JP4382317B2 - 液晶可変波長フィルタ装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液晶を用いた可変波長フィルタ装置に関し、さらに詳しくは光ファイバを用いた波長多重（ＷＤＭ）通信方式・光化ネットワークに用いる液晶を用いた可変波長フィルタ装置およびその駆動方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
今日の光ファイバを用いた波長多重（ＷＤＭ）通信方式は、電気―光のハイブリッドシステムであり、さらに信号を光のまま処理する全光化ネットワークに向けて技術が進歩している。波長選択を可能とする可変波長フィルタは、この光化ネットワークにおいて重要な役割を担うと考えられている。可変波長フィルタの用途としては、例えば動的なアド／ドロップマルチプレクサや波長ルータが挙げられる。
【０００３】
従来、可変波長フィルタとして、光路長を機械的に制御する方式（ＭＥＭＳを含む）や光導波路と熱―光学効果を組み合わせたマッハ・ツェンダー型あるいは音響光学効果を用いたフィルタなど様々な方式が提案されている。これらの方式が記述されている参考文献として例えば、V. M. Bright “Selected Papers On Optical MEMS”, Vol. MS153, SPIE,1999. や H. T. Mouftah and J. M. H. Elmirghani, “Photonic Switching Technology”, IEEE, 1999. がある。様々な方式の中でも液晶を用いたチューナブルフィルタは、機械的な可動部を持たないことや電力消費が少ないことから光化ネットワークに適用可能なチューナブルフィルタとして期待されている。その代表例として、液晶層をキャビティに用いたファブリ―ペロー型フィルタについて説明する。
【０００４】
前記液晶ファブリ―ペローフィルタの参考文献として例えば、K. Hirabayashi, H. Tsuda, and T. Kurokawa, J. Lightwave Technol., vol. 11, No. 12, pp.2033- 2043, 1993. がある。図２１にその基本的な液晶ファブリ―ペローフィルタの断面図を示す。液晶ファブリ―ペローフィルタ１０００は第１の誘電体多層膜ミラー１０１７と第２の誘電体多層膜ミラー１０１９とに挟まれたネマティック液晶材料１００１を満たしたキャビティ層１００３から構成される。ネマティック液晶材料１００１は図２１の断面図に平行に並ぶように第１の配向膜１０１３と第２の配向膜１０１５で配向する。このとき、第１の配向膜１０１３と第２の配向膜１０１５の表面はラビング処理により異方性を付与している。さらに、前記キャビティ層１００３が所定のギャップを保つようにスペーサ１０２１で第１のフィルタ基板１００５と第２のフィルタ基板１００７とを固定している。そして、ネマティック液晶材料１００１に電場を印加するように第１の透明導電膜１００９と第２の透明導電膜１０１１が形成される。
【０００５】
この液晶ファブリ−ペローフィルタ１０００は、共振器を形成する前記キャビティ層１００３の屈折率を変化させ、光路長となる屈折率とキャビティ層との積を変化させることで共振波長を変化させるものである。その液晶ファブリ―ペローフィルタ１０００の共振波長λｍは、
λm＝２ｎeff（Ｖ）・ｄ／ｍ （１）
で与えられる。ここで、ｎeff（Ｖ）はキャビティ層１００３の実効的な異常光屈折率であり印加電圧Ｖの関数であることを示す。ｄはキャビティギャップ、そして、ｍは整数である。図２１において、上方から垂直入射した断面図に平行な入射直線偏光１０３１の光のうち式（１）の共振波長λmに相当する波長の光だけが出射直線偏光１０３３となって液晶ファブリ―ペローフィルタ１０００を透過する。ネマティック液晶材料１００１に電場を印加しないときの実効的な異常光屈折率ｎeff（０）は、液晶ダイレクタ１０４１のプレティルト角をθ0としたとき、キャビティ層１００３では一定値を取り、
ｎeff（０）＝（ｓｉｎ2θ0／ｎ02＋ｃｏｓ2θ0／ｎe2）-1/2 （２）
となる。ｎ0は常光屈折率、ｎeは異常光屈折率を示す。
【０００６】
電場をネマティック液晶材料１００１に印加した場合は、印加電圧に応じてキャビティ層１００３の厚み方向の中央部ではプレティルト角θpは大きな値となり、第１の配向膜１０１３と第２の配向膜１０１５に近づくにしたがいθpはθ0に近づく。したがって、電場Ｖをネマティック液晶材料１００１に印加したとき、キャビティ層１００３の実効的な異常光屈折率ｎeff（Ｖ）の厚み方向の平均値は、電場無印加時と比較し小さな値をとり、同一次数ｍの共振波長λｍで比較したとき共振波長λｍの値は、式（１）でわかるように短波長側にシフトする。このように所定の波長を選択的に透過させることができる液晶ファブリ―ペローフィルタ１０００をチューナブルフィルタに用いることができる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図２１に代表される液晶ファブリ―ペローフィルタ１０００の場合、キャビティ層１００３を液晶セルとして構成するため、構造上キャビティ層が単層となる。したがって、液晶ファブリ−ペローフィルタの透過率と波長との関係は、図２２の特性２２０１となってしまい、透過帯域に近いストップバンドのアイソレーション特性が低く、しかも鋭いピークの透過帯域特性となってしまう。これに対し、チューナブルフィルタを用いる場合の理想特性２２０３（１．６ｎｍ間隔（２００ＧＨｚ）のフィルタ特性の一例）は、透過帯域に近いストップバンドの高アイソレーション特性が実現されており、平坦な透過帯域特性（フラットトップ）を持つフィルタであることがわかる。このように、特性２２０１においては、この理想特性２２０３からかけ離れた特性しか得られておらず、これが液晶ファブリ−ペローフィルターを用いたチューナブルフィルタが高密度波長多重（ＷＤＭ）通信システムには適用できない原因となっている。
【０００８】
さらに、図２１においては、ネマティック液晶材料１００１でキャビティ層１００３を形成するため、液晶セル内部に誘電体多層膜ミラー１０１７，１０１９を形成する必要が生じる。誘電体多層膜ミラー１０１７、１０１９は、例えば高屈折率材料として五酸化タンタル（Ｔａ2Ｏ5）、低屈折率材料として二酸化シリコン（ＳｉＯ2）を用いた光学的１／４波長膜の積層膜で構成する。光通信に用いられる１．５５μｍ帯用では、誘電体多層膜ミラー１０１７，１０１９の厚みはそれぞれ数ミクロン程度必要となり、液晶ファブリ−ペローフィルタ１０００のギャップ制御および電極形成など液晶セル作製を難しくする。
【０００９】
本発明の目的は上記のような課題を解決し、液晶セルを単純な構造にできる高品位な光ファイバ通信用途に適する液晶を用いた可変波長フィルタ装置およびその駆動方法を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記目的を達成するため、基本的には、以下に記載されたような技術構成を採用するものである。
【００１１】
すなわち、本発明において上記課題を解決するための第１の手段は、液晶を用いて入射光の所定の波長を選択できる液晶可変波長フィルタ装置において、透過光の出射角を可変とする、第１の透明基板と第２の透明基板との間に液晶層を備えた液晶ビーム偏向器と、当該液晶ビーム偏向器の出射光側に配したバンドパスフィルタとを有し、このバンドパスフィルタは、液晶層の法線方向に対して、バンドパスフィルタの面法線の傾き角度をα、出射角θの最大値をθmaxとしたとき、α≧θmaxの関係を満たす様に配置されており、バンドパスフィルタに対する入射角を制御して、選択波長を可変とし、第１の透明基板には、平行ストライプ状に配した透明導電体からなる複数の個別電極が形成されており、前記第２の透明基板には、透明導電体からなる共通電極が形成されており、第１の透明基板上に形成された各個別電極に所定の電圧を印加することにより、液晶層に屈折率の変調を生じさせ、複数の個別電極は、複数の群に分けられて、各群内における複数の個別電極が共通の集電極で束ねられ、その集電極の両端に一対の信号電極が接続され、この一対の信号電極の内の一方の信号電極に交番電圧を出力し、他方の信号電極を０［Ｖ］とする期間と、他方の信号電極に交番電圧を出力し、一方の信号電極を０［Ｖ］とする期間を交互に設ける駆動装置を備えたことを特徴とする。
【００１２】
また、第２の手段は、バンドパスフィルタを、高屈折率層と低屈折率層を交互に積層した誘電体多層膜としたことである。また、その他の手段は、第１から第４の手段のいずれかの前記液晶ビーム偏向器を２つ有し、その２つの液晶ビーム偏向器の間に前記バンドパスフィルタを備えることである。また、その他の手段は、前記２つの液晶ビーム偏向器が、前記液晶層の法線方向と前記入射光の方向とが平行となる様にともに配置されて、前記２つの液晶ビーム偏向器が、その一方の液晶ビーム偏向器へ入射した特定の偏光成分の光を所定の角度θ変化させるとともに、他方の液晶ビーム偏向器で角度−θ変化させて、前記液晶可変波長フィルタ装置への入射光と出射光を平行光に保つ様に制御される構成としたことである。また、その他の手段は、前記集電極が、前記複数の個別電極と同じ材料で形成された構成とすることである。
【００１３】
さらに、前記交番電圧を、パルス幅変調した電圧としたことである。また、前記共通電極側から前記液晶層に交流バイアスを印加する期間を別途設けることである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明を実施するための最良な形態における液晶可変波長フィルタ装置およびその駆動方法を説明する。
【００１５】
はじめに本発明の実施形態における液晶可変波長フィルタ装置の構成を、図１を用いて説明する。図１は本発明の実施形態における液晶可変波長フィルタ装置１３０の構成を説明するための断面図である。
【００１６】
図１に示すように、本発明の液晶可変波長フィルタ装置１３０は、互いに平行に配置した第１の液晶ビーム偏向器１０１と第２の液晶ビーム偏向器１０３との間に、所定の角度αだけ傾けて誘電体多層膜からなるバンドパスフィルタ１１１をくさび状の第１のウェッジプリズム１２１と第２のウェッジプリズム１２３とで挟持することにより構成している。第１の液晶ビーム偏向器１０１には第１の駆動装置１４１を接続し、第２の液晶ビーム偏向器１０３には第２の駆動装置１４３を接続する。
【００１７】
この第１、第２の液晶ビーム偏向器１０１，１０３はともに、平行ストライプ状の透明導電膜からなる複数の個別電極と共通電極とで液晶層を挟んだ構成であり、複数の個別電極に所定の電圧を印加することで、液晶層に空間的な屈折率変調領域を誘起して、ブレーズド型回折格子を実現させることができる。
【００１８】
その第１の液晶ビーム偏向器１０１は、バンドパスフィルタ１１１に入射する特定の偏光成分の入射角を制御し、そのバンドパスフィルタ１１１への入射角制御で液晶可変波長フィルタ装置１３０の透過帯域特性を変えることができる。さらに、第２の液晶ビーム偏向器１０３は、第１の液晶ビーム偏向器１０１と逆方向に特定の偏光成分のビームを偏向する作用をする。したがって、第１の液晶ビーム偏向器１０１への入射光と第２の液晶ビーム偏向器１０３からの出射光とを平行に保つことが出来る。
【００１９】
次に、本発明の液晶可変フィルタ装置１３０への特定の偏光成分の入射光１５１の導光経路をさらに詳細に説明する。図１に示すように、第１の液晶ビーム偏向器１０１に入射する図１の紙面に平行な振動面を持つ入射光１５１は、第１の液晶ビーム偏向器１０１で偏向しない場合は、その第１の液晶ビーム偏向器１０１からの出射角θが０度となり、バンドパスフィルタ１１１で波長選択された成分だけが第１の経路１６１に沿って第２の液晶ビーム偏向器１０３に入射する。このとき、第２の液晶ビーム偏向器１０３も第１の経路１６１の光を偏向しないで第１の出射光１５３として出力する。
【００２０】
また、入射光１５１が正方向に＋θだけ、第１の液晶ビーム偏向器１０１で偏向された場合、バンドパスフィルタ１１１を透過する波長成分は、第２の経路１６３を通り、第２の液晶ビーム偏向器１０３に入射する。第２の液晶ビーム偏向器１０３は負方向に−θだけ第２の経路を通過した光を偏向して、第２の出射光１５５として出力する。
【００２１】
さらに、入射光１５１が負方向に−θだけ、第１の液晶ビーム偏向器１０１で偏向された場合、バンドパスフィルタ１１１を透過する波長成分は、第３の経路１６５を通り、第２の液晶ビーム偏向器１０３に入射する。第２の液晶ビーム偏向器１０３は正方向に＋θだけ第３の経路１６５を通過した光を偏向して、第３の出射光１５７として出力する。入射光１５１と第１、第２および第３の出射光１５３，１５５，１５７は平行光である。
【００２２】
このように、第１の液晶ビーム偏向器１０１は入射光１５１を図１に示すように所定の角度±θだけ偏向する作用をおこなう。ここで、図１でθを反時計方向に大きくする場合をプラス方向として、θの可変範囲の最大値をθmaxと置くと、θの可変範囲を最大限有効活用することを考慮してα≧θmaxとなるように第１、第２のウェッジプリズム１２１，１２３の角度αを決める必要がある。
【００２３】
図２は、図１における第１の液晶ビーム偏向器１０１とバンドパスフィルタ１１１付近の要部拡大図である。第１の液晶ビーム偏向器１０１の第２の透明基板２０３のネマティック液晶層５０１に接する面を基準とした出射角θとバンドパスフィルタ１１１の入射角βとの関係は、
θ＝＋θのとき、β＝α−θ
θ＝０のとき、β＝α
θ＝−θのとき、β＝α＋θ
となる。ただし、α≧θmaxである。
【００２４】
このように、バンドパスフィルタ１１１を２つの液晶ビーム偏向器に対して角度αだけ傾けることで、第１の液晶ビーム偏向器１０１により角度θだけ入射直線偏光を偏向させてバンドパスフィルタ１１１に対する所定の正の入射角βの光に変換することができる。
【００２５】
次に前記バンドパスフィルタの具体的な構成の一例を示す。前記バントバスフィルタ１１１は、以下に記すように仕様に応じて誘電体多層膜からなる所定の光学フィルタを選択できる。光ファイバ通信では、1３００ｎｍ帯や１５５０ｎｍ帯の光信号が多用されるので、以下中心波長を１５５０ｎｍとした場合について説明する。例えば入射角βが０度のとき中心波長１５５０ｎｍとなる４キャビティ構成の誘電体多層膜とした場合を次に示す。バンドパスフィルタ１１１の構成は、例えば高屈折率膜Ｈを五酸化タンタル、低屈折率膜Ｌを二酸化シリコンを選び、それぞれを交互に積層して構成した。このとき、一つの膜設計例としてＨを高屈折率膜の１５５０ｎｍで光路長が四分の一波長となる膜と表し、Ｌを低屈折率膜の１５５０ｎｍで光路長が四分の一波長となる膜と表すと、
ガラス／１．３Ｈ／Ｌ／（ＨＬ）6／Ｈ／１０Ｌ／Ｈ／（ＬＨ）6／Ｌ／（ＨＬ）7／Ｈ／１０Ｌ／Ｈ／（ＬＨ）7／Ｌ／（ＨＬ）7／Ｈ／８Ｌ／Ｈ／（ＬＨ）7／Ｌ／（ＨＬ）7／Ｈ／４Ｌ／Ｈ／（ＬＨ）7／ガラス
といった構成を用いることができる。このように、波長多重通信に適する特性のフィルタが実現できれば他の構成であっても構わない。
【００２６】
次に第１の液晶ビーム偏向器１０１によりバンドバスフィルタ１１１の入射角βを変化させたときの液晶可変波長フィルタ装置１３０の透過率特性グラフを図３に示す。前記入射角βが０度のときバンドパスフィルタ１１１の第１の透過曲線３０１は、１５５０ｎｍ近傍でフラットトップ特性３１３となる。また、バンドパスフィルタ１１１への入射角βを基準に考えると、入射角βが４度のときは第２の透過曲線３０３となり、入射角βが６度のときは第３の透過曲線３０５となる。このように、前記フラットトップ特性とともに、従来技術における液晶ファブリ−ペローフィルタ１０００（図２１）では実現できなかったストップバンドの高アイソレーションを理想特性に近づけることができることを確認した。
【００２７】
次に、図３で説明したバンドパスフィルタ１１１の入射角βと本発明の液晶可変波長フィルタ装置１３０の中心波長との関係を図４に示す。入射角βが大きくなるにしたがって、入射角依存特性４０１に示すように液晶可変波長フィルタ装置１３０の中心波長は短波長側にシフトすることがわかる。このとき第１の液晶ビーム偏向器１０１の出射角θとバンドパスフィルタ１１１への入射角βとの関係は、例えば、第１のウェッジプリズム１２１の角度αを３度、θmaxも３度としたとき、
β＝０度のとき、θ＝３度
β＝３度のとき、θ＝０度
β＝４度のとき、θ＝−１度
β＝６度のとき、θ＝−３度
となる。つまり、第１の液晶ビーム偏向器１０１の出射光θを３度から−３度まで変化させれば、バンドパスフィルタ１１１への入射角が０から６度となり、図３における中心波長を１５４６．５ｎｍから１５５０ｎｍ帯域内で任意に選択することができるのである。なお、図３および図４に示した特性は、特定の偏光成分の光としてＰ偏光（ＴＭ波）を用いた場合を示したが、入射角βが、１０度以下程度の場合は、Ｓ偏光（ＴＥ波）でもほぼ同じ特性となる。
【００２８】
続けて、第１の液晶ビーム偏向器１０１の構造を図５を用いて説明する。なお、第２の液晶ビーム偏向器１０３の構造は第１の液晶ビーム偏向器１０１と同じであるため、第１の液晶ビーム偏向器１０１だけを本実施例では説明する。
【００２９】
ネマティック液晶層５０１は、第１の液晶ビーム偏向器１０１の第１の透明基板２０１の複合電極２１１の上と第２の透明基板２０３の共通電極２１３の上とに形成した配向層２１７によって電場印加時のｐ型（ポジ型）液晶分子のダイレクタ２０７のティルト角２０９が５度以下となるようにホモジニアス配向させる。図５で示す第１の液晶ビーム偏向器１０１の場合、入射直線偏光５１１は、紙面に対して平行な成分となるようにする。この入射直線偏光５１１は後段のバンドパスフィルタ１１１からみるとＰ偏光となる。
【００３０】
第１の液晶ビーム偏向器１０１では入射光成分の内、ネマティック液晶層５０１のダイレクタ２０７に平行な成分である前記Ｐ偏光だけが位相変調可能な光となる。したがって、図１で示した入射光１５１の特定の偏光成分も図１の構成で示した第１の液晶ビーム偏向器１０１を用いた場合は、Ｐ偏光となる。
【００３１】
図５には明示しないがネマティック液晶層５０１が数μｍから数十μｍの所定の一定厚みを保持するように第１の透明基板２０１と第２の透明基板２０３をスペーサを介して固定する。また、図５には示していないが複合電極２１１と共通電極２１３が短絡するのを防ぐために複合電極２１１の上か共通電極２１３の上または両方に五酸化タンタル（Ｔａ2Ｏ5）や二酸化シリコン（ＳｉＯ2）などの透明絶縁膜を形成しても良い。また、透明絶縁膜を高屈折率膜と低屈折率膜からなる誘電体多層膜として透過率を向上することも望ましい。第２の透明基板２０３上に形成する共通電極２１３は透明導電膜からなる全面電極で良い。なお、複合電極２１１の構造は後述する。
【００３２】
前記複合電極２１１の光路部分および共通電極２１３を形成する透明導電膜に酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）を用いるときは、膜厚を５０ｎｍ以下として、さらに、１．３μｍ〜１．６μｍの近赤外域での透過率を向上するために、成膜時に酸素濃度を多くしたシート抵抗数百Ωから１ｋΩ程度の膜を使用することが望ましい。
【００３３】
ＩＴＯのほかに透明導電膜としては、酸化インジウム（Ｉｎ2Ｏ3）、酸化スズ（ＳｎＯ2）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）などの薄膜が使用可能である。この場合も、膜厚は５０ｎｍ以下として、シート抵抗は数百Ωから１ｋΩ程度の膜を使うことが望ましい。
【００３４】
また、ガラスからなる第１の透明基板２０１または第２の透明基板２０３のネマティック液晶層５０１と反対の面のうち空気層と接触する面には空気と透明基板界面での反射を防止するため必要に応じて無反射コート２１５を形成する。無反射コート２１５は例えば五酸化タンタル（Ｔａ2Ｏ5）と二酸化シリコン（ＳｉＯ2）の誘電体多層膜からなるコーティング層を用いることができる。
【００３５】
図１で示した入射光１５１または図５の入射直線偏光５１１は後段のバンドパスフィルタ１１１からみてＰ偏光となる場合の構成を代表して示したが、入射直線偏光５１１が後段のバンドパスフィルタ１１１からみてＳ偏光となる場合の液晶ビーム偏向器１０１の構成を図６に示す。ネマティック液晶層５０１のダイレクタ２０７の向きを入射直線偏光５１１のＳ偏光と平行にすること以外は、図５と同様の構造である。そのＰ偏光、Ｓ偏光における液晶ビーム偏向器の使い分けは、その仕様と用途によって構成を決めればよい。
【００３６】
次に第１の液晶ビーム偏向器１０１のブレーズド型回折格子を形成するための第１の複合電極の構造について図７を用いて詳細に説明する。第１の複合電極２１１ａは、第１の要素格子７５１と第２の要素格子７６１の２つの回折格子領域を第１の活性領域６７１に配した電極の平面図である。図７において第１の要素格子７５１は第１の個別電極７２１から第Ｎの個別電極７３０を有する。また、第２の要素格子７６１は第Ｎ＋１の個別電極７３１から第２Ｎの個別電極７４０を有する。この第１の複合電極２１１ａでは、説明を容易とするために便宜上Ｎ＝１０とした。また、第１の個別電極７２１から第２Ｎの個別電極７４０は前述の膜厚と抵抗値を有するＩＴＯなどの透明導電膜により形成する。
【００３７】
また、第１の個別電極７２１から第２Ｎの個別電極７４０は、第１の活性領域６７１の外部で複数の群（図７では２つの群）にまとめられ、各群内における各個別電極を、個別電極と同じ材料であるＩＴＯ等の共通の集電極で接続する。図７においては、第１の個別電極７２１から第Ｎの個別電極７３０を第１の活性領域６７１の外部で第１の集電極７０１で接続し、第Ｎ＋１の個別電極７３１から第２Ｎの個別電極７４０は、同じように第２の集電極７０３で接続する。さらに、第１の集電極７０１の両端に、ＭｏやＡｇ合金などの低抵抗金属材料からなる第１の信号電極７１１と第２の信号電極７１３をそれぞれ接続し、第２の集電極７０３に、第３の信号電極７１５と第４の信号電極７１７をそれぞれ接続している。なお、前記集電極をシート抵抗数百〜１ｋΩの膜だけでなく、膜厚を更に薄くしたり、その電極幅を狭くして電極の長辺方向に線形の抵抗を有するように構成しても構わない。
【００３８】
図７では便宜上、第１の要素格子７５１と第２の要素格子７６１の２つの回折格子領域だけを示したが、実際の第１の液晶ビーム偏向器１０１においては、第１の活性領域６７１に入射ビーム径に応じた所定の数の要素格子を形成する必要がある。一例として、入射光として１５５０ｎｍ帯を用いるときの具体的な設計例として、第１の活性領域６７１にシングルモード光ファイバからの光をコリメータにより平行光として入射する場合を仮定して説明する。このとき平行光のガウシアンビーム径を３００μｍとした場合、第１の活性領域の幅Ｌを４００μｍから１.５ｍｍとする。また、各要素格子の複数の個別電極は、入射光の波長を考慮して２μｍ以下のラインアンドスペースが望ましく、要素格子のピッチＰ0を５０μｍから１００μｍとしたとき第１の複合電極２１１ａの幅Ｗは、８００μｍから２ｍｍ程度が望ましい。したがって、ピッチＰ0を５０μｍとしたとき要素格子の数は、１６個から４０個となり、ピッチＰ0を１００μｍとしたときは、要素格子の数は、８個から２０個となる。ここで、第１の複合電極２１１ａの幅Ｗは、図１で示したように、出射光がビーム偏向角が＋θのときＤｕだけ、また、ビーム偏向角が−θのときＤｄだけビームを偏向しない場合（θが０度の時）からずれるため、このビームのずれ分に応じてその幅を決める必要がある。
【００３９】
前述の説明で明らかなように、ブレーズド型回折格子を形成する第１の液晶ビーム偏向器１０１においては一つの回折格子領域がＮ本の個別電極からなる場合にも、駆動回路からの制御信号に接続する信号電極の数は、集電極の両端にそれぞれ一対の信号電極を接続することにより、要素格子の数（Ｍ個）に対し２Ｍ本で済む。この構成は、特に個別電極の数が増えた場合に信号電極の数を大幅に削減することが可能となるという利点を有する。
【００４０】
次に第１の液晶ビーム偏向器１０１の動作原理について図１１を用いて説明する。ｘ−ｚ面内に平行な方向にダイレクタ２０７がホモジニアス配向した状態で外部電場を印加した場合、ダイレクタの長軸方向が電場方向に平行になるように配向するｐ型（ポジ型）ネマティック液晶を用いた液晶ビーム偏向器１０１に、ｘ軸に平行な方向に振動する直線偏光１１１０がｚ軸方向に入射することを考える。液晶ビーム偏向器１０１に入射する前の入射波面１１１３は平面である。液晶ビーム偏向器１０１に電界を印加し所定の屈折率分布となるようにダイレクタの面内分布を制御すると、入射波面１１１３を所定の角度θだけ偏向した平面波の出射波面１１２３に変換させることができる。
【００４１】
この現象を更に詳細に図１２を用いて説明する。液晶ビーム偏向器１０１のネマティック液晶層５０１の出射側の平面をｘ−ｙ平面とし、液晶は、ｘ−ｚ平面に平行となるように配向させる。このとき、入射直線偏光１２０１がネマティック液晶層５０１に垂直に入射される。このネマティック液晶層５０１内には位置ｘの関数である異常光屈折率ｎe（ｘ）の分布１２１１が要素格子のピッチＰにおけるａ−ｂ間で直線的に変化するように予め動作点を決めておく。また、ネマティック液晶層５０１の厚みｄは一定であるが、屈折率ｎe（ｘ）がピッチＰで直線的に変化しているため、ネマティック液晶層５０１中を伝搬する入射直線偏光１２０１は、場所によって異なるリターデーションΔｎ（ｘ）・ｄの変調を受けることになる。ここで、ｎ0を液晶の常光屈折率とおくと、
Δｎ(ｘ)＝ｎe（ｘ）−ｎ0 （３）
である。
【００４２】
前記入射直線偏光１２０１は前記ネマティック液晶中、つまり誘電体媒質中を伝搬する場合、リターデーションが大きいところでは遅く、逆にリターデーションが小さい個所では速く伝搬する。このため、ネマティック液晶層５０１を出射した出射直線偏光１２０３は、波面が
ｔａｎθ＝δΔｎ・ｄ／Ｐ （４）
だけ傾くことになる。ここで、δΔｎは、ａ点とｂ点でのリターデーションΔｎ（ｘ）の差を次式のように計算した値である。
δΔｎ＝Δｎ（ａ）−Δｎ（ｂ） （５）
このように、液晶ビーム偏向器のネマティック液晶層５０１における異常光屈折率ｎe（ｘ）の分布１２１１が直線的であれば、入射直線偏光１２０１と同様に出射直線偏光１２０３の波面も平面となり、結果的に入射直線偏光１２０１に対して出射直線偏光１２０３はθだけ偏向させることができる。
【００４３】
次に本発明に用いるネマティック液晶層５０１の異常光屈折率ｎe（ｘ）が直線近似できる条件について考察した。入射直線偏光は図１３に示すような印加電圧−実効複屈折率特性によって決まる変調を受ける。図１３において横軸はネマティック液晶層５０１への印加電圧の実効値、縦軸は実効複屈折率Δｎを示す。電気光学応答曲線の形状は、使用する液晶の弾性定数、誘電率異方性特性や電場無印加時の配向膜層によって決まるプレティルト角などのパラメータから決まる。この印加電圧−実効複屈折率特性はメルク社のネマティック液晶材料ＢＬ００７（商品名）のものである。またこの特性はΔｎmax＝０．２８７、液晶層の厚さを２０μｍとして求めた理論曲線である。図１３において横軸は、ホモジニアス配向セルへの印加電圧１５０１を示し、縦軸は液晶分子の実効複屈折率Δｎ１５０３を示す。図１３には、プレティルト角が０．５度、２度、５度および１０度の場合の特性を示した。前記第１の複合電極２１１ａを持つ液晶ビーム偏向器１０１として用いる場合は、図１２で説明した作用を得るために１次曲線を近似できる直線領域１５２０近傍を用いる必要がある。よって、前記ネマティック液晶のプレティルト角は直線領域１５２０を広く取るため５度以下、さらに好ましくは２度以下が望ましいことがわかる。
【００４４】
次に前記第１の複合電極２１１ａを持った液晶ビーム偏向器１０１の駆動方法および集電極の電位勾配の発生現象について説明する。初めに、第１の要素格子７５１の部分を取り出して説明する。図１４に駆動波形を示す。第１の駆動波形１６０１を第１の信号電極７１１に印加し、第２の駆動波形１６０３を第２の信号電極７１３に印加する。第１の駆動波形１６０１と第２の駆動波形１６０３は互いに周波数と位相が等しく電圧のみが異なっており、第２の駆動波形１６０３の方が第１の駆動波形１６０１より電圧を大きくする。また、期間ｔ１においては第１の駆動波形１６０１は＋Ｖ１[Ｖ]であり、第２の駆動波形１６０３は＋Ｖ２[Ｖ]である。ここで、共通電極２１３を０［Ｖ］とする。したがって、透明導電膜など線形の抵抗材料で形成した第１の集電極７０１によって電位が分割されるため第１の活性領域６７１に形成した第１の要素格子７５１の複数の個別電極には、それぞれ第１の信号電極７１１と第２の信号電極７１３に印加した電圧が配置位置によって直線的に分割されることとなる。ここで、個別電極の長手方向については個別電極がネマティック液晶層５０１のインピーダンスと比較して低抵抗材料で形成されるためほぼ同電位とすることができる。さらに、必要に応じて共通電極にバイアス交流電圧を印加する期間を期間１および期間２と別に設けても良い。
【００４５】
続けて前記第１の複合電極２１１ａ（図７）における集電極７０１上の電位勾配と、各個別電極の電位との関係を更に詳細に説明する。図１４に示す期間ｔ１においては第１の信号電極７１１と第２の信号電極７１３とを接続する第１の集電極７０１の電位分布は、前述の説明の如く、図１５の第１の電位分布１８０１で示す直線状の電位分布となる。図１４に示す期間ｔ２においては第１の集電極７０１の電位分布は、図１５の第２の電位分布１８０３となる。ここで、図１５の点ａは、第１の信号電極７１１に接続される個別電極の位置に対応し、点ｂは、第２の信号電極７１３に接続される個別電極の位置に対応している。図１４に示した駆動波形が５０％デューティの矩形波の場合は図１５で示す２つの第１および第２の電位分布１８０１、１８０３を交互に時間的に繰り返すことになる。したがって、０［Ｖ］に維持した共通電極２１３を介してネマティック液晶層５０１に印加される電圧は、どの個別電極の位置においても交番電圧化され、ネマティック液晶層５０１に直流成分が加わることはない。また、ネマティック液晶は実効値応答のため第１の信号電極７１１側には、実効値で常時Ｖ１[Ｖ]が印加され、第２の信号電極７１３には、Ｖ２[Ｖ]の電圧が印加され、さらに第１の集電極７０１で分割された電位が各個別電極に印加されると考えれば良い。
【００４６】
次に前記集電極に発生する位相分布について説明する。図１６に液晶にＢＬ００７（メルク・ジャパン社製：商品名）を使用してプレティルト角を１度に設定したときの液晶に印加する電圧［Ｖｒｍｓ］と相対位相差Δとの関係のグラフを示す。特性曲線１７１１は１．５〜２［Ｖ］近傍で直線近似領域１７０１を持つことがわかる。液晶層の厚さｄを３０［μｍ］とし、波長λを１５５０［ｎｍ］とした時を考える。なお、相対位相差Δは、実効複屈折率をΔｎとおいて、
Δ＝Δｎ・ｄ／λ （６）
で定義する。図１６の相対位相差Δの直線近似領域１７０１から、λ＝１５５０ｎｍにおいて直線可変調範囲１７０５が波長λで２波長以上、つまり位相で４π程度取れることがわかる。このように、プレティルト角によって異常光屈折率の直線近似ができると同時にそのプレティルト角の範囲内における、直線近似領域１７０１内で動作する動作電圧範囲１７０３以内の電圧印加すれば、第１の複合電極２１１ａの第１の活性領域６７１に、各個別電極の位置に比例する位相分布を実現することができる。
【００４７】
次に、先の駆動方法を用いて、前記第１の複合電極２１１ａを持つ液晶ビーム偏向器１０１で任意の偏向角を実現する具体的な方法を図１７を用いて説明する。この場合、要素格子のピッチをＰ0とし、最大偏向角θmaxを
ｔａｎθmax＝λ／Ｐ0 （７）
と定義する。このときのθmaxの位相変調曲線２００１のときの最大位相変調量は、要素格子のピッチＰ0の距離で一波長分つまり２πとなる。前記第１の複合電極２１１ａの場合、第１、第２の信号電極の位置が予め決められているので、位相を変えるために任意の電極位置で、２πだけのリセットを掛けることが不可能である。そこで、所定の位置でリセットを掛けるために、まずθmaxより少し小さい角度θpを高次光の発生無く振るために、θpの位相変調曲線２００３においては、λ〜２λの間でリセットを掛ける必要がある。このように、第１の複合電極２１１ａを用いて特定の偏光成分の光を所定の偏向角に制御するためには、所定の要素格子の内、位相変調量がλ以上２λ未満に入る要素格子毎にリセットを掛ける駆動方法を用いてなくてはならない。
【００４８】
次に前記第１の複合電極２１１ａを持った液晶ビーム偏向器１０１の別の駆動方法について説明する。図１８は、一つの要素格子に配置した信号電極端子への波形印加期間を示した図である。この駆動方法においては、１フレームを期間１と期間２に分けて駆動する。具体的には、ネマティック液晶層５０１の劣化を防ぐため、平均値が０となるような交番電圧の駆動信号２１０１を第１の信号電極７１１に印加し、第２の信号電極７１３を共通電極２１３と同電位となるように０［Ｖ］とする期間１と、第２の信号電極７１３に交番電圧の駆動信号２１０１を印加し、第１の信号電極７１１を共通電極２１３と同電位となるように０［Ｖ］とする期間２を交互に設けた駆動方法である。このような駆動方法を用いることで、期間１と期間２を足した１フレームの要素格子に生じる液晶電位分布は、それぞれの期間の実効値の和となる。期間１および期間２の印加波形は、任意で良く、例えば電圧の異なる２つの波形を印加できる。また、パルス幅変調により、実効値を制御した波形でも良い。さらに、必要に応じて共通電極にバイアス交流電圧を印加する期間を期間１および期間２と別に設けても良い。
【００４９】
次にブレーズド型回折格子を形成するための複合電極２１１の他の構造について図８を用いて詳細に説明する。先に説明した第１の複合電極２１１ａ（図７）の構造に加えて第２の複合電極２１１ｂは、第１の活性領域６７１の外部で複数の個別電極の群の両端に集電極を配する構成を採用する。図８においては、第１の活性領域６７１の外部で第１の集電極の個別電極を介して対向する位置に第３の集電極８０１を、第２の集電極７０３と個別電極を介して対向する位置に第４の集電極８０３を配する。さらに、第３の集電極８０１はＭｏやＡｇ合金などの低抵抗金属材料からなる第５の信号電極８１１と第６の信号電極８１３に接続し、第４の集電極８０３は第７の信号電極８１５と第８の信号電極８１７に接続している。
【００５０】
この第２の複合電極構造では第１の信号電極７１１と第５の信号電極８１１、第２の信号電極７１３と第６の信号電極８１３、第３の信号電極７１５と第７の信号電極８１５、および第４の信号電極７１７と第８の信号電極８１７のペアは外部で短絡して駆動する。なお、第２の複合電極２１１ｂを用いた液晶ビーム偏向器の駆動方法は、先に説明した駆動方法をそのまま適用することができる。
【００５１】
図８に示した液晶ビーム偏向器を形成するための第２の複合電極２１１ｂの構造は、個別電極が細くまた長くした場合などに、ネマティック液晶層の駆動周波数でのインピーダンスに比較して個別電極のインピーダンスが、無視できなくなる程大きくなる場合に特に有効である。
【００５２】
次に高速応答が必要な応用の場合に特に有効である他の構成の第３の複合電極について説明する。図９はブレーズド型回折格子を実現するための第１の活性領域６７１と第３の複合電極２１１ｃの関係を示す平面図である。図９において第３の複合電極２１１ｃは、複合電極を構成するＩＴＯなどの透明導電膜により形成した第１のストライブ電極６２１から第Ｎの個別電極６４０（便宜上Ｎ＝２０としている）により形成している。
【００５３】
ビーム偏向を行なうためのブレーズド型回折格子を第１の活性領域６７１に実現するために第３の複合電極２１１ｃには所定の電圧をそれぞれの個別電極６２１〜６４０に印加する必要がある。電圧パターンへの印加手段は、第１の個別電極６２１から第Ｎの個別電極６４０を図９に示すように別々に形成して各個別電極を独立にＩＣなどの駆動回路で駆動して、各個別電極に段階的な電位差を生じさせる。
【００５４】
その第３の複合電極２１１ｃを用いた液晶ビーム偏向器１０１を用いて任意の偏向角を実現する方法を図１９を用いて説明する。第３の複合電極２１１ｃにおいては、それぞれの個別電極は独立に直接駆動回路により任意の電圧を印加できる。したがって、可変調量が最小で２π（一波長）まで取れる場合、任意の偏向角を実現することが可能となる。例えば、第１の位相変調波形１９０１を、第１の活性領域６７１に実現するような電圧を各個別電極に印加したとき、偏向角θ1は、
ｔａｎθ1＝λ／Ｐ1 （８）
で与えられる値を取る。ここで、λは一波長分の相対位相差を示す。また、ｘ軸方向を個別電極に直交する方向とした。本構成を用いることで、所定の個別電極を束ねたピッチＰ1において、位相を一波長分リセットすることにより、回折効率を１００パーセントに近づけることが可能となる。次に、第２の位相変調波形１９０３を、第１の活性領域６７１に実現するような電圧を各個別電極に印加したとき、偏向角θ2は、
ｔａｎθ2＝λ／Ｐ2 （９）
で与えられる値を取る。このように、位相をリセットする所定のピッチＰ1を変更することで、任意の偏向角θを容易に実現することが可能となる。
【００５５】
さらに、第３の複合電極２１１ｃを用いた液晶ビーム偏向器１０１の場合、例えば、図１６に示す直線近似領域１７０１だけでなく、特性曲線１７１１の全域を利用することが可能となり、液晶セルの厚みを薄くして高速応答化をする上で有利である。これは、それぞれの個別電極に任意の電圧を印加できるため特性曲線１７１１の非線形性を印加電圧の重み付けにより吸収することが可能なためである。
【００５６】
最後に本発明の液晶可変波長フィルタ装置１３０を実際の光ファイバ通信でよく用いられるコリメータ間に配置した場合のモジュール構成３２０を図２０を用いて説明する。図２０では基本構成を示した図１の側面部から見た様子を示す。本発明の液晶可変波長フィルタ装置１３０は、第１の液晶ビーム偏向器１０１と第２の液晶ビーム偏向器１０３との間に所定の角度αだけ傾けて誘電体多層膜からなるバンドパスフィルタ１１１を第１のウェッジプリズム１２１と第２のウェッジプリズム１２３とで挟持することにより構成している。第１の液晶ビーム偏向器１０１には第１の駆動装置１４１を接続し、第２の液晶ビーム偏向器１０３には第２の駆動装置１４３を接続する。
【００５７】
まず、入力Ａに入力光１７１を入射することを考える。図２０には明示しないが入力光１７１は、光ファイバから出射した光をコリメータで平行光とした光とする。入力光１７１は、第１の偏光分離器１３１に対するＰ偏光となる第１の直線偏光１０４と第１の偏光分離器１３１に対するＳ偏光となる第２の直線偏光１０５とに分けて考える。以降は、第１の偏光分離器１３１に対するＰ偏光を図面上、垂直の矢印で示し、第１の偏光分離器１３１に対するＳ偏光を図面上、黒丸で示すことにする。
【００５８】
第１の偏光分離器１３１に入射した第１の直線偏光１０４は、Ｐ偏光のため第１の偏光分離器１３１を透過する。次に第１の半波長板１８１によって方位角が９０°回転し、第１の偏光分離器１３１に対するＳ偏光と同一方向に振動する偏光に変換される。さらに、第１の液晶ビーム偏向器１０１の第１の活性領域１４５を通りバンドパスフィルタ１１１に達する。ここで、第１の液晶ビーム偏向器１０１および第２の液晶ビーム偏向器１０３の配向膜のラビング方向を、入射偏光と平行になるように配向処理しておく。つぎに第１の直線偏光１０４の内、第１の液晶ビーム偏向器１０１で入射角が選択されバンドパスフィルタ１１１を透過する成分は、第２の液晶ビーム偏向器１０３で、バンドパスフィルタ１１１への入射偏向角と逆方向に偏向される。つまり、第１の液晶ビーム偏向器１０１が＋θだけ偏向した場合、第２の液晶ビーム偏向器１０３では、−θだけ偏向する。第２の液晶ビーム偏向器１０３を出射した光は、第２の半波長板１８３によって方位角を９０°回転し第２の偏光分離器１３３に対するＰ偏光に変換され第３の直線偏光１１３として出力Ｂから出射する。
【００５９】
一方、入力Ａに入った第２の直線偏光１０５は、Ｓ偏光のため第１の偏光分離器１３１で直角に向きを変えて、第１の全反射ミラー１２５に入射し、更に、直角に向きを変えてＳ偏光のまま、第１の液晶ビーム偏向器１０１の第２の活性領域１４７を通りバンドパスフィルタ１１１に達する。ここで、第１の液晶ビーム偏向器１０１および第２の液晶ビーム偏向器１０３の配向膜のラビング方向を、入射偏光と平行になるように配向処理しておく。つぎに第２の直線偏光１０５の内、第１の液晶ビーム偏向器１０１で入射角を選択されバンドパスフィルタ１１１を透過する成分は、第２の液晶ビーム偏向器１０３で、バンドパスフィルタ１１１への入射偏向角と逆方向に偏向される。
【００６０】
つまり、第１の液晶ビーム偏向器１０１が＋θだけ偏向した場合、第２の液晶ビーム偏向器１０３では、−θだけ偏向する。第２の液晶ビーム偏向器１０３を出射した光は、第２の全反射ミラー１２７で直角に向きを変え、さらに第２の偏光分離機１３３でもう一度直角に向きを変えて第４の直線偏光１１５として出力Ｂから出射する。２つの直線偏光１１３、１１５が合成された出力光１７３は、図示しないが必要に応じてコリメータレンズを介して光ファイバと結合する。
【００６１】
このように、第１の活性領域１４５と第２の活性領域１４７を通る光がバンドパスフィルタ１１１と交差する点は、バンドパスフィルタ１１１上で異なった点となる。そこで、バンドパスフィルタ１１１の反射および透過特性は、面内でばらつくことが多いため、第１の液晶ビーム偏向器１０１および第２の液晶ビーム偏向器１０３の複合電極は、例えば、図１０に示す第４の複合電極ように、２領域に分割し、駆動回路により独立に制御する機能を付加することが望ましい。
【００６２】
図１０は、第１の活性領域６７１と第２の活性領域６７３を有する第４の複合電極２１１ｄの平面図である。第１の活性領域６７１と第２の活性領域６７３とを、独立に制御するため、この第４の複合電極２１１ｄにおいては、図７で示した第１の複合電極２１１ａを２つ平面内に配置した構造としている。第１の活性領域６７１は、前記第１の複合電極２１１ａの通りであり、第４の複合電極構造は、第２の活性領域６７３に、第３の要素格子９５１と第４の要素格子９６１を有する。その第３の要素格子９５１は駆動波形を印加するための第９の信号電極９１１と第１０の信号電極９１３を、さらに第４の要素格子９６１は第１１の信号電極９１５と第１２の信号電極９１７を有する。なお、第４の複合電極２１１ｄでは、説明を簡単にするため第１および第２の活性領域６７１、６７３を構成する要素格子はそれぞれ２つとして説明したが、仕様に応じて要素格子の数を増やしても構わない。以上の説明の如く、本構成の第４の複合電極２１１ｄは、液晶可変波長フィルタ装置への入力を分割して制御したい場合に有効な構造である。
【００６３】
以上、液晶ビーム偏向器へ入射した特定の偏光成分の光を直線偏光成分とし、その成分の光の利用効率を高くした場合について説明したが、他の成分の光であっても本発明の構成を適用できることは云うまでもない。
【００６４】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明の液晶可変波長フィルタ装置において、従来の液晶を用いたチューナブルフィルタで実現できなかった透過帯域に近いストップバンドの高アイソレーション特性と平坦な透過帯域特性を有し、仕様に応じた理想特性を有する任意のフィルタを透過および反射特性を実現するために用いることが可能となり、しかも単純な構造で、駆動においても単純に制御可能な光ファイバ通信に適する可変波長フィルタ装置を実現することができる。
【００６５】
また、本発明の液晶可変波長フィルタ装置への入射直線偏光と出射直線偏光とを平行に保つことは、入射光および出射光が光ファイバとコリメータとで構成される微小光学系への光結合係数を大きく保ち、結合損失を最小に押えることができるため有効である。
【００６６】
なお、本発明の範囲はここに述べる装置により限定されないで、自由空間光通信やその他の光信号処理システムに適用するための液晶可変波長フィルタ装置への応用も可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態における液晶可変波長フィルタ装置を示す模式断面図である。
【図２】本発明の実施形態における液晶可変波長フィルタ装置の第１の液晶ビーム偏向器とバンドパスフィルタ付近の要部拡大である。
【図３】本発明の実施形態における液晶可変波長フィルタ装置の透過特性を示すグラフである。
【図４】本発明の実施形態における液晶可変波長フィルタ装置の中心波長とバンドパスフィルタの入射角の関係を示す特性図である。
【図５】本発明の実施形態におけるバンドパスフィルタからみてＰ偏光となる場合の液晶ビーム偏向器の断面図である。
【図６】本発明の実施形態におけるバンドパスフィルタからみてＳ偏光となる場合の液晶ビーム偏向器の断面図である。
【図７】本発明の実施形態における液晶ビーム偏向器の第１の複合電極の構造を示す模式平面図である。
【図８】本発明の実施形態における液晶ビーム偏向器の第２の複合電極の構造を示す模式平面図である。
【図９】本発明の実施形態における液晶ビーム偏向器の第３の複合電極の構造を示す模式平面図である。
【図１０】本発明の実施形態における液晶ビーム偏向器の第４の複合電極の構造を示す模式平面図である。
【図１１】本発明の実施形態における液晶ビーム偏向器の基本原理を示す模式図である。
【図１２】本発明の実施形態における液晶ビーム偏向器の動作原理を示す断面図である。
【図１３】本発明の実施形態における液晶素子の電圧−実効複屈折特性の関係を示すグラフである。
【図１４】本発明の実施形態における液晶可変波長フィルタ装置の駆動波形を説明する模式図である。
【図１５】本発明の実施形態における液晶ビーム偏向器の電位分布を示す図である。
【図１６】本発明の実施形態における液晶素子の電圧−相対位相差特性の関係を示すグラフである。
【図１７】本発明の実施形態における液晶ビーム偏向器の複合電極位置と位相分布の関係を示す模式図である。
【図１８】本発明の実施形態における液晶可変波長フィルタ装置の他の駆動波形を示す模式図である。
【図１９】本発明の実施形態における液晶ビーム偏向器の第３の複合電極における位相分布を説明する模式図である。
【図２０】本発明の実施形態における液晶可変波長フィルタ装置のモジュール構成示す模式断面図である。
【図２１】従来例における液晶可変波長フィルタ装置の基本構造を示す模式断面図である。
【図２２】従来例における液晶可変波長フィルタ装置の透過率特性と理想特性を比較するための特性図である。
【符号の説明】
１０１ 第１の液晶ビーム偏向器
１０３ 第２の液晶ビーム偏向器
１１１ バンドパスフィルタ
１２１ 第１のウェッジプリズム
１２３ 第２のウェッジプリズム
１３０ 液晶可変波長フィルタ装置
１４１ 第１の駆動装置
１４３ 第２の駆動装置
１５１ 入射光
１５３ 第１の出射光
１５５ 第２の出射光
１５７ 第３の出射光
１６１ 第１の経路
１６３ 第２の経路
１６５ 第３の経路
２０１ 第１の透明基板
２０３ 第２の透明基板
２０７ ダイレクタ
２０９ ティルト角
２１１ 複合電極
２１３ 共通電極
５０１ ネマティック液晶層
６２１．．．６４０ 個別電極
７２１．．．７４０ 個別電極
７５１ 第１の要素格子
７６１ 第２の要素格子
９５１ 第３の要素格子
９６１ 第４の要素格子
【発明の属する技術分野】
本発明は、液晶を用いた可変波長フィルタ装置に関し、さらに詳しくは光ファイバを用いた波長多重（ＷＤＭ）通信方式・光化ネットワークに用いる液晶を用いた可変波長フィルタ装置およびその駆動方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
今日の光ファイバを用いた波長多重（ＷＤＭ）通信方式は、電気―光のハイブリッドシステムであり、さらに信号を光のまま処理する全光化ネットワークに向けて技術が進歩している。波長選択を可能とする可変波長フィルタは、この光化ネットワークにおいて重要な役割を担うと考えられている。可変波長フィルタの用途としては、例えば動的なアド／ドロップマルチプレクサや波長ルータが挙げられる。
【０００３】
従来、可変波長フィルタとして、光路長を機械的に制御する方式（ＭＥＭＳを含む）や光導波路と熱―光学効果を組み合わせたマッハ・ツェンダー型あるいは音響光学効果を用いたフィルタなど様々な方式が提案されている。これらの方式が記述されている参考文献として例えば、V. M. Bright “Selected Papers On Optical MEMS”, Vol. MS153, SPIE,1999. や H. T. Mouftah and J. M. H. Elmirghani, “Photonic Switching Technology”, IEEE, 1999. がある。様々な方式の中でも液晶を用いたチューナブルフィルタは、機械的な可動部を持たないことや電力消費が少ないことから光化ネットワークに適用可能なチューナブルフィルタとして期待されている。その代表例として、液晶層をキャビティに用いたファブリ―ペロー型フィルタについて説明する。
【０００４】
前記液晶ファブリ―ペローフィルタの参考文献として例えば、K. Hirabayashi, H. Tsuda, and T. Kurokawa, J. Lightwave Technol., vol. 11, No. 12, pp.2033- 2043, 1993. がある。図２１にその基本的な液晶ファブリ―ペローフィルタの断面図を示す。液晶ファブリ―ペローフィルタ１０００は第１の誘電体多層膜ミラー１０１７と第２の誘電体多層膜ミラー１０１９とに挟まれたネマティック液晶材料１００１を満たしたキャビティ層１００３から構成される。ネマティック液晶材料１００１は図２１の断面図に平行に並ぶように第１の配向膜１０１３と第２の配向膜１０１５で配向する。このとき、第１の配向膜１０１３と第２の配向膜１０１５の表面はラビング処理により異方性を付与している。さらに、前記キャビティ層１００３が所定のギャップを保つようにスペーサ１０２１で第１のフィルタ基板１００５と第２のフィルタ基板１００７とを固定している。そして、ネマティック液晶材料１００１に電場を印加するように第１の透明導電膜１００９と第２の透明導電膜１０１１が形成される。
【０００５】
この液晶ファブリ−ペローフィルタ１０００は、共振器を形成する前記キャビティ層１００３の屈折率を変化させ、光路長となる屈折率とキャビティ層との積を変化させることで共振波長を変化させるものである。その液晶ファブリ―ペローフィルタ１０００の共振波長λｍは、
λm＝２ｎeff（Ｖ）・ｄ／ｍ （１）
で与えられる。ここで、ｎeff（Ｖ）はキャビティ層１００３の実効的な異常光屈折率であり印加電圧Ｖの関数であることを示す。ｄはキャビティギャップ、そして、ｍは整数である。図２１において、上方から垂直入射した断面図に平行な入射直線偏光１０３１の光のうち式（１）の共振波長λmに相当する波長の光だけが出射直線偏光１０３３となって液晶ファブリ―ペローフィルタ１０００を透過する。ネマティック液晶材料１００１に電場を印加しないときの実効的な異常光屈折率ｎeff（０）は、液晶ダイレクタ１０４１のプレティルト角をθ0としたとき、キャビティ層１００３では一定値を取り、
ｎeff（０）＝（ｓｉｎ2θ0／ｎ02＋ｃｏｓ2θ0／ｎe2）-1/2 （２）
となる。ｎ0は常光屈折率、ｎeは異常光屈折率を示す。
【０００６】
電場をネマティック液晶材料１００１に印加した場合は、印加電圧に応じてキャビティ層１００３の厚み方向の中央部ではプレティルト角θpは大きな値となり、第１の配向膜１０１３と第２の配向膜１０１５に近づくにしたがいθpはθ0に近づく。したがって、電場Ｖをネマティック液晶材料１００１に印加したとき、キャビティ層１００３の実効的な異常光屈折率ｎeff（Ｖ）の厚み方向の平均値は、電場無印加時と比較し小さな値をとり、同一次数ｍの共振波長λｍで比較したとき共振波長λｍの値は、式（１）でわかるように短波長側にシフトする。このように所定の波長を選択的に透過させることができる液晶ファブリ―ペローフィルタ１０００をチューナブルフィルタに用いることができる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図２１に代表される液晶ファブリ―ペローフィルタ１０００の場合、キャビティ層１００３を液晶セルとして構成するため、構造上キャビティ層が単層となる。したがって、液晶ファブリ−ペローフィルタの透過率と波長との関係は、図２２の特性２２０１となってしまい、透過帯域に近いストップバンドのアイソレーション特性が低く、しかも鋭いピークの透過帯域特性となってしまう。これに対し、チューナブルフィルタを用いる場合の理想特性２２０３（１．６ｎｍ間隔（２００ＧＨｚ）のフィルタ特性の一例）は、透過帯域に近いストップバンドの高アイソレーション特性が実現されており、平坦な透過帯域特性（フラットトップ）を持つフィルタであることがわかる。このように、特性２２０１においては、この理想特性２２０３からかけ離れた特性しか得られておらず、これが液晶ファブリ−ペローフィルターを用いたチューナブルフィルタが高密度波長多重（ＷＤＭ）通信システムには適用できない原因となっている。
【０００８】
さらに、図２１においては、ネマティック液晶材料１００１でキャビティ層１００３を形成するため、液晶セル内部に誘電体多層膜ミラー１０１７，１０１９を形成する必要が生じる。誘電体多層膜ミラー１０１７、１０１９は、例えば高屈折率材料として五酸化タンタル（Ｔａ2Ｏ5）、低屈折率材料として二酸化シリコン（ＳｉＯ2）を用いた光学的１／４波長膜の積層膜で構成する。光通信に用いられる１．５５μｍ帯用では、誘電体多層膜ミラー１０１７，１０１９の厚みはそれぞれ数ミクロン程度必要となり、液晶ファブリ−ペローフィルタ１０００のギャップ制御および電極形成など液晶セル作製を難しくする。
【０００９】
本発明の目的は上記のような課題を解決し、液晶セルを単純な構造にできる高品位な光ファイバ通信用途に適する液晶を用いた可変波長フィルタ装置およびその駆動方法を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記目的を達成するため、基本的には、以下に記載されたような技術構成を採用するものである。
【００１１】
すなわち、本発明において上記課題を解決するための第１の手段は、液晶を用いて入射光の所定の波長を選択できる液晶可変波長フィルタ装置において、透過光の出射角を可変とする、第１の透明基板と第２の透明基板との間に液晶層を備えた液晶ビーム偏向器と、当該液晶ビーム偏向器の出射光側に配したバンドパスフィルタとを有し、このバンドパスフィルタは、液晶層の法線方向に対して、バンドパスフィルタの面法線の傾き角度をα、出射角θの最大値をθmaxとしたとき、α≧θmaxの関係を満たす様に配置されており、バンドパスフィルタに対する入射角を制御して、選択波長を可変とし、第１の透明基板には、平行ストライプ状に配した透明導電体からなる複数の個別電極が形成されており、前記第２の透明基板には、透明導電体からなる共通電極が形成されており、第１の透明基板上に形成された各個別電極に所定の電圧を印加することにより、液晶層に屈折率の変調を生じさせ、複数の個別電極は、複数の群に分けられて、各群内における複数の個別電極が共通の集電極で束ねられ、その集電極の両端に一対の信号電極が接続され、この一対の信号電極の内の一方の信号電極に交番電圧を出力し、他方の信号電極を０［Ｖ］とする期間と、他方の信号電極に交番電圧を出力し、一方の信号電極を０［Ｖ］とする期間を交互に設ける駆動装置を備えたことを特徴とする。
【００１２】
また、第２の手段は、バンドパスフィルタを、高屈折率層と低屈折率層を交互に積層した誘電体多層膜としたことである。また、その他の手段は、第１から第４の手段のいずれかの前記液晶ビーム偏向器を２つ有し、その２つの液晶ビーム偏向器の間に前記バンドパスフィルタを備えることである。また、その他の手段は、前記２つの液晶ビーム偏向器が、前記液晶層の法線方向と前記入射光の方向とが平行となる様にともに配置されて、前記２つの液晶ビーム偏向器が、その一方の液晶ビーム偏向器へ入射した特定の偏光成分の光を所定の角度θ変化させるとともに、他方の液晶ビーム偏向器で角度−θ変化させて、前記液晶可変波長フィルタ装置への入射光と出射光を平行光に保つ様に制御される構成としたことである。また、その他の手段は、前記集電極が、前記複数の個別電極と同じ材料で形成された構成とすることである。
【００１３】
さらに、前記交番電圧を、パルス幅変調した電圧としたことである。また、前記共通電極側から前記液晶層に交流バイアスを印加する期間を別途設けることである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明を実施するための最良な形態における液晶可変波長フィルタ装置およびその駆動方法を説明する。
【００１５】
はじめに本発明の実施形態における液晶可変波長フィルタ装置の構成を、図１を用いて説明する。図１は本発明の実施形態における液晶可変波長フィルタ装置１３０の構成を説明するための断面図である。
【００１６】
図１に示すように、本発明の液晶可変波長フィルタ装置１３０は、互いに平行に配置した第１の液晶ビーム偏向器１０１と第２の液晶ビーム偏向器１０３との間に、所定の角度αだけ傾けて誘電体多層膜からなるバンドパスフィルタ１１１をくさび状の第１のウェッジプリズム１２１と第２のウェッジプリズム１２３とで挟持することにより構成している。第１の液晶ビーム偏向器１０１には第１の駆動装置１４１を接続し、第２の液晶ビーム偏向器１０３には第２の駆動装置１４３を接続する。
【００１７】
この第１、第２の液晶ビーム偏向器１０１，１０３はともに、平行ストライプ状の透明導電膜からなる複数の個別電極と共通電極とで液晶層を挟んだ構成であり、複数の個別電極に所定の電圧を印加することで、液晶層に空間的な屈折率変調領域を誘起して、ブレーズド型回折格子を実現させることができる。
【００１８】
その第１の液晶ビーム偏向器１０１は、バンドパスフィルタ１１１に入射する特定の偏光成分の入射角を制御し、そのバンドパスフィルタ１１１への入射角制御で液晶可変波長フィルタ装置１３０の透過帯域特性を変えることができる。さらに、第２の液晶ビーム偏向器１０３は、第１の液晶ビーム偏向器１０１と逆方向に特定の偏光成分のビームを偏向する作用をする。したがって、第１の液晶ビーム偏向器１０１への入射光と第２の液晶ビーム偏向器１０３からの出射光とを平行に保つことが出来る。
【００１９】
次に、本発明の液晶可変フィルタ装置１３０への特定の偏光成分の入射光１５１の導光経路をさらに詳細に説明する。図１に示すように、第１の液晶ビーム偏向器１０１に入射する図１の紙面に平行な振動面を持つ入射光１５１は、第１の液晶ビーム偏向器１０１で偏向しない場合は、その第１の液晶ビーム偏向器１０１からの出射角θが０度となり、バンドパスフィルタ１１１で波長選択された成分だけが第１の経路１６１に沿って第２の液晶ビーム偏向器１０３に入射する。このとき、第２の液晶ビーム偏向器１０３も第１の経路１６１の光を偏向しないで第１の出射光１５３として出力する。
【００２０】
また、入射光１５１が正方向に＋θだけ、第１の液晶ビーム偏向器１０１で偏向された場合、バンドパスフィルタ１１１を透過する波長成分は、第２の経路１６３を通り、第２の液晶ビーム偏向器１０３に入射する。第２の液晶ビーム偏向器１０３は負方向に−θだけ第２の経路を通過した光を偏向して、第２の出射光１５５として出力する。
【００２１】
さらに、入射光１５１が負方向に−θだけ、第１の液晶ビーム偏向器１０１で偏向された場合、バンドパスフィルタ１１１を透過する波長成分は、第３の経路１６５を通り、第２の液晶ビーム偏向器１０３に入射する。第２の液晶ビーム偏向器１０３は正方向に＋θだけ第３の経路１６５を通過した光を偏向して、第３の出射光１５７として出力する。入射光１５１と第１、第２および第３の出射光１５３，１５５，１５７は平行光である。
【００２２】
このように、第１の液晶ビーム偏向器１０１は入射光１５１を図１に示すように所定の角度±θだけ偏向する作用をおこなう。ここで、図１でθを反時計方向に大きくする場合をプラス方向として、θの可変範囲の最大値をθmaxと置くと、θの可変範囲を最大限有効活用することを考慮してα≧θmaxとなるように第１、第２のウェッジプリズム１２１，１２３の角度αを決める必要がある。
【００２３】
図２は、図１における第１の液晶ビーム偏向器１０１とバンドパスフィルタ１１１付近の要部拡大図である。第１の液晶ビーム偏向器１０１の第２の透明基板２０３のネマティック液晶層５０１に接する面を基準とした出射角θとバンドパスフィルタ１１１の入射角βとの関係は、
θ＝＋θのとき、β＝α−θ
θ＝０のとき、β＝α
θ＝−θのとき、β＝α＋θ
となる。ただし、α≧θmaxである。
【００２４】
このように、バンドパスフィルタ１１１を２つの液晶ビーム偏向器に対して角度αだけ傾けることで、第１の液晶ビーム偏向器１０１により角度θだけ入射直線偏光を偏向させてバンドパスフィルタ１１１に対する所定の正の入射角βの光に変換することができる。
【００２５】
次に前記バンドパスフィルタの具体的な構成の一例を示す。前記バントバスフィルタ１１１は、以下に記すように仕様に応じて誘電体多層膜からなる所定の光学フィルタを選択できる。光ファイバ通信では、1３００ｎｍ帯や１５５０ｎｍ帯の光信号が多用されるので、以下中心波長を１５５０ｎｍとした場合について説明する。例えば入射角βが０度のとき中心波長１５５０ｎｍとなる４キャビティ構成の誘電体多層膜とした場合を次に示す。バンドパスフィルタ１１１の構成は、例えば高屈折率膜Ｈを五酸化タンタル、低屈折率膜Ｌを二酸化シリコンを選び、それぞれを交互に積層して構成した。このとき、一つの膜設計例としてＨを高屈折率膜の１５５０ｎｍで光路長が四分の一波長となる膜と表し、Ｌを低屈折率膜の１５５０ｎｍで光路長が四分の一波長となる膜と表すと、
ガラス／１．３Ｈ／Ｌ／（ＨＬ）6／Ｈ／１０Ｌ／Ｈ／（ＬＨ）6／Ｌ／（ＨＬ）7／Ｈ／１０Ｌ／Ｈ／（ＬＨ）7／Ｌ／（ＨＬ）7／Ｈ／８Ｌ／Ｈ／（ＬＨ）7／Ｌ／（ＨＬ）7／Ｈ／４Ｌ／Ｈ／（ＬＨ）7／ガラス
といった構成を用いることができる。このように、波長多重通信に適する特性のフィルタが実現できれば他の構成であっても構わない。
【００２６】
次に第１の液晶ビーム偏向器１０１によりバンドバスフィルタ１１１の入射角βを変化させたときの液晶可変波長フィルタ装置１３０の透過率特性グラフを図３に示す。前記入射角βが０度のときバンドパスフィルタ１１１の第１の透過曲線３０１は、１５５０ｎｍ近傍でフラットトップ特性３１３となる。また、バンドパスフィルタ１１１への入射角βを基準に考えると、入射角βが４度のときは第２の透過曲線３０３となり、入射角βが６度のときは第３の透過曲線３０５となる。このように、前記フラットトップ特性とともに、従来技術における液晶ファブリ−ペローフィルタ１０００（図２１）では実現できなかったストップバンドの高アイソレーションを理想特性に近づけることができることを確認した。
【００２７】
次に、図３で説明したバンドパスフィルタ１１１の入射角βと本発明の液晶可変波長フィルタ装置１３０の中心波長との関係を図４に示す。入射角βが大きくなるにしたがって、入射角依存特性４０１に示すように液晶可変波長フィルタ装置１３０の中心波長は短波長側にシフトすることがわかる。このとき第１の液晶ビーム偏向器１０１の出射角θとバンドパスフィルタ１１１への入射角βとの関係は、例えば、第１のウェッジプリズム１２１の角度αを３度、θmaxも３度としたとき、
β＝０度のとき、θ＝３度
β＝３度のとき、θ＝０度
β＝４度のとき、θ＝−１度
β＝６度のとき、θ＝−３度
となる。つまり、第１の液晶ビーム偏向器１０１の出射光θを３度から−３度まで変化させれば、バンドパスフィルタ１１１への入射角が０から６度となり、図３における中心波長を１５４６．５ｎｍから１５５０ｎｍ帯域内で任意に選択することができるのである。なお、図３および図４に示した特性は、特定の偏光成分の光としてＰ偏光（ＴＭ波）を用いた場合を示したが、入射角βが、１０度以下程度の場合は、Ｓ偏光（ＴＥ波）でもほぼ同じ特性となる。
【００２８】
続けて、第１の液晶ビーム偏向器１０１の構造を図５を用いて説明する。なお、第２の液晶ビーム偏向器１０３の構造は第１の液晶ビーム偏向器１０１と同じであるため、第１の液晶ビーム偏向器１０１だけを本実施例では説明する。
【００２９】
ネマティック液晶層５０１は、第１の液晶ビーム偏向器１０１の第１の透明基板２０１の複合電極２１１の上と第２の透明基板２０３の共通電極２１３の上とに形成した配向層２１７によって電場印加時のｐ型（ポジ型）液晶分子のダイレクタ２０７のティルト角２０９が５度以下となるようにホモジニアス配向させる。図５で示す第１の液晶ビーム偏向器１０１の場合、入射直線偏光５１１は、紙面に対して平行な成分となるようにする。この入射直線偏光５１１は後段のバンドパスフィルタ１１１からみるとＰ偏光となる。
【００３０】
第１の液晶ビーム偏向器１０１では入射光成分の内、ネマティック液晶層５０１のダイレクタ２０７に平行な成分である前記Ｐ偏光だけが位相変調可能な光となる。したがって、図１で示した入射光１５１の特定の偏光成分も図１の構成で示した第１の液晶ビーム偏向器１０１を用いた場合は、Ｐ偏光となる。
【００３１】
図５には明示しないがネマティック液晶層５０１が数μｍから数十μｍの所定の一定厚みを保持するように第１の透明基板２０１と第２の透明基板２０３をスペーサを介して固定する。また、図５には示していないが複合電極２１１と共通電極２１３が短絡するのを防ぐために複合電極２１１の上か共通電極２１３の上または両方に五酸化タンタル（Ｔａ2Ｏ5）や二酸化シリコン（ＳｉＯ2）などの透明絶縁膜を形成しても良い。また、透明絶縁膜を高屈折率膜と低屈折率膜からなる誘電体多層膜として透過率を向上することも望ましい。第２の透明基板２０３上に形成する共通電極２１３は透明導電膜からなる全面電極で良い。なお、複合電極２１１の構造は後述する。
【００３２】
前記複合電極２１１の光路部分および共通電極２１３を形成する透明導電膜に酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）を用いるときは、膜厚を５０ｎｍ以下として、さらに、１．３μｍ〜１．６μｍの近赤外域での透過率を向上するために、成膜時に酸素濃度を多くしたシート抵抗数百Ωから１ｋΩ程度の膜を使用することが望ましい。
【００３３】
ＩＴＯのほかに透明導電膜としては、酸化インジウム（Ｉｎ2Ｏ3）、酸化スズ（ＳｎＯ2）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）などの薄膜が使用可能である。この場合も、膜厚は５０ｎｍ以下として、シート抵抗は数百Ωから１ｋΩ程度の膜を使うことが望ましい。
【００３４】
また、ガラスからなる第１の透明基板２０１または第２の透明基板２０３のネマティック液晶層５０１と反対の面のうち空気層と接触する面には空気と透明基板界面での反射を防止するため必要に応じて無反射コート２１５を形成する。無反射コート２１５は例えば五酸化タンタル（Ｔａ2Ｏ5）と二酸化シリコン（ＳｉＯ2）の誘電体多層膜からなるコーティング層を用いることができる。
【００３５】
図１で示した入射光１５１または図５の入射直線偏光５１１は後段のバンドパスフィルタ１１１からみてＰ偏光となる場合の構成を代表して示したが、入射直線偏光５１１が後段のバンドパスフィルタ１１１からみてＳ偏光となる場合の液晶ビーム偏向器１０１の構成を図６に示す。ネマティック液晶層５０１のダイレクタ２０７の向きを入射直線偏光５１１のＳ偏光と平行にすること以外は、図５と同様の構造である。そのＰ偏光、Ｓ偏光における液晶ビーム偏向器の使い分けは、その仕様と用途によって構成を決めればよい。
【００３６】
次に第１の液晶ビーム偏向器１０１のブレーズド型回折格子を形成するための第１の複合電極の構造について図７を用いて詳細に説明する。第１の複合電極２１１ａは、第１の要素格子７５１と第２の要素格子７６１の２つの回折格子領域を第１の活性領域６７１に配した電極の平面図である。図７において第１の要素格子７５１は第１の個別電極７２１から第Ｎの個別電極７３０を有する。また、第２の要素格子７６１は第Ｎ＋１の個別電極７３１から第２Ｎの個別電極７４０を有する。この第１の複合電極２１１ａでは、説明を容易とするために便宜上Ｎ＝１０とした。また、第１の個別電極７２１から第２Ｎの個別電極７４０は前述の膜厚と抵抗値を有するＩＴＯなどの透明導電膜により形成する。
【００３７】
また、第１の個別電極７２１から第２Ｎの個別電極７４０は、第１の活性領域６７１の外部で複数の群（図７では２つの群）にまとめられ、各群内における各個別電極を、個別電極と同じ材料であるＩＴＯ等の共通の集電極で接続する。図７においては、第１の個別電極７２１から第Ｎの個別電極７３０を第１の活性領域６７１の外部で第１の集電極７０１で接続し、第Ｎ＋１の個別電極７３１から第２Ｎの個別電極７４０は、同じように第２の集電極７０３で接続する。さらに、第１の集電極７０１の両端に、ＭｏやＡｇ合金などの低抵抗金属材料からなる第１の信号電極７１１と第２の信号電極７１３をそれぞれ接続し、第２の集電極７０３に、第３の信号電極７１５と第４の信号電極７１７をそれぞれ接続している。なお、前記集電極をシート抵抗数百〜１ｋΩの膜だけでなく、膜厚を更に薄くしたり、その電極幅を狭くして電極の長辺方向に線形の抵抗を有するように構成しても構わない。
【００３８】
図７では便宜上、第１の要素格子７５１と第２の要素格子７６１の２つの回折格子領域だけを示したが、実際の第１の液晶ビーム偏向器１０１においては、第１の活性領域６７１に入射ビーム径に応じた所定の数の要素格子を形成する必要がある。一例として、入射光として１５５０ｎｍ帯を用いるときの具体的な設計例として、第１の活性領域６７１にシングルモード光ファイバからの光をコリメータにより平行光として入射する場合を仮定して説明する。このとき平行光のガウシアンビーム径を３００μｍとした場合、第１の活性領域の幅Ｌを４００μｍから１.５ｍｍとする。また、各要素格子の複数の個別電極は、入射光の波長を考慮して２μｍ以下のラインアンドスペースが望ましく、要素格子のピッチＰ0を５０μｍから１００μｍとしたとき第１の複合電極２１１ａの幅Ｗは、８００μｍから２ｍｍ程度が望ましい。したがって、ピッチＰ0を５０μｍとしたとき要素格子の数は、１６個から４０個となり、ピッチＰ0を１００μｍとしたときは、要素格子の数は、８個から２０個となる。ここで、第１の複合電極２１１ａの幅Ｗは、図１で示したように、出射光がビーム偏向角が＋θのときＤｕだけ、また、ビーム偏向角が−θのときＤｄだけビームを偏向しない場合（θが０度の時）からずれるため、このビームのずれ分に応じてその幅を決める必要がある。
【００３９】
前述の説明で明らかなように、ブレーズド型回折格子を形成する第１の液晶ビーム偏向器１０１においては一つの回折格子領域がＮ本の個別電極からなる場合にも、駆動回路からの制御信号に接続する信号電極の数は、集電極の両端にそれぞれ一対の信号電極を接続することにより、要素格子の数（Ｍ個）に対し２Ｍ本で済む。この構成は、特に個別電極の数が増えた場合に信号電極の数を大幅に削減することが可能となるという利点を有する。
【００４０】
次に第１の液晶ビーム偏向器１０１の動作原理について図１１を用いて説明する。ｘ−ｚ面内に平行な方向にダイレクタ２０７がホモジニアス配向した状態で外部電場を印加した場合、ダイレクタの長軸方向が電場方向に平行になるように配向するｐ型（ポジ型）ネマティック液晶を用いた液晶ビーム偏向器１０１に、ｘ軸に平行な方向に振動する直線偏光１１１０がｚ軸方向に入射することを考える。液晶ビーム偏向器１０１に入射する前の入射波面１１１３は平面である。液晶ビーム偏向器１０１に電界を印加し所定の屈折率分布となるようにダイレクタの面内分布を制御すると、入射波面１１１３を所定の角度θだけ偏向した平面波の出射波面１１２３に変換させることができる。
【００４１】
この現象を更に詳細に図１２を用いて説明する。液晶ビーム偏向器１０１のネマティック液晶層５０１の出射側の平面をｘ−ｙ平面とし、液晶は、ｘ−ｚ平面に平行となるように配向させる。このとき、入射直線偏光１２０１がネマティック液晶層５０１に垂直に入射される。このネマティック液晶層５０１内には位置ｘの関数である異常光屈折率ｎe（ｘ）の分布１２１１が要素格子のピッチＰにおけるａ−ｂ間で直線的に変化するように予め動作点を決めておく。また、ネマティック液晶層５０１の厚みｄは一定であるが、屈折率ｎe（ｘ）がピッチＰで直線的に変化しているため、ネマティック液晶層５０１中を伝搬する入射直線偏光１２０１は、場所によって異なるリターデーションΔｎ（ｘ）・ｄの変調を受けることになる。ここで、ｎ0を液晶の常光屈折率とおくと、
Δｎ(ｘ)＝ｎe（ｘ）−ｎ0 （３）
である。
【００４２】
前記入射直線偏光１２０１は前記ネマティック液晶中、つまり誘電体媒質中を伝搬する場合、リターデーションが大きいところでは遅く、逆にリターデーションが小さい個所では速く伝搬する。このため、ネマティック液晶層５０１を出射した出射直線偏光１２０３は、波面が
ｔａｎθ＝δΔｎ・ｄ／Ｐ （４）
だけ傾くことになる。ここで、δΔｎは、ａ点とｂ点でのリターデーションΔｎ（ｘ）の差を次式のように計算した値である。
δΔｎ＝Δｎ（ａ）−Δｎ（ｂ） （５）
このように、液晶ビーム偏向器のネマティック液晶層５０１における異常光屈折率ｎe（ｘ）の分布１２１１が直線的であれば、入射直線偏光１２０１と同様に出射直線偏光１２０３の波面も平面となり、結果的に入射直線偏光１２０１に対して出射直線偏光１２０３はθだけ偏向させることができる。
【００４３】
次に本発明に用いるネマティック液晶層５０１の異常光屈折率ｎe（ｘ）が直線近似できる条件について考察した。入射直線偏光は図１３に示すような印加電圧−実効複屈折率特性によって決まる変調を受ける。図１３において横軸はネマティック液晶層５０１への印加電圧の実効値、縦軸は実効複屈折率Δｎを示す。電気光学応答曲線の形状は、使用する液晶の弾性定数、誘電率異方性特性や電場無印加時の配向膜層によって決まるプレティルト角などのパラメータから決まる。この印加電圧−実効複屈折率特性はメルク社のネマティック液晶材料ＢＬ００７（商品名）のものである。またこの特性はΔｎmax＝０．２８７、液晶層の厚さを２０μｍとして求めた理論曲線である。図１３において横軸は、ホモジニアス配向セルへの印加電圧１５０１を示し、縦軸は液晶分子の実効複屈折率Δｎ１５０３を示す。図１３には、プレティルト角が０．５度、２度、５度および１０度の場合の特性を示した。前記第１の複合電極２１１ａを持つ液晶ビーム偏向器１０１として用いる場合は、図１２で説明した作用を得るために１次曲線を近似できる直線領域１５２０近傍を用いる必要がある。よって、前記ネマティック液晶のプレティルト角は直線領域１５２０を広く取るため５度以下、さらに好ましくは２度以下が望ましいことがわかる。
【００４４】
次に前記第１の複合電極２１１ａを持った液晶ビーム偏向器１０１の駆動方法および集電極の電位勾配の発生現象について説明する。初めに、第１の要素格子７５１の部分を取り出して説明する。図１４に駆動波形を示す。第１の駆動波形１６０１を第１の信号電極７１１に印加し、第２の駆動波形１６０３を第２の信号電極７１３に印加する。第１の駆動波形１６０１と第２の駆動波形１６０３は互いに周波数と位相が等しく電圧のみが異なっており、第２の駆動波形１６０３の方が第１の駆動波形１６０１より電圧を大きくする。また、期間ｔ１においては第１の駆動波形１６０１は＋Ｖ１[Ｖ]であり、第２の駆動波形１６０３は＋Ｖ２[Ｖ]である。ここで、共通電極２１３を０［Ｖ］とする。したがって、透明導電膜など線形の抵抗材料で形成した第１の集電極７０１によって電位が分割されるため第１の活性領域６７１に形成した第１の要素格子７５１の複数の個別電極には、それぞれ第１の信号電極７１１と第２の信号電極７１３に印加した電圧が配置位置によって直線的に分割されることとなる。ここで、個別電極の長手方向については個別電極がネマティック液晶層５０１のインピーダンスと比較して低抵抗材料で形成されるためほぼ同電位とすることができる。さらに、必要に応じて共通電極にバイアス交流電圧を印加する期間を期間１および期間２と別に設けても良い。
【００４５】
続けて前記第１の複合電極２１１ａ（図７）における集電極７０１上の電位勾配と、各個別電極の電位との関係を更に詳細に説明する。図１４に示す期間ｔ１においては第１の信号電極７１１と第２の信号電極７１３とを接続する第１の集電極７０１の電位分布は、前述の説明の如く、図１５の第１の電位分布１８０１で示す直線状の電位分布となる。図１４に示す期間ｔ２においては第１の集電極７０１の電位分布は、図１５の第２の電位分布１８０３となる。ここで、図１５の点ａは、第１の信号電極７１１に接続される個別電極の位置に対応し、点ｂは、第２の信号電極７１３に接続される個別電極の位置に対応している。図１４に示した駆動波形が５０％デューティの矩形波の場合は図１５で示す２つの第１および第２の電位分布１８０１、１８０３を交互に時間的に繰り返すことになる。したがって、０［Ｖ］に維持した共通電極２１３を介してネマティック液晶層５０１に印加される電圧は、どの個別電極の位置においても交番電圧化され、ネマティック液晶層５０１に直流成分が加わることはない。また、ネマティック液晶は実効値応答のため第１の信号電極７１１側には、実効値で常時Ｖ１[Ｖ]が印加され、第２の信号電極７１３には、Ｖ２[Ｖ]の電圧が印加され、さらに第１の集電極７０１で分割された電位が各個別電極に印加されると考えれば良い。
【００４６】
次に前記集電極に発生する位相分布について説明する。図１６に液晶にＢＬ００７（メルク・ジャパン社製：商品名）を使用してプレティルト角を１度に設定したときの液晶に印加する電圧［Ｖｒｍｓ］と相対位相差Δとの関係のグラフを示す。特性曲線１７１１は１．５〜２［Ｖ］近傍で直線近似領域１７０１を持つことがわかる。液晶層の厚さｄを３０［μｍ］とし、波長λを１５５０［ｎｍ］とした時を考える。なお、相対位相差Δは、実効複屈折率をΔｎとおいて、
Δ＝Δｎ・ｄ／λ （６）
で定義する。図１６の相対位相差Δの直線近似領域１７０１から、λ＝１５５０ｎｍにおいて直線可変調範囲１７０５が波長λで２波長以上、つまり位相で４π程度取れることがわかる。このように、プレティルト角によって異常光屈折率の直線近似ができると同時にそのプレティルト角の範囲内における、直線近似領域１７０１内で動作する動作電圧範囲１７０３以内の電圧印加すれば、第１の複合電極２１１ａの第１の活性領域６７１に、各個別電極の位置に比例する位相分布を実現することができる。
【００４７】
次に、先の駆動方法を用いて、前記第１の複合電極２１１ａを持つ液晶ビーム偏向器１０１で任意の偏向角を実現する具体的な方法を図１７を用いて説明する。この場合、要素格子のピッチをＰ0とし、最大偏向角θmaxを
ｔａｎθmax＝λ／Ｐ0 （７）
と定義する。このときのθmaxの位相変調曲線２００１のときの最大位相変調量は、要素格子のピッチＰ0の距離で一波長分つまり２πとなる。前記第１の複合電極２１１ａの場合、第１、第２の信号電極の位置が予め決められているので、位相を変えるために任意の電極位置で、２πだけのリセットを掛けることが不可能である。そこで、所定の位置でリセットを掛けるために、まずθmaxより少し小さい角度θpを高次光の発生無く振るために、θpの位相変調曲線２００３においては、λ〜２λの間でリセットを掛ける必要がある。このように、第１の複合電極２１１ａを用いて特定の偏光成分の光を所定の偏向角に制御するためには、所定の要素格子の内、位相変調量がλ以上２λ未満に入る要素格子毎にリセットを掛ける駆動方法を用いてなくてはならない。
【００４８】
次に前記第１の複合電極２１１ａを持った液晶ビーム偏向器１０１の別の駆動方法について説明する。図１８は、一つの要素格子に配置した信号電極端子への波形印加期間を示した図である。この駆動方法においては、１フレームを期間１と期間２に分けて駆動する。具体的には、ネマティック液晶層５０１の劣化を防ぐため、平均値が０となるような交番電圧の駆動信号２１０１を第１の信号電極７１１に印加し、第２の信号電極７１３を共通電極２１３と同電位となるように０［Ｖ］とする期間１と、第２の信号電極７１３に交番電圧の駆動信号２１０１を印加し、第１の信号電極７１１を共通電極２１３と同電位となるように０［Ｖ］とする期間２を交互に設けた駆動方法である。このような駆動方法を用いることで、期間１と期間２を足した１フレームの要素格子に生じる液晶電位分布は、それぞれの期間の実効値の和となる。期間１および期間２の印加波形は、任意で良く、例えば電圧の異なる２つの波形を印加できる。また、パルス幅変調により、実効値を制御した波形でも良い。さらに、必要に応じて共通電極にバイアス交流電圧を印加する期間を期間１および期間２と別に設けても良い。
【００４９】
次にブレーズド型回折格子を形成するための複合電極２１１の他の構造について図８を用いて詳細に説明する。先に説明した第１の複合電極２１１ａ（図７）の構造に加えて第２の複合電極２１１ｂは、第１の活性領域６７１の外部で複数の個別電極の群の両端に集電極を配する構成を採用する。図８においては、第１の活性領域６７１の外部で第１の集電極の個別電極を介して対向する位置に第３の集電極８０１を、第２の集電極７０３と個別電極を介して対向する位置に第４の集電極８０３を配する。さらに、第３の集電極８０１はＭｏやＡｇ合金などの低抵抗金属材料からなる第５の信号電極８１１と第６の信号電極８１３に接続し、第４の集電極８０３は第７の信号電極８１５と第８の信号電極８１７に接続している。
【００５０】
この第２の複合電極構造では第１の信号電極７１１と第５の信号電極８１１、第２の信号電極７１３と第６の信号電極８１３、第３の信号電極７１５と第７の信号電極８１５、および第４の信号電極７１７と第８の信号電極８１７のペアは外部で短絡して駆動する。なお、第２の複合電極２１１ｂを用いた液晶ビーム偏向器の駆動方法は、先に説明した駆動方法をそのまま適用することができる。
【００５１】
図８に示した液晶ビーム偏向器を形成するための第２の複合電極２１１ｂの構造は、個別電極が細くまた長くした場合などに、ネマティック液晶層の駆動周波数でのインピーダンスに比較して個別電極のインピーダンスが、無視できなくなる程大きくなる場合に特に有効である。
【００５２】
次に高速応答が必要な応用の場合に特に有効である他の構成の第３の複合電極について説明する。図９はブレーズド型回折格子を実現するための第１の活性領域６７１と第３の複合電極２１１ｃの関係を示す平面図である。図９において第３の複合電極２１１ｃは、複合電極を構成するＩＴＯなどの透明導電膜により形成した第１のストライブ電極６２１から第Ｎの個別電極６４０（便宜上Ｎ＝２０としている）により形成している。
【００５３】
ビーム偏向を行なうためのブレーズド型回折格子を第１の活性領域６７１に実現するために第３の複合電極２１１ｃには所定の電圧をそれぞれの個別電極６２１〜６４０に印加する必要がある。電圧パターンへの印加手段は、第１の個別電極６２１から第Ｎの個別電極６４０を図９に示すように別々に形成して各個別電極を独立にＩＣなどの駆動回路で駆動して、各個別電極に段階的な電位差を生じさせる。
【００５４】
その第３の複合電極２１１ｃを用いた液晶ビーム偏向器１０１を用いて任意の偏向角を実現する方法を図１９を用いて説明する。第３の複合電極２１１ｃにおいては、それぞれの個別電極は独立に直接駆動回路により任意の電圧を印加できる。したがって、可変調量が最小で２π（一波長）まで取れる場合、任意の偏向角を実現することが可能となる。例えば、第１の位相変調波形１９０１を、第１の活性領域６７１に実現するような電圧を各個別電極に印加したとき、偏向角θ1は、
ｔａｎθ1＝λ／Ｐ1 （８）
で与えられる値を取る。ここで、λは一波長分の相対位相差を示す。また、ｘ軸方向を個別電極に直交する方向とした。本構成を用いることで、所定の個別電極を束ねたピッチＰ1において、位相を一波長分リセットすることにより、回折効率を１００パーセントに近づけることが可能となる。次に、第２の位相変調波形１９０３を、第１の活性領域６７１に実現するような電圧を各個別電極に印加したとき、偏向角θ2は、
ｔａｎθ2＝λ／Ｐ2 （９）
で与えられる値を取る。このように、位相をリセットする所定のピッチＰ1を変更することで、任意の偏向角θを容易に実現することが可能となる。
【００５５】
さらに、第３の複合電極２１１ｃを用いた液晶ビーム偏向器１０１の場合、例えば、図１６に示す直線近似領域１７０１だけでなく、特性曲線１７１１の全域を利用することが可能となり、液晶セルの厚みを薄くして高速応答化をする上で有利である。これは、それぞれの個別電極に任意の電圧を印加できるため特性曲線１７１１の非線形性を印加電圧の重み付けにより吸収することが可能なためである。
【００５６】
最後に本発明の液晶可変波長フィルタ装置１３０を実際の光ファイバ通信でよく用いられるコリメータ間に配置した場合のモジュール構成３２０を図２０を用いて説明する。図２０では基本構成を示した図１の側面部から見た様子を示す。本発明の液晶可変波長フィルタ装置１３０は、第１の液晶ビーム偏向器１０１と第２の液晶ビーム偏向器１０３との間に所定の角度αだけ傾けて誘電体多層膜からなるバンドパスフィルタ１１１を第１のウェッジプリズム１２１と第２のウェッジプリズム１２３とで挟持することにより構成している。第１の液晶ビーム偏向器１０１には第１の駆動装置１４１を接続し、第２の液晶ビーム偏向器１０３には第２の駆動装置１４３を接続する。
【００５７】
まず、入力Ａに入力光１７１を入射することを考える。図２０には明示しないが入力光１７１は、光ファイバから出射した光をコリメータで平行光とした光とする。入力光１７１は、第１の偏光分離器１３１に対するＰ偏光となる第１の直線偏光１０４と第１の偏光分離器１３１に対するＳ偏光となる第２の直線偏光１０５とに分けて考える。以降は、第１の偏光分離器１３１に対するＰ偏光を図面上、垂直の矢印で示し、第１の偏光分離器１３１に対するＳ偏光を図面上、黒丸で示すことにする。
【００５８】
第１の偏光分離器１３１に入射した第１の直線偏光１０４は、Ｐ偏光のため第１の偏光分離器１３１を透過する。次に第１の半波長板１８１によって方位角が９０°回転し、第１の偏光分離器１３１に対するＳ偏光と同一方向に振動する偏光に変換される。さらに、第１の液晶ビーム偏向器１０１の第１の活性領域１４５を通りバンドパスフィルタ１１１に達する。ここで、第１の液晶ビーム偏向器１０１および第２の液晶ビーム偏向器１０３の配向膜のラビング方向を、入射偏光と平行になるように配向処理しておく。つぎに第１の直線偏光１０４の内、第１の液晶ビーム偏向器１０１で入射角が選択されバンドパスフィルタ１１１を透過する成分は、第２の液晶ビーム偏向器１０３で、バンドパスフィルタ１１１への入射偏向角と逆方向に偏向される。つまり、第１の液晶ビーム偏向器１０１が＋θだけ偏向した場合、第２の液晶ビーム偏向器１０３では、−θだけ偏向する。第２の液晶ビーム偏向器１０３を出射した光は、第２の半波長板１８３によって方位角を９０°回転し第２の偏光分離器１３３に対するＰ偏光に変換され第３の直線偏光１１３として出力Ｂから出射する。
【００５９】
一方、入力Ａに入った第２の直線偏光１０５は、Ｓ偏光のため第１の偏光分離器１３１で直角に向きを変えて、第１の全反射ミラー１２５に入射し、更に、直角に向きを変えてＳ偏光のまま、第１の液晶ビーム偏向器１０１の第２の活性領域１４７を通りバンドパスフィルタ１１１に達する。ここで、第１の液晶ビーム偏向器１０１および第２の液晶ビーム偏向器１０３の配向膜のラビング方向を、入射偏光と平行になるように配向処理しておく。つぎに第２の直線偏光１０５の内、第１の液晶ビーム偏向器１０１で入射角を選択されバンドパスフィルタ１１１を透過する成分は、第２の液晶ビーム偏向器１０３で、バンドパスフィルタ１１１への入射偏向角と逆方向に偏向される。
【００６０】
つまり、第１の液晶ビーム偏向器１０１が＋θだけ偏向した場合、第２の液晶ビーム偏向器１０３では、−θだけ偏向する。第２の液晶ビーム偏向器１０３を出射した光は、第２の全反射ミラー１２７で直角に向きを変え、さらに第２の偏光分離機１３３でもう一度直角に向きを変えて第４の直線偏光１１５として出力Ｂから出射する。２つの直線偏光１１３、１１５が合成された出力光１７３は、図示しないが必要に応じてコリメータレンズを介して光ファイバと結合する。
【００６１】
このように、第１の活性領域１４５と第２の活性領域１４７を通る光がバンドパスフィルタ１１１と交差する点は、バンドパスフィルタ１１１上で異なった点となる。そこで、バンドパスフィルタ１１１の反射および透過特性は、面内でばらつくことが多いため、第１の液晶ビーム偏向器１０１および第２の液晶ビーム偏向器１０３の複合電極は、例えば、図１０に示す第４の複合電極ように、２領域に分割し、駆動回路により独立に制御する機能を付加することが望ましい。
【００６２】
図１０は、第１の活性領域６７１と第２の活性領域６７３を有する第４の複合電極２１１ｄの平面図である。第１の活性領域６７１と第２の活性領域６７３とを、独立に制御するため、この第４の複合電極２１１ｄにおいては、図７で示した第１の複合電極２１１ａを２つ平面内に配置した構造としている。第１の活性領域６７１は、前記第１の複合電極２１１ａの通りであり、第４の複合電極構造は、第２の活性領域６７３に、第３の要素格子９５１と第４の要素格子９６１を有する。その第３の要素格子９５１は駆動波形を印加するための第９の信号電極９１１と第１０の信号電極９１３を、さらに第４の要素格子９６１は第１１の信号電極９１５と第１２の信号電極９１７を有する。なお、第４の複合電極２１１ｄでは、説明を簡単にするため第１および第２の活性領域６７１、６７３を構成する要素格子はそれぞれ２つとして説明したが、仕様に応じて要素格子の数を増やしても構わない。以上の説明の如く、本構成の第４の複合電極２１１ｄは、液晶可変波長フィルタ装置への入力を分割して制御したい場合に有効な構造である。
【００６３】
以上、液晶ビーム偏向器へ入射した特定の偏光成分の光を直線偏光成分とし、その成分の光の利用効率を高くした場合について説明したが、他の成分の光であっても本発明の構成を適用できることは云うまでもない。
【００６４】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明の液晶可変波長フィルタ装置において、従来の液晶を用いたチューナブルフィルタで実現できなかった透過帯域に近いストップバンドの高アイソレーション特性と平坦な透過帯域特性を有し、仕様に応じた理想特性を有する任意のフィルタを透過および反射特性を実現するために用いることが可能となり、しかも単純な構造で、駆動においても単純に制御可能な光ファイバ通信に適する可変波長フィルタ装置を実現することができる。
【００６５】
また、本発明の液晶可変波長フィルタ装置への入射直線偏光と出射直線偏光とを平行に保つことは、入射光および出射光が光ファイバとコリメータとで構成される微小光学系への光結合係数を大きく保ち、結合損失を最小に押えることができるため有効である。
【００６６】
なお、本発明の範囲はここに述べる装置により限定されないで、自由空間光通信やその他の光信号処理システムに適用するための液晶可変波長フィルタ装置への応用も可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態における液晶可変波長フィルタ装置を示す模式断面図である。
【図２】本発明の実施形態における液晶可変波長フィルタ装置の第１の液晶ビーム偏向器とバンドパスフィルタ付近の要部拡大である。
【図３】本発明の実施形態における液晶可変波長フィルタ装置の透過特性を示すグラフである。
【図４】本発明の実施形態における液晶可変波長フィルタ装置の中心波長とバンドパスフィルタの入射角の関係を示す特性図である。
【図５】本発明の実施形態におけるバンドパスフィルタからみてＰ偏光となる場合の液晶ビーム偏向器の断面図である。
【図６】本発明の実施形態におけるバンドパスフィルタからみてＳ偏光となる場合の液晶ビーム偏向器の断面図である。
【図７】本発明の実施形態における液晶ビーム偏向器の第１の複合電極の構造を示す模式平面図である。
【図８】本発明の実施形態における液晶ビーム偏向器の第２の複合電極の構造を示す模式平面図である。
【図９】本発明の実施形態における液晶ビーム偏向器の第３の複合電極の構造を示す模式平面図である。
【図１０】本発明の実施形態における液晶ビーム偏向器の第４の複合電極の構造を示す模式平面図である。
【図１１】本発明の実施形態における液晶ビーム偏向器の基本原理を示す模式図である。
【図１２】本発明の実施形態における液晶ビーム偏向器の動作原理を示す断面図である。
【図１３】本発明の実施形態における液晶素子の電圧−実効複屈折特性の関係を示すグラフである。
【図１４】本発明の実施形態における液晶可変波長フィルタ装置の駆動波形を説明する模式図である。
【図１５】本発明の実施形態における液晶ビーム偏向器の電位分布を示す図である。
【図１６】本発明の実施形態における液晶素子の電圧−相対位相差特性の関係を示すグラフである。
【図１７】本発明の実施形態における液晶ビーム偏向器の複合電極位置と位相分布の関係を示す模式図である。
【図１８】本発明の実施形態における液晶可変波長フィルタ装置の他の駆動波形を示す模式図である。
【図１９】本発明の実施形態における液晶ビーム偏向器の第３の複合電極における位相分布を説明する模式図である。
【図２０】本発明の実施形態における液晶可変波長フィルタ装置のモジュール構成示す模式断面図である。
【図２１】従来例における液晶可変波長フィルタ装置の基本構造を示す模式断面図である。
【図２２】従来例における液晶可変波長フィルタ装置の透過率特性と理想特性を比較するための特性図である。
【符号の説明】
１０１ 第１の液晶ビーム偏向器
１０３ 第２の液晶ビーム偏向器
１１１ バンドパスフィルタ
１２１ 第１のウェッジプリズム
１２３ 第２のウェッジプリズム
１３０ 液晶可変波長フィルタ装置
１４１ 第１の駆動装置
１４３ 第２の駆動装置
１５１ 入射光
１５３ 第１の出射光
１５５ 第２の出射光
１５７ 第３の出射光
１６１ 第１の経路
１６３ 第２の経路
１６５ 第３の経路
２０１ 第１の透明基板
２０３ 第２の透明基板
２０７ ダイレクタ
２０９ ティルト角
２１１ 複合電極
２１３ 共通電極
５０１ ネマティック液晶層
６２１．．．６４０ 個別電極
７２１．．．７４０ 個別電極
７５１ 第１の要素格子
７６１ 第２の要素格子
９５１ 第３の要素格子
９６１ 第４の要素格子
Claims (8)
- 液晶を用いて入射光の所定の波長を選択できる液晶可変波長フィルタ装置において、
第１の透明基板と第２の透明基板との間に液晶層を備え、正負の所定角度範囲内で、前記液晶層に対する出射角θを可変とする液晶ビーム偏向器と、
当該液晶ビーム偏向器の出射光側に配置したバンドパスフィルタとを有し、
前記バンドパスフィルタは、前記液晶層の法線方向に対して、前記バンドパスフィルタの面法線の傾き角度をα、前記出射角θの最大値をθmaxとしたとき、α≧θmaxの関係を満たす様に配置されており、
前記バンドパスフィルタに対する入射角を制御して、選択波長を可変とし、
前記第１の透明基板には、平行ストライプ状に配した透明導電体からなる複数の個別電極が形成されており、前記第２の透明基板には、透明導電体からなる共通電極が形成されており、前記第１の透明基板上に形成された各個別電極に所定の電圧を印加することにより、前記液晶層に屈折率の変調を生じさせ、
前記複数の個別電極は、複数の群に分けられて、各群内における複数の個別電極が共通の集電極で束ねられ、その集電極の両端に一対の信号電極が接続され、
前記一対の信号電極の内の一方の信号電極に交番電圧を出力し、他方の信号電極を０［Ｖ］とする期間と、前記他方の信号電極に交番電圧を出力し、前記一方の信号電極を０［Ｖ］とする期間を交互に設ける駆動装置を備えたことを特徴とする液晶可変波長フィルタ装置。 - 前記バンドパスフィルタは、高屈折率層と低屈折率層を交互に積層した誘電体多層膜であることを特徴とする請求項１に記載の液晶可変波長フィルタ装置。
- 前記液晶ビーム偏向器を２つ有し、その２つの液晶ビーム偏向器の間に前記バンドパスフィルタを備えることを特徴とする請求項１または２に記載の液晶可変波長フィルタ装置。
- 前記２つの液晶ビーム偏向器は、前記液晶層の法線方向と前記入射光の方向とが平行となる様にともに配置されて、
前記２つの液晶ビーム偏向器は、その一方の液晶ビーム偏向器へ入射した特定の偏光成分の光を所定の角度θ変化させるとともに、他方の液晶ビーム偏向器で角度−θ変化させて、前記液晶可変波長フィルタ装置への入射光と出射光を平行光に保つ様に制御されることを特徴とする請求項３に記載の液晶可変波長フィルタ装置。 - 前記バンドパスフィルタを、２つのウェッジ型プリズムで挟持することで、前記所定の角度をαが決定されることを特徴とする請求項３または４に記載の液晶可変波長フィルタ装置。
- 前記集電極は、前記複数の個別電極と同じ材料で形成されていることを特徴とする請求項１に記載の液晶可変波長フィルタ装置。
- 前記交番電圧が、パルス幅変調した電圧であることを特徴とする請求項１に記載の液晶可変波長フィルタ装置。
- 前記共通電極側から前記液晶層に交流バイアスを印加する期間を別途設けることを特徴とする請求項１に記載の液晶可変波長フィルタ装置。
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