ZnS/ZnSe迭层式波导光栅的光调制特性

　　1　引　言

　　目前,光互连领域需要一种多功能外部控制的光学器件,使携带信息的光束从一个位置到另一个位置,实现两个集成光路芯片之间及同一芯片上两个不同位置之间的互连[1]。本文从目前全光互连中存在的技术问题和实际需要出发,力求探索一种在全光互连中可实现光寻址的新方法,为应用于全光数字计算机系统互连提供技术依据。在导波光栅的基础上,发展了一种新型的非线性迭层式波导光栅器件即ZnS/ZnSe非线性迭层式波导光栅,由于ZnS/ZnSe媒质具有很强的依赖于光强的折射率效应[2],这样,把该光栅器件作为基本光互连器件,通过外部控制光强的变化引起非线性媒质的折射率变化,从而改变入射信号光的反射布喇格条件,使光束偏转到所需要的位置或使光束透过光栅实现光开关功能[3]。

　　2　原　理

　　光栅分透射和反射光栅两种,图1所示的光栅为反射式迭层光栅。图中θi,θd分别为入射和反射光与光栅条纹的夹角。分别为入射、反射和光栅的矢量,相位匹配条件为

　　对于上述光栅定义如下等效折射率

　　其中Λ=a+b,na和nb分别为a和b层的折射率。

　　入射光满足Bragg条件时,由β→i,β→d在K→矢量上的投影及上式可得

　　Bragg衍射光的偏转角为

　　所以

　　Δn可由导波的控制光束改变引起。如图2所示,对于二级Bragg衍射情形,n= 2.55,Λ=300nm,λ=514 nm,q= 2,代入式(3),得θi= 42.3°,则

　　3　实　验

　　实验样品是20层ZnS/ZnSe迭层式波导光栅,其设计和制备的过程如下:利用真空镀膜技术在BK7玻璃波导上交替蒸镀ZnS,ZnSe共20层,按上述光栅Bragg条件设计光栅的周期为300 nm,每层厚度约为150 nm,蒸镀的真空度为3.99×10-3Pa,沉积速率为0.05～0.6 nm/s。这样就得到了ZnS/ZnSe非线性迭层式波导光栅(蒸镀时,在波导的一端大约半厘米的一段不镀膜,以便做棱镜耦合之用)。

　　3.1　光调制反射特性实验

　　实验装置如图3所示。实验中采用脉冲Ar+激光器作光源,脉冲宽度为300 ps,重复频率为82 MHz,波长为514.5 nm。

　　脉冲Ar+激光束经分束器S后分成两束,一束强光由反射镜M2反射后照到棱镜上,由棱镜耦合进入波导作为控制光束;另一束弱光由反射镜M1反射到光栅上,使入射角θ为42°。在距离入射光点水平方向50 cm的位置上放一观察屏(x轴),并且当不加控制光束时,反射光束达到屏上P1点,当加控制光束且光强达到2.60×105W/cm2(平均功率240 mW)时,反射光束发生偏转,照到屏上P2点。设P1P2=Δx,OP1=x,如图所示L=50 cm,测得x=45 cm,Δx=3 cm,则