CN1325502A - 非偏振敏感型向列液晶法布里－珀罗波长调谐滤波器 - Google Patents

Abstract

一种非偏振敏感型向列液晶法布里－珀罗波长调谐滤波器,在其两基板(1)的内表面上分别形成有透明电极(2),在所述透明电极(2)上分别镀有反射层(3),在一反射层(3)上镀有一单一回归方向排列层(4)以使液晶单一回归方向排列,另一反射层(3)上镀有一方向一致排列层(5)并被处理成可使液晶呈轴向排列,一向列液晶设置在所述两基板(1)之间,该波长调谐滤波器根据被施加的电压的大小来调谐入射光的波长。这种法布里－珀罗滤波器具有在其整个工作电压范围内完全与入射光的偏振方向无关的传输特性。

Description

非偏振敏感型向列液晶法布里-珀罗波长调谐滤波器

技术领域

本发明涉及一种非偏振敏感型向列液晶法布里-珀罗(FB)波长调谐滤波器，特别是关于一种在透射或反射模式下轴对称构型的非偏振敏感型向列液晶法布里-珀罗波长调谐滤波器，其波长调谐性能完全与入射光的偏振状态无关，因此，这种FB波长调谐滤波器可以具有低工作电压、宽波长调谐范围、和简单的制造工艺。

背景技术

向列液晶法布里-珀罗波长调谐滤波器是利用液晶的电光效应来工作的，它的结构形式如下：在其工作波长范围内具有高反射率的介电反射镜镀在两个珀璃基板的内表面上，用于使所用液晶方向一致排列的方向一致排列层镀于该介电反射镜上，该液晶放置在所述用于方向一致排列的两珀璃基板之间。这种介电反射镜面对面设置的结构称为法布里-珀罗结构，它能选择性地传输特定波长的光。在该法布里-珀罗结构中光传输与光波长的关系如下式所示 $T\left(\mathrm{\λ}\right)=\frac{t^2}{{(1-r)}^2}\frac{1}{1+\frac{4r}{{(1-r)}^2}{\sin }^2\left(\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\mathrm{nd}\right)}---\left(1\right)$

其中t和r分别表示介电反射镜的透射率和反射率。这里，λ是入射光的波长，n和d分别是该介电反射镜之间的材料的折射率和厚度，已知如式(1)所示当光的传输T在满足条件nd/λ=m/2(m是一整数)的情况下达到其峰值。该条件表示光的传输与入射光的波长有关，这就意味着FB结构可以用来作为可选择地传输特定波长光的波长调谐滤波器。这种FB调谐滤波器具有通过改变所述材料的折射率(n)或厚度(d)来控制光传输峰值的波长调谐性能。

传统的FB波长调谐滤波器大部分采用电-机械(electro-mechanical)材料或无机电光材料。当两介电反射镜之间为电-机械材料时，该两反射镜之间的距离d可作为所施加的电压的函数来控制，以调谐所传输光的波长。另一方面，当两介电反射镜之间采用无机电光材料时，可通过改变所施加的电压来改变所述折射率n，以调谐传输光的波长。现在，非线性光学材料已用来作为根据入射光的强度改变折射率n的材料，以产生对传输光的波长调谐性能。

然而，在所有前面所述的情况下，为了具有在较宽波长范围内的波长调谐性能，在波长调谐滤波器的工作中都需要很高的电压和很强的光，以及介电反射镜之间较厚的介质。而且，传输特性还对入射光的偏振方向很敏感，并且需要复杂的制造工艺。

采用向列液晶的FB波长调谐滤波器，由于其与采用电-机械或无机电光材料的传统滤波器相比，具有低工作电压、宽波长选择范围、制造简单的特性，所以可以在下一代光通信中用来作为高密度波分多路复用(HD-WDM)设备。然而，方向一致排列(homogeneous alignment)的传统液晶法布里-珀罗结构的波长调谐特性是对入射光的偏振方向敏感的。假定沿液晶分子长轴方向的折射率是ne，沿其短轴方向的折射率是no，当液晶为方向一致排列状态时，可从上述公式(1)看出，具有最大传输率的波长取决于入射光的偏振方向。而在光通信领域光纤的实际偏振状态很难预先确定，这种与偏振方向有关的特性，就对波长调谐滤波器的应用带来了很多限制。

已经提出很多方法来去除这种在向列液晶FB波长调谐滤波器中存在的传输对偏振的依赖性。这些方法有：控制方向一致排列的扭转型向列结构中表面层的厚度的方法，和采用多畴结构的方法(multidomain structure)。用于方向一致排列的扭转型向列结构的方法是通过在特定电压范围内改变该表面层的厚度来控制两种偏振模式，即入射偏振方向垂直或平行于液晶指向矢(director)。但是，为了很好地控制该两种偏振模式，扭转液晶结构的制造条件必须精确设计。而且，所述偏振依赖性是不能在较宽的波长调谐范围内完全去除的。

在传统已知的多畴结构中，向列液晶具有至少彼此正交的两个排列区域(aligned regions)并且入射光同时通过这两个区域。在这种情况下，该两个排列区域的光各向异性应被精确地彼此抵消，以便去除偏振依赖性。但是，制造这种多畴结构比制造方向一致排列的结构要复杂得多。换句话说，至少需要利用光学掩模进行两次排列的处理以获得具有两个不同排列方向的多畴结构。而且，偏振依赖性始终存在，它取决于入射光的两个入射区的大小。

发明概述

本发明是一种非偏振敏感型向列液晶FB波长调谐滤波器，它基本上避免了由于现有技术的限制和缺点所带来的一个或多个问题。

本发明的目的是提供一种向列液晶FB波长调谐滤波器，具有极佳的波长选择特性，如宽带波长调谐特性，以及采用轴对称排列完全去除对入射光偏振的依赖性。

为了达到本发明的上述目的，本发明提供了一种非偏振敏感型向列液晶FB波长调谐滤波器，其中，分别在其两基板上镀有透明电极和介电反射镜，两基板之一上镀有一单一回归方向排列(homeotropic alignment)层，另一基板上镀有一液晶呈轴向排列的方向一致排列层，一具有正介电各向异性特性的向列液晶设置在所述两基板之间，根据被施加其上的电压的大小来调谐入射光的波长。

代替具有正介电各向异性特性的向列液晶，也可采用具有负介电各向异性特性的向列液晶。

在具有正介电各向异性特性的向列液晶非偏振敏感型FB波长调谐滤波器中，设其方向一致排列层的预倾斜角为θ₁，满足0°≤θ₁≤10°；其单一回归方向排列层的预倾斜角为θ₂，满足75°≤θ₂≤90°。在具有负介电各向异性特性的向列液晶的情况下，其方向一致排列层的预倾斜角θ₁满足0°≤θ₁≤15°；并且其单一回归方向排列层的预倾斜角θ₂满足80°≤θ₂≤90°。

另一方面，当含有手性添加物的液晶装入两基板之间时，设液晶层的厚度为d，因该手性添加物而形成的液晶螺距为p，其厚度间隔与螺距之比满足0≤d/p≤0.5。至少在所述各基板的一个外表面上加有偏振片或光学补偿膜。

应该理解，不论前面的概描述还是随后的详细描述，都是示例性和解释性的，并且都倾向以权利要求对本发明做进一步的说明。

附图的简单说明

本申请的附图有助于对本发明的进一步理解并包括在和作为本说明书的一部分，并且与说明书中的描述相结合，描述了本发明的各实施例，及说明本发明的精神实质。在附图中：

图1是本发明采用向列液晶的非偏振敏感型FB波长调谐滤波器的剖面视图；

图2示出本发明采用向列液晶的非偏振敏感型FB波长调谐滤波器的透视图；

图3示出向列液晶FB波长调谐滤波器内液晶指向矢的坐标系统；

图4示出液晶指向矢在轴向排列的下基板上的几何构型和线性偏振入射光的偏振方向之间的对称关系；

图5示出采用单一回归方向轴向排列向列液晶E7的FB波长调谐滤波器的入射光偏振依赖性；

图6示出在采用单一回归方向轴向排列向列液晶E7的FB波长调谐滤波器中波长调谐特性是施加于该波长调谐滤波器上的电压的函数；以及

图7说明了图6实际应用的连续波长调谐特性。

实施本发明的最好形式

以下，详细说明本发明的实施例，各实施例也已表示在附图中。

图1是本发明采用向列液晶的非偏振敏感型FB波长调谐滤波器的剖面视图，图2是本发明的非偏振敏感型向列液晶FB波长调谐滤波器的透视图。如图1和图2所示，在非偏振敏感型向列液晶FB波长调谐滤波器中，方向一致排列的液晶材料(AL-1051；日本合成橡胶公司-Japan Synthetic RubberCo.，预倾角θ₁≈2°)镀于需轴向排列的一个基板的内表面，单一回归方向排列材料(JALS-204；日本合成橡胶公司-Japan Synthetic Rubber Co.，预倾角θ₂≈90°)镀于另一个基板的内表面。这种新的排列结构，在所有任意入射偏振方向上相对于正(normal)入射都是对称的，所以，传输特性的偏振依赖性就可被完全消除。

具体来说，如铟锡氧化物材料(ITO)镀在上下基板1上以形成透明电极2，在该透明电极2上分别镀有反射层3(介电反射镜)，反射层3在本发明FB滤波器的应用波长范围内具有高反射(98°以上)，用于单一回归方向排列该液晶的排列层4镀于形成于一基板上的反射层3上，用于方向一致排列该液晶的排列层5镀于形成于另一基板上的反射层3上。在这种混合排列结构中，方向一致排列层5经附加处理以产生相对于垂直其表面的方向的轴向对称排列。该轴向排列的表面处理可通过轴向摩擦或向光学排列层照射圆形偏振紫外光来实施。在本实施例中，采用了轴向对称摩擦方法以使液晶分子具有轴向对称构型。两基板之间的厚度由隔离部件6决定，以保持一适当的距离。这种新排列结构是轴向对称的，所以可以永远使传输特性对沿任意方向入射的光的偏振不敏感。

下面，以一实例说明当线性偏振光从任意方向入射时本发明非偏振敏感型FB波长调谐滤波器的传输特性。图3给出采用向列液晶的FB波长调谐滤波器内液晶指向矢的坐标系统。如图3所示，当将垂直于设备表面的方向设为z轴方向，液晶层的厚度设为d，在z轴上的任意点液晶指向矢到基板表面的倾斜角设为θ(z)，下面的公式(2)表示当光入射到设备表面时，其偏振方向平行于由液晶指向矢投射到该基板表面的方向的光束的有效折射率。 $N_{\mathrm{eff}}=\frac{1}{d}{\∫}_o^d\mathrm{dz}\frac{n_e{n}_o}{\sqrt{n_e^2{\sin }^2\mathrm{\θ}\left(z\right)+n_o^2\cos \mathrm{\θ}\left(z\right)}}----\left(2\right)$

在上述公式中，当倾斜角为0°，即当液晶是方向一致排列时，有效折射率为N_e。另一方面，当倾斜角为90°，即当液晶是单一回归方向排列时，有效折射率为N_o。在混合排列的情况下，在液晶层的任意点的有效折射率都可利用公式(2)计算出来。

图4给出液晶指向矢在轴向排列的下基板上的几何构型和线性偏振入射光的偏振方向之间的对称关系。如图4所示，当一实验坐标系统设为X-Y系统，其偏振方向在整个液晶层与X轴的夹角为Φ_o的一线性偏振光束沿设备的表面法向入射时，在其矢径方向与X轴呈夹角Φ并有一位于中心的对称轴之处，偏振度可由下述两个分量的和来表示，一个是平行于液晶指向矢的sin(Φ-Φ_o)，另一个是垂直于它的cos(Φ-Φ_o)。其相应的传输强度Tn_eff和Tn_o可通过将折射率n换为Tn_eff和Tn_o从公式(1)算出。

因此，两分量的总传输强度可由下式给出

T(φ)=sin²(φ-φ₀)Tn_efr+cos²(φ-φ₀)Tn₀

于是，在该设备的整个入射角度的平均传输强度可由下式给出 $T=\frac{1}{2\mathrm{\π}}{\∫}_o^{2\mathrm{\π}}T\left(\mathrm{\φ}\right)\mathrm{d\φ}=\frac{1}{2}({\mathrm{Tn}}_{\mathrm{eff}}+{\mathrm{Tn}}_o)$

这里，Tn_o和施加于该设备的电压的大小无关，而只有Tn_eff与其有关。但是，由于该液晶分子的轴向对称排列，所以由平均值T表示的该两个值的和总是与入射光的偏振角Φ_o无关。

在公式(2)中，液晶指向矢的倾斜角θ(z)，它从一个基板到另一个基板连续变化，可以利用液晶的弹性连续理论进行数值计算。液晶FB波长调谐滤波器的传输特性可根据上述倾斜角的分布(profile)来进行理论计算。根据理论计算结果，液晶的材料常数和设备参数可予以最佳化。

表1给出了该设备参数规范。图5、6和7示出具有表1所列参数规范的设备的实验结果。在本实施例中，该向列液晶E7不含手性添加物(chiraladditive)。该向列液晶E7是一种不能自发形成螺旋结构的材料，其螺距长度为p=∞，液晶层厚度与螺距之比为d/p=0。

                        表1

液晶	E7
		ne	1.728
n0	1.513
		Δε	14.33
液晶层厚度(μm)	50

图5给出了采用单一回归方向轴向排列向列液晶E7的非偏振敏感型FB波长调谐滤波器的入射光偏振依赖性。如图5所示，该设备的传输特性与入射光的偏振无关。图5中的(Ⅰ)、(Ⅱ)和(Ⅲ)相应于入射光的偏振方向和一任意参考方向之间的夹角分别为0°、45°和90°的情况。

图6示出采用单一回归方向轴向排列的向列液晶E7的非偏振敏感型FB波长调谐滤波器的波长调谐特性是所施加的电压的函数。如图6所示，存在着波长不变的模式，即在波长约1535nm和1549nm处有与所施加的电压无关的最大传输强度。这是由于垂直于液晶指向矢的偏振分量，即其相应的折射率为n₀。在偏振分量平行于该液晶指向矢的情况下，有效折射率n_eff是作为所施加电压的函数而变化的，这就导致了具有最大传输强度的波长的变化。当液晶具有正介电各相异性特性时，其分子趋向于沿平行于所施加电场的方向取向。这种液晶分子的取向改变了有效折射率的大小，传输波长作为通过该FB结构所施加的电压的函数而连续变化。

图7说明了图6实际应用的连续波长调谐特性。它给出了当施加电压从2V到7V变化时可选择调谐的两个模式，即调谐波长范围从1526nm到1551nm和从1541nm到1560nm的两个调谐模式。

很明显，对于本领域的技术人员，在不脱离本发明的实质精神和范围的情况下，可以对所述本发明的向列液晶非偏振敏感型FB波长调谐滤波器进行各种变形和修改。例如，尽管前述实施例中采用了不含手性添加物的向列液晶E7，但也可采用含手性添加物的向列液晶。在采用混合有手性添加物的液晶的情况下，该手性添加物产生了一种螺旋结构，该结构的液晶层厚度与螺距之比大于0。

虽然本发明的向列液晶非偏振敏感型FB波长调谐滤波器，在入射偏振方向上无特征变化，但是，在各基板的表面之一上也可以加上偏振片或光学补偿膜，以控制传输光强度的特征值。另外，为了提高传输效率，最好还在两个基板的外表面之一上镀避免在所用波长范围内产生反射的防反射层。

如上所述，本发明的向列液晶非偏振敏感型FB波长调谐滤波器，与传统的方向一致排列结构相比，在其整个工作电压范围内，透射或反射特性完全与入射光的偏振无关。而且，设备的制造工艺也比传统的多筹结构简单得多。因此，本发明能够提供采用向列液晶的非偏振敏感型FB波长调谐滤波器，它对于所传输的光与其入射光的偏振性无关，具有低工作电压、相当宽的波长调谐范围、以及制造工艺简单。

Claims (14)

1．一种非偏振敏感型向列液晶法布里-珀罗波长调谐滤波器，其中，在两基板的内表面上分别形成有透明电极，在所述透明电极上分别镀有反射层，在一反射层上镀有一单一回归方向排列层以使液晶单一回归方向排列，另一反射层上镀有一方向一致排列层并被处理成可使液晶呈轴向排列，一具有正介电各向异性特性的向列液晶设置在所述两基板之间，该波长调谐滤波器根据被施加的电压的大小来调谐入射光的波长。

2．如权利要求1所述的波长调谐滤波器，其中，方向一致排列层到基板预倾斜角θ₁，满足0°≤θ₁≤10°。

3．如权利要求1所述的波长调谐滤波器，其中，单一回归方向排列层到基板预倾斜角θ₂，满足75°≤θ₂≤90°。

4．如权利要求1所述的波长调谐滤波器，其中，当含有手性添加物的液晶层的厚度为d，因该手性添加物而形成的液晶螺距为p，其厚度与螺距之比满足0≤d/p≤0.5。

5．如权利要求1所述的波长调谐滤波器，其中，至少在所述各基板的一个表面上加有偏振片。

6．如权利要求1所述的波长调谐滤波器，其中，至少在所述各基板的一个表面上加有光学补偿膜。

7．如权利要求1所述的波长调谐滤波器，其中，至少在所述各基板的一个外表面上镀有防反射层。

8．一种非偏振敏感型向列液晶法布里-珀罗波长调谐滤波器，其中，在两基板的内表面上分别形成有透明电极，在所述透明电极上分别镀有反射层，在一反射层上镀有一单一回归方向排列层以使液晶单一回归方向排列，另一反射层上镀有一方向一致排列层并被处理成可使液晶呈轴向排列，一具有负介电各向异性特性的向列液晶设置在所述两基板之间，该波长调谐滤波器根据被施加的电压的大小来调谐入射光的波长。

9．如权利要求8所述的波长调谐滤波器，其中，所述方向一致排列层至基板的预倾斜角θ₁，满足0°≤θ₁≤15°。

10．如权利要求8所述的波长调谐滤波器，其中，所述单一回归方向排列层至基板的预倾斜角θ₂，满足80°≤θ₂≤90°。

11．如权利要求8所述的波长调谐滤波器，其中，当含有手性添加物的液晶层的厚度为d，因该手性添加物而形成的液晶螺距为p，其厚度与螺距之比，满足0≤d/p≤0.5。

12．如权利要求8所述的波长调谐滤波器，其中，至少在所述各基板的一个表面上加有偏振片。

13．如权利要求8所述的波长调谐滤波器，其中，至少在所述各基板的一个表面上加有光学补偿膜。

14．如权利要求8所述的波长调谐滤波器，其中，至少在所述各基板的一个外表面上镀有防反射层。

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