（光学专业论文）基于光致双折射效应的有机聚合物薄膜全光开关效应研究.pdf

摘要 基于光致双折射效应的有机聚合物薄膜 全光开关效应研究 学位申请人：罗洋城 指导老师：余卫龙教授 专业名称：光学 摘要 作为光网络中的关键器件之一，光开关已成为当前研究的热点。偶氮苯聚合 物是一种很有应用前景的有机光开关材料，其最吸引人的光学特性就是它的光致 异构和光致取向效应。本论文研究了偶氮苯聚合物光致异构和光致取向引起的光 致双折射效应及其全光开关效应。 制备了偶氮苯化合物分散红1 ( d r l ) 、分散红1 3 ( d r l 3 ) 或分散黄7f d y 7 ) 掺杂的 聚甲基丙烯酸甲酯( p m 姒) 或聚乙烯咔唑( p v k ) 聚合物，研究了它们的光致双折射 性质及光致双折射的影响因素如生色团分子类型、掺杂浓度、泵浦光强和样品厚 度等。通过对传统光致双折射实验的改进，我们首次测量了样品光致双折射的一 维空间分布，并考察了光致双折射空间分布的弛豫演化情况，证实了生色团分子 的取向运动及其引起的周边分子相互运动的存在。 用传统p u m p p r o b e 实验方法考察了d r l 掺杂p m m a ( 或p v k ) 聚合物薄膜的 全光开关效应，发现开关信号不稳定、本底高、响应较慢及调制深度低。致使很 难获得高频率的全光开关效应，调制频率为1 5 0 h z 时，信号已很微弱，调制频 率约3 0 0 h z 时，开关信号已消失。 分析了传统实验中开关信号差的原因，利用圆偏光对双折射擦除的性质和正 交线偏振光产生的生色团光致取向竞争的机制，首次提出了双光泵浦的光开关实 验方法，并设计了三种泵浦方案。在样品给定的条件下，开关信号得到了显著改 中山大学博士学位论文 善。对于d r i ( 5 ) 掺杂的p v k 薄膜，频率为3 0 h z 时的开关信号调制深度可达9 5 ， 对于d r l ( 3 ) 掺杂的p m m a 薄膜，在双光泵浦下获得了1 0 0 0 h z 的高频开关信号， 开关响应时间达亚毫秒量级( 约4 0 0 微秒) 。 为寻求新的开关材料，我们还制备了几种含c = c 或c = n 双键的丙烯酸酯聚 合物，实验发现它们的光致双折射和光开关效应都很弱，甚至没有效应，但通过 推拉电子基团的修饰，它们有明显的光致双折射和光开关效应。实验还发现在相 同实验条件下，这类聚合物样品的荧光强度要比偶氮聚合物样品的强约两个数量 级，而且荧光响应非常快。 关键词：光开关，偶氮苯聚合物，生色团，光致异构，光致双折射 a b s t r a c t s t u d yo fa l l - o p t i c a ls w i t c h i n ge f f e c ti no r g a n i cp o l y m e rf i l m s b a s e do np h o t o i n d u c e db i r e f r i n g e n c e b y l u oy a n g c h e n g d i s s e r t a t i o ns u b m i t t e di np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f d o n o ro f p h i l o s o p h yi no p t i c s s u p e r v i s o r ：p r o f s h ew e i l o n g a b s t r a c t a so n eo ft h ek e yc o m p o n e n t si nt h eo p t i c a ln e t w o r k ，t h eo p t i c a ls w i t c hh a s b e c o m et h eh o tt o p i co fc u r r e n ti n v e s t i g a t i o n s a z op o l y m e ri so n eo ft h ep o t e n t i a l o r g a n i cm a t e r i a l sf o ro p t i c a ls w i t c h i n g t h em o s ta t t r a c t i v eo p t i c a lp r o p e r l yo fa z o p o l y m e ri s i t sp h o t o i n d u e e di s o m e r i z a t i o na n do r i e n t a t i o n i nt h i st h e s i s ，w e i n v e s t i g a t et h ep h o t o - i n d u c e db i r e f r i n g e n c ea n dt h ea l l - o p t i c a ls w i t c h i n ge f f e c t s r e s u l t i n gf r o mt h ep h o t o i n d u c e di s o m e r i z a t i o na n do r i e n t a t i o no ft h ep o l y m e r w ep r e p a r es e v e r a lk i n d so ft h ep o l y m e rf i l m ss u c ha sp m m a 【p o l y ( m e t h y l m e t h a c r y l a t e ) 】o rp v k p o l y f n v i n y l c a r b a z o l e ) 】p o l y m e rf i l m sd o p e dw i t hd r l ( d i s p e r s er e d1 ) ，d r l 3 ( d i s p e r s er e d1 3 ) o rd y 7 ( d i s p e r s ey e l l o w7 ) ，r e s p e c t i v e l y t h ep h o t o i n d u c e db i r e f r i n g e n c ea n dt h er e l a t i v ef a c t o r st h a ta f f e c ti t ，s u c ha st h e s t r u c t u r eo f t h ec h r o m o p h o r e ，d o p i n gc o n c e n t r a t i o n ，p u m p i n gp o w e ra n dt h et h i c k n e s s o f t h es a m p l e ，e t c ，a r ei n v e s t i g a t e di nd e t a i l b yi m p r o v i n gt h et r a d i t i o n a le x p e r i m e n t ， w em e a s u r e ，f o rt h ef i r s tt i m e ，t h eo n e d i m e n s i o n a l l ys p a t i a ld i s t r i b u t i o no ft h e p h o t o i n d u c e db i r e f r i n g e n c e t h eo r i e n t a t i o n so fc h r o m o p h o r e sa n dm o t i o n so ft h e s u r r o u n d i n gm o l e c u l e sd r i v e nb yt h ec h r o m o p h o r e sh a v eb e e nc o n f i r m e db yt h e o b s e r v a t i o n so f t h es p a t i a ld i s t r i b u t i o na n dt h ee v o l u t i o no f t h eb i r e f r i n g e n c e u s i n gt h et r a d i t i o n a lp u m p - p r o b et e c h n i q u e ，w ei n v e s t i g a t e t h e a l l o p t i c a l s w i t c h i n ge f f e c to ft h ep o l y m e rf i l md o p e db yd r l w ef m dt h a tt h es i g n a l sa r e i 中山大学博士学位论文 u n s t a b l e ，w i t hs l o w l yr e s p o n s i v es p e e d ，l a r g eb a c k g r o u n da n dl o wm o d u l a t e dd e p t h e s p e c i a l l y , t h ee f f e c ta th i 曲f r e q u e n c yb e c o m e ss ow e a k t h a tc a n n o tb eo b s e r v e d f o r e x a m p l e ，t h es w i t c h i n gs i g n a la t15 0 h zi sv e r yw e a ka n dn os i g n a li sf o u n da ta b o u t 3 0 0 h z t h ef a c t o r sr e s u l t i n gi nt h eb a ds i g n a l si nt h et r a d i t i o n a le x p e r i m e n th a v e b e e n a n a l y z e di nd e t a i l a n di ti sf o u n dt h a tt h ep h o t o i n d u c e db i r e f r i n g e n c ec a n b ee r a s e d b yac i r c u l a r l yp o l a r i z e db e a mo rb yt w ol i n e a r l yp o l a r i z e db e a m sc r o s s i n ge a c ho t h e r a n dw i t h 石2p h a s ed i f f e r e n c e a c c o r d i n gt ot h i sp r i n c i p l e ，w ep u tf o r w a r d ，f o rt h e f i r s tt i m e ，t h en e wa l b o p t i c a ls w i t c h i n ge x p e r i m e n t si nw h i c ht w op u m pb e a m sw i t h o r t h o g o n a ll i n e a rp o l a r i z a t i o na r eu s e d t h r e ep u m pc o n f i g u r a t i o n sa r eu s e da n dt h e s w i t c h i n gs i g n a l sa r ei m p r o v e ds i g n i f i c a n t l y t h em o d u l a t i o nd e p t ha sh i g ha s9 5 a t 3 0 h zi so b t a i n e dw i t hp v kf i l md o p e db yd r l ( 5 ) i na d d i t i o n ，w ea l s og e tt h e s w i t c h i n gs i g n a l so fp m m a f i l m sd o p e db yd r i ( 3 ) a tf r e q u e n c y1 0 0 0 h z i t s r e s p o n s et i m er e a c h e ss u b m i l l i s e c o n do r d e ro f m a g n i t u d e ( a b o u t4 0 0 9 s ) i no r d e rt os e e kn e wm a t e r i a l sa v a i l a b l e ，w ep r e p a r es o m ea c r y l a t ep o l y m e r s c o n t a i n i n gd o u b l eb o n d so fc = c o rc = n w ef i n dt h a tt h e s ep o l y m e r sh a v en oo rv e r y w e a kp h o t o i n d u c e db i r e f r i n g e n c ea n do p t i c a ls w i t c h i n ge f f e c t b u t ，w ef r e dt h a t m o d i f i e db yp u s h p u l le l e c t r o n i cg r o u p s ，t h em a t e r i a l ss h o wo b v i o u sp h o t o i n d u c e d b i r e f r i n g e n c ea n do p t i c a ls w i t c h i n ge f f e c t s e x p e r i m e n t a l s os h o w st h a tt h e s e p o l y m e r sh a v es t r o n gf l u o r e s c e n c e ，a b o u tt w oo r d e r so fm a g n i t u d es t r o n g e rt h a nt h o s e o f a z op o l y m e r s i na d d i t i o n ，t h er e s p o n s eo f f l u o r e s c e n c ei sv e r yf a s t k e yw o r d s ：o p t i c a ls w i t c h ，a z op o l y m e r ，c h r o m o p h o r e ，p h o t o i s o m e r i z a t i o n ， p h o t o i n d u c e db k e f r i n g e n c e i v 第1 章前言 第1 章前言 随着信息时代的到来，信息传输容量和服务业务日益扩大，建立一个高速、 宽带的通讯网络是人们的迫切需要。光纤通信技术在不断发展，密集波分复用 ( d w d m ，d e n s ew a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 系统日益成熟，这些技术大力推 动了全光通信的发展，因此，在光波密集波分复用技术基础上组建全光传输网是 通信技术发展的必然趋势。在光网络中，光分插复用器( 0 a d m ，o p t i c a la d d d r o p m u l t i p l e x i n g ) 和光交叉连接( o x c ，o p t i c a lc r o s sc o n n e c t i o n ) 等是不可缺少的网络 节点设备，而这些节点设备中迫切需要性能良好、价格低廉的各种光器件。光开 关和光开关阵列正是其中的关键器件。作为光网络中的关键器件之一，光开关已 成为当前研究的热点。本章介绍目前的光开关技术及其研究进展，叙述偶氮聚合 物光致双折射的理论基础和我们的主要工作。 1 1 光开关技术与应用 1 1 1 光开关的功能与应用 光开关是全光交换中的关键器件，其最大的特点是利用光在时域的宽带特 性，可做出“透明”的信号开关切换、实现在全光层的路由选择、波长选择、光 交叉连接以及自愈保护等功能。光开关的另一特性是以热形式消耗的能量小，有 望构成低功耗的开关系统，从而解决高集成度电子开关中发热的问题。目前光开 关主要应用包括： ( 1 ) 光交叉连接( 0 x c ) 。o x c 由光开关阵列组成，主要实现动态的光路径管 理、光网络的故障保护、灵活增加新业务等。光交叉连接对开关的要求主要有低 插损、低串扰、低开关时间以及无阻塞运作。目前微机电系统技术已经在光交换 应用中进入实验阶段，由于其对波长、数据速率和信号格式都透明，在不远的将 来有希望实现光层上的交换。 ( 2 ) 用光开关实现网络的自动保护倒换。当光纤断裂或传输发生故障时， 就可以通过光开关改变业务的传输路径，实现对业务的保护。通常这种保护倒换 中山大学博士学位论文 只需l 2 端口的光开关就可以实现。 ( 3 ) 用l n 光开关实现网络监控。在远端光纤测试点通过l n 光开关把 多根光纤接到一个光时域反射仪o t d r ( o p t i e a lt i m ed o m a i nr e f l e c t o m e t e r ) 上，通 过光开关倒换实现对所有光纤的监测，或者插入网络分析仪实现网络在线分析。 ( 4 ) 光纤通信器件测试。光器件、光缆以及子系统产品在测试过程中，可 以使用光开关同时测试多个器件，从而简化测试，提高效率。 ( 5 ) 用于光分插复用器( 0 a 跏) 。光开关是0 a d m 的基本组成部分，o a d m 主 要用于环形的城域网中，以实现单个波长和多个波长从光路中自由上( a d d ) 下 ( d r o p ) 。用光开关实现的o a d m 可以通过软件控制动态上下任意波长，这样就增加 了网络配置的灵活性。 1 1 2 光开关类型 作为重要的光波导器件，光开关与光开关阵列的研究已经有二三十年的历 史。随着人们对器件的材料、工作原理和加工工艺等多方面认识和研究的不断进 展，光开关与光开关列阵的类型也呈现出多元化发展趋势，种类繁多。 按工作时的路由介质划分，光开关有自由空间开关和波导开关两个类型。自 由空间开关如按装置结构形式又可分为反射型”、透射型【2 】和衍射型 3 】。反射型 结构主要利用光在波导中的衰逝全反射a t r ( a t t e n u a t e dt o t a lr e f l e c t i o n ) 原理：透 射型结构主要利用了样品的光致双折射效应；衍射型则利用了光栅衍射原理。在 空分型光开关中，单元光开关的具体方式主要有：定向耦合器型：干涉仪型 ( m a c h z e h n d e r ) ；光功率吸收透过型：光功率反射型。光波导开关的结构也是 多种多样，主要有：定向耦合器型( d c ，d i r e c t i o n a lc o u p l e r ) ；马赫曾德尔干涉仪 型( m z i ) ；数字光开关型( d o s ，d i g i t a lo p t i c a ls w i t c h ) 等。其中马赫曾德尔干涉仪 型的分支结构主要有：y 分支型，定向耦合器型，非对称x 结三种。而d o s 开关主 要有y 分支结构和非对称x 交叉两种结构。 如按工作原理划分，光开关可分为机械式和非机械式两大类。机械式光开关 靠移动光纤或光学元件，使光路断或开。非机械式光开关则依靠电光效应，磁光 效应，声光效应和热光效应等来对光进行控制，改变光的传播方向，从而完成开 关功能。 2 第l 章前言 按工作材料来分，目前光开关所用的材料主要包括：l i n b 0 3 、1 1 1 v 族化合 物半导体( 1 n p ，g a a s 等) 、玻璃、硅基光波导、液晶及有机聚合物等。 总之，目前已经涌现了很多新技术，相关的综述也有很多h 。8 】，下面从工作 原理方面对机械光开关( 传统的和m e m s ) 、喷墨气泡光开关、液晶光开关、热光 开关、声光开关、全息光开关、液晶光栅光开关等进行介绍。 微机电光开关 9 - 1 2 l 微机电光开关靠微型电磁铁或压电器件驱动可以活动的微镜发生机械移动， 从而改变输入光的传播方向，原理与传统机械光开关( 图1 - 1 ) 相同。微机电光开 关的优点是：结构简单，插入损耗低( 6 0 d b ) ，隔离度好 ( 4 5 d b ) ，不受偏振和波长的影响。由于微机电系统与光信号的格式、波长、协 议、调制方式、偏振、传输方向等均无关，而且在损耗、扩展性上都要优于其它 类型，与未来光网络发展所要求的透明性和可扩展等趋势相符合，而且m e m s 技 术可以利用类似i c 的工艺成批加工生产，它有可能成为光交换器件中的核心主 流。缺点是：由于是机械运动，其开关时间较长，一般为0 1 l m s 数量级；开 关结构有移动部分，任何机械摩擦、磨损以及外部振动都可能使它的可靠性降低 因而开关寿命有限，重复性较差，有的还存在着回跳抖动等问题。此外，m e m s 光 开关的插损比较大，主要包括透镜的耦合损耗、高斯光传播损耗以及镜子角度偏 差引起的损耗。 目前二维子系统最大容量是3 2 3 2 端口，多个子系统可以连接起来形成大 的交叉阵列，最大可以达到5 1 2 5 1 2 端口。0 m m 公司4 4 光开关的插损达到3 d b ， 1 6 1 6 开关阵列的插损增加到5 至7 d b 。另外，0 m m 公司预计于2 0 0 1 年中期推 出三维产品，在原理上类似于二维方案，但在n 个输入光纤和n 个输出光纤之间 仅使用了2 x n 个微镜，每个微镜都有n 个可能的位置，因此驱动结构非常复杂。 尽管m e m s 技术还有很多不足，但仍得到了众多公司的推崇，技术也在蓬勃 发展。2 0 0 0 年l u c e n t 推出了w a v es t a r l a m d a r o u t e r 的全光路由系统，其光交叉 连接系统可实现2 2 4 2 2 4 的交换容量。图卜2 为l u c e n t 公司的三维m e m s 。目 前主要供应商包括0 m , i 、l u c e n t 、n o r t e l 、i m m 、c r o n o s 、m e m s c a p 、c a l i e n t 等。 3 中山大学博士学位论文 图卜12 2 传统机械光开关 图卜2l u e e n t 公的3 维微机电光开关( 3 0m e m s ) 1 4 】 电光开关 1 5 q 7 1 电光开关的原理( 图卜3 ) 一般是利用铁电体、化合物半导体、有机聚合物等 材料的电光效应( p o c k e l s 效应) 或电吸收效应( f r a n z - k e l d y s h 效应) 以及硅材料 的等离子体色散效应，在电场的作用下改变材料的折射率和光的相位，再利用 光的干涉或者偏振等方法使光强突变或光路转变。与机械光开关相比，其主要优 点除开关速度高之外，还由于没有移动部件，因而重复率较高，寿命较长。电光 开关主要类型有：定向耦合器电光开关、波导型m a c h z e h n d e r 干涉仪电光开关和 电光偏振调制波导电光开关。 4 图卜32 2 电光开关 1 1 】 第1 章前言 喷墨气泡( b u b b l e ) 光开关【1 8 a g i l e n t ( 安捷伦) 公司结合喷墨打印和硅平面光波导两种技术，开发出一种 二维光交叉连接系统。安捷伦公司的全光交换芯片曾在0 f c 2 0 0 0 年会上引起轰动。 该设备( 图卜4 ) 由许多交叉的硅波导和位于每个交叉点的微型管道组成，微型管 道里填充一种与折射率匹配的液体用以允许缺省条件下的无交换传输。当有入射 光照入并需要交换时，一个热敏硅片会在液体中产生一个小泡( b u b b l e ) ，小泡将 光从入射波导中的光信号全反射至输出波导。其光开关平台包括两部分：下半部 是硅衬底的玻璃波导，上半部是硅片。上下之间抽真空密封，内充特定的折射率 匹配液，每一个小沟道都对应一个微型电阻，通过电阻加热匹配液形成气泡，对 通过的光产生全反射。电信号的加入在下半部引入，在芯片与光纤的耦合上采用 带状光缆通过硅v 型槽接触解决。当有入射光照入并需要交换时，一个热敏硅片 会在液体中产生一个小泡，小泡将光从入射波导中的光信号全反射至输出波导。 图卜4 a g i l e n tb u b b l es w i t c h e s ( 安捷伦公司) 1 3 j 喷墨气泡光开关交换速度为毫秒级，由于没有可移动部分，可靠性较好。由 于使用已有的技术( 喷墨打印技术) ，故其成本不高，同时具有较好的扩展性。 a g i l e n t 公司目前已经制造出3 2 1 6 和3 2 x 3 2 端口光开关子系统，3 2 x 3 2 子系统 损耗为4 5 d b 并且可以把这些子系统连接起来组成更大的交换阵列。其开关响应 时间小于1 0 m s ，可以用于光纤保护倒换。并且，这种开关对偏振相关损耗和偏振 模色散都不敏感；由于器件本身没有可活动部件，因此可靠性很好，可以满足电 信应用中时间可靠性要求；同时这种光开关可以大批量生产。 5 中山大学博士学位论文 液晶( l i q u i dc r y s t a l ) 光开关 1 9 - 2 1 】 液晶光开关的工作是基于对液晶偏振特性的控制。典型的液晶器件包括无源 和有源部分，它实现光交换主要由以下步骤来完成：首先把输入光分为两路偏振 光，然后把光输入液晶内，液晶根据是否加电压来改变光的偏振状态。由于电光 效应，在液晶上加电压将改变非常光的折射率，从而改变光的偏振状态；最后光 射到无源光器件( 如分路器) 上，根据光的偏振方向把光输出到预定的输出端口。 液晶光开关理论上的网络重构性可能比较好，但是目前最大端口数为8 0 ， 因此液晶被认为更适合用于较小的交换系统中。由于在液晶中光被分成偏振方向 不同的两束光，最后把它们合起来，如果两束光的传播路径稍有不同，便会产生 插损( 对1 2 开关为l d b ，1 8 开关为2 5 d b ) ，液晶光开关目前消光比为4 0 5 0 d b 开关速度可以通过加热液晶来提高，但不可避免地使设备功耗增加。另外， 更多的商家开始研究基于液晶的可调光衰减器；由于与偏振相关，也可用于制作 偏振模式色散( p m d ，p o l a r i z a t i o nm o d ed i s p e r s i o n ) 补偿器。 p a h 幽 _ 訾8 脚赫掣 h t r o t o 哇之 图1 - 51 2 液晶光开关【2 2 1 另外，液晶的电光系数很高，是铌酸锂的几百万倍，使液晶成为最有效的光 电材料。电控液晶光开关的交换速度可达亚微秒级，未来将可以达到纳秒级。目 前供应商包括c o m i n g 、c h o r u m 、k e n to p t r o n i c s 等公司。 热光( t h e r m a l o p t i c a l ) 开关口3 。2 5 】 现在，热光开关主要有两种基本类型：数字型光开关d o s 和干涉型光开关。 干涉型光开关具有结构紧凑的优点，缺点是对波长敏感，因此通常需要进行温度 控制。数字光开关性能更稳定，只要加热到一定温度，光开关就保持同样的状态。 6 第1 章前言 它们都是在介质材料如玻璃或硅基片上先做波导结构，然后，在波导上蒸镀金属 薄膜加热器，通过电流加热的方法，使波导介质的温度变化，导致光在介质中传 播时折射率和相位发生改变，从而实现光的开关动作。数字光开关可以用硅和高 分子聚合物制作：后者功耗小，但插损大。而干涉式光开关主要利用m a c h z e h n d e r 干涉原理，也就是利用光的相位特性。首先输入光被分成两路，在两根 光波导里分别传输，最后合在一起。其中一根波导被加热，使波导的折射率改变， 从而改变光传输距离，使得一束光到达时与另一束光不同相，利用干涉原理使合 成光束减弱甚至关断。 热光开关最简单的器件是1 2 开关，也叫y 型分路器。对y 型的一个分支 加热时，材料的折射率就会发生改变，将阻止光沿着这个分支传输。热光开关阵 列还可以和阵列波导光栅( a w g ，a r r a y e dw a v e l e n g t hg r a t i n g ) 集成在一起组成光分 插复用器。a k z on o b e l 公司早在1 9 9 1 年就已经推出了聚合物数字光开关。目前 聚合物热光开关已经进入规模生产，供应商包括n t t e l e c t r o n i c s 、j d s u 、c o m i n g 、 a l e a t e l 、a k z on o b e l 等公司。图卜6 为n t t 研制的8 8 热光开关【” 。 图卜6n t t8 8 热光开关 全息光开关【2 6 全息光开关利用激光的全息技术将光纤光栅全息图写n k l t n 晶体内部，通 过全息的形式在晶体内部生成布拉格光栅，布拉格光栅实现对光的选择性反射， 从而起到选定波长的开关作用。 如图卜7 所示，电激发的光纤布拉格光栅的全息图被写入到k l t n 晶体内部 后，当不加电压时，晶体是全透明的，此时光就直接通过晶体。当有电压时，光 7 中山大学博士学位论文 纤光栅的全息图产生，布拉格光栅将对特定波长光反射，将光反射到输出端。 利用这种技术可以很容易地组成上千端e l 的光交换系统。并且它的开关速度 非常快，只需几个n s 就可以把一个波长交换到另一个波长。由于没有可移动器 件，可靠性比较好。根据t r e l l i sp h o t o n i c s 公司，2 4 0 2 4 0 端口的交换系统的插 损低于4 d b ，端到端的重复性也比较好，但是它的功耗比较大( 2 4 0 2 4 0 功耗小 于3 0 0 瓦) ，并且需要高电压供电。目前供应商有t r e l l i sp h o t o n i e s 等公司。 控制电极 i r - - - - - - a = = = i吊1同lr1 一1 一 图卜7 全息光开关0 2 0 】 3 4 声光开关( o c o u s t o o p t i c a ls w i t c h ) 2 7 - 2 9 声光效应是指声波通过材料时产生机械应变，引起材料的折射率周期性变化， 形成布拉格光栅，衍射一定波长的输入光的现象。声光开关是利用介质的声光 ( a c o u s t o - o p t i c s ) 效应制作的光开关。在这种开关中，声波用来控制光线的偏转。 其基本原理( 图卜8 ) 可描述如下：控制电信号经换能器后产生一定频率的声表面 波，声表面波在声光介质中传播，使介质折射率发生周期性变化，形成了一个运 动的衍射光栅，当入射光束满足布拉格衍射条件时，就可引起光的偏转，偏转角 由声波的频率和入射光波长决定。交换速度从5 0 0 n s 到1 0 u s 由于没有移动部分， 可靠性较高。l m g r 公司声称其光纤线性声光开关没有机械部分，使用电和计算机 控制声光偏转，装置能在几个微秒内将输入信号送到输出端，转向器可以任意转 向。b r i m r o s e 公司也开发自己的声光开关，其l 2 光开关的交换速度是5 2 5 n s ， 相对损耗为2 5 d b 目前最大端口为2 5 6 x2 5 6 ，由于没有机械的运动部分，所以可靠性好。但缺 点是成本太高，不利于实际应用。目前供应商有g o o c ha n dh o u s e g o 、l i g h t m a n a g e m e n t 、b r i m c o m 等。 8 第1 章前言 连篁 一t ：圣、。 r 、 f - - 工一、能墨 液体光栅开关 液体光栅( l i q u i dg r a t i n g s ) 技术是液晶技术和全息技术的综合。它基于电交 换布拉格光栅e s b g 技术，通过控制电压，使布拉格光栅产生和消失。将液晶微滴 悬浮于聚合体内，同时将它放置在s i 波导上，当不加电压时，布拉格光栅工作并 使特定的波长偏转，从波导上端输出。当加上电压时，布拉格光栅消失即晶体是 全透明的，光线直通波导。这样液体光栅完成选出特定波长并交换的功能。液体 光栅开关的交换时间大约为1 0 0 微秒。同样因没有移动部件，可靠性高，损耗低， 典型值为5 0 m w d i g i l e n s 声称液体光栅开关的光损耗小于l d b 此外还有利用法拉第磁光效应( 线偏振光在磁性介质中传播时，受外磁场的 作用其偏振面发生旋转) 的磁光光开关1 3 0 锄，半导体光放大器s o a ( s e m i c o n d u c t o r o p t i c a la m p l i f i e r ) 光开关【3 3 - 3 4 1 和非线性光学环路镜( n o l m ，n o n l i n e a ro p t i c a ll o o p m i r r o r ) 光开关【3 5 】等等。 1 1 3 光开关的性能指标 一般地，评价一个光开关的性能，主要以开关速度、阵列大小、损耗、可靠 性以及可扩展性等参数来考察。基于不同的应用，各种开关技术及类型的选择也 不尽相同。表1 是上述传统光开关的主要性能比较。 9 中山大学博士学位论文 表l 几种光开关主要性能比较8 】 1 2 有机聚合物光开关 1 2 1 有机聚合物的特点及其应用 有机聚合物材料有许多特点3 6 】：( 1 ) 种类繁多，选择余地大，一些“弱点”可 以通过分子设计进行改进和优化；( 2 ) 价格低廉。由于生长晶体方面的困难，铌 酸锂调制器的价格高达5 万美元一个，而类似的有机物调制器的价格，则可大幅 度下降；( 3 ) 电光活性高，适合于薄膜形态使用，有利于在大规模集成光路中使用； ( 4 ) 响应速度快。现在商业的铌酸锂调制器的开关脉冲的速度是2 0 g h z ，有机物 】o 第1 章前言 电光调制器件已操作到1 1 3 g h z ，理论预期操作速度可高达2 0 0 g h z ；( 5 ) 信息容量 大。由于速度快，可以承载的信号的信息容量就大；( 6 ) 吸收相对较低；( 7 ) d c 介电常数低；( 8 ) 开关能量低；( 9 ) 容易在半导体上成膜，因而易与以半导体为基 础的微电子器件相容和集成，无机晶体则不易做在半导体衬底上；( 1 0 ) 较好的抗 电磁干扰性能：( 1 1 ) 由于有机材料的折射率和玻璃相近，易于与光纤联结等。 另外，相对于无机和有机晶体，聚合物材料的掺杂和人为设计、改性是非常 容易的，而且聚合物还可以很容易地制备成各种结构，如薄膜结构及多层膜体材 料结构等。聚合物的光学非线性可以通过掺杂非线性生色团产生，而不象无机晶 体那样只能在无对称中心的晶体结构中选择【37 1 。基于以上特点，有机聚合物材料 在光电子器件上得到了大量应用【3 8 ，3 9 】。目前，有机非线性光学材料在光调制器、 光开关、光学双稳态及光互连的应用及器件发展方面也已取得了可喜的应用，如： 1 9 8 8 年k s a s a k im o 等制作了聚合物单模m a c h - z e h n d e r 干涉仪，在跨越器件 活性长度的1 4 m m 长的电极上加8 伏电压，在1 3 p m 波长得到了超过2 0 d b 的强度 调制，器件中测得y ”为1 8 5 p m v 1 9 9 3 年s m i t h 等人报道了他们第一个有机，聚合物电光调制器 4 ”。它成功地 用于光学传送和接收6 个无线电频率的电视信号，而噪音很小。 1 9 9 3 年z z h a n g 等 4 2 埔衰逝全反射( a t r ) 方法，从推拉型偶氮化合物掺杂的 p a 薄膜中观察到了具有良好开关性能的低功率宽频带( 4 8 0 6 1 0 n m ) 响应的光学 双稳态。 总之，有机材料尤其聚合物材料在光电子领域有着非常广阔的应用前景，它 几乎涉及了光通信所有领域中的光电子器件 4 3 4 6 。包括有源器件如有机聚合物电 致发光器件( o l e d ，o l d ) ，无源器件如聚合物光纤、聚合物波导、有机聚合物耦合 器、光衰减器、光开关和调制器等。下面主要介绍聚合物的光开关尤其全光开关 方面的应用与研究现状。 1 2 2 聚合物光开关的研究现状 聚合物光开关的类型主要有热光型和电光型，器件结构多样化，有方向耦合 器型、马赫一曾德尔干涉仪型( m z i ) 、交差连接型、y 分支型等。目前，聚合物光 开关的现状是：规模还不大、开关功率较大( 几十到百毫瓦甚至上瓦量级) ，而开 中山大学博士学位论文 关速度在几百微秒到几毫秒量级。表2 是聚合物光开关的一些典型代表及相应的 开关参数4 7 1 。 表2 聚合物光开关的一些典型代表及相应的开关参数 方向耦热光 p m m 4 47 0 m w 1 m s1 0 合 4 8 1 m i x n i r e y 分支数热光 f l u o r i n a t e d 4 x 4 2 1 w 3 m s 4 宁型 4 9 1 a 。r y l m 对称交热光p 蛳a2 24 5 m w6 5 差数字 5 0 】 4 5 y 分支数热光p f c b4 45 w2 5 0us1 2 8 字型 5 1 】 非对称热光f p a e2 21 0 m w 2 0 m s4 5 交差m z id2pfcb y 分支数电光p 枷v i a d r i 1 2 字型 【5 3 】 非对称y 电光p 蛳a2 21 5 v 分支配i 5 4 】p 2 & n s - 6 0 - 4 6 l5 5 1 3 l 1 5 5 1 3 1 5 5 1 2 3 聚合物全光开关的研究现状 有机聚合物材料的全光开关研究目前还主要集中在实验阶段。代表性工作 有： e b i s a w a 等) k 垆5 在马赫曾德干涉仪开关基础上，以p 3 f m a m m a 为波导材料， 用3 1 3 r i m ( 5 m w c m 2 ) 和大于5 0 0 m 的光作为控制光，1 5 5 p r o 信号光的响应时间分 别为9 5 s 和5 0 s r o d r i g u e z 等人 5 6 j 以5 1 4 5 n m ( 2 0 m w c m 2 ) 的光作为控制光， p m m a d r l 为波导材料，1 0 6 4 1 m a ( 言号光的响应时间为2 0 s ：k a n g 等人【5 7 以b t f 6 为 材料，分别用5 1 4 啪( 7 m w c m 2 ) , 及3 6 5 n m ( 0 4 m w c m 2 ) 的光照射，1 5 5 u m 光的响 1 2 第1 章前言 应时间大于1 s ；利用表面模共振( s p r ) 对材料表面反射率的影响，可以制成全反 射棱镜空间光调制器( s l m ) 。基于这一原理，o k a m o t o 等人【5 8 l 用4 8 8 n m 的光作用 m 0 p v a ，在光强为6 1 w c m 2 时，6 3 2 8 n m 探测光的响应上升时间约为1 0 s ，下降 时间不到2 s ；n a g a m u r a 等人【5 9 】以掺c u p c s 的p v a 薄膜为材料，以6 8 2 n m 的光 ( 5 n s ，0 5 2 m j p u l s e ，0 2 c m 2 ) 为泵浦，5 1 4 n m ( o 8 r a m 2 ) 的探测光达到了0 1 2 m s 的上 升时间s n o 9 2 m s 的下降时间；s a s a k i 等人【6 0 】以3 5 5 n m ( 8 n s ，1 - 2 5 n o p u l s e ) 和 6 0 0 n m ( 8 n s ，6 m j p u l s e ) 的光分别作为开和关的控制光泵浦掺s p 的材料，对5 4 3 n m 的h e n e 探测光，可达至t 2 0 n s 的上升时间；t a n i o 等人以y a g 激光( 1 8 n s ，5 3 2 n m ， 1 5 m j p u l s e ) 泵浦二芳基乙烯薄膜，对h e - n e 光的响应时间不到1 0 0 1 1 s ；y a e o u b i a n 等人 6 2 】的基于衰减全反射( a t r ) 结构的f p 共振全光开关，以5 1 4 n ma r + 激光 ( 1 0 m w c m 2 ) 作用p 埘a d r l 膜，对h e n e 光的响应时间为5 0 2 0 0 m s 1 2 4 聚合物全光开关的主要机制 上述有机聚合物材料的全光开关效应，主要利用的机理是材料的光致折射率 变化特性。光致热效应和光化学效应( 光致异构、光致取向) 均可引起材料的折射 率改变，而光化学作用( 可逆的光致异构、光致取向) 是聚合物材料全光开关效应 的主要机制。目前比较成熟的可用于全光开关效应的光化学机制主要有： 、光致异构。如： a 、偶氮苯及其衍生物的光致异构 6 3 - 6 6 】 在适当波长的光照射下，偶氮苯及其衍生物分子可以在棒状的反式( t r a i l s ) 和曲棍状的顺式( c i s ) 异构态之间相互转变( 见图卜9 ) 。不同结构的偶氮化合物具 有不同的光致异构速率，其顺式和反式异构态的寿命也不同。 9 弋旬声 图1 - 9 偶氮化合物的顺