Microstructures périodiques de guidage d'ondes à cristaux liquides

Aug 24, 2023

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 13896 (2023) Citer cet article

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Différentes méthodes permettant de créer des guides d'ondes optiques avec des cœurs à cristaux liquides (LC), dans lesquels les molécules forment des motifs périodiques avec des périodes précisément contrôlées, sont décrites. Le premier est basé sur un photoalignement réversible avec illumination sélective haute résolution et permet de contrôler la période des molécules LC à l’intérieur des microcapillaires de silice. La deuxième méthode utilise des microstructures formées en PDMS, permettant d'obtenir à la fois : des guides d'ondes LC-core et un ensemble de microélectrodes périodiques spécialement conçues utilisées pour la réorientation périodique des molécules. En utilisant les deux méthodes, nous avons réussi à contrôler la période d’alignement du motif dans une plage d’environ 500 µm et à la réduire jusqu’à 20 µm. Nous avons réalisé des études expérimentales sur le phénomène de guidage d'ondes dans de telles structures, en vue d'obtenir des spectres de transmission typiques des réseaux de fibres optiques. Les résultats obtenus dans les conditions expérimentales étant différents de ceux attendus, des simulations numériques supplémentaires ont été réalisées pour expliquer les effets observés. Enfin, nous avons obtenu le guidage d'ondes dans une phase bleue LC, caractérisée par une périodicité tridimensionnelle créée naturellement avec des périodes inférieures au micromètre. Dans une telle structure, nous avons pu observer une bande interdite de premier ordre et, en outre, la régler thermiquement dans presque toute la plage spectrale visible.

Les technologies basées sur la photonique recèlent un énorme potentiel pour révolutionner le XXIe siècle, tout comme l’électronique l’a fait au XXe siècle. Ils peuvent offrir un niveau important de miniaturisation et d’intégration pour obtenir des fonctionnalités améliorées simultanément avec une consommation d’énergie efficace.

Les structures de guidage d'ondes planaires à cristaux liquides (LC) ont été étudiées au cours des dernières décennies1,2, formant une nouvelle plate-forme qui répond au besoin d'une configuration intégrée adaptée aux dispositifs accordables. Les réponses électro-optiques et les effets thermo-optiques extrêmement élevés dans les LC, combinés à leur biréfringence élevée et à leur grande anisotropie diélectrique, se traduisent par un potentiel extraordinaire d'application aux structures de guidage d'ondes. Dans des structures confinées, telles que, par exemple, des tubes microcapillaires infiltrés de LC, des effets de guidage d'onde dans les fibres LC à noyau circulaire et elliptique ont été rapportés3. Le guide d'onde cylindrique LC à noyau elliptique (4 × 18 µm) s'est avéré être un exemple inhabituel de fibre optique multimode à polarisation unique4.

Un autre type de structures de guidage d'ondes LC basées sur des fibres à cristaux photoniques (PCF) sont les fibres à cristaux liquides photoniques (PLCF)5,6,7,8, également connues sous le nom de PCF infiltrées par LC. Les PLCF sont des fibres spécialisées avancées qui bénéficient d'une combinaison de microstructures hôtes PCF « passives » infiltrées avec des matériaux invités LC « actifs » et sont responsables d'une variété de leurs propriétés uniques. Les PLCF créent une nouvelle classe de guides d'ondes optiques qui utilisent les propriétés de guidage exceptionnelles des PCF à noyau solide et les propriétés accordables attrayantes de la microstructure photonique LC dans la gaine de la fibre. Les PCF infiltrés par LC introduisent de nouveaux niveaux d'accordabilité aux PCF et améliorent leurs performances grâce à une diversité de nouvelles propriétés de propagation, spectrales, thermo-optiques, électro-optiques et de polarisation. Outre leur haute sensibilité à la température et aux champs électriques/magnétiques/optiques, l'utilisation de différents « scénarios » d'orientation moléculaire des cristaux liquides au sein des microtrous peut déterminer soit des mécanismes de guidage d'indice, soit des mécanismes de propagation de la bande interdite photonique, ainsi qu'une commutation réversible entre eux. .

Les structures de guidage d'ondes périodiques ont joué un rôle essentiel dans l'évolution de la photonique. En plus des structures transversalement périodiques (par exemple, cristaux photoniques et fibres de cristaux photoniques), les structures de guidage d'ondes dans lesquelles l'indice de réfraction varie périodiquement le long de la direction de propagation sont également importantes. Leur impact s'étend sur un large éventail de fonctionnalités des dispositifs photoniques, notamment le couplage de réseau, la réflexion (Bragg), la conversion de polarisation, la déviation, la génération de seconde harmonique, la modulation de fréquence, etc. La grande variété des dispositifs résulte des différentes manières dont les géométries des guides d'ondes, la périodicité (décrite par le rapport cyclique et la modulation/différence d'indice de réfraction), les effets de couplage et les modes guidés peuvent être choisis.