基于偏振特性的液晶光開關(guān)原理研究

      作為檢測氣象的儀器，小型氣象站一般被安置在野外等空曠的環(huán)境中，這樣才可以更準確的統(tǒng)計氣象數(shù)據(jù)，有時候我們需要專門檢測夜間的數(shù)據(jù)，或者是專門統(tǒng)計白天的數(shù)據(jù)，如果我們每天都去打開關(guān)閉小型氣象站，將會增加很大的工作量，也會浪費很多的人力物力，因為小型氣象站一般不僅僅只有一臺，光控制功能也就是在這樣的情形下應(yīng)運而生，下面就為你介紹一下小型氣象站中液晶光控制原理的實現(xiàn)。
      小型氣象站中的光開關(guān)器件是光通訊網(wǎng)絡(luò)中的重要器件，其主要功能是轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)的信道，以實現(xiàn)光信號的交換或網(wǎng)絡(luò)的自愈保護。對光開關(guān)的要求是插入損耗小，串音低，開關(guān)速度快，開關(guān)功耗小，重復(fù)性好，壽命長，結(jié)構(gòu)小型化和操作方便等。目前實用的光開關(guān)器件大都采用機械控制的方法。這類器件存在著以下主要的缺點：一是響應(yīng)速度較慢，一般很難快于10ms；二是體積較大，不利于系統(tǒng)的集成化；三是運動部件壽命有限。
　　小型氣象站的液晶開關(guān)技術(shù)以其開關(guān)能量低，響應(yīng)速度較快，可靠性好，以及沒有移動的機械結(jié)構(gòu)而具有很大優(yōu)勢。另外，液晶材料在紅外波段有低吸收損耗，因而可應(yīng)用于C和L波段。利用液晶調(diào)制器做光開關(guān)的優(yōu)點已經(jīng)有過介紹。液晶調(diào)制器沒有移動的機械結(jié)構(gòu)，它通過操作偏振來路由光信號，這樣的固態(tài)的裝置。液晶盒需要的控制電壓和電流低，因而，相對于機械光開關(guān)他們損耗的功率低。液晶開關(guān)已經(jīng)有1×2，1×8，2×2上路/下路和8×8上路/下路開關(guān)。這些開關(guān)同一些其他的固態(tài)（沒有機械移動）開關(guān)比，有低的插入損耗、偏振依賴損耗和溫度依賴損耗并且有低的偏振模色散和較寬的工作光譜范圍。同機械光開關(guān)比，同時具有較快的開關(guān)速度和較小尺寸。

　　基于PBS液晶光開關(guān)工作原理圖2是1×2液晶光開關(guān)的概圖。輸入端的雙折射片控制光的偏振態(tài)到設(shè)計的方向。不應(yīng)用偏置，激光將通過液晶盒和同偏振方向的偏振分束器。通過調(diào)整液晶空間調(diào)制器的電壓，液晶分子旋轉(zhuǎn)通過激光的偏振。用一個足夠的電壓，激光的偏振旋轉(zhuǎn)到垂直的方向。此時偏振分束器反射激光到另一個輸出端口。
　　液晶M－Z方向耦合器開關(guān)M－Z方向耦合器開關(guān)，是現(xiàn)代光通訊網(wǎng)絡(luò)的基本器件。在單模M－Z方向耦合器開關(guān)中，相干涉的兩個臂由兩個相似的單模光纖構(gòu)成。圖3所示，在光纖的端頭處由兩個3dB的耦合器構(gòu)成。通常為了精確調(diào)整臂長，還引入一個調(diào)整延時線。調(diào)整臂長的另一種方法是使用成束的多芯光纖和相應(yīng)的設(shè)備（多芯連接器和耦合開關(guān)）來應(yīng)用干涉。這種方案的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)緊湊，對環(huán)境壓力和振動不敏感，并且干涉臂是天然平衡的。然而，他需要完全等于3dB的多芯光纖耦合開關(guān)。下面的討論中，我們假定干涉臂是完全平衡的（也就是，他們長度完全相等并且傳播常數(shù)也完全相同）。
　　對小型氣象站的M－Z方向耦合器開關(guān)來說，第二個非常重要的因素就是光電材料能夠在兩個臂實現(xiàn){0，π}二進制相移。在一些可選的方案中，液晶由于同傳統(tǒng)的電光材料相比（如，GaAs，LiNbO3）有高的電光效應(yīng)，從而避免長干涉長度而更具吸引力。同時，他們在技術(shù)上同光纖兼容，盡管他們的開關(guān)速度不是很快。然而，最近的研究表明，使用鐵電液晶材料（FLC）會提高開關(guān)速度，從而使得這個設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)安全和維護上具有競爭力。這種方案通常是偏振敏感的，這是在通信領(lǐng)域中的缺點，因為在光的傳輸過程中控制偏振方向是困難的。但最近的研究方案建議使用大傾斜FLC材料作為半波片，這種材料對于偏振非常敏感的，能實現(xiàn)純粹的二進制{0，π}相位延遲，以實現(xiàn)輸出的選擇。
　　光開光在小型氣象站的農(nóng)業(yè)儀器領(lǐng)域中占有十分重要的地位，是全光網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵部件，液晶光開關(guān)以其響應(yīng)速度快，損耗小等優(yōu)勢將會在未來的光通訊領(lǐng)域占有非常中的地位。