CN216622910U - 一种基于液晶孤子的全光开关 - Google Patents
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Abstract
本实用新型基于液晶孤子设计了全光开关器件，包括起偏器、液晶盒、检偏器。本实用新型有益效果：本实用新型巧妙的采用了所述起偏器、所述检偏器以及孤子光对所述液晶盒内液晶分子的光取向效应实现了全光开关，用所述垂直入射的孤子光取代传统电场使所述液晶盒内液晶分子重新排列，达到全光控制的目的，进而提升了器件的响应速度。
Description
(1)技术领域
本实用新型属于液晶类光调制器件领域，特别是涉及一种基于液晶孤子的全光开关。
(2)背景技术
光开关是一种具有一个或多个可选的传输端口的光学器件，其作用是对光传输线路或集成光路中的光信号进行物理切换或逻辑操作。随着科技的发展，光开关的应用越来越广泛，它具有速度快，交换能力强，能量损耗低的特点。依据不同的光开关原理，光开关的实现方法有多种，如：液晶光开关、微机械光开关、热光开关、电光开关和声光开关等。
(3)实用新型内容
本实用新型要解决的技术问题是提供一种基于液晶孤子的全光开关。
本实用新型是通过如下技术方案来实现的：
基于液晶孤子的全光开关，其特征在于：起偏器、液晶盒、检偏器，依次排列；
采用垂直入射的孤子光取代电压来调控所述液晶盒内的分子排列；
所述液晶盒边界处的液晶分子长轴沿x-z平面内排列；
本实用新型的有益效果：本实用新型采用了所述起偏器和所述检偏器以及所述孤子光，在所述液晶盒内液晶分子的光取向效应理论上实现了全光调控，能够提升器件的响应速度。
(4)附图说明
图1为实用新型示意图和孤子光照射进液晶盒后，所述液晶盒中央的液晶分子转过角度
使液晶分子取向角θ发生改变的示意图；
图2为液晶分子取向角θ在孤子光作用下的分布图；
图3为出射光位相差随孤子光宽度的变化曲线；
图4为出射光光强随孤子光宽度的变化曲线；
图5为出射光位相差随孤子光振幅的变化曲线；
图6为出射光光强随孤子光振幅的变化曲线；
(5)具体实施方式
以下将结合本实用新型专利附图，对本实用新型专利实施方式进行清晰完整的描述。以下描述只是本专利其中一种实例，而非全部实例。具体保护范围以权利要求为准。
实用新型示意图如图1所示，该实用新型由起偏器一(1)、液晶盒(2)、起偏器二(4)和检偏器(5)构成，信号光(6)沿z轴传输，所述垂直入射的孤子光(3)沿x轴方向传输。所述信号光(6)沿
方向传输如图1所示，所述孤子光(3)沿
方向传播如图1所示。
在上述条件下，所述信号光(6)为自然光，光源发出的所述信号光(6)经过所述起偏器一(1)后，变为沿起偏器一(1)透光方向振动的线偏振光。所述线偏振光进入所述液晶盒(2)后，在图1中的A点(虚线圆圈)处分解为振动方向互相垂直的两束线偏振光，其中一束为寻常光(沿y轴方向振动)，另外一束为非寻常光(沿x轴方向振动)。所述孤子光(3)在经过所述起偏器二(4)，进入所述液晶盒(2)后也会分解成两束相互垂直的线偏振光，其中只有非寻常光会改变分子取向角，寻常光不会改变分子取向角，因此不做讨论。经过此处用到晶体光学的原理：线偏振光进入单轴晶体后发生双折射分解为寻常光和非寻常光，其中寻常光振动方向(y轴方向)垂直于主截面(x-z平面)，所述非寻常光振动方向(x轴方向)平行于主截面。此时，所述非寻常光的折射率可以表示为：
其中，ne＝n||和no＝n⊥分别表示所述非寻常光和所述寻常光的主折射率。
设所述垂直入射的孤子光(3)在z＝0处进入液晶盒后，沿x轴方向传输，在边界作用下，液晶分子沿x-z取向，液晶分子与z轴夹角为45°，在所述孤子光(3)控制下，液晶分子排列满足如下方程：
其中ε0为真空介电常数，Δε＝n|| 2-n⊥ 2是光频电场的各向异性。
设θ0为所述液晶盒中(2)分子的初始预倾角，令
此时(1-2)式可改写为：
当θ0＝π/4时，(1-3)式可以表示为：
当
很小，可以忽略时，(1-4)式可以变为：
最后，将上式整理得到如下：
在该条件下，根据琼斯矩阵的原理，所述信号光(6)可以写为：
所述起偏器一(1)透光方向与x轴夹角为α，所述检偏器(5)透光方向与x轴夹角为β。在直角坐标系下,所述起偏器一(1)的琼斯矩阵为：
所述检偏器(5)的琼斯矩阵为：
当所述液晶盒(2)中液晶分子长轴方向与x轴夹角为θ，所述信号光(6) 进入所述液晶盒(2)中液晶层后分解为所述寻常光和所述非寻常光，在所述液晶盒(2)的液晶中传输时它们的振动方向始终保持不变。由于这两种光在所述液晶盒(2)的液晶中的折射率不同，穿过所述液晶盒(2)中液晶层后会产生相位差δ。根据琼斯矩阵原理，所述信号光穿过所述液晶盒(2)中液晶层的过程可以用下述矩阵描述：
其中δ为所述信号光(6)穿过所述液晶盒(2)中液晶层时所述寻常光和所述非寻常光的位相差：
其中λ0表示光在真空中的波长，L表示所述液晶盒(2)中液晶层的厚度，ne(θ) 表示所述非寻常光的折射率(它与液晶分子的取向角θ有关)，no表示所述寻常光的折射率。
出射光的琼斯向量可表示为：
此时，所述出射光的光强可以表示为：
Iout＝|Αout|2+|Bout|2 (1-13)
当所述信号光(6)的琼斯向量Ein、所述起偏器一(1)对应的矩阵P1、所述液晶盒(2)中液晶层对应的矩阵G和所述检偏器(5)对应的矩阵P2均已知时，根据(1-12)和(1-13)式可以得到出射光强。通常，所述液晶盒(2)装置给定后，Ein、P1和P2是一些固定不变的向量或矩阵。在这个条件下，计算所述出射光强时需要计算所述液晶盒(2)中液晶层的传输矩阵G。从公式(1-10)可以看出为了得到矩阵G，需要计算所述非寻常光和所述寻常光通过所述液晶盒(2) 液晶层时产生的位相差δ。当环境温度和所述液晶盒(2)中液晶层厚度给定时，通过式(1-6)及关系式
再根据公式(1-11)可以得到位相差δ。在这个思想指导下，我们将利用所述垂直入射孤子光(3)取代外加电压来调控所述液晶盒(2)中液晶分子的取向角θ实现对所述液晶盒(2)表面入射信号光透射光强的调制。
综上所述，给出了分子取向角θ沿z轴分布图如图2所示。从该图中可以看出，分子取向角在所述液晶盒(2)中成高斯分布，在所述液晶盒(2)中央位置分子取向角最大，所述液晶盒(2)边界(x为0和L处)取向角最小，这是因为受所述垂直入射孤子光(3)的影响，所述孤子光(3)经过所述液晶盒(2)中央，使所述液晶盒(2)中央处的液晶分子发生较大转动，所述液晶盒(2)边界处的液晶分子发生很小转动，从而使中央液晶分子取向角更大。经过上述分析，所述孤子光(3)可以取代电场来使液晶分子重新取向。
下面利用公式(1-1)-(1-13)，分析所述孤子光(3)光束宽度和振幅对所述信号(6)传输的影响。其中所述液晶盒(2)中液晶分子长轴与x轴的夹角θ0＝π/4。
图3给出了所述信号光(6)穿过所述液晶盒(2)后的位相差随所述孤子光 (3)光束宽度变化曲线。从图3中可以看出，随着光束宽度的增加，出射光位相差逐渐减小趋于平稳。这是因为所述信号光(6)在所述液晶盒(2)中传输时，分解为偏振方向互相垂直的o光和e光，o光折射率不变，e光折射率随液晶分子取向角θ变化，我们在所述液晶盒(2)中央加入所述孤子光(3)，所述孤子光(3)进入所述液晶盒(2)后，会使所述液晶盒(2)中央处液晶分子发生偏转，液晶分子取向角θ变化，对边界处的液晶分子影响较小。随着所述孤子光(3) 光束宽度增加，所述液晶盒(2)中发生偏转的液晶分子范围也增加，当液晶分子全部发生偏转后，光束宽度进一步增加，不会再对所述信号光(6)有影响。
图4给出了所述信号光(6)穿过所述液晶盒(2)后的光强随所述孤子光(3) 光束宽度变化曲线。随着所述孤子光(3)光束宽度的增加，出射光强先增大，再减小到零后继续增大。这是因为光束宽度ω的改变会使所述液晶盒(2)中的液晶分子重新排列，影响液晶分子取向角θ，使所述液晶盒(2)不同位置的e 光折射率不同，从而影响出射端o光和e光的位相差δ的变化，导致所述出射光强Iout发生如下图4所示变化。通过以上分析可以发现，选择合适的所述孤子光 (3)光束宽度，可以得到所述出射光随所述孤子光(3)光束宽度变化的线性区间。
图5给出了所述信号光(6)穿过所述液晶盒(2)后的位相差随所述孤子光 (3)光束振幅变化曲线。从图5中可以看出，随着所述孤子光(3)光束振幅的增加，出射光位相差单调递减，当振幅A＝1×104MW/m2时，所述出射光位相差δ最大，当振幅A＝2×104MW/m2所述出射光位相差δ最小。
图6给出了所述信号光(6)穿过所述液晶盒(2)后的光强随所述孤子光(3) 光束振幅变化曲线。从图6中可以看出，随着所述孤子光(3)光束振幅的增加，出射光光强先增大再减小呈现周期性振荡。选择合适的变化区间，可以更好地研究所述孤子光(3)对信号光的全光调控。
以上所述，是本实用新型专利较佳的具体实施方式。但是本实用新型专利的保护范围不仅限于此，具体保护范围以权利要求为准。
Claims (3)
1.一种基于液晶孤子的全光开关，其特征在于：包括起偏器一(1)、液晶盒(2)、起偏器二(4)以及检偏器(5)；所述起偏器一(1)、所述液晶盒(2)、所述检偏器(5)依次放置，信号光(6)在所述起偏器一(1)左侧射入，孤子光(3)在所述起偏器二(4)上方射入。
2.根据权利要求1所述的一种基于液晶孤子的全光开关，其特征在于：用垂直入射的所述孤子光(3)取代了传统电场使所述液晶盒(2)的液晶分子重新排列。
3.根据权利要求1所述的一种基于液晶孤子的全光开关，其特征在于：所述液晶盒(2)厚度为L。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202122828063.4U CN216622910U (zh) | 2021-11-18 | 2021-11-18 | 一种基于液晶孤子的全光开关 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202122828063.4U CN216622910U (zh) | 2021-11-18 | 2021-11-18 | 一种基于液晶孤子的全光开关 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN216622910U true CN216622910U (zh) | 2022-05-27 |
Family
ID=81696942
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202122828063.4U Active CN216622910U (zh) | 2021-11-18 | 2021-11-18 | 一种基于液晶孤子的全光开关 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN216622910U (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2024043394A1 (ko) * | 2022-08-25 | 2024-02-29 | 숭실대학교산학협력단 | 플라나 솔리톤을 이용한 편광격자의 생성 방법 및 이에 의해 만들어진 편광격자 |
-
2021
- 2021-11-18 CN CN202122828063.4U patent/CN216622910U/zh active Active
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2024043394A1 (ko) * | 2022-08-25 | 2024-02-29 | 숭실대학교산학협력단 | 플라나 솔리톤을 이용한 편광격자의 생성 방법 및 이에 의해 만들어진 편광격자 |
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