ОПТИЧЕСКИЕ МОДУЛЯТОРЫ НА ОСНОВЕ ДВУХЧАСТОТНОГО НЕМАТИЧЕСКОГО ЖИДКОГО КРИСТАЛЛА
ÓÄÊ 53.097; 532.016; 535.15; 535.557; 537.9;
ÎÏÒÈ×ÅÑÊÈÅ ÌÎÄÓËßÒÎÐÛ ÍÀ ÎÑÍÎÂÅ ÄÂÓÕ×ÀÑÒÎÒÍÎÃÎ ÍÅÌÀÒÈ×ÅÑÊÎÃÎ ÆÈÄÊÎÃÎ ÊÐÈÑÒÀËËÀ
© 2008 ã. © 2008 ã.
Å. À. Êîíøèíà, êàíä. òåõí. íàóê; Ì. À. Ôåäîðîâ; Ë. Ï. Àìîñîâà, êàíä. ôèç.-ìàò. íàóê; Ì. Â. Èñàåâ; Ä. Ñ. Êîñòîìàðîâ
Ñàíêò-Ïåòåðáóðãñêèé ãîñóäàðñòâåííûé óíèâåðñèòåò èíôîðìàöèîííûõ òåõíîëîãèé, ìåõàíèêè è îïòèêè, Ñàíêò-Ïåòåðáóðã
E-mail: eakonshina@mail.ru
Ýêñïåðèìåíòàëüíî èññëåäîâàíû äèíàìè÷åñêèå õàðàêòåðèñòèêè ýëåêòðîóïðàâëÿåìûõ ìîäóëÿòîðîâ íà æèäêèõ êðèñòàëëàõ (ÆÊ) â âèäèìîì è áëèæíåì ÈÊ äèàïàçîíàõ ñïåêòðà è âëèÿíèå íà íèõ ïàðàìåòðîâ ýëåêòðè÷åñêèõ ïîëåé, à òàêæå èçìåíåíèÿ óñëîâèé ìåæôàçíîãî âçàèìîäåéñòâèÿ ÆÊ ñ îðèåíòèðóþùåé ïîâåðõíîñòüþ. Ïîêàçàíà ýôôåêòèâíîñòü èñïîëüçîâàíèÿ äâóõ÷àñòîòíîãî ÆÊ äëÿ ôàçîâîé è àìïëèòóäíîé ìîäóëÿöèè èçëó÷åíèÿ ñ äëèíîé âîëíû 1,55 ìêì.  ÆÊ-ìîäóëÿòîðå, ðàáîòàþùåì íà S-ýôôåêòå, ôàçîâàÿ çàäåðæêà 2π ïîëó÷åíà çà âðåìÿ 2 ìñ. Âðåìåíà ïåðåêëþ÷åíèÿ ìîãóò áûòü ñíèæåíû äî ìèêðîñåêóíäíîãî äèàïàçîíà ïðè èñïîëüçîâàíèè òâèñò-ýôôåêòà è òîëùèíå ñëîÿ ÆÊ îêîëî 7 ìêì ïóòåì ïîâûøåíèÿ íàïðÿæåíèÿ îò 30 äî 50 Â.
Êîäû OCIS: 230.3720, 160.3710.
Ïîñòóïèëà â ðåäàêöèþ 13.05.2008.
Äëÿ ñîçäàíèÿ êîìïîíåíòîâ òåëåêîììóíèêàöèîííûõ ñèñòåì â ìèðîâîé ïðàêòèêå èñïîëüçóþòñÿ òåðìîîïòè÷åñêèå, ýëåêòðîîïòè÷åñêèå, àêóñòîîïòè÷åñêèå, ìàãíèòîîïòè÷åñêèå, æèäêîêðèñòàëëè÷åñêèå è äðóãèå òåõíîëîãèè. Îïòè÷åñêèå õàðàêòåðèñòèêè êîìïîíåíòîâ íà îñíîâå æèäêèõ êðèñòàëëîâ (ÆÊ) ñðàâíèìû ñ ïàðàìåòðàìè îïòèêî-ìåõàíè÷åñêèõ óñòðîéñòâ, ïîëó÷èâøèõ íàèáîëåå øèðîêîå ðàñïðîñòðàíåíèå, íî ïðè ýòîì ÆÊ-óñòðîéñòâà îáëàäàþò äîñòàòî÷íî âûñîêèìè ñêîðîñòÿìè, áîëüøåé íàäåæíîñòüþ è ðàáîòàþò ïðè áîëåå íèçêèõ íàïðÿæåíèÿõ, ÷òî ñíèæàåò ïîòðåáëÿåìóþ èìè ìîùíîñòü. Áëàãîäàðÿ õîðîøåé ïðîçðà÷íîñòè â äèàïàçîíå ðàáîòû îïòè÷åñêèõ ñåòåé (îò 0,86 äî 1,55 ìêì) ÆÊ-ìàòåðèàëû èìåþò áîëåå íèçêèå ïîòåðè ïðè ïðîõîæäåíèè ÷åðåç íèõ îïòè÷åñêîãî ñèãíàëà [1]. Îñíîâíûìè íàïðàâëåíèÿìè èññëåäîâàíèé ÆÊ-óñòðîéñòâ äëÿ òåëåêîììóíèêàöèîííûõ ñèñòåì ÿâëÿþòñÿ ïîâûøåíèå áûñòðîäåéñòâèÿ, ðàñøèðåíèå äèíàìè÷åñêîãî äèàïàçîíà èõ ðàáîòû, ñíèæåíèå ïîòåðü îïòè÷åñêîãî ñèãíàëà è ýíåðãîïîòðåáëåíèÿ.
Äèíàìèêà ïåðåîðèåíòàöèè ìîëåêóë ÆÊ âî âíåøíèõ ïîëÿõ çàâèñèò îò ìíîãèõ ôàêòîðîâ: àíèçîòðîïíî-óïðóãîãî ìåæôàçíîãî âçàèìîäåéñòâèÿ ñ ïîâåðõíîñòüþ òâåðäîãî òåëà, ïàðàìåòðîâ ïðèëîæåííîãî ýëåêòðè÷åñêîãî ïîëÿ, ñâîéñòâ ÆÊ è îñîáåííîñòåé ýëåêòðîîïòè÷åñêîãî ýôôåêòà. Ïðîöåññ èçìåíåíèÿ ñòðóêòóðû íåìàòè÷åñêîãî ÆÊ â ýëåêòðè÷åñêîì ïîëå, îáóñëîâëåííûé ïåðåîðèåíòàöèåé äëèííûõ îñåé ìîëåêóë, ìîæåò áûòü óñêîðåí çà ñ÷åò óìåíüøåíèÿ òîëùèíû ñëîÿ ÆÊ, óâåëè÷åíèÿ ïðèëîæåííîãî ýôôåêòèâíîãî íàïðÿæåíèÿ, ïîíèæåíèÿ ïîðîãà ýëåêòðîîïòè÷åñ-
êîãî ýôôåêòà è âÿçêîñòè ÆÊ. Áûñòðîäåéñòâèå îáû÷íûõ íåìàòèêîâ ïðè ïðèëîæåíèè ê ñëîþ ÆÊ ýëåêòðè÷åñêîãî ïîëÿ îãðàíè÷èâàåòñÿ ïðîöåññîì åñòåñòâåííîé ðåëàêñàöèè ìîëåêóë, êîòîðûé ìîæåò çàíèìàòü íåñêîëüêî ñåêóíä [2].
Èñïîëüçîâàíèå äâóõ÷àñòîòíîãî ýëåêòðîîïòè÷åñêîãî ýôôåêòà â íåìàòè÷åñêîì ÆÊ ÿâëÿåòñÿ îäíèì èç ïåðñïåêòèâíûõ íàïðàâëåíèé ïîâûøåíèÿ áûñòðîäåéñòâèÿ ÆÊ-óñòðîéñòâ. Äâóõ÷àñòîòíûé ýôôåêò â ÆÊ îñíîâàí íà èíâåðñèè çíàêà äèýëåêòðè÷åñêîé àíèçîòðîïèè â çàâèñèìîñòè îò ÷àñòîòû ïåðåìåííîãî ýëåêòðè÷åñêîãî ïîëÿ. Ýòîò ýôôåêò ïîçâîëÿåò óñêîðèòü ðåëàêñàöèþ ìîëåêóë ïóòåì ïðèëîæåíèÿ ýëåêòðè÷åñêîãî ïîëÿ, êîòîðîå ïðèíóäèòåëüíî ïåðåîðèåíòèðóåò ìîëåêóëû â èñõîäíîå ñîñòîÿíèå. Îïòèìèçèðóÿ ðåæèì óïðàâëåíèÿ îïòè÷åñêèì ïðîïóñêàíèåì ÆÊ-ìîäóëÿòîðà ïðè ôàçîâîé è àìïëèòóäíîé ìîäóëÿöèè, ìîæíî äîáèòüñÿ óñêîðåíèÿ äèíàìèêè ýëåêòðîîïòè÷åñêîãî îòêëèêà è ñíèæåíèÿ åãî äî ìèêðîñåêóíäíîãî äèàïàçîíà ðàáîòû ÆÊóñòðîéñòâ [3, 4].
Ðàáîòà ïîñâÿùåíà èññëåäîâàíèþ äèíàìè÷åñêèõ õàðàêòåðèñòèê ôàçîâûõ è àìïëèòóäíûõ îïòè÷åñêèõ ìîäóëÿòîðîâ ñ äâóõ÷àñòîòíûì íåìàòè÷åñêèì ÆÊ â âèäèìîì è áëèæíåì ÈÊ äèàïàçîíàõ ñïåêòðà è âëèÿíèþ íà íèõ ïàðàìåòðîâ ïðèëîæåííûõ ýëåêòðè÷åñêèõ ïîëåé, à òàêæå óñëîâèé ìåæôàçíîãî âçàèìîäåéñòâèÿ ÆÊ ñ ïîâåðõíîñòüþ. Îñíîâíîé öåëüþ ðàáîòû ÿâëÿåòñÿ ñîâåðøåíñòâîâàíèå ìåòîäèê è îïòèìèçàöèÿ ïàðàìåòðîâ óïðàâëåíèÿ S- è òâèñò-ýôôåêòàìè â îïòè÷åñêèõ ìîäóëÿòîðàõ è ïîâûøåíèå èõ áûñòðîäåéñòâèÿ.
“Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 10, 2008
73
Îñîáåííîñòè íåìàòè÷åñêîãî ÆÊ ñ èíâåðñèåé çíàêà äèýëåêòðè÷åñêîé
àíèçîòðîïèè
Äâóõ÷àñòîòíûé íåìàòè÷åñêèé æèäêèé êðèñòàëë (Ä×ÍÆÊ) ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé ñìåñü ìîëåêóë ÆÊ ñ ïîëîæèòåëüíîé è îòðèöàòåëüíîé äèýëåêòðè÷åñêîé àíèçîòðîïèåé Δε = ε|| – ε⊥, ãäå ε|| è ε⊥ – äèýëåêòðè÷åñêèå ïðîíèöàåìîñòè, ïàðàëëåëüíàÿ è ïåðïåíäèêóëÿðíàÿ äëèííîé îñè ìîëåêóë.  Ä×ÍÆÊ Δε èçìåíÿåòñÿ îò ïîëîæèòåëüíûõ ïðè íèçêèõ ÷àñòîòàõ (Í×) äî îòðèöàòåëüíûõ çíà÷åíèé ïðè âûñîêèõ ÷àñòîòàõ (Â×). Ñ óâåëè÷åíèåì ÷àñòîòû êîëåáàíèé f ïðèëîæåííîãî ýëåêòðè÷åñêîãî ïîëÿ ε|| óìåíüøàåòñÿ, â òî âðåìÿ êàê ε⊥ îñòàåòñÿ ïîñòîÿííîé. Õàðàêòåðíîé îñîáåííîñòüþ Ä×ÍÆÊ ÿâëÿåòñÿ ñóùåñòâîâàíèå ïåðåõîäíîé (crossover) ÷àñòîòû fc, ïðè êîòîðîé èçìåíÿåòñÿ çíàê Δε. Äèðåêòîð ÆÊ (åäèíè÷íûé âåêòîð, ñîîòâåòñòâóþùèé îðèåíòàöèè äëèííîé îñè ìîëåêóë ÆÊ) îðèåíòèðóåòñÿ ïàðàëëåëüíî ïðèëîæåííîìó ýëåêòðè÷åñêîìó ïîëþ ïðè f < fc, â îáëàñòè Δε > 0 è ïåðïåíäèêóëÿðíî åìó, êîãäà f > fc â îáëàñòè Δε < 0.
 ðàáîòå èñïîëüçîâàëè ÆÊ-1001 (ÍÈÎÏÈÊ) ñ îïòè÷åñêîé àíèçîòðîïèåé Δn = 0,26 íà äëèíå âîëíû 632,8 íì è Δε = 4,43 (ε|| = 9,53 è ε⊥ = 5,1) íà ÷àñòîòå 1 êÃö [5]. Ïåðåõîäíóþ ÷àñòîòó ýòîãî Ä×ÍÆÊ îïðåäåëèëè èç çàâèñèìîñòåé ïîðîãà ýëåêòðîîïòè÷åñêîãî S-ýôôåêòà Ôðåäåðèêñà îò ÷àñòîòû ïðèêëàäûâàåìîãî ñèíóñîèäàëüíîãî íàïðÿæåíèÿ ñ ÷àñòîòîé 1 êÃö. Ïîðîãîâîìó (threshold) íàïðÿæåíèþ Uth S-ýôôåêòà ñîîòâåòñòâóåò íàïðÿæåíèå, ïðè êîòîðîì íà÷èíàåò èçìåíÿòüñÿ ïîëÿðíûé óãîë íàêëîíà äèðåêòîðà ÆÊ îòíîñèòåëüíî ïëîñêîñòè. Ýêñïåðèìåíòàëüíî ïîðîãîâîå íàïðÿæåíèå îïðåäåëÿëè ýêñòðàïîëÿöèåé ëèíåéíîãî ó÷àñòêà çàâèñèìîñòè ôàçîâîé çàäåðæêè îò íàïðÿæåíèÿ [6]. Áûëî ïîêàçàíî, ÷òî â èíòåðâàëå îò 100 Ãö äî 5000 Ãö Uth ñëàáî çàâèñèò îò ÷àñòîòû ïðèëîæåííîãî íàïðÿæåíèÿ. Âáëèçè ïåðåõîäíîé ÷àñòîòû Ä×ÍÆÊ ïðè Δε → 0 íàáëþäàëîñü ðåçêîå óâåëè÷åíèå ïîðîãà. Ìàêñèìóì çàâèñèìîñòè Uth îò f ñîîòâåòñòâîâàë fc = 10 êÃö Ä×ÍÆÊ [7].
Èññëåäóåìûå ýëåêòðîóïðàâëÿåìûå îïòè÷åñêèå ìîäóëÿòîðû ïðåäñòàâëÿëè ñîáîé ïëîñêèå ÿ÷åéêè, ñîñòîÿùèå èç äâóõ ïàðàëëåëüíûõ ñòåêëÿííûõ ïîäëîæåê, çàçîð ìåæäó êîòîðûìè çàïîëíåí ÆÊ. Íà ïîâåðõíîñòü ñòåêëÿííûõ ïîäëîæåê áûëè íàíåñåíû ïðîçðà÷íûå ïðîâîäÿùèå ýëåêòðîäíûå ñëîè íà îñíîâå îêèñëîâ èíäèÿ è îëîâà è îðèåíòèðóþùèé ñëîé. Áûëè èññëåäîâàíû äâà ìîäóëÿòîðà, ðàáîòàþùèå íà S-ýôôåêòå.  îäíîì èç íèõ áûë èñïîëüçîâàí îðèåíòèðóþùåé ñëîé, ïîëó÷åííûé íàêëîííûì íàïûëåíèåì ìîíîîêèñè ãåðìàíèÿ GeO â âàêóóìå, à â äðóãîì ïîâåðõíîñòü GeO áûëà äîïîëíèòåëüíî ïîêðûòà òîíêèì ñëîåì a-C:H, îñàæäåííûì èç ïàðîâ àöåòîíà â
Òàáëèöà 1. Õàðàêòåðèñòèêè ôàçîâûõ ìîäóëÿòîðîâ ñ Ä×ÍÆÊ íà äëèíå âîëíû 633 íì
Ìîäóëÿòîð
Îðèåíòèðóþùàÿ ïîâåðõíîñòü
d,
ìêì
ΔΦmax/2π
Uth, Â
θp, ãðàä
S-1 GeO 13 2,75 1,6 42
S-2 GeO/a-C:H 13,3 4,2 2,9 26
ïëàçìå òëåþùåãî ðàçðÿäà. Îñàæäåíèå ñëîÿ a-C:H ïðèâîäèò ê ñãëàæèâàíèþ íàíîðåëüåôà ïîâåðõíîñòè GeO è èçìåíåíèþ óñëîâèé ìåæôàçíîãî âçàèìîäåéñòâèÿ íà ãðàíèöå ñ ÆÊ [2]. Íàïðàâëåíèÿ îðèåíòàöèè äèðåêòîðà ÆÊ íà îáåèõ ïîäëîæêàõ áûëè àíòèïàðàëëåëüíû äëÿ ðåàëèçàöèè S-ýôôåêòà. Òîëùèíó çàçîðà ÿ÷ååê d çàäàâàëè ñ ïîìîùüþ ôòîðîïëàñòîâûõ ïðîêëàäîê. ß÷åéêè çàïîëíÿëè ÆÊ â íåìàòè÷åñêîé ôàçå â óñëîâèÿõ âàêóóìà.  òàáë. 1 ïðèâåäåíû õàðàêòåðèñòèêè ÆÊ ÿ÷ååê. Ìàêñèìàëüíîå çíà÷åíèå ôàçîâîé çàäåðæêè ΔΦmax îïðåäåëÿëè ýêñòðàïîëÿöèåé ëèíåéíîãî ó÷àñòêà çàâèñèìîñòè ΔΦ(1/U) ïðè 1/U → 0. Óãîë íàêëîíà äèðåêòîðà θp íàõîäèëè ïî çíà÷åíèþ ΔΦmax ñ ïîìîùüþ ðàñ÷åòíîé çàâèñèìîñòè ΔΦ îò óãëà íàêëîíà äèðåêòîðà äëÿ çàäàííîé òîëùèíû ñëîÿ ÆÊ [6].
Êàê âèäíî èç òàáë. 1, îñàæäåíèå íà ïîâåðõíîñòü GeO ñëîÿ a-C:H ïðèâîäèò íå òîëüêî ê ïîâûøåíèþ ïîðîãà S-ýôôåêòà Uth, íî è ê óìåíüøåíèþ íà÷àëüíîãî óãëà θp íàêëîíà äèðåêòîðà ÍÆÊ îò 42° äî 26° â ìîäóëÿòîðå S-2, êîòîðîå ïðèâîäèò ê óâåëè÷åíèþ â 1,5 ðàçà ΔΦmax/2π ïî ñðàâíåíèþ ñ ÿ÷åéêîé S-1.
Ìåòîäû óïðàâëåíèÿ ôàçîâîé ìîäóëÿöèåé è äèíàìè÷åñêèå õàðàêòåðèñòèêè
îïòè÷åñêèõ ìîäóëÿòîðîâ íà îñíîâå Ä×ÍÆÊ
 îïòè÷åñêèõ ôàçîâûõ ìîäóëÿòîðàõ ñâåòà ñ èñõîäíîé ïàðàëëåëüíîé îðèåíòàöèåé ìîëåêóë Ä×ÍÆÊ ïðîöåññ ïîäúåìà ïðîïóñêàíèÿ ïðîèñõîäèò â ðåçóëüòàòå SB-äåôîðìàöèè, ïðèâîäÿùåé ê óâåëè÷åíèþ óãëà íàêëîíà äèðåêòîðà îòíîñèòåëüíî ïîäëîæêè â ðåçóëüòàòå ïåðåîðèåíòàöèè äèïîëåé ìîëåêóë ÆÊ âäîëü íàïðàâëåíèÿ ýëåêòðè÷åñêîãî ïîëÿ. Îí ìîæåò áûòü îñóùåñòâëåí ïðè ïðèëîæåíèè ê ìîäóëÿòîðó ïîñòîÿííîãî èëè ïåðåìåííîãî Í×-íàïðÿæåíèÿ. Ïðîöåññ ñïàäà îïòè÷åñêîãî ïðîïóñêàíèÿ, ñâÿçàííûé ñ ðåëàêñàöèåé ìîëåêóë, ïðîèñõîäèò â ðåçóëüòàòå BS-äåôîðìàöèè ïðè ïðèëîæåíèè ïåðåìåííîãî Â×-íàïðÿæåíèÿ.  ðàáîòå [8] áûëè ïðîâåäåíû ýêñïåðèìåíòàëüíûå èññëåäîâàíèÿ äèíàìèêè S-ýôôåêòà Ä×ÍÆÊ íà äëèíå âîëíû 633 íì. Ïðèìåíåíèå ðàçíûõ ñõåì óïðàâëåíèÿ ïåðåîðèåíòàöèåé äèðåêòîðà ìîëåêóë â ïîñòîÿííîì è ïåðåìåííîì ýëåêòðè÷åñêîì ïîëå ïîêàçàëî ñóùåñòâåííîå âëèÿíèå ìåòîäà óïðàâ-
74 “Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 10, 2008
ëåíèÿ äâóõ÷àñòîòíûì ýôôåêòîì íà âðåìÿ ïîäúåìà è ñïàäà îïòè÷åñêîãî ïðîïóñêàíèÿ.
Âðåìÿ ýëåêòðîîïòè÷åñêîãî îòêëèêà ÆÊ ÿâëÿåòñÿ îäíîé èç îñíîâíûõ õàðàêòåðèñòèê âñåõ ÆÊ-óñòðîéñòâ. Ñóììàðíîå âðåìÿ îòêëèêà ÍÆÊ çàâèñèò â áîëüøåé ìåðå îò âðåìåíè ñïàäà ïðîïóñêàíèÿ τoff, îáóñëîâëåííîãî ïðîöåññîì ðåëàêñàöèè ìîëåêóë ïîñëå ïðåêðàùåíèÿ äåéñòâèÿ ýëåêòðè÷åñêîãî ïîëÿ, êîòîðîå ïðîïîðöèîíàëüíî âÿçêîñòè γ1 è êâàäðàòó òîëùèíû d ñëîÿ è îáðàòíî ïðîïîðöèîíàëüíî êîíñòàíòå óïðóãîñòè ÆÊ. Âðåìÿ ïîäúåìà ïðîïóñêàíèÿ τon ïðè ïåðåîðèåíòàöèè ìîëåêóëÿðíûõ äèïîëåé ïîä äåéñòâèåì ýëåêòðè÷åñêîãî ïîëÿ âûðàæàåòñÿ ôîðìóëîé
τon
=
4πγ1 Δε( f1)
(U
d2
2
−
U
2 th
)
,
(1)
ãäå U – ïðèëîæåííîå ýôôåêòèâíîå íàïðÿæåíèå.  ñëó÷àå Ä×ÍÆÊ ÷àñòîòà ïðèëîæåííîãî íàïðÿæå-
7
6
5
43 2
1
Ðèñ. 1. Ñòåíä äëÿ èçìåðåíèÿ õàðàêòåðèñòèê ÆÊìîäóëÿòîðîâ â èíòåðâàëå äëèí âîëí 0,65–1,55 ìêì. 1 – ïîëóïðîâîäíèêîâûé ëàçåðíûé ñâåòîäèîä, 2 – êîëëèìàòîð, 3 è 5 – ïðèçìåííûå ÆÊ-ïîëÿðèçàòîðû, 4 – ÆÊ-ìîäóëÿòîð, 6 – ôèëüòðû, 7 – ôîòîäèîä.
íèÿ äîëæíà áûòü f1 < fc . Äëÿ ïåðåêëþ÷åíèÿ ïîëÿðíîãî óãëà íàêëîíà äèðåêòîðà â Ä×ÍÆÊ â èñõîäíîå ñîñòîÿíèå ïóòåì ïðèëîæåíèÿ íàïðÿæåíèÿ ñ f2 > fc âðåìÿ τoff ìîæåò áûòü îïèñàíî ôîðìóëîé (1) ñ ñîîòâåòñòâóþùèì ìîäóëåì çíà÷åíèÿ Δε( f2) < 0. Âðåìÿ ñïàäà ïðîïóñêàíèÿ ýëåêòðîîïòè÷åñêîãî îòêëèêà Ä×ÍÆÊ, óïðàâëÿåìîãî ïðèëîæåííûì íàïðÿæåíèåì, áóäåò âñåãäà ìåíüøå, ÷åì âðåìÿ åñòåñòâåííîé ðåëàêñàöèè.
Äëÿ èçìåðåíèÿ îïòè÷åñêèõ è äèíàìè÷åñêèõ õàðàêòåðèñòèê èññëåäóåìûõ ÆÊ-ìîäóëÿòîðîâ â ðàáîòå ïðèìåíÿëè äâå îïòè÷åñêèå ñõåìû: ñ èñïîëüçîâàíèåì He–Ne-ëàçåðà ñ äëèíîé âîëíû 633 íì [6] è ñ ïîëóïðîâîäíèêîâûìè ëàçåðíûìè ìîäóëÿìè LFO ôèðìû ÔÒÈ-Îïòðîíèê ñ äëèíîé âîëíû 0,65 è 1,55 ìêì. Ñòåíä äëÿ èçìåðåíèÿ ïî ïîñëåäíåé ñõåìå ïîêàçàí íà ðèñ. 1. Çäåñü â êà÷åñòâå àíàëèçàòîðà è ïîëÿðèçàòîðà áûëè èñïîëüçîâàíû ïðèçìåííûå ÆÊ-ïîëÿðèçàòîðû 3 è 5, ðàáîòàþùèå â øèðîêîì èíòåðâàëå ñïåêòðà. Ïîëÿðèçàòîðû íàõîäèëèñü â ñêðåùåííîì ïîëîæåíèè îòíîñèòåëüíî äðóã äðóãà. Ñèãíàë ïîñëå àíàëèçàòîðà 5 ïîïàäàë íà ôîòîäèîä 7 è ðåãèñòðèðîâàëñÿ ñ ïîìîùüþ öèôðîâîãî îñöèëëîãðàôà GDS-820s, ñîåäèíåííîãî ñ êîìïüþòåðîì.  òàáë. 2 ïðèâåäåíû ðåçóëüòàòû èçìåðåíèÿ äèíàìè÷åñêèõ õàðàêòåðèñòèê èññëåäóåìûõ ôàçîâûõ Ä×ÍÆÊ-ìîäóëÿòîðîâ, ïîëó÷åííûå íà äëèíå âîëíû 633 íì ïðè ïðèìåíåíèè ðàçíûõ ñõåì óïðàâëåíèÿ ïåðåîðèåíòàöèåé äèïîëåé ÆÊìîëåêóë â ýëåêòðè÷åñêîì ïîëå.  ðàáîòå èñïîëüçîâàëè ñëåäóþùèå ñõåìû óïðàâëåíèÿ:
1) – äëÿ ïîäúåìà ïðîïóñêàíèÿ ê ìîäóëÿòîðó ïðèêëàäûâàëè ïàêåò ñèíóñîèäàëüíûõ Í×-êîëåáàíèé ñ ÷àñòîòîé 1 êÃö, íàïðÿæåíèåì Ulf (lf – low frequency) è äëèòåëüíîñòüþ τlf, à ñïàä ïðîèñõîäèë â ðåçóëüòàòå åñòåñòâåííîé ðåëàêñàöèè;
2) – äëÿ ïîäúåìà ïðîïóñêàíèÿ ê ìîäóëÿòîðó ïðèêëàäûâàëè ïàêåò ñèíóñîèäàëüíûõ Í×-êîëåáàíèé ñ ÷àñòîòîé 1 êÃö, àìïëèòóäîé íàïðÿæåíèÿ Ulf è äëèòåëüíîñòüþ τlf, à äëÿ óñêîðåíèÿ ñïàäà ïîäàâàëè ïàêåò Â×-ñèíóñîèäàëüíûõ êîëåáàíèé ñ ÷àñòîòîé
Òàáëèöà 2. Äèíàìè÷åñêèå õàðàêòåðèñòèêè ôàçîâûõ ìîäóëÿòîðîâ ñ Ä×ÍÆÊ íà äëèíå âîëíû 633 íì, ïîëó÷åííûå â ðàçíûõ ñõåìàõ ýëåêòðîóïðàâëåíèÿ
¹ îïûòà Ìîäóëÿòîð Ñõåìû óïðàâëåíèÿ
Ulf, U0, Â
τon, ìñ
Uhf, Â
τoff, ñ
1 S-1 2 S-1 3 S-1 4 S-2 5 S-2 6 S-2 7 S-2
1) 2) 3) 1) 2) 2) 3)
32 150
0
2,5
32 150 36
1
30 15 15 0,6
32 90 0 2,5
32 90 36 0,25
27 250 45
0,1
45 6 33 0,6
“Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 10, 2008
75
30 êÃö, àìïëèòóäîé íàïðÿæåíèÿ Uhf (hf – high frequency) è äëèòåëüíîñòüþ τhf;
3) – äëÿ ïîäúåìà ïðîïóñêàíèÿ ïîäàâàëè ïðÿìîóãîëüíûé èìïóëüñ ïîñòîÿííîãî òîêà ñ íàïðÿæåíèåì U0 è äëèòåëüíîñòüþ τ0, à äëÿ ñïàäà ïðîïóñêàíèÿ ê ìîäóëÿòîðó ïðèêëàäûâàëè ïàêåò Â×-ñèíóñîèäàëüíûõ êîëåáàíèé, êàê â ñõåìå 2).
Âðåìåíà ïîäúåìà τon è ñïàäà τoff ïðîïóñêàíèÿ îïðåäåëÿëè èç îñöèëëîãðàìì ïî óðîâíÿì 0,1–0,9 ìàêñèìàëüíîé èíòåíñèâíîñòè ñâåòà, ïîøåäøåãî ÷åðåç ìîäóëÿòîð. Àìïëèòóäû óïðàâëÿþùèõ íàïðÿæåíèé è èõ äëèòåëüíîñòü áûëè ïîäîáðàíû òàêèì îáðàçîì, ÷òîáû âðåìÿ âîçâðàùåíèÿ ìîëåêóë â èñõîäíîå ñîñòîÿíèå τoff ñîâïàäàëî ñ äëèòåëüíîñòüþ äåéñòâèÿ Â×-ïîëÿ, ò. å. â ñõåìàõ óïðàâëåíèÿ 2) è 3) τhf = τoff. Êàê âèäíî èç òàáë. 2, èñïîëüçîâàíèå ñõåìû (2) ïîçâîëèëî ñíèçèòü τoff â 4 è 10 ðàç (îïûòû ¹ 2 è ¹ 5) ïî ñðàâíåíèþ ñ âðåìåíåì åñòåñòâåííîé óïðóãîé ðåëàêñàöèè (¹ 1 è ¹ 4). Ïðèëîæåíèå ïðÿìîóãîëüíîãî èìïóëüñà íàïðÿæåíèÿ äëÿ ïîäúåìà ïðîïóñêàíèÿ ïðèâîäèò ê óìåíüøåíèþ âðåìåíè τon â 10 ðàç (îïûòû ¹ 2 è ¹ 3). Ñëåäóåò îòìåòèòü, ÷òî ïðè ýòîì â ìîäóëÿòîðå S-1 ïîíèæàåòñÿ è âðåìÿ τoff, â òî âðåìÿ êàê äëÿ ìîäóëÿòîðà S-2 îíî óâåëè÷èâàåòñÿ. Ýòî ìîæåò áûòü ñâÿçàíî ñ ðàçíûìè óñëîâèÿìè íà ìåæôàçíîé ãðàíèöå ñ ÆÊ. Ïîâûøåíèå íàïðÿæåíèÿ U0 äî 45  ïîçâîëèëî ñíèçèòü âðåìÿ τon äî 6 ìñ (¹ 7, òàáë. 2).
Íà ðèñ. 2 ïðèâåäåíû çàâèñèìîñòè âðåìåíè ñïàäà îïòè÷åñêîãî ïðîïóñêàíèÿ äëÿ ìîäóëÿòîðîâ S-1 è S-2 íà äëèíå âîëíû 633 íì îò êâàäðàòà ýôôåêòèâíîãî íàïðÿæåíèÿ ïðèëîæåííîãî Â×-ïîëÿ ñ ÷àñòîòîé
30 êÃö, ïðè Ulf = 32  è óñëîâèè τoff = τhf, ò. å. ïîëå äåéñòâóåò äî ìîìåíòà âîññòàíîâëåíèÿ íà÷àëüíîãî ïðîïóñêàíèÿ. Ïîëó÷åííûå çàâèñèìîñòè ñâèäåòåëüñòâóþò î âîçìîæíîñòè óïðàâëåíèÿ ðåëàêñàöèîííûì ïðîöåññîì â Ä×ÍÆÊ ïóòåì óâåëè÷åíèÿ àìïëèòóäû íàïðÿæåíèÿ Â×-ïîëÿ, â ñîîòâåòñòâèè ñ ôîðìóëîé (1). Äëÿ óïðàâëåíèÿ ñïàäîì ïðîïóñêàíèÿ â ìîäóëÿòîðå S-1 (êðèâàÿ 1) òðåáóþòñÿ áîëåå íèçêèå íàïðÿæåíèÿ ïî ñðàâíåíèþ ñ ìîäóëÿòîðîì S-2 (êðèâàÿ 2). Ïðè÷èíîé ýòîãî ïðè îäèíàêîâîé òîëùèíå ñëîÿ ÆÊ (òàáë. 1) ìîæåò áûòü áîëåå ñëàáîå ñöåïëåíèå â ðåçóëüòàòå àíèçîòðîïíî-óïðóãîãî âçàèìîäåéñòâèÿ ÆÊ íà ìåæôàçíîé ãðàíèöå ñ îðèåíòèðóþùèì ñëîåì GeO, î ÷åì ñâèäåòåëüñòâóåò áîëåå íèçêèé ïîðîã Uth äëÿ ìîäóëÿòîðà S-1 (òàáë. 1).
Íàáëþäàåìûå ðàçëè÷èÿ äèíàìèêè ñïàäà ïðîïóñêàíèÿ â ìîäóëÿòîðàõ S-1 è S-2 ìîãóò áûòü âûçâàíû ãåíåðàöèåé îñòàòî÷íîãî íàïðÿæåíèÿ ïðè ïðèëîæåíèè ïîñòîÿííîãî ýëåêòðè÷åñêîãî ïîëÿ ê ñëîþ ÍÆÊ â ðåçóëüòàòå ïðîöåññîâ àäñîðáöèè è äåñîðáöèè èîííûõ çàðÿäîâ íà ìåæôàçíîé ãðàíèöå [9]. Ýëåêòðè÷åñêèé ïîòåíöèàë àäñîðáèðîâàííûõ èîííûõ çàðÿäîâ çàâèñèò íå òîëüêî îò ñâîéñòâ ÍÆÊ, íî è îò ýëåêòðè÷åñêèõ ñâîéñòâ îðèåíòèðóþùåé ïîâåðõíîñòè. Ìîæíî îæèäàòü, ÷òî â ìîäóëÿòîðå S-2 èíäóöèðóåìûé ïîòåíöèàë áóäåò âûøå èç-çà áîëåå âûñîêîãî óäåëüíîãî ñîïðîòèâëåíèÿ ñëîÿ a-C:H íà ãðàíèöå ðàçäåëà ñ Ä×ÍÆÊ.
Íà ðèñ. 3 ïðèâåäåíà îñöèëëîãðàììà ýëåêòðîîïòè÷åñêîãî îòêëèêà Ä×ÍÆÊ íà äëèíå âîëíû 1,55 ìêì, ïîëó÷åííàÿ äëÿ ìîäóëÿòîðà S-2 ñ òîëùèíîé ñëîÿ ÆÊ 13 ìêì, ïðè èñïîëüçîâàíèè ñõåìû óï-
0,9 0,1
τoff, c 1,0 0,8 0,6
0,4
2 1
T (à)
U (á)
τon τoff
2,5 ìñ
U0 Uphp
0,2 0 200 400 600 U2, B2
Ðèñ. 2. Çàâèñèìîñòè âðåìåíè ñïàäà îïòè÷åñêîãî ïðîïóñêàíèÿ íà äëèíå âîëíû 632 íì îò êâàäðàòà ýôôåêòèâíîãî íàïðÿæåíèÿ, ïðèëîæåííîãî ê ìîäóëÿòîðàì S-1 (1) è S-2 (2) ñ ÷àñòîòîé 30 êÃö, ïðè Ulf = 32  è óñëîâèè τoff = τhf.
76
0 τ
τ0 τhf Ðèñ. 3. Îñöèëëîãðàììà ýëåêòðîîïòè÷åñêîãî îòêëèêà T ìîäóëÿòîðà S-2 ïðè ôàçîâîé çàäåðæêå 2π íà äëèíå âîëíû 1,55 ìêì (à), ïîëó÷åííàÿ ïðè èçìåíåíèè óïðàâëÿþùèõ íàïðÿæåíèé (á). U0 = 45 B è Uhf = 70 B. Òîëùèíà ñëîÿ Ä×ÍÆÊ 13,3 ìêì.
“Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 10, 2008
ðàâëåíèÿ 3). Ïðè ïðèëîæåíèè ïðÿìîóãîëüíîãî èìïóëüñà íàïðÿæåíèÿ ïîñòîÿííîãî òîêà ñ àìïëèòóäîé 45  âðåìÿ ïîäúåìà ïðîïóñêàíèÿ ñ ôàçîâîé çàäåðæêîé 2π ñîñòàâëÿëî 2 ìñ. Âðåìÿ ñïàäà ïðîïóñêàíèÿ â ðåçóëüòàòå ðåëàêñàöèè ÆÊ ïðè ïîäà÷å Â×-íàïðÿæåíèÿ ñ àìïëèòóäîé 70  ñîñòàâèëî 17 ìñ. Ìàêñèìàëüíî âîçìîæíàÿ ôàçîâàÿ çàäåðæêà â òàêîì ìîäóëÿòîðå ìîæåò äîñòèãàòü 8π (òàáë. 1). Âðåìÿ τoff = = 18 ìñ áûëî ïîëó÷åíî â ãèáðèäíî-îðèåíòèðîâàííîé ÿ÷åéêå ñ òîëùèíîé Ä×ÍÆÊ ñëîÿ â äâà ðàçà ìåíüøå (8,5 ìêì) ñ ôàçîâîé çàäåðæêîé, ðàâíîé π íà äëèíå âîëíû 1,55 ìêì [10].
Ðåçóëüòàòû èññëåäîâàíèé ñâèäåòåëüñòâóþò î òîì, ÷òî äèíàìèêà ïðîöåññà ðåëàêñàöèè ïðè äâóõ÷àñòîòíîì ýôôåêòå ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé ñëîæíûé ïðîöåññ, íà êîòîðûé âëèÿþò êàê âíåøíèå ôàêòîðû (ãðàíè÷íûå óñëîâèÿ, ïàðàìåòðû óïðàâëÿþùèõ ýëåêòðè÷åñêèõ ïîëåé), òàê è ñëîæíûå ýëåêòðîôèçè÷åñêèå ïðîöåññû, ïðîèñõîäÿùèå â ñëîå ÆÊ. Ñðàâíåíèå ðàçíûõ ìåòîäîâ óïðàâëåíèÿ äâóõ÷àñòîòíûì ýôôåêòîì â ôàçîâûõ ìîäóëÿòîðàõ íà äëèíå âîëíû 633 íì ïîêàçàëî ýôôåêòèâíîñòü óïðàâëåíèÿ ïîäúåìîì ïðîïóñêàíèÿ ïðè SB-äåôîðìàöèè Ä×ÍÆÊ ïóòåì ïðèëîæåíèÿ ïðÿìîóãîëüíîãî èìïóëüñà íàïðÿæåíèÿ ïîñòîÿííîãî òîêà.
Äèíàìè÷åñêèå õàðàêòåðèñòèêè àìïëèòóäíûõ Ä×ÍÆÊ-ìîäóëÿòîðîâ,
ðàáîòàþùèõ íà òâèñò-ýôôåêòå
Èñïîëüçîâàíèå ýëåêòðîîïòè÷åñêîãî òâèñò-ýôôåêòà â óñòðîéñòâàõ ñ Ä×ÍÆÊ ïîçâîëÿåò ñóùåñòâåííî ïîâûñèòü èõ áûñòðîäåéñòâèå [4]. Îäíèì èç ôàêòîðîâ, îêàçûâàþùèõ âëèÿíèå íà äèíàìèêó ýëåêòðîîïòè÷åñêîãî îòêëèêà ÆÊ, ÿâëÿåòñÿ íà÷àëüíûé óãîë íàêëîíà äèðåêòîðà, êîòîðûé çàâèñèò îò óñëîâèé âçàèìîäåéñòâèÿ ÆÊ ñ îðèåíòèðóþùåé ïîâåðõíîñòüþ. Óâåëè÷åíèå óãëà íàêëîíà è óìåíüøåíèå ýíåðãèè ñöåïëåíèÿ ÆÊ ñ ïîâåðõíîñòüþ ñïîñîáñòâóþò óñêîðåíèþ ïðîöåññà ïåðåîðèåíòàöèè äèïîëåé ìîëåêóë ïðè òâèñò-äåôîðìàöèè íåìàòèêà.
×òîáû ñðàâíèòü äèíàìè÷åñêèå õàðàêòåðèñòèêè ìîäóëÿòîðîâ ñ ðàçíûìè íà÷àëüíûìè óãëàìè íàêëîíà äèðåêòîðà, áûëè èñïîëüçîâàíû îðèåíòèðóþùèå ñëîè GeO, îáåñïå÷èâàþùèå áîëüøîé óãîë íàêëîíà, è êîìáèíàöèÿ GeO ñî ñëîåì a-C:H, ïîíèæàþùàÿ åãî. Íàïðàâëåíèÿ îðèåíòàöèè äèðåêòîðà ìîëåêóë íà ïðîòèâîïîëîæíûõ ïîâåðõíîñòÿõ, îãðàíè÷èâàþùèõ ñëîé ÆÊ â ìîäóëÿòîðàõ, ðàáîòàþùèõ íà òâèñò-ýôôåêòå, áûëè îðòîãîíàëüíûìè. Äëÿ ïîëó÷åíèÿ ìàêñèìàëüíîãî êîíòðàñòà íà äëèíå âîëíû 1,55 ìêì ìèíèìàëüíàÿ òîëùèíà ñëîÿ Ä×ÍÆÊ, èñïîëüçóåìîãî â ýòîé ðàáîòå, äîëæíà áûòü áîëåå 6,3 ìêì [11].
Óïðàâëåíèå òâèñò-ýôôåêòîì â Ä×ÍÆÊ îñóùåñòâëÿëîñü ñ ïîìîùüþ ìåòîäèêè, îñíîâàííîé íà
“Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 10, 2008
ïðèëîæåíèè ê ÆÊ-ÿ÷åéêàì ïîñòîÿííîãî è ïåðåìåííûõ Í×- è Â×-ýëåêòðè÷åñêèõ ïîëåé â îïðåäåëåííîé ïîñëåäîâàòåëüíîñòè [11]. Íà ðèñ. 4à ïîêàçàíà îñöèëëîãðàììà ýëåêòðîîïòè÷åñêîãî îòêëèêà Ä×ÍÆÊ ìîäóëÿòîðà, ðàáîòàþùåãî íà òâèñò-ýôôåêòå, ïîëó÷åííàÿ â îïòèìàëüíîì ðåæèìå óïðàâëåíèÿ. Èçìåíåíèå àìïëèòóäû è äëèòåëüíîñòè óïðàâëÿþùèõ íàïðÿæåíèé, ïðèëîæåííûõ ê ìîäóëÿòîðó, ïîêàçàíû íà ðèñ. 4á. Äëÿ ïåðåêëþ÷åíèÿ èç èñõîäíîãî ñîñòîÿíèÿ “off”, êîãäà U = 0, â ñîñòîÿíèå “on” íà ìîäóëÿòîð ïîäàâàëè ïðÿìîóãîëüíûé èìïóëüñ íàïðÿæåíèÿ U0 ïîñòîÿííîãî òîêà äëèòåëüíîñòüþ τ0. Ïðîïóñêàíèå ÆÊ-ÿ÷åéêè ïðè ýòîì ïàäàëî, êàê âèäíî íà ðèñ. 4a. Çàòåì äëÿ ïîääåðæàíèÿ ïðîïóñêàíèÿ ÆÊÿ÷åéêè â ñîñòîÿíèè “on” ïîäàâàëñÿ ïàêåò ñèíóñîèäàëüíûõ Í×-êîëåáàíèé ñ ÷àñòîòîé 1 êÃö, àìïëèòóäîé Ulf è äëèòåëüíîñòüþ τlf . Ïåðåêëþ÷åíèå ÆÊÿ÷åéêè èç ñîñòîÿíèÿ “on” â èñõîäíîå ñîñòîÿíèå “off” îñóùåñòâëÿëè ïóòåì ïîäà÷è ïàêåòà ñèíóñîèäàëüíûõ Â×-êîëåáàíèé ñ ÷àñòîòîé 30 êÃö, àìïëèòóäîé Uhf è äëèòåëüíîñòüþ τhf.  ðåçóëüòàòå ýòîãî ïðîïóñêàíèå ÆÊ-ÿ÷åéêè Ò âîçâðàùàëîñü ê ïåðâîíà÷àëüíîìó çíà÷åíèþ (ðèñ. 4a). Îïðåäåëåíèå âðåìåí τon è τoff ïåðåêëþ÷åíèÿ ïðîïóñêàíèÿ ïðè òâèñò-ýôôåêòå ïîêàçàíî íà ðèñ. 4a. Àìïëèòóäû è äëèòåëüíîñòè óïðàâëÿþùèõ íàïðÿæåíèé äëÿ êàæäîé èç èññëåäîâàííûõ ÆÊ-ÿ÷ååê ïîäáèðàëè ýêñïåðèìåíòàëüíî ñ öåëüþ ïîëó÷åíèÿ ìèíèìàëüíûõ âðåìåí ïåðåêëþ÷åíèÿ.
0,9 0,1
T τon (à)
τoff
U U0
2,5 ìñ
Uhf
(á) Ulf
0 τ
τ0 τlf τhf Ðèñ. 4. Îñöèëëîãðàììà ýëåêòðîîïòè÷åñêîãî îòêëèêà ÆÊ-ìîäóëÿòîðà Ò-2, ðàáîòàþùåãî íà òâèñò-ýôôåêòå íà äëèíå âîëíû 1,55 ìêì (à), è èçìåíåíèå ïðè ýòîì óïðàâëÿþùèõ íàïðÿæåíèé (á). U0 = 30 Â, τ0 = 10 ìñ, Ulf = 10 Â, τlf = 20 ìñ, Uhf = 60 Â, τhf = 2,5 ìñ.
77
Òàáëèöà. 3. Äèíàìè÷åñêèå õàðàêòåðèñòèêè Ä×ÍÆÊ-ìîäóëÿòîðîâ, ðàáîòàþùèõ íà òâèñò-ýôôåêòå íà äëèíå âîëíû 1,55 ìêì, è ïàðàìåòðû óïðàâëÿþùèõ íàïðÿæåíèé ïðè ïîñòîÿííûõ çíà÷åíèÿõ U0 = 30 Â, τ0 = 10 ìñ
Îðèåíòèðóþùèå ¹ ïîâåðõíîñòè ìîäóëÿòîðà
1-ÿ ïîäëîæêà 1-ÿ ïîäëîæêà
d, ìêì
Ulf, Â
τon, ìñ
Uhf, Â
τoff, ìñ
Ò-1 GeO GeO 6,2
Ò-1 GeO GeO 6,2
Ò-2 GeO/a-C:H GeO/a-C:H 6,93
Ò-3 GeO/a-C:H
GeO
7
Ò-3 GeO/a-C:H
GeO
7
15 15 10 20 20
2,5 2,5 3 1,5 1,5
15 20 20 24 45
25 20 10 20 5
Âðåìåíà âêëþ÷åíèÿ ìîäóëÿòîðîâ áûëè â èíòåðâàëå 1,5–3 ìñ íà äëèíå âîëíû 1,55 ìêì ïðè U0 = 30 Â, τ0 = 10 ìñ (ñì. òàáë. 3). Âëèÿíèå ãðàíè÷íûõ óñëîâèé, îáóñëîâëåííûõ ñâîéñòâàìè îðèåíòèðóþùåé ïîâåðõíîñòè, òðåáóåò ïðèëîæåíèÿ ê ìîäóëÿòîðàì Í×- è Â×-ïîëåé ñ ðàçíîé àìïëèòóäîé, ÷òî èëëþñòðèðóþò äàííûå òàáë. 3.  ìîäóëÿòîðå Ò-3 ñ àñèììåòðè÷íûìè ãðàíè÷íûìè óñëîâèÿìè áûëè ïîëó÷åíû íàèìåíüøèå âðåìåíà τon è τoff.
Íà ðèñ. 5 ïðèâåäåíû ýêñïåðèìåíòàëüíûå çàâèñèìîñòè âðåìåíè τon îò àìïëèòóäû ïðèëîæåííîãî ïðÿìîóãîëüíîãî èìïóëüñà íàïðÿæåíèÿ ïîñòîÿííî-
ãî òîêà U0 ïðè ïîñòîÿííîé äëèòåëüíîñòè τ0 = 10 ìñ, ïîëó÷åííûå äëÿ ìîäóëÿòîðà Ò-3. Êðèâàÿ 1 ñîîòâåòñòâóåò çíà÷åíèÿì τon äëÿ λ = 0,65 ìêì, à êðèâàÿ 2 – λ = 1,55 ìêì. Ïåðåîðèåíòàöèÿ äèïîëåé ìîëåêóë ÆÊ ïðè òâèñò-ýôôåêòå èç èñõîäíîãî ñîñòîÿíèÿ “off ” ñ óãëîì íàêëîíà äèðåêòîðà θp â âåðòèêàëüíîå ïîëîæåíèå “on” ïðîèñõîäèò â ïÿòü ðàç áûñòðåå. Ïðè óâåëè÷åíèè àìïëèòóäû U0 â èíòåðâàëå îò 10 äî 50  âðåìÿ τon èçìåíÿåòñÿ îò 1,5 äî 0,3 ìñ. Ìèêðîñåêóíäíûé äèàïàçîí ðàáîòû ÆÊ-ìîäóëÿòîðà ìîæåò áûòü îñóùåñòâëåí ïðè ôàçîâîé çàäåðæêå íà äëèíå âîëíû 1,55 ìêì îêîëî π [11].
τon, ìc
1 1
2
10 20 30 40 U0, B Ðèñ. 5. Ýêñïåðèìåíòàëüíûå çàâèñèìîñòè τon îò U0, ïîëó÷åííûå äëÿ ÆÊ-ìîäóëÿòîðà Ò-3, ðàáîòàþùåãî íà òâèñò-ýôôåêòå íà äëèíàõ âîëí 0,65 (a) è 1,55 ìêì (á). Òîëùèíà ñëîÿ Ä×ÍÆÊ 7 ìêì. 78
Ïóòè îïòèìèçàöèè ðàáîòû îïòè÷åñêèõ ìîäóëÿòîðîâ íà îñíîâå äâóõ÷àñòîòíîãî
íåìàòè÷åñêîãî ÆÊ
Ôàçîâàÿ çàäåðæêà â îïòè÷åñêèõ ÆÊ-ìîäóëÿòîðàõ äëÿ òåëåêîììóíèêàöèîííûõ ñèñòåì äîëæíà áûòü, ïî êðàéíåé ìåðå, ðàâíà π. Ïðè ðàçðàáîòêå ìîäóëÿòîðîâ ñëåäóåò ïîìíèòü, ÷òî äâà ïàðàìåòðà – ìàêñèìàëüíàÿ ôàçîâàÿ çàäåðæêà ΔΦmax è ñêîðîñòè ïåðåêëþ÷åíèÿ 1/τon è 1/τoff, çàâèñÿò îò òîëùèíû ÆÊñëîÿ.  ñîîòâåòñòâèè ñ ôîðìóëîé (1), ÷åì ìåíüøå òîëùèíà ñëîÿ Ä×ÍÆÊ, òåì âûøå ñêîðîñòü ïåðåêëþ÷åíèÿ, òàê êàê τon è τoff ïðÿìî ïðîïîðöèîíàëüíû êâàäðàòó òîëùèíû ÆÊ-ñëîÿ, â òî âðåìÿ êàê ìàêñèìàëüíàÿ ôàçîâàÿ çàäåðæêà ïðîïîðöèîíàëüíà òîëùèíå ñîãëàñíî ñîîòíîøåíèþ
ΔΦmax = 2πd Δn/λ.
(2)
Ìèíèìàëüíàÿ òîëùèíà ñëîÿ ÆÊ îïðåäåëÿåòñÿ óñëîâèåì Ìîãåíà è äîëæíà ñîîòâåòñòâîâàòü dmin = = λ/Δn. Äâóëó÷åïðåëîìëåíèå ÍÆÊ çàâèñèò îò äëèíû âîëíû è ïðè ïåðåõîäå â áëèæíþþ ÈÊ-îáëàñòü îïòè÷åñêàÿ àíèçîòðîïèÿ ìîæåò ñíèæàòüñÿ íà 15–20% ïî ñðàâíåíèþ ñ Δn äëÿ âèäèìîé îáëàñòè ñïåêòðà [12]. Ïî íàøèì îöåíêàì, äëÿ Ä×ÍÆÊ, èñïîëüçóåìîãî â ýòîé ðàáîòå, â èíòåðâàëå äëèí âîëí 0,86–1,55 ìêì Δn = 0,22. Òîãäà òîëùèíà ñëîÿ
“Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 10, 2008
Ä×ÍÆÊ â ôàçîâîì ìîäóëÿòîðå äîëæíà áûòü íå ìåíåå 7 ìêì. Åñëè ïðåíåáðå÷ü ìåæôàçíûì âçàèìîäåéñòâèåì è íå ó÷èòûâàòü ïîðîãîâîå íàïðÿæåíèå, äëÿ Ä×ÍÆÊ ñ γ1 = 0,377 H ñ/ì2 è Δε = 4,43, ïî îöåíî÷íûì ðàñ÷åòàì â ñîîòâåòñòâèè ñ ôîðìóëîé (1) ïðè ïîäà÷å íà ÿ÷åéêó òîëùèíîé 7 ìêì íàïðÿæåíèÿ 30  τon ≈ 7 ìñ. Òàê êàê âðåìÿ τon îáðàòíî ïðîïîðöèîíàëüíî êâàäðàòó íàïðÿæåíèÿ, òî óìåíüøèòü âðåìÿ äî 1 ìñ ìîæíî, åñëè óâåëè÷èòü U áîëåå, ÷åì â äâà ðàçà. Äëÿ Ä×ÍÆÊ âðåìÿ τoff ìîæíî óìåíüøàòü òàê æå, êàê τon – ïóòåì ïîâûøåíèÿ àìïëèòóäû Â×-íàïðÿæåíèÿ, ïðèëîæåííîãî ê ìîäóëÿòîðó. Ðåçóëüòàòû ýêñïåðèìåíòà ñâèäåòåëüñòâóþò î òîì, ÷òî τoff, êàê ïðàâèëî, âûøå τon. Ýòî ìîæåò áûòü âûçâàíî ýëåêòðîãèäðîäèíàìèêîé ïðîöåññà ïåðåîðèåíòàöèè êîìïîíåíòîâ ñìåñè ñ ðàçíîé äèýëåêòðè÷åñêîé àíèçîòðîïèåé, õàðàêòåðíîé äëÿ Ä×ÍÆÊ.
Îïòèìèçàöèÿ ñõåìû óïðàâëåíèÿ äâóõ÷àñòîòíûì ýôôåêòîì ïóòåì âêëþ÷åíèÿ ñïåöèàëüíûõ êîðîòêèõ èìïóëüñîâ âûñîêîé àìïëèòóäû îáåèõ óïðàâëÿþùèõ ÷àñòîò äëÿ áûñòðîé ïåðåîðèåíòàöèè äèðåêòîðà ïîçâîëèëà àâòîðàì ðàáîòû [13] ýêñïåðèìåíòàëüíî ïîëó÷èòü âðåìÿ ïåðåêëþ÷åíèÿ äî 0,5 ìñ ïðè àìïëèòóäå 100 Â. Ïîäà÷à êîðîòêèõ èìïóëüñîâ íàïðÿæåíèÿ ñ âûñîêîé àìïëèòóäîé èíèöèèðóåò áûñòðóþ ïåðåîðèåíòàöèþ äèðåêòîðà â Í×- è Â×-ïîëÿõ, íî ìîæåò ïðèâîäèòü ê ýëåêòðè÷åñêîìó ïðîáîþ ÆÊ-ìîäóëÿòîðà.  òî æå âðåìÿ âûñîêèå àìïëèòóäû ïðèëîæåííîãî íàïðÿæåíèÿ ìîãóò âûçûâàòü èçáûòî÷íîå âðàùåíèå ìîëåêóë ïðè óâåëè÷åíèè óãëà íàêëîíà äèðåêòîðà ÍÆÊ. Ïóòåì ââåäåíèÿ ïðîìåæóòî÷íîãî ïåðèîäà ìåæäó äåéñòâèåì Í×- è Â×-ïîëåé ïîðÿäêà 10 ìêñ, âî âðåìÿ êîòîðîãî íèêàêîå íàïðÿæåíèå ê ÍÆÊ íå ïðèêëàäûâàåòñÿ, èçáûòî÷íîå âðàùåíèå ìîæåò áûòü àííóëèðîâàíî [14]. Ïîâûøåíèå àìïëèòóäû óïðàâëÿþùèõ íàïðÿæåíèé äëÿ óëó÷øåíèÿ áûñòðîäåéñòâèÿ îïòè÷åñêèõ ÆÊ-ìîäóëÿòîðîâ íåæåëàòåëüíî ïðè èñïîëüçîâàíèè èõ â òåëåêîììóíèêàöèîííûõ ñèñòåìàõ, òàê êàê ýòî ìîæåò ïðèâîäèòü ê ïîâûøåíèþ òåìïåðàòóðû ÆÊ è èçìåíåíèþ åãî ïàðàìåòðîâ, à òàêæå ïîâûøåíèþ ýíåðãîïîòðåáëåíèÿ.
Àìïëèòóäû íàïðÿæåíèé, óïðàâëÿþùèõ Ä×ÍÆÊ, ìîãóò áûòü ñíèæåíû ïðè èñïîëüçîâàíèè ãèáðèäíîé îðèåíòàöèè, êîãäà íà îäíîé ïîäëîæêå ÆÊ îðèåíòèðóþò ïàðàëëåëüíî, à íà äðóãîé – âåðòèêàëüíî îòíîñèòåëüíî ïëîñêîñòè.  ìîäóëÿòîðàõ ñ òàêîé îðèåíòàöèåé ÆÊ ïðàêòè÷åñêè îòñóòñòâóåò ïîðîã ýëåêòðîîïòè÷åñêîãî ýôôåêòà. Ê íåäîñòàòêàì, îãðàíè÷èâàþùèì ïðèìåíåíèå ãèáðèäíîé îðèåíòàöèè, îòíîñèòñÿ ñíèæåíèå ôàçîâîé çàäåðæêè, êîòîðàÿ ñîîòâåòñòâóåò òîëüêî ïîëîâèíå âåëè÷èíû ΔΦ ïðè ãîìîãåííîé èëè ãîìåîòðîïíîé îðèåíòàöèè ÆÊ. Ñóæåíèå èíòåðâàëà èçìåíåíèÿ ôàçû ó ìîäóëÿòîðîâ ñ
ãèáðèäíîé îðèåíòàöèåé îãðàíè÷èâàåò èõ ïðèìåíåíèå, îñîáåííî â ÈÊ îáëàñòè.
Çàêëþ÷åíèå
 ðåçóëüòàòå èññëåäîâàíèé îïòè÷åñêèõ ìîäóëÿòîðîâ íà îñíîâå äâóõ÷àñòîòíîãî íåìàòè÷åñêîãî ÆÊ ñ èíâåðñèåé çíàêà àíèçîòðîïèè äèýëåêòðè÷åñêîé ïðîíèöàåìîñòè áûëè îïòèìèçèðîâàíû ìåòîäèêè ýëåêòðîóïðàâëåíèÿ ôàçîâîé è àìïëèòóäíîé ìîäóëÿöèåé îïòè÷åñêîãî ñèãíàëà. Ïîêàçàíî, ÷òî èñïîëüçîâàíèå äëÿ ïîäúåìà ïðîïóñêàíèÿ ïðÿìîóãîëüíîãî èìïóëüñà íàïðÿæåíèÿ ïîñòîÿííîãî òîêà ñïîñîáñòâóåò ïîâûøåíèþ áûñòðîäåéñòâèÿ ìîäóëÿòîðîâ ïî ñðàâíåíèþ ñ ïèòàíèåì Í×-íàïðÿæåíèåì ñ ÷àñòîòîé 1 êÃö. Ýêñïåðèìåíòàëüíî èññëåäîâàíû äèíàìè÷åñêèå õàðàêòåðèñòèêè îïòè÷åñêèõ ÆÊ-ìîäóëÿòîðîâ è âëèÿíèå íà íèõ âíåøíèõ ôàêòîðîâ: ïàðàìåòðîâ ýëåêòðè÷åñêîãî ïîëÿ è ãðàíè÷íûõ óñëîâèé ìåæôàçíîãî âçàèìîäåéñòâèÿ ìåæäó ÆÊ è îðèåíòèðóþùåé ïîâåðõíîñòüþ. Îïòèìèçàöèÿ àìïëèòóä è äëèòåëüíîñòåé äåéñòâèÿ óïðàâëÿþùèõ íàïðÿæåíèé è íà÷àëüíîãî óãëà íàêëîíà äèðåêòîðà ìîëåêóë ÿâëÿþòñÿ äîïîëíèòåëüíûì ðåçåðâîì äëÿ óëó÷øåíèÿ äèíàìè÷åñêèõ õàðàêòåðèñòèê îïòè÷åñêèõ ìîäóëÿòîðîâ íà îñíîâå Ä×ÍÆÊ. Ðåçóëüòàòû ýêñïåðèìåíòàëüíûõ èññëåäîâàíèé ñâèäåòåëüñòâóþò î âîçìîæíîñòè ñíèæåíèÿ âðåìåíè ðåëàêñàöèè äî åäèíèö ìèëëèñåêóíä ïðè èñïîëüçîâàíèè äâóõ÷àñòîòíîãî ÆÊ. Äëÿ ïîâûøåíèÿ áûñòðîäåéñòâèÿ óñòðîéñòâ íà îñíîâå Ä×ÍÆÊ äëÿ òåëåêîììóíèêàöèîííûõ ñèñòåì íåîáõîäèìî ïðîâåäåíèå äàëüíåéøèõ èññëåäîâàíèé êàê îñîáåííîñòåé ðàáîòû îïòè÷åñêèõ ìîäóëÿòîðîâ â áëèæíåé ÈÊ îáëàñòè ñïåêòðà, òàê è ýëåêòðîôèçè÷åñêèõ ïðîöåññîâ, ñîïðîâîæäàþùèõ ïåðåîðèåíòàöèþ äèïîëåé ìîëåêóë.
Ðàáîòà áûëà âûïîëíåíà ïðè ôèíàíñîâîé ïîääåðæêå âåäóùåé íàó÷íîé øêîëû ÐÔ ÍØ-5549.2006.9.
ËÈÒÅÐÀÒÓÐÀ
11. Mao C., Xu M., Feng W., Hyang T., Wu K., Lia J. Liquid crystal applications in optical telecommunication // Proc. SPIE. 2003. V. 5003. P. 121–129.
12. Êîíøèíà Å.À., Ôåäîðîâ Ì.À., Àìîñîâà Ë.Ï., Âîðîíèí Þ.Ì. Âëèÿíèå ïîâåðõíîñòè íà ôàçîâóþ ìîäóëÿöèþ ñâåòà â ñëîå íåìàòè÷åñêîãî æèäêîãî êðèñòàëëà // ÆÒÔ. 2008. Ò. 78. Â. 2. Ñ. 71–76.
13. Wu Y.-H., Liang X., Lu Y.-Q., Du F., Lin Y.-H., Wu S.-T. Variable optical attenuator with a polymer-stabilized dualfrequency liquid crystal // Appl. Opt. 2005. V. 44. ¹ 20. P. 4394–97.
14. Hyang Y., Wen C.-H., Wu S.-T. Polarization-independent and submillisecond response phase modulators using a 90°
“Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 10, 2008
79
twisted dual-frequency liquid crystal // Appl. Phys. Lett. 2006. V. 89 (2). P. 021103–3.
15. Kirby A.K., Love G.D. Fast, large and controllable phase modulation using dual frequency liquid crystals // Optics express. 2004. V. 12. ¹ 7. P. 1470–75.
16. Êîíøèíà Å.À., Ôåäîðîâ Ì.À., Àìîñîâà Ë.Ï. Îïðåäåëåíèå óãëà íàêëîíà è ôàçîâîé çàäåðæêè æèäêîêðèñòàëëè÷åñêèõ ÿ÷ååê îïòè÷åñêèìè ìåòîäàìè // Îïòè÷åñêèé æóðíàë. 2006. Ò. 73. ¹ 12. Ñ. 9–13.
17. Êîíøèíà Å.À., Êîñòîìàðîâ Ä.Ñ. Ôàçîâàÿ ìîäóëÿöèÿ ñâåòà â äâóõ÷àñòîòíîì íåìàòè÷åñêîì æèäêîì êðèñòàëëå // Îïòè÷åñêèé æóðíàë. 2007. ¹ 10. Ñ. 88–90.
18. Êîíøèíà Å.À., Ôåäîðîâ Ì.À., Àìîñîâà Ë.Ï., Èñàåâ Ì.Â., Êîñòîìàðîâ Ä.Ñ. Äèíàìèêà ñïàäà îïòè÷åñêîãî ïðîïóñêàíèÿ â ÿ÷åéêàõ ñ äâóõ÷àñòîòíûì íåìàòè÷åñêèì æèäêèì êðèñòàëëîì // Ïèñüìà ÆÒÔ. 2008. Ò. 34. Â. 9. Ñ. 87–94.
19. Mizusaki M., Miyashita T., Uchida T., Yamada Y., Ishii Y., Mizushima S. Generation mechanism of residual direct current voltage in a liquid crystal display and its evaluation
parameters related to liquid crystal and alignment layer materials // J. Appl. Phys. 2007. V. 102. P. 014904-1-6.
10. Lu Y.-Q., Liang X., Wu Y.-H., Du F., Wu S.-T. Dual-frequency addressed hybrid-aligned nematic liquid crystal // Appl. Phys. Lett. 2004. V. 85. ¹ 16. P. 3354–3356.
11. Êîíøèíà Å.À., Ôåäîðîâ Ì.À., Ðûáíèêîâà À.Å. Àìîñîâà Ë.Ï., Èâàíîâà Í.Ë., Èñàåâ Ì.Â., Êîñòîìàðîâ Ä.Ñ. Äèíàìèêà òâèñò-ýôôåêòà â äâóõ÷àñòîòíîì íåìàòè÷åñêîì æèäêîì êðèñòàëëå // ÆÒÔ. 2008. (â ïå÷àòè).
12. Riza N.A., Khan S.A. Liquid-crystal-deflector based variable fiber-optic attenuator // Appl. Opt. 2004. V. 43. ¹ 17. P. 3449–3455.
13. Golovin A.B., Shiyanovskii S.V., Lavrentovich O.D. Fast switching dual-frequency liquid crystal optical retarder, driven by an amplitude and frequency modulated voltage // Appl. Phys. Lett. 2003. V. 83. No 19. P. 3864-6.
14. Brimicombe P.D., Parry-Jones L.A., Elston S.J., Raynes E.P. Modeling of dual frequency liquid crystal materials and devices // J. Appl. Phys. 2005. V. 98. P. 104104 1-6.
80 “Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 10, 2008
ÎÏÒÈ×ÅÑÊÈÅ ÌÎÄÓËßÒÎÐÛ ÍÀ ÎÑÍÎÂÅ ÄÂÓÕ×ÀÑÒÎÒÍÎÃÎ ÍÅÌÀÒÈ×ÅÑÊÎÃÎ ÆÈÄÊÎÃÎ ÊÐÈÑÒÀËËÀ
© 2008 ã. © 2008 ã.
Å. À. Êîíøèíà, êàíä. òåõí. íàóê; Ì. À. Ôåäîðîâ; Ë. Ï. Àìîñîâà, êàíä. ôèç.-ìàò. íàóê; Ì. Â. Èñàåâ; Ä. Ñ. Êîñòîìàðîâ
Ñàíêò-Ïåòåðáóðãñêèé ãîñóäàðñòâåííûé óíèâåðñèòåò èíôîðìàöèîííûõ òåõíîëîãèé, ìåõàíèêè è îïòèêè, Ñàíêò-Ïåòåðáóðã
E-mail: eakonshina@mail.ru
Ýêñïåðèìåíòàëüíî èññëåäîâàíû äèíàìè÷åñêèå õàðàêòåðèñòèêè ýëåêòðîóïðàâëÿåìûõ ìîäóëÿòîðîâ íà æèäêèõ êðèñòàëëàõ (ÆÊ) â âèäèìîì è áëèæíåì ÈÊ äèàïàçîíàõ ñïåêòðà è âëèÿíèå íà íèõ ïàðàìåòðîâ ýëåêòðè÷åñêèõ ïîëåé, à òàêæå èçìåíåíèÿ óñëîâèé ìåæôàçíîãî âçàèìîäåéñòâèÿ ÆÊ ñ îðèåíòèðóþùåé ïîâåðõíîñòüþ. Ïîêàçàíà ýôôåêòèâíîñòü èñïîëüçîâàíèÿ äâóõ÷àñòîòíîãî ÆÊ äëÿ ôàçîâîé è àìïëèòóäíîé ìîäóëÿöèè èçëó÷åíèÿ ñ äëèíîé âîëíû 1,55 ìêì.  ÆÊ-ìîäóëÿòîðå, ðàáîòàþùåì íà S-ýôôåêòå, ôàçîâàÿ çàäåðæêà 2π ïîëó÷åíà çà âðåìÿ 2 ìñ. Âðåìåíà ïåðåêëþ÷åíèÿ ìîãóò áûòü ñíèæåíû äî ìèêðîñåêóíäíîãî äèàïàçîíà ïðè èñïîëüçîâàíèè òâèñò-ýôôåêòà è òîëùèíå ñëîÿ ÆÊ îêîëî 7 ìêì ïóòåì ïîâûøåíèÿ íàïðÿæåíèÿ îò 30 äî 50 Â.
Êîäû OCIS: 230.3720, 160.3710.
Ïîñòóïèëà â ðåäàêöèþ 13.05.2008.
Äëÿ ñîçäàíèÿ êîìïîíåíòîâ òåëåêîììóíèêàöèîííûõ ñèñòåì â ìèðîâîé ïðàêòèêå èñïîëüçóþòñÿ òåðìîîïòè÷åñêèå, ýëåêòðîîïòè÷åñêèå, àêóñòîîïòè÷åñêèå, ìàãíèòîîïòè÷åñêèå, æèäêîêðèñòàëëè÷åñêèå è äðóãèå òåõíîëîãèè. Îïòè÷åñêèå õàðàêòåðèñòèêè êîìïîíåíòîâ íà îñíîâå æèäêèõ êðèñòàëëîâ (ÆÊ) ñðàâíèìû ñ ïàðàìåòðàìè îïòèêî-ìåõàíè÷åñêèõ óñòðîéñòâ, ïîëó÷èâøèõ íàèáîëåå øèðîêîå ðàñïðîñòðàíåíèå, íî ïðè ýòîì ÆÊ-óñòðîéñòâà îáëàäàþò äîñòàòî÷íî âûñîêèìè ñêîðîñòÿìè, áîëüøåé íàäåæíîñòüþ è ðàáîòàþò ïðè áîëåå íèçêèõ íàïðÿæåíèÿõ, ÷òî ñíèæàåò ïîòðåáëÿåìóþ èìè ìîùíîñòü. Áëàãîäàðÿ õîðîøåé ïðîçðà÷íîñòè â äèàïàçîíå ðàáîòû îïòè÷åñêèõ ñåòåé (îò 0,86 äî 1,55 ìêì) ÆÊ-ìàòåðèàëû èìåþò áîëåå íèçêèå ïîòåðè ïðè ïðîõîæäåíèè ÷åðåç íèõ îïòè÷åñêîãî ñèãíàëà [1]. Îñíîâíûìè íàïðàâëåíèÿìè èññëåäîâàíèé ÆÊ-óñòðîéñòâ äëÿ òåëåêîììóíèêàöèîííûõ ñèñòåì ÿâëÿþòñÿ ïîâûøåíèå áûñòðîäåéñòâèÿ, ðàñøèðåíèå äèíàìè÷åñêîãî äèàïàçîíà èõ ðàáîòû, ñíèæåíèå ïîòåðü îïòè÷åñêîãî ñèãíàëà è ýíåðãîïîòðåáëåíèÿ.
Äèíàìèêà ïåðåîðèåíòàöèè ìîëåêóë ÆÊ âî âíåøíèõ ïîëÿõ çàâèñèò îò ìíîãèõ ôàêòîðîâ: àíèçîòðîïíî-óïðóãîãî ìåæôàçíîãî âçàèìîäåéñòâèÿ ñ ïîâåðõíîñòüþ òâåðäîãî òåëà, ïàðàìåòðîâ ïðèëîæåííîãî ýëåêòðè÷åñêîãî ïîëÿ, ñâîéñòâ ÆÊ è îñîáåííîñòåé ýëåêòðîîïòè÷åñêîãî ýôôåêòà. Ïðîöåññ èçìåíåíèÿ ñòðóêòóðû íåìàòè÷åñêîãî ÆÊ â ýëåêòðè÷åñêîì ïîëå, îáóñëîâëåííûé ïåðåîðèåíòàöèåé äëèííûõ îñåé ìîëåêóë, ìîæåò áûòü óñêîðåí çà ñ÷åò óìåíüøåíèÿ òîëùèíû ñëîÿ ÆÊ, óâåëè÷åíèÿ ïðèëîæåííîãî ýôôåêòèâíîãî íàïðÿæåíèÿ, ïîíèæåíèÿ ïîðîãà ýëåêòðîîïòè÷åñ-
êîãî ýôôåêòà è âÿçêîñòè ÆÊ. Áûñòðîäåéñòâèå îáû÷íûõ íåìàòèêîâ ïðè ïðèëîæåíèè ê ñëîþ ÆÊ ýëåêòðè÷åñêîãî ïîëÿ îãðàíè÷èâàåòñÿ ïðîöåññîì åñòåñòâåííîé ðåëàêñàöèè ìîëåêóë, êîòîðûé ìîæåò çàíèìàòü íåñêîëüêî ñåêóíä [2].
Èñïîëüçîâàíèå äâóõ÷àñòîòíîãî ýëåêòðîîïòè÷åñêîãî ýôôåêòà â íåìàòè÷åñêîì ÆÊ ÿâëÿåòñÿ îäíèì èç ïåðñïåêòèâíûõ íàïðàâëåíèé ïîâûøåíèÿ áûñòðîäåéñòâèÿ ÆÊ-óñòðîéñòâ. Äâóõ÷àñòîòíûé ýôôåêò â ÆÊ îñíîâàí íà èíâåðñèè çíàêà äèýëåêòðè÷åñêîé àíèçîòðîïèè â çàâèñèìîñòè îò ÷àñòîòû ïåðåìåííîãî ýëåêòðè÷åñêîãî ïîëÿ. Ýòîò ýôôåêò ïîçâîëÿåò óñêîðèòü ðåëàêñàöèþ ìîëåêóë ïóòåì ïðèëîæåíèÿ ýëåêòðè÷åñêîãî ïîëÿ, êîòîðîå ïðèíóäèòåëüíî ïåðåîðèåíòèðóåò ìîëåêóëû â èñõîäíîå ñîñòîÿíèå. Îïòèìèçèðóÿ ðåæèì óïðàâëåíèÿ îïòè÷åñêèì ïðîïóñêàíèåì ÆÊ-ìîäóëÿòîðà ïðè ôàçîâîé è àìïëèòóäíîé ìîäóëÿöèè, ìîæíî äîáèòüñÿ óñêîðåíèÿ äèíàìèêè ýëåêòðîîïòè÷åñêîãî îòêëèêà è ñíèæåíèÿ åãî äî ìèêðîñåêóíäíîãî äèàïàçîíà ðàáîòû ÆÊóñòðîéñòâ [3, 4].
Ðàáîòà ïîñâÿùåíà èññëåäîâàíèþ äèíàìè÷åñêèõ õàðàêòåðèñòèê ôàçîâûõ è àìïëèòóäíûõ îïòè÷åñêèõ ìîäóëÿòîðîâ ñ äâóõ÷àñòîòíûì íåìàòè÷åñêèì ÆÊ â âèäèìîì è áëèæíåì ÈÊ äèàïàçîíàõ ñïåêòðà è âëèÿíèþ íà íèõ ïàðàìåòðîâ ïðèëîæåííûõ ýëåêòðè÷åñêèõ ïîëåé, à òàêæå óñëîâèé ìåæôàçíîãî âçàèìîäåéñòâèÿ ÆÊ ñ ïîâåðõíîñòüþ. Îñíîâíîé öåëüþ ðàáîòû ÿâëÿåòñÿ ñîâåðøåíñòâîâàíèå ìåòîäèê è îïòèìèçàöèÿ ïàðàìåòðîâ óïðàâëåíèÿ S- è òâèñò-ýôôåêòàìè â îïòè÷åñêèõ ìîäóëÿòîðàõ è ïîâûøåíèå èõ áûñòðîäåéñòâèÿ.
“Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 10, 2008
73
Îñîáåííîñòè íåìàòè÷åñêîãî ÆÊ ñ èíâåðñèåé çíàêà äèýëåêòðè÷åñêîé
àíèçîòðîïèè
Äâóõ÷àñòîòíûé íåìàòè÷åñêèé æèäêèé êðèñòàëë (Ä×ÍÆÊ) ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé ñìåñü ìîëåêóë ÆÊ ñ ïîëîæèòåëüíîé è îòðèöàòåëüíîé äèýëåêòðè÷åñêîé àíèçîòðîïèåé Δε = ε|| – ε⊥, ãäå ε|| è ε⊥ – äèýëåêòðè÷åñêèå ïðîíèöàåìîñòè, ïàðàëëåëüíàÿ è ïåðïåíäèêóëÿðíàÿ äëèííîé îñè ìîëåêóë.  Ä×ÍÆÊ Δε èçìåíÿåòñÿ îò ïîëîæèòåëüíûõ ïðè íèçêèõ ÷àñòîòàõ (Í×) äî îòðèöàòåëüíûõ çíà÷åíèé ïðè âûñîêèõ ÷àñòîòàõ (Â×). Ñ óâåëè÷åíèåì ÷àñòîòû êîëåáàíèé f ïðèëîæåííîãî ýëåêòðè÷åñêîãî ïîëÿ ε|| óìåíüøàåòñÿ, â òî âðåìÿ êàê ε⊥ îñòàåòñÿ ïîñòîÿííîé. Õàðàêòåðíîé îñîáåííîñòüþ Ä×ÍÆÊ ÿâëÿåòñÿ ñóùåñòâîâàíèå ïåðåõîäíîé (crossover) ÷àñòîòû fc, ïðè êîòîðîé èçìåíÿåòñÿ çíàê Δε. Äèðåêòîð ÆÊ (åäèíè÷íûé âåêòîð, ñîîòâåòñòâóþùèé îðèåíòàöèè äëèííîé îñè ìîëåêóë ÆÊ) îðèåíòèðóåòñÿ ïàðàëëåëüíî ïðèëîæåííîìó ýëåêòðè÷åñêîìó ïîëþ ïðè f < fc, â îáëàñòè Δε > 0 è ïåðïåíäèêóëÿðíî åìó, êîãäà f > fc â îáëàñòè Δε < 0.
 ðàáîòå èñïîëüçîâàëè ÆÊ-1001 (ÍÈÎÏÈÊ) ñ îïòè÷åñêîé àíèçîòðîïèåé Δn = 0,26 íà äëèíå âîëíû 632,8 íì è Δε = 4,43 (ε|| = 9,53 è ε⊥ = 5,1) íà ÷àñòîòå 1 êÃö [5]. Ïåðåõîäíóþ ÷àñòîòó ýòîãî Ä×ÍÆÊ îïðåäåëèëè èç çàâèñèìîñòåé ïîðîãà ýëåêòðîîïòè÷åñêîãî S-ýôôåêòà Ôðåäåðèêñà îò ÷àñòîòû ïðèêëàäûâàåìîãî ñèíóñîèäàëüíîãî íàïðÿæåíèÿ ñ ÷àñòîòîé 1 êÃö. Ïîðîãîâîìó (threshold) íàïðÿæåíèþ Uth S-ýôôåêòà ñîîòâåòñòâóåò íàïðÿæåíèå, ïðè êîòîðîì íà÷èíàåò èçìåíÿòüñÿ ïîëÿðíûé óãîë íàêëîíà äèðåêòîðà ÆÊ îòíîñèòåëüíî ïëîñêîñòè. Ýêñïåðèìåíòàëüíî ïîðîãîâîå íàïðÿæåíèå îïðåäåëÿëè ýêñòðàïîëÿöèåé ëèíåéíîãî ó÷àñòêà çàâèñèìîñòè ôàçîâîé çàäåðæêè îò íàïðÿæåíèÿ [6]. Áûëî ïîêàçàíî, ÷òî â èíòåðâàëå îò 100 Ãö äî 5000 Ãö Uth ñëàáî çàâèñèò îò ÷àñòîòû ïðèëîæåííîãî íàïðÿæåíèÿ. Âáëèçè ïåðåõîäíîé ÷àñòîòû Ä×ÍÆÊ ïðè Δε → 0 íàáëþäàëîñü ðåçêîå óâåëè÷åíèå ïîðîãà. Ìàêñèìóì çàâèñèìîñòè Uth îò f ñîîòâåòñòâîâàë fc = 10 êÃö Ä×ÍÆÊ [7].
Èññëåäóåìûå ýëåêòðîóïðàâëÿåìûå îïòè÷åñêèå ìîäóëÿòîðû ïðåäñòàâëÿëè ñîáîé ïëîñêèå ÿ÷åéêè, ñîñòîÿùèå èç äâóõ ïàðàëëåëüíûõ ñòåêëÿííûõ ïîäëîæåê, çàçîð ìåæäó êîòîðûìè çàïîëíåí ÆÊ. Íà ïîâåðõíîñòü ñòåêëÿííûõ ïîäëîæåê áûëè íàíåñåíû ïðîçðà÷íûå ïðîâîäÿùèå ýëåêòðîäíûå ñëîè íà îñíîâå îêèñëîâ èíäèÿ è îëîâà è îðèåíòèðóþùèé ñëîé. Áûëè èññëåäîâàíû äâà ìîäóëÿòîðà, ðàáîòàþùèå íà S-ýôôåêòå.  îäíîì èç íèõ áûë èñïîëüçîâàí îðèåíòèðóþùåé ñëîé, ïîëó÷åííûé íàêëîííûì íàïûëåíèåì ìîíîîêèñè ãåðìàíèÿ GeO â âàêóóìå, à â äðóãîì ïîâåðõíîñòü GeO áûëà äîïîëíèòåëüíî ïîêðûòà òîíêèì ñëîåì a-C:H, îñàæäåííûì èç ïàðîâ àöåòîíà â
Òàáëèöà 1. Õàðàêòåðèñòèêè ôàçîâûõ ìîäóëÿòîðîâ ñ Ä×ÍÆÊ íà äëèíå âîëíû 633 íì
Ìîäóëÿòîð
Îðèåíòèðóþùàÿ ïîâåðõíîñòü
d,
ìêì
ΔΦmax/2π
Uth, Â
θp, ãðàä
S-1 GeO 13 2,75 1,6 42
S-2 GeO/a-C:H 13,3 4,2 2,9 26
ïëàçìå òëåþùåãî ðàçðÿäà. Îñàæäåíèå ñëîÿ a-C:H ïðèâîäèò ê ñãëàæèâàíèþ íàíîðåëüåôà ïîâåðõíîñòè GeO è èçìåíåíèþ óñëîâèé ìåæôàçíîãî âçàèìîäåéñòâèÿ íà ãðàíèöå ñ ÆÊ [2]. Íàïðàâëåíèÿ îðèåíòàöèè äèðåêòîðà ÆÊ íà îáåèõ ïîäëîæêàõ áûëè àíòèïàðàëëåëüíû äëÿ ðåàëèçàöèè S-ýôôåêòà. Òîëùèíó çàçîðà ÿ÷ååê d çàäàâàëè ñ ïîìîùüþ ôòîðîïëàñòîâûõ ïðîêëàäîê. ß÷åéêè çàïîëíÿëè ÆÊ â íåìàòè÷åñêîé ôàçå â óñëîâèÿõ âàêóóìà.  òàáë. 1 ïðèâåäåíû õàðàêòåðèñòèêè ÆÊ ÿ÷ååê. Ìàêñèìàëüíîå çíà÷åíèå ôàçîâîé çàäåðæêè ΔΦmax îïðåäåëÿëè ýêñòðàïîëÿöèåé ëèíåéíîãî ó÷àñòêà çàâèñèìîñòè ΔΦ(1/U) ïðè 1/U → 0. Óãîë íàêëîíà äèðåêòîðà θp íàõîäèëè ïî çíà÷åíèþ ΔΦmax ñ ïîìîùüþ ðàñ÷åòíîé çàâèñèìîñòè ΔΦ îò óãëà íàêëîíà äèðåêòîðà äëÿ çàäàííîé òîëùèíû ñëîÿ ÆÊ [6].
Êàê âèäíî èç òàáë. 1, îñàæäåíèå íà ïîâåðõíîñòü GeO ñëîÿ a-C:H ïðèâîäèò íå òîëüêî ê ïîâûøåíèþ ïîðîãà S-ýôôåêòà Uth, íî è ê óìåíüøåíèþ íà÷àëüíîãî óãëà θp íàêëîíà äèðåêòîðà ÍÆÊ îò 42° äî 26° â ìîäóëÿòîðå S-2, êîòîðîå ïðèâîäèò ê óâåëè÷åíèþ â 1,5 ðàçà ΔΦmax/2π ïî ñðàâíåíèþ ñ ÿ÷åéêîé S-1.
Ìåòîäû óïðàâëåíèÿ ôàçîâîé ìîäóëÿöèåé è äèíàìè÷åñêèå õàðàêòåðèñòèêè
îïòè÷åñêèõ ìîäóëÿòîðîâ íà îñíîâå Ä×ÍÆÊ
 îïòè÷åñêèõ ôàçîâûõ ìîäóëÿòîðàõ ñâåòà ñ èñõîäíîé ïàðàëëåëüíîé îðèåíòàöèåé ìîëåêóë Ä×ÍÆÊ ïðîöåññ ïîäúåìà ïðîïóñêàíèÿ ïðîèñõîäèò â ðåçóëüòàòå SB-äåôîðìàöèè, ïðèâîäÿùåé ê óâåëè÷åíèþ óãëà íàêëîíà äèðåêòîðà îòíîñèòåëüíî ïîäëîæêè â ðåçóëüòàòå ïåðåîðèåíòàöèè äèïîëåé ìîëåêóë ÆÊ âäîëü íàïðàâëåíèÿ ýëåêòðè÷åñêîãî ïîëÿ. Îí ìîæåò áûòü îñóùåñòâëåí ïðè ïðèëîæåíèè ê ìîäóëÿòîðó ïîñòîÿííîãî èëè ïåðåìåííîãî Í×-íàïðÿæåíèÿ. Ïðîöåññ ñïàäà îïòè÷åñêîãî ïðîïóñêàíèÿ, ñâÿçàííûé ñ ðåëàêñàöèåé ìîëåêóë, ïðîèñõîäèò â ðåçóëüòàòå BS-äåôîðìàöèè ïðè ïðèëîæåíèè ïåðåìåííîãî Â×-íàïðÿæåíèÿ.  ðàáîòå [8] áûëè ïðîâåäåíû ýêñïåðèìåíòàëüíûå èññëåäîâàíèÿ äèíàìèêè S-ýôôåêòà Ä×ÍÆÊ íà äëèíå âîëíû 633 íì. Ïðèìåíåíèå ðàçíûõ ñõåì óïðàâëåíèÿ ïåðåîðèåíòàöèåé äèðåêòîðà ìîëåêóë â ïîñòîÿííîì è ïåðåìåííîì ýëåêòðè÷åñêîì ïîëå ïîêàçàëî ñóùåñòâåííîå âëèÿíèå ìåòîäà óïðàâ-
74 “Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 10, 2008
ëåíèÿ äâóõ÷àñòîòíûì ýôôåêòîì íà âðåìÿ ïîäúåìà è ñïàäà îïòè÷åñêîãî ïðîïóñêàíèÿ.
Âðåìÿ ýëåêòðîîïòè÷åñêîãî îòêëèêà ÆÊ ÿâëÿåòñÿ îäíîé èç îñíîâíûõ õàðàêòåðèñòèê âñåõ ÆÊ-óñòðîéñòâ. Ñóììàðíîå âðåìÿ îòêëèêà ÍÆÊ çàâèñèò â áîëüøåé ìåðå îò âðåìåíè ñïàäà ïðîïóñêàíèÿ τoff, îáóñëîâëåííîãî ïðîöåññîì ðåëàêñàöèè ìîëåêóë ïîñëå ïðåêðàùåíèÿ äåéñòâèÿ ýëåêòðè÷åñêîãî ïîëÿ, êîòîðîå ïðîïîðöèîíàëüíî âÿçêîñòè γ1 è êâàäðàòó òîëùèíû d ñëîÿ è îáðàòíî ïðîïîðöèîíàëüíî êîíñòàíòå óïðóãîñòè ÆÊ. Âðåìÿ ïîäúåìà ïðîïóñêàíèÿ τon ïðè ïåðåîðèåíòàöèè ìîëåêóëÿðíûõ äèïîëåé ïîä äåéñòâèåì ýëåêòðè÷åñêîãî ïîëÿ âûðàæàåòñÿ ôîðìóëîé
τon
=
4πγ1 Δε( f1)
(U
d2
2
−
U
2 th
)
,
(1)
ãäå U – ïðèëîæåííîå ýôôåêòèâíîå íàïðÿæåíèå.  ñëó÷àå Ä×ÍÆÊ ÷àñòîòà ïðèëîæåííîãî íàïðÿæå-
7
6
5
43 2
1
Ðèñ. 1. Ñòåíä äëÿ èçìåðåíèÿ õàðàêòåðèñòèê ÆÊìîäóëÿòîðîâ â èíòåðâàëå äëèí âîëí 0,65–1,55 ìêì. 1 – ïîëóïðîâîäíèêîâûé ëàçåðíûé ñâåòîäèîä, 2 – êîëëèìàòîð, 3 è 5 – ïðèçìåííûå ÆÊ-ïîëÿðèçàòîðû, 4 – ÆÊ-ìîäóëÿòîð, 6 – ôèëüòðû, 7 – ôîòîäèîä.
íèÿ äîëæíà áûòü f1 < fc . Äëÿ ïåðåêëþ÷åíèÿ ïîëÿðíîãî óãëà íàêëîíà äèðåêòîðà â Ä×ÍÆÊ â èñõîäíîå ñîñòîÿíèå ïóòåì ïðèëîæåíèÿ íàïðÿæåíèÿ ñ f2 > fc âðåìÿ τoff ìîæåò áûòü îïèñàíî ôîðìóëîé (1) ñ ñîîòâåòñòâóþùèì ìîäóëåì çíà÷åíèÿ Δε( f2) < 0. Âðåìÿ ñïàäà ïðîïóñêàíèÿ ýëåêòðîîïòè÷åñêîãî îòêëèêà Ä×ÍÆÊ, óïðàâëÿåìîãî ïðèëîæåííûì íàïðÿæåíèåì, áóäåò âñåãäà ìåíüøå, ÷åì âðåìÿ åñòåñòâåííîé ðåëàêñàöèè.
Äëÿ èçìåðåíèÿ îïòè÷åñêèõ è äèíàìè÷åñêèõ õàðàêòåðèñòèê èññëåäóåìûõ ÆÊ-ìîäóëÿòîðîâ â ðàáîòå ïðèìåíÿëè äâå îïòè÷åñêèå ñõåìû: ñ èñïîëüçîâàíèåì He–Ne-ëàçåðà ñ äëèíîé âîëíû 633 íì [6] è ñ ïîëóïðîâîäíèêîâûìè ëàçåðíûìè ìîäóëÿìè LFO ôèðìû ÔÒÈ-Îïòðîíèê ñ äëèíîé âîëíû 0,65 è 1,55 ìêì. Ñòåíä äëÿ èçìåðåíèÿ ïî ïîñëåäíåé ñõåìå ïîêàçàí íà ðèñ. 1. Çäåñü â êà÷åñòâå àíàëèçàòîðà è ïîëÿðèçàòîðà áûëè èñïîëüçîâàíû ïðèçìåííûå ÆÊ-ïîëÿðèçàòîðû 3 è 5, ðàáîòàþùèå â øèðîêîì èíòåðâàëå ñïåêòðà. Ïîëÿðèçàòîðû íàõîäèëèñü â ñêðåùåííîì ïîëîæåíèè îòíîñèòåëüíî äðóã äðóãà. Ñèãíàë ïîñëå àíàëèçàòîðà 5 ïîïàäàë íà ôîòîäèîä 7 è ðåãèñòðèðîâàëñÿ ñ ïîìîùüþ öèôðîâîãî îñöèëëîãðàôà GDS-820s, ñîåäèíåííîãî ñ êîìïüþòåðîì.  òàáë. 2 ïðèâåäåíû ðåçóëüòàòû èçìåðåíèÿ äèíàìè÷åñêèõ õàðàêòåðèñòèê èññëåäóåìûõ ôàçîâûõ Ä×ÍÆÊ-ìîäóëÿòîðîâ, ïîëó÷åííûå íà äëèíå âîëíû 633 íì ïðè ïðèìåíåíèè ðàçíûõ ñõåì óïðàâëåíèÿ ïåðåîðèåíòàöèåé äèïîëåé ÆÊìîëåêóë â ýëåêòðè÷åñêîì ïîëå.  ðàáîòå èñïîëüçîâàëè ñëåäóþùèå ñõåìû óïðàâëåíèÿ:
1) – äëÿ ïîäúåìà ïðîïóñêàíèÿ ê ìîäóëÿòîðó ïðèêëàäûâàëè ïàêåò ñèíóñîèäàëüíûõ Í×-êîëåáàíèé ñ ÷àñòîòîé 1 êÃö, íàïðÿæåíèåì Ulf (lf – low frequency) è äëèòåëüíîñòüþ τlf, à ñïàä ïðîèñõîäèë â ðåçóëüòàòå åñòåñòâåííîé ðåëàêñàöèè;
2) – äëÿ ïîäúåìà ïðîïóñêàíèÿ ê ìîäóëÿòîðó ïðèêëàäûâàëè ïàêåò ñèíóñîèäàëüíûõ Í×-êîëåáàíèé ñ ÷àñòîòîé 1 êÃö, àìïëèòóäîé íàïðÿæåíèÿ Ulf è äëèòåëüíîñòüþ τlf, à äëÿ óñêîðåíèÿ ñïàäà ïîäàâàëè ïàêåò Â×-ñèíóñîèäàëüíûõ êîëåáàíèé ñ ÷àñòîòîé
Òàáëèöà 2. Äèíàìè÷åñêèå õàðàêòåðèñòèêè ôàçîâûõ ìîäóëÿòîðîâ ñ Ä×ÍÆÊ íà äëèíå âîëíû 633 íì, ïîëó÷åííûå â ðàçíûõ ñõåìàõ ýëåêòðîóïðàâëåíèÿ
¹ îïûòà Ìîäóëÿòîð Ñõåìû óïðàâëåíèÿ
Ulf, U0, Â
τon, ìñ
Uhf, Â
τoff, ñ
1 S-1 2 S-1 3 S-1 4 S-2 5 S-2 6 S-2 7 S-2
1) 2) 3) 1) 2) 2) 3)
32 150
0
2,5
32 150 36
1
30 15 15 0,6
32 90 0 2,5
32 90 36 0,25
27 250 45
0,1
45 6 33 0,6
“Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 10, 2008
75
30 êÃö, àìïëèòóäîé íàïðÿæåíèÿ Uhf (hf – high frequency) è äëèòåëüíîñòüþ τhf;
3) – äëÿ ïîäúåìà ïðîïóñêàíèÿ ïîäàâàëè ïðÿìîóãîëüíûé èìïóëüñ ïîñòîÿííîãî òîêà ñ íàïðÿæåíèåì U0 è äëèòåëüíîñòüþ τ0, à äëÿ ñïàäà ïðîïóñêàíèÿ ê ìîäóëÿòîðó ïðèêëàäûâàëè ïàêåò Â×-ñèíóñîèäàëüíûõ êîëåáàíèé, êàê â ñõåìå 2).
Âðåìåíà ïîäúåìà τon è ñïàäà τoff ïðîïóñêàíèÿ îïðåäåëÿëè èç îñöèëëîãðàìì ïî óðîâíÿì 0,1–0,9 ìàêñèìàëüíîé èíòåíñèâíîñòè ñâåòà, ïîøåäøåãî ÷åðåç ìîäóëÿòîð. Àìïëèòóäû óïðàâëÿþùèõ íàïðÿæåíèé è èõ äëèòåëüíîñòü áûëè ïîäîáðàíû òàêèì îáðàçîì, ÷òîáû âðåìÿ âîçâðàùåíèÿ ìîëåêóë â èñõîäíîå ñîñòîÿíèå τoff ñîâïàäàëî ñ äëèòåëüíîñòüþ äåéñòâèÿ Â×-ïîëÿ, ò. å. â ñõåìàõ óïðàâëåíèÿ 2) è 3) τhf = τoff. Êàê âèäíî èç òàáë. 2, èñïîëüçîâàíèå ñõåìû (2) ïîçâîëèëî ñíèçèòü τoff â 4 è 10 ðàç (îïûòû ¹ 2 è ¹ 5) ïî ñðàâíåíèþ ñ âðåìåíåì åñòåñòâåííîé óïðóãîé ðåëàêñàöèè (¹ 1 è ¹ 4). Ïðèëîæåíèå ïðÿìîóãîëüíîãî èìïóëüñà íàïðÿæåíèÿ äëÿ ïîäúåìà ïðîïóñêàíèÿ ïðèâîäèò ê óìåíüøåíèþ âðåìåíè τon â 10 ðàç (îïûòû ¹ 2 è ¹ 3). Ñëåäóåò îòìåòèòü, ÷òî ïðè ýòîì â ìîäóëÿòîðå S-1 ïîíèæàåòñÿ è âðåìÿ τoff, â òî âðåìÿ êàê äëÿ ìîäóëÿòîðà S-2 îíî óâåëè÷èâàåòñÿ. Ýòî ìîæåò áûòü ñâÿçàíî ñ ðàçíûìè óñëîâèÿìè íà ìåæôàçíîé ãðàíèöå ñ ÆÊ. Ïîâûøåíèå íàïðÿæåíèÿ U0 äî 45  ïîçâîëèëî ñíèçèòü âðåìÿ τon äî 6 ìñ (¹ 7, òàáë. 2).
Íà ðèñ. 2 ïðèâåäåíû çàâèñèìîñòè âðåìåíè ñïàäà îïòè÷åñêîãî ïðîïóñêàíèÿ äëÿ ìîäóëÿòîðîâ S-1 è S-2 íà äëèíå âîëíû 633 íì îò êâàäðàòà ýôôåêòèâíîãî íàïðÿæåíèÿ ïðèëîæåííîãî Â×-ïîëÿ ñ ÷àñòîòîé
30 êÃö, ïðè Ulf = 32  è óñëîâèè τoff = τhf, ò. å. ïîëå äåéñòâóåò äî ìîìåíòà âîññòàíîâëåíèÿ íà÷àëüíîãî ïðîïóñêàíèÿ. Ïîëó÷åííûå çàâèñèìîñòè ñâèäåòåëüñòâóþò î âîçìîæíîñòè óïðàâëåíèÿ ðåëàêñàöèîííûì ïðîöåññîì â Ä×ÍÆÊ ïóòåì óâåëè÷åíèÿ àìïëèòóäû íàïðÿæåíèÿ Â×-ïîëÿ, â ñîîòâåòñòâèè ñ ôîðìóëîé (1). Äëÿ óïðàâëåíèÿ ñïàäîì ïðîïóñêàíèÿ â ìîäóëÿòîðå S-1 (êðèâàÿ 1) òðåáóþòñÿ áîëåå íèçêèå íàïðÿæåíèÿ ïî ñðàâíåíèþ ñ ìîäóëÿòîðîì S-2 (êðèâàÿ 2). Ïðè÷èíîé ýòîãî ïðè îäèíàêîâîé òîëùèíå ñëîÿ ÆÊ (òàáë. 1) ìîæåò áûòü áîëåå ñëàáîå ñöåïëåíèå â ðåçóëüòàòå àíèçîòðîïíî-óïðóãîãî âçàèìîäåéñòâèÿ ÆÊ íà ìåæôàçíîé ãðàíèöå ñ îðèåíòèðóþùèì ñëîåì GeO, î ÷åì ñâèäåòåëüñòâóåò áîëåå íèçêèé ïîðîã Uth äëÿ ìîäóëÿòîðà S-1 (òàáë. 1).
Íàáëþäàåìûå ðàçëè÷èÿ äèíàìèêè ñïàäà ïðîïóñêàíèÿ â ìîäóëÿòîðàõ S-1 è S-2 ìîãóò áûòü âûçâàíû ãåíåðàöèåé îñòàòî÷íîãî íàïðÿæåíèÿ ïðè ïðèëîæåíèè ïîñòîÿííîãî ýëåêòðè÷åñêîãî ïîëÿ ê ñëîþ ÍÆÊ â ðåçóëüòàòå ïðîöåññîâ àäñîðáöèè è äåñîðáöèè èîííûõ çàðÿäîâ íà ìåæôàçíîé ãðàíèöå [9]. Ýëåêòðè÷åñêèé ïîòåíöèàë àäñîðáèðîâàííûõ èîííûõ çàðÿäîâ çàâèñèò íå òîëüêî îò ñâîéñòâ ÍÆÊ, íî è îò ýëåêòðè÷åñêèõ ñâîéñòâ îðèåíòèðóþùåé ïîâåðõíîñòè. Ìîæíî îæèäàòü, ÷òî â ìîäóëÿòîðå S-2 èíäóöèðóåìûé ïîòåíöèàë áóäåò âûøå èç-çà áîëåå âûñîêîãî óäåëüíîãî ñîïðîòèâëåíèÿ ñëîÿ a-C:H íà ãðàíèöå ðàçäåëà ñ Ä×ÍÆÊ.
Íà ðèñ. 3 ïðèâåäåíà îñöèëëîãðàììà ýëåêòðîîïòè÷åñêîãî îòêëèêà Ä×ÍÆÊ íà äëèíå âîëíû 1,55 ìêì, ïîëó÷åííàÿ äëÿ ìîäóëÿòîðà S-2 ñ òîëùèíîé ñëîÿ ÆÊ 13 ìêì, ïðè èñïîëüçîâàíèè ñõåìû óï-
0,9 0,1
τoff, c 1,0 0,8 0,6
0,4
2 1
T (à)
U (á)
τon τoff
2,5 ìñ
U0 Uphp
0,2 0 200 400 600 U2, B2
Ðèñ. 2. Çàâèñèìîñòè âðåìåíè ñïàäà îïòè÷åñêîãî ïðîïóñêàíèÿ íà äëèíå âîëíû 632 íì îò êâàäðàòà ýôôåêòèâíîãî íàïðÿæåíèÿ, ïðèëîæåííîãî ê ìîäóëÿòîðàì S-1 (1) è S-2 (2) ñ ÷àñòîòîé 30 êÃö, ïðè Ulf = 32  è óñëîâèè τoff = τhf.
76
0 τ
τ0 τhf Ðèñ. 3. Îñöèëëîãðàììà ýëåêòðîîïòè÷åñêîãî îòêëèêà T ìîäóëÿòîðà S-2 ïðè ôàçîâîé çàäåðæêå 2π íà äëèíå âîëíû 1,55 ìêì (à), ïîëó÷åííàÿ ïðè èçìåíåíèè óïðàâëÿþùèõ íàïðÿæåíèé (á). U0 = 45 B è Uhf = 70 B. Òîëùèíà ñëîÿ Ä×ÍÆÊ 13,3 ìêì.
“Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 10, 2008
ðàâëåíèÿ 3). Ïðè ïðèëîæåíèè ïðÿìîóãîëüíîãî èìïóëüñà íàïðÿæåíèÿ ïîñòîÿííîãî òîêà ñ àìïëèòóäîé 45  âðåìÿ ïîäúåìà ïðîïóñêàíèÿ ñ ôàçîâîé çàäåðæêîé 2π ñîñòàâëÿëî 2 ìñ. Âðåìÿ ñïàäà ïðîïóñêàíèÿ â ðåçóëüòàòå ðåëàêñàöèè ÆÊ ïðè ïîäà÷å Â×-íàïðÿæåíèÿ ñ àìïëèòóäîé 70  ñîñòàâèëî 17 ìñ. Ìàêñèìàëüíî âîçìîæíàÿ ôàçîâàÿ çàäåðæêà â òàêîì ìîäóëÿòîðå ìîæåò äîñòèãàòü 8π (òàáë. 1). Âðåìÿ τoff = = 18 ìñ áûëî ïîëó÷åíî â ãèáðèäíî-îðèåíòèðîâàííîé ÿ÷åéêå ñ òîëùèíîé Ä×ÍÆÊ ñëîÿ â äâà ðàçà ìåíüøå (8,5 ìêì) ñ ôàçîâîé çàäåðæêîé, ðàâíîé π íà äëèíå âîëíû 1,55 ìêì [10].
Ðåçóëüòàòû èññëåäîâàíèé ñâèäåòåëüñòâóþò î òîì, ÷òî äèíàìèêà ïðîöåññà ðåëàêñàöèè ïðè äâóõ÷àñòîòíîì ýôôåêòå ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé ñëîæíûé ïðîöåññ, íà êîòîðûé âëèÿþò êàê âíåøíèå ôàêòîðû (ãðàíè÷íûå óñëîâèÿ, ïàðàìåòðû óïðàâëÿþùèõ ýëåêòðè÷åñêèõ ïîëåé), òàê è ñëîæíûå ýëåêòðîôèçè÷åñêèå ïðîöåññû, ïðîèñõîäÿùèå â ñëîå ÆÊ. Ñðàâíåíèå ðàçíûõ ìåòîäîâ óïðàâëåíèÿ äâóõ÷àñòîòíûì ýôôåêòîì â ôàçîâûõ ìîäóëÿòîðàõ íà äëèíå âîëíû 633 íì ïîêàçàëî ýôôåêòèâíîñòü óïðàâëåíèÿ ïîäúåìîì ïðîïóñêàíèÿ ïðè SB-äåôîðìàöèè Ä×ÍÆÊ ïóòåì ïðèëîæåíèÿ ïðÿìîóãîëüíîãî èìïóëüñà íàïðÿæåíèÿ ïîñòîÿííîãî òîêà.
Äèíàìè÷åñêèå õàðàêòåðèñòèêè àìïëèòóäíûõ Ä×ÍÆÊ-ìîäóëÿòîðîâ,
ðàáîòàþùèõ íà òâèñò-ýôôåêòå
Èñïîëüçîâàíèå ýëåêòðîîïòè÷åñêîãî òâèñò-ýôôåêòà â óñòðîéñòâàõ ñ Ä×ÍÆÊ ïîçâîëÿåò ñóùåñòâåííî ïîâûñèòü èõ áûñòðîäåéñòâèå [4]. Îäíèì èç ôàêòîðîâ, îêàçûâàþùèõ âëèÿíèå íà äèíàìèêó ýëåêòðîîïòè÷åñêîãî îòêëèêà ÆÊ, ÿâëÿåòñÿ íà÷àëüíûé óãîë íàêëîíà äèðåêòîðà, êîòîðûé çàâèñèò îò óñëîâèé âçàèìîäåéñòâèÿ ÆÊ ñ îðèåíòèðóþùåé ïîâåðõíîñòüþ. Óâåëè÷åíèå óãëà íàêëîíà è óìåíüøåíèå ýíåðãèè ñöåïëåíèÿ ÆÊ ñ ïîâåðõíîñòüþ ñïîñîáñòâóþò óñêîðåíèþ ïðîöåññà ïåðåîðèåíòàöèè äèïîëåé ìîëåêóë ïðè òâèñò-äåôîðìàöèè íåìàòèêà.
×òîáû ñðàâíèòü äèíàìè÷åñêèå õàðàêòåðèñòèêè ìîäóëÿòîðîâ ñ ðàçíûìè íà÷àëüíûìè óãëàìè íàêëîíà äèðåêòîðà, áûëè èñïîëüçîâàíû îðèåíòèðóþùèå ñëîè GeO, îáåñïå÷èâàþùèå áîëüøîé óãîë íàêëîíà, è êîìáèíàöèÿ GeO ñî ñëîåì a-C:H, ïîíèæàþùàÿ åãî. Íàïðàâëåíèÿ îðèåíòàöèè äèðåêòîðà ìîëåêóë íà ïðîòèâîïîëîæíûõ ïîâåðõíîñòÿõ, îãðàíè÷èâàþùèõ ñëîé ÆÊ â ìîäóëÿòîðàõ, ðàáîòàþùèõ íà òâèñò-ýôôåêòå, áûëè îðòîãîíàëüíûìè. Äëÿ ïîëó÷åíèÿ ìàêñèìàëüíîãî êîíòðàñòà íà äëèíå âîëíû 1,55 ìêì ìèíèìàëüíàÿ òîëùèíà ñëîÿ Ä×ÍÆÊ, èñïîëüçóåìîãî â ýòîé ðàáîòå, äîëæíà áûòü áîëåå 6,3 ìêì [11].
Óïðàâëåíèå òâèñò-ýôôåêòîì â Ä×ÍÆÊ îñóùåñòâëÿëîñü ñ ïîìîùüþ ìåòîäèêè, îñíîâàííîé íà
“Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 10, 2008
ïðèëîæåíèè ê ÆÊ-ÿ÷åéêàì ïîñòîÿííîãî è ïåðåìåííûõ Í×- è Â×-ýëåêòðè÷åñêèõ ïîëåé â îïðåäåëåííîé ïîñëåäîâàòåëüíîñòè [11]. Íà ðèñ. 4à ïîêàçàíà îñöèëëîãðàììà ýëåêòðîîïòè÷åñêîãî îòêëèêà Ä×ÍÆÊ ìîäóëÿòîðà, ðàáîòàþùåãî íà òâèñò-ýôôåêòå, ïîëó÷åííàÿ â îïòèìàëüíîì ðåæèìå óïðàâëåíèÿ. Èçìåíåíèå àìïëèòóäû è äëèòåëüíîñòè óïðàâëÿþùèõ íàïðÿæåíèé, ïðèëîæåííûõ ê ìîäóëÿòîðó, ïîêàçàíû íà ðèñ. 4á. Äëÿ ïåðåêëþ÷åíèÿ èç èñõîäíîãî ñîñòîÿíèÿ “off”, êîãäà U = 0, â ñîñòîÿíèå “on” íà ìîäóëÿòîð ïîäàâàëè ïðÿìîóãîëüíûé èìïóëüñ íàïðÿæåíèÿ U0 ïîñòîÿííîãî òîêà äëèòåëüíîñòüþ τ0. Ïðîïóñêàíèå ÆÊ-ÿ÷åéêè ïðè ýòîì ïàäàëî, êàê âèäíî íà ðèñ. 4a. Çàòåì äëÿ ïîääåðæàíèÿ ïðîïóñêàíèÿ ÆÊÿ÷åéêè â ñîñòîÿíèè “on” ïîäàâàëñÿ ïàêåò ñèíóñîèäàëüíûõ Í×-êîëåáàíèé ñ ÷àñòîòîé 1 êÃö, àìïëèòóäîé Ulf è äëèòåëüíîñòüþ τlf . Ïåðåêëþ÷åíèå ÆÊÿ÷åéêè èç ñîñòîÿíèÿ “on” â èñõîäíîå ñîñòîÿíèå “off” îñóùåñòâëÿëè ïóòåì ïîäà÷è ïàêåòà ñèíóñîèäàëüíûõ Â×-êîëåáàíèé ñ ÷àñòîòîé 30 êÃö, àìïëèòóäîé Uhf è äëèòåëüíîñòüþ τhf.  ðåçóëüòàòå ýòîãî ïðîïóñêàíèå ÆÊ-ÿ÷åéêè Ò âîçâðàùàëîñü ê ïåðâîíà÷àëüíîìó çíà÷åíèþ (ðèñ. 4a). Îïðåäåëåíèå âðåìåí τon è τoff ïåðåêëþ÷åíèÿ ïðîïóñêàíèÿ ïðè òâèñò-ýôôåêòå ïîêàçàíî íà ðèñ. 4a. Àìïëèòóäû è äëèòåëüíîñòè óïðàâëÿþùèõ íàïðÿæåíèé äëÿ êàæäîé èç èññëåäîâàííûõ ÆÊ-ÿ÷ååê ïîäáèðàëè ýêñïåðèìåíòàëüíî ñ öåëüþ ïîëó÷åíèÿ ìèíèìàëüíûõ âðåìåí ïåðåêëþ÷åíèÿ.
0,9 0,1
T τon (à)
τoff
U U0
2,5 ìñ
Uhf
(á) Ulf
0 τ
τ0 τlf τhf Ðèñ. 4. Îñöèëëîãðàììà ýëåêòðîîïòè÷åñêîãî îòêëèêà ÆÊ-ìîäóëÿòîðà Ò-2, ðàáîòàþùåãî íà òâèñò-ýôôåêòå íà äëèíå âîëíû 1,55 ìêì (à), è èçìåíåíèå ïðè ýòîì óïðàâëÿþùèõ íàïðÿæåíèé (á). U0 = 30 Â, τ0 = 10 ìñ, Ulf = 10 Â, τlf = 20 ìñ, Uhf = 60 Â, τhf = 2,5 ìñ.
77
Òàáëèöà. 3. Äèíàìè÷åñêèå õàðàêòåðèñòèêè Ä×ÍÆÊ-ìîäóëÿòîðîâ, ðàáîòàþùèõ íà òâèñò-ýôôåêòå íà äëèíå âîëíû 1,55 ìêì, è ïàðàìåòðû óïðàâëÿþùèõ íàïðÿæåíèé ïðè ïîñòîÿííûõ çíà÷åíèÿõ U0 = 30 Â, τ0 = 10 ìñ
Îðèåíòèðóþùèå ¹ ïîâåðõíîñòè ìîäóëÿòîðà
1-ÿ ïîäëîæêà 1-ÿ ïîäëîæêà
d, ìêì
Ulf, Â
τon, ìñ
Uhf, Â
τoff, ìñ
Ò-1 GeO GeO 6,2
Ò-1 GeO GeO 6,2
Ò-2 GeO/a-C:H GeO/a-C:H 6,93
Ò-3 GeO/a-C:H
GeO
7
Ò-3 GeO/a-C:H
GeO
7
15 15 10 20 20
2,5 2,5 3 1,5 1,5
15 20 20 24 45
25 20 10 20 5
Âðåìåíà âêëþ÷åíèÿ ìîäóëÿòîðîâ áûëè â èíòåðâàëå 1,5–3 ìñ íà äëèíå âîëíû 1,55 ìêì ïðè U0 = 30 Â, τ0 = 10 ìñ (ñì. òàáë. 3). Âëèÿíèå ãðàíè÷íûõ óñëîâèé, îáóñëîâëåííûõ ñâîéñòâàìè îðèåíòèðóþùåé ïîâåðõíîñòè, òðåáóåò ïðèëîæåíèÿ ê ìîäóëÿòîðàì Í×- è Â×-ïîëåé ñ ðàçíîé àìïëèòóäîé, ÷òî èëëþñòðèðóþò äàííûå òàáë. 3.  ìîäóëÿòîðå Ò-3 ñ àñèììåòðè÷íûìè ãðàíè÷íûìè óñëîâèÿìè áûëè ïîëó÷åíû íàèìåíüøèå âðåìåíà τon è τoff.
Íà ðèñ. 5 ïðèâåäåíû ýêñïåðèìåíòàëüíûå çàâèñèìîñòè âðåìåíè τon îò àìïëèòóäû ïðèëîæåííîãî ïðÿìîóãîëüíîãî èìïóëüñà íàïðÿæåíèÿ ïîñòîÿííî-
ãî òîêà U0 ïðè ïîñòîÿííîé äëèòåëüíîñòè τ0 = 10 ìñ, ïîëó÷åííûå äëÿ ìîäóëÿòîðà Ò-3. Êðèâàÿ 1 ñîîòâåòñòâóåò çíà÷åíèÿì τon äëÿ λ = 0,65 ìêì, à êðèâàÿ 2 – λ = 1,55 ìêì. Ïåðåîðèåíòàöèÿ äèïîëåé ìîëåêóë ÆÊ ïðè òâèñò-ýôôåêòå èç èñõîäíîãî ñîñòîÿíèÿ “off ” ñ óãëîì íàêëîíà äèðåêòîðà θp â âåðòèêàëüíîå ïîëîæåíèå “on” ïðîèñõîäèò â ïÿòü ðàç áûñòðåå. Ïðè óâåëè÷åíèè àìïëèòóäû U0 â èíòåðâàëå îò 10 äî 50  âðåìÿ τon èçìåíÿåòñÿ îò 1,5 äî 0,3 ìñ. Ìèêðîñåêóíäíûé äèàïàçîí ðàáîòû ÆÊ-ìîäóëÿòîðà ìîæåò áûòü îñóùåñòâëåí ïðè ôàçîâîé çàäåðæêå íà äëèíå âîëíû 1,55 ìêì îêîëî π [11].
τon, ìc
1 1
2
10 20 30 40 U0, B Ðèñ. 5. Ýêñïåðèìåíòàëüíûå çàâèñèìîñòè τon îò U0, ïîëó÷åííûå äëÿ ÆÊ-ìîäóëÿòîðà Ò-3, ðàáîòàþùåãî íà òâèñò-ýôôåêòå íà äëèíàõ âîëí 0,65 (a) è 1,55 ìêì (á). Òîëùèíà ñëîÿ Ä×ÍÆÊ 7 ìêì. 78
Ïóòè îïòèìèçàöèè ðàáîòû îïòè÷åñêèõ ìîäóëÿòîðîâ íà îñíîâå äâóõ÷àñòîòíîãî
íåìàòè÷åñêîãî ÆÊ
Ôàçîâàÿ çàäåðæêà â îïòè÷åñêèõ ÆÊ-ìîäóëÿòîðàõ äëÿ òåëåêîììóíèêàöèîííûõ ñèñòåì äîëæíà áûòü, ïî êðàéíåé ìåðå, ðàâíà π. Ïðè ðàçðàáîòêå ìîäóëÿòîðîâ ñëåäóåò ïîìíèòü, ÷òî äâà ïàðàìåòðà – ìàêñèìàëüíàÿ ôàçîâàÿ çàäåðæêà ΔΦmax è ñêîðîñòè ïåðåêëþ÷åíèÿ 1/τon è 1/τoff, çàâèñÿò îò òîëùèíû ÆÊñëîÿ.  ñîîòâåòñòâèè ñ ôîðìóëîé (1), ÷åì ìåíüøå òîëùèíà ñëîÿ Ä×ÍÆÊ, òåì âûøå ñêîðîñòü ïåðåêëþ÷åíèÿ, òàê êàê τon è τoff ïðÿìî ïðîïîðöèîíàëüíû êâàäðàòó òîëùèíû ÆÊ-ñëîÿ, â òî âðåìÿ êàê ìàêñèìàëüíàÿ ôàçîâàÿ çàäåðæêà ïðîïîðöèîíàëüíà òîëùèíå ñîãëàñíî ñîîòíîøåíèþ
ΔΦmax = 2πd Δn/λ.
(2)
Ìèíèìàëüíàÿ òîëùèíà ñëîÿ ÆÊ îïðåäåëÿåòñÿ óñëîâèåì Ìîãåíà è äîëæíà ñîîòâåòñòâîâàòü dmin = = λ/Δn. Äâóëó÷åïðåëîìëåíèå ÍÆÊ çàâèñèò îò äëèíû âîëíû è ïðè ïåðåõîäå â áëèæíþþ ÈÊ-îáëàñòü îïòè÷åñêàÿ àíèçîòðîïèÿ ìîæåò ñíèæàòüñÿ íà 15–20% ïî ñðàâíåíèþ ñ Δn äëÿ âèäèìîé îáëàñòè ñïåêòðà [12]. Ïî íàøèì îöåíêàì, äëÿ Ä×ÍÆÊ, èñïîëüçóåìîãî â ýòîé ðàáîòå, â èíòåðâàëå äëèí âîëí 0,86–1,55 ìêì Δn = 0,22. Òîãäà òîëùèíà ñëîÿ
“Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 10, 2008
Ä×ÍÆÊ â ôàçîâîì ìîäóëÿòîðå äîëæíà áûòü íå ìåíåå 7 ìêì. Åñëè ïðåíåáðå÷ü ìåæôàçíûì âçàèìîäåéñòâèåì è íå ó÷èòûâàòü ïîðîãîâîå íàïðÿæåíèå, äëÿ Ä×ÍÆÊ ñ γ1 = 0,377 H ñ/ì2 è Δε = 4,43, ïî îöåíî÷íûì ðàñ÷åòàì â ñîîòâåòñòâèè ñ ôîðìóëîé (1) ïðè ïîäà÷å íà ÿ÷åéêó òîëùèíîé 7 ìêì íàïðÿæåíèÿ 30  τon ≈ 7 ìñ. Òàê êàê âðåìÿ τon îáðàòíî ïðîïîðöèîíàëüíî êâàäðàòó íàïðÿæåíèÿ, òî óìåíüøèòü âðåìÿ äî 1 ìñ ìîæíî, åñëè óâåëè÷èòü U áîëåå, ÷åì â äâà ðàçà. Äëÿ Ä×ÍÆÊ âðåìÿ τoff ìîæíî óìåíüøàòü òàê æå, êàê τon – ïóòåì ïîâûøåíèÿ àìïëèòóäû Â×-íàïðÿæåíèÿ, ïðèëîæåííîãî ê ìîäóëÿòîðó. Ðåçóëüòàòû ýêñïåðèìåíòà ñâèäåòåëüñòâóþò î òîì, ÷òî τoff, êàê ïðàâèëî, âûøå τon. Ýòî ìîæåò áûòü âûçâàíî ýëåêòðîãèäðîäèíàìèêîé ïðîöåññà ïåðåîðèåíòàöèè êîìïîíåíòîâ ñìåñè ñ ðàçíîé äèýëåêòðè÷åñêîé àíèçîòðîïèåé, õàðàêòåðíîé äëÿ Ä×ÍÆÊ.
Îïòèìèçàöèÿ ñõåìû óïðàâëåíèÿ äâóõ÷àñòîòíûì ýôôåêòîì ïóòåì âêëþ÷åíèÿ ñïåöèàëüíûõ êîðîòêèõ èìïóëüñîâ âûñîêîé àìïëèòóäû îáåèõ óïðàâëÿþùèõ ÷àñòîò äëÿ áûñòðîé ïåðåîðèåíòàöèè äèðåêòîðà ïîçâîëèëà àâòîðàì ðàáîòû [13] ýêñïåðèìåíòàëüíî ïîëó÷èòü âðåìÿ ïåðåêëþ÷åíèÿ äî 0,5 ìñ ïðè àìïëèòóäå 100 Â. Ïîäà÷à êîðîòêèõ èìïóëüñîâ íàïðÿæåíèÿ ñ âûñîêîé àìïëèòóäîé èíèöèèðóåò áûñòðóþ ïåðåîðèåíòàöèþ äèðåêòîðà â Í×- è Â×-ïîëÿõ, íî ìîæåò ïðèâîäèòü ê ýëåêòðè÷åñêîìó ïðîáîþ ÆÊ-ìîäóëÿòîðà.  òî æå âðåìÿ âûñîêèå àìïëèòóäû ïðèëîæåííîãî íàïðÿæåíèÿ ìîãóò âûçûâàòü èçáûòî÷íîå âðàùåíèå ìîëåêóë ïðè óâåëè÷åíèè óãëà íàêëîíà äèðåêòîðà ÍÆÊ. Ïóòåì ââåäåíèÿ ïðîìåæóòî÷íîãî ïåðèîäà ìåæäó äåéñòâèåì Í×- è Â×-ïîëåé ïîðÿäêà 10 ìêñ, âî âðåìÿ êîòîðîãî íèêàêîå íàïðÿæåíèå ê ÍÆÊ íå ïðèêëàäûâàåòñÿ, èçáûòî÷íîå âðàùåíèå ìîæåò áûòü àííóëèðîâàíî [14]. Ïîâûøåíèå àìïëèòóäû óïðàâëÿþùèõ íàïðÿæåíèé äëÿ óëó÷øåíèÿ áûñòðîäåéñòâèÿ îïòè÷åñêèõ ÆÊ-ìîäóëÿòîðîâ íåæåëàòåëüíî ïðè èñïîëüçîâàíèè èõ â òåëåêîììóíèêàöèîííûõ ñèñòåìàõ, òàê êàê ýòî ìîæåò ïðèâîäèòü ê ïîâûøåíèþ òåìïåðàòóðû ÆÊ è èçìåíåíèþ åãî ïàðàìåòðîâ, à òàêæå ïîâûøåíèþ ýíåðãîïîòðåáëåíèÿ.
Àìïëèòóäû íàïðÿæåíèé, óïðàâëÿþùèõ Ä×ÍÆÊ, ìîãóò áûòü ñíèæåíû ïðè èñïîëüçîâàíèè ãèáðèäíîé îðèåíòàöèè, êîãäà íà îäíîé ïîäëîæêå ÆÊ îðèåíòèðóþò ïàðàëëåëüíî, à íà äðóãîé – âåðòèêàëüíî îòíîñèòåëüíî ïëîñêîñòè.  ìîäóëÿòîðàõ ñ òàêîé îðèåíòàöèåé ÆÊ ïðàêòè÷åñêè îòñóòñòâóåò ïîðîã ýëåêòðîîïòè÷åñêîãî ýôôåêòà. Ê íåäîñòàòêàì, îãðàíè÷èâàþùèì ïðèìåíåíèå ãèáðèäíîé îðèåíòàöèè, îòíîñèòñÿ ñíèæåíèå ôàçîâîé çàäåðæêè, êîòîðàÿ ñîîòâåòñòâóåò òîëüêî ïîëîâèíå âåëè÷èíû ΔΦ ïðè ãîìîãåííîé èëè ãîìåîòðîïíîé îðèåíòàöèè ÆÊ. Ñóæåíèå èíòåðâàëà èçìåíåíèÿ ôàçû ó ìîäóëÿòîðîâ ñ
ãèáðèäíîé îðèåíòàöèåé îãðàíè÷èâàåò èõ ïðèìåíåíèå, îñîáåííî â ÈÊ îáëàñòè.
Çàêëþ÷åíèå
 ðåçóëüòàòå èññëåäîâàíèé îïòè÷åñêèõ ìîäóëÿòîðîâ íà îñíîâå äâóõ÷àñòîòíîãî íåìàòè÷åñêîãî ÆÊ ñ èíâåðñèåé çíàêà àíèçîòðîïèè äèýëåêòðè÷åñêîé ïðîíèöàåìîñòè áûëè îïòèìèçèðîâàíû ìåòîäèêè ýëåêòðîóïðàâëåíèÿ ôàçîâîé è àìïëèòóäíîé ìîäóëÿöèåé îïòè÷åñêîãî ñèãíàëà. Ïîêàçàíî, ÷òî èñïîëüçîâàíèå äëÿ ïîäúåìà ïðîïóñêàíèÿ ïðÿìîóãîëüíîãî èìïóëüñà íàïðÿæåíèÿ ïîñòîÿííîãî òîêà ñïîñîáñòâóåò ïîâûøåíèþ áûñòðîäåéñòâèÿ ìîäóëÿòîðîâ ïî ñðàâíåíèþ ñ ïèòàíèåì Í×-íàïðÿæåíèåì ñ ÷àñòîòîé 1 êÃö. Ýêñïåðèìåíòàëüíî èññëåäîâàíû äèíàìè÷åñêèå õàðàêòåðèñòèêè îïòè÷åñêèõ ÆÊ-ìîäóëÿòîðîâ è âëèÿíèå íà íèõ âíåøíèõ ôàêòîðîâ: ïàðàìåòðîâ ýëåêòðè÷åñêîãî ïîëÿ è ãðàíè÷íûõ óñëîâèé ìåæôàçíîãî âçàèìîäåéñòâèÿ ìåæäó ÆÊ è îðèåíòèðóþùåé ïîâåðõíîñòüþ. Îïòèìèçàöèÿ àìïëèòóä è äëèòåëüíîñòåé äåéñòâèÿ óïðàâëÿþùèõ íàïðÿæåíèé è íà÷àëüíîãî óãëà íàêëîíà äèðåêòîðà ìîëåêóë ÿâëÿþòñÿ äîïîëíèòåëüíûì ðåçåðâîì äëÿ óëó÷øåíèÿ äèíàìè÷åñêèõ õàðàêòåðèñòèê îïòè÷åñêèõ ìîäóëÿòîðîâ íà îñíîâå Ä×ÍÆÊ. Ðåçóëüòàòû ýêñïåðèìåíòàëüíûõ èññëåäîâàíèé ñâèäåòåëüñòâóþò î âîçìîæíîñòè ñíèæåíèÿ âðåìåíè ðåëàêñàöèè äî åäèíèö ìèëëèñåêóíä ïðè èñïîëüçîâàíèè äâóõ÷àñòîòíîãî ÆÊ. Äëÿ ïîâûøåíèÿ áûñòðîäåéñòâèÿ óñòðîéñòâ íà îñíîâå Ä×ÍÆÊ äëÿ òåëåêîììóíèêàöèîííûõ ñèñòåì íåîáõîäèìî ïðîâåäåíèå äàëüíåéøèõ èññëåäîâàíèé êàê îñîáåííîñòåé ðàáîòû îïòè÷åñêèõ ìîäóëÿòîðîâ â áëèæíåé ÈÊ îáëàñòè ñïåêòðà, òàê è ýëåêòðîôèçè÷åñêèõ ïðîöåññîâ, ñîïðîâîæäàþùèõ ïåðåîðèåíòàöèþ äèïîëåé ìîëåêóë.
Ðàáîòà áûëà âûïîëíåíà ïðè ôèíàíñîâîé ïîääåðæêå âåäóùåé íàó÷íîé øêîëû ÐÔ ÍØ-5549.2006.9.
ËÈÒÅÐÀÒÓÐÀ
11. Mao C., Xu M., Feng W., Hyang T., Wu K., Lia J. Liquid crystal applications in optical telecommunication // Proc. SPIE. 2003. V. 5003. P. 121–129.
12. Êîíøèíà Å.À., Ôåäîðîâ Ì.À., Àìîñîâà Ë.Ï., Âîðîíèí Þ.Ì. Âëèÿíèå ïîâåðõíîñòè íà ôàçîâóþ ìîäóëÿöèþ ñâåòà â ñëîå íåìàòè÷åñêîãî æèäêîãî êðèñòàëëà // ÆÒÔ. 2008. Ò. 78. Â. 2. Ñ. 71–76.
13. Wu Y.-H., Liang X., Lu Y.-Q., Du F., Lin Y.-H., Wu S.-T. Variable optical attenuator with a polymer-stabilized dualfrequency liquid crystal // Appl. Opt. 2005. V. 44. ¹ 20. P. 4394–97.
14. Hyang Y., Wen C.-H., Wu S.-T. Polarization-independent and submillisecond response phase modulators using a 90°
“Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 10, 2008
79
twisted dual-frequency liquid crystal // Appl. Phys. Lett. 2006. V. 89 (2). P. 021103–3.
15. Kirby A.K., Love G.D. Fast, large and controllable phase modulation using dual frequency liquid crystals // Optics express. 2004. V. 12. ¹ 7. P. 1470–75.
16. Êîíøèíà Å.À., Ôåäîðîâ Ì.À., Àìîñîâà Ë.Ï. Îïðåäåëåíèå óãëà íàêëîíà è ôàçîâîé çàäåðæêè æèäêîêðèñòàëëè÷åñêèõ ÿ÷ååê îïòè÷åñêèìè ìåòîäàìè // Îïòè÷åñêèé æóðíàë. 2006. Ò. 73. ¹ 12. Ñ. 9–13.
17. Êîíøèíà Å.À., Êîñòîìàðîâ Ä.Ñ. Ôàçîâàÿ ìîäóëÿöèÿ ñâåòà â äâóõ÷àñòîòíîì íåìàòè÷åñêîì æèäêîì êðèñòàëëå // Îïòè÷åñêèé æóðíàë. 2007. ¹ 10. Ñ. 88–90.
18. Êîíøèíà Å.À., Ôåäîðîâ Ì.À., Àìîñîâà Ë.Ï., Èñàåâ Ì.Â., Êîñòîìàðîâ Ä.Ñ. Äèíàìèêà ñïàäà îïòè÷åñêîãî ïðîïóñêàíèÿ â ÿ÷åéêàõ ñ äâóõ÷àñòîòíûì íåìàòè÷åñêèì æèäêèì êðèñòàëëîì // Ïèñüìà ÆÒÔ. 2008. Ò. 34. Â. 9. Ñ. 87–94.
19. Mizusaki M., Miyashita T., Uchida T., Yamada Y., Ishii Y., Mizushima S. Generation mechanism of residual direct current voltage in a liquid crystal display and its evaluation
parameters related to liquid crystal and alignment layer materials // J. Appl. Phys. 2007. V. 102. P. 014904-1-6.
10. Lu Y.-Q., Liang X., Wu Y.-H., Du F., Wu S.-T. Dual-frequency addressed hybrid-aligned nematic liquid crystal // Appl. Phys. Lett. 2004. V. 85. ¹ 16. P. 3354–3356.
11. Êîíøèíà Å.À., Ôåäîðîâ Ì.À., Ðûáíèêîâà À.Å. Àìîñîâà Ë.Ï., Èâàíîâà Í.Ë., Èñàåâ Ì.Â., Êîñòîìàðîâ Ä.Ñ. Äèíàìèêà òâèñò-ýôôåêòà â äâóõ÷àñòîòíîì íåìàòè÷åñêîì æèäêîì êðèñòàëëå // ÆÒÔ. 2008. (â ïå÷àòè).
12. Riza N.A., Khan S.A. Liquid-crystal-deflector based variable fiber-optic attenuator // Appl. Opt. 2004. V. 43. ¹ 17. P. 3449–3455.
13. Golovin A.B., Shiyanovskii S.V., Lavrentovich O.D. Fast switching dual-frequency liquid crystal optical retarder, driven by an amplitude and frequency modulated voltage // Appl. Phys. Lett. 2003. V. 83. No 19. P. 3864-6.
14. Brimicombe P.D., Parry-Jones L.A., Elston S.J., Raynes E.P. Modeling of dual frequency liquid crystal materials and devices // J. Appl. Phys. 2005. V. 98. P. 104104 1-6.
80 “Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 10, 2008