JP2008504586A - 撓電光学液晶デバイス - Google Patents
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Abstract
【選択図】図2
Description
理論
撓電理論によると、液晶を備える、非対称形状の、分子からなる自発電気双極子は、電界が印加されると、材料がバルク電気偏光を得るために、材料において傾斜及び/又は屈曲といった変形が誘導され(参考文献7)、変形の度合いは誘導させられた分極に比例する:
P=esS+ebB
ここでPは誘電偏光であり、S及びBは傾斜及び屈曲変形ベクトルであり、それぞれn^(▽・n^)及びn^×(▽×n^)である。上記の式では、n^はローカルネマチックディレクタ単位ベクトルであり、es及びebは傾斜及び屈曲それぞれのための撓電係数である。
a)電界がない場合にセル壁の内面に対してほぼ垂直な光軸を有するキラルネマチック(コレステリック)又はキラルティルテッドスメクチック液晶材料の層を囲む第1及び第2のセル壁、及び液晶層の光入力領域の周囲に配置された複数の電極を備えるセルであり、各電極は前記光入力領域に渡って横電界を印加するために選択的にアドレス可能であり、それによってセル壁の内面とほぼ平行な複数の選択可能な方向のいずれにも前記電界を印加できるセルと
b)前記第1のセル壁を介して前記光入力領域を通過するように光を向けるように配置された光源と
c)複数の光出力キャリアであり、各光出力キャリアは、光が偏光の特定の状態及び/又は方向の時に前記第2のセル壁を介して前記光入力領域から前記光を受けるように配置および調整され、前記特定の状態及び/又は方向は各光出力キャリアそれぞれに対して異なるような複数の光出力キャリア
を備える光ルータが提供される。
サンプルの準備
3つの別個のキラルネマチック混合物を準備してテストした。3つの内最初の2つは、図6に示された構造の(FFO−9−OCBとして知られる)非対称ビメソゲンα‐(2’,4‐ジフルオロビフェニル‐4’‐イルオキシ)‐ω‐(4‐シアノビフェニル‐4’‐イルオキシ)ノナンで構成し、高フレキソ弾性率及び低誘電異方性の最適化された撓電特性のために特にインハウスで合成した(参考文献14)。ビメソゲン液晶混合物に基づく液晶システムにおいてはるかに大きな撓電光学効果を見ることができることを示している(参考文献16)。FFO−9−OCBを高ねじり力キラルドーパントBDH1281(Merck NB−C)と第1及び第2の混合物それぞれにおいて2%w/w及び3%の割合で混合した。第3の混合物は、その構成及び撓電光学特性がよく知られた4−ヘプチルーアルキルオキシ−4’−シアノビフェニル(7OCB)(参考文献15)、及び3%(w/w)BDH1281で構成され、制御混合物として生成された。完全な混合を可能にするため3つの混合物の各々を24時間の間加熱して等方相にし、等方相においてキャピラリー充填してテストセルにした。混合物はそれぞれ偏光顕微鏡法を使用して特徴付けられた層であり、紫外線可視分光光度計を使用してそれらのN*層における反射バンドを計測した。これは、おおよその平均屈折率1.6を取りながら、材料のピッチ長さを推定するために使用でき、上記の順番で混合物それぞれにつき485nm、300nm、及び410nmのピッチを与えることが分かった。
実験
次に、充填及び封止されたセルは、マイクロメータスクリューを使用してコンタクトを4つの電極にクランプするプローブステーションに置かれ、プローブステーションはプローブビームにおけるセルの位置を操作する。プローブステーションは、増幅信号発生器の出力に接続されており、発生器の出力パルスの形状及び幅を変化させることができ、振幅は400Vppまで変化させることができる。出力はセルの全域に印加できる。プローブステーションは、セルを特定の温度に維持できる加熱エレメント及び温度計も備える。プローブビームは1550nmのファイバーローンチドDFBレーザーである。
結果及び考察
図10には、N*−I遷移における5℃での7OCB+3%BDH1281サンプルの、±3V/μm 継続期間2msのバイポーラ方形波に対する応答が示されている。これは、キラルカートホイールセルからの特性応答を示しており、その形状は、テストされる全ての材料に共通であり、そこから、以下の測定が行われた。
1)応答の振幅:測定されI/I0を与えるよう調節された入力電力に対して正規化される。
2)効果の応答時間:前縁での立ち上がり時間に対し、I/I0値の10%と90%との間の時間間隔、且つ後縁で90から10%の間隔。
デバイスへの応用
これらの実験は、面内電界とグランジャンテクスチャに関して、大きな撓電係数を有するキラルネマチックの光軸が、セルの面にある角度だけ偏向されることができ、光軸回転の大きさと方向が、電界の大きさと方向に依存していることを強調するために実行された。これらは、エンドレスで回転可能な波長板において必要なものであり、光ファイバ通信システムにおける偏波モード分散(PMD)の問題に対する有望な解決策の一つである。PMD補償器は、振動、温度変化等によってファイバに誘導される一時的複屈折に起因する長い通信ファイバからの出力である偏光のランダムに変動する状態(SOP)を取り、それを最小のロスで望ましい偏光状態へ変換することができなければならない。これは、π/2、π、及びπ/2遅延の直列の3個の回転波長板よって可能とされる(参考文献11)。液晶は、以前シンプルなネマチック(参考文献5,6,12)及び高速エレクトロクリニックスイッチング機構(参考文献13)を使用していたデバイスを製造するために利用されてきたが、最も効果的な解決策を提供するためには信頼できるセル構造体において速度又は全体の遅延を改良することが望ましい。ここで実証されるグランジャン撓電光学機構が、これらの改良を提供できると考えられる。3つの開発が、商用デバイスにおけるこの新規な効果を最適化することが望まれる。
1:デバイスの遅延を増加する。これは、1550nmで原料の複屈折を増加すること、より大きな印加電圧を利用すること、より大きな傾き角度を有する材料を使用して利用可能な複屈折の大部分にアクセスすることによって、もしくは単に厚いセルを使用して光路長を増加することによって、達成できる。
2:光軸を回転する。この機能のためにカートホイールセルが設計されているのであるが、これらの測定は、電極の角拡散を、電界をあらゆる方向への印加に利用しなかった。電極は対にされ、電界はその効果の基本的証明のために単独で一方向に印加される。光軸を回転し且つ最大角速度を測定するために、PMD補償器に対する臨界実験では、セルが、大きな電界に対してより安定であることが望ましい。好適な実施の形態において、液晶のテクスチャは、アクティブ領域の外側の電界の大きな不均一性によって引き起こされるフローの影響を防止又は減少するためにポリマーによって安定化される。ポリマーの安定化は、液晶媒体の粘度を高め、セルに対する応答時間の僅かな増加を引き起こすが、グランジャンテクスチャの安定性と温度サイクリング信頼性を高める。
3:交流電圧に対してセルを最適化する。撓電光学効果は直流効果であり、即ち、光軸の回転方向は、印加される電界の方向と極性に依存する。これは、設定された位置に光軸を保持するために直流電圧が必要であることを意味する。これは交流磁界のr.m.s.に通常応答する液晶デバイスでは望ましくない。なぜなら直流電界が材料の不純物を導電性にし、デバイスを破壊する電荷が増加するからである。従って、好適な実施の形態においてはデバイスは、背中合わせとなった二つ以上のカートホイールセルよりなり、それは互いに位相が4分の1サイクルずれた同一の波形によって駆動され、その波形の形状は、2個のセルの各々において誘導された複屈折の合計が、各セルの光軸の前後への揺動にもかかわらず、一定であるようにされている。次に、光軸の方向は、互いに同一あるいは反対方向に回転して、望ましい効果を実現する。これには、幾つかの複雑な駆動エレクトロニクスが必要であるが、エレクトロニクスの熟練技術者であれば実現可能である。交流電界で光軸を安定に保つ手段の提供に加えて、この構成は、アセンブリをより高速で動作させることを可能とする。
デバイスのポリマー安定化
上で示された結果に続いて、更なる結果が、キラルネマチック混合物を更に3つ使用して得られた。この混合物の各々は、少ない割合(3〜6%w/w)の反応性メソゲンRM257(Merck−NB−C)とフォトイニシエイターIrgacure819(1%w/w)を含む。これによって、UV放射への露出による液晶テクスチャ内での安定化ポリマーネットワークの形成が可能となった。このサポートされたネットワークは、UV露光時に液晶テクスチャの構造、従って、架橋サポート後のそれの構造を持つ(この場合、グランジャン)。これらの安定化混合物が、上述のようにセルに使用されると、耐久性を提供して、テクスチャの崩壊なしに、高電圧での連続交流方形波電界の印加を可能とすることが発見された。使用された材料とこの方法から得られる結果の詳細は、以下に概説される。
混合物4:FFO11OCB+3.48%BDH1281高ねじれ力キラルドーパント(Merck、NB−C)+5.84%反応性メソゲンモノマーRM257(Merck、NB−C);
混合物5:[FFO9OFF+FFO11OFF](50/50)+2%BDH1281+3%RM257;
混合物6:[FFE9EFF+FFE11EFF+FFO9OFF+FFO11OFF](25/25/25/25)+1.78%BDH1281+4.36%RM257。
参考文献
1) Yamazaki H.,Yamaguchi M.,Optics Letters,16,18,p.1415,1991.
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4) Rumbaugh S.H.,et al,IEEE Journal of Lightwave Technology,8,3,p.459,1990.
5) Ohtera Y.,et al,IEEE Photonics Technology Letters,8,3,p.390,1996.
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12) Acharya B.,et al,App.Phys.Lett.,81,27,p5243,2002.
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14) Musgrave,B.,PhD Thesis,University of Southampton,1999.
15) Coles HJ.,Musgrave B.,J.Mater.Chem,11,p2709,2001.
16) GB 2 356 629.
17) WO 2004/021073
Claims (34)
- 透過光の偏光状態を制御するためのデバイスであって、電界がない場合にデバイスを介した光伝搬の方向とほぼ平行な螺旋軸を有するキラル液晶材料の層を囲む第1及び第2のセル壁、及び前記螺旋軸に対してほぼ垂直な横電界を印加するための電極を備えるデバイス。
- 前記液晶材料は約1μm未満の螺旋ピッチを有する、請求項1に記載のデバイス。
- 前記螺旋ピッチは200〜800nmの範囲である、請求項2に記載のデバイス。
- 前記電極は、液晶層の領域周辺に配置された少なくとも4つの電極を含み、各電極は前記領域に渡って横電界を印加するために選択的にアドレス可能であり、それによって前記セル壁の内面にほぼ平行な複数の選択可能な方向のいずれに対しても前記電界を印加可能である、先行する請求項のいずれか一項に記載のデバイス。
- 含有される前記材料の前記螺旋軸とほぼ平行な、前記デバイスの外面の少なくとも一部に光を向けるために配置された光入力源を更に備える、先行する請求項のいずれか一項に記載のデバイス。
- 前記光源は前記セル壁の内面にほぼ垂直な方向に前記第1のセル壁に光を向けるよう配置される、請求項5に記載のデバイス。
- 前記光源は前記セル壁の内面とほぼ平行に、セル壁の端の間のギャップに光を向けるよう配置される、請求項5に記載のデバイス。
- 前記光源は発光体に結合した光ファイバを備える、請求項5から7のいずれか一項に記載のデバイス。
- 前記発光体は200〜2000nmの範囲の波長の光を発する、請求項8に記載のデバイス。
- 前記発光体は1400〜1600nmの範囲の波長の光を発する、請求項9に記載のデバイス。
- 発光体は約1530〜1563nmの電気通信用途の波長を有する光を発する、請求項10に記載のデバイス。
- 前記光源はマイクロ波送信器を備える、請求項5から7のいずれか一項に記載のデバイス。
- 前記液晶材料は、前記光入力源からの光の波長よりも実質的に短い螺旋ピッチを有する、請求項5から12のいずれか一項に記載のデバイス。
- 液晶材料のテクスチャを安定させるために液晶材料内のポリマーネットワークを更に備える、先行する請求項のいずれか一項に記載のデバイス。
- 前記ポリマーネットワークは重量において3〜6%の液晶及びポリマーの層を備える、請求項14に記載のデバイス。
- 前記ポリマーネットワークは重合メソゲン材料を備える、請求項14又は請求項15に記載のデバイス。
- 前記ポリマーは架橋される、請求項14から16のいずれか一項に記載のデバイス。
- 透過光の偏光状態を制御するためのアセンブリであって、請求項1に記載された互いに重なって配置された少なくとも2つのデバイスを有し、前記第1のデバイスを介して伝搬する光が続いて前記第2のデバイスを介して伝搬するように、前記セル壁の全てが互いにほぼ平行であるアセンブリ。
- 請求項18に記載のアセンブリを駆動する方法であって、前記デバイスの電極に実質的に同一の波長を印加するステップを備え、その波形は互いに位相が4分の1サイクルずれており、各デバイスにおける誘導複屈折の合計はほぼ一定となる波形である方法。
- 前記の少なくとも2つのデバイスにおける光軸は共に或いは互いに逆に回転する、請求項19に記載の方法。
- 透過光の偏光状態を制御するためのデバイスであって、電界がない場合にほぼ一様に配列された螺旋軸を有するキラル液晶材料の層を囲む第1及び第2のセル壁、及び前記螺旋軸に対してほぼ垂直な横電界を印加するための電極を備えるデバイス。
- a)電界がない場合にセル壁の内面に対してほぼ垂直な螺旋軸を有する液晶材料の層を囲む第1及び第2のセル壁、及び液晶層の光入力領域の周囲に配置された複数の電極を含むセルであり、各電極は前記光入力領域に渡って横電界を印加するために選択的にアドレス可能であり、それによってセル壁の内面とほぼ平行な複数の選択可能な方向のいずれに対しても前記電界を印加できるセルと、
b)前記第1のセル壁を介して前記光入力領域を通過する光を向けるよう配置された光源と、
c)複数の光出力キャリアであり、各光出力キャリアは、光が偏光の特定の状態及び/又は方向の時に前記第2のセル壁を介して前記光入力領域から前記光を受けるように配置および調整されたキャリアであり、各光出力キャリアそれぞれに対して前記特定の状態及び/又は方向が異なるキャリアと、
を備えた、光ルータ。 - a)電界がない場合にセル壁の内面に対してほぼ平行且つセルを介した光伝搬の方向に平行な螺旋軸を有する液晶材料の層を囲む第1及び第2のセル壁、及び前記液晶層の光入力領域の周囲に配置された複数の電極を備えるセルであり、各電極は前記光入力領域に渡って横電界を印加するために選択的にアドレス可能であり、それによって前記螺旋軸とほぼ垂直な複数の選択可能な方向のいずれに対しても前記電界を印加できるセルと、
b)前記光入力領域を介してセル壁の側面の間のギャップに光を向けるように配置された光源と、
c)複数の光出力キャリアであり、各光出力キャリアは、光が偏光の特定の状態及び/又は方向の時に前記セルギャップを介して前記光入力領域から前記光を受けるように配置および調整されたキャリアであり、各光出力キャリアそれぞれに対して前記特定の状態及び/又は方向が異なる出力キャリアと、
を備えた、光ルータ。 - 液晶材料は、正又は負の誘電異方性を有し、且つ光入力源からの光の波長よりも実質的に短い螺旋ピッチを有するキラルネマチック材料である、請求項22又は請求項23に記載の光ルータ。
- 螺旋ピッチは光入力源からの光の波長の10%から50%である、請求項24に記載の光ルータ。
- 光入力源からの光は約1530〜1563nmの電気通信用途の波長を有する、請求項22から25のいずれか一項に記載の光ルータ。
- 液晶材料は正の誘電異方性のビメソゲンキラルネマチック材料である、又は正の誘電異方性のビメソゲンキラルネマチック材料を含む、先行する請求項のいずれか一項に記載のデバイス又は光ルータ。
- 前記ビメソゲンはα‐(2’,4‐ジフルオロビフェニル‐4’‐イルオキシ)‐ω‐(4‐シアノビフェニル‐4’‐イルオキシ)ノナン(図6)である、請求項27に記載のデバイス又は光ルータ。
- 透過光の偏光状態を制御するためのデバイスであり、電界がない場合にほぼ一様に配列された螺旋軸を有する液晶材料の層を囲む第1及び第2のセル壁、及び前記螺旋軸に対してほぼ垂直な電界を印加するための電極を備えるデバイス。
- 螺旋軸を有し、ほぼ平面の半透明セル壁の間に挟まれた正の誘電異方性のキラルネマチック液晶を介して伝搬する光の偏光状態を制御又は変更する方法であって、螺旋軸に対してほぼ垂直な電界を印加することによって、印加された電界への液晶材料の分子の撓電結合を通じて液晶の螺旋構造を歪め、それによって液晶のバルク複屈折を変化させるステップを備える方法。
- 前記光は近赤外、マイクロ波、又は可視域の波長であり、螺旋構造のピッチは実質的に前記波長よりも小さいため、前記液晶のバルク複屈折は電界がない場合に実質的にゼロである、請求項30に記載の方法。
- 前記螺旋軸は前記セル壁の平面に対して実質的に垂直である、請求項30又は請求項31に記載の方法。
- 実質的に図面を参照してここで記述される、偏光状態制御デバイス。
- 交差する偏光子の間でここに記述されたように実質的に作動し、概説された偏光制御機構からの強度制御に対し影響を及ぼす画素機構を備えるディスプレイデバイス。
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