液晶光子學第10章液晶光通信與太赫茲調控元件課件

1、液晶光子學10.1.1 光通信器件背景及應用10.1.2 獨立液晶光通信元件10.2.1 液晶太赫茲元件概述習題10.2.3 液晶太赫茲波片10.2.4 液晶太赫茲濾波器10.2.5 液晶可調太赫茲吸收器10.2.2 太赫茲相移器第十章液晶光通信與太赫茲調控元件of33210.1.1 光通信器件背景及應用of333第十章 液晶光通信與太赫茲調控元件光通信器件技術主要包括平面光路技術和自由空間技術，其中自由空間具有易升級、成本低、多通道處理能力強等優(yōu)勢。常用的兩種自由空間技術包括微電機系統(tǒng)(Micro Electron-Mechanical System, MEMS)技術和液晶技術。相比而言，液

2、晶技術具有高穩(wěn)定性、低能耗等優(yōu)勢。用于光通信領域的液晶光子學器件主要是可調諧無源器件，以期實現(xiàn)對光信號的控制和分配，如光開關、光衰減器、濾波器、反射器、光束轉向器、偏振控制器、光分插復用器等。相比于采用傳統(tǒng)電光晶體等材料的功能性器件，液晶光子學器件具有許多優(yōu)勢：功耗小、成本低、重量輕且不需要配備附屬聯(lián)動裝置等。液晶光子元件的引入，為傳統(tǒng)的光通信技術提供了更便捷的操控方案。10.1.2 獨立液晶光通信元件of33410.2.1 液晶太赫茲元件概述習題10.2.3 液晶太赫茲波片10.2.4 液晶太赫茲濾波器10.2.5 液晶可調太赫茲吸收器10.2.2 太赫茲相移器第十章液晶光通信與太赫茲調控元

3、件10.1.1 光通信器件背景及應用10.1.2 獨立液晶光通信元件of335第十章 液晶光通信與太赫茲調控元件圖10.2 電場作用下液晶對光強的調制液晶的電控雙折射(10.1)10.1.2 獨立液晶光通信元件of336第十章 液晶光通信與太赫茲調控元件液晶光開關按照工作媒介不同，光開關主要可分為自由空間型和波導型兩類。前者依照工作原理又可分為微機電系統(tǒng)型(MEMS)和液晶型光開關；后者根據(jù)物理性質和所用材料的不同可分為熱光開關、電光開關、聲光開關、激子吸收開關等。圖 10.3 一種液晶微滴光開關結構示意圖10.1.2 獨立液晶光通信元件of337第十章 液晶光通信與太赫茲調控元件液晶光開關圖

4、 10.4 對外加電場響應連續(xù)可調激光器(ANDO AQ4321D, = 15201620 m)光源出射光經(jīng)過單模光纖（SMF）和偏振控制器(FPC560, Thorlabs)，在沒有外加電場作用時，經(jīng)過液晶盒樣品的液晶微滴邊緣后，出射光強由光功率計（ANDO AQ8201-21）探測。10.1.2 獨立液晶光通信元件of338第十章 液晶光通信與太赫茲調控元件液晶可調光衰減器光衰減器是一類在光纖通信網(wǎng)絡中廣泛使用的光無源器件，其作用是用來控制減少光纖通信網(wǎng)絡中傳輸?shù)墓庑盘柕膹姸??？烧{光衰減器的功能是降低光信號的強度，通常適用于密集波分復用系統(tǒng)等多通道系統(tǒng)。圖 10.4 一種基于液晶微滴的可調

5、光衰減器10.1.2 獨立液晶光通信元件of339第十章 液晶光通信與太赫茲調控元件液晶可調光衰減器圖 10.7 液晶光衰減器原理圖圖 10.6 液晶光衰減器光路圖在亮態(tài)和暗態(tài)之間，器件的輸出光功率可以通過對液晶盒施加不同大小的電壓實現(xiàn)連續(xù)可控衰減，且該液晶器件對入射光具有偏振無依賴性。10.1.2 獨立液晶光通信元件of3310第十章 液晶光通信與太赫茲調控元件多通道光隔離器光隔離器也是一類在光纖通信網(wǎng)絡中廣泛使用的光無源器件。它能使信號光從正向通過而阻止回射光從反向通過，在光纖通信系統(tǒng)、激光器和光處理系統(tǒng)中有著廣泛的應用。在這些系統(tǒng)中，光信號會在各個器件的端面產生反射，形成回射光?；厣涔鈺?/p>

6、降低各類器件（例如激光器或者放大器）的性能以及光信號的信噪比，因此需要光隔離器來隔離回射光，保護各類光學器件。圖 10.8 液晶光隔離器工作原理圖10.1.2 獨立液晶光通信元件of3311第十章 液晶光通信與太赫茲調控元件多通道光隔離器圖 10.9通信波段雙向多通道光隔離器的透過率圖 10.10 0-2相位調節(jié)范圍內透過率變化在整個通信波段 (191196 THz)，對于特定頻率間隔的信號，消光比都能達到40dB以上并且各個通道的間隔恰好為100GHz。在此基礎上，在整個光路設計中增加一個液晶盒，液晶對透射光相位的調制可以通過調節(jié)電壓對光信號的透過率作出相應的調節(jié)。10.1.2 獨立液晶光通

7、信元件of3312第十章 液晶光通信與太赫茲調控元件波長阻隔器波長阻隔器是重構光分插復用器(ROADM)的核心器件之一，它可在波分復用系統(tǒng)的節(jié)點處對同一光纖中傳輸?shù)牟煌ㄩL的光信號進行解復用，然后對各個信號獨立地進行導通、阻隔以及衰減控制。通過復用的方式，在該節(jié)點處還可以重新上載相同波長的信號，實現(xiàn)了光信號靈活的上下行。另外，通過衰減可以對各個通道的信號強度進行整平。圖 10.11液晶波長阻隔器工作原理10.1.2 獨立液晶光通信元件of3313第十章 液晶光通信與太赫茲調控元件波長阻隔器圖 10.12 波長阻隔器液晶模塊原理圖驅動電壓小于閾值電壓時，入射光原路返回耦合入光纖，呈導通狀態(tài)驅動電

8、壓達到飽和電壓時，液晶不改變透射光的偏振態(tài)，呈隔離狀態(tài)驅動電壓位于兩者之間時，部分入射光被隔離，呈衰減平整狀態(tài)10.1.2 獨立液晶光通信元件of331410.2.1 液晶太赫茲元件概述習題10.2.3 液晶太赫茲波片10.2.4 液晶太赫茲濾波器10.2.5 液晶可調太赫茲吸收器10.2.2 太赫茲相移器第十章液晶光通信與太赫茲調控元件10.1.1 光通信器件背景及應用10.2.1 液晶太赫茲元件概述第十章 液晶光通信與太赫茲調控元件of3315太赫茲 Terahertzf ： 0.1 THz 10 THz 電子學 光子學： 0.03 3 mm 微波 紅外 成像安檢無損檢測 特征譜 （指紋識

9、別），裂紋，空隙等結構缺陷生物和醫(yī)藥應用 炸藥和藥品的探測與鑒定，化學和生物的危險評估自由空間通訊生產中的實時監(jiān)測獨特性質 & 豐富應用 Nature Mater. 2002, 1(1): 26-3310.2.1 液晶太赫茲元件概述of3316相對于THz源和THz探測器來說，THz調控器件的發(fā)展仍十分緩慢，特別是動態(tài)調控器件。太赫茲量子級聯(lián)激光器GaAs超快太赫茲探測器液晶與THz結合寬波段雙折射外場可調諧(電磁場、溫度、光場)可與超材料集成液晶太赫茲器件-相移器-波片-濾波器-吸收器第十章 液晶光通信與太赫茲調控元件10.2.1 液晶太赫茲元件概述of3317液晶器件在THz波段的主要問題

10、及相應的解決方法：THz透明電極 (現(xiàn)有的電極材料有石墨烯、PEDOT:PSS、ITO納米晶須)利用動態(tài)相位累積的純相位調制器件需要較大的液晶層厚度，對加場、響應帶來不利影響 (解決方法主要是開發(fā)大雙折射液晶材料以及把液晶材料和超材料進行集成)大層厚的液晶不易取向好 (解決方法是采用光控取向層，實現(xiàn)大盒厚取向(大于500 m)第十章 液晶光通信與太赫茲調控元件10.1.2 獨立液晶光通信元件of331810.2.1 液晶太赫茲元件概述習題10.2.3 液晶太赫茲波片10.2.4 液晶太赫茲濾波器10.2.5 液晶可調太赫茲吸收器10.2.2 太赫茲相移器第十章液晶光通信與太赫茲調控元件10.1

11、.1 光通信器件背景及應用10.2.2 太赫茲相移器of3319液晶THz相移器原理：將液晶灌入均一取向的液晶盒內，通過外場的調節(jié)（通常是電場或者磁場），使內部均一取向的液晶分子在加場前后的指向矢發(fā)生變化，線偏振入射的太赫茲波在加場前后感受到不同的液晶折射率，從而發(fā)生位相改變。挑戰(zhàn)：位相調控范圍不能覆蓋整個0 - 2區(qū)間由于大盒厚的影響，太赫茲透過效率以及加場后液晶的響應速度也會受到限制圖 10.16 自偏振太赫茲相移器結構示意圖第十章 液晶光通信與太赫茲調控元件10.2.2 太赫茲相移器of3320（a）加電狀態(tài)；（b）未加電狀態(tài)圖 10.17 基于聚合物穩(wěn)定液晶的電調控相移器示意圖圖 10

12、.18 采用ITO納米晶須作為電極和取向層的相移器的示意圖（a）器件整體結構；（b）和（c）分別為加電和撤電狀態(tài)下盒內液晶的排列狀態(tài)圖10.19 采用有機物PEDOT:PSS作為電極的相移器示意圖第十章 液晶光通信與太赫茲調控元件10.1.2 獨立液晶光通信元件of332110.2.1 液晶太赫茲元件概述習題10.2.3 液晶太赫茲波片10.2.4 液晶太赫茲濾波器10.2.5 液晶可調太赫茲吸收器10.2.2 太赫茲相移器第十章液晶光通信與太赫茲調控元件10.1.1 光通信器件背景及應用10.2.3 液晶太赫茲波片of3322液晶THz波片原理：液晶太赫茲波片的作用是改變入射太赫茲波的偏振狀

13、態(tài)，在原理上和液晶太赫茲相移器類似。讓入射的線偏振太赫茲波的偏振方向和液晶分子的長軸方向呈一定的角度，為了方便測量和計算，通常選取45。這樣，在未加電時，沿著長軸方向和垂直于長軸方向的偏振分量感受到不同的折射率從而產生相位差，導致出射時偏振態(tài)發(fā)生變化。相位差達/2時為圓偏振出射，達時為正交線偏振態(tài)出射，其余情況下為橢偏出射。加電可以調節(jié)液晶指向矢方向，進而調節(jié)相位差。在飽和電壓下，液晶分子垂直于上下基板排列，相位差減為零。通過改變電壓大小及可實現(xiàn)不同偏振態(tài)的出射。目前主要報道的有兩種波片結構，分別是透射式結構和反射式結構。透射式結構主要依靠液晶的雙折射n產生正交偏振分量的相位差，而反射式結構的

14、原理略有不同。第十章 液晶光通信與太赫茲調控元件10.2.3 液晶太赫茲波片of3323透射式液晶THz波片（a）結構示意圖；（b）出射太赫茲波的偏振態(tài)隨著所加電壓的變化圖圖10.20 太赫茲可調波片及調制效果示意圖圖10.21 可調太赫茲消色差波片結構示意圖第十章 液晶光通信與太赫茲調控元件10.2.3 液晶太赫茲波片of3324反射式液晶THz波片原理：如圖10.22所示，上層為金屬線柵，下層為金屬背板，中間層為液晶材料。在反射式結構中利用上層基板金屬線柵透過橫磁波（TM）而反射橫電波（TE）的特性，讓入射太赫茲波與線柵成45，一半TE偏振分量直接反射；一半TM偏振分量透過，并經(jīng)過下層基板

15、上的金屬背板反射后出射，比直接反射的TE波多走一段光程，這段光程為2/n2d，其中為入射太赫茲波的波長，n為盒內液晶的折射率，d為元件的液晶層厚度，產生的相位差正比于液晶的折射率。相對于透射式結構來說，反射式結構產生的相位差正比于折射率n而不是雙折射n，因此想要達到相同的相位調制量的情況下反射結構要比透射結構的盒厚小很多，因而具有響應速度快，太赫茲出射效率高以及驅動電壓低優(yōu)勢。圖10.22 反射式太赫茲液晶可調波片示意圖第十章 液晶光通信與太赫茲調控元件10.1.2 獨立液晶光通信元件of332510.2.1 液晶太赫茲元件概述習題10.2.3 液晶太赫茲波片10.2.4 液晶太赫茲濾波器10

16、.2.5 液晶可調太赫茲吸收器10.2.2 太赫茲相移器第十章液晶光通信與太赫茲調控元件10.1.1 光通信器件背景及應用10.2.4 液晶太赫茲濾波器of3326液晶THz里奧濾波器它由兩個獨立的液晶盒和三個偏振片組成，如圖10.23所示。每個液晶盒包含固定延遲器和可調延遲器兩部分。固定延遲器的液晶均一取向，產生固定的相位延遲量?？烧{延遲器放置在磁場中，液晶垂直取向，可以通過控制磁場方向來改變液晶指向矢，從而改變相位延遲量。該結構能夠實現(xiàn)0.388 - 0.564 THz之間的通帶連續(xù)調控。但磁場調控元件體積大，不利于元件的小型化和集成化，后續(xù)需要開發(fā)采用電調方式。圖10.23 磁調控液晶太

17、赫茲里奧濾波器結構示意圖第十章 液晶光通信與太赫茲調控元件10.2.4 液晶太赫茲濾波器of3327基于磁調液晶位相延遲片的索爾克濾波器圖10.24 磁調控液晶太赫茲索爾克濾波器示意圖與超材料相結合的THz濾波器（a）上層金屬結構陣列單元；（b）整體結構示意圖圖10.25利用聚合物分散液晶材料作為調控介質的太赫茲濾波器示意圖第十章 液晶光通信與太赫茲調控元件10.2.4 液晶太赫茲濾波器of3328（a）諧振單元結構；（b）整體結構圖；（c）樣品照片圖10.26超材料液晶可調濾波器示意圖（a）結構單元示意圖；（b）電場強度示意圖；（c）和（d）分別為加電和撤電狀態(tài)下液晶的偏轉情況圖10.27

18、“S”形結構陣列液晶超材料濾波器示意圖第十章 液晶光通信與太赫茲調控元件10.2.4 液晶太赫茲濾波器of3329圖10.28 叉指電極驅動液晶太赫茲濾波器示意圖（a）元件結構示意圖；（b）該元件透射率響應隨外界溫度的變化曲線圖10.29 類法布里-帕羅太赫茲濾波器示意圖第十章 液晶光通信與太赫茲調控元件10.1.1 光通信器件背景及應用10.1.2 獨立液晶光通信元件of333010.2.1 液晶太赫茲元件概述習題10.2.3 液晶太赫茲波片10.2.4 液晶太赫茲濾波器10.2.5 液晶可調太赫茲吸收器10.2.2 太赫茲相移器第十章液晶光通信與太赫茲調控元件10.2.5 液晶可調太赫茲吸

19、收器of3331太赫茲超材料吸收器自從問世以來就十分引人矚目，其在各領域具有著很多潛在應用，比如熱發(fā)射，能量吸收，傳感以及空間光調控等等。太赫茲超材料吸收器的結構通常是上下兩層金屬結構，中間為介質層，太赫茲電磁波能量吸收由金屬在太赫茲電場下產生等離子體振蕩引起的諧振損耗和中間介質層的吸收損耗共同承擔。盡管超材料吸收器有著很多獨特的性質，但一般超材料的共振特性都只局限在一個比較窄而有限的頻段，如何人為設計寬帶吸收、多帶吸收且具有吸收帶可調諧性的吸收器是當今研究領域的一大熱點。液晶作為一種外場可調的雙折射介質材料，在這一領域有著很好的應用潛力。（a）吸收器結構示意圖；（b）結構單元示意圖；（c）加偏壓和未