专利名称：建立在横向场上的液晶光栅的制作方法
背景技术：
1.发明领域本发明一般涉及电一光偏振器，尤其涉及供光通信系统使用的电—光偏振器，诸如可变的光衰减器(VOA)、动态增益平稳器件或其它光学元件。
2.技术背景作为一种出自用于网络中的其它光学元件例子，可变的光衰减器(VOA)是光通信系统的基本结构单元之一。VOA可以调谐方式减小光信号的功率电平。输入光焦度大于输出光焦度1/k倍，其中，k是可变衰减系数并通过控制信号Vs而变化。因此，输出光焦度正比于减少k倍的输入焦度。k的大小由Vs来控制，并且限制在从0到1的范围内。
目前，在几种方法来实现VOA。两种最积极地推行的方法包括光—机械方法，诸如一种移动的刀片或一种可变的中性密度滤波器；和电—光方法，诸如采用传统的无源液晶技术。建立在传统的液晶上的VOA提供出超过光—机械装置的的低电压、低成本的优点，但是，当从不同的正交坐标去除的偏振不等时，一般存在或由于分开的偏振器的存在引起不能接受的损耗温度效应、与偏振有关的损耗，可以用双偏振路径系统来克服这些原有技术的缺点。然而，增添偏振分离器和组合器招来了附加的成本。
大多数液晶装置采用横向电场。在横向电场中，电力线从夹在中间的液晶(LC)材料的第一基片延伸到第二基片。
在这种采用横向电场的传统LC装置中，由于来自邻近电极的边缘电场的电串扰，分辨率被限于薄膜厚度的约五倍。所以，要权衡分辨率和有用的LC薄膜厚度。因此，高质量结构大概不会是为了一些特征或低于10μm的光栅周期。
对无源地调整横向场LC装置所需的对准是类似的，通常通过复杂的摩擦过程获得。
所以，对用作光通信的元件，诸如多端口VOA或动态增益平稳装置，需要一种简单的、非机械的、低成本、低电压、低功率、高分辨率、可排列的装置或方法来控制偏振。
附图简述
图1是按照本发明内容的偏振器晶格10的横截面图和顶视图；图2是被正常光线射中图1中晶格10的侧视图；图3是被异常的光线射中图1中晶格10的侧视图；图4是通过对图1中晶格10施加控制信号50而扩大显现的横向电感应光栅；图5是从图4的电场应用中形成的倾斜线42的显微图；图6是对于图4的各种入射读出光束角的插入损耗图；图7是按照本发明内容，被滤光的图1中的晶格10的图象；图8是按照本发明内容，在透射结构中采用图1中的液晶光栅晶格10提供平行光栅矢量的第一VOA实施例；图9是按照本发明内容，在透射结构中采用图1中的液晶光栅晶格10提供正交光栅矢量的第二VOA实施例的顶视图；图10是按照本发明内容图9中的第二VOA实施例的侧视图；图11是按照本发明的内容，在反射结构中采用图1中的液晶光栅晶格10的第三VOA实施例；图12是按照本发明内容，在动态增益平稳应用中，在一块基片上的图1中衍射光栅晶格10的阵列的应用。
较佳实施例的详细描述现在将详细地引用本发明的较佳实施例，其中的例子都图示在附图中，在整个附图中尽可能地用相同的标号指出相同或类似的部分。本发明的用作电一光偏振器或晶格的光栅示范性实施例一般都用标号10来指出。
参阅图1，建立在横向场上的液晶相光栅或光栅组件的基本结构，以晶格的横截面和顶视图示出。该晶格或光栅组件可以被单独用作光学器件，诸如偏振器，或与多个晶格一起使用，如在VOA中，或与多重晶格排成阵列形成可排列的光学装置，诸如多端口VOA或组合一些晶格10在一块衬底上形成多重VOA以制成图12的动态增益平稳滤光器。例如，可以把多晶格在单一的衬底上排列得形成多个VOA而用作液晶交叉连接(LCX)或另一种光学装置。
参阅图1中晶格的横截面图，电—光偏振器、光栅组件或晶格10包括形成晶格基底的第一玻璃片12。第一对准表面活化剂14被涂第一玻璃片12的一个表面上。相似地，第二对准表面活化剂24被涂在第二玻璃片22的一个表面上。在第二玻璃片22和第二对准表面活化剂24之间设置着透明的指状交错组合电极图形30。一层类回归线对准的向列型液晶40薄膜被夹在第一和第二对准表面活化剂14和24之间，将控制电压或信号50形成的横向电压加于液晶40两端，以改变液晶40的光学特性，使得偏振相依的光栅60被横向电场50所感应。向列型代表液晶材料的中间相。类回归线对准指液晶分子被对准得垂直于对准表面。
因此，根据本发明，向列型液晶材料40的类回归线对准的薄膜被夹在两玻璃片12和22之间，每一块玻璃片都用对准层14和24涂布以形成光栅晶格或组件10。较佳的是，指状交错组合的透明电极图形30具有由氧化铟锡(ITO)制成的电极。其中玻璃片22用这个电极图形30涂布，而另一片12则不涂布电极。
参阅图2和图3，图示说明了图1的晶格如何通过衍射提供衰减。分别地表示了入射在图1的光栅晶格10上的一束光的正常(图2)和异常(图3)的光线。当一束光62进入液晶(LC)薄膜40时，由于LC薄膜40的单轴或向列本质，光束62分离为两个线性本征偏振态(正常光线和异常光线)。因为正常光线64的折射率no与定向器轴向无关，在图2中，正常光线64未遭遇到相光栅，并不受影响地通过。然而，在图3中的异常光线66有一个折射率ne，它是定向器轴向的函数。因此，异常光线66遭遇到相光栅，并被衍射。
在异常光线66中被折射的光量是光栅强度的函数。光栅强度被通过控制信号50施加到图1的LC薄膜40的电场渗透深度控制。渗透深度是来自施加到指状交错组合电极30的控制信号50的RMS(均方根)电压的一个函数。因此，一个来自控制信号50的施加波形控制了图3中的光栅强度。
本发明依靠图1的建立在横向场上的液晶相光栅来完成在诸如VOA的光学元件中所需的电—光相光栅的功能。光栅结构的基本操作概念也能在3D显示中找到应用，但是它们在光通信元件中的结构和应用是不同的。
参阅图4，图示说明了相光栅在图1类回归线对准液晶的薄膜中的形成。在有施加到指状交错组合电极30上的交流电压或控制信号50的情况下，形成了空间变化的定向器—轴定向。理论上，液晶40倾向于沿着场线对准它的定向器轴。因此，电—光偏振器，即建立在横向场上的光栅或晶格10的光栅感应，基于包括棒状分子的类回归线对准的向列液晶薄膜的本质，这些分子从与图1的第一和第二对准表面活化剂14和24垂直的类回归线对准的位置，转动到一个跟随在透明的指状交错组合电极图形30之间由控制信号50所施加的横向电场供以能量的横向静电场线的几何图形。
然而，在两个电极30之间的中央，将会形成一种斜弯的缺陷墙(往往称之为海尔费利奇(Helfrich)墙)和线倾斜42。这种光栅结构可以把液晶晶格或电-光偏振器10放在偏振显微镜中的交叉偏振器之间观察到，如图5所示的显微图。
参阅图6，通过零级光束的插入损耗结果相对于在具有图5的8μm间距的、示例LC光栅晶格10上所施加的RMS(均方根)电压的关系曲线，说明了晶格10形成的光栅的衰减能力。
根据本发明的内容，在建立在光栅上的VOA后面的基本操作和理论，包含有在滤光后图1的薄相光栅的衍射，正如图7所示。这些光栅的衍射光学性质的基本操作细节是熟知的。入射到光栅的光被衍射成多个级。这些级通过对应于它们各自的传播角0，±1，±2，±3，…±m的数字0，±1，±2，±3，…Im来区分。衍射角θ可通过布喇格条件或方程Sinθ2=λ2|⩓|]]>从光栅矢量Λ来计算。
其中λ是入射光的波长。从布喇格方程可看出，较高分辨率的光栅(就是说，小的|Λ|提供较大的衍射角，导致级较快地扩展。一旦这些级在空间分开后，可把孔径或另一类型的空间滤光器，诸如全息照相或三棱镜54插入到光束中去，以滤去除了零级或生光束之外的任何级。如果已经达到所要的距离，就不需要空间滤光器了。在滤光器和光栅之间的最小距离由光束直径ω和衍射角θ决定。d≥ωtanθ]]>被定义为零级光焦度为与总的入射光焦度之比的零级插入损耗，与衰减常数k或可变衰减系数等价。因此，插入损耗是光栅型面和光栅强度的函数，例如，取正弦的相型面Δp(x)作为例子，它由下式给Δφ=δcos[x⩓]]]>其中光栅强度由下式给出δ=2πΔnLλ]]>其中L是薄膜厚度，Δn是折射率的最大变化。第m级的衍射效率由下式给出ηm=PmPtotal=Jm2(δ)]]>其中Jm(δ)是贝塞尔函数。对于零级(m＝0)，其衍射效率ηo，也称为插入损耗，当光栅强度从δ＝0增加到δ＝2.6时，从1单调地下降到0。通过控制光栅强度，人们可以控制零级光束的插入损耗，从而控制主光束的衰减。
图1中的晶格10，能被应用于形成建立在与偏振无关的液晶上的VOA，它采用建立在横向场上的液晶光栅。这样一种创新的VOA不需要分开的偏振器对，与传统的无源液晶(LC)器件相比，还具有一些吸引人的特点。
使用建立在横向场上或向列型液晶光栅相对于使用横向场的传统无源LC条件来说，存在着几个关键的优点。正如在本领域中所知道的，横向场意味着电力线开始和终止在相同的基片上，在这个例子中，由液晶的向列本性所提供的玻璃片22上。
利用边缘场建立在横向场的器件不受LC薄膜厚度所限制。分辨率仅受制造指状交错组合电极30的光刻工艺所限制。例如，制造和测试具有象0.8μm那样小光栅周期的相光栅，能够用建立在横向场上的器件来完成。
对横向场器件所需的对准可以是类回归线的，而不是象在传统的无源LC器件中所需均匀的。因此，需要一种简单的表面活化剂的沉浸涂布，而不是更为复杂的摩擦工艺。
由于图1的所加电极电压50控制了电场渗透进LC薄膜40的深度，所以，在横向场器件中，用于相光栅薄膜的必需厚度的宽容度是不太严格的。
横向场器件对温度变化不太灵敏。
此外，在横向场器件中，图5中缺陷墙42的形成改进了晶格的响应时间。
图1的液晶相光栅，可方便地用于衍射光以产生可变透射。对于偏振不灵敏性，两只这种光栅晶格10能较佳地用于透射结构中。因为建立在横向场上的液晶光机，只衍射光束中的两个本征偏振态之一，正如在图3中见到的，所以，要形成消除与编振有关的损耗的VOA，需要使两个相同的晶格10的LC光栅在功能上被安排得彼此垂直。两种可能的实现方法示于图8和9。
参阅图8，一种正交地转换光栅矢量的透明半波片52，被夹在由图1的晶格10形成的两个建立在横向场上的液晶光栅101和102之间，并带有对入射光束62作空间滤光的两个出口孔径层54和104、有孔径的薄层54或104是光束选择器的一种类型，它是由在玻璃片上的一个小孔来实现的。把有孔径薄层或任何其它类型的光束选择器放在离开透明指状交错组合电极图形30这样一个距离，使得光束选择器把从透明指状交错组合电极图形衍射来的所有不想要级次的光滤去。光的过滤首先是通过决定离建立在横向场上的薄相液晶光栅或晶格所需要的距离来实现的，在这段距离上，按照布喇格条件把多重级的光在空间彼此分离开来。诸如有孔径薄层54的空间滤光器形式的光束选择器以这个预先决定的距离放置。有孔径薄层54是由一层吸收光的材料制成的。孔径通过吸光材料层形成得垂直于将会是入射到建立在横向场上的薄相液晶光栅10的光的路径，并离开晶格，使得只有所要级次的光通过该孔径。
LC元件或晶格101和102的光栅矢量60必须彼此平行，因为半波片52要垂直地与第一晶格101对准。平行于光栅矢量60的线性偏振分量，或一束进入光的异常光线66被衍射成多个级。正如在图6所见到的，插入损耗是通过控制信号50所控制的被所加交流电场控制的光栅强度的一个函数。垂直于光栅矢量60的线性偏振分量，或正常光线64是不受通过“看不见”或当看着指状交错电极图形30的长片段对短片段时的不变电极图形所形成的光栅结构的影响。一旦光束62的异常光线通过每个光栅晶格101和102传播时，在每个有孔径的薄层54和104中的孔径把光束所有的较高级次滤掉，只允许零级或主光束通过，从而衰减了所有其它的级次，使得输出光束的总光强度被衰减。
正如前面详细地所述和所描述的，半波片52的功能是转动偏振态，使得线性正交的偏振分量相互变换。平行于光栅矢量60的偏振分量变成垂直，而垂直于光栅矢量60的偏振分量变成平行。因此，当光束62通过第二LC光栅晶格102传播时，对一开始被衍射的正交分量的光，现在被衍射为多个级次。第二孔径104也滤掉所有较高的级次，只允许零级(主光束)传播通过。
参阅图9和10，示出了本发明的另一实施例。两个相同的LC光栅晶格101和10，正如在图1所表述的后面就是单一的孔径54。在这种情况下，为了要衍射两个偏振分量，从而把与偏振有关的损耗减到最小，必须通过把一个晶格10放在与另一个垂直的位置来正交化地形成光栅矢量60。孔径54被用来过滤所有较高级次的衍射光点，只允许零级光束传播，象在半波片的情况一样。
在两者的情况中，衰减系数k都直接由光栅的插入损耗(图6)决定。如果需要较高的衰减，可把多个衰减光栅晶格串接或排列起来。
参阅图11，用侧示图来说明在反射结构中，采用图1的液晶光栅晶格10的第三VOA实施例。要把来自平面镜58反射的输入光束62的光栅矢量作正交地变换的透明或透射的1/4波长片56夹在图1的建立在横向场上的液晶光栅晶格10和平面镜58之间。1/4波长片提供第一液晶相光栅组件或晶格10的双联型式。平面镜58被放在离1/4波片56一预定距离，假设该距离是精确的，则不需要空间滤光器，提供了象图8的半波片52相同的功能，允许图8的相同衰减输出光束从平面镜58反射并通过单一晶格10，而不是采用图8的两个平行晶格。
对本领域中的技术人员来说是显而易见的，就是在不背离本发明的精神和范围的情况下，可以对本发明作出各种修改和变化。因此，本发明覆盖这个发明的修改和变化，只要它们包括在所附的权利要求书及其等儿技术方案的范围之中。
权利要求
1.电—光偏振器，其特征在于，包括第一玻璃片；涂布在第一玻璃片一个表面上的第一对准表面活性剂；第二玻璃片；涂布在第二玻璃片一个表面上的第二对准表面活化剂；配置在第二玻璃片和第二对准表面活化剂之间的透明指状交错组合电极图形；以及被夹在第一和第二对准表面激活剂之间的类回归线对准的向列型液晶薄膜，用于横跨液晶加一横向电场，以改变液晶的光学性质，使得通过该横向电场感应出与偏振有关的光栅。
2.如权利要求1所述的电—光偏振器，其特征在于，该类回归线对准的向列型液晶薄膜包括棒状分子，这些分子从垂直于第一和第二对准表面活化剂的类回归线对准的位置转到一个跟随在透明的指状交错组合电极图形之间由横向电场供以能量的横向静电场线的几何图形。
3.如权利要求1所述的电—光偏振器，其特征在于，还包括把光束选择器放在离开透明的指状交错组合电极图形一个距离，使得该光束选择器把从透明指状交错电极图形衍射来的所有不要级次的光滤掉。
4.如权利要求1所述的电—光偏振器，其特征在于，把它放在倾斜的阵列中形成动态增益平稳滤光器。
5.一种用于改变入射到电—光器件的光的光学性质的方法，其特征在于，包括下列步骤在电—光器件中设置建立在横向场上的薄相液晶光栅；把入射到建立在横向场上的薄相液晶光栅的光衍射成多级次的光，以及从与建立在横向场上的薄相液晶光栅在空间分开的多级次光中选择所要级次的光。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，选择的步骤包括滤光步骤。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，滤光步骤包括下列步骤决定一个与建立在横向场上的薄相液晶光栅的距离，在这个距离多级次光在空间彼此分开，以及把空间滤光器放在预定好的距离。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，该放置步骤包括下列步骤；提供一层吸光材料；以及通过一层吸光材料形成与入射到建立在横向场上的薄相液晶光栅的光的路径相垂直的一个孔径，使得只有所要级次的光通过该孔径。
9.一可变衰减器，其特征在于，包括用于衍射入射光束第一本征偏振态的多级次光的第一液晶相光栅组件；以及用于衍射入射光束第二本征偏振态的多级次光的第二液晶相光栅组件。
10.如权利要求9所述的可变光衰减器，其特征在于，每个第一和第二光栅组包括第一玻璃片；涂布在第一玻璃片一个表面上的第一对准表面活化剂；第二玻璃片；涂布在第二玻璃片一个表面上的第二对准表面活化剂；配置在第二玻璃片和第二对准表面活化剂之间的透明指状交错组合电极图形；以及被夹在第一和第二对准表面激活剂之间的类回归线对准的向列型液晶薄膜，用于横跨液晶加一横向电场，以改变液晶的光学性质，使得通过该横向电场感应出与偏振有关的光栅。
全文摘要
一电－光偏振器，即光栅组件或晶格(10)包括第一玻璃片(12)以形成网络的基底。第一对准表面活化剂(14)被涂布在第一玻璃片(12)的一个表面上。相似地，第二对准表面活化剂(24)被涂布在第二玻璃片(22)的一个表面上。一透明指状交错组合电极图形(30)被配置在第二玻璃片(22)和第二对准表面活化剂(24)之间。类回归线对准的向列型液晶(40)的薄膜被夹在第一和第二对准表面活化剂(14)和(24)之间，以便跨越液晶(40)施加一由控制电压或信号(50)产生的横向电场来改变液晶(40)的光学性质，因而横向电场(50)感应出与偏振有关的光栅(60)。
文档编号G02F1/13GK1391662SQ00815903
公开日2003年1月15日 申请日期2000年10月30日 优先权日1999年11月19日
发明者R·G·林德桂斯特 申请人:康宁股份有限公司