液晶光子學(xué)第10章液晶光通信與太赫茲調(diào)控元件課件

1、液晶光子學(xué)10.1.1 光通信器件背景及應(yīng)用10.1.2 獨(dú)立液晶光通信元件10.2.1 液晶太赫茲元件概述習(xí)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(diào)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(diào)控元件of33210.1.1 光通信器件背景及應(yīng)用of333第十章 液晶光通信與太赫茲調(diào)控元件光通信器件技術(shù)主要包括平面光路技術(shù)和自由空間技術(shù)，其中自由空間具有易升級(jí)、成本低、多通道處理能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)。常用的兩種自由空間技術(shù)包括微電機(jī)系統(tǒng)(Micro Electron-Mechanical System, MEMS)技術(shù)和液晶技術(shù)。相比而言，液

2、晶技術(shù)具有高穩(wěn)定性、低能耗等優(yōu)勢(shì)。用于光通信領(lǐng)域的液晶光子學(xué)器件主要是可調(diào)諧無(wú)源器件，以期實(shí)現(xiàn)對(duì)光信號(hào)的控制和分配，如光開(kāi)關(guān)、光衰減器、濾波器、反射器、光束轉(zhuǎn)向器、偏振控制器、光分插復(fù)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(xué)器件具有許多優(yōu)勢(shì)：功耗小、成本低、重量輕且不需要配備附屬聯(lián)動(dòng)裝置等。液晶光子元件的引入，為傳統(tǒng)的光通信技術(shù)提供了更便捷的操控方案。10.1.2 獨(dú)立液晶光通信元件of33410.2.1 液晶太赫茲元件概述習(xí)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(diào)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(diào)控元

3、件10.1.1 光通信器件背景及應(yīng)用10.1.2 獨(dú)立液晶光通信元件of335第十章 液晶光通信與太赫茲調(diào)控元件圖10.2 電場(chǎng)作用下液晶對(duì)光強(qiáng)的調(diào)制液晶的電控雙折射(10.1)10.1.2 獨(dú)立液晶光通信元件of336第十章 液晶光通信與太赫茲調(diào)控元件液晶光開(kāi)關(guān)按照工作媒介不同，光開(kāi)關(guān)主要可分為自由空間型和波導(dǎo)型兩類(lèi)。前者依照工作原理又可分為微機(jī)電系統(tǒng)型(MEMS)和液晶型光開(kāi)關(guān)；后者根據(jù)物理性質(zhì)和所用材料的不同可分為熱光開(kāi)關(guān)、電光開(kāi)關(guān)、聲光開(kāi)關(guān)、激子吸收開(kāi)關(guān)等。圖 10.3 一種液晶微滴光開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖10.1.2 獨(dú)立液晶光通信元件of337第十章 液晶光通信與太赫茲調(diào)控元件液晶光開(kāi)關(guān)圖

4、 10.4 對(duì)外加電場(chǎng)響應(yīng)連續(xù)可調(diào)激光器(ANDO AQ4321D, = 15201620 m)光源出射光經(jīng)過(guò)單模光纖（SMF）和偏振控制器(FPC560, Thorlabs)，在沒(méi)有外加電場(chǎng)作用時(shí)，經(jīng)過(guò)液晶盒樣品的液晶微滴邊緣后，出射光強(qiáng)由光功率計(jì)（ANDO AQ8201-21）探測(cè)。10.1.2 獨(dú)立液晶光通信元件of338第十章 液晶光通信與太赫茲調(diào)控元件液晶可調(diào)光衰減器光衰減器是一類(lèi)在光纖通信網(wǎng)絡(luò)中廣泛使用的光無(wú)源器件，其作用是用來(lái)控制減少光纖通信網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)墓庑盘?hào)的強(qiáng)度?？烧{(diào)光衰減器的功能是降低光信號(hào)的強(qiáng)度，通常適用于密集波分復(fù)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(diào)

5、光衰減器10.1.2 獨(dú)立液晶光通信元件of339第十章 液晶光通信與太赫茲調(diào)控元件液晶可調(diào)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(guò)對(duì)液晶盒施加不同大小的電壓實(shí)現(xiàn)連續(xù)可控衰減，且該液晶器件對(duì)入射光具有偏振無(wú)依賴(lài)性。10.1.2 獨(dú)立液晶光通信元件of3310第十章 液晶光通信與太赫茲調(diào)控元件多通道光隔離器光隔離器也是一類(lèi)在光纖通信網(wǎng)絡(luò)中廣泛使用的光無(wú)源器件。它能使信號(hào)光從正向通過(guò)而阻止回射光從反向通過(guò)，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(yīng)用。在這些系統(tǒng)中，光信號(hào)會(huì)在各個(gè)器件的端面產(chǎn)生反射，形成回射光?；厣涔鈺?huì)

6、降低各類(lèi)器件（例如激光器或者放大器）的性能以及光信號(hào)的信噪比，因此需要光隔離器來(lái)隔離回射光，保護(hù)各類(lèi)光學(xué)器件。圖 10.8 液晶光隔離器工作原理圖10.1.2 獨(dú)立液晶光通信元件of3311第十章 液晶光通信與太赫茲調(diào)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(guò)率圖 10.10 0-2相位調(diào)節(jié)范圍內(nèi)透過(guò)率變化在整個(gè)通信波段 (191196 THz)，對(duì)于特定頻率間隔的信號(hào)，消光比都能達(dá)到40dB以上并且各個(gè)通道的間隔恰好為100GHz。在此基礎(chǔ)上，在整個(gè)光路設(shè)計(jì)中增加一個(gè)液晶盒，液晶對(duì)透射光相位的調(diào)制可以通過(guò)調(diào)節(jié)電壓對(duì)光信號(hào)的透過(guò)率作出相應(yīng)的調(diào)節(jié)。10.1.2 獨(dú)立液晶光通

7、信元件of3312第十章 液晶光通信與太赫茲調(diào)控元件波長(zhǎng)阻隔器波長(zhǎng)阻隔器是重構(gòu)光分插復(fù)用器(ROADM)的核心器件之一，它可在波分復(fù)用系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)處對(duì)同一光纖中傳輸?shù)牟煌ㄩL(zhǎng)的光信號(hào)進(jìn)行解復(fù)用，然后對(duì)各個(gè)信號(hào)獨(dú)立地進(jìn)行導(dǎo)通、阻隔以及衰減控制。通過(guò)復(fù)用的方式，在該節(jié)點(diǎn)處還可以重新上載相同波長(zhǎng)的信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了光信號(hào)靈活的上下行。另外，通過(guò)衰減可以對(duì)各個(gè)通道的信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行整平。圖 10.11液晶波長(zhǎng)阻隔器工作原理10.1.2 獨(dú)立液晶光通信元件of3313第十章 液晶光通信與太赫茲調(diào)控元件波長(zhǎng)阻隔器圖 10.12 波長(zhǎng)阻隔器液晶模塊原理圖驅(qū)動(dòng)電壓小于閾值電壓時(shí)，入射光原路返回耦合入光纖，呈導(dǎo)通狀態(tài)驅(qū)動(dòng)電

8、壓達(dá)到飽和電壓時(shí)，液晶不改變透射光的偏振態(tài)，呈隔離狀態(tài)驅(qū)動(dòng)電壓位于兩者之間時(shí)，部分入射光被隔離，呈衰減平整狀態(tài)10.1.2 獨(dú)立液晶光通信元件of331410.2.1 液晶太赫茲元件概述習(xí)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(diào)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(diào)控元件10.1.1 光通信器件背景及應(yīng)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(diào)控元件of3315太赫茲 Terahertzf ： 0.1 THz 10 THz 電子學(xué) 光子學(xué)： 0.03 3 mm 微波 紅外 成像安檢無(wú)損檢測(cè) 特征譜 （指紋識(shí)

9、別），裂紋，空隙等結(jié)構(gòu)缺陷生物和醫(yī)藥應(yīng)用 炸藥和藥品的探測(cè)與鑒定，化學(xué)和生物的危險(xiǎn)評(píng)估自由空間通訊生產(chǎn)中的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)獨(dú)特性質(zhì) & 豐富應(yīng)用 Nature Mater. 2002, 1(1): 26-3310.2.1 液晶太赫茲元件概述of3316相對(duì)于THz源和THz探測(cè)器來(lái)說(shuō)，THz調(diào)控器件的發(fā)展仍十分緩慢，特別是動(dòng)態(tài)調(diào)控器件。太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器GaAs超快太赫茲探測(cè)器液晶與THz結(jié)合寬波段雙折射外場(chǎng)可調(diào)諧(電磁場(chǎng)、溫度、光場(chǎng))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(diào)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(wèn)題

10、及相應(yīng)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(dòng)態(tài)相位累積的純相位調(diào)制器件需要較大的液晶層厚度，對(duì)加場(chǎng)、響應(yīng)帶來(lái)不利影響 (解決方法主要是開(kāi)發(fā)大雙折射液晶材料以及把液晶材料和超材料進(jìn)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?qū)?，?shí)現(xiàn)大盒厚取向(大于500 m)第十章 液晶光通信與太赫茲調(diào)控元件10.1.2 獨(dú)立液晶光通信元件of331810.2.1 液晶太赫茲元件概述習(xí)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(diào)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(diào)控元件10.1

11、.1 光通信器件背景及應(yīng)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(nèi)，通過(guò)外場(chǎng)的調(diào)節(jié)（通常是電場(chǎng)或者磁場(chǎng)），使內(nèi)部均一取向的液晶分子在加場(chǎng)前后的指向矢發(fā)生變化，線(xiàn)偏振入射的太赫茲波在加場(chǎng)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(diào)控范圍不能覆蓋整個(gè)0 - 2區(qū)間由于大盒厚的影響，太赫茲透過(guò)效率以及加場(chǎng)后液晶的響應(yīng)速度也會(huì)受到限制圖 10.16 自偏振太赫茲相移器結(jié)構(gòu)示意圖第十章 液晶光通信與太赫茲調(diào)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(diào)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?qū)拥南嘁破鞯氖疽鈭D（a）器件整體結(jié)構(gòu)；（b）和（c）分別為加電和撤電狀態(tài)下盒內(nèi)液晶的排列狀態(tài)圖10.19 采用有機(jī)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(diào)控元件10.1.2 獨(dú)立液晶光通信元件of332110.2.1 液晶太赫茲元件概述習(xí)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(diào)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(diào)控元件10.1.1 光通信器件背景及應(yīng)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?nèi)肷涮掌澆ǖ钠駹?/p>

13、態(tài)，在原理上和液晶太赫茲相移器類(lèi)似。讓入射的線(xiàn)偏振太赫茲波的偏振方向和液晶分子的長(zhǎng)軸方向呈一定的角度，為了方便測(cè)量和計(jì)算，通常選取45。這樣，在未加電時(shí)，沿著長(zhǎng)軸方向和垂直于長(zhǎng)軸方向的偏振分量感受到不同的折射率從而產(chǎn)生相位差，導(dǎo)致出射時(shí)偏振態(tài)發(fā)生變化。相位差達(dá)/2時(shí)為圓偏振出射，達(dá)時(shí)為正交線(xiàn)偏振態(tài)出射，其余情況下為橢偏出射。加電可以調(diào)節(jié)液晶指向矢方向，進(jìn)而調(diào)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(guò)改變電壓大小及可實(shí)現(xiàn)不同偏振態(tài)的出射。目前主要報(bào)道的有兩種波片結(jié)構(gòu)，分別是透射式結(jié)構(gòu)和反射式結(jié)構(gòu)。透射式結(jié)構(gòu)主要依靠液晶的雙折射n產(chǎn)生正交偏振分量的相位差，而反射式結(jié)構(gòu)的

14、原理略有不同。第十章 液晶光通信與太赫茲調(diào)控元件10.2.3 液晶太赫茲波片of3323透射式液晶THz波片（a）結(jié)構(gòu)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(diào)波片及調(diào)制效果示意圖圖10.21 可調(diào)太赫茲消色差波片結(jié)構(gòu)示意圖第十章 液晶光通信與太赫茲調(diào)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(xiàn)柵，下層為金屬背板，中間層為液晶材料。在反射式結(jié)構(gòu)中利用上層基板金屬線(xiàn)柵透過(guò)橫磁波（TM）而反射橫電波（TE）的特性，讓入射太赫茲波與線(xiàn)柵成45，一半TE偏振分量直接反射；一半TM偏振分量透過(guò)，并經(jīng)過(guò)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(zhǎng)，n為盒內(nèi)液晶的折射率，d為元件的液晶層厚度，產(chǎn)生的相位差正比于液晶的折射率。相對(duì)于透射式結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，反射式結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的相位差正比于折射率n而不是雙折射n，因此想要達(dá)到相同的相位調(diào)制量的情況下反射結(jié)構(gòu)要比透射結(jié)構(gòu)的盒厚小很多，因而具有響應(yīng)速度快，太赫茲出射效率高以及驅(qū)動(dòng)電壓低優(yōu)勢(shì)。圖10.22 反射式太赫茲液晶可調(diào)波片示意圖第十章 液晶光通信與太赫茲調(diào)控元件10.1.2 獨(dú)立液晶光通信元件of332510.2.1 液晶太赫茲元件概述習(xí)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(diào)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(diào)控元件10.1.1 光通信器件背景及應(yīng)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(gè)獨(dú)立的液晶盒和三個(gè)偏振片組成，如圖10.23所示。每個(gè)液晶盒包含固定延遲器和可調(diào)延遲器兩部分。固定延遲器的液晶均一取向，產(chǎn)生固定的相位延遲量。可調(diào)延遲器放置在磁場(chǎng)中，液晶垂直取向，可以通過(guò)控制磁場(chǎng)方向來(lái)改變液晶指向矢，從而改變相位延遲量。該結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)0.388 - 0.564 THz之間的通帶連續(xù)調(diào)控。但磁場(chǎng)調(diào)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(kāi)發(fā)采用電調(diào)方式。圖10.23 磁調(diào)控液晶太

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

18、“S”形結(jié)構(gòu)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(diào)控元件10.2.4 液晶太赫茲濾波器of3329圖10.28 叉指電極驅(qū)動(dòng)液晶太赫茲濾波器示意圖（a）元件結(jié)構(gòu)示意圖；（b）該元件透射率響應(yīng)隨外界溫度的變化曲線(xiàn)圖10.29 類(lèi)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(diào)控元件10.1.1 光通信器件背景及應(yīng)用10.1.2 獨(dú)立液晶光通信元件of333010.2.1 液晶太赫茲元件概述習(xí)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(diào)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(diào)控元件10.2.5 液晶可調(diào)太赫茲吸

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