CC BY
62
дисперсия оптическои анизотропии двухчастотного жидкого кристалла в ближней ик-области спектра
Д.С. Костомаров Научный руководитель - к.т.н., с.н.с. Е.А. Коншина
Получены экспериментальные зависимости фазовой задержки для электроуправляемых оптических ЖК модуляторов в видимом и ближнем ИК-диапазоне спектра. Делана оценка дисперсии оптической анизотропии двухчастотного нематического ЖК с помощью оригинальной методики, основанной на экспериментальном определении максимальной фазовой задержки для определенной длины волны. Установлено, что в интервале длин волн 0,86-1,55 мкм оптическая анизотропия уменьшается на 17% по сравнению с ее значением для длины волны 0,63 мкм. Полученные результаты позволяют определить толщину слоя ЖК, необходимую для оптимизации фазовой задержки и быстродействия оптических ЖК модуляторов, и могут быть использованы при разработке компонентов телекоммуникационных систем на основе ЖК технологии, а также других устройств, работающих в ИК-диапазоне спектра.
ЖК технология может быть использована при разработке компонентов телекоммуникационных систем, таких как оптические модуляторы, аттенюаторы, эквалайзеры и др. [1-3]. Более широко в таких устройствах используются одноосные нематические жидкие кристаллы (НЖК), основным недостатком которых является большое время переключения. Одним из направлений повышения быстродействия ЖК устройств является использование двухчастотного ЖК с инверсией знака диэлектрической анизотропии, который позволяет управлять с помощью электрического поля релаксацией молекул при спаде оптического пропускания, что значительно ускоряет процесс переключения ЖК [4-5]. Для оптимизации фазовой задержки и быстродействия оптических ЖК модуляторов необходимо точно задать толщину слоя ЖК, которая влияет на эти параметры. Оптическая анизотропия, связанная с двулучепреломлением, является одной из важных характеристик ЖК. Двулучепреломление НЖК зависит от длины волны, и при переходе в ближнюю ИК-область оптическая анизотропия может уменьшаться на 15-20% по сравнению с Дп для видимой области спектра [3]. Для измерения двулучепреломления в видимой и ИК областях спектра используют интерференционный [6] и клиновидный [7] способы измерения Ап.
Целью работы является оценка дисперсии оптической анизотропии двухчастотно-го ЖК в ближней ИК-области спектра с использованием экспериментальных данных, полученных из зависимостей пропускания ЖК модулятора от напряжения.
Максимальная фазовая задержка АФтах в слое ЖК толщиной с1 связана с оптической анизотропией для монохроматического света с длиной волны X известной формулой:
АФтах = 2тс^Ап/ X. (1)
Рассчитать оптическую анизотропию для заданной длины волны можно по формуле (1), если экспериментально определить толщину слоя ЖК с1 и величину максимальной фазовой задержки по известной методике [8].
Если направление поляризации падающего на ЖК ячейку света образует некоторый угол в (в ^ 0, тс/2) с направлением ориентации молекул на ближайшей к свету подложке, то в общем случае свет, прошедший через ячейку, будет эллиптически поляризованным. При приложении к слою ЖК толщиной с1 электрического поля происходит уменьшение двулучепреломления, наблюдаемого по изменению фазы светового потока, распространяющегося перпендикулярно слою. В результате изменения угла наклона директора 9 относительно оси 2, параллельной полю, показатель преломления для обыкновенного луча п0 остается неизменным, а для необыкновенного луча показатель пе уменьшается, стремясь к п0.
Исследования проводили на трех плоских ЖК ячейках, заполненных двухчастот-ным НЖК-1001 (НИОПИК). На длине волны 0,63 мкм для этого НЖК характерны оптическая анизотропия Ал = 0,26 и диэлектрическая анизотропия А^ = 4,43 [9]. Стеклянные подложки, образующие НЖК ячейку, были покрыты тонким проводящим слоем на основе окислов индия и олова. В ячейке С в качестве ориентирующей поверхности был использован слой моноокиси германия GeO, полученный наклонным напылением в вакууме, а в ячейках А поверхность GeO была покрыта тонким слоем a-C:H, осажденным из паров ацетона в плазме тлеющего разряда. В отличие от ячеек А и С, в ячейке В были асимметричные граничные условия, т. е. с одной стороны ЖК слой граничил с поверхностью GeO, а с другой с поверхностью GeO, покрытой слоем a-C:H. Для получения S-эффекта Фредерикса ячейки собирали таким образом, чтобы заданные направления ориентации молекул ЖК на обеих подложках были антипараллельны. Ячейки заполняли ЖК в нематической фазе в вакууме.
Оптическое пропускание ЖК ячеек для длин волн 0,63 мкм, 0,86 мкм, 1,33 мкм и 1,55 мкм в зависимости от синусоидального напряжения с частотой 1 кГц измеряли с помощью электрооптической схемы, показанной на рис. 1. Схема включала в себя сменный лазерный модуль (1), оптический волновод (2), призменные ЖК поляризаторы (3), устройство крепления ячейки (4), генератор синусоидального напряжения (5), фотоприемник (6) и цифровой осциллограф (7). Поляризаторы, между которыми помещалась ЖК ячейка, выставлялись в скрещенное положение. На ячейку подавалось переменное напряжение с частотой 1 кГц. Для получения максимального пропускания ЖК ячейку выставляли таким образом, чтобы угол в = 45°. Интенсивность излучения, прошедшего через слой ЖК, модулировалось и регистрировалось фотоприемником, наибольшая чувствительность которого приходится на ближний ИК-диапазон. Сигнал с фотоприемника поступал на осциллограф и обрабатывался на ЭВМ.
5
Рис. 1. Электрооптическая схема для измерения пропускания ЖК ячеек
Значения фазовой задержки были рассчитаны из экспериментальных кривых оптического пропускания I от напряжения V. Зависимости фазовой задержки АФ (V) для различных длин волн, полученные для ячейки В, показаны на рис. 2.
Рис. 2. Зависимость величины фазовой задержки от подаваемого на ячейку синусоидального напряжения с частотой 1 кГц для разных длин волн: 1 - 0,63 мкм, 2 - 0,86 мкм, 3 - 1,33 мкм, 4 - 1,55 мкм, на примере ячейки В
9 -
N 6
4
3 -2 --
0,6
0,8
—Г" 1.0
1,2
Л, МКМ
—I—
ш
А С
Рис. 3. Зависимость величины максимальной фазовой задержки от длины волны для исследуемых ЖК ячеек (обозначения кривых соответствуют обозначениям ячеек
в таблице)
Наблюдается существенное уменьшение АФ при изменении длины волны от видимого к ИК-диапазону спектра. При постоянной толщине слоя ЖК уменьшение
фазовой задержки может быть вызвано изменением либо длины волны, либо оптической анизотропии НЖК. Путем экстраполяции графика АФ (1/Ц) можно определить максимальную фазовую задержку АФтах [10]. На рис. 3 показано изменение максимальной фазовой задержки для трех исследуемых ЖК ячеек от длины волны. Наблюдаемый убывающий характер зависимостей ДФтах (X) на рис. 3 свидетельствует об уменьшении значения Дп при переходе из видимой области спектра в ИК-область. Дисперсия оптической анизотропии для длин волн ИК-диапазона 0,86, 1,3 и 1,55 мкм была оценена путем использования известного значения Дп на длине волны 0.63 мкм и значения максимальной фазовой задержки, полученного экспериментально, с помощью формулы (1). В таблице приведены значения Дп, полученные для исследованных ЖК ячеек.
№ Ориентирующее покрытие Длина волны, мкм
0,63 0,86 1,33 1,55
AФmax, П Aп AФmax, П Aп AФmax, П Aп AФmax, П Aп
A GeO/a-C:H 8,15 0,26 5,12 0,22 3,26 0,22 2,77 0,215
B GeO/a-C:H 7,68 0,26 4,63 0,214 3,05 0,217 2,7 0,213
C GeO 3,96 0,26 2,09 0,218 1,53 0,21 1,4 0,219
Таблица. Результаты измерений и расчетов
Сделанная оценка Aл показала, что оптическая анизотропия для ЖК, используемого в работе, уменьшается в среднем на 17% по сравнению с Aп для видимой области. В интервале длин волн от 0,86 мкм до 1,55 мкм Aл оставалась постоянной и была равна 0,22. Погрешность расчета составила 0,3%. Тогда минимальная толщина слоя ЖК, определяемая условием diriin = А/Дп, для длины волны 1,55 мкм должна быть около 7 мкм.
Оригинальная методика оценки дисперсии оптической анизотропии ЖК в ИК-области спектра, предложенная в этой работе, может быть применена при разработке устройств с другими НЖК. Полученное значение Aп позволило рассчитать минимальную толщину слоя двухчастотного ЖК, необходимую для получения фазовой задержки 2 п в оптических модуляторах на длине волны 1,55 мкм, что важно при оптимизации их работы для использования в системах телекоммуникации.
Работа выполнена при поддержке ведущей научной школы РФ НШ-5549.2006.9.
Литература
1. Mao C., Xu M., Feng W., Hyang T., Wu K., Lia J. // Proc. SPIE. - 2003. - V. 5003. -P.121- 129.
2. Crossland W.A. Clapp T.V., Wukinson T.D., Manolis I.G., Georgiou A.G., Robertson B. // Mol. Cryst.&Liq. Cryst. - 2004. - V. 413. - P. 363-383.
3. Riza N.A., Khan S.A. // Appl. Opt. - 2004. - V. 43. - No 17. - P. 449-3455.
4. Liang X., Lu Y.-Q., Wu Y.-H., Du F., Wang H.-Y., Wu S.-T. // Jap. J. Appl. Phys. -
2005. V. 44. - No. 3. - P. 1292-1295.
5. Golovin A.B., Pishnyak O.P., Shiyanovskii S.V., Lavrentovich O.D. // Pros. SPIE. -
2006. - V. 6135. - P. 0277-786.
6. Jewell S.A, Sambles J R. // Optics express. - 2005. - V. 13. - No. 7. - Р.2627- 263.
7. Зырянов В .Я, Эпштейн В.Ш. // ПТЭ. - 1987. - № 2. - C. 164-166.
8. Коншина Е.А., Федоров М.А., Амосова Л.П. // Оптический журнал. - 2006. - Т.73. - №12. - С. 9-13.
9. Kirby A.K., Love G.D. // Optics express. - 2004. - V. 12. - No.7. - P.1470- 75.
10. Коншина Е.А., Костомаров Д.С. // Оптический журнал. - 2007. - №10. - С. 8890.
