(57)【要約】【課題】所望の値に設定した光透過率を無給電で一定に保つことができる可変光減衰器を提供する。【解決手段】可変光減衰器は、ベース２と、液晶セル４０と、一対のコリメータレンズアレイ５０とを備える。液晶セル４０は、所定の電極が形成された２枚の基板とスペーサーを有し、２枚の基板とスペーサーにより画成される空間にスメクチック液晶を備える。スメクチック液晶の光透過率は、加熱し且つ電圧を印加することによって、所望の値に調整することができる。また、加熱を停止することにより、外部印加電圧によらず光透過率の値を保持することができる。【選択図】図１
2007139982.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１基板及び第２基板と、
第１基板と第２基板との間に画成される液晶室と、
液晶室に充填されたスメクチック液晶と、
第１基板に設けられた第１電極と、
第２基板上に第１電極と対向するように設けられ且つ第１電極との間にスメクチック液晶を配向するための電圧が印加される第２電極とを備え、
第２電極は、第２電極に通電されることによりスメクチック液晶を加熱するための加熱部を有する液晶セルユニット。
【請求項２】
第１電極及び第２電極の材料はインジウムスズ酸化物である請求項１に記載の液晶セルユニット。
【請求項３】
第１電極は複数のアレイ電極を有し、第２電極は一個の加熱電極を有する請求項１または２に記載の液晶セルユニット。
【請求項４】
第１電極は複数のアレイ電極を有し、第２電極は複数の加熱電極を有する請求項１または２に記載の液晶セルユニット。
【請求項５】
前記複数のアレイ電極と前記複数の加熱電極の数が同数であって、対となる各々の前記アレイ電極と各々の前記加熱電極の交差部の中心が全て同じ高さである請求項４に記載の液晶セルユニット。
【請求項６】
第１電極及び第２電極はそれぞれパッドを有する請求項１〜５のいずれか一項に記載の液晶セルユニット。
【請求項７】
第１電極の前記複数のアレイ電極はパッドを有し、前記パッドは第１基板の左右両側に配置され、前記各アレイ電極は前記パッドから第１基板中央に向かって延在する連結部と前記連結部の他端から第１基板下部に向かって延在する個別電極とを有する請求項３〜５のいずれか一項に記載の液晶セルユニット。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか一項に記載の液晶セルユニットを備える可変光減衰器。
【請求項９】
さらにコリメータレンズアレイを備える請求項８に記載の可変光減衰器。
【請求項１０】
前記コリメータレンズアレイはグレーデッドインデックス型マルチモード光ファイバ又はグレーデッドインデックス型マルチモード光導波路を有する請求項９に記載の可変光減衰器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スメクチック液晶を用いた液晶セルユニットと、それを備える可変光減衰器に関する。
【背景技術】
【０００２】
インターネットをはじめとする情報通信サービスのブロードバンド化に伴い、増大するトラフィックに対応するため、情報通信網の伝送容量の大容量化が求められている。ＦＴＴＨ（Ｆｉｂｅｒ  Ｔｏ  Ｔｈｅ  Ｈｏｍｅ）計画により、従来使用されてきたメタル線を利用した情報通信網に代わって、ノイズに強く伝送容量が大きい光ファイバーを利用した大容量の高速光通信網のインフラ整備が進められている。また、一本の光ファイバーに複数の異なる波長の光を伝送することでチャンネルを多重化し、伝送容量を増大させるＷＤＭ（Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ  Ｄｉｖｉｓｉｏｎ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）技術が実用化されている。さらに同時に伝送する光の波長の数を増やし、ＷＤＭシステムの波長チャンネルを高密度化するＤＷＤＭ（Ｄｅｎｓｅ  Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ  Ｄｉｖｉｓｉｏｎ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）の開発も進められており、次世代インターネットのバックボーン回線への応用が期待されている。
【０００３】
光ファイバーを用いて光通信を行う場合、伝送距離が長くなるにつれて光信号の減衰が大きくなるため、所定の距離（地上では約７０〜１００ｋｍ、海底では約３０〜４０ｋｍ）毎に光増幅器（光アンプ）を設置して光信号の出力を調整する必要がある。ＷＤＭシステムやＤＷＤＭシステムにおいては、複数の波長の光を一括して増幅するエルビウム添加光ファイバー増幅器（ＥＤＦＡ）が主に用いられる。しかし、一般にＥＤＦＡの増幅率（ゲイン）は入力する光信号の波長に応じてばらつきがあるため、ＷＤＭ伝送のように、波長が異なる複数の光信号を一括して増幅した場合には、各波長毎の信号レベルが不揃いとなる問題が生じる。従って、ＷＤＭ伝送を安定に行うためには、ＥＤＦＡと共に、各波長毎に信号レベルを調整するための可変光減衰器（ＶＯＡ；Ｖａｒｉａｂｌｅ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ａｔｔｅｎｕａｔｏｒ）が必須となる。
【０００４】
また、ＷＤＭ伝送の用途に限らず、各家庭向けに光ファイバーを敷設する際にもＶＯＡは必須である。この場合、中継局から各家庭までの距離がそれぞれ異なるため、その距離に応じて光信号の減衰率が異なる。そこで、ＶＯＡを利用して距離による減衰率の違いを補償して、各家庭における信号レベルを同一に保つことが必要となる。
【０００５】
ＶＯＡは大別すると可動部分を有する機械式と可動部分を有さない非機械式に分けられる。非機械式は可動部を有さないため信頼性が高く、また一般に可変速度が速いという特徴があり、これらの点から非機械式ＶＯＡが広く利用されている。非機械方式ＶＯＡには、ファラデー回転素子を用いた磁気光学方式、マッハツェンダ（ＭＺ）干渉系を用いて電気光学効果や熱光学効果を利用する方式、液晶や光学結晶の偏光面を制御する偏光制御方式などが等が挙げられる。
【０００６】
ＷＤＭ伝送では、複数の波長チャンネル毎に利得の調整を行わなければならないため、多チャンネルに対応できるような集積化されたＶＯＡが望まれている。また、中継局で使用するＶＯＡに関しても同様に、実装密度を上げて装置を小型化するためにＶＯＡの集積化が望まれている。素子の大きさを小さくすることができ、集積化に有利であるという点においては、平面導波路（ＰＬＣ）上に光出力を調整する素子を搭載する方式が有効であると考えられてきた。例えば、特許文献１に示すような、ＰＬＣ上にマッハツェンダ干渉系を形成する光導波路と薄型ヒーターを備え、光導波路の温度を制御することにより、熱光学効果を利用して減衰率の調整を行うＶＯＡが開発されている。
【特許文献１】特開２００３−０２９２１９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ＷＤＭ伝送では、ＥＤＦＡの利得の波長特性及び、光ファイバ若しくは光路上にある様々な光学素子による光量の減衰の波長依存性に起因して、各波長毎に光量のばらつきが生じる。したがって、複数の波長チャンネル毎に光量の調節を行って、各チャンネルの光出力を一定に揃えなければならない。しかし、ＥＤＦＡの利得の波長依存性及び光ファイバを含む光学素子による減衰の波長依存性は経時変化が非常に小さいため、各波長チャンネル毎の光量をＶＯＡによって一旦調整しておけば、頻繁に再調整をする必要はない。また、中継局で使用するＶＯＡに関しても、中継局と各家庭の間の距離に合わせて一旦減衰率を調整すれば、頻繁に再調整する必要は無い。むしろ、いずれの場合においても、半年〜数年おきにメンテナンス等のためにＶＯＡの減衰率を再調整するとき以外はＶＯＡの減衰率は固定されていた方がよい。これに対して、特許文献１を含む既存のＶＯＡは、所定の減衰率を安定して得るために常に電力を供給する必要がある。この場合、外部から供給される電力の揺らぎがＶＯＡの減衰率の揺らぎとなってしまうという欠点がある。例えば特許文献１のＶＯＡでは、所定の減衰率を安定して得るためには常時ヒーターに電力を供給して光導波路の温度を所定の温度範囲で一定に保つ必要があるため、ＶＯＡの集積化による消費電力の増加及びヒーターに供給する電力の安定化等が問題となる。また、別の問題として、特許文献１のＶＯＡは平面導波路（ＰＬＣ）を利用しているため、高度に集積化することが可能であるが、全体として一体不可分であるので、不具合箇所を部分的に交換することができないという点が挙げられる。
【０００８】
そこで、本発明の第一の目的は、高度に集積化することが可能であり、且つ、部品がユニット化されたＶＯＡを提供することである。さらに、本発明の第２の目的は、無給電で光減衰率を維持することができるＶＯＡを提供することである。
【課題を解決するための手段及び発明の効果】
【０００９】
本発明の第１の態様に従えば、第１基板及び第２基板と、第１基板と第２基板との間に画成される液晶室と、液晶室に充填されたスメクチック液晶と、第１基板に設けられた第１電極と、第２基板上に第１電極と対向するように設けられ且つ第１電極との間にスメクチック液晶を配向するための電圧が印加される第２電極とを備え、第２電極は、第２電極に通電されることによりスメクチック液晶を加熱するための加熱部を有する液晶セルユニットが提供される。
【００１０】
本発明の第１の態様によれば、第２電極は、第１電極と共にスメクチック液晶の光透過率を制御するための電圧を印加するための機能と、スメクチック液晶の温度を制御するための加熱用ヒーターとしての機能の両方を備えているため、液晶セルユニットの部品点数を減らして、ＶＯＡ等に使用されるコンパクトな液晶セルユニットを実現することが可能となる。また、本発明の液晶セルユニットは、内部に充填する液晶として、従来使用されてきたネマチック液晶ではなくスメクチック液晶を用いている。従って、無給電で光透過率を保持することが可能な光学素子、すなわち光透過率のメモリ機能を有する光学素子に応用することができる。さらに、本発明の液晶セルユニットはユニット構造となっているため、このユニット単位での交換が可能であり、汎用性が非常に高い。
【００１１】
本発明の液晶セルユニットは、第１電極及び第２電極の材料はインジウムスズ酸化物であってもよい。インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）は透明な導電材料であり、本発明の液晶セルユニットの光透過率に影響を与えない電極を形成できる。また、インジウムスズ酸化物は適度な抵抗を有しているので、ヒーターを構成することが可能である。
【００１２】
本発明の液晶セルユニットにおいて、第１電極は複数のアレイ電極を有し、第２電極は一個の加熱電極を有してもよい。加熱電極が全てのアレイ電極に共通であるため、液晶セルユニットの構造が簡単となるため、部品点数を減らし且つ集積度を上げることができる。また、特に全てのチャンネルの光透過率を一括して調整する用途に対して好適である。
【００１３】
本発明の液晶セルユニットにおいて、第１電極は複数のアレイ電極を有し、第２電極は複数の加熱電極を有してもよい。この場合には、各チャンネルの光透過率を独立に調整することも可能となる。
【００１４】
本発明の液晶セルユニットにおいて、前記複数のアレイ電極と前記複数の加熱電極の数が同数であって、対となる各々の前記アレイ電極と各々の前記加熱電極の交差部の中心が全て同じ高さであってもよい。電極の交差部が同じ高さで一列に並んでおり、液晶セルユニットを挟んで配置される光学素子の光路と液晶セルユニットとの位置合わせが容易となるため、液晶セルユニットの汎用性が高くなる。
【００１５】
本発明の液晶セルユニットにおいて、第１電極及び第２電極はパッドを有してもよい。液晶セルユニットの各電極を外部の電流源や電圧源と接続する際の配線が容易となり、液晶セルユニットの汎用性が高くなる。
【００１６】
本発明の液晶セルユニットにおいて、第１電極の前記複数のアレイ電極はパッドを有し、前記パッドは第１基板の左右両側に配置され、前記各アレイ電極は前記パッドから第１基板中央に向かって延在する連結部と前記連結部の他端から第１基板下部に向かって延在する個別電極とを有してもよい。電極の集積度を上げた場合であっても、パッドの配置と各個別電極への配線が容易となるため、液晶セルユニットの汎用性がより高まる。
【００１７】
本発明の第２の態様に従えば、本発明の液晶セルユニットを備える可変光減衰器が提供される。本発明の液晶セルユニットを利用することで、小型かつ集積度の高い可変光減衰器を製造することができる。
【００１８】
本発明の可変光減衰器は、さらにコリメータレンズアレイを備えていてもよい。この場合、可変光減衰器への入出射時における光の損失を抑えることができる。
【００１９】
本発明の可変光減衰器において、前記コリメータレンズアレイは、グレーデッドインデックス型マルチモード光ファイバ又はグレーデッドインデックス型マルチモード光導波路を有しもよい。
【００２０】
グレーデッドインデックス型マルチモード光ファイバ又はグレーデッドインデックス型マルチモード光導波路を有することにより、これらの内部を通過する光の発散を抑え、平行光線に近い光線にすることができるため、可変光減衰器の入出射時の光の損失を抑えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明の光学素子の実施形態について、図を参照しながら説明する。
【００２２】
＜第１実施形態＞
図１に本発明の可変光減衰器としてのＶＯＡモジュールの概略図を示す。ＶＯＡモジュール１はベース２と、一対の光ファイバ型のコリメータレンズアレイ５０と、液晶セル４０とを備える。ＶＯＡモジュール１の構造は液晶セル４０を介して左右対称であるので、左右どちらから光を入射しても構わないが、以下の説明では図１における右側から光を入射することとして、図１の右側を入力側、左側を出力側と呼ぶこととする。ベース２は平面視で矩形の形状であり、長手方向に延びる横溝２ａと、横溝２ａと直交する方向（短手方向）に延びる縦溝２ｂが形成されている。横溝２ａ及び縦溝２ｂはベース２のほぼ中央で交差している。
【００２３】
コリメータレンズアレイ５０は、図２に示すように４本の光ファイバ５１ａ〜５１ｄを有する光ファイバ束５１とＶ溝基板５２を備える。Ｖ溝基板５２は石英などの透明基板上に断面が三角形のＶ字溝５５が一定間隔（固定ピッチ）で形成された基板５２ａと、基板５２ａのＶ字溝５５に収容された光ファイバ５１ａ〜５１ｄを押圧して固定するための平滑な固定用基板５２ｂとを備える。光ファイバ５１ａ〜５１ｄは、Ｖ字溝５５に収容されることによって、それぞれ同一の高さで且つ互いに同一間隔になるように反対側のコリメータレンズアレイ５０に対して位置付けられる。
【００２４】
図３は、２個のコリメータレンズアレイ５０をギャップを設けて対向して配置した図を示している。この図ではＶ溝基盤５２が省略されており、４本の光ファイバ５１ａ〜５１ｄのみが図示されている。図３に示すように、各光ファイバ５１ａ〜５１ｄは、グレーデッドインデックス（屈折率変化）型のマルチモード光ファイバ部５３とシングルモード光ファイバ部５４を有する。マルチモード光ファイバ部５３はシングルモード光ファイバ部５４と融着接続されている。マルチモード光ファイバ部５３は、その内部を通過する光の広がり（発散）を小さく抑え（図６参照）、平行光を生成する機能（コリメート作用）を有している。従って、２つのコリメータレンズアレイ５０を間隙（ギャップ）を設けつつ対向して配置した場合において、ギャップにおける光の損失（ロス）を小さくすることができ、例えば、ギャップに光スイッチ素子及び偏波制御素子等を低損失で挿入することが可能である。
【００２５】
液晶セル４０は第１基板１０と第２基板２０とスペーサー３０とを有する。図４（ａ）、（ｂ）にそれぞれ示すように、第１基板１０は矩形のガラス基板であり、第２基板２０は第１基板１０とは異なる形状の矩形のガラス基板である。この例では、第１基板１０及び第２基板２０はそれぞれ、縦７ｍｍ×横１０ｍｍ、厚さ３０μｍ、及び、縦２ｍｍ×横１４ｍｍ、厚さ３０μｍの寸法を有する。また、図４（ｃ）に示すように、スペーサー３０は樹脂製の矩形の枠材であり、その寸法は外周が縦２ｍｍ、横３ｍｍであり、内周が縦１．４ｍｍ、横２．４ｍｍであり、幅が０．３ｍｍである。スペーサー３０の厚さは４０μｍであって、上辺の中央には、幅０．５ｍｍの切り欠き３１が形成されている。
【００２６】
図４（ａ）に示すように、第１基板１０の上側の左右と高さ方向の中央の左右には、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ  Ｔｉｎ  Ｏｘｉｄｅ）の蒸着により形成された４個のアレイ電極１１が設けられている。各アレイ電極１１は矩形のパッド１２と、各パッド１２の上角部に連結され、そこから基板中央に向かって長手方向に延びる配線部１３と、配線部１３の他端から基板下方に向かって延びる個別電極１４を備える。４個の個別電極１４は、基板の長手方向中央に０．２５ｍｍ間隔で配置される。この例では、パッド１２の大きさは縦２ｍｍ×横３．４ｍｍであり、各配線部１３及び各個別電極１４の幅はそれぞれ０．１５ｍｍである。
【００２７】
図４（ｂ）に示すように、第２基板２０にはＩＴＯの蒸着により形成された加熱電極２１が設けられている。加熱電極２１は加熱部２２とその両側から延在する２つのパッド２３を有する。この例では、加熱部２２は縦０．６ｍｍ、横２．４ｍｍの矩形の形状であり、第２基板２０の長手方向中央の下部に配置される。パッド２３は縦１．８ｍｍ、横５．７ｍｍの矩形の形状であり、第２基板２０の左右部をほぼ覆うように設けられている。
【００２８】
以下に、液晶セル４０の製造方法について説明する。液晶セル４０は、図５に示すように、第１基板１０と第２基板２０をスペーサー３０を介して重ねることにより構成される。重ね合わせの際、第１基板１０及び第２基板２０は、それらの電極が形成されている面が互いに向き合うように配置される。また、第１基板１０、第２基板２０及びスペーサー３０は、各々の下辺及び長手方向の中心線がそれぞれ一致するように位置合わせされ、この例では接着剤により貼り合わされる。これにより第１、第２基板１０，２０及びスペーサー３０によって囲まれる空洞が形成される。スペーサー３０の上部には切り欠き３１が形成されているので、この空洞は切り欠き３１を通じて外部と連通している。この切り欠き３１を通じて、後述するスメクチック液晶を空洞内に充填する。
【００２９】
図１に示すように、ベース２の縦溝２ｂに、個別電極１４を右向きにして液晶セル４０を挿入し、ベース２の横溝２ａに一対のコリメータレンズアレイ５０を嵌入する。コリメータレンズアレイ５０の４本の光ファイバ５１ａ〜５１ｄは、固定用基板５２ｂに設けられたＶ字溝５５により、所定の間隔で基板２の短手方向に配列されて固定される。さらに、液晶セル４０の各個別電極１４と加熱部２２が交差した部分（電極交差部４１）と、４本の光ファイバ５１ａ〜５１ｄとがそれぞれ対向するように、液晶セル４０を縦溝２ｂ内でスライドして位置合わせする。このようにして、一対のコリメータレンズアレイ５０、及び液晶セル４０をそれぞれ位置合わせした後、横溝２ａ、縦溝２ｂに接着剤を流し込んでコリメータレンズアレイ５０及び液晶セル４０をベース２に固定する。少なくとも光が通過する部分、即ち、コリメータレンズアレイ５０と液晶セル４０が対向する部分には、光透過性に優れた接着剤を使用する。これにより、一方のコリメータレンズアレイ５０の光ファイバ５１ａ〜５１ｄから液晶セル４０の電極交差部４１を通って、他方のコリメータレンズアレイ５０の光ファイバ５１ａ〜５１ｄへと通じる光路が４本形成される。
【００３０】
次に、上記のようにして形成されたＶＯＡモジュール１の動作について説明する。
【００３１】
図示しないレーザーから発せられたレーザー光を入射側のコリメータレンズアレイ５０の光ファイバ束５１に入射する。入射されたレーザー光は、入射側のコリメータレンズアレイ５０内のマルチモード光ファイバ部５３へと進み、入射側のコリメータレンズアレイ５０から出射し、液晶セル４０の電極交差部４１を通過する。電極交差部４１を通過した光は、出射側のコリメータレンズアレイ５０へと入射し、出射側の光ファイバ束５１へ向かう。
【００３２】
前述のように、コリメータレンズアレイ５０を通った光は、平行光線に近い状態となって液晶セル４０の電極交差部４１に照射される。液晶セル４０の電極交差部４１の間隙にはスメクチック液晶が充填されている。スメクチック液晶の光透過率は、各光路毎に、後述する方法により設定される。従って、液晶セル４０を通過する光は、各光路毎に所望の値に設定された光透過率に応じて光量を減衰された後、出射側のコリメータレンズアレイ５０へと入射され、光ケーブル束５１へと至る。
【００３３】
次に、液晶セル４０の動作について詳細に説明する。液晶セル４０の個別電極１４と加熱部２２に挟まれた間の空間には、スメクチック液晶が充填されている。ここでスメクチック液晶とは、棒状分子がその長軸を平行に配列して層を形成した液晶であり、温度が低い状態では粘性率が特に大きいことが知られている。ネマチック液晶とは異なり、常温では、外部から電圧を印加した場合でも各棒状分子はその向き（配向）を自由に変えることができない。しかし、スメクチック液晶は温度上昇に伴って粘性率が低くなるため、高温ではネマチック液晶と同様に、外部印加電圧によって配向を制御することができるようになる。よく知られているように、棒状の液晶分子は、その配向状態に応じて光の透過率が変化する。従ってスメクチック液晶は、常温では外部印加電圧によって光の透過率を制御することはできないが、高温では外部印加電圧によって光の透過率を制御することができるようになる。この特徴を用いれば、高温で外部電圧を印加して最適な透過率になるように調整したあと、電圧を保持したまま温度を下げることによってその透過率を維持することができる。一旦、透過率を維持したまま温度を下げれば、電圧の供給を停止した後もその透過率が保持されることになる。すなわち、高温時に設定された透過率を常温で保持し続けることができる（記憶効果、メモリ効果）。
【００３４】
本実施形態において、４つの個別電極１４は互いに電気的に絶縁されているので、各電極に独立に電圧を印加することができる（図５参照）。加熱電極２１をグラウンド電極とし、４つの個別電極１４にパッド１２を通じて不図示の電圧源をそれぞれ接続することにより、４つの個別電極１４に独立に電圧を印加することができる。また、加熱電極２１の左右両側のパッド２３に不図示の電流源を接続することにより、加熱電極２１に電流を流すことができる。この電流に起因して加熱部２２から発生するジュール熱によって、空隙内に充填されたスメクチック液晶の温度を制御することができる。
【００３５】
まず、不図示の電流源を用いて加熱電極２１に通電することにより、加熱電極２１の加熱部２２から発生するジュール熱によって加熱部２２と４つの個別電極１４に挟まれた４つの領域（選択領域）にあるスメクチック液晶を加熱する。次に、スメクチック液晶を加熱した状態で不図示の電圧源を用いて加熱電極２１−各個別電極１４間に電圧を供給する。加熱電極２１−個別電極１４間に印加された電圧の大きさに応じて、４つの選択領域に発生する電場の強さが変わるため、４つの選択領域に存在する液晶分子の配向度及び光の透過率を独立に調整することができる。４つの選択領域の光の透過率を所望の値に調整した後、加熱電極２１への通電を停止して、液晶の温度を下げる。この間、加熱電極２１−各個別電極１４間の電圧は保持する。実際には、液晶の温度を上げるために加熱電極に通電する時間は数ｍｓ程度であり、この時間に合わせて各個別電極に電圧を印加するために、不図示の電圧源にはパルス電圧発生装置を使用している。このような手順により、液晶セル４０の電極交差部４１における４つの選択領域（４つの光路）の光透過率を所望の値に維持することができる。
【００３６】
本実施形態において、液晶セル４０は加熱電極２１を入射側に向けて配置してもよい。液晶セル４０の電極交差部４１の位置及び大きさとコリメータレンズアレイに形成された光路の断面の位置及び大きさが適合する限りにおいて、ＶＯＡモジュール１の各構成要素の大きさや配置などは本実施形態に限定されない。また、本実施形態のスペーサーは接着剤付きのスペーサーであってもよい。
【００３７】
〈評価実験〉
ＶＯＡモジュール１の評価実験として、１５５０ｎｍ帯の波長可変レーザ光源（不図示）から射出されるレーザ光を用いて、液晶セルの透過状態と遮光状態における透過率の比（消光比）の測定を行った。また、透過状態にした液晶セルにＴＥモードとＴＭモードの光を入射して、それぞれのモードの光の液晶セルでの損失（ロス）を測定し、損失の偏波特性（偏波依存性損失：ＰＤＬ）を調べた。それぞれの測定について、異なる４種類のスメクチック液晶（ＣＳＴＵ−Ｃ００２、ＣＳＴＵ−Ｃ００３、ＣＳＴＵ−Ｃ００４及びＣＳＴＵ−Ｃ００５）についても同様の測定を行い、消光比及びＰＤＬの液晶依存性を調べた。ここで、これらの４種類の液晶Ｃ００２、Ｃ００３、Ｃ００４及びＣ００５にはそれぞれ、ネマチック液晶に変化する温度が７０．５℃、７１．７℃、７３．０℃及び６９．９℃であるという特徴がある。
【００３８】
実験に用いた装置等の配置について説明する。図７に示すように、ＶＯＡモジュール１を防震台７０の上に固定し、入射側の光ファイバ束５１をレーザー光源（不図示）に接続し、出射側の光ファイバ束５１を光パワーメータ装置に接続した。必要に応じて、レーザー光源と光ファイバ束５１の間に、偏向フィルター及び偏波制御装置を挿入した。また、パルス電圧発生器７２の電圧出力を液晶セル４０の４個のアレー電極１１のパッドの一つに接続し、グラウンド出力を液晶セル４０の加熱電極２１のパッドの一方に接続した。不図示の電流源の出力を加熱電極２１の両側のパッド２３に接続した。
【００３９】
次に、消光比の測定について説明する。まず、加熱電極２１に通電して液晶セル４０の選択領域内の液晶を加熱し、さらにパルス電圧発生器７２を用いて加熱電極２１−個別電極１４間に電圧を印加した。この操作により、電圧を印加された選択領域内の液晶は透過状態となる。この実験では、４つの個別電極１４のうち１つの個別電極１４と加熱電極２１との間にのみ電圧を印加し、その個別電極１４と加熱電極２１との間の選択領域を通過した後の光量を光パワーメータ装置を用いて測定した。次に、パルス電圧発生器７２の出力をＯＦＦにして、選択領域内の液晶を遮光状態とした。同様の方法で選択領域を通過した後の光量を測定し、消光比を求めた。さらに、上述の４種類のスメクチック液晶について同様の測定を行い、消光比の液晶依存性を調べた。図８に、測定された消光比の液晶依存性のグラフを示す。ここで、消光比はＶＯＡモジュールにおける可変減衰率のダイナミックレンジの性能を決定する重要な要素であり、実用上は２０ｄＢ以上であることが望ましい。それに対して本測定によれば、液晶をＣＳＴＵ−Ｃ００３、ＣＳＴＵ−Ｃ００４及びＣＳＴＵ−Ｃ００５とした場合に十分な消光比が得られ、特に液晶をＣＳＴＵ−Ｃ００５としたときに最も高い消光比が得られることがわかった。
【００４０】
次に、ＶＯＡモジュールの損失及び偏波依存性損失（ＰＤＬ）の測定について説明する。まず、レーザー光源と入射側光ファイバ束の間に偏光フィルタと偏波制御装置を挿入した。偏光フィルタを通過したＴＥモード光又はＴＭモード光の光量を光パワーメータ装置を用いて測定した。この際、ＴＥモード及びＴＭモードの切替は、偏光フィルタを適宜交換して行った。次に光パワーメータ装置を取り外して、ＶＯＡモジュールの出力側の光ファイバ束５１に接続した。次に加熱電極２１に通電して液晶セル４０の選択領域内の液晶を加熱し、さらにパルス電圧発生器７２を用いて加熱電極２１−個別電極１４間に電圧を印加した。この操作により、電圧を印加された選択領域内の液晶は透過状態となる。透過状態の液晶セル４０にＴＥモードとＴＭモードの光をそれぞれ入射し、液晶セル４０通過後の光量を光パワーメータ装置を用いて測定した。このようにして、液晶セル４０の通過前後の光量の変化から、ＶＯＡモジュール１の損失を測定し、その測定結果からＰＤＬを求めた。さらに、前述の４種類の液晶を用いて同様の測定を行い、液晶セル４０のＰＤＬを求めた。ここで、ＰＤＬは実用上、０．５ｄＢ以下であることが望ましい。それに対して、本測定によれば、ＣＳＴＵ−Ｃ００３を用いたときに最も小さいＰＤＬが得られることがわかった。
【００４１】
〈変更形態〉
本実施形態のＶＯＡモジュールは、光ファイバ型のコリメータレンズアレイ５０の代わりに光導波路型のコリメータレンズ６０を備えることができる。図１０に示すように、コリメータレンズ６０は、屈折率変化部６１及びシングルモード光ファイバ部５４を備える。屈折率変化部６１とシングルモード光ファイバ部５４は誘着接合されている。屈折率変化部６１の形状は直方体状であり、ポリシランを材料として形成されている。ポリシランは、紫外線の照射によってその屈折率を調整することができる材料である。３００〜３５０ｎｍの波長を発する紫外線ランプ又は紫外線レーザ（Ｈｅ−Ｃｄレーザ）を用いて屈折率変化部６１に紫外線を照射することによって、屈折率変化部６１の内部には、その深さ方向（Ｙ方向）と横方向（Ｘ方向）共に中心部から外側に向かって屈折率が滑らかに小さくなるように変化するグレーデッドインデックス（屈折率変化）型マルチモード光導波路が形成されている。ここで屈折率変化部６１の内部の屈折率は、紫外線の強度を変えつつ照射することにより所望の値に調整されている。
【００４２】
屈折率変化部６１を設けてグレーデッドインデックス型マルチモード光導波路を形成することにより、その内部を通過する光はゆるやかに蛇行して進むことが知られている。従って、内部を通過する光の広がり（発散）を小さく抑え、平行光線に近い光線を得ることができる。
【００４３】
本変更形態において、シングルモード光ファイバ部５４はＶ字基板５２によって所定間隔に固定されていてもよい。また、シングルモード光ファイバ部５４と屈折率変化部６１との接合は誘着接合に限らず、例えば光透過性のよい接着剤で接着されてもよい。
【００４４】
〈第２実施形態〉
本実施形態のＶＯＡモジュールは、液晶セルの加熱電極が４分割されており、減衰率を調整したい光路のみを単独で調整することができる。なお、本実施形態のＶＯＡモジュールは、液晶セルの加熱電極部分を除いて第１実施形態と同様の構成である。
【００４５】
図１０に示すように、液晶セル１４０の第２基板１２０上には左右両側にそれぞれ２個づつ加熱電極１２１が配置されている。各々の加熱電極１２１は、上パッド１２２及び下パッド１２３と、それらを連結する連結部１２４を有する。連結部１２４は上下のパッドから基板中央に向かって延在する部分と、折り返しのために縦方向に延在する部分であって個別電極と平面視で重なる部分（電極交差部１２５）とを有する。４個の加熱電極の各電極交差部１２５の縦方向の中心は全て同じ高さである。ＶＯＡモジュールを組み立てる際には、コリメータレンズアレイ５０の４本の光導波路と４つの電極交差部１２５が重なるように位置合わせされる。
【００４６】
各加熱電極間は絶縁されているため、各加熱電極毎に電流を流すことによって、各加熱電極を独立に加熱することができる。さらに、各加熱電極とその電極交差部１２５において対向する個別電極との間にのみ電圧を印加することも可能である。従って、本実施形態のＶＯＡモジュールは、加熱電極を共通化した場合に比べて隣接する光路の温度の影響を一層少なくしつつ、４ｃｈの光路の光透過率を独立に調整することができる。
【００４７】
上記実施形態ではグレーテッドインデックス型光ファイバ部が形成されたコリメータレンズアレイを用いたが、グレーテッドインデックス型光ファイバ部が形成されてないものであってもよい。さらに、コリメータレンズアレイを省略して、光ファイバと液晶セルを対向して配置してもよい。また、液晶セルに対向する素子に形成されている光路は、光導波路を利用したものであっても、光ファイバを利用したものであっても構わない。
【００４８】
上記実施形態において、電極交差部の位置及び大きさが、液晶セルの上流及び下流に配置される素子の光路と適合する限り、液晶セルの第１、第２電極として形成される電極のパターンは任意の形状を取りうる。特に、各電極のパッドの大きさ、形状は上記実施例に限定されない。また、上記実施形態では４つの光路を有するＶＯＡモジュールについて説明したが、光路の数は任意であり、単一でもよい。さらに複数の光路は一列ではなくマトリクス状に配置されていてもよい。
【００４９】
上記実施形態では、液晶セルユニットは光減衰率を調整する可変光減衰器として利用されていたが、光の透過／遮光のみを制御する光スイッチとしても利用しうる。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
本発明の液晶セルユニットは、透明電極が形成された２枚の基板の間にスメクチック液晶が充填された状態でユニット化されているため、例えばＶＯＡモジュールの生産ラインで液晶セル部分に不具合があれば、液晶セルユニットのみを交換すればよい。そのため、本発明の可変光減衰器を製作する上で歩留まりを上げることができ、生産コストを削減できる。また、本発明の液晶セルユニットは独立したユニット製品であるために、可変光減衰器や光スイッチが使用されるエリアの環境や国の規制等に応じて液晶や透過率のスペックのみを調整すればよく、液晶セルユニット以外の共通化された構造の可変光減衰器と組み合わせることによって、可変光減衰器自体の汎用性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】図１は第１実施形態のＶＯＡモジュールの構成図である。
【図２】図２は光ファイバを固定したＶ溝基板の断面図である。
【図３】図３は光ファイバ型のコリメータレンズアレイの概略図である。
【図４】図４（ａ）は第１基板の平面図であり、図４（ｂ）は第２基板の平面図であり、図４（ｃ）はスペーサーの平面図である。
【図５】図５は第１実施形態の液晶セルユニットの平面図である。
【図６】図６はマルチモードの光の伝搬を表す概略図である。
【図７】図７は第１実施形態のＶＯＡモジュールの光通過特性を測定するためのセットアップの概略図である。
【図８】図８は第１実施形態のＶＯＡモジュールの消光比の液晶依存性を表すグラフである。
【図９】図９は第１実施形態のＶＯＡモジュールの偏波特性の液晶依存性を表すグラフである。
【図１０】図１０は光導波路型のコリメータレンズの概略図である。
【図１１】図１１は第２実施形態の液晶セルの概略図である。
【符号の説明】
【００５２】
１  ＶＯＡモジュール
２  ベース
１０  第１基板
２０  第２基板
４０  液晶セル
５０  コリメータレンズアレイ
【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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【図１０】
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【図１１】
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