应用于电信的高对比度液晶显示器的制作方法

专利名称：应用于电信的高对比度液晶显示器的制作方法
技术领域：
本发明涉及包括液晶器件的光学系统，本发明尤其涉及具有应用于电信的液晶器件的光学系统。
背景技术：
在过去的二十年中，光纤技术改变了电信市场。起初，网络设计包括在通信链路每一端的较低速率的收发两用机电子线路。光信号被交换而转变为电信号，用电子的方式交换，并重新转变为光信号。电子交换设备的带宽大约限制在大约10吉赫(gigahertz)。另一方面，在电磁谱1550纳米区域的单模光纤的带宽在太赫(terahertz)的范围。随着带宽要求指数地增长，网络设计者曾经设法开拓在1550纳米区域的可用带宽。
与偏振有关的损耗(PDL)以及偏振模式色散(PMD)能够使光网络信号的质量严重劣化。当光网络系统移至极高的数据率(诸如10吉比特/秒和40吉比特/秒)时，PDL和PMD变为更加重要。因此，具有极低的PMD和PDL的光学系统和元件是极有价值的。
在普通转让的国际公报WO 01/01173A1中揭示了提供波长选择性开关(WSS)。此系统使用了具有独立激励的调制元件的透射型液晶开关。
然而，没有一个现有技术的光学系统使用反射型几何结构。本发明的发明人已经揭示，具有反射型几何结构的光学系统具有显著降低的PMD和PDL。因此，存在着对于能够用于这样的光学系统的反射型液晶器件的需要。

发明内容
按照本发明的一个实施例，一种光学系统包括反射型液晶器件，它具有多个独立激励的液晶元件；以及光学元件，它用于把多个输入光束引至反射型液晶器件，从而每个输入光束射在一个液晶元件上。反射型液晶器件的每个液晶元件包括透明的第一电极；与第一电极隔开的反射的第二电极；以及设置在第一和第二电极之间的液晶媒质。液晶元件是可独立操作的，它响应于施加的电压，在半波和零滞后状态之间改变。
按照本发明的另一个实施例，提供了一种用于光通信系统的反射型液晶器件，其中把多个输入光束引至液晶器件。液晶器件包括透明的第一基板，它具有第一表面和第二表面，至少有一条光束射在第一表面上，第二表面与第一表面相对；第二基板，它具有第一和第二表面，第二基板的第一表面与第一基板的第二基板相对；第二电极层，它由第二基板的第一表面支承，其中如果反射层另外由第二基板的一个表面支承，则第二电极层是反射型的或透射型的；第一排列层，它由第一基板的第二表面支承；第二对准层，它由第二基板的第一表面支承；以及液晶媒质，它设置在第一和第二电极层之间。在第一和第二电极层的至少一层上形成图案，从而确定多个独立激励的液晶元件，定出每个元件的尺寸以接收一条输入光束。液晶元件是可操作的，以响应于施加的电压在半波和零滞后状态之间改变。
按照本发明的另一方面，一种光通信系统包括反射型液晶器件，它具有多个独立激励的液晶元件；以及光学元件，用于把多个输入光束引至反射型液晶器件，从而每个输入光束射在一个液晶元件上。反射型液晶器件包括透明的第一基板，它具有第一表面和第二表面，有多个光束射在第一表面上，第二表面与第一表面相对；透明的第一电极层，它由第一基板的第二表面支承；第二基板，它具有第一和第二表面，第二基板的第一表面与第一基板的第二基板相对；第二电极层，它由第二基板的第一表面支承，其中如果反射层另外由第二基板的一个表面支承，则第二电极层是反射型的或透射型的；第一排列层，它由第一基板的第二表面支承；第二排列层，它由第二基板的第一表面支承；以及液晶媒质，它设置在第一和第二电极层之间。在第一和第二电极层的至少一层上形成图案，从而确定多个独立激励的液晶元件。液晶元件是可操作的，以响应于施加的电压在半波和零滞后状态之间改变。
本发明的另外的特征和优点将在下面的详细描述中提出，本领域的技术人员将从描述中明白或者从实践本发明中认识到它们，本发明在下面的描述连同权利要求书和附图中描述。
应该明白上面的描述只是本发明的示例，并且打算提供了解如由权利要求书限定的本发明的性质和特征的概观。附图包括在内，以提供对发明的进一步的了解并且被包括进来成为说明书的组成部分。附图描述了本发明的各种特征和本发明的实施例，附图连同它们的描述用来说明本发明的要点和操作。


图1是按照本发明构造的反射型液晶器件的正视图；图2是示于图1的反射型液晶器件沿II-II线的剖面图；图3A至图3C是图解，说明在按照本发明第一实施例构造的器件内的液晶分子在三种不同电压级别下的取向；图4是透视图，说明按照本发明第一和第三实施例的入射和反射光束的偏振状态；图5是本发明第一实施例的两种不同实施的衰减—施加电压曲线图；图6是透视图，说明按照本发明各个实施例的第二种实施的入射和反射光束的偏振状态；图7是本发明第一实施例的两种不同实施的衰减—施加电压曲线图；图8A至8C是图解，说明在按照本发明第二实施例构造的器件内的液晶分子在三种不同电压级别下的取向；图9是透视图，说明按照本发明第二实施例的第一种实施的入射和反射光束的偏振状态；图10是本发明第二实施例的两种不同实施的衰减—施加电压曲线图；图11是本发明第二实施例的两种不同实施的衰减—施加电压曲线图；图12A至12C是图解，说明在按照本发明第三实施例构造的器件内的液晶分子在三种不同电压级别下的取向；图13是本发明第三实施例的两种不同实施的衰减—施加电压曲线图；图14是本发明第三实施例的两种不同实施的衰减—施加电压曲线图；图15是使用本发明的反射型LC器件的动态光谱均衡器的图解；图16是示于图15中的光学系统的一部分的侧视图；以及图17是使用本发明的LC器件的双动态光谱均衡器/波长选择性开关。
具体实施例方式
如上面所指出的，本发明一般涉及包含反射型液晶(LC)器件的光学系统，本发明尤其涉及用于光学系统中的反射型LC器件本身。图1和图2示出具有创造性的反射型LC器件300的一般结构。如下面将要说明的，对于三个实施例中的每个实施例，使用相同的一般物理结构。
如图1所说明的，反射型LC器件300包括透明的第一基板302，它具有第一表面和第二表面，至少有一条光束射在第一表面上，围绕第二表面与第一表面相对。LC器件300还包括第二基板，它具有第一表面和第二表面，其中第二基板304的第一表面与第一基板302的第二表面相对。透明的第一电极层306(见图2)由第一基板302的第二表面支承。如这里所使用的，短语“支承”不仅是指在支承表面上直接设置被支承的层，而且是指在被支承的层和支承表面/结构之间有中间层。第二电极层308由第二基板304的第一表面支承。第一排列层310由第一基板302的第二表面支承，而第二排列层312由第二基板304的第一表面支承。LC媒质315设置在第一电极层306和第二电极层308之间。在电极层306和308中的至少一个电极层上形成图案，从而确定多个独立激励的液晶元件320，定出每个元件的尺寸以接收一条入射光束。第二电极层308可以由反射型材料或由透射型材料制成，这取决于第二基板304是否已经另外是反射型基板或者第二基板304是否在它的一个表面上有反射层。
液晶元件320最好是可独立操作的，以响应于施加电压在半波和零滞后状态之间改变。下面将对于各种实施例来描述完成操作的方式。只要电极308是反射型的或者只要在第二基板的第一表面上另外提供了反射覆盖层，第二基板304就不必是透明的。如果基板304是透明的以及电极308是透明的，则反射覆盖层可以施加在基板304的背面的第二表面。应该注意，电极308可以由一种材料制成，或者由一系列不同材料的子层制成，从而提高电极材料对第二基板或对器件的其他层的附着性。
参看图1和图2，第一基板302与第二基板304是隔开的，并且在基板302和304的搭接部分的周边提供密封，以在它们之间确定一个密封室。可以在密封122中或者在基板302和304之间的其他地方放置间隔物(未示出)，以保持间隔均匀。在密封中提供一个小孔324，从而用已知的真空灌注技术把LC媒质灌入室中。然后可以在孔中插入一个UV(紫外线)可使之固化的塞子326，以避免LC媒质从LC器件漏出。
如图1所示，第一基板302可以相对于第二基板304侧向移动，从而露出电极306和308，用于电耦合至器件驱动电路(未示出)。这个驱动器电路可独立施加电压至形成图案的电极，因而跨过每个LC元件320。如上面指出的，可以在电极306或308上形成图案，或者可以在两者之上都形成图案。还可以理解，如果想要的话，可以独立地密封每个LC元件320。然而，一般不需要这种独立的密封，这可以使器件的制造变得过分负载。
在下面描述的每个实施例中，LC器件还可以包括第一保护层328，它设置在第一电极306和LC媒质315之间。可以照样地把类似的第保护层330施加在电极308和LC媒质315之间。保护层用来防止穿过LC媒质的电子流。
可以用下面的过程来制作上面描述的以及示于图1和图2的LC器件。首先，在两块基板302和304的每一块上淀积导电层。施加至基板302的导电层应该是透明的，从而提供透明的导电电极306。透明的导电层306可以是氧化铟锡(ITO)或者任何其他合适的材料。应该注意，覆盖有ITO的玻璃基板可以从市场上购得。施加至第二基板304的导电层最好是反射型的。合适的材料包括诸如金、白金、银、铂、铬和它们的合金。
一旦把导电层施加至基板302和304，可以在一个导电层上形成图案，或者在两个导电层上都形成图案，以提供多象素的LC器件。可以使用干法刻蚀技术或湿法刻蚀技术。
在电极306和308已经被因有必要而被施加和形成图案之后，可以分别遍及电极306和308施加保护层328和330。
保护层避免来自电极的电子进入LC媒质315，并且有助于排列层310和312的排列化学物对电极的附着。保护层328和330的合适的材料包括氧化铝(Al2O3)和硅土(SiO2)。
随后，把排列层310和312分别淀积在保护层328和330上。如下面说明的，排列层可以是垂直排列(homeoitropic)或均匀排列的。对于均匀排列层，聚酰亚胺是一种典型的淀积材料。对于垂直排列层，可以使用共聚物(诸如polymaleic anhydridealt-1-octadecene)和某些种类的聚酰亚胺(诸如SE-1211)。在淀积了排列层之后，为了提供具有取向性能的LC分子，一般对其摩擦。在下面描述的每个实施例中，沿相反方向以相对于入射和出射光束成45度角摩擦两个排列层310和312。
下一个步骤是在一块基板上分配胶体和间隔物的混合物，以形成密封122。可以跨过施加胶体和间隔物的混合物的整个基板表面散布间隔物。这些间隔物可以是光学透明的或者可以由将溶解在LC媒质中的材料制成。然后把另一块基板放在这块基板的顶部，而用施加在样品上的压力使胶体混合物固化，以确保间隙与间隔物有相同的尺寸。如上面说明的，在胶体图案/密封122中留有开口，以允许把LC媒质在另外密封的室内散布。可以把LC媒质真空灌注到基板之间的间隙中。在灌注了LC媒质之后，可以用胶体或者某些其他形式的塞子来堵塞开口。
最好这样来构造本发明的LC器件，使之具有相对较小的视角(大约4度)和极高的对比度(大于10,000∶1)。对本发明的LC器件额外希望的规格是与偏振有关的损耗(PDL)比所有的衰减小于0.2分贝以及开关构造。通过对于产品设计使用基于反射的几何结构可以做到这一点。如上面所说明的，这可以通过在LC器件中使用反射型电极或者或其他层或基板做到。
关于对比度，局限因素在LC器件中的多个受折射率影响的界面间反射。通过使用抗反射(AR)涂层能够消除这些反射。然而，实践中，某些反射总是存在因而限制了性能。然而，如果每个不想要的反射具有相同的偏振，则使用隔离技术能够显著地改善性能。下面讨论的单元(cell)设计的显著属性是这样来选择排列层，从而能够设计一个涂层来减小反射以及反射的偏振不变。发明人发现，离开各向同性层(诸如AR涂层)和双折射材料(均匀排列的LC)的反射是一个局限因素。这些反射一般改变了极化而限制了性能。用一个垂直排列层能够使LC器件看起来是各向同性的。如下面描述的，三个实施例的每个LC器件具有两个排列层。按照第一实施例(下面称之为“电控双折射(ECB)”)的LC器件对于两个排列层都使用均匀排列。第二实施例(下面称之为“垂直排列向列相”)的LC器件对于两个排列层都使用垂直排列。第三实施例(下面称之为“混合排列向列相”)的LC器件使用一个垂直排列层和一个各向同性排列层。如本领域的技术人员将明白的，VAN LC器件将具有最好的对比度，其次是HAN，最后是ECB LC器件。
LC器件的另一个重要的属性是通道均匀性。具体而言，跨过每个LC元件320的至少一部分(光通过该部分)，LC器件具有均匀的光学性质是重要的。这隐含着来自相邻的LC元件320的边缘场效应应该减至最小。ECB和HAN LC器件具有极好的均匀性，而VAN LC器件呈现一些均匀性的降低。
全面看来，对于下面描述的电信应用而言，HAN LC器件对于反射型单元几何结构提供最想要的性质，因为它是各种单元性能因素的最好的折衷。然而，每个实施例具有其独特的性质，它们对于不同的应用可能是有好处的。
液晶的化学结构是不对称的，因而，作为结果，它们的介电性质和光学性质也是不对称的。LC分子呈现双折射并且能够由外场来排列。例如，当把电场施加至具有正介电各向异性的LC媒质时，LC分子趋向于与场的方向一致，这导致LC分子的转动(或倾斜)。另一方面，当使用具有负介电各向异性的LC媒质时，并且当施加电场时，LC分子趋向于与场的方向垂直，这导致LC分子的转动(或倾斜)。于是能够使用LC器件以制作可切换的波片或波导。光的输出强度取决于LC器件的元件的构造和折射率。
如上面所述，第一实施例的LC器件是ECB LC器件。这样一个ECB LC器件使用具有正介电各向异性的LC媒质，并且排列层310和312都是各向同性的。如图3A所示，当没有电压施加至电极306和308时，LC分子340或多或少平行于两个基板302和304的表面。在厚度合适时，第一实施例的LC器件300起着半波片的作用，当在基板中的LC分子取向相对于入射偏振成45度角时，该装置能够将入射偏振旋转90度。当施加中等大小的电压时，在中间的LC分子340开始旋转，如图3B所示。当施加高电压时，所有的LC分子，除了在表面的那些之外，将与场的方向一致，而LC器件基本上具有零滞后，如图3C所示。于是，当施加高电压时，入射光将保持其原先的偏振。
较佳的是，在保护层328和330上淀积排列层310和320。对于第三实施例的ECB LC器件，较佳的是，当不施加电压时，LC分子340的取向与基板表面平行。对于均匀(与表面平行)的排列层来说，聚酰亚胺是一种典型的选择。当将聚酰亚胺用于均匀排列时，为了给LC分子以一种取向优先，较佳的做法是将其摩擦。在图4中示出作为光开关的反射型ECB LC器件的一种结构。如图所示，与入射和出射光束的偏振成45度角，沿相反方向来摩擦反射型ECB LC器件300的均匀排列层。如图4所示，使用了两个偏振器350和352。偏振器350和352能够具有相互平行或垂直的偏振。可以把双折射媒质354放在LC器件300之前，以在施加高电压时补偿剩余的双折射。如上面所述，当不施加电压时，反射型ECB LC器件300是半波滞后器。使用图4所示结构的器件的模拟结果在图5中示出，一种情形是偏振器350和352的偏振垂直，另一种情形是两者的偏振平行。从图5所示的曲线可见，在一种电压状态下可以达到大于40分贝的衰减，而在另一个电压状态下达到实质上的零衰减。
图6示出另一种结构，在该结构中，不使用两个偏振器350和352，而是使用单个的偏振器360与一块四分之一波片362。可以把四分之一波片362再与补偿媒质354组合和合并。使用这种结构的模拟结果示于图7。
如图4和6所不，较佳的是，补偿媒质354的慢轴相对于入射光和反射光的偏振成45度角，而与LC器件300的排列层的摩擦方向垂直。
如上面所说明的，第二实施例的LC器件是VAN LC器件，它包括具有负介电各向异性的LC媒质315，并且包括垂直排列层310和312。垂直排列层的作用是给LC分子以与基板接近垂直的取向优先。排列用的化学物(它们给出与基板垂直的垂直排列)的例子是共聚物(诸如聚马来酸酐-1-十八烯(polymaleic anhydride-1-octadecene))，以及某些类型的聚酰亚胺(SE-1211)。对于VAN LC器件，当施加电压时为了给LC分子340以取向优先，至少一个排列层应该提供不是90度的排列方向。做到这一点的一种方法是摩擦聚酰亚胺。可以用与在第一实施例中揭示的相同的方法来摩擦聚酰亚胺。
在VAN LC器件300中，当不施加电压时，所有的LC分子340都沿一个方向排列，并且接近于与基板302和304垂直，如图8A所示。当不施加电压时，系统的滞后接近于零，因此将保持入射光的偏振。当施加中等大小的电压时，LC媒质315的中间部分的LC分子340开始旋转，如图8B所示。当施加高电压时，所有的LC分子，除了在表面的那些之外，都将排列得垂直于场，如图8所示。如果厚度合适，LC器件300能够起到半波片的作用，当LC分子相对于入射偏振成45度排列时，该器件能够使入射偏振旋转90度。
作为光开关，VAN LC器件300的结构如图9所示，其中使用了两个偏振器350和352。偏振器350和352能够具有相互平行或垂直的偏振。如上面所说明的，当施加高电压时，反射型VAN LC器件300是半波滞后器。示于图9的结构的模拟结果如图10所示。
不使用两个偏振器350和352，可以使用单个偏振器360和半波片362。这样一种结构示于图6。然而，应该注意，对于VAN LC器件，不是必需使用半波片或将半波片与补偿双折射媒质354组合。使用类似于图6所示但没有补偿双折射媒质354的结构的模拟结果如图11所示。
本发明的第三实施例是混合ECB LC器件(这里也称之为“HAN LC器件”)。在HAN LC器件中，使用液晶媒质315，它具有正的介电各向异性。在这个实施例中，排列层310和312中的一个是均匀的而另一个是垂直。在HANLC器件300中，当不施加电压时，LC分子340在一个基板302处垂直于表面而在另一个基板304处平行于表面。如图12所示，LC分子的取向呈现出从一个表面向另一个表面的逐渐过渡。在厚度合适时，HAN LC器件300起着半波片的作用，当在基板中LC分子的取向相对于入射偏振成45度角时，该器件能够把入射偏振旋转90度。通过沿类似于图4和图6所示的方向摩擦排列层能够达到这种取向。当施加中等大小的电压时，在LC媒质340中间部分的LC分子340开始旋转，如图12B所示。当施加高电压时，所有的LC分子，除了在表面的那些之外，将沿场的方向排列，并且LC器件基本上具有零滞后，如图12C所示。于是，当施加高电压时，保持了入射光的偏振。
可以使用示于图4或图6结构的HAN LC器件300。使用图4结构的HANLC器件300的模拟结果示于图13，而使用图6结构的第三实施例的模拟结果示于图14。
上面揭示的LC器件是有利的，这是因为它们所具有的依赖于入射角的损耗极小或者没有，它们能够衰减之大于40分贝，并且能够把构造它们使之具有相当小的尺寸。如下面要描述的，上面揭示的器件可以用于各种光学应用中，尤其是电信应用中。
在名为“具有极低的与偏振有关的损耗和偏振模式色散的动态光谱均衡器和波长选择性开关”的普通转让的PCT申请(编号为——)中揭示了使用本发明的反射型LC器件的光学系统的一个例子，它与本发明在同一天申请。
使用本发明的反射型LC器件的动态光谱均衡器(DSE)示于图15。示于图15的所描绘的光学系统100包括耦合至输入光纤104的环行器102、输出光纤106以及共用光纤108。输入光纤104把输入组合光束提供给环行器102，它将此输入组合光束输出在共用光纤108上，而大体上不泄漏至输出光纤106。如在下面要描述的，光束通过共用光纤108沿两个方向传播。环行器102通过共用光纤108接收的光束由环行器102输出在输出光纤106上，而大体上不泄漏至输入光纤104。在来自环行器102的共用光纤108的相对端处设置透镜110。当对它从其相反方向接收的准直光束聚焦并且把这些光束耦合入共用光纤108以传输至环行器102时，透镜110使由共用光纤108提供的输入组合光束准直。
光学系统100还包括偏振光束分离器/合并器112，它将输入组合光束分为两个空间上分开的偏振正交的第一和第二合成小光束(composite beamlet)。在第一和第二偏振正交的小光束之一的路径内提供偏振改变器(即，偏振器或滞后器)114，从而改变该合成小光束的偏振，使之与另一个合成小光束的偏振相同。提供一个色散元件116以将第一合成小光束在光谱上色散为第一组空间上隔开的分量小光束(component beamlet)和将第二合成小光束在光谱上色散为第二组空间上隔开的分量小光束。第一组分量小光束的每一个对应于第一输入合成光束不同的通信信道，第二组分量小光束的每一个也是如此。在相同的波长上，第一组中的每个分量小光束对应第二组中一个相应的分量小光束，它们合起来组成一个“信道对”。
设想图15是光学系统的俯视平面图，图16是侧视图，示出分量信号被色散元件116在空间上隔开。可以认识到，偏振能在与色散元件116的色散相同平面内或在与色散元件116的色散垂直的平面内被分开。为了举例起见，图中画出了六个不同的分量信号。然而，可以认识到，分量信号的数目将取决于由输入和输出光纤所传送的信道的数目。
如图15和16所示，提供透镜118，用于将每个分量小光束聚焦在反射型LC起见300的相应的LC元件320上。如上面所描述的，可以独立激励反射型LC器件300的每个LC元件320，于是可以有选择地调制每个小光束，从而在输出光纤处收集之后，其成比例的功率处于所想要的值。此外，如此构造光学系统，从而把第一组分量小光束以与第二组分量小光束相等相反的角度聚焦在LC器件300的反射表面上。于是，如图15所示，沿第一引入路径124引至反射型LC器件300的反射表面的第一组分量小光束被反射至第一引出路径，它被叠加在第二组分量小光束的第二引入路径126上。同样，第二组分量小光束被反射型LC器件300反射至第二引出路径，它叠加在第一引入路径124上。然后，被反射的第一和第二组分量小光束被透镜118准直，并且被引回至色散元件116，它把每组反射分量小光束重新组合为第一和第二反射合成小光束。然后，偏振改变器114改变反射合成小光束之一，从而两个反射合成小光束的偏振相互正交。然后，偏振光束分离器/合并器112组合两个反射合成小光束，并且它将叠加的小光束引至透镜110，该透镜把得到的输出合成光束耦合至共用光纤108，共用光纤又把输出合成光束提供给环行器102，它把合成光束输出在输出光纤106上。
偏振光束分离器/合并器112可以是一对光束偏振分束器。或者，也可使用其他偏振光束分离器，包括但不限于双折射片、偏振棱镜和偏振分束片。偏振改变器114可以是，但不限于，滞后片、晶体滞后器或液晶。色散元件可以是，但不限于，光栅、棱镜或光栅棱镜(grism)。
对于许多应用而言，有一个能够达到很高的消光阻挡(例如，35分贝或更高)，从而它能在高的程度上阻挡光谱的一些部分。实践中，当使用反射型偏振调制器作为反射型LC器件300时，对于图15所示的方法可用的元件的品质限制可以妨碍达到很高的消光。
通过在透镜118和反射型LC器件300之间提供偏振器155，可以获得一种高消光，对偏振的依赖性极低的DSE。应该注意，能够把偏振器155放在偏振改变器114和反射型LC器件300之间的任何地方。偏振器155用于增加输入至反射型LC器件的光束的偏振纯度，以及改善从反射型LC器件300输出的光束的偏振滤光。偏振器155能够是，但不限于，偏振棱镜、聚合物线性偏振器、polarcor线性偏振器或者一个或多个布儒斯特(Brewster)片。反射型LC器件300能够是，但不限于，反射型液晶器件或成象素型(pixellated)双折射晶体阵列(crystal array)。
通过添加示于图17的附加元件，可以容易地把示于图15和图16的光学系统转变为WSS，该图示出了按照本发明的第三实施例的光学系统200。具体而言，可以添加耦合至第二输入光纤204的第二环行器202、第二输出光纤206和第二共用光纤208。类似地，可以在第二共用光纤208和第二偏振光束分离器212之间提供第二棱镜210。可以分别按照与第一环行器102、第一透镜110和第一偏振光束分离器112相同的样式构造第二环行器202、第二透镜210和第二偏振光束分离器212。于是，第二偏振光束分离器212把从第二输入光纤204接收的第二输入合成光束分离为空间上隔开的，偏振正交的第三和第四合成小光束。
在第三和第四合成小光束之一的路径中提供第二偏振改变器214，从而把它的偏振改变得与两个合成小光束中的另一个的偏振相同。设置类似于第一色散元件116的第二色散元件216，从而把第三和第四合成小光束色散成各自的第三和第四组分量小光束。
与示于图15的结构不同，在所有的第三和第四组分量小光束的路径中提供第三偏振改变器218，从而改变来自第二输入光纤204的小光束的偏振以与那些来自第一输入光纤104的小光束的偏振相反。然后，由偏振光束合并器220把来自第一和第二输入光纤的偏振相反的分量小光束加以组合，从而第一组分量小光束与第三组分量小光束叠加，而第二和第四组分量小光束相互叠加，然后，把所有的小光束组引至透镜118，其方式与在上面对于图15和图16所描述的相同。透镜118把这些小光束组聚焦在反射型LC器件300的相应的LC元件320上。把第一和第三组分量小光束沿第一引入路径124以相对于反射型LC器件的反射表面成一个角度的方式引至它们的相应的LC元件320，从而有一条引出路径，它叠加在第二和第四组分量小光束的第二引入路径126上。同样地，第二和第四组分量小光束具有以一条引出路径，它叠加在第一和第三组分量小光束的引入路径124上。然后，用透镜118对引出的反射分量小光束作准直，随后由偏振合并器220对其分离。
当构造示于图17并且在上面描述的光学系统200以作为WSS运作时，在第一输入光纤104上进入系统200的第一输入合成光束从第一输入光纤通过而到环行器102，该光束又通过该环行器到共有光纤108而没有进入输出光纤106的实质的泄漏。然后，在共有光纤108上的第一输入合成光束被透镜110大体上准直，再被第一偏振光束分离器112分离为偏振正交的第一和第二合成小光束，第一偏振改变器114改变第二合成小光束的偏振，使之与第一合成小光束的相同。然后，第一和第二合成小光束入射在色散元件116上，它输出第一和第二组分量小光束，其传播方向取决于它们的波长。这些第一和第二分量小光束通过偏振光束合并器220并且被透镜118聚焦，从而它们在反射型LC器件处在空间上被分离，并且它们的焦点大体上与反射型LC器件300的反射表面相合。如上面所说明的，如此构造系统，从而沿第一引入路径124把第一组分量小光束引至反射型LC器件300，从而它们沿第一引出路径离开反射型LC器件300，该第一引出路径被叠加在第二组分量小光束的第二引入路径126。同样地，第二组分量小光束沿着第二引出路径离开反射型LC器件，该第二引出路径被叠加在第一组分量小光束的第一引入路径124上。这些分量小光束组再次通过透镜118并且被重新引向偏振光束合并器220。
可以有选择地激励(或解除激励)每个LC元件320，以旋转相应的入射分量小光束的偏振。当解除激励(激励)时，入射小光束的偏振状态保持相同。因为对于每个信道(即，波长)提供一个LC元件320，因而对于每一对来自第一和第二组的分量小光束提供一个LC元件320，因此可以由反射型LC器件300有选择地和独立地影响每个信道。
对于那些源自第一输入光纤104的分量小光束(它们以相同的偏振离开反射型LC器件300)而言，小光束通过偏振光束合并器220向着第一色散元件116并且最后向着第一输出光纤106。然而，对于那些偏振被反射型LC器件300的调制元件320旋转的分量小光束而言，偏振光束合并器220重新引导那些分量小光束向着第三偏振改变器218、色散元件216，并且最后向着第二输出光纤206。每个色散元件116和216重新把两组入射的分量小光束合并成两个合成小光束。然后，第一和第二偏振改变器旋转两个分量小光束之一的偏振，从而它们的偏振正交，并且第一和第二偏振光束分离器112和212合并两个偏振正交的小光束以形成单个输出合成光束。然后，透镜110和210聚焦输出合成光束，从而把该光束耦合入共有光纤108和208。然后，环行器102和202把输出合成光束分别引向第一输出光纤或第二输出光纤，而实质上没有泄漏到输入光纤。
本领于的技术人员将明白，在第二输入光纤204上的第二输入合成光束通过上述元件并且在被光束偏振合并器220重新引导之前分离为第三和第四组分量小光束。对于WSS，当第一和第三组分量小光束入射在反射型LC器件300上时，它们恰好互相叠加。同样地，第二和第四组分量小光束相叠加。于是，对于给定的波长信道，当相应的LC元件320不旋转入射小光束的偏振时，源自第一输入光纤104的小光束在第一输出光纤106上从光学系统出射，而源自第二输入光纤204的小光束从第二输出光纤206出射。然而，当相应的LC元件320旋转入射小光束的偏振时，源自第一输入光纤104的小光束在第二输出光纤206上从光学系统出射，而源自第二输入光纤204在相应波长上的小光束在第一输出光纤106上从系统出射。于是，能够独立地切换在输入光纤上传送的每个信道。
可以用多种不同的方法来变更光学系统200，从而完成双DSE功能。在这样的双DSE中，反射型LC器件可以仍是反射型偏振调制器，但是，可以把它调节至中间值。在这样的系统中，在第一输入光学104上的输入光束将总是从第一输出光纤106出射，除非它们被反射型LC器件300有效地消除。类似地，在第二输入光纤204上的第二输入光束将总是在第二输出光纤206上输出，除非它们被有效地消除。
使用示于图17的光学系统200以创造一个双DSE的另一种方法是排列透镜110和210，从而源自输入光纤104和204的光束在反射型LC器件300处大体上不叠加。这允许两个输入被独立地调制，并且把由衰减一个输入而丢弃的功率对来自其他输入的信号的信噪比的影响减小到接近零。
偏振光束合并器220可以是诸如图17中描述的偏振光束合并棱镜。为了便于表述起见，描述的偏振光束合并棱镜以被描述为对于源自第二输入光纤204的入射产生空间偏移以及180°方向改变。实践中，任何偏振光束合并器能够用于此目的，它产生的空间和角偏移足以允许来自第一和第二输入光纤的输入光束相互叠加。这样的偏振光束合并器包括，但不限于，双折射片、偏振棱镜和偏振光束分离片。对于某些偏振调制器，希望所有的入射小光束共享相同的正交偏振组。在这些情形中，偏振光束合并棱镜的偏振表面的表面法线大体上平行于色散元件的色散平面可以是有利的。
当使用这样的反射型LC器件，而它在或接近反射平面处的双折射材料和非双折射材料之间有一分界面时，此分界面造成了后向反射(back reflection)，它具有一个垂直于来自所有的非双折射材料之间的分界面的后向反射的分量。消光时常受到此正交分量的限制。
通过在透镜118反射型LC器件300之间提供添加的滞后器255可以达到高消光，对偏振的依赖性极低的WSS或双DSE。当在透镜118和反射型LC器件之间添加的滞后器255的值接近，但不恰好是，在器件中使用的波长的四分之一波长时，能够这样来调节反射型LC器件(尤其是当用液晶器件来实施时)的电压，使得离开双折射分界面的后向反射的垂直于所有其他后向反射的分量被大体上消除。此外，由于滞后器255接近四分之一波长，对于返回至光纤的输出(从光纤接收该输出)，所有其他的后向反射大体上被滞后器255消除。实践中，此补偿方法能够始终达到大体上大于40分贝的隔离。应该注意，也能把添加的滞后器255设置在透镜118和偏振光束合并器220之间，以获得相同的结果。还要注意，能够在示于图17的单个DSE实施例中使用添加的滞后器225，以把它的隔离提高到大体上高于40分贝。
本领于的技术人员将明白，能够做出对于在这里描述的本发明的较佳实施例的各种变更而不偏离如所附的权利要求书限定的本发明的精神和范围。
权利要求
1.一种光学系统，包括具有多个独立激励的液晶元件的反射型液晶器件；以及光学元件，用于把多个输入光束引至所述反射型液晶器件处，从而每个输入光束射在一个所述液晶元件上，其中，所述反射型液晶器件的每个液晶元件包括透明的第一电极；与所述第一电极隔开的反射的第二电极；以及设置在第一和第二电极之间的液晶媒质，以及其中，所述液晶元件是可独立操作的，以响应于施加电压，在半波和零滞后状态之间改变。
2.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，它进一步包括第一偏振器，用于使输入光束在射至所述反射型液晶器件之前以第一偏振通过。
3.如权利要求2所述的光学系统，其特征在于，它进一步包括第二偏振器，用于使从所述反射型液晶器件反射的光束以第二偏振通过。
4.如权利要求3所述的光学系统，其特征在于，第二偏振与第一偏振正交。
5.如权利要求3所述的光学系统，其特征在于，第二偏振与第一偏振平行。
6.如权利要求2所述的光学系统，其特征在于，它进一步包括设置在所述反射型液晶器件之前的补偿片，用于当施加高电压时，补偿所述反射型液晶器件的剩余双折射。
7.如权利要求2所述的光学系统，其特征在于，它进一步包括设置在所述反射型液晶器件之前的四分之一波片。
8.一种用于光通信系统的反射型液晶器件，其中把多个输入光束引至液晶器件，该液晶器件包括透明的第一基板，它具有至少有一个光束入射在其上的第一表面以及与第一表面相对的第二表面；透明的第一电极层，它由所述第一基板的第二表面支承；第二基板，它具有第一和第二表面，所述第二基板的第一表面与所述第一基板的第二表面相对；第二电极层，它由所述第二基板的第一表面支承，其中，如果由所述第二基板的一个表面另外支承一个反射层，则所述第二电极层可以是反射的或是透明的；第一排列层，它由第一基板的第二表面支承；第二排列层，它由第二基板的第一表面支承；以及液晶媒质，它设置在第一和第二电极层之间，其中，在至少所述第一和第二电极层之一上形成图案，从而限定多个独立激励的液晶元件，定出每个液晶元件的尺寸，以接收一个输入光束，其中，所述液晶元件是可操作的，以响应于施加电压，在半波和零滞后状态之间改变。
9.如权利要求8所述的反射型液晶器件，其特征在于，所述第二电极层是反射的。
10.如权利要求8所述的反射型液晶器件，其特征在于，第二电极层是透明的，并且所述器件进一步包括由所述第二基板的第一或第二表面支承的反射层。
11.如权利要求8所述的反射型液晶器件，其特征在于，所述第二基板是透明的。
12.如权利要求8所述的反射型液晶器件，其特征在于，在所述电极层上都形成图案。
13.如权利要求8所述的反射型液晶器件，其特征在于，液晶材料具有正介电各向异性。
14.如权利要求13所述的反射型液晶器件，其特征在于，当不对电极施加电压时，所述排列层都提供所述液晶媒质的分子的均匀排列。
15.如权利要求14所述的反射型液晶器件，其特征在于，当对电极施加电压时，分子排列得垂直于所述第一基板的第二表面和垂直于所述第二基板的第一表面。
16.如权利要求15所述的反射型液晶器件，其特征在于，选择器件的层的厚度，从而当对电极施加电压时，保持入射光束的偏振，而当不对电极施加电压时，入射光束的偏振旋转90度。
17.如权利要求13所述的反射型液晶器件，其特征在于，当不对电极施加电压时，所述第一排列层对接近所述第一排列层的所述液晶媒质的分子提供垂直排列，而所述第二排列层对接近所述第二排列层的所述液晶媒质的分子提供均匀排列。
18.如权利要求17所述的反射型液晶器件，其特征在于，当对电极施加电压时，分子排列得垂直于所述第一基板的第二表面和第二基板的第一表面。
19.如权利要求18所述的反射型液晶器件，其特征在于，选择器件的层的厚度，从而当对电极施加电压时，保持入射光束的偏振，而当不对电极施加电压时，入射光束的偏振旋转90度。
20.如权利要求8所述的反射型液晶器件，其特征在于，液晶材料具有负介电各向异性。
21.如权利要求20所述的反射型液晶器件，其特征在于，当不对电极施加电压时，所述排列层都提供所述液晶媒质的分子的垂直排列。
22.如权利要求21所述的反射型液晶器件，其特征在于，当对电极施加电压时，分子排列得平行于所述第一基板的第二表面和第二基板的第一表面。
23.如权利要求22所述的反射型液晶器件，其特征在于，选择器件的层的厚度，从而当对电极施加电压时，保持入射光束的偏振，而当不对电极施加电压时，入射光束的偏振旋转90度。
24.如权利要求8所述的反射型液晶器件，其特征在于，它进一步包括保护层，它由所述第一基板的第二表面和所述第二基板的第一表面之一支承，所述保护层阻止电子在电极之间和穿过液晶媒质流动。
25.如权利要求8所述的反射型液晶器件，其特征在于，它进一步包括设置在所述第一和第二基板之间的密封，以约束所述液晶媒质。
26.如权利要求8所述的反射型液晶器件，其特征在于，所述排列层设置在所述电极层和所述基板之间。
27.一种光学系统，包括具有多个独立激励的液晶元件的反射型液晶器件；以及光学元件，用于把多个输入光束引至所述反射型液晶器件处，从而每个输入光束射在一个所述液晶元件上，其中，所述反射型液晶器件包括透明的第一基板，它具有多个光束入射在其上的第一表面以及与第一表面相对的第二表面；透明的第一电极层，它由所述第一基板的第二表面支承；第二基板，它具有第一和第二表面，所述第二基板的第一表面与所述第一基板的第二表面相对；第二电极层，它由所述第二基板的第一表面支承，其中，如果由所述第二基板的一个表面另外支承一个反射层，则所述第二电极层可以是反射的或是透明的；第一排列层，它由第一基板的第二表面支承；第二排列层，它由第二基板的第一表面支承；液晶媒质，它设置在第一和第二电极层之间；以及其中，在所述第一和第二电极层的至少一块上形成图案，从而限定所述多个独立激励的液晶元件，其中，所述液晶元件是可独立操作的，以响应于施加电压，在半波和零滞后状态之间改变。
全文摘要
本发明的光学系统包括具有多个独立激励的液晶元件的反射型液晶器件和用于把多个输入光束引至反射型液晶器件，从而每个输入光束射在一个液晶元件上的光学元件。反射型液晶器件的每个液晶元件包括透明的第一电极(308)、与第一电极隔开的反射的第二电极(310)以及设置第一及第二电极之间的液晶媒质(315)。液晶元件可以独立操作，以响应于施加电压，在半波和零滞后状态之间改变。
文档编号G02F1/1335GK1511271SQ02810538
公开日2004年7月7日 申请日期2002年4月12日 优先权日2001年4月13日
发明者Y·吉, J·P·康迪斯, R·G·林德奎斯特, R·－Q·马, Y 吉, ヂ , 康迪斯, 林德奎斯特 申请人:康宁股份有限公司