KR100724985B1 - Polarization modulation device - Google Patents

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이승희
황성한
김태현
전상연
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전북대학교산학협력단
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Abstract

A polarization modulating device is provided to control polarization of light incident onto a liquid crystal cell by controlling arrangement of liquid crystal molecules according to an applied voltage and frequency with use of an in-plane electric field and a dual frequency liquid crystal. A dual frequency liquid crystal layer(2) is placed under an upper glass substrate(1) and is rubbed at an angle of 45 degrees with respect to an electric field. An in-plane electrode is placed under the liquid crystal layer to generate an in-plane electric field. An insulating layer is placed under the in-plane electrode. A glass substrate(5) is placed under the insulating layer. A polarization plate is disposed to be in parallel or perpendicularly with a transmission axis of the polarization plate and an optical axis of the liquid crystal under the glass substrate. A polarization modulating device uses a dual frequency liquid crystal and an in-plane electric field, and includes the polarization plate placed under the aforementioned structure. Both a transparent electrode and an optical electrode are used.

Description

편광 변조 장치{Polarization Modulation device}Polarization Modulation device

도 1은 제 1 실시예에 따른 수평전기장을 기반으로 dual frequency 액정을 이용한 편광 변조 장치 단면도.1 is a cross-sectional view of a polarization modulator using dual frequency liquid crystals based on a horizontal electric field according to a first embodiment.

도 2는 dual frequency 액정에 인가된 전압과 주파수에 따라 유전율 이방성이 변함에 따른 액정 방향자의 이동을 나타내는 평면도.2 is a plan view showing the movement of the liquid crystal director as the dielectric anisotropy changes according to the voltage and frequency applied to the dual frequency liquid crystal.

도 3a는 λ/2의 위상 지연차를 가질 때 빛의 편광 변화도.3A is a polarization change diagram of light when having a phase retardation difference of λ / 2.

도 3b는 φ<45°일 때 빛의 편광 변화도.3B is a polarization change diagram of light when φ <45 °.

도 4는 λ/4의 위상 지연차를 가질 때 빛의 편광 변화도.4 is a change in polarization of light when having a phase retardation difference of λ / 4;

도 5는 제 2 실시예에 따른 순수한 수평 전극 구조를 갖는 편광 변조 장치 단면도.5 is a cross-sectional view of a polarization modulator having a pure horizontal electrode structure according to a second embodiment.

본 발명은 편광 상태를 변조시키는 장치(Polarization modulator)에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 수평전기장을 이용한 방식으로 셀 내부에 dual frequency 액정을 주입하여 인가된 전압과 주파수에 따라서 액정분자의 변화를 조절하여 액정 셀에 입사된 빛의 편광 상태를 제어하며 dual frequency 액정은 특정 주파수에서는 유전율 이방성이 양이 되고, 또 다른 특정 주파수에서는 유전율 이방성이 음이 되는 것을 응용하여 입사된 광의 편광 상태를 변조시키는 장치에 관한 것이다. The present invention relates to a polarization modulator (Polarization modulator), and more particularly, by injecting a dual frequency liquid crystal into the cell in a manner using a horizontal electric field to adjust the change of the liquid crystal molecules in accordance with the applied voltage and frequency It controls the polarization state of light incident on the liquid crystal cell, dual frequency liquid crystal is applied to the device that modulates the polarization state of incident light by applying the dielectric anisotropy becomes positive at a specific frequency, the dielectric anisotropy is negative at another specific frequency It is about.

수평전기장을 이용하고 액정의 꼬임 배열에 따라서 빛의 투과율을 조절하여 화면을 구현하는 액정 디스플레이가 상용화되고 많은 연구가 진행 중이다. 하지만 본 발명을 디스플레이를 구현하기 위한 장치는 아니며 입사된 빛의 편광 상태를 변조시키는 장치로서 액정 디스플레이와는 다르다. 또한 종래의 수평전기장을 이용한 디스플레이에는 유전율 이방성이 양 또는 음인 액정을 사용하는 반면, 본 발명은 dual frequency 액정을 사용함으로써 인가전압의 특정 주파수에 따라 유전율 이방성을 양, 음 모두 구현이 가능하며 구동 방법이 상이하다. A liquid crystal display using a horizontal electric field and adjusting the light transmittance according to the twisting arrangement of liquid crystals is commercialized, and much research is being conducted. However, the present invention is not a device for implementing a display and is a device for modulating the polarization state of incident light, which is different from a liquid crystal display. In addition, while a display using a conventional horizontal electric field uses a liquid crystal having a positive or negative dielectric anisotropy, the present invention can realize both positive and negative dielectric anisotropy according to a specific frequency of an applied voltage by using a dual frequency liquid crystal. This is different.

또한 최근 광통신의 급속한 성장으로 인해 광섬유를 통해 적은 용적에 다량의 데이터 고속으로 보내는 대용량의 디지털(digital) 신호를 장거리 전송하는 데에 많이 사용되고 있다. 광통신의 데이터 전송방법에는 전송하고자 하는 데이터를 채널별로 진폭 변조하여 광신호를 보내는 방법이 있다. 또한 최근에는 전송하려는 데이터를 편광 시켜 전송 선로상에서 채널 정보를 정확하게 감지할 수 있고, 데이터 신뢰도 역시 향상시킬 수 있는 진폭 변조가 아닌 편광변조 방법이 대두 되고 있다. In addition, due to the recent rapid growth of optical communication, a large amount of digital signals, which transmit a large amount of data at a small volume and a high speed through optical fibers, are widely used for long distance transmission. In the data transmission method of optical communication, there is a method of transmitting an optical signal by amplitude-modulating the data to be transmitted for each channel. In recent years, polarization modulation methods have emerged, rather than amplitude modulation, which can accurately detect channel information on a transmission line by polarizing data to be transmitted and improve data reliability.

따라서 액정의 비등방성과 특정 전압과 주파수에서 유전율 이방성이 변하는 액정(dual frequency 액정)을 이용한 빛의 편광변조 방식은 광통신 분야뿐만 아니라 여러 분야에서 충분히 응용이 가능하고 편광 변조를 위한 셀의 제작 공정을 쉽 게 할 수 있다. Therefore, the polarization modulation method of light using the liquid crystal (dual frequency liquid crystal) in which the anisotropy of the liquid crystal and the dielectric anisotropy is changed at a specific voltage and frequency can be sufficiently applied in various fields as well as in the optical communication field, and it is easy to manufacture a cell for polarization modulation. Can do it.

본 발명은 상기한 바와 같은 기술로 현재 사용되는 편광변조 방식과 상이하며, dual frequency 액정을 사용하고 수평전기장을 이용하여 인가된 전압과 주파에서 따른 빛의 편광상태를 변조시키는 소자를 제공하는 데 있다.The present invention provides a device that modulates the polarization state of light according to the applied voltage and frequency by using a dual frequency liquid crystal and using a horizontal electric field, which is different from the polarization modulation method currently used by the above-described technology. .

상기한 목적을 달성하기 위한, 본 발명은 dual frequency 액정을 수평배향시키고 수평전기장을 이용하여 인가된 전압과 주파수에 따른 액정 방향자의 재배열을 통해 입사된 빛의 편광 상태를 변조하는 장치를 제안한다.In order to achieve the above object, the present invention proposes an apparatus for horizontally aligning a dual frequency liquid crystal and modulating the polarization state of incident light through rearrangement of the liquid crystal director according to the applied voltage and frequency using a horizontal electric field. .

특히 상기 장치는 dual frequency 액정과 수평전기장을 이용함으로써 특정 전압과 주파수에서 액정이 양 또는 음의 유전율 이방성을 가질 수 있다. 따라서 양의 유전율 이방성을 가질 때는 전압의 인가에 따라 액정의 광축이 초기 45°방향에서 0°방향으로 이동하게 되고 음의 유전율 이방성을 가질 때는 전압의 인가에 따라서 액정의 광축이 45°방향에서 90°방향으로 이동한다. 이로써 액정의 광축이 특정 주파수와 전압인가에 따라서 변함에 따라서 λ/2(m+1)의 값을 가지는 위상지연차를 가질 수 있다. 또한 액정의 광축이 0°와 90°가 되지 않고 45°와 0°사이와 45°와 90°사이에 액정 광축이 위치하게 되면 입사된 선편광 또는 원편광은 타원편광이 되며 전압인가에 따라서 타원편광의 주축이 변화될 수 있다. In particular, the device uses a dual frequency liquid crystal and a horizontal electric field so that the liquid crystal may have positive or negative dielectric anisotropy at a specific voltage and frequency. Therefore, when it has positive dielectric anisotropy, the optical axis of the liquid crystal moves from the initial 45 ° direction to 0 ° in response to the application of voltage. When it has negative dielectric anisotropy, the optical axis of the liquid crystal is 90 in the 45 ° direction according to the application of voltage. Move in ° direction. As a result, the optical axis of the liquid crystal may have a phase delay having a value of λ / 2 (m + 1) as it changes according to application of a specific frequency and voltage. In addition, when the liquid crystal optical axis is positioned between 45 ° and 0 ° and between 45 ° and 90 ° without the optical axis of the liquid crystal being 0 ° and 90 °, the incident linearly or circularly polarized light becomes elliptical polarization, and the elliptical polarization depending on the voltage applied. The main axis of can be changed.

- 실시예 1 - Example 1

실시예 1은 수평전극 구조를 갖으며 dual frequency 액정이 특정 전압과 주파수에서 유전율 이방성이 양이 될 때와 유전율 이방성이 음이 될 때 셀이 λ/4와 λ/2의 위상지연차을 가지게 하여 편광상태를 변조하는 장치이다. 이하, 첨부한 도면에 의거하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 자세히 설명하도록 한다. 도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 수평전기장을 기반으로 dual frequency 액정을 이용한 편광 변조 장치 단면도로 초기 액정의 배열 상태를 나타낸다. Example 1 has a horizontal electrode structure and polarized polarized light when the dual frequency liquid crystal has a positive dielectric anisotropy at a specific voltage and frequency and a negative dielectric anisotropy with a phase delay of λ / 4 and λ / 2. A device that modulates a state. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. 1 is a cross-sectional view of a polarization modulation device using dual frequency liquid crystals based on a horizontal electric field according to a first embodiment of the present invention to show an arrangement state of initial liquid crystals.

도시한 바와 같이, 상부기판과 하부기판은 각각 상부 유리기판(1)과 하부 유리기판(5)이 존재한다. 하부 유리 기판(5) 상부에는 절연체(4)가 놓여 있으며, 절연체(4) 상부에는 수평전기장이 인가될 수 있도록 전극을 위치하며 투명 전극(3) 또는 불투명 전극이 놓여져 있다. 전극(3)의 구조는 수평전기장을 이용할 수 있는 모든 전극 패턴이 사용될 수 있고 전극의 폭(w)과 전극과 전극간 간격(l)과 셀갭은 장치에 따라서 유동적으로 조절할 수 있다. 전극(3) 상부에는 인가된 전압과 주파수에 따라서 유전율 이방성이 변하는 dual frequency 액정(2)이 y축(7)에 대해서 초기에 45°방향으로 일정하게 배열한다. As shown, the upper substrate and the lower substrate, there is an upper glass substrate 1 and the lower glass substrate 5, respectively. An insulator 4 is placed on the lower glass substrate 5, and an electrode is positioned on the insulator 4 so that a horizontal electric field can be applied, and a transparent electrode 3 or an opaque electrode is placed. As for the structure of the electrode 3, all electrode patterns capable of using a horizontal electric field can be used, and the width w of the electrode, the gap l between the electrode and the electrode, and the cell gap can be flexibly adjusted according to the device. On the upper part of the electrode 3, dual frequency liquid crystals 2 whose dielectric anisotropy changes in accordance with the applied voltage and frequency are constantly arranged in the direction of 45 ° with respect to the y axis 7.

도 2는 dual frequency 액정에 인가된 특정 전압과 주파수에 따라 유전율 이방성이 변함에 따른 액정 방향자의 이동을 나타내는 평면도이다. 러빙 방향은 y축에 대해 45°틀어진 방향이며 초기 액정 방향자(1)의 광축은 45°방향이며 특정 전압과 주파수에서는 양의 유전율 이방성을 가지고 전압 인가에 따라서 y축 방향으로 φ의 각을 가지고 액정의 방향자(2)가 회전하게 된다. 또 다른 특정 전압과 주파수 에서는 음의 유전율 이방성을 가지고 전압인가에 따라서 x축 방향으로 φ의 각을 가지고 액정 방향자(3)가 회전하게 된다.FIG. 2 is a plan view illustrating the movement of a liquid crystal director as the dielectric anisotropy changes according to a specific voltage and frequency applied to a dual frequency liquid crystal. The rubbing direction is a 45 ° twisted direction with respect to the y axis, and the optical axis of the initial liquid crystal director 1 has a 45 ° direction. The director 2 of the liquid crystal is rotated. At another specific voltage and frequency, the liquid crystal director 3 rotates with a negative dielectric anisotropy and an angle of φ in the x-axis direction depending on the application of the voltage.

도 3a는 도 1에서 액정 셀의 액정분자들이 φ=±45°로 재배열할 때 λ/2의 위상 지연차를 가지며 편광상태가 변하는 편광 변화도이다. 선편광된 빛(1)이 셀에 입사되면 ±2φ만큼의 ±90°가 틀어진 선편광이 되며, 좌원편광된 빛(2)이 셀에 입사되면 우원편광된 빛이 되고, 타원편광된 빛(3)이 입사되면 타원축을 중심으로 ±90°틀어진 타원편광된 빛이 된다. FIG. 3A is a polarization change diagram in which the liquid crystal molecules of the liquid crystal cell in FIG. 1 have a phase delay difference of λ / 2 when the liquid crystal molecules are rearranged at φ = ± 45 ° and have a changed polarization state. When the linearly polarized light (1) is incident on the cell, the linearly polarized light is ± 90 ° by ± 2φ, and when the left circularly polarized light (2) is incident on the cell, it becomes the right polarized light, and the elliptically polarized light (3) When the incident light is incident, the elliptical polarized light is rotated ± 90 ° about the elliptic axis.

도 3b는 도 1에서 액정 셀의 액정 분자들이 φ<±45°로 재배열할 때 λ/2보다 작은 위상지연차를 가지며 편광상태가 변하는 편광 변화도이다. 선편광된 빛이 셀에 입사되면 ±2φ만큼 틀어지지 않는 타원편광된 빛이 된다. 그리고 전압인가에 따라서 액정의 광축이 변하면서 타원편광의 주축이 틀어질 수 있다.FIG. 3B is a polarization change diagram in which the liquid crystal molecules of the liquid crystal cell in FIG. 1 have a phase delay smaller than λ / 2 when the liquid crystal molecules are rearranged to φ <± 45 ° and change in polarization state. When linearly polarized light is incident on the cell, it becomes elliptically polarized light that is not twisted by ± 2φ. The main axis of the elliptical polarization may be distorted as the optical axis of the liquid crystal changes as the voltage is applied.

도 4는 도 1에서 액정 셀의 액정분자들이 λ/4의 위상지연차를 가질 때 편광상태가 변하는 편광 변화도이다. 선편광된 빛이 셀에 입사되면 원편광된 빛이 된다(1). 원편광된 빛이 셀에 입사되면 선편광된 빛이 된다(2).4 is a polarization change diagram in which the polarization state changes when the liquid crystal molecules of the liquid crystal cell have a phase delay difference of λ / 4 in FIG. 1. When linearly polarized light is incident on the cell, it becomes circularly polarized light (1). When circularly polarized light is incident on the cell, it becomes linearly polarized light (2).

- 실시예 2 - Example 2

본 발명의 제 2 실시예는 상기 제 1 실시예 와는 달리 액정 셀 하부에 패턴되어 있는 전극을 사용하지 않고 액정 셀에 고분자 벽을 만들고 그 벽에 전극을 코팅하여 수평전기장이 액정 셀에 완벽하게 인가되도록 설계한 편광변조 장치이다. 이하, 첨부한 도면에 의거하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 자세히 설명하도록 한다.Unlike the first embodiment, the second embodiment of the present invention does not use an electrode patterned under the liquid crystal cell, and forms a polymer wall on the liquid crystal cell and coats the electrode on the wall to apply a horizontal electric field to the liquid crystal cell. It is a polarization modulator designed to be. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 5는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 액정 셀 하부에 전극이 패턴 되어 있지 않고 셀의 좌우에 전극이 존재하며 dual frequency 액정을 이용하여 인가된 전압과 주파수에 따라 편광상태를 변조시키는 편광변조장치 단면도이다. 도시한 바와 같이 상부기판은 상부 유리기판(1)이 위치하고 있다. 하부 기판은 하부 유리기판(5)이 위치하며, 상부 유리기판(1)과 하부 유리기판(5) 사이의 양쪽에는 고분자를 이용한 벽(2)이 위치한다. 양쪽의 고분자 벽(2) 에는 전극(3)이 코팅된다. 전극(3)은 투명 또는 불투명 전극이 사용된다. 또는 고분자벽과 전극을 대신해서 전도성 고분자로 벽을 형성할 수 있다. 전극과 전극 사이의 간격과 셀갭은 장치에 따라서 유동적으로 조절할 수 있다. 상부 유리기판(1)과 하부 유리기판(5) 사이에는 dual frequency 액정(4)이 위치하며 45°방향으로 러빙을 한다.5 is a polarization modulation that modulates a polarization state according to a voltage and frequency applied using dual frequency liquid crystals without electrodes being patterned at the bottom of the liquid crystal cell according to the second embodiment of the present invention, and having electrodes at left and right sides of the cell. Device section. As shown in the upper substrate, the upper glass substrate 1 is located. The lower substrate has a lower glass substrate 5, and a wall 2 using a polymer is located at both sides between the upper glass substrate 1 and the lower glass substrate 5. Electrodes 3 are coated on both polymer walls 2. As the electrode 3, a transparent or opaque electrode is used. Alternatively, the wall may be formed of a conductive polymer instead of the polymer wall and the electrode. The gap between the electrode and the cell gap can be flexibly adjusted depending on the device. The dual frequency liquid crystal 4 is positioned between the upper glass substrate 1 and the lower glass substrate 5 and rubbing in a 45 ° direction.

본 발명에 따른 편광 변조 장치를 이용함으로써, 제조상의 복잡함을 없애고, dual frequency 액정과 수평전기장을 이용하여 간편하게 입사된 빛의 편광상태를 변조시킬 수 있는 효과가 있다.By using the polarization modulator according to the present invention, there is an effect of eliminating manufacturing complexity and easily modulating the polarization state of incident light using dual frequency liquid crystal and a horizontal electric field.

또한, 상기와 같이 동작하는 본 발명은, 다중 채널 광통신망에서 진폭변조가 아닌 편광 변조를 수행함으로써 주파수의 선택의 폭을 넓게 할 수 있는 효과가 있다. In addition, the present invention operates as described above, it is possible to widen the selection of frequencies by performing polarization modulation rather than amplitude modulation in a multi-channel optical communication network.

Claims (4)

상부 유리 기판과;An upper glass substrate; 상기 상부 유리 기판의 하부에 dual frequency 액정 층이 전극에 45°방향으로 러빙되며; A dual frequency liquid crystal layer is rubbed in the direction of 45 ° to the electrode under the upper glass substrate; 상기 액정 층 하부에 수평전기장이 발생하도록 수평전극이 위치하며;A horizontal electrode is positioned below the liquid crystal layer to generate a horizontal electric field; 상기 수평전극 하부에 위치한 절연층과;An insulating layer under the horizontal electrode; 상기 절연층 하부에 위치한 유리기판과;A glass substrate positioned below the insulating layer; 상기 유리기판 하부에 위치한 편광판의 투과축과 액정의 광축이 수평 또는 수직을 이루는 편광판과;A polarizing plate in which the transmission axis of the polarizing plate positioned below the glass substrate and the optical axis of the liquid crystal are horizontal or vertical; 상기 구조에서 하부에 위치한 편광판을 포함하는 dual frequency 액정과 수평전기장을 이용한 편광 변조장치와;A polarization modulator using a dual frequency liquid crystal and a horizontal electric field including a polarizer plate positioned below the structure; 투명 또는 불투명 전극이 모두 사용되는 dual frequency 액정과 수평전기장을 이용한 편광 변조장치.Polarization modulator using dual frequency liquid crystal and horizontal electric field where both transparent and opaque electrodes are used. 제 1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 편광판은 위치하지 않고 입사되는 빛이 액정의 광축과 수평 또는 수직으로 선편광된 빛과 원편광 또는 타원편광된 빛이 입사되는 편광 변조장치.The polarizing plate is a polarization modulator that is not located, the incident light is linearly or horizontally or vertically polarized light and the circularly or elliptically polarized light incident to the optical axis of the liquid crystal. 상부 유리 기판과;An upper glass substrate; 상기 상부 유리 기판의 하부에 dual frequency 액정 층이 전극에 45°방향으로 러빙되며;A dual frequency liquid crystal layer is rubbed in the direction of 45 ° to the electrode under the upper glass substrate; 상기 액정 층 하부에 위치한 유리기판과;A glass substrate disposed under the liquid crystal layer; 상기 상하부 유리기판 사이에 고분자벽이 있고 그 고분자벽에 코팅된 전극과;An electrode having a polymer wall between the upper and lower glass substrates and coated on the polymer wall; 상기 유리기판 하부에 위치한 편광판의 투과축과 액정의 광축이 수평 또는 수직을 이루는 편광판과;A polarizing plate in which the transmission axis of the polarizing plate positioned below the glass substrate and the optical axis of the liquid crystal are horizontal or vertical; 상기 구조에서 하부에 위치한 편광판을 포함하는 dual frequency 액정과 수평전기장을 이용한 편광 변조장치와;A polarization modulator using a dual frequency liquid crystal and a horizontal electric field including a polarizer plate positioned below the structure; 투명 또는 불투명 전극이 모두 사용되는 dual frequency 액정과 수평전기장을 이용한 편광 변조장치.Polarization modulator using dual frequency liquid crystal and horizontal electric field where both transparent and opaque electrodes are used. 제 3항에 있어서, The method of claim 3, wherein 상기 편광판은 위치하지 않고 입사되는 빛이 액정의 광축과 수평 또는 수직으로 선편광된 빛과 원편광 또는 타원편광된 빛이 입사되는 편광 변조장치.The polarizing plate is a polarization modulator that is not located, the incident light is linearly or horizontally or vertically polarized light and the circularly or elliptically polarized light incident to the optical axis of the liquid crystal.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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