写入平面光波导、y 型光波导以 及通道光波导的方法进行了详细的实验研究。并首次提出了利用空间光调制器制作光学 掩模板，在光折变晶体中写入具有各种形状以及不同折射率分布的波导乃至整个集成光 路的方法。研究结果表明：仅利用s l m 形成的结构光辐照可以在薄片晶体或薄膜材料 中写入高质量的波导器件。从理论和实验两个方面对利用双光束和四光束干涉形成的 光场在s b n ：c r 、l i n b 0 3 ：f e 和k n s b n ：c e 晶体中写入平面波导阵列和通道波导阵列的 方法进行了详细的研究。并提出了利用一个双光束干涉场以不同的角度两次辐照晶体， 在光折变晶体中写入不同通道波导阵列结构的方法。研究结果表明：采用合适的光场强 度分布以及合适的外加电场可以在不同光折变晶体中写入平面波导阵列和通道波导阵 列。基于马赫曾德干涉仪光路研究了利用切片干涉法测量光折变晶体中光致折射率 变化的方法，并首次提出了利用数字全息术对光折变晶体中光致折射率变化进行可视化 的方法。此外，成功地利用上述方法对光写入波导结构的折射率分布进行了测量。 利用不同的结构光辐照光折变晶体，可以制作具有不同结构的光波导以及光波导阵 列。这种方法对仪器条件要求很低，而且随着电热固定以及光，热擦洗等技术的不断成 熟，既可以得到永久的波导结构，也可以得到瞬时的波导结构。因此光折变晶体中结构 光写入的波导器件可以被用于现有的光通信系统，并且有望被用于动态光互连以及光学 神经网络系统。 关键词：光折变晶体，光致折射率变化，光折变波导，结构光写入法，光波导阵列 国家自然科学基金( 批准号：6 0 0 7 7 0 1 8 ) 、航空科学基金( 批准号，0 2 1 5 3 0 7 5 ) 和西北工业大学研究生创业种子基金( 批准号：z 2 0 0 3 0 0 8 8 ) 资助项目。 西北工业大学硕士学位论文 i i s t r u c t u r e 1 i g h t - i n d u c e dp h o t o r e f r a c t i v ew a v e g u i d ea r r a y s + a b s t r a c t a tt h eb e g i n n i n go fan e w m i l l e n n i u m h u m a n i t ye n t e r si n t oam u l t i m e d j ai n t e m e ta g ew i t h i n f o r m a t i o n ( e g d a t a , s o u n d ，a n dv i d e o s ) t r a n s m i t t e da tah i g hs p e e d a st h eb a s i so f t h e i n t e r n e t t h em i c r o p r o c e s s o rs p e e da n dt h ea n a o u n to fa v a l l a b l eb a n d w i d t hi n c r e a s ea sm o o r e s l a w , t h et r a d i t i o n a lf a b r i c a t i o nt e c h n i q u e so ft h ek e yp h o t o n i c sa n de l e c t r o n i c sc o m p o n e n t s f a c eac r i t i c a lc h a l l e n g e c u r r e n t l y , t h e r ee x i s t sn ol o w - c o s ti n t e g r a t e do p t i c a lc o m p o n e n ti n c o m m e r c i a ls y s t e m s r e c e n t l y , l i g h t - i n d u c e do p t i c a lw a v e g u i d ef o r m a t i o na t t r a c t sm u c h r e s e a r c hi n t e r e s ta sa r e c o g n i z e dt e c h n o l o g yf o rd i r e c t ，r a p i d ，a n dc o s t - e f f e c t i v ef a b r i c a t i n go f v a r i o u s i n t e g r a t e do p t i c a lw a v e g u i d e s t h i sd i s s e r t a t i o n m a i n l yi n v e s t i g a t e sw r i t i n g v a r i o u s w a v e g u i d e s t r u c t u r e si n p h o t o r e f r a c t i v e ( p 鼬c r y s t a l sb ys t r u c t u r el i g h ti r r a d i a t i o nm e t h o d t h em a i n c o n t e n t so ft h i s d i s s e r t a t i o na r ea sf o l l o w s ：a c c o r d i n gt ot h es e to fe q u a t i o n sg o v e r n i n gt h ep r p r o c e s s i n d e xc h a n g e si np rc r y s t a l si n d u c e db yw 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 yp r o f i l e sa r e t 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 t h ei n d e xc h a n g e si n d u c e db yc w 1 a s e r a tm i l l i w a t ti nl i n b 0 3 ：f ec r y s t a l sa r es t u d i e de x p e r i m e n t a l l yi nd e t a i l f u r t h e r m o r et h e e x p e r i m e n t a jr e s u l t 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 t h er e s u l t ss h o w t h a tw a v e g u i d es t r u c t u r e sc a l lb ee f f e c t i v e l yi n d u c e de m p l o y i n gs t r u c t u r el i g h ti r r a d i a t i o ni n l 仆m 0 1 ：f ec r y s t a l s f a b r i c a t i o nm e t h o d so fp l a n a r , y - b r a n c h e s ，a n dc h a n n e lw a v e g u i d e s e m p l o y i n g s t r u c t u r e l i g h t s f o r m e d b yc y l i n d r i c a l l e n s e sa n do p t i c a lb i n a r ym a s k sa r e i n v e s t i g a t e de x p e r i m e n t a l l yi nd e t a i l a n da n o v e la p p r o a c ht op r e p a r eo p t i c a lm a s k sb yu s i n g s p a t i a ll i g h t m o d u l a t o rf o r l i g h t i n d u c e d v a r i o u sw a v e g u i d e s ，e v e naw h o l ec i r e u i t s i s p r o p o s e d f a b r i c a t i n gp l a n a ra n dc h a n n e lw a v e g u i d ea r r a y s i ns b n ：c r l i n b o s ：f ea n d k n s b n ：c ec r y s t a l su n d e ri l l u m i n a t i o n so ft w o b e k i na n df o u r - b e a mi n t e r f e r o g r a m s a l e d e t a i l e d l yi n v e s t i g a t e db o t ht h e o r e t i c a l l ya n de x p e r i m e n t a l l y m o r e o v e ran o v e la p p r o a c h t o f a b r i c a t ea r r a yo ft h r e e d i m e n s i o n a lw a v e g u i d e si np rc r y s t a l se m p l o y i n gi l l u m i n a t i o n so f a p a i ro fm u t u a l l yc o h e r e n to ri n c o h e r e n tt w o - b e a mi n t e r f e r e n c ef i e l d si sp r o p o s e d e m p l o y i n g w r i t i n gb e a m s w i t ha p p r o p r i a t ei n t e n s i t yd i s t r i b u t i o n sa n de x t e r n a le l e c t r i cf i e l d sa l o n gp r o p e r d i r e c t i o n s ，a r r a y so fp l a n a ra n dc h a n n e lw a v e g u i d e s c a nb ef a b r i c a t e di nv a r i o u sp r c r y s t a l s b a s e do nm a t h - z e i m d e ri n t e r f e r o m e t e rs e t u ns l i c e - i n t e r f e r o m e t r y f o r m e a s u r i n g l i g h t - i n d u c e di n d e xc h a n g e s i np r c r y s t a li si n v e s f i g a t e d a n de m p l o y i n gd i g i t a lh o l o g r a p h y f o rv i s u a l i z a t i o n so ft h ei n d e xc h a n g e si np rc r y s t a li sf i r s tp r o p o s e d a d d i t i o n a l l y , t h et w o a p p r o a c h e sa r eu s e df o rm e a s u r i n gt h e i n d e xd i s t r i b u t i o n so fl i g h t - i n d u c e dw a v e g u i d e s s u c c e s s f u l l y v 2 i r i o u s o p t i c a lw a v e g u i d e sa n dw a v e g u i d ea r r a y s c a nb ef a b r i c a t e db yi r r a d i a t i o n so f d i f f e r e n ts t r u c t u r el i g h t s t h i st e c h n i q u e i s v e r yc o n v e n i e n c e ，a n d c o m b i n e sw i t ht h e e l e c t r i c a l t h e r m a l f i x i n g a n d o p t i c a l t h e r m a le r a s i n g t e c h n i q u e s b o t h p e r m a n e n t a n d i n s t a n t a n e o u sw a v e g u i d e sc a nb eo b t a i n e d s t r u c t u r e - l i g h t - i n d u c e dw a v e g a i d e d e v i c e si np r c r y s t a l sc 姐b eu s e df o rt h ec u r r e n to p t i c a lc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ，a n dm a y b eu s e df o r 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 na n do p t i c a l n e u r a in e t w o r ks y s t e m s - k e y w o r d s ：p h o t o r e f r a c t i v ec r y s t a l ，l i g h t - i n d u c e d i n d e xc h a n g e s ，p h o t o r e f r a c t i v ew a v e g u i d e ， s t r u c t u r el i g h ti r r a d i a t i o nm e t h o d ，w a v e g u i d ea r r a y s u p p o s e db yt h en a t i o n a ln a t u r es c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n a ( g r a n t n o 6 0 0 7 7 0 18 ) t h es c i e n c e f o i 内b t i o no fa e r o n a u t i c so fc h i n a ( g r a n tn o 0 2 1 5 3 0 7 5 ) ，吼dm 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 o r t h w e s t e r np o l y t o e h n i c a lu n i v e m i t y ( 0 r a n tn o z 2 0 0 3 0 0 8 8 ) 西北工业大学硕士学位论文 第1 章绪论 集成光学是在光纤通信和计算机高速发展的情况下提出的。由于微电子技术的飞速 发展，使得集成电路的集成度日益接近硅片集成电路的物理极限，并且使芯片内部及芯 片之间电互连的紧凑性受到许多限制。如果用光波导连接代替金属线连接，用光子代替 电子，则不但能克服这些限制因素，而且可以使运算速度提高1 0 4 倍 ”。人们预计，集 成光学将像集成电子学一样，引起信息技术发展的深刻变革。自从上个世纪六十年代集 成光学的概念提出以来，这一学科就引起了全世界物理学、信息科学、化学和材料科学 等领域科学家的极大关注。时至今日，它已经建立了自己的理论体系、实验方法和工艺 手段，并在通信、军事、电力、天文、传感等应用领域中发挥着重要作用 2 】。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，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【3 l 。光波导是集成光学器件的基础，它能将光波束缚在波长量级 尺寸的介质中，长距离无辐射的传输。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。尤其是 近几年，随着光纤通信需求量的迅猛增长，发展高性能、高密度的集成光波导器件成为 世界各国竞争的焦点之一。在这种情况下，不断涌现出许多制各光波导器件的新方法、 新材料。其中光写入光波导 4 - 6 、光子晶体光波斟7 ，8 】以及纳米光波导f 9 】等技术是目前的 研究热点。本章首先简要介绍光波导器件光写入技术的研究现状，然后重点讨论本论文 所关心的光折变晶体中的光写入波导技术，最后给出本论文的主要工作。 1 1 光写入波导技术的研究现状 光波导所用到的材料范围很广，常用的有铌酸锂( l i n b 0 3 ) 、一v ( 或i i 一) 族 化合物半导体、玻璃以及适于单片集成的硅等。电子束曝光、全息光刻、薄膜沉积、离 子交换以及外延生长等是波导的传统肯4 造工艺【l 叭。它们大都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，如真空设备、温度控制、保护气体层等。这样就直接 导致了波导生产周期长、成本高的缺点。此外，这些方法只能在材料表面层或薄膜材料 中制作波导结构，这就大大限制了集成光路的集成度，而为了在材料体内得到波导结构 就必须发展其它技术。利用光辐照在光敏材料的表面层或体内写入各种波导结构的技术 被认为是一种直接、快速、低成本、高效益的波导制作技术，近年来引起了人们广泛的 研究兴趣f 4 61 1 4 0 。用于光写入波导研究的材料有很多，例如光敏聚合物 1 1 - 1 6 1 、玻璃 1 7 - 2 1 1 、 半导体材料( 如a s 2 s 3 【5 ”、c d s l 5 2 1 ) 以及光折变晶体2 2 5 q 等。目前该技术尚处于实验室 研究阶段，科研工作者集中对光敏聚合物、各种玻璃材料和光折变晶体材料中光写入波 第1 零绪论 2 _ _ m _ - _ _ _ _ _ _ _ - _ - _ _ _ _ _ _ h m _ m m _ _ _ _ h h _ - _ - _ _ _ _ _ _ _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ w - _ 一 导的技术进行了深入细致的研究，为该技术的实用化奠定了坚实的基础。下面对光敏聚 台物窝玻璃耪辩审毙写入波鼯技本豹磅究绩凝接攘要套缓，对子光叛燮器薄孛的畿霉入 波释技术将在下带详细讨论。 光敏聚合物中光写入波爵技术的提出w 追溯到上个世纪8 0 年代中期( 1 9 8 6 年) ，美 国海军研究实验嫩的j eg i u l i a n i 等人利用波长为4 8 8 n m 的氩离子激光辐照具有双劝能 霞酌一种低聚镕，由竞致聚金效应褥鬟了骧玻璃受耪底瓣条形透遥渡褥纯学气程徽瞧墓 器【l “。1 9 8 9 年k b r o c h f o r d 等人利用聚含联乙炔薄膜的不可逆光致漂白效应。写入了 通邋波导阵列结构u ”。1 9 9 3 年s j f r i s k e n 首次在紫外阐化的体块环虢树脂中利用光纤 蕊媳藏功建写入了永久牲豹镶形光波导结构i 1 3 。1 9 9 8 零s 。s l e e 等入利用电光聚会物 的汽致漂自和光致遮极纯效廒写入了y 蘩倘振波导分柬器珏4 1 。1 9 9 9 筇m ej o s h i 等久 在光固化和热圈化的体块环辅树脂样品中利用光致聚效应进行了三维光路的写入研 究，势成功地得到了一个l x 2 分束器和一个光栅耦合器【l ”。2 0 0 2 年i + a s s a i d 等人酋次 磷究了免敏聚会耱在紫箨区域瓣隽蘩漂塞与聚合魏在炎逶售渡袭舞瓣攀交绽靛关系，辑 究寝明可以通过控制紫外j 乜源来提高折射翠调制度，以适应在光敏聚仑物中光写入集成 光路的需要i l ”。 基铁1 9 9 6 够嚣本磅究发袋透钵中的k m d a v i s 鞍k 。h i r a o 等人蕊次提出可以测翔 飞秒激光辐照玻璃材料来剃豫光波导鞋来h 霸，久们对玻璃材辩在超藏躲冲激光辐鼹下写 入波导的技术展开了深入的研究。1 9 9 7 年k m i u r a 等人利用超短脉冲激光( 1 2 0 f s ) 在 多种玻璃材料中驾入了光波撩结构 】。1 9 9 9 年t m m o n r o 等人在掺g e 玻璃中光写入 豹遴遥波导孛躐察劐了蠢素熬麓嚣蒙【嘲。2 0 0 1 年c 。c o n t a r d i 等夫分剐蘩l 蘑波长为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 的连续氩离予储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 0 d b c m 的通道光波导【2 0 】。2 0 0 2 年a m l j u n g s t r 6 m 等人在掺 n b 蚋b k 7 体块玻璃中观察戮了光致折射攀减小的现象，并对利用潮环光束辐照玻璃写 入复杂波导结构静情凝递行了模羧1 2 “。 1 2 光折变晶体中的光写入波导技术 鑫上个世缌酏年代贝拳实验室的a s h k i n 等人在l i n b 0 3 和l i t a 0 3 鼓体中发现光辑 交效应以来澄】，这种电光氧化物晶体中的溉致折射率变优效应弓l 趋入稻的广泛关注，这 烧由于首先光折变材料在低功率密度的光辐照下就可以产生强烈的j e 线性效应，为非线 性光学开创了广阔的研究领域；其次，光折变材料在光存储、光通惦、光计算等方面具 蠢蓬大懿灌在纛建徐蓬l 捕。毙援交效应羧霹簿驿失：毙垒载滚子( 窀子或空穴) 在材 料中迁移，在暗区被重新俘获，从而建囊起空间电荷蛹，这一空间电荷场通过电光效应 对材料的折射率进行调制。翻前已用光折变材料制成多种用途的光学器件，例如体全息 数攥存诸器、张位共轭器等务种实用器件l s 5 1 。对基于巍掰变效应的备静现象及其斑瘸的 磷究，一直燕i # 线经蠢学领域研究豹熬赢之一。 西北工业大学硕士学位论文 3 光折变波导把材料的光折变效应和波导结构两个有趣的研究领域联系起来，在热 固定衍射光栅【5 6 1 、光学相位共轭【5 7 1 、空间光孤子5 8 】以及全光开关和光路由【5 9 1 等领域具 有广泛的应用前景。1 9 9 8 年d k i p 对光折变波导领域取得的研究结果( 包括波导制作 方法、研究以及应用) 进行了系统的总结【6 0 l 。其中对光折变波导的传统制作技术一扩 散、离子交换、离子注入、薄膜沉积以及溶胶一凝胶等作了详细介绍。光折变晶体在 功率密度为毫瓦量级的连续激光辐照下就可以产生明显的折射率变化( 可达1 0 4 1 0 。3 ) ， 因此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。 自从1 9 9 4 年o m a t o b a 等人首次报道了在l i n b 0 3 ：f e 晶体中利用光辐照法写入三维光 波导的实验结果后f 2 2 】，十年来人们对各种光折变晶体( l i n b 0 3 2 2 】、s b n 2 3 1 、k n b 0 3 2 4 】 等) 中采用不同的物理效应( 光折变效应口2 1 、光孤子【2 3 】以及带间光折变效应 2 卅等) 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。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：第一类是激光显微机械加工技术，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阮2 5 。6 ；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1 3 7 - 5 0 ；第三类是用光折变空间 孤子写入波导的技术口”。下面分别进行介绍。 1 2 1 激光显微机械加工技术 利用激光显微机械加工技术在光折变晶体中写入光波导结构的方法是由日本大阪 大学的o m a t o b a 和k i t o h 所在的研究小组提出并率先开展的旧j ，他们对利用该方法在 l i n b o ，晶体中写入三维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 5 】。到目前为止，该技术一直局限于l i n b 0 3 晶体，并且 绝大多数工作都是由该研究小组完成的。1 9 9 3 年，o m a t o b a 等人在该年度的神经网络 国际联合会议中首次报道了他们采用聚焦的a r + 激光束对l i n b 0 3 晶体进行逐点扫描( 曝 光间隔为几微米) 写入直线和弯曲型三维光折变波导结构的实验结果1 2 6 】。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 上【2 2 】，同年他们建立了一个参数模型来估计这种光写入波导的折 射率分布，并进行了数值仿真口7 1 。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 于动态光互连口8 1 。与此同时，他们在s p i 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 的动态特性口9 1 。1 9 9 6 年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 质量的波导结构口0 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 3 ”。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 ) 第1章绪论4 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阱j 。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p ”，同时在该年度的国际激光和光电子会议( c l e o ) 上报道了对光折变段式光波导 中光束动态传输特性的研究1 3 4 1 。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 5 1 。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【2 5 】。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 oy 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 ci n t e r c o n n e c t i o n su s i n g p h o t o r e f r a c t i v ec r y s t a l s ) 【3 6 】。 1 2 2 结构光辐照技术 仅利用简单的光学元件或掩模板形成的结构光直接在光折变晶体中写入波导的技 术相对来说研究得较少，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。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 细激光束和由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1 3 7 。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1 3 。2 0 0 3 年我们研究了 利用柱透镜产生的高斯片光采用“三明治”辐照方式在l i n b 0 3 ：b e 晶体中写入平面光波 导时晶体折射率的变化规律 3 9 1 。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【4 0 】。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 4 ”。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 利用空间光调制器制作二元或灰度分布的掩模板在光折变晶体中写入各种光波导结构 的新方法。并利用液晶光阀制作的二元掩模板在l i n b 0 3 ：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【4 2 】。同时利用液晶光阀 制作的灰度掩模板在l i n b 0 3 ：b 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 西北工业大学硕士学披论文 5 结构ja 在2 0 0 3 年第八属国际光电予和通信会议。e ，我们总结了利用掩横板在 l i n b 0 3 ：f e 晶钵中写入波导缵掾鹃磅究结蒙 4 4 1 ，进一步嬲实验骚究还程进行之中。 1 9 9 6 年，o m a t o b a 等入在研究免写入波导的激巍髓微机械热工技术的同时，在懿 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束平谢波形成的纛衍射 干涉场辐照l i n b 0 3 晶体写入珂用于大规模并行光互连的通道光波导终列的方法f 郴j 。相 关凑蜜发表在磷每嚣o p t i c sl e t t e r s 上，魏销实验验涯了警嚣蠢逶遂必波导薄裂豹潮终， 并数值计算了光折变波导的最大密度1 4 6 。随后他们又改进了该方法以得到折射率调制度 更好的通道波彤阵列结构【4 ”。2 0 0 2 年国内杨立森等人采用对四个点光源进行傅立叶变 换的方法在l i n b 0 3 ：f e 晶体中写入了6 脚x 6 雕l 粒( 2 + 1 ) 维薄列波鬈，并证明了波替阵 列实质土是二维体相位光糖瑚l 。近来，我f f 狠道了利蹋双先束干渗黪方法奁l i n b 0 3 ：f e 晶体【4 9 l 和掺杂s b n 晶体中筠入平面光波导阵列的实验结果【5 。1 。由于掺c r 或r h 的s b n 晶体在红光区必有很快的响应速度1 6 1 ，因北在该晶体中写入的波导阵列为动态波导阵 爱，存露裁被鼹予动态跫曩逶。为了蓑褥在l i n b 0 3 ：f e 爨嚣争走写入戆逶遂波导黪魏其 商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柬干涉 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 具蠢不同形状、不同周期的邋遵波导阵列。我们采用双光束于涉场以不用方式两次辐照 乙粼b o ，：f e 晶体成功遗写入了正方形和矩形酌逶遭波导簿戮1 4 4 心l 。 1 2 3 空间孤予诱导波导技术 在光叛变誊蓐辩孛传播鹣必束，当其街射发数捧用和搬束在材料中萼| 起的自聚焦( 自 敬焦) 效应褶乎衡时，就会澎成毙折交空黼毙孤子，诧辩光束在传撵过程孛麴形萼跫帮强 度空间分布均保持不变。自1 9 9 2 年s e g e v 等人【6 3 】最先从理论上预富了光折变空间光孤 子的存在，并且1 9 9 3 年d u r e e 等人1 6 4 l 首次在掺杂s b n 熙体中观察到了光折变空间光孤 予以来，咒零串蠢舞交窆耀孤子浚其霉入功率甄潋及楚形藏( 2 + 1 ) 绫援予等撬予k e r r 孤子的特点，成为孤子研究激为活跃的领域之一，并在理论及其应用方面取得了长足的 进展1 6 5 。截止翻前，人们在光折变材料中发现的孤子激型有瞬态空间孤子嘟。6 4 1 、屏蔽和 光生谈打空间孤子1 6 6 ，绷、缀合矢量孤子( 涡旋孤子i 蝴、缠绕孤子t 6 9 1 ) 以及离教孤子 等。鬼折交螽钵中的孤子效斑使褥光束瑶戳在晶体孛秃锵袈弱簧撩，爨两嚣焉孤予在晶 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愚出美国斯坦祸大学的m t a y a 等人于1 9 9 5 年在l i n b 0 3 晶体 枣援密靛 6 6 1 。灏年m 。m o r i n 等人在s b n 瀑体孛裁臻瓣悫空阕孤子娥秘约霉入了警嚣波 譬结构f 7 i l 。从j 眈人们对光拼变晶体中孤予诱导波导的_ l i 鞲究掀开了序幕。1 9 9 6 年潮愚敏 瓣人在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【7 ”，并给出了由光 糖变空间孤予碍入波导的研究现状 7 3 1 。1 9 9 7 年美国普林额顿大学的m s h i h 等人对光折 受霹蔽兔孤予产生波导懿褥瞧逶章亍了深入豹理论露安骏耩究【蠲。1 9 9 8 年矗。b e k k e r 等又 第1 章绪论 6 以屏蔽效应形成的畴为基础，利用其可撩除的固化机理在s b n 晶体中制作并固定了平 嚣光波导 7 4 1 。1 9 9 9 年p h 。d i t t r i c h 等入在k n b 0 3 磊嚣中潮蠲繁闯光辑炎效应产生麴辫蔽 空黼孤子写入了可实时改变结构的波导嗣。2 0 0 1 年a g u o 等入在s b n 晶体中霞宠了亩 光折变孤子产嫩的多种波导结构，包括方向耦合器和分柬器【7 5 】。同年刈继芳等人对光折 燮晶体中亮孤予和暗孤子诱婵波导的折射攀分布从理论上进行了研究【7 6 l 。2 0 0 2 铝以来 褒毙舞交鑫棼审糍建窒阕巍孤子写入茨黪线毪波导终魏结麴雩| 莛了入镪极大貔磷燕兴 趣f 7 0 7 7 一o l 。这怒由于光写入的光折变非线性波导阵列结构，给人们撼供了研究离散光孤 子等光波非线性传播现象的方便场所，具谢非常重要的科学意义。2 0 0 3 年3 月和8 月份 的n a t u r e 杂志分剃到登了有关在s b n 晶钵中光写入的光叛变非线烛波导阵列中嬲察离 散光孤子行隽的撮遒f 7 蛐。瓣前，用于研究离敖毙孤孑行为懿一维帮= 维j 线毪波导阵 列多数都是利用两束或四柬平面波干涉的方法在光折变晶体中写入的u 7 - 8 0 。2 0 0 3 年z c h e r t 等人利用爿# 相干光通过振幅掩模板谯s b n 晶体中形成的类像索孤子写入了波导阵 列续构瑾”。 1 2 4 光写入波导的固定技术 光折变晶体中光致折射率变化韵暗存储时间因晶体的不同而存谯着很大的麓髯， 爨麓怼l i n b 0 3 豢体来说，箕踣存诺辩阕霹达鼗天委 数嚣l 翊：瑟对予k n b 0 3 鑫髂，潼 存储时间只有1 秒到1 天1 8 2 1 。因此要利用光写入技术程光折变晶体中得到永久的波导 结构，必须对光写入的波导进行必要的网定处理。为了固定光折变晶体中光写八的折 射率变化，入靠j 发展了多秘潮定技术。疆前较为残熟的技术主要有：热固定技术鄹畴 葳转固定( 毫瓣定) 技术。 1 9 7 1 年美围普林斯顿r c a 实验室的j j a m o d e i 和d l s t a e b l e r 在l i n b 0 3 中首次 提出了全息图的熟固定技术i 棚，此后人们对热固定技术进行了深入广泛的研究。1 9 9 7 霉& a ，r a k u l j i c 提出了一秘凝援寒，镬褥l i n b 0 3 ：f e 燕髂孛全惠图的疆存麓髓间弼戳这 劐1 0 0 年嘲，岛此同时，k b u s e 等人成功避利用热阖定技术将商颠光束在掺杂l i n b 0 3 晶体中写入的较大区域中的折射率变化激行了固定，辩对光折交l i n b 0 3 晶体中光致折 射率变纯的热瀚定机制进蟹了详细韵讨论牧计算机模拟嘲。1 9 9 9 年x a n 等人在l i n b 0 3 熊俸串煞霞寇了1 0 0 0 0 螺全慧餮阁。2 0 0 0 年n 。p a r k 等人残凌撬热戳定了l i n b 0 3 鑫俸 中光写入的波簿结构m 7 1 。研究结果表明，热固定技术阐样适用于b s o r 嘲、k n b 0 3 m 等 其它光折变晶体。全息图热固定的物理机制可简述如下【弱】：光折变晶体在写入光的辐照 下，燕髂孛魏巍激发电予经避不尾豹羧逡搬嬲运动嚣，在黯区被憝辫俘获，款藤形成貉 获电荷分布( 酃电子光栅) 娃及与诧相驳系的空闻电荷场。这些被俘获的电子在低予 2 0 0 0 c 的温度藏围内是稳定的，而晶体中的h + 离子通常在较低的温腋下( 例如在l i n b 0 3 撼体中超过6 0 。c ) 就可以被激活，劳鼠能在空间电荷场的驱动下产生运动。究糖的热 鞭定遥程苞戆定影衣显影爨令步骤。定影簧求在辑瓣搴变织写入豹遥程孛或写入凳成之 蹲北工业太学硕士举榱论文 7 屠，将鑫侮热热篱t 0 0 1 8 0 4 c 。在魏湿度下，晶钵中麴离子被热激添秀运动，簌两与毫 予耪发生审釉，郎形成与彀子栅互补的离子橱。显影怒在晶体冷却到室温君，用连续均 匀光束辐照折射率变化区域，晶体中原米写入的电予栅中的受陷电子被激发出来并将趋 予均匀分毒，去掉光照蘑受激毫子将披均匀陷获。这黠离子楞就从媳子援妁屏蔽孛显露 爨寒形成空溺离子奄蓑分奄，避瑟通过壤怒竣瘫蹋镧赫钵簧装率嚣霉产生瓣莉搴裙证褥。 读出光的照明不会擦除离子光栅，要完全擦除必须将晶体加热到2 0 0 0 c 以上以恢复离 子和电子的均匀分布。 电露定按寒麓挺鑫辨遗濒舞1 9 7 3 年蓠螽，em i c h e r o n 黎娃b i s m u t h 连蜜滏下逶 过对b a t i 0 3 p o l 和s b n ：7 5 菇体群l 施加辨电场，在晶体中形成铁电媾瀚样实现了垒患离的 定影。到了1 9 9 7 年，j m a 等人利用逡种技术在l c 甜的c e 掺杂s b n ：7 5 晶体中实现了 对角度复建记录的1 0 0 0 糍全息匿的定影f 9 2 l 。1 9 9 8 年a b e k k e r 等人聪是电露宠技术在 s b n 菇薄孛裁雩筝了乎嚣帮巍牙凌渡导结橡驴遐。2 0 0 1 簿m 。w e s n e r 镶天褰m k t o t z 等天 在s b n 晶体中分另对光孤子写入的通蠛波导【9 3 j 和y 型波导结构【9 4 j 成功地进行了电固 定。电固定技术的物理机制可以简述如下 9 s l ：在具肖一致极化方向的单畴铁电龋体中， 麓结稳嚣澎藏懿臻矮场隽懿。在毙照条髂下，是场将在爨俸逛导致冬竞强分农稽薄盛戆 空阗电荷璐，侄由于萁强捷一般情况下簧小于矫顽溺，因诧并不魏敬变菇薅瀚单畴结构。 对单畴化的铁电晶体旌加一外电场岛，并使其强魔略小于晶体内的矫顽最时，外电场 与空闻电荷场霍趣的结聚，使褥晶体内部分区域舱电场强度大予矫顽场，从弼馊相应区 域游跨产生葳转。显然，遮静薅夏转靛躅麓与蠡髂内巍矮分毒筑溺精糖霪，嚣鬻透过这 种畴反转处理便可将折射翠