光折变波导阵列的结构光写入方法研究

摘要

新千年伊始,人类社会已步入高速传输数据、语音、影像等信息的多媒体因特网时代.作为因特网发展基石的微处理器速度以及通信带宽正以Moore定律飞速发展,光通信系统中关键光电子器件的传统制造技术受到极大挑战.目前市场上还没有低成本的集成光学器件,因此人们必须寻求新的制作技术以适应发展的需求.近年来光辐照法被认为是一种直接、快速、低成本、高效益的集成光波导器件制作技术,备受关注.该文主要研究利用不同的结构光在光折变晶体中写入各种波导结构的方法.所开展的工作以及得到的结论如下:①从光折变动力学方程组出发对光折变晶体中光致折射率变化进行了理论分析,并建立了由写入光的强度分布得到光致折射率变化分布的数值模拟方法.②在功率密度为毫瓦量级的连续激光辐照下,对LiNbO<,3>:Fe晶体中的光致折射率变化规律进行了详细的实验研究,并对实验结果进行了理论分析及数值模拟.结果表明:利用不同的结构光辐照LiNbO<,3>:Fe晶体可以在其中有效的写入波导结构.③对利用柱透镜和光学二元掩模板形成的结构光在光折变晶体中写入平面光波导、Y型光波导以及通道光波导的方法进行了详细的实验研究.并首次提出了利用空间光调制器制作光学掩模板,在光折变晶体中写入具有各种形状以及不同折射率分布的波导乃至整个集成光路的方法.研究结果表明:仅利用SLM形成的结构光辐照可以在薄片晶体或薄膜材料中写入高质量的波导器件.④从理论和实验两个方面对利用双光束和四光束干涉形成的光场在SBN:Cr、LiNbO<,3>:Fe和KNSBN:Ce晶体中写入平面波导阵列和通道波导阵列的方法进行了详细的研究.并提出了利用一个双光束干涉场以不同的角度两次辐照晶体,在光折变晶体中写入不同通道波导阵列结构的方法.研究结果表明:采用合适的光场强度分布以及合适的外加电场可以在不同光折变晶体中写入平面波导阵列和通道波导阵列.⑤基于马赫-曾德干涉仪光路研究了利用切片干涉法测量光折变晶体中光致折射率变化的方法,并首次提出了利用数字全息术对光折变晶体中光致折射率变化进行可视化的方法.此外,成功地利用上述方法对光写入波导结构的折射率分布进行了测量.利用不同的结构光辐照光折变晶体,可以制作具有不同结构的光波导以及光波导阵列.这种方法对仪器条件要求很低,而且随着电/热固定以及光/热擦洗等技术的不断成熟,既可以得到永久的波导结构,也可以得到瞬时的波导结构.因此光折变晶体中结构光写入的波导器件可以被用于现有的光通信系统,并且有望被用于动态光互连以及光学神经网络系统.

目录

文摘

英文文摘

第1章绪论

1.1光写入波导技术的研究现状

1.2光折变晶体中的光写入波导技术

1.2.1激光显微机械加工技术

1.2.2结构光辐照技术

1.2.3空间孤子诱导波导技术

1.2.4光写入波导的固定技术

1.2.5光写入波导技术的优势

1.3本文的主要工作

第2章理论基础

2.1光折变晶体中光激发载流子的迁移机制

2.1.1扩散

2.1.2漂移

2.1.3体光伏效应

2.2电荷载流子的输运模型

2.2.1单中心模型

2.2.2双中心模型

2.2.3三价态模型

2.3光折变晶体的线性电光效应

2.3.1外场作用下晶体折射率椭球的变化

2.3.2线性电光效应

2.4光折变动力学方程组

第3章光折变晶体中光致折射率变化的可视化

3.1切片干涉法

3.1.1测量光路及原理

3.1.2细光束在LiNbO3：Fe晶体中引起折射率变化的可视化测量

3.1.3测量光路中CCD或晶体离焦对折射率测量的影响

3.1.4误差分析

3.2数字全息法

3.2.1测量光路及测量原理

3.2.2测量结果

3.2.3精度分析

本章小结

第4章SBN：Cr晶体中光写入通道光波导阵列的研究

4.1 SBN：Cr晶体的结构及其光折变性质

4.1.1 SBN：Cr晶体的结构

4.1.2 SBN：Cr晶体的光折变性质

4.2通道光波导阵列的光写入方法及理论分析

4.2.1通道波导阵列的光写入方法

4.2.2理论分析及数值模拟

4.3 SBN：Cr晶体中光写入通道光波导阵列的实验研究

4.3.1实验光路

4.3.2θ1＝θ2=45°，α1=α2时的实验结果

4.3.3θ1=0°，θ2=90°，α1＝α2时的实验结果

4.3.4θ1=θ2=45°，α1=2α2时的实验结果

4.3.5分析与讨论

本章小结

第5章LiNbO3：Fe晶体中光写入波导的研究

5.1 LiNbO3：Fe晶体的结构及其光折变性质

5.1.1 LiNbO3：Fe晶体的结构

5.1.2 LiNbO3：Fe晶体的光折变性质

5.2 LiNbO3：Fe晶体中光致折射率变化规律的实验研究

5.2.1光致折射率改变随时间的变化规律

5.2.2截面为三角形的光束在晶体中导致的折射率变化

5.2.3截面为正方形的光束在晶体中导致的折射率变化

5.2.4截面为矩形的光束在晶体中导致的折射率变化

5.2.5不同光强分布的光束导致的折射率变化分布

5.3 LiNbO3：Fe晶体中光致折射率变化的数值模拟方法研究

5.3.1基于光折变动力学方程组的数值模拟方法

5.3.2基于体光伏效应的半定量数值模拟方法

5.3.3垂直于光轴方向的电场分量对折射率变化的影响

5.4对光致折射率变化规律实验测量结果的分析讨论

5.4.1截面为三角形和正方形的光束导致的折射率变化

5.4.2沿光轴和垂直光轴方向矩形光斑的长度对折射率变化分布的影响

5.4.3片光导致折射率变化的最大值((△ne)max)与θ之间的关系

5.4.4光强分布与折射率变化分布之间的关系

5.5利用高斯片光在LiNbO3：Fe晶体中写入平面光波导

5.5.1波导写入方法及实验光路

5.5.2片光以“三明治”方式辐照晶体时折射率的变化规律

5.5.3平面波导的光写入实验结果

5.5.4光写入平面波导的导光特性

5.6利用掩模板在LiNbO3：Fe晶体中写入平面和Y型光波导的研究

5.6.1波导写入方法及实验光路

5.6.2实验结果

5.6.3晶体中沿写入光束传播方向上的折射率变化

5.6.4晶体中光致折射率变化不对称性的分析

5.7利用四次曝光法在LiNbO3：Fe晶体中写入通道光波导的实验结果

5.7.1波导写入方法及实验光路

5.7.2实验结果

5.8利用液晶光阀在LiNbO3：Fe晶体中写入Y型和光纤状光波导

5.8.1波导的写入方法及实验光路

5.8.2实验结果

5.9 LiNbO3：Fe晶体中白光写入的具有任意折射率分布的光波导

5.9.1利用电寻址的液晶光阀得到具有不同强度分布的写入光

5.9.2波导的写入方法及实验光路

5.9.3实验结果

5.10四光束干涉法在LiNbO3：Fe晶体中写入通道光波导阵列

5.10.1理论分析及数值模拟

5.10.2实验结果

5.11利用双光束干涉场在LiNbO3：Fe晶体中写入通道光波导阵列

5.11.1通道波导阵列的写入方法

5.11.2利用双光束干涉场两次辐照LiNbO3：Fe晶体写入通道波导阵列

本章小结

第6章KNSBN：Ce晶体中光写入波导的研究

6.1 KNSBN：Ce晶体的结构及其光折变性质

6.1.1 KNSBN：Ce晶体的结构

6.1.2 KNSBN：Ce晶体的光折变性质

6.2 KNSBN：Ce晶体中光写入平面和光纤状光波导结构的实验研究

6.2.1实验光路

6.2.2实验结果

6.2.3关于KNSBN：Ce晶体中光致折射率变化的讨论

6.3 KNSBN：Ce晶体中光写入平面光波导阵列的实验研究

6.3.1平面波导阵列的写入实验光路

6.3.2实验结果

6.4 KNSBN：Ce晶体中光写入通道光波导阵列的实验研究

6.4.1通道波导阵列的光写入方法及实验光路

6.4.2实验结果

本章小结

第7章结论与展望

7.1结论

7.2展望

参考文献

硕士期间发表和完成的学术论文

致谢

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