液晶技術在光通信領域上的應用

孫小明

（山西省交通信息通信公司，山西 太原 030006）

隨著光通信的不斷高速發展，系統對光器件的性能要求越來越趨于多樣化，液晶以本身特有的特點在眾多新技術中存活下來并不斷的成熟，目前，國外很多公司基于液晶的技術平臺開發推出了一系列的動態可調的商用新產品。

液晶技術有著自身很明顯的優點：小體積的陣列集成，大的電光系數，很低的電壓驅動，低功耗，現有技術成熟，制作成本低，無運動部件的實現動態調節。

從目前較成熟的技術應用上分類，液晶器件主要可以分為波長無關的光功率控制器件、波長相關的光功率控制器件及偏振控制器件三大類。下面我們分別進行討論。

這類器件包括：通常意義上的光可變衰減器（VOA）、光功率分配器（Tunable splitter）、光開關（OS）等。這類器件很大程度是基于液晶對光的偏振態進行調制，再通過檢偏裝置最終實現光功率的控制。圖1為此種器件的基本原理圖，很顯然，與顯示技術領域的原理是一致的，都是液晶調制器對通過起偏裝置后兩組線偏振光的偏振態進行調制，然后再經過檢偏裝置，把調制后的偏振光進行偏振重組，最后得到所需要的光功率輸出。基于這個結構原理，可以通過構建不同的偏振裝置與相應的液晶調制器配合，得到需要的性能參數。目前，國外對液晶VOA的開發已經很成熟了，多家公司都能提供這種產品，例如：Chorum、Lightwave 2020、Spectra switch、CoAdna Photonics等。國內相關開發最早的是武漢郵科院，早在上世紀80年代末期就開始了相關的研究，經過長期的積累，此類產品已達到國外的先進商用水平，并把這種產品成功應用到Configurable Optical Add/drop Multiplexer(COADM)、VOA+MUX(VMUX)等設計中。圖 2中，a為 COADM的設計方案，b為VMUX后再加一個合波器組成的光功率均衡設計方案，VOA、OS都是DWDM系統中的關鍵器件。Tunable splitter則是實現一種動態可調光耦合器的效果，取代目前的靜態耦合器，為光網絡的進一步拓展和維護提供光功率重新分配，這對發展FTTH和CATV有重要的意義。

對于偏振態不確定的光系統，光器件必須要做到偏振無關的光學性能，但是，有些時候由于系統中光偏振態穩定性，偏振相關的液晶光器件也就有其特殊的用武之地。并且，由于不需要起偏裝置，器件的體積、集成度和成本上都大大降低。這類器件主要用于激光器前，或者與激光器進行集成。圖3為集成了偏振相關液晶VOA（PVOA）的激光器結構示意圖。

1 波長相關的光功率控制器件

這類器件包括：動態增益斜率補償器（DGT）、動態增益均衡器（DGE）、光可調濾波器（OTF）等。

DGT主要對長途干線光系統中，由于多個EDFA級連在終端產生一個光功率隨波長變化的斜率，為了提高接收端的靈敏度，需要把這個斜率進行補償。而采用液晶＋晶體波片的結構很容易實現動態調節，達到補償的最佳效果。4為光路結構圖，圖5為建模計算結果。基本原理仍然是對光的偏振態進行調制，所不同的是，圖4中的晶體波片把光按照波長不同，對偏振態再進行一次調制，使得最終產生波長相關的斜率補償，通過調節液晶上的電壓值，從而可以改變調節的斜率，圖5為在改變液晶驅動電壓值的情況下調節的效果圖。

DGE則是把隨意的光信號功率進行均衡化的一種器件。市面上MEMS技術和液晶技術平臺是主流技術，都有商用化的產品，而以液晶為技術平臺的DGE方案又分為包絡型和通道型兩種。包絡型的理論依據為光譜信號的分解，通過多級的傳遞函數結構最后實現光功率的均衡控制，這種方案的優點為成本較低，缺點為均衡效果不如通道型的理想，并且控制比較復雜。通道型的原理則是把光按照波長分開，然后分別進行光功率控制，最后再均衡后的光合上。這種方案的優點為原理簡單，均衡效果較好，缺點為成本較高。圖6、圖7分別為包絡型和通道型的典型結構原理圖。從應用和成本上考慮，通道型結構在集成光性能監控器（OPM）方面有其特有的優勢。

利用液晶技術做可調濾波器目前還不成熟，離商用化產品階段有一段距離，但是，國外很多機構仍然在做相關方面的研究。

圖8所示為利用液晶可調F-P腔原理進行設計的TF結構。圖中兩個反射面平行，這樣中間的液晶層就形成一個F-P腔，根據形成干涉的條件，有式中，為調諧波長，為液晶的折射率，為兩高反面形成的腔長，為正整數。其他形式的可調F-P腔一般都是通過調整腔長來實現干涉波長的調節，而液晶的可調F-P則是通過調節液晶的折射率來改變實際光程，從而達到調節干涉波長的目的。這樣的F-P腔可以實現1.5 μm～2.3 μm將近80 nm的調節范圍。但是其精細度等指標離DWDM系統實際應用要求還有距離。

圖9所示為另一種原理的液晶OTF，這種OTF是根據Lyot濾波器的原理實現的。由瓊斯矩陣可以得到每一級的光譜曲線為：式中，為波長，為液晶層的厚度，為所選液晶材料的雙折射率差，為晶體波片的厚度，為晶體波片的厚度。多級級連后得到較窄的波長通帶，然后通過改變液晶的驅動電壓得到動態調節的濾波性能。

2 偏振控制器件

在光通信領域，液晶還可用做成偏振控制器件，作為PMD補償系統的重要組成部分。圖10為液晶偏振控制器的控制原理框圖。這樣可以實現較低電壓控制，功耗較小，不過有一定的插入損耗（>1 dB），響應時間不夠快，普通的液晶材料只能實現ms量級的響應速度，除非應用鐵電或反鐵電液晶材料才能實現μs量級的響應速度。

3 展望

國外的各大公司如JDSU、Avanex等都相繼推出了基于該技術平臺的商用化產品。國內武漢郵科院光迅公司在光通信液晶器件方面進行著全方位的開發。另外，在驅動電路方面，AD、Maxim等集成電路芯片公司推出了為該項技術專門設計的功能芯片，如32通道集成14位DAC芯片AD5532、32：1的電子切換開關ADG731、16位的 ADC芯片（0-5V 1MSPS）AD7671、低電壓模擬開關MAX4528等。

液晶在響應速度上在ms量級，采用高速響應的鐵電或反鐵電液晶可以進一步提高響應速度到μs量級，目前鐵電和反鐵電液晶技術距商用化還有一段距離，其技術瓶頸不在鐵電或反鐵電液晶聚合的材料制備上，而是在成屏的質量上，很低的成品率使得成本價格高昂，在市面上個別廠家能夠提供少量的這類產品。隨著技術不斷完善和應用，液晶將成為光通信領域中光器件的一種主流技術。