(57)【要約】本発明の目的は、ビームスプリッターと、少なくとも一つの特定の偏光状態の偏光された光を、上記偏光状態を維持しながら直線的に変調するのに適した反射型位相変調器（８）とを備えた位相変調器システム（２０）である。ビームスプリッター及び位相変調器（８）は、光ビーム（１、３、５、７、９、１０、１１、１２）の光路に沿って配列されている。ビームスプリッターは、偏光ビームスプリッター（２）であり、位相変調器システム（２０）は、さらに、偏光ビームスプリッター（２）と位相変調器（８）との間の光路に沿って配列され、光ビーム（５、９）の偏光状態を与えられたセンスにて４５度回転させる光学回転子（６）を備え、ここで、位相変調器（８）に入射する光ビーム（７）の偏光状態は、上記特定の偏光状態に対応する。本発明は、さらに、反射型で動作可能であり、少なくとも一つの特定の直線偏光状態の偏光された光を、上記特定の直線偏光状態を維持しながら直線的に変調するのに適した位相変調器を備えた位相変調器システムにおいて、位相が変調された光ビームから入力光ビームを分離する方法に関する。該方法は、ａ）偏光ビームスプリッターに入力光ビームを通過させることにより、第１偏光状態を有する光ビームを提供し、ｂ）上記光ビームの上記第１偏光状態を、光学回転子により第１センスにおいて４５度回転し、ｃ）位相変調された反射光ビームを得るために位相変調器によって上記光ビームを反射し、ここで位相変調器に入射する光ビームの偏光状態は、上記特定の偏光状態に対応し、ｄ）上記第１偏光状態に直角な偏光状態を有する光ビームを得るため、反射光ビームの偏光状態を光学回転子により上記第１センスにおいて４５度回転し、ｅ）上記偏光ビームスプリッターに光ビームを通過させることにより第２偏光を有する上記光ビームを入力光ビームから分離する、のステップを備える。
2010518431.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ビームスプリッターと、少なくとも一つの特定の偏光状態を維持しながら上記偏光状態の直線的に偏光された光を変調するのに適した反射型位相変調器（８）とを備え、上記ビームスプリッター及び上記位相変調器（８）が光ビーム（１、３、５、７、９、１０、１１、１２）の光路に沿って配列される位相変調器システム（２０）において、
上記ビームスプリッターは偏光ビームスプリッター（２）であり、上記位相変調器システム（２０）は、さらに光学回転子（６）を備え、該光学回転子は、偏光ビームスプリッター（２）と位相変調器（８）との間の光路に沿って並べられ、かつ、位相変調器（８）へ進みかつ位相変調器（８）から逆に進む光ビーム（５、９）の偏光状態を計９０度まで回転し、
ここで、位相変調器（８）に入射する光ビーム（７）の偏光状態は、上記特定の偏光状態に対応する、
ことを特徴とする位相変調器システム。
【請求項２】
λ／２板（４）が偏光ビームスプリッター（２）と位相変調器（８）との間の光路に沿って配列され、λ／２板（４）は、位相変調器（８）の方へ進む光ビーム（３）の偏光状態を予め選択された角度（α）まで回転し、かつ偏光ビームスプリッター（２）の方へ進む光ビーム（１０）の偏光状態を同じ角度（α）までだが反対のセンスにて回転する、請求項１記載の位相変調器システム。
【請求項３】
λ／２板は、偏光ビームスプリッター（２）と光学回転子（６）との間に配列される、請求項２に記載の位相変調器システム。
【請求項４】
λ／２板は、光学回転子（６）と移相器（８）との間に配列される、請求項２に記載の位相変調器システム。
【請求項５】
光学回転子（６）は光学活性体である、請求項１から４のいずれかに記載の位相変調器システム。
【請求項６】
光学回転子（６）は４５度ファラデー回転子である、請求項１から４のいずれかに記載の位相変調器システム。
【請求項７】
位相変調器（８）は、画素アレイ型光変調器であり、好ましくは垂直に整列したネマチック型液晶構造であり、より好ましくはシリコン構造上で垂直に整列したネマチック型液晶構造である、請求項１から６のいずれかに記載の位相変調器システム。
【請求項８】
反射型で動作可能であり、少なくとも一つの特定の直線偏光状態を維持しながら上記特定の直線偏光状態の直線に偏光された光を変調するのに適した位相変調器を備えた位相変調器システムにおいて位相変調光ビームから入力光ビームを分離する方法であって、該方法は、
ａ）偏光ビームスプリッターに入力光ビームを通過させることにより、第１偏光状態を有する光ビームを提供し、
ｂ）上記光ビームの上記第１偏光状態を、光学回転子により第１センスにおいて４５度まで回転し、
ｃ）位相変調された反射光ビームを得るために位相変調器によって上記光ビームを反射し、ここで位相変調器に入射する光ビームの偏光状態は、特定の偏光状態に対応し、
ｄ）上記第１偏光状態に直角な偏光状態を有する光ビームを得るため、光学回転子により上記第１センスにおいて４５度まで反射光ビームの偏光状態を回転し、
ｅ）上記偏光ビームスプリッターに光ビームを通過させることにより第２偏光を有する上記光ビームを入力光ビームから分離する、
のステップを備えることを特徴とする分離方法。
【請求項９】
ｆ）偏光ビームスプリッターから位相変調器まで進む光ビームの偏光状態をλ／２板によってαまで回転し、
ｇ）位相変調器から偏光ビームスプリッターまで進む光ビームの偏光状態を上記λ／２板によって−αまで回転し、αは、−４５度と＋４５度との間の角度であり、好ましくは−２０度と＋２０度との間の角度である、
のステップをさらに備えた、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
ステップｆ）は、ステップａ）とステップｂ）との間で実行され、ステップｇ）は、ステップｄ）とステップｅ）との間で実行される、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
ステップｆ）は、ステップｂ）とステップｃ）との間で実行され、ステップｇ）は、ステップｃ）とステップｄ）との間で実行される、請求項９に記載の方法。
【請求項１２】
位相変調器は、画素アレイ型光変調器であり、好ましくは垂直に整列したネマチック型液晶構造であり、より好ましくはシリコン構造上で垂直に整列したネマチック型液晶構造である、請求項８から１１のいずれかに記載の方法
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、偏光された光を、その偏光状態を変化させずに直線的に偏光された光を変調するのに適した反射型位相変調器を備えた位相変調器システムの出力損失を低減する光学配置に関する。さらに本発明は、そのような位相変調器の方へ進む光ビームと反射されそのような位相変調器から逆に進む光ビームとを分離する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
既知の位相変調器システムは、透過型位相変調器（入射光を透過する）及び反射型位相変調器（入射光を反射する）を含む種々の位相変調器を組み込むことができる。本発明は、反射型位相変調器の応用に焦点を合わせる。ある応用例は、特別の位相変調器を必要とし、それは、この特別の偏光を維持する特別の偏光を有する入射光ビームを反射又は透過する。この特別な偏光は、直線偏光あるいは円偏光になりえる。よって、位相変調器の２つの種類は、直線及び円偏光型位相変調器（ＬＰＭ及びＣＰＭ位相変調器）と呼ばれるだろう。このような位相変調器は、市販されており、様々な応用例において一般に用いられている。
【０００３】
それほど高価でないＬＰＭ及びＣＰＭ位相変調器構造は、一般に位相変調器の表面に垂直である入射光ビームを必要とし、よって反射型位相変調器の場合には、入射光ビームは反射して、同じ光路に沿って戻る。ほとんどの応用例において、さらなる使用のために、位相変調された光ビームのみが外部で結合されるものであるので、反射され位相変調された光ビームを入射光ビームから分離する必要がある。
【０００４】
従来の移相器配置では、入射光ビームと反射した変調光ビームとの分離は、一般的に中立のビームスプリッターを用いることにより達成される。そのような配置は、例えば、ＬＣｏＳ（シリコン上の液晶）ディスプレイがＬＰＭ位相変調器として用いられるところで、Jacek Kacperski等によって記述されている（Optics Express 9664（１４巻）, Ｎｏ．２１）。入力光ビームは、偏光制御器を通過し、それは所望の直線偏光状態を得るためλ／２板であり、次に、ＬＣｏＳディスプレイ上にビームの半分だけを導く中立のビームスプリッターを通過する。反射した変調ビームは、再びビームスプリッターを通過する。これは、元のビームの１／４のみがシステムの外部で結合可能であることを意味し、この高い出力損失は、従来のＬＰＭ位相変調器システムの欠点である。
【０００５】
米国特許５，５３９，５６７号は、ＣＰＭ位相変調器に円偏光された光が照射されるとき、反射光ビームから入射光ビームを分離することの問題を解決する位相変調器システムを開示する。円偏光された光を生成するために、入力光ビームは、光ビームのｐ偏光成分が内部で反射する偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）内へ向かい、直線偏光光を円偏光光に変換するために設けられた１／４波長板の方へＰＢＳを出る。ＣＰＭ位相変調器は、円偏光された光ビームをその円偏光を変化させずに逆向きに反射する。光ビームが１／４波長板を逆向きに通過するとき、その偏光は、直線偏光に戻るように変換される。しかし、ビームは、１／４波長板を２回通過したので、その偏光は現在９０度回転され、従って、ＰＢＳを通過することができる。従って、位相が変調された出力光ビームは、入力光とは異なった場所及び角度で位相変調器システムを出る。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第５，５３９，５６７号明細書
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Optics Express 9664（１４巻）, Ｎｏ．２１  Jacek Kacperski等
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
１／４波長板がビームをＬＰＭ位相変調器に適さなくする円偏光の光を生成するとき、上述の配置は、ＬＰＭ位相変調器とともに使用することに適していない。
【０００９】
類似の低出力損失の光学配置は、ＬＰＭ位相変調器との使用に関して望ましいであろう。
【００１０】
従って、反射型ＬＰＭ位相変調器を備えた位相変調器システムの出力損失を低減するための光学配置を提供することが本発明の目的である。
【００１１】
さらに、ＬＰＭ位相変調器へ向かう光ビームと反射されＬＰＭ位相変調器から戻る光ビームとを分離する方法を提供することが本発明の目的である。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上述の目的は、請求項１による位相変調器システムを提供することにより、及び請求項８による方法を提供することにより達成される。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は、本発明による光学位相変調器システムの例示的な実施形態の模式図である。
【図２】図２は、位相変調器システムを通過する間の異なる段階での光ビームの偏光状態を連続して示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明の更なる細部は、添付の図及び例示的な実施形態から明白になる。
図１は、本発明による光学位相変調器システム２０の例示的な実施形態を示す模式図である。位相変調器システム２０は、システム２０を横断する光ビーム１、３、５、７、９、１０、１１、１２の光路に沿って並べられた、偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）２、λ／２板４、光学回転子６、及び反射型ＬＰＭ位相変調器８を備える。
【００１５】
光路は、応用例に応じてＰＢＳ２と位相変調器８との間の所望のラインに従うことができる。ミラー、光学的導波管などによる所望の光路の形成は、当該技術分野において良く知られており、従って、さらに詳細には説明しない。
【００１６】
本発明の内容において、光学回転子は、直線偏光された光ビームの偏光状態を所定角度まで所定のセンス（sense）にて回転する偏光回転子であるように理解され、つまり回転のセンスは光伝達の方向に構わない。本発明による光学回転子６の回転角度は、４５度である。光学回転子６は、例えば、適切に選択された厚みを有するいずれかの光学活性な材料（キラル物質）であり得、あるいは、それは４５度ファラデー回転子でありえる。
【００１７】
一方、λ／２板４は、異なるタイプの偏光回転子である。即ち、λ／２板を前、後に通過する光ビームの回転は、累積的ではない、つまり回転のセンスは、光伝達の方向に依存する。結果として、そのような板を前、後に通過する、直線的に偏光された光の偏光方向は、同じのままであろう。
【００１８】
ＬＰＭ位相変調器８は、例えばＶＡＮ（垂直に整列したネマチック）型液晶であり得、その実際的な実施形態の一つにおいて、シリコン構造上の液晶（ＬＣｏＳ）であり得る。
【００１９】
入力光ビーム１は、それがｓ偏光成分１ａ及びｐ偏光成分１ｂに分割される所のＰＢＳ２内へ案内される。ｓ偏光成分１ａは、反射されシステムを出る、つまり、更なる使用のため外部で結合することができる。一方、ｐ偏光成分１ｂは、ＰＢＳ２を通過し、光ビーム３として出る。別の好ましい実施形態では、ｐ偏光入力光ビーム１は、ＰＢＳ２に案内される前に生成され、損失なくＰＢＳ２を通過する。好ましい実施形態によれば、出射するｐ偏光光ビーム３は、λ／２板４を通過するために作られる。λ／２板４は、ＰＢＳ２と位相変調器８との間の光路に沿っていかなる場所にも配置することができ、位相変調器８への出射光ビーム５の偏光の角度を調整する役目をする。順方向においてλ／２板４を通過するとき、ｐ偏光光ビーム３の直線偏光は、位相変調器８の所望の偏光角度と一致するように所定角度にて回転される。
【００２０】
光ビーム５は光学回転子６へ伝搬され、それは４５度によって偏光を回転させる。λ／２板４及び４５度の光学回転子６を通過した結果として、ＬＰＭ位相変調器８に入射する光ビーム７の偏光は、位相変調器８の特定の偏光状態に対応し、それは入射光ビーム７を逆向きに反射するとき変化されず、一方、光ビーム７の位相は変調されている。逆方向に移動する反射され位相が変調された光ビーム９は、光学回転子６により再び４５度まで回転されるとき、出射光ビーム１０の偏光は、光ビーム５の偏光に垂直になるであろう。さらに、光ビーム１０が逆方向においてλ／２板４を通るとき、その偏光は、順方向でそれを通過するときと同じ所定角度により回転され元に戻る。従って、ｓ偏光光ビーム１１が得られ、それは、ＰＢＳ２に再入射するときＰＢＳ２から反射され、よって、システム２０に入射する入力光ビーム１の場合のように、位相変調器システム２０の外部で出力ｓ偏光光ビーム１２の形態にて異なる位置及び角度で結合することができる。
【００２１】
位相変調器システム２０を通過する光ビーム１、３、５、７、９、１０、１１、１２の偏光状態が図２に図示されている。矢印は、偏光方向（ｙ軸は、垂直に偏光された、あるいはｐ偏光された状態に対応する）を示し、一方、各図示の下の符号は関係する光ビームの参照符号を示している。従って、最初の図は、入力光ビーム１の偏光状態を示し、それは好ましい実施形態によればｐ偏光された（垂直に偏光された）光ビームである。ＰＢＳ２を出射する光ビーム３は、２番目の図から分かるように、入力光ビーム１と同じ偏光を有する。３番目の図は、光ビーム３の偏光状態に対して所定角度αまでλ／２板によって光ビーム５の偏光が回転したことを示す。所要角度αは、ｚ軸のまわりでそれを回転させることでλ／２板の配向を変更することにより容易に設定することができる。光ビーム７の偏光は、光ビーム５に対して４５度まで時計回りのセンスにおいて光学回転子６によって回転される。よって、光ビーム７の偏光は、入力光ビーム１の元のｐ偏光からα＋４５度の角度にある。ｐ偏光ビームの全回転がＬＰＭ位相変調器８の特定の偏光状態に対応した偏光状態に帰着するように、λ／２板の回転角αは選択され、それは不変で、逆向きに反射される。逆方向に進む位相変調された光ビーム９、１０、１１、１２の偏光状態は、図をより理解可能とするため、点線で示されている。５番目の図から分かるように、ＬＰＭ位相変調器８から逆向きに反射した光ビーム９の偏光は、入射光ビーム７の偏光に対して変化しないままであり、一方、その位相は変調されている。逆方向において光学回転子６を通過するとき、光学回転子６の回転のセンスが伝搬方向に関係ないことから、光ビーム１０の偏光は、光ビーム１０の偏光がｙ軸にα＋９０度の角度にあることを意味する別の４５度により、同じ時計回り方向に回転される。これはλ／２板の状況ではなく、同じ角度αだが今回は反時計回りのセンスにより光ビーム１０の偏光を逆に回転させる。従って、その結果の光ビーム１１の偏光は、元のｐ偏光入力光ビーム１の偏光に垂直である。従って、ｓ偏光光ビーム１１は、ＰＢＳ２に再入射するとき曲がって逆に反射され、最後の図に示すように位相変調されたｓ偏光出力光ビーム１２を提供する
【００２２】
伝搬方向とともに入、出力光ビーム１、１２の役割は逆にすることができ、つまり、ｓ偏光の光ビーム１１がＰＢＳ２の出力側で位相変調器システム２０に供給された場合には、位相が変調されたｐ偏光の光ビーム１が入力側で得ることができる。
【００２３】
λ／２板４及び光学回転子６は、よりよい光伝送を達成するためにシステム２０の光軸のまわりで回転することができる。しかしながら、システム２０の全体の伝送は、位相変調器８の反射率、それは比較的大きくなり得、一般的に約７０％、により主に決定される。変調速度も位相変調器８によって決定され、一般に６〜９ミリ秒と同じ高さである。ＬＰＭ位相変調器８は、好ましくは、例えばほぼ１９２０ｘ１２００の解像度を有する画素アレイ型光変調器である。位相変調器８がＶＡＮ型のディスプレイである場合、位相変調の機能における光学系の全伝達変化はむしろ小さく、上述の実施形態では、伝達の全変化は、１、３πの位相変調に関して＋／−１０％である。
【００２４】
ＰＢＳ２を出る偏光された光ビーム３が、４５度の角度で、位相変調器８により要求される特定の偏光状態にあるように、ＰＢＳ２及び位相変調器８が互いに整列された場合には、λ／２板４は省略することができる。しかしながら、所望の範囲に構成部品を機械的に整列させることは、多くの場合可能ではなく、この場合、ＰＢＳ２と位相変調器８との間の光路に沿った任意の場所に適切なλ／２板４を挿入することにより、構成部品のポスト・アッセンブリッジ・マッチング（post-assemblage matching）を行なうことができる。λ／２板の回転角は、好ましくは−４５度と＋４５度との間、より好ましくは−２３度と＋２３度との間である。
【００２５】
上述の実施形態は、実施例を図示するものとしてのみ意図され、本発明を限定するように考えるべきではない。様々な偏光は、添付の請求範囲によって決定される保護の範囲から逸脱せずに、当業者に明白になるであろう。
【図１】
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【図２】
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【国際調査報告】
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