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基于偏振特性的液晶光开关原理研究

来源： http://m.polyscience.com.cn/ 　类别：技术文章　更新时间：2013-03-20　阅读次

作为检测气象的仪器，小型气象站一般被安置在野外等空旷的环境中，这样才可以更准确的统计气象数据，有时候我们需要专门检测夜间的数据，或者是专门统计白天的数据，如果我们每天都去打开关闭小型气象站，将会增加很大的工作量，也会浪费很多的人力物力，因为小型气象站一般不仅仅只有一台，光控制功能也就是在这样的情形下应运而生，下面就为你介绍一下小型气象站中液晶光控制原理的实现。
小型气象站中的光开关器件是光通讯网络中的重要器件，其主要功能是转换网络的信道，以实现光信号的交换或网络的自愈�；ぁ６怨饪氐囊笫遣迦胨鸷男�，串音低，开关速度快，开关功耗小，重复性好，寿命长，结构小型化和操作方便等。目前实用的光开关器件大都采用机械控制的方法。这类器件存在着以下主要的缺点：一是响应速度较慢，一般很难快于10ms；二是体积较大，不利于系统的集成化；三是运动部件寿命有限。
　　小型气象站的液晶开关技术以其开关能量低，响应速度较快，可靠性好，以及没有移动的机械结构而具有很大优势。另外，液晶材料在红外波段有低吸收损耗，因而可应用于C和L波段。利用液晶调制器做光开关的优点已经有过介绍。液晶调制器没有移动的机械结构，它通过操作偏振来路由光信号，这样的固态的装置。液晶盒需要的控制电压和电流低，因而，相对于机械光开关他们损耗的功率低。液晶开关已经有1×2，1×8，2×2上路/下路和8×8上路/下路开关。这些开关同一些其他的固态（没有机械移动）开关比，有低的插入损耗、偏振依赖损耗和温度依赖损耗并且有低的偏振模色散和较宽的工作光谱范围。同机械光开关比，同时具有较快的开关速度和较小尺寸。

图1 1×2液晶光开关构图

图2 1×2液晶光开关的概图

　　小型气象站的偏振分束液晶光开关工作原理首先把输入光分为两路偏振光，然后把光输入液晶内，液晶根据是否加电压来改变光的偏振状态，最后光射到无源器件上，从而实现开关的两个状态。
　　光从端口1输入，由双折射晶体（1）晶体分为偏振态正交的两束光：o光和e光，液晶盒上加电压，o光和e光通过液晶盒不改变偏振态。o光进入方解石（2）仍为o光，直射；e光进入双折射晶体（2）仍为e光，折射，合波后通过端口3输出。
　　光从端口1输入，由双折射晶体（1）分为偏振态正交的两束光：o光和e光，液晶盒上不加电压，o光和e光通过液晶盒偏振方向旋转900。o光进入双折射晶体（2）变为e光，斜射；e光进入方解石（2）变为o光，直射，合波后通过端口2输出。

图3 光纤的端头处由两个3dB的耦合器构成

　　基于PBS液晶光开关工作原理图2是1×2液晶光开关的概图。输入端的双折射片控制光的偏振态到设计的方向。不应用偏置，激光将通过液晶盒和同偏振方向的偏振分束器。通过调整液晶空间调制器的电压，液晶分子旋转通过激光的偏振。用一个足够的电压，激光的偏振旋转到垂直的方向。此时偏振分束器反射激光到另一个输出端口。
　　液晶M－Z方向耦合器开关M－Z方向耦合器开关，是现代光通讯网络的基本器件。在单模M－Z方向耦合器开关中，相干涉的两个臂由两个相似的单模光纤构成。图3所示，在光纤的端头处由两个3dB的耦合器构成。通常为了精确调整臂长，还引入一个调整延时线。调整臂长的另一种方法是使用成束的多芯光纤和相应的设备（多芯连接器和耦合开关）来应用干涉。这种方案的优点是结构紧凑，对环境压力和振动不敏感，并且干涉臂是天然平衡的。然而，他需要完全等于3dB的多芯光纤耦合开关。下面的讨论中，我们假定干涉臂是完全平衡的（也就是，他们长度完全相等并且传播常数也完全相同）。
　　对小型气象站的M－Z方向耦合器开关来说，第二个非常重要的因素就是光电材料能够在两个臂实现{0，π}二进制相移。在一些可选的方案中，液晶由于同传统的电光材料相比（如，GaAs，LiNbO3）有高的电光效应，从而避免长干涉长度而更具吸引力。同时，他们在技术上同光纤兼容，尽管他们的开关速度不是很快。然而，最近的研究表明，使用铁电液晶材料（FLC）会提高开关速度，从而使得这个设备在网络安全和维护上具有竞争力。这种方案通常是偏振敏感的，这是在通信领域中的缺点，因为在光的传输过程中控制偏振方向是困难的。但最近的研究方案建议使用大倾斜FLC材料作为半波片，这种材料对于偏振非常敏感的，能实现纯粹的二进制{0，π}相位延迟，以实现输出的选择。
　　光开光在小型气象站的农业仪器领域中占有十分重要的地位，是全光网络的关键部件，液晶光开关以其响应速度快，损耗小等优势将会在未来的光通讯领域占有非常中的地位。