eng
Выпуск #5/2020
В. Беляев
ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА ДЛЯ МОДУЛЯЦИИ ТЕРАГЕРЦОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА ДЛЯ МОДУЛЯЦИИ ТЕРАГЕРЦОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
Просмотры: 2262
DOI: 10.22184/1992-4178.2020.196.5.96.98
Обсуждаются проблемы, связанные с использованием терагерцового диапазона спектра для устройств обработки информации, оптоэлектроники, СВЧ электроники, медицины.
Обсуждаются проблемы, связанные с использованием терагерцового диапазона спектра для устройств обработки информации, оптоэлектроники, СВЧ электроники, медицины.
Теги: liquid-crystal based modulators liquid crystals terahertz radiation жк кристаллы жк модуляторы терагерцовое излучение
Жидкокристаллические устройства для модуляции терагерцового излучения
В. Беляев, д. т. н.
В последние годы особенно актуальными стали задачи, связанные с использованием терагерцового диапазона спектра для устройств обработки информации, оптоэлектроники, СВЧ‑электроники, медицины. Возникает необходимость формирования пучков излучения и даже двумерных изображений в этом диапазоне, как статических, так и в виде динамической последовательности.
Для видимого и инфракрасного диапазонов проблемы формирования пучков излучения и двумерных изображений как статических, так и в виде динамической последовательности решены [1, 2], а для ТГц-диапазона решение таких задач с возможностью промышленного выпуска приборов пока отсутствует. При этом стоит отметить, что устройства ТГц-диапазона для обнаружения скрытых объектов с выводом изображений на визуальные дисплеи известны достаточно хорошо [3–5].
В настоящее время существует несколько подходов в создании модуляторов ТГц-излучения. К ним относится оптическая и электронная модуляция в полупроводниках и метаматериалах [6], электронная модуляция в графене [7], термальная модуляция [8], а также модуляция фотонными кристаллами [8]. К основным недостаткам вышесказанных методов в той или иной мере можно отнести низкую глубину модуляции, резонансный характер модуляции (модуляция в узкой полосе пропускания), а также низкую скорость модуляции. Исходя из этого, актуальной задачей является поиск новых оптоэлектронных модуляторов терагерцового излучения, имеющих количественное преимущество в рабочих характеристиках перед имеющимися на данный момент устройствами такого типа.
Жидкие кристаллы (ЖК) являются хорошим кандидатом на роль управляющих материалов ввиду высокой величины двойного лучепреломления как в видимом, так и в микроволновом диапазонах электромагнитного спектра, малого рабочего напряжения, малых времен электрооптического отклика, широкого диапазона рабочих температур [9]. Тем не менее, у таких ЖК‑модуляторов есть ряд недостатков, таких как необходимость использования толстых слоев ЖК ввиду большой длины волны в ТГц-режиме, что приводит к высоким рабочим напряжениям и большому времени отклика [10]. Эту проблему можно преодолеть за счет использования ЖК с большой величиной двулучепреломления, методов модуляции, в частности, дифракционных методов, а также за счет изменения условий применения устройства, например вариацией угла падения ТГц-излучения на модулятор.
В современной литературе есть ряд примеров разработки перестраиваемых ЖК-устройств ТГц-диапазона [9, 10].
ЖК‑ячейка в работе [9] имеет структуру, изображенную на рис. 1. На стеклянную подложку 1 наносится графеновая пленка 2, которая одновременно выполняет роль как прозрачного электрода, так и поляризатора. Для равномерного ориентирования ЖК необходим полиимидный слой 3, а для получения заданной толщины ЖК образца 5 используют спейсеры 4. В отсутствие электрического поля ориентация ЖК в ячейке – планарная, при приложении электрического поля в ячейке формируется гомеотропная ориентация.
К недостаткам использования графена можно отнести сложность создания графенового слоя с минимальным количеством дефектов в узлах решетки, что существенно снижает его электрофизические свойства и дает большой разброс в характеристиках получаемых ячеек.
Технология применения графена, конечно, перспективна, но ее промышленное использование возможно только через достаточно длительное время. Поэтому следует использовать доступные, производимые в настоящее время, материалы и технологии с адаптацией их к ТГц-диапазону.
Разработана нематическая ЖК‑смесь (НЖК‑смесь) NJU-LDn‑4 с большой величиной двойного лучепреломления, состоящая из нескольких фторированных производных фенилтолана [10]. Компоненты данной смеси представлены на рис. 2.
Основным компонентом является смесь (а) из 10 фторированных соединений бифенил-толанов, составляющая 76% массовой доли. Массовая доля отдельных компонентов этой смеси варьируется от 2 до 10%. Компонент (б) с пиримидиновым кольцом составляет 12% массовой доли, а компоненты (в) и (г) соответственно 5 и 7%.
Зависимость показателя преломления обыкновенного (no) и необыкновенного (ne) лучей, а также двулучепреломления (Δn) в диапазоне 0,4–1,6 ТГц представлена на рис. 3. Среднее значение двулучепреломления в данном диапазоне равно 0,306, а максимальное – 0,314 при 1,6 ТГц. Физические свойства ЖК‑материалов на основе толанов и их зависимость от молекулярного строения описаны в [11].
На основе данной НЖК‑смеси с высоким двулучепреломлением разработана специальная ячейка, являющаяся перестраиваемым фазовращателем ТГц-излучения. Принципиальная схема данной ячейки изображена на рис. 4. Ячейка состоит из двух подложек из кварцевого стекла с зазором в 250 мкм, заполненным ЖК. На внутренние поверхности подложек наносятся решетка из золота и полиимидный ориентирующий слой. Направления решеток на двух подложках располагают параллельно друг другу. Направление натирания полиимидных слоев, в свою очередь, задают перпендикулярно золотым полоскам, что обеспечивает планарную ориентацию. Период решетки составляет 20 мкм, а ширина 10 мкм, длина волны исследуемых ТГц-волн в таком случае составляет гораздо бóльшую величину. Благодаря этому данная ячейка способна пропускать поперечные магнитные волны, в то время как поперечные электрические волны будут отражаться.
Поэтому решетка из золота в данной ячейке выполняет двойную роль: прозрачных электродов и встроенных поляризаторов.
Перспективность использования композиционных материалов типа пористая полимерная мембрана – жидкий кристалл (ПМЖК) для модуляции видимого и ТГц-излучения показана в работах [12]. В этой системе достаточно длинный путь распространения волны терагерцовой частоты, позволяющий получить фазовый набег до четверти длины волны, при малом (десятки микрометров) размере переключаемого электрооптического ЖК‑элемента в пористой матрице.
Переключаемые фазосдвигатели на основе как обычных ЖК, так и ЖК, диспергированных в полимере [1], описаны в [13, 14].
Таким образом, показана возможность реализации модуляции ТГц-излучения и создания изображений в этом диапазоне с достаточно высоким пространственным разрешением и высокой скоростью модуляции на основе жидкокристаллических элементов.
Работа частично поддержана Российским фондом фундаментальных исследований, грант № 19-07-00602_а.
Литература
Беляев В. В. Жидкокристаллические дисплеи. Технологии настоящего и будущего. Часть 2. Новые технологии и области применения ЖК‑дисплеев // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. 2015. № 10. С. 124–131.
Грузевич Ю. Оптико-электронные приборы ночного видения. – Физматлит, 2014.
Sheen D. M., McMakin D. L., Hall T. E. Three-dimentional millimeter-wave imaging for concealed weapon detection // IEEE Transactions on Microwave Theory and Technique. 2001. V. 49. № 9. Р. 1581–1592.
Rebeiz G. M., Kasilingam D. P., Guo Y., Stimson P. A., Rutledge D. B. Monolithic millimeter-wave two-dimensional horn imaging arrays // IEEE Transactions on Antennas and Propogation. 1990. V. 38. № 9. P. 1473–1482.
Шашкин В. И., Белов Ю. И., Волков П. В., Горюнов А. В., Закамов В. Р., Илларионов И. А. Экспериментальное исследование матрицы детекторов системы радиовидения 3-mm диапазона длин волн // Письма в Журнал технической физики. 2013. Т. 39. Вып. 12. С. 44–49.
Karl N., Reichel K., Chen H.-T., Taylor A. J., Brener I., Benz A., Reno J. L., Mendis R., Mittleman D. M. An electrically driven terahertz metamaterial diffractive modulator with more than 20 dB of dynamic range // Applied Physics Letters. 2014. V. 104. Is. 9. P. 091115.
Sensale Rodriguez B., Yan R., Liu L., Jena D., Xing H. G. Graphene for Reconfigurable THz Optoelectronics // Proceedings of the IEEE. 2013. V. 101. Is. 7. P. 1705–1716.
Rahm M., Li J.-S., Padilla W. J. THz Wave Modulators: A Brief Review on Different Modulation Techniques // Journal of infrared, millimeter and terahertz waves. 2013. V. 34. Is. 1. P. 1–27.
Wu Y., Ruan X., Chen C.-H., Shin Y. J., Lee Y., Niu J., Liu J., Chen Y., Yang K.-L., Zhang X., Ahn J.-H., Yang H. Graphene / liquid crystal based terahertz phase shifters // Optics Express. 2013. V. 21. Is. 18. P. 21395–21402.
Lu Y.-Q., Hu W., Liang X. THz Devices based on High Birefringence Liquid Crystals // SID Symposium Digest of Technical Papers. 2014. V. 45. Is. 1. P. 491–494.
Беляев В. В. Определение анизотропии локального поля и параметра порядка 4-алкил‑4’-алкокситоланов по рефрактометрическим данным // Журнал физической химии. 2001. Т. 75. Вып. 6. С. 1088–1094.
Pasechnik S., Chopik A., Shmeliova D., Drovnikov E., Semerenko D., Dubtsov A., Zhang W., Chigrinov V. Electro-kinetic phenomena in porous PET films filled with liquid crystals // Liq. Cryst. 2015. 42. P. 1537–1542.
Ito R., Nose T., Ozaki M., Takeya K., Tonouchi M. THz Wave Transmission Properties of LC Composite Membrane Films // Mol. Cryst. Liq. Cryst. 2010. 516. P. 144–151.
Ito R., Kumagai T., Yoshida H., Takeya K., Ozaki M., Tonouch M., Nose T. THz Nematic Liquid Crystal Devices Using Stacked Membrane Film Layers // Mol. Cryst. Liq. Cryst. 2011. 543. 77 / [843]–84 / [850].
В. Беляев, д. т. н.
В последние годы особенно актуальными стали задачи, связанные с использованием терагерцового диапазона спектра для устройств обработки информации, оптоэлектроники, СВЧ‑электроники, медицины. Возникает необходимость формирования пучков излучения и даже двумерных изображений в этом диапазоне, как статических, так и в виде динамической последовательности.
Для видимого и инфракрасного диапазонов проблемы формирования пучков излучения и двумерных изображений как статических, так и в виде динамической последовательности решены [1, 2], а для ТГц-диапазона решение таких задач с возможностью промышленного выпуска приборов пока отсутствует. При этом стоит отметить, что устройства ТГц-диапазона для обнаружения скрытых объектов с выводом изображений на визуальные дисплеи известны достаточно хорошо [3–5].
В настоящее время существует несколько подходов в создании модуляторов ТГц-излучения. К ним относится оптическая и электронная модуляция в полупроводниках и метаматериалах [6], электронная модуляция в графене [7], термальная модуляция [8], а также модуляция фотонными кристаллами [8]. К основным недостаткам вышесказанных методов в той или иной мере можно отнести низкую глубину модуляции, резонансный характер модуляции (модуляция в узкой полосе пропускания), а также низкую скорость модуляции. Исходя из этого, актуальной задачей является поиск новых оптоэлектронных модуляторов терагерцового излучения, имеющих количественное преимущество в рабочих характеристиках перед имеющимися на данный момент устройствами такого типа.
Жидкие кристаллы (ЖК) являются хорошим кандидатом на роль управляющих материалов ввиду высокой величины двойного лучепреломления как в видимом, так и в микроволновом диапазонах электромагнитного спектра, малого рабочего напряжения, малых времен электрооптического отклика, широкого диапазона рабочих температур [9]. Тем не менее, у таких ЖК‑модуляторов есть ряд недостатков, таких как необходимость использования толстых слоев ЖК ввиду большой длины волны в ТГц-режиме, что приводит к высоким рабочим напряжениям и большому времени отклика [10]. Эту проблему можно преодолеть за счет использования ЖК с большой величиной двулучепреломления, методов модуляции, в частности, дифракционных методов, а также за счет изменения условий применения устройства, например вариацией угла падения ТГц-излучения на модулятор.
В современной литературе есть ряд примеров разработки перестраиваемых ЖК-устройств ТГц-диапазона [9, 10].
ЖК‑ячейка в работе [9] имеет структуру, изображенную на рис. 1. На стеклянную подложку 1 наносится графеновая пленка 2, которая одновременно выполняет роль как прозрачного электрода, так и поляризатора. Для равномерного ориентирования ЖК необходим полиимидный слой 3, а для получения заданной толщины ЖК образца 5 используют спейсеры 4. В отсутствие электрического поля ориентация ЖК в ячейке – планарная, при приложении электрического поля в ячейке формируется гомеотропная ориентация.
К недостаткам использования графена можно отнести сложность создания графенового слоя с минимальным количеством дефектов в узлах решетки, что существенно снижает его электрофизические свойства и дает большой разброс в характеристиках получаемых ячеек.
Технология применения графена, конечно, перспективна, но ее промышленное использование возможно только через достаточно длительное время. Поэтому следует использовать доступные, производимые в настоящее время, материалы и технологии с адаптацией их к ТГц-диапазону.
Разработана нематическая ЖК‑смесь (НЖК‑смесь) NJU-LDn‑4 с большой величиной двойного лучепреломления, состоящая из нескольких фторированных производных фенилтолана [10]. Компоненты данной смеси представлены на рис. 2.
Основным компонентом является смесь (а) из 10 фторированных соединений бифенил-толанов, составляющая 76% массовой доли. Массовая доля отдельных компонентов этой смеси варьируется от 2 до 10%. Компонент (б) с пиримидиновым кольцом составляет 12% массовой доли, а компоненты (в) и (г) соответственно 5 и 7%.
Зависимость показателя преломления обыкновенного (no) и необыкновенного (ne) лучей, а также двулучепреломления (Δn) в диапазоне 0,4–1,6 ТГц представлена на рис. 3. Среднее значение двулучепреломления в данном диапазоне равно 0,306, а максимальное – 0,314 при 1,6 ТГц. Физические свойства ЖК‑материалов на основе толанов и их зависимость от молекулярного строения описаны в [11].
На основе данной НЖК‑смеси с высоким двулучепреломлением разработана специальная ячейка, являющаяся перестраиваемым фазовращателем ТГц-излучения. Принципиальная схема данной ячейки изображена на рис. 4. Ячейка состоит из двух подложек из кварцевого стекла с зазором в 250 мкм, заполненным ЖК. На внутренние поверхности подложек наносятся решетка из золота и полиимидный ориентирующий слой. Направления решеток на двух подложках располагают параллельно друг другу. Направление натирания полиимидных слоев, в свою очередь, задают перпендикулярно золотым полоскам, что обеспечивает планарную ориентацию. Период решетки составляет 20 мкм, а ширина 10 мкм, длина волны исследуемых ТГц-волн в таком случае составляет гораздо бóльшую величину. Благодаря этому данная ячейка способна пропускать поперечные магнитные волны, в то время как поперечные электрические волны будут отражаться.
Поэтому решетка из золота в данной ячейке выполняет двойную роль: прозрачных электродов и встроенных поляризаторов.
Перспективность использования композиционных материалов типа пористая полимерная мембрана – жидкий кристалл (ПМЖК) для модуляции видимого и ТГц-излучения показана в работах [12]. В этой системе достаточно длинный путь распространения волны терагерцовой частоты, позволяющий получить фазовый набег до четверти длины волны, при малом (десятки микрометров) размере переключаемого электрооптического ЖК‑элемента в пористой матрице.
Переключаемые фазосдвигатели на основе как обычных ЖК, так и ЖК, диспергированных в полимере [1], описаны в [13, 14].
Таким образом, показана возможность реализации модуляции ТГц-излучения и создания изображений в этом диапазоне с достаточно высоким пространственным разрешением и высокой скоростью модуляции на основе жидкокристаллических элементов.
Работа частично поддержана Российским фондом фундаментальных исследований, грант № 19-07-00602_а.
Литература
Беляев В. В. Жидкокристаллические дисплеи. Технологии настоящего и будущего. Часть 2. Новые технологии и области применения ЖК‑дисплеев // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. 2015. № 10. С. 124–131.
Грузевич Ю. Оптико-электронные приборы ночного видения. – Физматлит, 2014.
Sheen D. M., McMakin D. L., Hall T. E. Three-dimentional millimeter-wave imaging for concealed weapon detection // IEEE Transactions on Microwave Theory and Technique. 2001. V. 49. № 9. Р. 1581–1592.
Rebeiz G. M., Kasilingam D. P., Guo Y., Stimson P. A., Rutledge D. B. Monolithic millimeter-wave two-dimensional horn imaging arrays // IEEE Transactions on Antennas and Propogation. 1990. V. 38. № 9. P. 1473–1482.
Шашкин В. И., Белов Ю. И., Волков П. В., Горюнов А. В., Закамов В. Р., Илларионов И. А. Экспериментальное исследование матрицы детекторов системы радиовидения 3-mm диапазона длин волн // Письма в Журнал технической физики. 2013. Т. 39. Вып. 12. С. 44–49.
Karl N., Reichel K., Chen H.-T., Taylor A. J., Brener I., Benz A., Reno J. L., Mendis R., Mittleman D. M. An electrically driven terahertz metamaterial diffractive modulator with more than 20 dB of dynamic range // Applied Physics Letters. 2014. V. 104. Is. 9. P. 091115.
Sensale Rodriguez B., Yan R., Liu L., Jena D., Xing H. G. Graphene for Reconfigurable THz Optoelectronics // Proceedings of the IEEE. 2013. V. 101. Is. 7. P. 1705–1716.
Rahm M., Li J.-S., Padilla W. J. THz Wave Modulators: A Brief Review on Different Modulation Techniques // Journal of infrared, millimeter and terahertz waves. 2013. V. 34. Is. 1. P. 1–27.
Wu Y., Ruan X., Chen C.-H., Shin Y. J., Lee Y., Niu J., Liu J., Chen Y., Yang K.-L., Zhang X., Ahn J.-H., Yang H. Graphene / liquid crystal based terahertz phase shifters // Optics Express. 2013. V. 21. Is. 18. P. 21395–21402.
Lu Y.-Q., Hu W., Liang X. THz Devices based on High Birefringence Liquid Crystals // SID Symposium Digest of Technical Papers. 2014. V. 45. Is. 1. P. 491–494.
Беляев В. В. Определение анизотропии локального поля и параметра порядка 4-алкил‑4’-алкокситоланов по рефрактометрическим данным // Журнал физической химии. 2001. Т. 75. Вып. 6. С. 1088–1094.
Pasechnik S., Chopik A., Shmeliova D., Drovnikov E., Semerenko D., Dubtsov A., Zhang W., Chigrinov V. Electro-kinetic phenomena in porous PET films filled with liquid crystals // Liq. Cryst. 2015. 42. P. 1537–1542.
Ito R., Nose T., Ozaki M., Takeya K., Tonouchi M. THz Wave Transmission Properties of LC Composite Membrane Films // Mol. Cryst. Liq. Cryst. 2010. 516. P. 144–151.
Ito R., Kumagai T., Yoshida H., Takeya K., Ozaki M., Tonouch M., Nose T. THz Nematic Liquid Crystal Devices Using Stacked Membrane Film Layers // Mol. Cryst. Liq. Cryst. 2011. 543. 77 / [843]–84 / [850].
Отзывы читателей
