專利名稱：一種空間激光通信全光信號(hào)強(qiáng)度均衡器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光通信技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種對(duì)空間激光通信進(jìn)行全光信號(hào)強(qiáng)度均衡的器件背景技術(shù)在自由空間激光通信系統(tǒng)中，光波在大氣等空間介質(zhì)中傳播。而大氣中， 溫度、氣流、氣溶膠等分布的不均勻性及其隨機(jī)波動(dòng)，造成其光學(xué)折射率在空 間上存在著明顯的隨機(jī)分布且隨時(shí)間隨機(jī)變化，從而產(chǎn)生湍流效應(yīng)。對(duì)于在大 氣中傳輸?shù)墓庑盘?hào)，在通過(guò)上述隨機(jī)大氣介質(zhì)時(shí)，光束不同空間位置上的相位 會(huì)受到隨機(jī)影響，從而導(dǎo)致其強(qiáng)度、相位以及傳播方向等參數(shù)隨著湍流情況的 變化而隨機(jī)起伏變化。對(duì)于中長(zhǎng)距離的自由空間光通信系統(tǒng)而言，由于接收才幾 的光學(xué)接收天線的口徑一般都要遠(yuǎn)小于傳輸后的光束的尺寸，因此接收到的光 功率將隨著光束在該位置上的光強(qiáng)分布的隨;f幾變化而發(fā)生強(qiáng)烈的變化。湍流效 應(yīng)的最終結(jié)果是以接收端光強(qiáng)在平均接收光功率附近隨機(jī)起伏的形式，使得探 測(cè)信號(hào)忽大忽小，加劇了信號(hào)偏離平均值的程度，對(duì)于目前采用的強(qiáng)度檢測(cè)系 統(tǒng)會(huì)嚴(yán)重干擾其正常工作，給信號(hào)的正確判別造成了很大困難。因此，通過(guò)對(duì) 接收信號(hào)進(jìn)行強(qiáng)度均衡來(lái)降低光強(qiáng)的隨機(jī)起伏對(duì)于降低誤碼率和系統(tǒng)中斷概 率，提高自由空間光通信質(zhì)量就顯得尤為重要。在光纖通信系統(tǒng)中，雖然一般情況下，光纖信道比較穩(wěn)定，但系統(tǒng)中的有 源器件，如光纖放大器等，在動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)中，隨著信道負(fù)載等的變化，可以發(fā)生 增益及輸出功率的瞬時(shí)變化。各元件的偏振相關(guān)損耗也可以在偏振態(tài)的隨機(jī)變 化的影響下產(chǎn)生光信號(hào)的損耗的隨機(jī)變化。這些因素同樣會(huì)造成接收到的光信 號(hào)的功率的隨時(shí)間的快速變化。這樣，不僅信號(hào)的信噪比可能受到不利影響， 光接收機(jī)在進(jìn)行閾值判決時(shí)的閾值選取也會(huì)受到影響，使得系統(tǒng)誤碼率劣化。 目前采用的功率均衡控制技術(shù)通過(guò)光電變換器件監(jiān)控光信號(hào)的功率并以電子信 號(hào)處理方式計(jì)算并控制無(wú)源或有源器件的衰減或增益來(lái)人為地反饋控制光功率 在一定的范圍內(nèi)。該方法不僅系統(tǒng)復(fù)雜，而且反饋速度有限，不能適應(yīng)復(fù)雜系 統(tǒng)中不同擾動(dòng)造成的功率變化的要求。采用基于光學(xué)非線性效應(yīng)的全光信息處 理技術(shù)則可能對(duì)信號(hào)的光功率實(shí)現(xiàn)自動(dòng)、實(shí)時(shí)的均衡。當(dāng)光波在非線性介質(zhì)中傳播時(shí)，介質(zhì)會(huì)產(chǎn)生非線性極化，導(dǎo)致光波與物質(zhì) 之間的非線性作用，高強(qiáng)度的激光所導(dǎo)致的非線性作用更為顯著，這種與光強(qiáng) 有關(guān)的光學(xué)效應(yīng)，稱為非線性光學(xué)效應(yīng)。目前，非線性光學(xué)效應(yīng)的研究主要涉 及二階非線性效應(yīng)和三階非線性效應(yīng)。三階非線性效應(yīng)中最重要的為光克爾效應(yīng)、四波混頻和雙光子吸收等。其 中，光克爾效應(yīng)有較為廣泛的應(yīng)用。光克爾效應(yīng)為由光場(chǎng)本身引起的介質(zhì)折射 率變化，其變化量與光強(qiáng)成正比。這種效應(yīng)產(chǎn)生了一些很童要的現(xiàn)象，如自聚 焦、自散焦和自相位調(diào)制等。此類現(xiàn)象的大小與材料非線性系數(shù)的大小密切相關(guān)，因此，尋找具有較大三階非線性系數(shù)的材料顯得尤為重要。向列相液晶作為重要的非線性材料，具有非常大的寬帶的雙折射，并且激 光光束可以導(dǎo)致其主軸偏轉(zhuǎn)，因此向列相液晶在非線性光學(xué)領(lǐng)域有非常廣泛的 應(yīng)用。K. Anderle ( Liq. Cryst. 9 (1991) 691 )等人發(fā)現(xiàn)向列相液晶摻雜了少量染 料后，由于染料分子在光的激發(fā)下可以協(xié)助液晶分子扭轉(zhuǎn)，使其折射率發(fā)生改 變，從而使向列相液晶具有較大的三階非線性系數(shù)。I.C. Khoo( Applied Physics Letters, 82 (2003) 3587-3589 )發(fā)現(xiàn)摻雜了單臂碳納米管(SWNT )的染料液 晶，其非線性系數(shù)可以達(dá)到7cmVW。此類高非線性系數(shù)的液晶可能產(chǎn)生明顯的 光克爾效應(yīng)，從而運(yùn)用在非線性光學(xué)領(lǐng)域，但其用于空間激光通信中的全光強(qiáng) 度均衡的器件尚未見(jiàn)報(bào)道。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種可應(yīng)用于空間激光通信的基于三階非線性效應(yīng)的 全光信號(hào)強(qiáng)度均衡器件。本發(fā)明提供了 一種可應(yīng)用于空間激光通信的基于三階非線性效應(yīng)的全光信 號(hào)強(qiáng)度均衡器件(如圖l所示)，包括聚焦透鏡l、液晶槽2、向列相液晶混合 溶液3、光闌4。其中液晶槽又包括基底層5、透明導(dǎo)電層6、高分子聚合物層7、 粘合密封環(huán)8。上述均衡器件中，液晶槽的主要作用為承載向列相液晶混合溶液，使其成 為固定厚度的液晶薄膜。上述均衡器件中，液晶槽中基底層應(yīng)選擇在對(duì)應(yīng)入射光波段光損耗較小的晶體。上述均衡器件中，液晶槽中的兩個(gè)高分子聚合物層都經(jīng)過(guò)相同方向的摩擦 處理，其摩擦痕跡方向平行，保證液晶分子的排列方向。上述均衡器件中，向列相液晶混合溶液包括為向列相液晶、染料和SWNT的共混溶液。上述均衡器件中，向列相液晶混合溶液中的染料在輸入光所對(duì)應(yīng)波段有較 大的吸收。上述均衡器件中，向列相液晶混合溶液中的染料的作用為，在輸入光的激 發(fā)下協(xié)助液晶分子扭轉(zhuǎn)，改變其折射率，增加向列相液晶的三階非線性系數(shù)。上述均衡器件中，向列相液晶混合溶液中的SWNT的作用為增加染料液晶的 三階非線性系數(shù)。上述均衡器件中，光闌的作用為限制輸出光斑的大小，選取其中輸出光強(qiáng) 分布隨輸入總光強(qiáng)非線性變化的區(qū)域。本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)1、 本發(fā)明涉及的器件可實(shí)現(xiàn)對(duì)自由空間光通信的全光信號(hào)強(qiáng)度均衡，實(shí) 現(xiàn)對(duì)輸入信號(hào)功率的自動(dòng)調(diào)節(jié)。由于采用全光技術(shù)，不需要傳統(tǒng)均衡技術(shù)所需 的反饋和主動(dòng)控制系統(tǒng)。2、 本發(fā)明涉及的器件利用的非線性效應(yīng)的響應(yīng)速度較快，可以與按Hz時(shí)間規(guī)律變化的空間光信號(hào)起伏相近的速度，因此可以對(duì)輸入光信號(hào)的快速功 率變化進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償，克服傳統(tǒng)電子控制的光功率控制系統(tǒng)響應(yīng)速度較慢且不靈活的缺點(diǎn)。3、 本發(fā)明涉及的器件中利用的混合型向列相液晶，通過(guò)摻雜染料和納米 材料，具有很大的三階非線性光學(xué)效應(yīng)，從而可以大大降低所需的光功率要求， 且其制作簡(jiǎn)單，可實(shí)現(xiàn)可集成化的低功率器件，具有更強(qiáng)的可行性和可實(shí)現(xiàn)性。


圖l是全光強(qiáng)度均衡器件的結(jié)構(gòu)圖。其中，l為聚焦透鏡、2為液晶槽、3為 向列相液晶混合溶液、4為光闌、5為基底層、6為透明導(dǎo)電層、7為高分子聚合 物層、8為粘合密封環(huán)。圖2是輸入光功率不同時(shí)，經(jīng)過(guò)全光強(qiáng)度均衡器件后遠(yuǎn)場(chǎng)衍射強(qiáng)度的分布曲線。
具體實(shí)施方式
圖l所示的均衡器件中，包括聚焦透鏡、液晶槽、向列相液晶混合溶液和光 闌。其中液晶槽又包括基底層、透明導(dǎo)電層、高分子聚合物層和粘合密封環(huán)。 向列相液晶混合溶液的制備方法如下1、 將4種不同的液晶組成混合液晶E7，其中5CB占51 %，而7CB、 08CB和5CT 分別占25%、 16%和8%;2、 在液晶E7中加入曱基紅(Methyl-Red)，濃度為0.8%;3、 將SWNT以O(shè). 005%的濃度超聲分散在酒精中；4、 將S冊(cè)T/酒精溶液滴入已經(jīng)溶解曱基紅的液晶E7,保證其濃度為O. 002%;5、 將上述混合溶液60。C加熱，至酒精完全揮發(fā)，碳管均勻的分布在液晶里。 液晶槽的制備方法如下1、 將24mr^22mm"nim的ITO玻璃清洗，干燥；2、 使用濃度為O. 4%的聚酰亞胺，旋涂在ITO表面，形成厚度為O. 1 ym的薄模3、 將上迷樣品在24(TC的干燥箱中干燥1個(gè)小時(shí)后，用天鵝絨布輕柔的摩擦 薄膜表面，形成細(xì)小劃痕；4、 將粘合密封環(huán)放置在薄膜上，再放置25pm墊圈，將兩個(gè)薄膜相對(duì)放置， 保證其劃痕方向平行，在紫外燈下照射9分鐘后制成液晶槽；將向列相液晶混合溶液用泵壓入已經(jīng)制備好的液晶槽內(nèi)，輸入光經(jīng)過(guò)凸透 鏡聚焦后45。入射到液晶槽上，其后放置光闌。以下為仿真計(jì)算全光均衡器件的均衡效果。高斯光束沿z軸方向傳播通過(guò)厚度為L(zhǎng)的液晶薄膜，將束腰取為坐標(biāo)原點(diǎn)。 液晶出射面處的光場(chǎng)經(jīng)過(guò)空間自由傳播時(shí)，其遠(yuǎn)場(chǎng)衍射強(qiáng)度分布可以由菲涅耳 一基爾霍夫衍射公式的夫瑯和費(fèi)近似形式表示為<formula>formula see original document page 6</formula>其中J。是零階第一類貝塞爾函數(shù)，k。是自由空間波數(shù)，6是遠(yuǎn)場(chǎng)衍射角，r 是徑向坐標(biāo)，W是入射到液晶上的光斑直徑，O(r)是液晶出射面處產(chǎn)生的橫向 相移分布，可以表示為<formula>formula see original document page 6</formula>(2)其中nu是線性折射率，R是液晶入射面處激光束波前曲率，A①(r)是液晶出 射面處產(chǎn)生的橫向附加相移分布，z。是液晶入射面距原點(diǎn)的距離；AO。(z )表 示液晶位于z。位置處高斯光束產(chǎn)生的峰值非線性相移；對(duì)于非線性折射率為ih且 厚度足夠薄的液晶而言<formula>formula see original document page 6</formula>其中1。為入射到的液晶上的峰值功率密度，此外遠(yuǎn)場(chǎng)徑向坐標(biāo)P與液晶出射 面到遠(yuǎn)場(chǎng)的距離D的關(guān)系為p-D(9 (4) 對(duì)于我們的均衡器件，參數(shù)如下L=25 pm， n產(chǎn)lcmVW, W=lmm, R=2m, D=2. 28m, 輸入光波長(zhǎng)入=532鵬。經(jīng)計(jì)算得到當(dāng)輸入光功率從O. 09mW-0. 13tnW變化時(shí)，遠(yuǎn)場(chǎng) 衍射強(qiáng)度隨之變化的一組曲線(如圖2所示)。將光闌放置在光斑中心，打開(kāi)直 徑為2mm，探測(cè)器只能探測(cè)到透過(guò)部分，探測(cè)功率從O. 009427-0. 009707mW變化。 由此可以得到當(dāng)輸入光功率波動(dòng)幅度為± 18. 2%時(shí)，經(jīng)過(guò)均衡后其輸出光波動(dòng)幅 度為± 1. 46%,因此該全光均衡器件對(duì)于波動(dòng)較大的自由空間光信號(hào)起到了很好 的均衡作用。
權(quán)利要求
1.一種可實(shí)現(xiàn)全光信號(hào)強(qiáng)度均衡的器件，包括聚焦透鏡、液晶槽、向列相液晶混合溶液和光闌。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的均衡器件，其特征在于，液晶槽包括基底層、 透明導(dǎo)電層、高分子聚合物層和粘合密封環(huán)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的均衡器件，其特征在于，液晶槽的主要作用為 承栽向列相液晶混合溶液，使其成為固定厚度的液晶薄膜。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的均衡器件，其特征在于，液晶槽中基底層應(yīng)選 擇在對(duì)應(yīng)入射光波段光損耗較小的晶體。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的均衡器件，其特征在于，液晶槽中的兩個(gè)高分 子聚合物層都經(jīng)過(guò)相同方向的摩擦處理，其摩擦痕跡方向平行，保證液晶分子 的排列方向。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的均衡器件，其特征在于，向列相液晶混合溶液 包括為向列相液晶、染料和SWNT的共混溶液。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的均衡器件，其特征在于，向列相液晶混合溶液 中的染料在輸入光所對(duì)應(yīng)波^敬有較大的吸收。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的均衡器件，其特征在于，向列相液晶混合溶液 中的染料的作用為，在輸入光的激發(fā)下協(xié)助液晶分子扭轉(zhuǎn)，改變其折射率，增 加向列相液晶的三階非線性系數(shù)。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的均衡器件，其特征在于，向列相液晶混合溶液 中的SWNT的作用為增加染料液晶的三階非線性系數(shù)。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的均衡器件，其特征在于，上述均衡器件中，光 闌的作用為限制輸出光斑的大小，選取其中輸出光強(qiáng)分布隨輸入總光強(qiáng)非線性 變化的區(qū)域。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種可應(yīng)用于空間激光通信系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)全光信號(hào)強(qiáng)度均衡的器件。該器件使用具有三階非線性光學(xué)特性的向列相液晶混合材料，利用其三階非線性所導(dǎo)致的光克爾效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)光強(qiáng)度相關(guān)的空間自相位調(diào)制，形成與光強(qiáng)相關(guān)的空間光場(chǎng)分布，利用控制光透過(guò)區(qū)域，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入光強(qiáng)度變化的均衡，獲得具有較相近的光強(qiáng)分布的輸出信號(hào)。
文檔編號(hào)G02F1/35GK101216653SQ20071030445
公開(kāi)日2008年7月9日 申請(qǐng)日期2007年12月28日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月28日
發(fā)明者欣 趙, 錚 鄭 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)