Microestructuras de guía de ondas cristalinas líquidas periódicas.

Aug 24, 2023

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 13896 (2023) Citar este artículo

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Detalles de métricas

Se presentan diferentes métodos que permiten crear guías de ondas ópticas con núcleos de cristal líquido (LC), en los que las moléculas forman patrones periódicos con períodos controlados con precisión. El primero se basa en una fotoalineación reversible con iluminación selectiva de alta resolución y permite controlar el período de las moléculas de LC dentro de los microcapilares de sílice. El segundo método emplea microestructuras formadas en PDMS, lo que permite obtener guías de ondas de núcleo LC y un conjunto de microelectrodos periódicos especialmente diseñados que se utilizan para la reorientación periódica de moléculas. Utilizando ambos métodos, controlamos con éxito el período de alineación del patrón en el rango de aproximadamente 500 µm y lo reducimos hasta 20 µm. Realizamos estudios experimentales sobre el fenómeno de guía de ondas en dichas estructuras, con el fin de obtener espectros de transmisión típicos de las rejillas de fibra óptica. Dado que los resultados logrados en condiciones experimentales difirieron de los esperados, se realizaron simulaciones numéricas adicionales para explicar los efectos observados. Finalmente, obtuvimos la guía de ondas en una fase azul LC, caracterizada por una periodicidad tridimensional creada naturalmente con períodos menores a un micrómetro. En tal estructura, pudimos observar la banda prohibida de primer orden y, además, pudimos sintonizarla térmicamente en casi todo el rango espectral visible.

Las tecnologías basadas en la fotónica tienen un enorme potencial para revolucionar el siglo XXI como lo hizo la electrónica en el siglo XX. Pueden ofrecer un nivel importante de miniaturización e integración para lograr funcionalidades mejoradas simultáneamente con un consumo de energía eficiente.

En las últimas décadas se han investigado estructuras de guía de ondas planas de cristal líquido (LC), formando una plataforma novedosa que aborda la necesidad de una configuración integrada adecuada para dispositivos sintonizables. Las respuestas electroópticas y los efectos termoópticos extremadamente altos en los LC, combinados con su alta birrefringencia y su gran anisotropía dieléctrica, dan como resultado un potencial extraordinario en su aplicación a estructuras de guía de ondas. En estructuras confinadas, como, por ejemplo, tubos microcapilares infiltrados con LC, se han informado efectos de guía de ondas en fibras LC de núcleo circular y elíptico3. Se descubrió que la guía de ondas cilíndrica LC de núcleo elíptico (4 × 18 µm) era un ejemplo inusual de fibra óptica multimodo de polarización única4.

Otro tipo de estructuras de guía de ondas LC basadas en fibras de cristales fotónicos (PCF) son las fibras de cristal líquido fotónico (PLCF)5,6,7,8, también conocidas como PCF infiltradas con LC. Las PLCF son fibras especiales avanzadas que se benefician de una combinación de microestructuras huésped de PCF "pasivas" infiltradas con materiales huéspedes LC "activos" y son responsables de una variedad de sus propiedades únicas. Los PLCF crean una nueva clase de guías de ondas ópticas que utilizan propiedades de guía excepcionales de los PCF de núcleo sólido y atractivas propiedades sintonizables de la microestructura fotónica LC en el revestimiento de fibra. Los PCF infiltrados con LC introducen nuevos niveles de sintonizabilidad para los PCF y mejoran su rendimiento debido a una diversidad de nuevas propiedades de propagación, espectrales, termoópticas, electroópticas y de polarización. Además de su alta sensibilidad a la temperatura y a los campos eléctricos/magnéticos/ópticos, el uso de diferentes “escenarios” de orientación molecular del cristal líquido dentro de los microagujeros puede determinar mecanismos de guía de índice o de propagación de banda prohibida fotónica, así como la conmutación reversible entre ellos. .

Las estructuras periódicas de guía de ondas han desempeñado un papel vital en la evolución de la fotónica. Además de las estructuras transversalmente periódicas (por ejemplo, cristales fotónicos y fibras de cristales fotónicos), también son importantes las estructuras de guía de ondas en las que el índice de refracción varía periódicamente a lo largo de la dirección de propagación. Su impacto se extiende a una amplia gama de funcionalidades de los dispositivos fotónicos, incluido el acoplamiento de rejilla, la reflexión (Bragg), la conversión de polarización, la deflexión, la generación de segundos armónicos, la modulación de frecuencia y más. La amplia variedad de dispositivos resulta de las diferentes formas en que se pueden elegir las geometrías de la guía de ondas, la periodicidad (descrita por el ciclo de trabajo y la modulación/diferencia del índice de refracción), los efectos de acoplamiento y los modos guiados.

En los últimos años se han investigado las microestructuras fotónicas periódicas para aplicaciones de guía de ondas (por ejemplo, Bock, PJ et al.9) debido a sus usos potenciales como moduladores, filtros o elementos fotónicos integrados. Al mismo tiempo, en fibra óptica se distinguen dos tipos principales de rejillas de fibra: rejillas de fibra de período largo (LPFG) y rejillas de fibra de Bragg (FBG). Aunque ambos implican la creación de variaciones periódicas en la estructura de la fibra, tienen claras diferencias en sus estructuras y principios operativos. El rendimiento de los LPFG se basa principalmente en el acoplamiento entre los modos de núcleo y revestimiento de la fibra, y su período suele oscilar entre unos pocos cientos de micrómetros e incluso unos pocos milímetros10. Los FBG funcionan aprovechando el fenómeno de reflexión de Bragg, por lo que sus períodos suelen estar en un rango de longitud de onda y los espectros de transmisión tienen anchos de banda mucho más estrechos11. Ambos tipos de rejillas mencionados encuentran muchas aplicaciones interesantes, incluida la detección, la conversión de modo y aplicaciones específicas de longitud de onda (láseres, filtros, multiplexación por división de longitud de onda de adición y caída, etc.)11,12. Las aplicaciones potenciales de tales rejillas podrían ampliarse significativamente si sus características se controlan de manera efectiva, permitiendo una sintonización repetible y totalmente predecible de sus espectros de transmisión. Una de las posibles estrategias para obtener dicha solución es combinar la rejilla de fibra con un polímero termoóptico13 (o fluido), pero hay que tener en cuenta que el ajuste térmico no es la mejor solución para los dispositivos prácticos14.

Parece que un camino más atractivo es unir las rejillas de fibra con cristales líquidos. El primer intento de combinar LPFG con LC se informó en la Ref.15, donde la fibra con núcleo LC se sintonizó con electrodos periódicos (con un período de 483 µm), lo que permitió un rechazo de banda con un ancho de banda de aproximadamente 15 nm. Tal logro se logró con un rango de sintonización relativamente pequeño (hasta 6 dB), lo que requirió una señal de dirección de 250 V. Incluso si las simulaciones teóricas mostraron que la dinámica de tales estructuras podría alcanzar los 20 dB16, hasta ahora no se ha verificado experimentalmente. Además, se informaron los resultados de PCF llenos de LC con un período de electrodos de 800 µm17, así como de LPFG18 inducidos eléctrica y mecánicamente (también con un período de 800 µm). Un enfoque diferente estaba presente en las Refs.19,20, donde los LPFG "estándar" estaban rodeados con una capa delgada de LC, lo que permitía el ajuste tanto térmico como eléctrico de la posición de la caída del espectro de transmisión.

Otro enfoque interesante se presentó en la Ref.21, donde se rellenó un PCF de núcleo sólido con adhesivo curable por UV y luego se expuso selectivamente a luz UV mediante el uso de tres máscaras diferentes con períodos de 600, 500 y 400 µm. Dado que el índice de refracción del adhesivo usado (NOA75) es mayor que el índice de refracción del vidrio de sílice, los espectros de transmisión obtenidos combinaron dos características diferentes de PBG con espectros típicos de LPFG. Esta combinación de características de transmisión dio como resultado bandas prohibidas más estrechas con una atenuación aumentada en aproximadamente 7 dB. La señal registrada cuando se utilizaron dos máscaras (con períodos de 600 y 400 µm, respectivamente) contenía muescas (de aproximadamente 5 dB de profundidad) típicas del LPFG. En la Ref.22 se presentó una combinación similar de PBG y LPFG, donde el PCF de núcleo sólido se rellenó con E7 LC mezclado con un 25% de 4MAB (4-metoxiazobenceno). Esta mezcla podría sintonizarse de forma reversible con luz (debido a la isomerización de 4MAB), por lo que fue posible observar una muesca con una profundidad de aproximadamente 15 dB cuando se utilizó la máscara con un período de 700 µm. Sin embargo, dado que los autores no han utilizado máscaras con períodos distintos de 700 µm, no está claro si la muesca en los espectros de transmisión resulta de la formación de LPFG o es un efecto de la superposición de dos PBG (de manera similar a la Ref.23). ). Otro tipo digno de mención de rejilla de fibra fotoinducida se informa en la Ref.24, donde las llamadas rodajas de polímero-polímero de cristal líquido (POLICRYPS) se registraron holográficamente en HB-PCF relleno selectivamente con un período tan bajo como 2 µm. Aunque los autores no lograron registrar los espectros típicos de la red de Bragg, fue la primera demostración de una periodicidad tan pequeña dentro de los PCF.

Teniendo en cuenta el importante papel de las estructuras de guía de ondas periódicas sintonizables en los sistemas fotónicos modernos, este artículo describe tres nuevos tipos de microestructuras con materiales cristalinos líquidos tanto en microcapilares como en estructuras planas. En particular, se presentan tres escenarios de creación periódica de microestructuras de guía de ondas de LC que se basan en (1) una microestructura de fibra de núcleo de LC nemática alineada periódicamente y confinada en un microcapilar de sílice, (2) LC con polidimetilsiloxano (PDMS) y (3) azul. Cristal líquido en fase (BPLC). La periodicidad en las microestructuras de guía de ondas de LC investigadas es inducida respectivamente por: (1) alineación molecular fotoinducida reversible, (2) microcanales específicos accionados eléctricamente infiltrados con LC nemático o (3) estructuras cúbicas de LC autoensambladas inherentes.

Para generar una alineación periódica en microcapilares de sílice, utilizamos una técnica de fotoalineación bien conocida25. Ya se ha demostrado que es posible generar alineamiento periódico mediante el uso de irradiación de múltiples pasos con el uso de máscaras de amplitud, lo que permite períodos del orden de cientos de micrómetros26,27. En este trabajo, utilizamos dos colorantes azoicos de fotoalineación comúnmente conocidos: SD1 y BY (amarillo brillante)28,29. Notamos que los resultados obtenidos fueron notablemente similares para ambos materiales. El procedimiento de preparación de la muestra también fue casi el mismo para ambos materiales: utilizamos una solución al 5% de colorante azoico en DMF para llenar los capilares. A continuación, se utilizó aire a alta presión (~ 2 atm) para extraer la mayor parte de la solución del capilar. Finalmente, los capilares se hornearon durante 30 min a 120 °C. Luego de este paso, se dejó una fina capa de colorante azoico en las paredes internas del microcapilar, el cual estaba listo para ser llenado con cristal líquido nemático (5CB). A continuación, se conectó una sección corta (de unos pocos milímetros de largo) de la muestra con dos fibras ópticas monomodo estándar conectorizadas (SM128). La muestra preparada se colocó cuidadosamente en una configuración especialmente diseñada (Fig. 1).

Configuración experimental para la generación reversible de alineamiento periódico de moléculas de cristal líquido en microcapilares.

Para obtener los patrones periódicos de luz necesarios para la fotoalineación, utilizamos el chip DLP4710 del dispositivo de microespejo digital (DMD) de National Instruments, que permite una resolución Full HD (1920 × 1080 píxeles). El chip DMD se iluminó con un LED altamente colimado con una longitud de onda central de 405 nm. Para obtener el efecto de fotoalineación, el haz de luz debe estar polarizado, por lo que colocamos un polarizador directamente antes de la muestra. También utilizamos una configuración de imágenes ópticas para obtener una imagen del chip DMD en el plano donde se colocó la muestra. El tamaño del píxel del chip DMD era de 5,4 µm, pero nuestra configuración de imágenes nos permitió reducirlo a 2,5 µm. La calidad de las imágenes se controló continuamente con un microscopio digital Keyence VHX-5000. En tal configuración, la generación de alineación periódica de las moléculas de LC era bastante simple y bien repetible: se obtenían fácilmente diferentes períodos simplemente cambiando el patrón de iluminación de la imagen. El registro de la orientación periódica constaba de dos pasos: el primer eje del polarizador se ajustó a 90 grados (con respecto al eje de la muestra) y la muestra se iluminó con un patrón periódico generado durante aproximadamente 2 a 5 minutos. El siguiente polarizador se giró 45 o 90 grados y la muestra se iluminó por segunda vez con el patrón periódico (inverso al utilizado para la primera iluminación). Para borrar la orientación periódica dentro de la muestra, utilizamos dos técnicas diferentes: una basada en iluminación prolongada con luz no polarizada de 405 nm (o luz uniformemente polarizada para borrar la muestra e inducir una alineación uniforme) y la otra basada en iluminación con láser verde. (532 nm, 100 mW, enfocado a una línea de 10 mm), que se utilizó para acelerar la isomerización cis-trans del colorante azoico. En algunos casos utilizamos dos métodos simultáneamente. Dado que la muestra era sensible a la luz desde el rango espectral UV hasta el verde, utilizamos imágenes de microscopía polarizada (Keyence VHX-5000) con iluminación de luz roja para analizar la orientación de las moléculas de LC en los microcapilares. Vale la pena mencionar que cada borrado y registro posterior de una nueva alineación requirió un poco más de tiempo y, por lo tanto, la calidad de la orientación estaba disminuyendo; es decir, los límites entre dos orientaciones diferentes eran ligeramente más borrosos y menos estables. Con base en nuestros estudios previos26,30, podemos confirmar que la estabilidad de la alineación de las LC obtenidas con la técnica de fotoalineación es excelente y que las muestras (almacenadas en condiciones libres de UV) “recuerdan” la alineación periódica registrada de las moléculas incluso después de un período tan largo. como 24 meses. También vale la pena mencionar que la fotoalineación es probablemente la técnica más adecuada cuando se trata de microcapilares. El uso de otras técnicas (por ejemplo, el plasma de alta resolución de haces de iones enfocados) es muy limitado o incluso imposible (debido a que el acceso a la superficie orientada está físicamente bloqueado por las paredes del capilar).

Creamos estructuras LC:PDMS (ver Fig. 2) utilizando la técnica típica de fundición y moldeado con los procesos de fabricación de moldes y dispositivos de guía de ondas descritos en nuestros artículos anteriores31,32,33, respectivamente. Cabe destacar que todas las muestras presentadas en este trabajo fueron obtenidas a partir de moldes de alta calidad fabricados mediante el proceso de fotolitografía con iluminación UV a través de la máscara de cromo33. Específicamente, se han aplicado fotoprotectores negativos SU-8 25 y SU-8 2010 (proporcionados por Kayaku Advanced Materials Inc.), lo que proporciona una relación de aspecto alta con paredes laterales casi verticales de la nervadura que se va a estampar en PDMS34,35. Siguiendo los procedimientos de fabricación descritos en las Refs.31,32,33, fue posible obtener los canales con una altura de aproximadamente 30 µm (para las estructuras que se muestran en las Fig. 9a-c) y 12 µm (para la estructura que se muestra en la Fig. .9d), respectivamente. En nuestra publicación anterior32 se presenta una descripción detallada enriquecida con las fotografías tomadas con Hitachi SU-8230 SEM para verificar la calidad de las estructuras en el PDMS. La rugosidad de las paredes laterales de los canales PDMS fabricados con el molde SU-8 fue insignificante (<400 nm). Además, para el molde de 12 µm de altura fue posible reducir el ancho de los canales a micrómetros individuales (limitado principalmente por el posible daño mecánico al separar el chip PDMS del molde). Cabe señalar que las estructuras que se muestran en este artículo no son del tamaño más pequeño que se haya logrado, mientras que el objetivo principal de esta comunicación era demostrar el principio de funcionamiento en la estructura con una alta relación de contraste entre las regiones de diferente orientación molecular cuando se aplica el voltaje. En referencia a otras técnicas de iluminación presentadas en este artículo, cabe mencionar que la litografía sin máscara basada en DMD en SU8 también puede considerarse como una opción potencial para la fabricación del molde36, pero los tamaños transversales de los canales de la guía de ondas no pueden reducirse a los valores obtenidos. en este trabajo (estando en el rango de varias decenas de micrómetros37).

Esquemas (a, c) y fotografías (b, d) del LC eléctricamente sintonizable: estructuras de guía de ondas PDMS con microelectrodos hechos de EGaIn. El recuadro en la esquina inferior derecha muestra la faceta de entrada de la estructura.

Los resultados teóricos y experimentales con respecto a las estructuras LC:PDMS presentadas aquí se obtuvieron para E7 LC típico y eutéctico de galio-indio, EGaIn (ambos disponibles comercialmente en Merck) utilizados para llenar los microcanales apropiados. Realizamos simulaciones numéricas utilizando scripts personalizados basados ​​en el esquema ADSOR para la reorientación molecular (usando ecuaciones y metodología descritas en nuestros artículos anteriores38,39) y el software COMSOL Multiphysics para calcular la distribución del campo eléctrico.

En el experimento, utilizamos BPLC formado por dopaje nemático con un dopante quiral fuertemente retorcido. Las composiciones principales de la mezcla LC son nemáticos (82,6 % en peso) que son oligofenilos fluorados fotoquímicamente estables con ciclohexil- y biciclohexilbifenilos fluorados. Se indujeron BP en la mezcla de LC investigada mediante la adición de dos dopantes quirales: éster bis(1-metilheptil) del ácido bifenil-4,4-dicarboxílico (8,7 % en peso) y [1,1;4,1]terfenil-4. Éster bis(1-metil heptil) del ácido 4-dicarboxílico (8,7 % en peso). Todos los componentes fueron sintetizados en el Instituto de Química de la Universidad Tecnológica Militar37,38. Para preparar la microcavidad de BPLC en la muestra de fibra, se llenó cuidadosamente un microcapilar con un diámetro interior de 128 μm con la mezcla de BPLC. Luego, se introdujo una fibra multimodo con un diámetro exterior de 125 μm en el microcapilar y se empujó hasta que entró en contacto con el relleno de BPLC. Vale la pena señalar que sin aplicar capas de alineación o campos eléctricos externos, BPLC tiende a alinearse solo en un espesor pequeño. Para una capa tan gruesa como decenas de micrómetros, BPLC puede exhibir estructuras no uniformes que revelan una muestra de polidominio, lo que se presenta esquemáticamente para BPII en la Fig. 3. Para lograr la estabilidad de toda la muestra y evitar fugas de BPLC, el adhesivo óptico (NOA 65, Norland) se acopló en el espacio libre entre la fibra microcapilar y multimodo. Luego se curó con una luz UV de alta potencia (~ 200 mW/cm2, lámpara UV Dymax) durante 30 s. Este proceso se realizó bajo un microscopio polarizado y se repitió para que la segunda fibra multimodo cubriera la microcavidad BPLC en ambos lados. Las mediciones de las propiedades de transmisión de la fibra microestructurada investigada con la microcavidad BPLC se realizaron con el uso del espectrómetro Ocean Optics FLAME-S VIS-NIR y una fuente LED Schott KL 1600 con el objetivo montado (20 ×, NA = 0,4) para acoplar la luz. en la muestra de fibra.

Formación esquemática de una muestra de BPLC de polidominio (izquierda) y ordenamiento molecular en una celda unitaria cúbica de BPII (derecha). Las moléculas verdes significan hélices conectadas en cilindros vecinos de doble torsión, y las barras rojas representan una serie de disclinaciones LC en una celda unitaria.

Análisis de la influencia de la “no idealidad” de una estructura fotónica unidimensional producida por irradiación UV selectiva sobre sus características espectrales. Por “no idealidad” entendemos una alineación molecular no ideal y fluctuaciones de moléculas que podrían dar lugar a cambios aleatorios del índice de refracción, pero también de la longitud de las secciones ordenadas o incluso de un período.

Se desarrolló un software personalizado para calcular las características espectrales de estructuras fotónicas unidimensionales con la posibilidad de implementar dispersiones de parámetros estructurales. El software considera la posibilidad de introducir variaciones de parámetros tales como: período de la rejilla, factor de llenado de la rejilla (relación de anchos de las regiones con dos alineamientos diferentes de moléculas) y, por tanto, con diferentes índices de refracción.

Suponemos que la estructura estudiada consta de regiones alternas con índices de refracción n1 y n2 y anchos correspondientes de w1 y w2. Por tanto, el período de la estructura es P = w1 + w2. Otras suposiciones para las capas de la estructura periódica son la isotropía, la homogeneidad (índice de refracción constante dentro de una capa particular) y la ausencia de pérdidas (es decir, sólo se consideró la parte real del índice de refracción). También se asumió que la onda óptica incidente se propaga en la dirección perpendicular al límite de las secciones consecutivas de las estructuras periódicas y, por lo tanto, considerando la isotropía de las capas, los espectros de transmisión calculados obtenidos para las polarizaciones TE y TM de la onda incidente son idénticas.

Dado que el objetivo principal de las simulaciones no era un modelo preciso de las características espectrales de las muestras examinadas sino demostrar cómo la inestabilidad de los parámetros estructurales afecta los cambios en el espectro de transmisión/reflexión, el uso del modelo estructural simplificado (descrito anteriormente) permite obtener resultados confiables.

Preparamos varias muestras a base de microcapilares de sílice llenos de cristal líquido 5CB. Utilizamos microcapilares con cuatro diámetros internos diferentes (6, 9, 12 y 20 µm) y un diámetro externo de 125 µm. Mediante el uso de la técnica de fotoalineación reversible (descrita en la sección Métodos), pudimos generar cambios periódicos en la alineación de las moléculas de LC (registro de la rejilla). Debido a la reversibilidad de la fotoalineación, la rejilla podría borrarse y luego registrarse nuevamente, es decir, con un nuevo período. Nuestra configuración nos permitió cambiar el período de aproximadamente 10 a 800 µm (fueron posibles períodos más grandes, pero no se probaron). La Figura 4 muestra una secuencia ejemplar de grabación y borrado de la rejilla. Primero, la muestra se ilumina con el primer patrón periódico de luz UV polarizada (Fig. 4a), luego la alineación obtenida se examina entre dos polarizadores cruzados (microscopio digital Keyence VHX-5000) utilizando luz roja "neutra" con la longitud de onda más alta. de 640 nm (Fig. 4b). Si la alineación ha confirmado la periodicidad, los espectros de transmisión se han medido con Yokogawa AQ 6370C en el rango de 1200 a 1600 nm (utilizando dos SLED Thorlabs: S5FC1021P + S5FC1005P). Después de la caracterización de la rejilla, se puede borrar usando más luz UV uniforme no polarizada, o luz UV asistida con un láser verde (que se propaga a una longitud de onda de 532 nm, 100 mW), consulte la Fig. 4c, con un proceso de borrado nuevamente. controlado mediante el uso de la luz roja "neutral" (Fig. 4d). Finalmente, la muestra se irradió con el segundo patrón UV periódico caracterizado por un período diferente (Fig. 4e) y la alineación resultante de las moléculas de LC se examinó nuevamente con iluminación de luz roja (Fig. 4f).

Una secuencia ejemplar de registro y borrado de varias alineaciones periódicas de moléculas de cristal líquido: se usa un patrón periódico de luz UV polarizada linealmente para generar la alineación (a), luego se puede usar luz UV no polarizada, opcionalmente asistida con láser verde (532 nm) para borre la alineación (c), y se podría usar otro patrón periódico para la iluminación (e). Después de cada paso de iluminación UV, la alineación resultante de las moléculas de LC se analiza con microscopía de polarización (b,d,f) iluminada con luz roja (que es "neutral" para la muestra). Las barras de escala blancas que se presentan en cada fotografía corresponden a 100 μm.

Creamos y analizamos una cantidad sustancial de muestras similares para optimizar todo el proceso de generación de alineación periódica de las moléculas de LC. También intentamos optimizar el acoplamiento de luz entre los capilares llenos de LC y las fibras SM, es decir, minimizando la cantidad de aire en los extremos de la muestra y mediante una alineación cuidadosa y precisa. En la Fig. 5 se incluyen ejemplos de dichas muestras optimizadas. En nuestros experimentos, utilizamos dos técnicas diferentes para conectar fibras SM con el capilar lleno de LC mediante el uso de pegado preciso con pegamento curable por UV (Fig. 5a) y un externo adicional. capilar con un diámetro interior de aproximadamente 126 µm (Fig. 5b). El segundo método es menos preciso. Sin embargo, decidimos usarlo para eliminar el riesgo de degradación no deseada de la muestra durante la fotopolimerización del pegamento curable por UV (además, más tarde logramos optimizar un método de encolado y solo se usó un pequeño punto de luz de curado UV para iluminar). pequeña gota de pegamento).

Imágenes ejemplares de muestras optimizadas con la alineación periódica estable y bien definida de las moléculas de LC: (a) la muestra creada mediante el pegado directo de capilares llenos de LC a las fibras SM y (b) la muestra creada colocando capilares llenos de LC a las fibras SM capilar y ambas fibras SM en un capilar más grande, con un diámetro interior de aproximadamente 126 µm. Las barras de escala blancas en ambos paneles corresponden a 100 μm.

En nuestra investigación, medimos los espectros de transmisión para cada muestra creada. Esperábamos que fuera posible observar caídas en el espectro de transmisión (similares a las observadas en las rejillas de fibra típicas, es decir, Bragg o rejillas de fibra de período largo). Desafortunadamente, incluso en el caso de muestras muy cuidadosamente optimizadas no pudimos observar los espectros esperados. La primera impresión después de observar las muestras ejemplares presentadas en la Fig. 5 es que debería dar como resultado espectros "similares a una rejilla". Sin embargo, no pudimos observar ninguna caída de transmisión característica que pudiera identificarse sin duda como resultado de la rejilla. En la mayoría de las mediciones, observamos espectros bastante “ruidosos”, que además eran muy inestables en el tiempo (ver Fig. 6), pero sin caídas de transmisión perceptibles; esperábamos no sólo observar tales caídas sino también cambiar su posición variando la período de rejilla.

Espectros de transmisión ejemplares (y típicos para la mayoría de las muestras) registrados para muestras optimizadas con alineación periódica de moléculas de cristal líquido. Todos los espectros se registraron para la misma muestra pero en diferentes momentos. Se pudo observar que los espectros no sólo son ruidosos sino también muy inestables en el tiempo. Tanto el panel (a) como el (b) presentan resultados registrados para la misma muestra; sin embargo, (b) está "ampliado" para oscilar entre 1260 y 1270 nm, para mostrar que el "ruido" es muy aleatorio.

Vale la pena mencionar que no solo pudimos cambiar el período de la rejilla LC, sino que también pudimos controlar el factor de llenado de la rejilla (ajustando los anchos de las secciones de diferente alineación molecular dentro del mismo período; ver ejemplo en la Fig. 7). Sin embargo, los resultados fueron similares a los mencionados anteriormente y todavía no pudimos obtener espectros de “tipo rejilla”. Aunque el análisis de la alineación periódica de las moléculas de LC con un microscopio polarizador fue muy optimista, parece que es necesario realizar esfuerzos más extensos para obtener espectros de "tipo rejilla" estables y sintonizables. Las posibles explicaciones de las dificultades encontradas se describen en la sección "Discusión".

Ejemplos de capilares llenos de LC con alineaciones periódicas y factor de presentación variable: el período para cada muestra es de aproximadamente 23 μm y corresponde a 10 píxeles de chip DMD. Los cambios del factor de relleno se obtuvieron cambiando el número de píxeles utilizados para la iluminación en cada paso, igual a aproximadamente: (a) 15% (~ 3,5 μm); (b) 30% (~7 µm); (c) 50 % (~ 11,5 µm); (d) 70% (~ 16 μm) y (e) 90% (~ 21 μm), respectivamente.

En nuestro trabajo, también hemos diseñado, fabricado y evaluado experimentalmente guías de ondas planas hechas de núcleo LC incrustado en material PDMS. Los microelectrodos periódicos se utilizaron para obtener la reorientación local de las moléculas de LC y, por lo tanto, la orientación periódica de las moléculas de LC (y la modulación periódica del índice de refracción) dentro del núcleo.

La combinación de materiales LC con PDMS es de particular atención científica cuando se trata de la realización práctica de dispositivos optofluídicos40,41, incluidas estructuras de guía de ondas42,43,44,45,46,47,48,49, lo que permite aplicaciones potenciales como, por ejemplo , interconectores reconfigurables y controlados electroópticamente50, interruptores45, acopladores de interferencia multimodo51 y multi/demultiplexores de longitud de onda45,50,51. Una ventaja significativa de este concepto proviene del procesamiento sencillo y económico del elastómero y de la alta capacidad de ajuste de las propiedades ópticas, que pueden realizarse eléctricamente. Se pueden lograr fácilmente diseños de cualquier forma, incluidos patrones complejos con una resolución de hasta un solo micrómetro. Además, la alineación vertical espontánea (VA)33 de las moléculas de LC en la superficie de PDMS simplifica los procedimientos de fabricación, haciendo innecesarias capas de orientación adicionales. La principal preocupación al fabricar estructuras accionadas eléctricamente, especialmente con geometría sofisticada, es crear un sistema de electrodos adecuado y eficiente. Un desafío importante es depositar o introducir los elementos conductores sobre o dentro de la losa de PDMS. El golpeteo de estructuras metálicas, comúnmente utilizado en microelectrónica, se ve muy dificultado debido a la baja adhesión y la baja energía superficial del PDMS. Además de diferentes intentos, incluida la deposición de finas capas metálicas sobre la superficie de PDMS52,53, el recubrimiento con polímero conductor54 o la adición de nanopartículas metálicas al volumen de PDMS55, los desarrollos recientes se han centrado en estructuras de guía de ondas LC:PDMS sintonizables eléctricamente formadas por microcanales (incrustados en Losa de PDMS unida al sustrato de vidrio) y llena de material líquido cristalino y conductor de fluidos, respectivamente. Una configuración de este tipo permite realizar y colocar electrodos complejos en las proximidades del canal de guía de ondas. Considerando el tema principal de este trabajo, vale la pena señalar que las estructuras periódicas de guía de ondas se pueden lograr con relativa facilidad con el uso de electrodos de diseño y geometría especiales31. Específicamente, un concepto de electrodos fluidos, que permite cambios periódicos del índice de refracción a lo largo del líquido cristalino. canal de guía de ondas31, trajo la idea de la posible aplicación de chips LC: PDMS como estructuras fotónicas de tipo Bragg.

Se han realizado simulaciones numéricas para diseñar estructuras de guía de ondas con modulación periódica del índice de refracción a lo largo de la dirección de propagación. Incluyen cálculos sobre la disposición molecular dentro de la sección transversal del canal de la guía de ondas dependiendo del voltaje eléctrico aplicado (ver Fig. 8a-d) y la distribución del campo eléctrico a lo largo del canal de la guía de ondas cuando el electrodo periódico de forma específica (es decir, con una longitud particular de longitud posterior) segmentos y su distancia desde el canal de la guía de ondas, consulte la Fig. 8e, f).

Definición del ángulo de orientación (a). Representación esquemática (b) y resultados de simulaciones numéricas (c) que muestran la alineación molecular de LC dentro de la sección transversal de los canales de guía de ondas (con diferente relación entre sus anchos, w y alturas, (d) sin voltaje. Cambios impulsados ​​eléctricamente en moléculas orientación y, por lo tanto, en la distribución espacial del índice de refracción recuperada numéricamente al asumir los electrodos planos colocados a lo largo de las paredes verticales del canal cristalino líquido con una relación de tamaño de w/d = 1,6 (d). Definición de los parámetros geométricos de los electrodos periódicos (e ) y distribución de campo eléctrico normalizada (para el componente x) determinada dentro del canal de guía de ondas de cristal líquido para electrodos periódicos con diferentes relaciones para las longitudes de las secciones cercana y lejana (f).

Se ha demostrado que el anclaje vertical de las moléculas de NLC en forma de varilla en la superficie del PDMS se logra espontáneamente en condiciones estacionarias42,56. Tal disposición molecular está relacionada con la alta hidrofobicidad y baja energía superficial del elastómero y, en el caso de las estructuras analizadas, es consistente con una orientación homeotrópica en cada una de las paredes del canal después de la terminación del flujo NLC57. La alta estabilidad morfológica caracteriza las texturas nemáticas así obtenidas. La alineación resultante de las moléculas de NLC dentro de los microcanales incluidos en PDMS depende en gran medida de la relación de aspecto de los canales58, la calidad de los moldes utilizados en el proceso de fabricación33 y el método de conexión del chip PDMS a un sustrato59. Con base en estudios previos32,33,60,61, se ha concluido que los mejores resultados en términos de previsibilidad, reproducibilidad, robustez y estabilidad del alineamiento molecular de LC en estructuras LC:PDMS se obtienen para los moldes obtenidos en el proceso de fotolitografía33 y con la ayuda del tratamiento con plasma, reduciendo la rugosidad de la superficie del PDMS60,61. De hecho, dichos procedimientos se han aplicado al fabricar las muestras que se muestran en este documento. La alineación vertical en las superficies del PDMS podría verse afectada térmicamente o por la introducción del flujo. Sin embargo, podría recuperarse después de enfriar la muestra a la temperatura específica para la fase nemática y deteniendo la circulación del material cristalino líquido dentro de los canales.

Los resultados experimentales que muestran la sintonizabilidad eléctrica de las estructuras de guía de ondas LC:PDMS se muestran en la Fig. 9. Específicamente, se presentan las estructuras con electrodos homogéneos y periódicos. Tenga en cuenta que el color brillante dentro del canal central corresponde a la situación en la que la mayoría de las moléculas de LC están alineadas a lo largo de la dirección del campo eléctrico, que es perpendicular al eje de la guía de ondas. Es importante tener en cuenta que la longitud del segmento reorientado cambia con el voltaje aplicado hasta que desaparece la periodicidad en la disposición molecular debido a la saturación y el carácter no local de la reorientación molecular (ver, por ejemplo, las fotos de la derecha en las Fig. 9b y c). La propagación de la luz en la estructura de guía de ondas creada se muestra en la Fig. 10 con la diferencia significativa en las características de propagación de la luz lanzada al canal de guía de ondas de cristal líquido sin voltaje (Fig. 10b) y el voltaje (Fig. 10c) aplicado al canal periódico. Electrodos de microcanal llenos de EGaIn. Como se puede observar, para una orientación uniforme de las moléculas la luz está bien confinada en el núcleo, mientras que para una alineación periódica inducida eléctricamente podemos observar una dispersión de luz bastante fuerte (se pueden notar pocos puntos brillantes fuera del núcleo, donde la luz es nuevamente dispersada por paredes del microcanal del electrodo). De manera similar, en cuanto a las guías de ondas de núcleo cilíndrico, hasta ahora no pudimos observar espectros "similares a rejillas" en LC: guías de ondas PDMS.

Resultados experimentales en forma de fotografías tomadas con el uso del microscopio polarizador (en el modo de transmisión con polarizadores cruzados) que muestran el cambio en la alineación molecular LC obtenido al aplicar el voltaje al par de convencionales (a) y periódicos (b–d). ) electrodos de microcanal infiltrados con eutéctico GaIn. Los insertos en los paneles muestran la geometría de la estructura. Los parámetros geométricos de cada estructura se dan encima de las fotos. También se muestran dibujos esquemáticos que presentan las estructuras para mayor claridad.

Se aplican fotografías tomadas en condiciones experimentales que muestran la fibra óptica introducida en el canal de cristal líquido (a) y la propagación de la luz sin voltaje (b) y con voltaje de reorientación (de aproximadamente 200 V) (c). En el caso presentado, el ancho del canal era de aproximadamente 200 µm, permitiendo así insertar la fibra óptica de polímero en el canal de guía de ondas de cristal líquido.

Después de intentos fallidos de observar espectros "similares a rejillas" en guías de ondas de núcleo LC tanto cilíndricas como rectangulares, decidimos realizar algunos análisis numéricos cualitativos de dichas estructuras.

Para presentar la principal conclusión de nuestro análisis numérico, decidimos elegir una estructura periódica caracterizada por los siguientes valores nominales de parámetros: la longitud de la muestra L = 20 mm, el período P = 20 µm (1000 períodos), la misma capa anchos w1 = 10 µm y w2 = 10 µm, con valores correspondientes del índice de refracción de n1 = 1,52 y n2 = 1,60 y factor de llenado FF = 0,5 (FF se define como w1/P).

La Figura 11 presenta los espectros de transmisión calculados para una estructura "ideal": se puede observar que la banda prohibida principal se encuentra para la longitud de onda de aproximadamente 60 μm, pero en las regiones visible y NIR, deberíamos esperar varias caídas en los espectros de transmisión (en particular entre 1400 y 1600 nm deberíamos observar 3 caídas con una anchura espectral de unos pocos nm).

Espectros de transmisión simulados para una rejilla “ideal” con período P = 20 µm, factor de llenado FF = 0,5, lo que significa los mismos anchos de capa w1 = 10 µm y w2 = 10 µm, con valores correspondientes de índice de refracción de n1 = 1,52 y n2 = 1,60. Todos (a), (b) y (c) presentan resultados calculados para la misma muestra; sin embargo, (b) está "ampliado" al rango VIS-NIR de 500 a 2000 nm, y (c) está "ampliado" a un tercer rango de telecomunicaciones. ventana de 1400 a 1600 nm (los rangos espectrales utilizados en las mediciones).

En el siguiente paso, decidimos simular cualitativamente el impacto de las fluctuaciones térmicas de moléculas cristalinas líquidas. Fue motivado por la observación de la obtención de rejillas LC con el microscopio polarizador a aumentos excepcionalmente grandes. Se observó que la alineación obtenida no es perfectamente estable y se pueden observar algunas fluctuaciones notables de las moléculas de LC (desafortunadamente, el efecto fue demasiado débil para ser registrado por una cámara). Estas fluctuaciones térmicas pueden provocar cambios aleatorios en el índice de refracción efectivo; además, las fluctuaciones en los límites entre dos zonas alineadas de manera diferente pueden provocar variaciones en el factor de llenado de la rejilla o incluso en su período. Todos esos efectos potenciales han sido investigados cualitativamente en nuestras simulaciones. En la Fig. 12 se presentan resultados ejemplares, basados ​​en la estructura idealizada descrita anteriormente; todos los espectros se limitaron al rango de longitud de onda de 1400 a 1600 nm. La Figura 12a presenta los espectros de la muestra no perturbada "ideal" como referencia. La Figura 12b muestra el impacto de las fluctuaciones del 1% del período de rejilla: los espectros son mucho más ruidosos, pero aún así se podrían esperar algunas caídas en los espectros. La Figura 12c muestra el impacto de fluctuaciones del 1% en el factor de llenado de la rejilla: los espectros resultantes son incluso más ruidosos que en la Fig. 12b, pero aún se pueden notar algunas caídas regulares en los espectros. El impacto de las fluctuaciones del índice de refracción (en el rango de ± 0,01) de un solo tipo de secciones de rejilla se presenta en la Fig. 12d; al compararlo con las Fig. 12b y c, podemos concluir que el impacto de las fluctuaciones del índice de refracción es ligeramente menores que las fluctuaciones del período o del factor de ocupación. Sin embargo, los espectros resultantes siguen siendo mucho más ruidosos que el "ideal". Las Figuras 12e yf presentan el impacto simulado de fluctuaciones combinadas, incluido el período de rejilla, el factor de llenado de la rejilla y ambos índices de refracción. Se pudo observar que en el caso de fluctuaciones fuertes (~ 2%) del factor de llenado (combinadas con la fluctuación resultante del período), los espectros se vuelven muy ruidosos y no hay rastro de las caídas originales observadas para el "ideal". " estructura.

Resultados ejemplares de simulaciones numéricas que comparan espectros "ideales" (a) con espectros afectados por fluctuaciones (δ) en el período de muestra P (b), factor de llenado FF (c), índice de refracción: n1 y n2 (d), y todos los parámetros mencionados simultáneamente (e) y (f).

BPLC pertenece a materiales prometedores que pueden encontrar aplicaciones en sistemas fotónicos avanzados que proporcionen mejores propiedades de transmisión debido a la existencia de isotropía óptica en BPLC. Este último resulta de una disposición exótica de moléculas anisotrópicas en el volumen que crea nanoestructuras cúbicas autoensambladas en las dos fases BP I y BP II o ocurre como una "fase de niebla" isotrópica en BP III62. Esto indica oportunidades potenciales para que BPLC las aproveche en sistemas fotónicos que permitan una rápida modulación y conmutación electroóptica, detectando parámetros físicos y ambientales, así como aplicaciones de filtros sintonizables. Además, el uso de BPLC en sistemas de fibra óptica puede contribuir a crear sistemas avanzados y flexibles que operen en el espectro visible y controlen las propiedades de propagación63,64,65.

Basándonos en nuestra experiencia experimental y teórica, éramos conscientes de que la realización exitosa de una rejilla de núcleo LC que funcione con bandas prohibidas de orden superior podría ser una tarea muy desafiante (ya que las bandas prohibidas de orden superior no sólo son estrechas, sino que, como parecía, son muy sensible a posibles fluctuaciones). Nuestro análisis teórico indicó también que la banda prohibida de primer orden del espejo/rejilla de tipo Bragg es menos sensible a las fluctuaciones y otras imperfecciones. En consecuencia, decidimos crear una microestructura de fibra óptica en la que la luz se propagaría en un cristal líquido "especial", que tiene una tendencia natural a crear bandas fotónicas anchas (de primer orden). Generalmente, hay dos tipos de LC que generan bandas prohibidas naturales: LC nemáticas (colestéricas) quirales que generan reflexión selectiva unidimensional y BPLC que son conocidas por su reflexión selectiva en las tres dimensiones. Las reflexiones de Bragg 3D en BPLC están relacionadas con una estructura reticular cúbica con un tamaño del orden de unos pocos cientos de nm y se caracterizan por tiempos de reacción de conmutación inferiores a milisegundos, así como por insensibilidad a la polarización en una escala macroscópica para las longitudes de onda fuera de sus bandas de resonancia66,67 . En particular, las propiedades ópticas de los BPLC pueden modificarse por factores externos como la temperatura, un campo eléctrico externo, deformaciones mecánicas y el dopaje de nanopartículas68,69,70,71.

Se preparó una mezcla de LC con fases azules inducidas (BP) agregando dopantes quirales a los nemáticos del huésped (ver "Métodos"). Se eligió el número de dopantes quirales para lograr reflexiones selectivas sintonizables, cubriendo el rango más amplio de longitudes de onda de Bragg a diferentes temperaturas. La mezcla de BPLC se introdujo cuidadosamente en un microcapilar con un diámetro interior de 128 µm. El examen se realizó bajo un microscopio polarizado para proporcionar una capa delgada de relleno de LC que equivalía a alrededor de 40 μm.

Se desarrolló una microestructura de fibra óptica con una microcavidad BPLC sensible a la temperatura (Fig. 13) uniendo dos fibras multimodo (MMF) al BPLC desde ambos lados dentro del microcapilar. Cuando el BPLC que llena la muestra de fibra se enfría desde la fase isotrópica, ISO (57,0 °C), pasando por las fases BP posteriores hasta la fase nemática quiral, N* (51,0 °C y menos), la reflexión selectiva de la luz cambia claramente. . Esto se debe a un cambio en la periodicidad de la autoorganización quiral de las moléculas de LC que se manifiesta en el cambio de color de la textura de LC de azul a rojo, lo que se relaciona con las fases BPII y N*, respectivamente. Además, se produjeron reflejos selectivos para la luz verde y amarilla en BPI a 54,0 °C y 52,5 °C, respectivamente, recibiendo así un control completo en un amplio rango espectral de propiedades fotónicas de la microcavidad BPLC, lo que es significativo en nuestras investigaciones futuras.

Un modelo idealizado del principio de funcionamiento de la microestructura de fibra óptica investigada con la microcavidad BPLC. Las imágenes POM presentan una sección transversal longitudinal de la microestructura de fibra con relleno BPLC registrada en reflexión. El color de los dominios se relaciona con la reflexión de Bragg y depende de la fase LC a una temperatura adecuada. Un gráfico del recuadro muestra una transmisión reducida para las longitudes de onda seleccionadas correspondientes a la reflexión de Bragg que puede desplazarse hacia el rojo al enfriar la microcavidad BPLC investigada en la muestra de fibra de la fase BPII a N*. La barra de escala amarilla corresponde a 50 μm.

Curiosamente, descubrimos que es posible afectar la transmisión de la luz blanca propagada en la microestructura de fibra óptica mediante una capa delgada de cristales líquidos de BP alineados colocados en la ruta de la señal óptica. La Figura 14 muestra las características espectrales de la luz guiada en el sistema investigado. Al enfriar la muestra desde la fase isotrópica a BPII, la transmisión disminuye para las longitudes de onda más cortas relacionadas con los reflejos selectivos de la luz azul. Vale la pena mencionar que durante la nucleación del cristal de BP cerca de la transición de fase ISO-BPII, la luz se dispersa principalmente, lo que se puede notar como una disminución espectralmente amplia en la transmisión a 56,0 °C. Además, este efecto también surge debido a la imperfección de la orientación de los cristales de BP en la masa, revelando una textura policristalina. A temperaturas más bajas, la transmisión reducida derivada de la reflexión de Bragg se desplaza hacia longitudes de onda más largas, aumentando simultáneamente su ancho espectral desde 24 nm (para BPII a 55,5 °C) hasta 40 nm (para N* a 49,0 °C). Nuestras investigaciones revelan una amplia sintonización de las propiedades fotónicas de la microcavidad BPLC en el rango visible de 475 a 678 nm, observando las longitudes de onda para el nivel de transmisión más bajo en los espectros a las temperaturas seleccionadas (fases LC). Desafortunadamente, la sintonización presentada de la banda prohibida fotónica del BPLC no es continua en todo el rango espectral antes mencionado, ya que se produce un salto de la longitud de onda de Bragg de 480 nm a 560 nm en la transición de fase BPII-BPI. Sin embargo, la sintonizabilidad de la banda prohibida fotónica con respecto a las fases BPI y N* es ininterrumpida, para lo cual la sensibilidad térmica promedio de la microcavidad BPLC examinada corresponde a 22 nm/°C.

Los espectros de la luz blanca transmitida en la fibra de la microestructura investigada se registraron al enfriar la microcavidad BPLC desde la fase isotrópica (57,0 °C) hasta la fase nemática quiral (51,0 °C y menos).

En general, la orientación de las LC en las estructuras periódicas de guías de ondas es una cuestión crucial para lograr reflejos de luz selectivos para las longitudes de onda seleccionadas. Sin embargo, esto no es tan crítico en el caso de estructuras quirales autoensambladas, donde la imperfección de la orientación de los dominios BP puede eventualmente aumentar el ancho espectral en la señal de transmisión inferior correspondiente a la reflexión de Bragg. También vale la pena señalar que nuestros resultados indican inequívocamente que las reflexiones de Bragg detectadas en los espectros de transmisión concuerdan bien con el color de las texturas BPLC registradas en cada fase de LC, aunque ambas observaciones se observaron en dos direcciones diferentes. Por lo tanto, podemos decir que la banda de reflexión de Bragg para dominios BPLC alineados y no deformados es la misma para direcciones perpendiculares.

En este trabajo, demostramos que la fotoalineación periódica reversible de las moléculas de cristal líquido es posible dentro de los microcapilares de sílice. Pudimos controlar el período arbitrariamente desde aproximadamente 500 μm hasta 20 μm (a diferencia de trabajos anteriores en el campo donde solo se utilizaron unos pocos tipos de máscaras de amplitud para la irradiación selectiva, típicamente una máscara de período 600, 700 u 800). μm, es decir, Refs.15,17,18,22, sólo en la Ref.21 se han utilizado simultáneamente tres máscaras con período de 400, 500 y 600 μm). La orientación obtenida se analizó con microscopía polarizada y esperábamos que la propagación de una luz de banda ancha en estructuras periódicas tan bien definidas diera como resultado espectros típicos de rejillas de fibra de período largo o incluso rejillas de fibra de Bragg. Sin embargo, aunque creamos y medimos una serie de muestras creadas de manera diferente (es decir, usando diferentes métodos de conexión con fibras SM), no pudimos observar cambios característicos en los espectros de transmisión que pudieran atribuirse a las rejillas creadas. Nuestro modelo numérico (aunque simplificado, ver "Métodos") puede proporcionar una explicación cualitativa de nuestros intentos experimentales fallidos de observación de los espectros "en forma de rejilla". Cuando examinamos los microcapilares con alineación LC periódica bajo el microscopio polarizador, con grandes aumentos notamos que las fluctuaciones de los límites entre dos orientaciones diferentes de las moléculas de LC podrían tener un impacto en el rendimiento de la rejilla. Además, los límites entre dos orientaciones diferentes no están bien definidos, como resultó de nuestro análisis teórico, donde se asumió el "tipo escalonado" del perfil del índice de refracción. En una rejilla de núcleo de LC real, el límite entre dos regiones vecinas se puede considerar "borroso", ya que el límite entre dos tipos diferentes de moléculas de LC, la orientación consiste en un cambio continuo de la alineación de las moléculas o en algún defecto topológico distribuido localmente, en ambos casos. el borde no puede tratarse como un borde "escalonado" entre dos regiones con diferentes índices de refracción. Como resultado, es mucho más difícil obtener una reflexión coherente a partir de dicho "borde" y, en consecuencia, es mucho más difícil obtener la interferencia estable necesaria para la creación de "caídas" típicas en los espectros.

Además, también hay un factor que puede alterar el rendimiento de la rejilla de fibra con núcleo LC, es decir, los modos de revestimiento y su interferencia aleatoria. En cada interfaz entre dos secciones con orientación diferente no sólo podemos esperar la reflexión de la luz, sino que también una parte de la luz puede dispersarse y luego propagarse en el revestimiento como modos de revestimiento, con una fase aleatoria, porque las regiones de dispersión están "borrosas" , y sus límites fluctúan (Fig. 15). Cuantos más bordes tengamos en la muestra, más modo de revestimiento inducido aleatoriamente se podría inducir y, en consecuencia, esos modos de revestimiento pueden interferir aleatoriamente en la salida de la muestra, lo que resulta en un ruido aún mayor.

Visualización esquemática de las principales fuentes de interferencia incoherente que da como resultado espectros de transmisión fuertemente aleatorios: fronteras "borrosas" y fluctuantes entre dos regiones centrales de LC alineadas de manera diferente. Como resultado, no sólo los modos del núcleo, sino también los modos de revestimiento podrían inducirse aleatoriamente y su interferencia con la fase aleatoria dará como resultado espectros ruidosos.

En este trabajo, nos hemos esforzado mucho en crear estructuras LC periódicas dentro de guías de ondas rectangulares creadas mediante PDMS. Aunque pudimos generar cambios periódicos en la alineación de las moléculas de LC mediante el uso de microelectrodos periódicos, nuevamente, no pudimos medir los espectros de transmisión típicos de los observados en rejillas de fibra. Las razones podrían ser probablemente las mismas que las descritas anteriormente para las guías de ondas de núcleo LC cilíndricas.

Finalmente, decidimos evaluar la guía de ondas en LC con una periodicidad definida "naturalmente" obtenida mediante el uso de LC de fase azul. En este caso, pudimos observar una caída bastante amplia en los espectros de transmisión, correspondiente a la banda prohibida de primer orden creada espontáneamente por el BPLC (cuya periodicidad es del orden de unos pocos cientos de nm). Además, al cambiar la temperatura, pudimos sintonizar la banda prohibida casi en todo el rango visible. Las observaciones del BPLC con un microscopio demostraron que las moléculas no están perfectamente orientadas, y en la Fig. 13 se pudieron observar algunos "dominios" con tonos ligeramente diferentes. Sin embargo, incluso con esos "defectos" pudimos obtener una caída bastante notable en los espectros. Fue posible porque la banda prohibida de primer orden es mucho más amplia que las bandas prohibidas de orden superior y, además, es menos sensible a cualquier imperfección en la estructura; esta conclusión también fue confirmada por nuestro modelo numérico cuando la estabilidad de la banda prohibida de primer orden Se analizó la banda prohibida.

Los resultados obtenidos para la guía de ondas BPLC podrían proporcionar un camino para una posible optimización futura de rejillas sintonizables/reversibles creadas con fotoalineación o campo eléctrico periódico. Parece que podría ser posible obtener espectros de tipo rejilla más estables si el período de las rejillas fuera mucho menor del que podemos obtener actualmente utilizando nuestras tecnologías. Sin embargo, parece razonable realizar algunos esfuerzos adicionales para crear guías de ondas de núcleo LC efectivamente sintonizables (ya sea mediante luz o un campo eléctrico) con rejillas de Bragg de primer orden. En este trabajo utilizamos únicamente LC nemáticas y BPLC; sin embargo, también se podrían esperar efectos interesantes si se utilizaran otros tipos de LC; en particular, las LC ferroeléctricas pueden ser muy útiles para este propósito72.

Datos disponibles en base a una solicitud razonable del autor correspondiente.

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Esta investigación fue financiada por CB POB FOTECH-1 y FOTECH-2 de la Universidad Tecnológica de Varsovia dentro del programa Excellence Initiative: Research University (IDUB). Los autores agradecen al Dr. O. Strzeżysz y al Dr. P. Kula, ambos del Instituto de Química de la Universidad Tecnológica Militar, por sus fructíferas colaboraciones en la química de materiales LC. Los autores desean agradecer al Prof. A. Dybko y al Dr. M. Juchniewicz (ambos de la Universidad Tecnológica de Varsovia) por su ayuda con respecto a la fabricación de muestras LC:PDMS. Los autores también agradecen al Prof. V. Chigrinov por proporcionar muestras de colorante azoico SD-1 y su fructífero debate sobre la fotoalineación de moléculas de cristal líquido.

Facultad de Física, Universidad Tecnológica de Varsovia, Koszykowa 75, 00-662, Varsovia, Polonia

Sławomir Ertman, Kamil Orzechowski, Katarzyna Rutkowska, Oliwia Kołodyńska, Julia Różycka, Adam Ignaciuk, Natalia Wasilewska y Tomasz R. Woliński

Facultad de Electrónica y Tecnología de la Información, Instituto de Sistemas Electrónicos, Universidad Tecnológica de Varsovia, Nowowiejska 15/19, 00-665, Varsovia, Polonia

Tomasz Osuch

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SE, KO, KR y TRW fueron responsables de la preparación del manuscrito, SE supervisó experimentos basados ​​en capilares de sílice, KR supervisó experimentos relacionados con estructuras PDMS, KO supervisó experimentos basados ​​en BPLC, OK preparó muestras basadas en capilares y midió sus propiedades de guía, NW prepara muestras basadas en capilares con factor de llenado variable, JR ensambló y programó la configuración utilizada para la fotoalineación reversible, AI preparó muestras LC:PDMS e hizo algunas mediciones experimentales dentro, TO y KR realizaron análisis numéricos, TRW revisó la versión final del manuscrito.

Correspondencia a Sławomir Ertman.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Ertman, S., Orzechowski, K., Rutkowska, K. et al. Microestructuras de guía de ondas cristalinas líquidas periódicas. Informe científico 13, 13896 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-41255-6

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Recibido: 30 de mayo de 2023

Aceptado: 23 de agosto de 2023

Publicado: 25 de agosto de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-41255-6

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