Liquid crystals in woodpile photonic crystals : fabrication, numerical calculation and measurement

Abstract

Both experimental and numerical studies on Liquid Crystal (LC) infiltrated woodpile Photonic Crystal (PhC) are implemented in this thesis. The most well-known optical phenomenon of PhC is photonic bandgap (PBG). It is observed either in frequency or in spatial domain. The former means for a chromatic plane wave propagating though PhC that a range of frequencies do not transmit but reflect. The later means for a monochromatic focused beam passing though PhC that certain angular components do not transmit but deflect or reflect. The most well-investigated optical phenomenon of LC is birefringence. It is due to the strong dielectric anisotropy LC possesses. When the applied stimulations (e.g. electric/ optical field or external heater) are present, the orientation of LC molecules and different refractive indices (e.g. polarization or temperature dependent) are observed. The presence of LC inside PhC not only reduces index contrast (where angular BG appears) but also brings the tunability to such LC-PhC composite device. Therefore band-stop angular filter and sensitive refractometer for liquid material are potential applications controlled by multiple external stimulations. In this thesis, the related physical properties of PhCs and LCs are introduced beforehand. The fabrication of woodpile PhC is also demonstrated. Direct Laser Writing lithography technique is adopted to build microstructures with high resolution up to hundreds of nanometers. A tunable band-stop filter controlled by polarization and temperature is investigated in linear regime. To bridge our investigation to nonlinear regime, dye-doped LC is used to create graded indices inside LC medium corresponding to intensity. Numerical calculations are conducted to the experimental observations. To sum up, LC-PhC composite device possesses very promising features as demonstrated which could be applied into tunable elements in integrated optical systems and its abundant nonlinear properties remains to be explored carefully.

Ambos estudios experimentales y numéricos en cristal líquido (LC) pila de leña infiltrado de cristal fotónico (PhC) se implementan en esta tesis.El fenómeno óptico más conocido de la PhC es la banda prohibida fotónica (PBG). Se observa ya sea en la frecuencia o en el dominio espacial. Los antiguos medios para una onda que se propaga plano cromática aunque PhC que un rango de frecuencias no transmiten sino que reflejan. El medio más tarde para un paso haz enfocado monocromática aunque PhC que ciertos componentes angulares no transmiten, pero desvían o reflejan.El fenómeno óptico más bien investigado de LC es la birrefringencia. Es debido a la anisotropía dieléctrica fuerte LC posee. Cuando los estímulos aplicados (por ejemplo campo óptico / eléctrico o calentador externo) están presentes, se observa la orientación de las moléculas de cristal líquido y los diferentes índices de refracción (por ejemplo, polarización o dependientes de la temperatura). La presencia de LC en el interior PhC no sólo reduce el contraste de índice (donde aparece angular BG), pero también trae consigo la capacidad de ajuste a dicho dispositivo compuesto LC-PhC. Por lo tanto banda eliminada del filtro angular y refractómetro sensible para material líquido son posibles aplicaciones controladas por múltiples estímulos externos. En esta tesis, las propiedades físicas relacionadas de PhC y las LC se introducen de antemano. La fabricación de pila de leña PhC se demuestra. Escritura técnica de litografía láser directa se adopta para construir microestructuras con alta resolución de hasta cientos de nanómetros. Un filtro elimina banda sintonizable controlado por la polarización y la temperatura se investiga en régimen lineal. Para salvar nuestra investigación con el régimen no lineal, LC tinte dopado se utiliza para crear índices graduadas dentro de medio LC correspondiente a la intensidad. cálculos numéricos se llevan a cabo con las observaciones experimentales.Para resumir, dispositivo compuesto LC en la PhC posee características muy prometedoras como se ha demostrado que se pueden aplicar en elementos sintonizables en sistemas ópticos integrados y sus propiedades no lineales abundantes que queda por explorar con cuidado.