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JP6827650B2 - 位相変調装置 - Google Patents
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Description

本発明は、液晶素子を用いた位相変調装置に関する。
近年、光通信分野では激増する情報量に対応するため、環状に形成された光ネットワークシステム、及び、光波長多重通信システムが提唱されている。これら光通信システムにおける光信号の分岐または挿入を、電気信号への変換を中継することなく実行できるROADM(Reconfigurable Optical And Drop Multiplexer)装置が用いられ、その中で光スイッチング装置としてWSS(Wavelength Selective Switch)装置が用いられる。WSS装置における光スイッチング素子として、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)ミラー、及び、反射型液晶素子、例えばLCOS(Liquid Crystal on Silicon)素子等が用いられる。
LCOS素子は、複数の反射型の画素電極が水平方向、及び、垂直方向に配置されている画素領域を有する反射型液晶素子である。各画素電極上の液晶の屈折率は、液晶に印加される電圧を画素電極ごとに制御することにより変化する。信号光の位相速度は、各画素上の液晶の屈折率を変化させることにより、画素ごとに制御される。
LCOS素子は、位相速度を画素ごとに段階的に変化させることにより、信号光の波面を傾斜させることができる。LCOS素子は、信号光の波面の傾斜角を位相速度の変化の割合に応じて制御することができる。即ち、LCOS素子は、画素ごとに位相速度を変化させて信号光を所定の方向に反射する位相変調素子として機能する。
MEMSミラーは信号光の波長帯の数に対応してミラーが必要になる。そのため、信号光の波長帯またはその数を変更する場合、変更内容に対応させてMEMSミラーを新たに作製しなければならない。
それに対して、LCOS素子は画素領域を複数の画素ブロックに任意に分割し、画素ブロックごとに制御することができる。そのため、信号光の波長帯またはその数を変更する場合、変更内容に対応させて画素ブロックを再構成することができるので、液晶素子を新たに作製する必要がない。即ち、LCOS素子は、MEMSミラーよりも可変グリッド性に優れている。特許文献1には、LCOS素子を用いた位相変調装置の一例が記載されている。
特開2016−143037号公報
通常、画素領域の外側には、位相変調に寄与しない周辺領域が画素領域に隣接して形成されている。画素領域と周辺領域との電位差に起因してディスクリネーションが発生する場合がある。ディスクリネーションとは、電位差に起因して液晶分子が意図した方向とは異なる方向に傾斜することである。電位差が大きいと横電界が大きくなるため、ディスクリネーションが発生しやすくなったり、発生領域が広がったりする。
信号光はディスクリネーションの影響により、目的の傾斜角とは異なる傾斜角で反射されてしまうため、目的の出力ポートとは異なる出力ポートに入射するクロストークが発生する。
本発明は、画素領域と画素領域に隣接する周辺領域との電位差に起因するディスクリネーションの発生を抑制する位相変調装置を提供することを目的とする。
本発明は、情報データに基づいて位相の変化量の分布または位相速度の分布に対応する画像データを生成する画像データ生成部と、前記画像データに基づいて各画素に対応する階調データを生成する階調データ生成部と、前記階調データに基づいて調整電圧を生成する調整電圧制御部と、前記階調データ及び前記調整電圧が印加される反射型液晶素子とを備え、前記反射型液晶素子は、複数の画素電極が配置され、前記階調データに対応する鋸歯状波の電圧パターンの駆動電圧が印加される画素領域と、前記画素領域に対して、前記電圧パターンが繰り返される第1の方向に隣接する第1の調整電極とを有し、前記画素領域は、前記画素領域に入射される信号光を前記電圧パターンに基づいて位相変調させ、前記信号光の波面を変化させる複数の画素ブロックを有し、前記複数の画素ブロックは、前記駆動電圧として第1の電圧パターンが印加される第1の画素ブロックと、前記駆動電圧として第2の電圧パターンが印加される第2の画素ブロックとを有し、前記調整電圧制御部は、前記第1の調整電極に、前記第1の調整電極と隣り合う前記第1の画素ブロックの画素電極、及び、前記第1の調整電極と隣り合う前記第2の画素ブロックの画素電極に印加される駆動電圧と同じ電圧値の調整電圧を印加する位相変調装置を提供する。
本発明の位相変調装置によれば、画素領域と画素領域に隣接する周辺領域との電位差に起因するディスクリネーションの発生を抑制できる。
一実施形態の位相変調装置を示すブロック図である。 反射型液晶素子の一例を示す上面図である。 図2のA−Aで切断した反射型液晶素子の断面図である。 図2のB−Bで切断した反射型液晶素子の断面図である。 反射型液晶素子による信号光の位相変調を示す図である。 画素電極に印加される駆動電圧を示す図である。 画素電極上の液晶の屈折率を示す図である。 画素領域における画素ブロックと、調整電極との関係を示す図である。 図7のC1−C2における駆動電圧の電圧パターンの一例を示す図である。 図7のD1−D2における駆動電圧の電圧パターンの一例を示す図である。
図1を用いて、一実施形態の位相変調装置を説明する。位相変調装置1は、画像データ生成部2と、階調データ生成部3と、調整電圧制御部5と、反射型液晶素子10とを備える。反射型液晶素子10は例えばLCOS素子である。以下、反射型液晶素子10をLCOS素子10とする。
画像データ生成部2には情報データJDが入力される。情報データJDは、信号光の入力ポート及び出力ポートの位置と信号光における入射光に対する反射光の角度との関係を示すパラメータと、信号光の波長帯、即ち所望の反射光角度を実現する位相の変化量の分布に関わるパラメータとを含む。位相の変化量は、入射光の位相に対する反射光の位相の進みまたは遅れで、位相速度の分布に対応する。所定の入力ポートから射出された信号光は、位相変調装置1により位相変調されて目的の出力ポートへ入射する。
画像データ生成部2は、情報データJDに基づいて位相の変化量の分布を設定する。画像データ生成部2は、位相の変化量の分布、または、位相速度の分布に基づいて画像データDDを生成し、階調データ生成部3へ出力する。階調データ生成部3は、画像データDDのLCOS素子10における各画素に対応する階調データDSを生成し、各画素に書き込まれるタイミングに合わせてLCOS素子10へ出力する。この階調に対応する駆動電圧がLCOS素子10内で生成され、液晶に印加される。階調データ生成部3は、階調データDSを調整電圧制御部5へ出力する。
図2〜図4を用いて、LCOS素子10の構成例を説明する。LCOS素子10は、駆動基板20と、透明基板30と、液晶11と、シール材12とを有する。駆動基板20は、画素領域21と、配向膜22と、接続端子23と、調整電極40とを有する。画素領域21には、複数の反射型の画素電極24が水平方向及び垂直方向に配置されている。1個の画素電極24が1画素を構成する。
配向膜22は少なくとも画素領域21上に形成されている。接続端子23は、駆動基板20の外周部に形成され、階調データ生成部3から階調データDSが入力され、外部からタイミング制御信号が入力される。また、接続端子23は外部から電源等も接続されている。
調整電極40は画素領域21の周囲に、画素領域21に隣接して形成されている。配向膜22は画素領域21上及び調整電極40上に形成されている。接続端子23は駆動基板20の外周部に形成され、図1に示す調整電圧制御部5に接続されている。
透明基板30は、透明電極31と、配向膜32とを有する。配向膜32は透明電極31上に形成されている。駆動基板20と透明基板30とは、画素電極24と透明電極31とが対向するようにシール材12により間隙を有して接着されている。
シール材12は調整電極40の外周部に沿って環状に形成されている。図2〜図4では、シール材12は調整電極40よりも外側の領域に形成されているが、調整電極40の一部の領域上にかかって形成されていてもよい。液晶11は、駆動基板20と透明基板30との間隙に充填され、シール材12により封止されている。透明基板30の透明電極31が形成されている面とは反対側の面に反射防止膜33を形成してもよい。
駆動基板20として半導体基板(例えばシリコン基板)を用いることができる。なお、駆動基板20には、各画素を駆動するための駆動回路が形成されている。画素電極24、接続端子23、及び、調整電極40の材料としてアルミニウムを主成分とする金属材料を用いることができる。
透明基板30として無アルカリガラス基板または石英ガラス基板を用いることができる。透明電極31の材料としてITO(Indium Tin Oxide)を用いることができる。なお、ITO膜の上側及び下側に誘電体膜を形成してもよい。シール材12として紫外線硬化樹脂、熱硬化性樹脂、または紫外線と熱との併用により硬化する樹脂を用いることができる。反射防止膜33として誘電体多層膜を用いることができる。
図5、図6A、及び、図6Bを用いて、LCOS素子10による信号光の位相変調を説明する。説明を分かりやすくするために、3個の画素電極24により画素ブロック25を構成する場合について説明する。通常、画素ブロック25は、3個以上の画素電極24が水平方向及び垂直方向にそれぞれ配置されている構成を有する。各画素電極24を区別するため、左から画素電極24a、画素電極24b、及び、画素電極24cとする。
図1に示す画像データ生成部2により生成された位相の変化量の分布(位相速度の分布)に応じた画像データDDに基づいて、図6Aに示すように、画素電極24a、24b、及び、24cには異なる駆動電圧DVa、DVb、及び、DVcが印加される。実際には、液晶11に印加される駆動電圧DVa、DVb、及び、DVcは、画素電極24a、24b、及び、24cと透明電極31との間に加わる電圧である。液晶11は、構成される分子の屈折率と誘電率に異方性を有することから、印加される駆動電圧によって分子の傾斜が変化することで屈折率が変化する。
これにより、図6Bに示すように、画素電極24a上の液晶11は第1の屈折率naを有し、画素電極24b上の液晶11は第2の屈折率nbを有し、画素電極24c上の液晶11は第3の屈折率nc(na>nb>nc)を有する。屈折率na〜ncは画素電極24a〜24c上の液晶11の平均的な屈折率である。
入力ポートから出力された信号光SLは、p偏光またはs偏光の直線偏光の状態で画素ブロック25に入射する。図3に示す配向膜22及び32は、信号光SLの偏向方向と液晶11の配向方向とが同じになるように形成されている。配向方向とは、例えば配向膜22付近の液晶11が傾斜する方向である。なお、配向膜32付近の液晶11が傾斜する方向を配向方向としてもよい。
信号光SLの偏向方向と液晶11の配向方向とを同じにすることにより、直線偏光が楕円偏光へと変調されて、p偏光がs偏光成分を有する、または、s偏光がp偏光成分を有することによって生じる信号光SLの減衰を抑制して、信号光SLを効率的に反射させることができる。
図5に示すpa、pb、及び、pcは、画素電極24a、24b、及び、24c上の液晶11の屈折率の違いにより生じる位相速度の違いを模式的に示している。図5に示すWFは信号光SLの波面を模式的に示している。波面WFは、信号光SLの位相が揃った面をいう。信号光SLは、画素電極24aから画素電極24cに向かって位相の変化量または位相速度が段階的に大きくなる。これにより、信号光SLの波面WFを変化(傾斜させることができる。
駆動電圧DVa、DVb、及び、DVcにより、画素電極24a、24b、及び、24c上の液晶11の屈折率の差を大きくし、位相変化の差を大きくすることで波面WFの傾斜角θを大きくすることができる。また、画素電極24a、24b、及び、24c上の液晶11の屈折率の差を小さくし、位相変化の差を小さくすることで波面WFの傾斜角θを小さくすることができる。傾斜角θは、信号光SLの波面WFと画素電極24a、24b、及び、24cの垂線とのなす角度に相当する。なお、画素電極24の数を変えることにより波面WFの傾斜角θを変化させることもできる。
信号光SLは、画像データ生成部2により生成された画像データDDに基づいて、波面WFが所定の傾斜角θとされ、画素電極24a、24b、及び、24cにより反射される。従って、LCOS素子10は、画像データDDに基づいて、信号光SLの位相速度を画素ごとに段階的に変化させることにより、信号光SLを所定の方向に反射させることができる。
LCOS素子10は、信号光SLの波面WFの傾斜角θを位相速度の変化の割合に応じて制御することができる。即ち、LCOS素子10は、画素ごとに位相速度を変化させて信号光SLを所定の方向に反射する位相変調素子として機能する。LCOS素子10が信号光SLの波面WFの傾斜角θを制御することにより、信号光SLは目的の出力ポートに入射される。
図7、図8A、及び、図8Bを用いて、画素領域21における画素ブロック25と調整電極40との関係を説明する。図7は、図2に示す画素領域21が4個の画素ブロック25に分割される場合の構成を示している。信号光SLは画素ブロック25ごとに入射される。
画素ブロック25は、情報データJDに基づいて範囲及び位置が決定される。画素ブロック25は信号光SLが入射される入射領域26を含むように構成されている。入射領域26は、信号光SLのスポット径、スポット形状、及び入射位置精度等に基づいて決定される。LCOS素子10は、情報データJDの変更内容に対応させて画素ブロック25を再構成することができる。
LCOS素子10は、画像データ生成部2により生成される画像データDDに基づいて、画素ブロック25ごとに信号光SLの波面WFの傾斜角θを制御することができる。各画素ブロック25を区別するため、左上側の画素ブロック25を画素ブロック25a、左下側の画素ブロック25を画素ブロック25b、右上側の画素ブロック25を画素ブロック25c、右下側の画素ブロック25を画素ブロック25dとする。
画素ブロック25a〜25dには、異なる波長帯の信号光SLを入射させることができる。LCOS素子10は、画像データDDに基づいて、画素ブロック25a〜25dに異なる電圧パターンの駆動電圧を印加させることができる。
図8A及び図8Bを用いて、駆動電圧DVを電圧値の振幅で制御する場合について説明する。図8Aは、図7に示す画素ブロック25aのC1−C2における連続した画素の駆動電圧DVの電圧パターンを示している。なお、図7では画素ブロック25には画素ブロック25aと同じ電圧パターンを示しているが、異なる電圧パターンの駆動電圧DVを印加させることができる。
図8Bは、図7に示す画素ブロック25cのD1−D2における連続した画素の駆動電圧DVの電圧パターンを示している。なお、図7では画素ブロック25dには画素ブロック25cと同じ電圧パターンを示しているが、異なる電圧パターンの駆動電圧DVを印加させることができる。
図8A及び図8Bに示すように、駆動電圧DVは鋸歯状波の電圧パターンを有する。なお、実際には連続した画素ごとの電圧なので階段状になるが、ここでは鋸歯状に図示する。図7に示す画素ブロック25a〜25dにおける暗い部分は、図8Aまたは図8Bに示す駆動電圧DVの電圧パターンの電圧の低い部分に相当し、明るい部分は電圧の高い部分に相当する。図8Aに示す電圧パターンは、図8Bに示す電圧パターンよりも電圧値の振幅が大きいため、信号光SLの波面WFの傾斜角θは大きくなる。
ここでは、液晶11は、水平配向の液晶材料、即ち正の誘電率異方性を有する液晶材料を想定している。水平配向の液晶では、電圧振幅をより大きく印加するほど屈折率が高くなる。垂直配向の液晶材料、即ち負の誘電率異方性を有する液晶材料の場合、電圧振幅を大きくすることで屈折率は低くなる。また、液晶材料によって屈折率及び屈折率の異方性が異なる。加えて、液晶層の厚みによっても結果的に得られる位相の変化量は異なる。
駆動電圧DVの電圧パターンは、画像データ生成部2により生成された画像データDDに基づいて設定される。従って、画素ブロック25a〜25dは、情報データJDに基づいて範囲及び位置が決定され、入射される信号光SLを駆動電圧DVの電圧パターンに基づいて位相変調させ、信号光SLの波面WFを変化(傾斜させることができる。なお、駆動電圧DVをパルス幅またはパルスの数で制御するPWM方式による制御も有効である。この場合、図8A及び図8Bにおける縦軸は、1フレームにおける駆動電圧DVの印加パルスの積算時間に相当する。
各調整電極40を区別するために、画素領域21に対して、鋸歯状波の電圧パターンが繰り返される第1の方向(図7の上下方向)における第1の側(図7における上側)に隣接する調整電極40を調整電極41(第1の調整電極)、第1の方向における第1の側とは反対側の第2の側(図7における下側)に隣接する調整電極40を調整電極42(第3の調整電極)とする。
画素領域21に対して、第1の方向に直交する第2の方向(図7の左右方向)における第3の側(図7における左側)に隣接する調整電極40を調整電極43(第2の調整電極)、第2の方向における第3の側とは反対側の第4の側(図7における右側)に隣接する調整電極40を調整電極44(第4の調整電極)とする。
画素ブロック25間に、位相変調に寄与しないブランクエリア50が形成される場合がある。図7は、画素ブロック25a及び25cと画素ブロック25b及び25dとの間にブランクエリア50が形成される場合を示している。画素ブロック25a及び25bと画素ブロック25c及び25dとの間にブランクエリア50が形成される場合、または、その両方にブランクエリア50が形成される場合もある。
調整電圧制御部5は、階調データDSに基づいて、調整電極41〜44を透明電極31に同期した電圧信号で駆動させることができる。
駆動電圧DVを電圧値の振幅で制御する場合について説明する。調整電圧制御部5は、画素ブロック25a及び25cの画素電極24と隣り合う調整電極41、調整電極41と透明電極31との電位差が、画素ブロック25a及び25cの画素電極24と透明電極31との電位差と同じになるように、画素ブロック25a及び25cの画素電極24に印加される駆動電圧DVと同じ電圧値の調整電圧AVを印加る。
調整電圧制御部5は、画素ブロック25b,25dの画素電極24と隣り合う調整電極42、調整電極42と透明電極31との電位差が、画素ブロック25b及び25dの画素電極24と透明電極31との電位差と同じになるように、画素ブロック25b及び25dの画素電極24に印加される駆動電圧DVと同じ電圧値の調整電圧AVを印加る。
例えば、画素ブロック25a及び25cにおける調整電極41と隣り合う画素電極24に印加される駆動電圧DVの電圧値をva、画素ブロック25b及び25dにおける調整電極42と隣り合う画素電極24に印加される駆動電圧DVの電圧値をvb(va<vb)とする。調整電圧制御部5は、調整電極41に電圧値vaの調整電圧AVを印加、調整電極42に電圧値vbの調整電圧AVを印加る。
従って、画素ブロック25a及び25cと調整電極41との電位差、及び、画素ブロック25b及び25dと調整電極42との電位差を低減することができるので、ディスクリネーションの発生を抑制できる。
調整電圧制御部5は、画素ブロック25a及び25bの画素電極24と隣り合う調整電極43、調整電極43と隣り合う画素電極24に印加される駆動電圧DVの平均電圧値、または、最大電圧値と最小電圧値との中間の電圧値の調整電圧AVを印加る。調整電圧制御部5は、画素ブロック25c及び25dの画素電極24と隣り合う調整電極44、調整電極44と隣り合う画素電極24に印加される駆動電圧DVの平均電圧値、または、最大電圧値と最小電圧値との中間の電圧値の調整電圧AVを印加る。
従って、画素ブロック25a及び25bと調整電極43との最大電位差、及び、画素ブロック25c及び25dと調整電極44との最大電位差を小さくすることができるので、ディスクリネーションの発生を抑制できる。
駆動電圧DVをPWM(Pulse Width Modulation)方式により制御する場合、調整電圧制御部5は、PWM方式による画素領域21における階調データと調整電極41〜44における階調データとを対応させて調整電圧AVを生成し、調整電極41〜44に印加する。
調整電圧制御部5は、調整電極41、調整電極41と透明電極31との電位差が、画素ブロック25a及び25cの画素電極24と透明電極31との電位差と同じになるように、透明電極31に印加される電圧に同期させて、調整電極41と隣り合う画素ブロック25a及び25cの画素電極24に印加される駆動電圧DVと同じ電圧パターンの調整電圧AVを印加る。
調整電圧制御部5は、調整電極42、調整電極42と透明電極31との電位差が、画素ブロック25b及び25dの画素電極24と透明電極31との電位差と同じになるように、透明電極31に印加される電圧に同期させて、調整電極42と隣り合う画素ブロック25b及び25dの画素電極24に印加される駆動電圧DVと同じ電圧パターンの調整電圧AVを印加る。
調整電圧制御部5は、調整電極43と隣り合う画素ブロック25a及び25bの画素電極24に印加される駆動電圧DVの平均電圧値、または、最大電圧値と最小電圧値との中間の電圧値になるように調整電圧AVを生成し、透明電極31に印加される電圧に同期させて、調整電極43に印加る。
調整電圧制御部5は、調整電極44と隣り合う画素ブロック25c及び25dの画素電極24に印加される駆動電圧DVの平均電圧値、または、最大電圧値と最小電圧値との中間の電圧値になるように調整電圧AVを生成し、透明電極31に印加される電圧に同期させて、調整電極44に印加る。
従って、画素ブロック25a及び25bと調整電極43との電位差、及び、画素ブロック25c及び25dと調整電極44との電位差を低減することができるので、ディスクリネーションの発生を抑制できる。
本実施形態の位相変調装置1によれば、画素領域21と周辺領域との電位差を調整電極40により低減することができるため、画素領域21と周辺領域との電位差に起因するディスクリネーションの発生を抑制できる。
本発明は、上述した本実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能である。
1 位相変調装置
2 画像データ生成部
3 階調データ生成部
5 調整電圧制御部
10 LCOS素子(反射型液晶素子)
21 画素領域
24 画素電極
25 画素ブロック
41 第1の調整電極
43 第2の調整電極
JD 情報データ
DD 画像データ
DS 階調データ
DV 駆動電圧
AV 調整電圧
SL 信号光
WF 波面

Claims (4)

  1. 情報データに基づいて位相の変化量の分布または位相速度の分布に対応する画像データを生成する画像データ生成部と、
    前記画像データに基づいて各画素に対応する階調データを生成する階調データ生成部と、
    前記階調データに基づいて調整電圧を生成する調整電圧制御部と、
    前記階調データ及び前記調整電圧が印加される反射型液晶素子と、
    を備え、
    前記反射型液晶素子は、
    複数の画素電極が配置され、前記階調データに対応する鋸歯状波の電圧パターンの駆動電圧が印加される画素領域と、
    前記画素領域に対して、前記電圧パターンが繰り返される第1の方向に隣接する第1の調整電極と、
    を有し、
    前記画素領域は、前記画素領域に入射される信号光を前記電圧パターンに基づいて位相変調させ、前記信号光の波面を変化させる複数の画素ブロックを有し、
    前記複数の画素ブロックは、前記駆動電圧として第1の電圧パターンが印加される第1の画素ブロックと、前記駆動電圧として第2の電圧パターンが印加される第2の画素ブロックとを有し、
    前記調整電圧制御部は、前記第1の調整電極に、前記第1の調整電極と隣り合う前記第1の画素ブロックの画素電極、及び、前記第1の調整電極と隣り合う前記第2の画素ブロックの画素電極に印加される駆動電圧と同じ電圧値の調整電圧を印加する
    位相変調装置。
  2. 前記反射型液晶素子は、前記画素領域に対して、前記第1の方向に直交する第2の方向に隣接する第2の調整電極をさらに有し、
    前記調整電圧制御部は、前記第2の調整電極に、前記第2の調整電極と隣り合う複数の画素ブロックの画素電極に印加される駆動電圧の平均電圧値の調整電圧を印加する
    請求項1に記載の位相変調装置。
  3. 前記反射型液晶素子は、前記画素領域に対して、前記第1の方向に直交する第2の方向に隣接する第2の調整電極をさらに有し、
    前記調整電圧制御部は、前記第2の調整電極に、前記第2の調整電極と隣り合う複数の画素ブロックの画素電極に印加される駆動電圧の最大電圧値と最小電圧値との中間の電圧値の調整電圧を印加する
    請求項1に記載の位相変調装置。
  4. 前記情報データは、前記信号光の入力ポート及び出力ポートの位置と前記信号光における入射光に対する反射光の角度との関係を示すパラメータと、前記信号光の波長帯のパラメータとを含む請求項1〜3のうちのいずれか1項に記載の位相変調装置。
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