光折变体全息光栅密集波分复用技术

林巧文，刘红梅，康永强

（山西大同大学物理与电子科学学院，山西大同 037009）

光折变体全息光栅密集波分复用技术

林巧文，刘红梅，康永强

（山西大同大学物理与电子科学学院，山西大同 037009）

通过固定两写入光束为90°，以垂直于介质入射面方向为转轴转动晶体的方法记录多重光栅，多重体全息光栅由于其严格的波长角度选择性可应用于多波长解复用.对相同方向入射的多波长光的有效分离，此方法制作波分复用器简单易行，可复用通道数目多等优点.

多重体光栅 波分复用器 光折变效应

随着光放大器等光器件技术和光纤特性的进一步提高,人们对信息的需求急剧增加,对通信容量提出越来越高的要求.为进一步扩充光纤的通信容量而采用的密集波分复用(DWDM)器件和技术是波分复用通信系统的重要组成部分.密集波分复用是最经济有效地解决通讯网络容量问题的技术.实现波分复用的核心器件是波分复用器,光折变体光栅器件[1][2]就是其中一种[1,2],基于光折变效应,可以利用全息法或相位掩模干涉法等来制作光折变体相位光栅,它具有体积小、制作简单、易擦除、可以实时处理、衍射效率高、温度稳定性好、可以进行窄带滤波等优点,在波分复用系统中有着极大的潜在应用前景,因此对光折变光栅在WDM系统中的应用研究,有着十分重要的意义.

1 理论分析

图1 全息光栅记录和读出方案

如图1所示,考虑两束波长为 的相干λw的光(信号光和参考光),与z轴的夹角分别为θw1和θw2,对称入射(θw1=θw2=θw)到光折变晶体,它写入的光栅矢量为⇀K,通过光折变效应,记录一个全息光栅.含有多波长λf地读出光照射该晶体时,满足布拉格条件就会衍射.根据布拉格定律,可得到以下关系

式中各波长均指真空中的波长,各角度均指晶体中的角度.

解复用时,方向相同的多波长光以一定角度入射到多重全息光栅,在满足布拉格的条件下,波长不同的衍射光在空间方向上彼此分开.由此可知,对再现光来说,当入射角θr一定时,给定的光栅只对满足布拉格条件的一个波长的光衍射.这样,如果在晶体中写入两个合适的光栅,使它们的矢量大小相同而方向不同,则当一束包含两个特定波长的光沿一定方向入射时,入射光将分别被两个光栅向不同方向衍射,即起到分波的作用.同理,对于含N有个波长的信号光,可以根据待解复用的N个具体的波长值λm,在晶体中写入光栅矢量方向m各不相同的N个光栅,并使λm与m一一对应.通过控制m与m＋1之间的夹角δθm,使得λm的波矢m仅能与光栅矢量m及其对应的衍射光波矢m组成满足布拉格条件的等腰三角形,各N个m的方向相同,而所有的m均不相同,从而达到了分波的目的.这就是多重体全息光栅波长解复用的基本原理[3].

设待解复用的N个波长有如下关系:

保持两束写入光的波长λw及其夹角（θw1－θw2）始终保持不变,根据Bragg定律,有:

若取写入光波长λw＝λ1,并使待解复用光沿原来写入光方向入射,即θr＝θw,由图的几何关系可得:

其中Ks1和Ksm的夹角为2δθm.

图2 双光束波长角复用的波矢图

这就是本文所提出的光折变体全息光栅波长解复用所推导的最基本的公式.此方法写入时,根据应用时的读出波长来选择写入波长,根据应用时的通道间隔和通道数目选择写入时的转动角度.

解复用光路如图3所示,相对于第N／2幅光栅而言,第m幅全息图衍射光束在空气中的出射角为[4]:

若成像透镜的焦距为f,则显示屏上各谱线与第N／2通道谱线的距离为

图3 解复用光路示意图

由（6）式可以得出,若适当更换焦距更长的成像透镜,则谱线间距还可以随之增大,完全可以将谱线分开,实现解复用的目的.

当写入光波长λw、信号光的波长间隔δλ及相应的信道序号m确定之后,便可由上式确定相应光栅的夹角δθm,从而确定记录时晶体的旋转角.

图4 衍射光夹角的改变与读出波长偏离中心波长的改变关系

图 4给出了 m＝2,λm＝532nm写入角分别为35°、40°、45°时,δθ与δλ的关系曲线,从图中可以看出,在波长改变量较小时,衍射光之间夹角的变化与写入光波长的变化可看成线性关系；当波长的变化量相同时,写入光相互垂直入射时，即写入角为45°时,衍射光之间夹角的改变量相对来说较大,所以可以大大降低通道间的串扰.

当δθm较小时,有(6)式可得到关系式:

由公式和可以得到全息光栅的滤波宽度[4]:

2 实验研究

图5 实验电路图

采用图5所示的实验光路,由记录光源为波长λw=532nm的绿光激光器,e光入射到LiNbO3立方晶体,其光轴同晶体面对角线c轴同向.激光束经扩束、准直后为平行光,再经部分反射镜分为信号光和参考光.信号光和参考光分别经反射镜M1和M2反射后射入晶体,利用图5所示的实验装置在双掺杂的铌酸锂晶体中写入多重光栅.对每一个单一波长,两写入光在空气中的夹角大约40°,记录时,保持参考光的入射角度和空间相位不变,每记录一个全息光栅后,改变物光的入射角度以及参考光的波长.采用这种方式,在晶体中记录N重全息光栅.读出时,采用与记录光空间相位一致的波长复用的读出光束(信号光)从与参考光相同的入射角入射,只有当该读出光中某波长的光束与记录光的某波长完全一致时,该光束被衍射到特定的方向上去,衍射光的角度应与物光的入射角度相同;否则该光束不能被衍射.用高分别率的CCD拍摄到的绿光和红光的衍射斑如图6所示.

3 发展趋势

未来长途DWDM系统的发展趋势是更密的信道间隔、更宽的工作波长范围、更高的单信道速率以及超长距离传输,这对上述各类器件性能提出了一系列更高的要求.随着工艺和技术的进步,一些新型的器件技术发展也较快.其中,基于光子晶体的器件、低成本聚合物光波导器件以及MEMS器件引人注目.总体说来,器件[6]的功能集成化、体积小型化、封装自动化成为DWDM系统用无源器件的重要发展趋势[7].

图6 光栅对红光和绿光的衍射斑

[1]忽满利,刘玉华,刘继芳,等.光折变晶体均匀多重全息图存储研究[J].光子学报,1999,28(7):641-646.

[2]刘继芳,李育林.光折变晶体多重全息存储衍射效率均匀性的研究[J].光子学报,1997,26(5):428-433.

[3]石云龙,董丽娟.负介电常数材料与负磁导率材料双层共轭结构的共振隧穿[J].山西大同大学学报:自然科学版,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,杨成全,李海.双量子阱结构有机电致发光器件[J].山西大同大学学报:自然科学版,2009,25(1):21-24.

[6]王萍,解廷月,李海.脉冲激光沉积技术[J].山西大同大学学报:自然科学版,2008,24(4):19-22.

[7]杨德兴,向红丽,赵建林,等.基于宽光谱应用的波长解复用多重体光栅的光写入特性[J].光子学报,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

文献标识码:A

〔编辑李海〕

1674－0874（2010）01－0036－03

2009－11－23

林巧文(1980-)女,山西大同人,硕士,助教,研究方向:信息光学.