(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電極付き透光性基板間に液晶層が狭持された液晶セルであり、かつ電極間に印加する電圧をＶ１からＶ２（Ｖ１＜Ｖ２）まで変化させたとき、液晶セルへ入射され透過される波長λの直線偏光に対するリタデーション値がＲ１からＲ２（Ｒ１＞Ｒ２＞０）まで変化する液晶セルと、
波長λの直線偏光に対するリタデーション値Ｒが、所定の電圧Ｖ（Ｖ≠０）を印加したときの前記液晶セルの波長λの直線偏光に対するリタデーション値であってＲ１≧Ｒｖ≧Ｒ２の関係にあるＲｖと、Ｒ＋Ｒｖ＝ｍ×λ（ｍ：整数）の関係を満たす位相板とを備え、
前記液晶セルに用いられる液晶はネマティック液晶であり、電圧非印加時の液晶分子の配向方向が透光性基板間で一定方向に揃った平行配向であり、また前記位相板はＲ＋Ｒｖ＝０の関係を満たし、かつ進相軸方向が液晶層の遅相軸方向に対して４５°以内の角度をなす
ことを特徴とする液晶素子。
【請求項２】
特定の偏光方向を有する直線偏光が入射される請求項１記載の液晶素子と、
前記液晶素子の光出射側に配置され、前記液晶素子の入射直線偏光に対して偏光方向が直交する第１の直線偏光を直進透過する偏光子とを備え、
前記液晶素子が備える液晶セルの液晶層への印加電圧の増加に伴い出射光強度が減少する
ことを特徴とする光減衰器。
【請求項３】
前記偏光子は、前記第１の直線偏光を直進透過し、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偏光回折型の偏光子である
請求項２記載の光減衰器。
【請求項４】
前記液晶素子の光入射側に、前記第１の直線偏光と直交する直線偏光成分のみ直進透過する偏光子がさらに配置されている
請求項２または３記載の光減衰器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液晶素子および光減衰器に関し、特に光通信に用いる液晶素子および光減衰器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
液晶を用いた従来の光減衰器の一例を図６に示す。透明電極３、４が形成された透光性基板５と６との間に液晶分子の配向方向が基板面に平行で、Ｘ軸方向と４５°の角度をなす方向に揃ったネマティック液晶の液晶層１が基板の周縁に設けられたシール材８の内部に狭持された液晶セル１１０と、その光出射面側にＸ軸方向に偏光方向を有する直線偏光のみを透過する偏光子１２とを配置した構成となっている。
【０００３】
ここで、透明電極３と４とに矩形波出力の交流電源９を接続し、この電源による電圧非印加時に、波長λでＹ軸方向に偏光方向を有する直線偏光に対する液晶セル１１０のリタデーション値がほぼλ／２となるよう液晶層１の厚さｄｌｃが設定されている。ここで、液晶層１のリタデーション値をほぼλ／２としているのは、電圧非印加時に光減衰器の挿入損失を最小とするため、およびλ／２板として機能させるためである。
【０００４】
この光減衰器において、透明電極間への電圧非印加時に液晶層を透過したＹ軸方向に偏光した直線偏光は、Ｘ軸方向に偏光方向を有する直線偏光となって偏光子を透過する。電圧を印加するとき、印加電圧の増加に伴い液晶層の厚さ方向に、すなわち基板に垂直になるように液晶分子の配向方向が傾く。それに伴い液晶層のリタデーション値が減少し、液晶セル１１０を透過した光は楕円偏光となり、その結果、偏光子の透過光量が印加電圧の増加に伴い単調に減少するため、電圧可変型の光減衰器となる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
入射光の波長λが例えば１．３〜１．６μｍの領域にある光通信用の、液晶素子を用いた光減衰器では、液晶セルのリタデーション値をλ／２とするためには可視波長領域の光減衰器に比べて、液晶層を厚くする必要がある。その結果、電圧振幅１０Ｖ以上の交流電圧を印加しても、液晶層の厚さ方向に液晶分子の配向方向が充分揃わないので液晶セルのリタデーション値がゼロとならないため、偏光子を透過する偏光成分が存在し、消光比の高い光減衰器が得られない問題があった。
【０００６】
本発明は、上述の実情に鑑み高い消光比が安定して実現できる、液晶素子およびそれを用いた光減衰器を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、電極付き透光性基板間に液晶層が狭持された液晶セルであり、かつ電極間に印加する電圧をＶ１からＶ２（Ｖ１＜Ｖ２）まで変化させたとき、液晶セルへ入射され透過される波長λの直線偏光に対するリタデーション値がＲ１からＲ２（Ｒ１＞Ｒ２＞０）まで変化する液晶セルと、波長λの直線偏光に対するリタデーション値Ｒが、所定の電圧Ｖ（Ｖ≠０）を印加したときの前記液晶セルの波長λの直線偏光に対するリタデーション値であってＲ１≧Ｒｖ≧Ｒ２の関係にあるＲｖと、Ｒ＋Ｒｖ＝ｍ×λ（ｍ：整数）の関係を満たす位相板とを備え、液晶セルに用いられる液晶はネマティック液晶であり、電圧非印加時の液晶分子の配向方向が透光性基板間で一定方向に揃った平行配向であり、また位相板はＲ＋Ｒｖ＝０の関係を満たし、かつ進相軸方向が液晶層の遅相軸方向に対して４５°以内の角度をなすことを特徴とする液晶素子を提供する。
【０００８】
また、特定の偏光方向を有する直線偏光が入射される上記の液晶素子と、液晶素子の光出射側に配置され、液晶素子の入射直線偏光に対して偏光方向が直交する第１の直線偏光を直進透過する偏光子とを備え、液晶素子が備える液晶セルの液晶層への印加電圧の増加に伴い出射光強度が減少することを特徴とする光減衰器を提供する。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明の液晶素子は、次の構成を有する液晶素子である。すなわち、液晶素子は、電極付き透光性基板間に液晶層が狭持された液晶セルを備え、その液晶セルは電極間にＶ１からＶ２（Ｖ１≠Ｖ２）までの電圧が印加されたとき、液晶セルへ入射され透過される波長λの直線偏光に対するリタデーション値がＲ１からＲ２（Ｒ１＞Ｒ２＞０）まで変化するものである。さらに、液晶素子は、波長λの直線偏光に対するリタデーション値Ｒが、Ｒ１≧Ｒｖ≧Ｒ２の関係にあるＲｖとＲ＋Ｒｖ＝ｍ×λ（ｍ：整数）の関係を満たす位相板を備えている。
【００１０】
本発明の液晶素子を、このように構成することにより、液晶素子は低電圧で高い消光比を得ることができる。以下、図面を参照しながら、本発明の液晶素子を詳細に説明する。
【００１１】
図１は本発明の液晶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３と４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）が形成されて、シール材８を用いてセル化される。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１とされ、基板と平行に液晶分子の配向方向の揃った液晶セル１１０が得られる。
【００１２】
また、透光性基板６と７の対向するそれぞれの面に配向膜用の溶液を塗布した後、塗布膜に同一方向の配向処理を施し配向膜（図示せず）とし、図示しないシール材を用いてセル化する。さらに、セル内に液晶モノマーの溶液を注入し、セル内で基板と平行に液晶分子の配向方向の揃った液晶モノマー層を形成する。この液晶モノマー層に紫外線を照射し固化して、液晶分子の配向方向が固定された高分子液晶層２を形成して位相板１２０を得る。これにより液晶セル１１０と位相板１２０とが積層された液晶素子１００が得られる。
【００１３】
このとき、ネマティック液晶からなる液晶層１の遅相軸方向（異常光屈折率ｎｅ（ＬＣ）を与える方向）は図１および図２において入射光の偏光方向であるＹ軸方向に対して４５度方向とする。また、常光屈折率ｎｏ（ＰＬＣ）と異常光屈折率ｎｅ（ＰＬＣ）（ｎｏ（ＰＬＣ）＜ｎｅ（ＰＬＣ））の高分子液晶層２からなる位相板の進相軸方向（常光屈折率ｎｏ（ＰＬＣ）方向）が液晶層１の遅相軸方向と角度θをなすように形成されている。
なお、本発明で記載するリタデーション値は、液晶層１の進相軸方向の偏光に対する光路長と、液晶層１の遅相軸方向の偏光に対する光路長との差を示し、負のリタデーション値も存在する。
【００１４】
ここで、位相板の進相軸方向と液晶層１の遅相軸方向とのなす角度θを４５度以内とすることが好ましい。角度θを４５度以内とすることにより位相板のリタデーション値Ｒは電圧印可時に存在するリタデーション値Ｒｖを相殺する負の値となるが、４５度を越えるとＲは正の値となりＲｖを相殺することが困難となる。
【００１５】
通常は高分子液晶層２の進相軸方向が液晶層１の遅相軸方向と同じ（θ＝０）とする。すなわち、高分子液晶層２の進相軸方向が、入射光の偏光方向に対して４５度の角をなす。
【００１６】
ここで、波長λでＹ軸方向に偏光方向を有する直線偏光の入射光に対して、交流電源９からの電圧非印加時に液晶セル１１０のリタデーション値がほぼλ／２となるように、液晶層１の厚さｄ（ＬＣ）を０．５λ／Δｎ（ＬＣ）とする。ここでΔｎ（ＬＣ）＝ｎｅ（ＬＣ）−ｎｏ（ＬＣ）である。
【００１７】
このようにして得られた液晶セル１１０の透明電極３と４に交流電源９から電圧振幅Ｖの矩形波の交流電圧を印加したとき、液晶セル１１０のリタデーション値は減少するがゼロでない有限の値Ｒｖとなる。電圧振幅Ｖの印加電圧で液晶素子のリタデーション値をゼロとするためには、このようなリタデーション値Ｒｖを相殺するように位相板１２０のリタデーション値Ｒ（＝−Ｒｖ）を調整すればよい。すなわち、高分子液晶層２の進相軸方向が液晶層１の遅相軸方向と一致する場合は、高分子液晶層２の厚さｄ（ＰＬＣ）をＲｖ／Δｎ（ＰＬＣ）とすればよい。ここで、Δｎ（ＰＬＣ）＝ｎｅ（ＰＬＣ）−ｎｏ（ＰＬＣ）である。一致しない場合は実効的な△ｎ（ＰＬＣ）が小さな値となるため、ｄが厚くなる。
【００１８】
リタデーション値Ｒｖが大きな場合、電圧非印加時の液晶素子のリタデーション値がλ／２よりＲｖだけ小さな値となるため、その減少分Ｒｖを考慮してあらかじめ液晶セル１１０のリタデーション値がλ／２＋Ｒｖとなるようにしてもよい。
【００１９】
このようにして得られた液晶素子１００に波長λでＹ軸方向に偏光方向を有する直線偏光が入射し、液晶素子１００の光出射側にＸ軸方向に偏光方向を有する直線偏光のみを透過する偏光子を配置して光減衰器する。これにより、電圧非印加時にはほとんどの光が透過し、電圧印加時（印加電圧Ｖ）には偏光子によって光が遮断され、このため、偏光子の消光比に相当する高い消光比を有する光減衰器が実現でき、好ましい。
【００２０】
上記の説明では、液晶素子のリタデーション値が、印加電圧ゼロのときはほぼλ／２であり、また印加電圧Ｖのときはゼロとなる場合について説明したが、リタデーション値がλ／２およびゼロとは異なる構成でもよい。
【００２１】
液晶セル１１０への印加電圧の範囲がＶ１からＶ２（Ｖ１≠Ｖ２）までであって、このときリタデ−ション値はＲ１からＲ２まで変化する。上記の電圧範囲内の特定の電圧Ｖで高い消光比の光減衰器を得るために、電圧Ｖで発生する液晶セル１１０のリタデ−ション値Ｒｖと位相板１２０のリタデーション値Ｒとが、波長λの同じ直線偏光の入射光に対して、Ｒ＋Ｒｖ＝ｍ×λ／２（ｍ：整数）の関係を満たせばよい。ここでＲｖは、Ｒ１≧Ｒｖ≧Ｒ２の関係を満たす。
【００２２】
ここで、ｍが偶数の場合は偏光子における透過直線偏光の偏光方向を液晶素子における入射直線偏光の偏光方向と直交するように配置し、ｍが奇数の場合は偏光子における透過直線偏光の偏光方向を液晶素子における入射直線偏光の偏光方向と一致させれば、Ｖ１からＶ２までの範囲にある印加電圧Ｖで透過光量が最小となるため、高い消光比の光減衰器が実現する。Ｒ＋Ｒｖの絶対値が小さいほど消光比の波長依存性が少ないため、通常ｍ＝０が好ましいが、ｍ＝±１または±２としてもよい。
【００２３】
したがって、液晶素子に用いられる液晶はネマティック液晶であり、電圧非印加時の液晶分子の配向方向が透光性基板間で一定方向に揃った平行配向であり、また位相板はＲ＋Ｒｖ＝０の関係を満たし、かつ進相軸方向が液晶層の遅相軸方向に対して４５°以内の角度をなす液晶素子とすることが好ましい。
【００２４】
また、図１では液晶層１と高分子液晶層２との間に透光性基板６が介在しているが、透光性基板６を用いないで透光性基板７上の高分子液晶層２に透明電極４および配向膜を形成し、セル化後に液晶層を作製してもよい。
【００２５】
図１では高分子液晶からなる位相板の構成例を示したが、水晶などの複屈折結晶からなる位相板を用いてもよい。その場合、図１の高分子液晶層２および透光性基板６と７の代わりに透明電極４の形成された水晶波長板を液晶セルの透光性基板６として用いることができ、液晶素子を小型化できる。また、図１では液晶セルの電極として透明電極３と４を用いた構成を示したが、一方の電極を金やアルミニウムなどの光反射性電極とした反射型液晶セルとしてもよい。この場合、液晶層を光が往復するため透過型に比べて液晶層の厚さを半分にできるので、低駆動電圧化および高速応答化につながる。
【００２６】
使用される液晶はネマティック液晶に限定されず、強誘電体液晶、反強誘電体液晶などでもよい。また、液晶分子の配向も平行配向以外にねじれ配向、垂直配向、ハイブリッド配向などでもよい。電圧印加に応じて液晶層のリタデーション値が変化する液晶材料であればよいし、また配向性の液晶であればよい。これらの液晶の中で、ネマティック液晶を用いることは安定した液晶配向が得られるため好ましい。
【００２７】
偏光子としては、特定の偏光方向を有する直線偏光を透過しそれに直交する偏光方向を有する直線偏光を吸収する、例えば金属微粒子をガラス中に分散させた偏光性ガラスなどがある。しかし、液晶素子と一体化して偏光性ガラスを用いる場合光吸収に伴い液晶素子の温度が上昇し、光減衰率が変化する問題があった。
【００２８】
上記の光吸収に伴う温度変化を低減するため、偏光回折型の偏光子を用いることが好ましい。本発明の光減衰器に用いられる偏光回折型の偏光子２００の構成例を図３に示す。透光性基板１２上に形成された常光屈折率ｎｏ（ＰＬＣ）と異常光屈折率ｎｅ（ＰＬＣ）（ｎｏ（ＰＬＣ）＜ｎｅ（ＰＬＣ））の高分子液晶層１０を、フォトエッチングの技術により断面形状が矩形状の回折格子に加工する。そして、格子の凹部に常光屈折率ｎｏ（ＰＬＣ）とほぼ等しい屈折率ｎｓの均質屈折率透明材料１１を充填して透光性基板１２と１３とで挟み偏光回折型の偏光子２００を形成する。
【００２９】
上記の偏光回折型の偏光子に入射する常光偏光は回折されることなく直進透過し、異常光偏光は回折される。したがって、光出射側にレンズなどの集光素子を設けると、直進透過光は一つの集光点に集光し回折光は別の集光点に集光するため、透過光と回折光とを空間的に分離できる。したがって、直進透過光のみ取り出せば高い消光比の偏光子となる。
【００３０】
したがって、偏光子は、第１の直線偏光の入射光を直進透過し、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偏光回折型の偏光子である上記の光減衰器とすることが好ましい。
【００３１】
上記の偏光回折型の偏光子２００を液晶素子１００と一体化した本発明の光減衰器３００の構成例を図４に示す。ここでは液晶素子１００に直線偏光が入射する光出射側に偏光回折型の偏光子２００が配置された例を示すが、入射光のうち特定偏光方向の直線偏光成分のみを液晶素子１００に入射する場合は、光入射側にも偏光回折型の偏光子を配置すればよい。
【００３２】
このように、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偏光回折型の偏光子を配置して、一体に構成することにより素子の小型化および安定した性能が得られるため好ましい。
【００３３】
【実施例】
本例の液晶素子１００について、図１を用いて説明する。常光屈折率ｎｏ（ＬＣ）＝１．５０および異常光屈折率ｎｅ（ＬＣ）＝１．６６のネマティック液晶を、透明電極３、４が片面に形成された透光性基板５、６に挟持し、液晶層１の厚さｄ（ＬＣ）を５μｍとした液晶セル１１０を作製した。液晶層１の遅相軸方向は、図２に示すＹ軸方向に対して４５度で基板に対して平行とした。
【００３４】
透明電極３、４に電圧を印加しない状態では、波長１．５５μｍの光に対する液晶セル１１０のリタデーション値は０．８μｍ（Ｒ１）であり、Ｙ軸方向に偏光方向を有する直線偏光が、液晶セル１１０に入射し出射したとき直線偏光の偏光方向はＸ軸方向となった。また、電圧振幅５Ｖの矩形波の交流電圧を印加した状態では、液晶セル１１０のリタデーション値Ｒｖは０．１２８μｍ（Ｒ２）であった。
【００３５】
さらに、透光性基板６、７に挟持されている高分子液晶層２は、常光屈折率ｎｏ（ＰＬＣ）＝１．５５および異常光屈折率ｎｅ（ＰＬＣ）＝１．５９で厚さｄ（ＰＬＣ）を３．２μｍとし、位相板１２０を構成し、この位相板１２０と液晶セル１１０によって液晶素子１００を作製した。ここで、位相板１２０の進相軸方向を液晶層１の遅相軸方向と一致させると、すなわちθ＝０とすると、高分子液晶層２からなる位相板１２０のリタデーション値Ｒは−０．１２８μｍとなるため、印加電圧５Ｖでの液晶層１に存在するリタデーション値０．１２８μｍを相殺した。すなわちｍ×λ＝０でｍ＝０に対応する。
【００３６】
さらに、図３に示すように、常光屈折率ｎｏ（ＰＬＣ）＝１．５５および異常光屈折率ｎｅ（ＰＬＣ）＝１．７０で厚さ５．２μｍの高分子液晶を用いて格子ピッチ１０μｍの回折格子１０を作製した。その後、屈折率１．５５の均質屈折率透明材料１１で格子の凹部を埋め、これらをガラス基板からなる透光性基板１２、１３で狭持して偏光回折型の偏光子２００を作製した。次に、図４に示すように、偏光子２００を液晶素子１００の光出射面側に接着固定して電圧可変型の光減衰器３００とした。ここで、偏光子２００の回折光の偏光方向をＹ軸方向としている。
【００３７】
このようにして作製した光減衰器３００に、波長１．５５μｍでＹ軸方向に偏光方向を有する直線偏光の平行光を入射し、出射光を集光レンズにより光ファイバーに集光した。
【００３８】
光減衰器の液晶層への印加電圧振幅を０から５Ｖまで変化させたとき、光ファイバー伝送後の光強度Ｉ（Ｖ）における光強度比Ｉ（Ｖ）／Ｉ（０）で規定される消光比の変化の一例を図５の○で示す。図５では、縦軸の数値が小さいほど（下に行くほど）、消光比が大きい。また、比較例として、位相板のない従来構成の光減衰器とした場合の消光比の変化を□で示した。
【００３９】
位相板を用いない従来構成の液晶素子では最大−１２ｄＢの消光比であったが、位相板を用いた本例の構成では−４０ｄＢの高い消光比が得られた。
【００４０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の液晶素子を用いることにより、印加電圧の増加とともに緩やかに出射光量が減少し、５Ｖ程度の低電圧でも高い消光比を有する電圧可変型の光減衰器が実現できる。
【００４１】
さらに、光吸収のほとんどない偏光回折型の偏光子を液晶素子と一体化した本発明の光減衰器では高強度の光が入射しても液晶層の温度上昇が少ないため、安定した消光比が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の液晶素子の構成例を示す側面図。
【図２】本発明の液晶素子の遅相軸方向と位相板の進相軸方向との関係を示す平面図。
【図３】本発明の光減衰器に用いられる偏光回折型の偏光子の構成例を示す側面図。
【図４】本発明の液晶素子に偏光回折型の偏光子が一体化された光減衰器の構成例を示す側面図。
【図５】本発明の光減衰器と従来の光減衰器において、液晶セル印加電圧に対する消光比の関係を示すグラフ。
【図６】従来の光減衰器の構成例を示す側面図。
【符号の説明】
１：液晶層
２：高分子液晶層
３、４：透明電極
５、６、７、１２、１３：透光性基板
８：シール材
９：交流電源
１０：偏光性回折格子
１１：均質屈折率透明材料
１２：偏光子
１００：液晶素子
１１０：液晶セル
１２０：位相板
２００：偏光回折型の偏光子
３００：光減衰器
【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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