DE3788595T2 - Optische Flüssigkristallvorrichtungen. - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf optische Vorrichtungen, die Flüssigkristallmaterial benutzen. Flüssigkristallmaterialien sind Flüssigkeiten, die die Charakteristiken molekularer Fernordnung von Kristallen zeigen, obwohl sie im Flüssigzustand sind. Sie zeigen deutliche Änderungen in ihren optischen Eigenschaften bei Änderungen ihrer Temperatur oder in Antwort auf ein angelegtes elektrisches Feld. Es gibt drei vorherrschende Meso-Phasen, die zwischen den festen und isotropen Flüssigzuständen bestehen und diese sind in der Reihenfolge, in der sie im allgemeinen mit ansteigender Temperatur auftreten, die smektische, die nematische und die cholesterische Phase. Nicht alle Flüssigkristallmaterialien zeigen alle Phasen. Bei einer bekannten Anwendung von Flüssigkristallmaterialien werden sie verwendet, um Anzeigevorrichtungen für elektronische Taschenrechner und tragbare Computer herzustellen. Außerdem wurden zweidimensionale Matrizen von Flüssigkristallelementen verwendet, um Bildanzeigen und auch Fernsehbilder herzustellen.
• Mit dem Auftreten optischer Wellenleiter, um Informationssignale zu übermitteln, trat ein Bedürfnis nach optischen Vorrichtungen auf, die elektrisch gesteuert werden können. Zu diesem Zwecke wurde ein Versuch gemacht, einen Lichtkanal unter Verwendung von Flüssigkristallmaterial in der nematischen Phase herzustellen. Es wurde jedoch herausgefunden, daß der Kanal einen Verlust von ungefähr 30 dB/cm dem Licht auferlegte, das sich durch ihn hindurch ausbreitete, was als unakzeptabel betrachtet wurde. Es ist ebenso bemerkt worden, daß der Ausbreitungsverlust von Licht durch ein ausgerichtetes Flüssigkristallmaterial in der smektischen A-Phase sehr viel niedriger als ungefähr 2 dB/cm ist, aber es sind Vorschläge für Anzeigevorrichtungen gemacht worden, die solches Material in lichtstreuender und -transparenter Form verwenden.
• Ein Artikel von R.A. Soref et al in Optics Letters, Band 4, April 1980, Seiten 147 bis 149, betitelt "Total Switching of unpolarised flber light with a four-part electro-optic liquid crystal device" offenbart einen Flüssigkristallschalter mit einer einzelnen Schicht von nematischem Flüssigkristallmaterial, die zwischen zwei Hauptverbindungsoberflächen gelegt ist.
• Der Schalter verwendet eine doppelte Wechselwirkung mit der einzelnen Schicht, um unpolarisiertes Licht von einer optischen Vielknotenfaser zu einer anderen zu schalten, in Antwort auf eine Änderung der Betriebsspannung.
• Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung optische Vorrichtungen bereitzustellen, die Flüssigkristallmaterial in der smektischen A-Phase verwenden.
• Das Ziel wird gemäß der Erfindung mit den Merkmalen des Vorrichtungsanspruches 1 und des Verfahrensanspruches 16 gelöst.
• Die vorliegende Erfindung stellt eine Flüssigkristallvorrichtung bereit, die ein Flüssigkristallmaterial in der smektischen A-Phase in nur zwei transparenten Zuständen unterschiedlicher molekularer Orientation bzw. Orientierung hat, wobei die Zustände jeweils unterschiedliche Refraktionsindizes bezüglich polarisiertem Licht aufweisen, das durch die Vorrichtung übertragen wird, wobei das Flüssigkristallmaterial in der smektischen A- Phase in einem transparenten Zustand eine molekulare Orientation hat, die im wesentlichen orthogonal zu dem Material in dem anderen transparenten Zustand ist, und wobei das Flüssigkristallmaterial zwischen zwei Hauptbegrenzungsflächen bzw. größeren Grenzflächen zwischengelegt ist, wobei die Orientation in einem Zustand homogen ist und im wesentlichen parallel zu den Hauptbegrenzungsflächen und die Orientation in dem anderen Zustand homöotrop ist und im wesentlichen orthogonal zu den Hauptbegrenzungsflächen.
• In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel bildet ein Teil des Materials in einem Zustand einen optischen Wellenleiter für polarisiertes Licht, der eine Polarisationsebene hat, die mit der molekularen Orientation dieses Teiles in Bezug steht, und wobei ein Teil des Materials in dem anderen Zustand an den Teil in dem einen Zustand anstößt, um eine Begrenzung des optischen Wellenleiters zu bilden.
• Optische Wellenleiter können zu solch einem Aufbau verbunden werden, indem man sie an den Umfang der Zelle bringt, die das Material enthält, und eine Einrichtung, z. B. ein Laser, kann verwendet werden, um die Änderung des Zustandes des Materials längs einer Linie auszuführen, die einen Punkt auf dem Umfang der Zelle verbindet, wo der Leiter, der als der Ausgabewellenleiter ausgewählt worden ist, auf ihn trifft. Alternativ können die Wellenleiter, die das Flüssigkristallmaterial zusammenfügen, verwendet werden, um mit und/oder zu Wellenleitern zu verbinden, die in den Hauptwänden der Zelle verwirklicht sind, und z. B. durch Ionenaustauschen hergestellt werden. Die Wellenleiter, die in das Flüssigkristallmaterial geschrieben worden sind, können als Feldkoppler, Ringresonatoren oder andere Wellenleiterschaltungskomponenten angeordnet sein.
• Die Erfindung stellt auch eine optische Komponente bereit, die eine Flüssigkristallvorrichtung wie oben definiert aufweist, wobei die Formen der Teile in den zwei Zuständen angeordnet sind, um einen erforderlichen Effekt auf polarisiertes Licht zu erzeugen, das durch die Vorrichtung übertragen wird.
• Die Erfindung stellt weiter eine einstellbare optische Komponente bereit, die eine Flüssigkristallvorrichtung wie oben definiert aufweist, wobei die Grenze zwischen den Teilen in den verschiedenen Zuständen die Wirkung der Vorrichtung auf polarisiertes Licht, das durch sie übertragen wird, bestimmt, und worin die Position der Grenze änderbar durch selektives Ändern der Zustände von zumindest etwas des Flüssigkristallmaterials änderbar ist, um dadurch die Wirkung der Komponente auf das Licht, das durch sie hindurch übertragen wird, zu ändern.
• Die beiden Zustände des Flüssigkristallmaterials haben unterschiedliche molekulare Orientation und können wegen der Doppelbrechung des Materials unterschiedliche Refraktionsindizes für Licht, das in einer bestimmten Ebene polarisiert ist, aufweisen. Die beiden molekularen Orientationen können orthogonal sein und die Polarisationsebene des Lichtes kann so gewählt sein, daß sie parallel zu den Molekülen des Materials in einem Zustand und senkrecht zu den Molekülen des Materials in dem anderen Zustand sind.
• Die beiden Zustände können jeweils eine homogene Ausrichtung der Moleküle haben, d. h. die Moleküle sind parallel zu den Hauptbegrenzungsebenen der Zelle, die das Material enthält, und vorzugsweise sind die Moleküle in dem einem Zustand senkrecht zu den Molekülen in dem anderen Zustand. Licht, das parallel zu den Hauptbegrenzungsebenen polarisiert ist, und das durch das Flüssigkristallmaterial zwischen den Hauptbegrenzungsebenen hindurchgeht, wird auf einen höheren Refraktionsindex treffen, wo es auf die Moleküle des Materials transversal trifft, als dort, wo es die Moleküle am Ende trifft. Dies ist zumindest die Wirkung für die meisten Flüssigkristallmaterialien, obwohl es Materialien gibt, für die Wirkung umgekehrt ist. Indem der Bereich des höheren Refraktionsindex zu einer Passage gemacht wird, die durch Bereiche von niedrigerem Refraktionsindex begrenzt ist, wird der zuerst genannte Bereich als ein Leiter für das polarisierte Licht wirken. Andere Konfigurationen der Bereiche können hergestellt werden, um andere optische Komponenten bereitzustellen.
• Bei einem anderen Beispiel kann einer der Zustände eine homogene Ausrichtung der Moleküle haben und der andere Zustand kann eine homöotrope Ausrichtung der Moleküle haben, in dem die Moleküle senkrecht zu den Hauptbegrenzungsebenen stehen. In diesem Falle kann Licht, das durch das Material zwischen den Hauptbegrenzungsebenen hindurchläuft, entweder parallel oder senkrecht zu den Hauptbegrenzungsebenen polarisiert sein, und es wird auf unterschiedliche Refraktionsindizes in dem Material treffen, abhängig von der Ausrichtung der Moleküle relativ zu der Polarisationsebene des Lichtes, wie oben beschrieben, und Komponenten, die einstellbare optische Eigenschaften haben, können konstruiert werden, wobei die Einstellung durch Ändern des Zustandes von etwas des Flüssigkristallmaterials ausgeführt wird.
• Anstelle durch das Material zwischen den Hauptbegrenzungsebenen gerichtet zu sein, kann das polarisierte Licht grob senkrecht zu den Hauptbegrenzungsebenen gerichtet sein, und die Bereiche unterschiedlicher Refraktionsindizes können in eng beabstandeten parallelen Linien sein, wodurch ein Diffraktionsgitter bereitgestellt wird, so daß das Licht gebeugt wird, und ein Teil von ihm die Komponente in einer vorbestimmten Richtung verläßt. Die Beabstandung der Linien des Gitters und ihre Orientation kann durch Umwandeln des gesamten Flüssigkristallmaterials zu dem gleichen Zustand und dann Regenerieren der Bereiche mit unterschiedlichem Refraktionsindex als Linien in der Orientation und mit der erforderlichen Beabstandung geändert werden.
• Flüssigkristallmaterial in der smektischen A-Phase ist hochviskos, wobei die Moleküle parallel ausgerichtet sind, und in jeder Ebene sind die langen Achsen der Moleküle senkrecht zu der Ebene. Wie oben genannt, kann das Flüssigkristallmaterial in der smektischen A-Phase angeordnet werden, so daß es zwei Ausrichtungen reiativ zu den Hauptbegrenzungsebenen der Zelle hat, homogen und homöotrop. Bei homogener Ausrichtung sind die langen Achsen der Moleküle parallel zu den Hauptbegrenzungsebenen, so daß unterschiedliche homogene Ausrichtungen offensichtlich möglich sind, abhängig von der Orientation der Moleküle, aber in der Praxis wird die Orientation der Moleküle durch die Oberflächenbehandlung der Hauptbegrenzungsebenen bestimmt, so daß es nur eine praktische homogene Ausrichtung gibt. Bei homöotroper Ausrichtung sind die langen Achsen der Moleküle senkrecht zu den Hauptbegrenzungsebenen und nur eine homöotrope Ausrichtung ist möglich.
• Wenn ein Flüssigkristallmaterial über eine bestimmte kritische Temperatur abhängig von dem Material erhitzt wird, wird es in eine isotrope Flüssigphase umgewandelt, in der es keine der charakteristischen Eigenschaften von Flüssigkristallmaterial zeigt. Die isotrope Flüssigkeit kann zurück zur smektischen A-Phase umgewandelt werden durch langsames Abkühlen. Homöotrope Ausrichtung kann erreicht werden durch die Verwendung eines grenzflächenaktiven Stoffes auf den Hauptbegrenzungsebenen; Dow-Corning XZ 2-2300 oder Cetyl-Trimethyl-Ammonium-Bromid kann als der grenzflächenaktive Stoff verwendet werden. Andere Oberflächenbehandlungen der Hauptbegrenzungsebenen, wie z. B. die schräge Ablagerung von Siliziumoxid oder die Verwendung von bestimmten Polymeren, z. B. Polyvinylalkohol, die in der erforderlichen Ausrichtungsrichtung geschliffen sind, unterstützen die homogene Ausrichtung des Materials. Wenn das Flüssigkristallmaterial langsam von den isotropen oder nematischen Phasen höherer Temperatur abgekühlt wird, z. B. in die smektische Phase, wird das Material dann die entsprechende homöotrope oder homogene Ausrichtung annehmen. Bei einem Beispiel der Erfindung sind die Moleküle des homogen ausgerichteten Materials zuerst in einer homöotropen Ausrichtung gepolt unter Verwendung eines starken elektrischen Feldes in rechten Winkeln zu den Molekülen und senkrecht zu der Hauptbegrenzungsebene. Dieses Polen veranlaßt, daß das Material homöotrop ausgerichtet wird, d. h. in der Richtung des polenden elektrischen Feldes. Das elektrische Feld muß nicht permanent angelegt werden, da der gepolte Zustand stabil bei Nichtvorhandensein externer Störungen ist. In diesem Zustand, wenn nur ein Teil des Materials aus der smektischen Phase erhitzt wird, und ihm dann erlaubt wird, langsam abzukühlen (mit oder ohne einem schwachen elektrischen Feld, ausgerichtet mit der ursprünglichen Orientation der Moleküle), nimmt der Teil den homogen ausgerichteten Zustand in der ursprünglichen Orientation wieder auf, so daß dieser Teil des Materials homogen ausgerichtet ist, während der andere Teil homöotrop ausgerichtet als ein Resultat des Polens bleibt. Das örtliche Erhitzen kann durch einen gut fokussierten Strahl von einem Laser (z. B. einem Hellum-Neon-Laser) bereitgestellt sein, der eine schmale Linie unterschiedlich orientierten Materials in dem gepolten Material erzeugen kann. Diese schmale Linie könnte als ein Wellenleiter verwendet werden, möglicherweise als ein Einzelmodenwellenleiter, wenn die Linie schmal genug ist, für Licht, das so polarisiert ist, daß das unterschiedlich orientierte Material einen höher erscheinenden Refraktionsindex hat als der Rest. Eine vollständige Löschung der schmalen Linien, die auf diese Weise geschrieben worden sind, oder irgendeine andere Konfiguration unterschiedlich orientierten Materials könnte durch das nochmalige Anlegen des polenden elektrischen Feldes erreicht werden. Die Löschung nur eines Teiles des unterschiedlich orientierten Materials würde durch Wiedererhitzen dieses Teiles auf die kritische Temperatur (z. B. wieder unter Verwendung eines Lasers) erreicht werden, und dann dadurch, daß man ihm erlaubt, langsam in einem schwachen elektrischen Feld in der gleichen Richtung wie das polende Feld abzukühlen. Die Konfiguration, die durch dieses Verfahren hergestellt wird, ist stabil, vorausgesetzt, daß das Material nicht erhitzt oder starken elektrischen Feldern unterworfen wird.
• Ein Wellenleiter, ähnlich zu dem gerade beschriebenen, aber aus homöotrop ausgerichtetem Material, das durch homogen ausgerichtetes Material begrenzt ist, würde hergestellt werden, indem man auch von einer homogen ausgerichteten Zelle ausgeht, aber in diesem Falle wird das Polen der Zelle weggelassen. Wo die Ausrichtung des Materials zur homöotropen geändert werden soll, wird das Material lokal zu der isotropen Phase erhitzt und wieder würde ein Laser geeignet sein, um das lokale Erhitzen zu verursachen, wobei der Lichtpunkt über die Zelle längs dem für den Wellenleiter erforderten Ausschnitt bewegt wird. Während das Material lokal erhitzt wird, wird ein schwaches transversales elektrisches Feld von einer Hauptoberfläche der Zelle zu der anderen an dem Material angelegt, mit dem Ergebnis, daß es eine homöotrope Ausrichtung annimmt, wenn es wieder auf die smektische Phase abgekühlt wird. Das transversale elektrische Feld kann unter Verwendung transparenter Elektroden aus z. B. Indiumzinnoxid, an die inneren Oberflächen der Hauptbegrenzungsebenen angelegt werden. Die Elektroden können sich über die Gesamtfläche der Hauptbegrenzungsebenen erstrecken oder können im Ausmaß beschränkter sein. Es würde möglich sein, ein selektiv angelegtes elektrisches Feld zu verwenden, um die Form des Teiles der Zelle zu bestimmen, der zu der homöotropen Ausrichtung geändert wird, in Verbindung mit selektiv angewandtem lokalen Erhitzen durch einen Laser, oder mit allgemeinerem angewandtem Erhitzen.
• Es würde natürlich möglich sein, einen Wellenleiter auf eine negative Weise zu ziehen, durch Schreiben zweier Linien des unterschiedlich orientierten Materials, um eine Linie des unmodifizierten möglicherweise gepolten Materials, das als der Wellenleiter wirkt, zu beschränken. In diesem Falle würde die Polarisation des Lichtes so gewählt sein müssen, daß das unmodifizierte Material einen höheren scheinbaren Refraktionsindex aufweist, als das unterschiedlich orientierte Material.
• Eine ähnliche Komponente kann ausgehend von homöotrop ausgerichtetem Material und dann durch Umschalten zu einer homogenen Ausrichtung unter Verwendung eines starken elektrischen Feldes gemacht werden. Lokales Erhitzen, z. B. durch einen Laser, mit oder ohne einem schwachen elektrischen Feld, kann verwendet werden, um einen Teil des Materials zurück zu einer homöotropen Ausrichtung zu ändern.
• In dieser Spezifikation wird es für den Fachmann leicht offensichtlich werden, daß die Bezugnahmen auf ein starkes elektrisches Feld ausreichend stark meint, um das Flüssigkristallmaterial in Ausrichtung mit dem Feld in der smektischen Phase zu polen. Bezugualimen auf schwaches elektrisches Feld implizieren, daß das Feld nicht stark genug ist, um ein Polen direkt in der smektischen Phase zu verursachen, aber ausreichend stark ist, um Polen zu verursachen, wenn das Flüssigkristallmaterial aus der smektischen Phase in die nematische oder isotrope Phase, z. B., erhitzt wird, und ihm dann erlaubt wird, zurück in die smektische Phase abzukühlen. Die absoluten Werte von Feldstärken, die für ein bestimmtes Flüssigkristallmaterial erforderlich sind, werden leicht von dem Fachmann bestimmbar sein durch bekannte Verfahren, die keine weitere Erklärung hier erfordern.
• Es sollte bemerkt werden, daß Flüssigkristallmaterial mit einer positiven Refraktionsindexanisotropie, dessen Moleküle in der Polarisationsebene eines Lichtstrahles und transversal zu seiner Ausbreitungsrichtung liegen, einen höheren Refraktionsindex zu diesem Lichtstrahl aufweisen, als das gleiche Material, dessen Moleküle mit der Ausbreitungsrichtung des Strahles oder in rechten Winkeln zu seiner Polarisationsebene ausgerichtet sind. Für ein Flüssigkristallmaterial, das eine negative Refraktionsindexanisotropie hat, ist die Beziehung zwischen den Werten der scheinbaren Refraktionsindizes umgekehrt.
• Es gibt einen Vorteil bei Verwendung eines Wellenleiters aus homöotrop ausgerichtetem Material, das durch homogen ausgerichtetes Material beschränkt ist, gegenüber der Verwendung eines Wellenleiters von homogen ausgerichtetem Material, das durch ein homöotrop ausgerichtetes Material beschränkt ist, und d. h., daß, wenn der Wellenleiter einem gekrümmten Pfad folgt, oder es erforderlich ist, verschiedene Orientationen in der Zelle zu haben, dann der Wellenleiter aus homöotrop ausgerichtetem Material angeordnet werden kann, damit er einen höheren Refraktionsindex zu geeignet polarisiertem Licht aufweist, als dies homogen ausgerichtetes Material zu dem gleichen Licht sein würde, ungeachtet der Ausbreitungsrichtung dieses Lichtes in der Ebene der Zelle. Auf der anderen Seite bedeutet bei einem Wellenleiter aus homogen ausgerichtetem Material die Polarisationsebene des Lichtes, die gewöhnlich benötigt wird, damit es den höheren Refraktionsindex hat, daß der Wellenleiter nicht diesen höheren Refraktionsindex halten kann, wenn seine Richtung über die Zelle parallel zu der molekularen Ausrichtung des homogen ausgerichteten Materials wird.
• Durch Verwendung eines solchen Verfahrens können verschiedene optische Komponenten konstruiert werden. Z.B. kann ein Wellenleiter von einem Punkt auf dem Umfang der Zelle zu einem anderen gezogen, dann gelöscht und ein zweiter Wellenleiter kann zwischen zwei weiteren Punkten auf dem Umfang gezogen werden. Ein optischer "Schalter" könnte hergestellt werden, der ermöglicht, daß jeder von einem oder mehreren optischen Eingabewellenleitern, z. B. optischen Faserleitern, der zu einem Punkt auf dem Umfang der Zelle gebracht worden ist, selektiv mit einem oder mehr optischen Ausgabewellenleitern verbunden werden kann, die an dem Umfang der Zelle durch Ziehen und Löschen von Wellenleitern in der Zelle, wie erfordert, befestigt sind.
• Eine andere Komponente, die hergestellt werden könnte, ist ein Diffraktionsgitter. Dies könnte zwei Formen annehmen, eine, die aus einer Vielzahl von parallelen Linien aus dem unterschiedlich orientierten Material besteht, die in dem Flüssigkristallmaterial durch das oben beschriebene Verfahren, z. B., gezogen worden sind, und die andere, die aus einer Linie von beabstandeten Punkten aus dem unterschiedlich orientierten Material besteht. Für die erstgenannte Form würde ein Lichtstrahl durch eine Hauptbegrenzungsebene auf das Gitter angelegt werden, und der gebrochene Strahl würde durch die andere Begrenzungsebene nach außen hindurchgehen. Für die zweitgenannte Form würde der Lichtstrahl durch das Flüssigkristallmaterial parallel zu den Hauptbegrenzungsebenen in Richtung auf eine Seite der Punktelinie angelegt werden, und der gebrochene Strahl würde die Punktelinie von der anderen Seite verlassen.
• Eine optische Komponente, die Linsen verwendet, könnte in zweidimensionaler Form hergestellt werden, unter der Verwendung eines oder mehrerer Teile von geeigneten Formen von konvexen und konkaven Linsen, die den höheren effektiven Refraktionsindex haben. Komponenten, die ähnliche Eigenschaften haben, könnten hergestellt werden, unter Verwendung von entgegengesetzten linsenförmigen Teilen, die den niedrigeren effektiven Refraktionsindex haben. Solche größeren Bereiche von geändertem Material können unter Verwendung eines Lasers hergestellt werden, der einen großen Lichtpunkt anstelle eines kleinen fokussierten Lichtpunktes gibt, und/oder mit der Verwendung von geformten Elektroden, um selektiv ein elektrisches Feld an das Material anzulegen.
• Ahnlich kann das Flüssigkristallmaterial geformt sein, daß es zwei Teile von unterschiedlichen scheinbaren Refraktionsindizes hat, die sich längs einer geraden Linie treffen, die schräg zu dem Pfad eines Strahles von polarisiertem Licht ist, der daher an der Schnittstelle gebrochen wird. Der Winkel der Schnittstelle zu dem Strahl kann eingestellt werden durch die oben beschriebene Technik, um verschiedene Brechungswinkel des Strahles zu geben.
• Da der Refraktionsindex des Materials abhängig von der Richtung der Polarisationsebene des Lichtes ist, das sich durch es hindurch ausbreitet, relativ zu den Molekülen des Materials, kann die Polarisationsebene des Lichtes geändert werden, um die Funktion einer optischen Komponente gemäß der Erfindung auf eine gewünschte Weise zu ändern. Außerdem können Lichtsignale von zwei orthogonalen Polarisationsebenen gleichzeitig durch solch eine Komponente übertragen werden und die beiden Signale werden unterschiedlich von der Komponente behandelt werden.
• Geeignete Flüssigkristallmaterialien sind von Chemieherstellern verfügbar und es ist möglich bis zu einem Punkt den Betriebstemperaturbereich zu bestimmen, in dem das Material in der smektischen Phase ist. Ein typischer Temperaturbereich kann 0 bis 30ºC sein. Wenn eine Vorrichtung gemäß der Erfindung einer großen Temperaturvariation ausgesetzt wenden soll, sollte ein thermostatisch gesteuerter Erhitzer und/oder Kühler bereitgestellt werden, um sie innerhalb des Betriebstemperaturbereiches zu halten.
• Das Flüssigkristallmaterial kann gefärbt sein, um die Energieabsorption von einem Laser oder einer anderen Lichtquelle, die verwendet wird, um das Material zu erhitzen, um seinen Zustand zu ändern, zu verbessern. Die Farbe sollte so gewählt werden, damit sie nicht das Licht abschwächt, das durch die resultierende Vorrichtung sich ausbreiten soll. Z.B. kann eine rote Farbe verwendet werden, wenn das auszubreitende Licht rot ist von einem Helium-Neon-Laser, z. B., und in diesem Fall kann ein Argon-Ionen-Laser, der blaues Licht erzeugt, das stark von der Farbe absorbiert wird, verwendet werden, um das Material zu erhitzen, anstelle des Helium-Neon-Lasers, wie zuvor erwähnt.
• Damit die Erfindung vollständig verstanden und einfach ausgeführt werden kann, wird sie jetzt mit Bezug auf die begleitende Zeichnung beschrieben werden, in der:
• Fig. 1 und 2 ein erstes Beispiel der Vorrichtung gemäß der Erfindung zeigen;
• Fig. 3A, 3B und 3C Diagramme sind, die alternative Möglichkeiten für das im Beispiel von Fig. 1 verwendete Flüssigkristallmaterial zeigen, um einen Wellenleiter zu bilden, der zwei andere Wellenleiter verbindet;
• Fig. 4A und 4B Diagramme der ebenen und Seitenansichten einer Alternative zu der Vorrichtung, die in Fig. 1 gezeigt ist, sind, bei der ein Wellenleiter, der in Flüssigkristall geschrieben ist, verwendet wird, um Eingabe- und Ausgabewellenleiter, die in den Begrenzungsebenen eingebettet sind, zu verbinden;
• Fig. 5 ein Diagramm eines Ringresonators, der in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung gebildet werden kann, ist;
• Fig. 6 ein Diagramm ist, das eine Art veranschaulicht, auf die ein Diffraktionsgitter gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt sein könnte;
• Fig. 7 eine alternative Konstruktion für ein Diffraktionsgitter zeigt; und
• Fig. 8 und 9 die Verwendung von Bereichen von unterschiedlichem Refraktionsindex zeigen, die in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung hergestellt sind, um Licht zu brechen, das sich in einer Flüssigkristallzelle ausbreitet.
• Bezüglich jetzt auf die Fig. 1 und 2 sind vier Wellenleiter 1, 2, 3 und 4 an Orten auf dem Umfang einer Flüssigkristallzelle 5 von Material in der smektischen A-Phase befestigt. In der Zelle 5 ist ein Wellenleiter 6 durch eine der oben beschriebenen Verfahren gezogen, z. B. durch die Verwendung eines Lasers, wobei der Leiter 6 die Orte verbindet, wo die Wellenleiter 1, und 4 den Umfang der Zelle 5 treffen. Licht, das längs dem Leiter 1 ausgebreitet wird, wird durch den Leiter 6 zu dem Leiter 4 geführt werden. Ein zweiter Wellenleiter 7 ist in Fig. 1 gezeigt, der die Wellenleiter 2 und 3 verbindet. Wenn es erforderlich ist, den Wellenleiter 1 mit dem Wellenleiter 3 zu verbinden, dann wird die Zelle 5 erhitzt werden oder einem starken elektrischen Feld unterworfen werden, um die Leiter 6 und 7 auszulöschen, wonach ein neuer Leiter z. B. mit einem Laser gezogen werden kann, der den Wellenleiter 1 mit dem Wellenleiter 3 verbindet. Andere Wellenleiter 8 und 9, die in Fig. 1 gezeigt sind, können an den Umfang der Zelle 5 anstoßen und können selektiv mit den anderen Wellenleitern verbunden sein, die an die Zelle anstoßen, durch Leiter, die in dem Material der Zelle selbst gezogen sind. Da der Refraktionsindex des Flüssigkristallmaterials von der Polarisationsrichtung des Lichtes abhängt, können geeignet ausgerichtete Polarisierer angeordnet sein, wo die externen Wellenleiter an den Umfang der Zelle anstoßen. Geeignete aufeinanderpassende Übergangsflächen sollten auch bereitgestellt sein, wo die Lichtwellenleiter 1, 2, 3 und 4 mit der Zelle 5 verbunden sind, um die Abschwächung des übertragenen Lichtes aufgrund von Änderungen in dem Refraktionsindex des Materials, durch das sich das Licht ausbreitet, zu reduzieren.
• Die Übergangsflächen können Linsen oder andere abbildende Optiken an den Enden der Wellenleiter genauso wie Antireflexionsbeschichtungen umfassen.
• Die Wellenleiter in der Zelle 5 können auf drei Arten gezogen sein, die in diagrammatischer Form in den Fig. 3A, 3B und 3C gezeigt sind. In Fig. 3A ist der leitende Bereich 10 des Flüssigkristallmaterials 11 durch Ändern des Zustands in dem Bereich 10 gebildet, aus dem ursprünglich homogen ausgerichteten Material, gepolt, um homeotrop ausgerichtet zu sein, um wieder homogen ausgerichtet zu sein in dem Bereich 10 durch Schreiben mit einem Laser, der längs dem erforderten Pfad für den Wellenleiter abgelenkt wird. Das Licht wird natürlich so polarisiert sein, daß der Refraktionsindex, der im Licht des leitenden Bereiches 10 dargestellt wird, höher ist als der des Rests des Materials, das es beschränkt. Fig. 3B zeigt ein Verfahren zum Bilden eines leitenden Bereiches 12 aus homöotrop ausgerichtetem Material, das durch Begrenzungsbereiche 13 und 14 begrenzt ist, wobei die Begrenzungsbereiche 13 und 14 aus homogen ausgerichtetem Material sind, während der Rest des Flüssigkristallmaterials 11 homöotrop ausgerichtet ist. Die beiden Bereiche 13, 14, einer auf jeder Seite des leitenden Bereiches 12, sind durch Ablenken des Lasers längs den zwei im wesentlichen parallelen Pfaden geschrieben, so daß der unmodifizierte leitende Bereich 12 zwischen ihnen als ein Lichtwellenleiter wirken kann.
• In Fig. 3A und 3B ist das Flüssigkristallmaterial anfänglich homogen ausgerichtet und die Gesamtheit wird dann durch das Anlegen eines transversalen elektrischen Feldes gepolt, um homöotrop ausgerichtet zu sein. Wie in den Figuren angezeigt, läßt dies eine Begrenzungsschicht von Molekülen benachbart den Hauptbegrenzungsebenen, die in homogener Ausrichtung verbleiben. Dies führt zu dem Ergebnis, daß die Zelle aus Flüssigkristallmaterial effektiv homöotrop ausgerichtet ist, und daß ausgewählte Bereiche davon zu homogener Ausrichtung zurückgeführt sind.
• In Fig. 3C ist der Anfangszustand des Flüssigkristallmaterials wieder homogen, während der leitende Bereich homöotrop ist. In diesem Fall jedoch ist der homöotrope leitende Bereich 15 durch das selektive Anlegen von lokaler Erhitzung gebildet, während ein schwaches transversales elektrisches Feld allgemein oder selektiv an das Material angelegt wird.
• Alternativ könnte ein leitender Bereich aus homogen ausgerichtetem Material durch Schreiben zweier eng beabstandeter Linien aus homöotropem Material in der Zelle ähnlich zu der Anordnung, die in Fig. 3B veranschaulicht ist, gemacht worden sein.
• Die Ablenkung des Lichtpunktes von dem Laser kann erreicht werden durch die Verwendung von einem oder mehr Spiegeln, die durch eine elektromechanische Anordnung rotiert werden, die eine oder mehr bewegende Spulen hat, die zur Rotation in einem magnetischen Feld montiert sind. Alternativ können kommerziell verfügbare akustooptische Strahlablenker verwendet werden.
• Die Vorrichtung, die in den Fig. 4A und 4B gezeigt ist, ist ähnlich der in den Fig. 1 und 2 gezeigten, außer, daß in diesem Falle ein geschriebener Leiter 21 in einer Flüssigkristallzelle 20 verwendet wird, um einen Eingabeleiter 22 mit einem Ausgabeleiter 23 zu verbinden, die die Zelle 20 auf ihren Hauptflächen 24 und 25 treffen, anstelle an Orten, die auf dem Umfang der Zelle angeordnet sind. Die Wellenleiter 22 und 23 können durch Ionenaustauschen, z. B. den Natrium-Silber-Prozeß, in den Wänden der Zelle hergestellt werden. Jede der Leiterformen, die in den Fig. 3A und 3B gezeigt sind, können in diesem Beispiel verwendet werden, und natürlich andere Eingabe- und Ausgabewellenleiter können bereitgestellt sein, so daß die Vorrichtung als ein Wellenleiterschalter verwendet werden kann.
• Die in der Flüssigkristallzelle gezogenen Leiter sind nicht darauf beschränkt, einfach schaltbar von einer Position zu einer anderen zu sein, sondern können in der Form von Dämpfungsfeldkopplern, Ringresonatoren oder anderen passiven optischen Komponenten konstruiert sein. In Fig. 5 sind vier externe Wellenleiter 31, 32, 33 und 34 mit Orten auf dem Umfang einer Zelle 35 verbunden, und leitende Bereiche 36 und 37 sind in das Material der Zelle 35 geschrieben durch eines der oben beschriebenen Verfahren, und ein geschlossener Leitungsring 38 ist geschrieben, der die Bereiche 36 und 37 zusammenkoppelt.
• Eine andere Möglichkeit für die Bereiche unterschiedlichen Refraktionsindex in dem Material der Zelle ist, zu veranlassen, daß eine Vielzahl von parallelen Linien in dem Material der Zelle gezogen werden, so daß sie als ein Diffraktionsgitter für Licht wirkt, das in die Zelle durch eine ihrer Hauptflächen eintritt, und sie durch die andere verläßt. Fig. 6 ist ein Diagramm solch einer Anordnung, in der eine Zelle 40, die Hauptflächen 41 und 42 hat, Linien hat, die parallel zueinander in sie geschrieben sind, die in die Papierebene ein- und ausgehen durch einen Schreibstrahl 43, der nach hinten und vorne über die Zelle durch einen Abtastspiegel 44 abgelenkt wird. Der Schreibstrahl wird auf die Zelle durch einen partiell durchlässigen Spiegel 45 reflektiert, durch den ein Lichtstrahl 46 zu der Zelle 40 laufen kann. Ein Ausgabelichtstrahl 4 verläßt die Zelle 40 bei einem Winkel zu dem Signalstrahl 46 aufgrund des Beugungseffektes der Linien, die in der Zelle 40 gezogen sind.
• Der Diffraktionsgittereffekt kann auch in der Ebene der Zelle verwendet werden, durch Schreiben einer Linie von geeignet beabstandeten Punkten über die Zelle. Dies ist diagrammatisch in Fig. 7 gezeigt, in der eine Zelle 50 mit einer Linie 51 aus Punkten über dem Zentrum bereitgestellt ist, und Licht von einem Eingabeleiter 52, das die Zelle an einem Ort auf ihrem Umfang trifft, zu einem Ausgabeleiter 53 an einem Ort auf der entgegengesetzten Seite der Zelle abgelenkt wird. Diese Vorrichtung könnte als ein optischer Schalter durch Ändern der Größe und des Abstandes der Punkte verwendet werden, so daß das Licht alternativ zu einem anderen Ausgabewellenleiter 54 abgelenkt werden könnte. Eine Einrichtung sollte bereitgestellt sein, um zu gewährleisten, daß das Licht, das sich in der Zelle ausbreitet, zu den Ausgabewellenleitern passieren kann, ohne zurück in die Zelle reflektiert zu werden.
• Wenn größere Bereiche als die schmalen Linien und Punkte, auf die sich oben bezogen wurde, im Zustand in der Flüssigkristallzelle geändert werden, dann kann Verwendung von der Brechung des Lichtes gemacht werden, das sich in der Zelle ausbreitet. Fig. 8 zeigt eine Zelle 60, die ein Band 61 von höherem Refraktionsindex in sich gebildet hat, das verwendet wird, um Licht von einem Eingabewellenleiter 62 zu einem Ausgabewellenleiter 63 abzulenken. In Fig. 9 hat eine Zelle 70 einen Bereich 71 in Form einer konvexen Linse von höherem Refraktionsindex in sich geformt und einen zweiten Bereich 72 in Form einer konkaven Linse an einer Kante. Licht von Eingabewellenleitern 73 und 74 tritt in die Zelle ein und wird durch den Bereich 71 zu dem Bereich 72 reflektiert, wo das Licht durch einen Ausgabewellenleiter 75 austritt.
• Obwohl die Erfindung mit Bezug auf ebene Flüssigkristallzellen beschrieben worden ist, müssen sie nicht eben sein, sondern können gekrümmt in einer oder zwei Ebenen sein, die Änderung im Refraktionsindex zwischen dem Flüssigkristallmaterial und dem Glas oder einem anderen Material der begrenzenden Oberflächen kann angeordnet sein, um das Lichtleiten zu bewirken, das erforderlich ist, um das Licht in dem Flüssigkristallmaterial zu halten, wenn nötig. Außerdem muß die Zelle nicht von gleichförmiger Dicke sein.
• Obwohl die Erfindung mit Bezug auf spezifische Beispiele beschrieben worden ist, werden viele andere Beispiele für den Fachmann offensichtlich sein.

Claims (17)

1. Flüssigkristallvorrichtung (5) zum Leiten von optischen Wellen, die aufweist:

eine Schicht aus Flüssigkristallmaterial (11), die zwischen zwei größere Grenzflächen zwischengelegt ist;

wobei das Flüssigkristallmaterial eine Anisotropie in den Refrakationsindizes hat und

wobei die Schicht aus Flüssigkristallmaterial zumindest einen ersten Bereich hat, worin die Flüssigkristallmoleküle in einem ersten Zustand molekularer Orientation sind und zweite Bereiche hat, worin die Flüssigkristallmoleküle in einem zweiten Zustand molekularer Orientation sind, wobei die molekulare Orientation in einem der Zustände im wesentlichen homogen ist und die molekulare Orientation in dem anderen der Zustände im wesentlichen homeotrop ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Flüssigkristallmaterial (11) in der smektischen A-Phase ist.

2. Flüssigkristallvorrichtung gemäß Anspruch 1, die weiter optische Signaleingabeeinrichtungen (1, 2) aufweist, die angeordnet sind, um polarisierte optische Signale in den ersten Bereich zu koppeln, und optische Signalausgabeeinrichtungen (3, 4), die angeordnet sind, um polarisierte optische Signale von dem ersten Bereich zu sammeln.

3. Flüssigkristallvorrichtung gemäß Anspruch 2, worin die Eingabeeinrichtungen zumindest eine erste optische Faser (1, 2, 22, 31, 32, 52, 62, 73, 74) aufweisen und die Ausgabeeinrichtungen zumindest eine zweite optische Faser (3, 4, 23, 33, 34, 54, 63, 75) aufweisen, wobei der Refraktionsindex des Materials in den zweiten Bereichen niedriger als der Refraktionsindex des Materials in dem ersten Bereich ist, wobei zumindest ein optischer Wellenleiterpfad in dem Flüssigkristallmaterial zwischen zumindest einer ersten optischen Faser und zumindest einer zweiten optischen Faser gebildet ist.

4. Flüssigkristallvorrichtung gemäß Anspruch 3, worin jeder Wellenleiterpfad sich in einer Richtung im wesentlichen parallel zu den größeren Grenzflächen erstreckt.

5. Flüssigkristallvorrichtung gemäß Anspruch 2 oder Anspruch 3, worin die optischen Signale durch den ersten Bereich laufen ohne die größere Grenzflächen zu schneiden.

6. Flüssigkristallvorrichtung gemäß Anspruch 3, worin zumindest eine der optischen Fasern zumindest den ersten Bereich überlagert.

7. Flüssigkristallvorrichtung gemäß Anspruch 3, worin zumindest eine der optischen Fasern benachbart zu und parallel mit dem ersten Bereich angeordnet ist.

8. Flüssigkristallvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 2 bis 7, worin zumindest einer der ersten und zweiten Bereiche eine Struktur zum Brechen eines eingegebenen polarisierten optischen Signales definiert, wenn es dadurch hindurchläuft.

9. Flüssigkristallvorrichtung gemäß Anspruch 8, worin die Struktur ein Difraktionsgitter aufweist, das durch periodische Unterbrechungen in zumindest einem der ersten und zweiten Bereiche gebildet ist.

10. Flüssigkristallvorrichtung gemäß Anspruch 3 oder Anspruch 4, die weiterhin eine Einrichtung zum selektiven Rekonfigurieren der ersten und zweiten Bereiche aufweist, um selektiv die Richtung des Wellenleiterpfades durch die Vorrichtung zu ändern.

11. Flüssigkristallvorrichtung gemäß Anspruch 10, in der die Rekonfigurationseinrichtung eine Einrichtung zum selektiven Ändern der molekularen Orientation von zumindest etwas des Flüssigkristallmaterials aufweist.

12. Flüssigkristallvorrichtung gemäß Anspruch 11, worin die Einrichtung zum selektiven Ändern der molekularen Orientation eine Einrichtung zum lokalen Erhitzen des Flüssigkristallmaterials aus der smektischen A-Phase aufweist und eine Einrichtung zum Anlegen eines elektrischen Feldes an das Material.

13. Flüssigkristallvorrichtung gemäß Anspruch 12, worin die Einrichtung zum lokalen Erhitzen einen Laser aufweist.

14. Flüssigkristallvorrichtung gemäß Anspruch 2, worin die Eingabeeinrichtung Licht in das Flüssigkristallmaterial in einer Richtung richtet, die im wesentlichen senkrecht zu den größeren Grenzflächen ist.

15. Flüssigkristallvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 2 bis 5, in der die Eingabeeinrichtungen Licht in das Flüssigkristallmaterial in einer Richtung richten, die im wesentlichen parallel zu den größeren Grenzflächen ist.

16. Verfahren zum Rekonfigurieren einer Flüssigkristallvorrichtung zum Leiten optischer Wellen gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet durch Polen der Moleküle des Flüssigkristallmaterials in einer homeotropen Ausrichtung durch Anlegen eines elektrischen Feldes, das im wesentlichen senkrecht zu den größeren Grenzflächen ist;

Entfernen des elektrischen Feldes; und selektives Erhitzen eines Abschnittes des homeotrop ausgerichteten Materials aus der smektischen A-Phase und Erlauben, daß der Abschnitt sich zurück in die smektische A-Phase abkühlt, um eine homogene Ausrichtung anzunehmen, wobei der Abschnitt gemäß der gewünschten Funktion der rekonfigurierten Komponente gewählt ist.

17. Verfahren gemäß Anspruch 16, das den Schritt des selektiven Erhitzens eines Abschnittes des Flüssigkristallmaterials durch Verwendung eines Lasers aufweist.