3.3.1. Электрически управляемые транспаранты

Подпись: Рис. 3.5. Схемы, объясняющие работу электрически управляемо¬го транспаранта электрооптического (а) и магнитооп¬тического (б) типа. Стрелками показано направление тока в электрических   шинах

При создании транспаранта естественно стремление получить как можно большее пространственное разрешение, и если оно превышает ~ 10 лин/мм, что вполне реально, то при площади транспаранта в несколько квадратных сантиметров индивидуальное электрическое подключение каждого элемента при помощи отдельного проводника становится практически невозможным. Поэтому в ЭУТ используется так называемая X-Y-адресация (двухкоординатная, матричная, мультиплексная). В этом случае на тонкий слой модулирующей среды с обеих сторон наносят параллельные проводящие прозрачные полосы (шины), причем так, чтобы на противоположных поверхностях они были ориентированы взаимно перпендикулярно (рис. 3.5, а). Электрическое поле в нужном месте транспаранта создают, подавая на соответствующие X-Y-шины управляющее напряжение, что вызывает в точке их пересечения локальное изменение оптических свойств модулирующей среды. Чтобы осуществить оптическую модуляцию по всей поверхности транспаранта, электрический сигнал должен «пробежать» по всем точкам пересечения шин (при числе строчек и столбцов 100x100 таких точек уже 1·104!). Для этого используют различную последовательность адресации управляющего напряжения к элементам ЭУТ. Оно может подаваться поочередно ко всем элементам (поэлементная адресация), одновременно ко всем элементам целой строки с нужным распределением по элементам в пределах данной строки (построчная адресация), то же самое по столбцам и т. п. Однако во всех случаях управляющее напряжение подается все же не одновременно ко всем элементам транспаранта, т. е. параллельная обработка информации в реальном масштабе времени, строго говоря, исключается. Тем не менее ЭУТ является важнейшим элементом систем обработки информации уже потому, что обеспечивает преобразование электрических сигналов в оптические, без чего невозможно объединение электронных и оптических устройств (аналогичную роль при преобразовании оптических сигналов в электрические играют многоэлементные фоточувствительные матрицы).

Характеристики и параметры ЭУТ в первую очередь определяются материалом, используемым в качестве модулирующей среды.

Для быстродействующих ЭУТ пригодны многие рассмотренные в 3.1.2 электрооптические кристаллы. В большинстве случаев в качестве модулирующего эффекта используют поворот плоскости поляризации света под действием приложенного электрического напряжения. Чтобы модуляцию поляризации преобразовать в амплитудную, ЭУТ такого типа помещают между скрещенными поляризатором и анализатором. Под действием напряжения транспарант в соответствующем месте просветляется. Широкому применению в ЭУТ традиционных электрооптических кристаллов мешает высокое управляющее напряжение (более 1 • 103 В).

Электрически управляемые ПВМС могут быть созданы на основе сегнетоэлектрической керамики — спрессованной при высокой температуре смеси цирконата и титаната свинца с добавлением лантана (PbZrO3 + PbTiO3 + La, сокращенно PLZT, в русском написании — ЦТСЛ). В зависимости от соотношения компонентов и режима спекания получают пластины ЦТСЛ-керамики, обладающей теми или иными электрооптическими свойствами. Прозрачность пластин толщиной около 0,1 мм в видимой области превосходит 90%, линейные размеры составляют несколько сантиметров, рабочие напряжения находятся в пределах 100—200 В.

Применение ЦТСЛ-керамики в оптических транспарантах основывается на ориентации (переориентации) под действием внешнего напряжения вектора поляризации доменов — областей спонтанной поляризации, имеющих оптические свойства, аналогичные одноосным кристалликам и хаотически ориентированных в исходном состоянии ЭУТ. В результате преимущественной ориентации доменов наводится двулучепреломление. Если же керамика относительно крупнозернистая (4—5 мкм), под действием внешнего электрического поля изменяются ее рассеивающие свойства. В последнем случае проходящий через транспарант свет оказывается промодулированным по амплитуде без применения скрещенных поляроидов. При температурах выше точки Кюри сегнетоэлектрическая фаза ЦТСЛ-керамики сменяется параэлектрической. В соответствии с этим ЭУТ обладает либо долговременной памятью, либо высоким быстродействием (вплоть до 10-7 — 10-9с). Столь эффективное устройство, кроме того, имеет достаточно низкую стоимость.

Наиболее чувствительны к управляющим сигналам и экономичны ЭУТ на основе жидких кристаллов (ЖК) — сложных органических веществ, обладающих свойствами жидкости (текучесть) и одновременно кристалла (анизотропия свойств, в том числе и оптических). Жидкокристаллическое состояние (мезофаза) существует только в определенном температурном интервале. За его пределами ЖК превращается при высоких температурах в изотропную жидкость, при низких — в твердую фазу.

Молекулы ЖК имеют удлиненную, сигарообразную форму (представляют собой своеобразный одноосный «кристалл») и поэтому стремятся к взаимной параллельной упаковке, а в конечном счете к анизотропии слоя ЖК. В зависимости от характера расположения молекул различают несколько типов ЖК: нематические, смектические, холестерические. В ЭУТ ЖК помещают в узкое пространство (3—30 мкм) между двумя прозрачными подложками. На внутренних поверхностях подложек создают взаимно перпендикулярные прозрачные шины—электроды. Эти же поверхности полируют (натирают) при поступательном (а не вращательном) движении подложки относительно шлифующего материала или же на них наносят напылением под углом тонкую пленку SiO2.Такая обработка приводит к тому, что молекулы ЖК ориентируются параллельно плоскости подложки и, кроме того, в одном направлении. Для света, направленного перпендикулярно подложкам, такой слой обладает максимальным двулучепреломлением. Если к ячейке прикладывать напряжение, превышающее некоторое пороговое, молекулы ЖК поворачиваются параллельно действующему электрическому полю и слой ЖК двулучепреломления уже не вызывает. При V=0 достигается большое различие Δп = пеп0 = =0,2÷0,4, что обеспечивает максимальную глубину модуляции уже при толщине слоя ЖК примерно 1 мкм.

Используя ориентирующее действие подложек, поворачивая их относительно друг друга, молекулы ЖК можно закрутить так, что их длинные оси в слоях, прилегающих к одной и другой подложкам, окажутся взаимно перпендикулярными. Такая структура становится оптически активной и поворачивает плоскость поляризации на 90°. Под действием приложенного к ячейке напряжения молекулы поворачиваются параллельно полю и «закрученное» состояние ЖК исчезает. Это так называемый твист-эффект (от англ. twist—закручивать), широко используемый в индикаторах часов, микрокалькуляторов и т. п.

Для получения амплитудной модуляции в ЖК с использованием двойного лучепреломления или твист-эффекта необходимо применить два пленочных поляроида. Возможна также непосредственная амплитудная модуляция света при помощи ЖК. Для этого в ЖК можно ввести незначительную добавку красителя, ориентация молекул которого зависит от ориентации окружающих молекул ЖК. Так как поглощение света красителем зависит от ориентации длинной оси его молекул, то, управляя ориентацией молекул ЖК, можно изменять оптическое поглощение устройства (эффект гостьхозяин). Можно ввести в ЖК не окрашивающие добавки, а легирующие примеси, приводящие к ионной проводимости вещества. Тогда при приложении внешнего напряжения протекание тока вызывает в ЖК вихревое, турбулентное движение и прозрачный в исходном состоянии слой ЖК становится мутно-серым (эффект динамического рассеяния или электрогидродинамический эффект).

Рабочие напряжения ЭУТ, действующих на различных эффектах в ЖК, варьируются от нескольких десятков до нескольких вольт, причем при достаточно малых протекающих токах (например, 1—3 мкА/см2). Жидкокристаллические устройства, характеризующиеся, кроме того, высокой технологичностью и низкой стоимостью, имеют существенный недостаток — относительно низкое быстродействие. Время электрооптического отклика для некоторых ЖК может составлять микросекунды, однако время возвращения молекул в исходное состояние по крайней мере на один-два порядка больше, так что быстродействие ЖК-устройств обычно приходится на миллисекундный диапазон. Время переключения ЭУТ уменьшается при уменьшении толщины слоя ЖК и увеличении управляющего напряжения. Оптимизируя эти параметры и используя другие приемы (как технологические, так и режим питания), частоту переключения устройства удается увеличить до 1 • 103, а иногда превысить 1·104Гц. Этого все же недостаточно для решения многих задач оптической обработки информации, хотя и вполне приемлемо, например, для индикаторных приборов.

Другой недостаток ЖК-устройств связан с ограниченным температурным интервалом существования мезофазы, составляющим несколько десятков кельвин (например, от —(10—20) до +(40—50)°С).

Высокое быстродействие, а также практически неограниченный срок службы можно получить, используя в ЭУТ магнитооптические эффекты в ферритах (см. 3.1.2). Трудности применения ферритов, в частности ферритов-гранатов и ортоферритов (отличающихся составом редкоземельных элементов и кристаллической структурой), связаны со значительным поглощением света в видимой области спектра. Тем не менее приемлемое для практики оптическое пропускание (—10% в красной области спектра) достигается, например, в транспарантах на основе ортоферритов YFeO3, YFeGaO3, ферритов-гранатов YGaScFeO, YGdGaFeO, Y2BiFeGaO12 и др. Локальное

магнитное поле, вызывающее изменение оптических свойств феррита, можно создать при помощи так называемой токовой петли (рис. 3.5, б). После кратковременного подключения тока (превышающего некоторое пороговое значение) созданная намагниченность участка транспаранта (на рисунке заштрихован) может сохраняться чрезвычайно долго. При считывании информации используется фарадеевское вращение плоскости поляризации света, проходящего через слой феррита, а также при его отражении (магнитооптический эффект Керра), Вполне реальны магнитооптические ЭУТ со временем перемагничения ~ 1 · 10-8 с, информационной емкостью по крайней мере 100x100 элементов и практически неограниченным ресурсом. Некоторые сложности с использованием магнитооптических транспарантов связаны с коммутацией достаточно больших управляющих токов (~1А).

Введение в оптоэлектронику


*****
© Банк лекций Siblec.ru
Формальные, технические, естественные, общественные, гуманитарные, и другие науки.