1、引言

目前光纖通訊��(wǎng)��(luò)信息��(yùn)載能力的提高并非受制于傳輸介��(zhì)的能��，而是受到用于信號(hào)切換和處理的電子裝置速度的限��，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��、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”��(xiàn)��。解決此瓶頸的關(guān)鍵是開發(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)��(wěn)定性和熱穩(wěn)定��、較高的三階非線性極化率、較快的光響��(yīng)��(shí)��、易于成纖成��、易于機(jī)械光��(xué)加工等優(yōu)��(diǎn)，而使其成為全光開��(guān)的最佳候選材料之一，受到研究者的普遍��(guān)��。一場旨在以充滿生機(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��(jìn)程已��(jīng)開始��

全光開關(guān)的工作原理為介質(zhì)在強(qiáng)光場作用下折射率和極化率的變��，起因于��(qiáng)光場誘導(dǎo)下圍繞原子核平均位置電子軌道的非諧畸��(響應(yīng)��(shí)間約��10-15s)和介��(zhì)中原子核的位��(響應(yīng)��(shí)間約��10-12s)。一��，質(zhì)量較大的原子核位移對由光電場引起的非線性光��(xué)效應(yīng)的貢��(xiàn)并不顯著��

有許多技��(shù)可用來觀測介��(zhì)中的三階非線性光��(xué)效應(yīng)，這些技��(shù)包括：三次諧波發(fā)��、光��(xué)克爾快門、簡并四波混��、Z掃描、Mach-Zehnder干涉測定����

2、三階非線性光��(xué)玻璃材料

非線性光��(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��(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)制來提高非線性性能。由于光頻隨材料中電子的��(zhuǎn)移或躍遷��(huì)表現(xiàn)出共振和非共振兩種情��，故三階非線性光��(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�� 值較��，但由于其具有較小的吸收系數(shù)和較短的響應(yīng)��(shí)間而使其品��(zhì)因數(shù)較高而格外引人注��。其中為非線性折射率，為響應(yīng)��(shí)間或1皮秒(取其長��)，是線性吸收系��(shù)��

在所有均��(zhì)玻璃中，都或多或少存在三階非線性光��(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��，如PbO﹑Bi2O3﹑Nb2O3﹑TeO2、R2O3(R=La, Pr, Nd, Sm)��，或引入重金屬鹵化物，如KX(X=Cl, Br, I)、PbCl2��。硫系玻璃通常具有相對較大的三階非線性極化率，最大值A(chǔ)s-S-Se��1.4×10-11esu,差不多是SiO2玻璃��500����

然而由于硫系玻璃的本征吸收最小值位��4��6mm，在1.06mm波長測得�� 有相��(dāng)部分屬于共振吸收分量，且通訊��(lǐng)域主要使��1.31��1.55mm兩��(gè)窗口作為通信通道，而使其全光開��(guān)��(yīng)用受到限��。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)向長波和短波方向��(kuò)��，如GeS2-Ga2S3-KX(X=Cl, Br)系光透過范圍��0.45��11.5mm之間，且透過率高��(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��(huì)增加玻璃��(jié)��(gòu)的堆積密度，從而使玻璃具有很好的三階非線性光��(xué)性能，而使新型硫鹵玻璃成為全光開關(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，也被認(rèn)為是全光開關(guān)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��(dǎo)��(jié)��(gòu)予以考慮，光波導(dǎo)��(jié)��(gòu)以低維形狀(纖維或薄��)出現(xiàn)，并使集成化而將成為全光開關(guān)、光放大器等光子器件的物��(zhì)基礎(chǔ)。據(jù)��(bào)��，日本科��(xué)家Asobe等人��1.5mm波長處已��(shí)��(xiàn)��100GHZ信號(hào)處理的響��(yīng)��(shí)間小��5皮秒的As2S3單模光纖��(yīng)用于光學(xué)克爾開關(guān)，光纖長度約1m。一��(gè)最常見的利用硫系玻璃光纖的光學(xué)��(zhuǎn)換開��(guān)是非線性光��(xué)迴路��，它是利用改變非線性光��(xué)折射率的原理來產(chǎn)生兩��(gè)光波間的干涉，能很好的減小全光開��(guān)的轉(zhuǎn)換功����

為了更好的減小開��(guān)功率損��，應(yīng)用啁啾光柵作為群速度色散��(bǔ)償技��(shù)一直是科學(xué)家們努力的方向。然而在未來光信��(hào)的高比特率處理﹑大規(guī)模光路的集成化等��(fā)展趨勢上，光纖仍有諸多不足之��。許多科��(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��(chǔ)的器件來取代非線性光��(xué)迴路鏡中的長光纖部分，但其主要缺陷是響應(yīng)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(yīng)用方��(如激光玻��)頗有吸引��。在高能激光系��(tǒng)中，��(qiáng)光束通過介質(zhì)傳播引起折射率變��，產(chǎn)生光束自聚焦(< 0)或自散焦(> 0)，在這種情況下要求介��(zhì)具有小的����

2.2共振��

在玻璃中摻入某些光電性能較佳的物��(zhì)能顯著提高非線性光��(xué)效應(yīng)，這些摻雜體常用半��(dǎo)體微��、金屬顆粒及有機(jī)物等，而玻璃作為摻雜體的色散介��(zhì)使用��

近年��，當(dāng)半導(dǎo)體多量子阱和超晶格出��(xiàn)后，半導(dǎo)體及金屬顆粒摻雜玻璃的研究成為熱��(diǎn)。這種玻璃也叫量子��(diǎn)玻璃，通常摻雜顆粒尺寸小于10nm，表��(xiàn)出共振增��(qiáng)的三階非線性光��(xué)效應(yīng)，響��(yīng)��(shí)間約��10-11s，同��(shí)由于它們與波導(dǎo)制備技��(shù)相容而被拉成光纖，因此受到重��。其��(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��(chǎn)生電��-空穴，獨(dú)立的或以激子的形式封閉在顆粒的狹小空間��，電子態(tài)呈現(xiàn)量子化分��，從而引起顆粒周圍場��(qiáng)的增加和非線性光��(xué)效應(yīng)的提����

1983��，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��(xué)性能，發(fā)��(xiàn)這類玻璃表現(xiàn)出共振增��(qiáng)的三階光��(xué)非線��，可通過��(diào)節(jié)S和Se的比例控制介��(zhì)的禁帶寬度，廣泛��(yīng)用于截止濾光片中。除CdSxSe1-x��，含CdS、CdSe、CdTe、CuCl、CuBr、PbS等半��(dǎo)體及摻Au、Ag、Cu等金屬顆粒的玻璃也表��(xiàn)出量子尺寸效��(yīng)。通常顆粒尺寸越小，非線性效��(yīng)越大。如果要獲得較小的顆粒尺寸和較高的顆粒濃��，常采用溶膠-凝膠法制備��

對有��(jī)物摻雜玻璃的研究也已成為熱點(diǎn)，雖然有��(jī)物本身也可表��(xiàn)出很高的共振非線性性能和超快響��(yīng)��(shí)��，但其難以制成要求的形狀，且存在��(wěn)定性和重復(fù)性差、工作溫度低、壽命短等缺��(diǎn)，大大限制了使用范圍。顯然，其缺��(diǎn)可通過將有��(jī)物結(jié)合到具有較強(qiáng)��(jī)械強(qiáng)度及較高化學(xué)��(wěn)定性的無機(jī)材料(如玻��)中加以克��，使有機(jī)活性組分的性能得到充分��(fā)��。其制備也可用sol-gel��，通常有兩種方法可將有��(jī)物摻入到玻璃中：(1)將有��(jī)物溶解到溶膠-凝膠溶液��，當(dāng)凝膠形成��(shí)，有��(jī)分子被玻璃骨架捕��，從而獲得最好的��(wěn)定��;(2)將有��(jī)物分散到多孔凝膠��，經(jīng)干燥和熱處理獲得有機(jī)-無機(jī)��(fù)合材料。但其共同缺��(diǎn)是難以實(shí)��(xiàn)光均勻復(fù)��。為了制得光��(xué)性能均勻的復(fù)合材��，錢國棟等人采用新型的原位合成化��(xué)��(fù)合法，實(shí)��(xiàn)了有��(jī)物和無機(jī)物的有效��(fù)��。另��，有��(jī)改性硅酸鹽也可作為CdS微晶的框架，形成含微晶體、有��(jī)物及無機(jī)物的多組分復(fù)合非線性材����

3、結(jié)束語

隨著全光信息處理和光��(jì)算機(jī)研究的發(fā)展，三階非線性光��(xué)玻璃的研究已成為近年來光電子技��(shù)��(lǐng)域中最引人注目的研究課題之一。目前三階非線性光��(xué)玻璃的研究方向是尋求非線性光��(xué)性能、響��(yīng)��(shí)��、化��(xué)��(wěn)定性、熱��(wěn)定��、光��(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��(guān)材料的最佳候選。筆者相��，非線性光��(xué)玻璃作為光信��(hào)處理用元件的��(chǎn)��(yè)化前景光��，這需要科��(xué)家們前仆后繼的努力奮斗��