JP4075781B2

JP4075781B2 - 波長可変フィルタ

Info

Publication number: JP4075781B2
Application number: JP2003397673A
Authority: JP
Inventors: 篤史小柳; 好晴大井
Original assignee: Asahi Glass Co Ltd
Current assignee: AGC Inc
Priority date: 2003-11-27
Filing date: 2003-11-27
Publication date: 2008-04-16
Anticipated expiration: 2023-11-27
Also published as: JP2005157109A; CN1886691A; CN1886691B

Description

本発明は、波長可変フィルタに関し、詳しくは波長多重された光信号から所望の波長の光信号を選択的にかつ可変に取り出す、波長可変フィルタに関する。

波長分割多重通信においては、多数の波長の光パルスの中から、選択的に所望の波長の光のみを選び出す波長可変フィルタが必要となる。従来、液晶エタロン型の波長可変フィルタ等の様々な波長可変フィルタが検討されている。ここで、液晶エタロン型の波長可変フィルタは、公知のエタロンのキャビティ内にネマチック液晶を充填した構成を有し、液晶に電圧を印加することにより、液晶の実質的屈折率を変化させエタロンの光路長である光学的ギャップを変化させるものである（例えば、特許文献１参照）。

しかし、ネマチック液晶の偏光依存性のため、液晶エタロン型の波長可変フィルタの用途は制限されてきた。また、ネマチック液晶に電圧を印加したときの応答速度は数１０ｍｓ程度であり、所望の波長の光を瞬時に切り替えて選択するには更に高速である方がより好ましい。

液晶エタロン型の波長可変フィルタの偏光依存性を改善するための対策として、例えば、液晶エタロン型の波長可変フィルタ中の液晶分子の螺旋軸がガラス基板と垂直になるようにすることが提案されている。しかし、液晶分子の螺旋軸がガラス基板と垂直になるようにすると、電圧を印加したときの液晶駆動で螺旋軸が基板と平行となるフォーカルコニック状態へと変化し散乱体となるため、所望の波長の光を選び出すことができない。液晶の応答速度についても、従来のネマチック液晶と同様に数１０ｍｓ程度であり、１ｍｓ以下が期待できない（例えば、特許文献２参照）。

また、偏光ビームスプリッタやミラー等の光学部品を用い、入射光を２つの直線偏光に分離し、ネマチック液晶を充填した液晶エタロン型の波長可変フィルタ透過後に、分離した両偏光成分を再合成する構成が提案されている。しかし、偏光ビームスプリッタやミラー等の付加的な光学部品が必要となり、小型化が難しいことや、液晶エタロン型の波長可変フィルタの光学的ギャップの面内ばらつきの存在により、透過帯域幅の狭い液晶エタロン型の波長可変フィルタを構成することが技術的に困難である（例えば、非特許文献１）。

また、カイラル材が含有された等方的屈折率を有するコレステリック液晶のブルー相（以下、この相の液晶をブルー相液晶という。）は発現温度範囲が数℃と極めて狭いため、コレステリック液晶にモノマーを混合して、ブルー相液晶の温度範囲で紫外線を照射することによりモノマーを高分子化して高分子ネットワークを形成し、ブルー相液晶の温度範囲を約１℃から６０℃以上に拡大した高分子安定化ブルー相液晶が得られ、１ｍｓｅｃ以下の高速応答が確認されている（例えば、非特許文献２）。
特開平５−４５６１８号公報特開平６−１４８６９２号公報フォトニック・テクノロジー・レターズ、第３巻、第１２号、１０９１頁、１９９１年（ＰｈｏｔｏｎｉｃＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＬｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．３，Ｎｏ．１２，Ｐ．１０９１（１９９１））ネイチャー、物質、第１巻、６４頁、２００２年９月（ＮａｔｕｒｅＭａｔｅｒｉａｌｓ，Ｖｏｌ．１，Ｐ．６４（Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ２００２））

しかし、このような従来の液晶エタロン型の波長可変フィルタでは、上記のように、ネマチック液晶の偏光依存性のため、偏光依存性がない波長可変フィルタを実現することが、付加的な光学部品無しでできず、且つ、小型化を実現することが困難である問題があった。

本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、フィルタ以外の付加的な光学部品を用いることなく所望の波長の光を選び出すことが可能な偏光依存性がない波長可変フィルタを提供する。

以上の点を考慮して、請求項１に係る発明は、ほぼ平行に配置され、光共振器をなす１対の反射ミラーと、前記１対の反射ミラーがなす光共振器中に配置され、等方的に屈折率が変化する等方性屈折率液晶からなる液晶層と、を備え、前記等方性屈折率液晶は、コレステリック液晶と高分子物質とからなる複合体として形成され、前記高分子物質を含有することによってコレステリックブルー相の発現温度範囲が拡大された高分子安定化コレステリックブルー相液晶であり、前記１対の反射ミラーは、Ｓｉ層とＳｉＯ _２層を交互に積層した誘電体多層膜で構成され、前記Ｓｉ層は、不純物がドープされて導電性が付与され、透明電極として機能し、前記透明電極を介して印加される電圧に応じて屈折率が変化する構成を有している。

この構成により、等方性屈折率液晶からなる液晶層を光共振器中に配置し、電圧を印加して屈折率を変えられるようにしたため、フィルタ以外の付加的な光学部品を用いることなく所望の波長の光を選び出すことが可能な偏光依存性がない波長可変フィルタを実現できる。また、等方性屈折率液晶をコレステリックブルー相液晶としたため、従来のネマチック液晶を用いたものよりも高速応答が可能な偏光依存性がない波長可変フィルタを実現できる。また、コレステリックブルー相液晶として高分子安定化コレステリックブルー相液晶を用いるため、広い温度範囲で入射偏光に依存しない安定した動作が可能な偏光依存性がない波長可変フィルタを実現できる。さらに、誘電体多層膜は、反射ミラーと透明電極との両方の機能を有し、構造を簡略化できるという効果を奏する。

本発明は、等方性屈折率液晶からなる液晶層を光共振器中に配置し、電圧を印加して屈折率を変えられるようにすることによって、フィルタ以外の付加的な光学部品を用いることなく所望の波長の光を選び出すことが可能な偏光依存性がない波長可変フィルタを提供できる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。

図１は、本発明の波長可変フィルタの概念的な側断面構造を示す図である。本発明の波長可変フィルタ１０は、いわゆる液晶エタロン型の波長可変フィルタと呼ばれるものであり、１対の反射ミラー３Ａ、３Ｂ間の光共振器中に液晶層１と透明で固体の光学媒質の層８（以下、固体光学媒質層という。）が含まれる構造を有する。

反射ミラー３Ａ、３Ｂは、１対の対向する基板６Ａ、６Ｂの対向する面に設けられ、液晶層１と反射ミラー３Ａとの間に透明電極２Ａが設けられ、液晶層１と固体光学媒質層８との間に透明電極２Ｂが設けられ、液晶層１を挟むように構成される。ここで、液晶層１は等方性屈折率液晶によって構成され、１対の透明電極２Ａ、２Ｂは液晶層１に電圧を印加するために設けられている。このように構成することにより、偏光依存性が無い液晶エタロン型の波長可変フィルタを実現できる。

ここで、基板６Ａ、６Ｂの反射ミラー３Ａ、３Ｂが設けられた面と反対側の面には、入射光および透過光の反射を抑制する目的で必要に応じて反射防止膜７Ａ、７Ｂを形成するのでもよい。また、反射ミラー３Ａと固体光学媒質層８との間に液晶層１と透明電極２Ａ、２Ｂからなる構成部を挟持するため、反射ミラー３Ａと固体光学媒質層８との間に接着剤４Ａ、４Ｂをスペーサ５Ａ、５Ｂと共に挟み液晶層１と透明電極２Ａ、２Ｂからなる構成部を保持するようになっている。

透明電極２Ａ、２Ｂとして、Ｉｎ_２Ｏ_３にＳｎＯ_２が添加されたＩＴＯなどの酸化物膜や、Ａｕ、Ａｌなどの金属膜を用いることができる。また、ＩＴＯ膜の方が金属膜に比べて光の透過性がよく、機械的耐久性が優れているため好ましい。

また、反射ミラー３Ａ、３Ｂは、例えば波長１４７０〜１６３０ｎｍ等の使用波長帯域の入射光に対して８０％以上の反射率を有し、一部の光が透過するようゼロでない透過率を有するものである。反射ミラー３Ａ、３Ｂとしては、例えば金属の薄膜、高屈折率誘電体膜と低屈折率誘電体膜を交互に波長オーダーの光学膜厚程度、積層した誘電体多層膜などが使用できる。特に、この誘電体多層膜は、膜構成により分光反射率を制御でき、また、光吸収が少ないため、反射ミラーとして用いるのに好ましい。

この誘電体多層膜を構成する高屈折率誘電体として、例えば、Ｔａ_２Ｏ_５、ＴｉＯ_２、Ｎｂ_２Ｏ_５、Ｓｉなどを用いるのでもよい。また、低屈折率誘電体多層膜として、例えば、ＳｉＯ_２、ＭｇＦ_２、Ａｌ_２Ｏ_３などを用いるのでもよい。なお、反射ミラーとして、例えばＳｉとＳｉＯ_２を交互に積層した誘電体多層膜を用いる場合、不純物をドープしてＳｉ膜層に導電性を付与することにより、透明電極としても機能させることができる。また、ＡｕやＡｇなどの金属を薄膜化して用いることにより、光吸収は大きいが反射ミラーと電極との両方の機能を持たせることもできる。この場合には、透明電極２Ａ、２Ｂを形成しなくてよい。

本発明の実施の形態では、反射ミラー３Ｂと液晶層１との間に固体光学媒質層８を設けているが、これは設けても設けなくてもいずれでもよく、設ける場合は、反射ミラー３Ｂと液晶層１との間または反射ミラー３Ａと液晶層１との間の片側もしくは両側のいずれでもよく、反射ミラー３Ｂと液晶層１との間に固体光学媒質層８を設けることにより、以下のことが可能となる。このような構成にすることにより波長可変フィルタの透過光ピークの半値幅を狭くでき、また、透過光ピークの波長間隔を調節できる。ここで、固体光学媒質層８としては、例えば、ガラス基板、アクリルやポリカーボネートなどのプラスチック基板、ＳｉやＬｉＮｂＯ_３などの無機結晶からなる無機材料基板などが使用できる。ガラス基板であると、耐久性に優れ好ましく、石英ガラス基板であれば熱膨張および光吸収が小さく透過率が高いことからさらに好ましい。

さらに、液晶層１としては、印加電圧の大きさに応じて入射光に対する屈折率が等方的に変化する材料であれば何れでもよい。また、ブルー相液晶を用いることにより、偏光依存性を除去し、１ｍｓｅｃ以下の高速応答を実現できるため好ましい。ブルー相の発現温度は、ブルー相を発現させるための温度調整のしやすさの観点から、３５℃から６５℃程度内の所定の温度範囲でブルー相が発現することが好ましい。ブルー相を得るための温度制御用として、例えば、波長可変フィルタ１０の内部にＩＴＯ膜などで温度制御用のヒーターを形成してもよい。また、高分子安定化ブルー相液晶を用いることによりブルー相の発現温度範囲が拡大され、液晶層１をブルー相に保つための温度調整が不要となるためさらに好ましい。高分子安定化ブルー相液晶に用いられる材料および作製方法については非特許文献２に例が記載されているので省略する。

また、液晶層１を狭持する基板１００、１２０表面には液晶分子を配向させる膜として、水平配向膜、垂直配向膜などが使用できるが、必ずしも配向膜を使用しなくてもよい。製造工程上は配向膜を使用しない方が工程数が少なく、作業効率がよいので好ましい。

本発明の実施例として、図１に示す断面構造の液晶エタロン型の波長可変フィルタ１０について説明する。図１は、本実施例の液晶エタロン型の波長可変フィルタ１０の側断面構造を概念的に示す図である。

基板（石英ガラス）６Ａ、６Ｂの裏面にあらかじめ反射防止膜７Ａ、７Ｂを形成しておき、その上に、１５００ｎｍから１６００ｎｍの波長の光で９５％の反射率および約５％の透過率の誘電体多層膜を反射ミラー３Ａ、３Ｂとして形成してコート基板１００、１１０を作製する。次に、固体光学媒質層８として厚さ４０μｍの石英ガラスを、石英ガラスと屈折率がほぼ等しい接着剤（図示せず）を用いてコート基板１１０の反射ミラー３Ｂ面に接着して媒質層付基板１２０を作製する。

次に、コート基板１００の反射ミラー３Ａ面上および媒質層付基板１２０の固体光学媒質層８面上に、膜厚が７ｎｍであるＩＴＯ膜の透明電極２Ａ、２Ｂを形成する。次に、媒質層付基板１２０の固体光学媒質層８上に、液晶ディスプレイ用の直径１０μｍのスペーサ５Ａ、５Ｂを接着剤４Ａ、４Ｂで包んだものをシール剤としてシールパターン層を形成し、シールパターン層を介して媒質層付基板１２０をＩＴＯ膜の透明電極２Ａの設けられたコート基板１００に貼り合わせる。

その後、カイラル材、モノマー、重合開始剤、およびネマチック液晶が混合されたものを、ＩＴＯ膜の透明電極２Ａと透明電極２Ｂとの間に充填する。非特許文献２に開示された材料および製法と同様に、液晶がブルー相となるように温度調整した状態で、液晶が注入されたセルに紫外線を照射し、モノマーを高分子化してブルー相の温度範囲が室温から約５０℃となる高分子安定化ブルー相液晶の液晶層１を形成する。

液晶エタロン型の波長可変フィルタ１０から反射ミラー３Ａ、３Ｂを除いて得られる実験用素子で、透明電極間隔１０μｍのセル内に高分子安定化ブルー相液晶が充填されたものを用いて測定した結果、１ｋＨｚの矩形波の印加電圧Ｖを印加することにより高分子安定化ブルー相液晶の屈折率ｎ（Ｖ）は、ｎ（０Ｖ）＝１．５４からｎ（１５０Ｖ）＝１．４９まで約０．０５等方的に変化し、屈折率の変化の応答速度は１ｍｓｅｃ以下であった。

したがって、本実施例の液晶エタロン型の波長可変フィルタ１０として、隣接する透過ピーク波長間隔が約１６ｎｍ、電源９による矩形波電圧の印加に応じて透過ピーク波長が最大約１０ｎｍ変化する波長可変フィルタであり、偏光依存性が無く、更に、応答速度も１ｍｓｅｃ以下が得られた。

以上説明したように、本発明の実施の形態に係る装置は、等方性屈折率液晶からなる液晶層を光共振器中に配置し、電圧を印加して屈折率を変えられるようにしたため、フィルタ以外の付加的な光学部品を用いることなく所望の波長の光を選び出すことが可能な偏光依存性がない波長可変フィルタを実現できる。

また、等方性屈折率液晶をコレステリックブルー相液晶としたため、従来のネマチック液晶を用いた波長可変フィルタよりも応答速度を向上できる。

さらに、コレステリックブルー相液晶として高分子安定化コレステリックブルー相液晶を用いるため、広い温度範囲で入射偏光に依存しない安定した動作を実現できる。

本発明に係る波長可変フィルタは、フィルタ以外の付加的な光学部品を用いることなく、偏光依存性がなく所望の波長の光を選び出すことができるという効果を有用な波長可変フィルタ等の用途にも適用できる。

本発明の液晶エタロン型の波長可変フィルタの構成例を概念的に示す側面図。

符号の説明

１液晶層
２Ａ、２Ｂ透明電極
３Ａ、３Ｂ反射ミラー
４Ａ、４Ｂ接着剤
５Ａ、５Ｂスペーサ
６Ａ、６Ｂ基板
７Ａ、７Ｂ反射防止膜
８固体光学媒質層
９電源
１０波長可変フィルタ
１００、１１０コート基板
１２０媒質層付基板

Claims

ほぼ平行に配置され、光共振器をなす１対の反射ミラーと、
前記１対の反射ミラーがなす光共振器中に配置され、等方的に屈折率が変化する等方性屈折率液晶からなる液晶層と、を備え、
前記等方性屈折率液晶は、コレステリック液晶と高分子物質とからなる複合体として形成され、前記高分子物質を含有することによってコレステリックブルー相の発現温度範囲が拡大された高分子安定化コレステリックブルー相液晶であり、
前記１対の反射ミラーは、Ｓｉ層とＳｉＯ _２層を交互に積層した誘電体多層膜で構成され、
前記Ｓｉ層は、不純物がドープされて導電性が付与され、透明電極として機能し、
前記透明電極を介して印加される電圧に応じて屈折率が変化する可変長フィルタ。