LCOS芯片相位调制特性的研究

李宇锋，罗勇，杨睿，杨柳，张博

(1.武汉邮电科学研究院，湖北 武汉 430070; 2.武汉光迅科技股份有限公司，湖北 武汉 430200)

0 引言

硅基液晶(LCOS)是一种新型反射式的空间光调制器，它在光通信领域中的有非常重要的作用，因其体积小、功耗低、光能利用率高、衍射效率高、分辨率高及开口率高等优势在光计算、全息投影、激光整形、光纤通信等诸多领域有广泛的应用[1-3].

相位调制曲线是LCOS芯片的一个非常重要的参数，它对后期芯片隔离度测试、衍射效率测试、相位抖动测试等相关测试有非常关键的作用.通常新制成的LCOS芯片的调制曲线不是线性的，并且调制深度也是未知的，为了方便后期测试LCOS芯片的隔离度、衍射效率等指标，一般会重新测试LCOS芯片的相位调制曲线并加以校准.传统的测试LCOS芯片的相位调制曲线的方法为干涉法[4-6]，搭建干涉测试光路，收集干涉条纹图片，然后用相关软件对干涉条纹图片进行处理，得到相位调制曲线，这种方法对实验要求比较高且操作复杂，测量误差较大.本文中提出一种用1/4波片法测量LCOS芯片相位调制特性的全新方法，测试实验操作简便，且测试结果更为精确.

1 LCOS芯片的结构原理

LCOS的结构模型如图1所示.LCOS结构从上到下依次由玻璃盖板、前透明电极、液晶层、反射镜像素层、集成电路底板等组成.玻璃盖板起保护液晶并密封的作用，如果实际使用的光源的波长范围不同，则在玻璃盖板的表面上电镀具有对应波长区域的宽光谱AR膜，大幅降低反射光，提高系统效率.前透明电极层位于液晶层的顶部，施加一定的电压.液晶层中填灌的液晶是LCOS芯片中的工作物质，液晶分子的排列随电场的作用而变化，并且改变通过像素的光的相位.像素层位于液晶层的底部，并被具有高反射效率的铝或介电膜的反射层覆盖.集成电路底板将加载到像素中的灰度等级转换为对应的电压，并与透明电极一同形成像素上的电场，以控制液晶分子的偏转[7-8].

图1 LCOS芯片结构示意图

2 LCOS芯片的相位调制原理

根据液晶的电光效应与液晶分子的排列方式[9-11]可知，由于液晶的双折射效应，当液晶层不加电场且入射到液晶层的线偏振光的偏振方向与液晶分子的长轴方向不同时，入射到液晶层的线偏振光可分为o光和e光[12].液晶分子中o光的折射率是固定的，而e光的折射率则随入射光的偏振方向的改变而改变的，当入射光的入射角固定时，由于没有施加电场，液晶分子不会偏转，所以e光的折射率ne是一个固定的值，线偏振光通过液晶层后，o光和e光之间的相位延迟可以写成

δo=2πd(ne-no)/λ

(1)

式中:d表示液晶层厚度，由于光束入射到LCOS芯片中时，将被反射出来，即来回穿过2次液晶层，所以式中也用d计算光程，λ为入射光的波长[13-14].

液晶层被施加电场后，液晶分子开始偏转，此时线偏振光通过液晶层时将分解为o光和e光，其中e光的折射率ne与液晶分子偏转角θ有关，其计算关系式为[15]：

(2)

o光与e光的相位差δ可以表示为:

δ=2πd(ne(θ)-no)/λ

(3)

LCOS芯片对入射光的调制模式分为3种：第一种为纯相位调制模式，当入射光的偏振方向与液晶分子的长轴方向相同时，LCOS芯片只调制入射光的相位而不调制其强度，也不改变其偏振态.第二种为无调制模式，当入射光的偏振方向与液晶分子的短轴方向相同时，LCOS芯片对入射光没有任何调制作用.第三种为相位与强度调制模式，当入射光的偏振方向介于液晶分子的长轴和短轴方向之间，LCOS芯片对入射光的相位和强度均进行调制，而且调制后出射光的偏振方向也将改变.

3 1/4波片测试LCOS芯片相位调制特性原理

图2 光路原理图

(4)

(5)

初始光为沿x轴方向偏振的线性偏振光E0：

(6)

(7)

E1经过1/4波片后，沿波片慢轴方向偏振的光的相位比沿快轴方向偏振的光的相位延迟π/2，此时振幅为E2：

(8)

实验测试光路示意图图3所示，实验光路实物图如图4所示.搭建光路图，调节起偏器的偏振方向使其快轴方向与液晶分子的快轴方向呈 45°夹角；在LCOS上加载0灰度图，转动检偏器的角度，在示波器上找到光强最弱时检偏器对应的角度，并设为参考点，同时记录检偏器的角度δ0，依次加载其他灰度，旋转检偏器，在示波器上找到此灰度下光强最弱时检偏器对应的角度，同时记录检偏器的角度δi；由检偏器对光波的调制特性可知检偏器转动的角度(δi-δ0)等于光波的偏振方向改变的角度(Δ/2)，因此LCOS芯片的相位调制深度PH为：

图3 测试光路示意图

图4 实验光路实物图

(9)

式中，PH的单位为π，(δi-δ0)的单位为度.

4 测试结果及分析

实验中使用可调谐激光器为测试光源，波长标定为1 550 nm，LCOS芯片为南京芯视元公司生产的

像素尺寸为8 um、分辨率为192 0 pixel×108 0 pixel的红外反射式纯相位LCOS芯片.在芯片上加载 4.5 V的驱动电压，并保持测试环境温度为25 ℃，载入厂家给定的gamma文件，然后在LCOS芯片上每隔4个灰度加载0 ～ 255灰度级别的灰度图，记录每次加载不同灰度图时检偏器转动的角度，得到δi-δ0的数据，然后由公式(9)计算出每个灰度下LCOS芯片的相位PH调制深度的数据并生成相位调制曲线.为了保证此测试方法的稳定性与可靠性，在相同的测试条件下间隔60 min，对LCOS芯片上相同的点进行第二次测试，2次测试得到的δi-δ0(单位为度)数据如表1所示，计算得到的相位曲线图如图5所示.

表1 不同灰度下检偏器转动角度数据测试表

图5 相位调制曲线图

分别计算每一条相位调制曲线的线性相关度及偏倚量，计算方法为：使每一条曲线生成一条线性趋势线，然后用RSQ函数计算出曲线与去趋势线的线性相关度，对比曲线与趋势线之间的最大截距，此截距值即为调制曲线的偏倚量.最后用CORREL函数计算两条曲线之间的拟合度，测试计算数据如表2所示.

表2 对比测试数据表

由表1、表2中的测试数据知，1/4波片法2次测试该LCOS芯片所得的相位调制深度、线性相关度、偏倚量等指标非常接近，且2次测试的相位调制曲线的拟合度为0.999 7，2次测试的数据中，相位调制深度均为2.953 3π，最小线性相关度为0.999 4，最大偏倚量为0.056 5π.结合实验测试的数据与实验测试光路搭建的简便性，充分说明1/4波片法测试LCOS芯片的相位调制曲线是稳定的、可靠的、实用的.

5 总结

本文中研究一种利用1/4波片测量LCOS芯片的相位调制特性的方法，在分析液晶双折射效应对通过光线的相位调制特性基础上，理论上计算出LCOS芯片对入射光的相位调制量与检偏器的偏转角度之间的关系，并通过实验验证该方法的有效性，能快速、准确、简便测量出LCOS芯片的相位调制特性.