PL234439B1 - Method for entirely optical switching of the optical signal in the homogeneous liquid crystal cell with variable orientation of molecules, filled with nematic liquid crystal - Google Patents
Method for entirely optical switching of the optical signal in the homogeneous liquid crystal cell with variable orientation of molecules, filled with nematic liquid crystal Download PDFInfo
- Publication number
- PL234439B1 PL234439B1 PL424835A PL42483518A PL234439B1 PL 234439 B1 PL234439 B1 PL 234439B1 PL 424835 A PL424835 A PL 424835A PL 42483518 A PL42483518 A PL 42483518A PL 234439 B1 PL234439 B1 PL 234439B1
- Authority
- PL
- Poland
- Prior art keywords
- optical
- liquid crystal
- optical signal
- molecules
- signal
- Prior art date
Links
Description
Opis wynalazkuDescription of the invention
Przedmiotem wynalazku jest sposób całkowicie optycznego przełączania sygnału optycznego w homogenicznej komórce ciekłokrystalicznej o zmiennej orientacji molekuł wypełnionej nematycznym ciekłym kryształem, mający zastosowanie do przełączania sygnałów optycznych w torach falowodowych, zwłaszcza w optycznych i optoelektronicznych układach falowodowych jak również w optycznych bramkach logicznych.The subject of the invention is a method of completely optical switching of an optical signal in a homogeneous liquid crystal cell with a variable orientation of molecules filled with a nematic liquid crystal, applicable to the switching of optical signals in waveguide paths, especially in optical and optoelectronic waveguide systems as well as in optical logic gates.
Nematyczne ciekłe kryształy zbudowane są głównie z wydłużonych sztywnych cząsteczek o dużej anizotropii właściwości fizycznych. Rozmiar pojedynczej molekuły jest dużo mniejszy od długości fali, zatem z punktu widzenia fali elektromagnetycznej traktowane są jako ośrodek objętościowy, jako jednorodna struktura anizotropowa.Nematic liquid crystals are mainly composed of elongated, rigid molecules with high anisotropy of physical properties. The size of a single molecule is much smaller than the wavelength, therefore, from the point of view of the electromagnetic wave, they are treated as a volume medium, as a homogeneous anisotropic structure.
W optyce znajdują przede wszystkim zastosowanie jako ciecze dwójłomne zdefiniowane przez oś anizotropii. W fazie izotropowej fluktuacje termiczne powodują, że zarówno położenie jak i ich kierunek nie wykazują żadnego uporządkowania i rozłożone są chaotycznie, zatem z punktu widzenia fali elektromagnetycznej stanowią strukturę izotropową. Natomiast w fazie nematycznej można wyróżnić średni kierunek ułożenia molekuł określany przez bezwymiarowy wektor n, zwany direktorem, który określa położenie długich osi molekuł. Wprowadza się również kąt teta orientacji początkowej Θο, określający kąt jaki tworzą długie osie (direktor) z wektorem pola elektrycznego liniowo spolaryzowanej fali elektromagnetycznej. W ośrodkach dwójłomnych, m.in. w ciekłych kryształach, obserwowane są dwie skrajne wartości współczynnika załamania światła dla liniowo spolaryzowanej wiązki elektromagnetycznej, no - zwyczajny oraz ne - nadzwyczajny, przy czym konkretna wartość współczynnika załamania światła uzależniona jest od kąta teta pomiędzy direktorem a kierunkiem liniowej polaryzacji wiązki elektromagnetycznej. Średni współczynnik załamania ośrodka jest zatem funkcją kąta teta orientacji początkowej θα. Jeśli kierunek pola elektrycznego jest zgodny z długą osią molekuł średni współczynnik załamania światła przyjmuje wartość ne, jeśli z krótką na, a dla każdego innego kąta współczynnik załamania jest funkcją kąta teta.In optics, they are primarily used as birefringent liquids defined by the axis of anisotropy. In the isotropic phase, thermal fluctuations cause that both their position and their direction do not show any order and are distributed chaotically, therefore, from the point of view of the electromagnetic wave, they constitute an isotropic structure. On the other hand, in the nematic phase, one can distinguish the average direction of the molecules arranged by the dimensionless vector n, called the director, which determines the position of the long axes of the molecules. The initial orientation theta angle Θο is also entered, which defines the angle formed by the long axes (director) with the electric field vector of a linearly polarized electromagnetic wave. In birefringent centers, incl. in liquid crystals, two extreme values of the refractive index for a linearly polarized electromagnetic beam are observed, ordinary and ne - extraordinary, where the specific value of the refractive index depends on the theta angle between the director and the direction of the linear polarization of the electromagnetic beam. The average refractive index of the medium is therefore a function of the theta angle of the initial orientation θα. If the direction of the electric field is consistent with the long axis of the molecules, the average refractive index becomes ne, if with a short na, and for any other angle, the refractive index is a function of the theta angle.
Inną unikatową cechą nematycznych ciekłych kryształów jest fakt, że kierunek uporządkowania molekuł można łatwo zmieniać przez zewnętrzne pola (elektryczne, magnetyczne oraz elektromagnetyczne). Jest to właściwość wykorzystywana powszechnie w wyświetlaczach ciekłokrystalicznych. W optyce wykorzystywane jest w tym celu pole elektryczne liniowo spolaryzowanej fali elektromagnetycznej, przy czym z uwagi na znacznie dłuższy czas reakcji molekuł w porównaniu do oscylacji wektora pola optycznego stosuje się średnią czasową natężenia pola. Ciekły kryształ reaguje zatem na kierunek a nie na zwrot pola elektrycznego. Wzrost natężenia pola elektrycznego wiązki elektromagnetycznej powoduje obrót molekuł i dąży do równoległego ustawienia długich osi, zatem powoduje zmianę osi dwójłomność, przy czym ważne jest to, że nie zmienia wartości dwójłomności. Obrót molekuł oznacza zmianę kąta orientacji, zaś zmiana kąta orientacji oznacza zmianę średniego współczynnika załamania dla fali elektromagnetycznej. Zatem rozpatrywana zmiana współczynnika załamania światła pod wpływem wzrostu natężenia pola elektrycznego fali elektromagnetycznej związana j est z mechanizmem nieliniowości optycznej, a w niniejszym przypadku z nieliniowością reorientacyjną, co zostało opisane w publikacji A. Adamczyk, „Niezwykły stan materii. Ciekłe kryształy”, Omega Wiedza Powszechna, 1978. Nieliniowość tego typu umożliwia przestrajanie właściwości optycznych ciekłych kryształów poprzez zmianę natężenia przechodzącego przez nie światła. Nieliniowość reorientacyjna ciekłych kryształów jest o kilka rzędów wielkości silniejsza od konwencjonalnego efektu Kerra w dielektrykach. Dzięki temu silne efekty nieliniowe obserwowane są już przy użyciu sygnałów o stosunkowo małej mocy optycznej, rzędu pojedynczych miliwatów, przy średnicach wiązek rzędu pojedynczych mikrometrów. Zwiększenie mocy wiązki jest równoważne zmianie natężenia światła. Bazując na mechanizmie nieliniowości reorientacyjnej wykazane zostało, że w nematycznych ciekłych kryształach można uzyskać bezdyfrakcyjną propagację wiązki światła w postaci optycznego solitonu przestrzennego. Optyczny soliton przestrzenny indukuje kanał falowodowy w warstwie nematycznego ciekłego kryształu. Zjawisko to w sposób teoretyczny oraz eksperymentalny opisane zostało w pierwszym rozdziale książki G. Assanto, „Nematicons”, (Wiley & Sons, 2013 Hoboken). Silna nieliniowość reorientacyjna umożliwia uzyskanie optycznych solitonów przestrzennych dla źródeł laserowych pracy ciągłej, emitujących wiązkę o małej mocy optycznej.Another unique feature of nematic liquid crystals is the fact that the orientation of molecules can be easily changed by external fields (electric, magnetic and electromagnetic). This property is commonly used in liquid crystal displays. In optics, the electric field of a linearly polarized electromagnetic wave is used for this purpose, and due to the much longer reaction time of the molecules compared to the oscillation of the optical field vector, the time average of the field intensity is used. The liquid crystal therefore responds to the direction and not to the direction of the electric field. The increase in the electric field strength of the electromagnetic beam causes the molecules to rotate and tends to parallel align the long axes, therefore it causes a change of the birefringence axis, but it is important that it does not change the birefringence value. The rotation of the molecules means a change in the orientation angle, and a change in the orientation angle means a change in the average refractive index of an electromagnetic wave. Thus, the considered change of the refractive index under the influence of an increase in the electric field intensity of the electromagnetic wave is related to the optical nonlinearity mechanism, and in this case to reorientation nonlinearity, which was described in the publication by A. Adamczyk, "An unusual state of matter. Liquid crystals ”, Omega Wiedza Powszechna, 1978. This type of nonlinearity allows for tuning the optical properties of liquid crystals by changing the intensity of the light passing through them. The reorientation non-linearity of liquid crystals is several orders of magnitude stronger than the conventional Kerr effect in dielectrics. As a result, strong non-linear effects are already observed when using signals with relatively low optical power, in the order of single milliwatts, with beam diameters of the order of single micrometers. Increasing the beam power is equivalent to changing the light intensity. Based on the reorientation nonlinearity mechanism, it has been shown that in nematic liquid crystals it is possible to obtain diffractionless propagation of a light beam in the form of an optical spatial soliton. An optical spatial soliton induces a waveguide channel in the nematic liquid crystal layer. This phenomenon is described in a theoretical and experimental way in the first chapter of G. Assanto's book, "Nematicons" (Wiley & Sons, 2013 Hoboken). Strong reorientation non-linearity allows obtaining optical spatial solitons for continuous laser sources, emitting a beam with low optical power.
Do generacji solitonu przestrzennego stosuje się komórki ciekłokrystaliczne o dobrze określonym kierunku ułożenia długich osi molekuł ciekłokrystalicznych. W tym celu wykorzystywane są komórki ciekłokrystaliczne zbudowane z dwóch transparentnych płytek ograniczających oddalonych odLiquid crystal cells with a well-defined orientation of long axes of liquid crystal molecules are used for the generation of spatial soliton. For this purpose, liquid crystal cells are used, built of two transparent bounding plates distant from
PL 234 439 B1 siebie o dystans rzędu kilku, kilkudziesięciu mikrometrów. Materiałami wykorzystywanymi jako płytki ograniczające są najczęściej szkło, poliwęglan oraz materiały elastyczne wytworzone z tworzyw sztucznych, charakteryzujące się dużą transmisją promieniowania elektromagnetycznego w zakresie światła widzialnego. Obszar pomiędzy płytkami ograniczającymi wypełniony jest nematycznym ciekłym kryształem, przy czym wymuszenie kierunku orientacji długich osi molekuł ciekłokrystalicznych realizowane jest poprzez wykorzystanie warstwy orientującej wykonanej od wewnętrznej strony płytki ograniczającej, zapewniającej jednorodny rozkład molekuł. Wiązka fali elektromagnetycznej wprowadzana jest w obszar pomiędzy płytkami ograniczającymi, przy czym kierunek propagacji jest równoległy względem tych powierzchni. Wprowadzona w taką warstwę ciekłokrystaliczną wiązka fali elektromagnetycznej ulega dyfrakcji z uwagi na jednorodny rozkład współczynnika załamania (jednorodny kąt orientacji długich osi molekuł). Wzrost natężenia pola elektrycznego fali elektromagnetycznej o liniowej polaryzacji prowadzi do nieliniowego oddziaływania wiązki elektromagnetycznej z molekułami czyli do reorientacji oraz lokalnego wzrostu efektywnego współczynnika załamania światła. Zmiany te powodują efekt ogniskowania wiązki. Wzrost współczynnika załamania światła działa na wiązkę elektromagnetyczną jak soczewka skupiająca, prędkość fazowa w centrum wiązki maleje w stosunku do jej brzegów, a wiązka elektromagnetyczna podąża w kierunku obszaru o większym współczynniku załamania światła. Zjawisko to prowadzi do powstania frontu falowego, którego profil nie zmienia się na drodze propagacji, czyli optycznego toru przestrzennego. Istotnym jest zastosowanie takich warunków brzegowych na powierzchniach granicznych, dla których kąt zawarty pomiędzy direktorem n, oraz składową pola elektrycznego fali elektromagnetycznej jest różny od 0° i 90°. Do uzyskania propagacji optycznych solitonów przestrzennych w nematycznych ciekłych kryształach wykorzystuje się między innymi komórki ciekłokrystaliczne o konfiguracji homogenicznej o zadanym, jednorodnym początkowym rozkładzie molekuł, co zostało opisane w pracy M. Peccianti, G. Assanto, „Nematicons”, Phys. Rep. 516, 147-208 (2012).By a distance of several, several dozen micrometers. The materials used as limiting plates are most often glass, polycarbonate and flexible materials made of plastics, characterized by high transmission of electromagnetic radiation in the visible light range. The area between the bounding plates is filled with a nematic liquid crystal, and forcing the orientation of the long axes of the liquid crystal molecules is accomplished by using an alignment layer made from the inside of the bounding plate, ensuring a homogeneous distribution of molecules. The electromagnetic wave beam is introduced into the area between the bounding plates, the direction of propagation being parallel to these surfaces. The electromagnetic wave beam introduced into such a liquid crystal layer is diffracted due to the homogeneous distribution of the refractive index (homogeneous orientation angle of the long axis of molecules). The increase in the electric field strength of the linearly polarized electromagnetic wave leads to a non-linear interaction of the electromagnetic beam with molecules, i.e. reorientation and a local increase in the effective refractive index. These changes cause a beam focusing effect. The increase in the refractive index acts on the electromagnetic beam as a focusing lens, the phase velocity in the center of the beam decreases in relation to its edges, and the electromagnetic beam goes towards the area of higher refractive index. This phenomenon leads to the formation of a wave front, the profile of which does not change through propagation, i.e. the optical spatial path. It is important to apply such boundary conditions on the boundary surfaces for which the angle between the director n and the electric field component of the electromagnetic wave is different from 0 ° and 90 °. To obtain the propagation of optical spatial solitons in nematic liquid crystals, liquid crystal cells of a homogeneous configuration with a given, homogeneous initial molecular distribution are used, as described in the work of M. Peccianti, G. Assanto, "Nematicons", Phys. Rep. 516, 147-208 (2012).
Dotychczas w celu zmiany kierunku propagacji optycznego solitonu przestrzennego w homogenicznie zorientowanej warstwie wykorzystywane było m in. oddziaływanie pomiędzy solitonami (M. Peccianti, G. Assanto, „Signal readressing by steering of spatial soliton in bulk nematic liquid crystals”, Opt. Lett. 26, 1690 (2001)); wpływ zewnętrznego pola elektrycznego (M. Peccianti, C. Conti, G. Assanto, A. De Luca, C. Umeton, „Routing of anisotropic spatial soliton and modulation instability in liquid crystals”, Nature 432, 733 (2004)) jak również odbicia od powierzchni ograniczających (A. Alberucci, M. Peccianti, G. Assanto, „Nonlinear bouncing of nonlocal spatial soliton at the boundaries”, Opt. Lett. 32, 2795 (2007)). Pojawiły się również doniesienia o zmianie kierunku propagacji optycznego solitonu przestrzennego na skutek całkowitego wewnętrznego odbicia od obszaru o zmienionym rozkładzie współczynnika załamania światła wywołanym drugą wiązką oświetlającą (A. Pasquazi, A. Alberucci, M. Peccianti, G. Assanto, „Signal processing by opto-optical interactions between self-localized and free propagating beams in liquid crystals”, Appl. Phys. Lett. 87, 261104 (2005)); stosowanie specjalnego rozdzielenia elektrod wywołujących niejednorodny rozkład pola elektrycznego wewnątrz warstwy (M. Peccianti, A. Dyadyusha, M. Kaczmarek, G. Assanto, „Tunable refraction and reflection of self-confined light beams”, Nat. Phys. 2, 737 (2006)) lub wprowadzanie do ciekłego kryształu defektów (Y. V. Izdebskaya, V. G. Shvedov, A. S. Desyatnikov, W. Królikowski, Y. S. Kivshar, „Soliton bending and routing induced by interaction with curved surfaces in nematic liquid crystals”, Opt. Lett. 35, 1692 (2010)).Until now, in order to change the direction of propagation of the optical spatial soliton in a homogeneously oriented layer, among others, interaction between solitons (M. Peccianti, G. Assanto, "Signal readressing by steering of spatial soliton in bulk nematic liquid crystals", Opt. Lett. 26, 1690 (2001)); the influence of an external electric field (M. Peccianti, C. Conti, G. Assanto, A. De Luca, C. Umeton, "Routing of anisotropic spatial soliton and modulation instability in liquid crystals", Nature 432, 733 (2004)) as well as reflections from bounding surfaces (A. Alberucci, M. Peccianti, G. Assanto, "Nonlinear bouncing of nonlocal spatial soliton at the boundaries", Opt. Lett. 32, 2795 (2007)). There were also reports of a change in the direction of optical spatial soliton propagation as a result of total internal reflection from the area with a changed refractive index distribution caused by the second illuminating beam (A. Pasquazi, A. Alberucci, M. Peccianti, G. Assanto, "Signal processing by opto -optical interactions between self-localized and free propagating beams in liquid crystals ", Appl. Phys. Lett. 87, 261104 (2005)); the use of special separation of electrodes causing inhomogeneous distribution of the electric field inside the layer (M. Peccianti, A. Dyadyusha, M. Kaczmarek, G. Assanto, "Tunable refraction and reflection of self-confined light beams", Nat. Phys. 2, 737 (2006 )) or introducing defects into the liquid crystal (YV Izdebskaya, VG Shvedov, AS Desyatnikov, W. Królikowski, YS Kivshar, "Soliton bending and routing induced by interaction with curved surfaces in nematic liquid crystals", Opt. Lett. 35, 1692 ( 2010)).
Z literatury znane są również przełączniki typu „Y” wytwarzane w komórkach ciekłokrystalicznych wypełnionych nematycznym ciekłym kryształem, posiadające jeden kanał doprowadzający sygnał oraz dwa kanały wyjściowe. Sterowanie kierunkiem propagacji sygnału optycznego odbywa się w tym przypadku poprzez wykorzystanie dwóch ciekłokrystalicznych sprzęgaczy kierunkowych dla polaryzacji TE i TM jak zostało to opisane w pracy (Qian Wang and Gerald Farrell, „Integrated liquidcrystal switch for both TE and TM modes: proposal and design”, Journal of the Optical Society of America A, vol. 24, pp. 3303-3308, (2007)) lub zewnętrznego pola elektrycznego co zostało opisane w pracy (Ailing Zhang, Kam Tai Chan, Victor W. C. Chan, Philip C. H. Chan, Hoi S. Kwok and Andy H. P. Chan, „Integrated liquid crystal optical switch based on total internal reflection”, Applied Physics Letters 86, 211108 (2005)).Also known from the literature are "Y" switches manufactured in a nematic liquid crystal filled liquid crystal cell having one signal channel and two output channels. The direction of propagation of the optical signal is controlled in this case by using two liquid crystal directional couplers for TE and TM polarization, as described in (Qian Wang and Gerald Farrell, "Integrated liquidcrystal switch for both TE and TM modes: proposal and design", Journal of the Optical Society of America A, vol. 24, pp. 3303-3308, (2007)) or an external electric field as described in the work (Ailing Zhang, Kam Tai Chan, Victor WC Chan, Philip CH Chan, Hoi S Kwok and Andy HP Chan, "Integrated liquid crystal optical switch based on total internal reflection", Applied Physics Letters 86, 211108 (2005)).
Znane są również sposoby przełączania sygnału optycznego z wykorzystaniem dwóch wzajemnie bliskich falowodów, pomiędzy którymi dochodzi do sprzęgania prowadzonej w jednym z nich wiązki. Obszar falowodów wypełniony jest nematycznym ciekłym kryształem, którego długie osie anizotropowych molekuł początkowo ustawione są w kierunku zgodnym z kierunkiem propagacji sygnału opThere are also known methods of switching the optical signal with the use of two mutually close waveguides, between which the beam guided in one of them is coupled. The waveguide area is filled with a nematic liquid crystal whose long axes of anisotropic molecules are initially oriented in the direction of propagation of the op signal
PL 234 439 B1 tycznego. Kierunek ułożenia długich osi molekuł ciekłokrystalicznych modyfikowany jest z wykorzystaniem zewnętrznego pola elektrycznego o zadanym natężeniu, co pozwala na modyfikację prowadzonego sygnału. Rozwiązanie to przedstawione zostało w patencie US6904207.PL 234 439 B1. The direction of the long axis arrangement of the liquid crystal molecules is modified with the use of an external electric field of a given intensity, which allows for the modification of the guided signal. This solution is presented in the patent US6904207.
Innym rozwiązaniem podobnym do prezentowanego w niniejszym zgłoszeniu jest wykorzystanie struktury falowodowej typu „Y” wypełnionej nematycznym ciekłym kryształem składającej się z jednego falowodu wejściowego oraz dwóch falowodów wyjściowych, pomiędzy którymi dochodzi do przełączania sygnału z wykorzystaniem obszarów termo-optycznych znajdujących się w bliskim sąsiedztwie falowodu wejściowego. Zmiana temperatury w obszarach termo-optycznych wywołuje zmianę parametrów nematycznego ciekłego kryształu w obszarze falowodu wejściowego, a dokładnie zmianę wartości współczynnika załamania światła, co powoduję zmianę kierunku propagacji sygnału wyjściowego. Rozwiązanie to opisane zostało w patencie US7079724.Another solution similar to the one presented in this application is the use of a "Y" waveguide structure filled with a nematic liquid crystal consisting of one input waveguide and two output waveguides, between which the signal is switched using thermo-optical regions located in close proximity to the input waveguide . The temperature change in the thermo-optical regions causes a change in the parameters of the nematic liquid crystal in the input waveguide region, namely a change in the value of the refractive index, which causes a change in the propagation direction of the output signal. This solution is described in the patent US7079724.
Bliskim rozwiązaniem względem sposobu prezentowanego w niniejszym opisie jest wykorzystanie zmiennego natężenia światła, w celu zmiany właściwości propagacyjnych impulsów światła w ośrodkach optycznych z wykorzystaniem periodycznej struktury o zmiennych właściwościach optycznych. Rozwiązanie to dedykowane jest jednak propagacji impulsów świetlnych w postaci solitonów optycznych generowanych w obszarze przerwy wzbronionej. Rozwiązanie to przedstawione zostało w patencie US6801685.A solution close to the method presented in the present description is the use of variable light intensity in order to change the propagation properties of light pulses in optical media using a periodic structure with variable optical properties. However, this solution is dedicated to the propagation of light pulses in the form of optical solitons generated in the area of the band gap. This solution is presented in the patent US6801685.
Z opisu patentowego US5963683 znany jest również sposób modyfikacji kierunku propagacji impulsów optycznych w ośrodkach charakteryzujących się dużą nieliniowością optyczną poprzez wzajemne oddziaływanie pojedynczych impulsów o przeciwnych kierunkach propagacji. Sposób ten wymaga jednak wykorzystania dużych mocy optycznych rzędu od ~15 kW do nawet 150 kW, co znacząco ogranicza zakres jego zastosowania.Patent description US5963683 also describes a method of modifying the propagation direction of optical pulses in media characterized by high optical nonlinearity through the interaction of single pulses with opposite propagation directions. However, this method requires the use of high optical powers ranging from ~ 15 kW to even 150 kW, which significantly limits the scope of its application.
Kierunek propagacji przestrzennego solitonu optycznego dla konkretnego nematycznego ciekłego kryształu uzależniony jest od długości fali λ oraz kierunku direktora n, czyli od orientacji molekuł ciekłokrystalicznych. Dla każdej orientacji początkowej różnej od 0° i 90° kierunek propagacji optycznego solitonu przestrzennego zdefiniowany jest przez tzw. kat δ0 (ang. „walk-off”) będący kątem pomiędzy wektorem falowym fali elektromagnetycznej k a wektorem Poyntinga S, który określa rzeczywisty kierunek rozchodzenia się wiązki elektromagnetycznej w dwójłomnym ośrodku optycznym. Maksymalny kąt δ0 występuję dla początkowej orientacji ~45° i maleje do 0 dla orientacji dążącej do 0° i 90°. Ponadto, kąt ten może być modyfikowany (zwiększany bądź zmniejszany) przez zmianę natężenia wiązki elektromagnetycznej. Oznacza to, że kierunek propagacji optycznego solitonu przestrzennego może być modyfikowany przez zmianę natężenia pola elektrycznego fali elektromagnetycznej. Zjawisko to opisane zostało w pracy A. Piccardi, A. Alberucci, G. Assanto, „Power-dependent nematicon steering via walk-off’, J. Opt. Soc. Am. B, 27, 11 (2010).The direction of propagation of a spatial optical soliton for a specific nematic liquid crystal depends on the wavelength λ and the direction of the director n, i.e. on the orientation of the liquid crystal molecules. For each initial orientation other than 0 ° and 90 °, the propagation direction of the optical spatial soliton is defined by the so-called cat δ0 ("walk-off") being the angle between the electromagnetic wave vector k and the Poynting vector S, which determines the actual direction of propagation of the electromagnetic beam in the birefringent optical medium. The maximum angle δ0 occurs for the initial orientation of ~ 45 ° and it decreases to 0 for the orientation going to 0 ° and 90 °. Moreover, this angle can be modified (increased or decreased) by changing the intensity of the electromagnetic beam. This means that the propagation direction of the optical spatial soliton can be modified by changing the electric field strength of the electromagnetic wave. This phenomenon is described in the work of A. Piccardi, A. Alberucci, G. Assanto, "Power-dependent nematicon steering via walk-off", J. Opt. Soc. Am. B, 27, 11 (2010).
Sposób całkowicie optycznego przełączania sygnału optycznego w homogenicznej komórce ciekłokrystalicznej o zmiennej orientacji molekuł wypełnionej nematycznym ciekłym kryształem, w którym spolaryzowany liniowo sygnał optyczny, emitowany przez monochromatyczne źródło promieniowania elektromagnetycznego, propaguje się w homogenicznej komórce ciekłokrystalicznej o zmiennej orientacji molekuł w kierunku poprzecznym i podłużnym w postaci przestrzennego solitonu optycznego generowanego w skutek nieliniowości reorientacyjnej ciekłego kryształu o początkowej orientacji molekuł wymuszonej przez równoległe warstwy orientujące z mikro-rowkami zaprojektowanymi tak, że dla sygnału optycznego o liniowej polaryzacji pomiędzy warstwami orientującymi wytworzona jest struktura typu „Y” z kanałem wejściowym doprowadzającym wejściowy sygnał optyczny i dwoma kanałami wyjściowymi wyprowadzającymi sygnał wyjściowy, według wynalazku charakteryzuje się tym, że zmianę kierunku sygnału wyjściowego pomiędzy dwoma kanałami wyjściowymi realizuje się przez zmianę natężenia wejściowego sygnału optycznego propagowanego w kanale wejściowym.A method of all-optical switching of an optical signal in a homogeneous liquid crystal cell with variable orientation of molecules filled with a nematic liquid crystal, in which a linearly polarized optical signal, emitted by a monochromatic source of electromagnetic radiation, propagates in a homogeneous liquid crystal cell with variable orientation of molecules in the transverse and longitudinal direction in the form spatial optical soliton generated as a result of reorientation non-linearity of the liquid crystal with the initial orientation of the molecules forced by the parallel alignment layers with micro-grooves designed so that for an optical signal with linear polarization between the orienting layers, a "Y" -type structure is produced with an input channel supplying the input optical signal and two output channels for outputting an output signal, according to the invention, is characterized in that a change in the direction of the output signal between the two the output channels are realized by changing the intensity of the input optical signal propagated in the input channel.
Korzystnym jest, jeżeli zmianę natężenia wejściowego sygnału optycznego uzyskuje się za pomocą optycznego kontrolera mocy źródła światła i polaryzacji zawierającego półfalową płytkę fazową i polaryzator w torze optycznym monochromatycznego źródła promieniowania elektromagnetycznego.Preferably, the variation of the intensity of the input optical signal is achieved by an optical light source power and polarization controller comprising a half-wave phase plate and a polarizer in the optical path of the monochromatic source of electromagnetic radiation.
Korzystnym jest, jeżeli zmianę natężenia wejściowego sygnału optycznego uzyskuje się przez zwiększenie lub zmniejszenie liczby jego sygnałów składowych propagowanych tym samym torem optycznym.Preferably, the change in the intensity of the input optical signal is achieved by increasing or decreasing the number of its component signals propagated along the same optical path.
Korzystnym jest, jeżeli zmianę natężenia wejściowego sygnału optycznego koniecznego do zmiany kierunku propagacji uzyskuje się przez zmianę natężenia co najmniej jednego z jego sygnałów składowych propagowanych tym samym torem optycznym.Preferably, the variation of the intensity of the input optical signal necessary to change the direction of propagation is achieved by varying the intensity of at least one of its component signals propagated along the same optical path.
PL 234 439 B1PL 234 439 B1
Rozwiązanie według wynalazku wykorzystuje nematyczny ciekły kryształ umieszczony w homogenicznej komórce ciekłokrystalicznej z precyzyjnie zaprojektowaną oraz wykonaną warstwą orientującą, wymuszającą zmienny kierunek ułożenia molekuł ciekłokrystalicznych zarówno w kierunku poprzecznym jak i podłużnym na powierzchniach płytek ograniczających, tworzącej układ przełączający typu „Y” służący do przełączania sygnału optycznego o kontrolowanym natężeniu pomiędzy kanałami wyjściowymi struktury. Jako sygnał optyczny, propagujący się w warstwie nematycznego ciekłego kryształu o grubości rzędu od kilku do kilkudziesięciu mikrometrów znajdującą się pomiędzy płytkami ograniczającymi, którego kierunek propagacji jest równoległy względem tych powierzchni, wykorzystywany jest przestrzenny soliton optyczny generowany przez monochromatyczne źródło promieniowania elektromagnetycznego o znanym natężeniu i kierunku liniowej polaryzacji.The solution according to the invention uses a nematic liquid crystal placed in a homogeneous liquid crystal cell with a precisely designed and made orienting layer, forcing the alternating direction of the arrangement of liquid crystal molecules both in the transverse and longitudinal direction on the surfaces of the bounding plates, creating a "Y" switching circuit used to switch the optical signal of controlled intensity between the output channels of the structure. A spatial optical soliton generated by a monochromatic source of electromagnetic radiation of known intensity and direction is used as an optical signal propagating in a layer of nematic liquid crystal with a thickness ranging from several to several dozen micrometers between the limiting plates, whose propagation direction is parallel to these surfaces. linear polarization.
Rozkład orientacji molekuł definiuje w obszarze komórki ciekłokrystalicznej obszary, w których propagowany jest sygnał optyczny w postaci optycznego solitonu przestrzennego będącego sygnałem wejściowym. Kierunek orientacji molekuł musi być dobrany w taki sposób aby uzyskać możliwość zmiany kierunku propagacji sygnału wyjściowego wraz ze wzrostem mocy optycznej wejściowego sygnału optycznego, co prowadzi do przełączania pomiędzy dwoma kanałami wyjściowymi, za pomocą których sygnał wyjściowy wyprowadzany jest z układu przełączającego. Szerokość kanału wejściowego jest dużo większa od długości fali, natomiast szerokość kanałów wyjściowych odpowiada połowie szerokości kanału wejściowego. Kierunek orientacji molekuł w otoczeniu obszarów, w których następuje propagacja sygnału optycznego dobrany jest w taki sposób, aby wartość współczynnika załamania światła w obszarze otoczenia, w którym nie dochodzi do propagacji światła, odpowiadała wartości no. Spełnienie tych warunków następuje poprzez wykonanie w homogenicznej komórce ciekłokrystalicznej warstwy orientującej, która zapewni zmienny rozkład kierunku ułożenia anizotropowych molekuł ciekłokrystalicznych. W tym celu wykorzystane mogą zostać powszechnie znane i dostępne metody takie jak fotoorientacja lub e-litografia. Wytworzona w ten sposób struktura optyczna umożliwia kontrolę nad kierunkiem propagacji sygnału wyjściowego poprzez zmianę natężenia wejściowego sygnału optycznego lub jego sygnałów składowych.The distribution of the molecular orientation defines the regions in the region of the liquid crystal cell in which the optical signal is propagated in the form of an optical spatial soliton as the input signal. The orientation of the molecules must be selected in such a way as to be able to change the propagation direction of the output signal with the increase of the optical power of the optical input signal, which leads to switching between the two output channels by which the output signal is output from the switching circuit. The width of the input channel is much greater than the wavelength, while the width of the output channels is half the width of the input channel. The orientation of the molecules in the vicinity of the areas where the optical signal propagates is selected in such a way that the value of the refractive index in the area of the environment where no light propagates corresponds to the no value. These conditions are met by creating an orienting layer in a homogeneous cell, which will ensure a variable distribution of the orientation of anisotropic liquid crystal molecules. For this purpose, commonly known and available methods such as photo-orientation or e-lithography can be used. The optical structure created in this way makes it possible to control the propagation direction of the output signal by changing the intensity of the input optical signal or its component signals.
Rozwiązanie według wynalazku umożliwia realizację ciekłokrystalicznego układu przełączającego z wykorzystaniem jednego, dwóch lub w ogólności n-sygnałów wejściowych do przełączania sygnału optycznego w sposób całkowicie optyczny w podstawowych układach logicznych. Ponadto przedstawiony sposób przełączania sygnału wyjściowego nie wymaga stosowania zewnętrznego pola elektrycznego, co umożliwia jego stosowanie w środowiskach łatwopalnych i/lub wybuchowych.The solution according to the invention makes it possible to implement a liquid crystal switching circuit using one, two or, in general, n-input signals for switching the optical signal in an all-optical manner in basic logic circuits. In addition, the presented method of switching the output signal does not require the use of an external electric field, which allows its use in flammable and / or explosive environments.
Sposób według wynalazku jest objaśniony w przykładzie realizacji na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia komórkę ciekłokrystaliczną w przekroju prostopadłym względem kierunku propagacji sygnałów i warstw orientujących, fig. 2a przedstawia schematycznie strukturę mikro-rowków z zaznaczonymi granicami obszarów wymuszających zmienną orientację molekuł w kierunku poprzecznym i podłużnym względem kierunku propagacji wiązki, fig. 2b przedstawia fotografię rzeczywistej struktury wykonanej według schematu przedstawionego na fig. 2a, z zaznaczonymi granicami obszarów, fig. 3 przedstawia układ kontrolera mocy optycznej i kierunku liniowej polaryzacji sygnału, fig. 4a przedstawia propagację sygnału optycznego w warstwie nematycznego ciekłego kryształu przed zmianą jego mocy optycznej, fig. 4b przedstawia propagację sygnału optycznego w warstwie nematycznego ciekłego kryształu po zmianie mocy wejściowej sygnału optycznego do wartości koniecznej do zmiany kierunku propagacji sygnału wyjściowego, fig. 5a-5c przedstawia propagację dwóch sygnałów optycznych małej mocy w warstwie nematycznego ciekłego kryształu, fig. 6a-6c przedstawia propagację trzech sygnałów optycznych małej mocy w warstwie nematycznego ciekłego kryształu, a fig. 6d przedstawia propagację sygnału optycznego utworzonego przez sygnały składowe optyczne małej mocy z fig. 6a-6c propagujące się w tym samym torze optycznym, o sumarycznej mocy optycznej koniecznej do zmiany kierunku propagacji sygnału wyjściowego.The method according to the invention is explained in an embodiment in the drawing, in which Fig. 1 shows a liquid crystal cell in a cross section perpendicular to the propagation direction of signals and orienting layers, Fig. 2a schematically shows the structure of micro-grooves with the marked boundaries of the areas forcing the changeable orientation of molecules in the transverse direction. and longitudinal to the beam propagation direction, Fig. 2b shows a photograph of the actual structure made according to the diagram shown in Fig. 2a, with the area boundaries marked, Fig. 3 shows a circuit of the optical power controller and the direction of linear signal polarization, Fig. 4a shows optical signal propagation in nematic liquid crystal layer before changing its optical power, Fig. 4b shows the propagation of the optical signal in the nematic liquid crystal layer after changing the input power of the optical signal to the value necessary to change the propagation direction of the output signal, f 5a-5c shows the propagation of two low power optical signals in a nematic liquid crystal layer, Figs. 6a-6c shows the propagation of three low power optical signals in a nematic liquid crystal layer, and Fig. 6d shows the propagation of an optical signal formed by low-power optical signals 6a-6c propagating in the same optical path, with the total optical power necessary to change the propagation direction of the output signal.
Jak przedstawiono na fig. 1 komórka ciekłokrystaliczna składa się z dwóch płytek ograniczających 1 wykonanymi z materiału dielektrycznego, które są wzajemnie równoległe i pozostają w odległości kilkudziesięciu mikrometrów. Na wewnętrzne powierzchnie płytek ograniczających 1 naniesiona jest warstwa orientująca 2 uzyskana poprzez wytworzenie struktury mikro-rowków, których kierunek ułożenia ma charakter zmienny w płaszczyźnie poziomej, prostopadłej względem przekroju zaprezentowanego na fig. 1. Pomiędzy warstwami orientującymi 2 umieszczona jest warstwa 3 nematycznego ciekłego kryształu o orientacji homogenicznej, w której długie osie molekuł są równoległe względem płytek ograniczających 1, a kierunek ułożenia tych osi jest zmienny w płaszczyźnie równoległej względem płytek 1 i warstwy orientującej 2, przy czym dokładny ich kierunek jest równoległy względem miAs shown in Fig. 1, the liquid crystal cell consists of two limiting plates 1 made of dielectric material, which are mutually parallel and have a distance of several tens of micrometers. An alignment layer 2 is applied to the inner surfaces of the limiting plates 1, obtained by creating a micro-groove structure, the orientation of which varies in a horizontal plane, perpendicular to the section shown in Fig. 1. Between the orienting layers 2 there is a layer 3 of a nematic liquid crystal of homogeneous orientation in which the long axes of the molecules are parallel to the limiting plates 1, and the orientation of these axes is variable in a plane parallel to the plates 1 and the orientation layer 2, with their exact direction parallel to mi
PL 234 439 B1 kro-rowków wytworzonych w warstwie orientującej 2. Wejściowy sygnał optyczny 5 wprowadzany jest w środek warstwy 3 nematycznego ciekłego kryształu w kierunku prostopadłym względem zaprezentowanego przekroju oraz równolegle względem płytek ograniczających 1 i warstwy orientującej 2.The input optical signal 5 is introduced into the center of the nematic liquid crystal layer 3 in a direction perpendicular to the section shown and parallel to the bounding plates 1 and the orientation layer 2.
Przedstawiona na fig. 2a, 2b warstwa orientująca 2 składa się o obszaru zwanego otoczeniem 2a o orientacji molekuł w kierunku osi „z”, gdzie „z” oznacza kierunek wprowadzenia sygnału optycznego 5 do komórki ciekłokrystalicznej, oraz obszaru struktury typu „Y”, w którym odbywa się propagacja wejściowego sygnału optycznego 5 oraz sygnału wyjściowego 8 w postaci przestrzennego solitonu optycznego. Obszary te podzielone są na kanał wejściowy 2b o kącie orientacji anizotropowych molekuł ciekłokrystalicznych -20° oraz dwa kanały wyjściowe 2c, 2d, pierwszy o kącie orientacji anizotropowych molekuł ciekłokrystalicznych +45° i drugi o kącie orientacji anizotropowych molekuł ciekłokrystalicznych -45° względem kierunku wyznaczonego przez oś „z”. Ponadto kanał wejściowy 2b, doprowadzający wejściowy sygnał optyczny 5, oraz kanały wyjściowe 2c, 2d, wyprowadzające sygnał wyjściowy 8, są nachylone względem osi „z” o kąt, odpowiadający wartości kąta odchylenia wektora Poytinga od kierunku wyznaczonego przez wektor falowy k dla stosowanego ciekłego kryształu, wykorzystanej długości fali, oraz z uwzględnieniem orientacji molekuł w rozpatrywanym kanale. W zaprezentowanym przykładzie dla kanału wejściowego 2b kąt odchylenia wynosi -3°, kąt odchylenia pierwszego kanału wyjściowego 2c wynosi +5°, a kąt odchylenia drugiego kanału wyjściowego 2d kąt wynosi -5°. W przykładzie wykorzystany został ciekły kryształ 6CHBT oraz sygnały wejściowe o długości fali 1064 nm. Widoczna na fig. 2a warstwa orientująca 2 ma zaznaczony kierunek wykonania mikro-rowków wyznaczających kierunek porządkowania długich osi molekuł ciekłokrystalicznych w warstwie 3 nematycznego ciekłego kryształu. Na fig. 2b widoczna jest warstwa orientująca 2 wykonana na płytce ograniczającej 1 w postaci mikro-rowków wytworzonych w warstwie polimeru. Widoczne na zdjęciu obszary otoczenia 2a, kanał wejściowy 2b i kanały wyjściowe 2c, 2d. W niniejszym przykładzie szerokość pojedynczego mikro-rowka oraz odległość separacji pomiędzy sąsiednimi rowkami wynosi 500 nm, zaś głębokość jest rzędu 100 nm. Mikro-rowki tworzą homogeniczną warstwę orientującą o zmiennej orientacji w kierunku poprzecznym i podłużnym, która zapewnia wytworzenie struktury ciekłokrystalicznej o zmiennej orientacji w kierunku poprzecznym i podłużnym względem kierunku propagacji wiązki.The orientation layer 2 shown in Figs. 2a, 2b consists of an area called the environment 2a with an orientation of the molecules in the direction of the "z" axis, where "z" denotes the direction of the optical signal 5 entering the liquid crystal cell, and the area of the "Y" structure, in which propagates the input optical signal 5 and the output signal 8 in the form of a spatial optical soliton. These areas are divided into an input channel 2b with an anisotropic liquid crystal molecule orientation angle of -20 ° and two output channels 2c, 2d, the first with an anisotropic liquid crystal molecule orientation angle of + 45 ° and the second with an anisotropic liquid crystal molecule orientation angle of -45 ° relative to the direction determined by z axis. Moreover, the input channel 2b for the input optical signal 5 and the output channels 2c, 2d for the output signal 8 are inclined with respect to the "z" axis by an angle corresponding to the value of the angle of deviation of the Poyting vector from the direction determined by the wavelength vector k for the liquid crystal used. , the wavelength used, and the orientation of the molecules in the channel under consideration. In the example shown, for the input channel 2b, the swivel angle is -3 °, the swivel angle of the first output channel 2c is + 5 °, and the deflection angle of the second output channel 2d is -5 °. In the example, a 6CHBT liquid crystal and input signals with a wavelength of 1064 nm were used. The orientation layer 2 shown in Fig. 2a has the direction of micro-grooves that define the direction of the long axis order of the liquid crystal molecules in the nematic liquid crystal layer 3. Fig. 2b shows the orientation layer 2 formed on the restriction plate 1 in the form of micro-grooves produced in the polymer layer. Surrounding areas 2a, input channel 2b and output channels 2c, 2d visible in the photo. In the present example, the width of a single micro-groove and the separation distance between adjacent grooves is 500 nm and the depth is in the order of 100 nm. The micro-grooves form a homogeneous orientation layer with variable orientation in the transverse and longitudinal directions, which ensures the production of a liquid crystal structure with variable orientation in the transverse and longitudinal directions with respect to the beam propagation direction.
Przedstawiony na fig. 3 kontroler mocy optycznej i kierunku liniowej polaryzacji zawiera półfalową płytkę fazową 6 i polaryzator 7 w torze optycznym monochromatycznego źródła promieniowania elektromagnetycznego 4. Półfalowa płytka fazowa 6 i polaryzator 7 służy do zmiany parametrów sygnału optycznego 5 emitowanego na wyjściu kontrolera, w tym mocy optycznej i kierunku liniowej polaryzacji.The optical power and linear polarization direction controller shown in Fig. 3 comprises a half-wave phase plate 6 and a polarizer 7 in the optical path of a monochromatic source of electromagnetic radiation 4. The half-wave phase plate 6 and a polarizer 7 serve to change the parameters of the optical signal 5 emitted at the output of the controller, including optical power and direction of linear polarization.
Fig. 4a, 4b ilustruje propagację wejściowego sygnału optycznego 5 i sygnału wyjściowego 8 w warstwie nematycznego ciekłego kryształu przed i po zmianie mocy optycznej wejściowego sygnału optycznego 5 o długości fali 1064 nm oraz początkowej średnicy 6 μm wyznaczonej na poziomie 1/e2 maksymalnego natężenia światła o kierunku liniowej polaryzacji wzdłuż osi „y” o wektorze falowym fali elektromagnetycznej k wzdłuż osi „z” w płaszczyźnie „yz” równoległej względem płytek ograniczających 1 i warstwy orientującej 2, w komórce ciekłokrystalicznej przedstawionej na Fig. 1. Wejściowy sygnał optyczny 5 po doprowadzeniu do kanałów wyjściowych 2c, 2d staje się sygnałem wyjściowym 8, który w zależności od mocy optycznej kontrolowanej z wykorzystaniem kontrolera mocy i kierunku liniowej polaryzacji z fig. 3, propagowany jest w jednym z kanałów wyjściowych 2c, 2d.Fig. 4a, 4b illustrates the propagation of the input optical signal 5 and the output signal 8 in the nematic liquid crystal layer before and after changing the optical power of the optical input signal 5 with a wavelength of 1064 nm and an initial diameter of 6 μm determined at the level 1 / e 2 of the maximum light intensity with the direction of linear polarization along the axis "y" with the wave vector of the electromagnetic wave k along the axis "z" in the "yz" plane parallel to the boundary plates 1 and the orienting layer 2, in the liquid crystal cell shown in Fig. 1. Optical input 5 after input to the output channels 2c, 2d becomes the output signal 8 which, depending on the optical power controlled by the power controller and the direction of linear polarization in Fig. 3, propagates to one of the output channels 2c, 2d.
Jak przedstawiono na fig. 4a, wejściowy sygnał optyczny 5 o mocy optycznej 6 mW wprowadzonej wzdłuż osi „z”, która jest równoległa względem płytek ograniczających 1, propaguje się w kanale wejściowym 2b, widocznym na fig. 2a, a następnie trafia w obszar pierwszego kanału wyjściowego 2c, stając się tym samym sygnałem wyjściowym 8 o mocy optycznej mniejszej niż wymagana do przełączenia pomiędzy kanałami 2c i 2d. Kierunek propagacji wejściowego sygnału optycznego 5 w obszarze kanału wejściowego 2b tworzy z osią „z” kąt rzędu -3°, odpowiadający teoretycznej maksymalnej wartości kąta 5o dla wykorzystanego ciekłego kryształu 6CHBT oraz długości fali 1064 nm.As shown in Fig. 4a, an input optical signal 5 with an optical power of 6 mW introduced along the "z" axis, which is parallel to the limiting plates 1, propagates through the input channel 2b shown in Fig. 2a and then hits the area of the first of the output channel 2c, thus becoming an output signal 8 with an optical power lower than that required to switch between channels 2c and 2d. The propagation direction of the input optical signal 5 in the area of the input channel 2b forms an angle of -3 ° with the "z" axis, corresponding to the theoretical maximum value of the angle 5 ° for the 6CHBT liquid crystal used and the wavelength of 1064 nm.
Fig 4b ilustruje zmianę trajektorii sygnału wyjściowego 8 wywołaną zwiększeniem mocy optycznej wejściowego sygnału optycznego 5 do 12 mW z wykorzystaniem kontrolera mocy optycznej i kierunku liniowej polaryzacji z fig. 3, która jest większa od mocy przełączającej. W skutek silniejszej reorientacji molekuł nastąpiło zwiększenie wartości bezwzględnej kąta 5o o około 1°. W przedstawionej sytuacji sygnał wyjściowy 8 przełączany jest z pierwszego kanału wyjściowego 2c do drugiego kanału wyjściowego 2d.Fig 4b illustrates the change in trajectory of the output signal 8 due to increasing the optical power of the optical input signal 5 to 12 mW using the optical power controller and the direction of linear polarization in Fig. 3, which is greater than the switching power. As a result of stronger reorientation of molecules, the absolute value of the angle 5o increased by about 1 °. In the illustrated situation, the output 8 is switched from the first output channel 2c to the second output channel 2d.
PL 234 439 B1PL 234 439 B1
Fig. 5a, 5b ilustruje nieliniową propagację dwóch sygnałów optycznych 51, 52 małej mocy o identycznych parametrach, w tym długości fali 1064 nm, początkowej średnicy 6gm na poziomie 1/e2 maksymalnego natężenia światła, oraz mocy optycznej 6 mW, o kierunku liniowej polaryzacji wzdłuż osi „y” o wektorze falowym fali elektromagnetycznej k w kierunku osi „z” równoległej względem płytek ograniczających 1 i warstwy orientującej 2, propagujących się w postaci przestrzennego solitonu optycznego w komórce ciekłokrystalicznej przedstawionej na Fig. 1.Fig. 5a, 5b illustrates the non-linear propagation of two low-power optical signals 51, 52 with identical parameters, including a wavelength of 1064 nm, an initial diameter of 6 gm at the level of 1 / e 2 of the maximum light intensity, and an optical power of 6 mW, with the direction of linear polarization along the "y" axis of the electromagnetic wave vector k in the direction of the "z" axis parallel to the bounding plates 1 and the orientation layer 2 propagating as a spatial optical soliton in the liquid crystal cell shown in Fig. 1.
Fig. 5c ilustruje sposób całkowicie optycznego przełączania sygnału wyjściowego 8 powstałego z dwóch sygnałów optycznych 51, 52 małej mocy z fig. 5a, 5, propagowanych w tym samym torze optycznym jako sygnały składowe 51,52 wejściowego sygnału optycznego 5. Zmiana kierunku propagacji sygnału wyjściowego 8 i jego przełączenie z pierwszego kanału wyjściowego 2c do drugiego kanału wyjściowego 2d jest wywołana zwiększeniem sumarycznej mocy optycznej wejściowego sygnału optycznego 5 powstałego w wyniku jednoczesnej propagacji sygnałów optycznych 51, 52 małej mocy w tym samym torze optycznym, Powrót sygnału wyjściowego 8 z drugiego kanału wyjściowego 2d do pierwszego następuje po wyłączeniu jednego z sygnałów składowych 51, 52 wejściowego sygnału optycznego 5.Fig. 5c illustrates a method of all-optical switching of the output signal 8 made of the two low-power optical signals 51, 52 of Figs. 5a, 5 propagated in the same optical path as component signals 51, 52 of the optical input signal 5. Changing the propagation direction of the output signal. 8 and its switching from the first output channel 2c to the second output channel 2d is caused by an increase in the total optical power of the optical input signal 5 resulting from the simultaneous propagation of low-power optical signals 51, 52 in the same optical path, Return of the output signal 8 from the second output channel 2d to the first occurs after one of the component signals 51, 52 of the optical input signal 5 is turned off.
Fig. 6a-6d ilustruje nieliniową propagację trzech sygnałów optycznych 51, 52, 53 małej mocy, propagujących się w postaci przestrzennego solitonu optycznego, z których każdy po doprowadzeniu kanałem wejściowym 2b do kanałów wyjściowych 2c, 2d staje się sygnałem wyjściowym 8. Sygnały optyczne 51, 52 małej mocy z fig. 6a i 6b, o mocy optycznej 4 mW, średnicy 6 pm na poziomie 1/e2 maksymalnego natężenia światła, oraz długości fali 1064 nm, nawet przy jednoczesnej propagacji tym samym torem optycznym nie posiadają sumarycznej mocy optycznej większej niż moc przełączająca, wobec czego powstały z nich sygnał wyjściowy 8 wyprowadzany jest z układu kanałem wyjściowym 2c. Sygnał optyczny 53 małej mocy z fig. 6c, o mocy optycznej 4 mW, średnicy 6 gm na poziomie 1/e2 maksymalnego natężenia światła i długości fali 532 nm, nie posiada mocy większej niż moc przełączająca wobec czego sygnał ten wyprowadzany jest z układu kanałem wyjściowym 2c. Jednoczesna propagacja trzech sygnałów optycznych 51, 52, 53 małej mocy w tym samym torze optycznym jako składowych 51, 52, 53 wejściowego sygnału optycznego 5 widocznego na fig. 8d, powoduje przełączenie sygnału wyjściowego 8 z pierwszego kanału wyjściowego 2c do drugiego kanału wyjściowego 2d. Następuje to na skutek zwiększenia sumarycznej mocy optycznej wejściowego sygnału optycznego do 12 mW, która jest większa od mocy przełączającej. Powrót sygnału wyjściowego 8 z drugiego kanału wyjściowego 2d do pierwszego następuje po zmniejszeniu liczby sygnałów składowych 51, 52, 53 wejściowego sygnału optycznego 5 propagowanych tym samym torem optycznym lub poprzez zmianę natężenia co najmniej jednego tych sygnałów do poziomu, przy którym sumaryczna moc optyczna-będzie mniejsza od mocy przełączającej.Figures 6a-6d illustrate the non-linear propagation of three low power optical signals 51, 52, 53 propagating in the form of a spatial optical soliton, each of which becomes the output signal 8 when fed through the input channel 2b to the output channels 2c, 2d. , 52 low power from Figs. 6a and 6b, with an optical power of 4 mW, a diameter of 6 pm at the level of 1 / e 2 of the maximum light intensity, and a wavelength of 1064 nm, even when propagating along the same optical path, they do not have a total optical power of greater than the switching power, so that the resulting output 8 is output from the circuit via the output channel 2c. The low-power optical signal 53 of Fig. 6c, with an optical power of 4 mW, a diameter of 6 gm at the level of 1 / e 2 of the maximum light intensity and a wavelength of 532 nm, has no power greater than the switching power, so this signal is output from the system through a channel output 2c. The simultaneous propagation of the three low power optical signals 51, 52, 53 in the same optical path as components 51, 52, 53 of the optical input 5 shown in Fig. 8d, causes the output signal 8 to be switched from the first output channel 2c to the second output channel 2d. This is due to the increase in the total optical power of the optical input signal to 12 mW, which is greater than the switching power. The return of the output signal 8 from the second output channel 2d to the first takes place after reducing the number of component signals 51, 52, 53 of the optical input signal 5 propagated along the same optical path or by changing the intensity of at least one of these signals to a level where the total optical power will be lower than the switching power.
Claims (4)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| PL424835A PL234439B1 (en) | 2018-03-09 | 2018-03-09 | Method for entirely optical switching of the optical signal in the homogeneous liquid crystal cell with variable orientation of molecules, filled with nematic liquid crystal |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| PL424835A PL234439B1 (en) | 2018-03-09 | 2018-03-09 | Method for entirely optical switching of the optical signal in the homogeneous liquid crystal cell with variable orientation of molecules, filled with nematic liquid crystal |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| PL424835A1 PL424835A1 (en) | 2019-09-23 |
| PL234439B1 true PL234439B1 (en) | 2020-02-28 |
Family
ID=67979656
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| PL424835A PL234439B1 (en) | 2018-03-09 | 2018-03-09 | Method for entirely optical switching of the optical signal in the homogeneous liquid crystal cell with variable orientation of molecules, filled with nematic liquid crystal |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| PL (1) | PL234439B1 (en) |
Family Cites Families (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH01128045A (en) * | 1987-11-13 | 1989-05-19 | Mitsubishi Kasei Corp | Electrooptic device |
| US6173096B1 (en) * | 1999-04-19 | 2001-01-09 | Brian G. Bagley | Switching temporal optical solitons in a planar lightguide circuit |
| JP2002196303A (en) * | 2000-10-19 | 2002-07-12 | Nippon Sheet Glass Co Ltd | Wavelength selective module and wavelength selective device |
| JP2003241240A (en) * | 2002-02-14 | 2003-08-27 | Nippon Sheet Glass Co Ltd | Waveguide type liquid crystal optical switch |
-
2018
- 2018-03-09 PL PL424835A patent/PL234439B1/en unknown
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| PL424835A1 (en) | 2019-09-23 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Tao et al. | All-optical plasmonic switches based on coupled nano-disk cavity structures containing nonlinear material | |
| Meymand et al. | All-optical AND, OR, and XOR logic gates based on coherent perfect absorption in graphene-based metasurface at terahertz region | |
| Scolari et al. | Continuously tunable devices based on electrical control of dual-frequency liquid crystal filled photonic bandgap fibers | |
| Pasquazi et al. | Signal processing by opto-optical interactions between self-localized and free propagating beams in liquid crystals | |
| Cetin et al. | Field-effect active plasmonics for ultracompact electro-optic switching | |
| Rezaei et al. | Tuning light focusing with liquid crystal infiltrated graded index photonic crystals | |
| Song et al. | Polarization splitter with optical bistability in metal gap waveguide nanocavities | |
| Yuan et al. | Terahertz spoof surface plasmonic logic gates | |
| Sznitko et al. | A random laser made of nematic liquid crystal doped with a laser dye | |
| Zhang et al. | Abnormal optical anisotropy in correlated disorder KTa1− xNbxO3: Cu with refractive index gradient | |
| Singh et al. | Study of design tunable optical sensor and monochromatic filter of the one-dimensional periodic structure of TiO2/MgF2 with defect layer of liquid crystal (LC) sandwiched with two silver layers | |
| Izdebskaya et al. | Magnetic tuning of liquid crystal dielectric metasurfaces | |
| Asquini et al. | Electro-optic routing in a nematic liquid-crystal waveguide | |
| US9400412B2 (en) | Nanosecond liquid crystalline optical modulator | |
| Rutkowska et al. | Light propagation in periodic photonic structures formed by photo-orientation and photo-polymerization of nematic liquid crystals | |
| PL234439B1 (en) | Method for entirely optical switching of the optical signal in the homogeneous liquid crystal cell with variable orientation of molecules, filled with nematic liquid crystal | |
| Gorkunov et al. | Metamaterials tunable with liquid crystals | |
| Miroshnichenko et al. | Light-induced orientational effects in periodic photonic structures with pure and dye-doped nematic liquid crystal defects | |
| Alipour-Beyraghi et al. | Polarization-independent and tunable flat lenses based on graded index two-dimensional photonic crystals | |
| Hou et al. | Terahertz switch and polarization controller based on photonic crystal fiber | |
| Kołacz et al. | Propagating transverse electric and transverse magnetic modes in liquid crystal-clad planar waveguides | |
| Karami et al. | Designing Sagnac all-optical interference switch based on nonlinear photonic crystal | |
| Rutkowska et al. | Discrete light propagation in arrays of liquid crystalline waveguides | |
| Sala et al. | Spatial routing with light-induced waveguides in uniaxial nematic liquid crystals | |
| Bahramipanah et al. | Beam manipulating by metal–anisotropic–metal plasmonic lens |