JP2004233760A

JP2004233760A - 液晶素子および光減衰器

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Publication number: JP2004233760A
Application number: JP2003023549A
Authority: JP
Inventors: Yoshiharu Oi; 好晴大井; Hiromasa Sato; 弘昌佐藤; Takuji Nomura; 琢治野村
Original assignee: Asahi Glass Co Ltd
Current assignee: AGC Inc
Priority date: 2003-01-31
Filing date: 2003-01-31
Publication date: 2004-08-19
Anticipated expiration: 2023-01-31
Also published as: JP4168767B2

Abstract

【課題】他の光学部品との光学位置調整が容易となる、レンズを用いた液晶素子を得る。
【解決手段】一対の透明基板５ａ、６間に液晶層１が狭持され、一対の透明基板５ａ、６の液晶層側の面に液晶層１に電圧を印加するための一対の電極が形成され、一方は透明電極３他方は反射電極４とし、透明基板５ａの液晶層１とは反対側の表面にレンズ２ａが形成されている液晶素子とする。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液晶素子および光減衰器に関し、特に光通信に用いる光ファイバーや光導波路から出射する発散光の光量を電圧に応じて調整できる液晶素子および光減衰器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の光減衰器の一例を図１０に示す。ＩＴＯ膜（Ｉｎ_２Ｏ_３とＳｎＯ_２の混合物）などからなる透明電極３が形成された透明基板５とＡｕやＡｌなどからなる反射電極４が形成された基板６との間に、液晶分子の配向方向が基板面に平行で、Ｙ軸方向と４５°の角度をなす方向に揃ったネマティック液晶の液晶層１が基板の周縁に設けられたシール材７ａの内部に狭持された反射型の液晶セル１１０と、その透明基板側（入射側）に、Ｙ軸方向に偏光方向を有する直線偏光のみを透過する偏光子１２と、光ファイバや光導波路などから出射された発散光を液晶セル１１０の液晶層１に集光するレンズ２とが分離して配置された構成となっている。
【０００３】
ここで、透明電極３と反射電極４とに矩形波出力の交流電源１３を接続し、この電源による電圧非印加時に、波長λでＹ軸方向に偏光方向を有する直線偏光に対する液晶セル１１０のリタデーション値がほぼλ／２となるよう液晶層１の厚さｄｌｃが設定されている。ここで、液晶層１のリタデーション値をほぼλ／２としているのは、液晶層を往復する光に対してリタデーション値がλとなり、波長板として機能させないためである。このとき、液晶層１を往復した光の偏光状態は不変であり、偏光子１２を透過する光の損失が最少となる。
【０００４】
この光減衰器において、透明電極間への電圧非印加時に反射電極４により液晶層１を往復した透過光は、Ｙ軸方向に偏光方向を有する直線偏光のまま偏光子１２を直進透過する。電圧を印加するとき印加電圧の増加に伴い、液晶分子の配向方向は液晶層の厚さ方向にすなわち基板に垂直になるように傾く。それに伴い液晶層の実質的なリタデーション値が減少しλ／４に近づき、液晶セル１１０を往復透過した光は楕円偏光となる。液晶層のリタデーション値がλ／４になったとき、液晶セル１１０は往復で１／２波長板として機能するため、液晶セル１１０の出射光はＸ軸方向に偏光方向を有する直線偏光となり偏光子を直進透過しない。
【０００５】
その結果、光ファイバや光導波路１４の端面から出射した発散光がレンズ２により偏光子１２および液晶セル１１０に集光され、液晶層１を往復して光ファイバや光導波路１４の端面に再び集光される偏光子の透過光量が印加電圧の増加に伴い単調に減少するため、電圧可変型の光減衰器となる。
【０００６】
【特許文献１】
特開平１１−３０５２０４号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従来の光減衰器では、反射型の液晶セル１１０と偏光子１２とレンズ２とが分離して配置された反射型液晶素子の構成であったため、部品の位置調整が厄介である問題を有するとともに、温度変化による各光学素子を固定する機構部品の熱膨張に伴なって位置ずれが発生し、これによる性能劣化など光減衰器の不安定性の原因となっていた。
【０００８】
特に、光ファイバまたは光導波路の出射光を反射型の液晶セル１１０の反射電極で反射させるとき、液晶層への印加電圧に応じて光強度を調整して元の光ファイバまたは光導波路に入射させる場合、反射型の液晶セル１１０とレンズ２とにより正確な位置調整および安定性が要求される。
【０００９】
また、ＡＷＧ（アレイド・ウェブガイド）などのように導波層が数μｍレベルに加工された光導波路がアレイ状に並んだ光導波路アレイからの出射光を、各導波路に対応して独立に光強度変調した後元の導波路に戻す場合、分割された画素電極により液晶層を画素電極の領域ごとに独立に電圧印加できるようにした反射型の液晶セルと各導波路から出射される光を集光するレンズがアレイ状に並べられたレンズアレイを用いればよい。しかし、反射型の液晶セルとレンズアレイを分離して配置した場合、各画素電極とレンズアレイとの精度よい位置調整が難しいため、安定して低い挿入損失を確保することは難しかった。
【００１０】
図１０に示した従来の光減衰器の一例は、液晶層に電圧を印加する電極の一方を反射電極４とした反射型液晶素子について説明した。しかし、反射電極の代わりに透明電極とした透過型の液晶素子で、液晶層を透過した光をレンズなどにより別の光ファイバーや光導波路の端面に集光して導波伝搬する構成においても同様の問題があった。
【００１１】
また、電圧非印加時の液晶層のリタデーション値がλ／２となる液晶層の厚さを設定し、電圧印加による実質的なリタデーション値をλ／２からλ／４まで変化させる場合、液晶層が比較的厚くなるため液晶層の厚さの二乗に比例して応答速度が遅くなる。さらに、リタデーション値の波長依存性が大きいため、光減衰器として用いる場合、波長によって消光比が異なる問題があった。
【００１２】
本発明は、上述の実情に鑑み高い消光比が安定して実現できる液晶素子およびそれを用いた光減衰器を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、一対の基板間に液晶層が狭持され、一対の基板のうち少なくとも一方の基板の液晶層側の面に液晶層に電圧を印加するための電極が形成され、さらに一対の基板のうち少なくともいずれか一方の基板は透明基板であって、透明基板の液晶層側とは反対側の表面または透明基板内部にレンズが形成されていることを特徴とする液晶素子を提供する。
【００１４】
また、一方の基板にのみ前記レンズが形成されており、前記レンズが形成されていない方の基板に入射光を反射する反射膜が形成されている上記の液晶素子を提供する。
【００１５】
また、前記電極は複数個に分割された画素電極からなり、かつ一方の基板に形成された前記レンズは各画素電極に対応して形成されたレンズアレイからなる上記の液晶素子を提供する。
【００１６】
また、前記レンズが形成された基板に位相板が配設され、位相板の前記レンズが形成された面とは反対側の面に電極が形成されて一方の基板が構成され、一方の基板の電極形成面が液晶層に対向している上記の液晶素子を提供する。
【００１７】
また、上記の液晶素子における前記レンズと前記液晶層の前記レンズ側に形成された電極との間に偏光子が配設されて構成される光減衰器を提供する。
【００１８】
【発明の実施の形態】
図面を参照しながら、以下に本発明の液晶素子を詳細に説明する。
【００１９】
図１は本発明の第１の実施態様である反射型の液晶素子１００の構成例を示す断面図である。一方の面には集光機能を有する凸レンズ相当のレンズ２ａが形成され、他方の面には透明電極３が形成された透明基板５ａと、片面に反射電極４が形成された透明基板６を用い、それぞれの電極面上に同一方向に配向処理された配向膜（図示せず）が形成され、シール材７ａを用いて各基板の配向膜が対向するようにセル化される。さらに、セル内に常光屈折率ｎ_ｏ（ＬＣ）および異常光屈折率ｎ_ｅ（ＬＣ）（ｎ_ｏ（ＬＣ）＜ｎ_ｅ（ＬＣ））のネマティック液晶が注入されて液晶層１とされ、透明基板と平行に液晶分子の配向方向の揃った反射型の液晶セルが得られる。
【００２０】
ここで、透明電極３と反射電極４とに矩形波出力用の交流電源１３を接続し、この電源により液晶層への印加電圧を変化させることにより、液晶層１内のダイレクタ方向が変化するため液晶層のリタデーション値が変化する。このため、配向膜の配向処理方向と４５°の角度をなす偏光方向を有する直線偏光がレンズ側から入射、反射電極で反射されて液晶層を往復した後出射する光の偏光状態が変化する。
【００２１】
したがって、光入出射側に配向膜の配向処理方向と４５°の角度をなす偏光方向を有する直線偏光のみを透過する偏光子（図示せず）を配置することにより、印加電圧に応じて出射光量を調整できる光減衰器となる。
【００２２】
なお、本実施態様において、反射電極４を透明電極として透過型の液晶素子としてもよい、その場合透明基板６の透明電極が形成されていない面にも凸レンズ相当のレンズ２ａと同じ集光機能を有するレンズを形成することが好ましい。
【００２３】
レンズの作製方法について、種々の例を以下に説明する。
第１の作製法は、透明基板５ａの表面に直接、レンズをエッチング加工する作製法である。石英ガラスなどのガラス基板上にフォトレジストを塗布硬化した後、フォトリソグラフィ技術および反応性イオンエッチング法によりフォトレジストをレンズ形状に加工する。さらに、レンズ形状に加工されたフォトレジストの全面を反応性イオンエッチングにより加工することにより、フォトレジスト形状がガラス基板上に転写されるようにガラス基板表面がレンズ形状に加工できる。
【００２４】
イオンエッチングなどによりガラス基板表面を直接加工する場合、現実的な加工深さは５０μｍ程度以下であるため、図１に示すような表面が球面に近いレンズ形状を加工する場合、開口数ＮＡ（＝０．５×有効径／焦点距離）の大きなレンズは有効径を０．５ｍｍ程度以下の図１に示すマイクロレンズ２ａとなる。
【００２５】
開口数ＮＡおよび有効径の大きなレンズを必要とする場合、図２にその断面を示すような、レンズ形状をレンズの回転対称軸と垂直な等間隔な面で切断し、同一面上に射影した断面形状を有するフレネルレンズ２ｂとすればよい。入射光がレーザ光のように可干渉性の高い場合、切断面における光路長間隔は入射光の波長相当とすることが好ましい。なお、図２において図１と同じ符号は、図１と同じ要素を示す。
【００２６】
第２の作製法は、図１の２ａまたは図２の２ｂに示すレンズ形状に対応した金型を作製し、ガラスまたは樹脂からなる透明基板５ａの表面にレンズの形状を成形加工する。この加工法の場合、マイクロレンズを精度よく加工することは難しい。
【００２７】
第３の作製法は、イオン拡散法によりガラスまたは樹脂からなる透明基板５ａの表面にパターニングされた金属膜などを加熱等により基板内部に拡散させ、空間的に屈折率分布を形成することにより平板型でレンズ機能を発現させる。この加工法の場合、マイクロレンズの加工には適するが開口径の大きなレンズには適さない。
【００２８】
また、平板型でレンズ機能を発現させる屈折率分布型マイクロレンズを作製する他の作製法として、特許第３１９００７８号に記載された液晶性材料を重合硬化させることにより空間的に液晶の配列を制御する製法などがあげられる。これも、上記の透明基板内部にレンズが形成されている場合に相当する。
【００２９】
図１および図２では、反射型の液晶素子の光入射側の透明基板５ａ表面にレンズが形成された例を示したが、図３に示すように透明基板の内側（液晶層側）の面にレンズを形成してもよい。これは透明基板５ａと５ｂとが空気層を挟んでシール材７ｂにより接合されて、反射型の液晶素子３００の液晶層を挟持する一方の基板を形成する。したがって、この場合も上記の透明基板内部にレンズが形成されている場合に相当する。
【００３０】
レンズ２ａおよび透明基板５ｂの空気層９との界面には反射防止膜が形成されていてもよい。空気層９をシール７ｂにより形成する代わりに、レンズ２ａと屈折率の異なる透明接着材で接着固定してもよい。なお、図３において図２と同じ符号は、図２と同じ要素を示す。
【００３１】
このような構成とすることにより、光ファイバや光導波路の光出射面を直接反射型の液晶素子３００の透明基板５ａの片面に接着固定して、光ファイバや光導波路からの出射発散光を集光できるため、安定性が向上する。
【００３２】
次に、透明電極３および反射電極４について以下に説明する。透明電極３は液晶素子の駆動電極膜として例えば一般的なＩＴＯ膜（Ｉｎ_２Ｏ_３とＳｎＯ_２との混合物）を透明基板５の表面に形成し、反射電極４としては入射光の波長域に対して高い反射率を有するＡｕ、Ａｌ、Ａｇなどの金属膜を基板６の表面に形成する。金属膜は柔らかいため表面に傷ができやすいので、ＳｉＯ_２などの保護膜を形成することが好ましい。さらに高い反射率を得る、または高いパワー密度のレーザ光入射に対して反射電極が損傷されないように、相対的に屈折率の高いＴａ_２Ｏ_５、ＴｉＯ_２、Ｎｂ_２Ｏ_５、Ｓｉなどの膜と相対的に屈折率の低いＳｉＯ_２、ＭｇＦ_２などの膜とを交互に波長オーダの光学膜厚で積層した光学多層膜ミラーとすることが好ましい。この場合、反射電極４とするには、光学多層膜ミラーの液晶層側の最上層にＩＴＯ膜を形成する、または光学多層膜ミラーの基板側の最下層にＩＴＯ膜を形成すればよい。また、Ｓｉなどのように近赤外波長域で透明な高屈折率材料でかつ不純物元素添加により導電性が発現する半導体膜の場合、Ｓｉ膜自体を電極膜として使用できる。
【００３３】
次に、本発明の第２の実施態様である反射型の液晶素子４００について、以下に図４に示す断面図を用いて説明する。反射型の液晶素子としての高速応答性および位相変化の波長依存性を低減するために、レンズ２ａと透明電極３との間に位相板８が配置されている。ここでは、図１において基板表面にレンズと透明電極が形成された透明基板５ａが、図４においては２枚の透明基板５ａと５ｂからなり、その間に高分子液晶層からなる位相板８が形成された形態を示している。
【００３４】
透明電極３の形成された透明基板５ｂと反射電極４の形成された基板６のそれぞれの電極面上にＹ軸に対して４５°方向に配向処理された配向膜（図示せず）が形成され、液晶層１内で透明基板と平行に液晶分子の配向方向が揃い、配向方向に遅相軸を有する高分子の液晶層１となっている。また、電圧非印加時の液晶層１のリタデーション値がほぼλ／４となるよう液晶層１の厚さｄｌｃが設定されている。
【００３５】
高分子液晶は例えば次のようにして作製される。すなわち、片面にレンズ２ａが形成された透光性基板５ａの他方の面に、液晶層の遅相軸と直交する方向に配向処理された配向膜（図示せず）が形成され、液晶モノマーの溶液を塗布し、基板と平行に液晶分子の配向方向の揃った液晶モノマー層を形成する。この液晶モノマー層に紫外線を照射し固化して、液晶分子の配向方向が固定された高分子液晶層からなる位相板８を得る。これにより液晶セルと位相板とが積層された反射型の液晶素子４００が得られる。
【００３６】
ここで、常光屈折率ｎ_ｏ（ＰＬＣ）と異常光屈折率ｎ_ｅ（ＰＬＣ）（ｎ_ｏ（ＰＬＣ）＜ｎ_ｅ（ＰＬＣ））の高分子液晶層からなる位相板８の進相軸方向（常光屈折率ｎ_ｏ（ＰＬＣ）方向）が液晶層１の遅相軸方向と一致するように、また高分子液晶層のリタデーション値がほぼλ／４となるよう高分子液晶層の厚さｄが設定されている。
【００３７】
波長λでＹ軸方向に偏光方向を有する直線偏光が反射型液晶素子４００に入射した場合、電圧非印加時は液晶層のリタデーション値はほぼλ／４で、位相板である高分子液晶層のリタデーション値とほぼ等しい。液晶層の遅相軸と位相板の遅相軸が直交しているため、反射型の液晶素子としてのリタデーション値はほぼゼロとなり、入射光と同じ偏光状態のまま同じ光路を通って反射型液晶素子を出射する。
【００３８】
また、電極間に電圧を印加した場合、電圧増加に伴い液晶層内の液晶分子の配向方向がＺ軸方向に揃うため、液晶層の実質的なリタデーション値はλ／４からゼロへと変化する。したがって、液晶層と高分子液晶層を往復する反射型の液晶素子としてのリタデーション値はゼロからλ／２と変化し、λ／２の時、反射型の液晶素子の出射光は入射光と直交する直線偏光となる。
【００３９】
なお、基板界面の液晶分子は界面の束縛力のため、電圧印加による分子配向の変化は少ない。その結果、液晶層の実質的なリタデーション値Ｒｄは完全にゼロになることはなく残留する。このような残留リタデーション値Ｒｄを考慮して、あらかじめ高分子液晶層のリタデーション値を設定しておくことにより、低電圧印加で反射型の液晶素子のリタデーション値をλ／２とできる。したがって、光入出射側に配置されたＹ軸の偏光方向を有する直線偏光のみを透過する偏光子（図示せず）を配置することにより、低電圧で出射光をゼロにできるとともに、印加電圧に応じて高い消光比で出射光量を調整できる光減衰器を構成できる。
【００４０】
上記構成では、高分子液晶層のリタデーション値をほぼλ／４とし、電圧非印加時に反射型の液晶素子のリタデーション値がゼロで、その出射光が入射光と同じ直線偏光となるが、電圧非印加時に反射型の液晶素子のリタデーション値がλ／２となるように高分子液晶層のリタデーション値を調整する。これにより、電圧非印加時に反射型の液晶素子の出射光偏光方向が入射光偏光方向と直交する直線偏光となり、印加電圧増加に伴い比較的低電圧で反射型の液晶素子の実質的なリタデーション値がゼロとなり反射型の液晶素子の出射光が入射光と同じ直線偏光とすることもできる。
【００４１】
位相板８を一体化した、図４に示す反射型液晶素子４００を構成することにより、従来例で説明した反射型の液晶素子に比べて液晶層の厚さを半分程度に薄くできるため、液晶層の厚さの２乗に比例する応答速度が高速化できる。
【００４２】
また、反射型の液晶素子の印加電圧に応じた実質的なリタデーション値の変化はλ／２とゼロとの範囲にあるため、入射光の入射角度および波長の違いに対するリタデーション値の変動は少ない。したがって、レンズが一体化された本発明の反射型の液晶素子において、高分子液晶層および液晶層への入射光が収束光や発散光の場合でもリタデーション値の変動は少ないため、光減衰器として用いた場合安定した光量調整ができる。なお、図４において図２と同じ符号は、図２と同じ要素を示す。
【００４３】
図４では高分子液晶からなる位相板８の構成例を示したが、水晶などの複屈折結晶からなる位相板を用いてもよい。その場合、透明電極３の形成された水晶波長板を透光性基板５ｂとして用いることができ、液晶素子を小型化できる。
【００４４】
また、使用される液晶はネマティック液晶に限定されず、強誘電性液晶、反強誘電性液晶などでもよい。また、液晶分子の配向も平行配向以外にねじれ配向、垂直配向、ハイブリッド配向などでもよい。電圧印加に応じて液晶層を透過する光の偏光状態が変化する液晶材料であればよい。これらの液晶の中で、ネマティック液晶を用いることは、安定した液晶配向が得られるため好ましい。
【００４５】
次に、反射型の液晶素子４００にさらに偏光性回折格子からなる偏光子を一体化した本発明の第３の実施態様である反射型の液晶素子５００について説明する。
【００４６】
偏光子としては、特定の偏光方向を有する直線偏光を透過しそれに直交する偏光方向を有する直線偏光を吸収する、例えば金属微粒子をガラス中に分散させた偏光性ガラスや偏光吸収性の有機物からなる偏光性フィルムがある。図４において、透明基板５ａの代わりに偏光性ガラスとする、または位相板８と透明ガラス５ａとの間に偏光フィルムを狭持した構成としてもよい。しかし、液晶素子と一体化して偏光吸収性の偏光子を用いた場合、光吸収に伴い液晶素子の温度が上昇し、光減衰率が変化する問題があった。
【００４７】
ここでは、図１において基板表面にレンズと透明電極が形成された透明基板５ａが２枚の透明基板５ａと５ｂからなり、位相板８が透明基板５ｂ側に、偏光性回折格子１２からなる偏光子が透明基板５ａ側に形成された形態について、以下に図５示す断面図を用いて説明する。
【００４８】
片面にレンズ２ａが形成された透光性基板５ａの他方の面に、Ｘ軸方向に配向処理された配向膜（図示せず）が形成され、位相板８の作製時と同様に、液晶モノマーの溶液を塗布し、基板と平行に液晶分子の配向方向の揃った液晶モノマー層を形成する。この液晶モノマー層に紫外線を照射し、液晶分子の配向方向が固定された常光屈折率ｎ_ｏ（ＰＬＣ）と異常光屈折率ｎ_ｅ（ＰＬＣ）（ｎ_ｏ（ＰＬＣ）＜ｎ_ｅ（ＰＬＣ））の高分子液晶層を得る。次に、フォトリソグラフィ法と反応性イオンエッチング法を用い、高分子液晶層を断面が矩形状でＸ軸方向に直線状の格子ピッチＰの回折格子１０となるよう加工し、回折格子１０の少なくとも凹部に高分子液晶層の常光屈折率ｎ_ｏ（ＰＬＣ）とほぼ等しい屈折率ｎ_ｓを有する均質屈折率透明材料１１を充填するとともに、位相板８が片面に形成された透明基板５ｂを接着一体化して偏光性回折格子１２としている。ここで、回折格子１０の高分子液晶層の厚さは、異常光偏光の入射光が回折されて直進透過しないように、０．５×λ／（ｎ_ｅ（ＰＬＣ）−ｎ_ｓ）としている。なお、図中、１は液晶層、３は透明電極、４は反射電極、６は基板、７ａはシール材、８は位相板、１３は交流電源を示す。
【００４９】
このようにして作製された反射型の液晶素子５００を用いた光減衰器の動作について、図６（ａ）および図６（ｂ）を用いて説明する。図６（ａ）は液晶層に印加する電圧がゼロで反射型の液晶素子のリタデーション値がゼロとなり、Ｙ軸方向の偏光方向を有する直線偏光の入射光が位相板８および液晶層１を往復した後の偏光が変わらない状態を示す。一方、図６（ｂ）は液晶層に振幅Ｖの矩形交流電圧を印加して反射型の液晶素子の実質的なリタデーション値がλ／２となり、Ｙ軸方向の偏光方向を有する直線偏光の入射光が位相板８および液晶層１を往復した後の偏光方向が入射光の偏光方向と直交するＸ軸方向に変化した状態を示す。
【００５０】
反射型の液晶素子５００に形成されたレンズの焦点位置に光ファイバまたは光導波路１４の光出射面が配置され、光ファイバまたは光導波路１４からＹ軸方向の偏光方向を有する直線偏光が発散光となって反射型の液晶素子５００にレンズ側から入射する。往路では偏光性回折格子１２に対して常光偏光となるため、高分子液晶層と均質屈折率透明材料の屈折率は一致し、偏光性回折格子で回折されることなく透過直進し、反射電極４により反射され、位相板８および液晶層１を往復した後、回折格子１０へ入射する。
【００５１】
図６（ａ）の状態では、図中に両矢印で光線の光路を示すように、復路も往路と同じ常光偏光で偏光性回折格子１２に入射するため、直進透過してレンズ２ａにより元の光ファイバあるいは光導波路を示す１４の光出射面のコア部に集光され、逆向きに光が導波伝搬する。
【００５２】
一方、図６（ｂ）の状態では、復路は往路と直交する偏光すなわち異常光偏光で偏光性回折格子に入射するため、図中に点線の矢印で光線の光路を示すように、偏光性回折格子１２により光は回折されてレンズ２ａにより元の光ファイバまたは光導波路１４の光出射面のコア部と異なる位置に集光され、導波伝搬する光はなくなる。
【００５３】
したがって、反射型の液晶素子５００の液晶層に加える電圧をゼロからＶの範囲で変化させることにより、復路において偏光性回折格子に入射する常光偏光と異常光偏光との比率が変わるため、光ファイバまたは光導波路１４を帰還して導波伝搬する光量を調整できる光減衰器となる。
【００５４】
図５および図６に示した反射型の液晶素子５００では、高分子液晶の回折格子１０と均質屈折率透明材料１１とからなる単一の偏光性回折格子１２を一体化した構成を示すが、直線格子の角度が互いに異なる偏光性回折格子を積層することによりさらに高い消光比を得ることができる。
【００５５】
次に、反射型の液晶素子の少なくとも一方の電極が分割された画素電極からなり、画素電極に対応する液晶層ごとに独立に電圧印加できるようにした本発明の第４の実施態様である反射型の液晶素子６００について、図７に示す断面図を用いて説明する。
【００５６】
図７では、透明電極３が４分割された画素電極からなり、反射電極４は単一の共通電極とし、各画素電極に独立に振幅の異なる矩形交流電圧を印加する。透明電極３を単一の共通電極とし、反射電極４を４分割の画素電極としてもよい。また、各画素電極に対応して光入射側の透明基板５ａの表面にマイクロレンズアレイ２ｃが加工されている。
【００５７】
また、ＡＷＧ（アレイド・ウェブガイド）などのように導波層が数μｍレベルに加工された光導波路がアレイ状に並んだ光導波路アレイからの出射光を、各導波路に対応して独立に光強度変調した後元の導波路に戻す場合、分割された画素電極により液晶層を画素電極の領域ごとに独立に電圧印加できるようにした反射型の液晶セルと各導波路から出射される光を集光するレンズがアレイ状に並べられたレンズアレイを用いればよい。しかし、反射型の液晶セルとレンズアレイを分離して配置した場合、各画素電極とレンズアレイとの精度よい位置調整が難しいため、安定して低い挿入損失を確保することは難しかった。
【００５８】
このような構成とすることにより、ＡＷＧなどの光導波路アレイ１５からの出射光を、各導波路に対応して形成されたレンズアレイ２ｃにより画素電極に集光し、液晶層１を独立に電圧印加することにより、光導波路アレイに帰還する光量を電圧に応じて調整できる光減衰器となる。
【００５９】
本発明の反射型の液晶素子６００は、集光用のマイクロレンズアレイ２ｃと偏光性回折格子１２からなる偏光子と画素電極ごとに電圧印加できる反射型の液晶セルが精度よく一体化されている。このため、光導波路がアレイ状に加工された素子と組み合わせた光減衰器として用いた場合、光学位置調整が容易になるため安定して高い光結合効率が得られるとともに、温度変化等による光結合効率の劣化も低減できる。なお、図７において図５と同じ符号は、図５と同じ要素を示す。
【００６０】
また、図７の反射型の液晶素子６００のマイクロレンズアレイ２ｃの形成された面を、図３に示した液晶素子３００と同様、素子内部に配置した反射型の液晶素子７００の断面図を図８に示す。このような構成とすることにより、光導波路がアレイ状に加工された光導波路アレイ１５の基板に、透明接着材１６を用いて、反射型の液晶素子７００の透明基板５ａを固定できるため、さらに安定した性能が得られる。図８において、７ｂはシール材、９は空気層であり、また図５と同じ符号は、図５と同じ要素を示す。
【００６１】
反射型の液晶素子において高い消光比を実現するためには、反射電極面からの反射光に重畳する他の面の界面反射光を低減することが必要である。具体的には、反射電極面と平行な透明電極面や、位相板と透明基板との界面や、偏光性回折格子と透明基板との界面や、レンズ表面である。これらの界面で発生する反射光が低減するように、透明基板との屈折率差が少ない材料を用いたり、反射防止膜を形成したり、界面での基板表面に微細な凹凸を形成して界面反射光を拡散させたりすることが有効である。
【００６２】
また、本発明では反射電極を有する反射型の液晶素子について説明したが、反射電極の代わりに透明電極を用いた透過型液晶素子においても、本発明と同様にして液晶素子の透明基板面の片面または両面にレンズを形成した構成とすることが有効である。
【００６３】
【実施例】
本例の反射型の液晶素子６００について、図７を用いて説明する。透明基板６であるガラス基板の片面にＡｕ膜を成膜して共通の反射電極４とし、透明基板５ｂであるガラス基板の片面にＩＴＯ膜を成膜して４分割の透明電極３からなる画素電極にパターニングした。ＩＴＯ膜の画素電極はＹ軸方向の幅が９５μｍ、画素電極間隔が５μｍで、１画素電極幅を１００μｍとした。いずれもガラス基板である透明基板５ｂと透明基板６の各電極面上に配向膜を塗布し硬化させた後、図７に示すＹ軸と４５°の角度方向に配向処理を施した。さらに、シール材７ａを用いて透明基板５ｂと透明基板６を基板間隔３．０μｍとなるセルとした後、常光屈折率ｎ_ｏ（ＬＣ）＝１．５２および異常光屈折率ｎ_ｅ（ＬＣ）＝１．６７のネマティック液晶を注入し、反射型の液晶セルを作製した。
【００６４】
ここで、液晶層１の遅相軸方向は液晶分子の配向方向であり、基板に対して平行となった。このとき、電圧非印加時の液晶層１のリタデーション値は０．４５μｍで、波長λ＝１．５５μｍの光に対して０．２９λとなった。また、液晶層１に交流電源１３を用いて振幅６Ｖの矩形交流電圧を印加した時、液晶層１の実質的なリタデーション値は０．０５μｍで、波長λ＝１．５５μｍの光に対して０．０４λとなった。
【００６５】
さらに、透明基板５ｂの片面に、常光屈折率ｎ_ｏ（ＰＬＣ）＝１．５２および異常光屈折率ｎ_ｅ（ＰＬＣ）＝１．７０で、進相軸が液晶層１の遅相軸と一致するように配向した高分子液晶層を厚さｄ＝２．４６μｍとなるよう形成し、位相板８とした。このとき、高分子液晶層のリタデーション値は０．４５μｍで、波長λ＝１．５５μｍの光に対して０．２９λとなった。
【００６６】
その結果、反射型の液晶素子として液晶層１と高分子液晶層を往復した波長λ＝１．５５μｍの光に対するリタデーション値は、電圧非印加時はゼロ、電圧６Ｖ印加時は０．２５λ＝１／４λとなった。
【００６７】
また、透明基板５ａの片面にフォトレジストを塗布後硬化し、フォトリソグラフィ法と反応性イオンエッチング法によりフォトレジストをＹ軸方向に４個の凸レンズアレイ形状に加工した。さらに、反応性イオンエッチング法によりフォトレジストの凸レンズアレイ形状を石英ガラスに転写加工してマイクロレンズアレイ２ｃとした。この時、マイクロレンズアレイ２ｃの各レンズは、有効径が１００μｍ、中心部高さが約１５μｍの球面形状の凸レンズで、焦点距離は０．３２ｍｍである。マイクロレンズアレイ２ｃの表面には１．５μｍから１．６μｍまでの波長帯域の反射防止膜が成膜されている。
【００６８】
さらに、透明基板５ａの他方の面に、位相板８と同じ高分子液晶を用い、Ｘ軸方向に液晶分子が配向した高分子液晶層を厚さ４．３μｍとなるように形成した。さらに、フォトリソグラフィ法と反応性イオンエッチング法により、格子ピッチ１０μｍで断面が矩形状でＸ軸方向に直線状の回折格子に加工し、屈折率ｎ_ｓ＝１．５２の均質屈折率接着材を用いて回折格子の凹部を充填して偏光性回折格子１２とするとともに反射型の液晶セルの位相板８が形成された面と接着し、反射型の液晶素子６００とした。
【００６９】
ここで、偏光性回折格子１２にＸ軸方向に偏光方向を有する異常光偏光の入射光は回折され、Ｙ軸方向に偏光方向を有する常光偏光の入射光は直進透過した。
【００７０】
このようにして作製された反射型の液晶素子６００のマイクロレンズアレイ側に、コア部の断面が８μｍ正方形状で１００μｍ間隔に４本並ぶように加工された光導波路アレイ１５の石英ガラス基板を、図９に示すようにマイクロレンズアレイ２ｃと光導波路アレイ１５の光出射端が０．２８ｍｍの間隔となるように配置した。さらに、反射型の液晶素子６００と光導波路アレイ１５の石英ガラス基板を光導波路の各コア部が反射型の液晶素子６００の各マイクロレンズの各光軸に一致するように調整し、ベース基板（図示せず）に配置固定する。ここで、１７は反射型液晶素子６００の各画素電極３と共通反射電極４を交流電源１３に接続するフレキシブルプリント基板である。
【００７１】
４本の光導波路アレイ１５から出射した波長１．５２μｍから１．５７μｍまでの光は、反射型の液晶素子の各画素電極に印加される交流電源の０から６Ｖの電圧に応じて、反射型の液晶素子の反射電極に反射されて元の光導波路アレイ１５に戻る光量が９５％から０．８％までの範囲で変化し、電圧可変の光減衰器として安定した動作が確認された。
【００７２】
また、従来の反射型の液晶素子を用いた光減衰器に比べ、印加電圧に対する光減衰率の波長依存性は低減し、応答速度も２倍以上に高速化した。さらに、６Ｖの低電圧で２０ｄＢ以上の消光比が得られた。
【００７３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の液晶素子を用いることにより、集光のためのレンズが液晶セルに精度よく一体化されているため、他の光学部品との光学位置調整が容易となるとともに、温度変化に対して安定した消光性能が得られる。
【００７４】
特に、光導波路アレイからの出射光量を独立に調整して元の光導波路アレイに帰還させる場合、レンズアレイと微小電極を有する反射型の液晶セルが一体化された本発明の反射型の液晶素子を用いることにより、光減衰器として性能の安定性が向上する。
【００７５】
また、位相板が一体化された本発明の液晶素子を用いることにより、低い印加電圧で高い消光比が得られる。
【００７６】
また、偏光子が一体化された本発明の液晶素子を用いることにより、部品点数が削減された小型な光減衰器が得られる。さらに、偏光回折型の偏光子とすることにより光吸収に伴う液晶層の温度上昇がないため動作の安定した光減衰器となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施態様の液晶素子で、凸レンズを形成した構成例を示す断面図。
【図２】本発明の第１の実施態様の液晶素子で、フレネルレンズを形成した構成例を示す断面図。
【図３】本発明の第１の実施態様の液晶素子で、透明基板の内側にレンズを形成した構成例を示す断面図。
【図４】本発明の第２の実施態様の液晶素子で、位相板を形成した構成例を示す断面図。
【図５】本発明の第３の実施態様の液晶素子で、位相板と偏光子を形成した構成例を示す断面図。
【図６】本発明の第３の実施態様の液晶素子を光減衰器として用いた場合の動作例を説明する断面図で、（ａ）は電圧非印加時、（ｂ）は電圧印加時の光線の光路を示す。
【図７】本発明の第４の実施態様の液晶素子で、マイクロレンズアレイを用いた光減衰器の１つの構成例を示す断面図。
【図８】本発明の第４の実施態様の液晶素子で、マイクロレンズアレイを用いた光減衰器の他の構成例を示す断面図。
【図９】本発明の第４の実施態様の図７の液晶素子を光導波路と組み合わせて光減衰器として用いた場合の配置例を示す斜視図。
【図１０】従来の液晶素子を用いた光減衰器の構成例を示す断面図。
【符号の説明】
１：液晶層
２、２ａ：レンズ（マイクロレンズ）
２ｂ：フレネルレンズ
２ｃ：マイクロレンズアレイ
３：透明電極
４：反射電極
５、５ａ、５ｂ、５ｃ、６：透明基板
７ａ、７ｂ：シール材
８：位相板
９：空気層
１０：回折格子
１１：均質屈折率材料
１２：偏光子（偏光性回折格子）
１３：交流電源
１４：光ファイバまたは光導波路
１５：光導波路アレイ
１６：透明接着材
１００、２００、３００、４００、５００、６００、７００：液晶素子
１１０：液晶セル

Claims

一対の基板間に液晶層が狭持され、一対の基板のうち少なくとも一方の基板の液晶層側の面に液晶層に電圧を印加するための電極が形成され、さらに一対の基板のうち少なくともいずれか一方の基板は透明基板であって、透明基板の液晶層側とは反対側の表面または透明基板内部にレンズが形成されていることを特徴とする液晶素子。
一方の基板にのみ前記レンズが形成されており、前記レンズが形成されていない方の基板に入射光を反射する反射膜が形成されている請求項１に記載の液晶素子。
前記電極は複数個に分割された画素電極からなり、かつ一方の基板に形成された前記レンズは各画素電極に対応して形成されたレンズアレイからなる請求項１または２記載の液晶素子。
前記レンズが形成された基板に位相板が配設され、位相板の前記レンズが形成された面とは反対側の面に電極が形成されて一方の基板が構成され、一方の基板の電極形成面が液晶層に対向している請求項１、２または３に記載の液晶素子。
請求項１から４のいずれかに記載の液晶素子における前記レンズと前記液晶層の前記レンズ側に形成された電極との間に偏光子が配設されて構成される光減衰器。