JPH06508697A - 液晶フィルタの温度補償方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 発明の名称　液晶エタロンフィルタの温度保証発明の分野 本発明は一般的に成品装置に関する。さらに詳しくは、本発明は液晶エタロンフ ィルタの温度保証に関する。

発明の背景 電気的に同調可能な液晶・光学フィルタは、例えば、Ｐａｔｅｌらｌこよる「フ ァブリ、ペロエタロンにおける液晶を使用する赤外波長のための電気的に同調可 能な光学フィルタ（Ａｎ　ｅｌｅｃ口１ｃａＪＩｙ　＋ｕｎａｂｌｅ　ｏｐ口ｃ ａｌ　ｆｉｌＬｅｒｆｏｒｉｎｆｒａ−ｒｅｄ　ｗａｖｅｌｅｎｇ山ｕｓｉｎ■ @１ｉｑｕｉｄｃｒｙｓｔａｌｓ　ｉｎ　ａ　Ｆａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔｅｕｌｏ ｎ）Ｊ　（Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒｓ、第５７巻、１９ ９０年、ｐｐ、　１７１８−１７２０）およびＰａ狽■撃■謔髟■ 国特許出願シリアル番号０７／６７７．７６９　（１９９１年３月２９日登録） などに記載されている。さまざまなタイプが提案されているが、高性能タイプは 、液晶エタロンフィルタｌＯのための図１に示されたものと同様の構造を有する 。２つの誘電干渉ミラー１２および１４は、２つの別のアセンブリとして透明基 盤１６および１８上に形成される。半透明電極２２および２４は、ミラー１２お よび１４上に蒸着される。次に２つのアセンブリは、同アセンブリの間に事前決 定された小さなギャップをおいて固定され、液晶２６でギャップが埋められる。

ギャップの幅は、ミラー１２および１４の間の対応する光学的長さが、フィルタ される光の波長またはこれの倍数とほとんど同等であるように選択される（液晶 ２６の関連屈折率を考慮する）。つまり、ミラー１２と１４およびその間に入る 液晶２６はファプリーベロ空洞を形成し、よって送信される光のためのエタロン フィルタを形成する。電圧発電機２８は、電極２２および２４を通って同調信号 ＴＵＮＨによって決定された可変電圧を加えることによって、従って液晶２６を 通って電界を加えることによって電気的に液晶を同調する。液晶２６の屈折率の 少なくとも１つは電界によって変更される。それによって共振空洞の光学的長さ が変更され、フィルタ１０を通る電圧に対応するように入力光２０の光学的帯域 がフィルタ１０を通過して出力光３０に行く。本文書では液晶フィルタタイプに よって異なる液晶および偏光部品に隣接するアラインメント層については説明し ないが、必要であればＰａｔｅｌの文献の実施例を参照するとよい。

このタイプの液晶フィルタは容易に作成・動作できるばかりではなく、高反射率 （９８％以上）、また誘電干渉ミラーで損失が少ないため、約１ｎｍのたり１へ ん狭ν１帯域輻をな温度の小さな変化を管理することは可能であるが、管理する 装置は高価であり、液晶エタロンフィルタの有用性が限定されるものとなる。

発明のまとめ 従って、本発明の目的は液晶光学フィルタの温度依存を除くことにある。

する必要を除くことにある。

本発明は、液晶フィルタの電極を通って周波数ｆで発振する電位を加えることに よって、およびフィルタを通過した光のビームの周波数構成要素の１つの振幅を 最低限にするように振動電位の振幅を調節することによって電気的に同調可能な 液晶エタロンフィルタにおける温度および他の変化を保証する方法および装置と 要約することができる。

できれば、この周波数構成要素は２「構成要素であることが望ましい。

図面の簡単な説明 図１は、液晶エタロンフィルタの断面図である。

図２は、図示された液晶エタロンフィルタに関連する変化を保証するための、本 発明の温度保証器の実施例の回路の概略図である。

図３は、嘆に示されたフィードバックとドライブ回路の望ましい回路の概略図で ある。

発明の詳細な説明 ＤＣ電圧ではなくＡＣ電圧で光学変調器（ディスプレイ）または光学フィルタに 使用される液晶を電気的にバイアスさせることが標蓼的な方法である。ＤＣ電圧 は、時間が経過すると、液晶を通る電界を減少させる陽極フィールドを生ずる液 晶における電荷移動を起こす。結果として、図１の電圧発ｔｆｉ２ｇは、ｒｕｒ ｓｈいう同調信号によって決定され来の技術では一般的に、使用信号は対称双極 方形波であった。ネマチック液晶においては、液晶分子の誘電トルクは電界の二 乗に対してトルクが比例しているため、フィールドの方向から独立している。従 って、反応は主に印加電圧のＲＭＳ値に依存するものである。しかしながら、少 なくとも２つの作用は、印カｎＡｃｔ圧によるＡＣ変調を起こす。まず、イオン 移動は、時間的な陽極フィールドを起こす。２つ目にフレキソ電気作用は構造的 緩和および表面に近い導波器の歪みを起こす。これらの両件用は屈折率を変調し 、有限的に傾斜した辺を有する共鳴のピークを生ずる。片側の辺でフィルタが同 調されると、送信された強度は加えられた周波数の２倍、つまり２「で変調され る。しかしながら、狭帯域の液晶エタロンフィルタの共鳴は２ｆ構成要素が共鳴 のピークで消えるように非常に狭い帯域の光源の片側からもう一つの側に同調さ れ、その時に変調の位相は１８０度で変更される。２「構成要素の符号付き振幅 は、印加電圧に対する共鳴の導関数を表す。狭帯域フィルタではこのような作用 は一般的には望ましくないが、本発明では温度によって変化する可能性のあるこ の作用を、共鳴のピークの同調のために使用する。

図２に、概略的に示された本発明の実施例において、液晶エタロンフィルタｌＯ の温度変化は、能動フィードバック回路によって保証される。まず最初にフィル タ１０のパスバンドの帯域幅より狭い帯域幅を有することが望ましい光学信号３ ４で照射された液晶フィルタｌＯは、信号３４の光学的周波数に少なくとも部分 的に共鳴を同調すらとされた。

フィルタ１０を通って送信された光３０は、光学検知器３６に直接検知される。

生じた電気信号は、送信された光３０の強度を測定し、光学入力信号３４によっ て運ばれるデータ信号が向かうはずの受信器３８に直接受信されることがある。

しかしながら、電気信号は、受信器３８よりも周波数反応が相当低い周波数を有 する位相敏感検知器４ｏの信号人力ＳＩＧにも接続されている。位相敏感検知器 ４０は、発振基準信号ＲＥＦに同相である入力信号ＳＩＧの構成要素を決定する 。出力ＯＵＴは、入力信号ＳｒＧのその発振部分の符号付き振幅であるが、出力 は意図的にゼロからオフセットされている可能性がある。この符号付き振幅はエ ラー信号を表す。

フィードバックとドライブ回路４２は、液晶フィルタＩＯを周波数ｆ（通常的１ 　ｋ）（ｚ）で電気的にドライブする。この回路内において発振器間は周波数２ ［で発振出力を作り出す。

この発振信号は、位相敏感検知器４０の基準人力ＲＥＦだけではなく、入力周波 数の半分のみでの周波数で信号を出力する周波数分割器４６にも接続されている 。つまり、周波数分割器４６は入力周波数２「を０．５で乗算し、周波数「で出 力する。定振幅を有するｆ信号は倍率器４８の入力の１つに接続される。倍率器 ４８のもう一方の入力は、アナログ加算器５０がＤＣ同調電圧ＴｔＪＮＥを加え た位相敏感検知器４０の出力ＯＵＴからエラー信号を受信する。

倍率器５０の出力は、周波数ｆ、および位相敏感検知器３４からの双極エラー信 号と同調電圧ＴＵＮＥによって決定される振幅を有する発振信号で液晶フィルタ １０をドライブさせる。

最初に液晶フィルタ１０を入力信号３４に対応する共鳴に同調するため、双投ス イッチ５２は位相敏感検知１Ｓ４ｏの出力ｏｔｒｒの代わりに接地電位を使用し 、同ｗ４電圧１匪は、受信器３８または他のモニター装置によって光学信号がフ ィルタ１０を通過していることが検知されるまで変更を続ける。これによって、 液晶フィルタ１ｏの空洞は、同調操作中の条件下での光学入力信号３４の光学周 波数に少なくとも部分的に同調する。その後、スイッチ５２は出力αバに戻り、 フィードバック制御が開始される。

位相敏感検知器句からの非ゼロ出力（つまり２ｆにおける検知信号の存在）は、 液晶フィルタｌｏが共鳴のピークに同調されていないことを示す。出力０訂の符 号は光学入力信号３４の光学周波数が共鳴のピークの周波数のどちら側であるが を示す。出方電圧信号ＯＵＴの極性は、フィードバックとドライブ回路４２が光 学入力信号３４の光学周波数と一致するような方法で共鳴のピークをドライブす るように選択しなければならない。出カ信号α汀の大きさは、共鳴のピークと光 学周波数の間の偏差量を測定する。

図２に示されたフィードバック制御は、補正信号０田゛の量が２ｆ信号の振幅と 比例しているため、比例フィードバック制御である。結果として、共鳴が移動し た場合、保証は液晶フィルタを２ｆ信号がない共鳴のピークに戻せなくなり、ピ ークに向かうことしができなくなる。フィードバック制御にもっと複雑なものが あれば、この問題は解決される。例えば、比例積分制御は、補正信号。石の時間 積分による部分的な制御を含む。さらに複雑な制御は微分期間を含む。フィード バックループは、適切な時定数を入れることによって必ず安定させなければなら ない。

制御と近似するものである。その場合、検知された信号はディザ−周波数の２倍 で、位相敏感的に検知される。次に、検知されたディザ−構成要素はレーザに使 用したＤＣバイアスを補正する。

〔フィードバックとドライブ回路〕

回路４２は、図２に示されたフィードバックとドライブ機能を適用するように構 築されたが、実際には図３に概略図に示されたような構成要素で作られている。

５５５系タイマωは、５０％のデユーティ周期で２ｋＨｚで発振するようにコン デンサおよび抵抗器に接続した。２ｋＨｚの出力は位相敏感検知器４０のＲＥＦ 入力に接続され、２ｋＨｚで信号を生成する周波数分割器として動作するＤ型フ リップフロップ６２を制御する。タイマ６ｏおよびフリップフロップ６２の両方 の電源人力■、は、加算器５ｏがらの組合わされた同調とエラー信号に接続され る。加算器５０は演算増幅器であり、また電圧源からの同調信号■弁圧が可変抵 抗器６８を通り、位相敏感検知器４０のｏｕ”ｒ出力のエラー信号が固定抵抗器 ７０を通り、この同調信号ＴＵＮＥとエラー信号を受信するフィードパンク抵抗 器６６である。従って、１　ｋＨｚおよび２ｋＨｚの出力の両方の振幅は、同調 とエラー信号に依存する。フリップフロップ６２の出力は対称１　ｋｌ（ｚ方形 波であるが、可変制御振幅とゼロの間に発振される。レベルシフター７２は、双 極になるように方形波をシフトし、これは同等の正と負電圧の間に発振する。レ ベルシフター７２の後には、演算増幅器７４がある。コンデンサ７６および抵抗 器７８の両方がフィードバックループに平行に接続された場合、演算増幅器７４ は双極三角波形を出力するように方形波入力を統合する。コンデンサ７６はフィ ードバックループから取り除いた場合、演算増幅器７４が双極方形波を出力する ように入力信号のみを増幅する。

〔実験］ 一連の実験は、上記記載のＰａｎｅｌらの記事に説明したように作成された液晶 エタロンフィルタで行なわれた。ミラーは１４□ｍから１６μｍまでの広帯域に おいて９８．５％の反射率を有していた。セルギヤノブ約１０ｐｍであり、液晶 はＥＭ　Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ社のＴｙｐｅ　Ｅ７ネマチツク系のものであった。

この液晶は、ネマチック位相から、６０．５℃での高温度等方性位相へ遷移する 。液晶１０のバスバンドは約０．５　ｎｍであった。フィルタは、１．５４６４ μｍで動作して０．５　ｎｍより相当少ない線幅を有するＤＦＢ固体レーザから のレーザ光で照射された。単モードファイバは、フィルタの両側に結合された。

このフィルタは温度制御ホルダーに取付けられた。電子増幅器は、光学検知器と 、位相敏感検知器として動作するＰＡＲ１２１型ロックイシロツクイン増幅器ら れた。ロックイン増幅器の減衰時間は３秒に設定され、これによってフィードバ ック時定数が決定された。

最初の実験は、フィードバンクなしで、フィードバンクとドライブ回路内のもの 以外の発振器を使用して行なわれた。光学検知からのＤＣおよび２ｆ振輻信号の 両方は、周波１＆ｆでのＡＣドライブ信号の振幅としてモニタされた。ＤＣ信号 は、レーザ光においてフィルタ空洞が共鳴する電圧で２つのピークを示した。２ ｆ振幅は、この２つの電圧で正ピークの直後に負ピークを示し、つまり２ｆ振幅 はＤＣ信号の導関数に対応していた。正弦波または三角ＡＣドライブ信号は、方 形波ＡＣドライブ信号よりも大きい導関数信号を作り出したことが分かった。ま た、ＡＣドライブ信号の周波数「が大きくなるに従って、導関数信号の大きさが 減少した。周波数ｆは、フィルタされる光学信号の検知に対して大きく影響しな いようにフィードバックループが安定して動作するような方法で選択される。

２つ目の実験は５１図２および図３に示されたように、フィードバックを用い、 三角発振波形を使用して行なわれた。フィルタは、最初に４９℃での共鳴に同調 され、次にフィードバックを開始した。温度は２５℃まで減少させ、徐々に６５ ℃以上に上昇させた。ＤＣの光学的強度は２５℃から５５℃よりわずかに上の温 度までほとんど一定し、その時点で強度は落ちたが、そのまま約６０’Ｃまで変 化はなかった。次に、フィルタが入力信号に固定されていない状態で温度が下げ られたとき、フィルタ空洞は非保証共鳴になるまで出力信号を得ることができず 、この時点より２５℃まで強度はほとんど一定していた。

３つ目の実験は、レーザに１５５　Ｍｂ／ｓでの疑似ランダムデータを印加する ため、ビット誤り率（ＢＥＲ）テスタを使用して行なわれた。光学出力信号は、 ＢＥＲテスタの光学検知器と温度保証器の光学検知器の間で光学的に分けられた 。２ｆ振輻の大きさを減少するため、方形波ドライブ信号はフィルタに印加され た。最初の同調の後、受信された−３７．６　ｄＢｍレーザ電力において、ＢＥ Ｒは約１０”で測定された。その後、ＢＥＲは、フィードバック制御を使用した 場合と使用しない場合で、温度として測定された。フィードバックを使用しない 場合、２５℃から±０．５℃の温度変化によって、ＢＥＲは１ｏ゛２まで上昇し た。フィードバックを使用した場合、温度が２５℃がら４０’Ｃまで上昇するに 従って、ＢＥＲは約１０”まで徐々に上昇した。これによって、本発明の温度保 証は、０．５　ｎｍフィルタの温度での動作範囲を１川音以上まで増加した。

実験に使用された温度保証器のトランキング範囲は、フィードバックループの利 得帯域幅積によって限定されると考えられている。しがしながら、記載回路のル ープ利得を増加すると、ループが発振し始める。またトラッキング範囲は、液晶 のパラメータに依存する。Ｅ７液晶は６０．５℃で溶ける。トラッキングは、屈 折率変化が最大の位相遷移の近辺であっても困難である。より高い融点の結晶が 望ましい。

最後に記載する実験は、単一の光学ファイバ上に複数の光学キャリヤが運ばれる 波長分割多重化通信システムにおける液晶フィルタ使用の可能性に関する。液晶 フィルタを指定された光学キャリヤ周波数に同調し、その後、温度保証器を励起 するための充分なエネルギーを運び続ける限り、そのキャリヤは本発明の温度保 証によってトラッキングすることができる。他のキャリヤが存在する状態におけ る、未知のドライブ電圧での指定キャリヤ周波数への最初の同調には、キャリヤ 識別子の自動的なスキャニング・認知が必要となる。

記載実施例では２ｆで２倍の周波数構成要素を検知したが、ドライブ周波数ｆの 他の調波も検知し最低限にすることが可能である。基本的調波周波数ｆを使用す る場合、非対称をＤＣバイアスで、または液晶の非対称的表面アラインメントで 提供する必要がある。

この実験では液晶フィルタでの温度保証を説明しているが、本発明は、他の要因 、例えばドライブ回路の変動が原因となる液晶フィルタの変動を保証するために も使用することができる。事実、また本発明は、入ってくる光の周波数ドリフト を保証するためにも保証することができる。

本発明は、バイアス振幅を調整することによる液晶の温度保証に関するが、実際 の温度を抵抗加熱および熱電冷却によって制御するようなフィードバックの微調 整および概調整のためのみにバイアス調整を使用することが望ましいと思われる 。

本発明の温度保証器は簡単で安価に実施することができ、液晶フィルタの変更や フィルタへの追加信号の印加も不要であるにも関わらず、狭帯域幅の液晶エタロ ンフィルタの温度動作範囲を大きく増加するものである。

図１ 図２ 図３ 国際調査報告 に−１崗Ｉ−＾師−剥−１軸＋１１”Ｔ／＋τＱ＠’）／ｎ＾００１゜

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 請求項１　後に光学検知器で検知される光学周波数を有する光ビームをフィルタ するための液晶フィルタの保証器で、下記のものを含むもの：ドライブ周波数ｆ での第１発振電気信号およびｆに対して比例する周波数での第２発振電気信号を 提供する発振回路； 該光学検知器および該第２発振電気信号からの検知出力を受信し、該比例する周 波数を有する該検知出力の構成要素の振幅を表す保証信号を提供する位相敏感検 知器；および 該第１電気信号および該保証信号を受信し、該ドライブ周波数および該保証信号 に関連する振幅を有する該液晶フィルタのためのドライブ信号を提供するドライ ブ回路。 請求項２　請求項１記載の保証器で、該比例する周波数２ｆであるもの。 請求項３　請求項２記載の保証器で、該発振回路は発振出力を提供する発振器お よび該発振出力を受信する周波数倍率器を含むもの。 請求項４　請求項２記載の保証器で、該発振回路は該保証信号に対して制御され る電源入力を含むもの。 請求項５　請求項１記載の保証器で、該ドライブ回路は、さらに同調信号を受信 し、該ドライブ信号の該振幅は該同調信号および該保証信号の加法組合せに関連 するもの。 請求項６　保証同調可能光学受信器で下記のものから含むもの：第１側に光学信 号を受信し、フィルタにおける液晶を通って電圧を印加する電極を有する液晶エ タロンフィルタ； 該フィルタの第２側に配置され、該フィルタによってフィルタされた該光学信号 の一部分を受信し、検知信号を提供する光学検知器；該フィルタの該電極を通っ て周波数ｆでの第１発振信号を印加する手段；および該周波数ｆに比例する周波 数で該検知信号の構成要素の振幅に従って該第１発振信号の振幅を変更する手段 。 請求項７　請求項６記載の受信器で、該比例周波数は２ｆであるもの。 請求項８　請求項６記載の受信器で、該変更する手段から独立して該フィルタを 該光学信号のピークに同調する手段をさらに含むもの。 請求項９　光ビームで照射された液晶フィルタを保証する方法で、下記のステッ プを含むもの： 該液晶フィルタの電極を通って周波数ｆでの第１発振信号を印加するもの；該フ ィルタによってフィルタされ、該周波数ｆに比例する周波数を有する該光ビーム の構成要素を検知するもの；および 該検知された構成要素に対して該発振信号を調整する第１ステップ。 請求項１０　請求項９記載の方法で、該検知するステップは、該比例周波数で発 振する信号に対して固定位相関係を有する該構成要素の振幅を検知するもの。 請求項１１　請求項１０記載の方法で、該比例周波数は２ｆであるもの。 請求項１２　請求項１１記載の方法で、該検知するステップは下記のステップを 含むもの： 該フィルタによってフィルタされた該光の該ビームの強度を検知するもの；該比 例周波数２ｆで、第２発振信号を生成するもの；および該第２発振信号に対して 固定位相関係を有する該強度の構成要素を検知し、よって該検知された構成要素 を提供するもの。 請求項１３　請求項１１記載の方法で、さらに下記のステップを含むもの：該第 １調整するステップが利用不可能のときに該ビームを検知し、よって該ビームの 強度の測定値を提供するもの； 該ビームの該強度の該測定値に対して該発振信号を調整する第２ステップ；およ び該第２調整ステップの後、該第１調整ステップを可能とするもの。