一种液晶型电控光开关及其制备方法

摘要

本发明公开了一种液晶型电控光开关及其制备方法，包括上ITO导电玻璃、下ITO导电玻璃、单模拉锥光纤、上导电胶带、下导电胶带和液晶；利用液晶材料的电光效应，通过改变外加电场的大小控制液晶折射率的变化，从而改变出射光能量，实现光开关的功能，采用光纤与外部光路进行耦合，没有外部运动件，无需透镜对准，器件连接方便、稳定性好、耦合损耗低，且器件制作简单，造价低廉，解决了现有的光开关的光路耦合需要外部运动件或需要透镜进行光路对准，对光路对准要求严格，容易产生较高的耦合损耗的技术问题。

说明书

技术领域

本发明涉及光开关技术领域，尤其涉及一种液晶型电控光开关及其制备方法。

背景技术

光开关是一种在光纤传输、测试和传感领域非常重要的光器件，可以实现对光路的物理或者逻辑切换操作。机械式和微机电式光开关是制备技术最为成熟和市面上应用最广泛的两种类型光开关，其中机械式光开关通过棱镜、反射镜和移动光纤三种方法实现光路的切换，虽然这种技术插入损耗低且隔离度高，但是机械设备体积较大，反应开关时间较长，难以适应当前光网络对于高速、大容量及高度集成化的需求。而微机电式光开关是对机械式光开关微型化的实现，在硅晶上刻出微镜，通过控制微镜的高低与角度来实现传输光的光路切换和通断，这种技术弥补了机械式光开关体积大难集成和开关速度较慢等缺点，但是和机械式光开关一样，都是通过控制外部运动件，将传输光路中的光耦合到输出端，其对光路的对准要求十分严格，光路对准稍有偏差，将会导致较高的耦合损耗。除了以上两种类型的光开关，也有基于改变材料的折射率来完成对光传输通道的打开与关闭动作的，比如利用KTN晶体的电光效应制成的光开关，通过改变加载在晶体上的电压大小来控制晶体内光线的传播方向，传输至不同的出射光纤，从而实现光路的切换、打开与关闭的目的，但是同样需要经过透镜耦合，才能将光射入光纤，所以对于光路对准的要求也十分严格。因此，如何解决现有的光开关的光路耦合需要外部运动件或需要透镜进行光路对准，对光路对准要求严格，容易产生较高的耦合损耗的技术问题，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明提供了一种液晶型电控光开关及其制备方法，用于解决现有的光开关的光路耦合需要外部运动件或需要透镜进行光路对准，对光路对准要求严格，容易产生较高的耦合损耗的技术问题。

有鉴于此，本发明第一方面提供了一种液晶型电控光开关，包括：上ITO导电玻璃、下ITO导电玻璃、单模拉锥光纤、上导电胶带、下导电胶带和液晶；

所述上ITO导电玻璃通过UV固胶固定在所述单模拉锥光纤的锥区，所述上ITO导电玻璃覆盖所述单模拉锥光纤的锥区并一端延伸至所述单模拉锥光纤的过渡区；

所述下ITO导电玻璃通过UV固胶固定在所述单模拉锥光纤的锥区，所述下ITO导电玻璃覆盖所述单模拉锥光纤的锥区并一端延伸至所述单模拉锥光纤的另一过渡区，与所述上ITO导电玻璃呈平行错位拼接；

所述上ITO导电玻璃与所述单模拉锥光纤的锥区之间、所述下ITO导电玻璃与所述单模拉锥光纤的锥区之间填充所述液晶；

所述上ITO导电玻璃的位于所述单模拉锥光纤的过渡区的部分内侧粘贴有所述上导电胶带，所述下ITO导电玻璃的位于所述单模拉锥光纤的过渡区的部分内侧粘贴有所述下导电胶带。

可选地，所述上ITO导电玻璃和所述下ITO导电玻璃的尺寸为30mm×10mm。

可选地，所述上ITO导电玻璃和所述下ITO导电玻璃均为单面导电的ITO导电玻璃，导电面涂有导电氧化铟锡膜。

可选地，所述导电面的导电电阻为24欧姆。

可选地，所述单模拉锥光纤的包层直径为18μm-23μm，锥区长度为3mm。

可选地，所述单模拉锥光纤的两端熔接有光纤跳线。

可选地，所述光纤跳线为FC型单模光纤跳线。

可选地，所述UV固胶中加有间隔粒子。

所述液晶为寻常光折射率为1.517、非常光折射率为1.741、介电各向异性为11.4的E7材料。

本发明第二方面提供了一种液晶型电控光开关的制备方法，包括：

剥去单模光纤中间预置长度的光纤涂覆层，使用蘸有酒精的擦拭纸擦拭去除光纤涂覆层的部位；

将去除光纤涂覆层的单模光纤夹在拉锥机机台上，使裸纤区正置于拉锥机的火焰喷头下方，设置拉锥机拉锥参数后，对单模光纤进行拉锥，得到单模拉锥光纤；

将单模拉锥光纤的锥区夹在上ITO导电玻璃和下ITO导电玻璃之间，其中上ITO导电玻璃和下ITO导电玻璃在光纤轴向方向上需要错位拼接，前后侧使用UV固胶进行封口，使用UV光对UV固胶进行固化；

将液晶灌入上ITO导电玻璃与单模拉锥光纤的锥区之间的空隙以及下ITO导电玻璃与单模拉锥光纤的锥区之间的空隙，待填充满之后，用UV固胶进行左右侧封口处理，使用UV光对UV固胶进行固化，得到液晶盒体；

将上导电胶带粘贴在上ITO导电玻璃的位于所述单模拉锥光纤的过渡区的部分内侧，将下导电胶带粘贴在下ITO导电玻璃的位于所述单模拉锥光纤的过渡区的部分内侧。

从以上技术方案可以看出，本发明实施例具有以下优点：

本发明中提供了一种液晶型电控光开关，包括：上ITO导电玻璃、下ITO导电玻璃、单模拉锥光纤、上导电胶带、下导电胶带和液晶；上ITO导电玻璃通过UV固胶固定在单模拉锥光纤的锥区，上ITO导电玻璃覆盖单模拉锥光纤的锥区并一端延伸至单模拉锥光纤的过渡区；下ITO导电玻璃通过UV固胶固定在单模拉锥光纤的锥区，下ITO导电玻璃覆盖单模拉锥光纤的锥区并一端延伸至单模拉锥光纤的另一过渡区，与上ITO导电玻璃呈平行错位拼接；上ITO导电玻璃与单模拉锥光纤的锥区之间、下ITO导电玻璃与单模拉锥光纤的锥区之间填充液晶；上ITO导电玻璃的位于单模拉锥光纤的过渡区的部分内侧粘贴有上导电胶带，下ITO导电玻璃的位于单模拉锥光纤的过渡区的部分内侧粘贴有下导电胶带。

本发明提供的液晶型电控光开关，拉锥光纤锥区填充的液晶在没有外场作用下时，受到光纤与ITO导电玻璃的共同作用，液晶指向矢初始方向与光纤轴向方向平行，光纤中传输光场感受到的液晶折射率为液晶寻常光折射率，当有外场作用下时，液晶指向矢方向会随着外加电场的增大而逐渐转向与外场平行的方向，直到与外场平行即垂直于光纤轴向方向，在此过程中，光纤内场感受到的液晶折射率随着外场增大逐渐增大，当液晶与外场平行时光纤内场感受到的液晶折射率为非寻常光折射率，根据锥形光纤倏逝波传感原理，随着外界环境折射率的增大，输出光线能量也逐渐增大。由于液晶填充在拉锥光纤锥区，所以可以通过改变外加电场的大小，控制液晶折射率的变化，实现开光控制的目的。本发明提出的光开关利用液晶材料的电光效应，通过改变外加电场的大小控制液晶折射率的变化，从而改变出射光能量，实现光开关的功能，采用光纤与外部光路进行耦合，没有外部运动件，无需透镜对准，器件连接方便、稳定性好、耦合损耗低，且器件制作简单，造价低廉，解决了现有的光开关的光路耦合需要外部运动件或需要透镜进行光路对准，对光路对准要求严格，容易产生较高的耦合损耗的技术问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中提供的一种液晶型电控光开关的结构示意图；

图2为本发明实施例中提供的单模拉锥光纤结构示意图；

其中，附图标记为：

1、液晶；2、单模拉锥光纤；2-1、单模拉锥光纤锥区；2-2、入射端单模拉锥光纤过渡区；2-3、出射端单模拉锥光纤过渡区；3、UV固胶；4、上ITO导电玻璃；5、下ITO导电玻璃；6、上导电胶带；7、下导电胶带；8、单模拉锥光纤入射端；9、单模拉锥光纤出射端；10、光纤跳线。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为了便于理解，请参阅图1和图2，本发明提供了一种液晶型电控光开关的实施例，包括：上ITO导电玻璃4、下ITO导电玻璃5、单模拉锥光纤2、上导电胶带6、下导电胶带7和液晶1；

上ITO导电玻璃4通过UV固胶3固定在单模拉锥光纤的锥区2-1，上ITO导电玻璃4覆盖单模拉锥光纤的锥区2-1并一端延伸至单模拉锥光纤的过渡区2-2或2-3；

下ITO导电玻璃5通过UV固胶3固定在单模拉锥光纤的锥区2-0，下ITO导电玻璃5覆盖单模拉锥光纤的锥区2-1并一端延伸至单模拉锥光纤的另一过渡区2-3或2-2，与上ITO导电玻璃4呈平行错位拼接；

上ITO导电玻璃4与单模拉锥光纤的锥区2-1之间、下ITO导电玻璃5与单模拉锥光纤的锥区2-1之间填充液晶1；

上ITO导电玻璃4的位于单模拉锥光纤的过渡区的部分内侧粘贴有上导电胶带6，下ITO导电玻璃5的位于单模拉锥光纤的过渡区的部分内侧粘贴有下导电胶带7。

本发明中所使用的ITO导电玻璃的尺寸选择为30mm×10mm，ITO导电玻璃为单面涂有导电氧化铟锡膜，另外一侧不导电，导电面电阻值为24Ω，电阻值可以在0.5Ω的偏差范围内选择。

单模拉锥光纤由拉锥机拉制制成，随着锥区直径逐渐变小，原光纤包层折射率受外界环境折射率的影响，外界环境折射率变化导致拉锥光纤包层折射率变化，从而影响拉锥光纤锥区内光场的传输。控制熔融拉锥机的拉锥时间和电机拉申速度，得到不同拉锥直径的拉锥光纤，通过显微镜确定拉锥光纤锥区包层直径与长度，锥区包层直径可以控制在18um-23um之间，以保证液晶折射率变化能对输出光能量产生影响且影响最大；锥区长度为3mm左右；将合适尺寸的拉锥光纤夹在两片ITO导电玻璃之间，两片ITO导电玻璃在光纤轴向方向上错位拼接(即如图1所示，上ITO导电玻璃4延伸至单模拉锥光纤入射端8方向的过渡区2-2，下ITO导电玻璃5延伸至单模拉锥光纤出射端9方向的过渡区2-3)，前后两侧(即光纤长度方向侧)用UV固胶进行固定和封口，用UV固胶粘贴可以防止ITO导电玻璃随意跑动，增加机械强度；利用毛细管的毛细效应将液晶慢慢灌入两片ITO导电玻璃与锥区的缝隙空间填充满；再用UV固胶将另外两个口(即光纤宽度方向侧)进行封口处理，得到液晶盒体。UV固胶用UV光进行固化时，照射时间避免过长，影响液晶电光性能。单模拉锥光纤的两端可以熔接有光纤跳线，优选FC型单模光纤跳线。

本发明提供的液晶型电控光开关的原理为：

拉锥光纤锥区填充的液晶在没有外场作用下时，受到光纤与ITO导电玻璃的共同作用，液晶指向矢初始方向与光纤轴向方向平行，光纤中传输光场感受到的液晶折射率为液晶寻常光折射率n

其中P(z)为输出光线能量，P(0)为初始光线能量，n为光纤纤芯折射率，n

液晶型电控光开关的一个具体应用场景为：将单模拉锥光纤一端连接光源，另一端连接光功率计，光源发出的光经过单模拉锥光纤锥区，当加载在液晶上面的电压为0时，拉锥光纤输出端光功率计检测到的输出光功率很小，光路断开；当逐渐加大电压值，单模拉锥光纤输出端光功率计检测的输出光功率随着电压的增大逐渐增大，直达电压到达某个值后，光功率计检测到的输出光功率达到最大值，光路打开，从而实现基于液晶技术的电控光开关的目的。

本发明提出的液晶型电控光开关利用液晶材料的电光效应，通过改变外加电场的大小控制液晶折射率的变化，从而改变出射光能量，实现光开关的功能，采用光纤与外部光路进行耦合，没有外部运动件，无需透镜对准，器件连接方便、稳定性好、耦合损耗低，且器件制作简单，造价低廉，解决了现有的光开关的光路耦合需要外部运动件或需要透镜进行光路对准，对光路对准要求严格，容易产生较高的耦合损耗的技术问题。

进一步地，本发明中所使用的封口UV固胶中加有间隔粒子。本发明中所使用的液晶材料为E7；E7寻常光折射率n

本发明还提供了一种液晶型电控光开关的制备方法的实施例，包括以下步骤：

剥去单模光纤中间预置长度的光纤涂覆层，使用蘸有酒精的擦拭纸擦拭去除光纤涂覆层的部位；

将去除光纤涂覆层的单模光纤夹在拉锥机机台上，使裸纤区正置于拉锥机的火焰喷头下方，设置拉锥机拉锥参数后，对单模光纤进行拉锥，得到单模拉锥光纤；

将单模拉锥光纤的锥区夹在上ITO导电玻璃和下ITO导电玻璃之间，其中上ITO导电玻璃和下ITO导电玻璃在光纤轴向方向上需要错位拼接，前后侧使用UV固胶进行封口，使用UV光对UV固胶进行固化；

将液晶灌入上ITO导电玻璃与单模拉锥光纤的锥区之间的空隙以及下ITO导电玻璃与单模拉锥光纤的锥区之间的空隙，待填充满之后，用UV固胶进行左右侧封口处理，使用UV光对UV固胶进行固化，得到液晶盒体；

将上导电胶带粘贴在上ITO导电玻璃的位于所述单模拉锥光纤的过渡区的部分内侧，将下导电胶带粘贴在下ITO导电玻璃的位于所述单模拉锥光纤的过渡区的部分内侧。

需要说明的是，本发明提供的液晶型电控光开关的制备方法，在具体执行时，执行以下步骤：

步骤(1)：光纤预处理

取一段单模光纤，用剥纤钳剥去单模光纤中间2.5cm左右的光纤涂覆层，用蘸有酒精的擦拭纸擦拭去除涂覆层的部位。

步骤(2)：制备拉锥光纤

将去除涂覆层的单模光纤夹在拉锥机机台上，使裸纤区正置于拉锥机的火焰喷头下方，设置拉锥机拉锥参数，控制拉锥机氢气流量为160SCCM，控制拉锥时间在45-55s之间，然后使用带有CCD的显微镜进行拉锥光纤锥区包层直径检测，为了保证液晶折射率变化能对输出光能量产生影响且影响最大，将单模拉锥光纤锥区包层直径控制在18-23um之间。

步骤(3)：液晶盒制备

将上述符合要求的单模拉锥光纤夹在两片ITO玻璃之间，其中ITO玻璃在光纤轴向方向上需要错位拼接，两侧使用UV固胶对进行封口，这里使用UV光进行固化，UV固胶用UV光进行固化时，照射时间避免过长，影响液晶电光性能。

步骤(4)：液晶灌入

液晶通过毛细管的毛细效应从一侧灌入ITO导电玻璃与锥区的缝隙空间，待充满整个缝隙区域，再用UV固胶将盒子另外两个口进行封口处理，形成液晶盒体，防止液晶漏出挥发，同时单模拉锥光纤两端也要用UV固胶粘贴在ITO导电玻璃上，防止随意跑动，增加机械强度。

步骤(5)：导电胶带的固定

封口完成后，将导电胶带粘贴在上下两片ITO玻璃错位拼接处的内侧。

步骤(6)：熔接光纤跳线

通过熔接机将单模拉锥光纤两端分别与光纤跳线熔接，本发明中所使用的光纤跳线为FC型单模光纤跳线，也可以根据需求选择不同型号的光纤跳线进行熔接。

本发明所使用的液晶是一种双折射率很大的有机化合物，液晶分子的介电各向异性，导致液晶分子在外电场作用下时，液晶分子的指向极易受到外电场的控制，通过改变加载在液晶上面电压值的大小，控制液晶折射率的大小，从而实现对拉锥光纤内传输光场的影响。当无电压时，输出光功率很低，开关断开；当电压达到某个值时，输出光功率增大，此时开光打开。

本发明的液晶型电控光开关只需一根光纤，器件尺寸小，插入损耗低，基于液晶的电光效应实现开光的目的，开关速度快，及无外部运动件和耦合损耗等特点。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。