基于电控全息光栅阵列的高速波长选择光开关的关键技术与性能调控

As a key device in the intelligent optical networks, optical switch is one of the research hotspots in the field of optical communication. Electroholographic (EH) optical switch has the advantages of high speed, good transparency, low loss, and also disadvantages of high control voltage, power consumption. The difficulties of growing its core crystal potassium lithium tantalate niobate (KLTN) hindered the research and application of EH technique. In view of the above questions, based on the breakthrough of KLTN growth, this project proposes to write arrayed EH grating in one chip, and carries out the key techniques and performance-control of EH arrayed grating optical switch. The project will do further research in three aspects as performance-control of KLTN crystal, structure design and performance control of arrayed EH grating, and property characterization of the optical switch. The goal of the research is to establish the relationship among the properties of KLTN, arrayed EH grating structure and optical switch, master the structure and performance optimization method of arrayed EH grating, and explore the mechanism of the arrayed EH grating optical switch performance regulation, to improve the performances of the switch. The project proposes a new method to realized an integrated optical switch of high speed and low loss, helps to improve the performance of EH optical switch, and provide theoretical and experimental basis for the application of EH technique, has important significance to promote the development of optical switching technology in intelligent optical network.

作为智能化光网络中的关键器件，光开关是当前光通讯领域的研究热点之一。电控全息（EH）光开关具有速度快、透明性好、损耗低等优点，但需高压控制、功耗较大。其核心晶体钽铌酸钾锂（KLTN）的生长困难，也阻碍了EH技术的研究和应用。针对以上问题，基于课题组在高性能KLTN晶体生长方面的突破，项目提出在一片晶片内写入EH光栅阵列，开展EH光栅阵列波长选择光开关的关键技术和性能调控研究。项目将在KLTN晶体的性能调控、EH光栅阵列的结构设计与性能调控以及光开关原理器件的特性三个方面进行深入研究。建立KLTN晶体性质、EH光栅阵列结构与光开关性能之间的关系；掌握EH光栅阵列的结构与性能优化方法；探索EH光栅阵列光开关性能调控的机理，以提高开关的性能。项目提出了一种高速率、低损耗的集成光开关阵列的实现方法，有助于提高EH光开关的性能，为EH技术的应用提供理论和实验基础，对推动光交换技术的发展具有重要意义。

随着光通信技术的飞速发展，能够实现电控全息材料与器件愈加受到人们的关注并得到了广泛的研究。钽铌酸钾晶体（KTN）系列晶体作为一类新型无铅电光晶体，其在铁电顺电相界附近的电光性能相当优异，被认为是电光调制、全息存储等领域的最佳材料。本课题对掺杂 KTN 晶体的性能调控、电控全息（EH） 光栅阵列的结构设计与性能调控以及光开关原理器件的特性三个方面进行了理论与实验研究。 .首先，采用顶部籽晶助溶剂法成功的生长了高质量的KTN晶体，并研究了其基本物理性质。 .第二，系统的研究了 KTN 晶体的动态电光响应特性及机理。搭建了 Senamont 单光束补偿法电光测量系统并对 KTN 晶体相界附近的有效电光系数进行了表征；考虑相界附近 PNR 的存在，分析并解释了电光性能对温度和外加电场频率的响应特性。不仅如此，PNR 还导致了线性与二次电光效应的叠加，使得输出信号波形出现高低峰畸变；为了更好的说明PNR 对于电光性能的贡献机制，建立了一种唯相的理论模型来进一步讨论，并很好的解释了二次电光效应输出波形的高低峰畸变现象。.第三， 进行了电控全息光栅阵列的结构设计与性能研究。采用平面波与柱面波在Mn:KNTN晶体内干涉写入相位型折射率光栅，通过外加电场和空间电荷场的共同作用调控相邻波带之间的相位差。随着外加电场的变化，透镜的焦点发生改变，改变后焦点所在位置是原透镜的次焦点。说明变焦透镜的焦点变化是由主焦点逐渐向次焦点变化。 根据理论模拟的结果，在实验中建立基于锰掺杂钽铌酸钾钠晶体的电控全息可变焦透镜系统。随着外加电压的增大，衍射场中固定一点的衍射光强逐渐降低，由衍射可以判断透镜的焦点发生改变。 .最后，采用写入电场增强效应，在顺电相掺杂铁、锰钽铌酸钾晶体中获得了78.3%的衍射效率。发现在写入过程中，通过施加外部电场可以显著地降低所需的记录时间，以获得最大的衍射效率。更重要的是，在不同的写入角度下，在低外场下衍射效率保持相当高的值。还计算了外场增强的空间电荷场，解释了增强效应的作用。. 本课题有助于开发新型信息器件，对推进高速光开关的小型化和实用化具有科学意义和应用价值。