共頁(yè)第28頁(yè)硅基空間光調(diào)制器原理與性能分析概述1.1液晶材料與物理特性作為通過(guò)硅基空間光調(diào)制器形成的開(kāi)關(guān)選擇器，液晶層的材料和參數(shù)是最主要的因素。在進(jìn)行仿真研究之前，本節(jié)先詳細(xì)介紹硅基空間光調(diào)制器的液晶材料及其物理特性等基本原理，為之后的仿真研究提供理論依據(jù)。1.1.1液晶材料在液晶沒(méi)有被發(fā)現(xiàn)之前，人們認(rèn)為自然界所有物體只有三種狀態(tài)：固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)。液晶的發(fā)現(xiàn)打破了人們這種固有思想。液晶材料是一種介于固體（分子排列完全規(guī)則狀態(tài)）與液體（分子排列不規(guī)則狀態(tài)）之間的流體介質(zhì)。REF_Ref863\r\h[32-34]它的內(nèi)部分子并不是固定的。1888年，奧地利植物學(xué)家F.Reinitzer在研究中首次發(fā)現(xiàn)液晶材料，但是這種材料并沒(méi)有立即被大量使用。到1962年，日本將當(dāng)時(shí)的大規(guī)模集成電路與液晶相結(jié)合，使得液晶在多個(gè)領(lǐng)域，特別是顯示應(yīng)用方面被廣泛使用。這為液晶之后在光電器件，傳感器件等領(lǐng)域打下了基礎(chǔ)。再到現(xiàn)如今，液晶蓬勃發(fā)展，被廣泛應(yīng)用于各類器件中，實(shí)現(xiàn)光束控制、光學(xué)互連、光學(xué)圖像識(shí)別等等。液晶本身這種材料也在不斷發(fā)展革新，產(chǎn)生的功能越來(lái)越多，實(shí)用性也不斷加強(qiáng)。各種液晶材料之間有所不同，可以利用它們形成方式的不同對(duì)液晶材料進(jìn)行分類。最主要的兩種液晶材料是熱致液晶和溶致液晶。它們的區(qū)別在于它們的制作方式。熱致液晶是指由于溫度的變化而生成的液晶相態(tài)，通過(guò)溫度形成的液晶成為熱致液晶。而溶致液晶是指將有機(jī)物放入溶劑中時(shí)，溶劑會(huì)破壞它的晶格，當(dāng)晶格被破壞時(shí)，物質(zhì)會(huì)變成液晶。通過(guò)有機(jī)物和溶劑形成的液晶被稱為溶致液晶。液晶分子一般呈細(xì)長(zhǎng)形的棒狀，長(zhǎng)度大概為幾納米，寬度是一般是長(zhǎng)度的四分之一到八分之一。液晶分子是有一定排列方式的，在微觀狀態(tài)下，液晶分子之間會(huì)相互吸引，情況不同導(dǎo)致液晶分子不同的排列方式。我們可以按照液晶分子的排列狀況總共分為以下三種類型REF_Ref1620\r\h[35-37]：向列相液晶，分子呈棒狀形，重心排列是無(wú)序的，但是按照長(zhǎng)軸方向它們互相平行或者近似平行，交錯(cuò)排列，指向矢決定了其方向。由于向列相液晶分子之間的相互作用比較弱，因此它的黏度比較低，這使得它的排列方向會(huì)受到各種其它因素影響，比較明顯的比如電磁場(chǎng)等等。向列相液晶之間還可以根據(jù)它們材料參數(shù)分類。介電常數(shù)是液晶的一個(gè)基本參數(shù)，對(duì)于向列相液晶而言，它們的介電常數(shù)具有各向異性，以介電常數(shù)分類，向列相液晶還可以分為正性液晶和負(fù)性液晶。它們的區(qū)別在于長(zhǎng)軸與短軸方向的介電常數(shù)大小。如果平行于長(zhǎng)軸的介電常數(shù)大于平行于短軸的，則為正性液晶，反過(guò)來(lái)為負(fù)性液晶。向列相液晶比較容易操作，工藝簡(jiǎn)單，因此在光學(xué)領(lǐng)域得到了廣泛的使用。近晶相液晶，分子呈棒狀，它的排列方式和向列相液晶不同，十分具有規(guī)律，是以長(zhǎng)軸為標(biāo)準(zhǔn)，分層排列。對(duì)于每一層的液晶分子，它們頭尾平行，排列整齊。對(duì)于層與層之間來(lái)說(shuō)，它們也互相平行。正如近晶相液晶的名字，整齊的分子排列使得它是三種液晶中最接近晶體的，這也導(dǎo)致了它的性質(zhì)是三種液晶中最接近晶體的。向列相液晶因?yàn)樗姆肿娱g相互作用比較弱，容易發(fā)生改變，而近晶相液晶每一層液晶分子之間相互作用力比較大，這使得它受到外界環(huán)境的影響較小。這種不敏感的特性也決定了它的抗干擾性比較強(qiáng)。手性相液晶，它和上面兩種液晶不同，手性相液晶其實(shí)是由向列相液晶變化而來(lái)的，并且在手性相液晶中也有幾個(gè)種類。當(dāng)向向列相液晶中加入手性劑，它會(huì)被改變液晶的排列方式，進(jìn)行扭曲旋轉(zhuǎn)，最終成為一種螺旋形的結(jié)構(gòu)。手性相液晶具有周期性?；谑中韵嘁壕У倪@種特性，我們還可以將其再分為膽甾相液晶、藍(lán)相液晶和球狀液晶等等。圖2-1向列型液晶和近晶型液晶結(jié)構(gòu)向列相液晶和近晶相液晶的結(jié)構(gòu)如圖2-1所示。對(duì)于手性相液晶中的膽甾相液晶，其結(jié)構(gòu)如圖2-2所示。膽甾相液晶的特點(diǎn)就是它的螺旋結(jié)構(gòu)是會(huì)隨著外部因素的介入而改變的，比較有代表性的就是當(dāng)光射入時(shí)，它會(huì)反射出一定數(shù)值波長(zhǎng)的光。圖2-2膽甾相液晶分子排列方式對(duì)于藍(lán)相液晶，其最大的特點(diǎn)是光學(xué)中的各向同性。REF_Ref2090\r\h[38]各向同性的定義就是各個(gè)方向上的偏振光都有相同的參數(shù)。圖2-3展示了幾個(gè)藍(lán)相液晶比較典型的反射紋理。圖2-3藍(lán)相液晶的較為典型的反射紋理：(a)紅色塊狀紋理，(b)綠色塊狀紋理，(c)藍(lán)色塊狀紋理。藍(lán)相液晶的這種特性使得它在光學(xué)之中有很多作用。球狀相液晶的性質(zhì)則是前面兩種液晶之間的狀態(tài)。它具有各向異性，是各向同性和藍(lán)相或者膽甾相之間的狀態(tài)。圖2-4展示了幾種球狀相液晶的結(jié)構(gòu)。這些就是現(xiàn)有的常見(jiàn)的液晶材料。圖2-4球狀相液晶的(a)三維扭曲球狀結(jié)構(gòu)，(b)缺陷結(jié)構(gòu)，(c)聚合物穩(wěn)定球狀相液晶中的聚合物網(wǎng)絡(luò)1.1.2液晶的物理性質(zhì)對(duì)于普通的液晶材料，它的物理特性有介電常數(shù)、光折射率。液晶還具有各向異性的特點(diǎn)。外界環(huán)境的變化，比如外加電場(chǎng)、溫度的變化、磁場(chǎng)強(qiáng)弱都會(huì)改變液晶的參數(shù)。液晶有下面幾種重要的物理性質(zhì)。1.1.1.1液晶的旋光性和扭曲效應(yīng)對(duì)于液晶材料，如果入射光為線偏振光，則出射光的振動(dòng)平面會(huì)相對(duì)于入射光的振動(dòng)平面發(fā)生扭轉(zhuǎn)。這種扭轉(zhuǎn)會(huì)產(chǎn)生一定的角度，這種改變光偏振方向的性質(zhì)叫做液晶的旋光性。扭曲產(chǎn)生的角度定義為旋光角。計(jì)算旋光角的公式為：（2-1）其中a的表達(dá)式為：（2-2）a是單位長(zhǎng)度的轉(zhuǎn)角。a的大小表現(xiàn)了液晶的旋光能力。對(duì)于公式2-2中有：（2-3）表達(dá)式中，Po是液晶的螺距，εo是液晶的平均介電常數(shù)，d是旋光體的厚度。由公式可以得出，旋光角是入射光的函數(shù)，入射光的波長(zhǎng)決定了旋光角的數(shù)值。液晶的扭曲效應(yīng)如圖2-5，圖2-5液晶的扭曲效應(yīng)當(dāng)入射光的波長(zhǎng)固定時(shí)，液晶的螺旋結(jié)構(gòu)會(huì)使液晶分子指向旋轉(zhuǎn)90度。根據(jù)圖2-5，當(dāng)自然光從上方入射，經(jīng)過(guò)偏振片后變化為線偏振光。當(dāng)液晶兩端沒(méi)有外加電場(chǎng)時(shí)，光束情況如左圖所示，從下方會(huì)有出射光射出。而當(dāng)液晶兩端有外加電場(chǎng)時(shí)，由于液晶發(fā)生定向偏轉(zhuǎn)，螺旋結(jié)構(gòu)被破壞，就不會(huì)有出射光。這就是液晶的扭曲效應(yīng)。1.1.1.2液晶的電控雙折射效應(yīng)液晶另一個(gè)重要的性質(zhì)是電控雙折射效應(yīng)。電控雙折射效應(yīng)是指當(dāng)有入射光射入單軸的液晶，折射光會(huì)分出兩束。這種原理為，當(dāng)有外加電場(chǎng)的情況下，向列相液晶分子會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)。正性液晶的會(huì)按長(zhǎng)軸電場(chǎng)方向排列，負(fù)性液晶會(huì)按短軸電場(chǎng)方向排列。設(shè)定光束平行于短軸照射時(shí)的等效折射率為ne，光束平行于長(zhǎng)軸照射時(shí)的等效折射率為no。平行于長(zhǎng)軸的光遵循折射定律，另一邊是非常光。當(dāng)外部有電場(chǎng)時(shí)，液晶分子發(fā)生偏轉(zhuǎn)，因此兩個(gè)方向的等效折射率會(huì)發(fā)生變化。我們定義折射率ne和折射率no之差為雙折射率Δn，通過(guò)雙折射率Δn我們可以得出液晶層的相位深度。設(shè)定液晶層厚度為d，則其最大相位深度為：（2-4）這個(gè)公式在我們之后進(jìn)行編程計(jì)算以及數(shù)據(jù)處理中十分重要。正是由于向列相液晶的電控雙折射效應(yīng)，使得這種可調(diào)制方式成為本論文硅基光調(diào)制器的理論基礎(chǔ)支持之一。由于各向異性，電場(chǎng)強(qiáng)度和電感強(qiáng)度方向不會(huì)相同，介電常數(shù)ε可以表示為：（2-5）我們使用菲涅耳方程來(lái)描述折射率吧和波矢之間的聯(lián)系：（2-6）求解這個(gè)方程，我們可以得到方程的兩個(gè)解：（2-7）這一對(duì)解就是雙折射的兩束折射光。由公式可以印證其中一束與波矢無(wú)關(guān)，另一束與光軸的夾角有關(guān)。我們定義波矢與光線的夾角為離散角。由上面分析可知，o光始終為零，設(shè)e光的離散角為α，則根據(jù)上述的方程，可以得到其表達(dá)式為：（2-8）液晶在有外加電場(chǎng)的情況下，液晶分子指向矢發(fā)生偏轉(zhuǎn)，o光與e光折射率隨著其變化而變化。這種性質(zhì)就被稱為電控雙折射（ElectricallyControllableBirefringence,ECB）。1.1.1.3液晶的動(dòng)態(tài)散射效應(yīng)除了上面的效應(yīng)外，動(dòng)態(tài)散射效應(yīng)也是液晶光電效應(yīng)中的一個(gè)特性，其原理如圖2-6。電極之間是向列相液晶，當(dāng)有電場(chǎng)加入時(shí)，原本透明的液晶會(huì)變得渾濁，取消外部電場(chǎng)則會(huì)恢復(fù)初始狀態(tài)。動(dòng)態(tài)散射效應(yīng)的產(chǎn)生是由液晶里面除了液晶分子之外，離子還有帶電粒子的存在所導(dǎo)致。當(dāng)施加外部電場(chǎng)時(shí)，這些粒子會(huì)在電場(chǎng)的作用下運(yùn)動(dòng)，由于分子之間的碰撞，導(dǎo)致液晶分子也會(huì)跟著運(yùn)動(dòng)。由于分子間的碰撞是無(wú)規(guī)律的，所以液晶分子的不規(guī)律運(yùn)動(dòng)就會(huì)導(dǎo)致折射率的不停變化。折射率不停的變化導(dǎo)致反射出來(lái)的光輝朝著不同的方向，所以原本透明的液晶就會(huì)變的不透明。取消了外加電場(chǎng)后，這種無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)結(jié)束，液晶就會(huì)回到初始的狀態(tài)。圖2-6動(dòng)態(tài)散射效應(yīng)1.1.1.4液晶的混合場(chǎng)效應(yīng)在光調(diào)制器中十分重要的是混合場(chǎng)效應(yīng)?；旌蠄?chǎng)效應(yīng)是將扭曲向列相效應(yīng)和雙折射效應(yīng)相結(jié)合。因?yàn)榕で蛄行?yīng)可以通過(guò)改變?nèi)肷涔馄駪B(tài)改變光強(qiáng)，電控雙折射可以通過(guò)改變折射率來(lái)改變相位，結(jié)合這兩種特性，再基于對(duì)材料，電場(chǎng)的研究，我們就可以實(shí)現(xiàn)液晶空間光調(diào)制器的混合調(diào)制，以達(dá)到實(shí)驗(yàn)的目的。本論文的目標(biāo)也是通過(guò)仿真找到最合適的組合完成硅基液晶光調(diào)制器的混合調(diào)制。因此混合場(chǎng)效應(yīng)可以為仿真提供理論基礎(chǔ)。1.2硅基空間光調(diào)制器結(jié)構(gòu)與工作原理液晶空間光調(diào)制器的是能對(duì)光進(jìn)行調(diào)制的儀器。在液晶空降光調(diào)制器中，液晶層由二維矩陣排列的液晶單元組成。所有液晶單元可以由實(shí)驗(yàn)者設(shè)定的電極電壓控制，并且同步獨(dú)立地對(duì)入射光進(jìn)行調(diào)制。這一點(diǎn)是它和傳統(tǒng)光學(xué)對(duì)光調(diào)制完全不同之處。傳統(tǒng)光學(xué)中，入射光的的改變都是通過(guò)一些固定的光學(xué)儀器，比如透鏡、光柵等等。這些儀器改變了入射光的相位，由此改變它的方向，讓光束發(fā)生偏轉(zhuǎn)、干涉和衍射。相比于傳統(tǒng)光學(xué)儀器，液晶空間光調(diào)制器更加便利，面對(duì)實(shí)驗(yàn)不同的調(diào)制需求它可以通過(guò)改變電極電壓就可以改變?nèi)肷涔獾南辔?，不像傳統(tǒng)光學(xué)每次改變都需要大量調(diào)整儀器。同時(shí)，它減少了很多不必要的光的損耗，光束之間干擾也較小，因此在空間光調(diào)制領(lǐng)域值得大力發(fā)展。其中，LCoS技術(shù)在全光網(wǎng)絡(luò)中起到非常重要的作用。目前LCoS對(duì)于光的調(diào)制有兩種，一種是對(duì)幅度的調(diào)制，一種是對(duì)相位的調(diào)制。LCoS起到相位調(diào)制的作用被應(yīng)用的更加廣泛，也是本論文研究的方向。LCoS器件在對(duì)相位進(jìn)行調(diào)制時(shí)有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：驅(qū)動(dòng)電壓低。目前其它相位調(diào)制器件的驅(qū)動(dòng)電壓都比較高，為幾十伏，而LCoS器件的驅(qū)動(dòng)電壓一般低于6V。因此其也具有功耗低的特點(diǎn)。體積小。LCoS相位調(diào)制器件是反射式，根據(jù)相位深度公式的計(jì)算，其液晶盒厚度可以大大縮小。因此其也具有易集成的優(yōu)點(diǎn)。高相位深度。LCoS可以進(jìn)行高相位深度的入射光調(diào)制，因此其具有更大的信道容納能力。下面對(duì)硅基空間光調(diào)制器結(jié)構(gòu)和工作原理進(jìn)行介紹。1.1.1硅基空間光調(diào)制器結(jié)構(gòu)硅基空間光調(diào)制器結(jié)構(gòu)已經(jīng)由圖1-2給出，本論文研究的是基于LCoS器件的波長(zhǎng)選擇開(kāi)關(guān)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2-7所示，圖2-7基于LCoS器件的波長(zhǎng)選擇開(kāi)關(guān)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖整個(gè)系統(tǒng)包含的部分有：光纖輸入端、偏振轉(zhuǎn)換棱鏡、衍射光柵、傅里葉透鏡、反射鏡面、LCoS器件、光纖輸出端。REF_Ref14820\r\h[39-41]入射光從輸入端射入，經(jīng)過(guò)偏振轉(zhuǎn)換棱鏡后變成偏振光，偏振的方向是由LCoS器件決定的。之后，入射的偏振光進(jìn)入衍射光柵。衍射光柵的作用就是把入射的偏振光分開(kāi)為不同波長(zhǎng)的光束。按照之前的理論可知，不同波長(zhǎng)的偏振光具有不同的偏轉(zhuǎn)角度。這些光束經(jīng)過(guò)反射鏡面的反射進(jìn)入傅里葉透鏡。傅里葉透鏡的作用是將這些不同角度的光束調(diào)焦，使調(diào)焦后的光束進(jìn)入LCoS器件。LCoS就是對(duì)這些不同波長(zhǎng)的光束進(jìn)行相位調(diào)制。經(jīng)過(guò)LCoS調(diào)制后，這些光束會(huì)有不同的偏轉(zhuǎn)角度，并且由LCoS反射出再回到反射鏡面。光束按照之前同樣的方式反射回光柵，轉(zhuǎn)換棱鏡等，最后被輸出端的接收器所接收。光柵，透鏡等部件不需要介紹，下面對(duì)LCoS器件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行介紹。當(dāng)對(duì)LCoS器件加電時(shí)其開(kāi)始工作。LCoS器件在加電工作狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)如圖2-8所示，圖2-8LCoS器件加電工作狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)示意圖由第一章對(duì)像素電極的介紹可知，像素電極寬度定義為d，像素電極間隙寬度定義為g，按照周期性給像素電極加載電壓。ITO電極上一般加載最低的電壓，像素電極按照?qǐng)D中所示，黑色、藍(lán)色、紅色，在這些電極上施加的電壓逐漸增加。LCoS器件對(duì)于不同相位深度的入射光有不同的液晶盒厚度和不同像素周期長(zhǎng)度。在初始或者低電壓狀態(tài)下，液晶分子的排列方式是水平的。當(dāng)電壓增大時(shí)，液晶分子會(huì)逐漸發(fā)生偏轉(zhuǎn)，最終全部處于垂直的排列方式，也就是按照外加電場(chǎng)的方向排列。通過(guò)反復(fù)調(diào)節(jié)像素電極的電壓來(lái)改變相位深度曲線，來(lái)向理想的相位深度曲線靠近。1.1.2硅基空間光調(diào)制器的相位工作原理液晶空間光調(diào)制器分為兩種狀態(tài)，加電和未加電，即是否引入電場(chǎng)。當(dāng)液晶空間光調(diào)制器處于初始態(tài)，不外加電壓時(shí)，依據(jù)液晶分子的排列方式以及其特性，當(dāng)偏振光入射到硅基空間光調(diào)制器時(shí)，它會(huì)受到液晶層液晶分子的影響，依據(jù)晶體的雙折射特性，偏振光會(huì)被分為o光和e光。o光的折射率是一個(gè)定值，我們?cè)O(shè)置為no,e光的折射率取決于入射的偏振光的偏振方向。沒(méi)有外加電場(chǎng)時(shí)，液晶分子不發(fā)生偏轉(zhuǎn)，因此ne的值也是一個(gè)定值。兩種類型的光會(huì)存在一個(gè)相位差，我們定義它們的相位差為δ，則δ的計(jì)算公式為：（2-9）其中d為液晶層厚度，反射型液晶空間光調(diào)制器中光程是兩倍。λ為入射光波長(zhǎng)。存在外加電場(chǎng)時(shí)，即像素電極有電壓，液晶分子會(huì)由于電場(chǎng)的存在而發(fā)生偏轉(zhuǎn)。液晶分子的偏轉(zhuǎn)會(huì)導(dǎo)致e光的折射率ne發(fā)生改變。定義液晶分子的偏轉(zhuǎn)角為θ，則ne由公式（2-10）求得：（2-10）相位差的算法不發(fā)生變化。這種相位差的存在會(huì)導(dǎo)致偏振光的偏振態(tài)發(fā)生變化。圖2-8是一種用瓊斯矩陣表示液晶空間光調(diào)制器的示意圖，各個(gè)參數(shù)設(shè)置如圖所示。圖2-8液晶空間光調(diào)制器的瓊斯矩陣表示我們將入射的偏振光用瓊斯矢量Eo表示：（2-11）同樣，我們可以將液晶空間光調(diào)制器的效果表示為一個(gè)二階方陣。如果設(shè)定出射光瓊斯矢量為E1，那么E1可以通過(guò)公式2-12計(jì)算：（2-12）由于液晶分子的偏轉(zhuǎn)，e方向與o方向會(huì)存在相位差，這種相位延遲用瓊斯矩陣可以表示為：（2-13）我們可以通過(guò)矩陣計(jì)算出射出的光束光強(qiáng)：（2-14）理論上而言，如果不考慮液晶以及器件的損耗，入射光與出射光的能量是相同的，不同僅在于偏轉(zhuǎn)造成的偏振態(tài)不同。并且由公式我們可以知道，偏振態(tài)的變化只和相位差以及入射偏振光的角度有關(guān)，而相位差由液晶分子的偏轉(zhuǎn)角決定。當(dāng)入射光沿x方向時(shí)，相當(dāng)于沒(méi)有o光的存在，空間光調(diào)制器的作用只是給一個(gè)相位延遲。當(dāng)入射光沿y方向時(shí)，相當(dāng)于沒(méi)有e光的存在，空間光調(diào)制器只起到反射光的作用。要使其有空間光調(diào)制的功能，要入射光的角度處于這兩者之間。本論文研究的硅基空間光調(diào)制器是基于光學(xué)相控陣技術(shù)。在液晶光學(xué)中相控陣技術(shù)就是通過(guò)外加電壓改變液晶分子的偏轉(zhuǎn)，從而改變液晶層的折射率。在上一節(jié)中我們介紹了LCoS器件的基本結(jié)構(gòu)，每個(gè)像素周期中的像素的電壓是由低到高排列。電壓的不同會(huì)使得相應(yīng)位置上的液晶層液晶分子偏轉(zhuǎn)情況不同，從而導(dǎo)致不同位置的折射率不同。周期性折射率不同使得兩個(gè)電極之間的液晶層之間會(huì)形成相位差，并且使整體的相位分布呈現(xiàn)出一種光柵的結(jié)構(gòu)。圖2-9展示的就是利用液晶相控陣技術(shù)所形成的類似閃耀光柵相位分布形貌。圖2-9液晶相控陣技術(shù)所形成的類似閃耀光柵相位分布形貌如圖所示，圖中的橫坐標(biāo)表示像素電極的水平方向的位置，縱坐標(biāo)表示的是相位深度。每個(gè)電極電壓逐漸變化，相位深度不斷增加。其中，N代表一個(gè)周期內(nèi)像素電極的數(shù)目，p代表一個(gè)像素周期的長(zhǎng)度，Δφ代表兩個(gè)像素電極之間產(chǎn)生的相位差。這種累計(jì)最終形成了一個(gè)相位深度的疊加，就形成了這種類似于閃耀光柵的相位分布形貌。目前為止，液晶空間光調(diào)制器通常用的調(diào)制深度都是2π的調(diào)制深度，部分也會(huì)使用4π。當(dāng)超過(guò)2π或者4π的時(shí)候進(jìn)行復(fù)位，對(duì)于總體的相位深度取余數(shù)，這樣相位分布就如圖2-9一樣。LCoS的目的就是對(duì)入射光進(jìn)行調(diào)制并且實(shí)現(xiàn)不同角度的偏轉(zhuǎn)。對(duì)于不同的相位深度曲線，當(dāng)入射光進(jìn)入液晶層的光柵時(shí)，光束就會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)角度取決于相位深度曲線。我們定義入射光經(jīng)過(guò)相控陣曲線的偏轉(zhuǎn)角為θ，則其計(jì)算公式為：（2-15）N與p的定義在上面已給出，λ是被調(diào)制的光的波長(zhǎng)。本論文在研究LCoS的隔離度和衍射效率時(shí)，設(shè)置不同的偏轉(zhuǎn)角就是使用此公式，在波長(zhǎng)確定的情況下，改變一個(gè)周期的像素?cái)?shù)目來(lái)設(shè)置相應(yīng)的偏轉(zhuǎn)角。1.3相位深度與分布對(duì)衍射光能量分布的影響隔離度是硅基空間光調(diào)制器的一個(gè)重要指標(biāo)。在硅基空間光調(diào)制器中相位深度會(huì)對(duì)衍射光能量的分布產(chǎn)生影響。其原理如圖2-10所示：圖2-10三種不同相位分布的衍射級(jí)數(shù)以及目標(biāo)端口。（a）2π相位深度進(jìn)入3端口，（b）6π相位深度進(jìn)入3端口，（c）2π相位深度進(jìn)入4端口經(jīng)過(guò)LCoS器件的光束會(huì)有多個(gè)衍射階層，當(dāng)以LCoS為基礎(chǔ)作為開(kāi)關(guān)選擇器時(shí)，器件的作用決定于吸收光的端口的效率以及各個(gè)端口之間是否存在串?dāng)_。比如圖2-10（a），它是以2π相位深度的光束衍射圖。它的一級(jí)衍射進(jìn)入的是端口3，二級(jí)衍射進(jìn)入的是端口8。對(duì)于6π相位深度下，如圖2-10（b）所示，它的一級(jí)和二級(jí)衍射都不會(huì)被端口接收，三級(jí)衍射才進(jìn)入端口三。高級(jí)衍射意味著衍射光的能量更加分散到各個(gè)不同的階數(shù)，這樣可以減少端口之間的串?dāng)_。所以，高相位深度的LCoS器件可以增加開(kāi)關(guān)選擇器的隔離度。同時(shí)當(dāng)偏轉(zhuǎn)角大于1.4度時(shí)就會(huì)變成圖2-10（c）的情況，只有一階衍射能夠進(jìn)入端口，沒(méi)有高階衍射能夠進(jìn)入端口。因此，如果要用更高階的衍射光進(jìn)行偏轉(zhuǎn)，相位深度也必須要相應(yīng)的擴(kuò)大。對(duì)于本實(shí)驗(yàn)研究的硅基空間光調(diào)制器，其相位深度的計(jì)算公式：（2-16）即要想能夠達(dá)到相應(yīng)的相位深度，漆面的值需大于目標(biāo)相位深度，要么需要提高雙折射率，要么需要增加液晶盒厚度。同時(shí)通過(guò)衍射階級(jí)示意圖可以看出