双掺杂铌酸锂晶体集成WDM无源器件.doc

双掺杂铌酸锂晶体集成WDM无源器件 项目研究意义 随着移动通讯和互联网业务的迅猛发展，光纤通信的线路传输容量日益增长，这就要求WDM系统具有更宽的带宽、更高的比特率（40Gbit/s）和更小的信道间隔（从100到25GHz）。光学比较电子学具有高速，宽带等等的明显优点，用光子元件部分替代电子元件，从而保持信号的光学特性，对构建下一代全光网具有重要意义。但是光学技术的进一步应用取决于光学器件与系统的集成化技术的进展，全光化、集成化的多功能无源器件是一代全光通信网的发展方向和必然趋势。同时，随着材料科学和集成组装技术的日趋成熟，使发展微小集成结构的多功能光学元件成为可能。 下一代全光通讯需要新型的全光元件和装置，以实现对全部波分复用（WDM）信道进行同时和实时处理。基于光折变铌酸锂晶体的体全息术为实现这类全光装置提供了可靠的技术途径。铌酸锂晶体作为一种优良的光折变材料，允许在其中记录高衍射效率的局域体光栅。全息复用技术可实现在同一块铌酸锂晶体上记录若干局域体光栅，其实现方法包括角度多路曝光和使用多波长记录光等。体光栅具有高度布拉格波长和角度读出选择性，通过把每个全息复用的体光栅和特定的WDM信道读出波长相联系，为体光栅在光通讯领域的应用提供了可能性。 铌酸锂晶体对光通讯近红外波段的光波不敏感，因而不能用近红外光来记录全息光栅。所谓的双波长法可以解决这个问题，即用晶体敏感的可见波段的光来记录体光栅，用光通讯近红外波段的光来读出体光栅，这样读出光不会对记录的体光栅产生破坏，从而保持了体光栅的长期稳定性。要实现最佳的全息读出，记录光和读出光必须同时满足体光栅的布拉格条件。 纯净的铌酸锂晶体由于缺陷很少，难以在其中记录高衍射效率的体光栅。过渡金属（Fe、Mn等）掺杂的铌酸锂晶体，尽管可以实现高衍射效率的全息记录，但存在挥发性和散射噪声放大的问题。采用记录过程中加热（热固定）或加电（电固定）的手段，克服了挥发性的问题，但由于操作复杂，且精度较低，限制了它们在实际中的应用。最近国际上报导的双中心全息记录方案，采用双色光在双掺杂铌酸锂晶体中记录了非挥发局域体光栅。这种全光学全息记录方案具有高衍射效率、低散射噪声和实时处理等特点，为全光化、集成化器件设计提供了重要的可能性和技术手段，是目前最有应用前景的光折变体光栅固定方案，并已经成为国际研究热点[1,2]。 铌酸锂晶体除了具有光折变效应外，还同时具有电光、压电、声光、热电、光弹和倍频等物理效应。这些物理效应意味着铌酸锂可以在单一介质中提供高效率的光、电、声能之间的相互作用，从而为在单块晶体上集成若干具有不同光学功能的光学元件提供了可靠的技术保障。 铌酸锂晶体材料是现代电子、光学领域和信息产业赖以生存及发展的重要基础材料，是国家“863”计划的重要领域之一。随着现代电子和光学的发展，铌酸锂晶体在光通迅，集成光学等高新技术领域中扮演着越来越重要的角色。铌酸锂晶体已经被证实适用于制作全光光纤通信中的微型开关、相位、振幅调制器、色散补偿器、偏振扰频器、可调谐滤波器以及交叉连接器等。铌酸锂材料不仅可以用来制作个别光纤通信器件，而且可以作为解决全光通信网络种种问题的技术平台。铌酸锂技术平台的真正优势在于它具有使网络高度集成化的能力，这一优点可以与具有高度集成的硅器件相媲美。展望二十一世纪光纤通信产业的发展，可以预计，以铌酸锂作为技术平台的光子学与光电子学产业，将会有迅速的发展。 本项目的提出是围绕双掺杂铌酸锂晶体体全息光栅在光通讯领域中的应用这一全新的科学问题，旨在研究提高固定体光栅衍射效率的新方法，探索在单块结构铌酸锂晶体中集成光无源器件的新途经，给出基于双掺杂铌酸锂晶体的近红外体全息装置的原理性设计方案。该研究领域将光折变晶体材料科学，非线性光折变光学和光通讯等学科相结合，即涉及现代理论研究，同时又具有重大的创新价值和广泛的应用前景。 浙江省“十五”基础性研究发展计划明确把“光机电一体化的基础性研究”列为优先发展的战略方向。本项目的研究工作属于这一研究领域，目标是为今后发展三维微小结构的光机电系统打下技术基础。本项目的研究工作有助于使本省在开发铌酸锂晶体作为光子硅的功能、研制多种功能的光子器件及微结构集成光子器件等方面形成独具特色的研究和开发基地，为我省信息技术的发展提供重要的技术支撑，必将大大推动我省未来高新技术产业的发展。 项目研究目标及与申请者研究工作长期目标的关系 项目研究目标： (1)通过对双掺杂铌酸锂晶体体全息记录性能的理论和实验方面的研究，获得非挥发局域体光栅达到最高固定衍射效率的最佳光栅周期和外加直流电场的判据，建立最佳化的全息记录条件。 (2)应用动态耦合波理论，建立提高铌酸锂晶体体光栅布拉格选择性的有效全息记录方案。 (3)利用掺杂铌酸锂晶体固有的各种优良特性，给出2到3种WDM光