(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学空洞を形成する少なくとも部分的に反射性を有する１対の対向表面と、
前記光学空洞内にナノ分散により配置される液晶材料と
を含み、前記液晶材料は、前記光学空洞内に配置された金属酸化物マトリクス構造に形成された少なくとも１つの均一なサイズの穴の配列の中に配置され、それによって前記金属酸化物マトリクス構造の中に液晶材料のナノ分散が形成され、前記液晶材料が、前記金属酸化物マトリクス構造全体にわたって均一に分散される、同調可能なファブリペローフィルタ。
【請求項２】
前記対向表面は平行に配置されることを特徴とする、請求項１に記載のファブリペローフィルタ。
【請求項３】
前記液晶材料は、前記マトリクス構造に設けられる球形の穴の不規則な配列の中に配置されることを特徴とする、請求項１に記載のファブリペローフィルタ。
【請求項４】
前記穴は、前記マトリクス構造の中で５０％から６８％の容積を占めることを特徴とする、請求項３に記載のファブリペローフィルタ。
【請求項５】
前記液晶材料は、液滴の形状を成し、前記液滴の寸法は、前記フィルタを通過する光の波長よりも小さいことを特徴とする、請求項１から４のいずれかに記載のファブリペローフィルタ。
【請求項６】
前記液晶材料に電場を提供する手段をさらに備えることを特徴とする、請求項１から５のいずれかに記載のファブリペローフィルタ。
【請求項７】
前記フィルタを通過する前記光の波長は、前記光学空洞を交差するように提供される電場を変化させることで同調されるよう構成されることを特徴とする、請求項６に記載のファブリペローフィルタ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般に光フィルタに関し、且つ特に液晶を利用する同調可能なファブリペローエタロン空洞フィルタに関する。
【０００２】
【従来の技術】
光フィルタは、特に光通信ネットワークにおいて広範囲の種類の用途を有する。このようなフィルタは、所定の信号を帯域内の信号から分離するために有用である。
【０００３】
光ファイバネットワークは、近年、音声及びデータ両方の通信のために広く利用されるようになっている。フィルタは、信号の帯域から所定の信号を分離するために、これらのネットワークにおいて広く利用される。このようなネットワークにおいて利用されるもっとも簡単なフィルタの１つは、同調可能なファブリペローフィルタである。ファブリペローフィルタは、部分的に銀めっきされたミラーによってそれぞれの端部において区画された空洞からなる。
【０００４】
一般に通信用途のための既存の解決策は、典型的に２つの欠点のうちの１つを有する。これらは：１）可動の部品を必要とし、これは望ましくなく；又は２）偏光（ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ）依存性及び小さな同調範囲を有する固体であるかのいずれかである。
【０００５】
ファブリペローフィルタは、一方のミラーの運動によって同調することができる。過去の基本的な技術の１つは、一方のミラーをピエゾ電気結晶に取付け、且つフィルタを同調するために結晶に加えられる電圧を変化させることにある。結晶は、原子の直径より小さな運動の精度を得ることができる点にまで制御することができる。このことは、ある種の用途にとって全く十分であるが、光パケット交換のような提案された用途にとってはあまりに遅すぎる。
【０００６】
このようなフィルタを同調するための別のアプローチは、フィルタの空洞の内側における材料の屈折率（ＲＩ）を変化することにある。これは、液晶材料によってギャップ又は空洞を充填することによって達成することができる。液晶材料のＲＩは、ここにわたって電圧を供給することによって、極めて急速に変化することができる。このタイプのフィルタのための同調時間は、ほぼ１０ｍｓｅｃの程度と報告されているが、理論的には、サブマイクロ秒の時間が達成できるはずである。このタイプのフィルタによる１つの問題は、これらが偏光に感応することにある。別の問題は、これらが極めて狭い又は小さな同調可能な範囲を有するということにある。
【０００７】
いくつかの初期のアプローチは、良好に整列されたネマチック及びスメクチック液晶を利用し、これらは、顕微鏡スケール（光の波長より大きい）において良好に定義された光軸を有する。このような装置は、多くの望ましい特性を示し、すなわち広い同調範囲、低い電圧及び小さな損失を示す。しかしながらこれらの装置は、入射光の偏光に固有に感応する。
【０００８】
米国特許第５，０６８，７４９号明細書は、液晶材料の分子に初めに特定の配向を強いることによって偏光の問題のいくつかに打勝つアプローチを開示している。しかしながら、このアプローチは、同調可能な範囲が極めて細い／狭いという点を含む多数の欠点を有する。
【０００９】
更に、最近、偏光の問題に打勝つためにポリマー分散液晶（ＰＤＬＣ）に基づいて同調可能な空洞を利用する試みが行なわれている。ＰＤＬＣは、スポンジ状のポリマー層からなり、この層の空所は、液晶によって満たされている。ＰＤＬＣ要素は、紫外線駆動重合プロセスによって製造され、このプロセスは化学反応である。プロセスが、５０％の液晶によってスタートした場合でさえ、重合の後に、プロセスが完了しているとき、おそらく液晶のほぼ１０％だけしかスイッチ可能な形にならないであろう。換言すれば、ＰＤＬＣは、最終製品において精密に制御可能な容積割合の液晶を提供しない。このシステムの欠点は、ポリマー及び液晶の相分離によって、典型的に液滴が生じることの結果として生じる。液滴の寸法は、重合の力学を制御することによって、ある程度まで制御することができる。しかしながら液滴の寸法は、ポリマー及び液晶の混合物から相が分離する材料の容積割合に反比例する。このプロセスは、液滴の寸法の精密な制御を容易にせず、このようにして偏光独立性は完全とはならない。それ故にこれらのＰＤＬＣ装置は、一般に小さな実効指数の変調深さ又は範囲、典型的にはほぼ５乃至１０ｎｍを有し、且つ液晶が埋め込まれた有機マトリクスによる光信号の大きな減衰を受ける。減衰は、ＰＤＬＣ内のポリマーが赤外線において吸収することの結果として生じる。
【００１０】
それ故に上述した従来技術の問題を克服できる同調可能なフィルタに対する要求がある。更に特定すれば、偏光に感応せず、最小の減衰を有し且つ利用可能に広い範囲にわたって電子的に同調可能なフィルタに対する要求が存在する。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の主要な目的は、上述した従来技術の問題を克服し、低コスト、広い同調範囲、低電圧及び小さな損失を有する同調可能なファブリペローフィルタを製造することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
この目的にしたがって本発明において利用される同調可能なファブリペローエタロンフィルタは、その間に空洞を形成するために少なくとも部分的に反射性の一般に平行な１対の対向する表面、及び空洞内におけるマトリクス内に配置された液晶の制御されるナノ分散を含む。液晶に電界を供給する手段は、通過する光波長に関して制御可能なフィルタを製造するために加えることができる。
【００１３】
マトリクス材料が溶融するにつれて追出される精密に制御される球形の形を利用して形成されるマトリクスを利用することは、マトリクスが小さな不規則に配置された液晶液滴を含むことを可能にする。その結果、偏光に無依存となる。マトリクス構造は、制御された様式で形成されるので、容積でほぼ５０％ないしほぼ６８％の液晶を含む構造が達成できる。スイッチ可能なマトリクス内におけるこの比較的多くの割合の液晶液滴は、約３０ｎｍの同調範囲を実現することを容易にする。液晶液滴が常駐するマトリクスのために金属酸化物を利用することによって、金属酸化物は赤外線に対して透明なので、減衰率は最小になる。
【００１４】
本発明により形成される金属酸化物マトリクスは、液晶液滴によって満たされる穴の形板を製造する。
【００１５】
本発明の対象、利点及び特徴は、添付の図面に関連して読めば、次の詳細な説明により当業者にとって一層明らかになるであろう。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下に添付図面を参照して本発明の好適実施形態について詳細に説明する。本発明は、同調可能なファブリペロー（ＦＰ）エタロンフィルタを提供し、その際、少なくとも部分的に反射性の１対の対向する表面は、その間に空洞又は空間を形成するように配置されている。液晶のナノ分散は、空洞内における金属酸化物マトリクス内に配置されており、且つ液晶に電界を供給する手段が設けられている。本発明は、偏光に感応せず且つ比較的広い屈折率範囲にわたって電子的に同調可能なフィルタを提供する。
【００１７】
図１によれば、本発明の１つの実施例にしたがって構成された光フィルタが概略的に示されている。全体に参照符号１０によって示されたこの光フィルタは、少なくとも部分的に反射性を有する一般に平行な互いに離れた１対の表面又はミラー１４及び１６を含み、空洞又は空間は、２つの反射性の表面の間に定義されている。２つのミラーの間の空間内に、液晶のナノ分散を組込んだマトリクス１２が配置されている。液晶のこのナノ分散は、金属酸化物マトリクス又は形板内における穴の不規則に配置されたアレイに配置されている。金属酸化物マトリクスは、望ましくは二酸化チタン（ＴｉＯ２）から形成されるが、二酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）から形成してもよい。形板構造のための別の代案は、その他の金属酸化物、又はシリコン又はゲルマニウムである。液晶は、金属酸化物構造内に形成された一般に球形の空洞の配列に形成され又は含まれる。液晶のこれらの球又は液滴の直径は、望ましくはほぼ１０と５０ナノメートルの間にあり、マトリクスの容積のほぼ５０と６８％の間を形成している。マトリクスは、ミラー１４及び１６の間のほぼ５乃至１０μｍの厚さを有するが、この寸法は、ほとんどの場合に微妙ではない。ミラーは、典型的にはできるだけ高い反射率を有するが、実際には１００％の反射率は妨げられる。あまり鋭くないフィルタが望まれる場合が存在することがあり、且つ反射率は、所望のフィルタの形に依存してほぼ５０％程度に低くともよい。
【００１８】
ミラーの両側に、制御システム２６に電気線２２及び２４によって接続された光学的に透明な電極１８及び２０が配置されている。制御システムは、電極に電流又は電圧を供給するための電源を含む。電極は、例えばインジウムすず酸化物の層のようなあらゆる適当な透明な材料から製造することができる。前記構造は、ガラス板２８、３０等のような１対の透明な支持構造の間に収容されている。この構造は、ファブリペローエタロンフィルタを提供し、このフィルタは、偏光に感応せず、且つ広い屈折率範囲にわたって電子的に同調可能である。ＦＰフィルタが同調可能な光波長の範囲は、ミラー１４及び１６の間の空洞の厚さによって決まる。
【００１９】
光信号源３２は、光ファイバによるようにフィルタ１０に送信される信号３４の帯域を発生する。光信号源３２は、発光ダイオード、レーザ又はその他の源のようなあらゆる適当な光源であることができる。信号の帯域はフィルタ内に進み、且つ所定の周波数の信号がフィルタを通過し、且つ受信機３８に送信される。制御システム２６は、液晶１２のＲＩを制御し且つそれにより所定の周波数範囲にわたってフィルタを同調するために、電極１８及び２０に電圧を供給し且つ支持する。
【００２０】
動作において、光信号源３２は、フィルタ内に進む光信号３４を発生し且つ送信する。液晶のＲＩによって決まる周波数を有するこの信号の一部は、信号３６のようにフィルタから現われ、この信号は、受信機３８に送信される。フィルタは、ミラー１４と１６の間に収容された液晶構造１２の電気光学特性の変化によって電子的に同調可能である。液晶材料の電気光学特性は、制御システム２６により線２２及び２４を介して電極１８及び２０に発生され且つ送信される制御可能な電界又は電圧によって変化される。
【００２１】
マトリクス１２内における液晶は分極されておらず、且つしたがってその同調範囲にわたるフィルタの動作は、入力信号の偏光に依存しない。このことは、信号３４から制御システム２６によって選ばれた波長が、入力信号の偏光に関係なく実質的に同じ強さで受信機３８に引渡されることを意味する。この構造は、前記ように、ほぼ５０乃至６８％の変調される液晶の大きな容積割合のため、ＰＤＬＣタイプの液晶構造よりずっと広範囲の同調能力を有する装置を提供する。
【００２２】
前記構造は、構造全体を通してかなり均一に分散した液晶液滴の分離した小さな“球”を提供する。液滴は、設計された光の波長よりも小さい。この構造により液晶マトリクス構造全体における良好に５０％を越える液晶を得ることが可能である。球がすべて実質的に均一な単一の寸法のものである場合、液晶含有量は、構造のほぼ６８％にまですることができる。このような構造は、以前のＰＤＬＣタイプの構造のもののほぼ７倍大きな同調可能な範囲を提供する。マトリクス内の二酸化チタン構造は、不可視光、赤外線及び可視光によって利用するために安全である。
【００２３】
本発明の１つの実施例により液晶ユニット又はマトリクスを製造する方法は、コロイド結晶から合成逆オパール（ｉｎｖｅｒｓｅ  ｏｐａｌｓ）構造を製造する際に使用されるものと同様の方法を利用する。図２に示すような結果として生じる支持又はマトリクス構造は、金属酸化物マトリクスにおける穴の配列である。周りのマトリクス材料に対する穴の比は、液晶の最大のスイッチ可能な容積を取得する際に重要である。穴はコロイド結晶により形板化されるので、液晶の容積割合は、コロイド結晶形板を形成するために利用されるビーズの詰込み割合だけによって決まる。この方法による液晶のスイッチ可能な容積割合は、おそらくＰＤＬＣベースのＦＰ空洞よりほぼ３倍大きい。このことは、フィルタに対して比較的広い同調範囲を可能にする。更に多くの金属酸化物は、赤外線光に対して透明であり、この赤外線は、これらの金属酸化物を低損失のマトリクスのための理想的な候補とするものである。
【００２４】
図２によれば、本発明の液晶を製造するための手続きにしたがって製造された金属酸化物マトリクス４４内における穴４２の配列からなる部分的なマトリクス構造４０を示している。この構造は、チタニア内に空気球からなるフォトニック結晶を製造するために説明された方法によるように形成される。このプロセスは、Ｗｉｊｎｈｏｖｅｎ及びＶｏｓによるＰｒｅｐａｒａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｐｈｏｔｏｎｉｃ  Ｃｒｙｓｔａｌｓ  Ｍａｄｅ  ｏｆ  Ａｉｒ  Ｓｐｈｅｒｅｓ  ｉｎ  Ｔｉｔａｎｉａと題する論文、Ｓｃｉｅｎｃｅ、第２８１巻、第８０２−８０４頁（１９９８年８月７日）に記載されている。用語“配列”は、構造４０内における穴４２がなんらかの方法で規則的であると推論するものではなく、穴の配列は、一般にランダムに配置された穴の不規則な配列である。
【００２５】
図面の図３乃至図５によれば、本発明の液晶成分を製造するための所定のステップが示されている。第１に図３によれば、プラスチック（例えばポリマー）球４６が選択され、且つ二酸化チタンの粒子４８と混合され、且つ容器又はその他の型等によるように形成された板５０及び５２の対の間に配置される。これらの粒子は、二酸化チタンの粒子が球の間の空間を満たすように、完全に混合され、且つ混合物は液晶マトリクスを形成するために板５０と５２の間に閉じ込められる。プラスチックの球は、プラスチック球を除去し（図４）且つ二酸化チタンの粒子を互いに溶融するため、５００℃までの範囲の熱を供給することにより燃焼除去される。この高温は、プラスチック球を除去し、溶融した二酸化チタンを残し、図２に示すように、一般に球形の空洞又は空所のマトリクスを形成する。
【００２６】
ポリマー球は、ほぼ１０ないし５０ナノメートルの直径範囲を有するように選択される。液晶の最大のパーセンテージを提供するために、望ましくはできるだけ同じ寸法に近いものを有するように選択するが、望ましい場合には、異なった少なくとも２つの寸法の球を利用することができる。液晶の同調能力は、マトリクスの形成の際に利用される球の寸法及び寸法の比を制御することによって調節することができる。二酸化チタン粒子は、ほぼ５から５０ナノメートルまでの寸法の範囲の粒子寸法を有するように選択され、且つ望ましくはできるだけ同じ寸法に近いようにする。その結果、所望の寸法の液滴を有する構造が生じる。プラスチック球の燃焼除去及び金属酸化物の溶融によって、図２に示すような構造が確立されると、マトリクス構造における空洞内に液晶を装填するために、図５に示すようなプロセスが実施される。マトリクス構造は、囲みの中に閉じ込められているので、マトリクスに真空を供給することができる。液晶は、マトリクス内の穴及び空所を満たすために二酸化金属マトリクスの容器内に真空によって導入される。空所が満たされると、液晶ユニットは完成し、且つ図１に示すように、フィルタ構造内に組み立てられる。
【００２７】
本発明を特定の実施例によって図示し且つ説明したが、一方特許請求の範囲に定義されたような本発明の趣旨及び権利範囲から外れることなく、ここにおいて様々な変更及び変形を行なうことができることは明らかであろう。
【００２８】
本発明は、光学空洞を定義する少なくとも部分的に反射性の１対の対向する表面、及び前記空洞内に配置された液晶によるナノ分散を含むことを特徴とする、同調可能なファブリペローフィルタを提供する。
【００２９】
好ましくは、前記液晶が、金属酸化物マトリクス内の配列に配置される。
【００３０】
好ましくは、前記液晶が、金属酸化物マトリクス内の穴の配列に配置される。
【００３１】
好ましくは、前記液晶が、金属酸化物マトリクス内の穴の配列に配置されており、金属酸化物が、ＴｉＯ２、ＳｉＯ２及びＺｒＯ２からなるグループから得られる。
【００３２】
好ましくは、前記金属酸化物マトリクスが、ＴｉＯ２とされる。
【００３３】
好ましくは、前記液晶が、金属酸化物マトリクス内における一般に球形の穴の不規則な配列にして配置される。
【００３４】
好ましくは、前記穴の直径が、ほぼ１０ないし５０ｎｍのオーダとされる。
【００３５】
好ましくは、前記穴が、前記マトリクスの容積の少なくとも５０％を占める。
【００３６】
好ましくは、前記穴が、前記マトリクスの容積のほぼ６８％より多くは形成していない。
【００３７】
好ましくは、前記穴が、前記マトリクスの容積のほぼ５０％からほぼ６０乃至８０％までを形成している。
【００３８】
好ましくは、前記液晶が液滴の形をしており、前記液滴が、前記フィルタを通過すべき光波長よりも小さい。
【００３９】
好ましくは、更に前記液晶に電界を供給する手段を含む。
【００４０】
好ましくは、前記フィルタを通過する前記光波長が、前記光学空洞にわたって供給される電界を変化することによって同調可能とされる。
【００４１】
更に本発明は、空洞を定義する少なくとも部分的に反射性の一般に平行な１対の対向する表面、及び前記空洞内における金属酸化物マトリクス内の配列に配置された液晶のナノ分散、を含むことを特徴とする、同調可能なファブリペローフィルタを提供する。
【００４２】
好ましくは、前記液晶が、前記金属酸化物マトリクス内における実質的に球形の穴の配列に配置されている。
【００４３】
好ましくは、前記穴の直径が、ほぼ１０ないし５０ｎｍのオーダにあり、且つ前記マトリクスの容積のほぼ５０％からほぼ６０乃至８０％までを形成する。
【００４４】
好ましくは、前記金属酸化物マトリクスが、ＴｉＯ２、ＳｉＯ２及びＺｒＯ２からなるグループから得られる金属酸化物から形成される。
【００４５】
好ましくは、前記液晶が液滴の形をしており、前記液滴が、前記フィルタを通過すべき光波長よりも小さい。
【００４６】
好ましくは、更に前記液晶に電界を供給する手段を含む。
【００４７】
好ましくは、前記フィルタを通過する前記光波長が、前記液晶を含む前記空洞にわたって供給される電界を変化することによって同調可能である。
【００４８】
更に、本発明は、一般に平行な少なくとも部分的に反射性の１対の対向する表面を設けるステップ、その間に空洞を定義するために前記少なくとも部分的に反射性の表面を配置し、且つ前記空洞内における金属酸化物マトリクス内の不規則な配列に配置された液晶のナノ分散を配置するステップを含むことを特徴とする、同調可能なファブリペローフィルタの製造方法を提供する。
【００４９】
好ましくは、前記液晶が、金属酸化物マトリクス内における実質的に球形の穴の配列に配置される。
【００５０】
好ましくは、前記穴の直径が、ほぼ１０ないし５０ｎｍのオーダにあり、且つ前記マトリクスの容積のほぼ５０％からほぼ６８％までを占める。
【００５１】
好ましくは、前記マトリクスが、ＴｉＯ２、ＳｉＯ２及びＺｒＯ２からなるグループから得られる金属酸化物から形成される。
【００５２】
更に、本発明は、前記金属酸化物マトリクスの形成方法にして、所定の寸法を有するポリマー球の量を選択するステップと、所定の寸法を有する金属酸化物の粒子の量を選択するステップと、酸化チタンの粒子とポリマー球を混合するステップと、型の中に混合物を配置するステップと、ポリマー球を燃焼除去し且つ金属酸化物を溶融するために、型内の混合物に十分な熱を供給し、それにより一般に球形の穴のマトリクスを形成するステップと、マトリクスの穴内に液晶を導入するステップと、を含むことを特徴とする方法を提供する。
【００５３】
好ましくは、前記液晶が、真空によってマトリクス内に導入される。
【００５４】
好ましくは、前記金属酸化物が、ＴｉＯ２、ＳｉＯ２及びＺｒＯ２からなるグループから得られる。
【００５５】
好ましくは、前記液晶が液滴の形をしており、前記液滴が、前記フィルタを通過すべき光波長よりも小さい。
【００５６】
好ましくは、前記空洞にわたって電界を供給する手段を設ける他のステップを含む。
【００５７】
好ましくは、前記フィルタを通過する前記光波長が、前記液晶空洞にわたって供給される電界を変化することによって同調可能である。
【００５８】
更に、本発明は、フィルタが、間隔を置いた一般に平行な少なくとも部分的に反射性の表面によって定義される空洞から形成されており、金属酸化物マトリクスが、液晶材料によって内部を満たされた穴の不規則な配列を有する、ここを通して光周波数を選択的に通過させるために同調可能なファブリペローフィルタを利用する方法において、同調可能なフィルタに光信号を注入し、更に前記空洞の共振周波数に同調するために、フィルタにわたって制御可能な電界を供給し、それにより選ばれた周波数を有する光信号を通過させることを含むことを特徴とする、ここを通して光周波数を選択的に通過させるために同調可能なファブリペローフィルタを利用する方法を提供する。
【００５９】
好ましくは、前記液晶空洞の前記共振周波数が、フィルタにわたって供給される電界に応答して、ここにおける前記液晶の屈折率を変化させることによって変化する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明により製造された光フィルタを示す略図である。
【図２】本発明による液晶分散のための金属酸化物マトリクスの一部を全体的に拡大して示す概略図である。
【図３】図１の光フィルタのための液晶構造を製造する際の第１のステップを示す概略図である。
【図４】図１の光フィルタのための液晶構造を製造する際の第２のステップを示す概略図である。
【図５】図１の光フィルタのための液晶構造を製造する際の第３のステップを示す概略図である。
【符号の説明】
１０  光フィルタ
１２  マトリクス
１４  表面
１６  表面
１８  電極
２０  電極
２６  制御システム
３２  光信号源
３８  受信機
【図１】
0004170038.tif 000002
【図２】
0004170038.tif 000003
【図３】
0004170038.tif 000004
【図４】
0004170038.tif 000005
【図５】
0004170038.tif 000006