JPH07504994A - キラルスメクチック液晶光学変調器 - 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】 牛うルスメクチック液晶光学変調器 発明の分野 本発明は、キラルスメクチック液晶材料を調節要素として使用した、折り畳まれ た光学パス構造を有する、調節可能な電気光学変調器に関し、特にファプリーペ ロ干渉計及びエタロン変調器に関する。

発明の背景 液晶表示装置は、ネマチック、コレステリック及びスメクチック液晶の誘電異方 性により、平均分子軸、すなわちディレクタが、印加された電界の存在のもとて 配回され得るという基本原理に基づいて動作する。非強誘電性液晶の印加された 電場への結合は弱い二次相互作用である。一般に、遅い応答時間が、非強誘電性 、非キラル液晶光学装置の特徴である。

Ｍｅｙ、ｅｒら　（”Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｌｉｑｕｉｄ　Ｃｒｙｓｔ ａｌｓ−、ｉｎ　Ｌｅ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｄｅ　Ｐｈｙｓｉｑｕｅ、Ｖａｔ、３ ６．　Ｍａｒｃｈ、１９７５．　ｐｐ、Ｌ６９−Ｌ７１）　は、キラルＣ°また はＨｏ、スメチノク液晶が強誘電体で宵り得ること、すなわち、永久双極子密度 旦有することを示している・この水久分極旦は、分子の長軸の平均的な配向（分 子ディレクタｎで表される）に垂直であり、一般にスメチック層に平行な平面内 に含まれている。これらのキラルスメチソク液晶（Ｃ３ＬＣ）において、図１及 び図２に示すように、分子ディレクタは層の法線２に対して温度依存性の角度Ｗ をなす。

一般に、Ｖはｏｏから４５″の範囲である。電気双極子の存在により、非強誘電 性液晶に比較すれば、印加された電界へのはるかに強い結合がもたらされる。さ らに、結合、及び、そのための配向トルクは印加された電界に対しておよそ線形 である。このことの重要性は、印加された電界の符号の変化が、スメチノクＣ” 、Ｈ”、Ａ　”、及び他のキラルスメチック相液晶における、旦の方向を変化さ せることである。

Ｎ、　Ａ、　Ｃ１ａｒｋらは米国特許第４，３６７．９２４において、透明電極 で覆われた２枚のガラス板の間にスメチックｃ”　（ｓｍＣ”）液晶の薄い層を 挟むことにより、強誘電性液晶スイッチング装置を実現している。この特許では 、彼らは表面安定化（５ｕｒｆａｃｅ−ｓｔａｂＨｉｚｅｄ）された強誘電性液 晶（Ｓ　Ｓ　Ｆ　Ｌ　Ｃ）装置を記述しており、この装置はＳｍＣ”またはＳｍ Ｈ”液晶相を、いわゆるブックシェルフジオメトリ−が、そうでなければ平面配 向と呼ばれるもので使用している。ここで図１に示されるように、スメチック層 はガラス板に垂直であり、液晶分子はガラス板に平行であり、このガラス板は電 極も含んでいる（Ｎ、　Ａ、　Ｃ１ａｒｋらの米国特許第４，５６３，０５９、 並びに、Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓ、　Ｌｅｔｔｓ、（１９８０）旦：８９９の Ｎ、　Ａ、Ｃ１ａｒｋ及びＳ、　Ｔ、　Ｌａｇｅｒｖａｌｌ、並びに、Ｍｏ１． 　Ｃｒｙｓｔ、　Ｌｉｑ、　Ｃｒｙｓｔ、（１９８４）　１１４：１５１−１８ ７のＳ、　Ｔ、　Ｌａｒｇｅｒｖａｌｌ及び１．Ｄａｈｌも参照のこと）。

スイッチ、シャッター、ディスプレイ及び空間光変調器（ＳＬＭ）を含む多くの 電気光学装置アプリケーションで、５ＳＦＬＣＳｍＣ”材料が有用であることが 示されている。

平面配向のキラパスメチックＣ，Ｆ、Ｇ、Ｈ及びＩ液晶装置の利点は、非キラル 液晶装置に対してスイッチング速度の大きさ、がほぼ３桁増加すること、及び、 光学メモリユニットに応用性を有する固有の双安定性である。

平面配向のＣ３ＬＣセルの三安定（ｔｒｉｓｔａｂｌｅ）スイッチングが報告さ れている（１．　Ｎ１５ｈｉｙａｌａら　（１９８９）　Ｊｐｎ、　Ｊ、　Ａｐ ｐ。

ｐｈｙ、　２８：Ｌ２２４８；及びＡ、　Ｄ、１．　Ｃｈａｎｄａｎｉら（１９ ８ｇ）　Ｊｐｎ、Ｊ、　Ａｐｌ）、　ｐｈｙ、　２７：Ｌ７２９　’）。そのよ うな三安定セルの第３の状態は、ＳｍＣＡ”と呼ばれる反強誘電相の存在と関連 づけられている。

このタイプのＣ５ＬＣセルは反強誘電性ＬＣセルと呼ばれている。この反強銹電 効果を示すＣ３ＬＣ材料は、Ｋ、　Ｆｕｒｕｋａｖａら（１９８８）　Ｆｅｒｒ ｏｅｌｅｃｔｒｉｃｓ　８５：６３；　Ｍ、Ｊｏｈｎｏら（１９８９）　Ｊｐｎ 。

Ｊ、　Ａｐｐ、　ｐｈｙ、　２８：、Ｌ１１９及びＹ、　５ｕｚｕｋｉら（１９ ８９）　Ｌｉｑ、　Ｃｒｙｓｔ。

ｉ：１６７によって報告されている。

Ｌａｇｅｒｗａｌｌらの米国特許第４，８３８，６６３は、非チルト、非強誘電 性、キラルスメクチックＡ’（ＳｍＡ”）液晶電気光学スイッチを記載している 。電界の印加されていない状態（ゼロフィールド状態）で基板壁の間にある、平 面配向の表面安定化Ｓ　ｍ　Ａ　”材料を使用すると、ｎはＺに平行である（す なわち、Ｖ＝Ｏ°）。エレクトロクリニック（ｅｌｅｃｔｒｏｃｌｉｎｉｃ）　 効果のため、ＳｍＡ”材料の分子ディレクタは、印加されす（Ｓ、　Ｇａｒａｆ ｆ及びＲ，Ｂ、　Ｍｅｙｅｒ　（ｆ９７？）　Ｐｈｙｓ、　Ｒｅｖ、　Ｌｅｔｔ ｓ。

３８：８４８により、初めて記載された）。これらのセルは、電場が印加される と、Ｗの最大チルト角ＷＭＡ！まで曹のアナログ依存性を示す。この角度ＩＦＭ ＡＫはＳｍＡ”材料に固有の特性である。およそ６″から２２．５°の範囲の’ Ｆ　Ｍ　Ａ　！を有する材料が認められている（Ｓｈａｒｐ、　Ｇ、　Ｄ、ら（ Ｏｐｔ、　Ｌｅｔｔ、１５）　（１９９Ｇ）　ｐｐ、　５２３−５２５も参照の こと）。これらの平面配向のＳｍＡ”セルの利点は、マイクロ秒以下のスイッチ ング速度及び光学軸のアナログ回転である。

Ｌ、　Ａ、　Ｂｅｒｅｓｎｅｖらの、１９８９年に公開された欧州特許出願第３ ０９７７４は、歪んだらせん強誘電性（ｄｉｓｔｏｒｔｅｄ　ｈｅｌｉｘ　ｆｅ ｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ　：　Ｄ　ＨＦ　）液晶と呼ばれる新しいタイプのキラ シスメチツク強誘電性液晶セルを最近記載している。このタイプの装置は、これ があまり強（表面安定化されておらず、従って層の法線Ｚの方向に沿ったらせん が抑制されていないこと以外は、Ｌａｒｇｅｒｖａｌ　ｌらの平面配向のキラル ＳｍＡ”装配向される。角度Ｗは、電場のサイズ及び大きさに依存するので、Ｄ ＨＦ装置はＳｍＡ”装置と同様にアナログモードで動作する。ＤＨＦ装置には、 分子が配向するにつれて材料の複屈折が変化する。これは５ＳＦＬＣＳｍＣ”ま たは平面配向のＳｍＡ”装置では起こらない。±３７″の大きさのｔＦＭＡ工を 持つＨｏｆｆｍａｎｎ−Ｌａ　Ｒｏｃｈｅ　ＤＨＦ　６３００のようなり）（Ｆ 材料が知られている。ＤＨＦスイッチング装置の上記の他のＦＬＣスイッチング 装置に対する利点は、印加される電圧によって変化し得る複屈折である。これは 、電圧の印加で変化する複屈折を生じるネマチック液晶の動作と同じである。ネ マチック液晶とは対照的に、ＤＨＦ分子ディレクタは４０μ秒以内でそれらの全 チルト角を回転する。これは大きな利点である。さらに、光学軸を回転させるた めに必要な電圧が、ＳｍＡ”及びＳｍＣ”セルに必要なものよりも、一般にかな り低い。ＤＨＦ装置の興味深い特徴は、印加電圧の関数としての光学軸の回転と 複屈折の変化との結合である。

Ｚ、　Ｍ、　Ｂｒｏｄｚｅｌｉら（１９９０）　Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｄｉｇｅ ｓｔ　ｏｎ　ＳＬＭ’ｓ　ａｎｄＴｈｅｉｒ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　１４： １２８は、ホメオトロピック配向ＳｍＣ０液晶での高速電気光学応答（２０μ秒 ）を報告している。ホメオトロピック配向では、液晶のスメクチック層は基板壁 の表面に平行であり（図２参照）、平面配向Ｃ３ＬＣになっているので、分子デ ィレクタは層の法線とＷの角度をなす。Ｂｒｏｄｚｅｌｉらに記述された光学変 調器において、ホメオトロピック配向ＳｍＣ＠材料は、被覆電極を有する基板壁 の間に位置している（セルの幅は１７μｍにされている）。装置に入り、層に垂 直な軸に沿って伝播する非単色偏光は、電極間に印加される電圧によって強度が 変調されると報告されている。

光学信号の位相変調は、電気光学効果を用いて、多くの場合は行われている。電 気光学効果では、適切な材料の屈折率の変化は、電界の印加により達成される。

例えばポッケルスまたはカー効果（例えば、Ｙａｒｉｖ、　Ａ、　ａｎｄ　Ｙｅ ｈ、　Ｐ、並ｔｉｃａｌＷａｖｅｓ　ｉｎ　Ｃｒｙｓｔａｌｓ　（１９８４）　 Ｗｉｌｅｙ　ａｎｄ　５ｏｎｓ、　ＮＹを参照のこと）。

ポッケルス及びカー効果は高速効果であるが、非常に小さな電気光学効果を達成 するためのバルク効果を得るために、大きな電圧を必要とする。電気光学ポッケ ルス及びカー効果位相変調器の特性を改善するために使用される技術は、ファプ リーペロエタロンまたは共振器を使用して、光学パスを折り畳むことである。フ ァプリーペロエタロンまたは共振器は、小さな振幅の入力信号をコントラストの 大きな出力光学的強度に変換する。

ファプリーペロ装置は、距離りだけ隔てられた２つの平行な平面で構成されてい る。これらの平面は、反射率の高い表面または鏡である。鏡が距離して固定され ているとき、装置はエタロンと呼ばれる。Ｌを変化し得るとき、装置は干渉計と 呼ばれる。ファプリーペロエタロンは、鏡によって反射または透過される波の多 重干渉の原理に従って動作する。もしＬがπの倍数ならば、透過される波は破壊 的に干渉し、装置に入射する光は、エタロンによって理想的に全面的に反射され る。もしＬが２πの倍数ならば、すべての光はエタロンによって理想的に透過さ れる（吸収損失がないと仮定する）。

もしエタロンの厚さがπと２πの開のどこかならば、部分的な透過または反射が 起きる。もしエタロンの光学的な厚さを変化し得るなら、エタロンは可変変調器 として動作する。

Ｍｉｌｌｅｒらの米国特許第４，７９０，６４３は、牛ャビティ内に光学的に非 線形なネマチ、７り液晶材料を含むファプリーベロエタロンからなる、光学的に 双安定な装置を開示している。この装置は、単色光またはコヒーレント光源を変 調するために設計された電気光学双安定スイッチを提供する。この装置、の液晶 は、キラルでも強誘電性でもないので、この特定の光学変調器のスイッチング速 度は比較的遅い。

及匪二員！ 本発明は、折り畳まれた光学バス構造、電界の印加によって光学変調のために機 能するキラバスメチック液晶材料を光学キャビティ内に含んだエタロン及び干渉 計を提供する。ここで提供される強度変調器、位相変調器及び波長変調器は、適 度の電圧要求及び低電力消費と高速調節とをあわせ持っている。本発明の装置構 成は、さまざまなアプリケーションで有効な不連続または連続光学変調を与える 。このアプリケ−／Ｈンには、特に、分光測定法、遠隔測定、光学フィルタでの 差分吸収または透過のための不連続変調、カラーディスプレイで有効な高速波長 変調、シャッター及びＳＬＭのためのバイナリまたはグレースケール生成のため の強度変調、２−Ｄ及び３−Ｄホログラフィックディスプレイ、ＳＬＭ、ビーム 操作、屈折及び回折光学要素のための位相変調が含まれる。

折り畳まれた光学バス構造は、ファプリーベロ（ＦＰ）干渉計及びエタロン構造 、並びに非対称ファプリーベロキャビティ（すなわちＧｉｒｅｓ−Ｔｏｕｒｎｏ ｉｓエタロン）を含む。本発明の変調器構成は、さまざまな手段によって電子的 または光学的にアドレス可能な単一または複数ビクセル要素において有効である 。

最も一般的には、本発明は光学共鳴牛ヤビティ内の＋ラルスメチノク液晶材料の 配向された層の配置に関連している。

従来と同様に、光学手ヤピティは対向する反射表面によって形成される。反射表 面は、キャビティに入る光の大部分が、キャビティを出る前にキャビティ内で１ 回よりも多いバスを通る、すなわち少なくとも１回は反射するようになっている ことが望ましい。ＦＰエタロンまたは干渉計の構成においては、位相遅延された 光の波が少なくとも２つ、光がキャビティを出る前に生じることが望ましい。非 対称ＦＰ構成では、光学パスを折り畳むことは、変調器内の光の相互作用長を増 加させる。典型的には、反射表面は互いに平面が平行で、がっ、少なくとも反射 表面のうちの１つは光をキャビティに入るのを可能にするために透過的である。

ＦＰキャピテイは、変調アプリケーション、及び／または、設計要求に依る選択 によって、透過／反射モード、または、反射オンリーモードで動作できる。キラ ルスメチノク液晶材料は、基板壁の間に配向されている。キラバスメチック液晶 材料は、平面またはホメオトロピック配向であり得る。当該分野で知られている ような適切な配向層のような望ましい配向を達成するための手段は、基板壁の内 側の表面にキラバスメチック液晶材料と接して設けることができる。配向された 材料に電界を印加するための手段は、材料の分子ディレクタ、すなわち光学軸が 、材料への電界の印加時に回転可能なように設けられる。ａＣまたはｄｃ１１Ｉ 界、または両方が、光学軸を回転するためにセいるある装置構成では（すなわち Ｅは２に垂直）、光学軸は印加された電場の方向に垂直な平面内で回転可能であ る。配向されたキラバスメチック液晶材料、基板壁、及び液晶への電界の印加の ための手段は、キラバスメチック液晶セルを構成している。キラバスメチック液 晶セルを含むＦＰキャビティを横切る光は、電界の印加による光学軸の回転によ って変調される。本発明の変調器は、等方性スペーサー要素、レンズ、複屈折要 素及び波長板をエタロンキャビティ内に含んでもよい。

本発明は、楕円偏光の調節可能な光学変調器を特に提供する。ここでのある光学 変調器構成は、直線偏光で特に有効である。これらの特定の実施態様の光学変調 器は、望ましい変調を得るために、出口偏光手段または偏光検光子を必要としな い。しかし特定のアプリケーションにおいては、変調された光のある偏光状態を 選択するために偏光検光子を使用することが望ましいかもしれない。本発明のＦ Ｐタイプの干渉計及びエタロンの構成は、バイナリ及びアナログ強度、位相及ヒ 波長変調を含む。本発明の変調器は、単一のビクセルまたは？Ｊ！数のビクセル のアレイにおいて、光学的または電子的にアドレス可能である。

本発明は、特に、楕円偏光の調節可能な変調器も提供する。

これぼ非対称ＦＰキャビティを備えており、そこにおいて光学キャビティは、キ ャビティに入る光の反射のための手段の間ニｊＥ　ｉ！　サれるキャビティ内変 調器要素を含んでいる。これらの変調器中の光反射手段は、装置が反射オンリー モードで動作するように、他方の反射表面よりも著しく高い反射率、理想的には ｌ、を有する１つの反射表面を備えている。平面配向及びホメオトロピックに配 向された材料の両方は変調器要素として使用されることができ、適切な配向手段 がＣ５ＬＣセル内に備えられていてもよい。これらの特定の実施態様は、光学変 調を検出するために偏光子を使用する必要はない。

本発明の非対称ＦＰエタロン変調器は、バイナリ変調器及びアナログ位相変調器 を含んでいる。

本発明の高速調節可能またはスイッチ可能な変調器において有効なキラバスメチ ック液晶材料は、強誘電性液晶材料、エレクトロクリニック液晶材料、歪んだら せん強誘電性材料及び反強誘電性材料をセル構成内に備えており、これらが電界 の印加によって液晶材料の光学軸の高速回転を可能にする。

キラバスメチック液晶セルは、不連続状態セル及びアナログセルを含む。セル内 で、キラバスメチック液晶材料は平面配向又はホメオトロピックに配向されてよ い。

あるホメオトロピックに配向されたセルは、本発明の１つの局面として提供され 、本発明においては有効である。これらのセルは透明または半透明な基板壁を有 することができ、この基板壁を通って（スメチノク層を横切る）またはセルの側 部の１つを通って（スメチック層を２等分する）、光はセルを横切る。

本発明はここで述べた共鳴キャビティ変調器及び非共鳴キャビティ変調器を使用 して、光、特に楕円偏光、そしてより具体的には直線偏光の位相、強度または波 長を変調する方法も提供する。

図面の簡単な説明 図１は、キラルスメチック液晶セルの平面配向の図である。

図２は、キラルスメチック液晶セルのホメオトロピック配向の図である。

図３は、平面配向キラルスメチックＬＣのスイッチング可能なファプリーベロ変 調器のための、典型的な装置構成の二次元断面概略図である。

図４は、ホメオトロピック配向、横方向電極、スメチックＬＣ変調器の典型的な 概略図である。図４Ａは、装置の側部の三次元図で、図４Ｂは装置の上部からの 二次元断面図である。

図５は、４分の１波長板を使用した平面配向スメチソクＬＣアナログ光学変調器 の概略図である。図５Ａは透過モード変調器である。図５Ｂは反射モード変調器 である。

図６は、平面配向キラルスメチック液晶層を使用しているアナログファプリーペ ロ強度変調器または波長変調器のための典型的な装置構成の断面図である。

図７は、鏡反射の異なる値に対する図６の典型的な装置の光学透過と分子回転と の間の関係を示すグラフである。

図８は、反射モードで動作している、平面配向キラルスメチック液晶層を使用し た、アナログ牛うルスメチック液晶位相変調器のための典型的な装置構成の断面 図である。

図９は、前方鏡の異なる反射率の値に対する図８の装置を通して結果として得ら れた、位相シフトの間の関係のグラフである。

図１Ｏは、光学的にアドレス可能な透過モード単一パス空間光変調器における、 本発明の図５Ａの変調器の典型的なアプリケーションの断面図である。

図１１は、光学的にアドレス可能な反射モードエタロン空間光変調器における、 本発明の位相変調器の典型的なアプリケーションの断面図である。

図１２は、平面配向ＳｍＣ”　ＬＣセル及び２つの４分の１波長板を有するバイ ナリ位相、強度または波長のＶＬＳＩ変調器の典型的なピクセルの断面図である 。

図１３は、平面配向Ｃ３ＬＣセルを有するアナログ強度まタハ波長のＶＬＳＩ変 調器の典型的なピクセルの断面図である。

図１４は、本発明の図４のホメオトロピックに配向された変調器の、マルチピク セルアレイの中の１つのピクセルとしての典型的なアプリケーションの断面図で ある。

図１５は、本発明のアナログ透過−反射モード変調器のための典型的なアプリケ ーション構成である。

好ましい　施態様の詳細な記述 キラルスメチック液晶（ＣＳ　Ｌ　Ｃ’）セルという用語は、ここでは一般に、 キラルスメチック液晶材料を含んでいる透明または半透明セルまたは光スィッチ を指すために使用される。

キラルスメチノク液晶材料は、セル電極へ電界を印加したときに、セルを通過す る光の偏光を回転させるように機能する。

セルは、ガラスまたは石英のような不活性な基板の、一様の間隔の透明または半 透明な擁壁によって、通常形成されている。導電材料は、通常は基板壁の表面の 内側を覆っており、透明または半透明電極を提供する。キラルな非うセミスメチ ック液晶組成物は、多くの場合は要素成分の混合物であり、一様な間隔の透明電 極の間に挿入されている。セル内での強誘電性液晶分子を配向させる方法が、通 常は使用される。１つの好ましい配向は「ブックシェルフ」配向であり、これは 上述のＣ１ａｒｋ　ａｎｄ　Ｌａｇｅｒｖａｌｌによって、記述されている。平 面配向のＣ５ＬＣの概略図が図１に与えられている。スメチック層はＬＣ層を結 び付けていた基板壁に垂直に配向される。

分子ディレクタｎはスメチック層の法線（２）に対して角度マをなす。分子ディ ーレクタは、層中の分子長軸の平均の方向である。表面安定化は、光学軸が平面 内（図１のｙｚ）で回転するよう制限されるように、らせんの形成を抑制する。

ＳｍＣ０及びＳｍＡ”の平面配向セルには、表面安定化が必要である。不連続な 多重状態（マルチステイト）ＦＬＣセル、例えば、ＳｍＣ”　５ＳＦＬＣセルの ような双安定ＦＬＣセルにおいて、セル電極への適切な電界の印加により、状態 を選択することができる。セルの不連続状態は、電界を印加したときの、セル内 のキラルスメチックＬＣ分子の配向に関連シている。例えば、セル電極にある閾 値電圧よりも高い電圧を印加すると、キラルスメチックＬＣ分子の配向がスイッ チングされる。双安定セルには、そのような配向が２つある。三安定（ｔｒｉｓ ｔａｂｌｅ）セルには、そのような配向が３つある。多重安定（マルチステイブ ルーステート）ＬＣセルを用いれば、セルの状態を決めるＣ３ＬＣ分子の配向を 保つために電圧を印加する必要はない。安定状態を持たないＣ３ＬＣセルの場合 、セルを所望のスイッチング状態に保つために電圧を印加することが必要かもし れない。平面配向Ｃ３ＬＣセルの光学軸は、セルの基板壁の平面内にある。この 基板壁は、セルのアパーチャを形成しており、そこを通って光がセルに入る。

例えばＳｍＡ”エレクトロクリニック材料及びＤＨＦ材料のようなアナログＣ５ ＬＣ材料は、ＦＬＣセルに組み込まれ、平面配置またはブックシェルフ配置に配 向されたとき、電界が印加されるとセルの光学軸のアナログ回転を示す。得られ る最大の回転角は、セルで使用されているエレクトロクリニックまたはＤＨＦ材 料の最大チルト角（Ｗ１１Ａ工）の２倍である。

アナログＦＬＣセルは、セル電極への電界の適切な印加によって、マルチステー トモードで動作できる。ＤＩ（Ｆ材料は、光学軸の電場依存回転に加えて、複屈 折（δ△ｎ）の電圧依存変化を示す。

ここで用いられているようなホメオトロピック配向は、図２に示すようなＣ３Ｌ Ｃ材料の配向のことを呼んでいる。ホメオトロピック配向は、スメチック層が基 板壁（この場合、基板壁はセルのアパーチャであってもよいし、アパーチャでな くてもよい）に平行なＣ３ＬＣ配向のことを呼んでいる。

基板壁の横方向にある電極によって、そのようなセルに、スメチノク層の間に、 すなわち層に平行に（例えば、図２に示されるｘｙ平面）電界が印加される。層 の法線はＺである。

先行技術で公知なように、セル作製の間に配向電界を印加することによって、液 晶分子はスメチック層内で互いに配向する。図２に示されるように、分子ディレ クタ（ｎ）は２に対して角度Ｗをなす。示されているようにｙに沿って電界を印 であるセルに、ｚｙ平面を通って横方向から入った光は、特有する直線偏光が変 調されるだろう。Ｘに沿ったの電界の印加により、ｎがｚｙ平面で回転し、その 結果、ｙに沿ったｋを有する直線偏光が変調される。

シングルパス及びマルチパス変調器に適用される「透過モード」及び「反射モー ド」という用語、及び、マルチパス変調器に適用される透過−反射モード及び反 射オンリーモードという用語は、一般に変調器の中の光のパスのことを呼んでい る。透過モードのシングルパス変調器において、光は、Ｃ３ＬＣセル中のシング ルパスの後で、後方へ反射されることなしに装置から出る。反射モードのシング ルパス変調器では、光は、Ｃ３ＬＣセルの中の２回のパスの後で装置から出る。

光は、理想的にはｌに等しいＲで、反射表面で理想的に完全に後方反射される。

透過モードまたは反射モードという用語がマルチパスＦＰキャビティ装置に関し て使用される場合は、それらは透過／反射モード変調器中の光のパスのことを呼 んでいる。そこでは、光学キャビティを形成する両方の反射表面の反射率が１よ り小さい。どちらの場合でも、Ｃ５ＬＣセルの中の複数のパスの後で光は装置力 １ら出る。透ｉ！ｉ／反射モードのマルチパス変調器において、反射モード出力 は透過出力に、公知の関係Ｔ＝　１−Ｒで関連している。ここで、Ｒは反射率で ある。反射オンリーモードの変調器において、すべての入射光は、Ｃ３ＬＣの中 の複数のパスの後で理想的に後方反射されるので、強度の損失は理想的にまった くない。マルチパス、反射オンリーモードの変調器の後方反射表面は、理想的に は、反射率Ｒ，＝ｔを備えている。しがし、理想的な１、　０の反射率を有する 反射表面は存在しない。反射オンリーモードの装置について、後方反射表面はお よそ１０反射率（Ｒ１）を有することが好ましい。反射オンリーモード装置にお いて、後方反射表面の反射率は、前方反射表面のものよりも大きくなければなら ない。透過／反射モード装置での反射表面の選択は、変調器の望ましい精巧さに 依る。本願の目的のため、高反射率とは０．８５以上の反射率のことを呼ぶ。

透過／反射または反射オンリー゛動作を得るため、及び望ましい精巧さを得るた めの光学キャビティの反射表面の相対反射率の選択は、当業者に理解されている 。

本願では、光学キャビティ及び共鳴キャビティという用語は可換的に用いられる 。ＦＰエタロン（及び干渉計）及び非対称ＦＰエタロン（及び干渉計）は、最も 一般的な用語では、折り畳み光学パス装置と呼ばれる。反射モードのシングルパ ス装置もまた、折り畳み光学バス装置である。ＦＰキャビティという用語は、こ こでは対称及び非対称エタロン及び干渉計を呼ぶために使用される。

本発明において偏光子という用語は、入射光を直交する偏光に分割するあらゆる 装置または装置要素を呼ぶために使用され、特に、偏光ビームスプリッタ、Ｗｏ ｌｌｉｓｔｏｎプリズムなどヲ含む。入口偏光子は、光変調器またはスイッチに 入る光の偏光を決める。出口偏光子または出口偏光検光子は、光変調器またはス イッチを呂る光の偏光を分析するために使用できるあらゆる装置または装置要素 である。

表１は、本発明の典型的なマルチパス光学変調器の構成のまとめを与えている。

例示しである構成は、光学キャビティ内に直列のＣ３ＬＣセルを備えている。あ る構成では、４分の１波長板のような複屈折要素は、共振半ャビティ内に備わっ ている。Ｃ５ＬＣセルが直列に組み合わされると、それらは電界の印加の選択に よって、またはＣ３ＬＣ材料の選択によって、それらの光学軸が同じまたは反対 の方向に回るように構成され得る。

詳細な説明は、以下の本発明がら生じた典型的な装置構成に関して与えられる。

■、平面配向ス”メチツク液晶ファプリーベロ　ｍＷＡ、バイナヮフアブリーベ ロ変調器 図３は、典型的なファプリーベロエタロンの断面略図テある。このエタロンは平 面またはブックシェルフ配向の牛うルスメチックＬＣ材料を含んでおり（図１参 照）、スメチック層に印加された電界の２つの極に対応する２つの透過出方を選 択する。この装置は、ＳｍＣ”ｌ料のような不連続状態（ディスクリートステー ト）キラルスメチックＬＣ材料、またはＳｍＡ”Ｈ料のようなアナログスメチッ クＬＣ材料を使用することができる。変調器は透過／反射モードで使用すること ができる。非対称ファブソーベロキャビティとも呼ばれるＢＩＱの折り畳み光学 パス構造は、反射オンリーモードで動作できる◎　どちらの場合でも、エタロン に入る光及び、装置が透過／反射モードまたは反射オンリーモードのどちらで動 作しているかどうかにより、装置は２つのスペクトル出力、すなわち波長、及び ／または、強度出力、あるいは変調位相を選択使用して、透過／反射モードで動 作しているＦＰエタロン装置は、強度を変調する。直線偏光の非単色、非コヒー レント光、例えば白色光を使用すると、エタロンは波長を変調する。

反射オンリーモードの装置でコヒーレント光を使用すると、位相を変調する。従 ってこれらの装置は、バイナリ波長フィルタ及びバイナリ強度変調器、すなわち オン／オフ光スィッチまたはバイナリ位相変調器のどちらかとして機能できる。

これらの装置による波長、強度及び位相変調は、出力または検光用の偏光子を使 用する必要がない。

平面配向表面安定牝牛ラルスメチックＬＣでは、材料の分子ディレクタは電極間 に電界を印加すると、図１に示されるように、電極の平面、ｙｚ平面内で回転す る。光学軸の回転の方向は、印加される電場の符号に依存する。２状態ＦＬＣ材 料、ＳｍＣ”材料では、光学軸の２つの配向が可能である。

そのような材料では、閾値電界の印加によって角度２ｖで光学軸が回転する。こ こでＷは、ＦＬＣの固有チルト角である。

４５″のチルト角を有する材料において、光学軸は合計で９０″だけ回転できる 。平面配向のＣ５ＬＣセルの動作中、光学軸の回転はＣ３ＬＣ材料の複屈折を変 化させない。

図３の装置は、スメチソクＬＣ材料３１を不活性壁３２及び３３の間に有する平 面配向層を含むキラルスメチックＬＣセルからなっている。Ｓ　ｍ　Ｃ”または ＳｍＡ”ＦＬＣ層を使用したとき、この層もまた表面安定化されて、らせん形成 が妨げられる。図３で与えられている装置の図は、示されているように、ｘｙ平 面での断面図であり、Ｚ方向が平面配向スメ内側表面には、向合った内側の反射 表面３４及び３５が備えられている。基板壁の内部表面にも電極３６及び３７が 設けられており、それらは反射表面であってもよいし、または別個の透明電極、 例えばＩＴＯ電極であってもよい。反射表面の内部表面に、適切な配向層（３８ ，３９）を備えて、キラルスメチックＬＣの平面配向を得ることを補助してもよ い。

基板壁は、均一に間隔をあけた長さしの共鳴キャピテイを内部反射表面の間に形 成している。図３では、ＬはＣ３ＬＣ層（ｄ）の厚みに実質的に等しい。この装 置は、Ｌをｄよりも大きくするために等方性スペーサを含んでもよい。この装置 はまた、基板壁（図３には不図示）の間隔を開けるための手段を含んでもよい。

電界または電圧を電極３６及び２７に印加するための手段も備えられている。

図３の装置は、透過／反射モードまたは反射オンリーモードで動作することがで きる。透過／反射モードで動作するとき、基板壁、あらゆる電極、及び配向層は 、変調器に入る光ニ対シて、透明または半透明であることが好ましい。少なくと も反射表面の１つは共鳴キャピテイに入る光に対して透過性でなければならない 。基板壁は、例えば、ガラス板から作ることができる。反射表面は、例えば、望 ましい反射率の表面を得るために、従来の方法でガラス基板上に堆積されること ができる。例えば、アルミニウム鏡を堆積することができる。また、誘電体ミラ ーを使用することもできる。もし反射表面が金属被覆によって形成されれば、鏡 は電極としても機能する。あるいは、透明電極層、例えば酸化錫またはインジウ ム錫酸化物を使用することができる。ＦＬＣ配向促進材料の配向層、例えばＰＢ Ｔ層は、基板壁（３８及び３９）の内側表面の最後の層として備えられてもよい 。望ましいブックシェルフ配置または平面配置を促進する配向層は、当該技術分 野ではよく知られている。基板壁が準備された後、スペーサを用いてセルに隙間 が開けられ、キラルスメチックＬＣ材料が間隔を開けられた壁の間に導入され、 結果として得られた共鳴キャビティ内で配向される。

反射オンリーモードで動作する場合、この装置は、反射表面（すなわち、後方反 射表面）の１つの反射率がおよそｌである非対称ＦＰキャビティを有しており、 電極を備えた基板のうちの１つだけが、透明または半透明である必要がある。

平面配向の表面安定化ＳｍＣ”でチルト角が４５°のものを含む、図３の典型的 なバイナリ強度変調器の動作を述べる。

Ｃｈｉｓｓｏ　２００４（Ｃｈｉｓｓｏ、　Ｊａｐａｎ）という名称の、商業的 に入手できる材料が、チルト角４５°のＳｍＣ”　ＦＬＣ混合物の例である。こ のような材料が、キャビティ（３１）に置かれ、配向される。このような大きな チルトの材料は、当該技術分野では他にも知られている。セル間に印加された電 界の極性を反転させることが、装置の光学軸を９０’回転させる。このヨウナ構 成のＳｍＣ”材料は、２つの分子配向のどちらかを示す。これらの分子配向は、 ｙｚ平面の±Ｗにある２つの可能な光学軸の配向と一致している。この材料は、 電界の符号によって２つの状態を有する。直線偏光の単色光またはコヒーレント 光がエタロンに入る。入った光はＸ軸に沿って伝搬し、好ましくは、スメチック ＬＣのスイッチング状態の１つの状態にあるスメチックＬＣの光学軸に対して完 全に平行に偏光される。

例えば、装置の異常軸に平行に偏光されて入ってきた光は、伝搬の異常固有モー ドを励起する。鏡での吸収損失及びＦＬＣ材料での散乱損失を無視すれば、装置 を通っての透過は以下の式で与えられる。

（Ｙａｒｉｖら（１９８４）の並旦ｃａｌ　Ｗａｖｅｓ　ｉｎ　Ｃｒ　５ｔａｌ ｓ、第８章、　Ｊ。

ｈｎ　Ｗｔｌｅｙ　ａｎｄ　５ｏｎｓ、　ＮＹを参照のこと）。ただし屈折率ｎ 及び厚さＬのキャピテイ中において、ＲＩ及びＲ８はエタロンの反射表面の反射 率、δは波長λの光の１回の往復による位相変化とする。Ｌはエタロン中の鏡開 の間隔である。垂直の入射光を仮定すれば、δは以下の式で与えられる。

のエタロンに入射し、ＦＬＣ混合物のチルト角度が４５″のとき、装置は強度変 調器、オン／オフスイッチとして機能する。なぜなら、ＳｍＣ”　ＬＣの光学軸 が入射光の偏光に垂直に回転するとき、少ししか光がエタロンを透過しないか、 またはまったく透過しないからである。Ｒ１及びＲ２の値及び装置のあらゆる損 失に依存して、装置は高コントラストまたは低コントラスト強度変調器として機 能する。この装置の生成する強度変調を検出するためには、出力偏光子は必要な い。

チルト角が４５″の平面配向表面安定化ＳｍＣ”材料を含む、図３の典型的なバ イナリ波長変調器についても述べる。この装置は、上のバイナリ位相変調器と同 一の構造である。しかし、装置に入る光は非単色、直線偏光である。

式（１）によると、図３のようなエタロンにおいて、透過の最大は以下の式に関 して起きる。

ここで、ｍはキャビティの共鳴の次数である。ＳｍＣ”　ＬＣ材料の分子ディレ クタのチルト角が４５°なので、印加される電界の符号によって、入射光は常光 軸または異常光軸いずれかの軸に沿って直線偏光され得る。ＦＬＣセルを、例え ば印加する電界を反転することによってスイッチングすることは、入力光によっ て見られる屈折率をｎ、からｎ、ヘスイソチする。これはキャビティの有効光路 長を変化させ、それによってキャビティの共鳴周波数をシフトする。入射光が常 光軸に沿って偏光しているとき、透過の最大は以下の波長についここで、ｎｏは 常光屈折率、λ。はＦＬＣの１つのスイッチされる状態でのキャビティのｍ次の 共鳴に対応する波長である。

装置をスイッチングするとき、入射光は分子ディレクタに沿って偏光され、以下 の透過の最大に関する条件を与える。

ここで、ｎ、は異常光屈折率、λ、はＦＬＣ第２のスイッチされる状態でのキャ ビティの１次の共鳴に対応する波長である。

常光透過において、（△λ＝λ１−λ。）：は、それらの波長間の常光ＦＳＲで あり、以下のように書ける。

同じ共鳴値での常光透過及び異常光透過の２つの最大値間の波長の差、すなわち 、ｍ＝１　（δλ＝λ、λ。）：ここで△ｎは異常光屈折率と常光屈折率との差 、すなわち、波長λ。での材料の複屈折（ｎ、ｎｏ）である。

常光透過及び異常光透過の２つの隣合う最大値の間での、装置の波長の調節は、 Ｆ　Ｌ　ｃＮｉＭに印加される電界の極性を反転させることによって達成される 。装置の調節によって、装置の自由スペクトル領域（ＦＳＲ）内の常光透過と異 常光透過との間のシフトが生じる。調節範囲は、常光ＦＳＲの分数として以下の ように書くことができる。

Ｌ及びＦＬＣ材料（実際には材料のｎ、及びｎｏ）は、設計の波長で、隣合うエ タロン共鳴の極大値のＦＳＲがδλより大きくなるように選ばれる。δλにわた って、調節は要求される。

もし例えば、△ｎ＝ｏ、１５及びｎ、＝１．５を有するＦＬＣで、設計の波長６ ３０　ｎｍからＦＳＲの２分の１だけ装置を調節することが望ましいなら、共鳴 率ャビテイの幅りはｌ。

２６°μｍにセットされるべきである。これらの条件のもとで、白色入射光及び 適切なブロッキングフィルタを使用すると、上記装置は、約７５６．６３０，５ ４０，４７３、及び４２０ｎｍの可視波長域（常光）の一連の極大値を透過する 。印加されている電界をスイッチすると、約８３２．６９３．５９４．５２０． ４６２、及び４１６１ｍの可視において第２の一連の（異常光）最大値を透過す る。従ってこのエタロンは、常光及び異常光の一連のなかの隣接する波長から一 方を選択する。透過の連続で、バイナリフィルタとして機能することができる。

より高い次数またはより低い次数の極大値をブロックするために、エタロンの外 部に１つ以上のフィルタを使用することができる。

第２の実施例として、もし白色入射光から約６００及び約７００ｎｍを中心とす るバンドの間から選択することが望ましいならば、ＦＬＣエタロンは、ｎ５＝１ ．５及び△ｎ＝ｏ。

２５を有する高チルト４５°ＳｍＣ”　ＦＬＣ材料を使用し、１．０μｍの間隔 のエタロンキャビティを有する、ＦＬＣエタロンを設計することができる。一方 の状態で、エタロンが約７５０．６００．５００．及び４２８　ｎｍの極大値（ 可視で）を透過し、他方の状態で、約８７５．７００，５８３．５００、及ヒ４ ３７　ｎｍの極大値を透過する。このエタロンが、８７５及び７５０ｎｍ、７５ ０及び７００ｎｍ、並びに６００及び５８３　ｎｍの波長の対からも一方を選択 できることに注意せよ。このエタロンは５００ｎｍの光を選択することはできな い。なぜなら、５００ｎｍバンドは装置の両方の状態で透過されるからである。

エタロンの外部に適切なプロフキングフィルタを使用すれば、エタロンが望まし い波長の対の間の選択を可能にするように電界の極性の反転を行える。

もしチルト角≠４５°を有するＳｍＣ”材料を使用すると、図３のバイナリエタ ロンの強度及び波長変調のコントラストは減少するだろう。これは以下の実施例 で表される。図３の、チルト角２２．５°を有するＳｍＣ”材料が使用されてい るバイナリエタロン波長変調器において、装置に印加されている電界が反転され ると、エタロンの光学軸は４５°回転する。

印加される電場の１つの極性に対応する、装置の１つの状態において、非単色入 射光が異常光軸に沿って偏光されると、装置は、λ、＝　２　ｎ　ｏ、Ｌ　／　 ｍの波長の一連の極大値を透過する。

電界の極性が反転されたとき、ＦＬＣの光学軸は４５°回転する。この場合、伝 播の２つの固有モードがキャビティ内で励起される。１つは光学軸に沿って配向 しており、そして１つは光学軸に垂直に配向している。同等の強度の２つの極大 値波長、λ、及びλ１、λ６　＝　２　ｎ　６　Ｌ　／　ｍ及びλ、＝２ｎ、Ｌ ／ｍが透過される。透過される２つの連続なバンドの相対的な強度は、チルト角 に依存する。異常光透過で損失を無視した場合、強度Ｅａ＝Ｅ＋ａｃｃ　ｏ　ｓ 　２１Ｆであり、通常光透過の場合は、強度Ｅｅ＝Ｅ＋ｓｔＳ　ｉ　ｎ２ｔＦで ある。ここで、Ｅ　ｌｅｅは入射光強度とする。２１Ｆ＝４５°でＥｌｌ＝Ｅ、 である。２Ｗが４５０より小さいとき、Ｅ　、＞　Ｅ　、である。２Ｗが４５° より太きいとき、Ｅｌ＜Ｅ、である。

Ｂ、アナログファプリーペロ変調器 ＳｍＡ”材料のようなアナログキラルスメチックＬＣ材料は、Ｗ＝０６の電場な し状態から最大電圧依存Ｖ□、への、電圧依存性のアナログ回転を示す。図３の 装置でこのようなアナログ材料（平面配向及び表面安定化されている）を使用す ると、透過／反射モードで動作するときに、単色光またはコヒーレント光のアナ ログ強度変調になる。しかし、非単色光またはコヒーレント光は、エタロンを使 用して、Ｌ及び材料の屈折率に依存する２つの一連の透過の極大値の間でバイナ リ／波長変調を行う。知られているＳｍＡ”材料のほとんどは２２゜５°以下の 最大チルト角を有している。従って、図３の典型的なＳｍＡ”エタロンは、異常 光透過極大値（λ、）と、常光及び異常光透過の両方の透過（λ、及びλ。）と の間から選択する。Ｓ　ｍ　Ａ　”によるエタ０７は、Ｗ＝４５”のＳｍＣ”材 料を使用しているエタロンと同様に機能する。上記エタロン内で、常光及び異常 光透過の相対強度は２Ｗの関数として上で示したように変化する。

ＳｍＡ”　ＦＬＣを使用している図３の装置に単色空間コヒーレント光が入射す るとき、装置はアナログ振幅、すなわち強度、変調器のように動作する。この材 料を使用すると、チルト角は印加された電界に線形に比例して回転する。共鳴的 に反射または透過されるために使用できる光は、以下の式で与えられる。

Ｅ、−Ａ’−、ｃｏｓ（２’Ｆ（ｆｆｉ）　（１０’ここでＶは印加電圧であり 、２Ｗは入射偏光の方向に対する光学軸の回転である。印加電圧Ｖを変化するこ とは、Ｗを変化させ、従って振幅Ｅ、を変化させる。Ｗが入射偏光に平行に配向 されるとき、■、においてｖ＝ｏ’であり、入射光は透過される。印加電場を変 化させることによってＷがマ（Ｖ）に回転すると、ｖ＝ｏ’状態及びあらゆるＩ Ｆ　（Ｖ）状態の間で位相シフトが生じる。従って、単色光またはコヒーレント 光に関して、透過／反射モードの装置はアナログ振幅、バイナリ位相変調器のよ うに動作する。

装置の波長出力を平均する、人間の目のような検出器が使用されているある種の アプリケーションでは、チルト角が４５″よりも小さい材料を使用している図３ のエタロンは、λ、（あるｍにおいて）での純粋スペクトル出力と組み合わせら れた出力λ、＋λ。との選択を可能にする。これら２つの出力は、平均化検出器 によって、２つの別々な波長として感知される。たとえば、可視領域で機能して いるエタロンに対して、人間の目は２つの異なる色を知覚する。第２番目のもの は、λ・とλ、との線形結合である。透過における２つの波長の相対強度はチル ト角の関数なので、ある波長の変化はチルト角の関数として平均化検出器によっ て感知されるだろう。さらに、Ｃ３ＬＣセルはマルチ不連続状態モードで動作す ることができ、人間の目のような低速応答検出器を使用しているアプリケーショ ンのために一時的に多重化されることができる。

図３の装置において、ＳｍＣ”材料の代わりに反強誘電性液晶材料を使用するこ とが可能であり、この材料はＳｍＣ”材料と類似した機能をする。反強誘電性材 料のいずれかの状態の間をスイッチすることにより、光学軸の９０″回転が達成 できれば、２つの純粋な波長の間で直線偏光の非単色入射光を変調する高コント ラストのバイナリ波長変調器が得られる。

同様に、そのような材料が図３の反射オンリーモードの装置に含まれていると、 バイナリ位相変調器が得られる。もし材料の光学軸が９０°より小さく（または 大きく）だけ回転できれば、波長変調器は、材料のチルト角に依存するコントラ ストを示し、純粋な波長と２つの波長の線形結合の間で変調する。また、ＳｍＣ ”を実装された振幅変調エタロンと同様に、不連続にスイッチングする多重状態 材料を実装されたものは、オン／オフ光スィッチまたは多重レベル振幅変調器と して機能できる。

歪んだらせん強誘電性（ＤＨＦ）効果ＦＬＣ（ＤＨＦ）のような、ある種のＦＬ Ｃ材料は、平面配向のセル中に置かれると、電極に印加された電圧の関数として の光学軸の線形回転を示すだけでなく、それらは複屈折（δ（△ｎ））の電圧依 存変化も示す。これらの材料は興味深くもある。なぜなら、これらはＳｍＣ”、 ＳｍＡ”または反強誘電性材料よりも遥かに低い電圧（±１５−５０Ｖ／μｍに 比べて、上記電圧は±３Ｖ／μｍで飽和する）で動作し、チルト角が比較的大き な±３．４°であるからである。平面配向のＤＨＦ材料を含んでいる、透過−反 射モードで動作している図３の装置は、強度ノハイナリ変調器（単色光またはコ ヒーレント光）トシテ、または波長のバイナリ変調器（非単色光及びチルト角＝ ４５″）として、及び角度≠４５°のＳｍＡ”材料について上述したような非単 色光の結合された波長／強度変調器として動作する。

図３に示されている装置では、エタロンの共鳴キャビティの長さしはスメチック ＬＣ層の幅とおよそ等しく、通常ｄで示される。機能性エタロンでは、Ｌ≠ｄと なり得る。例えば、Ｌａｄを有するエタロンは、１つ以上の等方性のスペーサを 反射表面及びスメチソクＬＣ層の開の光伝播軸に沿って導入することによって構 成できる。機能性の平面配向表面安定化ＦＬＣセルは、約０．５から約１５ミク ロンにわたるセル幅ｄで作ることができる。上方の限界は、現在のところ表面安 定化の限界によって決定される。セルの薄さは、電極のショートを避けるために 必要な最小の厚さとして通常は決定される。等方性スペーサを使用することによ って、約１５ミクロンよりも大きな共鳴キャビティ長が得られる。

連続的に調節可能なファプリーベロエタロン光学変調器も、ここで提供される。

１つの局面において、連続的に調節可能な変調は、エタロン反射板の間に等方向 に配向されたキラパスメチックＬＣを設けることによって得られる。ホメオトロ ピック配向は図２に示されている。

図２のホメオトロピックＣ５ＬＣセル構成は、電界がスメチック層に、層の法線 に垂直に印加されることにおいて、先行技術のホメオトロピック配向されたＣ３ ＬＣ構成と区別されると信じられる。このセル構成は、ＬＣ材料の複屈折の非常 に高速なバイナリまたはアナログ変化をもたらす。図２を参照して、基板壁を通 ってセルに入りＺ軸に沿って伝播する光は、複屈折の変化を示す。セルを通る光 路長は、材料の複屈折が変化するとき、効果的に変化する。別のホメオトロピッ クセル構成において、偏光がセルに入り、ｙ軸に沿って伝播し、スメチック層の 平面を二分する。

図２に示されるようなホメオトロピック配向、並びに、図２に関して述べたよう な電極、基板壁及びスメチック層の相対的配置を宵するＣ３ＬＣセルは、単純な 透過モードまたは反射モードにおいて光変調器として機能する。ホメオトロピッ クに配向されたＳｍＣ”セルは、バイナリ位相変調器またはバイナリ波長変調器 として機能できる。等方向に配向された反強誘電性セルは、ターナリ（ｔｅｒｎ ａｒｙ）位相及び波長変調器として機能できる。ホメオトロピックに配向された ＳｍＡ”またはＤＨＦセルは、アナログ位相またはアナログ波長変換器として機 能できる。ホメオトロピックに配向されたＣ３ＬＣセルも、強度変調器として機 能できる。これらのホメオトロピックセル構成は、エタロン及び非対称エタロン キャビティに配置され、本発明の光学変調器を提供する。

図４は、ホメオトロピックに配向されたスメチックＬＣ変調器の概略図を与えて いる。図４Ａは、そのようなエタロン変調器の３次元側面図である。この変調器 の要素は、装置中の電極の相対的な配置を除いて図３のものと同様である。図４ Ｂは、基板壁及びスメチソクＬＣ層に関する電極の配置を示すために与えられた 装置の平面断面図である。図４において、ホメオトロピックに配向されたＬＣ層 （４０）は、基板壁（４７及び４８）及び反射表面（４１及び４２）の間に位置 している。従って、示されている装置のホメオトロピックに沿っている。ＬＣｉ を横切る電極に電界を印加すると、液晶の光学軸はｙｚ平面内で回転する。

図４の装置構成の魅力的な特徴は、装置内を伝播する光が電極と相互作用を行う 必要がなく、キャビティ吸収を排除し、これによって高分解能の透過を可能にす る。本発明のホメオトロピックセル構成は、ブックシェルフ型配向で通常使用さ れている酸化錫またはインジウム錫酸化物のような最も透明な電極でさえ入射光 のわずかな割合が吸収されるという点で、従来のブックシェルフ配置の配向の改 良となっている。従って・　ホメオトロピック配向に用いられる電極は不透明で あってよい。それらは、より大きなフィルタの選択性を与えるため、共鳴キャビ ティの内側において偏った位相を作るためのスペーサとしても働く。

図４の変調器の動作を、直線偏光について、以下に説明する。偏光は、示される ようにセルを横切る。セル電極に印加される適切な強度の電界がスメチックＬＣ の光学軸の回転を生じさせる。この回転により、光の伝播方向に沿った材料の複 屈折の変化が起こり、光が変調される。装置の反射表面は、光学パスを折り畳み 及び伸ばすために働く。

ホメオトロピックに配向されたセルにおいて、装置の位相及びリターデーシヨン （位相遅延）は、印加される電界を用いてアナログ的に変調できる。単軸性異方 性材料について、入射光学電場によって見られる２つの屈折率を与えるために屈 折率楕円体が使用される。正の単軸性材料について、楕円の半長軸は異常光屈折 率ｎ、に対応し、半短軸は常光屈折率ｎ。を与える。ここでは、入射光学偏光を 含む屈折率楕円体の断面が複屈折を決める。楕円体（ディレクタ）の長軸に沿っ た伝播について、断面は円である。従って、材料は等方向△ｎ＝０に見える。長 軸に垂直な伝播は最大の複屈折を生じる。

これは材料の異方性△ｎ”（ｎａ　ｎｏ）によって与えられる。

これらの両極端の中間である、長軸に対して角度θでの伝播について、光学電場 によってみられる２つの屈折率は、ｎａ及び、 装置が使用されるモードによって、位相またはりターデーシコンの変調は、ディ レクタの配向θを電子的に変化させることによって達成される。位相変調は、異 常光屈折率ｎｓ（θ）の変化する投影に沿って入力電場を直線偏光することによ って達成される。この位相変調は、共鳴状態をアナログ的に変化させるために光 学キャビティ内で使用できる。ｍ次の共鳴に対応する長さしのファプリーペロキ ャピテイによって透過される波長は、 で与えられる。Ｃ１から角度θ２へのチルト角の変化における波長シフトは、 で与えられる。

ディレクタ配向の完全なπ／２回転について、δλ工Ａ８＝２△ｎ　Ｌ　／　ｍ の最大波長ソフトを達成できる。

図４の変調器において、アナログＳｍＡ”またはＤＨＦ材料がホメオトロピック に配向しており、透過／反射モードで動作しているとき、アナログ強度変調器ま たはアナログ波長変調器が得られる。反射オンリーモードで動作する非対称性Ｆ Ｐとして構成されるときには、アナログ位相変調器が得られる。図４の装置に不 連続ホメオトロピック配向されたキラルスメチックＬＣ材料を含めると、不連続 状態強度変調器または波長変調器が得られる。反射オンリーモードで動作する非 対称ＦＰとして不連続状態Ｃ５ＬＣ材料が構成されると、不連続位相変調器が得 られる。

ホメオトロピック配向を得る手段は、当該分野ではよ（知られている。例えば、 セチルトリメチル臭化アンモニウムは、ホメオトロピック配向剤として使用でき る。ホメオトロビ・ツクに配向されたセルは、０．２５から２５０μｍの間また はそれより大きい範囲の厚みで作られてきた。横方向電極の使用のため、広いス ペクトル範囲（Ｆ　Ｓ　Ｒ）を達成するために、小さなキャビティの長さを要求 する設計に適応するために、約０．　１μｍにまでなる非常に薄いセルを作るこ とができる。

装置のＦＳＲは、キャビティ内を伝播している波長の自乗をＦＬＣの屈折率ｎの ２倍で割り、ＦＬＣセルの厚みｌを掛けることによって得られる。ＦＬＣセルの 厚みｄは、スペーサがない場合、装置のＦＳＲを決める。ｎ＝１．５及びｄ＝１ ０μｍの典型的なスメチックＬＣについて、８０ｎｍのＦＳＲはλ＝１．５μｍ （通信アプリケーションで関心のある波長）について得られる。セルの厚みｄを １μｍにまで下げると、ＦＳＲが８００ｎｍに増加する。細かさ、また（よキャ ビティ内に納めることのできる独立な全幅、最大値の半分の値のピークの数は、 鏡の反射率の関数である。従って、ＦＳＲ及びキャビティの細さが与えられると 、例えばデマルチプレクスできる独立した通信チャネルの数が決まる。

ＩＩｌ、連続して調節できる平面配向のキラルスメチノクし旦土ヱ支！塁 高回折効率プログラマブル光学要素の製造において、特定のピクセルの位相がＯ 及び２πの間で連続して変化できる高分解能空間光変調器（く１μｍ）を得るこ とが望ましい。共鳴キャビティによる位相の干渉作用によって、比較的小さい誘 導された位相シフトから生じる実質的な位相変化が得られる。しかし、ある種の アプリケーションにおいては、光ビームが鏡で反射されるため、光ビームの偏光 の状態に変化がないことが重要である。

上で述べたように、電気光学的に調節可能なバイナリ及びアナログスメチック液 晶材料は、それらが平面配置に配向されたときに、印加される電界によって、は とんど、またはまったく複屈折の変化を示さない。基板壁間に印加された電界は 、スメチック層に垂直な軸についての分子ディレクタの、これらの壁の平面内で の回転のみに影響を与える。すなわち、平面配向のスメチソクＦＬＣにおいては 、スメチソクＬＣ層を通った直線偏光光学ビームの通過から生じる位相変化は、 そのビームの偏光の状態の変化を必ず伴う。

従って、偏光の状態の変化なしに、スメチックＬＣ層を通る光学ビームの位相変 化を引き起こす方法は、電気光学変調に適用できる。位相変化の「デカップリン グ」及び偏光の回転は、図５中に図解的に説明されたスメチックＬＣ位相変調器 を用いて達成される。図５Ａの透過モードにおいて表されるこの装置構成は、ア ナログ平面配向牛うルスメチックＬＣセル２分の１波長板（５０）、すなわちＳ ｍＡ”セルまたはＤＨＦセルを、２つの４分の１波長板（５１及び５２）の間に 配置している。スメチノクＬＣセル（５０）は、透明または半透明基板壁、透明 電極を備えており、配向層（不図示）を備えていてもよい。セル中のＬＣ層の幅 は、変調される波長に対してセルが２分の１波長板になるように選ばれる。

この装置での光学変調の基本原理は、４分の１波長板を介して入射直線偏光を、 円偏光状態に変換することにより、偏光状態の変化なしに、スメチックＬＣ２分 の１波長板を通して絶対位相リターデーションを誘導することである。第２の４ 分の１波長板の通過により、円偏光された光が直線偏光に再変換される。その結 果の位相シフトは、２分の１波長板の入射光の偏光の方向に対する配向θの関数 であり、従って、スメチックＬＣ材料の電圧（または電界）依存性のチルト角の 関数である。スメチックＬＣの光学軸の電圧依存性の回転は、位相のアナログ変 化を生じさせ、その結果、透過モードにおいて、コヒーレント入射単色光のアナ ログ強度変調または非単色入射光の波長のアナログ変調が生じる。４分の１波長 及び２分の１波長板は、関心のある波長領域では無色であることが好ましい。図 ５で示されるように、位相変調器の４分の１波長板の光学軸は、互いに平行また は垂直であり、入射光の偏光の方向に対して±４５°に配向している。

図５Ｂの装置は、およそ１００％の反射表面（５３）を加えることによって、反 射モード動作のために構成されている。

反射表面（５３）は、Ｃ３ＬＣセル（５０）の透明基板壁の１つと交換されても よい。この反射モード装置は、１つの２分の１波長板（５１）のみを必要とし、 スメチノクＬＣセル（５０）は、変調される単色またはコヒーレント波長のため の４分の１波長板として設計されている。この反射オンリー装置は、単なる変調 器として動作する。

図５Ａの複合構造を記述するジョーンズマトリクスは、で与えられる（Ｇ、　Ｄ 、　５ｈａｒｐ、　Ｐｈ、Ｄ、　Ｔｈｅｓｉｓ、　Ｕｎｉｖ、　ｏｆ　Ｃｏｌ。

ｒａｄｏ、１９９２）。ここで、？＝（θ　−ｒｒ　／　４　）　、並びに、φ １及びφ、はそれぞれ４分の１波長及び２分の１波長板による、共通の位相因子 である。これは、角度０’　（Ｚ軸に対して）で配向した単一の４Ｖのリターデ ーションを有する遅延器（位相子）として認識される。

図５の位相変調器は、平面配向のアナログＣ３ＬＣセルを備えた可変遅延器の具 体的な例である。この実施例において、入力光は直線偏光で、０°に配向してい る。一般的な場合、可変遅延器は、図５の変調器と同じ要素を備えている。しか し、入力光の偏光は、直線偏光であるのと同様に、楕円偏光でもあってもよ（、 また、あらゆる配向をとり得る。式（１４）は、一般的な場合の複合構造を記述 している。

図６は、透過／反射モードで動作している共鳴キャピテイ内に図５のアナログ位 相変調器を備えた、本発明の光学変調器を示している。図６の要素の番号付けは 、図５と同じである。図６の装置の共鳴キャビティは、反射表面６１及び６２に よって形成されており、これらは共鳴キャビティに入った光が少なくとも１度は 反射されるように、平行に対向している。共鳴キャビティは長さしを有し、反射 表面の間に延びている。反射表面の少なくとも１つは透過可能で、光が共鳴キャ ビティに入ることができる。波長板は反射表面に平行で、かつ反射表面の間に位 置する。２つの４分の１波長板５１及び５５は、入射直線偏光の偏光方向に関し て±４５°の角度で配向している（すなわち、入射光の振動の平面に対して４５ °）。このキャビティは、もし望むなら、共鳴キャビティの長さを変化させるた めに働く波長板に対して平行に配置した１つ以上の等方層（例えば、６３）を含 んでもよい。

図６のエタロンの透過／反射モードでの動作は、以下のとうりである。設計の波 長の、単色またはコヒーレントの直線偏光が、反射表面及び波長板を通って、伝 播軸に沿ってエタロンに照射される。ＬＣセルの電極に可変電圧または可変電界 が印加され、スメチノクＬＣセルのアパーチャを形成している基板壁の平面内で 、セルの光学軸を回転させる。最大電圧−ＶＭＡ□または＋■１．Ａ工の印加に よって、材料の光学軸を−Ｖ　ｉｉＡ工から＋Ｗ　ＩＩＡＸへ（合計２’！’Ｍ ＡＸ）それぞれ回転することができる。ここでＷ□８は、スメチノクＬＣに固有 な最大電圧に依存するチルト角である。スメチックＬＣの光学軸の回転は、単色 コヒーレント光の強度を変調する。出口偏光子は、強度変調を検出するために必 ずしも必要ではない。同様に、非単色直線偏光の波長は図６の装置によって変調 され、波長変調を検出するために偏光の検光は必要ない。

エタロン鏡が同じ反射率（Ｒ）を有しており、かつ鏡吸収がないと仮定して、図 ６の装置の強度透過関数は、と表される（Ｓｈａｒｐ、　Ｐｈ、　Ｄ、　Ｔｂｅ ｓｉｓ、　ｐ、　１８０）。ここでφは単一のバスでキャビティ内にたまったす べての絶対位相の合計である。妥当な高反射率鏡（例えば、Ｒ〉８５％）を用０ ると、この関数は、強いリジェクション（ｒｅｊｅｃｔ　１ｏｎ）を有する広い バンドで区切られた細いスペクトルビーク（理論的な単一透過を有する）の連続 によって特徴づけられる。式１５の分母の正弦の項がなくなったときに、あるい は、φ＋２甲−ｍｉ’ｃ　、　（１６） のときに透過が最大になる。ここでｍはキャビティ共鳴の次数である。なぜなら 、各絶対位相因子は完全に任意なので、合計位相因子は、透過関数の一般性を損 なうことなく、以下のように表現される。

ここで、Ｌは装置内の単一光学バスの距離（すなわち、実際のそのキャビティ長 ）を表す。上式を式１６に代入すると、ピーク透過の波長を計算できる。

図５の装置によって透過されるスペクトルビークを、電子的に調節またはシフト するために、スメチソクＬＣＺ分の１波長板の分子ディレクタは、角度ＷがＷ＆ ｌＡｘまで変化するように回転させられる。ＦＬＣの光学軸が入射光の偏光方向 に向けられるとき、すなわちｖ＝ｏ″のとき、次数ｍ次及び（ｍ−１）次の極大 値は、それぞれ について生じる。これらの式の差は自由スペクトルａｍ（ＦＳＲ）（△λ＝＾− １−λ。）を与える。これは透過極大の間の波長の間隔 である。Ｗを変化させることによって、ｍ次のＦ、　ＩＪ４Ｈｚヘシフトする。

上式における２つの式の差、δλ＝λｒ−λ、は、アナログＣ３ＬＣの電気光学 調節によるスペクトルシフを表す△λ＝δλとすると、ＦＳＲを介して図６のア ナログ装置を調節するために必要なスメチックＬＣの分子ディレクタの回転は、 Ｗ＝π／２である。現在、π／８より大きなチルト角（１ＪＩ）を生じることが できるアナログＳｍＡ”は市販されている。従って、ディレクタ回転の合計はπ ／４を越え、よって単一のＳｍＡ”／液晶セルを用いて、ＦＳＲの２分の１より も大きい範囲にわたるアナログ調節を可能にする。

図６の装置は、例えば平面配向の表面安定化されたＳｍＡ’ＬＣを用いて、単色 光またはコヒーレントな光のアナログ強度変調器としても機能する。単色または コヒーレント入力を仮定すると、装置の光学的厚みは、大きな負バイアス（−１ ０Ｖ／μｍ）が変調器に印加されているときの透過が１であるように選択される ことができる。電圧のわずかな変化が、装置の共鳴波長を、そのスペクトル幅に おける大きな割合でシフトさせるのに十分な小さな位相シフトをキャピテイ内で 生成する。続いて、これは、装置によって透過される強度、急激な変化を生じる 。π／２の位相変化について、入射光の波長における透過は、透過の最小値に対 応するｍ次及び（ｍ＋１）次の共鳴の中間である。この方法は、先行技術のファ プリーペロ変調器において電気光学材料の屈折率の非常に小さな変化を発生する ために必要な大電圧を必要とすることな（、アナログ光学強度変調を提供する。

達成可能なコントラスト比Ｔ　ＶＡＮ／　Ｔ　ＭＩＮは、によって与えられる。

ここで最大コントラスト比は、ｖ＆１Ａｘ＝π／８について生じる。共鳴キャビ ティの設計は、アプリケーションの必要性に依存する。例えば特定の設計は高い コントラスト比を必要とするが、他のものは電圧−透過特性における線形性を必 要とするかもしれない。上式から、高いコントラスト比は線形性を犠牲にして達 成されることが分かる。

コントラスト比は、チルト角によって変化するものの、鏡の反射率に対して遥か に敏感である。なぜならこれは、透過における変化は、共鳴の付近で急速に生じ るが、すぐに平らになってなくなってしまうからである。

入射光の波長において２分の１波長板になるように設計されたＳｍＡ＊セルを備 えた単−ＳｍＡ”　ＦＬＣセルをキャビてみる。ＦＬＣ分子ディレクタの回転の 合計２０°の範囲について、コントラスト比はＣ＝１．７である。このコントラ スト比は、同じ範囲のチルトを有する材料を含む典型的なファプリーベロ装置の 出力に匹敵する。Ｒ＝０．　７．０．８及び０．９の鏡反射率により、それぞれ Ｃ＝１４．３４及び１５０のコントラスト比が得られる。図７は、３つの異なる 鏡反射率Ｒ＝０．　７、Ｒ＝０．８及びＲ＝０．９について透過に対する分子回 転Ｗの関係を示す。共鳴付近の傾きは、コントラスト比が増加するにつれて増加 し、そのことによって、分解能が低下し、装置の調節に正確さが要求されること を図７は表している。すなわち、共鳴付近の装置の状態では、セルに印加された 電圧の非常に小さな変化が、透過における大きな変化を生み出す。図７は、Ｒ＝ ０．７に対応する傾き、すなわち最も低いコントラスト比が最も線形的であるこ とを示している。一方、Ｒ＝０．９を表す傾きは非常に非線形である。ここで、 Ｗにおける５°の変化は、１（１００％）から８％への基本的な透過の変化をも たらすが、それに続く１５″の角度変化は、８％から０．７％への最小の透過の 変化しか生じない。従って、高度に非線形な透過関数を用いて高いコントラスト は表わされる。

図６の変調器は、反射オンリーモードで動作し、図８の装置構成で表さ°れてい るように、直線偏光されたコヒーレント単色光の純粋な位相変調を与える。反射 オンリーモードでの動作は、反射表面の１つ、すなわち６２の反射率が約１００ ％であることを必要とする。その共鳴キャビティは、光学パスを何回も折り畳む ために動作し、そのことによって相互作用長に影響する。次に、増加した相互作 用長は、分子ディレクタのほんの小さな回転を用いて大きな位相変化を作り出す 。

図８は、Ｒ１＜１を有する前方反射表面（８１）によって形成される共鳴キャビ ティ、変調される設計の波長に対する４分の１波長板（８３）と、平面配向であ ることが好ましい設計波長に対する４分の１波長板であるアナログキラルスメチ ックＬＣセル（８０）と、Ｒ２＝１を有する後方反射表面（８２）とを備えた反 射オンリーモードで動作する典型的なアナログ調節非対称ファビリーペロ位相変 調器を示している。

４分の１波長板（８３）の光学軸は、入射光の偏光方向に対して４５″に配向し ている。スメチックＬＣｄ分の１波長板の電極（図８には表されていない）は、 位相変調器を調節するために可変電圧源に接続されている。設計の波長のコヒー レント単色直線偏光ビームが、装置中を、鏡に垂直な軸に沿って照射される。

以下の反射オンリーモード位相変調器の数学的記述は、上で透過モード装置につ いて与えたものと同様であり、光の振幅は反射表面によって影響を受けず、後方 反射表面は理想的な無損失の反射板で、入射光は装置の閉じ込め基板に垂直な軸 ｉこ沿って伝播するという仮定に基づいている。

図８の装置を通る光の往復についてのジコーンズマトリクスは１．２枚の波長板 のみによって、図６の透過モード装置と同じになっている。装置によって反射さ れた電場の合計は、ここでｔ及びｒは、複素電界透過（ｃｏａ＋ｐｌｅｘ　ｆｉ ｅｌｄ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ）及び前方鏡の反射係数である。鏡吸収がな いと仮定すると、反射される強度は入射強度に等しく、複素反射係数及び複素透 過係数の関係が決定できる。装置はエネルギー損失がないと仮定されているので 、位相変調器の反射係数は、ｚｄ−ｅＬｘ、（２４） と書くことができる。ここでＸは誘起された位相シフトである。ｖ＝ｏ’または φ／２＝ｍπのときに位相がゼロで、ｍは装置の次数を表す整数であると仮定す ると、位相の表現は、である。誘起位相／フト（Ｘ）は、スメチックＬＣ分子デ ィレクタの回転の直接の結果である。この位相／フトは、前方鏡の反射率による ゲイン類によって強められる。

図９は、前方鏡の異なるＲ１の値について、その結果の一連の位相ンフトｘ（ｖ ）を示す。１０’の最大チルトを有するＳｍＡ”材料を、この解析では仮定して いる。明らかに、Ｒ１＝０について、ゲイン因子は１であり、位相変化は最大上 ２Ｗに制限されている。この状態は、図９に示される直線の実線を表している。

Ｒ１＝０．７について、図９の点線に示されるように、前述の場合において変調 深さく＋ｏｄｕｌａｔｉｏｎ　ｄｅｐｔｈ）の劇的な変化がみられる。この状態 において、装置内の位相シフトは、−１２６°から１２６６まで連続的に調節で きる。Ｒ１が増加するにつれて、達成可能な最大のＸが±πに向かって飽和し、 位相関数はより非線形になる。Ｒ１−０，８について、位相シフトは一１４５° から１４５°まで調節できる。Ｒ１＝０．９について、位相シフトは−１６３０ から１６３°まで調節できる。最後に、Ｒ１＝０．９７について、位相シフトは 一１７５’から＋１７５’まで調節できる。必要となる最大の位相変化は２πな ので、図８のアナログ位相変調器は、最大範囲の９７％の広いアナログ調節範囲 を可能にする。

他の典型的な変調器の実施態様において、光学キャビティを形成する反射表面は 、Ｃ３ＬＣセルの外部にあり、この光学キャビティはこのようなセルを１つ以上 含んでもよい。２つ以上の同じタイプのＣ５ＬＣセルを組み合わせることができ 、あるいは、２つ以上の異なるタイプのセルを組み合わせることができる。光学 キャビティ内の特に有用なＣ３ＬＣセルの組み合わせは、入射光の偏光の合計回 転を好ましく９００にするためのカスケード平面配向表面安定化ＳｍＡ”セル（ ここで、’Ｆ　ＭＡ工〈４５°である）、及びＤＨＦセルと、ＤＨＦセルと同様 に配向されたＳｍＡ“またはＳｍＣ”セルとの組ＤＨＦの誘起した偏光を補償す るために機能する。２つの（またはそれより多くの）ＤＨＦセルの組み合わせも 有用である。これらの光学軸は同じ方向に回転して偏光の回転を補償するか、あ るいは反対方向に回転して複屈折の変化を補償する。これらのキャビティには、 キャビティ長が変化するように、牛うルスメチノク液晶セルの外部の反射表面の 間に等方性のスペーサを備えられてもよい。これらの変調器には、キャビティ内 にレンズを備えてもよい。このレンズは、キャビティ中で反射される光を集光し 、損失を最小にするために機能する。アナログ位相変調器及びアナログ波長変調 器は、上記のように４分の１波長板を組み込むことによって提供される。

ＩＶ、本発明の光学変調器の典型的なアプリケーション本発明の光学変調器は、 電子的または光学的にアドレスされることができる。光学的にアドレスされる変 調器の典型的な実施態様は、例えば、結晶／リコンまたはＧ　ａ　Ａ　ｓ、ある いは、アルファモスシリコン、Ｃｄ　ＳＳＣｄ　Ｓ　ｅ、Ｇ　ａ　Ａ　ｓあるい は機能的に同等なフォトダイオードまたはフォトコンダクタを使用するフォトセ ンサを備えた構成を宵する。

図１Ｏに／ングルバス透過変調器が表されている。表面安定化Ｃ３ＬＣ材料が２ 分の１波長遅延器１００に使用されており、これは、４分の１波長板１０６及び １０７を側面に備えることによって可変遅延器を構成する。この装置はさらに、 基板壁（１０１及び１０２）　、透明電極（１０３及び１ｏ４）、及びフォトセ ンサ（１０５）を備えている。

本発明の光学的にアドレスされるエタロン変調器の具体的な実施態様は、空間光 変調器の改変であり、それらは例えばＧ、　Ｍｏｄｄｅｌら　（１９８９）　Ａ ｐｐｌ、　Ｐｈｙｓ、　Ｌｅｔｔ、　５５（６）：５３７及び１．　Ａｂｄｕｌ ｈａｌｉｍら（１９８９）　Ａｐｐｌ、　Ｐｈｙｓ、　Ｌｅｔｔ、５５（Ｌ６） ＋１６０３によって記載されている。

１つの具体的な反射オンリーモード位相変調器構成が図１１に与えられている。

図１１の典型的な装置は、透明または半透明基板壁（１１７及び１１８）、例え ばガラスから作られている、を備えており、フォトセンサ層（１１０）を含んテ オリ、ツレはフォトダイオード、例えば水素化されたアルファモスシリコンフォ トダイオードまたはフォトコンダクタであってもよい。基板壁の１つは透明電極 （１１５）を備えており、それは例えば酸化金属膜である。光学または非対称Ｆ Ｐキャビティは、反射表面（１１３及び１１４）によって形成される。他方の基 板壁は、透明電極１１６または反射表面１１４を備え、第２の電極として働く。

反射オンリーモード変調器について、１１３の反射率は理想的には１であり、１ １４の反射率はく１である。１１４及び１１８を介して入射光のかなりの部分が キャビティを出るように、１１３の反耐重は１１４のものよりも十分に大きくな ければならない。

この装置は、キラパスメチック液晶材料（１１１）の平面配向層、を備える。例 えばこれは、表面安定化平面配向ＳｍＡ”ｔたはＳｍＣ”材料であり、層間への 電界の印加によって、その光学軸は回転し得る。図１１の装置は、材料の配向を 補助するために、キラパスメチック液晶層に隣接する配向層も含んでいてよい。

任意のｄｃオフセットを有する方形波クロ・ツク電圧が電極１１６及び１１５間 に印加され、光学信号、すなわちライトビーム（１１９）がフォトセンサ層（１ １０）と相互作用するときにＣ５ＬＣ層間に電界が生成される。

不連続平面配向表面安定化キラパスメチック液晶層が層１１１に使用されるとき 、２相または３相の位相変調器になる。

層の光学軸の配向は、方形波クロック電圧の負のサイクルの間に、Ｃ５ＬＣ間に 印加された光学的に活性化された電界によってスイ・ツチされる。装置の光学軸 は、方形波クロ・ツク電圧の正のサイクルの間、スイッチバックされる。Ｃ５Ｌ Ｃ層の光学軸の配向をスイッチすることは、基板１１８がら変調器に入る直線偏 光（リードビーム）を変調する。変調された光は、基板１１８から装置を出る。

出口偏光子または偏光検光子は、光変調を検出するために必要ない。

アナログ平面配向表面安定化キラルスメチノク液晶材料が層１１１で使用され、 そして４分の１波長板（１１２）が変調器に備えられるときに、アナログ位相変 調器になる。反射オンリーモードにおいて、Ｃ５ＬＣ層は、変調される光の波長 について４分の１波長板であることが好ましい。

透過／反射モードで動作される光学的にアドレスされる強度変、調器及び波長変 調器は、図１１のものと同様の構成によって、本発明の記載及び光学アドレッシ ングの公知の技術を使用して実現できる。

−ある実施態様において、反射表面（１１３）の反射機能は、フォトセンサ層（ １１０）と液晶層（１１１）との界面によって行われることができる。１１０及 び１１１に使用される材料間の屈折率の差が十分に大きければ、その界面は光を 反射するために機能し、従ってエタロンキャビティを形成するために機能する。

透過／反射モードで動作するアナログ平面配向光学アドレス強度変調器及び波長 変調器は、図１１の装置の改変であり、共鳴キャビティ内のアナログＣ３ＬＣ２ 分の１波長層の両方の側に４分の１波長板を必要とする。波長変調器において、 ４分の１波長板は、無色であることが好ましい。

本発明の光学変調器は、多重画素（マルチピクセル）装置として製造されること ができる。多重画素変調器のいくつかの典型的な実施態様が与えられている（図 １２−１４に）。

ＶＬＳＩ（超大規模集積）集積回路の裏面（ｂａｃｋｐｌａｎａ）は、多重画素 キラパスメチック液晶ＦＰまたは折り畳まれた光学パス装置を電気的にアドレス するための手段を表す。そのような多重画素装置は、透過／反射または反射オン リーモードで動作されることができる。望ましいキラパスメチック液晶材料が備 えられ、基板上部層とピクセル化された反射表面を有するＶＬＳＩの裏面との間 に適切に配向される。基板上部層とＶＬＳ　Ｉの裏面の対向する反射表面の間に 複数のピクセルの共鳴キャビティが作られるように、基板上部層に反射表面が設 けられる。１つまたは２つの複屈折要素、特に４分の１波長板がそのような多重 画素装置のＣ３ＬＣ材料といずれかの反射表面との間に設けられてもよい。この 方法で作られた多重画素装置の個々の共鳴キャビティは、前記のような本発明の 個々のＣ５ＬＣ変調器として機能する。変調のタイプは、キャビティの動作のモ ード、使用される配向のタイプ、使用されるＣ５ＬＣ材料のタイプ並びにその材 料のチルト角及び複屈折に依存する。

図１２に示されるように、多重画素バイナリ位相、強度または波長変調器は、ピ クセル化された反射表面（１２１）を備えているＶＬＳＩの裏面（１２５）と１ ００％よりも反射率の低い反射表面（１２２）を有する基板上部層（１２６）と の間に４５６のチルト角を有する平面配向層ＳｍＣ”材料（１２０）を入れるこ とによって得られる。ヒリセル化された反射表面（１２１）も１００％よりも反 射率が小さく、ＶＬＳ夏装置が透過／反射モードで動作するとき、バイナリ強度 変調器または波長変調器になる。

後方反射表面（１２１）二すなわちＶＬＳ　Ｉ裏面が前方反射表面（１２２）よ りも十分に高い反射率を有するとき、装置は反射オンリーモードで動作し、バイ ナリ位相変調器になる。牛ヤビティ内のＣ３ＬＣ層（１２０’）は、ＳｍＣ”４ ５゜チルト角材料である（平面配向及び表面安定化されている）。

図１２の装置において、反射表面、例えば堆積された金属の鏡も電極として働（ 。変調器上に入射したコヒーレント偏光は、ＳｍＣ”層中の通過によって位相変 調される。偏光された単色入射光及び偏光された非単包入射光は、図１２の装置 によってそれぞれ強度変調及び波長変調される。

反射／透過モードを構成するもう１つの典型的なＶＬＳＩが、略図的に図１３に 与えられている。この変調器は、単色光またはコヒーレント先の強度を変調する ためにか、または非単色光の波長を変調するためにかのいずれかに機能できる。

ピクセル化されたＶＬＳＩ裏面（１３５）は、基板に１つの反射表面（１３１） を与える。基板上部層（１３６）に、第２の反射表面（１３２）が設けられてい る。反射表面によって形成された共鳴キャビティ内に、２つの複屈折要素、特に ２つの４分の１波長板（１３３及び１３４）がある。平面配向表面安定化ＳｍＡ ”液晶の層が与えられている（１３０）。

この構成では、反射表面１３１及び１３２も、電極として働く。層の厚さは、Ｓ ｍＡ”液晶セル（１３１及び１３２０間の１３０）が、変調される光に対して２ 分の１波長板であるように選択される。波長変調器に使用される４分の１波長板 は、無色であることが好ましい。

さらにもう１つのビクセル化された変調器が、図１４に与えられている。この実 施例では、ホメオトロピックに配向されたＣ３ＬＣ層（１４０）が、後方反射表 面（１４１）及び基板壁（１４３及び１４４）上の前方反射表面によって形成さ れた共鳴キャビティ内で使用されている。横方向電極（１４３及び１４４）には 、電極と反射表面との間に任意の絶縁体が備えられている。これらの電極は、例 えば多重画素アレイを作るためにパターンされることができる。この図は、１４ １及び１４２の反射率が両方とも１よりも小さい透過／反射モード装置を表して いる。入射光の強度変調及び波長変調は、この装置構成によって行われることが できる。図１４のホメオトロピックに配向されたセルで、いずれのＣ３ＬＣ材料 も使用されることができる。不連続状態Ｃ３ＬＣ材料は不連続変調を与える。ア ナログＣ３ＬＣ材料はアナログ変調を光学的にアドレス可能な多重画素バイナリ 及びアナログ変調器の実施例は、ＶＬＳＩ集積回路がフォトセンサを含む多重画 素アレイを光学的にアドレスするための手段と入れ替えられていること以外は、 上記のＶＬＳＩ構成と同様である。

多重画素ＦＬＣ空間光変調器の１つのタイプが、Ｇ、　Ｍｏｄｄｅｌらの米国特 許第４．９４．１，７３５号に記載されている。Ｃ３ＬＣセルの光学アドレッシ ングは、Ｔａｋａｈａｓｈｉら（１９８７）のＡｐｐｌ、　Ｐｈｙｓ、　Ｌｅｔ ｔｓ　５１：１９；　Ｍｏｄｄｅｌら（１９８７）のｒＴｈｅＰｒｏｃｅｅｄｉ ｎｇｓ　ｏｆ　５ＰＩＥ　−Ｔｈｅ　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　５ｏｃｉｅ ｔｙ　ｆｏｒ　０ツンングに関するこれらの参考文献の教示は、当業者によって 、本発明の装置にすぐに適用されることができる。

ここでの多重画素変調は、当該技術分野で知られているように、電子的にアドレ スされるか、または光学的にアドレスされる。これらの多重画素装置は、個々に アドレス可能であってもよく、同時にアドレス可能であってよく、またはビクセ ルのある組み合わせが望ましいパターンで同時にアドレス可能であってもよい。

多重画素キラルスメチソク液晶ＦＰ光学キャビティ変調器は、回折光学要素やホ ログラフディスプレイを含むさまざまな表示アプリケーションに使用されること ができ、さらに、適切なアドレッシング方法の選択によって、パターン化された 変調器を作るために使用され得る。例えばビームを操作するアプリケーションの ための回折格子を生成するための線のパターンを作るために使用されることがで きる。そのようなビーム操作回折格子の動作は、当該分野では理解されている。

本発明の透過／反射モードＣ３ＬＣエタロン変調器のもう１つの典型的なアプリ ケーションは、図１５のいわゆる「調節可能なタップ」である。この装置は、全 光強度の全体の損失を最少にしながらも、非単包入射光の望ましい波長を「タッ ピング」または選択するための手段を与える。図１５の装置は、２つの偏光ビー ムスプリッタ（１５３及び１５４）、ファラデー遅延器（１５５）、平面配向Ｃ ３ＬＣアナログ波長変調器（１５０−１５２）のいずれかの側に共鳴キャビティ を形成する２つの反射表面（１５７及び１５８）、並びに図１５に示されるよう に互いに関係して位置付けられた要素を備えた２つの内部全反射鏡（１５９及び １６０）を備えている。この図は、光のための、１つの入力（Ａ）及び２つの出 力（Ｂ及びＣ）も示している。平面配向Ｃ３ＬＣアナログ波長変調器は、２つの ４分の１波長板（１５１及び１５２）を備えた平面配向Ｃ３ＬＣＺ分の１波長板 （１５０）として例示されている。使用されるＣ３ＬＣ材料は、光学軸の電圧依 存性回転を示すあらゆる平面配向アナログ材料である。好ましくは、このＣ３Ｌ Ｃ材料は、平面配向表面安定化ＳｍＡ“材料である。アナログ変調器の４分の１ 波長板は、共鳴キャビティに入射する光に対して０°または９０°に配回してい る。

偏光されていない光は入力Ａで装置に入り、ＰＢＳＩ　（１５３）がその入射光 を２つの直交する偏光されたビームに分割する。ファラデー遅延器（１５５）は 、両方のビームの偏光を４５°回転する。ファラデー遅延器の動作は、当該分野 では公知であり理解されている。光は、変調器を備えている共鳴キャビティに入 る。出力ＰＢＳ２　（１５４）は、入力ＰＢＳＩ　（１５３）に対して４５°配 向している。それから共鳴キャビティを出た回転された光は、選択された波長は 出力Ｃへ透過されるが残りの光は１５８から反射して共鳴キャビティに戻される ようにＰＢＳ２によって分割される。　（共鳴キャビティは、反射率Ｒ１及びＲ ，＜１の反射表面（１５）及び（１５８）の間にで形成される）。セル電極（不 図示）を介して変調器に電界が印加され（変調器のＣ３ＬＣ層を挟んで）、出力 ポートＣへ透過するための波長を選択する。下記の条件を満たす波長 が出力Ｃに透過される。ここで、λは選択されたλ、△ｎはキャビティの複屈折 、Ｌはキャビティ長及びｍは整数である。

入射光のすべの他の波長は反射し戻され、キャビティを介して出力ポートＢを通 って透過される。

本発明の光変調器のある種の例示しである装置構成及びアプリケーン１ンは明細 書中で詳細に記述されているが、本発明を開示されている特定の形態及び実施態 様に制限する意図がないことは理解されなければならない。その反対に、本発明 は、添付の請求項の範囲で表されているような発明の意図及び目的内の、すべて の改変、別の形態、均等のもの及び使用を含む。

表１＝　典型的な光学キャビ２イＣ３ＬＣ変ｉｌｌ酋変調のクィプ２ ＳｍＡ’　Ｔ／Ｒ十（Ａ）　＋’ ＤＨＦ　Ｔ　／　Ｒ＋６＋’ Ｒ＋（Ａ）’ 反強ＸＪ！！電性　Ｔ／Ｒ＋（Ｔ）　＋’Ｒ＋（Ｂｌ’ ＤＨＦ’　Ｔ／Ｒ＋（Ａｌ　”（Ａ） ＋４分の１８長　Ｒ＋（Ａ） ＳｍＡ”／ＳｍＡ”　Ｔ／Ｒ＋（Ａｌ　＋’逆　Ｒ・（Ｂ）・ 表１（続き） 変調のクィプ２ ＤＨＦ／ＳｍＡ”２Ｔ／Ｒ＋（Ａ）　＋１２ＤＨＦ／Ｄ）！Ｆ”　Ｔ／Ｒ＋（Ａ ）　＋１３逆　ｎ　＋（Ｂ）　ｌｆｆ ５Ｍ”／ホメオ　Ｔ／Ｒ＋（Ａ）　＋（Ａ）Ｒ＋（ＡＩ ＤＨＦ　Ｔ／Ｒ＋（Ａ）　＋（Ａ） Ｒ＋（ＡＩ 反強誘電性　Ｔ／Ｒ＋（Ｔｌ　＋（Ｔ）Ｒ＋（Ｔｌ −ら〇− 轟ユー０１ＬＬ 表１の脚注 １　ｒＴ／ＲＪは透過／反射モードを表し、ｒＲＪは反射オンリーモードを表し ている。

２　表１の変調器の多くは、強度変調または波長変調として検出可能な透過／反 射モードにおける位相変化をもたらす。

「＋」は検出可能な変調を示し、ｒＢＪはバイナリを表し、ｒＡＪはアナログを 表し、そしてｒＴＪはターナリ（ｔｅｒｎａｒｙ）を表す。コヒーレントな入射 光は位相変調され、単色、及び／または、コヒーレントな入射光は強度変調され 、非単色入射光は波長変調される。

３　この変調器は、１波長を透過する出力もしくは、２波長を透過する出力を選 択する。

４　この変調器は、入力光の２つの位相のいずれかを選択するが、選択された位 相の出力は必ずしも同じ方向の偏光を有していない。

５　非単色入射光について、この装置は２つの選択された波長のアナログ強度変 調を提供する。

６　平面配向のＤＨＦ装置において、装置に電界を印加したときに、Ｃ３ＬＣ層 の複屈折における変化、及び、入射光の偏光の回転が存在する。

７　この変調器は、１波長を透過する１つの出力、または、異なる強度の２つの 波長を透過する２つの他の出力を選択する。平面配向チルトく≠４５＠のＳｍＣ ”と同様。

８　共鳴キャビティ内の直列なＳｍＡ“セルの光学軸は逆方向に回転し、入射光 の偏光の回転をレバレッジ（ｌｅｖｅｒｇｅ）する。

強度変調はアナログである。波長変調は、両方のＳｍＡ”セルが’Ｆ　ＭＡＩ＝ 　２２．　５°を有するときに波長変調がバイナリであること以外は、（上の脚 注５）と同様である。位相変調は、両方のセルのＷ　ＭＡ工が２２．５°のとき に位相変調された光が同じ偏光の方向で出ること以外は、上の脚注４のものと同 様である。

９　「逆」とは、セルの光学軸が逆方向に回転することを示している。

１０　同じ方向に同じ程度回転した光学軸を有する直列なりＨＦ及びＳｍＡ”セ ル。このセル構成は複屈折における変化をもたらす。

１１　「同じ」とは、セルの光学軸が同じ方向に回転することを示している。

１２　逆方向に同じ程度回転する光学軸を有する直列なりＨＦ及びＳｍＡ”セル は、複屈折における変化を示さない。このセル構成は、直列な２つの平面配向Ｓ ｍＡ”セルのように振る舞う。

１３　光学軸が逆方向に同じ程度回転した直列な２つのＤＨＦセル。この装置は 、複屈折の変化を示さない。脚注８及び１２に述べである構成と同様である。

１４　光学軸が同じ方向に同じ程度回転した直列な２つのＤＨＦセル。この装置 は入射光の偏光の回転を示さないが、複屈折における変化の増加を示す。この変 調器は、脚注１０のものと同様に機能する。

ｚ　ｎ ＦＩＧ　７ ぢ臣 ＦＩＧ、　７２ 補装置の写しく翻訳文）提出書（特許法第１８４条の８）

Claims (14)

【特許請求の範囲】
1. １．（ａ）キラルスメチック液晶セルを備え、その光学軸が該セルの該スメチッ ク層への電界の印加によって回転可能なキャビティ内変調器要素、 （ｂ）入る光が該キャビティを出る前に、該キャビティ内変調器要素を通る少な くとも２つのバスになるように、該キャビティに入る光を反射するための手段、 及び、（ｃ）該キラルスメチック液晶セルに電界を印加するための手段で、それ によって該キラルスメチック液晶セルの該光学軸が回転される手段、 を備えた光学キャビティを有する楕円偏光の光学変調器。
2. ２．直線偏光の変調器である請求項１に記載の変調器。
3. ３．前記反射のための手段が、 前記反射のための手段が、エタロンを形成するために、前記キャピティ内変調器 要素のいずれかの側の上に位置している前方及び後方反射表面を備える請求項２ に記載の変調器であり、該反射表面の相対的な反射率によって決められるように 、光が、該前方反射表面を通して該エタロンに入り、該前方反射表面を通ってま たは該前方及び後方両方の反射表面を通って出る変調器。
4. ４．コヒーレント入射光の位相の変調器としての反射オンリーモード、 非単色入射光の波長の変調器としての透過／反射モード、及び、 単色入射光、及び／または、コヒーレント入射光の強度の変調器としての透過／ 反射モード、 のうちの１つのモードで動作する請求項２に記載の変調器。
5. ５．フォトセンサ手段をさらに備え、それによって光学的にアドレス可能な請求 項２に記載の変調器。
6. ６．多重ピクセル装置中の１つのピクセルである請求項２に記載の変調器。
7. ７．不連続状態の平面配向表面安定化キラルスメチック液晶セル、 前記電界の印加によって２つの安定状態のうちの１つをとることができる平面配 向表面安定化強誘電性ＳｍＣ■キラルスメチック液晶セル、 ＳｍＣ■材料が４５°のチルト角を有している双安定平面配向表面安定化ＳｍＣ ■セル、 平面配向表面安定化反強誘電性液晶セル、アナログキラルスメチック液晶セルで あって、前記電界の印加によって該セルの光学軸がアナログ的に回転可能なもの 、アナログキラルスメチック液晶セルであって、該セルの光学軸が、複数の状態 で不連続的に回転されるように前記電界が印加されるもの、 アナログキラルスメチック液晶表面安定化ＳｍＡ■キラルスメチック液晶セル、 歪んだらせん強誘性電スメチック液晶セル、平面配向の歪んだらせん強誘電性液 晶セル、ホメオトロピックに配向したらせん強誘電性液晶セル、ホメオトロピッ クに配向したキラルスメチック液晶セル、ホメオトロピックに配向したアナログ キラルスメチック液晶セル、 ホメオトロピックに配向したキラルスメチック液晶ＳｍＡ■セル、及び、 ホメオトロピックに配向したキラルスメチック液晶ＳｍＣ■セル、 で構成されるグループから前記キラルスメチック液晶セルが選択される、請求項 １、２、３、４、５、及び６に記載の変調器。
8. ８．前記反射表面間に１つより多い液晶セルを備えており、該セルのうち２つが 、 ２つのキラルスメチック液晶セル、 光学キャビティ内の直列な２つの平面配向表面安定化ＳｍＡ■液晶セルで、それ らのセルの光学軸が反対方向に回転するように構成されたもの、 光学キャビティ内の直列な２つの平面配向ＤＨＦ液晶セルで、それらのセルの光 学軸が同じ方向に回転するように構成されたもの、 光学キャビティ内の直列な２つの平面配向ＤＨＦ液晶セルで、それらのセルの光 学軸が反対方向に回転するように構成されたもの、及び、 光学キャビティ内の直列な平面配向ＤＨＦ液晶セル及び平面配向表面安定化Ｓｍ Ａ■液晶セルで、それらのセルの光学軸が同じ方向に回転するように構成された もの、から構成されるグループから選択される請求項２に記載の変調器。
9. ９．透過反射モードで動作する請求項２に記載の変調器であり、前記キラルスメ チック液晶セルが入射光について２分の１彼長板である平面配向表面安定化Ｓｍ Ａ■液晶セルであって、さらに前記キャビティ内の該ＳｍＡ■液晶セルのいずれ かの側の上に、該ＳｍＡ■のいずれかの側に直列に配置されている２つの４分の １波長板を備えており、該４分の１波長板の光学軸が入射直線偏光の偏光方向に 対して４５°に配向している変調器。
10. １０．反射オンリーモードで動作する請求項２に記載の変調器であり、前記キラ ルスメチック液晶セルが入射光について４分の１波長板である平面配向表面安定 化ＳｍＡ■液晶セルであって、さらに前記キャビティに入る光が該ＳｍＡ■液晶 セルを通過する前後に４分の１波長坂中を通過するように、前記キャビティ内の 該ＳｍＡ■と直列に配置されている４分の１波長板を備えており、該４分の１波 長板の光学軸が入射直線偏光の偏光の方向に対して４５°に配向している変調器 。
11. １１．遅延器に入射する光に対して２分の１波長板である平面配向アナログキラ ルスメチック液晶セルを備えており、さらに該遅延器内の該キラルスメチック液 晶セルのいずれかの側の上に、該キラルスメチック液晶セルのいずれかの側に直 列に配置される２つの４分の１波長板をさらに備えており、該４分の１波長板の 光学軸が互いに平行または垂直に配向されたものを備えて、±４５°で入射する 直線偏光を除いた楕円偏光が該４分の１波長板の光学軸に対してあらゆる角度で 該遅延器に入射する楕円偏光の可変遅延器。
12. １２．反射モードで動作し、遅延器に入射する光に対して４分の１波長板である 平面配向アナログキラルスメチック液晶セルを備えており、さらに該遅延器に入 る光が該キラルスメチック液晶セルを通る前後に４分の１波長板を通るように該 遅延器内の該キラルスメチック液晶セルに直列して配置されている４分の１波長 板を備え、該楕円偏光が該４分の１波長板の光学軸に対してあらゆる角度で該遅 延器に入射する楕円偏光の可変遅延器。
13. １３．基板壁の間にキラルスメチック液晶材料のホメオトロピツクに配向された 層を備えており、さらに該液晶層に電界を印加するための横方向電極を備えてい る直線偏光の変調器。
14. １４．前記ホメオトロピックに配向されたキラルスメチック液晶材料が、 アナログ液晶材料、 ＳｍＡ■液晶材料、 ＤＨＦ液晶材料、 不連続状態液晶材料、及び、 ＳｍＣ■液晶材料、 で構成されるグループから選択される請求項１３に記載の変調器。