（光学专业论文）全息聚合物分散液晶光栅在edfa动态增益均衡中的应用研究.pdf

摘要 摘要 捧为党纾遭信溺终豹主要缀释，掺镁光纤放大褥缱着鬻络性藐提离豹要求 不断的发展，但是它本身固有的一些缺陷导致了它增益谱的不平坦，使得系统 中不同波长傣号经过掺镊光纤放大器级联詹，发生信道串挽，造成系缓动态失 衡、误码率上升。所以，为了实现长距离高速无谈褐传输，必须对掺褥光纤放 大器的增益不平坦进行均衡处理。 遵过实验铡备了聚合携分数滚罴光耱，并对聚合耪分教滚鑫走爨褒经癸逶 信波段1 5 5 0 n m 处的衍射、透射和电光调控特性进行了研究，并研究了可见光 6 3 2 + 8 n m 下光栅的性能，证明了聚合物分数液晶光栅在1 5 5 0 n m 红外邋傣波段有 着缀好静电光特性，该器释菲鬻适合予炎遥信静寂薅l 。裰诺聚合甥分散液晶光 栅的透射谱特性和其电压可调控特性的研究，提出了基于聚合物分散液晶光栅 懿掺铒光纾放大器动态增益均缀嚣。通过聚合携分数滚曩光秘豹辑射察调割度 电压可调控特性，对掺铒光纤放大器在c 波段上的增益迸行动态的平煅化，使 用微控制器设计了掺镊光纤放大器的动态增益控制系统，并使用温度模块对系统 滋行优貔，绦谖了聚合物分数液鑫毙撩熬长赣稳惫工 乍，麓掺铒竞纾液大器动 态增益补偿提供了办法。 使用聚食物分散波骚光栅俸为掺铒光终放大嚣躲动态增菇均衡器燕一种瑟 的祷偿办法，它体积小、响应# 尊间短、平瞧效采好、能够解决动态温发下掺铒 光纤放大器的增益补偿问题，熬有实际成用价值。同时使用计算机模拟手段对 乎蜒效果豹攘数，秀实嚣生产提供了毒力瓣爨藩，黪低了开发残奉帮对阑。 关键词：h p d l c ，光栅，e d f a ，动态增益均衡 a b s 时a c t a b s t r a c t a 8 血ek e ym o d u l eo ff i b e ro p t i c sn e t w o r k ，e d f a ( e r b i u md o p e df i b e r a m p l 嫌e f ) i sd 钾e l o p e d 砸也t h ca d v a n c eo f 龇p e r f o 默a n c eo fn e 铆o r k h o w e 懈， m el l l l b a l a n c e dg a i no fc a s c a d e de d f a s 、】i ，i l li e a dt oc f o s st a l k ，l l l l s t 曲1 i z t i o na n dh i 蚺 e 矗。r 撼l e s o 主ti sn e e e s 跚r yt oe q u 巍z e 畦抢g a 泌s p e e t n l mo fe d f at o 越i z ei o n g d i s t a n c ed a t at r a n s f e r t 如p r o p e 糠e so fd i 妾a e t i 触l i g h t ，t r 强s 蜮s s 诗nl i 舜a n dd r i v i n gv o l t a g eo f h p d l c ( h 0 1 0 9 r a p h i cp 0 1 y m e rd i s p e r s e dl i q u i dc r y s t a l ) a r er e s e a r c h e d e x p e f i 燃e 珏隧l y 遗& 氇1 5 5 0 麟l 蕊莲6 3 2 ，8 珏ml a s e r 秘括p 轮v 爨镬搬t h 。瓣d l c l 黔 g o o dp r o p e r t yi nl5 5 0 n mi n 的黼d1 a s e ra j l di ti s8 u i t a b l et ob eu s e di nm ea p p l i c a t i o n o f 鑫b 锚e o i 建辩u 珏i c 鑫t i o 菇s ，下h ee d f ad y 羚趣i eg 斑e 毽u 翻i z 嚣b a s e do n 董p d 毛c g r a t i n gi sd e v e l o p e da c c o r d i l l gt ot h ec h a r a c t e ro fh p d l cg r a t i n g s 廿a n s m i s s i o n s p e c 扛戳，a 醚ae o l 鸳e n s a 钯d 嚣d f a 豁i 建s 辨e t 黼n 至sg e t 协塞越。堇l & 嚣瓣a 主毪e b 姐d t h ei n d e xm o d u l a t i o no fh p d l cg r a t i n gi s e l e c 仃i c a l l ys w i t c h a b l e ，a n d 也i s h e 垮协d e s i g n 如ed y n 氇m i eg a 童拄e 掣奎 z 藤。珏s y s t e m 。弧es y s t e mi s 如s i g n 蟠h s i 猎 m c ut oc o n t r o lt h ev o l t a g eo n 髓a t i n g sr e s p e c t i v e l y i tp r o v i d e sag o o dw a yt os o l v e t 圭l ep f o b l o m 法e d f ag 曩主l l 蛀a t 缸激法蚤 u s i n gh p d l c 掣a t i n g sa sg a i ne q u a l i z c ro fe d f ai san e wm e n l o d ，w h i c hh a s m a n ym e r i t sa ss m a 珏v o l u m e ，q 懂c k 羚s p o n s e ，g d 鼗攫她e s sa n ds 懂t a b l ef o r 饿e a p p l i c 砒i o nu n d e rt h et e m p e r a n l r ed r i f c m e a n w m l e ，s i m u l a t i o nv i ac o m p u t e rc a i l s u p p o r tt h em a n u f a c 姒eo fg a i ne q u 越i z e r a l s oi th e i p s 幻f e d u c et h ec o s t 韪n d d c v e l o p i n gt i m e k e y w o r d s ：h p d l c ，g r a t i 芏l 岛e d f a ，d y n a m i cg a 面e q u a l i z a t i o n 2 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我在导师的指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论 文不包含其他个人已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做 出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并表示谢意。 作者签名：母鱼型擎 日期： 学位论文授权使用声明 a 一6 岁。上， 本人完全了解华东师范大学有关保留、使用学位论文的规定， 学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的 电子版和纸质版。有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允 许论文进入学校图书馆被查阅有权将学位论文的内容编入有关数 据库进行检索。有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学 位论文在解密后适用本规定。 学位论文作者签名：1 忻臃辉导师签名：意毽劾 日期：丝! 2 日期：坦。五兰f 华东师范大学硕士学位论文第一章g l 言 第一章弓l 言 1 1 光纤通信系统中对掺铒光纤放大器增益进行均衡的重要性 光纤通信足以光作为信息载体，以光纤作为传输媒介的通信方式。光纤通 髅技术怒近3 0 年 恿猛发矮起来的嵩新搔拳，绘毽乔遴信技术乃至国民经济、国 防睾业和人民生活繁来了巨大变革。光绎通信主要是指剥用激光作为馈息的载 波信号并通道光导纤维来传递僚怠的通信系统。它的主要优点如下；光波频率 缀褰，巍纤镄埝频繁缀宽，蘸传输器羹撮大，疆论上可逯上亿f j 话爨茂上万套 彀褫，可进行霉像、数爨、传粪、羧爨、舞印镰多静、监务：不受逛磁手撬，爨 密性好，可利用高压电缆架空敷设，用于国防、铁路、艟爆等；耐高温、高 压，抗满蚀，不受潮，工作十分可靠；光纤材莘耳来源丰富，可节约大爨有甑金 属，显豢径小、重燮轻、霹绕瞧好。 由于光纤通信技术有蓿如此多的优点，它在问世后短短几十年有了快逋的 笈震。赣萁发展阶段来说，光纤通信的浚展主漂可分为圈代。第一代光纤遄信 的工 乍波长为x 。= 8 5 0 n l l l ，健输光终是多模光纾。光源使鼹铝磅半簿体激光 器。第二代光纤通信的工作波长为 。= 1 3 0 0 n m ，传输仍然用多模光纤。该波段 耩予长波段，是石荚静第二个低损窝口，有较低豹功率损耗和液长色敬。榴应 鼹光源楚长波长半嚣体激必器，光电探测器采麓镱毒孝糕。1 9 8 4 年寰瑗了波长为 1 产1 3 0 0 n m 尊模光通信系统。这是第三代光纾通信。单模光野较多模光纤佼教 低豹多，损耗瞧更小。这筏光纤通绩广泛的霜予长途干线翱跨嚣通信中。第醋 代毙纾逶蘑怒实瑰了天。一i 5 5 0 n 瓣肇搂必绎逶信。i 5 5 e n 瓣是石英党纤瓣低攒 糕、低色散窗口，利用此波段单模光纤，增加了无中继传输距离和传输容量。 由于光通信线路中光信号的损耗，远程传输光信号必须使用中继放大。传 绫瓣光终暹售系绞浆曩光一退必孛继方式，毙绎放大嚣叁l 鼹1 年发明戳蘑毅其 自身的优点有了长熙发展大有取代电信号放大的趋势。常用光纤放大器有半导 傣激光散大器、r a 瑚a n 放大器、掺褥的光纤放大器( e r b i u md o p e df i b e r a m p l i f i e r ，e d f a ) 。其中e d f a 髓壹按对必绎邋萤用波长l s 5 0 n 越左右熬光偿号 进行放大而成为主流。从此光纾通信可采用光一光一光为全光中继的方式，獒感 义可与警年雳晶体管代替穗子管相撬并论。 逐年来，密集波分菱躅固e n s e 霉8 v e l e n g t hp i v i s i o n 魄l t i p l e x e d ，0 谨转国 累统的大薰投入使用，使得对光纡通信的要求不叛增赢。除了要求有足够离魄 增蕴外，还要求有足够的增益带宽。而隧着高速率d w d m 通信的发展，e d f a 性 华东师范大学硕士学位论文第一章引言 能的某些缺陷如：增益谱不均匀性( 不同的波长处增益不同) 和噪声特性对系 统的影响也愈加明显地暴露出来。由于e d f a 的增益不平坦现象，特别是在多个 e d f a 级联时，某些波长光的增益将明显小于另一些波长的光增益，从而使这些 波长的光信道产生很大的误码，以至于信道的信噪比恶化甚至导致信号的失 真，这样势必影响d w d m 系统的传输距离，因此很有必要对e d f a 的增益谱进行 平坦。常用的e d f a 的增益谱如图卜1 所示。其增益带宽约3 0n 1 i l ，但由于铒离 子精细能级的影响，在c 波段典型的e d f a 增益谱在1 5 3 0 n m 处有一个峰值，此 外 w m i e n g t h ，n m 图l 一1 一条典型的e d f a 增益谱线 f i g 1 1 t y p i c a lg a i ns p e c t r u o fe d f e d f a 的增益谱不平坦是光通信系统中必须解决的技术问题，当e d f a 增益平 坦度( 增益最大值与增益最小值之差) 大于通信系统可以接受的值1 d b 时，经过 多个e d f a 级联放大后增益不平坦会导致不同波长的各个信道的增益偏差累积， 以至于低电平信道信号信噪比恶化，高电平信道信号也因光纤非线性效应而使 信号特性恶化。基于上述原因，如何对e d f a 增益谱线进行平坦化是光通信中的 一个重要的研究课题。 本课题提出了利用聚合物分散液晶全息( h p d l c ) 光栅在红外波段的电光特 性，对掺饵光纤放大器增益进行平坦化的方法，利用h p d l c 光栅的透射谱的电 压可调特性可实现动态增益均衡。并在红外通信c 波段下对h p d l c 光栅的特性 进行研究，证明了该方法的可行性。最后设计了基于聚合物分散液晶的动态可 调增益均衡器。h p d l c 材料对1 5 5 0 衄波段的光吸收和散射较少。该方法容易实 现、灵活性好、成本低，可对任意的掺饵光纤放大器的增益谱线进行平坦。 1 2 国内外e d f a 增益均衡的研究概况 国际上于上世纪9 0 年代就开始研究e d f a 的平坦化。目前来说，国内外普 遍研究的增益均衡器属于静态增益均衡，据目前国外文献报道静态增益均衡器 华东师范大学硬士学位论文第一章翠l 言 主要采用以下几种增靛平坦的方法： ( 1 )一静怒改交掺饵光纤囊身的孝才料组成n 3 ：例如e d 融粒子数强烈反转法 o ，e d f a 优化设计，增益钳制，本： 芷平坦，优化掺镡光纤长度等。 ( 2 ) 滤波法：铡翔光缉滤波嚣【。j 、陷波滤波嚣潮、光纤b r a g g 光栅”、长周麓光 栅“、光纤声光可调滤波器”、m a c h z e h n d e r 滤波器嘲等。 3 ) 衰减法瞎j ：爰衰减法实嚣增益均衡鹃原毽蹙瑶解蔑用器凳各渡长倍号分开， 分别对不同波长的信号进行不同的衰减，实现增益均衡。 4 ) 灞益互脊注n “：鞭理是熬掺杂不阖懿增簸互於鹃两莰掺饵光纤涟接超采， 不但能实现增益均衡，而且能做到不影响放大器的工作效率。 ( 国爱馕法“：爰镄法是弓| 入受反镶将藕窦功率反镶裂输入灞遗幸亍羧铡。 ( 6 ) 特种光纤放大器 12 ：用特殊光纤制作的放大器，英增益特性平坦，从而使整 个d 鞋凝光纾遴售系绫褥疆篱纯，有缀妊戆逶癍瞧，戏爻发爨豹趋势。 静态增栽滤波器邋不能满足d w d m 系统的基本要求，因此许多研究人员致力 予碜窥动态壤夔垮鸳滤波器( d y n 勰i eg a i ne u a l i z e rf i l t e r ) 寒褥裂更为灵 活的幼态e d f a 的设计。最常见的是采用无源滤波器，但它只能实现特定的输人 条传下的增懿乎超亿，不能逑应竣人条终发生豹变他，恧羹诖大量翳光功攀撰 失在液减器中，动惑范围非常有限，不适用于如前所述的w d m 系统变化的要 求。霆兹应耀较广的是有溅滤波器，这类滤波器纛：繁蠢热光波导阵列懿 m a c h z e h n d e r 滤滤器、全光纤声光w 调滤波器、利用高双折射光纤环镜动态槽 益平煺、基于声光调话4 器积勰复用器鲍增盏均衡器、滚晶反射光撂技术、镦瓣 m e m s 技术、电控开头布拉格光栅。 豳际上程商源滤波器的研究中，k y oi ，铸人用麟8 0 h z e h n d e r 滤波器在e b a n d 内得弱o 4 d b 酌增益平坦度；a s h i s hmv 等人用光纤滤波器在c _ b a n d 内 得到士0 3 d b 的增益平坦度：y a i l l a d am 等人n 3 1 利用特种光终放大器在c - b a n d 内获得了o 1 d b 的平瞧增益。 国内研究e d f a 增益平越的主要有：武汉邮科院、南开大学、北方交邋大 学、天津大学和上海大学等。国内桶关开发最早的怒武汉都科院，举在上落纪 8 0 年代末期就开始了相关的研究，缀过长期的积累，他们开发的液晶可变光衰 减器酷经成功应焉爨生产中了；南歼大学豹藿孝义等入主要剩震长周期光纾光 栅“ ( c 波段内达到0 5 d b ) 、对e d f a 逃行优化设计“朝( c 波段内达到 0 3 3 躔) 窝淹纾舔镜( c 波段内这到o 。i 裙) 对琶d 雅增益进行平超；的简 水生等人主螫利用长周期光纤光栅“7 1 ( c 波段内达到0 3 d b ) 和优化掺铒光纤 长发8 】来对嚣转融蹭蕊遵行乎缝；天滓大学豹李藿魏等人主簧稳磊光格鍪f 妒铂 ( c 波段内达到o 4 d b ) 、长周期光纤光栅 2 ( c 波段内达到o 5 d b ) 和单模 华东师范大学硼士学位论文第一章引言 光纤( g 波段内达到0 8 d b ) 寒瓣e p f a 增益谶行平坦；上漆大学的抟魏俭 等入主要潮用饶纯设计( e 波段蠢遮戮l d b ) 、肇个光纾光栅( l 波段内返到 o 5 d b ) 和念光增益箝位( c 波段内达刹1 d b ) 的方法来对e d f a 增益进行平燧。 此夕 清华大学刘小明、张岩滨等人利用本征平坦强1 5 6 9 1 6 0 2 n m 范国内达到 0 5 携【2 2 】；中由大学懿鬻愚三、罗聪簿入爨证设诗秘融在c 波段内这至ll 稿( 2 “， 华东师范大学的b 令兵和蔡继光等人利用耦合器理论模拟在c 波段内可得 o 4 5 d b 的增益不平坦度”“。 l 。3 隧蠹拜器蛰毛e 光撵鳇磷究概况 文献中记录聚合物分散液晶材料的研究已经商几十年的历史了。1 9 8 1 年， f e r g a s o n 在专利应用中嫣示了聚合物分散液晶( p o l y m e rd i s p e r s e dl i u i d c r y s t a l ，p l e ) 系统的薪颓静奄光特性。1 9 8 冬阮a n e 等人缀道了有稽分离 方法制作电可控的p d l c 膜。1 9 9 5 年由p a u ls d r z a i c 撰写，世界科学出版公 司出版了第一部关于p d l c 材料的专藩“l i q u i dc r y s t a ld i 8 p e r s i o n s ”，成为 p 瑟k 静瓣疆究鹃经典。 上世纸九十年代中期国际上就展开了对全怠聚合物分散液晶光栅的深入研 究。h p d l c 光栅有多种制作方法，如刻蚀法、光掩膜法、光刻法、光固化相分 离法和全感法口髓等。 全惠方法制作鞠p b l c 光撵是隧罄聚合物分散液晶材料科学豹发震丽产黛鹃 新兴方法。国际上在该领域的研究中比较著名的有：美国科学应用国际公司 ( s c i e n c ea p p l i c a t i o n si n t e r n a t i o n a lc o r p o r a 七i o n ) 的s u t h e r l a n drl 、 娩t 鑫r 8 j 黼l ￥窝羊黼d i g l i a ￥p 等太，美强空军实验室( 矗i rf o r e e l a b o r a t o r y ) 的t j b u n n i n g ，著名的光学公司d i g i l e n s 的s m i t hr 、d o m a s h lh 和a s h m o a da ，以及德国、日本、波兰等多个世界著名的研究室都在开展对 h p d l c 光壤b 自e 壅l 用研字。s u t h e r l a n drl 、n a t a r a j a nlv 孝t a n d i g l i avp 等 入主要磷究h p d l e 光褥煞衍射特栏鞠电控特经，并用激光全惑的方法翻佟5 0 到8 0 的h p d l c 光栅和1 1 v um 的调控电场2 “，弗用p d l c 材料制作l o o ：1 的 调焦范围和1 0 5 0us 的反应时间的w 调光学镜头；d o m a s hl 等实现5 0ns 戆党牙关释i 0 溅辑袈效率戆毙援【2 8 】；a s 弧e 崧矗等久磅竞嚣黪强毫控调节蕊强 达到3 5 d b ，散射损耗小于i o 【2 “。 国内研究人员采用光掩膜法和光固化相分离法用紫外光曝光制作光栅，研 究滚最含爨对光撵衍麓效率的影响、光掇靛电控戆瞧帮牙关魄，并提出克服镶 振损耗的方法强叫；庄松林等人主要从事p d l c 材料配方及其将性、全息法剃作 h p d l c 光栅、h p d l c 光栅的衍射效率影响因素、光开关和h p d l c 光栅应用的研 4 肇寒 | | l 蕺大学礤士举茬论文 第一章g l 害 究，饿们报道了用折射率调制度为o 。0 1 7 的p d 院材料剑终了厚度1 0 # m 光橱 周期1 4 3 0 n m 衍射效率9 0 光栅以及动态藏固7 d b 驱动电压在5 v pm l ov ”m 的电控光栅m 】，并在红外光下对h p d i 滋行了研究3 ”。 1 4 本论文的研究内容及意义 黧然对 l p d l c 光裰豹研究檄多，值主要怒针对p d k 材晕耳的配方的研究及箕 光开关特燃，对于h p d 糙鬻射期透射特性熬研突瞧主要奁可冤光波段，嚣p d 臻 搬栅农e d f a 动态增益均衡方蘧的碰用也很少骞人涉及。对于e d f a 动态蠼蕊坞 徽来说，现在可用手段存在一定缺陷，尤其是对滠度 b 偿方面较为不足，弼本 论文研究的基于h p d l e 的e d f a 动态增益均鬻嚣能较好的解决这个闯题。 l 。本论文的研究海容 本论文的研究内容主要包括：制备合适的h p d l c 光栅，研究其在6 3 2 8 n ：i l l w 见光下与在1 5 5 0 n m 红外通信c 波段下的衍射、透射、反射、散射和吸收特 靛；举j 用矫翻旗场对聚合秘分散液晶金惑光栅的电控衍射和透射谱及英特散的 鹾究，惫搀浆射效率、瞧垂、调控穗圈、驱韵龟蓬频率等电控特性静磷究；动 态增鼗控制系统敕设计期制作，包撼渥度擐测邦分、半导体冷却t 部分、微 控制嚣m c u 应用和控制系统。 2 。本论文酶研究意义 光通髂领域的发展是指数磺长，专家预测增益均衡器方藤有缀大的鼹求 额。藻于h p d l c 光栅酌可调增靛均衡器是一个新颖麴方案，有自主的知识产 权，控制方法简单，成本低、体积小、响应时间短、低功耗和平坦效巢较好。 新以辩p d 兔稀有广阔盼市场和广泛的应用前景：它可用于动态增益均衡器、 搿调巍衰减器、替髅器、光汗关耱波长逡择器等。对 船l c 光播的研究有瀚予 熔其翠曩投入生产，为光遥瀑矮域掇摸凳好憝控毒嚣 拳。 s 兰壅塑垫奎兰堡主兰垒堡茎 一 篁三里塑茎塑堡垒塑窭矍i 鲨 第二章相关的理论和实验基础 2 1 掺铒光纤放大器理论基础 e d f a 是光通信中重要的器件之一。典型的e d f a 的基本结构如图2 1 所示。 它是由掺铒光纤、泵浦源和波分复用器组成。其中掺饵光纤提供放大，泵浦源 囤2 一l 曲p a 的基本结构 f i g2 lt h es t r u c t u r eo fe n f a 掺铒光纤是e d f a 的核心，铒离子的外层电子的能级结构m ：如图2 2 所示 4 g 1 _ 2 2 h 1 i 2 4 s 9 2 q f 鹦，2 4 弓2 4 h 1 2 i 】3 2 4 b 耽 图22 铒离子的能级 f i g 2 2 t h ee n e r g e t i cl e v e lo fe ，3 + 当用高能量的泵浦激光器来激励掺铒光纤时，可以使铒离子( e ”) 的 束缚电子从基态能级e 1 大量激发到高能级b 上，如图2 3 所示? 高能级是 不稳定的，因而铒离子很快会经历无辐射衰减褪跃入亚稳态能级岛，受激 不稳定的，因而铒离子很快会经历无辐射衰减褪跃入亚稳态能级岛，受激 华东耀藏夫学疆学霞论交 第二章稠关豹蠖谗秘实验基础 电予将发出光谱范围很宽的荧光带。当浆漏光足够强时，可以使能级e 。和 民间形成粒子数的反转分布，此时如果入射信号光的波长恰好落在该荧光带 上，晨泵清与信号光同时通过该掺铒光终，荧光带能量会转移到信号光 上，鞠痿号竞可羧逶遮受激骧袈；童疆麸燕子系统获取戆量，获瑟不鼗瓒强 两虢得放大信号。 圈z 一3 铒离子中裁缀砖光瓣糖互圣 用 & g ，2 3 强ei 矬t e r 托t i 。nb e t e e bt h ee n e r g e t i el e v e lo f 黼d 鼙+ li 曲t 详细的能级跃迁如图2 4 所示。放大过程中除1 5 2 0 1 5 7 0 n m 的光被放 大外，亚稳态的粒予也念以自发辐射的方式跃迁到基态，所产生的光子也 会被放大，形成噪声。隧潜半导体技术的发展，9 8 0 n l n 激光器的输出功率和 使朋寿命不断提高，越米越多的厂家均选辑9 8 0 n m 作为泵清波长。 b l l 1 l ，n 豳2 4 铒离子能级间的跃迁 f 主g 。2 q t h et r 8 n s i t i o no fe n e r g e t i cl e v e l 主n 鹭针 当竞傣号遴蓬e 转融辩藏会产生放大，藏大倍数菇： 一( 且) = 气，似) 圪 ( 2 一1 ) 式中：p ；。为输入的光信号功率；匕，( a ) 为输出的光信号功率：一( 五) 为放大倍 数。其中只。( 五) ，4 ( ) 是波长入的函数。习惯上放大倍数表示为增菔的形式： g ( 五) = l o l g 【0 ( 五) 】( 2 2 ) 华东师范大学硕士学位论文第二章相关的理论和实验基础 g ( a ) 也是波长九的函数，以后所提到的e d f a 的增益谱就是指它。 2 2h p d l c 光栅的形成机理及相关理论 制备h p d l c 光栅的主要制作过程都要包括：全息光路的设计和搭建，p d l c 材料的配制，i t 0 导电液晶盒的制作，和最后的曝光相分离四大步骤，最终制 得的是夹在i t o 导电玻璃中的h p d l c 光栅盒。由于p d l c 配方对于光十分敏感， 相分离过程对于温度也十分敏感，因此整个h p d l c 光栅的制备过程需要在恒温 的暗室中进行操作，而制作完毕的样品也需要避光保存。 2 2 1h p d l c 光栅盒的结构 h p d l c 材料被两层导电玻璃夹在中间形成一个三明治结构，h p d l c 光栅盒的 结构如图2 5 所示：光栅上下两个外层是镀有氧化铟锡( i t 0 ) 导电膜的长方形 光学玻璃，玻璃厚2 衄、长1 8 硼、宽1 0 m m ；i t 0 导电膜用于外加电场时焊电 极，膜厚约几十纳米；中间一层是p d l c 材料，厚度在1 0 u m 1 0 0 u m 之间，可 根据需要由t e f l o n 材料隔离物的厚度来控制，p d l c 材料的组成可由实验需要 来配制，其中的白色微滴是液晶；液晶尺寸在一般在5 0 n m 左右数量级，聚合物 的尺寸在1 0 0 2 0 0 n m 之间，总的光栅厚度在5 胁6 m m 之间。 f h 自d 7 图2 5 肝d l c 光栅的结构 f i g 2 5t h es t r u c t u r eo ft h eh p d l cg r a t i n g 2 2 2p d l c 材料的组成 材料组成的选择直接决定了h p d l c 光栅的光学特性。一般的预聚物溶液是 由液晶、多功能单体、光敏剂、协同引发剂、交联剂和表面活性剂等组成。选 择合适的配方是实验成功的关键。 1 、液晶 液晶决定h p d l c 的电光特性和衍射特性，因此选择合适的液晶是非常重要 的。目前几乎所有的有关h p d l c 的文献都报道都使用正的介电各向异性的向列 液晶材料。大的幽和s 可以产生较高的衍射效率和较低的关门电场，因此液 华求师范大学硕士学位论文第二章相关的理论和实验基础 晶的选择主要是看h 和占这两个参数。另外液晶的寻常折射率和聚台物的折 射率相匹配也是很重要的。 在蠢囊滚磊糖精中霄两类篦较獒垄浆孝窟精焉子瓣鞠臻俸系中：一炎是德国 m e r k 公司的e 7 ( 1 4 7 9 0 和1 6 6 3 6 ) 和b l 型材料，它们是由氰化联苯和箭香族同 系物混合丽成，野在0 。2 l 到o 。2 8 之阈，g 在1 3 到1 8 之阀，这类波器材料 酌伉点是它们与丙烯酸基单体和n o r l a n d 孳体有很好的兼容性。 另一类液晶材料是t l 系列混合物，它们是由有机高分子的氯和氟的取代物 港食蔼残熬，琵系列滚鑫赫赫豹显著撬蠢是吴毒缀强嚣巧壤稳定鞋、缓褰戆龟 阻系数、较低的关门电场和很商的电压可控性。 2 、聚合物精体 要褥囊鬻静衍蔚散率，在液晶层中藏凝求赢滚瘦小尺寸滟徽滴。w 酸通过 快速冻结单体的方法来形成尺寸非常小的微滴，多功能单体快速冻结只需要几 秒镑并因露转睫位提分离扶两形成亚微米羹级魏徽瀵。噩裁蠢鼹类比较蹙型戆 单体用于h l c 材料中：一种怒基于自馥j 基加聚反应而生成豹；另一种是自由 基的化台和机体的逐步衍生而生成的。 3 、毙襞裁 光敏剂的作用是吸收光能并转化为一种有用形式从而引起粘合剂聚合成硬 的固态物质皓“，它能够吸收光辐射，提供聚合物发生聚合反焱所嚣的熊量从而 键进光聚合及应鹃发缴，并生成初级反应物。光敏剂的光谱特性决定选用何种 波长的激光器。多数光敏剂的吸收带都在可见光波段，而近期有研究有使用近 红步 激光进行聚合兹实验曙“。 4 、交联剂 一般在制作p d l c 时都加入少量的交联剂n 一乙烯基毗咯烷酮( n v i n y l p y r r o l i d i n o n e ，鬻诤) ，它的雩箬溺是程逶务个不同静糖料裾互溶解形成均匀静溶 液。生成的微滴的尺寸会随n v p 的含量增加而减小，这对制作高频率的光栅的 缀骞到的o “，并虽糍降低徽滂瓣向冥蠼，扶嚣撼褰锈射效豢。这是因为n v p 与氧原子有很强的亲和力，能提高氧原予活性，从而提高固化率。 5 、协同引发剂 漭嚣弓 缎裁x 一笨蒸莒氨酸爨一魏e n y l g l y c i n e ，k 瞄霹班穗迸毫孑转移，疑 而加快聚合反应的速度，增加弹性驱动力。在n p g 含量较少甘寸相分离过程产生 的液晶微滂接近于球形，随蓑禽量的增大微滚乡 形有从球形到椭圆鲍变化趋 势，并逐渐投长。增加n p g 害羹可以缩愆曝光时间，提高光栅的衍射效率和电 控性能。有研究发现，在n p g 含量较低时所制作的光栅样品襁光栅平筒方向多 楚产生裂痰，搜走糖黪光学髅矮受蜀缀大影瞧。 9 华东辫藏夭学壤士学位论文第二章相美静蓬论煮实驻基磕 6 、表厕活性剂 通过添加表面活性剂如长链烃基脂肪酸可以降低关门电场，改善光栅的光 学性震。常用的表厦活性荆怒辛酸 3 8 ，它可以降低聚合物表匿向列微法表面的 稳定戆势疆亵萁毫导奉，簸嚣孬囊嚣予降羝关门激场。 7 、实狳中使用材料静配穷 在嶷验中常用的配方怒p 。l y m e r ：l i q u i d = l ：1 ，光敏剂、协同引发剂、交联 剂和袭谳活性剂各占0 5 。浆合物用p 1 ( 折射率为1 4 7 0 9 ) ；液晶选用清华 大学的t l 0 2 3 ( n o 为1 5 2 4 ，n 。为1 7 1 3 6 ，清舞点6 0 ) ；光敏刹用盂加拉红 ( r 珐) ；诲同零l 菱裁弱辩p g ；交联裁曩k ￥p ；袭露活性赛l 爱辛酸。遴遵聚合穆诱 导稳分离( p 0 1 y m e r i z a t i o nl n 血e ep h a s es e p a r a t i o n ，p i p s ) 的方法来裁作 p d l c ，本实验中使用的配方为p 1 ：t l 0 2 3 ：r b ：n p g ：n v p = 1 0 0 ：1 0 0 ；1 ：1 ：1 2 2 3p d l c 材料的折射率 l 、波爨懿双螽鼓特瞧 液黼是处于液态帮阖淼中间的一种独立的物质形态。大部分液晶是光学各 向异性，以向列单轴性液晶为例，其折射率椭球如图2 6 所示，单色光沿光轴 进入液晶后一般分解为寻常光( o 光) 和非常光( e 光) ，它们折射率分别为n 。 和n 。 一n o 图2 6 液晶的折射率椭球 f i g 2 6t h er e f r a c t i v e i n d e xe 1 1 i p s eo fl c 当商一光束以图示的位鼹入射时，若偏搬方向垂直于入射筒，无论入射角 e 怎么交化，有效折射率始终隽珏。当入射光的绱振方囱平弦予入射蠹时，滚 鑫嘉效掇翦率n 。与入嚣翅9 之淘戆关系茺嘲 铲而蠢慧丽 2 、p d l c 材料的折射率分析 i o ( 2 3 ) 单衷师范大学颈士举位论文第二章相关的理论和实验基础 聚合物基体吸收了滚最则它的辑慰率就会改变，对予理想憋p d 比传系，基 质的攒射率可以表示热下4 “： 黜= 么( 号辨。+ 吉拜。) + ( 1 一么) 雅p ( 2 4 ) 式中：n 。怒液晶的寻常折射率；n 。是液晶的非常折射率；n 。是聚台物的折射 率；a 蹙相分离之前液晶能够溺解于聚合物的最大质量比( 2 0 2 5 之间) 。 在相分离笈生，形成光褥搿，光栅的有效折射率可表示为： 玎= 咒p 十，( 一珂p ) ( 2 5 ) 式中： 是液晶的有效折射率；f 是相分离液晶微漉占液晶条总体积的匿分 比。n 在光栅条纹的垂直方向变化，则光栅的折射率调制两数可近似表示为： h ( 2 ) = 潭+ a c o s ( = # ) ( 2 6 ) 、 式串：万是基羧平均撰鑫孛率；a 是光橙阖麓：矗n 是折射率谲稍浚嘲1 ； 醣：坚型堕( 一h 。) ( 2 7 ) 耳 式中a 是每个光栅周期中液晶微滴条占的体积比。聚合物的折射率n 。随温度升 高而线性减小，液晶寻常折射率n 。随温度升高而非线性增加，非常折射率随温 度升高而非线性减小。 2 。2 。4 光栅的实验制作及形成桃理 制作h p d l c 光栅采用了体全息光路。光路如图2 7 所示。实骢时先将p d l c 材料加热聋清亮点，充分搅拌使之均匀混食，再夹在镀有i t o 导电膜的玻璃片 之间，用t e f l o n 薄膜控制p d l c 膜层厚度，将制作完成的p d l c 液晶盒爱于体全 息干涉光路曝光。 m 圈 p d 圈 图2 7 职d l c 光援蛇剃作光路圈 f 主豇2 一? e x p e r i e 牲ts e t u pf o rf 曲r i e a t i n gt h e 船d l cv 。l u m eg r a t 童n g 华寒搏耗大学羞囊学位谵文第二章鞠荧黪耀论离实验基硝 圈中：l a s e rb e a i i l 为氟离子激光束( 4 8 8 n 】n ) ；m 为反射镜；b s 为分光棱 镜：p 为空间滤波器；f 为猴赢透镜：g 为图2 5 所示的p d l c 液晶盒样品：p d 为探测嚣。这样就可以形成丁两束光强相等、光程差为零熊氩离予激光平面 渡。曝光露滚鑫盒表瑟法线霹与嚣素激蹩茨等分线残不翼熬受凌，一般在3 。 3 0 。之阉，具体可由实验鞲的确定。实验中，每柬激光豹强度约为6 黼c 矛( 光 功率约为5 0 m w ，扩束前约为1 5 0m w c m 2 ) ，曝光时间由p d l c 配方比例的而 定，通常在3 0 秒到5 分钟之间，可以在曝光的同时观察p d l c 的变化情况，并 随时挡健一束光，让另一束光通过，观看衍射现象是否明显，以此来判断最佳 豹骥光嚣雩润。在塞现袋瓣袈象嚣，挡往其中一絮激毙，同霹霸照艘诗溅量惩麓 巍帮透射光的光强，由魏计箨此时静锈射效率。在光捺形成后，可将交流电加 于i t o 爵电膜上，观察衍射光和透射光的变化，掌握h p d l c 光栅的电控特性。 在用以上方法制作h p d l c 光栅过程中，当两柬相干激光同时照射到样品盒 时，会产生明暗相间的激光干涉条纹，光栅怒狂干涉区域内通过光束引发的光 纯学发疯形成的。于涉祭纹萼l 发聚会物液晶体系发生聚台反应积籀分离过程。 在于涉舞条绞区域，混合秘中豹滚鑫分子交予吸收能量蔼谴其纯学势增热，预 聚物单体发生交联反应形成固体层，化学势减小。在干涉暗条纹处，单体、液晶 分子的化学势均不变。根据能量平衡原理，颓聚物单体、液晶分予将各自向化 学势低的区域漂移。单体分予向亮条纹区域漾移，液晶分子向噱条纹区域漂 移。冀结果是混含物发生栩分离，在于涉亮袈绞处形成富聚会物桷，著斧有少 量嚣滚菇徽瀛分散在聚会秘中；在于渗睦条绞楚形残富液鑫稳，这部分液晶懿 较大微滴形态存在。这种楣分离不断进行，激终形成液晶微滴条纹与聚合物分 子条纹交替存在。在电予腿微镜下观察，排列有序的液晶微滴祭纹尺寸比传统 p d l c 中的液晶微滴尺寸更小，一般在5 0 n m 左右数量级，聚合物的尺寸在1 0 0 2 0 0 n m 之阀，如图2 8 魇零。由于液晶微滚的窍效折射率与聚含物藻质折射率 不圈，颡菇形或了爨袈率豹瘸蘩缝努毒，这耱臻鬏毪势毒霞影黢了 p 鸯嚣光 栅。光栅的周期可在l o o l o o o o n m 之间变化，可由曝光参数来控制。 图2 8 肿d l c 光栅的微观结构 f i g 2 8m i c r o s t r u c t u r eo ft h e 职d l eg r a t i n g 1 2 华东师范大学硕士学位论文第二章栩装的理论和实验蕊础 在鼹p i p s 方法制甾的传统p d 体系中，囱列波晶以微激尺寸滚漆懿形式 均匀分散农阉态有祝聚台物基体肉，翔罄2 9 所涿，在不热嘏鹾时，每一个小 液滴的光轴呈择优取向，而所有微孝嶷的光轴呈无序取向状态。由于液晶是强的 光学和介电备向异性的材料，其有效折射率与基体的折射率相麓较大，入辩光 线哥被强熬敬慕嚣呈不逶褒或半透碉嚣自态；戆麓癸毫场这至l 或超过凌蹙辩， 向列液晶分子光轴方向统一沿电场方向，液晶微粒的寻常折射率与基体的折射 率达到一定程度的匹配，光线可透过藻体而呈透明或半透明态。除去外电场， 液晶微粒褒基傣弹性能的俸用下又恢炭到最初的散麓状态，这旗是p d l c 材辩具 有的电控光开关特性的枫理。困诧当在i t o 导电膜上加电压时，液晶徽滴的指 向矢方向邂渐统一沿电场方向，液晶微滴的有效折射率逐渐与周围聚合物条纹 的折射率棚匹配，随着电场不断增大弗超过阈值，衍射光逐渐减弱，透射逐渐 溪强，热祭n 。- n 。，甏凌舞毫场下，p 国孛静液熬殪囊矢绞戮毫场方囱，翔 液晶有效折射率n 。= n 。衍射不复存在，入射光躐接穿透，p d l c 完全透明 i ：4 ；0 _ f 。 图2 9 电场对p n l c 的控制 f i 9 2 9e l e c t r i c a l c o n t r 0 1s w i t c hi np d l g 2 。2 ，5 粉羚l e 光撵酶磐藉效率懿诗算 体全息光栅的衍射可以用耦合波理论对h p d l c 光栅的衍射进行理论m 3 分 析。按图2 一? 的全息光路图制作光栅，实验中的光束如图2 一l o 所示。其中； l 、2 分割怒嚣令零受襟差静竞素；n 为壳掇表嚣法羯；n 1 惫这两个光束静角平 分线方向；o 为n 和n 1 的夹角；g 2 为两光束和n 1 的夹角；b ，和b 。分别遐光 束1 、2 在p d l c 介质中的折射角；b 为光栅条纹和光栅法向的夹角；n 是光栅 霞多 环撬戆辑裁率；菇p 娶l e 的孚垮瓠瓣率。这熬参数之闽关系懿下： 届= a i c s i n ( s i n ( g ，2 + 统) 撑，纷o ) 岛茹a r c s i n ( s i n ( g ，2 一馥) 雄聍o ) = ( 卢2 一崩) 2 ( 2 8 ) 则光栅周期以为：a = 五犯起s i ( 屈+ 艘) ，2 ) ) ( 2 9 ) 华东师范大学硕士学位论文 第= 章相关的理论和实验揍砒 图2 一1 0 光荣的相互作用图 g 2 一l ot h er e a c t i o no f t h eb e a m 稷据耧台波理论，当蠢一象懋入瓣j 舞意缛数光撵时，竞援静尼傍挨燮露浚 示翅鹜2 一n 囊示，鎏孛：嚣秀毙疆条绞瓣法线擎整矢量；g 羹竞撵戆浮度；z 瓷 巍撵周翔；忽为糖射方向酌单位必爨；龟舞入射光方商豹单位矢量；参辅为与 体光栅表露垂直的方向，扶f 鞍逆时钟转动得到的角度值为正，顺时针转动樗 到的角度值为负；口为胃与f 轴的爽角；口，为t 与；轴的夹角；口。为颤与g 轴的夹角。 在计算中，口的取值范围为：鲁s 拶墨石 符 蟛爹、 f 笏 k 每 图2 一1 1 体光栅的几何模型 f i g 2 一1 1t h eg e o m e t r i c a lm o d e lo ft h ev o l u m eh 0 1 0 9 r a p h i cg r a t i n g 根据对厚体光栅的耦合波理论，设 。足以角度e 。入射时的b r a g g 波长，则 它与光栅周期a 和光栅条纹法向间满熙如下关系； 去一等c o s p 却 浯 蒺中，n 。燕竞穗豹乎稳舞袈率；8 一+ n 2 。蓑嫠定e 蠢e 。，鼙对予蘩一憋 是的薅光壤，绘定e ，可氧道慰藏鹣8 r a g g 衍鸯雩躬方向8 b 掘g g ) 为： 婊f 慨) = 船一万一鬈 1 4 ( 2 1 1 ) 华东师范大学硕士学位论文第二章相关的理论和实验基础 魏祭e ；( & a g 曲 捏，嗣按反射媾况进行诗 黪。对任意波长嚣巍，荬辑鼓囊e 。；与波长天阗必须潢是关系： 蜘肾嫩铭+ 去蜘考 渚1 2 ) 蚓n 巳一莩c 。s ( 口一巳) s 证口 所以，在透射情况下 馥。= s ；n 。 s ；n 郇一等c 。s c 目一巳，s t n 臼 c z 一- 。， 为麓他必撵效率熬表示形式，在计算公式中葶| 入皴下三个中闻量。 ( 一) y ：! 竺竖垦壁( 2 - 1 4 ) 影c o s s 吃 e = ，蟛= 竿 c 。s 一c 。s 艮一警c o s c 护一砟徊s 叮 治t s ， ( 三) 芒2 ：堂笙 ( 2 一1 6 ) 热中，。是入射光电场矢量的偏振单位必黯，。是衍射光电场矢量的偏振单能 必嫩。加是光栅折射率的调制度。对h p d l c 体光栅来说，折射率调制度可以通 过偏藤来调节。角度量下标s x 指对该波长的衍射角度。 辩p 德攘昶s 镶叛壤况下，郄电场矢鏊蘩巍秘乎毒亍予入嚣瑟豹 擎况下： 露色= | ；，葚= c 。s 辑一馥) 如聚v2 o ，所 以，衍射效率t 1 可用一个表达式计算。 叩：掣 浯m 1 + 透射党的稳对强度为： 华