电控全息光开关的波长选择性能研究

摘要

随着全光网的发展，光开关成为光网络通信技术的核心器件。全息光开关利用激光的全息技术和晶体的光折变效应，将光栅全息图写入晶体内部，通过衍射控制实现开关功能。电控全息光开关是基于二次电光效应从而实现对光栅开关状态的电场控制，这种方法制作的光开关由于具有高的衍射效率和快的响应速度已成为光开关实现的新的替代方案。顺电相钽铌酸钾锂(KLTN)晶体在相变温度附近电光效应显著，鉴于其优越的性能，对顺电相下KLTN晶体性能及其光开关器件的研究将促进全光网络以及光信息处理的发展。
　　采用提拉法生长室温下具有顺电相结构的KLTN晶体，通过掺杂提高顺电相晶体的空间电荷场，从而提高晶体的光折变性能。利用二波耦合技术和顺电相全息晶体的二次电光效应，在掺锰钽铌酸钾锂晶体(Mn:KLTN)内部写入体相位Bragg光栅，讨论不同外加电压下体相位栅的衍射效率随各参数间变化关系。在不同入射光波长532nm、632.8nm下分别测得了光栅的写入擦除曲线，讨论了光栅记录角度、温度等参数对衍射效率的影响。实验还观察了较大外加电压下光栅的衍射现象。通过参数优化，实现最佳衍射条件。
　　通过在顺电相电控全息晶体Mn:KLTN的内部写入两重Bragg光栅，实现了对632.8nm和532nm两波长信号光的电控衍射。根据此电控衍射的工作原理，给出两种光开关制作方案，实现了对两种波长信号光的合束、分束及同时读取，并对衍射信号光的均匀性进行了分析。结果表明，这种利用多重写入技术制作的光开关可同时实现1×2及2×1光开关功能，具有成本低、响应快、性能稳定的优点，适用于多种光学互连网络。
　　搭建小角度记录光路，在顺电相全息晶体 Mn:KLTN的内部写入光栅，得到具有 Raman-Nath衍射的高阶衍射光栅，实现了对光束的电控高阶分束。通过实验获得了不同波长光垂直入射以及斜入射时高阶衍射现象，讨论了垂直入射和斜入射两不同入射方式时零级衍射的相似性，分析了斜入射情况下高阶衍射能量分布情况。通过记录角度的改变，得到高阶衍射时一阶衍射效率的变化情况，说明了高阶衍射对记录角度的敏感性。通过变化不同波长及其入射角入射时的高阶衍射现象比较，说明高阶衍射没有波长选择、角度选择功能。

目录

硕士学位论文

电控全息光开关的波长选择性能研究

WAVELENGTH SELECTIVE PROPERTY OF ELECTRO-HOLOGRAPHIC OPTICAL SWITCH

摘要

Abstract

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 钽铌酸钾锂晶体的研究进展

1.2.1 电光晶体的研究状况

1.2.2 钽铌酸钾锂晶体生长方法及结构研究

1.3 光开关研究进展

1.3.1 各类光开关的研究状况

1.3.2 电控全息光开关研究

1.3.3 多重光栅研究

1.3.4 高阶衍射研究

1.4 本文主要研究内容

第2章 KLTN晶体生长与晶片光学加工

2.1 引言

2.2 钽铌酸钾锂晶体生长及性能优化

2.2.1 钽铌酸钾锂晶体的生长

2.2.2 光折变效应的物理过程及带输运模型

2.2.3 过渡元素掺杂优化晶体性能

2.3 晶片光学加工

2.4 小结

第3章 体相位Bragg光栅的建立及其衍射特性分析

3.1 引言

3.2 二次电光效应理论及二波耦合技术

3.2.1 二次电光效应理论

3.2.2 二波耦合原理及其体相位Bragg光栅的建立

3.2.3 二波耦合实验装置

3.3 不同晶体的电光性能对比和晶片选择

3.3.1 无量纲常量定义

3.3.2 不同晶片实验现象对比

3.4 体相位Bragg光栅衍射特性分析

3.4.1 基于不同波长光测量Bragg光栅的记录和擦除时间常数

3.4.2 基于不同波长光分析Bragg光栅衍射特性同角度关系

3.4.3 基于不同波长光分析Bragg光栅衍射特性同温度关系

3.4.4 高外电压下Bragg光栅衍射特性差异分析

3.5 小结

第4章 电控全息Bragg光开关的波长选择性

4.1 电控全息Bragg光开关原理及其选择性研究

4.2 短波长光记录、长波长光读取光开关方案

4.3 具有多波长选择功能的光开关方案

4.3.1 多重光栅实现技术

4.3.2 波长复用光开关方案

4.3.3 波长、角度双复用光开关方案

4.3.4 多重光栅间的交扰分析

4.4 小结

第5章 电控Raman-Nath光开关

5.1 平面相位栅特征及其波长选择性讨论

5.1.1 平面相位Raman-Nath光栅的建立

5.1.2 全息Raman-Nath光栅的波长选择性讨论

5.2 电控Raman-Nath衍射特性分析

5.2.1 电控全息Raman-Nath光开关原理

5.2.2 电控Raman-Nath衍射零级及一阶衍射特性

5.2.3 电控Raman-Nath衍射各阶能量分布

5.3 电控Raman-Nath衍射实验现象及结果分析

5.4 小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

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致谢