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1、武汉轻工大学 毕 业 设 计（论 文）设计(论文)题目：基于铁电向列液晶的全光开关研究姓 名 黄婧 学 号 101204402 院（系） 电气与电子工程学院 专 业 电子信息科学与技术 指导教师 李鸣 2014年 6 月 3 日目 录摘 要IAbstractII第一章 绪论11.1 光开关的发展背景与现状11.1.1 光开关的发展背景11.1.2 光开关技术的发展现状21.2 本文研究的目的和工作4第二章 光开关原理及分类62.1 光开关原理62.1.1 液晶盒原理62.1.2 偏振分光型液晶光开关原理72.2 光开关的技术参数82.3 光开关的分类102.3.1 按光参量与工作域分102.3
2、.2 按工作特性分102.3.3 按控制方法分112.4 本章小结12第三章 铁电向列相液晶133.1 液晶的物理性质133.2 液晶的光学性质153.3 掺杂铁电粒子的向列液晶183.4 本章小结19第四章 铁电液晶全光开关研究204.1 双折射型全光开关结构204.2 铁电向列液晶的特性分析224.2.1 铁电向列液晶盒的制备224.2.2 实验224.2.3 结果与讨论234.2.4 总结254.3 本章小结26结束语27谢辞28参考文献29摘 要光开关是对光信号进行开关转换的器件。伴随着光通信产业的迅猛发展，作为其中核心器件之一的光开关也得到了广泛的应用。向列相液晶是一种重要的非线性光
3、学材料，在液晶中掺入少量的杂质可以有效提高它的电光特性。本文基于全光开关的发展前景，以及这种纳米颗粒-液晶复合体系做出如下研究。本论文采用将少量铁电纳米粒子掺杂到5CB向列液晶中的方法，制成一种纳米颗粒-液晶复合体系的液晶盒，将此种液晶盒与纯5CB液晶盒一起在外电场作用下进行电光特性分析。可以得到如下结论：铁电纳米粒子悬浮在向列相液晶母体中，可以改善液晶材料的特性,提高液晶的光电性能，增强介电各向异性，而且对施加光信号敏感。基于这种复合体系液晶的特性，本文将此种液晶盒运用于双折射型全光开关中，在液晶盒上预加一定电压，使得液晶的双折射更易实现，达到改善全光开关性能的目的。关键词：光开关；液晶；铁
4、电液晶；向列液晶IAbstractOptical switch is a device switching on the light signal. With the rapid development of optical communication industry, as a light switch which is one of the core devices are also used widely. Nematic liquid crystal is an important kind of nonlinear optical materials, in the liquid
5、crystal doped with small amounts of impurities can effectively improve the electro-optical properties of it. In this paper, the development prospects of all optical switch based on the nano - crystal composite system to make the following research.This paper will be doped a small amount of ferroelec
6、tric nanoparticles in 5CB nematic liquid crystal, made liquid crystal box of a nano - crystal composite system, this liquid crystal box and the liquid crystal box with pure 5CB will under an external electric field of electro-optic characteristic analysis. We can draw the following conclusions: ferr
7、oelectric nanoparticles suspended in nematic liquid crystal matrix, can improve the characteristics of liquid crystal materials, improving the photoelectric properties of liquid crystals, enhanced dielectric anisotropy, and sensitive to the electric signal is applied.Properties of this composite sys
8、tem based on liquid crystal, this liquid crystal box used in birefringent optical switch, pre voltage in the liquid crystal box, the birefringence of LC is more easily achieved, to improve the performance of the optical switch.KeyWords: Optical Switch; Liquid Crystal; Ferroelectric Liquid Crystal; N
9、ematic Liquid Crystal第一章 绪论光开关是对光信号进行开关转换的光学器件。一般的光学器件改变的是光波参量，例如，光放大器改变的是光强度；光参量放大器改变的是光频率。对光信号而言，光开关必须是对其参量的改变是可逆的或是可恢复的，因光放大器等光学器件对光信号参量的改变都不符合光开关的要求，所以这些光学器件都不是光开关，除此之外，光开关还应该做到能使光信号参量发生快速转换。所以对于光开关，我们可以将其定义为能使光信号参量发生可逆的、快速转换的器件。1.1 光开关的发展背景与现状1.1.1 光开关的发展背景半导体光电子学 光纤光学 集成光学图1.1为光子学发展路线图。回顾光学的发展
10、历史：18世纪，从物理学中发展形成了传统光学。1960年激光器发明后，光学发展进入了现代光学时代。和传统光学相比，现代光学主要研究光子行为。集成光学自20世纪70年代诞生后，光纤通信技术迅速发展起来。现代光通信所用的光子器件其尺寸一般为微米级，这表明光子学进入了微米光子学阶段，“以电控光”器件是这个阶段的主要光子器件，如电致发光的激光器(LD)、电控光开关等。纳米光子学是光子学的前沿研究方向，其研究内容包括近场光学、纳米光子材料、纳米光子器件、纳米加工技术。纳米光子学重点研究“以光控光”器件，其中的关键器件是全关开关，它是实现全光通信、全光电脑和全光传感系统的基础1。 物理学传统光学现代光学（
11、光子学）微米光子学（光电子学）纳米光子学几何光学物理光学 光谱学工程光学18世纪1960年激光器激光物理学非线性光学 信息光学 量子光学1970年光纤、LD、集成光路 近场光学纳米光子材料纳米光子器件纳米加工技术21世纪图1.1 光子学发展路线图相较于电子学，光子学因没有“以光控光”的器件，使其应用受到很大限制，无法实现全光通信、全光电脑和全光传感等。因此，21世纪光学物理的一项重要任务就是研究出全光开关，把光子学推向以光控光的高级阶段。由光子学的发展可见，光子技术的发展趋势主要有以下两个方面：（1） 光子技术将从“以电控光”向“以光控光”的方向发展。（2） 21世纪的光子技术与电子技术将实现
12、真正的融合。21世纪，信息技术进入光子信息技术阶段。在电子学方面，怎样提高计算机的速度已经遇到瓶颈，而发展光电脑就成为一条可能的出路。然而光电脑可能是由快速全光开关以及芯片内外的光互联构成，因此，光开关的研究是发展光电脑的关键。在通信方面，为了满足人们日益增长的通信容量需求，光纤通讯正逐渐取代电子有线通讯，目前，光纤通讯在信号传输方面已经实现全光化。图1.2是由全光开关列阵构成波分复用光通信系统的光交换器。图1.2可见，光开关阵列可以构成光分插复用器(OADM)光交换器件和光交叉连接设备(OXC)，因此，光开关是全光交换的基础。图1.2 由全光开关列阵构成的用于波分复用光通信系统的光交换器(a
13、)由12个22光开关构成的88光学交叉连接器(b)由多个22光开关组成的分插复用器(b)下路 解复用 复用输入输出N上路 解复用 复用输入输出 (a)光开关光开关在信息光子技术中的应用还有很多，总的来说，全光开关是光子技术领域的关键技术，是实现以光控光的基本手段。1.1.2 光开关技术的发展现状光开关作为光通信等光信息系统的关键器件之一，能够实现在时间、波长、空间上光束的切换2。自光开关被研制成功后，人们对其的研究历史已有二三十年之久。在这二三十年中，人们不断对各种光学器件工作原理、材料以及加工工艺进行研究，创新和改进，使得光开关的发展趋势呈现出多元化的发展。1、机械式光开关虽然机械式光开关开
14、关时间量级大，体积大，但由于其损耗小、易于实现锁定的特点，现在仍被广泛应用。目前应用最为广泛的是传统式的12和22机械光开关。近几年来，由于光开关器件的发展偏向于小型化，微光机电系统光开关和毛细管效应光开关成为机械式光开关研究的重点。2、波导型光开关波导型光开关根据物理效应和所用材料的不同，可分为热光开关、电光开关和声光开关等。热光开关和电光开关是近年来研究较多的两类波导型光开关，对于这两类波导型光开关，在结构方面它们可以是相同的，但在工作原理方面却是完全不同的。例如热光开关，其折射率的调制利用的是波导材料的热光效应。因为每种材料都有不同的热光系数和导热系数，所以对于使用不同材料制作的光开关，其开关时间也不同。在SiO2热光开关阵列的研究中，网状结构的88马赫-曾德尔(M-Z)型热光开关阵列模块已经被使用在商业中，例如NTT公司将传统的单M-Z开关单元用双M-Z串联的开关单元代替，仅使用16级双M-Z开关单元便可构成无阻塞的1616开关矩阵，这样做不仅可以有效地减小波导长度，还可以降低开关损耗3。3、液晶光开关液晶光开关是近几年才开发出来的一种新型光开关器件，它在光开关器件具有很好的竞争力。在液晶光开关中，每个开关元件都由两个基本部件构成：液晶(LC Liguid Crystals)片和光束方向器。前者能在电压的作用下使光的偏振
