1、液晶光子学10.1.1 光通信器件背景及应用10.1.2 独立液晶光通信元件10.2.1 液晶太赫兹元件概述习题10.2.3 液晶太赫兹波片10.2.4 液晶太赫兹滤波器10.2.5 液晶可调太赫兹吸收器10.2.2 太赫兹相移器第十章液晶光通信与太赫兹调控元件of33210.1.1 光通信器件背景及应用of333第十章 液晶光通信与太赫兹调控元件光通信器件技术主要包括平面光路技术和自由空间技术，其中自由空间具有易升级、成本低、多通道处理能力强等优势。常用的两种自由空间技术包括微电机系统(Micro Electron-Mechanical System,MEMS)技术和液晶技术。相比而言，液晶
2、技术具有高稳定性、低能耗等优势。用于光通信领域的液晶光子学器件主要是可调谐无源器件，以期实现对光信号的控制和分配，如光开关、光衰减器、滤波器、反射器、光束转向器、偏振控制器、光分插复用器等。相比于采用传统电光晶体等材料的功能性器件，液晶光子学器件具有许多优势：功耗小、成本低、重量轻且不需要配备附属联动装置等。液晶光子元件的引入，为传统的光通信技术提供了更便捷的操控方案。10.1.2 独立液晶光通信元件of33410.2.1 液晶太赫兹元件概述习题10.2.3 液晶太赫兹波片10.2.4 液晶太赫兹滤波器10.2.5 液晶可调太赫兹吸收器10.2.2 太赫兹相移器第十章液晶光通信与太赫兹调控元件
3、10.1.1 光通信器件背景及应用10.1.2 独立液晶光通信元件of335第十章 液晶光通信与太赫兹调控元件图10.2 电场作用下液晶对光强的调制液晶的电控双折射(10.1)10.1.2 独立液晶光通信元件of336第十章 液晶光通信与太赫兹调控元件u液晶光开关按照工作媒介不同，光开关主要可分为自由空间型和波导型两类。前者依照工作原理又可分为微机电系统型(MEMS)和液晶型光开关；后者根据物理性质和所用材料的不同可分为热光开关、电光开关、声光开关、激子吸收开关等。图 10.3 一种液晶微滴光开关结构示意图10.1.2 独立液晶光通信元件of337第十章 液晶光通信与太赫兹调控元件u液晶光开关
4、图 10.4 对外加电场响应连续可调激光器(ANDO AQ4321D,=15201620 m)光源出射光经过单模光纤（SMF）和偏振控制器(FPC560,Thorlabs)，在没有外加电场作用时，经过液晶盒样品的液晶微滴边缘后，出射光强由光功率计（ANDO AQ8201-21）探测。10.1.2 独立液晶光通信元件of338第十章 液晶光通信与太赫兹调控元件u液晶可调光衰减器光衰减器是一类在光纤通信网络中广泛使用的光无源器件，其作用是用来控制减少光纤通信网络中传输的光信号的强度。可调光衰减器的功能是降低光信号的强度，通常适用于密集波分复用系统等多通道系统。图 10.4 一种基于液晶微滴的可调光
5、衰减器10.1.2 独立液晶光通信元件of339第十章 液晶光通信与太赫兹调控元件u液晶可调光衰减器图 10.7 液晶光衰减器原理图图 10.6 液晶光衰减器光路图在亮态和暗态之间，器件的输出光功率可以通过对液晶盒施加不同大小的电压实现连续可控衰减，且该液晶器件对入射光具有偏振无依赖性。10.1.2 独立液晶光通信元件of3310第十章 液晶光通信与太赫兹调控元件u多通道光隔离器光隔离器也是一类在光纤通信网络中广泛使用的光无源器件。它能使信号光从正向通过而阻止回射光从反向通过，在光纤通信系统、激光器和光处理系统中有着广泛的应用。在这些系统中，光信号会在各个器件的端面产生反射，形成回射光。回射光
6、会降低各类器件（例如激光器或者放大器）的性能以及光信号的信噪比，因此需要光隔离器来隔离回射光，保护各类光学器件。图 10.8 液晶光隔离器工作原理图10.1.2 独立液晶光通信元件of3311第十章 液晶光通信与太赫兹调控元件u多通道光隔离器图 10.9通信波段双向多通道光隔离器的透过率图 10.10 0-2相位调节范围内透过率变化在整个通信波段(191196 THz)，对于特定频率间隔的信号，消光比都能达到40dB以上并且各个通道的间隔恰好为100GHz。在此基础上，在整个光路设计中增加一个液晶盒，液晶对透射光相位的调制可以通过调节电压对光信号的透过率作出相应的调节。10.1.2 独立液晶光
7、通信元件of3312第十章 液晶光通信与太赫兹调控元件u波长阻隔器波长阻隔器是重构光分插复用器(ROADM)的核心器件之一，它可在波分复用系统的节点处对同一光纤中传输的不同波长的光信号进行解复用，然后对各个信号独立地进行导通、阻隔以及衰减控制。通过复用的方式，在该节点处还可以重新上载相同波长的信号，实现了光信号灵活的上下行。另外，通过衰减可以对各个通道的信号强度进行整平。图 10.11液晶波长阻隔器工作原理10.1.2 独立液晶光通信元件of3313第十章 液晶光通信与太赫兹调控元件u波长阻隔器图 10.12 波长阻隔器液晶模块原理图l 驱动电压小于阈值电压时，入射光原路返回耦合入光纤，呈导通
8、状态l 驱动电压达到饱和电压时，液晶不改变透射光的偏振态，呈隔离状态l 驱动电压位于两者之间时，部分入射光被隔离，呈衰减平整状态10.1.2 独立液晶光通信元件of331410.2.1 液晶太赫兹元件概述习题10.2.3 液晶太赫兹波片10.2.4 液晶太赫兹滤波器10.2.5 液晶可调太赫兹吸收器10.2.2 太赫兹相移器第十章液晶光通信与太赫兹调控元件10.1.1 光通信器件背景及应用10.2.1 液晶太赫兹元件概述第十章 液晶光通信与太赫兹调控元件of3315 Terahertzf：0.1 THz 10 THz 电子学 光子学：0.03 3 mm 微波 红外 成像 安检 无损检测 特征谱
9、（指纹识别），裂纹，空隙等结构缺陷 生物和医药应用 炸药和药品的探测与鉴定，化学和生物的危险评估 自由空间通讯 生产中的实时监测 独特性质&丰富应用 Nature Mater.2002,1(1):26-3310.2.1 液晶太赫兹元件概述of3316相对于THz源和THz探测器来说，THz调控器件的发展仍十分缓慢，特别是动态调控器件。太赫兹量子级联激光器GaAs超快太赫兹探测器液晶与THz结合宽波段双折射外场可调谐(电磁场、温度、光场)可与超材料集成液晶太赫兹器件-相移器-波片-滤波器-吸收器第十章 液晶光通信与太赫兹调控元件10.2.1 液晶太赫兹元件概述of3317液晶器件在THz波段的主
10、要问题及相应的解决方法：THz透明电极(现有的电极材料有石墨烯、PEDOT:PSS、ITO纳米晶须)利用动态相位累积的纯相位调制器件需要较大的液晶层厚度，对加场、响应带来不利影响(解决方法主要是开发大双折射液晶材料以及把液晶材料和超材料进行集成)大层厚的液晶不易取向好(解决方法是采用光控取向层，实现大盒厚取向(大于500 m)第十章 液晶光通信与太赫兹调控元件10.1.2 独立液晶光通信元件of331810.2.1 液晶太赫兹元件概述习题10.2.3 液晶太赫兹波片10.2.4 液晶太赫兹滤波器10.2.5 液晶可调太赫兹吸收器10.2.2 太赫兹相移器第十章液晶光通信与太赫兹调控元件10.1
11、.1 光通信器件背景及应用10.2.2 太赫兹相移器of3319液晶THz相移器原理：将液晶灌入均一取向的液晶盒内，通过外场的调节（通常是电场或者磁场），使内部均一取向的液晶分子在加场前后的指向矢发生变化，线偏振入射的太赫兹波在加场前后感受到不同的液晶折射率，从而发生位相改变。挑战：位相调控范围不能覆盖整个0-2区间由于大盒厚的影响，太赫兹透过效率以及加场后液晶的响应速度也会受到限制图 10.16 自偏振太赫兹相移器结构示意图第十章 液晶光通信与太赫兹调控元件10.2.2 太赫兹相移器of3320（a）加电状态；（b）未加电状态图 10.17 基于聚合物稳定液晶的电调控相移器示意图图 10.1
12、8 采用ITO纳米晶须作为电极和取向层的相移器的示意图（a）器件整体结构；（b）和（c）分别为加电和撤电状态下盒内液晶的排列状态图10.19 采用有机物PEDOT:PSS作为电极的相移器示意图第十章 液晶光通信与太赫兹调控元件10.1.2 独立液晶光通信元件of332110.2.1 液晶太赫兹元件概述习题10.2.3 液晶太赫兹波片10.2.4 液晶太赫兹滤波器10.2.5 液晶可调太赫兹吸收器10.2.2 太赫兹相移器第十章液晶光通信与太赫兹调控元件10.1.1 光通信器件背景及应用10.2.3 液晶太赫兹波片of3322液晶THz波片原理：液晶太赫兹波片的作用是改变入射太赫兹波的偏振状态，
13、在原理上和液晶太赫兹相移器类似。让入射的线偏振太赫兹波的偏振方向和液晶分子的长轴方向呈一定的角度，为了方便测量和计算，通常选取45。这样，在未加电时，沿着长轴方向和垂直于长轴方向的偏振分量感受到不同的折射率从而产生相位差，导致出射时偏振态发生变化。相位差达/2时为圆偏振出射，达时为正交线偏振态出射，其余情况下为椭偏出射。加电可以调节液晶指向矢方向，进而调节相位差。在饱和电压下，液晶分子垂直于上下基板排列，相位差减为零。通过改变电压大小及可实现不同偏振态的出射。目前主要报道的有两种波片结构，分别是透射式结构和反射式结构。透射式结构主要依靠液晶的双折射n产生正交偏振分量的相位差，而反射式结构的原理
14、略有不同。第十章 液晶光通信与太赫兹调控元件10.2.3 液晶太赫兹波片of3323透射式液晶THz波片（a）结构示意图；（b）出射太赫兹波的偏振态随着所加电压的变化图图10.20 太赫兹可调波片及调制效果示意图图10.21 可调太赫兹消色差波片结构示意图第十章 液晶光通信与太赫兹调控元件10.2.3 液晶太赫兹波片of3324反射式液晶THz波片原理：如图10.22所示，上层为金属线栅，下层为金属背板，中间层为液晶材料。在反射式结构中利用上层基板金属线栅透过横磁波（TM）而反射横电波（TE）的特性，让入射太赫兹波与线栅成45，一半TE偏振分量直接反射；一半TM偏振分量透过，并经过下层基板上的
15、金属背板反射后出射，比直接反射的TE波多走一段光程，这段光程为2/n2d，其中为入射太赫兹波的波长，n为盒内液晶的折射率，d为元件的液晶层厚度，产生的相位差正比于液晶的折射率。相对于透射式结构来说，反射式结构产生的相位差正比于折射率n而不是双折射n，因此想要达到相同的相位调制量的情况下反射结构要比透射结构的盒厚小很多，因而具有响应速度快，太赫兹出射效率高以及驱动电压低优势。图10.22 反射式太赫兹液晶可调波片示意图第十章 液晶光通信与太赫兹调控元件10.1.2 独立液晶光通信元件of332510.2.1 液晶太赫兹元件概述习题10.2.3 液晶太赫兹波片10.2.4 液晶太赫兹滤波器10.2
16、.5 液晶可调太赫兹吸收器10.2.2 太赫兹相移器第十章液晶光通信与太赫兹调控元件10.1.1 光通信器件背景及应用10.2.4 液晶太赫兹滤波器of3326液晶THz里奥滤波器它由两个独立的液晶盒和三个偏振片组成，如图10.23所示。每个液晶盒包含固定延迟器和可调延迟器两部分。固定延迟器的液晶均一取向，产生固定的相位延迟量。可调延迟器放置在磁场中，液晶垂直取向，可以通过控制磁场方向来改变液晶指向矢，从而改变相位延迟量。该结构能够实现0.388-0.564 THz之间的通带连续调控。但磁场调控元件体积大，不利于元件的小型化和集成化，后续需要开发采用电调方式。图10.23 磁调控液晶太赫兹里奥
17、滤波器结构示意图第十章 液晶光通信与太赫兹调控元件10.2.4 液晶太赫兹滤波器of3327基于磁调液晶位相延迟片的索尔克滤波器图10.24 磁调控液晶太赫兹索尔克滤波器示意图与超材料相结合的THz滤波器（a）上层金属结构阵列单元；（b）整体结构示意图图10.25利用聚合物分散液晶材料作为调控介质的太赫兹滤波器示意图第十章 液晶光通信与太赫兹调控元件10.2.4 液晶太赫兹滤波器of3328（a）谐振单元结构；（b）整体结构图；（c）样品照片图10.26超材料液晶可调滤波器示意图（a）结构单元示意图；（b）电场强度示意图；（c）和（d）分别为加电和撤电状态下液晶的偏转情况图10.27“S”形结
18、构阵列液晶超材料滤波器示意图第十章 液晶光通信与太赫兹调控元件10.2.4 液晶太赫兹滤波器of3329图10.28 叉指电极驱动液晶太赫兹滤波器示意图（a）元件结构示意图；（b）该元件透射率响应随外界温度的变化曲线图10.29 类法布里-帕罗太赫兹滤波器示意图第十章 液晶光通信与太赫兹调控元件10.1.1 光通信器件背景及应用10.1.2 独立液晶光通信元件of333010.2.1 液晶太赫兹元件概述习题10.2.3 液晶太赫兹波片10.2.4 液晶太赫兹滤波器10.2.5 液晶可调太赫兹吸收器10.2.2 太赫兹相移器第十章液晶光通信与太赫兹调控元件10.2.5 液晶可调太赫兹吸收器of3
19、331太赫兹超材料吸收器自从问世以来就十分引人瞩目，其在各领域具有着很多潜在应用，比如热发射，能量吸收，传感以及空间光调控等等。太赫兹超材料吸收器的结构通常是上下两层金属结构，中间为介质层，太赫兹电磁波能量吸收由金属在太赫兹电场下产生等离子体振荡引起的谐振损耗和中间介质层的吸收损耗共同承担。尽管超材料吸收器有着很多独特的性质，但一般超材料的共振特性都只局限在一个比较窄而有限的频段，如何人为设计宽带吸收、多带吸收且具有吸收带可调谐性的吸收器是当今研究领域的一大热点。液晶作为一种外场可调的双折射介质材料，在这一领域有着很好的应用潜力。（a）吸收器结构示意图；（b）结构单元示意图；（c）加偏压和未加
20、偏压下液晶的偏转情况；（d）太赫兹入射时超材料结构单元电场分布图图10.30 电调液晶超材料吸收器第十章 液晶光通信与太赫兹调控元件10.2.5 液晶可调太赫兹吸收器of3332（a）和（b）为结构示意图；（c）太赫兹入射时超材料结构单元电场分布图；（d）加偏压和未加偏压下吸收峰的变化情况图10.31基于金属圆片阵列的太赫兹超材料可调吸收器示意图图10.32 填充大双折射液晶的太赫兹可调吸收器第十章 液晶光通信与太赫兹调控元件习题：1.液晶光通信元件相较一般的光通信元件有哪些优势，请简述回答。2.目前基于液晶的光开关有哪几种，主要的工作原理是什么？你认为液晶光开关与现有的光开关元件相比有哪些优
21、缺点？3.除了本章介绍的几种液晶光通信元件外，你还能想到哪些可以借助液晶体系来实现？如何实现？4.你觉得基于液晶的光通信器件还有哪些地方值得改进？如何改进？请简要阐述。5.目前的液晶THz元器件主要分为哪几类，请列举出三种并简单阐释原理。6.在THz波段应用液晶材料相比于可将光波段有哪些优势和劣势，请简要阐述。7.对于THz光场进行调控主要包括对THz波前的振幅、相位和偏振态的调控，除了利用液晶THz元器件外你还能想到哪些其他的调控手段，请列举两种并简单阐释原理。8.对于可调THz超材料来说，除了液晶材料外还有一些其他材料可用于超材料可调谐性的研究，例如超导材料、二维材料、相变材料、半导体材料等等。液晶材料相对于这些材料的优势和劣势有哪些？
