JP2003270610A - 液晶光スイッチとその駆動方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 光ファイバを用いた波長多重（ＷＤＭ）通信
方式・光化ネットワークに従来のＴＮ型液晶を備えた液
晶パネルをそのまま液晶光スイッチに用いても、光スイ
ッチの応答時間５０ｍ秒よりも短くすることができな
い。 【解決手段】 複数の偏光制御用液晶セルと前記残留複
屈折補償用液晶セルは、一対の基板で狭持された液晶層
をアンチパラレルまたはパラレルのいずれかに配向さ
せ、前記複数の偏光制御用液晶セルのセル厚と該液晶層
のリタデーションの比をほぼ等しくし、且つ前記一対の
基板に接するそれぞれの液晶ダイレクタ方位角をほぼ等
しくし、前記残留複屈折補償用液晶セルと前記偏光制御
用液晶セルのそれぞれの液晶ダイレクタ方位角がほぼ直
交となるように構成した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光通信用偏光制御
型液晶光スイッチとその駆動方法に関し、更に詳しくは
光ファイバを用いた波長多重（ＷＤＭ）通信方式・光化
ネットワークに用いる偏光制御型液晶光スイッチとその
駆動方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】ネマティック液晶を用いた偏光制御型光
変調器は、これまで液晶ディスプレイ用途で実用化が進
んできた。その偏光制御型光変調器で使用される偏光回
転子の代表例として９０°ツイステッドネマティック
（ＴＮ）型液晶が挙げられる。ＴＮ型液晶セルは、基本
的にコントラスト比を大きくするのには適しているが、
そのセル厚が応答速度の２乗に比例するため、応答速度
を高速化するために液晶セル厚を薄くする必要がある。

【０００３】ここで、λは波長、Δｎは液晶の屈折率異
方性、ｄは液晶セルのセル厚とすると、いわゆるモーガ
ン（Mauguin）条件、λ／２がΔｎ・ｄに対して充分に
小さい条件を満たさなくなるためウェーブガイド効果が
小さくなる。その結果、コントラスト比が劣化するとい
う現象が生じる。この問題を解決するために今日の高速
応答ＴＮ型ディスプレイは、式 ｄ＝（λ／２）・（ｕ／Δｎ） のモーガンパラメータｕを三乗根に設定した液晶ディス
プレイのノーマリーブラックモードで言うファースト
（first: 以下１ｓｔと記載する）ミニマム条件にセル
パラメータを決めてセル化をする場合が多い。

【０００４】前記、１ｓｔミニマム条件を採用したＴＮ
型液晶を光ファイバ通信用の２×２スイッチに応用した
例として、参考文献は例えば（Y. Hakamata, T. Yoshiz
awaand T. Kodaira, “A 1.3 μm Single-Mode 2X2 Liq
uid Crystal Optical Switch”, IEICE Trans. Commu
n., Vol. E77-B, No.10 October 1994）がある。この文
献では、シングルモード光ファイバをコリメータで平行
光に変換する入出力部を有し、偏光分離器と全反射ミラ
ーとを一体化したプリズムと波長１．３μｍ帯で１ｓｔ
ミニマム条件を満たすように設計された２つの該プリズ
ムで挟持されたＴＮ型液晶からなる２×２スイッチが示
されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記文
献の例でも示されているとおり、光ファイバ通信で用い
られる波長は近赤外域であり、ディスプレイとして用い
る場合の可視域の使用波長（例：緑で５５０ｎｍ）と異
なり１３００ｎｍ帯や１５５０ｎｍ帯が使用されること
が多い。したがって、その使用波長が長いため、前記セ
ル厚ｄが結果的に厚くなってしまう。このため、従来の
ＴＮ型液晶セルを光ファイバ通信用の偏光制御型光スイ
ッチに使用すると、応答速度が遅くなってしまうことが
問題となる。

【０００６】例えば、同期光ネットワーク（ＳＯＮＥ
Ｔ）や同期デジタルハイアラーキ（ＳＤＨ）などの規格
では、ネットワークに障害が起こったときに復帰時間と
して５０ｍ秒以下であることが規定されている。したが
って、ネットワークシステムの光化が今後進展していく
場合も、従来からのネットワークとの親和性が重要であ
り、光スイッチの応答時間は少なくとも５０ｍ秒より短
くする必要が生じる。この様な、前記規格に順ずる偏光
制御型光変調器に、従来のＴＮ型液晶をそのまま液晶光
スイッチに適用することができなかった。以下にその詳
細について述べる。

【０００７】まず、光スイッチの偏光回転子をＴＮ型液
晶技術を用いて実現することを考える。中心波長を光フ
ァイバ通信で多用されている１５５０ｎｍとした場合、
前記１ｓｔミニマム条件を満たすセル厚は、液晶をＺＬ
Ｉ−４７９２（メルクジャパンの商品名）を使用すると
Δｎ（液晶の屈折率異方性）を０．０９としたときに、
液晶セル厚ｄはほぼ１５μｍとなる。このとき立ち上が
り応答時間τｒは、液晶セルに印加する電場の大きさの
２乗に逆比例する。よって、セル厚が厚くても印加電圧
を大きくすれば５０ｍ秒以下にすることが可能となる
が、立ち下り応答時間τｄは、液晶のセル厚の２乗に比
例するため、室温近傍において１５０ｍ秒以上になって
しまい、従来の構成の液晶セルのままでは光通信に用い
られる光スイッチには実用上適さない。

【０００８】また、偏光回転子に、液晶セルを０次の半
波長板として用いた光スイッチで実現することを考えた
場合、アンチパラレル又はパラレル配向の液晶セルが半
波長板となるためのセル厚は、 ｄ＝λ／（２・Δｎ） となる。ここで、前記ＺＬＩ−４７９２のΔｎ＝０．０
９とし、中心波長λを１５５０ｎｍとしたときに、セル
厚ｄは約８．６μｍとなる。この場合、ＴＮ型液晶セル
より立ち下り応答時間τｄは高速になり、約６０ｍ秒が
得られるが５０ｍ秒以下とするのは容易でない。

【０００９】本発明の目的は上記のような課題を解決
し、光ファイバ通信に適用可能な、単純な構造で駆動法
も簡単でアレイ化に適し、更に光減衰器にも応用可能な
偏光制御型液晶光スイッチとその駆動方法を提供するこ
とである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成
するために、基本的には、下記に記載されたような技術
構成を採用するものである。

【００１１】すなはち、本発明において上記課題を解決
するための第１の手段は、複数の偏光制御用液晶セル
と、その複数の偏光制御用液晶セルの間または外側のい
ずれかの位置に配した少なくとも１枚の残留複屈折補償
用液晶セルを含む液晶偏光回転子を備え、前記複数の偏
光制御用液晶セルは、一対の基板で狭持された液晶層を
アンチパラレルまたはパラレルのいずれかに統一して配
向させ、前記複数の偏光制御用液晶セルのセル厚と該液
晶層のリタデーションの比をほぼ等しくし、且つ前記一
対の基板に接するそれぞれの液晶ダイレクタ方位角をほ
ぼ等しくしたセルであり、前記残留複屈折補償用液晶セ
ルは、一対の基板で狭持された液晶層をアンチパラレル
またはパラレルのいずれかに配向させたセルであり、前
記残留複屈折補償用液晶セルと前記偏光制御用液晶セル
のそれぞれの液晶ダイレクタ方位角がほぼ直交となる構
成を採用することである。

【００１２】また、第２の手段は、前記液晶偏光回転子
は、その液晶偏光回転子へ入射する所定の波長に対し半
波長板として動作する構成とすることであり、第３の手
段は、前記複数の偏光制御用液晶セルはｎ個で構成され
ており、各液晶セルにおける液晶層のリタデーション
が、前記所定の波長に対し１／２ｎ波長条件である構成
とすることであり、第４の手段は、前記液晶偏光回転子
の光入射側と光出射側に、偏光分離器を設けた構成とす
ることであり、第５の手段は、前記液晶偏光回転子の光
入射側と光出射側に、偏光分離器と全反射ミラーを設け
た構成とすることであり、第６の手段は、前記各偏光制
御用液晶セルの電極を任意の数に分割して、それぞれ別
々に制御が可能な複数の液晶偏光回転素子部を液晶セル
に設けた構成とすることであり、第７の手段は、前記残
留複屈折補償用液晶セルのリタデーションが、前記偏光
制御用液晶セルの電極にオン電圧を印加した際に発生す
る残留複屈折成分よりも少なくとも大きい構成を採用す
ることである。

【００１３】さらに、第８の手段は、前記液晶光スイッ
チの駆動方法において、前記複数の偏光制御用液晶セル
に印加する所定の駆動波形の実効値をアナログ変調し、
連続的に偏光回転量および入射光の楕円偏光を制御する
方法を採用することである。

【００１４】〔作用〕本発明の偏光制御型液晶光スイッ
チにおける液晶偏光回転子は、同じ光軸方向のアンチパ
ラレルまたはパラレル配向のいずれかに統一された少な
くとも２枚以上の複数の偏光制御用液晶セルを多段に配
置し、位相を補正するための少なくとも１枚以上の残留
複屈折補償用液晶セルを光路に挿入した構造である。

【００１５】この複数の偏光制御用液晶セルの第１から
第ｋ番目までの偏光制御用液晶セルについて、初期配向
時のそれぞれの偏光制御用液晶セルの実効的な屈折率異
方性Δｎ_iとセル厚ｄ_iとの積であるリターデーション
（ここで、ｉは１からｋまでとする）φ_ｉの和をセル厚
ｄ_iで割った値を一定値とし、複数の偏光制御用液晶セ
ルにおける個々のΔｎが等しいセルを用いた。また、前
記複数の偏光制御用液晶セルの最も光入射側に位置する
第１の偏光制御用液晶セルの光入射側基板に接する液晶
のダイレクタ方位角を基準としたとき、第i番目の偏光
制御用液晶セルの光入射側基板に接する液晶のダイレク
タ方位角は、第ｉ−１番目の偏光制御用液晶セルの光出
射側基板に接する液晶のダイレクタ方位角にほぼ等しく
なるように配置する。さらに、前記残留複屈折補償用液
晶セルのダイレクタ方向を偏光制御用液晶セルのダイレ
クタ方向にほぼ直交とし、さらにそのセルの液晶層をア
ンチパラレルまたはパラレルのいずれかに統一して配向
した構造とする。なお、前記偏光制御用液晶セルと前記
残留複屈折保証用液晶セルの配向は、アンチパラレル、
パラレルの同じ配向としても構わないし、異なる配向と
しても構わない。

【００１６】まず、本発明に適用する偏光制御用液晶セ
ルのセル厚ｄについて考察する。アンチパラレルまたは
パラレル配向型液晶素子で良く知られているように、偏
光制御用液晶セルを所定の波長λにおいてスイッチング
可能な半波長板として用いるときのセル厚の条件は、 ｄ＝λ／（２・Δｎ） （１） となる。ｄは偏光制御用液晶セルの総セル厚、Δｎは電
場無印加時の液晶の屈折率異方性、λは波長である。

【００１７】しかし、本発明の構造では、前述の通り、
光スイッチの光路に残留複屈折補償用液晶セルを挿入す
るので、偏光制御用液晶セルと残留複屈折補償用液晶セ
ルの複合素子からなる液晶偏光回転子が半波長板として
作用する必要がある。したがって、液晶偏光回転子の合
成リターデーションΔｎ_t・ｄ_tは、偏光制御用液晶セル
のリターデーションをΔｎ・ｄとして、残留複屈折補償
用液晶セルのリターデーションをΔｎ_c・ｄ_cとおいたと
き という条件を満たす必要がある。この式から、偏光制御
用液晶セルのセル厚ｄは、 ｄ＝λ／（２・Δｎ（Ｖ１））＋（Δｎ_c／Δｎ（Ｖ１））ｄ_c （３） を満たすように設定することが好ましい。ここで、Δｎ
_cは残留複屈折補償用液晶セルに補償用電圧Ｖｃを印加
したときの補償動作時の複屈折率であり、ｄ_cは残留複
屈折補償用セルの厚さである。また、Δｎ（Ｖ１）は、
偏光制御用液晶セルに電圧Ｖ１を印加したときの実効複
屈折率を示している。（２）および（３）式において
は、残留複屈折補償用液晶セルの補償動作時の複屈折率
を異常軸の屈折率から常軸の屈折率を引いた値として定
義するためΔｎ_cはいつも正の値である。

【００１８】ここで、上記（２）式を満たし、全ての偏
光制御用液晶セルのダイレクタ方位角を同じくし、多段
に配した複数の偏光制御用液晶セルの作用について説明
する。本発明の液晶光スイッチは、それぞれの偏光制御
用液晶セルの電極に小バイアス電圧Ｖ１を印加した場合
は、半波長板条件と光学的には等価となる。したがっ
て、所定の波長で第１の偏光制御用液晶セルの入射側ダ
イレクタ方位角とπ／４かその奇数倍だけ傾いた方位角
を持つ入射直線偏光は、第ｋ番目の偏光制御用液晶セル
の出射側で楕円偏光となることなく、入射直線偏光の方
位角に対して出射直線偏光の方位角をπ／２ラジアン回
転させることができる。

【００１９】それに対し、第１から第ｋ番目の各偏光制
御用液晶セルに所定の大バイアス電圧Ｖ２を印加した場
合は、各偏光制御用液晶セルのリターデーションが小さ
くなり、更に各偏光制御用液晶セルの残留複屈折分を残
留複屈折補償用液晶セルでほぼ消失することができるた
め、入射直線偏光は、方位角を回転することなく第ｋ番
目の偏光制御用セルから出射させることができる。した
がって、本発明の偏光制御型液晶光スイッチにおいては
出射側に偏光ビームスプリッタや複屈折結晶を用いた偏
光ビームセパレータなどを配置し、上述の如く印加する
電圧Ｖ１、電圧Ｖ２を制御することで、入射直線偏光の
方路変更および所定の出射方向への出射光強度を可変と
することが可能となり、光スイッチに適用できる。

【００２０】次に、本発明の液晶光スイッチの応答速度
について説明する。簡単のため、液晶偏光回転子が、等
しいセル厚みを持つ２枚の偏光制御用液晶セルと、残留
複屈折補償用液晶セルで合成したリターデーション（Δ
ｎ_t・ｄ_t）が２分の１波長板条件からなる本発明の偏光
制御型の液晶光スイッチとした場合について考察する。

【００２１】従来の偏光制御用液晶セル１枚からなる半
波長板液晶セルにおいて、セル厚ｄは（１）式の通り、 ｄ＝λ／（２・Δｎ） としている。本発明の偏光回転子が２枚のほぼ４分の１
波長板条件の偏光制御用液晶セルからなる偏光制御型液
晶光スイッチの場合は、２枚の偏光制御用液晶セルでセ
ル厚ｄを２分割できるため、一枚あたりのセル厚をほぼ
ｄ／２とすることができる。アンチパラレルまたはパラ
レル配向の半波長条件の液晶セルにおいて、電場無印加
から電場印加時の立ち上がり応答時間τｒは、印加電圧
をＶとすると近似的に τr が（ｄ／Ｖ）^２に比例する という関係が知られている。また、電場印加状態から電
場無印加時の立ち下り応答時間（τｄ）は、近似で τｄ が ｄ^２に比例する ことが知られている。したがって、従来技術と比較して
本発明の液晶偏光回転子が２枚のほぼ４分の１波長板条
件の偏光制御用液晶セルと残留複屈折補償用液晶セルか
らなる偏光制御型液晶光スイッチの場合、同一液晶材料
で比較すると、それぞれの応答速度を４倍程度にまで高
速にできる。ここで、厚み方向の分割数を増やして、一
枚あたりのセル厚を薄くすればさらに高速化が可能とな
り、従来技術における構成では達成できなかった立ち上
がり応答時間τｒと、立ち下り応答時間τｄをともに２
０ｍ秒以下にすることが容易となる。

【００２２】更に、本発明の液晶スイッチを構成する液
晶偏光回転子は、偏光制御用液晶セルに電圧を印加した
ときに残る残留複屈折成分を光路に挿入する残留複屈折
補償用液晶セルにより、等価的に０に近づけることがで
きる。このため、光スイッチのクロストークアッテネー
ションを低減することが可能である。

【００２３】以上の説明で明らかなように、本発明の液
晶光スイッチとその駆動方法では、単純な構成で簡便な
駆動方法により高機能な光スイッチおよび可変光減衰器
を実現できる。また、本発明の目的は、光ファイバを用
いた波長多重（ＷＤＭ）通信や光化ネットワークに用い
る偏光制御型液晶光スイッチとその駆動方法を提供する
ことだが、本発明の範囲はここに述べる装置により限定
されないで、例えば自由空間光通信装置用の液晶光変調
器への応用も可能であることは言うまでもない。

【００２４】

【発明の実施の形態】以下、図面を用いて本発明を実施
するための最良な形態における液晶光スイッチおよび液
晶可変光減衰器とその駆動方法の構成を説明する。

【００２５】はじめに本発明の実施形態における液晶光
スイッチの構成を、図を用いて説明する。図２は本発明
の実施形態における液晶光スイッチを構成する液晶セル
２２０の構成を説明するための構造断面図を示す。

【００２６】図２に示すように、本発明の液晶制御型光
スイッチの偏光制御用および残留複屈折補償用に用いる
液晶セル２２０は、信号電極２１１を形成した第１の基
板２０３と共通電極２１３を形成した第２の基板２０５
の間にネマティック液晶層２０１を挟持することにより
構成している。このネマティック液晶層２０１は、第１
の基板２０３の信号電極２１１の上と第２の基板２０５
の共通電極２１３の上とに形成した配向層２１７によっ
て電場無印加時のポジ（ｐ）型液晶分子のダイレクタ２
０７のプレティルト角２０９が、０．５度から２０度と
なるようにアンチパラレル配向とする。ここで、配向層
２１７はポリイミドで形成し、ラビング法により液晶分
子を所定の方向に配向させる。また図２では、アンチパ
ラレル配向の場合を示したがダイレクタ２０７はパラレ
ル配向としても良い。

【００２７】図２には明示しないが、第１の基板２０３
と第２の基板２０５は、ネマティック液晶層２０１が数
μｍの所定の一定厚みを保持するようにスペーサを介し
て液晶セル２２０周辺部をシール材で固定する。また図
２には示していないが、信号電極２１１と共通電極２１
３が短絡するのを防ぐために、信号電極２１１の上か共
通電極２１３の上または両方に五酸化タンタル（Ｔａ_２
Ｏ_５）や二酸化シリコン（ＳｉＯ_２）などの透明絶縁膜
を配向層２１７の下に形成しても良い。

【００２８】第１の基板２０３上に形成する信号電極２
１１と第２の基板２０５上に形成する共通電極２１３
は、アレイ化する場合など必要に応じて透明導電膜から
なる所定のパターンを形成する。透明導電膜として酸化
インジウムスズ（ＩＴＯ）を用いる時は、膜厚を５０ｎ
ｍ以下とし、さらに、近赤外域での透過率を向上するた
めに、成膜時に酸素濃度を多くしたシート抵抗数百Ωか
ら１ｋΩ程度の膜を使用することが望ましい。これは、
通常低抵抗のＩＴＯが可視光領域だと透明であるが近赤
外領域では、入射光の振動数が低抵抗のＩＴＯのプラズ
マ周波数より低い振動数となり、金属的な反射特性を示
すためである。酸素濃度の高い高抵抗のＩＴＯでは、キ
ャリヤ濃度が小さくなる分だけ近赤外領域の反射率を小
さくする事が出来る。ＩＴＯのほかに透明導電膜として
は、酸化インジウム（Ｉｎ₂Ｏ₃）、酸化スズ（Ｓｎ
Ｏ₂）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）などの薄膜が使用可能であ
る。この場合も、膜厚は５０ｎｍ以下として、シート抵
抗数は数百Ωから１ｋΩ程度の膜を使うことが望まし
い。

【００２９】ガラスからなる第１の基板２０３および第
２の基板２０５のネマティック液晶層２０１と反対の面
には、空気と基板界面での反射を防止するため必要に応
じて無反射コート２１５を形成する。また、図２では無
反射コート２１５は第１の基板２０３上だけに形成した
場合を示したが、第２の基板２０５の下にも必要に応じ
て形成する。

【００３０】次に本発明の液晶偏光回転子に用いる偏光
制御用液晶セルを、セル厚およびプレティルト角の等し
いアンチパラレル配向液晶セル２段で構成した場合につ
いて図３および図４を用いて説明する。図３は第１の偏
光制御用液晶セル３０１と第２の偏光制御用液晶セル３
０３および残留複屈折補償用液晶セル３３１から構成し
た液晶偏光回転子３１７を模式的に示す。

【００３１】図３において、第１の偏光制御用液晶セル
３０１は、第１のガラス基板３１９と第２のガラス基板
３２１とで第１の液晶層３０５を挟持した構造とする。
また、第２の偏光制御用液晶セル３０３は、第３のガラ
ス基板３２３と第４のガラス基板３２５とで第２の液晶
層３０７を挟持した構造とする。第１の液晶セル３０１
の第１のセル厚みｄ₁と第２の液晶セル３０３の第２の
セル厚みｄ₂は等しくする。さらに、第1の液晶セル３０
１と第２の液晶セル３０３との間に残留複屈折補償用液
晶セル３３１を配置する。残留複屈折補償用液晶セル３
３１は第５のガラス基板３２７と第６のガラス基板３２
９とで第３の液晶層３０６を挟持した構造とする。本実
施例では第1の偏光制御用液晶セル３０１と第２の偏光
制御用液晶セル３０３との間に前記残留複屈折補償用液
晶セル３３１を配置する例を示したが、液晶偏光回転子
３１７の光路内であれば、第１の偏光制御用液晶セル３
０１の直前や第２の偏光制御用液晶セル３０３の直後な
どに配置しても構わない。また、図３には明示しない
が、第１の偏光制御用液晶セル３０１と第２の偏光制御
用液晶セル３０３および残留複屈折補償用液晶セル３３
１は、図２で説明した液晶セル２２０と同じ構成とす
る。

【００３２】図３における第１の液晶層３０５と第２の
液晶層３０７および第３の液晶層３０６中の矢印は、液
晶分子の配向状態を示すためのものであり、液晶のダイ
レクタを模式的に示したものである。ここで、第１の偏
光制御用液晶セル３０１において、第１のガラス基板３
１９と第１の液晶層３０５との界面を第１の界面３０９
とし、同様に第２のガラス基板３２１と第１の液晶層３
０５との界面を第２の界面３１１とする。さらに第２の
偏光制御用液晶セル３０３において、第３のガラス基板
３２３と第２の液晶層３０７との界面を第３の界面３１
３とし、第４のガラス基板３２５と第２の液晶層３０７
との界面を第４の界面３１５とする。さらに残留複屈折
補償用液晶セル３３１において、第５のガラス基板３２
７と第３の液晶層３０６との界面を第５の界面３３３と
し、第６のガラス基板３２９と第３の液晶層３０６との
界面を第６の界面３３５とする。

【００３３】ここで、ｘ−ｙ−ｚ座標系において、ｘ軸
の正の方向からｙ軸の正の方向に時計回りの方向を正の
方位角とした場合に、第１の偏光制御用液晶セル３０１
の第１の界面３０９側の液晶ダイレクタの方位角をπ／
４ラジアンにとり、厚み方向をｚ軸に平行となるように
選ぶことにする。

【００３４】次に各界面３０９，３１１，３３３，３３
５，３１３，３１５での液晶ダイレクタの方向を、それ
ぞれ図４（ａ）〜（ｄ）、図５（ａ）〜（ｂ）の平面図
に示す。以下、図３と図４とを交互に参照しながら説明
する。図４（ａ）に示す第１の界面３０９においては、
第１の液晶ダイレクタ４０１のｘ軸から測った方位角α
₁をπ／４ラジアンとし、図３に示す第１の偏光制御用
液晶セル３０１は、アンチパラレル配向としてあるの
で、図４（ｂ）に示す第２の界面３１１においては、第
２の液晶ダイレクタ４０３の方位角α₂もπ／４ラジア
ンとなる。次に図４（ｃ）における第３の界面３１３の
第３の液晶ダイレクタ４０５の方位角α₃は、第２の液
晶ダイレクタ４０３と平行にするため、π／４ラジアン
となり、図３に示すように第２の偏光制御用液晶セル３
０３もアンチパラレル配向としてあるので、図４（ｄ）
における第４の界面３１５における第４の液晶ダイレク
タ４０７の方位角α₄はπ／４ラジアンとなる。さら
に、図５（ａ）に示すように、第５の界面３３３の第５
の液晶ダイレクタ４２１の方位角α₅は、隣接する第２
の液晶ダイレクタ４０３と直交させるため、ｘ軸に対し
て−π／４ラジアンとなり、図３に示すように残留複屈
折補償用液晶セル３３１もアンチパラレル配向としてあ
るので、図５（ｂ）における第６の界面３３５における
第６の液晶ダイレクタ４２３の方位角α₆は−π／４ラ
ジアンとなる。

【００３５】この様な構成とすることで、前記液晶パネ
ルの偏光制御用液晶セル３０１，３０３を小電圧Ｖ１印
加状態とし、残留複屈折補償用セル３３１に所定の電圧
Ｖｃを印加することで図４（ａ）における入射直線偏光
４１０を、図４（ｄ）における出射直線偏光４１３で示
すように方位角をπ／２ラジアン回転させることができ
る。また、前記液晶パネルの偏光制御用液晶セル３０
１，３０３を大電圧Ｖ２印加状態とし、残留複屈折補償
用セル３３１に所定の電圧Ｖｃを印加することで、前記
方位角を回転させることなく出射させることができるこ
とがわかる。

【００３６】ここまででは、等しいセル厚を持った２枚
の偏光制御用液晶セル３０１，３０３および残留複屈折
補償用液晶セル３３１で液晶偏光回転子３１７を構成す
る場合を説明したが、偏光制御用液晶セルを３枚以上の
ｋ枚で本発明を構成することもできる。この場合、その
全セル厚ｄは、第１のセル厚ｄ₁から第ｋのセル厚ｄ_kと
おいたとき、 ｄ＝ｄ₁＋ｄ₂＋．．．ｄ_k （４） となる。使用する液晶材料の異常光屈折率をｎ_e、常光
屈折率をｎ_oとしたとき局所実効異常光屈折率δｎ
_effは、液晶のティルト角をθとしたとき、 δｎ_eff=(sin²θ／ｎ_o ²＋cos²θ／ｎ_e ²)^-1/2 （５） となる。実際の液晶セル内では局所実効異常光屈折率δ
ｎ_effは、印加電場とセルの厚み方向の関数となるた
め、液晶セル厚をｄとしたとき、一枚の液晶セル全体と
しての実効異常光屈折率ｎ_eff（Ｖ）はある所定の電圧
Ｖにおいて、（５）式をセル厚方向に０からｄまで積分
した次式（６）の値となる。 ｎ_eff（Ｖ）＝∫δｎ_effｄｚ（∫はｚ＝０からｄまで） （６） ここで、本発明の液晶光スイッチにおける各偏光制御用
液晶セルの実効複屈折率Δｎ（Ｖ）は、電圧の関数であ
り、 Δｎ（Ｖ）＝ｎ_eff（Ｖ）−ｎ_o （７） とおくことが出来る。したがって、所定の波長λにおい
て３枚以上の液晶セルで構成された全セル厚ｄ_tは、前
記（３）式 ｄ_ｔ＝λ／（２・Δｎ（Ｖ１））＋（Δｎ_c／Δｎ（Ｖ１））ｄ_c （３） を満たすようにする。ここで、Δｎ_cは残留複屈折補償
用液晶セルの補償動作時の複屈折率であり、ｄ_ｃは残留
複屈折補償用液晶セルの厚さである。

【００３７】また、偏光制御用液晶セルに小電圧Ｖ１を
印加して、残留複屈折補償用液晶セルに所定の電圧Ｖｃ
を印加し、液晶偏光回転子が前記（３）式の条件を満た
す場合、前記液晶偏光回転子は、光学的には良く知られ
ているように、水晶などの光学結晶で作製した０次の半
波長板と等価となる。（参考文献：例えばPochi Yehand
Claire Gu, Optics of Liquid Crystal Displays, Wil
ey, 1999）

【００３８】また、偏光制御用液晶セル２枚で構成され
た液晶偏光回転子と同様に、第１から第２ｋまでの界面
での液晶ダイレクタの方位角α_kは、第１の液晶ダイレ
クタの方位角α₁と全て等しくする必要がある。例え
ば、 α₁＝π／４ラジアンとしたときに α₁＝α₂ α₂＝α₃ ．．． α_2k-1＝α_2k となるように設定する。上記の様に、（３）式を満た
し、かつ３枚以上の複数の偏光制御用液晶セルのそれぞ
れのダイレクタの方位角をほぼ同一とすることで、２枚
の偏光制御用液晶セルで構成された液晶偏光回転子と同
じ様に、偏光制御型液晶光スイッチに適用できることが
わかった。なお、作用欄での説明の如く、３枚以上の偏
光制御用液晶セルであっても本発明の構成とすれば、そ
の分一枚のセル厚を薄くして応答速度を高速化できる。
その応答速度を考慮して、ｎ個の偏光制御用液晶セルで
本発明の液晶偏向回転子を構成した場合に、各偏光制御
用液晶セルのリタデーションをほぼ１／２ｎ波長とする
形態が最も好ましい。

【００３９】次に、本発明の液晶偏光回転子の具体的な
構成について詳細に説明する。図３において、液晶偏光
回転子３１７を構成する偏光制御用液晶セルの全セル厚
ｄ_tは、半波長板として機能するセル厚ｄ₀に残留複屈折
補償用液晶セルを補正するための補正セル厚ｄ_cpを足し
たものと考えることが出来、前述の（３）式と同じ、 ｄ_t＝ｄ₀＋ｄ_cp ＝λ／（２・Δｎ（Ｖ１））＋（Δｎ_c／Δｎ（Ｖ１））ｄ_c となる。

【００４０】ここで、残留複屈折補償用液晶セル３３１
においては、偏光制御用液晶セル３０１，３０３に所定
の電圧を印加したときに残る残留複屈折成分を等価的に
キャンセルできれば良いので、例えば残留複屈折補償用
液晶セル３３１にリターデーションΔｎ_c・ｄ_cが１４分
の１波長となる電圧を印加する設計例について説明す
る。はじめに、偏光制御用液晶セルを２枚構成とし、残
留複屈折補償用液晶セルを１枚とする。ここで、各液晶
セルの厚みは３枚とも同じでｄとする。先に示したよう
に液晶偏光回転子の見かけ上の全厚みｄ_tと見かけ上の
全複屈折ｎ_tの積である見かけ上のリターデーションは
（２）式の関係を満たせば良い。 ここで、先の仮定によりΔｎ_c・ｄ_cはλ／１４である。

【００４１】各液晶セルは、中心波長λを１５５０ｎ
ｍ、プレティルト角を１°として、例えば液晶材料にＺ
ＬＩ−４７９２（メルクジャパンの商品名）を用いた場
合、Δｎは約０．０９である。またこのとき、λ／１４
は約０．１１１[μｍ]となり、上記式（２）によると、 ｄ＝９．８ [μｍ] となる。したがって、液晶偏光回転子３１７を２枚の偏
光制御用液晶セルで構成する場合、第１の液晶セル３０
１のセル厚ｄ₁および第２の液晶セル３０３のセル厚ｄ₂
は、少なくとも、 ｄ₁＝ｄ₂＝４．９ [μｍ] と設定すれば良いことがわかる。ここでは、ｄ₁＝ｄ_２
＝５[μｍ]として若干のバイアスＶ１を印加すること
で、液晶偏光回転子３１７を半波長板として動作させる
ことを考える。これは、バイアスを印加することで、温
度等が変化してもバイアスの制御によって液晶セルのリ
ターデーションの変化を最小とし、液晶偏光回転子３１
７を常時半波長板として動作することに役立つ。

【００４２】つぎに、前記構成における偏光制御用およ
び残留複屈折率補償用液晶セルに印加する最適なバイア
ス値について説明する。図９は液晶セル厚を５μｍとし
たときの液晶セル一枚あたりの駆動電圧―リターデーシ
ョン（Δｎ・ｄ）特性を示すグラフである。

【００４３】中心波長１５５０ｎｍにおいて、２枚の偏
光制御用液晶セル３０１および３０３への小バイアスＶ
１印加時は、液晶偏光回転子３１７全体のリターデーシ
ョンΔｎ_t・ｄ_tを１．５５[μｍ]の半分の約０．７８
[μｍ]とする必要がある。したがって、（２）式を変形
して、 となる。この結果、図９のグラフから２枚で構成される
偏光制御用液晶セル１枚に対して、バイアスＶ１は、Δ
ｎ（Ｖ１）・ｄ₁が０．４４３[μｍ]となる１．８[Ｖ]
を印加すれば良いことがわかる。また、仮定より、残留
複屈折補正用液晶セル３３１のリターデーションは、λ
／１４で約０．１１１[μｍ]であり、セル厚ｄ_cはｄ₁お
よびｄ₂と等しいとしたので同じ図９のグラフから、残
留複屈折補償用液晶セル３３１には、電圧４．８[Ｖ]を
常時印加すれば良いことがわかる。

【００４４】以上のように構成した液晶偏光回転子３１
７の偏光制御用液晶セル３０１および３０３に、図９よ
り求めた小バイアス１．８［Ｖ］を印加した場合を考え
る。図４（ａ）における第１の界面３０９の第１の液晶
ダイレクタ４０１に対して方位角が−π／４だけ傾いた
方位角β１＝０ラジアンの入射直線偏光４１０を入射す
ると、図４（ｄ）における第４の界面３１５の平面を出
射する出射直線偏光４１３は第４の液晶ダイレクタ４０
７に対して＋π／４だけ傾いた方位角β２＝π／２ラジ
アンで振動する直線偏光とすることができる。つまり、
２枚の第１および第２の偏光制御用液晶セル３０１，３
０３と複屈折補償用液晶セル３３１からなる液晶偏光回
転子３１７は、入射直線偏光４１０を方位角π／２回転
だけさせて出射直線偏光４１３に偏光を回転する０次の
半波長板の働きをすることがわかる。

【００４５】つぎに、作用欄で説明した、光スイッチの
クロストークアッテネーションについて説明するため
に、図８における本発明の複屈折板に０次の半波長板条
件で作製した液晶偏光回転子特性８０３と、従来技術の
１ｓｔミニマム条件で作製した９０°ＴＮ型偏光回転子
特性８０１のアイソレーション特性の比較を示す。図８
は、出射直線偏光４１３に直交する漏れ光成分の波長依
存性を示している。前述の通り、本発明の構成で小バイ
アス１．８［Ｖ］を印加した場合、アイソレーション特
性が理想的な偏光回転子として機能すれば、図４（ａ）
における入射直線偏光４１０は、図４（ｄ）における出
射直線偏光４１３に全て変換されるはずである。しかし
ながら、実際は出射直線偏光４１３に直交する成分も同
時に生じてしまい、光スイッチのクロストーク成分とな
ってしまう。

【００４６】一例として、実用的に考えてアイソレーシ
ョンが−３０ｄＢより大きくなる波長範囲を動作波長範
囲と見なして比較した場合、中心波長を１５５０[ｎｍ]
で比べたときに、従来技術の９０°ＴＮ型偏光回転子特
性８０１の−３０ｄＢ範囲８１０が約８０[ｎｍ]に対し
て、本発明の半波長板型の液晶偏光回転子特性８０３に
おける−３０ｄＢ範囲８１３は、約６０[ｎｍ]と３／４
位となっているが、両者とも十分な帯域を持っているた
め、光スイッチとしての動作上の問題はない。よって、
半波長板として機能する本発明の光スイッチは、全セル
厚ｄをＴＮ型と比較しておよそ１／３^１／２だけ薄く出
来る特長から、特に高速スイッチが必要な場合はこの半
波長板型の構成が適していることがわかる。

【００４７】次に、本発明の光スイッチとして駆動する
ための具体的な方法について詳述する。まず、第１と第
２の偏光制御用液晶セル３０１，３０３に十分大きな電
場を印加した場合の動作を説明する。第１の液晶セル３
０１と第２の液晶セル３０３に十分大きな所定の電圧Ｖ
２を印加した場合、各セルの液晶分子は、電場方向に並
ぶため異方性が小さくなる。図９は液晶セル厚を５μｍ
としたときの液晶セル一枚あたりの駆動電圧―リターデ
ーション（Δｎ・ｄ）特性９０１を示すグラフであり、
中心波長１５５０ｎｍにおいて、１４分の１波長の複屈
折補正量を与える電圧Ｖｃを印加した複屈折補償用液晶
セル３３１を用いた場合のリターデーションは０．１１
１[μｍ]であるから、二枚で構成される偏光制御用液晶
セルでは一枚あたり０．０５５[μｍ]の補正が必要とな
る。また、このときに偏光制御用液晶セル３０１，３０
３には、図９より印加電圧Ｖ２として８．９[Ｖ]を印加
すれば良いことがわかる。したがって、このとき液晶偏
光回転子３１７全体では、常光と異常光との区別が無く
なり複屈折に起因する位相差を生じなくなる。この結
果、入射直線偏光４１０は、出射しても方位角を入射時
とおなじ０ラジアンとすることができる。

【００４８】更に駆動時には、液晶偏光回転子３１７に
電場を印加する場合、第１の偏光制御用液晶セル３０１
と第２の偏光制御用液晶セル３０３に同時に十分大きな
電圧Ｖ２（前記の例においては８．９［Ｖ］）を印加す
るようにする。また、液晶偏光回転子３１７を小バイア
スＶ１印加状態（前記の例の場合は１．８［Ｖ］）にす
る場合も、第１の偏光制御用液晶セル３０１と第２の偏
光制御用液晶セル３０３へ印加している電場を同時に取
り去るようにする。このような駆動方法を採用すること
で、スイッチング時間は厚さを分割した偏光制御用液晶
セル３０１および３０３で決められるため、液晶偏光回
転子３１７の高速スイッチングが可能となる。

【００４９】以上の説明で明らかなように本発明の液晶
偏光回転子を用いた偏光制御型液晶光スイッチにおいて
は、偏光回転時（小バイアス１．８[Ｖ]印加）の入射直
線偏光が偏光回転後に楕円偏光となることがなく、光学
特性を最適にすることが可能であるとともに、偏光非回
転時（電場印加時）も入射直線偏光が楕円偏光となるこ
とがなく光学特性を最適にすることが可能であり、さら
に応答時間を短縮することが可能となる。

【００５０】（実施例１）次に前記偏光制御型の液晶光
スイッチの全体の構成について図１を用いて詳細に説明
する。図１は本発明の偏光制御型の液晶光スイッチ３２
０を模式的に示す図である。

【００５１】前記液晶偏光回転子３１７は、第１の偏光
制御用液晶セル３０１と第２の偏光制御用液晶セル３０
３および残留複屈折補償用液晶セル３３１とから構成す
る。第１の偏光制御用液晶セル３０１には、第１の信号
源１３１を第１のスイッチ１３５を介して接続する。同
様に第２の偏光制御用液晶セル３０３には、第２の信号
源１３３を第２のスイッチ１３７を介して接続する。図
１では理解しやすくするため、偏光制御用液晶セルへの
信号電圧Ｖ２の印加、小バイアスＶ１印加の制御をそれ
ぞれ第１のスイッチ１３５と第２のスイッチ１３７のオ
ンとオフに対応させて説明するが、実際はスイッチの代
りに信号源をトランジスタやダイオードまたはＩＣを用
いて電子的に制御することは言うまでもない。また、図
には明示しないが残留複屈折補償用液晶セルにも常時電
圧Ｖｃを印加する外部電源を接続する。

【００５２】本発明の偏光制御型の液晶光スイッチ３２
０は、第１の偏光分離器１２１と第２の偏光分離器１２
３とで液晶偏光回転子３１７の第１の領域１４５を両側
から挟む構成とする。また、第１の全反射ミラー１２５
と第２の全反射ミラー１２７とで液晶偏光回転子３１７
の第２の領域１４７を両側から挟む構造とし、液晶光ス
イッチ３２０は、入力Ａおよび入力Ｂと出力Ｃおよび出
力Ｄを備え、２×２の光スイッチの構成とすることがで
きる。なお、前記偏向分離器と全反射ミラーの位置は図
１に示す構成に限らず、第１の領域１４５の光出射側に
全反射ミラー１２７を、第２の領域１４７の光出射側に
第２の偏向分離器１２３を配した構成としても構わな
い。この構成とすることで、本発明の液晶光スイッチ３
２０に入射する、入力Ａ，Ｂと、出力Ｃ，Ｄの全ての光
路長を同じとすることができる。

【００５３】次に本発明の液晶光スイッチ３２０の動作
について説明する。以下では、残留複屈折補償用液晶セ
ル３３１の作用が偏光制御用液晶セル３０１および３０
３の残留複屈折成分を除去するためであり、スイッチン
グ特性の動作説明には本質的でないため残留複屈折補償
用液晶セル３３１の働きを省略して説明する。はじめ
に、液晶偏光回転子３１７を構成する第１の偏光制御用
液晶セル３０１と第２の偏光制御用液晶セル３０３とに
小バイアスＶ１印加で液晶偏光回転子３１７が偏光を回
転する作用をする場合を、図１を用いて説明する。

【００５４】まず、入力Ａに第１の入力光１０１を入射
することを考える。図１には明示しないが第１の入力光
１０１は、光ファイバから出射した光をコリメータで平
行光とした光とする。第１の入力光１０１は、第１の偏
光分離器１２１に対するＰ偏光となる第１の直線偏光１
０３とＳ偏光となる第２の直線偏光１０５とに分けて考
える。以降は、Ｐ偏光を図面上、垂直か水平の矢印で示
し、Ｓ偏光を図面上、斜めの矢印で示すことにする。

【００５５】第１の偏光分離器１２１に入射した第１の
直線偏光１０３は、Ｐ偏光のため第１の偏光分離器１２
１を透過し、液晶偏光回転子３１７の第１の領域１４５
を通る第１の光路１４１に従って液晶偏光回転子３１７
中を進む。第１の直線偏光１０３は、液晶偏光回転子３
１７を構成する第１の偏光制御用液晶セル３０１と第２
の偏光制御用液晶セル３０３が小バイアスＶ１印加状態
であり、図１に図示しないが、Ｐ偏光の方位角と第１の
偏光制御用液晶セル３０１の入射側の液晶ダイレクタの
方位角とのなす角が４５°のため、第１の領域１４５を
出射したときは、方位角を９０°回転してＳ偏光とな
る。Ｓ偏光となった第１の直線偏光１０３は、第２の偏
光分離器１２３で進行方向を直角に変えて出力Ｄから出
射する。

【００５６】一方、入力Ａに入った第２の直線偏光１０
５は、Ｓ偏光のため第１の偏光分離器１２１で直角に向
きを変えて第１の全反射ミラー１２５に入射し、更に直
角に向きを変えてＳ偏光のまま液晶偏光回転子３１７の
第２の領域１４７を通る第２の光路１４３に従って液晶
偏光回転子３１７中を伝搬する。第２の直線偏光１０５
は、液晶偏光回転子３１７を構成する第１の偏光制御用
液晶セル３０１と第２の偏光制御用液晶セル３０３が小
バイアスＶ１印加状態であり、第２の領域１４７を出射
したときは、液晶偏光回転子３１７が半波長板として働
くため方位角を９０°回転してＰ偏光となる。

【００５７】第２の領域１４７を出射した第２の直線偏
光１０５は、第２の全反射ミラー１２７で直角に向きを
変え、更に第２の偏光分離器１２３では向きを変えるこ
となく透過するため、出力ＤにＰ偏光として到達する。
したがって、出力Ｄでは、第１の領域１４５を伝搬して
Ｓ偏光となった第１の直線偏光１０３と、第２の領域１
４５を伝搬してＰ偏光となった第２の直線偏光１０５と
を合成した第１の出力光１１３として出射する。第１の
出力光１１３は、図示しないが必要に応じてコリメータ
レンズを介して光ファイバと結合する。

【００５８】次に、入力Ｂに入射した第２の入力光１０
７について考える。第２の入力光１０７は、第１の偏光
分離器１２１に対するＰ偏光となる第３の直線偏光１０
９とＳ偏光となる第４の直線偏光１１１とに分けて考え
る。

【００５９】第１の偏光分離器１２１に入射した第３の
直線偏光１０９は、Ｐ偏光のため第１の偏光分離器１２
１を透過し、第１の全反射ミラー１２５で直角に向きを
変えて液晶偏光回転子３１７の第２の領域１４７を通る
第２の光路１４３に従って液晶偏光回転子３１７中を進
む。第３の直線偏光１０９は、液晶偏光回転子３１７を
構成する第１の偏光制御用液晶セル３０１と第２の偏光
制御用液晶セル３０３が小バイアスＶ１印加状態であ
り、図１に図示しないがＰ偏光の方位角と、第１の偏光
制御用液晶セル３０１における入射側の液晶ダイレクタ
の方位角との成す角が４５°のため、第２の領域１４７
を出射したときは、方位角を９０°回転してＳ偏光とな
る。Ｓ偏光となった第３の直線偏光１０９は、第２の全
反射ミラー１２７で直角に向きを変え、更に第２の偏光
分離器１２３に入射する。しかし、Ｓ偏光のため第２の
偏光分離器１２３で進行方向を直角に変えて出力Ｃから
出射する。

【００６０】一方、入力Ｂに入った第４の直線偏光１１
１は、Ｓ偏光のため第１の偏光分離器１２１で直角に向
きを変えて、Ｓ偏光のまま液晶偏光回転子３１７の第１
の領域１４５を通る第１の光路１４１に従って偏光回転
子３１７中を伝搬する。

【００６１】第４の直線偏光１１１は、液晶偏光回転子
３１７を構成する第１の偏光制御用液晶セル３０１と第
２の液晶セル３０３が小バイアスＶ１印加状態であり、
第１の領域１４５を出射したときは、液晶偏光回転子３
１７が半波長板として働くため、方位角を９０°回転し
てＰ偏光となる。第１の領域１４５を出射した第４の直
線偏光１１１は、第２の偏光分離器１２３で向きを変え
ることなく透過するため、出力ＣにＰ偏光として到達す
る。したがって、出力Ｃでは、第２の領域１４７を伝搬
してＳ偏光となった第３の直線偏光１０９と、第１の領
域１４５を伝搬してＰ偏光となった第４の直線偏光１１
１とを合成した第２の出力光１１５として出射する。第
２の出力光１１５は、図示しないが必要に応じてコリメ
ータレンズを介して光ファイバと結合する。

【００６２】次に、図１における第１の信号源１３１の
第１のスイッチ１３５と、第２の信号源１３３の第２の
スイッチ１３７とをオン状態とし、液晶偏光回転子３１
７を構成する第１の偏光制御用液晶セル３０１と第２の
偏光制御用液晶セル３０３とに十分大きな電圧Ｖ２（駆
動電圧）を印加して液晶偏光回転子３１７が偏光回転し
ない場合について説明する。

【００６３】まず、入力Ａに第１の入力光１０１を入射
することを考える。第１の入力光１０１は、第１の偏光
分離器１２１に対するＰ偏光となる第１の直線偏光１０
３とＳ偏光となる第２の直線偏光１０５とに分けて考え
る。

【００６４】第１の偏光分離器１２１に入射した第１の
直線偏光１０３は、Ｐ偏光のため第１の偏光分離器１２
１を透過し、液晶偏光回転子３１７の第１の領域１４５
を通る第１の光路１４１に従って液晶偏光回転子３１７
中を進む。第１の直線偏光１０３は、液晶偏光回転子３
１７を構成する第１の偏光制御用液晶セル３０１と第２
の偏光制御用液晶セル３０３が駆動電圧Ｖ２の印加状態
であり、液晶偏光回転子３１７では方位角の回転が起こ
らないため、第１の領域１４５を出射したときもＰ偏光
のままである。したがって、第１の直線偏光１０３は、
第２の偏光分離器１２３をそのまま透過して出力Ｃから
出射する。

【００６５】一方、入力Ａに入った第２の直線偏光１０
５は、Ｓ偏光のため第１の偏光分離器１２１で直角に向
きを変えて第１の全反射ミラー１２５に入射し、更に直
角に向きを変えてＳ偏光のまま液晶偏光回転子３１７の
第２の領域１４７を通る第２の光路１４３に従って液晶
偏光回転子３１７中を伝搬する。

【００６６】第２の直線偏光１０５は、液晶偏光回転子
３１７を構成する第１の偏光制御用液晶セル３０１と第
２の偏光制御用液晶セル３０３が駆動電圧Ｖ２印加状態
であり、第２の領域１４７を出射したときも、偏光状態
を変えずにＳ偏光のままである。したがって、第２の領
域１４７を出射した第２の直線偏光１０５は、第２の全
反射ミラー１２７で直角に向きを変え、更に第２の偏光
分離器１２３で直角に向きを変えて、出力ＣにＳ偏光の
まま到達する。したがって、出力Ｃでは、第１の領域１
４５を伝搬してＰ偏光である第１の直線偏光１０３と、
第２の領域１４７を伝搬してＳ偏光である第２の直線偏
光１０５とを合成した第２の出力光１１５として出射す
る。第２の出力光１１５は、図示しないが必要に応じて
コリメータレンズを介して光ファイバと結合する。

【００６７】次に、入力Ｂに入射した第２の入力光１０
７について考える。第２の入力光１０７は、第１の偏光
分離器１２１に対するＰ偏光となる第３の直線偏光１０
９とＳ偏光となる第４の直線偏光１１１とに分けて考え
る。第１の偏光分離器１２１に入射した第３の直線偏光
１０９は、Ｐ偏光のため第１の偏光分離器１２１を透過
し、第１の全反射ミラー１２５で直角に向きを変えて液
晶偏光回転子３１７の第２の領域１４７を通る第２の光
路１４３に従って液晶偏光回転子３１７中を進む。

【００６８】第３の直線偏光１０９は、液晶偏光回転子
３１７を構成する第１の偏光制御用液晶セル３０１と第
２の偏光制御用液晶セル３０３が駆動電圧Ｖ２印加状態
であり、偏光回転機能を消失しているため、第２の領域
１４７を出射したときもＰ偏光を維持している。第２の
領域１４７を出射した第３の直線偏光１０９は、第２の
全反射ミラー１２７で直角に向きを変え、次に第２の偏
光分離器１２３に入射する。しかし、Ｐ偏光のため第２
の偏光分離機１２３をそのまま透過して出力Ｄから出射
する。

【００６９】一方、入力Ｂに入った第４の直線偏光１１
１は、Ｓ偏光のため第１の偏光分離器１２１で直角に向
きを変えて、Ｓ偏光のまま液晶偏光回転子３１７の第１
の領域１４５を通る第１の光路１４１に従って液晶偏光
回転子３１７中を伝搬する。第４の直線偏光１１１は、
液晶偏光回転子３１７を構成する第１の偏光制御用液晶
セル３０１と第２の偏光制御用液晶セル３０３が駆動電
圧Ｖ２印加状態であり、偏光回転機能を消失しているた
め、第１の領域１４５を出射したときもＳ偏光を維持す
る。第１の領域１４５を出射した第４の直線偏光１１１
は、第２の偏光分離器１２３で直角に向きを変えて出力
ＤにＳ偏光として到達する。したがって出力Ｄでは、第
２の領域１４７を伝搬したＰ偏光の第３の直線偏光１０
９と、第１の領域１４５を伝搬したＳ偏光の第４の直線
偏光１１１とを合成した第１の出力光１１３として出射
する。第１の出力光１１３は、図示しないが必要に応じ
てコリメータレンズを介して光ファイバと結合する。

【００７０】以上の説明から明らかなように、入力Ａに
入射した第１の入力光１０１は、液晶偏光回転子３１７
を構成する第１の偏光制御用液晶セル３０１と第２の偏
光制御用液晶セル３０３とに小バイアスＶ１を印加する
場合、第１の出力光１１３として出力Ｄから出射する。
また、入力Ａに入射した第１の入力光１０１は、液晶偏
光回転子３１７を構成する第１の偏光制御用液晶セル３
０１と第２の偏光制御用液晶セル３０３とに駆動電圧Ｖ
２を印加して液晶偏光回転子３１７が偏光回転機能を消
失した場合、第２の出力光１１５として出力Ｃから出射
する。すなわち第１の入力光１０１は、偏光制御用液晶
セル３０１、３０３への電圧がＶ１かＶ２かにより異な
る出力Ｃと出力Ｄからの出力光となる。

【００７１】また、入力Ｂに入射した第２の入力光１０
７は、液晶偏光回転子３１７を構成する第１の偏光制御
用液晶セル３０１と第２の偏光制御用液晶セル３０３と
に小バイアスＶ１を印加する場合、第２の出力光１１５
として出力Ｃから出射する。また、入力Ｂに入射した第
２の入力光１０７は、液晶偏光回転子３１７を構成する
第１の偏光制御用液晶セル３０１と第２の偏光制御用液
晶セル３０３とに駆動電圧Ｖ２を印加して液晶偏光回転
子３１７が偏光回転機能を消失した場合、第２の出力光
１１５として出力Ｃから出射する。すなわち第１の入力
光１０１は、偏光制御用液晶セル３０１、３０３への電
圧がＶ１かＶ２かにより異なる出力Ｄと出力Ｃからの出
力光となる。

【００７２】以上の説明から、本発明の液晶光スイッチ
３２０は、２×２の光スイッチとして動作することがわ
かる。また、図１に示した、第１の入力光１０１か第２
の入力光１０７の片方だけを使えば１×２の光スイッチ
として使用できることは言うまでもない。

【００７３】（実施例２）次に本発明の液晶光スイッチ
３２０の入力光が、初めから直線偏光である場合の動作
について説明する。まず、液晶偏光回転子３１７を構成
する第１の偏光制御用液晶セル３０１と第２の偏光制御
用液晶セル３０３とに小バイアスＶ１を印加して液晶偏
光回転子３１７が偏光を回転する場合について、図７を
用いて説明する。図７では、図１と同一構成要素には同
一符号をつけている。

【００７４】まず、入力Ａに第１の入力光１０１を入射
することを考える。図７には明示しないが第１の入力光
１０１および後述する第２の入力光１０７は、偏波保存
光ファイバから出射した光をコリメータで平行光とした
光で良い。第１の入力光１０１は、第１の偏光分離器１
２１に対するＰ偏光となる第１の直線偏光１０３だけか
らなる偏光成分とする。

【００７５】第１の偏光分離器１２１に入射した第１の
直線偏光１０３は、Ｐ偏光のため第１の偏光分離器１２
１を透過して、液晶偏光回転子３１７の第１の領域１４
５を通る第１の光路１４１に従って液晶偏光回転子３１
７中を進む。第１の直線偏光１０３は、液晶偏光回転子
３１７を構成する第１の偏光制御用液晶セル３０１と第
２の偏光制御用液晶セル３０３が小バイアス印加Ｖ１状
態であり、図７には図示しないがＰ偏光の方位角と第１
の液晶セル３０１の入射側の液晶ダイレクタの方位角と
の成す角が４５°のため、第１の領域１４５を出射した
ときは、方位角を９０°回転してＳ偏光となる。第１の
入力光１０１であるＳ偏光となった第１の直線偏光１０
３は、第２の偏光分離器１２３で進行方向を直角に変え
て出力Ｄから第１の出力光１１３として出射する。第１
の出力光１１３は、図示しないが必要に応じてコリメー
タレンズを介して光ファイバと結合する。

【００７６】次に、入力Ｂに入射した第２の入力光１０
７について考える。第２の入力光１０７は、第１の偏光
分離器１２１に対するＳ偏光となる方位角の第４の直線
偏光１１１であるとする。入力Ｂに入った第４の直線偏
光１１１は、Ｓ偏光のため第１の偏光分離器１２１で直
角に向きを変えて、Ｓ偏光のまま液晶偏光回転子３１７
の第１の領域１４５を通る第１の光路１４１に従って液
晶偏光回転子３１７中を伝搬する。

【００７７】第４の直線偏光１１１は、液晶偏光回転子
３１７を構成する第１の偏光制御用液晶セル３０１と第
２の偏光制御用液晶セル３０３が小バイアスＶ１印加状
態であり、第１の領域１４５を出射したときは、液晶偏
光回転子３１７が半波長板として働くため、方位角を９
０°回転してＰ偏光となる。第１の領域１４５を出射し
た第２の入力光１０７である第４の直線偏光１１１は、
第２の偏光分離器１２３で向きを変えることなく透過す
るため、出力ＣにＰ偏光として到達する。したがって出
力Ｃでは、第２の出力光１１５として出射する。第２の
出力光１１５は、図示しないが必要に応じてコリメータ
レンズを介して光ファイバと結合する。

【００７８】ここで、液晶偏光回転子３１７を構成する
第１の偏光制御用液晶セル３０１と第２の偏光制御用液
晶セル３０３とにそれぞれ第１の信号源１３１および第
２の信号源１３３を配し、第１のスイッチ１３５と第２
のスイッチ１３７を入れることで、各液晶セルに所定の
駆動電圧Ｖ２を印加する場合を考える。この場合、液晶
偏光回転子３１７は、入射偏光の方位角を９０°回転す
る作用を消失する。したがって、第１の入力光１０１は
出力Ｃに第２の出力光１１５として出射し、第２の入力
光１０７は出力Ｄに第１の出力光１１３として出射す
る。

【００７９】以上の説明から、本発明の液晶光スイッチ
３２０は、液晶偏光回転子３１７への駆動電圧Ｖ２印加
および小バイアスＶ１印加の切り替えにより出力先を選
択できる２×２の光スイッチとして動作することがわか
る。また、図７に示した第１の偏光分離器１２１を使用
せずに、Ｐ偏光またはＳ偏光の第１の入力光１０１か第
２の入力光１０７のどちらか片方だけが第１の領域１４
５に入射するようにすれば、１×２の光スイッチとして
使用できることは言うまでもない。

【００８０】（実施例３）次に本発明の偏光制御型の液
晶光スイッチ３２０を可変光減衰器として用いる場合の
構成と、その駆動方法について説明する。本構成におけ
る液晶偏向回転子は、実施例１と同じで、第１、第２の
スイッチ１３５，１３７構成と駆動方法のみが異なる。
その一具体例について説明する。

【００８１】例えば、図１で入力を入力Ａに第１の入力
光１０１だけを入射するとし、出力とし出力Ｄから出射
する第１の出力光１１３だけを考える。次に第１のスイ
ッチ１３５と第２のスイッチ１３７とをそれぞれ短絡状
態にして、第１の偏光制御用液晶セル３０１に第１の信
号源１３１を、第２の偏光制御用液晶セル３０３に第２
の信号源１３３をそれぞれ接続する。このとき、第１の
信号源１３１と第２の信号源１３３における出力の振幅
またはパルス幅を変えるなどして、偏光制御用液晶セル
３０１，３０３に印加する電圧実効値をアナログ的に変
えていくことを考える。

【００８２】このとき、液晶偏光回転子３１７の第１の
領域１４５と第２の領域１４７を出射する光は、液晶偏
光回転子３１７が偏光制御用液晶セル３０１，３０３の
変調印加電圧に応じて、偏光回転機能をアナログ的に消
失するため、一般にはその出射する光は楕円偏光とな
る。このため、出力Ｄへ出射する第１の出力光１１３
は、強度変調を受けることになるため、第１の信号源１
３１と第２の信号源１３３の出力の実効値に応じて連続
的に出力光強度を任意に制御することが可能となる。し
たがって、本実施例の構成で、偏光制御型液晶光スイッ
チ３２０を可変光減衰器として使用することができる。

【００８３】なお、液晶偏光回転子３１７から出射され
る楕円偏光を一度直線偏光に変換する作用をおこなう、
１／４波長板を液晶偏光回転子３１７の後に１／４波長
板のｃ軸が偏光制御用液晶セル３０１および３０３のダ
イレクタと４５度かまたはその奇数倍の方位角を持つよ
うに挿入しても良い。この場合、液晶偏光回転子３１７
で発生する位相変調量に対する出力光強度の変化特性の
直線性を改善する事ができる。

【００８４】（実施例４）本発明の液晶を用いた偏光制
御型光スイッチをアレイ化する場合の構成について図６
を用いて説明する。図６は、アレイ化した液晶セルを用
いた偏光制御型の液晶光スイッチの構成を示す図であ
る。

【００８５】アレイ化する場合は、複数のセルからなる
液晶偏光回転子３１７をアレイの数に面内で分割して構
成する。その具体的な分割方法は図６には図示していな
いが、液晶偏光回転子３１７を構成する偏光制御用液晶
セルの透明電極を所定の領域に電極面内で分割して、複
数の液晶偏光回転素子部を構成し、その複数に分割され
た液晶偏向回転素子部をそれぞれ任意に制御することで
実現する。図６では、液晶偏光回転子３１７を第１の液
晶偏光回転素子部６２１と、第２の液晶偏光回転素子部
６２３とに２分割する場合を示す。

【００８６】図６に示すように、第１の複合プリズム部
６３１を第１の偏光分離器１２１と第１の全反射ミラー
１２５により構成し、第２の複合プリズム部６３３を第
２の偏光分離器１２３と第２の全反射ミラー１２７によ
り構成する。アレイ化偏光制御型光スイッチは、前述の
通り、分割された複数の液晶偏向回転素子部を有する液
晶偏光回転子３１７を、第１の複合プリズム部６３１と
第２の複合プリズム部６３３との間に配置することで構
成する。図６では、２×２素子を２つ配置したアレイ化
素子を示す。第１の液晶偏光回転素子部６２１では、第
１Ａの入力６０１と第１Ｂの入力６０３からの入射光を
制御し、第１Ｃの出力６１１および第１Ｄの出力６１３
から出射するようにする。また、第２の液晶偏光回転素
子部６２３では、第２Ａの入力６０５と第２Ｂの入力６
０７からの入射光を制御し、第２Ｃの出力６１５および
第２Ｄの出力６１７から出射するようにする。

【００８７】図６では、簡単のため液晶偏光回転子３１
７を２分割した１次元２アレイ構成の場合を示したが、
アレイ化は上記と同様な手法で２次元面内に展開するこ
とが可能なので、１次元２アレイには限定しないことは
言うまでもない。

【００８８】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
の液晶光スイッチとその駆動方法では、単純な構成で簡
便な駆動方法により可変光減衰器としても利用可能で高
機能な光スイッチを実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１または３における、偏光制御
型または可変光減衰器として用いた場合の液晶光スイッ
チの装置構成を示す模式図である。

【図２】本発明の実施形態における偏光制御型の液晶光
スイッチの液晶偏光回転子を構成する液晶セルの構造を
示す模式断面図である。

【図３】本発明の実施形態における偏光制御型の液晶光
スイッチの液晶偏光回転子の構造を示す模式図である。

【図４】本発明の実施形態における偏光制御型の液晶光
スイッチの液晶偏光回転子を構成する偏光制御用液晶セ
ルの各基板界面での液晶ダイレクタの方位角を説明する
ための平面図である。

【図５】本発明の実施形態における偏光制御型の液晶光
スイッチの液晶偏光回転子を構成する複屈折補償用液晶
セルの基板界面での液晶ダイレクタの方位角を説明する
ための平面図である。

【図６】本発明の実施例４における、偏光制御型の液晶
光スイッチをアレイ化したときの構成を示す模式図であ
る。

【図７】本発明の実施例２における、入射光が直線偏光
に限定できる場合の偏光制御型の液晶光スイッチ構成を
示す模式断面図である。

【図８】偏光制御型の液晶光スイッチに用いる液晶セル
に、ＴＮ型を用いた場合と半波長板型を用いた場合との
アイソレーション特性の波長依存性を比較するためのグ
ラフである。

【図９】偏光制御型の液晶光スイッチに用いる液晶セル
の駆動電圧―リターデーション特性を示すグラフであ
る。

【符号の説明】

１０１ 第１の入力光 １０３ 第１の直線偏光 １０５ 第２の直線偏光 １０７ 第２の入力光 １０９ 第３の直線偏光 １１１ 第４の直線偏光 １１３ 第１の出力光 １１５ 第２の出力光 １２１ 第１の偏光分離器 １２３ 第２の偏光分離器 １２５ 第１の全反射ミラー １２７ 第２の全反射ミラー １３１ 第１の信号源 １３３ 第２の信号源 １４１ 第１の光路 １４３ 第２の光路 １４５ 第１の領域 １４７ 第２の領域 ３０１ 第１の偏光制御用液晶セル ３０３ 第２の偏光制御用液晶セル ３１７ 液晶偏光回転子 ３２０ 液晶光スイッチ ３３１ 残留複屈折補償用液晶セル

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｇ０２Ｆ 1/1347 Ｇ０２Ｆ 1/1347 ２Ｋ００２ 1/139 1/139 1/31 1/31 Ｆターム(参考） 2H049 BA05 BA06 BA08 BA42 BB03 BC25 2H088 EA40 EA45 EA47 GA02 HA02 HA06 HA18 HA21 HA23 JA04 KA02 KA07 KA14 KA30 LA06 LA07 MA02 MA10 2H089 HA21 HA25 HA32 QA16 RA04 SA04 SA17 TA07 TA15 TA17 UA09 2H091 FA07Z FA14Z FA21Z GA02 GA11 KA02 KA04 KA05 LA17 LA30 MA10 2H093 NA25 NA53 ND32 NE06 NF04 NG11 2K002 AA02 AB05 BA06 CA14 DA14 GA02 HA04

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数の偏光制御用液晶セルと、その複数
   の偏光制御用液晶セルの間または外側のいずれかの位置
   に配した少なくとも１枚の残留複屈折補償用液晶セルを
   含む液晶偏光回転子を備え、前記複数の偏光制御用液晶
   セルは、一対の基板で狭持された液晶層をアンチパラレ
   ルまたはパラレルのいずれかに統一して配向させ、前記
   複数の偏光制御用液晶セルのセル厚と該液晶層のリタデ
   ーションの比をほぼ等しくし、且つ前記一対の基板に接
   するそれぞれの液晶ダイレクタ方位角をほぼ等しくした
   セルであり、前記残留複屈折補償用液晶セルは、一対の
   基板で狭持された液晶層をアンチパラレルまたはパラレ
   ルのいずれかに配向させたセルであり、さらに前記残留
   複屈折補償用液晶セルと前記偏光制御用液晶セルのそれ
   ぞれの液晶ダイレクタ方位角がほぼ直交となるように配
   したことを特徴とする液晶光スイッチ。
2. 【請求項２】 前記液晶偏光回転子は、その液晶偏光回
   転子へ入射する所定の波長に対し半波長板として動作す
   ることを特徴とする請求項１に記載の液晶光スイッチ。
3. 【請求項３】 前記複数の偏光制御用液晶セルはｎ個で
   構成されており、各液晶セルにおける液晶層のリタデー
   ションが、前記所定の波長に対し１／２ｎ波長条件であ
   ることを特徴とする請求項２に記載の液晶光スイッチ。
4. 【請求項４】 前記液晶偏光回転子の光入射側と光出射
   側に、偏光分離器を設けたことを特徴とする請求項１か
   ら３のいずれか一に記載の液晶光スイッチ。
5. 【請求項５】 前記液晶偏光回転子の光入射側と光出射
   側に、偏光分離器と全反射ミラーを設けたことを特徴と
   する請求項１から３のいずれか一に記載の液晶光スイッ
   チ。
6. 【請求項６】 前記各偏光制御用液晶セルの電極を任意
   の数に分割して、それぞれ別々に制御が可能な複数の液
   晶偏光回転素子部を偏光制御用液晶セルに設けたことを
   特徴とする請求項１から５のいずれか一に記載の液晶光
   スイッチ。
7. 【請求項７】 前記残留複屈折補償用液晶セルのリタデ
   ーションが、前記偏光制御用液晶セルの電極にオン電圧
   を印加した際に発生する残留複屈折成分よりも少なくと
   も大きいことを特徴とする請求項１から６のいずれか一
   に記載の液晶光スイッチ。
8. 【請求項８】 請求項１から７のいずれか一に記載の液
   晶光スイッチの駆動方法において、前記複数の偏光制御
   用液晶セルに印加する所定の駆動波形の実効値をアナロ
   グ変調し、連続的に偏光回転量および入射光の楕円偏光
   を制御することを特徴とする液晶光スイッチの駆動方
   法。