基于平行式液晶技术的可变光衰减器

可变光衰减器(VOA)

SEMICONDUCTOROPTOELECTRONICS Vol.25No.1Feb.2004

光电器件

基于平行式液晶技术的可变光衰减器

葛 琦,曾繁清

(武汉大学电信学院,湖北武汉430072)

摘 要: 介绍了一种基于液晶技术的可变光衰减器(VOA)的原理,提出了设计方案,并对器件性能进行了测试。结果表明:器件可实现小于1dB的插入损耗,提供0~30dB的动态衰减范围,小于0.1dB的分辨率,响应时间小于50ms。

关键词: 可变光衰减器;液晶

中图分类号:TN929.11 文献标识码:A 文章编号:1001-5868(2004)01-0032-03

AVariableOpticalAttenuatorBasedonParalle-lalignedLiquidCrystalTechnology

GE-Qi,ZENGFan-qing

(CollegeofElectronicInformation,WuhanUniversity,Wuhan430072,CHN)

Abstract: Theprincipleofvariableopticalattenuators(VOA)basedonliquid-crystalisintroduced.Adesignprojectofthedeviceisproposedandtheperformanceisevaluated.Theexperimentalresultsshowthatthisattenuatorhaslessthan1dBfiber-to-fiberinsertionloss,withtheattenuationrangeof0~30dB,

attenuationresolutionof0.1dBandtherespondingtimeoflessthan50ms.

Keywords: variableopticalattenuators;liquidcrystal

1 引言

根据实现原理的不同,可变光衰减器(VOA)的实现方案主要有热光技术、电光技术、微机械(MEMS)技术等几种。其中,基于热光效应如波导技术的器件插入损耗大,偏振相关损耗大,温度性能也不理想;微机械技术的特点是体积小,响应速度较快,功耗小,易于批量生产,但目前商品化的产品插损较大,而且成本高昂;基于电光技术的实现方式又可以分为法拉第旋转器型、电光晶体型和液晶型等等,法拉第旋转器型需要较大的控制电流,电光晶体型则对控制电压的要求很高,这两种方式都不利于实际应用。本文将要介绍的是基于平行式液晶技术的可变光衰减器,该器件的突出特点是无移动部件,性能稳定;低插入损耗;功耗低,响应速度快;控制简单,结构紧凑,利于集成。

2 器件原理

液晶光衰减器是通过控制光的偏振态来调节光能量的。利用液晶的双折射效应,并将其与一块 /4波片组合,可以使线偏振光的偏振态任意旋转。在 /4波片后面加一个检偏器,就可以实现VOA。

平行式液晶是由镀有ITO膜的玻璃板、配向膜和液晶层构成的。图1示出了液晶分子在不加电场和加电场时的排列情况[1]。如图1(a)所示,不加电场的情况下,液晶分子层基本与玻璃板平行,只是有一定的预倾角,由于存在双折射效应,进入液晶层的偏振光的偏振态会改变。在外加电场的情况下,当所加电场强度达到液晶的阈值时,液晶分子的指向会随着电场的方向慢慢改变,直到每个液晶分子的取向与电场方向一致,如图1(b),液晶层呈现出各向同性,因此失去双折射的能力,结果入射偏振光通过液晶层时,其偏振态不发生改变。

收稿日期:2003-07-21.

可变光衰减器(VOA)

半导体光电 2004年第25卷第1期葛 琦等: 基于平行式液晶技术的可变光衰减器

在简单说明了液晶的双折射效应以后,接下来研究当平行式液晶和一块 /4波片组合时的光学

偏振效应。

图

2 平行式液晶与 /4波片组合

(a)不加电场(b)加电场

3 系统设计

液晶VOA由光路部分和电路部分组成,其中光

路部分由三部分构成:准直器、双折射晶体起偏检偏器、液晶与 /4波片组合。具体光路如图3。

图1 平行式液晶特性

如图2,假设入射线偏振光Ein的偏振态与x轴平行,首先经过一块光轴与x轴成45 的平行式液

晶,然后经过一块光轴与x轴平行的 /4波片,出射光Eout的偏振态推导如下:首先可以得到入射线偏光Ein的Jones矩阵:

Ein=

1

(1)

入射光进入液晶与 /4波片组合结构,液晶和 /4波片的传输矩阵分别为:

(1)液晶传输矩阵:

TLC=

cos -sin

1sin

cos

cos sin-sin cos0exp(p

(2)

图3 液晶光衰减器光路结构

入射光经过光纤传输到光纤准直器,准直器的主要作用是将入射光的发散角压缩,使从准直器出射的光基本为平行光,这样可以使光纤与光纤之间有足够的距离来放置光学元器件。

入射光经过准直器后入射到双折射晶体(起偏器)上,起偏器将入射光分成两束偏振态互相垂直的线偏振光,也即是o光和e光。o光和e光入射到液晶和 /4波片,如果液晶不加电场,那么出射光的偏振态发生旋转,通过另外一块双折射晶体(检偏器)后产生光衰减;如果液晶上的电场加到一定程度,使得经过液晶和 /4波片之后的偏振态不发生旋转,通过检偏器后不产生光衰减。合理的控制加在液晶上的电场,我们就可以得到合适的光衰减,从而实现了光可变衰减。

对图3所示的结构作进一步分析后发现存在着这样一种缺陷:即光束在两块双折射晶体中的光程可能不相等,从而导致偏振模色散(PMD)的产生。具体分析如下:通常情况下,入射光入射到起偏器和检偏器时都会分成o光和e光,这种情况下不会有光程差产生,但是存在如下两种特殊情况:

入射光是线偏振光,并且其振动方向与双折射晶体主平面(光轴与入射法线组成的平面)平行,那么入射光在两块晶体中都走e光路线;

入射光是线偏振光,并且其振动方向与双折射晶体主平面垂直,那么入射光在两块晶体中都走o

式中: 表示液晶光轴与x轴的夹角,p表示液晶的相位延迟,p=2 nd/ ;式中 n表示液晶双折射率之差,d表示液晶层的厚度, 表示波长。

(2) /4波片的传输矩阵:

Tq=

式中i是虚数单位。

由此可以得到出射光Eout的Jones矩阵表达式:

Eout=TqTLCEin2

1+cospexp(ip/2)

(4)

将式(1)~(3)带入式(4),取 = /4并化简得到:

Eout=

(5)

10

(3)

1-cospexp(ip/2)

通过式(5)可以得出两个结论:出射光的垂直分量和水平分量是同相位的,也就是完全的线偏振光。出射线偏振光在xy平面内与x轴的夹角只与液晶的相位延迟p有关,改变加在液晶上的电压就可以改变液晶的双折射率之差 n,从而改变相位延迟p,因此实现了出射线偏振光偏振态的任意旋转。

可变光衰减器(VOA)

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光路线。

在这两种情况下就存在着光程差,也就会导致偏振模色散。为了避免偏振模色散,对光路做如下改进:将起偏器和检偏器双折射晶体的光轴方向调成一致,如图4

所示。

4.2 温度特性曲线

液晶对温度较为敏感,通过温度补偿可以解决这一问题。我们着重测试了该器件的温度特性,其温度特性如图5所示。结果显示,在-5~65 的温度范围内具有良好的稳定性。

图4 改进后的液晶光衰减器光路结构

这样,在第一块晶体中走o光路线的光束在第二块晶体中走e光路线,而在第一块晶体中走e光路线的光束在第二块晶体中走o光路线,也就是说不管入射光的偏振态如何,它在整个光路中的光程始终相等,这样就避免了偏振模色散的影响。

在以上光路设计的基础上,电路设计需要实现以下两个功能:其一,提供一个幅度可调的交流电压来控制液晶的光衰减;其二,实现温度补偿。

液晶是一种电压控制器件,需要交变电压来控制,且方波电压控制效果较为理想。通过单片机和定时器的配合就可以产生幅度可调的方波电压。

由于液晶的温度特性不很理想,即使加在其上的电压保持不变,只要温度出现变化,光路衰减就会随之变化,因此要做温度补偿。我们通过对热敏电阻进行A/D采样,通过采样值来查表修正电压,使温度变化对光衰减的影响减小到最小。

图5 温度特性曲线

4.3 PDL和WDL

偏振相关损耗(PDL)是光传输系统中的关键指标之一,它直接影响到整个系统的信噪比。波长相关损耗(WDL)则衡量衰减器在一个波段范围内所产生衰减的一致性,它定义为某一波段内衰减量的最大值和最小值之差。图6是液晶VOA在整个C波段的WDL曲线和PDL曲线,从图中可以看出:在接近30dB的衰减时器件的WDL只有0.25dB,而PDL也在0.2dB以下。

4 器件性能指标的测试

4.1 基本性能指标

[2,3]

图6 PDL和WDL曲线

全面测试光衰减器的性能是评价光衰减器的重要方法,其基本性能指标有插入损耗、衰减范围、分辨率、回波损耗、偏振相关损耗等。对以上指标的测试结果如表1所示。

表1 主要性能指标

参数插入损耗/dB衰减范围/dB分辨率/dB回波损耗/dB响应时间/ms偏振模色散/ps指标

最大值10~40 500.1

典型值0.8

0~40 55300.

05

最小值 0~40

<0.1(连续可调)

50

参考文献:

[1] 谢毓章.液晶物理学[M].北京:科学出版社,1998.[2] GBJ2512-90,中国国家标准分类汇编电子与信息技术

卷[S].北京:中国标准出版社,1994.

[3] 许远忠,刘水华,方罗珍.空气隙型光固定衰减器的回

波损耗[J].光通信研究,1993,66(2):59-62.

作者简介:

葛 琦(1979-),男,湖北武昌人。硕士研究生,主要研究方向为光无源器件和光信号处理。E-mail:geqi37@

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/big4.html