(57)【要約】  【課題】  電圧非印加時のリタデーション値を安定してゼロとし、低電圧で液晶層のリタデーション値を入射光波長λに対し略λ／２とする液晶素子を提供する。  【解決手段】  透明電極１３、１４が形成された一対の透明基板１１、１２と、液晶層１８とを備え、透明電極１３、１４間に印加する電圧の大きさに応じて直線偏光に対するリタデーション値を変化させる液晶素子１０において、液晶層１８の液晶は誘電異方性が負のネマティック液晶であり、液晶に電圧非印加時の液晶分子の配向方向は透明電極１３、１４表面に対して略垂直でリタデーション値は略ゼロ、液晶層１８に３Ｖ以上１０Ｖ以下の電圧印加時のリタデーション値は０．７８μｍとする。【選択図】  図１
2006154492.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対向する平面に透明電極が形成された一対の透明基板と、この透明基板間に液晶が挟持された液晶層とを備え、前記透明電極間に印加する電圧の大きさに応じて前記液晶層を透過する直線偏光の光に対するリタデーション値を変化させる液晶素子において、
前記液晶は、誘電異方性が負のネマティック液晶からなり、
前記液晶への電圧非印加時の液晶分子の配向方向は前記透明電極の表面に対して垂直若しくはこれに近い角度であり、
前記液晶層に３Ｖ以上１０Ｖ以下の範囲にある何れかの電圧に対して前記液晶層のリタデーション値が０．７８μｍとなることを特徴とする液晶素子。
【請求項２】
前記液晶層と前記透明電極との界面に、電圧非印加時の液晶分子の配向方向が前記透明電極の表面に対して略垂直となる垂直配向膜が形成されている請求項１に記載の液晶素子。
【請求項３】
前記垂直配向膜をラビング処理することにより、液晶分子が基板法線に対し、０．５°以上５°以下の角度に傾斜している請求項２に記載の液晶素子。
【請求項４】
請求項１から３のいずれかに記載の液晶素子と、この液晶素子の光入射側または光出射側の少なくとも一方の側に配置された偏光子とを備える光減衰器であって、
前記偏光子は、第１の直線偏光を直進透過するとともに前記第１の直線偏光の偏光方向と直交する偏光方向を有する第２の直線偏光を回折する、複屈折性を有する偏光回折型偏光子であることを特徴とする光減衰器。
【請求項５】
前記偏光回折型偏光子は、複屈折性を有する偏光性回折格子を少なくとも２つ積層した複層回折型偏光子からなり、
前記偏光性回折格子は、透明基板上に形成された常光屈折率ｎｏおよび異常光屈折率ｎｅ（ｎｏ≠ｎｅ）を有する複屈折性材料層が周期的な凹凸断面形状に加工されているとともに、少なくともその凹部に屈折率がｎｏまたはｎｅに等しい等方性透明材料が充填されている請求項４に記載の光減衰器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液晶素子および光減衰器に係り、特に光通信に用いる低電圧駆動で高消光比を有する液晶シャッタおよび光減衰器に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、通信需要の飛躍的な増大に伴い、波長が異なる複数の信号光を多重化して１本の光ファイバで大容量伝送を可能にする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。このような波長分割多重通信システムにあっては、波長が１４９０ｎｍから１６２０ｎｍの範囲の多数のＷＤＭ波長チャネルに対して、電圧印加時に高い透過率を維持するとともに電圧非印加時には高い消光比で光を遮断する光シャッタや、印加電圧に応じて光量調整ができる光減衰器が用いられる。
【０００３】
近時、従来の機械式光シャッタや磁気光学効果を利用した光減衰器に替わって液晶の電気光学効果を利用した素子の開発が検討されている。このような素子は、従来の機械式光シャッタや磁気光学効果を利用した光減衰器に比較すると、可動部がなく、低消費電力であって小型化に有利である。そこで、以下のような液晶素子を用いた光減衰器が、本発明に係る発明者らにより提案されている（例えば特許文献１参照）。
この液晶素子を用いた光減衰器では、液晶分子長軸方向の比誘電率ε//と液晶分子短軸方向の比誘電率ε⊥との差である誘電異方性△ε（＝ε//−ε⊥）が正の液晶を用い、電圧非印加時の液晶層の液晶分子配向を基板面に対して平行で一方向に揃ったホモジニアス配向としている。また、１０Ｖ以下の印加電圧で液晶層のリタデーション値がゼロとなるように、液晶層の残留リタデーションを相殺する位相板が一体化されている。また、電圧非印加時の液晶層と位相差板の合成リタデーション値が入射光の波長λに対して約λ／２となるように液晶層の層厚を調整している。
【０００４】
このような液晶素子において、液晶層の基板面における液晶分子の配向方向に対して４５°の角度をなす偏光方向の直線偏光を入射すると、光出射側でその入射直線偏光を遮断するとともにそれと直交する偏光方向を有する直線偏光を透過する偏光子を光出射側に配置することにより、電圧非印加時には透過率最大で、印加電圧の増加とともに透過率が減少する光減衰器となる。
【０００５】
また、特定の直線偏光を効率よく透過するとともにそれと直交する偏光方向を有する直線偏光を回折する回折型偏光子が、例えば本発明に係る発明者らにより提案されている（特許文献２参照）。
【特許文献１】特開２００３−６６４５０号公報
【特許文献２】特開２００３−６６２３２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に記載の液晶素子の場合、液晶層のリタデーション値がゼロとなる印加電圧域が狭い。その結果、印加電圧変化に対する最小透過率Ｉminと最大透過率Ｉmaxの比で消光比を定義すると、低電圧で４０ｄＢ以上の高い消光比を安定して得ることが難しかった。
また、特許文献２に記載の回折型偏光子では、入射直線偏光を透過するとともにそれと直交する偏光方向を有する直線偏光を遮断する偏光子を液晶素子の光出射側に配置することにより、電圧非印加時に光を遮断する動作が得られるが、電圧非印加時の液晶層のリタデーション値が約λ／２であるため、位相差の波長依存性が生じ、広い波長帯域で高い消光比を得ることが難しい。なお、一体化されている位相板により、電圧非印加時の液晶層のリタデーションを相殺すれば、電圧非印加時の合成リタデーション値がゼロとなり、原理的に広い波長帯域で高い消光比となりうる。しかしながら、液晶層と位相板の合成リタデーション値を安定してゼロにすることは難しい。
【０００７】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、電圧非印加時の液晶層のリタデーション値を安定化してゼロにし、かつ、低電圧で液晶層のリタデーション値を入射光の波長λに対して略λ／２とする液晶素子を提供するともに、回折型偏光子と一体化して低電圧駆動で高い消光比が実現する光減衰器を提供することを目的とする
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、対向する平面に透明電極が形成された一対の透明基板と、この透明基板間に液晶が挟持された液晶層とを備え、前記透明電極間に印加する電圧に応じて前記液晶層を透過する直線偏光の光に対するリタデーション値を変化させる液晶素子において、前記液晶は、誘電異方性が負のネマティック液晶からなり、前記液晶への電圧非印加時の液晶分子の配向方向は前記透明電極の表面に対して略垂直で、前記液晶層に３Ｖ以上１０Ｖ以下の範囲にある何れかの電圧に対して前記液晶層のリタデーション値が０．７８μｍとなることを特徴とする液晶素子を提供する。
このように構成することにより、電圧非印加時（Ｖ＝０；以下「オフ状態」という）の液晶層のリタデーション値がゼロとなり、入射光の波長および入射角度の依存性がほとんどない。その結果、入射直線偏光と直交する偏光方向を有する直線偏光を透過する偏光子を光出射側に配置（以下「直交ニコル」という）することにより、高い光遮断性能が得られる。また、３Ｖ以上１０Ｖ以下の範囲にある何れかの電圧（Ｖ＝Ｖｐ；以下「オン状態」という）に対して液晶層のリタデーション値が０．７８μｍとなるため、ＷＤＭ波長チャネルに対して略１／２波長のリタデーション値に相当し、直交ニコル配置で高い透過率が得られる。従って、オン状態とオフ状態を印加電圧により切り替えることにより、高い消光比の光シャッタとなる。また、オン状態とオフ状態の中間の印加電圧変化に対して、透過率可変の光減衰器となる。
低電圧でオン状態を実現するためには、液晶層の層厚を厚くすればよいが、オン状態とオフ状態の電圧切り替えに対する液晶層のリタデーション値の変化の応答速度が遅くなるため、問題である。一方、１０Ｖ以下の電圧を発生させるためには、回路部品が高価であり、問題である。このため、３Ｖ以上１０Ｖ以下、より好ましくは３Ｖ以上５Ｖ以下の電圧範囲にある何れかの電圧でオン状態、すなわち液晶層のリタデーション値が０．７８μｍとなることが好ましい。
【０００９】
また、前記液晶層と前記透明電極との界面に、電圧非印加時の液晶分子の配向方向が前記透明電極の表面に対して略垂直となる垂直配向膜が形成されている上記の液晶素子を提供する。このように構成することにより、電圧非印加時の液晶層の液晶分子の配向が安定して透明電極の表面に対して略垂直となるため液晶層のリタデーション値が安定してゼロとなる。
【００１０】
また、前記垂直配向膜をラビング処理することにより、液晶分子が基板法線に対し、０．５°以上３°以下度傾斜している上記の液晶素子を提供する。このように構成することにより、電圧印加時の液晶層の液晶分子が安定してラビング方向に傾斜配向し、低電圧で所望のリタデーション値を得ることができる。
【００１１】
また、上記の液晶素子と、この液晶素子の光入射側または光出射側の少なくとも一方の側に配置された偏光子とを備える光減衰器であって、前記偏光子は、第１の直線偏光を直進透過するとともに前記第１の直線偏光の偏光方向と直交する偏光方向を有する第２の直線偏光を回折する、複屈折性を有する偏光回折型偏光子であることを特徴とする光減衰器を提供する。このように構成することにより、偏光子の光吸収に伴う発熱が無いため、印加電圧に応じた安定した消光比が得られる光減衰器となる。
【００１２】
また、前記偏光回折型偏光子は、複屈折性を有する偏光性回折格子を少なくとも２つ積層した複層回折型偏光子からなり、前記偏光性回折格子は、透明基板上に形成された常光屈折率ｎｏおよび異常光屈折率ｎｅ（ｎｏ≠ｎｅ）の複屈折性材料層が周期的な凹凸断面形状に加工され、少なくともその凹部に屈折率がｎｏまたはｎｅに等しい等方性透明材料が充填されている上記の光減衰器を提供する。このように構成することにより、偏光子の消光比が向上するため、ダイナミックレンジの広い光減衰器となる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、一対の透明基板とこの透明基板間に液晶が挟持された液晶層とを備え、透明電極間に印加する電圧に応じて直線偏光の光に対するリタデーション値を変化させる液晶素子において、液晶は、誘電異方性が負のネマティック液晶からなり、液晶への電圧非印加時の液晶分子の配向方向は透明電極の表面に対して略垂直で、かつ、液晶層のリタデーション値は略ゼロであり、液晶層に３Ｖ以上１０Ｖ以下の範囲にある何れかの電圧に対して前記液晶層のリタデーション値は０．７８μｍであるので、波長分割多重通信システムで用いられる波長帯域（例えば、λ＝１．４９０μｍ〜１．６２０μｍ）において、電圧非印加時の液晶層のリタデーション値を安定してゼロとし、かつ、低電圧で液晶層のリタデーション値を入射光の波長λに対して略λ／２とする液晶素子を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照しながら詳細に説明する。
［第１の実施形態］
図１及び図２は、本発明の第１の実施形態に係る液晶素子１０のを示すものであり、この液晶素子１０は、透明基板１１、１２と、透明電極１３、１４と、配向膜１５、１６と、シール１７と、液晶層１８とを備えている。
このうち、配向膜１５、１６には、液晶分子の配向方向がその表面に略垂直となる垂直配向膜を用いる。この垂直配向膜には、例えばポリイミドやシラン化合物に（一部もしくは全てがフッ素化されていて良い）長鎖アルキル基を導入することにより、使用する液晶を略垂直とする有機材料が安定した垂直配向性を保持できる。すなわち、レシチンのように両親媒性であってＣ１４〜Ｃ２２の長鎖アルキル基、オクタデシルクロロシランのようにＣ１８の長鎖アルキル基などの有機材料が、基板面に垂直に配向することにより、液晶分子の分子長軸がこの長鎖アルキル基と平行に並ぶ性質を利用して、安定した垂直配向を保持できる。
【００１５】
本実施形態によれば、透明電極１３と透明電極１４に外部の交流電源より電圧を印加することにより、液晶層１８の液晶分子の配向が変化し、その結果リタデーション値の変化が生じる。
【００１６】
次に、この液晶素子１０の構成要素と作製手順の一例について、以下に説明する。
はじめに、透明基板１１、１２の片面に、透明電極１３、１４を形成する。透明電極１３、１４は、ＩＴＯ（Ｉｎ２Ｏ３＋ＳｎＯ２）やＳｎＯ２などの材料からなり、これらの材料をスパッタリング法や真空蒸着法により膜厚５〜３００ｎｍ程度に成膜する。
さらに、この透明電極１３、１４上に、配向膜１５、１６を形成する。この配向膜１４、１６は、液晶分子の配向方向がその表面に略垂直となる垂直配向膜を用いる。この垂直配向膜は、前述したように、例えばポリイミドやシラン化合物に（一部もしくはすべてがフッ素化されていて良い）長鎖アルキル基を導入することにより、使用する液晶を略垂直とする有機材料が、安定した垂直配向性を保持できる。
【００１７】
ここで、透明基板１１と透明基板１２に外部より交流電圧を印加するとき、後述する液晶層１８の液晶の配向が一定方向に傾斜するように配向規制することが好ましい(図６のγ参照)。具体的には、以下の４種の配向規制方法がある。
（１）垂直配向膜の表面を特定方向にラビング処理することにより、電圧非印加時に垂直配向膜界面の液晶分子が特定方向にプレチルトさせる。
（２）透明電極上または配向膜上に微細な凹凸を形成し、凹凸形状に規制された方向に液晶分子が傾斜するようにする。
（３）透明電極を予め微細にパターニングしておき、電圧印加時に発生する電界分布の方向に液晶分子が傾斜するようにする。
（４）酸化珪素、金属酸化物、金属フッ化物、複合酸化物等の無機材料を斜方蒸着させ配向膜とする。使用する金属酸化物としては、例えば、Ｔａ２Ｏ５、ＷＯ３、Ｂｉ２Ｏ３、等が挙げられ、複合酸化物としては、［（１−ｙ）ＳｉＯＸ］＋［ｙＺｒＯ２］、［（１−ｙ）ＳｉＯＸ］＋［ｙＴｉＯ２］（０＜ｘ＜２、０＜ｙ＜１）等が挙げられる。これらのうち、配向状態の安定性に優れることから、ＳｉＯ２（０＜ｘ＜２）が好ましい。
なお、（２）および（３）、（４）に比べて、（１）の配向規制法が高い配向均一性を確保するのに有利である。このときのプレチルト角は、０．５°から５°程度で、配向膜面に対する傾斜角度は８９．５°から８５°程度である。表面のラビング処理により電圧印加時の液晶配向性を発生させる垂直配向膜材料として、前述したように、例えばポリイミドやシラン化合物に（一部もしくは全てがフッ素化されていて良い）長鎖アルキル基を導入することにより、使用する液晶を略垂直とする有機材料が好ましい。本実施形態では、垂直配向膜をＸ軸と４５°の角度方向にラビング処理して用いる。
このように、垂直配向膜を用いることにより、オフ状態（印加電圧Ｖ＝０）で液晶分子が基板面に対してほぼ垂直方向に揃っているため、液晶層１８のリタデーション値は安定してゼロとなる。その結果、直交ニコル配置とすることにより、入射光の波長および入射角度に依存すること無く、出射光を偏光子の有する消光比のレベルで決まる遮断性能が実現できる。
【００１８】
次に、透明基板１１の片面にギャップ制御材が混入された図示外の接着材を印刷パターニングしてシール１７を形成し、透明基板１２と重ね合わせ、圧着して空セルを作製する。さらに、シール１７の一部に設けられた注入口（図示せず）から常光屈折率ｎｏおよび異常光屈折率ｎｅ（但し、ｎｏ≠ｎｅ）を有するネマティック液晶を注入し、この注入口を封止して液晶をセル内に密封して層厚Ｇの液晶層１８を形成し、本実施形態の液晶素子１０とする。
なお、図１、図２に示すように、透明基板１１側に形成された電極１４Ａを通して透明電極１４に電圧を印加するため、あらかじめシール１７に導電性金属粒子を混入してシール圧着することによりシール厚方向に導電性を発現させ、透明電極１４と電極１４Ａを導通する。透明電極１３に接続された電極１３Ａと、第２の透明電極１４に接続された電極１４Ａとに、外部の交流電源を接続して、液晶層１８に交流電圧を印加する。透明電極１３、１４は予めパターニングされているとともに、配向膜１４、１６もシール１７に接触しないようにパターニングされている。
【００１９】
次に、液晶分子長軸方向の比誘電率ε//と液晶分子短軸方向の比誘電率ε⊥との差である誘電異方性△ε（＝ε//−ε⊥）が負のネマティック液晶を用いて、液晶層１８を形成するときの具体的な条件などについて、定性的に説明する。
なお、ここで、誘電異方性△εが負の液晶を用いると、電圧印加により生じる電界と垂直方向に液晶の配向方向（すなわち、異常光屈折率ｎｅの方向）を揃えることができる。また、本実施形態では、配向膜１４、１６表面のラビング処理を同一方向（Ｘ軸と４５°の角度方向）とすることにより、低電圧で液晶層１８の大きなリタデーション値変化を得る構成とする。
一般に、ＷＤＭ通信システムにおける使用波長λは、１４９０ｎｍから１６２０ｎｍと長波長であり、直交ニコル配置のオン状態（印加電圧Ｖ＝Ｖｐ）で高い透過率を得るためには、液晶層１８のリタデーション値がλ／２となることが必要である。一方、誘電異方性△εが負のネマティック液晶としては、例えば、Ｐ．Ｋｉｒｓｃｈ等が報告している（Ｌｉｑｕｉｄ  Ｃｒｙｓｔａｌｓ，２６，４４９（１９９９））ように、芳香環を含む環構造を結合基で結合して分子長軸を形成し、誘電異方性を負とするため、長軸には、たとえばアルキル基、アルキキシ基などの極性の小さい官能基を、一方、短軸方向に１つ以上の極性基（フッ素原子、塩素原子に代表されるハロゲン原子、-ＣＮ（シアノ）、−ＮＯ２、−ＮＣＳ（イソチオシアネート）、−ＣＦ３、−ＯＣＦ３など）を有する液晶化合物からなる液晶組成物が用いられる。
また、オン状態で液晶層１８のリタデーション値（λ／２）を得るためには、垂直配向膜のラビング方向の液晶層１８の平均屈折率ｎ（Ｖｐ）は、次式
｛ｎ（Ｖｐ）−ｎｏ｝×Ｇ＝λ／２                          ・・・（１）
但し、ｎｏ；常光屈折率
Ｇ；層厚
λ；（ＷＤＭ通信システムにおける）使用波長
を満たすことが必要である。
なお、平均屈折率ｎ（Ｖｐ）は、ラビング方向の偏光面の直線偏光（すなわち、異常光偏光）に対する液晶層１８の光路長／層厚に相当する。
【００２０】
一般に、液晶分子が低電圧で大きな配向変化を生むためには、誘電異方性△εの絶対値が大きな液晶であるほど好ましい。また、オン状態からオフ状態への応答時間は、液晶層１８の層厚（Ｇ）の二乗に逆比例するため、液晶層１８の層厚（Ｇ）が薄いほど高速応答に有利である。従って、薄い層厚（Ｇ）で前述の（１）式を満たす大きな平均屈折率ｎ（Ｖｐ）を得るためには、複屈折量△ｎ（＝ｎｅ―ｎｏ）が大きな液晶ほど好ましい。具体的には、３Ｖ以上１０Ｖ以下の印加電圧Ｖｐで、かつ、１４９０ｎｍから１６２０ｎｍの波長域でオン状態となるようにするため、（１）式で記載される液晶層１８のリタデーション値を０．７８μｍとする。
【００２１】
従って、このような構成の液晶素子１０にＹ軸方向の偏光面の直線偏光が入射すると、オフ状態では偏光状態が変化することなく透過する。一方、オン状態ではＸ軸方向の偏光面の直線偏光となって液晶素子１０を透過する。従って、液晶素子１０の光出射側に直交ニコルで偏光子を配置すると、オフ状態で光が遮断され、オン状態で高い透過率となり、印加電圧の切り替えにより高消光比の光シャッタとなる。また、印加電圧をゼロからＶｐまで変化させると出射光の光量をゼロから最大まで調整できる光減衰器の機能が得られる。
【００２２】
［第２の実施形態］
次に、本発明の第２の実施形態に係る液晶素子２０の構成例について、図３に示す側面図を参照しながら、詳細に説明する。
第２の実施形態に係る液晶素子２０は、第１の実施形態の液晶素子１０の光入射側と光出射側に設けた各透明基板１１、１２の外側に、偏光回折型偏光子２０Ａ、２０Ｂが一体化されている。なお、偏光回折型偏光子２０Ａ、２０Ｂの構成および作用効果については、前述の特許文献２に記載されているため、詳細な説明は省略する。
この偏光回折型偏光子２０Ａ（２０Ｂ）は、透明基板１１（１２）、透明基板２３Ａ（２３Ｂ）、透明基板２４Ａ（２４Ｂ）と、これらの基板間に狭持された偏光回折格子層２１Ａ（２１Ｂ）と偏光回折格子層２２Ａ（２２Ｂ）とを備えた構造のものからなる。
【００２３】
ここで、図４に偏光回折型偏光子２０Ａ（２０Ｂ）の断面図を参照しながら、偏光回折型偏光子２０Ａ（２０Ｂ）の構成要素と作製手順の一例について説明する。
初めに、透明性基板２３Ａ（２３Ｂ）および透明性基板２４Ａ（２４Ｂ）のそれぞれの片面に、常光屈折率ｎｏおよび異常光屈折率ｎｅ（ｎｏ≠ｎｅ）の複屈折性材料層を、その遅相軸（異常光屈折率を示す方向）が特定方向に揃うように形成する。次に複屈折性材料層を、断面形状が段差ｄ１かつ格子ピッチｐ１の凹凸状の周期構造を有する回折格子２５と、断面形状が段差ｄ２かつ格子ピッチｐ２の凹凸状の周期構造を有する回折格子２６とに加工する。
その後、少なくとも回折格子それぞれの凹部に屈折率ｎｓ（常光屈折率ｎｏまたは異常光屈折率ｎｅに等しい）の等方性透明材料２７を充填する。このようにして、透明性基板２３Ａ（２３Ｂ）および透明基板２４Ａ（２４Ｂ）上に偏光回折格子層２１Ａ（２１Ｂ）と偏光回折格子層２２Ａ（２２Ｂ）を形成するとともに、透明性基板２３Ａ（２３Ｂ）と透明基板２４Ａ（２４Ｂ）と液晶素子１０の透明基板１１（１２）を積層して、偏光回折型偏光子２０Ａ（２０Ｂ）とする。
【００２４】
なお、偏光回折格子層２１Ａ、２１Ｂ、２２Ａ，２２Ｂを構成する回折格子２５と回折格子２６の格子凸部の長手方向は、透明基板２４Ａと透明基板２４Ｂとの間で、所定の角度をなしていることが好ましい。すなわち、偏光回折型偏光子２０Ａと２０Ｂを構成する回折格子により発生する回折光が多重回折して直進透過光に重畳しないように、４種の偏光回折格子層２１Ａ、２２Ａ、２１Ｂ、２２Ｂの回折格子の格子長手方向を全て異なる（例えば、図６のβ〜ε）ように加工することが好ましい。
【００２５】
図５（Ａ）、（Ｂ）に、回折格子２５と回折格子２６の格子長手方向のＸ軸との成す角度がθ１とθ２の場合の平面図を示す。
ここで、例えば屈折率ｎｓが常光屈折率ｎｏとほぼ等しい等方性透明材料２７を用い、リタデーション値｜ｎｅ−ｎｓ｜×ｄ１および｜ｎｅ−ｎｓ｜×ｄ２が入射光の波長の略半分となる段差ｄ１およびｄ２とすると、異常光偏光の入射光に対して直進透過光の光量が最小となり、直進透過する常光偏光の透過率との比である消光比が高い値となる。回折格子に用いられる複屈折材料の遅相軸方向が揃った偏光回折格子層２１Ａ（２１Ｂ）と偏光回折格子層２２Ａ（２２Ｂ）を積層しているため、単層の場合に比べて直進透過光に対して高い消光比の偏光子が得られる。
複屈折材料からなる回折格子２５と回折格子２６としては、複屈折量が大きな高分子液晶を用いることが好ましい。高分子液晶からなる回折格子は、例えば、配向処理された基板面に液晶モノマーを塗布した後に紫外線を照射することにより、配向処理した方向に分子配向が揃った一定膜厚の高分子液晶層を形成し、フォトリソグラフィーや反応性イオンエッチングなどにより格子形状に加工できる。
【００２６】
次に、本実施形態の液晶素子２０において、偏光回折型偏光子２０Ａおよび偏光回折型偏光子２０Ｂの高分子液晶からなる回折格子２５と回折格子２６の配向方向（すなわち、異常光屈折率の方向）と格子長手方向のＸ軸とのなす角度θ１と角度θ２、液晶素子１０の液晶層１８のオン状態の液晶分子傾斜方向（すなわち、配向膜１４および配向膜１６の配向処理方向）の関係の一例を、図６に示す。
【００２７】
初めに、偏光回折型偏光子２０Ａにおける、偏光回折格子層２１Ａおよび偏光回折格子層２２Ａの高分子液晶は、図６において、Ｘ軸方向に配向している。また、回折格子２５はθ１＝９０°(図６のα)で、回折格子２６はθ２＝０°(図６のβ)としている。すなわち、偏光回折型偏光子２０Ａに入射するＹ軸方向の偏光面の直線偏光は回折されることなく直進透過し、Ｘ軸方向の偏光面の直線偏光はＸ軸方向およびＹ軸方向に回折されて直進透過する光はほとんどない。
一方、偏光回折型偏光子２０Ｂにおける、偏光回折格子層２１Ｂおよび偏光回折格子層２２Ｂの高分子液晶は、図６において、Ｙ軸方向に配向している。また、回折格子２５はθ１＝１３５°(図６のδ)で回折格子２６はθ２＝４５°(図６のε)としている。すなわち、偏光回折型偏光子２０Ｂに入射するＸ軸方向の偏光面の直線偏光は回折されることなく直進透過し、Ｙ軸方向の偏光面の直線偏光は４５°方向および１３５°方向に回折されて直進透過する光はほとんどない。
【００２８】
従って、偏光回折型偏光子２０Ａ側から液晶素子２０に入射するＸ軸方向の偏光面の直線偏光は、偏光回折型偏光子２０Ａで回折されるため、液晶素子２０を直進透過する光はほとんどない。一方、Ｙ軸方向の偏光面の直線偏光は、偏光回折型偏光子２０Ａで回折されることなく直進透過し、液晶素子１０に入射する。
ここで、液晶素子１０がオフ状態の時、偏光状態は変わらずＹ軸方向の偏光面の直線偏光のまま偏光回折型偏光子２０Ｂに入射し、偏光回折型偏光子２０Ｂで回折されるため、液晶素子２０を直進透過する光はほとんどない。一方、液晶素子１０がオン状態の時、偏光状態が変化しＸ軸方向の偏光面の直線偏光となって偏光回折型偏光子２０Ｂに入射し、偏光回折型偏光子２０Ｂで回折されることなく、液晶素子２０を直進透過する。ここで、偏光回折型偏光子２０Ａによる回折光が偏光回折型偏光子２０Ｂにより回折された場合、各回折格子による回折光の回折方向が異なるため、直進透過光に重畳することはない。
すなわち、液晶素子２０は、オフ状態で入射光の偏光状態に係わらず入射光を回折し、オン状態ではＹ軸方向の偏光面の直線偏光のみを高い効率にて直進透過する。
なお、図３に示す液晶素子２０では光入射側に偏光回折型偏光子２０Ａが配置されているが、入射光が直線性の高いＹ軸方向の偏光面の直線偏光であれば、偏光回折型偏光子２０Ａは用いなくともよい。
【００２９】
次に、図７は、本発明の液晶素子２０を用いて印加電圧に応じて透過光量が変化する光シャッタあるいは光減衰器とする場合の光学系構成の一例を示す側面図である。
この光学系では、液晶素子２０の出射側に集光レンズ１を配置した構成としており、液晶素子２０にＸ軸方向およびＹ軸方向の偏光面の直線偏光が混在した平行光が入射すると、オン状態の液晶素子２０を直進透過したＹ軸方向の偏光面の直線偏光は、集光レンズ１の光軸上の焦点面に集光される。一方、液晶素子２０で回折された光は集光レンズ１の光軸外の焦点面に集光される。したがって、集光レンズ１の光軸上の焦点面に開口部を有する開口絞り２を配置することにより、液晶素子２０がオン状態の時にのみＹ軸方向の偏光面の直線偏光の入射光を透過し、オフ状態では入射光を遮断する光シャッタとなる。
ここで、開口絞り２の替わりに、開口部に相当する受光部を有する光検出器を配置してもよい。また、光伝送用の光ファイバーのコア部を開口部の代わりに配置しても同様の機能が得られる。また、オフ状態（印加電圧Ｖ＝０）とオン状態（印加電圧Ｖ＝Ｖｐ）の中間域の電圧では、直進透過光の光量が印加電圧の大きさに応じて可変な光減衰器となる。
このように、図７の液晶素子２０を用いた光学系の場合、入射光のうちＸ軸方向の偏光面の光は信号光として利用されない。
【００３０】
次に、入射光の偏光状態に係わらず光利用効率の高い光シャッタおよび光減衰器を実現するために、液晶素子２０を備えた偏光無依存光シャッタおよび光減衰器３０の構成を図８に示す。
この光シャッタおよび光減衰器３０では、液晶素子２０の光入射側および光出射側に偏光変換素子３Ａと偏光変換素子３Ｂが配置された構成となっている。
この偏光変換素子３Ａ、３Ｂは、直角２等辺ガラスプリズムの斜面に偏光分離ミラー３１Ａ、３１Ｂと全反射ミラー３２Ａ、３２Ｂが形成されており、それぞれ底面が平行四辺形の四角柱ガラスの平行面に接着された構成となっている。
偏光分離ミラー３１Ａ、３１Ｂは、誘電体多層膜からなり、Ｙ軸方向の偏光面の直線偏光を透過し、Ｘ軸方向の偏光面の直線偏光を反射する。さらに、１／２波長板３３Ａ、３３Ｂがこの偏光変換素子３Ａ、３Ｂの光入出射面の一部に接着されており、Ｘ軸方向の偏光面の直線偏光をＹ軸方向の偏光面の直線偏光に変換する。
偏光変換素子３Ａの偏光分離ミラー３１Ａに入射する光は、Ｘ軸方向の偏光面の直線偏光が反射されて１／２波長板３３Ａを透過した後、Ｙ軸方向の偏光面の直線偏光となって液晶素子２０に入射する。一方、偏光分離ミラー３１Ａに入射する光のうち、Ｙ軸方向の偏光面の直線偏光は、偏光分離ミラー３１Ａを透過して液晶素子２０に入射する。すなわち、液晶素子２０の入射光は、いずれも、Ｙ軸方向の偏光面の直線偏光となる。
次に、液晶素子２０がオン状態の時、図８に示すように、液晶素子２０を透過してＸ軸方向の偏光面の直線偏光となる偏光成分の内、偏光変換素子３Ｂの１／２波長板３３Ｂを透過した光は、Ｙ軸方向の偏光面の直線偏光となって偏光分離ミラー３１Ｂを透過し、偏光変換素子３ＢからＺ軸方向に出射する。また、全反射ミラー３２Ｂで反射されるＸ軸方向の偏光面の光は、偏光分離ミラー３１Ｂで反射し、Ｘ軸方向の偏光面のまま偏光変換素子３ＢからＺ軸方向に出射する。このとき、Ｚ方向の光出射側には、図７と同様に、集光レンズ１と開口絞り２（図示せず）が配置されている。
一方、液晶素子２０がオフ状態の時、液晶素子２０を透過するＹ軸方向の偏光面の直線偏光の回折光のうち、偏光変換素子３Ｂの１／２波長板３３Ｂを透過した光は、Ｘ軸方向の偏光面の直線偏光となって偏光分離ミラー３１Ｂで反射され、偏光変換素子３ＢからＹ軸方向に出射する。また、全反射ミラー３２Ｂで反射されるＹ軸方向の偏光面の光は、偏光分離ミラー３１Ｂを透過し、偏光変換素子３Ｂから同じ偏光面のままＹ軸方向に出射する。なお、液晶素子２０には、交流電源を用いて交流電圧が印加される。
【００３１】
その結果、入射光の偏光常態に係わらず、液晶素子２０がオフ状態では入射光は回折されて偏光変換素子３Ｂを直進透過する光はほとんどない。また、液晶素子２０がオン状態では入射光は回折されることなく偏光変換素子３ＢをＺ軸方向に直進透過する。ここで、偏光変換素子３Ａ、３Ｂの偏光分離ミラー３１Ａ、３１Ｂの偏光分離能が不十分であっても、液晶素子２０が高い消光比で有るため、偏光無依存光シャッタおよび光減衰器として高い消光比およびダイナミックレンジが実現する。
【実施例】
【００３２】
次に、本発明に係る液晶素子１０について、図１を用いて具体的に説明する。
波長１．５５μｍで常光屈折率ｎｏ（ＬＣ）が１．４９および異常光屈折率ｎｅ（ＬＣ）が１．６３で、誘電異方性△ε（＝ε//−ε⊥）が−４のネマティック液晶を、透明電極１３、１４が片面に形成された透明基板１１、１２に挟持し、液晶層１８の層厚Ｇを１２．５μｍとした液晶素子１０を作製した。
透明電極１３、１４の液晶層１８に接する面には、ポリイミドから成る垂直配向膜１５、１６が形成されており、Ｘ軸と４５°の角度にラビング処理されている。この時、液晶層１８の垂直配向膜界面の液晶分子は基板平面に対して略８９°のプレチルト角をなし、Ｘ軸と４５°の角度方向に一様に傾斜している。
透明電極１３、１４に交流電圧を印加しないオフ状態では、波長λが１．５５μｍの光に対する液晶層１８のリタデーション値はほぼゼロであり、入射光の偏光状態は変化することなく液晶素子１０を透過する。次に、透明電極１３、１４に電圧を印加すると、印加電圧に応じて液晶層１８の液晶分子が、Ｘ軸と４５°の角度方向でＸＹ面方向に傾斜し、液晶層１８のリタデーション値が増加する。そして、印加電圧３．６Ｖでリタデーション値がλ／２となる。
【００３３】
次に、図３に示すように、液晶素子１０の光入射側および光出射側に偏光回折型偏光子２０Ａ、２０Ｂを一体化して液晶素子２０とする。
偏光回折型偏光子２０Ａ（２０Ｂ）の偏光回折格子層２１Ａ（２１Ｂ）と偏光回折格子層２２Ａ（２２Ｂ）は、何れも、高分子液晶からなる回折格子２５および回折格子２６としている。高分子液晶は、常光屈折率ｎｏ（＝１．５５）および異常光屈折率ｎｅ（＝１．６７）で、何れも断面が矩形形状であり、格子凸部の膜厚が６．３μｍから６．６μｍの直線格子である。また、格子ピッチを何れも２０μｍとし、波長λ（＝１．５５μｍ）に対して±１次回折光の回折角が４．４°となる。回折格子２５および回折格子２６の高分子液晶の配向方向、格子長手方向のＸ軸とのなす角度、および液晶素子１０の液晶層１８の配向方向は、第２の実施形態で説明した図６の関係とする。また、均一屈折率ｎｓ（＝１．５５）の透明接着材２７を回折格子２５および回折格子２６の凹部に充填するとともに、透明基板１１（１２）および透明基板２３Ａ（２３Ｂ）に接着固定する。
【００３４】
次に、このようにして得られた液晶素子２０と集光レンズ１とを組み合わせるとともに集光レンズ１の光軸上の焦点面に開口部を有する開口絞り２を配置した、図７に示す光シャッタあるいは光減衰器を形成する。
この光シャッタあるいは光減衰器では、偏光回折型偏光子２０Ａ側から入射した平行光は、その出射光を集光レンズ１の焦点面に集光する。また、液晶素子２０で回折された光は開口絞り２で遮断され、液晶素子２０を直進透過した光のみが光検出器が開口絞り２の開口部を透過し、光検出器（図示せず）にて検知する。
ここで、図２に示すように、液晶素子２０の電極１３Ａと電極１４Ａに図示外の交流電源を接続し、液晶層１８に交流電圧Ｖを印加する。そして、印加電圧Ｖをゼロから４Ｖまで変化させたときの検出光量を測定し、液晶素子２０がないときの検出光量に対する比率を消光比として図９に示す。なお、同図において、□、●、○は、それぞれ、波長１．５２μｍ、１．５６μｍ、１．６０μｍの入射光に対する測定結果を示す。
図９によれば、ＷＤＭ波長域の１．５２μｍから１．６０μｍの入射光に対して、液晶素子２０はオフ状態（Ｖ＝０）で−５０ｄＢ以下の高い消光比を示すとともに、オン状態（Ｖ＝Ｖｐ＝３．６Ｖ）で−０．２ｄＢ程度の高い透過率が得られた。すなわち、電圧ゼロとＶｐの切り替えで消光比の高い光シャッタとなる。
また、印加電圧を１．８Ｖから３．６Ｖまで変化させることにより、入射光の波長依存性がほとんどなく、−５０ｄＢから−０．２ｄＢ程度まで連続的に消光比、すなわち透過光量が変化し、低電圧駆動の光減衰器となる。なお、液晶層１６は高インピーダンスであり電流がほとんど流れないため、電圧印加に伴う液晶素子２０の消費電力は極めて僅かである。
【００３５】
なお、本発明は上述した実施形態に何ら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の形態で実施し得るものである。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
本発明の液晶素子は、波長分割多重通信システムで用いられる波長帯域において、低電圧駆動、低消費電力で高い消光比が必要とされる光シャッタや光減衰器として利用できる。特に、偏光回折型偏光子が光入射面と光出射面に一体化されているため、他の光学部品との位置調整をすることなく液晶素子単独で安定した高い消光比が要求される光学部品などに利用でき、有用である。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明に係る第１の実施形態の液晶素子の構成を示す側断面図。
【図２】図１に示す液晶素子の構成を示す横断面図。
【図３】本発明に係る第２の実施形態の液晶素子の構成を示す側断面図。
【図４】本発明の液晶素子の構成要素である偏光回折型偏光子の構成を示す側断面図。
【図５】（Ａ）、（Ｂ）は、それぞれ、本発明の液晶素子の各偏光回折型偏光子の構成要素である回折格子の格子長手方向の角度を示す平面図。
【図６】本発明の液晶素子の偏光回折型偏光子の構成要素である回折格子の複屈折材料（高分子液晶）配向方向と格子長手方向の角度と液晶層の配向方向との関係を示す平面図。
【図７】本発明の液晶素子を用いた光シャッタあるいは光減衰器の光学系構成を示す側断面図。
【図８】本発明の液晶素子を用いた光シャッタあるいは光減衰器の他の光学系構成を示す側断面図。
【図９】本発明の液晶素子に電圧をゼロから４Ｖまで印加したときの透過光の検出光量の測定結果の一例を示すグラフ。
【符号の説明】
【００３８】
１  集光レンズ
１０、２０  液晶素子
１１、１２、２３Ａ、２３Ｂ、２４Ａ、２４Ｂ  透明基板
１３、１４  透明電極
１３ａ、１４Ａ  電極
１５、１６  配向膜
１７  シール
１８  液晶層
２  開口絞り
２０Ａ、２０Ｂ  偏光回折型偏光子
２１Ａ、２１Ｂ、２２Ａ、２２Ｂ  偏光回折格子層
２５、２６  回折格子
２７  透明接着材（等方性透明材料）
３Ａ、３Ｂ  偏光変換素子
３０  光シャッタ（光減衰器）
３１Ａ、３１Ｂ  偏光分離ミラー
３２Ａ、３２Ｂ  全反射ミラー
３３Ａ、３３Ｂ  １／２波長板
４  交流電源
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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