液晶波長フィルタ
【課題】 温度変化による透過波長の変動を従来のものよりも小さくすることができる液晶波長フィルタを提供すること。
【解決手段】 液晶波長フィルタ１０は、透明基板１１と、透明基板１１の面上に順次形成された透明電極１２、ミラー１３及び配向膜１４と、透明基板１１に挟持された液晶層１５と、液晶層１５の周縁部に設けられたシール材１６とを備え、素子中央部における液晶層１５の温度変化による厚さの変化によって、透過する光の波長が変動するのを防ぐように、透明基板１１の厚さ及び液晶層１５の体積膨張率の大きさの少なくとも一方に応じて、シール材１６の線膨張係数の大きさを限定させる構成とした。
【解決手段】 液晶波長フィルタ１０は、透明基板１１と、透明基板１１の面上に順次形成された透明電極１２、ミラー１３及び配向膜１４と、透明基板１１に挟持された液晶層１５と、液晶層１５の周縁部に設けられたシール材１６とを備え、素子中央部における液晶層１５の温度変化による厚さの変化によって、透過する光の波長が変動するのを防ぐように、透明基板１１の厚さ及び液晶層１５の体積膨張率の大きさの少なくとも一方に応じて、シール材１６の線膨張係数の大きさを限定させる構成とした。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば光通信分野において所望の波長の光信号を取り出す液晶波長フィルタに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の液晶波長フィルタとしては、特許文献１及び２に示されたものが知られている。
【０００３】
まず、特許文献１に示されたものは、液晶層を挟持する一対のガラス基板と、液晶層の周囲のガラス基板間に設けられたシール材及びコーティング層とを備えている。シール材の熱膨張係数は液晶層の熱膨張係数よりも大きく、シール材の厚さはコーティング層が設けられた分だけ一般のものよりも薄い構成となっている。この構成により、温度変化に対する透過波長の変動を小さく抑えることができると特許文献１には記載されている。
【０００４】
次に、特許文献２に示されたものは、気泡を含む液晶層と、この液晶層を挟持する一対の透明基板とを備え、周囲温度が変化した場合でも、液晶層の体積変化分を吸収するよう気泡の体積が温度変化に応じて変化するので透明基板間の寸法の変動を抑えることができ、温度変化に対する透過波長の変動を小さく抑えることができるようになっている。
【０００５】
【特許文献１】特開平８−２９７９３号公報
【特許文献２】特開２００３−４５０６５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に示されたものは、温度が上昇するにつれて液晶層の中央部が端面部よりも大きく膨張してガラス基板が変形するという現実の現象を考慮したものではないので、温度変化による透過波長の変動を小さくすることができない場合があった。
【０００７】
また、特許文献２に示されたものは、液晶層の気泡が、振動や衝撃等により光束の透過領域内に移動する場合があり、そのような場合には透過波長は所定の値にならないという課題があった。
【０００８】
本発明は、従来の課題を解決するためになされたものであり、温度変化による透過波長の変動を従来のものよりも小さくすることができる液晶波長フィルタを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の液晶波長フィルタは、入射される光の進行方向に沿って透明電極及びミラーが設けられた少なくとも２枚の透明基板と、前記透明電極が対向するように配置された前記透明基板間に挟持された液晶層と、この液晶層の周縁に設けられ前記液晶層を挟持する前記透明基板を接合するシール材とを備える液晶波長フィルタにおいて、前記液晶波長フィルタの中央部における前記液晶層の温度変化による厚さの変化によって、透過する光の波長が変動するのを防ぐように、前記透明基板の厚さ及び液晶層の体積膨張率の大きさの少なくとも一方に応じて、前記シール材の線膨張係数の大きさを限定させる構成を有している。
【００１０】
この構成により、本発明の液晶波長フィルタは、液晶波長フィルタの中央部における液晶層の温度変化による厚さの変化によって、透過する光の波長が変動するのを防ぐように、透明基板の厚さ及び液晶層の体積膨張率の大きさの少なくとも一方に応じて、シール材の線膨張係数の大きさを限定させるので、温度変化による透過波長の変動を従来のものよりも小さくすることができる。
【００１１】
また、本発明の液晶波長フィルタは、前記シール材の線膨張係数の大きさが、前記透明基板の厚さが増加するにつれて減少する構成を有している。
【００１２】
この構成により、本発明の液晶波長フィルタは、透明基板の厚さに応じてシール材の線膨張係数の大きさを限定させるので、温度変化による透過波長の変動を従来のものよりも小さくすることができる。
【００１３】
さらに、本発明の液晶波長フィルタは、前記シール材の線膨張係数の大きさが、前記液晶層の体積膨張率が増加するにつれて増加する構成を有している。
【００１４】
この構成により、本発明の液晶波長フィルタは、液晶層の体積膨張率の大きさに応じてシール材の線膨張係数の大きさを限定させるので、温度変化による透過波長の変動を従来のものよりも小さくすることができる。
【００１５】
さらに、本発明の液晶波長フィルタは、前記透明基板が石英ガラス基板であり、前記シール材がエポキシ系及びアクリル系の少なくとも一方の接着材からなる構成を有している。
【００１６】
この構成により、本発明の液晶波長フィルタは、一般に用いられる石英ガラス基板と、エポキシ系及びアクリル系の少なくとも一方の接着材からなるシール材とを備えるので、透明基板及びシール材を形成する従来の製造工程を適用することができ、新たな設備投資を必要としないので、製造コストを増大させることなく、温度変化による透過波長の変動を従来のものよりも小さくすることができる。
【００１７】
さらに、本発明の液晶波長フィルタは、前記石英ガラス基板の厚さが０．４ｍｍから２．０ｍｍまで変化するとき、前記シール材の線膨張係数の値が、前記石英ガラス基板の厚さに応じて３．２×１０−５／℃〜４．９×１０−４／℃の間で変化する構成を有している。
【００１８】
この構成により、本発明の液晶波長フィルタは、石英ガラス基板の厚さが０．４ｍｍから２．０ｍｍまでのいずれかの場合、その厚さに対応した線膨張係数を有するシール材を選定することにより、温度変化による透過波長の変動を従来のものよりも小さくすることができる。
【００１９】
さらに、本発明の液晶波長フィルタは、所定の電圧が前記透明電極に印加された電圧印加状態及び前記電圧が前記透明電極に印加されていない電圧無印加状態を有し、前記電圧無印加状態において、透過する光の波長の温度変化率が１０℃から６０℃までの温度範囲において、波長の温度による変動値が０ｎｍ／℃〜０．１ｎｍ／℃の値を有する構成を有している。
【００２０】
この構成により、本発明の液晶波長フィルタは、透過波長の温度特性が最大となる電圧無印加状態において波長の温度による変動値を０ｎｍ／℃〜０．１ｎｍ／℃の範囲内に収めることができるので、電圧印加状態においても透過波長の温度特性を±０．１ｎｍ／℃の範囲内に抑えることができ、温度変化による透過波長の変動を従来のものよりも小さくすることができる。
【００２１】
さらに、本発明の液晶波長フィルタは、前記液晶層の体積膨張率の値が５．２×１０−５／℃から２．６×１０−４／℃まで変化するとき、前記シール材の線膨張係数の値が、前記液晶層の体積膨張率の値に応じて１．７×１０−６／℃から３．９×１０−４／℃まで変化する構成を有している。
【００２２】
この構成により、本発明の液晶波長フィルタは、液晶層の体積膨張率の値が５．２×１０−５／℃から２．６×１０−４／℃までのいずれかの場合、その体積膨張率に対応した線膨張係数を有するシール材を選定することにより、温度変化による透過波長の変動を従来のものよりも小さくすることができる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明は、温度変化による透過波長の変動を従来のものよりも小さくすることができるという効果を有する液晶波長フィルタを提供することができるものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。
【００２５】
まず、本実施の形態に係る液晶波長フィルタの構成について図１を用いて説明する。図１は、本実施の形態に係る液晶波長フィルタの模式的な構成図である。
【００２６】
図１に示すように、本実施の形態に係る液晶波長フィルタ１０は、透明基板１１と、透明基板１１の面上に順次形成された透明電極１２、ミラー１３及び配向膜１４と、透明基板１１に挟持された液晶層１５と、液晶層１５の周縁部に設けられたシール材１６とを備えている。
【００２７】
透明基板１１は、例えば石英ガラス基板によって構成される。透明電極１２は、例えばＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ：酸化インジウム錫）で構成され、例えばスパッタ法によって透明基板１１上に形成される。一対の透明電極１２には、所定の周波数の電圧が印加されるようになっており、この電圧によって液晶層１５の実質的な屈折率が変化するようになっている。
【００２８】
ミラー１３は、例えばＳｉＯ２膜とＴａ２Ｏ５膜とが交互に積層された多層膜で構成され、例えば蒸着法によって透明電極１２上に形成されるようになっている。互いに対向する一対のミラー１３は、光共振器を構成しており、一対のミラー１３の間隔に応じた共振波長の光が生成されるようになっている。
【００２９】
配向膜１４は、例えばポリイミドで構成され、液晶層１５に含まれる液晶分子の配向を定める配向処理剤がミラー１３上に塗布されて形成される。
【００３０】
液晶層１５は、例えばネマチック液晶で構成され、配向膜１４及びシール材１６に囲まれた領域に封入されている。シール材１６は、例えばエポキシ系及びアクリル系の少なくとも一方の接着材等で構成される。
【００３１】
本実施の形態に係る液晶波長フィルタ１０は、素子中央部（図１において矢印が描かれた部分）における液晶層１５の温度変化による厚さの変化によって、透過する光の波長が変動するのを防ぐように、透明基板１１の厚さ及び液晶層１５の体積膨張率の大きさの少なくとも一方に応じて、シール材１６の線膨張係数の大きさが限定される構成となっている。
【００３２】
具体的には、例えば、透明基板１１は、基板厚が０．８ｍｍの石英ガラス基板で構成され、液晶層１５は、体積膨張係数が１．７×１０−４／℃のネマチック液晶で構成され、シール材１６は、線膨張係数が１．９×１０−４／℃から２．６×１０−４／℃までの材料で構成されている。
【００３３】
本実施の形態に係る液晶波長フィルタ１０は、前述のように構成されているので、図１に示された矢印の方向に光が進行するとき、一対の透明電極１２の間に所定の周波数の電圧を印加することにより、一対のミラー１３の間隔に応じた共振波長の光を出力することができるようになっている。
【００３４】
ところで、前述のように構成された液晶波長フィルタ１０は、周囲温度に応じて、各構成の寸法が変化し、図１に示された矢印の方向に透過した光の波長（以下「透過波長」という。）が変動することが知られている。
【００３５】
そこで、本発明の発明者は、液晶波長フィルタ１０の使用温度範囲内における透過波長の変動量を抑えるためには、液晶波長フィルタ１０の中央部の厚さ変動を抑えることが必要であることに着眼し、透明基板１１及び液晶層１５の構成に応じたシール材１６の線膨張係数を算出することにより、液晶波長フィルタ１０の温度特性を従来のものよりも大幅に改善することができた。以下、詳細に説明する。
【００３６】
最初に、前述のように構成された液晶波長フィルタ１０の温度特性について説明する。
【００３７】
まず、基準温度（例えば２０℃）における液晶波長フィルタ１０の形状を図２（ａ）に示すように簡略化して表し、光が透過する方向の液晶層１５の厚さを以下「セルギャップ」という。この基準温度においては２枚の透明基板１１は平行になっており、図２（ｂ）に示すように液晶波長フィルタ１０の透過波長を波長λ０とする。
【００３８】
液晶波長フィルタ１０の周囲温度が上昇すると、液晶波長フィルタ１０の形状は、図２（ａ）に示された形状から図２（ｃ）又は図２（ｅ）に示された形状に変化する。温度上昇が同じ場合、図２（ｃ）及び図２（ｅ）に示された形状における液晶層１５の膨張後の体積は同一である。
【００３９】
図２（ｃ）は、シール材１６の膨張が液晶層１５の膨張よりも小さい場合における液晶波長フィルタ１０の形状変化を示したものである。この場合、液晶波長フィルタ１０の中央部が最も膨張し、この中央部におけるセルギャップが最大となる。ここで、セルギャップの大きさは、透明基板１１の基板厚にも左右され、基板厚が薄いほどセルギャップが変化しやすい。図２（ｃ）に示された形状における液晶波長フィルタ１０の透過波長は、図２（ｄ）に示すように波長λ０よりも大きい側にシフトした波長λ１となる。
【００４０】
一方、図２（ｅ）は、シール材１６の膨張が液晶層１５の膨張よりも大きい場合における液晶波長フィルタ１０の形状変化を示したものである。この場合、シール材１６が液晶層１５よりも膨張するので、液晶波長フィルタ１０の中央部におけるセルギャップの変化は、図２（ｃ）に示された場合よりも小さくなる。ここで、セルギャップの大きさは、透明基板１１の基板厚にも左右される。図２（ｅ）に示された形状における液晶波長フィルタ１０の透過波長は、図２（ｆ）に示すように波長λ０とほぼ同等な波長λ２となる。
【００４１】
前述のように、セルギャップの大きさは温度変化に応じて変化するので、液晶波長フィルタ１０の透過波長も温度変化に応じて変動する。液晶波長フィルタ１０が例えば光通信分野において用いられる場合、使用温度範囲は１０℃〜６０℃であり、この使用温度範囲において温度変化による透過波長の変動値は、±０．１ｎｍ／℃の範囲内であれば十分であると考えられている。なお、温度変化による透過波長の変動値のことを以下「透過波長の温度特性」という。
【００４２】
また、透明電極１２に所定の周波数の電圧が印加された電圧印加状態において、周波数を選択することによって、透過波長の温度特性の最大値と最小値との差を０．１ｎｍ／℃以下に抑えることができることが知られている。さらに、透明電極１２に印加される印加電圧が０Ｖの状態（以下「電圧無印加状態」という。）において、透過波長の温度特性は最大となることが知られている。したがって、電圧無印加状態において、透過波長の温度特性が０ｎｍ／℃〜０．１ｎｍ／℃を満足すれば、電圧印加状態においても透過波長の温度特性を±０．１ｎｍ／℃の範囲内に抑えることができる。なお、以下の記載における透過波長の温度特性は、電圧無印加状態での温度特性を指すものとする。
【００４３】
以上のように、液晶波長フィルタ１０における透過波長の温度特性は、透明基板１１として用いる石英ガラス基板の基板厚、液晶層１５として用いる液晶材料の体積膨張係数、シール材１６の線膨張係数によって決定される。そこで、石英ガラス基板の基板厚及び液晶材料の体積膨張係数をパラメータとしてシール材１６の線膨張係数を算出することにより、以下に示すように、透過波長の温度特性を±０．１ｎｍ／℃の範囲内に抑えることができる。
【００４４】
まず、図３（ａ）に示すように、セルギャップｚａが温度上昇後にセルギャップｚｂに変化するとき、形状変化分ｚ１は次式で表される。
【００４５】
ｚ１＝ｚｂ−ｚａ （１）
【００４６】
ここで、図３（ａ）右側に示すように液晶層１５が熱膨張する際の応力によって透明基板１１が形状変化する場合、透明基板１１の変形後の形状は二次関数で近似できること、また、透明基板１１に加わる応力が強くなるにつれて透明基板１１は二次関数の相似形で変形することが実験的に証明されている。
【００４７】
そこで、図３（ｂ）に示すように、温度上昇によるセルギャップの形状変化分をモデル化して近似的に表すものとする。すなわち、図３（ｂ）に示されたモデル化されたもの（以下「モデル１」という。）の座標を図示のように定めると、セルギャップの形状変化分ｚ１は次式で表される。
【００４８】
ｚ１＝Ａｘ２＋Ｂｙ２＋Ｃ＋Ｄ （２）
【００４９】
ここで、Ａｘ２＋Ｂｙ２＋Ｃは透明基板１１の変形分を示し、Ｄはシール材１６の膨張分を示している。例えば、液晶波長フィルタ１０の中央部においては、セルギャップ差分はＣ＋Ｄであり、シール材１６の近傍においては、セルギャップ差分はＤである。なお、液晶波長フィルタ１０の中央部とは、（ｘ、ｙ）＝（０、０）を通るｚ軸に沿った部分をいい、セルギャップ差分とは、温度上昇前のセルギャップの寸法と温度上昇後のセルギャップの寸法との差分をいう。
【００５０】
また、セルギャップの寸法をｄ、温度をＴ、透過波長をλ、液晶及び基板の材料特性やセルギャップ等から決まる係数をｈとするとき、次式に示すような関係がある。
【００５１】
∂ｄ／∂Ｔ（ｎｍ／℃）＝ｈ×∂λ／∂Ｔ（ｎｍ／℃） （３）
【００５２】
式（３）より、透過波長λの温度特性が０ｎｍ／℃〜０．１ｎｍ／℃を満足するためには、セルギャップの温度変化分を０ｎｍ／℃〜ｈ×０．１ｎｍ／℃の寸法範囲内に収めればよいことが示されている。したがって、モデル１における温度変化分Ｃ＋Ｄを０ｎｍ／℃〜ｈ×０．１ｎｍ／℃の寸法範囲内に収めることを目標値とする。
【００５３】
次に、実際の製品に使用する材料を用意し、これらの材料で透明基板１１、液晶層１５及びシール材１６をそれぞれ構成した場合、シール材１６の線膨張係数を式（２）より算出して検討した結果を述べる。ここで用意した透明基板１１の材料は、基板厚が０．８ｍｍの石英ガラス基板である。また、液晶層１５の材料として用意した材料を液晶材料Ｌと呼び、シール材１６として用意した２種類の材料をシール材料Ｓ１又はＳ２と呼ぶ。また、検討した構成において式（３）の係数ｈ＝１０なので、モデル１における温度変化分Ｃ＋Ｄを０ｎｍ／℃〜１ｎｍ／℃の寸法範囲内に収めることを目標値とする。
【００５４】
まず、基板厚が０．８ｍｍの石英ガラス基板と、液晶材料Ｌと、シール材１６としてシール材料Ｓ１とを用いた場合に、透過波長の温度特性の面内分布からセルギャップ差分の面内分布を求め、式（２）で近似した。この場合、液晶波長フィルタ１０の中央部において透過波長の温度特性は０．２７ｎｍ／℃であり、シール材料Ｓ１の線膨張係数は、５．１×１０−５／℃であった。
【００５５】
また、同様に、基板厚が０．８ｍｍの石英ガラス基板と、液晶材料Ｌと、シール材１６としてシール材料Ｓ２とを用いた場合、液晶波長フィルタ１０の中央部において透過波長の温度特性は０．１５ｎｍ／℃であり、シール材料Ｓ２の線膨張係数は、１．５×１０−４／℃であった。
【００５６】
したがって、シール材１６としてシール材料Ｓ１又はＳ２を用いた場合は、共に温度特性０ｎｍ／℃〜０．１ｎｍ／℃を満足できないことがわかった。
【００５７】
そこで、温度特性０ｎｍ／℃〜０．１ｎｍ／℃を満足させることができるシール材１６の線膨張係数を図４に示された新たなモデルで算出することとした。
【００５８】
図４（ａ）は、式（２）を導出したモデル１を示しており、図４（ｂ）は、膨張後の全体の体積がモデル１と同じで、透明基板１１の変形分及びシール材１６の膨張分が異なるモデル（以下「モデル２」という。）を示している。すなわち、モデル２における液晶波長フィルタ１０の形状変化分ｚ２は、式（２）に対して係数ｓ及びｔを導入することにより、次の近似式で表される。
【００５９】
ｚ２＝ｓ（Ａｘ２＋Ｂｙ２＋Ｃ）＋ｔＤ （５）
【００６０】
ここで、ｓ（Ａｘ２＋Ｂｙ２＋Ｃ）は透明基板１１の変形分を示し、ｔＤはシール材１６の膨張分を示している。例えば、液晶波長フィルタ１０の中央部においては、セルギャップ差分はｓＣ＋ｔＤであり、シール材１６の近傍においては、セルギャップ差分はｔＤである。また、モデル１と同様に、モデル２における温度変化分ｓＣ＋ｔＤを０ｎｍ／℃〜１ｎｍ／℃の寸法範囲内に収めることを目標値とする。
【００６１】
前述の液晶材料Ｌ、基板厚０．８ｍｍの石英を用いた場合、液晶波長フィルタ１０の中央部におけるセルギャップの寸法が目標値に入っているという条件のもとで、式（５）の係数ｓ及びｔを求め、シール材１６の膨張分ｔＤを計算し、シール材１６の線膨張係数範囲を算出した結果、１．９×１０−４／℃〜２．６×１０−４／℃であれば、温度特性０ｎｍ／℃〜０．１ｎｍ／℃を満足させることができることが判明した。この結果は、シール材料Ｓ１及びＳ２よりも大きな線膨張係数を有するシール材料を用いることにより、液晶波長フィルタ１０の中央部における温度特性目標を満足することができることを示している。
【００６２】
次に、液晶層１５の材料として液晶材料Ｌとは異なる材料を用いる場合に、液晶材料Ｌでの体積膨張に基づいて、シール材１６の線膨張係数を算出する。
【００６３】
温度変化による液晶体積膨張分を液晶材料Ｌの液晶体積膨張分×体積膨張係数ｋとして算出する。体積膨張係数ｋ＝１のときが液晶材料Ｌのときである。具体的には、式（５）を用いて、温度変化による液晶体積膨張分の体積が、図３（ｂ）に示されたモデル１の体積×体積膨張係数ｋとなる条件で、係数ｓ及びｔを導き出し、シール材１６の線膨張係数を算出する。その結果を図５に示す。なお、図３（ｂ）に示されたモデル１の体積Ｖ１は、寸法ｐ及びｑを用いて次式で表される。
【００６４】
Ｖ１＝ｒ（４ｐ３ｑＡ／３＋４ｐｑ３Ｂ／３＋４ｐｑＣ）＋４ｐｑＤ （６）
【００６５】
ここで、係数ｒは後述する基板の反りの係数であり、石英ガラス基板の基板厚が０．８ｍｍのときは係数ｒ＝１である。また、右辺第１項は透明基板１１の変形分の体積を示し、右辺第２項はシール材１６の膨張分の体積を示している。
【００６６】
図５は、体積膨張係数ｋを０．１から１．５まで０．１のステップで変化させた場合に対する、温度が１０℃変化した場合の液晶層１５の体積膨張（μｍ３／１０℃）、体積増加分（％）、体積膨張係数（／℃）及びシール材１６の線膨張係数範囲（／℃）を示している。図５において、各体積膨張係数ｋにおける体積膨張は、体積膨張係数ｋ＝１（液晶材料Ｌのとき）での体積膨張「１６８４０．２２４μｍ３／１０℃」を基準として算出している。例えば、体積膨張係数ｋ＝０．５における液晶層１５の体積膨張は、体積膨張係数ｋ＝１のときの半分となっている。
【００６７】
体積膨張係数ｋ＝１における体積膨張の値は、温度変化前の元の体積に対して膨張した体積を示している。元の体積は、図４（ｂ）に示された寸法ｐ及びｑを用いると、ｐ＝６００μｍ、ｑ＝６００μｍ、ｚ＝６．８μｍの場合の体積９７９２０００μｍ３であり、この元の体積に対し、１０℃の温度上昇があったときの体積膨張は１６８４０．２２４μｍ３／１０℃であり、体積増加分は約０．１７２％である。
【００６８】
図５に示された結果によれば、液晶体積膨張（係数）が大きくなるにつれ、シール材１６の線膨張係数も大きくしなければならないことを示している。これは、液晶体積膨張によるセルギャップが、液晶波長フィルタ１０の中央部のみで集中的に大きくならないよう素子全体で平均化される、又は、シール材１６近傍でセルギャップが大きくなることを意味している。
【００６９】
また、図５において、液晶層１５の体積膨張率の値が、５．２×１０−５／℃から２．６×１０−４／℃まで変化するとき、シール材１６の線膨張係数の値が、液晶層１５の体積膨張率の値に応じて１．７×１０−６／℃から３．９×１０−４／℃まで変化することが示されている。
【００７０】
次に、透明基板１１の材料として基板厚０．８ｍｍとは異なる基板厚の石英ガラス基板を用いる場合についてシール材１６の線膨張係数を算出する。
【００７１】
基板厚が厚くなるにつれて基板変形が抑えられるので、液晶層１５の体積膨張分が小さくなると考えることができる。このとき、式（５）に対して基板の反りの係数ｒを導入することにより、液晶波長フィルタ１０の形状変化分ｚ３は、次の近似式で表される。なお、石英ガラス基板の基板厚が０．８ｍｍのとき基板の反りの係数ｒを１とする。
【００７２】
ｚ３＝ｒｓ（Ａｘ２＋Ｂｙ２＋Ｃ）＋ｔＤ （７）
【００７３】
式（７）により、ｓ＝１、ｔ＝１のとき液晶体積膨張分を求め、この液晶体積膨張分は変えないで、液晶波長フィルタ１０の中央部におけるセルギャップの寸法が目標値に入るようｓ及びｔを変化させることによって、シール材１６の線膨張係数範囲を求める。その結果を図６に示す。
【００７４】
図６に示すように、基板厚が０．４ｍｍから２．０ｍｍまで変化するとき、シール材１６の線膨張係数の値が、基板厚に応じて４．９×１０−４／℃から３．２×１０−５／℃までの間で変化している。
【００７５】
つまり、基板厚が厚くなるにつれて応力に対する基板変形が小さくなることから、液晶体積膨張は小さく抑えられるため、基板厚が厚くなるにつれてシール材１６を膨張させる必要はなくなり、シール材１６の線膨張係数を小さくできることが示されている。逆にシール材１６の線膨張係数が図６に示されたものよりも大きいものを用いるときは、液晶波長フィルタ１０の中央部におけるセルギャップの変化を基板変形により小さく抑える必要が生じ、より薄い基板で透明基板１１を構成する必要がある。
【００７６】
次に、透明基板１１としての材料が基板厚０．８ｍｍの石英ガラス基板とは異なり、かつ、液晶層１５としての材料が液晶材料Ｌとは異なる場合について、前述と同様に算出した結果を図７〜図９に示す。
【００７７】
図７は、基板厚を０．４ｍｍから２．０ｍｍまで変化させ、液晶層１５の体積膨張係数ｋを０．５、１、１．５と変化させた場合に対する、温度が１０℃変化した場合の液晶層１５の体積膨張（μｍ３／１０℃）、体積増加分（％）、体積膨張係数（／℃）及びシール材１６の線膨張係数範囲（／℃）を示している。図７において、基板厚０．８ｍｍにおける体積膨張係数ｋ＝１のものを基準とし、各基板厚でのシール材１６の線膨張係数を算出したものである。
【００７８】
また、図８及び図９は、図７に示された結果をグラフ化したものである。すなわち、図８は、石英ガラス基板の厚さ（ｔ）をパラメータとして、液晶層１５の体積膨張係数ｋに対するシール材１６の線膨張係数範囲を示し、図９は、体積膨張係数ｋをパラメータとして、石英ガラス基板の基板厚に対するシール材１６の線膨張係数範囲を示している。
【００７９】
図８に示すように、液晶層１５の体積膨張率が増加するにつれて、シール材１６の線膨張係数の大きさは増加している。また、図９に示すように、石英ガラス基板の厚さが増加するにつれて、シール材１６の線膨張係数の大きさが減少している。図８及び図９に示されたグラフによって、図７に示された算出点以外でのシール材１６の線膨張係数範囲を知ることができる。例えば図８に示されたグラフによって、体積膨張係数ｋが例えば０．７や１．３の液晶材料を用いる場合のシール材１６の線膨張係数範囲を石英ガラス基板の厚さ毎に知ることができる。
【００８０】
図７〜図９に示された結果により、石英ガラス基板の基板厚と液晶層１５の体積膨張係数ｋとの組み合わせに応じた線膨張係数を有するシール材料を用いることにより、温度特性０ｎｍ／℃〜０．１ｎｍ／℃を満足する液晶波長フィルタ１０が得られる。
【００８１】
以上のように、本実施の形態の液晶波長フィルタ１０によれば、透明基板１１と、透明基板１１の面上に順次形成された透明電極１２、ミラー１３及び配向膜１４と、透明基板１１に挟持された液晶層１５と、液晶層１５の周縁部に設けられたシール材１６とを備え、素子中央部における液晶層１５の温度変化による厚さの変化によって、透過する光の波長が変動するのを防ぐように、透明基板１１の厚さ及び液晶層１５の体積膨張率の大きさの少なくとも一方に応じて、シール材１６の線膨張係数の大きさを限定させる構成としたので、温度変化による透過波長の変動を従来のものよりも小さくすることができる。
【００８２】
具体的には、図７に示されたデータより、例えば、基板厚が１．６ｍｍの石英ガラス基板で透明基板１１を構成し、体積膨張係数が１．２×１０−４／℃のネマチック液晶で液晶層１５を構成し、線膨張係数が１．１×１０−４／℃から１．９×１０−４／℃までの材料でシール材１６を構成することにより、本実施の形態の液晶波長フィルタ１０は、１０℃から６０℃までの温度範囲において、温度変化による透過波長の変動値を０ｎｍ／℃〜０．１ｎｍ／℃の範囲内に収めることができる。
【００８３】
また、本実施の形態の液晶波長フィルタ１０によれば、透明基板１１を石英ガラス基板で構成し、シール材１６をエポキシ系及びアクリル系の少なくとも一方の接着材からなる構成としたので、透明基板１１及びシール材１６を形成する従来の製造工程を適用することができ、新たな設備投資を必要としないので、製造コストを増大させることなく、温度変化による透過波長の変動を従来のものよりも小さくすることができる。
【００８４】
なお、前述の実施の形態において、光の入射側及び出射側に透明基板１１を各１つ設ける構成を例に挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、透明基板１１を複数枚で構成しても同様の効果が得られる。
【産業上の利用可能性】
【００８５】
以上のように、本発明に係る液晶波長フィルタ１０は、温度変化による透過波長の変動を従来のものよりも小さくすることができるという効果を有し、光通信分野において所望の波長の光信号を取り出す液晶波長フィルタ等として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００８６】
【図１】本実施の形態に係る液晶波長フィルタの模式的な構成図
【図２】（ａ）本実施の形態に係る液晶波長フィルタにおいて、基準温度における液晶波長フィルタの構成を簡略化して表した図 （ｂ）本実施の形態に係る液晶波長フィルタにおいて、基準温度における透過波長λ０を示す図 （ｃ）本実施の形態に係る液晶波長フィルタにおいて、基準温度より温度が上昇した場合における液晶波長フィルタの構成を簡略化して表した図 （ｄ）本実施の形態に係る液晶波長フィルタにおいて、基準温度より温度が上昇した場合における透過波長λ１を示す図 （ｅ）本実施の形態に係る液晶波長フィルタにおいて、基準温度より温度が上昇した場合における液晶波長フィルタの構成を簡略化して表した図 （ｆ）本実施の形態に係る液晶波長フィルタにおいて、基準温度より温度が上昇した場合における透過波長λ２を示す図
【図３】（ａ）本実施の形態に係る液晶波長フィルタにおいて、セルギャップｚａが温度上昇後にセルギャップｚｂとなるときの形状変化を示す図 （ｂ）本実施の形態に係る液晶波長フィルタにおいて、温度上昇によるセルギャップの形状変化分をモデル化して近似的に表したモデル１を示す図
【図４】（ａ）本実施の形態に係る液晶波長フィルタにおいて、温度上昇によるセルギャップの形状変化分をモデル化して近似的に表したモデル１を示す図 （ｂ）本実施の形態に係る液晶波長フィルタにおいて、温度上昇によるセルギャップの形状変化分をモデル化して近似的に表したモデル２を示す図
【図５】本実施の形態に係る液晶波長フィルタにおいて、液晶材料の体積膨張係数ｋに対するシール材の線膨張係数範囲を示す図
【図６】本実施の形態に係る液晶波長フィルタにおいて、透明基板材料の基板厚に対するシール材の線膨張係数範囲を示す図
【図７】本実施の形態に係る液晶波長フィルタにおいて、透明基板材料の基板厚及び液晶材料の体積膨張係数ｋに対するシール材の線膨張係数範囲を示す図
【図８】本実施の形態に係る液晶波長フィルタにおいて、液晶材料の体積膨張係数ｋに対するシール材の線膨張係数範囲を示すグラフ
【図９】本実施の形態に係る液晶波長フィルタにおいて、透明基板材料の基板厚に対するシール材の線膨張係数範囲を示すグラフ
【符号の説明】
【００８７】
１０ 液晶波長フィルタ
１１ 透明基板
１２ 透明電極
１３ ミラー
１４ 配向膜
１５ 液晶層
１６ シール材
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば光通信分野において所望の波長の光信号を取り出す液晶波長フィルタに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の液晶波長フィルタとしては、特許文献１及び２に示されたものが知られている。
【０００３】
まず、特許文献１に示されたものは、液晶層を挟持する一対のガラス基板と、液晶層の周囲のガラス基板間に設けられたシール材及びコーティング層とを備えている。シール材の熱膨張係数は液晶層の熱膨張係数よりも大きく、シール材の厚さはコーティング層が設けられた分だけ一般のものよりも薄い構成となっている。この構成により、温度変化に対する透過波長の変動を小さく抑えることができると特許文献１には記載されている。
【０００４】
次に、特許文献２に示されたものは、気泡を含む液晶層と、この液晶層を挟持する一対の透明基板とを備え、周囲温度が変化した場合でも、液晶層の体積変化分を吸収するよう気泡の体積が温度変化に応じて変化するので透明基板間の寸法の変動を抑えることができ、温度変化に対する透過波長の変動を小さく抑えることができるようになっている。
【０００５】
【特許文献１】特開平８−２９７９３号公報
【特許文献２】特開２００３−４５０６５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に示されたものは、温度が上昇するにつれて液晶層の中央部が端面部よりも大きく膨張してガラス基板が変形するという現実の現象を考慮したものではないので、温度変化による透過波長の変動を小さくすることができない場合があった。
【０００７】
また、特許文献２に示されたものは、液晶層の気泡が、振動や衝撃等により光束の透過領域内に移動する場合があり、そのような場合には透過波長は所定の値にならないという課題があった。
【０００８】
本発明は、従来の課題を解決するためになされたものであり、温度変化による透過波長の変動を従来のものよりも小さくすることができる液晶波長フィルタを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の液晶波長フィルタは、入射される光の進行方向に沿って透明電極及びミラーが設けられた少なくとも２枚の透明基板と、前記透明電極が対向するように配置された前記透明基板間に挟持された液晶層と、この液晶層の周縁に設けられ前記液晶層を挟持する前記透明基板を接合するシール材とを備える液晶波長フィルタにおいて、前記液晶波長フィルタの中央部における前記液晶層の温度変化による厚さの変化によって、透過する光の波長が変動するのを防ぐように、前記透明基板の厚さ及び液晶層の体積膨張率の大きさの少なくとも一方に応じて、前記シール材の線膨張係数の大きさを限定させる構成を有している。
【００１０】
この構成により、本発明の液晶波長フィルタは、液晶波長フィルタの中央部における液晶層の温度変化による厚さの変化によって、透過する光の波長が変動するのを防ぐように、透明基板の厚さ及び液晶層の体積膨張率の大きさの少なくとも一方に応じて、シール材の線膨張係数の大きさを限定させるので、温度変化による透過波長の変動を従来のものよりも小さくすることができる。
【００１１】
また、本発明の液晶波長フィルタは、前記シール材の線膨張係数の大きさが、前記透明基板の厚さが増加するにつれて減少する構成を有している。
【００１２】
この構成により、本発明の液晶波長フィルタは、透明基板の厚さに応じてシール材の線膨張係数の大きさを限定させるので、温度変化による透過波長の変動を従来のものよりも小さくすることができる。
【００１３】
さらに、本発明の液晶波長フィルタは、前記シール材の線膨張係数の大きさが、前記液晶層の体積膨張率が増加するにつれて増加する構成を有している。
【００１４】
この構成により、本発明の液晶波長フィルタは、液晶層の体積膨張率の大きさに応じてシール材の線膨張係数の大きさを限定させるので、温度変化による透過波長の変動を従来のものよりも小さくすることができる。
【００１５】
さらに、本発明の液晶波長フィルタは、前記透明基板が石英ガラス基板であり、前記シール材がエポキシ系及びアクリル系の少なくとも一方の接着材からなる構成を有している。
【００１６】
この構成により、本発明の液晶波長フィルタは、一般に用いられる石英ガラス基板と、エポキシ系及びアクリル系の少なくとも一方の接着材からなるシール材とを備えるので、透明基板及びシール材を形成する従来の製造工程を適用することができ、新たな設備投資を必要としないので、製造コストを増大させることなく、温度変化による透過波長の変動を従来のものよりも小さくすることができる。
【００１７】
さらに、本発明の液晶波長フィルタは、前記石英ガラス基板の厚さが０．４ｍｍから２．０ｍｍまで変化するとき、前記シール材の線膨張係数の値が、前記石英ガラス基板の厚さに応じて３．２×１０−５／℃〜４．９×１０−４／℃の間で変化する構成を有している。
【００１８】
この構成により、本発明の液晶波長フィルタは、石英ガラス基板の厚さが０．４ｍｍから２．０ｍｍまでのいずれかの場合、その厚さに対応した線膨張係数を有するシール材を選定することにより、温度変化による透過波長の変動を従来のものよりも小さくすることができる。
【００１９】
さらに、本発明の液晶波長フィルタは、所定の電圧が前記透明電極に印加された電圧印加状態及び前記電圧が前記透明電極に印加されていない電圧無印加状態を有し、前記電圧無印加状態において、透過する光の波長の温度変化率が１０℃から６０℃までの温度範囲において、波長の温度による変動値が０ｎｍ／℃〜０．１ｎｍ／℃の値を有する構成を有している。
【００２０】
この構成により、本発明の液晶波長フィルタは、透過波長の温度特性が最大となる電圧無印加状態において波長の温度による変動値を０ｎｍ／℃〜０．１ｎｍ／℃の範囲内に収めることができるので、電圧印加状態においても透過波長の温度特性を±０．１ｎｍ／℃の範囲内に抑えることができ、温度変化による透過波長の変動を従来のものよりも小さくすることができる。
【００２１】
さらに、本発明の液晶波長フィルタは、前記液晶層の体積膨張率の値が５．２×１０−５／℃から２．６×１０−４／℃まで変化するとき、前記シール材の線膨張係数の値が、前記液晶層の体積膨張率の値に応じて１．７×１０−６／℃から３．９×１０−４／℃まで変化する構成を有している。
【００２２】
この構成により、本発明の液晶波長フィルタは、液晶層の体積膨張率の値が５．２×１０−５／℃から２．６×１０−４／℃までのいずれかの場合、その体積膨張率に対応した線膨張係数を有するシール材を選定することにより、温度変化による透過波長の変動を従来のものよりも小さくすることができる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明は、温度変化による透過波長の変動を従来のものよりも小さくすることができるという効果を有する液晶波長フィルタを提供することができるものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。
【００２５】
まず、本実施の形態に係る液晶波長フィルタの構成について図１を用いて説明する。図１は、本実施の形態に係る液晶波長フィルタの模式的な構成図である。
【００２６】
図１に示すように、本実施の形態に係る液晶波長フィルタ１０は、透明基板１１と、透明基板１１の面上に順次形成された透明電極１２、ミラー１３及び配向膜１４と、透明基板１１に挟持された液晶層１５と、液晶層１５の周縁部に設けられたシール材１６とを備えている。
【００２７】
透明基板１１は、例えば石英ガラス基板によって構成される。透明電極１２は、例えばＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ：酸化インジウム錫）で構成され、例えばスパッタ法によって透明基板１１上に形成される。一対の透明電極１２には、所定の周波数の電圧が印加されるようになっており、この電圧によって液晶層１５の実質的な屈折率が変化するようになっている。
【００２８】
ミラー１３は、例えばＳｉＯ２膜とＴａ２Ｏ５膜とが交互に積層された多層膜で構成され、例えば蒸着法によって透明電極１２上に形成されるようになっている。互いに対向する一対のミラー１３は、光共振器を構成しており、一対のミラー１３の間隔に応じた共振波長の光が生成されるようになっている。
【００２９】
配向膜１４は、例えばポリイミドで構成され、液晶層１５に含まれる液晶分子の配向を定める配向処理剤がミラー１３上に塗布されて形成される。
【００３０】
液晶層１５は、例えばネマチック液晶で構成され、配向膜１４及びシール材１６に囲まれた領域に封入されている。シール材１６は、例えばエポキシ系及びアクリル系の少なくとも一方の接着材等で構成される。
【００３１】
本実施の形態に係る液晶波長フィルタ１０は、素子中央部（図１において矢印が描かれた部分）における液晶層１５の温度変化による厚さの変化によって、透過する光の波長が変動するのを防ぐように、透明基板１１の厚さ及び液晶層１５の体積膨張率の大きさの少なくとも一方に応じて、シール材１６の線膨張係数の大きさが限定される構成となっている。
【００３２】
具体的には、例えば、透明基板１１は、基板厚が０．８ｍｍの石英ガラス基板で構成され、液晶層１５は、体積膨張係数が１．７×１０−４／℃のネマチック液晶で構成され、シール材１６は、線膨張係数が１．９×１０−４／℃から２．６×１０−４／℃までの材料で構成されている。
【００３３】
本実施の形態に係る液晶波長フィルタ１０は、前述のように構成されているので、図１に示された矢印の方向に光が進行するとき、一対の透明電極１２の間に所定の周波数の電圧を印加することにより、一対のミラー１３の間隔に応じた共振波長の光を出力することができるようになっている。
【００３４】
ところで、前述のように構成された液晶波長フィルタ１０は、周囲温度に応じて、各構成の寸法が変化し、図１に示された矢印の方向に透過した光の波長（以下「透過波長」という。）が変動することが知られている。
【００３５】
そこで、本発明の発明者は、液晶波長フィルタ１０の使用温度範囲内における透過波長の変動量を抑えるためには、液晶波長フィルタ１０の中央部の厚さ変動を抑えることが必要であることに着眼し、透明基板１１及び液晶層１５の構成に応じたシール材１６の線膨張係数を算出することにより、液晶波長フィルタ１０の温度特性を従来のものよりも大幅に改善することができた。以下、詳細に説明する。
【００３６】
最初に、前述のように構成された液晶波長フィルタ１０の温度特性について説明する。
【００３７】
まず、基準温度（例えば２０℃）における液晶波長フィルタ１０の形状を図２（ａ）に示すように簡略化して表し、光が透過する方向の液晶層１５の厚さを以下「セルギャップ」という。この基準温度においては２枚の透明基板１１は平行になっており、図２（ｂ）に示すように液晶波長フィルタ１０の透過波長を波長λ０とする。
【００３８】
液晶波長フィルタ１０の周囲温度が上昇すると、液晶波長フィルタ１０の形状は、図２（ａ）に示された形状から図２（ｃ）又は図２（ｅ）に示された形状に変化する。温度上昇が同じ場合、図２（ｃ）及び図２（ｅ）に示された形状における液晶層１５の膨張後の体積は同一である。
【００３９】
図２（ｃ）は、シール材１６の膨張が液晶層１５の膨張よりも小さい場合における液晶波長フィルタ１０の形状変化を示したものである。この場合、液晶波長フィルタ１０の中央部が最も膨張し、この中央部におけるセルギャップが最大となる。ここで、セルギャップの大きさは、透明基板１１の基板厚にも左右され、基板厚が薄いほどセルギャップが変化しやすい。図２（ｃ）に示された形状における液晶波長フィルタ１０の透過波長は、図２（ｄ）に示すように波長λ０よりも大きい側にシフトした波長λ１となる。
【００４０】
一方、図２（ｅ）は、シール材１６の膨張が液晶層１５の膨張よりも大きい場合における液晶波長フィルタ１０の形状変化を示したものである。この場合、シール材１６が液晶層１５よりも膨張するので、液晶波長フィルタ１０の中央部におけるセルギャップの変化は、図２（ｃ）に示された場合よりも小さくなる。ここで、セルギャップの大きさは、透明基板１１の基板厚にも左右される。図２（ｅ）に示された形状における液晶波長フィルタ１０の透過波長は、図２（ｆ）に示すように波長λ０とほぼ同等な波長λ２となる。
【００４１】
前述のように、セルギャップの大きさは温度変化に応じて変化するので、液晶波長フィルタ１０の透過波長も温度変化に応じて変動する。液晶波長フィルタ１０が例えば光通信分野において用いられる場合、使用温度範囲は１０℃〜６０℃であり、この使用温度範囲において温度変化による透過波長の変動値は、±０．１ｎｍ／℃の範囲内であれば十分であると考えられている。なお、温度変化による透過波長の変動値のことを以下「透過波長の温度特性」という。
【００４２】
また、透明電極１２に所定の周波数の電圧が印加された電圧印加状態において、周波数を選択することによって、透過波長の温度特性の最大値と最小値との差を０．１ｎｍ／℃以下に抑えることができることが知られている。さらに、透明電極１２に印加される印加電圧が０Ｖの状態（以下「電圧無印加状態」という。）において、透過波長の温度特性は最大となることが知られている。したがって、電圧無印加状態において、透過波長の温度特性が０ｎｍ／℃〜０．１ｎｍ／℃を満足すれば、電圧印加状態においても透過波長の温度特性を±０．１ｎｍ／℃の範囲内に抑えることができる。なお、以下の記載における透過波長の温度特性は、電圧無印加状態での温度特性を指すものとする。
【００４３】
以上のように、液晶波長フィルタ１０における透過波長の温度特性は、透明基板１１として用いる石英ガラス基板の基板厚、液晶層１５として用いる液晶材料の体積膨張係数、シール材１６の線膨張係数によって決定される。そこで、石英ガラス基板の基板厚及び液晶材料の体積膨張係数をパラメータとしてシール材１６の線膨張係数を算出することにより、以下に示すように、透過波長の温度特性を±０．１ｎｍ／℃の範囲内に抑えることができる。
【００４４】
まず、図３（ａ）に示すように、セルギャップｚａが温度上昇後にセルギャップｚｂに変化するとき、形状変化分ｚ１は次式で表される。
【００４５】
ｚ１＝ｚｂ−ｚａ （１）
【００４６】
ここで、図３（ａ）右側に示すように液晶層１５が熱膨張する際の応力によって透明基板１１が形状変化する場合、透明基板１１の変形後の形状は二次関数で近似できること、また、透明基板１１に加わる応力が強くなるにつれて透明基板１１は二次関数の相似形で変形することが実験的に証明されている。
【００４７】
そこで、図３（ｂ）に示すように、温度上昇によるセルギャップの形状変化分をモデル化して近似的に表すものとする。すなわち、図３（ｂ）に示されたモデル化されたもの（以下「モデル１」という。）の座標を図示のように定めると、セルギャップの形状変化分ｚ１は次式で表される。
【００４８】
ｚ１＝Ａｘ２＋Ｂｙ２＋Ｃ＋Ｄ （２）
【００４９】
ここで、Ａｘ２＋Ｂｙ２＋Ｃは透明基板１１の変形分を示し、Ｄはシール材１６の膨張分を示している。例えば、液晶波長フィルタ１０の中央部においては、セルギャップ差分はＣ＋Ｄであり、シール材１６の近傍においては、セルギャップ差分はＤである。なお、液晶波長フィルタ１０の中央部とは、（ｘ、ｙ）＝（０、０）を通るｚ軸に沿った部分をいい、セルギャップ差分とは、温度上昇前のセルギャップの寸法と温度上昇後のセルギャップの寸法との差分をいう。
【００５０】
また、セルギャップの寸法をｄ、温度をＴ、透過波長をλ、液晶及び基板の材料特性やセルギャップ等から決まる係数をｈとするとき、次式に示すような関係がある。
【００５１】
∂ｄ／∂Ｔ（ｎｍ／℃）＝ｈ×∂λ／∂Ｔ（ｎｍ／℃） （３）
【００５２】
式（３）より、透過波長λの温度特性が０ｎｍ／℃〜０．１ｎｍ／℃を満足するためには、セルギャップの温度変化分を０ｎｍ／℃〜ｈ×０．１ｎｍ／℃の寸法範囲内に収めればよいことが示されている。したがって、モデル１における温度変化分Ｃ＋Ｄを０ｎｍ／℃〜ｈ×０．１ｎｍ／℃の寸法範囲内に収めることを目標値とする。
【００５３】
次に、実際の製品に使用する材料を用意し、これらの材料で透明基板１１、液晶層１５及びシール材１６をそれぞれ構成した場合、シール材１６の線膨張係数を式（２）より算出して検討した結果を述べる。ここで用意した透明基板１１の材料は、基板厚が０．８ｍｍの石英ガラス基板である。また、液晶層１５の材料として用意した材料を液晶材料Ｌと呼び、シール材１６として用意した２種類の材料をシール材料Ｓ１又はＳ２と呼ぶ。また、検討した構成において式（３）の係数ｈ＝１０なので、モデル１における温度変化分Ｃ＋Ｄを０ｎｍ／℃〜１ｎｍ／℃の寸法範囲内に収めることを目標値とする。
【００５４】
まず、基板厚が０．８ｍｍの石英ガラス基板と、液晶材料Ｌと、シール材１６としてシール材料Ｓ１とを用いた場合に、透過波長の温度特性の面内分布からセルギャップ差分の面内分布を求め、式（２）で近似した。この場合、液晶波長フィルタ１０の中央部において透過波長の温度特性は０．２７ｎｍ／℃であり、シール材料Ｓ１の線膨張係数は、５．１×１０−５／℃であった。
【００５５】
また、同様に、基板厚が０．８ｍｍの石英ガラス基板と、液晶材料Ｌと、シール材１６としてシール材料Ｓ２とを用いた場合、液晶波長フィルタ１０の中央部において透過波長の温度特性は０．１５ｎｍ／℃であり、シール材料Ｓ２の線膨張係数は、１．５×１０−４／℃であった。
【００５６】
したがって、シール材１６としてシール材料Ｓ１又はＳ２を用いた場合は、共に温度特性０ｎｍ／℃〜０．１ｎｍ／℃を満足できないことがわかった。
【００５７】
そこで、温度特性０ｎｍ／℃〜０．１ｎｍ／℃を満足させることができるシール材１６の線膨張係数を図４に示された新たなモデルで算出することとした。
【００５８】
図４（ａ）は、式（２）を導出したモデル１を示しており、図４（ｂ）は、膨張後の全体の体積がモデル１と同じで、透明基板１１の変形分及びシール材１６の膨張分が異なるモデル（以下「モデル２」という。）を示している。すなわち、モデル２における液晶波長フィルタ１０の形状変化分ｚ２は、式（２）に対して係数ｓ及びｔを導入することにより、次の近似式で表される。
【００５９】
ｚ２＝ｓ（Ａｘ２＋Ｂｙ２＋Ｃ）＋ｔＤ （５）
【００６０】
ここで、ｓ（Ａｘ２＋Ｂｙ２＋Ｃ）は透明基板１１の変形分を示し、ｔＤはシール材１６の膨張分を示している。例えば、液晶波長フィルタ１０の中央部においては、セルギャップ差分はｓＣ＋ｔＤであり、シール材１６の近傍においては、セルギャップ差分はｔＤである。また、モデル１と同様に、モデル２における温度変化分ｓＣ＋ｔＤを０ｎｍ／℃〜１ｎｍ／℃の寸法範囲内に収めることを目標値とする。
【００６１】
前述の液晶材料Ｌ、基板厚０．８ｍｍの石英を用いた場合、液晶波長フィルタ１０の中央部におけるセルギャップの寸法が目標値に入っているという条件のもとで、式（５）の係数ｓ及びｔを求め、シール材１６の膨張分ｔＤを計算し、シール材１６の線膨張係数範囲を算出した結果、１．９×１０−４／℃〜２．６×１０−４／℃であれば、温度特性０ｎｍ／℃〜０．１ｎｍ／℃を満足させることができることが判明した。この結果は、シール材料Ｓ１及びＳ２よりも大きな線膨張係数を有するシール材料を用いることにより、液晶波長フィルタ１０の中央部における温度特性目標を満足することができることを示している。
【００６２】
次に、液晶層１５の材料として液晶材料Ｌとは異なる材料を用いる場合に、液晶材料Ｌでの体積膨張に基づいて、シール材１６の線膨張係数を算出する。
【００６３】
温度変化による液晶体積膨張分を液晶材料Ｌの液晶体積膨張分×体積膨張係数ｋとして算出する。体積膨張係数ｋ＝１のときが液晶材料Ｌのときである。具体的には、式（５）を用いて、温度変化による液晶体積膨張分の体積が、図３（ｂ）に示されたモデル１の体積×体積膨張係数ｋとなる条件で、係数ｓ及びｔを導き出し、シール材１６の線膨張係数を算出する。その結果を図５に示す。なお、図３（ｂ）に示されたモデル１の体積Ｖ１は、寸法ｐ及びｑを用いて次式で表される。
【００６４】
Ｖ１＝ｒ（４ｐ３ｑＡ／３＋４ｐｑ３Ｂ／３＋４ｐｑＣ）＋４ｐｑＤ （６）
【００６５】
ここで、係数ｒは後述する基板の反りの係数であり、石英ガラス基板の基板厚が０．８ｍｍのときは係数ｒ＝１である。また、右辺第１項は透明基板１１の変形分の体積を示し、右辺第２項はシール材１６の膨張分の体積を示している。
【００６６】
図５は、体積膨張係数ｋを０．１から１．５まで０．１のステップで変化させた場合に対する、温度が１０℃変化した場合の液晶層１５の体積膨張（μｍ３／１０℃）、体積増加分（％）、体積膨張係数（／℃）及びシール材１６の線膨張係数範囲（／℃）を示している。図５において、各体積膨張係数ｋにおける体積膨張は、体積膨張係数ｋ＝１（液晶材料Ｌのとき）での体積膨張「１６８４０．２２４μｍ３／１０℃」を基準として算出している。例えば、体積膨張係数ｋ＝０．５における液晶層１５の体積膨張は、体積膨張係数ｋ＝１のときの半分となっている。
【００６７】
体積膨張係数ｋ＝１における体積膨張の値は、温度変化前の元の体積に対して膨張した体積を示している。元の体積は、図４（ｂ）に示された寸法ｐ及びｑを用いると、ｐ＝６００μｍ、ｑ＝６００μｍ、ｚ＝６．８μｍの場合の体積９７９２０００μｍ３であり、この元の体積に対し、１０℃の温度上昇があったときの体積膨張は１６８４０．２２４μｍ３／１０℃であり、体積増加分は約０．１７２％である。
【００６８】
図５に示された結果によれば、液晶体積膨張（係数）が大きくなるにつれ、シール材１６の線膨張係数も大きくしなければならないことを示している。これは、液晶体積膨張によるセルギャップが、液晶波長フィルタ１０の中央部のみで集中的に大きくならないよう素子全体で平均化される、又は、シール材１６近傍でセルギャップが大きくなることを意味している。
【００６９】
また、図５において、液晶層１５の体積膨張率の値が、５．２×１０−５／℃から２．６×１０−４／℃まで変化するとき、シール材１６の線膨張係数の値が、液晶層１５の体積膨張率の値に応じて１．７×１０−６／℃から３．９×１０−４／℃まで変化することが示されている。
【００７０】
次に、透明基板１１の材料として基板厚０．８ｍｍとは異なる基板厚の石英ガラス基板を用いる場合についてシール材１６の線膨張係数を算出する。
【００７１】
基板厚が厚くなるにつれて基板変形が抑えられるので、液晶層１５の体積膨張分が小さくなると考えることができる。このとき、式（５）に対して基板の反りの係数ｒを導入することにより、液晶波長フィルタ１０の形状変化分ｚ３は、次の近似式で表される。なお、石英ガラス基板の基板厚が０．８ｍｍのとき基板の反りの係数ｒを１とする。
【００７２】
ｚ３＝ｒｓ（Ａｘ２＋Ｂｙ２＋Ｃ）＋ｔＤ （７）
【００７３】
式（７）により、ｓ＝１、ｔ＝１のとき液晶体積膨張分を求め、この液晶体積膨張分は変えないで、液晶波長フィルタ１０の中央部におけるセルギャップの寸法が目標値に入るようｓ及びｔを変化させることによって、シール材１６の線膨張係数範囲を求める。その結果を図６に示す。
【００７４】
図６に示すように、基板厚が０．４ｍｍから２．０ｍｍまで変化するとき、シール材１６の線膨張係数の値が、基板厚に応じて４．９×１０−４／℃から３．２×１０−５／℃までの間で変化している。
【００７５】
つまり、基板厚が厚くなるにつれて応力に対する基板変形が小さくなることから、液晶体積膨張は小さく抑えられるため、基板厚が厚くなるにつれてシール材１６を膨張させる必要はなくなり、シール材１６の線膨張係数を小さくできることが示されている。逆にシール材１６の線膨張係数が図６に示されたものよりも大きいものを用いるときは、液晶波長フィルタ１０の中央部におけるセルギャップの変化を基板変形により小さく抑える必要が生じ、より薄い基板で透明基板１１を構成する必要がある。
【００７６】
次に、透明基板１１としての材料が基板厚０．８ｍｍの石英ガラス基板とは異なり、かつ、液晶層１５としての材料が液晶材料Ｌとは異なる場合について、前述と同様に算出した結果を図７〜図９に示す。
【００７７】
図７は、基板厚を０．４ｍｍから２．０ｍｍまで変化させ、液晶層１５の体積膨張係数ｋを０．５、１、１．５と変化させた場合に対する、温度が１０℃変化した場合の液晶層１５の体積膨張（μｍ３／１０℃）、体積増加分（％）、体積膨張係数（／℃）及びシール材１６の線膨張係数範囲（／℃）を示している。図７において、基板厚０．８ｍｍにおける体積膨張係数ｋ＝１のものを基準とし、各基板厚でのシール材１６の線膨張係数を算出したものである。
【００７８】
また、図８及び図９は、図７に示された結果をグラフ化したものである。すなわち、図８は、石英ガラス基板の厚さ（ｔ）をパラメータとして、液晶層１５の体積膨張係数ｋに対するシール材１６の線膨張係数範囲を示し、図９は、体積膨張係数ｋをパラメータとして、石英ガラス基板の基板厚に対するシール材１６の線膨張係数範囲を示している。
【００７９】
図８に示すように、液晶層１５の体積膨張率が増加するにつれて、シール材１６の線膨張係数の大きさは増加している。また、図９に示すように、石英ガラス基板の厚さが増加するにつれて、シール材１６の線膨張係数の大きさが減少している。図８及び図９に示されたグラフによって、図７に示された算出点以外でのシール材１６の線膨張係数範囲を知ることができる。例えば図８に示されたグラフによって、体積膨張係数ｋが例えば０．７や１．３の液晶材料を用いる場合のシール材１６の線膨張係数範囲を石英ガラス基板の厚さ毎に知ることができる。
【００８０】
図７〜図９に示された結果により、石英ガラス基板の基板厚と液晶層１５の体積膨張係数ｋとの組み合わせに応じた線膨張係数を有するシール材料を用いることにより、温度特性０ｎｍ／℃〜０．１ｎｍ／℃を満足する液晶波長フィルタ１０が得られる。
【００８１】
以上のように、本実施の形態の液晶波長フィルタ１０によれば、透明基板１１と、透明基板１１の面上に順次形成された透明電極１２、ミラー１３及び配向膜１４と、透明基板１１に挟持された液晶層１５と、液晶層１５の周縁部に設けられたシール材１６とを備え、素子中央部における液晶層１５の温度変化による厚さの変化によって、透過する光の波長が変動するのを防ぐように、透明基板１１の厚さ及び液晶層１５の体積膨張率の大きさの少なくとも一方に応じて、シール材１６の線膨張係数の大きさを限定させる構成としたので、温度変化による透過波長の変動を従来のものよりも小さくすることができる。
【００８２】
具体的には、図７に示されたデータより、例えば、基板厚が１．６ｍｍの石英ガラス基板で透明基板１１を構成し、体積膨張係数が１．２×１０−４／℃のネマチック液晶で液晶層１５を構成し、線膨張係数が１．１×１０−４／℃から１．９×１０−４／℃までの材料でシール材１６を構成することにより、本実施の形態の液晶波長フィルタ１０は、１０℃から６０℃までの温度範囲において、温度変化による透過波長の変動値を０ｎｍ／℃〜０．１ｎｍ／℃の範囲内に収めることができる。
【００８３】
また、本実施の形態の液晶波長フィルタ１０によれば、透明基板１１を石英ガラス基板で構成し、シール材１６をエポキシ系及びアクリル系の少なくとも一方の接着材からなる構成としたので、透明基板１１及びシール材１６を形成する従来の製造工程を適用することができ、新たな設備投資を必要としないので、製造コストを増大させることなく、温度変化による透過波長の変動を従来のものよりも小さくすることができる。
【００８４】
なお、前述の実施の形態において、光の入射側及び出射側に透明基板１１を各１つ設ける構成を例に挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、透明基板１１を複数枚で構成しても同様の効果が得られる。
【産業上の利用可能性】
【００８５】
以上のように、本発明に係る液晶波長フィルタ１０は、温度変化による透過波長の変動を従来のものよりも小さくすることができるという効果を有し、光通信分野において所望の波長の光信号を取り出す液晶波長フィルタ等として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００８６】
【図１】本実施の形態に係る液晶波長フィルタの模式的な構成図
【図２】（ａ）本実施の形態に係る液晶波長フィルタにおいて、基準温度における液晶波長フィルタの構成を簡略化して表した図 （ｂ）本実施の形態に係る液晶波長フィルタにおいて、基準温度における透過波長λ０を示す図 （ｃ）本実施の形態に係る液晶波長フィルタにおいて、基準温度より温度が上昇した場合における液晶波長フィルタの構成を簡略化して表した図 （ｄ）本実施の形態に係る液晶波長フィルタにおいて、基準温度より温度が上昇した場合における透過波長λ１を示す図 （ｅ）本実施の形態に係る液晶波長フィルタにおいて、基準温度より温度が上昇した場合における液晶波長フィルタの構成を簡略化して表した図 （ｆ）本実施の形態に係る液晶波長フィルタにおいて、基準温度より温度が上昇した場合における透過波長λ２を示す図
【図３】（ａ）本実施の形態に係る液晶波長フィルタにおいて、セルギャップｚａが温度上昇後にセルギャップｚｂとなるときの形状変化を示す図 （ｂ）本実施の形態に係る液晶波長フィルタにおいて、温度上昇によるセルギャップの形状変化分をモデル化して近似的に表したモデル１を示す図
【図４】（ａ）本実施の形態に係る液晶波長フィルタにおいて、温度上昇によるセルギャップの形状変化分をモデル化して近似的に表したモデル１を示す図 （ｂ）本実施の形態に係る液晶波長フィルタにおいて、温度上昇によるセルギャップの形状変化分をモデル化して近似的に表したモデル２を示す図
【図５】本実施の形態に係る液晶波長フィルタにおいて、液晶材料の体積膨張係数ｋに対するシール材の線膨張係数範囲を示す図
【図６】本実施の形態に係る液晶波長フィルタにおいて、透明基板材料の基板厚に対するシール材の線膨張係数範囲を示す図
【図７】本実施の形態に係る液晶波長フィルタにおいて、透明基板材料の基板厚及び液晶材料の体積膨張係数ｋに対するシール材の線膨張係数範囲を示す図
【図８】本実施の形態に係る液晶波長フィルタにおいて、液晶材料の体積膨張係数ｋに対するシール材の線膨張係数範囲を示すグラフ
【図９】本実施の形態に係る液晶波長フィルタにおいて、透明基板材料の基板厚に対するシール材の線膨張係数範囲を示すグラフ
【符号の説明】
【００８７】
１０ 液晶波長フィルタ
１１ 透明基板
１２ 透明電極
１３ ミラー
１４ 配向膜
１５ 液晶層
１６ シール材
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射される光の進行方向に沿って透明電極及びミラーが設けられた少なくとも２枚の透明基板と、前記透明電極が対向するように配置された前記透明基板間に挟持された液晶層と、この液晶層の周縁に設けられ前記液晶層を挟持する前記透明基板を接合するシール材とを備える液晶波長フィルタにおいて、前記液晶波長フィルタの中央部における前記液晶層の温度変化による厚さの変化によって、透過する光の波長が変動するのを防ぐように、前記透明基板の厚さ及び液晶層の体積膨張率の大きさの少なくとも一方に応じて、前記シール材の線膨張係数の大きさを限定させることを特徴とする液晶波長フィルタ。
【請求項２】
前記シール材の線膨張係数の大きさが、前記透明基板の厚さが増加するにつれて減少する請求項１に記載の液晶波長フィルタ。
【請求項３】
前記シール材の線膨張係数の大きさが、前記液晶層の体積膨張率が増加するにつれて増加する請求項１又は２に記載の液晶波長フィルタ。
【請求項４】
前記透明基板が石英ガラス基板であり、前記シール材がエポキシ系及びアクリル系の少なくとも一方の接着材からなる請求項１、２又は３に記載の液晶波長フィルタ。
【請求項５】
前記石英ガラス基板の厚さが０．４ｍｍから２．０ｍｍまで変化するとき、前記シール材の線膨張係数の値が、前記石英ガラス基板の厚さに応じて３．２×１０−５／℃〜４．９×１０−４／℃の間で変化する請求項４に記載の液晶波長フィルタ。
【請求項６】
所定の電圧が前記透明電極に印加された電圧印加状態及び前記電圧が前記透明電極に印加されていない電圧無印加状態を有し、前記電圧無印加状態において、透過する光の波長の温度変化率が１０℃から６０℃までの温度範囲において、波長の温度による変動値が０ｎｍ／℃〜０．１ｎｍ／℃の値を有する請求項１から５までのいずれか１項に記載の液晶波長フィルタ。
【請求項７】
前記液晶層の体積膨張率の値が５．２×１０−５／℃から２．６×１０−４／℃まで変化するとき、前記シール材の線膨張係数の値が、前記液晶層の体積膨張率の値に応じて１．７×１０−６／℃から３．９×１０−４／℃まで変化する請求項５又は６に記載の液晶波長フィルタ。
【請求項１】
入射される光の進行方向に沿って透明電極及びミラーが設けられた少なくとも２枚の透明基板と、前記透明電極が対向するように配置された前記透明基板間に挟持された液晶層と、この液晶層の周縁に設けられ前記液晶層を挟持する前記透明基板を接合するシール材とを備える液晶波長フィルタにおいて、前記液晶波長フィルタの中央部における前記液晶層の温度変化による厚さの変化によって、透過する光の波長が変動するのを防ぐように、前記透明基板の厚さ及び液晶層の体積膨張率の大きさの少なくとも一方に応じて、前記シール材の線膨張係数の大きさを限定させることを特徴とする液晶波長フィルタ。
【請求項２】
前記シール材の線膨張係数の大きさが、前記透明基板の厚さが増加するにつれて減少する請求項１に記載の液晶波長フィルタ。
【請求項３】
前記シール材の線膨張係数の大きさが、前記液晶層の体積膨張率が増加するにつれて増加する請求項１又は２に記載の液晶波長フィルタ。
【請求項４】
前記透明基板が石英ガラス基板であり、前記シール材がエポキシ系及びアクリル系の少なくとも一方の接着材からなる請求項１、２又は３に記載の液晶波長フィルタ。
【請求項５】
前記石英ガラス基板の厚さが０．４ｍｍから２．０ｍｍまで変化するとき、前記シール材の線膨張係数の値が、前記石英ガラス基板の厚さに応じて３．２×１０−５／℃〜４．９×１０−４／℃の間で変化する請求項４に記載の液晶波長フィルタ。
【請求項６】
所定の電圧が前記透明電極に印加された電圧印加状態及び前記電圧が前記透明電極に印加されていない電圧無印加状態を有し、前記電圧無印加状態において、透過する光の波長の温度変化率が１０℃から６０℃までの温度範囲において、波長の温度による変動値が０ｎｍ／℃〜０．１ｎｍ／℃の値を有する請求項１から５までのいずれか１項に記載の液晶波長フィルタ。
【請求項７】
前記液晶層の体積膨張率の値が５．２×１０−５／℃から２．６×１０−４／℃まで変化するとき、前記シール材の線膨張係数の値が、前記液晶層の体積膨張率の値に応じて１．７×１０−６／℃から３．９×１０−４／℃まで変化する請求項５又は６に記載の液晶波長フィルタ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２００７−８６４５４（Ｐ２００７−８６４５４Ａ）
【公開日】平成１９年４月５日（２００７．４．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−２７５４９８（Ｐ２００５−２７５４９８）
【出願日】平成１７年９月２２日（２００５．９．２２）
【出願人】（０００００００４４）旭硝子株式会社 (2,665)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年４月５日（２００７．４．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年９月２２日（２００５．９．２２）
【出願人】（０００００００４４）旭硝子株式会社 (2,665)
【Ｆターム（参考）】
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