JP2003295152A - 液晶光スイッチ - Google Patents

液晶光スイッチ

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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】 少なくとも１枚の偏光制御用液晶セルを
含む液晶偏光回転子を備え、偏光回転動作時に前記液晶
偏光回転子へ入射する所定の波長の直線偏光に対し半波
長板として動作する液晶光スイッチにおいて、前記液晶
偏光回転子が半波長板条件を満たすときの中心波長をシ
フトして所定の波長でクロストーク減衰量を最大にする
よう可変できる構成とした。

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クロストーク減衰量を大き
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。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ＴＮ型液晶の代表的な応用例である今日の高速応答
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３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。
【０００３】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。
【０００４】
【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。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。
【０００５】また、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５
０ｍ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。
【０００６】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。
【０００７】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３倍程度高速になり、約６
０ｍ秒が得られるがＴＮ型液晶セルを用いた場合より、
クロストーク減衰量を大きく出来る波長の帯域が狭くな
ってしまうという問題があった。
【０００８】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、単純な構造を有し、
高速で広帯域であり、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の構成法を提供することである。
【０００９】
【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。
【００１０】すなわち、少なくとも１枚の偏光制御用液
晶セルを含む液晶偏光回転子を備え、偏光回転動作時に
前記液晶偏光回転子へ入射する所定の波長の直線偏光に
対し前記液晶偏光回転子が半波長板として動作する液晶
光スイッチにおいて、前記液晶偏光回転子は、前記偏光
制御用液晶セルにより前記半波長板として動作するとき
の中心波長を可変とする機能と、さらにクロストーク減
衰量を最大に保つ機能を有する構成とすることである。
【００１１】また、第２の手段は、前記偏光制御用液晶
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たセル
とすることであり、第３の手段は、前記液晶偏光回転子
は、少なくとも１枚の偏光制御用液晶セルと、その偏光
制御用液晶セルを通る光路上の位置に、前記クロストー
ク減衰量を最大に保つための少なくとも１つの残留複屈
折補償手段を配置した構成とすることであり、第４の手
段は、前記残留複屈折補償手段は、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
に配向させた残留複屈折補償用液晶セルであり、その残
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
配した構成とすることであり、第５の手段は、前記残留
複屈折補償手段は、水晶板または異方性フィルムからな
る残留複屈折補償用波長板であり、その残留複屈折補償
用波長板のｃ軸が前記偏光制御用液晶セルのダイレクタ
と直交するように配置した構成とすることである。
【００１２】〔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理想
的には２枚以上の複数の偏光制御用液晶セルを多段に配
置し、さらに理想的には位相を補正するための残留複屈
折補償手段である、少なくとも１枚以上の残留複屈折補
償用波長板または液晶セルを光路に挿入した構造であ
る。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は、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
液晶セルを採用する場合、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補償用
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。
【００１３】まず、透過型液晶セルで液晶偏光回転子を
構成する場合を例に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。
【００１４】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し
ても良い。この場合、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Δｎｔ・ｄｔ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Δｎc
・ｄc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））＋（Δｎc／Δｎ（Ｖ1））ｄc （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、ｄc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Δｎcはいつも正の値である。
【００１５】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。
【００１６】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
目の偏光制御用液晶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。
【００１７】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
ｎt・ｄt）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。
【００１８】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板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 ｄ2 に比例する ことが知られている。例えば、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２０ｍ
秒以下にすることが容易となる。
【００１９】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
補償用波長板または残留複屈折補償用液晶セルにより、
等価的に液晶偏光回転子のリターデーションを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。
【００２０】また、液晶偏光回転子を構成する偏光制御
用液晶セルはアンチパラレルやパラレル配向などの平行
配向セルを用いるため、半波長板条件となる波長を印加
電圧制御により変化させることができ、さらにその液晶
偏光回転子に入射する光の所定の波長において、もっと
もクロストーク減衰を大きくすることが可能となる。し
たがって、使用波長に応じて半波長板条件を最適にする
設計を採用すれば、見かけ上の光スイッチとして使用可
能なバンド幅を広くとることができる。
【００２１】以上の説明で明らかなように、本発明の液
晶光スイッチでは、単純な構成で簡便な駆動方法により
高速・広帯域で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。
【００２２】
【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の構成と
その駆動方法を説明する。
【００２３】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である。
【００２４】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。
【００２５】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（Ｔａ2
Ｏ5）や二酸化シリコン（ＳｉＯ2）などの透明絶縁膜を
配向層２１７の下に形成しても良い。
【００２６】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。ここでは、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酸素濃
度の高い高抵抗のＩＴＯを用いた。また、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（ＳｎＯ2）、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。
【００２７】さらに、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。
【００２８】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を模式的に示す図である。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３０１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３３１は第５のガ
ラス基板３２７と第６のガラス基板３２９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３０１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３３１は、図２で説明
した液晶セル２２０と同じ構成とする。
【００２９】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。
【００３０】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。
【００３１】次に各界面３０９，３１１，３１３，３１
５，３３３，３３５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、図５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α1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３
１３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３０３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。
【００３２】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。
【００３３】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ｄkと
おいたとき、 ｄ＝ｄ1＋ｄ2＋．．．ｄk （４） となる。使用する液晶材料の異常光屈折率をｎe、常光
屈折率をｎo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、 δｎeff=(sin2θ／ｎo 2＋cos2θ／ｎe2)-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
ｎeff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ｎeff（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。 ｎeff（Ｖ）＝∫δｎeffｄｚ（∫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）＝ｎeff（Ｖ）−ｎo （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ｄtは、前
記（３）式 ｄt＝λ／（２・Δｎ（Ｖ1））＋（Δｎc／Δｎ（Ｖ1））ｄc を満たすようにする。ここで、Δｎc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、ｄcは残留
複屈折補償用液晶セルの厚さである。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 Liqu
id Crystal Displays, Wiley, 1999）
【００３４】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αk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 ．．． α2k-1＝α2k 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。
【００３５】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
ｄt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ｄcpを足し
たものと考えることが出来、前述の（３）式と同じ、 ｄt＝ｄ0＋ｄcp ＝λ／（２・Δｎ（Ｖ1））＋（Δｎc／Δｎ（Ｖ1））ｄc となる。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Δｎc・ｄc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ｄtと見かけ上の全複屈
折ｎt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Δｎc・ｄcはλ／１４である。
【００３６】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＝ｄ2＝
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３１７を
常時半波長板として動作することに役立つ。
【００３７】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。中心波長１
５５０ｎｍ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Ｖ1印加時は、液晶偏光回
転子３１７全体のリターデーションΔｎt・ｄtを１．５
５[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、Δｎ
（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／１
４で約０．１１１[μｍ]であり、セル厚ｄc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。
【００３８】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と残留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。
【００３９】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。図８
は、図４における出射直線偏光４１３に直交する漏れ光
成分の波長依存性を説明するための図面である。なお、
図８における符号８０３は、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のアイソレ
ーション特性を示し、符号８０１は、従来技術の１ｓｔ
ミニマム条件で作製した９０°ＴＮ型偏光回転子特性の
アイソレーション特性を示す。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、所定の波長の半波長板条件から使用
波長が離れるに従って、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。
【００４０】実用的に考えてアイソレーションが−３０
ｄＢ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−３０
ｄＢ範囲８１３は、約６０[ｎｍ]と約３／４とすること
ができる。また、本発明の半波長板型の液晶偏光回転子
では、偏光制御用液晶セルに印加するバイアスの値を可
変することで、クロストークアッテネーションが最大と
なる中心波長がシフトする。このため、光スイッチとし
て適用できる使用可能帯域を大幅に広げる事が可能とな
る。その一例を下記に示す。例えば、偏光制御用液晶セ
ルに印加する小バイアスを１．８[Ｖ]から１．８５[Ｖ]
に変更すると特性はシフト後の液晶偏光回転子特性８０
５となり、クロストークアッテネーションが最大となる
中心波長を１５５０[ｎｍ]から、１５２９[ｎｍ]にシフ
トさせることができる。さらに、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を従来技術の９０
°ＴＮ型偏光回転子と比較して、およそ１／３1/2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。
【００４１】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に十
分大きな所定の電圧Ｖ2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
した残留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０．１１１[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０．０５
５[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３０１，３０３には、図９より印加電圧Ｖ
2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。
【００４２】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３０２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。
【００４３】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（本実施例では小バイアス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を可能
とし、さらに応答時間を短縮することが可能となる。
【００４４】なお、以上の説明では、液晶偏光回転子３
１７の偏光非回転時の残留複屈折補償を残留複屈折補償
用液晶セル３３１で補償する構成を説明したが、残留複
屈折補償用液晶セル３３１の代りに所定のリターデーシ
ョンを有する水晶や異方性フィルムからなる波長板を挿
入しても良い。ここでは、前記波長板のｃ軸は偏光制御
用液晶セル３０１および３０３のダイレクタと直交する
ように配置する。この場合、液晶偏光回転子３１７で発
生する残留複屈折を広い波長範囲にわたって補償するこ
とは難しいが用途によっては簡易的な残留複屈折補償法
として適用可能である。
【００４５】（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。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３０３および残留複屈折補償用液晶セル３３
１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。
【００４６】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。
【００４７】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。
【００４８】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。
【００４９】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。
【００５０】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。
【００５１】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。
【００５２】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。
【００５３】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。
【００５４】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。
【００５５】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１
４７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１１１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。
【００５６】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。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１０３とＳ偏光となる第２の直線偏光１０５
とに分けて考える。
【００５７】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。
【００５８】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。
【００５９】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。
【００６０】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。
【００６１】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。
【００６２】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。
【００６３】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。
【００６４】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。
【００６５】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。
【００６６】（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。まず、入力Ａに第１の入力光１０
１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１２１に対するＰ偏光となる第１の直線偏光１０
３だけからなる偏光成分とする。
【００６７】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。
【００６８】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。
【００６９】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。
【００７０】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。
【００７１】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。
【００７２】（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。
【００７３】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。
【００７４】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。
【００７５】（実施例４）次に、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。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６
２３とに２分割する場合を示す。
【００７６】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。
【００７７】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。
【００７８】
【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
の液晶光スイッチにより、単純な構成で可変光減衰器と
しても利用可能な高機能な光スイッチを実現できる。
【００７９】つまり、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。
【００８０】また、本発明の構成を適用すれば、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
可能となり、半波長板条件となる波長を印加電圧制御に
より変化させるとともに、その液晶偏光回転子に入射す
る光の所定の波長において、もっともクロストーク減衰
を大きくすることが可能となる。したがって、使用波長
に応じて半波長板条件を最適にする設計を採用すれば、
見かけ上の光スイッチとして使用可能なバンド幅を広く
とることができる。
【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

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 少なくとも１枚の偏光制御用液晶セルを
    含む液晶偏光回転子を備え、偏光回転動作時に前記液晶
    偏光回転子へ入射する所定の波長の直線偏光に対し前記
    液晶偏光回転子が半波長板として動作する液晶光スイッ
    チにおいて、前記液晶偏光回転子は、前記偏光制御用液
    晶セルにより前記半波長板として動作するときの中心波
    長を可変とする機能と、さらにクロストーク減衰量を最
    大に保つ機能を有することを特徴とする液晶光スイッ
    チ。
  2. 【請求項２】 前記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たセルであることを特徴と
    する請求項１に記載の液晶光スイッチ。
  3. 【請求項３】 前記液晶偏光回転子は、少なくとも１枚
    の偏光制御用液晶セルと、その偏光制御用液晶セルを通
    る光路上の位置に、前記クロストーク減衰量を最大に保
    つための少なくとも１つの残留複屈折補償手段を配置し
    た構成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】 前記残留複屈折補償手段は、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た残留複屈折補償用液晶セ
    ルであり、その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請求項３に記
    載の液晶光スイッチ。
  5. 【請求項５】 前記残留複屈折補償手段は、水晶板また
    は異方性フィルムからなる残留複屈折補償用波長板であ
    り、その残留複屈折補償用波長板のｃ軸が前記偏光制御
    用液晶セルのダイレクタと直交するように配置したこと
    を特徴とする請求項３に記載の液晶光スイッチ。
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