專(zhuān)利名稱(chēng)：擾曲電光液晶裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及液晶裝置，具體地涉及在遠(yuǎn)程通信和其他應(yīng)用中可以作為偏振狀態(tài)控制器的液晶裝置，并涉及使用這些裝置的方法。
背景技術(shù)：
液晶材料已經(jīng)被非常成功地開(kāi)發(fā)用于顯示應(yīng)用，但是其在用于光纖系統(tǒng)的遠(yuǎn)程通信裝置中的潛能只有最近才成為廣泛研究的焦點(diǎn)1，2，3，4，5，6，13。熱致液晶相比于諸如鈮酸鋰之類(lèi)的傳統(tǒng)電光通信材料具有如下優(yōu)點(diǎn)，即，高的雙折射率、高的光學(xué)透明、低功耗、非機(jī)械操作，并且低廉以及制造簡(jiǎn)單。
液晶裝置相比之下所遭受的缺點(diǎn)的主要方面為其相對(duì)低的切換速度，通常為幾十毫秒。正是由于該原因，使得更有希望的液晶遠(yuǎn)程通信裝置嘗試使用與簡(jiǎn)單的弗里德里克斯轉(zhuǎn)變(Freedericksz transition)相比更快的液晶電光效應(yīng)，例如鐵電和電偏轉(zhuǎn)效應(yīng)(electroclinic effect)13，或者應(yīng)用于要求在遠(yuǎn)低于系統(tǒng)的比特率下切換的應(yīng)用，例如可切換互連1，2、分插復(fù)用器(add/dropmultiplexer)3、或者偏振控制4，5，6，11。
然而，從遠(yuǎn)程通信的角度而言，擾曲電光效應(yīng)8，9尚未被開(kāi)發(fā)，盡管在特定材料中這種效應(yīng)是一種非?？焖俚那袚Q機(jī)構(gòu)，且在向列范圍上具有線性電場(chǎng)響應(yīng)和溫度不相關(guān)性。這可能是因?yàn)榧兇庠趩卧矫鎯?nèi)切換光軸要求對(duì)進(jìn)入裝置的光的偏振狀態(tài)進(jìn)行仔細(xì)的控制以產(chǎn)生一致的效果，這在光纖系統(tǒng)中是不期望的。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明一個(gè)方案，提供了一種用于控制透射光的偏振狀態(tài)的裝置，該裝置包括封閉液晶材料層的第一和第二單元壁，該液晶材料層在沒(méi)有施加場(chǎng)的情況下具有基本一致取向的螺旋軸；以及用于施加與該螺旋軸近似垂直的電場(chǎng)的電極。
使用中，該螺旋軸將定向?yàn)榻破叫杏诠鈧鞑ゴ┻^(guò)該裝置的方向。
一種特別優(yōu)選的液晶為旋光向列(膽甾型)材料，為了方便本發(fā)明在此將參照這種優(yōu)選實(shí)施方案進(jìn)行描述。通過(guò)使旋光向列沿Grandjear(平面)織構(gòu)取向，分子位于該玻璃壁的平面內(nèi)，且螺旋軸從上到下地位于該單元內(nèi)，本發(fā)明由此克服了現(xiàn)有技術(shù)裝置的一些問(wèn)題。在該單元的平面內(nèi)施加場(chǎng)(因此仍然垂直于該螺旋軸)，允許發(fā)生擾曲電光形變，使得隨機(jī)偏振的輸入光(例如來(lái)自光纖)被轉(zhuǎn)換成任意期望的輸出偏振。在一個(gè)特別優(yōu)選的實(shí)施方案中，旋光向列螺旋的節(jié)距長(zhǎng)度顯著短于該裝置上入射光的波長(zhǎng)，從而減小或者最小化旋轉(zhuǎn)色散效應(yīng)。這種情況下，入射光所經(jīng)歷的液晶分子的雙折射率可以表達(dá)為該層的體雙折射率(bulk birefringence)。對(duì)于具有與入射光的傳播方向平行的螺旋軸的無(wú)擾動(dòng)Grandjean織構(gòu)的情況，該體雙折射率趨于為零，因?yàn)槁菪Y(jié)構(gòu)內(nèi)分子指向矢(molecular directors)的“全圓式”進(jìn)動(dòng)(precession)。通過(guò)使用遠(yuǎn)小于光波長(zhǎng)的螺旋節(jié)距，該裝置可制成對(duì)溫度基本上不敏感，因?yàn)楣?jié)距長(zhǎng)度的熱學(xué)變化與工作波長(zhǎng)相比將變得不顯著。使該單元在遠(yuǎn)離旋光向列的反射波段的波長(zhǎng)下工作，例如工作于1550nm的通信窗口(window)，確保該光將經(jīng)歷最小的旋光性。當(dāng)垂直于該螺旋軸的場(chǎng)施加到該系統(tǒng)時(shí)，擾曲電耦合使該螺旋變形，使得產(chǎn)生可以用于控制入射光偏振狀態(tài)的體雙折射率。面內(nèi)電場(chǎng)將光軸偏離傳播方向，使其在光的偏振平面內(nèi)具有某些分量。
據(jù)申請(qǐng)人所了解，目前還沒(méi)有關(guān)于Grandjean織構(gòu)內(nèi)擾曲電光指向矢形變的傳輸效應(yīng)的出版文獻(xiàn)。申請(qǐng)人已經(jīng)證實(shí)了在通信波長(zhǎng)下電光效應(yīng)存在于這種配置中，并表征了該效應(yīng)的本質(zhì)。該效應(yīng)尤其可用于偏振控制器，PiPhotonics Ltd正在開(kāi)發(fā)這種偏振控制器的平面向列版本，且本發(fā)明實(shí)驗(yàn)工作中使用的“車(chē)輪”單元被設(shè)計(jì)用于這種偏振控制器。
理論根據(jù)擾曲電理論，包括液晶材料的分子的形狀不對(duì)稱(chēng)與自發(fā)電偶極是指，為了使該材料得到體電偏振而施加場(chǎng)時(shí)，在該材料內(nèi)引起斜削(splay)和/或彎曲形變7，形變的程度正比于所產(chǎn)生的偏振P＝esS+ebB，其中P為介電偏振，S和B分別為斜削形變向量 和彎曲形變向量 。在上述方程中， 為局部向列指向矢單位向量，es和eb分別為斜削和彎曲的擾曲電系數(shù)。
在旋光向列中，如果垂直于該螺旋軸施加場(chǎng)，則通過(guò)指向矢形成的所述螺旋的形變可以獲得斜削和彎曲的組合，使得分子位于Bouligand剖面內(nèi)8。這示于圖1。
由于該材料的光軸總是垂直于所述分子的長(zhǎng)軸，這種形變導(dǎo)致與所施加的場(chǎng)以及材料的螺旋軸都垂直的光軸旋轉(zhuǎn)。對(duì)于在施加于玻璃板之間的場(chǎng)中的、包含呈ULH織構(gòu)的旋光向列的標(biāo)準(zhǔn)單元，這導(dǎo)致光軸在單元平面旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)角度由下式給出tanφ=eKkE---(1)]]>其中k為螺旋波矢k＝2π/P(P＝螺旋節(jié)距)，E為所施加的場(chǎng)，K為斜削和彎曲彈性常數(shù)的平均值，分別為k11和k33，e為擾曲電系數(shù)的平均值。因此擾曲電材料的品質(zhì)因數(shù)(figure of merit)為e/K，即平均擾曲電系數(shù)與平均彈性常數(shù)之比，或者擾曲-彈性比。這種效應(yīng)的更全面描述見(jiàn)[8]。
無(wú)論是在潛在的裝置還是在材料優(yōu)化中15，這種效應(yīng)已經(jīng)引起人們極大的興趣，因?yàn)樘卣髑袚Q時(shí)間小(幾十毫秒)且光軸的偏轉(zhuǎn)為線性正比于施加的場(chǎng)，且這種效應(yīng)在向列范圍上幾乎與溫度無(wú)關(guān)。此外，置于交叉偏振器之間的、光軸傾角為22.5°且厚度為使得該單元為半波片的裝置將對(duì)入射光進(jìn)行100％的調(diào)制。
然而，此處提出的該裝置的中心思想為旋轉(zhuǎn)旋光向列的幾何以及該單元內(nèi)的場(chǎng)方向，使得現(xiàn)在施加場(chǎng)將根據(jù)方程(1)偏轉(zhuǎn)光軸，而由于場(chǎng)位于該單元的平面內(nèi)，使得該光軸從沿傳播方向(零雙折射率)移動(dòng)到沿著擾曲電傾角，且因此具有垂直于該傳播方向的一些分量，從而引起雙折射。這允許該單元取向?yàn)楦涌煽康腉randjean(直立螺旋)織構(gòu)，而不是ULH。如果用紅外線照射該單元，則典型的短節(jié)距旋光向列的旋光性變得最小，使得切換裝置將作為直通(straightforward)的分?jǐn)?shù)波片(fractional waveplate)。所提議的單元幾何示于圖2。應(yīng)該注意，盡管電極示為位于該單元的任一側(cè)上，但圖2的場(chǎng)朝向沿y方向進(jìn)入紙面的方向。
由于切換單元的光軸將具有保留于傳播方向上的分量(除非傾角為90°)，由于兩次折射，該單元還將作為離散板(walk-off plate)，但是在10μm厚的單元中，光束的橫向平移應(yīng)該最小化。
沿旋光向列的螺旋軸傳播的線偏振光的旋轉(zhuǎn)由下式給出ψd=π16(n//2-n⊥2n//2+n⊥2)P3λ2(P2-λ2)---(2)]]>其中ψ為旋轉(zhuǎn)角度，P為螺旋節(jié)距，d為單元厚度，n//和n分別為平行于和垂直于指向矢的微觀折射率。對(duì)于典型數(shù)值的折射率，在10μm厚的單元中500nm的節(jié)距和1550nm的光的旋轉(zhuǎn)約為0.2°。因此可以忽略光學(xué)旋轉(zhuǎn)，且可以認(rèn)為線偏振光在傳播穿過(guò)單元時(shí)，經(jīng)歷了折射率隨螺旋節(jié)距從n到n//的正弦變化，而與初始偏振方向無(wú)關(guān)。
通過(guò)考慮在與傳播方向垂直的平面內(nèi)的螺旋的剖面，可以說(shuō)明電致雙折射的源(圖3)。無(wú)施加場(chǎng)時(shí)，未偏轉(zhuǎn)指向矢的旋轉(zhuǎn)形成全圓的跡線，而施加場(chǎng)時(shí)，其軸垂直于場(chǎng)的指向矢傾斜到該平面之外，減小了其在x方向的分量。其長(zhǎng)軸平行于場(chǎng)的指向矢同時(shí)簡(jiǎn)單地繞其長(zhǎng)軸旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致作用于該偏振方向的光的指示量在數(shù)值沒(méi)有變化。指向矢在傳播穿過(guò)單元時(shí)的“全圓”進(jìn)動(dòng)接著在垂直于施加場(chǎng)的方向上受到壓縮以形成橢圓，且產(chǎn)生雙折射。圖4示出了有施加場(chǎng)和無(wú)施加場(chǎng)下，在傳播穿過(guò)單元時(shí)，沿x方向偏振的光的理論上變化的折射率。
隨后由平行于和垂直于施加場(chǎng)的平均折射率之間的差異給出該單元內(nèi)引起的雙折射的量值。
光傳輸穿過(guò)具有雙折射材料的交叉偏振器的方程為II0=sin2(2ψ)(Δndλπ)---(3)]]>其中I/I0為入射強(qiáng)度的傳輸率，ψ為材料的光軸與偏振器之間的角度，λ為入射光的波長(zhǎng)。如果光軸平行于任一偏振器，則該方程給出零傳輸用于任意延遲，而光軸與偏振器成45°時(shí)給出最大傳輸以及等于半波長(zhǎng)的延遲。使用折射指示量橢圓體在偏振平面內(nèi)的投影的瓊斯(Jones)矩陣表示，執(zhí)行對(duì)在給定傾角下，穿過(guò)交叉偏振器的旋光向列的預(yù)期傳輸?shù)某醪椒治?。?jì)算該投影，以用于依照擾曲電光理論對(duì)橢圓體的旋轉(zhuǎn)、評(píng)估的紅外折射率以及500μm的平均節(jié)距長(zhǎng)度，其結(jié)果示于圖11。
如果對(duì)于4V/μm偶極三角形波和上述采用的典型材料參數(shù)而采用圖11預(yù)測(cè)的Δn，并假設(shè)所引起的光軸角在單元平面內(nèi)的分量與偏振器成ψ＝45°并且單元厚度為10μm，則預(yù)測(cè)的電光響應(yīng)如圖5所示。
圖5示出了由于光軸在偶極場(chǎng)內(nèi)的節(jié)拍動(dòng)作(metronomic action)所致的預(yù)期的頻率雙倍響應(yīng)，在0V/μm時(shí)每個(gè)周期經(jīng)過(guò)光學(xué)中性垂直位置兩次。該圖還示出了由于所引起的小的雙折射率所致的小的預(yù)期響應(yīng)(總調(diào)制的8％)。該裝置正是應(yīng)該產(chǎn)生這個(gè)響應(yīng)，盡管圖5是理想化的，因?yàn)槠湮纯紤]材料響應(yīng)時(shí)間。
本發(fā)明的裝置可以作為用于偏振模式色散補(bǔ)償?shù)目焖俚臒o(wú)端旋轉(zhuǎn)波片，尤其是用于光纖系統(tǒng)。該裝置可以起著任何期望波片的功能，例如作為沿任意方向的四分之一波片或半波片。用途包括光路由器和分插復(fù)用器。不同于為偏振敏感的現(xiàn)有技術(shù)裝置，本發(fā)明的裝置對(duì)輸入光偏振不敏感，而且因?yàn)楣?jié)距可以調(diào)整，因此可以優(yōu)化用于任何期望的輸入波長(zhǎng)。
根據(jù)本發(fā)明另一方面，提供了一種光路由器，包括a)單元，包括封閉旋光向列(膽甾型)或旋光傾斜層列液晶材料層的第一和第二單元壁，該液晶材料層在無(wú)施加場(chǎng)的情形下具有與該單元壁的內(nèi)表面近似垂直的光軸；以及布置在該液晶層的光輸入?yún)^(qū)域周?chē)亩鄠€(gè)電極，各個(gè)電極可選擇性地尋址以施加穿過(guò)所述光輸入?yún)^(qū)域的電場(chǎng)，由此可以沿與該單元壁的內(nèi)表面近似平行的多個(gè)可選擇方向中的任一方向施加所述電場(chǎng)；b)光源，布置成引導(dǎo)光通過(guò)所述第一單元壁穿過(guò)所述光輸入?yún)^(qū)域；以及c)多個(gè)光輸出載體，各個(gè)該載體布置并設(shè)為在所述光為指定的偏振狀態(tài)和/或方向時(shí)通過(guò)所述第二單元壁接收來(lái)自所述光輸入?yún)^(qū)域的光，所述指定狀態(tài)和/或方向針對(duì)各個(gè)光輸出載體而言是不同的。
優(yōu)選地有至少四個(gè)電極，但是可以采用任何期望數(shù)目，例如6、8或10，取決于需要的輸出數(shù)目。
所述光輸出載體可包括用于連接到不同的裝置或元件的光纖。該光源可包括耦合到合適波長(zhǎng)范圍(尤其是約1530nm至約1563nm的遠(yuǎn)程通信波長(zhǎng)范圍)的光發(fā)射體的光纖。
在以下說(shuō)明書(shū)、附圖和權(quán)利要求書(shū)中，本發(fā)明的其他方面和益處將變得顯而易見(jiàn)。


現(xiàn)在將參照下述附圖示范性地進(jìn)一步描述本發(fā)明，在附圖中圖1示出了旋光向列的螺旋的形變，從而使分子位于致使光軸旋轉(zhuǎn)角度的Bouligand剖面內(nèi)；圖2示出了光沿螺旋軸傳播且施加場(chǎng)位于單元平面內(nèi)，呈Grandjean織構(gòu)的旋光向列的擾曲電光效應(yīng)；圖3為初始狀態(tài)和形變狀態(tài)下螺旋在x-y平面內(nèi)的剖面圖；圖4示出了對(duì)于n＝1.5且n//＝1.7以及節(jié)距長(zhǎng)度為500nm的材料，在有施加場(chǎng)和無(wú)施加場(chǎng)的情況下沿傳播方向的預(yù)期折射率分布圖；圖5的曲線圖為根據(jù)方程(9)和(10)，給定典型的材料參數(shù)時(shí)，Grandjean擾曲電效應(yīng)對(duì)4V/μm偶極三角形波的預(yù)計(jì)電光響應(yīng)；圖6給出了非對(duì)稱(chēng)雙液晶原α-(2′，4-二氟聯(lián)苯-4′-氧基)-ω-(4-氰基聯(lián)苯-4′-氧基)壬烷(稱(chēng)為FFO-9-OCB)的化學(xué)結(jié)構(gòu)；圖7為示出其電極圖案的Pi Photonics車(chē)輪單元的照片以及裝置幾何的示意圖，該照片的中心框出了有源區(qū)；圖8為實(shí)驗(yàn)布置的示意性框圖；圖9示出了由在110℃下4V/μm、0.8kHz三角形波驅(qū)動(dòng)的該車(chē)輪單元在1550nm時(shí)的電光響應(yīng)；圖10為數(shù)字磷光示波器軌跡，示出了在N*-I轉(zhuǎn)變以下5℃時(shí)針對(duì)圖7的含7OCB+3％BDH1281樣品的車(chē)輪單元所施加的電壓脈沖與結(jié)果的探測(cè)射束強(qiáng)度傳輸；圖11示出了強(qiáng)度傳輸與擾曲電光傾角的初步理論關(guān)系曲線；圖12的曲線圖示出了三種混合物在其I-N*轉(zhuǎn)變以下10℃時(shí)，被圖7的單元傳輸穿過(guò)交叉偏振器的強(qiáng)度分?jǐn)?shù)與施加場(chǎng)的變化關(guān)系；圖13的曲線圖示出了與理論比較，車(chē)輪單元的電光響應(yīng)的振幅與施加場(chǎng)相對(duì)于偏振器夾角的變化關(guān)系；圖14示出了在施加3V/μm的場(chǎng)時(shí)，三種混合物的10％-90％響應(yīng)時(shí)間與I-N*轉(zhuǎn)變以下溫度的變化關(guān)系；圖15示出了在施加3V/μm的場(chǎng)時(shí)，三種混合物的90％-10％響應(yīng)時(shí)間與I-N*轉(zhuǎn)變以下溫度的變化關(guān)系；
圖16給出了用于產(chǎn)生三種獨(dú)立的聚合的旋光向列混合物的五種雙液晶原材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)；圖17為旋光向列螺旋指向矢結(jié)構(gòu)的形變的示意性圖示(a)由于擾曲電光效應(yīng)所致的形變，(b)電介質(zhì)形變，(c)耦合到與該螺旋軸正交地施加的電場(chǎng)所致的形變；圖18示出了混合物4在Tc-10＝118℃(Tc＝128℃)時(shí)，在不同場(chǎng)振幅和頻率時(shí)電場(chǎng)引發(fā)的雙折射率；圖19示出了混合物5在Tc-10＝56℃(Tc＝66℃)時(shí)，在不同場(chǎng)振幅和頻率時(shí)電場(chǎng)引發(fā)的雙折射率；圖20示出了混合物6在Tc-10＝59℃(Tc＝69℃)時(shí)，在不同場(chǎng)振幅和頻率時(shí)電場(chǎng)引發(fā)的雙折射率；圖21示出了該三種混合物在6.8V/μm下，Grandjean織構(gòu)單元內(nèi)引起的雙折射的場(chǎng)跟蹤(擾曲電引起的)部分與在均勻伏臥螺旋(ULH)織構(gòu)內(nèi)測(cè)量的擾曲電光傾角的變化關(guān)系。
具體實(shí)施例方式
樣品制備制備并測(cè)試了三種獨(dú)立的旋光向列(chiral nematic)混合物。這些混合物的頭兩種組成了非對(duì)稱(chēng)雙液晶原α-(2′，4-二氟聯(lián)苯-4′-氧基)-ω-(4-氰基聯(lián)苯-4′-氧基)壬烷(稱(chēng)為FFO-9-OCB)，其結(jié)構(gòu)示于圖6，特別是針對(duì)其大的擾曲-彈性比和低的電介質(zhì)各向異性的優(yōu)化擾曲電特性14而內(nèi)部合成。已經(jīng)表明，在基于雙液晶原組成的液晶系統(tǒng)內(nèi)可以看到大得多的擾曲電耦合效應(yīng)16。FFO-9-OCB與高扭曲力旋光摻雜劑BDH1281(Merck NB-C)混合，對(duì)于第一和第二混合物該旋光摻雜劑的比例分別為2％(w/w)和3％。第三混合物組成了4-庚基-烷氧基-4′-氰基聯(lián)苯(7OCB)，其結(jié)構(gòu)和擾曲電光性能是公知的15，并混合了3％(w/w)的BDH1281，該混合物旨在作為對(duì)照混合物(controlmixture)。各個(gè)這些混合物加熱到各向同性相位24小時(shí)，從而使得完全混合，并在各向同性相位下毛細(xì)填充到測(cè)試單元內(nèi)。使用偏振顯微鏡對(duì)這些混合物分別進(jìn)行相位表征，并使用紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)測(cè)量其在N*相位的反射帶。采用近似平均折射率1.6，這可以用于評(píng)估材料的節(jié)距長(zhǎng)度，且發(fā)現(xiàn)對(duì)于上述定制的混合物的節(jié)距分別為485nm、300nm、和410nm。
由Pi Photonics Ltd制造測(cè)試單元以用于發(fā)展垂直取向向列旋轉(zhuǎn)波片。為此目的，設(shè)計(jì)有集中在50μm直徑的有源區(qū)上的4個(gè)電極，使得通過(guò)改變所有四個(gè)電極上的電壓，可以沿單元平面內(nèi)的任意方向施加該有源區(qū)中心內(nèi)的場(chǎng)，且光軸旋轉(zhuǎn)到期望的方位。單元的電極布局見(jiàn)圖7。
對(duì)于這些初始實(shí)驗(yàn)，并不要求這種自由度，且場(chǎng)僅施加在兩個(gè)中心電極之間，探測(cè)射束導(dǎo)向這些電極之間的溝道的窄(50μm)部分中，在圖中用框示出了該部分。這允許場(chǎng)均勻性的最大置信度。電極沉積了10μm厚的金，且所述電極作為間隔物，以在所述間隔物上膠合單元的罩并限定罩的厚度。
該單元旋轉(zhuǎn)涂敷了1％的PVA水溶液，該溶液隨后被蒸發(fā)以沉積促進(jìn)向列指向矢的平面定向的取向?qū)印Ｈ欢捎诖嬖陔姌O，該層無(wú)法被摩擦，因此盡管液晶分子制成平坦伏臥于單元內(nèi)，但其在單元平面內(nèi)的定向沒(méi)有優(yōu)先方向。由100μm厚的微觀蓋滑片的2mm2解理部分組成的罩置于該單元上，其已經(jīng)涂敷了單向取向的摩擦的PTFE。經(jīng)發(fā)現(xiàn)，這提供了比PVA更可靠的取向和更優(yōu)的織構(gòu)。隨后利用毛細(xì)作用將該罩固定到單元，從而吸引紫外固化膠合劑至電極上而不填充溝道，并暴露以固化(set)。罩固定后，旋光向列本身可以毛細(xì)填充穿過(guò)溝道以填充單元，且隨后在罩的邊緣周?chē)诙瓮糠竽z合劑而密封該單元。偏振顯微鏡隨后用于檢驗(yàn)當(dāng)單元置于旋光向列范圍時(shí)是否存在所要求的Grandjean織構(gòu)。
實(shí)驗(yàn)經(jīng)填充和密封的單元隨后置于探測(cè)臺(tái)內(nèi)，該探測(cè)臺(tái)使用螺旋千分尺夾緊接觸到四個(gè)電極上，并調(diào)節(jié)探測(cè)射束內(nèi)單元的位置。探測(cè)臺(tái)具有與放大信號(hào)發(fā)生器輸出的連接，其穿過(guò)單元施加形狀和寬度變化的且振幅高達(dá)400Vpp的脈沖。該探測(cè)臺(tái)還裝備了加熱元件和溫度計(jì)，以使單元維持在特定的溫度。探測(cè)射束為1550nm光纖運(yùn)載的DFB激光。
該單元置于交叉偏振器和顯微鏡物鏡透鏡之間，使得呈現(xiàn)射束被偏振化，聚焦直接穿過(guò)該單元的相關(guān)部分，再準(zhǔn)直穿過(guò)第二正交偏振器并聚焦到功率計(jì)?？梢栽跀?shù)字磷光示波器上并排地察看來(lái)自該功率計(jì)的輸出與施加于單元的電脈沖。這種布置見(jiàn)圖8。
激光的輸出功率調(diào)整為，當(dāng)零場(chǎng)施加到單元且第二偏振器未交叉時(shí)傳輸?shù)教綔y(cè)器的總功率約為100μW。也檢查了零場(chǎng)且偏振器交叉時(shí)的功率傳輸，并發(fā)現(xiàn)對(duì)于所有偏振器角度，該功率傳輸?shù)陀?μW，這證實(shí)對(duì)于該測(cè)試波長(zhǎng)，Grandjean織構(gòu)內(nèi)沒(méi)有旋光性和雙折射。其依據(jù)為在該射束采樣的單元區(qū)域內(nèi)沒(méi)有雙折射的“油污條痕”旋轉(zhuǎn)位移。
于是施加電壓脈沖使螺旋形變，以使材料的光軸從沿著傳播方向傾斜到在單元平面內(nèi)垂直于施加場(chǎng)的一些分量，從而引起雙折射。于是，根據(jù)方程4，一部分入射光傳輸穿過(guò)交叉偏振器。
II0=sin2(2ψ)sin2(δ2)---(4)]]>其中ψ為偏振器與介質(zhì)的光軸之間的角度，δ為所引起的相位延遲并等于δ=Δndλ2π---(5)]]>其中Δn為所引起的雙折射率(birefringence)，d為單元的厚度，λ為探測(cè)波長(zhǎng)。當(dāng)偏振器定向?yàn)榕c施加場(chǎng)成45°時(shí)，這推導(dǎo)得到II0=sin2(δ2)---(6)]]>于是可以從在該脈沖期間傳輸?shù)墓獾姆謹(jǐn)?shù)推斷所引起的雙折射率。對(duì)于所有測(cè)量，所施加的電壓的形式是脈沖持續(xù)時(shí)間為2ms、重復(fù)頻率為5Hz的偶極方形脈沖，而且在16個(gè)脈沖上對(duì)所使用的響應(yīng)軌跡求平均。重復(fù)頻率故意保持較低，因?yàn)樵诘刃ьl率下施加的連續(xù)偶極方波會(huì)導(dǎo)致N*織構(gòu)的不穩(wěn)定、雙折射率旋轉(zhuǎn)位移的發(fā)展和移動(dòng)，這改變了單元的光學(xué)響應(yīng)。然而，在5Hz脈沖重復(fù)頻率下，Grandjean織構(gòu)保持非常穩(wěn)定，且該單元可以保持好幾個(gè)小時(shí)而不出現(xiàn)響應(yīng)的形狀或尺寸的任何顯著變化。
結(jié)果和討論圖10示出了在N*-I轉(zhuǎn)變以下5℃時(shí)，7OCB+3％BDH1281樣品對(duì)±3V/μm、2ms持續(xù)時(shí)間的偶極方波的響應(yīng)。其示出了來(lái)自旋光車(chē)輪單元(chiralcartwheel cell)的特征響應(yīng)，旋光車(chē)輪單元的形狀對(duì)于所有被測(cè)試的樣品都相同，且對(duì)旋光車(chē)輪單元進(jìn)行了下述測(cè)量1)響應(yīng)的振幅；對(duì)測(cè)量的輸入功率進(jìn)行規(guī)一化并調(diào)整得到I/I0。
2)該效應(yīng)的響應(yīng)時(shí)間；上升沿處10％和90％I/I0值上升時(shí)間之間的時(shí)間間隔，以及下降沿處90-10％間隔。
如圖所示，響應(yīng)較快(～100μs)，且與場(chǎng)方向無(wú)關(guān)，盡管從當(dāng)場(chǎng)改變時(shí)傳輸出現(xiàn)下降可以看出，正如擾曲電光理論所預(yù)期的，光軸跟蹤該場(chǎng)，但是該傳輸僅取決于光軸傾斜的幅值而非光軸傾斜的方向。擾曲電光軸傾斜由方程7給出，其中φ為引起的傾角，e/K為擾曲-彈性比，P為材料的螺旋節(jié)距。
tanφ=2πPeKE---(7)]]>對(duì)于所預(yù)期的傾角范圍，正切函數(shù)近似線性，因此系統(tǒng)的傳輸將取決于對(duì)于給定的傾角，有效折射率在光的偏振平面內(nèi)如何變化，這最終決定于折射指示量的形狀。使用折射指示量橢圓體在偏振平面內(nèi)的投影的瓊斯(Jones)矩陣表示，執(zhí)行對(duì)在給定傾角下的預(yù)期傳輸?shù)某醪椒治?。依照擾曲電光理論針對(duì)橢圓體的旋轉(zhuǎn)、評(píng)估的紅外折射率以及500μm的平均節(jié)距長(zhǎng)度，計(jì)算該投影，其結(jié)果示于圖11。
圖12示出了所有三種混合物在場(chǎng)高達(dá)4V/μm時(shí)的響應(yīng)(7OCB例外，施加場(chǎng)大于3V/μm導(dǎo)致信號(hào)畸變，可能是由于電介質(zhì)耦合引起的螺旋解退，正如在ULH擾曲電光測(cè)量中所觀察到的15。根據(jù)方程7可以看出，該傳輸隨著節(jié)距長(zhǎng)度增大而增大，但是對(duì)于所有混合物在高場(chǎng)下的傳輸遠(yuǎn)大于預(yù)計(jì)值，這暗示著圖11的從理論得到的傾角遠(yuǎn)大于對(duì)ULH織構(gòu)中的相同材料測(cè)量所得到的傾角。
沒(méi)有理由認(rèn)為取向條件的改變會(huì)導(dǎo)致擾曲電耦合度的大幅增大，因此需要進(jìn)行進(jìn)一步的工作以解釋這一點(diǎn)。主要地，需要對(duì)1550nm處的折射率進(jìn)行確切的測(cè)量，使用Cano楔形單元測(cè)量確切的節(jié)距長(zhǎng)度，并且還測(cè)量密封單元的單元厚度。對(duì)于在紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)中通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)具方法進(jìn)行測(cè)量的該厚度，使用大的電極面積的單元阻止足夠的光傳輸穿過(guò)單元。然而，為了得到所引起的雙折射率的確切測(cè)量以及因此得到所暗示的傾角，必須克服這個(gè)問(wèn)題。然而，事實(shí)則仍然是在單元中引起的總延遲足夠大(＞λ/3)以為偏振控制裝置提供良好的潛力，該裝置在工作波長(zhǎng)下需要λ/2延遲以提供對(duì)所有可能的偏振狀態(tài)的訪問(wèn)。
圖13示出了傳輸穿過(guò)裝置的交叉偏振器的最大強(qiáng)度與施加場(chǎng)和偏振器的夾角的關(guān)系曲線。按照方程3和4觀察到預(yù)期的sin2(2ψ)響應(yīng)。
分別在圖14和15中示出了在I-N*轉(zhuǎn)變以下溫度，施加和去除3V/μm的場(chǎng)時(shí)，這些混合物的響應(yīng)時(shí)間。可以看出，正如所預(yù)期的，響應(yīng)時(shí)間隨節(jié)距長(zhǎng)度增大而增大，且對(duì)于所有混合物在冷卻時(shí)都出現(xiàn)輕微的增大。令人感興趣的是，在去除場(chǎng)時(shí)的弛豫時(shí)間一般快于對(duì)施加場(chǎng)的響應(yīng)，這是液晶效應(yīng)中最不尋常的，且迄今尚未能對(duì)其給出解釋。然而，一般而言該響應(yīng)時(shí)間比亞毫秒快得多，這對(duì)于用于遠(yuǎn)程通信波長(zhǎng)的快速響應(yīng)偏振控制裝置而可能發(fā)展而言是鼓舞人心的。
申請(qǐng)人已經(jīng)最后表明了，擾曲電光效應(yīng)對(duì)于取向?yàn)镚randjean織構(gòu)的短節(jié)距旋光向列材料是起作用的，并具有在遠(yuǎn)程通信波長(zhǎng)下在該材料內(nèi)引起雙折射的能力，否則在該材料中該構(gòu)象將是光學(xué)中性的。申請(qǐng)人已經(jīng)表明，這種效應(yīng)的響應(yīng)時(shí)間快(～100μs)，與傳統(tǒng)ULH基擾曲電光效應(yīng)的預(yù)期一致，但是該響應(yīng)的幅值，特別是在7OCB內(nèi)，遠(yuǎn)大于預(yù)期值(δ＞2π3)。
裝置應(yīng)用進(jìn)行這些實(shí)驗(yàn)的目的是為了證實(shí)，采用面內(nèi)場(chǎng)和Grandjean織構(gòu)，具有大擾曲電系數(shù)的旋光向列的光軸可以以一定角度偏轉(zhuǎn)到單元平面內(nèi)，光軸旋轉(zhuǎn)的大小和方向取決于場(chǎng)的大小和方向。這些是無(wú)端可旋轉(zhuǎn)波片的要求，這種波片是針對(duì)光纖通信系統(tǒng)中偏振模式色散(PMD)問(wèn)題的更有希望的解決方案之一。PMD補(bǔ)償器必須能夠考慮從長(zhǎng)通信光纖輸出的偏振的隨機(jī)波動(dòng)狀態(tài)(SOP)(其是由于光纖中由振動(dòng)和溫度變化等引起的暫時(shí)雙折射所導(dǎo)致)，并以最小的損耗將其轉(zhuǎn)換為期望的偏振狀態(tài)。通過(guò)π/2、π、和π/2延遲的一系列三個(gè)旋轉(zhuǎn)波片可以實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)11。先前通過(guò)使用簡(jiǎn)單向列5，6，12和更快的電偏轉(zhuǎn)13切換機(jī)構(gòu)，利用液晶制造這種裝置，但是為了提供最有效的解決方案，期望改善可靠的單元結(jié)構(gòu)內(nèi)的速度或者總延遲。申請(qǐng)人認(rèn)為這里所證實(shí)的Grandjean擾曲電光機(jī)構(gòu)可以提供這些改進(jìn)。為了在商業(yè)裝置中優(yōu)化該新穎的效應(yīng)，期望進(jìn)行如下三個(gè)方面的發(fā)展1.提高裝置的延遲。通過(guò)增大原材料在1550nm下的雙折射率，利用更大的施加場(chǎng)，使用具有更大傾角的材料以訪問(wèn)更大部分的可獲得的雙折射，或者簡(jiǎn)單地使用更厚的單元以提高光學(xué)路徑長(zhǎng)度，則可以實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。
2.旋轉(zhuǎn)光軸。這是車(chē)輪單元設(shè)計(jì)具有的功能，但是這些測(cè)量并不利用電極的角分布以沿任意方向施加場(chǎng)；這些電極配對(duì)，且場(chǎng)沿單一方向施加從而提供該效應(yīng)的基本證明。為了旋轉(zhuǎn)光軸并測(cè)量最大角速度，對(duì)于PMD補(bǔ)償器而言的關(guān)鍵測(cè)試，期望該單元在大的場(chǎng)中更加穩(wěn)定。在優(yōu)選實(shí)施方案中，為了防止或者減小由于有源區(qū)外部的場(chǎng)的大的不均勻性所致的流動(dòng)效應(yīng)，通過(guò)聚合物穩(wěn)定液晶的織構(gòu)。聚合物的穩(wěn)定化提高了液晶介質(zhì)的粘度，這導(dǎo)致了單元的響應(yīng)時(shí)間的略微增大，但是聚合物的穩(wěn)定化提高了Grandjean織構(gòu)的穩(wěn)定性以及對(duì)于溫度周期的可靠性。
3.優(yōu)化用于交流電壓的單元。擾曲電光效應(yīng)為直流效應(yīng)，即，光軸旋轉(zhuǎn)的方向取決于施加場(chǎng)的方向和極性。這意味著需要直流電壓以將光軸保持在設(shè)定位置。對(duì)于液晶裝置而言這是不期望的，液晶裝置通常響應(yīng)于交流電場(chǎng)的均方根，因?yàn)橹绷鲌?chǎng)導(dǎo)致雜質(zhì)在材料內(nèi)的傳導(dǎo)以及電荷積累，其會(huì)毀壞該裝置。在優(yōu)選實(shí)施方案中，該裝置因此由兩個(gè)以上車(chē)輪單元背靠背組成，這些單元將由相同的波形驅(qū)動(dòng)、相互之間異相四分之一周期，該波形的形狀為使得在兩個(gè)單元的每一個(gè)中引起的雙折射率之和是恒定的，盡管光軸在各個(gè)單元內(nèi)來(lái)回地?cái)[動(dòng)。于是所述光軸的方向可以一起或者彼此相反地旋轉(zhuǎn)，從而提供該期望的效應(yīng)。這需要一些復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)電子電路，但是對(duì)于電子電路領(lǐng)域的技術(shù)人員而言這肯定是可行的。除了提供一種裝置以利用交流場(chǎng)保持光軸靜止之外，這種布置還可以允許組件更快地工作。
裝置的聚合物穩(wěn)定化接續(xù)以上所示的結(jié)果，使用三種另外的旋光向列混合物得到另外的結(jié)果，每種混合物具有小百分比(3-6％w/w)的反應(yīng)液晶原RM257(Merck-NB-C)和光引發(fā)劑Irgacure819(1％w/w)。這使得通過(guò)曝光于紫外輻射而能在液晶織構(gòu)內(nèi)形成穩(wěn)定的聚合物網(wǎng)絡(luò)。并因此在交聯(lián)支撐之后，所述支撐的網(wǎng)絡(luò)呈紫外曝光時(shí)的液晶織構(gòu)(這種情況下為Grandjean織構(gòu))。當(dāng)這些穩(wěn)定的混合物用于上述單元中時(shí)，發(fā)現(xiàn)這些穩(wěn)定的混合物提供了足夠的堅(jiān)固度(ruggedness)以允許施加高電壓下的連續(xù)交流方波場(chǎng)，而不破壞該織構(gòu)。所使用的材料的細(xì)節(jié)以及從該方法得到的結(jié)果概述如下。
制備并測(cè)試了三種單獨(dú)的旋光向列混合物混合物4FFO11OCB+3.48％BDH1281高扭曲力旋光摻雜劑(MerckNB-C)+5.84％反應(yīng)液晶原單體RM257(Merck NB-C)；
混合物5[FFO9OFF+FFO11OFF](50/50)+2％BDH1281+3％RM257；以及混合物6[FFE9EFF+FFE11EFF+FFO9OFF+FFO11OFF](25/25/25/25)+1.78％BDH1281+4.36％RM257。
上面的所有百分比為重量對(duì)重量的比。這些混合物中使用的雙液晶原材料使用其簡(jiǎn)寫(xiě)來(lái)指代，其對(duì)應(yīng)于如下化學(xué)制品α-(2′，4-二氟聯(lián)苯-4′-氧基)-ω-(4-氰基聯(lián)苯-4′-氧基)十一烷(FFO11OCB)、α-(2′，4-二氟聯(lián)苯-4′-氧基)-ω-(2′，4-二氟聯(lián)苯-4′-氧基)壬烷(FFO9OFF)、α-(2′，4-二氟聯(lián)苯-4′-氧基)-ω-(2′，4-二氟聯(lián)苯-4′-氧基)十一烷(FFO11OFF)、α-(2′，4-二氟聯(lián)苯-4′-酯)-ω-(2′，4-二氟聯(lián)苯-4′-酯)壬烷(FFE9EFF)、以及α-(2′，4-二氟聯(lián)苯-4′-酯)-ω-(2′，4-二氟聯(lián)苯-4′-酯)十一烷(FFE11EFF)。材料的結(jié)構(gòu)示于圖16。
如前所述構(gòu)造所述單元，不同之處為單元和罩都涂敷了取向?qū)右源龠M(jìn)液晶在單元表面的平面取向，其中該罩由解理成匹配單元的100μm厚的蓋滑片組成。由于體電極防止了層的機(jī)械摩擦，線性可光聚合的光聚合物(LPP)(RolicInc)被旋轉(zhuǎn)涂敷到單元和罩，且利用偏振紫外光通過(guò)定向交聯(lián)引起取向方向。這提供了足夠質(zhì)量的取向?qū)?，而無(wú)需物理接觸單元表面。一旦取向，在固化之前通過(guò)使紫外固化膠合劑利用毛細(xì)作用浸潤(rùn)在體電極頂表面和罩之間，由此將罩固定到單元。隨后使用法布里-珀羅干涉技術(shù)測(cè)量單元間隙。隨后使用旋光向列混合物填充單元，通過(guò)紫外曝光以交聯(lián)該反應(yīng)液晶原而得到并穩(wěn)定化Grandjean織構(gòu)。
所述單元置于與前述相同的實(shí)驗(yàn)設(shè)備內(nèi)，并經(jīng)歷連續(xù)交流方波電壓。
發(fā)現(xiàn)所有混合物呈現(xiàn)頻率相關(guān)的場(chǎng)跟蹤響應(yīng)低頻時(shí)，光軸自由傾斜至其擾曲電光引起的數(shù)值，且保持該數(shù)值直至場(chǎng)的極性相反，此時(shí)光軸沿相對(duì)方向交叉切換到相同數(shù)值。這本身在光學(xué)響應(yīng)中表現(xiàn)為所觀察到的雙折射的場(chǎng)跟蹤分量，其在零場(chǎng)交差點(diǎn)下降。
在這些轉(zhuǎn)變處響應(yīng)下降的程度取決于電介質(zhì)螺旋解退產(chǎn)生“基線”雙折射的程度，“基線”雙折射在場(chǎng)轉(zhuǎn)變點(diǎn)是恒定的，如前所述。該基線體現(xiàn)于高頻(＞2kHz)軌跡，其中光軸的擾曲電光移動(dòng)太慢而無(wú)法跟蹤場(chǎng)振蕩。在這種情況下，光照僅輕微地繞螺旋軸振蕩，且所觀察到的雙折射在該交流波形上接近恒定。圖17示出了由連續(xù)方波導(dǎo)致的擾曲電光和電介質(zhì)形變對(duì)旋光向列螺旋結(jié)構(gòu)的不同影響。這還示出了兩種形變?nèi)绾螌?dǎo)致相似的雙折射，需要改變驅(qū)動(dòng)頻率以分離其效應(yīng)。沿順著(上圖)和垂直(下圖)螺旋軸的方向察看形變的效應(yīng)，從而說(shuō)明結(jié)果的雙折射的來(lái)源。注意，出于說(shuō)明目的所需，在擾曲電示例中不同電場(chǎng)方向用于兩種視圖。
在圖18至圖20中示出了三種混合物的對(duì)高頻和低頻方波的光學(xué)響應(yīng)。
并不希望受理論的約束，申請(qǐng)人認(rèn)為在零場(chǎng)交叉點(diǎn)低頻響應(yīng)沒(méi)有一直下降到高頻基線的原因可能為，所使用的放大器在高頻下無(wú)法精確地復(fù)制方形波形，導(dǎo)致了有效的均方根場(chǎng)值的下降。這種看法得到下述事實(shí)支持，即，方波可視為在示波器上畸變，且在來(lái)自第三混合物的響應(yīng)中，低頻響應(yīng)中的特征下降一直到達(dá)零雙折射率。這也證實(shí)了，在這種非常低的Δε材料(Δε≈0.9)中，電介質(zhì)耦合不顯著，且螺旋解退響應(yīng)被消除。
實(shí)際上，就低頻下電介質(zhì)基線雙折射率的減小以及擾曲電光調(diào)制的增大而言，所研究的三種混合物表現(xiàn)了良好的遞進(jìn)，在[FFE9EFF+FFE11EFF+FFO9OFF+FFO11OFF](25/25/25/25)+1.78％BDH1281+4.36％RM257的全擾曲電光響應(yīng)中達(dá)到極點(diǎn)。在該單元中觀察到的為0.0135的僅基于雙折射的最大擾曲電光，足以在29μm厚的單元中提供半波片調(diào)制。盡管對(duì)于傳統(tǒng)液晶單元厚度標(biāo)準(zhǔn)而言，該厚度是大的，但是填充該單元并提供面內(nèi)場(chǎng)的體電極意味著，增大光學(xué)路徑長(zhǎng)度并不一定要增大電極間隔，因此在涂敷ITO的玻璃平面單元中增大單元間隙導(dǎo)致響應(yīng)時(shí)間大幅增大的通常問(wèn)題并不存在。還認(rèn)為，使用異硫氰酸酯基添加劑，在紅外范圍中制作具有增大的雙折射率的混合物，使得更薄的單元可獲得期望的相位偏移，這是具有相當(dāng)?shù)臐摿Φ?。?dāng)面內(nèi)場(chǎng)單元內(nèi)最大的施加場(chǎng)為6.8V/μm時(shí)，由于放大器極限(即，在10kHz時(shí)340V)以及50μm的電極孔徑，擾曲電光傾角并不是使用這些雙液晶原可獲得的最大值，因此這是用于增大的Δn的另一個(gè)潛在途徑。
在ULH織構(gòu)的單元中在6.8V/μm下測(cè)量各種材料的擾曲電光傾角。如果繪制在ULH中所引起的雙折射的場(chǎng)跟蹤(擾曲電光)分量與的擾曲電光傾角之間的曲線(圖21)，其中該分量正是各個(gè)圖18至圖20中“a”軌跡中的調(diào)制幅值，則發(fā)現(xiàn)了一個(gè)良好的相關(guān)性，這支持了相同的擾曲電光形變導(dǎo)致這部分效應(yīng)的結(jié)論。該圖中示出的趨勢(shì)可以看出，在傾角約為8度左右趨于為零雙折射率。這可以被當(dāng)作是可觀察效應(yīng)的“閾值”傾角。圖21中的結(jié)果說(shuō)明了呈ULH織構(gòu)的更大傾角的材料實(shí)際上在Grandjean裝置中呈現(xiàn)大的擾曲電引起雙折射率。
此外，如果在相同溫度和場(chǎng)強(qiáng)下對(duì)各種單元配置的4V/μm切換響應(yīng)時(shí)間進(jìn)行比較，則會(huì)再次觀察到良好的相關(guān)性，如表I所示。從表中可以注意到，測(cè)量到的所有響應(yīng)時(shí)間在Tc-10時(shí)都是亞毫秒，明顯快于典型向列裝置中指向矢重定向的通常約為10ms的典型響應(yīng)。這表明有希望按預(yù)定得到更快速工作的有源波片作為最終應(yīng)用。
表I

還要注意，該切換中存在顯著程度的電介質(zhì)耦合，例如在混合物1中，并不負(fù)面影響響應(yīng)時(shí)間，這從表I可以看出。
表I示出了在Grandjean織構(gòu)的面內(nèi)場(chǎng)單元以及ULH織構(gòu)的擾曲電光單元內(nèi)觀察到的平均的10-90％和90-10％響應(yīng)時(shí)間。所有時(shí)間是在Tc-10°下測(cè)量的，對(duì)于Grandjean情形是從0V到4V/μm并返回的切換，對(duì)于ULH情形是從-4至+4V/μm并返回的切換。
總而言之，針對(duì)在遠(yuǎn)程通信波長(zhǎng)即1550nm下的擾曲電光效應(yīng)，制作并測(cè)試了一系列雙液晶原、短節(jié)距、旋光向列混合物。在設(shè)計(jì)為允許施加面內(nèi)電場(chǎng)的單元內(nèi)，材料取向?yàn)镚randjean織構(gòu)。發(fā)現(xiàn)了觀察到的響應(yīng)為擾曲電光和電介質(zhì)耦合效應(yīng)的組合。通過(guò)對(duì)施加場(chǎng)的頻率的不同關(guān)聯(lián)性，可以辨別這些效應(yīng)的相對(duì)貢獻(xiàn)。所使用的混合物(設(shè)計(jì)為在傳統(tǒng)均勻伏臥螺旋織構(gòu)中具有非常大擾曲電光性能的)允許促進(jìn)該效應(yīng)超過(guò)電介質(zhì)貢獻(xiàn)。可以單獨(dú)歸功于擾曲電耦合的最大的場(chǎng)引起雙折射率為0.0135，且所有混合物呈現(xiàn)小于1毫秒的響應(yīng)時(shí)間。這些測(cè)量都顯示了成為提供更快的有源波片裝置的機(jī)構(gòu)的良好潛力。
應(yīng)該理解，為了清楚而在單獨(dú)的實(shí)施方案的上下文中描述的本發(fā)明的特定特征也可以組合提供于單個(gè)實(shí)施方案中。相反，為了簡(jiǎn)化而在單個(gè)實(shí)施方案的上下文中描述的本發(fā)明的各種特征也可以單獨(dú)或者以任何合適的組合提供。
應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，在不背離權(quán)利要求所界定的本發(fā)明的范圍的情況下，可以對(duì)上述部分的構(gòu)造和布置進(jìn)行各種變更、調(diào)整、與/或添加。
參考文獻(xiàn)1.Yamazaki H.，Yamaguchi M.，Optics Letters，16，18，p.1415，1991.
2.Crossland W.A.，et al，IEEE Journal of Lightwave Technology，18，12，p.1845，2000.
3.Parker M.C，Cohen A.D.，Mears R.J.，IEEE Journal of LightwaveTechnology，16，7，p.1259，1998.
4.Rutnbaugh S.H.，et al，IEEE Journal of Lightwave Technology，8，3，p.459，1990.
5.Ohtera Y.，et al，IEEE Photonics Technology Letters，8，3，p.390，1996.
6.Chiba T.，et al，IEEE Journal of Lightwave Technology，17，5，p.885，1999.
7.Meyer R.B.，Phys.Rev.Lett.，22，18，p.918，1969.
8.Patel，J.S.，Meyer，R.B.，Phys Rev Lett，58，15，p.1538，1987.
9.Patel，J.S.，Lee，S-D.，J. Appl.Phys，66，4，p.1879，1989.
10.Coles H.，″The Handbook of Liquid Crystals″，VoI 2A，Chap 4，Wiley-VCH，1998.
11.Dupont L.，et al，Optics Communications，176，p.113，2000.
12.Acharya B.，et al，App.Phys.Lett.，81，27，p5243，2002.
13.Dupont L.，et al，Optics Communications，209，p.101，2002.
14.Musgrave，B.，PhD Thesis，University of Southampton，1999.
15.Coles HJ.，Musgrave B.，J. Mater.Chem，11，p2709，2001.
16.GB 2356629.
17.WO 2004/02107權(quán)利要求
1.一種用于控制透射光的偏振狀態(tài)的裝置，所述裝置包括封閉旋光液晶材料層的第一和第二單元壁，所述液晶材料層在沒(méi)有施加場(chǎng)的情況下具有與光傳播穿過(guò)所述裝置的方向近似平行的螺旋軸；以及用于施加與所述螺旋軸近似垂直的橫向電場(chǎng)的電極。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述液晶材料具有小于約1μm的螺旋節(jié)距。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其中所述螺旋節(jié)距處于200nm至800nm的范圍內(nèi)。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求中任意一項(xiàng)所述的裝置，其中所述電極包括布置于所述液晶材料層的區(qū)域周?chē)闹辽偎膫€(gè)電極，各個(gè)電極可選擇性地尋址以施加橫跨所述區(qū)域的橫向電場(chǎng)，由此可以沿與所述單元壁的內(nèi)表面近似平行的多個(gè)可選擇方向中的任一方向施加所述電場(chǎng)。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求中任意一項(xiàng)所述的裝置，其中還包括光輸入源，所述光輸入源布置成將光沿與包含在內(nèi)的所述材料的該螺旋軸近似平行的方向引導(dǎo)至所述裝置的外表面的至少一部分上。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的裝置，其中所述光源布置成將光沿與所述單元壁的內(nèi)表面近似垂直的方向引導(dǎo)至所述第一單元壁上。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的裝置，其中所述光源布置成將光沿與所述單元壁的內(nèi)表面近似平行的方向引導(dǎo)至所述單元壁的邊緣之間的間隙上。
8.根據(jù)權(quán)利要求5至7中任意一項(xiàng)所述的裝置，其中所述光源包括耦合到光發(fā)射體的光纖。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的裝置，其中所述光發(fā)射體將發(fā)射波長(zhǎng)范圍為200nm至2000nm的光。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的裝置，其中所述光發(fā)射體將發(fā)射波長(zhǎng)范圍為1400nm至1600nm的光。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的裝置，其中所述光發(fā)射體將發(fā)射遠(yuǎn)程通信波長(zhǎng)范圍為約1530nm至1563nm的光。
12.根據(jù)權(quán)利要求5至7中任意一項(xiàng)所述的裝置，其中所述光源包括微波發(fā)射體。
13.根據(jù)權(quán)利要求5至12中任意一項(xiàng)所述的裝置，其中所述液晶材料具有顯著短于來(lái)自所述光輸入源的光的波長(zhǎng)的螺旋節(jié)距。
14.根據(jù)前述權(quán)利要求中任意一項(xiàng)所述的裝置，其中還包括所述液晶材料內(nèi)的聚合物網(wǎng)絡(luò)，用于穩(wěn)定所述液晶材料的織構(gòu)。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的裝置，其中所述聚合物網(wǎng)絡(luò)包括聚合物和3％至6％重量的所述液晶層。
16.根據(jù)權(quán)利要求14或15所述的裝置，其中所述聚合物網(wǎng)絡(luò)包括聚合的液晶原材料。
17.根據(jù)權(quán)利要求14至16中任意一項(xiàng)所述的裝置，其中所述聚合物被交聯(lián)。
18.一種用于控制透射光的偏振狀態(tài)的組件，其中包括至少兩個(gè)布置于彼此頂部上如權(quán)利要求1所述的裝置，同時(shí)所有單元壁相互近似平行，使得傳播穿過(guò)所述第一裝置的光將隨后傳播穿過(guò)第二裝置。
19.一種驅(qū)動(dòng)權(quán)利要求18所述組件的方法，包括對(duì)所述裝置的電極施加基本相同的波形，所述波形相互之間異相四分之一周期，且所述波形的形狀為使得在各個(gè)裝置中引起的雙折射率之和基本恒定。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中所述至少兩個(gè)裝置內(nèi)的光軸一起旋轉(zhuǎn)或者彼此相反地旋轉(zhuǎn)。
21.一種用于控制透射光的偏振狀態(tài)的裝置，所述裝置包括封閉旋光液晶材料層的第一和第二單元壁，所述液晶材料層在沒(méi)有施加場(chǎng)的情況下具有基本一致取向的螺旋軸；以及用于施加與所述螺旋軸近似垂直的橫向電場(chǎng)的電極。
22.一種光路由器，包括a)單元，包括封閉液晶材料層的第一和第二單元壁，所述液晶材料層在無(wú)施加場(chǎng)的情形下具有與所述單元壁的內(nèi)表面近似垂直的螺旋軸；以及布置在所述液晶層的光輸入?yún)^(qū)域周?chē)亩鄠€(gè)電極，各個(gè)電極可選擇性地尋址以施加橫跨所述光輸入?yún)^(qū)域的橫向電場(chǎng)，由此可以沿與所述單元壁的內(nèi)表面近似平行的多個(gè)可選擇方向中的任一方向施加所述電場(chǎng)；b)光源，布置成引導(dǎo)光經(jīng)由所述第一單元壁穿過(guò)所述光輸入?yún)^(qū)域；以及c)多個(gè)光輸出載體，各光輸出載體布置并適于在所述光為指定的偏振狀態(tài)和/或方向時(shí)經(jīng)由所述第二單元壁接收來(lái)自所述光輸入?yún)^(qū)域的光，所述指定狀態(tài)和/或方向針對(duì)各個(gè)光輸出載體而言是不同的。
23.一種光路由器，包括a)單元，包括封閉液晶材料層的第一和第二單元壁，所述液晶材料層在無(wú)施加場(chǎng)的情形下具有與所述單元壁的內(nèi)表面近似平行且與穿過(guò)所述單元的光的傳播方向平行的螺旋軸；以及布置在所述液晶層的光輸入?yún)^(qū)域周?chē)亩鄠€(gè)電極，各個(gè)電極可選擇性地尋址以施加橫跨所述光輸入?yún)^(qū)域的橫向電場(chǎng)，由此可以沿與所述螺旋軸近似垂直的多個(gè)可選擇方向中的任一方向施加所述電場(chǎng)；b)光源，布置成引導(dǎo)光穿過(guò)所述單元壁的側(cè)面之間的間隙內(nèi)的所述光輸入?yún)^(qū)域；以及c)多個(gè)光輸出載體，各光輸出載體布置并適于在所述光為指定的偏振狀態(tài)和/或方向時(shí)經(jīng)由所述單元間隙接收來(lái)自所述光輸入?yún)^(qū)域的光，所述指定狀態(tài)和/或方向針對(duì)各個(gè)光輸出載體而言是不同的。
24.根據(jù)權(quán)利要求22或23所述的光路由器，其中所述液晶材料為旋光向列材料，所述旋光向列材料具有正或負(fù)介電各向異性、并具有顯著短于來(lái)自所述光輸入源的光的波長(zhǎng)的螺旋節(jié)距。
25.根據(jù)權(quán)利要求24所述的光路由器，其中所述螺旋節(jié)距為來(lái)自所述光輸入源的光的波長(zhǎng)的10％至50％。
26.根據(jù)權(quán)利要求22至25中的任意一項(xiàng)所述的光路由器，其中來(lái)自所述光輸入源的光具有在范圍在約1530nm至1563nm內(nèi)的遠(yuǎn)程通信波長(zhǎng)。
27.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任意一項(xiàng)所述的裝置或光路由器，其中所述液晶材料為或者包含正介電各向異性的雙液晶原旋光向列材料。
28.根據(jù)權(quán)利要求27所述的裝置或光路由器，其中所述雙液晶原為α-(2′，4-二氟聯(lián)苯-4′-氧基)-ω-(4-氰基聯(lián)苯-4′-氧基)壬烷(圖6)。
29.一種用于控制透射光的偏振狀態(tài)的裝置，所述裝置包括封閉液晶材料層的第一和第二單元壁，所述液晶材料層在沒(méi)有施加場(chǎng)的情況下具有基本一致取向的螺旋軸；以及用于施加與所述螺旋軸近似垂直的電場(chǎng)的電極。
30.一種控制或調(diào)整傳播穿過(guò)正介電各向異性的旋光向列液晶的光的偏振狀態(tài)的方法，所述液晶具有螺旋軸且?jiàn)A置于基本平面的半透明單元壁之間，該方法包括施加與所述螺旋軸近似垂直的電場(chǎng)，從而通過(guò)所述液晶材料的分子與所施加場(chǎng)的擾曲電耦合而使所述液晶的螺旋結(jié)構(gòu)畸變，由此改變所述液晶的體雙折射率。
31.根據(jù)權(quán)利要求30所述的方法，其中所述光具有近紅外、微波、或可見(jiàn)范圍的波長(zhǎng)，且其中所述螺旋結(jié)構(gòu)的節(jié)距顯著小于所述波長(zhǎng)，使得該液晶的體雙折射率在無(wú)施加場(chǎng)時(shí)近似為零。
32.根據(jù)權(quán)利要求30或31所述的方法，其中所述螺旋軸近似垂直于所述單元壁的平面。
33.一種基本上如此處參照附圖所描述的偏振狀態(tài)控制裝置。
34.一種顯示裝置，包括交叉偏振器之間的基本上如此處所述地工作的像素機(jī)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)來(lái)自所概述的所述偏振控制機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度控制。
全文摘要
一種用于控制透射光的偏振狀態(tài)的裝置，包括封閉旋光液晶材料層的第一和第二單元壁。該材料在沒(méi)有施加場(chǎng)的情況下具有一致取向的螺旋軸，而且電極用于施加近似垂直于該螺旋軸的電場(chǎng)。施加的電場(chǎng)擾曲電耦合至分子，導(dǎo)致螺旋結(jié)構(gòu)畸變并因此改變所述單元的體雙折射率。
文檔編號(hào)G02F1/139GK101023391SQ200580029632
公開(kāi)日2007年8月22日 申請(qǐng)日期2005年7月4日 優(yōu)先權(quán)日2004年7月2日
發(fā)明者哈里·J.·科爾斯, 馬庫(kù)斯·J.·科爾斯, 本杰明·J.·布勞頓, 斯蒂芬·M.·莫里斯 申請(qǐng)人:劍橋?qū)崢I(yè)有限公司