Microstrutture periodiche di guida d'onda cristalline liquide

Aug 24, 2023

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 13896 (2023) Citare questo articolo

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Vengono riportati diversi metodi che consentono di creare guide d'onda ottiche con nuclei di cristalli liquidi (LC), in cui le molecole formano modelli periodici con periodi controllati con precisione. Il primo si basa sul fotoallineamento reversibile con illuminazione selettiva ad alta risoluzione e consente di controllare il periodo delle molecole LC all'interno dei microcapillari di silice. Il secondo metodo utilizza microstrutture formate in PDMS, consentendo di ottenere sia: guide d'onda LC-core sia una serie di microelettrodi periodici appositamente progettati utilizzati per il riorientamento periodico delle molecole. Utilizzando entrambi i metodi, abbiamo controllato con successo il periodo dell'allineamento modellato nell'intervallo da circa 500 µm e lo abbiamo ridotto fino a 20 µm. Abbiamo effettuato studi sperimentali sul fenomeno della guida d'onda in tali strutture, al fine di ottenere spettri di trasmissione tipici dei reticoli in fibra ottica. Poiché i risultati ottenuti in condizioni sperimentali differivano da quelli attesi, sono state eseguite simulazioni numeriche aggiuntive per spiegare gli effetti osservati. Infine, abbiamo ottenuto la guida d'onda in una fase blu LC, caratterizzata da periodicità tridimensionale creata naturalmente con periodi inferiori a un micrometro. In una struttura del genere, siamo stati in grado di osservare il bandgap del primo ordine e, inoltre, siamo stati in grado di sintonizzarlo termicamente in quasi tutta la gamma spettrale visibile.

Le tecnologie basate sulla fotonica hanno un enorme potenziale per rivoluzionare il ventunesimo secolo, così come ha fatto l’elettronica nel ventesimo secolo. Possono offrire un importante livello di miniaturizzazione e integrazione per ottenere funzionalità avanzate contemporaneamente a un consumo energetico efficiente.

Negli ultimi decenni1,2 sono state studiate strutture di guida d'onda planari a cristalli liquidi (LC), formando una nuova piattaforma che risponde alla necessità di una configurazione integrata adatta per dispositivi sintonizzabili. Risposte elettro-ottiche estremamente elevate ed effetti termo-ottici nelle LC, combinati con la loro elevata birifrangenza e la grande anisotropia dielettrica, si traducono in uno straordinario potenziale nell'applicazione alle strutture di guida d'onda. In strutture confinate, come, ad esempio, tubi microcapillari infiltrati con LC, sono stati riportati effetti di guida d'onda nelle fibre LC sia a nucleo circolare che ellittico3. La guida d'onda cilindrica LC con nucleo ellittico (4 × 18 µm) è risultata essere un esempio insolito di fibra ottica multimodale a polarizzazione singola4.

Un altro tipo di strutture di guida d'onda LC basate su fibre di cristalli fotonici (PCF) sono le fibre di cristalli liquidi fotonici (PLCF)5,6,7,8 note anche come PCF infiltrate con LC. I PLCF sono fibre speciali avanzate che beneficiano di una combinazione di microstrutture ospiti PCF “passive” infiltrate con materiali ospiti LC “attivi” e sono responsabili di una varietà delle loro proprietà uniche. I PLCF creano una nuova classe di guide d'onda ottiche che utilizzano proprietà di guida eccezionali dei PCF a nucleo solido e interessanti proprietà sintonizzabili della microstruttura fotonica LC nel rivestimento della fibra. I PCF infiltrati in LC introducono nuovi livelli di sintonizzabilità nei PCF e ne aumentano le prestazioni grazie a una varietà di nuove proprietà di propagazione, spettrali, termo-ottiche, elettro-ottiche e di polarizzazione. Oltre alla loro elevata sensibilità alla temperatura e ai campi elettrici/magnetici/ottici, l’uso di diversi “scenari” di orientamento molecolare dei cristalli liquidi all’interno dei microfori può determinare meccanismi di guida dell’indice o di propagazione del band-gap fotonico, nonché commutazione reversibile tra di loro .

Le strutture periodiche di guida d'onda hanno svolto un ruolo vitale nell'evoluzione della fotonica. Oltre alle strutture trasversalmente periodiche (ad esempio, cristalli fotonici e fibre di cristalli fotonici), sono importanti anche le strutture di guida d'onda in cui l'indice di rifrazione varia periodicamente lungo la direzione di propagazione. Il loro impatto si estende su un'ampia gamma di funzionalità dei dispositivi fotonici, tra cui l'accoppiamento del reticolo, la riflessione (di Bragg), la conversione della polarizzazione, la deflessione, la generazione della seconda armonica, la modulazione di frequenza e altro ancora. L'ampia varietà di dispositivi risulta dai diversi modi in cui possono essere scelte le geometrie delle guide d'onda, la periodicità (descritta dal ciclo di lavoro e dalla modulazione/differenza dell'indice di rifrazione), gli effetti di accoppiamento e le modalità guidate.