（凝聚态物理专业论文）光感应波导的构造与控制.pdf

ab s t r a c t s p a t i a l s o l i t o n c a n g u i d e l i g h t b y a l i g h t b e a m r e a l t i m e . o p t i c a l l y in d u c e d w a v e g u i d e s c a n b e w r i tt e n i n p h o t o r e fr a c t i v e n o n l i n e a r c r y s t a l b y t h e p h o t o r e f r a c t i v e s p a t i a l s o l it o n . t h e f a b r ic a t i n g t e c h n i q u e o f t h e w a v e g u i d e s i s r e l a t i v e l y s i m p l e a n d e a s y r e a l i z i n g . i n t h i s w o r k , w e t h e o r e t i c a l l y a n d e x p e r i m e n t a l l y s t u d y f o r m a t i o n o f s p a t i a l s o l it o n i n p h o t o r e fr a c t i v e l i n b 0 3 c rys t a l . i n p a r t i c u l a r , w e t h e o r e t i c a l l y d e e p l y a n a l y s i s t h e f u n c t i o n o f b a c k g r o u n d b e a m i n t h e t r a n s f o r m a t i o n p r o c e s s fr o m s e l f - d e f o c u s i n g t o s e l f - f o c u s i n g , a n d e x p e r i m e n t a l l y o b s e r v e t h i s t r a n s f o r m a t i o n p r o c e s s . w e h a v e b e e n f a b r i c a t e d t w o - d im e n s i o n a r r a y o f p h o t o r e fr a c t i v e w a v e g u i d e s in l in b o 3 c ry s t a l s u s i n g i n t e r f e r e n c e m e t h o d a n d f o u i e r t r a n s f o r m m e t h o d . p h o t o n i c c ry s t a l i s a n e w t y p e o p t i c a l s u p e r l a tt i c e m a t e r i a l . i t s s i m i l a r t o s e m i c o n d u c t o r s u p e r l a tt i c e m a t e r i a l s , i t c a n f o r m c o m p l e t e a n d i n c o m p l e t e p h o t o n i c b a n d g a p in c rys t a l s b y p e r i o d i c a l l y m o d u l a t i n g t h e r e fr a c t i v e i n d e x o f c ry s t a l i n 1 d , 2 d o r 3 d i n m i c r o m e t e r d i m e n s i o n . h i g h q u a l i t y o p t i c a l d e v i c e s c a n b e f a b r i c a t e d w i t h t h i s p h o t o n i c b a n d g a p c rys t a l . i n t h i s w o r k w e h a v e t r i e d t o f a b r i c a t e 1 d , 2 d a n d 3 d n o n l i n e a r p h o t o n i c c ry s t a l i n l in b q c ry s t a l b y i n t e r f e r e n c e m e t h o d , a n d w e o b t a i n e d s o m e p r i m a ry r e s u l t . k e y w o r d s : p h o t o r e fr a c t i v e , s o l i t o n , w a v e g u i d e , p h o t o n i c c ry s t a l 第 一 章绪论 第一章绪论 g o 年代， 奥斯特贝格 ( o s t e r b e r g ) 和史密斯 ( s m i t h ) 在玻璃板及棱镜的实 验中， 证明了光学的波导现象存在于平面介质膜之中， 并能将光束祸合至薄膜中， 从此兴起了 一门新的学科“ 导波光学” 1 - 3 。 光波导的 基本功能是为光的传播提供 所规定的 通道。 在集成光学未充分发展起来之前， 大多数波导的 研究集中在光纤 通信方面。目前光纤通信已进入实用阶段，损耗为0 . 2 d b / k m 的光纤已作为商用， 以波导为基础的光器件便受到越来越多的关注。特别是近十年来，光通信向着高 速率、大容量的方向发展，分立的光学元、器件成为限制光通信进一步发展的瓶 颈。光学器件和元件小型化和集成化己成为越来越迫切的要求。 自 从贝尔实验室提出光学集成的 概念后，随着半导体制作技术的飞速发展， 集成光学取得了长足的进展。光集成器件不断涌现，有些器件己 经成熟，开始走 向实用化。集成光学是各种光器件和光波导器件的集成技术。即采用各种工艺， 将各种光学元、器件集成在一个衬底上，光学波导提供了 这些光学元、器件的连 接。集成光学的主要特点是避免了使用分立元件所带来的大尺寸和难以保证对准 性、稳定性等问题。另外，光波在波导层中传输， 较在自由空间中传输更具有抗 震动和温度变化等外界千扰的能力 1. 2, 1 3 . 光波导的基本特性使它成为光集成的核心。大部分集成光学器件，如光相位 调制器、 光强度调制器、 光开关、 波导型的光祸合器、 波分复用器、 偏振分束器、 光滤波器、微透镜等等，都是以光波导为基础的。各种光集成的结构，都是围绕 光波导而展开的。 在波导光学中， 人们感兴趣的波长多在0 . 1 u 。 至1 0 . 0 u m 的范围， 这主要是 由所用激光器的波长和材料的性质所决定。波导结构通常是建立在界面全内反射 的基础上， 其他形式还有基于布拉格反射l ， 即 称之为布拉格反射式波导( b r w ) ; 或法布里一拍罗反 射， 即 抗共振反 射式光波导( a r r o w ) 0 5 。 光子晶体带隙 波导 6 等。 制造集成光学中的光波导是用溅射，镀膜，扩散，光刻或离子注入等工艺在 某些衬底上 ( l i n b o l i t a o g a a l a s , s i单晶，玻璃)加工出适合于某种波长 的光传输通道，从而使波导可以 与器件或光线相连接。 波导的折射率可以利用电 光， 声光， 磁光， 热光效应调节和控制。 从而实现对入射光的相位， 强度， 偏振， 第 一 章 绪论 方向，波长的控制。 传统的半导体光波导制作方法有其固有的一些缺陷:如工艺复杂，周期长， 而且不能实时导向光。正是为了解决这些困难，人们对集成光学的备选材料，如 l i n b o l i t a o 。 等电 光晶 体进行了 广泛的 研究。目 前在这些材料中不仅成功地制 作出子性能优良的波导， 而且制作出了光开关， 电光调制器等一些集成光学器件。 利用空间孤子能够实时地导向光。由光折变空间孤子能够在光折变非线性晶 体中写入波导。这种构造波导的技术相对来说简单、易实现。 本文主要针对在光 折变l i n b o 。 晶体中空间孤子的形成， 做了理论和实验上的研究。 尤其对外加背景 光在从自 散焦到自 聚焦的转变过程中所起到的作用进行了 深入的理论分析，并在 实验中观察到了这种转变。同时， 用干涉方法和傅里叶方法在l i n b o 。 晶体中构造 出了二维光折变阵列光波导。 此外，光子晶体是最近十几年来出 现的一种新型的光学超晶格材料。与半导 体超晶格相似，通过对晶体的介电常数 ( 折射率)进行一维、二维、三维的光波 长量级的周期性调制，在晶体中人为地构造出完全或不完全的光子带隙。利用这 种光子带隙材料， 可制造出性能优异的光学器件。 本文对在l i n b o , 晶体中用干涉 方法构造一维、 二维和三维光子晶体进行了初步的尝试， 并取得了一些初步结果。 第 二 章波 导 原 理 第二章波 导 原 理 2 . 1 波导 类 型 2. q 光学波导是一种片状，条状或圆柱形的介电材料被周围折射率低于它的介电 材料所包围，光在内层折射率较高的介质中传播时，由于全内反射光不会辐射到 周围较低折射率的介质中去。介质波导根据光在其中被限制的空间维数，可分为 一维波导和二维波导，每种波导都可以作成梯度型折射率波导和阶跃型折射率波 导。光纤是使用最广泛的圆柱形二维介质波导。集成光学中的波导尺度都很小， 一般都是u m 数量级。平面波导是一维波导。二维 波导 有如图2 . 1 所示的几种几 何形式:条状、嵌置条状、桥式波导和载条波导 。 ( b ) 图2 . 1二维波导的几种类型:( a ) 条状;( b )嵌置条状;( c )桥式;( d )载条状 其中嵌置条状波导在实际使用中又有各种形态，如图2 . 2 所示 。 图2 . 2 二维波导的不同 形态:( a ) 直条式; ( b ) 弯曲 式:( c ) y 支; ( d ) m a c h - z e h n d e r ; ( e )定向 祸合器;( f ) x 支 第 二 章波 导 原 理 2 . 2 波导原理 2 . 1 1 一维和二维波导的工作原理和模结构基本上相同。 我们以一维平面介质波导为例， 阐明介质波导的基本导波原理。通常的平面阶跃波导，由三部分组成:厚度为 h 的均匀折射率n 的波导薄膜，衬底 ( 折射率为n s )和覆盖层 ( 折射率为n ) ，见 图2 . 3 。 其中n , n , n s 。 当薄膜中的光线与其界面法线的夹角8 大于衬底和覆盖 层的全内反射临界角 ( 。 0 s , e )时， 它就会以锯齿形路径在薄膜内沿着z 方 向 传播。 通常覆盖层是空气，n , 1 。当n , #n 。时为非对称波导;当n , = n 。 时为对 称波导。 因为在集成光学中， 光波长的数量级为l u m 左右，因 而波导 层的厚度也 是l u m 的数量级。 b 日 e b 日 0 , 和b b 、 时才能 发生全反 射。 如 n s = n 。且 n = o f s in o n f s in b s， 因 为 b s = s i n - ( n s i n f ) ， 容 易 得 到: 0s果 n , n o f k n , q x 0 , 薄膜) ( x h ) ( h x 0 ) ( x r ,3 ， 所以 在条件允许的情况下， 我们总是选择利用最大电 光系数的配置。 第 三 章在 妮 酸 铿 晶 体 中 构 造 光 波 导 3 .3在l in b 0 3 :f e 晶 体 中 用 空 间 孤 子 写 入 并 存 储 波 导【 3 .6 1 空间孤子是光波无衍射地通过介质传播的一种光学结构。 它的形成是由于光 束在介质中传播时的衍射发散被介质的非线性折射率改变引起的限制效应严格 补偿。在自 聚焦介质 ( a n 0 )中，亮空间孤子是自 导光束。光束在传播介质 中写入了一个波导， 在这个波导中传播的光束便形成了 亮空间孤子。 空间暗孤子 是嵌在一个准平面波中的低光强区域。 当包含暗迹 ( 由相位或振幅扰动产生) 的 准平面波通过一个自散焦非线性介质 ( a n 0，在自 散焦介质中，n , 刀 kn c l 其中 k = 2 7e/ a ,o r a ,。 为 真 空 中 的 波 长。 n ,。 为 核 心 折 射 率 ，n . : 为 包 层 折 射 率 传播常数0 确定了在波导中的光波是传播还是倏逝( e v a n e s c e n t ) 。 如果0 rk n z ， 通过全内反射，得到了光波传播在核心 中而在包层中为倏逝波的结果 ( 图 4 . 1 ( a ) ) 。如果光波限制在具有任意折射 率的核心中，而包层为二维光子晶体 ( 其中高折射率层为n ，低折射率层为n 2 ) 时，情况则大不相同。这种光子晶体光纤具有两种形式。第一种形式是 k n , 0 k 。 : ，即光传播在高折射率n , 层中而在低折射率n 2 层中是倏逝波。因此，高折 射率层n就起到了全内反射的波导作用。 光会在相邻高折射率层之间的共振隧道 中发生泄漏。 这通带的宽度依赖于层之间的祸合强度。 如果作为核心的某一个高 折射率层具有与其它高折射率层不同的宽度， 则它会支持一个在带隙内的模， 由 于该 n 、 层与其它 n 、 层之间的隧道被破坏了，所以该传导模便不会与其它层共振 而发生泄漏。因而该模便通过被破坏了隧道的光子带隙形式而被严格导向 ( 图 4 . 1 ( b ) ) 。 第二 种形式是当0k n : 时， 光能 够传播在光子晶体的 所有层中， 由于多次散射和干涉， 在满足b r a g g 条件处出现带隙， 因此， 这种光子晶体光纤 的导向光机制是b r a g g 衍射 ( 图4 . 1 ( c ) ) . 结论 我们利用l i n b 0 3 :f e 晶体中的饱和非线性效应， 在理论上证明了和实验上实 现了在一定偏振方向的背景光辐照和开路条件下， 在自 散焦介质中， 可以实现从 自 散焦到自 聚焦的动态转化。 因为在自 聚焦介质中， 通过输入光斑为一定形状的 光束即可实现亮空间孤子。 而在自 散焦介质中写入暗空间孤子则必须输入相应的 暗迹， 而构造复杂形状的暗迹有时比 较困难。 因此， 我们的工作为在自 散焦介质 中通过空间孤子写入波导提供了一种新途径。 同时， 我们发现， 一定偏振的背景 光能够有效地控制晶体的非线性从而控制孤子的形成。 这提供了一种外在的控制 光折变非线性的手段。 在 l in b 0 3 :f e晶体中，我们用干涉方法和傅里叶变换方法构造出了 周期为 7 . 5 w m的6 x 6的二维阵列波导， 其周期远小于文献中己 报道的阵列波导的周期 ( 3 0 i m) o 在l i n b 氏:f e 晶体中， 我们还用干涉法对构造一维、 二维和三维光学超晶格 作了初步尝试，并取得了一些初步结果。 已发表和待发表论文的目录 已发表和待发表论文的目录 川 刘思敏， 壁虚，汪大云，郭儒 光子晶体光纤和光子晶体波导， 物理，3 0 卷 ( 2 0 0 1 )待发表 2 刘思敏 , 11董 1， 温海东， 江瑛， 许京军 张 光寅 饱和非线性光学介质中的变折射率光学工程， 物理， 3 0 卷 ( 2 0 0 1 ) ( 待发表) 3 g u o r u , l i n g z h e n - f a n g , 鲤型兰迫止 h u , z h a n g g u o - q u a n , z h a n g x i n - z h e n g , w e n h a i d o n g , j i a n g y i n g , l i u s i - m i n s a t u r a b l e n o n l in e a r i t y in p h o t o v o l t a i c - p h o t o r e fr a c t i v e c ry s t a l s u n d e r o p e n - c i r c u i t c o n d i t i o n , c h i n . p h y s . l e t t . ，1 7 ( 1 1 ) ，8 0 4 ( 2 0 0 0 ) 4 李飞飞， 许京军，陈晓虎， 黄晖， 昊强，唐柏权 光折变晶体中的光感应吸收，第十届全国凝聚态光学性质学术会议论文 5 温海东， 刘思敏，郭儒，r 鲤 ， 江瑛， 许京军， 光折变达曼光栅的制作，量子电子学报，1 , ( 2 0 0 2 )( 待发表) 6 温海东， 刘思敏， 张心正，郭儒， 鳖壁虚， 江瑛， 许京军， 光折变相位型波带片，光子学报，6 , ( 2 0 0 1 )( 待发表) 7 江瑛，刘思敏， 温海东， 张心正， 郭儒， 陈晓虎， 许京军， 张光寅 光生伏打l i n b 0 3 :f e 晶体从自 散焦到等效 “ 自 聚焦”的动态转换， 物理学报， 5 0 ( 3 ) , 4 8 3 - 4 8 8 ( 2 0 0 1 ) 8 张心正， 许京军， 黄 晖,j o h a n n w o l f s b e r g e r ,刘思敏， 陈晓 虎， 张光寅 快速光折变全息存储，第十届全国凝聚态光学性质学术会议论文 _一 一一兰违竺卫匕一一 一 一一 一 一 一 参考文献: 1 . i mi l l e r s e ， in te gr ated o p t i c s : ani n l r o d uct io n ， b e l l 名 y s t ， 介c hnj ， 4 8 ，2 0 5 9 一 2 0 6 9 ( 1 9 6 9 ) 1 .z h uns p e rg e r rg ， i n te g ra t e d o p t i c s : the o ryand t e c hno l o g y， z nde d i t i o n . b e r l i n : s p ri n g e r，1 9 8 5 1 .3 n i s h i h ar a h ， h a r u ll a m， s u h ar a t，0 p t i c a l i nteg r a t e d c i rc u i t s ， ne w丫 o r k : mc gta 认 一 h i l l ， 1 9 8 9 1 4 yeh p，丫 叮 i v a ， b r a g g re fl e o t i o n v a v e gui d e s ， opt 一 c o n l m uno 1 9 ，4 2 7 一 4 3 0 ( 1 9 7 6 ) 1 5 d u g uay ma ， k o k u b un丫k o c h t l ， ant i re s o n ant re fl e c t i n g o p ti c alwav e gui d e i n 8 1 0 2 一 s i m u lti la y e r s t ru c t u r e s ， a p p i p hys 工 e tt ， 4 9 ， 1 3 一 1 5 ( 1 9 8 6 ) 1 .6 a、 a r 1 v eta l ， o ptl ett. 2 4 ，7 1 1 ( 1 9 9 9 ) 2 ， 1 刘思敏，许京军，郭儒， 相千光学原理及应用， 3 4 3 一 3 50 ( 1 9 9 9) 2 2赵策洲著 半导体导波光学器件理论及技术 ， 国防工业出 版社， 1 9 9 8 3 . 1张可从，王希敏著 非线性光学晶体， 科学出版社，1 9 % 3 .2刘思敏，郭儒等 光折变非线性光学， 中国标准出版社， 1992 3 3蔡伯荣， 集成光学， 电 子科技大学出 版社，2 39 ( 19 9 0) 3 .4刘思敏，许京军，郭儒， 相干光学原理及应用 ， 3 5 5 一 3 59( 1 9 9 9) 3 .sg u o quan z h 曲9 ， s i m l nl i u ， j i叼un x u ， q i an s un， c u 出 l gyi nz h ang ， opt i c ald ar k a n d b ri g h t sp atials o l iti o n s inp h 0 t o r e fr a c ti v e m e d i a， p hys .l ett. a ， 2 0 4 ， 1 4 6 一 1 5 0 ( 1 9 9 5 ) 3 石刘思敏，张国权等 由 光折变空间孤子写入并存储波导的研究 物理， 2 6 (4 ) ， 2 1 7 一 2 2 0 ( 1 9 9 7 ) 3 .7 g 心、 恤 1 1 e 丫ms e g e v，b c ro s i gn耐， ay 劲 ri 从m.m下 司 e r and m毛丑 as h a w， p 坷5 ，r e 丫a ， 5 0 ， r 4 4 5 7 ( 1 9 9 4 ) 3 .8n .v k 己 th t ar e v e t al . f e rroe l e c tric s ， 2 2 ， 9 4 9 ( 1 9 7 9 ) 3 .g z h a n g g u o quan， l i u s i m i n e t a l . ， c hi n p hys . l e tt . ， 1 3 ( 2 ) ， 1 0 1 ( 1 9 9 6 ) ， 3 ， 1 0 s i m i n l iu ， g uoq u anz h a n g e t a l ， app l i e d 0 p t i c s ， 3 6 ( 3 4 ) ， 1 ( 1 9 9 7 ) 3 . 1 1 刘思敏， 杨小明，田国云， 张国权等， 物理学报， 4 7 ( 3 ) ， 4 3 2 ( 1 9 9 8 ) 3 1 2 c h a r a l amb o s anas tass i o u ， mi n g 一 fe n g ， s hi h ， matth ew mi t c h e l l e t al ， o p t .l e tt ， 2 3 ( 1 2 ) ， 9 2 4 ( 1 9 9 8 ) 45 _-#1主燮 一 一 3 . 1 3 a .a .z o z u l y a , d .z .a n d e r s o n , p h y s .r e v .a , 1 5 2 0 , 5 1 ( 1 9 9 5 ) 3 . 1 4 m .t a y a , m .c . b a s h a w , m . m .f e j e r , m . s e g e v a n d g .c .v a l l e y ， p h y s .r e v . a , 5 2 , 3 0 9 5 ( 1 9 9 5 ) 3 . 1 5 m. s e g e v , g . c .v a l l e y , m.c .b a s h a w , m.t a y a a n d m.m.f e j e r , j . o p t . s o c . a m b , 1 4 , 1 7 7 2 ( 1 9 9 7 ) 3 . 1 6 s .b i a n , j .f r e j l i c h , k .r i n g h o f e r , p h y s .r e v .l e tt .7 8 , 4 0 3 5 ( 1 9 9 7 ) 3 . 1 7 z .c h e n , m. s e g e v , d .w wi l s o n , r .e .m u l l e r a n d d .d .m a k e r , p h y s .r e v .l e tt . 7 8 , 2 9 4 8 ( 1 9 9 7 ) 3 . 1 8 c .a n a s t a s s i o n , m.s h i n , m.mi t c h e l , z .c h e n a n d m.s e g e v , o p t .l e tt . ,2 3 ,9 2 4 ( 1 9 9 8 ) 3 . 1 9 m. i .c a r v a l h o , s .r .s i n g h a n d d .n . c h r i s t o d o u l i d e s , o p t .c o m m u n , 1 2 0 , 3 1 1 ( 1 9 9 5 ) 3 .2 0 g u o r u , l i n g z h e n - f a n g , c 14 e n x i a o - h u ,l i u s i - mi n e t a l ., c h i n t h y s i e t t ., 1 7 ( t 1 ) , 8 0 4 ( 2 0 0 0 ) 3 .2 1 k .i t o h , o .ma t o b a , a n d 丫i c h i o k a , o p t .l e tt ., 1 9 , 6 5 2 ( 1 9 9 4 ) 3 .2 2 o . ma t o b a , k .i t o h , a n d y i c h o i k a , o p t .r e v . 1 , 7 3 ( 1 9 9 4 ) 3 .2 3 o s a m u ma t o b a . k a z u y o s h i i t o h . y o s h i k i i c h i o k a ., o p t l e tt ., 2 1 ( 2 ) , 1 2 2 ( 1 9 9 6 ) 3 .2 4 q .w.s o n g . c .z h a n g , a n d p .j .t a lb o t , a p p l .o p t ., 3 2 , 7 2 6 6 ( 1 9 9 3 ) 3 .2 5 o s a m u m a t o b a , k a z u o k u r o d a ,k a z u y o s h i i t o h , o p t 毛 o m m u n , 1 4 5 , 1 5 0 - 1 5 4 ( 1 9 9 8 ) 4 . 1刘思敏，陈晓虎，汪大云， 郭儒，物理， 3 0 , ( 2 0 0 1 ) 待发表 4 .2 b . g .l e v i , p h y s . t o d a y , 5 2 ( 2 1 ) , 1 9 9 9 4 . 3 j .c .k n i g h t e t a l , s c i e n c e , 2 8 2 , 1 4 7 6 ( 1 9 9 8 ) r .f .c r e g a n e t a l , s c i e n c e , 2 8 5 , 1 5 3 7 ( 1 9 9 9 ) 4 .4 j .k .r a n k a a n d r . s . win d e l e r , o p t i c s a n d p h o t o n i c s n e w s , 1 1 ,2 0 ( 2 0 0 0 ) 4 . 5张道中， 物理， 2 3 , 1 4 1 ( 1 9 9 4 ) 4 .6 a . c h o w d h u r g e t a l , o p t .l e tt , 2 5 , 8 3 2 ( 2 0 0 0 ) v b e r g e r , p h y s .r e v .l e tt , 8 1 ,4 1 3 6 ( 1 9 9 8 ) s .s a l t i e l a n d ys .k i v s h a r o p t .l e tt , 2 5 , 1 2 0 4 ( 2 0 0 0 ) 4 .7 s .n .z h u , y y z h u , n .b .mi n g , s c ie n c e , 2 7 8 , 8 4 3 ( 1 9 9 7 ) 4 . 8 t a .b i r k s e t