基于液晶光调制器的可控偏振分光技术研究

宋卢军，刘智，方韩韩，倪小龙，刘艺

（1.长春理工大学 电子信息工程学院，长春 130022；2.长春理工大学 光电工程学院，长春 130022）

液晶空间光调制器是光信息处理中重要的元件，它利用液晶的电控双折射效应来实现对入射光的调制。其中向列型液晶空间调制器表现出很好的双折射效应，液晶的电控双折射效应是在电场的作用下，液晶分子的初始排列形式发生改变，在不同的驱动电压下，分子的长轴会与电极产生不同的倾角，从而使液晶盒的双折射率发生变化，光经过液晶后产生不同的偏振态，也就是说，“电”通过液晶对“光”进行调制。

在光传输系统中，经常需要将光信号进行耦合、分支、分配等，所以分光器具有非常广泛的应用。例如，光信号的分路器件、自适应光放大器，还能用作可调光衰减器、光开光等［1，2］。本文采用基于液晶的光调制技术，拟将液晶作为一种动态可变的光束分光器置于光学系统中。该装置具有可应用光谱范围特别宽、调谐电压低、损耗低、重复率高、稳定性好、操作简单等优点。因此，采用液晶作为动态光学组件实现光束控制成为一种有效的手段。

1 基础理论与工作原理

液晶光调制器是一种基于液晶电光效应的光调制器件，利用液晶分子的双折射效应和两片偏振方向一致的偏振片来工作的［3，4］。而根据双折射效应现象，光束在某些晶体中传播时，由于晶体对两个相互垂直振动矢量的光的折射率不同而产生两束折射光，即o光与e光。o光服从折射定律，沿各方向的光的传播速度相同，各向折射率相同，且在入射面内传播，这一条光也称为寻常光，其折射率为no。e光不服从折射定律，沿各个方向的光的传播速度不相同，各向折射率不相同，并且不一定在入射面内传播，这一条光也称为非寻常光，其折射率为ne。o光和e光是完全偏振光，其光振动方向与晶体结构和光入射条件有关。

向列型液晶具有电控双折射效应，通常TN盒液晶的琼斯矩阵表达式为［5］：

上式中旋转矩阵R(φ)可表示为：

其中相位延迟量Γ和X可表示为：

式中，λ为光波波长，d为液晶厚度，φ为液晶扭曲角，对于向列相液晶，则有 φ=2π λ。

入射光偏振态用琼斯矩阵表示为：

当光束经过液晶后偏振态变化为：

由公式（3）、（4）和（6）可知，当液晶的厚度 d 一定时，通过改变液晶的双折射率即可改变出射光的偏振态。

液晶可变光束分离器的光路结构如图1所示。它由准直器、光衰减器、起偏器、液晶空间光调制器和偏振分束棱镜组成。激光器发出光束经准直后，经过衰减片后保持光强大小在合适范围内，再由起偏器将光束变成线偏振光。线偏光进入液晶后，通过调整液晶驱动电压来改变其双折射率，从而可实现对入射线偏振光的偏振态的改变。偏振分束镜（沃拉斯顿棱镜）是一种能产生两束彼此分开的、振动方向互相垂直的线偏振光的器件，不同偏振态的入射光进入沃拉斯顿棱镜后，将分成光强大小不等两束光。所以，该装置通过液晶空间光调制器精确控制光束的偏振态，从而实现对可控偏振分光。

2 可变光束分离器的理论推导

当起偏器的透振方向为水平方向，则I//为偏振分束镜水平透振方向时出射的光强，I⊥为偏振分束器垂直透振方向出射的光强。将液晶放置于其光轴方向与起偏器透振方向成45°夹角位置。若ae和ao分别代表寻常光和非寻常光的吸收系数，当(ae-ao）d＜＜1（ae和ao之间的差别可以忽略）时，水平与垂直方向上的透过光强为［6-8］：

式中I0为入射光的强度。

则分光比即可表示为：

向列相液晶分子在电场作用下分子轴偏振一个角度 α ，随电压V 的变化函数为［9］：

式中，Vth为阈值电压，V0为盈电压。

由公式（10）可知，当液晶的驱动电压小于阈值电压Vth时，分子轴不发生偏转，则液晶的双折射率在此区间内保持不变，反射光与透射光强之比几乎不发生变化。当液晶的驱动电压大于Vth，但小于驱动液晶的饱和电压V0，此时液晶的双折射率将产生明显变化，即电压在Vth～V0区间内可以实现连续可调分光比。当液晶驱动电压大于V0，液晶分子达到最小延时量后且分子几乎不发生偏转，入射光的偏振态经过液晶后偏振态将不发生变化。

3 实验与结果

实验所使用的液晶空间调制器为美国Meadowlark公司生产的液晶可变延时器，该液晶的正常方波的响应时间为22ms，激光器为Amonics公司生产的1550 PM Fiber Laser。首先光束由光纤输出经过准直器后进入空间，经过衰减片后将光束的强度调整为合适的范围之内，然后通过起偏器产生水平线偏光，确保其透射轴方向与液晶快慢轴方向成45°夹角。进入液晶光调制器后，此时，用光功率计测出其输出的光功率作为透射光与反射光的总功率。然后改变液晶的驱动电压来改变光束的偏振态，最后经沃拉斯顿分光棱镜并分别测出由沃拉斯顿棱镜分出的两束光功率。

实验中，光束透过液晶后输出总光功率为1.1mW。本文对液晶调制器施加以频率2KHz的方波、0～8V之间的电压值，通过记录光功率计的值，得到透射和反射光功率的实验数据，从而得出透射光、反射光功率随电压变化的曲线如图2和图3所示。

图2 透射光功率随液晶电压变化的关系

图3 反射光功率随液晶电压变化的关系

由图2和图3可知，电压在0～1.7V之间反射光与透射光功率变化不明显。当电压增加到1.7V时，反射光功率达到最大值，透射光功率达到最小值。在1.7～5V区间内，透射光与反射光之间的变化最为明显。超过5V之后，两束光功率基本持平。这可以推导出液晶的Vth为1.7V，V0为5V，图4给出了该区间内反射光与透射光的分光比随液晶驱动电压变化的曲线图。驱动电压在1.7～5V之间分光比最高能达到25。

图4 液晶驱动电压对应分光比

4 结论

基于液晶的电控双折射效应，本文在光路上设计了可变光束分离器，并详细分析了其工作原理。在理论上推导出了可变光束分离器透射光、反射光功率和分光比与电压关系的表达式。最后实验验证了可变光束分离器，结果证明实验数据表明液晶驱动电压在Vth～V0之间可以实现可控偏振分光分光，实验结果理论分析基本吻合。由于液晶器件具有体积小、电光系数大、电压驱动低、功耗低、制作成本低和无运动部件的实现动态调节等优点，因此在光放大器的可调增益均衡器、光信号的分路器件、自适应光放大器等光通信领域将具有一定的发展前景。

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