CN106970483B - 可调谐电光滤波器 - Google Patents

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Abstract

提供的是一种包括反射结构的可调谐电光滤波器，该反射结构包括设置在液晶层的第一侧上的第一反射层和设置在液晶层的第二侧上的第二反射层，第一反射层包括具有第一超颖表面结构的第一图案层，第二反射层包括具有第二超颖表面结构的第二图案层。第一超颖表面结构和第二超颖表面结构的每一个包括交替堆叠的多个电介质材料，并且每个电介质材料的厚度逐渐增大。替代地，可调谐电光滤波器可以包括设置在液晶层的至少一侧上的具有超颖表面结构的图案层。

Description

可调谐电光滤波器
技术领域
符合示例性实施方式的装置涉及使用电光方案的可调谐电光滤波器。
背景技术
可调谐电光滤波器是根据施加的电压调制透射光或反射光的光谱的光学元件。基于液晶的电光滤波器通常采用立奥-渥曼(Lyot-Ohman)方案或法布里-珀罗(Fabry-Perot)方案。
使用立奥-渥曼(Lyot-Ohman)方案的电光滤波器包括分别设置在其输入单元和输出单元中的偏振板以及设置在偏振板之间的基于液晶的相位延迟器。被输入单元中的偏振板偏振的光的偏振方向在穿过相位延迟器的同时被旋转。旋转角度根据光的波长由函数确定。当偏振光穿过输出单元的偏振板时，输出光的光谱根据波长被调制。基于液晶的相位延迟器包括多个级以根据施加的电压来调制光的透射波长带和带宽。
使用法布里-珀罗(Fabry-Perot)方案的电光滤波器包括液晶层、用于向液晶层施加电压的透明电极层、以及镜层。当向液晶层施加电压时，液晶层的折射率和经过光学谐振器的光的路径改变。因此，光的透射谐振波长也改变。
发明内容
一个或更多个示例性实施方式可以提供一种可调谐电光滤波器，该可调谐电光滤波器具有宽的可变波长范围而不管偏振如何。
一个或更多个示例性实施方式可以提供一种可调谐电光滤波器，该可调谐电光滤波器独立于反射板之间的间距操作。
一个或更多个示例性实施方式可以提供一种可调谐电光滤波器，该可调谐电光滤波器包括设置在液晶层的相反侧上的反射层或者包括设置在液晶层的至少一侧上的图案层。
另外的示例性方面将在以下描述中被部分陈述，并且部分地将从描述中是显而易见的，或者可以通过提出的示例性实施方式的实践而习之。
根据一示例性实施方式的一方面，一种可调谐电光滤波器包括液晶层、设置在液晶层的第一侧上的第一电极层、设置在液晶层的第二侧上的第二电极层、以及反射结构，该反射结构包括设置在液晶层的第一侧上的第一反射层和设置在液晶层的第二侧上的第二反射层，其中第一反射层和第二反射层的每一个具有超颖表面结构。
第一反射层和第二反射层的每一个可以包括设置在透明基板的表面上的具有超颖表面结构的图案层。
图案层可以包括电介质材料或金属。
图案层可以包括一维格栅结构或二维(2D)周期性/非周期性图案结构。
图案层可以具有圆形、椭圆形或多边形。
图案层可以包括多个图案以及填充在所述多个图案之间的电介质材料或聚合物。
可调谐电光滤波器可以还包括设置在液晶层与第一电极层之间的液晶配向层以及设置在液晶层与第二电极层之间的液晶配向层。
第一外基板、第一电极层和第一反射层可以顺序地设置在液晶层的光入射到其上的那侧上，第二反射层、第二电极层和第二外基板可以顺序地设置在液晶层的与光入射到其上的那侧相反的第二侧上。
根据另一示例性实施方式的一方面，一种可调谐电光滤波器包括液晶层、与液晶层的第一侧接触的包括超颖表面结构的图案层、设置在液晶层的第一侧上的第一电极层和设置在液晶层的第二侧上的第二电极层。
第一液晶配向层可以设置在液晶层的第一侧上，图案层可以设置在第一液晶配向层上。
图案层可以直接设置在第一液晶配向层的表面上并且可以包括朝着液晶层向内突出的多个图案。
液晶层的靠近图案层的第一区域的折射率可以不同于液晶层的不同于第一区域的第二区域的折射率。
液晶配向层可以设置在液晶层的第一侧和第二侧的每一个上，图案层可以设置在液晶配向层的每一个上。
根据另一示例性实施方式的一方面，一种可调谐电光滤波器包括液晶层、设置在液晶层的第一侧上的第一电极层、设置在液晶层的第二侧上的第二电极层、以及反射结构，该反射结构包括设置在液晶层的第一侧上的第一反射层和设置在液晶层的第二侧上的第二反射层，其中第一反射层和第二反射层的每一个包括其中交替堆叠具有不同厚度的至少两个电介质材料层的结构。
第一反射层和第二反射层的电介质材料层的厚度可以在从滤波器的光入射侧到滤波器的光输出侧的方向上增大。
第一反射层可以包括其中交替堆叠不同的电介质材料的多个层，并且第一反射层的所述多个层的厚度可以在从滤波器的光入射侧到滤波器的光输出侧的方向上增大。
第二反射层可以包括其中交替堆叠不同的电介质材料的多个层，并且第二反射层的所述多个层的厚度可以在从滤波器的光入射侧到滤波器的光输出侧的方向上增大。
第一反射层和第二反射层的反射相位梯度可以彼此相反。
附图说明
这些和/或另外的示例性方面和优点将从以下结合附图对示例性实施方式的描述中变得显而易见和更容易理解，在附图中：
图1是根据一示例性实施方式的可调谐电光滤波器的截面图；
图2A、2B、2C和2D示出根据一示例性实施方式的可调谐电光滤波器中的具有超颖表面(meta surface)的反射层的各种不同的形式；
图3A、3B和3C是示出相对于可见波长范围内的反射相位梯度中的变化的根据一示例性实施方式的图1中所示的可调谐电光滤波器的透射光谱中的变化的曲线图。
图4是根据一示例性实施方式的包括形成在液晶层的一侧上并且具有超颖表面结构的图案层的可调谐电光滤波器的截面图；
图5是示出图4中所示的可调谐电光滤波器中的图案层周围的液晶层的折射率中的变化的截面图；
图6是示出图4中所示的可调谐电光滤波器的透射光谱中的变化的曲线图；
图7是根据一示例性实施方式的图4中所示的可调谐电光滤波器的截面图，该可调谐电光滤波器包括直接形成在液晶层的相反侧上并且具有超颖表面结构的图案层；以及
图8是根据另一示例性实施方式的可调谐电光滤波器的截面图。
具体实施方式
现在将详细参照实施方式，实施方式的示例在附图中示出，其中相同的附图标记通篇指代相同的元件。就这方面，给出的示例性实施方式可以具有不同的形式并且不应被解释为限于在此阐明的描述。因此，通过参照附图，示例性实施方式以下仅被描述用于解释多个方面。诸如“中的至少一个”的表述当在一列元素之后时，修饰整列元素而不修饰该列中的单个元素。
在下文中，将参照附图描述示例性实施方式。贯穿附图，相同的附图标记指代相同的元件，并且为了描述的清楚和方便，每一个元件可以在尺寸上被夸大。同时，以下示例性实施方式仅是说明性的，并且各种不同的变型从示例性实施方式中是可能的。在以下描述的层结构中，诸如“在……之上”或“在……上面”的表述可以不仅包括“以接触方式直接在……上面”的意思，而且包括“以非接触方式在……上面”的意思。
图1是根据一示例性实施方式的可调谐电光滤波器的截面图。
参照图1，根据一示例性实施方式的可调谐电光滤波器100可以具有包括设置在液晶层18的相反侧上的反射结构的结构。第一基板10、第一电极层12以及第一反射层14和14a可以形成在液晶层18的光L11入射到其上的一侧上。第二反射层24和24a、第二电极层22以及第二基板20可以形成在液晶层18的另一侧上，光L11在可调谐电光滤波器100中被调制之后穿过该另一侧。第一液晶配向层16形成在液晶层18与第一反射层14和14a之间，第二液晶配向层26形成在液晶层18与第二反射层24和24a之间。
电压施加单元V电连接到在液晶层18的相反侧上的第一电极层12和第二电极层22，并且通过第一电极层12和第二电极层22向液晶层18施加电压。
根据一示例性实施方式的可调谐电光滤波器100可以包括分别形成在液晶层18的相反侧上的第一反射层14和14a以及第二反射层24和24a。第一反射层14和14a以及第二反射层24和24a一起形成光学谐振器结构。第一反射层14和14a以及第二反射层24和24a中的至少一个可以具有超颖表面结构。更具体地，超颖表面结构可以包括在基板上的多个图案，所述多个图案包括具有一维格栅结构或二维(2D)结构的电介质材料或金属材料。
第一反射层14和14a可以包括基板14和形成在基板14的表面上的图案层14a。第二反射层24和24a可以包括基板24和形成在基板24的表面上的图案层24a。图案层14a和24a可以通过分别在透明基板14和24的表面上沉积电介质材料或金属材料，然后执行图案化成为期望的形式而形成。图案层14a和24a可以包括具有各种不同形状的多个图案，并且每个图案的尺寸或形状以及图案之间的间距不被具体地限制。图案层14a和24a的每一个可以包括具有圆形、椭圆形和多边形中的至少一种的图案。图案层14a和24a的图案可以在其间以周期性或非周期性间距形成。图案层14a和24a的图案可以形成为具有一维格栅结构或2D周期性/非周期性结构。
通过使用用于根据本公开的可调谐电光滤波器的超颖表面结构形成的第一反射层14和14a以及第二反射层24和24a，光学谐振器被实现。第一反射层14和14a以及第二反射层24和24a对称地形成使得第一反射层14和14a关于液晶层18面对第二反射层24和24a。形成超颖表面结构的图案层14a和24a的材料、图案形状和图案间距可以被调节以控制对应于光波长的反射率和在反射时的相位延迟。
图2A至2D示出根据一示例性实施方式的可调谐电光滤波器中的具有超颖表面的示例性反射层的各种不同的形式。
参照图2A至2D，多个图案32a、32b、34a、34b、36a、36b、38a和38b形成在基板30上。在图2A中，在一方向上形成的直线图案32a和32b被形成为凹进基板30中。图案32a和32b形成为在其间具有间隔地彼此平行。在图2B和2C中，矩形图案34a和34b以及圆形图案36a和36b形成为其间相隔特定的间隔排列。照此，根据一示例性实施方式的可调谐电光滤波器的反射层的超颖表面结构可以包括在基板30上的具有特定形状和间距的图案32a、32b、34a、34b、36a、36b、38a和38b。
如图2D中所示，根据一示例性实施方式的可调谐电光滤波器的反射层的超颖表面结构可以包括随机形成在基板30上的圆形图案38a和38b，其间没有任何周期性间距。用这种方法，根据一示例性实施方式的可调谐电光滤波器的反射层的超颖表面结构可以被电光滤波器的用户设计和选择。形成在基板30上的所述多个图案32a、32b、34a、34b、36a、36b、38a和38b的尺寸、间距和高度可以被适当地选择而不被具体地限制。
返回参照图1，当图案层14a和24a分别形成在基板14和24的表面上时，图案层14a和24a凹进基板14和24的表面中以形成第一反射层14和14a以及第二反射层24和24a的因此而产生的凹凸截面。为了在形成液晶层18之前在图案层14a和24a上形成第一液晶配向层16和第二液晶配向层26，不同于图案层14a和24a的材料的电介质材料或者聚合物被填充在图案层14a和24a之间用于第一反射层14和14a以及第二反射层24和24a的表面的偏振。可以任意选择基板14和24的围绕图案层14a和24a的部分的突出高度。
在根据一示例性实施方式的可调谐电光滤波器100中，对于液晶配向层16和26以及液晶层18，可以使用如在光学滤波器中通常使用的液晶配向材料和液晶材料。例如，液晶配向层16和26可以包括包含高聚物化合物的聚合物材料。例如，液晶配向层16和26可以包括聚酰亚胺、聚酯、丙烯酸化合物、环氧化合物、氨基甲酸乙酯化合物等等。液晶层18可以包括被液晶配向层16和26配向的液晶化合物。
第一基板10和第二基板20可以包括如在光学滤波器中通常使用的任意基板材料。第一基板10和第二基板20可以包括关于打算入射到器件上的光L11和打算从器件发出的光L12具有优秀的透光率的任意材料，诸如像玻璃、SiO2等的透明电介质材料。第一电极层12和第二电极层22可以包括诸如铟锡氧化物(ITO)的透明导电材料，或者在光学滤波器中通常使用的任意透明电极材料。
图3A至3C是示出相对于可见波长范围内的反射相位梯度中的变化的根据一示例性实施方式的图1中所示的可调谐电光滤波器的透射光谱中的变化的曲线图。在这里，图3A至3C示出，当第一反射层14和14a的反射率R、第二反射层24和24a的反射率R以及指示相对于波长的相位变化的反射相位梯度在400nm到700nm的可见波长范围内变化时，根据一示例性实施方式的可调谐电光滤波器的透射光谱中的变化。
参照图3A至3C，当液晶层18的折射率改变到n＝1.55、1.64和1.72时，以那样的顺序，峰值波长从450nm移动到大于500nm的波长。虽然当如图3A中所示地反射相位梯度是0时最大可变波长范围是大约50nm，但是如果如图3B中所示地反射相位梯度是大约2.67mrad/nm则最大可变波长范围可以进一步扩展到大约100nm。如果如图3C中所示地反射率R是0.9且反射相位梯度是大约3.67mrad/nm，最大可变波长范围可以达到大约200nm。照此，通过基于用于根据一示例性实施方式的可调谐电光滤波器的第一反射层14和14a以及第二反射层24和24a的超颖表面结构的形成而控制反射相位，可以显著提高用于调制透射光谱的自由度。
图4是根据一示例性实施方式的其中具有超颖表面结构的图案层形成在液晶层的一侧上的可调谐电光滤波器的截面图。图5是示出图4中所示的可调谐电光滤波器中的图案层周围的液晶层的折射率中的变化的截面图。
参照图4，根据一示例性实施方式的可调谐电光滤波器200包括形成在液晶层18的一侧上的第一图案层120。第一基板10、第一电极层12和第一液晶配向层16形成在液晶层18的光L11入射到其的一侧上。第一图案层120形成在第一液晶配向层16的表面上并且朝着液晶层18向内突出。第一图案层120可以包括如图2A至2D中所示的图案32a、32b、34a、34b、36a、36b、38a和38b中的任意一种或更多种。在图1中所示的可调谐电光滤波器100中，彼此面对的第一反射层14和14a以及第二反射层24和24a形成在液晶层18的相反侧上以形成光学谐振器结构。另一方面，如图4中所示，第一图案层120可以形成在液晶层18的一侧上用于以非谐振方式的操作。
参照图5，如果电压通过第一电极层12和第二电极层22从电压施加单元V被施加到液晶层18，则液晶层18可以具有第一折射率No，在第一图案层120的附近区域Ai中的液晶层18可以具有不同于第一折射率No的第二折射率Ne或者可以具有在第一折射率No与第二折射率Ne之间的折射率。就是说，在具有超颖表面结构的第一图案层120的附近区域Ai中的液晶层18的折射率改变为与在不同于第一图案层120的附近区域Ai的区域中的液晶层18的折射率不同。
当入射到根据一示例性实施方式的可调谐电光滤波器200上的光L21穿过液晶层18时，随着液晶层18的液晶折射率改变，光L21经历其透射率中的变化，然后光L21被发出为L22。照此，图4中所示的根据一示例性实施方式的可调谐电光滤波器200利用随具有超颖表面结构的第一图案层120的附近折射率变化而变化的光散射现象。
图6是示出图4中所示的可调谐电光滤波器的透射光谱中的变化的曲线图。
参照图5和6，第一图案层120形成在具有第一折射率No的液晶层18的一侧上，并且在第一图案层120的附近区域Ai中的液晶层18可以具有例如第二折射率Ne。照此，当折射率随着液晶层18的区域变化时，光L21的透射光谱可以如图6中所示地变化。在图6中，透射主要随着光L21的大约460nm的波长附近的液晶折射率而变化。根据一示例性实施方式的可调谐电光滤波器200取决于具有超颖表面结构的第一图案层120和第一图案层120的附近区域Ai的折射率中的变化，从而防止透射波长如在传统的法布里-珀罗(Fabry-Perot)方案中那样关于谐振器间距敏感地变化。
图7是根据一示例性实施方式的图4中所示的可调谐电光滤波器的截面图，在该可调谐电光滤波器中具有超颖表面结构的图案层直接形成在液晶层的相反侧上。
参照图7，根据一示例性实施方式的可调谐电光滤波器200可以包括形成在液晶层18的相反侧上的第一图案层120和第二图案层220。第一基板10、第一电极层12和第一液晶配向层16形成在液晶层18的光L11入射到其的一侧上。在第一液晶配向层16的表面上，第一图案层120远离第一液晶配向层16的表面突出。第二基板20、第二电极层22和第二液晶配向层26形成在液晶层18的光L22从其发出的另一侧上，第二图案层220形成在第二液晶配向层26的表面上。第二图案层220朝着液晶层18从第二液晶配向层26的表面突出。
照此，第一图案层120和第二图案层220分别直接形成在第一液晶配向层16和第二液晶配向层26的表面上，用这样的方式朝着液晶层18向内突出。第一图案层120和第二图案层220关于液晶层18彼此面对以形成光学谐振器结构。第一图案层120和第二图案层220可以包括具有如图2A至2D中所示的形状和布置的图案32a、32b、34a、34b、36a、36b、38a和38b中的任意一种或更多种。
图8是根据另一示例性实施方式的可调谐电光滤波器的截面图。
参照图8，可调谐电光滤波器300包括形成在液晶层18的相反侧上的反射结构。第一基板10、第一反射层CM1和第一电极层12形成在液晶层18的光L31入射到其的一侧上。第一液晶配向层16形成在第一电极层12与液晶层18之间。第二电极层22、第二反射层CM2和第二基板20形成在液晶层18的另一侧上，由可调谐电光滤波器300调制的光L31从该另一侧发出。第二液晶配向层26形成在液晶层18与第二电极层22之间。
图8中所示的可调谐电光滤波器300的第一反射层CM1和第二反射层CM2可以每一个包括具有多层结构的电介质材料。例如，第一反射层CM1和第二反射层CM2可以每一个包括Si氧化物、Si氮化物、Ti氧化物、Hf氧化物、Al氧化物、Zn氧化物等中的一种或更多种。第一反射层CM1和第二反射层CM2可以每一个具有其中交替形成不同材料的多层结构。
就是说，第一反射层CM1和第二反射层CM2可以每一个具有其中交替堆叠第一电介质材料和第二电介质材料的结构。例如，第一反射层CM1和第二反射层CM2可以每一个具有其中交替堆叠Si氧化物和Ti氧化物的结构。第一反射层CM1和第二反射层CM2可以每一个具有其中交替堆叠两个或更多个不同材料层的结构。在第一反射层CM1和第二反射层CM2的每一个中，两个或更多个材料层可以交替堆叠使得每个堆叠的材料层的厚度在光经过该层的通道的方向上或在与光经过该层的通道的方向相反的方向上变化。
如图8中所示，第一反射层CM1可以包括包含第一层41至第六层46的多个材料层，在第一层41至第六层46中，第一层41、第三层43和第五层45每一个包括第一电介质材料，第二层42、第四层44和第六层46每一个包括第二电介质材料。材料层的厚度可以在从光L31入射到其上的第一层41到更靠近液晶层18的第六层46的方向上增大。
第二反射层CM2包括包含第一层51至第六层56的多个材料层，在第一层51至第六层56中，第一层51、第三层53和第五层55每一个包括第一电介质材料，第二层52、第四层54和第六层56每一个包括第二电介质材料。材料层的厚度可以在从更靠近液晶层18的第一层51到光L32经过其从可调谐电光滤波器300发出的第六层56的方向上增大。
第一反射层CM1的第一至第六层41、42、43、44、45和46可以具有在远离液晶层18的方向上逐渐减小的厚度，第二反射层CM2的第一至第六层51、52、53、54、55和56可以具有在远离液晶层18的方向上逐渐增大的厚度。
照此，第一反射层CM1和第二反射层CM2的每一个可以具有其中交替堆叠不同电介质材料的多层结构。第一反射层CM1和第二反射层CM2的每一个中包括的每一层的厚度可以在从光L31经过其入射的一侧到光L32经过其发出的一侧的方向上增大。如上所述地构建的第一反射层CM1和第二反射层CM2可以一起形成光学谐振器结构。如上所述地构建的第一反射层CM1和第二反射层CM2可以一起被称为堆叠型的啁啾镜。
第一反射层CM1和第二反射层CM2不是被成形为关于液晶层18对称并且由于具有相反的极性而具有相反的反射相位梯度。图8中所示的可调谐电光滤波器300可以被设计为通过第一反射层CM1和第二反射层CM2的异号反射相位梯度的添加而具有用户期望的反射相位。
根据在此描述的一个或更多个示例性实施方式，反射相位通过在液晶层的相反侧上形成具有超颖表面结构的反射结构被控制，从而提高用于调制透射光谱的自由度。此外，通过在液晶层的至少一侧上形成具有超颖表面结构的图案层，防止透射波长相对于谐振器间距敏感地变化。此外，具有相异厚度的多个电介质材料作为反射结构被提供在液晶层的相反侧上，从而提供具有用户期望的反射相位的电光滤波器。
应理解，在此描述的示例性实施方式应只在描述性的意义上被考虑而非出于限制的目的。对每种示例性实施方式内的特征或方面的描述通常应被视为可用于另外的示例性实施方式中的另外的类似特征或方面。
虽然已经参照附图描述了一个或更多个示例性实施方式，但本领域普通技术人员将理解，可以在此作出形式和细节上的各种不同的变化而不背离如所附权利要求界定的精神和范围。
本申请要求2016年1月13日向韩国知识产权局提交的韩国专利申请第10-2016-0004411号的优先权，其全部内容通过引用合并于此。

Claims (4)

1.一种可调谐电光滤波器，包括：
液晶层；
设置在所述液晶层的第一侧上的第一电极层和设置在所述液晶层的第二侧上的第二电极层；以及
反射结构，包括设置在所述液晶层的所述第一侧上的第一反射层以及设置在所述液晶层的所述第二侧上的第二反射层，
其中所述第一反射层包括其中交替堆叠具有不同厚度的至少两个电介质材料层的结构，并且所述第二反射层包括其中交替堆叠所述至少两个电介质材料层的结构，
其中所述第一反射层的反射相位梯度与所述第二反射层的反射相位梯度相反。
2.如权利要求1所述的可调谐电光滤波器，其中所述第一反射层的所述至少两个电介质材料层的各自的厚度在从所述可调谐电光滤波器的光入射侧到所述可调谐电光滤波器的光输出侧的方向上增大，并且所述第二反射层的所述至少两个电介质材料层的各自的厚度在所述方向上增大。
3.如权利要求1所述的可调谐电光滤波器，其中所述第一反射层的所述至少两个电介质材料层的各自的厚度在从所述可调谐电光滤波器的光入射侧到所述可调谐电光滤波器的光输出侧的方向上增大。
4.如权利要求1所述的可调谐电光滤波器，其中所述第二反射层的所述至少两个电介质材料层的各自的厚度在从所述可调谐电光滤波器的光入射侧到所述可调谐电光滤波器的光输出侧的方向上增大。
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