[发明专利]一种基于电解螺旋型铁电液晶的光开关

说明书

一种基于电解螺旋型铁电液晶的光开关，该发明将入射光信号进行电控导通或切断，并实现微秒级电控响应，可应用于光通讯、精密测量、光电探测、图像编码等。所述铁电液晶光开关主要包括前置偏振片、覆盖氧化铟锡导电膜的光学玻璃、取向层、铁电液晶层、后置偏振片及驱动系统。该器件基于电解螺旋型光电模式，铁电液晶在低驱动电压下螺旋结构完全解旋，不同极性的驱动电压对应解旋后的两个指向矢排布方向，在正交的起偏和检偏器内形成亮态和暗态。取向层为铁电液晶螺旋轴提供取向方向，使该发明设计铁电液晶光开关对比度达10000:1以上。

技术领域

本发明涉及的铁电液晶光开关，是基于电解螺旋型铁电液晶光电模式，一种高对比度、快响应的电控光开关。

背景技术

光开关是光网络中用以对光信号实现动态控制的核心器件。光开关按照工作媒介不同，主要可分为自由空间型和波导型两大类。自由空间型按照工作原理又可分为机械类和液晶类。目前工业化最普及的光开关是机械光开关，它的原理是用机械技术对光开关的微光学光路进行控制。机械光开关的特点就是不受光波长的影响，介质损耗小，不受偏振的影响等。其缺点就是响应速度慢，体积较大，并且有机械损耗。

利用液晶材料来制备光开关，它的可靠性好，没有机械结构损耗，其最大的优势是电可调谐性，可以使用外场的改变来调节液晶光开关的状态。对于光开关，其关键性能指标包括开关对比度和开关响应时间等。对于传统的液晶光开关，使用的通常是向列相液晶，其响应时间较长，通常为毫秒量级以上，这样的响应时间是限制液晶光开关应用的短板。近年来也有一些基于特殊相态的液晶的快速响应光开关，如蓝相液晶、胆甾相液晶等，也有一些通过在普通液晶材料中引入聚合物畴结构的以提高响应速度，但是虽然提高了响应速度，但驱动电压整体偏高，因此在整个光学系统中的电耗和驱动不匹配。所以找到一种驱动电压小，响应速度快的偏振无依赖性光开关具有重要的意义。

铁电液晶具有驱动电压低、响应速度快的特点，其响应时间在几十到几百微秒，因此，利用铁电液晶的快速响应等特性制作光开关可以克服以往液晶光开关的缺陷。

发明内容

本发明的技术解决的问题是：提供一种高对比度的、快响应的铁电液晶光开关，实现微秒级响应时间，对比度大于10000：1。

本发明的技术解决方案是：一种基于电解螺旋型光电模式的铁电液晶光开关，其包括：前置偏振片、覆盖氧化铟锡导电膜的光学玻璃、取向层、铁电液晶层、后置偏振片及驱动系统，如图1所示。

前置偏振片位于铁电液晶光开关的最前端，后置偏振片位于铁电液晶光开关的最末端，将入射光束转换成线偏振光，并使偏振方向与螺旋轴轴向呈θ角，θ为铁电液晶近晶层倾角，后置偏振片透偏方向与前置偏振片呈正交方向放置。

覆盖氧化铟锡导电膜的光学玻璃及驱动系统：为铁电液晶层提供外置驱动电场，使铁电液晶分子在不同极性的电场驱动下进行均匀排布。

偶氮染料光敏取向层：将SD1层在偏振UV光（中心波长365nm，辐照度I＝2mW/cm²）下曝光，取曝光剂量取18J/cm²。

铁电液晶层：将制备的覆有取向层的基板以反平行结构组盒，将1.5μm的间隔物夹在两个玻璃基板之间，使得两玻璃基板之间的间隙为1.5μm。将铁电液晶材料（FD4004N）加热至107摄氏度以上形成液态填充到上述制备的液晶盒内，然后待其冷却。铁电液晶材料FD4004N分别在72℃，85℃和105℃的温度下显示SmC*→SmA→N*→Iso的相变。在室温下，铁电液晶螺旋结构螺距为P0=350nm，自发极化Ps≈61nC/cm²，倾斜角（半锥角）θ≈22.05°。

其中，当铁电液晶层上无外置电场时，铁电液晶螺旋结构沿着取向方向排列，图2（b）展示了该光开关内铁电液晶螺旋结构存在于两基板之间。