JP2006058843A - 可変光減衰器およびそれを備えた光学フィルタ - Google Patents

可変光減衰器およびそれを備えた光学フィルタ Download PDF

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Abstract

【課題】良好な光量調節が可能な小型の可変光減衰器およびそれを備えた光学フィルタを提供する。
【解決手段】可変光減衰器は、入射側および出射側光ファイバ１０１，１０７と、一対の前面基板１０５ａおよび背面基板１０５ｂとの間に液晶層１０５ｃが狭持され、該液晶層１０５ｃの配向状態を制御することにより、液晶の複屈折特性を制御して偏光方向の回転を制御可能に構成された液晶偏光回転素子１０５と、入射側および出射側光ファイバ１０１，１０７と液晶偏光回転素子１０５との間に配設されたサバール板と、を備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えば光通信等において利用される可変光減衰器およびそれを備えた光学装置に関し、特に、偏光回転素子として反射型の液晶偏光回転素子を備えた可変光減衰器およびそれを備えた光学フィルタに関する。
近年、光通信では大容量および高速化が推進されており、それに伴うバンド幅拡大の要求に応じて、様々な光デバイスが開発および導入されている。例えば、光通信における波長分割多重（ＷＤＭ：Wavelength Division Multiplexing）のための波長選択スイッチやダイナミックゲインイコライザといったチューナブルフィルタ技術は、動的光ネットワークにおいて重要である。
高分解能のチューナブルフィルタを実現するために、レンズと、回折格子と、ピクセル化された複数の光学素子がアレイ化された光学デバイスとを備えた自由空間光学系が提案されている。このような自由空間光学系では、例えば、外部から入射側光ファイバを介して入射された光のビームがピクセル化された光学デバイスの所定の光学素子ピクセルに分波され、その分波光が、光学素子ピクセルで反射される。そして、その反射光が再び合波されて、出射側光ファイバに入射（結合）し、再び外部に出射される。
上記構成の自由空間光学系では、出射側光ファイバに入射する光量が、光学デバイスによって調整可能である。すなわち、ここでは、光学デバイスが、入射した光の減衰量を調整して前記光量を調整する可変光減衰器に相当する。例えば、アレイ化された可変光減衰器には、アナログティルトミラー方式や回折型のＭＥＭＳ（Micro-Electro-Mechanical Systems）やＤＭＤ（Digital Micromirror Device）といったＭＥＭＳ技術が開発および適用されている。
また、ＭＥＭＳに代えて、液晶技術を利用した可変光減衰器がある。かかる可変光減衰器は、液晶の大きな複屈折、標準的なＣＭＯＳ回路との集積の容易さ、および、液晶ディスプレイ技術に由来する液晶技術の成熟度の点から、動的光ネットワークの要求に応えるチューナブルデバイスを実現するための重要な方式の一つである。
液晶技術を利用した可変光減衰器は、ＭＥＭＳ技術を利用したものとは異なり、可動部品を必要としない。それゆえ、ミラー等の可動部品を要するＭＥＭＳでは、可動部品によって生じる摩擦、スティクション（可動部品が他の部材に付着する現象）、振動、帯電といった内部や外部の擾乱に起因して故障が生じる可能性が高いが、液晶を利用した可動部品を要しない可変光減衰器では、該故障の可能性がなく、よって、高信頼性を実現できる。
また、一般的に、ＭＥＭＳを利用した可変光減衰器は、液晶を利用したものよりも高い駆動電圧を必要とし、さらに、ＭＥＭＳが前述のように可動部品を備えることから、製造プロセスが複雑化する傾向がある。したがって、液晶を利用した可変光減衰器では、ＭＥＭＳを利用した可変光減衰器と比較して、駆動電圧の低減化、コストの低減化および小型化が図られるとともに、標準的なＣＭＯＳ回路と集積化するのに好適である。
図２８は、液晶素子を備えた従来の可変光減衰器の構成を示す模式図である（例えば、特許文献１参照。）。図２８に示すように、この可変光減衰器では、ファイバコリメータ２７１から出射された入射光Ｌ２７１が、偏光分離手段である入射側偏光ビームスプリッタ２７２に入射され、Ｐ偏光とＳ偏光とに分離される。このＰ偏光とＳ偏光とは、ともに偏光回転素子である液晶素子２７６に入射する。
ここでは、液晶素子２７６が、印加電圧を相互に独立して調整することができるように構成された２枚の４５°ツイストネマティック液晶セル（以下、単に液晶セルと呼ぶ）２７４，２７５を貼り合わせて構成されている。液晶素子２７６に入射したＰ偏光およびＳ偏光が液晶セル２７４，２７５を透過する過程において、液晶素子２７６を出射する光の光量が調整される。
液晶素子２７６から出射された光は、さらに偏光合成手段である出射側偏光ビームスプリッタ２７３に入射し、ここで再び合波される。そして、合波された光は、出射側偏光ビームスプリッタ２７３の側面２７３ａ，２７３ｂから出射光Ｌ２７２，２７３としてファイバコリメータ２７８，２７９を介して出射される。
特開２００１−１３４７７号公報
上記の可変光減衰器では、入射側偏光ビームスプリッタ２７２と出射側偏光ビームスプリッタ２７３とをそれぞれ別個に設ける必要があるため、可変光減衰器を構成する部品点数が多くなる。そのため、小型化が困難であるとともに、コストの増加や製造プロセスの複雑化を招く。
また、Ｐ偏光およびＳ偏光が入射側偏光ビームスプリッタ２７２内を進む過程および出射側偏光ビームスプリッタ２７３内を進む過程において、両偏光の光路長に差が生じ、その結果、可変光減衰器のＰＭＤ（偏光モード分散）が劣化するおそれがある。
さらに、入射側および出射側偏光ビームスプリッタ２７２，２７３の各偏光軸が、両者共に液晶素子２７６の液晶ダイレクタに対して適切な角度に配置されていないと、ＰＤＬ（偏光依存損失）が生じるおそれがある。
本発明は、上述した従来技術による問題点を解消するため、良好な光量調節が可能な小型の可変光減衰器およびそれを備えた光学フィルタを提供することを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するため、本発明の請求項１にかかる可変光減衰器は、外部からの光の入射および外部への光の出射を行う光入出射手段と、一対の電極の間に挟持され、該電極間に印加される電圧の制御により複屈折特性を制御可能な液晶を備え、前記液晶の複屈折特性を制御することにより偏光方向の回転を制御しつつ前記光入出射手段を介して入射された光を前記光入出射手段側に反射させる液晶偏光回転素子と、前記光入出射手段と前記液晶偏光回転素子との間に配置され、前記光入出射手段を介して入射された光を偏光分離するとともに前記液晶偏光回転素子で反射された光を偏光合成して前記光入出射手段に導く複屈折板であって、分離された各偏光の該複屈折板内の各光路における光路長の差を補正可能に構成された光路長差補正複屈折板と、を備え、前記液晶偏光回転素子の前記偏光方向の回転を制御することにより、前記光入出射手段から出射される光の光量が制御されることを特徴とする。
具体例として、本発明の請求項２にかかる可変光減衰器は、請求項１にかかる可変光減衰器において、前記光路長差補正複屈折板が、サバール板で構成されることを特徴とする。
また、本発明の請求項３にかかる可変光減衰器は、請求項１にかかる可変光減衰器において、前記光路長差補正複屈折板が、前記光入出射手段と前記液晶偏光回転素子との間に配置され、前記光入出射手段を介して入射された光を偏光分離するとともに前記液晶偏光回転素子で反射された光を偏光合成して前記光入出射手段に導く複屈折板と、１／２波長板とを組み合わせ、分離された各偏光の該複屈折板内の各光路における光路長の差を補正可能に構成されることを特徴とする。
具体例として、本発明の請求項４にかかる可変光減衰器は、請求項３にかかる可変光減衰器において、前述した光路長差補正複屈折板が、２枚の複屈折板板の間に前述した１／２波長板を挟持した変形サバール板で構成されることを特徴とする。この変形サバール板は一般に知られている（例えば文献：鶴田匡夫著「応用光学２」培風館（１９９０年）１５７〜１５８頁）に構成が記載されているものを用いることができる。
さらに本発明の請求項５にかかる可変光減衰器において、光路長差補正複屈折板と液晶偏光回転素子との間に、偏光を回転させる偏光回転用１／２波長板をさらに有することを特徴とする。
また、本発明の請求項６にかかる可変光減衰器は、請求項１〜５にかかる可変光減衰器において、前記液晶偏光回転素子が、一軸性可変波長板であることを特徴とする。
また、本発明の請求項７にかかる可変光減衰器は、請求項６にかかる可変光減衰器において、前記液晶偏光回転素子の前面に、前記液晶の残留複屈折特性を打ち消す方向に結晶軸を有する残留複屈折補正板をさらに有することを特徴とする。
具体的には、本発明の請求項８にかかる可変光減衰器は、請求項６または７にかかる可変光減衰器において、前記液晶偏光回転素子は、第１の電圧が印加されている時に、該液晶の前記複屈折特性により、前記反射されて該液晶から出射する光の偏光方向を９０°回転させる１／４波長板となり、前記第１の電圧より大きい第２の電圧が印加された時に、該液晶の前記複屈折特性が消失するため前記偏光方向の回転が起こらず、よって波長板として機能せず、前記第２の電圧以下で前記第１の電圧以上の範囲で前記電圧を調整することにより該液晶の前記複屈折特性を調整して前記偏光方向の回転を調整し、それにより、所望の波長板とすることが可能な前記一軸性可変波長板であることを特徴とする。
また、本発明の請求項９にかかる可変光減衰器は、請求項６または７にかかる可変光減衰器において、前記液晶偏光回転素子は、第１の電圧が印加されている時に、該液晶の前記複屈折特性が消失するため、波長板として機能せず、第２の電圧が印加された時に、該液晶の前記複屈折特性により、前記反射されて該液晶から出射する光の偏光方向を９０°回転させる１／４波長板となり、前記第２の電圧以下で前記第１の電圧以上の範囲で前記電圧を調整することにより該液晶の前記複屈折特性を調整して前記偏光方向の回転を調整し、それにより、所望の波長板とすることが可能な前記一軸性可変波長板であることを特徴とする。
また、本発明の請求項１０にかかる可変光減衰器は、請求項６または７にかかる可変光減衰器において、前記液晶偏光回転素子の前方に入射偏光の偏光状態を変換する液晶偏光回転素子の複屈折特性を打ち消す方向に結晶軸を有するスイッチングモード反転波長板をさらに有し、前記液晶偏光回転素子は、第１の電圧が印加されている時に、該液晶と波長板との合成複屈折特性が消失するため前記偏光方向の回転が起こらず、よって波長板として機能せず、前記第１の電圧より大きい第２の電圧が印加された時に、該液晶の前記複屈折特性と波長板との合成複屈折により、前記反射されて該液晶から出射する光の偏光方向を９０°回転させる１／４波長板となり、前記第２の電圧以下で前記第１の電圧以上の範囲で前記電圧を調整することにより該液晶の前記複屈折特性を調整して前記偏光方向の回転を調整し、それにより、所望の波長板とすることが可能な前記一軸性可変波長板であることを特徴とする。
かかる構成では、例えば、ネマティック液晶や、表面安定型の強誘電液晶や、反強誘電液晶等のような液晶ディスプレイで実績のある液晶を利用して、一軸波長板が構成される。
また、本発明の請求項１１にかかる可変光減衰器は、請求項１〜１０のいずれか一つにかかる可変光減衰器において、前記液晶偏光回転素子は、前記液晶がホモジニアス配向または垂直配向であり、該液晶への前記電圧印加により、該液晶の厚み方向に電界が形成されることを特徴とする。
また、本発明の請求項１２にかかる可変光減衰器は、請求項１〜１０のいずれか一つにかかる可変光減衰器において、前記液晶偏光回転素子は、前記液晶がホモジニアス配向または垂直配向であり、該液晶への前記電圧印加により、該液晶のラテラル方向に電界が形成されることを特徴とする。
また、本発明の請求項１３にかかる可変光減衰器は、請求項１〜１０のいずれか一つにかかる可変光減衰器において、前記液晶偏光回転素子は、前記液晶がホモジニアス配向または垂直配向であり、該液晶への前記電圧印加により、該液晶の厚み方向とラテラル方向とに電界が形成されることを特徴とする。
これらの構成によれば、例えば、厚み方向に形成された電界により、液晶のリタデーションを制御することが可能となり、ラテラル方向に形成された電界により、厚み方向と垂直なラテラル方向における液晶の長軸の配置方向を制御することが可能となり、また、両電界を同時に形成することにより、液晶のリタデーションと長軸の配置方向とを制御することが可能となる。そして、これらの制御により、液晶による偏光方向の回転を制御することが可能となる。
また、本発明の請求項１４にかかる可変光減衰器は、請求項１〜１３のいずれか一つにかかる可変光減衰器において、前記液晶偏光回転素子の前記一対の電極の一方がＳｉ基板上に形成され、かつ、該Ｓｉ基板上に、前記電圧の制御を行う駆動用回路が配設されたことを特徴とする。
例えば、本発明の請求項１５にかかる可変光減衰器は、請求項１４にかかる可変光減衰器において、前記駆動用回路が、相補型金属酸化物半導体集積回路であることを特徴とする。
また、本発明の請求項１６にかかる可変光減衰器は、請求項１４または１５にかかる可変光減衰器において、パルス幅変調方式により前記電圧の制御が行われることを特徴とする。
また、本発明の請求項１７にかかる可変光減衰器は、請求項１〜１６のいずれか一つにかかる可変光減衰器において、前記一対の電極が、透明導電膜から構成される透明電極と、反射導電膜から構成される反射電極とから構成され、前記透明電極が、ＩＴｉＯ膜から構成されたことを特徴とする。透明電極が構成される場合よりもプラズマ反射を抑制することが可能となる。したがって、光減衰特性がさらに向上する。
また、本発明の請求項１８にかかる可変光減衰器は、請求項１〜１７のいずれか一つにかかる可変光減衰器において、前記光入出射手段は光ファイバで構成され、かつ、光の入射用の光ファイバと光の出射用の光ファイバとが別個に配設されたことを特徴とする。
また、本発明の請求項１９にかかる可変光減衰器は、請求項１〜１８のいずれか一つにかかる可変光減衰器において、前記光入出射手段は光ファイバで構成され、かつ、光の入射と光の出射とが共通の光ファイバにより行われることを特徴とする。
例えば、本発明の請求項２０にかかる可変光減衰器は、請求項１９にかかる可変光減衰器において、前記光ファイバに、入射した光と出射する光とを分離する光サーキュレータが接続されたことを特徴とする。
また、本発明の請求項２１にかかる可変光減衰器は、請求項１６〜２０のいずれか一つにかかる可変光減衰器において、前記光ファイバの先端にファイバコリメータが取り付けられたことを特徴とする。
また、本発明の請求項２２にかかる可変光減衰器は、請求項２１にかかる可変光減衰器において、前記光ファイバと前記光路長差補正板との間に集光用の光学レンズが配設されたことを特徴とする。
また、本発明の請求項２３にかかる可変光減衰器は、請求項２１にかかる可変光減衰器において、前記ファイバコリメータから入出射する光のビーム径が５０μｍ以下に設定され、前記ファイバコリメータと前記光路長差補正板との間で、直接、光の入出射が行われることを特徴とする。
また、本発明の請求項２４にかかる可変光減衰器は、請求項１〜２３のいずれか一つにかかる可変光減衰器において、前記液晶偏光回転素子は、複数の液晶偏光回転素子ピクセルがアレイ化された構成を有し、各前記液晶偏光回転素子ピクセルの各前記液晶にピクセル毎に独立して前記電圧を印加可能に構成されたことを特徴とする。
また、本発明の請求項２５にかかる可変光減衰器は、請求項２４にかかる可変光減衰器において、液晶偏光回転素子が、アレイ配列の長手方向に対して平行、または垂直の角度で液晶偏光回転素子ピクセル内のリタデーションが大きくなるときの液晶ダイレクタを配向することを特徴とする。
また、本発明の請求項２６にかかる可変光減衰器は、請求項２４にかかる可変光減衰器において、前記液晶偏光回転素子では、共通の前記Ｓｉ基板上に前記液晶偏光回転素子ピクセルと該液晶偏光回転素子ピクセルの駆動回路とが配設されたことを特徴とする。
また、本発明の請求項２７にかかる可変光減衰器は、請求項２４にかかる可変光減衰器において、前記駆動回路を駆動させるドライバをさらに備え、該ドライバは、前記液晶偏光回転素子ピクセルの配設領域の上方と下方とにそれぞれ配設され、前記駆動回路が、隣接する前記液晶偏光回転素子ピクセルにおいて交互に上方のドライバおよび下方のドライバに接続されたことを特徴とする。
また、本発明の請求項２８にかかる可変光減衰器は、請求項２４〜２７のいずれか一つにかかる可変光減衰器において、前記光入出射手段が光ファイバで構成され、光の入射用の該光ファイバの配設数が前記液晶偏光回転素子の前記液晶偏光回転素子ピクセルの配設数と同じか、または、これよりも少ないことを特徴とする。
かかる構成において、光の入射用の光ファイバの配設数が液晶偏光回転素子の液晶偏光回転素子ピクセルの配設数と同じ場合、可変光減衰器の光減衰動作における１チャネルが、一つの液晶偏光回転素子ピクセルによって実現される構成となる。一方、光の入射用の光ファイバの配設数が液晶偏光回転素子ピクセルの配設数よりも少ない場合には、可変光減衰器の光減衰動作における１チャネルが、複数の液晶偏光回転素子ピクセルによって実現される構成となる。
また、本発明の請求項２９にかかる光学フィルタは、請求項１〜２８のいずれか一つにかかる可変光減衰器を備えたことを特徴とする。
例えば、本発明の請求項３０にかかる光学フィルタは、請求項２９にかかる光学フィルタにおいて、請求項２４〜２８のいずれか一つにかかる可変光減衰器を備えるとともに、前記可変光減衰器の前記光入出射手段を介して入射した光を波長毎に分光する分光手段をさらに備え、該分光手段により分光された各波長の光が、前記可変光減衰器の前記光路長差補正複屈折板を介して前記液晶偏光回転素子の所定の前記液晶偏光回転素子ピクセルに入射されることを特徴とする。
本発明にかかる可変光減衰器によれば、分離された偏光間の光路長差を低減することができるため、ＰＤＬおよびＰＭＤを低減することが可能となる。それにより、良好な光減衰特性を有する小型の可変光減衰器を実現できるという効果を奏する。また、このような可変光減衰器を備えた光学フィルタによれば、小型でかつ良好なフィルタ特性を実現できるという効果を奏する。
以下に添付図面を参照して、本発明にかかる可変光減衰器およびそれを用いた光学装置の好適な実施の形態を詳細に説明する。ここでは、本発明にかかる可変光減衰器として、液晶偏光回転素子を備えた反射型の可変光減衰器を例示する。また、本発明にかかる光学フィルタとして、該可変光減衰器を備えたチューナブルフィルタを例示する。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１にかかる可変光減衰器（ＶＯＡ）の構成および動作を示す模式図である。また、図２は、図１の可変光減衰器のサバール板の模式的な正面図である。また、図３および図４は、可変光減衰器の動作を説明するための模式的な部分側面図である。
図１に示すように、可変光減衰器は、端部にファイバコリメータ１０２が装着された入射側光ファイバ１０１と、レンズ１０３と、サバール板１０４と、液晶偏光回転素子１０５と、端部にファイバコリメータ１０６が装着された出射側光ファイバ１０７とを主たる構成要素として備える。ここでは、入射側および出力側光ファイバ１０１，１０７が、シングルモードファイバ（ＳＭＦ）である。
かかる構成では、入射側光ファイバ１０１、ファイバコリメータ１０２、レンズ１０３、出射側光ファイバ１０７、ファイバコリメータ１０６およびレンズ１０３が光入出射手段に相当し、サバール板１０４が光路長差補正複屈折板に相当する。
上記各構成要素１０１〜１０７は、以下のような光の入射経路および出射経路が形成されるように配置されている。具体的には、光の入射経路では、入射側光ファイバ１０１に入射した光Ｌ１が、ファイバコリメータ１０２およびレンズ１０３を経てサバール板１０４に入射する。サバール板１０４を経た光Ｌ１は、さらに液晶偏光回転素子１０５に入射するとともに、ここで反射される。そして、光の出射経路では、反射された光Ｌ２が、出射光として再びレンズ１０３およびファイバコリメータ１０６を経て出射側光ファイバ１０７に入射し、その後、外部に出射される。
レンズ１０３の前面側の焦点に位置するように、入射側および出射側光ファイバ１０１，１０７のファイバコリメータ１０２，１０６側端部が配置されている。また、レンズ１０３の背面側の焦点に位置するように、液晶偏光回転素子１０５の反射電極６５（図６参照）が配置されている。
なお、上記においては、可変光減衰器の各構成要素１０１〜１０７の配置を説明するために、可変光減衰器における光の入射経路および出射経路を簡略化して説明したが、実際には、入射した光Ｌ１および出射した光Ｌ２について、サバール板１０４における偏光成分の分離と、液晶偏光回転素子１０５における偏光の回転を考慮する必要がある。その詳細については、後述する。
サバール板１０４は、２枚の複屈折板１０４ａ，１０４ｂを貼り合わせて構成される複屈折板であり、複屈折板１０４ａ，１０４ｂは、ともに異方性材料であるルチル（ＴｉＯ2）から構成されている。図２に示すように、複屈折板１０４ａの光軸１０４ａ’と複屈
折板１０４ｂの光軸１０４ｂ’とが直交するように貼り合わされている。
ここでは、複屈折板１０４ａ，１０４ｂの光軸１０４ａ’，１０４ｂ’が、液晶偏光回転素子１０５が後述のように１／４波長板として機能する際の液晶ダイレクタの方向に対して、適切な角度をなすように、サバール板１０４と液晶偏光回転素子１０５との配置が設定されている。
なお、複屈折板１０４ａ，１０４ｂの構成材料は、ルチルに限定されるものではなく、これ以外であってもよい。例えば、イットリウムバナジウムオキサイド（ＹＶＯ4）で複
屈折板１０４ａ，１０４ｂが構成されてもよい。
図５〜図１３は、可変光減衰器を構成する液晶偏光回転素子１０５の構成および動作を説明するための図である。具体的には、図５は、液晶偏光回転素子１０５に用いられる液晶の複屈折特性を示す図であり、横軸が液晶に入射する光の波長を示し、縦軸が該光の実効複屈折率を示している。
また、図６〜図９は、液晶偏光回転素子１０５に厚さ方向の電界を形成する構成における液晶の動作を説明するための模式図であり、図１０〜図１３は、液晶偏光回転素子１０５にラテラル方向（横方向）の電界を形成する構成における液晶の動作を説明するための模式図である。
例えば図６に示すように、液晶偏光回転素子１０５（図３参照）は、前面基板１０５ａと背面基板１０５ｂとの間に、液晶分子１０５ｄ（なお、正確には、１０５ｄは、液晶ダイレクタを図示したものである）から構成された液晶層１０５ｃが狭持されて構成される。前面基板１０５ａは、透明基板６１の表面に、透明電極６３としてＩＴＯ膜が形成され、さらにその表面に、配向膜６４が形成されてなる。ここでは、透明基板６１として、ガラス基板が用いられている。
一方、背面基板１０５ｂでは、Ｓｉ基板６２の表面に、電極と反射膜とを兼ねるＡｌ膜が形成されて反射電極６５が構成されている。このように、液晶偏光回転素子１０５は、反射型の素子である。反射電極６５の表面には、さらに配向膜６４が形成されている。前面および背面基板１０５ａ，１０５ｂに形成された配向膜６４は、ここでは、ラビング処理されたポリイミド配向膜である。この前面基板１０５ａと背面基板１０５ｂとが、互いの配向膜６４を対向させて所定の間隔をあけ配置されている。
ここでは詳細な図示を省略しているが、透明電極６３と反射電極６５とは駆動回路に接続されている。例えば、この場合、駆動回路は、ＣＭＯＳ（相補型金属酸化膜半導体）回路によって構成されている。
前面基板１０５ａと背面基板１０５ｂとの間に狭持された液晶層１０５ｃは、ホモジニアス配向のネマティック液晶から構成される。このようなネマティック液晶では、図５に示すように、実効複屈折率Δｎが波長依存性を有する。
ところで、液晶の実効複屈折率Δｎは、液晶ダイレクタの長軸（主軸）方向の屈折率ｎｅと短軸方向の屈折率ｎｏとの差であり、以下の式（１）で示される。
Δｎ＝ｎｅ−ｎｏ ・・・（１）
液晶偏光回転素子１０５の液晶層１０５ｃを構成する液晶の実効複屈折率Δｎは、例えば透過型分光エリプソメトリ法で求められる位相差Δφから、以下の式（２）によって算出される。
Δｎ＝λ／（２π・ｄ）×Δψ ・・・（２）
なお、式（２）で、λは液晶層１０５ｃに入射する光の波長であり、ｄは液晶層１０５ｃの厚みであり、Δψは液晶層１０５ｃを出射する光の位相差である。
続いて、液晶偏光回転素子１０５における偏光回転動作について説明する。この偏光回転動作は、後述の可変光減衰器の光減衰動作に直接的に寄与するものである。
液晶偏光回転素子１０５における偏光回転動作の概要を簡単に説明すると、液晶偏光回転素子１０５では、液晶層１０５ｃへの電圧無印加時および低電圧印加時に、液晶層１０５ｃ中の液晶分子１０５ｄが配向膜６４に則した配向状態となり、よって、ネマティック液晶配向が規制される。それゆえ、この場合には、液晶層１０５ｃが複屈折性を示し、よって、液晶偏光回転素子１０５が一軸性の波長板として機能する。
ここでは、電圧無印加時および低電圧時に、液晶偏光回転素子１０５が、１／４波長板として機能するように設計されている。また、後述の図７および図１１に示すように、この時には、液晶分子１０５ｄが入射光Ｌ７１と４５°の角度をなすように、液晶偏光回転素子１０５が設計されている。
一方、液晶層１０５ｃへの高電圧印加持には、該電圧によって形成される電界の影響を受けて、液晶分子１０５ｄがネマティック液晶配向となる。それゆえ、液晶偏光回転素子１０５は波長板として機能をしない。このように、液晶偏光回転素子１０５では、印加電圧の大きさを調整することにより、液晶分子１０５ｄの配向状態を液晶層１０５ｃの複屈折性を制御することができる。したがって、ここでは、液晶偏光回転素子１０５が、一軸性の可変波長板として機能している。
液晶偏光回転素子１０５の偏光回転は、液晶層１０５ｃに印加される電圧の大きさと、該電圧によって形成される電界の向きとの影響を受ける。以下においては、液晶層１０５ｃに厚み方向（縦方向）の電界が形成される場合と、ラテラル方向（横方向）の電界が形成される場合とを分けて説明する。
はじめに、液晶層１０５ｃに厚み方向の電界が形成される場合について説明する。まず、図６に示すように、液晶層１０５ｃへの電圧無印加時、および、液晶層１０５ｃに低電圧が印加されて厚み方向に弱い電界が形成される際には、液晶層１０５ｃの液晶分子１０５ｄは、長軸（主軸）を前面および背面基板１０５ａ，１０５ｂの表面にほぼ平行にした状態、すなわち該表面に沿って寝た状態であり、よって、液晶層１０５ｃが複屈折性を示す。
なお、液晶層１０５ｃに印加される電圧とは、具体的には、前面基板１０５ａの透明電極６３に印加される電圧と背面基板１０５ｂの反射電極６５に印加される電圧とによって決まる実効電圧のことである。
液晶分子１０５ｄのかかる状態では、図７に示すように、波長λの光（すなわち入射光Ｌ７１）が前面基板１０５ａ側から入射し、前面基板１０５ａを透過して液晶層１０５ｃに入射すると、入射光Ｌ７１が液晶層１０５ｃ中を透過する過程において偏光方向が回転する。それにより、液晶層１０５ｃから出射した入射光Ｌ７１のリタデーション（Δｎ・ｄ）がλ／２となる。
液晶層１０５ｃから出射された入射光Ｌ７１は、背面基板１０５ｂの反射電極６５（図６参照）に到達し、ここで反射される。その反射光は、出射光Ｌ７２として、再び液晶層１０５ｃ中を入射光Ｌ７１と逆向きで透過し、前面基板１０５ａに出射される。この液晶層１０５ｃの透過の際に、出射光Ｌ７２の偏光方向がさらに回転する。その結果、前面基板１０５ａの透明基板６１から外部に出射される出射光Ｌ７２のリタデーション（Δｎ・ｄ）が、λ／４となり、出射光Ｌ７２の偏光方向７４は入射光Ｌ７１の偏光方向７３に対して９０°回転する。このように、この場合には、液晶偏光回転素子１０５が１／４波長板として機能する。
一方、図８に示すように、液晶層１０５ｃに高電圧が印加されて液晶層１０５ｃの厚み方向に強い電界が形成されると、液晶層１０５ｃの液晶分子１０５ｄは、長軸を前面および背面基板１０５ａ，１０５ｂの表面にほぼ垂直とした状態、すなわち、両基板間で立った状態となり、よって、この場合には、液晶層１０５ｃの複屈折性が消失する。
それゆえ、液晶分子１０５ｄのかかる状態では、図９に示すように、波長λの光（すなわち入射光Ｌ７１）が前面基板１０５ａ側から入射し、前面基板１０５ａを透過して液晶層１０５ｃに入射すると、液晶層１０５ｃを透過する過程で入射光Ｌ７１の偏光方向は変化せず、よって、液晶層１０５ｃから出射した入射光Ｌ７１のリタデーション（Δｎ・ｄ）は０である。
液晶層１０５ｃから出射された入射光Ｌ７１は、背面基板１０５ｂの反射電極６５（図８参照）に到達し、ここで反射される。その反射光は、出射光Ｌ７２として、再び液晶層１０５ｃを入射光Ｌ７１と逆向きで透過し、前面基板１０５ａに出射される。この液晶層１０５ｃの透過の際においても、出射光Ｌ７２の偏光方向は回転しない。したがって、この場合には、前面基板１０５ａの透明基板６１から外部に出射される出射光Ｌ７２のリタデーション（Δｎ・ｄ）が０となり、出射光Ｌ７２の偏光方向７４は入射光Ｌ７１の偏光方向７３と同じとなる。このように、この場合には、液晶偏光回転素子１０５が波長板として機能しない。
次に、液晶偏光回転素子１０５の液晶層１０５ｃのラテラル方向、すなわち、上記の厚み方向と直交する方向であり、言い換えれば、前面基板１０５ａおよび背面基板１０５ｂの表面の延在方向、に電界を形成する場合について説明する。
まず、図１０に示すように、液晶層１０５ｃへの電圧無印加時、および、液晶層１０５ｃに低電圧が印加されてラテラル方向に弱い電界が形成される際には、図６の場合と同様、液晶層１０５ｃの液晶分子１０５ｄは、長軸を前面および背面基板１０５ａ，１０５ｂの表面にほぼ平行にした状態、すなわち該表面に沿って寝た状態である。
液晶層１０５ｃの液晶分子１０５ｄがかかる状態では、図１１に示すように、波長λの入射光Ｌ７１が、前面基板１０５ａの透明基板６１側から入射し、前面基板１０５ａを透過して液晶層１０５ｃに入射すると、入射光Ｌ７１が液晶層１０５ｃを透過する過程で偏光方向が回転する。
液晶層１０５ｃから出射された入射光Ｌ７１は、背面基板１０５ｂの反射電極６５（図１０参照）に到達し、ここで反射される。その反射光は、出射光Ｌ７２として、再び液晶層１０５ｃを入射光Ｌ７１と逆向きで透過し、前面基板１０５ａに出射される。この液晶層１０５ｃの透過の際に、出射光Ｌ７２の偏光方向がさらに回転する。その結果、出射光Ｌ７２の偏光方向７４は、入射光Ｌ７１の偏光方向７３に対して９０°回転した方向となる。
一方、図１２および図１３に示すように、液晶層１０５ｃに高電圧が印加されて液晶層１０５ｃのラテラル方向に強い電界が形成されると、液晶層１０５ｃの液晶分子１０５ｄは、長軸が、前面および背面基板１０５ａ，１０５ｂの表面と平行な仮想面において両基板の側部端辺と平行となるように配置される。このように、ラテラル方向の電界を形成することにより、液晶分子１０５ｄの長軸の配置方向を制御することが可能となる。
液晶分子のかかる状態では、図１３に示すように、波長λの入射光Ｌ７１が前面基板１０５ａ側から入射し、前面基板１０５ａを透過して液晶層１０５ｃに入射すると、液晶層１０５ｃを透過する過程で、入射光Ｌ７１の偏光方向が変化しない。
液晶層１０５ｃから出射された入射光Ｌ７１は、背面基板１０５ｂの反射電極６５（図１２参照）に到達し、ここで反射される。その反射光は、出射光Ｌ７２として、再び液晶層１０５ｃを入射光Ｌ７１と逆向きで透過して前面基板１０５ａに出射される。この液晶層１０５ｃの透過の際においても、出射光Ｌ７２の偏光方向は回転しない。したがって、この場合には、前面基板１０５ａの透明基板６１から外部に出射される出射光Ｌ７２の偏光方向７４が、入射光Ｌ７１の偏光方向７３と同じとなる。
ところで、後述するように、液晶偏光回転素子１０５に入射する波長λの光は、液晶偏光回転素子１０５の前面側に配置されたサバール板１０４（図１参照）によって、直交する２つの直線偏光成分、すなわちＰ偏光とＳ偏光とに分離されている。このことから、液晶偏光回転素子１０５では、入射光Ｌ７１は、Ｐ偏光である場合と、Ｓ偏光である場合がある。
液晶偏光回転素子１０５では、入射光Ｌ７１がＰ偏光およびＳ偏光のいずれであっても、図６〜図１３において前述した偏光回転動作が実施される。
続いて、上記のような液晶偏光回転素子１０５の動作を踏まえて、図１の可変光減衰器の動作を説明する。
図１に示すように、入射側光ファイバ１０１に導入された入射光は、ファイバコリメータ１０２によって平行光となりレンズ１０３に入射する。レンズ１０３を経た光Ｌ１は、さらにサバール板１０４に入射する。
図３および図４に示すように、前面側に配置されたサバール板１０４の複屈折板１０４ａでは、入射した光が、偏光方向が互いに直交関係にある異なる２つの光、すなわち直線偏光のＰ偏光３１とＳ偏光３２とに分離される。なお、図３および図４においては、説明の便宜上、複屈折板１０４ａに入射する前の段階で既にＰ偏光３１とＳ偏光３２とに分離されたように図示しているが、実際には、複屈折板１０４ａに入射して分離が行われる。
例えば、分離されたＰ偏光３１は、複屈折板１０４ａの光軸１０４ａ’（図２参照）の方向にしたがって、複屈折板１０４ａ内を傾斜して進む。一方、Ｓ偏光３２は、複屈折板１０４ａ内を水平に進む。このように複屈折板１０４ａ内を異なる光路で進行したＰ偏光３１およびＳ偏光３２は、さらに、複屈折板１０４ｂに入射する。
ここで、複屈折板１０４ａはルチルから構成されていることから、複屈折板１０４ａから複屈折板１０４ｂに出射されるＰ偏光３１とＳ偏光３２との距離ｋは、屈折板の厚さｊを用いてｋ＝ｊ／１０と表される。このように、Ｐ偏光３１とＳ偏光３２とは異なる光路で複屈折板１０４ａ内を進行するので、複屈折板１０４ａ内における両者の光路長には差が生じている。ここでは、Ｐ偏光３１の光路長の方がＳ偏光３２の光路長よりも長くなっている。
複屈折板１０４ｂに入射したＰ偏光３１およびＳ偏光３２は、異なる光路で複屈折板１０４ｂ内を進行する。ここでは、前述の複屈折板１０４ａの場合とは逆に、Ｐ偏光３１が複屈折板１０４ｂ内を水平に進み、一方、Ｓ偏光３２が、複屈折板１０４ｂの光軸１０４ｂ’（図２参照）の方向にしたがって、複屈折板１０４ｂ内を傾斜して進む。このように、Ｐ偏光３１とＳ偏光３２とは異なる光路で複屈折板１０４ｂ内を進行するので、複屈折板１０４ｂ内における両者の光路長には差が生じている。ここでは、Ｓ偏光３２の光路長の方がＰ偏光３１の光路長よりも長くなっている。
ところで、サバール板１０４では、複屈折板１０４ａを透過する過程で生じたＰ偏光３１とＳ偏光３２との光路長差と、複屈折板１０４ｂを透過する過程で生じたＰ偏光３１とＳ偏光３２との光路長差とが、等しくなっている。したがって、サバール板１０４全体で見ると、各複屈折板１０４ａ，１０４ｂで生じるＰ偏光３１およびＳ偏光３２の光路長差は相殺され、Ｐ偏光３１およびＳ偏光３２の光路長が等しくなっている。
上記のようにしてサバール板１０４を透過したＰ偏光３１およびＳ偏光３２は、さらに液晶偏光素子１０５に前面基板１０５ａ側から入射する。そして、液晶層１０５ｃを透過して背面基板１０５ｂの反射電極６５（図６参照）で反射される。反射されたＰ偏光３１およびＳ偏光３２は、再び液晶層１０５ｃを透過して前面基板１０５ａからサバール板１０４に向けて出射される。
ここで、このような液晶偏光回転素子１０５におけるＰ偏光３１およびＳ偏光３２の挙動は、図６〜図１３において前述したように、液晶層１０５ｃに印加される電圧によって決定される液晶層１０５ｃ中の液晶分子１０５ｄの状態によって異なる。したがって、以下においては、液晶偏光回転素子１０５が電圧無印加状態または低電圧が印加された状態である場合と、高電圧が印加された状態である場合とに分けて説明する。
なお、ここでは、液晶層１０５ｃに印加される電圧によって、図６〜図９に示すように液晶層１０５ｃの厚み方向の電界が形成されてもよく、また、図１０〜図１３に示すようにラテラル方向の電界が形成されてもよく、また、両電界が形成されてもよい。
まず、液晶偏光回転素子１０５の液晶層１０５ｃが電圧無印加状態または低電圧印加状態であると、前述の図６、図７または／および図１０、図１１において説明したように、液晶偏光回転素子１０５で反射されて出射するＰ偏光３１およびＳ偏光３２の偏光方向が、液晶偏光回転素子１０５に入射したＰ偏光３１およびＳ偏光３２の偏光方向に対して９０°回転する。
図３に示すように、このように偏光方向が回転して液晶偏光回転素子１０５を出射したＰ偏光３１およびＳ偏光３２は、再びサバール板１０４の複屈折板１０４ｂに入射する。この時、Ｐ偏光３１およびＳ偏光３２ともに液晶偏光回転素子１０５によって偏光方向が９０°回転していることから、複屈折板１０４ｂへのＰ偏光３１およびＳ偏光３２の入射光路は、前述の複屈折板１０４ｂから液晶偏光回転素子１０５への出射光路とは異なる光路となる。
複屈折板１０４ｂに入射したＰ偏光３１は、複屈折板１０４ｂ内を水平に進んで複屈折板１０４ａに達する。そして、複屈折板１０４ａ内を光軸１０４ａ’（図２参照）に沿って傾斜して進んだ後、複屈折板１０４ａから外部に出射される。ここで、Ｐ偏光３１は、上記のように入射時とは異なる光路で複屈折板１０４ｂに入射していることから、複屈折板１０４ｂ，１０４ａを順次透過する際の光路は、入射時とは異なる光路となる。
一方、複屈折板１０４ｂに入射したＳ偏光３２は、複屈折板１０４ｂ内を光軸１０４ｂ’（図２参照）に沿って傾斜して進んで複屈折板１０４ａに達する。そして、複屈折板１０４ａ内を水平に進んだ後、複屈折板１０４ａから外部に出射される。ここで、Ｓ偏光３２は、上記のように入射時とは異なる光路で複屈折板１０４ｂに入射していることから、複屈折板１０４ｂ，１０４ａを順次透過する際の光路は、入射時とは異なる光路となる。
上記のように複屈折板１０４ｂ，１０４ａをＰ偏光３１およびＳ偏光３２が順次透過する際には、前述の入射時の場合と同様、複屈折板１０４ｂにおけるＰ偏光３１とＳ偏光３２との光路長差と、複屈折板１０４ａにおけるＰ偏光３１とＳ偏光３２との光路長差とが相殺し合う。したがって、サバール板１０４全体から見れば、出射するＰ偏光３１およびＳ偏光３２では、光路長差が解消されている。
サバール板１０４から出射されたＰ偏光３１およびＳ偏光３２は、図１に示すように、レンズ１０３を透過し、その過程でＰ偏光３１とＳ偏光３２とが再合成される。ここで、合成されるＰ偏光３１とＳ偏光３２とは、上記のように液晶偏光回転素子１０５によって偏光方向が回転されて入射時と異なる出射光路をたどってきたため、両者を合成して得られた出射光Ｌ２の光路は、出射側光ファイバ１０７に入射可能な位置からずれたものとなる。
したがって、この場合には、出射光Ｌ２が、出射側光ファイバ１０７に入射されない構成となる。それゆえ、この可変光減衰器は、液晶偏光回転素子１０５に電圧を印加しない状態では、外部への出射光Ｌ２が０となるノーマリオフ（クローズ）型の可変光減衰器である。
一方、液晶偏光回転素子１０５の液晶層１０５ｃに高電圧が印加されると、前述の図８、図９または／および図１２、図１３において説明したように、液晶偏光回転素子１０５で反射されて出射するＰ偏光３１およびＳ偏光３２の偏光方向が、回転することなく液晶偏光素子の入射時と同じ偏光方向となる。
図４に示すように、このように入射時と同じ偏光方向を保持して液晶偏光回転素子１０５を出射したＰ偏光３１およびＳ偏光３２は、再びサバール板１０４の複屈折板１０４ｂに入射する。この時、Ｐ偏光３１およびＳ偏光３２は入射時と同じ偏光方向であるため、複屈折板１０４ｂへのＰ偏光３１およびＳ偏光３２の入射光路は、前述の複屈折板１０４ｂから液晶偏光回転素子１０５への出射光路と同じ光路となる。
複屈折板１０４ｂに入射したＰ偏光３１は、複屈折板１０４ｂ内を水平に進んで複屈折板１０４ａに達する。そして、複屈折板１０４ａ内を光軸１０４ａ’（図２参照）に沿って傾斜して進んだ後、複屈折板１０４ａから外部に出射される。ここで、Ｐ偏光３１は、上記のように入射時と同じ光路で複屈折板１０４ｂに入射していることから、複屈折板１０４ｂ，１０４ａを順次透過する際の光路は、入射時と同じ光路となる。
一方、複屈折板１０４ｂに入射したＳ偏光３２は、複屈折板１０４ｂ内を光軸１０４ｂ’（図２参照）に沿って傾斜して進んで複屈折板１０４ａに達する。そして、複屈折板１０４ａ内を水平に進んだ後、複屈折板１０４ａから外部に出射される。ここで、Ｓ偏光３２は、上記のように入射時と同じ光路で複屈折板１０４ｂに入射していることから、複屈折板１０４ｂ，１０４ａを順次透過する際の光路は、入射時と同じ光路となる。
上記のように複屈折板１０４ｂ，１０４ａをＰ偏光３１およびＳ偏光３２が順次透過する際には、前述の入射時の場合と同様、複屈折板１０４ｂにおけるＰ偏光３１とＳ偏光３２との光路長差と、複屈折板１０４ａにおけるＰ偏光３１とＳ偏光３２との光路長差とが相殺し合う。したがって、サバール板１０４全体から見れば、出射するＰ偏光３１およびＳ偏光３２では、光路長差が解消されている。
サバール板１０４から出射されたＰ偏光３１およびＳ偏光３２は、図１に示すように、レンズ１０３を透過し、その過程でＰ偏光３１とＳ偏光３２とが再合成される。ここで、合成されるＰ偏光３１とＳ偏光３２とは、上記のように入射光路と同じ光路をたどるため、両者を合成して得られた出射光Ｌ２の光路は、出射側光ファイバ１０７に入射可能な位置と一致する。したがって、この場合には、出射光Ｌ２が、出射側光ファイバ１０７に入射される構成となる。
さらに、上記においては、液晶偏光回転素子１０５が１／４波長板として機能して出射側光ファイバ１０７に出射光が導入されない場合（図３参照）と、液晶偏光回転素子１０５が波長板として機能しないので出射側光ファイバ１０７に最大量で出射光が導入される場合（図４参照）とについて説明したが、液晶偏光回転素子１０５の液晶層１０５ｃに印加する電圧の大きさを上記低電圧と高電圧との間で調整し、液晶分子１０５ｄの配向状態を図３と図４と間の状態に調整することにより、出射側光ファイバ１０７に導入される光の量を調整することが可能となる。
すなわち、液晶偏光回転素子１０５への印加電圧を調整することにより、可変光減衰器から出射される光量を、０から最大値まで変化させることが可能となる。ここで、可変光減衰器の最大出射光量とは、入射光が減衰されずに出射した時の光量、すなわち可変光減衰器の入射光量と等しい光量である。
なお、上記の説明では、入射する光Ｌ１と出射する光Ｌ２とが、レンズ１０３のサバール板１０４側で形成する入射面と、サバール板１０４の２つの光軸の張る平面のなす角について特に規定しなかったが、光Ｌ１の入射角が大きくなる場合は、入射面と、２つの光軸の張る平面とを直交に設定した方が、斜め入射に起因するＰ偏光３１とＳ偏光３２との光路差を小さくできるため好ましい。
このような可変光減衰器における出射光量変化は、可変光減衰器における減衰光量ＡＴＴを示す式（３）を用いて、以下のように説明される。
ＡＴＴ（Ｖ）＝−１０ ｌｏｇ（ｃｏｓ2〔２πΔｎ・ｄ／λ〕）・・・（３）
まず、液晶偏光回転素子１０５に印加される電圧が低電圧または電圧無印加である場合（図３参照）について説明する。この場合、液晶偏光回転素子１０５が１／４波長板として機能し、液晶偏光回転素子１０５から出射される光（具体的にはＰ偏光３１とＳ偏光３２）のリタデーションΔｎ・ｄがλ／４となる。したがって、Δｎ・ｄ＝λ／４を式（３）に代入すると、この場合における可変光減衰器の減衰光量ＡＴＴが算出される。
具体的には、Δｎ・ｄ＝λ／４を式（３）に代入すると、式（３’）が得られる。
ＡＴＴ（Ｖ）＝−１０ ｌｏｇ ｃｏｓ2（π／２） ・・・（３’）
ここで、ｃｏｓ2（π／２）＝０であることから、式（３’）に基づき、可変光減衰器の減衰光量ＡＴＴは∞となることが示される。可変光減衰器の減衰光量ＡＴＴが∞の場合とは、言い換えれば、可変光減衰器からの出射光量が０となる場合のことである。
一方、液晶偏光回転素子１０５に高電圧が印加される場合（図４参照）には、前述のように液晶偏光回転素子１０５が偏光方向を回転させることがなく、よって、液晶偏光回転素子１０５から出射される光（具体的にはＰ偏３１光とＳ偏光３２）のリタデーションΔｎ・ｄが０となる。したがって、Δｎ・ｄ＝０を式（３）に代入すると、この場合における可変光減衰器の減衰光量ＡＴＴが算出される。
具体的には、Δｎ・ｄ＝０を式（３）に代入すると、式（３’’）が得られる。
ＡＴＴ（Ｖ）＝−１０ ｌｏｇ ｃｏｓ2０ ・・・（３’’）
ここで、ｃｏｓ2０＝１であることから、式（３’’）に基づき、可変光減衰器の減衰光量ＡＴＴは０となることが示される。可変光減衰器の減衰光量ＡＴＴが０の場合とは、言い換えれば、可変光減衰器からの出射光量が最大となる場合のことであり、より具体的には、入射光量と等しくなる場合のことである。
さらに、液晶偏光回転素子１０５への印加電圧を、可変光減衰器の減衰光量ＡＴＴが∞となる上記低電圧から減衰光量ＡＴＴが０となる上記高電圧との間で変化させると、液晶偏光回転素子１０５から出射する光のリタデーションΔｎ・ｄが０からλ／４までの範囲の値となり、よって、これらの値を上記式（３）に代入することにより、減衰光量ＡＴＴが０から∞の間の範囲の値となる。したがって、液晶偏光回転素子１０５への印加電圧をこのように調整することにより、可変光減衰器の光減衰量を任意に調整可能であることが、上記式（３）から明らかである。
以上のように、本実施の形態にかかる可変光減衰器によれば、サバール板１０４を配置することによって、分離したＰ偏光３１とＳ偏光３２との間で生じる光路長差を低減することが可能となり、その結果、ＰＤＬ（偏光依存損失）およびＰＭＤ（偏光モード分散）の低減化が図られる。したがって、良好な精度で所望の波長の光を所望の光量に調整することが可能となる。
また、この場合、サバール板の配置という簡単な構成によってかかる効果が実現されるので、部品点数が少なく小型で製造が容易な低コストの可変光減衰器を実現することが可能となる。
また、ＭＥＭＳを用いた可変光減衰器とは異なり可動部品を必要としないので高信頼性が実現できるとともに、低電圧での駆動が可能となる。
上記で説明をした実施の形態の可変光減衰器では、ノーマリオフ型として動作する減衰器の例を示した。この構成によれば、入射偏光の偏光方向を変換するための液晶偏光回転素子１０５の液晶層１０５ｃに印加する電圧の大きさが高電圧印加の場合に出射光量が最大光量とすることができるが、残留複屈折に起因する減衰が生じる。この減衰を改善するために、図１における液晶偏光回転素子１０５を構成する前面基板１０５ａとサバール板１０４との間に、液晶層１０５ｃの液晶分子１０５ｄと直行する方向に結晶軸を持つ残留複屈折補正板（図示せず）を設けることが望ましい。さらに好ましくは、前面基板１０５ａの液晶層１０５ｃとは反対側の面に接着してこの残留複屈折補正板を設けることが望ましい。この構成とすることにより、前述した出射光量の減衰を改善することができるようになる。
また、上述した本実施の形態のノーマリオフ型の可変光減衰器は、液晶偏光回転素子１０５の液晶層１０５ｃに印加する電圧の大きさが低電圧印加の場合に、この液晶偏光回転子１０５からの出射光量が最小光量となり、高電圧印加の場合に出射光量が最大光量となる機能を有するが、低電圧印加の場合に出射光量が最大光量となり、所定の高電圧印加の場合に出射光量が最小光量となるノーマリオン（オープン）型の可変光減衰器としても本発明の効果を得ることができる。
このノーマリオン型の可変光減衰器とする場合には、図１における液晶偏光回転素子１０５を構成する前面基板１０５ａとサバール板１０４との間に、液晶偏光回転子１０５のリタデーションを打ち消す方向に結晶軸を持つ（例えば水晶板等の）スイッチングモード反転波長板（図示せず）をさらに配置する。これにより、このスイッチングモード反転波長板と液晶偏光回転素子１０５との合成複屈折が上記低電圧印加時に最小となる構成となり、低電圧印加の場合に出射光量が最大光量となり、所定の高電圧印加の場合に出射光量が最小光量となるノーマリオン型の可変光減衰器を実現することが可能となる。
また、上記構成に代えて、初期配向であるプレティルト角が垂直に近い配向となるように、例えば酸化シリコンを用いて斜方蒸着法で配向膜６４（図６参照）を形成し、液晶層１０５ｃにネガ型液晶を用いたホメオトロピック配向を用いた構成としてもノーマリオン型の可変光減衰器とすることができる。
さらに、上記構成に代えて、入射光偏光方向７３（図１１参照）を、低電圧印加時に液晶層１０５ｃと平行となるように液晶分子１０５ｄの方向を設定した液晶層１０５ｃを用いてもノーマリオン型の可変光減衰器とすることができる。
（実施の形態２）
図１４は、本発明の実施の形態２にかかる可変光減衰器の構成を示す模式図である。図１４に示すように、本実施の形態の可変光減衰器は、可変光減衰器への光の入射と可変光減衰器からの光の出射とが、共通の光ファイバ１４０１を介して行われると共に、入射する光と出射する光とを分離する光サーキュレータ１４０２に光ファイバ１４０１が接続されている。
そして、光の入射の際に光ファイバ１４０１から出射される入射光、および、光の出射の際に光ファイバ１４０１に入射される出射光をコリメートするとともに集光する複合レンズ１４０３が、光ファイバ１４０１の端部とサバール板１０４との間に配設されている。それ以外については、実施の形態１と同様である。
本実施の形態の可変光減衰器の動作では、光ファイバ１４０１を介して可変光減衰器に光が入射され、この入射光が、複合レンズ１４０３を経た後に、サバール板１０４および液晶偏光回転素子１０５に順次到達する。そして、液晶偏光回転素子１０５で反射された光が、出射光として、入射時と逆の経路をたどって進む。
それにより、実施の形態１において前述したように、液晶偏光回転素子１０５の動作によって入射光が適宜減衰されて出射光量が所望光量に調節される。出射光が光ファイバ１４０１を介して外部に出射される時には、光サーキュレータ１４０２が、光ファイバ１４０１中の光路の切り換えを行って入射光と出射光とを分離する。
かかる構成の本実施の形態の可変光減衰器においても、実施の形態１で前述した効果と同様の効果が奏される。
さらに、この可変光減衰器では、光の入射および出射が共通の光ファイバを用いて行われるので、構成の簡素化がさらに図られる。
（実施の形態３）
図１５は、本発明の実施の形態３にかかる可変光減衰器の構成を示す模式図である。図１５に示すように、本実施の形態の可変光減衰器では、入射側光ファイバ１０１の端部に設けられたファイバコリメータ１０２が、該入射側光ファイバ１０１から出射される光Ｌ１のビーム径を５０μｍ以下とするように構成され、また、出射側光ファイバ１０７の端部に設けられたファイバコリメータ１０６が、該出射側光ファイバ１０７に入射する光Ｌ２のビーム径を５０μｍ以下とするように構成されている。
このように光のビーム径を小さくすることが可能なファイバコリメータ１０２，１０６を用いることにより、本実施の形態では、実施の形態１のようにレンズ等の光学系をサバール板の前面に配設する必要がない。したがって、部品点数を減らすことが可能となり、小型化が図られる。ここで、サバール板１０４の厚みが厚くなってもよい場合は、ビーム径を小さくする必要はなく、図示しないが例えば入射側光ファイバ１０１と出射側光ファイバとを同一の２芯ファイバコリメータに接続した構成とすることも可能である。
かかる構成の本実施の形態においても、実施の形態１において前述した効果と同様の効果が奏される。
（実施の形態４）
上記の実施の形態１〜３においては、液晶偏光回転素子１０５の前面基板１０５ａにＩＴＯ膜から構成される透明電極６３が形成された場合について説明したが、本発明の実施の形態４として、ＩＴＯ膜の代わりに、インジウムにＴｉがドープされたＩＴｉＯ膜を液晶偏光回転素子１０５が備えた構成の可変光減衰器について、以下に説明する。なお、本実施の形態では、ＩＴｉＯ膜以外の構成は、実施の形態１〜３のいずれであってもよく、ここではその構成の説明を省略する。
図６に示すように、近赤外領域の波長域の光に対する可変光減衰器の動作では、液晶偏光回転素子１０５の前面基板１０５ａに透明電極６３として配設される透明導電膜の透過率が重要である。一般に、液晶ディスプレイに用いられる液晶素子では、透明電極を構成する透明導電膜として、低抵抗のＩＴＯ膜が用いられている。
ＩＴＯ膜は、通常、近赤外領域においてプラズマ反射に起因して高い反射率を示す。したがって、液晶素子の透明電極としてＩＴＯ膜を用いるには、導電率を十分保ったままでＩＴＯ膜の電子濃度を低減する必要がある。
一般に、ＩＴＯは、過剰に錫がドープされ縮退したｎ型の酸化インジウムと見なせる。錫ドーパントと酸素欠損の両方がドナーとして作用してＩＴＯの電導に寄与している。このことから、液晶素子の透明電極に用いられるＩＴＯでは、酸素欠損を中程度に減らすために、通常の低抵抗ＩＴＯ成膜時よりも、高い酸素分圧で成膜が行われる。または、ＩＴＯを薄膜化して高透過率化することが行われる。
例えば、上記の実施の形態１〜３では、透明電極６３としてより高い透過率を実現するために、膜厚の薄いＩＴＯ膜をガラス基板からなる透明基板６１上に形成している。この場合、膜厚が１５〜３０ｎｍの範囲であり、シート抵抗が５００〜１０００Ω／□のＩＴＯ膜を、電子ビーム蒸着により形成している。
ここで、例えば透過率が９０％以上となるように膜厚を１７ｎｍとしてＩＴＯ膜を形成し、このＩＴＯ膜のシート抵抗は１０００Ω／□とする。このＩＴＯ膜に波長１５５０ｎｍの光が入射すると、この時のＩＴＯ膜の複素屈折率ｎ〜は、以下の式（４）にｎ＝０．５６およびｋ＝０．９５を代入して表される。
ｎ〜＝ｎ＋ｉｋ ・・・（４）
なお、ｎはＩＴＯ膜の実効屈折率であり、ｋは実効消衰係数であり、ｉは虚数単位である。
このようなＩＴＯ膜を屈折率ｎが１．５２のガラス基板上に配設して該ガラス基板側から光を入射させると、ＩＴＯ膜とガラス基板との界面で、入射光量の１／１００程度の反射が生じる。
図６に示すように、実施の形態１〜３の可変光減衰器では、液晶偏光回転素子１０５の前面基板１０５ａが、上記のようなガラス基板（透明基板６１に相当）上にＩＴＯ膜（透明電極６３に相当）を配設した構成を有するため、ガラス基板とＩＴＯ膜との間でこのような反射が生じる。その結果、可変光減衰器において光の損失が生じ、光減衰動作におけるノイズとなるおそれがある。
そこで、本実施の形態では、液晶偏光回転素子１０５の透明基板６１上に、ＩＴＯ膜の代わりにＩＴｉＯ膜を形成して透明電極６３を形成する。ＩＴｉＯ膜は、錫の代わりにチタン（Ｔｉ）を酸化インジウムにドープすることにより構成される。
ＩＴｉＯ膜を用いることにより、本実施の形態では、ＩＴＯ膜を用いた場合と同様の導電性を確保することができ、さらに、液晶偏光回転素子１０５の前面基板１０５ａにおける透明基板６１と透明電極６３との界面での反射、すなわち、ガラス基板とＩＴｉＯ膜との界面での反射を抑制することが可能となる。
例えば、透過率が９０％以上となるように膜厚を６０ｎｍとしてＩＴｉＯ膜を形成した場合、該ＩＴｉＯ膜に波長１５５０ｎｍの光が入射した際の該膜の複屈折率ｎ〜は、上記の式（４）に、ｎ＝１．６およびｋ＝０．０２を代入して表され、ＩＴｉＯ膜では、ＩＴＯ膜と比較して消衰係数の低減化が図られる。その結果、ＩＴｉＯ膜をガラス基板上に形成した場合には、ガラス基板とＩＴｉＯ膜との界面での反射率を、１／１０００オーダにまで低下させることが可能となる。
したがって、ガラス基板からなる透明基板６１上にＩＴｉＯ膜が透明電極６３として形成された前面基板１０５ａを有する液晶偏光回転素子１０５を備えた可変光減衰器では、液晶偏光回転素子１０５において、上記反射による光の損失が抑制され、ノイズの低減化が図られる。また、上記のＩＴｉＯ膜のシート抵抗は２５０Ω／□であり、よって、ＩＴｉＯ膜では、電子濃度が低く高移動度の膜が実現される。
以上のことから、ＩＴｉＯ膜は、可変光減衰器の液晶偏光回転素子１０５の透明電極６３を構成する透明導電膜として、最適な膜である。このＩＴｉＯ膜を用いることにより、より良好な特性の可変光減衰器を実現することができる。
（実施の形態５）
本発明の実施の形態５にかかる可変光減衰器は、上記の実施の形態１〜４の可変光減衰器の液晶偏光回転素子１０５が、温度調節手段を備えた構成を有するものである。それ以外の構成は、実施の形態１〜４のいずれであってもよく、よって、ここでは液晶偏光回転素子１０５以外の構成の説明を省略する。
図１６は、液晶偏光回転素子の特性の温度依存性を示す図であり、具体的には、液晶偏光回転素子がノーマリオフ状態である際に液晶偏光回転素子に印加される電圧の温度依存性、言い換えれば、可変光減衰器における光の減衰量が最大となる際に液晶偏光回転素子に印加される電圧の温度依存性、を示す図である。
また、図１７は、本実施の形態にかかる可変光減衰器の液晶偏光回転素子の構成を示す模式的な断面図である。
図１７に示すように、本実施の形態の可変光減衰器では、液晶偏光回転素子１０５の背面側（すなわち背面基板１０５ｂの裏面側）に、温度調節手段であるペルチェ素子１７０１の一方の表面が接合されており、ペルチェ素子１７０１の他方の表面は、支持部材１７０２の側板１７０２’に接合されている。
図６に示す液晶偏光回転素子１０５の液晶層１０５ｃを構成する液晶分子１０５ｄは、特に、温度が低い場合に、応答速度が遅くなる。そして、このような応答速度の変化に起因して、図１６に示すように、光の減衰量が最大となる際の液晶偏光回転素子１０５の印加電圧が、温度に応じて変化する。このような印加電圧の温度依存性は、可変光減衰器における光の減衰特性を劣化させるおそれがある。
そこで、本実施の形態では、ペルチェ素子１７０１（図１７参照）を用いて液晶偏光回転素子１０５の温度を、外部環境の温度変化にかかわらず一定に保持する。それにより、外部環境の温度が変化しても、液晶偏光回転素子１０５の液晶分子１０５ｄ（図６参照）では、安定した応答速度が実現され、よって、図１６のような液晶偏光回転素子１０５の印加電圧の温度依存性が解消される。したがって、可変光減衰器において、安定した光減衰特性が実現可能となる。
なお、上記においては温度調節手段としてペルチェ素子１７０１を用いる場合について説明したが、ペルチェ素子以外の温度調節手段を配設してもよく、例えば、ヒータを用いてもよい。ヒータを用いた場合には、ペルチェ素子を用いた場合よりも低コスト化が図られる。
（実施の形態６）
本発明の実施の形態６では、上記の実施の形態１〜５の可変光減衰器の駆動方法について説明する。
本実施の形態における可変光減衰器の駆動方法では、パルス幅変調方式（以下、ＰＷＭ方式と呼ぶ）を適用する。ＰＷＭ方式で駆動する可変光減衰器では、液晶偏光回転素子１０５の駆動回路（具体的にはＣＭＯＳ回路）の小型化を図ることが可能となるとともに、容易な駆動制御が可能となる。さらに、多階調の駆動回路を完全にデジタル回路だけで構成することが可能となる。このように、可変光減衰器をＰＷＭ方式で駆動することにより、アナログ回路を必要とするパルス高変調方式（ＰＨＭ方式）で駆動する場合よりも、有利な効果が奏される。
具体的なＰＷＭ方式による可変光減衰器の駆動方法を図１８〜図２０を参照して説明する。図１８は、図６の液晶偏光回転素子１０５の前面基板１０５ａの透明電極６３と背面基板１０５ｂの反射電極６５とにそれぞれ印加される電圧の波形を示す図であり、図中の実線波形Ａは、透明電極６３への印加電圧を示し、点線波形Ｂは、反射電極６５への印加電圧を示している。ここでは、縦軸が印加電圧の大きさを示しており、横軸が時間を示している。
図１８に示すように、ここでは、液晶偏光回転素子１０５の透明電極６３に、５Ｖの電圧が所定の周期で所定時間印加され、電圧波形が矩形状のパルスとなる（図中の実線波形Ａ参照）。一方、反射電極６５には、透明電極６３への電圧印加とタイミングをずらして、５Ｖの電圧が、透明電極６３の場合と同じ周期で印加される（図中の点線波形Ｂ参照）。したがって反射電極６５に印加される電圧の電圧波形Ｂは、透明電極６３の場合の電圧波形Ａと同様の矩形状パルスとなり、かつ、両者の電圧波形の位相がずれて位相差が生じる。
なお、このような透明電極６３および反射電極６５への電圧印加は、例えば、ＣＭＯＳ回路によって制御される。
図１９は、図１８に示す透明電極６３および反射電極６５への電圧印加によって液晶層１０５ｃ（図１８の枠内参照）に印加される実効電圧の波形を示す図である。図の縦軸は実効電圧の大きさを示し、横軸は時間を示している。
図１９に示すように、液晶偏光回転素子１０５においては、透明電極６３および反射電極６５（ともに図１８の枠内参照）に印加される電圧の差が、液晶層１０５ｃ（図１８の枠内参照）に印加される実効電圧となる。したがって、実効電圧の波形は矩形状のパルスとなり、両電極６３，６５の電圧波形Ａ，Ｂ（図１８参照）の位相差が、該実効電圧波形のパルス幅Ｗとなる。
具体的に、ここでは、透明電極６３の印加電圧から反射電極６５の印加電圧を減算した値を液晶層１０５ｃ（図６参照）の実効電圧としており、透明電極６３の印加電圧が反射電極６５の印加電圧よりも高い場合に、実効電圧が正となり、反射電極６５の印加電圧が透明電極６３の印加電圧よりも高い場合に、実効電圧が負となる。
また、該実効電圧の周期、すなわち、液晶偏光回転素子１０５の駆動周期Ｒ１は、透明電極６３に印加される電圧の電圧波形周期と一致する。ここでは、この駆動周期Ｒ１の半周期を、リフレッシュ周期Ｒ２と定義する。
このように、本実施の形態では、可変光減衰器において、図１８に示すように液晶偏光回転素子１０５の透明電極６３および反射電極６５への電圧印加のタイミングを調整することにより、液晶層１０５ｃに印加される実効電圧のパルス幅を調整することが可能となる。それにより、ＰＷＭ方式による駆動制御が実現される。
図２０は、図１９のように実効電圧が印加された際の、可変光減衰器から出射される光の強度変化を示す図である。ここでは、縦軸に、可変光減衰器から出射される光の相対強度を示し、横軸に、時間を示している。
図２０に示すように、実効電圧の印加時（すなわち、図１９の期間ｔ１，ｔ３）には、前述のように液晶偏光回転素子１０５において偏光方向の回転が抑制されるので、光の減衰が抑制される。したがって、可変光減衰器から出射される光の強度が増加する。
一方、実効電圧が印加されない時（すなわち、図１９の期間ｔ２，ｔ４）では、前述のように液晶偏光回転素子１０５において偏光方向が回転するので、光の減衰が大きくなり、よって、出射される光の強度が減少する。
したがって、可変光減衰器から出射される光の強度は、実効電圧の駆動周期Ｒ１（図１９参照）に対応して周期的に変化する。このような出射光強度の変化では、１周期が、前述のリフレッシュ周期と等しくなる。
ところで、液晶偏光回転素子１０５の液晶層１０５ｃ（図１８の枠内参照）が応答速度の遅いネマティック液晶で構成される場合、液晶は、電圧波形の実効値に応答して動作するが、応答速度が高速であるネマティック液晶で構成される場合には、パルス波形そのものに応答して動作しようとする。これは、液晶の応答時間が、リフレッシュ周期Ｒ２（言い換えれば、パルス列の間隔）よりも短いことに起因する。
そして、このようなパルス波形応答の結果、出射光の強度が、パルス波形の影響を受けた光学応答を示し、「波形応答」現象が生じてしまう。具体的には、出射光の強度が、駆動周期Ｒ１（図１９参照）に対応して変化する以外に、図２０に示すように、常時微細に増減してフリッカを生じる。このようなフリッカの発生は、可変光減衰器を光通信の用途で用いるのに好ましくない。
そこで、本実施の形態では、このようなフリッカの発生を抑制するために、液晶のパルス波形応答を生じさせない長さのリフレッシュ周波数に設定する。具体的には、例えばネマティック液晶にＭＪ０１１５８０（メルクジャパン）を使用した場合、波形応答が生じなくなる臨界リフレッシュ周波数を４０ＫＨｚと決め、この臨界リフレッシュ周波数以下に周波数を設定する。それにより、フリッカの発生を抑制することが可能となり、よって、可変光減衰器において、良好な光減衰特性を実現することが可能となる。
なお、ここでは５Ｖの実効電圧が印加される場合について説明したが、実効電圧の大きさはこれに限定されるものではなく、駆動法が液晶の電気光学応答に与える影響を考慮して、適宜、設定を行う。また、実効電圧の駆動周期も、上記に限定されるものではない。
（実施の形態７）
図２１および図２２は、本発明の実施の形態７にかかる可変光減衰器の構成を示しており、図２１は平面図であり、図２２は側面図である。また、図２３は、図２１および図２２のアレイ化液晶偏光回転素子の全体構成を示す模式図である。
図２１および図２２に示すように、本実施の形態の可変光減衰器は、図１の実施の形態の１の構成を有する可変光減衰ユニット２１００が、複数ユニット、アレイ化されて一体的に構成されている。なお、本実施の形態の可変光減衰ユニット２１００は、実施の形態１以外に、実施の形態２〜６の構成を基本構成として構成されてもよい。
かかる構成では、各可変光減衰ユニット２１００が、光減衰動作における１つのチャネルを形成する。したがって、本実施の形態では、多チャネル型の可変光減衰器が実現される。ここでは、４つの可変光減衰ユニット２１００を備えた４チャネルの可変光減衰器を図示しているが、チャネル数はこれに限定されるものではない。後述の図２３に示すように、光通信の用途で用いられる可変光減衰器は、非常にたくさんのチャネルを有している。
かかる構成の多チャネル型の可変光減衰器では、各チャネルを形成する可変光減衰ユニット２１００が、実施の形態１において前述したように、先端にファイバコリメータ１０２，１０６が取り付けられた入射側および出射側光ファイバ１０１，１０７と、レンズ１０３と、サバール板１０４を備える。
ここでは、図２１に示すように、入射側光ファイバ１０１と出射側光ファイバ１０７とが、平面視において重なり合うように平行に配置されている。また、各可変光減衰ユニット２１００に共通のサバール板１０４が設けられている。
なお、上記の説明では、入射する光Ｌ１と出射する光Ｌ２がレンズ１０３のサバール板１０４側で形成する入射面と、サバール板１０４の２つの光軸の張る平面のなす角について特に規定しなかったが、光Ｌ１の入射角が大きくなる場合は、入射面と、２つの光軸の張る平面とを直交に設定した方が、斜め入射に起因するＰ偏光３１とＳ偏光３２との光路差を小さくできるため好ましい。
また、本実施の形態の可変光減衰器は、複数の可変光減衰ユニット２１００に共通に設けられたアレイ化液晶偏光回転素子２１０１を備える。アレイ化液晶偏光回転素子２１０１は、複数の液晶偏光回転素子ピクセル２１０２が、同一のＳｉ集積基板２１０３にアレイ化された構成を有する。液晶偏光回転素子ピクセル２１０２は、各可変光減衰ユニット２１００に１対１で配設されている。すなわち、ここでは、各チャネルの可変光減衰ユニットの液晶偏光回転素子が一体化した構成となっている。
図２３に示すように、アレイ化液晶偏光回転素子２１０１は、ＣＭＯＳ回路等の回路が集積されたＳｉ集積基板２１０３に、該Ｓｉ集積基板２１０３を共通の背面基板１０５ｂとする図６の構成の液晶偏光回転素子ピクセル２１０２が、一次元的に配列されアレイ化されている。
具体的には、Ｓｉ集積基板２１０３上に、フレキシブルプリント回路（ＦＰＣ）２３０１と、ラッチ回路２３０２と、駆動回路を（図示せず）有する上部ドライバ領域２３０３および下部ドライバ領域２３０５とが配設されている。そして、この上部および下部ドライバ領域２３０３，２３０５に挟まれて、一次元的（ここでは横方向に一列）に、複数の液晶偏光回転素子ピクセル２１０２がアレイ化されて液晶偏光回転素子ピクセルアレイ領域２３０４が形成されている。
ここでは図示を省略しているが、Ｓｉ集積基板２１０３上には、フレキシブルプリント回路２３０１に接続するための接続パッドや、接続のための配線等が配設されている。
また、例えば、上部および下部ドライバ領域２３０３，２３０５は、ＰＷＭ方式で１２ビット階調の分解能まで実現可能な駆動回路（図示せず）で構成されている。この駆動回路によって、各液晶偏光回転素子ピクセル２１０２のＣＭＯＳ回路（図示せず）がそれぞれ独立して制御され、それにより、各液晶偏光回転素子ピクセル２１０２に印加される電圧がそれぞれ独立して制御される。
図中の部分拡大図で示すように、例えば、液晶偏光回転素子ピクセルアレイ領域２３０４では、縦３８０μｍ×横２３．８μｍの矩形状の液晶偏光回転素子ピクセル２１０２が、１．２μｍのピッチで５１２ピクセル配列されている。各液晶偏光回転素子ピクセル２１０２におけるセルギャップは、５μｍである。各液晶偏光回転素子ピクセル２１０２は、上部および下部ドライバ領域２３０３，２３０５の駆動回路（図示せず）のピッチを広げるために、隣接するピクセル毎に交互に上下のドライバの駆動回路にそれぞれ接続されている。
かかる構成のアレイ化液晶偏光回転素子２１０１では、一つの液晶偏光回転素子ピクセル２１０２が、可変光減衰器の１チャネルに対応することから、このように５１２ピクセルを備えたアレイ化液晶偏光回転素子２１０１では、５１２チャネルが実現される。
このようなアレイ化液晶偏光回転素子２１０１では、液晶偏光回転素子ピクセルアレイ領域２３０４と上部および下部ドライバ領域２３０３，２３０５とが分離されているため、液晶偏光回転素子ピクセルアレイ領域２３０４を平坦化する必要がない。したがって、液晶偏光回転素子ピクセル２１０２がマトリクス状に配列された通常のアレイ化液晶偏光回転素子２１０１では、ドライバ領域の駆動回路上に各液晶偏光回転素子ピクセル２１０２を形成するので、液晶偏光回転素子ピクセルアレイ領域２３０４の平坦化処理が必須であるのに対して、本実施の形態の構成では、該平坦化処理が不要となり、よって、製造工程の簡略化が図られる。その結果、多チャネルのアレイ化液晶偏光回転素子２１０１を、小型でかつ簡単なプロセスで製造することが可能となる。
アレイ化液晶偏光回転素子２１０１を備えた多チャネル型の可変光減衰器では、各可変光減衰ユニット２１００の動作により、チャネル毎に独立して実施の形態１において前述した光減衰動作が行われる。それにより、各チャネルにおいて、実施の形態１と同様の効果が奏される。
以上のことから、本実施の形態の可変光減衰器によれば、各チャネルにおいてＰＤＬおよびＰＭＤの低減化が図られて光減衰特性が向上した、小型でかつ製造が容易な多チャネル型の可変光減衰器を実現することが可能となる。
（変形例）
上記においては、図２１に示すように、可変光減衰器のチャネルと液晶偏光回転素子ピクセル２１０２とが１対１で対応する場合について説明したが、本実施の形態の変形例として、チャネルと液晶偏光回転素子ピクセル２１０２とが１対１の関係にない構成であってもよい。具体的には、複数の液晶偏光回転素子ピクセル２１０２を含んで１チャネルが構成されてもよく、複数のチャネルが同一の液晶偏光回転素子ピクセル２１０２を含んで構成されてもよい。
例えば、ゲインイコライザに用いられる多チャネル型の可変光減衰器では、液晶偏光回転素子ピクセル２１０２（図２１参照）間の間隙に起因する光学特性のリプルを低減するために、１チャネルが複数の液晶偏光回転素子ピクセル２１０２を含んで構成される。この場合、１チャネルを構成する可変光減衰ユニット２１００（図２１参照）において、入射側および出射側光ファイバ１０１，１０７（図２１参照）の配設数と、アレイ化液晶偏光回転素子２１０１（図２１参照）の液晶偏光回転素子ピクセル２１０２の配設数とが異なる。かかる構成は、例えば、プリズム等の光学素子を入射側および出射側光ファイバ１０１，１０７とアレイ化液晶偏光回転素子２１０１との間に適宜配設することにより実現される。
（実施の形態８）
本発明の実施の形態８では、実施の形態７の多チャネル型の可変光減衰器を備えた自由空間光学系のチューナブルフィルタについて説明する。ここでは、波長分割多重（ＷＤＭ）システムで用いられるチューナブルフィルタについて説明する。
図２４は、本発明の実施の形態８にかかるチューナブルフィルタの構成を示す模式図である。図２４に示すように、本実施の形態のチューナブルフィルタは、可変光減衰器２４００と、複合レンズ２４０３と、分光器２４０４とを備える。可変光減衰器２４００は、実施の形態７で前述した構成を有するアレイ化液晶偏光回転素子２１０１と、サバール板１０４と、光サーキュレータ２４０１に接続された入出射用光ファイバ２４０２とから構成される。
ここでは、アレイ化液晶偏光回転素子２１０１を構成する複数の液晶偏光回転素子ピクセル２１０２の各々が、可変光減衰器２４００の１チャネルを構成しており、各チャネルで各波長の光の減衰動作が行われる。また、ここでは、各チャネルに共通して１本の入出射用光ファイバ２４０２および１枚のサバール板１０４が配設されている。このような可変光減衰器２４００は、チューナブルフィルタの光学系のフーリエ面２４１０に配置される。
かかる構成のチューナブルフィルタでは、可変光減衰器２４００の入出射用光ファイバ２４０２に入射した波長多重の光（ビーム１）が、複合レンズ２４０３に向けて入出射用光ファイバ２４０２の端部から出射される。ここでは、複合レンズ２４０３として、リトローレンズが用いられている。
なお、ここでは、チューナブルフィルタにおける光の挙動の説明の便宜上、可変光減衰器２４００のアレイ化液晶偏光回転素子２１０１およびサバール板１０４中に入出射用光ファイバ２４０２が埋設された図示となっているが、実際には、入出射用光ファイバ２４０２は、アレイ化液晶偏光回転素子２１０１およびサバール板１０４と空間を隔てて配置されている。
したがって、このように入出射用光ファイバ２４０２から複合レンズ２４０３に向けて光（ビーム１）が出射される際、および、後述する複合レンズ２４０３から入出射用光ファイバ２４０２に光（ビーム１）が入射する際には、光（ビーム１）は、サバール板１０４を介さない光路をたどる。また、後述のようにアレイ化液晶偏光回転素子２１０１における光（ビーム２，３）の入射および出射において、入出射用光ファイバ２４０２が光（ビーム２，３）の妨げとなることはない。
複合レンズ２４０３を透過した光（ビーム１）は、分光器２４０４に入射し、ここで波長毎に分離されて反射される。分離された各波長の光（ビーム２，３）は、再び複合レンズ２４０３に入射し、さらに、可変光減衰器２４００に入射する。可変光減衰器２４００では、各波長の光（ビーム２，３）が、実施の形態７において前述したように、サバール板１０４を経てアレイ化液晶偏光回転素子２１０１に入射し、各波長に対応したチャネルの液晶偏光回転素子ピクセル２１０２によって反射される。
アレイ化液晶偏光回転素子２１０１の各液晶偏光回転素子ピクセル２１０２で反射された光（ビーム２，３）は、再びサバール板１０４を経て複合レンズ２４０３に出射される。そして、複合レンズ２４０３を透過した光（ビーム２，３）は、再び分光器２４０４に入射し、ここで反射される。この反射された光（ビーム１）は、再び複合レンズ２４０３を経て入出射用光ファイバ２４０２に再び入射する。このように、本実施の形態のチューナブルフィルタでは、４ｆのテレセントリックの光学系が実現されている。
ここで、可変光減衰器２４００のアレイ化液晶偏光回転素子２４０１では、チャネル毎に液晶偏光回転素子ピクセル２１０１の液晶配向状態が制御され、それにより、各チャネルに分配された各波長の光（ビーム２，３）の偏光方向の回転が、チャネル毎に制御される。
したがって、実施の形態１で前述したように、例えばアレイ化液晶偏光回転素子２１０１において、液晶の配向状態を図６の状態に制御して偏光方向を９０°回転させたチャネルからの出射光（ビーム１）は、入射時と異なる光路をたどるので、入出射用光ファイバ２４０２に再び入射することができず、一方、液晶の配向状態を図８の状態に制御して偏光方向を回転させないチャネルからの出射光（ビーム１）は、入射時同一の光路をたどるので、入出射用光ファイバ２４０２に再び入射時と同じ光量で入射する。
このように、かかる構成では、各チャネルにおいて、液晶偏光回転素子ピクセル２１０２の液晶の配向状態を制御することにより、入出射用光ファイバ２４０２に入射する光の光量を、チャネル毎（すなわち、分離された波長の光毎）に、適宜、調節することが可能である。
入出射用光ファイバ２４０２に入射した光（ビーム１）は、該入出射用光ファイバ２４０２を通じて外部に出射される。この時、入出射用光ファイバ２４０２では、光サーキュレータ２４０１により、入射光と出射光とが分離される。
以上のように、本実施の形態のチューナブルフィルタにおいては、可変光減衰器２４００の各チャネルに分配された各波長の光（ビーム２，３）の減衰を、波長毎にそれぞれ独立して実施することが可能となる。したがって、チューナブルフィルタに入射した波長多重の光を、波長毎に所望の強度で分離することが可能となる。
図２５は、本実施の形態のチューナブルフィルタの特性を示す図であり、各チャネルのＯＮ／ＯＦＦを順次行った場合について示している。
この場合、実施の形態１において前述したように、可変光減衰器２４００では、各チャネルにおける各波長の光減衰において、良好な特性が実現される。したがって、波長多重の光を、良好な特性で容易に分離することが可能となる。また、前述のように可変光減衰器２４００の小型化が図られていることから、小型で構成の簡素化が図られたチューナブルフィルタが実現可能となる。
（実施の形態９）
図２６は、本発明の実施の形態９にかかるチューナブルフィルタの構成を示す模式図である。図２６に示すように、本実施の形態のチューナブルフィルタは、実施の形態８と同様の構成を有するが、光の入出射手段の構成が、実施の形態８とは異なっている。
具体的には、実施の形態８では光サーキュレータ２４０１および１本の入出射用光ファイバ２４０２（ともに図２４参照）によって光の入出射手段が構成されるが、本実施の形態では、先端にファイバコリメータ２６０２，２６０５が取り付けられた入射側および出射側光ファイバ２６０１，２６０４と、リレーレンズ２６０３とによって、光の入出射手段が構成される。すなわち、本実施の形態では、チューナブルフィルタの光入射手段と光出射手段とが、別個に設けられている。
かかる構成の本実施の形態においても、実施の形態８において前述した効果と同様の効果が奏される。
なお、上記の説明では、入射する光Ｌ１と出射する光Ｌ２がレンズ２６０３のサバール板１０４側で形成する入射面と、サバール板１０４の２つの光軸の張る平面のなす角について特に規定しなかったが、光Ｌ１の入射角が大きくなる場合は、入射面と、２つの光軸の張る平面とを直交に設定した方が、斜め入射に起因するＰ偏光３１とＳ偏光３２との光路差を小さくできるため好ましい。
また、実施の形態８および実施の形態９においては、本発明にかかる可変光減衰器を、チューナブルフィルタに適用する場合について説明したが、ブロッキングフィルタなどこれ以外の用途への適用も可能である。
（実施の形態１０）
図２７−１は、図１の可変光減衰器の変形サバール板の側面図と、この側面図から見て入射ビーム側のａ面のビーム位置、出射ビーム側のｂ面のビーム位置を示す模式図であり、図２７−２は、図２７−１における変形サバール板を下面側から見た際の入射ビームの進行を示す模式図であり、図２７−３は、図２７−１におけるａ面から見た変形サバール板を構成する複屈折板と１／２波長板の結晶軸方向を示す模式図である。
実施の形態１０において、実施の形態１と異なる点はサバール板１０４の構成にある。実施の形態１におけるサバール板１０４が、単に２枚の複屈折板１０４ａ，１０４ｂを貼り合わせる複屈折板であるのに対し、実施の形態１０のおけるサバール板（変形サバール板）１０４は、図２７−１に示すように、２枚の複屈折板１０４ａ，１０４ｂの間に、水晶からなる１／２波長板を介して貼り合わせて構成される複屈折板であり、複屈折板１０４ａ，１０４ｂは、ともに異方性材料であるルチル（ＴｉＯ2）から構成されている。
また、図２７−３に示すように、複屈折板１０４ａの光軸１０４ａ’と複屈折板１０４ｂの光軸１０４ｂ’のそれぞれの表面への射影成分が、ともに平行になるように、また、各光軸１０４ａ’、１０４ｂ’に対して１／２波長板の光軸１０４ｃ’が４５度になるように、この複屈折板を構成する各部材が貼り合わされている。
この構成により、図２７−１に示すように、光Ｌ１（図１参照）は、ａ面入射図面の黒点で示す位置で複屈折板１０４ａに入射し、複屈折板１０４ｂにおけるｂ面出射図面の黒点で示す箇所から出射することとなる。なお、この２つの偏光成分を有する光Ｌ１は、それぞれの偏光成分に応じて進路を変えて進むことは、図２７−２に示す通りである。
ここでは、複屈折板１０４ａ，１０４ｂの光軸１０４ａ’，１０４ｂ’が、液晶偏光回転素子１０５が後述のように１／４波長板として機能する際の液晶ダイレクタの方向に対して、適切な角度をなすように、変形サバール板１０４と液晶偏光回転素子１０５との配置が設定されており、光軸１０４ａ’と光軸１０４ｂ’は、平行となっている（図２７−３参照）。
上述した図３に示すように、このように偏光方向が回転して液晶偏光回転素子１０５を出射したＰ偏光３１およびＳ偏光３２は、再び変形サバール板１０４の複屈折板１０４ｂに入射する。この時、Ｐ偏光３１およびＳ偏光３２ともに液晶偏光回転素子１０５によって偏光方向が９０°回転していることから、複屈折板１０４ｂへのＰ偏光３１およびＳ偏光３２の入射光路は、前述の複屈折板１０４ｂから液晶偏光回転素子１０５への出射光路とは異なる光路となる。
複屈折板１０４ｂに入射したＰ偏光３１は、複屈折板１０４ｂ内を光軸１０４ｂ'（図２７−３参照）に沿って傾斜して進んで１／２波長板１０４ｃで偏光の方位角を９０度回転した後、複屈折板１０４ａに達する。そして、複屈折板１０４ａ内を水平に進んだ後、複屈折板１０４ａから外部に出射される。ここで、Ｐ偏光３１は、上記のように入射時とは異なる光路で複屈折板１０４ｂに入射していることから、複屈折板１０４ｂ，１／２波長板１０４ｃ，複屈折板１０４ａを順次透過する際の光路は、入射時とは異なる光路となる。
一方、複屈折板１０４ｂに入射したＳ偏光３２は、複屈折板１０４ｂ内を水平に進んで１／２波長板１０４ｃで偏光の方位角を９０度回転した後、複屈折板１０４ａに達する。そして、複屈折板１０４ａ内を光軸１０４ａ'（図２７−３参照）に沿って傾斜して進んだ後、複屈折板１０４ａから外部に出射される。ここで、Ｓ偏光３２は、上記のように入射時とは異なる光路で複屈折板１０４ｂに入射していることから、複屈折板１０４ｂ，１０４ａを順次透過する際の光路は、入射時とは異なる光路となる。
上記のように複屈折板１０４ｂ，１／２波長板１０４ｃ，１０４ａをＰ偏光３１およびＳ偏光３２が順次透過する際には、前述の入射時の場合と同様、複屈折板１０４ｂにおけるＰ偏光３１とＳ偏光３２との光路長差と、複屈折板１０４ａにおけるＰ偏光３１とＳ偏光３２との光路長差とが相殺し合う。したがって、変形サバール板１０４全体から見れば、出射するＰ偏光３１およびＳ偏光３２では、光路長差が解消されている。
変形サバール板１０４から出射されたＰ偏光３１およびＳ偏光３２は、図１に示すように、レンズ１０３を透過し、その過程でＰ偏光３１とＳ偏光３２とが再合成される。ここで、合成されるＰ偏光３１とＳ偏光３２とは、上記のように液晶偏光回転素子１０５によって偏光方向が回転されて入射時と異なる出射光路をたどってきたため、両者を合成して得られた出射光Ｌ２の光路は、出射側光ファイバ１０７に入射可能な位置からずれたものとなる。
したがって、この場合には、出射光Ｌ２が、出射側光ファイバ１０７に入射されない構成となる。それゆえ、この可変光減衰器は、液晶偏光回転素子１０５に電圧を印加しない状態では、外部への出射光Ｌ２が０となるノーマリオフ型の可変光減衰器である。
一方、液晶偏光回転素子１０５の液晶層１０５ｃに高電圧が印加されると、前述の図８、図９または／および図１２、図１３において説明したように、液晶偏光回転素子１０５で反射されて出射するＰ偏光３１およびＳ偏光３２の偏光方向が、回転することなく液晶偏光素子の入射時と同じ偏光方向となる。
図４に示すように、このように入射時と同じ偏光方向を保持して液晶偏光回転素子１０５を出射したＰ偏光３１およびＳ偏光３２は、再び変形サバール板１０４の複屈折板１０４ｂに入射する。この時、Ｐ偏光３１およびＳ偏光３２は入射時と同じ偏光方向であるため、複屈折板１０４ｂへのＰ偏光３１およびＳ偏光３２の入射光路は、前述の複屈折板１０４ｂから液晶偏光回転素子１０５への出射光路と同じ光路となる。
複屈折板１０４ｂに入射したＰ偏光３１は、複屈折板１０４ｂ内を水平に進んで複屈折板１０４ａに達する。そして、複屈折板１０４ａ内を光軸１０４ａ'（図２７−３参照）に沿って傾斜して進んで１／２波長板１０４ｃで偏光の方位角を９０度回転した後、複屈折板１０４ａから外部に出射される。ここで、Ｐ偏光３１は、上記のように入射時と同じ光路で複屈折板１０４ｂに入射していることから、複屈折板１０４ｂ，１０４ａを順次透過する際の光路は、入射時と同じ光路となる。
一方、複屈折板１０４ｂに入射したＳ偏光３２は、複屈折板１０４ｂ内を光軸１０４ｂ'（図２７−３参照）に沿って傾斜して進んで１／２波長板１０４ｃで偏光の方位角を９０度回転した後、複屈折板１０４ａに達する。そして、複屈折板１０４ａ内を水平に進んだ後、複屈折板１０４ａから外部に出射される。ここで、Ｓ偏光３２は、上記のように入射時と同じ光路で複屈折板１０４ｂに入射していることから、複屈折板１０４ｂ，１０４ａを順次透過する際の光路は、入射時と同じ光路となる。
上記のように複屈折板１０４ｂ，１／２波長板１０４ｃ，１０４ａをＰ偏光３１およびＳ偏光３２が順次透過する際には、前述の入射時の場合と同様、複屈折板１０４ｂにおけるＰ偏光３１とＳ偏光３２との光路長差と、複屈折板１０４ａにおけるＰ偏光３１とＳ偏光３２との光路長差とが相殺し合う。したがって、変形サバール板１０４全体から見れば、出射するＰ偏光３１およびＳ偏光３２では、光路長差が解消されている。
それ以外は、実施の形態１と同様であり、同一の符号を付してその説明は省略する。また、実施の形態２〜９についても、実施の形態１と同様に実施の形態１０に適用することが可能である。
さらに、本発明の実施の形態７から９に記載した可変光減衰器にアレイ化された液晶偏光回転素子を用いた場合、アレイ配列の長手方向に対して平行、垂直、または４５度の角度とすれば、液晶偏光回転素子ピクセル内のリタデーションが大きくなるときの液晶ダイレクタを配向することを用途に応じて選択することができるようになる。
例えば、変形サバール板１０４と液晶偏光回転子１０５との間に偏光回転用１／２波長板を配し、アレイ配列の長手方向に対して平行に液晶ダイレクタを配向した形態とすれば、特にピクセルピッチが狭い場合に電極のフリンジ電界で隣のピクセルの液晶ダイレクタがツイスト変形する作用を防ぐことができ、実効的なピクセルの有効エリアを広げることができる。
またさらに、各ピクセルへの印加電界パタンによっては、アレイ配列に対して垂直に液晶ダイレクタを配向した場合に、電極のフリンジ電界で隣のピクセルの液晶ダイレクタがリバースティルト変形する作用を防ぐことができる。
またさらに、アレイ配列に対して４５度配向に液晶ダイレクタを配向した場合は、変形サバール板１０４から出射した偏光の向きを変えることなく、各ピクセルで変調可能となるため、先に示した偏光回転用１／２波長板を省略することができる。
また、本発明にかかる可変光減衰器およびそれを用いた光フィルタの構成および動作は、上記の実施の形態１〜１０に限定されるものではなく、これ以外であってもよい。
例えば、サバール板以外の光路長差補正手段を備えた構成であってもよい。かかる光路長差補正手段は、例えば、偏光成分の光路長差を補正することが可能な、サバール板以外の複屈折板であってもよい。
以上説明したように、本発明の実施の形態によれば、サバール板で分離した２つの偏光成分の光路長を同一とすることが可能となる。その結果、可変光減衰器では、ＰＤＬ（偏光依存損失）およびＰＭＤ（偏光モード分散）を低減化することが可能となり、よって、良好な光減衰特性を実現することが可能となる。
また、本発明の実施の形態によれば、複屈折板と、１／２波長板とを組み合わせ、分離された各偏光の複屈折板内の各光路における光路長の差を補正可能に構成したので、変形サバール板で分離した２つの偏光成分の光路長を同一とすることが可能となる。その結果、可変光減衰器では、ＰＤＬ（偏光依存損失）およびＰＭＤ（偏光モード分散）を低減化することが可能となり、よって、良好な光減衰特性を実現することが可能となる。
また、本発明の実施の形態によれば、光路長差補正複屈折板と液晶偏光回転素子との間に、偏光を回転させる偏光回転用１／２波長板をさらに有するので、変形サバール板から出射した偏光の方位角方向を後段の液晶偏光回転素子の液晶ダイレクタ方向に対して最適な方向に設定することが可能となる。
また、本発明の実施の形態によれば、液晶偏光回転素子が、一軸性可変波長板であるので、液晶偏光回転素子からの出射光量の減衰を改善することができる。例えば、ネマティック液晶や、表面安定型の強誘電液晶や、反強誘電液晶等のような液晶ディスプレイで実績のある液晶を利用して、一軸波長板が構成される。
また、本発明の実施の形態によれば、液晶偏光回転素子が、液晶がホモジニアス配向または垂直配向であり、液晶への電圧印加により、液晶の厚み方向に電界が形成され、また、液晶がホモジニアス配向または垂直配向であり、液晶への電圧印加により、液晶のラテラル方向に電界が形成され、また、液晶がホモジニアス配向または垂直配向であり、液晶への電圧印加により、液晶の厚み方向とラテラル方向とに電界が形成されるので、例えば、厚み方向に形成された電界により、液晶のリタデーションを制御することが可能となり、ラテラル方向に形成された電界により、厚み方向と垂直なラテラル方向における液晶の長軸の配置方向を制御することが可能となり、また、両電界を同時に形成することにより、液晶のリタデーションと長軸の配置方向とを制御することが可能となる。そして、これらの制御により、液晶による偏光方向の回転を制御することが可能となる。
また、本発明の実施の形態によれば、液晶偏光回転素子の一対の電極の一方がＳｉ基板上に形成され、かつ、Ｓｉ基板上に、電圧の制御を行う駆動用回路が配設されるので、駆動回路や制御回路が集積化された高機能で消費電力の低い構成を実現することが可能となる。
また、本発明の実施の形態によれば、パルス幅変調方式により電圧の制御が行われるため、駆動回路の小型化が図られるとともに、制御が容易であり、かつ、多階調の駆動回路を完全にデジタル回路だけで構成することが可能となる。
また、本発明の実施の形態によれば、一対の電極が、透明導電膜から構成される透明電極と、反射導電膜から構成される反射電極とから構成され、透明電極が、ＩＴｉＯ膜から構成されるため、ＩＴＯから透明電極と同じ導電性を実現でき、かつ、ＩＴＯから透明電極が構成される場合よりもプラズマ反射を抑制することが可能となる。したがって、光減衰特性がさらに向上する。
また、本発明の実施の形態によれば、光入出射手段は光ファイバで構成され、かつ、光の入射用の光ファイバと光の出射用の光ファイバとが別個に配設されるため、光の入射と光の出射とが各光ファイバを介して別々に行われるので、光サーキュレータが不要となり、部品点数の低減化が図られる。
また、本発明の実施の形態によれば、光入出射手段は光ファイバで構成され、かつ、光の入射と光の出射とが共通の光ファイバにより行われるため、光ファイバの配設数を低減化することが可能となり、よって、構成の簡素化が図られる。
また、本発明の実施の形態によれば、光ファイバの先端にファイバコリメータが取り付けられるため、ファイバコリメータにより、光ファイバへの光の結合効率を向上させることが可能となる。
また、本発明の実施の形態によれば、光ファイバと光路長差補正板との間に集光用の光学レンズが配設されるため、また、ファイバコリメータから入出射する光のビーム径が５０μｍ以下に設定され、ファイバコリメータと光路長差補正板との間で、直接、光の入出射が行われるため、光ファイバと光路長差補正板との間に集光用の光学レンズを配設しなくても、光学レンズを配設した場合と同様に集光することが可能となる。
また、本発明の実施の形態によれば、液晶偏光回転素子が、複数の液晶偏光回転素子ピクセルがアレイ化された構成を有し、各液晶偏光回転素子ピクセルの各液晶にピクセル毎に独立して電圧を印加可能に構成されるため、多チャネル型の可変光減衰器を実現することが可能となる。
また、本発明の実施の形態によれば、液晶偏光回転素子が、アレイ配列の長手方向に対して平行、または垂直の角度で液晶偏光回転素子ピクセル内のリタデーションが大きくなるときの液晶ダイレクタを配向するため、変形サバール板と偏光回転用１／２波長板とを組み合わせてアレイに対して平行に液晶ダイレクタを配向し、ピクセルピッチが狭い場合に、電極のフリンジ電界で隣のピクセルの液晶ダイレクタがツイスト変形する作用を防ぐことができる。そのため、アレイ化された実効的なピクセルの有効エリアを広げることができる。
また、本発明の実施の形態によれば、液晶偏光回転素子で、共通のＳｉ基板上に液晶偏光回転素子ピクセルと液晶偏光回転素子ピクセルの駆動回路とが配設されるため、駆動回路等の回路と複数の液晶偏光回転素子ピクセルとが集積化された液晶偏光回転素子が実現され、よって、小型で消費電力の低減化が図られた多チャネル型の光減衰器を実現することが可能となる。
また、本発明の実施の形態によれば、駆動回路を駆動させるドライバをさらに備え、ドライバは、液晶偏光回転素子ピクセルの配設領域の上方と下方とにそれぞれ配設され、駆動回路が、隣接する液晶偏光回転素子ピクセルにおいて交互に上方のドライバおよび下方のドライバに接続されたるため、液晶偏光回転素子ピクセルの配設領域とドライバとが分離されているため、液晶偏光回転素子ピクセルの配設領域を平坦化処理する必要がなくなり、よって、製造プロセスを単純化できる。また、液晶偏光回転素子ピクセルが交互に上方および下方のドライバに接続されるので、ドライバ回路のピッチを広げることが可能となる。
また、本発明の実施の形態によれば、光入出射手段が光ファイバで構成され、光の入射用の光ファイバの配設数が液晶偏光回転素子の液晶偏光回転素子ピクセルの配設数と同じか、または、これよりも少ないため、光の入射用の光ファイバの配設数が液晶偏光回転素子の液晶偏光回転素子ピクセルの配設数と同じ場合、可変光減衰器の光減衰動作における１チャネルが、一つの液晶偏光回転素子ピクセルによって実現される構成となる。一方、光の入射用の光ファイバの配設数が液晶偏光回転素子ピクセルの配設数よりも少ない場合には、可変光減衰器の光減衰動作における１チャネルが、複数の液晶偏光回転素子ピクセルによって実現される構成となる。
また、本発明の実施の形態によれば、光学フィルタは、上記可変光減衰器を備えるため、可変光減衰器において上記の効果が奏されるので、良好なフィルタ特性を実現することが可能となる。
本発明にかかる可変光減衰器は、ＰＤＬおよびＰＭＤが低減され良好な特性を実現可能な小型の可変光減衰器として有用であり、特に、波長分割多重のための波長選択スイッチやダイナミックゲインインコライザ等のチューナブルフィルタに用いられる可変光減衰器として有用である。
また、液晶セルと液晶セルを駆動させるためのＣＭＯＳ回路とが組み合わされてＳｉ集積基板上に形成された液晶偏光回転素子を備えた可変光減衰器では、集積化された空間光変調素子（ＳＬＭ）の実現に有用である。また、このような可変光減衰器を備えた光学フィルタは、光通信において有用である。
本発明の実施の形態１にかかる可変光減衰器の構成を示す模式図である。 図１のサバール板の模式的な正面図である。 図１のサバール板および液晶偏光回転素子の構成を示す模式的な側面図である。 図１のサバール板および液晶偏光回転素子の構成を示す模式的な側面図である。 液晶偏光回転素子に用いられる液晶の複屈折特性を示す図である。 電圧無印加で厚み方向の電界が形成されていない状態における液晶偏光回転素子の液晶分子の状態を示す模式図である。 図６の状態の液晶偏光回転素子の液晶セルにおける光の挙動を示す模式図である。 高電圧を印加して厚み方向の電界を形成した状態における液晶偏光回転素子の液晶分子の状態を示す模式図である。 図８の状態の液晶偏光回転素子の液晶セルにおける光の挙動を示す模式図である。 電圧無印加でラテラル方向の電界が形成されていない状態における液晶偏光回転素子の液晶分子の状態を示す模式図である。 図１０の状態の液晶偏光回転素子の液晶セルにおける光の挙動を示す模式図である。 高電圧を印加してラテラル方向の電界を形成した状態における液晶偏光回転素子の液晶分子の状態を示す模式図である。 図１２の状態の液晶偏光回転素子の液晶セルにおける光の挙動を示す模式図である。 本発明の実施の形態２にかかる可変光減衰器の構成を示す模式図である。 本発明の実施の形態３にかかる可変光減衰器の構成を示す模式図である。 液晶偏光回転素子特性の温度依存性を示す図である。 本発明の実施の形態５にかかる可変光減衰器における液晶偏光回転素子の温度調節機構を示す模式図である。 本発明の実施の形態６にかかる可変光減衰器の駆動方法における電圧印加方法を示す図である。 図１８の電圧印加方法により液晶偏光回転素子の液晶層に印加される実効電圧を示す図である。 図１９に示す実効電圧により駆動された可変光減衰器における出射光の強度変化を示す図である。 本発明の実施の形態７にかかる多チャネル型の可変光減衰器の構成を示す模式的な平面図である。 図２１の可変光減衰器の模式的な側面図である。 図２１および図２２のアレイ化液晶偏光回転素子の構成を示す模式図である。 本発明の実施の形態８にかかるチューナブルフィルタの構成を示す模式図である。 図２４のチューナブルフィルタの特性を示す図である。 本発明の実施の形態９にかかるチューナブルフィルタの構成を示す模式図である。 本発明の実施の形態１０にかかるサバール板（変形サバール板）の作用を説明する模式図である。 本発明の実施の形態１０にかかるサバール板（変形サバール板）の作用を説明する模式図である。 本発明の実施の形態１０にかかるサバール板（変形サバール板）の作用を説明する模式図である。 従来の液晶可変光減衰器の構成を示す模式図である。
符号の説明
１０１，２６０１ 入射側光ファイバ
１０２，１０６ ファイバコリメータ
１０３ レンズ
１０４ サバール板（変形サバール板）
１０５ 液晶偏光回転素子
１０５ａ 前面基板
１０５ｂ 背面基板
１０５ｃ 液晶層
１０５ｄ 液晶分子
１０７，２６０４ 出射側光ファイバ
１４０１，２４０２ 入出射用光ファイバ
１４０２，２４０１ 光サーキュレータ
１４０３ 複合レンズ
１７０１ ペルチェ素子
２１０１ アレイ化液晶偏光回転素子
２１０２ 液晶偏光回転素子ピクセル
２４００ 可変光減衰器
２４０４ 分光器



Claims (30)

  1. 外部からの光の入射および外部への光の出射を行う光入出射手段と、
    一対の電極の間に挟持され、該電極間に印加される電圧の制御により複屈折特性を制御可能な液晶を備え、前記液晶の複屈折特性を制御することにより偏光方向の回転を制御しつつ前記光入出射手段を介して入射された光を前記光入出射手段側に反射させる液晶偏光回転素子と、
    前記光入出射手段と前記液晶偏光回転素子との間に配置され、前記光入出射手段を介して入射された光を偏光分離するとともに前記液晶偏光回転素子で反射された光を偏光合成して前記光入出射手段に導く複屈折板であって、分離された各偏光の該複屈折板内の各光路における光路長の差を補正可能に構成された光路長差補正複屈折板と、を備え、
    前記液晶偏光回転素子の前記偏光方向の回転を制御することにより、前記光入出射手段から出射される光の光量が制御されることを特徴とする可変光減衰器。
  2. 前記光路長差補正複屈折板が、サバール板で構成されることを特徴とする請求項１に記載の可変光減衰器。
  3. 前記光路長差補正複屈折板が、前記光入出射手段と前記液晶偏光回転素子との間に配置され、前記光入出射手段を介して入射された光を偏光分離するとともに前記液晶偏光回転素子で反射された光を偏光合成して前記光入出射手段に導く複屈折板と、１／２波長板とを組み合わせ、分離された各偏光の該複屈折板内の各光路における光路長の差を補正可能に構成されることを特徴とする請求項１に記載の可変光減衰器。
  4. 前記光路長差補正複屈折板が、２枚の前記複屈折板の間に前記１／２波長板を挟持した変形サバール板で構成されることを特徴とする請求項３に記載の可変光減衰器。
  5. 前記光路長差補正複屈折板と液晶偏光回転素子との間に、偏光を回転させる偏光回転用１／２波長板をさらに有することを特徴とする請求項３または４に記載の可変光減衰器。
  6. 前記液晶偏光回転素子が、一軸性可変波長板であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の可変光減衰器。
  7. 前記液晶偏光回転素子の前面に、前記液晶の残留複屈折特性を打ち消す方向に結晶軸を有する残留複屈折補正板をさらに有することを特徴とする請求項６に記載の可変光減衰器。
  8. 前記液晶偏光回転素子は、第１の電圧が印加されている時に、該液晶の前記複屈折特性により、前記反射されて該液晶から出射する光の偏光方向を９０°回転させる１／４波長板となり、
    前記第１の電圧より大きい第２の電圧が印加された時に、該液晶の前記複屈折特性が消失するため前記偏光方向の回転が起こらず、よって波長板として機能せず、
    前記第２の電圧以下で前記第１の電圧以上の範囲で前記電圧を調整することにより該液晶の前記複屈折特性を調整して前記偏光方向の回転を調整し、それにより、所望の波長板とすることが可能な前記一軸性可変波長板であることを特徴とする請求項６または７に記載の可変光減衰器。
  9. 前記液晶偏光回転素子は、第１の電圧が印加されている時に、該液晶の前記複屈折特性が消失するため、波長板として機能せず、
    第２の電圧が印加された時に、該液晶の前記複屈折特性により、前記反射されて該液晶から出射する光の偏光方向を９０°回転させる１／４波長板となり、
    前記第２の電圧以下で前記第１の電圧以上の範囲で前記電圧を調整することにより該液晶の前記複屈折特性を調整して前記偏光方向の回転を調整し、それにより、所望の波長板とすることが可能な前記一軸性可変波長板であることを特徴とする請求項６または７に記載の可変光減衰器。
  10. 前記液晶偏光回転素子の前方に入射偏光の偏光状態を変換する液晶偏光回転素子の複屈折特性を打ち消す方向に結晶軸を有するスイッチングモード反転波長板をさらに有し、
    前記液晶偏光回転素子は、第１の電圧が印加されている時に、該液晶と波長板との合成複屈折特性が消失するため前記偏光方向の回転が起こらず、よって波長板として機能せず、
    前記第１の電圧より大きい第２の電圧が印加された時に、該液晶の前記複屈折特性と波長板との合成複屈折により、前記反射されて該液晶から出射する光の偏光方向を９０°回転させる１／４波長板となり、
    前記第２の電圧以下で前記第１の電圧以上の範囲で前記電圧を調整することにより該液晶の前記複屈折特性を調整して前記偏光方向の回転を調整し、それにより、所望の波長板とすることが可能な前記一軸性可変波長板であることを特徴とする請求項６または７に記載の可変光減衰器。
  11. 前記液晶偏光回転素子は、前記液晶がホモジニアス配向または垂直配向であり、該液晶への前記電圧印加により、該液晶の厚み方向に電界が形成されることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一つに記載の可変光減衰器。
  12. 前記液晶偏光回転素子は、前記液晶がホモジニアス配向または垂直配向であり、該液晶への前記電圧印加により、該液晶のラテラル方向に電界が形成されることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一つに記載の可変光減衰器。
  13. 前記液晶偏光回転素子は、前記液晶がホモジニアス配向または垂直配向であり、該液晶への前記電圧印加により、該液晶の厚み方向とラテラル方向とに電界が形成されることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一つに記載の可変光減衰器。
  14. 前記液晶偏光回転素子の前記一対の電極の一方がＳｉ基板上に形成され、かつ、該Ｓｉ基板上に、前記電圧の制御を行う駆動用回路が配設されたことを特徴とする請求項１〜１３のいずれかに一つに記載の可変光減衰器。
  15. 前記駆動用回路が、相補型金属酸化物半導体集積回路であることを特徴とする請求項１４に記載の可変光減衰器。
  16. パルス幅変調方式により前記電圧の制御が行われることを特徴とする請求項１４または１５に記載の可変光減衰器。
  17. 前記一対の電極が、透明導電膜から構成される透明電極と、反射導電膜から構成される反射電極とから構成され、
    前記透明電極が、ＩＴｉＯ膜から構成されたことを特徴とする請求項１〜１６のいずれか一つに記載の可変光減衰器。
  18. 前記光入出射手段は光ファイバで構成され、かつ、光の入射用の光ファイバと光の出射用の光ファイバとが別個に配設されたことを特徴とする請求項１〜１７のいずれか一つに記載の可変光減衰器。
  19. 前記光入出射手段は光ファイバで構成され、かつ、光の入射と光の出射とが共通の光ファイバにより行われることを特徴とする請求項１〜１８のいずれか一つに記載の可変光減衰器。
  20. 前記光ファイバに、入射した光と出射する光とを分離する光サーキュレータが接続されたことを特徴とする請求項１９に記載の可変光減衰器。
  21. 前記光ファイバの先端にファイバコリメータが取り付けられたことを特徴とする請求項１６〜２０のいずれか一つに記載の可変光減衰器。
  22. 前記光ファイバと前記光路長差補正板との間に集光用の光学レンズが配設されたことを特徴とする請求項２１に記載の可変光減衰器。
  23. 前記ファイバコリメータから入出射する光のビーム径が５０μｍ以下に設定され、前記ファイバコリメータと前記光路長差補正板との間で、直接、光の入出射が行われることを特徴とする請求項２１に記載の可変光減衰器。
  24. 前記液晶偏光回転素子は、複数の液晶偏光回転素子ピクセルがアレイ化された構成を有し、各前記液晶偏光回転素子ピクセルの各前記液晶にピクセル毎に独立して前記電圧を印加可能に構成されたことを特徴とする請求項１〜２３のいずれか一つに記載の可変光減衰器。
  25. 前記液晶偏光回転素子は、アレイ配列の長手方向に対して平行、または垂直の角度で前記液晶偏光回転素子ピクセル内のリタデーションが大きくなるときの液晶ダイレクタを配向することを特徴とする請求項２４に記載の可変光減衰器。
  26. 前記液晶偏光回転素子では、共通の前記Ｓｉ基板上に前記液晶偏光回転素子ピクセルと該液晶偏光回転素子ピクセルの駆動回路とが配設されたことを特徴とする請求項２４に記載の可変光減衰器。
  27. 前記駆動回路を駆動させるドライバをさらに備え、該ドライバは、前記液晶偏光回転素子ピクセルの配設領域の上方と下方とにそれぞれ配設され、前記駆動回路が、隣接する前記液晶偏光回転素子ピクセルにおいて交互に上方のドライバおよび下方のドライバに接続されたことを特徴とする請求項２４に記載の可変光減衰器。
  28. 前記光入出射手段が光ファイバで構成され、光の入射用の該光ファイバの配設数が前記液晶偏光回転素子の前記液晶偏光回転素子ピクセルの配設数と同じか、または、これよりも少ないことを特徴とする請求項２４〜２７のいずれか一つに記載の可変光減衰器。
  29. 請求項１〜２８のいずれか一つに記載の可変光減衰器を備えたことを特徴とする光学フィルタ。
  30. 請求項２４〜２８のいずれか一つに記載の可変光減衰器を備えるとともに、前記可変光減衰器の前記光入出射手段を介して入射した光を波長毎に分光する分光手段をさらに備え、該分光手段により分光された各波長の光が、前記可変光減衰器の前記光路長差補正複屈折板を介して前記液晶偏光回転素子の所定の前記液晶偏光回転素子ピクセルに入射されることを特徴とする請求項２９に記載の光学フィルタ。
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