способ управления модуляцией оптического сигнала в жидкокристаллическом устройстве

Формула изобретения

1. Способ управления модуляцией оптического сигнала в жидкокристаллическом устройстве, заключающийся в приложении к электродам устройства переменного электрического поля в виде сигнала прямоугольной формы с заданной частотой и амплитудой напряжения, отличающийся тем, что этот сигнал не изменяет знак потенциала на электродах устройства.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что на одном из электродов поддерживается потенциал, равный нулю, а на другом - положительный потенциал.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что на одном из электродов поддерживается потенциал, равный нулю, а на другом - отрицательный потенциал.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве жидкого кристалла используется нематический жидкий кристалл с положительной диэлектрической анизотропией.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве жидкого кристалла используется нематический жидкий кристалл с отрицательной диэлектрической анизотропией.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве жидкого кристалла используется двухчастотный нематический жидкий кристалл с инверсией знака диэлектрической анизотропии.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способам управления модуляцией сигнала в оптических устройствах, в частности к способу управления модуляцией оптического сигнала в устройствах на основе жидких кристаллов (ЖК) путем приложения к электродам ЖК устройства электрического поля. Такие способы используются для управления модуляцией интенсивности света в работе ЖК-дисплеев, а также для модуляции амплитуды и фазы оптического сигнала с разной длиной волны в различных фотонных ЖК устройствах, в том числе в различных переключателях и аттенюаторах оптического сигнала.

Управление оптическим откликом ЖК устройств осуществляется с помощью сигналов постоянного или переменного электрического поля. Известен способ управления ЖК устройством импульсами постоянного электрического поля, который позволяет существенно уменьшить время оптического отклика (Е.А. Коншина, М.А. Федоров, Л.П. Амосова, М.В. Исаев, Д.С. Костомаров. Динамика спада оптического пропускания в ячейках с двухчастотным нематическим жидким кристаллом. // Письма в ЖТФ. 2008. Т.34. № 9. С.87-94) [1]. Однако при приложении постоянного поля к слою жидкого кристалла возникает направленное движение ионов. Разделение зарядов, происходящее в результате этого, приводит к формированию объемного заряда вблизи электродов и экранированию приложенного напряжения, что в свою очередь вызывает увеличение порогового напряжения электрооптического эффекта Фредерикса и замедление процесса релаксации жидкого кристалла.

Известен способ управления ЖК-дисплеем на основе полимер-диспергированного холестерического ЖК путем подачи однополярных импульсов (Patent US № 6710760 «Unipolar drive for cholesteric liquid crystal displays», G09G/336, 28.11.2000, 23.03.2004) [2]. Способ позволяет предотвратить вынужденное движение ионов к электродам, приводящее к разрушению такого рода дисплеев, и позволяет сократить количество переключателей напряжений. Однако данный способ применим для бистабильного переключения ЖК.

Известны способы управления оптическим сигналом ЖК с помощью переменного электрического поля в форме синусоиды и прямоугольной формы сигнала (двуполярный меандр) (Liang X., Lu Y.Q., Wu Y.H., Du F., Wang H.Y., Wu S.T. Dual-frequency addressed variable optical attenuator with submilli-second response time // Jap. J. of Appl. Phys. 2005. V. 44. № 3. P. 1292-1295) [3]. В переменном электрическом поле знак потенциала на электродах изменяется с частотой следования импульсов напряжения. Использование переменного поля препятсвует накапливанию объемного заряда, однако из-за уменьшения амплитуды эффективного напряжения время оптического отклика увеличивается по сравнению с приложением постоянного импульса напряжения.

Наиболее близким по технической сущности и выбранным авторами за прототип является способ управления модуляцией оптического сигнала, (Golovin А.В., Shiyanovskii S.V., Lavrentovich О.D. Fast switching dual-frequency liquid crystal optical retarder, driven by an amplitude and frequency modulated voltage // Appl. Phys. Lett. 2003. V. 83. No 19. P. 3864-3866) [4], в котором используется как импульс постоянного напряжения, так и двуполярный меандр. Быструю переориентацию директора ЖК инициируют подачей короткого импульса напряжения длительностью 100 мкс с высокой амплитудой (50-100 В) непосредственно перед приложением к слою жидкого кристалла управляющего двуполярного меандра для поддержания уровня пропускания подачей. Недостатками прототипа является сложная схема управления оптическим откликом жидкого кристалла и применение высоких амплитуд напряжений, что может приводить к электрическому пробою ЖК устройств и увеличению энергопотребления устройств. Кроме того, использование этого способа в устройствах на основе нематических жидких кристаллов может способствовать избыточному вращению молекул в процессе переориентации, увеличивая длительность процесса естественной релаксации.

Решается задача упрощения схемы управления оптическим откликом ЖК устройств путем приложения переменного электрического поля, снижения энергопотребления устройства за счет уменьшения амплитуды приложенного напряжения и времени переключения.

Сущность способа заключается в том, что к ЖК устройству для получения оптического отклика прикладывают напряжение переменного электрического поля с прямоугольной формой сигнала разной частоты, но при этом знак потенциала на электродах не изменяется в результате использования однополярного меандра. В этом случае на одном из электродов постоянно поддерживается нулевой потенциал, а на другом может быть положительный или отрицательный потенциал. Постоянный знак потенциала на электродах отличает этот способ управления ЖК устройством от способа управления с помощью двуполярного меандра, в результате приложения которого потенциал изменяется в соответствии с частотой следования импульсов электрического поля. По эффективности действия электрического поля на жидкий кристалл однополярный меандр приближается к действию импульса постоянного потенциала, что позволяет снизить амплитуду напряжения по сравнению с двуполярным меандром.

Сравнение с прототипом показывает, что заявляемый способ управления откликом ЖК устройства отличается тем, что используется только один вид сигнала электрического сигнала, что упрощает схему управления, а также исключает перемещение ионов в ЖК среде во время переключения. Использование однополярного меандра способствует ускорению переключения нематического жидкого кристалла по сравнению с двуполярным меандром. Однополярный меандр может быть использован для переключения двухчастотного нематического жидкого кристалла на частотах ниже переходной частоты этого кристалла, когда диэлектрическая анизотропия положительна. За счет этого достигается технический результат изобретения, а именно упрощение схемы управления, уменьшение амплитуды приложенного напряжения, управляющего модуляцией оптического сигнала в ЖК устройстве, а также ускорение электрооптического отклика.

Сущность заявляемого способа поясняют следующие иллюстрации, где на:

Фиг.1 - принципиальная схема электроуправляемого ЖК устройства;

Фиг.2 - с принципиальной электрооптической схемой управления модуляцией оптического сигнала в ЖК устройстве;

Фиг.3 - электрический сигнал в форме двуполярного (а) и однополярного (б) меандра.

Фиг.4 - осциллограмма модуляции оптического сигнала нематического жидкого кристалла с положительной диэлектрической анизотропией при управлении электрическим полем с амплитудой 30 В в виде - (а) двуполярного меандра с частотой 2 кГц и (б) однополярного меандра с частотой 9 кГц;

Фиг.5 - иллюстрируется модуляция оптического сигнала в слое нематического жидкого кристалла с положительной диэлектрической анизотропией при приложении к электродам переменного напряжения электрического поля с амплитудой, равной 30 В, (а) в виде однополярного меандра с частотой 9 кГц и (б) в виде синусоиды с частотой 2 кГц;

Фиг.6 - иллюстрируется модуляция оптического сигнала в слое нематического жидкого кристалла с положительной диэлектрической анизотропией при приложении к электродам переменного напряжения электрического поля с амплитудой, равной 30 В, в виде однополярного меандра: (а) с отрицательным потенциалом (0; -) на одном из электродов устройства и (б) с положительным потенциалом на одном из электродов (0; +).

Электроуправляемое ЖК устройство, представленное на Фиг.1, включает в себя две параллельные подложки 1 и 2, между которыми расположен слой жидкого кристалла 3. На каждую подложку 1,2 нанесен прозрачный проводящий электрод 4 и ориентирующий слой 5 для выравнивания молекул жидкого кристалла в заданном направлении. Толщина слоя жидкого кристалла 3 фиксируется с помощью спейсеров.

В схеме управления электрооптическим откликом на Фиг.2, ЖК устройство 6 размещено между поляризатором 7 и скрещенным с ним анализатором 8. Излучение источника 9, прошедшее через ЖК устройство 6, попадает на фотодиод 10, а затем на осциллограф И, данные с которого регистрируются с помощью компьютера. Напряжение на ЖК ячейку подавалось от генератора 12. Во всех далее приведенных примерах в качестве источников излучения использовался полупроводниковый лазер с длиной волны 0,65 мкм с коллиматором излучения 13.

Пример 1. Предлагаемый способ управления оптическим откликом ЖК устройства 6 иллюстрирует следующий пример. На ЖК устройство, собранное из двух плоскопараллельных стеклянных подложек 1,2 диаметром 35 мм, покрытых тонким прозрачным проводящим слоем 4 на основе окислов индия и олова, и ориентирующим слоем 5 натертого полиимида подавалось переменное электрическое поле с различными формами сигнала. В качестве модулирующей среды использовался ЖК-1282 (НИОПИК, Москва) с положительной диэлектрической анизотропией и толщиной слоя 13 мкм. Устройство 6 было установлено между поляризатором 7 и анализатором 8 таким образом, чтобы угол между вектором поляризации падающего излучения и директором ЖК составлял 45° для получения максимального пропускания в состоянии устройства «выключено». На ЖК устройство 6 от генератора 12 на Фиг.2 подавалось переменное напряжение в виде двуполярного меандра и однополярного меандра (Фиг.3 а, б) для осуществления упругой splay-деформация слоя жидкого кристалла.

На Фиг.4 приведены осциллограммы оптического отклика ЖК устройства 6, полученные при приложении к ячейке напряжения электрического поля в виде двуполярного меандра амплитудой 30 В (а) с частотой 2 кГц и однополярного меандра (б) с частотой 9 кГц. Время оптического отклика ЖК устройства 6 при одинаковой амплитуде приложенного напряжения было меньше в случае однополярного меандра. Применение более высокой частоты в случае однополярного меандра вызвано необходимостью устранения дребезга оптического сигнала, связанного с вращением молекул в периоды времени, когда переменное напряжение равно нулю. Несмотря на то, что эффективное значение напряжения в случае однополярного меандра соответствует эффективному напряжению 0,7 амплитуды приложенного напряжения, время отклика ЖК устройства 6 было меньше в 1,8 раз по сравнению с двуполярным меандром.

Пример 2. Амплитуда и форма электрического сигнала определяют величину эффективного напряжения, приложенного к слою жидкого кристалла, от которого зависит одна из важных эксплуатационных характеристик ЖК устройств - время переключения. На Фиг.5 показаны осциллограммы оптического отклика устройства с ЖК-1282 при приложении напряжения переменного электрического поля в виде однополярного меандра амплитудой 30 В (а) с частотой 9 кГц и синусоиды (б) с частотой 2 кГц. Время отклика при приложении однополярного меандра в 5 раз меньше, чем время отклика при использовании синусоидального сигнала с частотой 2 кГц при равных амплитудах напряжения.

Пример 3. На Фиг.6 показаны осциллограммы оптического отклика ЖК при приложении к ячейке переменного напряжения электрического поля с амплитудой, равной 30 В, в виде однополярного меандра: (а) с отрицательным потенциалом (0; -) на одном из электродов устройства и (б) с положительным потенциалом на одном из электродов (0; +). Изменение знака потенциала на электроде не влияло на время оптического отклика.

Таким образом, доказано, что заявляемый способ модуляции оптического сигнала позволяет упростить схему управления оптическим откликом ЖК устройства и одновременно снизить энергопотребление по сравнению с ранее известными аналогами и прототипом.

Источники информации

1. Е.А. Коншина, М.А. Федоров, Л.П. Амосова, М.В. Исаев, Д.С. Костомаров. Динамика спада оптического пропускания в ячейках с двухчастотным нематическим жидким кристаллом. // Письма в ЖТФ. 2008. Т.34. № 9. С.87-94.

2. Patent US № 6710760 «Unipolar drive for cholesteric liquid crystal displays», G09G/336, 28.11.2000, 23.03.2004.

3. Liang X., Lu Y.Q., Wu Y.H., Du F., Wang H.Y., Wu S.T. Dualfrequency addressed variable optical attenuator with submillisecond response time // Jap.J. of Appl. Phys. 2005. V.44. № 3. P.1292-1295.

4. Golovin А.В., Shiyanovskii S.V., Lavrentovich O.D. Fast switching dual-frequency liquid crystal optical retarder, driven by an amplitude and frequency modulated voltage // Appl. Phys. Lett. 2003. V.83. No 19. P.3864-3866.