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1.1光克尔开关

1.1.1 实验装置

    克尔光学效应又叫做“交流克尔效应”。如图1.1所示，首先盒内填满硝基苯(C6H5NO2)的液体，克尔盒内部装着两片平行的玻璃窗,内部有两片电极是相互平行的。克尔盒两头有两片偏振片，将其透振方向设置为互相垂直,同时两电极的电场方向跟两偏振片透振方向所成45°角。如果电极间附加电压为零时，由于偏振片对其过滤作用，没有光线通过的;当我们将适当大小的电场(106V/m)[2]加在电极间时,就会发现有光线能够穿透正交的偏振片。这是因为在当我们在两电极附加强电场时，克尔盒内的液体的性质会变化，从而变成为双折射物质,使进入其中的光分解，我们同时可以得到异常光与寻常光,使光传播过程产生一定的相位差，从而使出射光一般变为椭圆偏振光的现象我们称之为克尔效应。

图1.1光克尔开关示意图。盒内封装一平行板电极，两偏振片相互垂直。

当电场强度为106V/m时，有光通过。

1.1.2实验原理

如图1.1所示，应用偏振光干涉理论可以证明进出克尔盒的光强有如下关系 ,其中θ为液体光轴折射以后与偏振片偏振化方向夹角，在所给的装置中，θ=45°，Δψ为液体或者晶体之间发生双折射后，偏振光之间的附加相位差。于是有，

                                                            (1.1)

令非常光与寻常光的折射率分别是nc、 n0，同时假设外电场强度E=V/h，且实验已经表明n0-nc=kλE2,其中k<0是常数，与物质本身性质和温度有关，通常我们称之为克尔常数。克尔效应也有时被称为二级电光效应，因为克尔效应中电场强的平方与折射率差有正比的关系。综上，两束线偏光经过盒内折射所产生的附加光程差为：

                                       (1.2)

在（1.2）中令Δψ=-π，则由（1.1）得It=Ir，即克尔盒可使通过装置P1的线偏振光振动面转过90。，让通过P2所发出的干涉光强度达到最大，此时克尔盒处于全开状态，即克尔盒起到一个半波片的作用，装置所加的电压强度为一个半波电压Vλ2，由(1.2)得 ；在（1.2）中令Δψ=0，则由（1.1）可以得到It=0，即克尔盒没有外加电场时透过P2的光为零，此时克尔盒处于全闭状态。反之,在外加电路中若使得 ，则光路则在全开状态;若撤销电压,光路则处于全闭状态。这样我们就可以利用控制外加电压V从而很方便的控制光路开关，其驰豫时间一般低于0.01纳秒，换句话说,此光路每秒可高达1011次反复开关。当然实际应用中要受到阶跃电路时间常数的限制等因素与理论有差距。文献综述

1.1.3应用前景

假如在克尔盒的电极上加上外电压,那么随着所加电压改变，透射光的强度也会发生变化。克尔效应的延迟时间非常短,在会对外电场变化极作出快速灵敏的反应。因此,利用克尔效应这一特点可以做成反应讯敏、驰豫时间极短的“电控光开关”。而光开关广泛在影视制作、激光通讯和高速摄影等方面使用。

随着现代光联网概念的提出，光开关技术的进展已经成为将来光联网概念中的关键性技术，它不单单构成了波分复用光网络中关键性设备(如OXC /OADM)的交换核心,而且物体本身也是光网络应用中的至关重要器件，可见其举足轻重的地位。在电子计算机向光学计算机转换过程中,可能首先要经过光-电混合型阶段，如果干光学开关和存储器、光电转换元件、应用光互连集成回路，这可以解决很多传统器件难以解决的技术性问题，例如电子计算机由于电路中电容和电阻自身的局限性，传递速度以及电信号受到电路弛豫时间的限制,电子信号相互之间很容易发生互连拥挤、自身干扰等问题。 (责任编辑：qin)