液晶技術(shù)在光通信領(lǐng)域上的應(yīng)用

孫小明

（山西省交通信息通信公司，山西 太原 030006）

隨著光通信的不斷高速發(fā)展，系統(tǒng)對(duì)光器件的性能要求越來越趨于多樣化，液晶以本身特有的特點(diǎn)在眾多新技術(shù)中存活下來并不斷的成熟，目前，國外很多公司基于液晶的技術(shù)平臺(tái)開發(fā)推出了一系列的動(dòng)態(tài)可調(diào)的商用新產(chǎn)品。

液晶技術(shù)有著自身很明顯的優(yōu)點(diǎn)：小體積的陣列集成，大的電光系數(shù)，很低的電壓驅(qū)動(dòng)，低功耗，現(xiàn)有技術(shù)成熟，制作成本低，無運(yùn)動(dòng)部件的實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。

從目前較成熟的技術(shù)應(yīng)用上分類，液晶器件主要可以分為波長無關(guān)的光功率控制器件、波長相關(guān)的光功率控制器件及偏振控制器件三大類。下面我們分別進(jìn)行討論。

這類器件包括：通常意義上的光可變衰減器（VOA）、光功率分配器（Tunable splitter）、光開關(guān)（OS）等。這類器件很大程度是基于液晶對(duì)光的偏振態(tài)進(jìn)行調(diào)制，再通過檢偏裝置最終實(shí)現(xiàn)光功率的控制。圖1為此種器件的基本原理圖，很顯然，與顯示技術(shù)領(lǐng)域的原理是一致的，都是液晶調(diào)制器對(duì)通過起偏裝置后兩組線偏振光的偏振態(tài)進(jìn)行調(diào)制，然后再經(jīng)過檢偏裝置，把調(diào)制后的偏振光進(jìn)行偏振重組，最后得到所需要的光功率輸出。基于這個(gè)結(jié)構(gòu)原理，可以通過構(gòu)建不同的偏振裝置與相應(yīng)的液晶調(diào)制器配合，得到需要的性能參數(shù)。目前，國外對(duì)液晶VOA的開發(fā)已經(jīng)很成熟了，多家公司都能提供這種產(chǎn)品，例如：Chorum、Lightwave 2020、Spectra switch、CoAdna Photonics等。國內(nèi)相關(guān)開發(fā)最早的是武漢郵科院，早在上世紀(jì)80年代末期就開始了相關(guān)的研究，經(jīng)過長期的積累，此類產(chǎn)品已達(dá)到國外的先進(jìn)商用水平，并把這種產(chǎn)品成功應(yīng)用到Configurable Optical Add/drop Multiplexer(COADM)、VOA+MUX(VMUX)等設(shè)計(jì)中。圖 2中，a為 COADM的設(shè)計(jì)方案，b為VMUX后再加一個(gè)合波器組成的光功率均衡設(shè)計(jì)方案，VOA、OS都是DWDM系統(tǒng)中的關(guān)鍵器件。Tunable splitter則是實(shí)現(xiàn)一種動(dòng)態(tài)可調(diào)光耦合器的效果，取代目前的靜態(tài)耦合器，為光網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)一步拓展和維護(hù)提供光功率重新分配，這對(duì)發(fā)展FTTH和CATV有重要的意義。

對(duì)于偏振態(tài)不確定的光系統(tǒng)，光器件必須要做到偏振無關(guān)的光學(xué)性能，但是，有些時(shí)候由于系統(tǒng)中光偏振態(tài)穩(wěn)定性，偏振相關(guān)的液晶光器件也就有其特殊的用武之地。并且，由于不需要起偏裝置，器件的體積、集成度和成本上都大大降低。這類器件主要用于激光器前，或者與激光器進(jìn)行集成。圖3為集成了偏振相關(guān)液晶VOA（PVOA）的激光器結(jié)構(gòu)示意圖。

1 波長相關(guān)的光功率控制器件

這類器件包括：動(dòng)態(tài)增益斜率補(bǔ)償器（DGT）、動(dòng)態(tài)增益均衡器（DGE）、光可調(diào)濾波器（OTF）等。

DGT主要對(duì)長途干線光系統(tǒng)中，由于多個(gè)EDFA級(jí)連在終端產(chǎn)生一個(gè)光功率隨波長變化的斜率，為了提高接收端的靈敏度，需要把這個(gè)斜率進(jìn)行補(bǔ)償。而采用液晶＋晶體波片的結(jié)構(gòu)很容易實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，達(dá)到補(bǔ)償?shù)淖罴研Ч?為光路結(jié)構(gòu)圖，圖5為建模計(jì)算結(jié)果。基本原理仍然是對(duì)光的偏振態(tài)進(jìn)行調(diào)制，所不同的是，圖4中的晶體波片把光按照波長不同，對(duì)偏振態(tài)再進(jìn)行一次調(diào)制，使得最終產(chǎn)生波長相關(guān)的斜率補(bǔ)償，通過調(diào)節(jié)液晶上的電壓值，從而可以改變調(diào)節(jié)的斜率，圖5為在改變液晶驅(qū)動(dòng)電壓值的情況下調(diào)節(jié)的效果圖。

DGE則是把隨意的光信號(hào)功率進(jìn)行均衡化的一種器件。市面上MEMS技術(shù)和液晶技術(shù)平臺(tái)是主流技術(shù)，都有商用化的產(chǎn)品，而以液晶為技術(shù)平臺(tái)的DGE方案又分為包絡(luò)型和通道型兩種。包絡(luò)型的理論依據(jù)為光譜信號(hào)的分解，通過多級(jí)的傳遞函數(shù)結(jié)構(gòu)最后實(shí)現(xiàn)光功率的均衡控制，這種方案的優(yōu)點(diǎn)為成本較低，缺點(diǎn)為均衡效果不如通道型的理想，并且控制比較復(fù)雜。通道型的原理則是把光按照波長分開，然后分別進(jìn)行光功率控制，最后再均衡后的光合上。這種方案的優(yōu)點(diǎn)為原理簡單，均衡效果較好，缺點(diǎn)為成本較高。圖6、圖7分別為包絡(luò)型和通道型的典型結(jié)構(gòu)原理圖。從應(yīng)用和成本上考慮，通道型結(jié)構(gòu)在集成光性能監(jiān)控器（OPM）方面有其特有的優(yōu)勢。

利用液晶技術(shù)做可調(diào)濾波器目前還不成熟，離商用化產(chǎn)品階段有一段距離，但是，國外很多機(jī)構(gòu)仍然在做相關(guān)方面的研究。

圖8所示為利用液晶可調(diào)F-P腔原理進(jìn)行設(shè)計(jì)的TF結(jié)構(gòu)。圖中兩個(gè)反射面平行，這樣中間的液晶層就形成一個(gè)F-P腔，根據(jù)形成干涉的條件，有式中，為調(diào)諧波長，為液晶的折射率，為兩高反面形成的腔長，為正整數(shù)。其他形式的可調(diào)F-P腔一般都是通過調(diào)整腔長來實(shí)現(xiàn)干涉波長的調(diào)節(jié)，而液晶的可調(diào)F-P則是通過調(diào)節(jié)液晶的折射率來改變實(shí)際光程，從而達(dá)到調(diào)節(jié)干涉波長的目的。這樣的F-P腔可以實(shí)現(xiàn)1.5 μm～2.3 μm將近80 nm的調(diào)節(jié)范圍。但是其精細(xì)度等指標(biāo)離DWDM系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用要求還有距離。

圖9所示為另一種原理的液晶OTF，這種OTF是根據(jù)Lyot濾波器的原理實(shí)現(xiàn)的。由瓊斯矩陣可以得到每一級(jí)的光譜曲線為：式中，為波長，為液晶層的厚度，為所選液晶材料的雙折射率差，為晶體波片的厚度，為晶體波片的厚度。多級(jí)級(jí)連后得到較窄的波長通帶，然后通過改變液晶的驅(qū)動(dòng)電壓得到動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)的濾波性能。

2 偏振控制器件

在光通信領(lǐng)域，液晶還可用做成偏振控制器件，作為PMD補(bǔ)償系統(tǒng)的重要組成部分。圖10為液晶偏振控制器的控制原理框圖。這樣可以實(shí)現(xiàn)較低電壓控制，功耗較小，不過有一定的插入損耗（>1 dB），響應(yīng)時(shí)間不夠快，普通的液晶材料只能實(shí)現(xiàn)ms量級(jí)的響應(yīng)速度，除非應(yīng)用鐵電或反鐵電液晶材料才能實(shí)現(xiàn)μs量級(jí)的響應(yīng)速度。

3 展望

國外的各大公司如JDSU、Avanex等都相繼推出了基于該技術(shù)平臺(tái)的商用化產(chǎn)品。國內(nèi)武漢郵科院光迅公司在光通信液晶器件方面進(jìn)行著全方位的開發(fā)。另外，在驅(qū)動(dòng)電路方面，AD、Maxim等集成電路芯片公司推出了為該項(xiàng)技術(shù)專門設(shè)計(jì)的功能芯片，如32通道集成14位DAC芯片AD5532、32：1的電子切換開關(guān)ADG731、16位的 ADC芯片（0-5V 1MSPS）AD7671、低電壓模擬開關(guān)MAX4528等。

液晶在響應(yīng)速度上在ms量級(jí)，采用高速響應(yīng)的鐵電或反鐵電液晶可以進(jìn)一步提高響應(yīng)速度到μs量級(jí)，目前鐵電和反鐵電液晶技術(shù)距商用化還有一段距離，其技術(shù)瓶頸不在鐵電或反鐵電液晶聚合的材料制備上，而是在成屏的質(zhì)量上，很低的成品率使得成本價(jià)格高昂，在市面上個(gè)別廠家能夠提供少量的這類產(chǎn)品。隨著技術(shù)不斷完善和應(yīng)用，液晶將成為光通信領(lǐng)域中光器件的一種主流技術(shù)。