DE69124487T2

DE69124487T2 - Optische Schaltvorrichtung

Info

Publication number: DE69124487T2
Application number: DE69124487T
Authority: DE
Inventors: Akihiro Mochizuki; Katsusada Motoyoshi
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1990-11-28
Filing date: 1991-11-28
Publication date: 1997-05-22
Anticipated expiration: 2011-11-29
Also published as: DE69124487D1; JPH052157A; EP0488708A3; JP3147957B2; US5317429A; EP0488708B1; EP0488708A2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine optische Schaltvorrichtung.
Die Übertragung und Verarbeitung von Informationen mit Licht ist bei der Informationsverarbeitung mit hoher Dichte, wie z.B. Multimode-Kommunikation oder Multimode-Schaltvorgänge, besonders nützlich, da optische Signale nicht normalen elektromagnetischen Störungen unterworfen sind.
Um eine derartige Verarbeitung auszuführen, wurden verschiedene Vorschläge gemacht, um eine Vielzahl von optischen Elementen in einem einzigen Körper zu kombinieren, beispielsweise einen Wellenleiter und ein optisches Schaltelement.
Es wurde beispielsweise ein optisches Schaltelement oder ein optischer Modulator vorgeschlagen, in welchem Titan in ein Substrat aus Einkristall-Lithiumniobat (LiNbO&sub3;) diffundiert wird, eine ferroelektrische Substanz, um einen Wellenleiter zu bilden. Das optische Schalten wird anschließend durch Anlegen oder Entfernen einer angelegten Spannung bewirkt, wobei ein elektrooptischer Effekt genutzt wird.
Diese Art der optischen Schaltvorrichtung, die einen ferroelektrischen Einkristall verwendet, ist vielversprechend, da sie eine hervorragende Beständigkeit gegen Umgebungseinflüsse hat und das Schalten mit hoher Geschwindigkeit erlaubt.
Eine derartige optische Schaltvorrichtung, die einen ferroelektrischen Einkristall verwendet, unterliegt jedoch Schwierigkeiten bei der Herstellung, und es ist problematisch, eine Vielzahl derartiger Schaltelemente zu einer Matrixform für Multimode-Verarbeitungszwecke anzuordnen.
Eine optische Schaltvorrichtung, die einen Wellenleiter enthält, der einen Kern und eine Ummantelung umfaßt, welche schaltbares nematisches Flüssigkristallmaterial umfaßt, ist in der WO-A-84-04601 aufgezeigt.
Gemäß vorliegender Erfindung wird eine optische Schaltvorrichtung geschaffen, die eine Flüssigkristallzelle enthält, umfassend:
zwei transparente, einander gegenüberliegende Substrate, zwischen welche ein Flüssigkristallmaterial, das Dimere umfaßt, sandwichartig zwischengelegt ist; und
zwei transparente Elektroden, die jeweils an den inneren Hauptflächen der Substrate anliegen, so daß das Flüssigkristallmaterial zwischen den Elektroden ist, wo zwischen jeder Elektrode und dem Flüssigkristallmaterial ein Ausrichtungsfilm zum Trennen der Dimere des Flüssigkristallmaterials in Monomere vorhanden ist, um so ferroelektrische äußere Bereiche des Flüssigkristallmaterials zu bilden, die jeweils an den Substraten anliegen;
welches Flüssigkristallmaterial zwischen den Substraten an einem ersten Ende der Zelle durch eine transparente Seitenwand begrenzt ist, um einen kohärenten Lichtstrahl in das Flüssigkristallmaterial eintreten zu lassen, und an einem entgegengesetzten Ende der Zelle durch eine weitere Seitenwand; und
welche Vorrichtung so ausgelegt ist, daß eine vorbestimmte Spannungsveränderung zwischen den Elektroden eine Veränderung zwischen einem ersten Zustand, in welchem der Brechungsindex des Flüssigkristallmaterials in einem der äußeren Bereiche einen ersten Wert hat, so daß ein Lichtstrahl in einem zentralen Bereich des Flüssigkristallmaterials zwischen den beiden äußeren Bereichen vollständig intern an der Grenzfläche mit dem einen äußeren Bereich reflektiert wird, und einem zweiten Zustand bewirken kann, in welchem der Brechungsindex des einen äußeren Bereiches einen zweiten Wert hat, so daß der Lichtstrahl von dem zentralen Bereich wenigstens teilweise durch den einen äußeren Bereich zu dem anliegenden Substrat durchgelassen wird.
Die transparenten Elektroden können in Form von Streifen vorliegen und die Substrate können so angeordnet sein, daß die Streifen der transparenten Elektroden eine X-Y-Matrix bilden, um eine Vorrichtung zu bilden, die zweidimensional angeordnete, mehrfache optische Schaltelemente umfaßt.
Ferner können eine Vielzahl von optischen Schaltvorrichtungen, die die vorliegende Erfindung verkörpern, zu einer Anordnung angeordnet werden, in welcher von einer Hauptoberfläche einer optischen Schaltvorrichtung ausgestrahltes Licht in den zentralen Bereich einer weiteren derartigen optischen Schaltvorrichtung eintritt, wo das Licht weiter geschaltet wird. Das Licht von der ersten optischen Schaltvorrichtung kann durch eine Glasfaser zu der zweiten optischen Schaltvorrichtung gesendet werden.
Nachfolgend wird im Rahmen eines Beispiels auf die beiliegenden Zeichnungen Bezug genommen.
Figur 1 zeigt Prinzipien einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Figur 2 ist eine schematische Ansicht eines Beispiels einer zweidimensional angeordneten mehrfachen optischen Schaltvorrichtung;
Figur 3 und 4 zeigen Prinzipien einer optischen Schaltvorrichtung, die die vorliegende Erfindung verkörpert;
Figur 5 ist eine Kurve, die die Beziehung zwischen einer an eine Flüssigkristallzelle angelegten Spannung und der Intensität eines aus der Zelle emittierten Lichtstrahls zeigt;
Figur 6A und 6B zeigen das Schalten von Lichtstrahlen in einer optischen Schaltvorrichtung unter Verwendung einer Flüssigkristallzelle, welche 3 × 3 Matrixelektroden hat; und
Figur 7 zeigt Ansteuersignale, die an die in Figur 6A und 6B gezeigte optische Schaltvorrichtung angelegt werden.
Figur 1 zeigt eine optische Schaltvorrichtung, die eine erste Schicht (eine Kernschicht) 1, eine zweite und eine dritte Schicht (Mantelschichten) 2 und 3 und Elektroden 4 und 5 umfaßt. Die zweite und die dritte Schicht schließen einen Teil der ersten Schicht 1 sandwichartig zwischen sich ein. Der verbleibende Teil der ersten Schicht ist durch Abschnitte 6 und 7 einer vierten Schicht sandwichartig eingeschlossen.
Die erste Schicht 1 hat einen ersten Brechungsindex. Der Brechungsindex der zweiten Schicht 2 kann zwischen einem zweiten und einem dritten Brechungsindex durch einen elektrooptischen Effekt unter Verwendung einer durch die Elektroden 4 und 5 angelegten Spannung verändert werden. Wenn die zweite Schicht 2 den zweiten Brechungsindex hat, wird ein kohärenter Lichtstrahl in der ersten Schicht 1 vollständig intern an den jeweiligen Grenzflächen mit der zweiten und der dritten Schicht 2 und 3 reflektiert, unter der Voraussetzung, daß die dritte Schicht 3 ebenfalls einen solchen Brechungsindex hat, daß eine vollständige interne Reflexion des Lichts erzeugt wird. Der Lichtstrahl wird somit durch die erste Schicht durchgelassen oder geleitet. Wenn andererseits die zweite Schicht 2 den dritten Brechungsindex hat, wird ein kohärenter Lichtstrahl in der ersten Schicht 1 nicht vollständig intern reflektiert, sondern eher durch die zweite Schicht 2 zur äußeren Hauptoberfläche der zweiten Schicht 2 durchgelassen. Somit kann das Licht, das in die erste Schicht eingetreten ist, durch den elektrooptischen Effekt zur Fortpflanzung zur Außenseite der zweiten Schicht hin umgeschaltet werden.
Gleichzeitig kann die dritte Schicht 3 so eingerichtet werden, daß der Brechungsindex der dritten Schicht 3 durch den elektrooptischen Effekt geändert werden kann, um so einen derartigen Schalteffekt zu erzeugen. Wenn ferner die Brechungsindizes der zweiten und der dritten Schicht 2 und 3 jeweils gesteuert werden können, kann das in die erste Schicht eintretende Licht in drei Wege umgeschaltet werden, d.h. zur Fortpflanzung entlang der ersten Schicht oder zur Fortpflanzung nach außen durch die zweite Schicht oder zur Fortpflanzung nach außen durch die dritte Schicht.
Wie dargestellt schließen die zweite und die dritte Schicht 2 und 3 nur einen Teil der ersten Schicht 1 sandwichartig zwischen sich ein, und der Rest der ersten Schicht wird durch die vierten Schichten 6 und 7 sandwichartig eingeschlossen, welche solche Brechungsindexwerte haben, daß das Licht in der ersten Schicht 1 durch die vierten Schichten 6 und 7 vollständig intern reflektiert wird. Somit bildet der die vierten Schichten 6 und 7 enthaltende Teil einen Wellenleiter.
Ferner können die zweite Schicht 2 und die vierte Schicht 6 aus demselben Material hergestellt sein, so daß das Licht in der ersten Schicht 1 durch die zweite Schicht 2 vollständig intern reflektiert wird, wenn an die Elektroden keine Spannung angelegt wird, und der Brechungsindex der zweiten Schicht 2 kann durch den elektrooptischen Effekt in einen dritten Brechungsindex geändert werden, so daß das Licht in der ersten Schicht 1 nicht intern reflektiert wird, sondern durch die zweite Schicht 2 durchgelassen wird. Ähnliche Betrachtungen können an die dritte und die vierte Schicht 3 und 7 angewandt werden. In diesen Fällen kann die erste Schicht 1 als Kernschicht bezeichnet werden und die zweite bis vierte Schicht 2, 3, 6 und 7 können als Mantelschichten bezeichnet werden.
Es sei angemerkt, daß der Wechsel von der vollständigen internen Reflexion zum Durchtritt nach außerhalb der Kernschicht in einigen Ausführungsformen der Erfindung durch das Anlegen einer Spannung und in anderen Ausführungsformen durch das Entfernen einer angelegten Spannung bewirkt werden kann.
Figur 2 zeigt ein Beispiel einer optischen Schaltvorrichtung, die die vorliegende Erfindung verkörpert. In diesem Fall hat eine optische Schaltvorrichtung 11 ein optisches Schaltelement 12, welches zusätzlich zu einer Kernschicht und Mantelschichten, die die Kernschicht sandwichartig einschließen, nicht dargestellt, transparente Elektroden 13 und 14 in Form von Streifen umfaßt, die so angeordnet sind, daß sie eine 4 × 4 X-Y-Matrix bilden. Das optische Schaltelement 12 ist mit einer Lichtleitfaseranordnung 15 für die Eingabe von vier Signalen verbunden. Die Lichtleitfaseranordnung 15 enthält vier Lichtleitfasern, die so angeordnet sind, daß sie den Leitungen von vier paralellen Streifen der transparenten Elektrode 13 entsprechen. Das optische Schaltelement 12 ist ferner mit einer Lichtleitfaseranordnung 16 zur Ausgabe von vier Signalen verbunden. Die Lichtleitfaseranordnung 16 enthält vier Lichtleitfasern, die so angeordnet sind, daß sie den Leitungen von vier parallelen Streifen der transparenten Elektrode 13 entsprechen.
Das optische Schaltelement 12 hat 16 Punkte, an welchen die Streifen der transparenten Elektroden 13 und 14 sich kreuzen und ein Lichtstrahl in der Durchlaßrichtung in drei Wege umgeschaltet werden kann.
Die optische Schaltvorrichtung 11 hat ferner zwei Fotosensoranordnungen 17 und 18, die jeweils 16 Fotosensoren haben, die den 16 Punkten der X-Y-Elektrodenmatrix entsprechen. Die Fotosensoranordnungen 17 und 18 sind mit Lichtleitfaseranordnungen 19 und 20 verbunden, die 16 Lichtleitfasern für 16 Signalausgänge enthalten. Die Fotosensoranordnungen 17 und 18 müssen nicht räumlich von dem optischen Schaltelement 12 getrennt sein und können direkt mit dem Element 12 verbunden sein. Ferner können die Lichtleitfasern oder die Lichtleitfaseranordnungen mit dem Element 12 verbunden sein, wobei jede Faser einem Punkt entspricht, an dem sich die transparenten Elektroden kreuzen. Der Signalausgang kann eine elektrische Leiteranordnung sein, falls erwünscht mit einer Fotosensoranordnung, die ein optisches Signal in ein elektrisches Signal umwandelt.
Das optische Schaltelement 12 und die Fotosensoranordnung 19 und 20 werden durch einen Halter 21 gehalten.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben die Ausrichtung eines an Substraten anliegenden nematischen Flüssigkristalls in einer Flüssigkristallzelle untersucht und festgestellt, daß dann, wenn ein bestimmtes Flüssigkristallmaterial und ein bestimmter Flüssigkristallmolekularausrichtungsfilm verwendet werden, die Ausrichtung des Flüssigkristalls von einem an den Substraten anliegenden Abschnitt zu einem zentralen Abschnitt zwischen den Substraten stark verändert wird (Jap. J. Appl. Phys., Band 29, Nr. 29, L322 - L325, Feb. 1990, und Jap. J. Appl. Phys., Band 29, Nr. 10, L1898 - L1990, Okt. 1990). Wie Figur 3 zeigt, werden die an den Substraten anliegenden Flüssigkristallmoleküle quer zu den Hauptoberflächen der Substrate ausgerichtet und die Flüssigkristallmoleküle in dem zentralen Abschnitt zwischen den Substraten werden parallel zu den Hauptoberflächen der Substrate ausgerichtet.
Figur 3 und 4 zeigen das Prinzip einer optischen Schaltvorrichtung unter Verwendung einer Flüssigkristallzelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Figur 3 zeigt die Zelle, wenn keine Spannung angelegt ist, und Figur 4 zeigt die Zelle, wenn eine Spannung angelegt ist. In Figur 3 und 4 bezeichnen 41 und 42 transparente Substrate, 43 und 44 transparente Elektroden, 45 und 46 Ausrichtungsfilme, 47 ein Flüssigkristallmaterial, 48 eine Leistungsquelle und 49 einen elektrischen Schalter.
In Figur 3, d.h., wenn eine Spannung nicht angelegt ist, wenn die vorstehend beschriebenen speziellen Anforderungen erfüllt sind, wird der Flüssigkristall, der in dem zentralen Abschnitt der Flüssigkristallschicht Dimere bildet, durch eine Wechselwirkung mit den Ausrichtungsfilmen 45 und 46 in Monomere getrennt. Die Monomere richten sich so aus, daß ihre negativen Polenden in Kontakt mit den Ausrichtungsfilmen 45 und 46 stehen. Ferroelektrische Flüssigkristallmantelschichten A werden so gebildet. Der Flüssigkristall in der Form von Dimeren in dem zentralen Abschnitt bildet eine normale dielektrische Flüssigkristallkernschicht B.
Kürzlich haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung ferner festgestellt, daß die ferroelektrischen Flüssigkristalischichten A einen Brechungsindex nA haben, der bezüglich dem Wert nB der normalen dielektrischen Flüssigkristallschicht B einen solchen Wert hat, daß dann, wenn ein Lichtstrahl 50 in die Flüssigkristallschicht B aus einer transparenten Seitenwand 51 eingeführt wird, der Lichtstrahl 50 in der Flüssigkristallschicht B durchgelassen oder geleitet wird, wobei er an der Grenzfläche zwischen den ferroelektrischen Flüssigkristallschichten A und der normalen dielektrischen Flüssigkristallschicht B vollständig intern reflektiert wird. Der Flüssigkristall in der Zelle bildet so einen Wellenleiter.
Wenn dann der Schalter 49 eingeschaltet wird, wie in Figur 4 gezeigt, wird die Polarität einiger der Monomere der ferroelektrischen Flüssigkristallschicht A in Abhängigkeit von der Polarität der an die Zelle angelegten Spannung unmittelbar beim Einschalten des Schalters umgekehrt. Wenn beispielsweise die angelegte Spannung positiv ist, wird die Polarität einiger der Flüssigkristallmoleküle in der Schicht B' umgekehrt. Als Resultat wird der durchschnittliche Brechungsindex der oberen Schicht A in Figur 3 geändert, wodurch eine Schicht B' erzeugt wird, so daß der Lichtstrahl 50 durch die Grenzfläche mit dieser Schicht nicht vollständig intern reflektiert wird, sondern eher durch die ferroelektrische Flüssigkristallschicht B', die transparente Elektrode 43 und das transparente Substrat 41 durchgelassen und nach oben aus der Zelle emittiert wird.
Figur 5 zeigt die Intensität des aus der Zelle durchgelassenen Lichts als einen Funktion der angelegten Spannung. Im allgemeinen nimmt die Anzahl der Flüssigkristallmoleküle, deren Polarisierung durch das Anlegen einer Spannung umgekehrt wird, mit der Größe der angelegten Spannung zu, es ist jedoch, wie Figur 5 zeigt, wie in normalen Flüssigkristallanzeigen eine Schwellenspannung vorhanden. Somit liegt, bis die Spannung nicht auf eine bestimmte Schwellenspannung erhöht wird, kaum durchgelassenes Licht vor, aber wenn die Spannung oberhalb der Schwellenspannung liegt, nimmt die Intensität des durchgelassenen Lichts mit der Erhöhung der angelegten Spannung zu und erreicht einen Sättigungswert, wenn die Polarität aller ferroelektrischen Flüssigkristallmoleküle umgekehrt ist.
Somit kann gemäß dieser Ausführungsform durch eine sehr einfache Konstruktion der Vorrichtung eine optische Schaltvorrichtung in einem Körper mit einem Wellenleiter kombiniert werden. Beispielsweise kann eine optische Schaltelementanordnung, die eine zweidimensionale Matrixanordnung hat, aufgebaut werden, was die parallele optische Informationsverarbeitung erlaubt. Da eine Flüssigkristallzelle verwendet wird, kann die optische Schaltvorrichtung gemäß dieser Ausführungsform darüberhinaus mit einer niedrigen Spannung angesteuert werden, wie etwa einer Betriebsspannung, die in der C-MOS- Technologie verwendet wird, und kann mit niedrigen Kosten hergestellt werden. Ferner ist die Technologie zur Herstellung von Vorrichtungen unter Verwendung von Flüssigkristallzellen mit großen Abmessungen und hohem Informationsgehalt gut eingeführt. Beispielsweise werden gegenwärtig Flüssigkristallanzeigevorrichtungen verwendet, die große X-Y-Matrizen mit mehr als 640 × 400 Punkten haben.
Figur 6A und 6B zeigen ein Beispiel der vorstehend beschriebenen Ausführungsform unter Verwendung einer Flüssigkristallzelle. Figur 6A zeigt schematisch den Aufbau einer Vorrichtung 50 (3 × 3 Matrix in diesem Fall) und Figur 6B zeigt das Schalten von Lichtstrahlen.
In Figur 6A bezeichnen Bezugszeichen 51 (51a, 51b und 51c) transparente Elektroden, die drei Streifen zur Eingabe einer Abtastspannung umfassen, und die Bezugszeichen 52 (52a, 52b und 52c) bezeichnen transparente Elektroden, die drei Streifen umfassen, die sich in einer kreuzenden Beziehung zu den Streifen 52 zur Eingabe einer Signalspannung erstrecken. Genauer dargestellt sind Substrate 53 und 44 aus einer Glasplatte hergestellt, und die transparenten Elektroden 51 und 52 aus transparenten leitfähigen Filmen aus beispielsweise Indiumzinnoxid (In&sub2;O&sub3;-SnO&sub2;) in Form von Streifen, die eine Breite von 5 mm und einen Spalt von 2 mm haben, sind auf den Substraten 53 und 54 ausgebildet.
Ausrichtungsfilme (nicht dargestellt) sind auf den transparenten Elektroden 51 und 52 und den Substraten 53 und 54 ausgebildet, beispielsweise durch Schleuderbeschichten eines Polyamidfilms, Brennen bei etwa 250ºC und Reiben der Oberfläche jedes Films in Richtung der beiden Filme parallel oder antiparallel zueinander, wenn die Elektroden in Form einer Matrix angeordnet sind. Der Ausrichtungsfilm ist vorzugsweise ein Film, der eine hohe Oberflächenpolarität hat, und muß in der Lage sein, Dimere in Monomere zu trennen. Beispielsweise kann der Film aus einem Polymer hergestellt sein, das eine Alkylamingruppe hat, welche gebrannt wurde. Weitere Beispiele von verwendbaren Ausrichtungsfilmen schließen Poly(vinylalkohol), Poly(amidimid), Polyamid, vertreten durch Nylon, Poly(acrylnitrid), Poly(vinylpyridin), Poly(pyrrolidon), Poly(vinylphenol), Poly(vinylacetat) und Copolymere dieser Polymere ein.
Die Substrate 53 und 54 sind mit einem Spalt von 30 µm angeordnet, um eine Zelle zu bilden.
Die Zelle ist mit einem Flüssigkristall gefüllt. Ein Beispiel des Flüssigkristalls ist eine nematische Flüssigkristallzusammensetzung, die Cyanbiphenyl als Hauptkomponente enthält. Der Flüssigkristall in der Zelle ist ein Flüssigkristall, der in der Lage ist, ein Dimer zu bilden. Die Fähigkeit zur Bildung eines Dimers kann durch die Struktur des Moleküls vorhergesagt werden und die Bildung eines Dimers kann experimentell durch Messen der Kapazität des Moleküls in einer Zelle erfaßt werden. Beispiele derartiger Flüssigkristalle schließen 4-Alkyl-4-Cyanbiphenyl, wie z.B. 4-Pentyl-4-Cyanbiphenyl, 4-Heptyl-4-Cyanbiphenyl und 4-Hexyl-4-Cyanbiphenyl, 4-Alkoxy-4-Cyanbiphenyl, 4-Alkyl-4-Dioxan-4- Cyanbenzol, wie z.B. 4-Pentyldioxan-4-Cyanbenzol, 4-Alkoxy- Dioxan-4-Cyanbenzol, 4-Alkyl-4-Fluorbiphenyl, wie z.B. Fluorbiphenyl, 4-Alkoxy-4-Fluorbiphenyl und dergleichen ein.
Die Flüssigkristallzelle hat eine transparente Seitenwand oder ein Fenster, um Licht in die Zelle einzulassen.
Wenn in Figur 6A und 6B drei Strahlen auf die linken Seitenfenster (nicht dargestellt) einfallen, werden die Strahlen in der Flüssigkristallschicht geführt und aus der Zelle an Punkten, an welchen die transparenten Elektroden 51 und 52 sich kreuzen, emittiert, wenn an diese eine Spannung angelegt wird. Wie unter Bezug auf Figur 3 und 4 beschrieben, wird das optische Schalten durch eine Veränderung einer ferroelektrischen Flüssigkristallschicht A, die an dem Substrat anliegt, zu einer normalen dielektrischen Schicht B' durch eine Veränderung der Spannung, die an die transparenten Elektroden angelegt ist, ausgeführt. In Abhängigkeit von der Position und der Polarität der angelegten Spannung können die Lichtstrahlen aus der Zelle an einem beliebigen Punkt der Matrizen emittiert werden, beispielsweise nach oben als Strahlen von den Kreuzungspunkten (51b, 52b) und (51c, 52a) oder nach unten als Strahlen von dem Kreuzungspunkt (51a, 52c).
Wenn drei Lichtstrahlen, die einen Durchmesser von 20 µm haben, parallel auf die Vorrichtung auftreffen und dem optischen Schalten unterzogen wurden, wurde bestätigt, daß das Verhältnis der Lichtstrahlintensität in Richtung einer Hauptoberfläche der Zelle zwischen EIN und AUS mehr als 50 zu 1 betrug.
Figur 7 zeigt das Anlegen von Ansteuersignalen an die 3 × 3 Matrixzelle. Abtastspannungsimpulse von ±2 V, wie in Figur 6 gezeigt, werden an die transparenten Elektroden 51 (51a, 51b, 51c) angelegt und Signalspannungen +18 V werden an die transparenten Elektroden 52 (52a, 52b, 52c) angelegt. Bei einer geeigneten Synchronisation der Impulse 1, 2 und 3 werden die Einzelspannungen an den Kreuzungspunkten (51a, 52c), (51b, 52b) und (51c, 52a) momentan +20 V, so daß die Lichtstrahlen dort beispielsweise nach oben umgeschaltet werden, während die Lichtstrahlen an den anderen Kreuzungspunkten nicht ausgewählt (0 V) oder halb ausgewählt (+16 V) sind, so daß die Lichtstrahlen in der Flüssigkristallschicht zurückgehalten werden. Indem die Signalspannung an einem bestimmten Kreuzungspunkt auf -18 Volt eingestellt wird, kann der Lichtstrahl an dem Kreuzungspunkt in der entgegengesetzten Richtung, d.h. nach unten, geschaltet werden.
Obgleich das vorstehende Beispiel sich auf eine optische Schaltvorrichtung mit einer 3 × 3 Matrix bezieht, ist offensichtlich, daß eine optische Schaltvorrichtung mit einer größeren Anzahl von Matrixelementen durch Erhöhen der Anzahl der Streifen der transparenten Elektroden hergestellt werden kann.
Ferner ist klar, daß eine Anzahl der optischen Schaltvorrichtungen in mehreren Stufen zusammengesetzt werden kann, um die Lichtstrahlen in einer Anzahl von Stufen zu verarbeiten oder zu schalten.

Claims

1. Optische Schaltvorrichtung, die eine Flüssigkristallzelle enthält, umfassend:

zwei transparente, einander gegenüberliegende Substrate (41, 42), zwischen welchen ein Flüssigkristallmaterial (47), das Dimere umfaßt, sandwichartig zwischengelegt ist; und

zwei transparente Elektroden (43, 44), die jeweils an den inneren Hauptflächen der Substrate (41, 42) anliegen, so daß das Flüssigkristallmaterial zwischen den Elektroden ist, wo zwischen jeder Elektrode (43, 44) und dem Flüssigkristallmaterial ein Ausrichtungsfilm (45, 46) zum Trennen der Dimere des Flüssigkristallmaterials (47) in Monomere vorhanden ist, um so ferroelektrische äußere Bereiche des Flüssigkristallmaterials (47) zu bilden, die jeweils an den Substraten (41, 42) anliegen;

welches Flüssigkristallmaterial (47) zwischen den Substraten (41, 42) an einem ersten Ende der Zelle durch eine transparente Seitenwand (51) begrenzt ist, um einen kohärenten Lichtstrahl in das Flüssigkristallmaterial eintreten zu lassen, und an einem entgegengesetzten Ende der Zelle durch eine weitere Seitenwand; und

welche Vorrichtung so ausgelegt ist, daß eine vorbestimmte Spannungsveränderung zwischen den Elektroden (43, 44) eine Veränderung zwischen einem ersten Zustand, in welchem der Brechungsindex (nA) des Flüssigkristallmaterials in einem der äußeren Bereiche (A) einen ersten Wert (n&sub2;) hat, so daß ein Lichtstrahl in einem zentralen Bereich (B) des Flüssigkristallmaterials zwischen den beiden äußeren Bereichen vollständig intern an der Grenzfläche mit dem einen äußeren Bereich reflektiert wird, und einem zweiten Zustand bewirken kann, in welchem der Brechungsindex des einen äußeren Bereiches einen zweiten Wert (n&sub3;) hat, so daß der Lichtstrahl von dem zentralen Bereich (B) wenigstens teilweise durch den einen äußeren Bereich (B') zu dem anliegenden Substrat (41) durchgelassen wird.

2. Optische Schaltvorrichtung nach Anspruch 1, die so ausgelegt ist, daß eine vorbestimmte Spannungsveränderung zwischen den Elektroden (43, 44) eine veränderung zwischen einem ersten Zustand, in welchem der Brechungsindex (nA) des Flüssigkristallmaterials in dem anderen der äußeren Bereiche (A) einen ersten Wert (n&sub2;) hat, so daß ein Lichtstrahl in einem zentralen Bereich (B) des Flüssigkristallmaterials zwischen den beiden äußeren Bereichen vollständig intern an der Grenzfläche mit dem anderen äußeren Bereich reflektiert wird, und einem zweiten Zustand bewirken kann, in welchem der Brechungsindex des anderen äußeren Bereiches einen zweiten Wert (n&sub3;) hat, so daß der Lichtstrahl von dem zentralen Bereich (B) wenigstens teilweise durch den anderen äußeren Bereich zu dem anliegenden Substrat (42) durchgelassen wird.

3. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, ferner umfassend eine Einrichtung zum Erfassen eines Lichtstrahles, der durch den einen äußeren Bereich durchgelassen wurde.

4. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, ferner umfassend eine Einrichtung zum Erfassen eines Lichtstrahles, der durch den anderen äußeren Bereich durchgelassen wurde.

5. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, ferner umfassend eine Leistungsquelle zum Zuliefern einer Spannung zu den Elektroden.

6. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, in welcher das Flüssigkristallmaterial bei einer Betriebstemperatur der Vorrichtung nematisch ist.

7. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welcher das Flüssigkristallmaterial 4-Alkyl-4-Cyanbiphenyl, 4-Alkoxy-4-Cyanbiphenyl, 4-Alkyldioxan-4-Cyanbenzol, 4- Alkoxydioxan-4-Cyanbenzol, 4-Alkyl-4-Fluorbiphenyl oder 4- Alkoxy-4-Fluorbiphenyl ist.

8. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welcher der Ausrichtungsfilm ein Film ist, der ein anionisches Radikal hat.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, bei welcher der Ausrichtungsfilm aus einem Polymer hergestellt ist, das eine Alkylamingruppe hat.

10. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welcher der Ausrichtungsfilm aus Poly(vinylalkohol), Poly(amidimid), Poly(amid), Poly(akrylnitril), Poly(vinylpyridin), Poly(pyrrolidon), Poly(vinylacetat) oder einem Copolymer von zwei oder mehreren dieser Polymere hergestellt ist.

11. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welcher die transparente Elektrode, die an einer der inneren Hauptflächen anliegt, eine aus einer ersten Vielzahl von streifenförmigen Elektroden ist, die an der inneren Hauptfläche anliegend vorgesehen sind, und bei welcher die transparente Elektrode, die an der anderen der inneren Hauptflächen anliegt, eine einer zweiten Vielzahl von streifenförmigen Elektroden ist, die zu der anderen inneren Hauptfläche anliegend vorgesehen sind und sich in kreuzender Beziehung zu den streifenförmigen Elektroden der ersten Vielzahl erstrecken, so daß die Vorrichtung als eine zweidimensionale X-Y-Matrix von optischen Schaltelementen arbeiten kann.

12. Anordnung von optischen Schaltvorrichtungen, von welchen jede eine Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche ist, die so angeordnet sind, daß ein kohärenter Lichtstrahl, der von einer Hauptoberfläche einer der optischen Schaltvorrichtungen emittiert wird, in den zentralen Bereich einer weiteren optischen Schaltvorrichtung eingeführt wird, wo der eingeführt Lichtstrahl weitergeschaltet werden kann.