（光学工程专业论文）层状多重bragg光栅的光写入及其wdm特性研究.pdf

西北工业大学硕士学位论文 i 层状多重b r a g g 光栅的光写入及其w d m 特性研究+ 摘要 d w d m ( 密集波分复用) 技术是未来光网络的关键，也是大容量光通信及对现有 网络扩容的最佳方案其技术重点是在现有通信波长范围内，尽可能增加复用的波长通 道数量。近年来，体全息b r a g g 光栅以其良好的角度及波长选择性和制作上的各种优势， 为光波分复用器件的发展提供了一种新的思路和方法。本文在研究体全息光栅的光写入 过程中，提出了基于层状多重b r a g g 光栅的解复用方法，并在此基础上探讨其特有的记 录方式以及其红外通信波段的解复用衍射特性。其主要内容包括： ( 1 ) 阐述了光折变效应的产生机制和光折变b r a g g 光栅的形成机理；以体全息光栅 的耦合波理论为基础，讨论了光折变晶体中体全息光栅的衍射效率，角度及波长选择性； 从b r a g g 衍射公式出发探讨了体全息b r a g g 光栅用于波分复用时的波长关系及宽光谱应 用时光栅的b r a g g 失配量。 ( 2 ) 测量了三种l i n b 0 3 晶体的光谱透过率，并通过透过率及晶体参数计算了晶体 的光谱吸收系数，从中选取最适合于本文光栅写入实验的晶体；对晶体中体全息b r a g g 光栅的写入和擦除时间常数进行了测量，在此基础上对多重光栅的时间递减曝光序列进 行了讨论。从实验中探讨折射率调制度、写入角对记录光栅衍射效率的影响；对于平面 光及球面光写入的体全息光栅作了光波衍射分离实验，研究其分光特点。 ( 3 ) 讨论了层状多重体全息b r a g g 光栅的光写入方法，并在实验基础上，对层状多 重体全息b r a g g 光栅用于波分复用器的可行性进行了实验论证。利用空间复用和角度复 用技术，在片状l i n b 0 3 ：f e 晶体中写入了3 层8 重b r a g g 光栅，并成功得到了它们在红 外通信波段分离的衍射谱，对于其解复用滤波特性进行了测量和分析。 ( 4 ) 提出了种全新的制作特殊体全息光栅的光擦除法。利用该方法可以在 l i n b 0 3 ：f e 晶体c 轴方向上写入周期性结构的体全息光栅，而这种光栅结构是普通的光 栅记录方法所不能完成的。阐述光擦除法写入此类光栅的两步制作方法，并在实验中利 用光擦除法在片状晶体里制作得到了体全息光栅。实验结果表明：该方法完全可行。 关键词：波分复用，层状多重体全息b r a g g 光栅，光擦除法，l i n b 0 3 晶体 + 阿北l 。业人学研究生创业种子基金资助项目( z 2 0 0 5 7 8j r e c o r d i n g m e t h o d sa n dd e m u l t i p l e x i n gc h a r a c t e r i s t i c so f l a y e r e dm u l t i p l eb r a g gg r a t i n g s a b s t r a c t d e n s ew a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ( d w d m ) i sa ni m p o r t a n tt e c h n o l o g yo fc h o i c e f o r e x p a n d i n gc a p a c i t y i n o p t i c a l f i b e rc o m m u n i c a t i o n ，a n dw a v e l e n g t hd i v i s i o n m u l t i d e m u l t i d l e x e r si so n eo ft h ek e ye l e m e n t si nt h ef i b e r - o p t i c a ln e t w o r k s t h ev o l u m e b r a g gg r a t i n gi sp r o m i s i n gg r e a t l yt ob ea p p l i e dt od w d ms y s t e ma n dt h ed e m u l t i p l e x e r b a s e do nt h ev b g s ( v o l u m eb r a g gg r a t i n g s ) s h o w st h a ti tc a r lb eu s e da so n eo f a d v a n t a g e o u s m u l t i - c h a n n e lc o m p o n e n t sb e c a u s eo fi t se x c e l l e n ta n g l ea n dw a v e l e n g t hs e l e c t i v i t i e s ak i n d o fm u l t i p l ev b g sw i t hl a y e r e ds t r u c t u r ea n di t sf a b r i c a t i o nm e t h o da r ep r e s e n t e dh e r e a c c o r d i n gt ot h em e t h o d ，t h el a y e r e dm u l t i p l ev b g s ( v o l u m eb r a g gg r a t i n g s ) w e r er e c o r d e d i nl i n b 0 3 ：f ec r y s t a l s ，a n dt h ei n f r a r e dd e m u l t i p l e x i n gc h a r a c t e r i s t i c so ft h ef o r m e dv b g s w e r em e a s u r e da n da n a l y z e d t h em a i nc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t h em e c h a n i s m so ft h ep h o t o r e f r a c t i v ee f f e c ta n dt h ec r e a t i o no fp h o t o r e f r a c t i v e g r a t i n ga r ee x p l a i n e d b a s e do nt h ek o g e l n i k sc o u p l e dw a v et h e o r y , t h eb r a g gd i f f r a c t i o n e f f i c i e n c y , t h ea n g l es e l e c t i v i t ya n dw a v e l e n g t hs e l e c t i v i t yo fv b g sf o r m e di np h o t o r e f r a c t i v e c r y s t a l sa r ea n a l y z e d a c c o r d i n gt ot h eb r a g g sd i f f r a c t i o nf o r m u l a ，t h er e l a t i o no ft h e d e m u l t i p l e x i n ga n g l eo nc o m m u n i c a t i o nw a v e l e n g t h st ot h ew r i t i n ga n g l eo fv b g ，a n dt h e b r a g gm i s m a t c h i n gv a l u ed u r i n gw a v e l e n g t hd e m u l t i p l e x i n gw i t hw i d es p e c t r ab ye m p l o y i n g v b ga r ed i s c u s s e d ( 2 ) t h es p e c t r a lt r a n s m i s s i v i t ya n da b s o r p t i v i t yf o rt h r e es l i c e so fl i n b 0 3c r y s t a lw e r e m e a s u r e d ，a n dt h eo p t i m a lo n ea m o n gt h e mw a sc h o s e nf o rt h ew r i t i n ge x p e r i m e n to fv b g s t h eh o l o g r a p h i ct i m ec o n s t a n t sw e r eg a i n e db yr e c o r d i n ga n de r a s i n gas i n g l eg r a t i n gi na s l i c eo fl i n b 0 3 f f ec r y s t a l a c c o r d i n gt ot h er e c o r d i n ga n de r a s i n gt i m ec o n s t a n t s ，t h e e x p o s u r et i m e s c h e d u l eo fs u p e r i m p o s e dg r a t i n g sw a sa c h i e v e d ，i tw a se x p e r i m e n t a l l y i n v e s t i g a t e dt h a tt h ed e p e n d e n c eo ft h ed i f f r a c t i o ne f f i c i e n c yo fv b g o nt h er e f r a c t i v ei n d e x m o d u l a t i o na n dt h er e c o r d i n ga n g l e t h ev b g sw e r er e c o r d e di nt h ec r y s t a lb yap a r a l l e l b e a ma n das p h e r i c a lb e a m ，a n dt h ed i f f r a c t i o ne x p e r i m e n t sw e r ep e r f o r m e ds u b s e q u e n t l y ( 3 ) t h er e c o r d i n ga p p r o a c ho ft h el a y e r e dm u l t i p l ev b g si nl i n b 0 3 ：f ec r y s t a lw a s i n v e s t i g a t e di nd e t a i l e i g h ts u p e d m p o s e dv b g si nt h r e el a y e r sr e s p e c t i v e l yw e r er e c o r d e d a l t e m a t e l yi nas l i c ec r y s t a l ，a n dt h ei n f r a r e df i l t e r i n gc h a r a c t e r i s t i c so f2 4f o r m e dg r a t i n g s w e r em e a s u r e da n da n a l y z e d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h el a y e r e dv b g sa r e p r o m i s i n gt ob ee m p l o y e df o ram u l t i c h a n n e ld e m u l t i p l e x e ri nt h er a n g eo fi n f r a r e d c o m m u n i c a t i o n ( 4 ) a c c o r d i n gt o t h ep h o t o r e f r a c t i v ep r o p e r t i e so fl i n b 0 3 ：f e c r y s t a l ，t h ev o l u m e h o l o g r a p h i cg r a t i n gw i t ht h eg r a t i n gv e c t o rn o r m a lt oc - a x i so ft h ec r y s t a la r eo b t a i n e dh a r d l y + s u p p o r t e db yt h eg r a d u a t es t a r t i n gs e e df u n do f n p u ( z 2 0 0 5 7 8 ) 西北工业大学硕士学位论文 i i i an e wm e t h o d - - l i g h te r a s i n gm e t h o dp r e s e n t e di nt h i sp a p e rc a nb ea p p l i e dt of a b r i c a t et h i s k i n do fg r a t i n g a c c o r d i n gt ot h em e t h o d ，t h et h e o r e t i c a la n a l y s i sa sw e l la se x p e r i m e n t a l i n v e s t i g a t i o nw a sa c c o m p l i s h e do r d e r l y t h ee x p e r i m e n tr e s u l t sd e m o n s t r a t et h a tt h el i g h t e r a s i n gm e t h o df o rf a b r i c a t i n gv o l u m eh o l o g r a p h i cg r a t i n gw i t hg r a t i n gv e c t o r sn o r m a lt o c - a x i si nl i n b 0 3c r y s t a li sf e a s i b l e k e y w o r d s ：w a v e l e n g t h d i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ，l a y e r e dm u l t i p l eh o l o g r a p h i cb r a g g g r a t i n g s ，l i g h te r a s i n gm e t h o d ，l i n b 0 3c r y s t a l 西北工业大学硕士学位论文 1 = e _ _ - _ _ | e = = ! j _ e e = = = = 自= = = ! = = = = e e 目目_ - - _ e 目= e 目，= = j e = i - _ j _ _ - 目e 目! e 自 = e ! i 一- i e e = 邕 第1 章绪论 当今社会，伴随着全球互联网和多媒体技术的飞速发展，以因特网技术为主导的数 据通信在通信业务总量中的比例迅猛增加，因特网业务已成为多媒体通信业中发展最为 迅速、竞争最为激烈的领域。人们也对宽带通信提出了前所未有的要求，显然，现有的 通信网已满足不了这种日益增长的需求，扩大网络容量已成为网络营运者的当务之急。 就建设资金而言，利用现有的光缆系统进行扩容就显得尤其迫切和重要。 传统的扩容方法采用电时分复用方式，但随着通信速率的提高，容量的扩大，数字 集成电路的速率、高功率低噪声线性放大器的速率等因素导致以电时分复用为基础的强 度调制直接检测光通信系统的最高商用化速率约在1 0 2 0 g b s 左右。尽管目前实 验室的实验水平己达4 0 g b s ，但是这一速率将来很难用于长途传输系统，很可能只适用 于短距离通信。另一方面其传输设备价格居高不下，各种色散造成的影响也变得越来越 严重。因此人们f 越来越多地把兴趣转移到光复用技术上来，光波分复用( w d m ) 技 术得到了前所未有的发展。 1 1 波分复用器现状 w d m 器件是w d m 系统的重要组成部分。对应不同的系统，w d m 有不同的要求 和制作方法。根据制作方法，可将其分为w d m 熔融拉锥全光纤型、干涉膜滤光型、光 纤光栅型和波导阵列型等【l o 】。 熔融拉锥全光纤型w d m 器件是将两根( 或两根以上) 去除涂覆层的光纤以定的 方法靠拢，在高温下熔融，同时两侧拉伸，最终在加热区形成双锥体形式的特殊波导结 构来实现传输光功率的耦合。由于耦合系数与波长有关，所以可制作成通道间隔较宽的 w d m 器件。它易批量生产、成本低、插入损耗小( 最大值 4 0 d b ) 及插入损耗 较小等优点，适合4 、8 通道波分复用系统应用，但在1 6 通道以上应用时不具优势。它 是目前市场中1 6 通道以下d w d m 系统中应用最多的台分波器件，其优点是插入损耗 小。但在多波长的d w d m 系统中，制造工艺复杂，成本较高。光纤光栅型w d m 则与 之相反，它是利用紫外光诱导光纤纤芯折射率呈周期性变化，当折射率的周期性变化满 足b r a g g 光栅的条件时，相应的波长就会反射，而其余波长的光会顺利通过。它有理想 2第1 章绪论 的滤光特性、通带平坦、通道间隔小、隔离度高、各波的插入损耗也比较均衡，更适合 于1 6 通道以上的复用与解复用。它有利于与放大器联合使用、设计与制造周期短、易 于批量生产、成本低、在市场激烈竞争中有明显的竞争优势。 阵列波导光栅( a w g ) 是利用不同波导闻的干涉效应来工作。波导制作成弯曲形状， 每一外围光波导的长度，恰好比其邻近内圈光波导的长度多一个常数间距。各束来自不 同波导的光走的路径长度都不同，产生不同的相位延迟，在末端彼此互相干涉，产生类 似光栅衍射的效应，因此可将不同波长的光衍射至特定方向输出光波导。它适于通道数 很多的密集波分复用，具有重复性和插损均匀性较好、波长间隔小、通带平坦、易于集 成、性能稳定及成本低廉等优点。目前已广泛应用于超高速、大容量的d w d m 系统中。 但它仍有许多需要改进的地方，如带内频响不够平坦、对偏振较敏感、温度特性较差， 需采用温度控制措施等。 光波分复用的发展趋势一是通道数增加，通道间隔减少。例如通道数为4 8 、9 6 、1 3 2 间隔为5 0 g h z 的器件均已经研制成功并提供商用。二是小型化、实用化、组件化与集成 化。其中具有合波功能器件与有源器件阵列已集成，具有分波功能器件同探测嚣阵列集 成，已充分显示出其独特的优越性。因而，在单个器件应用中存在的问题，可以通过器 件集成而解决或转化，使得超大容量的系统向实用化迈进。三是波分复用技术与其它复 用技术的结合，尤其是和时分复用技术的结合。 1 2 波分复用器的发展及其特点 当今社会，高速大容量的宽带综合业务网已成为现代通信网络发展的必然趋势。为 满足需求的增长，人们可以铺设更多的光纤，或靠提高单路光的信息运载量。比如世界 上规模最大的纯i p v 6 下一代互联网主干网一一第二代中国教育和科研计算机网 c e r n e t 2 ，它以2 5 g b p s 1 0 g b p s 速率连接全国2 0 个主要城市的c e r n e t 2 主干网核心 节点，为全国高校和科研单位提供l 1 0 g b p s 的高速i p v 6 接入服务。但更重要的方法 却是利用波分复用技术，增加光纤内通光的路数。波分复用技术的普遍运用为光电子器 件和部件提供了广阔的、快速增长的市场。据美国市场调查公司k m i 资料，d w d m 系 统全球市场，1 9 9 7 年为1 7 亿美元，1 9 9 8 年为2 1 4 亿美元，1 9 9 9 年为4 2 亿美元，2 0 0 0 年猛增到8 9 亿美元，复合年增率c a g r 高达7 3 。 从2 0 世纪9 0 年代中后期到现在，世界光通信市场先后经历了高速增长、萧条直到 近年来恢复增长的过程。在2 0 0 5 年的o f c n f o e c 大会上，c o m i n g 公司前研究主任 d k e c k 回顾了人类历史上5 次经济发展浪潮( 工业革命、蒸汽机、钢铁、石油和汽车、 i t 和电信) 所经历的繁荣萧条周期后指出，现阶段光通信产业应会进入一个稳定发展 的阶段，这个阶段将持续2 0 年。而几家权威机构预测：无论是光纤光缆还是光网络设 备市场，今后几年将出现比较稳定的增长。另一家权威机构l n f o n e t i c sr e s e a r c h 预测， 全球光网络设备市场2 0 0 5 - 2 0 0 8 年间可实现1 6 的增长。在这期间，城域网w d m 光设 西北工业大学硕士学位论文 3 各市场将会增长6 0 。 2 0 世纪8 0 年代，光纤通信兴起之初，人们想到并首先采用的是在光纤的两个低损耗 窗口1 3 l o n m 和1 5 5 0 n m 窗口各传送l 路光波长信号，也就是1 3 1 0 n m 1 5 5 0 n m 两波长w d m 系统，这种系统在我国也有实际的应用。该系统比较简单，一般采用熔融的波分复用器 件，插入损耗小；不用光放大器，在每个中继站上，两个波长都进行解复用和光电光 再生中继，然后复用在一起传向下一站。随着1 5 5 0 n m 窗1 3 e d f a 的商用化，w d m 系统 的应用进入了一个新时期。人们不再利用1 3 1 0 r m a 窗1 3 ，而只在1 5 5 0 n m 窗口传送多路光 载波信号。出于这些w d m 系统的相邻波长阳j 隔比较窄( 一般1 6 n m ) ，且工作在一个窗 口内共享e d f a 光放大器，人们称这种波长刚隔更紧密的w d m 系统为密集波分复用 ( d w d m ) 系统。过去w d m 系统是几十纳米的波长阳j 隔，现在的波长间隔小多了，只 有( o 8 2 ) n i t l ，甚至小于0 8 n m 。由于d w d m 光载波的间隔很密，因而必须采用高分 辨率波分复用器件来选取。 w d m 技术的优点是：( 1 ) 随着传输速率的不断提高，许多光电器件的响应速率已 不足，使用w d m 技术可降低对一些器件性能上的过高要求；( 2 ) 充分利用光纤的巨大 带宽资源，使容量可以迅速扩大几倍甚至上百倍，节约大量光纤和再生器，降低成本； ( 3 ) 与信号速率及电调制方式无关，即各波分复用通道对信息比特和数据格式是透明 的，对已经建成的光纤通信系统扩容方便；( 4 ) 可实现单根光纤全双工通信；( 5 ) 利用 w d m 实现网络交换和复用可望实现未来透明的、具有高度生存性的光网络。 目前l ，6 t b s w d m 系统已经开始大量商用。f i 本n e c 和法国阿尔卡特公司分别在 1 0 0 k m 距离上实现了总容量为1 0 9 t b s ，2 7 3 4 0 g b s 和总容量为1 0 2 g b s ，2 5 6 x 4 0 g b s 的 传输容量世界记录；朗讯科技贝尔实验室也成功地实现了在3 0 0 k m 全波光纤上传3 2 t b s 的实验( 8 0 x 4 0g b s ) ，揭示了波分复用技术的巨大发展潜力。从技术上看，在5 年左右 的时间内，实用化的最大传输链路容量有可能达n 5 l o t b s 乃至2 0 t b s 。 d w d m 技术目前呈现的发展趋势是系统传输容量的持续增长，而应用波长有一定 范围，当应用波长范围受限时，要增加复用波长数，就必须缩小通道间隔。随着全波光 纤的出现，在光谱宽度和通道数目上也对波分复用器件提出了更高的要求。所以新型的、 性能稳定d w d m 器件的研究已显得非常紧迫和必要。 1 3 体全息b r a g g 光栅在波分复用器件中的应用 基于体光栅严格的波长选择性与角度选择性，人们提出了体全息光栅波分复用方 法，在光折变晶体、玻璃或聚合物中写入多个体光栅来制作w d m 器件。由于体光栅具 有体积小、可实时处理、衍射效率高、温度响应小、可以进行窄带滤波等优点，所以在 波分复用系统和光集成方面具有较好的应用前景。此方法原理简单，即用两束光干涉产 生干涉条纹，或者用光通过掩模板辐照光折变材料来制作多重体全息光栅。这些光栅分 别衍射满足b r a g g 条件的特定波长，如果它们的窄带滤波和光折变光栅的多通道特性能 4第1 章绪论 被应用，那么它们就可以用作光通讯设备的w d m 器件。它不需要机械装置、环形器、 干涉仪等辅助设备，成本低，利用迂回光路体积小，机械性能及抗干扰性较好，同时可 使用多模光纤，便于在通道数较少的城域网中应用。最重要的是，利用一块全息材料就 可以同时对多个通道进行解复用，提高了设备的使用效率，并能够减小对信息传递速度 的影响，是一种新型并且很有前途的方法。 此方法近年来发展迅速，但现在还没有实用化产品，但其在实验室的研究已经取得 了显著的进展。1 9 9 4 年，d h e r v e 刚等人，首次在i n p ：f e 晶体中实现了1 5 5 u m 反射式窄 带滤波；1 9 9 5 年，t b j a m e s n 等人在b a t i 0 3 晶体中用时离子激光器激光写入了由光栅 制作的滤波器，同时将1 5 6 0 n m 和1 5 7 8 n m 两束入射光分离开来；1 9 9 7 年，s b r e e r 、 k b u s e i ”l 用掺铁为5 1 0 2 4 m - 3 ，表面抛光但未镀膜的同成分l i n b 0 3 ：f e 晶体，用a r + 激 光器的5 1 4 5 r m a 光作为写入光向晶体写入两个相位反射光栅，实现了在波长1 5 5 0 r i m 区 域两个通道的波分解，其波长间隔为o 8 n m 、隔离度超过2 0 d b ；类似的，b o f f i 1 等人 以掺铁0 0 1 5 m 0 1 ，0 。切割的l i n b 0 3 ：f e 为实验晶体，4 8 8 n m 波长的写入光，利用通 常使用的全息光栅实验装置，保持两写入光( 物光与参考光) 夹角不变，旋转晶体，用 角度复用方式在晶体中写入了4 个透射式光栅。该实验证明了在掺铁l i n b 0 3 晶体中， 可用写入多重光栅的全息技术制作波分复用解复用器：2 0 0 1 年，w a n t l 2 等人采用了 种9 0 0 光路，所用晶体为4 5 0 切割、各面抛光但未镀膜的l i n b 0 3 ：f e ( c 2 + f c c 3 + f e = 0 0 2 ) 晶体，以6 3 2 8 n m 的寻常偏振h e n e 激光为写入光，在实验上实现了个1 6 通道的分 波器件，工作波长范围为6 7 0 - - - 6 7 7 5 r i m ，串扰压至3 0d b ，波长间隔为0 4 6 - - - 0 5 r i m ，各 通道3 d b 带宽为( 0 1 6 o 0 0 5 ) n l n ，平均衍射效率为( 8 3 - q - 0 6 2 ) ：2 0 0 2 年，p h d i t t r i c h 1 3 】 等人用带间光折变效应，在纯k n b 0 3 记录多重全息反射光栅，各通道3 d b 带宽为0 1 3 r i m ， 具有很高的波长选择性，并且调整时间在数百微秒数量级；2 0 0 3 年，o l i v e rb e y e r 1 4 】等 人提出用聚合物制作波分复用器等通信器件的思想，并在聚合物中记录了4 重光栅，其 衍射效率达到了9 9 。 由耦合波理论及s ，b r e e r 【lo 】的研究可知，在满足一定衍射效率的情况下，可记录的光 栅重数受到材料全息动态范围的限制。因此，全体积的多重光栅技术( 最典型的如wa n 等人的工作) 应用于通道数较多的情形难度很大。所以说制作通道多、衍射效率高、分 光特性好的器件，就需要考虑特殊的光栅结构。作为论文工作的主体，拟采用制作分层 结构的多重体全。鼠b r a g g 光栅来进行改进，通过光写入在掺铁l i n b 0 3 晶体中形成层状结 构，每一层中分别记录多n b r a g g 光栅。利用可见光写入，然后用通信波段光波来验证 和测试写入光栅的解复用特性。这种方法如果能应用于波分复用器，其通道数将成倍增 加。例如，在掺铁l i n b 0 3 晶体中形成5 层结构，每层结构里再分别记录6 重光栅，那么， 这个器件可实现的通道数就为3 0 个。 西北工业大学硕士学位论文 5 1 4 本文主要工作 体全息b r a g g 光栅具有严格的波长选择性与角度选择性，利用角度复用写入的多重 体全息b r a g g 光栅可以使衍射光谱隔离性能得到加强，而且其衍射效率主要与光波穿过 光栅的周期数和折射率起伏有关，而与入射光束的宽度无关，可以利用此特性制作全体 积利用的多重体全息b r a g g 光栅。为了在同样体积的光敏感材料中获得尽可能多的b r a g g 光栅，可以考虑将光敏感材料沿垂直于光传播方向分区使用，比如美国加州理工的 d p s a l t i s 领导的研究组 1 剐向美国专利局陆续提出了几项利用条形分区法记录的体b r a g g 光栅用于可调和固定波长滤波器的发明专利申请；在这一技术基础上成立的o n d a x 公司 采用截面为l l m m 2 的条形分区，在每个条形区上写入体全息光栅。但这种分区法在工 作时各端口一般只能分布在条形区的两端。由于端口的尺寸通常比较大，而且仅可以利 用晶体的前后两个表面，输入输出端口的排布就受到限制，因而o n d a x 公司将这种结构 用于a d m( a d d d r o pm u l t i p l e x e r )等，而不是用于m u x d e m u x ( m u l t i p l e x e r d e m u l t i p l e x e r ) 。国内提出的方法是在一块长方体的晶体上分块写入多重光 栅以实现复用解复用，这种方法实际上是将全体积多重光栅进行串联( 级联模式) 以增 加复用通道数，端口排布问题依然存在，其结构还不够紧密。基于以上考虑，我们提出 了一种通过层状多重体全息b r a g g 光栅实现波分复用懈复用的构想，分层结构中每一层 的功能相当于一个全体积多重光栅，在一块全息光敏材料中可以制作出许多层这样的光 栅结构。相比于通常的分体积法记录的体b r a g g 光栅，这样的分层结构可以利用晶体的 三个表面甚至四个表面来排布输入输出端口，因此可更充分的利用介质的外表面排布大 量的端口，使紧密的超密集波分复用真正得以实现。本文主要开展以下工作： ( 1 ) 讨论一定条件下在晶体中体光栅的写入及擦除时间常数，时间递减曝光序列， 通过不同目的的实验确定其他因素对它们的影响，并在实际应用中修正误差。对于红外 通信波段解复用的多重体全息b r a g g 光栅，从理论上及实验上研究其b r a g g 匹配关系及 衍射效率的均匀性条件。 ( 2 ) 对于实验室中不同l i n b 0 3 晶体的光谱透过率及光谱吸收系数迸行测量和分 析，从中选择合适的晶体用于本文的光栅写入及解复用衍射实验。确定折射率调制度、 双光束写入角等因素对写入光栅衍射效率、波长选择性的影响。对于一束平行光和一束 球面光写入的体全息光栅作光波分离实验，研究其分光特点。 ( 3 ) 讨论多重体b r a g g 光栅写入的时间递减曝光方法，依据时间曝光序列在晶体 内写入衍射效率均匀的多重光栅。在保证每一通道具有适当衍射效率的基础上，在晶体 中制作通道间隔和通道带宽尽可能窄的多重b r a g g 光栅，并探讨影响光栅解复用特性的 参数。 ( 4 ) 研究层状多重体全息b r a g g 光栅的光写入方法，结合角度复用和空间复用技 术在晶体内写入用于红外通信波段解复用的多重光栅。实验中在片状l i n b 0 3 ：f e 晶体里 6 第1 章绪论 写入3 层8 重b r a g g 光栅，根据递减曝光理论对写入折射率调制度进行修正，在写入光 栅时对其衍射光功率实时监控，保证了各重光栅具有基本相等的衍射效率。对3x8 重光 栅作红外通信波段的解复用分光实验，结果优良。 ( 5 ) 提出一种在铌酸锂晶体中写入体全息光栅的新方法光擦除法，并在片状 l i n b 0 3 ：f e 晶体中用实验论证该方法的可行性。 西北工业大学硕士学位论文 7 第2 章光折变体全息理论 光折变效应( p h o t o r e f r a c t i v ee f f e c t ) 是光致折射率改变效应( p h o t o - i n d u c e dr e f r a c t i v e l n d e xc h a n g ee f f e c t ) 的简称。指的是电光材料在光辐照下由光强的空间分布引起材料折 射率相应变化的一种非线性光学现象。1 9 6 6 年，贝尔实验室的a s h k i n l l 6 1 等人在晶体光 倍频实验中观察到光辐照可引起电光晶体内折射率的变化，当初称这种不期望的效应为 “光损伤”( o p t i c a ld a m a g e ) 。这种“光损伤”在光辐照停止后仍能保持相当长时间。 两年后，c h e n t l7 j 等人分析了此效应的微观机制，并首次在l i n b 0 3 晶体内进行了全息存 储。后来入们发现这种“光损伤”可以通过均匀辐照或加热的方法被完全擦除掉，是一 种可逆的损伤，于是将它改称为“光折变效应”。由于光折变效应为非局域响应，用毫 瓦量级的激光照射光折变晶体，也会产生明显的光致折射率变化。因此，自2 0 世纪6 0 年代发现后，就引起了人们的极大兴趣和普遍重视，并对其进行了大量的研究。而1 9 6 9 年，k o g e l n i k 从麦克斯韦电磁场方程组出发，提出了著名的体全息耦合波理论，并推导 了估算体全息光栅衍射效率和角度选择性的公式。 本章将从理论方面探讨光拆变体全息耦合波理论及体光栅的衍射特性。 2 1 光折变体全息光栅及其衍射效率 2 1 1 光折变效应 光折变效应是发生在电光材料内部的一种复杂的光电过程【“2 0 j 。其物理过程如图 21 所示。这种过程可概括如下：电光晶体内的杂质、空位或缺陷充当电荷的施主或受 主当晶体在调制的光场辐照下( 图2 1 ( a ) ) ，光激发电荷进入邻近的能带，形成了光 生载流子( 电子或空穴) 。这些光生载流子在导带( 电子) 和价带( 空穴) 中，或因浓 度梯度扩散，或在电场作用下漂移，或因光生伏打效应而运动( 图2 1 ( b ) ) 。迁移的电 荷可以被施主( 或受主) 重新俘获，这样经过再激发，再迁移，再俘获，最后离开了光 照区而集居于暗区，形成了与晶体中光强分布相对应的调制空间电荷分布( 图2 1 ( c ) ) 。 这些光致分离的空间电荷按照泊松方程产生相应的调制空间电荷场，该空间电荷场相对 光场分布有一定的空间相移( 图2 1 ( d ) ) 。尽管光致空间电荷密度并不算大，典型的量 级在百万分之一左右，但由于它们所产生的空间电荷场可显著引起晶格的畸变。如果晶 体不存在反演对称性，空间电荷场将通过线性电光效应( 泡克耳斯效应) 在晶体内形成 空间调制的折射率变化，或者说在晶体内写入体相位栅( v o l u m ep h a s eg r a t i n g ) 。显然， 光束在写入体相位栅的同时，又受到自写入相位光栅的衍射作用而进行读出，因此光束 的写入与读出过程在光折变晶体内是同时进行的。光折变晶体中这样记录的相位光栅是 一种动态的、实时的全息体光栅。这种动态光栅对写入光束的自衍射，将引起入射光波 的振幅、相位、偏振甚至频率的变化。 8 第2 章光折变体全息理论 与其他非线性光学效应相比，光折变现象具有两个显著的特点：第一，光折变材料 的非线性光学效应与光强无关。也就是说，用较弱的激光束辐照晶体，同样会显示出可 观的非线性效应，光强的大小仅影响光折变过程的速度。第二，光折变材料的响应是非 局域的。通过光折变效应建立的折射率相位光栅不仅在时间响应上显示出滞后性，而且 在空间分布上也是非局域响应的，即折射率的最大处并非光辐照的最强处。 堆) 0 p 八八、 卿夕 v 乙 ( c ) 空间电荷分布 。入入 v 。 弋八 f 图2 1 光折变过程 2 1 2 体全息光栅与b r a g g 衍射 ( d ) 折射率空间分布 b r a g g 衍射条件首先是由x 射线衍射得到的。因为晶体中原子间距( 晶格常数) 大 约是1 0 。n m 的数量级，x 射线的波长也在这个数量级附近，所以x 光在晶面上的衍射 类似于光波在光栅上的衍射。 k i l e 二= j 幻1 匡三引逛 目 ( a ) x 射线在晶面上的衍射 ( b ) 体相位栅对入射光的衍射 图2 2 b r a g g 衍射 在图2 2 ( a ) 中，在晶面1 和晶面2 上光束aa m o n gb 发生衍射，两束衍射光之间的 光程差为 a = r 4 口+ b c ) n = 2 n ds i n 0 西北工业大学硕士学位论文 9 其中， 为晶体在入射波长处的折射率 d 为晶面间距；口为入射光与晶面闻的夹角。这 种衍射是镜面式反射，每一个平面反射平面波的很小一部分，衍射波由所有这些反射平 隘波叠加而成。这些平面波相干条件是 2 n d s i n 0 = m 2m = 1 , 2 3 其中，五是真空中的波长。当光在体相位栅上衍射时折射率调制度h 可以看成是等距离 的平面阵列，d 相当于光栅间距a ，单色平面波由这些平面的反射也是镜面式的，如图 2 1 ( b ) 所示。当相位栅的厚度工远大于光栅间隔以时，光栅波矢露是一定的，所以只出现 一级衍射( m 只能等于1 ) ，即 2 a s i n 0 = 五( 2 1 ) 式中五为介质内的波长，这就是体相位栅的b r a g g 衍射条件。它表明，当读出光栅时， 只有读出光以确定入射角扒射( 满足b r a g g 衍射条件) 时，才会出现衍射光。也就是 说当光栅波矢露严格等于介质中入射光波矢与衍射光波矢之差( 即满足相位匹配条件 k = - k ；幻) 时，即满足b r a g g 衍射条件。所以曰称为b r a g g 衍射角。假如物光波o 和参考 光波r 在记录介质内记录了体全息图( 光栅) ，当再现光束满足b r a g g 条件时，能再现 原物光波a 体全息图的这一b r a g g 选择性，不仅与记录介质的厚度有关，而且与光栅 岗距和b r a g g 角有关。1 9 6 6 年，k l e i n 2 l l 率先引入判断参量q ： q = 2 n 2 d n d a 2 ( 2 2 ) 其中，五是空气中的波长，d 为全息图的厚度，珂d 为介质的折射率，以为光栅的间距， 可作为判断平面全息图祁体全息图的依据。当q 7 时，对于相位全息圉，衍射效率可 能超过9 5 ，显然是体全息图；当q 1 0 。体全息图的一个优点是能够抑制不需要的衍射级。n k l ， 当在b r a g g 角附近一个很小的范围内再现时，仅有一个有效的衍射级。 图2 3 是由两平面构成的基元体积全息图的几何结构，记录介质表面垂直于两束在 ”面内传播的平面光波入射到厚度为d 的感光介质上，在其内部干涉形成三维光栅。按 照三维光栅的衍射理论，为使连续散射波同位相相加，以便使总的衍射波振幅达到极大 值，即照明光束的波长2 、照明光束与峰值条纹面之间的夹角级条纹面的间距以三者之 间必须满足式( 2 1 ) 所表示的b r a g g 定律。 2 。1 3 体光栅的耦合波理论 在分析体光栅的衍射时，由于光通过光栅传播，所以必须考虑到衍射波的振幅是随 入射波的减少而逐渐增加的。作这一分析可借助于耦合波理论。k o g e l n i k 【2 2 】首先将耦合 波理论用于分析体光栅的衍射，其主要思想是从麦克斯韦方程出发，根据记录介质的电 学和光学常量，直接求解描述照明光波和衍射光波的耦合微分方程组，得到衍射效率。 他的这一理论，不仅能给出定量的结果，而且还可以广泛用于各种体光栅衍射特性的分 析。先作如下假设： ( 1 ) 光栅被恒定振幅的平面光波形成和再现； ( 2 ) 折射率和吸收系数的空间调制是按正弦规律变化的； ( 3 ) 照明光波以b r a g g 角或在其附近入射，因此介质内仅出现照明光波和衍射光波， 而忽略其它所有的衍射级： ( 4 ) 光波复振幅的变化与其波长相比是很小的。因此，光波振动的二阶微分也可以 忽略。 按照图2 3 所示，以为入射面，条纹平面与该平面正交，并假设照明光波和衍射 光波的复振幅分别为e ，和b 。k o g e l n i k 从麦克斯韦波动方程 v 2 e + q 2 e = 0 ( g 为空间变化的传播常数) 出发，在上述简化假设的前提下，得到耦合波方程 鲁十啬耳=-jdc o s盍c o s e( 2 4 ) z 目口3 鲁d + 岩c o s 巨叫啬c o s 0e ( 25 ) z日 5。 式中口是记录介质的吸收系数，良和8 分别为衍射光波和照明光波与= 轴所夹的角度，茁 为耦合常数 f x a n 坐 r 2 6 1 丑2 式中， 和a a r o n 为折射率和吸收系数的空间调制振幅。式( 25 ) 中蹉由于照明光波不 满足b r a g