基于液晶光調制器的可控偏振分光技術研究

宋盧軍，劉智，方韓韓，倪小龍，劉藝

（1.長春理工大學 電子信息工程學院，長春 130022；2.長春理工大學 光電工程學院，長春 130022）

液晶空間光調制器是光信息處理中重要的元件，它利用液晶的電控雙折射效應來實現對入射光的調制。其中向列型液晶空間調制器表現出很好的雙折射效應，液晶的電控雙折射效應是在電場的作用下，液晶分子的初始排列形式發生改變，在不同的驅動電壓下，分子的長軸會與電極產生不同的傾角，從而使液晶盒的雙折射率發生變化，光經過液晶后產生不同的偏振態，也就是說，“電”通過液晶對“光”進行調制。

在光傳輸系統中，經常需要將光信號進行耦合、分支、分配等，所以分光器具有非常廣泛的應用。例如，光信號的分路器件、自適應光放大器，還能用作可調光衰減器、光開光等［1，2］。本文采用基于液晶的光調制技術，擬將液晶作為一種動態可變的光束分光器置于光學系統中。該裝置具有可應用光譜范圍特別寬、調諧電壓低、損耗低、重復率高、穩定性好、操作簡單等優點。因此，采用液晶作為動態光學組件實現光束控制成為一種有效的手段。

1 基礎理論與工作原理

液晶光調制器是一種基于液晶電光效應的光調制器件，利用液晶分子的雙折射效應和兩片偏振方向一致的偏振片來工作的［3，4］。而根據雙折射效應現象，光束在某些晶體中傳播時，由于晶體對兩個相互垂直振動矢量的光的折射率不同而產生兩束折射光，即o光與e光。o光服從折射定律，沿各方向的光的傳播速度相同，各向折射率相同，且在入射面內傳播，這一條光也稱為尋常光，其折射率為no。e光不服從折射定律，沿各個方向的光的傳播速度不相同，各向折射率不相同，并且不一定在入射面內傳播，這一條光也稱為非尋常光，其折射率為ne。o光和e光是完全偏振光，其光振動方向與晶體結構和光入射條件有關。

向列型液晶具有電控雙折射效應，通常TN盒液晶的瓊斯矩陣表達式為［5］：

上式中旋轉矩陣R(φ)可表示為：

其中相位延遲量Γ和X可表示為：

式中，λ為光波波長，d為液晶厚度，φ為液晶扭曲角，對于向列相液晶，則有 φ=2π λ。

入射光偏振態用瓊斯矩陣表示為：

當光束經過液晶后偏振態變化為：

由公式（3）、（4）和（6）可知，當液晶的厚度 d 一定時，通過改變液晶的雙折射率即可改變出射光的偏振態。

液晶可變光束分離器的光路結構如圖1所示。它由準直器、光衰減器、起偏器、液晶空間光調制器和偏振分束棱鏡組成。激光器發出光束經準直后，經過衰減片后保持光強大小在合適范圍內，再由起偏器將光束變成線偏振光。線偏光進入液晶后，通過調整液晶驅動電壓來改變其雙折射率，從而可實現對入射線偏振光的偏振態的改變。偏振分束鏡（沃拉斯頓棱鏡）是一種能產生兩束彼此分開的、振動方向互相垂直的線偏振光的器件，不同偏振態的入射光進入沃拉斯頓棱鏡后，將分成光強大小不等兩束光。所以，該裝置通過液晶空間光調制器精確控制光束的偏振態，從而實現對可控偏振分光。

2 可變光束分離器的理論推導

當起偏器的透振方向為水平方向，則I//為偏振分束鏡水平透振方向時出射的光強，I⊥為偏振分束器垂直透振方向出射的光強。將液晶放置于其光軸方向與起偏器透振方向成45°夾角位置。若ae和ao分別代表尋常光和非尋常光的吸收系數，當(ae-ao）d＜＜1（ae和ao之間的差別可以忽略）時，水平與垂直方向上的透過光強為［6-8］：

式中I0為入射光的強度。

則分光比即可表示為：

向列相液晶分子在電場作用下分子軸偏振一個角度 α ，隨電壓V 的變化函數為［9］：

式中，Vth為閾值電壓，V0為盈電壓。

由公式（10）可知，當液晶的驅動電壓小于閾值電壓Vth時，分子軸不發生偏轉，則液晶的雙折射率在此區間內保持不變，反射光與透射光強之比幾乎不發生變化。當液晶的驅動電壓大于Vth，但小于驅動液晶的飽和電壓V0，此時液晶的雙折射率將產生明顯變化，即電壓在Vth～V0區間內可以實現連續可調分光比。當液晶驅動電壓大于V0，液晶分子達到最小延時量后且分子幾乎不發生偏轉，入射光的偏振態經過液晶后偏振態將不發生變化。

3 實驗與結果

實驗所使用的液晶空間調制器為美國Meadowlark公司生產的液晶可變延時器，該液晶的正常方波的響應時間為22ms，激光器為Amonics公司生產的1550 PM Fiber Laser。首先光束由光纖輸出經過準直器后進入空間，經過衰減片后將光束的強度調整為合適的范圍之內，然后通過起偏器產生水平線偏光，確保其透射軸方向與液晶快慢軸方向成45°夾角。進入液晶光調制器后，此時，用光功率計測出其輸出的光功率作為透射光與反射光的總功率。然后改變液晶的驅動電壓來改變光束的偏振態，最后經沃拉斯頓分光棱鏡并分別測出由沃拉斯頓棱鏡分出的兩束光功率。

實驗中，光束透過液晶后輸出總光功率為1.1mW。本文對液晶調制器施加以頻率2KHz的方波、0～8V之間的電壓值，通過記錄光功率計的值，得到透射和反射光功率的實驗數據，從而得出透射光、反射光功率隨電壓變化的曲線如圖2和圖3所示。

圖2 透射光功率隨液晶電壓變化的關系

圖3 反射光功率隨液晶電壓變化的關系

由圖2和圖3可知，電壓在0～1.7V之間反射光與透射光功率變化不明顯。當電壓增加到1.7V時，反射光功率達到最大值，透射光功率達到最小值。在1.7～5V區間內，透射光與反射光之間的變化最為明顯。超過5V之后，兩束光功率基本持平。這可以推導出液晶的Vth為1.7V，V0為5V，圖4給出了該區間內反射光與透射光的分光比隨液晶驅動電壓變化的曲線圖。驅動電壓在1.7～5V之間分光比最高能達到25。

圖4 液晶驅動電壓對應分光比

4 結論

基于液晶的電控雙折射效應，本文在光路上設計了可變光束分離器，并詳細分析了其工作原理。在理論上推導出了可變光束分離器透射光、反射光功率和分光比與電壓關系的表達式。最后實驗驗證了可變光束分離器，結果證明實驗數據表明液晶驅動電壓在Vth～V0之間可以實現可控偏振分光分光，實驗結果理論分析基本吻合。由于液晶器件具有體積小、電光系數大、電壓驅動低、功耗低、制作成本低和無運動部件的實現動態調節等優點，因此在光放大器的可調增益均衡器、光信號的分路器件、自適應光放大器等光通信領域將具有一定的發展前景。

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