Зміст
Вступ
Розділ 1. Планарні структури для пристроїв та елементів
1.1. Огляд сучасного стану розвитку пристроїв на базі планарних хвилеводів
1.2. Характеристики планарних хвилеводів
1.2.1.Тришаровий плоский хвилевід
1.2.2. Симетричний хвилевід
1.3. Методи збудження оптичних планарних хвилеводів
1.4. Розрахунок параметрів планарного хвилеводу
Розділ 2. Створення рідкокристалічних сумішей та методики дослідження
електрооптичних параметрів, діаграм направленості планарних структур з РК
серцевиною
2.1. Обгрунтування вибору об'єктів досліджень і методика приготування
експериментальних зразків
2.2. Методика досліджень оптичних та електрооптичних параметрів
нематико-холестеричних сумішей та автоматизація вимірювань даних характеристик
2.2.1. Автоматизація вимірювання електрооптичних характеристик
2.3. Методика дослідження констант пружності Франка нематико-холестеричних
сумішей
2.4. Методика вимірювання діаграми направленості та величини контрасту
Розділ 3. Дослідження процесу розсіювання світла в нематико-холестеричних
сумішах
3.1. Дослідження діелектричних параметрів нематико-холестеричних сумішей
3.2. Моделювання процесу розсіювання світла на конфокальній текстурі
індукованого холестерика
3.3. Теоретичні аспекти та обмеження моделі розсіювання світла в планарному
світловоді
3.4. Оптичний елемент на базі планарного світловоду з РК серцевиною
Розділ 4. Дослідження розповсюдження оптичного випромінювання в планарних
структурах
4.1. Розсіювання світла на конфокальних доменах в індукованих-холестеричних
рідких кристалах
4.2. Електрохромний оптичний елемент на основі наноструктурованих матеріалів
4. Визначення величини контрасту та кута огляду
Розділ 5. Дослідження планарних структур з рідкокристалічною серцевиною для
пристроїв мікроелектроніки
5.1. Технологічні основи створення елементів та пристроїв рідкокристалічної
електроніки
5.2. Процес створення матриці тонкоплівкових транзисторів
5.3. Коноскопічні дослідження деформації поля директора в планарних структурах
з рідкокристалічною серцевиною
5.4. Оптичний розгалужувач на базі планарної мікроелектронної структури з РК
серцевиною
Основні результати та висновки
Література
Перелік умовних скорочень
РК
рідкий кристал
МББА
-метоксибензиліденбутиланілін
ДРС
динамічне розсіювання світла
ПК
персональний комп’ютер
ХНП
холестерико-нематичний перехід
ОАД
оптично активна домішка
ВКХ
вольт-контрастна характеристика
ЕОМ
електронно-обчислювальна машина
АЦП
аналогово-цифровий перетворювач
ЦАП
цифро-анологовий перетворювач
ХНС
холестерико-нематична суміш
ХРК
холестеричний-рідкий кристал
НХП
нематико-холестерисний перехід
ПАН
поліанілін
ПАР
поверхнево активні речовини
ТПТ
тонкоплівкові транзистори
?е
діелектрична анізотропія впорядкованого рідкого кристалу
?n
оптична анізотропія рідкого кристалу
е¦
діелектрична проникливість впорядкованого рідкого кристалу у напрямку
паралельному директору молекули
n¦
показник заломлення рідкокристалічної суміші у напрямку паралельному директору
n+
показник заломлення рідкокристалічної суміші у напрямку перпендикулярному
директору
ВСТУП
Актуальність теми дослідження.
Планарні світловоди використовуються в оптичних колах обробки та передачі
інформації як пасивні, активні та з’єднувальні елементи ланцюгів таких кіл. Для
їх реалізації використовують матеріали з заданими значеннями показників
заломлення, при низьких значеннях поглинання та розсіювання, щоб можна було
мінімізувати оптичні втрати в таких колах. В сучасних умовах для їх
виготовлення найчастіше використовують тверді речовини. Наприклад, відбиваюча
оболонка світловоду може виконуватися з SiO, а шар серцевини – з нітриду
кремнію (SiN), оксинітриду кремнію (SiOx Ny), легованого германієм кварцового
скла (SiOGeO). У твердотільних планарних світловодних системах існує проблема
створення активних та пасивних елементів на основі одного матеріалу. При
застосуванні середовищ із різними оптичними властивостями спостерігаються
значні втрати оптичного випромінювання на межах
розділу різних матеріалів.
Одним зі шляхів вирішення цієї проблеми є застосування рідкокристалічних
матеріалів як активного середовища планарних світловодів, які характеризуються
високою анізотропією показника заломлення, високою чутливістю до зовнішніх
електричного та магнітного полів та широким діапазоном робочих температур, що
може бути покладено в основу створення нових планарних структур Однак для їх
застосування необхідне вирішення низки проблем, таких, як узгодження оптичних
характеристик РК-матеріалів та інших матеріалів, що входять до структури
планарного оптоелектронного пристрою; створення високоприцезійних систем
керування оптичними характеристиками РК-матеріалів та інше. Слід дослідити
процеси поширення оптичного випромінювання втому числі лазерного видимого
діапазону у планарних світловодах з рідкокристалічною серцевиною, зокрема явища
розсіювання світла та ефекти, що виникають під час проходження світла в
неоднорідно орієнтованих шарах рідких кристалів. Проведення таких досліджень
дозволить створити принципово нові активні та пасивні елементи на їх основі.
Саме цим питанням дослідження та розробки присвячена дисертаційна робота.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.
Дисертаційна робота виконана на кафедрі електронних приладів Національного
університету “Львівська політехніка” у відповідності до наукової програми
Міністерства освіти та науки України в рамках держбюджетних фундаментальних
досліджень «Розробка інтегрально-оптичних багатофункціональних мікроелектронних
сенсорів фізичних величин» № держреєстрації: U, “Розробка структури
електрохромний полімер - рідкий кристал для гнучких пристроїв відображення
інформації” № держреєстрації: U.
Мета і задачі досліджень.
Розробка планарних хвилеводних структур для створення керованих електричним
полем пристроїв оптоелектроніки.
Для досягнення поставленої мети необхідно було вирішити такі задачі:
Дослідити можливість застосування явища розсіювання світла на конфокальній
текстурі холестерика в пристроях відображення інформації.
Дослідити вплив методів створення підсвічування пасивних пристроїв відображення
інформації на їх контрастні характеристики.
Використовуючи метод комп’ютерного моделювання, дослідити закономірності
поширення випромінювання в планарних світловодах на основі рідкокристалічних
речовин.
За допомогою дослідження коноскопічних фігур планарних світловодів дослідити
можливість створення активних елементів ліній оптичної передачі інформації на
їх основі.
Дослідити електричні та електрооптичні властивості рідких кристалів як одного з
елементів оптично активного середовища електрохромних індикаторів.
Об’єкти досліджень. Об’єктом дослідження є процес поширення випромінювання в
планарних світловодних структурах на основі анізотропних середовищ у
зовнішньому електричному полі.
Предмет досліджень. Нематико-холестеричні суміші, нематичні рідкі кристали та
планарні структури для створення оптичних елементів пристроїв оптоелектроніки.
Методи досліджень. Використовувались оптичні методи дослідження, а саме,
спектроскопія, коноскопія, мікроскопічні дослідження РК матеріалів, комп’ютерне
моделювання.
Наукова новизна одержаних результатів:
1. Виявлені закономірності поширення світла в планарному світловоді у разі його
поширення вздовж РК шару. Визначальний вплив на ширину індикатриси розсіювання
мають розміри конфокальних доменів розсіювальної текстури холестерика, які в
свою чергу залежать від кроку надмолекулярної спіральної структури та
показників заломлення РК. Встановлено характер індикатриси розсіювання для
різних кутів вводу випромінювання в межах кута повного внутрішнього відбиття.
Збільшення кута введення випромінювання призводить до зростання ширини діаграми
напрямленості, а його максимальна величина обмежена кутом повного внутрішнього
відбиття. Запропоновано конструкцію оптичного елемента з застосуванням
двохстороннього підсвічування яка дала змогу збільшити кут огляду більш ніж
удвічі в порівнянні з одностороннім підсвіченням та забезпечити рівномірність
розсіювання в межах індикатриси розсіювання.
2. Вперше встановлено зв'язок між характером індикатриси розсіювання оптичних
елементів на основі планарних світловодів з РК серцевиною та параметрами
керуючих електричних полів, показано, що зростання величини напруженості
електричного поля призводить до зміни величини конфокальних доменів
розсіювальної текстури НХС, що дозволяє змінювати ширину діаграми направленості
та, як наслідок, величину кута огляду.
3. Вперше запропоновано метод створення планарного світловоду безпосередньо в
шарі нематичного рідкого кристала з додатною величиною оптичної анізотропії та
від’ємним значенням анізотропії діелектричної проникності. Експериментально
показано утворення в шарі РК під дією зовнішнього електричного поля ділянки з
більшим значенням показника заломлення в напрямку поширення світлового променя,
яка виконує роль серцевини планарного світловода, водночас роль зовнішньої
оболонки виконує гомеотропно орієнтований недеформований приповерхневий шар
нематичного кристала.
4. Вперше запропоновано оптичний елемент на основі структури електрохромний
полімер – іонно-допований рідкий кристал, в якому забарвлення пікселів
відбувається внаслідок електрохромного ефекту в полімері, а величина
випромінювання, відбитого від елемента, або випромінювання, яке пройшло крізь
нього регулюється РК матеріалом.
5. Проведено комп’ютерне моделювання процесу проходження світла в шарі
нематичного РК, за наявності в ньому зон з різним показником заломлення,
методами геометричної оптики. Це дозволило вперше запропонувати конструкцію
електрично-керованого планарного розгалужувача для систем волоконно-оптичних
ліній зв’язку. Оптимізовано взаємне розташування активних елементів
волоконно-оптичних ліній зв’язку для забезпечення мінімуму втрат оптичного
сигналу.
Практичне значення отриманих результатів.
Показано можливість створення планарних світловодних структур з
рідкокристалічною серцевиною.
Запропоновано оптичний елемент на основі структури електрохромний полімер –
іонно-допований рідкий кристал з можливістю одночасної роботи як на просвіт,
так і на відбиття.
Запропоновано метод створення планарного світловоду безпосередньо в шарі
нематичного рідкого кристала та пристроїв на його основі.
Новизна практичних розробок захищена заявками на винаходи.
Особистий внесок здобувача. Дисертантом була проведена розробка конструкцій
оптичних елементів, які можуть працювати як на просвіт, так і на відбиття.
Запропоновано метод створення планарного світловоду безпосередньо в шарі
нематичного рідкого кристала з додатною величиною оптичної анізотропії та
від’ємним значенням анізотропії діелектричної проникності. Всі висновки та
положення, що складають суть дисертації, сформульовані автором самостійно, на
основі досліджень, які проводились у рамках науково-дослідних робіт кафедри
"Електронні прилади".
Апробація роботи. Основні результати дисертаційної роботи доповідались і
містяться в матеріалах таких міжнародних конференцій, симпозіумів та
семінарів:
International Conference TCSET (Lviv-Slavske, Ukraine). International
Conference “Crystal materials’” (ICCM’) (Kharkov, Ukraine).
International Conference TCSET (Lviv-Slavske, Ukraine); International
Conference ICEPOM- (Lviv, Ukraine).
Міжнародний Симпозіум SID- (Лагойськ, Білорусь).
X Scientific Conference on Optoelectronic and Electronic Sensors Poznan,
Poland, .
Ювілейна десята відкрита науково-технічна конференція
професорського-викладацького складу ІТРЕ з проблем електроніки (Львів,
Україна).
Публікації. Основні отримані результати викладені в друкованих роботах,
опублікованих у вітчизняних та зарубіжних журналах та матеріалах міжнародних
конференцій, зокрема - у фахових журналах, - у тезах, доповідях і
матеріалах конференцій. Подано дві заявки на винахід, і отримано позитивно
рішення.
Структура та об’єм роботи. Дисертація складається зі вступу, п’яти
розділів
основного тексту, кожен з яких має висновки, загальних висновків, списку
використаних джерел. Загальний обсяг дисертаційної роботи становить
сторінок, включаючи таблиці та рисунків. Список
- Київ+380960830922