CN102866534B - 可调光衰减器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种可调光衰减器，包括：可调光源、光纤环行器、光纤准直器、双折射晶体、蓝相液晶盒、反射棱镜和光强度计。其中，可调光源发出的激光经过光纤环形器和光纤准直器，再通过双折射晶体变成两束偏振方向相互垂直的偏振光，然后通过蓝相液晶盒，经过反射棱镜反射，最终沿回路至光强度计，基于蓝相液晶盒上施加电压与透过光强的对映匹配关系，来控制光衰减量。本发明利用蓝相液晶盒，使衰减器的响应时间达到微秒量级，较向列相液晶快了两个数量级以上，提高了对比度和调制量；且工作波段范围宽、低电压、低能耗，制备方案简便高效、廉价、可批量生产，光衰减器性能稳定，满足光通信、光纤传感、集成光学等领域的实用要求。
Description
技术领域
本发明涉及光电子技术领域，具体涉及一种可调节光衰减器的设计和制备。
背景技术
液晶材料兼具液体的流动性及晶体的有序性，由于其优异的外场（电场、光场、声场、温场等）调谐特性，在平板显示及可调光子学器件中发挥着重要的应用。蓝相作为一种独特的液晶相近年来受到了人们广泛关注。蓝相液晶的分子组状态是一种由具有双螺旋结构的柱状结构自组装形成高度对称的三维立方晶格的一种液晶相。由于这种特殊的对称结构，使得它在未加电场时呈光学各向同性态，而且具有无需取向、响应时间快等优势。
在众多光子器件中，光衰减器是十分重要且被广泛使用的一类。对于光衰减器，响应时间和对比度是其最为关键的性能指标。普遍向列相液晶的响应速度较慢，通常为10毫秒以上，是限制液晶光衰减器性能及应用的一大瓶颈。而蓝相液晶的响应时间可低至10微秒，相应的由其制备的光衰减器也可得到微秒量级的响应。另一方面，普通液晶器件需要取向层进行预取向，既增加了成本，又在光路中产生残余位相，降低了对比度和光能利用率。而蓝相液晶光学各向同性的初态能够提供一个完美的关态，大大提高了光学对比度。因此，开拓简便高效的蓝相液晶光衰减器的设计制备技术具有重要的应用价值。
发明内容
本发明目的在于提供一种高对比度、快速响应的电控可调光衰减器，满足其在光通讯、传感、集成光学等领域的应用需要。
为达成上述目的，本发明提出一种可调光衰减器，包括：可调光源、光纤环行器、光纤准直器、双折射晶体、蓝相液晶盒、反射棱镜和光强度计。
其中，可调光源发出的激光经过光纤环形器和光纤准直器，再通过双折射晶体变成两束偏振方向相互垂直的偏振光，然后通过蓝相液晶盒，经过反射棱镜反射，最终沿回路至光强度计，基于蓝相液晶盒上施加电压与透过光强的对映匹配关系，来控制光衰减量。
进一步，其中未加电场时，上述偏振光通过蓝相液晶盒无位相变化，在反射回来时由于双折射晶体的存在，光路无法回到光纤准直器，光路被阻断，呈关态；施加饱和电场时，偏振光来回通过蓝相液晶盒发生半波长的位相变化，再通过双折射晶体时，可以回到光纤准直器，光路畅通，呈开态。在零电压与饱和电压之间连续往返变化，即可实现不同衰减量的调制。
进一步，其中在施加电场时，场致液晶晶轴要与入射光（寻常光和非寻常光）的偏振方向呈45°角，以确保光在饱和电压下来回通过液晶盒后偏振态发生90°偏转。
进一步，所述的蓝相液晶由60~85%的向列相液晶、10~30%的手性剂、5～10%的单体、0.2~0.8%的光引发剂等组分构成，混合后经紫外光曝光，形成聚合物网络稳定蓝相态，使蓝相态在宽温域内稳定存在。蓝相液晶盒的制备与普通液晶盒制备所用方案相同。
进一步，蓝相液晶盒的厚度d与液晶参数（饱和电压下的场致双折射δn）和驱动模式（垂面电场驱动或面内电场驱动）精确匹配，使寻常光与非常光来回经过液晶盒产生的位相延迟恰为π/2，即：2δnd=π/2。所述厚度通过选取间隔子粒径恰好与目标盒厚d匹配，以此控制盒厚，获得最佳对比度及响应速度。
进一步，蓝相液晶盒为垂直加场模式的液晶盒或者面内加场模式的液晶盒。
本发明的有益效果在于：
(1)利用蓝相液晶，器件的响应时间达到微秒量级，较向列相液晶快了两个数量级以上；
(2)无需取向层，无残余位相，提高了对比度和调制量；
(3)工作波段范围宽、低电压、低能耗，制备方案简便高效、廉价、可批量生产，光衰减器性能稳定，各项指标满足光通信、光纤传感、集成光学等领域的实用要求。
附图说明
图1本发明实施例的可调光衰减器的光路设计图。
图2光衰减量（-dB）与液晶盒所施加电压（峰峰值）的关系曲线。
图3饱和电压70Vp-p下光衰减器的开关响应测试曲线。
具体实施方式
为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。
图1本发明实施例的可调光衰减器的光路设计图。可调光衰减器包括：可调光源、光纤环行器、光纤准直器、双折射晶体、蓝相液晶盒、反射棱镜和光强度计。其中，可调光源发出的激光经过光纤环形器和光纤准直器，再通过双折射晶体变成两束偏振方向相互垂直的偏振光，然后通过蓝相液晶盒，经过反射棱镜反射，最终沿回路至光强度计，基于蓝相液晶盒上施加电压与透过光强的对映匹配关系，来控制光衰减量。
本实施例中，蓝相液晶由70%的向列相液晶、23%的手性剂、6.5%的单体、0.5%的光引发剂几种组分构成。未加电场时，偏振光通过蓝相液晶盒无位相变化，在反射回来时由于双折射晶体的存在，光路无法回到光纤准直器，光路被阻断，呈关态；施加饱和电场时，偏振光来回通过蓝相液晶盒发生半波长的位相变化，再通过双折射晶体时，可以回到光纤准直器，光路畅通，呈开态。在零电压与饱和电压之间连续往返变化，即可实现不同衰减量的调制。且在施加电场时，场致液晶晶轴要与入射光（寻常光和非寻常光）的偏振方向呈45°角，以确保光在饱和电压下来回通过液晶盒后偏振态发生90°偏转。
实施例1：
本实施例为垂直加场模式的液晶盒实例。
液晶盒为无取向层的ITO玻璃，将蓝相液晶加热至清亮点（80℃）以上灌晶，并保持温度10分钟后，以0.1℃/min的速度降温，在偏光显微镜下观察液晶的相态变化，至液晶相态全部转化成蓝相态为止（68℃）。保持温度固定不变，在5mW/cm2的UV灯下曝光6分钟，制成室温下稳定的蓝相液晶盒。
调整液晶盒的位置，使得液晶加电后的光轴方向与两束偏振光的偏振方向呈45°（将液晶盒与水平面和入射光方向的夹角都调成45°），让偏振光通过后获得最大位相调节。调节施加电压，光衰减器的调节范围为-8.22dB~-37.4dB（图2），开态响应时间370微秒、关态响应时间450微秒(图3)。
实施例2：
本实施例为面内加场模式的液晶盒实例。
液晶盒一面为平板素玻璃，另一面为插枝电极结构玻璃。将蓝相液晶加热至清亮点（80℃）以上灌晶，并保持温度10分钟后，以0.1℃/min的速度降温，在偏光显微镜下观察液晶的相态变化，至液晶相态全部转化成蓝相态为止（68℃）。保持温度固定不变，在5mW/cm2的UV灯下曝光6分钟，制成室温下稳定的蓝相液晶盒。
调整液晶盒的位置，使液晶加电后的光轴方向与两束偏振光的偏振方向呈45°（将液晶盒与水平面和入射光方向的夹角都调成45°），让偏振光通过后获得最大位相调节。调节施加电压，虽然周期电极造成部分衍射损失，但其调节的范围仍达到-8～-36dB，响应时间与实施例1相同，开关均为亚毫秒量级。
综上所述，本发明利用蓝相液晶盒，使衰减器的响应时间达到微秒量级，较向列相液晶快了两个数量级以上；而无需取向层，无残余位相，提高了对比度和调制量；且工作波段范围宽、低电压、低能耗，制备方案简便高效、廉价、可批量生产，光衰减器性能稳定，各项指标满足光通信、光纤传感、集成光学等领域的实用要求。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。
Claims (2)
1.一种可调光衰减器，包括：可调光源、光纤环行器、光纤准直器、双折射晶体、蓝相液晶盒、反射棱镜和光强度计，
其中，可调光源发出的激光经过光纤环形器和光纤准直器，再通过双折射晶体变成两束偏振方向相互垂直的偏振光，然后通过蓝相液晶盒，经过反射棱镜反射，最终沿回路至光强度计，基于蓝相液晶盒上施加电压与透过光强的对映匹配关系，来控制光衰减量；
其特征在于，其中未加电场时，上述偏振光通过蓝相液晶盒无位相变化，在反射回来时由于双折射晶体的存在，光路无法回到光纤准直器，光路被阻断，呈关态；施加饱和电场时，偏振光来回通过蓝相液晶盒发生半波长的位相变化，再通过双折射晶体时，能够回到光纤准直器，光路畅通，呈开态；
其中在施加电场时，液晶的晶轴要与入射光的偏振方向呈45°角，以确保光在饱和电压下来回通过液晶盒后偏振态发生90°偏转；
所述的蓝相液晶由60~85%的向列相液晶、10~30%的手性剂、5~10%的单体、0.2~0.8%的光引发剂组分构成，混合后经紫外光曝光，形成聚合物网络稳定蓝相态，使蓝相态在宽温域内稳定存在；
蓝相液晶盒的厚度d与液晶参数即饱和电压下的场致双折射δn和垂面电场驱动或面内电场驱动模式精确匹配，使寻常光与非常光来回经过液晶盒产生的位相延迟恰为π/2，即：2δnd=π/2；所述厚度通过选取间隔子粒径恰好与目标盒厚d匹配，以此控制盒厚，获得最佳对比度及响应速度。
2.根据权利要求1所述的可调光衰减器，其特征在于，蓝相液晶盒为垂直加场模式的液晶盒或者面内加场模式的液晶盒。
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