CN1599877A - 液晶可变波长滤波装置及其驱动方法 - Google Patents

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Abstract

本发明是使用了可适用于使用了光纤的波分多路复用(WDM)通信方式·光学网络的液晶可变波长滤波装置及驱动方法。液晶可变波长滤波装置(130)通过由第1楔形棱镜(121)和第2楔形棱镜(123)夹持在第1液晶光束偏转器(101)和第2液晶光束偏转器(103)之间倾斜一定角度α的由电介质多层膜构成的带通滤波器(111)构成。第1驱动装置(141)与第1液晶光束偏转器(101)连接，第2驱动装置(143)与第2液晶光束偏转器(103)连接。通过用液晶光束偏转器使相对于带通滤波器的出射角可以改变来选择波长。

Description

液晶可变波长滤波装置及其驱动方法
技术领域
本发明涉及使用了液晶可变波长滤波装置，更具体地说，涉及使用了光纤的波分多路复用(WDM：Wavelength division multiplexing)通信方式·光学网络所用的液晶可变波长滤波装置及其驱动方法。
背景技术
目前使用光纤的波分多路复用(WDM)通信方式是电—光的混合系统，该技术正向着对信号进行光的原样处理的全光学网络进一步发展。可进行波长选择的可变波长滤波器(可调滤波器)可认为在该光学网络中承担着重要的作用。作为可变波长滤波器(可调滤波器)的用途，可列举例如动态的增/减多路复用器及波长路油器等。
现在，作为可变波长滤波器(可调滤波器)提出了种种方式，例如：包含机械地控制光程长的方式(微电子机械系统MEMS：microelectro-mechanical system)及将光波导和热—光效应组合的马赫—策德尔型或使用声光效应的过滤器等。作为记述这些方式的参考文献有例如：V.M.Bright《关于光学微电子机械系统的选辑》“Selected Papers On OpticalMEMS”，Vol.MS 153，SPIE，1999以及H.T.Mouftah和J.M.H.Elmirghani《光子交换技术》“Photonic Switching Technology”，IEEE，1999。在各种方式中使用了液晶可变波长滤波器(可调滤波器)由于无机械活动部分及电力消耗少而期待作为可适用于光学网络的可变波长滤波器(可调滤波器)使用。作为其典型例子，对将液晶层用于空腔中的法布里—珀罗型滤波器进行说明。
作为上述液晶法布里—珀罗滤波器的参考文献有例如：K.Hirabayashi，H.Tsuda，和T.Kurokawa，《光波技术》“Light waveTechnol”，Vol.11，No.12，PP.2033-2043，1993。其中，图22示出了基本的液晶法布里—珀罗滤波器的截面图。液晶法布里—珀罗滤波器1000由充满了被第1电介质多层膜镜1017和第2电介质多层膜镜1019夹持的向列液晶材料1001的空腔层1003构成。向列液晶材料1001利用第1取向膜1013和第2取向膜1015取向使其与图22的截面图平行排列。
这时，第1取向膜1013和第2取向膜1015的表面经摩擦处理而获得各向异性。进而，用衬垫1021将第1滤波器基板1005和第2滤波器基板1007固定以便使上述空腔层1003保持规定的间隙。并且，形成第1透明导电膜1009和第2透明导电膜1011以便对向列液晶材料1001施加电场。
在液晶法布里—珀罗滤波器1000中，由空腔层1003构成谐振器，由空腔层1003的折射率决定光程长。液晶法布里—珀罗滤波器1000使上述空腔层1003的折射率变化，通过使该折射率和空腔层的乘积变化来改变谐振波长。该液晶法布里—珀罗滤波器1000的谐振波长λm为：
λm＝2n eff(V)·d/m             (1)
其中，n eff(V)表示空腔层1003有效的异常光折射率为施加电压V的函数。d是空腔间隙，而m为整数。
图22中，与从上方垂直入射的截面图平行的入射直线偏振光1031的光中，只有相当于式(1)的谐振波长λm的波长的光成为出射直线偏振光1033透过了液晶法布里—珀罗滤波器1000。未对向列液晶材料1001施加电场时的有效的异常光折射率n eff(0)，当液晶引向器1041的预倾角(ブレテイルト)设为θo时，在空腔层1003中为一定值，即：
n eff(0)＝(sin2θo/no2+cos2θo/ne2)-1/2    (2)
其中，no为常光折射率，ne为异常光折射率。
将电场施加到向列液晶材料1001上时，与施加电压相应地在空腔层1003的厚度方向的中央部位倾斜角θp为较大的值。该倾斜角θp随着接近第1取向膜1013和第2取向膜1015而接近θo。因此，电场V施加到向列液晶材料1001上时，空腔层1003的有效的异常光折射率n eff(V)在厚度方向的平均值与未施加电场时比较为较小的值。用同一次数m的谐振波长λm比较时，谐振波长λm的值由式(1)可知移位到短波长一侧。这样，能选择性地透过一定波长的液晶法布里—珀罗滤波器1000便可用作可调滤波器。
然而，以图22为代表的液晶法布里—珀罗滤波器1000的场合，由于空腔层1003构成为液晶单元，在结构上空腔层为单层。因此，液晶法布里—珀罗滤波器的透射率和波长的关系则显示出具有图23的特性曲线2201所示的特性。特性曲线2201显示出接近透过频带的阻带的隔离特性低，而且透过频带特性的峰值很陡。与此相反，可变波长滤波器(可调滤波器)的理想的特性是透过频带附近的阻带的隔离特性高，透过频带特性平坦(平顶曲线)。图23中的特性曲线2203表示1.6nm间隔(200GHz)场合理想的特性例子。
这样，在由液晶法布里—珀罗滤波器得到的特性曲线2201中只能得到与该理想特性曲线2203相差悬殊的特性。这样的特性就成为使用了液晶法布里—珀罗滤波器的可变波长滤波器(可调滤波器)不能适用于高密度波分多路复用(WDM)通信系统的原因。
再则，在图22中，为了以向列液晶材料1001形成空腔层1003，必须在液晶单元内部形成电介质多层膜镜1017、1019。电介质多层膜镜1017、1019，例如由使用了五氧化钽(Ta2O5)为高折射率材料和二氧化硅(SiO2)为低折射率材料的光学1/4波长膜的叠层膜构成。就用于光通信的1.55μm频带用途而言，由于必须将电介质多层膜镜1017、1019的厚度分别做成薄到数微米左右，因而液晶法布里—珀罗滤波器1000的间隙控制和电极的形成等液晶单元的制作工艺很难达到。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种使用了适用于可将液晶单元做成简单结构的高品质的光纤通信的液晶可变波长滤波器及其驱动方法。
本发明的第一方案作成如下结构：在使用液晶、入射光可选择一定波长的液晶可变波长滤波装置中，具有可改变透射光的出射角的液晶光束偏转器，及设置在该液晶光束偏转器的出射一侧的带通滤波器。利用使相对于带通滤波器的出射角可变来选择波长。
本发明的第二方案作成如下结构：上述液晶光束偏转器在包含与带通滤波器的入射面垂直的正负规定角度范围内可改变出射角。
本发明的第三方案作成如下结构：上述液晶光束偏转器及上述带通滤波器配置成与入射光的光轴垂直。
本发明的第四方案作成如下结构：上述液晶光束偏转器配置成与入射光的光轴垂直，上述带通滤波器配置成与入射光的光轴倾斜规定角度。
本发明的第五方案作成如下结构：重叠配置多个液晶光束偏转器，将各液晶光束偏转器的偏转角之和的出射角的角度做成可改变。
本发明的第六方案作成如下结构：在使用液晶可选择入射光规定波长的液晶可变波长滤波装置中，设有第1透明衬底和第2透明衬底之间夹持的液晶层，上述第1透明衬底具有由配置成平行条状的透明导电体构成的多个单个电极，第2透明衬底具有由透明导电体构成的共用电极；具有通过在上述第1透明衬底上形成的各个单个电极上施加规定电压可对液晶层的折射率进向调制而构成的2个上述液晶光束偏转器，和在上述2个液晶光束偏转器之间的带通滤波器。
本发明的第七方案采用如下结构：上述带通滤波器是将高折射率层和低折射率层交替叠层而成的电介质多层膜。
本发明的第八方案作成如下结构：上述多个单个电极归纳成多个组，各组内的各个多个单个电极用共用的集电极连接并在该集电极的两端连接一对信号电极。
本发明的第九方案作成如下结构：上述集电极用与单个电极相同的材料制成。
本发明的第十方案作成如下结构：上述2个液晶光束偏转器的各个液晶层配置成基本平行，上述带通滤波器配置成与上述2个液晶光束偏转器倾斜规定角度。
本发明的第十一方案作成如下结构：2个液晶光束偏转器中，使入射到其中一个液晶光束偏转器的特定偏振光成分的光按规定角度θ变化，同时另一个液晶光束偏转器使光按角度-θ变化，并具有保持对上述液晶可变波长滤波装置的入射光和出射光为平行光的功能。
本发明的第十二方案是驱动权利要求8的液晶可变波长滤波装置的驱动方法，在上述组中至少一组配置的一对信号电极上施加各不相同的驱动波形的电压。
本发明的第十三方案是驱动权利要求8所述的液晶可变波长滤波装置的驱动方法，交替地设置在至少一组上述组中配置的一对信号电极的一个信号电极上施加交变电压，而将另一个信号电极置为0(V)的期间，和在另一个信号电极上施加交变电压，而将原一个信号电极置为0(V)的期间。
本发明的第十四方案是上述交变电压成为经脉冲宽度调制的电压而驱动。
本发明的第十五方案是设置从上述共用电极一侧在上述液晶层上施加交流偏压的期间而驱动。
附图说明
图1是表示本发明实施例的液晶可变波长滤波装置的断面示意图。
图2是本发明实施例的液晶可变波长滤波装置的第1液晶光束偏转器和带通滤波器附近的重要部分的放大图。
图3是表示本发明实施例的液晶可变波长滤波装置的透过特性的曲线图。
图4是表示本发明实施例的液晶可变波长滤波装置的中心波长和带通滤波器的入射角的关系的特性图。
图5是本发明的实施例的从带通滤波器所见到的成为P偏振光时的液晶光束偏转器的断面图。
图6是本发明的实施例的从带通滤波器所见到的成为S偏振光时的液晶光束偏转器的断面图。
图7是表示本发明的实施例的液晶光束偏转器的第1复合电极的结构的示意平面图。
图8是表示本发明的实施例的液晶光束偏转器的第2复合电极的结构的示意平面图。
图9是表示本发明的实施例的液晶光束偏转器的第3复合电极的结构的示意平面图。
图10是表示本发明的实施例的液晶光束偏转器的第4复合电极的结构的示意平面图。
图11是表示本发明的实施例的液晶光束偏转器的基本原理的示意图。
图12是表示本发明的实施例的液晶光束偏转器的工作原理的断面图。
图13是表示本发明的实施例的液晶元件的电压—有效双折射特性的关系的曲线图。
图14是说明本发明的实施例的液晶可变波长滤波装置的驱动波形的示意图。
图15是表示本发明的实施例的液晶光束偏转器的电位分布图。
图16是表示本发明的实施例的液晶元件的电压—相对相位差特性的关系的曲线图。
图17是表示本发明的实施例的液晶光束偏转器的复合电极位置和相位分布关系的示意图。
图18是表示本发明的实施例的液晶可变波长滤波装置的其它驱动波形的示意图。
图19是说明本发明的实施例的液晶光束偏转器的第3复合电极的相位分布的示意图。
图20是表示本发明的实施例的液晶可变波长滤波装置的模块结构的断面示意图。
图21是用于说明本发明的实施例的液晶可变波长滤波装置中，液晶光束偏转器和带通滤波器的组合的图。
图22是表示现有技术例子的液晶可变波长滤波装置的基本结构的断面示意图。
图23是用于比较现有技术例子的可变波长滤波装置的透射率特性和理想特性的特性图。
具体实施方式
下面，参照附图说明用于实施本发明的最佳实施例的液晶可变波长滤波装置及其驱动方法。
首先，参照图1说明本发明的实施例的液晶可变波长滤波装置的结构。图1是用于说明本发明的实施例的液晶可变波长滤波装置130的结构的断面图。
如图1所示，本发明的液晶可变波长滤波装置130由将以电介质多层膜构成的带通滤波器111只倾斜一定角度α、楔子状的第1楔形棱镜121和第2楔形棱镜123夹在互相平行配置的第1液晶光束偏转器101和第2液晶光束偏转器103之间构成。第1液晶光束偏转器101与第1驱动装置141连接，第2液晶光束偏转器103与第2驱动装置143连接。
该第1、第2液晶光束偏转器101、103都由平行带状的透明导电膜构成的多个单个电极和共用电极夹住液晶层构成。多个单个电极由于施加规定电压而在液晶层上感应形成空间的折射率调制区域，可实现闪烁(ブレ一ズド)型衍射光栅。
该第1液晶光束偏转器101控制入射到带通滤波器111特定的偏振光成分的入射角。利用对该带通滤波器的入射角的控制可改变液晶可变波长滤波装置130的透过频带特性。另外，第2液晶光束偏转器103的作用是使特定的偏振光成分光束偏转到与第1液晶光束偏转器101相反的方向。因此，向第1液晶光束偏转器101的入射光和来自第2液晶光束偏转器103的出射光保持平行。
其次，再详细说明特定的偏振光成分向本发明的液晶可变波长滤波装置130的入射光151的导光路径。如图1所示，入射到第1液晶光束偏转器101的具有与图1的纸面平行的振动面的入射光151在不由第1液晶光束偏转器101偏转时，从该第1液晶光束偏转器101的出射角θ为0度，只有由带通滤波器111选择的波长成分沿第1路径161入射到第2液晶光束偏转器103。这时，第2液晶光束偏转器103也不使第1路径161的光偏转而作为第1出射光153输出。
另外，入射光151由第1液晶光束偏转器101在正方向只偏转+θ时，透过带通滤波器111的波长成分通过第2路径163入射到第2液晶光束偏转器103。第2液晶光束偏转器103将已通过第2路径的光在负方向只偏转-θ而作为第2出射光155输出。
入射光151由第1液晶光束偏转器101在负方向偏转只-θ时，透过带通滤波器111的波长成分通过第3路径165入射到第2液晶光束偏转器103。第2液晶光束偏转器103将通过第3路径165的光在正方向只偏转+θ而作为第3出射光157输出。入射光151和第1、第2及第3出射光153、155、157为平行光。
这样，第1液晶光束偏转器101所起的作用是将入射光151如图1所示只偏转规定的角度±θ。在此，将图1中使θ在逆时针旋转方向增大的方向作为正方向，将θ可变范围的最大值设为θmax。为了最大限度地有效利用θ的变动范围，必须决定第1、第2楔形棱镜121、123的角度α使得α≥θmax。
图2是图1的第1液晶光束偏转器101和带通滤波器111附近的重要部分的放大图。将角度θ作为以第1液晶光束偏转器101的第2透明基板203与向列液晶层501接触的面为基准的出射角，将角度β作为带通滤波器111的入射角时，则出射角θ和入射角β的关系可以以下式表示。
θ＝+θ时，β＝α-θ
θ＝θ时，β＝α
θ＝-θ时，β＝α+θ
并且，α≥θmax。
这样，通过使带通滤波器111对两个液晶光束偏转器只倾斜角度α，则可利用第1液晶光束偏转器101使入射直线偏振光只偏转角度θ并转换成对带通滤波器111具有规定的正入射角β的光。
下面，列举上述带通滤波器的具体结构例子。上述带通滤波器111可以根据如下所述的标准规格选择由电介质多层膜构成的规定的光滤波器。在光纤通信中，由于广泛使用1300nm频段和1550nm频段的光信号，因而下面以中心波长为1550nm时的情况进行说明。例如，下面所示的是入射角β为0度时中心波长为1550nm的4腔结构的电介质多层膜的情况。
带通滤波器111可以由例如高折射率膜和低折射率膜分别交替叠层构成。高折射率膜可选择例如五氧化钽，低折射率膜可选择例如二氧化硅。
这时，作为一个膜的设计例子，当以H表示中心波长为1550nm的光程为四分之一波长的高折射率膜，以L表示中心波长为1550nm的光程为四分之一波长的低折射率膜时，带通滤波器可采用如下结构：玻璃/1.3H/L/(HL)6/H/10L/H/(LH)6/L/(HL)7/H/10L/H/(LH)7/L/(HL)7/H/8L/H/(LH)7/L/(HL)7/H/4L/H/(LH)7/玻璃。此外，在上述结构中，幂数表示膜的层数，10L，10L，8L，4L表示各空腔。这样，只要能实现适用于波分多路复用通信的特性的滤波器也可以采用其它的结构。
图3表示的是利用第1液晶光束偏转器101改变带通滤波器111的入射角β时的液晶可变波长滤波装置130的透射率特性曲线。上述入射角β为0度时带通滤波器111的第1透过曲线301为在1550nm附近的平顶特性313。另外，当考虑以对带通滤波器111的入射角β为基准时，入射角β为4度时为第2透过曲线303，入射角β为6度时为第3透过曲线305。这样，上述平顶特性及用现有技术的液晶法布里—珀罗滤波器1000(图22)不能实现的阻带的高隔离特性都可接近于理想特性已得到证实。
图4所示的是图3中说明的带通滤波器111的入射角β和本发明的液晶可变波长滤波装置130的中心波长的关系。可以看到，随着入射角β增大，如入射角依赖关系曲线401所示液晶可变波长滤波装置130的中心波长移向短波长一侧。这时，第1液晶光束偏转器101的出射角θ和对带通滤波器111的入射角β的关系，当例如第1楔形棱镜121的角度α为3度，θmax也为3度时，为：
β＝0度时，θ＝3度
β＝3度时，θ＝0度
β＝4度时，θ＝-1度
β＝6度时，θ＝-3度
即，若使第1液晶光束偏转器101的出射光θ从3度变化到-3度，则对带通滤波器111的入射角为从0度到6度，可在从1546.5nm到1550nm的频带内任意地选择图3的中心波长。此外，图3和图4所示的特性虽表示的是使用P偏振光(TM波)为特定的偏振光成分的光的情况，但当入射角β在10度以下时，即使是S偏振光(TE波)也具有相同的特性。
接着，使用图5说明第1液晶光束偏转器101的结构。此外，由于第2液晶光束偏转器103的结构与第1液晶射束器101相同，因而本实施例仅说明第1液晶光束偏转器101。
向列液晶层501借助于在第1液晶光束偏转器101的第1透明基板201的复合电极211之上和第2透明基板203的共用电极213之上分别形成的取向层217而均匀取向，从而使得施加电场时的P型(定位(ポジ)型)液晶分子的引向器207的倾斜角209在5度以下。图5所示的第1液晶光束偏转器101的情况下，入射直线偏振光511为与纸面平行的成分。该入射直线偏振光511从后级的带通滤波器111看时为P偏振光。
第1液晶光束偏转器101中的入射光成分内只有与向列液晶层501的引向器207平行的成分、即上述P偏振光成为相位可调制的光。因此，图1所示的入射光151的特定的偏振光成分也在使用图1的结构中所示的第1液晶光束偏转器101时成为P偏振光。
虽然在图5中未明确表示，但为了将向列液晶层501保持在数μm至数+μm范围内的规定厚度而通过衬垫固定第1透明基板201和第2透明基板203。另外，虽在图5中未图示，但为了防止复合电极211和共用电极213短路，可在复合电极211上、或共用电极213上或两者上形成五氧化钽(Ta2O5)或二氧化硅(SiO2)等透明绝缘膜。另外，最好还要提高作为由高折射率膜和低折射率膜构成的电介质多层膜的透明绝缘膜的透射率。在第2透明基板203上形成的共用电极213可以是由透明导电膜构成的整个面的电极。而复合电极211的构造将予后述。
在上述复合电极211的光程部分和形成共用电极213的透明导电膜上使用氧化铟锡(ITO)时，该透明导电膜的膜厚为50nm以下，进而，为了提高在1.3μm-1.6μm的近红外线区域的透射率，最好使用成膜时氧浓度增大的薄膜电阻为数百Ω至1KΩ左右的膜。
作为透明导电膜除ITO外还可使用氧化铟(In2O3)、氧化锡(SnO2)、氧化锌(ZnO)等薄膜。这种情况下，也最好将膜厚取为50nm以下，并最好使用薄膜电阻为数百Ω至1KΩ左右的膜。
另外，为了防止在由玻璃构成的第1透明基板201或第2透明基板203的向列液晶层501与相对面中的空气层接触的面上由空气和透明基板界面的反射，根据需要可形成无反射涂层215。无反射涂层215可使用例如由五氧化钽(Ta2O5)和二氧化硅(SiO2)的电介质多层膜构成的涂层。
图1所示的入射光151或图5的入射直线偏振光511以由从后级的带通滤波器111所见到的成为P偏振光时的结构为代表表示。图6表示入射直线偏振光511从后级的带通滤波器看为S偏振光时的液晶光束偏转器101的结构。图6所示的结构除了向列液晶层501的引向器207的方向与入射直线偏振光511的S偏振光平行外，其余的结构与图5相同。该P偏振光，S偏振光的液晶光束偏转器的运用可根据其标准规格及用途决定其结构。
下面，用图7对用于形成第1液晶光束偏转器101的闪烁型衍射光栅的第1复合电极的结构进行说明。图7是第1复合电极211a的平面图。第1复合电极211a的结构是将包含第1元件光栅751和第2元件光栅761的2个衍射光栅区域配置在第1活性区域671。
图7中，第1元件光栅751具有从第1个单个电极721至第N个单个电极730。另外，第2元件光栅761具有第N+1个单个电极731到第2N个单个电极740。在该第1复合电极211a中，为说明的方便，取N＝10。另外，利用具有上述膜厚和电阻值的ITO等透明导电膜形成从第1个单个电极721到第2N个单个电极740。
另外，从第1个单个电极721到第2N个单个电极740在第1活性区域671的外部汇集成多个组，将各组内的各单个电极用与单个电极相同材料ITO等制成的共用的集电极连接。图7表示的是汇集成2个组的例子。图7中，用第1集电极701在第1活性区域671的外部将从第1个单个电极721到第N个单个电极730连接；同样地，从第N+1个单个电极731到第2N个单个电极740用第2集电极703在第1活性区域671的外部连接。进而，在第1集电极701的两端分别连接由Mo及Ag合金等低电阻材料制成的第1信号电极711和第2信号电极713；在第2集电极703的两端分别连接第3信号电极715和第4信号电极717。此外，不仅将上述集电极做成薄膜电阻为数百Ω-1KΩ的膜，而且其膜厚可更薄，或者其结构也可以做成使其电极宽度较窄而电极的长度方向具有线性的电阻。
图7中，虽为方便计只表示了具有第1元件光栅751和第2元件光栅761的2个衍射光栅区域，但在实际的第1液晶光束偏转器101中，有必要根据入射到第1活性区域671的入射光束直径形成规定数的元件光栅。作为一个例子，即作为使用1550nm频带为入射光时的具体设计例子，假定利用平行光管将由单模光纤发出的光作为平行光入射到第1活性区域671的情况进行说明。这时，平行光的高斯(ガウシアン)光束直径取为300μm时，将第1活性区域的宽度L定为400μm到1.5mm。另外，各元件光栅的多个单个电极考虑到入射光的波长希望为2μm以下的线度和间隔(Line and Space)，元件光栅的间距Po为50μm至100μm时第1复合电极211a的宽度W最好在800μm至2mm左右。因此，当间距Po为50μm时元件光栅的数目为16个至40个，间距Po为100μm时，元件光栅的数目为8个至20个。在此，第1复合电极211a的宽度如图1所示，由于出射光从光束偏转角为+θ时仅为Du，而光束偏转角为-θ时仅为Dd的射束没有偏转的情况(θ为0度时)偏移，因而必须根据该射束的偏移部分决定复合电极的宽度。
犹如上面的说明所清楚表明的，在形成闪烁型衍射光栅的第1液晶光束偏转器101中的一个衍射光栅区域由N个单个电极构成的情况下，与来自驱动电路的控制信号连接的信号电极的数目通过在集电极的两端分别连接一对信号电极，相对于元件光栅的数目(M个)用2M个信号电极即可完成。这种结构的有利之处在于当单个电极的数目增加的情况下可大幅度地减少信号电极的数目。
下面，用图11说明第1液晶光束偏转器101的工作原理。图中，液晶光束偏转器101在引向器207均匀取向的状态下，对X-Z面内在平行方向上施加外部电场的情况下，可对P型(定位型)向列液晶进行取向从而使引向器的长轴方向与电场方向平行。这里，可以认为：对于该液晶光束偏转器101，在与X轴平行方向振动的直线偏振光1110沿Z轴方向入射。入射到液晶光束偏转器101之前的入射波面1113为平面。对液晶光束偏转器101施加电场以使其成为规定的折射率分布而控制引向器的面内分布时，可将入射波面1113变换成只偏转规定角度θ的平面波的出射波面1123。
用图12更详细地说明这种现象。将液晶光束偏转器101的向列液晶层501的出射一侧的平面设为X-Y平面，液晶则取向为与X-Z平面平行。这时，入射直线偏振光1201垂直入射到向列液晶层501。在该向列液晶层501内预先决定工作点使得作为位置X的函数的异常光折射率ne(x)的分布1211在元件光栅的间距P的a-b之间直线地变化。另外，向列液晶层501的厚度d虽一定，但由于折射率ne(x)在间距P中直线地变化，因而在向列液晶层501中传播的入射直线偏振光1201则随位置的不同而受到延迟Δn(x)·d的调制。此处，当预先设no为液晶的常光折射率时，则
Δn(x)＝ne(x)-no          (3)
上述入射直线偏振光1201在上述向列液晶中，即在电介质介质中传播的情况下，延迟大的地方传播慢，相反延迟小的位置则传播快。因此，通过向列液晶层501出射的出射直线偏振光1203其波面的倾斜度仅为
tanθ＝δΔn·d/P         (4)
其中，δΔn是按下式计算a点和b点的延迟Δn(x)的差值。
δΔn＝Δn(a)-Δn(b)      (5)
这样，液晶光束偏转器的向列液晶层501的异常光折射率ne(x)的分布1211若为直线，则与入射直线偏振光1201相同其出射直线偏振光1203的波面也为平面，其结果可使出射直线光1203相对于入射直线偏振光1201仅偏转θ角。
下面，对本发明所用的向列液晶层501的异常光折射率ne(x)能以直线近似的条件进行讨论。入射直线偏振光受到由如图13所示的施加电压—有效双折射率特性决定的调制。图13中，横轴表示对向列液晶层501施加电压的有效值，纵轴表示有效双折射率Δn。电光学响应曲线的形状由所使用的液晶的弹性常数、介电系数的各向异性特性及未施加电场时的取向膜层决定的预倾角等参数决定。该施加电压—有效双折射率特性是麦尔克(メルク)公司制造的向列液晶材料BL007(商品名)的特性。另外，该特性是设Δnmax＝0.287、液晶层厚度为20μm所求得的理论曲线。图13中，横轴表示对均匀取向单元的施加电压1501，纵轴表示液晶分子的有效双折射率Δn1503。图13中，表示的是预倾角为0.5度、2度、5度和10度时的特性。当用作具有上述第1复合电极211a的液晶光束偏转器101时，为了得到图12中说明的作用，必须使用可近似1次曲线的直线区域1520附近。由此可知，上述向列液晶的预倾角在直线区域1520取较宽范围为5度以下，更优选为2度以下。
下面，说明具有上述第1复合电极211a的液晶光束偏转器101的驱动方法及集电极产生电位梯度的现象。首先，对第1元件光栅751的部分予以说明。图14表示驱动波形。将第1驱动波形1601加在信号电极711上，将第2驱动波形1603加在第2信号电极713上。第1驱动波形1601和第2驱动波形1603的频率和相位均相互相等而仅电压不同，第2驱动波形1603比第1驱动波形1601的电压更高。另外，在期间t1中第1驱动波形1601为+V1(V)，第2驱动波形1603为+V2(V)。此时，共用电极213为O(V)。以透明导电膜等线性的电阻材料制成的第1集电极701对所施加的电压予以分压形成线性的电位分布。因此，第1活性区域671上形成的第1元件光栅751的多个单个电极具有对各第1信号电极711和第2信号电极713所施加的电压进行直线式分压所得到的电位。
此处，单个电极的长度方向的电位，由于单个电极与向列液晶层501的阻抗比较以低电阻材料制成，因而可为基本相同的电位。再有，根据需要在共用电极上施加偏置交流电压的期间也可以另外设置期间1和期间2。
接着，更详细地说明上述第1复合电极211a(图7)的集电极701上的电位梯度和各单个电极的电位的关系。在图14所示的期间t1中，连接第1信号电极711和第2信号电极713的第1集电极701的电位分布如前述的说明是在图15的第1电位分布1801所示的直线状的电位分布。在图14所示的期间t2中，第1集电极701的电位分布为图15的第2电位分布1803。此处，图15的点a与第1信号电极711所连接的单个电极的位置相对应，点b与第2信号电极713所连接的单个电极的位置相对应。在图14所示的驱动波形为50％负载率的矩形波的情况下，则在时间上交替重复图15所示的两个电位分布，即第1电位分布1801和第2电位分布1803。因此，通过维持于0(V)的共用电极213施加在向列液晶层501上的电压无论在哪个单个电极的位置上都成为交变电压而无直流成分施加到向列液晶层501上。另外，向列液晶中可以认为，以有效值表示在第1信号电极711一侧经常施加了有效值为V1(V)的电压，而在第2信号电极713上施加了有效值为V2(V)的电压，进而由第1集电极701分压的电位施加到各单个电极上。
下面，说明上述集电极所发生的相位分布。图16表示液晶使用BL007(日本·麦尔克—メルク·ジヤパン公司制：商品名)，在将预倾角设定为1度时施加在液晶上的电压(Vrms)和相对相位差Δ的关系曲线图。特性曲线1711可以认为在1.5～2(V)附近具有近似于直线的区域1701。可以认为，这是液晶层的厚度d为30(μm)、波长λ为1550(μm)时的情况。此外，相对相位差Δ在有效双折射率为Δn时定义为
Δ＝Δn·d/λ            (6)
可以看到，在图16的相对相位差Δ中，近似直线的区域1701在λ＝1550nm、直线可调制范围1705为波长λ的2波长以上，即相位为4π左右。这样，利用预倾角在实现异常光折射率与直线近似的同时，若在由该预倾角决定的范围的近似直线的区域1701内工作的工作电压范围1703之内施加电压，则能在第1复合电极211a的第1活性区域671中实现与各单个电极的位置成比例的相位分布。
下面，用图17说明使用前面所述的驱动方法，用具有上述第1复合电极211a的液晶光束偏转器101实现任意的偏转角的具体的方法。这时，设元件光栅的间距为Po，则将最大偏转角θmax定义为：
tanθmax＝λ/Po                   (7)
此时的θmax的相位调制曲线2001时的最大相位调制量为元件光栅的间距Po的距离的1个波长即为2π。在上述第1复合电极211a的情况下，由于第1、第2信号电极的位置预先决定，因而不可能为了改变相位在任意的电极位置只重设2π相位使相位一致。因此，为了在一定位置重设相位，首先为了在无高次光发生的情况下使其偏转小于θmax的角度θp，就必须在角度θp的相位调制曲线2003中在λ-2λ之间重设相位。这样，为了使用第1复合电极211a将特定的偏振光成分的光控制在规定的偏转角，必须采用在规定的元件光栅内，对每个相位调制量为λ-2λ范围的元件光栅重设相位的驱动方法。
下面，说明具有上述第1复合电极211a的液晶光束偏转器101的其它驱动方法。图18是表示对配置在一个元件光栅上的信号电极端子施加电压波形期间图。该驱动方法将一个帧分为期间1和期间2驱动。具体地，为了防止向列液晶层501的劣化，交替地设置期间1和期间2进行驱动；该期间1是将平均值为0那样的交变电压驱动信号2101施加到第1信号电极711上，而使第2信号电极713与共用电极213具有等电位即为0(V)；该期间2对第2信号电极71 3施加交变电压驱动信号2101，而使第1信号电极711与共用电极213具有等电位即为0(V)。通过采用这样的驱动方法，可使完成周期1和周期2的1个帧的元件光栅所产生的液晶电位分布为各个期间的有效值之和。期间1和期间2施加的电压波形可以是任意的，例如可施加电压不同的2种波形。另外，经脉冲宽度调制还可以是控制了有效值的波形。再有，还可以根据需要设置与期间1和期间2不同的、对共用电极施加偏置交流电压的期间。
下面，用图8详细说明用于形成闪烁型衍射光栅的复合电极211的其它结构。除了先前说明的第1复合电极211a(图7)的结构外，第2复合电极211b采用在第1活性区域671的外部将集电极配置在多个单个电极组的两端的结构。图8中，在第1活性区域671的外部，中间经单个电极在与第1集电极相对的位置配置第3集电极801，中间经单个电极在与第2集电极703相对的位置配置第4集电极803。再有，第3集电极801与由Mo及Ag合金等低电阻金属材料制成的第5信号电极811和第6信号电极813连接，第4集电极803与第7信号电极815和第8信号电极817连接。
这种第2复合电极结构的第1信号电极711和第5信号电极811，第2信号电极713和第6信号电极813，第3信号电极715和第7信号电极815以及第4信号电极717和第8信号电极817相互之间在外部短路。此外，使用第2复合电极211b的液晶光束偏转器的驱动方法可原样采用先前说明的驱动方法。
用于形成图8所示的液晶光束偏转器的第2复合电极211b的结构在单个电极做得细而长的场合等，即在与向列晶液层的驱动频率下的阻抗比较、单个电极的阻抗大到不能被忽略不计程度的情况下特别有效。
下面，说明应用在必须高速响应的场合特别有效的另一种结构的第3复合电极。图9是表示用于实现闪烁型衍射光栅的第1活性区域671和第3复合电极211c的关系的平面图。图9中，第3复合电极211c由构成复合电极的ITO等的透明导电膜形成的从第1个单个电极621到第N个单个电极640(为方便计取N＝20)构成的条状电极形成。
为了在第1活性区域671实现用于进行光束偏转的闪烁型衍射光栅，必须在第3复合电极211c的各个单个电极621-640上施加一定的电压。施加规定图形电压的施加方式，如图9所示，采用分别形成从第1个单个电极621到第N个单个电极640，以IC等驱动电路独立地驱动各单个电极，从而使其在各单个电极上产生台阶式的电位差的方法。
用图19说明利用使用了这种第3复合电极211c的液晶光束偏转器101实现任意的偏转角的方法。第3复合电极211c中，可以利用直接驱动电路独立地对各个单个电极施加任意的电压。因此，可调制量最小可到2π(1个波长)的情况下，则可实现任意的偏转角。例如，将在第1活性区域671实现第1相位调制波形1901的电压施加到各单个电极上时，偏转角θ1的值为：
tanθ1＝λ/P1          (8)
其中，λ表示1个波长的相对相位差。另外，将X轴方向作为与单个电极垂直的方向。通过采用这样结构，由于在将一定的单个电极捆束在一起的间距P1中使相位重设1个波长，因而可使衍射效率接近100％。其次，当将为在第1活性区域671实现第2相位调制波形1903的电压施加到各单个电极上时，偏转角θ2的值为：
tanθ2＝λ/P2             (9)
这样，通过变更重设相位的一定的间距P，则可容易地实现任意的偏转角θ。
再有，在使用了第3复合电极211c的液晶光束偏转器101的情况下，其有利的方面在于：例如，不仅可利用图16所示的近似直线的区域1701，而且可利用特性曲线1711的整个区域。既减薄了液晶单元的厚度，又实现了高速响应。这是因为，由于在各单个电极上可施加任意的电压，因而通过对施加电压进行加权处理则可将特性曲线1711的非直线性特性修正为直线性。另外，第1、第2复合电极211a、211b的结构为了使相位调制量达到λ以上必须加厚液晶层的厚度，但第3复合电极211c则不同，为重设相位1个波长不但不必加厚液晶层的厚度还可以减薄。
最后，用图20说明在实际的光纤通信中广泛使用的平行光管间配置了本发明的液晶可变波长过滤装置130时的模块结构320。图20表示的是从表示基本结构的图1的侧面所见到的样子。
本发明的液晶可变波长滤波装置130通过将在第1液晶光束偏转器101和第2液晶光束偏转器103之间由电介质多层膜构成的带通滤波器111只倾斜一定的角度α，并用第1楔形棱镜121和第2楔形棱镜123夹持该带通滤波器111而构成。第1驱动装置141与第1液晶光束偏转器101连接，第2驱动装置143与第2液晶光束偏转器103连接。
首先，在图20中，考虑将输入光171入射到输入端A。虽然图20未明确表示，但输入光171为用平行光管将由光纤发出的光变为平行光的光。输入光171可认为分成了相对于第1偏光分离器131成为P偏振光的第1直线偏振光104和相对于第1偏光分离器131成为S偏振光的第2直线偏振光105。以后，在附图上以垂直的箭头表示相对于第1偏光分离器131的P偏振光，在附图上以黑的圆点表示相对于第1偏光分离器131的S偏振光。
入射到第1偏光分离器131的第1直线偏振光104因P偏振光而透过第1偏光分离器131。随后，直线偏振光104利用第1半波长板181其方位角旋转90°，变换成与相对于第1偏光分离器的S偏振光在相同方向振动的偏振光。进而，该偏振光通过第1液晶光束偏转器101的第1活性区域145而到达带通滤波器111。在此，对第1液晶光束偏转器101和第2液晶光束偏转器103的取向膜的摩擦方向预先进行取向处理使其与入射偏振光平行。随后，在第1直线偏振光104内，在第1液晶光束偏转器101中选择入射角透过带通滤波器111的成分，在第2液晶光束偏转器103中偏转为与对带通滤波器111的入射偏转角相反的方向。即，偏振光在第1液晶光束偏转器101中只以+θ角偏转时，在第2液晶光束偏转器103中则只偏转-θ角。由第2液晶光束偏转器103出射的光经第2全反射镜127成直角转向，进而再经第2偏光分离器133又一次成直角转向而作为第4直线偏振光113从输出端B出射。
另一方面，入射到输入端A的第2直线偏振光105，因是S偏振光便经第1偏光分离器131后成直角转向，入射到第1全反射镜125，再成直角转向保持S偏振光的原状通过第1液晶光束偏转器101的第2活性区域147而到达带通滤波器111。在此，对第1液晶光束偏转器101和第2液晶光束偏转器103的取向膜的摩擦方向预先进行了取向处理使其与入射偏振光平行。随后，在第2直线偏振光105内，在第1液晶光束偏转器101中选择入射角透过带通滤波111的成分，在第2液晶光束偏转器103中偏转为与对带通滤波器111的入射偏转角相反的方向。
即，在第1液晶光束偏转器101只偏转+θ角的情况下，在第2液晶光束偏转器103中只偏转-θ角。由第2液晶光束偏转器103出射的光利用第2半波长板183使方位角旋转90°而转换成相对于第2偏光分离器133的P偏振光并作为第3直线偏振光113而从输出端B出射。
2个直线偏振光113及115合成为输出光173。此外，根据图20的结构，可将直线偏振光113及115从输入端A到输出端B的之间的光程做得相同。另外，虽未图示，根据需要输出光173可通过平行光管透镜与光纤结合。
这样，通过第1活性区域145和第2活性区域147的光与带通滤波器111的交叉点在带通滤波器111上为不同之点。因此，带通滤波器111的反射和透过特性在面内存在波动的可能性。为了消除这种波动，第1液晶光束偏转器101和第2液晶光束偏转器103的复合电极，例如最好能如图10所示的第4复合电极那样分成2个区域以利用驱动电路附加独立的控制功能。
图10是具有第1活性区域671和第2活性区域673的第4复合电极211d的平面图。为了独立地控制第1活性区域671和第2活性区域673，这种第4复合电极211d做成将图7所示的第1复合电极211a配置在2个平面内的结构。第1活性区域671如同上述第1复合电极211a。第4复合电极的结构在第2活性区域673具有第3元件光栅951和第4元件光栅961。该第3元件光栅951为了施加驱动波形而具有第9信号电极911和第10信号电极913，进而第4元件光栅961具有第11信号电极915和第12信号电极917。此外，第4复合电极211d中，为方便说明虽将构成第1和第2活性区域671、673的元件光栅分别定为2个进行说明，但也可以根据规格增加元件光栅的数量。如以上的说明，本结构的第4复合电极211d在要对液晶可变波长滤波装置的输入分开进行控制的情况下是非常有效的结构。
液晶光束偏转器和带通滤波器的组合也不限于如上所述将带通滤波器配置成夹持在2个液晶光束偏转器之间的结构而可以采用其它的结构。
图21是用于说明在本发明的液晶可变波长滤波装置中液晶光束偏转器和带通滤波器的组合的图。
图21(a)所示的结构例子如以上说明，是将带通滤波器111配置成夹持在2个液晶光束偏转器101、103之间，并使带通滤波器111相对于2个液晶光束偏转器101、103倾斜一定角度配置的结构。通过采用这种结构，从而可将对液晶可变波长滤波装置的入射光和出射光做成平行，可将对由光纤和平行光管构成的微小光学系统的光结合系数最大限度地保持，而将结合损失抑制到最小，从而可将单模光纤用作出射光用的光学系统。
图21(b)所示的结构例子，是在图21(a)的结构例子中，将带通滤波器111相对2个液晶光束偏转器101、103平行地配置的结构。在该结构中，也可分别调整液晶光束偏转器101、103的偏转角，将对液晶可变波长滤波装置的入射光和出射光做成平行。
图21(c)、(d)所示结构的例子是将1个液晶光束偏转器101和1个带通滤波器111组合，是将带通滤波器配置在液晶光束偏转器101的出射一侧的结构。图21(c)的结构例子是液晶光束偏转器101和带通滤波器111平行配置的结构；图21(d)的结构例子是使带通滤波器111与液晶光束偏转器101倾斜配置的结构。
图21(c)、(d)所示的结构例子中，出射光虽不与入射光平行，但通过采用多模光纤作为光学系统仍可利用该出射光。
另外，图21(e)所示的结构例子是多个液晶光束偏转器101和1个带通滤波器111的组合。图中表示的是2个液晶光束偏转器101的例子。多个液晶光束偏转器101重叠并将带通滤波器111配置在其出射一侧。若多个液晶光束偏转器101重叠，并使2个液晶光束偏转器的取向方向相同，则可加大偏转角。另外，若将此处所示的2个液晶光束偏转器101的取向方向垂直，则可做成与入射光的偏振光无关。
上面，对将入射到液晶光束偏转器的特定的偏振光成分的光作为直线偏振光成分以提高该成分的光的利用效率的情况进行了说明，但很显然，即使是其它成分的光也能使用本发明的结构。
如以上的说明所表明的，本发明的液晶可变波长滤波装置可具有在某一透射频带相近的阻带的高隔离特性和平坦的透射频带特性，在这一透射频带使用现有的液晶的可变波长滤波器(可调滤波器)是不能实现这些特性的。
另外，本发明的液晶可变波长滤波装置可将具有满足规格要求的理想特性的任意的滤波器用于实现透射及反射特性，而且能以简单的结构实现驱动也能简单地控制的适合于光纤通信的可变波长滤波装置。
另外，将对本发明的液晶可变波长滤波装置的入射直线偏振光和出射直线偏振光保持平行能有效地将对入射光和出射光由光纤和平行光管构成的微小光学系统的光结合系数保持尽可能地大，而将结合损耗抑制到最小。
此外，本发明的范围不受在此叙述的具体装置的限定，本发明的液晶可变波长滤波装置也可应用于自由空间光通信及其它光信号处理系统。

Claims (15)

1.一种液晶可变波长滤波装置，在使用液晶、入射光可选择一定波长的液晶可变波长滤波装置中，其特征在于，具有：
可改变透射光的出射角的液晶光束偏转器，
设置在该液晶光束偏转器的出射一侧的带通滤波器，
利用相对于带通滤波器的出射角来选择波长。
2.根据权利要求1所述的液晶可变波长滤波装置，其特征在于：上述液晶光束偏转器在包含与带通滤波器的入射面垂直的正负规定角度范围内可改变出射角。
3.根据权利要求1或2所述的液晶可变波长滤波装置，其特征在于：上述液晶光束偏转器及上述带通滤波器配置成与入射光的光轴垂直。
4.根据权利要求1或2所述的液晶可变波长滤波装置，其特征在于：上述液晶光束偏转器配置成与入射光的光轴垂直，上述带通滤波器配置成与入射光的光轴倾斜规定角度。
5.根据权利要求1-4中任何一项所述的液晶可变波长滤波装置，其特征在于：重叠配置多个液晶光束偏转器，将各液晶光束偏转器的偏转角之和的出射角的角度做成可改变。
6.根据权利要求1所述的液晶可变波长滤波装置，其特征在于：上述液晶光束偏转器的结构是，具有第1透明衬底和第2透明衬底之间夹持的液晶层，上述第1透明衬底具有由配置成平行条状的透明导电体构成的多个单个电极，第2透明衬底具有由透明导电体构成的共用电极；通过在上述第1透明衬底上形成的各个单个电极上施加规定电压可对液晶层的折射率进向调制；
具有2个上述液晶光束偏转器，在上述2个液晶光束偏转器之间具有带通滤波器。
7.根据权利要求1-6中任何一项所述的液晶可变波长滤波装置，其特征在于：上述带通滤波器是将高折射率层和低折射率层交替叠层而成的电介质多层膜。
8.根据权利要求6或7所述的液晶可变波长滤波装置，其特征在于：上述多个单个电极归纳成多个组，各组内的各个多个单个电极用共用的集电极连接并在该集电极的两端连接一对信号电极。
9.根据权利要求8所述的液晶可变波长滤波装置，其特征在于：上述集电极用与上述多个单个电极相同的材料制成。
10.根据权利要求6-9中任何一项所述的液晶可变波长滤波装置，其特征在于：上述2个液晶光束偏转器的各个液晶层配置成基本平行，上述带通滤波器配置成与上述2个液晶光束偏转器倾斜规定角度。
11.根据权利要求6-10中任何一项所述的液晶可变波长滤波装置，其特征在于：2个液晶光束偏转器中，使入射到其中一个液晶光束偏转器的特定偏振光成分的光按规定角度θ变化，同时另一个液晶光束偏转器使光按角度-θ变化，并具有保持对上述液晶可变波长滤波装置的入射光和出射光为平行光的功能。
12.一种液晶可变波长滤波装置的驱动方法，是权利要求8所述的液晶可变波长滤波装置的驱动方法，其特征在于：在至少一组上述组中配置的一对信号电极上施加各不相同的驱动波形的电压。
13.一种液晶可变波长滤波装置的驱动方法，是权利要求8所述的液晶可变波长滤波装置的驱动方法，其特征在于：交替地设置在至少一组上述组中配置的一对信号电极的一个信号电极上施加交变电压，而将另一个信号电极置为0(V)的期间，和在另一个信号电极上施加交变电压，而将原一个信号电极置为0(V)的期间。
14.根据权利要求13所述的液晶可变波长滤波装置的驱动方法，其特征在于：上述交变电压是经脉冲宽度调制的电压。
15.根据权利要求12-14中任何一项所述的液晶可变波长滤波装置的驱动方法，其特征在于：设置从上述共用电极一侧在上述液晶层上施加交流偏压的期间。
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