三階非線性光學玻璃研究概況

　　1、引言
　　目前光纖通訊網絡信息運載能力的提高并非受制于傳輸介質的能力，而是受到用于信號切換和處理的電子裝置速度的限制，尤其隨著高品質、低損耗光纖材料研究的突破，電子裝置由于存在時鐘偏移、嚴重串話和高損耗的缺點而產生光纖通信系統中的“信息瓶頸”現象。解決此瓶頸的關鍵是開發非線性超快光子學器件。由于玻璃具有在大部分波段透明、較好的化學穩定性和熱穩定性、較高的三階非線性極化率、較快的光響應時間、易于成纖成膜、易于機械光學加工等優點，而使其成為全光開關的最佳候選材料之一，受到研究者的普遍關注。一場旨在以充滿生機活力的高速光子取代現有信息轉換媒體即電子的革命性進程已經開始。

　　全光開關的工作原理為介質在強光場作用下折射率和極化率的變化，起因于強光場誘導下圍繞原子核平均位置電子軌道的非諧畸變(響應時間約為10-15s)和介質中原子核的位移(響應時間約為10-12s)。一般，質量較大的原子核位移對由光電場引起的非線性光學效應的貢獻并不顯著。

　　有許多技術可用來觀測介質中的三階非線性光學效應，這些技術包括：三次諧波發生、光學克爾快門、簡并四波混頻、Z掃描、Mach-Zehnder干涉測定等。

　　2、三階非線性光學玻璃材料
　　非線性光學玻璃由于與現有的光纖系統具有相容性和較快的響應速度，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，利用不同的非線性機制來提高非線性性能。由于光頻隨材料中電子的轉移或躍遷會表現出共振和非共振兩種情況，故三階非線性光學玻璃材料也可分為共振型和非共振型兩類。

　　2.1　非共振型
　　雖然均質玻璃的 值較低，但由于其具有較小的吸收系數和較短的響應時間而使其品質因數較高而格外引人注目。其中為非線性折射率，為響應時間或1皮秒(取其長者)，是線性吸收系數。

　　在所有均質玻璃中，都或多或少存在三階非線性光學效應。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較大的三階非線性極化率，最大值As-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波長測得的 有相當部分屬于共振吸收分量，且通訊領域主要使用1.31和1.55mm兩個窗口作為通信通道，而使其全光開關應用受到限制。但最近研究表明，重金屬鹵化物的引入會使硫系玻璃透射區同時向長波和短波方向擴展，如GeS2-Ga2S3-KX(X=Cl, Br)系光透過范圍在0.45～11.5mm之間，且透過率高達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增加玻璃結構的堆積密度，從而使玻璃具有很好的三階非線性光學性能，而使新型硫鹵玻璃成為全光開關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，也被認為是全光開關的最佳候選材料之一。

　　為了在長的作用范圍保持高功率密度，波導結構予以考慮，光波導結構以低維形狀(纖維或薄膜)出現，并使集成化而將成為全光開關、光放大器等光子器件的物質基礎。據報道，日本科學家Asobe等人在1.5mm波長處已實現了100GHZ信號處理的響應時間小于5皮秒的As2S3單模光纖應用于光學克爾開關，光纖長度約1m。一個最常見的利用硫系玻璃光纖的光學轉換開關是非線性光學迴路鏡，它是利用改變非線性光學折射率的原理來產生兩個光波間的干涉，能很好的減小全光開關的轉換功率。為了更好的減小開關功率損耗，應用啁啾光柵作為群速度色散補償技術一直是科學家們努力的方向。然而在未來光信號的高比特率處理﹑大規模光路的集成化等發展趨勢上，光纖仍有諸多不足之處。許多科學家也在努力探索用半導體制成的以微小集成電路塊為基礎的器件來取代非線性光學迴路鏡中的長光纖部分，但其主要缺陷是響應速度不是很快。

　　另外對一些低 值的玻璃，如氟化物玻璃，其在非線性應用方面(如激光玻璃)頗有吸引力。在高能激光系統中，強光束通過介質傳播引起折射率變化，產生光束自聚焦(< 0)或自散焦(> 0)，在這種情況下要求介質具有小的值。

　　2.2共振型
　　在玻璃中摻入某些光電性能較佳的物質能顯著提高非線性光學效應，這些摻雜體常用半導體微晶、金屬顆粒及有機物等，而玻璃作為摻雜體的色散介質使用。

　　近年來，當半導體多量子阱和超晶格出現后，半導體及金屬顆粒摻雜玻璃的研究成為熱點。這種玻璃也叫量子點玻璃，通常摻雜顆粒尺寸小于10nm，表現出共振增強的三階非線性光學效應，響應時間約為10-11s，同時由于它們與波導制備技術相容而被拉成光纖，因此受到重視。其產生機制可歸因為納米粒子的量子尺寸效應，即介質因光吸收產生電子-空穴，獨立的或以激子的形式封閉在顆粒的狹小空間中，電子態呈現量子化分布，從而引起顆粒周圍場強的增加和非線性光學效應的提高。1983年，Jain和Lind首先研究了摻雜CdSxSe1-x半導體微晶玻璃的非線性光學性能，發現這類玻璃表現出共振增強的三階光學非線性，可通過調節S和Se的比例控制介質的禁帶寬度，廣泛應用于截止濾光片中。除CdSxSe1-x外，含CdS、CdSe、CdTe、CuCl、CuBr、PbS等半導體及摻Au、Ag、Cu等金屬顆粒的玻璃也表現出量子尺寸效應。通常顆粒尺寸越小，非線性效應越大。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。

　　對有機物摻雜玻璃的研究也已成為熱點，雖然有機物本身也可表現出很高的共振非線性性能和超快響應時間，但其難以制成要求的形狀，且存在穩定性和重復性差、工作溫度低、壽命短等缺點，大大限制了使用范圍。顯然，其缺點可通過將有機物結合到具有較強機械強度及較高化學穩定性的無機材料(如玻璃)中加以克服，使有機活性組分的性能得到充分發揮。其制備也可用sol-gel法，通常有兩種方法可將有機物摻入到玻璃中：(1)將有機物溶解到溶膠-凝膠溶液中，當凝膠形成時，有機分子被玻璃骨架捕獲，從而獲得最好的穩定性;(2)將有機物分散到多孔凝膠中，經干燥和熱處理獲得有機-無機復合材料。但其共同缺點是難以實現光均勻復合。為了制得光學性能均勻的復合材料，錢國棟等人采用新型的原位合成化學復合法，實現了有機物和無機物的有效復合。另外，有機改性硅酸鹽也可作為CdS微晶的框架，形成含微晶體、有機物及無機物的多組分復合非線性材料。

　　3、結束語
　　隨著全光信息處理和光計算機研究的發展，三階非線性光學玻璃的研究已成為近年來光電子技術領域中最引人注目的研究課題之一。目前三階非線性光學玻璃的研究方向是尋求非線性光學性能、響應時間、化學穩定性、熱穩定性、光學損耗、加工特性及材料成本等諸因素的最佳結合點。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關材料的最佳候選。筆者相信，非線性光學玻璃作為光信號處理用元件的產業化前景光明，這需要科學家們前仆后繼的努力奮斗。

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