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液晶光波导偏振旋转器技术研究

液晶光波导偏振旋转器技术研究

作者：查正桃西华师范大学

学位级别：硕士

偏振旋转器是偏振分集技术中必不可少的核心元件,其可在不移动偏振器件的情况下利用光波导中场分量间的能量耦合效应来实现波导横电、横磁模式之间的相互转换。作为偏振旋转器的重要新型分支,基于液晶材料的液晶光波导偏振旋转器(Liquid... 详细信息

偏振旋转器是偏振分集技术中必不可少的核心元件,其可在不移动偏振器件的情况下利用光波导中场分量间的能量耦合效应来实现波导横电、横磁模式之间的相互转换。作为偏振旋转器的重要新型分支,基于液晶材料的液晶光波导偏振旋转器(Liquid Crystal Optical Waveguide Polarization Rotator,LCOW-PR)是一种拥有易重构性的有源偏振模式旋转器件,具有规则紧凑的器件结构、低成本、高精度的偏振转换效率控制、易于片上设计与集成等优势,在波分复用接收器、模分复用、阵列波导光栅解复用器、导模谐振滤波器、光交叉连接等领域均有广阔的应用潜力与价值,已逐渐引起相关领域内研究人员的关注。截至目前,LCOW-PR技术研究还存在综合分析模型并不完善、无法准确计算偏振转换长度、偏振转换效率、串扰以及传播损耗等问题,本文针对LCOW-PR的综合模型构建、本征模式求解以及传播特性分析这三个方面进行研究,主要工作和学术贡献如下:1、构建了较为完善的LCOW-PR综合分析模型,包括液晶双折射模型、液晶场致重新取向模型和LCOW-PR结构与分析模型。研究了向列相液晶的取向有序性、双折射特性等光学性质,为LCOW-PR的液晶选材提供依据,并计算了具体液晶材料的主轴折射率;针对液晶光波导应具备旋转偏振模式的功能,求解了向列相液晶指向矢的偏转角和介电张量的空间分布,为准确分析外加电压调控LCOW-PR的器件性能奠定重要的理论基础;设计了凭现存工艺技术有望实现的LCOW-PR器件结构,并根据波导各材料参数对LCOW-PR性能影响的程度获得了其理论分析模型。2、针对LCOW-PR偏振转换长度无法准确获得的问题,准确求解了LCOWPR的本征模式。推导了向列相液晶的横向本征磁场分量间的耦合方程组;推导出液晶光波导中本征模内场分量间的定量关系,为LCOW-PR本征模式求解准确性的验证提供理论依据;利用有限差分边界条件离散了耦合方程组,分析了算符矩阵的差分系数填充规则,并结合了液晶介电张量的渐变特性从而改进了传统的差分算符矩阵,获得了能准确求解LCOW-PR本征模式的特征值方程;通过求解特征值方程分析了外加电压以及液晶介电张量的渐变特性对本征模场分布的作用规律,并采用本征模内场分量间的定量关系验证了本文所改进的特征值方程的有效性与准确性;研究了有效折射率、偏振转换长度的电调谐特性,剖析了液晶介电张量的渐变特性对该电控性能所造成的影响,为LCOW-PR的器件长度确定提供依据。3、针对LCOW-PR偏振转换效率、串扰、传播损耗等指标无法准确计算的问题,准确分析了LCOW-PR的传播特性。通过对矢量传输方程依次执行纵向、横向差分离散推导了交替方向隐式束传播法的迭代方程组,为准确求解LCOW-PR的传播场提供技术支撑;准确求解了LCOW-PR的传播场强分布进而研究了外加电压对其作用规律,并分析了液晶介电张量的渐变特性对该电控规律所造成的影响;研究了LCOW-PR的偏振转换效率、串扰、传播损耗等关键指标的电调谐特性,获得了具备所需功能的LCOW-PR的电控实现方法,分析了液晶指向矢偏转角的渐变特性在各关键指标电控性能上的影响,为实际制备LCOW-PR时液晶盒取向层的预处理提供理论指导;计算了各关键指标对工作波长、工作温度以及液晶盒尺寸的误差容限,并分析了液晶指向矢偏转角的渐变特性在误差容限上的影响,为设计出具有鲁棒性的LCOW-PR器件提供一定的理论参考。

关键词：液晶光波导偏振旋转器渐变介电张量本征模式束传播法

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液晶光波导中本征模内场分量间的关系

液晶与显示 2022年第1期37卷 14-20页

作者：查正桃张谦述西华师范大学物理与天文学院四川南充637009 西华师范大学电子信息工程学院四川南充637009

液晶光波导的本征模场分析是其器件设计的基础与理论支撑,模场分析的准确度直接影响到液晶光波导器件性能的好坏。为了准确分析液晶光波导中本征模场分量间的关系,我们执行了以下步骤。首先,根据麦克斯韦方程组推导出向列相液晶的磁场... 详细信息

液晶光波导的本征模场分析是其器件设计的基础与理论支撑,模场分析的准确度直接影响到液晶光波导器件性能的好坏。为了准确分析液晶光波导中本征模场分量间的关系,我们执行了以下步骤。首先,根据麦克斯韦方程组推导出向列相液晶的磁场耦合方程,然后得出非寻常光波本征模式的磁场分量间比值与指向矢旋转角间的定量关系,并利用OptiBPM13.1进行数值仿真。仿真结果验证了场分量间比值与指向矢旋转角的正切函数互为相反数这一定量关系。根据这一关系,可通过改变外加电压来控制液晶光波导中本征模场的横向磁场分量间的相对数量级,进而实现非寻常光波所激励的偏振模式的转换。这一规律有助于推动基于液晶光波导的偏振旋转器和模式转换器的研究。

关键词：液晶各向异性光波导本征模场

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一维渐变介电张量液晶光波导的模解器

光学技术 2022年第4期48卷 410-415页

作者：查正桃张谦述温倩西华师范大学物理与天文学院四川南充637009 西华师范大学电子信息工程学院四川南充637009

液晶光波导本征模场分析的准确度直接影响到其器件的性能。采用了以下步骤去准确求解电介质张量沿着一个维度渐变的液晶光波导中的模场分布。考虑液晶场致重新取向的渐变特性,对液晶的各向异性磁场耦合方程组进行了有限差分离散,然后改... 详细信息

液晶光波导本征模场分析的准确度直接影响到其器件的性能。采用了以下步骤去准确求解电介质张量沿着一个维度渐变的液晶光波导中的模场分布。考虑液晶场致重新取向的渐变特性,对液晶的各向异性磁场耦合方程组进行了有限差分离散,然后改进传统差分算符矩阵得到了能准确求解液晶光波导中模式的特征值方程。最后,给出一个数值案例,将求解结果与本征模内场分量间的耦合关系比较从而验证了该模解器的有效性。

关键词：渐变介电张量液晶光波导模解器

利用照度测距圆重叠区重心估计的可见光室内定位方法研究

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光学技术 2019年第5期45卷 557-561页

作者：杨世权张谦述胡玥查正桃西华师范大学电子信息工程学院

基于点光源照度函数测距原理,提出了一种利用相对照度测距圆重叠区重心估计的定位方法。通过探测器与光源投影点的照度比来测量探测器与光源投影点之间的距离,并建立以投影点为圆心的测距圆方程;将三测距圆的公共重叠区域的重心作为探... 详细信息

基于点光源照度函数测距原理,提出了一种利用相对照度测距圆重叠区重心估计的定位方法。通过探测器与光源投影点的照度比来测量探测器与光源投影点之间的距离,并建立以投影点为圆心的测距圆方程;将三测距圆的公共重叠区域的重心作为探测器位置的估计值,求出该公共重叠区域重心位置即可实现定位;实验中以LED模拟点光源,采用所提出的方法,定位误差约为3.51cm。实验验证了本方法可实现快速、精确地室内定位。

关键词：应用光学可见光通信定位照度函数重心

非对称锚定面内开关液晶平板光波导的色散方程

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液晶与显示 2022年第7期37卷 832-839页

作者：查正桃张谦述温倩周琪张耀进张冲董帅蒋勇西华师范大学物理与天文学院四川南充637009 西华师范大学电子信息工程学院四川南充637009

为了准确计算液晶光波导中的模式,推导出了非对称锚定面内开关平板液晶光波导中横电模式的色散方程。进行了模式的求解,并与仅适用于均匀各向同性材料的传统色散方程得出的结果进行了比较。结果显示,传统色散方程得出的每一个模式的有... 详细信息

为了准确计算液晶光波导中的模式,推导出了非对称锚定面内开关平板液晶光波导中横电模式的色散方程。进行了模式的求解,并与仅适用于均匀各向同性材料的传统色散方程得出的结果进行了比较。结果显示,传统色散方程得出的每一个模式的有效折射率都比本文方程的求解结果更大,且该偏差随模式阶数的增加而变得更加严重。在本文的例子中,基模、阶模、2阶模对应的最大偏差分别占液晶双折射的7.8%,17.8%,26.3%,这表明液晶指向矢的渐变特性对有效折射率解有不容忽视的影响。因此,相较于传统色散方程的不足,本文提出的色散方程能更有效地分析液晶光波导中的模式。最后,通过与已有的数值结果进行比较验证了本文提出的色散方程的有效性与准确性。

关键词：非对称锚定面内开关液晶光波导色散方程

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卷积和的快速分段和定限图法

高师理科学刊 2018年第11期38卷 25-27页

作者：查正桃张谦述西华师范大学电子信息工程学院四川南充637002

卷积和的时序定位和不同时序区间内求和上下限的确立是离散信号卷积和求解中需要突破的2个关键.利用2个信号的有效区间长度间的大小关系,将卷积和求解分为3类问题,推导出3类卷积和求解的时序快速分段定位与定限的公式,并给出卷积和的定... 详细信息

卷积和的时序定位和不同时序区间内求和上下限的确立是离散信号卷积和求解中需要突破的2个关键.利用2个信号的有效区间长度间的大小关系,将卷积和求解分为3类问题,推导出3类卷积和求解的时序快速分段定位与定限的公式,并给出卷积和的定限图.使求解过程直观清晰,易于运算,很好地避免了传统求解方法中容易出现的时序定位不清,物理意义不明或运算繁琐等弊端.

关键词：离散信号卷积和解析法分段定限

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有理数系数一元三次方程的辅助方程解法

高师理科学刊 2018年第3期38卷 20-23,29页

作者：查正桃张谦述西华师范大学电子信息工程学院四川南充637002

利用辅助方程,结合小区间试根法和降阶法,提出了一种求解有理数系数一元三次方程的根的简化运算方法,避免了传统方法中的复杂运算.经分析表明,存在有理根的一元三次方程的辅助方程必存在整数根,且为辅助方程常数项的约数.因此,可用小区... 详细信息

利用辅助方程,结合小区间试根法和降阶法,提出了一种求解有理数系数一元三次方程的根的简化运算方法,避免了传统方法中的复杂运算.经分析表明,存在有理根的一元三次方程的辅助方程必存在整数根,且为辅助方程常数项的约数.因此,可用小区间试根法方便地求得该整数根,再利用原方程与辅助方程根的关系求得原方程的有理根,最后利用降阶法求出原方程的余根.利用该方法能手工运算得出原方程的所有根.

关键词：一元三次方程辅助方程小区间试根法降阶法

一种提高可见光室内定位精度的LED匹配方案

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重庆科技学院学报（自然科学版） 2023年第3期25卷 75-80页

作者：温倩张谦述张冲查正桃西华师范大学电子信息工程学院四川南充637009 西华师范大学物理与天文学院四川南充637009

为了实现低成本、低复杂度及高精度的室内可见光定位,提出一种提高可见光室内定位精度的LED匹配方案。首先,基于LED室内照明布局,根据点光源测距公式及基于光电压的三灯定位原理得出最佳定位匹配方案;然后,对比分析不同匹配方案的定位... 详细信息

为了实现低成本、低复杂度及高精度的室内可见光定位,提出一种提高可见光室内定位精度的LED匹配方案。首先,基于LED室内照明布局,根据点光源测距公式及基于光电压的三灯定位原理得出最佳定位匹配方案;然后,对比分析不同匹配方案的定位精度。实验结果显示,在200 cm×200 cm×230 cm的室内定位空间中,运用该方法得出的平均定位误差为4.96 cm,比传统三边定位方法的定位精度提高了44.70%,可在低成本的情况下实现更精确的定位。

关键词：可见光室内定位 LED 匹配方案定位精度

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液晶平板光波导中耦合模式的研究

西华师范大学学报（自然科学版） 2022年第3期43卷 283-288页

作者：查正桃张谦述张耀进周琪西华师范大学物理与天文学院四川南充637009 西华师范大学电子信息工程学院四川南充637009

光波导中耦合模式的研究是设计偏振模式控制器的重要环节。为了得到液晶倾斜角对液晶光波导中模式的调控规律,采用了以下步骤:首先,从向列相液晶耦合磁场方程得到了横向磁场分量的波动方程,并解析求解该波动方程得到模场场解的显式表达... 详细信息

光波导中耦合模式的研究是设计偏振模式控制器的重要环节。为了得到液晶倾斜角对液晶光波导中模式的调控规律,采用了以下步骤:首先,从向列相液晶耦合磁场方程得到了横向磁场分量的波动方程,并解析求解该波动方程得到模场场解的显式表达式;然后,根据边界条件得到了向列相液晶光波导中耦合模式的色散关系;最后,通过给出的数值案例分析得到了液晶分子倾斜角对模数曲线,模折射率以及模场分布的调控规律。结果表明,横向磁场分量之间的数量级关系易受液晶分子倾斜角的调控,而低阶模式的模折射率几乎不随液晶分子倾斜角变化。利用这一特性,有望实现基于液晶光波导的电控偏振旋转器和偏振模式转换器。

关键词：向列相液晶光波导各向异性耦合模式色散关系