JP4986582B2 - 液晶光変調素子、液晶光変調装置、および液晶光変調素子の駆動方法 - Google Patents

Description

本発明は、液晶光変調素子、この液晶光変調素子を備えた液晶光変調装置、さらに、液晶光変調装置を構成する液晶光変調素子の駆動方法に関するものである。

光通信において光時分割多重（ＯＴＤＭ：Optical Time Division Multiplexing）方式で、低速の光クロック信号を逓倍するのに、光クロックマルチプレクサ（Optical Clock Multiplexer）が用いられる。例えば１０ＧＨｚの光搬送波パルスが２系統に分けられ、それぞれの系統の光搬送波パルスが例えば１０Ｇビット／秒のデータ信号により変調を受ける。これら両被変調搬送波パルス波の一方は、例えば他方の変調搬送波パルス波に比して半周期（π）の位相差が与えられた後、被変調搬送波パルスは合成される。このインターリーブ処理により、例えば１０ＧＨｚの光信号は、２０Ｇビット／秒の光信号として送出される。

また、近年では、光時分割多重に用いられる光クロック（搬送波）も１６０Ｇビット／秒を超えるところまで検討されるようになっている。この超高速光時分割多重用高速クロック合成に用いる光クロックマルチプレクサの構成要素には合成後のクロック信号強度の平滑化、およびクロックマルチプレクサ本体や外部接続機器の温度変化に伴う微小な位相ずれを補正することでのクロックの等間隔化が非常に重要になるために光変調装置を用いて光クロックの波高値と位相補正が必要となる。

図３６は、光時分割多重用の光クロックマルチプレクサを実現する構成例を説明するための図である。図３６に示す構成例では、光クロックマルチプレクサ１００は、入光ポート１０２と出力ポート１０３を備える。入力ポート１０２から入力して光信号は、光結合分離器１０４によって分離される。分離した一方の光信号は光変調装置１０１によって変調され、他方の光信号は遅延量が固定された固定遅延器１０６に通され、両光信号は光結合分離器１０５によって結合される。光結合分離器１０５で結合された光信号は出力ポート１０３から出力される。ここで、光変調装置１０１では、光信号の強度と位相量を調整することで、光時分割多重に用いられる光クロックの逓倍が行われる。

図３７は、液晶素子を用いた波長分割多重（Wavelength Division Multiplexing）に用いられる光変調器の一例を示している。この光変調器として、例えば特許文献１が知られている。この光変調装置はR-OADM（Reconfigurable Add/Drop Multiplexer）に適用される。なお、図３７は反射型の構成例を示し、図３７（ａ）はｚ−ｙ平面を示し、図３７（ｂ）はｘ−ｚ平面を示している。

光変調装置２００は、複数波長を含む入力信号ビームの入力、および出力信号ビームを出力する入出力ポート２０１との間の光路上に、分光器２０２（ここでは回折格子）とＯＰＭＣ（optical phased matrix coupling）２０３を、平行光を形成するシリンドリカルレンズ２１１，２１２，２１３が介して配置されている。
米国特許公開２００６／００６７６１１Ａ１ 特開平６−５１３４０号（段落００１０、００１７，００１８）

光時分割多重方式および波長分割多重と光時分割多重方式のハイブリッド伝送方式では光ファイバの利用可能な広いバンド幅を最大限活用するために、近年では１６０Ｇビット／秒というような高速光パルスクロックを用いる必要があるため、光信号について強度変調とともに位相変調を行うことが求められる。

前記した特許文献１に示す光変調装置では、主に強度変調について説明されている。特許文献１の段落００９５には、ＬＣＯＳ（liquid crystal on silicon）によって、位相のみの調整を行うこと、あるいは位相と光強度の調整を行うことが記載されているが、強度変調を行うのみ構成が開示されているため、位相変調については別途位相変調を行う液晶装置を設けるものと想定される。

光変調装置において、光信号の強度変調と位相変調とは、従来それぞれ個別の調整装置によって行われる。

例えば、特許文献２には、光アドレス型空間変調器において、液晶を用いた位相変調素子と、その位相変調素子を偏光子と組み合わせることで液晶を用いた強度変調素子を構成する例が個別に示されている。図３８は、特許文献２に示される光変調装置の構成例を模式的に表す図であり、光アドレス型空間変調器の構成例を説明するための模式図である。

図３８において、光アドレス型空間変調器３００は、光アドレス可能な位相変調素子で構成される光変調器（ＳＬＭ）３０１と、印加電圧により、有効面全体の位相を補償する位相変調素子で構成される補償器３０２とを読み出し光の光路上に配置する。光変調器（ＳＬＭ）３０１は、アドレス光によって読み出し光の位相パターンを調整し、補償器３０２は読み出し光の全体位相を調整する。位相変調された光は、偏光子２０３を通してアドレス光の書き込みパターンに応じた強度変調光として出力される。ここで、光変調器（ＳＬＭ）３０１と補償器３０２とはそれぞれ個別の装置で液晶の配向方向が一致するように構成し、これら装置を光路上に配置する。

このように、光変調装置において、光信号の強度変調を行う場合、アドレス光による光パターンを書き込む位相素子と全体の位相変調を行う素子について、それぞれ独立した変調素子を用意し、これら変調素子を光路上に順に配置し、その後偏光子により位相変調量を強度変調に変換する構成としている。

このように、位相変調素子を用いて強度変調の変換を行うことができるため、位相変調を行う位相変調素子と、その素子と同じ構造の位相変調素子に偏光子を組み合わせた強度変調素子をそれぞれ用意し、これらを光路上に順に配置する構成が考えられる。この場合、それぞれの機能（強度変調および位相変調）を実現する素子を個別に用意する必要があるという問題がある。このように、強度変調の機能を実現するための強度変調素子と位相変調の機能を実現するための位相変調素子とをそれぞれ設け、これらの素子を光路上に配列する構成では、素子数が増加するという問題の他に、各素子を光路に接続することによる信号強度の減衰や、強度変調動作時に生ずる複雑な位相ずれ等が発生する機会が増加するという問題がある。

したがって、光信号の強度変調と位相変調とが同時に求められる光変調装置では、これら両調整機能を独立に制御できる一つの素子で実現することが望ましい。

そこで、本発明は、上記した課題を解決し、液晶光変調素子、液晶光変調装置、および液晶光変調素子の駆動方法において、光信号の強度変調と位相変調の両調整機能を一つの素子で実現することを目的とする。

本発明は、光信号を調整する液晶光変調素子において、一つの素子内おいて少なくとも領域を二つに区分し、一方の領域で強度変調を行うとともに、他方の領域で位相変調を行う構成とするものである。この構成によれば、強度変調を行う領域と位相変調を行う領域は、一つの液晶光変調素子の領域を区分することで形成することができるため、光信号の強度変調と位相変調の両調整機能を個別に一つの素子で実現することができる。

また、本発明は、上記した電圧印加の第１の態様の他に、第２の電圧印加の態様とすることができる。電圧印加の第２の態様では、光信号を調整する液晶光変調素子において、一つの素子の液晶層内に勾配電位に加えてバイアス電位を形成し、勾配電位によって出射側の結合係数を変調することにより強度変調を行い、バイアス電位によって位相変調を行う構成とするものである。この構成によれば、強度変調を行う領域と位相変調は、一つの液晶光変調素子の液晶層内の電圧分布を調整することによって行うことができるため、光信号の強度変調と位相変調の両調整機能を一つの素子で実現することができる。

本発明によれば、上述した第１、第２のいずれの電圧印加の態様によっても、光信号の強度変調と位相変調の両調整機能を一つの素子で実現することができる。

本発明は、液晶光変調素子の形態、この液晶光変調素子を含む液晶光変調装置の形態、および、液晶光変調素子を駆動する駆動方法の形態等の複数の形態とすることができる。また、各形態において、上記した二つの領域に対する電圧印加の第１の態様、およびバイアス電位を付加する電圧印加の第２の態様のいずれの態様も適用することができる。

本発明の液晶光変調素子は、複数の個別電極を有する第１の基板と、共通電極を有する第２の基板と、第１の基板と第２の基板との間に挟持した液晶層とを備える。

この液晶光変調素子は、出射光を入射光側に戻す反射型の液晶光変調素子の構成、および、出射方向を変えずに出射させる透過型の液晶光変調素子の構成とすることができる。

反射型液晶光変調素子は、第１の基板を透明基板とし、第２の基板を不透明基板とし、第２の不透明基板を反射面として、第１の基板から入射した光を第２の基板で反射させることで液晶層を往復させて第１の基板から出射させ、入射光が液晶層を往復する間に強度変調および位相変調を行う。

反射型液晶光変調素子の別の態様は、第１の基板を不透明基板とし、第２の基板を透明基板とし、第１の基板を反射面として、第２の基板から入射した光を第１の基板で反射させることで液晶層を往復させて第２の基板から出射させ、入射光が液晶層を往復する間に強度変調および位相変調を行う。

また、透過型液晶光変調素子は、第１の基板を透明基板とし、第２の基板を透明基板とし、第１の基板から入射した光を液晶層を透過させた後、第２の基板から出射させて、入射光が液晶層を透過する間に強度変調および位相変調を行う。

本発明の液晶光変調素子は、この第１の基板上に形成された各個別電極に所定電圧を印加することによって液晶層の屈折率を変調させることで光変調を行う。ここで、第１の基板上に形成された電極を少なくとも二つの領域に区分し、各領域に対する電圧の印加態様を異ならせ、第１の領域において光を強度変調し、第２の領域において光を位相変調することによって、一つの素子で強度変調と位相変調を行う。

第１の領域に勾配電圧を印加し、この勾配電圧の印加によって第１の領域の液晶層内の実効的位相差に勾配を形成する。第１の領域の液晶層内において、実効的位相差に勾配が形成されると、出射光の位相が領域内でずれが生じ、光信号がこの液晶層内を移動する時間に差が生じる。そのため、液晶光変調素子の入射光面に平行に入射した波面は、出射光面から出射される際に、波面が進む方向が変わり、出射光の進行方向が変更される。出射光の進行方向の変更によって、出射側に設けた光結合系への結合係数が小さくなるため入射光の光強度に対して出射光の光強度が減衰され、これによって、光信号の強度変調が行われる。

一方、第２の領域全体に所定の一定電圧を印加し、この一定電圧の印加によって領域の液晶層内に均一の実効的位相差を形成する。出射光の位相変調を行う液晶層内に形成される実効的位相差は、液晶層を通過する光の移動時間、または位相を制御するため、出射面から出射される光遅延量を変化させる。これによって、出射光の位相変調が行われる。

なお、この液晶層内の実効的位相差の最大位相差Φmaxは、光変調を行う光の使用最大波長λmaxにおいてΦmax≧２πの関係を持たせる。この関係によって、光が液晶層内を通過する間に少なくとも１波長分の位相変調が可能となる。また、勾配電位による強度変調では、１波長を超える位相差については周期性があるため、１波長毎にリセットすることで複数波長に相当する位相についても調整することができる。

なお、このΦmax≧２πの関係は、光が液晶層を透過する場合であり、液晶素子を反射型構成として同じ液晶層を往復する場合には、Φmax≧πとすることができる。

また、上記Φmax≧２πの関係は、Φ＝２πΔｎ・ｄ／λの関係から、液晶層の最大厚さｄmaxについては、ｄmax＞λmax／Δｎmaxで表される。なお、Δｎは液晶の実効複屈折率、Δｎmaxは液晶の実効最大複屈折率であり、λは波長であり、λmaxは使用する最大波長である。したがって、液晶装置を構成する液晶の実効最大複屈折率Δｎmaxと使用する光の最大波長λmaxによって、液晶層の厚さｄを定めることができる。

第２の電圧印加の態様において、本発明の液晶光変調素子は、複数の個別電極を有する第１の基板と、共通電極を有する第２の基板と、第１の基板と第２の基板との間に挟持した液晶層とを備える構成とし、第１の基板上に形成された各個別電極に所定電圧を印加することによって液晶層の屈折率を変調させることで光変調を行うものであり、液晶の実効最大複屈折率をΔｎmaxとし、使用最大波長をλmaxとし、ｍを整数としたとき、液晶層の厚さｄは、ｍλmax／Δｎmax＜ｄとする。

ここで、強度変調は、第１の基板上に形成された電極に、勾配電圧に一定電圧のバイアス電圧を付加した電圧を印加し、勾配電圧の印加によって液晶層内の実効的位相差に勾配を形成し、この実効的位相差の勾配によって出射光面から出射される出射光の位相を領域内でずらすことで、出射光の波面制御を行い進行方向を調整して、出射側に設けた光結合系の結合係数を調整することで行う。

一方、位相変調は、所定の一定電圧のバイアス電圧を印加することによって液晶層内に一定の実効的位相差を形成し、この一定の実効的位相差によって出射光面から出射される出射光の位相を領域内で均一に調整することで行うことによって、出射光を位相変調する。これによって、一つの素子で強度変調と位相変調を行う。

この第２の態様の液晶光変調素子は、出射光を入射光側に戻す反射型の液晶光変調素子の構成、出射方向を変えずに出射させる透過型の液晶光変調素子の構成とすることができる。

反射型液晶光変調素子は、第１の基板を透明基板とし、第２の基板を不透明基板とし、第２の基板を反射面として、第１の基板から入射した光を第２の基板で反射させることで液晶層を往復させて第１の基板から出射させ、入射光が液晶層を往復する間に強度変調および位相変調を行う。この反射型液晶光変調素子では、一つの液晶層を往復するため、液晶層の厚さｄは、ｍを１として、λmax／Δｎmax＜ｄとする。

反射型液晶光変調素子の別の態様では、第１の基板を不透明基板とし、第２の基板を透明基板とし、前記ｍを１とし、第１の基板を反射面として、第２の基板から入射した光を第１の基板で反射させることで液晶層を往復させて第２の基板から出射させ、入射光が液晶層を往復する間に強度変調および位相変調を行う。

また、透過型液晶光変調素子は、第１の基板を透明基板とし、第２の基板を透明基板とし、第１の基板から入射した光を液晶層を透過させた後、第２の基板から出射させて、入射光が液晶層を透過する間に強度変調および位相変調を行う。この透過型液晶光変調素子では、一つの液晶層の通過は一度だけであるため、液晶層の厚さｄは、ｍを２として、２λmax／Δｎmax＜ｄとする。

液晶光変調素子は液晶を駆動する個別電極を備え、この複数の個別電極を、領域の配列方向に配列する一次元配列、又は領域の第１の配列方向と第１の配列方向と直交する第２の配列方向に配列する二次元配列とすることができる。

さらに、本発明の液晶光変調装置は、上述した本発明の液晶光変調素子を備えるとともに、入射光を入射するための入射ポートと、出射光を出射するための出射ポートと、入射ポートからの入射光を平行光として液晶光変調素子に入射する第１のコリメータ素子と、液晶光変調素子からの光を結合して平行光として出射ポートに出射する第２のコリメータ素子とを備える。

ここで、第１のコリメータ素子と第２のコリメータ素子の少なくとも何れか一つは、光ファイバに置き換えて構成することができる。

また、第１のコリメータ素子と液晶光変調素子との間に、一方の偏光の偏光方向を９０°変換させる第１の偏光変換素子を備える他に、液晶光変調素子と第２のコリメータ素子との間に、変換した偏光の偏光方向に戻す第２の偏光変換素子を備えることができる。

また、入射ポートと第１のコリメータ素子との間に、一方の偏光の偏光方向を９０°変換させる第１の偏光変換素子を備え、第２のコリメータ素子と出射ポートの間に、変換した偏光の偏光方向に戻す第２の偏光変換素子を備えることができる。

また、出射側の第２のコリメータ素子は複数備えることができ、液晶光変調素子において波面制御で進行方向が変えられた光を振り分けることができる。

第１のコリメータ素子と第２のコリメータ素子はコア拡大ファイバとする他、光ファイバに直接融着されたガラスレンズとすることができる。また、第２のコリメータ素子に代えて複数の光ファイバを用いることができる。

液晶光変調素子は、第１または第２の基板の少なくとも一部を、金属または樹脂により熱電変換素子に接着固定し、同一電圧プロファイル印加した際に、環境温度の変化による液晶層の波長換算した位相揺らぎが使用最大波長のλ／１０以下となるように制御する。

また、液晶光変調素子の前後の光路上に分光器を備える構成としてもよく、この分光器により分光された波長毎に光変調を行うことができる。

さらに、液晶光変調素子は、複数の個別電極を、領域の第１の配列方向と第１の配列方向と直交する第２の配列方向に配列する二次元配列とし、第２の配列方向に、分光器により分光された波長を入射することができる。この二次元配列によって、波長毎に強度変調および位相変調を行うことができる。

さらに、本発明の液晶光変調素子の駆動方法の態様では、複数の個別電極は、複数の群にまとめられ、各群内における各複数の個別電極を共通の集電極で接続するとともに、その集電極の両端に一対の信号電極を接続し、この第１の領域に対応する群において、一対の信号電極にそれぞれ異なる電圧の駆動波形を印加することによって第１の領域に勾配電圧を形成し、また、第２の領域に対応する群において、一対の信号電極に、同一電圧の駆動波形を印加することによって第２の領域に所定の一定電圧を印加する。

また、上記した駆動方法の第１の形態の他に、第２の形態で駆動することができる。この第２の形態では、複数の個別電極は、複数の群にまとめられ、各群内における各複数の個別電極を共通の集電極で接続するとともに、その集電極の両端に一対の信号電極を接続し、一対の信号電極に、それぞれ異なる電圧の駆動波形に一定電圧のバイアス電圧を付加することによって、一定電位に勾配電電位を形成する。

本発明の液晶光変調素子、液晶光変調装置、液晶光変調素子の駆動方法において、光信号の強度変調と位相変調の両調整機能を一つの素子で実現することができる。

以下、本発明の液晶光変調素子、液晶光変調装置について図を用いて詳細に説明する。

図１は、本発明の透過型の液晶光変調素子の概略構成、および機能を説明するための図である。図１（ａ）は液晶光変調素子の概略構成を示し、図１（ｂ）、（ｃ）は液晶光変調素子が備える位相変調と強度変調の機能を示している。

図１（ａ）において、液晶光変調素子１は、第１の電極１ｂと第２の電極１ｃとの間に液晶層１ａを挟む概略構成であり、入力ポート２から入力した光信号の位相を調整する機能、および光信号の強度を調整する機能を有し、位相変調又は強度変調、あるいは位相変調と強度変調の両調整をほどこした光変調信号を出力ポート３（３ａ〜３ｃ）から出力する。なお、強度変調は、入力した光信号の強度を減衰することで強度を調整するものであって、光アッテネータ（ＡＴＴ）を構成するものである。また、位相変調は、入力した光信号の位相を遅延させることで位相を調整するものであって、フェイズシフターを構成するものである。

図１（ｂ）は、位相変調の機能を説明するための図であり、液晶光変調素子１は、入力ポート２から入力した光信号の位相を遅延させることで位相変調を行って、出力ポート３から出力する。

また、図１（ｃ）は、強度変調の機能を説明するための図であり、液晶光変調素子１は、入力ポート２から入力した光信号を偏向させて進行方向を変えて、出力ポート３に結合する光信号の光量を減衰させることで強度変調を行う。なお、液晶光変調素子１によって進行方向を変えた光信号は、廃棄する他、他の出力ポート３に向けて出力させてもよい。液晶光変調素子１によって、入力ポート２から入力した光信号を出力ポート３に出力する際の入出力関係を変えるスイッチング素子、あるいは信号切り替え素子としても使用することができる。

本発明の液晶光変調素子１は、第１の電極１ｂに印加する電圧を調整し、液晶層１ａに一定の電位を形成することで位相変調を行い、液晶層１ａに勾配電位を形成して波面方向を変え、出射側の光結合係数を調整することで強度変調を行う。

本発明の液晶光変調素子１は、第１の電極１ｂに所定の電圧プロファイルを印加するため複数の個別電極を形成し第２の電極１ｃを共通電極とする構成で説明したが、逆に第１の電極１ｂを共通電極とし、第２の電極１ｃを所定の電圧プロファイルを印加するための、複数の個別電極としても良い。

本発明の反射型の液晶光変調素子１の構成について図２を用いて説明する。

図２は、本発明の反射型の液晶光変調素子の概略構成、および機能を説明するための図である。図２（ａ）は液晶光変調素子の概略構成を示し、図２（ｂ）、（ｃ）は液晶光変調素子が備える位相変調と強度変調の機能を示している。

図２（ａ）において、液晶光変調素子１は、第１の電極１ｂと第２の電極１ｃとの間に液晶層１ａを挟み、第２の電極１ｃを不透明基板上に形成する概略構成であり、不透明基板を反射面として、液晶層１ａを透過して入射光をこの反射面で反射させ、再び液晶層１ａを通過させて、第１の電極１ｂが形成される透明基板から入射側に出射させる。

この反射型の液晶光変調素子１においても前述した透過型の光変調素子と同様に、入力ポート２から入力した光信号の位相を調整する機能、および光信号の強度を調整する機能を有し、位相変調又は強度変調、あるいは位相変調と強度変調の両調整をほどこした光変調信号を入力ポート２（２ａ〜２ｃ）から出力する。なお、強度変調は、入力した光信号の強度を減衰することで強度を調整するものであって、光アッテネータ（ＡＴＴ）を構成するものである。また、位相変調は、入力した光信号の位相を遅延させることで位相を調整するものであって、フェイズシフターを構成するものである。

図２（ｂ）は、位相変調の機能を説明するための図であり、液晶光変調素子１は、入力ポート２から入力した光信号について、液晶層１ａを往復する間に位相を遅延させることで位相変調を行って、入力ポート２側に戻す。

また、図２（ｃ）は、強度変調の機能を説明するための図であり、液晶光変調素子１は、入力ポート２から入力した光信号が液晶層１ａを往復する間に偏向させて進行方向を変えて、入力ポート２に結合する光信号の光量を減衰させることで強度変調を行う。なお、液晶光変調素子１によって進行方向を変えた光信号は、廃棄する他、他の入力ポート２に向けて出力させてもよい。液晶光変調素子１によって、入力ポート２から入力した光信号を入力ポート２側に出力する際の入出力関係を変えるスイッチング素子、あるいは信号切り替え素子としても使用することができる。

本発明の反射型液晶光変調素子１においても、透過型液晶光変調素子と同様に、第１の電極１ｂに印加する電圧を調整し、液晶層１ａに一定の電位を形成することで位相変調を行う。また、液晶層１ａに勾配電位を形成して波面方向を変え、出射側の光結合係数を調整することで強度変調を行う。

反射型液晶光変調素子１は、第１の電極１ｂに所定の電圧プロファイルを印加するため複数の個別電極を形成し第２の電極１ｃを共通電極としても、逆に第１の電極１ｂを共通電極とし、第２の電極１ｃを所定の電圧プロファイルを印加するための、複数の個別電極としても良い。しかし、特にLiquid Crystal on Silicon (LCOS)素子を反射型液晶光変調素子１として用いる場合は、第２の電極１ｃを複数の個別電極とする構成が望ましい。

次に、本発明の液晶光変調素子１の構成について図３を用いて説明する。図３は、本発明の液晶光変調素子の構造を示す断面図である。図３において、液晶層の一例として示すネマティック液晶層１Ｉは、液晶光変調素子１の第１の透明基板１Ｂの複合電極１Ｃの上に形成した配向層１Ｄと、第２の透明基板１Ｈの共通電極１Ｇの上に形成した配向層１Ｆによって、電場無印加時のｐ型（ポジ型）液晶分子のダイレクタ１Ｅのプレティルト角が一定（通常、基板平面から５度以下）となるようにホモジニアス配向させる。

図３（ａ）は水平配向（ホモジニアス配向）の例であって、入射偏光を、複合電極１Ｃのアレイ方向に平行かつダイレクタ１Ｅが電場印加で動く平面に平行とする例を示し、図３（ｂ）は垂直配向（ホメオトロピック配向）の例であって、入射偏光を、同様に複合電極１Ｃのアレイ方向に平行かつダイレクタ１Ｅが電場印加で動く平面に平行とする例を示している。図３（ｂ）の構成は、ネマティック液晶層をｎ型（ネガ型）としてダイレクタ１Ｅの初期配向を透明基板１Ｂおよび透明基板１Ｈに垂直に近づける以外は、図３（ａ）の構成と同様である。

なお、特に垂直配向膜として例えばＳｉＯ₂の斜方蒸着膜を配向層１Ｄおよび１Ｆに用いて、一定のプレティルト角（通常、基板法線から１４度以下）を持たせても良い。

図３にはには明示しないが、ネマティック液晶層１Ｉが数μｍから数十μｍの所定の一定厚みを保持するように、第１の透明基板１Ｂと第２の透明基板１Ｈをスペーサを介して固定する。また、図３には示していないが複合電極１Ｃと共通電極１Ｇが短絡するのを防ぐために複合電極１Ｃの上および共通電極１Ｇの上の少なくとも一方に五酸化タンタル（Ｔａ₂Ｏ₅）や二酸化シリコン（ＳｉＯ₂）または窒化シリコン（ＳｉＮ）などの透明絶縁膜を形成してもよい。また、透明絶縁膜を高屈折率膜と低屈折率膜からなる多層膜化して透過率を向上することも望ましい。第２の透明基板１Ｈ上に形成する共通電極１Ｇは透明導電膜からなる全面電極であってよい。なお、複合電極１Ｃの構造については後述する。

複合電極１Ｃの光路部分および共通電極１Ｇを形成する透明導電膜に酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）を用いるときは、膜厚を５０ｎｍ以下として、さらに、利用する波長が近赤外域の場合、透過率を向上するために、成膜時に酸素濃度を多くしたシート抵抗数百Ωから１ｋΩ程度の膜を使用することが望ましい。

ＩＴＯのほかに透明導電膜としては、酸化インジウム（Ｉｎ₂Ｏ₃）、酸化スズ（ＳｎＯ₂）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、チタン添加酸化インジウム（ＩｎＴｉＯ）などの薄膜が使用可能である。この場合も、膜厚は５０ｎｍ以下として、シート抵抗は数十Ωから１ｋΩ程度の膜を使うことが望ましい。

ガラスからなる第１の透明基板１Ｂまたは第２の透明基板１Ｈのネマティック液晶層１Ｉと反対の面のうちの空気層と接触する面には、空気と基板界面での反射を防止するため、必要に応じて無反射コート１Ａを形成する。無反射コート１Ａは、たとえば五酸化タンタル（Ｔａ₂Ｏ₅）と二酸化シリコン（ＳｉＯ₂）の誘電体多層膜からなるコーティングを用いることができる。

さらに、第１の透明基板１Ｂまたは第２の透明基板１Ｈの上に図示はしないが屈折率マッチング層を設けた上に、複合電極１Ｃまたは、共通電極１Ｇを形成しても良い。

図３では、便宜上入射側に複合電極１Ｃを形成し、出射側に共通電極１Ｇを形成する例で説明したが、入射側および出射側を入れ替えてもまた両側を複合電極とする構成としても構わない。

なお、図３に示す構成において、出力される光出力の偏光方向（ｐ偏光あるいはｓ偏光）は、ネマティック液晶層１Ｉのダイレクタ１Ｅの向きと入射直線偏光との関係に応じて定まるので、入射直線偏光はネマティック液晶層１Ｉの異方性が大きくなる電圧を印加したときの結晶軸の方向に平行になるように調整することが肝要である。

次に、本発明の液晶光変調素子による位相変調と強度変調の機能について、図４，図５を用いて説明する。なお、図４は、液晶光変調素子による光変調（位相変調および強度変調）の第１の形態を説明するための概略図であり、図５は、液晶光変調素子による光変調（位相変調および強度変調）の第２の形態を説明するための概略図である。

液晶光変調素子の第１の透明基板上に形成された各個別電極に所定電圧を印加することによって液晶層の屈折率を変調させることで光変調を行う。この電圧印加は、２つの形態で行うことができる。

はじめに、図４を用いて、本発明の液晶光変調素子による光変調の第１の形態を説明する。第１の形態は、第１の透明基板上に形成された電極を二つの領域に区分し、各領域に対する電圧の印加状態を異ならせ、第１の領域において光を位相変調し、第２の領域において光を強度変調することによって、一つの素子で位相変調と強度変調を行う。

図４（ａ）、（ｂ）において、横軸（ｘ軸）は液晶光変調素子の第１の透明基板上に形成された複数の電極１Ｃが配列される方向であり、第１の領域Ａと第２の領域Ｂの２つの領域に区分される。

ここでは、第１の領域Ａおよび第２の領域Ｂをそれぞれ１つの連続する領域で表しているが、必ずしも１つの連続領域である必要はなく、各領域を複数部分に分割してもよく、実質的に２つに分割されるものも含んでいる。

一方、縦軸は液晶層の厚さ方向であって、実線は液晶層内に生じる位相変調量Φおよび屈折率異方性Δｎを表し、一点鎖線の矢印はこの液晶層に入射する光ｃ１（図４（ａ））、ｄ１（図４（ｂ））と、液晶層から出射する出射光ｃ２，ｃ３（図４（ａ））、ｄ２，ｄ３（図４（ｂ））の光線方向を表している。

また、図４（ａ）と図４（ｂ）において、第２の領域Ｂにおける位相変調量Φ、および屈折率異方性Δｎの形態が相違している。なお、位相変調量Φと屈折率異方性Δｎとの間には、λをこの液晶層を通る光の波長とし、ｄを液晶層の厚さとしたとき、位相変調量Φ＝２πΔｎ・ｄ／λの関係がある。また、λmaxを使用最大波長とした場合、液晶層による素子として使用する最大実効変調位相量Φmaxeffを２πΔｎmax・ｄ／λmax未満に設定する。ここで、Δｎmaxは、実効最大複屈折率である。また、位相変調量は液晶層を通過する間に生じる可変可能な位相遅れに相当する。

はじめに、位相変調について説明する。位相変調は、図４（ａ）において第１の領域Ａで示す領域で行う。この第１の領域Ａでは、この第１の領域Ａに設けられる電極１Ｃに対して同電圧を印加することで均一電位を形成する。

この第１の領域Ａの入射面に入射した平行光である光ｃ１は、液晶層を通過する間に、前記均一電位によって定まる均一位相量ａによって遅延される。光の遅延量は、印加される電位状態に依存する。この光の遅延量と電位との関係については後述する。これによって、出射面からは位相変調された出射光ｃ２が出射される。

次に、強度変調について説明する。強度変調は、図４（ａ）において第２の領域Ｂで示す領域で行う。この第２の領域Ｂでは、この第２の領域Ｂに設けられる電極１Ｃに対して勾配電圧を印加することで勾配位相変調ｂ１を形成する。

この第２の領域Ｂの入射面に入射した平行光である光ｃ１は、液晶層を通過する間に、前記勾配電位によって生じる勾配位相変調ｂ１によって遅延されるが、その遅延量は電位に応じて異なり、出射面から出射される時点に場所による差が生じることとなり、結果的に出射光ｃ３の波面が傾斜し、進行方向が変更される。この光の進行方向と勾配位相変調との関係については後述する。なお、図４では、ブレーズド型回折格子と等価な位相変調曲線の場合を示したが、光結合系との結合係数を調整できれば、ブレーズド型位相変調曲線にさらに細かい位相分布を重畳・付加しても良いし、結合係数を調整できる別の位相分布でも良いことは言うまでも無い。

出射面から出射される出射光の進行方向が変更されることで、出力ポートへの結合係数が小さくなり入射する光量が減衰することになる。これによって、出射面からは強度変調された出射光ｃ２が出射される。

図４（ａ）では、液晶層の厚さが限られているため、第２の領域Ｂの全幅を使って行う出射光の角度変更の角度には限りがある。図４（ｂ）は、出射光の角度変更を、第２の領域Ｂの全幅と位相変調量とで制限される角度を超えて偏向させるための構成である。この図４（ｂ）に示す駆動方法は、第２の領域Ｂにおける勾配電圧の印加方法の点で図４（ａ）に示す駆動方法と相違するが、第１の透明基板上に形成された電極を二つの領域に区分して電圧を印加する点、第１の領域Ａにおいて均一電位を印加することで位相変調を行う点、および第２の領域Ｂにおいて勾配電位を印加することで出射側の光学系との結合係数を変えて強度変調を行う点は共通している。

図４（ｂ）の第２の領域Ｂでは、複数の電極１Ｃを区分けし、各区分けについて勾配電圧を印加することよって複数の勾配位相変調ｂ２を形成し、各勾配位相変調ｂ２の傾斜を大きく、したがって、各鋸歯状変調領域のピッチを小さく変調することで、第２の領域の全幅と位相変調量とで制限される角度を超えて出射光ｄ３の角度を変更する。なお、液晶層内の隣接する電極部位においては位相差２πは同位相とみなせるため、ｘ軸方向１周期毎に印加する電圧をリセットすることで、勾配位相変調ｂ２の位相分布を形成することができる。

次に、図５を用いて、本発明の液晶光変調素子による光変調の第２の形態を説明する。第２の形態は、第１の透明基板上に形成された電極に、勾配電圧に一定電圧のバイアス電圧を付加した電圧を印加するものであり、勾配電圧の印加によって液晶層内の実効的位相変調量に勾配を形成し、この実効的位相変調量の勾配によって出射光面から出射される出射光の位相を領域内でずらすことで、出射光の進行方向を調整して強度変調を行うとともに、所定の一定電圧のバイアス電圧を印加することによって液晶層内に一定の実効的位相変調を形成し、この一定の実効的位相変調によって出射光面から出射される出射光の位相を領域内で均一に調整することで出射光の位相変調を行う。これによって、一つの素子の同じ領域内で強度変調と位相変調を行う。

図５において、図４と同様に、横軸（ｘ軸）は液晶光変調素子の第１の透明基板上に形成された複数の電極１Ｃが配列される方向である。この形態では、前記した形態と異なり、強度変調と位相変調の領域に区分することは行わない。

一方、縦軸は液晶層の厚さ方向であって、実線は液晶層内に位相変調量Φおよび屈折率異方性Δｎを表し、一点鎖線の矢印はこの液晶層に入射する光ｇ１と、液晶層から出射する出射光ｇ２，ｇ３の光線方向を表している。

図５に示す第２の形態の構成は、図４に示す構成と比較して、液晶層の厚さ、及びこれに伴う位相変調量Φおよび屈折率異方性Δｎの形態で相違している。この第２の形態では、液晶層の厚さを、その最大位相変調量を第１の形態の２倍の２Φmaxとなるようにする。なお、位相変調量Φと屈折率異方性Δｎとの間には、図４に示した第１の形態と同様に、λをこの液晶層を通る光の波長とし、ｄを液晶層の厚さとしたとき、位相変調量Φ＝２πΔｎ・ｄ／λの関係がある。したがって、この第２の形態では、液晶層による最大位相変調量２Φmaxは４π・Δｎmax・ｄ／λmax未満に設定される。

この構成において、電極１Ｃには、一定電圧のバイアス電圧を付加した勾配電圧を印加する。図５では、バイアス電圧印加による一定位相変調量ｆ１を付加した勾配位相変調量ｅ１と、別のバイアス電圧印加による一定位相変調量ｆ２を付加した勾配位相変調量ｅ２の例を示している。

この形態では、位相変調と強度変調が同時に行われるが、位相変調は、所定の領域内一定電圧のバイアス電圧印加により生じる一定位相変調量ｆ１およびｆ２の実効的位相変調によって行われる。この一定の実効的位相変調量は、出射光面から出射される出射光ｇ２、ｇ３の位相を領域内で均一に遅らせる。

一方、強度変調は、勾配電圧の印加によって形成される液晶層内の実効的位相変調の勾配によって行われる。この実効的位相変調の勾配は、出射光面から出射される出射光ｇ２、ｇ３の位相を領域内で鋸歯状にずらすことで、出射光の進行方向を調整して出射側に設けた光学系との結合係数を制御することで強度変調を行う。

図５では、電極１Ｃにおいてバイアス電圧を印加することによって、一定位相変調量ｆ１あるいは一定位相変調量ｆ２を与える。この位相変調量は、電極に付加するバイアス電圧の大きさを変えることで変えることができる。

この第２の形態では、電極１Ｃが配列される領域において、同じ領域内で位相変調と強度変調の両調整を行う。そのため、液晶層の厚さは、位相変調に要する厚さと強度変調に要する厚さの両厚さ分を要する。そのため、ここでは、液晶層の厚さは、最大位相変調量として少なくとも図４で示したΦmaxに対して、２倍の２Φmaxが得られるように設定する。

本発明は、上述した液晶光変調素子を用いて液晶光変調装置を構成することができる。

以下では、液晶光変調装置の基本構成を、分光（分波）を行わない場合の構成（液晶光変調装置１０Ａ，１０Ｃ）と、分光（分波）を行う場合の構成（液晶光変調装置１０Ｂ，１０Ｄ）について説明する。

分光（分波）を行わない場合の構成では、波長による分離が行われないため、液晶光変調素子には一度には、1つの入力ポートから入力した入射光の強度変調および位相変調を行う。

はじめに、分光（分波）を行わない場合の液晶光変調装置１０Ａについて、図６〜図１０を用いて説明する。なお、図６は、液晶光変調装置１０Ａの概略構成を説明するための図であり、図７は図６に示す液晶光変調装置１０Ａの側面方向からみた波面状態を示し、図８、図９は図６に示す液晶光変調装置１０Ａの上面方向からみた波面状態を示し、図１０は等価光路位置を示している。

図６において、液晶光変調装置１０Ａは、入力ポートから入力した入射光をコリメータＬ１で複数の液晶画素を照射するスポットとなるように整形した後、液晶光変調素子１に入射する。ここで、液晶光変調素子１には、液晶層及び電極が配列され、コリメータＬ１からの光を入射する。液晶光変調素子１に入射された光は、位相変調ないし強度変調された後、出射される。出射光は、コリメータＬ２で円形スポットとなるように集光された後、出力ポートに出射される。この構成では分光を行わないため、波長毎に強度変調や位相変調は行わない。

なお、ここでは、入射偏光方向、液晶ダイレクタ（長軸）、および出射偏光方向は平行であり、液晶光変調素子１は、少なくとも１次元液晶セル層を備え、その縦方向および横方向の幅は、入射平行ビームの幅以上とする。

また、図６に示す入射偏光の方向と直交する入射偏光の場合には、液晶ダイレクタ（長軸）および出射偏光方向も入射偏光方向と合わせて、図６に示す入射偏光の方向と直交させる。

図７は、図６において、液晶光変調装置１０Ａを側面方向からみた波面状態を示している。なお、図７では、Ｇに示す位置は液晶光変調素子１が設置される位置である。入射光は、コリメータＬ１のレンズを透過した後は平面波となり、Ｇの入射位置は、液晶光変調素子１の動作にかかわらず一定である。

図８，図９は図６に示す液晶光変調装置１０Ａを上面方向からみた波面状態を示している。ここでは、入射側に３本の光ファイバ（ＳＭＦ1i，ＳＭＦ2i，ＳＭＦ3i）が配置され、出力ポート側に３本の光ファイバ（ＳＭＦ1o，ＳＭＦ2o，ＳＭＦ3o）が配置された構成において、１本のＳＭＦ1i（図では中央に配置した光ファイバ）から入射光を入力し、出力ポート側に設けた３本の光ファイバの何れか１本から出力する。出射側に設けた３本の光ファイバの内で、何れの光ファイバから出力するかは、液晶光変調素子１によるビーム偏向によって行われる。

図８（ａ）は、１本の入射側のＳＭＦ1iから入射光を出射側のＳＭＦ1oに出力する場合を示している。この場合には、液晶光変調素子１は光ビームを偏向させない動作を行うことで、入射側ＳＭＦ1iからの出力を出射側ＳＭＦ1oに結合させている。

図８（ｂ）は、１本の入射側のＳＭＦ1iから入射光を出射側のＳＭＦ2oに出力する場合を示している。この場合には、液晶光変調素子１は光ビームを一方向（図８（ｂ）中の下方向）に偏向させる動作を行うことで、入射側ＳＭＦ1iからの出力を出射側ＳＭＦ2oに結合させている。

図８（ｃ）は、１本の入射側のＳＭＦ1iから入射光を出射側のＳＭＦ3oに出力する場合を示している。この場合には、液晶光変調素子１は光ビームを一方向（図８（ｃ）中の上方向）に偏向させる動作を行うことで、入射側ＳＭＦ1iからの出力を出射側ＳＭＦ3oに結合させている。

図１０は、上記した構成の光学素子の配置を示し、入射側のＳＭＦ1iの出射点又は後述するコリメーテッドスプリッタの実効的な焦点像を、出射側のＳＭＦ1o又はコリメーテッドスプリッタの実効的な焦点像の共役点として１：１で結合する４ｆ−光学系を用いる。この構成では、コリメータのレンズＬ１とＬ２の焦点距離をｆとするとき、レンズＬ１およびＬ２から丁度ｆの距離になるように、液晶光変調素子１を配置する。

入射側の任意のＳＭＦ又はコリメーテッドスプリッタの出力を、出射側の任意のＳＭＦ又はコリメーテッドスプリッタに結合させることができる。なお、この分光（分波）を行わない場合の構成では、入射側において複数の光信号を同時に入射すると、信号を分離することができずに信号の個別制御が不可能となるという問題、一度に入れた信号間のクロストークが生じるという問題があるため、入射側のＳＭＦは一度に１本だけ入力として用いる。

図９（ａ）は、１本の入射側のＳＭＦ3iから入射光を出射側のＳＭＦ2oに出力する場合を示している。この場合には、液晶光変調素子１は光ビームを一方向（図９（ａ）中の下方向）に偏向させる動作を行うことで、入射側ＳＭＦ3iからの出力を出射側ＳＭＦ2oに結合させている。

図９（ｂ）は、１本の入射側のＳＭＦ2iから入射光を出射側のＳＭＦ3oに出力する場合を示している。この場合には、液晶光変調素子１は光ビームを一方向（図９（ｂ）中の上方向）に偏向させる動作を行うことで、入射側ＳＭＦ2iからの出力を出射側ＳＭＦ3oに結合させている。

上述した構成例では、入力ポートに偏光方向が揃った入射光を入力する。図１１は、偏光方向がそろった入射光を入力ポートに入力する構成を説明するための図である。

偏光方向が一方向に揃った入射光は、光源側で偏光方向を一方向に揃えた光を偏波保持光ファイバから出射される構成とする他、偏光方向を一方向に揃えるコリメータの機能と、光を分離するスプリッタの機能とを有したコリメーテッドスプリッタを光ファイバの先端に取り付ける構成とすることができる。

図１１（ａ）は、光源側で偏光方向を一方向に揃えた光を偏波保持光ファイバから出射する構成である。光ファイバ２８は、偏波保持光ファイバが望ましいが、代わりに例えば、単一モード（シングルモード）ファイバ（ＳＭＦ）やマルチモードファイバ（ＭＭＦ）とすることができる。光の偏光方向は光源側において予め一方向に揃えられているため、光ファイバ２８の端部からは、偏光方向が一方向に揃った光が出射される。なお、この光ファイバ２８の端部から出射される出射光の広がりは、光ファイバに依存するＮＡ値により定められる。なお、図１１（ａ）では、２つの偏波成分をそれぞれ異なる偏波保持光ファイバで導波する方法を示したが、両偏波をあらかじめ一本の偏波保持光ファイバに合成し、受光側の偏波保持ファイバの出力側で必要に応じて、偏波を所定の割合に２つの偏波成分に分波する構成としても良い。

図１１（ｂ）、（ｃ）は、光ファイバの先端にコリメーテッドスプリッタを取り付ける構成例である。コリメーテッドスプリッタ２７は、偏光方向を一方向に揃えるコリメータの機能と、偏光を分離するスプリッタの機能とを有した素子であり、コリメータレンズ２７ｄと複屈折性結晶２７ａとを備える。

コリメーテッドスプリッタ２７に入射した光は、コリメータレンズ２７ｄによって平行光となり、複屈折性結晶２７ａによって偏波方向によりｐ偏光とｓ偏光に分離される。図に示す構成では、ｓ偏光が出力される複屈折性結晶２７ａの出力端に９０度偏光回転子２７ｃを配置することによって偏光方向を揃える。なお、複屈折性結晶２７ａは、ルチルやＹＶＯ４等を用いることができ、９０度偏光回転子２７ｃは、例えば、１／２波長板またはファラデー回転子を用いることができる。

また、ｐ偏光が出力される複屈折性結晶２７ａの出力端に光路の違いによる位相差補償板２７ｂを配置する。この位相差補償板２７ｂは、通過する光の位相を遅延させてもう一方の経路との光路長を合わせることによって、ｐ偏光によるビームａとｓ偏光によるビームｂの位相が、出射端平面Ｓで等位相となるようにする。なお、コリメーテッドスプリッタ２７の出射端平面Ｓから出射される光の拡散角はコリメーテッドスプリッタ２７の見かけのＮＡに対して、２×ｓｉｎ^-1（ＮＡ）ラジアンとなる。

次に、分光（分波）を行う場合の液晶光変調装置１０Ｂについて、図１２〜図１４を用いて説明する。なお、図１２は、液晶光変調装置１０Ｂの概略構成を説明するための図であり、図１３は図１２に示す液晶光変調装置１０Ｂの上面方向および側面方向からみた波面状態を示し、図１４は等価光路位置を示している。

図１２において、液晶光変調装置１０Ｂは、入力ポートから入力した入射光を液晶光変調素子１の波長分解方向で見ると、シリンドリカルレンズ等のアナモルフィックコリメータＬ１でコリメート・整形した後、回折格子形成軸方向で見て一方向に長いスポットとなるようにシリンドリカルレンズＬ２でコリメートおよび整形し、分波回折格子Ｇ１で分波して、波長多重化された光信号を波長分解し、アナモルフィックコリメータＬ３により液晶光変調素子１の波長分解方向だけ液晶光変調素子１上にライン状に集光させる。

ここで、液晶光変調素子１には、液晶層及び電極が二次元に配列される。液晶光変調素子１において、入射光は、アナモルフィックコリメータＬ１とシリンドリカルレンズＬ２によるライン状に展開された方向の回折格子形成軸と、この軸と直交する方向の波長分解方向軸の２軸の二次元液晶アレイ上に入射される。二次元液晶アレイは、回折格子形成軸方向の一次元アレイを波長分解方向軸方向に配列した構成であり、各一次元アレイに異なる波長の光を入射させることで、波長毎に光強度変調および位相変調を独立に制御することができる。

これによって、液晶光変調素子１に入射された光は、各波長毎に個別に独立して位相変調ないし光強度変調が行われ、この位相変調ないし光強度変調が行われた後、出射光はシリンドリカルレンズＬ４で液晶光変調素子１の波長分解方向において平行光に変換された後、合成回折格子Ｇ２上に入射される。

入射光は合成回折格子Ｇ２によって異なる波長が合波され、シリンドリカルレンズＬ５を通り、シリンドリカルレンズ等のアナモルフィックコリメータＬ６で円形スポットとなるように集光された後、出力ポートに出射される。この構成によれば、分波回折格子によって分光が行なれるため、波長毎に液晶光変調素子１のライン状の異なる箇所で独立に光強度変調調整や位相変調を行うことができる。

なお、液晶光変調素子１は２次元液晶セル層を備え、その縦方向および横方向の幅は、液晶光変調素子１への入射平行ビームの幅、および波長分解された光照射範囲の幅以上とする。

図１３は、図１２に示す液晶光変調装置１０Ｂを上面方向および側面方向からみた波面状態（と光線方向）を示している。なお、図１３では、ＬＣ１に示す位置は液晶光変調素子１が設置される位置である。

図１３（ａ）は液晶光変調装置１０Ｂを上面方向からみた波面状態を示し、図１３（ｂ）は液晶光変調装置１０Ｂを側面方向からみた波面状態を示している。

ここで、入力ポートには、波長λ１，λ２，λ３の異なる波長を含む入射光が入射され、液晶光変調素子１において波長毎に光強度変調調整および位相変調を行うものとする。

入射光に含まれる各波長成分は、液晶光変調素子１の波長分解方向軸の方向に分解される。図１３（ｂ）〜図１３（ｄ）の側面方向からみた図は、この各波長成分の状態を示している。例えば、図１３（ｂ）は波長λ１の場合を示し、図１３（ｃ）は波長λ２の場合を示し、図１３（ｄ）は波長λ３の場合を示している。

このように、各波長は、液晶光変調素子１の波長分解方向軸の方向で異なる位置に集光するため、この各波長が集光する位置の一次元アレイによって光強度変調調整および位相変調を行うことで、波長毎に光強度変調調整や位相変調を独立して行うことができる。

図１４は、上記した構成の光学素子の配置を示している。液晶光変調装置１０Ｂの光学素子の配置は、上面からみた場合（図１４中の上面図）、前記した図１０と等価な４ｆ光学系配置であり、入射側のＳＭＦの出射点又はコリメーテッドスプリッタの実効的焦点像位置を出射側のＳＭＦ又はコリメーテッドスプリッタの焦点の共役点として１：１で結合する。一方、分波方向の側面からみた場合（図１４中の側面図）、入射側のＳＭＦの出射点又はコリメーテッドスプリッタの実効的焦点像位置から液晶光変調素子１までを４ｆ光学系配置とし、さらに、液晶光変調素子１から出射側のＳＭＦ又はコリメーテッドスプリッタの焦点までを４ｆ光学系配置とする。

したがって、入射側のＳＭＦの出射点又はコリメーテッドスプリッタの実効的焦点像位置を液晶光変調装置１０Ｂ上の共役点として１：１で結合し、液晶光変調素子１上の点を出射側のＳＭＦ又はコリメーテッドスプリッタの焦点の共役点として１：１で結合する。

シリンドリカルレンズ等のアナモルフィック光学系を用いることで、液晶回折格子によるビーム偏向方向と２枚の回折格子による分光方向とを別々に制御することができる。

なお、図１４において、レンズの厚み等を考慮しない理想的な等価光学回路を想定した場合、上面からみたときの各レンズの焦点距離ｆ２と側面からみたときの各レンズの焦点距離ｆ１とは、ｆ２＝２・ｆ１の関係になる。

次に、分光（分波）を行わない場合の第２の構成例である液晶光変調装置１０Ｃについて、図１５、図１６を用いて説明する。なお、図１５は、液晶光変調装置１０Ｃの概略構成を説明するための図であり、図１６は図１５に示す液晶光変調装置１０Ｃの上面方向および側面方向からみた波面状態を示している。

液晶光変調装置１０Ｃは、前記図１２に示した液晶光変調装置１０Ｂの構成において、分波回折格子Ｇ１，Ｇ２を除いてシリンドリカルレンズＬ２，Ｌ５だけを配置した構成であり、分波回折格子Ｇ１，Ｇ２による分波は行われないため、波長毎の光強度変調や位相変調を行うことはできない。

図１６（ａ）は液晶光変調装置１０Ｃを上面方向からみた波面状態（および光線方向）を示し、図１６（ｂ）〜（ｄ）は液晶光変調装置１０Ｃを側面方向からみた波面状態を示している。また、図１６（ｅ）は、入力として３行×３列に９ポートを設けた場合に、図１６（ｂ）の入力側からと、出力側からポートを見たときの構成図である。

ここで、入力ポートには、異なる入射光の組Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３をレンズＬ１の側面方向で異なる行において、入射する。これにより、図１６（ａ）に示す上面方向からみた列方向Ｃ３、Ｃ１、Ｃ２では、液晶光変調素子１の変調デバイス面上では、一ライン状に集光して分離されないが、図１６（ｂ）に示す側面方向からみた行方向では、液晶光変調素子１の変調デバイス面で異なるラインに集光して分離が行われる。したがって、２次元液晶回折格子を用いることで、この変調デバイス面の異なるライン上で位相変調を行毎独立に行うことができる。

この結果、図８で示した光路切り替え機能を持つ強度・位相変調装置を３行独立に配置したのと同じ機能を持たせることができる。この構成は、図８の機能の液晶光変調装置を複合・小型化するのに有効である。

次に、分光（分波）を行う場合の第２の構成例である液晶光変調装置１０Ｄについて、図１７、図１８を用いて説明する。なお、図１７は、液晶光変調装置１０Ｄの概略構成を説明するための図であり、図１８は図１７に示す液晶光変調装置１０Ｄの上面方向および側面方向からみた波面状態を示している。

液晶光変調装置１０Ｄは、前記図１２に示した液晶光変調装置１０Ｂの構成と同様の構成において、入射側に異なる波長を分離して入射位置を異ならせて入射する構成を示している。液晶光変調装置１０Ｄの光学的な構成は、図１２に示した液晶光変調装置１０Ｂの構成と同様であるため、ここでの説明は省略する。

図１８（ａ）は液晶光変調装置１０Ｄを上面方向からみた波面状態（および光線方向）を示し、図１８（ｂ）は液晶光変調装置１０Ｄを側面方向からみた波面状態を示している。

ここで、入力ポートには、異なる波長を持つ入射光をレンズＬ１の上面方向で異なる位置に入射する。これにより、図１８（ａ）に示す上面方向からみた波面状態では、液晶光変調素子１の変調デバイス面上では、重なって見えるが、図１８（ｂ）に示す側面方向からみた波面状態では、分波回折格子Ｇ１，Ｇ２によって、液晶光変調素子１の変調デバイス面で波長毎に異なるラインに集光する。この各ラインにおいて、波長毎に光強度変調および位相変調を行うことができる。

ここで、入力側に３本のＳＭＦを配置し、各ＳＭＦから波長多重された入射光を入射する場合には、各ＳＭＦに波長多重される波長に重なりが無いときには各波長（または波長の組）を独立に制御することができるが、各ＳＭＦに波長多重される波長に重なりが有るときには各波長を独立に制御することはできない。

例えば、ＳＭＦ１に異なる波長λ１，λ２，λ３を入力し、ＳＭＦ２に異なる波長λ４，λ５を入力し、ＳＭＦ３に異なる波長λ６，λ７，λ８を入力する場合のように、各光ファイバに伝送される波長が異なる場合には、分光（分波）用回折格子により、液晶２次元アレイの別々の位置の１次元アレイに光信号が入力されるため、液晶デバイスによって独立に光強度変調、位相変調、および分波が可能である。

一方、ＳＭＦ１に波長λ１を入力し、ＳＭＦ２に同じ波長λ１を入力するなど、同一波長を異なるポートに入力した場合には、各信号を独立に制御することができず、クロストークが生じることになる。

図１９は、２次元の液晶光変調装置の構成例を示す図である。なお、図１９は透過型の構成例について示している。図１９において、液晶光変調装置１０が備える液晶光変調素子１は、液晶層および電極を二次元配置した構成とし、各波長成分について位相変調および強度変調を行うことができる。

この液晶光変調素子１の入射側には、入力ポート２、入射光の一方の偏光を他方の偏光に変換し偏光方向を液晶光変調素子１の可変できる方向に変換する偏光変換素子１５、入射光を液晶光変調素子１の面上にライン状にコリメートおよび整形するアナモルフィックコリメータ１１、および入射光を各波長成分λ１〜λｎに分光する分光器１２が配置される。一方、この液晶光変調素子１の出射側には、各波長成分を結合する結合器１４、アナモルフィックコリメータ１３、偏光状態を変換する偏光変換素子１６、および出力ポート３が配置される。アナモルフィックコリメータ１１および１３は、図１７で説明した構成のように分光器１２および結合器１４と液晶光変調素子１との間にも配置する複数のレンズから分散配置する構成としても良い。ここで、入力ポート２および出力ポート３は光ファイバによって構成してもよい。

上記した例は、透過型の構成例であるが、反射型の構成とすることもできる。図２０，２１は反射型の構成例を説明するために図である。

図２０（ａ）は１次元の液晶光変調装置１０Ｅの概略構成を説明するための図であり、図２０（ｂ）は２次元の液晶光変調装置１０Ｆの概略構成を説明するための図である。

１次元の液晶光変調装置１０Ｅは、入力ポートから入力した入射光を反射型の液晶光変調素子１に入射する。ここで、反射型の液晶光変調素子１は、液晶層及び電極が１次元に配列されるとともに反射面（図示していない）を備える。液晶光変調素子１に入射した光は、反射面で反射される前後において位相変調ないし光強度変調され、出射される。液晶光変調素子１から出射した光は、入力ポート側に戻される。なお、光強度変調において、廃棄される光りは、入力ポート側と異なる方向に向けて出射される。

一方、２次元の液晶光変調装置１０Ｆは、入力ポートから入力した入射光（λ１〜λｎ）を分光器（分波器）１２に入射し、分光器１２で分光して各波長λ１〜λnの光を、反射型の液晶光変調素子１に入射する。

ここで、反射型の液晶光変調素子１は、液晶及び電極が２次元に配列されるとともに反射面（図示していない）を備える。液晶光変調素子１に入射された光は、波長毎に位相変調ないし光強度変調された後、出射される。液晶光変調素子１から出射した光は、入力ポート側に戻される。なお、光強度変調において、廃棄される光は、入力ポート側と異なる方向に向けて出射される。

図２１は、前記した図２０の２次元の反射型の液晶光変調装置１０Ｆの構成例を示す図である。図２１において、液晶光変調装置１０Ｆが備える液晶光変調素子１は、液晶層および電極を二次元配置した構成とし、各波長成分について位相変調および強度変調を行うことができる。

この液晶光変調素子１の入射側および出射側には、入出力ポート４、偏光状態を変換する偏光変換素子１５、入射光を液晶光変調素子１面上にライン状にコリメートおよび整形するアナモルフィックコリメータ１１、および入射光を各波長成分λ１〜λｎに分光ないし結合する分光結合器１７が配置される。この構成では、光強度変調を行うことで、入射光を入力する入力ポートと、光変調された出射光を出力する出力ポートとを異なるポートとすることができる。なお、上記した各構成例において、入出力ポート４は光ファイバによって構成してもよい。アナモルフィックコリメータ１１は、図１７で説明した構成のように分光結合器１７と液晶光変調素子１との間にも配置する複数のレンズから分散配置する構成としても良い。

なお、反射型の液晶光変調装置１０Ｆにおいて、外部環境温度に対して液晶の温度を一定に保持するために、ＴＥＣ（Thermo-Electric Cooler... Peltier素子）を設ける構成が望ましい。図２２は、このＴＥＣの一構成例を説明するための図である。ＴＥＣ５は、例えば、ペルチェ素子５ａとヒートシンク５ｂとを組み合わせた構成とすることができる。

図２２において、ＴＥＣ５は、液晶光変調素子１の反射面を形成する基板の裏面（入射方向と反対側の面）に素子結合層５ｄを介してペルチェ素子５ａを設けるとともに、結合層５ｃを挟んでヒートシンク５ｂを設ける構成とすることができる。素子結合層５ｄおよび結合層５ｃは、インジウム・半田などの金属や、エポキシ・アクリル樹脂によるボンディング剤を用いることができる。また、ペルチェ素子５ａを液晶光変調素子１やヒートシンクに取り付ける場合、アルミナや窒化アルミなどの絶縁層を挟んでも良い。

本発明の液晶光変調装置を用いて光クロック逓倍装置を構成するような場合、取り扱う光クロックは例えば１６０Ｇビット／秒を超える程度の超高速となる。このような超高速環境では、クロック間の時間間隔も極めて短時間となり、液晶層やその周囲の光学部材の温度変化による位相変化に起因する光の通過時間の変動が大きく影響する場合があるため、外部環境温度に対して液晶の温度を一定に保持することが極めて重要となる。

したがって、液晶光変調素子１は、ペルチェ素子５ａなどの熱電変換素子に金属または樹脂により接着固定することで、環境温度の変化による液晶層の波長換算した位相揺らぎを同一電圧プロファイル印加時に使用最大波長のλ／１０以下になるように制御することが望ましい。

以下、本発明の液晶光変調装置の構成例について図２３を用いて説明する。

図２３（ａ）に示す構成例は、入力ポート２および出力ポート３をそれぞれ光ファイバで構成し、この光ファイバの間に本発明の液晶光変調素子１を配置する構成例である。ここで、図示する光ファイバにはコア拡大ファイバを用いたり、低融点ガラスからなる小型レンズを融着することでコリメータの機能を持たせることができる。

図２３（ｂ）に示す構成例は、前記図２３（ａ）の構成において、入力ポート２と液晶光変調素子１との間のコリメータ２１を配置し、液晶光変調素子１と出力ポート３との間にコリメータ２３を配置する構成例である。図２３（ａ）、（ｂ）の構成によれば、光ファイバおよびコリメータ２１，２３によるコリメータ機能によって、液晶光変調素子１に対して平行光を入射することができる。

図２３（ｃ）に示す構成例は、図２３（ｂ）に示す構成例において、入力ポート２とコリメータ２１との間に偏光変換素子２５を配置し、コリメータ２３と出力ポート３の間に偏光変換素子２６を配置する。偏光変換素子は偏光状態を揃えることで液晶光変調素子１における液晶層での光変調作用の効率を最大にする。なお、コリメータ２１と偏光変換素子２５およびコリメータ２３と偏光変換素子２６の順番は、入れ替えても構わない。

図２３（ｄ）に示す構成例は、液晶光変調素子１で強度変調された出射光を複数の出力ポート３に出力させる構成例であり、出力ポート３に複数の光ファイバを配置する。この構成によれば、強度変調による出射光の偏向角度を調整することで、出射する出力ポート３を選択することができる。

図２３（ｅ）に示す構成例は、前記図２３（ｄ）の構成において、液晶光変調素子１の前方に分光器２２を設け、分光器２２で分光して得られる波長成分毎に位相変調および強度変調を行い、光調整された出射光を複数の出力ポート３に出力させる構成例であり、出力ポートに複数の光ファイバを配置する。この構成によれば、波長成分毎に位相変調および強度変調を行うことができ、さらに、選択した出力ポート３から出射させることができる。

図２３（ｆ）に示す構成例は、前記図２３（ｅ）の構成において、液晶光変調素子１の後方に結合器２４を設け、各波長成分を結合器２４で結合して出力ポート３に出力させる構成例である。この構成によれば、波長成分毎に位相変調および強度変調を行うことができ、さらに、波長毎に位相変調、強度変調された光成分を一つの光信号として出力ポート３から出射させることができる。

以下、本発明の適用される液晶光変調素子について説明する。はじめに、液晶光変調素子３１の動作原理について説明する。図２４は、液晶光変調素子の動作の基本原理を示す模式図である。ここで、液晶光変調素子３１は、ｘ−ｚ面内に平行な方向にダイレクタ３２がホモジニアス配向した状態で外部電場を印加した場合に、ダイレクタ３２の長軸方向が電場方向に平行になるようにｐ型（ポジ型）ネマティック液晶を配向するものとする。この液晶光変調素子３１に、ｘ軸に平行な方向に振動する直線偏光３３がｚ軸方向に入射するものとする。液晶光変調素子３１に入射する前の入射波面３４は平面である。その液晶光変調素子３１に電場を印加し所定の屈折率分布となるようにダイレクタ３２の面内分布を制御すると、入射波面３４を所定の角度θだけ偏向した平面波の出射波面３５に変換させることができる。

この現象をさらに詳細に図２５を用いて説明する。図２５は、本発明の液晶光変調素子の動作原理を示す説明図である。図２５において、液晶光変調素子３１のネマティック液晶層３６の出射側の平面をｘ−ｙ平面とし、液晶は、ｘ−ｚ平面に平行となるように配向させる。このとき、入射直線偏光３３がネマティック液晶層３６に垂直に入射される。このネマティック液晶層３６内には位置ｘの関数である異常光屈折率ｎ_e（ｘ）の分布３５が要素格子のピッチＰにおけるａ−ｂ間で直線的に変化するように予め動作点を決めておく。

また、ネマティック液晶層３６の厚みｄは一定であるが、屈折率ｎ_e（ｘ）がピッチＰで直線的に変化しているため、ネマティック液晶層３６中を伝搬する入射直線偏光３３は、場所によって異なるリターデーションΔｎ（ｘ）・ｄの変調を受けることになる。ここで、ｎ₀を液晶の常光屈折率とおくと、Δｎ(ｘ)＝ｎ_e（ｘ）−ｎ₀ である。

入射直線偏光３３はネマティック液晶中、つまり誘電体媒質中を伝搬する場合、リターデーションが大きいところでは遅く、逆にリターデーションが小さい個所では速く伝搬する。このため、ネマティック液晶層３６を出射した出射直線偏光３４は、波面がｔａｎθ＝δΔｎ・ｄ／Ｐ だけ傾くことになる。

ここで、δΔｎは、ａ点とｂ点でのリターデーションΔｎ（ｘ）の差を、δΔｎ＝Δｎ（ａ）−Δｎの式で計算した値である。

このように、ネマティック液晶層３６における異常光屈折率ｎ_e（ｘ）の分布３５が直線的であれば、入射直線偏光３３と同様に出射直線偏光３４の波面も平面となり、結果的に入射直線偏光３３に対して出射直線偏光３４はθだけ偏向させることができる。

次に、本発明の液晶光変調素子が備える複合電極の構造について説明する。液晶光変調素子１のブレーズド型回折格子を形成するための第１の複合電極の構造について説明する。図２６は第１の要素格子４４と第２の要素格子４８の２つの回折格子領域を含む第１の活性領域６０を有する第１の複合電極５５の平面図である。

図２６において、第１の要素格子４４は第１の個別電極５１から第Ｎの個別電極５２を有する。また、第２の要素格子４８は第Ｎ＋１の個別電極５３から、第２Ｎの個別電極５４を有する。なお、この第１の複合電極５５では、説明を容易とするために便宜上Ｎ＝１０とした。また、第１の個別電極５１から第２Ｎの個別電極５４は上述の膜厚と抵抗値を有するＩＴＯなどの透明導電膜により形成する。

また、第１の個別電極５１から第Ｎの個別電極５２は、第１の活性領域６０の外部で複数の群（では２つの群）にまとめられ、各群内における各個別電極を、個別電極と同じ材料であるＩＴＯなどの共通の集電極によって接続する。図２６においては、第１の個別電極５１から第Ｎの個別電極５２を第１の活性領域６０の外部で第１の集電極４３で接続し、第Ｎ＋１の個別電極５３から第２Ｎの個別電極５４は、同様にして第２の集電極４７で接続する。

また、第１の集電極４３の両端にＭｏやＡｇ合金などの低抵抗金属材料からなる第１の信号電極４１と第２の信号電極４２をそれぞれ接続し、第２の集電極４７に、第３の信号電極４５と第４の信号電極４６をそれぞれ接続している。なお、前記集電極をシート抵抗数百〜１ｋΩの膜だけでなく、膜厚をさらに薄くしたり、その電極幅を狭くして電極の長辺方向に線形の抵抗を有するように構成してもよい。

図２６では便宜上、第１の要素格子４４と第２の要素格子４８の２つの回折格子領域だけを示したが、実際の液晶光変調素子１においては、第１の活性領域６０に入射ビーム径に応じた所定の数の要素格子を形成する必要がある。入射光として８５０ｎｍ帯を用いるときの具体的な設計例として、第１の活性領域６０に半導体レーザからの光をコリメータにより平行光として、入射する場合を仮定している。

このとき、平行光のガウシアンビーム径を３００μｍとした場合、第１の活性領域６０の幅Ｌを４００μｍから１.５ｍｍとする。また、各要素格子の個別電極は、入射光の波長を考慮して２μｍ以下のラインアンドスペースが望ましく、要素格子のピッチＰ₀を３０μｍから１００μｍとしたとき第１の複合電極５５の幅Ｗは、８００μｍから２ｍｍ程度が望ましい。したがって、ピッチＰ₀を３０μｍとしたとき要素格子の数は、２７個から６７個となり、ピッチＰ₀を１００μｍとしたときは、要素格子の数は、８個から２０個となる。

上記の説明で明らかなように、ブレーズド型回折格子を形成する液晶光変調素子１においては一つの回折格子領域がＮ本の個別電極からなる場合にも、駆動回路からの制御信号に接続する信号電極の数は、第１、第２の集電極４３，４７の両端に接続することにより、要素格子の個数（Ｍ個）に対し２Ｍ本で済む。特に個別電極の数が増えた場合、信号電極の数を大幅に削減することが可能となるという利点を有する。

次に、第１の複合電極５５を持った液晶光変調素子１の駆動方法について説明する。はじめに、第１の要素格子４４の部分について説明する。図２７に駆動波形を示す。第１の駆動波形Ｖａを第１の信号電極４１に印加し、第２の駆動波形Ｖｂを第２の信号電極４２に印加する。第１の駆動波形Ｖａと第２の駆動波形Ｖｂは互いに周波数と位相が等しく電圧のみが異なっており、第２の駆動波形Ｖｂの方が第１の駆動波形Ｖａより電圧を大きくする。

また、期間ｔ１においては第１の駆動波形Ｖａは＋Ｖ₁[Ｖ]であり、第２の駆動波形Ｖｂは＋Ｖ₂[Ｖ]である。ここで、共通電極１Ｇを０［Ｖ］とする。したがって、透明導電膜など線形の抵抗材料で形成した第１の集電極４３によって電位が分割されるため、第１の活性領域６０に形成した第１の要素格子４４の個別電極には、それぞれ第１の信号電極４１と第２の信号電極４２に印加した電圧が配置位置によって直線的に分割されることとなる。ここで、個別電極の長手方向については個別電極がネマティック液晶層３６のインピーダンスと比較して低抵抗材料で形成されるためほぼ同電位とすることができる。さらに、必要に応じて共通電極１Ｇにバイアス交流電圧を印加する期間を期間１および期間２と別に設けてもよい。

次に、集電極による電位勾配について説明する。第１の複合電極５５（図２６）における第１の集電極４３上の電位勾配と、各個別電極の電位との関係を詳細に説明する。図２７に示す期間ｔ１においては第１の信号電極４１と第２の信号電極４２とを接続する第１の集電極４３の電位分布は、図２８の第１の電位分布Ｖｃで示す直線状の電位分布となる。図２７に示す期間ｔ２においては、第１の集電極４３の電位分布は、図２８の第２の電位分布Ｖｄで示す電位分布となる。

ここで、図２８において、ａ点は、第１の信号電極４１に接続される個別電極位置に対応し、ｂ点は、第２の信号電極４２に接続される個別電極位置に対応している。図２７に示した駆動波形が５０％デューティの矩形波の場合は、図２８で示す２つの第１および第２の電位分布Ｖｃ、Ｖｄを交互に時間的に繰り返すことになる。したがって、０［Ｖ］に維持した共通電極１Ｇを介してネマティック液晶層３６に印加される電圧はどの個別電極の位置においても交番電圧化され、ネマティック液晶層３６に直流成分が加わることはない。また、ネマティック液晶は実効値応答のため第１の信号電極４１側には、実効値で常時Ｖ₁[Ｖ]が印加され、第２の信号電極４２には、Ｖ₂[Ｖ]の電圧が印加され、さらに第１の集電極４３で分割された電位が各個別電極に印加されると考えればよい。

図２９は、本発明の液晶光変調素子の位相分布を示す模式図である。この場合、要素格子のピッチをＰ₀とし、最大偏向角θｍａｘを、ｔａｎθｍａｘ＝λ／Ｐ₀ と定義する。このときのθｍａｘの位相変調曲線（一点鎖線）のときの最大位相変調量は、要素格子のピッチＰ₀の距離で一波長分つまり２πとなる。第１の複合電極５５の場合、第１、第２の信号電極４１、４２の位置が予め決められているので、位相を変えるために任意の電極位置で、２πだけのリセットをかけることが不可能である。そこで、所定の位置でリセットを掛けるために、まず最大偏向角θｍａｘより少し小さい角度θ_p で高次光を発生させること無く偏向させる場合を考える。このとき、θ_pの位相変調曲線（実線）においては、λ〜２λの間でリセットをかける必要がある。このように、第１の複合電極５５を用いる場合は、所定の要素格子のうち、位相変調量がλ以上２λ未満に入る要素格子ごとにリセットをかける駆動方法を用いるようにしてもよい。

第１の複合電極５５を持った液晶光変調素子１の別の駆動方法について説明する。

図３０は、一つの要素格子に配置した信号電極端子への波形印加期間を示した図である。この駆動方法においては、１フレームを期間１と期間２に分けて駆動する。具体的には、ネマティック液晶層３６の劣化を防ぐため、平均値が０となるような交番電圧の駆動信号を第１の信号電極４１に印加し、第２の信号電極４２を共通電極１Ｇと同電位となるように０［Ｖ］とする期間１と、第２の信号電極４２に交番電圧の駆動信号を印加し、第１の信号電極４１を共通電極１Ｇと同電位となるように０［Ｖ］とする期間２を交互に設けた駆動する。

このような駆動方法を用いることで期間１と期間２を足した１フレームに要素格子に生じる液晶電位分布は、それぞれの期間の実効値に近い値をとる。期間１および期間２の印加波形は、任意でよく、たとえば振幅の異なる２つの波形を印加できる。また、パルス幅変調により、実効値を制御した波形でもよい。さらに、必要に応じて共通電極にバイアス交流電圧を印加してもよい。

次に、ブレーズド型回折格子を形成するための複合電極の他の構造について図３１を用いて詳細に説明する。先に説明した第１の複合電極５５（図２６）の構造に加えて、第２の複合電極９５は、第１の活性領域６０の外部で複数の個別電極の群の両端に集電極を配する構成を採用する。

図３１においては、第１の活性領域６０の外部で第１の集電極７３と対向する位置に第３の集電極８３を、第１の活性領域６０の外部で第２の集電極７７と対向する位置に第４の集電極８７を配する。さらに、第３の集電極８３はＭｏやＡｇ合金などの低抵抗金属材料からなる第５の信号電極８１と第６の信号電極８２に接続し、第４の集電極８７は第７の信号電極８５と第８の信号電極８６に接続している。

この第２の複合電極９５の構造では、第１の信号電極７１と第５の信号電極８１、第２の信号電極７２と第６の信号電極８２、第３の信号電極７５と第７の信号電極８５、および第４の信号電極７６と第８の信号電極８６のペアは外部で短絡して駆動する。なお、第２の複合電極９５を用いた光偏向装置の駆動方法は、先に説明した駆動方法をそのまま適用することができる。

図３１に示した第２の複合電極９５の構造は、個別電極が細くまた長くした場合などに、ネマティック液晶層の駆動周波数でのインピーダンスに比較して個別電極のインピーダンスが、無視できなくなる程大きくなる場合に特に有効である。

次に、高速応答が必要な応用の場合に特に有効である他の構成の第３の複合電極６３について説明する。図３２はブレーズド型回折格子を実現するための第１の活性領域６０と第３の複合電極６３の関係を示す平面図である。図３２において第３の複合電極６３は、複合電極を構成するＩＴＯなどの透明導電膜により形成した第１の個別電極６１から便宜上Ｎ＝２０とし、第Ｎの個別電極６２より形成している。

光偏向をおこなうためのブレーズド型回折格子を第１の活性領域６０に実現するために第３の複合電極６３には所定の電圧をそれぞれの個別電極６１〜６２に印加する必要がある。電圧パターンへの印加手段は、第１の個別電極６１から第Ｎの個別電極６２を図３２に示すように別々に形成して各個別電極を独立にＩＣなどの駆動回路で駆動して、各個別電極に段階的な電位差を生じさせる。

この第３の複合電極６３を用いた液晶光変調素子１を用いて任意の偏向角を実現する方法を図３３を用いて説明する。第３の複合電極６３においては、各個別電極は独立に直接駆動回路により任意の電圧を印加できる。したがって、可変調量が最小で２π（一波長）まで取れる場合、任意の偏向角を実現することが可能となる。たとえば、第１の位相変調波形Ｐh1を、第１の活性領域６０に実現するような電圧を各個別電極に印加したとき、偏向角θ₁は、ｔａｎθ₁＝λ／Ｐ₁で与えられる値を取る。なお、λは一波長分の相対位相差を示す。

また、ｘ軸方向を個別電極に直交する方向とした。本構成を用いることで、所定の個別電極を束ねたピッチＰ₁において、位相を一波長分リセットすることにより、回折効率を１００パーセントに近づけることが可能となる。

次に、第２の位相変調波形Ｐh2を、第１の活性領域６０に実現するような電圧を各個別電極に印加したとき、偏向角θ₂は、ｔａｎθ₂＝λ／Ｐ₂ で与えられる値を取る。このように、位相をリセットする所定のピッチＰ₁を変更することで、任意の偏向角θを容易に実現することが可能となる。

次に、本発明の液晶光変調装置を光クロック逓倍装置に適用した構成例について図３４を用いて説明する。

図３４において、ＶＯＡＤ（Variable Optical Attenuator and Delay）１１１は、本発明の液晶光変調装置を用いて構成され、複数の波長について光強度変調、位相変調、および分波を行うことで、光クロック逓倍装置を構成する。

光クロック逓倍装置１１０は、入力ポート１０２と出力ポート１０３を備え、入力ポート１０２から入力した光信号は、光結合分離器１０４によって分離される。分離した一方の光信号はＶＯＡＤ１１１によって変調が行われ、他方の光信号は遅延量が固定された固定遅延器１０６に通され、両光信号は光結合分離器１０５によって結合される。光結合分離器１０４から出力される光信号と固定遅延器１０６から出力される光信号との間に設定された所定位相差によって光クロックは逓倍化され、光結合分離器１０５で結合された光信号は出力ポート１０３から出力される。

ＶＯＡＤ１１１は各波長について独立に光強度変調と位相変調が行うことで、光クロック逓倍装置１１０は各波長について信号の搬送波となる光クロックを波高等価と位相補償をして逓倍化することができる。

図３５は、ＶＯＡＤ１１１による光強度変調および位相変調を説明するための図である。図３５（ａ）〜図３５（ｃ）は光クロック逓倍を行う２つの光信号が望ましい状態にあり、光強度が等しく、位相関係が等位相差である状態を示している。

図３５（ｄ）〜図（ｇ）は、光強度が不均一な場合に光強度変調によって光強度を合わせる状態を示している。ここでは、図３５（ｄ）に示す光信号と図３５（ｅ）に示す光信号によって光信号を逓倍化する場合を示している。このとき、図３５（ｅ）に示す光信号の光強度が図３５（ｄ）に示す光信号の光強度よりも小さい場合には、二つの光信号を結合すると、図３５（ｆ）に示すように、逓倍化された光信号の光強度が不均一となる。

そこで、ＶＯＡＤ１１１は、図３５（ｄ）に示す光信号の光強度を減衰させて図３５（ｅ）に示す光信号の光強度に合わせ、図３５（ｇ）に示すような、光強度が均一化された逓倍光信号を形成する。

また、図３５（ｈ）〜図（ｋ）は、位相ずれが生じた場合に位相変調によって位相関係を合わせる状態を示している。ここでは、図３５（ｈ）に示す光信号と図３５（ｉ）に示す光信号によって光信号を逓倍化する場合を示している。このとき、図３５（ｉ）に示す光信号の位相が図３５（ｈ）に示す光信号の位相に対して位相ずれが生じている場合には、二つの光信号を結合すると、図３５（ｊ）に示すように、逓倍化された光信号の位相間隔が不均一となる。

そこで、ＶＯＡＤ１１１は、図３５（ｈ）に示す光信号の位相をずらして図３５（ｉ）に示す光信号の位相との間の位相間隔を調整し、図３５（ｋ）に示すような、位相間隔が均一化された逓倍光信号を形成する。

また、図３４および図３５では、一段で２倍のビットレートを生成する、搬送波作成のための光クロック逓倍器の例を示したが、この構成を固定遅延器１０６を所定の遅延量とすることで、任意の位相遅れを持つ光クロック逓倍器の波高等価や位相調整に応用可能である。また、光クロック逓倍器をカスケード接続やパラレル接続した場合や、光アンプや信号変調器などを途中に挿入した場合も、本発明の構成が適用可能であることは言うまでもない。

以上、本発明の液晶光変調装置について、好ましい実施形態を示して説明したが、本発明に係る液晶光変調装置は、上述した実施形態にのみ限定されるものではなく、本発明の範囲で種々の変更実施が可能であることは言うまでもない。

本発明の液晶光変調素子の概略構成、および機能を説明するための図である。 本発明の反射型の液晶光変調素子の概略構成、および機能を説明するための図である。 本発明の液晶光変調素子の構造を示す断面図である。 液晶光変調素子による光変調（位相変調および強度変調）の第１の形態を説明するための概略図である。 液晶光変調素子による光変調（位相変調および強度変調）の第２の形態を説明するための概略図である。 本発明の液晶光変調装置１０Ａの概略構成を説明するための図である。 本発明の液晶光変調装置１０Ａの側面方向からみた波面状態を示す図である。 本発明の液晶光変調装置１０Ａの上面方向からみた波面状態を示す図である。 本発明の液晶光変調装置１０Ａの上面方向からみた波面状態を示す図である。 本発明の液晶光変調装置１０Ａの等価光路位置を示す図である。 偏光方向はそろった入射光を入力ポートに入力する構成を説明するための図である。 本発明の液晶光変調装置１０Ｂの概略構成を説明するための図である。 本発明の液晶光変調装置１０Ｂの上面方向および側面方向からみた波面状態を示す図である。 本発明の液晶光変調装置１０Ｂの等価光路位置を示す図である。 本発明の液晶光変調装置１０Ｃの概略構成を説明するための図である。 本発明の液晶光変調装置１０Ｃの上面方向および側面方向からみた波面状態を示す図である。 本発明の液晶光変調装置１０Ｄの概略構成を説明するための図である。 本発明の液晶光変調装置１０Ｄの上面方向および側面方向からみた波面状態を示す図である。 本発明の２次元の液晶光変調装置の構成例を示す図である。 本発明の液晶光変調装置の反射型の構成例を説明するための図である。 本発明の液晶光変調装置の反射型の構成例を説明するための図である。 ＴＥＣの一構成例を説明するための図である。 本発明の液晶光変調装置の構成例を説明するための図である。 本発明の液晶光変調素子の動作の基本原理を示す模式図である。 本発明の液晶光変調素子の動作原理を示す説明図である。 液晶光変調素子１のブレーズド型回折格子を形成するための第１の複合電極の構造を説明するための図である。 第１の複合電極を有する液晶光変調素子の駆動方法を説明するための図である。 第１の集電極の電位分布を説明するための図である。 本発明の液晶光変調素子の位相分布を示す模式図である。 一つの要素格子に配置した信号電極端子への波形印加期間を示した図である。 ブレーズド型回折格子を形成するための複合電極の他の構造を説明するための図である。 ブレーズド型回折格子を実現するための第１の活性領域と第３の複合電極の関係を示す平面図である。 任意の偏向角を実現する方法を説明するための図である。 本発明の液晶光変調装置を光クロック逓倍装置に適用した構成例を説明するための図である。 ＶＯＡＤ１１１による光強度変調および位相変調を説明するための図である。 光時分割多重を実現する構成例を説明するための図である。 液晶素子を用いた光変調器の一例を説明するための図である。 光アドレス型空間変調器の構成例を説明するための模式図である。

符号の説明

１ 液晶光変調素子
１Ａ 無反射コート
１Ｂ 第１の透明基板
１Ｃ 複合電極
１Ｄ 配向層
１Ｅ ネマティック液晶層
１Ｆ 配向層
１Ｇ 共通電極
１Ｈ 第２の透明基板
１Ｉ ネマティック液晶層
２ 入力ポート
３ 出力ポート
４ 入出力ポート
１０，１０Ｃ，１０Ｄ，１０Ｅ，１０Ｆ 液晶光変調装置
１０Ａ １次元液晶光変調装置
１０Ｂ ２次元液晶光変調装置
１１，１３ アナモルフィックコリメータ
１２ 分光器
１４ 結合器
１５，１６ 偏光変換器
１７ 分光結合器
２１，２３ コリメータ
２２ 分光器
２４ 結合器
２５，２６ 偏光変換器
３１ 液晶光変調素子
３２ ダイレクタ
３３ 入射直線偏光
３４ 入射波面
３５ 出射直線偏光
３６ ネマティック液晶層
４１ 第１の信号電極
４２ 第２の信号電極
４３ 第１の集電極
４４ 第１の要素格子
４５ 第３の信号電極
４６ 第４の信号電極
４７ 第２の集電極
４８ 第２の要素格子
５１ 第１の個別電極
５２ 第Ｎの個別電極
５３ 第Ｎ＋１の個別電極
５４ 第２Ｎの個別電極
５５ 第１の複合電極
６０ 第１の活性領域
６１ 第１の個別電極
６２ 第Ｎの個別電極
６３ 第３の複合電極
７１ 第１の信号電極
７２ 第２の信号電極
７３ 第１の集電極
７４ 第１の要素格子
７５ 第３の信号電極
７６ 第４の信号電極
７７ 電極
７８ 第２の要素格子
８１ 第５の信号電極
８２ 第６の信号電極
８３ 第３の集電極
８５ 第７の信号電極
８６ 第８の信号電極
８７ 第４の集電極
９１ 第５の信号電極
９２ 第６の信号電極
９５ 第２の複合電極
１００ 光クロックマルチプレクサ
１０１ 光変調装置
１０２ 入力ポート
１０３ 出力ポート
１０４，１０５ 光結合器
１０６ 遅延器
１０７ コリメーテッドスプリッタ
１１０ 光クロック逓倍装置
１１１ ＶＯＡＤ（Variable Optical Attenuator and Delay）
２０１ 入出力ポート
２０２ 分光器
２０３ 偏光子
２１１，２１２，２１３ シリンドリカルレンズ
３０１ 光変調器（ＳＬＭ）
３０２ 補償器
Ａ 第１領域
Ｂ 第２領域

Claims (14)

1. 複数の個別電極を有する第１の基板と、
   共通電極を有する第２の基板と、
   前記第１の基板と第２の基板との間に挟持した液晶層とを備え、
   前記第１の基板上に形成された各個別電極に所定電圧を印加することによって液晶層の屈折率を変調させることで光変調を行う液晶光変調素子であって、
   前記第１の基板上に形成された電極を少なくとも第１の領域と第２の領域を含む複数の領域に区分し、各領域に対する電圧の印加態様を異ならせ、第１の領域において波面方向を変えることで出射側の光結合係数を調整して強度変調し、第２の領域において光を位相変調する駆動回路を有し、
   前記第１の領域に勾配電圧を印加し、当該勾配電圧の印加によって前記第１の領域の液晶層内の実効的位相差に勾配を形成し、当該実効的位相差の勾配によって出射光面から出射される出射光の位相を領域内でずらすことで、出射光の進行方向を調整して前記出射側の光結合係数を調整して強度変調を行い、
   前記第２の領域全体に所定の一定電圧を印加し、当該一定電圧の印加によって前記第２の領域の液晶層内に実効的位相差を形成し、当該実効的位相差によって出射光面から出射される出射光の位相を領域内で均一に調整することで、出射光の位相変調を行い、
   一つの素子の異なる領域で強度変調と位相変調を行うことを特徴とする、液晶光変調素子。
2. 前記実効的位相差の最大位相差Φmaxと光変調を行う光の使用最大波長λmaxにおいてΦmax≧２πの関係があることを特徴とする、請求項１に記載の液晶光変調素子。
3. 前記液晶層の最大厚さｄmaxは、ｄmax＞λmax／Δｎmaxである（Δｎmaxは液晶の実効最大複屈折率、λmaxは使用する最大波長）ことを特徴とする、請求項２に記載の液晶光変調素子。
4. 複数の個別電極を有する第１の基板と、
   共通電極を有する第２の基板と、
   前記第１の基板と第２の基板との間に挟持した液晶層とを備え、
   前記第１の基板上に形成された各個別電極に所定電圧を印加することによって液晶層の屈折率を変調させることで光変調を行う液晶光変調素子であって、
   前記液晶層の厚さｄは、ｍλmax／Δｎmax＜ｄである（Δｎmaxは液晶の実効最大複屈折率、λmaxは使用最大波長、ｍは整数）とし、
   前記第１の基板上に形成された電極に、勾配電圧に一定電圧のバイアス電圧を付加した電圧を印加し、
   前記勾配電圧の印加によって液晶層内の実効的位相差に勾配を形成し、当該実効的位相差の勾配によって出射光面から出射される出射光の位相を領域内でずらして波面方向を変えることで、出射側の光結合係数を調整して強度変調を行うとともに、
   前記所定の一定電圧のバイアス電圧を印加することによって液晶層内に一定の実効的位相差を形成し、この一定の実効的位相差によって出射光面から出射される出射光の位相を領域内で均一に調整することで出射光の位相変調を行う駆動回路を有し、一つの素子の同一の領域で強度変調と位相変調を行うことを特徴とする、液晶光変調素子。
5. 前記複数の個別電極を、前記領域の配列方向に配列する一次元配列、又は前記領域の第１の配列方向と当該第１の配列方向と直交する第２の配列方向に配列する二次元配列とすることを特徴とする、請求項１から請求項４の何れか一つに記載の液晶光変調素子。
6. 入射光を入射するための入射ポートと、
   出射光を出射するための出射ポートと、
   前記請求項１から請求項３の何れか一つに記載の液晶光変調素子と、
   前記入射ポートからの入射光を平行光として前記液晶光変調素子に入射する第１のコリメータ素子と、
   前記液晶光変調素子からの光を結合して平行光として出射ポートに出射する第２のコリメータ素子とを備えることを特徴とする、液晶光変調装置。
7. 前記第１のコリメータ素子と前記液晶光変調素子との間に、一方の偏光の偏光方向を９０°変換させる第１の偏光変換素子を備え、
   前記液晶光変調素子と前記第２のコリメータ素子との間に、前記変換した偏光の偏光方向に戻す第２の偏光変換素子を備えることを特徴とする、請求項６に記載の液晶光変調装置。
8. 前記入射ポートと第１のコリメータ素子との間に、一方の偏光の偏光方向を９０°変換させる第１の偏光変換素子を備え、
   前記第２のコリメータ素子と前記出射ポートの間に、前記変換した偏光の偏光方向に戻す第２の偏光変換素子を備えることを特徴とする、請求項６に記載の液晶光変調装置。
9. 前記第２のコリメータ素子に代えて複数の光ファイバを備えることを特徴とする、請求項６から請求項８の何れか一つに記載の液晶光変調装置。
10. 前記液晶光変調素子は、第１または第２の基板の少なくとも一部を、金属または樹脂により熱電変換素子に接着固定し、環境温度の変化による前記液晶層の波長換算した位相揺らぎを、同一電圧プロファイル印加した時に使用最大波長のλ／１０以下となるように制御することを特徴とする、請求項９に記載の液晶光変調装置。
11. 前記液晶光変調素子の前後の光路上に分光器を備え、
    前記液晶光変調素子は、前記分光器により分光された波長毎に光変調を行うことを特徴とする、請求項６から請求項１０の何れか一つに記載の液晶光変調装置。
12. 前記液晶光変調素子は、前記複数の個別電極を、前記領域の第１の配列方向と当該第１の配列方向と直交する第２の配列方向に配列する二次元配列とし、
    前記第２の配列方向に、前記分光器により分光された波長を入射することを特徴とする、請求項１１に記載の液晶光変調装置。
13. 請求項１から請求項３の何れか一つに記載の液晶光変調素子の駆動方法であって、
    前記複数の個別電極は、複数の群にまとめられ、各群内における各複数の個別電極を共通の集電極で接続するとともに、その集電極の両端に一対の信号電極を接続し、
    前記第１の領域に対応する群において、前記一対の信号電極に、それぞれ異なる電圧の駆動波形を印加することによって前記第１の領域に勾配電圧を形成し、
    前記第２の領域に対応する群において、前記一対の信号電極に、同一電圧の駆動波形を印加することによって前記第２の領域に所定の一定電圧を印加することを特徴とする液晶光変調素子の駆動方法。
14. 請求項４に記載の液晶光変調素子の駆動方法であって、
    前記複数の個別電極は、複数の群にまとめられ、各群内における各複数の個別電極を共通の集電極で接続するとともに、その集電極の両端に一対の信号電極を接続し、
    前記一対の信号電極に、それぞれ異なる電圧の駆動波形に一定電圧のバイアス電圧を付加することによって、一定電位に勾配電電位を形成することを特徴とする液晶光変調素子の駆動方法。