1、 5.6 光 导 纤 维,现代通信网络的主要传输媒介,光纤之父 高锟,光纤通信是利用光波作载波，以光纤作为传输媒质将信息从一处传至另一处的通信方式。1966年英籍华人高锟博士发表了一篇划时代性的论文，他提出利用带有包层材料的石英玻璃光学纤维，能作为通信媒质。从此，开创了光纤通信领域的研究工作。 1977年美国在芝加哥相距7000米的两电话局之间，首次用多模光纤成功地进行了光纤通信试验。 1995年底，全球已敷设光缆已超过1100万千米。,Characteristic,光导纤维的特性,传输损耗小 引起损耗的主要原因是光的吸收与散射 传输频带宽 引起光脉冲扩展的主要原因是模色散，长波长的单模光纤已
2、成为最有效的光通信材料 机械性能好 光纤极细且很长，要求它具有很高的强度和抗疲劳能力,全反射-光纖材料的應用原理,全反射為光線由折射率較大的介質射向折射率較小的介質時，入射光線將全部反射回來，不會有折射發生。,18.3.1 光导纤维的种类和特性 概况 光导纤维(optical fibre，简称光纤) 定义 能够以光信号而非电信号的形式传递信息(光束和图像)的具有特殊光学性能的玻璃或塑料纤维 分类按功能 可分为传光纤维与传像纤维按传输模式 可分为多模(multiple model，MM)光纤和单模(single model，SM)光纤，多模光纤能够同时传播多种光波模式，单模光纤只能传输一种光波模
3、式。后者可传输更多的信号按光纤的材料成分 可分为石英类、多组分玻璃类及有机高分子塑料光纤,表20.5 光纤的种类与材料,对通信石英光纤的要求 作为光通信媒介物的光导纤维应具有三个特性(1)传输衰耗小 常以每公里损失的分贝数(dBkm)表示(2)传输频带宽 现多用单模光纤(3)机械性能好 为保护光纤拉丝后的强度，光纤拉出后，必须立即被覆一层或二层保护性的涂膜。以提高使用寿命,2032 光导纤维的制备 石英光纤制备的要求 光纤制备必须严格控制 杂质的含量，尤其是金属离子和羟基离子 二者的存在会引起传输衰耗大辐度地上升。一般金属离子的浓度应在10-9级范围，羟基离子浓度一般为10-410-7 光纤的
4、尺寸和形状 纤芯直径的波动会产生大的传输衰耗甚至不能使用，形状对称性的改变会严重影响光纤之间的连接 化学组成 组成的微小变化，会影响纤芯的折射率，增加传输衰耗 光纤的制备工艺 光纤制造一般先制备预制棒，总共包括三个步骤：Fabrication of the preform Drawing the fiber from the preform Coating and jacketing process,概述 The preforms are fabricated using chemical vapor deposition methods： Modified Chemical Vapor De
5、position (MCVD) 最常用的预制棒制备方法 Plasma Modified Chemical Vapor Deposition (PMCVD) Plasma Chemical Vapor Deposition (PCVD) Outside Vapor Deposition (OVD) Vapor-phase Axial Deposition (AVD),1. 预制棒的制造,All these methods are based on thermal chemical vapor reaction that forms oxides, which are deposited as l
6、ayers of glass particles called soot, outer rotating rod or inside glass tube. The same chemical reactions occur in both methods. Starting materials are solutions of SiCl4, GeCl4, POCl3, and gaseous BCl3. These liquids are evaporated within oxygen stream and form silica and other oxides., 主反应 在“玻璃车床
7、”上用超纯的SiCl4与O2和H2在14001600下反应： SiCl4(g) + O2(g) + 2H2(g) = SiO2(g) + 4HCl(g) 掺杂反应 生成GeO2、P2O5、B2O3等： GeCl4 + O2 GeO2 + 2 Cl2 4 POCl3 + 3 O2 2 P2O5 + 6 Cl2 4 BCl3 + 3 O2 2 B2O3 + 6 Cl2 GeO2、P2O5 increase the refractive index of glass； B2O3 decreases the refractive index of glass. These oxides are kno
8、wn as dopants. Changing composition of the mixture during the process influences refractive index profile of the preform.,Preparation,化学气相沉积法制石英光纤,MCVD,A. 光纤预制棒制造,MCVD（改进的化学气相沉积）,MCVD技术由Bell Laboratories 研发 一支超纯石英管装载于一台装有氢氧喷灯玻璃车床上。 氯化物和氧气从石英管的一端馈入管中，在喷灯提供的高温下反应，在喷灯的下游所生成的烟灰状二氧化硅和二氧化锗亚微米颗粒沉积于石英管的内壁上。
9、当喷灯经过沉积物时，它们就被凝固为固态的玻璃。 改变硅、锗氯化物的比例，可形成折射率梯度（更多的锗，更高的折射率）。 优点：沉积和溶缩一步完成，避免了可能的污染 缺点：时间长，生产效率不高。,PMCVD（等离子辅助改进的化学气相沉积）,In addition to the normal MCVD technique the radio-frequency coil around the tube generates an internal high temperature plasma.,Plasma Modified Chemical Vapor Deposition,Deposition
10、by PMCVD process,OVD,OVD外部气相沉积,四氯化硅和四氯化锗的混合汽以及氧被馈送到火焰中。 反应生成的二氧化硅和二氧化锗烟灰状颗粒被沉积在一支氧化铝芯棒上以形成烟灰状颗粒预制棒，当芯层沉积完成后，接着必须沉积包层。 在足够的芯灯和包层沉积之后并移去芯棒后，烟灰颗粒状预制棒被置于烧结炉中脱水、烧结和熔缩以闭合芯棒留下的孔。一个透明、固态的预制棒就可以进入拉丝工序了。,VAD,VAD垂直轴向气相沉积,在轴向上沉积烟灰状颗粒。 预制棒在长度方面生长，在沉积开始时采用了一个芯棒。 烧结后的预制棒仍然较短和粗，它们需要进一步的拉伸以符合随后工序的要求。应用专门的干燥工艺VAD现在可以
11、生产非常低水峰的光纤供全带应用。,PCVD,PCVD等离子化学汽相沉积,Plasma Chemical Vapor Deposition (PCVD) 与PMCVD相似，都采用等离子辅助产生高温。不过以微波空腔共振器代替射频线圈，产生等离子环境。 SiO2和GeO2直接被沉积为一层透明玻璃。没有烟灰状颗粒形成或沉积，所以无须应用固态工序。,四氯化硅和四氯化锗以及氧的混合物馈入一个超纯石英管，在反应区内，SiO2和GeO2直接被沉积为一层透明玻璃。没有烟灰状颗粒形成或沉积，所以无须应用固态工序。 由于它的沉积层非常薄，于是可以按照设计实现精密的折射率剖面。因此能生产世界上顶级的多模光纤和复杂折射
12、率剖面的光纤。 优点：其原料的利用率非常高，几乎是100%，为其它工艺方法的两倍。 缺点：反应温度高，需要更高纯度的原料。,熔缩,熔缩,从烟灰soot粒子的有空隙堆积 到 无空隙紧密堆积,在熔缩过程中，由于二氧化锗在高温下蒸发，在折射率剖面的中央会出现一个凹陷。为消除这个降低光纤质量的凹陷，在管子还没闭合前的熔缩最后阶段，采用氟利昂腐蚀工艺。,套管,为了提高效率，预制棒装入一作为机械包层的石英套管内后，再拉制光纤。,等离子包层沉积,等离子包层沉积,阿尔卡特则采用高频等离子来沉积机械包层。,过滤的空气被馈入一个等离子喷灯，一个高频感应线圈将其加热到高温。在氩气流中以电火花激发并使其达到导电状态，
13、然后由感应电流加温，然后将气流切换到该工艺所用的空气流。 高度纯化的石英颗粒被馈送至等离子高温火焰区，许多层被沉积于预制棒上，直到所要求的直径为止。一个可视系统按要求的直径自动地调整包层的外径。优点： 使用廉价的原材料 没有腐蚀性和危险性的副产品，免除了装备污染处理装置。 所达到的高温(10000C)，进一步纯化了石英颗粒。,2. 光纤拉制,单涂层,双涂层,拉丝,B. 拉丝,其一端加工成圆锥形并接上一小段石英棒的预制棒固定于预制棒馈入器上，当锥形端馈入至温度约2200C的拉丝炉中一定时间后，一个溶化的垂体形成并下落，随着下落，一根细的光纤就形成了。加热元件由氩气保护以防止元件在空气中烧毁。 采
14、用了氦气流以保护预制棒免受污染，,光纤的缺陷、有害杂质控制和表面侵蚀需严格控制，否则产生强烈吸收衰减 缺陷结构：Si-H、Si-OH,筛选,C. 筛选,张力筛选,光纤着色,光纤着色,J,光纤的结构 着色层芯层 5m 包层 125m内涂层外涂层 光纤带的结构,光缆的结构 束管式纤膏加强芯缆膏 固架式光纤带,UV固化的原理 组成 UV固化材料主要由光引发剂、预聚物、活性稀释单体和各种添加剂组成 光引发剂 吸收UV辐射后，分裂成自由基或阳离子，随即引发带有双键的预聚物和活性稀释单体的链式聚合反应，当条件合适时可在极短的时间内交连、固化。例，二苯甲酮 活性稀释单体 既可起到降低系统粘度的作用，又可参与
15、固化反应，成为固化材料的一部分。例，1,6已二醇二丙烯酸酯： CH2CHCOOCH2(CH2)4CH2COOCHCH2 预聚物 固化膜的主体，决定了固化材料的主要性能。例， 环氧丙烯酸酯 聚氨酯丙烯酸酯,UV固化的优点 UV固化具有“4E”的优点 省能耗(Energy) 无污染(Ecology) 速率快(Efficiency) 经济(Economy) 也代表了传统的热固化涂料工艺的一个改进方向。用于光纤的UV固化涂料则是UV固化工艺杰出的应用实例之一 UV固化的不足 固化膜收缩较多 暗处难固化 厚层及带色体系难固化 氧气阻聚,3. 光纤涂料的被覆和固化 对涂料的要求 （1）不会对光纤传输性能产
16、生负面影响 这就要求被覆涂料的内层固化膜软，玻璃化温度低，不致引起光纤在高、低温下的附加传输衰耗。外层涂料固化膜则要求硬，有高的模量和机械性能，以保护光纤不受外界因素的损害 （2）固化速率快 拉丝速率已达1000m/min以上甚至更高，现已采用紫外光(ultraviolet，UV)固化所代替 研制UV固化光纤涂料概况,4. 光纤缆（optical cable）的制作 （1）光纤的着色 （2）光纤带（ribbon of optical fiber）的制作 （3）光缆的制作 水的危害极少量的水就可能使石英光纤表面的微裂纹扩大，影响光纤的使用寿命水的存在可与石英光纤表面的二氧化硅作用，使羟基的数量增
17、加，较多的羟基将使光纤的传输衰耗急剧增加 防水措施 膏状的憎水性物质 遇水膨胀形的物质 “阻水纱”,光纤折光率分布,Types of optical fiber designs. (a) Multimode, stepped- refractive-index-profile. (b) Multimode, graded- index-profile. (c) Single-mode, stepped-index. Graded-index is possible.,ATR,Figure 6-8 Zirconia distribution on the cross section of hyb
18、rid rod (light intensity: 4.3mW/cm2; TPO concentration: 2.0% wt; irradiation time: 20min),SEM,Figure 6-9. SEM micrograph of sample rod cross-section obtained via in-situ generate zirconia (light intensity: 4.3mW/cm2; TPO concentration: 2.0wt%; irradiation time: 20min),SEM,(a),(b),(c),(d),Figure 6-10
19、. SEM micrograph of sample rod cross-section obtained via in-situ generate zirconia (a) center (b) R=01mm (c) R=12mm (d) R= 23 mm (light intensity: 4.3mW/cm2; TPO%: 2.0%wt; irradiation time: 20min),Dying with acid fuchsine,Figure 6-11 Photograph of cross surface dyed with acid fuchsine,Radial refrac
20、tive index,Figure 6-12 alpha-Bromonaphthalene weight percentage and refractive index of composite oil profile,Figure 6-13 Radial gradient refractive index of the hybrid rod obtained via FPP (light intensity: 4.3mW/cm2; TPO concentration: 2.0% wt; irradiation time: 20min),液晶材料,一種介於固態和液態的中間狀態，即所謂的液晶（l
21、iquid crystal），已經由液晶顯示器（Liquid Crystal Display，即LCD）的普及化，而變得廣為人知。舉凡科學儀器上跳動的指示燈、電子手錶等，都因為液晶顯示螢幕而開創了新的紀元。,4,4-二甲氧基氧化偶氮苯 熔点116，形成浑浊液体；134时突变为透明液体,液晶材料,1888年，奧地利植物學者Reinitzer注意到他所合成的苯甲酸膽固醇酯(Chelesteryl benzoate)竟有兩個熔點：在145 時，熔解為一種混濁的液狀物；達179 時，又突然變為一般的透明液體。德國物理學者Lemann取得此樣品，以偏光顯微鏡確認其為有組織方位性的液體，即結晶液體crys
22、talline liquid）。,DSC plot,Their discussion by mails finally lead to the first real investigation of liquid crystals, eventually to fundamental understandings of the nature of this new phase of matter. Lehmann and Reinitzer may thus with some justification be called the grandfathers of liquid crystal
23、 science.,什么样的分子结构具有液晶性？,一般来说，细长棒状或平面结构对分子的平行排列有利，而分子的极性基团或易极化的基团则关系到分子间的相互作用，进而影响相变温度。液晶分子的中心桥键对液晶性质的影响很大。液晶的化学稳定性，首先取决于中心桥键的性质，如苄叉（亚苄基）类液晶的中心桥键是CH=N，它易于水解或氧化，对水极为敏感。又如，偶氯化合物容易被氧化，特别是在光的作用下。其他如含有双键、三键的二苯乙烯二苯乙炔，肉桂酸酯等衍生物也易于被氧化，并易聚合，化学稳定性相对较差，而且在紫外光下也可能会因聚合或裂解而失去液晶的特性。一般来说，如果桥键连接是刚性的，有利于形成液晶相，支链端基则通常较
24、为不利。端基链长的影响要微妙些。如果分子的刚性部分导致强的各向异性相互作用，那么增加键长不利于液晶相的稳定，如果刚性部分不引起强的空间阻碍，增加链长有利各向异性的相互作用。,环数目增加，极大地增加液晶的热稳定性，例如：,当n=1时，清亮点为121；当n=2时，清亮点为297，类似的情况用多环或稠环取代苯环，亦增加液晶的稳定性。,液晶材料,液晶分子排列受分子形状、手性、结构控制； 由于液态特征，排列状态易受环境影响，如温度、电场、磁场、外来添加物等； 液晶薄膜表现出许多特有的光学性质：折光、反射、透射、旋光等； 目前已有几百种商业化液晶产品；,液晶是白色混浊的粘性液体，显示棒状的分子形状,常见液
25、晶相：向列(Nematic)相、胆甾相(Cholesteric)和近晶相(Smectic)等,在分子的长轴和短轴方向，折射率不同（双折射）,液晶材料-層列型液晶,此類分子排列成層，層與層之間的作用力相當弱，使得每一層均可在平行層面的方向滑動，层内分子间作用力较大，层内粘性较高。多應用於光記憶材料的發展。 垂直站立 Smectic A phase; 倾斜站立 Smectic C phase,液晶材料-向列型液晶,Nematic希腊字，英文thread。此類液晶通常在加熱到較高溫度時，層列物質即被轉變成線列物質。一维指向，有序度低，粘度小。 此類液晶是最早被應用的液晶，常見於液晶電視、手提電腦以及
26、各類型的顯示元件上。,一般认为，要呈现向列相和近晶相的液晶分子必须满足下列要求： （1）液晶分子的几何形状呈棒状，其长径比不能太小，一般要大于4。 （2）液晶分子长轴应不易弯曲，要有一定的刚性，因而常在分子的中央部分引进双键或三键，形成共轭体系，以得到刚性的线型结构，或者分子保持反式构型，以得到线状结构。 （3）要使偶极-偶极和诱导偶极-偶极相互作用有效，分子未端必须含有极性基团，或具有很强的可极化度。通过分子间电性力、色散力的作用，使分子保持取向有序。最常见的向列相和近晶相分子是：,液晶材料-膽固醇型液晶,分子結構多與膽固醇相似，形成螺旋狀結構，常被運用於溫度感測器中，如電子元件故障偵測或機
27、械材料中的應力顯示。,虽然胆甾醇本身不具有液晶性质，但它的酯化物，羧酸化物，烷氧基化物都是随着相变而显示出特有颜色的胆甾相液晶。例如，胆甾醇苯甲酸酯的熔体经冷却，呈现蓝、蓝绿、黄绿、橙红等彩虹色。,其中只有当OH基团被置换，形成胆甾醇的酯化物、卤化物及碳酸酯，而且其分子排列为细长分子构型时，才有液晶性质。,在一般液晶分子结构中引入含有不对称手性中心碳原子（“*”符号表示）基团，即引入旋光性基团，形成胆甾相的螺旋结构，是一种非甾体的胆甾相液晶。如：,相变温度（ch-I）：-14，螺距：0.3m，螺旋方向：左旋,对于近晶C相的手性酯类液晶化合物，它们除呈现手性近晶C相(S*c)外，也会呈现胆甾相(
28、ch)。如：,R=C8H17时 C 76 Sc 88.6 ch 155.4 I,双折射 Birefringence,Birefringent microlenses shows different focal points for each polarization component,Birefringent microlenses realized with the LC polymer molding technique,Replication technique for LC polymer elements,When stressed, plastic and glass becom
29、e birefringent. Viewed between crossed Polaroid filters, this birefringence appears as colored contours. Place a plastic fork, or other plastic object, between your filters to make the stress lines visible. If you are using a fork, squeeze the tines together. What happens to the colored stress lines
30、?,Due to their birefringent nature, some transparent tapes produce brilliant colors when viewed between polarizing filters. Using only transparent tape and a pair of polarizing filters, its possible to create beautiful colored designs reminiscent of cubist art and stained glass windows.,液晶的光电特性,由于液晶
31、分子的结构为异方性 (Anisotropic)，所以所引起的光电效应就会因为方向不同而有所差异，简单的说也就是液晶分子在介电系数及折射系数等等光电特性都具有异方性，因而我们可以利用这些性质来改变入射光的强度, 以便形成灰阶, 来应用于显示器组件上. 以下我们要讨论的, 是液晶属于光学跟电学相关的特性, 大约有以下几项: 1.介电系数(dielectric permittivity) : 我们可以将介电系数分开成两个方向的分量, 分别是/ (与指向矢平行的分量)与(与指向矢垂直的分量). 当/ 便称之为介电系数异方性为正型的液晶, 可以用在平行配位. 而/ 则称之为介电系数异方性为负型的液晶,
32、只可用在垂直配位才能有所需要的光电效应. 当有外加电场时，液晶分子会因介电系数异方性为正或是负值，来决定液晶分子的转向是平行或是垂直于电场, 来决定光的穿透与否。现在TFT LCD上常用的TN型液晶大多是属于介电系数正型的液晶. 当介电系数异方性(=/-)越大的时候, 则液晶的临界电压(threshold voltage)就会越小. 这样一来液晶便可以在较低的电压操作。,2.折射系数(refractive index) :由于液晶分子大多由棒状或是碟状分子所形成，因此跟分子长轴平行或垂直方向上的物理特性会有一些差异，所以液晶分子也被称做是异方性晶体。与介电系数一样, 折射系数也依照跟指向矢垂直
33、与平行的方向, 分成两个方向的向量. 分别为n / 与n。此外对单光轴(uniaxial)的晶体来说, 原本就有两个不同折射系数的定义。 一个为no ,它是指对于ordinary ray的折射系数。ordinary ray光波的电场分量垂直于光轴。另一个则是ne ，它是指对于extraordinary ray的折射系数, extraordinary ray光波的电场分量平行于光轴。同时也定义了双折射率(birefrigence)n = neno，为上述的两个折射率的差值。 依照上面所述, 对层状液晶、线状液晶及胆固醇液晶而言，由于其液晶分子的长的像棒状, 所以其指向矢的方向与分子长轴平行. 再
34、参照单光轴晶体的折射系数定义, 它会有两个折射率，分别为垂直于液晶长轴方向n(=ne)及平行液晶长轴方向n/(= no)两种，所以当光入射液晶时，便会受到两个折射率的影响，造成在垂直液晶长轴与平行液晶长轴方向上的光速会有所不同。,若光的行进方向与分子长轴平行时的速度, 小于垂直于分子长轴方向的速度时，这意味着平行分子长轴方向的折射率大于垂直方向的折射率(因为折射率与光速成反比)，也就是ne-no 0。所以双折射率n 0，我们把它称做是光学正型的液晶, 而层状液晶与线状液晶几乎都是属于光学正型的液晶。倘使光的行进方向平行于长轴时的速度较快的话，代表平行长轴方向的折射率小于垂直方向的折射率,所以双
35、折射率n 0。我们称它做是光学负型的液晶。而胆固醇液晶多为光学负型的液晶。液晶特性中 最重要的就是液晶的介电系数与折射系数. 介电系数是液晶受电场的影响决定液晶分子转向的特性, 而折射系数则是光线穿透液晶时影响光线行进路线的重要参数. 而液晶显示器就是利用液晶本身的这些特性, 适当的利用电压, 来控制液晶分子的转动, 进而影响光线的行进方向, 来形成不同的灰阶, 作为显示影像的工具. 当然啦, 单靠液晶本身是无法当作显示器的, 还需要其它的材料来帮忙, 以下我们要来介绍有关液晶显示器的各项材料组成与其操作原理.,液晶可分为 溶致液晶(lyotropic liquid crystal) 与 热致
36、液晶(thermotropic liquid crystal ),溶致液晶是由双亲化合物与极性溶剂组成的二元或多元体系，双亲化合物包括简单的脂肪酸盐、离子型和非离子型表面活性剂，以及与生物体密切相关的复杂类脂等一大类化合物。根据分子的几何形状，双亲分子有两种类型，一种以脂肪酸盐为代表，例如硬脂酸钠（C17H35COONa），其中亲水部分是COONa，它连接在疏水的烃链上，在分子中形成一个极性“头”和一个疏水“尾”（图12a），另一种类型是具有特殊生物意义的类脂，例如磷脂（图12b），图中R和R代表烃链，一般含有14-18个碳原子，分子中亲水的极性头连接在两条疏水尾上，这两条疏水链通常彼此并排列
37、。,双亲分子互相缔合可以使体系具有最小的自由能。缔合时，非极性部分通过Van der Waals力相互结合，极性部分通过静电引力相互作用。双亲分子在水溶液中缔合的最基本的聚集态有三种，即层状结构、球形结构和圆柱形结构。图13a所示的是层状结构，双亲分子作平面排列，分子的的疏水尾位于双层的内部，亲水的极性头位于外面，双层内的烃链可以移动，在较低的温度时，具有类流体的性质，这种层状结构与热致液晶相十分相似。在球形和圆柱形结构中，亲水头互相缔合排列于聚集体的外围。球形和圆柱形结构是胶团的两种形式，在水溶液中，当没有任何外力存在时，双亲分子堆积成球形结构，降低了极性头之间的推斥作用，当胶团溶液浓度增加
38、时，体系的稠密性使球形变成圆柱胶团。,Structure of lyotropic liquid crystal. The red heads of surfactant molecules are in contact with water, whereas the tails are immersed in oil (blue): bilayer (left) and micelle (right),多数溶致液晶具有层状结构，称为层状相。在这种结构内，各层中，分子的长轴互相平行并且垂直于层的平面，双亲分子层彼此平行排列并被水层分隔。层状相与热致液晶的近晶A相很相似，二者都呈现出焦锥织构、扇
39、形织构和细小的镶嵌织构。层状相是单轴晶体，其光轴垂直于层的平面，如果烃链中C-C链垂直于层的平面，那么光学双折射是正，而带支链的双亲分子的层状相则可呈正或负的双折射。光亮、圆滑的条纹和假各向同性结构也常见。当双亲分子浓度减少，即水的浓度增加时，双亲分子与水接触的面积增大，溶致液晶的层状结构变成为由球状胶团组成的立方结构；它具有立方的对称性，光学上呈各向同性的中间相。立方相体系中的水含量继续增多时，体系结构将转变为由柱形胶团组成的六方相结构。这些分子平行地“躺”在六角晶格上。在生物体内有许多类似的结构，最典型的是细胞膜结构。,某些热致液晶化合物,铁电液晶 一类研究广泛、性能突出的液晶材料,铁电体
40、是具有自发极化的性质，其极化方向在电场作用下可以反转的材料，1975年Meyer等人首次发现并证明，由手性分子组成的倾斜近晶相具有铁电性。具体地讲，满足下列条件的液晶具有铁电性能： （1）具有近晶相，分子长轴与近晶相法线之间有倾斜角，并且倾角不等于零。 （2）含有不对称碳原子的分子，并且不是外消旋体。 （3）对分子长轴垂直方向的偶极矩分量不为零。满足以上条件的最早发现的铁电液晶是DOBAMBC（-癸氧基亚苄基-氨基-2-甲基丁基肉桂酸酯）。后来合成了许多铁电液晶，这些液晶都有简称，以下是铁电液晶分子结构示例。,铁电液晶分子结构式示例,各类液晶显示器所用液晶材料,DSN动态散射； TN扭曲向列型
41、； STN超扭曲向列型； DSTN双层超扭曲向列型； FSTN薄膜超扭曲向列型； AM有源矩阵； TFT薄膜晶体管,光子晶体,光子能隙,早在半个世纪前， 物理学家就已经知道，晶体 (如半导体)中的电子由于受到晶格的周期性位势(periodic potential)散射，部份波段会因破坏性干涉而形成能隙(energy gap)，导致电子的色散关系(dispersion relation)呈带状分布，此即众所周知的电子能带结构 (electronic band structures)。,简介,8.5.1 简介,直到公元1987年，E. Yablonovitch 及S. John才不约而同地指出，类
42、似的现象也 存在于光子系统中：在介电系数呈周期性排列的三维介电材料中，电磁波经介电函数散射后，某些波段的电磁波强度会因破 坏性干涉而呈指数衰减，无法在系统内传递，相当于在频谱上形成能隙，于是色散关系也具有带状结构，此即所谓的光子能 带结构(photonic band structures)。具有光子能带结构的介电物质，就称为光能隙系统(photonic band-gap system， 简称PBG系统)，或简称 光子晶体(photonic crystals)。,人造多层系统,人造多层系统,事实上，在三维光子能带结构的概念尚未问世前， 层状介电系统即一维的光子晶格已被研究多年，电磁波在该系统中的
43、干涉 现象早已应用在各种光学实验中，做为波段选择器、滤波器或反射镜等。例如光学中常见布拉格反射镜(Bragg reflector) ，乃是一种四分之一波长多层系统(quarter-wave-stack multi-layered system)， 说穿了就是简单的一维光子晶体。,尽管如此，这方面的研究却停留在一维系统的光学性质上，物理界一直未能以“晶格”的角度来看待周期性光学系统，也因此迟迟未将固态物理上已发展成熟的能带理论运用在 这方面。一直到了1989年，Yablonovitch及Gmitter首次尝试在实验上证明三维光子能带结构的存在，该实验虽然功亏一 篑，但物理界已注意到其潜力，于是开
44、始大举投入这方面的研究。,第一个具有绝对能隙的光子晶体 及其经过特别设计的制作方式,8.5.2 光子晶体的分类,光子晶体的分类,光子晶体是在一维、二维或三维架构上具有高度秩序排列的材料，一般所谓的光学多层膜即是一维架构的光子晶体，已被广泛地应用在光学镜片上。而具有二维或是三维高度秩序排列的结构则是目前在光子晶体领域中最受到重视的一环。,8.5.3 光子晶体的制造方法,光子晶体的制造方法,光蚀刻技术制造二维及三维光子晶体,利用光蚀刻技术制造二维光子晶体,利用光蚀刻技术不但可以精确地制造出高度次序排列的数组，更可利用光罩的设计来达成光波导的行径方向。 利用光蚀刻技术可成功的制造出二维光子晶体，比方
45、在光子晶体结构中制造一瑕疵点，则会使得某些波长的光无法穿越此光子晶体而成为光子绝缘体，因而这些特定波长的光子将被限制在瑕疵点中，进而形成一高密度、高能量的共振场，则可制造出零临界电压的雷射发生器。,光蚀刻技术制造三维光子晶体 （ Science 289, 605, 2000）,自组装(Self-Assembly) 制造三维光子晶体,采用均一粒径的聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯或是二氧化硅纳米颗粒利用自然、离心、抽滤以及真空等方式将纳米颗粒制成模板，再于模板上添加无机氧烷单体使其进行溶胶凝胶反应，最后利用锻烧与萃取等方式将有机模板移除，可生成具有光学晶体性质之高度均一孔径之三维光子晶体 。,自组装光
46、子晶体制造方式,自组装光子晶体 （ NATURE 414, 257 & 290,2001）,控制温度梯度以及浓度梯度所制成之三维光子晶体,电子束微影法,操作于红外光与可见光的光子晶体，其晶体之晶格大小约为波长的1/4到1/2，大约相当于200-500纳米。若要以人工的方式制作这样周期大小的光子晶体，一种方式是以成长或化学合成的技术，建构薄膜(Thinfilm)或纳米颗粒(Nanoparticles)；另一种方式是使用分辨率比传统微米级更高的深紫外线成像技术（Deep-UV Photolithography）。 除此之外，近年来各国积极发展的电子束微影（e-beam photolithograp
47、hy）法，是非常重要的纳米制程技术。目前大部分光子晶体的应用都需配合电子束显微法。,电子束微影的制作流程示意图,Raith 150型e-beam writer结构示意图,激光三维光刻术 laser holographic lithography technology,利用四束激光发生相互干涉而产生三维周期性的明暗区域，让感光树脂在这个三维干涉条纹下曝光固化，显影，得到三维周期结构。,8.5.4 光子晶体的应用,8.5.4 光子晶体的应用,光子晶体在光子技术的地位可与具有电子禁带的半导体在电子技术中的地位相比拟，可应用在光纤通讯、宽带带阻滤波器、极窄带选频滤波器、光子开关、光子存储器、光子限幅器
48、以及光子频率变换器等诸方面。,传统光纤制造光子晶体纤维,在1999年科学（Science）期刊中Russell等人利用将多只中空的光纤管集合排列后，再以高温处理的方式将其拉伸，制造出具有高性能的新式光子晶体纤维，近年来利用此项技术已可制造出多种特性的光子晶体纤维，大幅增进光纤的应用价值。,具有共振特性之光子晶体因为对光波长具有选择性，因此也可利用其将特性波长的光子取出并转向，作为光通讯中的滤波仪器。,利用光蚀刻技术设计光波导方向 （ Science 282, 275, 1998）,以自我复制法制作的波导,目前此一研究集中于日本Tohoku大学，其光导传播光丧失可达1dB/mmIEEE J. Q
49、uantum Electron. vol. 38, p. 904, 2002， 并已应用此一波导技术制成光耦合器Electron. Lett. vol. 39, p. 53, 2003 与DBR滤波器（Distributed Bragg reflector）IEEE Photon. Technol. Lett. vol. 15, p. 816, 2003,光子晶体应用于LED的发光效率提升,应用于提升发光二极体效率的光子晶体结构,在文献Appl. Phys. Lett. vol.75, p. 1.36, 1999中报导，由于要达到这样的效果，其光子晶体的晶格常数约为波长的0.55倍（600960nm）。其波导的厚度约为波长的0.25倍（420nm）。 此文献将光子晶体的原理应用于InGaAs材料的LED上，其中心发光波长为1500nm。,
