專利名稱：非偏振敏感型向列液晶法布里－珀羅波長調(diào)諧濾波器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種非偏振敏感型向列液晶法布里-珀羅(FB)波長調(diào)諧濾波器，特別是關于一種在透射或反射模式下軸對稱構型的非偏振敏感型向列液晶法布里-珀羅波長調(diào)諧濾波器，其波長調(diào)諧性能完全與入射光的偏振狀態(tài)無關，因此，這種FB波長調(diào)諧濾波器可以具有低工作電壓、寬波長調(diào)諧范圍、和簡單的制造工藝。
傳統(tǒng)的FB波長調(diào)諧濾波器大部分采用電-機械(electro-mechanical)材料或無機電光材料。當兩介電反射鏡之間為電-機械材料時，該兩反射鏡之間的距離d可作為所施加的電壓的函數(shù)來控制，以調(diào)諧所傳輸光的波長。另一方面，當兩介電反射鏡之間采用無機電光材料時，可通過改變所施加的電壓來改變所述折射率n，以調(diào)諧傳輸光的波長。現(xiàn)在，非線性光學材料已用來作為根據(jù)入射光的強度改變折射率n的材料，以產(chǎn)生對傳輸光的波長調(diào)諧性能。
然而，在所有前面所述的情況下，為了具有在較寬波長范圍內(nèi)的波長調(diào)諧性能，在波長調(diào)諧濾波器的工作中都需要很高的電壓和很強的光，以及介電反射鏡之間較厚的介質(zhì)。而且，傳輸特性還對入射光的偏振方向很敏感，并且需要復雜的制造工藝。
采用向列液晶的FB波長調(diào)諧濾波器，由于其與采用電-機械或無機電光材料的傳統(tǒng)濾波器相比，具有低工作電壓、寬波長選擇范圍、制造簡單的特性，所以可以在下一代光通信中用來作為高密度波分多路復用(HD-WDM)設備。然而，方向一致排列(homogeneous alignment)的傳統(tǒng)液晶法布里-珀羅結(jié)構的波長調(diào)諧特性是對入射光的偏振方向敏感的。假定沿液晶分子長軸方向的折射率是ne，沿其短軸方向的折射率是no，當液晶為方向一致排列狀態(tài)時，可從上述公式(1)看出，具有最大傳輸率的波長取決于入射光的偏振方向。而在光通信領域光纖的實際偏振狀態(tài)很難預先確定，這種與偏振方向有關的特性，就對波長調(diào)諧濾波器的應用帶來了很多限制。
已經(jīng)提出很多方法來去除這種在向列液晶FB波長調(diào)諧濾波器中存在的傳輸對偏振的依賴性。這些方法有控制方向一致排列的扭轉(zhuǎn)型向列結(jié)構中表面層的厚度的方法，和采用多疇結(jié)構的方法(multidomain structure)。用于方向一致排列的扭轉(zhuǎn)型向列結(jié)構的方法是通過在特定電壓范圍內(nèi)改變該表面層的厚度來控制兩種偏振模式，即入射偏振方向垂直或平行于液晶指向矢(director)。但是，為了很好地控制該兩種偏振模式，扭轉(zhuǎn)液晶結(jié)構的制造條件必須精確設計。而且，所述偏振依賴性是不能在較寬的波長調(diào)諧范圍內(nèi)完全去除的。
在傳統(tǒng)已知的多疇結(jié)構中，向列液晶具有至少彼此正交的兩個排列區(qū)域(aligned regions)并且入射光同時通過這兩個區(qū)域。在這種情況下，該兩個排列區(qū)域的光各向異性應被精確地彼此抵消，以便去除偏振依賴性。但是，制造這種多疇結(jié)構比制造方向一致排列的結(jié)構要復雜得多。換句話說，至少需要利用光學掩模進行兩次排列的處理以獲得具有兩個不同排列方向的多疇結(jié)構。而且，偏振依賴性始終存在，它取決于入射光的兩個入射區(qū)的大小。
本發(fā)明的目的是提供一種向列液晶FB波長調(diào)諧濾波器，具有極佳的波長選擇特性，如寬帶波長調(diào)諧特性，以及采用軸對稱排列完全去除對入射光偏振的依賴性。
為了達到本發(fā)明的上述目的，本發(fā)明提供了一種非偏振敏感型向列液晶FB波長調(diào)諧濾波器，其中，分別在其兩基板上鍍有透明電極和介電反射鏡，兩基板之一上鍍有一單一回歸方向排列(homeotropic alignment)層，另一基板上鍍有一液晶呈軸向排列的方向一致排列層，一具有正介電各向異性特性的向列液晶設置在所述兩基板之間，根據(jù)被施加其上的電壓的大小來調(diào)諧入射光的波長。
代替具有正介電各向異性特性的向列液晶，也可采用具有負介電各向異性特性的向列液晶。
在具有正介電各向異性特性的向列液晶非偏振敏感型FB波長調(diào)諧濾波器中，設其方向一致排列層的預傾斜角為θ1，滿足0°≤θ1≤10°；其單一回歸方向排列層的預傾斜角為θ2，滿足75°≤θ2≤90°。在具有負介電各向異性特性的向列液晶的情況下，其方向一致排列層的預傾斜角θ1滿足0°≤θ1≤15°；并且其單一回歸方向排列層的預傾斜角θ2滿足80°≤θ2≤90°。
另一方面，當含有手性添加物的液晶裝入兩基板之間時，設液晶層的厚度為d，因該手性添加物而形成的液晶螺距為p，其厚度間隔與螺距之比滿足0≤d/p≤0.5。至少在所述各基板的一個外表面上加有偏振片或光學補償膜。
應該理解，不論前面的概描述還是隨后的詳細描述，都是示例性和解釋性的，并且都傾向以權利要求對本發(fā)明做進一步的說明。
實施本發(fā)明的最好形式以下，詳細說明本發(fā)明的實施例，各實施例也已表示在附圖中。


圖1是本發(fā)明采用向列液晶的非偏振敏感型FB波長調(diào)諧濾波器的剖面視圖，圖2是本發(fā)明的非偏振敏感型向列液晶FB波長調(diào)諧濾波器的透視圖。如圖1和圖2所示，在非偏振敏感型向列液晶FB波長調(diào)諧濾波器中，方向一致排列的液晶材料(AL-1051；日本合成橡膠公司-Japan Synthetic RubberCo.，預傾角θ1≈2°)鍍于需軸向排列的一個基板的內(nèi)表面，單一回歸方向排列材料(JALS-204；日本合成橡膠公司-Japan Synthetic Rubber Co.，預傾角θ2≈90°)鍍于另一個基板的內(nèi)表面。這種新的排列結(jié)構，在所有任意入射偏振方向上相對于正(normal)入射都是對稱的，所以，傳輸特性的偏振依賴性就可被完全消除。
具體來說，如銦錫氧化物材料(ITO)鍍在上下基板1上以形成透明電極2，在該透明電極2上分別鍍有反射層3(介電反射鏡)，反射層3在本發(fā)明FB濾波器的應用波長范圍內(nèi)具有高反射(98°以上)，用于單一回歸方向排列該液晶的排列層4鍍于形成于一基板上的反射層3上，用于方向一致排列該液晶的排列層5鍍于形成于另一基板上的反射層3上。在這種混合排列結(jié)構中，方向一致排列層5經(jīng)附加處理以產(chǎn)生相對于垂直其表面的方向的軸向?qū)ΨQ排列。該軸向排列的表面處理可通過軸向摩擦或向光學排列層照射圓形偏振紫外光來實施。在本實施例中，采用了軸向?qū)ΨQ摩擦方法以使液晶分子具有軸向?qū)ΨQ構型。兩基板之間的厚度由隔離部件6決定，以保持一適當?shù)木嚯x。這種新排列結(jié)構是軸向?qū)ΨQ的，所以可以永遠使傳輸特性對沿任意方向入射的光的偏振不敏感。
下面，以一實例說明當線性偏振光從任意方向入射時本發(fā)明非偏振敏感型FB波長調(diào)諧濾波器的傳輸特性。圖3給出采用向列液晶的FB波長調(diào)諧濾波器內(nèi)液晶指向矢的坐標系統(tǒng)。如圖3所示，當將垂直于設備表面的方向設為z軸方向，液晶層的厚度設為d，在z軸上的任意點液晶指向矢到基板表面的傾斜角設為θ(z)，下面的公式(2)表示當光入射到設備表面時，其偏振方向平行于由液晶指向矢投射到該基板表面的方向的光束的有效折射率。Neff=1d∫oddznenone2sin2θ(z)+no2cosθ(z)----(2)]]>在上述公式中，當傾斜角為0°，即當液晶是方向一致排列時，有效折射率為Ne。另一方面，當傾斜角為90°，即當液晶是單一回歸方向排列時，有效折射率為No。在混合排列的情況下，在液晶層的任意點的有效折射率都可利用公式(2)計算出來。
圖4給出液晶指向矢在軸向排列的下基板上的幾何構型和線性偏振入射光的偏振方向之間的對稱關系。如圖4所示，當一實驗坐標系統(tǒng)設為X-Y系統(tǒng)，其偏振方向在整個液晶層與X軸的夾角為Φo的一線性偏振光束沿設備的表面法向入射時，在其矢徑方向與X軸呈夾角Φ并有一位于中心的對稱軸之處，偏振度可由下述兩個分量的和來表示，一個是平行于液晶指向矢的sin(Φ-Φo)，另一個是垂直于它的cos(Φ-Φo)。其相應的傳輸強度Tneff和Tno可通過將折射率n換為Tneff和Tno從公式(1)算出。
因此，兩分量的總傳輸強度可由下式給出T(φ)=sin2(φ-φ0)Tnefr+cos2(φ-φ0)Tn0于是，在該設備的整個入射角度的平均傳輸強度可由下式給出T=12π∫o2πT(φ)dφ=12(Tneff+Tno)]]>這里，Tno和施加于該設備的電壓的大小無關，而只有Tneff與其有關。但是，由于該液晶分子的軸向?qū)ΨQ排列，所以由平均值T表示的該兩個值的和總是與入射光的偏振角Φo無關。
在公式(2)中，液晶指向矢的傾斜角θ(z)，它從一個基板到另一個基板連續(xù)變化，可以利用液晶的彈性連續(xù)理論進行數(shù)值計算。液晶FB波長調(diào)諧濾波器的傳輸特性可根據(jù)上述傾斜角的分布(profile)來進行理論計算。根據(jù)理論計算結(jié)果，液晶的材料常數(shù)和設備參數(shù)可予以最佳化。
表1給出了該設備參數(shù)規(guī)范。圖5、6和7示出具有表1所列參數(shù)規(guī)范的設備的實驗結(jié)果。在本實施例中，該向列液晶E7不含手性添加物(chiraladditive)。該向列液晶E7是一種不能自發(fā)形成螺旋結(jié)構的材料，其螺距長度為p=∞，液晶層厚度與螺距之比為d/p=0。
表1

圖5給出了采用單一回歸方向軸向排列向列液晶E7的非偏振敏感型FB波長調(diào)諧濾波器的入射光偏振依賴性。如圖5所示，該設備的傳輸特性與入射光的偏振無關。圖5中的(Ⅰ)、(Ⅱ)和(Ⅲ)相應于入射光的偏振方向和一任意參考方向之間的夾角分別為0°、45°和90°的情況。
圖6示出采用單一回歸方向軸向排列的向列液晶E7的非偏振敏感型FB波長調(diào)諧濾波器的波長調(diào)諧特性是所施加的電壓的函數(shù)。如圖6所示，存在著波長不變的模式，即在波長約1535nm和1549nm處有與所施加的電壓無關的最大傳輸強度。這是由于垂直于液晶指向矢的偏振分量，即其相應的折射率為n0。在偏振分量平行于該液晶指向矢的情況下，有效折射率neff是作為所施加電壓的函數(shù)而變化的，這就導致了具有最大傳輸強度的波長的變化。當液晶具有正介電各相異性特性時，其分子趨向于沿平行于所施加電場的方向取向。這種液晶分子的取向改變了有效折射率的大小，傳輸波長作為通過該FB結(jié)構所施加的電壓的函數(shù)而連續(xù)變化。
圖7說明了圖6實際應用的連續(xù)波長調(diào)諧特性。它給出了當施加電壓從2V到7V變化時可選擇調(diào)諧的兩個模式，即調(diào)諧波長范圍從1526nm到1551nm和從1541nm到1560nm的兩個調(diào)諧模式。
很明顯，對于本領域的技術人員，在不脫離本發(fā)明的實質(zhì)精神和范圍的情況下，可以對所述本發(fā)明的向列液晶非偏振敏感型FB波長調(diào)諧濾波器進行各種變形和修改。例如，盡管前述實施例中采用了不含手性添加物的向列液晶E7，但也可采用含手性添加物的向列液晶。在采用混合有手性添加物的液晶的情況下，該手性添加物產(chǎn)生了一種螺旋結(jié)構，該結(jié)構的液晶層厚度與螺距之比大于0。
雖然本發(fā)明的向列液晶非偏振敏感型FB波長調(diào)諧濾波器，在入射偏振方向上無特征變化，但是，在各基板的表面之一上也可以加上偏振片或光學補償膜，以控制傳輸光強度的特征值。另外，為了提高傳輸效率，最好還在兩個基板的外表面之一上鍍避免在所用波長范圍內(nèi)產(chǎn)生反射的防反射層。
如上所述，本發(fā)明的向列液晶非偏振敏感型FB波長調(diào)諧濾波器，與傳統(tǒng)的方向一致排列結(jié)構相比，在其整個工作電壓范圍內(nèi)，透射或反射特性完全與入射光的偏振無關。而且，設備的制造工藝也比傳統(tǒng)的多籌結(jié)構簡單得多。因此，本發(fā)明能夠提供采用向列液晶的非偏振敏感型FB波長調(diào)諧濾波器，它對于所傳輸?shù)墓馀c其入射光的偏振性無關，具有低工作電壓、相當寬的波長調(diào)諧范圍、以及制造工藝簡單。
權利要求
1．一種非偏振敏感型向列液晶法布里-珀羅波長調(diào)諧濾波器，其中，在兩基板的內(nèi)表面上分別形成有透明電極，在所述透明電極上分別鍍有反射層，在一反射層上鍍有一單一回歸方向排列層以使液晶單一回歸方向排列，另一反射層上鍍有一方向一致排列層并被處理成可使液晶呈軸向排列，一具有正介電各向異性特性的向列液晶設置在所述兩基板之間，該波長調(diào)諧濾波器根據(jù)被施加的電壓的大小來調(diào)諧入射光的波長。
2．如權利要求1所述的波長調(diào)諧濾波器，其中，方向一致排列層到基板預傾斜角θ1，滿足0°≤θ1≤10°。
3．如權利要求1所述的波長調(diào)諧濾波器，其中，單一回歸方向排列層到基板預傾斜角θ2，滿足75°≤θ2≤90°。
4．如權利要求1所述的波長調(diào)諧濾波器，其中，當含有手性添加物的液晶層的厚度為d，因該手性添加物而形成的液晶螺距為p，其厚度與螺距之比滿足0≤d/p≤0.5。
5．如權利要求1所述的波長調(diào)諧濾波器，其中，至少在所述各基板的一個表面上加有偏振片。
6．如權利要求1所述的波長調(diào)諧濾波器，其中，至少在所述各基板的一個表面上加有光學補償膜。
7．如權利要求1所述的波長調(diào)諧濾波器，其中，至少在所述各基板的一個外表面上鍍有防反射層。
8．一種非偏振敏感型向列液晶法布里-珀羅波長調(diào)諧濾波器，其中，在兩基板的內(nèi)表面上分別形成有透明電極，在所述透明電極上分別鍍有反射層，在一反射層上鍍有一單一回歸方向排列層以使液晶單一回歸方向排列，另一反射層上鍍有一方向一致排列層并被處理成可使液晶呈軸向排列，一具有負介電各向異性特性的向列液晶設置在所述兩基板之間，該波長調(diào)諧濾波器根據(jù)被施加的電壓的大小來調(diào)諧入射光的波長。
9．如權利要求8所述的波長調(diào)諧濾波器，其中，所述方向一致排列層至基板的預傾斜角θ1，滿足0°≤θ1≤15°。
10．如權利要求8所述的波長調(diào)諧濾波器，其中，所述單一回歸方向排列層至基板的預傾斜角θ2，滿足80°≤θ2≤90°。
11．如權利要求8所述的波長調(diào)諧濾波器，其中，當含有手性添加物的液晶層的厚度為d，因該手性添加物而形成的液晶螺距為p，其厚度與螺距之比，滿足0≤d/p≤0.5。
12．如權利要求8所述的波長調(diào)諧濾波器，其中，至少在所述各基板的一個表面上加有偏振片。
13．如權利要求8所述的波長調(diào)諧濾波器，其中，至少在所述各基板的一個表面上加有光學補償膜。
14．如權利要求8所述的波長調(diào)諧濾波器，其中，至少在所述各基板的一個外表面上鍍有防反射層。
全文摘要
一種非偏振敏感型向列液晶法布里－珀羅波長調(diào)諧濾波器,在其兩基板(1)的內(nèi)表面上分別形成有透明電極(2),在所述透明電極(2)上分別鍍有反射層(3),在一反射層(3)上鍍有一單一回歸方向排列層(4)以使液晶單一回歸方向排列,另一反射層(3)上鍍有一方向一致排列層(5)并被處理成可使液晶呈軸向排列,一向列液晶設置在所述兩基板(1)之間,該波長調(diào)諧濾波器根據(jù)被施加的電壓的大小來調(diào)諧入射光的波長。這種法布里－珀羅濾波器具有在其整個工作電壓范圍內(nèi)完全與入射光的偏振方向無關的傳輸特性。
文檔編號G02F1/139GK1325502SQ99812864
公開日2001年12月5日 申請日期1999年11月2日 優(yōu)先權日1998年11月2日
發(fā)明者李信斗 申請人:斯馬特顯示器株式會社