JP2006518880A - Liquid crystal variable optical attenuator - Google Patents

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Abstract

ねじられたネマチック液晶可変光学減衰器(100)は、一体化されたサブ波長ナノ構造偏光子(111)を含む1つの基板を与えられる。前記機器に一体的なアイソレータを組み込むことができ、前記液晶のサンドイッチ構造の基板は、サブ波長の光学ナノ構造の偏光回折格子にエッチングされたファラデー回転子を含むドーピングされたガーネット基板から形成することができ、該基板がアイソレータとして機能する。前記液晶可変光学減衰器は、正確にセルギャップ厚さを制御するためにスペーサ層をそれぞれ有する両基板であって互いに対向する頂部および底部の両基板を接合している堆積金属ガスケット防湿層(106)を含む。前記液晶可変光学減衰器(100)は、また、互いに対向する両基板間に挟まれあるいはすくなくともその一方または両方に堆積された一体的な熱センサおよび加熱蒸着層(108)を含む。A twisted nematic liquid crystal variable optical attenuator (100) is provided with one substrate containing an integrated subwavelength nanostructured polarizer (111). The device can incorporate an integrated isolator, and the liquid crystal sandwich substrate is formed from a doped garnet substrate including a Faraday rotator etched into a polarization grating of sub-wavelength optical nanostructures. And the substrate functions as an isolator. The liquid crystal variable optical attenuator is a deposited metal gasket moisture-proof layer (106) that joins both the top and bottom substrates opposite to each other, each having a spacer layer in order to accurately control the cell gap thickness. )including. The liquid crystal variable optical attenuator (100) also includes an integrated thermal sensor and heated evaporation layer (108) sandwiched between at least one or both of the substrates facing each other and deposited on at least one of them.

Description

本発明は広くは光学液晶装置に関する。本発明は、特に、サブ波長でエッチングを受けた、ナノ構造回折格子基板によって成形された液晶可変光学減衰器に関する。   The present invention relates generally to optical liquid crystal devices. The present invention particularly relates to a liquid crystal variable optical attenuator shaped by a nanostructured grating substrate that has been etched at sub-wavelengths.

本願は2003年2月21日に出願された出願番号10/371,235の名称「液晶セルプラットホーム」と共に譲渡された優先権主張の継続出願である。本願は、また、以下の出願中の米国特許出願、すなわち2003年2月21日に出願された出願番号10/371976の「液晶セルの製造方法」および2003年2月21日に出願された出願番号10/371,983の「液晶セルの熱制御システム」に関連し、それらは、参照により本願に組み込まれている。   This application is a continuation of the priority claim assigned with the name “Liquid Crystal Cell Platform” of application number 10 / 371,235 filed on February 21, 2003. The present application also includes the following pending US patent applications: “Method of manufacturing a liquid crystal cell” of application number 10/371976, filed on February 21, 2003, and application filed on February 21, 2003. No. 10 / 371,983 “Liquid Crystal Cell Thermal Control System”, which are incorporated herein by reference.

光ファィバの出現以来、ファイバ光通信インフラストラクチャーは、より多様で、洗練されるようになった。光ファイバの応用は、低速のローカルエリアネットワークから高速の長距離の電気通信システムに及ぶ。近年、より広いバンド幅と、より安価なネットワーク費用との要求により、コンポーネントの集積化の増大と、1つのパッケージの中で多重機能を提供する光デバイスとが、結果として生じていた。例えば、可変の光学式の減衰器に組み込まれるようにデザインされた光学式のクロス接続スイッチは、全チャネルにわたるパワーの均等化を提供する。光通信の集積回路は、1つのパッケージ中ですべてのDWDM波長のルーティング、調整および監視を行う。そのような統合化した機器の人気は、主として、それらが個々に実装されたコンポーネント上で提供するコストセーブと性能の優位性とに基づく。そのような統合化された機器は、また、光学系において結合と配列の難問を簡素化し、それらの個々にパッケージ化された対応する部分の全体により低い挿入損を提供する。   Since the advent of optical fibers, fiber optic communication infrastructure has become more diverse and sophisticated. Optical fiber applications range from low-speed local area networks to high-speed long-distance telecommunications systems. In recent years, the demand for wider bandwidth and lower network costs has resulted in increased component integration and optical devices that provide multiple functions in a single package. For example, an optical cross-connect switch designed to be incorporated into a variable optical attenuator provides power equalization across all channels. Optical integrated circuits route, tune and monitor all DWDM wavelengths in one package. The popularity of such integrated devices is mainly based on the cost savings and performance advantages they offer on individually implemented components. Such an integrated instrument also simplifies coupling and alignment challenges in the optical system and provides a lower insertion loss across their individually packaged counterparts.

光アイソレータは、反射された信号がレーザ源またはLEDに達することを妨げるために、今日の光ファイバネットワークの中で使われており、光アイソレータは、次世代トランシーバモジュール内で可変光学減衰器の前または後ろに置かれると予想されている。光アイソレータは、典型的には、サンドイッチの第1偏光子、ファラデー回転子および第2偏光子から成り、第1偏光子の光学軸と平行なレーザ偏光は該第1偏光子を通過し、該第1偏光子から45度のずれをもつ光学軸を有する前記第2偏光子を通過するに先がけて、ファラデー回転子によって45度回転し、その結果前記光線が第2偏光子を通過する。光アイソレータの中では、第2の偏光子からの反射光は、ファラデー回転子によってさらに45度回転させられ、第1の偏光子によって吸収される。   Optical isolators are used in today's fiber optic networks to prevent reflected signals from reaching the laser source or LED, and optical isolators are used in front of variable optical attenuators in next generation transceiver modules. Or is expected to be placed behind. The optical isolator typically comprises a sandwich first polarizer, a Faraday rotator, and a second polarizer, and laser polarization parallel to the optical axis of the first polarizer passes through the first polarizer, Prior to passing through the second polarizer having an optical axis with a 45 degree deviation from the first polarizer, it is rotated 45 degrees by a Faraday rotator so that the light beam passes through the second polarizer. In the optical isolator, the reflected light from the second polarizer is further rotated 45 degrees by the Faraday rotator and absorbed by the first polarizer.

先に述べたように、トランシーバモジュールは、しばしば、レーザ出力信号強度を制御するために光アイソレータの出力に接続された可変光学減衰器を含む。可変光学減衰器(VOAS)には、機械的および非機械的なタイプがある。従来の機械的VOASは、出力光の焦点をぼかす可動レンズ、出力コリメータからスポット光の中心をずらすように操作するビーム操作鏡、ファイバの中で屈曲を主張するカンチレバーアームおよび光伝達経路を妨げるシャッタに基づいた機構を含む。これらの方法は、2つのファイバ間の結合を調整し、これにより光通路を横切って減衰を制御するが、機械的消耗および故障のような信頼性の問題から損害を被ることが知られている。これらの問題を克服すべく、非機械的VOASが、液晶技術に基づいたVOASを含めて、ここ数年の間に導入されている。   As previously mentioned, transceiver modules often include a variable optical attenuator connected to the output of the optical isolator to control the laser output signal strength. There are mechanical and non-mechanical types of variable optical attenuators (VOAS). A conventional mechanical VOAS includes a movable lens that defocuses output light, a beam manipulation mirror that operates to shift the center of the spot light from the output collimator, a cantilever arm that asserts bending in the fiber, and a shutter that blocks the light transmission path. Including a mechanism based on These methods adjust the coupling between the two fibers, thereby controlling attenuation across the optical path, but are known to suffer from reliability issues such as mechanical wear and failure. . In order to overcome these problems, non-mechanical VOAS has been introduced in the last few years, including VOAS based on liquid crystal technology.

液晶は、可動部のない見込みある非機械的VOAS技術である。 液晶光学減衰器は、一般的に、それぞれ直角な配置構造層を固定したサンドイッチ構造の透明な伝導性のガラス板の外に付着された2つの直角な偏光子から成るねじられたネマチックのタイプ(TN)である。ガラス板間でホメオトロピックに封止された液晶分子は、直角なアンカ層と整列し、液晶サンドイッチ構造の中央部で螺旋状のねじれに沿う。液晶板を横切って印加された電圧は、液晶分子のねじれを解き、再整列させ、前記セルを通過する偏光を制御可能に回転することにより、出力偏光子で光源を可変的に減衰させる。しかし、液晶セルが温度および湿度の変化に影響され易く、高湿、高温の変化によって光学性能が低下し、その結果、液晶セルの性能の2つの重要な尺度において、高い挿入損と低い減衰を生じることが、一般に知られている。   Liquid crystal is a promising non-mechanical VOAS technology with no moving parts. A liquid crystal optical attenuator is generally a twisted nematic type consisting of two right-angled polarizers (outside of a transparent conductive glass plate with a sandwich structure each fixed with a right-angled structural layer). TN). Liquid crystal molecules that are homeotropically sealed between the glass plates align with the perpendicular anchor layer and follow a helical twist in the center of the liquid crystal sandwich structure. The voltage applied across the liquid crystal plate variably attenuates the light source at the output polarizer by untwisting and realigning the liquid crystal molecules to controllably rotate the polarized light passing through the cell. However, liquid crystal cells are susceptible to changes in temperature and humidity, and optical performance is degraded by changes in high humidity and high temperature, resulting in high insertion loss and low attenuation in two important measures of liquid crystal cell performance. It is generally known to occur.

ナノインプリントリソグラフィでの最近の進歩の結果は、サブ波長光回折格子のナノ構造で基板をコスト的に効率良くエッチングすることに能力を発揮し 、これらのナノ構造は、入射光の波長以下で、数百ナノメートルから数10ナノメートルまで特徴サイズを有する結果として独特の光学特性を示すことが知られている。例えば、ガラス基板が偏光フィルタとして機能するように、最近、その表面にサブ波長光ナノ構造回折格子を成形するためにエッチングが行われた。さらに、ファラデー回転子基板には、統合したアイソレータの形成のために、同様なサブ波長光ナノ構造回折格子がエッチングで形成された。   The result of recent advances in nanoimprint lithography is the ability to cost-effectively etch substrates with subwavelength optical grating nanostructures, which are sub-wavelengths of incident light It is known to exhibit unique optical properties as a result of having characteristic sizes from hundred nanometers to tens of nanometers. For example, etching has recently been performed to form a subwavelength optical nanostructured diffraction grating on its surface so that the glass substrate functions as a polarizing filter. Furthermore, a similar sub-wavelength optical nanostructure diffraction grating was formed on the Faraday rotator substrate by etching to form an integrated isolator.

集積化のコストと性能の利点、液晶技術がインプリントリソグラフィと高い互換性および偏光と分離との光機能を提供することが可能な液晶基板を生成する可能性を有するという主張を考慮に入れて、液晶技術に関連する前記した問題を解決する個別の偏光子およびアイソレータを集積化した光減衰が可変の液晶に対する強い要望がある。   Taking into account the cost and performance advantages of integration, the claim that liquid crystal technology has the potential to produce a liquid crystal substrate that is highly compatible with imprint lithography and capable of providing optical functions of polarization and separation There is a strong need for a liquid crystal with variable light attenuation, which integrates individual polarizers and isolators to solve the above-mentioned problems associated with liquid crystal technology.

本発明は、応用と動作の形態とにしたがい、独立してまたは本発明の他の特徴との組み合わせで構成される幾つかの特徴を含む。そのような特徴の説明は、本発明の範囲を制限することではなく、単に、本発明と関連するある具体的な機能を概説することを意図する。   The present invention includes several features that are configured independently or in combination with other features of the present invention, depending on the application and mode of operation. The description of such features is not intended to limit the scope of the invention, but merely to outline certain specific functions associated with the invention.

本発明は、サブ波長の光学的特徴でエッチングされたガラスにより形成し得る液晶可変光学減衰器を提供する。   The present invention provides a liquid crystal variable optical attenuator that can be formed from glass etched with sub-wavelength optical features.

本発明は、一体化されたアイソレータを組み込み得る液晶可変光学減衰器を提供する。   The present invention provides a liquid crystal variable optical attenuator that can incorporate an integrated isolator.

本発明は、第1の基板であって該基板を偏光子として機能させるサブ波長光学ナノ構造でエッチングされた第1の基板と、アイソレーション機能を提供するファラデー回転子がエッチングされた第2の基板とを含む一体的なアイソレータを組み込み得る液晶可変光学減衰器を提供する。   The present invention provides a first substrate etched with a sub-wavelength optical nanostructure that functions as a polarizer and a second Faraday rotator providing an isolation function. A liquid crystal variable optical attenuator capable of incorporating an integrated isolator including a substrate is provided.

本発明は、トランシーバ、ダイナミックゲインイコライザ、波長可変レーザ、再構成可能の光学式アド/ドロップマルチプレクサ、可変光学減衰器列、および光学パワーモニタ機能の有無に拘わらず調整可能の光学式アド/ドロップマルチプレクサにおける電気通信応用に限らず、種々の応用に組み込むことができる液晶可変光学減衰器を提供する。   The present invention includes a transceiver, a dynamic gain equalizer, a tunable laser, a reconfigurable optical add / drop multiplexer, a variable optical attenuator array, and an optical add / drop multiplexer that can be adjusted with or without optical power monitoring. The present invention provides a liquid crystal variable optical attenuator that can be incorporated in various applications as well as telecommunications applications.

本発明は、実質的に水分を通さない材料から構成し得る液晶可変光学減衰器を提供する。   The present invention provides a liquid crystal variable optical attenuator that can be constructed from a material that is substantially impermeable to moisture.

本発明は、実質的に水分を通さない材料から構成することができ、一体的なアイソレータを含み得る、液晶可変光学減衰器を提供する。   The present invention provides a liquid crystal variable optical attenuator that can be constructed from a material that is substantially impermeable to moisture and can include an integral isolator.

本発明は、単一の物質的な素子としてその中に一体化されたヒータと温度センサとを含み得る液晶可変光学減衰器を提供し、正確な加熱制御および正確な温度感知を提供する。 The present invention provides a liquid crystal variable optical attenuator that can include a heater and a temperature sensor integrated therein as a single material element, providing accurate heating control and accurate temperature sensing.

本発明は、アイソレータ、ヒータおよび温度センサを一体的に含み得る液晶可変光学減衰器を提供する。   The present invention provides a liquid crystal variable optical attenuator that can integrally include an isolator, a heater, and a temperature sensor.

本発明は、リアルタイムの温度変化を補うために通常用いられるルックアップテーブルを必要とせずに、温度の範囲に亘って液晶可変光学減衰器を操作する新規な方法を提供する。 The present invention provides a novel method of operating a liquid crystal variable optical attenuator over a range of temperatures without the need for a look-up table commonly used to compensate for real-time temperature changes.

本発明は、密閉したハウジングを必要とすることなくTelcordia GR1221において概説されるような厳密な電気通信ガイドラインに合格する液晶可変光学減衰器を提供する。   The present invention provides a liquid crystal variable optical attenuator that passes strict telecommunications guidelines as outlined in Telcordia GR1221, without the need for a sealed housing.

本発明は、製造過程でそりを生じ難く、光学的に平坦な液晶可変光学減衰器を提供する。   The present invention provides an optically flat liquid crystal variable optical attenuator that is less likely to warp during manufacturing.

本発明は、種々の熱的および湿度雰囲気にさらされるときにそりを生じ難い光学的に平坦な液晶可変光学減衰器を提供する。   The present invention provides an optically flat liquid crystal variable optical attenuator that is less prone to warping when exposed to various thermal and humidity atmospheres.

本発明は、厚さをナノメートルの分解能で制御できる液晶可変光学減衰器を提供する。   The present invention provides a liquid crystal variable optical attenuator whose thickness can be controlled with nanometer resolution.

本発明は、厚さをナノメートルの解像度で制御でき、さらに一体化されたアイソレータを含み得る液晶可変光学減衰器を提供する。   The present invention provides a liquid crystal variable optical attenuator whose thickness can be controlled with nanometer resolution and which can include an integrated isolator.

本発明は、前記した特徴のいくつかまたはすべてを備える液晶可変光学減衰器を製造するための新規な方法を提供する。   The present invention provides a novel method for manufacturing a liquid crystal variable optical attenuator with some or all of the features described above.

本発明は、複数の液晶可変光学減衰器から成るN×M配列に形成し得る液晶可変光学減衰器を提供する。   The present invention provides a liquid crystal variable optical attenuator that can be formed in an N × M array of a plurality of liquid crystal variable optical attenuators.

本発明は、それぞれがアイソレータを含み得る複数の液晶可変光学減衰器から成るN×M配列に形成し得る液晶可変光学減衰器を提供する。   The present invention provides a liquid crystal variable optical attenuator that can be formed in an N × M array of liquid crystal variable optical attenuators, each of which can include an isolator.

従来技術の不都合は、一体化したサブ波長ナノ構造の偏光子を含む少なくとも1つの基板を含むねじられたネマチックの液晶可変光学減衰器により、解消することができる。一形態では、前記機器は、サブ波長の光学ナノ構造の偏光回折格子にエッチングされたファラデー回転子を含むドーピングされたガーネット基板から形成することができ、該基板がアイソレータとして機能する。前記液晶可変光学減衰器は、正確にセルギャップ厚さを制御するためにスペーサ層をそれぞれ有する両基板であって互いに対向する頂部および底部の両基板を接合している堆積金属ガスケット防湿層を含む。前記液晶可変光学減衰器は、また、互いに対向する両基板間に挟まれあるいはすくなくともその一方または両方に堆積された一体的な熱センサおよび加熱蒸着層を含む。   The disadvantages of the prior art can be overcome by a twisted nematic liquid crystal variable optical attenuator comprising at least one substrate comprising an integrated subwavelength nanostructured polarizer. In one form, the device can be formed from a doped garnet substrate that includes a Faraday rotator etched into a polarization grating of sub-wavelength optical nanostructures, the substrate acting as an isolator. The liquid crystal variable optical attenuator includes a deposited metal gasket moisture-proof layer that joins both the top and bottom substrates facing each other, both substrates each having a spacer layer to accurately control the cell gap thickness. . The liquid crystal variable optical attenuator also includes an integrated thermal sensor and a thermal evaporation layer sandwiched between at least one or both of the substrates facing each other.

従来技術の不都合は、さらに、セルがほぼ一定温度に保持されるように、一体化された能動的な熱素子の全域にわたる温度感知機能および加熱機能を多重化する時分割方式を利用した液晶可変光学減衰器制御系により、解消される。較正処理は、前記セルのプロファイルを特徴付けるように含まれ、温度のための駆動電圧出力およびセル状態の入力を提供する多項式の回帰式を生成する。前記制御系は、液晶セルの状態および回帰式を記憶し、温度補償のための駆動電圧を計算し実行すべく液晶セルの温度を読む。   Another disadvantage of the prior art is that the liquid crystal is variable using a time-division scheme that multiplexes the temperature sensing and heating functions across the integrated active thermal element so that the cell is held at a nearly constant temperature. It is eliminated by the optical attenuator control system. A calibration process is included to characterize the profile of the cell and generates a polynomial regression equation that provides drive voltage output for temperature and cell state input. The control system stores the state of the liquid crystal cell and the regression equation, reads the temperature of the liquid crystal cell to calculate and execute a drive voltage for temperature compensation.

本願では、全体にわたって同様な要素に言及するときには、同じ参照番号を用いている。一体的な偏光子は、明細書に記載され支持されているように、複数の実施例にわたって同じ索引によって参照されるが、異なる光学軸によって調整されている。さらに各基板の上に分配されて、後で結合される本発明のそれらの支持要素および特徴的構造は、特定の基板A、Bのための参照番号で、または簡素化の目的のために、共有された参照符号で参照される。   In this application, like reference numerals are used to refer to like elements throughout. The integral polarizer is referenced by the same index throughout the embodiments as described and supported in the specification, but is adjusted by different optical axes. In addition, those support elements and features of the present invention that are distributed over each substrate and later joined together are reference numbers for specific substrates A, B, or for the purpose of simplicity. Referenced with a shared reference sign.

本発明の第1の実施例は、図1Aに示されており、該図は第2の基板110Bに対向する第1の基板110Aを有する液晶可変光学減衰プラットホーム100を示し、前記第1の基板は、該基板の一側面上の偏光子構造111と、他側面上の透明な伝導性電極層104A、第1の液晶配列層109A、金属ガスケット層106Aおよびスペーサ層107Aとを含み、また第2の基板110Bは、透明な伝導性の電極層104Bと、第1の液晶配列層109Aに直角な摩擦角で固着された第2の液晶配列層109Bと、スペーサ層107Bとを含む。図1bは、自由空間可変光学減衰器100と、偏光10を生成する光源5とを示し、偏光10は前記機器に入力され、ねじられたネマチックの液晶配置を通過するときに回転の制御を受ける。電極層に電圧が印加されていない場合、前記機器は偏光10にほぼ90度の回転を生じさせ、ほぼ前記光線のすべてが該光線に直角な光軸を有する前記偏光回折格子構造を通過させる。電極に印加された限界電圧は、液晶分子にそのよりを戻し、または電界に沿って整列する傾向を与え、その結果、入力光10の部分的な回転と偏光子構造111を通して光10に部分的な遅延とを生じる。電極104Aおよび104Bに印加された基準電圧は、分子配列をほぼ完全に電界に沿わせる結果を生じ、前記機器を通過する光10に実質的に回転を生じさせない。これは液晶可変減衰器の最大の減衰または消衰状態を規定する。   A first embodiment of the present invention is illustrated in FIG. 1A, which shows a liquid crystal variable optical attenuating platform 100 having a first substrate 110A opposite a second substrate 110B, said first substrate. Includes a polarizer structure 111 on one side of the substrate, a transparent conductive electrode layer 104A, a first liquid crystal alignment layer 109A, a metal gasket layer 106A and a spacer layer 107A on the other side, and a second The substrate 110B includes a transparent conductive electrode layer 104B, a second liquid crystal alignment layer 109B fixed to the first liquid crystal alignment layer 109A at a friction angle perpendicular to the first liquid crystal alignment layer 109A, and a spacer layer 107B. FIG. 1b shows a free-space variable optical attenuator 100 and a light source 5 that generates polarized light 10, which is input to the instrument and is subject to rotation control as it passes through a twisted nematic liquid crystal arrangement. . When no voltage is applied to the electrode layer, the instrument causes the polarization 10 to rotate by approximately 90 degrees and approximately all of the light passes through the polarizing grating structure having an optical axis perpendicular to the light. The limiting voltage applied to the electrodes gives the liquid crystal molecules a tendency to revert or align along the electric field, resulting in partial rotation of the input light 10 and partial light 10 through the polarizer structure 111. Delay. The reference voltage applied to the electrodes 104A and 104B results in the molecular arrangement almost completely following the electric field, and does not substantially rotate the light 10 passing through the device. This defines the maximum attenuation or extinction state of the liquid crystal variable attenuator.

本発明の第2の実施例は、第1の実施例のすべての特徴を含み、さらに、図2に示されているように、基板110Bの外側面上の偏光子構造112を含む。偏光子構造112は、入射光のために、参照偏光子面を提供し、前記光10の偏向と同じ偏向に形成されているが、基板110Aの偏光構造111の偏りに直角な光軸を持つ。   The second embodiment of the present invention includes all the features of the first embodiment, and further includes a polarizer structure 112 on the outer surface of the substrate 110B, as shown in FIG. The polarizer structure 112 provides a reference polarizer surface for incident light and is formed with the same deflection as that of the light 10, but has an optical axis that is perpendicular to the polarization of the polarization structure 111 of the substrate 110A. .

本発明の第3の実施例は、一体的なアイソレータを含む。本実施例のために、基板材料は、基板110Aをファラデー回転子として機能させるように選択する必要がある。そのような材料は、Biで置換された希土類元素の鉄ガーネットの厚い膜の単結晶技術に基づいたそれらを含むことができる。基板110Bは、ガラスとすることができる。本実施例では、ファラデー基板110Aの上面および下面の両方に、サブ波長光学偏光子要素111および101がエッチングでそれぞれ形成される。回折格子偏光子要素の周期とサイズは、当業者が設計可能なように、それらの光軸が典型的なアイソレータにおけると同様に、45度の間隔を置くように選択される。液晶配列層104Aに隣接して配置された回折格子偏光要素101が偏光10に直角な光軸を有することは望ましい。図3bは、一体化されたアイソレータを備える自由空間可変光学減衰器100を示す。光源5は、前記機器に入力され、ねじられたネマチックの液晶配置を通過するときに制御可能な回転する偏光10を発生させる。前記電極層に電圧が印加されていない場合、前記機器は、前記偏光10にほぼ90度回転を生じさせ、前記光のほぼすべてを、第1の偏光子101、ファラデー回転子基板110Aおよび第2の偏光子111によりサンドイッチ構造に形成された光学アイソレータに入力させまたその通過を許す。電圧が印加されない場合、液晶からの出力光10は、第1の偏光子101の光軸にほぼ平行なことから、該第1の偏光子を通過し、ファラデー回転子によってさらに回転させられている光が通過することを可能にする第1の偏光子から45度オフセットした光軸を持つ第2の偏光子を通過することに先がけてファラデー回転子によって45度回転させられる。本実施例では、第2の偏光子111を通過したどのような反射光の戻りでもファラデー回転子基板110Aによってさらに45度回転させられ、第1の偏光子101によって吸収される。電極104Aおよび104Bに印加される限界の電圧は、液晶分子にそのよりを戻すかあるいは電界に沿って整列する傾向を与え、その結果、入力光10の部分的な回転と、第1の偏光子101Aを通して光10に部分的な遅延とを生じる。電極104Aおよび104Bに印加された基準電圧は、分子配列をほぼ完全に電界に沿わせる結果を生じ、前記機器を通過する光10に実質的に回転を生じさせない。これは液晶可変減衰器の最大の減衰または消衰状態を規定する。   The third embodiment of the present invention includes an integral isolator. For this example, the substrate material must be selected to make the substrate 110A function as a Faraday rotator. Such materials can include those based on single crystal technology of thick films of rare earth iron garnet substituted with Bi. The substrate 110B can be made of glass. In this embodiment, sub-wavelength optical polarizer elements 111 and 101 are formed by etching on both the upper and lower surfaces of the Faraday substrate 110A, respectively. The period and size of the grating polarizer elements are selected such that their optical axes are spaced 45 degrees as in a typical isolator, as can be designed by those skilled in the art. It is desirable that the diffraction grating polarizing element 101 disposed adjacent to the liquid crystal alignment layer 104A has an optical axis perpendicular to the polarized light 10. FIG. 3b shows a free space variable optical attenuator 100 with an integrated isolator. The light source 5 generates a controllable rotating polarization 10 that is input to the instrument and passes through a twisted nematic liquid crystal arrangement. When no voltage is applied to the electrode layer, the instrument causes the polarized light 10 to rotate by approximately 90 degrees, and substantially all of the light is transferred to the first polarizer 101, the Faraday rotator substrate 110A, and the second. The light is input to an optical isolator formed in a sandwich structure by the polarizer 111 and allowed to pass therethrough. When no voltage is applied, the output light 10 from the liquid crystal is substantially parallel to the optical axis of the first polarizer 101 and therefore passes through the first polarizer and is further rotated by the Faraday rotator. Prior to passing through a second polarizer having an optical axis offset by 45 degrees from the first polarizer allowing light to pass through, it is rotated 45 degrees by a Faraday rotator. In this embodiment, any return of reflected light that has passed through the second polarizer 111 is further rotated 45 degrees by the Faraday rotator substrate 110 </ b> A and absorbed by the first polarizer 101. The limiting voltage applied to the electrodes 104A and 104B tends to cause the liquid crystal molecules to twist back or align along the electric field, resulting in partial rotation of the input light 10 and the first polarizer. The light 10 is partially delayed through 101A. The reference voltage applied to the electrodes 104A and 104B results in the molecular arrangement almost completely following the electric field, and does not substantially rotate the light 10 passing through the device. This defines the maximum attenuation or extinction state of the liquid crystal variable attenuator.

本発明の第4の実施例は、またアイソレータを含み、図4aに示されている。本実施例では、アイソレータは、前記機器の入力端で前記光を受けるように配置されている。本実施例のための基板材料の選択は、基板110Bがファラデー回転子として機能することを可能にしなければならない。そのような材料は、Bi置換の希土類の鉄ガーネットの厚い膜の単結晶技術に基づいたそれらを含む。基板110Aは、ガラスとすることができる。本実施例では、ファラデー基板110Bの上面および下面の両方に、サブ波長光学偏光子要素111および101がエッチングでそれぞれ形成される。回折格子偏光子要素の周期とサイズは、当業者が設計可能なように、それらの光軸が典型的なアイソレータにおけると同様に、45度の間隔を置くように選択される。回折格子偏光要素101は偏光10の光軸に等しい光軸を有することが好ましい。図4bは、一体化されたアイソレータを備える自由空間可変光学減衰器100を示す。光源5は、第1の偏光ナノ構造体101によって受光されかつファラデー回転子基板110Bを経て45度の一定角度回転される偏光10を生じ、該偏光は第2の偏光ナノ構造体111を経てねじられたネマチックの前記液晶配置中を通過し続けることが可能となる。電極層104Aおよび104Bに電圧が印加されていない場合、前記液晶装置は偏光10にほぼ90度の回転を生じさせ、光源偏光10の偏りから光軸が135度のオフセットした光のすべてが偏光子112に入力し、該偏光子を通過することが可能となる。偏光子112の光軸は、液晶を通しての90度の回転だけでなく前記アイソレータを通しての初期の45度の回転の両方に適応させる135度となるように選択される。電極104Aおよび104Bに印加される限界の電圧は、液晶分子にそのよりを戻すかあるいは電界に沿って整列する傾向を与え、その結果、入力光10の部分的な回転と、出力偏光ナノ構造体112を通しての光10の部分的な遅延とを生じる。前記電極104Aおよび104Bに印加された基準電圧は、分子配列をほぼ完全に電界に沿わせる結果を生じ、前記液晶を通過する光10に実質的に回転を生じさせない。この状態では、出力ナノ構造偏光子112は通過してきた光を遮断する。この状態は、液晶可変光学減衰器の最大の減衰または消衰状態を規定する。すべての状態で、第2の偏光子111を通過したどのような反射光の戻りでもファラデー回転子基板110Aを経てさらに45度回転させられ、第1の偏光子101によって最終的に吸収される。   The fourth embodiment of the present invention also includes an isolator and is shown in FIG. 4a. In this embodiment, the isolator is arranged to receive the light at the input end of the device. The choice of substrate material for this example must allow the substrate 110B to function as a Faraday rotator. Such materials include those based on thick-film single crystal technology of Bi-substituted rare earth iron garnet. The substrate 110A can be made of glass. In this embodiment, sub-wavelength optical polarizer elements 111 and 101 are formed by etching on both the upper surface and the lower surface of the Faraday substrate 110B, respectively. The period and size of the grating polarizer elements are selected such that their optical axes are spaced 45 degrees as in a typical isolator, as can be designed by those skilled in the art. The diffraction grating polarization element 101 preferably has an optical axis equal to the optical axis of the polarized light 10. FIG. 4b shows a free space variable optical attenuator 100 with an integrated isolator. The light source 5 generates a polarized light 10 received by the first polarizing nanostructure 101 and rotated through a Faraday rotator substrate 110B by a constant angle of 45 degrees, and the polarized light is screwed through the second polarizing nanostructure 111. It is possible to continue passing through the liquid crystal arrangement of the nematic produced. When no voltage is applied to the electrode layers 104A and 104B, the liquid crystal device causes the polarized light 10 to rotate by approximately 90 degrees, and all of the light whose optical axis is offset by 135 degrees from the polarization of the light source polarized light 10 is the polarizer. It is possible to input to 112 and pass through the polarizer. The optical axis of the polarizer 112 is selected to be 135 degrees to accommodate both a 90 degree rotation through the liquid crystal as well as an initial 45 degree rotation through the isolator. The limiting voltage applied to the electrodes 104A and 104B tends to cause the liquid crystal molecules to twist back or align along the electric field, resulting in partial rotation of the input light 10 and output polarization nanostructures. Resulting in a partial delay of light 10 through 112. The reference voltage applied to the electrodes 104A and 104B results in the molecular alignment almost completely following the electric field, and does not substantially rotate the light 10 passing through the liquid crystal. In this state, the output nanostructure polarizer 112 blocks light that has passed through. This state defines the maximum attenuation or extinction state of the liquid crystal variable optical attenuator. In all states, any return of reflected light that has passed through the second polarizer 111 is further rotated 45 degrees through the Faraday rotator substrate 110A and finally absorbed by the first polarizer 101.

図4cは、一体化されたヒータ/温度センサ108が組み込まれた液晶セルプラットホームの例を示す。ヒータ/温度センサ108は、前記液晶装置の温度を読むためだけでなく、熱エネルギーを液晶可変光学減衰器に適用するために、本発明のすべての実施例に設定することができる任意の選択機構である。この特徴は、引き続く処理ステップおよびエレクトロニクス制御系のセクションの中で説明されるであろう。   FIG. 4 c shows an example of a liquid crystal cell platform incorporating an integrated heater / temperature sensor 108. The heater / temperature sensor 108 is an optional selection mechanism that can be set in all embodiments of the present invention not only to read the temperature of the liquid crystal device but also to apply thermal energy to the liquid crystal variable optical attenuator. It is. This feature will be explained in the subsequent processing steps and electronics control section.

図5は、液晶セルプラットホーム100を作成するための組立て工程の一例を示す。形成される構成の実施例に応じて、様々な付加ステップを除去することができる。   FIG. 5 shows an example of an assembly process for creating the liquid crystal cell platform 100. Depending on the implementation of the configuration to be formed, various additional steps can be eliminated.

図5について、第1ステップは、サブ波長ナノ構造回折格子要素を基板に組み込むことを含む。第1実施例では、このステップは、もっぱらガラス基板110Aにサブ波長偏光回折格子111を一体化することを含む。第2実施例では、このステップは、ガラス基板110Aにサブ波長偏光回折格子111を、またガラス基板110Bにサブ波長回折偏光子112をそれぞれ一体化することを含む。第3の実施例では、このステップは、ファラデー回転子基板110Aの頂面にサブ波長偏光回折格子111を、またファラデー回転子基板110Aの底面にサブ波長偏光回折格子101を一体化することを含む。第4実施例では、このステップは、基板110Aに第4実施例のサブ波長偏光回折格子112を、ファラデー回転子基板110Bの頂面に第4実施例のサブ波長偏光回折格子111を、またファラデー回転子基板110Bの底面に第4実施例のサブ波長偏光回折格子101を、それぞれ一体化することを含む。前記した特徴構造を一体化した基板は、ニュージャージに所在の「ナノオプト社(NanoOpto Corporation)」から入手可能である。しかしながら、回折格子の構成は、また、表面レリーフフォトレジストパターンが、ナノメートルの範囲で回折格子構造を成形すべくエッチングが行われる基板の上の表面レリーフパターンを作成するためにフォトレジストにリファレンス回折格子マスクを押印する分野で知られたナノインプリントリソグラフィまたは同様な方法を用いて基板110Aおよび110Bに組み込むことができる。モデリングナノ構造回折格子の当業者にとって、各偏光子の光軸を形成するために適切な周期および回折格子のサイズを選ぶことができることは明白である。これに代えて、基板材料の選択によって偏光子を基板に組み込むことができる。 例えば、前記基板は「コーニング社(Corning, Inc.)」によって作られた偏光ガラスとすることができる。   For FIG. 5, the first step involves incorporating a subwavelength nanostructured grating element into the substrate. In the first embodiment, this step includes integrating the sub-wavelength polarization diffraction grating 111 exclusively on the glass substrate 110A. In the second embodiment, this step includes integrating the sub-wavelength polarization diffraction grating 111 on the glass substrate 110A and the sub-wavelength diffraction polarizer 112 on the glass substrate 110B. In the third embodiment, this step includes integrating the sub-wavelength polarization diffraction grating 111 on the top surface of the Faraday rotator substrate 110A and the sub-wavelength polarization diffraction grating 101 on the bottom surface of the Faraday rotator substrate 110A. . In the fourth embodiment, this step includes the subwavelength polarization diffraction grating 112 of the fourth embodiment on the substrate 110A, the subwavelength polarization diffraction grating 111 of the fourth embodiment on the top surface of the Faraday rotator substrate 110B, and the Faraday. This includes integrating the sub-wavelength polarization diffraction grating 101 of the fourth embodiment on the bottom surface of the rotor substrate 110B. A substrate with the above-described feature structure integrated is available from “NanoOpto Corporation” located in New Jersey. However, the diffraction grating configuration also allows the surface relief photoresist pattern to be diffracted into the reference photoresist to create a surface relief pattern on the substrate that is etched to form a grating structure in the nanometer range. Nanoimprint lithography known in the field of imprinting grating masks or similar methods can be used to incorporate into substrates 110A and 110B. It will be apparent to those skilled in the art of modeling nanostructured diffraction gratings that the appropriate period and diffraction grating size can be chosen to form the optical axis of each polarizer. Alternatively, a polarizer can be incorporated into the substrate by selection of the substrate material. For example, the substrate may be a polarizing glass made by “Corning, Inc.”.

第2ステップは、前記液晶電極を成形するために前記第1および第2のガラス基板に適正なITO(インジウム錫酸化物)パターンを付加することを含む。図5の処理フロー202について、標準のPECVD工程を約100オングストロームの厚さのITO薄膜を付けるのに用いても良い。図6Aおよび6Bは、それぞれ基板110Aおよび110Bにパターンを付けるために使われるITOのマスク例を示す。   The second step includes adding an appropriate ITO (indium tin oxide) pattern to the first and second glass substrates to form the liquid crystal electrode. For the process flow 202 of FIG. 5, a standard PECVD process may be used to apply an ITO film about 100 angstroms thick. FIGS. 6A and 6B show example ITO masks used to pattern the substrates 110A and 110B, respectively.

第3ステップは、ポリイミド配列層を前記第1および第2のガラス基板に付加することを含む。図5の処理フロー203について、各基板に約600オングストロームの厚さのポリイミド層を形成するために、室温での標準スピンコートステップ処理を用いることができる。   The third step includes adding a polyimide alignment layer to the first and second glass substrates. For the process flow 203 of FIG. 5, a standard spin coat step process at room temperature can be used to form a polyimide layer about 600 angstroms thick on each substrate.

第4ステップは、前記ポリイミド層のパターニングを含む。処理204について、フォトレジストは、最初に、前記基板に適用されて、従来のフォトリソグラフィ技術を使ってマスキングされ、あるいは、前記基板のパターニングにレーザーエッチングを用いることができる。その後、ウエットまたはドライエッチングが施されることにより、ポリイミドのパターンが形成される。   The fourth step includes patterning the polyimide layer. For process 204, a photoresist is first applied to the substrate and masked using conventional photolithography techniques, or laser etching can be used to pattern the substrate. Thereafter, wet or dry etching is performed to form a polyimide pattern.

第5ステップは、液晶配列層を固着することを含む。処理ステップ205について、1つの従来方法は、前記配列層を形成するために各基板の前記ポリイミドを摩擦することである。ねじられたネマチックの形態では、前記第1の基板の摩擦方向は第2の基板の摩擦方角に直角である。電子的に伝導性の複屈折(ECB)形態では、前記第1の基板の摩擦方向は第2の基板の摩擦方向と平行している。種々の固定案により、0度または90度以外の摩擦角とすることができる。前記配列層を形成する他の方法は、インプリントリソグラフィ技術を使用することであり、この技術では、リファレンスマスクが、ナノスケールの許容範囲で高精度な配列溝を成形すべく、後でエッチングを受けるフォトレジストの表面レリーフパターンを作成するために堆積されたフォトレジスト層の上に押される。   The fifth step includes fixing the liquid crystal alignment layer. For process step 205, one conventional method is to rub the polyimide on each substrate to form the alignment layer. In the twisted nematic form, the friction direction of the first substrate is perpendicular to the friction direction of the second substrate. In an electronically conductive birefringence (ECB) configuration, the friction direction of the first substrate is parallel to the friction direction of the second substrate. A friction angle other than 0 degree or 90 degrees can be obtained by various fixing plans. Another method for forming the alignment layer is to use an imprint lithography technique, in which the reference mask is later etched to form a highly accurate alignment groove with nanoscale tolerance. It is pressed onto the deposited photoresist layer to create a surface relief pattern of the receiving photoresist.

付加的な第6ステップは、能動的な熱素子である一体的なヒータおよび温度センサを形成することを含む。図7Aおよび7Bは、図5の処理ステップ206に関して使用されるマスクの例を示し、最初にクロムの種接着層が前記基板の上に厚さ約200オングストロームで堆積され、続いてPECVDにより、約2000オングストロームの厚さの薄膜白金抵抗層が堆積され、該層が一体的な前記ヒータ/温度センサの上部と下部とを形成する。前記基板110Aおよび110Bに適用された一体的な前記デバイスの上部と下部とは、エアギャップによって約9.6ミクロン隔てられており、引き続く第8ステップで説明される金属堆積ステップで形成された複数のビア(VIAS)によって相互に接続される。ギャップ厚さは、例として述べられており、要求される用途に応じて変化するであろう。白金薄膜抵抗は、図面7Aおよび7Bの蛇行パターンと同様に、形態に応じて、アーチ状、曲線状、円形状、ジグザグ状および帯状に限定されないが、これらを含む様々な形状にパターン化することができる。薄膜白金は、ほぼ10.6×10E-8オームメートルの抵抗率を与えられ、例えば、薄膜の体積に応じて、室温で約500から2000オームの抵抗を生じる。   An additional sixth step includes forming an integral heater and temperature sensor that are active thermal elements. FIGS. 7A and 7B show examples of masks used with respect to process step 206 of FIG. 5, in which a chromium seed adhesion layer is first deposited on the substrate at a thickness of about 200 Å, followed by PECVD. A 2000 Angstrom thick thin film platinum resistance layer is deposited, which forms the upper and lower portions of the integral heater / temperature sensor. The upper and lower parts of the integrated device applied to the substrates 110A and 110B are separated by about 9.6 microns by an air gap, and are formed by the metal deposition step described in the subsequent eighth step. Are mutually connected by vias (VIAS). The gap thickness is described as an example and will vary depending on the required application. The platinum thin film resistor is not limited to an arch, a curve, a circle, a zigzag, or a band, depending on the form, like the meander pattern of FIGS. 7A and 7B, but can be patterned into various shapes including these. Can do. Thin film platinum is given a resistivity of approximately 10.6 × 10E-8 ohm meters, resulting in a resistance of about 500 to 2000 ohms at room temperature, depending on the volume of the film, for example.

第7ステップは、スペーサ要素107の形成を含む。スペーサ要素107は液晶セルのギャップ厚さを制御する。前記スペーサ要素を各基板上に等しくかつ均等に分配する必要はないが、完成したセルの所望ギャップ厚さの半値が各基板に堆積されるように、スペーサ要素107の厚さを規定することが好ましい。結合されたセル100のギャップ厚さは、したがって堆積工程に基づく許容範囲で成形される。二酸化ケイ素がスペーサ要素を作成する好ましい材料であるが、酸化アルミニウム、窒化ケイ素、一酸化ケイ素のような実質的に圧縮されない薄膜堆積工程で互換性を持つ他の材料が、選ばれた液晶基板材料と互換性を持つならば、二酸化ケイ素にも代わるものとして用いることができる。図8Aおよび8Bは、図5の処理ステップ207を実行するために使われるマスク例を示し、各基板上に5ミクロンの厚さの二酸化ケイ素のパターン層が堆積されている。   The seventh step involves the formation of spacer elements 107. The spacer element 107 controls the gap thickness of the liquid crystal cell. Although it is not necessary to distribute the spacer elements equally and evenly on each substrate, the thickness of the spacer elements 107 can be defined so that half the desired gap thickness of the completed cell is deposited on each substrate. preferable. The gap thickness of the combined cell 100 is thus shaped to an acceptable range based on the deposition process. While silicon dioxide is the preferred material from which the spacer element is made, other materials that are compatible with substantially uncompressed thin film deposition processes such as aluminum oxide, silicon nitride, silicon monoxide are selected liquid crystal substrate materials Can be used as an alternative to silicon dioxide. FIGS. 8A and 8B show example masks used to perform process step 207 of FIG. 5 with a 5 micron thick patterned silicon dioxide layer deposited on each substrate.

第8ステップは金属ガスケット要素106の形成を含む。金属ガスケット要素108は、これらに限られないが、インジウム、金、ニッケル、錫、クロム、白金、タングステン、銀、ビスマス、ゲルマニウムおよび鉛のような種々の金属から形成することができる。しかし、その柔軟性および比較的低い溶融温度のため、インジウムを使うことが望ましい。図A9および9Bは、図5の処理ステップ208を実行するために使われるマスク例を示し、継続例のために、インジウムが、約7〜9ミクロンの厚さの層で、等しく前記各基板の上に堆積される。この処理ステップの金属ガスケット層は、前記付加の処理ステップの間に起こる漏出による前段階のスペーサ要素より厚く堆積されることは一般に望ましい。図9Aおよび9Bに示されているように、金属ガスケットマスクは、基板110Aまたは110Bのいずれかに堆積された材料間で電気的相互接続を可能にする関連する複数のビア(VIAS)300を成形するために構成される。複数のビア(VIAS)300は、また、温度センサと発熱体とに外部の接触パッドの取り回しを簡素化するために成形される。例えば、本実施例のビア(VIAS)300は、第6ステップで規定されたヒータ/温度センサ白金層に重複するように配置される。それらは、また、液晶セルの2つ電極を駆動するための接触パッドを規定するように、ITO層に重複するように配置される。   The eighth step includes forming the metal gasket element 106. The metal gasket element 108 can be formed from a variety of metals such as, but not limited to, indium, gold, nickel, tin, chromium, platinum, tungsten, silver, bismuth, germanium, and lead. However, it is desirable to use indium because of its flexibility and relatively low melting temperature. FIGS. A9 and 9B show example masks used to perform process step 208 of FIG. 5, and for the continuation example, indium is a layer approximately 7-9 microns thick, equally for each substrate. Deposited on top. It is generally desirable that the metal gasket layer of this processing step be deposited thicker than the previous spacer element due to leakage that occurs during the additional processing step. As shown in FIGS. 9A and 9B, the metal gasket mask forms associated vias (VIAS) 300 that allow electrical interconnection between materials deposited on either substrate 110A or 110B. Configured to do. A plurality of vias (VIAS) 300 are also formed to simplify the handling of external contact pads on the temperature sensor and the heating element. For example, the via (VIAS) 300 of this embodiment is disposed so as to overlap the heater / temperature sensor platinum layer defined in the sixth step. They are also arranged to overlap the ITO layer so as to define a contact pad for driving the two electrodes of the liquid crystal cell.

第9ステップは、ウエハ110Aをウエハ110Bに位置合わせし、押し付けることを含む。視認可能な位置合わせ照合マークを基礎の前記ウエハにエッチングで形成し、あるいはエッジまたは位置合わせ穴のような前記ガラス板の物理的特徴をウエハの位置合わせに用いることが知られている。しかしながら、高価な高精度配列装置を用いることなく2つの前記ガラス基板の相対的な位置合わせを正確におこなう高い歩留まり法が、ここに述べられており、それにより各基板を接合し、押し付ける間に前記板ガラスの相対移動を防止すべく、各基板上に形成された相補的な幾何的かみ合い構造物を相互に結合する。そのような連結構造物は、接合工程における如何なる不均一性をも緩和し、液晶セルの2枚のガラス板間の典型的なギャップが20マイクロメートルより少ないと仮定すると、薄膜形成またはスクリーニングの処理は、正確に制御されかつ反復可能な幾何学的構造物の形成に用いることができる。図5の処理ステップ209について、前記基板110Aおよび110Bは、両基板から形成されたサンドイッチ構造のスペーサ要素によって規定されるギャップ距離で化学結合金属ガスケットを成形するために、室温の圧力の下で、位置合わせされ接合される。   The ninth step includes aligning and pressing wafer 110A to wafer 110B. It is known to form a visible alignment reference mark on the underlying wafer by etching, or to use physical features of the glass plate such as edges or alignment holes for wafer alignment. However, a high yield method is described herein that accurately performs the relative alignment of the two glass substrates without the use of an expensive high precision array device, thereby joining and pressing each substrate. In order to prevent relative movement of the glass sheets, complementary geometric interlocking structures formed on each substrate are coupled to each other. Such a connection structure mitigates any non-uniformity in the bonding process and assumes that the typical gap between the two glass plates of the liquid crystal cell is less than 20 micrometers, a thin film formation or screening process. Can be used to form precisely controlled and repeatable geometric structures. For process step 209 of FIG. 5, the substrates 110A and 110B are under room temperature pressure to mold a chemically bonded metal gasket with a gap distance defined by a sandwich spacer element formed from both substrates. Aligned and joined.

第10ステップは、ウエハのダイシングを含む。図5の処理ステップ210は、ダイシングソーまたはビア(via)エッチング技術を用いて行うことができる。   The tenth step includes wafer dicing. Process step 210 of FIG. 5 can be performed using a dicing saw or via etching technique.

第11ステップは、液晶セルから保護ガラスの一部を除去することを含む。図10Aは、本発明の完成した実施例における前記基板間の該基板を介して結合された種々の層の上面透視図を示す。図5の処理211について、基板110Bは、基板の厚さの約90%の溝を切り図10Aの分離線119を形成するために、ダイアモンドのダイシングソーを使って刻み目を入れられる。基板110Bの一部は、液晶注入孔115、内在する液晶電極接触パッド500および500′および内在する液晶ヒータ/温度センサ素子電気接触パッド502および502′へのアクセスを許す図10Bのアクセス表面113を規定するために、分離線119に沿って分離される。   The eleventh step includes removing a part of the protective glass from the liquid crystal cell. FIG. 10A shows a top perspective view of the various layers bonded through the substrates between the substrates in a completed embodiment of the invention. For process 211 of FIG. 5, substrate 110B is scored using a diamond dicing saw to cut a groove about 90% of the thickness of the substrate to form separation line 119 of FIG. 10A. A portion of substrate 110B provides access surface 113 of FIG. 10B allowing access to liquid crystal injection hole 115, underlying liquid crystal electrode contact pads 500 and 500 'and underlying liquid crystal heater / temperature sensor element electrical contact pads 502 and 502'. To define, they are separated along a separation line 119.

第12ステップは、液晶装置を液晶分子で満たす(図5の処理212)ことを含む。このステップは、液晶セルを満たす従来方法を使って、行なうことができ、セルが真空中に置かれて、液滴サイズの液晶物質が注入孔115に入れられ、真空の解除による平衡圧が液晶物質を注入孔115に押し込み、該注入孔に栓が施される。前記注入孔を閉じるために、UV硬化エポキシ樹脂の他、前記注入孔にふたを被せる種々の技術を用いることができる。   The twelfth step includes filling the liquid crystal device with liquid crystal molecules (process 212 of FIG. 5). This step can be performed using conventional methods to fill the liquid crystal cell, where the cell is placed in a vacuum, a liquid crystal material of droplet size is placed in the injection hole 115, and the equilibrium pressure due to the release of the vacuum is adjusted to the liquid crystal. A substance is pushed into the injection hole 115 and the injection hole is plugged. In order to close the injection hole, in addition to the UV curable epoxy resin, various techniques for covering the injection hole can be used.

エレクトロニクス制御系
液晶セルシステムに向けられた構成要素のブロックダイヤグラムとそのホストコントローラが、本発明の液晶熱管理および電圧制御サブシステムとともに、図11に示されており、以下、さらに詳しく説明する。
Electronics Control System A block diagram of components directed to a liquid crystal cell system and its host controller are shown in FIG. 11 along with the liquid crystal thermal management and voltage control subsystem of the present invention and will be described in further detail below.

一つの実施例では、ホストコンピュータ400は、全二重データインタフェースでマイクロコントローラ402と通信するように構成されており、ホストコンピュータが機能を働かせ、コマンドを送り、マイクロコントローラ402からデータを検索することが可能である。マイクロコントローラは、ソフトウェア制御ルーチンを保持するように構成されている。ソフトウェア制御ルーチンは、気温の変動に応じて液晶セルに供給される駆動電圧を調整するように機能する。   In one embodiment, the host computer 400 is configured to communicate with the microcontroller 402 over a full-duplex data interface so that the host computer can function and send commands and retrieve data from the microcontroller 402. Is possible. The microcontroller is configured to hold software control routines. The software control routine functions to adjust the drive voltage supplied to the liquid crystal cell in accordance with temperature fluctuations.

マイクロコントローラは、セルがほぼ一定の温度で保持されるように、一体化されたセンサ/ヒータ機器で温度感知および加熱機能を多重化する時分割多重化スキームを利用する。較正処理は、セルのプロファイルを特徴付けており、与えられた温度とセルの状態入力のために最適な駆動電圧出力を提供する多項式の回帰式を生成する。マイクロコントローラ402は、液晶セルの状態および回帰式を記憶し、温度を補償する駆動電圧を計算しこれをアサートするために、液晶セルの温度を読む。   The microcontroller utilizes a time division multiplexing scheme that multiplexes temperature sensing and heating functions with an integrated sensor / heater device such that the cell is held at a substantially constant temperature. The calibration process characterizes the cell profile and generates a polynomial regression equation that provides the optimal drive voltage output for a given temperature and cell state input. The microcontroller 402 stores the state of the liquid crystal cell and the regression equation, reads the temperature of the liquid crystal cell to calculate and assert a drive voltage that compensates for the temperature.

図11は、本発明の方法を行なうために使用される較正処理を示し、液晶セルの熱動作特性プロファイルが、温度とセル状態とに応じてセルに印加される駆動電圧を調整するために使用される記憶された回帰式に組み入れられた決定論的な係数に変換されている。 FIG. 11 shows the calibration process used to perform the method of the present invention, where the thermal operating characteristic profile of the liquid crystal cell is used to adjust the drive voltage applied to the cell as a function of temperature and cell state. Has been converted to deterministic coefficients incorporated into the stored regression equation.

セル温度および電圧補償プロファイルにおける係数値を決定する第1ステップは、温度の範囲に亘って液晶セルの駆動特性を描くことである。プロファイル処理ステップ601では、所定の電圧と温度との組合せで、前記セルを通過する光源とその減衰とを試験する。動作可能の液晶セルは、所定の間隔で所望の温度の範囲に亘って動作温度を変更すべくプログラムされた熱室に置かれる。あらゆる温度変化間隔において、減衰などの動作特性が測定される間、一定範囲の電圧値が液晶セルに印加される。参照減衰レベルが達成されるまで、電圧はスキャンされ、その時点での電圧、減衰および温度レベルがセルプロファイル定義テーブルの格子点表示として記録される。液晶セルの性能は格子点減衰と複数の温度レベルで記録され、どのような温度と電圧の入力でも減衰レベル出力を提供する多次元ルックアップテーブルを結果として生じ、このテーブルは、三次元として表示される。   The first step in determining the coefficient values in the cell temperature and voltage compensation profile is to draw the driving characteristics of the liquid crystal cell over a range of temperatures. In the profile processing step 601, the light source passing through the cell and its attenuation are tested with a combination of a predetermined voltage and temperature. The operable liquid crystal cell is placed in a hot chamber programmed to change the operating temperature over a desired temperature range at predetermined intervals. At every temperature change interval, a voltage value in a certain range is applied to the liquid crystal cell while operating characteristics such as attenuation are measured. The voltage is scanned until the reference decay level is achieved, and the current voltage, decay and temperature levels are recorded as a grid point representation in the cell profile definition table. Liquid crystal cell performance is recorded at grid point attenuation and multiple temperature levels, resulting in a multi-dimensional lookup table that provides attenuation level output at any temperature and voltage input, which is displayed as three-dimensional Is done.

第2ステップは、前段階において記録された所定の減衰レベルでの温度に関する電圧プロファイルを滑らかにするためにルックアップテーブルの処理を必要とする。マスマテカ・アンド・コマット(Mathematica & commat)など、回帰分析を実行することが可能な統計プログラムを処理ステップ602の実行に用いることができる。回帰ソフトウェアは第1ステップにおいて生成されたルックアップテーブルを備え、以下の公式で表された、各減衰レベルでのセルの電圧対温度プロファイルを表す適切な係数a、b、c、d、およびeを生成する4次数の回帰曲線適合処理を実行する。   The second step requires look-up table processing to smooth the temperature-related voltage profile at the predetermined attenuation level recorded in the previous stage. A statistical program capable of performing regression analysis, such as Mathematica & commat, can be used to perform process step 602. The regression software comprises the look-up table generated in the first step and the appropriate coefficients a, b, c, d, and e representing the cell's voltage versus temperature profile at each attenuation level, expressed as: 4th order regression curve fitting process is executed.

v = a + bT + cT2 + dT3 + eT4
v1 = a1 + b1T + c1T2 + d1T3 + e1T4
v2 = a2 + b2T + c2T2 + d2T3 + e2T4



vn = an + bnT + cnT2 + dnT3 + enT4
v = a + bT + cT 2 + dT 3 + eT 4
v 1 = a 1 + b 1 T + c 1 T 2 + d 1 T 3 + e 1 T4
v 2 = a 2 + b 2 T + c 2 T 2 + d 2 T 3 + e 2 T 4



v n = a n + b n T + c n T 2 + d n T 3 + e n T 4

ここで、Vは電圧、Tは液晶セル温度、a、b、c、dおよび eは曲線に適合する係数、nは減衰レベルである。 Here, V is a voltage, T is a liquid crystal cell temperature, a, b, c, d and e are coefficients that fit the curve, and n is an attenuation level.

滑らかな曲線が記録された格子点減衰レベルで所定の温度のために最適な駆動電圧レベルを規定する先のステップに起因していると仮定すると、第3ステップは、3次元表面の直交軸を横切って適合した滑らかな曲線の回帰式に帰着し、それによって円滑な曲線が第1ステップにおいて記録された粗い減衰格子点上に適合する。この処理ステップ603で、先のステップの5つの係数は、2次回帰によってそれぞれ解かれる。特にMathematica&commatあるいは適当なプログラムは、回帰式v”=an+bT+cT+d”T+e”Tのオーダーのすべてに亘って5つの係数a、b、c、dおよびeのそれぞれのプロファイルに適合した3つの係数のために解くように使われる。したがって、滑らかな表面のプロファイルは、以下の公式により、入力減衰状態および温度を与えられた最適な電圧補償レベルを規定する。 Assuming that a smooth curve is due to the previous step of defining the optimum drive voltage level for a given temperature at a recorded grid point attenuation level, the third step is the orthogonal axis of the three-dimensional surface. The result is a smooth curve regression equation fitted across, so that the smooth curve fits on the coarse attenuation grid points recorded in the first step. In this processing step 603, the five coefficients of the previous step are solved by quadratic regression, respectively. In particular, Mathematica & commat or a suitable program has 5 coefficients a, b, c, d and e, respectively, over the order of the regression equation v ″ = an + bT + cT 2 + d ″ T 3 + e ″ T 4 The smooth surface profile thus defines the optimal voltage compensation level given the input decay state and temperature by the following formula:

V=a+bT+cT+dT+eT、ここで
a = (X + Yθ+ Zθ2)
b = (X + Y1θ + Z1θ2)
c = (X2 +Y2θ + Z2θ)
d = (X3 + Y3θ + Z3θ2)
e = (X4 + Y4θ+ Z4θ2)
V = a + bT + cT 2 + dT 3 + eT 4 , where
a = (X + Yθ + Zθ 2 )
b = (X 1 + Y 1 θ + Z 1 θ 2 )
c = (X 2 + Y 2 θ + Z 2 θ 2 )
d = (X 3 + Y 3 θ + Z 3 θ 2 )
e = (X 4 + Y 4 θ + Z 4 θ 2 )

θは液晶減衰レベル
X, Y, Zは、0次係数の解、
X1, Yl, Zlは、1次係数の解
X2, Y2, Z2は、2次係数の解
X3, Y3, Z3は、3次係数の解
X4, Y4, Z4は、4次係数の解
θ is the liquid crystal attenuation level
X, Y, Z are the solutions of the zeroth order coefficient,
X 1 , Y l , Z l are the solutions of the first-order coefficients
X 2 , Y 2 , Z 2 are the solutions of the quadratic coefficients
X 3 , Y 3 , Z 3 are the solutions of the third order coefficient
X 4 , Y 4 , Z 4 are the solutions of the fourth-order coefficient

15個の係数解(Xn, Yn, Zn、ここでnは0から4まで)は、マスマテカ(Mathematica)により、適当な(データ、{l、x、x2、および…、xn}、x)関数または曲線適合回帰を実行可能な他の適当なソフトウェアパッケージを使って生成できる。 15 coefficients solutions (Xn, Yn, Zn, where n is from 0 to 4), by Masumateka (Mathematica), appropriate (data, {l, x, x 2, and ..., x n}, x ) Can be generated using a function or other suitable software package capable of performing curve fitting regression.

第4ステップは、図11の較正処理における最終ステップである処理606であり、説明中の液晶制御系の係数を記憶する。   The fourth step is a process 606, which is the final step in the calibration process of FIG. 11, and stores the coefficients of the liquid crystal control system being described.

液晶特性を描く係数は、適切な15個の係数値でマイクロコントローラ402のメモリ(図12)をフラッシュすることによって、該マイクロコントローラのメモリに保存することができる。   The coefficients describing the liquid crystal properties can be stored in the microcontroller memory by flashing the microcontroller 402 memory (FIG. 12) with the appropriate 15 coefficient values.

本発明の熱の補償システムは、液晶セルの温度を読み、セル状態に基づいてセルのドライブ電圧を調整することにより、動作する。セル状態は、一般にオフ、オンで動作させ、あるいは変数のモードの中で動作させることができる。セル状態は、マイクロコントローラ402に記憶され、またホストコンピュータ400を経て形成される。   The thermal compensation system of the present invention operates by reading the temperature of the liquid crystal cell and adjusting the cell drive voltage based on the cell state. Cell states can generally be operated off, on, or in variable mode. The cell state is stored in the microcontroller 402 and formed via the host computer 400.

アナログ−デジタル変換器を内部に有し10Mhzの水晶発振器404のクロックで動作するPICマイクロチップでマイクロコントローラを構成することができる。マイクロコントローラは、シリアルインターフェイスでマイクロコントローラからのパルスストリームの形態に応答して出力電圧レベルを提供するように形成されたデジタル・アナログ・コンバータ(DAC)に接続される。DACの出力端子は、約1.2kHzで前記マイクロコントローラのポートピンによって計時されるアナログスイッチ414の入力端子に接続される。DACに渡されたデータは、1.2kHzを超えるキャリアのAM送信の振幅を規定し、該キャリアは、液晶セル電極500および500′(図10B)への差動駆動電圧を生じる。   A microcontroller can be configured with a PIC microchip that has an analog-to-digital converter and operates with the clock of a 10 Mhz crystal oscillator 404. The microcontroller is connected to a digital to analog converter (DAC) configured to provide an output voltage level in response to the form of a pulse stream from the microcontroller at a serial interface. The output terminal of the DAC is connected to the input terminal of an analog switch 414 that is clocked by the microcontroller's port pin at about 1.2 kHz. The data passed to the DAC defines the AM transmission amplitude of the carrier above 1.2 kHz, which produces a differential drive voltage to the liquid crystal cell electrodes 500 and 500 ′ (FIG. 10B).

温度センサの示度は、外部装置から内部の一体的なヒータ/温度センサによって提供される。液晶セル100のヒータ/温度センサの電極502、502′の一方は接地され、その他方はスイッチ407に接続される。スイッチ407は、選択的に感知または加熱モードの一体的なヒータ/温度センサ素子108に連動する。
より詳細には、スイッチ407は、オンで、液晶セルの温度を読むマイクロコントローラに計装用増幅器406を通して結合されたADCに、接地されていないヒータ/温度電極を接続するように構成され、また、オフで、マイクロコントローラ402からのパルス列によって制御を受ける電力増幅器FET410であって前記デバイス108をヒータとして動作させるために電位差を印加する電力増幅器FET410に繋がるように構成されている。
The temperature sensor reading is provided by an internal heater / temperature sensor internal from an external device. One of the heater / temperature sensor electrodes 502 and 502 ′ of the liquid crystal cell 100 is grounded, and the other is connected to the switch 407. Switch 407 is operatively associated with an integral heater / temperature sensor element 108 in a sensing or heating mode.
More particularly, switch 407 is configured to connect an ungrounded heater / temperature electrode to an ADC coupled through an instrumentation amplifier 406 to a microcontroller that reads the temperature of the liquid crystal cell and is on. Off, the power amplifier FET 410 is controlled by a pulse train from the microcontroller 402 and is connected to the power amplifier FET 410 that applies a potential difference to operate the device 108 as a heater.

温度感知のためのフィードバック閉ループ(図11の処理ステップ607から609までに含まれるループとして参照される)の動作において、マイクロコントローラは、前記液晶セルの温度を読み、感知された温度Tおよび液晶セルの現状θに基づいて駆動電圧を計算する。15個の係数は、与えられた温度とセル減衰レベルとのために液晶セルに供給する最適な電圧を描く円滑な表面のプロファイルを確立する4次回帰式に、挿入し直される。   In the operation of a feedback closed loop for temperature sensing (referred to as the loop included in process steps 607 to 609 in FIG. 11), the microcontroller reads the temperature of the liquid crystal cell, and senses the temperature T and the liquid crystal cell. The driving voltage is calculated on the basis of the current state θ. The 15 coefficients are re-inserted into a quartic regression equation that establishes a smooth surface profile that describes the optimum voltage to supply to the liquid crystal cell for a given temperature and cell attenuation level.

v= (X + Yθ+ Zθ2) +
(Xl + Yθ + Zθ2) T +
(X2 + Y2θ + Z2θ2)T2 +
(X3 + Y3θ + Z3θ2)T3 +
(X4 + Y4θ + Z4θ2)T4
v = (X + Yθ + Zθ 2 ) +
(X l + Y 1 θ + Z 1 θ 2 ) T +
(X 2 + Y 2 θ + Z 2 θ 2 ) T 2 +
(X 3 + Y 3 θ + Z 3 θ 2 ) T 3 +
(X 4 + Y 4 θ + Z 4 θ 2 ) T 4

新たな電圧値Vが計算され、液晶セルへの温度補償がなされたAM駆動電圧を生じるために、計時されたアナログスイッチ414に適切な大きさの直流電圧を供給するDAC412に送られる。   A new voltage value V is calculated and sent to a DAC 412 that supplies a DC voltage of the appropriate magnitude to the timed analog switch 414 to generate an AM drive voltage that is temperature compensated for the liquid crystal cell.

液晶セルは、また、ほぼ基準温度に維持される。図11に関する処理ステップ609は、液晶セルの温度をほぼ基準温度に維持するために、加熱することを含む。基準温度は、周囲の室温を超えまたは前記LC(液晶)セルに結合されるすべての担体装置の温度を超えるかもしれない。周囲温度を超える基準温度を選択した場合は、急激な加熱を適用した後、周囲温度に遭遇するために結果として前記LCが冷却を受けるであろう。したがって、カウンタ熱のバイアスは、基準温度について温度安定性をサポートするために生成される。   The liquid crystal cell is also maintained at approximately the reference temperature. Process step 609 with respect to FIG. 11 includes heating to maintain the temperature of the liquid crystal cell at approximately the reference temperature. The reference temperature may exceed ambient room temperature or exceed the temperature of all carrier devices coupled to the LC (liquid crystal) cell. If a reference temperature is selected that exceeds the ambient temperature, after applying rapid heating, the LC will eventually be cooled to encounter the ambient temperature. Thus, a counter thermal bias is generated to support temperature stability with respect to the reference temperature.

前記マイクロコントローラのメモリは、基準温度、現温度値、温度履歴および前記LCに適用された加熱レベルの履歴を記憶しておくことができる。すべての場合、感知された温度Tの値は、液晶セルに適用される熱量を決定するために基準温度に比較される。8ビットのアナログ−デジタル変換器は、所望の温度範囲の全域に亘ってほぼ1/3度の温度感知解像度を提供するので、本実施例では、基準温度について摂氏1/3度以内での温度安定性を提供し得る。処理ステップ609のすべての例で、液晶セルの感知された温度が所望の動作基準温度を下回ると、マイクロコントローラのROM中に記憶された閾値検出器ルーチンは、制御機能を引き起こす。制御機能は、液晶セルにどれだけの熱を供給するかを決める。制御機能は、エラーを最小限にするルーチンを利用し、該ルーチンでは処理ステップ609の多数の例の全体で温度の変化を追跡する。エラー訂正ルーチンは、液晶セルに適用された先の熱量HOと共に、先の温度読み取り値TOを記憶することができる。温度読み取り値とそれに続くすべての温度読み取り値Tlは、液晶セルの先の加熱による温度変化の量を決定するために、前記TOに比較される。前記したように、熱は、FETパワードライバーを経て液晶セルに適用される。前記ヒータは、一定または可変のデューティ・サイクルで駆動され、周波数変調または振幅変調で制御を受ける。   The memory of the microcontroller can store a reference temperature, a current temperature value, a temperature history, and a history of the heating level applied to the LC. In all cases, the sensed temperature T value is compared to a reference temperature to determine the amount of heat applied to the liquid crystal cell. Since the 8-bit analog-to-digital converter provides a temperature sensing resolution of approximately 1/3 degrees over the desired temperature range, in this embodiment, the temperature within 1/3 degrees Celsius for the reference temperature. May provide stability. In all examples of process step 609, when the sensed temperature of the liquid crystal cell falls below the desired operating reference temperature, the threshold detector routine stored in the microcontroller ROM triggers a control function. The control function determines how much heat is supplied to the liquid crystal cell. The control function utilizes a routine that minimizes errors, which tracks temperature changes throughout a number of examples of process step 609. The error correction routine can store the previous temperature reading TO together with the previous heat quantity HO applied to the liquid crystal cell. The temperature reading and all subsequent temperature readings Tl are compared to the TO to determine the amount of temperature change due to previous heating of the liquid crystal cell. As described above, heat is applied to the liquid crystal cell via the FET power driver. The heater is driven at a constant or variable duty cycle and is controlled by frequency modulation or amplitude modulation.

本発明は、明細書および添付の図面により充分に説明されているが、当業者にとって、種々の変更および改良が明白であろう。例えば、基本的なセルプラットホーム中のスペーサ要素、金属ガスケットおよび一体化されたヒータ/温度センサ素子を成形するために、種々のパターンを用いることができる。本発明の温度補償方法および回帰に、部分的または全体的に外部の温度センサとヒータとを使うことができる。金属ガスケットは、防湿支持膜としての機能に加えて、これに加熱機能を与えるべく調整することができる。エポキシ樹脂ガスケットは、部分または全体的に金属ガスケット要素との組み合わせで用いることができ、金属ガスケット要素は1つのはんだキャップを含むことができる。またセル内に液晶物質配列させ、また固定させることは、写真配列物質である、スイスのVantioによるStaralignを使って行うことができ、またはレーザーエッチングを含む他の既知の配列方法を用いることができる。セル内に液晶物質を固定させる(第5ステップ)ことは、ポリイミドのパターニング(第4ステップ)前に実行することができる。加熱過程は、駆動電圧を適用することに先がけて実行されるように、閉ループ温度フィードバックのための処理ステップを組み替えることができる。3次元面の各次元に電圧をフィットさせる次数は可逆であり、第4次多項式にフィットする一次元および2次多項式にフィットする他の次元を含み、これに限定されないが、アルゴリズムにフィットする他の3次元面が使用可能である。振幅変調または周波数変調は、液晶セルの駆動に用いることができる。本発明の第4実施例は、本発明の第3実施例の一体化した温度センサ/発熱体で設定することができる。液晶セルは単一のピクセルに限定されない。液晶セルは多数のピクセルから成ってもよい。液晶セルの配列は、1ピクセル以上を持つセルの配列を含んで成形することができる。したがって、ここに定義されたそれらの抽象概念からの種々の変更および改造は、本発明の範囲を逸脱しない限り、請求項に含まれると解釈されるべきである。   While the invention has been fully described by the specification and the accompanying drawings, various changes and modifications will become apparent to those skilled in the art. For example, various patterns can be used to mold spacer elements, metal gaskets and integrated heater / temperature sensor elements in a basic cell platform. External temperature sensors and heaters can be used in part or in whole for the temperature compensation method and regression of the present invention. The metal gasket can be adjusted to provide a heating function in addition to the function as a moisture-proof support film. Epoxy resin gaskets can be used partially or entirely in combination with a metal gasket element, which can include one solder cap. The alignment and fixation of the liquid crystal material in the cell can also be performed using the photoalignment material, Staralign by Vantio, Switzerland, or other known alignment methods including laser etching can be used. . Fixing the liquid crystal material in the cell (fifth step) can be performed before the polyimide patterning (fourth step). The processing steps for closed loop temperature feedback can be recombined so that the heating process is performed prior to applying the drive voltage. The order of fitting the voltage to each dimension of the 3D surface is reversible, including, but not limited to, one dimension that fits the fourth order polynomial and other dimensions that fit the second order polynomial. These three-dimensional surfaces can be used. Amplitude modulation or frequency modulation can be used to drive the liquid crystal cell. The fourth embodiment of the present invention can be set by the integrated temperature sensor / heating element of the third embodiment of the present invention. The liquid crystal cell is not limited to a single pixel. A liquid crystal cell may consist of a number of pixels. The liquid crystal cell array can be formed to include an array of cells having one or more pixels. Accordingly, various changes and modifications from those abstractions defined herein are to be construed as included in the claims without departing from the scope of the invention.

一体化された偏光子基板を有する液晶減衰器の第1実施例を示す。1 shows a first embodiment of a liquid crystal attenuator having an integrated polarizer substrate. 一体化された偏光子基板を有する液晶減衰器の第1実施例を示す。1 shows a first embodiment of a liquid crystal attenuator having an integrated polarizer substrate. 一体化された第2の偏光子基板の光軸に直角な光軸を有する一体化された第1の偏光子基板を有する液晶減衰器の第2の実施例を示す。2 shows a second embodiment of a liquid crystal attenuator having an integrated first polarizer substrate having an optical axis perpendicular to the optical axis of the integrated second polarizer substrate. 一体化された第2の偏光子基板の光軸に直角な光軸を有する一体化された第1の偏光子基板を有する液晶減衰器の第2の実施例を示す。2 shows a second embodiment of a liquid crystal attenuator having an integrated first polarizer substrate having an optical axis perpendicular to the optical axis of the integrated second polarizer substrate. 一体化されたアイソレータ基板を有する液晶減衰器の第3の実施例を示す。3 shows a third embodiment of a liquid crystal attenuator having an integrated isolator substrate. 一体化されたアイソレータ基板を有する液晶減衰器の第3の実施例を示す。3 shows a third embodiment of a liquid crystal attenuator having an integrated isolator substrate. 一体化された第1のアイソレータ基板と第2の偏光子基板とを有する液晶減衰器の第4の実施例を示す。4 shows a fourth embodiment of a liquid crystal attenuator having an integrated first isolator substrate and second polarizer substrate. 一体化された第1のアイソレータ基板と第2の偏光子基板とを有する液晶減衰器の第4の実施例を示す。4 shows a fourth embodiment of a liquid crystal attenuator having an integrated first isolator substrate and second polarizer substrate. 本発明の付加である一体的なヒータ/温度センサ構造の配置例を示す。An arrangement example of an integrated heater / temperature sensor structure, which is an addition of the present invention, is shown. 本発明の液晶減衰器を組み立てるための処理フローを示す。The processing flow for assembling the liquid crystal attenuator of this invention is shown. 本発明の電極形成用マスクの例を示す。The example of the mask for electrode formation of this invention is shown. 本発明の電極形成用マスクの例を示す。The example of the mask for electrode formation of this invention is shown. 本発明の一体的な能動的温度要素形成用マスクマスクの例を示す。2 shows an example of an integral active temperature element forming mask of the present invention. 本発明の一体的な能動的温度要素形成用マスクマスクの例を示す。2 shows an example of an integral active temperature element forming mask of the present invention. 本発明のスペーサ要素形成用マスクの例を示す。The example of the mask for spacer element formation of this invention is shown. 本発明のスペーサ要素形成用マスクの例を示す。The example of the mask for spacer element formation of this invention is shown. 本発明の金属ガスケット要素層を形成するためのマスクの例を示す。2 shows an example of a mask for forming the metal gasket element layer of the present invention. 本発明の金属ガスケット要素層を形成するためのマスクの例を示す。2 shows an example of a mask for forming the metal gasket element layer of the present invention. 本発明の種々の層間の関係を示す一体的な透視図の平面図の例を示す。FIG. 3 shows an example of a plan view of an integrated perspective view showing the relationship between the various layers of the present invention. 組立てプロセスの終了での液晶減衰器を示す等角図である。FIG. 5 is an isometric view showing the liquid crystal attenuator at the end of the assembly process. 液晶減衰器の熱較正および帰還ループ法のフローを示す。The flow of the thermal calibration of the liquid crystal attenuator and the feedback loop method is shown. 本発明の電子制御および温度管理システムのためのブロックシステム図を示す。1 shows a block system diagram for an electronic control and temperature management system of the present invention. FIG.

符号の説明Explanation of symbols

100 液晶可変光学減衰器
104A 第1の電極層
104B 第2の電極層
106A、106B 金属ガスケット層
107A、107B スペーサ層
108A、108B ヒータ/温度センサ素子(能動的熱素子)
109A 第1の液晶配列層
109B 第2の液晶配列層
110A 第1の基板
110B 第2の基板
111、112 サブ波長ナノ構造回折格子偏光子
100 Liquid crystal variable optical attenuator 104A First electrode layer 104B Second electrode layer 106A, 106B Metal gasket layer 107A, 107B Spacer layer 108A, 108B Heater / temperature sensor element (active thermal element)
109A First liquid crystal alignment layer 109B Second liquid crystal alignment layer 110A First substrate 110B Second substrate 111, 112 Sub-wavelength nanostructure diffraction grating polarizer

Claims (52)

サブ波長の回折格子偏光子がエッチングで形成された頂面および電極と配列層とを有する底面を備える第1の基板と、
第2のサブ波長の光学回折格子偏光子がエッチングで形成された底面および第2の電極と配列層とを有する頂面を有する第2の基板であって前記第2の偏光子が前記第1の基板上の前記偏光子と直角な光軸を有し、前記第2の基板の前記頂面が前記第1の基板の前記底面に対向して配置される第2の基板と、
前記第1および第2の基板間に結合された液晶とを含み、
前記第2の偏光子により該第2の偏光子と同一光軸を有する光学偏光信号が、前記液晶を通過するに伴い回転し、また、前記電極層を横切る電圧の印加に応じて可変的に減衰可能の可変光学減衰器。
A first substrate comprising a top surface formed by etching a sub-wavelength diffraction grating polarizer and a bottom surface having an electrode and an alignment layer;
A second substrate having a bottom surface on which an optical diffraction grating polarizer having a second sub-wavelength is formed by etching and a top surface having a second electrode and an alignment layer, wherein the second polarizer is the first substrate. A second substrate having an optical axis perpendicular to the polarizer on the substrate, wherein the top surface of the second substrate is disposed to face the bottom surface of the first substrate;
A liquid crystal coupled between the first and second substrates,
An optical polarization signal having the same optical axis as the second polarizer is rotated by the second polarizer as it passes through the liquid crystal, and variably in response to application of a voltage across the electrode layer. Attenuable variable optical attenuator.
さらに、前記第1および第2の基板間に結合されたスペーサ層と、前記第1および第2基板に接合された金属ガスケット層とを含む、請求項1の可変光学減衰器。   The variable optical attenuator of claim 1, further comprising a spacer layer coupled between the first and second substrates and a metal gasket layer bonded to the first and second substrates. さらに、前記第1および第2の基板間に配置された能動的熱素子を含む、請求項2の可変光学減衰器。   The variable optical attenuator of claim 2, further comprising an active thermal element disposed between the first and second substrates. 前記スペーサ層は、二酸化ケイ素、酸化アルミニウム、窒化ケイ素および一酸化ケイ素のグループから選ばれた一つ以上の材料を含む、請求項2の可変光学減衰器。   The variable optical attenuator of claim 2, wherein the spacer layer comprises one or more materials selected from the group of silicon dioxide, aluminum oxide, silicon nitride, and silicon monoxide. 前記金属ガスケット層は、インジウム、金、ニッケル、錫、クロム、白金、タングステン、銀、ビスマス、ゲルマニウムおよび鉛のグループから選ばれた一つ以上の材料を含む、請求項2の可変光学減衰器。   The variable optical attenuator of claim 2, wherein the metal gasket layer comprises one or more materials selected from the group of indium, gold, nickel, tin, chromium, platinum, tungsten, silver, bismuth, germanium, and lead. 両基板はガラス製品である、請求項2の可変光学減衰器。   3. The variable optical attenuator of claim 2, wherein both substrates are glass products. 前記スペーサおよび金属ガスケット層は堆積された薄膜である、請求項2の可変光学減衰器。   The variable optical attenuator of claim 2, wherein the spacer and metal gasket layer are deposited thin films. 前記能動的熱素子は前記第1および第2の基板上に堆積されている、請求項3の可変光学減衰器。   4. The variable optical attenuator of claim 3, wherein the active thermal element is deposited on the first and second substrates. 前記能動的熱素子は前記液晶セルの周囲をほぼ取り囲んで配置されている、請求項3の可変光学減衰器。   4. The variable optical attenuator of claim 3, wherein the active thermal element is disposed substantially surrounding the liquid crystal cell. 前記能動的熱素子は蛇行パターンで配列されている、請求項3の可変光学減衰器。   4. The variable optical attenuator of claim 3, wherein the active thermal elements are arranged in a serpentine pattern. 前記能動的熱素子は加熱および温度感知能力を備える、請求項3の可変光学減衰器。   The variable optical attenuator of claim 3, wherein the active thermal element comprises heating and temperature sensing capabilities. 前記能動的熱素子はクロム−白金からなる、請求項3の可変光学減衰器。   The variable optical attenuator of claim 3, wherein the active thermal element comprises chromium-platinum. さらに、前記金属スペーサ層と前記第1または第2の電極との間に形成された少なくとも一つのビアを含む、請求項3の可変光学減衰器。   4. The variable optical attenuator of claim 3, further comprising at least one via formed between the metal spacer layer and the first or second electrode. さらに、前記能動的熱素子と前記金属スペーサ層との間に形成された少なくとも一つのビアを含む、請求項3の可変光学減衰器。   The variable optical attenuator of claim 3, further comprising at least one via formed between the active thermal element and the metal spacer layer. 前記能動的熱素子は前記可変光学減衰器の温度の決定に用いられる抵抗値を提供する電極を有する、請求項3の可変光学減衰器。   4. The variable optical attenuator of claim 3, wherein the active thermal element includes an electrode that provides a resistance value used to determine the temperature of the variable optical attenuator. さらに、マイクロコントローラおよびスイッチを含み、該スイッチは、前記能動的熱素子から前記マイクロコントローラへの抵抗値および前記マイクロコントローラから前記能動的熱素子への電圧信号のルーティングを前記スイッチの状態が制御するように、前記能動熱素子に接続されている、請求項15の可変光学減衰器。   The switch further includes a microcontroller and a switch, the switch controlling the resistance value from the active thermal element to the microcontroller and the routing of voltage signals from the microcontroller to the active thermal element. The variable optical attenuator of claim 15 connected to the active thermal element. 金属ガスケット材料層により形成されたビアが前記第1および第2の基板間で前記熱素子に結合されている、請求項16の可変光学減衰器。   The variable optical attenuator of claim 16, wherein a via formed by a layer of metal gasket material is coupled to the thermal element between the first and second substrates. サブ波長の回折格子偏光子がエッチングで形成された頂面および第1の電極層と第1の配列層とを有する底面を備える第1の基板と、
第2の電極層を有する頂面と前記第1の配列層に直角な方向に固定された第2の配列層とを含む第2の基板であって前記第1の基板の前記底面に対向して配置される第2の基板と、
前記第1および第2の基板間に結合された液晶と、
前記第1および第2の基板間に結合されたスペーサ層と、
前記第1および第2の基板に接合された金属ガスケット層とを含み、
第2の基板を通過する光学信号が、前記液晶を通過するに伴いその偏光を回転させ、また、電圧の印加に応じて、前記第1の基板上の前記偏光子により、可変的に減衰可能の可変光学減衰器。
A first substrate comprising a top surface formed by etching a sub-wavelength diffraction grating polarizer and a bottom surface having a first electrode layer and a first alignment layer;
A second substrate including a top surface having a second electrode layer and a second alignment layer fixed in a direction perpendicular to the first alignment layer, and facing the bottom surface of the first substrate. A second substrate arranged
A liquid crystal coupled between the first and second substrates;
A spacer layer coupled between the first and second substrates;
A metal gasket layer bonded to the first and second substrates,
An optical signal passing through the second substrate rotates its polarization as it passes through the liquid crystal, and can be variably attenuated by the polarizer on the first substrate in response to voltage application. Variable optical attenuator.
ファラデー回転子として機能させるのに適正な材料から成る第1の基板であってサブ波長の回折格子偏光子がエッチングで形成された頂面および底面を有し、これによりアイソレータとして前記基板を機能させるべく前記頂面の偏光子は前記底面の偏光子から45度のオフセット角を有し、さらに前記第1の基板は前記底面に第1の電極層と第1の配列層とを含む第1の基板と、
第2の電極層と前記第1の配列層に直角な方向に固定された第2の配列層とを有する頂面を含む第2の基板であって前記第1の基板の前記底面に対向して配置された第2の基板と、
前記第1および第2の基板間に結合された液晶とを含み、
第2の基板を通過する光学信号が、前記液晶を通過するに伴いその偏光を回転させ、前記電極層の電圧の印加に応じて、前記第1の基板上の前記偏光子により可変的に減衰可能であり、また前記第1の基板から形成された前記アイソレータにより分離される可変光学減衰器。
A first substrate made of a material suitable for functioning as a Faraday rotator, having a top surface and a bottom surface formed by etching a sub-wavelength diffraction grating polarizer, thereby allowing the substrate to function as an isolator Therefore, the top polarizer has an offset angle of 45 degrees from the bottom polarizer, and the first substrate includes a first electrode layer and a first alignment layer on the bottom. A substrate,
A second substrate including a top surface having a second electrode layer and a second alignment layer fixed in a direction perpendicular to the first alignment layer, the second substrate facing the bottom surface of the first substrate. A second substrate arranged
A liquid crystal coupled between the first and second substrates,
An optical signal passing through the second substrate rotates its polarization as it passes through the liquid crystal, and is variably attenuated by the polarizer on the first substrate in response to application of the voltage of the electrode layer. A variable optical attenuator that is possible and is separated by the isolator formed from the first substrate.
さらに、前記第1および第2の基板間に結合されたスペーサ層と、前記第1および第2の基板に接合された金属ガスケット層とを含む、請求項19の可変光学減衰器。   20. The variable optical attenuator of claim 19, further comprising a spacer layer coupled between the first and second substrates and a metal gasket layer bonded to the first and second substrates. さらに、前記第1および第2の基板間に配置された能動的熱素子を含む、請求項20の可変光学減衰器。   21. The variable optical attenuator of claim 20, further comprising an active thermal element disposed between the first and second substrates. 前記スペーサ層は、二酸化ケイ素、酸化アルミニウム、窒化ケイ素および一酸化ケイ素のグループから選ばれた一つ以上の材料を含む、請求項20の可変光学減衰器。   21. The variable optical attenuator of claim 20, wherein the spacer layer comprises one or more materials selected from the group of silicon dioxide, aluminum oxide, silicon nitride, and silicon monoxide. 前記金属ガスケット層は、インジウム、金、ニッケル、錫、クロム、白金、タングステン、銀、ビスマス、ゲルマニウムおよび鉛のグループから選ばれた一つ以上の材料を含む、請求項20の可変光学減衰器。   21. The variable optical attenuator of claim 20, wherein the metal gasket layer comprises one or more materials selected from the group of indium, gold, nickel, tin, chromium, platinum, tungsten, silver, bismuth, germanium, and lead. 両基板はガラス製品である、請求項20の可変光学減衰器。   21. The variable optical attenuator of claim 20, wherein both substrates are glass products. 前記スペーサ層および金属ガスケット層は堆積された薄膜である、請求項20の可変光学減衰器。   21. The variable optical attenuator of claim 20, wherein the spacer layer and the metal gasket layer are deposited thin films. 前記能動的熱素子は前記第1および第2の基板上に堆積されている、請求項21の可変光学減衰器。   The variable optical attenuator of claim 21, wherein the active thermal element is deposited on the first and second substrates. 前記能動的熱素子は前記液晶セルの周囲をほぼ取り囲んで配置されている、請求項21の可変光学減衰器。   The variable optical attenuator of claim 21, wherein the active thermal element is disposed substantially surrounding the liquid crystal cell. 前記能動的熱素子は蛇行パターンで配列されている、請求項21の可変光学減衰器。   The variable optical attenuator of claim 21, wherein the active thermal elements are arranged in a serpentine pattern. 前記能動的熱素子は加熱および温度感知能力を提供する、請求項21の可変光学減衰器。   The variable optical attenuator of claim 21, wherein the active thermal element provides heating and temperature sensing capabilities. 前記能動的熱素子はクロム−白金からなる、請求項21の可変光学減衰器。   The variable optical attenuator of claim 21, wherein the active thermal element comprises chromium-platinum. さらに、前記金属スペーサ層と前記第1または第2の電極との間に形成された少なくとも一つのビアを含む、請求項21の可変光学減衰器。   The variable optical attenuator of claim 21, further comprising at least one via formed between the metal spacer layer and the first or second electrode. さらに、前記能動的熱素子と前記金属スペーサ層との間に形成された少なくとも一つのビアを含む、請求項21の可変光学減衰器。   The variable optical attenuator of claim 21, further comprising at least one via formed between the active thermal element and the metal spacer layer. 前記能動的熱素子は前記可変光学減衰器の温度の決定に用いられる抵抗値を提供する電極を有する、請求項21の可変光学減衰器。   The variable optical attenuator of claim 21, wherein the active thermal element includes an electrode that provides a resistance value used to determine the temperature of the variable optical attenuator. さらに、マイクロコントローラおよびスイッチを含み、該スイッチは、前記能動的熱素子から前記マイクロコントローラへの抵抗値および前記マイクロコントローラから前記能動的熱素子への電圧信号のルーティングを前記スイッチの状態が制御するように、前記能動熱素子に接続されている、請求項33の可変光学減衰器。 The switch further includes a microcontroller and a switch, the switch controlling the resistance value from the active thermal element to the microcontroller and the routing of voltage signals from the microcontroller to the active thermal element. The variable optical attenuator of claim 33 connected to the active thermal element. 金属ガスケット材料層により形成されたビアが前記第1および第2の基板間で前記熱素子に結合されている、請求項34の可変光学減衰器。   35. The variable optical attenuator of claim 34, wherein a via formed by a metal gasket material layer is coupled to the thermal element between the first and second substrates. サブ波長の回折格子偏光子がエッチングで形成され、第1の電極層および第1の配列層を有する第1の基板と、
ファラデー回転子として機能させるのに適正な材料からなる第2の基板であってサブ波長の回折格子偏光子がエッチングで形成された頂面および底面を有し、これによりアイソレータとして前記基板を機能させるべく前記頂面の偏光子は前記底面の偏光子から45度のオフセット角を有し、さらに第2の基板は前記頂面に第2の電極層と第2の配列層とを含み、該第2の配列層は前記第1の基板上の前記第1の配列層に直角な方向に固定され、前記第2の基板の前記頂面が前記第1の基板の前記底面に対向して配置された第2の基板と、
前記第1および第2の基板間に結合された液晶とを含み、
第2の基板を通過する光学信号が、該第2の基板によって分離され、前記液晶を通過するに伴いその偏光を回転させ、また前記電極層の電圧の印加に応じて、前記第1の基板上の前記偏光子により、可変的に減衰可能である可変光学減衰器。
A first substrate having a sub-wavelength diffraction grating polarizer formed by etching and having a first electrode layer and a first alignment layer;
A second substrate made of a material suitable for functioning as a Faraday rotator and having a top surface and a bottom surface formed by etching a sub-wavelength diffraction grating polarizer, thereby allowing the substrate to function as an isolator. Accordingly, the top polarizer has an offset angle of 45 degrees from the bottom polarizer, and the second substrate further includes a second electrode layer and a second alignment layer on the top surface. The second alignment layer is fixed in a direction perpendicular to the first alignment layer on the first substrate, and the top surface of the second substrate is disposed to face the bottom surface of the first substrate. A second substrate,
A liquid crystal coupled between the first and second substrates,
An optical signal that passes through the second substrate is separated by the second substrate, rotates its polarization as it passes through the liquid crystal, and the first substrate in response to application of a voltage on the electrode layer. A variable optical attenuator that can be variably attenuated by the polarizer.
さらに、前記第1および第2の基板間に結合されたスペーサ層と、前記第1および第2の基板に接合された金属ガスケット層とを含む、請求項36の可変光学減衰器。   The variable optical attenuator of claim 36, further comprising a spacer layer coupled between the first and second substrates and a metal gasket layer bonded to the first and second substrates. さらに、前記第1および第2の基板間に配置された能動的熱素子を含む、請求項37の可変光学減衰器。   38. The variable optical attenuator of claim 37, further comprising an active thermal element disposed between the first and second substrates. 前記スペーサ層は、二酸化ケイ素、酸化アルミニウム、窒化ケイ素および一酸化ケイ素のグループから選ばれた一つ以上の材料を含む、請求項37の可変光学減衰器。   38. The variable optical attenuator of claim 37, wherein the spacer layer comprises one or more materials selected from the group of silicon dioxide, aluminum oxide, silicon nitride, and silicon monoxide. 前記金属ガスケット層は、インジウム、金、ニッケル、錫、クロム、白金、タングステン、銀、ビスマス、ゲルマニウムおよび鉛のグループから選ばれた一つ以上の材料を含む、請求項37の可変光学減衰器。   38. The variable optical attenuator of claim 37, wherein the metal gasket layer comprises one or more materials selected from the group of indium, gold, nickel, tin, chromium, platinum, tungsten, silver, bismuth, germanium, and lead. 両基板はガラス製品である、請求項37の可変光学減衰器。   38. The variable optical attenuator of claim 37, wherein both substrates are glass products. 前記スペーサ層および金属ガスケット層は堆積された薄膜である、請求項37の可変光学減衰器。   38. The variable optical attenuator of claim 37, wherein the spacer layer and the metal gasket layer are deposited thin films. 前記能動的熱素子は前記第1および第2の基板上に堆積されている、請求項37の可変光学減衰器。   38. The variable optical attenuator of claim 37, wherein the active thermal element is deposited on the first and second substrates. 前記能動的熱素子は前記液晶セルの周囲をほぼ取り囲んで配置されている、請求項38の可変光学減衰器。   40. The variable optical attenuator of claim 38, wherein the active thermal element is disposed substantially surrounding the liquid crystal cell. 前記能動的熱素子は蛇行パターンで配列されている、請求項38の可変光学減衰器。   40. The variable optical attenuator of claim 38, wherein the active thermal elements are arranged in a serpentine pattern. 前記能動的熱素子は加熱および温度感知能力を提供する、請求項38の可変光学減衰器。   40. The variable optical attenuator of claim 38, wherein the active thermal element provides heating and temperature sensing capabilities. 前記能動的熱素子はクロム−白金からなる、請求項38の可変光学減衰器。   40. The variable optical attenuator of claim 38, wherein the active thermal element comprises chromium-platinum. さらに、前記スペーサ層と第1または第2の電極との間に形成された少なくとも一つのビアを含む、請求項38の可変光学減衰器。   40. The variable optical attenuator of claim 38, further comprising at least one via formed between the spacer layer and the first or second electrode. さらに、前記能動的熱素子と金属スペーサ層との間に形成された少なくとも一つのビアを含む、請求項38の可変光学減衰器。   40. The variable optical attenuator of claim 38, further comprising at least one via formed between the active thermal element and a metal spacer layer. 前記能動的熱素子は前記可変光学減衰器の温度の決定に用いられる抵抗値を提供する請求項38の可変光学減衰器。   39. The variable optical attenuator of claim 38, wherein the active thermal element provides a resistance value used to determine the temperature of the variable optical attenuator. さらに、マイクロコントローラおよびスイッチを含み、該スイッチは、前記能動的熱素子から前記マイクロコントローラへの抵抗値および前記マイクロコントローラから前記能動的熱素子への電圧信号のルーティングを前記スイッチの状態が制御するように、前記能動熱素子に接続されている、請求項50の可変光学減衰器。   The switch further includes a microcontroller and a switch, the switch controlling the resistance value from the active thermal element to the microcontroller and the routing of voltage signals from the microcontroller to the active thermal element. 52. The variable optical attenuator of claim 50 connected to the active thermal element. 金属ガスケット材料層により形成されたビアが前記第1および第2の基板間で前記熱素子に結合されている、請求項51の可変光学減衰器。   52. The variable optical attenuator of claim 51, wherein a via formed by a metal gasket material layer is coupled to the thermal element between the first and second substrates.
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