디스플레이 연구회 세미나 광소자 재료의 비선형 광학특성 전자 소자 심사팀 장 혜 정

목 차 1. 비선형 광학이란? 2. 2차 비선형 현상을 이용한 광소자 3. 3차 비선형 현상을 이용한 광소자 4. 비선형 광학 물질

비선형 광소자 광도파로 (Waveguide)에서의 광전송 원리 Text Text Text 광섬유 내에서의 파의 전파 빛의 전반사

E = Eo cos [(2π n/λ)z + ωt] y ◆ 빛: 전자기파 Text E = Eo cos [(2π n/λ)z + ωt] y Text 진폭 위상 (phase) ◆ 외부에 전기장이 있을 때의 유전체 : 분극 (polarization) 극성이 있는 물질(H2O)의 분극 εE - εoE = 4πP 극성이 없는 물질의 분극 물질내에서의 전기장 유전체 물질이 없는 빈공간 에서의 전기장

비선형 광학 이란? … εE = εoE +4πP … ◆ Linear optics ◆ Nonlinear optics 물질의분극 (polarization) … εE = εoE +4πP 2차비선형광학효과 3차비선형광학효과 물질의분극 (polarization) Polarization:분극, 걸어주는 전기장에 대한 물질의 의존성을 나타내는 분극이나 단위부피당 dipolmoment를 알아볼 것. Chi=susceptibility 물질의 유전율 … 물질의 유전율

2차 비선형 광학효과 : 선형전기광학효과 Electro-optic effect, Pockels effect, is the change in refractive index of a material induced by the presence of a dc (or low frequency) electric field.

Index ellipsoid = The quantities rij are known as the electro- optic coefficient Chi(2)와 r의 관계를 집고 넘어갈것 The linear electro-optic coefficients are related to the second order nonlinear optical susceptibility.

When we apply the external ac field to the poled polymer along the poling direction z, the index ellipsoid is,

전기광학 변조기와 스위치 Mach-Zehnder 간섭계 : 간섭계 내에 위상 변조를 이용한 세기 변조 Ii Io Text Text V Io = (½)Ii + (½)Ii cosΨ = Iicos2 (Ψ/2) 간섭계를 빠져 나간 투과율 T= Io/Ii = cos2 (Ψo /2 – π/2 (V / V π))

전기광학 변조기와 스위치 선형 전기 광학 효과에 의한 굴절률 변화 n(E) = n – (½)rn3E 굴절률 변화에 의한 물질(길이=L) 내를 통과하는 빛의 위상 변화 Ψ = n(E)(2 π / λ)L= n (2 π / λ)L – (½)rn3E (2 π / λ)L = Ψo – π(rn3L/ λ)E 전기장을 걸어 주는 물질의 두께가 d 이고 걸어 주는 전압이 V 라면, E=V/d = Ψo – π(rn3L/ λ d)V = Ψo – π (V / V π) Half wave voltage

2차 고조파 발생을 이용한 광소자 P NL = χ(2)E2 = χ(2) (Eocosωt )2 Text Text 외부에서 빛의 주파수가 ω인 강한 빛을 비춰주면 P NL = χ(2)E2 = χ(2) (Eocosωt )2 = ½ (χ(2)Eo2)(1+cos2ωt)

3차 비선형 광학효과 : Kerr 효과 P NL = χ(3)E3 = χ(3) (Eocosωt )3 외부에서 빛의 주파수가 ω인 강한 빛을 비춰주면 P NL = χ(3)E3 = χ(3) (Eocosωt )3 ∝¾ (χ(3)Eo2)Eocosωt + ¼(χ(3)Eo3)cos3ωt Pω = χ(1) Eocosωt + ¾(χ(3)Eo2)Eocosωt ={ χ(1) + ¾(χ(3)Eo2) } Eocosωt 물질 내에서의 유전율 ε = εo + 4 π χ(1) + 3 π χ(3)Eo2 물질 내에서의 굴절률 Re{ε½} = n = no + n2I 빛의 세기에 따라 물질의 굴절률이 변한다

3차 비선형 광학효과 : Kerr 효과 Text Text Text

3차 비선형 광학효과 : Kerr 효과 Text Text Text

Typical organic materials for NLO effect 2차 비선형 광학 고분자 Delocalization of π electron density of conjugated π systems induces a large dipole moment and increases optical nonlinearity of organic molecules. conjugated π systems Typical organic materials for NLO effect Donor N(CH3)2 > NH2 > OCH3 > OH Acceptor NO > NO2 > CHO > CN

Axis of rotation, Cn This is a line drawn such that rotating the molecule around it by steps of 360/n degrees will result in the same molecule. That is, rotating it n times brings you back to where you started, but at each of the intermediate steps it also looks the same. The point group C v This is a special case for linear molecules such as ICl and HCN, because it is possible to rotate the molecule about its principal axis to any desired degree and to draw an infinite number of vertical planes. Z=optic axis nz Z ny nx

Alignment of molecules : Electric field poling

Langmuir-Blodgett Method Alignment of molecules : Langmuir-Blodgett Method 모노레이어에서부터 멀티 레이어까지 자유자제, buttom up 방식, 필름형태보다 다양하게 제작가능, 그러나 만들기가 쉽지않음.

Alignment of molecules : Self assembled method 연결고리로 폴리머를 이용

Hemicyanine chromophore Self assembled thin film : POST4-amide polymer chemical structure Polymer backbone Benzenoid and Quinoid form Text Text Hemicyanine chromophore Text N+ Jung-Hyuk Im, et. al., Macromolacules, 33, 9606-9611 (2000)

POST4-amide self-assembled monolayer Text MPA(5mM, Dipping Time :90min) Base Layer (anion) Rinsing & Nitrogen gas dry EtOH 3rd DI Water POST4-amide(5mM, Dipping Time :30min,pH9.5) POST4-amide Monolayer(Cation) Ag Text

SBT structure : two unit cells 강유전체 물질 Perovskite Structure (ABO3) + - Ex) PZT(Lead Zirconium Titanate : Pb(Zr,Ti)O3) BaTiO3 (Barium Titanate) SBT(Strontium Bismuth Tantalate : SrBi2Ta2O9 ) BLT (Lanthanum substituted Bismuth Titanate: Bi3.25 La0.75Ti3O12) Text Text Text SBT structure : two unit cells

3차 비선형 광학 고분자 Text Text Text Phthalocyanine Porphyrin C60 : Fullerene Porphyrin array

Side chain polymer Text Text Text