液晶光涡旋解复用器及制作方法与流程

本发明涉及光通信领域，尤其是涉及一种液晶光涡旋解复用器及制作方法。

背景技术：

目前，光通信早已成为信息网络中最为主要的传输手段。为了满足人类与日俱增对信息量的需求，光通信领域不断涌现新的技术，其中将光的各种自由度以及特性进行复用的技术是光通信中的核心关键。其中，利用一组相互正交的空间模式的模分复用技术也被广泛应用于自由空间和光纤通信中，这种技术中独立信号通道内同轴传播具有相同频率的空间重叠模式，不同模式之间相互正交互不干扰，以此来提高光路的频谱效率和信息容量，这些参数与传输的模式数量成比例。在包括光的频率、偏振、强度等正交模集中，光子轨道角动量为光提供了一个高维的状态空间，能显著提高光通信中的信息容量。而具有轨道角动量的光束呈现出一个特征方位角相位项exp(ilφ)，即φ为与传播方向垂直的平面上的方位角坐标以及l为每个光子以为单位的轨道角动量。由于携带轨道角动量光束具有螺旋形等相位面，所以也被称之为光涡旋。基于光子轨道角动量的模分复用技术中最重要的两个阶段是光涡旋的复用阶段和解复用阶段，即如何在输出端形成准直正交的光涡旋模式，以及如何在传播之后根据它们在接收器处的轨道角动量信息对它们进行解复用识别。

而通过电子束光刻或3d激光打印制造的衍射光学元件容易给器件带来静电损耗和相位变化不均匀等缺点。螺旋坐标转换被应用于解复用器的相位设计，但是该方案通过由两个空间光调制器来实现，以致器件集成精度不够，且有低分辨率和高噪声等缺点。

技术实现要素：

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种液晶光涡旋解复用器，能够解决器件无法完全平行、同轴进而造成解复用器件和相位校正组件对光涡旋校正精度不足的技术问题。

本发明还提出一种液晶光涡旋解复用器的制作方法。

第一方面，本发明的一个实施例提供了液晶光涡旋解复用器：第一透明基板，用于透射调制光线；

第一取向层，设置于所述第一透明基板一侧；

液晶层，设置于所述第一取向层远离所述第一透明基板一侧；

第二取向层，设置于所述液晶层远离所述第一取向层一侧；

第二透明基板，设置于所述第二取向层远离所述液晶层一侧；

所述液晶层包括取向区域和非取向区域，所述取向区域包括相位校正区域和解复用区域。

本发明实施例的液晶光涡旋解复用器至少具有如下有益效果：具备螺旋坐标转换的低串扰、光斑清晰和光斑重叠少，取向区域具有高分辨率且无机械损害，并且在同一器件中设置相位校正区域和解复用区域以避免由于分别设置解复用器件和相位校正器件，而两者无法完全平行、同轴进而造成解复用器件和相位校正组件对光涡旋校正精度不足。

根据本发明的另一些实施例的液晶光涡旋解复用器，所述相位校正区域设置于所述取向区域的中心区域；

所述解复用区域设置于所述取向区域的边缘区域，并围绕所述液晶层。

根据本发明的另一些实施例的液晶光涡旋解复用器，所述第一透明基板与所述第二透明基板之间设有支撑结构。

根据本发明的另一些实施例的液晶光涡旋解复用器，所述第一透明基板、所述第二透明基板的材质包括氧化铟锡。

第二方面，本发明的一个实施例提供了一种液晶光涡旋解复用器的制作方法，包括：

设置第一透明基板，用于透射调制光线；

在所述第一透明基板一侧设置第一取向层；

在所述第一取向层远离所述第一透明基板一侧设置液晶层；

在所述液晶层远离所述第一取向层一侧设置第二取向层；

在所述第二取向层远离所述液晶层一侧设置第二透明基板；

在所述液晶层中设置取向区域和非取向区域，在所述取向区域中设置相位校正区域和解复用区域。

本发明实施例的液晶光涡旋解复用器的制作方法至少具有如下有益效果；在同一器件中设置相位校正区域和解复用区域以避免由于分别设置解复用器件和相位校正器件，而两者无法完全平行、同轴进而造成解复用器件和相位校正组件对光涡旋校正精度不足。

根据本发明的另一些实施例的液晶光涡旋解复用器的制作方法，将所述相位校正区域设置于所述取向区域的中心区域；

将所述解复用区域设置于所述取向区域的边缘区域，并围绕所述相位校正区域。

根据本发明的另一些实施例的液晶光涡旋解复用器的制作方法，所述相位校正区域为螺旋分布。

根据本发明的另一些实施例的液晶光涡旋解复用器的制作方法，所述解复用区域为对称分布。

附图说明

图1是本发明实施例中液晶光涡旋解复用器的结构示意图；

图2是图1中液晶光涡旋解复用器的优化设计系统示意图；

图3a-图3c是本发明实施例中液晶光涡旋解复用器中的液晶层取向区域示意图。

附图标记，10、第一透明基板；20、第一取向层；30、液晶层；40、第二取向层；50、第二透明基板；31、支撑结构；32、取向区域；311、相位校正区域；312、解复用区域；61、控制器；62、数字微镜片阵列；63、激光器；64、分束器；65、偏振片；66、缩束物镜。

具体实施方式

以下将结合实施例对本发明的构思及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，如果涉及到方位描述，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。如果某一特征被称为“设置”、“固定”、“连接”、“安装”在另一个特征，它可以直接设置、固定、连接在另一个特征上，也可以间接地设置、固定、连接、安装在另一个特征上。

在本发明实施例的描述中，如果涉及到“若干”，其含义是一个以上，如果涉及到“多个”，其含义是两个以上，如果涉及到“大于”、“小于”、“超过”，均应理解为不包括本数，如果涉及到“以上”、“以下”、“以内”，均应理解为包括本数。如果涉及到“第一”、“第二”，应当理解为用于区分技术特征，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

参照图1，图1示出了本发明实施例中一种液晶光涡旋解复用器的结构示意图。如图1所示，一种液晶光涡旋解复用器，包括：第一透明基板10，用于透射调制光线；第一取向层20，设置于第一透明基板10一侧；液晶层30，设置于第一取向层20远离第一透明基板10一侧；第二取向层40，设置于液晶层30远离第一取向层20一侧；第二透明基板50，设置于第二取向层40远离液晶层30一侧；液晶层30包括取向区域和非取向区域，取向区域包括相位校正区域311和解复用区域312。取向区域

相位校正区域311设置于取向区域的中心区域；解复用区域312设置于取向区域的边缘区域，并围绕相位校正区域311。

第一透明基板10与第二透明基板50之间设有支撑结构31。

第一透明基板10、第二透明基板50的材质包括氧化铟锡。

液晶层30中取向区域位置，可设置于液晶层30的中心区域，非取向区域则位于液晶层30的边缘区域，非取向区域包围取向区域。

以下对上述实施例中的液晶光涡旋解复用器原理作进一步解释。

液晶为各向异性材料，其具有双折射特性。当光束通过液晶器件时，光束会产生特定的相位延迟。当相位延迟满足半波条件时，光束的几何相位(也称为pancharatnam-berry相位)可以通过液晶器件的相位分布进行调制。

由于常规的解复用器件和相位校正器件的相位分布复杂，故对应器件的分辨率要求较高，且在实际应用过程中解复用器件、相位校正器件无法保证完全平行、同轴对齐。

基于光涡旋光斑呈环形强度分布的特点，上述实施例将解复用器件、相位校正器件进行复合设计以制作液晶光涡旋解复用器。该液晶光涡旋解复用器具有相位校正区和解复用区，以通过同一器件对光束分别进行相位校正及解复用。

而通过琼斯矩阵计算可精确有效地分析相位调制的衍射特性。对于具有常数α(即液晶分子的光轴与入射光偏振矢量之间的角度)的液晶解复用器件(液晶半波片)，琼斯矩阵为：

α为固定常数，即液晶解复用器件中的液晶分子排布方向完全相同，以使入射光束的线性偏振矢量旋转角度为2α。由于液晶分子取向变化曲线的自然平滑，当使用二维函数α(x,y)代替常数α时，液晶分子分布被图案化并能够调制光束的几何相位。因此，在液晶光涡旋解复用器中设置解复用区，并应用基于螺旋转换的解复用器相位函数，可制备具有高效率和强解复用性能的液晶光涡旋解复用器。

与将圆映射为平行线的对数极坐标转换不同，螺旋转换通过螺旋到线型的映射，以扩展输入轨道角动量的周期相位，为输出光的波前提供n倍的相位偏移。

通过对数螺旋(其中a>0，s为任意整数)导出的液晶光涡旋解复用器的相位函数如下：

式中，a、β为标度参数，为光束的波矢量。而r为半径坐标，θ为角坐标，以表示对数螺旋线位置的极坐标，因此θ域值不限于[0,2π)。

极坐标(r,θ)与笛卡尔坐标(x,y)的关系为：

r＝(x²+y²)^1/2，θ＝θ0+2mπ(3)

其中，θ0是标准极坐标，可表示为整数m表示螺旋线的序数，可以表示为：

r0表示螺旋线的点θ＝0映射到输出平面上的(0,0)的距离。

在输入平面的解复用区域上的相位函数是在光束传播距离d后，将输入平面的旋涡相位映射到线性相位所需的相位。(u,v)是输出平面上的笛卡尔坐标，相位校正区域放置在距离解复用组件d这个平面上以校正由传播引起的相位畸变。相位校正区域的相位函数如下：

光涡旋首先通过解复用区域(而相位校正区域的输入强度为零)，然后光束被镜子反射并照射液晶光涡旋解复用器的相位校正区域。因此，取向区域的总相位函数是方程(2)和(5)中相位函数的组合，如下式所示：

αsum＝α(x,y)θ(ρ-ρ1)+α(u,v)θ(ρ1-ρ)(6)

ρ为相位校正区的半径，并且θ是赫维赛德函数(对于x>0,否则θ(x)＝0)。

请参阅图3a-图3c,为液晶光涡旋解复用器中液晶层取向区域的相位分布图。取向区域包括相位校正区域、解复用区域，其中相位校正区域设置于液晶层取向区域的中心区域，解复用区域设置于液晶层取向区域的边缘区域，并围绕相位校正区域。

解复用区域用于对光涡旋进行解复用，相位校正区域用于对解复用后的光涡旋进行相位校正。

请再参照图1，本发明实施例还提供一种液晶光涡旋解复用器的制作方法，包括：设置第一透明基板10，用于透射调制光线；在第一透明基板10一侧设置第一取向层20；在第一取向层20远离第一透明基板10一侧设置液晶层30；在液晶层30远离第一取向层20一侧设置第二取向层40；在第二取向层40远离液晶层30一侧设置第二透明基板；在液晶层30中设置取向区域和非取向区域，在液晶层30的取向区域中设置相位校正区域311和解复用区域312。

将相位校正区域311设置于液晶层30取向区域的中心区域；将解复用区域312设置于液晶层30取向区域的边缘区域，并围绕相位校正区域311。

相位校正区域311为螺旋分布；解复用区域为对称分布。

请参阅图2，通过在第一取向层20、第二取向层40之间预设支撑结构31，以预先设置中空夹层。通过对中空夹层进行填充液晶，以在第一取向层20、第二取向层40之间设置液晶层30。在液晶层30中设置相位校正区域311和解复用区域312，具体方式为微镜阵微缩投影曝光系统对第一取向层20、第二取向层40进行取向，以对第一取向层20、第二取向层40进行图案化。在对第一取向层20、第二取向层40进行图案化后，对中空夹层填充液晶，以液晶层30中的取向区域32形成相位校正区域311(参照图3c)、解复用区域312(参照图3c)的预设图案。

基于光涡旋光斑呈环形强度分布的特点，上述实施例将解复用器件、相位校正器件进行复合设计以制作液晶光涡旋解复用器，该液晶光涡旋解复用器具有相位校正区和解复用区，以通过同一器件对光束分别进行相位校正及解复用。

请参阅图2、图3a至图3c，在液晶层30取向区域中设置相位校正区域311和解复用区域312，具体方式为微镜阵微缩投影曝光系统对第一取向层20、第二取向层40进行取向，以对第一取向层20、第二取向层40进行图案化。第一取向层20、第二取向层40之间预设有支撑结构31，以在两者之间预先设中空夹层。

在对第一取向层20、第二取向层40进行图案化后，对中空夹层填充液晶，以液晶层30中的取向区域32形成相位校正区域311、解复用区域312的预设图案。

通过控制器61根据预设图案信息对数字微镜片阵列62中的微镜片进行调制，以使数字微镜片阵列62表面形成预设图案。激光器63产生激光光束，激光光束入射至分束器64，并被部分反射至数字微镜片阵列62表面，以形成携带有预设图案信息的激光光束。携带有预设图案信息的激光光束在微镜片阵列62表面发生反射，并反向传播至偏振片65。偏振片65对携带有预设图案信息的激光光束的偏振态进行调制以形成目标调制光束。缩束物镜66对目标调制光束进行聚焦处理，以使目标调制光束的汇聚光束横跨第一光取向层10和第二光取向层40，并同时对第一光取向层10和第二光取向层40的取向图案进行调制。

基于光涡旋光斑呈环形强度分布的特点，上述实施例将解复用器件、相位校正器件进行复合设计以制作液晶光涡旋解复用器，该液晶光涡旋解复用器具有相位校正区和解复用区，以通过同一器件对光束分别进行相位校正及解复用。

而通过琼斯矩阵计算可精确有效地分析相位调制的衍射特性。对于具有常数α(即液晶分子的光轴与入射光偏振矢量之间的角度)的液晶解复用器件(液晶半波片)，琼斯矩阵为：

α为固定常数，即液晶解复用器件中的液晶分子排布方向完全相同，以使入射光束的线性偏振矢量旋转角度为2α。由于液晶分子取向变化曲线的自然平滑，当使用二维函数α(x,y)代替常数α时，液晶分子分布被图案化并能够调制光束的几何相位。因此，在液晶光涡旋解复用器中设置解复用区，并应用基于螺旋转换的解复用器相位函数，可制备具有高效率和强解复用性能的液晶光涡旋解复用器。

与将圆映射为平行线的对数极坐标转换不同，螺旋转换通过螺旋到线型的映射，以扩展输入轨道角动量的周期相位，为输出光的波前提供n倍的相位偏移。

通过对数螺旋(其中a>0，s为任意整数)导出的液晶光涡旋解复用器的相位函数如下：

式中，a、β为标度参数，为光束的波矢量。而r为半径坐标和θ为角坐标，以表示对数螺旋线位置的极坐标，因此θ域值不限于[0,2π)。极坐标(r,θ)与笛卡尔坐标(x,y)的关系为：

r＝(x²+y²)^1/2，θ＝θ0+2mπ(3)

其中，θ0是标准极坐标，可表示为整数m表示螺旋线的序数，可以表示为：

r0表示螺旋线的点θ＝0映射到输出平面上的(0,0)的距离。

在输入平面的解复用区域上的相位函数是在光束传播距离d后，将输入平面的旋涡相位映射到线性相位所需的相位。(u,v)是输出平面上的笛卡尔坐标，相位校正区域放置在距离解复用组件d这个平面上以校正由传播引起的相位畸变。相位校正区域的相位函数如下：

光涡旋首先通过解复用区域(而相位校正区域的输入强度为零)，然后光束被镜子反射并照射液晶光涡旋解复用器的相位校正区域。因此，这种紧凑配置的总相位函数是方程(2)和(5)中相位函数的组合，如下式所示：

αsum＝α(x,y)θ(ρ-ρ1)+α(u,v)θ(ρ1-ρ)(6)

ρ为相位校正区的半径，并且θ是赫维赛德函数(对于x>0,否则θ(x)＝0)。

上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。此外，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。