JP2980996B2 - 光スイッチ - Google Patents

光スイッチ

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JP2980996B2
JP2980996B2 JP3041579A JP4157991A JP2980996B2 JP 2980996 B2 JP2980996 B2 JP 2980996B2 JP 3041579 A JP3041579 A JP 3041579A JP 4157991 A JP4157991 A JP 4157991A JP 2980996 B2 JP2980996 B2 JP 2980996B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、光通信等の切換えスイ
ッチ機構として用いられる光スイッチに関する。
【0002】
【従来の技術】従来における光スイッチとしては、図8
に示すようものがある。光ビーム1は左側からプリズム
2内に入射し、垂直偏光及び水平偏光の2つの直交した
偏光成分に分割される。その垂直偏光の光aはプリズム
面2aをそのまま透過していき、水平偏光の光bはその
プリズム面2aにより反射された後さらにプリズム面2
bにより反射されて進んでいく。次に、それら垂直偏光
の光a、水平偏光の光bは、液晶セル3を透過する。こ
の時、図8(a)に示すように、液晶セル3が図示しな
い電源によりオン状態にあれば、両偏光成分はセル内を
透過してもその方向を変えずに進んでいきプリズム4内
に導かれ、それぞれのプリズム面4a,4bにより反射
されて再結合し、これにより出力口A方向に送出され
る。一方、図8(b)に示すように、液晶セル3が図示
しない電源によりオフ状態にあれば、両偏光成分はその
液晶セル3を透過する時に90°だけ回転される。その
90°回転された光aはプリズム4のプリズム面4a,
4bにより反射され、また、その90°回転された光b
はプリズム面4bをそのまま透過し、これにより両偏光
成分は再結合され、出力口B方向に送出される。従っ
て、このように液晶セル3をオン,オフさせ偏光方向を
変えることにより、出力口A,Bのどちらにおいてもそ
の光学的な出力パワーを零近傍から100%近傍まで変
化させることができる。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】上述したように光路を
変換し出力パワーを変化させるためには、光路中にプリ
ズム2,4を配設することにより実現できる。しかし、
このようなプリズム、すなわち、偏光ビームスプリッタ
(PBS)は非常に高価なものであり量産性に向かず、
しかもこれを一光学系内に複数個用いることはコストア
ップにつながるという問題がある。
【0004】
【課題を解決するための手段】請求項1記載の発明で
は、透明部材の両面にグレーティングの形成された第1
偏光素子を設け、この第1偏光素子を通過した光の偏光
方向を回転させる機能を有する偏光回転素子を設け、透
明部材の一面に等ピッチグレーティングが形成され他面
に2つに面分割された等ピッチグレーティングが形成さ
れた第2偏光素子を設けた。
【0005】請求項2記載の発明では、透明部材の両面
にグレーティングの形成された第1偏光素子を設け、こ
の第1偏光素子を通過した光の偏光方向を回転させる機
能を有する偏光回転素子を設け、透明部材の一面に等ピ
ッチグレーティングが形成され他面に変調ピッチグレー
ティングが形成された第2偏光素子を設けた。
【0006】
【作用】請求項1記載の発明においては、第1及び第2
偏光素子はグレーティングにより形成されているため量
産性に向いており、これにより従来のようなプリズムを
使用する必要がなくなるため安価な装置を提供すること
が可能となる。
【0007】請求項2記載の発明においては、第2偏光
素子の変調ピッチグレーティングは面分割されたグレー
ティングよりも作成し易いため、より一段と量産性に向
いている。
【0008】
【実施例】本発明の第一の実施例を図1に基づいて説明
する。まず、光スイッチの全体構成について述べる。
S,Pの偏光波を含む光路上には、第1偏光素子として
のデュアル型グレーティング5と、偏光回転素子6と、
第2偏光素子としてのデュアル型グレーティング7と、
出力レンズ8と、2個の受光素子9a,9bとが配設さ
れている。この場合、前記デュアル型グレーティング5
は、図示しない透明部材の両面に等ピッチをしたグレー
ティングとしてのグレーティング5a,5bが形成され
ている。前記偏光回転素子6は、光の偏光方向を回転さ
せる機能を有している。前記デュアル型グレーティング
7は、透明部材の一面に等ピッチグレーティング7aが
形成され、他面に面分割(分割線D)された2つの等ピ
ッチグレーティング7b,7cが形成されている。
【0009】このような構成において、S偏光波とP偏
光波とを含む光はデュアル型グレーティング5のグレー
ティング5a(ピッチd1 )に入射することにより、S
偏光波は回折され、P偏光波はそのまま透過してこれに
より偏光分離される。その回折されたS偏光波はグレー
ティング5b(ピッチd2 )によりさらに回折されて進
んでいき、その透過したP偏光波はグレーティング5b
(ピッチd2 )によりそのまま透過して進んでいく。次
に、それら2つのS,P偏光波は、一面に電極6aを有
する偏光回転素子6に入力されることにより、電気信号
による光スイッチング動作に対応してその偏光方向が9
0°回転されるか又はそのまま透過する。今、その偏光
回転素子6のスイッチはオフ(電圧無印加)の状態にあ
るものとすると、S偏光波はP偏光波に、P偏光波はS
偏光波にそれぞれ偏光される。次に、その偏光回転素子
6を通過することにより偏光方向の変えられた光は、デ
ュアル型グレーティング7の等ピッチグレーティング7
aに入力する。これにより、P偏光波はその等ピッチグ
レーティング7aをそのまま透過した後さらに2つに面
分割された一方の等ピッチグレーティング7bを透過し
て進んでいき、また、S偏光波は等ピッチグレーティン
グ7aにより回折された後さらに等ピッチグレーティン
グ7cにより回折されて進んでいく。この場合、等ピッ
チグレーティング7bを通過したP偏光波とS偏光波と
が互いに並行な状態となるように、等ピッチグレーティ
ング7aのピッチd3 と等ピッチグレーティング7cの
ピッチd5 とを設定する。その後、このようにして互い
に平行化されたS,P偏光波は、出力レンズ8により集
光されて一方の受光素子9a側に検出される。
【0010】また、偏光回転素子6をスイッチングして
オン(電圧印加)の状態にすると、偏光回転素子6に
S,P偏光波としてそれぞれ入力された光は偏光状態を
変えずにそのまま進んでいく。これにより、S偏光波は
デュアル型グレーティング7の等ピッチグレーティング
7a,7bにより共に回折され破線で示すように進行し
ていき、また、P偏光波はデュアル型グレーティング7
の等ピッチグレーティング7a,7cを共に透過して破
線で示すように進行していく。なお、この場合にも、
S,P偏光波が共に平行状態となるようにピッチd3
4を設定する。そして、このようにしてS,P偏光波
は破線で示すように進んでいき、出力レンズ8により集
光され受光素子9bに検出されることになる。
【0011】上述したように、偏光素子にはグレーティ
ング5a,5b,7a,7b,7cの形成されたデュア
ル型グレーティング5,7を使用しているため量産性に
向いており、これにより従来のようなプリズムを使用す
る必要がなくなるため安価な装置を得ることができる。
【0012】次に、本発明の第二の実施例を図2に基づ
いて説明する。なお、第一の実施例(図1参照)と同一
部分についての説明は省略し、その同一部分については
同一符号を用いる。ここでは、デュアル型グレーティン
グ7の裏面側に、前述した第一の実施例で用いたような
面分割された2つの等ピッチグレーティング7b,7c
を用いる代わりに、変調ピッチグレーティング7dを一
部に新たに形成したものである。このような変調ピッチ
グレーティング7dは、前述したような面分割された2
つの等ピッチグレーティング7b,7cよりも作成し易
いため、一段と量産性に向いており、コストダウンをさ
らに図ることが可能となる。
【0013】次に、これまでの各実施例で述べてきたよ
うなデュアル型グレーティング及び偏光回転素子の基本
的な動作説明を行う。まず、デュアル型グレーティング
の基本的な動作原理の説明を行う。図3に示すようなデ
ュアル型グレーティング10の両面にはグレーティング
10a,10bが形成されている。今、ピッチPは波長
λに比べて十分小さく、以下の式に示すような範囲にあ
る。
【0014】 0.6λ<P<0.9λ …(1) このような場合、グレーティング10a,10bによる
回折特性は偏光分離特性を示す。入力光Aは、まず、表
面のグレーティング10aにて回折するS偏光波とその
まま透過するP偏光波とに分離される。そして、裏面の
グレーティング10bにて同様に、S偏光波は回折さ
れ、P偏光波はそのまま透過する。回折条件式は、以下
の式で示される。
【0015】
【数1】
【0016】なお、θiは入力角、θ0 は2回目の回折
角、P1 は表面のグレーティング10aのピッチ、P2
は裏面のグレーティング10bのピッチである。また、
回折光と透過光とのなす分離角Δθはθ0−θi で求め
られ、以下に示すような式となる。
【0017】
【数2】
【0018】このΔθはピッチの設定で任意に得られ
る。このような表裏両面ともに等ピッチの場合を等ピッ
チグレーティング、少なくとも一面が変調ピッチのもの
を変調ピッチグレーティングと呼ぶ。また、一面内を分
割してグレーティングを施したものを面分割グレーティ
ングと呼ぶ。
【0019】次に、偏光回転素子の基本的な動作原理の
説明を行う。この偏光回転素子を外部から電気的に制御
するためには、エレクトロオプティカル(電気により光
学特性を変化させる;EO)な素子が有用であり、一般
的には、液晶偏光スイッチや、電気光学材料を用いた偏
光スイッチなどがある。そこで、まず、液晶偏光スイッ
チについて説明する。これに用いられる液晶にはネマテ
ィック液晶や強誘電体液晶がある。図4は、それらの液
晶を用いた偏光スイッチ11の一例を示すものであり、
電圧無印加時はS偏光波→P偏光波、P偏光波→S偏光
波へ偏光回転が行われ、一方、適当な電圧(例えば、半
波長電圧:Vπ)印加時には偏光はそのままの状態に保
持されるる。電圧の印加方法は、ネマティック液晶、強
誘電液晶の場合で異なる。ネマティック液晶では偏光回
転に比例する電圧を印加するが、強誘電液晶では閾値を
超える電圧を一度印加しておけば、偏光回転させるか否
かの状態を保持させることができる。この様子を図5に
示す。この場合、オン(ON)、オフ(OFF)は回転
するか否かを示すものである。なお、オン、オフが電圧
に対して入れ替わったとしても一般的な特性は失われな
い。
【0020】次に、電気光学材料を用いた偏光スイッチ
について説明する。1次の電気光学効果を示す材料に
は、LiNbO3 、LiTaO3等の3m結晶、KD
P、ADPなどの42m結晶がある。また、2次の電気
光学効果を示す材料には、PLZTなどのセラミックス
がある。これらの材料の中では、電気光学効果の大きさ
の点からPLZTが重要である。そのPLZTを用いる
場合の電極構成例を図6に示す。この場合、基板12上
にくし歯電極13を互いに向い合わせて形成し、印加さ
れる電界の向きに対して,P偏光波を45°に傾けて入
射させる。これにより、Vπの電圧印加時にはS偏光波
→P偏光波、P偏光波→S偏光波への偏光回転が達成さ
れることになる。また、図7に示すように、偏光前後の
光路上にレンズ14,15を使用すれば、基板12上に
形成するくし歯電極16は一対のみでよい。
【0021】
【発明の効果】請求項1記載の発明は、透明部材の両面
にグレーティングの形成された第1偏光素子を設け、こ
の第1偏光素子を通過した光の偏光方向を回転させる機
能を有する偏光回転素子を設け、透明部材の一面に等ピ
ッチグレーティングが形成され他面に2つに面分割され
た等ピッチグレーティングが形成された第2偏光素子を
設けたので、このように第1及び第2偏光素子はグレー
ティングにより形成されているため量産性に向いてお
り、従来のようなプリズムを使用する必要がなくなるた
め、安価な装置を提供することができるものである。
【0022】請求項2記載の発明は、透明部材の両面に
グレーティングの形成された第1偏光素子を設け、この
第1偏光素子を通過した光の偏光方向を回転させる機能
を有する偏光回転素子を設け、透明部材の一面に等ピッ
チグレーティングが形成され他面に変調ピッチグレーテ
ィングが形成された第2偏光素子を設けたので、第2偏
光素子の変調ピッチグレーティングは面分割されたグレ
ーティングよりも作成し易いため、より一段と量産性に
向いたものとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第一の実施例を示す光スイッチの構成
図である。
【図2】本発明の第二の実施例である変調ピッチグレー
ティングが形成された様子を示す側面図である。
【図3】デュアルグレーティングの基本的な動作説明を
示す側面図である。
【図4】偏光スイッチに液晶を用いた場合の基本的な動
作説明を示す斜視図である。
【図5】強誘電体液晶を用いた場合における電圧印加方
法を示す波形図である。
【図6】電気光学材料としてPLZTを用いくし歯電極
からなる偏光スイッチを構成した例を示す斜視図であ
る。
【図7】1対の電極からなる偏光スイッチとレンズとを
組み合わせた場合の様子を示す斜視図である。
【図8】従来例を示すものであり、(a)は液晶セルが
オン状態にある時の出力口A側から光が出射する様子を
示す光路図、(b)は液晶セルがオフ状態にある時の出
力口B側から光が出射する様子を示す光路図である。
【符号の説明】
5 第1偏光素子 5a,5b グレーティング 6 偏光回転素子 7 第2偏光素子 7a,7b,7c 等ピッチグレーティング 7d 変調ピッチグレーティング

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 透明部材の両面にグレーティングの形成
    された第1偏光素子と、この第1偏光素子を通過した光
    の偏光方向を回転させる機能を有する偏光回転素子と、
    透明部材の一面に等ピッチグレーティングが形成され他
    面に2つに面分割された等ピッチグレーティングが形成
    された第2偏光素子とからなることを特徴とする光スイ
    ッチ。
  2. 【請求項2】 透明部材の両面にグレーティングの形成
    された第1偏光素子と、この第1偏光素子を通過した光
    の偏光方向を回転させる機能を有する偏光回転素子と、
    透明部材の一面に等ピッチグレーティングが形成され他
    面に変調ピッチグレーティングが形成された第2偏光素
    子とからなることを特徴とする光スイッチ。
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