WO2023136357A1 - 波長選択スイッチ - Google Patents

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WO2023136357A1
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liquid crystal
lcos
light
wavelength
incident
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和也 久永
雄二郎 矢内
之人 齊藤
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富士フイルム株式会社
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    • G02F1/31—Digital deflection, i.e. optical switching

Definitions

  • the present invention relates to wavelength selective switches.
  • LCOS liquid crystal on silicon
  • LCOS consists of a liquid crystal material sandwiched between a transparent glass layer with transparent electrodes and a silicon substrate divided into a two-dimensional array of individually addressable pixels. Each pixel can be individually driven by a voltage signal, and by presenting a grating-like phase pattern, the direction of diffraction of incident light can be controlled, and light can be coupled to any output port.
  • the wavelength selective switch using this LCOS has the advantage that it is possible to configure a reflective surface of any size with minute pixels, and that it is possible to align with the optical system by aligning the image display position by software after mounting. There is, and it is seen as a promising next-generation machine.
  • wavelength selective switches using LCOS have the problem that loss occurs due to the twisting effect of liquid crystal molecules when the diffraction angle is large in the peripheral portion within the plane of the LCOS element.
  • Patent Document 1 proposes a wavelength selective switch including LCOS with reduced crosstalk caused by scattering, but does not mention the loss caused by the twisting effect of liquid crystal molecules in the periphery of LCOS.
  • an object of the present invention is to reduce the loss due to the twisting effect of the liquid crystal molecules in the periphery of the LCOS and to provide a wavelength selective switch with less loss.
  • one or more input ports, one or more output ports, a polarization adjuster for adjusting the polarization state of light incident from the input port, and the wavelength incident from the input port It has a dispersive element that demultiplexes multiplexed light and a polarizing element that controls the polarization of the demultiplexed light, and the polarizing element is made of liquid crystal on silicon (LCOS). It has been found that by providing a wavelength selective switch in which an optical compensation layer is arranged in the vicinity of the LCOS, the loss due to the twisting effect of the liquid crystal molecules in the peripheral portion of the LCOS can be reduced, and a wavelength selective switch with less loss can be provided.
  • LCOS liquid crystal on silicon
  • the deflection element is composed of liquid crystal on silicon (LCOS), and an optical compensation layer is arranged around the liquid crystal on silicon.
  • wavelength selective switch [2] The wavelength selective switch according to [1], wherein the optical compensation layer is a ⁇ /2 plate. [3] The wavelength selective switch according to [1], wherein the optical compensation layer is a liquid crystal diffraction element.
  • the present invention it is possible to reduce the loss due to the twisting effect of the liquid crystal molecules in the periphery of the LCOS, and to provide a wavelength selective switch with less loss.
  • FIG. 1 is a conceptual diagram showing the configuration of a wavelength selective switch 1 according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 2 is a conceptual diagram showing the phase profile of the LCOS when light is diffracted by the LCOS.
  • FIG. 3 is a conceptual diagram showing the long axis direction of the liquid crystal molecules of the LCOS.
  • FIG. 4 is a conceptual diagram showing the configuration of a wavelength selective switch 2 according to Embodiment 2 of the present invention.
  • FIG. 5 is a conceptual diagram showing a first example of a liquid crystal diffraction element according to Embodiment 2 of the present invention.
  • FIG. 6 is a graph showing the diffraction efficiency of the first example of the liquid crystal diffraction element of Embodiment 2 of the present invention.
  • FIG. 7 is a conceptual diagram showing diffraction of the first example of the liquid crystal diffraction element of Embodiment 2 of the present invention.
  • FIG. 8 is a conceptual diagram showing a second example of the liquid crystal diffraction element of Embodiment 2 of the present invention.
  • FIG. 9 is a conceptual diagram for explaining passage of incident light in a second example of the liquid crystal diffraction element according to Embodiment 2 of the present invention.
  • FIG. 10 is a conceptual diagram explaining diffraction of a second example of the liquid crystal diffraction element according to Embodiment 2 of the present invention.
  • FIG. 1 is a conceptual diagram showing the configuration of a wavelength selective switch 1 according to Embodiment 1 of the present invention.
  • the wavelength selective switch 1 has one or more input ports 10 and 11, one or more output ports 18 and 19, a polarization adjuster 12 for adjusting the polarization state of light incident from the input ports 10 and 11, A lens 13 that converts the wave-tuned light into parallel light, a dispersive element 14 that demultiplexes the wavelength-multiplexed light (incident light Li) incident from the input ports 10 and 11, and the demultiplexed light in the direction of wavelength dispersion.
  • incident light Li incident light
  • the deflection element is composed of LCOS (liquid crystal on silicon) 17 .
  • An optical compensation layer 16 is arranged on the peripheral portion 17 b of the LCOS 17 .
  • [Input port] Light containing a plurality of wavelength components (for example, signal light in wavelength multiplexing optical communication) is input to input ports 10 and 11 from outside the wavelength selective switch 1 .
  • the number of input ports 10 and 11 is two in FIG. 1 to simplify the explanation, the number of input ports 10 and 11 may be increased or decreased as required.
  • the purpose of the polarization adjuster 12 is to change the phase of the incident light Li by the LCOS 17 so as to adjust the polarization state of the incident light Li to a diffractable polarization direction.
  • Polarization diversity is well known as a technique for this purpose.
  • the present invention also uses polarization diversity for adjusting polarization.
  • the polarization adjuster 12 converts the incident light Li into linearly polarized light having a polarization axis in the X direction in FIG.
  • the wavelength-multiplexed incident light Li is demultiplexed by the dispersive element 14 into light divided in the Y direction for each wavelength.
  • FIG. 1 only one representative beam of light that has passed through the dispersive element 14 is shown for simplification of explanation.
  • a known wavelength dispersive element may be used as the dispersive element 14, and examples thereof include a diffraction element and a prism.
  • the light incident from the input port 10 (incident light Li (see FIG. 1)) is diffracted by the peripheral portion 17 b of the LCOS 17 and coupled to the output port 19 .
  • the path of light at this time is represented by a dashed line.
  • light incident from the input port 10 is diffracted at the central portion 17 a of the LCOS 17 and coupled to the output port 18 .
  • the path of light at this time is represented by a solid line. Comparing the dashed line and the solid line of the light path, it can be seen that the diffraction angle of the dashed line diffracting at the peripheral portion 17b of the LCOS 17 is larger than the solid line diffracting at the central portion 17a of the LCOS 17 .
  • the pitch of the phase profile of the peripheral portion 17b is made finer than that of the central portion 17a, as shown by the solid line in the cross-sectional view of the LCOS 17 in FIG. , the slope must be steep. Since this phase profile is generated by applying a voltage to the liquid crystal molecules, when the phase profile becomes steep, the liquid crystal molecules tilt not only in the Z direction of FIG. phenomenon occurs. This is shown in FIG.
  • the long axis of the liquid crystal molecules 20 in the central portion 17a of the LCOS 17 is directed in the X direction, while the long axis of the liquid crystal molecules 21 in the peripheral portion 17b where the phase profile is sharp is It is tilted at an angle ⁇ with respect to the X direction.
  • the peripheral portion 17b of the LCOS 17 the polarization axis of the incident light Li and the long axis of the liquid crystal molecules of the LCOS are misaligned, resulting in diffraction loss and reduced efficiency of the entire wavelength selective switch.
  • the peripheral portion 17b of the LCOS 17 is a region of the LCOS 17 where the incident light Li (see FIG. 1) has a large diffraction angle. The diffraction angle is determined by the positional relationship between the input port and the output port. The farther the input and output ports are, the greater the diffraction angle.
  • the wavelength selective switch 1 according to Embodiment 1 of the present invention includes an optical compensation layer 16 for compensating for diffraction loss in the peripheral portion 17 b of the LCOS 17 .
  • the optical compensation layer 16 rotates the axis of linearly polarized light incident on the peripheral portion 17b of the LCOS 17 so that the axis of linearly polarized light is aligned with the inclination of the long axis of the liquid crystal molecules 21 in FIG. 3 (angle ⁇ with respect to the X direction).
  • a ⁇ /2 plate is preferred.
  • the polarization axis of the linearly polarized light incident on the LCOS 17 coincides with the major axis of the liquid crystal molecules 21 in the peripheral portion, and diffraction loss can be reduced.
  • the optical compensation layer is not arranged in the central portion 17a, or the pattern orientation is used to form the peripheral portion 17b of the LCOS 17. ⁇ /2 plates with different axial angles in the central portion 17a may be used.
  • the wavelength ⁇ of the ⁇ /2 plate is the wavelength of the incident light Li (see FIG. 1).
  • the wavelength ⁇ of the incident light is the central wavelength of the incident light.
  • the wavelength ⁇ of incident light is the center wavelength of the incident light.
  • the center wavelength of the incident light is determined by the RMS (Root Mean Square) method. Discrete multiple peak wavelengths are measured using an optical spectrum analyzer. If the incident light is light that does not have a plurality of discrete peak wavelengths, the spectrum of the incident light is measured using an optical spectrum analyzer.
  • the wavelength on the short wavelength side is ⁇ 1 (nm)
  • the wavelength on the long wavelength side is ⁇ 2 (nm).
  • Output port The light of each wavelength is switched to the desired output ports 18 and 19 by the LCOS 17 at the output ports 18 and 19 .
  • the number of output ports 18, 19 may be increased or decreased as desired.
  • the input ports 10, 11 and the output ports 18, 19 are suitably configured by an optical waveguide member such as an optical fiber.
  • the loss caused by the twisting effect of the liquid crystal molecules in the peripheral portion 17b of the LCOS 17 was reduced, and a wavelength selective switch with less loss could be constructed.
  • FIG. 4 is a conceptual diagram showing the configuration of a wavelength selective switch 2 according to Embodiment 2 of the present invention.
  • Embodiment 2 is different from Embodiment 1 except that the optical compensation layer 16 is replaced with a liquid crystal diffraction element 22 . Therefore, in FIG. 4, the members common to the first embodiment are omitted.
  • the liquid crystal diffraction element 22 can be produced, for example, by the method described in International Publication No. 2020/022513.
  • ⁇ /4 plates on the incident surface and the exit surface of the liquid crystal diffraction element 22 . Since the liquid crystal diffraction element 22 efficiently diffracts circularly polarized light, the diffraction efficiency can be increased by converting the linearly polarized light emitted from the polarization adjuster 12 into circularly polarized light by the ⁇ /4 plate. The axis angle of the slow axis of the ⁇ /4 plate may be appropriately adjusted according to the direction of circularly polarized light diffracted by the liquid crystal diffraction element 22 .
  • the light emitted from the liquid crystal diffraction element 22 is circularly polarized light, and when an LCOS is used as a deflection element, it is necessary to enter linearly polarized light in a direction that matches the liquid crystal slow axis of the LCOS.
  • the emitted circularly polarized light can be converted into linearly polarized light, and the light can be deflected by the LCOS.
  • FIG. 5 is a conceptual diagram showing a first example of a liquid crystal diffraction element according to Embodiment 2 of the present invention.
  • FIG. 6 is a graph showing the diffraction efficiency of the first example of the liquid crystal diffraction element of Embodiment 2 of the present invention.
  • FIG. 7 is a conceptual diagram showing diffraction of the first example of the liquid crystal diffraction element of Embodiment 2 of the present invention.
  • the liquid crystal diffraction element 22 is composed of a liquid crystal layer 30 having twisted orientation in the thickness direction as shown in FIG.
  • the liquid crystal layer 30 is a layer in which a liquid crystal compound 32 is twisted in the thickness direction.
  • the liquid crystal layer 30 has a liquid crystal orientation pattern in which the direction of the optic axis derived from the liquid crystal compound 32 changes while continuously rotating along at least one in-plane direction.
  • the liquid crystal layer 30 has a twisted alignment in which the liquid crystal compound 32 is spirally wound and stacked, and the twist angle in the thickness direction is less than 360°. That is, it is twisted to the extent that it is not cholesterically oriented.
  • the optic axis (not shown) of the liquid crystal compound 32 rotates 180° in one direction indicated by arrow A (hereinafter simply referred to as arrow A direction) in which the optic axis (not shown) of the liquid crystal compound 32 rotates continuously within the plane. Let the length (distance) between them be the length of one cycle in the liquid crystal alignment pattern, that is, the in-plane pitch p.
  • an inclined plane 33 is formed by the liquid crystal orientation pattern of the liquid crystal compound 32 .
  • the inclined surface 33 is formed by arranging the liquid crystal compound 32 such that the optic axis thereof is maximized in the arrow A direction.
  • the inclined surface 33 is observed as a dark portion by observing the cross section of the liquid crystal layer 30 with a scanning electron microscope (SEM).
  • SEM scanning electron microscope
  • the inclination angle ⁇ of the inclined surface 33 can be identified from the dark portion.
  • the inclination angle ⁇ of the inclined surface 33 is an average value obtained by measuring five angles corresponding to the inclination angle of the dark portion.
  • the thickness d of the liquid crystal layer 30 is an average value obtained by measuring five locations corresponding to the thickness of the liquid crystal layer 30 .
  • the in-plane pitch p is 5 ⁇ m
  • the film thickness d is 12 ⁇ m
  • the inclination angle ⁇ of the inclined surface 33 is 61°
  • the diffraction efficiency shown in FIG. 6 is obtained.
  • the incident light incident from the front of the liquid crystal diffraction element is not diffracted, and the incident light incident obliquely at an incident angle of 30° is diffracted most.
  • the inclination angle ⁇ of the inclined surface 33 so that the incident light Li and the diffracted light Ld are specularly reflected by the inclined surface 33, the diffraction efficiency is maximized at the incident angle of the incident light Li.
  • the in-plane pitch p is preferably 2 to 20 ⁇ m, more preferably 3 to 15 ⁇ m, particularly preferably 4 to 10 ⁇ m.
  • the inclination angle ⁇ is preferably 10 to 90°, more preferably 20 to 80°, particularly preferably 30 to 70°.
  • the film thickness d is preferably 1 to 20 ⁇ m, more preferably 2 to 19 ⁇ m, particularly preferably 3 to 18 ⁇ m.
  • FIG. 8 is a conceptual diagram showing a second example of the liquid crystal diffraction element of Embodiment 2 of the present invention.
  • FIG. 9 is a conceptual diagram for explaining passage of incident light in a second example of the liquid crystal diffraction element of Embodiment 2 of the present invention.
  • FIG. 10 is a conceptual diagram explaining diffraction of a second example of the liquid crystal diffraction element of embodiment 2 of the present invention.
  • the liquid crystal diffraction element 22 can also be configured by an optically anisotropic layer 34 shown in FIG.
  • the optically anisotropic layer 34 has a liquid crystal alignment pattern as conceptually shown in FIG. is a pattern of concentric circles in In other words, in the liquid crystal alignment pattern of the optically anisotropic layer 34 shown in FIG. 1 is a liquid crystal alignment pattern provided in the .
  • FIG. 8 shows only the liquid crystal compound 32 on the surface
  • the optically anisotropic layer 34 has a structure in which liquid crystal compounds 32 are stacked from the liquid crystal compound 32 on the surface.
  • the optical axis (not shown) of the liquid crystal compound 32 is the longitudinal direction of the liquid crystal compound 32 .
  • the optic axis of the liquid crystal compound 32 is oriented in a number of directions outward from the center of the optically anisotropic layer 34, such as the direction indicated by arrow A1 , the direction indicated by arrow A2 , It changes while rotating continuously along the directions indicated by arrows A3 .
  • the optically anisotropic layer 34 which has a concentric liquid crystal alignment pattern, that is, a liquid crystal alignment pattern in which the optical axis changes by continuously rotating radially, changes the rotation direction of the optical axis of the liquid crystal compound 32 and the direction of incident circularly polarized light. Depending on the direction, incident light can be transmitted as diverging or converging light.
  • a concentric liquid crystal alignment pattern that is, a liquid crystal alignment pattern in which the optical axis changes by continuously rotating radially, changes the rotation direction of the optical axis of the liquid crystal compound 32 and the direction of incident circularly polarized light. Depending on the direction, incident light can be transmitted as diverging or converging light.
  • one period ⁇ in which the optical axis rotates 180° in the liquid crystal alignment pattern is set to the optically anisotropic layer 34 From the center of the optical axis, it is preferable to gradually shorten outward in one direction in which the optical axis rotates continuously.
  • the angle of refraction of light with respect to the incident direction increases as one period ⁇ in the liquid crystal alignment pattern becomes shorter.
  • the optically anisotropic layer 34 by gradually shortening one period ⁇ in the liquid crystal alignment pattern from the center of the optically anisotropic layer 34 toward the outer direction in which the optical axis continuously rotates, the optically anisotropic layer
  • the light focusing power of 34 can be further improved, and the performance as a convex lens can be improved.
  • the optical axis is continuously rotated from the center of the optically anisotropic layer 34 in one period ⁇ in which the optical axis rotates 180° in the liquid crystal orientation pattern.
  • the direction of rotation is reversed and progressively shortened outward in one direction.
  • the angle of refraction of light with respect to the incident direction increases as one period ⁇ in the liquid crystal alignment pattern becomes shorter.
  • the optically anisotropic layer 34 by gradually shortening one period ⁇ in the liquid crystal alignment pattern from the center of the optically anisotropic layer 34 toward the outer direction in which the optical axis continuously rotates, the optically anisotropic layer
  • the light divergence power of 34 can be further improved, and the performance as a concave lens can be improved.
  • the performance as a concave lens is utilized as described above.
  • the incident light Li is caused to enter the center of the optically anisotropic layer 34 to suppress diffraction and to pass through the liquid crystal diffraction element 22 .
  • the reflected light Lr from the peripheral portion 17b of the LCOS 17 is made incident on the edge of the optically anisotropic layer 34 as shown in FIG. This allows the incident light Li from the input port to enter the output port.
  • the liquid crystal diffraction element 22 shown in FIG. 9 also efficiently diffracts circularly polarized light. Diffraction efficiency can be increased by converting polarized light into circularly polarized light with a ⁇ /4 plate.
  • the liquid crystal layer 30 can be formed by fixing a liquid crystal phase in which the liquid crystal compound 32 is twisted in the thickness direction.
  • the structure in which the liquid crystal phase twisted in the thickness direction is fixed may be any structure as long as the orientation of the liquid crystal compound in the liquid crystal phase is maintained. , polymerized and cured by ultraviolet irradiation, heating, etc., to form a layer without fluidity, and at the same time, a structure in which the orientation is changed to a state in which an external field or force does not cause a change in the orientation. is preferred.
  • the polymerizable liquid crystal compound may be polymerized by a curing reaction and lose liquid crystallinity.
  • An example of a material used to form the liquid crystal layer 30 is a liquid crystal composition containing a liquid crystal compound.
  • the liquid crystal compound is preferably a polymerizable liquid crystal compound.
  • the liquid crystal composition may contain other components such as a leveling agent, an alignment control agent, a polymerization initiator, a cross-linking agent and an alignment aid.
  • the liquid crystal composition may contain a solvent.
  • the liquid crystal composition forming the liquid crystal layer 30 is exemplified by a liquid crystal composition obtained by adding a chiral agent for spirally orienting the liquid crystal compound 32 to the liquid crystal composition forming the optically anisotropic layer 34 .
  • a liquid crystal composition is applied to the surface on which the liquid crystal layer 30 is to be formed, and after the liquid crystal compound 32 is aligned in a desired liquid crystal phase state, the liquid crystal compound 32 is cured to form the liquid crystal layer.
  • 30 is preferred. That is, when a liquid crystal layer is formed on a support, a liquid crystal composition is applied to the support, and the liquid crystal compound 32 is twisted in the thickness direction and aligned in a liquid crystal phase. It is preferable to cure to form a liquid crystal layer 30 in which a liquid crystal phase is twisted and aligned in the thickness direction.
  • the applied liquid crystal composition is optionally dried and/or heated and then cured to form a liquid crystal layer.
  • the liquid crystal compound 32 in the liquid crystal composition may be oriented in a twisted liquid crystal phase in the thickness direction.
  • the heating temperature is preferably 200° C. or lower, more preferably 130° C. or lower.
  • the aligned liquid crystal compound 32 is further polymerized as necessary.
  • Polymerization may be either thermal polymerization or photopolymerization by light irradiation, but photopolymerization is preferred.
  • the irradiation energy is preferably 20 mJ/cm 2 to 50 J/cm 2 , more preferably 50 to 1500 mJ/cm 2 .
  • light irradiation may be performed under heating conditions or under a nitrogen atmosphere.
  • the wavelength of the ultraviolet rays to be irradiated is preferably 250 to 430 nm.
  • the loss due to the twisting effect of the liquid crystal molecules in the peripheral portion 17b of the LCOS 17 can be reduced, and a wavelength selective switch with less loss can be constructed.

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Abstract

ＬＣＯＳ周辺部（１７ｂ）の液晶分子のねじれ効果による損失を低減し、損失の少ない波長選択スイッチの提供をする。波長選択スイッチは、１つ以上の入力ポート（１０，１１）と、１つ以上の出力ポート（１８，１９）と、入力ポートから入射した光の偏光状態を調整する偏波調整器（１２）と、入力ポートから入射した波長多重された光を分波する分散素子（１４）と、分波された光の偏向を制御する偏向素子を有し、偏向素子が入射面に周辺部の回折損失を補償するための光学補償層（１６）を備える液晶オンシリコン（ＬＣＯＳ）（１７）である。

Description

波長選択スイッチ
　本発明は、波長選択スイッチに関する。
　波長選択スイッチの１つとして液晶オンシリコン（ＬＣＯＳ）を用いるものがある。ＬＣＯＳは、透明な電極を有する透明なガラス層と個々にアドレス可能な画素の２次元アレイに分割されたシリコン基板の間に液晶材料を挟んだ構成からなる。各画素は電圧信号により個々に駆動可能であり、回折格子状の位相パターンを提示することにより、入射した光の回折方向を制御でき、任意の出射ポートに光を結合することができる。
　このＬＣＯＳを用いた波長選択スイッチには微小な画素で任意サイズの反射面を構成できること、また実装後にソフト的に画像表示位置を合わせることで光学系との位置合わせが可能である等のメリットがあり、次世代機として有望視されている。
　一方でＬＣＯＳを用いた波長選択スイッチにはＬＣＯＳ素子面内の周辺部において、回折角度が大きい場合、液晶分子のねじれ効果に起因した損失が発生するという課題がある。
特開２０２０－０７４０２６号公報
　特許文献１には散乱に起因するクロストークが低減したＬＣＯＳを含む波長選択スイッチが提案されているが、ＬＣＯＳ周辺部における液晶分子のねじれ効果に起因した損失については言及されていない。
　そこで、本発明は、ＬＣＯＳ周辺部の液晶分子のねじれ効果による損失を低減し、損失の少ない波長選択スイッチを提供することを課題とする。
　本発明者らが鋭意検討の結果、１つ以上の入力ポートと、１つ以上の出力ポートと、入力ポートから入射した光の偏光状態を調整する偏波調整器と、入力ポートから入射した波長多重された光を分波する分散素子と、分波された光の偏向を制御する偏向素子とを有し、偏光素子が液晶オンシリコン（ＬＣＯＳ）で構成されており、液晶オンシリコンの周辺部に光学補償層が配置された波長選択スイッチとすることで、ＬＣＯＳ周辺部の液晶分子のねじれ効果による損失を低減し、損失の少ない波長選択スイッチを提供することができることを見出した。
　すなわち、以下の構成により上記課題を達成することができることを見出した。
　［１］１つ以上の入力ポートと、１つ以上の出力ポートと、入力ポートから入射した光の偏光状態を調整する偏波調整器と、入力ポートから入射した波長多重された光を分波する分散素子と、分波された光の偏向を制御する偏向素子とを有し、偏向素子は、液晶オンシリコン（ＬＣＯＳ）で構成されており、液晶オンシリコンの周辺部に光学補償層が配置された、波長選択スイッチ。
　［２］光学補償層がλ／２板である、［１］に記載の波長選択スイッチ。
　［３］光学補償層が液晶回折素子である、［１］に記載の波長選択スイッチ。
　本発明によれば、ＬＣＯＳ周辺部の液晶分子のねじれ効果による損失を低減し、損失の少ない波長選択スイッチを提供することができる。
図１は、本発明の実施形態１による波長選択スイッチ１の構成を示す概念図である。 図２は、ＬＣＯＳで光を回折させる際のＬＣＯＳの位相プロファイルを示す概念図である。 図３は、ＬＣＯＳの液晶分子の長軸方向を示す概念図である。 図４は、本発明の実施形態２による波長選択スイッチ２の構成を示す概念図である。 図５は、本発明の実施形態２の液晶回折素子の第１の例を示す概念図である。 図６は、本発明の実施形態２の液晶回折素子の第１の例の回折効率を示すグラフである。 図７は、本発明の実施形態２の液晶回折素子の第１の例の回折を示す概念図である。 図８は、本発明の実施形態２の液晶回折素子の第２の例を示す概念図である。 図９は、本発明の実施形態２の液晶回折素子の第２の例の入射光の通過を説明する概念図である。 図１０は、本発明の実施形態２の液晶回折素子の第２の例の回折を説明する概念図である。
　以下、本発明の実施形態について、図面を用いて詳細に説明する。ただし、本発明は多くの異なる形態による実施が可能であり、以下に示す実施形態の例示に限定されるものではない。
　なお、以下に説明する図は、本発明を説明するための例示的なものであり、以下に示す図に本発明が限定されるものではない。
　なお、「任意の角度」及び「平行」は、特に記載がなければ、該当する技術分野で一般的に許容される誤差範囲を含む。
＜実施形態１＞
　図１は、本発明の実施形態１による波長選択スイッチ１の構成を示す概念図である。波長選択スイッチ１は１つ以上の入力ポート１０、１１と、１つ以上の出力ポート１８、１９と、入力ポート１０、１１から入射した光の偏光状態を調整する偏波調整器１２と、偏波調整された光を平行光に変換するレンズ１３と、入力ポート１０、１１から入射した波長多重された光（入射光Ｌｉ）を分波する分散素子１４と、分波されて波長分散方向に広がった光を平行光に変換するレンズ１５と、分波された光の偏向を制御する偏向素子（図示せず）とを備えている。偏向素子は、ＬＣＯＳ（液晶オンシリコン）１７で構成されている。ＬＣＯＳ１７の周辺部１７ｂ上に光学補償層１６が配置されている。
〔入力ポート〕
　入力ポート１０、１１には複数の波長成分を含む光（例えば、波長多重光通信における信号光）が波長選択スイッチ１の外部から入力される。図１では説明を簡略化するために入力ポート１０、１１の数は２つになっているが、入力ポート１０、１１の数は必要に応じて増減させてよい。
〔偏波調整器〕
　偏波調整器１２は、入射光Ｌｉの偏波状態を、ＬＣＯＳ１７により入射光Ｌｉの位相を変化させ、回折できる偏光方向に合わせることを目的としている。このための技術として偏波ダイバーシチがよく知られている。本発明でも偏波の調整には偏波ダイバーシチを用いる。
　実施形態１では偏波調整器１２により入射光Ｌｉは図１のＸ方向に偏光軸を持つ直線偏光に変換される。
〔分散素子〕
　波長多重された入射光Ｌｉは分散素子１４により分波され波長ごとにＹ方向に分かれた光になる。図１では説明を簡略化するため、分散素子１４を通過した光のうち代表的な１本のみを記載している。
　分散素子１４には公知の波長分散素子を用いれば良く、例えば、回折素子やプリズム等が挙げられる。
〔ＬＣＯＳ〕
　分散素子１４により分波された光を所望の出力ポート１８、１９に結合させるためにＬＣＯＳ１７により入射光が所望の角度に回折されるように位相変調が行われる。このとき、ＬＣＯＳ面内の周辺部１７ｂにおいて、回折角度が大きい場合、液晶分子のねじれ効果に起因した損失が起きるが、これについて図２、図３を用いて説明する。
　図２において、入力ポート１０から入射した光（入射光Ｌｉ（図１参照））はＬＣＯＳ１７の周辺部１７ｂで回折し、出力ポート１９に結合される。このときの光の経路を破線で表す。また、入力ポート１０から入射した光はＬＣＯＳ１７の中央部１７ａで回折し、出力ポート１８に結合される。このときの光の経路を実線で表す。光の経路の破線と実線を比較したとき、ＬＣＯＳ１７の周辺部１７ｂで回折している破線の方が、ＬＣＯＳ１７の中央部１７ａで回折している実線に比べ、回折角が大きいことがわかる。この周辺部１７ｂの回折角を大きくするためには、図２のＬＣＯＳ１７の断面図に実線で示してある位相プロファイルのように、中央部１７ａに対して周辺部１７ｂの位相プロファイルのピッチを細かくし、傾きを急峻にしなくてはならない。この位相プロファイルは液晶分子に電圧をかけることで生成しているため、位相プロファイルが急峻になると液晶分子のねじれ効果により、液晶分子が図２のＺ方向だけでなく、ＸＹ方向にも傾いてしまう現象が発生する。それを表したのが図３であり、ＬＣＯＳ１７の中央部１７ａの液晶分子２０の長軸がＸ方向に向いているのに対し、位相プロファイルが急峻な周辺部１７ｂの液晶分子２１の長軸はＸ方向に対して角度αだけ傾いている。つまり、ＬＣＯＳ１７の周辺部１７ｂでは入射光Ｌｉの偏光軸とＬＣＯＳの液晶分子の長軸との軸ズレが発生してしまい、その結果、回折損失が起き、波長選択スイッチ全体の効率が低下する。
　ここで、ＬＣＯＳ１７の周辺部１７ｂとは、ＬＣＯＳ１７において、入射光Ｌｉ（図１参照）の回折角度が大きくなる領域のことである。回折角度は入力ポートと出力ポートとの位置関係により決まる。入力ポートと出力ポートとが離れている程、回折角度が大きくなる。
〔光学補償層〕
　本発明の実施形態１の波長選択スイッチ１には、ＬＣＯＳ１７の周辺部１７ｂの回折損失の補償をするために光学補償層１６を備える。光学補償層１６はＬＣＯＳ１７の周辺部１７ｂに入射する直線偏光の偏光軸を、図３の液晶分子２１の長軸の傾き（Ｘ方向に対する角度α）と一致させるように直線偏光の軸を回転させるλ／２板であることが好ましい。これにより、ＬＣＯＳ１７に入射する直線偏光の偏光軸が周辺部の液晶分子２１の長軸と一致し、回折損失を低減できる。
　このとき、ＬＣＯＳ１７の中央部１７ａについては入射する直線偏光の軸を回転させる必要がないため、中央部１７ａには光学補償層を配置しない、もしくはパターン配向を利用して、ＬＣＯＳ１７の周辺部１７ｂと中央部１７ａで異なる軸角度をもつλ／２板を用いてもよい。
　なお、λ／２板の波長λは、入射光Ｌｉ（図１参照）の波長のことである。入射光の波長λは、入射光の中心波長である。以下、特に断りがない限り、入射光の波長λは、入射光の中心波長である。
　入射光が、離散的に複数のピーク波長が存在する光の場合、入射光の中心波長は、ＲＭＳ（Root Mean Square）法で求められる。離散的な複数のピーク波長は、光スペクトラムアナライザを用いて測定される。
　また、入射光が、離散的に複数のピーク波長が存在しない光の場合、入射光のスペクトルを光スペクトラムアナライザを用いて測定する。測定されたスペクトルから最も大きいピーク高さを基準として１／２の高さの２つの波長のうち、短波側の波長の値をλ１（ｎｍ）、長波側の波長の値をλ２（ｎｍ）とするとき、中心波長と半値幅は下記式により求めることができる。反射中心波長＝（λ１＋λ２）／２、半値幅＝（λ２－λ１）
〔出力ポート〕
　出力ポート１８、１９にはＬＣＯＳ１７により各波長の光が所望の出力ポート１８、１９にスイッチングされる。出力ポート１８、１９の数は必要に応じて増減させてよい。また、入力ポート１０，１１と出力ポート１８，１９は、例えば、光ファイバといった光導波部材によって好適に構成される。
　以上に説明したように、実施形態１により、ＬＣＯＳ１７の周辺部１７ｂの液晶分子のねじれ効果による損失を低減し、損失の少ない波長選択スイッチを構築できた。
＜実施形態２＞
　図４は、本発明の実施形態２による波長選択スイッチ２の構成を示す概念図である。実施形態２は実施形態１に対して、光学補償層１６が液晶回折素子２２に置き換わっただけである。そのため図４では実施形態１と共通する部材について省略して記載してある。
〔液晶回折素子〕
　実施形態２の波長選択スイッチ２における液晶回折素子２２の効果について図４を使って説明する。実施形態１のときと同様に入力ポート１０からの入射光は出力ポート１９に結合される。液晶回折素子２２はＬＣＯＳ１７の入射面側に配置されており、入力ポート１０から入射した光は回折せず、ＬＣＯＳ１７から入射した光は大きく回折するように液晶回折素子の膜厚、面内ピッチ、液晶分子のツイスト角を調整しておく。このとき、ＬＣＯＳ１７の周辺部１７ｂの位相プロファイルは中央部１７ａと同等のパターンに設定しておき、ＬＣＯＳ１７では入射光の回折角が小さいが、その後、通過する液晶回折素子２２により光を大きく回折させ、出力ポート１９に結合させるようにする。これによりＬＣＯＳ１７の周辺部１７ｂにおいて急峻な位相プロファイルを設定する必要がなくなるため、周辺部１７ｂでも中央部１７ａと同程度の回折損失に抑えることができる。
　このとき、ＬＣＯＳ１７の中央部１７ａについてはＬＣＯＳ１７からの光を液晶回折素子２２で回折させる必要がないため、中央部１７ａには液晶回折素子を配置しない、もしくはパターン配向を利用して周辺部１７ｂと中央部１７ａとで異なる配向を持つ液晶回折素子を用いてもよい。
　液晶回折素子２２は、例えば、国際公開第２０２０／０２２５１３号に記載の方法で作製することができる。
　液晶回折素子２２の入射面と出射面にはλ／４板を配置することが好ましい。液晶回折素子２２は円偏光を効率的に回折するため、偏波調整器１２から出射された直線偏光をλ／４板により円偏光に変換することで回折効率を高めることができる。λ／４板の遅相軸の軸角度は液晶回折素子２２が回折する円偏光の方向に合わせて適宜調整すればよい。液晶回折素子２２から出射された光は円偏光であり、偏向素子としてＬＣＯＳを用いる場合、ＬＣＯＳの液晶遅相軸に一致した方向の直線偏光を入射させる必要があるため、出射側にλ／４板を配置することで出射した円偏光を直線偏光に変換でき、ＬＣＯＳで光を偏向させることができる。
　次に、液晶回折素子２２について、より具体的に説明する。
　図５は本発明の実施形態２の液晶回折素子の第１の例を示す概念図である。図６は本発明の実施形態２の液晶回折素子の第１の例の回折効率を示すグラフである。図７は本発明の実施形態２の液晶回折素子の第１の例の回折を示す概念図である。
　例えば、液晶回折素子２２は、図５に示すように厚さ方向にねじれ配向をもつ液晶層３０により構成される。液晶層３０は、液晶化合物３２が厚さ方向にねじれ配向した層である。
　液晶層３０は、液晶化合物３２由来の光学軸の向きが面内の少なくとも一方向に沿って連続的に回転しながら変化している液晶配向パターンを有する。
　液晶層３０は、液晶化合物３２が螺旋状に旋回して積み重ねられたねじれ配向を有し、厚さ方向でのねじれ角が３６０°未満である。すなわち、コレステリック配向されない程度にねじれ配向されたものである。
　面内で液晶化合物３２の光学軸（図示せず）が連続的に回転して変化する矢印Ａで示す一方向（以下、単に矢印Ａ方向という）において、液晶化合物３２の光学軸が１８０°回転する長さ（距離）を、液晶配向パターンにおける１周期の長さ、すなわち、面内ピッチｐとする。
　液晶層３０では、液晶化合物３２の液晶配向パターンにより、傾斜面３３が形成される。傾斜面３３は、液晶化合物３２の光学軸が矢印Ａ方向において最大のもの配置により形成される。
　傾斜面３３は、液晶層３０の断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察することにより、暗部として観察される。また、暗部により、傾斜面３３の傾斜角βを特定できる。
　傾斜面３３の傾斜角βは、暗部の傾斜角に相当する角度を５箇所、測定した平均値である。
　液晶層３０の膜厚ｄは、液晶層３０の厚み相当する箇所を５箇所、測定した平均値である。
　例えば、面内ピッチｐが５μｍ、膜厚ｄが１２μｍ、傾斜面３３の傾斜角βが６１°の場合、図６に示す回折効率が得られる。図６に示すように、液晶回折素子の正面から入射した入射光は回折せずに、入射角３０°の斜めから入射した入射光を最も回折する。
　傾斜面３３の傾斜角βを、入射光Ｌｉと回折光Ｌｄとが傾斜面３３で鏡面反射するように設計することにより、その入射光Ｌｉの入射角で回折効率が最大になる。
　液晶層３０において、面内ピッチｐは、２～２０μｍが好ましく、３～１５μｍがより好ましく、４～１０μｍが特に好ましい。
　傾斜角βは、１０～９０°が好ましく、２０～８０°がより好ましく、３０～７０°が特に好ましい。
　膜厚ｄは、１～２０μｍが好ましく、２～１９μｍがより好ましく、３～１８μｍが特に好ましい。
　図８は本発明の実施形態２の液晶回折素子の第２の例を示す概念図である。図９は本発明の実施形態２の液晶回折素子の第２の例の入射光の通過を説明する概念図である。図１０は本発明の実施形態２の液晶回折素子の第２の例の回折を説明する概念図である。
　例えば、液晶回折素子２２は、図８に示す光学異方性層３４により構成することもできる。光学異方性層３４は、図８に概念的に示すような液晶配向パターンが、液晶化合物３２の光軸の向きが連続的に回転しながら変化する一方向を、内側から外側に向かう同心円状に有する、同心円状のパターンである。言い換えれば、図８に示す光学異方性層３４の液晶配向パターンは、液晶化合物３２の光軸の向きが連続的に回転しながら変化する一方向が、光学異方性層３４の中心から放射状に設けられた液晶配向パターンである。
　図８では、表面の液晶化合物３２のみを示すが、光学異方性層３４においては、表面の液晶化合物３２から、液晶化合物３２が積み重ねられた構造を有する。
　図８に示す光学異方性層３４において、液晶化合物３２の光軸（図示省略）は液晶化合物３２の長手方向である。
　光学異方性層３４では、液晶化合物３２の光軸の向きは、光学異方性層３４の中心から外側に向かう多数の方向、例えば、矢印Ａ１で示す方向、矢印Ａ２で示す方向、矢印Ａ３で示す方向…に沿って、連続的に回転しながら変化している。
　同心円状の液晶配向パターン、すなわち、放射状に光軸が連続的に回転して変化する液晶配向パターンを有する光学異方性層３４は、液晶化合物３２の光軸の回転方向及び入射する円偏光の方向に応じて、入射光を、発散光又は集束光として透過できる。
　光学異方性層３４の液晶配向パターンを同心円状とすることにより、例えば、凸レンズ又は凹レンズとして機能を発現する。
　ここで、光学異方性層の液晶配向パターンを同心円状として、光学素子を凸レンズとして作用させる場合には、液晶配向パターンにおいて光軸が１８０°回転する１周期Λを、光学異方性層３４の中心から、光軸が連続的に回転する１方向の外方向に向かって、漸次、短くするのが好ましい。
　入射方向に対する光の屈折の角度は、液晶配向パターンにおける１周期Λが短い程、大きくなる。従って、液晶配向パターンにおける１周期Λを、光学異方性層３４の中心から、光軸が連続的に回転する１方向の外方向に向かって、漸次、短くすることにより、光学異方性層３４による光の集束力を、より向上でき、凸レンズとしての性能を向上できる。
　また、例えば、凹レンズとする場合等、光学素子の用途によっては、液晶配向パターンにおいて光軸が１８０°回転する１周期Λを、光学異方性層３４の中心から、光軸が連続的に回転する方向を逆方向に回転させ、１方向の外方向に向かって、漸次、短くするのが好ましい。
　入射方向に対する光の屈折の角度は、液晶配向パターンにおける１周期Λが短い程、大きくなる。従って、液晶配向パターンにおける１周期Λを、光学異方性層３４の中心から、光軸が連続的に回転する１方向の外方向に向かって、漸次、短くすることにより、光学異方性層３４による光の発散力を、より向上でき、凹レンズとしての性能を向上できる。
　図９に示すように、液晶回折素子２２として光学異方性層３４を用いた場合、上述のように凹レンズとしての性能を利用する。この場合、入射光Ｌｉを光学異方性層３４の中央に入射させて回折を抑制して、液晶回折素子２２を透過させる。ＬＣＯＳ１７の周辺部１７ｂによる反射光Ｌｒは、図１０に示すように光学異方性層３４の端部に入射させて反射光Ｌｒを回折させて、光学異方性層３４から出射させる。これにより、入力ポートからの入射光Ｌｉを出力ポートに入射させることができる。
　図９に示す液晶回折素子２２においても、液晶回折素子２２の入射面又は入射側と出射面又は出射側に、λ／４板を配置することが好ましい。上述の図４に示す液晶回折素子２２と同様に、図９に示す液晶回折素子２２においても、液晶回折素子２２は円偏光を効率的に回折するため、偏波調整器１２から出射された直線偏光をλ／４板により円偏光に変換することで回折効率を高めることができる。
　液晶層３０は、液晶化合物３２が厚さ方向にねじれ配向した液晶相を固定して形成できる。
　厚さ方向にねじれ配向した液晶相を固定した構造は、液晶相となっている液晶化合物の配向が保持されている構造であればよく、典型的には、重合性液晶化合物を所定の液晶相の配向状態とした上で、紫外線照射、加熱等によって重合、硬化し、流動性が無い層を形成して、同時に、外場又は外力によって配向形態に変化を生じさせることない状態に変化した構造が好ましい。
　なお、液晶相を固定した構造においては、液晶相の光学的性質が保持されていれば十分であり、液晶層において、液晶化合物３２は液晶性を示さなくてもよい。例えば、重合性液晶化合物は、硬化反応により高分子量化して、液晶性を失っていてもよい。
　液晶層３０の形成に用いる材料としては、一例として、液晶化合物を含む液晶組成物が挙げられる。液晶化合物は重合性液晶化合物であるのが好ましい。また、液晶組成物は、レベリング剤、配向制御剤、重合開始剤、架橋剤及び配向助剤等のその他の成分を含有していてもよい。液晶組成物は、溶媒を含んでいてもよい。
　液晶層３０を形成する液晶組成物としては、光学異方性層３４を形成した液晶組成物に、液晶化合物３２を螺旋配向させるキラル剤を添加した液晶組成物が例示される。
　液晶層３０を形成する際には、液晶層３０の形成面に液晶組成物を塗布して、液晶化合物３２を所望の液晶相の状態に配向した後、液晶化合物３２を硬化して、液晶層３０とするのが好ましい。
　すなわち、支持体上に液晶層を形成する場合には、支持体に液晶組成物を塗布して、液晶化合物３２を厚さ方向にねじれ配向した液晶相の状態に配向した後、液晶化合物３２を硬化して、厚さ方向にねじれ配向した液晶相を固定してなる液晶層３０を形成するのが好ましい。
　塗布された液晶組成物は、必要に応じて乾燥及び／又は加熱され、その後、硬化され、液晶層を形成する。この乾燥及び／又は加熱の工程で、液晶組成物中の液晶化合物３２が厚さ方向にねじれ配向した液晶相に配向すればよい。加熱を行う場合、加熱温度は、２００℃以下が好ましく、１３０℃以下がより好ましい。
　配向させた液晶化合物３２は、必要に応じて、さらに重合される。重合は、熱重合、及び、光照射による光重合のいずれでもよいが、光重合が好ましい。この点に関しては、上述した光学異方性層３４も同様である。
　光照射は、紫外線を用いるのが好ましい。照射エネルギーは、２０ｍＪ／ｃｍ2～５０Ｊ／ｃｍ2が好ましく、５０～１５００ｍＪ／ｃｍ2がより好ましい。光重合反応を促進するため、加熱条件下又は窒素雰囲気下で光照射を実施してもよい。照射する紫外線の波長は２５０～４３０ｎｍが好ましい。
　以上に説明したように、実施形態２により、ＬＣＯＳ１７の周辺部１７ｂの液晶分子のねじれ効果による損失を低減し、損失の少ない波長選択スイッチを構築できた。
　１０、１１　入力ポート
　１２　偏波調整器
　１３　レンズ
　１４　分散素子
　１５　レンズ
　１６　光学補償層
　１７　ＬＣＯＳ
　１８、１９　出力ポート
　２０　ＬＣＯＳ中央部の液晶分子
　２１　ＬＣＯＳ周辺部の液晶分子
　２２　液晶回折素子
　３０　液晶層
　３２　液晶化合物
　３３　傾斜面
　３４　光学異方性層
　Ａ、Ａ１、Ａ２、Ａ３　矢印
　Ｌｄ　回折光
　Ｌｉ　入射光
　Ｌｒ　反射光
　Ｐ　螺旋ピッチ
　ｄ　膜厚
　ｐ　面内ピッチ
　α　角度
　β　傾斜角

Claims (3)

  1. 　１つ以上の入力ポートと、１つ以上の出力ポートと、前記入力ポートから入射した光の偏光状態を調整する偏波調整器と、前記入力ポートから入射した波長多重された光を分波する分散素子と、前記分波された光の偏向を制御する偏向素子とを有し、
    　前記偏向素子は、液晶オンシリコン（ＬＣＯＳ）で構成されており、前記液晶オンシリコンの周辺部に光学補償層が配置された、波長選択スイッチ。
  2. 　前記光学補償層がλ／２板である、請求項１に記載の波長選択スイッチ。
  3. 　前記光学補償層が液晶回折素子である、請求項１に記載の波長選択スイッチ。
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