CN101023391A - 扰曲电光液晶装置 - Google Patents

Abstract

一种用于控制透射光的偏振状态的装置，包括封闭旋光液晶材料层的第一和第二单元壁。该材料在没有施加场的情况下具有一致取向的螺旋轴，而且电极用于施加近似垂直于该螺旋轴的电场。施加的电场扰曲电耦合至分子，导致螺旋结构畸变并因此改变所述单元的体双折射率。

Description

扰曲电光液晶装置

技术领域

本发明涉及液晶装置，具体地涉及在远程通信和其他应用中可以作为偏振状态控制器的液晶装置，并涉及使用这些装置的方法。

背景技术

液晶材料已经被非常成功地开发用于显示应用，但是其在用于光纤系统的远程通信装置中的潜能只有最近才成为广泛研究的焦点^{1，2，3，4，5，6，13}。热致液晶相比于诸如铌酸锂之类的传统电光通信材料具有如下优点，即，高的双折射率、高的光学透明、低功耗、非机械操作，并且低廉以及制造简单。

液晶装置相比之下所遭受的缺点的主要方面为其相对低的切换速度，通常为几十毫秒。正是由于该原因，使得更有希望的液晶远程通信装置尝试使用与简单的弗里德里克斯转变(Freedericksz transition)相比更快的液晶电光效应，例如铁电和电偏转效应(electroclinic effect)¹³，或者应用于要求在远低于系统的比特率下切换的应用，例如可切换互连^1，2、分插复用器(add/dropmultiplexer)³、或者偏振控制^{4，5，6，11}。

然而，从远程通信的角度而言，扰曲电光效应^8，9尚未被开发，尽管在特定材料中这种效应是一种非常快速的切换机构，且在向列范围上具有线性电场响应和温度不相关性。这可能是因为纯粹在单元平面内切换光轴要求对进入装置的光的偏振状态进行仔细的控制以产生一致的效果，这在光纤系统中是不期望的。

发明内容

根据本发明一个方案，提供了一种用于控制透射光的偏振状态的装置，该装置包括：封闭液晶材料层的第一和第二单元壁，该液晶材料层在没有施加场的情况下具有基本一致取向的螺旋轴；以及用于施加与该螺旋轴近似垂直的电场的电极。

使用中，该螺旋轴将定向为近似平行于光传播穿过该装置的方向。

一种特别优选的液晶为旋光向列(胆甾型)材料，为了方便本发明在此将参照这种优选实施方案进行描述。通过使旋光向列沿Grandjear(平面)织构取向，分子位于该玻璃壁的平面内，且螺旋轴从上到下地位于该单元内，本发明由此克服了现有技术装置的一些问题。在该单元的平面内施加场(因此仍然垂直于该螺旋轴)，允许发生扰曲电光形变，使得随机偏振的输入光(例如来自光纤)被转换成任意期望的输出偏振。在一个特别优选的实施方案中，旋光向列螺旋的节距长度显著短于该装置上入射光的波长，从而减小或者最小化旋转色散效应。这种情况下，入射光所经历的液晶分子的双折射率可以表达为该层的体双折射率(bulk birefringence)。对于具有与入射光的传播方向平行的螺旋轴的无扰动Grandjean织构的情况，该体双折射率趋于为零，因为螺旋结构内分子指向矢(molecular directors)的“全圆式”进动(precession)。通过使用远小于光波长的螺旋节距，该装置可制成对温度基本上不敏感，因为节距长度的热学变化与工作波长相比将变得不显著。使该单元在远离旋光向列的反射波段的波长下工作，例如工作于1550nm的通信窗口(window)，确保该光将经历最小的旋光性。当垂直于该螺旋轴的场施加到该系统时，扰曲电耦合使该螺旋变形，使得产生可以用于控制入射光偏振状态的体双折射率。面内电场将光轴偏离传播方向，使其在光的偏振平面内具有某些分量。

据申请人所了解，目前还没有关于Grandjean织构内扰曲电光指向矢形变的传输效应的出版文献。申请人已经证实了在通信波长下电光效应存在于这种配置中，并表征了该效应的本质。该效应尤其可用于偏振控制器，PiPhotonics Ltd正在开发这种偏振控制器的平面向列版本，且本发明实验工作中使用的“车轮”单元被设计用于这种偏振控制器。

理论

根据扰曲电理论，包括液晶材料的分子的形状不对称与自发电偶极是指，为了使该材料得到体电偏振而施加场时，在该材料内引起斜削(splay)和/或弯曲形变⁷，形变的程度正比于所产生的偏振：P＝e_sS+e_bB，其中P为介电偏振，S和B分别为斜削形变向量

和弯曲形变向量

。在上述方程中，

为局部向列指向矢单位向量，e_s和e_b分别为斜削和弯曲的扰曲电系数。

在旋光向列中，如果垂直于该螺旋轴施加场，则通过指向矢形成的所述螺旋的形变可以获得斜削和弯曲的组合，使得分子位于Bouligand剖面内⁸。这示于图1。

由于该材料的光轴总是垂直于所述分子的长轴，这种形变导致与所施加的场以及材料的螺旋轴都垂直的光轴旋转。对于在施加于玻璃板之间的场中的、包含呈ULH织构的旋光向列的标准单元，这导致光轴在单元平面旋转。旋转角度由下式给出：

$\tan \mathrm{\φ}=\frac{e}{\mathrm{Kk}}E---\left(1\right)$

其中k为螺旋波矢k＝2π/P(P＝螺旋节距)，E为所施加的场，K为斜削和弯曲弹性常数的平均值，分别为k₁₁和k₃₃，e为扰曲电系数的平均值。因此扰曲电材料的品质因数(figure of merit)为e/K，即平均扰曲电系数与平均弹性常数之比，或者扰曲-弹性比。这种效应的更全面描述见[8]。

无论是在潜在的装置还是在材料优化中¹⁵，这种效应已经引起人们极大的兴趣，因为特征切换时间小(几十毫秒)且光轴的偏转为线性正比于施加的场，且这种效应在向列范围上几乎与温度无关。此外，置于交叉偏振器之间的、光轴倾角为22.5°且厚度为使得该单元为半波片的装置将对入射光进行100％的调制。

然而，此处提出的该装置的中心思想为旋转旋光向列的几何以及该单元内的场方向，使得现在施加场将根据方程(1)偏转光轴，而由于场位于该单元的平面内，使得该光轴从沿传播方向(零双折射率)移动到沿着扰曲电倾角，且因此具有垂直于该传播方向的一些分量，从而引起双折射。这允许该单元取向为更加可靠的Grandjean(直立螺旋)织构，而不是ULH。如果用红外线照射该单元，则典型的短节距旋光向列的旋光性变得最小，使得切换装置将作为直通(straightforward)的分数波片(fractional waveplate)。所提议的单元几何示于图2。应该注意，尽管电极示为位于该单元的任一侧上，但图2的场朝向沿y方向进入纸面的方向。

由于切换单元的光轴将具有保留于传播方向上的分量(除非倾角为90°)，由于两次折射，该单元还将作为离散板(walk-off plate)，但是在10μm厚的单元中，光束的横向平移应该最小化。

沿旋光向列的螺旋轴传播的线偏振光的旋转由下式给出：

$\frac{\mathrm{\ψ}}{d}=\frac{\mathrm{\π}}{16}\left(\frac{n_{//}^2-n_{\⊥}^2}{n_{//}^2+n_{\⊥}^2}\right)\frac{P^3}{{\mathrm{\λ}}^2(P^2-{\mathrm{\λ}}^2)}---\left(2\right)$

其中ψ为旋转角度，P为螺旋节距，d为单元厚度，n_//和n_分别为平行于和垂直于指向矢的微观折射率。对于典型数值的折射率，在10μm厚的单元中500nm的节距和1550nm的光的旋转约为0.2°。因此可以忽略光学旋转，且可以认为线偏振光在传播穿过单元时，经历了折射率随螺旋节距从n_到n_//的正弦变化，而与初始偏振方向无关。

通过考虑在与传播方向垂直的平面内的螺旋的剖面，可以说明电致双折射的源(图3)。无施加场时，未偏转指向矢的旋转形成全圆的迹线，而施加场时，其轴垂直于场的指向矢倾斜到该平面之外，减小了其在x方向的分量。其长轴平行于场的指向矢同时简单地绕其长轴旋转，导致作用于该偏振方向的光的指示量在数值没有变化。指向矢在传播穿过单元时的“全圆”进动接着在垂直于施加场的方向上受到压缩以形成椭圆，且产生双折射。图4示出了有施加场和无施加场下，在传播穿过单元时，沿x方向偏振的光的理论上变化的折射率。

随后由平行于和垂直于施加场的平均折射率之间的差异给出该单元内引起的双折射的量值。

光传输穿过具有双折射材料的交叉偏振器的方程为：

$\frac{I}{I_0}={\sin }^2\left(2\mathrm{\ψ}\right)\left(\frac{\mathrm{\Δnd}}{\mathrm{\λ}}\mathrm{\π}\right)---\left(3\right)$

其中I/I₀为入射强度的传输率，ψ为材料的光轴与偏振器之间的角度，λ为入射光的波长。如果光轴平行于任一偏振器，则该方程给出零传输用于任意延迟，而光轴与偏振器成45°时给出最大传输以及等于半波长的延迟。使用折射指示量椭圆体在偏振平面内的投影的琼斯(Jones)矩阵表示，执行对在给定倾角下，穿过交叉偏振器的旋光向列的预期传输的初步分析。计算该投影，以用于依照扰曲电光理论对椭圆体的旋转、评估的红外折射率以及500μm的平均节距长度，其结果示于图11。

如果对于4V/μm偶极三角形波和上述采用的典型材料参数而采用图11预测的Δn，并假设所引起的光轴角在单元平面内的分量与偏振器成ψ＝45°并且单元厚度为10μm，则预测的电光响应如图5所示。

图5示出了由于光轴在偶极场内的节拍动作(metronomic action)所致的预期的频率双倍响应，在0V/μm时每个周期经过光学中性垂直位置两次。该图还示出了由于所引起的小的双折射率所致的小的预期响应(总调制的8％)。该装置正是应该产生这个响应，尽管图5是理想化的，因为其未考虑材料响应时间。

本发明的装置可以作为用于偏振模式色散补偿的快速的无端旋转波片，尤其是用于光纤系统。该装置可以起着任何期望波片的功能，例如作为沿任意方向的四分之一波片或半波片。用途包括光路由器和分插复用器。不同于为偏振敏感的现有技术装置，本发明的装置对输入光偏振不敏感，而且因为节距可以调整，因此可以优化用于任何期望的输入波长。

根据本发明另一方面，提供了一种光路由器，包括：

a)单元，包括：封闭旋光向列(胆甾型)或旋光倾斜层列液晶材料层的第一和第二单元壁，该液晶材料层在无施加场的情形下具有与该单元壁的内表面近似垂直的光轴；以及布置在该液晶层的光输入区域周围的多个电极，各个电极可选择性地寻址以施加穿过所述光输入区域的电场，由此可以沿与该单元壁的内表面近似平行的多个可选择方向中的任一方向施加所述电场；

b)光源，布置成引导光通过所述第一单元壁穿过所述光输入区域；以及

c)多个光输出载体，各个该载体布置并设为在所述光为指定的偏振状态和/或方向时通过所述第二单元壁接收来自所述光输入区域的光，所述指定状态和/或方向针对各个光输出载体而言是不同的。

优选地有至少四个电极，但是可以采用任何期望数目，例如6、8或10，取决于需要的输出数目。

所述光输出载体可包括用于连接到不同的装置或元件的光纤。该光源可包括耦合到合适波长范围(尤其是约1530nm至约1563nm的远程通信波长范围)的光发射体的光纤。

在以下说明书、附图和权利要求书中，本发明的其他方面和益处将变得显而易见。

附图说明

现在将参照下述附图示范性地进一步描述本发明，在附图中：

图1示出了旋光向列的螺旋的形变，从而使分子位于致使光轴旋转角度的Bouligand剖面内；

图2示出了光沿螺旋轴传播且施加场位于单元平面内，呈Grandjean织构的旋光向列的扰曲电光效应；

图3为初始状态和形变状态下螺旋在x-y平面内的剖面图；

图4示出了对于n_＝1.5且n_//＝1.7以及节距长度为500nm的材料，在有施加场和无施加场的情况下沿传播方向的预期折射率分布图；

图5的曲线图为根据方程(9)和(10)，给定典型的材料参数时，Grandjean扰曲电效应对4V/μm偶极三角形波的预计电光响应；

图6给出了非对称双液晶原α-(2′，4-二氟联苯-4′-氧基)-ω-(4-氰基联苯-4′-氧基)壬烷(称为FFO-9-OCB)的化学结构；

图7为示出其电极图案的Pi Photonics车轮单元的照片以及装置几何的示意图，该照片的中心框出了有源区；

图8为实验布置的示意性框图；

图9示出了由在110℃下4V/μm、0.8kHz三角形波驱动的该车轮单元在1550nm时的电光响应；

图10为数字磷光示波器轨迹，示出了在N^*-I转变以下5℃时针对图7的含7OCB+3％BDH1281样品的车轮单元所施加的电压脉冲与结果的探测射束强度传输；

图11示出了强度传输与扰曲电光倾角的初步理论关系曲线；

图12的曲线图示出了三种混合物在其I-N^*转变以下10℃时，被图7的单元传输穿过交叉偏振器的强度分数与施加场的变化关系；

图13的曲线图示出了与理论比较，车轮单元的电光响应的振幅与施加场相对于偏振器夹角的变化关系；

图14示出了在施加3V/μm的场时，三种混合物的10％-90％响应时间与I-N^*转变以下温度的变化关系；

图15示出了在施加3V/μm的场时，三种混合物的90％-10％响应时间与I-N^*转变以下温度的变化关系；

图16给出了用于产生三种独立的聚合的旋光向列混合物的五种双液晶原材料的化学结构；

图17为旋光向列螺旋指向矢结构的形变的示意性图示(a)由于扰曲电光效应所致的形变，(b)电介质形变，(c)耦合到与该螺旋轴正交地施加的电场所致的形变；

图18示出了混合物4在Tc-10＝118℃(Tc＝128℃)时，在不同场振幅和频率时电场引发的双折射率；

图19示出了混合物5在Tc-10＝56℃(Tc＝66℃)时，在不同场振幅和频率时电场引发的双折射率；

图20示出了混合物6在Tc-10＝59℃(Tc＝69℃)时，在不同场振幅和频率时电场引发的双折射率；

图21示出了该三种混合物在6.8V/μm下，Grandjean织构单元内引起的双折射的场跟踪(扰曲电引起的)部分与在均匀伏卧螺旋(ULH)织构内测量的扰曲电光倾角的变化关系。

具体实施方式

样品制备

制备并测试了三种独立的旋光向列(chiral nematic)混合物。这些混合物的头两种组成了非对称双液晶原α-(2′，4-二氟联苯-4′-氧基)-ω-(4-氰基联苯-4′-氧基)壬烷(称为FFO-9-OCB)，其结构示于图6，特别是针对其大的扰曲-弹性比和低的电介质各向异性的优化扰曲电特性¹⁴而内部合成。已经表明，在基于双液晶原组成的液晶系统内可以看到大得多的扰曲电耦合效应¹⁶。FFO-9-OCB与高扭曲力旋光掺杂剂BDH1281(Merck NB-C)混合，对于第一和第二混合物该旋光掺杂剂的比例分别为2％(w/w)和3％。第三混合物组成了4-庚基-烷氧基-4′-氰基联苯(7OCB)，其结构和扰曲电光性能是公知的¹⁵，并混合了3％(w/w)的BDH1281，该混合物旨在作为对照混合物(controlmixture)。各个这些混合物加热到各向同性相位24小时，从而使得完全混合，并在各向同性相位下毛细填充到测试单元内。使用偏振显微镜对这些混合物分别进行相位表征，并使用紫外-可见分光光度计测量其在N^*相位的反射带。采用近似平均折射率1.6，这可以用于评估材料的节距长度，且发现对于上述定制的混合物的节距分别为485nm、300nm、和410nm。

由Pi Photonics Ltd制造测试单元以用于发展垂直取向向列旋转波片。为此目的，设计有集中在50μm直径的有源区上的4个电极，使得通过改变所有四个电极上的电压，可以沿单元平面内的任意方向施加该有源区中心内的场，且光轴旋转到期望的方位。单元的电极布局见图7。

对于这些初始实验，并不要求这种自由度，且场仅施加在两个中心电极之间，探测射束导向这些电极之间的沟道的窄(50μm)部分中，在图中用框示出了该部分。这允许场均匀性的最大置信度。电极沉积了10μm厚的金，且所述电极作为间隔物，以在所述间隔物上胶合单元的罩并限定罩的厚度。

该单元旋转涂敷了1％的PVA水溶液，该溶液随后被蒸发以沉积促进向列指向矢的平面定向的取向层。然而由于存在电极，该层无法被摩擦，因此尽管液晶分子制成平坦伏卧于单元内，但其在单元平面内的定向没有优先方向。由100μm厚的微观盖滑片的2mm²解理部分组成的罩置于该单元上，其已经涂敷了单向取向的摩擦的PTFE。经发现，这提供了比PVA更可靠的取向和更优的织构。随后利用毛细作用将该罩固定到单元，从而吸引紫外固化胶合剂至电极上而不填充沟道，并暴露以固化(set)。罩固定后，旋光向列本身可以毛细填充穿过沟道以填充单元，且随后在罩的边缘周围第二次涂敷胶合剂而密封该单元。偏振显微镜随后用于检验当单元置于旋光向列范围时是否存在所要求的Grandjean织构。

实验

经填充和密封的单元随后置于探测台内，该探测台使用螺旋千分尺夹紧接触到四个电极上，并调节探测射束内单元的位置。探测台具有与放大信号发生器输出的连接，其穿过单元施加形状和宽度变化的且振幅高达400Vpp的脉冲。该探测台还装备了加热元件和温度计，以使单元维持在特定的温度。探测射束为1550nm光纤运载的DFB激光。

该单元置于交叉偏振器和显微镜物镜透镜之间，使得呈现射束被偏振化，聚焦直接穿过该单元的相关部分，再准直穿过第二正交偏振器并聚焦到功率计。可以在数字磷光示波器上并排地察看来自该功率计的输出与施加于单元的电脉冲。这种布置见图8。

激光的输出功率调整为，当零场施加到单元且第二偏振器未交叉时传输到探测器的总功率约为100μW。也检查了零场且偏振器交叉时的功率传输，并发现对于所有偏振器角度，该功率传输低于5μW，这证实对于该测试波长，Grandjean织构内没有旋光性和双折射。其依据为在该射束采样的单元区域内没有双折射的“油污条痕”旋转位移。

于是施加电压脉冲使螺旋形变，以使材料的光轴从沿着传播方向倾斜到在单元平面内垂直于施加场的一些分量，从而引起双折射。于是，根据方程4，一部分入射光传输穿过交叉偏振器。

$\frac{I}{I_0}={\sin }^2\left(2\mathrm{\ψ}\right){\sin }^2\left(\frac{\mathrm{\δ}}{2}\right)---\left(4\right)$

其中ψ为偏振器与介质的光轴之间的角度，δ为所引起的相位延迟并等于：

$\mathrm{\δ}=\frac{\mathrm{\Δnd}}{\mathrm{\λ}}2\mathrm{\π}---\left(5\right)$

其中Δn为所引起的双折射率(birefringence)，d为单元的厚度，λ为探测波长。当偏振器定向为与施加场成45°时，这推导得到：

$\frac{I}{I_0}={\sin }^2\left(\frac{\mathrm{\δ}}{2}\right)---\left(6\right)$

于是可以从在该脉冲期间传输的光的分数推断所引起的双折射率。对于所有测量，所施加的电压的形式是脉冲持续时间为2ms、重复频率为5Hz的偶极方形脉冲，而且在16个脉冲上对所使用的响应轨迹求平均。重复频率故意保持较低，因为在等效频率下施加的连续偶极方波会导致N^*织构的不稳定、双折射率旋转位移的发展和移动，这改变了单元的光学响应。然而，在5Hz脉冲重复频率下，Grandjean织构保持非常稳定，且该单元可以保持好几个小时而不出现响应的形状或尺寸的任何显著变化。

结果和讨论

图10示出了在N^*-I转变以下5℃时，7OCB+3％BDH1281样品对±3V/μm、2ms持续时间的偶极方波的响应。其示出了来自旋光车轮单元(chiralcartwheel cell)的特征响应，旋光车轮单元的形状对于所有被测试的样品都相同，且对旋光车轮单元进行了下述测量：

1)响应的振幅；对测量的输入功率进行规一化并调整得到I/I₀。

2)该效应的响应时间；上升沿处10％和90％I/I₀值上升时间之间的时间间隔，以及下降沿处90-10％间隔。

如图所示，响应较快(～100μs)，且与场方向无关，尽管从当场改变时传输出现下降可以看出，正如扰曲电光理论所预期的，光轴跟踪该场，但是该传输仅取决于光轴倾斜的幅值而非光轴倾斜的方向。扰曲电光轴倾斜由方程7给出，其中φ为引起的倾角，e/K为扰曲-弹性比，P为材料的螺旋节距。

$\tan \mathrm{\φ}=\frac{2\mathrm{\π}}{P}\frac{e}{K}E---\left(7\right)$

对于所预期的倾角范围，正切函数近似线性，因此系统的传输将取决于对于给定的倾角，有效折射率在光的偏振平面内如何变化，这最终决定于折射指示量的形状。使用折射指示量椭圆体在偏振平面内的投影的琼斯(Jones)矩阵表示，执行对在给定倾角下的预期传输的初步分析。依照扰曲电光理论针对椭圆体的旋转、评估的红外折射率以及500μm的平均节距长度，计算该投影，其结果示于图11。

图12示出了所有三种混合物在场高达4V/μm时的响应(7OCB例外，施加场大于3V/μm导致信号畸变，可能是由于电介质耦合引起的螺旋解退，正如在ULH扰曲电光测量中所观察到的¹⁵。根据方程7可以看出，该传输随着节距长度增大而增大，但是对于所有混合物在高场下的传输远大于预计值，这暗示着图11的从理论得到的倾角远大于对ULH织构中的相同材料测量所得到的倾角。

没有理由认为取向条件的改变会导致扰曲电耦合度的大幅增大，因此需要进行进一步的工作以解释这一点。主要地，需要对1550nm处的折射率进行确切的测量，使用Cano楔形单元测量确切的节距长度，并且还测量密封单元的单元厚度。对于在紫外-可见分光光度计中通过标准的标准具方法进行测量的该厚度，使用大的电极面积的单元阻止足够的光传输穿过单元。然而，为了得到所引起的双折射率的确切测量以及因此得到所暗示的倾角，必须克服这个问题。然而，事实则仍然是在单元中引起的总延迟足够大(＞λ/3)以为偏振控制装置提供良好的潜力，该装置在工作波长下需要λ/2延迟以提供对所有可能的偏振状态的访问。

图13示出了传输穿过装置的交叉偏振器的最大强度与施加场和偏振器的夹角的关系曲线。按照方程3和4观察到预期的sin²(2ψ)响应。

分别在图14和15中示出了在I-N^*转变以下温度，施加和去除3V/μm的场时，这些混合物的响应时间。可以看出，正如所预期的，响应时间随节距长度增大而增大，且对于所有混合物在冷却时都出现轻微的增大。令人感兴趣的是，在去除场时的弛豫时间一般快于对施加场的响应，这是液晶效应中最不寻常的，且迄今尚未能对其给出解释。然而，一般而言该响应时间比亚毫秒快得多，这对于用于远程通信波长的快速响应偏振控制装置而可能发展而言是鼓舞人心的。

申请人已经最后表明了，扰曲电光效应对于取向为Grandjean织构的短节距旋光向列材料是起作用的，并具有在远程通信波长下在该材料内引起双折射的能力，否则在该材料中该构象将是光学中性的。申请人已经表明，这种效应的响应时间快(～100μs)，与传统ULH基扰曲电光效应的预期一致，但是该响应的幅值，特别是在7OCB内，远大于预期值(δ＞2π3)。

装置应用

进行这些实验的目的是为了证实，采用面内场和Grandjean织构，具有大扰曲电系数的旋光向列的光轴可以以一定角度偏转到单元平面内，光轴旋转的大小和方向取决于场的大小和方向。这些是无端可旋转波片的要求，这种波片是针对光纤通信系统中偏振模式色散(PMD)问题的更有希望的解决方案之一。PMD补偿器必须能够考虑从长通信光纤输出的偏振的随机波动状态(SOP)(其是由于光纤中由振动和温度变化等引起的暂时双折射所导致)，并以最小的损耗将其转换为期望的偏振状态。通过π/2、π、和π/2延迟的一系列三个旋转波片可以实现这一点¹¹。先前通过使用简单向列^5，6，12和更快的电偏转¹³切换机构，利用液晶制造这种装置，但是为了提供最有效的解决方案，期望改善可靠的单元结构内的速度或者总延迟。申请人认为这里所证实的Grandjean扰曲电光机构可以提供这些改进。为了在商业装置中优化该新颖的效应，期望进行如下三个方面的发展：

1.提高装置的延迟。通过增大原材料在1550nm下的双折射率，利用更大的施加场，使用具有更大倾角的材料以访问更大部分的可获得的双折射，或者简单地使用更厚的单元以提高光学路径长度，则可以实现这一点。

2.旋转光轴。这是车轮单元设计具有的功能，但是这些测量并不利用电极的角分布以沿任意方向施加场；这些电极配对，且场沿单一方向施加从而提供该效应的基本证明。为了旋转光轴并测量最大角速度，对于PMD补偿器而言的关键测试，期望该单元在大的场中更加稳定。在优选实施方案中，为了防止或者减小由于有源区外部的场的大的不均匀性所致的流动效应，通过聚合物稳定液晶的织构。聚合物的稳定化提高了液晶介质的粘度，这导致了单元的响应时间的略微增大，但是聚合物的稳定化提高了Grandjean织构的稳定性以及对于温度周期的可靠性。

3.优化用于交流电压的单元。扰曲电光效应为直流效应，即，光轴旋转的方向取决于施加场的方向和极性。这意味着需要直流电压以将光轴保持在设定位置。对于液晶装置而言这是不期望的，液晶装置通常响应于交流电场的均方根，因为直流场导致杂质在材料内的传导以及电荷积累，其会毁坏该装置。在优选实施方案中，该装置因此由两个以上车轮单元背靠背组成，这些单元将由相同的波形驱动、相互之间异相四分之一周期，该波形的形状为使得在两个单元的每一个中引起的双折射率之和是恒定的，尽管光轴在各个单元内来回地摆动。于是所述光轴的方向可以一起或者彼此相反地旋转，从而提供该期望的效应。这需要一些复杂的驱动电子电路，但是对于电子电路领域的技术人员而言这肯定是可行的。除了提供一种装置以利用交流场保持光轴静止之外，这种布置还可以允许组件更快地工作。

装置的聚合物稳定化

接续以上所示的结果，使用三种另外的旋光向列混合物得到另外的结果，每种混合物具有小百分比(3-6％w/w)的反应液晶原RM257(Merck-NB-C)和光引发剂Irgacure819(1％w/w)。这使得通过曝光于紫外辐射而能在液晶织构内形成稳定的聚合物网络。并因此在交联支撑之后，所述支撑的网络呈紫外曝光时的液晶织构(这种情况下为Grandjean织构)。当这些稳定的混合物用于上述单元中时，发现这些稳定的混合物提供了足够的坚固度(ruggedness)以允许施加高电压下的连续交流方波场，而不破坏该织构。所使用的材料的细节以及从该方法得到的结果概述如下。

制备并测试了三种单独的旋光向列混合物：

混合物4：FFO11OCB+3.48％BDH1281高扭曲力旋光掺杂剂(MerckNB-C)+5.84％反应液晶原单体RM257(Merck NB-C)；

混合物5：[FFO9OFF+FFO11OFF](50/50)+2％BDH1281+3％RM257；以及

混合物6：[FFE9EFF+FFE11EFF+FFO9OFF+FFO11OFF](25/25/25/25)+1.78％BDH1281+4.36％RM257。

上面的所有百分比为重量对重量的比。这些混合物中使用的双液晶原材料使用其简写来指代，其对应于如下化学制品：α-(2′，4-二氟联苯-4′-氧基)-ω-(4-氰基联苯-4′-氧基)十一烷(FFO11OCB)、α-(2′，4-二氟联苯-4′-氧基)-ω-(2′，4-二氟联苯-4′-氧基)壬烷(FFO9OFF)、α-(2′，4-二氟联苯-4′-氧基)-ω-(2′，4-二氟联苯-4′-氧基)十一烷(FFO11OFF)、α-(2′，4-二氟联苯-4′-酯)-ω-(2′，4-二氟联苯-4′-酯)壬烷(FFE9EFF)、以及α-(2′，4-二氟联苯-4′-酯)-ω-(2′，4-二氟联苯-4′-酯)十一烷(FFE11EFF)。材料的结构示于图16。

如前所述构造所述单元，不同之处为单元和罩都涂敷了取向层以促进液晶在单元表面的平面取向，其中该罩由解理成匹配单元的100μm厚的盖滑片组成。由于体电极防止了层的机械摩擦，线性可光聚合的光聚合物(LPP)(RolicInc)被旋转涂敷到单元和罩，且利用偏振紫外光通过定向交联引起取向方向。这提供了足够质量的取向层，而无需物理接触单元表面。一旦取向，在固化之前通过使紫外固化胶合剂利用毛细作用浸润在体电极顶表面和罩之间，由此将罩固定到单元。随后使用法布里-珀罗干涉技术测量单元间隙。随后使用旋光向列混合物填充单元，通过紫外曝光以交联该反应液晶原而得到并稳定化Grandjean织构。

所述单元置于与前述相同的实验设备内，并经历连续交流方波电压。

发现所有混合物呈现频率相关的场跟踪响应：低频时，光轴自由倾斜至其扰曲电光引起的数值，且保持该数值直至场的极性相反，此时光轴沿相对方向交叉切换到相同数值。这本身在光学响应中表现为所观察到的双折射的场跟踪分量，其在零场交差点下降。

在这些转变处响应下降的程度取决于电介质螺旋解退产生“基线”双折射的程度，“基线”双折射在场转变点是恒定的，如前所述。该基线体现于高频(＞2kHz)轨迹，其中光轴的扰曲电光移动太慢而无法跟踪场振荡。在这种情况下，光照仅轻微地绕螺旋轴振荡，且所观察到的双折射在该交流波形上接近恒定。图17示出了由连续方波导致的扰曲电光和电介质形变对旋光向列螺旋结构的不同影响。这还示出了两种形变如何导致相似的双折射，需要改变驱动频率以分离其效应。沿顺着(上图)和垂直(下图)螺旋轴的方向察看形变的效应，从而说明结果的双折射的来源。注意，出于说明目的所需，在扰曲电示例中不同电场方向用于两种视图。

在图18至图20中示出了三种混合物的对高频和低频方波的光学响应。

并不希望受理论的约束，申请人认为在零场交叉点低频响应没有一直下降到高频基线的原因可能为，所使用的放大器在高频下无法精确地复制方形波形，导致了有效的均方根场值的下降。这种看法得到下述事实支持，即，方波可视为在示波器上畸变，且在来自第三混合物的响应中，低频响应中的特征下降一直到达零双折射率。这也证实了，在这种非常低的Δε材料(Δε≈0.9)中，电介质耦合不显著，且螺旋解退响应被消除。

实际上，就低频下电介质基线双折射率的减小以及扰曲电光调制的增大而言，所研究的三种混合物表现了良好的递进，在[FFE9EFF+FFE11EFF+FFO9OFF+FFO11OFF](25/25/25/25)+1.78％BDH1281+4.36％RM257的全扰曲电光响应中达到极点。在该单元中观察到的为0.0135的仅基于双折射的最大扰曲电光，足以在29μm厚的单元中提供半波片调制。尽管对于传统液晶单元厚度标准而言，该厚度是大的，但是填充该单元并提供面内场的体电极意味着，增大光学路径长度并不一定要增大电极间隔，因此在涂敷ITO的玻璃平面单元中增大单元间隙导致响应时间大幅增大的通常问题并不存在。还认为，使用异硫氰酸酯基添加剂，在红外范围中制作具有增大的双折射率的混合物，使得更薄的单元可获得期望的相位偏移，这是具有相当的潜力的。当面内场单元内最大的施加场为6.8V/μm时，由于放大器极限(即，在10kHz时340V)以及50μm的电极孔径，扰曲电光倾角并不是使用这些双液晶原可获得的最大值，因此这是用于增大的Δn的另一个潜在途径。

在ULH织构的单元中在6.8V/μm下测量各种材料的扰曲电光倾角。如果绘制在ULH中所引起的双折射的场跟踪(扰曲电光)分量与的扰曲电光倾角之间的曲线(图21)，其中该分量正是各个图18至图20中“a”轨迹中的调制幅值，则发现了一个良好的相关性，这支持了相同的扰曲电光形变导致这部分效应的结论。该图中示出的趋势可以看出，在倾角约为8度左右趋于为零双折射率。这可以被当作是可观察效应的“阈值”倾角。图21中的结果说明了呈ULH织构的更大倾角的材料实际上在Grandjean装置中呈现大的扰曲电引起双折射率。

此外，如果在相同温度和场强下对各种单元配置的4V/μm切换响应时间进行比较，则会再次观察到良好的相关性，如表I所示。从表中可以注意到，测量到的所有响应时间在Tc-10时都是亚毫秒，明显快于典型向列装置中指向矢重定向的通常约为10ms的典型响应。这表明有希望按预定得到更快速工作的有源波片作为最终应用。

表I

	混合物1	混合物2	混合物3
				Tc	128℃	66℃	69℃
电介质各向异性	3.7	0.9	0.9
				ULH单元扰曲电光倾角(6.8V/μm)	16.5°	25°	34°
ULH单元响应时间(4V/μm)	60μs	670μs	590μs
				Grandjean单元响应时间(4V/μm)	120μs	810μs	560μs

还要注意，该切换中存在显著程度的电介质耦合，例如在混合物1中，并不负面影响响应时间，这从表I可以看出。

表I示出了在Grandjean织构的面内场单元以及ULH织构的扰曲电光单元内观察到的平均的10-90％和90-10％响应时间。所有时间是在Tc-10°下测量的，对于Grandjean情形是从0V到4V/μm并返回的切换，对于ULH情形是从-4至+4V/μm并返回的切换。

总而言之，针对在远程通信波长即1550nm下的扰曲电光效应，制作并测试了一系列双液晶原、短节距、旋光向列混合物。在设计为允许施加面内电场的单元内，材料取向为Grandjean织构。发现了观察到的响应为扰曲电光和电介质耦合效应的组合。通过对施加场的频率的不同关联性，可以辨别这些效应的相对贡献。所使用的混合物(设计为在传统均匀伏卧螺旋织构中具有非常大扰曲电光性能的)允许促进该效应超过电介质贡献。可以单独归功于扰曲电耦合的最大的场引起双折射率为0.0135，且所有混合物呈现小于1毫秒的响应时间。这些测量都显示了成为提供更快的有源波片装置的机构的良好潜力。

应该理解，为了清楚而在单独的实施方案的上下文中描述的本发明的特定特征也可以组合提供于单个实施方案中。相反，为了简化而在单个实施方案的上下文中描述的本发明的各种特征也可以单独或者以任何合适的组合提供。

应该认识到，在不背离权利要求所界定的本发明的范围的情况下，可以对上述部分的构造和布置进行各种变更、调整、与/或添加。

参考文献

1.Yamazaki H.，Yamaguchi M.，Optics Letters，16，18，p.1415，1991.

2.Crossland W.A.，et al，IEEE Journal of Lightwave Technology，18，12，p.1845，2000.

3.Parker M.C，Cohen A.D.，Mears R.J.，IEEE Journal of LightwaveTechnology，16，7，p.1259，1998.

4.Rutnbaugh S.H.，et al，IEEE Journal of Lightwave Technology，8，3，p.459，1990.

5.Ohtera Y.，et al，IEEE Photonics Technology Letters，8，3，p.390，1996.

6.Chiba T.，et al，IEEE Journal of Lightwave Technology，17，5，p.885，1999.

7.Meyer R.B.，Phys.Rev.Lett.，22，18，p.918，1969.

8.Patel，J.S.，Meyer，R.B.，Phys Rev Lett，58，15，p.1538，1987.

9.Patel，J.S.，Lee，S-D.，J. Appl.Phys，66，4，p.1879，1989.

10.Coles H.，″The Handbook of Liquid Crystals″，VoI 2A，Chap 4，Wiley-VCH，1998.

11.Dupont L.，et al，Optics Communications，176，p.113，2000.

12.Acharya B.，et al，App.Phys.Lett.，81，27，p5243，2002.

13.Dupont L.，et al，Optics Communications，209，p.101，2002.

14.Musgrave，B.，PhD Thesis，University of Southampton，1999.

15.Coles HJ.，Musgrave B.，J. Mater.Chem，11，p2709，2001.

16.GB 2356629.

17.WO 2004/021073

Claims (34)

1.一种用于控制透射光的偏振状态的装置，所述装置包括：封闭旋光液晶材料层的第一和第二单元壁，所述液晶材料层在没有施加场的情况下具有与光传播穿过所述装置的方向近似平行的螺旋轴；以及用于施加与所述螺旋轴近似垂直的横向电场的电极。

2.根据权利要求1所述的装置，其中所述液晶材料具有小于约1μm的螺旋节距。

3.根据权利要求2所述的装置，其中所述螺旋节距处于200nm至800nm的范围内。

4.根据前述权利要求中任意一项所述的装置，其中所述电极包括布置于所述液晶材料层的区域周围的至少四个电极，各个电极可选择性地寻址以施加横跨所述区域的横向电场，由此可以沿与所述单元壁的内表面近似平行的多个可选择方向中的任一方向施加所述电场。

5.根据前述权利要求中任意一项所述的装置，其中还包括光输入源，所述光输入源布置成将光沿与包含在内的所述材料的该螺旋轴近似平行的方向引导至所述装置的外表面的至少一部分上。

6.根据权利要求5所述的装置，其中所述光源布置成将光沿与所述单元壁的内表面近似垂直的方向引导至所述第一单元壁上。

7.根据权利要求5所述的装置，其中所述光源布置成将光沿与所述单元壁的内表面近似平行的方向引导至所述单元壁的边缘之间的间隙上。

8.根据权利要求5至7中任意一项所述的装置，其中所述光源包括耦合到光发射体的光纤。

9.根据权利要求8所述的装置，其中所述光发射体将发射波长范围为200nm至2000nm的光。

10.根据权利要求9所述的装置，其中所述光发射体将发射波长范围为1400nm至1600nm的光。

11.根据权利要求10所述的装置，其中所述光发射体将发射远程通信波长范围为约1530nm至1563nm的光。

12.根据权利要求5至7中任意一项所述的装置，其中所述光源包括微波发射体。

13.根据权利要求5至12中任意一项所述的装置，其中所述液晶材料具有显著短于来自所述光输入源的光的波长的螺旋节距。

14.根据前述权利要求中任意一项所述的装置，其中还包括所述液晶材料内的聚合物网络，用于稳定所述液晶材料的织构。

15.根据权利要求14所述的装置，其中所述聚合物网络包括聚合物和3％至6％重量的所述液晶层。

16.根据权利要求14或15所述的装置，其中所述聚合物网络包括聚合的液晶原材料。

17.根据权利要求14至16中任意一项所述的装置，其中所述聚合物被交联。

18.一种用于控制透射光的偏振状态的组件，其中包括至少两个布置于彼此顶部上如权利要求1所述的装置，同时所有单元壁相互近似平行，使得传播穿过所述第一装置的光将随后传播穿过第二装置。

19.一种驱动权利要求18所述组件的方法，包括对所述装置的电极施加基本相同的波形，所述波形相互之间异相四分之一周期，且所述波形的形状为使得在各个装置中引起的双折射率之和基本恒定。

20.根据权利要求19所述的方法，其中所述至少两个装置内的光轴一起旋转或者彼此相反地旋转。

21.一种用于控制透射光的偏振状态的装置，所述装置包括：封闭旋光液晶材料层的第一和第二单元壁，所述液晶材料层在没有施加场的情况下具有基本一致取向的螺旋轴；以及用于施加与所述螺旋轴近似垂直的横向电场的电极。

22.一种光路由器，包括：

a)单元，包括：封闭液晶材料层的第一和第二单元壁，所述液晶材料层在无施加场的情形下具有与所述单元壁的内表面近似垂直的螺旋轴；以及布置在所述液晶层的光输入区域周围的多个电极，各个电极可选择性地寻址以施加横跨所述光输入区域的横向电场，由此可以沿与所述单元壁的内表面近似平行的多个可选择方向中的任一方向施加所述电场；

b)光源，布置成引导光经由所述第一单元壁穿过所述光输入区域；以及

c)多个光输出载体，各光输出载体布置并适于在所述光为指定的偏振状态和/或方向时经由所述第二单元壁接收来自所述光输入区域的光，所述指定状态和/或方向针对各个光输出载体而言是不同的。

23.一种光路由器，包括：

a)单元，包括：封闭液晶材料层的第一和第二单元壁，所述液晶材料层在无施加场的情形下具有与所述单元壁的内表面近似平行且与穿过所述单元的光的传播方向平行的螺旋轴；以及布置在所述液晶层的光输入区域周围的多个电极，各个电极可选择性地寻址以施加横跨所述光输入区域的横向电场，由此可以沿与所述螺旋轴近似垂直的多个可选择方向中的任一方向施加所述电场；

b)光源，布置成引导光穿过所述单元壁的侧面之间的间隙内的所述光输入区域；以及

c)多个光输出载体，各光输出载体布置并适于在所述光为指定的偏振状态和/或方向时经由所述单元间隙接收来自所述光输入区域的光，所述指定状态和/或方向针对各个光输出载体而言是不同的。

24.根据权利要求22或23所述的光路由器，其中所述液晶材料为旋光向列材料，所述旋光向列材料具有正或负介电各向异性、并具有显著短于来自所述光输入源的光的波长的螺旋节距。

25.根据权利要求24所述的光路由器，其中所述螺旋节距为来自所述光输入源的光的波长的10％至50％。

26.根据权利要求22至25中的任意一项所述的光路由器，其中来自所述光输入源的光具有在范围在约1530nm至1563nm内的远程通信波长。

27.根据前述权利要求中的任意一项所述的装置或光路由器，其中所述液晶材料为或者包含正介电各向异性的双液晶原旋光向列材料。

28.根据权利要求27所述的装置或光路由器，其中所述双液晶原为α-(2′，4-二氟联苯-4′-氧基)-ω-(4-氰基联苯-4′-氧基)壬烷(图6)。

29.一种用于控制透射光的偏振状态的装置，所述装置包括：封闭液晶材料层的第一和第二单元壁，所述液晶材料层在没有施加场的情况下具有基本一致取向的螺旋轴；以及用于施加与所述螺旋轴近似垂直的电场的电极。

30.一种控制或调整传播穿过正介电各向异性的旋光向列液晶的光的偏振状态的方法，所述液晶具有螺旋轴且夹置于基本平面的半透明单元壁之间，该方法包括施加与所述螺旋轴近似垂直的电场，从而通过所述液晶材料的分子与所施加场的扰曲电耦合而使所述液晶的螺旋结构畸变，由此改变所述液晶的体双折射率。

31.根据权利要求30所述的方法，其中所述光具有近红外、微波、或可见范围的波长，且其中所述螺旋结构的节距显著小于所述波长，使得该液晶的体双折射率在无施加场时近似为零。

32.根据权利要求30或31所述的方法，其中所述螺旋轴近似垂直于所述单元壁的平面。

33.一种基本上如此处参照附图所描述的偏振状态控制装置。

34.一种显示装置，包括交叉偏振器之间的基本上如此处所述地工作的像素机构，以实现对来自所概述的所述偏振控制机构的强度控制。

Images