炬丰科技半导体工艺非线性光学材料基

书籍：《炬丰科技-半导体工艺》

文章：非线性光学材料基础

编号：JFKJ-21-

作者：炬丰科技

关键词。非线性光学；非线性极化；光纤通信；光交换

摘要

在这篇文章中，我们简要回顾了非线性光学材料的基本方面及其在现代通信中的作用。

介绍

非线性光学(NLO)材料在非线性光学中起着重要作用，特别是对信息技术和工业应用有着重大影响。然而，在过去的十年里，这一努力也在非线性光学的应用方面取得了成果。这可以从本质上追溯到NLO材料性能的提高。对非线性极化机制及其与材料结构特性的关系的理解已经有了相当大的提高。人工材料制造和生长技术的新发展极大地促进了这一演变。目标是开发呈现大非线性并同时满足所有应用技术要求的材料，例如宽透明范围、快速响应和高损伤阈值。但是除了加工性、适应性和与其他材料的接口之外，器件中非线性效应的改进，导致了新NLO效应的研究和新概念的引入。依赖于光强度的光孤子、光开关和NLO效应存储有望实现光纤通信(OFC)和光学计算中的关键光学器件，这些器件最大限度地利用光特性，如并行和空间处理能力以及高速。

参数过程

在前面讨论的NLO效应中，相互作用场的频率被默认为是可比较的:所有场都落在介质的同一透明区域内，因此所有场都耦合到介质的同一自由度。透明区域在振动频率之上和电子跃迁开始之下延伸，因为价电子只对光学非线性有贡献，并且它们的响应实际上可以假定是瞬时的。

然而，如果任何频率被降低到不同的透明区域，则相应的场以附加的或者甚至不同的自由度耦合。当任何频率比电子跃迁高得多时，透明度落在X射线区域，电子基本上自由响应，偶极近似分解，对称性也近似，最明显的是具有反转对称性的介质的χ2n0。事实上，多极展开必须被抛弃，我们必须从微观麦克斯韦-洛伦兹方程出发，而不引入导致宏观方程的时空平均:现在相关的量是微观电子密度和电流分布。

光折变率

由于折射率的不均匀变化，观察到了光折变效应，其中当晶体受到强激光辐射时，由光场引起的折射率变化、光的散焦和散射。人们还发现，即使在灯关闭后，这些变化仍然存在，但可以通过强而均匀的照明来消除。这种折射率变化从根本上不同于克尔效应，克尔效应是导致传统NLO材料中光诱导折射率变化的原因。克尔效应是一种快速响应的折射率变化，与光场振幅呈二次相关。在光纤中产生光孤子的领域是众所周知的，其中它为光脉冲提供必要的强度相关相移。因为它是二阶效应，所以需要相当高的强度。与光折变效应相反，由克尔效应引起的折射率变化是完全局部的，即这种变化发生在光线照射到材料的空间坐标上。

另一方面，光折变效应依赖于通过干涉激光束的非均匀激发的载流子传输。扩散的载流子影响折射率，导致折射率的非局部变化。这与高灵敏度一起使得折射率能够在兆瓦级激光辐射水平上变化，构成了光折变效应与其他NLO效应如克尔效应相比的两个主要优点。缺点之一是由于载流子扩散缓慢而导致响应缓慢。因此，折射率发生局部变化的材料总是更快。由于干涉光束产生的折射率光栅，光折变效应有时也被称为实时全息术，因为不需要借助参考光束和物光束之间的干涉来显影任何乳剂来存储信息。

有机晶体

光学存储和光学处理应用涉及从光致变色到光谱烧孔材料，以及一种称为光折变聚合物的特殊新型材料，其中光诱导产生的移动电荷、传输和俘获与聚合物复合材料中的二阶光学非线性结合形成动态全息图。电荷分离产生内部电场，通过二阶光学非线性局部改变折射率。聚合物光折变材料预计比无机晶体更便宜，更容易改性，更容易制造成新的几何形状。非线性发色团的极化率各向异性和超极化率对于产生强全息图至关重要。因此，NLO性质的合理化、计算和预测是有机、物理和理论化学研究领域以及材料科学家的主要兴趣领域。尽管有理论上的努力，仍然没有可靠的方法来预测有机DA化合物的一阶甚至二阶超极化率

半导体

在所有已知的晶体中，像锗或这样的共价半导体具有最大的非共振立方非线性，但由于几个原因，这些是不可开发的，最严重的是这些化合物的低吸收阈值。另一方面，通过在带隙之上的共振激发产生有限浓度的电子空穴对，可以产生大的和可利用的立方光学非线性。这些大的共振非线性起源于能带填充机制，由此光电子和空穴快速热化并分别填充导带底部和价带顶部的所有状态，直到取决于光强度和脉冲或复合时间的水平，不包括由于费米原理而在进一步占据时形成的那些状态。这种阻断机制表现为禁带两侧态的排斥，或者等效地表现为吸收阈值的蓝移:在非常高的强度下，这种机制导致非线性饱和。

非线性光学的研究现状

光纤在当今通信传输系统中的广泛应用是基于光学而不是电子学的数据处理和通信技术革命的第一阶段。目前的系统预计将很快被彻底重新设计，以包括更快的光学和混合光学/电子组件。对材料性质的基础研究以及对这些材料的最佳使用的应用研究是非常需要的，并且是光子诱导过程活动的重要部分。NLO聚合物和液晶材料已被确定为新兴光子数据处理技术的有力候选材料。这些材料通常由显示NLO活性的分子片段或高度着色的发色团组成，它们溶解于或共价连接于聚合物主体材料。NLO聚合物/液晶在各种光子系统中具有巨大的应用潜力，包括高速光调制器、超快速光开关和高密度光数据存储介质。这些设备对于将信息存储和传输从电学方式转变为光学方式的持续进步至关重要。NLO聚合物的前景在于它们偶然地结合了卓越的光学品质、低成本和易于制造成器件结构。这些技术上有利的特性导致了对商业应用的NLO聚合物开发的大量研究。然而，一种适合广泛工业应用的材料尚未合成。适用于这些材料的最有趣和技术上最有前途的现象之一是通过光折变效应对材料折射率的光诱导调制。光折变材料结合了光电导和电光效应。光折变非线性光学是迄今为止使光束相互作用的最有效的技术。全息图可以用低功率激光在光折变介质中写入和擦除，全息光栅中的固有相移可以导致写入光束之间的能量交换。随着光纤和光通信技术的日益广泛应用，光折变材料已经成为全光数据处理应用的主要候选材料。它们有望用于高密度光学数据存储、关联图像处理技术，包括动态全息术和图像放大、空间光调制、集成光学中的可编程互连以及神经网络和具有并行信号处理的关联存储器的模拟。近年来，聚合物和液晶已成为光折射的杰出候选者，但在材料开发和表征方面仍有许多工作要做。

结论

结合非线性光学和材料在信息存储技术中的各种应用，讨论了它们的基本方面。

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