CN106773376B - 一种液晶波导可调光延迟线及连续调节时延量的方法 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种液晶波导可调光延迟线及连续调节时延量的方法，包括：玻璃基底、调节机构、导波系统、信号电压源，所述调节机构由下电极和上电极构成，所述导波系统由波导包层、液晶波导层和液晶波导芯构成，所述玻璃基底是整个器件的物理支撑，由下到上依次支撑起调节机构的下电极、导波系统和调节机构的上电极，外加控制电压信号的正负极分别连接调节机构的上电极和下电极，所述液晶波导层装在由波导上包层、波导下包层以及左右侧壁构成的液晶盒中；液晶波导芯的液晶分子长轴的偏转角度为β，液晶波导芯中传输的y方向偏振的光波模式的有效折射率为Neff。本申请提供的液晶波导可调光延迟线，时延差可以连续调节且调节速度快可达微秒量级。

Description

一种液晶波导可调光延迟线及连续调节时延量的方法
技术领域
本申请属于光通信技术领域，具体地说，涉及一种液晶波导可调光延迟线及连续调节时延量的方法。
背景技术
光延迟线即使光信号传输延迟的光子器件，可调光延迟线即光信号传输延迟时间的长短可以用控制量调节的光子器件。常见的光延迟线是光纤延迟线，光信号从一定长度的光纤一端传输到另一端，需要消耗一定的时间，消耗时的长短即时间延迟量(简称时延量)。不同长度的光纤的时延量不同，从而使光波上承载的信号间产生相位差，引起合成的信号波形和空间指向发生改变。通常将大量长度不同的光纤组成光延迟线单元，通过控制系统选择光延迟线单元中特定长度的光纤传输信号来控制信号传输的时延量。将光延迟线单元按照一定的规律组成相位控制阵列，用于控制合成信号的相位、空间辐射波形和空间指向，实现波束空间扫描，在信号处理、雷达和电子对抗等领域广泛应用前景。
由于光纤长度固定，不可调节，限制了其进一应用范围。光纤延迟线依赖于光纤长度不同来决定时延量的大小。由于光纤切割技术精度有限，两段光纤的最小长度差≥1mm，导致最小时延差只能步进(约为5ps)，而不能连续调节，因此，光延迟线单元通过光纤长度改变来控制的时延量是步进的，不能连续变化；由光延迟线单元组成的相位控制阵列也只能以步进方式工作，导致不能实现波束的空间连续扫描，使相控阵雷达监视的范围出现空白点。实现波束的空间连续扫描的关键技术之一就是实现时延量可以连续调节的光延迟线。
发明内容
有鉴于此，本申请所要解决的技术问题是提供一种时延量可以连续调节且调节速度快的可调光延迟线及连续调节时延量的方法。
为了解决上述技术问题，本申请公开了一种液晶波导可调光延迟线及连续调节时延量的方法，包括：玻璃基底、调节机构、导波系统、信号电压源，所述调节机构由下电极和上电极构成，所述导波系统由波导包层、液晶波导层和液晶波导芯构成，所述液晶波导可调光延迟线的玻璃基底是整个器件的物理支撑，由下到上依次支撑起调节机构的下电极、导波系统和调节机构的上电极，导波系统介于调节机构的上下电极间，外加控制电压信号的正负极分别连接调节机构的上电极和下电极，所述液晶层装在由波导上包层、波导下包层以及左右侧壁构成的液晶盒中；液晶波导芯中传输的y方向偏振的光波模式的有效折射率为Neff，光波的时延量为ΔT，存在ΔT＝NeffL/c的函数关系，其中c为真空中的光速，L为液晶波导芯(5)的长度。
进一步，所述波导包层由PMMA材料和上电极覆盖区域外的5CB液晶波导层构成。
进一步，所述液晶波导芯上电极覆盖区域的5CB液晶构成。
进一步，在垂直于电极表面的y方向上(附图1中的y方向)，所述液晶波导芯的折射率比所述波导上、下包层高；在平行于电极表面的x方向上(附图1中的x方向)，所述液晶波导芯的折射率比所述液晶波导层中的液晶低。
进一步，液晶波导芯的液晶分子长轴的偏转角度为β，液晶波导芯中传输的y方向偏振的光波模式的有效折射率为Neff。
进一步，调节信号电压源的电压大小，改变所述上电极和所述下电极间的电场大小来调控导波系统中的液晶波导芯的液晶分子长轴的偏转角度β，从而调控液晶波导芯导模有效折射率Neff大小。
进一步，光波的时延量为ΔT，存在ΔT＝NeffL/c的函数关系，其中c为真空中的光速，L为液晶波导芯的长度。
进一步，所述下电极和所述上电极构成的调节机构为时延差的调节机构，调节信号电压源的电压大小，液晶波导芯中传输的y方向偏振的光波模式的有效折射率Neff随信号电压源的电压连续变化，进而连续调节光波的时延量ΔT。
通过调节控制电压的大小，可以连续改变液晶波导芯传输的y方向偏振的光波模式的有效折射率，从而连续控制光波在液晶波导芯中传输的时延量。
与现有技术相比，本申请可以获得包括以下技术效果：
1)时延差可以连续调节。
2)利用电压信号调节液晶波导的时延差，调节速度快可达微秒量级。
当然，实施本申请的任一产品必不一定需要同时达到以上所述的所有技术效果。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1是本申请的横截面结构图；
图2是本申请的纵剖面结构图；
图3是本申请具体实施例中外加电压与基模有效折射率、时延量的关系图。
具体实施方式
以下将配合附图来详细说明本申请的实施方式，藉此对本申请如何应用技术手段来解决技术问题并达成技术功效的实现过程能充分理解并据以实施。
以下将结合附图对本发明进行详细说明，如图1所示，本发明提供的液晶波导可调光延迟线包括玻璃基底1、调节机构、导波系统、信号电压源8，所述调节机构由下电极2和上电极7构成，所述导波系统由波导下包层3、波导上包层6、液晶波导层4、液晶波导芯5构成，所述的波导下包层3、波导上包层6和左、右侧壁9构成液晶盒，所述液晶波导可调光延迟线的玻璃基底1是整个器件的物理支撑，由下到上依次支撑起调节机构的下电极2、导波系统和调节机构的上电极7，导波系统介于调节机构的上下电极间，外加控制电压信号的正负极分别连接调节机构的上电极7和下电极2。
本申请提供的液晶波导可调光延迟线的所述液晶盒内的5CB液晶层，分成了两个部分，第一部分是所述的上电极7所覆盖的液晶层部分为液晶波导芯5；第二部分为上电极7所没有覆盖的液晶层部分为液晶波导层4。本发明提供的液晶波导可调光延迟线的导波系统的上包层6和下包层3的内表面需要沿着x方向进行摩擦处理，使所述的液晶盒内的5CB液晶层的分子长轴方向沿x方向定向。本申请提供的5CB液晶材料是各向异性材料，沿着分子长轴方向(本申请附图1的x方向)的折射率为NP，沿着垂直于分子长轴方向(即本申请附图1的y方向和z方向)的折射率为NV，且NP大于NV。
在所述信号电压源8外加电压作用下，液晶波导芯5的液晶分子长轴将向电场方向(本申请附图1的y方向)偏转，并且偏转角度β随外加电压增大而增大，直至所有液晶分子的长轴方向均沿着电场方向(本申请附图1的y方向)排列为止。液晶波导芯5的液晶分子长轴的偏转，使液晶波导芯5在本申请附图1的y方向和x方向的折射率发生改变，分别为
Figure BDA0001212607850000041
和
Figure BDA0001212607850000042
即液晶波导芯5在本申请附图1的y方向的折射率Ny随着偏转角度β增大，从NV逐渐增大到NP；在附图1的x方向的折射率Nx随着偏转角度β增大，从NP逐渐减小到NV。因此，对于不同偏振的光波将液晶层的不同区域传输。在本申请附图1的y方向偏振的光波的主要部分将在液晶波导芯5中沿着z方向传输；在本申请附图1的x方向偏振的光波的主要部分将在液晶波导层4中沿着z方向传输。
特别需要说明的是，为增强附图1的x方向和y方向偏振的光波的约束，本申请的实施方式的附图1中各个部分的几何尺寸如下：玻璃基底1的宽度为40微米、高度1000微米、长度10厘米；下电极2的宽度为40微米、高度10微米、长度10厘米；上电极7宽度为5微米、高度10微米、长度10厘米；波导下包层3与波导上包层6的几何尺寸一致，宽度为40微米、高度20微米、长度10厘米；液晶盒左右两侧壁9的几何尺寸一致，宽度为5微米、高度5微米、长度10厘米；液晶波导芯5的宽度为5微米、高度5微米、长度9.999厘米；整个液晶层(液晶波导层4和液晶波导芯5)的宽度为30微米、高度5微米、长度9.999厘米。本申请的实施方式的附图2中液晶盒的前后侧壁8的几何尺寸一致，宽度为30微米、高度5微米、长度5微米。
特别强调的是，本申请的实施方式中，液晶波导芯5中传输的y方向偏振的光波模式的有效折射率Neff随信号电压源8的电压连续变化，使光波的时延量ΔT连续改变，ΔT＝NeffL/c(其中，c为真空中的光速，L为液晶波导芯5的长度)，使光传输的时延量可以连续调节。如附图3所示，在本申请的实施方式中，液晶波导芯5中传输的y方向偏振基模
Figure BDA0001212607850000051
的有效折射率Neff随外加电压增加而逐渐增大，从而传输时延量也逐渐增大。在上电极7和下电极2之间，施加相于临界转变电压UC 0至3倍的电压时，可以获得0至53皮秒的时延量调节范围，并且可以连续调节。
需要说明的是，所述下电极2和所述上电极7构成的调节机构为时延差的调节机构，通过调节信号电压源8的电压大小，改变附图1中上电极7和下电极2间的电场大小来调控导波系统中的液晶波导芯5的液晶分子长轴的偏转角度β，从而达到调控液晶波导芯5导模有效折射率Neff大小，改变光波传输时延差的目的。
作为上述技术方案的进一步改进，所述波导下包层3和上包层6都由含有稀释剂的液态PMMA材料在玻璃基底上利用高速旋涂工艺构成平面波导层。液晶盒的左右侧壁(附图1中9)和前后侧壁(附图2中8)为板型的PMMA材料。PMMA材料为光学各向同性材料，折射率为1.48。
作为上述技术方案的进一步改进，所述液晶层(液晶波导芯5和液晶波导层4)利用液晶填充工艺把5CB液晶填充到液晶盒中构成。液晶材料5CB在向列相为单轴、正性液晶，在室温25℃时其NP＝1.6821，NV＝1.5196。其展曲弹性常数为K11＝0.64×10-11N，扭曲弹性常数为K22＝0.3×10-11N，弯曲弹性系数为K33＝1×10-11N，临界转变电压UC约为3.7伏特。
所述波导上包层3与波导下包层6、所述液晶波导层4与所述液晶波导芯5对y方向偏振的光波构成的导波系统，y方向偏振光波沿着Z正方向传输，被导波系统约束在所述液晶波导芯5中传输；所述波导上包层3与波导下包层6、所述液晶波导芯5与所述液晶波导层4对x方向偏振的光波构成的导波系统，x方向偏振光波沿着Z正方向传输，被导波系统约束在所述液晶波导层4中传输，这部分光波是本申请不需要的。这两套波导系统使输入光信号分别在液晶波导芯5建立y方向偏振的光模式，z液晶波导层4建立x方向偏振的光模式，实现不同光波模式分区分别传输。
为使y方向偏振光波保持在所述液晶波导芯5内，所述液晶波导芯5的在y方向的折射率比波导上包层3、波导下包层6和所述液晶波导层4高。从而保证y方向偏振光波被光波导约束在所述液晶波导芯5中传输。
上述说明示出并描述了本发明的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (4)

1.一种液晶波导可调光延迟线，其特征在于，包括：玻璃基底(1)、调节机构、导波系统、信号电压源(8)，所述调节机构由下电极(2)和上电极(7)构成，所述导波系统由波导上包层(6)、波导下包层(3)、液晶层构成，所述液晶波导可调光延迟线的玻璃基底(1)是整个器件的物理支撑，由下到上依次支撑起调节机构的下电极(2)、导波系统和调节机构的上电极(7)，导波系统介于调节机构的上电极(7)和下电极(2)之间，信号电压源(8)的正负极分别连接调节机构的上电极(7)和下电极(2)，所述液晶层装在由波导上包层(6)、波导下包层(3)以及左右侧壁(9)构成的液晶盒中，垂直于所述上电极(7)和所述下电极(2)的表面的方向为y方向，所述液晶层(4)，分成了两个部分，第一部分是所述的上电极(7)所覆盖的液晶层部分为液晶波导芯(5)；第二部分为上电极(7)所没有覆盖的液晶层部分为液晶波导层(4)，传输的y方向偏振的光波模式的有效折射率随信号电压源(8)的电压连续变化，在y方向上，所述液晶波导芯(5)的折射率比所述波导上包层和所述波导下包层的折射率高；在平行于所述上电极(7)和所述下电极(2)的表面的x方向上，所述液晶波导芯(5)的折射率比所述液晶波导层(4)的折射率低。
2.如权利要求1所述的一种液晶波导可调光延迟线，其特征在于，所述波导上包层(6)、波导下包层(3)、左右侧壁(9)均由PMMA材料构成。
3.如权利要求1所述的一种液晶波导可调光延迟线，其特征在于，所述液晶波导层(4)、液晶波导芯(5)均由5CB液晶构成。
4.如权利要求1所述的一种液晶波导可调光延迟线的连续调节时延量的方法，其特征在于：液晶波导芯(5)的液晶分子长轴的偏转角度为β，液晶波导芯(5)中传输的y方向偏振的光波模式的有效折射率为Neff，调节信号电压源(8)的电压大小，改变所述上电极(7)和所述下电极(2)间的电场大小来调控导波系统中的液晶波导芯(5)的液晶分子长轴的偏转角度β，从而调控液晶波导芯(5)导模有效折射率Neff大小，光波的时延量为ΔT，存在ΔT＝NeffL/c的函数关系，其中c为真空中的光速，L为液晶波导芯(5)的长度，所述下电极(2)和所述上电极(7)构成的调节机构为时延差的调节机构，调节信号电压源(8)的电压大小，液晶波导芯(5)中传输的y方向偏振的光波模式的有效折射率Neff随信号电压源(8)的电压连续变化，进而连续调节光波的时延量ΔT。
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