（光学专业论文）分层布拉格光栅的制作及其波分复用特性研究.pdf

西 北 工 业 大 学 硕 士 学 位 论 文 分层布拉格光栅的制作及其波分复用特性研究 摘要 伴随掺饵光纤放大器 ( e d f a )的实用化， 波分复用 ( wd m) 技术在近年来得到了 迅速发展。 然而复用波长数的增加， 光网络中常用的各种波分复用技术存在的缺陷逐渐 显露出来。 体布拉格光栅以其优异的波长和角度选择性以及多通道特性， 成为目前研究 新型波分复用技术的一个热点问题。 本文在研究光折变体全息光栅的基础上， 提出了平 面波导阵列分层光栅和直接分层多重光栅的解复用方法， 该方法不但具有体全息光栅作 为波分复用器的所有优点， 而且它实现的通道数将成倍于体全息光折变光栅实现的通道 数。 针对这种新的分层布拉格光栅结构， 从理论和实验两方面研究其光写入制作方法和 衍射特性。开展的研究工作及获得的主要结果如下: 1 . 以体全息光栅的祸合波理论为基础， 讨论了光折变晶体中光栅的衍射效率、 角度 和波长选择性及体全息光栅的复用技术。 2 . 为了确定写入多重光栅的曝光参数，通过在片状 l in b 氏: f e晶体中写入单个光 栅， 对不同实验条件下晶体的饱和折射率调制度、 光栅的写入和擦除时ib 1 常数进行了测 量。按照测出的参数和光栅重数，定出了时间递减曝光序列，写入了衍射效率相近的8 重光栅;实验研究了平面波导阵列分层光栅的写入方法及特性， 在单层波导内获得了衍 射效率相近的四重光栅，并进一步在阵列波导内写入了 单重光栅。 3 . 针对光通信中波长覆盖范围日益增宽的特点， 从理论上研究了用于宽光谱范围波 长解复用器件的多重体光栅的布拉格匹配和各波长对应光栅衍射效率的均匀性。 计算及 实验结果均表明， 由于记录介质的色散效应将导致多重体全息光栅读出过程中明显的布 拉格失配， 并且在写入过程中获得的均匀折射率调制度的多重体光栅， 在读出过程中各 通信波长对应光栅的衍射效率将不均匀。为此，提出了改进多重体光栅的光写入方法， 给出了 利用角度复用法写入透射型多重体光栅时解复用波长与写入角度的关系， 以及写 入体光栅过程中记 录介质的折射率调制度修正公式。 4 . 实验研究了 光栅的角度和波长选择性与晶体厚度、 写入角、 折射率调制度的关系， 发现通过选择晶体厚度、 写入角、 折射率调制度大小， 能够使光栅具有最佳角度选择性。 利用在l i n b 0 3 : f e 晶体中形成的两重体全息光栅， 进行了可见光和红外通信波段的两通 道的解复用实验。 在上述实验的基础上， 对直接分层多重光栅用于波分复用器进行了实 验分析，在同一块晶体中写入了两层四重 ( 2 x 4 )光栅，并在红外通信波段成功地观察 到分离的衍射谱。 关键词:波分复 用器， 光折变体 全息光 栅， 平面 波导阵 列分层光栅， 直接分层多重 光 栅 摘要 巴，留留巴巴巴巴巴巴巴巴二二二二，二二留巴巴巴曰曰留吕巴巴巴巴巴粤巴曰巴巴巴巴二巴二二二二二二二二二二二二二巴空留三三留二二二= 二二 二二 二一一二 = 一= 一= 二 = =二 一二 二 = s t u d y o n t h e f a b r i c a t i o n s o f l a y e r e d b r a g g g r a t i n g s a n d t h e i r p r o p e r t i e s i n w a v e l e n g t h d i v i s i o n mu l t i p l e x i n g a b s t r a c t t h e t e c h n i q u e s o f d e n s e 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 ( d wd m) h a v e m a d e a l a r g e p r o g r e s s w i t h t h e a p p e a r a n c e o f e d f a . b u t t h e r e e m e r g e t h e i r o w n d i s a d v a n t a g e s o f a v a i l a b l e wd m t e c h n i q u e s i n o p t i c a l f i b e r s y s t e m w i t h t h e in c r e a s i n g o f t h e c h a n n e l s . a t t h e p r e s e n t t i m e , v o l u m e b r a g g g r a t i n g s ( v b g s ) u s e d f o r d wd m a t t r a c t w i d e l y a tt e n t i o n d u e t o t h e ir e x c e l l e n t a n g l e a n d w a v e l e n g t h s e l e c t i v i t i e s . o n b a s i s o f t h e s t u d y o f p h o t o r e f r a c t i v e v o lu m e h o l o g r a p h i c g r a t i n g , t h e m u lt i p l e v b g s l a y e r e d b y p l a n a r w a v e g u i d e a r r a y a n d t h e d i r e c t l y l a y e r e d m u l t i p l e v b g s a r e p r e s e n t e d . c o m p a r e d w i t h p h o t o r e f r a c t i v e v o l u m e h o l o g r a p h i c g r a t i n g , n o t o n l y t h e l a y e r e d v b g s h a v e t h e s a m e c h a r a c t e r i s t i c s o f c o m m o n v b g s , b u t a l s o t h e m u c h m o r e c h a n n e l s c a n b e f o r m e d b y t h e l a y e r e d v b g s . f a b r i c a t i o n o f l a y e r e d b r a g g g r a t i n g s a n d t h e i r p r o p e r t i e s i n d wd m a r 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 i n v e s t i g a t e d i n t h e t h e s i s . t h e m a i n w o r k i n t h e t h e s i s i s a s f o l l o w i n g : 1 . o n b asi s o f t h e k o g e l n i k s c o u p l e d w a v e t h e o r y , t h e b r a g g d i ff r a c t i o n e f f i c i e n c y , t h e a n g l e s e l e c t i v it y a n d w a v e l e n g t h s e l e c t i v i t y , a n d m u l t ip l e x i n g t e c h n i q u e s o f v o l u m e h o l o g r a p h i c g r a t i n g s f o r m e d i n p h o t o r e f r a c t iv e c ry s t a l s a r e a n a l y z e d . 2 . u n d e r t h e d i ff e r e n t e x p e r i m e n t a l c o n d i t i o n s , t h e s a t u r a t i o n v a l u e s o f m o d u l a t i o n , t h e r e c o r d i n g a n d e r a s u r e t i m e c o n s t a n t s a r e m e a s u r e d b y r e c o r d i n g s i n g l e g r a t i n g i n a s l i c e o f l i n b 0 3 :f c c r y s t a l . wi t h e x p o s u r e t i m e s c h e d u l e s o f s u b s e q u e n t g r a t i n g s g i v e n b y t h e p r e c e d i n g e x p e r i m e n t s , e i g h t m u l t i p le x i n g g r a t i n g s w i t h t h e u n i f o r m d i ff r a c t i o n e f f i c i e n c i e s a r e r e c o r d e d . t h e w r i t i n g m e t h o d a n d c h a r a c t e r i s t i c s o f g r a t i n g s i n a s i n g l e p l a n a r w a v e g u i d e a r e e x p e r i m e n t a l l y i n v e s t i g a t e d , a n d f o u r m u lt i p l e x i n g g r a t i n g s w i t h t h e u n i f o r m it y d i ff r a c t i o n e f f i c i e n c i e s a r e r e c o r d e d i n a s i n g l e p l a n n e r w a v e g u i d e f u rt h e r m o r e , t h e s in g l e g r a t i n g i s r e c o r d e d i n p l a n a r w a v e g u i d e a r r a y . 3 . t h e b r a g g m a t c h i n g a n d t h e u n i f o r m i t y o f b r a g g d i ff r a c t i o n e ff i c i e n c ie s o f m u l t i p l e v o l u m e h o l o g r a p h i c g r a t i n g s ( mv h g s ) , w h i c h a r e u s e d f o r w a v e l e n g t h d e m u l t i p l e x i n g d e v i c e s i n o p t i c a l c o m m u n i c a t i o n b a s e d o n a l l w a v e o p t i c a l f i b e r , a r e t h e o r e t i c a l l y s t u d i e d a n d q u a n t i t a t i v e l y a n a l y z e d . i t i s s h o w n t h a t t h e b r a g g m i s m a t c h i n g w i l l b e c a u s e d d u e t o t h e r e c o r d i n g m e d i u m d i s p e r s i o n d u r i n g w a v e l e n g t h d e m u l t i p l e x i n g w i t h w i d e s p e c t r a b y e m p l o y in g mv h g s . mo r e o v e r t h e b r a g g d iff r a c t i o n e f f ic i e n c i e s o f mv h g s w it h h o m o g e n e o u s r e f r a c t i v e i n d e x m o d u l a t i o n o b t a i n e d a t s h o rt w r i t i n g w a v e l e n g t h w i l l n o t b e u n i f o r m a t d i ff e r e n t o p t i c a l c o m m u n i c a t i o n w a v e l e n g t h s . a n d t h a t h a s b e e n e x p e r i m e n t a l l y d e m o n s t r a t e d . f o r t h i s r e a s o n , t h e i m p r o v e d d e p e n d e n c e o f w r i t in g a n g l e s o n c o m m u n i c a t i o n w a v e l e n g th s f o r f a b r i c a t i n g a n g l e - m u lt ip l e x i n g t r a n s m i s s i o n mv h g s a n d t h e c o r r e c t e d f o r mu l a f o r r e f r a c t i v e i n d e x mo d u l a t i o n o f i n d i v i d u a l v o l u me h o l o g r a p h i c g r a t i n g a t w r i t i n g w a v e l e n g t h a r e p r e s e n t e d i n o r d e r t o e n s u r e r i g o r o u s b r a g g 西 北 工 业 大 学 硕 士 学 位 论 文 m a t c h i n g a n d t h e u n i f o r m i t y o f d i f fr a c t i o n e f f i c i e n c i e s . 4 . i t i s e x p e r i m e n t a l l y i n v e s t i g a t e d t h a t d e p e n d e n c e o f t h e a n g l e a n d w a v e l e n g t h s e l e c t i v i t y o f p h o t o r e f r a c t iv e v o l u m e g r a t i n g o n t h e d i ff e r e n t c r y s t a l t h i c k n e s s e s , r e c o r d in g a n g l e s a n d t h e r e f r a c t i v e i n d e x m o d u l a t i o n . e x p e r i m e n t a l r e s u lt s s h o w t h a t t h e d e s i r e d a n g l e a n d w a v e l e n g t h s e l e c t i v i t y o f t h e v o l u m e g r a t in g s c a n b e d e t e r m i n e d b y t h e c h o i c e s o f t h e c r y s t a l t h i c k n e s s e s , r e c o r d i n g a n g l e s a n d t h e r e f r a c t i v e i n d e x m o d u l a t i o n . u s i n g t h e p h o t o r e f r a c t i v e v o l u m e g r a t i n g s f o r m e d i n l in b 0 3 :f e c r y s t a l , t h e d e m u lt i p l e x in g s i n t h e r e g i o n o f i n f r a r e d o p t i c a l c o m m u n i c a t i o n a n d v i s i b l e l i g h t h a v e a c h i e v e d . f u r t h e r m o r e , t h e f o u r s u p e r i m p o s e d v b g s i n t w o l a y e r s a r e r e c o r d e d i n a l i n b 0 3 :f e c r y s t a l . t h e d i ff r a c t i o n e f f i c i e n c i e s w e r e o b t a i n e d b y r e s p e c t i v e l y m e a s u r i n g t h e s p e c t r u m d i s t r i b u t i o n o f e a c h l a y e r g r a t i n g s t r a n s m i t t a n c e i n i n f r a r e d c o m m u n i c a t i o n r e g i o n . t h e f e as i b i l it y o f l a y e r e d mv h g s a p p l i e d t o wd m s y s t e m i s e x p e r i m e n t a l l y c o n f i r m e d . 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 , v o l u m e h o l o g r a p h i c g r a t i n g , p l a n a r w a v e g u i d e a r r a y g r a t i n g s , d i r e c t ly l a y e r e d v o l u m e b r a g g g r a t i n g s i i i 西 北 工 业 大 学 硕 士 学 位 论 文 第 1 章绪论 当前，随着i n t e r n e t和多媒体技术的飞速发展以及i p 业务的爆炸式增长，人们 对宽带通信提出了前所未有的要求。 传统的时分复用光纤通信系统的速率几乎以每十年 工 0 0 倍的速度稳定增长，大大改变了通信网的面貌。但传统光纤通信的发展始终按照电 时分复用 ( t d m) 方式进行， 其发展速度最终受到电子器件速率瓶颈的限制， 在4 0 g b i t/ s 以上很难实现， 没有太多潜力可挖了。 而且人们也认识到利用电子学方法实现时分复用 的做法不仅效率低而且严重影响了信息的传输速率。 所以发展光的波分复用方式已成为 必然。因此，人们寄希望于载波波长为1 5 5 0 n m和 1 3 1 0 n m的丰富频率资源，它可以支 持更多信道同时传输。 随着对网络容量需求量的日 益增加和多用户网络的发展， 波分复 用 ( wd m) 技术的发展和应用成为必然的 趋势1 0 1 . 1波分复用系统概述 所谓wd m技术， 就是为了充分利用单模光纤低损耗区带来的巨大带宽资源， 根据 每通路光波的频率 ( 或波长) 不同可以将光纤的低损耗窗口划分成若干个通路， 把光波 作为信号的载波， 在发送段采用波分复用器 ( 合波器) 将不同规定波长的信号光载波合 并起来送入一根光纤进行传输; 在接收段， 再由 一波分复用器 ( 分波器) 将这些不同波 长承载不同信号的光载波分开的复用方式， 其原理如图1 . 1 所示。由于不同 波长的光载 波信号可以看作相互独立 ( 不考虑光纤的非线性时) ，从而在一根光纤中可实现多路光 信号的复用传输12 1 图1 . 1 wd m技术 人们谈论wd m系统时，有时会谈到d wd m ( 密集波分复用) 系统，他们是在不 同发展时期对 wd m 系统的称呼，他们与 wd m 技术的发展历史有着紧密的关系。2 0 世 纪8 0 年 代初，由 于 一 根光纤 只传输一 路光 信号 ( 0 . 8 5 t m , 1 . 3 1 t m ) ，因 此在光 纤带 宽 的使用上存在着巨大浪费。 为了有效地利用光纤的带宽， 人们想到并首先采用的是在光 纤的两个低损耗窗口:1 3 1 0 n m和 1 5 5 0 n m窗口。每个窗口 各传送一路光波长信号，也 就是 1 3 1 0 n m / 1 5 5 0 n m两波长的wd m系统，这种系统在我国也有实际的应用。很长一 段时间 在人们的理解中， wd m系统就是指通道间隔为数十纳米的系统， 因为 在当时的 条件下， 实现几纳米的通道间隔是不大可能的; 随着 1 5 5 0 n m窗口e d f a的商用化， wd m 西 北 工 业 大 学 硕 士 学 位 论 文 第 1 章绪论 当前，随着i n t e r n e t和多媒体技术的飞速发展以及i p 业务的爆炸式增长，人们 对宽带通信提出了前所未有的要求。 传统的时分复用光纤通信系统的速率几乎以每十年 工 0 0 倍的速度稳定增长，大大改变了通信网的面貌。但传统光纤通信的发展始终按照电 时分复用 ( t d m) 方式进行， 其发展速度最终受到电子器件速率瓶颈的限制， 在4 0 g b i t/ s 以上很难实现， 没有太多潜力可挖了。 而且人们也认识到利用电子学方法实现时分复用 的做法不仅效率低而且严重影响了信息的传输速率。 所以发展光的波分复用方式已成为 必然。因此，人们寄希望于载波波长为1 5 5 0 n m和 1 3 1 0 n m的丰富频率资源，它可以支 持更多信道同时传输。 随着对网络容量需求量的日 益增加和多用户网络的发展， 波分复 用 ( wd m) 技术的发展和应用成为必然的 趋势1 0 1 . 1波分复用系统概述 所谓wd m技术， 就是为了充分利用单模光纤低损耗区带来的巨大带宽资源， 根据 每通路光波的频率 ( 或波长) 不同可以将光纤的低损耗窗口划分成若干个通路， 把光波 作为信号的载波， 在发送段采用波分复用器 ( 合波器) 将不同规定波长的信号光载波合 并起来送入一根光纤进行传输; 在接收段， 再由 一波分复用器 ( 分波器) 将这些不同波 长承载不同信号的光载波分开的复用方式， 其原理如图1 . 1 所示。由于不同 波长的光载 波信号可以看作相互独立 ( 不考虑光纤的非线性时) ，从而在一根光纤中可实现多路光 信号的复用传输12 1 图1 . 1 wd m技术 人们谈论wd m系统时，有时会谈到d wd m ( 密集波分复用) 系统，他们是在不 同发展时期对 wd m 系统的称呼，他们与 wd m 技术的发展历史有着紧密的关系。2 0 世 纪8 0 年 代初，由 于 一 根光纤 只传输一 路光 信号 ( 0 . 8 5 t m , 1 . 3 1 t m ) ，因 此在光 纤带 宽 的使用上存在着巨大浪费。 为了有效地利用光纤的带宽， 人们想到并首先采用的是在光 纤的两个低损耗窗口:1 3 1 0 n m和 1 5 5 0 n m窗口。每个窗口 各传送一路光波长信号，也 就是 1 3 1 0 n m / 1 5 5 0 n m两波长的wd m系统，这种系统在我国也有实际的应用。很长一 段时间 在人们的理解中， wd m系统就是指通道间隔为数十纳米的系统， 因为 在当时的 条件下， 实现几纳米的通道间隔是不大可能的; 随着 1 5 5 0 n m窗口e d f a的商用化， wd m 2第1 章绪 论 一竺一一一一一竺一 系 统 的 应 用进 入了 一 个新时 期。 人 们 不 再 利 用1 3 1 0 n m窗口 ， 而 只在1 5 5 0 n m窗口 传 送 多路光载波信号。山于这些wd m系统的 相邻波长间隔比较窄 ( 一般小于 1 .6 n m ) ， 而 且工作在一个窗口内共享e d f a ， 因此为了区别于传统的wd m系统， 人们称这种波长 间隔更紧密的wd m系统为密集波分复用系统，即d wd m系统。过去的wd m系统是 几十纳米的通道间隔，现在的通道间隔则小得多了， 只有0 .8 - 2 n m，甚至小于0 .8 n m o d wd m技术其实是wd m技术的一种具体表现形式。目 前， d wd m技术呈现的发展趋 势是系统传输容量的持续增长。一般可通过提高通道速率、增加复用波长数量、扩展波 长范围等方案实现传输容量的扩大。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。现在，8 , 1 6 , 3 2 , 4 0个波长的 d wd m 系 统已经大范围使用，1 0 0个波长以上的系统也走向商用。而实验室里的成绩尤为突出， 已 完成1 0 2 2 个波长的复用实验。在目 前的d wd m实验中， 通道间隔已 达到2 5 g h z 1 2 1 e 1 . 2波分复用器的现状 w d m器件有几种制造方法， 目 前已 广泛商用的w d m器件可分为四 类， 即熔锥型波 分复用器、 介质膜滤光型波分复用器、 光纤光栅型波分复用器、阵列波导光栅型波分复 用器。 一 熔 锥 型 波 分 复 用器 ,z l 熔拉双锥 ( 熔锥)型光栅祸合器，即将多根光纤在热熔融条件下拉成锥形，并稍加 扭曲， 使其熔融在一起。由于不同光纤的纤芯十分靠近，因而可以通过锥形区的消失波 藕合 达到所需要的 祸合功率(2 1 。 这种器 件的 原 理结构如图1 .2 所示。 a,一二 ) 一 乏 口，卜 禹 - 目 ， 卜a , 图1 .2熔锥型波分复用器 采用熔融拉锥法实现传输光功率祸合的 祸合系数与波长有关， 因此， 可以 利用在祸 合过程中祸合系数对波长的敏感性制作wd m器件。 制作器件时， 可通过改变熔融拉锥 条 件， 增强祸合系数对波长的敏感性， 从而制成熔融拉锥全光纤型wd m器件。 实用的 熔融 拉锥全光纤型w d m器件是两 波复用的， 复用 波长 分别为9 8 0 / 1 5 5 0 n m , 1 3 1 0 / 1 5 5 0 n m 和1 5 1 0 / 1 5 5 0 n m。 熔融拉锥全光栅型wd m器件也可以复用更多的波长， 但此类器件还 在测试中， 尚 未实现实 用化。 熔融型w d m器件的 特点是插入损耗低 ( 最大 值 5 d b ， 典 型 值为 0 .2 d b ) ，无需波长选择器件， 此外还具有较好的光通信带宽脂道间隔比 和温度 稳定性。 不足之处是尺寸稍大，复用波长数少， 隔离度较差 ( 2 0 d b左右) ， 用这种方法 能做两路解复用器，制作多路密集解复用器难度很大。一般不用在目 前的d wd m系 中。 口乃统 2第1 章绪 论 一竺一一一一一竺一 系 统 的 应 用进 入了 一 个新时 期。 人 们 不 再 利 用1 3 1 0 n m窗口 ， 而 只在1 5 5 0 n m窗口 传 送 多路光载波信号。山于这些wd m系统的 相邻波长间隔比较窄 ( 一般小于 1 .6 n m ) ， 而 且工作在一个窗口内共享e d f a ， 因此为了区别于传统的wd m系统， 人们称这种波长 间隔更紧密的wd m系统为密集波分复用系统，即d wd m系统。过去的wd m系统是 几十纳米的通道间隔，现在的通道间隔则小得多了， 只有0 .8 - 2 n m，甚至小于0 .8 n m o d wd m技术其实是wd m技术的一种具体表现形式。目 前， d wd m技术呈现的发展趋 势是系统传输容量的持续增长。一般可通过提高通道速率、增加复用波长数量、扩展波 长范围等方案实现传输容量的扩大。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。现在，8 , 1 6 , 3 2 , 4 0个波长的 d wd m 系 统已经大范围使用，1 0 0个波长以上的系统也走向商用。而实验室里的成绩尤为突出， 已 完成1 0 2 2 个波长的复用实验。在目 前的d wd m实验中， 通道间隔已 达到2 5 g h z 1 2 1 e 1 . 2波分复用器的现状 w d m器件有几种制造方法， 目 前已 广泛商用的w d m器件可分为四 类， 即熔锥型波 分复用器、 介质膜滤光型波分复用器、 光纤光栅型波分复用器、阵列波导光栅型波分复 用器。 一 熔 锥 型 波 分 复 用器 ,z l 熔拉双锥 ( 熔锥)型光栅祸合器，即将多根光纤在热熔融条件下拉成锥形，并稍加 扭曲， 使其熔融在一起。由于不同光纤的纤芯十分靠近，因而可以通过锥形区的消失波 藕合 达到所需要的 祸合功率(2 1 。 这种器 件的 原 理结构如图1 .2 所示。 a,一二 ) 一 乏 口，卜 禹 - 目 ， 卜a , 图1 .2熔锥型波分复用器 采用熔融拉锥法实现传输光功率祸合的 祸合系数与波长有关， 因此， 可以 利用在祸 合过程中祸合系数对波长的敏感性制作wd m器件。 制作器件时， 可通过改变熔融拉锥 条 件， 增强祸合系数对波长的敏感性， 从而制成熔融拉锥全光纤型wd m器件。 实用的 熔融 拉锥全光纤型w d m器件是两 波复用的， 复用 波长 分别为9 8 0 / 1 5 5 0 n m , 1 3 1 0 / 1 5 5 0 n m 和1 5 1 0 / 1 5 5 0 n m。 熔融拉锥全光栅型wd m器件也可以复用更多的波长， 但此类器件还 在测试中， 尚 未实现实 用化。 熔融型w d m器件的 特点是插入损耗低 ( 最大 值 7 时， 对于相位全息图， 衍射效率可能 超过9 5 % ， 显然是体全息图:当q 7 时， 对于相位全息图， 衍射效率可能 超过9 5 % ， 显然是体全息图:当q 3 时， 可 看 成平面 全息图。 将式 ( 2 . 1 ) 代入式 ( 2 .2 ) , 可得到 q= 4 n d s i n o i a ( 2 . 3 ) 上 式表明，当。 较小时， 尽管介质较厚。 q也有可能 较小，因而不一定为 体全息图。 大 多数体全息图都有q -1 0 。 体全息图的一个优点是能 够抑制不需要的衍射级。 因 此， 当 在布拉格角附近一个很小的范围内再现时，仅有一个有效的衍射级。 当再现光波 k r 满足布拉格条件时，衍射光波很好地重现原物光波，此时， 衍射效 率最大。 若再现光波偏离布拉格角入射且 偏离角为 b , 这时衍射效率将随 .b k l 增大迅速 下降。 另一方面， 若再现光的波长偏离布拉格入射的正确波长， 即k r a 2 n l a 时， 衍射效 率也 将明 显下降。 因此， 布拉格定律( 2 . 1 ) 表明， 如果再现光的波长和光栅间距己 被确定， 西 北 工 业 大 学 硕 士 学 位 论 文 则再现光的入射角便唯一确定;或者， 如果再现光的入射角和光栅间距已被确定， 则再 现光的波长便唯一确定。 否则， 任何违反布拉格条件的角度或波长改变都将导致衍射效 率的明显下降。所以体全息光栅对角度和波长的选择性很高。 ( a )记录( b ) 衍射 图2 . 1体光栅的记录和衍射 2 . 2 2 . 2 . 1 光折变光栅 光折变效应 光折变效 应是发生 在电 光 材料中的 一 种复 杂光电 过 程2 1 -2 3 。 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。当晶体在光照射下， 光激发电 荷进入邻近的能带。光激发载流子在带中或因浓度梯度扩散， 或在电场下漂移， 或由光 生伏打效应而运动。 迁移的电荷可以 被重新俘获。经再激发，再迁移，再俘获， 最后离 开了光照区而定住于暗光区。 这样形成了与光强分布相对应的空间电荷分布， 这些光致 分离的空间电荷按照泊松方程产生相应的空间电荷场。 尽管光致空间电荷密度不大，典 型的量级在百万分之一左右， 但由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 e p h a s e g r a t i n g ) 。 并 且光束在写入相位栅的同时， 又受到自 写入相位栅的衍射作用而读出， 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。 这样记录的是动态实时相位栅。 这种动态光 栅对写入光束的自 衍射，将引起光波的振幅、相位、偏振甚至频率的变化。从这个意义 上讲，动态光栅的自 衍射为相干光的处理提供了 全方位的可能性。 对于l in b 0 3 晶体，光激发载流子在带中主要是以 光伏电流和扩散迁移机制在晶体 内形成空间调制的折射率变化，即体相位栅。 若空间电荷场沿c 轴，则两主折射率差值 的变化为 一 合 3(nor13 一 :r33 )e 3 ( 2 . 4 ) 这里n 。 和n 。 分别为寻常光和非常光的折射率， y i : 和3 3 是线性电光系数。 西 北 工 业 大 学 硕 士 学 位 论 文 则再现光的入射角便唯一确定;或者， 如果再现光的入射角和光栅间距已被确定， 则再 现光的波长便唯一确定。 否则， 任何违反布拉格条件的角度或波长改变都将导致衍射效 率的明显下降。所以体全息光栅对角度和波长的选择性很高。 ( a )记录( b ) 衍射 图2 . 1体光栅的记录和衍射 2 . 2 2 . 2 . 1 光折变光栅 光折变效应 光折变效 应是发生 在电 光 材料中的 一 种复 杂光电 过 程2 1 -2 3 。 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。当晶体在光照射下， 光激发电 荷进入邻近的能带。光激发载流子在带中或因浓度梯度扩散， 或在电场下漂移， 或由光 生伏打效应而运动。 迁移的电荷可以 被重新俘获。经再激发，再迁移，再俘获， 最后离 开了光照区而定住于暗光区。 这样形成了与光强分布相对应的空间电荷分布， 这些光致 分离的空间电荷按照泊松方程产生相应的空间电荷场。 尽管光致空间电荷密度不大，典 型的量级在百万分之一左右， 但由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 e p h a s e g r a t i n g ) 。 并 且光束在写入相位栅的同时， 又受到自 写入相位栅的衍射作用而读出， 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。 这样记录的是动态实时相位栅。 这种动态光 栅对写入光束的自 衍射，将引起光波的振幅、相位、偏振甚至频率的变化。从这个意义 上讲，动态光栅的自 衍射为相干光的处理提供了 全方位的可能性。 对于l in b 0 3 晶体，光激发载流子在带中主要是以 光伏电流和扩散迁移机制在晶体 内形成空间调制的折射率变化，即体相位栅。 若空间电荷场沿c 轴，则两主折射率差值 的变化为 一 合 3(nor13 一 :r33 )e 3 ( 2 . 4 ) 这里n 。 和n 。 分别为寻常光和非常光的折射率， y i : 和3 3 是线性电光系数。 西 北 工 业 大 学 硕 士 学 位 论 文 则再现光的入射角便唯一确定;或者， 如果再现光的入射角和光栅间距已被确定， 则再 现光的波长便唯一确定。 否则， 任何违反布拉格条件的角度或波长改变都将导致衍射效 率的明显下降。所以体全息光栅对角度和波长的选择性很高。 ( a )记录( b ) 衍射 图2 . 1体光栅的记录和衍射 2 . 2 2 . 2 . 1 光折变光栅 光折变效应 光折变效 应是发生 在电 光 材料中的 一 种复 杂光电 过 程2 1 -2 3 。 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。当晶体在光照射下， 光激发电 荷进入邻近的能带。光激发载流子在带中或因浓度梯度扩散， 或在电场下漂移， 或由光 生伏打效应而运动。 迁移的电荷可以 被重新俘获。经再激发，再迁移，再俘获， 最后离 开了光照区而定住于暗光区。 这样形成了与光强分布相对应的空间电荷分布， 这些光致 分离的空间电荷按照泊松方程产生相应的空间电荷场。 尽管光致空间电荷密度不大，典 型的量级在百万分之一左右， 但由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 e p h a s e g r a t i n g ) 。 并 且光束在写入相位栅的同时， 又受到自 写入相位栅的衍射作用而读出， 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。 这样记录的是动态实时相位栅。 这种动态光 栅对写入光束的自 衍射，将引起光波的振幅、相位、偏振甚至频率的变化。从这个意义 上讲，动态光栅的自 衍射为相干光的处理提供了 全方位的可能性。 对于l in b 0 3 晶体，光激发载流子在带中主要是以 光伏电流和扩散迁移机制在晶体 内形成空间调制的折射率变化，即体相位栅。 若空间电荷场沿c 轴，则两主折射率差值 的变化为 一 合 3(nor13 一 :r33 )e 3 ( 2 . 4 ) 这里n 。 和n 。 分别为寻常光和非常光的折射率， y i : 和3 3 是线性电光系数。 第2 章光折变 体全息理论 根据 式 位4 ) ， 要得 到实 验中 测 得的 最 大 n ( - 1 护) 2 4 ， 晶 体中 必须 有 大 约7 x 1 0 勺 c m l 的 空间电 荷场， 这相当 于被陷 获的 载流子浓 度约为1 0 14 _ 1 0 1 1 c m 3 。 一般情况下， 这 样的 载流 子浓 度相对于陷阱浓度 ( 可以 高 到 一 1 0 1 1 c m 一 3 ) 是 足够低的。 因 此， 存在 足够的 陷阱 来俘获这些载流子。 由于空间电荷以弛豫时间 d6 )弛豫，因此折射率变化不能永久保持。提高温度 可以缩短弛豫时间，这就是加热使折射率很快复原的原因。 对 l i n b o 3 光折变效应的研究表明，在不同组成或不同掺杂物的材料中，可被激发 的杂质中心和陷阱中心是不同的。 晶体中的可变价数的杂质离子对光折变效应起着重要 作 用。 例如f e 2 + - f e . m n 2 + - m n , c u - c u 2 + 等， 其中 又以f e 离 子的 效 应 最 显 著 。 晶 体中 有f e 离子存 在时， 在光照下， 可以 从f e 2 + 激发出 一 个电 子到导带， 即 f e z + + h v = f e + 一( 2 . 5 ) 激发到导带的电子在光伏电场的作用下迁移，当 遇到电 子陷阱时 ( 如f e 3 十 ) 被陷 获， 如 果在光照区就有可能被再次激发， 再陷获， 直到迁移出光照区。 这就使原来晶体中的电 价平衡被打破， 在空间的局部出现过剩的束缚电荷即形成空间电荷分布。 这些空间电 荷 产生的空间电 荷场通过线性电 光效应调制了 晶 体的 折射率2 5 1 2 . 2 . 2光折变光栅的形成 下面以双光束入射来说明光折变光栅的写入过程。如图 2 .2所示，两束相干光在 l i n b 0 3 晶体中相干涉，形成强度分布为双 习 的干涉条纹。 l in b o , 品体 图2 .2晶体中的双光束干涉 假定选用晶体在所用光波长下具有适当的可被激发施主中心，且具有合适的 浓度。 假定还有一定百分比的空陷阱以允许电 荷的再分布。 如图2 . 3 ( a ) 所示，小圆圈表示空陷