光折變體全息光柵密集波分復用技術

林巧文，劉紅梅，康永強

（山西大同大學物理與電子科學學院，山西大同 037009）

光折變體全息光柵密集波分復用技術

林巧文，劉紅梅，康永強

（山西大同大學物理與電子科學學院，山西大同 037009）

通過固定兩寫入光束為90°，以垂直于介質入射面方向為轉軸轉動晶體的方法記錄多重光柵，多重體全息光柵由于其嚴格的波長角度選擇性可應用于多波長解復用.對相同方向入射的多波長光的有效分離，此方法制作波分復用器簡單易行，可復用通道數目多等優點.

多重體光柵 波分復用器 光折變效應

隨著光放大器等光器件技術和光纖特性的進一步提高,人們對信息的需求急劇增加,對通信容量提出越來越高的要求.為進一步擴充光纖的通信容量而采用的密集波分復用(DWDM)器件和技術是波分復用通信系統的重要組成部分.密集波分復用是最經濟有效地解決通訊網絡容量問題的技術.實現波分復用的核心器件是波分復用器,光折變體光柵器件[1][2]就是其中一種[1,2],基于光折變效應,可以利用全息法或相位掩模干涉法等來制作光折變體相位光柵,它具有體積小、制作簡單、易擦除、可以實時處理、衍射效率高、溫度穩定性好、可以進行窄帶濾波等優點,在波分復用系統中有著極大的潛在應用前景,因此對光折變光柵在WDM系統中的應用研究,有著十分重要的意義.

1 理論分析

圖1 全息光柵記錄和讀出方案

如圖1所示,考慮兩束波長為 的相干λw的光(信號光和參考光),與z軸的夾角分別為θw1和θw2,對稱入射(θw1=θw2=θw)到光折變晶體,它寫入的光柵矢量為?K,通過光折變效應,記錄一個全息光柵.含有多波長λf地讀出光照射該晶體時,滿足布拉格條件就會衍射.根據布拉格定律,可得到以下關系

式中各波長均指真空中的波長,各角度均指晶體中的角度.

解復用時,方向相同的多波長光以一定角度入射到多重全息光柵,在滿足布拉格的條件下,波長不同的衍射光在空間方向上彼此分開.由此可知,對再現光來說,當入射角θr一定時,給定的光柵只對滿足布拉格條件的一個波長的光衍射.這樣,如果在晶體中寫入兩個合適的光柵,使它們的矢量大小相同而方向不同,則當一束包含兩個特定波長的光沿一定方向入射時,入射光將分別被兩個光柵向不同方向衍射,即起到分波的作用.同理,對于含N有個波長的信號光,可以根據待解復用的N個具體的波長值λm,在晶體中寫入光柵矢量方向m各不相同的N個光柵,并使λm與m一一對應.通過控制m與m＋1之間的夾角δθm,使得λm的波矢m僅能與光柵矢量m及其對應的衍射光波矢m組成滿足布拉格條件的等腰三角形,各N個m的方向相同,而所有的m均不相同,從而達到了分波的目的.這就是多重體全息光柵波長解復用的基本原理[3].

設待解復用的N個波長有如下關系:

保持兩束寫入光的波長λw及其夾角（θw1－θw2）始終保持不變,根據Bragg定律,有:

若取寫入光波長λw＝λ1,并使待解復用光沿原來寫入光方向入射,即θr＝θw,由圖的幾何關系可得:

其中Ks1和Ksm的夾角為2δθm.

圖2 雙光束波長角復用的波矢圖

這就是本文所提出的光折變體全息光柵波長解復用所推導的最基本的公式.此方法寫入時,根據應用時的讀出波長來選擇寫入波長,根據應用時的通道間隔和通道數目選擇寫入時的轉動角度.

解復用光路如圖3所示,相對于第N／2幅光柵而言,第m幅全息圖衍射光束在空氣中的出射角為[4]:

若成像透鏡的焦距為f,則顯示屏上各譜線與第N／2通道譜線的距離為

圖3 解復用光路示意圖

由（6）式可以得出,若適當更換焦距更長的成像透鏡,則譜線間距還可以隨之增大,完全可以將譜線分開,實現解復用的目的.

當寫入光波長λw、信號光的波長間隔δλ及相應的信道序號m確定之后,便可由上式確定相應光柵的夾角δθm,從而確定記錄時晶體的旋轉角.

圖4 衍射光夾角的改變與讀出波長偏離中心波長的改變關系

圖 4給出了 m＝2,λm＝532nm寫入角分別為35°、40°、45°時,δθ與δλ的關系曲線,從圖中可以看出,在波長改變量較小時,衍射光之間夾角的變化與寫入光波長的變化可看成線性關系；當波長的變化量相同時,寫入光相互垂直入射時，即寫入角為45°時,衍射光之間夾角的改變量相對來說較大,所以可以大大降低通道間的串擾.

當δθm較小時,有(6)式可得到關系式:

由公式和可以得到全息光柵的濾波寬度[4]:

2 實驗研究

圖5 實驗電路圖

采用圖5所示的實驗光路,由記錄光源為波長λw=532nm的綠光激光器,e光入射到LiNbO3立方晶體,其光軸同晶體面對角線c軸同向.激光束經擴束、準直后為平行光,再經部分反射鏡分為信號光和參考光.信號光和參考光分別經反射鏡M1和M2反射后射入晶體,利用圖5所示的實驗裝置在雙摻雜的鈮酸鋰晶體中寫入多重光柵.對每一個單一波長,兩寫入光在空氣中的夾角大約40°,記錄時,保持參考光的入射角度和空間相位不變,每記錄一個全息光柵后,改變物光的入射角度以及參考光的波長.采用這種方式,在晶體中記錄N重全息光柵.讀出時,采用與記錄光空間相位一致的波長復用的讀出光束(信號光)從與參考光相同的入射角入射,只有當該讀出光中某波長的光束與記錄光的某波長完全一致時,該光束被衍射到特定的方向上去,衍射光的角度應與物光的入射角度相同;否則該光束不能被衍射.用高分別率的CCD拍攝到的綠光和紅光的衍射斑如圖6所示.

3 發展趨勢

未來長途DWDM系統的發展趨勢是更密的信道間隔、更寬的工作波長范圍、更高的單信道速率以及超長距離傳輸,這對上述各類器件性能提出了一系列更高的要求.隨著工藝和技術的進步,一些新型的器件技術發展也較快.其中,基于光子晶體的器件、低成本聚合物光波導器件以及MEMS器件引人注目.總體說來,器件[6]的功能集成化、體積小型化、封裝自動化成為DWDM系統用無源器件的重要發展趨勢[7].

圖6 光柵對紅光和綠光的衍射斑

[1]忽滿利,劉玉華,劉繼芳,等.光折變晶體均勻多重全息圖存儲研究[J].光子學報,1999,28(7):641-646.

[2]劉繼芳,李育林.光折變晶體多重全息存儲衍射效率均勻性的研究[J].光子學報,1997,26(5):428-433.

[3]石云龍,董麗娟.負介電常數材料與負磁導率材料雙層共軛結構的共振隧穿[J].山西大同大學學報:自然科學版,2008,24(1): 25-28.

[4]B offi P,P iccinin D,U baldi M C.Infrared holography for optical communications,techniques,materials and devices[M]. Berlin:Springer-2Verlag,2003:157-176.

[5]高志翔,楊成全,李海.雙量子阱結構有機電致發光器件[J].山西大同大學學報:自然科學版,2009,25(1):21-24.

[6]王萍,解廷月,李海.脈沖激光沉積技術[J].山西大同大學學報:自然科學版,2008,24(4):19-22.

[7]楊德興,向紅麗,趙建林,等.基于寬光譜應用的波長解復用多重體光柵的光寫入特性[J].光子學報,2006,35(1):24-27.

The T echnique of Photorefractive Volume Grating for WDM

LIN Qiao-wen，LIU Hong-mei，KANG Yong-qiang
(School of P hysics and Electronic Science,Shanxi Da t ong University，Datong Shanxi,037009)

The holographic gratings are superimposed in the crystalwith rotationmultiplexing in the geometry.volume

holographic gratings used forWDM attractwidely attention due to their excellentangle and wavelength selectiities.Multwavelength illuminating the volume gratings in the same direction have been separated by the filter successfully.Thismethod havemany

excellences to doingWavelength divisionmultiplexing simpleness.For example easy doing,high diffractive efficiency,many channels multiplexer and so on.

multiple volume gratings;wavelength divisionmultiplexing;photoref ractive effect

文獻標識碼:A

〔編輯李海〕

1674－0874（2010）01－0036－03

2009－11－23

林巧文(1980-)女,山西大同人,碩士,助教,研究方向:信息光學.