實(shí)驗(yàn)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(gè)空氣孔中制成一種PCF定向耦合結(jié)構(gòu)，并且詳細(xì)研究了該結(jié)構(gòu)透射光譜對(duì)外部電場(chǎng)的響應(yīng)及其相應(yīng)的電光開關(guān)和電光調(diào)制特性。

測(cè)試設(shè)備：高壓放大器、信號(hào)發(fā)生器、示波器、可調(diào)諧激光器、光電探測(cè)器等。

實(shí)驗(yàn)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(zhǎng)與施加電壓的關(guān)系

實(shí)驗(yàn)時(shí)首先在導(dǎo)電玻璃上施加一個(gè)頻率固定為1000Hz的正弦電壓，并將這個(gè)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(cè)1365nm處耦合峰的變化情況并將這個(gè)峰記為DipA，可以看到，在施加的電壓達(dá)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(shí)，這個(gè)耦合峰的波長(zhǎng)位置向長(zhǎng)波方向飄移到接近1400nm，并且在實(shí)驗(yàn)中觀察到這個(gè)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(gè)閾值電壓用來克服表面錨定能和分子熱運(yùn)動(dòng)行為，在施加的電壓低于這個(gè)閾值電壓時(shí)，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(jìn)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(gè)特定波長(zhǎng)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(shí)，甚至可以實(shí)現(xiàn)光的開啟與完全關(guān)斷，同時(shí)在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)當(dāng)電壓施加到器件上時(shí)，樣品透射光譜的變化沒有明顯延時(shí)，這使得本文所提出的器件可以用作一個(gè)全光纖的快速電光開關(guān)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

下面對(duì)器件的電光開關(guān)特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)中需要使用一臺(tái)可調(diào)諧激光器輸出單波長(zhǎng)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(gè)光電探測(cè)器，光電探測(cè)器的輸出端連接到一個(gè)示波器上。光電探測(cè)器接收樣品輸出的光并將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)后在示波器上顯示，實(shí)驗(yàn)中通過監(jiān)測(cè)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(hào)發(fā)生器和高壓放大器將電信號(hào)施加到ITO玻璃上對(duì)PCF樣品進(jìn)行電調(diào)制。首先使用可調(diào)諧激光器輸出1550nm的單波長(zhǎng)光，并測(cè)試在該波長(zhǎng)光輸入情況下本器件實(shí)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(hào)發(fā)生器中使用頻率為1kHz的不同電壓有效值的正弦信號(hào)作為載波，并使用周期為0.4ms的方波信號(hào)作為調(diào)制波對(duì)載波進(jìn)行振幅調(diào)制，調(diào)制深度為100%，這樣實(shí)驗(yàn)中可獲得一個(gè)間斷的正弦電壓信號(hào)從信號(hào)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(chǎng)作用到液晶填充的PCF上。

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

實(shí)驗(yàn)中施加到導(dǎo)電玻璃上的電壓信號(hào)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(duì)于波長(zhǎng)為1550nm的輸入光，電壓有效值在110Vrms時(shí)器件的開關(guān)比最好。隨后研究電信號(hào)頻率對(duì)器件開關(guān)特性的影響，在固定載波電壓信號(hào)的有效值為110Vrms情況下，改變電壓信號(hào)的頻率（f）進(jìn)行測(cè)試，同樣使用周期為0.4ms的方波調(diào)制信號(hào)對(duì)其進(jìn)行振幅調(diào)制，調(diào)制深度也為100%，這樣獲得一個(gè)間斷的電壓信號(hào)作用到ITO導(dǎo)電玻璃上，測(cè)試電壓信號(hào)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(hào)示意圖以及不同電壓信號(hào)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(shí)開關(guān)的效率最高。綜上所述，對(duì)于所提出的器件，在輸入光波長(zhǎng)為1550nm時(shí)，使用有效值為110Vrms且頻率為1kHz的電壓信號(hào)可使器件獲得最好的開關(guān)效果。

高壓放大器推薦：ATA-7015

圖：ATA-7015高壓放大器指標(biāo)參數(shù)

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審核編輯 黃宇