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公開番号2023071139
公報種別公開特許公報(A)
公開日2023-05-22
出願番号2022062220
出願日2022-04-04
発明の名称テラヘルツ電磁波に用いる液晶デバイスおよびシステム
出願人国立清華大学,National Tsing Hua University
代理人弁理士法人ユニアス国際特許事務所
主分類G02F 1/01 20060101AFI20230515BHJP(光学)
要約【課題】テラヘルツ電磁波に用いる液晶デバイスおよびシステムを提供する。
【解決手段】液晶デバイスは、単一の、または複数の画素素子を含む。各画素素子は、第1基板、第1基板に対して平行な第2基板、第1基板と第2基板の間に配置された液晶層、第1基板と液晶層の間に形成された複数の第1電極、および第2基板と液晶層の間に形成された複数の第2電極を含む。複数の第1電極および複数の第2電極は、3つの直交方向において電場を生成するよう構成され、3つの直交方向のうちの2つにおける電場は、面内電場であるが、3つの直交方向のうちのもう1つの電場は、面外電場である。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
単一の、または複数の画素素子を含み、各前記画素素子が、
第１基板と、
前記第１基板に対向し、且つ前記第１基板に対して平行な第２基板と、
前記第１基板と前記第２基板の間に配置された液晶層と、
前記第１基板と前記液晶層の間に形成され、グレーティング型および／または指型電極である複数の第１電極と、
前記第２基板と前記液晶層の間に形成され、グレーティング型および／または指型電極である複数の第２電極と、
を含み、
前記複数の第１電極および前記複数の第２電極の同じグレーティング型および／または指型電極が、セルギャップを有して形成され、且つ互いに対向しており、
前記複数の第１電極および前記複数の第２電極が、３つの直交方向において電場を生成するよう構成され、前記３つの直交方向のうちの２つにおける前記電場が、面内電場であり、且つ前記第１基板、前記第２基板、および前記液晶層に対して実質的に平行であるが、前記３つの直交方向のうちのもう１つの前記電場が、面外電場であり、且つ前記第１基板および前記第２基板に対して実質的に垂直である液晶デバイス。
続きを表示（約 1,200 文字）【請求項２】
前記液晶層における液晶分子の初期アライメントが、前記複数の第１電極および前記複数の第２電極の前記グレーティング型および／または指型電極のうちの１つの延伸方向からほぼ垂直である請求項１に記載の液晶デバイス。
【請求項３】
前記液晶層における前記液晶分子の前記初期アライメントが、前記複数の第１電極および前記複数の第２電極の前記グレーティング型および／または指型電極のうちの１つの延伸方向から４０～５０度である請求項２に記載の液晶デバイス。
【請求項４】
前記液晶層における液晶分子の初期アライメントが、前記複数の第１電極および前記複数の第２電極の前記グレーティング型および／または指型電極のうちの１つの延伸方向から８５～９５度である請求項１に記載の液晶デバイス。
【請求項５】
前記液晶デバイスが、さらに、
前記複数の第１電極と前記液晶層の間に配置された第１アライメント層と、
前記複数の第２電極と前記液晶層の間に配置された第２アライメント層と、
を含み、
前記第１アライメント層および前記第２アライメント層が、前記液晶層における液晶分子を初期アライメントに並べるよう構成された請求項１に記載の液晶デバイス。
【請求項６】
第１面内電場を生成する前記複数の第１電極のうちの１対の第１電極間の距離と第２面内電場を生成する前記複数の第１電極のうちの１対の第２電極間の距離の比率が、実質的に、１に等しい請求項１に記載の液晶デバイス。
【請求項７】
前記第１面内電場を生成する前記複数の第１電極のうちの前記１対の第１電極間の距離と前記第２面内電場を生成する前記複数の第１電極のうちの前記１対の第２電極間の距離の比率が、０．９～１．１の間である請求項６に記載の液晶デバイス。
【請求項８】
前記液晶層の液晶の初期アライメントに対して垂直な方向に沿って第１面内電場を生成する前記複数の第１電極のうちの１対の第１電極間の距離が、前記液晶層の前記液晶の前記初期アライメントに対して平行な方向に沿って第２面内電場を生成する前記複数の第１電極のうちの１対の第２電極間の距離よりも短い請求項１に記載の液晶デバイス。
【請求項９】
第１面内電場を生成する前記複数の第１電極の電極、前記第１面内電場に対して垂直な第２面内電場を生成する前記複数の第１電極の電極、および面外電場を生成する前記複数の第１電極の電極が、前記第１基板に対して同一平面上に形成される請求項１に記載の液晶デバイス。
【請求項１０】
第１面内電場を生成する前記複数の第１電極の電極、前記第１面内電場に対して垂直な第２面内電場を生成する前記複数の第１電極の電極、および面外電場を生成する前記複数の第１電極の電極が、前記第１基板に対して平行な異なる平面上に形成される請求項１に記載の液晶デバイス。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、液晶デバイスに関するものであり、特に、テラヘルツ（terahertz, THz）（１ＴＨｚ＝１０
12
Ｈｚ）電磁波またはサブミリ（sub-mm）電磁波における様々な用途に用いる位相シフトまたは時間遅延を継続的に調整を可能にするデバイス、すなわち、位相シフター（phase shifter）を提供するための液晶装置に関するものである。
続きを表示（約 3,000 文字）【背景技術】
【０００２】
テラヘルツ波技術は、タイムドメイン分光法（time-domain spectroscopy）、テラヘルツイメージング（THz imaging）、医療応用を含む分野において急速に発展している。さらに、テラヘルツ通信および位相配列レーダー（phased array radar）も実現可能である。上述した応用は、信号処理を行うために、いずれも偏光子、フィルタ、位相シフター、および変調器等のテラヘルツ準光学素子（THz quasi-optical device）を必要とする。
【０００３】
液晶（liquid crystal, LC）デバイスは、テラヘルツ周波数において幅広く使用されている。テラヘルツ周波数で操作するために、液晶デバイスは、必要なリタデーション（複屈折位相差）を満たすために厚いセルギャップ使用する。しかしながら、厚いセルギャップでは、液晶の応答速度が極めて遅い。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
原則として、テラヘルツ周波数において十分な時間遅延および位相変調を得るためには、数百μｍの範囲の大きなセルギャップを必要とする。そのため、この光周波数範囲では、薄い液晶デバイスとは対照的に、この種の異常に厚い液晶デバイスにとって、応答速度が極度に遅くなることは避けられないという問題がある。外場下での一種のスイッチングは、数秒または数分の一秒のタイムスケールで比較的速いが、無電場下では、数十秒または数百秒、あるいはそれ以上を必要とするため、液晶を用いたテラヘルツデバイスにとって深刻な欠点である。一方、液晶技術が発展し続けるにつれ、液晶を双方向的にスイッチングさせるための新しい電極設計が提案され、テラヘルツ周波数において、液晶はスイッチングオンとオフ両方向で電場を利用した能動的駆動が可能であるが、制御可能な位相シフトの範囲は狭く制限がある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
例示的実施形態に係る液晶デバイスは、単一の、または複数の画素素子を含むことができるが、本発明はこれに限定されない。各画素素子は、第１基板、および第１基板に対向し、且つ第１基板に対して平行な第２基板、第１基板と第２基板の間に配置された液晶層、第１基板と液晶層の間に形成され、グレーティング型（grating-type）および／または指型（finger-type）電極である複数の第１電極、および第２基板と液晶層の間に形成され、グレーティング型および／または指型電極である複数の第２電極を含むことができ、複数の第１電極および複数の第２電極の同じグレーティング型および／または指型電極は、セルギャップを有して形成され、且つ互いに対向しており、複数の第１電極および複数の第２電極は、３つの直交方向において電場を生成するよう構成され、３つの直交方向のうちの２つにおける電場は、面内（in-plane）電場であり、且つ第１基板、第２基板、および液晶層に対して実質的に平行であるが、３つの直交方向のうちのもう１つの電場は、面外（out-of-plane）電場であり、且つ第１基板および第２基板に対して実質的に垂直である。
【発明の効果】
【０００６】
本発明は、液晶デバイス、特に、一種の液晶スイッチングを有するテラヘルツ電磁波用液晶位相シフターを提供し、液晶の初期配向状態、横電界による面内再配向状態、および縦電界による面外再配向状態の各状態間でのスイッチング、つまり3状態間の六方向での（hexa-directional）スイッチングを行うことにより、位相シフトの範囲を広げ、同時に、速い応答時間を維持することができる。
【０００７】
本発明の上記および他の目的、特徴、および利点をより分かり易くするため、図面と併せた幾つかの実施形態を以下に説明する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
添付図面は、本発明の原理がさらに理解されるために含まれており、本明細書に組み込まれ、且つその一部を構成するものである。図面は、本発明の実施形態を例示しており、説明とともに、本発明の原理を説明する役割を果たしている。
【０００９】
図１は、液晶画素素子の概略的断面図である。
図２Ａは、液晶画素素子の概略的立体図である。
図２Ｂは、図２Ａの液晶画素素子の概略的平面図である。
図２Ｃは、図２Ａの液晶画素素子の概略的平面図である。
図２Ｄは、図２Ａの液晶画素素子の概略的断面図である。
図３Ａは、液晶画素素子の概略的立体図である。
図３Ｂは、図３Ａの液晶画素素子の概略的平面図である。
図３Ｃは、図３Ａの液晶画素素子の概略的断面図である。
図４Ａは、液晶画素素子の概略的立体図である。
図４Ｂは、図４Ａの液晶画素素子の概略的平面図である。
図４Ｃは、図４Ａの液晶画素素子の概略的断面図である。
図５Ａは、液晶画素素子の概略的立体図である。
図５Ｂは、図５Ａの液晶画素素子の概略的平面図である。
図５Ｃは、図５Ａの液晶画素素子の概略的断面図である。
図６は、図３Ａ、図４Ａ、および図５Ａの液晶画素素子の概略的平面図および断面図である。
図７Ａは、一部の液晶画素素子の概略的平面図である。
図７Ｂは、図７Ａの一部の液晶画素素子の概略的断面図である。
図８Ａは、一部の液晶画素素子の概略的平面図である。
図８Ｂは、図８Ａの一部の液晶画素素子の概略的断面図である。
図９Ａは、一部の液晶画素素子の概略的平面図である。
図９Ｂは、図９Ａの一部の液晶画素素子の概略的断面図である。
図１０Ａは、一部の液晶画素素子の概略的平面図である。
図１０Ｂは、図１０Ａの一部の液晶画素素子の概略的断面図である。
図１１Ａは、一部の液晶画素素子の概略的平面図である。
図１１Ｂは、図１１Ａの一部の液晶画素素子の概略的断面図である。
図１２は、一部の液晶デバイスの概略的平面図である。
図１３は、一部の液晶デバイスの概略的平面図である。
図１４は、一部の液晶デバイスの概略的平面図および断面図である。
図１５は、一部の液晶デバイスの断面図である。
図１６は、一部の液晶デバイスの概略的平面図および断面図である。
図１７は、一部の液晶デバイスの概略的平面図および断面図である。
図１８は、一部の液晶デバイスの概略的平面図および断面図である。
図１９は、テラヘルツ電磁波のフォトニックデバイスのブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下の詳細な説明において、説明の目的で、開示される実施形態が十分に理解されるよう、多数の具体的詳細を示す。しかしながら、これら具体的詳細がなくとも、１つまたはそれ以上の実施形態が実施され得ることは明らかである。別の場合では、図面を簡潔にするため、周知の構造および装置は、概略的に示される。
（【００１１】以降は省略されています）

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