Microestruturas de guia de ondas cristalinas líquidas periódicas

Aug 24, 2023

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 13896 (2023) Citar este artigo

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Detalhes das métricas

São relatados diferentes métodos que permitem a criação de guias de onda ópticos com núcleos de cristal líquido (LC), nos quais as moléculas formam padrões periódicos com períodos precisamente controlados. O primeiro é baseado no fotoalinhamento reversível com iluminação seletiva de alta resolução e permite controlar o período das moléculas de LC no interior dos microcapilares de sílica. O segundo método emprega microestruturas formadas em PDMS, permitindo a obtenção de: guias de onda com núcleo LC e um conjunto de microeletrodos periódicos especialmente projetados, utilizados para a reorientação periódica de moléculas. Usando ambos os métodos, controlamos com sucesso o período do alinhamento padronizado na faixa de cerca de 500 µm e reduzimos para 20 µm. Realizamos estudos experimentais sobre o fenômeno de guiamento de ondas nessas estruturas, visando obter espectros de transmissão típicos de redes de fibra óptica. Como os resultados alcançados em condições experimentais diferiram dos esperados, foram realizadas simulações numéricas adicionais para explicar os efeitos observados. Por fim, obtivemos o guiamento de ondas em fase azul LC, caracterizado por periodicidade tridimensional criada naturalmente com períodos menores que um micrômetro. Em tal estrutura, fomos capazes de observar bandgap de primeira ordem e, além disso, conseguimos ajustá-lo termicamente em quase toda a faixa espectral visível.

As tecnologias baseadas na fotônica têm um enorme potencial para revolucionar o século XXI, assim como a eletrônica fez no século XX. Eles podem oferecer um nível importante de miniaturização e integração para alcançar funcionalidades aprimoradas simultaneamente com consumo eficiente de energia.

Estruturas de guia de ondas planas de cristal líquido (LC) foram investigadas nas últimas décadas, formando uma nova plataforma que atende à necessidade de uma configuração integrada adequada para dispositivos sintonizáveis. Respostas eletro-ópticas extremamente altas e efeitos termo-ópticos em LCs, combinados com sua alta birrefringência e grande anisotropia dielétrica, resultam em um extraordinário potencial de aplicação em estruturas de guia de ondas. Em estruturas confinadas, como, por exemplo, tubos microcapilares infiltrados com LCs, foram relatados efeitos de guiamento de ondas em fibras LC de núcleo circular e elíptico3. O guia de ondas cilíndrico LC de núcleo elíptico (4 × 18 µm) foi considerado um exemplo incomum de fibra óptica multimodo de polarização única .

Outro tipo de estruturas de guia de onda LC baseadas em fibras de cristais fotônicos (PCFs) são fibras fotônicas de cristal líquido (PLCFs)5,6,7,8 também conhecidas como PCFs infiltradas por LC. PLCFs são fibras especiais avançadas que se beneficiam de uma combinação de microestruturas hospedeiras de PCF “passivas” infiltradas com materiais hóspedes LC “ativos” e são responsáveis ​​por uma variedade de suas propriedades exclusivas. Os PLCFs criam uma nova classe de guias de onda ópticos que utilizam propriedades de orientação excepcionais dos PCFs de núcleo sólido e propriedades ajustáveis ​​atraentes da microestrutura fotônica LC no revestimento de fibra. Os PCFs infiltrados por LC introduzem novos níveis de sintonização aos PCFs e aumentam seu desempenho devido a uma diversidade de novas propriedades de propagação, espectrais, termo-ópticas, eletro-ópticas e de polarização. Além de sua alta sensibilidade à temperatura e aos campos elétricos/magnéticos/ópticos, o uso de diferentes “cenários” de orientação molecular de cristal líquido dentro dos microfuros pode determinar mecanismos de orientação de índice ou de propagação de banda fotônica, bem como comutação reversível entre eles .

Estruturas periódicas de guia de ondas desempenharam um papel vital na evolução da fotônica. Além das estruturas transversalmente periódicas (por exemplo, cristais fotônicos e fibras de cristal fotônico), também são importantes estruturas de guia de onda nas quais o índice de refração varia periodicamente ao longo da direção de propagação. Seu impacto se estende por uma ampla gama de funcionalidades de dispositivos fotônicos, incluindo acoplamento de rede, reflexão (Bragg), conversão de polarização, deflexão, geração de segundo harmônico, modulação de frequência e muito mais. A grande variedade de dispositivos resulta das diferentes maneiras pelas quais as geometrias do guia de ondas, a periodicidade (descrita pelo ciclo de trabalho e a modulação/diferença do índice de refração), os efeitos de acoplamento e os modos guiados podem ser escolhidos.