TW583500B - TeraHertz phase shifter or retarder based on magnetically controlled birefringence in liquid crystals - Google Patents

Description

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1 ·發明所屬之技術領域 本發明係有關於一種相孩哭，44 w 0 ^ β .τ . ., p 、 種相移為，特別是有關於利用液晶 (Liquid Crystal)提供揸婊-r)田々上， 、連，可凋之相位延遲（Phase Shi ft 置，即相移器（phase shifter)，以供兆赫 〆又Z’ THz _ 1 〇12ίΙζ)電磁波即次毫米波之各種應 用。 先前技術 近幾年來，無線電波及微波的應用日廣，如行動通訊 及無線網路是最熱門的產業。此一領域之趨勢是往更高頻 ί展，未來將利用到毫米波乃至於次毫米波段。過去，次 笔米波段電磁波的應用較少，因為波源與偵測器都很欠 缺。近十年來，由於雷射激發同調兆赫波技術發展日益成 熟，在時域頻譜之探測（Time—Domain spectroscopy)、兆 赫波衫像（THz Imaging)及醫療（Medical)方面之應用，都 顯現出兆赫波極大的發展潛力，而THz通訊與相位雷達技 術更是研究的重要方向。上述應用均需THz光學元件，如 偏振器、濾、光器、相移器、調制器等供訊號處理之用。 , 目前已經發表之文獻中，以液晶來調整相位之適用頻 f為微波及毫米波範圍而非次毫米波波段，如K. C. Lim， 專於 1993 年8 月發表於 Appl· Phys· Lett 之，，Liquid

583500 五、發明說明（2) crystal millimeter wave electronic phase shifter" ;Lim Khoon C·等之美國專利案第5，1 84,233號案；Lim 1(11〇〇11-(：1^1^之美國專利案第5,53 7,242號案其頻率為微 波及毫米波範圍而非次毫米波波段；係採波導結構而非 bu 1 k結構；而磁場是用來使液晶分子方向穩定。])as Satyendranath之美國專利案第5, 451，567號案係利用鐵 電材料’僅適用於R F頻率。M e r c e r C a r ο 1 y n R之美國專利 案第5，6 8 9，3 1 4號案係一干涉儀，其中用液晶作為移相

器’但其波長在可見光範圍。Freederic Guein於1997年7 月發表於Jpn· J· Appl· Phys· Part 1，36 (7八）之 π Modeling, Synthesis and Characterization of a

Millimeter-Wave Multilayer Microstrip Liquid Crystal Phase Shifter”之重點為合成液晶及波導式移 相器之模擬’其適用波長亦為毫米波，而不適用次毫米 波。1^(1〇〇?11：|」1^1^等於2〇〇1年5月發表於1^01

Phys· 89 (10)之” Thick P〇lyme 卜 stabilize(i Uquid crystal films for microwave phase control’1 之重點 為液晶聚合體材料，亦僅適用於微波頻率。I H L i bon

S 等於 2000 年發表於 Appl· Phys· Lett· 76，2821 之，，An optically controllable terahertz filter，，

Kersting, G·於20 00 年發表sElectr〇n· LeU. 36，“Μ 之” Terahertz phase modulator，，其分別利用不同的量 子位能井結構造成可調之相位延遲，其缺點為可調整之 圍過小以及極低的操作溫度；以上述兩篇期刊為例了其^

583500 五、發明說明（3) 位可凋變里皆小於4〇度，工作溫度遠低於室溫（約 )，對於使用上來說，相當不方便以及受到限制。為 ^本發明乃針對先前技術之缺點，提出「兆赫波段之連 續可調相位延遲器」即為一可實際應用之兆赫波元 提供兆赫波段（〇.1兆赫〜ίο兆赫）一連續可調之相移薄’、 或相位延遲器（Phase Shifter)。 本發明可以提供較大且連續之相位延遲，其工作溫度 ，可視需要而定，選擇適合之液晶，實施例中所選用之液 二即可適用於室溫，相較於習知之兆赫波相位調整器，可 說是較於容易應用之設計。 ° 3·發明内容 調 本發明之目的在提供一種兆赫波段用之連續相位可調 目移器，提供兆赫波段（0 · i兆赫〜丨〇兆赫）一連續可 之相移器，以得較大且連續之相位延遲。 本發明之次一目的在提供一種兆赫波段用之連續相位 ϋ调相移器’工作溫度亦可視需要而定，可適用於室溫， 使應用及設計容易。 為達成上述目的及其他目的，本發明提出一種兆赫波

第7頁 五、發明說明（4) 段用之遠蟢^ , 硬、，相位可調相蒋哭 角度可調之磁場機構.，該相移器包含：一個產生 構進-步包含他種形狀之：J晶盒。肖角度可調之礤場機 可產生可調大小及角戶水久磁鐵、磁鐵組合與電磁鐵 含利用兩個以上之、、磁立野機構。該磁鐵組合進一步勺 到產生可調大小及c鐵，藉由調整其相隔間離，‘ j 含單一及—個以上之t i場之目的。該電磁鐵進—步包 線圈角度進而達到產合，利用調整電流大小或者 液晶盒進-步包含單層及2小5角度之磁場之目的。該 持液曰;：i的為增加其相位可調之範圍，同 向之穩定度。該液晶盒進一步包含平行基2保 的液晶（如圓盤型液晶）夜阳進一步包含異向抗磁係數為負 本發明之以上及其他目的及優點參考以下之 及最佳實施例之說明而更易完全瞭解。 ‘、、、圖不 4.實施方式

請參閱圖la，圖la為本發明實施例一之立體結構示咅 圖，此實施例一之相移器100包含一液晶盒U、一提供磁u 場之磁鐵1 2和一些固定樣品之夾具，其磁鐵可沿著旋轉軸 3旋轉’提供一可改變方向之磁場4，進而改變液晶盒内之 液晶分子之排列，當兆赫波1 3之行徑方向1和偏振方向2如

583500 五、發明說明（5) 圖1所示，其對應之液晶盒之折射係數將隨磁場角度4改變 而改變，其兆赫波1 3之等效光學路徑也隨之改變，即提供 一連續可調之相位延遲。 請參閱圖1 b，圖1 b為對應圖1 a之液晶盒1丨，其液晶盒 利用兩片石英玻璃（或其他透光基底與間隙物6產生一 中空腔至，將液晶7注入其中，本實施例所兩之液晶為 5CB(Merck)，在注入液晶前，於石英玻璃上旋轉塗佈一垂 直配向薄膜（DM0AP)，使液晶7在樣品u内做垂直的排 即圖1 b所示。 當電磁波通過液晶盒 此實施例亦有其理論模擬對照 時’其相位延遲^表示如下： 〇 i 〇L ( 2 7Γ f / aneff W，Z ) dz 分子層之：C直於基板之法線的央角，L為液晶 晶“以數【為而電；^頻率，C為光速 離。我們所，r液晶分子到第-片基板之距 場，對於排盒ί提：;〇.5特斯拉的磁 向方向不同i t由假設當磁場轉到與液晶本來的配 相位延遲，d液晶分子幾乎是照著磁場方向而排列，即 殊ό ’可以整理成： 583500 五、發明說明（6) ^ ( 6» ) =2 7rL (f/c ) { (cos2 ( θ ) /η02 + sin2 ( 0 ) /η，〕ι/2 — η。} ° (2)

其中η◦及ne分別為液晶垂直與平行光場時之折射係 數我們將這個理論模擬的結果與實施例一之實驗數據做 了 W妝，請參照圖2 a及2 b，縱座標為相位平移量，而橫座 ，為可旋轉磁場之角度。圖2a為液晶厚度〇.93_之液晶盒 量!!結ί與理論值之對照，數值點為實際量測值，實線為 理娜计异結果’我們可以發現實驗與理論有很好的對照， 在頻率為1 · 025 ΤΗζ時可得最大相位延遲丨〇8度。圖2b之液 曰曰益厚度為1 · 3 2mm，其量測結果與理論值亦有很好的對 知’在頻率為1 · 〇 2 5 Τ Η z時可得最大相位延遲1 41度。 圖3 a與3 b為本發明實施例二之立體結構示意圖，此實 施例二之相移器200之裝置方式與實例一類似，但置於磁 場中之液晶盒不同。實施例二中所採用的為三明治結構 (sandwich structure)，請參閱圖2b，實施例二之液晶盒 2 1利用三片石英玻璃與兩個間隙物造成較實施例一中之^ 晶盒11多出一個空腔，利用三明治結構增進液晶方向之^ 定度，同時增加THz電磁波與液晶之作用長度，進而擴大… 其相位可調之範圍，本實施例所用之液晶亦為5CB (Merck) 〇

第10頁 五、發明說明（7) 本發明雖以已實施之範例揭露 定本發明，任何熟及此項技術 仏其並非用以限 和範圍内，當可做些許更動鱼菇，不脫離本發明之精神 較佳實施例中，雖緊僅揭露^ ?良。例如在本發明之 場之工具，但本發明不盤；；；空磁鐵作為提供磁 工具並不限定於此種形式，二艮由，列而言’提供磁場之 永久磁鐵或電磁鐵來提供之 種形式。因此本發明之保 凊專利範圍所界定者為準。 疋傻附之申 藉由以上較佳之具體實施例之詳述，係希望能更加清 描，本創作之特徵與精神，而並非以上述所揭露的較佳 ^體=21對本發明之範缚加以限制。相反的，其目的是 希望能涵蓋各種改變及具相等性的安排於本發明所欲申請 之專利範疇内。

第11頁 583§00 圖式簡單說明 5.圖式簡單說明： 第1 A圖為本發明實例一之立體結構示意圖。 第1 B圖為本發明實例一之液晶盒結構示意圖。 第2 A圖為本發明實施例一之實驗結果與理論分析之對照， 其使用之液晶盒液晶層厚度為0. 9 5 mm，其數據點為 實際量測結果，曲線為理論分析結果。 第2B圖為本發明實施例一之實驗結果與理論分析之對照， 其使用之液晶盒液晶層厚度為1. 5 3 mm，其數據點為 實際量測結果，曲線為理論分析結果。 第3 A圖為本發明實施例一之實驗結果與理論分析之對照， 其使用之液晶盒液晶層厚度為1. 5 3 mm，其數據點為 實際量測結果，曲線為理論分析結果。 第3B圖為本發明實例二之液晶盒結構示意圖。 符號說明： 1 兆赫波行進方向 2 兆赫波偏振方向 3 磁鐵旋轉軸 4 磁場方向 5 石英玻璃 6 間隙物 7 液晶 8 石英玻璃 9 間隙物 10 液晶 11 液晶盒 12 磁鐵 13 兆赫波 14 固定磁鐵之旋轉機構

第12頁 583500 圖式簡單說明 22 磁鐵 2 0 0 相移器 21 二明治結構之液晶盒 23 固定磁鐵之旋轉機構 1 0 0 相移器

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Claims (1)

1. 5835®σ 公告本 六、申請專利範圍 1· 一種兆赫波段用之連續相位可調 包含： 移為、，該相移器 一個產生角度可調之磁場機構，磁 — 轉，提供一可改變方向之磁場，進而改^ 绽轉軸旋 分子之排列； 支/夜日日五内之液晶 一個液晶盒，當兆赫波通過，其對庫人 係數將隨磁場角度改變而改變，其兆赫i f:t之折射 也隨之改變，以提供一連續可調之相位延學路徑 卷Λ 利範圍第1項所述之連續相位可調相移 益，、中該角度可調之磁場機構進一步包含他種/多 久磁鐵、磁鐵組合與電磁鐵 =狀之水 場機構。 予」座生了凋大小及角度之磁 „ 11 ·!凊專利範圍第2項所述之連續相位可調相移 :义該磁鐵組合進一步包含利用兩個以上之:相久移磁 精由5周整其相隔間冑，而達到產生可調大小及角产 磁場之目的。 彳久用度之 申明專利範圍第2項所述之連續相位可調 器，其中該電磁鐵進一步包含單一及運一 相移 合，利用胡敕带+ 早及個以上之電磁鐵組 1 θ /瓜大小或者線圈角度進而達到產生可調A 小及角度之磁場之目的。 王J调大 第14頁 583500 六、申請專利範圍 5. 如申請專利範圍第1項所述之連續相位可調相移 器，其中該液晶盒進一步包含單層及多層液晶之結構，如 實施例二中之三明治結構，其目的為增加其相位可調之範 圍，同時保持液晶方向之穩定度。 6. 如申請專利範圍第1項所述之連續相位可調相移 器，其中該液晶盒進一步包含平行基底配向之液晶盒。 7. 如申請專利範圍第1項所述之連續相位可調相移 器，其中該液晶盒之液晶進一步包含異向抗磁係數為負的 ® 液晶（如圓盤型液晶）。

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