TW200846698A - Phase modulator system comprising a beam splitter and a linear polarisation mode phase modulator and method for separating a light beam travelling toward and reflected back from such a phase modulator - Google Patents

Description

200846698 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種利用光學調整方式以減少輸出功率 才貝耗之相位調變系統，其包含一反射模式相位調變器，用 5 於在不改變偏極化狀悲下調變線性偏極化光線。本發明亦 關於一種對於朝此相位調變器行進之光線與從其反射回來 之光線的分離方法。 習知相位調變系統能配合各種型式之相位調變器一起 使用，例如傳輸(transmission)模式相位調變器（用來傳輸入 1〇 射光線）以及反射模式相位調變器（用來反射入射光線）。本 發明主要是關於反射模式相位調變器之應用。某些種類之 應用需要利用特別的相位調變器來反射或傳輸一具有特定 偏極化之入射光線，並維持其特定偏極化。這種特定偏極 • 何以係線性偏極化或®形偏極化。上述兩種料偏極化 15 2其相對應之相位調㈣，亦即線性偏極化模式相位調變 αα以及圓形偏極化模式(LpM及CpM)相位調變器。上述相 位凋^益已存在於市面上並被廣泛地使用於各種應用。 軚便且的LPM和CPM偏極化模式相位調變器通常需 要使入射光線垂直於相位調變器之表面，因此，在反射模 式相位调&裔之應用中，入射光線會沿著相同之光學路徑 200846698 被反射回去。在大部分的情況下，被反射之相位調變光線 需要從入射光線中分離出來以供後續使用。 在傳統相位偏移器之設計上，其通常係利用一中性分 光鏡來分離入射光線和被反射之相位調變光線。上述設計 5 已被 Jacek Kacperski 等人所揭露（Optics Express 9664,

Vol.14，Νο·12)，其中一液晶石夕基板(LcoS，liquid crystal on silicon)顯示器被用來當作一 LPM相位調變器。當輸入光線 _ 通過一偏極化控制器（1/2波長板)時，其變成所需之線性偏 極狀態並通過一中性分光鏡，之後只有一半之光線被導至 10 液晶石夕基板顯示器。被反射之調變光線再次通過分光鏡， 這代表著原本之光線只有四分之一能從系統中被麵合出 來’而這種高輸出損耗也是傳統LPM相位調變器之缺點。 美國專利5,539,567號揭露一種相位調變系統用以解決 鲁 當圓形偏極化光線照射一 C P Μ相位調變器時在分離入射光 15 纟和反射光線的情況下所產生之問題。為了產生圓形偏極 化光線，一輸入光線被導引至一偏極化分光鏡(PBs)後，從 其内部反射其光線之p偏極化部分，該p偏極化部分被射 往- 1/4波長板以將線性偏極化光線轉換成圓形偏極化光 線。0：刚相_變ϋ之後㈣形偏極化光線反射回去並保 20 持其圓形偏極化不變。當光線再时通過1/4波長板時，其 200846698 偏極化被轉換回線性偏極化，但因為光線已經通過1/4波長 板兩次，其偏極化已轉動’也因此可以通過該偏極化分 光鏡。故被相位調變之輸出光線離開相位調變系統時，其 位置和角度係相異於輸入光線之位置和角度。 上述設計並不適合和相位調變器一起使用，因為 1/4波長板產生之圓形偏極化光線無法用於lPM相位調變 器。 因此’ LPM相位調變器必須要和一種具有低輸出耗損 的光學設計來搭配使用。 本發明之主要目的係提供一種光學設計來降低一包含 反射模式LPM相位調變器之相位調變系統的輸出耗損。 本發明之另一目的係提供一種對於朝LPM相位調變器 行進之光線與從其反射回來之光線的分離方法。 為達成上述之目的，申請專利範圍i揭露一種相位調 變系統，申請專利範圍8揭露一種光線的分離方法。 【實施方式】 本發明之更多細節將會如以下之圖示和實施例所示。 第1圖係本發明光學相位調變系統20之實施例之示意 圖。相位調變系統20包含一偏極化分光鏡(PBS，p〇丨arisati〇n beam splitter)2、一 1/2波長板4、一光學旋轉器6，以及一 200846698 LPM反射模式相位調變器8。上述元件2,4，m係沿著光線 1，3,5,7,9，10，11，12於相位調變系統2〇中行進之光學路伊上 擺設。 工 上述光學路徑設計可視需求於偏極化分光鏡2和反射 5 模式相位調變器8之間做調整。而習知用來產生光學路徑 之反射鏡和光波導元件等不再詳加敘述。 二 Φ 在本發明中，一光學旋轉器被當作一偏極化旋轉哭’ 用來根據給定之角度和方位(sense)旋轉、線性偏極化光:之 偏極化狀態’也就是說，上述旋轉方位是無關於光線傳播 10 之方位。本發明光學旋轉器6之旋㈣度係45。。光學旋轉 器6可以餘何具有合適厚度之光學活性材料(對掌性物質 (chiral substance)) ’或係一 45。法拉第旋轉器。 1/2波長板4係另一種不同類型之偏極化旋轉器。往復 φ 通過1/2波長板4之光線其旋轉角度是不會累計的，也就是 15 說，旋轉方位係取決於光線傳播之方向。因此，往復通過 1/2波長板4之線性偏極化光線，其偏極化角度會維持不變。 LPM反射模式相位調變器8可以係以液晶矽基板結構 (LCOS)存在之VAN(垂直配向向列)型液晶。 輸入光線1被導往偏極化分光鏡2並被分成一 s偏極化 0 光線1a以及一 P偏極化光線1b°s偏極化光線la被反射並 -11 - 200846698 離開系統，或p偏極化光線lb被反射並離開系統，兩者擇 一。被反射並離開系統之s偏極化光線la能被耦合出來以 供後續使用’而p偏極化光線lb通過偏極化分光鏡2後成 為光線3。在本發明另一實施例中，一事先產生之0偏極化 5 輸入光線1可直接射入並通過偏極化分光鏡2而不會有任 何損耗。 鲁 從偏極化分光鏡2出來之p偏極化光線3會通過1/2 波長板4。1/2波長板4可任意擺設於介於偏極化分光鏡2 和相位調變H 8之間之光學路徑上，1/2波長板4係用來調 1〇 歸射出光線5之偏極化角度相對於反射模式相位調變器 8。當p偏極化光線3往前通過1/2波長板4時，p偏極化 光線3被旋轉-特定角度以符合相位調變器8所需之偏極 化角度。 • #光線5傳送至光學旋轉器6時，其極性被旋轉45。。 15在通過1/2波長板4以及45。光學旋轉ϋ 6後，人射於LPM 反射模式相位調變器8之入射光線7其被調變之相位係對 應於反射模式相位調變器8之特定偏極化狀態。當反射模

式相位調變器8將入射光線7及4+r士 ^ ^ L 久射盼，特疋偏極化狀態係 不會改變的，而入射光線7之相a八 <相位會被調變。當被反射回 20 來的相位調變光線9傳送至光舉## + 尤予紋轉器ό時，其極性會再 -12- 200846698 次被旋轉45°。從光學旋轉器6出來之光線10其極性會垂 直於光線5之極性。再者，當光線10往後通過1/2波長板 4時，其極性會被旋轉回相同之特定角度，就有如光線3 往前通過1/2波長板4時一樣。如此可獲得s偏極化光線 5 11，當其再次進入偏極化分光鏡2並被反射出來時，s偏極 化光線12可從相位調變系統20中被耦合出來，s偏極化光 線12離開系統20時之位置和角度係不同於輪入光線1進 ® 人系統20時之位置和角度。 通過相位調變系統20之光線1，3,5,7,9，10，11,12，其偏 ίο 極化狀態顯示於第2圖。箭號代表偏極化之方向（y軸係對 應於垂直偏極化狀態或p偏極化狀態），而順序圖示下之數 字代表相對應光線之代表號。第一順序圖顯示輸入光線i 之偏極化狀態係p偏極化狀態（垂直偏極化狀態）。如第二順 ^ 序圖所示，離開偏極化分光鏡2之光線3具有和光線i相 15 同之極性。第三順序圖顯示光線5之極性相對於光線3之 偏極化狀態被1/2波長板旋轉一特定角度α。特定角度以之 設定可輕易地藉由改變1/2波長板其相對於ζ轴之方位來達 成。光線7之極性相對於光線5之極性已被光學旋轉器6 沿順時鐘方向旋轉45。，因此光線7之極性和光線i原本之 2〇 P偏極化狀態相差了 _50。1/2波長板之特定旋轉角度以 -13- 200846698 係被設定，來將p偏極化光線全部旋轉導致一偏極化狀態， 以對應於LPM相值調變器8的特定偏極化狀態，被LpM 相位調變器8反射之光線其特定偏極化狀態係不會改變 的。朝返回方向行進之光線9，10，11，12其偏極化狀態係用虛 線箭號表示以使順序圖更容易理解。如第五順序圖所示， 被LPM相位調變器8反射之光線9其偏極化狀態相對於光 線7保持不變，但光線9之相位已經被調變了。當光線1〇 朝返回方向行進並通過光學旋轉器6時，光線10之極性再 被光學旋轉器6沿順時鐘方向旋轉45。，亦即光線10之極 性相對於y軸已旋轉了 α+9〇。，因為光學旋轉器6之旋轉角 度係無關於光線行進之方向。這和1/2波長板之情況不同， 1/2波長板4係將光線1〇之極性沿相反方向之逆時鐘方向 旋轉相同之特定角度α。因此光線11之極性係垂直於光線 1原本之ρ偏極化狀態。s偏極化光線11之後於進入偏極 化分光鏡2時被反射出來，進而如最後之順序圖所示成為 被相位調變之s偏極化光線12。 輸入光線1和輸出光線12其光線行進方向係可以反轉 的，也就是說，如果s偏極化光線11被射往相位調變系統 20之PBS2的輸出端，則於偏極化分光鏡2之輸入端可獲 得一被相位調變之ρ偏極化光線1。 200846698 1/2波長板4和光學旋轉器6可沿著系統2〇之光學軸 旋轉以達到較佳之光線傳輸效果。然而，系統2〇之整體的 傳輸效果主要係取決於相位調變器8之反射率，相位調變 器8之反射率通常可達到70%。調變之速度亦係取決於相 5 位調變器8，而通常係6ms至9ms。LPM相位調變器§最 好可以係一具有1920x1200解析度之像素陣列型光線調變 器。如果相位調變器8係一垂直配向向列型液晶模式顯示 肇 器，則相位調變對於光學系統其總體傳輸之變化影響係相 當小，以一 1，3π之相位調變而言，總體之傳輸變化大約係 10 +/-10% 〇 如果偏極化分光鏡2和相位調變器8可互相對齊，以 使偏極化光線3之極性相對於相位調變器8所需之特定偏 極化狀態係相差45。’則1/2波長板4可以被省略。然而通 鲁 常不可能用機械之方式來對齊元件以達到上述情況，各個 15 元件組裝後之匹配調整可任意於偏極化分光鏡2和相位調 變器8之間插入一合適的1/2波長板4來達成。1/2波長板 4之旋轉角度最好係介於〇45。)和(+45。)之間，而在較佳情 況下係介於(-23。)和(+23。)之間。 上述諸多實施例僅係為了便於說明而舉例，而非僅限 20 於上述實施例。在不偏離所附之申請專利範圍所保護範圍 200846698 中所做的不同修改，對熟知此藝人士而言是明顯的。 【圖式簡單說明】 第1圖係本發明光學相位調變系統之實施例之示意圖。 5 第2圖係光線於不同階段通過相位調變系統時其偏極 化狀態之順序示意圖。 • 【主要元件符號說明】 1、la、lb、3、5、7、9、10、1卜 12 光線 10 2 偏極化分光鏡 4 1/2波長板 6 光學旋轉器 8 反射模式相位調變器 20相位調變系統 -16-

Claims (1)

1. 200846698 十、申請專利範圍： 1. 一種相位調變系統(20)，其包含·· 一分光鏡；以及 -反射模式相位調變11(8)，用來調變線性偏極化光 5 線為至少一特定偏極化狀態，並維持該特定偏極化狀態； 其中，該分光鏡和該反射模式相位調變器（8)係沿著 一光線0 ’3 ’5 ’7，9，10 ’11 ’12)之光學路徑擺設； 其特徵在於該分光鏡係一偏極化分光鏡(2)，且^r相 位調變系統另包含： 10 一光學旋轉器（6)，其擺設於該偏極化分光鏡(2)和該 反射模式相位調變器（8)之間的光學路徑上，該光學旋轉 器用來將朝該反射模式相位調變器（8)行進之光線（5)與 從該反射模式相位調變器（8)反射之光線（1〇)之偏極化狀 態總共旋轉90° ; 5 其中’該相位調變器（8)之入射光線(7)之偏極化狀態 係對應於該特定偏極化狀態。 2·如申請專利範圍第1項所述之相位調變系統，其中一 1/2 波長板（4)係擺設於該偏極化分光鏡(幻和該反射模式相 位調變益（8)之間的光學路徑上，該1/2波長板(4)係用來 } 將朝該反射模式相位調變器（8)行進之光線（3)之偏極化 -17- 200846698 狀恝旋轉一預設角度〇)’以及用來將朝該偏極化分光鏡 (2)行進之光線（1〇)之偏極化狀態以相反之方向旋轉該預 設角度（α )。 3·如申請專利範圍第2項所述之相位調變系統，其中該1/2 波長板係擺設於該偏極化分光鏡(2)和該光學旋轉器 之間的光學路徑上。 4· 5· 6. 15 8. 如申明專利範圍第2項所述之相位調變系統，其中該] 波長板係擺設於該光學旋轉器（6)和該反射模式相位調 益（8)之間的光學路徑上。 ▲申月專利圍第i至4項所述之相位調變系統，其中 口亥光予旋轉裔（6)係一光學活性物質。 專利範圍第1至4項所述之相位調變系統，” 該先學旋轉器_-吵法㈣㈣胃。 八中 如申請專利範顧 該反射模式相:=項所述之相位調變系統’其中 其取佳係—垂 乃“ 直配向向構，甚至最好係一垂 J生夜晶矽基板結構。 —種於—相位調變系統中 線分離之方法 輸先線從一相位調變光 „ 該相位調變系統包含一反射掇H 變器，適用於，姓砼反射拉式相位調 文線性餘化紐為至少—特定偏極化 變 20 200846698 狀態，並維持該特定偏極化狀態，該方法特徵包含下列 步驟： a) 藉由將輸入光線通過一偏極化分光鏡，提供一具有 一第一偏極化狀態的光線； b) 利用一光學旋轉器將該光線之第一偏極化狀態以一 第一方位下旋轉45° ; c) 利用該反射模式相位調變器反射該光線以獲得一相 ❿ 位調變反射光線，其中該相位調變器之入射光線之 偏極化狀態係對應於該特定偏極化狀態； 10 d) 利用該光學旋轉器將該反射光線之偏極化狀態以該 第一方位上旋轉45。，以獲得偏極化狀態垂直於該第 一偏極化狀態之一光線；以及 e) 將光線導引通過該偏極化分光鏡，以將該具有該第 二偏極化狀態之光線從輸入光線中分離出來。 1^ 9·如申請專利範圍第8項所述之方法，其另包含以下步驟: f) 利用一 1/2波長板將來自偏極化分光鏡、朝該相位調 變器行進之光線之偏極化狀態旋轉一預設角度 (〇〇 ;以及 g)利用該1/2波長板將來自相位調變器、朝該偏極化分 光鏡行進之光線之偏極化狀態以相反之方向旋轉該 20 200846698 預設角度(-a); 其中’該a係介於(_45。)和(+45。)之間，且最好係介 和（+20。)之間。 10.如申請專利範圍第9項所述之方法，其中步驟_介於 2神步驟b)之間，且步驟g)係介於步驟d)和步㈣ =請專簡㈣9項所述之方法，其中步驟〇係介於 乂驟b)和步驟c)之間，且步驟 ’、X 之間。 厂、W於步驟C)和步驟d) 10 12.t申請專利範圍第8至11項所述之方法，其中該相㈣ 變斋係一像素陣列型光線 D 又具取佳係一垂首配向 σ列型液晶結構，甚至最好係-基板結構。 ^直配向向列型液晶矽 鲁 -20.