纳（亚纳）秒级电控全息光交换技术的理论与关键技术研究

基于掺铁Fe、锰Mn离子的顺电相KLTN晶体研究纳秒级全息光交换技术，通过改变晶体中的组份和掺杂，尝试探索一种新的光学性能相对较高的顺电相光折变晶体。研究电控全息机理及晶体中掺杂离子的输运机理，提出一种描述离子输运的理论模型，研制一种低电压低功耗的纳秒级电控全息光交换实验系统。利用电场复用技术，设计并研制4x4通道的纳秒级电控全息光开关，采用模块化设计方法级联构建高密度全息光交换模块，以解决电控全息高端口密度交换系统中的高功耗高电压问题，以及光网络中的交换难题，为光网络实现纳秒级交换提供核心技术支持，对进一步推动智能光网络光交换技术和光电材料科学的发展具有重要意义。

本课题基于掺Fe 、Mn离子的KLTN/KNTN 晶体，从理论和实验上，对纳秒级电控全息光交换技术的基本理论和关键技术进行了研究。在理论方面，基于带输运模型研究了晶体电控光折变效应，分析了顺电相KLTN晶体中空间电荷场、光折变折射率变化与掺杂浓度、光栅周期、外电场和居里温度的关系，并对影响衍射效率的因素进行了分析。实验方面，搭建了电控全息光栅写入实验系统，测量了不同电压和不同环境温度时的光栅衍射效率。利用谐振法和衍射效率测量Mn:KLTN晶体相变温度。设计并研制了温度控制系统，其测量精度为±0.3℃，控制精度为±0.5℃。基于雪崩三极管设计一种晶体电压预加载电路，并进行了仿真和实验。理论上的电压加载上升沿时间为10ns，下降沿时间为20ns，对电容为20pF的顺电相Fe:KLTN晶体的测试结果分别为30ns和50ns。提出基于数字全息同时测量晶体的折射率和透过率，基于数字全息干涉技术可视化KLTN晶体折射率变化，测量其有效电光系数的晶体光学参数测量方法，并对Fe:KLTN和Mn:KNTN进行了Kerr系数、透过率测量，可视化折射率变化，并已用于可视化光致折射率变化。对Airy光束及其性能进行了研究，提出一种基于石墨烯的可调控化学势改变Airy表面等离激元主瓣轨迹方法，并进行了模拟测量。研究结果验证了所提出方法和研制的温度控制系统的可行性，基本达到了预期目标。