（光学专业论文）光折变多重体光栅写入方法及其应用研究.pdf

： 。 塑i ! 三兰叁塞塑圭兰堡竺圭 光折变多重体光栅写入方法及其应用研究宰 摘要 竞辑炎瓷耱美有薅积，j 、赣 睾筏鼙、荔攘除、霹戳实避楚毽、褥瓣效率麓、滠度穗 应小、可以避行窄带滤波镣优点，其在波分复用系统和光集成方筒有着潜在的艨用前景。 而光折变l i n b 0 3 ：f e 晶体具有良好的电光、声光以及非线性特性，且在现有的通信窗口 1 5 5 0 r i m 波长处尼乎没蠢党吸收，黠必的敏感性缀小，是光折交必搬应鼹于必遴售系统 的首选材料。本文主要从骥论上分褥了光掰变竞搬静形成机理帮多重光折变髂光栅的滤 波原理，并从实验上探讨了在l i n b 0 3 ：f e 晶体中写入光折变体相位光栅的方法及其在波 分解复用系统的应用。具体内容如下； 拭必爨变效瘟爨发滔述了竞掰变毙攘豹影藏狐瑾，浚毙辑囊簿走攘骛糕会滚瑾谂 为基础，讨论了光折变晶体中光折变光栅的衍射效率和波长选择饿等问题。遴两探讨了 体光栅的角度复用技术和多重体光栅写入过程中的曝光技术，用循环曝光法在 l o x l o x l o r a m 3 鲍块状鑫体中成功地写入了8 重锯射效率相近的光辑变体光栅。最后跌体 全息理论出发，结合帮控格条侔，讨论了多重髂金穗稻位褥的滤波原理。 从熨验上探讨了利用光辐照法糕l i n b 0 3 ：f e 晶体中写入帮个体光栅的最佳写入 条件。分别观察到了写入光束夹角不同时光栅的拉曼- 奈斯衍射和布拉格衍射现象，并 慰双光袈爽恁麓6 0 。霹篱入炎耱熬波长逸耩毪及餐袋效率与入射炎接摄态弱美聚送行毒专 论。 对透射体全息光栅在读出过程中的布拉格漂移现象进行了理论和实验分析，得出 在本实验条传下，当写入党强毖为l ：l 爨孪可以很好城抑制布拉格漂移现象的发生。 帚j 羯在l i n b o ，：f e 晶体串形成的体全惑竞褥伉楚翁波长弱角寝选择谯，实现了对 激光二极管输出波长的测量。通过对1 0 1 0 1 0 m m 3 块状l i n b 0 3 ：f e 晶体中用角度复用 技术写入的8 重体光栅的衍射特性分析，证实了光写入多重体光栅应用于波分复用系统 懿霹行缝。避嚣裂终了双渡长波分黪袈爱器分裂蜜凌了怼摇秘方彝入射熬6 3 5 n m 彝 6 5 0 h m 两采光、6 3 5 n m 釉6 3 2 8 n m 两柬光的有效分离。 关键词；光折变效应，波分复用，l i n b 0 3 ：f e 晶体。布拉格漂移，光折交多鬃体光概 洼波器 田家自揣科学基金( 项目鳊号6 0 0 7 7 0 1 8 ) 及西北鼻业太学研究生创业种子基金( 项目蝙号：7 _ 2 0 0 3 0 1 ) 9 1 ) 资助项目 l 西北工业大学硕士学位论文 t h e r e c o r d i n g m e t h o da n d a p p l i c a t i o n so fp h o t o r e f r a c t i v e m u l t i p l e v o l u m e g r a t i n g s a b s t r a c t p h o t o r e f r a c t i v eg r a t i n g sa r ep r o m i s i n gt ob ea p p l i e dt ow 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 ( w d m ) s y s t e m sa n de l e c t r o - o p t i ci n t e g r a t i o nd u et o t h ea d v a n t a g e so fs m a l ls i z e ，s i m p l e s t r u c t u r e ，e a s ye r a s i n g ，h i g hd i f f r a c t i o ne f f i c i e n c y , l o wt e m p e r a t u r es e n s i t i v i t y , n a r r o wb a n d f i l t e r i n g a n ds oo n i r o n - d o p e dp h o t o r e f r a c t i v el i t h i u m - n i o b a t ec r y s t a l s ( l i n b o h ：f e ) h a v e g o o de l e c t r o o p t i c ，a c o u s t i c o p t i c ，n o n l i n e a rc h a r a c t e r i z a t i o n s ，a n dh a r d l y1 i g h ta b s o r p t i o na n d p h o t o r e f r a c t i v es e n s i t i v i t yi nt h ew a v e l e n g t h a r o u n d15 5 0 n m ，w h i c hm a k e s t h e ma t t r a c t i v ef o r u s i n g a sp a s s i v eo p t i c a lc o m p o n e n t si nt e l e c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k s i nt h i sp a p e rw e p r e s e n t t h et h e o r yo f 也ef o r m 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 g s a n di t s f i l t e r i n gm e c h a n i s m a n d d i s c u s st h er e c o r d i n gm e t h o di nl i n b 0 3 ：f ec r y s t a la n di t s a p p l i c a t i o ni nd e m u l t i p l e x i n g s y s t e m t h e m a i nc o n t e n t sa r ef o l l o w i n g ： ( 1 ) t h ef o r m a t i o nm e c h a n i s m ，d i f f r a c t i o ne f f i c i e n e i e sa n dw a v e l e n g t hs e n s i t i v i t yo f t h e p h o t o r e f r a c t i v ev o l u m ef a t i n gi np h o t o r e f r a c t i v ec r y s t a l s a r et h e o r e t i c a l l ya n a l y z e d t h e a n g u l a rm u l t i p l e x i n gt e c h n o l o g yf o rp h o t o r e f r a c t i v eg r a t i n ga n de x p o s u r et e c h n o l o g yi nt h e f o r m a t i o no f p h o t o r e f r a c t i v em u l t i p l ev o l u m eg r a t i n g sa t ef t l r t h e rd i s c u s s e d ，b yw h i c he i g h t p h o t o r e f r a c t i v ev o l u m eg r a t i n g si nal i n b 0 3 ：f ec r y s t a ls a m p l ew i m s i z eo f1 0 x 1 0 x 1 0 m m 3 h a v eb e e ns u c c e s s f u l l yr e c o r d e d i nt h ee n d ，t h ep r o p e r t i e so fv o l u m eh o l o g r a m sa n dt h e f i l t e r i n gp r i n c i p l e so fm u l t i p l ep h o t o r e f r a c t i v ev o l u m eg r a t i n g sa r ed i s c u s s e db yu s i n gv o l u m e h o l o g r a m st h e o r ya n db r a g g c o n d i t i o n ( 2 ) t h co p t i m a l c o n d i t i o nf o r r e c o r d i n gs i n g l eh o l o g r a m i n l i n b o s ：f ec r y s t a l i s e x p e r i m e n t a l l yd i s c u s s e d a tt h ed i f f e r e n tr e c o r d i n ga n g l e s ，t h er a m a n - n a t hd i f f r a c t i o na n d b r a g gd i f f r a c t i o np h e n o m e n o n a r eo b s e r v e d ，r e s p e c t i v e l y t h e n ，t h ew a v e l e n g t hs e l e c t i v i t y a n dt h er e l a t i o n s h i po fd i f f r a c t i o ne f f i c i e n c ya n dp o l a r i z a t i o ns t a t ea r ed i s c u s s e dw h e nt h e r e c o r d i n ga n g l e o f6 0 。f o r m e d b y t w o w r i t i n g b e a m ( 3 ) t h eb r a g g - s h i f tp h e n o m e n o no f t r a n s m i s s i o nh o l o g r a p h i cg r a t i n gi si n v e s t i g a t e di n t h e o r ya n de x p e r i m e n t a sar e s u l t ，t h eb r a g g s h i f tp h e n o m e n o n w i l lb er e s t r a i n e dw h e nt h e i n t e n s i t yr a t i oo f i n i t i a lw r i t i n gb e a m si so n e ( 4 ) b yu s i n gt h e e 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 yo ft h ep 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 t h ew a v e l e n g t h o fl da r em e a s u r e d e x a c t l y i ne x p e r i m e n t 1 1 1 ef e a s i b i l i t yo f t h em u l t i p l ep h o t o r e f r a c t i v ev o l u m ea p p l y i n gt ow d m s y s t e mi sd e m o n s t r a t e db ya n a l y z i n g t h ed i f f r a c t i v ep r o p e r t i e so ft h ee i g h th o l o g r a p h i cg r a t i n g ss u p e r i m p o s e di nt h el i n b o s ：f e c r y s t a l i nt h ee n d w eh a v e s u p e r i m p o s e d t w o p h o t o r e f r a c t i v ev o l u m eg r a t i n g si nal i n b o s ：f e s a m p l ew i t hs i z eo fl o x l o x l o m m 3 t om a k ed o u b l ew a v e l e n g t hf i l t e r , b yw h i c ht h eb e a mw i t h t w ow a v e l e n g t h so f6 3 2 8 n ma n d6 3 5 n mo r6 3 5 n ma n d6 5 0 n m a tt h es a n l ea n g l eo f i n c i d e n c e a r es u c c e s s f u l l ys e p a r a t e di ns p a c e k e y w o r d s ：p h o t o r e f r a c t i v eg r a t i n g s ，w a v e l e n g t h - d i v i s i o n d e m u l t i p l e x i n g , l i n b 0 3 ：f e c r y s t a l ，p h o t o r e f r a c t i v em u l t i p l ev o l u m eg r a t i n g s ，b r a g g s h i f t ，f i l t e r i i 西北工业大学硕士学位论文 第1 章绪论 体全息技术和光折变效应的发现，使得以光折变效应为基础的体全息存储、窄带滤 波、相位共轭等技术获得了飞速的发展。另外随着光通信与光信息处理技术的发展，人 们对作为集成光学器件的要求也在不断提高，发展集成光路必将对未来的信息社会产生 深远的影响。而光波导技术、光栅技术、光开关技术等则是光集成技术的核心，在光学 图像处理、光学数据存储、光互连以及光计算机中具有潜在的应用前景，引起了人们的 极大关注。 1 1 体全息技术1 1 】 1 9 4 7 年，英国科学家丹尼斯加伯( d e n n i sg a b o r ) 提出了一种记录和再现波前的 方法，这种方法可以同时记录原始光波的振幅和相位信息，这就是全息术。这种全息术 的基本思路是当两束光波耦合时( 其中一束称为参考光，另一束称为信号光) 互相发生 干涉，最终的干涉图样强度分布中包含了两束光的振幅和相位信息。在干涉区域放置合 适的记录材料，干涉图样的强度将被记录在材料内部，这样记录的光栅称作全息图。随 后用与记录时相同的参考光照射记录介质，全息图将沿着信号光的方向发生衍射，衍射 光包含着信号光的振幅和相位信息。 早期的全息实验所用的记录材料一般是照相胶片，这是典型的薄的二维记录材料。 在照相胶片上记录的全息图是典型的平面全息图，因此对于再现光的角度变化缺乏灵敏 性。1 9 6 2 年d e n i s y u k 提出了三维体全息技术，这种方法利用布拉格效应消减了再现图像 的噪音，大大提高了再现图像的质量。同时，因为干涉条纹穿过记录材料的整个体积， 体全息图对读出光的传输特性的改变很灵敏。这就使得在记录材料的相同位置记录多重 全息图成为可能。与平面全息图不同，体全息图必须考虑波耦合效应。1 9 6 9 年，k o g e l n i k 首先提出了体全息图的耦合波理论，预言了厚光栅的衍射效率和布拉格选择性。利用体 全息图固有的角度选择性，在记录介质的同一位置，通过改变参考光的传输特性，多个 全息图将被独立地存储和再现。利用体全息技术，信息的存储容量将大大增加。v a n h e e r d e n 研究了体全息图潜在的存储容量，发现其理论极限是v 2 ，其中嘿记录介质的 体积，a 是光波长。除大存储容量之外，全息图还可以以页存取的方式获得每秒吉比特 的信息转换率。 尽管体全息图有着大的存储容量和大的数据转换率，但是，由于当时缺乏有效的输 入和读出设备，比如合适的激光器等，使获得实际的全息存储系统相当困难。虽然在 些早期的工作中，能够存储高达5 0 0 幅的全息图。但直到一些更先进的器件，比如激光 器，探测器、液晶空间光调制器等的发展，才有更多的有挑战的项目开始被人们研究。 第1 章绪论 最近，人们在l i n b 0 3 晶体中实现了上万幅全息图的存储。事实上，在这方面取得的更多 进步归因于对多重全息三维记录的布拉格选择性理解的提高，以及后来人们对全息记录 材料的特性及其动态范围的深入研究。 对于体全息图，读出过程信号光的重建对读出光的传输特性是相当灵敏的。如果参 考光改变，来自体光栅不同部分的衍射光将产生相消干涉效应，先前光栅产生的衍射光 将消减到0 。接着，新的干涉光将在记录介质的相同位置写入新的全息图。这种复用技 术是基于来自体光栅不同部分的衍射光之间的相位失配。 1 2 光折变效应【2 4 1 1 2 1 光折变效应及其特点 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 ) 是光致折射率变化效应( p h o t o - i n d u c e d r e f r a c t i v e i n d e xc h a n g ee f f e c t ) 的简称。其含义是指光折变材料( 主要是电光材料) 在光辐照下， 折射率随光强的空间分布而变化。光折变效应首先是由贝尔实验室工作的a s h k i n 等人 于6 0 年代发现的。他们在用l i n b 0 3 和l i t a 0 3 晶体进行光倍频实验时，意外地发现强 光的辐照使这两种晶体的折射率都发生了变化，从而严重地破坏了相位匹配条件。当初 把这种不期望的效应称为“光损伤”( o p t i c a ld a m a g e ) 。这种“光损伤”在暗处可以保 留相当长的时间。正是这一性质，使c h e n 等人首次认识到“光损伤”材料是一种优质 的光数据存储材料。人们发现，通过均匀光照或加热等手段，这种“光损伤”的痕迹可 以被擦洗掉，从而使晶体恢复初态。为了与永久性的破坏性损伤相区别，人们把这一效 应称为光致折射率变化效应或光折变效应。 光折变效应具有两个显著的特点1 2 】：( 1 ) 光折变效应的产生与激发光强大小无关。 若用弱激光束照射光折变材料，同样会出现显著的光折变效应。光强的大小仅仅影响光 折变效应进行的速度。因此，对于具有光折变效应的材料，即使是用毫瓦量级功率的激 光束照射，只要照射的时间足够长，也会产生明显的光致折射率的变化。( 2 ) 光折变效 应具有非局域响应特性。光折变相位栅的建立不仅在时间响应上具有惯性，在空间分布 上也是非局域响应的。即光致折射率变化的最大处并不一定对应光辐照最强处。在光折 变晶体中，光场和空间电荷场以及相应的折射率分布均具有等同的周期分布，但空间电 荷场以及由该电荷场导致的折射率栅与空间光场之间存在一定的空间相移，这一空间相 移在光折变非线性光学中是一个非常重要的参数，它决定了光折变材料中光波之间产生 耦合作用的强弱，并可能导致参与耦合作用的光波之间出现很强的能量转移。 1 2 2 光折变材料 3 , 5 1 自光折变效应发现以来，人们对光折变效应的研究已经有三十多年的历史了。在这 三十多年里，光折变效应的研究和应用取得了公认的成就。就材料而言，到目前为止己 发现多种材料具有光折变效应。这些材料主要分为以下几类f 3 】：铁电体材料如b a t i 0 3 、 西北工业大学硕士学住论文 s r ；b a l x n b 2 0 6 ( s b n ) 、k n s b n 、l i n b 0 3 、l i t i 0 3 、k n b 0 3 、k t n 等；非铁电氧化物如 b i l 2 s i 0 2 0 ( b s o ) 、b i l 2 g e 0 2 0 ( b g o ) 、b i l 2 t i 0 2 0 ( b t o ) 等；半导体材料如g a a s 、i n p 、c d t e 等；量子阱材料；有机光折变材料和聚和物；电光陶瓷材料。 不同材料所产生的光折变效应的强弱各不一样，其明显程度主要取决于材料的带 宽、材料中杂质离子的施主能级和受主能级以及辐照光源的波长范围等。其中氧八面体 铁电晶体由于具有较大的电光系数和其他一些优点，在光折变效应的研究和应用中受到 了普遍的重视。在这类晶体中，光激发载流子的来源主要是晶体中的杂质或缺陷。对于 未掺杂的铁电晶体，光激发载流子主要来自于晶体生长过程中进入晶体内的杂质离子。 对于掺杂的铁电晶体，所掺入的杂质主要为过渡族金属元素。通常，杂质的掺入不会改 变晶体的电光性质，但对晶体光折变效应的影响却非常大。 在所有的光折变材料中，l i n b 0 3 晶体被研究得最为广泛。l i n b 0 3 和l i t a 0 3 这两种 晶体从室温到居里温度( 分别为t e = 1 2 1 0 和t c = 6 6 5 ) 都具有3 m 点群的对称性。极 化后的单畴晶体可用于高分辨率的全息存储。f e 是最常用的掺质，它以f e 2 + 和f e 3 + 两种 价态形式进入晶格。f e ”是施主中心，f e 3 + 是受主中心。光激发使电子从f d + 杂质能级 跃迁至导带，随后又被f e 3 十陷阱中心俘获。f e ”与f c 3 + 的激发和俘获过程就是这两种晶 体的光折变过程。这两种杂质的浓度决定着晶体的光折变性质。 b a t i 0 3 晶体是最早被认识的光折变材料之一，b a t i 0 3 最显著的优点是具有较大的 电光系数翰2 ，从而可以获得较大的光栅效率、双光束耦合增益系数和四波混频相位共轭 反射率。因此，b a t i 0 3 晶体被认为是目前性能最佳、使用范围也较广的一种光折变材料。 但是，b a t i 0 3 晶体在温度为9 左右时，存在从四方相( 4 m m ) 向正交相( m m 2 ) 的相 变，造成晶体在使用和运输中的不便。此外，由于b a t i 0 3 晶体的介电常数大，弛豫时 间长，使得它的光折变响应速度较慢，而在大多数的光折变应用中，特别是从光信息处 理和光计算器件应用的角度来考虑，一般都要求晶体材料具有较高的光折变灵敏度、较 高的响应速度和较高的衍射效率。因此，b a t i o a 晶体的这两个缺点严重地限制了它的应 用范围。 钨青铜族晶体s b n 和k n s b n 具有非常大的线性电光系数、很高的光折变灵敏度 和极快的响应速度，用于快速电光调制的半波电压小，在室温附近也不存在前面提到的 b a t i 0 3 晶体的相变问题。而且，s b n 和k n s b n 晶体的结构中存在大量的可供各种掺杂 物占据的晶格点，通过有目的地掺杂适当种类和适当浓度的过渡族金属元素离予，例如 c e 、c r 、r h 等离子，可使晶体的光折变性质大大提高。因此，随着晶体生长工艺技术 的逐步改进及晶体生长质量的提高，各种s b n 和k n s b n 晶体，特别是掺杂的晶体， 己逐渐成为人们研究的重点光折变材料之一。 光敏聚合物是通过光聚合作用导致折射率的变化，以此记录信息，这种记录是不可 重写的。它价格便宜、加工容易、可以具有大的折射率对比度，并具有高的光敏性。光 色材料分辨率高、无纹理，并可以做到足够厚度用于体全息。用光色物质进行的光子方 第1 章绪论 式记录，具有高分辨率和高存储密度。1 9 9 6 年，t o r o u m i 等人在光色物质上进行了可重 写的三维记录【5 】。光色分子的两种同分异构体有着不同的吸收光谱。一定波长的光照射， 可引起两种同分异构体的转化，这样就可以记录信息。t o r o u m i 等人的实验中使用的光 色物质是n s p ，记录介质的层间距约7 0 v , m ，位间距5 岫。在近红外光区，两种同分异 构体的折射率有微小的差别。实验中，使用近红外激光扫描差示相衬显微镜来读取数据， 7 0 0 0 次读取而无任何损坏1 6 j 。 具有深的施主态的半导体材料，光致折射率的变化也很强，但是，只有在足够低的 温度下这种变化才是永久的。近几年来，发现了有较高永久温度的新的半导体材料。半 导体材料内，每一点折射率的变化，依赖于该点的总曝光，而与相邻点的曝光、完成总 曝光的最后时间和顺序无关。因此，使用半导体材料不需要安排曝光的次序。半导体材 料的光敏性较好，如a l g a a s 的光敏性比常用的光折变材料l i n b 0 3 ：f e 好1 0 0 0 倍1 6 。 1 2 3 光折变效应的应用 光折变效应的独特性质，使其具有十分广泛的应用。光折变效应的产生与入射光强 大小无关，即使用弱激光束也会显示出可观的非线性效应。一些材料在毫瓦量级可见光 和近红外激光作用下所显示的光折变性质，无疑对光通信、光信息处理和光学计算机技 术具有潜在的应用价值。正因为光折变效应的这一特点，它已被广泛应用于实时光学信 息处理，包括像放大和像相关、畸变修正、二维逻辑处理、空间光调制、光束偏转、光 学时间微分以及激光锁模技术等【4 j 。 自从发现光折变效应以后，对光折变效应的应用研究主要集中在全息存储和相位共 轭两个方面，同时光折变效应还与其它学科交叉，发展出许多新兴的研究方向，光折变 滤波就是其中之一。目前关于光折变效应研究的主要方向是【4 】：( 1 ) 利用光折变效应制 作新器件，如光学图像放大器、光学相位共轭器、光折变波分复用器、空间光调制器、 光限制器等；( 2 ) 发现并研究与光折变效应有关的非线性光学现象和光电过程：( 3 ) 制 备高质量的光折变材料；( 4 ) 探讨载流子的迁移机制。人们已用光折变材料制成各种非 线性光学器件，如全息实时存储器、光学图像放大器和振荡器、相位共轭器、空间光调 制器以及用于光学信息处理和光学计算技术方面的各种实用器件。不同种类的光折变器 件已经被用于模拟并行光计算系统，例如线性代数处理器、关联存储、光学神经网络和 新型滤波器等。 1 3 光折变光栅的研究进展 几乎在光折变效应刚刚发现，l i n b 0 3 、s b n 、b a t i 0 3 等晶体就用来做全息存储， 至此，人们对光折变光栅的研究一直延续至今。 早在k u k h t a r e v 等给出描述光折变过程的带输运模型以前，已经有了关于晶体中相 位栅写入时间特性的大量报道，并给出了光折变晶体内空间电荷场随时间线性变化的规 4 西北工业大学硕士学位论文 律及记录光栅的暗光保存时间等。近十多年来，人们对多重光栅写入技术进行了深入研 究，提出了多重全息记录过程的编码技术、曝光技术、定影技术等 7 , 1 0 - 1 4 】。 1 3 1 多重光折变光栅的编码技术【1 在光折变材料中记录多重全息图，大大提高了其存储信息的容量，为使这些全息图 在读出时互不干扰，人们提出了以下几种编码方法。 空间编码是利用全息记录在较小的空间体积内就能记录足够多的信息而把不同全 息图存储于光折变材料空间分离的不同区域，从而实现多重全息图的记录。这种方法适 用于厚度小而面积大的光折变存储材料，能记录的全息图幅数较少，不能充分利用材料 的存储容量。 角度编码是把全息图置于光折变材料的同一区域，使每一幅全息图的光栅波矢大小 或方向不同以达到全息图分离的目的。为减少各幅全息图读出时的串扰，必须使相邻两 幅全息图的读出角度偏移量小于b r a g g 选择角的宽度。m o k 【g 等人用这种编码方法取参 考光的角度间隔为o 0 1 0 在l i n b 0 3 ：f e 晶体中存储了5 0 0 幅高分辨率的图像。参考光的 角度不仅可以在入射平面内变化进行多重光栅的写入，而且可以在垂直于入射面方向变 化，这样能进一步提高存储密度。m o k 9 】等在入射平面内改变参考光束入射角度1 0 0 0 次， 然后又在垂直入射面方向改变参考光束角度进行5 重复用，共在l i n b 0 3 ：f e 晶体中存储 了5 0 0 0 幅全息图。除了改变参考光与物光夹角进行多重记录外，还可以通过转动记录 材料改变所记录的光栅波矢与z 轴夹角进行角度编码多重记录。角度编码的优点是可记 录全息圈的幅数较多，能充分利用光折变材料同一区域的存储容量。缺点是各幅图像分 享折射率改变的动态范围，每幅图像的衍射效率低。 空间角度编码是使光折变材料中存储的全息图不但在空间位置上存在偏离，而且 其空间载频也不同，其优点是在同一材料中记录相同数量的图像时，每幅图像的动态范 围与采用纯角度编码时提高了倍，充分利用了光折变材料的空间带宽积。 相位编码技术是通过改变参考光束的空间相位分布实现多重光栅写入。这种方法对 纯相位器件的要求较高。 波长编码是保持参考光和物光波长和夹角不变，转动记录材料在光折变晶体中记录 波矢长度相同而方向变化的相位栅。读出时，保持参考光束入射角不变，改变其波长寻 址。 1 3 2 光折变材料中信息的记录与固定p 1 4 】 光折变材料记录的信息，其存储时间不但由材料的暗光保存时间决定，而且由于读 出信息时，记录的信息也会被读出光擦洗，记录的信息会随时间和读出的次数衰减。为 了使记录信息能够长期保存，以便于光折变光栅实际应用，人们研究了光折变光栅的定 影方法。 第1 章绪论 已有鹣炎毒蓐变全怠鬻定影方法分麓嚣类，一类怒热定影法，将蹩援变榜糕巾毫子撵 转变为离予栅；另一类怒畴反转法。 热定影法是在7 0 年代提出并在l i n b 0 3 ：f e 晶体全息存储实验中应用。其定影的具 体方法是农会息图的记录过程或记录宠毕之后将记激材料置于约1 6 0 。c 的温度之下，此 雾于熬激活离子会中帮产黧空溺逛蓊场豹毫予嚣形成离子稼。在记滚耱精冷却弼嶷懑后霉 用均匀光束辐照记录材料，擦除未被中和的电子栅，材料中记录的全息图就被网定在对 光照不敏感的离子栅中。这种离子栅只有通过对晶体再加热才能被擦洗。光折变材料中 耩记录豹鞠袋攘经热定影嚣其舔射效攀要大大降低，这逶零是霆l 予毙辑交全感圈熬鬣袈 效率随温魔的升高露降低，以及记录材料中热激发艨子的浓发不足以全部中和毫子裰 【1 5 】。 通过外加电场使与窝间电荷场棚关的铁电畴反转或使存储材料制冷通过铁电相变 磊获褥酶爱转f l q ，或逶遗鸯羹蕊与终熬滚凌绩合翡方法，蕺由强纛避疆爨写入键存傣耪瓣 内与空间电荷场相关的铁电畴反转达别光折变材料内存储信息固定的目的。强光过辐照 写入法的优点是可以有选择地固定所存储的图像，麒图像的写入和定影同时进行，但是 英信嗓魄比较套。a ，k e w i t s c h 等在s 黔n 鑫体全惑诞录实验中黢渡了这一方法，当写灭 光强大予1 w e r a 2 ，写入话分锌就可戳得笺明显静定影驻“。 热定影技术最大的好处就是在写光栅时补偿了窀间电荷区，使折射率振幅饱和值不 再受空间电荷区大小的限制，晶体就可以记录更多的光栅，提高僚道数。对于l i n b 0 3 ：f e ， 当掺 e 浓淡麓o 。0 5 w t 瓣，奁无蠹辩空阉毫蔫壹穿薅猛下，援瓣率振幅锪帮毽霹这3 1 0 4 1 7 】。而且这种方法媳型的光折燮记录材料都能采用。目前对提高热定影厢全患图 衍射效率的方法也有研究，同时利用热定影技术可以显著改善光折变体全息器件的信道 个数和馒瘸港禽，质以遂鼙争方法用的壤多。 1 4 波分驻用系统的发展和应用 1 + 4 1 波玲复用系统概逃【1 8 ，1 9 l 蟊麓，毙纤通信毫成为现代通信阚静基本组成静劳。蘧着黧民经济熊发糕，语音、 图像、数据簿信息量成爆炸式增长。尤其是因特网的迅速崛起，广大用户对通信网带宽 要求十分媳切。显然，现有的通信网融满足不了这种要求，扩火网络容量已成为网络营 运喾豹当务之惫。波分袈雳鼓本( w 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 , w d m ) 戆爨理t 使 得光通信系统的容量几十倍、成百稽她增长，利用w d m 技术扩大光纤通信释鼍在当前 是切实可行并被广泛应用的技术方案。迄今，我国融有多个w d m 系统在光纤通信线路 中运营，利用w d m 技术扩大光纡通信容量方兴泰艾。 在阕撮先纤中餐输多令不同波长静竞载波，每令竞载波壤豢各鑫静培憨，每个波 长间相互谢一定的间隔。在光发送端，合波器把携带各自信号的不同波长的光祸合入同 6 西北工业大学硕士学位论文 一根光纤，互不干扰地传输。在接收端，用分波器将这些不同波长的信号光分开。于是 用一根光纤实现了多路通信，这样的系统即波分复用系统。采用波分复用技术，只要合 波器和分波器的性能设计得当，不同波长的光信号便可不受干扰地传输，从而实现一根 光纤可传输多路信号的目的，使通信容量成倍或数十倍、数百倍地增长 1 8 , 1 9 1 。 1 4 2 波分解复用系统的现状【1 8 - 2 4 1 光纤通信发展3 0 年来，传统的电时分复用的光纤通信系统的速率几乎以每十年1 0 0 倍的速度稳定增长，大大改变了通信网的面貌。但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 s 以上很难实现。然而，单信道系统仅仅利用了光纤带宽的很小 的一部分。光纤在1 3 9 m 和1 5 l a i n 波段具有丰富的频率资源，可以支持多信道的同时传 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，w d m 技术的发展和应用 成为必然的趋势。 伴随掺铒光纤放大器( e d f a ) 的实用化，密集w d m 技术在2 0 世纪9 0 年代以后 获得迅速发展，这一方面表现在w d m 技术已经越来越多地应用在通信网络中；另一方 面也表现在实验系统不断向更高速率、更多复用路数、更大容量的方向发展。w d m 和 e d f a 的迅速实用化，为高速率、大容量信息的长距离传输提供了易于实现的方案，使 通信网的传输容量极大地增加。而传输容量的增长又给交换节点带来巨大的压力和急待 变革的动力，从而激发了以波长选路为基础的全光通信网的发展。在w d m 传输系统应 用过程中，人们发现，w d m 技术在提高传输能力的同时。还有强大、灵活的联网优势， 可以形成具有高度灵活性和生存性的全光网络。可以说，w d m 对整个通信网产生长期、 深远的影响。 1 4 3 波分解复用器件 1 8 , 1 9 , 2 1 l 随着第三通信窗口( 1 5 5 0 n m ) 和w d m 在光纤通信网中的使用，信息的传递量和 速率都有了显著提高，但是，利用电子学方法实现波分复用的做法不仅效率低下而且严 重影响了信息的传输速率。因此，人们希望有能对载波波长为1 5 5 0 哪的w d m 信号进 行处理的全光器件。波分复用解复用器件是w d m 系统的重要组成部分，是关系波分 复用系统的性能的关键器件，必须确保其质量。对波分复用器件的主要要求是：插入 损耗小，隔离度大；带内平坦，带外插入损耗变化陡峭：温度稳定性好，工作稳定、 可靠；复用路数多，尺寸小。 目前，w d m 复用系统中常用的复用、解复用器件主要有法布里- 珀罗干涉仪或马赫 曾德干涉仪型，熔融接锥全光纤型、介质薄膜滤波器型、光纤布拉格光栅型和波导阵 列光栅型等。然而，这些技术都存在一些缺点。 干涉仪型对机械和温度的稳定性要求很高，而且需要压电装置移动反射镜。由于压 电装置存在滞后效应，准确选择波长就比较困难。而且，一个干涉仪一次只能分离一个 7 第1 章绪论 信道，对多个信道解复用需采用多个干涉仪。 全光纤型结构简单、价格低廉，但引入插入损耗和串扰较大，尤其是多路复用时， 路数每增加一倍，损耗就增加3 d b ，一般只适用于复用路数不是很多的时候。 介质薄膜滤波器型( d i e l e c t r i ct h i nf i l mf i l t e r s ，t f f s ) 是目前使用最广的波分复用技 术，它的信道间隔从4 0 0 g h z 到2 0 0 g h z ，体积小，易于制造，温度响应低( 0 5 p m 。c ) ， 但它的插入损耗随着信道数的增加而增加，也不适合信道间隔在5 0 g h z 以下的密集波 分复用系统。 光纤布拉格光栅型( f i b e rb r a g gg r a t i n g ，f b o s ) 具有波长选择性高、机械性能稳定 和成本低廉的优点，可以提供5 0 0 h z 的解决方案。但光纤光栅将选中的信道向后反射， 并利用环形器或马赫曾德干涉仪进行分波，而环形器很脆弱且速度低，干涉仪对温度 变化很敏感。这种器件在使用中必须与一些光学器件连接在一起，引入了比较大的插入 损耗。但是其中心反射波长可以精密控制，反射带宽可以任意选择并且可以做得很小， 反射率几乎可以达到1 0 0 。与普通光纤连接简便。 波导阵列光栅( a r r a y e dw a v e g u i d eg r a t i n g ，a w g s ) 具有波长间隔小，信道数多和 通道平坦等优点，但是由于光纤波导耦合的影响，这种系统存在大的偏振损耗和插入损 耗。a w g s 技术可以同时对多个信号进行分波成合波。但要求每个波导长度的精度优于 一个波长，这样就必须精确控制温度，甚至需要在阵列的每一个波导上都加一个热电极， 以用温度控制长度。因此，器件的制作与使用都十分复杂【2 l 】。 近来人们提出一种利用体全息技术，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 器件的方法。此方法原理简单，而且不需要机械装置、环形器、干涉仪 等辅助设备，最重要的是，利用一块全息材料就可以同时对多个信道进行解复用，这样 就提高了设备的使用效率，并减小了对信息传递速度的影响，是一种很有前途的方法。 并且这种基于光折变效应制作的全息滤波器光折变体相位光栅，可以产生很窄的带 宽，应用于波分复用系统中有着很明显的优点，如很高的信噪比和衍射效率、低的温度 响应、紧密而简单的结构，还可以重复写入等 1 7 , 2 5 - 2 8 】。近来，这种方法在实验室的研究 也取得了一些进展。1 9 9 4 年，d h e r v e 等人，首次在i n p ：f e 晶体中实现了1 5 5 p m 反射 式窄带滤波【2 7 】：1 9 9 5 年，t b j a m e s 等人在b a t i 0 3 晶体中用m 离子激光器写入光栅制 作的滤波器。同时分开了1 5 6 0 n m 和1 5 7 8 n m 两束入射光1 2 8 | ；1 9 9 7 年，s b r e e r ，k b u s e 用掺铁l i n b 0 3 晶体实现了在波长1 5 5 0 n m 区域两个通道的波分解，其波长间隔为0 8 n m 、 损耗为1 5 d b 、隔离度在2 0 d b 以上【2 9 1 ：接着，b o f f i 等人也用实验证明了在掺铁l 订妯0 3 晶体中，可用写入多重光栅的全息技术制作解波分复用器 3 0 l ；2 0 0 1 年，w a 卫等人在实 验中设计了一个1 6 通道，工作波长范围为6 7 0 6 7 7 5 n m ，波长间隔为0 5 n m 的解复用 器。串扰压至3 0d b ，各通道3 d b 带宽为0 1 6 n m ，平均衍射效率为8 3 j ；2 0 0 2 年， p h d i t t r i c h 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o 1 3 n 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 3 1 1 ；2 0 0 3 年， 西北工业大学硕士学位论文 o l i v e rb e y e r 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 了四重光栅，其衍射效率达到了9 9 1 3 2 1 。 光折变材料的特性是可以通过光辐照对材料的折射率进行调制。基于这种效应，可 以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晶体来制作光折变光 栅。这种制作方法简单灵活，对实验条件要求较低，所写入的光栅既可以通过适当加热 或均匀光照进行擦除，也可以通过加热或外加电场使光栅结构固定。 光折变光栅具有体积小、制作简单、易擦除、可以实时处理、衍射效率高、温度响 应小、可以进行窄带滤波等优点【2 3 】，这使得光折变光栅在w d m 系统和光集成方面有着 潜在的应用前景。而现在较成熟的w d m 技术都有它内在的缺陷，对晶体中光折变光栅 在w d m 系统中的应用研究也很少，更没有比较成熟的技术能够应用。因此，对光折变 光栅在w d m 系统中的应用研究，有着十分重要的意义。同时，对光折变光栅的研究对 于集成光路的发展也有着举足轻重的作用。 从对光折变效应的分析可以知道，外加电场可以控制光折变晶体中的光致折射率变 化，从而可以控制折射率栅的形成。不仅如此，外加电场还可以控制折射率栅读出过程 中的衍射效率。在光折变效应发现后不久，1 9 6 9 年，j b t h a x t e r 就发现s b n 晶体在外 加电场作用下，可以作为高分辨率、高灵敏度的全息信息存储介质 1 6 1 ；1 9 7 4 年，j ，b t h a x t e r 和m k e s t i g i a n 把前面的发现解释为光致载流子的漂移和扩散与晶体的非线性电 光性质作用的结果；后来，人们在光折变晶体中分别进行了外加电场作用下的的光折变 二波耦合、扇形散射效应以及全息存储等方面的实验，得到了优于无外加电场情况下的 实验结果。前述一系列研究成果表明，在光折变光栅响应过程中加入电场将可以起到控 制的作用，从而可以得到