JPH1138451A

JPH1138451A - 薄型電界制御複屈折型液晶素子及び光導波路型光変調素子

Info

Publication number: JPH1138451A
Application number: JP19155197A
Authority: JP
Inventors: Kazue Ichino; 和枝市野; Shigeki Ishibashi; 重喜石橋; Shigekuni Sasaki; 重邦佐々木; Shogo Kobayashi; 尚吾小林
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1997-07-16
Filing date: 1997-07-16
Publication date: 1999-02-12

Abstract

(57)【要約】【課題】光導波路に挿入して用いる電界制御複屈折型
液晶素子であって、挿入損失が小さく、かつ、光通信用
部品として波長が１.３μｍあるいは１.５５μｍの光に
適応し、しかも、電界制御複屈折効果が低電圧で得られ
るもの。【解決手段】透明電極１を有する透明基板間に一軸配
向したネマチック液晶を挾持してなる電界制御複屈折型
液晶素子において、ネマチック液晶の屈折率異方性が
０.２０以上であり、かつ、屈折率異方性と液晶部４の
厚さの積が１.３μｍ以上であり、素子の全体の厚さが
１０μｍ以上かつ２５０μｍ以下である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、薄型電界制御複屈
折型液晶素子およびそれを用いた光導波路型光変調素子
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】光導波路で光機能素子を構成するものと
して、光導波路中に間隙を設け、そこに液晶素子を挿入
した光スイッチが提案されている（参照：特開平７−１
９１２９４号公報）。この発明によれば、液晶素子と光
導波路を別個に組み立てるため、作製工程が簡略化でき
る利点がある。しかし、この光スイッチでは、液晶素子
として通常の表示装置用液晶素子を用いるので、液晶素
子の厚み分の大きな間隙を光導波路に設けなければなら
ず、その為、挿入損失が大きくなるという問題があっ
た。即ち、通常の表示装置用液晶素子は基板として７０
０〜１１００μｍ厚のガラスを用い、素子全体の厚さは
１４００〜２２００μｍもあり、このような液晶素子を
挿入するためには光導波路にこれ以上の大きさの間隙を
形成する必要があり、挿入損失が大きいものであった。
また、電界制御複屈折型液晶素子は、低電圧で大きな複
屈折変化が得られるということが特長であり、この液晶
素子の大きな複屈折率変化を利用して、光制御素子が得
られることが報告されている（川上、大寺、光学、２４
巻、６号、３１８頁、１９９５年）。しかし、それらは
厚いガラスを基板とした素子であり、導波路へ挿入して
使用すると挿入損失が大きく、実際上使用できない。そ
こで、基板として極めて薄い高分子フィルムからなる厚
さ５〜２５０μｍの液晶素子を用い、導波路に挿入した
ときに挿入損失を大きく低減したものが特開平８−２２
７０６２号公報に示されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、これまでに
開発された液晶素子の多くは表示用としてなされている
ため、可視光を対象に使用されるように液晶の厚さ等の
最適化が図られている。しかしながら、通信用光学素子
の場合には波長が１.３μｍあるいは１.５５μｍの光を
対象とするもので、液晶素子の屈折率異方性と液晶部の
厚さ（液晶の厚み）の積であるリターデーションは使用
する通信波長に合せて１.３μｍあるいは１.５５μｍ以
上でなければならない。ところが、普通のディスプレイ
用液晶は、その屈折率異方性は０.１０〜０.１７と小さ
いため、リターデーションが小さく、通信用には不適当
である。このような表示用液晶素子を通信用に用いるた
めには、液晶部の厚みを大きくしなければならない。し
かし、液晶部を厚くすると、その分、駆動電圧を大きく
しなければならず、かつ、挿入損失も大きくなってしま
う。すなわち、光導波路型光変調素子に用いる薄型電界
制御複屈折型液晶素子としては、薄い方が挿入損失を小
さくでき、しかも駆動電圧を小さくもできるものの、そ
のようなものはリターデーションが小さく通信用には不
適当であるという不具合がある。本発明は前記課題を解
決するためになされたもので、光導波路に挿入して用い
る電界制御複屈折型液晶素子であって、挿入損失が小さ
く、かつ、光通信用部品として波長が１.３μｍあるい
は１.５５μｍの光に適応し、しかも、電界制御複屈折
効果が低電圧で得られるものを提供することにある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明の薄型電界制御複
屈折型液晶素子は、透明電極を有する透明基板間に一軸
配向したネマチック液晶を挾持してなる電界制御複屈折
型液晶素子において、前記ネマチック液晶の屈折率異方
性が０.２０以上であり、かつ、屈折率異方性と液晶部
の厚さの積が１.３μｍ以上又は１.５５μｍ以上であ
り、素子の全体の厚さが１０μｍ以上かつ２５０μｍ以
下であることを特徴とするものである。ここで、透明基
板としては高分子フィルムが好ましい。また、透明基板
に、一酸化ケイ素の斜方蒸着またはラビング処理された
高分子膜からなる配向膜が形成されていることが好まし
い。本発明の光導波路型光変調素子は、上記薄型電界制
御複屈折型液晶素子が光導波路中に設けられていること
を特徴とするものである。

【０００５】

【発明の実施の形態】本発明の薄型電界制御複屈折型液
晶素子は、透明電極を有する透明基板間に、一軸配向し
たネマチック液晶を挾持したものである。透明基板とし
ては、使用波長で光透過性が優れていて、薄い基板なら
良く、ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）やポリイミド、
ポリエーテルイミド、ポリエチレンテレフタレート、ポ
リスルホン等からなるものが好ましい。また、ＩＴＯ等
を蒸着する為に、耐熱性の高いものが好ましい。また、
光導波路に挿入して用いる場合、挿入損失、取扱いやす
さ等から、１〜１２０μｍ厚のものが好適である。さら
に、透明基板の面内複屈折は小さいことが素子効率の点
で望ましい。また、透明基板上に形成される透明電極と
しては、インジウム錫酸化物（ＩＴＯ）、インジウム酸
化物、錫酸化物等が挙げられる。透明電極は周知の蒸着
法等により透明基板上に形成される。

【０００６】また、透明基板上には、周知の液晶素子に
用いられる配向膜が形成されており、ポリイミド、ポリ
ビニルアルコール等の高分子膜をラビング処理したもの
の他、基板を薄く、ラビング処理が困難な場合にも使用
できるので、斜方蒸着した一酸化ケイ素の斜方蒸着膜が
好適である。蒸着角度は液晶材料にも依存するが、概ね
６０〜８０゜のときに液晶の配向や動作特性が良い。ま
た、必要に応じて、液晶の厚さ制御の為に、スペーサを
使用できる。スペーサとしてはその材質は特に限定しな
いが、プラスチックや無機物質からなる絶縁性物質のう
ち、形状制御の精度、基板との接着性、強度等から適宜
選択される。印刷法や蒸着法、ディスペンサ法によりス
ペーサを形成することにより薄型液晶素子の均一性を向
上させることができる。印刷法としては、スクリーン印
刷、フレキソ印刷等の方法がある。また、蒸着法として
は、画素部分をマスクして酸化ケイ素等を蒸着する方法
がある。さらに、球状または棒状の粒径が均一なスペー
サを極少量、散布することも素子厚を均一に作製する上
で有効である。

【０００７】液晶材料としては、きわめて狭い基板間に
注入することが比較的容易なネマチック液晶が好まし
い。本発明においては、ネマチック液晶として、屈折率
異方性が０.２０以上であることが必須である。波長が
１.３μｍあるいは１.５５μｍの通信波長の光に対し
て、薄型電界制御複屈折型液晶素子を偏波回転素子とし
て２π以上の移送差を制御するためには屈折率異方性と
液晶の厚さの積で得られるリターデーションがそれぞれ
１.３μｍ以上あるいは１.５５μｍ以上である必要があ
る。そこで、本発明では、屈折率異方性を０.２０以上
とすることにより、十分なリターデーションを確保しつ
つ、液晶部の厚さを抑えて駆動電圧を低下せしめ、なお
かつ、屈折率異方性を高めることで電圧に対するリター
デーションの変化率を大きくして駆動電圧を低下させ
た。薄型電界制御複屈折型液晶素子の全体の厚さは、挿
入損失の低減の観点からは薄ければ薄いほど良く、２５
０μｍ以下が好ましく、他方、取扱い性や製造上の観点
から１０μｍ以上が好ましい。

【０００８】本発明の薄型電界制御複屈折型液晶素子
は、周知の手段により製造することができ、例えば、透
明電極を備えた透明基板上に配向膜を形成する工程と、
配向膜上にスペーサを散布する、あるいは印刷等により
加工する工程と、スペーサを練り込んだシール接着剤を
塗布後、２枚の透明基板を重ね合せ、押圧した状態でシ
ール接着剤を硬化させる工程と、液晶を注入する工程
と、液晶注入口を封止する工程、さらに、異方導電性接
着剤を介してフレキ基板を液晶素子に接続する工程等か
らなる製造方法で製造される。但し、スペーサを散布あ
るいは加工する工程は、素子の形状により、省略するこ
とも可能である。

【０００９】

【実施例】

［実施例１］図１に示すような薄型電界制御複屈折型液
晶素子を作製した。この薄型電界制御複屈折型液晶素子
において、透明基板１，１は厚さ１１０μｍのポリエー
テルスルホン（住友ベークライト製）からなるもので、
その透明基板上にはＩＴＯからなるパターニングされた
透明電極２，２，・・・が形成されている。さらにそれら
の上には、一酸化ケイ素を５００Åの厚さになるように
６０゜で斜方蒸着した配向膜３，３が形成されている。
液晶を注入する前の空セルは、これらの基板のうちの一
方に、１５μｍのスペーサを混ぜたシール接着剤（住友
ベークライト製、ＥＲＳ−２１００、２８１０）５，５
をスクリーン印刷し、他方の基板と貼り合わせることに
より作製した。この空セルに５８９nmでの屈折率異方性
が＋０.２３であるネマチック液晶（メルク社製、Ｅ−
６３）を注入し、紫外線硬化型の接着剤で封止して、ネ
マチック液晶の挾持された薄型電界制御複屈折型液晶素
子を作製した。この薄型電界制御複屈折型液晶素子の厚
さは２３５μｍであり、きわめて薄く、液晶部４の厚さ
は１５μｍである。

【００１０】さらに、異方導電性接着剤を介してフレキ
基板をこの薄型電界制御複屈折型液晶素子に接続した。
この薄型電界制御複屈折型液晶素子を偏光方向が直交し
た偏光板の間に配置し、１００Ｈｚの矩形波電圧を印加
しながら、波長１.５５μｍでのリターデーション変化
を測定した。その結果を図２に示す。図２から明らかな
ように、電界を印加しない状態でのリターデーションの
実測値は３.０μｍと高いものであった。また、印加す
る電圧を高めることによりリターデーションは低下し、
電界無印加の状態から１.５５μｍのリターデーション
変化を得るために必要な電圧はわずか±３.２Ｖであっ
た。

【００１１】［実施例２］実施例１で作製した薄型電界
制御複屈折型液晶素子と石英系光導波路を組合わせて光
導波路型光変調素子を構成した。図３に示すように、４
分岐した構造を有する石英系光導波路７に幅２５０μｍ
の間隙を形成し、そこに上記薄型電界制御複屈折型液晶
素子６を挿入した。入力部に偏波保持ファイバを、出力
部に偏光子付き光ファイバを接続して変調特性を測定し
た。強度が−１１ｄＢｍ、波長が１.５５μｍの直線偏
光を入力し、薄型電界制御複屈折型液晶素子に１００Ｈ
ｚの矩形波を印加して光強度の変化を測定した結果を図
４に示す。その結果、消光比は約２０ｄＢであり、挿入
損失は約１５ｄＢであった。分岐損を差し引いた間隙形
成による光損失は約６ｄＢと小さい値であった。また、
図４から、２０Ｖ_p-p以下の低電圧で２π以上の範囲で
位相変調が可能であることが確認できた。

【００１２】［実施例３］実施例１で作製した薄型電界
制御複屈折型液晶素子を直交した偏光板の間に配置し、
１００Ｈｚの矩形波電圧を印加しながら、波長１.３μ
ｍのリターデーション変化を測定した。その結果、電界
を印加しない状態でのリターデーションは３.２μｍで
あった。また、印加する電圧を高めることによりリター
デーションは低下し、１.３μｍのリターデーション変
化を得るために必要な電圧はわずか±２.４Ｖであっ
た。

【００１３】［実施例４］実施例３で作製した薄型電界
制御複屈折型液晶素子と２５０μｍの間隙を有する石英
系光導波路を組合わせて実施例２と同様の光導波路型光
変調素子を構成した。強度が−１１ｄＢ、波長が１.３
μｍの直線偏光を入力し、薄型電界制御複屈折型液晶素
子に１００Ｈｚの矩形波を印加して光強度の変化を測定
した。その結果、消光比は約２０ｄＢであった。また、
挿入損失は約１５ｄＢであった。分岐損を差し引いた間
隙形成による光損失は約６ｄＢであった。また、１８Ｖ
_p-p以下の低電圧で２π以上の範囲で位相変調が可能で
あることが確認できた。

【００１４】［実施例５］１１０μｍ厚の実施例１と同
じＰＥＳ基板のパターニングしたＩＴＯ電極を有する面
にポリイミド配向膜（日本合成ゴム製、オプトマーＡＬ
１５２４）をスピンコート法により成膜し、熱処理を行
なった。さらに、ナイロン布によりラビング処理をし
た。次に、１２μｍのスペーサを混ぜた接着剤（住友ベ
ークライト製、ＥＳＲ−２１００、２８１０）を片方の
ＰＥＳ基板にスクリーン印刷し、対向基板と貼り合わせ
て空セルを作製した。この空セルに５８９nmでの屈折率
異方性が＋０.２３である液晶（メルク社製、Ｅ−６
３）を注入し、紫外線硬化型の接着剤で封止して薄型電
界制御複屈折型液晶素子を作製した。この薄型電界制御
複屈折型液晶素子の厚さは２３２μｍときわめて薄いも
のである。

【００１５】さらに、異方性導電性接着剤を介してフレ
キ基板を薄型電界制御複屈折型液晶素子に接続した。こ
の薄型電界制御複屈折型液晶素子を直交した偏光板の間
に配置し、１００Ｈｚの矩形波電圧を印加しながら、波
長１.５５μｍでのリターデーション変化を測定した。
その結果、電界を印加しない状態でのリターデーション
は２.３μｍと高いものであった。また、印加する電圧
を高めることによりリターデーションは低下し、電界無
印加の状態から１.５５μｍのリターデーション変化を
得る為に必要な電圧は±５Ｖであった。

【００１６】［実施例６］スピンコート法により成膜
し、熱処理をして２μｍ厚のポリイミドフィルムを石英
基板上に作製した。さらに、３００Åの厚さのＩＴＯ電
極をポリイミド上に形成した。このＩＴＯ電極をパター
ニングし、その上に６０度で一酸化ケイ素を５００Åの
厚さになるように斜法蒸着した。さらに８μｍのスペー
サを混ぜた接着剤を片方のＰＥＳ基板にスクリーン印刷
し、対向基板と貼り合わせ、石英基板を剥離して空セル
を作製した。この空セルに屈折率異方性が＋０.２３で
ある液晶（メルク社製、Ｅ−６３）を注入し、紫外線硬
化型の接着剤で封止して薄型電界制御複屈折型液晶素子
を作製した。その厚さは１２μｍであり、きわめて薄い
ものであった。

【００１７】さらに異方導電性接着剤を介してフレキ基
板を薄型電界制御複屈折型液晶素子に接続した。この薄
型電界制御複屈折型液晶素子を直交した偏光板の間に配
置し、１００Ｈｚの矩形波電圧を印加しながら波長１.
３μｍでのリターデーション変化を測定した。その結
果、電界を印加しない状態でのリターデーションは１.
８μｍであり、印加する電圧を高めることによりリター
デーションは低下し、電界無印加の状態から１.３μｍ
のリターデーション変化を得るために必要な電圧はわず
か±１.８Ｖであった。同じ薄型電界制御複屈折型液晶
素子について、波長１.５５μｍでのリターデーション
変化を測定した。その結果、電界を印加しない状態での
リターデーションは１.６μｍであり、印加する電圧を
高めることによりリターデーションは低下した。このと
き電界無印加の状態から１.３μｍのリターデーション
変化を得る為に必要な電圧はわずか±２.０Ｖであっ
た。

【００１８】［実施例７］実施例６で作製した薄型電界
複屈折型液晶素子と１５μｍの間隙を有する石英系光導
波路を組合わせて実施例２と同様の光導波路型光変調素
子を製造した。強度が−１１ｄＢｍ、波長が１.３μｍ
の直線偏光を入力し、薄型電界制御複屈折型液晶素子に
１００Ｈｚの矩形波を印加して光強度の変化を測定し
た。その結果、消光比は約２０ｄＢであった。また、挿
入損失は約０.５ｄＢであった。また、１５Ｖ_p-p以下の
低電圧で２π以上の範囲で位相変調が可能であることが
確認できた。

【００１９】［比較例１］実施例１と同様の方法により
空セルを作製した。この空セルに５８９nmでの屈折率異
方性が＋０.１６である液晶ディスプレイ用の液晶（メ
ルク製、ＺＬＩ−３２７７）を注入し、紫外線硬化型の
接着剤で封止して薄型電界制御複屈折型液晶素子を作製
した。その厚さを測定したところ、２３５μｍであっ
た。さらに、異方導電性接着剤を介してフレキ基板を薄
型電界制御複屈折型液晶素子に接続した。この薄型電界
制御複屈折型液晶素子を直交した偏光板の間に配置し、
１００Ｈｚの矩形波電圧を印加しながら、波長１.５５
μｍでのリターデーション変化を測定した。その結果、
液晶部の厚さは実施例１と同じ約１５μｍであるが、電
界を印加しない状態でのリターデーションは小さく、ま
た、電圧に対するリターデーション変化は液晶の屈折率
異方性に起因する為、液晶の屈折率異方性の小さい比較
例１においては、１.５５μｍのリターデーション変化
を得るために必要な電圧は±１０Ｖと大きいものであっ
た。

【００２０】

【発明の効果】本発明の薄型電界制御複屈折型液晶素子
は通信用波長に最適化されており、かつ、きわめて薄い
ために導波路に挿入してもその挿入損失が小さく、しか
もこの素子は低電圧で複屈折を制御することができる
為、光導波路型光変調素子をはじめとする通信用デバイ
スに好適に用いることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例の薄型電界制御複屈折型液晶素子を示
す断面図である。

【図２】実施例１の薄型電界制御複屈折型液晶素子の
リターデーション変化を示すグラフである。

【図３】実施例２の光導波路型光変調素子を示す斜視
図である。

【図４】実施例２の光導波路型光変調素子の印加電圧
と出力光強度の関係を示すグラフである。

【符号の説明】

１透明基板２透明電極３配向膜４液晶部５シール接着剤６薄型電界制御複屈折型液晶素子７石英系光導波路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者小林尚吾東京都武蔵野市御殿山一丁目１番３号エヌ・ティ・ティ・アドバンステクノロジ株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】透明電極を有する透明基板間に一軸配向
したネマチック液晶を挾持してなる電界制御複屈折型液
晶素子において、前記ネマチック液晶の屈折率異方性が
０.２０以上であり、かつ、屈折率異方性と液晶部の厚
さの積が１.３μｍ以上であり、素子の全体の厚さが１
０μｍ以上かつ２５０μｍ以下であることを特徴とする
薄型電界制御複屈折型液晶素子。
【請求項２】屈折率異方性と液晶部の厚さの積が１.
５５μｍ以上であることを特徴とする請求項１記載の薄
型電界制御複屈折型液晶素子。
【請求項３】透明基板が高分子フィルムであることを
特徴とする請求項１または２記載の薄型電界制御複屈折
型液晶素子。
【請求項４】透明基板に、一酸化ケイ素の斜方蒸着ま
たはラビング処理された高分子膜からなる配向膜が形成
されていることを特徴とする請求項１または２記載の薄
型電界制御複屈折型液晶素子。
【請求項５】請求項１〜４のいずれかに記載の薄型電
界制御複屈折型液晶素子が光導波路中に設けられている
ことを特徴とする光導波路型光変調素子。