基于铁电向列液晶的全光开关研究

1、武汉轻工大学 毕 业 设 计（论 文）设计(论文)题目：基于铁电向列液晶的全光开关研究姓 名 黄婧 学 号 101204402 院（系） 电气与电子工程学院 专 业 电子信息科学与技术 指导教师 李鸣 2014年 6 月 3 日目 录摘 要IAbstractII第一章 绪论11.1 光开关的发展背景与现状11.1.1 光开关的发展背景11.1.2 光开关技术的发展现状21.2 本文研究的目的和工作4第二章 光开关原理及分类62.1 光开关原理62.1.1 液晶盒原理62.1.2 偏振分光型液晶光开关原理72.2 光开关的技术参数82.3 光开关的分类102.3.1 按光参量与工作域分102.3

2、.2 按工作特性分102.3.3 按控制方法分112.4 本章小结12第三章 铁电向列相液晶133.1 液晶的物理性质133.2 液晶的光学性质153.3 掺杂铁电粒子的向列液晶183.4 本章小结19第四章 铁电液晶全光开关研究204.1 双折射型全光开关结构204.2 铁电向列液晶的特性分析224.2.1 铁电向列液晶盒的制备224.2.2 实验224.2.3 结果与讨论234.2.4 总结254.3 本章小结26结束语27谢辞28参考文献29摘 要光开关是对光信号进行开关转换的器件。伴随着光通信产业的迅猛发展，作为其中核心器件之一的光开关也得到了广泛的应用。向列相液晶是一种重要的非线性光

3、学材料，在液晶中掺入少量的杂质可以有效提高它的电光特性。本文基于全光开关的发展前景，以及这种纳米颗粒-液晶复合体系做出如下研究。本论文采用将少量铁电纳米粒子掺杂到5CB向列液晶中的方法，制成一种纳米颗粒-液晶复合体系的液晶盒，将此种液晶盒与纯5CB液晶盒一起在外电场作用下进行电光特性分析。可以得到如下结论：铁电纳米粒子悬浮在向列相液晶母体中，可以改善液晶材料的特性,提高液晶的光电性能，增强介电各向异性，而且对施加光信号敏感。基于这种复合体系液晶的特性，本文将此种液晶盒运用于双折射型全光开关中，在液晶盒上预加一定电压，使得液晶的双折射更易实现，达到改善全光开关性能的目的。关键词：光开关；液晶；铁

4、电液晶；向列液晶IAbstractOptical switch is a device switching on the light signal. With the rapid development of optical communication industry, as a light switch which is one of the core devices are also used widely. Nematic liquid crystal is an important kind of nonlinear optical materials, in the liquid

5、crystal doped with small amounts of impurities can effectively improve the electro-optical properties of it. In this paper, the development prospects of all optical switch based on the nano - crystal composite system to make the following research.This paper will be doped a small amount of ferroelec

6、tric nanoparticles in 5CB nematic liquid crystal, made liquid crystal box of a nano - crystal composite system, this liquid crystal box and the liquid crystal box with pure 5CB will under an external electric field of electro-optic characteristic analysis. We can draw the following conclusions: ferr

7、oelectric nanoparticles suspended in nematic liquid crystal matrix, can improve the characteristics of liquid crystal materials, improving the photoelectric properties of liquid crystals, enhanced dielectric anisotropy, and sensitive to the electric signal is applied.Properties of this composite sys

8、tem based on liquid crystal, this liquid crystal box used in birefringent optical switch, pre voltage in the liquid crystal box, the birefringence of LC is more easily achieved, to improve the performance of the optical switch.KeyWords: Optical Switch; Liquid Crystal; Ferroelectric Liquid Crystal; N

9、ematic Liquid Crystal第一章 绪论光开关是对光信号进行开关转换的光学器件。一般的光学器件改变的是光波参量，例如，光放大器改变的是光强度；光参量放大器改变的是光频率。对光信号而言，光开关必须是对其参量的改变是可逆的或是可恢复的，因光放大器等光学器件对光信号参量的改变都不符合光开关的要求，所以这些光学器件都不是光开关，除此之外，光开关还应该做到能使光信号参量发生快速转换。所以对于光开关，我们可以将其定义为能使光信号参量发生可逆的、快速转换的器件。1.1 光开关的发展背景与现状1.1.1 光开关的发展背景半导体光电子学 光纤光学 集成光学图1.1为光子学发展路线图。回顾光学的发展

10、历史：18世纪，从物理学中发展形成了传统光学。1960年激光器发明后，光学发展进入了现代光学时代。和传统光学相比，现代光学主要研究光子行为。集成光学自20世纪70年代诞生后，光纤通信技术迅速发展起来。现代光通信所用的光子器件其尺寸一般为微米级，这表明光子学进入了微米光子学阶段，“以电控光”器件是这个阶段的主要光子器件，如电致发光的激光器(LD)、电控光开关等。纳米光子学是光子学的前沿研究方向，其研究内容包括近场光学、纳米光子材料、纳米光子器件、纳米加工技术。纳米光子学重点研究“以光控光”器件，其中的关键器件是全关开关，它是实现全光通信、全光电脑和全光传感系统的基础1。 物理学传统光学现代光学（

11、光子学）微米光子学（光电子学）纳米光子学几何光学物理光学 光谱学工程光学18世纪1960年激光器激光物理学非线性光学 信息光学 量子光学1970年光纤、LD、集成光路 近场光学纳米光子材料纳米光子器件纳米加工技术21世纪图1.1 光子学发展路线图相较于电子学，光子学因没有“以光控光”的器件，使其应用受到很大限制，无法实现全光通信、全光电脑和全光传感等。因此，21世纪光学物理的一项重要任务就是研究出全光开关，把光子学推向以光控光的高级阶段。由光子学的发展可见，光子技术的发展趋势主要有以下两个方面：（1） 光子技术将从“以电控光”向“以光控光”的方向发展。（2） 21世纪的光子技术与电子技术将实现

12、真正的融合。21世纪，信息技术进入光子信息技术阶段。在电子学方面，怎样提高计算机的速度已经遇到瓶颈，而发展光电脑就成为一条可能的出路。然而光电脑可能是由快速全光开关以及芯片内外的光互联构成，因此，光开关的研究是发展光电脑的关键。在通信方面，为了满足人们日益增长的通信容量需求，光纤通讯正逐渐取代电子有线通讯，目前，光纤通讯在信号传输方面已经实现全光化。图1.2是由全光开关列阵构成波分复用光通信系统的光交换器。图1.2可见，光开关阵列可以构成光分插复用器(OADM)光交换器件和光交叉连接设备(OXC)，因此，光开关是全光交换的基础。图1.2 由全光开关列阵构成的用于波分复用光通信系统的光交换器(a

13、)由12个22光开关构成的88光学交叉连接器(b)由多个22光开关组成的分插复用器(b)下路 解复用 复用输入输出N上路 解复用 复用输入输出 (a)光开关光开关在信息光子技术中的应用还有很多，总的来说，全光开关是光子技术领域的关键技术，是实现以光控光的基本手段。1.1.2 光开关技术的发展现状光开关作为光通信等光信息系统的关键器件之一，能够实现在时间、波长、空间上光束的切换2。自光开关被研制成功后，人们对其的研究历史已有二三十年之久。在这二三十年中，人们不断对各种光学器件工作原理、材料以及加工工艺进行研究，创新和改进，使得光开关的发展趋势呈现出多元化的发展。1、机械式光开关虽然机械式光开关开

14、关时间量级大，体积大，但由于其损耗小、易于实现锁定的特点，现在仍被广泛应用。目前应用最为广泛的是传统式的12和22机械光开关。近几年来，由于光开关器件的发展偏向于小型化，微光机电系统光开关和毛细管效应光开关成为机械式光开关研究的重点。2、波导型光开关波导型光开关根据物理效应和所用材料的不同，可分为热光开关、电光开关和声光开关等。热光开关和电光开关是近年来研究较多的两类波导型光开关，对于这两类波导型光开关，在结构方面它们可以是相同的，但在工作原理方面却是完全不同的。例如热光开关，其折射率的调制利用的是波导材料的热光效应。因为每种材料都有不同的热光系数和导热系数，所以对于使用不同材料制作的光开关，

15、其开关时间也不同。在SiO2热光开关阵列的研究中，网状结构的88马赫-曾德尔(M-Z)型热光开关阵列模块已经被使用在商业中，例如NTT公司将传统的单M-Z开关单元用双M-Z串联的开关单元代替，仅使用16级双M-Z开关单元便可构成无阻塞的1616开关矩阵，这样做不仅可以有效地减小波导长度，还可以降低开关损耗3。3、液晶光开关液晶光开关是近几年才开发出来的一种新型光开关器件，它在光开关器件具有很好的竞争力。在液晶光开关中，每个开关元件都由两个基本部件构成：液晶(LC Liguid Crystals)片和光束方向器。前者能在电压的作用下使光的偏振方向发生改变，后者的作用是将光束反射到由LC片所决定的

16、光路中。由于在其理论上液晶光开关的网络重构性较好，因此液晶光开关被认为更适用于较小的交换系统中3。4、其他光开关光开关的应用需求同样会导致其他开关技术的发展。近几年，除以上几种常见光开关外，同样也发展起来许多新型光开关，如全息光开关、液体光栅开关、半导体光放大器开关等。光开关因其优秀的特性在许多领域中被广泛使用。例如在光通信领域中，各种光网络设备中都可以使用光开关。除此之外，在光纤测试系统、光纤网络、光信息处理等领域中光开关也有广泛的应用4。1、用于光交叉连接设备(OXC)随着通信技术的不断发展，传输信息量的不断增涨，光-电-光(OEO)技术因为成本较高，开关速度较慢，变的难以适应高速数据的传

17、输。而对于由光开关矩阵组成的OXC，由于光开关可以直接对光路进行切换，这样不仅避免了OEO的转换过程，提高了开关速度，使系统的信噪比得到了提高，并且降低了成本。由于光开关矩阵可以连接任一输入端与任一输出端，所以核心光网络的交叉连接可以由光开关矩阵构成的OXC来完成。除了应用于核心的光网络交叉连接，在实现对光网络的故障保护，动态管理路由，灵活增加新业务等方面，OXC也有广泛的应用5。在性能方面，光交叉连接对光开关的主要要求有低插损、低串扰、低开关时间以及无阻塞运作。2、用于光分插复用(OADM)在环形链路和城域网中，OADM一般用来实现单个波长和多个波长在光路上的自由上下5，其主要结构由光开关阵

18、列、波分复用器和解复用器组成。并且用光开关实现的OADM可以通过软件动态控制任意波长的上下，这样将增加网络配置的灵活性。3、用于光网络的保护倒换光开关还可以用于对光线网络的保护和倒换，光纤是很脆弱的，在使用的过程中，当光纤发生断裂或光纤网络发生一些传输故障时，为了保障网络能继续使用，就可以利用光开关将光信号切换到其他备用的信号通路，实现对业务的保护，并可以在不影响使用的情况下对网络进行及时的修复。这种情况一般采用l2光开关，或者N1光开关5。4、用于光纤测试系统在对光纤的监测方面，可以在光纤测试点将多根光纤通过N1光开关连接到一个光时域反射计(OTDR)上，这样就可以通过光开关的倒换实现对所有

19、光纤的监测5。N1光开关也可用于对光纤器件的调试，在光器件、光缆以及子系统产品的测试过程中，使用光开关同时测试多个器件，这样可以简化测试过程，提高工作效率。进入21世纪后，人们对网络容量的需求越来越大，通信的交换体制将会被改变，光交换机的功能将会逐渐被光路由器所取代，这样可以发挥光纤极宽带宽的优势，但这些改变都离不开全光开关的发展。总之，由于光网络的扩大，光开关技术的发展和市场得以迅速崛起。1.2 本文研究的目的和工作自从向列相液晶的光电特性应用于光开关领域以来，人们一直致力于得到更低开关功率、更高开关速度的光开关。近年来，由于纳米技术的出现，研究人员发现用掺杂纳米粒子方法可以有效改善向列相液

20、晶的电光特性。因此，本文通过研究掺杂铁电粒子的向列液晶，以期达到改善光开关性能的目的。本文研究和论述的主要内容如下。第1章 首先对光开关的发展背景及应用进行了概述，提出了现今社会对光开关的发展要求为实用的全光开关。第2章 以偏振型液晶光开关为例，对液晶光开关的原理进行了分析，并提出光开关的性能参数。第三章从液晶材料出发，介绍了液晶的各种光学特性及物理性质，这些特性是所有应用的基础，并提出掺杂铁电粒子液晶。第四章以双折射型全光开关为例，对其结构和原理进行分析。并选取具有铁电性的Sn2P2S6纳米粒子，以5CB为液晶母液，制成掺杂铁电向列液晶，将这种液晶制成液晶盒，并与纯5CB液晶盒一起进行光学实

21、验，通过两种液晶盒实验结果的对比分析，对比掺杂后液晶的光控双折射性是否相较于纯液晶有所改善。并利用此种液晶优良的电光特性，将其应用于双折射型全光开关，根据实验所得数据分析掺杂铁电液晶是否可以提高全光开关的开关性能。29第2章 光开关原理及分类光开关是较为重要的光无源器件，在光网络系统中可对光信号进行通断和切换。其工作原理为运用某种方法(如采用施加电压或运用非线性光学原理)来改变被控光的强度或传播方向。本章以偏振型液晶光开关为例，说明光开关的工作原理及相关特性参数。2.1 光开关原理2.1.1 液晶盒原理图2.1 TN型液晶盒工作原理图(a)未加电压 (b)加电压液晶光开关的关键部件是扭曲排列向

22、列液晶盒(TN型液晶盒)，其工作原理如图2.1所示5。在镀有氧化铟锡(ITO)膜的导电玻璃之间均匀分布着向列相液晶，液晶分子在两板之间旋转90排列。未加电场时，液晶分子顺电极平面方向排列(与电场方向垂直)，光从垂直于电极面的方向入射液晶盒，通过起偏器后变为线偏光进入液晶6。由于液晶的旋光性，光透过液晶盒后将改变自身的偏振态，成为与入射光偏振态正交的偏振光(图2.1中横线表示光的偏振态与纸面平行，圆点表示光的偏振态与纸面垂直)；在两片液晶片上施加外电场E后，液晶分子的长轴将会沿电场方向取向，因此液晶将不再具有旋光特性，则入射光的偏振态将不会受影响，会以原偏振态出射；撤掉外场E后，液晶分子会在表面

23、作用以及液晶分子的弹性作用下，使得液晶分子的排列恢复到初始状态(即垂直于电场排列方向)，此时液晶也就恢复了旋光性7。上述整个的过程实际就是入射光偏振态的转换过程，而液晶光开关正是利用了TN型液晶盒的这一原理。在实际应用中也可以利用其它液晶材料，如使用铁电液晶将获得更快的转换速度。2.1.2 偏振分光型液晶光开关原理图2.2所示为22偏振型液晶全光开关，它是由偏振分束器(PBS)、直角反射和90旋光器组成，其输入与输出均为自然光1。该器件的工作原理如下：输出光纤输入光纤图2.2 22偏振型液晶全光开关偏振分束器自聚焦透镜液晶旋光器直角反射镜对于图2.3(a)，当液晶90旋光器未加电压时，从光纤1

24、入射第一块PBS的信号光(自然光)，被分为偏振方向相互垂直的两偏振光状态：透射态(以箭头表示)和反射态(以圆圈表示)，透射态经过旋光器变为反射态，再被反射器转90角；反射态被反射器转90角再通过旋光器，反射态变成透射态，两束光在第二块PBS会合，被合并成无偏振的信号光从光纤3输出。在同样条件下，从光纤2入射的信号光必定经过类似的过程从光纤4输出。对于图2.3(b)，当液晶90旋光器加工作电压时，从光纤1入射的信号光，同样被分为透射态(以箭头表示)和反射态(以圆圈表示)，二者通过液晶旋光器时都不发生偏振态的转变。在第二块PBS会合时，合成无偏振的信号光从光纤4输出。同样，从光纤2入射的信号光将经

25、过类似的过程从光纤3输出。(a)(b)光纤1光纤4光纤3光纤2光纤1光纤4光纤3光纤2图2.3 偏振型22液晶光开关的工作原理图(a)不加工作电压 (b)加工作电压2.2 光开关的技术参数光开关的特性参数主要有插入损耗、回波损耗、隔离度、串扰、消光比、开关功率、开关时间等。本节以图2.4的12光开关为例，给出以上各个参数的定义1。P0P1P1rP2rP2图2.4 12光开关特性参数示意图1、插入损耗插入损耗(insertion loss)是指输出光功率与输入光功率的比值，以分贝来表示。 (2-1)式中，P0为输入光功率，P1为输入光功率。2、回波损耗回波损耗(return loss)是指从某一

26、输出端返回的光功率与输入端光功率的比值，以分贝来表示。 (2-2)式中，P0为进入输入端的光功率。P1r为在输入端接收到的从某一输出端返回的光功率。3、隔离度隔离度(isolation)是指两个相互隔离的输出端的光功率的比值，以分贝来表示。 (2-3)式中，1和2为开关的两个相互隔离的输出端；Pi1为光从i输入端输入和从1输出端输出的光功率，Pi2为光从i输入端输入和从2输出端输出的光功率。4、串扰串扰(crosstalk)是指串入相邻某输出端的光功率与光开关接通的输出端的光功率的比值，以分贝来表示。 (2-4)式中，P1为从开关接通的输出端输出的光功率，P2为串入输出端的光功率。5、消光比消

27、光比(extinction ratio)定义为输入(n)和输出(m)两端口处于导通(开启)与非导通(关闭)状态的插入损耗之差。 (2-5)式中，和分别为当n、m两端口处于导通状态和非导通状态的插入损耗。6、开关功率开关功率(switching power)是实现信号光开关动作所需要的最小输入功率。7、开关时间开关时间(switching time)是指开关的某一输出端口处，光功率从初始态转为开启状态或关闭状态所需的时间。除此之外，光开关还有许多性能参数，如偏振相关损耗(PDL)、温度相关损耗、开关寿命、开关重复性、温度稳定性等。以上开关特性中最重要的是开关功率和开关时间，一个新的光开关出现，首

28、先要考核这两个特性参数，而这两个特性参数往往是相互矛盾的。在实际应用中，对光开关有如下基本要求：1、低开关功率(小于等于毫瓦量级)，接近或低于光信号功率；2、高开关速度(小于等于皮秒量级)，超过电子开关速度；3、光学性能好，吸收小，对工作波长透射率高；4、尺寸小(纳米至微米量级)；5、工艺简单制作成本低。目前全光开关很难同时达到以上要求，因此，在实际问题中，要适当选择参数。基于非线性光学效应的全关开关，光开关性能取决于材料的质量。基于克尔效应的光学双稳开关器件，材料的非线性折射系数n2与线性吸收系数0是重要的参量。如果再考虑材料的回应时间这个重要因素，对于固定的工作波长，光开关的质量因素可以写

29、成 (2-6)表2.1列出四种典型的非线性光学材料的特性参数1。比较几种材料，这四类材料的非线性从强到弱的顺序是液晶半导体有机材的料玻璃。但是从这四类材料的回应时间来看，次序是相反的：玻璃有机材料半导体液晶。此外，线性吸收系数也是重要指标，它决定着器件的光学透明度和热损耗的大小。这四种材料中，光吸收的顺序是：液晶半导体有机材料玻璃。如果强调器件的开关时间，则四种材料的顺序是玻璃有机材料半导体液晶。表2.1 几种非线性光学材料的特性参数比较非线性材料n2/(cm2/W)0/cm-1/sQ/cm3/(sW)液晶(铁电液晶等)半导体(GaAs等)有机材料(PTS*等)玻璃(Si、SiO2等)10-7

30、10-810-1610-2010310410-110-510-310-810-1210-1410-710-410-310-12.3 光开关的分类2.3.1 按光参量与工作域分相对于光信号的各种参量，有不同类型的光开关，图2.5为光开关的分类1：1、强度开光：在同一输入光功率(或光强)下输出光功率(或光强)在“有”和“无”(或强和弱)间转换的开关。2、方向开关：在同一输入光功率下输出光功率在不同输出端口间转换的光开关。3、波长开关：一个有确定波长的光信号在两个不同输出端口转换的光开关，在转换中其波长保持不变。Pt强度开关方向开关波长开关11PiPiPt，0011111空域开关时域开关线路开关波长

31、转换包开关2222(a)(b)图2.5 光开关分类(a)光开关按其光参数分类 (b)光通信网络中的光开关按空间域和时间域分类在现代光纤通信中，光信号是按照波分复用和时分复用两种方式进行传输的，因此，通信网络中的开关可以分为两类：空域开关和时域开关，如图2.5(b)所示。2.3.2 按工作特性分按光开关工作特性分，光开关可分为普通光开关、光限制光开关和光双稳光开关 。如图2.6所示1。tPtOPoffP0PonPiPtPtcOPonPi(a)普通光开关(b)光限制开关(c)光双稳开关图2.6 光开关按开关特性分类 (a)普通光开关(b)光限制开关(c)光双稳开关PtOPonPi图2.6中的三种开

32、关的共同特点是需要通过外加电场或输入泵浦光来驱动信号光的开启或关闭。图2.6中的Pon是开启光开关的最低光功率，简称开关功率。对于普通光开关和光限制光开关，只要使光功率降到Pon之下就关闭光开关。而对于光双稳开关，必须在维持光功率Po的基础上加一个正(或负)的控制光功率，使总功率超过(或低于)Pon(或Poff)就可以实现开启(或关闭)光开关。2.3.3 按控制方法分光开关可按其控制机理不同分为电控光开关和光控光开关(全光型)两类。1、电控光开关表2.2 电控光开关分类开关器件类型开关时间量级热光效应光开关微电机械光开关旋光液晶光开关磁光效应光开关声光效应光开关电光效应光开关2 ms1 ms1

33、00 us30 us100 ns1 ns电控光开关成本较低，工作可靠，但因必须经过光电转换而导致效率较低，开关速度较慢(ms-ns)、噪声较大等问题。表2.2是几种常用电控光开关时间量级1，由表2.2可见，电光开关的速度较快，热光开关和电控机械光开关速度较慢。2、 光控光开关光控光开关是基于非线性光学原理的全光开关。其优点是无需经过光电转换，直接在光域中运作，因而效率高，噪声小，而且开关速度较快(ns-ps以下)。全光开关基于多种不同的非线性机制，表2.3是几种主要的非线性机制与相对应的开关原理1。表2.3 全光开关的非线性机制与工作原理非线性机制光开关原理非线性折射非线性吸收非线性反射非线性

34、偏振非线性变频非线性相交非线性光栅非线性耦合器非线性放大器非线性干涉仪光克尔效应、自聚焦和自散焦、双光子折射效应饱和与反饱和吸收、双光子吸收、二相色性在非线性界面，或在夹非线性液体的两棱镜表面反射强光使液晶、手性材料等产生非线性旋光效应倍频、和频、参量过程、四波混频、受激拉曼等光致材料相变，引起介质折射率或吸收系数变化单个非线性光栅，用非线性波导连接的光栅对强光入射非对称的光耦合器引起两臂光的相位差强光使半导体光放大器饱和而改变光的相位强光使干涉仪材料折射率变化导致两光束相位差2.4 本章小结本章以偏振型液晶光开关为例，引出判断光开关性能好坏的各项参数，以及实用光开关对性能参数的要求，为第四章

35、判断掺杂铁电粒子液晶是否改善全光开关性能提供了依据。第三章 铁电向列相液晶向列型液晶分子的位置是无序排列，但分子轴指向同一方向，只有一维有序，是一种重要的非线性光学材料。由于在液晶中掺入少量的杂质可以有效提高它的电光特性，使得近年来纳米颗粒-液晶复合体系引起了研究人员们的极大兴趣。许多研究人员致力于在液晶中掺杂各种纳米材料来提高其电光特性以及非线性等特性，并发现了许多令人激动的效果。目前，向液晶中掺杂的材料主要有富勒烯(C60)、碳纳米管(Carbon nanotubes)、铁电纳米粒子、金属纳米粒子以及氧化物纳米粒子等。本章将介绍液晶的物理和光学特性，并提出使用掺杂铁电粒子来改善纯液晶的电光

36、特性。3.1 液晶的物理性质1、介电各向异性：由于单个液晶分子平行于轴的方向与垂直于轴的方向具有不同的物理性质，即单个液晶分子具有介电各向异性，所以，液晶材料也是具有介电各向异性。而单个液晶分子在电场中的行为主要由液晶的各向异性的介电性决定8。 (3-1)和分别是平行于分子轴方向上和垂直于分子轴方向上的介电系数。一般来说，取决于多个参数值，包括介电常数的奇偶效应、液晶分子的极化度、电子体系的影响等。一般情况下来说，若一定温度下单个液晶分子结构中不含有永久偶极矩，则液晶各向异性的介电性主要取决于分子的极化度。而决定液晶分子各向异性的介电性的正负的关键参数是单个液晶分子偶极矩和分子长轴间夹角值的大

37、小，其中表示的是正性液晶，反之，表示的是负性液晶8。2、电导各向异性：一般来说液晶分子的电导率是很低的，所以，通常描述液晶的电导各向异性是以平行于分子轴向的电导率和垂直于分子轴向的电导率之比来描述的8。 (3-2)对于向列型液晶来说，即平行于分子轴向的电导率大于垂直于分子轴向的电导率，这反映了在向列型液晶中，离子沿分子轴方向的运动相对于垂直于分子轴方向的运动容易。而对于近晶型液晶，即平行于分子轴向的电导率小于垂直于分子轴向的电导率，这反映了在近晶型液晶中，离子在分子的层隙间的运动比较容易。因此由于不同的液晶状态的值得不同，故而我们可以从液晶的电导各向异性的不同进而来分析液晶的状态变化。而液晶内

38、载流子数目会在液晶中含有杂质或弱电解质时增加，从而导致液晶电导率的增高。而混合液晶在温度发生变化时，同样也会使电导率发生变化9。3、粘度：一般说来，液晶的粘度会对器件的响应速度(上升时间与下降时间之和)产生较大的影响。这是因为液晶的粘滞系数越大，指向矢受到的外场或自身弹性力的作用越大，从一个状态转变到另一个状态的时间变的越长9，因此器件的响应速度会变慢。而对于向列型液晶，其粘度系数与温度，活化能的关系为 (3-3)式中，为比例常数，E为活化能，T为温度，K为波尔兹曼常数。一般说来，分子极性越强，取代集团碳链越长，碳原子数目越多，粘度也就越高。同时，液晶的粘度也与n电子体系数目和共轭程度有关8。

39、4、双折射：光在光学各向异性的液晶中传播时会发生双折射现象。但光经过液晶时，非寻常光的折射率大于寻常光的折射率，即，这也表明寻常光在液晶中的传播速度大于非寻常光，对于光轴用指向矢来描述的向列型液晶 (3-4)所以向列型液晶几乎全是正光型材料。而胆甾型液晶的光轴与螺旋轴平行，与分子轴垂直，在光学上为负光型材料。液晶的光学各向异性与其极化各向异性有关。而电子体系和中心桥键对液晶的折射率也有影响；随着光波长的增加，折射率通常会降低9。5、弹性常数K：弹性常数是用来描述液晶分子弹性形变的物理量，用弯曲弹性常数(K11)，扭曲弹性常数(K22)，展曲弹性常数(K33)来描述，一般来说，这几个弹性系数的量

40、级均在10-11-10-12之间，并会随着温度的升高而降低。当液晶分子的结构因在垂直于轴的方向上引进其他基团而导致液晶分子宽度增加时，K11值增加，K33大体上保持不变，故K33K11比值变小。而当液晶分子链长增加时，同样也会导致K33K11的比值降低。另外，分子永久偶极矩对弹性常数也有一定程度的影响。K33K11比值愈小，材料的电光曲线愈陡峭，这会使得液晶的多路驱动能力增加10。6、有序参数S：在器件的制备中，用垂直取向处理或平行取向处理办法形成的垂直分子排列或沿面分子排列，并非所有分子都能作整齐有序的排列，为了有效的定量表示这种整齐有序排列达到的程度，用有序参数S来定义液晶分子排列的有序程

41、度，它直接影响到液晶的极化率，介电常数等物理性质的各向异性。这些物理性质对器件的参数影响如图3.1所示8。液晶的介电各向异性、弹性常数、粘度对液晶器件的响应速度有直接的影响，如弹性常数不变，则响应速度与粘度成正比。而液晶的介电各向异性则直接影响液晶器件的驱动电压，介电个向异性越大，驱动电压越低。有序参数则定义了液晶分子排列的有序程度，直接影响了液晶的介电常数、对比度等物理性质。相变温度则决定了液晶器件的工作范围11、12。介电各向异性对比度工作范围相变温度响应速度弹性常数光学各向异性驱动电压粘度有序参数图3.1 物理性质对参数的影响3.2 液晶的光学性质1、 双折射典型的向列液晶一般都是光学正

42、性的。例如，室温液晶MBBA，当波长时，；而当波长时，。对于5CB液晶，也是光学正性的，。图3.2 5CB在25.1C时的5CB的和在可见波段其附近的色散曲线液晶与其他材料一样，它的折射率，是波长的函数，如图3.2，可以看出温度25.1C时的5CB的和在可见波段中与波长的关系，随着波长的增加，和都减小13。液晶的折射率也是温度的灵敏函数，如图3.3，波长时，5CB液晶和的关系为，随着温度增加，减少，略有增加，当达到5CB液晶的N-I相转变温度以后，和重合了。图3.3 5CB液晶的折射系数与温度和波长的关系液晶的双折射一般比较大，这是液晶应用于全光开关的重要参数。2、光吸收液晶对可见光基本上是透

43、明的，但对红外线或者紫外线则不一样。在可见光和近红外波段的吸收系数的实验值如图3.4(a)所示。实际上5CB处于各向同性相，可见光波段吸收最小，在红外波段显著升高。显然，这与液晶分子的旋转和振动谱有关，所以有起伏。5CB在远红外波段的透过率，在液晶盒厚5m时，如图3.4(b)所示，与分子的振动谱有关13。图3.4 5CB对近红外和可见光的吸收系数和对远红外的透过率紫外线波段的偏振光的吸收谱(a)温度为60C的吸收系数(b)盒厚为5m，温度为24.5C的透过率(c)盒厚为6m偏振光的吸收谱液晶5CB在紫外线波段的偏振光吸收谱(图3.4(c)。平行方向的吸收系数要远大于垂直方向的吸收系数。3、扭曲

44、液晶盒的旋光性质将向列相液晶充入上下均做平行处理但锚泊方向相差/2的液晶盒(称TN盒)中，盒厚d。平衡时，液晶的指向矢沿盒纵深方向均匀扭曲。它的等效螺距P为4d，远大于可见光的波长。它的旋光性基本顺从扭曲结构，即大致旋转了/2，而且，该旋光性几乎没有旋光色散。对于这一类有扭曲结构的液晶盒，可以定义一个参数f，即 (3-5)将液晶层分割为很多小薄片，厚度为dz。TN液晶盒中的液晶分子其光轴从上到下均匀扭曲了/2，那么厚度为dz的液晶薄片的扭曲为 (3-6)而dz薄层的双折射所产生的位相差为 (3-7)结合以上两式得 (3-8)式(3-8)说明了当转一圈，要转1/f圈。在平面几何中，如果在一条直线

45、上，则相当于一个纯滚动的圆圈，该点的轨迹实际上是一条摆线；如图3.3所示13、14。图3.5 光线在通过TN液晶盒时的偏振态的轨迹当入射光是沿TN盒上部的光轴(即指向矢n)方向振动的偏转光，即对应于图3.5中 P0点,若光轴均匀扭曲/2角，该滚动圆锥滚动到P点，原来的P0点将视f的大小而为此时圆周上的一点P；如果正好与P点重合，该出射光仍为完全偏振光，而且正好旋转了/2角，而无旋光色散，旋光与波长无关；即使与P点有一定偏差，偏差的最大距离仅为；由于甚小，当d=10um，=589.3nm，n=0.2，此时，实际上仍是一个椭圆偏振光，因椭率本身很小，所以出射光基本上没有颜色13。盒越厚，越小。3.

46、3 掺杂铁电粒子的向列液晶近年来，研究人员为了有效改善向列相液晶的电光特性，不断的在寻找新的技术以达到目的。随着纳米技术的出现，人们发现了两种结合新兴的纳米技术的方法可以用来改善向列液晶的电光特性，分别是通过向液晶中掺杂纳米尺寸的材料来对取向层进行表面改进和对液晶母体进行改进15、16。相较于开发新的液晶材料而言，采用掺杂纳米材料的方法来改善液晶的特性无疑是一条捷径。而且纳米科技是当今科学研究的热点领域之一，在其发展过程中诞生了很多有趣的新型材料，这些新型材料更加方便了对掺杂液晶的研究。2003年，Y. Reznikov等发表了关于在向列相液晶母液中掺杂稀释的铁电纳米粒子悬浮液的研究。研究结果

47、表明，将自身具有很强介电各向异性的铁电性纳米粒子材料掺杂入液晶材料，可以有效的改善液晶器件的电光特性，并且发现，超微粒铁电粉末(如Sn2P2S6纳米粒子)悬浮液掺入液晶后并不会打乱液晶指向矢的分布排列，并且在宏观表现上悬浮液与纯液晶没有区别，不会观察到悬浮的粒子。并且在掺杂浓度较低时(体积百分比为0.3%)，掺杂纳米粒子并不会影响液晶材料的相变温度16。通过用扫描电子显微镜(SEM)观察，可以发现，纳米粒子之间的相互作用在玻璃基板上沉淀的纳米粒子间距达到1m时，就可以忽略不计。由于棒状的纳米粒子可以在液晶分子弹性力矩作用下自发的形成取向，故而呈棒状的Sn2P2S6纳米粒子在液晶体系中不需要对纳

48、米粒子的取向进行特别的处理16。图3.6 掺杂铁电纳米粒子前后液晶的有效介电常数与直流电压关系如图3.6，掺杂后体系的介电各向异性得到了增强，纯液晶材料和铁电纳米粒子掺杂液晶混合材料对应的开启电压分别为0.25V/m和0.13V/m17。这些铁电纳米粒子分散体系有效的降低了液晶器件和其他相关设备的驱动电压。Sn2P2S6纳米粒子掺入5CB液晶材料可以提高其介电各向异性，降低液晶器件的开启电压。基于V. Reshetnyak给出了液晶中掺杂铁电性纳米粒子的理论模型，F. Li和M. Copc等在液晶中掺杂铁电性纳米粒之后，分别对掺杂液晶材料的介电特性、双折射、秩序度和相变温度做了研究。结果表明，

49、掺杂铁电性纳米粒子的液晶材料可以大幅度提高液晶材料的介电各向异性16-18。此外，铁电性纳米粒子的引入还可以提高液晶系统的双折射特性、秩序度和相变温度。3.4 本章小结本章介绍了液晶的各种物理特性和光学特性，如掺杂铁电粒子的向列液晶，这种液晶具有较高的介电各异向性。提出运用向液晶中掺入铁电粒子来改善纯液晶的电光特性，为第四章打下基础。第4章 铁电液晶全光开关研究对于实用的光开关，要求光开关的速度要能达到皮秒以下。但由于一般的非线性材料(如液晶)的在光控条件下产生的非线性效果较弱，使得现有的光开关还无法达到实用要求。因此在本章中，以双折射全光开关为例，采用在向列液晶中加入铁电粒子的方法，得到一种

50、介电各异向性增强的铁电向列液晶。并对此铁电向列液晶进行电光特性分析，得出这种液晶易产生非线性双折射效果，从而得出可利用此种液晶来实现全光开关性能的改进的结论。4.1 双折射型全光开关结构双折射型全光开关是一个交叉相位调制系统(图4.1)，为基本的双折射型全光开关结构，信号光(He-Ne激光)与泵浦光(YAG皮秒激光)通过一个反射镜，共线入射位于两正交偏振器间的克尔介质盒。当泵浦光不存在时，通过起偏器的线偏振光偏振方向未发生旋转，因此不能通过检偏器输出；在强泵光作用下，信号光的O光与E光由于克尔介质产生的双折射现象，从而产生相位差，使得光束偏振方向发生90的旋转，光束因此可以全部通过检偏器，实现

51、强度开关1。信号光起偏器泵浦光克尔盒滤光器检偏器信号光输出(3)图4.1 双折射型全光开关结构以下推导为O光与E光间的相位差与泵浦光功率之间的关系。E()Ex()Ey()k()信号光k()泵浦光E()Oxyz图4.2 信号光与泵浦光的传播方向与偏振方向频率为的单色信号光与频率为的单色泵浦光皆沿z方向传播，但是两者的偏振方向不同：泵浦光沿y方向偏振；信号光在xy平面内沿某一方向偏振(图4.2)。泵浦光引起介质折射率发生变化，使信号光电场产生三阶非线性极化，其极化强度的x和y分量分别为 (4-1) (4-2)将式(4-2)代入y方向的慢变近似耦合波方程 (4-3)令得到 (4-4)若认为泵浦光是一

52、个常量(不随z变化)，则可解得y方向的信号光场强 (4-5)式(4-5)指数因子中的方括号内的量正是信号光在y方向的非线性折射率，记为 (4-6)同理，算得信号光在x方向的非线性折射率为 (4-7)可见，折射率的变化与泵浦光的场强平方成正比。这种克尔型光致双折射效应的强弱可用克尔系数来度量，克尔系数定义为 (4-8)光克尔效应提供了一种改变介质折射率和光相位的方法，在外加泵光电场的作用下，可使各向同性的介质变成各向异性的单轴晶体。当线偏光通过长度为L的介质是，O光和E光之间有一个相位差为 (4-9)可见O光和E光间的相位差与泵浦光的功率成正比。当泵浦光功率使时，入射光的偏振面旋转90。光入射克

53、尔介质中，可以引起双折射效应，同样，当光入射具有旋光性物质如液晶材料时，利用其光致双折射效应，引起O光和E光的相位差产生变化，产生光的偏振面旋转，从而形成强度光开关。4.2 铁电向列液晶的特性分析在向列相液晶中掺入低浓度(1%)的Sn2P2S6纳米粒子能够增加介电各向异性，并且降低弗雷德里克斯转变(Freedericksz Transition)电压。因为铁电粒子永久极化的原因，铁电向列液晶悬浮液具有较大的介电各向异性17。液晶分子在与铁电粒子间的强相互作用下使分子自身发生旋转。由于液晶具有双折射性，使其能在许多液晶器件中起重要的作用，为新科学技术的发展提供了新的机会。本章研究了铁电纳米粒子对液