液晶元件、相位调制装置以及液晶元件的控制方法
技术领域
本发明涉及液晶元件、相位调制装置以及液晶元件的控制方法。
背景技术
近年来，在光通信领域，为了应对急剧增加的信号量，提出了形成为环状的光网系统以及光波分复用通信系统。使用了ROADM(ReconfigurableOpticalAndDropMultiplexer，可重新配置的光分插复用器)装置，ROADM装置无需中继向电信号的转换即可执行这些光通信系统中的光信号分支或插入。
作为ROADM装置中的光开关装置，使用了WSS(WavelengthSelectiveSwitch，波长选择开关)装置。作为WSS装置中的光开关元件，使用了MEMS(MicroElectroMechanicalSystems，微电子机械系统)反射镜及反射型液晶元件、例如LCOS(LiquidCrystalonSilicon，液晶覆硅)元件等。
LCOS元件是具有像素区域的反射型液晶元件，该像素区域在水平方向和垂直方向上配置有多个反射型像素电极。各像素电极上的液晶的折射率通过对每个像素电极控制施加于液晶的电压而变化。信号光的相位速度通过使各像素上的液晶的折射率变化，按照每个像素进行控制。
LCOS元件通过使相位速度按每个像素阶段性地变化，能够使信号光的波面变化(倾斜)。LCOS元件能够根据相位速度的变化比例来控制信号光的波面的倾斜角。即，LCOS元件作为相位调制元件而发挥功能，该相位调制元件针对每个像素使相位速度变化而将信号光向规定的方向反射。
MEMS反射镜需要与信号光波段的数量相对应的反射镜。因此，在改变信号光波段或其数量时，必须与改变内容对应地重新制作MEMS反射镜。
与此相对，LCOS元件可以将像素区域任意分割为多个像素块，对每个像素块进行控制。因此，在改变信号光波段或其数量的情况下，可以与改变内容对应地重构像素块，因此不需要重新制作液晶元件。即，LCOS元件比MEMS反射镜具有更好的可变格栅性。专利文献1中记载了使用LCOS元件的相位调整装置的一个例子。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利文献特开2016-143037号公报。
发明内容
在使用LCOS元件作为WSS装置中的光开关元件的情况下，通常，LCOS元件在光信号处理时长时间维持相同的图像图案，另一方面，长时间处于无信号状态。在无信号状态下持续驱动LCOS元件成为功耗增加的主要原因。
实施方式的目的在于提供一种高精度地检测无信号状态、抑制液晶元件的功耗增加的液晶元件、相位调制装置以及液晶元件的控制方法。
根据实施方式的第一方式，提供一种液晶元件，其特征在于，包括：
第一基板，具有像素区域，在所述像素区域上配置有多个像素电极，且一个像素电极构成一个像素；第二基板，具有与所述多个像素电极对置的对置电极，并且与所述第一基板相距规定间隙而配置；液晶，被填充在所述规定间隙中；以及受光部，被配置在所述第一基板中的所述像素区域的附近，对被照射到所述像素区域的光进行光电转换来生成受光信号，基于灰度控制信号对所述多个像素电极施加不同的驱动电压，由此改变被照射到所述像素区域的光的波面，所述灰度控制信号包含与所述各像素对应的灰度数据。
根据实施方式的第二方式，提供一种相位调制装置，其特征在于，包括：图像数据生成部，基于信息数据生成与相位变化量的分布或相位速度的分布对应的图像数据；控制部，基于所述图像数据来生成灰度控制信号；以及液晶元件，通过所述灰度控制信号来控制所述液晶元件，所述液晶元件具有：第一基板，具有像素区域，在所述像素区域上配置有多个像素电极，且一个像素电极构成一个像素；第二基板，具有与所述多个像素电极对置的对置电极，并且与所述第一基板相距规定间隙而配置；液晶，被填充在所述规定间隙中；以及受光部，被配置在所述第一基板中的所述像素区域的附近，对被照射到所述像素区域的光进行光电转换来生成受光信号，并且，基于所述灰度控制信号对所述多个像素电极施加不同的驱动电压，由此改变被照射到所述像素区域的光的波面，所述灰度控制信号包含与所述各像素对应的灰度数据，所述相位调制装置还具有：受光信号检测部，基于所述受光信号来生成驱动控制信号，所述驱动控制信号用于将所述液晶元件的驱动从通常动作切换为待机状态或者从待机状态切换为通常动作，所述控制部基于所述驱动控制信号来控制所述液晶元件，以将所述液晶元件的驱动从通常动作切换为待机状态或者从待机状态切换到通常动作。
根据实施方式的第三方式，提供一种液晶元件的控制方法，其特征在于，在液晶元件中，对被照射到像素区域的光进行光电转换来生成受光信号，其中在所述像素区域上配置有多个像素电极，一个像素电极构成一个像素，并且基于灰度控制信号对所述多个像素电极施加不同的驱动电压，所述灰度控制信号包含与所述各像素对应的灰度数据，判断所述受光信号的信号电平是否为阈值电压以上，当判断为所述受光信号的信号电平不是阈值电压以上时，判断不是所述阈值电压以上的状态是否经过了规定时间以上，当判断为经过了所述规定时间以上时，将所述液晶元件的驱动从通常动作切换为待机状态。
根据实施方式的液晶元件、相位调制装置以及液晶元件的控制方法，能够高精度地检测无信号状态，且抑制液晶元件的功耗增加。
附图说明
图1是示出一个实施方式的相位调制装置的框图；
图2是示出液晶元件的一例的俯视图；
图3是用图2的A-A剖开的液晶元件的剖面图；
图4是示出基于反射型液晶元件的信号光的相位调制的图；
图5A是示出施加于像素电极的驱动电压的图；
图5B是示出像素电极上的液晶的折射率的图；
图6是示出一个实施方式的相位调制装置的受光信号检测部的图；
图7是示出相位调制装置中的液晶元件的控制方法的一例的流程图。
具体实施方式
使用图1说明一个实施方式的相位调制装置。相位调制装置1具备图像数据生成部2、控制部3、受光信号检测部4以及反射型液晶元件5。在液晶元件5上形成有受光部6。可以将图像数据生成部2、控制部3以及受光信号检测部4构成为集成电路。作为受光信号检测部4也可以使用看门狗电路等电压监视电路。液晶元件5例如是LCOS元件。以下，将液晶元件5设为LCOS元件5。
信息数据JD被输入到图像数据生成部2。信息数据JD包括表示信号光输入端口和输出端口的位置与信号光中的反射光相对于入射光的角度之间的关系的参数、以及与信号光的波段、即实现期望的反射光角度的相位的变化量的分布相关的参数。
相位的变化量是反射光的相位相对于入射光的相位的超前或滞后，与相位速度的分布对应。从规定的输入端口射出的信号光由相位调制装置1进行相位调制，入射到目标输出端口。
图像数据生成部2基于信息数据JD设定相位的变化量的分布。图像数据生成部2根据相位的变化量的分布或相位速度的分布来生成图像数据DD，并输出给控制部3。
控制部3基于图像数据DD生成灰度控制信号GCS，灰度控制信号GCS包括控制LCOS元件5的驱动的定时、以及与图像数据DD的LCOS元件5中的各像素对应的灰度数据。控制部3将灰度控制信号GCS与写入各像素的定时一致地向LCOS元件5输出。控制部3通过灰度控制信号GCS控制LCOS元件5的驱动。
受光部6对照射的光进行光电转换，生成受光信号LRS。受光部6向受光信号检测部4输出受光信号LRS。受光信号检测部4始终监视受光信号LRS。受光信号检测部4检测受光信号LRS的信号电平。
受光信号检测部4基于受光信号LRS的信号电平及其经过时间生成驱动控制信号SCS1或驱动控制信号SCS2，并输出给控制部3，驱动控制信号SCS1用于将LCOS元件5的驱动从通常动作切换为待机状态，驱动控制信号SCS2用于将LCOS元件5的驱动从待机状态切换为通常动作。
控制部3基于驱动控制信号SCS1生成将LCOS元件5的驱动从通常动作切换为待机状态的驱动控制信号SCS3，并向LCOS元件5输出。控制部3通过驱动控制信号SCS3将LCOS元件5从通常动作切换为待机状态。
控制部3基于驱动控制信号SCS2代替驱动控制信号SCS3向LCOS元件5输出灰度控制信号GCS。由此，LCOS元件5从待机状态被切换为通常动作。液晶元件5的具体控制方法将在后面叙述。
利用图2和图3说明LCOS元件5的构成例。如图2或图3所示，LCOS元件5具有驱动基板20(第一基板)、透明基板30(第二基板)、液晶11、密封材料12以及受光部6。
驱动基板20具有像素区域21、取向膜22以及多个连接端子23。在像素区域21中在水平方向和垂直方向上配置有具有光反射性的多个像素电极24。一个像素电极24构成一个像素。取向膜22至少形成在像素区域21上。
也可以使用半导体基板作为驱动基板20。驱动基板20例如是硅基板。另外，在驱动基板20上形成有用于驱动各像素的驱动电路。可以使用铝或铝合金作为像素电极24和连接端子23的材料。
受光部6在LCOS元件5的驱动基板20上形成在像素区域21的周围。具体而言，受光部6形成在比像素区域21靠外侧的区域，且形成在像素区域21的附近的区域。像素区域21附近的区域是指：受光部6能够接受照射到像素区域21的光的区域。受光部6接收照射到像素区域21的光(例如信号光)并进行光电转换，生成受光信号LRS。
受光部6例如是光电二极管。图2示出4个受光部6形成在比像素区域21的各角部更靠外侧的区域的情况下的结构。另外，受光部6的形状和个数不限于图2所示的结构，可以设定为任意的形状及个数。另外，受光部6的位置并不限于图2所示的位置，只要是比像素区域21靠外侧的区域，就能够形成在角部以外的任意位置。
WSS装置等光开关装置中使用的光的波段一般为1200nm～1700nm范围的红外波段。例如，被称为C波段及L波段的波段是1530nm～1625nm范围的红外波段。作为用作在上述红外波段具有受光灵敏度的受光部6的光电二极管的材料，也可以使用InGaAs(铟镓砷)等化合物半导体。
通过半导体工艺在作为例如硅基板的驱动基板20上形成诸如氧化硅膜或锗层等的缓冲层。接下来，在缓冲层上具有pn结或np结地成膜在红外波段具有受光灵敏度的InGaAs等化合物半导体。进而，利用光刻法将成膜后的化合物半导体膜图案化。通过上述半导体工艺，能够在驱动基板20上形成受光部6。
透明基板30具有对置电极31和取向膜32。取向膜32形成在对置电极31上。驱动基板20和透明基板30通过密封材料12以多个像素电极24和对置电极31对置的方式且以具有规定的间隙的方式被固定。
透明基板30、对置电极31及取向膜32具有透光性。作为透明基板30也可以使用无碱玻璃基板或石英玻璃基板。作为对置电极31的材料，也可以使用ITO(IndiumTinOxide，氧化铟锡)。另外，也可以在ITO膜的上侧和下侧形成具有透光性的电介质膜。
密封材料12以沿着像素区域21的外周部包围像素区域21和受光部6的方式形成为环状。作为密封材料12可以使用紫外线固化树脂、热固性树脂、或者通过并用紫外线和热来固化的树脂。
液晶11填充在驱动基板20和透明基板30之间的规定间隙中，并被密封材料12密封。也可以在透明基板30的与形成有对置电极31的面相反侧的面上形成反射防止膜33。作为反射防止膜33也可以使用电介质多层膜。
多个连接端子23形成在驱动基板20的外周部。从控制部3向多个连接端子23中的规定的连接端子23输入驱动控制信号SCS3以及灰度控制信号GCS。由受光部6生成的受光信号LRS从多个连接端子23中的规定的连接端子23向受光信号检测部4输出。另外，多个连接端子23中的规定的连接端子23与外部的电源等连接。
使用图4、图5A以及图5B说明通过LCOS元件5所进行的信号光的相位调制。图4所示的符号25表示由多个像素电极24构成的像素块。通常，像素块具有在水平方向和垂直方向上分别配置3个以上的像素电极24的结构。
为了便于理解说明，对由3个像素电极24构成像素块25的情况进行说明。为了区别各像素电极24，从左起设为像素电极24a、像素电极24b及像素电极24c。
基于由图1所示的图像数据生成部2生成的与相位的变化量的分布(相位速度的分布)对应的图像数据DD，如图5A所示对像素电极24a、24b以及24c施加不同的驱动电压DVa、DVb和DVc。
实际上，施加于液晶11的驱动电压DVa、DVb以及DVc是施加于像素电极24a、24b以及24c与对置电极31之间的电压。液晶11由于构成的分子的折射率和介电常数具有各向异性，所以因施加的驱动电压而分子的倾斜发生变化，从而折射率发生变化。
由此，如图5B所示，像素电极24a上的液晶11具有第一折射率na，并且在像素电极24b上的液晶11具有第二折射率nb，在像素电极24c上的液晶11具有第三折射率nc(na＞nb＞nc)。折射率na至nc是像素电极24a至24c上的液晶11的平均折射率。
如图4所示，从输入端口输出的信号光SL以p偏振光或s偏振光的直线偏振光的状态入射到像素区域21的像素块25。图3所示的取向膜22及32被形成为信号光SL的偏转方向与液晶11的取向方向相同。取向方向是指例如取向膜22附近的液晶11倾斜的方向。另外，也可以将取向膜32附近的液晶11所倾斜的方向作为取向方向。
通过使信号光SL的偏转方向与液晶11的取向方向相同，直线偏振光被调制为椭圆偏振光，能够抑制因p偏振光具有s偏振光分量、或者s偏振光具有p偏振光分量而产生的信号光SL的衰减，有效地反射信号光SL。
图4所示的pa、pb及pc示意性地示出因像素电极24a、24b及24c上的液晶11的折射率的差异而产生的相位速度的差异。图4所示的WF示意性地示出信号光SL的波面。波面WF是指信号光SL的相位一致的面。信号光SL从像素电极24a朝向像素电极24c相位变化量或相位速度阶段性地变大。由此，能够使信号光SL的波面WF变化(倾斜)。
通过驱动电压DVa、DVb及DVc，增大像素电极24a、24b及24c上的液晶11的折射率之差，增大相位变化之差，由此能够增大波面WF的倾斜角θ。另外，通过减小像素电极24a、24b以及24c上的液晶11的折射率之差，减小相位变化之差，由此能够减小波面WF的倾斜角θ。倾斜角θ相当于信号光SL的波面WF与像素电极24a、24b及24c的垂线所成的角度。另外，也可以通过改变像素电极24的数量来改变波面WF的倾斜角θ。
因此，图1所示的信息数据JD包括：表示信号光SL的输入端口和输出端口的位置与像素电极24上的信号光SL的入射和反射所成的角度之间的关系的参数、以及与信号光SL的波段、即实现期望的反射光角度的相位的变化量的分布相关的参数。
信号光SL基于由图像数据生成部2生成的图像数据DD将波面WF设为规定的倾斜角θ，并被像素电极24a、24b以及24c反射。因此，LCOS元件5基于图像数据DD使信号光SL的相位速度按每个像素阶段性地变化，由此能够使信号光SL向规定的方向反射。
LCOS元件5能够根据相位速度的变化比例来控制信号光SL的波面WF的倾斜角θ。即，LCOS元件5作为相位调制元件而发挥功能，该相位调制元件按照每个像素使相位速度变化而将信号光SL向规定的方向反射。LCOS元件5控制信号光SL的波面WF的倾斜角θ，由此信号光SL入射到目标输出端口。
使用图6说明受光信号检测部4的构成例。如图6所示，受光信号检测部4具有电阻42和检测电路43。图6所示的光电二极管表示受光部6。受光信号检测部4的检测电路43检测由受光部6生成的受光信号LRS。另外，电阻42可以形成在LCOS元件5的驱动基板20上。电源41向受光部6施加偏置电压。具体而言，电源41与图2或图3所示的多个连接端子23中的规定的连接端子23连接。电源41经由规定的连接端子23向受光部6提供偏置电压。
使用图7所示的流程图说明LCOS元件5(液晶元件)的控制方法。图7的流程图所示的通常动作是指：基于图像数据DD按照每个像素块25重复折射率分布的图像图案显示在LCOS元件5的像素区域21中并且信号光SL照射到像素区域21的像素块25的状态下的LCOS元件5的动作。
在通常动作中，受光信号检测部4在图7所示的流程图的步骤S1中，通过检测电路43检测由受光部6生成的受光信号LRS。进而，受光信号检测部4通过检测电路43判断受光信号LRS的信号电平是否在预先设定的阈值电压Vtr以上。在判断为阈值电压Vtr以上(“是”)情况下，相位调制装置1使处理返回到步骤S1。
在判定为不是阈值电压Vtr以上(“否”)的情况下，受光信号检测部4通过检测电路43判断为无信号状态，在步骤S2中，由检测电路43对不是阈值电压Vtr以上的状态(无信号状态)是否经过了规定时间以上进行判断。在判定为未经过规定时间以上(“否”)的情况下，相位调制装置1使处理返回到步骤S1。
在判定为经过了规定时间以上(“是”)的情况下，受光信号检测部4在步骤S3中生成驱动控制信号SCS1，并输出给控制部3，驱动控制信号SCS1用于将LCOS元件5的驱动从通常动作切换为待机状态。
控制部3在步骤S4中基于驱动控制信号SCS1来生成驱动控制信号SCS3，并输出给LCOS元件5，驱动控制信号SCS3用于将LCOS元件5的驱动从通常动作切换为待机状态。控制部3通过驱动控制信号SCS3将LCOS元件5从通常动作切换为待机状态。
控制部3根据驱动控制信号SCS3例如使LCOS元件5的驱动停止，成为待机状态。或者，控制部3根据驱动控制信号SCS3例如在像素区域21中显示整个画面为同一灰度的图像图案，并使其成为待机状态。
为了使LCOS元件5的功耗最小，通常在像素区域21中显示整个画面为0灰度的同一灰度的图像图案。但是，根据LCOS元件5的驱动方式或电路结构等，有时优选的是在像素区域21中显示整个画面为中间灰度的同一灰度的图像图案。因此，也可以基于实验结果设定LCOS元件5的功耗最小的灰度。通过使像素区域21显示整个画面成为被设定的灰度的同一灰度的图像图案来使LCOS元件5成为待机状态，由此能够将待机状态下的LCOS元件5的功耗抑制为最小。
控制部3也可以根据驱动控制信号SCS3在像素区域21中显示例如整个画面成为设定的灰度的同一灰度的图像图案，并且在经过规定的时间后使LCOS元件5的驱动停止，成为待机状态。
即使在待机状态下，也对受光部6施加偏置电压。因此，即使在待机状态下，受光信号检测部4也能够通过检测电路43检测由受光部6生成的受光信号LRS。
在待机状态下，受光信号检测部4在步骤S5中通过检测电路43检测由受光部6生成的受光信号LRS。并且，受光信号检测部4对受光信号LRS的信号电平是否为预先设定的阈值电压Vtr以上进行判断。在判断为不是阈值电压Vtr以上(“否”)的情况下，受光信号检测部4判断为无信号状态。相位调制装置1使处理返回到步骤S5。
在判断为是阈值电压Vtr以上(“是”)的情况下，受光信号检测部4判断为不是无信号状态、即是信号光SL入射到像素区域21的像素块25的状态。并且，受光信号检测部4在步骤S6中生成用于将LCOS元件5的驱动从待机状态切换为通常动作的驱动控制信号SCS2，并向控制部3输出。
控制部3在步骤S7中基于驱动控制信号SCS2代替驱动控制信号SCS3向LCOS元件5输出灰度控制信号GCS。由此，LCOS元件5从待机状态切换为通常动作。相位调制装置1使处理返回到步骤S1。
在本实施方式的液晶元件、相位调制装置以及液晶元件的控制方法中，在液晶元件(LCOS元件)5上形成有受光部6。由于受光部6形成在液晶元件5的像素区域21附近的区域，因此能够接受照射到像素区域21的光(例如信号光SL)。
受光部6对照射的光进行光电转换来生成受光信号LRS，并向受光信号检测部4输出。受光信号检测部4基于受光信号LRS信号电平及其经过时间生成驱动控制信号SCS1或驱动控制信号SCS2，并输出给控制部3，该驱动控制信号SCS1用于将LCOS元件5的驱动从通常动作切换为待机状态，驱动控制信号SCS2用于将LCOS元件5的驱动从待机状态切换为通常动作。
控制部3基于驱动控制信号SCS1来生成将LCOS元件5的驱动从通常动作切换为待机状态的驱动控制信号SCS3，并输出给LCOS元件5。控制部3通过驱动控制信号SCS3将LCOS元件5从通常动作切换为待机状态。
控制部3基于驱动控制信号SCS2代替驱动控制信号SCS3将灰度控制信号GCS输出给LCOS元件5。由此，LCOS元件5从待机状态切换为通常动作。
因此，根据本实施方式的液晶元件、相位调制装置以及液晶元件的控制方法，能够高精度地检测是无信号状态，抑制液晶元件的功耗增加。
本发明并不限于上述的本实施方式，在不脱离本发明的主旨的范围内可以进行各种变更。
本申请的公开内容涉及在2018年3月12日提交的日本专利申请2018-043899中描述的内容，并将其所有公开内容以引用方式并入本文。
