專利名稱：建立在橫向場上的液晶光柵的制作方法
背景技術(shù)：
1.發(fā)明領(lǐng)域本發(fā)明一般涉及電一光偏振器，尤其涉及供光通信系統(tǒng)使用的電—光偏振器，諸如可變的光衰減器(VOA)、動態(tài)增益平穩(wěn)器件或其它光學(xué)元件。
2.技術(shù)背景作為一種出自用于網(wǎng)絡(luò)中的其它光學(xué)元件例子，可變的光衰減器(VOA)是光通信系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)單元之一。VOA可以調(diào)諧方式減小光信號的功率電平。輸入光焦度大于輸出光焦度1/k倍，其中，k是可變衰減系數(shù)并通過控制信號Vs而變化。因此，輸出光焦度正比于減少k倍的輸入焦度。k的大小由Vs來控制，并且限制在從0到1的范圍內(nèi)。
目前，在幾種方法來實現(xiàn)VOA。兩種最積極地推行的方法包括光—機(jī)械方法，諸如一種移動的刀片或一種可變的中性密度濾波器；和電—光方法，諸如采用傳統(tǒng)的無源液晶技術(shù)。建立在傳統(tǒng)的液晶上的VOA提供出超過光—機(jī)械裝置的的低電壓、低成本的優(yōu)點，但是，當(dāng)從不同的正交坐標(biāo)去除的偏振不等時，一般存在或由于分開的偏振器的存在引起不能接受的損耗溫度效應(yīng)、與偏振有關(guān)的損耗，可以用雙偏振路徑系統(tǒng)來克服這些原有技術(shù)的缺點。然而，增添偏振分離器和組合器招來了附加的成本。
大多數(shù)液晶裝置采用橫向電場。在橫向電場中，電力線從夾在中間的液晶(LC)材料的第一基片延伸到第二基片。
在這種采用橫向電場的傳統(tǒng)LC裝置中，由于來自鄰近電極的邊緣電場的電串?dāng)_，分辨率被限于薄膜厚度的約五倍。所以，要權(quán)衡分辨率和有用的LC薄膜厚度。因此，高質(zhì)量結(jié)構(gòu)大概不會是為了一些特征或低于10μm的光柵周期。
對無源地調(diào)整橫向場LC裝置所需的對準(zhǔn)是類似的，通常通過復(fù)雜的摩擦過程獲得。
所以，對用作光通信的元件，諸如多端口VOA或動態(tài)增益平穩(wěn)裝置，需要一種簡單的、非機(jī)械的、低成本、低電壓、低功率、高分辨率、可排列的裝置或方法來控制偏振。
附圖簡述

圖1是按照本發(fā)明內(nèi)容的偏振器晶格10的橫截面圖和頂視圖；圖2是被正常光線射中圖1中晶格10的側(cè)視圖；圖3是被異常的光線射中圖1中晶格10的側(cè)視圖；圖4是通過對圖1中晶格10施加控制信號50而擴(kuò)大顯現(xiàn)的橫向電感應(yīng)光柵；圖5是從圖4的電場應(yīng)用中形成的傾斜線42的顯微圖；圖6是對于圖4的各種入射讀出光束角的插入損耗圖；圖7是按照本發(fā)明內(nèi)容，被濾光的圖1中的晶格10的圖象；圖8是按照本發(fā)明內(nèi)容，在透射結(jié)構(gòu)中采用圖1中的液晶光柵晶格10提供平行光柵矢量的第一VOA實施例；圖9是按照本發(fā)明內(nèi)容，在透射結(jié)構(gòu)中采用圖1中的液晶光柵晶格10提供正交光柵矢量的第二VOA實施例的頂視圖；圖10是按照本發(fā)明內(nèi)容圖9中的第二VOA實施例的側(cè)視圖；圖11是按照本發(fā)明的內(nèi)容，在反射結(jié)構(gòu)中采用圖1中的液晶光柵晶格10的第三VOA實施例；圖12是按照本發(fā)明內(nèi)容，在動態(tài)增益平穩(wěn)應(yīng)用中，在一塊基片上的圖1中衍射光柵晶格10的陣列的應(yīng)用。
較佳實施例的詳細(xì)描述現(xiàn)在將詳細(xì)地引用本發(fā)明的較佳實施例，其中的例子都圖示在附圖中，在整個附圖中盡可能地用相同的標(biāo)號指出相同或類似的部分。本發(fā)明的用作電一光偏振器或晶格的光柵示范性實施例一般都用標(biāo)號10來指出。
參閱圖1，建立在橫向場上的液晶相光柵或光柵組件的基本結(jié)構(gòu)，以晶格的橫截面和頂視圖示出。該晶格或光柵組件可以被單獨用作光學(xué)器件，諸如偏振器，或與多個晶格一起使用，如在VOA中，或與多重晶格排成陣列形成可排列的光學(xué)裝置，諸如多端口VOA或組合一些晶格10在一塊襯底上形成多重VOA以制成圖12的動態(tài)增益平穩(wěn)濾光器。例如，可以把多晶格在單一的襯底上排列得形成多個VOA而用作液晶交叉連接(LCX)或另一種光學(xué)裝置。
參閱圖1中晶格的橫截面圖，電—光偏振器、光柵組件或晶格10包括形成晶格基底的第一玻璃片12。第一對準(zhǔn)表面活化劑14被涂第一玻璃片12的一個表面上。相似地，第二對準(zhǔn)表面活化劑24被涂在第二玻璃片22的一個表面上。在第二玻璃片22和第二對準(zhǔn)表面活化劑24之間設(shè)置著透明的指狀交錯組合電極圖形30。一層類回歸線對準(zhǔn)的向列型液晶40薄膜被夾在第一和第二對準(zhǔn)表面活化劑14和24之間，將控制電壓或信號50形成的橫向電壓加于液晶40兩端，以改變液晶40的光學(xué)特性，使得偏振相依的光柵60被橫向電場50所感應(yīng)。向列型代表液晶材料的中間相。類回歸線對準(zhǔn)指液晶分子被對準(zhǔn)得垂直于對準(zhǔn)表面。
因此，根據(jù)本發(fā)明，向列型液晶材料40的類回歸線對準(zhǔn)的薄膜被夾在兩玻璃片12和22之間，每一塊玻璃片都用對準(zhǔn)層14和24涂布以形成光柵晶格或組件10。較佳的是，指狀交錯組合的透明電極圖形30具有由氧化銦錫(ITO)制成的電極。其中玻璃片22用這個電極圖形30涂布，而另一片12則不涂布電極。
參閱圖2和圖3，圖示說明了圖1的晶格如何通過衍射提供衰減。分別地表示了入射在圖1的光柵晶格10上的一束光的正常(圖2)和異常(圖3)的光線。當(dāng)一束光62進(jìn)入液晶(LC)薄膜40時，由于LC薄膜40的單軸或向列本質(zhì)，光束62分離為兩個線性本征偏振態(tài)(正常光線和異常光線)。因為正常光線64的折射率no與定向器軸向無關(guān)，在圖2中，正常光線64未遭遇到相光柵，并不受影響地通過。然而，在圖3中的異常光線66有一個折射率ne，它是定向器軸向的函數(shù)。因此，異常光線66遭遇到相光柵，并被衍射。
在異常光線66中被折射的光量是光柵強(qiáng)度的函數(shù)。光柵強(qiáng)度被通過控制信號50施加到圖1的LC薄膜40的電場滲透深度控制。滲透深度是來自施加到指狀交錯組合電極30的控制信號50的RMS(均方根)電壓的一個函數(shù)。因此，一個來自控制信號50的施加波形控制了圖3中的光柵強(qiáng)度。
本發(fā)明依靠圖1的建立在橫向場上的液晶相光柵來完成在諸如VOA的光學(xué)元件中所需的電—光相光柵的功能。光柵結(jié)構(gòu)的基本操作概念也能在3D顯示中找到應(yīng)用，但是它們在光通信元件中的結(jié)構(gòu)和應(yīng)用是不同的。
參閱圖4，圖示說明了相光柵在圖1類回歸線對準(zhǔn)液晶的薄膜中的形成。在有施加到指狀交錯組合電極30上的交流電壓或控制信號50的情況下，形成了空間變化的定向器—軸定向。理論上，液晶40傾向于沿著場線對準(zhǔn)它的定向器軸。因此，電—光偏振器，即建立在橫向場上的光柵或晶格10的光柵感應(yīng)，基于包括棒狀分子的類回歸線對準(zhǔn)的向列液晶薄膜的本質(zhì)，這些分子從與圖1的第一和第二對準(zhǔn)表面活化劑14和24垂直的類回歸線對準(zhǔn)的位置，轉(zhuǎn)動到一個跟隨在透明的指狀交錯組合電極圖形30之間由控制信號50所施加的橫向電場供以能量的橫向靜電場線的幾何圖形。
然而，在兩個電極30之間的中央，將會形成一種斜彎的缺陷墻(往往稱之為海爾費(fèi)利奇(Helfrich)墻)和線傾斜42。這種光柵結(jié)構(gòu)可以把液晶晶格或電-光偏振器10放在偏振顯微鏡中的交叉偏振器之間觀察到，如圖5所示的顯微圖。
參閱圖6，通過零級光束的插入損耗結(jié)果相對于在具有圖5的8μm間距的、示例LC光柵晶格10上所施加的RMS(均方根)電壓的關(guān)系曲線，說明了晶格10形成的光柵的衰減能力。
根據(jù)本發(fā)明的內(nèi)容，在建立在光柵上的VOA后面的基本操作和理論，包含有在濾光后圖1的薄相光柵的衍射，正如圖7所示。這些光柵的衍射光學(xué)性質(zhì)的基本操作細(xì)節(jié)是熟知的。入射到光柵的光被衍射成多個級。這些級通過對應(yīng)于它們各自的傳播角0，±1，±2，±3，…±m(xù)的數(shù)字0，±1，±2，±3，…Im來區(qū)分。衍射角θ可通過布喇格條件或方程Sinθ2=λ2|⩓|]]>從光柵矢量Λ來計算。
其中λ是入射光的波長。從布喇格方程可看出，較高分辨率的光柵(就是說，小的|Λ|提供較大的衍射角，導(dǎo)致級較快地擴(kuò)展。一旦這些級在空間分開后，可把孔徑或另一類型的空間濾光器，諸如全息照相或三棱鏡54插入到光束中去，以濾去除了零級或生光束之外的任何級。如果已經(jīng)達(dá)到所要的距離，就不需要空間濾光器了。在濾光器和光柵之間的最小距離由光束直徑ω和衍射角θ決定。d≥ωtanθ]]>被定義為零級光焦度為與總的入射光焦度之比的零級插入損耗，與衰減常數(shù)k或可變衰減系數(shù)等價。因此，插入損耗是光柵型面和光柵強(qiáng)度的函數(shù)，例如，取正弦的相型面Δp(x)作為例子，它由下式給Δφ=δcos[x⩓]]]>其中光柵強(qiáng)度由下式給出δ=2πΔnLλ]]>其中L是薄膜厚度，Δn是折射率的最大變化。第m級的衍射效率由下式給出ηm=PmPtotal=Jm2(δ)]]>其中Jm(δ)是貝塞爾函數(shù)。對于零級(m＝0)，其衍射效率ηo，也稱為插入損耗，當(dāng)光柵強(qiáng)度從δ＝0增加到δ＝2.6時，從1單調(diào)地下降到0。通過控制光柵強(qiáng)度，人們可以控制零級光束的插入損耗，從而控制主光束的衰減。
圖1中的晶格10，能被應(yīng)用于形成建立在與偏振無關(guān)的液晶上的VOA，它采用建立在橫向場上的液晶光柵。這樣一種創(chuàng)新的VOA不需要分開的偏振器對，與傳統(tǒng)的無源液晶(LC)器件相比，還具有一些吸引人的特點。
使用建立在橫向場上或向列型液晶光柵相對于使用橫向場的傳統(tǒng)無源LC條件來說，存在著幾個關(guān)鍵的優(yōu)點。正如在本領(lǐng)域中所知道的，橫向場意味著電力線開始和終止在相同的基片上，在這個例子中，由液晶的向列本性所提供的玻璃片22上。
利用邊緣場建立在橫向場的器件不受LC薄膜厚度所限制。分辨率僅受制造指狀交錯組合電極30的光刻工藝所限制。例如，制造和測試具有象0.8μm那樣小光柵周期的相光柵，能夠用建立在橫向場上的器件來完成。
對橫向場器件所需的對準(zhǔn)可以是類回歸線的，而不是象在傳統(tǒng)的無源LC器件中所需均勻的。因此，需要一種簡單的表面活化劑的沉浸涂布，而不是更為復(fù)雜的摩擦工藝。
由于圖1的所加電極電壓50控制了電場滲透進(jìn)LC薄膜40的深度，所以，在橫向場器件中，用于相光柵薄膜的必需厚度的寬容度是不太嚴(yán)格的。
橫向場器件對溫度變化不太靈敏。
此外，在橫向場器件中，圖5中缺陷墻42的形成改進(jìn)了晶格的響應(yīng)時間。
圖1的液晶相光柵，可方便地用于衍射光以產(chǎn)生可變透射。對于偏振不靈敏性，兩只這種光柵晶格10能較佳地用于透射結(jié)構(gòu)中。因為建立在橫向場上的液晶光機(jī)，只衍射光束中的兩個本征偏振態(tài)之一，正如在圖3中見到的，所以，要形成消除與編振有關(guān)的損耗的VOA，需要使兩個相同的晶格10的LC光柵在功能上被安排得彼此垂直。兩種可能的實現(xiàn)方法示于圖8和9。
參閱圖8，一種正交地轉(zhuǎn)換光柵矢量的透明半波片52，被夾在由圖1的晶格10形成的兩個建立在橫向場上的液晶光柵101和102之間，并帶有對入射光束62作空間濾光的兩個出口孔徑層54和104、有孔徑的薄層54或104是光束選擇器的一種類型，它是由在玻璃片上的一個小孔來實現(xiàn)的。把有孔徑薄層或任何其它類型的光束選擇器放在離開透明指狀交錯組合電極圖形30這樣一個距離，使得光束選擇器把從透明指狀交錯組合電極圖形衍射來的所有不想要級次的光濾去。光的過濾首先是通過決定離建立在橫向場上的薄相液晶光柵或晶格所需要的距離來實現(xiàn)的，在這段距離上，按照布喇格條件把多重級的光在空間彼此分離開來。諸如有孔徑薄層54的空間濾光器形式的光束選擇器以這個預(yù)先決定的距離放置。有孔徑薄層54是由一層吸收光的材料制成的?？讖酵ㄟ^吸光材料層形成得垂直于將會是入射到建立在橫向場上的薄相液晶光柵10的光的路徑，并離開晶格，使得只有所要級次的光通過該孔徑。
LC元件或晶格101和102的光柵矢量60必須彼此平行，因為半波片52要垂直地與第一晶格101對準(zhǔn)。平行于光柵矢量60的線性偏振分量，或一束進(jìn)入光的異常光線66被衍射成多個級。正如在圖6所見到的，插入損耗是通過控制信號50所控制的被所加交流電場控制的光柵強(qiáng)度的一個函數(shù)。垂直于光柵矢量60的線性偏振分量，或正常光線64是不受通過“看不見”或當(dāng)看著指狀交錯電極圖形30的長片段對短片段時的不變電極圖形所形成的光柵結(jié)構(gòu)的影響。一旦光束62的異常光線通過每個光柵晶格101和102傳播時，在每個有孔徑的薄層54和104中的孔徑把光束所有的較高級次濾掉，只允許零級或主光束通過，從而衰減了所有其它的級次，使得輸出光束的總光強(qiáng)度被衰減。
正如前面詳細(xì)地所述和所描述的，半波片52的功能是轉(zhuǎn)動偏振態(tài)，使得線性正交的偏振分量相互變換。平行于光柵矢量60的偏振分量變成垂直，而垂直于光柵矢量60的偏振分量變成平行。因此，當(dāng)光束62通過第二LC光柵晶格102傳播時，對一開始被衍射的正交分量的光，現(xiàn)在被衍射為多個級次。第二孔徑104也濾掉所有較高的級次，只允許零級(主光束)傳播通過。
參閱圖9和10，示出了本發(fā)明的另一實施例。兩個相同的LC光柵晶格101和10，正如在圖1所表述的后面就是單一的孔徑54。在這種情況下，為了要衍射兩個偏振分量，從而把與偏振有關(guān)的損耗減到最小，必須通過把一個晶格10放在與另一個垂直的位置來正交化地形成光柵矢量60?？讖?4被用來過濾所有較高級次的衍射光點，只允許零級光束傳播，象在半波片的情況一樣。
在兩者的情況中，衰減系數(shù)k都直接由光柵的插入損耗(圖6)決定。如果需要較高的衰減，可把多個衰減光柵晶格串接或排列起來。
參閱圖11，用側(cè)示圖來說明在反射結(jié)構(gòu)中，采用圖1的液晶光柵晶格10的第三VOA實施例。要把來自平面鏡58反射的輸入光束62的光柵矢量作正交地變換的透明或透射的1/4波長片56夾在圖1的建立在橫向場上的液晶光柵晶格10和平面鏡58之間。1/4波長片提供第一液晶相光柵組件或晶格10的雙聯(lián)型式。平面鏡58被放在離1/4波片56一預(yù)定距離，假設(shè)該距離是精確的，則不需要空間濾光器，提供了象圖8的半波片52相同的功能，允許圖8的相同衰減輸出光束從平面鏡58反射并通過單一晶格10，而不是采用圖8的兩個平行晶格。
對本領(lǐng)域中的技術(shù)人員來說是顯而易見的，就是在不背離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以對本發(fā)明作出各種修改和變化。因此，本發(fā)明覆蓋這個發(fā)明的修改和變化，只要它們包括在所附的權(quán)利要求書及其等兒技術(shù)方案的范圍之中。
權(quán)利要求
1.電—光偏振器，其特征在于，包括第一玻璃片；涂布在第一玻璃片一個表面上的第一對準(zhǔn)表面活性劑；第二玻璃片；涂布在第二玻璃片一個表面上的第二對準(zhǔn)表面活化劑；配置在第二玻璃片和第二對準(zhǔn)表面活化劑之間的透明指狀交錯組合電極圖形；以及被夾在第一和第二對準(zhǔn)表面激活劑之間的類回歸線對準(zhǔn)的向列型液晶薄膜，用于橫跨液晶加一橫向電場，以改變液晶的光學(xué)性質(zhì)，使得通過該橫向電場感應(yīng)出與偏振有關(guān)的光柵。
2.如權(quán)利要求1所述的電—光偏振器，其特征在于，該類回歸線對準(zhǔn)的向列型液晶薄膜包括棒狀分子，這些分子從垂直于第一和第二對準(zhǔn)表面活化劑的類回歸線對準(zhǔn)的位置轉(zhuǎn)到一個跟隨在透明的指狀交錯組合電極圖形之間由橫向電場供以能量的橫向靜電場線的幾何圖形。
3.如權(quán)利要求1所述的電—光偏振器，其特征在于，還包括把光束選擇器放在離開透明的指狀交錯組合電極圖形一個距離，使得該光束選擇器把從透明指狀交錯電極圖形衍射來的所有不要級次的光濾掉。
4.如權(quán)利要求1所述的電—光偏振器，其特征在于，把它放在傾斜的陣列中形成動態(tài)增益平穩(wěn)濾光器。
5.一種用于改變?nèi)肷涞诫姟馄骷墓獾墓鈱W(xué)性質(zhì)的方法，其特征在于，包括下列步驟在電—光器件中設(shè)置建立在橫向場上的薄相液晶光柵；把入射到建立在橫向場上的薄相液晶光柵的光衍射成多級次的光，以及從與建立在橫向場上的薄相液晶光柵在空間分開的多級次光中選擇所要級次的光。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，選擇的步驟包括濾光步驟。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，濾光步驟包括下列步驟決定一個與建立在橫向場上的薄相液晶光柵的距離，在這個距離多級次光在空間彼此分開，以及把空間濾光器放在預(yù)定好的距離。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，該放置步驟包括下列步驟；提供一層吸光材料；以及通過一層吸光材料形成與入射到建立在橫向場上的薄相液晶光柵的光的路徑相垂直的一個孔徑，使得只有所要級次的光通過該孔徑。
9.一可變衰減器，其特征在于，包括用于衍射入射光束第一本征偏振態(tài)的多級次光的第一液晶相光柵組件；以及用于衍射入射光束第二本征偏振態(tài)的多級次光的第二液晶相光柵組件。
10.如權(quán)利要求9所述的可變光衰減器，其特征在于，每個第一和第二光柵組包括第一玻璃片；涂布在第一玻璃片一個表面上的第一對準(zhǔn)表面活化劑；第二玻璃片；涂布在第二玻璃片一個表面上的第二對準(zhǔn)表面活化劑；配置在第二玻璃片和第二對準(zhǔn)表面活化劑之間的透明指狀交錯組合電極圖形；以及被夾在第一和第二對準(zhǔn)表面激活劑之間的類回歸線對準(zhǔn)的向列型液晶薄膜，用于橫跨液晶加一橫向電場，以改變液晶的光學(xué)性質(zhì)，使得通過該橫向電場感應(yīng)出與偏振有關(guān)的光柵。
全文摘要
一電－光偏振器，即光柵組件或晶格(10)包括第一玻璃片(12)以形成網(wǎng)絡(luò)的基底。第一對準(zhǔn)表面活化劑(14)被涂布在第一玻璃片(12)的一個表面上。相似地，第二對準(zhǔn)表面活化劑(24)被涂布在第二玻璃片(22)的一個表面上。一透明指狀交錯組合電極圖形(30)被配置在第二玻璃片(22)和第二對準(zhǔn)表面活化劑(24)之間。類回歸線對準(zhǔn)的向列型液晶(40)的薄膜被夾在第一和第二對準(zhǔn)表面活化劑(14)和(24)之間，以便跨越液晶(40)施加一由控制電壓或信號(50)產(chǎn)生的橫向電場來改變液晶(40)的光學(xué)性質(zhì)，因而橫向電場(50)感應(yīng)出與偏振有關(guān)的光柵(60)。
文檔編號G02F1/13GK1391662SQ00815903
公開日2003年1月15日 申請日期2000年10月30日 優(yōu)先權(quán)日1999年11月19日
發(fā)明者R·G·林德桂斯特 申請人:康寧股份有限公司