全光开关用硫系玻璃研究进展

因而有超快的光学非线性响应 。但该类材料的非线性光学系数一般较小 ,需要利用波导结构增加材料和激
光的作用距离 ,以实现光的开关操作 。
玻璃具有良好的拉纤成膜等特性 ,因而是一类优良的非共振型非线性光学材料 。传统的二氧化硅光纤
因其超低光损耗 ,已应用于非共振型的全光开关器件中 [4 ] 。然而 ,石英玻璃较小的非线性折射率要实现足
D evelopm en t of Cha lcogen ide Gla sses for A ll - optica l Sw itch ing Applica tion
X IAO Ha i - yan1 , L IN Chang - gu i1 , TAO Ha i - zheng1 , GON G Yue - qiu2 , ZAN G Hao - chun1
1 全光开关用材料的性能要求
全光开关器的一个工作原理是利用材料的三阶非线性性质 ,使其在超快飞秒激光脉冲诱导下产生折射 率变化来实现光的开关操作 。若能用定向光的光孤子诱导波导 ,可发现其它更多新奇应用 [7 ] 。然而 ,要运
用这一原理制备光开关器并使之能在适当的技术条件下使用 ,需开发出有着优异非线性光学性能的材料 。 首先 ,材料的非线性折射率 n2 与三阶非线性极化率 χ(3) 的关系 [8 ]可由下式描述 :
第203068卷年第2
1期 月
玻璃与搪瓷 GLASS & ENAM EL
全光开关用硫系玻璃研究进展 3
Vol. 36 No. 1 Feb. 2008
肖海燕33 1 ,林常规 1 ,陶海征 1 ,龚跃球333 2 ,臧浩春 1
(1. 武汉理工大学硅酸盐材料工程教育部重点实验室 , 湖北 武汉 430070; 2. 湘潭大学低维材料及其应用技术教育部重点实验室 ,湖南 湘潭 411105)
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要得到高 n2 值和小非线性吸收 β的材料 。也就是说 ,材料能隙应大于运转波长处的理想光子能量的 1倍 ,
此时即可忽略其 TPA。而运转波长即是光通讯波长值 λ = 1. 55 μm (0. 8eV ) ,因此材料能隙应大于 1. 6eV。
为此 ,引入 S元素以提高 Ge - Se基玻璃能隙 。B rindra等人利用闭孔 Z - scan法获得 GeS2 在 1 550 nm 和 1 300 nm 处的非线性折射率分别为 9. 2 ×10 - 19 m2 /W 和 8. 0 ×10 - 19 m2 /W ,λgap仅为 454 nm[ 11 ] 。然而 ,单纯 GeS2 成分的玻璃非线性折射率仍较小 ,因此加入了一些重金属元素 Sb、In等以提高 GeS2 - 基硫系玻璃的非
构简单 、实现方便 、开关速度可通过合理控制光的注入及采用合适的三阶非线性光学材料来提高等优势 ,是
目前研究最多 、使用最广泛的一种结构类型 (见图 1) 。对于该类型全光开关 ,就必须要求其非线性光学材料
FOM > 5[9 ] 。因此 ,虽然石英玻璃的非线性折射率较
小 ,但其超低的吸收系数使其成为目前最好的非线
性材料之一 。
此外 ,开关响应时间和信号转换所需能量的影
响同样至关重要 。全光开关的时间响应主要取决于
构成非线性材料的非线性时间响应过程 。玻璃材料
的非线性 光 学 响 应 过 程 主 要 源 于 超 快 的 电 子 云 扭
曲 ,具有超快非线性响应时间 ,可用于实现超快全光
图 1 M - Z型全光开关结构示意
式中 ε0 —真空介电常数
n2 ( S I)
=
3 4ε0 cn2
R e{
x⑶
(
-
ω 1
,ω1
,
-
ω 1
,ω1
)
}
( e su)
(1)
c—真空中的光速
n —线性折射率
由 ( 1)式可知 ,因材料三阶非线性系数而产生的折射率变化与 χ(3) 的实部有关 , 或若视 n2 为复数 , 即与
n2 的实部有关 。而作为适于光开关应用的非线性材料 ,要求其能在一段光损耗为 1 / e的传播距离中产生足 够高 (π或更高 )的非线性相变 。这就要求光开关用材料具有较高的三阶非线性光学系数 ,以实现高的开关
效率及器件的小型化 。
第 2,全光开关用材料在通讯波段的光吸收也是一个非常重要的参数 。若全光开关材料不存在光吸收 , 只要样品足够长 ,在光克尔门型光开关中必然能产生 π非线性相变 。而非线性吸收使光束在未获得必需的 非线性相移之前已经逐渐减弱 ,甚至消失 。
摘要 :随着人类社会步入高速信息时代 ,高速的通讯信息系统对材料性能提出了更高要求 。详细 分析了全光开关器件对非线性光学材料性能的要求 ,综述了硫系玻璃作为全光开关器件用材料 性能方面的优势 ,并总结了近年来人们对硫系玻璃在全光开关应用方面的研究成果 。
关键词 :硫系玻璃 ;全光开关 ;三阶光学非线性 ;响应时间 中图分类号 : TQ171. 73 + 4 文献标识码 : A 文章编号 : 1000 - 2871 (2007) 06 - 0040 - 04
秒级非线性折射率变化响应和较小的双光子吸收 。据报道 Ge35 A s15 Se50在 1 540 nm 波长处有着比石英玻璃
约高
900倍的非线性光学系数 ,且
FOM 也可达
3.
2[ 10 ] 。要实现 M
-
Z型光开关
,必需使相位移
Φ NL
=π。而
对材料而言 ,由 FOM = n2 /βλ可知 , 10%的非线性损耗就要求其 FOM ≥5。非线性光学材料研发的目标就是
& App lication Technology, Xiangtan University, M inistry of Education, Xiangtan 411105, China)
Abstract:Advanced p roperties of medium have been required by ultra - fast comm unication system , as hum an being is stepp ing into the information era. The required performances of non - linear op tical m aterials for all - op tical sw itching devices were described in details, and the advantages of chalcogenide glasses used for op tical sw itching devices are illustrated. The research achievements on recent app lication of chalcogenide glasses to sw itching devices are also summarized.
开关 。而要使开关运转所需的能量最小化则要求材料具有尽可能大的非线性极化率 。
2 硫系玻璃光开关材料
一般来说 ,非线性光学材料分为共振型与非共振型两类 。共振型材料工作于电子吸收带的波长附近 ,优
点是具有相当高的非线性光学系数 ,而其缺点是 ,由于受到载流子弛豫和缓慢热非线性效应等的限制 ,该类
材料的响应时间较长 。而工作于材料透过窗口的非共振型材料的三阶非线性光学性能则源于电子的极化 ,
Key words: chalcogenide glass; all - op tical sw itching; third - order op tical nonlinearity; response tim e
0 前言
优良超快全光开关 (AOS)器用材料的开发是新一代高速光通讯网络开发的关键材料之一 。大多数非线 性光学材料都是利用电场或光场基于材料的极化率变化产生非线性光学效应 ,以此制作光调制器 、光开关器
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等光信息处理器件 。已报道许多种材料都有较高的三阶非线性折射率 ,然而由于尺寸 、成本和转换功率等因 素的限制 ,这些材料目前还不能应用于实际 。玻璃由于在大部分波段透明 ,并且具有良好的化学稳定性和热 稳定性 、较快的光学响应 、易成纤成膜 、易于机械加工等优点 ,是优良的全光开关用非共振型非线性光学材料 之一 [ 1～4 ] 。
第 3,多光子吸收限制了非线性光学材料的全光开关应用 ,尤其是双光子吸收的非线性损耗 。因此 ,人
们引入了两个重要参数 FOM 与 W ,用于评估非线性材料是否适于作全光开关应用 。 FOM 表征材料三阶非
线性光学性能的品质因子 , W 则表示为在单位吸收长度内可实现的最大相变 。
W
=
△nm ax αλ
3 收稿日期 : 2007 - 09 - 20 33 作者简介 :肖海燕 (1980 - ) ,女 ,湖北松滋人 ,目前主要从事光电信息与功能材料方面的研究工作 。 xhy1@whut. edu. cn。 Tel: 027 - 87651856 333 基金项目 : NSFC (10647142)和低维材料及其应用技术教育部重点实验室基金资助项目 ( KF0608)
b = ( 4p / l) Im ( n2 )
FOM = bl /R e ( n2 ) = 4p Im ( n2 ) /R e ( n2 ) 要设计一个高效的全光开关器 ,要求材料具有高 FOM 值 。马赫 - 泽德 (M - Z)型光控光开关因具有结
· 42 · 玻璃与搪瓷 2008年
绍了 A s2 S3 硫系玻璃光纤的非线性光学性能及 其在全光开关器等方面的应用研究进展 [ 3, 4, 8 ] 。
由图 2可知 ,硒基玻璃有着最高的非线性 折射率 。通过研究 A s2 Se3 基单模光纤的非线性
图 2 几类玻璃的非线性折射率 n2 演变示意图 [9 ]
光学属性 ,发现其非线性折射率和拉曼增益系数比二氧化硅光纤高 2个数量级 ;且在通信波长处 ,有着亚皮
硫系玻璃主要是基于 S、Se、Te等元素 ,并加入其它元素 (如 A s、Ge、Sb、Ga等 )制得 。由于易极化阴离子 具有孤对电子 ,和石英玻璃相比 ,这类玻璃具有非常大的非线性光学极化率 ,因而是超快光开关用最佳候选 材料之一 。硫系玻璃引起广泛关注 ,还因它在 0. 4～22μm 波段有良好的透过性能 ,且在通讯波段具有良好 的非共振型非线性光学性能 。目前 ,越来越多的科研工作者加入了对硫系玻璃的研究工作中 [ 3～9 ] 。
m
(2)
式中 α—线性吸收系数
FOM = n2 / ( bl)
Baidu Nhomakorabea
( 3)
β—双光子吸收系数
n2 —非线性折射率 Δnmax —最大非线性折射率变化 λ—光波长
由式 ( 2)可知 , W 与传播光束的最大相移有关 。应用于非线性光学波导器件的材料 ,要求其 W 必须远大 于 1。通过下式将 β与非线性折射率的虚部联系起来 ( SI单位 ) ,从而由式 (3)计算得 FOM 。
(1. Key Laboratory of Silicate M aterials Science and Engineering,W uhan University of Technology, M inistry of Education, W uhan 430070, China; 2. Key Laboratory of Low D imensional M aterials
够的非线性相移 ,所用光纤需非常长 (长达几千米 ) 。为实现器件小型化 ,就要求玻璃材料具有较高的非线
性折射率 。
在玻璃材料中 ,硫系玻璃有着相当高的非
线性折射率 (比石英玻璃高 2个数量级 ,参见图
2) 。但目前由于原料提纯与制备技术的问题 ,
相比于石英玻璃 ,硫系玻璃在品质因子上并没
能显现出较大优势 。在硫系玻璃中 , A s2 S3 玻璃 是最为大家所熟知的一种 ,已有众多工作者介