【《硅基空间光调制器原理与性能分析概述》7500字】

共页第28页硅基空间光调制器原理与性能分析概述1.1液晶材料与物理特性作为通过硅基空间光调制器形成的开关选择器，液晶层的材料和参数是最主要的因素。在进行仿真研究之前，本节先详细介绍硅基空间光调制器的液晶材料及其物理特性等基本原理，为之后的仿真研究提供理论依据。1.1.1液晶材料在液晶没有被发现之前，人们认为自然界所有物体只有三种状态：固态、液态和气态。液晶的发现打破了人们这种固有思想。液晶材料是一种介于固体（分子排列完全规则状态）与液体（分子排列不规则状态）之间的流体介质。REF_Ref863\r\h[32-34]它的内部分子并不是固定的。1888年，奥地利植物学家F.Reinitzer在研究中首次发现液晶材料，但是这种材料并没有立即被大量使用。到1962年，日本将当时的大规模集成电路与液晶相结合，使得液晶在多个领域，特别是显示应用方面被广泛使用。这为液晶之后在光电器件，传感器件等领域打下了基础。再到现如今，液晶蓬勃发展，被广泛应用于各类器件中，实现光束控制、光学互连、光学图像识别等等。液晶本身这种材料也在不断发展革新，产生的功能越来越多，实用性也不断加强。各种液晶材料之间有所不同，可以利用它们形成方式的不同对液晶材料进行分类。最主要的两种液晶材料是热致液晶和溶致液晶。它们的区别在于它们的制作方式。热致液晶是指由于温度的变化而生成的液晶相态，通过温度形成的液晶成为热致液晶。而溶致液晶是指将有机物放入溶剂中时，溶剂会破坏它的晶格，当晶格被破坏时，物质会变成液晶。通过有机物和溶剂形成的液晶被称为溶致液晶。液晶分子一般呈细长形的棒状，长度大概为几纳米，宽度是一般是长度的四分之一到八分之一。液晶分子是有一定排列方式的，在微观状态下，液晶分子之间会相互吸引，情况不同导致液晶分子不同的排列方式。我们可以按照液晶分子的排列状况总共分为以下三种类型REF_Ref1620\r\h[35-37]：向列相液晶，分子呈棒状形，重心排列是无序的，但是按照长轴方向它们互相平行或者近似平行，交错排列，指向矢决定了其方向。由于向列相液晶分子之间的相互作用比较弱，因此它的黏度比较低，这使得它的排列方向会受到各种其它因素影响，比较明显的比如电磁场等等。向列相液晶之间还可以根据它们材料参数分类。介电常数是液晶的一个基本参数，对于向列相液晶而言，它们的介电常数具有各向异性，以介电常数分类，向列相液晶还可以分为正性液晶和负性液晶。它们的区别在于长轴与短轴方向的介电常数大小。如果平行于长轴的介电常数大于平行于短轴的，则为正性液晶，反过来为负性液晶。向列相液晶比较容易操作，工艺简单，因此在光学领域得到了广泛的使用。近晶相液晶，分子呈棒状，它的排列方式和向列相液晶不同，十分具有规律，是以长轴为标准，分层排列。对于每一层的液晶分子，它们头尾平行，排列整齐。对于层与层之间来说，它们也互相平行。正如近晶相液晶的名字，整齐的分子排列使得它是三种液晶中最接近晶体的，这也导致了它的性质是三种液晶中最接近晶体的。向列相液晶因为它的分子间相互作用比较弱，容易发生改变，而近晶相液晶每一层液晶分子之间相互作用力比较大，这使得它受到外界环境的影响较小。这种不敏感的特性也决定了它的抗干扰性比较强。手性相液晶，它和上面两种液晶不同，手性相液晶其实是由向列相液晶变化而来的，并且在手性相液晶中也有几个种类。当向向列相液晶中加入手性剂，它会被改变液晶的排列方式，进行扭曲旋转，最终成为一种螺旋形的结构。手性相液晶具有周期性。基于手性相液晶的这种特性，我们还可以将其再分为胆甾相液晶、蓝相液晶和球状液晶等等。图2-1向列型液晶和近晶型液晶结构向列相液晶和近晶相液晶的结构如图2-1所示。对于手性相液晶中的胆甾相液晶，其结构如图2-2所示。胆甾相液晶的特点就是它的螺旋结构是会随着外部因素的介入而改变的，比较有代表性的就是当光射入时，它会反射出一定数值波长的光。图2-2胆甾相液晶分子排列方式对于蓝相液晶，其最大的特点是光学中的各向同性。REF_Ref2090\r\h[38]各向同性的定义就是各个方向上的偏振光都有相同的参数。图2-3展示了几个蓝相液晶比较典型的反射纹理。图2-3蓝相液晶的较为典型的反射纹理：(a)红色块状纹理，(b)绿色块状纹理，(c)蓝色块状纹理。蓝相液晶的这种特性使得它在光学之中有很多作用。球状相液晶的性质则是前面两种液晶之间的状态。它具有各向异性，是各向同性和蓝相或者胆甾相之间的状态。图2-4展示了几种球状相液晶的结构。这些就是现有的常见的液晶材料。图2-4球状相液晶的(a)三维扭曲球状结构，(b)缺陷结构，(c)聚合物稳定球状相液晶中的聚合物网络1.1.2液晶的物理性质对于普通的液晶材料，它的物理特性有介电常数、光折射率。液晶还具有各向异性的特点。外界环境的变化，比如外加电场、温度的变化、磁场强弱都会改变液晶的参数。液晶有下面几种重要的物理性质。1.1.1.1液晶的旋光性和扭曲效应对于液晶材料，如果入射光为线偏振光，则出射光的振动平面会相对于入射光的振动平面发生扭转。这种扭转会产生一定的角度，这种改变光偏振方向的性质叫做液晶的旋光性。扭曲产生的角度定义为旋光角。计算旋光角的公式为：（2-1）其中a的表达式为：（2-2）a是单位长度的转角。a的大小表现了液晶的旋光能力。对于公式2-2中有：（2-3）表达式中，Po是液晶的螺距，εo是液晶的平均介电常数，d是旋光体的厚度。由公式可以得出，旋光角是入射光的函数，入射光的波长决定了旋光角的数值。液晶的扭曲效应如图2-5，图2-5液晶的扭曲效应当入射光的波长固定时，液晶的螺旋结构会使液晶分子指向旋转90度。根据图2-5，当自然光从上方入射，经过偏振片后变化为线偏振光。当液晶两端没有外加电场时，光束情况如左图所示，从下方会有出射光射出。而当液晶两端有外加电场时，由于液晶发生定向偏转，螺旋结构被破坏，就不会有出射光。这就是液晶的扭曲效应。1.1.1.2液晶的电控双折射效应液晶另一个重要的性质是电控双折射效应。电控双折射效应是指当有入射光射入单轴的液晶，折射光会分出两束。这种原理为，当有外加电场的情况下，向列相液晶分子会发生偏转。正性液晶的会按长轴电场方向排列，负性液晶会按短轴电场方向排列。设定光束平行于短轴照射时的等效折射率为ne，光束平行于长轴照射时的等效折射率为no。平行于长轴的光遵循折射定律，另一边是非常光。当外部有电场时，液晶分子发生偏转，因此两个方向的等效折射率会发生变化。我们定义折射率ne和折射率no之差为双折射率Δn，通过双折射率Δn我们可以得出液晶层的相位深度。设定液晶层厚度为d，则其最大相位深度为：（2-4）这个公式在我们之后进行编程计算以及数据处理中十分重要。正是由于向列相液晶的电控双折射效应，使得这种可调制方式成为本论文硅基光调制器的理论基础支持之一。由于各向异性，电场强度和电感强度方向不会相同，介电常数ε可以表示为：（2-5）我们使用菲涅耳方程来描述折射率吧和波矢之间的联系：（2-6）求解这个方程，我们可以得到方程的两个解：（2-7）这一对解就是双折射的两束折射光。由公式可以印证其中一束与波矢无关，另一束与光轴的夹角有关。我们定义波矢与光线的夹角为离散角。由上面分析可知，o光始终为零，设e光的离散角为α，则根据上述的方程，可以得到其表达式为：（2-8）液晶在有外加电场的情况下，液晶分子指向矢发生偏转，o光与e光折射率随着其变化而变化。这种性质就被称为电控双折射（ElectricallyControllableBirefringence,ECB）。1.1.1.3液晶的动态散射效应除了上面的效应外，动态散射效应也是液晶光电效应中的一个特性，其原理如图2-6。电极之间是向列相液晶，当有电场加入时，原本透明的液晶会变得浑浊，取消外部电场则会恢复初始状态。动态散射效应的产生是由液晶里面除了液晶分子之外，离子还有带电粒子的存在所导致。当施加外部电场时，这些粒子会在电场的作用下运动，由于分子之间的碰撞，导致液晶分子也会跟着运动。由于分子间的碰撞是无规律的，所以液晶分子的不规律运动就会导致折射率的不停变化。折射率不停的变化导致反射出来的光辉朝着不同的方向，所以原本透明的液晶就会变的不透明。取消了外加电场后，这种无规则运动结束，液晶就会回到初始的状态。图2-6动态散射效应1.1.1.4液晶的混合场效应在光调制器中十分重要的是混合场效应。混合场效应是将扭曲向列相效应和双折射效应相结合。因为扭曲向列效应可以通过改变入射光偏振态改变光强，电控双折射可以通过改变折射率来改变相位，结合这两种特性，再基于对材料，电场的研究，我们就可以实现液晶空间光调制器的混合调制，以达到实验的目的。本论文的目标也是通过仿真找到最合适的组合完成硅基液晶光调制器的混合调制。因此混合场效应可以为仿真提供理论基础。1.2硅基空间光调制器结构与工作原理液晶空间光调制器的是能对光进行调制的仪器。在液晶空降光调制器中，液晶层由二维矩阵排列的液晶单元组成。所有液晶单元可以由实验者设定的电极电压控制，并且同步独立地对入射光进行调制。这一点是它和传统光学对光调制完全不同之处。传统光学中，入射光的的改变都是通过一些固定的光学仪器，比如透镜、光栅等等。这些仪器改变了入射光的相位，由此改变它的方向，让光束发生偏转、干涉和衍射。相比于传统光学仪器，液晶空间光调制器更加便利，面对实验不同的调制需求它可以通过改变电极电压就可以改变入射光的相位，不像传统光学每次改变都需要大量调整仪器。同时，它减少了很多不必要的光的损耗，光束之间干扰也较小，因此在空间光调制领域值得大力发展。其中，LCoS技术在全光网络中起到非常重要的作用。目前LCoS对于光的调制有两种，一种是对幅度的调制，一种是对相位的调制。LCoS起到相位调制的作用被应用的更加广泛，也是本论文研究的方向。LCoS器件在对相位进行调制时有以下几个优点：驱动电压低。目前其它相位调制器件的驱动电压都比较高，为几十伏，而LCoS器件的驱动电压一般低于6V。因此其也具有功耗低的特点。体积小。LCoS相位调制器件是反射式，根据相位深度公式的计算，其液晶盒厚度可以大大缩小。因此其也具有易集成的优点。高相位深度。LCoS可以进行高相位深度的入射光调制，因此其具有更大的信道容纳能力。下面对硅基空间光调制器结构和工作原理进行介绍。1.1.1硅基空间光调制器结构硅基空间光调制器结构已经由图1-2给出，本论文研究的是基于LCoS器件的波长选择开关，其系统结构如图2-7所示，图2-7基于LCoS器件的波长选择开关系统结构示意图整个系统包含的部分有：光纤输入端、偏振转换棱镜、衍射光栅、傅里叶透镜、反射镜面、LCoS器件、光纤输出端。REF_Ref14820\r\h[39-41]入射光从输入端射入，经过偏振转换棱镜后变成偏振光，偏振的方向是由LCoS器件决定的。之后，入射的偏振光进入衍射光栅。衍射光栅的作用就是把入射的偏振光分开为不同波长的光束。按照之前的理论可知，不同波长的偏振光具有不同的偏转角度。这些光束经过反射镜面的反射进入傅里叶透镜。傅里叶透镜的作用是将这些不同角度的光束调焦，使调焦后的光束进入LCoS器件。LCoS就是对这些不同波长的光束进行相位调制。经过LCoS调制后，这些光束会有不同的偏转角度，并且由LCoS反射出再回到反射镜面。光束按照之前同样的方式反射回光栅，转换棱镜等，最后被输出端的接收器所接收。光栅，透镜等部件不需要介绍，下面对LCoS器件的结构进行介绍。当对LCoS器件加电时其开始工作。LCoS器件在加电工作状态下的结构如图2-8所示，图2-8LCoS器件加电工作状态下的结构示意图由第一章对像素电极的介绍可知，像素电极宽度定义为d，像素电极间隙宽度定义为g，按照周期性给像素电极加载电压。ITO电极上一般加载最低的电压，像素电极按照图中所示，黑色、蓝色、红色，在这些电极上施加的电压逐渐增加。LCoS器件对于不同相位深度的入射光有不同的液晶盒厚度和不同像素周期长度。在初始或者低电压状态下，液晶分子的排列方式是水平的。当电压增大时，液晶分子会逐渐发生偏转，最终全部处于垂直的排列方式，也就是按照外加电场的方向排列。通过反复调节像素电极的电压来改变相位深度曲线，来向理想的相位深度曲线靠近。1.1.2硅基空间光调制器的相位工作原理液晶空间光调制器分为两种状态，加电和未加电，即是否引入电场。当液晶空间光调制器处于初始态，不外加电压时，依据液晶分子的排列方式以及其特性，当偏振光入射到硅基空间光调制器时，它会受到液晶层液晶分子的影响，依据晶体的双折射特性，偏振光会被分为o光和e光。o光的折射率是一个定值，我们设置为no,e光的折射率取决于入射的偏振光的偏振方向。没有外加电场时，液晶分子不发生偏转，因此ne的值也是一个定值。两种类型的光会存在一个相位差，我们定义它们的相位差为δ，则δ的计算公式为：（2-9）其中d为液晶层厚度，反射型液晶空间光调制器中光程是两倍。λ为入射光波长。存在外加电场时，即像素电极有电压，液晶分子会由于电场的存在而发生偏转。液晶分子的偏转会导致e光的折射率ne发生改变。定义液晶分子的偏转角为θ，则ne由公式（2-10）求得：（2-10）相位差的算法不发生变化。这种相位差的存在会导致偏振光的偏振态发生变化。图2-8是一种用琼斯矩阵表示液晶空间光调制器的示意图，各个参数设置如图所示。图2-8液晶空间光调制器的琼斯矩阵表示我们将入射的偏振光用琼斯矢量Eo表示：（2-11）同样，我们可以将液晶空间光调制器的效果表示为一个二阶方阵。如果设定出射光琼斯矢量为E1，那么E1可以通过公式2-12计算：（2-12）由于液晶分子的偏转，e方向与o方向会存在相位差，这种相位延迟用琼斯矩阵可以表示为：（2-13）我们可以通过矩阵计算出射出的光束光强：（2-14）理论上而言，如果不考虑液晶以及器件的损耗，入射光与出射光的能量是相同的，不同仅在于偏转造成的偏振态不同。并且由公式我们可以知道，偏振态的变化只和相位差以及入射偏振光的角度有关，而相位差由液晶分子的偏转角决定。当入射光沿x方向时，相当于没有o光的存在，空间光调制器的作用只是给一个相位延迟。当入射光沿y方向时，相当于没有e光的存在，空间光调制器只起到反射光的作用。要使其有空间光调制的功能，要入射光的角度处于这两者之间。本论文研究的硅基空间光调制器是基于光学相控阵技术。在液晶光学中相控阵技术就是通过外加电压改变液晶分子的偏转，从而改变液晶层的折射率。在上一节中我们介绍了LCoS器件的基本结构，每个像素周期中的像素的电压是由低到高排列。电压的不同会使得相应位置上的液晶层液晶分子偏转情况不同，从而导致不同位置的折射率不同。周期性折射率不同使得两个电极之间的液晶层之间会形成相位差，并且使整体的相位分布呈现出一种光栅的结构。图2-9展示的就是利用液晶相控阵技术所形成的类似闪耀光栅相位分布形貌。图2-9液晶相控阵技术所形成的类似闪耀光栅相位分布形貌如图所示，图中的横坐标表示像素电极的水平方向的位置，纵坐标表示的是相位深度。每个电极电压逐渐变化，相位深度不断增加。其中，N代表一个周期内像素电极的数目，p代表一个像素周期的长度，Δφ代表两个像素电极之间产生的相位差。这种累计最终形成了一个相位深度的叠加，就形成了这种类似于闪耀光栅的相位分布形貌。目前为止，液晶空间光调制器通常用的调制深度都是2π的调制深度，部分也会使用4π。当超过2π或者4π的时候进行复位，对于总体的相位深度取余数，这样相位分布就如图2-9一样。LCoS的目的就是对入射光进行调制并且实现不同角度的偏转。对于不同的相位深度曲线，当入射光进入液晶层的光栅时，光束就会发生偏转，偏转角度取决于相位深度曲线。我们定义入射光经过相控阵曲线的偏转角为θ，则其计算公式为：（2-15）N与p的定义在上面已给出，λ是被调制的光的波长。本论文在研究LCoS的隔离度和衍射效率时，设置不同的偏转角就是使用此公式，在波长确定的情况下，改变一个周期的像素数目来设置相应的偏转角。1.3相位深度与分布对衍射光能量分布的影响隔离度是硅基空间光调制器的一个重要指标。在硅基空间光调制器中相位深度会对衍射光能量的分布产生影响。其原理如图2-10所示：图2-10三种不同相位分布的衍射级数以及目标端口。（a）2π相位深度进入3端口，（b）6π相位深度进入3端口，（c）2π相位深度进入4端口经过LCoS器件的光束会有多个衍射阶层，当以LCoS为基础作为开关选择器时，器件的作用决定于吸收光的端口的效率以及各个端口之间是否存在串扰。比如图2-10（a），它是以2π相位深度的光束衍射图。它的一级衍射进入的是端口3，二级衍射进入的是端口8。对于6π相位深度下，如图2-10（b）所示，它的一级和二级衍射都不会被端口接收，三级衍射才进入端口三。高级衍射意味着衍射光的能量更加分散到各个不同的阶数，这样可以减少端口之间的串扰。所以，高相位深度的LCoS器件可以增加开关选择器的隔离度。同时当偏转角大于1.4度时就会变成图2-10（c）的情况，只有一阶衍射能够进入端口，没有高阶衍射能够进入端口。因此，如果要用更高阶的衍射光进行偏转，相位深度也必须要相应的扩大。对于本实验研究的硅基空间光调制器，其相位深度的计算公式：（2-16）即要想能够达到相应的相位深度，漆面的值需大于目标相位深度，要么需要提高双折射率，要么需要增加液晶盒厚度。同时通过衍射阶级示意图可以看出