CN102768440B - 一种快速响应光开关 - Google Patents
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Abstract
平行取向电控光开关，采用两基板同为周期交替且相邻区域取向方向相互垂直的水平取向液晶盒；液晶盒盒厚为5±2μm，两个相邻取向的宽度之比为1：1；包括上下二片ITO玻璃基片及涂覆的光敏取向剂，并经过线偏振紫外或蓝光片对ITO玻璃基片上光敏取向剂进行曝光，赋予两基片预设的取向方向；灌入双频液晶，制成一个可调节的液晶光栅，实现光开关功能。本发明具有低电压、低能耗、高开关比、快速开关响应、偏振无依赖等特性。制备成本低、效率高、适于批量生产，器件的稳定性和重复性都满足实用要求，在光通信、光纤传感、集成光学等领域都能发挥广泛应用。
Description
技术领域
本发明涉及光电子技术领域，具体涉及一种利用光控取向技术制备基于双频液晶的快速响应光开关的设计和制备。
背景技术
液晶材料兼具液体的流动性及晶体的有序性，由于其优异的外场（电场、光场、声场、温场等）调谐特性，在平板显示及可调制光子学器件中发挥着重要的应用。向列相液晶是最常用的一种相态，在所有向列相液晶应用中，取向是首要环节。传统的取向方式以摩擦取向应用最为广泛，其存在易对表面造成机械损伤、静电荷残留及颗粒污染物，不易实现多畴结构取向等缺陷。而新兴的光取向技术则可以完全克服上述不足，被视为最有竞争力的下一代液晶取向技术。
在众多光子学器件中，光开关是十分重要且广泛使用的一种。对于光开关，其关键性能指标就是开关对比度和开关响应时间。向列相液晶响应慢，通常为10毫秒以上量级，是限制液晶光开关应用的短板；近来也有一些基于液晶特殊相态的快速响应光开关的报道，如基于蓝相液晶、胆甾相液晶等的开关设计，但工作电压都很高，因此功耗控制和驱动电路匹配方面都存在难题。另一方面，向列相液晶器件通常是具有偏振依赖性的，需要在光路中架设偏振片，增加了成本并降低了光能利用率。开拓简便高效的制备技术，实现低工作电压、偏振无依赖、快速开关响应的电控光开关具有重要的价值。
发明内容
本发明目的是：利用光控取向技术结合双频液晶来实现快速响应光开关及制备。开拓简便、高效、稳定、廉价、可批量生产的制备技术，实现低工作电压、无偏振依赖、快速开关响应的电控光开关的制备。以满足其在光通讯、传感、集成光学等领域的广阔应用。
本发明技术方案是：利用光控取向技术结合双频液晶提出了一种快速响应光开关的制备。包括平行取向电控光开关和混合取向电控光开关，技术方案为：
平行取向电控光开关，采用两基板同为周期交替且相邻区域取向方向相互垂直的水平取向液晶盒；液晶盒盒厚为5±2 μm，两个相邻取向的宽度之比为1：1；包括上下二片ITO玻璃基片及涂覆的光敏取向剂，并经过线偏振紫外或蓝光片对ITO玻璃基片上光敏取向剂进行曝光，赋予两基片预设的取向方向；灌入双频液晶，制成一个可调节的液晶光栅，实现光开关功能。
混合取向电控光开关，采用一侧基板为周期交替且相邻区域水平取向方向互为正交，且另一基板为均匀垂直取向的混合取向液晶盒；液晶盒盒厚为5±2 μm，两个相邻取向的宽度之比为1：1；包括上下二片ITO玻璃基片及涂覆的光敏取向剂，并经过线偏振紫外或蓝光片对ITO玻璃基片上光敏取向剂进行曝光，赋予两个基片中一为周期交替且相邻区域取向方向相互垂直的水平行向和另一片为均匀的垂直取向；灌入双频液晶，制成一个可调节的液晶光栅，实现光开关功能。
固定外加电场的电压15 V不变，双频液晶指改变电场频率在低频（1~5 kHz）与高频（30~80kHz）之间交替变化的二个频率，实现1级衍射光斑的电控开关。开关比超过20dB，开关响应时间均为百微量级。
上述电控光开关的制备方法，其特征是以下述步骤实现：选取材料，取向结构和液晶盒参数；依据取向结构，通过光控取向技术对二片ITO玻璃基片涂覆的光敏取向剂进行取向，分别实现两基板同为周期交替且相邻区域取向方向相互垂直的水平取向模式，或其一基板为周期交替且相邻区域水平取向方向互为正交而另一基板为均匀垂直取向的混合取向模式，将双频液晶注入液晶盒，制备成盒，依据取向形成位相光栅；并在饱和电压下通过高低频率交替改变产生特定衍射级的亮暗，实现光开关的控制。
所采用的光控取向技术分为两步，第一步为线偏振的紫外光或蓝光均匀曝光赋予均一初始取向，第二步为更改特定区域取向实现预设图案，通过线偏振紫外或蓝光的投影光刻、掩膜光刻，或紫外蓝光对应波长激光的全息干涉来实现；所述光控取向在光敏取向剂薄膜上执行，光敏取向剂为偶氮苯染料、聚酰亚胺、聚乙烯醇、肉桂酸酯等在线偏光照射下发生异构化、定向光交联或光裂解反应而引发分子排布的各向异性，并进一步通过分子间相互作用的传递取向液晶分子的材料。
液晶盒厚与液晶参数和模式精确匹配，以使施加饱和电压时，低频下相邻取向区域的位相差为0，高频下相邻取向区域的位相差为π或3π。
双频液晶指改变电场频率在低频（1~5 kHz）与高频（30~80kHz）之间交替变化的二个频率，实现1级衍射光斑的电控开关。
所采用的光控取向技术分为两步，第一步为线偏振的紫外光或蓝光均匀曝光赋予均一初始取向，第二步为更改特定区域取向实现预设图案，第二步可通过线偏振紫外或蓝光的投影光刻、掩膜光刻，或紫外蓝光对应波长激光的全息干涉来实现。
所述光控取向在光敏取向剂薄膜上执行，光敏取向剂为偶氮苯染料、聚酰亚胺、聚乙烯醇、肉桂酸酯等在线偏光照射下发生异构化、定向光交联或光裂解反应而引发分子排布的各向异性，并进一步通过分子间相互作用的传递取向液晶分子的材料。
所述双频液晶在低频电场下呈正性，在高频时则呈负性，通过改变频率来实现电光性质的控制。由于液晶的双向转动均受到电场作用，使得响应时间均可达到亚毫秒量级。
液晶盒厚与液晶参数和模式精确匹配，并通过恰当选取间隔子来实现，以获取最佳开关及响应特性；相邻水平取向区域的取向方向相互垂直以保证器件的偏振无依赖特性。
具体实现的步骤可概括如下：
① 设计优化液晶盒的取向结构和盒厚等参数，以实现最佳开关性能；
② 在两片导电玻璃基板表面分别涂设光控取向剂薄膜，并以线偏振紫外或蓝光均匀曝光赋予均一初始取向，实现平行或垂直于基板取向的功能；
③ 通过线偏振紫外或蓝光的投影光刻、掩膜光刻，或紫外蓝光对应波长激光的全息干涉来实现图案化，更改特定区域取向，获得周期交替、互为正交的平行取向（两片基板同时结构取向）或混合取向（单片基板结构取向，另一侧为垂直取向），实现预设图案；
④ 将双频液晶在清亮点以上注入液晶盒，形成位相光栅，并在饱和电压下通过高低频率交替改变实现光开关的控制。
本发明的有益效果：(1) 利用双频液晶，实现了低于15 V的工作电压下的可控快速开关，开关时间均达到亚毫秒量级，较普通向列相液晶快了两个数量级；(2) 通过光控取向技术实现了相互正交取向的位相光栅，确保了光开关的偏振无依赖性；(3) 制备方案简便、高效、廉价、可批量生产，光开关对比度高、性能稳定，各项指标达到光通信、光纤传感、集成光学等领域的实用要求。
附图说明
图1a平行取向电控光开关的结构示意图。
图1b混合取向电控光开关的结构示意图。
图2 20 μm + 20 μm平行取向光栅结构的偏光显微镜照片。
图3 平行取向电控光开关的开关响应时间。
图4混合取向电控光开关的电压-光强曲线。
图5 混合取向电控光开关的偏振无依赖性。
具体实施方式：
下面通过实施例来进一步阐明本发明方法及应用，而不是要用这些实施例来限制本发明。如图1所示，玻璃基板1、铟锡氧化物膜（ITO）2、平行取向的光控取向层3、垂直（平行取向时为水平）取向的光控取向层4、双频液晶5。
实施例1：
本实施例为平行取向电控光开关的实例。
具体结构设计如附图1a所示，液晶盒为周期交替、互为正交的平行取向。依据双频液晶的性质，通过计算得到最佳盒厚为4 μm，两个相邻取向的宽度之比为1：1。为实现这样的结构，首先在2片ITO玻璃基片上旋涂浓度为0.5%的偶氮苯材料SD1溶液，并在120℃的热台上烘烤5分钟；之后将基片放在带有直径50 mm的平凸透镜的405 ± 10 nm蓝光LED光源下，并经过亚波长金属线栅偏振片（直径50 mm，消光比大于2000：1）进行曝光，曝光剂量为5 J/cm2，赋予两个基片相同的均匀水平取向方向；曝光后用4 μm的玻璃间隔子将2片基片隔开制成液晶盒，再将整个液晶盒置于同一光路，并覆盖有20 μm + 20 μm光栅结构的掩模板，并设置液晶盒放置方向与第一次曝光放置方向呈90o，再次曝光5 J/cm2。然后将双频液晶在80℃热台上灌入液晶盒，双频液晶室温下的物理性能参数如下：转变频率 f c <6 kHz, Δn=n e ?n o =0.24 1.55 μm, and Δε= +4.7 f =1 kHz,Δε=?3.9 f =30 kHz, 就制成了一个可调节的液晶光栅，如图2所示。
固定外加电场的电压15 V不变，改变电场频率（在1kHz与30kHz之间交替变换），可实现1级衍射光斑的电控开关。在1kHz时，1级衍射峰消失（关态），而在30kHz时，1级衍射峰处有一明亮衍射斑（开态）。实测开关比超过20dB，开关响应时间分别为360微秒和550微秒(图3)。
实施例2：
本实施例为混合取向电控光开关的实例。
具体结构设计如附图1b所示，液晶盒为周期交替、互为正交的混合取向。液晶盒一面的取向情况与实施例1一致，但是选用聚酰亚胺为取向材料，另一面为肉桂酸酯的均匀垂直取向。依据双频液晶的性质，通过计算得到最佳盒厚为5 μm，两个相邻取向的宽度之比为1：1。为实现这样的结构，首先在2片ITO玻璃基片（ITO面向上）上分别旋涂浓度为0.5%的聚酰亚胺溶液以及浓度为0.5%的肉桂酸酯溶液，并在120℃的热台上烘烤5分钟；之后将其分别放在偏振紫外光源下曝光15 J/cm2和5 J/cm2，响应获得均匀的平行取向和垂直取向；用355 nm紫外连续激光器双光束曝光，并控制激光偏振方向与先前的紫外光偏振方向呈90o，控制双光束入射夹角获得10 μm + 10 μm的光栅结构，再次曝光15 J/cm2；完成后，将两基片按实施例1方式组装成盒并灌入双频液晶，双频液晶室温下的物理性能参数如下：转变频率 f c ≈45 kHz, Δn=n e ?n o =0.191 633 nm, and Δε= +2.10 f =1 kHz,Δε=?2.02 f =80 kHz, 制成可调液晶位相光栅。
固定外加电场的电压15 V不变，改变电场频率（在1kHz与80kHz之间交替变换），可实现1级衍射光斑的电控开关。如图4所示，在1kHz时，1级衍射峰消失（关态），而在80kHz时，1级衍射峰处有一明亮衍射斑（开态）。实测开关比超过20dB，开关响应时间分别为350微秒和600微秒。该光开关器件展示出优良的偏振无依赖性，如图5所示，旋转入射偏振分别为0°、45°和90°，电光响应情况几乎完全吻合。
Claims (7)
1.平行取向电控光开关，其特征是采用两基板同为周期交替且相邻区域取向方向相互垂直的水平取向液晶盒；液晶盒盒厚为5±2 μm，两个相邻区域的宽度之比为1：1；液晶盒包括上下二片ITO玻璃基片及涂覆的光敏取向剂，并经过线偏振紫外或蓝光片对ITO玻璃基片上光敏取向剂进行曝光，赋予两ITO玻璃基片预设的取向方向；液晶盒灌入双频液晶，制成一个可调节的液晶光栅，实现光开关功能。
2.混合取向电控光开关，其特征是采用一侧基板为周期交替且相邻区域水平取向方向互为正交，且另一基板为均匀垂直取向的混合取向液晶盒；液晶盒盒厚为5±2 μm，两个相邻区域的宽度之比为1：1；液晶盒包括上下二片ITO玻璃基片及涂覆的光敏取向剂，并经过线偏振紫外或蓝光片对ITO玻璃基片上光敏取向剂进行曝光，赋予两ITO玻璃基片中一为周期交替且相邻区域取向方向相互垂直的水平行取向和另一片为均匀的垂直取向；液晶盒灌入双频液晶，制成一个可调节的液晶光栅，实现光开关功能。
3.根据权利要求1或2所述的电控光开关，其特征是固定外加电场的电压15 V不变，双频液晶指改变电场频率在1~5 kHz低频与30~80kHz高频之间交替变化的二个频率，实现1级衍射光斑的电控开关；开关比超过20dB，开关响应时间均为百微量级。
4.根据权利要求1或2所述的电控光开关的制备方法，其特征是以下述步骤实现：选取材料，取向结构和液晶盒参数；依据取向结构，通过光控取向技术对二片ITO玻璃基片涂覆的光敏取向剂进行取向，分别实现两基板同为周期交替且相邻区域取向方向相互垂直的水平取向模式，或其一基板为周期交替且相邻区域水平取向方向互为正交而另一基板为均匀垂直取向的混合取向模式，将双频液晶注入液晶盒，制备成盒，依据取向形成位相光栅；并在饱和电压下通过高低频率交替改变产生特定衍射级的亮暗，实现光开关的控制。
5.根据权利要求4所述的电控光开关的制备方法，其特征是所采用的光控取向图案化技术分为两步，第一步为线偏振的紫外光或蓝光均匀曝光赋予均一初始取向，第二步为更改特定区域取向实现预设图案，通过线偏振紫外或蓝光的投影光刻、掩膜光刻，或紫外蓝光对应波长激光的全息干涉来实现；所述光控取向在光敏取向剂薄膜上执行，光敏取向剂为偶氮苯染料、聚酰亚胺、聚乙烯醇或肉桂酸酯在线偏光照射下发生异构化、定向光交联或光裂解反应而引发分子排布的各向异性，并进一步通过分子间相互作用的传递取向液晶分子的材料。
6.根据权利要求4所述的电控光开关的制备方法，其特征是所述双频液晶在低频电场下呈正性，在高频时则呈负性，通过改变频率来实现电光性质的控制。
7.根据权利要求4所述的电控光开关的制备方法，其特征是液晶盒厚与液晶参数和模式精确匹配，以使施加饱和电压时，低频下相邻取向区域的位相差为0，高频下相邻取向区域的位相差为π或3π。
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