[发明专利]一种基于双层向列相液晶的光开关

说明书

一种基于双层向列相液晶的快响应光开关，该发明将入射光信号进行电控导通或切断，实现了毫秒级电控响应，可用于光通讯、精密测量、光电探测、图像编码等。所述双层向列相液晶光开关主要包括前置偏振片、两片完全相同的平行取向向列相液晶片、后置偏振片及驱动系统。该器件基于向列相液晶的电控折射率原理，通过合理的结构设计和电驱动匹配使得两向列相液晶片的相位延迟互补，实现该光开关的在截止态与导通态之间的快速切换。

技术领域

本发明涉及的双层向列相液晶光开关，是基于向列相液晶的电控折射率效应，通过合理的结构设计和电压驱动匹配使得两向列相液晶片的相位延迟互补，实现该光开关在明暗状态之间的快速切换。

背景技术

光开关是光网络中用以对光信号实现动态控制的核心器件。光开关按照工作媒介不同，主要可分为自由空间型和波导型两大类。自由空间型按照工作原理又可分为机械类和液晶类。目前工业化最普及的光开关是机械光开关，它的原理是用机械技术对光开关的微光学光路进行控制。机械光开关的特点就是不受光波长的影响，介质损耗小，不受偏振的影响等。其缺点就是响应速度慢，体积较大，并且有机械损耗。

利用液晶材料来制备光开关，它的可靠性好，没有机械结构损耗，其最大的优势是电可调谐性，可以使用外场的改变来调节液晶光开关的状态。对于传统的液晶光开关，使用的通常是单向列相液晶，通常，通过施加电场改变向列相液晶盒中液晶分子的排布状态。施加电场后，液晶分子从场截止态(关)转换为场导通态(开)，去除电场后，液晶分子又转换为场截止态(关)。在这个过程中，开和关的时间是体现液晶性能的重要参数。然而，开的时间可以通过施加的电场来控制，关闭时间不能由电场控制。向列相液晶的关闭时间很大程度上取决于液晶材料的参数，如粘度和弹性常数。它还取决于液晶盒特性，例如液晶盒间隙d和锚定强度w，就关闭时间而言，在常规液晶器件中实现这种快速切换是非常困难和复杂的任务。

一种减少关闭时间的方法是通过增加液晶材料和固体表面之间的接触面积，从而加速在关闭所施加的电场之后发生在液晶中的弛豫过程。通常这是通过在液晶体内形成聚合物网络来实现的，该聚合物网络将这些相互作用扩展到液晶体中，从而强烈地影响弛豫过程。然而，在液晶本体中产生的这种聚合物网络可能引起几种不希望的效应，例如光散射，对比度的劣化和驱动电压的增加。

在本文中，我们提出了另一种减少液晶光开关的关的时间的方法。该装置由两个平行取向的向列单元组成，其取向方向对称的分布在起偏器透偏方向两侧，将这两个平行的向列相液晶插入两个正交偏振器之间。通过合理的结构设计和电压驱动匹配使得两个平行的向列相液晶进行相位延迟互补，使该光开关的上升和下降时间分别对应于两个向列相液晶从场截止态到场导通态的开关上升时间，从而实现了明暗状态的快速切换。

发明内容

本发明的技术解决的问题是：利用双层向列相液晶，弥补向列相液晶关闭时间太长的缺点，提供一种快响应的双层向列相液晶光开关，实现2毫秒内的开和关响应时间。

本发明的技术解决方案是：一种基于双层向列相液晶的快响应光开关，其包括：前置偏振片、均具有平行排列的两个平行的单向列相液晶、后置偏振片及驱动系统，如图1所示。

前置偏振片及后置偏振片：前置偏振片位于双层向列相液晶光开关最前端，将入射光束转换为线偏振光，并使其偏振方向与两片向列相液晶长轴方向均呈45°，后置偏振片透偏方向与前置偏振片呈正交方向放置。

覆盖氧化铟锡导电膜的光学玻璃及驱动系统：为向列相液晶层提供外置驱动电场，使向列相液晶分子在不同极性的电场驱动下进行均匀排布。

向列相液晶层：两个平行取向液晶片的层间隙相同，将双层向列相液晶(PA1和PA2)插入两个偏振方向垂直的偏振器之间。其中，两片向列相液晶在场截止态(关)下的指向矢方向正交，并且相对于起偏器的偏振方向为45°,如图2所示。