JP4204970B2 - 偏波制御素子およびその駆動方法 - Google Patents

Description

本発明は、光ファイバ通信用のリセットフリーの偏波制御素子およびその駆動方法に関するものであり、さらに詳しくは、電気制御可能な偏波制御素子に関する。

偏波制御素子は、コヒーレント通信の必須のデバイスとして、１９９０年代初めには非常に活発に研究されたが、ファイバアンプの出現により、コヒーレント通信の必要がなくなり、それと共に偏波制御の技術はあまり研究されなくなった。むしろ偏波は取り扱いが煩わしく、システム側からの要求で、デバイスは偏波無依存化が図られ、現在の商用の光通信システムでは偏波依存性は非常に小さくなり、偏波を取り扱うのは、実験室内だけとなってしまった。

しかし、伝送容量の増大と共に、４０Ｇｂｐｓ以上の高速の通信が実用化に近くなってくると、偏波モード分散が大きな課題として立ちふさがった。特に欧米ではすでに敷設されたファイバは高偏波モード分散のものが多く、１０Ｇｂｐｓの速度でも偏波モード分散を解消する必要に迫られて、偏波を制御する必要に迫られている。１０Ｔｂｐｓを越える超大容量伝送においては、波長多重に加えて、偏波多重技術が用いられるようになり、ここでも偏波を制御する必要が生じてきた。

市販されている偏波制御素子は、ファイバコリメータ間にλ／４＋λ／２＋λ／４回転板を挿入してこれらを回転させて偏波を制御するタイプが最も多い。回転は手動あるいはモータ回転タイプがあるが、非常に低速である。他には、ファイバをボビンに巻いた物を３個直列に接続して、それをλ／２板、λ／４板と同様のストレスを与えるようにして、ボビンの軸を傾けることによって偏波制御する物も販売されている。これらは手動である。

ＰＺＴなどのピエゾ素子によりファイバの周りに０度、４５度、９０度の方向から圧力を加えて価波制御する応力タイプのものが比較的高速であるとして販売されているが、ピエゾ素子にはヒステレシスがあり、高電圧が必要であるので、非常に取り扱いが難しい。

また高速偏波制御素子として、ＬＮ導波路型のものも販売されているが、偏波依存性が大きく、（１ｄＢ程度）、残留複屈折を取り除くため補償電圧を印加する必要があり、さらに３つの電圧を制御する必要があり、さらにロスが６ｄＢと大きい。以上、偏波制御素子は、実用レベル、商用レベルのものが販売されていない。

理想的な偏波制御素子は、位相を任意に可変でき、その方向をリセットフリーで回転できるものであり、これが実現できれば１個の可変回転波長板でリセットフリーで偏波制御が可能となる。
（参考文献：１、黒野正裕「偏波状態の高速制御方式の検討」電力中央研究所報告平成８年３月研究報告Ｒ９５００４、２、黒野正裕「光偏波制御装置の開発と実証」電力中央研究所報告平成９年４月 研究報告Ｒ９６０１４）
しかし上記参考文献のＬＮ可変回転波長板はバルクであり、フリースペースビームを用いるため大型になり、駆動電圧が高い、さらにＬＮ独自のＤＣドリフトという問題点がある。

液晶分子を回転させて、メカニカルな回転波長板と同様の物を作製しようという試みは東北大学の川上教授が最初に提案している。正の誘電異方性を持つネマチック液晶を垂直配向膜でホメオトロピック配向させ、これに基板横方向に回転電界を印加する事によって、回転波長板としている。
（参考文献:, T. Chiba Y. Ohtera and S. Kawakami,“Liquid Crystal Rotatable Waveplates,”IEEE J. Lightwave Technol. Vol.17,pp. 885-890,1999）

こうした参考文献によれば、約１０ｍｓで一回転できるλ／２、λ／４板が実現できている。しかしそれぞれの液晶波長板の位相は半固定であり、光が通過する部分は、電極間隔は５０μｍφであり、フリースペースの光ビームを通過させているため、アライメントが必要であり、さらに通過する光ビームが１００μｍと太いため、５０μｍの窓内の液晶を均一に回転させるために、電極を８電極として、５０μｍφ窓内の電界を均一にθ方向にかかるようにしている。

さらに最近ルーセントのAcharyaは、４電極で、同様の液晶回転波長板を実現している。彼はフェルールの先端に十字の電極を形成して、インプレーンスイッチング型で１°／１μｓの速度で回転できる回転波長板を作製し、それをＰＭＤ補償に用いたという報告をしている。
（参考文献:B. R. Acharya, K. W. Baldwin, R. A. MacHarrie, J. A. Rogers, C. C.Hung, and R. Pindak,“In-Fiber nematic liquid crystal optical modulator based on in-plane switching with microsecond response time,”Appl ied Phys Letter, vol. 81, pp. 5243-5245, No.27, 2002.）

上述した素子は、ファイバから出射する１０μｍφの光を直接液晶回転波長板に通過させているので、１０μｍφの部分のみ均一に電界がかかるようにすればよく、そのため８電極を必要とせず、４電極でよいが、固定の位相しか実現できず、位相を調整するためにはセルギャップを調整してλ／２、λ／４に設定する必要があり、さらにリセットフリーにするためには、これらの素子を３段接続する必要があり、ファイバおよびフェルールの先端に微細電極を形成する必要があり、また単チャンネルしか出来ないという欠点があった。

またアルカテルのデュポンは、同様にフェルールの先端に８電極を形成して、スメクチックＡ液晶を用いた回転波長板を作製している。
(L. Dupont, J. L. de Bougrenet de laTocnaye, M.L. Gall, D. Penninckx“Principle of a compact polarization mode dispersion controller using homeotropic electroclinic liquid crystal confined single mode fiber devices,“ Optics Communications vol. 176, pp. 113-119, 2000.)

上記参考文献によれば、同様にセルギャップを調整して位相をλ／２、λ／４に設定する必要があり、さらにリセットフリーにするためには、これらの素子を３段接続する必要があり、ファイバおよびフェルールの先端に微細電極を形成する必要があり、また単チャンネルしか出来ないという欠点がある。

アジレントのチャールズ・ディー・ホークは中空ファイバの中に液晶を充填して、ファイバの周りに４つの電極を設けて、回転波長板を形成する素子を特許化している。
（参考）特開２００１−２６４８２１号公報

この素子ではセルギャップを調整してλ／２、λ／４に設定する必要があり、さらにリセットフリーにするためには、これらの素子を３段接続する必要があり、ファイバに微細電極を形成する必要があり、また単チャンネルしか出来ないという欠点がある。

また著者らはファイバアレイや導波路アレイの溝に挿入できる液晶回転波長板を特許出願している。
（参考）特開２００２−０６８８８０号公報
（参考）特開２００３−１４０１０１号公報
これら特許文献（参考）によれば、１０μｍ程度の薄いガラス板をガラスブロックで補強し、中心対称８電極を形成して液晶を充填し、ファイバアレイや導波路アレイに掘った細い溝に挿入する液晶回転波長板である。本素子は前の文献と同様にセルギャップを調整してλ／２、λ／４に設定する必要があり、さらにリセットフリーにするためには、これらの素子を３段接続する必要があった。

このように液晶回転波長板の欠点は、波長板の位相は液晶層の膜厚で決定してしまい、任意に位相を可変できないことである。川上らはその報告の中で、横電圧と位相差の関係を示しているが、電圧を印加していくと、位相は０から急峻に立ち上がって、λ／２板の場合、λ／２の８０％程度まで位相が急に増加し、さらに電圧を印加するとλ／２板にと飽和する。従って従来の液晶回転波長板は位相はほぼ半固定であり、固定の回転波長板としてしか動作できず、位相を調整するためには液晶のギャップを変える必要があるという欠点があった。

セルギャップを調整して、λ／４あるいはλ／２の位相に調整するのは非常に難しい。さらに液晶回転波長板を用いてリセットリーの偏波制御をするには、λ／４板＋λ／２板＋λ／４板の合計３枚の液晶回転波長板をカスケードに列べる必要があった。さらに川上やDupontの液晶回転波長板では、１枚の基板には８電極があり、２枚の基板で液晶を挟むため、１つの液晶回転板で１６電極あり、さらにそれを３段とするため、全部で１６×３＝４８の電圧を調整する必要があり、駆動が複雑であった。

さらに上記液晶回転波長板の欠点は
１、ルーセント、アルカテルのフェルールに直接作製したものを除き、光ビームを通過させるため、ファイバコリメータが必要であり、光ビームが１００μｍφと太く、電極間隔を少なくとも５０μｍ以上とする必要があるため、電圧が高くなり、５０μｍの窓を３回通過するために、ロスが大きくなる。
２、コリメータを必要とする場合には、通過するビーム直径が太いので、その内部に均一に平行電界がかかるようにするため、８電極以上が必要となる。
３、ルーセント、アルカテルの液晶回転波長板はフェルールに直接電極を作製する必要があり、電極のフォト加工が非常に難しい。
４、上記各液晶回転波長板は基本的には単チャンネルしか実現できない

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、電気的にその位相を任意に可変でき、ファイバコリメータを必要とせず、ファイバあるいはファイバアレイ、導波路アレイに直接接合可能であり、アレイ化が容易であり、従来の液晶素子のようにフェルール上ではなくガラス基板で素子を実現でき、位相板の軸をリセットフリーで回転できる偏波制御素子およびその駆動方法を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明によれば、中心対称となるように３つ以上の複数パターンの電極を、中心部に一定の空間を空けて円周上に配置した配向膜付きの第１基板と、前記第１基板と対向する配向膜付きの第２基板と、前記第１基板および第２基板の間に形成される液晶層と、少なくとも前記第２基板の外側に形成される透明電極とを備え、前記空間を光が通過可能なように、前記第１基板および第２基板の外側の直近に光ファイバまたは導波路を配置し、前記第１基板および第２基板の厚さは１０μｍ以上５０μｍ以下であり、前記液晶層は、ホメオトロピック配向またはホモジニアス配向のネマチック液晶またはスメクチックＡ液晶から構成され、前記複数パターンの電極によって、前記第１基板および第２基板の基板面に対して平行でかつ前記電極の中心を中心軸として回転する電界を前記液晶層に印加するとともに、前記第２基板の外側に形成される透明電極によって、前記第１基板および第２基板の基板面に対して垂直な電界を前記液晶層に印加して、前記液晶層の液晶分子の配列方向を制御し、前記液晶層を通過する光の偏波と位相とを制御することを特徴とする偏波制御素子が提供される。

前記第１基板の外側にも更に透明電極を設けるのが好ましい。前記透明電極は前記第１基板または第２基板の外側に直接蒸着されてもよい。前記透明電極は、前記第２基板には直接形成されておらず、前記第２基板に近接する光ファイバの端面および側面に形成されていて、前記光ファイバの中心が、前記空間を光が通過するように配置されて、前記第２基板の直近に接続されていてもよい。

前記透明電極は、導波路に掘った溝の溝壁面および表面に沿って形成されていて、前記導波路のコアの中心が、前記空間を光が通過するように配置されて、前記第１基板または第２基板の直近に来るように配置されていてもよい。前記第１基板または第２基板の厚さが２０μｍ以上の場合には、両側に配置される光ファイバはコア拡大ファイバであってもよい。

前記第１基板または第２基板の光が通過する部分はブロックからはみ出させるように、前記ブロックを前記第１基板または第２基板に張り付けて補強してもよい。前記第１基板または第２基板には前記電極パターンと前記透明電極がアレイで形成されており、前記透明電極パターンのピッチと同じピッチを持つファイバアレイを組み合わせて多チャンネルとしてもよい。

前記配向膜は、垂直配向膜あるいは平行配向膜であり、ラビング処理あるいは光配向など配向処理をしないようにしてもよい。前記第２基板はガラス基板であり、その誘電率は５以上であることが好ましい。

前記偏波制御素子を駆動するための偏波制御素子の駆動方法であって、前記電極が４つ形成される場合に、Ｖ_０ ｓｉｎωｔ×ｃｏｓθ、Ｖ_０ ｓｉｎωｔ×ｓｉｎθ、Ｖ_０ ｓｉｎωｔ×ｃｏｓθ、Ｖ_０ ｓｉｎωｔ×ｓｉｎθの電圧がそれぞれの電極に印加されて、交流の電界が、前記電極の中心部分で電界の方向がθ方向となり、その他の数の前記電極の場合も同様に中心部分にθ方向の電界が印加されるようにそれぞれの電極に電圧を印加し、Ｖ_０ を調整することにより、前記基板の平行方向の電界強度を調整し、さらに前記第２基板の外側の前記透明電極には＋ａＶ_０ ｓｉｎωｔを印加し、このａの値を調整することにより、前記基板の垂直方向にかかる電界を制御し、前記液晶層を構成する液晶分子の前記基板に対する角度を任意に調整できるようにして位相を可変できることを特徴とする偏波制御素子の駆動方法が提供される。

前記第１基板１の外側の前記透明電極に印加する電圧が−ｂＶ_０ ｓｉｎωｔであって、位相を変化させるためにｂを調整するようにしてもよい。

本発明の偏波制御素子によれば、第２基板の外側に透明電極を配置し、その電圧を調整する事により、従来は固定の液晶回転波長板しか実現できなかった物が、位相を可変できる可変回転波長板タイプの偏波制御素子を実現でき、このためリセットフリーの偏波制御には３段の回転波長板が必要であったものが、１枚で済むようになった。

また、薄い基板を用いるため、ファイバコリメータを必要とせず、中心対称電極の窓の間隔を５０μｍ以下にでき、そのため駆動電圧を低く押さえることができる。更に、コリメータを必要とする場合には、通過するビーム直径が太いので、その内部に均一に平行電界がかかるようにするため、８電極以上が必要であったが、本発明ではファイバからの１０μｍφの光が通過するのみであるので、１０μｍφの領域に均一に電界を印加すればよいため、３あるいは４電極で済むようになった。

そして、フェルールに直接電極を作製する必要がなく、ガラス基板に中心対称電極を形成すればよく、また多チャンネルも容易に実現することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。図１〜４に本発明の偏波制御素子の一例を示す。本発明では、第１基板１１には中心対称に３つ以上の電極１３を形成し（代表的には４電極を十字に形成し）それぞれの電極に印加する電圧をＶ_０ ｓｉｎωｔ×ｃｏｓθ、Ｖ_０ ｓｉｎωｔ×ｓｉｎθ、Ｖ_０ ｓｉｎωｔ×ｃｏｓθ、Ｖ_０ ｓｉｎωｔ×ｓｉｎθとし、第２基板１２の外側には透明電極１４を形成して、ａＶ_０ ｓｉｎωｔの電圧を印加し、ａ、Ｖ_０ 、θを調整することにより、位相と、軸方向θを調整できる液晶可変回転波長板型の偏波制御素子１０を実現する。

ここでは第１基板１１に中心対称な３つ以上の電極１３を形成したが、第２基板１２にも同様の電極１３を付けてもよい。即ち、十字に配置した４つの電極１３に印加する電界調整することにより、θ方向の電界を印加し、第２基板１２の外側の透明電極１４に印加する電圧ａＶ_０ を印加することにより、第１基板１１および第２基板１２に垂直な電界を印加し、液晶層１５にかかる電圧を第１基板１１および第２基板１２の平行方向と垂直方向をそれぞれ、独立に制御することにより、位相および軸を調整可能とする。

可変回転波長板とすることにより、従来はリセットフリー偏波制御に３枚必要であった回転波長板が１枚のみで済むようになる。また第１基板１１および第２基板１２の基板厚を薄くしたため、コリメータが必要なくなり、通過する光ビームの直径を１０μｍから３０μｍ程度に小さくでき、電極１３が８つも必要なく、３〜４つの電極１３で済むようになる。

第１基板１１は、例えば１０μｍ厚のガラス基板であり、対向する第２基板１２は、例えば１０μｍ厚のガラス基板である。電極１３は中心対称になるように配置し中心部４０μｍφを空けた４つの電極である。透明電極１４は第２基板１２の外側に付けた透明な電極であり、ブロック１６は、例えば補強用のガラスブロックから形成される。第１基板１１および第２基板１２に近接してファイバ１７が形成され、また、液晶層１８のセルギャップを決めるスペーサ１９、ファイバ１７の端面および側面に形成した透明電極２１、第１基板１１の外側に形成された透明電極２２、ファイバアレイ２３あるいは導波路アレイ２３、溝壁面および表面へ形成された透明電極２４、ファイバアレイ２５、導波路アレイにダイシング等で掘った溝３０である。

第１基板１１に中心部４０μｍφには電極１３を形成しないで、４つの中心対称十字電極を設け、第２基板１２の外側には透明電極１４が形成されており、第１基板１１および第２基板１２の内側には垂直配向膜あるいは平行配向膜が塗布されており、第１基板１１および第２基板１２間にスペーサ１９を介してネマチック液晶（液晶層）２９が充填されており、第１基板１１および第２基板１２の薄いガラス基板はガラスブロック１６が張り合わされて補強されており、このブロック１６からはみ出した部分約数１００μｍの長さの部分をファイバ１７が挟む構造となっている。

通常１０μｍ厚の薄いガラスは取り扱うことが不可能であるが、ガラスブロック１６を補強用としで張り付け、ガラスブロック１６から第１基板１１および第２基板１２をはみ出させるようにすると、はみ出した部分は基板厚１０μｍの液晶素子ができることになり、この部分に可変回転波長板を作製する。

電極１３は中心対称であり、電極１３の付いていない窓の部分の直径は１０μｍから１００μｍが望ましく、ガラスの厚さは１０μｍから５０μｍが望ましい。２０μｍよりも厚くなる場合には、ファイバ１７間のカップリングロスを低減させるために、コア直径を２０μｍから３０μｍ程度に拡大したコア拡大ファイバを用いる。

図１では第２基板１２の外側に透明電極１４が形成されている。図２では、第２基板１２には直接透明電極が形成されておらず、直近に来るファイバ１７の端面と側面に透明電極２１が形成されており、図３では、第１基板１１および第２基板１２の外側に両基板ともに透明電極２２が形成されており、図４ではファイバの代わりに導波路の溝３０に挿入する場合を示しており、導波路の溝壁面および表面に透明電極２４が形成されている。

図１は、第１基板１１は中心対称になるように、十字電極を配置し、それぞれに印加する電圧をＶ_０ ｓｉｎωｔ×ｃｏｓθ、Ｖ_０ ｓｉｎωｔ×ｓｉｎθ、Ｖ_０ ｓｉｎωｔ×ｃｏｓθ、Ｖ_０ ｓｉｎωｔ×ｓｉｎθとし、第２基板１２は外側に透明電極１４が形成され、ａＶ_０ ｓｉｎωｔを印加して、約５μｍから２０μｍのスペーサを介して液晶層２９（配向方向は垂直配向、平行配向どちらでもよい）を充填し、ファイバ１７からの光が十字電極の中心を通過するように直近に配置する。液晶層２９の厚さは充填する液晶のΔｎによって異なる。

ここでＶ_０ は第１基板１１および第２基板１２の平行方向の電界強度を決める電圧であり、この電圧が高いほど液晶素子は高速に動作する。ωはこの液晶に印加する交流電源の周波数であり、通常１ｋＨｚから１０ｋＨｚが用いられる。θは回転波長板の第１基板１１および第２基板１２に平行な電界の軸方向であり、θによって印加する電界の方向を決定する。

ａは第２基板１２の外側の透明電極１４に印加する電圧の係数であり、この値を０とすると第２基板１２の外側はグランドに落ちた状態となり、第１基板１１および第２基板１２の平行方向の電界のみがかかる。ａの値を上げていくと第１基板１１および第２基板１２の垂直方向の電界がかかり、液晶層１９の液晶分子は第１基板１１および第２基板１２に対して斜めに向くことができる。このため波長板の位相を変えることが可能となる。

次に本素子の作製工程を説明する。図５に示すように、１ｍｍ程度のガラス基板からなる第１基板１１に４つの電極１３を中心対称に形成し、１０μｍ程度の厚さに研磨する。ここでは３ｃｈのアレイについて図面に示す。次に、図６に示すように、第２基板１２も同様に外側に１ｍｍ厚板ガラスに透明電極（ＩＴＯ）１４を形成し、１０μｍ厚に研磨する。図７に示すように、電極１３の十字型の部分がガラスブロック１６からはみ出すように、ガラスブロック１６を張り付ける。図８に示すように、ガラスブロック１６を第２基板１２にも張り合わせる。

次に第１基板１１の内側に液晶層用の配向膜４１（垂直配向膜でも、平行配向膜でもよい）を塗布して熱硬化させ、第１基板１１および第２基板１２を対向させる（図９参照）そして、図１０に示すように、スペーサ１９を介して張り合わせ、液晶を充填して液晶層２９を形成する。液晶はネマチック液晶が代表的であるが、スメクチックＡ液晶を用いてもよい。

図１１に示すように、ファイバ１７からの光が４つの電極１３の中心を通過するようにファイバ１７を直近まで接近させて、ファイバ１７を対向させて配置させる。ファイバ１７はあらかじめＶ溝に固定してあってもよいし、スプライサに挿入してあってもよい。以上は４つの電極１３の場合について示したが、３つの電極の場合には図１２のように電極１３のパターンを形成し、作製工程は上記と同じである。

図１３は、十字型に形成された電極が作る基板平行平面内の電界分布（計算結果）を示したものであり、２０μｍ幅の電極が４０μｍ間隔で配置された場合、中心部２０μｍφにはθ方向の均一電界が印加できることがわかる。３−１、３−２、３−３、３−４は４つの電極を示し、それぞれにＶ_０ ｓｉｎωｔ×ｃｏｓθ、Ｖ_０ ｓｉｎωｔ×ｓｉｎθ、−Ｖ_０ ｓｉｎωｔ×ｃｏｓθ、−Ｖ_０ ｓｉｎωｔ×ｓｉｎθの電圧を印加する。３−５は中心部２０μｍφの領域であり、この領域内では電界はほぼθ方向を向いており、液晶分子はθの方向を向く。従って光ファイバから出射された光ビーム１０μｍがこの通過する部分にはθ方向の均一な電界を印加でき、均一な回転波長板を作製することができる。

ファイバ＋コリメートレンズを用いて空間ビームとした場合には、少なくとも１００μｍφの光ビームを通過させなくてはならないため、１００μｍφ内を均一な電界とするため、８つ以上電極を配置しなくてはならないが、本発明ではガラス基板が１０μｍと薄いため、ファイバを直接素子にバットジョイントできるため、光ビームはコリメートレンズを必要とせず、１０μｍφとなるので、１０μｍφ内であれば、４つの電極でも十分均一な電界を印加できる。

図１４〜１６は偏波制御素子の断面の電界分布を示したものであり、それぞれの図の上側は電界の方向を模式的に示したもの、下側の図面は計算結果である。この電界方向に液晶が列ぶ。従って図１６のように外部の透明電極に電圧を０Ｖとすると、電界は基板平行方向しか印加できず、液晶は平行配向になるが、図１４のように外部ＩＴＯに電圧を印加することにより、電界が基板垂直方向に印加され、液晶は基板に斜めに傾いて列ぶようになり、さらに図１５に示すように、その電圧を上げると傾きはさらに大きくなる。

図１３〜１６は電界分布を示したが、実際の液晶の分子の並ぶ様子を図１７，１８に示す。この図１７，１８は上側が基板上側から見た液晶の分子の向き、下側は液晶素子断面の液晶分子の配向の様子を示した物である。液晶はネマチック液晶が代表であるが、スメクチックＡ液晶でもよい。ここではネマチック液晶を例に取って説明する。第１基板および第２基板に垂直配向膜を塗布して、アニールすれば、ネマチック液晶は図１８の左側に示すように垂直配向（ホメオトロピック配向）するし、平行配向膜を塗布して、アニールするとネマチック液晶は図１８の右側に示すように平行配向（ホモジニアス配向）となる。

通常液晶素子は配向膜をラビングしたり光配向させて、ある一定方向を向くように配向膜の表面を揃えるが、本発明の偏波制御素子では、一定方向に液晶を向かせるような配向処理は必要ない。このため、液晶回転板の位相を外部電圧によって調整が可能となる。４電極でも３電極でもθ方向に液晶分子は向いており、また第２基板の外側の透明電極の電圧を変化させることにより、液晶の基板に対する傾きを調整できる。そのため液晶板の位相を変化させることができる

液晶回転波長板の位相と平行電圧、垂直電圧の関係を図１９に示す。図１９では、外部ＩＴＯ電極がない場合には、十字型の電極に印加する電圧と位相の関係は、急峻なしきい特性を持ち、ほぼ半固定の位相しかとることができない。即ち図１９では１から１．２πの値しか取ることができない。これに対し第２基板のＩＴＯに電圧を印加すると、横電圧と縦電圧を調整することにより、位相を連続的に０からπへ可変でき、０→λ／４→λ／２板と可変位相の回転波長板を実現できる。

上記シミュレーションおよび実験では、用いているガラスは第１基板、第２基板共に石英ガラスとした。石英ガラスの誘電率は３．５であり、液晶の誘電率は５から３０程度である。外部電界によって垂直方向の電界を制御する場合、有効に液晶層に電圧を印加するためには、第２基板のガラスの誘電率が高く、液晶の誘電率が低いことが望ましい。ホウケイ酸ガラスは誘電率が５、ソーダ石灰ガラスは９であり、このようなガラス基板を用いることによって、より低電圧で液晶に垂直方向の電圧を印加することが可能となる。

固定の回転波長板の場合には、従来例で説明したように、任意の偏波制御を行うためには、λ／４＋λ／２＋λ／４の合計３枚の回転波長板が必要であった。しかし本発明では可変位相の回転波長板が実現できたので、１枚で任意の偏波に任意の偏波を変換することが可能となる。図２０〜２３に可変位相の回転波長板に任意の偏波が入力された時、ポアンカレ球全体に偏波変換可能であるという計算結果を示す。

本実施例では第２基板の外側にＩＴＯを設けている。基板内側にＩＴＯを付けると第１基板および第２基板の電極が互いに近接して、続電界ばかりがかかり、基板横方向の電界が印加できなくなる。このため第２基板の外側にＩＴＯを設けることが重要である。

本発明の第２の実施例を図２に示す。ここで実施例１と異なるのは、第２基板１２の外側に直接透明電極がついておらず、直近にくるファイバ１７の端面と側面に透明電極２１が形成されており、この透明電極２１の電圧を調整することによって液晶可変回転波長板の位相を制御するものである。

実施例１と原理は全く同じであるが、第２基板１２が非常に薄いため透明電極から電極を取り出すのが困難な場合にはこのようにファイバ１７に透明電極２１を付けてもよい。ファイバ１７にコートされた透明電極にａＶ_０ ｓｉｎωｔの電圧を印加すると、実施例１と同様に液晶が基板に対して傾き、ａＶ_０ の値を変化させることにより、その傾き角度を可変でき、位相を可変にできる。本素子は可変位相の回転波長板であるので、可変位相の回転波長板となり、実施例１と同様に、本素子１枚で任意の偏波を任意の偏波に変換できる。

本発明の第３の実施例を図３に示す。ここでは第２基板１２以外に第１基板１１の外側にも透明電極２２が形成されており、その電圧は−ｂＶ_０ ｓｉｎωｔとする。実施例１では第２基板１２の外側の透明電極に電圧を印加することにより、液晶分子を基板に対して傾けたが、本実施例ではさらに第２基板１２の外側にも透明電極２２を設けて液晶分子を傾け易くしている。

図２４，２５に第１基板１１の外側にも透明電極２２を形成し、電圧を印加した場合の、液晶素子の断面方向から見た電界分布を、図２４の上に模式図、下側に計算結果を示す。第１基板１１および第２基板１２共に透明電極２２に０Ｖを印加してグランドに落とすと、基板平行方向の電界しかかからず、液晶は基板に平行に寝ることになるが、第１基板１１および第２基板１２に±１００Ｖの電圧を印加すると斜めの電界がかかり、液晶は基板に対して傾くようになり、実施例１と同様に位相を可変できる回転波長板を実現できる。

これにより実施例１と同様に液晶が基板に対して傾き、ａＶ_０ と−ｂＶ_０ の値を変化させることにより、その傾き角度を可変でき、位相を可変にできる。本素子は回転波長板であるので、可変位相回転波長板となり、実施例１と同様に、本素子１枚で任意の偏波を任意の偏波に変換できる。

上記実施例１〜３では、第１基板１１および第２基板１２の外側に透明電極を形成したが、該基板に透明電極を形成するのではなく、図４に示したように、導波路にダイシングソーなどで溝を掘り、スパッタリングや蒸着によって、導波路表面と溝壁面に沿って透明電極を付け、この間に十字型の電極を形成した液晶素子を挿入し、対向する透明電極にはａＶ_０ ｓｉｎωｔと−ｂＶ_０ ｓｉｎωｔの電圧を印加して、液晶の基板に対する角度を調整することにより、液晶可変回転波長板の位相を可変にすることが可能となる。

図１は、本発明の偏波制御素子を示す分解斜視図である。 図２は、本発明の偏波制御素子を示す分解斜視図である。 図３は、本発明の偏波制御素子を示す分解斜視図である。 図４は、本発明の偏波制御素子を示す分解斜視図である。 図５は、本発明の偏波制御素子の製造工程を示す説明図である。 図６は、本発明の偏波制御素子の製造工程を示す説明図である。 図７は、本発明の偏波制御素子の製造工程を示す説明図である。 図８は、本発明の偏波制御素子の製造工程を示す説明図である。 図９は、本発明の偏波制御素子の製造工程を示す説明図である。 図１０は、本発明の偏波制御素子の製造工程を示す説明図である。 図１１は、本発明の偏波制御素子の製造工程を示す説明図である。 図１２は、本発明の偏波制御素子の他の電極構成例を示す説明図である。 図１３は、本発明の偏波制御素子の実施例を示す説明図である。 図１４は、本発明の偏波制御素子の実施例を示す説明図である。 図１５は、本発明の偏波制御素子の実施例を示す説明図である。 図１６は、本発明の偏波制御素子の実施例を示す説明図である。 図１７は、本発明の偏波制御素子の実施例を示す説明図である。 図１８は、本発明の偏波制御素子の実施例を示す説明図である。 図１９は、本発明の偏波制御素子の実施例を示す説明図である。 図２０は、本発明の偏波制御素子の実施例を示す説明図である。 図２１は、本発明の偏波制御素子の実施例を示す説明図である。 図２２は、本発明の偏波制御素子の実施例を示す説明図である。 図２３は、本発明の偏波制御素子の実施例を示す説明図である。 図２４は、本発明の偏波制御素子の実施例を示す説明図である。 図２５は、本発明の偏波制御素子の実施例を示す説明図である。

符号の説明

１０ 偏波制御素子
１１ 第１基板
１２ 第２基板
１３ 電極
１４，２２，２４ 透明電極
１７ ファイバ
１９ 液晶層
４１ 配向膜

Claims (12)

1. 中心対称となるように３つ以上の複数パターンの電極を、中心部に一定の空間を空けて円周上に配置した配向膜付きの第１基板と、前記第１基板と対向する配向膜付きの第２基板と、前記第１基板および第２基板の間に形成される液晶層と、少なくとも前記第２基板の外側に形成される透明電極とを備え、
   前記空間を光が通過可能なように、前記第１基板および第２基板の外側の直近に光ファイバまたは導波路を配置し、
   前記第１基板および第２基板の厚さは１０μｍ以上５０μｍ以下であり、
   前記液晶層は、ホメオトロピック配向またはホモジニアス配向のネマチック液晶またはスメクチックＡ液晶から構成され、
   前記複数パターンの電極によって、前記第１基板および第２基板の基板面に対して平行でかつ前記電極の中心を中心軸として回転する電界を前記液晶層に印加するとともに、前記第２基板の外側に形成される透明電極によって、前記第１基板および第２基板の基板面に対して垂直な電界を前記液晶層に印加して、前記液晶層の液晶分子の配列方向を制御し、前記液晶層を通過する光の偏波と位相とを制御することを特徴とする偏波制御素子。
2. 前記第１基板の外側にも更に透明電極を設けたことを特徴とする請求項１に記載の偏波制御素子。
3. 前記透明電極は前記第１基板または第２基板の外側に直接蒸着されることを特徴とする請求項１または２に記載の偏波制御素子。
4. 前記透明電極は、前記第２基板には直接形成されておらず、前記第２基板に近接する光ファイバの端面および側面に形成されていて、前記光ファイバの中心が、前記空間を光が通過するように配置されて、前記第２基板の直近に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の偏波制御素子。
5. 前記透明電極は、導波路に掘った溝の溝壁面および表面に沿って形成されていて、前記導波路のコアの中心が、前記空間を光が通過するように配置されて、前記第１基板または第２基板の直近に来るように配置されていることを特徴とする請求項１に記載の偏波制御素子。
6. 前記第１基板または第２基板の厚さが２０μｍ以上の場合には、両側に配置される光ファイバはコア拡大ファイバであることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の偏波制御素子。
7. 前記第１基板または第２基板の光が通過する部分はブロックからはみ出させるように、前記ブロックを前記第１基板または第２基板に張り付けて補強したことを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載の偏波制御素子。
8. 前記第１基板または第２基板には前記電極パターンと前記透明電極がアレイで形成されており、前記透明電極パターンのピッチと同じピッチを持つファイバアレイを組み合わせて多チャンネルとしたことを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１項に記載の偏波制御素子。
9. 前記配向膜は、垂直配向膜あるいは平行配向膜であり、ラビング処理あるいは光配向など配向処理をしないことを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１項に記載の偏波制御素子。
10. 前記第２基板はガラス基板であり、その誘電率は５以上であることを特徴とする請求項１ないし９のいずれか１項に記載の偏波制御素子。
11. 請求項１ないし１０のいずれか１項に記載の偏波制御素子を駆動するための偏波制御素子の駆動方法であって、
    前記電極が４つ形成される場合に、
    Ｖ_０ ｓｉｎωｔ×ｃｏｓθ、Ｖ_０ ｓｉｎωｔ×ｓｉｎθ、Ｖ_０ ｓｉｎωｔ×ｃｏｓθ、Ｖ_０ ｓｉｎωｔ×ｓｉｎθ、の電圧がそれぞれの電極に印加されて、交流の電界が、前記電極の中心部分で電界の方向がθ方向となり、その他の数の前記電極の場合も同様に中心部分にθ方向の電界が印加されるようにそれぞれの電極に電圧を印加し、Ｖ_０ を調整することにより、前記基板の平行方向の電界強度を調整し、さらに前記第２基板の外側の前記透明電極には＋ａＶ_０ ｓｉｎωｔを印加し、このａの値を調整することにより、前記基板の垂直方向にかかる電界を制御し、前記液晶層を構成する液晶分子の前記基板に対する角度を任意に調整できるようにして位相を可変できることを特徴とする偏波制御素子の駆動方法。
12. 前記第１基板１の外側の前記透明電極に印加する電圧が−ｂＶ_０ ｓｉｎωｔであって、位相を変化させるためにｂを調整することを特徴とする請求項１１に記載の偏波制御素子の駆動方法。

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