Периодические жидкокристаллические волноводные микроструктуры

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 13896 (2023) Цитировать эту статью

210 доступов

Подробности о метриках

Сообщается о различных методах, позволяющих создавать оптические волноводы с жидкокристаллическими (ЖК) сердцевинами, в которых молекулы образуют периодические структуры с точно контролируемыми периодами. Первый основан на обратимом фотоориентировании с селективным освещением высокого разрешения и позволяет управлять периодом пребывания молекул ЖК внутри микрокапилляров кремнезема. Второй метод использует микроструктуры, сформированные в ПДМС, что позволяет получить как волноводы с LC-сердечником, так и набор специально разработанных периодических микроэлектродов, используемых для периодической переориентации молекул. Используя оба метода, мы успешно контролировали период выравнивания узора в диапазоне примерно от 500 мкм и уменьшали его до 20 мкм. Мы провели экспериментальные исследования явления волноводства в таких структурах с целью получения спектров пропускания, типичных для волоконно-оптических решеток. Поскольку результаты, полученные в условиях эксперимента, отличались от ожидаемых, для объяснения наблюдаемых эффектов было проведено дополнительное численное моделирование. Наконец, мы получили волновод в синей фазе ЖК, характеризующийся естественно созданной трехмерной периодичностью с периодами менее одного микрометра. В такой структуре удалось наблюдать запрещенную зону первого порядка и, более того, удалось термически перестроить ее практически во всем видимом спектральном диапазоне.

Технологии, основанные на фотонике, обладают огромным потенциалом совершить революцию в двадцать первом веке, как это сделала электроника в двадцатом веке. Они могут предложить важный уровень миниатюризации и интеграции для достижения расширенных функциональных возможностей одновременно с эффективным энергопотреблением.

Планарные волноводные структуры на жидких кристаллах (ЖК) исследовались в течение последних нескольких десятилетий1,2, образуя новую платформу, которая удовлетворяет потребность в интегрированной конфигурации, подходящей для настраиваемых устройств. Чрезвычайно высокие электрооптические отклики и термооптические эффекты в ЖК в сочетании с их высоким двулучепреломлением и большой диэлектрической анизотропией открывают исключительный потенциал применения в волноводных структурах. В ограниченных структурах, таких как, например, микрокапиллярные трубки, пропитанные ЖК, наблюдались волноводные эффекты как в ЖК-волокнах с круглой, так и с эллиптической сердцевиной3. Цилиндрический LC-волновод с эллиптической сердцевиной (4 × 18 мкм) оказался необычным примером многомодового однополяризационного оптического волокна4.

Другим типом ЖК-волноводных структур на основе фотонно-кристаллических волокон (ФКВ) являются фотонные жидкокристаллические волокна (ФЖК)5,6,7,8, также известные как ФКВ, инфильтрированные ЖК. PLCF — это передовые специальные волокна, в которых используется комбинация «пассивных» основных микроструктур PCF, пропитанных «активными» гостевыми жидкокристаллическими материалами, и которые отвечают за множество их уникальных свойств. PLCF создают новый класс оптических волноводов, в которых используются исключительные направляющие свойства PCF с твердым сердечником и привлекательные настраиваемые свойства ЖК-фотонной микроструктуры в оболочке волокна. PCF с пропиткой LC открывают новые уровни настройки PCF и повышают их производительность благодаря множеству новых свойств распространения, спектральных, термооптических, электрооптических и поляризационных свойств. Помимо их высокой чувствительности к температуре и к электрическим/магнитным/оптическим полям, использование различных «сценариев» ориентации молекул жидких кристаллов внутри микроотверстий может определять механизмы либо индексного управления, либо фотонные механизмы распространения запрещенной зоны, а также обратимое переключение между ними. .

Периодические волноводные структуры сыграли жизненно важную роль в эволюции фотоники. Помимо поперечно-периодических структур (например, фотонных кристаллов и фотонно-кристаллических волокон) важное значение имеют также волноводные структуры, в которых показатель преломления периодически изменяется вдоль направления распространения. Их влияние распространяется на широкий спектр функций фотонных устройств, включая решеточную связь, (Брэгговское) отражение, преобразование поляризации, отклонение, генерацию второй гармоники, частотную модуляцию и многое другое. Большое разнообразие устройств обусловлено различными способами выбора геометрии волновода, периодичности (описываемой рабочим циклом и модуляцией/разницей показателя преломления), эффектов связи и управляемых режимов.