一种基于正交液晶的可调谐光滤波器的制作方法

本实用新型涉及一种基于正交液晶的可调谐光滤波器,属于光通信、光电子器件的技术领域。

背景技术：

可调谐光滤波器是智能化光网络中的一种重要的光无源器件，是光纤通信系统中的关键部件，并广泛应用于波分复用系统(简称WDM/DWDM)的解波分复用阶段。现有的可调谐光滤波器有机械型F-P腔型滤波器，声光可调谐滤波器，介质膜干涉滤波器，微环滤波器，马赫曾德尔滤波器，AWG(阵列波导)型等。其中，机械型可调谐光滤波器发展最成熟,但是,其体积大,结构复杂,难以集成。近年来利用微机械技术制造的可调谐光滤波器具有体积小、重量轻、能耗小等优点,但其在抗击机械摩擦、磨损或震动等方面存在不足之处,响应速度也不快。而其它类型可调谐光滤波器普遍存在结构复杂、插入损耗大、响应速度慢的问题,而且技术尚不成熟,因此商用产品极少。

目前国内、外有一些关于液晶的可调谐光滤波器的研究报道。但是存在调谐范围小，调谐带宽不够宽等问题。

技术实现要素：

本实用新型旨在提出一种基于正交排列的液晶可调谐光滤波器，以解决现有滤波器结构复杂，响应速度慢，调谐范围小的缺点。利用电压的变化控制液晶腔的折射率变化，进而改变腔内的光程差，从而实现光滤波器的可变滤波调节。将两个液晶腔级联可以有效改善滤波器的波形，提升波形边沿的陡峭度和顶部的平坦度。

本实用新型技术方案如下。

一种基于正交液晶的电控可调谐光滤波器，包括三层结构，从上到下依次为盖板层、透明光波导层和平板基底层；

盖板层上设置有铜棒，所述铜棒穿过盖板层；

透明光波导层包括导电玻璃、全反射膜和液晶单元，所述液晶单元包括两组液晶腔，分别为第一液晶腔和第二液晶腔，第一液晶腔和第二液晶腔内均包括排列方向互相垂直的两组液晶，导电玻璃与液晶间隔放置；铜棒连接导电玻璃。

透明光波导层还包括半反射膜和光波导；半反射膜包括第一半反射膜和第二半反射膜；光波导包括第一光波导和第二光波导，所述第一光波导和第二光波导互相垂直，第一半反射膜设置在第一光波导和第二光波导连接处，第一半反射膜平分第一光波导和第二光波导的夹角，第二半反射膜设置在第二液晶腔的一端。

透明光波导层为方形透明光波导层，即方形透明光波导层为矩形，第一光波导和第二光波导分别平行于方形透明光波导层的两个相交侧面设置，第一光波导设置在方形透明光波导层距离左侧边沿占方形透明光波导层的长边的1/3-1/2处，第二光波导设置在方形透明光波导层的宽边的中位线处。

全反射膜包括第一全反射膜和第二全反射膜，其中第一全反射膜设置在第一光波导(纵向光波导)的上端，第二全反射膜设置在第二光波导(横向光波导)靠近液晶的一端。

第二液晶腔是由反射膜构成的液晶腔，作用是提供光学正反馈，并且可以限制第二全反射膜(被反射膜)反射的光波的频率及光强，从而获得更好的干涉效果。

所述盖板层的下表面与透明光波导层的上表面，透明光波导层的下表面与平板基底层的上表面都是通过等离子辅助键合方式连接。

光波导与透明光波导层的折射率取值均为[1.45,1.48]。

全反射膜和半反射膜的面积都小于等于250mm²，能够很好地涂覆在光波导端面处。

本实用新型有益效果包括：

1.本实用新型将液晶技术应用于现代光通信技术中,本实用新型结构简单、体积小、可集成、响应速度快、成本低、可操控性好、滤波范围大、插入损耗小的优点,易转化为产品, 具有重要的技术价值与较好的应用前景。

2.本实用新型基于双层正交液晶非偏振相关技术,不仅可用于所实用新型的可调谐光滤波器,还可以用于其它光通信器件,有助于光通信的发展。

3.在滤波器中加入两个相互垂直的液晶，消除入射光的偏振状态对滤波效果的影响。

4.针对目前光学滤波器中的结构复杂、响应速度慢、稳定性不够好的问题,提出电控液晶光滤波器,可以解决上述问题。

5.本实用新型可以通过改变半反射膜反射率的大小获得不同的滤波效果

6.本实用新型滤波范围、回波损耗等优于目前的一般可调谐光滤波器,具有良好的操控性,滤波效果好、响应快、插入损耗小且结构简单、体积小、易制作、可集成。

附图说明

图1是本实用新型一种基于正交液晶的可调谐光滤波器结构示意图；

图2为透明波导层工作原理示意图；

图3为本实施例设置仿真得到的输出光谱，选取液晶材料为E44；当电压增大时，输出光谱的中心波长会向短波方向移动；

附图标记：1上层盖板层；2透明波导层；3、4、5、14、15、16铜棒；6导电玻璃；7 第一全反射膜；8液晶；9第一半反射膜；10第二半反射膜；11光波导；12第二全反射膜； 13平板基底层。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本实用新型技术方案作进一步的详细描述，以使本领域的技术人员可以更好的理解本实用新型并能予以实施，但所举实施例不作为对本实用新型的限定。

如图1所示，一种基于正交液晶的电控可调谐光滤波器，包括三层结构，从上到下依次为盖板层1、透明光波导层2和平板基底层13；

盖板层1上设置有铜棒，所述铜棒穿过盖板层1；

透明光波导层2包括导电玻璃6、全反射膜7、12和液晶单元，所述液晶单元包括两组液晶腔，分别为第一液晶腔和第二液晶腔，第一液晶腔和第二液晶腔内均包括排列方向互相垂直的两组液晶8，导电玻璃6与液晶8间隔放置；铜棒连接导电玻璃6；在外部电源的驱动下，铜棒3、4、5以及14、15、16将电流导入导电玻璃6，调整电源电压的大小，可以改变液晶8的折射率。

排列方向互相垂直的两个液晶，一个液晶垂直于纸面方向，另一个液晶平行于纸面方向，以确保光束通过液晶腔时，不会因为入射光振动方向的不同导致光束经过液晶腔后损失的光能不同。

由于液晶正交排列，任意一束入射光都可以被分解为振动方向互相垂直的两束线偏振光s和p。s光和p光的方向分别与正交液晶排列的方向相同，那么s光相对于第一个液晶为非寻常光，相对于第二个液晶为寻常光，总光程为(no+ne)d，同理p光相随于第一个液晶为寻常光，相对于第二个液晶为非寻常光。因此s光与p光的总光程相同。即入射光经过正交液晶后偏振方向不会发生改变。第一组液晶腔用于调节中心波长，第二组液晶腔用于提高波形顶部的平坦度和边沿的陡峭度。

透明光波导层2还包括半反射膜9、10和光波导11；半反射膜9、10包括第一半反射膜9和第二半反射膜10；光波导11包括第一光波导和第二光波导，所述第一光波导和第二光波导互相垂直，第一半反射膜9设置在第一光波导和第二光波导连接处且与第一光波导和第二光波导的方向的夹角均为45°，第二半反射膜10设置在第二液晶腔的一端；

透明光波导层2为方形透明光波导层，即方形透明光波导层为矩形，第一光波导和第二光波导分别平行于方形透明光波导层的两个相交侧面设置，第一光波导设置在方形透明光波导层距离左侧边沿占方形透明光波导层的长边的1/3-1/2处，第二光波导设置在方形透明光波导层的宽边的中位线处。本实施例方形透明光波导层长6cm-7cm，宽5cm-6cm，第二光波导设置在方形透明光波导层距离左侧边沿2cm-3.5cm处。

全反射膜7、12包括第一全反射膜7和第二全反射膜12，其中第一全反射膜7设置在第一光波导导(纵向光波导)的上端，第二全反射膜12设置在第二光波导(横向光波导) 靠近液晶的一端。

第二液晶腔是由反射膜构成的液晶腔，作用是提供光学正反馈，并且可以限制第二全反射膜12(被反射膜)反射的光波的频率及光强，从而获得更好的干涉效果。

所述盖板层1的下表面与透明光波导层2的上表面，透明光波导层2的下表面与平板基底层13的上表面都是通过等离子辅助键合方式连接。

光束入射后，一部分光被第一半反射膜9反射，从第一全反射膜7被全反射，另外一部分光透过第二半反射膜10后经过一组互相垂直的液晶，再经过由两个互相垂直的液晶和反射膜组成的液晶腔，最后被第二全反射膜12反射原路返回。在两组液晶的共同作用下由于干涉效应滤出不同波长的光，实现连续可调谐的功能。

所述光波导11与透明光波导层2的折射率取值均为[1.45,1.48]。

所述全反射膜7、12和半反射膜9、10的面积都小于等于250mm2，能够很好地涂覆在光波导端面处。

铜棒用于将导电玻璃6连接外部电源；铜棒为六根，如图1所示，附图标记分别为3、 4、5、14、15和16；铜棒3、4、5、14、15和16将电流导入导电玻璃6，调整电源电压的大小，可以改变液晶8的折射率。

导电玻璃6与液晶8间隔放置，导电玻璃6和液晶8以导电玻璃——液晶——导电玻璃——液晶——导电玻璃的次序构成的。全反射膜7、12包括第一全反射膜7和第二全反射膜12，其中第一全反射膜7设置在纵向光波导的上端，第二全反射膜12设置在横向光波导端。所述液晶腔包括两个排列方向互相垂直的液晶，能够避免偏振方向对滤出波形的影响。

第二液晶腔是由反射膜构成的液晶腔。作用是提供光学正反馈，并且可以限制被反射膜12反射的光波的频率及光强，从而获得更好的干涉效果。

所述盖板层1的下表面与透明光波导层2的上表面，透明光波导层2的下表面与平板基底层13的上表面都是通过等离子辅助键合方式连接。

所述光波导11与透明光波导层2的折射率取值均为[1.45,1.48]。

所述全反射膜7、12和半反射膜9、10的面积都小于等于250mm²，面积小，能够很好地涂覆在光波导端面处。

如图2所示，本发明的工作原理为：入射光首先半反射膜分束器分成两束光，其中一束光被第一半反射膜9反射，经过一定距离后再被第一全反射膜7反射回来，另外一束光透过第二半反射膜10后先经过第一个正交液晶组，然后再经过第二个正交液晶组即液晶腔，最后被第二全反射膜12反射原路返回，经过第二半反射膜10的反射后，两束光形成干涉，产生滤波效果。当不加电压时，液晶分子的指向矢平行于方形透明光波导层，而当施加于液晶两端的电压超过液晶的阈值电压后，在电场的作用下，液晶的指向矢开始朝电场方向转动，当电压足够大时，液晶指向矢平行于电场方向，在这个过程中，由于指向矢与入射光方向的夹角不断减小，导致液晶的有效折射率随电压的增加而改变，从而使得腔和液晶组的有效光程发生变化，不再是固定数值。因此改变施加在铜棒上的电压，便可以调节两组液晶的折射率，从而改变液晶的实际光程和液晶腔的输出波长，调节输出光谱的中心波长。

图3为本实施例设置仿真得到的输出光谱，选取液晶材料为E44。当电压增大时，输出光谱的中心波长会向短波方向移动。

以上仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。