LBTEK 液晶光开关——技术说明

一、概述

LBTEK 液晶光开关（Liquid Crystal Optical Switch，LCOS）基于90 °TN取向液晶盒和薄膜线性偏振片制成，安装于机械外壳中并附带接线。在聚酰亚胺（Polyimide，PI）层摩擦取向的作用下，其液晶分子快轴从上表面到下表面扭转90 °，通过对填充在TN液晶盒中的向列相液晶施加0 V和15 V的交流电压，实现90 °/0 °旋光效果切换，并结合正交偏振片来实现光束通/断的作用，为光路提供快速、无振动的光束通断控制效果。

基于液晶光开关的高开关响应速度、电压调控无机械振动、稳定性好、成本低、体积小等优点，其可代替机械式光开关应用在一些成像与显示领域。

二、产品外观

 LBTEK 液晶光开关基于向列相液晶/ITO玻璃和线偏振薄膜，依托TN取向式液晶盒及聚酰亚胺摩擦取向工艺制成，外形呈现为“前后错位正交偏振薄膜+中间向列相液晶层”的三明治结构。液晶盒前后衬底的ITO层分别接线，并封装于机械外壳中，机械外壳兼容Ø1 英寸光学元件安装架。在机械外壳上，标注了产品的名称、型号等关键参数，并用长实线标记了前后两正交偏振片的透振方向，方便用户在光路系统中快速区分产品参数、进行元件调试。

LBTEK 液晶光开关可双面使用，由于其本身前后贴有偏振片，所以其对入射光偏振态没有要求，但为了使光束能量利用率达到最高，一般为线偏光入射且偏振方向与入射面的偏振片透振方向一致。

图1 液晶光开关外观结构示意

三、光学特性

1. 光开关

LBTEK 液晶光开关的功能主要由液晶盒内的向列相液晶填充层实现，当没有外加电压（0 V）时，液晶分子在聚酰亚胺层的作用下，沿着摩擦方向排列，从上表面到下表面液晶分子快轴扭转90 °，使入射光经过液晶盒发生90 °旋光，与正交偏振片搭配实现开光；而在施加15 V电压后，液晶分子趋于平行电场方向排列，于是原来的扭曲结构被破坏，形成了均匀结构，此时通过的光未发生旋光而被正交偏振片消光，从而实现关光。

图2 液晶光开关在加电压与否条件下的液晶分子取向变化

2. 光衰减

LBTEK 液晶光开关也可以用作光衰减器，在外部施加0 V和15 V电压时实现光束的通和断，而当电压在0 V和15 V之间连续变化时，液晶分子快轴也在逐渐发生变化，入射光旋光效果也从90 °逐渐趋于0 °，结合前后两个正交偏振片，便可以通过施加不同的中间电压得到不同的衰减效果。

四、参数说明

1. 透过率

由于液晶光开关上下搭配有两片线偏振薄膜，不同的入射光偏振方向会对透过率有很大影响，因此，我们给出的透过率为入射光与入射面偏振片透光轴对准时的最大透过率。在400-700 nm工作波段内，可实现不同波长下的平均透过率>60 %。

2. 对比度

液晶光开关对比度的定义为0 V电压下所透过的最大光强与15 V电压下所透过的最小光强的比值。在400-700 nm工作波段内，可实现不同波长下的平均对比度>5000:1。

3. 响应时间

液晶光开关的开关响应时间一般为开光时间与关光时间的总和。开光时间为给定电压信号下降到10 %至透过光功率上升至90 %所需要的时间（C→D），关光时间为给定电压信号上升到90 %至透过光功率下降至10 %所需要的时间(A→B)。

图3 液晶光开关响应时间参数说明

LBTEK 液晶光开关——应用案例

1. 光通信——光交叉互连（OXC）

光交叉互连是一种能在不同的光路径之间进行光信号交换的光传输设备，通过空间上的光开关矩阵来实现光信号的转换和传输，可以大大缩小集成体积，提高信号传输效率。如下图所示为简易的OXC结构示意，利用柱面准直镜将输入信号竖直方向上发散的球面波转换成准直的平面波，并让它们同时照射到光开关矩阵上，再利用后面的柱面透镜将传输过来的平面波转换为水平方向汇聚的柱面波，因此在不同水平位置上的光波将汇聚到输出端面的不同位置上。通过控制光开关矩阵上不同像素点的通断，可实现输入的光信号交换在输出端不同的光纤上，从而实现光的交叉互连。

图1 OXC原理示意

2. 光显示——液晶显示屏（LCD）

液晶显示屏由液晶光开关设计而成，其由两个正交偏振片、TN液晶盒、背光源以及彩色滤光片组成。液晶显示屏工作原理与前面介绍的光开关原理一致，在不加电压状态下，液晶盒内的液晶分子处于扭曲状态，光通过；而在加电压状态下，液晶盒内的液晶分子变为垂直排列，光断开。实际应用中的液晶显示屏由很多个液晶光开关矩阵排列共同作用，每个光开光可以看作是一个像素点，给每个像素分别施加不同大小的电压信号，来实现不同的旋光角度从而使透光强度发生变化，以此来实现多灰阶的画面显示；在这个基础上再加上彩色滤光片，就可以实现彩色画面显示。

图2 液晶显示屏工作原理示意

LBTEK 液晶光开关——定制能力

LBTEK 液晶光开关除已有标准产品外，另提供各项参数规格的灵活定制：

若您需要的参数不在上表覆盖范围内，欢迎联系LBTEK技术支持详询！