Реконфигурируемые фотонные кристаллы тема автореферата и диссертации по , 01.00.00 ВАК РФ

62 11/89

№ (Д'оМге: 2009ге1Ь

ДИССЕРТАЦИЯ

Представленная в

НАЦИОНАЛЬНОЙ ВЫСШЕЙ ШКОЛЕ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ БРЕТАНИ

Совместно с Университетом Бретань Юг

Для получения степени

О р з в? д 1

ДОКТОРА ТЕЛЕКОМ БРЕТАНЬ

С С И И

С упоминанием« Н^уки для Инженера»

» диплом К лт-тдт

Л.......

-гМДУЦ

Ий~\:алЫ1ПХ УГ! Д&ВДРНШ

ДИДАТА

наук

ЩИСОВЫМ

РЕКОНФИГУРИРУЕМЫЕ ФОТОННЫЕ КРИСТАЛЛЫ: СТРУКТУРИРОВАНИЕ ВНЕШНИМ ПОЛЕМ ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ-ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИТОВ

Защищена 10-го апреля 2009 перед Экзаменационной Комиссией:

Состав Жюри

Оппоненты : Александр ФИШМАН, Профессор, Казанский Гос.Университет, Россия Марк ВАРЕНГЕЙМ, Профессор, Университет Артуа

- Экзаменующие : Жан-Луи де БУГРЕНЕТ де ла ТОКНАЙ, Профессор,

Научный руководитель, Телеком Бретань. Жан-Пьер ВИНЬЯР, Доктор, ТАЛЕС, Исследования и Разработки Пьер ПЕЛЛА-ФИНЕ, Профессор, Университет Бретань Юг.

№ d'ordre : 2009telb

THÈSE

Présentée à

l'ÉCOLE NATIONALE SUPÉRIEURE DES TÉLÉCOMMUNICATIONS

DE BRETAGNE

en habilitation conjointe avec l'Université de Bretagne Sud

pour obtenir le grade de DOCTEUR de TELECOM BRETAGNE Mention « Science pour l'Ingénieur »

par

Alexey DENISOV

RECONFIGURABLE PHOTONIC CRYSTALS: EXTERNAL FIELD STRUCTURING OF LIQUID CRYSTAL - POLYMER COMPOSITES

Soutenue le 10 avril 2009 devant la Commission d'Examen :

Composition du Jury

Rapporteurs : Alexander FISHMAN, Professeur, l'Université de Kazan, Russie Marc WARENGHEM, Professeur, l'Université d'Artois

Examinateurs : Jean-Louis de BOUGRENET de la TOCNAYE,

Professeur, Directeur de la thèse, Telecom Bretagne Jean-Pierre HUIGNARD, Docteur, THALES Research & Development Pierre PELLAT-FINET, Professeur, l'Université de Bretagne Sud

Содержание:

ЛИСТ СОКРАЩЕНИЙ:.......................................................................................................6

ВВЕДЕНИЕ:............................................................................................................................7

ГЛАВА I: МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ПЕРЕСТРАИВАЕМЫХ ФОТОННЫХ КРИСТАЛЛОВ................................................................................................................... 11

1.1 Фотонные кристаллы: основы и определения...........................................................11

1.2 Перестраиваемые фотонные кристаллы.....................................................................18

1.2.1 Компьютерное моделирование фотонных кристаллов.........................................20

1.2.2 Частный случай двумерной синусоидальной модуляции........................................21

1.3 ЖК - полимерные композиты для фотонных кристаллов.......................................23

1.3.1 Холестерические жидкие кристаллы - одномерный фотонный кристалл......... 24

1.3.2 Фоторефрактивный эффект...................................................................................25

1.4 Список литературы к Главе 1.........................................................................................27

ГЛАВА II: ВВЕДЕНИЕ В ЖК И ЖК КОМПОЗИТЫ. СТРУКТУРИРОВАНИЕ ТОЛСТЫХ ПЛЕНОК ХЖК...............................................................................................29

II. 1 Нематические жидкие кристаллы...............................................................................32

II. 1.1 Статические искажения в монокристалле нематика.........................................33

II. 1.2 Оптическая анизотропия.........................................................................................37

И.2 Холестерические жидкие кристаллы..........................................................................37

II. 2.1 Природные текстуры и дефекты в холестериках................................................39

П.З Полимер+ ЖК..................................................................................................................42

11.3.1 Жидкие кристаллы диспергированные в полимере................................................43

II. 3.2 Жидкий кристалл стабилизированный полимером...............................................44

II. 3.3 ХЖК стабилизированный полимером.....................................................................46

П.4 Оптические свойства ХЖК..........................................................................................48

II. 4.1 Брэгговское отражение...........................................................................................50

II. 4.2 Численное решение для одномерного ХЖК.............................................................51

ii.5 Структурирование толстых пленок ХЖК.................................................................53

II. 5.1 Основные требования...............................................................................................53

II. 5.2 Приготовление ячеек................................................................................................54

II. 5.3 Приготовление смесей..............................................................................................54

II. 5.4 Необходимость стабилизации полимером.............................................................55

II. 5.5 Однородная структура ХЖК..................................................................................57

П.6 Заключение:.....................................................................................................................60

II.7 Список литературы к Главе II:......................................................................................62

ГЛАВА III: ДВУМЕРНЫЙ ФОТОННЫЙ ХЖК...........................................................64

III. 1 Оценка параметров двумерного фотонного ХЖК..................................................64

Ш.2 Компьютерное моделирование фотонного ХЖК...................................................68

III.3 Экспериментальная реализация................................................................................70

III. 3.1 Структурирование ХЖК с помощью электрического поля................................70

III. 3.2 Схема измерений......................................................................................................72

III. 3.3 Экспериментальные результаты..........................................................................73

III. 3.4 Итоговая сводка экспериментальных наблюдений..............................................77

Ш.4 Структурирование полимером....................................................................................79

III.5 Заключение.....................................................................................................................80

Ш.6 Список литературы к Главе III:...................................................................................82

ГЛАВА IV: ФОТОРЕФРАКТИВНЫЕ ЖК - ПОЛИМЕРНЫЕ КОМПОЗИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ......................................................................................................................83

IV. 1 Введение в фоторефрактивный эффект в ЖК - полимерных композитах..........83

IV. 1.1 Органические фоторефрактивные соединения....................................................84

IV. 1.2 Механизм разделения зарядов в ЖК......................................................................86

IV. 1.3 Образование пространственного поля зарядов в ЖК.........................................88

ГУ.2 ЖК - полимерные композиты.....................................................................................90

IV. 2.1 Выбор материала.....................................................................................................91

IV. 2.2 Описание материала...............................................................................................93

ГУ.З Результаты экспериментов.........................................................................................96

IV. 3.1 Измерения эффективности дифракции................................................................96

IV. 3.2 Измерения фототока..............................................................................................99

IV. 3.3 Зависимость дифракционной эффективности от интенсивности и периода

решетки.............................................................................................................................101

IV.4 Объяснения и ограничения.......................................................................................104

IV. 4.1 Толстые образцы...................................................................................................105

IV. 4.2 Предложение по увеличению эффективности фоторефракции......................107

IV. 4.3 Предварительные результаты исследований прозрачных ЖК-полимерных

композитов........................................................................................................................108

IV.5 Заключение и перспективы.......................................................................................109

ГУ.6 Список литературы к Главе IV..................................................................................111

ГЛАВА V: МИКРО-СТРУКТУРИРОВАНИЕ ЖК МАТЕРИАЛОВ........................113

V.1 Структурирование ХЖК..............................................................................................115

V.2 фоторефрактивные ЖК - полимерные композиты................................................116

V.2.1 Улучшение свойств материала..............................................................................117

V.3 Литература к Главе V...................................................................................................120

ПРИЛОЖЕНИЕ 1: ПРИГОТОВЛЕНИЕ ЖК ЯЧЕЕК................................................121

ПРИЛОЖЕНИЕ 2: РЕПЛИКАЦИЯ ШАБЛОНА НА ITO........................................125

ПРИЛОЖЕНИЕ 3: ЖК ФОТОРЕФРАКТИВНЫЙ СВЕТОВОЙ КЛАПАН ("LIGHT VALVE")..............................................................................................................................131

Лист сокращений:

1-Б: Одномерный

2-Б: Двумерный

3-Б: Трехмерный

ПФК: Перестраиваемые Фотонные кристаллы

ЖК: жидкий кристалл

ХЖК: холестерический жидкий кристалл

ЖКСП: жидкий кристалл стабилизированный полимером

ХЖКСП: холестерический жидкий кристалл стабилизированный полимером

ПДЖК: полимер-диспергированный жидкий кристалл

ГПДЖК топографический полимер-диспергированный жидкий кристалл

КТ: квантовые точки

ПКП: правая круговая поляризация ЛКП: левая круговая поляризация

УФ: ультрафиолет

ITO: Indium Tin Oxide - оксид индия и олова

МКР: метод конечных разностей МКЭ: метод конечных элементов

WDM: Wavelength Division Multiplexing (мультиплексация с разделением по длинам волн)

Введение:

Основной задачей данной работы было исследование и разработка новых материалов для перестраиваемых фотонных кристаллов (ПФК), могущих найти применение в сетях оптических коммуникаций. Для достижения поставленной цели нами было проведено исследование различных аспектов создания материалов в композитных жидко кристаллических средах.

Фотонные кристаллы - периодические структуры с периодом близким к длине волны света, 200нм - 10 мкм, воздействуют на распространение света внутри них подобно тому, как полупроводниковые кристаллы воздействуют на движение электронов. Решение уравнений Максвелла для этих структур указывает на присутствие длин волн, для которых свет не распространяется, эти длины волн образуют так называемые запрещенные зоны. Одномерные фотонные кристаллы в течение долгого времени изучались в оптике и привели к разработке многих практических применений, в отличие от них двух- и трехмерные фотонные кристаллы только в недавнее время привлекли внимание исследователей, после идентификации возможностей их практического применения.

Перестраиваемые фотонные кристаллы (ПФК) - фотонные кристаллы с периодом, который может изменяться под воздействием внешних полей (светового или электрического) могли бы найти практическое применение во многих областях науки и техники, например в качестве перестраиваемых фильтров для оптических коммуникаций или для спектроскопии. Перестраиваемые фотонные кристаллы могут быть реализованы в различных материалах. В данном исследовании мы сконцентрировались на жидкокристаллических (ЖК) - полимерных композитных материалах. Этот выбор мотивировался уникальными электрооптическими свойствами жидких кристаллов, предоставляющих большие возможности для контроля ПФК с помощью электрических полей. Наличие полимера в ЖК увеличивает инженерные возможности для структурирования материала.

На современном уровне развития теории и компьютерных моделей конденсированного состояния вещества, такого как ЖК и ЖК - полимерные композиты, создание веществ с наперед заданными свойствами не представляется возможным. Соответственно, мы выбрали экспериментальный подход, в основном опираясь на простые физические модели

и аналогии как основы для планирования эксперимента. Справедливость наших оценок была в последствии подтверждена экспериментом. Мы также провели несколько численных расчетов, но в большинстве случаев подобные расчеты исключительно сложны и предоставляют мало полезной информации. В конечном итоге только информация о брэгговском отражении в одномерном случае, полученная в результате компьютерного моделирования, использовалась для оценки параметров эксперимента.

Во многих отношениях данная работа является продолжением исследований, проведенных ранее на кафедре оптики Высшей Школы Телекоммуникаций Бретани (Telecom Bretagne). Переключаемые одно- и двухмерные фотонные кристаллы были разработаны в нашей лаборатории. Первоначально они были реализованы в полимере, и впоследствии распространены на голографические полимер-диспергированные жидкие кристаллы (Holographie Polymer Dispersed Liquid Crystal, Holo-PDLC). [Подробности могут быть найдены в диссертациях Жан-Люка Кайзера (Jean-Luc Kaiser) и Себастьяна Массено (S. Massenot) ]. Эти фотонные кристаллы могут быть переключены между двумя различными состояниями приложением электрического поля, но их период нельзя изменить, поскольку периодическая структура была получена в процессе голографической полимеризации ЖК и смеси мономеров, что привело к созданию фиксированной полимерной решетки с каплями ЖК внутри неё.

Выбор направления данного исследования во многом определялся техническими возможностями и опытом исследований в области голографии и структурирования вещества, имеющимися на кафедре оптики. Некоторые направления научных исследований, требующие химической инженерии высокого уровня сложности, находились за пределами наших технических возможностей, поскольку для них требовалось специальное оборудование, отсутствующее в лаборатории. Эти направления могут быть исследованы в будущем.

Среди различных возможностей для исследований нами были выбраны только два подхода.

Первый подход основывался на использовании холестерических жидких кристаллов (ХЖК) в качестве основного материала. Этот материал интересен для разработки ПФК поскольку это естественный одномерный фотонный кристалл и создания периодической модуляции еще в одном направлении может быть достаточно для получения двумерного

фотонного кристалла. В рамках первого подхода мы исследовали два варианта: создание модуляции с помощью электрического поля и с помощью фиксированной полимерной решетки. Первый вариант увенчался частичным успехом, нам удалось продемонстрировать принципиальную возможность реализации концепции, но дифракционная эффективность прототипа была слишком низкой для практического применения. Второй вариант мы не смогли реализовать на практике. Возникла проблема с совместимостью смесей, смесь ЖК и мономера разделялась на различные фазы, и мы не смогли решить эту проблему с имеющимися у нас возможностями в отведенное для её решения время.

Второй подход основывался на использовании фоторефрактивного эффекта для получения ПФК. Этот подход находится на ранней стадии развития и мы смогли продемонстрировать только одномерный перестраиваемый фотонный кристалл, т.е. реконфигурируемую дифракционную решетку. Для этого исследования мы выбрали смесь полимера - ЖК - KT (квантовых точек), поскольку это был один из технологически достижимых вариантов. В результате нашего исследования удалось улучшить некоторые свойства данных композитов. Однако, по нашему мнению, необходимо дополнительно улучшить свойства подобных материалов, прежде чем их можно будет использовать в практике.

Содержание диссертации:

Глава I. Эта глава является введением в тему фотонных кристаллов и возможностей их использования. Здесь же мы мотивируем наш выбор полимер - ЖК композитов для ПФК.

Глава II. Мы начинаем с введения в ЖК, ХЖК, и ЖК - полимерные композиты. Далее мы представляем экспериментальные результаты по структурированию толстых пленок ХЖК. Мы обсуждаем преимущества использования ХЖК стабилизированных полимером, а также экспериментальную процедуру получения однородной ХЖК структуры.

Глава III. Мы представляем оценку параметров для двумерного фотонного ХЖК, описываем процесс его изготовления и показываем наши экспериментальные результаты. Результаты интерпретируются на основе модели явления, выявляются главные ограничивающие факторы и предлагается направление для будущих исследований. В этой

же главе мы обсуждаем трудности компьютерного моделирования данного устройства (ПФК на основе ХЖК).

Глава IV. В этой главе мы суммируем результаты наших исследований фоторефрактивного эффекта в ЖК - полимерных композитах. Мы начинаем с введения в фоторефрактивный эффект в органических соединениях и мотивируем выбор материала для исследований. Далее мы представляем результаты наших экспериментов и демонстрируем улучшения свойств материала по сравнению с предыдущими исследованиями подобных материалов. В завершении главы мы предлагаем направление для будущих исследований, основываясь на качественной физической модели механизма фоторефрактивного эффекта в исследованных композитах.

Глава V. В данной главе мы обсуждаем структурирование органических композитов и показываем, как взаимодействуют различные химические и физические параметры в процессе микроструктурирования. В заключении мы предлагаем несколько направлений для исследований развивающих полученные результаты.

Приложения. В диссертацию включены три приложения. В-первых двух приложениях приведены подробности проведенных экспериментов. Третье приложение касается светового клапана ("light valve"), данный эффект является побочным результатом наших экспериментов по фоторефрактивному эффекту.

Глава I

Глава I: Материалы для перестраиваемых фотонных кристаллов.

Эту главу мы начнем с введения в концепцию фотонных кристаллов. После обсуждения теоретических основ мы перейдем к обсуждению различных материалов для ФК и способам их изготовления. Далее мы продолжим наш анализ для случая перестраиваемых фотонных кристаллов и обоснуем наш выбор полимер - ЖК композитов для изготовления ПФК, имея в виду применения в системах оптических коммуникаций.

1.1 Фотонные кристаллы: основы и определения.

Фотонные кристаллы - периодические среды (одно-, двух- и трехмерные решетки) с периодом близким к длине волне света, по крайней мере в одном направлении. Обыкновенно в них наблюдаются запрещенные зоны для определенных длин волн и направлений, в которых свет не может распространяться через их структуру. Это явление во многих отношениях похоже на запрещенные зоны наблюдаемые для электронов в полупроводниках.

Наиболее общ