三階非線性光學(xué)玻璃研究概況
1、引言
目前光纖通訊網(wǎng)絡(luò)信息運(yùn)載能力的提高并非受制于傳輸介質(zhì)的能力，而是受到用于信號(hào)切換和處理的電子裝置速度的限制，尤其隨著高品質(zhì)、低損耗光纖材料研究的突破，電子裝置由于存在時(shí)鐘偏移、嚴(yán)重串話和高損耗的缺點(diǎn)而產(chǎn)生光纖通信系統(tǒng)中的“信息瓶頸”現(xiàn)象。解決此瓶頸的關(guān)鍵是開(kāi)發(fā)非線性超快光子學(xué)器件。由于玻璃具有在大部分波段透明、較好的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性、較高的三階非線性極化率、較快的光響應(yīng)時(shí)間、易于成纖成膜、易于機(jī)械光學(xué)加工等優(yōu)點(diǎn)，而使其成為全光開(kāi)關(guān)的最佳候選材料之一，受到研究者的普遍關(guān)注。一場(chǎng)旨在以充滿生機(jī)活力的高速光子取代現(xiàn)有信息轉(zhuǎn)換媒體即電子的革命性進(jìn)程已經(jīng)開(kāi)始。
全光開(kāi)關(guān)的工作原理為介質(zhì)在強(qiáng)光場(chǎng)作用下折射率和極化率的變化，起因于強(qiáng)光場(chǎng)誘導(dǎo)下圍繞原子核平均位置電子軌道的非諧畸變(響應(yīng)時(shí)間約為10-15s)和介質(zhì)中原子核的位移(響應(yīng)時(shí)間約為10-12s)。一般，質(zhì)量較大的原子核位移對(duì)由光電場(chǎng)引起的非線性光學(xué)效應(yīng)的貢獻(xiàn)并不顯著。
有許多技術(shù)可用來(lái)觀測(cè)介質(zhì)中的三階非線性光學(xué)效應(yīng)，這些技術(shù)包括：三次諧波發(fā)生、光學(xué)克爾快門、簡(jiǎn)并四波混頻、Z掃描、Mach-Zehnder干涉測(cè)定等。
2、三階非線性光學(xué)玻璃材料
非線性光學(xué)玻璃由于與現(xiàn)有的光纖系統(tǒng)具有相容性和較快的響應(yīng)速度，因而引起人們的極大興趣。目前的研究工作集中于各種不同的玻璃系統(tǒng)，利用不同的非線性機(jī)制來(lái)提高非線性性能。由于光頻隨材料中電子的轉(zhuǎn)移或躍遷會(huì)表現(xiàn)出共振和非共振兩種情況，故三階非線性光學(xué)玻璃材料也可分為共振型和非共振型兩類。
2.1 非共振型
雖然均質(zhì)玻璃的 值較低，但由于其具有較小的吸收系數(shù)和較短的響應(yīng)時(shí)間而使其品質(zhì)因數(shù)較高而格外引人注目。其中為非線性折射率，為響應(yīng)時(shí)間或1皮秒(取其長(zhǎng)者)，是線性吸收系數(shù)。
在所有均質(zhì)玻璃中，都或多或少存在三階非線性光學(xué)效應(yīng)。通常具有高密度﹑高線性折射率的玻璃具有較高的非線性極化率。要獲得高密度﹑高折射率玻璃的方法是向玻璃中添加具有高折射度的調(diào)整體或引入易極化的重金屬氧化物，如PbO﹑Bi2O3﹑Nb2O3﹑TeO2、R2O3(R=La, Pr, Nd, Sm)等，或引入重金屬鹵化物，如KX(X=Cl, Br, I)、PbCl2等。硫系玻璃通常具有相對(duì)較大的三階非線性極化率，最大值A(chǔ)s-S-Se為1.4×10-11esu,差不多是SiO2玻璃的500倍。
然而由于硫系玻璃的本征吸收最小值位于4～6mm，在1.06mm波長(zhǎng)測(cè)得的 有相當(dāng)部分屬于共振吸收分量，且通訊領(lǐng)域主要使用1.31和1.55mm兩個(gè)窗口作為通信通道，而使其全光開(kāi)關(guān)應(yīng)用受到限制。但最近研究表明，重金屬鹵化物的引入會(huì)使硫系玻璃透射區(qū)同時(shí)向長(zhǎng)波和短波方向擴(kuò)展，如GeS2-Ga2S3-KX(X=Cl, Br)系光透過(guò)范圍在0.45～11.5mm之間，且透過(guò)率高達(dá)80%以上(4mm樣品)，由于重金屬鹵化物具有大的極化率，硫系玻璃引入鹵化物會(huì)增加玻璃結(jié)構(gòu)的堆積密度，從而使玻璃具有很好的三階非線性光學(xué)性能，而使新型硫鹵玻璃成為全光開(kāi)關(guān)的最佳候選材料之一。另外在氧化物玻璃中，Bi2O3基玻璃和碲酸鹽玻璃的三階非線性極化率較高，由于其本征吸收最小值靠近通信信道波長(zhǎng)，也被認(rèn)為是全光開(kāi)關(guān)的最佳候選材料之一。
為了在長(zhǎng)的作用范圍保持高功率密度，波導(dǎo)結(jié)構(gòu)予以考慮，光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)以低維形狀(纖維或薄膜)出現(xiàn)，并使集成化而將成為全光開(kāi)關(guān)、光放大器等光子器件的物質(zhì)基礎(chǔ)。據(jù)報(bào)道，日本科學(xué)家Asobe等人在1.5mm波長(zhǎng)處已實(shí)現(xiàn)了100GHZ信號(hào)處理的響應(yīng)時(shí)間小于5皮秒的As2S3單模光纖應(yīng)用于光學(xué)克爾開(kāi)關(guān)，光纖長(zhǎng)度約1m。一個(gè)最常見(jiàn)的利用硫系玻璃光纖的光學(xué)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)是非線性光學(xué)迴路鏡，它是利用改變非線性光學(xué)折射率的原理來(lái)產(chǎn)生兩個(gè)光波間的干涉，能很好的減小全光開(kāi)關(guān)的轉(zhuǎn)換功率。
為了更好的減小開(kāi)關(guān)功率損耗，應(yīng)用啁啾光柵作為群速度色散補(bǔ)償技術(shù)一直是科學(xué)家們努力的方向。然而在未來(lái)光信號(hào)的高比特率處理﹑大規(guī)模光路的集成化等發(fā)展趨勢(shì)上，光纖仍有諸多不足之處。許多科學(xué)家也在努力探索用半導(dǎo)體制成的以微小集成電路塊為基礎(chǔ)的器件來(lái)取代非線性光學(xué)迴路鏡中的長(zhǎng)光纖部分，但其主要缺陷是響應(yīng)速度不是很快。
另外對(duì)一些低 值的玻璃，如氟化物玻璃，其在非線性應(yīng)用方面(如激光玻璃)頗有吸引力。在高能激光系統(tǒng)中，強(qiáng)光束通過(guò)介質(zhì)傳播引起折射率變化，產(chǎn)生光束自聚焦(< 0)或自散焦(> 0)，在這種情況下要求介質(zhì)具有小的值。
2.2共振型
在玻璃中摻入某些光電性能較佳的物質(zhì)能顯著提高非線性光學(xué)效應(yīng)，這些摻雜體常用半導(dǎo)體微晶、金屬顆粒及有機(jī)物等，而玻璃作為摻雜體的色散介質(zhì)使用。
近年來(lái)，當(dāng)半導(dǎo)體多量子阱和超晶格出現(xiàn)后，半導(dǎo)體及金屬顆粒摻雜玻璃的研究成為熱點(diǎn)。這種玻璃也叫量子點(diǎn)玻璃，通常摻雜顆粒尺寸小于10nm，表現(xiàn)出共振增強(qiáng)的三階非線性光學(xué)效應(yīng)，響應(yīng)時(shí)間約為10-11s，同時(shí)由于它們與波導(dǎo)制備技術(shù)相容而被拉成光纖，因此受到重視。其產(chǎn)生機(jī)制可歸因?yàn)榧{米粒子的量子尺寸效應(yīng)，即介質(zhì)因光吸收產(chǎn)生電子-空穴，獨(dú)立的或以激子的形式封閉在顆粒的狹小空間中，電子態(tài)呈現(xiàn)量子化分布，從而引起顆粒周圍場(chǎng)強(qiáng)的增加和非線性光學(xué)效應(yīng)的提高。
1983年，Jain和Lind首先研究了摻雜CdSxSe1-x半導(dǎo)體微晶玻璃的非線性光學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)這類玻璃表現(xiàn)出共振增強(qiáng)的三階光學(xué)非線性，可通過(guò)調(diào)節(jié)S和Se的比例控制介質(zhì)的禁帶寬度，廣泛應(yīng)用于截止濾光片中。除CdSxSe1-x外，含CdS、CdSe、CdTe、CuCl、CuBr、PbS等半導(dǎo)體及摻Au、Ag、Cu等金屬顆粒的玻璃也表現(xiàn)出量子尺寸效應(yīng)。通常顆粒尺寸越小，非線性效應(yīng)越大。如果要獲得較小的顆粒尺寸和較高的顆粒濃度，常采用溶膠-凝膠法制備。
對(duì)有機(jī)物摻雜玻璃的研究也已成為熱點(diǎn)，雖然有機(jī)物本身也可表現(xiàn)出很高的共振非線性性能和超快響應(yīng)時(shí)間，但其難以制成要求的形狀，且存在穩(wěn)定性和重復(fù)性差、工作溫度低、壽命短等缺點(diǎn)，大大限制了使用范圍。顯然，其缺點(diǎn)可通過(guò)將有機(jī)物結(jié)合到具有較強(qiáng)機(jī)械強(qiáng)度及較高化學(xué)穩(wěn)定性的無(wú)機(jī)材料(如玻璃)中加以克服，使有機(jī)活性組分的性能得到充分發(fā)揮。其制備也可用sol-gel法，通常有兩種方法可將有機(jī)物摻入到玻璃中：(1)將有機(jī)物溶解到溶膠-凝膠溶液中，當(dāng)凝膠形成時(shí)，有機(jī)分子被玻璃骨架捕獲，從而獲得最好的穩(wěn)定性;(2)將有機(jī)物分散到多孔凝膠中，經(jīng)干燥和熱處理獲得有機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)合材料。但其共同缺點(diǎn)是難以實(shí)現(xiàn)光均勻復(fù)合。為了制得光學(xué)性能均勻的復(fù)合材料，錢國(guó)棟等人采用新型的原位合成化學(xué)復(fù)合法，實(shí)現(xiàn)了有機(jī)物和無(wú)機(jī)物的有效復(fù)合。另外，有機(jī)改性硅酸鹽也可作為CdS微晶的框架，形成含微晶體、有機(jī)物及無(wú)機(jī)物的多組分復(fù)合非線性材料。
3、結(jié)束語(yǔ)
隨著全光信息處理和光計(jì)算機(jī)研究的發(fā)展，三階非線性光學(xué)玻璃的研究已成為近年來(lái)光電子技術(shù)領(lǐng)域中最引人注目的研究課題之一。目前三階非線性光學(xué)玻璃的研究方向是尋求非線性光學(xué)性能、響應(yīng)時(shí)間、化學(xué)穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性、光學(xué)損耗、加工特性及材料成本等諸因素的最佳結(jié)合點(diǎn)。其中，新型硫鹵玻璃、高折射率氧化物玻璃、各種共振型摻雜玻璃等均有希望成為全光開(kāi)關(guān)材料的最佳候選。筆者相信，非線性光學(xué)玻璃作為光信號(hào)處理用元件的產(chǎn)業(yè)化前景光明，這需要科學(xué)家們前仆后繼的努力奮斗。