（光学专业论文）新型液晶全息光交换开关的研究.pdf

摘要 全息聚合物分散液晶( h o l o g r a p h i cp o l y m e rd i s p e r s e dl i q u i dc r y s t a l h p d l c ) 作 为一种新型光电子信息功能材料具有衍射效率高、响应快速、制作简单等特点，这 使得它在光通讯、平板显示、信息存储、集成光学等领域有着广泛的应用前景。由 于h p d l c 在衍射与透射两种状态之间可以电场调制，因此在光开关器件的制作上 具有重要的研究意义和潜在的应用价值。为此以如何使其更好地应用于光开关器件 为中心展开工作，完成了以下几个方面的研究工作： 1 从分析h p d l c 光栅形成机理入手，完成了h p d l c 的配方配比，建立了全 息记录系统、衍射效率测量系统，制备了h p d l c 体全息样片。 2 基于对h p d l c 相分离过程的研究，并结合扫描电镜下观察到的微观表面形 貌，详细研究了衍射效率与聚合物单体选择、全息曝光条件、液晶含量、聚合温度、 读出光偏振性等因素的关系，给出了相关机理研究结果与讨论，并最终使衍射特性 得到优化，得到目前最大的衍射效率为8 0 2 。 3 建立了h p d l c 光开关器件电光特性的测试系统，研究了在添加不同表面活 性荆的情况下聚合物界面对液晶微滴的锚定作用，寻求降低器件工作电压的方法。 分析了聚合物与液晶折射率不匹配性对器件对比度的影响，测量了器件的响应时 间，并分析了引入损耗的主要原因。 4 通过h p d l c 材料的机理研究与器件的性能研究与测试，撂到h p d l c 光开 关器件的主要参数：衍射效率8 0 2 ，阈值电压2 5 v i ，t m ，工作电压2 7 w p m ，对 比度2 1 d b ，上升时问3 6 p s ，驰豫时间1 6 0 p t s ，插入损耗0 7 8 d b 。 我们所得到的理论分析和实验结果不仅可以使其很好地应用于光开关器件的 制作，也将为h p d l c 在其它器件的研制及相关领域的实际应用提供坚实的理论和 实验基础。 关键词：全息聚合物分散液晶，衍射效率，相分离，表面形貌，电光响应。 a b s t r a c t a sak i n do fn o v e l p h o t o e l e c t r o n i c i n f o r m a t i o n m a t e r i a l s ，h o l o g r a p h i cp o l y m e r d i s p e r s e dl i q u i dc r y s t a l ( h p d l c ) h a sm a n yp e r f e c t c h a r a c t e r si n c l u d i n gh i g hd i f f r a c t i o n e f f i c i e n c y ，r a p i dr e s p o n s ea n de a s ym a n u f a c t u r e h p d l cd e v i c e sa r ep o t e n t i a l l yu s e f u lf o r o p t i c a lc o m m u n i c a t i o n ，p a n e ld i s p l a y ，i n f o r m a t i o ns t o r a g ea n di n t e g r a t e do p t i c s ，e s p e c i a l l y f o rf a b r i c a t i n gt h eo p t i c a ls w i t c h i n gb e c a u s et h ed i f f r a c t i o ne f f i c i e n c yc a nb em o d u l a t e db y t h ee l e c t r i cf i e l d f o c u s i n go nt h i ss u b j e c t ，w eh a v ed o n es e v e r a lw o r k s a sb e l o w ： 1 t h ef o r m a t i o nm e c h a n i c so fh p d l c g r a t i n gh a v eb e e na n a l y z e d t h er e c i p ea n d m i x t u r er a t i ow e r ed e t e r m i n e d t h es y s t e m so fh o l o g r a p h i cr e c o r d i n ga n dd i f f r a c t i o n e f f i c i e n c ym e a s u r e m e n t h a v eb e e ne s t a b l i s h e d a l s o ，t h eh p d l c s a m p l e s w e r e p r e p a r e d 2 b a s e do nt h es t u d yo ft h ep h a s es e p a r a t i o np r o c e s so fh p d l ca n dt h em o r p h o l o g y o b s e r v e db yt h e s c a n n i n ge l e c t r o n i cm i c r o s c o p e ( s e m ) ，t h ed i f f r a c t i o np r o p e r t i e s w e r e s t u d i e d w ei n v e s t i g a t e dt h ed e p e n d e n c eo f d i f f r a c t i o ne f f i c i e n c yo nt h er e f r a c t i v ei n d e xo f t h e p o l y m e r , e x p o s u r ec o n d i t i o n s ，l i q u i dc r y s t a lc o n t e n t ，c u r i n g t e m p e r a t u r e a n dt h e p o l a r i z a t i o n o fr e a d - o u tl i g h t ，t h eb e s tc o n d i t i o n sw e r ef o u n d e dt om a k et h ed i f f r a c t i o n p r o p e r t i e so p t i m i z e d n o w t h eh i 。g h e s td i f f r a c t i o ne f f i c i e n c yw a s8 0 2 3 t h em e a s u r e m e n ts y s t e mo fe l e c t r o - o p t i c a lp r o p e r t i e sf o rh p d l c o p t i c a ls w i t c h i n g w a se s t a b l i s h e d t h ei n f l u e n c eo fd i f f e r e n ts u r f a c t a n t sl o a d i n go nt h ea n c h o r i n ge n e r g yo f l i q u i dc r y s t a l h a v eb e e ne x p l o r e d ，w h i c hw a sd e m o n s t r a t e dag o o dw a yt od e c r e a s et h e o p e r a t i n gv o l t a g e t h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h ei n d e xm a t c h i n gp l a y sa n i m p o r t a n tr o l ei ni m p r o v i n g t h ec o n t r a s tr a t i oo f d e v i c e t h er e s p o n s et i m ew a sm e a s u r e da n d t h em a i nr e a s o n sf o rl o s sw e r e a n a l y z e d 4 t h ep a r a m e t e r so ft h eh p d l cd e v i c ew e r eo b t a i n e d t h ed i f f r a c t i o ne f f i c i e n c yw a s 8 0 2 ，t h r e s h o l dv o l t a g ew a s 2 5v p m ，o p e r a t i n gv o l t a g ew a s2 7v u m ，c o n t r a s tr a t i ow a s 2 1 d b ，a v e r a g er e s p o n s e t i m ew a s1 0 0 1 t sa n di n s e r t i o nl o s sw a s - 0 7 8 d b k e y w o r d s ：h o l o g r a p h i cp o l y m e rd i s p e r s e dl i q u i dc r y s t a l ，d i f f r a c t i o ne f f i c i e n c y ， p h a s es e p a r a t i o n ，m o r p h o l o g y ，e l e c t r o o p t i c a lr e s p o n s e i i 复旦大学硕士学位论文 第l 章错论 第1 章绪论 随着材料科学的发展，出现了许多新兴的功能材料，全息聚合物分散液晶 ( h o l o g r a p h i cp o l y m e rd i s p e r s e dl i q u i dc r y s t a l ，h p d l c ) 材料就是其中一种新 型的光电子信息功能材料，于1 9 9 3 年开始被研究。光学全息术与液晶技术的新 结合，不仅使其易于制作，更重要的是其具有独特的优良性能，如快速的响应 时间，高的衍射效率等。这些特点使得它在光通讯( 包括光开关、光衰减器、 均衡器等) 、集成光学、平板显示、信息存储等领域有着广阔的应用前景。目 前，h p d l c 材料与器件成为科学研究的热点之一，特别是随着信息化时代的到 来要求有高速、大容量的传输系统，利用h p d l c 制作光交换开关的研究更是 具有特别重要的科学意义和潜在的应用价值。 1 1全息聚合物分散液晶( h p d l c ) 的发展与应用 液晶是一种既具有液体的流动性又具有晶体特有的各向异性的材料，它的 出现可以追溯到1 9 世纪后半叶，一般认为它于1 8 8 8 年被奥地利植物学家 f r e i n i t z e r 首先发现，而后得到许多科学家的关注，获得迅速发展。它的命名 者德国物理学家o l e h m a n n 也因为在这一领域内的研究贡献而获得诺贝尔奖。 液晶分子结构的各向异性导致了电、磁、光、力学的各向异性；同时具有液体 流动性，分子之间的相互作用力远低于固体原子之间的相互作用力，因此液晶 的各向异性在外场作用下会发生显著变化，这种变化远比各向异性晶体强烈。 正是这些特性使液晶得到了广泛的应用，目前己深入到各行各业以及社会生活 的各个角落。从电子手表、计算器到通讯电话、笔记本电脑到微型显示和大屏 幕投影显示，液晶在显示方面的应用已经展示了无穷的魅力；由于液晶与其它 材料相比在较低电压下即可大幅度改变光学性质，因此可以制成光快门、液晶 光阀、电子光圈、电子透镜、光束偏转器、空间光调制器、光逻辑器件、光存 储器件等光学器件；由于其光学性质也极易受外部热、磁、压力等影响，液 晶在检测和传感技术方面也得到广泛应用，如利用胆甾相液晶对不同波长光的 反射依赖于螺距，而螺距又随温度的变化而变化的性质来测量温度，显示身体 的体温分布检查疾病。此外，与聚合物等所组成的复合系统也得到了发展和应 复旦大学硕士学位论文第1 章绪论 用，如聚合物网络稳定液晶( p n s l c ) b3 1 ，聚合物分散液晶( p d l c ) 1 4 - 7 1 。 特别是聚合物分散液晶，在光电显示器件、非线性光学材料、选择性透过膜、 热敏或光敏器件等方面表现出极具魅力的应用前景，己成为液晶研究领域中十 分活跃的前沿课题。 顾名思义，聚合物分散液晶( p d l c ) 膜是一种非均质，多相( 两相) 材料， 聚合物为主体，液晶为分散相。此系统在初始时是聚合物与液晶的均匀混合物， 在一定的临界温度或曝光强度下引发聚合，此时互溶性被打破，混合物不能再 以单一相存在，液晶因而被析出，以小微滴分散在聚合物网络中。一般地，液 晶微滴的尺寸在微米量级，其中的液晶分子随机排列，这样会产生强烈的光散 射。通过外加电场，微滴中液晶分子将重新取向，足够强的电场可以使分子完 全沿电场方向排列。如果液晶寻常光折射率与聚合物基体折射率相匹配，膜将 完全变成光学透明体。从不透明到透明的开关形成了p d l c 显示应用的基础。 p d l c 作为光电显示材料较之传统l c d 有着无可比拟的长处：由于光电响 应机制的改变，其响应速度比t n 器件快，且灰度易控制，可大大改善图像的 显示质量；p d l c 器件不需使用偏振片，视角大，亮度高，在其制作过程中不 需对基板进行表面处理，应用于t f t ( t h i nf i l mt r a n s i s t o r ) 显示器的制作时将 极大地提高成品率。由于它是固态膜，使液晶的防泄和膜厚的控制很方便，有 利于制作大面积或柔性的显示器：固态液晶显示器具有固态材料的可靠性，适 合强烈震动撞击的使用环境，虽破损亦不影响其显示功能。然而由于p d l c 相对 较高的功耗和工艺的不成熬使得它至今在显示上仍未广泛应用。 与此同时，全息术的问世至今也已有半个世纪的历程，其发展也相当引人 注目，特别是在光子学研究与应用中扮演了十分重要的角色。基于衍射，全息 可以影响光的空间特性；全息光学元件可以是透射也可以是反射的；衍射可以 工作在两个区域，如果只有两个主要衍射级次。器件工作在b r a g g ( 布拉格) 区，如果能产生多级衍射，就工作在r a m a n n a t h ( 喇曼奈斯) 区。这些特点 使它可以完成许多有用的工作。 全息的应用是广泛的。诸如取代古老的光栅元件的全息光栅，体积薄，重 量轻，在现代军事和宇航中获得了重要应用：全息平视显示器也已装备了现代 军用设备：全息显微术和x 射线全息术的结合可用来研究物质的微观结构和生 命现象细微过程。又如计算机全息图可再现实际上不存在的三维物体像，用于 三维图像显示；制作微分滤波器，检测非球面透镜，实现各种波前错位干涉等。 再如，全息光学元件，全息空间滤波器，光纤全息等可用于光学神经网络，扫 描器，光盘读写头和现代通讯系统等【8 1 。 2 复旦太学硕士学位论文 第1 章绪论 液晶具有很大的双折射和低电压下较大的电光响应，而全息光学元件易于 直接制作和制造，因此利用全息技术与液晶技术结合制作可开关的全息元件概 念便被适时的提了出来。聚合物分散液晶组成的复合体系正是因为利用全息技 术实现可开关的全息光栅而受到极大关注。 玻璃 i t 0 电极液晶 表面 孚雕全息 体全息 液晶 液晶 c ) 图1 液晶可开关光栅示意图。 ( a ) 电极刻蚀法( b ) 表面浮雕法( c ) 体液晶渗透全息法 液晶可开关光栅可分三种类型，如图1 所示，每一种光栅都被夹在两层i t 0 透明电极之间。第一种类型，大量的液晶放在两个相对电极之间，至少一个电 极光刻了图案。当加电压时，将会产生一个空间调制的电场，从而电光调制了 液晶的折射率形成的光栅可以衍射入射光。这种类型的光栅由m c m a n a m o n 等人 提出用作光束转向应用1 9 】，由b r i n k l e y 和k o w e l 用作自适应透镜【1 0 】。m u r a i 等 人【ll l 在1 - 4 v j t m 时得到了可开关的多衍射级次，开关时间约为3 m s 。这种器件 的优点在于它的制作直接和工作电压较低。缺点在于开关时间相对较长，很难 形成工作在b r a g g 区的厚光栅。 第二种类型是在重铬酸盐明胶上用全息的方法形成浮雕光栅，浮雕图形用 液晶回填，夹构在i t o 电极之间。这个类型的系统由s a i n o v 等人和s t a l d e r ， e h b e t s 先后提出【1 2 。”，用它来进行图像处理。其优点是可制作性好，具有低的 操作电压。缺点是相对较低的速度和低的衍射效率，低衍射效率的原因是表面 浮雕的深度小，导致低q 值。这种器件也不能工作在b r a g g 区。 第三种类型的光栅工作在b r a g g 区，是真正的体积全息。材料系统可以是 复旦大学硕士学位论文 第1 章绪论 均质各向同性的，如聚合物光栅，也可以是非均质，多相系统。z h a n 8 和s p o n s l e r 报导了在液晶聚合物中全息形成可电场开关的光栅【l4 1 。其开关电压是 2 1 7 v 1 t m ，衍射效率相当低( 4 11 ) ，响应速度非常慢( 1 s ) 。w h i t n e y 和 i n g w a l l 利用p o l a r o i d 公司的光致聚合物材料d m p 一1 2 8 制作了液晶的全息光栅 1 1 5 。这种材料首先用加湿法活化，全息曝光。然后经过化学处理在固化的聚合 物上产生周期的微小空隙。在表面涂覆液晶，加热到清亮点，利用毛细作用使 液晶填满空隙。其衍射效率约为9 0 ，开关电压大于2 0 v g m ，响应时间约为 1 0 0 1 t s 。这个系统的优点在于衍射效率高，真正的b r a g g 工作区，快的开关速 度。其缺点是过程相当复杂，要多步完成，并且驱动电压偏高。此外c l o s e 等 人【1 6 】首先报道了在丙烯酸聚合物的水溶液中记录体全息。s u g a w a r a 等人【1 7 】也研 究了同样的丙烯酰胺系统。 1 9 9 3 年s u t h e r l a n d 等人最早开始研究全息与聚合物分散液晶组合的系统 1 5 2 3 i 。通过改进普通p d l c 配方并加以光学全息技术，使系统中液晶微滴远小 于光波长，导致样片的光学透明性。液晶形成在样片中离散的周期性通道，被 密集的聚合物通道所分隔，得到真正的体光栅( b r a g g 光栅) 。这种复合体系 即被称作全息聚合物分散液晶( h p d l c ) 。 此后关于h p d l c 的研究成为热点。日本n t t 公司的t a n a k a 和同事研究了 用h p d l c 材料制作反射式光学器件【2 4 2 5 1 。这种器件反射特定波长的光，反射 强度可电场控制，衍射效率7 0 ，响应时间大于l m s 。b r o w n 大学的c r a w f o r d 通过叠加此器件反射不同波长来完成全彩色反射显示( 图2 ) ，详细描述了 h p d l c 显示的概念【2 “”1 。相比标准的液晶显示( l c d ) ，h p d l c 全息堆栈有 高的反射效率，可以不需要背光源。h p d l c 工作在反射模式，不需要偏振片， 提高了光能利用率；而且，色彩纯度 是由h p d l c 窄的光谱反射效率派生 出的，因此l c d 中的吸收颜色滤光片 也就不需要了。没有偏振片和滤光片 将在很大程度上提高h p d l c 的亮度。 因此利用h p d l c 反射技术可以得到 高亮度、宽色移、薄而轻的平板显示 系统。其缺点是与l c d 相比驱动电压 较高。对于这个问题的研究工作正在 进行。同时h p d l c 材料的研究应用 也使前、后投影显示及用于娱乐、模 4 图2 反射式h p d l c 显示结构 复旦大学硕士学位论文筻1 章鳍论 拟训练的头盔式显示趋向集成化【28 1 。此外一种基于近晶相液晶的h p d l c 记忆 型彩色反射器件也被提出，这种器件可电写入和热擦除1 2 引。 d o m a s h 等人研究了在透射h p d l c 系统中形成的可开关透镜【3 ”。通过将一 个孔径1 0 0 m m 的f o u r i e r 透镜( 焦距= 3 3 0 m m ) 同一平行光束( 4 8 8 n m ) 结合， 在h p d l c 中形成透射全息透镜。n 个不同焦点的全息透镜叠在一起使聚焦和 放大率可以电场控制，并且没有可移动部件，轻便、可靠。n 个可开关透镜和 一个普通透镜组合，就可以得到2 ”有限焦距的系统。可以作为数字变焦镜( 图 3 ) 。这对于自动聚焦系统( 照相机) ，c d 音轨选择，光学数据存储系统( d v d ) 都有很大用处。 图3 h p d l c 全息数字变焦镜 h p d l c 能够被开发成衬底模式、多模式、单一模式波导应用。s u t h e r l a n d 和 n a t a r a j a n 提出了一种基于高倾斜透射h p d l c 光栅的衬底模式波导开关( 图4 ) 。 光栅被光学粘贴在一块玻璃上。未加电场，正入射光线( 6 3 3 n m ) 以某一角度 7 0 被衍射，这个角度超出了玻 璃全内反射时的临界角。这样， 光线被耦合入玻璃，以衬底模式 传播。加电场，光束以1 0 0 b t s 响 应时间开关到自由空间模式。这 样的器件可以形成光学互联l ”】。 在衬底上使用一列光栅，可以得 到l 到n 的输出端数( 逻辑输 出) ，光栅是电可调谐的。 l , 驴u t l i g h t o u t p u t 屿灿 严7fl h h ， 、厂 ， r翮哪啪8f 乃切。唧m m e ，0 - 0 e f t 4 2 0 图4 基于h p d l c 的1 x n 波导光开关 s t o n e 等人【3 2 州】提出了基于h p d l c 的自由空间光子学时间延迟发生器( 图 5 ) 。有很好的隔离度，多层反射，串话抑制低插入损耗，复杂性降低。仍然 利用h p d l c 光栅堆栈概念，每一个光栅是二进制寻址，在堆栈中入射光载体 复旦大学硕士学位论文 第1 章绪论 可以直接或者以某一角度衍射入 下一个光栅。光栅之间的距离设 置时间延迟量。选择每一个独立 的光栅的驱动电压，得到2 “个独 立路径，即2 “个不同的时间延迟 量。所有的光栅都工作时，时间 延迟最小：所有的光栅都不加电 压时，时间延迟最大。输出端一 个全息的对称堆栈可以将所有的 时间延迟汇合成一个单一的输出 光学载波。 蕊、。渊 褫添 滁 戮。 ：r - 夕j j ，。? 0 ：黑 图5 光学时间延迟系统示意图 s u t h e r l a n d 等人介绍了一个h p d l c 制作的2 2 光开关。两束光以b r a g g 角度入射，有两个输出状态可通过外加电场来切换。d o m a s h 讨论了全息数据 存储中角度多路光学开关的应用【”1 以及自由空间光纤耦合器【3 6 1 。1 3 u m 波段两 输入光纤与两输出光纤的交换结构被描述【3 7 】。 h p d l c 虽然只有近1 0 年的研究历史，但是由于全息与液晶技术的积累使 这种新型的光电子材料快速地显示了独特的应用魅力，可用于制作光纤光开关、 可编程光学互联、数字放大镜、平板显示器及动态滤波器等器件，在光通讯、 信息存储、衍射光学、医用光学等许多领域具有潜在而广阔的应用前景。 目前，国外已经实现了可开关的全息图像存储，数字调焦全息透镜，d i g i l e n s 公司及f o s t e r m i l l e r 公司正在研究用它制作光通讯器件，如光开关、动态滤波 器、动态增益平衡器等。d p i x 公司也在努力使之应用于彩色反射式显示器【3 8 】， 均取得一定的进展。而国内却少有单位进行研究。我们课题组一直从事光学信 息处理、液晶、铁电液晶方面的研究，并取得一定成果【3 9 “0 1 ，在此基础上进行 h p d l c 材料的性能研究，并进行h p d l c 光交换开关器件的研制。 1 2 智能光开关的技术发展现状 随着人类信息化时代的到来，对通信的需求呈现加速增长的趋势。发展迅 速的各种新型业务对通信网的带宽和容量提出了更高的要求。实现高速率、大 容量传输是对交换系统发展的压力和动力。通信网中交换系统的规模越来越大， 运行速率也越来越高，未来的大型交换系统将需要处理总量高达几百、上千太 比特秒的信息。但是目前的电子交换和信息处理网络的发展已接近了电子速率 复旦大学硕士学位论文第1 章绪论 的极限。其中所固有的r c 参数、钟歪、漂移、串话、响应速度慢等缺点限制 了交换速率的提高。因此，为了解决电子瓶颈问题，研究人员开始在交换系统 中引入光子技术，实现光交换。光交换的优点在于，光信号在通过光交换单元 时，不需经过光电、电光转换，可以在光域内直接切换应用，因此它不受检测 器、调制器等光电器件响应速度的限制，可以大大提高交换单元的吞吐量，而 且经济可靠，大大简化了系统的结构。光交换开关是光交换技术中必不可少的 核心器件，光域优化，路由，保护和自愈的网络功能都离不开光开关。 不同原理和技术的光开关具有不同的特性，适用于不同的场合。目前，制 作光交换开关的技术主要有以下几种： 机械技术：微机电系统( m e m s ) 利用小镜片在两维或者三维空间的运动， 把光反射到不同的光路径上。m e m s 由运动部件构成，仅提供基本的o n o f f 功能。m e m s 光开关是目前光开关市场上的主流产品，其最大优点在于尺寸小， 可集成，并可像集成电路一样批量生产。然而由于其复位精确度要求极高，因 此为了探知复位是否精确，在输出端增加了光分束器和探测器，从而增加了光 交换系统的插入损耗：此外由于开关动作是机械式，微镜的活动存在惯性，使 得开关速度不够快，只有毫秒量级。而且，m e m s 光开关制作工艺复杂，成品 率较低，这些不利因素都制约着这种技术的发展。图6 是a t & tb e l l 实验室利 用m e m s 技术制成的光交换器件l 。 液晶技术：每一个开关元件包括两个基本组件一一液晶( l c ) 片和光束方 向器。前者在电压的作用下能改变光的偏振方向；后者扮演偏振路由器的角色。 能把光束反射到由l c 片所决定的光路径( 有两个路径可选) 。随着铁电液晶技 术的发展，人们开始利用其快速响应的特性来设计制作光交换开关【4 2 l ，但整个 结构呈现立体，相当复杂，不适用于平面制作工艺( 图7 ) ：而且，液晶交换 器的输入、输出端口数目有限( 一般最多4 个) 。 图6 i “e m s 光交换开关图7 铁电液晶光交换开关 复旦大学硕士学位论文 第1 章绪论 气泡技术：此技术是在两个波导的连接部位，利用热量产生的小气泡来反 射光线。光线被气泡全反射到另一个输出点。日本n t t 研制了全反射控制光开 关1 4 ”。如图8 所示。波导内有气泡和折射率匹配油。通过两个加热器分别导通 来控制光纤交叉点波导内的物质，当加热器l 开时，交叉点为气泡，入射光被 反射；当加热器2 开时，交叉点为折射率匹配油，入射光透射，从而形成开关 状态。这种开关结构紧凑，易实现大规模的光开关列阵。但频率响应不高，同时 在气泡光开关技术中，由于有机液体体积较小而且得不到更新，一个气泡开关 在经过很多次使用之后，可能会造成液体材料质量下降和折射系数匹配特性的 变化。另夕 ，有机液体需要长时间加热，有时甚至长达几个月以上，从而会导 致材料特性的变化和影响相邻信道。与m e m s 技术一样，气泡技术的功能也仅限 于开关( o n o f f ) 。 s o s 技术：s o s ( s i l i c a o n - s i l i c o n ：硅片上的氧化硅) 光开关【4 4 】( 图9 ) 利用热一光效应原理完成交换功能，其中每一个开关元件是由两个紧靠在一起 的波导臂构成的。在微热的作用下，其中一个臂的折射系数会发生变化，从而 改变光的传播方向。假设有适当的智能光路控制方法，在开关元件的两条光路 上就可任意分配光功率。因此，智能s o s 光开关的功能就不像m e m s 和气泡技术 那样仅仅只限于完成开关( o n o f f ) 的功能，而能够对输出功率进行连续的控 制。用来加热的电极是与控制电路连接的。s o s 开关模块具有若干独特的功能 和特点，如动态输出功率控制的功能，而且其体积小、成本低、可获得毫秒级 的开关速度，缺点是串扰大、消光比低、功耗大并需适当散热。 图8 气泡式全反射光开关 图9 传统型热光开关 全息聚合物分散液晶( h p d l c ) 优良的特性使它具有很好的用于光交换开关 制作的美好前景。h p d l c 光开关综合全息技术和液晶技术比m e m s 光开关和气泡 光开关更加工作稳定、性能可靠、寿命长( 没有可移动部件) ，响应速度更快a 比f l c 光开关结构简单，更适于平面制造工艺。 复旦大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 3 h p d l c 光交换开关工作原理与结构 普通聚合物分散液晶p d l c ( p o l y m e rd i s p e r s e dl i q u i dc r y s t a l ) 是在透明的 聚合物基体内包含液晶微滴，如图1 0 所示，各微滴液晶分子的光轴在空间随机 取向，液晶有效折射率不与聚合物基体折射率匹配，入射光线将被强烈散射， p d l c 呈不透明状态：外加电场后，液晶分子光轴沿电场取向，液晶微滴的寻 常光折射率与基体的折射率达到一定程度的匹配，光线可透过基体，p d l c 呈 透明状态；除去电场，液晶微滴在基体弹性能的作用下又恢复到最初的散射状 态。因此可用电场控制在散射和透射态之间转换( 图1 0 ) 。 ”婿 图1 0 普通的p d l c 开关原理与其散射、透射状态 记晕光i 记霉光 。| 、j j 么射光汐光 广 r 吖导嗍 迤圆 圆嚣区 孓一万一 “关”态”开”矗 图11 透射式h p d l c 的开关原理与其衍射、透射状态 而全息聚合物分散液晶h p d l c 虽然是由它发展起来的，但却是电场控制 衍射与透射状态的切换。p d l c 和h p d l c 的根本区别在于两者中液晶微滴的 大小不同，普通p d l c 中液晶微滴的大小在微米量级，一般为2 5 u m ，可以对 可见光造成很强的散射；而在h p d l c 中液晶微滴的大小一般为1 0 1 0 0 n m ，远 小于全息记录和读出光的波长，从而在全息记录中有可能形成全息条纹，如图 1 1 所示。两束相干激光照射液晶、聚合物单体组成的预聚物。利用光致聚合而 引发的相分离( p i p s ) ，形成与干涉亮、暗条纹相对应的富聚合物区与富液晶 复旦大学硕士学位论文 第1 章绪论 区交替的周期性排列，产生折射率调制，生成b r a g g 光栅结构，入射光以一级 衍射方向射出。外加电场时，富液晶区液晶分子沿电场重新排列，如果其寻常 光折射率与聚合物基体折射率相匹配，光栅将消失，入射光可以直接透射( 图 1 1 ) 。 根据对h p d l c 材料写入信息方式的不同，通常有两种取向的膜结构。一种 是形成的聚合物液晶层面垂直于基板表面，即透射式结构( 也称垂面结构) ； 一种是形成的聚合物液晶层面沿基板表面平行，即反射式结构( 也称层面结 构) 。前者适用于作光开关及信息存储，后者也可以作光开关，同时反射式结 构对外来光的波长具有选择性的反射，还可以用来制作反射式单色显示器。对 透射式光交换开关，如图1 2 ( a ) 所示。两光束1 、2 在h p d l c 内记录全息后， 入射光l 照射，不加电场，将有衍射光1 射出，外加电场后，衍射光消失，入 射光可以直接通过，为透射光1 。同理可以得到入射光2 照射时的开关情况。 这实际上就构成了一个2 x 2 的光开关。同理也可以设计成反射式光开关，如图 1 2 ( b ) 。多个h p d l c 光开关还可以组成一定结构的光学互联，如图1 3 ，实现 光网络中的更多功能。 未加电压 未加电压 光束2 光束2 _ _ _ = = = 孓 = = _ _ = = = _ ( b ) 图1 2 2 2 h p d l c 光开关( a ) 透射式( b ) 反射式 l o 复旦大学硕士学位论文第1 章绪论 嘶氍配 图13 h p d l c 光学互联 复旦大学硕士学位论文第2 章h p d l c 的配方和制备 第2 章h p d l c 的配方和制备 全息聚合物分散液晶( h p d l c ) 是在普通p d l c 基础上，通过改进配方并 引入光学全息技术发展起来的新型材料。它是一种多组分构成的复合体系，其 制备过程也是光化学、光物理结合的复杂过程。 2 1 全息聚合物分散液晶的配方 h p d l c 的配方是一种液体状并略微粘稠的多成分混合物，主要由聚合物单 体、向列相液晶、交联剂、光引发剂和协引发剂组成，并且可以根据不同需要 添加其它成分，如表面活性剂等。其中聚合物单体、液晶、交联剂是配方中的 主体成分，占整个配方的9 0 以上。最初我们主要根据聚合速率来选择单体， 双键单体大体可分为三类：丙烯酸及其衍生物，乙烯基化合物和烯丙基化合物。 通常情况下，它们的聚合速率次序是丙烯酸 甲基丙烯酸 乙烯基单体 烯丙 基单体。由此可见，丙烯酸单体聚合速率最高，适于在要求快速聚合的配方中 应用。同时它的挥发性低、污染小、粘度低、流平性相应也较高。其折射率、 稳定性、耐久性、柔韧性和强度均可满足对聚合物基体的要求。丙烯酸酯按其 所含丙烯酸酯官能团的多少可分为单、双、三、四丙烯酸酯以及相应的甲基丙 烯酸酯。多官能团的丙烯酸酯，如季戊四醇三丙烯酸酯和三羟甲基丙烷三丙烯 酸酯类，能明显地改善成膜的硬度。为了找出最适合我们的配方中需要的单体， 在实验中我们选择了5 种功能性很强的丙烯酸酯类单体，分别为：1 4 双季戊四 醇五六丙烯酸酯( d i p e n t a e r y t h r i t o lp e n t a h e x a a c r y l a t e ) ，2 。季戊四醇三丙烯 酸酯( p e n t a e r y t h r i t o lt r i a c r y l a t e ) ，3 。三羟甲基丙烷三丙烯酸酯 ( t r i m e t h y l o l p r o p a n et r i a e r y l a t e ) ，4 4 二缩三丙二醇二丙烯酸酯( t r i e p r o p y l e n e g l y ( 0 1 ) d i a c r y l a t e ) ，5 4 季戊四醇四丙烯酸酯( p e m a e r y t h r i t o lt e t r a a c r y l a t e ) 。为 了减少光散射，提高衍射效率及对比度，改善电光佳能，要求液晶的折射率各 向异性a n 。一n 。足够大，同时粘滞系数相对较小。我们选用m e r c k 公司的e 6 3 、 e 7 和b l 0 3 8 作为各选。目前只有少数几种不饱和单体能吸收2 5 0 - 5 0 0 n m 范围 内的光，直接发生键断裂产生自由基。对大多数单体，必须使用光引发剂才能 引发光聚合。另外，使用光引发剂可以有效地利用光源能量和获得合适的聚合 1 2 复旦大学硕士学位论文 第2 章h p d l c 的配方和制鲁 速度。光引发剂是一种在光聚合反 应中能起到促进引发聚合的化合 物。其作用机理是：它吸收适当波 长及强度的光能，发生光物理过程警 至其某一激发态，若该激发态能量 9 大于断裂键所需的能量，就能产生 初级活性种，通常为自由基。其表 达式为： 图1 4 光引发剂r b 的吸收光谱 光引发剂( p i ) 翌斗( p i ) ( 激发态生成)光引发剂() _ () ( 激发态生成) ( p i ) + 堑壁- ( p i ) + ( 初级自由基) 光引发剂在反应中大多是物理变化且是消耗性的。在适当的光源下，有效 的光引发与几个因素有关，包括：引发剂分子的适宜的吸收系数和波长感光度； 引发量子产率在o 卜一1 0 范围；引发剂分子或其任何光分解物不应起链转移剂 或者终止剂的作用。我们选用的光引发染料为r o s eb e n g a l ( r b ) ，其化学名称 为四氯四碘荧光素钠，它的添加使混合物变成粉红色。这种染料作为光引发剂 的优点就在于它在4 7 0 r i m 5 5 0 n m 间有较宽的吸收光谱，并且有个峰值的分 子消光系数，非常适用于氩离子( a r + ) 激光器波长激发，倍频n d y a g 激光 器也同样适用( 波长为5 3 2 n m ) 。用可见光一紫外光谱仪测量其吸收光谱如图 1 4 所示。记录全息一般在6 0 1 2 0 s 内完成，因此光引发染料的高光敏性及快速 漂白是非常重要的。在记录过程中r b 被消耗，快速地褪色，得到一个相对清 亮的样片。在光化学反应中为了使自由基能方便地形成，需要光引发剂有较高 的三线态能率。r b 的三线态能率较高，为0 7 ，荧光态能率较低，为0 1 。为了 r bn p gn v p 图15 光引发剂、协引发剂、交联剂的化学分子式 巴 洲o i c 守魏 复旦丈学硕士学位论文 第2 章h p d l c 的配方和制各 加速聚合速度，我们还使用了协引发剂n 一苯基甘氨酸( n p h e n y l g l y c i n e n p g ) 。 交联剂是n 一乙烯基吡咯烷酮( n - v i n y l p y r r o l l i d o n e - - n v p ) ，它具有低毒、低挥 发性和强溶解能力等特点，可以保证粉末状的光引发染料完全溶解，并且能与 丙烯酸酯在最佳摩尔比时共聚，同时它还可以改进固化膜的柔性。r b 、n p g 、 n v p 的分子式见图15 。此外我们还将根据需要添加小组分的表面活性剂。 2 2 全息聚合物分散液晶膜的制备 p d l c 体系是一个多相复合系统，是液晶微滴被聚合物基体包裹，早期使用 胶囊法( e n c a p u l a t i o n m e t h o d ) 1 4 7 1 来制备。将液晶和水溶性高分子混合形成 乳化溶液。当水蒸发后，大量内含液晶的微型胶囊就分散在高分子基体中，形 成p d l c 。但这种方法制作的p d l c 驱动电压较高，胶囊间易连通，囊径大小 不一，一致性差。1 9 8 6 年j w d o a n e l 4 8 1 等将液晶和聚合物液体均匀混合，利用 聚合物与液晶分子间溶解度的差异产生两物相分离，液晶微滴便自然分散于聚 合物基体中，形成p d l c 。这种方法被称作相分离法( p h a s es e p a r a t i o n ) 。由 相分离法制作p d l c 膜，液晶微滴能在薄膜形成时自然分散于聚合物基体中： 可得到均大小的液晶微滴；可控制液晶微滴大小、分布及微滴内液晶分子的 排列结构；可应用不同类的基底材料：制作过程简便，成本也较低，因此目前 己成为主要制备方法。相分离法又分为三种：( 1 ) 热致引发相分离【4 9 】( t h e r m a l l y i n d u c e dp h a s e s e p a r a t i o n ，t i p s ) 。液晶与聚合物的混合物加热到溶解温度以上， 形成均匀溶液。溶液冷却，一旦进入混合性区间，聚合物开始聚合，析出液晶， 伴随温度降低，液晶变成微滴，并不断生长，直到聚合结束。( 2 ) 溶剂引发相 分离f 5 训( s o l v e n ti n d u c e dp h a s es e p a r a t i o n ，s i p s ) 。将液晶与聚合物溶解于共同 溶剂中形成均相溶液，溶剂挥发过程中聚合物圆化，液晶便以微滴形态析出， 均匀分散于聚合物基体中。( 3 ) 聚合引发相分离f 5 1 0 3 】( p o l y m e r i z a t i o n i n d u c e d 搅拌h v相斥凝结完成 时间 图1 6 光引发的聚台引发相分离过程 1 4 复旦大学硕士学位论文第2 章h p d l c 的配方和制备 p h a s es e p a r a t i o n ，p i p s ) 。将液晶与聚合物单体混合成均一相溶液，经聚合反应 后，液晶溶解度降低，逐渐形成微滴，直至聚合物凝胶固化锁住微滴，液晶便 以微滴形态均匀分散在聚合物基体中。现在应用最多的是光致聚合引发相分离 法。在配方中添加光引发剂，在紫外光照射下，聚合物单体产生聚合反应，引 发相分离。引发过程见图1 6 。h p d l c 就是通过使用光学全息技术光致聚合引 发相分离得到的。 2 2 1h p d l c 光栅形成机理 形成h p d l c 光栅过程首先是光照引发聚合物单体交联聚合，然后是聚合 过程中引发相分离，并且液晶与聚合物相分离又受到激光照射强度分布的影响， 最终形成h p d l c 体位相全息光栅。这个过程中包含了复杂的光化学、光物理 过程。h p d l c 体系中的光引发剂r b 吸收光能h v ，形成激发态矗曰+ 例，经系间 窜跃到寿命更长的激发三线态r b ，刁，协引发剂n p g 作为电子给体同r b 三线 态完成电子转移，产生n p g 自由基n p g 。自由基引发链的增长，使单体聚合。 其基本过程如下： r