(57)【要約】【課題】小型で消光比の高い反射型光変調素子を得る。【解決手段】反射ミラー３と、反射型偏光回折格子２０と、液晶素子３０と、液晶素子３０を構成する液晶分子の制御手段とを備える反射型光変調素子２０であって、入射光が液晶素子を透過して反射型偏光回折格子に入射し、入射光のうち第１の偏光方向を有する第１直線偏光は回折されることなく反射型偏光回折格子２０を透過して反射ミラー３で反射されて液晶素子を出射し、第１直線偏光と直交する偏光方向を有する第２直線偏光は反射型偏光回折格子により回折されて第１直線偏光の出射光とは異なる方向に液晶素子を出射する反射型光変調素子とする。【選択図】図１
2005003758.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射光を反射する反射ミラーと、複屈折材料が鋸歯状の断面形状に加工された回折格子からなる反射型偏光回折格子と、入射光が透過することによりその偏光状態を変化させる液晶素子と、液晶素子内の液晶分子の配向状態を変化させる制御手段とを備える反射型光変調素子であって、外部からの入射光が液晶素子を透過して反射型偏光回折格子に入射し、反射型偏光回折格子への入射光のうち第１の偏光方向を有する第１直線偏光は回折されることなく反射型偏光回折格子を透過して反射ミラーで反射されて液晶素子を出射し、第１の偏光方向と直交する偏光方向を有する第２直線偏光は反射型偏光回折格子により回折されて第１直線偏光の出射光とは異なる方向に液晶素子を出射することを特徴とする反射型光変調素子。
【請求項２】
前記反射型偏光回折格子を構成する複屈折材料が高分子液晶からなる請求項１記載の反射型光変調素子。
【請求項３】
前記液晶素子と前記反射型偏光回折格子との間に、第１直線偏光を回折しかつ第２直線偏光を回折することなく透過する透過型偏光回折格子が配置されている請求項１または２記載の反射型光変調素子。
【請求項４】
前記透過型偏光回折格子は、高分子液晶層が鋸歯状の断面形状に加工された回折格子からなる請求項３記載の反射型光変調素子。
【請求項５】
請求項１から４のいずれかに記載の反射型光変調素子を用いる可変光減衰器であって、前記制御手段は前記液晶素子に電圧を印加する手段であり、印加電圧により前記液晶素子を透過する光の偏光状態が変化して、反射型偏光回折格子により回折された光と回折されない光とが分離して２つの出射光とされ、いずれか一方の出射光のみを受光する分別手段が設けられていて、印加電圧の大きさに応じて受光する光量が調整されることを特徴とする可変光減衰器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、反射型光変調素子および可変光減衰器に関し、さらに詳しくは反射型光変調素子は反射型偏光回折格子と液晶素子とを備え、液晶分子の配向状態を電圧印加により制御する制御手段を用いて液晶素子の透過光の偏光状態を変化させ、反射型偏光回折格子による回折状態を変化させる反射型光変調素子に関する。また、可変光減衰器は反射型光変調素子による回折光または非回折光にいずれか一方を分別手段により受光し、印加電圧の大きさに応じて受光光量が変化するものである。
【０００２】
【従来の技術】
液晶を利用した光変調素子は液晶ディスプレイとして商品化されているとともに、液晶層に印加する電圧を変化させて透過光を制御する可変光減衰器や光スイッチなどの各種光デバイスに使用されている。例えば、特開２００３−６６４５０には位相板を液晶セルに一体化し、印加電圧の大きさに応じて透過光量が変化する可変光減衰器が開示されている。また、同じ特開２００３−６６４５０において、偏光回折型の偏光子をさらに一体化することにより、高強度の光が入射しても液晶層の温度上昇が少ないとともに安定した消光比が得られる構成例が開示されている。この従来の透過型光変調素子の構成例を図８に示す。位相板付き液晶セル５０に偏光回折型の偏光子６０が一体化され可変光減衰器３００としている。Ｙ軸方向の直線偏光は液晶層へ印加する電圧に応じて液晶セル５０を透過後の偏光状態が変化し、偏光回折型偏光子６０によりＹ軸方向の直線偏光成分は回折され、Ｘ軸方向の直線偏光成分は直進透過する。回折光と直進透過光とを分離し直進透過光のみを取りだすことにより電圧による可変減衰器となる。
【０００３】
また、同じ特開２００３−６６４５０には、液晶セル内の一方の電極を反射電極とすることにより、液晶層の厚さを半分にできるため低駆動電圧化および高速応答化につながることが開示されている。
【０００４】
波長多重光通信ネットワークにおいて、外部制御信号により波長多重信号に対し所定の波長の光を通過または通過を阻止する光スイッチが必要であり、阻止時と通過時との光量比Ｉｏｆｆ／Ｉｏｎとして−４０ｄＢ以上の高い消光比が求められる。
【０００５】
図８に示す従来の可変減衰器は、印加電圧の大きさに応じて消光比を調整する用途には適しているが、−４０ｄＢ以上の高い消光比が得られる印加電圧範囲は狭いため、安定して高い消光比を維持する光スイッチとして使用するためにはＩｏｆｆレベルの低い電圧領域を拡大する必要があった。
【０００６】
消光比向上策として、可変光減衰器３００を直列に２個配置することが有効であるが、電圧印加配線が複雑化するとともに大型化を招く問題があった。特に、波長多重信号における所定の波長の光を通過または阻止する光スイッチや可変光減衰器とするために、液晶層に電圧を印加する電極を波長ごとに分割した画素電極構造として各画素を独立に外部制御信号によりスイッチングする必要があり、可変光減衰器の大型化を招くことなく２個の可変光減衰器間の画素電極を位置調整することは困難であった。
【０００７】
また、透過型の可変光減衰器３００の光出射側に反射ミラーを設けることにより可変光減衰器３００を直列に２個配置したのと同様の構成が単一の可変光減衰器３００を用いて実現する。しかし、偏光回折型の偏光子を用いる場合、往路で回折された光が反射ミラーで反射された後復路でも回折され、回折されない直進透過光に重畳するため高い阻止量が得られない問題があった。
【０００８】
【特許文献１】
特開２００３−６６４５０号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上述の実情に鑑み、量産性に優れた小型で安定して高い阻止量が得られる反射型光変調素子および反射型光変調素子を用いた可変光減衰器を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、入射光を反射する反射ミラーと、複屈折材料が鋸歯状の断面形状に加工された回折格子からなる反射型偏光回折格子と、入射光が透過することによりその偏光状態を変化させる液晶素子と、液晶素子内の液晶分子の配向状態を変化させる制御手段とを備える反射型光変調素子であって、外部からの入射光が液晶素子を透過して反射型偏光回折格子に入射し、反射型偏光回折格子への入射光のうち第１の偏光方向を有する第１直線偏光は回折されることなく反射型偏光回折格子を透過して反射ミラーで反射されて液晶素子を出射し、第１の偏光方向と直交する偏光方向を有する第２直線偏光は反射型偏光回折格子により回折されて第１直線偏光の出射光とは異なる方向に液晶素子を出射することを特徴とする反射型光変調素子を提供する。
【００１１】
また、前記反射型偏光回折格子を構成する複屈折材料が高分子液晶からなる上記の反射型光変調素子を提供する。
【００１２】
また、前記液晶素子と前記反射型偏光回折格子との間に、第１直線偏光を回折しかつ第２直線偏光を回折することなく透過する透過型偏光回折格子が配置されている上記の反射型光変調素子を提供する。
【００１３】
また、前記透過型偏光回折格子は、高分子液晶層が鋸歯状の断面形状に加工された回折格子からなる上記の反射型光変調素子を提供する。
【００１４】
さらに、上記の反射型光変調素子を用いる可変光減衰器であって、前記制御手段は前記液晶素子に電圧を印加する手段であり、印加電圧により前記液晶素子を透過する光の偏光状態が変化して、反射型偏光回折格子により回折された光と回折されない光とが分離して２つの出射光とされ、いずれか一方の出射光のみを受光する分別手段が設けられていて、印加電圧の大きさに応じて受光する光量が調整されることを特徴とする可変光減衰器を提供する。
【００１５】
【発明の実施の形態】
［第１の実施態様］
図１は本発明の第１の実施態様の反射型光変調素子の構成例を示す側面図である。
透光性基板５と６の片面にそれぞれ透明電極８と９が形成され、さらにその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１０を用いてセル化されている。ここで、配向膜の配向処理はＸＹ面内でＸ軸に対して４５度の角度をなす。さらに、セル内に常光屈折率ｎｏ（ＬＣ）および異常光屈折率ｎｅ（ＬＣ）（ｎｏ（ＬＣ）＜ｎｅ（ＬＣ））のネマティック液晶が注入されて液晶層７とし、透光性基板と平行でかつＸ軸に対して４５度の角度をなす方向に液晶分子の配向方向すなわち異常光屈折率ｎｅ（ＬＣ）が揃った液晶素子３０が得られる。
【００１６】
また、片面に反射ミラー３が形成された透光性基板４の反射ミラー表面にＸ軸方向に配向処理された配向膜（図示せず）を形成し、その上に液晶モノマー溶液を塗布した後、紫外線を照射してＸ軸方向に液晶分子の配向方向の揃った常光屈折率ｎｏ（ＰＬＣ）および異常光屈折率ｎｅ（ＰＬＣ）（ｎｏ（ＰＬＣ）＜ｎｅ（ＰＬＣ））の高分子液晶層を形成する。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、高分子液晶層を断面が鋸波形状でＸ軸方向に直線形状となるブレーズ型回折格子１に加工する。
【００１７】
次に、常光屈折率ｎｏ（ＰＬＣ）と略等しい等方性屈折率ｎｓの透明接着材２をブレーズ型回折格子１の凹部に充填するとともに透光性基板５に接着固定することにより反射型偏光回折格子２０が得られる。このようにして、高分子液晶を複屈折材料とした回折格子からなる反射型偏光回折格子２０と液晶素子３０とが一体化された反射型光変調素子１００となる。
【００１８】
ここで、液晶層の複屈折率（常光屈折率と異常光屈折率との差）を△ｎ（ＬＣ）＝ｎｅ（ＬＣ）−ｎｏ（ＬＣ）とすると、波長λの入射光に対して液晶層７のリタデーション値△ｎ（ＬＣ）×ｄ（ＬＣ）がλ／２となるように液晶層の厚さｄ（ＬＣ）を調整する。
【００１９】
また、高分子液晶からなるブレーズ型回折格子１の格子高さｄ（ＰＬＣ）は、入射光に対して＋１次回折効率が最大となるようにする。すなわち、高分子液晶の複屈折率を△ｎ（ＰＬＣ）＝ｎｅ（ＰＬＣ）−ｎｏ（ＰＬＣ）とすると、△ｎ（ＰＬＣ）×ｄ（ＰＬＣ）が略λ／２としている。図１では断面が鋸波形状のブレーズ型回折格子１を示すが、鋸波形状の斜辺部分を多段の階段で近似した疑似のブレーズ型回折格子としてもよい。
【００２０】
反射ミラー３に対して入射角θで反射型光変調素子１００に入射した光が反射型偏光回折格子２０で＋１次回折光として反射して入射光と同じ方向に出射する場合、ブレーズ型回折格子１の格子ピッチＰをＰ＝λ／（２×ｓｉｎθ）とし、光入出射面をブレーズ型回折格子１の鋸波形状の断面であるＹＺ面内とする。
【００２１】
なお、反射型光変調素子１００に対して入射光の入射角θ１と出射光の出射角θ２が異なっていてもよい。その場合、ブレーズ型回折格子１の格子ピッチＰをＰ＝λ／（ｓｉｎθ１＋ｓｉｎθ２）とする。
【００２２】
図２は、本発明の第１の実施態様の反射型光変調素子の他の構成例を示す側面図である。なお、図２に示す反射型光変調素子１１０の構成例のように、高分子液晶層からなるブレーズ型回折格子１を透光性基板５に形成し、常光屈折率ｎｏ（ＰＬＣ）と略等しい等方性屈折率ｎｓの透明接着材２をブレーズ型回折格子１の凹部に充填するとともに反射ミラー３が形成された透光性基板５に接着固定する構成としてもよい。なお、図２において図１と同符号のものは、同じ要素を示す。
【００２３】
次に、図３を用いて図１に示す反射型光変調素子１００の動作について説明する。以下、図１も参照しながら説明する。透明電極８と９とに接続された交流電源１１を通して液晶層７に電圧が印加され、液晶分子の配向状態が電圧により変化する。
【００２４】
印加電圧Ｖ０（＝０Ｖ）のとき、液晶分子の配向は透明基板と平行でかつＸ軸に対して４５度の角度をなす方向に揃い、波長λで偏光方向がＹＺ平面内で入射角θの入射光に対して、液晶層７のリタデーション値は略λ／２となる。その結果、図３（ａ）に示すように、液晶素子３０を透過した波長λの光の偏光方向は９０度回転してＸ軸方向の第２直線偏光に変化し、反射型偏光回折格子２０に入射する。Ｘ軸方向の直線偏光は高分子液晶からなるブレーズ型回折格子１の異常光屈折率ｎｅ（ＰＬＣ）に対応するため、ブレーズ型回折格子１と透明接着材２とで高分子液晶の複屈折率に相当する屈折率差△ｎ（ＰＬＣ）が生じ、＋１次回折光が最大である反射型偏光回折格子２０となり、入射光と同じ経路を戻り反射型光変調素子１００から出射する。ここで、反射型偏光回折格子２０により回折されたＸ軸方向の第２直線偏光の反射光は、液晶素子３０を再び透過することにより偏光方向がＹＺ平面内の出射光となる。
【００２５】
一方、大半の液晶分子が電界方向に揃うのに充分な印加電圧Ｖ（＞Ｖ０）としたとき、液晶層７のリタデーション値は略ゼロとなり、液晶素子３０を透過後の入射光の偏光方向は変化せず、ＹＺ平面内の偏光方向を保ったまま第１直線偏光で反射型偏光回折格子２０に入射する。このときの偏光方向は高分子液晶層の常光屈折率ｎｏ（ＰＬＣ）に対応し、透明接着材２の等方性屈折率ｎｓと一致するためブレーズ型回折格子１で回折されず直進透過する。その結果、図３（ｂ）に示すように、反射ミラー３により鏡面反射されて高分子液晶層を往復し、反射型光変調素子１００から入射光と異なる方向に出射する。
【００２６】
反射型光変調素子１００において、電圧印加時に残留する液晶層７のリタデーション値を位相板を用いて相殺することにより低電圧で高い消光比が実現できる。例えば、図１において液晶素子３０の透光性基板６の片面に液晶層７の液晶分子の配向方向と直交する配向を有する高分子液晶からなる位相板を形成し、そのリタデーション値が電圧印加時に残留する液晶層７のリタデーション値と一致する高分子液晶層の厚さとすればよい。高分子液晶からなる位相板の代わりに水晶や１軸延伸後のポリカーボネートからなる位相板を用いてもよい。
【００２７】
ここで、反射型光変調素子１００の光出射側に入射光と同じ方向に出射する戻り光を信号光として受光し、入射光と異なる方向に出射する戻り光を受光しない光学系を用いることにより、透明電極８と９に印加する電圧をＶ０からＶまで変化させることにより信号光量を変化できる電圧可変光減衰器や、電圧をＶ０とＶとで切り替えることによりオン・オフ動作する光スイッチとなる。
【００２８】
図４に本発明の反射型光変調素子１００を、電圧による可変光減衰器や光スイッチとして用いる場合の光学系構成例を示す。光ファイバ１４から出射した光をレンズ１３により集光し偏光子１２に入射する。
偏光子１２はルチル（ＴｉＯ２）結晶などの複屈折結晶を光入射面と光出射面とが角度をなすよう加工したもので、ＹＺ平面内の偏光とそれに直交するＸ軸方向の偏光の光路が分離して結晶中を伝搬するように結晶方位が決められ、反射型光変調素子１００に入射する。ここで、例えば反射型光変調素子１００への入射光の内、Ｘ軸方向の偏光は反射ミラー面に垂直に入射し、ＹＺ平面内の偏光は反射ミラー面に入射角θで入射するように、偏光子１２の光入射面と光出射面のなす角度を設定している。
【００２９】
図１の透明電極８と９に印加する電圧がＶ０のとき、伝搬する光線を図４（ａ）に示す。反射型光変調素子１００への入射光の内、Ｘ軸方向の偏光は液晶素子を透過してＹＺ平面内の第１直線偏光となって反射型偏光回折格子で回折されることなく反射ミラーに垂直に入射および反射され、入射光と同じ光路で反射型光変調素子１００と偏光子１２とレンズ１３とを経て光ファイバ１４に集光される。また、ＹＺ平面内の偏光は液晶素子を透過してＸ軸方向の第２直線偏光となって反射型偏光回折格子で主に＋１次回折にされ、入射光と同じ光路で反射型光変調素子１００と偏光子１２とレンズ１３とを経て光ファイバ１４に集光される。すなわち、光ファイバ１４の出射光がその偏光に関わらず同じ光ファイバ１４に帰還して伝搬する。
【００３０】
また、透明電極８と９とに印加する電圧がＶのとき、伝搬する光線を図３（ｂ）に示す。反射型光変調素子１００の入射光の内、異常光偏光は異常光偏光のまま液晶素子を透過して反射型偏光回折格子で回折されるため、入射光と異なる光路で反射型光変調素子１００と偏光子１２とレンズ１３とを経ても光ファイバ１４に集光されない。また、常光偏光は常光偏光のまま液晶素子を透過して反射型偏光回折格子で回折されることなく反射ミラー面で鏡面反射されて入射光と異なる光路で反射型光変調素子１００と偏光子１２とレンズ１３とを経ても光ファイバ１４には集光されない。すなわち、光ファイバ１４の出射光がその偏光方向に関わらず同じ光ファイバ１４に帰還しない。
【００３１】
液晶素子３０の透明電極８と９の少なくとも一方が分割された複数の画素電極からなり、電極ごとに独立に電圧を印加できる反射型光変調素子としてもよい。このとき、図１において画素電極はＸ軸方向に分割され、Ｙ軸方向には分割されていないパターンとすることが好ましい。
【００３２】
また、図４において複屈折結晶を加工した偏光子１２を反射型光変調素子１００に組み合わせて用いた例を示したが、偏光回折型偏光子を偏光子１２として用いてもよい。図５は、反射型光変調素子１００の光入射側に偏光回折型偏光子２２を用いた場合の光減衰器の作用を示す側面図である。（ａ）は印加電圧がＶ０の状態を、（ｂ）は印加電圧がＶの状態を示す。ここでは透過型のブレーズ型回折格子からなる偏光回折型偏光子２２を偏光子１２として用いている。偏光回折型偏光子２２は反射型光変調素子１００のブレーズ型回折格子１と同じ高分子液晶からなる回折格子だが、その格子ピッチは２倍の２Ｐとし、高分子液晶の常光屈折率と異常光屈折率とが逆になるように高分子液晶分子の配向方向がブレーズ型回折格子１と９０度異なる。また、鋸波断面形状の斜辺の傾斜方向が逆で、偏光回折型偏光子２２では透過型のブレーズ型回折格子の＋１次回折が最大となるよう、反射型光変調素子１００のブレーズ型回折格子１に比べ高分子液晶層からなるブレーズ型回折格子の格子高さが２倍となっている。
【００３３】
印加電圧Ｖ０のとき、図５（ａ）に示すように偏光回折型偏光子２２を直進透過するＸ軸方向の偏光は反射型光変調素子１００の反射ミラーに垂直に入射および反射されて元の経路を帰還する。一方、偏光回折型偏光子２２で＋１次回折されたＹＺ平面内の偏光は反射型光変調素子１００の反射型偏光回折格子で＋１次回折されてレンズ１３を経て光ファイバ１４へと、元の経路を帰還する。
【００３４】
また、印加電圧Ｖのとき、図５（ｂ）に示すように偏光回折型偏光子２２を直進透過するＸ軸方向の偏光は反射型光変調素子１００の反射型偏光回折格子で回折されて光ファイバ１４に集光されない。一方、偏光回折型偏光子２２で＋１次回折されたＹＺ平面内の偏光は反射型光変調素子１００の反射ミラーに斜入射して鏡面反射されるため光ファイバ１４に集光されない。すなわち、図４に示した場合と同様に電圧可変光減衰器や光スイッチとして機能する。
【００３５】
図４および図５の減衰器の作用を示す図では、ＹＺ平面内の偏光とそれに直交するＸ軸方向の偏光が入射する場合について説明したが、図１から図３に示したように、ＹＺ平面内の偏光のみが入射してもよい。
【００３６】
波長多重光通信ネットワークに用いられる光スイッチや可変光減衰器では−４０ｄＢ以上の高い消光比を安定して実現すること、すなわちＩｏｆｆレベルを充分小さな値にすることが重要である。
【００３７】
Ｉｏｆｆレベルは反射型光変調素子１００の入射光と同じ光路を帰還する光量であり、図１において液晶層７のリタデーション値がゼロのときに反射型偏光回折格子に入射するＹＺ平面内の第１直線偏光が＋１次回折されて入射光と同じ光路を帰還する光量である。ここで、反射型偏光回折格子の消光比は、Ｉｏｆｆレベルに関係する第１直線偏光（高分子液晶の常光偏光）の入射光に対して発生する＋１次回折光と、Ｉｏｎレベルに関係する第２直線偏光（高分子液晶の異常光偏光）の入射光に対して発生する＋１次回折光との光量比に相当する。すなわち、ブレーズ型回折格子１の高分子液晶の常光屈折率ｎｏ（ＰＬＣ）と透明接着材２の等方性屈折率ｎｓとが完全に一致すれば、常光偏光の入射光に対して＋１次回折光は発生せず、原理的にＩｏｆｆレベルはゼロとなり、消光比は無限大となる。しかし、ｎｏ（ＰＬＣ）とｎｓとのわずかな相違に起因して第１直線偏光に対し＋１次回折光が発生し、反射型偏光回折格子の消光比を劣化させる原因となる。
【００３８】
［第２の実施態様］
図６は本発明の第２の実施態様の反射型光変調素子２００の構成例を示す側面図である。反射型偏光回折格子の消光比を向上することにより反射型光変調素子１００の安定して高い消光比を実現する。
【００３９】
図１に示した反射型光変調素子１００と比較し、反射型偏光回折格子２０と液晶素子３０との間に、高分子液晶層をブレーズ型回折格子１５に加工して透明接着材２でその凹部が充填された透過型偏光回折格子４０が形成されている点が異なる。図６において、図２と同符号のものは同じ要素を表す。
【００４０】
ブレーズ型回折格子１５は透光性基板５の表面にＹ軸方向に配向処理された配向膜（図示せず）を形成し、その上に液晶モノマー溶液を塗布した後、紫外線などを照射してブレーズ型回折格子１と同じ常光屈折率ｎｏ（ＰＬＣ）および異常光屈折率ｎｅだが、Ｙ軸方向に液晶分子の配向方向の揃った高分子液晶層を形成する。すなわち、高分子液晶の配向方向がブレーズ型回折格子１とブレーズ型回折格子１５で直交している。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高分子液晶層を断面が鋸波形状でＹ軸方向に直線形状となるブレーズ型回折格子１５に加工する。図６では断面形状が視認できるようにＹＺ平面内に鋸波形状の断面を示すが、後述するようにブレーズ型回折格子１とブレーズ型回折格子１５の多重回折光に起因する迷光を抑制するため、実際には鋸波形状の断面は紙面と垂直なＸＺ平面となるよう加工する。
【００４１】
高分子液晶からなるブレーズ型回折格子１５の格子高さＤ（ＰＬＣ）は、入射光に対して＋１次回折効率が最大となるようにする。すなわち、高分子液晶の複屈折率を△ｎ（ＰＬＣ）＝ｎｅ（ＰＬＣ）−ｎｏ（ＰＬＣ）とすると、△ｎ（ＰＬＣ）×Ｄ（ＰＬＣ）＝λとしている。図６では断面が鋸波形状のブレーズ型回折格子１５を示すが、鋸波形状の斜辺部分を多段の階段で近似した疑似のブレーズ型回折格子としてもよい。
【００４２】
また、ブレーズ型回折格子１５からなる透過型偏光回折格子４０の回折光は信号光として用いられないため、回折光が信号光に重畳しない回折角度となる格子ピッチであればよい。
【００４３】
次に、透過型偏光回折格子４０を付加することによる反射型光変調素子２００の消光比改善作用について説明する。
透過型偏光回折格子４０に入射する光のうち、液晶素子３０を透過してＸ軸方向の偏光となった第２直線偏光は、透過型偏光回折格子４０に対しては常光偏光であるため回折されることなく直進透過し、反射型偏光回折格子２０に対しては異常光偏光であるため＋１次回折光が発生し、反射ミラー３で反射され、入射光と同じ経路を戻り透過型偏光回折格子４０を直進透過して反射型光変調素子２００から信号光として出射する。このとき、透過型偏光回折格子４０の回折光、反射型偏光回折格子２０の＋１次回折光以外の回折光と回折されない光は少ないほどＩｏｎレベルの低下を招かないので、少ないことが好ましい。
【００４４】
また、液晶素子３０を透過してＸＺ平面内の偏光となった第１直線偏光偏光は、透過型偏光回折格子４０に対しては異常光偏光であるため回折され、反射型偏光回折格子２０に対しては常光偏光であるため大半の光は回折されることなく反射ミラー３で反射され、透過型偏光回折格子４０により再び回折されて入射光と異なる経路を経て反射型光変調素子２００から出射し、信号光には重畳しない。このとき、ｎｏ（ＰＬＣ）とｎｓとのわずかな相違に起因して反射型偏光回折格子２０で発生する＋１次回折光は透過型偏光回折格子４０で回折され（図６の点線で示す）、ＹＺ平面外に出射して信号光には重畳しないため高い消光比が実現できる。また、透過型偏光回折格子４０の格子形状をブレーズ型回折格子１５としているため、反射ミラー３の反射前後である透過型偏光回折格子４０の往路（前）と復路（後）で回折された多重回折光の内、信号光に重畳する光量は極めて低い値になっている。
【００４５】
その結果、反射型偏光回折格子２０に透過型偏光回折格子４０を積層した本発明の反射型光変調素子２００の構成とすることにより、Ｉｏｆｆレベルを安定して充分小さな値となるため、−４０ｄＢ以上の高い消光比を実現する電圧による光スイッチや可変光減衰器が得られる。特に、波長多重光通信ネットワークに用いられる入射光の波長帯域幅に対し、広い印加電圧マージンにおいて高い消光比を確保できる。
【００４６】
また、板厚の薄い透光性基板５を用いることにより反射ミラー３と液晶層７との間隔を小さくできるため、液晶素子３０の透明電極８と９の少なくとも一方が分割された複数の画素電極からなる場合でも、液晶素子の往路と復路とで画素電極の透過光の隣接電極への漏れが低減され、クロストークが抑制できる。
【００４７】
また、透過型偏光回折格子４０と反射型偏光回折格子２０との間隔を広くし、透過型偏光回折格子４０の空間格子パターンを分布させることによりブレーズ型回折格子１５を矩形状の格子とした場合でも、透過型偏光回折格子４０の往路と復路で回折された多重回折光が信号光に重畳することを回避できる。
【００４８】
また、反射型光変調素子１００（図５）および２００（図６）において、透光性基板５および６の屈折率の異なる媒質との界面で発生する反射光は、透光性基板の表面に微細な凹凸を形成することにより拡散光となり、信号光に重畳する迷光を軽減できる。また、液晶素子３０と反射型偏光回折格子２０または透過型偏光回折格子４０が一体化された反射型偏光回折格子２０を別々に作製し、接着剤を用いて一体化してもよい。
【００４９】
なお、上記第１および第２の実施態様では印加電圧Ｖ０とＶの間の動作について説明したが、他の印加電圧またはこの印加電圧に応じた液晶の配向状態を変化させてもよい。
また、液晶配向としてツイスト配向や垂直配向やハイブリッド配向でもよい。また、液晶の配向状態の変化に応じて透過光の偏光状態が変化する液晶であればネマティック液晶以外にスメクティック液晶やコレスティック液晶またはそれ以外の液晶材料を用いてもよい。
【００５０】
また、液晶の配向状態を変化させる制御手段として透明電極間に印加する交流電圧の場合について示したが、電圧の代わりに磁場、温度、光などの制御手段を用いて液晶の配向状態を変化させてもよい。
また、複屈折材料として高分子液晶を用い鋸歯状の断面形状に加工された回折格子からなる反射型偏光回折格子とした例について説明したが、誘電体結晶などの複屈折材料を用いてもよい。また、格子ピッチ内で厚さ方向に液晶分子をチルト配向の空間分布をつけることにより、鋸歯状の断面形状に加工しない同じ高分子液晶層の厚さで異常光偏光に対してブレーズ型回折格子と同等の機能とできる。
【００５１】
反射ミラーとして、ガラス基板などの表面にアルミニウム、金、銀などの金属膜や、Ｔａ２Ｏ５やＴｉＯ２などの高屈折率誘電体膜とＳｉＯ２などの低屈折率誘電体膜を交互に積層した誘電体多層膜ミラーを蒸着法やスパッタ法で形成して用いることができる。
【００５２】
透明電極を形成する材料としては、ＩＴＯなどの酸化物膜や、アルミニウム、クロムなどの金属箔膜が使用できるが、伝導性、光透過性、耐久性などの点からＩＴＯ膜を用いることが好ましい。
【００５３】
偏光状態を変えるとは、液晶素子へ入射する直線偏光を円偏光と直線偏光を含む楕円偏光に変換することを意味し、上記実施態様においては、電圧Ｖ０で直線偏光の偏光方向を９０度回転する場合を示す。
【００５４】
本発明の反射型光変調素子および可変光減衰器のさらなる特徴については以下に示す実施例により具体的に説明する。
【００５５】
【実施例】
本実施例を図６に示す反射型光変調素子２００の断面図を用いて説明する。透光性基板５であるガラス基板の片面に成膜されたＩＴＯ膜からなる透明電極８をフォトリソグラフィ法とエッチング法によりＹ軸方向に直線状（断面形状が視認できるようＸ軸方向に直線形状として表示）となるよう電極幅１００μｍで電極間隔５μｍの画素電極形状にパターニングし、透光性基板６であるガラス基板の片面にＩＴＯ膜からなる透明電極９を成膜する。透明電極８および９上にポリイミド膜を塗布してＸ軸に対して４５度の角度をなす方向に配向処理を施した配向膜（図示せず）とする。
【００５６】
次に、セルギャップ制御用のスペーサが混入したシール材を用いて配向膜が形成された透光性基板６（ガラス基板）の片面にシール１０を印刷塗布し、透光性基板５（ガラス基板）に圧着固化することにより空セルを作製する。シールの一部に設けられた注入口（図示せず）から液晶を注入した後、注入口を封止して液晶素子３０ができあがる。ここで用いる液晶は波長λ＝１．５６μｍに対して常光屈折率ｎｏ（ＬＣ）＝１．４９および異常光屈折率ｎｅ（ＬＣ）＝１．６５で、セルギャップをｄ（ＬＣ）＝５．５μｍとする。このとき液晶層７のリタデーション値は０．８８μｍである。
【００５７】
また、図６には示されていないが、常光屈折率方向が液晶層の異常光屈折率方向と一致するとともにリタデーション値０．１μｍの高分子液晶からなる位相板を透光性基板６と別の透明基板（図示せず）で狭持して形成する。透明電極８と９に電圧を印加しないとき、この位相板と液晶層７とを一体化した液晶素子３０全体のリタデーション値が０．７８μｍとなり、波長λ＝１．５６μｍに対してλ／２波長板に相当するようにしている。このときＹＺ平面内の偏光を有する入射光は液晶素子３０を透過してＸ軸方向の偏光を有する出射光に偏光方向が変化する。
【００５８】
透明電極８と９に電圧を印加し、液晶層７の液晶分子を透光性基板に対して平行配向から垂直配向に変化させることにより、液晶層のリタデーション値が減少し印加電圧６Ｖで０．１μｍ残留するが、位相板と液晶層７とを一体化することで位相板がこの残留分を打ち消して全体のリタデーション値はゼロとなり、入射光は液晶素子３０を透過して偏光状態が不変のまま出射する。
【００５９】
次に、位相板付き液晶素子３０の透光性基板５の片面にポリイミド膜を塗布してＹ軸方向に配向処理を施した配向膜（図示せず）とする。その上に液晶モノマー溶液を塗布した後紫外線を照射して常光屈折率ｎｏ（ＰＬＣ）＝１．５５および異常光屈折率ｎｅ（ＰＬＣ）＝１．７５で、Ｙ軸方向に配向方向の揃った膜厚６．８μｍの高分子液晶層を形成する。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高分子液晶層に対し、断面が鋸波形状を８段の階段形状で近似した深さ６．８μｍでＹ軸方向に直線形状（断面形状が視認できるようＸ軸方向に直線形状として表示）となる疑似のブレーズ型回折格子１５に加工する。
【００６０】
次に、片面に反射ミラー３が形成された透光性基板４であるガラス基板の反射ミラー３の表面にＸ軸方向に配向処理された配向膜（図示せず）を形成し、その上にブレーズ型回折格子１５と同じ液晶モノマーを用い同様のプロセスにて、Ｘ軸方向に液晶分子の配向方向の揃った高分子液晶からなり、断面が鋸波形状を８段の階段形状で近似したＸ軸方向に直線形状となる疑似のブレーズ型回折格子１に加工する。ここで、斜辺部を階段状で近似した疑似のブレーズ型回折格子１の格子高さは３．４μｍとしている。また、反射ミラー３は高屈折率誘電体膜Ｔａ２Ｏ５と低屈折率誘電体膜ＳｉＯ２を交互に光学膜厚が略λ／４となるよう３０層以上積層し、１．４８μｍから１．６２μｍまでの波長帯域で９９．９％以上の反射率を有する多層膜反射ミラーを用いる。
【００６１】
さらに、常光屈折率ｎｏ（ＰＬＣ）と略等しい等方性屈折率ｎｓ＝１．５６の透明接着材２を用いて、疑似のブレーズ型回折格子１および疑似のブレーズ型回折格子１５の凹部に充填するとともに透光性基板４と５に接着固定することにより反射型偏光回折格子２０と透過型偏光回折格子４０が得られる。このようにして、反射型光変調素子２００を作製する。このとき、Ｘ軸方向の第２直線偏光は透過型偏光回折格子４０を回折されることなく直進透過し、反射型偏光回折格子２０で８０％以上が＋１次回折される。また、ＹＺ平面内の第１直線偏光は透過型偏光回折格子４０で８０％以上が＋１次回折され、反射型偏光回折格子２０を直進透過する。
【００６２】
この反射型光変調素子２００にＹＺ面内で反射ミラー面の法線方向であるＺ軸に対して入射角θ＝５°で光が入射する。入射光は液晶素子３０の画素電極ごとに１．４８μｍから１．６２μｍまでの波長帯の異なる波長の光が入射し、各画素電極に対応した入射光波長に対して＋１次回折光の回折角度が入射角θと同じになるように、反射型偏光回折格子２０の疑似のブレーズ型回折格子１５の格子ピッチが８．５μｍから９．３μｍまで分布している。
【００６３】
透明電極８と９とに接続された交流電源を通して画素電極ごとに液晶層７に印加する電圧Ｖを調整する。ＹＺ平面内の偏光（第１直線偏光）は位相板付き液晶素子３０を透過すると、Ｖ＝０ではほぼ直交するＸ軸方向の偏光（第２直線偏光）に変化し、Ｖ＝６Ｖ前後で偏光状態は変化しない。
【００６４】
したがって、反射型光変調素子２００の各画素電極に入射する１．４８μｍから１．６２μｍまでの波長帯の光に対して、反射型偏光回折格子２０で回折されて入射光と同じ角度方向に反射型光変調素子２００を出射する光は、印加電圧Ｖ＝０では大半であるが、印加電圧Ｖ＝６Ｖ前後ではほぼゼロとなる。また、印加電圧Ｖが０と６Ｖの中間領域ではその中間の光量となる。
【００６５】
すなわち、入射光と同じ角度の出射光と、異なる角度の出射光とを分離する光学系と組み合わせることにより高い消光比の電圧による光スイッチまたは可変減衰器が得られる。例えば、光ファイバから出射する１．４８μｍから１．６２μｍまでの波長帯の波長多重光を回折格子により分光した後、レンズを用いて反射型光変調素子２００に入射角θで入射させるとともに各画素電極に集光する。
【００６６】
その結果、入射光と同じ角度方向に反射型光変調素子２００を出射した光は光ファイバに帰還して伝搬されるがそれ以外の光は遮断されるため−４０ｄＢ以上の高い消光比を安定して実現する電圧による光スイッチまたは可変減衰器となる。また、反射ミラーと電極との間隔を小さくできるため、画素電極構造であっても画素間の光信号クロストークが抑制できる。
【００６７】
図７中の○線は本発明の反射型光変調素子２００液晶層へ電圧を０Ｖから１０Ｖまで印加したとき、光ファイバから出射した光の内で反射型光変調素子を反射して同じ光ファイバに戻る信号光効率を示すグラフである。４．６Ｖから１０Ｖ以上の広い電圧印加範囲で−４０ｄＢ以上の高い消光比が得られる。
【００６８】
比較のために、従来の可変光減衰器３００を用いた場合の印加電圧に対する信号光効率を図７中に実線で示す。−４０ｄＢ以上の消光比が得られるのは６．０Ｖから６．４Ｖまでの狭い印加電圧範囲に留まっている。
【００６９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の反射型光変調素子では液晶分子の配向状態の変化に応じて入射光の偏光状態を変化させる液晶素子と反射基板面上に形成された複屈折材料が鋸歯状の断面形状に加工された回折格子からなり、第１直線偏光を鏡面反射し、第２直線偏光を回折した反射する反射型偏光回折格子とが一体化されているため、小型で消光比の高い反射型光変調素子が得られる。また、液晶の配向状態を電圧により変化させる場合、反射ミラーと電圧印加用電極の間隔を小さくできるため、画素電極構造であっても画素間の光信号クロストークが抑制できる。
【００７０】
また、反射型偏光回折格子として複屈折性を有する高分子液晶を用いることにより、微細な格子ピッチでも正確に鋸歯状の断面形状に加工できるため、高い信号光回折効率が得られる。
【００７１】
また、液晶素子と反射型偏光回折格子との間に、第１直線偏光を回折しかつこれと直交する偏光方向の第２直線偏光を回折することなく透過する透過型偏光回折格子を配置することによりさらに高い消光比が得られる。
【００７２】
特に、透過型偏光回折格として複屈折性を有する高分子液晶を鋸歯状の断面形状に加工した回折格子とすることにより、往路および復路で透過型偏光回折格子により回折された多重回折光がＩｏｆｆレベルに重畳しないため、広い印加電圧範囲において安定してＩｏｆｆレベルを低い値に維持できる。その結果、波長多重光通信ネットワークなどの使用に適する光スイッチや光減衰器となる。
【００７３】
また、反射型光変調素子を出射する反射型偏光回折格子により回折された光と回折されない光とを分離して一方の出射光のみを受光する分別手段を付加することにより、印加電圧の大きさに応じて出射光の光量を調整する可変光減衰器となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施態様の反射型光変調素子の構成例を示す断面図。
【図２】本発明の第１の実施態様の反射型光変調素子の他の構成例を示す断面図。
【図３】図１に示す反射型光変調素子に光が入射した場合の作用を示す断面図、（ａ）電圧非印加時の最大＋１次回折反射状態、（ｂ）電圧印加時でミラー反射状態。
【図４】図１に示す反射型光変調素子の光入射側に複屈折結晶からなる偏光子を用いた場合の光減衰器の作用を説明する断面図、（ａ）電圧非印加時の状態、（ｂ）は電圧印加時の状態。
【図５】図１に示す反射型光変調素子の光入射側に偏光回折型偏光子を用いた場合の光減衰器の作用を示す断面図、（ａ）電圧非印加時の状態、（ｂ）電圧印加時の状態。
【図６】本発明の第２の実施態様の反射型光変調素子の構成例を示す断面図。
【図７】本発明の実施例の反射型光変調素子を用いた場合の、印加電圧と信号光効率を示すグラフ（○線は実施例を、実線は従来構成の比較例）。
【図８】従来例の透過型光変調素子の構成例を示す断面図。
【符号の説明】
１、１５：ブレーズ型回折格子
２：透明接着材
３：反射ミラー
４、５、６：透光性基板
７：液晶層
８、９：透明電極
１０：シール
１１：交流電源
１２：偏光子
１３：レンズ
１４：光ファイバ
２２、６０：偏光回折型偏光子
２０：反射型偏光回折格子
３０：液晶素子
４０：透過型偏光回折格子
５０：位相板付き液晶セル
１００、１１０、２００：反射型光変調素子
【図１】
2005003758.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2005003758.tif 000007
【図６】
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【図７】
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【図８】
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