實驗名稱：液晶填充的光子晶體光纖耦合器件及傳感特性

研究方向：將一種向列型液晶填入到PCF最內(nèi)圈的一個空氣孔中制成一種PCF定向耦合結(jié)構(gòu)，并且詳細研究了該結(jié)構(gòu)透射光譜對外部電場的響應(yīng)及其相應(yīng)的電光開關(guān)和電光調(diào)制特性。

測試設(shè)備：高壓放大器、信號發(fā)生器、示波器、可調(diào)諧激光器、光電探測器等。

實驗過程：

圖1：（a）樣品透射光譜隨施加電壓增加的變化,（b）耦合峰波長與施加電壓的關(guān)系

實驗時首先在導(dǎo)電玻璃上施加一個頻率固定為1000Hz的正弦電壓，并將這個正弦電壓的有效值從0逐步增加到130Vrms，樣品透射譜隨施加電壓增加的變化情況如圖1（a）所示，這里選擇監(jiān)測1365nm處耦合峰的變化情況并將這個峰記為DipA，可以看到，在施加的電壓達到60Vrms之前，樣品的光譜基本不發(fā)生變化，當(dāng)電壓從60Vrms增加到80Vrms時，這個耦合峰的波長位置向長波方向飄移到接近1400nm，并且在實驗中觀察到這個過程為非線性的飄移，這歸因于液晶折射率發(fā)生了不規(guī)則的輕微變化。通常液晶分子具有一個閾值電壓用來克服表面錨定能和分子熱運動行為，在施加的電壓低于這個閾值電壓時，PCF空氣孔中液晶分子的排列隨著施加電壓的增大不發(fā)生變化或者開始產(chǎn)生輕微的不規(guī)則偏轉(zhuǎn)，進而導(dǎo)致液晶折射率發(fā)生輕微的變化，最終反映到器件的光譜從最開始的沒有變化到發(fā)生輕微的非線性飄移。

從圖1（a）可以看到，通過施加不同有效值的正弦電壓，可以控制液體填充的PCF中某個特定波長光的透過率，在施加合適的電壓值并且器件耦合峰的深度足夠時，甚至可以實現(xiàn)光的開啟與完全關(guān)斷，同時在實驗中發(fā)現(xiàn)當(dāng)電壓施加到器件上時，樣品透射光譜的變化沒有明顯延時，這使得本文所提出的器件可以用作一個全光纖的快速電光開關(guān)。

實驗結(jié)果：

下面對器件的電光開關(guān)特性進行實驗研究，實驗中需要使用一臺可調(diào)諧激光器輸出單波長激光，利用單模光纖將激光器輸出的光引入到液晶填充的PCF中，從PCF輸出的光通過另一段單模光纖輸入到一個光電探測器，光電探測器的輸出端連接到一個示波器上。光電探測器接收樣品輸出的光并將光信號轉(zhuǎn)化為電信號后在示波器上顯示，實驗中通過監(jiān)測示波器中的波形研究器件的開關(guān)響應(yīng)特性。仍舊使用上文中的信號發(fā)生器和高壓放大器將電信號施加到ITO玻璃上對PCF樣品進行電調(diào)制。首先使用可調(diào)諧激光器輸出1550nm的單波長光，并測試在該波長光輸入情況下本器件實現(xiàn)全光纖電光開關(guān)的最佳正弦電壓大小和頻率。接下來在信號發(fā)生器中使用頻率為1kHz的不同電壓有效值的正弦信號作為載波，并使用周期為0.4ms的方波信號作為調(diào)制波對載波進行振幅調(diào)制，調(diào)制深度為100%，這樣實驗中可獲得一個間斷的正弦電壓信號從信號發(fā)生器輸出，在經(jīng)過高壓放大器的放大后施加到ITO導(dǎo)電玻璃上，從而形成間斷的空間電場作用到液晶填充的PCF上。

圖2：（a）不同電壓信號有效值和（b）不同電壓信號頻率下器件的開關(guān)響應(yīng)

實驗中施加到導(dǎo)電玻璃上的電壓信號示意圖和不同電壓有效值下的器件開關(guān)響應(yīng)如圖2（a）所示，可以看出對于波長為1550nm的輸入光，電壓有效值在110Vrms時器件的開關(guān)比最好。隨后研究電信號頻率對器件開關(guān)特性的影響，在固定載波電壓信號的有效值為110Vrms情況下，改變電壓信號的頻率（f）進行測試，同樣使用周期為0.4ms的方波調(diào)制信號對其進行振幅調(diào)制，調(diào)制深度也為100%，這樣獲得一個間斷的電壓信號作用到ITO導(dǎo)電玻璃上，測試電壓信號不同頻率下器件的開關(guān)性能，圖2（b）顯示了所施加的電壓信號示意圖以及不同電壓信號頻率下器件的開關(guān)響應(yīng)結(jié)果，從圖中可以看到在1kHz時開關(guān)的效率最高。綜上所述，對于所提出的器件，在輸入光波長為1550nm時，使用有效值為110Vrms且頻率為1kHz的電壓信號可使器件獲得最好的開關(guān)效果。

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審核編輯 黃宇