扰曲电光液晶装置制造方法及图纸

一种用于控制透射光的偏振状态的装置，包括封闭旋光液晶材料层的第一和第二单元壁。该材料在没有施加场的情况下具有一致取向的螺旋轴，而且电极用于施加近似垂直于该螺旋轴的电场。施加的电场扰曲电耦合至分子，导致螺旋结构畸变并因此改变所述单元的体双折射率。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及液晶装置，具体地涉及在远程通信和其他应用中可以作为偏振状态控制器的液晶装置，并涉及使用这些装置的方法。
技术介绍
液晶材料已经被非常成功地开发用于显示应用，但是其在用于光纤系统的远程通信装置中的潜能只有最近才成为广泛研究的焦点1，2，3，4，5，6，13。热致液晶相比于诸如铌酸锂之类的传统电光通信材料具有如下优点，即，高的双折射率、高的光学透明、低功耗、非机械操作，并且低廉以及制造简单。液晶装置相比之下所遭受的缺点的主要方面为其相对低的切换速度，通常为几十毫秒。正是由于该原因，使得更有希望的液晶远程通信装置尝试使用与简单的弗里德里克斯转变(Freedericksz transition)相比更快的液晶电光效应，例如铁电和电偏转效应(electroclinic effect)13，或者应用于要求在远低于系统的比特率下切换的应用，例如可切换互连1，2、分插复用器(add/dropmultiplexer)3、或者偏振控制4，5，6，11。然而，从远程通信的角度而言，扰曲电光效应8，9尚未被开发，尽管在特定材料中这种效应是一种非常快速的切换机构，且在向列范围上具有线性电场响应和温度不相关性。这可能是因为纯粹在单元平面内切换光轴要求对进入装置的光的偏振状态进行仔细的控制以产生一致的效果，这在光纤系统中是不期望的。
技术实现思路
根据本专利技术一个方案，提供了一种用于控制透射光的偏振状态的装置，该装置包括：封闭液晶材料层的第一和第二单元壁，该液晶材料层在没有施加场的情况下具有基本一致取向的螺旋轴；以及用于施加与该螺旋轴近似垂直的电场的电极。-->使用中，该螺旋轴将定向为近似平行于光传播穿过该装置的方向。一种特别优选的液晶为旋光向列(胆甾型)材料，为了方便本专利技术在此将参照这种优选实施方案进行描述。通过使旋光向列沿Grandjear(平面)织构取向，分子位于该玻璃壁的平面内，且螺旋轴从上到下地位于该单元内，本专利技术由此克服了现有技术装置的一些问题。在该单元的平面内施加场(因此仍然垂直于该螺旋轴)，允许发生扰曲电光形变，使得随机偏振的输入光(例如来自光纤)被转换成任意期望的输出偏振。在一个特别优选的实施方案中，旋光向列螺旋的节距长度显著短于该装置上入射光的波长，从而减小或者最小化旋转色散效应。这种情况下，入射光所经历的液晶分子的双折射率可以表达为该层的体双折射率(bulk birefringence)。对于具有与入射光的传播方向平行的螺旋轴的无扰动Grandjean织构的情况，该体双折射率趋于为零，因为螺旋结构内分子指向矢(molecular directors)的“全圆式”进动(precession)。通过使用远小于光波长的螺旋节距，该装置可制成对温度基本上不敏感，因为节距长度的热学变化与工作波长相比将变得不显著。使该单元在远离旋光向列的反射波段的波长下工作，例如工作于1550nm的通信窗口(window)，确保该光将经历最小的旋光性。当垂直于该螺旋轴的场施加到该系统时，扰曲电耦合使该螺旋变形，使得产生可以用于控制入射光偏振状态的体双折射率。面内电场将光轴偏离传播方向，使其在光的偏振平面内具有某些分量。据申请人所了解，目前还没有关于Grandjean织构内扰曲电光指向矢形变的传输效应的出版文献。申请人已经证实了在通信波长下电光效应存在于这种配置中，并表征了该效应的本质。该效应尤其可用于偏振控制器，PiPhotonics Ltd正在开发这种偏振控制器的平面向列版本，且本专利技术实验工作中使用的“车轮”单元被设计用于这种偏振控制器。理论根据扰曲电理论，包括液晶材料的分子的形状不对称与自发电偶极是指，为了使该材料得到体电偏振而施加场时，在该材料内引起斜削(splay)和/或弯曲形变7，形变的程度正比于所产生的偏振：P＝esS+ebB，其中P为介电偏振，S和B分别为斜削形变向量和弯曲形变向量。在上述方程中，为局部向列指向矢单位向量，es和eb分别为斜削和弯曲的扰曲电-->系数。在旋光向列中，如果垂直于该螺旋轴施加场，则通过指向矢形成的所述螺旋的形变可以获得斜削和弯曲的组合，使得分子位于Bouligand剖面内8。这示于图1。由于该材料的光轴总是垂直于所述分子的长轴，这种形变导致与所施加的场以及材料的螺旋轴都垂直的光轴旋转。对于在施加于玻璃板之间的场中的、包含呈ULH织构的旋光向列的标准单元，这导致光轴在单元平面旋转。旋转角度由下式给出：tanφ=eKkE---(1)]]>其中k为螺旋波矢k＝2π/P(P＝螺旋节距)，E为所施加的场，K为斜削和弯曲弹性常数的平均值，分别为k11和k33，e为扰曲电系数的平均值。因此扰曲电材料的品质因数(figure of merit)为e/K，即平均扰曲电系数与平均弹性常数之比，或者扰曲-弹性比。这种效应的更全面描述见[8]。无论是在潜在的装置还是在材料优化中15，这种效应已经引起人们极大的兴趣，因为特征切换时间小(几十毫秒)且光轴的偏转为线性正比于施加的场，且这种效应在向列范围上几乎与温度无关。此外，置于交叉偏振器之间的、光轴倾角为22.5°且厚度为使得该单元为半波片的装置将对入射光进行100％的调制。然而，此处提出的该装置的中心思想为旋转旋光向列的几何以及该单元内的场方向，使得现在施加场将根据方程(1)偏转光轴，而由于场位于该单元的平面内，使得该光轴从沿传播方向(零双折射率)移动到沿着扰曲电倾角，且因此具有垂直于该传播方向的一些分量，从而引起双折射。这允许该单元取向为更加可靠的Grandjean(直立螺旋)织构，而不是ULH。如果用红外线照射该单元，则典型的短节距旋光向列的旋光性变得最小，使得切换装置将作为直通(straightforward)的分数波片(fractional waveplate)。所提议的单元几何示于图2。应该注意，尽管电极示为位于该单元的任一侧上，但图2的场朝向沿y方向进入纸面的方向。由于切换单元的光轴将具有保留于传播方向上的分量(除非倾角为90°)，由于两次折射，该单元还将作为离散板(walk-off plate)，但是在10μm厚-->的单元中，光束的横向平移应该最小化。沿旋光向列的螺旋轴传播的线偏振光的旋转由下式给出：ψd=π16(n//2-n⊥2n//2+n⊥2)P3λ2(P2-λ2)---(2)]]>其中ψ为旋转角度，P为螺旋节距，d为单元厚度，n//和n分别为平行于和垂直于指向矢的微观折射率。对于典型数值的折射率，在10μm厚的单元中500nm的节距和1550nm的光的旋转约为0.2°。因此可以忽略光学旋转，且可以认为线偏振光在传播穿过单元时，经历了折射率随螺旋节距从n到n//的正弦变化，而与初始偏振方向无关。通过考虑在与传播方向垂直的平面内的螺旋的剖面，可以说明电致双折射的源(图3)。无施加场时，未偏转指向矢的旋转形成全圆的迹线，而施加场时，其轴垂直于场的指向矢倾斜到该平面之外，减小了其在x方向的分量。其长轴平行于场的指向矢同时简单地绕其长轴旋转，导致作用于该偏振方向的光的指示量在数值没有变化。指向矢在传播穿过单元时的“全圆”进动接着在垂直于施加场本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于控制透射光的偏振状态的装置，所述装置包括：封闭旋光液晶材料层的第一和第二单元壁，所述液晶材料层在没有施加场的情况下具有与光传播穿过所述装置的方向近似平行的螺旋轴；以及用于施加与所述螺旋轴近似垂直的横向电场的电极。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】GB 2004-7-2 0414882.11.一种用于控制透射光的偏振状态的装置，所述装置包括：封闭旋光液晶材料层的第一和第二单元壁，所述液晶材料层在没有施加场的情况下具有与光传播穿过所述装置的方向近似平行的螺旋轴；以及用于施加与所述螺旋轴近似垂直的横向电场的电极。2.根据权利要求1所述的装置，其中所述液晶材料具有小于约1μm的螺旋节距。3.根据权利要求2所述的装置，其中所述螺旋节距处于200nm至800nm的范围内。4.根据前述权利要求中任意一项所述的装置，其中所述电极包括布置于所述液晶材料层的区域周围的至少四个电极，各个电极可选择性地寻址以施加横跨所述区域的横向电场，由此可以沿与所述单元壁的内表面近似平行的多个可选择方向中的任一方向施加所述电场。5.根据前述权利要求中任意一项所述的装置，其中还包括光输入源，所述光输入源布置成将光沿与包含在内的所述材料的该螺旋轴近似平行的方向引导至所述装置的外表面的至少一部分上。6.根据权利要求5所述的装置，其中所述光源布置成将光沿与所述单元壁的内表面近似垂直的方向引导至所述第一单元壁上。7.根据权利要求5所述的装置，其中所述光源布置成将光沿与所述单元壁的内表面近似平行的方向引导至所述单元壁的边缘之间的间隙上。8.根据权利要求5至7中任意一项所述的装置，其中所述光源包括耦合到光发射体的光纤。9.根据权利要求8所述的装置，其中所述光发射体将发射波长范围为200nm至2000nm的光。10.根据权利要求9所述的装置，其中所述光发射体将发射波长范围为1400nm至1600nm的光。11.根据权利要求10所述的装置，其中所述光发射体将发射远程通信波长范围为约1530nm至1563nm的光。12.根据权利要求5至7中任意一项所述的装置，其中所述光源包括微波发射体。13.根据权利要求5至12中任意一项所述的装置，其中所述液晶材料具有显著短于来自所述光输入源的光的波长的螺旋节距。14.根据前述权利要求中任意一项所述的装置，其中还包括所述液晶材料内的聚合物网络，用于稳定所述液晶材料的织构。15.根据权利要求14所述的装置，其中所述聚合物网络包括聚合物和3％至6％重量的所述液晶层。16.根据权利要求14或15所述的装置，其中所述聚合物网络包括聚合的液晶原材料。17.根据权利要求14至16中任意一项所述的装置，其中所述聚合物被交联。18.一种用于控制透射光的偏振状态的组件，其中包括至少两个布置于彼此顶部上如权利要求1所述的装置，同时所有单元壁相互近似平行，使得传播穿过所述第一装置的光将随后传播穿过第二装置。19.一种驱动权利要求18所述组件的方法，包括对所述装置的电极施加基本相同的波形，所述波形相互之间异相四分之一周期，且所述波形的形状为使得在各个装置中引起的双折射率之和基本恒定。20.根据权利要求19所述的方法，其中所述至少两个装置内的光轴一起旋转或者彼此相反地旋转。21.一种用于控制透射光的偏振状态的装置，所述装置包括：封闭旋光液晶材料层的第一和第二单元壁，所述液晶材料层在没有施加场的情况下具有基本一致取向的螺旋轴；以及用于施加与所述螺旋轴近似垂直的横向电场的电极。22.一种光路由器，包括：a)单元，包括：封闭液晶...

【专利技术属性】
技术研发人员：哈里J科尔斯，马库斯J科尔斯，本杰明J布劳顿，斯蒂芬M莫里斯，
申请(专利权)人：剑桥实业有限公司，
类型：发明
国别省市：GB[英国]