CC BY
124
УДК 621.375-85
ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЙ ОПТИЧЕСКИЙ ИЗОЛЯТОР
© 2005 А. А. Савченко', А.К. Чернышов2
1 Самарский государственный аэрокосмический университет 2 Самарский филиал Физического института им. П.Н.Лебедева РАН
Продемонстрировано использование пленарной жидкокристаллической ячейки в качестве спектрально перестраиваемой четверть- или полуволновой пластинки в диапазоне 600-900 им. Поляризационный оптический изолятор, построенный на основе данной ячейки, обеспечивала прямое пропускание на уровне-1,7 (1В и обратное пропускание на уровне-30 с)В. Исследованный диапазон работы ячейки определялся доступными лазерными источниками. Реальный рабочий спектральный диапазон, ограниченный полосой прозрачности жидкого кристалла, может перекрывать интервал от 450 до 1500 нм.
Введение
Полупроводниковые диодные лазеры (ДЛ) являются удобным источником перестраиваемого по спектру оптического излучения для приложений, в которых необходима высокая когерентность и не требуется большая оптическая мощность. Известно, что режим работы диодных лазеров может меняться под действием даже незначительных обратных отражений от элементов оптической схемы, что является серьезной проблемой для волоконно-оптической связи, интерферометрии и спектроскопии. Высокая чувствительность ДЛ к паразитной оптической обратной связи (ОС) обусловлена высоким коэффициентом усиления активной среды и низкой добротностью оптического резонатора, образованного гранями кристалла [1].
Хорошим решением проблемы подавления паразитных отражений в области ближнего ИК являются оптические изоляторы на основе эффекта Фарадея [2]. Однако, для сине-зеленого диапазона спектра, в котором уже доступны полупроводниковые лазеры [3], еще не найдены подходящие прозрачные материалы с большой постоянной Верде для фарадеевских изоляторов. В качестве альтернативы можно рассматривать оптическую развязку на основе четверть волновой (С^) пластинки [4]. Использование подобных изоляторов особенно оправдано, когда не требуются высокая степень изоляции и неизмен-
ность состояния поляризации. Кроме того, для спектральных систем, предусматривающих последовательную работу на различных длинах волн, определенный интерес, представляют ахроматические, либо спектрально перестраиваемые фазовые QW пластинки.
В данной работе исследуются характеристики поляризационного изолятора, в котором в качестве спектрально перестраиваемой четверть волновой пластинки используется жидкокристаллическая (ЖК) ячейка.
Жидкокристаллическая ячейка
Схема ЖК ячейки показана на рис. 1. Молекулы жидкого кристалла располагаются между двумя стеклянными подложками с нанесенными на них прозрачными электропроводящими покрытиями и слоями ориен-танта. Толщина слоя ЖК, определяемая теф-лоновыми вкладышами, составляла в нашем случае 5-12 мкм. В экспериментах использовалась ячейка с жидким кристаллом: MDA-00-3969 (MERCK) с двулучепреломлением на длине волны 580 нм Д = 0,22. Начальная пла-
п *
нарная ориентация молекул жидкого кристалла задается ориентантом, в качестве которого использовался заранее натертый мехом в определенном направлении слой полиимида. При подаче напряжения на электроды ячейки, молекулы ЖК начинают выстраиваться вдоль силовых линий электрического поля. При этом ориентация молекул, наблюдаемая
Известия Самарского научного центра Российской академии наук, т. 7, 2005
Ч Ниэкоомиые эпегтроды4
Вкладыш
и = о
и = ит
X
а О
Рис. 1. Жидкокристаллическая ячейка: а - продольный разрез; Ь - вид со стороны стеклянной подложки; овалы (слева) и кружки (справа) изображают ориентацию молекул жк под действием только ориентанта и при подаче максимально допустимого напряжения на управляющие низкоомные электроды, соответственно
через стеклянную подложку, изменяется от изображенной на рис. I (Ь, слева) до картины изображенной на рис. 1(Ь, справа). Из рисунка 1 (Ь) следует, что в отсутствие напряжения на электродах ячейки показатели преломления ЖК слоя вдоль осей У и X максимально различаются. После подачи на электроды напряжения около 10 В величина дву-лучепреломления жидкого кристалла стремится к нулю. Таким образом, ЖК ячейка представляет собой фазовую пластинку с электрически управляемой (посредством ори-ентационного Э-эффекта) величиной двулу-
чепреломления [5].
Работа ЖК ячейки в качестве перестраиваемой фазовой пластинки была протестирована с помощью стандартной оптической схемы. Она состояла из оптического источника излучающего интересующую Л; двух скрещенных поляризаторов и измерителя оптической мощности. Между скрещенными поляризаторами помещалась исследуемая фазовая пластинка. На рис. 2(а) представлены результаты, демонстрирующие работу ЖК ячейки в режиме полуволновой (РШ) фазовой пластинки. Плоскость линейно поляри-
Рис. 2. Фазовые пластинки на основе ЖК ячейки: а - режим Л12 пластинки; поворот плоскости поляризации лазерного излучения (860 мм); величина смещения
на ЖК ячейке = 3,26 В.;
Ь - режим Я/4 пластинки; преобразование линейной поляризации в циркулярную; цифрами под графиками указаны длины волн, на которых производились измерения; величина оптимизировалась для каждой X
Таблица. Параметры поляризационного изолятора на основе ЖК ячейки
632,8 nm 651,2 nm 860 nm
FL,« FLwp BL а FLi„i FLwp BL а FLtM FLwp BL а
dB dB dB dB dB dB dB dB dB
-1,3 -0,7 -29,5 1.08 -1,4 -0,7 -31,4 1,06 -1.7 -0,9 -31,2 1,05
зованного лазерного излучения (Я=860 нм), ориентированного в направлении (0°-180°), поворачивалась на определенный угол после прохождения через ячейку. Угол поворота плоскости поляризации излучения предварительно задавался углом поворота ЖК ячейки. Аналогичные результаты были получены на длинах волн 651,2 и 632,8 нм. На рис. 2(Ь) показаны результаты, демонстрирующие работу ЖК ячейки в режиме четверть волновой фазовой пластинки. Качество преобразования линейной поляризации в циркулярную оценивалось по коэффициенту циркуляр-
ности аа, определяемому как отношение вертикального (90°-270°) и горизонтального (0°-180°) размеров поляризационной диаграммы на рис. 2(Ь). Результаты измерений коэффициента циркулярности аа приведены в таблице.
Поляризационный оптический изолятор
Устройство и принцип работы поляризационной оптической развязки поясняются на рис. За. Изолятор состоит из входного поляризатора Pol, который пропускает свет, по-
Ул
JUITL 4,610 В 4,546 В
4,388 В
_П_П_П_ 4,345 В
ЛШ~ГД97В
Т, отн.ед.
Рис. 3. Поляризационный изолятор: а - устройство и принцип действия: Pol - поляризатор: QW - пластинка Л/4; сплошные стрелки обозначают поляризацию, а контурные стрелки показывают направления распространения пучков:
b - схема экспериментальной установки: DL - диодный лазер; BS - делитель пучка; PD - фотодиод; Pol -поляризационный делитель лучка; LC - жидкокристаллическая ячейка; М - плоское зеркало; с - Амплитуда импульсного сигнала, регистрируемая фотодиодом PD при различных напряжениях (справа) на ЖК ячейке
Иместия Самарского научного центра Российской академии наук, т. 7. ЛЬ/, 2005
ляризованный в вертикальном направлении (90°-270°) и четверть волновой фазовой пластинки QW. Быстрая ось пластинки повернута на угол 45° по отношению к направлению пропускания Pol. После QW пластинки расположено зеркало М, которое моделирует поверхность, отражающую излучение в направлении обратно к источнику.
Вначале входное оптическое излучение с поляризацией близкой к вертикальной проходит через поляризатор Pol. Затем свет со строго вертикальной поляризацией конвертируется волновой пластинкой QW в циркуляр-но поляризованное излучение. После этого выходной циркулярно поляризованный пучок отражается от зеркала М и вновь проходит через QW пластинку, преобразуясь при этом в линейно поляризованную волну с поляризацией расположенной горизонтально. Поляризатор Pol блокирует оптическое излучение, поляризованное в направлении 0°-180°, и тем самым препятствует возникновению паразитной ОС.
Для определения характеристик изолятора на основе ЖК ячейки была собрана экспериментальная установка, которая показана на рис. ЗЬ. Коллимированный линейно поляризованный пучок от полупроводникового диодного лазера DL направляется на элементы, образующие оптический изолятор. В качестве входного поляризатора был использован поляризационный делительный кубик Pol, а четверть волновой пластинкой служила ЖК ячейка LC, управляемая переменным (1 кГц) синусоидальным напряжением VK, поступающим от генератора. Выходное циркулярно поляризованное излучение отражалось плоским алюминиевым зеркалом М и направлялось обратно к лазеру. Между кол-лимирующей линзой и поляризационным делителем Pol располагалась частично отражающая делительная пластинка BS, которая направляла на измерительный фотодиод PD часть пучка, распространяющегося от зеркала М к диодному лазеру. Для уменьшения влияния комнатного освещения на показания фотодиода PD выходная оптическая мощность DL импульсно модулировалась. Поэтому амплитуда импульсной составляющей сигнала, регистрируемого PD и представленно-
го на рис. Зс, пропорциональна только мощности оптического излучения, возвращаемого к диодному лазеру от внешнего зеркала М.
На рис. Зс показано как изменяется импульсный сигнал РО от величины напряжения прикладываемого к электродам ЖК ячейки. Видно, что при напряжении V = 4,447 В амплитуда импульсов спадает практически до нуля. Для других значений амплитуда импульсной составляющей сигнала РО и, следовательно, величина отраженного обратно к ЭЬ излучения возрастают. Эти графики наглядно демонстрируют изолирующие свойства поляризационной развязки на основе ЖК ячейки. Для количественной оценки параметров жидкокристаллического изолятора измерялись полные прямые (РЦЯ) и обратные (ВЬ) потери, а также потери в фазовой ячейке РЦур. Полные прямые потери определялись как отношение оптической мощности Р3 после ЖК ячейки к мощности Р,, падающей на поляризационный кубик Ро1 (рис. ЗЬ). Полные обратные потери, вносимые оптическим изолятором, могут быть выражены через отношение оптической мощности Р6, регистрируемой фотодиодом РО, к мощности Р, с учетом коэффициентов отражения зеркала М (Я,) и делительной пластинки ВБ (Я^). Соответствующие выражения для РЦМ и ВЬ имеют вид
FLW Л
BL—i-A R,R2 Р, •
Параметр оценивался как отношение оптической мощности Р3 к мощности Р2, измеренной после поляризатора. Результаты измерений приведены в таблице.
Заключение
В работе экспериментально продемонстрировано. что жидкокристаллическая ячейка может успешно использоваться как спектрально перестраиваемая четверть- или полуволновая пластинка в диапазоне 600-900 нм. Поляризационная развязка, построенная на основе данной ЖК ячейки, обеспечивала прямое пропускание на уровне —1,7 с!В и обратное пропускание на уровне-30 с!В в исследованном спектральном диапазоне. Большая величина прямых потерь жидкокристалли-
ческих изоляторов связана с управлением ЖК при помощи электрического поля и необходимостью напыления электродов, пропускание которых составляет около 90%. Можно увеличить прямое пропускание ячейки, если отказаться от электродов и применить управление молекулами ЖК с помощью магнитного поля созданного электромагнитами. Необходимо также отметить, что спектральный диапазон работы изолятора, ограниченным полосой прозрачности ЖК, может перекрывать интервал от 450 до 1500 нм. Упомянутый выше диапазон 600-900 нм определялся только доступными лазерными источниками.
Авторы благодарят, М.А. Рахматулина, В.В. Якугкина за помощь в изготовлении ЖК ячеек, С.П. Котову и A.M. Майорову за интересную дискуссию и обсуждение результатов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Tkach R. W., Chraplyvy A.R. Regimes of feedback effects in 1,5-mmm distributed feedback lasers Hi. Lightwave Tech. 1986. V.LT4.
2. Wynands R., Dedrich F. et al. A compact tunable 60-dB Farady optical isolator for the near infrared // Rev. Sci. Instrum. 1992. V.63.
3. Nakamura S., Fasol G. The Blue Laser Diodes. Heidelberg: Springer-Verlag, 1997.
4. Kuwahara H. Optical isolator for semiconductor laser // Appl. Opt. 1980. V.19.
5. Блинов Л.М. Электро- и Магнитооптика жидких кристаллов. М.: Наука, 1978.
J LIQUID CRYSTAL OPTICAL ISOLATOR
© 2005 A.A. Savchenko, A.K. Chernyshov
Samara Branch of Physics Institute named for P.N. Lebedev of Russian Academy of Sciences
The application of a planar liquid crystal cell as a spectral tunable quarter- or half-wave plate in 600-900 nm range was demonstrate in the work. The polarizing isolator constructed on the basis of the given cell, provided the direct transmission at a level - 1,7 dB and the opposite suppression at a level -30 dB. The investigated spectral range was determined by accessible laser sources. The real working spectral range of the cell limited by a liquid crystal transparency, can overlap an interval from 450 to 1500 nm.
