專利名稱：用于光通信系統(tǒng)的銳角扭曲向列(atn)液晶裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及液晶裝置，特別涉及用于光通信的利用銳角扭曲角度的扭曲向列液晶材料的空間光調(diào)制器。
背景信息涉及液晶(LC)裝置的很多以前工作針對顯示裝置，如平板顯示器。在這方面有很多實質(zhì)性的進(jìn)展，光調(diào)制器和其他與液晶顯示裝置相關(guān)的裝置沒有必要解決在光通信應(yīng)用中遇到的問題，而本發(fā)明首次涉及到這方面。例如，雖然轉(zhuǎn)換時間的減少在液晶顯示裝置方面具有某些用處，但在光通信系統(tǒng)中這個因素是極其重要的。已知的用于纖維光學(xué)通信的同步光學(xué)網(wǎng)(SONET)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定當(dāng)發(fā)生網(wǎng)絡(luò)中斷時，恢復(fù)時間必須小于50微秒。這樣，為了保證SONET系統(tǒng)的運行，光轉(zhuǎn)換器必須在50微秒內(nèi)響應(yīng)。
以前的一種具有相對快速的轉(zhuǎn)換時間的液晶調(diào)制器一般描述為平行或逆平行向列液晶調(diào)制器。但是，平行(或0度)和逆平行向列LC調(diào)制器具有相對差的對比度(低消光比)。特別地，由于在晶胞(cell)邊界的單向分子傾斜(unidirection molecular tilt)，當(dāng)電場施加到晶胞時，有很大的殘余雙折射，使裝置的消光比惡化。對于光通信應(yīng)用，對比率或消光系數(shù)需要達(dá)到至少-25dB,-30dB更好，更可取的是大于-30dB至-40dB，甚至更大。雖然平行LC調(diào)制器的消光比可例如通過布置補償雙折射聚合體來改進(jìn)，但這將增加其復(fù)雜性和，在很多情況下，增加調(diào)制器的成本(及可靠性)。
已知的另外一種液晶結(jié)構(gòu)利用90度扭曲向列(TN)調(diào)制器來提供相對高的消光比。在例如平板顯示器、空間光調(diào)制器、以及專用光圖象處理器的應(yīng)用中，扭曲向列(TN)液晶(LC)廣泛應(yīng)用于電光調(diào)制器。這些裝置一般在制作中定義扭曲角為90°(傳統(tǒng)的扭曲TN)或180°-270°(用于“超扭曲”向列(STN)結(jié)構(gòu))。本文中扭曲角為入射指向矢(director)方向與出射指向矢方向之間的角度。
典型的TN-LC調(diào)制器由下述處理制成。透明電極氧化錫銦涂覆玻璃基片一般用于晶胞壁(cell wall)。它們用校準(zhǔn)材料，如尼龍或聚酰亞胺，來進(jìn)行自旋鍍膜，然后拋光，如用絲綢研磨為每個基片定義研磨方向，形成LC方向。兩片基片以互呈90°的研磨方向放在一起(這里角度的測量與LC材料扭曲的檢測相同，即當(dāng)調(diào)制器使用右手扭曲特性的LC材料時，用右手方法計算，當(dāng)調(diào)制器使用左手扭曲特性的LC材料時，用左手方法計算)。當(dāng)電場應(yīng)用于電極時，基片之間的液晶分子在兩種狀態(tài)間轉(zhuǎn)換。液晶單元的厚度設(shè)計為Δndα=λ2]]>這里Δn和d為液晶材料的光學(xué)雙折射和厚度，λ為工作波長，α為用于扭曲角的比例因數(shù)，例如，扭曲角=90°時，α=1.732。
這樣，調(diào)制器作為可變換的半波片，其可選擇性地(對應(yīng)于電場的施加或不施加)將輸入的線性偏振光旋轉(zhuǎn)0°或90°。沒有電場時，扭曲結(jié)構(gòu)波引導(dǎo)入射光的極性旋轉(zhuǎn)90°極性。有電場施加時，波導(dǎo)作用發(fā)生失真，偏振光只是部分旋轉(zhuǎn)。利用夾在兩個相交的或平行的偏振器之間的調(diào)制器，可得到模擬強度調(diào)制。在描述的TN幾何性質(zhì)中，邊界處分子的傾斜角是互相垂直的。相信這將導(dǎo)致剩余雙折射基本上抵消，而增加對比度。不幸的是，傳統(tǒng)的TN調(diào)制器幾乎比平行向列LC調(diào)制器慢幾乎一個數(shù)量級，因其相對慢的響應(yīng)時間，而不適合用于光通信應(yīng)用。
因此，以前的材料和裝置，有益于包括液晶顯示器的許多方面，以前尚未達(dá)到光通信應(yīng)用所需的高的對比度和快速轉(zhuǎn)換速度。例如，可從E.MerckIndustries得到的已知材料E44，當(dāng)制作成90°扭曲結(jié)構(gòu)時(例如用于電信應(yīng)用)，其響應(yīng)時間約為65微秒。如果作成平行晶胞，這樣的轉(zhuǎn)換時間可降低，例如小于10微秒，但這樣的平行晶胞不能提供需要的對比度。
另一個影響轉(zhuǎn)換時間的重要因素是調(diào)制器的厚度。轉(zhuǎn)換時間大致正比于粘度而反比于厚度的平方t∝γ/d2。這表示更快速的轉(zhuǎn)換可利用低的材料粘度和更薄的晶胞來達(dá)到。為了在紅外(IR)波長(例如約1550nm)下進(jìn)行光通信應(yīng)用，獲得薄的晶胞，需要大的光雙折射(在0.26階)來保持厚度小于5微米。
因此，最好提供一種可同時達(dá)到高的對比度(如消光比大于-25到-30dB)和快速轉(zhuǎn)換(如恢復(fù)時間約為50毫秒或更小)，最好，工作于紅外波長，及大約20℃到40℃的溫度范圍。
本發(fā)明概述本發(fā)明提供了一種混合模擬/數(shù)字電光調(diào)制器，利用扭曲向列液晶結(jié)構(gòu)以同時達(dá)到高的對比度和快速轉(zhuǎn)換速度。此調(diào)制器的結(jié)構(gòu)為兩個晶胞壁的相對研磨方向或“扭曲角”既不平行，又不在90°或180°-270°?；蛘哒f扭曲角在0°到90°間，較好地位于約50°到約80°之間，最好是位于約60°到約70°之間，以提供一種銳角扭曲向列(下文ATN)液晶裝置。
附圖的詳細(xì)說明

圖1A-1C為表示按照以前的裝置的相對偏振器和研磨方向的分解透視圖；圖2為按照本發(fā)明的實施例，調(diào)制器的偏振器和晶胞壁組分的透視圖，表示了相對的偏振光和研磨角；圖3為描述按照本發(fā)明的實施例，用在60°右手扭曲調(diào)制器中的相對研磨方向的圖；圖4為描述按照本發(fā)明的實施例，調(diào)制器的相對偏振方向和LC指向矢方向的圖；圖5為比較在波長范圍內(nèi)對先前設(shè)計的逆平行和90°TN調(diào)制器以及按照本發(fā)明實施例的60°TN調(diào)制器計算的傳送消光比的比較圖；圖6為描述在波長范圍內(nèi)對于不同β角值計算的傳送消光比的圖；圖7A為描述按照本發(fā)明實施例，利用60°扭曲角的平行偏振調(diào)制器獲得的多個波長的傳送消光比的圖；圖7B對應(yīng)于圖7A，但調(diào)制器為正交偏振；圖7C對應(yīng)于圖7B，但裝置為70°扭曲角；圖8為描述按照本發(fā)明的實施例，具有平行偏振器的60°扭曲TN調(diào)制器響應(yīng)于所施加的電壓信號的光響應(yīng)的圖，其中水平刻度分度為每格500毫秒，光響應(yīng)的垂直刻度為每格200毫伏；以及圖9為按照本發(fā)明的實施例，在不同的操作溫度下，60°TN晶胞和70°TN晶胞的測量轉(zhuǎn)換時間的比較。
優(yōu)選實施例的詳細(xì)說明在描述本發(fā)明的實施例前，首先對以前裝置的某些方面進(jìn)行描述。如上所述，以前的0°和90°結(jié)構(gòu)通常包括入射和出射偏振器和入射和出射LC指向矢，如研磨的晶胞壁。圖1A描述了對應(yīng)以前的平行或0°調(diào)制器入射和出射偏振器112a、114a及入射和出射LC指向矢116a、118a時的相對方向。如從圖1中可看到的，雖然入射和出射偏振器112a、114a的偏振方向是相交的(即正交)，LC入射和出射液晶指向矢116a、118a具有相同的方向，即“扭曲角”是0°。而且，入射偏振器112a和入射LC指向矢116a相偏離45°，即其中的夾角，這里表示為“β”角，等于45°。
圖1B描述了按照以前的裝置，90°扭曲向列調(diào)制器的結(jié)構(gòu)。與圖1A相同，偏振器112b、114b是相交的。在圖1B的配置中，在入射LC指向矢116b和出射LC指向矢118b的方向之間角度方向的改變(在右手方向122測量)是90°，即圖1B的配置提供了90°扭曲角。如圖1B中看到，在入射偏振方向112b和入射LC指向矢116b之間的β角是0°。
圖1C描述了在270°“超扭曲”裝置中的角度，其中，在入射LC指向矢116c和出射LC指向矢118c之間的扭曲角(以右手方式測量)為270°，且在入射偏振器112c與入射LC指向矢116c之間的β角為0°。
圖2描述了按照本發(fā)明的ATN裝置實施例的裝置中的角度關(guān)系。圖2包括入射和出射偏振器212、214以及入射和出射LC指向矢216、218。在圖2的實施例中，入射和出射偏振器定義了相交的偏振方向(如正交的偏振方向222、224)。但是，入射和出射LC指向矢216、218的研磨方向或LC方向定義的扭曲角(即以右手方式，從入射LC指向矢216的角度226向角度228或出射LC指向矢的研磨角度移動時，所通過的角度)在0°到90°中間，較可取在約50°與80°之間，最好在60°與約70°之間。在圖2的實施例中，β角(即以右手方式，從平行于入射偏振器212的偏振方向222的方位向研磨方向或LC指向矢216的LC方向226移動時，所通過的角度)大于0°，較可取在大約0°與約+25°之間，更可取在約5°與20°之間，對于60°扭曲角更可取在約13°與約17°之間，最好約為15°。對于70°扭曲角，β角較可取在約8°與約12°之間，最好在約10°。按照一個實施例，當(dāng)β=(90°-扭曲角)/2時，可獲得優(yōu)異的傳送。例如，在此實施例中，如果扭曲角為60°，最好β=(90°-60°)/2=15°，而如果扭曲角為70°，最好β=10°。
圖2A為按照本發(fā)明實施例的ATN調(diào)制器裝置的側(cè)視圖。相交的入射和出射偏振器212、214可由很多已知的偏振材料制成，其中的一個例子是由Newport Optics of Irvine,California出售的商標(biāo)名為POLARIZER的材料。晶胞壁216、218可用玻璃制成，該玻璃是涂覆透明導(dǎo)電電極材料，如氧化錫銦涂層，并涂覆有尼龍或聚酰亞胺層進(jìn)行研磨來定義研磨方向，晶胞壁216、218通過放置來定義圖2描述的角度。包含指向矢216、218的晶胞壁以間距234的距離放置，如相距約5微米，其中的空間充滿液晶材料，例如從英國的E.Merck Industries買到的商標(biāo)名為E44的材料。類型已知的可控電壓源236用于在上述的電極層有選擇地施加電壓，在基本透射IR-透射(transmissive)狀態(tài)和IR-衰減(extinguishing)狀態(tài)間選擇轉(zhuǎn)換調(diào)制器，其消光比約大于-25dB，最好為-30dB或更大，轉(zhuǎn)換速度或馳豫速度約為50微秒或更少。
按照圖3描述的ATN的一個實施例，上層基片的研磨方向312相對于出射或下層基片的研磨方向316定義了60°的扭曲角314。因為當(dāng)偏振器方向偏移90°時研磨方向偏移60°，因此在偏振方向與入射或出射LC指向矢間(或，最好同時)存在一個角度。如圖4中所描述，在一個實施例中，入射偏振器的偏振方向416與由入射LC指向矢定義的方向418間的β角412約為15°。
如圖2-4所示構(gòu)造的ATN調(diào)制器提供了如圖5所示跨越光帶寬的傳送消光比512，它在逆平行調(diào)制器514中可達(dá)到的典型消光比和90°TN基調(diào)制器516達(dá)到的典型消光比之間。從圖5中可看出，對于給定的最小或門限消光比(例如最小消光比-25dB)，按照本發(fā)明，60°TN調(diào)制器預(yù)期可操作的帶寬522比0°或逆平行裝置514的操作帶寬還寬。
圖6描述了按照本發(fā)明的實施例，與60°ATN裝置的β角有關(guān)的消光比計算方式。如圖6中看到的，β角為13°的裝置可在帶寬612達(dá)到消光門限-25dB，其帶寬窄于通過利用15°β角來達(dá)到的帶寬614。減少β角到10°，預(yù)期結(jié)果為消光比616絕不會常規(guī)-20dB。另一方面，如果β角超過約15°，裝置所達(dá)到的對比度或消光比開始惡化。對于按照本發(fā)明的實施例的裝置，對β角計算出的靈敏度，如圖6所描述，建議在制造裝置時需注意達(dá)到所需要的β角(例如對60°ATN，約15°)是有好處的。
如圖7A描述，利用平行偏振器構(gòu)成的按照本發(fā)明實施例的60°ATN調(diào)制器提供的消光比712，在從1525nm到1575nm的波長范圍內(nèi)在-30dB與-43dB之間。按照本發(fā)明，當(dāng)在類似60°TN裝置上設(shè)置正交偏振器時，在同樣的波長范圍內(nèi)的消光比714(圖7B)約為-26dB。扭曲角增加到70°所構(gòu)造的裝置的消光比716(圖7C)能夠超過-30dB。
這樣通過圖7A-7C可看到，按照本發(fā)明所構(gòu)造的ATN裝置能夠達(dá)到需要的大于-25dB的消光比。圖8和9表示了按照本發(fā)明的ATN裝置也能夠達(dá)到需要的低于50微秒的轉(zhuǎn)換時間。如圖8所示，當(dāng)所施加的電壓812發(fā)生變化時，按照本發(fā)明，具有平行偏振器的60°ATN晶胞能夠在40℃時在約10微秒的時間段814內(nèi)達(dá)到需要的光響應(yīng)。如圖9所示，60°扭曲角ATN調(diào)制器912和70°扭曲角ATN調(diào)制器914兩者的轉(zhuǎn)換時間預(yù)計顯示出一些溫度依賴性，而這兩個實施例預(yù)計在20℃到45℃之間的溫度范圍內(nèi)，可達(dá)到小于50微秒的轉(zhuǎn)換時間，最好小于35微秒。
按照本發(fā)明一個實施例，以上描述的ATN調(diào)制器可用于光通信系統(tǒng)。在圖10所描述的簡圖中，光網(wǎng)絡(luò)可利用以上描述的調(diào)制器作為選擇例如在信號源1016和目的地1018之間的路徑的1014a、1014b的光路由轉(zhuǎn)換器的一部分。通過提供具有相對高的消光比的調(diào)制器，可在用于光網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)換組件1012中實現(xiàn)適當(dāng)?shù)男旁氡?。通過提供也達(dá)到了相對高的轉(zhuǎn)換速率的調(diào)制器，允許控制器1022響應(yīng)一條路徑的中斷(如光纖被切斷)快速重構(gòu)光路由轉(zhuǎn)換器1012，使從源1016到目的地1018提供基本上不間斷的服務(wù)成為可能。
根據(jù)以上描述，可以看到本發(fā)明的許多優(yōu)越性。通過利用扭曲向列液晶結(jié)構(gòu)，本發(fā)明提供了一種有用且合理的混合模擬/數(shù)字電光調(diào)制器。本發(fā)明提供了ATN電光調(diào)制器，其可同時提供高的消光比(如大于-25dB)和快速轉(zhuǎn)換(如小于50微秒轉(zhuǎn)換)。這種同時達(dá)到高的消光比和快速轉(zhuǎn)換速度，相信對顯示裝置無太大益處，而對于光通信具有很多優(yōu)越性，例如對于光纖或其它光通信網(wǎng)絡(luò)中的用于光路由轉(zhuǎn)換器的光調(diào)制器。
本發(fā)明的很多變化和修改也可使用。雖然液晶和偏振材料的舉例可用于本發(fā)明所描述的范圍內(nèi)，其它材料也可使用。雖然本發(fā)明所描述的為光路由轉(zhuǎn)換器，按照本發(fā)明的ATN裝置也可應(yīng)用于其它，例如顯示裝置和高速空間光調(diào)制器(SLM)。一般地講，60°扭曲實施例比70°扭曲實施例具有更快速的轉(zhuǎn)換時間，如圖9所示，而70°扭曲實施例具有的消光比比60°扭曲實施例大大約5dB。
雖然通過優(yōu)選實施例和適當(dāng)?shù)淖兓托薷拿枋隽吮景l(fā)明，但其它變化和調(diào)整也可應(yīng)用，本發(fā)明的范圍通過所附權(quán)利要求書確定。
權(quán)利要求
1．一種扭曲向列液晶電光調(diào)制器，包括第一和第二空間分開的晶胞壁(cell wall)；液晶材料，位于所述第一和第二空間分開的晶胞壁之間；電極，用于對所述液晶材料施加電勢；其中所述第一和第二晶胞壁構(gòu)成為分別定義第一和第二液晶指向矢方向，所述第一和第二方向之間偏移定義為扭曲角的角度，其中所述扭曲角大于0度而小于90度。
2．如權(quán)利要求1所述的調(diào)制器，其中所述扭曲角在約50度與約80度之間。
3．如權(quán)利要求1所述的調(diào)制器，其中所述扭曲角在約60度與約70度之間。
4．如權(quán)利要求1所述的調(diào)制器，還包括入射和出射偏振器，分別定義了入射和出射偏振方向。
5．如權(quán)利要求4所述的調(diào)制器，其中所述入射和出射偏振方向基本上是平行的。
6．如權(quán)利要求4所述的調(diào)制器，其中所述入射和出射偏振方向基本上是正交的。
7．如權(quán)利要求4所述的調(diào)制器，其中所述入射偏振器的所述偏振方向和所述第一液晶指向矢(director)方向之間偏移定義為β角的角度量，其中所述β角在約5度與約20度之間。
8．如權(quán)利要求7所述的調(diào)制器，其中所述β角在約13度與約17度之間。
9．一種光通信系統(tǒng)，包括光傳送介質(zhì)，在信號源與信號目的地之間，至少定義第一和第二光傳送路徑；至少第一路由轉(zhuǎn)換器，耦合到所述光通信介質(zhì)，以在所述第一和第二傳送路徑間轉(zhuǎn)換；所述第一路由轉(zhuǎn)換器至少包括第一電光調(diào)制器，其包括第一和第二空間分開的晶胞壁；液晶材料，位于所述第一和第二空間分開的晶胞壁之間；電極，用于對所述液晶材料施加電勢；其中所述第一和第二晶胞壁被構(gòu)成為分別定義第一和第二液晶指向矢方向，所述第一和第二方向之間偏移定義為扭曲角的角度，其中所述扭曲角大于0度而小于90度。
10．一種扭曲向列液晶電光調(diào)制器，包括第一和第二空間分開的壁裝置；液晶材料，位于所述第一和第二空間分開的壁裝置之間；電極方法，用于對所述液晶材料施加電勢；定義第一和第二液晶指向矢方向的裝置，所述第一和第二方向之間偏移定義為扭曲角的角度，其中所述扭曲角大于0度而小于90度。
11．如權(quán)利要求10所述的調(diào)制器，其中所述扭曲角在約50度與約80度之間。
12．如權(quán)利要求10所述的調(diào)制器，其中所述扭曲角在約60度與約70度之間。
13．如權(quán)利要求10所述的調(diào)制器，還包括入射和出射偏振器裝置，分別定義了入射和出射偏振方向。
14．如權(quán)利要求13所述的調(diào)制器，其中所述入射和出射偏振方向基本上是平行的。
15．如權(quán)利要求13所述的調(diào)制器，其中所述入射和出射偏振方向基本上是正交的。
16．如權(quán)利要求13所述的調(diào)制器，其中所述入射偏振器裝置的所述偏振方向和所述第一方向之間偏移定義為β角的角度量，其中所述β角在約5度與約20度之間。
17．如權(quán)利要求16所述的調(diào)制器，其中所述β角在約13度與約17度之間。
18．一種光通信系統(tǒng)，包括用于在信號源與信號目的地之間，至少定義第一和第二光傳送路徑的裝置；至少第一路由轉(zhuǎn)換器，用于在所述第一和第二傳送路徑間轉(zhuǎn)換；所述第一路由轉(zhuǎn)換器，至少包括第一和第二空間分開的壁裝置；液晶材料，位于所述第一和第二空間分開的壁裝置之間；電極方法，用于對所述液晶材料施加電勢；定義第一和第二液晶指向矢方向的裝置，所述第一和第二方向之間偏移地角度定義為扭曲角，其中所述扭曲角大于0度而小于90度。
19．一種用于液晶電光調(diào)制的方法，包括提供第一和第二空間分開的晶胞壁，其中所述第一和第二晶胞壁被構(gòu)成為分別定義第一和第二液晶指向矢方向，所述第一和第二方向之間偏移定義為扭曲角的角度，其中所述扭曲角大于0度而小于90度。放置一液晶材料于所述第一和第二空間分開的晶胞壁之間；至少通過第一和第二晶胞壁以及所述液晶材料傳送光，以提供第一輸出光強度；在所述液晶材料上施加電勢，以在小于約50微秒的轉(zhuǎn)換時間內(nèi)轉(zhuǎn)換到一個狀態(tài)，此狀態(tài)中，所述光的傳送基本上被阻止，以相對于所述第一輸出光強度，提供至少為約-25dB的消光比。
20．如權(quán)利要求19所述的方法，其中所述轉(zhuǎn)換時間小于約35微秒。
21．如權(quán)利要求19所述的方法，其中所述消光比至少為約-30dB。
22．如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述扭曲角在約50度與約80度之間。
23．如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述扭曲角在約60度與約70度之間。
24．如權(quán)利要求1所述的方法，還包括分別定位入射和出射偏振器來定義入射和出射偏振方向。
25．如權(quán)利要求24所述的方法，其中所述入射和出射偏振方向基本上是平行的。
26．如權(quán)利要求24所述的方法，其中所述入射和出射偏振方向基本上是正交的。
27．如權(quán)利要求24所述的方法，還包括定位所述入射液晶指向矢，以使所述入射偏振器的所述偏振方向和所述第一液晶指向矢方向之間偏移定義為β角的角度量，其中所述β角在約5度與約20度之間。
28．如權(quán)利要求25所述的方法，其中所述β角在約13度與約15度之間。
29．如權(quán)利要求24所述的方法，還包括定位所述入射液晶指向矢以使所述入射偏振器的所述偏振方向和所述第一液晶指向矢方向之間偏移的角度量約為90度與所述扭曲角之差的一半。
30．如權(quán)利要求4所述的調(diào)制器，其中所述入射偏振器的所述偏振方向與所述第一液晶指向矢方向之間偏移的角度量約為90度與所述扭曲角之差的一半。
全文摘要
提供了一種基于扭曲向列液晶的電光調(diào)制器,其扭曲角在0°與90°之間,最好在50°與80°之間。該調(diào)制器提供了相對快速的轉(zhuǎn)換時間,如小于50微秒,以及提供了相對大的消光比,如大于－25dB。較可取的液晶入射指向矢(216)與偏振方向之間相差約15°的β角。
文檔編號G02F1/31GK1292888SQ99803677
公開日2001年4月25日 申請日期1999年1月4日 優(yōu)先權(quán)日1998年1月6日
發(fā)明者黃聲揚, 陳燕晟, 伍光義, 劉建羽 申請人:喬魯姆技術(shù)公司