(57)【要約】 【課題】光通信で要求される環境試験において透過率ピークの波長変動が抑制され、広い波長帯域の入射光から所望の波長の光を選択的かつ可変に取り出すことができる液晶エタロン型の波長可変フィルタを提供する。【解決手段】波長可変フィルタにおいて、第１の透明電極および所定の波長の光を反射する第１の反射ミラーが表面に形成された第１の透明基板と、第２の透明電極および所定の波長の光を反射する第２の反射ミラーが表面に形成された第２の透明基板と、前記第１の透明基板と前記第２の透明基板に挟持された液晶層と、前記第１の透明基板と前記第２の透明基板との間に設けられ前記液晶層を包囲するシールと、前記第１の透明基板と前記第２透明基板とを固定する接着剤からなる固定部材とを有し、前記第１および第２の透明電極間に印加される電圧に対応する波長の光を透過させるよう構成する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の透明電極および所定の波長の光を反射する第１の反射ミラーが表面に形成された第１の透明基板と、第２の透明電極および所定の波長の光を反射する第２の反射ミラーが表面に形成された第２の透明基板と、前記第１の透明基板と前記第２の透明基板に挟持された液晶層と、前記第１の透明基板と前記第２の透明基板との間に設けられ前記液晶層を包囲するシールと、前記液晶層と接する事がなく前記第１の透明基板と前記第２透明基板とを固定する接着剤からなる固定部材とを有し、前記第１および第２の透明電極間に印加される電圧に対応する波長の光を透過させることを特徴とする波長可変フィルタ。
【請求項２】
前記固定部材の一部は、前記第１の透明基板および前記第２の透明基板の少なくとも一方の側面に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の波長可変フィルタ。
【請求項３】
前記固定部材は、前記第１の透明基板と前記第２の透明基板の互いに近接する側面の上に設けられていることを特徴とする請求項１または２のいずれか１項に記載の波長可変フィルタ。
【請求項４】
前記固定部材は、エポキシ系樹脂からなることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の波長可変フィルタ。
【請求項５】
前記固定部材は、最も厚い部分の厚みが１００μｍ以上５００μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の波長可変フィルタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、波長可変フィルタに関し、特に、液晶を用いて構成された液晶エタロン型の波長可変フィルタに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の通信需要の飛躍的な増大に伴う大容量伝送を可能にすべく、波長分割多重通信システム（ＷＤＭ：Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ  Ｄｉｖｉｓｉｏｎ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ通信システム）の開発が行われている。ＷＤＭ通信システムは、波長が異なる複数の信号光の波長チャネルを多重化して１本の光ファイバで送信することによって大容量伝送を可能にする通信システムである。
【０００３】
このようなＷＤＭ通信システムの実現には、広い波長帯域の入射光から所望の波長の光を正確に選択できる波長可変フィルタが必要になる。以下、所望の波長の光を選択することを波長選択という。また、ＷＤＭ通信システム用のレーザ光源として、単一素子で、ＷＤＭ通信の多数の波長チャネルのうちの所望の単一波長チャネルに波長域を有するレーザ光を出射できる波長可変レーザが望まれていた。
【０００４】
このような波長可変レーザとして、従来、光増幅機能を有する利得媒体と、ファイバブラッグ格子によって構成された複数の反射フィルタと、バンドパスフィルタと、単一モード用の光ファイバとで構成され、バンドパスフィルタの伝送ピークであり、かつ、ファイバブラッグ格子による反射ピークでもある、波長ピークの周波数でレーザ発振するレーザを用いることが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００５】
特許文献１に開示された構成では、広い波長帯域を有するレーザ光に対して波長選択を行うのに、帯域が狭いファイバブラッグ格子を各波長チャネル毎に設け、ファイバブラッグ格子によって反射されたレーザ光中の所定のスペクトルのレーザ光を、バンドパスフィルタを用いて選択的に透過させる方法がとられている。しかしながら、この構成では、所望の波長チャネル数だけのファイバグラッグ格子が必要となるため、共振器が長くなってしまい、装置規模が大型化すると共に高価なものになる。
【０００６】
また、別の波長可変レーザとして、利得媒体と、回折格子からなる反射格子とを組み合わせた構成のものが提案されている（例えば、特許文献２参照。）。特許文献２に開示された構成では、反射格子を機械的に回転させて波長選択を行うように構成されているため、波長制御用の大きな機械的構成部が必要になるという問題を有する。
【０００７】
一方、広い波長帯域の入射光から所望の波長の光を可変に波長選択して透過させる素子として、ファブリペローエタロンをなすミラー間キャビティ内に液晶を充填し、液晶に電圧を印加して屈折率を変化させることによって、ミラー間キャビティの光路長を変化させることができる液晶エタロン型の波長可変フィルタ（以下、液晶エタロンという。）が提案されている（例えば、特許文献３参照。）。
【０００８】
ここで、液晶エタロンの透過率は、複数の波長で透過率のピーク（以下、透過率ピークという。）を有することが知られている。この液晶エタロンを波長選択用の素子として用い、利得媒体と共にレーザ共振器内に配置することによって、印加電圧の大きさに応じて所望の波長チャネルのみのレーザ光を選択して出射することが可能な、小型の波長可変レーザを得ることが期待できる。
【０００９】
ここで、ＷＤＭ通信の使用波長帯域は、１４６０〜１５３０ｎｍのＳバンドと１５３０〜１５６５ｎｍのＣバンドと１５６５〜１６２５ｎｍのＬバンドが有り、ＩＴＵ（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ  Ｕｎｉｏｎ）グリッドで規定されるＷＤＭ通信の使用波長チャネルの波長間隔は０．４ｎｍ（５０ＧＨｚ）または０．８ｎｍ（１００ＧＨｚ）となっている。
【００１０】
したがって、液晶エタロンを用いた波長可変レーザが上記のような波長間隔で利用可能なものとされるためには、液晶エタロンが光通信で要求される環境試験において、所定の性能を満たすことが必要となる。具体的には、環境試験において、液晶エタロンの透過率ピークの波長変動が、０．４ｎｍ（５０ＧＨｚ）または０．８ｎｍ（１００ＧＨｚ）以下であることが求められる。
【００１１】
ここで、光通信で要求される上記の環境試験には、８５℃の高温保存試験、−４０℃の低温保存試験、および−４０℃と８５℃の温度サイクル試験等がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】米国特許６，０９１，７４４号公報
【特許文献２】米国特許５，９７０，０７６号公報
【特許文献３】特開平５−４５６１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
図７は、従来の液晶エタロンの構成例を示した模式的な断面図である。
【００１４】
図７に示す従来の液晶エタロン３００は、透明電極３０２Ａおよび所定の波長の光を反射する反射ミラー３０３Ａが表面に形成された透明基板３０１Ａと、透明電極３０２Ｂおよび所定の波長の光を反射する反射ミラー３０３Ｂが表面に形成された透明基板３０１Ｂと、透明基板３０１Ａと透明基板３０１Ｂに挟持された液晶層３０５と、透明基板３０１Ａと透明基板３０１Ｂとの間に設けられて液晶層３０５を包囲するシール３０６とからなる。そして、液晶層３０５と接する透明基板３０１Ａおよび透明基板３０１Ｂの表面には、液晶層３０５を所定の状態に配向させるための配向膜３０４Ａ、３０４Ｂがそれぞれ設けられている。
【００１５】
図７に示す従来の液晶エタロン３００において、液晶層３０５は液晶層３０５のギャップを制御するギャップ制御材（図示せず）が混入された樹脂シール材料からなるシール３０６で密封されている。
【００１６】
このとき、液晶層３０５を構成する液晶材料はシールを構成するシール材料に比べて熱膨張率が著しく大きな値を示す。そのため、環境温度の変化に対応してシールに対し大きな応力が加わることになり、元の温度に戻してもシールの伸縮が完全に解消され、初期状態に戻ることはない。
【００１７】
液晶ディスプレイ等で使用される液晶表示素子では、環境温度の変化に対応する僅かなシールの伸縮、およびそれに伴う液晶層の厚みの変動は、表示特性に影響を与えることは少ない。しかし、ＷＤＭ通信用の波長可変フィルタでは、要求される性能水準が液晶表示素子一般に比べて非常に厳しく、必要な環境試験における透過率ピークの波長変動を０．４ｎｍ（５０ＧＨｚ）あるいは０．８ｎｍ（１００ＧＨｚ）を実現するために、シールの環境試験による伸縮を極微小に、好ましくは略１０ｎｍ以下に安定して抑制することが必要となる。
【００１８】
そのため、従来の液晶エタロンでは光通信で要求される環境試験において透過率ピークの波長変動を抑制することは極めて困難な問題であり、液晶エタロンを用いたＷＤＭ通信用の波長可変フィルタ、およびそれを使用した波長可変レーザを実現することは極めて困難なこととされていた。
【００１９】
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、光通信で要求される使用環境下において透過率ピークの波長変動が抑制され、広い波長帯域の入射光から所望の波長の光を選択的かつ可変に取り出すことができる液晶エタロン型の波長可変フィルタを提供するものである。
【００２０】
より具体的には、光通信で要求される環境試験において透過率ピークの波長変動が抑制され、広い波長帯域の入射光から所望の波長の光を選択的かつ可変に取り出すことができる液晶エタロン型の波長可変フィルタを提供するものである。
【００２１】
そして、液晶エタロン型の波長可変フィルタを使用し、ＷＤＭ通信に用いることができる波長可変レーザを提供するものである。
【００２２】
本発明の他の目的および利点は、以下の記載から明らかとなるであろう。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
本発明の第１の態様は、第１の透明電極および所定の波長の光を反射する第１の反射ミラーが表面に形成された第１の透明基板と、第２の透明電極および所定の波長の光を反射する第２の反射ミラーが表面に形成された第２の透明基板と、前記第１の透明基板と前記第２の透明基板に挟持された液晶層と、前記第１の透明基板と前記第２の透明基板との間に設けられ前記液晶層を包囲するシールと、前記液晶層とは接する事が無く前記第１の透明基板と前記第２透明基板とを固定する接着剤からなる固定部材とを有し、前記第１および第２の透明電極間に印加される電圧に対応する波長の光を透過させることを特徴とする波長可変フィルタに関する。
【００２４】
本発明の第１の態様の波長可変フィルタにおいて、前記固定部材の一部は、前記第１の透明基板および前記第２の透明基板の少なくとも一方の側面に設けられていることが好ましい。
【００２５】
本発明の第１の態様の波長可変フィルタにおいて、前記固定部材は、前記第１の透明基板と前記第２の透明基板の互いに近接する側面の上に設けられていることが好ましい。
【００２６】
本発明の第１の態様の波長可変フィルタおいて、前記固定部材は、エポキシ系樹脂からなることが好ましい。
【００２７】
本発明の第１の態様の波長可変フィルタにおいて、前記固定部材は、最も厚い部分の厚みが１００μｍ以上５００μｍ以下であることが好ましい。
【発明の効果】
【００２８】
本発明によれば、光通信用として要求される環境試験において、透過率ピークの波長変動を十分に抑制することが可能な液晶エタロン型の波長可変フィルタを提供することができる。そして、そのような液晶エタロン型の波長可変フィルタを用いることにより、ＷＤＭ通信に用いることができる波長可変レーザを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る液晶エタロンの構成を模式的に示す断面図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態に係る液晶エタロンの構成を模式的に示す断面図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態である液晶エタロンのＸ方向から見た構成を模式的に示す断面図である。
【図４】本発明の第１の実施形態である液晶エタロンの外観を模式的に示す斜視図である。
【図５】本発明の接着剤の塗布形態を示す液晶エタロンの斜視図である。
【図６】本発明の実施例である液晶エタロンの環境試験結果を示すグラフである。
【図７】従来の液晶エタロンの構成例を示す模式的な断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
本発明を実施するための最良の形態について、以下で図面を用いて詳細に説明する。
【００３１】
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る液晶エタロンの構成を模式的に示した断面図である。
【００３２】
図１において、本発明の第１の実施の形態に係る液晶エタロン１００は、透明電極２Ａおよび所定の波長の光を反射する反射ミラー３Ａが表面に形成された透明基板１Ａと、透明電極２Ｂおよび所定の波長の光を反射する反射ミラー３Ｂが表面に形成された透明基板１Ｂと、透明基板１Ａと透明基板１Ｂに挟持された液晶層５と、透明基板１Ａと透明基板１Ｂとの間に設けられて液晶層５を包囲するシール６とからなる。そして、液晶層５と接する透明基板１Ａ及び透明基板１Ｂの表面には、液晶層５を所定の状態に配向させるための配向膜４Ａ、４Ｂがそれぞれ設けられている。
【００３３】
そして、液晶エタロン１００は、透明基板１Ａと透明基板１Ｂとを固定する接着剤からなる固定部材７を有している。このとき、本実施形態の液晶エタロン１００では、固定部材７は、透明基板１Ａと透明基板１Ｂの互いに近接する側面の上に設けられており、液晶エタロン１００の側面に配設されて、透明基板１Ａと透明基板１Ｂとをその側面から互いに固定している。
【００３４】
ここで、透明基板１Ａ、１Ｂは、ＷＤＭ通信の使用波長域において透明であるガラス基板やシリコン基板などの無機基板、さらにプラスチック基板等の有機材料を用いた基板を用いることができる。そして、耐久性の面から無機基板が好ましく、また製造プロセスへの適用が容易であることからガラス基板を用いることがより好ましい。
【００３５】
また、ガラス基板としては、耐久性が高く、熱膨張率および屈折率の温度変化の低い石英基板の使用が好ましい。
【００３６】
また、透明基板１Ａ、１Ｂと空気とが接する面上には透明基板と空気との界面によるフレネル反射を抑制する目的で反射防止膜（図示せず）を形成してもよい。
【００３７】
また、図１に示す本発明の第１の実施の形態に係る液晶エタロン１００において、反射ミラー３Ａと配向膜４Ａとの間、および、反射ミラー３Ｂと配向膜４Ｂとの間のいずれか一方において、あるいは、反射ミラー３Ａと配向膜４Ａとの間、および、反射ミラー３Ｂと配向膜４Ｂとの間の両方において、液晶エタロン１００の透過率ピークの波長間隔を制御する目的で透明誘電体層を設けてもよい。
【００３８】
図２は、本発明の第２の実施の形態に係る液晶エタロンの構成を模式的に示した断面図である。
【００３９】
本発明の第２の実施の形態に係る液晶エタロン２００は、図１に示す本発明の第１の実施の形態に係る液晶エタロン１００において、反射ミラー３Ａと配向膜４Ａとの間、および反射ミラー３Ｂと配向膜４Ｂとの間に、液晶エタロンの透過率ピークの波長間隔を制御する目的でさらに透明誘電体層８Ａ、８Ｂを設けた構成を備える。すなわち、液晶エタロン１００と共通する構成に加え、反射ミラーと配向膜との間に透明誘電体層をさらに設けた構成を備える。
【００４０】
そしてさらに、透明基板１Ａ、１Ｂと空気とが接する面上には透明基板と空気との界面によるフレネル反射を抑制する目的で反射防止膜９Ａ、９Ｂが形成されている。
【００４１】
したがって、図２に示す液晶エタロン２００において、図１に示す液晶エタロン１００と共通する構成部材については、液晶エタロン１００で使用したものと同一の符号を使用して説明する。
【００４２】
このとき、本発明の第１の実施の形態に係る液晶エタロン１００及び本発明の第２の実施の形態に係る液晶エタロン２００において使用可能な透明誘電体層の材料としては、ＷＤＭ通信の使用波長域に透明なＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、若しくはＳｉＯｘＮｙ（但し、ｘ，ｙはＯとＮの元素比率を示す）等の無機材料を用いることが可能あり、また、紫外線硬化樹脂、熱硬化樹脂、感光性樹脂等の有機材料を用いることも可能である。そしてまた、高分子液晶等の複屈折性を備えた有機材料を用いることも可能である。
【００４３】
また、本発明の第１の実施の形態に係る液晶エタロン１００の透明誘電体層及び本発明の第２の実施の形態に係る液晶エタロン２００の透明誘電体層（８Ａ、８Ｂ）としては、液晶層５との界面の反射を抑制するために液晶層５の光路長が電圧に応じて変化する入射偏光に対して透明誘電体層における液晶の屈折率に略等しい屈折率となる透明誘電体層を用いることが好ましい。すなわち、ホモジニアス配向液晶の場合は異常光屈折率に、垂直配向液晶の場合は常光屈折率に略等しい透明誘電体層を用いることが好ましい。具体的には、ＳｉＯｘＮｙのＯとＮの元素比率であるｘ，ｙを、透明性を損なわない範囲で０≦ｘ≦２および０≦ｙ≦４／３の範囲で２ｘ＋３ｙ≦４の関係を満足するように調整することにより界面の反射防止となる透明誘電体層を形成できる。
【００４４】
また、図１に示す本発明の第１の実施の形態に係る液晶エタロン１００において、透明電極２Ａは、反射ミラー３Ａと配向膜４Ａとの間に配設することも可能であり、併せて、透明電極２Ｂは、反射ミラー３Ｂと配向膜４Ｂの間に配設することも可能である。同様に、図２に示す本発明の第２の実施の形態に係る液晶エタロン２００において、透明電極２Ａは、反射ミラー３Ａと配向膜４Ａとの間に配設することも可能であり、併せて、透明電極２Ｂは、反射ミラー３Ｂと配向膜４Ｂの間に配設することも可能である。
【００４５】
尚、一般に用いられる透明電極膜材料はＷＤＭ通信の使用波長帯域において光吸収が若干有る。したがって、エタロンのキャビティを成す反射ミラー間に光吸収材料が配置されると透過共振波長の透過率低下が増長されてしまう。よって、透明電極は反射ミラーと透明基板の間に形成するほうが光吸収損失を低減できるため、液晶エタロンの透過率向上を優先させる場合に好ましい。
【００４６】
すなわち、図１に示すように、透明基板１Ａ、透明電極２Ａ、反射ミラー３Ａ、配向膜４Ａ、液晶層５、配向膜４Ｂ、反射ミラー３Ｂ、透明電極２Ｂ、透明基板１Ｂの順番に順次構成部材を積層して液晶エタロン１００を構成することが好ましい。
【００４７】
同様に、図２に示すように、透明基板１Ａ、透明電極２Ａ、反射ミラー３Ａ、透明誘電体層８Ａ、配向膜４Ａ、液晶層５、配向膜４Ｂ、透明誘電体層８Ｂ、反射ミラー３Ｂ、透明電極２Ｂ、透明基板１Ｂの順番に順次構成部材を積層して液晶エタロン２００を構成することが好ましい。
【００４８】
また、透明電極２Ａと透明電極２Ｂの間に液晶以外の物質層が存在すると、透明電極間に印加された電圧に対して液晶層に印加される電圧の比率が低下してしまう。よって、液晶エタロン１００および液晶エタロン２００において、低駆動電圧を目的とする場合は、液晶層に印加される電圧の比率が高まるよう、透明電極を液晶層に近づけた構成とすることが好ましい。
【００４９】
すなわち、図１に示す本発明の第１の実施の形態である液晶エタロン１００において、透明電極２Ａ、２Ｂと対応する反射ミラー３Ａ、３Ｂの配置を入れ替えた構成、具体的には、透明基板１Ａ、反射ミラー３Ａ、透明電極２Ａ、配向膜４Ａ、液晶層５、配向膜４Ｂ、透明電極２Ｂ、反射ミラー３Ｂ、透明基板１Ｂの順番に順次構成部材を積層して液晶エタロン１００を構成することが好ましい。
【００５０】
同様に、図２に示す本発明の第２の実施の形態である液晶エタロン２００において、透明電極２Ａ、２Ｂと対応する反射ミラー３Ａ、３Ｂの配置を入れ替えた構成、具体的には、透明基板１Ａ、反射ミラー３Ａ、透明誘電体層８Ａ、透明電極２Ａ、配向膜４Ａ、液晶層５、配向膜４Ｂ、透明電極２Ｂ、透明誘電体層８Ｂ、反射ミラー３Ｂ、透明基板１Ｂの順番に順次構成部材を積層して液晶エタロン２００を構成することが好ましい。
【００５１】
次に、液晶エタロンの作成方法について、液晶エタロン１００の場合を例として説明する。そして、併せて、適宜、異なる構成の液晶エタロン２００も用い、本発明の実施形態である液晶エタロンの作用について説明する。
【００５２】
まず、透明基板１Ａの表面に透明電極２Ａ、反射ミラー３Ａ、および、配向膜４Ａをこの順番で順次形成する。次に、透明基板１Ｂの表面に透明電極２Ｂ、反射ミラー３Ｂ、および、配向膜４Ｂをこの順番で順次形成する。
【００５３】
次に、反射ミラー３Ａ上にギャップ制御材（図示せず）が混入されたシール剤を所望の形状となるようにパターニングして印刷し、シール６を形成する。そして、反射ミラー３Ｂとシール６とが接触するように、シール６が形成された透明基板１Ａと透明基板１Ｂとを重ね合わせる。
【００５４】
その後、両透明基板１Ａ、１Ｂを圧着して液晶層５を形成するための、所謂、空セルを作成する。ここでシール６を反射ミラー３Ａおよび３Ｂ上に形成したが、その後形成される液晶層５が所望の厚みになれば良く、例えば、透明基板１Ａ表面の反射ミラー３Ａが形成されていない領域に形成することも可能である。
【００５５】
上記空セルが作製された後、シール６の一部に設けられた不図示の注入口から、常光屈折率ｎｏ、異常光屈折率ｎｅ（ただし、ｎｏ≠ｎｅ）を有する液晶を注入し、液晶層５を形成する。
【００５６】
液晶注入が完了したら、この注入口を封止して液晶層５を密閉する。
【００５７】
次に、透明基板１Ａと透明基板１Ｂの互いに近接する側面において、それぞれ一部の上に接着剤を塗布し固定部材７を形成する。すなわち、固定部材７は、液晶エタロン１００の側面に配設されて、透明基板１Ａと透明基板１Ｂとをその側面から互いに固定する。
【００５８】
ここで、配向膜４Ａ、４Ｂは、液晶層５を構成する液晶分子（図示せず）の配向が配向膜４Ａおよび４Ｂの表面において同一方向に揃うように配向処理されている。
【００５９】
配向膜４Ａ、４Ｂとして、ポリイミドなどの配向材を基板に塗布しその表面をラビングにより配向処理した配向膜、ＳｉＯ膜などの無機膜を基板面に対して斜め蒸着して形成された配向膜、または、有機高分子材料を基板に塗布した後に紫外線などを照射することにより配向能を発現させる光配向膜などを用いてもよい。
【００６０】
シール６に用いられるシール材料としては紫外線や熱により硬化するシール材料を用いることができ、一般的にスクリーン印刷や液体定量塗布装置であるディスペンサーを用いてシール形状をパターニング形成する。また、不図示のギャップ制御材としてはガラス材料や樹脂材料のものが使用することができ、ロッド状または球状の形状のスペーサを用いることができる。
【００６１】
液晶層５は、配向膜４Ａ、４Ｂによって配向膜界面における液晶分子の配向が一方向に揃い、透明電極２Ａと透明電極２Ｂとの間に印加される矩形波の交流電圧により、液晶層５の液晶分子の配向が変化し、液晶層５の実質的な屈折率が変化する。その結果、印加電圧の大きさに応じて液晶層５の光路長が変化する。ここで、液晶層５の実質的な屈折率とは、入射光の偏光方向に対する液晶層の平均屈折率を意味し、液晶層の光路長を液晶層厚で割った値をいう。
【００６２】
一般に、液晶は誘電率異方性（Δε）を有し、液晶分子の長軸方向の比誘電率ε//と液晶分子の短軸方向の比誘電率ε⊥とが異なる。誘電率異方性△ε（＝ε//−ε⊥）が正の場合、電圧が印加されていない状態で基板面に平行な方向（例えば、図１に示すＸ軸方向等）に分子配向させたホモジニアス配向液晶は、電圧印加に伴い液晶分子の配向がＺ軸方向に変化し、Ｘ軸方向の偏波面の直線偏光である異常光偏光の入射光に対して、液晶層５の実質的な屈折率がｎｅからｎｏまで変化する。
【００６３】
一方、誘電率異方性△εが負の場合、電圧が印加されていない状態で基板面に垂直な方向（図１に示すＺ軸方向）に分子配向させた垂直配向液晶は、電圧印加に伴い液晶分子の配向が、基板面に平行な方向（例えば、図１に示すＸ軸方向等）に変化し、液晶層５の実質的な屈折率がｎｏからｎｅまで変化する。
【００６４】
ここで、液晶層５は、印加電圧に応じて実質的に屈折率変化が生じる材料で構成されていればよく、ネマティック液晶、スメクティック液晶等の液晶の他に、液晶モノマーを高分子化した高分子液晶を用いて形成されるのでもよい。
【００６５】
透明電極２Ａ、２Ｂとしては、ＩＴＯ（酸化インジウム・スズ）、ＺｎＯ（酸化亜鉛）、ＳｎＯ２（酸化スズ）等のＷＤＭ通信の使用波長域で光吸収の少ない透明導電膜を用いることが好ましい。このとき、透明導電膜を例えば５ｎｍから２０ｎｍ程度の範囲内の膜厚となるように極力薄く成膜することが、光吸収損失を低減できて好適である。
【００６６】
反射ミラー３Ａ、３ＢはＡｕ等の金属材料を用いたミラーや使用波長域で光吸収の低い高屈折率誘電体膜と低屈折率誘電体膜とを交互に積層した光学多層膜から形成されるミラーを用いることができる。
【００６７】
ここで、高屈折率誘電体としては、Ｔａ２Ｏ５、Ｎｂ２Ｏ５、ＨｆＯ２、ＴｉＯ２、ＺｒＯ２、Ａｌ２Ｏ３、Ｓｉ等が用いられ、低屈折率誘電体としては、ＳｉＯ２、ＭｇＦ２、Ｎａ３ＡｌＦ６等が用いられる。いずれの誘電体の膜も、真空蒸着法やスパッタ法等の一般的な成膜方法で形成できる。
【００６８】
このとき、光学多層膜を用いたミラーの方が光吸収損失を低減できるため好ましい。また一方、Ａｕ等の金属材料を用いたミラーを用いるときは、その導電性能を利用して、透明電極としても使用することが可能である。
【００６９】
ここで、光学多層膜の構成としてＷＤＭ通信のＩＴＵグリッドに対応した波長分解能を得るためには、反射ミラー３Ａ、３Ｂとして、Ｔａ２Ｏ５膜とＳｉＯ２膜あるいはＳｉ膜とＳｉＯ２膜を光学膜厚（屈折率×膜厚）が使用波長帯域の中心波長λに対して各々λ／４となるように交互に１０から３０層程度に積層し、使用波長域における反射率が略９５％となるようにする。
【００７０】
その結果、図１に示す液晶エタロン１００の透過率ピークの波長間隔（ＦＳＲ：Ｆｒｅｅ  Ｓｐｅｃｔｒａｌ  Ｒａｎｇｅ）が略４５ｎｍとなるように設計したときの透過率ピークの波長における透過率が半分となる波長間隔（ＦＷＨＭ：Ｆｕｌｌ  Ｗｉｄｔｈ  Ｈａｌｆ  Ｍａｘｉｍｕｍ）が、略１．１ｎｍとなる。
【００７１】
この時、液晶エタロン１００を往復透過で使用することにより、透過率ピークの波長におけるＦＷＨＭは０．８ｎｍ（１００ＧＨｚ）程度に減じられるため、ＷＤＭ通信の使用波長チャネルの波長間隔相当となり、ＷＤＭ通信用に使用することができる。反射ミラー３Ａ、３Ｂの反射率が高いほどＦＷＨＭは狭くなるが、反射ミラー３Ａ、３Ｂ間の媒質の光吸収が光共振による多重透過に伴い増大し、透過率ピークの透過率が著しく低下するため、実用上適切な反射率に設定することが好ましい。
【００７２】
また、反射ミラー３Ａ、３Ｂ間の光学距離を制御することにより液晶エタロン１００のＦＳＲを制御することができる。
【００７３】
図１に示す液晶エタロン１００では、例えば液晶層５の厚みｄＬＣを制御することによりＦＳＲを制御することができるが、図２に示された本発明の第２の実施形態である液晶エタロン２００に示すように、反射ミラー３Ａ、３Ｂ間に透明誘電体層（図２中の８Ａまたは８Ｂに対応）を設け、それら総厚ｄｓ制御することによりＦＳＲを制御することもできる。
【００７４】
また、ＷＤＭ用の波長可変フィルタとして液晶エタロンに要求される光学的特性として、例えば、ある波長帯域の波長λＳ〜λＬ（λＳ＜λＬ）の範囲で１つの透過率ピークを持ち、電圧を印加することにより波長帯域のλＳ〜λＬの範囲で印加する電圧に応じて可変に透過率ピークの波長を制御できることである。
【００７５】
このために、液晶エタロンが満たすべき条件について、液晶エタロン１００において反射ミラー３Ａ、３Ｂ間に透明誘電体層を設けた構成に対応する液晶エタロン２００について説明すると、下式（１）、（２）の関係を満たす必要がある。
【００７６】
（数１）
ＦＳＲ＞λＬ−λＳ                        （１）
【００７７】
（数２）
Δλ≧ＦＳＲ                              （２）
【００７８】
ここで、式（２）中、Δλは液晶エタロン２００の透過率ピーク（波長λ）の可変最大波長幅であり、ＦＳＲおよびΔλはそれぞれ下式（３）、（４）にように示すことができる。
【００７９】
（数３）
ＦＳＲ≒λ２／（２×Ｌ）                      （３）
【００８０】
（数４）
Δλ＝（ｎｅ−ｎｏ）×ｄＬＣ×λ／Ｌ          （４）
【００８１】
ここで、式（３）、（４）中のＬは、反射ミラー間の光学距離として、下式（５）のように表される。
【００８２】
（数５）                               
Ｌ＝ｎｅ×ｄＬＣ＋ｎｓ×ｄｓ＝Ｎ×Ｇ          （５）
【００８３】
ここで式（５）中、ｎｅは液晶層５がホモジニアス配向させた正の誘電率異方性の場合の屈折率であるが、垂直配向させた負の誘電率異方性を用いる時はｎoとなる。ｎｓは透明誘電体層８Ａ、８Ｂの屈折率、ｄｓは透明誘電体層８Ａおよび透明誘電体層８Ｂの総厚、Ｎは反射ミラー間隔Ｇの平均屈折率を示す。
ここで、上記式（１）の条件を満足するために、例えば、反射ミラー間隔Ｇを制御することにより式（３）の関係から所望のＦＳＲに制御することができる。
【００８４】
また、同様に反射ミラー間隔Ｇを制御することにより上記式（２）に示す条件を満たすΔλを式（３）、（４）の関係から制御することができる。このとき反射ミラー間隔Ｇは、下式（６）に示すようになる。
【００８５】
（数６）
Ｇ＝ｄＬＣ＋ｄｓ                               （６）
【００８６】
ここで、透明誘電体層８Ａおよび透明誘電体層８Ｂの総厚ｄｓを薄くする方が液晶層５に印加される実効電圧が大きくなり、低電圧で駆動できる点で低電圧駆動を求める場合には好ましい。
【００８７】
しかし、透明誘電体層８Ａおよび透明誘電体層８Ｂの総厚ｄｓを厚くする場合、液晶層５の熱膨張の影響や、ひいては液晶エタロンの温度依存性を低減できるためより好ましい。
【００８８】
以上のことから、下式（７）の関係を満たすｄＬＣとｄｓがより好ましい。
【００８９】
（数７）
２×（λＬ−λＳ）≧Δλ≧ＦＳＲ＞λＬ−λＳ    （７）
【００９０】
図３は、本発明の第２の実施の形態である液晶エタロン２００のＸ方向から見た場合の構成を模式的に示す断面図である。
【００９１】
本発明の第２の実施の形態である液晶エタロン２００において、透明電極２Ａおよび透明電極２Ｂに対し、別に設けられた外部交流電源１０を用いて電圧を印加することにより印加する電圧ＶＬＣに応じて液晶層５の実質的な屈折率ｎ（ＶＬＣ）が変化し、透過率ピークの波長λを下記式（８）に示される関係により制御できる。
【００９２】
（数８）
λ＝２×（ｎ（ＶＬＣ）×ｄＬＣ＋ｎｓ×ｄｓ）／ｍ      （８）
【００９３】
ここで、上記式（８）中、ｍは透過率ピークの次数である。
【００９４】
次に、本発明の第１の実施の形態である液晶エタロン１００および本発明の第２の実施の形態である液晶エタロン２００において、透明基板１Ａと透明基板１Ｂと互いに固定する固定部材７について説明する。
【００９５】
固定部材７は、紫外線硬化樹脂、熱硬化樹脂、感光性樹脂、若しくは紫外線硬化・熱硬化併用等の有機材料や、ガラスフリットなどの無機接着剤を用いることができる。
【００９６】
これら部材を、硬化前の柔軟な状態のうちに液晶エタロン１００、２００側面の所望の部位、特に、液晶エタロン１００、２００を構成する透明基板１Ａおよび透明基板１Ｂの少なくとも一方の側面に設け、その後、それらを光照射によりまたは熱的に硬化させて、固定部材７を形成し、透明基板１Ａと透明基板１Ｂとを互いに固定する。
【００９７】
固定部材７の硬化条件として熱により硬化するときは、液晶やシールの耐熱性から２００℃以下であることが好ましい。また、紫外線により硬化する材料であると熱による負荷が抑制されるためより好ましい。
【００９８】
固定部材７の配設箇所については、液晶エタロン１００の側面の少なくとも１側面に形成されていればよい。そして、同様に、固定部材７は液晶エタロン２００の側面の少なくとも１側面に形成されていればよい。そして、固定部材７は液晶エタロン１００、２００の少なくとも１の側面の全面を被覆するように配設されていてもよく、また、少なくとも１の側面の一部の上に設けられていてもよい。
【００９９】
図４は、本発明の第１の実施形態である液晶エタロン１００の外観を模式的に示す斜視図である。
【０１００】
図４に示すように、本発明の第１の実施形態である液晶エタロン１００において、透明基板１Ａと透明基板１Ｂとが固定部材７により固定される程度に、液晶エタロン１００側面の一部分に固定部材７は形成されている。このとき、配設面数が多いほど環境試験における透過率ピークの波長変動が抑制されるため２側面以上であるほうがより好ましい。尚、図示されないが、液晶エタロン２００についても液晶エタロン１００と同様の構成とすることが可能である。
【０１０１】
塗布される固定部材７の厚さは、最も厚い部分で１００μｍ以上とすることが安定して透明基板１Ａと透明基板１Ｂとが固定されるため好ましく、素子外形が大きくなることを考慮するとそれが許容できる５００μｍ以下であることが好ましい。
【０１０２】
図５は、液晶エタロン１００の４側面に固定部材７Ａ、７Ｂ、７Ｃ、７Ｄを配設した状態を模式的に示す斜視図である。
【０１０３】
本発明の接着剤による固定部材は、図５に示すように液晶エタロン１００の４つの側面の少なくとも１つの面に、液晶層とは接することなく、シール材の外側に固定部材７Ａ、７Ｂ、７Ｃ、７Ｄとして設けられる。この固定部材は、図の左右の側面での固定部材７Ａ、７Ｃでは、透明基板１Ａ、１Ｂの一方の側面と、他方の透明基板の平面との間に設けられ、図の上下の側面での固定部材７Ｂ、７Ｄでは、透明基板１Ａ、１Ｂの両方の側面に渡って設けられている。上記したように、４側面の固定部材７Ａ、７Ｂ、７Ｃ、７Ｄの内、２側面以上に固定部材を設けることが好ましい。特に、対向する２側面、すなわち固定部材７Ａと７Ｃ、または固定部材７Ｂと７Ｄとに設けることが、バランスがとれて、環境変動に強くなる。
【０１０４】
また、固定部材７の具体的な構成材料としては、２００℃以下の温度で透明基板１Ａおよび１Ｂを固定するために、有機材料からなる接着性の材料、例えば、接着剤を用いることが好ましい。そして、エポキシ樹脂等の熱的に安定である材料がより好ましく、その場合、ガラス転移点は１００℃以上であることが熱的に安定であるため好ましい。
【０１０５】
また、エポキシ樹脂は一般的にガラスとの接着性が高いため透明基板との接着性が高くなるという観点からも好ましい。
【０１０６】
エポキシ系樹脂としては、架橋密度が高いことや芳香環を含む構造を持つ方がガラス点移転を上げることができるため好ましい。したがって、ビスフェノールＡ型、ビスフェノールＦ型、ビフェニル型およびエポキシシクロヘキシル構造を持つエポキシ樹脂を使用することができるが、この構造に限定されるものではない。
【０１０７】
紫外線硬化型のエポキシ樹脂としては、芳香族ジアゾニウム塩系、芳香族スルホニウム塩系、芳香族ヨードニウム塩系などの光カチオン重合開始剤を含むものを用いることができるがこれに限定されるものではない。
【０１０８】
液晶エタロン１００、２００に使用する固定部材７は、８５℃などの高温環境下に液晶エタロン１００、２００が置かれた後、室温環境下に戻された場合に問題となる極めて微妙な透明基板１Ａ、１Ｂ間の距離の変動を抑制することを目的とする。したがって、例えば、液晶素子一般に使用されるシールが液晶の密封を目的とし、外気から液晶層を保護し、液晶層を挟持する基板とシールの界面からの液晶層への水分進入を防止することが最重要な性能であるのとは異なる。
【０１０９】
特に、液晶エタロンはハーメチックシールパッケージ（乾燥窒素または乾燥空気）中に設置されるため、液晶素子一般で問題となる液晶層への水分侵入の影響は考慮する必要が無く、使用温度環境の変化に対応する基板間の距離の変動を抑制することに対し特に性能を発揮する部材を選択して使用することが好ましい。
【０１１０】
以下に、本発明の実施例を述べる。
【実施例】
【０１１１】
本発明の実施形態である液晶エタロン２００の実施例について、図２〜図４を用いて以下説明する。
【０１１２】
透明基板１Ａおよび透明基板１Ｂとして石英を用い、透明基板１Ａおよび透明基板１Ｂの片面に膜厚８ｎｍのＩＴＯ膜を成膜し、透明電極２Ａおよび透明電極２Ｂとする。さらに、透明基板１Ａおよび透明基板１Ｂの他方の面に反射防止膜９Ａおよび９Ｂを形成する。
【０１１３】
次に、透明基板１Ａおよび透明基板１Ｂにおける透明電極２Ａ、２Ｂが形成された面に、波長λ０が１５５０ｎｍで、屈折率が２．１０のＴａ２Ｏ５と、屈折率が１．４５のＳｉＯ２とを交互に真空蒸着法により成膜して光学多層膜を形成し、反射ミラー３Ａおよび反射ミラー３Ｂとする。光学多層膜の各膜の光学膜厚をλ０／４程度とすることで、１５００ｎｍから１６００ｎｍの広い波長帯域で反射率が９５％程度となる。
【０１１４】
次に、透明基板１Ａの反射ミラー３Ａが形成された面および透明基板１Ｂの反射ミラー３Ｂが形成された面に、プラズマＣＶＤ法により、屈折率が１．６０、比誘電率が５、膜厚が３.５μｍのＳｉＯｘＮｙ膜をそれぞれ透明誘電体層８Ａ、および透明誘電体層８Ｂとして形成する。
【０１１５】
次に、透明基板１Ａ上に形成された透明誘電体層８Ａの表面および透明基板１Ｂ上に形成された透明誘電体層８Ｂの表面における光入射有効領域に、ポリイミドを膜厚５０ｎｍ程度となるように塗布して硬化させる。ポリイミドの膜が硬化したら、図２に示すＸ軸方向にラビング処理して配向膜４Ａおよび配向膜４Ｂとする。
【０１１６】
次に、透明基板１Ａ上に形成された透明誘電体層８Ａの表面に、直径７μｍのギャップ制御材が混入された熱硬化型のエポキシ材料からなるシール材を印刷でパターニングしてシール６を形成する。
【０１１７】
シール６を形成したら、透明基板１Ｂ上の透明誘電体層８Ｂの表面とシール６とが接触するように透明基板１Ａと透明基板１Ｂとを重ね合わせて圧着し、透明誘電体層８Ａと透明誘電体層８Ｂとの間隔が７μｍの空セルを作製する。その結果、反射ミラー３Ａと反射ミラー３Ｂとの間隔は、１４．０μｍとなる。
【０１１８】
その後、液晶を空セルの不図示の注入口から注入し、その注入口を封止して液晶層５を形成する。
【０１１９】
その後、図４に示すように液晶エタロン２００の向かい合う２側面のそれぞれ一部に、紫外線と熱により硬化するエポキシ樹脂を膜厚２００μｍ程度塗布する。そして、ＵＶ（紫外）光源を用いて光強度が５０ｍＷ／ｃｍ2で波長３６５ｎｍのＵＶ光を４０秒照射してエポキシ樹脂の仮硬化を行う。仮硬化後８０℃で６０分過熱し本硬化することにより固定部材７を形成し、図２〜図４に示す液晶エタロン２００を作成した。
【０１２０】
次に、作成した本発明の実施例である液晶エタロン２００を用い、その性能の検査、特に使用温度環境の変化に対する特性維持性能を調べるため、以下の環境試験の検討を行った。
【０１２１】
初めに、本発明の実施例である液晶エタロン２００に対し、室温環境下で、図３に示される外部交流電源１０の印加電圧が０ボルトである状態での透過率ピークの波長を測定した。そして、比較例として、固定部材７が設けられていない以外は同様の構成を備える従来液晶エタロン（図示せず）を準備し、同様に外部交流電源１０の印加電圧が０ボルトである状態での透過率ピークの波長を測定した。
【０１２２】
次に、液晶エタロン２００と従来液晶エタロンとを８５℃の恒温槽に投入し、室温環境下で測定しておいた両液晶エタロンの外部交流電源９の印加電圧が０ボルトである場合の透過率ピークの波長を測定し、透過率ピーク波長の投入時間（環境試験投入時間）に対する変動状況を評価した。
【０１２３】
図６は、本発明の実施例である液晶エタロンの環境試験結果を示すグラフである。
【０１２４】
図６に示すグラフ中のマーク（◆）は、液晶エタロン２００を８５℃の恒温槽に投入後、投入時間（環境試験投入時間）に対する透過率ピークの波長変動をＧＨｚ単位でプロットしたものである。同様に、図６に示すグラフ中のマーク（◇）は、比較例である上記従来液晶エタロンを８５℃の恒温槽に投入後、投入時間（環境試験投入時間）に対する透過率ピークの波長変動をＧＨｚ単位でプロットしたものである。
【０１２５】
８５℃で２０００時間の環境試験において、従来液晶エタロンでは、９００ＧＨｚに相当する透過率ピークの波長変動が生じ、ＷＤＭ通信の使用波長チャネル用の波長可変フィルタとしては使用できない特性であった。一方、本発明の実施例である液晶エタロン２００では、透過率ピークの波長変動が２０００時間後もほとんど無く、使用波長チャネル間隔５０ＧＨｚ以下に抑制することができた。
【０１２６】
以上の結果から、本発明の実施例である液晶エタロン２００は、ＷＤＭ通信の使用波長チャネル用の波長可変フィルタおよびそれを搭載した波長可変レーザを実現できることがわかった。
【産業上の利用可能性】
【０１２７】
本発明に係る液晶エタロン型の波長可変フィルタは、光通信で要求される環境試験において透過率ピークの波長変動を５０ＧＨｚ以下に抑制するという効果があり、広い波長帯域の入射光から所望の波長の光を選択的かつ可変に取り出すことができるＷＤＭ通信用の波長可変レーザ光源の波長可変フィルタとして利用できる。
【符号の説明】
【０１２８】
１Ａ、１Ｂ、３０１Ａ、３０１Ｂ  透明基板
２Ａ、２Ｂ、３０２Ａ、３０２Ｂ  透明電極
３Ａ、３Ｂ、３０３Ａ、３０３Ｂ  反射ミラー
４Ａ、４Ｂ、３０４Ａ、３０４Ｂ  配向膜
５、３０５  液晶層
６、３０６  シール
７、７Ａ、７Ｂ、７Ｃ、７Ｄ  固定部材
８Ａ、８Ｂ  透明誘電体層
９Ａ、９Ｂ  反射防止膜
１０  外部交流電源
１００、２００、３００  液晶エタロン
【図１】
2010175785.tif 000003
【図２】
2010175785.tif 000004
【図３】
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【図４】
2010175785.tif 000006
【図５】
2010175785.tif 000007
【図６】
2010175785.tif 000008
【図７】
2010175785.tif 000009