一種快速響應光開關的製作方法
2023-11-30 08:37:21 3
專利名稱：一種快速響應光開關的製作方法
技術領域：
本發明涉及光電子技術領域，具體涉及 一種利用光控取向技術製備基於雙頻液晶的快速響應光開關的設計和製備。
背景技術：
液晶材料兼具液體的流動性及晶體的有序性，由於其優異的外場(電場、光場、聲場、溫場等)調諧特性，在平板顯示及可調製光子學器件中發揮著重要的應用。向列相液晶是最常用的一種相態，在所有向列相液晶應用中，取向是首要環節。傳統的取向方式以摩擦取向應用最為廣泛，其存在易對表面造成機械損傷、靜電荷殘留及顆粒汙染物，不易實現多疇結構取向等缺陷。而新興的光取向技術則可以完全克服上述不足，被視為最有競爭力的下一代液晶取向技術。在眾多光子學器件中，光開關是十分重要且廣泛使用的一種。對於光開關，其關鍵性能指標就是開關對比度和開關響應時間。向列相液晶響應慢，通常為10毫秒以上量級，是限制液晶光開關應用的短板；近來也有一些基於液晶特殊相態的快速響應光開關的報導，如基於藍相液晶、膽留相液晶等的開關設計，但工作電壓都很高，因此功耗控制和驅動電路匹配方面都存在難題。另一方面，向列相液晶器件通常是具有偏振依賴性的，需要在光路中架設偏振片，增加了成本並降低了光能利用率。開拓簡便高效的製備技術，實現低工作電壓、偏振無依賴、快速開關響應的電控光開關具有重要的價值。
發明內容
本發明目的是利用光控取向技術結合雙頻液晶來實現快速響應光開關及製備。開拓簡便、高效、穩定、廉價、可批量生產的製備技術，實現低工作電壓、無偏振依賴、快速開關響應的電控光開關的製備。以滿足其在光通訊、傳感、集成光學等領域的廣闊應用。本發明技術方案是利用光控取向技術結合雙頻液晶提出了一種快速響應光開關的製備。包括平行取向電控光開關和混合取向電控光開關，技術方案為
平行取向電控光開關，採用兩基板同為周期交替且相鄰區域取向方向相互垂直的水平取向液晶盒；液晶盒盒厚為5±2 Pm，兩個相鄰取向的寬度之比為I :1 ;包括上下二片ITO玻璃基片及塗覆的光敏取向劑，並經過線偏振紫外或藍光片對ITO玻璃基片上光敏取向劑進行曝光，賦予兩基片預設的取向方向；灌入雙頻液晶，製成一個可調節的液晶光柵，實現光開關功能。混合取向電控光開關，採用一側基板為周期交替且相鄰區域水平取向方向互為正交，且另一基板為均勻垂直取向的混合取向液晶盒；液晶盒盒厚為5±2 ym,兩個相鄰取向的寬度之比為I :1 ;包括上下二片ITO玻璃基片及塗覆的光敏取向劑，並經過線偏振紫外或藍光片對ITO玻璃基片上光敏取向劑進行曝光，賦予兩個基片中一為周期交替且相鄰區域取向方向相互垂直的水平行向和另一片為均勻的垂直取向；灌入雙頻液晶，製成一個可調節的液晶光棚，實現光開關功能。
固定外加電場的電壓15 V不變，雙頻液晶指改變電場頻率在低頻(I飛kHz)與高頻(3(T80kHz)之間交替變化的二個頻率，實現I級衍射光斑的電控開關。開關比超過20dB，開關響應時間均為百微量級。上述電控光開關的製備方法，其特徵是以下述步驟實現選取材料，取向結構和液晶盒參數；依據取向結構，通過光控取向技術對二片ITO玻璃基片塗覆的光敏取向劑進行取向，分別實現兩基板同為周期交替且相鄰區 域取向方向相互垂直的水平取向模式，或其一基板為周期交替且相鄰區域水平取向方向互為正交而另一基板為均勻垂直取向的混合取向模式，將雙頻液晶注入液晶盒，製備成盒，依據取向形成位相光柵；並在飽和電壓下通過高低頻率交替改變產生特定衍射級的亮暗，實現光開關的控制。所採用的光控取向技術分為兩步，第一步為線偏振的紫外光或藍光均勻曝光賦予均一初始取向，第二步為更改特定區域取向實現預設圖案，通過線偏振紫外或藍光的投影光刻、掩膜光刻，或紫外藍光對應波長雷射的全息幹涉來實現；所述光控取向在光敏取向劑薄膜上執行，光敏取向劑為偶氮苯染料、聚醯亞胺、聚乙烯醇、肉桂酸酯等在線偏光照射下發生異構化、定向光交聯或光裂解反應而引發分子排布的各向異性，並進一步通過分子間相互作用的傳遞取向液晶分子的材料。液晶盒厚與液晶參數和模式精確匹配，以使施加飽和電壓時，低頻下相鄰取向區域的位相差為0,高頻下相鄰取向區域的位相差為31或331。 雙頻液晶指改變電場頻率在低頻(r5 kHz)與高頻(3(T80kHz)之間交替變化的二個頻率，實現I級衍射光斑的電控開關。所採用的光控取向技術分為兩步，第一步為線偏振的紫外光或藍光均勻曝光賦予均一初始取向，第二步為更改特定區域取向實現預設圖案，第二步可通過線偏振紫外或藍光的投影光刻、掩膜光刻，或紫外藍光對應波長雷射的全息幹涉來實現。所述光控取向在光敏取向劑薄膜上執行，光敏取向劑為偶氮苯染料、聚醯亞胺、聚乙烯醇、肉桂酸酯等在線偏光照射下發生異構化、定向光交聯或光裂解反應而引發分子排布的各向異性，並進一步通過分子間相互作用的傳遞取向液晶分子的材料。所述雙頻液晶在低頻電場下呈正性，在高頻時則呈負性，通過改變頻率來實現電光性質的控制。由於液晶的雙向轉動均受到電場作用，使得響應時間均可達到亞毫秒量級。液晶盒厚與液晶參數和模式精確匹配，並通過恰當選取間隔子來實現，以獲取最佳開關及響應特性；相鄰水平取向區域的取向方向相互垂直以保證器件的偏振無依賴特性。具體實現的步驟可概括如下
①設計優化液晶盒的取向結構和盒厚等參數，以實現最佳開關性能；
②在兩片導電玻璃基板表面分別塗設光控取向劑薄膜，並以線偏振紫外或藍光均勻曝光賦予均一初始取向，實現平行或垂直於基板取向的功能；
③通過線偏振紫外或藍光的投影光刻、掩膜光刻，或紫外藍光對應波長雷射的全息幹涉來實現圖案化，更改特定區域取向，獲得周期交替、互為正交的平行取向(兩片基板同時結構取向)或混合取向(單片基板結構取向，另一側為垂直取向)，實現預設圖案；
④將雙頻液晶在清亮點以上注入液晶盒，形成位相光柵，並在飽和電壓下通過高低頻率交替改變實現光開關的控制。
本發明的有益效果(1)利用雙頻液晶，實現了低於15 V的工作電壓下的可控快速開關，開關時間均達到亞毫秒量級，較普通向列相液晶快了兩個數量級；(2) 通過光控取向技術實現了相互正交取向的位相光柵，確保了光開關的偏振無依賴性；(3) 製備方案簡便、高效、廉價、可批量生產，光開關對比 度高、性能穩定，各項指標達到光通信、光纖傳感、集成光學等領域的實用要求。
圖Ia平行取向電控光開關的結構示意圖。圖Ib混合取向電控光開關的結構示意圖。圖2 20 Um + 20 U m平行取向光柵結構的偏光顯微鏡照片。圖3平行取向電控光開關的開關響應時間。圖4混合取向電控光開關的電壓-光強曲線。圖5混合取向電控光開關的偏振無依賴性。
具體實施例方式 下面通過實施例來進一步闡明本發明方法及應用，而不是要用這些實施例來限制本發明。如圖I所示，玻璃基板I、銦錫氧化物膜(ITO) 2、平行取向的光控取向層3、垂直(平行取向時為水平)取向的光控取向層4、雙頻液晶5。實施例I :
本實施例為平行取向電控光開關的實例。具體結構設計如附圖Ia所示，液晶盒為周期交替、互為正交的平行取向。依據雙頻液晶的性質，通過計算得到最佳盒厚為4 Pm，兩個相鄰取向的寬度之比為I :1。為實現這樣的結構，首先在2片ITO玻璃基片上旋塗濃度為0. 5%的偶氮苯材料SDl溶液，並在120°C的熱臺上烘烤5分鐘；之後將基片放在帶有直徑50 mm的平凸透鏡的405 土 10nm藍光LED光源下，並經過亞波長金屬線柵偏振片(直徑50 mm,消光比大於2000 :1)進行曝光，曝光劑量為5 J/cm2,賦予兩個基片相同的均勻水平取向方向；曝光後用4 ii m的玻璃間隔子將2片基片隔開製成液晶盒，再將整個液晶盒置於同一光路，並覆蓋有20 y m+ 20 Pm光柵結構的掩模板，並設置液晶盒放置方向與第一次曝光放置方向呈90°，再次曝光5 J/cm2。然後將雙頻液晶在80°C熱臺上灌入液晶盒，雙頻液晶室溫下的物理性能參數如下轉變頻率 fc<A kHz, A/7=/7e n=Q. 24 i I. 55 u m, and A f = +4. 7 i / =1kHz, A f = 3. 9 i / =30 kHz,就製成了一個可調節的液晶光柵，如圖2所示。固定外加電場的電壓15 V不變，改變電場頻率(在IkHz與30kHz之間交替變換)，可實現I級衍射光斑的電控開關。在IkHz時，I級衍射峰消失(關態)，而在30kHz時，I級衍射峰處有一明亮衍射斑(開態)。實測開關比超過20dB，開關響應時間分別為360微秒和550微秒(圖3)。實施例2
本實施例為混合取向電控光開關的實例。具體結構設計如附圖Ib所示，液晶盒為周期交替、互為正交的混合取向。液晶盒一面的取向情況與實施例I 一致，但是選用聚醯亞胺為取向材料，另一面為肉桂酸酯的均勻垂直取向。依據雙頻液晶的性質，通過計算得到最佳盒厚為5 Pm，兩個相鄰取向的寬度之比為I :1。為實現這樣的結構，首先在2片ITO玻璃基片(ITO面向上)上分別旋塗濃度為0. 5%的聚醯亞胺溶液以及濃度為0. 5%的肉桂酸酯溶液，並在120°C的熱臺上烘烤5分鐘；之後將其分別放在偏振紫外光源下曝光15 J/cm2和5 J/cm2，響應獲得均勻的平行取向和垂直取向；用355 nm紫外連續雷射器雙光束曝光，並控制雷射偏振方向與先前的紫外光偏振方向呈90°，控制雙光束入射夾角獲得10 um + 10 Pm的光柵結構，再次曝光15 J/cm2 ;完成後，將兩基片按實施例I方式組裝成盒並灌入雙頻液晶，雙頻液晶室溫下的物理性能參數如下轉變頻率 fc ^ 45 kHz, A/ =/ e n0=Q. 191 i 633 nm, and A ￡■ = +2. 10 if =1 kHz, Af= 2. 02 % f =80 kHz,製成可調液晶位相光柵。固定外加電場的電壓15 V不變，改變電場頻率(在IkHz與80kHz之間交替變換)，可實現I級衍射光斑的電控開關。如圖4所示，在IkHz時，I級衍射峰消失(關態)，而在SOkHz時，I級衍射峰處有一明亮衍射斑(開態)。實測開關比超過20dB，開關響應時間分別為350微秒和600微秒。該光開關器件展示出優良的偏振無依賴性，如圖5所示，旋轉入射偏振分別為0°、45°和90°，電光響應 情況幾乎完全吻合。
權利要求
1.平行取向電控光開關，其特徵是採用兩基板同為周期交替且相鄰區域取向方向相互垂直的水平取向液晶盒；液晶盒盒厚為5±2 μ m，兩個相鄰取向的寬度之比為I :1 ;包括上下二片ITO玻璃基片及塗覆的光敏取向劑，並經過線偏振紫外或藍光片對ITO玻璃基片上光敏取向劑進行曝光，賦予兩基片預設的取向方向；灌入雙頻液晶，製成一個可調節的液晶光柵，實現光開關功能。
2.混合取向電控光開關，其特徵是採用一側基板為周期交替且相鄰區域水平取向方向互為正交，且另一基板為均勻垂直取向的混合取向液晶盒；液晶盒盒厚為5±2 ym,兩個相鄰取向的寬度之比為I :1 ;包括上下二片ITO玻璃基片及塗覆的光敏取向劑，並經過線偏振紫外或藍光片對ITO玻璃基片上光敏取向劑進行曝光，賦予兩個基片中一為周期交替且相鄰區域取向方向相互垂直的水平行向和另一片為均勻的垂直取向；灌入雙頻液晶，製成一個可調節的液晶光柵，實現光開關功能。
3.根據權利要求I或2所述的電控光開關，其特徵是固定外加電場的電壓15V不變，雙頻液晶指改變電場頻率在低頻(Γ5 kHz)與高頻(3(T80kHz)之間交替變化的二個頻率，實現I級衍射光斑的電控開關；開關比超過20dB，開關響應時間均為百微量級。
4.根據權利要求I至3之一所述的電控光開關的製備方法，其特徵是以下述步驟實現選取材料，取向結構和液晶盒參數；依據取向結構，通過光控取向技術對二片ITO玻璃基片塗覆的光敏取向劑進行取向，分別實現兩基板同為周期交替且相鄰區域取向方向相互垂直的水平取向模式，或其一基板為周期交替且相鄰區域水平取向方向互為正交而另一基板為均勻垂直取向的混合取向模式，將雙頻液晶注入液晶盒，製備成盒，依據取向形成位相光柵；並在飽和電壓下通過高低頻率交替改變產生特定衍射級的亮暗，實現光開關的控制。
5.根據權利要求4所述的電控光開關的製備方法，其特徵是所採用的光控取向圖案化技術分為兩步，第一步為線偏振的紫外光或藍光均勻曝光賦予均一初始取向，第二步為更改特定區域取向實現預設圖案，通過線偏振紫外或藍光的投影光刻、掩膜光刻，或紫外藍光對應波長雷射的全息幹涉來實現；所述光控取向在光敏取向劑薄膜上執行,光敏取向劑為偶氮苯染料、聚醯亞胺、聚乙烯醇、肉桂酸酯等在線偏光照射下發生異構化、定向光交聯或光裂解反應而引發分子排布的各向異性，並進一步通過分子間相互作用的傳遞取向液晶分子的材料。
6.根據權利要求4所述的電控光開關的製備方法，其特徵是所述雙頻液晶在低頻電場下呈正性，在高頻時則呈負性，通過改變頻率來實現電光性質的控制。
7.根據權利要求4所述的電控光開關的製備方法，其特徵是液晶盒厚與液晶參數和模式精確匹配，以使施加飽和電壓時，低頻下相鄰取向區域的位相差為0，高頻下相鄰取向區域的位相差為π或3 31。
8.權利要求1-7所述的電控光開關在光通信、光纖傳感、集成光學領域的應用。
全文摘要
平行取向電控光開關，採用兩基板同為周期交替且相鄰區域取向方向相互垂直的水平取向液晶盒；液晶盒盒厚為5±2μm，兩個相鄰取向的寬度之比為1∶1；包括上下二片ITO玻璃基片及塗覆的光敏取向劑，並經過線偏振紫外或藍光片對ITO玻璃基片上光敏取向劑進行曝光，賦予兩基片預設的取向方向；灌入雙頻液晶，製成一個可調節的液晶光柵，實現光開關功能。本發明具有低電壓、低能耗、高開關比、快速開關響應、偏振無依賴等特性。製備成本低、效率高、適於批量生產，器件的穩定性和重複性都滿足實用要求，在光通信、光纖傳感、集成光學等領域都能發揮廣泛應用。
文檔編號G02F1/1333GK102768440SQ20121022746
公開日2012年11月7日 申請日期2012年6月30日 優先權日2012年6月30日
發明者徐飛, 林曉雯, 胡偉, 陸延青 申請人:南京大學