一种基于液晶包层平板波导的主动式偏振转换器

本发明涉及一种基于液晶包层平板波导的主动式偏振转换器，属于主动式偏振转换器。

背景技术：

1、与电子学的路线类似，光子学也朝着小型化和集成化的方向发展。在集成光学中，光波导是集成光学器件的基础。然而，高折射率对比和平面几何结构使光波导中的横电模式偏振光和横磁模式偏振光的传输存在很大差异，给系统带来了额外的偏振损耗。研发光电芯片上高度集成的偏振转换器是解决这一问题的有效途径。

2、模式耦合技术是实现偏振转换器的主要技术之一。其中，以依赖于各项异性薄膜材料的非对角张量实现模式之间转换的方式由于制备简单、成本低等优点得到了大量的研究，以电光材料薄膜为基础的器件可以主动调整偏振状态的转换程度，显示出了巨大的应用前景。然而，由于传统电光材料如铌酸锂、磷化铟等的电光响应小，故以铌酸锂材料制备的主动式偏振转换器的驱动电压在百伏以上，较大的驱动电压限制了其应用。虽然，也有采用铌酸锂、磷化铟等薄膜材料的改进研究，降低了驱动电压并实现了对偏振转换进行主动控制，但由于其较弱的各向异性，电极通常要设计成周期结构来实现高的转换效率，这引入了额外的界面损耗，极大降低了器件的能量利用率。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中基于传统电光材料制备的主动式偏振转换器存在的能量利用率低的问题，本发明提出了一种基于液晶包层平板波导的主动式偏振转换器。该主动式偏振转换器利用液晶材料的大电光系数、较强的各向异性的特点，可以在较低的驱动电压以及较高的能量利用率的条件下实现对偏振转换的动态控制。

2、本发明为解决技术问题所采用的技术方案如下：

3、本发明的基于液晶包层平板波导的主动式偏振转换器，包括顺次且平行设置的第一基板、第一导电薄膜、第一取向层、液晶层、第二取向层、芯层、衬底层、第二导电薄膜和第二基板，以及连接第一导电薄膜和第二导电薄膜的电压源；

4、所述第一取向层、液晶层、第二取向层和衬底层的折射率均小于芯层的折射率；

5、所述液晶层的液晶分子初始指向矢垂直于第一取向层和第二取向层。

6、进一步的，所述第一导电薄膜与第一取向层接触的表面上设有图案。

7、更进一步的，所述第一导电薄膜与第一取向层接触的表面上设有第一沟槽和第二沟槽，第一沟槽和第二沟槽平行，且槽深均等于第一导电薄膜的厚度，长度均等于第一导电薄膜的宽度，将第一导电薄膜划分为彼此隔断的第一薄膜区、第二薄膜区和第三薄膜区，电压源一端与第一沟槽和第二沟槽之间的第二薄膜区连接，另一端与第二导电薄膜连接。

8、进一步的，所述液晶层的材料为负性液晶材料。

9、进一步的，所述第一导电薄膜和第二导电薄膜均为ito导电薄膜。

10、进一步的，所述第一基板和第二基板均为玻璃基板。

11、进一步的，所述衬底层的材料为二氧化硅。

12、进一步的，所述芯层的材料为氮氧化硅。

13、进一步的，所述第一取向层和第二取向层的材料均为光控取向剂。

14、本发明的基于液晶包层平板波导的主动式偏振转换器的制备方法，步骤如下：

15、步骤一、取带有第一导电薄膜的第一基板和带有第二导电薄膜的第二基板；

16、步骤二、在第一导电薄膜上加工或不加工图案；

17、步骤三、在第二导电薄膜表面制备衬底层，再在衬底层上制备芯层；

18、步骤四、在第一导电薄膜和芯层上均涂覆光控取向剂，固化，得到第一取向层和第二取向层；

19、步骤五、将带有第一取向层的第一基板和带有第二取向层的第二基板组装成空液晶盒，并留有注入液晶的注入口，在清亮点以上向空液晶盒注入液晶材料，得到液晶层，液晶分子的初始指向矢方向均一排布，且垂直于第一取向层和第二取向层，冷却至室温，得到基于液晶包层平板波导的主动式偏振转换器。

20、进一步的，在第一取向层表面和第二取向层表面上喷洒隔垫子来保证空液晶盒厚度。

21、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

22、本发明的基于液晶包层平板波导的主动式偏振转换器基于液晶大的电光响应特性，电极结构不需要制备成周期结构即可实现高效率的转换，避免了周期电极结构每个界面处的能量损耗，显著提升了器件的能量利用率。此外，得益于液晶巨大的电光系数，仅需要很低的驱动电压。

23、本发明的基于液晶包层平板波导的主动式偏振转换器可以实现横电模式偏振光和横磁模式偏振光之间的有效转换，且通过施加不同的驱动电压，可以主动调节横电模式偏振光和横磁模式偏振光之间的转换程度。

技术特征：

1.基于液晶包层平板波导的主动式偏振转换器，其特征在于，包括顺次且平行设置的第一基板(1)、第一导电薄膜(2)、第一取向层(3)、液晶层(4)、第二取向层(5)、芯层(6)、衬底层(7)、第二导电薄膜(8)和第二基板(9)，以及连接第一导电薄膜(2)和第二导电薄膜(8)的电压源(10)；

2.根据权利要求1所述的基于液晶包层平板波导的主动式偏振转换器，其特征在于，所述第一导电薄膜(2)与第一取向层(3)接触的表面上设有图案。

3.根据权利要求2所述的基于液晶包层平板波导的主动式偏振转换器，其特征在于，所述第一导电薄膜(2)与第一取向层(3)接触的表面上设有第一沟槽(12)和第二沟槽(14)，第一沟槽(12)和第二沟槽(14)平行，且槽深均等于第一导电薄膜(2)的厚度，长度均等于第一导电薄膜(2)的宽度，第一沟槽(12)和第二沟槽(14)将第一导电薄膜(2)划分为彼此隔断的第一薄膜区(11)、第二薄膜区(13)和第三薄膜区(15)，电压源(10)一端与第一沟槽(12)和第二沟槽(14)之间的第二薄膜区(13)连接，另一端与第二导电薄膜(8)连接。

4.根据权利要求1基于液晶包层平板波导的主动式偏振转换器，其特征在于，所述液晶层(4)的材料为负性液晶材料。

5.根据权利要求1基于液晶包层平板波导的主动式偏振转换器，其特征在于，所述第一导电薄膜(2)和第二导电薄膜(8)均为ito导电薄膜。

6.所述根据权利要求1基于液晶包层平板波导的主动式偏振转换器，其特征在于，所述第一基板(1)和第二基板(9)均为玻璃基板。

7.根据权利要求1基于液晶包层平板波导的主动式偏振转换器，其特征在于，所述衬底层(7)的材料为二氧化硅，芯层(6)的材料为氮氧化硅。

8.根据权利要求1基于液晶包层平板波导的主动式偏振转换器，其特征在于，所述第一取向层(3)和第二取向层(8)的材料均为光控取向剂。

9.权利要求1～8任何一项所述的基于液晶包层平板波导的主动式偏振转换器的制备方法，其特征在于，步骤如下：

10.根据权利要求9所述的基于液晶包层平板波导的主动式偏振转换器的制备方法，其特征在于，在第一取向层(2)表面和第二取向层(5)表面上喷洒隔垫子来保证空液晶盒厚度。

技术总结
本发明涉及一种基于液晶包层平板波导的主动式偏振转换器，属于主动式偏振转换器技术领域。解决了现有技术中基于传统电光材料制备的主动式偏振转换器存在的能量利用率低的问题。本发明的主动式偏振转换器，包括顺次且平行设置的第一基板、第一导电薄膜、第一取向层、液晶层、第二取向层、芯层、衬底层、第二导电薄膜和第二基板，以及连接第一导电薄膜和第二导电薄膜的电压源。其中，液晶分子指向矢垂直于第一取向层和第二取向层。该偏振转换器能量利用率高，可以实现横电模式偏振光和横磁模式偏振光之间的有效转换，且通过施加不同的驱动电压，可以主动调节横电模式偏振光和横磁模式偏振光之间的转换程度。

技术研发人员：穆全全,毕泽坤,刁志辉,刘永刚,彭增辉,杨程亮,李大禹,王启东,张杏云,鲁兴海,范维方,蔚云慧
受保护的技术使用者：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12