JPS6141120A - 光スイツチ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 この発明は、能動媒体として液晶セルを用い、この液晶
セルに外部よシミ圧を印加することによ）、１本又は２
本の光ファイバを伝送する光を他の２本の光ファイバの
いずれかに切シ替えることができる光スイッチに関する
ものである。

〔従来技術〕

従来この種の光スイッチとしては、第１図（５）及び（
ロ）に示すものがあった。第１図（ト）及びＣＢ）は、
それぞれ従来の光スイッチにおける２つの切シ替え状態
を示す構成図である。各図において、１は液晶セル、２
及び３は偏光ビームスプリッタと直角プリズムとを組み
合わせた第１及び第２の偏光プリズム、４，５及び６，
７Ｆｉ人、出力用の館１及び第２の集束性ロッドレンズ
、８，９，１０．１１杜人、出力用の光ファイバである
。

一般に、液晶は、液晶分子の長軸に平行な方向の誘電率
を６□１、垂直な方向の誘電率をε上とする時、ノε＝
ε０、−１↓　が正又は負のいずれかに分類され、前者
をＰ形液晶、後者をＮ形液晶とそれぞれ呼んでいる。

上記液晶セル１は、第２図（５）及び（ロ）に示す様に
ＩｎｚＯｓ　８ｎ０３膜などの透明電極１２を蒸着した
ガラス基板１３間に、高分子化合物などの材料を用いた
スペーサ１４を挿入し、このスペーサ１４によって形成
される間隔内にＰ形ネマテック液晶分子１５を封入した
ものである。第２図（５）に示す様に、液晶セル１に電
圧が印加されていない状態においては、この液晶セル１
は、８ｉ０ｘの簀め蒸着や綿布によるラビングによ如、
上記Ｐ形ネマテック液晶分子１５の長１１ＩＩＬＱ配向
方向が２つのガラス基板１３間においてπ／２ねじれる
様に設定した、いわゆるツィステッド・ネマテックセル
（ＴＮセル＞を構成するものとなる。また、第２図（ロ
）に示す様に、液晶セル１の透明電極１２間に電圧を印
加した状態においては、Ｐ形液晶であるためにＰ形ネマ
テック液晶分子１５の長軸は電界方向に配向する。

さて、上記第１回内及び（ハ）に示す様に、光ファイバ
８よＪ）　０．２５ピツチの長さを持つ第１の集束性ロ
ッドレンズ４に光を入射させて平行光に変換し、この平
行光を、第１の偏光プリズム２でＰ偏光成分（第１の偏
光プリズム２の入射面に平行な直線偏光成分）の光１６
及びＳ偏光成分（第１の偏光プリズム２０入射面に垂直
な直線偏光成分）の光１７に分離し、この内、Ｓ偏光成
分の光１７を直角プリズムで全反射させ、各々を液晶セ
ル１に垂直に入射させる。第１図に示す様に液晶セル１
に電圧を印加しない状態では、第２回内に示す様に、Ｐ
形ネマテック液晶分子１５の長軸がガラス基板１３間で
π／２ねじれているため、直線偏光の光が液晶−１−ル
１を通過すると、この直線偏光の偏光面がπ／２回転し
て、Ｐ偏光成分の光１６はＳ偏光成分の光１７に、また
、８偏光成分の光１７４−１Ｆ偏光成分の光１６に変換
される。この様にして、偏光方向が変換された光を再び
第２の偏光プリズム３に入射させると、Ｐ偏光成分の光
１６は透過し、Ｓ偏光成分の光１７は反射するので、２
つの各Ｐ、Ｓ偏光成分の光１６，１７は合成さ、れて第
２の集束性ロッドレンズ６に入射し、光ファイバ１０に
集光されて出力される。

一方、第１図（ロ）に示す様に液晶セル１に電圧を印加
した状態では、上記第１図（５）で説明したと同様に、
液晶セル１には各Ｐ、８偏光成分の光１６゜１７が垂直
に入射するが、第２図（ロ）に示す様に１Ｐ形ネマテッ
ク液晶分子１５の長軸は光の進行方向と平行となル、直
線偏光の光拡そのまま通過する。このため、Ｐ偏光成分
の光１６もＳ偏光成分の光１７も共に変化せずに液晶セ
ル１を通過して第２の偏光プリズム３に入射するので、
２つの各Ｐ、８偏光成分の光１６．１７は合成されて第
２の集束性ロッドレンズ７に入射し、光ファイバ１１に
集光されて出力される。

以上述べた様に、光ファイバ８を伝搬する光は、液晶セ
ルＩＫ印加する電圧をオフにすると光ファイバ１０に、
また、オンにすると光ファイバ１１にそれぞれ切シ替え
られる。なお、光ファイバ９を伝搬する光は、同様の動
作原理によ〕、液晶セル１に印加する電圧をオフにする
と光ファイバ１１に、また、オンにすると光ファイバ１
０にそれぞれ切９替えられる。

ところで、上記した元スイッチの切シ替え時間は、液晶
セル１の応答時間によル規定される。一般に、液晶セル
１の応答時間ｔは下記の第（１）式によって与えられる
。

ここで、ηは液晶の粘性、Ｋは液晶の弾性定数、ｋは波
数、Δε社液晶分子の長軸方向と短軸方向との比誘電率
差、ｇｏは真空中の誘電率、■は印加電圧、ｄは液晶セ
ル１の厚みである。上記したＴＮセルの構成で鉱、波数
には近似的にｘ／ｄと考えられるので、応答時間ｔＱ立
ち上多時間１゜及び立ち下がり時間１（を、透過光強度
が定常値の１０％から９０％になるまでの時間及びその
逆の時間とすると、各ｔｒ、ｔｆは各々下記の第（２）
式、第（３）式となる。

６′　　　　　　　・・・・・・・・・・（３）ｔｆ＝
Ｋｒ” 第３図は、第２図（５）及び（ロ）の液晶セルの応答時
間と液晶セルの厚みとの関係を、印加電圧をパラメータ
として示した特性図である。第３図には、液晶セ／Ｉ／
１として、例えばメルク社ＪｌＩＺＬＩ−１５５７を用
いた場合に、室温Ｔ＝２０℃において、応答時間ｔの立
ち上夛時間ｔｒ及び立ち下がプ時間ｔｌと液晶セル１の
厚みｄとの関係を、印加電圧■をパラメータとして計算
した例が示されている。第３図及び上記第（２）式、第
（３）式から明らかな様に、光スイッチを高速に切り替
えるには、粘性が小さく、誘電異方性の大きい液晶材料
を用いると共に、液晶セル１の厚み金薄くすれば良い。

しかるに１液晶セ／Ｉ／１の厚みを余シ薄くするとツィ
ステッド・ネマテック効果が減少し、りｐストークが増
大するので、このクロストークを一２０ｄＢ以下になる
様に実現するためには、液晶セル１の厚みは６μｍ程度
が限界となる。第３図において、液晶セ、Ａ／１の厚み
ｄ＝６μｍの場合、印加電圧■を１２Ｖ以上にすると、
応答時間ｔの立ち上シ時間１．をｌ　ｍ　ｓ以下Ｋまで
できるが、立ち下υ時間ｔｌ　　は印加電圧■に依存せ
ず一定であり９　ｍ　ｓ程度である。この時、パルス応
答の立ち下シ部分には、液晶分子がπ／２ねじれて再配
向するために要する約１０ｍ５の遅れ時間ｔｄが存在す
る。

したがって、全立ち下シ時間は’ｆ　＋　’（１＝　１
９ｍ５となる。ところが、液晶の粘性ηは、第４図に示
す様に強い温度依存性を持ち、温度０℃では温度２０℃
の場合に比べて、上記したメルク社製ＺＬＩ−１５５７
の液晶セ／Ｌ／１では、約２．７倍の粘性が高い。この
九め、温度θ℃では、立ち上り時間は２．７−＠ｓ、　
、立ち下）時間は５１ｍ５と−ａｂ、高速に光スイッチ
の切シ替えを実現することは難しいという欠点があった
。また、光スイッチのクロストークを一２０ｄＢ以下に
低減するためには、液晶セ／Ｉ／１の厚みを６μｍ以上
にする必要があり、−例として液晶セル１の厚みを６μ
ｍから８μｍにすると、応答時間は約１．８倍長くなシ
、この結果、クロストーク特性やスイッチング特性を同
時に改善して、光スイッチの性能の向上を図ることは困
難であるなどの欠点があった。

〔発明の概要〕

この発明は、上記の様な従来のものの欠点を改善する目
的でなされたもので、液晶セルに外部よ）電圧を印加す
ることにより、１本又は２本の光ファイバを伝送する光
を他の２本の光ファイバのいずれかに切り替えることが
できる光スイッチにおいて、液晶セルは、液晶を封入す
るガラス基板の両面に同一方向の斜め蒸着又はラビング
を施して、ネマテック液晶分子の長軸がガラス基板の両
面で逆チルト状態で所定のチルド角管成す様に配向させ
て構４．ｐ　、液晶セルに垂直に直線偏光の光を入射さ
せる際に、ネマテック液晶分子の配向方向と直線偏光の
偏光面とがπ／４の傾きを！ｂ−′）様に入射させ、液
晶セルの出射側でリターデーションπを発生させ、出射
する直線偏光の偏光面が入射させた直線偏光の偏光面に
対して直交する方向と危る様にすることにより、光スイ
ッチの切り替え速度の高速化とり日ストークの低減を同
時に実現できる光スイッチを提供するものである。

〔発明の実施例〕

以下、この発明の実施例を図について説明する。

第５図はこの発明の光スイッチに用いるπセルの動作原
理図である。図に示す様に、２軸のｚ　＝　Ｑからｚ＝
ｄにわた）液晶分子１５の長軸は、Ｘ軸に対し一様な方
向に配向されており、これ忙偏光方向がＸ軸方向に平行
な直線偏光の光１８を２軸方向に入射する。この時、Ｑ
（ｚ（ｄにおいて、Ｘ軸及びｙ軸方向の電界成分をＥｘ
、Ｅｙと表わすと、下記の第（４）式の通シとなる。

ただし、Ｅ＠ｄ電界強度、ωは光の角周波数、ｎｓｘ　
ｍ　ｎ上　は各々液晶分子１５の長軸及び短軸方向の屈
折率である。上記第（４）式を書き換えて一＝π／４を
代入すると、 ｍ＝社り止コシ用　　・・・・・・・・・・（６）λ となシ、リターデーションδによ〕直線偏光の光１８が
２軸方向に伝搬するにっれて、第５図に示す様に、偏光
状態が楕円９円、楕円、直線の各偏光に変化し、これに
よル直線偏光の方向も変わる。

したがって、Ｊ千にとなる様に液晶分子１５の長軸と短
軸方向の屈折率（ｎ□、−ｎよ）及び液晶セル１の厚み
ｄを適当力値に設定すると、液晶セル１を透過する直線
偏光の光の偏光方向をπ／２回転させることがＳきる。

上記した様に、リターデーション４を生じる液晶セル１
となるので、これをπセルと呼んでいる。

第６回内は、第５図のπセルにおける液晶分子の配向状
態を説明するための液晶セルの構成を示す断面図である
。図に示すに−ｋＪｙは、ガラス基板１３に、対して数
置の所定のチルト角ｔとなる様に斜め蒸着又はラビング
処理を施し、上記ガラス基板１３０両面で逆チルト状態
になる様に液晶セルを構成したものである。これに対し
て比較のために、第６図（ロ）は、従来のＴＮセルにお
ける液晶分子の配向状態を説明するための液晶セルの構
成を示す断面図である。

いま、第６図（５）及び（ハ）に示す様に、πセル及び
ＴＮセルにそれぞれ電圧Ｖを印加すると、両セル共Ｐ形
ネマテック液晶を封入しているので、液晶分子１５の長
、軸線、透明電極１２の近傍から離れた領域では、第６
回内及び（ハ）に明示される様に電界方向に配向する・
この状態において電圧Ｖをオフにすると、両セルにおい
て、各第６図に）及び（ハ）に矢印で示す方向に復元力
が働く。第６図０に示すＴＮセルで社、ガラス基板１３
０両面で液晶分子１５とも反対方向の復元力が働くため
、復元力紘弱められてゆつく〕と電圧Ｖの印加以前の配
向状態にもどる。これに対し、第６回内に示す「セルで
は、全ての液晶分子１５に同一方向の復元力が働くため
、高速に電圧Ｖの印加以前の配向状態にもどる。このた
め、この発明による光スイッチで紘、従来の光スイッチ
と比べて切シ替え時間が大幅に短縮できる。

第７図は、第６図に）及び（ロ）のπセルとＴＮセルに
おける応答時間の比較を示す特性図である。第７図は、
−例として上記メルク社製ＺＬＩ−１５５７のネマテッ
ク液晶を用いた場合に、冨セλとＴＮセルの応答時間を
液晶セルの厚みｄを変えて測定した特性図を示している
。図中、実線がπセルを、破線がＴＮ−にルをそれぞれ
示している。例えば液晶セルの厚みｄが６μｍの場合、
応答時間ｔの立ち上シ時間１．は、πセルがＴＮセルに
比べて約１７２倍、また、立ち下シ時間Ｔｆは、前述の
どと（ＴＮ″′：Ｐ！／において、液晶分子１５をガラ
ス基板１３の両画でπ／２ねじっていることによる遅れ
時間１４が生じるため、ＴＮ−＋ｃルでは立ち下シ時間
をｔ、　＋　ｔ４で評価する必要があ〕、このことを考
慮すると、πセルはＴＮセルに比べて約１／１０に短縮
でき、光スイッチの高速な切シ替えを実現できる。

第８図は、第６園内のπセルにおける透過光強度と印加
電圧との関係を示す特性図である。第８図は、上記πセ
ルを偏光子と検光子の間に入れ、平行ニコル状態（実線
）と直交ニコル状態（一点鎖線）において、透過光強度
と印加電圧との関係を測定した特性図を示している。な
お、液晶セルの厚みｄは６μｍ１駆動電圧の周波数ｆは
１０ｋＨｚの場合である。図よシ明らかな様に、透過光
強度は印加電圧によ〕周期的に変化する。平行ニコル状
態では、透過光強度の最大値が、上記第５図において説
明したりタープ−ジョンδ＝　２　ｍπ（ｍ＝Ｑ、ｌ、
３・欅・）の場合に、ま九、透過光強度の最小値が、リ
ターデーションＪ＝（２ｍ＋１）πの場合にそれぞれ和
尚する。上記透過光強度の最大値、最小値を与える電圧
をＶＬ、Ｖ□とすると、各電圧ｖＬ、ｖＨをスイッチン
グするととＫより光スイッチを構成できる。この時、ク
ロストークは、各電圧ｖＬ、ｖＨにおける平行ニコル状
態と直交ニコル状態での透過光強度の差に相当し、いず
れの場合にもフロストークを一２０ｄＢ以下にできるこ
とを示している。

＃Ｉ９図＾及び（ハ）は、それぞれこの発明の一実施例
である光スイッチの２つの状態を示す構成図である。各
図において、１９はπセル、２０は駆動回路である。そ
の他の各符号２〜１１及び１６゜１７で示す各構成は、
上記第１図に示す従来の光スイッチで説明したものと同
じである。第９図内は、πセル１９に駆動回路２０よシ
ミ圧ｖＬ１周波数ｆの交流電圧を印加した状態を示し、
第９図（ハ）は、πセ／Ｉ／１９に駆動回路２０よシミ
圧Ｖ□、周波数ｆの交流電圧を印加した状態を示してい
る。

この発明による光スイッチでは、第１及び第２の各偏向
プリズム２及び３ｔ−πセル１９を中心として左右対称
に１し、光ファイバ８から入力した光を第１の集束性ロ
ッドレンズ４で平行光に変換した後、第１の偏向プリズ
ム２でＰ偏光成分の光１６と８偏光成分の光１７とに分
離している。この様にして分離され九各々の直線偏光の
光は、第９図（５）に示すもの社、上記第８図の特性図
で説明した様にリターデーションδが２ｍπの状態に相
幽し、偏光方向が変化せずに透過するため、Ｐ偏光及び
Ｓ偏光共にπセル１９をそのまま通過し、再び第２の偏
向プリズム３で合成されて第２の集束性ロンドレンズ６
に入力し、光ファイバ１０に集光されて出力される。一
方、第９図（ハ）に示すものは、上記第８図の特性図で
説明した様にリターデーションａが（２ｍ＋１　）ｘの
状態に相当し、偏光方向はπセ／Ｉ／１９の入射側と出
射側とでπ／２回転するため、Ｐ偏光が８偏光に、また
、Ｓ偏光がＰ偏光に変換される。その後、第２の偏光プ
リズム３で合成されて１ＩＩＩ２の集束性ロッドレンズ
７に入力し、光ファイバ１１に集光されて出力される。

なお、光ファイバ、９から光が入力した場合には、上記
したと同様な動作原理により、第９図内に示す状態では
光ファイバ１１に、また、第９図ＣＢ）に示す状態では
光７アイパ１０にそれぞれ出力される。ここで、駆動回
路２０としては、消費電力を低くするため、例えばＣ−
ＭＯＳを用いて発振回路、ゲート回路、供給電圧安定化
回路等を構成し、入力されるオン・オフ制御信号により
規定の電圧ｖＬ及びｖＨの交流電圧を発生するものであ
る。

第１０図は、第９図（５）及び（ロ）の光スイッチにお
けるスイッチング特性を示す各部の波形図である。

各図において、２１は駆動回路２００Å力電圧波形を、
２２はπセル１９の駆動電圧波形を、２３゜２４は、第
９図（５）及び（Ｂ）に示す様に、光ファイバ８から光
が入力して各党ファイバ１０．１１に出力した時の透過
光の波形をそれぞれ示したものであり、これにより、光
スイッチにおける高速な切シ替えを実現できることが分
かる。

なお、上記実施例では、２×２マトリツクス状の光スイ
ッチの場合について説明したが、この発明の光スイッチ
はこれに限定されることなく、１×２双投型光スイツチ
及びオン・オフ光スイッチ等の場合にも十分に適用でき
る仁とは云うまでもない。

〔発明の効果〕

この発明は以上説明した様に、液晶セルに外部より電圧
を印加することにより、１本又は２本の光ファイバを伝
送する光を他の２本の光ファイバのいずれかに切シ替え
ることができる光スイッチにおいて、液晶セルは、液晶
を封入するガラス基板の両面に同一方向の斜め蒸着又は
ラビングを施して、ネマテック液晶分子の長軸がガラス
基板の両面で逆チルト状態で所定のチルト角を成す様に
配向させて構成し、液晶セルに垂直に直線偏光の光を入
射させる際に、ネマテック液晶分子の配向方向と直線偏
光の偏光面とがπ／４の傾きをもつ様に入射させ、液晶
セルの出射側でリターデーションπを発生させ、出射す
る直線偏光の偏光面が入射させた直線偏光の偏光面に対
して直交する方向となる様にしたので、この種の従来の
光スイッチと比べて、液晶噸ルの厚みを増加させること
なく、印加電圧の制御のみによって、光スイッチの切シ
替え速度を高速化でき、かつり四ストークの低減を同時
に実現できるという優れた効果を奏するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図（５）及び（ロ）は、それぞれ従来の光スイッチ
における２つの切り替え状態を示す構成図、第２図（５
）及び（ロ）は、それぞれ第１図（５）及び（ロ）の光
スイッチにおける液晶セルの構成を示す断面図、第３図
は、第２図（５）及び（ロ）の液晶セルの応答時間と液
晶セルの厚みとの関係を、印加電圧をパラメータとして
示した特性図、第４図は、第２図（５）及び但）の液晶
セルにおける液晶の粘性の温度依存性を示す特性図、第
５図はこの発明の光スイッチに用いるπセルの動作原理
図、第６図（５）は、第５図のπセルにおける液晶分子
の配向状態を説明するための液晶セルの構成を示す断面
図、第６図（Ｂ）は、従来のＴＮセルにおける液晶分子
の配向状態を説明するための液晶セルの構成を示す断面
図、第７図は、第６回向及び（ロ）のπセルとＴＮセル
における応答時間の比較を示す特性図、第８図は、第６
図（５）のπセルにおける透過光強度と印加電圧との関
係を示す特性図、第９図（５）及び（ハ）は、それぞれ
この発明の一実施例である光スイッチの２つの状態を示
す構成図、第１０図は、第９回内及び（ロ）の光スイッ
チにおけるスイッチング特性を示す各部の波形図である
。 図において、１・・・液晶セル、２及び３・・・第１及
び第２の偏向プリズム、４，５及び６．７−・・・第１
及び第２の集束性ロッドレンズ％　８１９Ｆ１０．１１
・・・光ファイバ、１２・・・透明電極、１３・・・ガ
ラス基板、１４ｅ・・スペーサ、１５・・・・Ｐ形ネマ
テック液晶分子、１６・・・Ｐ偏光成分の光、１７・・
・Ｓ偏光成分の光、１８・・・直線偏光の光、１９・・
・πセル、２０・・・駆動回路である。 なお、各図中、同一符号は同一、又は相当部分を示す。 代理弛大岩増雄 （Ｂ） 第２図 （Ａ） （Ｂ） 第　３　図 Ｔ　＝　２０’Ｃ 表晶ｔルＱ厚み　ｄｐ机ン 第４図 温度Ｔ　（’Ｃ） ｗＪ５図 第６図 （Ａ） （Ｂ） 第７図 Ｔ−２０’Ｃ 液晶’Ｃ）ｌ／１ｆ）４Ｊ−１−ｄ（Ｐ７ＦＬ）第８図 印１ＸＪ電圧　　　ｆｆ） （Ｂ） 第　１０１２ 轡罰 吟閘

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 外部制御信号により１本又は２本の光ファイバより入力
   した光を他の２本の光ファイバのいずれかに切り替える
   光スイッチにおいて、前記１本又は２本の光ファイバの
   出力端側に設けられ、この光ファイバより入力した光を
   平行光に変換する第１の集束性ロッドレンズと、この第
   １の集束性ロッドレンズにより変換された平行光をＰ偏
   光とＳ偏光の各直線偏光に分離する第１の偏光プリズム
   と、液晶を封入するガラス基板の両面に同一方向の斜め
   蒸着又はラビングを施して、ネマテック液晶分子の長軸
   が前記ガラス基板の両面で逆チルト状態で所定のチルト
   角を成す様に配向させると共に、前記ネマテック液晶分
   子の配向方向に対して前記直線偏光の偏光面がπ／４の
   角度をもつて入射する様に配置し、かつ印加電圧によつ
   て前記直線偏光の偏光面をπ／２回転させつつ透過させ
   る液晶セルと、入力するオン・オフ制御信号により発生
   する所定の電圧を前記液晶セルに供給する駆動回路と、
   この液晶セルを透過した直線偏光の光を再び合成する第
   ２の偏光プリズムと、前記他の２本の光ファイバの入力
   端側にそれぞれ設けられ、 前記第２の偏光プリズムで合成した光を前記他の２本の
   光ファイバに集光させゐ第２の集束性ロッドレンズとを
   備えたことを特徴とする光レンズ。