[論文レビュー] Composite Cell from Nematic and Cholesteric Liquid Crystals as an Rotator of Electrically Tunable Polarization Plane

A. H. Gevorgyan, K. B. Oganesyan+7 more|arXiv (Cornell University)|Mar 7, 2017

Liquid Crystal Research Advancements参考文献 8被引用数 18

ひとこと要約

本論文では、ネマチック配列（NLC）とコレステリック配列（CLC）の層を組み合わせた複合液体結晶素子を提案し、光の偏光状態の回転を電気的に制御可能にする。2つのNLC層をラムダ/4波プレートとして用い、CLC層を特定波長の反射に特化させることで、偏光状態の動的制御が可能となり、光通信分野における可変偏光回転子や線形偏光子として機能する。

ABSTRACT

A liquid crystal optical device made of an optically anisotropic heterostructure is considered. The device consists of a cholesteric liquid crystal (CLC) layer sandwiched by two phase-shifting anisotropic layers of a nematic liquid crystal (NLC). In this structure each of the NLC layers is a quarterwave plate. The problem is solved both by Ambartsumian method of layer addition and Muller matrix method. The peculiarities of reflection spectra, eigen polarizations, rotation of polarization plane and polarization ellipticity are studied. It is shown that this device can work as a light modulator or a system for obtaining linearly polarized light with electrically tunable rotation of the polarization plane (which is especially important for optical communication), as well as a device for obtaining the linearly polarized light from a non-polarized one.

研究の動機と目的

• 液体結晶ヘテロ構造を用いて、光の偏光状態を動的に制御可能な可変光学素子の設計を目的とする。
• 透過光の偏光状態の回転角を電気的に調整可能にする。
• 偏光状態を制御可能な方向に、非偏光光を効率的に線形偏光光に変換する。
• 複合NLC-CLC-NLC構造の偏光特性および反射スペクトルを調査する。
• 可変偏光制御を要する光通信システムへの応用を検討する。

提案手法

• 素子構造は、中間にコアステリック液体結晶（CLC）層を挟んだ2つのネマチック液体結晶（NLC）層から構成され、それぞれがラムダ/4波プレートとして機能する。
• 光学伝達関数および偏光変換をモデル化するために、アムバーツィアムの層積み法とミュラー行列法を用いた。
• 固有偏光状態、反射スペクトル、透過光の偏光楕円度を計算するための理論的解析を実施した。
• 印加電界に対するシステム応答を解析し、偏光回転角の可変性を評価した。
• CLC層の屈折率異方性およびヘリカルピッチの影響が光学的性能に与える影響を理論的に検討した。
• 多層構造内を通過する偏光状態の変化をシミュレーションすることで、理論的予測の妥当性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 複合NLC-CLC-NLC構造は、電気的に可変な偏光回転子として機能可能か？
• RQ2 素子に印加する電圧の変化に伴い、透過光の偏光状態はどのように変化するか？
• RQ3 ヘテロ構造の固有偏光状態および反射特性は何か？
• RQ4 非偏光光を、制御可能な方向に線形偏光光に変換できる程度はどの程度か？
• RQ5 光学的特性は、NLCおよびCLC層の厚さおよび屈折率異方性にどのように依存するか？

主な発見

• 素子は可変偏光回転子として機能し、透過光の偏光状態の回転角を電気的に制御可能である。
• 電圧制御により、非偏光光を制御可能な方向に線形偏光光に変換できる。
• 理論的解析により、偏光楕円度および固有偏光状態がCLC層のヘリカルピッチおよび屈折率異方性に強く依存することが示された。
• 反射スペクトルには、コアステリック層のフォトニックスバンドギャップに対応する狭帯域のストップバンドが現れ、電圧によってその特性が可変である。
• NLC層はラムダ/4波プレートとして機能し、遅延量が可変な可変波プレートとしての機能を果たす。
• 本素子は、動的偏光制御を要する光通信システムへの応用が有望である。