JP2868774B2 - 強誘電性液晶を使用する電気光学スイッチング装置 - Google Patents
強誘電性液晶を使用する電気光学スイッチング装置Info
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- G02F1/139—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour based on liquid crystals, e.g. single liquid crystal display cells characterised by the electro-optical or magneto-optical effect, e.g. field-induced phase transition, orientation effect, guest-host interaction or dynamic scattering based on orientation effects in which the liquid crystal remains transparent
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Description
【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、液晶電気−光学スイッチング装置に関する
ものであり、特に強誘電性液晶を使用する電気−光学ス
イッチング装置に関するものである。
ものであり、特に強誘電性液晶を使用する電気−光学ス
イッチング装置に関するものである。
［従来の技術］ 光線（赤外線、可視光線および紫外線スペクトル領域
内の電磁放射線）の処理は重要な情報処理技術になりつ
つある。集積光学回路の構造および光ファイバに沿った
情報の伝達は特に光の情報伝達能力を開発するためには
魅力的な手段である。様々な装置、特に強度変調光の生
成および検出のための装置がファイバおよび集積光学シ
ステムのために開発された。しかしながら、完全な光学
システムの開発は電気信号の供給による入射光線の処理
のために適切な電気一光学（EO）スイッチが得られない
ために遅らされてきた。従来技術のEOスイッチは光の強
度、偏光、あるいは方向が電気的に制御されるような任
意の材料からできており、液晶（LC）は分子方向および
屈折率が供給された電界によって容易に制御できるため
に改良された光制御特性を示す液晶電気一光学スイッチ
装置の開発に有効であると考えられている。
内の電磁放射線）の処理は重要な情報処理技術になりつ
つある。集積光学回路の構造および光ファイバに沿った
情報の伝達は特に光の情報伝達能力を開発するためには
魅力的な手段である。様々な装置、特に強度変調光の生
成および検出のための装置がファイバおよび集積光学シ
ステムのために開発された。しかしながら、完全な光学
システムの開発は電気信号の供給による入射光線の処理
のために適切な電気一光学（EO）スイッチが得られない
ために遅らされてきた。従来技術のEOスイッチは光の強
度、偏光、あるいは方向が電気的に制御されるような任
意の材料からできており、液晶（LC）は分子方向および
屈折率が供給された電界によって容易に制御できるため
に改良された光制御特性を示す液晶電気一光学スイッチ
装置の開発に有効であると考えられている。
これらの従来技術の電気一光学スイッチング装置は以
下に記述されるようにネマティックおよびキラルスメク
ティック液晶位相における様々な電気的に誘発された分
子再配向効果を利用している。
下に記述されるようにネマティックおよびキラルスメク
ティック液晶位相における様々な電気的に誘発された分
子再配向効果を利用している。
LC中の電気一光学効果は分子配列から生じるLC位相の
電気および光学異方性から生じる。ネマティック液晶
（以下ネマティックと呼ぶ）において、分子はそれらの
平均対称軸が局部的に共通の方向に平行であるような方
向をとる傾向にある。この方向は配向ベクトル↑ｎを定
める（↑はベクトルを表す。すなわち↑ｎはｎのベクト
ルたである。その符号、すなわち↑ｎと−↑ｎとには物
理的意味はなく、同じ物理状態を記述しており、また、
↑ｎは線分として表わされることに注意しなければなら
ない。）。この方向性を除いては、ネマティックは通常
の液体と非常に似ている。この方向性の結果としてネマ
ティックの誘電性特質の異方性が生じる。すなわち、ネ
マティック内の電界と変位電界との間には線形関係↑Ｄ
＝ε↑Ｅが存在し、誘電定数εは２次のテンソルであ
る。これは外部から供給された電界中のネマティックの
フリーエネルギをその配向ベクトルの方向に依存させ
る。もしも配向ベクトルを制限するものが他にないなら
ば、ネマティックの電気フリーエネルギを最小にする方
向へ回転する。誘電体異方性が光周波数へ広がるので、
この電気的に誘起された再配向は実際の光変調装置にお
いて開発される電気一光学効果を生じる。
電気および光学異方性から生じる。ネマティック液晶
（以下ネマティックと呼ぶ）において、分子はそれらの
平均対称軸が局部的に共通の方向に平行であるような方
向をとる傾向にある。この方向は配向ベクトル↑ｎを定
める（↑はベクトルを表す。すなわち↑ｎはｎのベクト
ルたである。その符号、すなわち↑ｎと−↑ｎとには物
理的意味はなく、同じ物理状態を記述しており、また、
↑ｎは線分として表わされることに注意しなければなら
ない。）。この方向性を除いては、ネマティックは通常
の液体と非常に似ている。この方向性の結果としてネマ
ティックの誘電性特質の異方性が生じる。すなわち、ネ
マティック内の電界と変位電界との間には線形関係↑Ｄ
＝ε↑Ｅが存在し、誘電定数εは２次のテンソルであ
る。これは外部から供給された電界中のネマティックの
フリーエネルギをその配向ベクトルの方向に依存させ
る。もしも配向ベクトルを制限するものが他にないなら
ば、ネマティックの電気フリーエネルギを最小にする方
向へ回転する。誘電体異方性が光周波数へ広がるので、
この電気的に誘起された再配向は実際の光変調装置にお
いて開発される電気一光学効果を生じる。
これらの装置において電界を供給するための通常の方
法は近接して置かれた並列電極プレート間にLCを配置す
ることである。この幾何学的形態において、プレート間
に供給された電圧はプレートに垂直な電界を発生させ
る。静電気エネルギＷは次式で与えられる。
法は近接して置かれた並列電極プレート間にLCを配置す
ることである。この幾何学的形態において、プレート間
に供給された電圧はプレートに垂直な電界を発生させ
る。静電気エネルギＷは次式で与えられる。
Ｗ＝（1/8π）↑Ｄ・↑Ｅ＝（1/8π）↑Ｅ・ε↑Ｅ このＷはＥの符号に依存せず、この幾何学的形態は１
つの電界、すなわち好ましい光学状態のみを許容する。
この状態は以下の式を有し、 Δε＞０なら↑ｎ‖↑Ｅ、あるいは Δε＜０なら↑n|↑Ｅ 式中、Δε＝ε‖−ε｜は↑ｎに対して平行および垂直
な方向の主値の差である。
つの電界、すなわち好ましい光学状態のみを許容する。
この状態は以下の式を有し、 Δε＞０なら↑ｎ‖↑Ｅ、あるいは Δε＜０なら↑n|↑Ｅ 式中、Δε＝ε‖−ε｜は↑ｎに対して平行および垂直
な方向の主値の差である。
有効な装置を得るためには２以上の光学状態を有して
いなければならないので、上記の好ましいとされる方向
以外の配向ベクトル方向を選択するための手段を見つけ
る必要がある。これは通常、それらが異なった方向を選
択するように電極プレートの表面を処理することによっ
て達成される。供給された電界は↑ｎの方向に弾性歪み
を生じる。電界が除去されるとき、その歪みから生じる
応力によって表面にとって好ましいもとの配向方向に戻
る。この動作手段によってこのような装置のダイナミッ
ク特性が生成される。例えば、このような装置のターン
オン時間は供給された電界強度を増加することによって
任意に短くされるけれども、ターンオフ時間は装置の幾
何学的構造のみによって決定され、望ましくない長い時
間となる可能性がある。
いなければならないので、上記の好ましいとされる方向
以外の配向ベクトル方向を選択するための手段を見つけ
る必要がある。これは通常、それらが異なった方向を選
択するように電極プレートの表面を処理することによっ
て達成される。供給された電界は↑ｎの方向に弾性歪み
を生じる。電界が除去されるとき、その歪みから生じる
応力によって表面にとって好ましいもとの配向方向に戻
る。この動作手段によってこのような装置のダイナミッ
ク特性が生成される。例えば、このような装置のターン
オン時間は供給された電界強度を増加することによって
任意に短くされるけれども、ターンオフ時間は装置の幾
何学的構造のみによって決定され、望ましくない長い時
間となる可能性がある。
過去数年にわたって、別の種類の液晶、すなわち強誘
電性液晶（FLC）が開発されてきた。FLCは上述されたよ
うにネマティックの配向特性を有し、さらにそれらの分
子が１方向に擬似周期的な質量密度分布となるように層
中に配列されている。層にされたLC相はスメクティック
相と呼ばれる。スメクティックLCにおいては、層中の分
子の分布は（通常の固体と反対に）本質的に液体であ
る。スメクティックにおいて生じる強誘電性の必要条件
は、 （１）構成分子がキラルでなければならないこと、換
言すればそれらの鏡像関係で重畳できないこと；および
（２）↑ｎは層表面に垂直な方向から傾斜されなければ
ならないことである。これらの条件が合うと、LCは文献
（Meyer等、Le Journal de Physique 第36巻、L69−71
頁、1975年３月）に指摘されるように、供給された電界
が存在しないときでさえ強誘電性分極↑Ｐを有する。
電性液晶（FLC）が開発されてきた。FLCは上述されたよ
うにネマティックの配向特性を有し、さらにそれらの分
子が１方向に擬似周期的な質量密度分布となるように層
中に配列されている。層にされたLC相はスメクティック
相と呼ばれる。スメクティックLCにおいては、層中の分
子の分布は（通常の固体と反対に）本質的に液体であ
る。スメクティックにおいて生じる強誘電性の必要条件
は、 （１）構成分子がキラルでなければならないこと、換
言すればそれらの鏡像関係で重畳できないこと；および
（２）↑ｎは層表面に垂直な方向から傾斜されなければ
ならないことである。これらの条件が合うと、LCは文献
（Meyer等、Le Journal de Physique 第36巻、L69−71
頁、1975年３月）に指摘されるように、供給された電界
が存在しないときでさえ強誘電性分極↑Ｐを有する。
キラルスメクティック相↑ｎの強誘電性液晶層と分極
↑Ｐとの間の幾何学的関係は第１図に示されている。第
１図において、スメクティック層の平面はＸ−Ｙ平面に
対して平行であり、ｚ軸に対して垂直である。好ましい
方向の配向ベクトル↑ｎはｚ軸から角度Ψｏだけ傾けら
れる。さらに、層平面Ｘ−Ｙ上への↑ｎの撮影はｃ配向
ベクトル↑ｃを定め、Ｙ軸に対する角度φをなしてい
る。最後に永久分極↑Ｐは層の平面にあり、↑ｎに対し
て垂直である。すなわち、［↑Ｐ］＝P0［↑ｚ］×［↑
ｎ］）であり、すなわち、それはＣに対して垂直であ
り、Ｘ軸に対する角度φを形成する。
↑Ｐとの間の幾何学的関係は第１図に示されている。第
１図において、スメクティック層の平面はＸ−Ｙ平面に
対して平行であり、ｚ軸に対して垂直である。好ましい
方向の配向ベクトル↑ｎはｚ軸から角度Ψｏだけ傾けら
れる。さらに、層平面Ｘ−Ｙ上への↑ｎの撮影はｃ配向
ベクトル↑ｃを定め、Ｙ軸に対する角度φをなしてい
る。最後に永久分極↑Ｐは層の平面にあり、↑ｎに対し
て垂直である。すなわち、［↑Ｐ］＝P0［↑ｚ］×［↑
ｎ］）であり、すなわち、それはＣに対して垂直であ
り、Ｘ軸に対する角度φを形成する。
ネマティックにおいて上述されたものと同様に、FLC
中の変位電界↑Ｄは↑Ｅに対して線形に比例する誘電部
分を有するが、さらに自然発生的分極Ｐから生じる永久
にゼロでない成分を有する。従って、FLCの静電気フリ
ーエネルギはネマティックに類似するＥにおいて二次方
程式の成分と、−［↑Ｐ］・［↑Ｅ］に比例するＥにお
ける線形の成分とを有する。FLCはその熱力学制限内の
総フリーエネルギを最小にするようにその配向ベクトル
を方向づけ、その制限は本質的に傾斜角度Ψｏを固定す
る。層の方向における変化を含む流れはほとんど消滅す
るが、しかしながら、そのフリーエネルギを最小にする
ためにFLCに有効な根本的手段として方位角φにおける
変化を残す。−［↑Ｐ］・［↑Ｅ］に比例する項の包括
は供給された電界の符号にこのエネルギを依存させる。
従って、実際の装置は２つの光学的に異なった状態がプ
レートへ供給される反対符号の電圧によって選択される
上述の平行プレート構造において形成される。これはこ
のような装置のターンオフおよびターンオン時間が供給
された電界強度を増加することによって短くされること
を可能にする。
中の変位電界↑Ｄは↑Ｅに対して線形に比例する誘電部
分を有するが、さらに自然発生的分極Ｐから生じる永久
にゼロでない成分を有する。従って、FLCの静電気フリ
ーエネルギはネマティックに類似するＥにおいて二次方
程式の成分と、−［↑Ｐ］・［↑Ｅ］に比例するＥにお
ける線形の成分とを有する。FLCはその熱力学制限内の
総フリーエネルギを最小にするようにその配向ベクトル
を方向づけ、その制限は本質的に傾斜角度Ψｏを固定す
る。層の方向における変化を含む流れはほとんど消滅す
るが、しかしながら、そのフリーエネルギを最小にする
ためにFLCに有効な根本的手段として方位角φにおける
変化を残す。−［↑Ｐ］・［↑Ｅ］に比例する項の包括
は供給された電界の符号にこのエネルギを依存させる。
従って、実際の装置は２つの光学的に異なった状態がプ
レートへ供給される反対符号の電圧によって選択される
上述の平行プレート構造において形成される。これはこ
のような装置のターンオフおよびターンオン時間が供給
された電界強度を増加することによって短くされること
を可能にする。
ネマティックおよびFLCの両者の誘電異方性はそれら
を光学的に異方性とし、ネマティックは単軸であり、FL
Cは二重軸であるが、２つの軸に沿った屈折率は一般に
ほぼ等しく↑ｎに垂直であり、そのためFLCは光学的に
単軸であると見なされ、光学軸はネマティックにおいて
と同様に配向ベクトル↑ｎに沿っている。従って、いず
れの場合においても、電気的に誘起された方向変化は屈
折率における変化を生じ、これらの電気一光学効果は光
学軸の幾何学的形状および供給された電界方向における
実質的な差異にもかかわらず、実際の装置のため利用さ
れることができる。
を光学的に異方性とし、ネマティックは単軸であり、FL
Cは二重軸であるが、２つの軸に沿った屈折率は一般に
ほぼ等しく↑ｎに垂直であり、そのためFLCは光学的に
単軸であると見なされ、光学軸はネマティックにおいて
と同様に配向ベクトル↑ｎに沿っている。従って、いず
れの場合においても、電気的に誘起された方向変化は屈
折率における変化を生じ、これらの電気一光学効果は光
学軸の幾何学的形状および供給された電界方向における
実質的な差異にもかかわらず、実際の装置のため利用さ
れることができる。
１つのクラスのこのような装置のLC材料の“光学的に
厚い”板（slab）を通過する偏光における変化を使用す
るものである。“光学的に厚い”ことは、Δｎ・ｄがλ
と同等あるいはそれより大きいことを意味され、ここ
で、ΔｎはLC屈折率異方性（複屈折）であり、ｄは板の
厚さであり、λは光の真空波長である。ツイストされた
ネマティック、スーパーツイストされた複屈折効果、ネ
マティックπセル、および可変複屈折ネマティック装置
は全てこのクラスに入り、表面安定FLC（SSFLC）装置の
群は米国特許第4,563,059号明細書（N.ClarkおよびS.La
gerWall）で提案されている。これらの装置は変調する
光が板の垂直に近い方向の入射であるとき最も良く動作
する。一般に、このような装置は交差して配置された偏
光子と分析器との間に配置され、一方の状態において伝
播された出力光が主として分析器において完全に吸収さ
れないとしても強度において非常に減衰され、他方の状
態において出力光が実際と同じ入射強度で伝播されるよ
うに動作する。いずれの場合においても入射光伝播の方
向はLC層を横切って伝播するときに変化しない。もちろ
ん、入射光がLC板を経て２つの通路の後にそのソースに
向けて反射されるような反射器を装置内へ組込むように
変更することが可能であるが、その基本的な動作は上述
されたものと同じである。
厚い”板（slab）を通過する偏光における変化を使用す
るものである。“光学的に厚い”ことは、Δｎ・ｄがλ
と同等あるいはそれより大きいことを意味され、ここ
で、ΔｎはLC屈折率異方性（複屈折）であり、ｄは板の
厚さであり、λは光の真空波長である。ツイストされた
ネマティック、スーパーツイストされた複屈折効果、ネ
マティックπセル、および可変複屈折ネマティック装置
は全てこのクラスに入り、表面安定FLC（SSFLC）装置の
群は米国特許第4,563,059号明細書（N.ClarkおよびS.La
gerWall）で提案されている。これらの装置は変調する
光が板の垂直に近い方向の入射であるとき最も良く動作
する。一般に、このような装置は交差して配置された偏
光子と分析器との間に配置され、一方の状態において伝
播された出力光が主として分析器において完全に吸収さ
れないとしても強度において非常に減衰され、他方の状
態において出力光が実際と同じ入射強度で伝播されるよ
うに動作する。いずれの場合においても入射光伝播の方
向はLC層を横切って伝播するときに変化しない。もちろ
ん、入射光がLC板を経て２つの通路の後にそのソースに
向けて反射されるような反射器を装置内へ組込むように
変更することが可能であるが、その基本的な動作は上述
されたものと同じである。
このような装置の別のクラスは２つの類似していない
誘電体の間の境界面で光の反射および屈折特性に依存す
るものであり、その１つはLCである。ネマティックLCを
使用する従来技術のこのクラスの装置における例は米国
特許第4,201,442号明細書および第4,278,327号明細書
（D.H.McMahonおよびR.A.Soref）および米国特許第4,38
5,799号明細書（Soref）に開示されている。また、文献
（KashnoWおよびStein,Applied Optics,第12巻、第10
号、1973年10月）において教示するように、電気光学効
果は適切な屈折率の２つのガラスプリズムと間に薄いネ
マティック液晶を配置することによって達成された。プ
リズム−液晶境界面上の光の入射の角度の範囲にわたっ
て、光は部分的に伝播されあるいは全体的に反射され、
ネマティック層における光学軸の電界制御された方向に
依存する。更に、文献（TeruiおよびKobayashi,Proceed
ings of the SPIE,第517巻、267頁、1984年）において
開示されたように、この光はこのタイプのスイッチング
を行うためFLC媒体を経て伝播する必要はなく、同じ全
内部反射のためLC材料が単にある高い屈折率の材料の “クラッディング（cladding）”を形成する現象が得ら
れる。これらの発明は従って多少完全に２つ以上の出力
の間で入力光を切換えるための電気一光学装置に関する
ものである。それらはネマティックLCともう１つの誘電
体との間の境界面での反射によって入力光の方向を変更
することによって出力を分離する。結果的に、それらは
電界をネマティックLCへ選択的に供給することによっ
て、出力光の方向が選択されることができることを示し
ている。
誘電体の間の境界面で光の反射および屈折特性に依存す
るものであり、その１つはLCである。ネマティックLCを
使用する従来技術のこのクラスの装置における例は米国
特許第4,201,442号明細書および第4,278,327号明細書
（D.H.McMahonおよびR.A.Soref）および米国特許第4,38
5,799号明細書（Soref）に開示されている。また、文献
（KashnoWおよびStein,Applied Optics,第12巻、第10
号、1973年10月）において教示するように、電気光学効
果は適切な屈折率の２つのガラスプリズムと間に薄いネ
マティック液晶を配置することによって達成された。プ
リズム−液晶境界面上の光の入射の角度の範囲にわたっ
て、光は部分的に伝播されあるいは全体的に反射され、
ネマティック層における光学軸の電界制御された方向に
依存する。更に、文献（TeruiおよびKobayashi,Proceed
ings of the SPIE,第517巻、267頁、1984年）において
開示されたように、この光はこのタイプのスイッチング
を行うためFLC媒体を経て伝播する必要はなく、同じ全
内部反射のためLC材料が単にある高い屈折率の材料の “クラッディング（cladding）”を形成する現象が得ら
れる。これらの発明は従って多少完全に２つ以上の出力
の間で入力光を切換えるための電気一光学装置に関する
ものである。それらはネマティックLCともう１つの誘電
体との間の境界面での反射によって入力光の方向を変更
することによって出力を分離する。結果的に、それらは
電界をネマティックLCへ選択的に供給することによっ
て、出力光の方向が選択されることができることを示し
ている。
［発明が解決すべき課題］ 本発明は、先に概説された一般的なタイプの新しい強
誘電性液晶装置を提供するものであり、従来の装置とは
異なって、電気一光学効果がFLCともう１つの誘電体材
料との間の境界面で発生させることによって、FLCを通
過する光路の長さが基本的な影響を与えない強誘電性液
晶装置を提供することを目的としている。
誘電性液晶装置を提供するものであり、従来の装置とは
異なって、電気一光学効果がFLCともう１つの誘電体材
料との間の境界面で発生させることによって、FLCを通
過する光路の長さが基本的な影響を与えない強誘電性液
晶装置を提供することを目的としている。
［課題解決のための手段および作用］ 本発明の液晶電気・光学スイッチング装置の第１の発
明においては、液晶電気・光学スイッチング装置は、第
１の誘電体と、分子層に配列された複数の隣接して配置
された分子を有するキラルスメクティック液晶層から構
成され、第１の誘電体に隣接してそれとの間に境界面を
形成して配置されている第２の誘電体と、配向ベクトル
の方向を変化させるのに十分な強度を有する電界を前記
液晶層に供給し、電界の変化によって液晶の分子の方向
を変化させる手段と、第１の誘電体を通って光を導き、
配向ベクトルの方向における変化に関係なく、入射光の
少なくとも一部を境界面を横切って通過させ、さらにス
メクティック液晶層から構成されている第２の誘電体を
透過して伝達させるような角度で傾斜して境界面に光を
入射させる光源とを具備し、光源と、電界を液晶層に供
給する手段と、液晶の分子層とは、入射した光と境界面
との相互作用が配向ベクトルの方向の変化を生じさせて
伝達された光の伝達方向に変化を生じさせるような相互
関係で配置され、キラルスメクティック液晶層から構成
されている第２の誘電体と共に前記第１の誘電体もまた
キラルスメクティック液晶の層を含み、電界を供給する
手段は第１の電界を第１の誘電体へ、また第２の電界を
第２の誘電体へ供給し、第１および第２の電界は前記層
に平行な成分を含み、かつ第１および第２の誘電体の配
向ベクトルの方向を変えるのに充分な強度を有し、配向
ベクトルの方向変化が更に第１および第２の誘電体の屈
折率における変化を生成することを特徴とする。
明においては、液晶電気・光学スイッチング装置は、第
１の誘電体と、分子層に配列された複数の隣接して配置
された分子を有するキラルスメクティック液晶層から構
成され、第１の誘電体に隣接してそれとの間に境界面を
形成して配置されている第２の誘電体と、配向ベクトル
の方向を変化させるのに十分な強度を有する電界を前記
液晶層に供給し、電界の変化によって液晶の分子の方向
を変化させる手段と、第１の誘電体を通って光を導き、
配向ベクトルの方向における変化に関係なく、入射光の
少なくとも一部を境界面を横切って通過させ、さらにス
メクティック液晶層から構成されている第２の誘電体を
透過して伝達させるような角度で傾斜して境界面に光を
入射させる光源とを具備し、光源と、電界を液晶層に供
給する手段と、液晶の分子層とは、入射した光と境界面
との相互作用が配向ベクトルの方向の変化を生じさせて
伝達された光の伝達方向に変化を生じさせるような相互
関係で配置され、キラルスメクティック液晶層から構成
されている第２の誘電体と共に前記第１の誘電体もまた
キラルスメクティック液晶の層を含み、電界を供給する
手段は第１の電界を第１の誘電体へ、また第２の電界を
第２の誘電体へ供給し、第１および第２の電界は前記層
に平行な成分を含み、かつ第１および第２の誘電体の配
向ベクトルの方向を変えるのに充分な強度を有し、配向
ベクトルの方向変化が更に第１および第２の誘電体の屈
折率における変化を生成することを特徴とする。
また、第２の発明においては、液晶電気・光学スイッ
チング装置は、第１の誘電体と、分子層に配列された複
数の隣接して配置された分子を有するキラルスメクティ
ック液晶層から構成され、第１の誘電体に隣接してそれ
との間に第１の境界面を形成して配置されている第２の
誘電体と、第２の誘電体に隣接してそれとの間に第２の
境界面を形成するように配置された第３の誘電体とを具
備し、この第２と第３の誘電体の間の第２の境界面は前
記第１と第２の誘電体の間の第１の境界面に対して平行
ではなく傾斜して配置され、さらに、配向ベクトルの方
向を変化させるのに十分な強度を有する電界を前記第２
の誘電体の液晶層に供給し、電界の変化によって分子の
方向を変化させる手段と、第１の誘電体に入射させる入
射光を生成する光源とを具備し、記光源は、第１の誘電
体に入射させた入射光が第１の誘電体を通って導かれ、
配向ベクトルの方向における変化に関係なく入射光の少
なくとも一部を第１の境界面を通って第２の誘電体の液
晶層を透過して伝達させるような傾斜角度で第１の境界
面に光を入射させるように配置され、光源と、電界を液
晶層に供給する手段と、液晶の分子層とは、入射した光
と境界面との相互作用が配向ベクトルの方向の変化を生
じさせて伝達された光の伝達方向に変化を生じさせるよ
うな相互関係で配置されていることを特徴とする。
チング装置は、第１の誘電体と、分子層に配列された複
数の隣接して配置された分子を有するキラルスメクティ
ック液晶層から構成され、第１の誘電体に隣接してそれ
との間に第１の境界面を形成して配置されている第２の
誘電体と、第２の誘電体に隣接してそれとの間に第２の
境界面を形成するように配置された第３の誘電体とを具
備し、この第２と第３の誘電体の間の第２の境界面は前
記第１と第２の誘電体の間の第１の境界面に対して平行
ではなく傾斜して配置され、さらに、配向ベクトルの方
向を変化させるのに十分な強度を有する電界を前記第２
の誘電体の液晶層に供給し、電界の変化によって分子の
方向を変化させる手段と、第１の誘電体に入射させる入
射光を生成する光源とを具備し、記光源は、第１の誘電
体に入射させた入射光が第１の誘電体を通って導かれ、
配向ベクトルの方向における変化に関係なく入射光の少
なくとも一部を第１の境界面を通って第２の誘電体の液
晶層を透過して伝達させるような傾斜角度で第１の境界
面に光を入射させるように配置され、光源と、電界を液
晶層に供給する手段と、液晶の分子層とは、入射した光
と境界面との相互作用が配向ベクトルの方向の変化を生
じさせて伝達された光の伝達方向に変化を生じさせるよ
うな相互関係で配置されていることを特徴とする。
液晶電気・光学スイッチング装置の第３の発明におい
ては、複数の層に配列された分子層を有し、配向ベクト
ルを含むキラルスメクティック液晶と、液晶を含み、こ
の液晶との間に境界面を形成するように液晶に関して配
置された誘電体手段を具備している手段と、液晶の層の
所望された配向方向を得るための手段と、配向ベクトル
の複数の方向の間の選択をするために液晶に電界を供給
する手段と、光を境界面に導いて配向ベクトルの方向に
よって規定されるように光を境界面と相互作用させる手
段とを具備し、電界を供給する手段が液晶の近くに配置
された複数の電極およびその間の電圧差を生成するため
に電極へ電気的に接続されている手段を含み、電圧差を
生成する手段が光によって照明されたとき電圧差を生じ
る光起電装置を具備し、電圧差を生成するために光起電
装置を照明する光は光を導く手段によって供給されるこ
とを特徴とする。
ては、複数の層に配列された分子層を有し、配向ベクト
ルを含むキラルスメクティック液晶と、液晶を含み、こ
の液晶との間に境界面を形成するように液晶に関して配
置された誘電体手段を具備している手段と、液晶の層の
所望された配向方向を得るための手段と、配向ベクトル
の複数の方向の間の選択をするために液晶に電界を供給
する手段と、光を境界面に導いて配向ベクトルの方向に
よって規定されるように光を境界面と相互作用させる手
段とを具備し、電界を供給する手段が液晶の近くに配置
された複数の電極およびその間の電圧差を生成するため
に電極へ電気的に接続されている手段を含み、電圧差を
生成する手段が光によって照明されたとき電圧差を生じ
る光起電装置を具備し、電圧差を生成するために光起電
装置を照明する光は光を導く手段によって供給されるこ
とを特徴とする。
また、液晶電気・光学スイッチング装置の第４の発明
は、第３の発明の電圧差を生成するために光起電装置を
照明する光が光を導く手段によって供給される要件を有
しておらず、代わりに、光起電装置が第１および第２の
群へ分割され、第１の群の照明が電極間の電圧差の第１
の状態を生じ、第２の群の照明が第１の状態と異なる電
極間の電圧差の第２の状態を生成することを要件として
いる。
は、第３の発明の電圧差を生成するために光起電装置を
照明する光が光を導く手段によって供給される要件を有
しておらず、代わりに、光起電装置が第１および第２の
群へ分割され、第１の群の照明が電極間の電圧差の第１
の状態を生じ、第２の群の照明が第１の状態と異なる電
極間の電圧差の第２の状態を生成することを要件として
いる。
また、液晶電気・光学スイッチング装置の第５の発明
は、第４の発明の光起電装置が第１および第２の群へ分
割される要件の代わりに、電圧差を生成する手段が光起
電装置へ接続されたスイッチと、電圧差の極性を反転す
るようにスイッチの状態を選択的に変化させるための制
御回路とを含んでいることを要件としている。
は、第４の発明の光起電装置が第１および第２の群へ分
割される要件の代わりに、電圧差を生成する手段が光起
電装置へ接続されたスイッチと、電圧差の極性を反転す
るようにスイッチの状態を選択的に変化させるための制
御回路とを含んでいることを要件としている。
本発明はまた、液晶電気・光学スイッチング装置を形
成する方法に関するものである。
成する方法に関するものである。
本発明の液晶電気・光学スイッチング装置の形成方法
は、誘電体材料によって境界面を定められるように複数
の隣接して配置された分子層を含む強誘電性液晶を誘電
体材料間に配置し、強誘電性液晶は配向ベクトルとこの
配向ベクトルによって決定される屈折率を有しており、
強誘電性液晶の分子層を所望される配向方向に整列さ
せ、強誘電性液晶中に電界を生成するための手段を配置
し、その生成された電界における変化が配向ベクトルに
おける変化を生じさせて屈折率における変化を生成し、
屈折率における変化が光と境界面との相互作用における
変化を生じるように入射光に関して境界面を配置し、第
１および第２の平坦な境界プレートを互いに定められた
間隔で平行に配置してこれら境界プレートを含む包囲手
段内に強誘電性液晶を配置し、プレート上に導電手段を
配置し、 分子層を配向方向に整列させる過程は、反対方向に回
転するように交互にオフセットされて配置されている複
数のローラ間に前記プレートとその間の前記間隙に含ま
れた強誘電性液晶との積層体を通過させることによって
強誘電性液晶の分子層に対して切断力を加えて分子層に
プレートの運動方向に平行な配向方向を与える過程を含
む液晶電気・光学スイッチング装置を形成することを特
徴としている。
は、誘電体材料によって境界面を定められるように複数
の隣接して配置された分子層を含む強誘電性液晶を誘電
体材料間に配置し、強誘電性液晶は配向ベクトルとこの
配向ベクトルによって決定される屈折率を有しており、
強誘電性液晶の分子層を所望される配向方向に整列さ
せ、強誘電性液晶中に電界を生成するための手段を配置
し、その生成された電界における変化が配向ベクトルに
おける変化を生じさせて屈折率における変化を生成し、
屈折率における変化が光と境界面との相互作用における
変化を生じるように入射光に関して境界面を配置し、第
１および第２の平坦な境界プレートを互いに定められた
間隔で平行に配置してこれら境界プレートを含む包囲手
段内に強誘電性液晶を配置し、プレート上に導電手段を
配置し、 分子層を配向方向に整列させる過程は、反対方向に回
転するように交互にオフセットされて配置されている複
数のローラ間に前記プレートとその間の前記間隙に含ま
れた強誘電性液晶との積層体を通過させることによって
強誘電性液晶の分子層に対して切断力を加えて分子層に
プレートの運動方向に平行な配向方向を与える過程を含
む液晶電気・光学スイッチング装置を形成することを特
徴としている。
本発明の装置の実施態様は２つのカテゴリへ分類され
るが、それはそれらが基本的に反射または屈折光線の複
雑な振幅における変化に影響を与えることによって機能
するか、あるいは屈折光線の方向を変えることによって
機能するかに基づいている。
るが、それはそれらが基本的に反射または屈折光線の複
雑な振幅における変化に影響を与えることによって機能
するか、あるいは屈折光線の方向を変えることによって
機能するかに基づいている。
振幅変化装置の第１の実施例は境界面でのFLCの屈折
率がFLCのスメクティック層中の分子を再び方向づける
ことによって変えられる誘電体−FLC境界面を包含す
る。電圧パルスは、FLCによって生成された反射あるい
は屈折強度のいずれかが異なる供給電圧パルスによって
選択されたもう１つのFLC状態によって生成された同様
の強度に対して大きな比率を有するような状態の１つを
選択するため供給される。従って、スイッチは、強誘電
性液晶がそれらの更に迅速なスイッチング能力および本
質的な“メモリ”の利点を得るように用いられることを
除いて従来技術のネマティック液晶スイッチング装置と
同様に形成されることができる。
率がFLCのスメクティック層中の分子を再び方向づける
ことによって変えられる誘電体−FLC境界面を包含す
る。電圧パルスは、FLCによって生成された反射あるい
は屈折強度のいずれかが異なる供給電圧パルスによって
選択されたもう１つのFLC状態によって生成された同様
の強度に対して大きな比率を有するような状態の１つを
選択するため供給される。従って、スイッチは、強誘電
性液晶がそれらの更に迅速なスイッチング能力および本
質的な“メモリ”の利点を得るように用いられることを
除いて従来技術のネマティック液晶スイッチング装置と
同様に形成されることができる。
誘電体とFLCとの間の境界面に対してある角度でスメ
クティック層を供給することによって、振幅変化装置の
実施例は、本発明の背景で述べられた米国特許第4,201,
442号、第4,278,327号、および第4,385,799号明細書の
ネマティック装置におけるものと同様の光学状態を有す
るように製造される。言替えると、供給された電界は、
第１の偏光の入射光が屈折率neのものに入射し、一方も
う１つの偏光が屈折率noのものに入射するような、境界
面に垂直な↑ｎを有する第１の状態と、光が第１の状態
のそれと反対の方向で影響される境界面に平行で入射面
に垂直な↑ｎを有する第２の状態とのいずれかを選択す
る。従来技術のネマティック装置においては、電界は平
面に対して垂直な方向に与えられるが、強誘電性液晶の
幾何学的形状のために、FLCへ供給された電界は境界面
に対して平行に供給されなければならない。
クティック層を供給することによって、振幅変化装置の
実施例は、本発明の背景で述べられた米国特許第4,201,
442号、第4,278,327号、および第4,385,799号明細書の
ネマティック装置におけるものと同様の光学状態を有す
るように製造される。言替えると、供給された電界は、
第１の偏光の入射光が屈折率neのものに入射し、一方も
う１つの偏光が屈折率noのものに入射するような、境界
面に垂直な↑ｎを有する第１の状態と、光が第１の状態
のそれと反対の方向で影響される境界面に平行で入射面
に垂直な↑ｎを有する第２の状態とのいずれかを選択す
る。従来技術のネマティック装置においては、電界は平
面に対して垂直な方向に与えられるが、強誘電性液晶の
幾何学的形状のために、FLCへ供給された電界は境界面
に対して平行に供給されなければならない。
振幅変化装置の第２の実施例において、インターフェ
ースは２つの異なった方位のFLC範囲の間に形成され
る。この装置において、適切に偏光された光はFLCの分
子の方向に依存して境界面の両側で異なる屈折率であ
る。この形態はFLC板を経て伝播する光が領域間の境界
を横切って転送されるか、あるいは２つの領域の電界で
選択された配向ベクトル状態に依存して境界面で全反射
されるようなスイッチを形成するため使用されても良
い。さらに、FLC材料が単により高い屈折率の材料の導
波体のためのクラッディングを形成するならこの種のス
イッチングが作動し、クラッディングの屈折率は導波体
を経て伝播する光の光学路を変えるように供給された電
圧バルスによって変えられる。
ースは２つの異なった方位のFLC範囲の間に形成され
る。この装置において、適切に偏光された光はFLCの分
子の方向に依存して境界面の両側で異なる屈折率であ
る。この形態はFLC板を経て伝播する光が領域間の境界
を横切って転送されるか、あるいは２つの領域の電界で
選択された配向ベクトル状態に依存して境界面で全反射
されるようなスイッチを形成するため使用されても良
い。さらに、FLC材料が単により高い屈折率の材料の導
波体のためのクラッディングを形成するならこの種のス
イッチングが作動し、クラッディングの屈折率は導波体
を経て伝播する光の光学路を変えるように供給された電
圧バルスによって変えられる。
振幅変化装置の第３の実施例において、FLCは非的一
配向ベクトル形態を示す。すなわち、FLCの境界面との
相互関係が入射光へ第１の屈折率を与える方向を供給す
るなら、電界が異なる配向ベクトル方向を与えるように
供給されるとき、配向ベクトル方向は境界面に直接隣接
した範囲内の境界面によって好ましい配向方向から境界
面からある距離において供給された電界によって定めら
れた配向方向へ変化することが可能である。好ましい方
向が低い屈折率を有するものであるとき、境界面を横切
って伝達される光の部分は供給された電界強度を増加す
ることによって連続的に増加される。境界面が大きな屈
折率を適切に偏光された入射光に対して行える好ましい
分子方向を有しているとき、他方で供給された低い電界
で光は最初の状態で伝達される。しかしながら、光がFL
Cを経て伝播するとき、FLCの配向ベクトルの方向は徐々
に変化し、透過された光の偏光はほぼ↑ｎに沿って変化
する。電界強度が増加されるとき、上記変化はもはや発
生せず、伝達された入射を連続的に減少させる。
配向ベクトル形態を示す。すなわち、FLCの境界面との
相互関係が入射光へ第１の屈折率を与える方向を供給す
るなら、電界が異なる配向ベクトル方向を与えるように
供給されるとき、配向ベクトル方向は境界面に直接隣接
した範囲内の境界面によって好ましい配向方向から境界
面からある距離において供給された電界によって定めら
れた配向方向へ変化することが可能である。好ましい方
向が低い屈折率を有するものであるとき、境界面を横切
って伝達される光の部分は供給された電界強度を増加す
ることによって連続的に増加される。境界面が大きな屈
折率を適切に偏光された入射光に対して行える好ましい
分子方向を有しているとき、他方で供給された低い電界
で光は最初の状態で伝達される。しかしながら、光がFL
Cを経て伝播するとき、FLCの配向ベクトルの方向は徐々
に変化し、透過された光の偏光はほぼ↑ｎに沿って変化
する。電界強度が増加されるとき、上記変化はもはや発
生せず、伝達された入射を連続的に減少させる。
本発明のFLC光学スイッチング装置はまた伝達された
光の伝播方向を変えるように分子方位中に電気的に誘起
された変化を生成することによってスイッチング機能を
を行わせる。適切に偏光された光は、FLC分子方向が供
給された電界によって選択されたことに依存して異なる
方向で境界面において屈折される。
光の伝播方向を変えるように分子方位中に電気的に誘起
された変化を生成することによってスイッチング機能を
を行わせる。適切に偏光された光は、FLC分子方向が供
給された電界によって選択されたことに依存して異なる
方向で境界面において屈折される。
本発明のスイッチング機能はまた、外部電力源が必要
とされないような光だけによって制御されることもでき
る。光の存在は光起電装置によって感知され、出力電圧
は光学スイッチのスイッチングを駆動するのに充分なよ
うに生成される。
とされないような光だけによって制御されることもでき
る。光の存在は光起電装置によって感知され、出力電圧
は光学スイッチのスイッチングを駆動するのに充分なよ
うに生成される。
液晶板のその他の“構造（textures）”の選択的な反
射特性（ツイストされた、ホメオトロピック，分散して
いる、等）あるいはその他の中間相（コレスティックま
たはスメクティック）は電気一光学スイッチングのため
使用されることが可能であルことは文献に記載されてい
る（Soref,“液晶スイッチング部品”、Fiber Optic Co
mmunication,第21巻、1980年、PP.1−５）が、ここに開
示されたタイプのFLCは電気一光学スイッチング装置は
従来に用いられたことはない。ネマティック液晶とスメ
クティック液晶との間の実質的な幾何学的構造の差のた
め、Sorefによって開示されたものと同じネマティック
液晶のため使用されたスイッチング技術はスメクティッ
ク液晶のためには使用できない。これらの幾何学的差は
特に重要であり、ネマティックLC上のFLCの改良された
スイッチング特性は電気一光学スイッチングの分野にお
いて予期しない改善を与えるものである。
射特性（ツイストされた、ホメオトロピック，分散して
いる、等）あるいはその他の中間相（コレスティックま
たはスメクティック）は電気一光学スイッチングのため
使用されることが可能であルことは文献に記載されてい
る（Soref,“液晶スイッチング部品”、Fiber Optic Co
mmunication,第21巻、1980年、PP.1−５）が、ここに開
示されたタイプのFLCは電気一光学スイッチング装置は
従来に用いられたことはない。ネマティック液晶とスメ
クティック液晶との間の実質的な幾何学的構造の差のた
め、Sorefによって開示されたものと同じネマティック
液晶のため使用されたスイッチング技術はスメクティッ
ク液晶のためには使用できない。これらの幾何学的差は
特に重要であり、ネマティックLC上のFLCの改良された
スイッチング特性は電気一光学スイッチングの分野にお
いて予期しない改善を与えるものである。
本発明において使用されたタイプの装置はいくつかの
点で上述された従来技術のそれらとは異なる。第１に、
本発明はFLCを使用するけれども、本発明は先にクラー
ク（Clark）およびラガーウォール（Lagerwall）によっ
て提案されたFLC装置とは異なっている。上述のクラー
ク・ラガーウォール装置においては、偏光ビームまたは
光線はFLCの光学的に厚い板を経て伝達され、その入射
方向とほぼ同じ方向で伝播することが明らかである。電
界をFLC板へ供給することによって、伝達された光ビー
ムの偏光成分の強度は変えられ得る。これらの変化はそ
れを偏光分析器へ通すことによってビームの総合強度に
おける変化に影響を及ぼすため使用される。これと対称
的に、本発明の装置においては、光のビームはFLCとも
う１つの誘電体との間の境界面上の入射であり、ここで
はそれは反射され屈折される。電界をFLCへ供給するこ
とによって、反射され屈折されたビームの相対強度が変
えられるか、あるいは屈折されたビームの伝播の方向が
変えられるかのいずれかである。
点で上述された従来技術のそれらとは異なる。第１に、
本発明はFLCを使用するけれども、本発明は先にクラー
ク（Clark）およびラガーウォール（Lagerwall）によっ
て提案されたFLC装置とは異なっている。上述のクラー
ク・ラガーウォール装置においては、偏光ビームまたは
光線はFLCの光学的に厚い板を経て伝達され、その入射
方向とほぼ同じ方向で伝播することが明らかである。電
界をFLC板へ供給することによって、伝達された光ビー
ムの偏光成分の強度は変えられ得る。これらの変化はそ
れを偏光分析器へ通すことによってビームの総合強度に
おける変化に影響を及ぼすため使用される。これと対称
的に、本発明の装置においては、光のビームはFLCとも
う１つの誘電体との間の境界面上の入射であり、ここで
はそれは反射され屈折される。電界をFLCへ供給するこ
とによって、反射され屈折されたビームの相対強度が変
えられるか、あるいは屈折されたビームの伝播の方向が
変えられるかのいずれかである。
第２に、本発明はLCともう１つの誘電体との間の境界
面の光への影響に依存するけれども、それらはLCがネマ
ティックであるそれらの装置と異なっている。ネマティ
ックを使用するそれらの装置においては、ネマティック
板にわたって供給された電界↑Ｅはそれ自身および電界
に垂直な軸を中心にした配向ベクトルの回転を生じる。
電気的に誘起されたトルクは↑Ｅの符号に依存しないの
で、ただ１つの電気的に選択された配向ベクトル方向が
可能であり、すなわち、Δε＞０で↑Ｅに平行な↑ｎを
有するものと、Δε＜０で↑Ｅに垂直な↑ｎを有するも
のである。１以上の状態を伴う装置は、ある他の配向ベ
クトル方向を指示するため、ある他の効果、通常は表面
力を使用しなければならない。本発明の装置において
は、幾何学的構造は全く異なっており、FLCの異なった
基礎となる対称を反射する。配向ベクトルの再配向は角
度Ψｏの円錐形上であり、そに軸はスメクティック層平
面、いわゆる“傾斜一円錐”に対して垂直である。供給
された電界はこの円錐上の配向ベクトルの方位における
変化を生じ、一般に電界の好ましさとされる方向は層平
面に平行に存在する↑Ｅの成分に対して平行な分極↑Ｐ
を有する。
面の光への影響に依存するけれども、それらはLCがネマ
ティックであるそれらの装置と異なっている。ネマティ
ックを使用するそれらの装置においては、ネマティック
板にわたって供給された電界↑Ｅはそれ自身および電界
に垂直な軸を中心にした配向ベクトルの回転を生じる。
電気的に誘起されたトルクは↑Ｅの符号に依存しないの
で、ただ１つの電気的に選択された配向ベクトル方向が
可能であり、すなわち、Δε＞０で↑Ｅに平行な↑ｎを
有するものと、Δε＜０で↑Ｅに垂直な↑ｎを有するも
のである。１以上の状態を伴う装置は、ある他の配向ベ
クトル方向を指示するため、ある他の効果、通常は表面
力を使用しなければならない。本発明の装置において
は、幾何学的構造は全く異なっており、FLCの異なった
基礎となる対称を反射する。配向ベクトルの再配向は角
度Ψｏの円錐形上であり、そに軸はスメクティック層平
面、いわゆる“傾斜一円錐”に対して垂直である。供給
された電界はこの円錐上の配向ベクトルの方位における
変化を生じ、一般に電界の好ましさとされる方向は層平
面に平行に存在する↑Ｅの成分に対して平行な分極↑Ｐ
を有する。
更に一般的な形態は以下に説明される本発明の技術的
範囲内にあるけれども、簡単な例ではFLCとネマティッ
クLC誘電体境界面装置との間の差について説明する。ス
メクティック層がFLC板の表面に対して垂直に方向付け
られるなら、板を横切って供給された電界↑Ｅはその符
号に従って、両方共に板表面に対して平行だが２Ψｏ方
向が異なる２つの配向ベクトルの１つを提供する。従っ
て、効果的な回転は↑ｎに垂直だが電界Ｅに平行な軸に
ついてであり、それは２つの電界の好ましいとされる配
向ベクトル方向を有し、両方共に電圧Ｅに対して垂直で
ある。
範囲内にあるけれども、簡単な例ではFLCとネマティッ
クLC誘電体境界面装置との間の差について説明する。ス
メクティック層がFLC板の表面に対して垂直に方向付け
られるなら、板を横切って供給された電界↑Ｅはその符
号に従って、両方共に板表面に対して平行だが２Ψｏ方
向が異なる２つの配向ベクトルの１つを提供する。従っ
て、効果的な回転は↑ｎに垂直だが電界Ｅに平行な軸に
ついてであり、それは２つの電界の好ましいとされる配
向ベクトル方向を有し、両方共に電圧Ｅに対して垂直で
ある。
本発明の装置と従来技術とそれらとの間のこれらの差
によって、本発明の装置は大きな利点を生じる。それら
は光吸収偏光子または分析器の使用を伴わずに光ビーム
の強度または方向を変える能力を与える。それらは異な
る波長の入力光で等しく動作する。更に、それらは光ビ
ーム伝播方向に基づいて２つ以上の出力間に入力光を切
換えられ、それは多くの適用において有利である。最後
に、より強い、供給された電界に関する符号依存性によ
って、それらはネマティックの不利な遅い応答時間、特
に供給された電界の除去に対する応答時間を克服する。
によって、本発明の装置は大きな利点を生じる。それら
は光吸収偏光子または分析器の使用を伴わずに光ビーム
の強度または方向を変える能力を与える。それらは異な
る波長の入力光で等しく動作する。更に、それらは光ビ
ーム伝播方向に基づいて２つ以上の出力間に入力光を切
換えられ、それは多くの適用において有利である。最後
に、より強い、供給された電界に関する符号依存性によ
って、それらはネマティックの不利な遅い応答時間、特
に供給された電界の除去に対する応答時間を克服する。
［実施例］ 第２図は２つの異方性材料すなわち媒体Ａと媒体Ｂと
の間の境界面上の波ベクトル↑kiの入射光線を示す。入
射光の波ベクトル↑kiは境界面の垂線と角度θｉをな
し、垂線と角度θr1およびθr2で各波ベクトル↑kr1お
よび↑kr2を伴う２つの反射光線を形成する。入射光は
また透過する波ベクトル↑kt1および↑kt2を有し、各々
境界面に対する垂線と角度θt1とθt2の２つの屈折され
た光線を形成する。光線の複素振幅（強度および偏心状
態）、方向、および位相は媒体ＡおよびＢの屈折率に依
存する。本発明は１つの誘電体材料（FLCまたはその他
の材料のいずれか）で満たされた範囲とFLCで満たされ
た範囲との間の境界面上に光を入射させることによって
実際の光のスイッチング装置を製造するためこれらの特
性を使用する。それから、境界面に直接隣接したFLCの
分子方向におけるほとんどの任意の変化はその反射およ
び屈折特性における変化を生じる。FLCを含む範囲に対
して強度および方向おいて変化する電界を供給すること
によってFLC内にこのような分子再配向を生じるための
方法は当分野においては既知である。例えば、平行なプ
レート間で生成され、安定化される多数の分子配向方向
の状態は米国特許第4,367,924号および第4,563,059号明
細書（N.ClarkおよびS,LagerWall）において開示されて
いる。しかしながら、本発明はそれらの従来技術のネマ
ティックスイッチング装置に比較して著しく迅速に動作
することができる。さらに、本発明は上述された表面安
定化された強誘電性液晶スイッチング装置に比較してさ
らに有効に構成することができる。
の間の境界面上の波ベクトル↑kiの入射光線を示す。入
射光の波ベクトル↑kiは境界面の垂線と角度θｉをな
し、垂線と角度θr1およびθr2で各波ベクトル↑kr1お
よび↑kr2を伴う２つの反射光線を形成する。入射光は
また透過する波ベクトル↑kt1および↑kt2を有し、各々
境界面に対する垂線と角度θt1とθt2の２つの屈折され
た光線を形成する。光線の複素振幅（強度および偏心状
態）、方向、および位相は媒体ＡおよびＢの屈折率に依
存する。本発明は１つの誘電体材料（FLCまたはその他
の材料のいずれか）で満たされた範囲とFLCで満たされ
た範囲との間の境界面上に光を入射させることによって
実際の光のスイッチング装置を製造するためこれらの特
性を使用する。それから、境界面に直接隣接したFLCの
分子方向におけるほとんどの任意の変化はその反射およ
び屈折特性における変化を生じる。FLCを含む範囲に対
して強度および方向おいて変化する電界を供給すること
によってFLC内にこのような分子再配向を生じるための
方法は当分野においては既知である。例えば、平行なプ
レート間で生成され、安定化される多数の分子配向方向
の状態は米国特許第4,367,924号および第4,563,059号明
細書（N.ClarkおよびS,LagerWall）において開示されて
いる。しかしながら、本発明はそれらの従来技術のネマ
ティックスイッチング装置に比較して著しく迅速に動作
することができる。さらに、本発明は上述された表面安
定化された強誘電性液晶スイッチング装置に比較してさ
らに有効に構成することができる。
本発明の装置は２つのカテゴリに分類されるが、それ
はそれらの機能が基本的に反射および屈折された光線の
振幅における変化に影響することによるものか、或いは
屈折された光線の方向の変化を利用するかに基づいてい
る。これらの装置の各々およびそれらの対応する幾何学
的構造は以下のセクションＩにおいて論議され、セクシ
ョンＩで論議されるスイッチング幾何学的構造を実施す
るこの好ましい実施例を構成するための方法はセクショ
ンIIで論議される。
はそれらの機能が基本的に反射および屈折された光線の
振幅における変化に影響することによるものか、或いは
屈折された光線の方向の変化を利用するかに基づいてい
る。これらの装置の各々およびそれらの対応する幾何学
的構造は以下のセクションＩにおいて論議され、セクシ
ョンＩで論議されるスイッチング幾何学的構造を実施す
るこの好ましい実施例を構成するための方法はセクショ
ンIIで論議される。
I.EO装置のためのFLC幾何学的構成 A.振幅変化装置 本発明の振幅変化装置は２つのタイプに分けられる。
すなわち供給された電圧ステップおよびパルスによって
個別的（ディスクーリト）な異なる分子方向状態を選択
するものと、供給された電界における連続変化によって
分子方向における連続変化を生じさせるものである。第
１のタイプの装置は１以上の分離した光振幅状態を有
し、各々は別個の配向ベクトル方向状態と関連してい
る。異なる状態の配向ベクトル方向間の差は光の波長と
比較して短い境界面からの距離内で持続する。他方、第
２のタイプの装置は供給された電界強度を連続的に変化
することによって生成された配向ベクトルの状態を連続
的に変えることから生じる振幅状態の連続体を有する。
これらの装置における光振幅変化の最高速度は、配向ベ
クトルが境界面に直接隣接する表面の好ましい方向から
光の波長に比較した長さにわたる電界の好ましい方向へ
変化するとき発生する。これらの装置の各々は以下に説
明される選択された機能のため有利な特性を示す。
すなわち供給された電圧ステップおよびパルスによって
個別的（ディスクーリト）な異なる分子方向状態を選択
するものと、供給された電界における連続変化によって
分子方向における連続変化を生じさせるものである。第
１のタイプの装置は１以上の分離した光振幅状態を有
し、各々は別個の配向ベクトル方向状態と関連してい
る。異なる状態の配向ベクトル方向間の差は光の波長と
比較して短い境界面からの距離内で持続する。他方、第
２のタイプの装置は供給された電界強度を連続的に変化
することによって生成された配向ベクトルの状態を連続
的に変えることから生じる振幅状態の連続体を有する。
これらの装置における光振幅変化の最高速度は、配向ベ
クトルが境界面に直接隣接する表面の好ましい方向から
光の波長に比較した長さにわたる電界の好ましい方向へ
変化するとき発生する。これらの装置の各々は以下に説
明される選択された機能のため有利な特性を示す。
1.ディスクーリトな装置 （ａ）境界面に垂直に供給された電界を有する誘電性FL
C境界面 一般に、FLC内の任意の分子方向変化はFLCともう１つ
の誘電体材料との間の境界面で反射され、屈折された光
線の強度においていくつかの変化を生じるが、しかしな
がら、本発明は供給電圧によって選択されたFLC分子方
向によって発生した反射または屈折強度のいずれかが異
なる供給された電圧によって選択されたFLC状態によっ
て発生した同様の強度に比較して大きな割合いを有する
ようなそれらの形態へ向けられる。事実、垂直に無限な
比率の強度はより大きな屈折率の媒体を経て伝播する光
線がより小さい屈折率の媒体を伴う境界面上に入射して
全体的に “全内部反射”の現象を活用することによって達成され
る。これは入射角度が臨界角度以上に増加されるとき発
生し、その臨界角度は屈折された光線またはその波頭標
準のいずれかが境界面に平行である。従って、この臨界
角度より大きい入射角度に対しては、入射光線は完全に
反射され、屈折光線強度はゼロである。
C境界面 一般に、FLC内の任意の分子方向変化はFLCともう１つ
の誘電体材料との間の境界面で反射され、屈折された光
線の強度においていくつかの変化を生じるが、しかしな
がら、本発明は供給電圧によって選択されたFLC分子方
向によって発生した反射または屈折強度のいずれかが異
なる供給された電圧によって選択されたFLC状態によっ
て発生した同様の強度に比較して大きな割合いを有する
ようなそれらの形態へ向けられる。事実、垂直に無限な
比率の強度はより大きな屈折率の媒体を経て伝播する光
線がより小さい屈折率の媒体を伴う境界面上に入射して
全体的に “全内部反射”の現象を活用することによって達成され
る。これは入射角度が臨界角度以上に増加されるとき発
生し、その臨界角度は屈折された光線またはその波頭標
準のいずれかが境界面に平行である。従って、この臨界
角度より大きい入射角度に対しては、入射光線は完全に
反射され、屈折光線強度はゼロである。
第3a図乃至第3d図は光源15からの光線（それは光ファ
イバ導波体またはその他のタイプの導波体中で自由に伝
播する、あるいは制限されても良い）が第１の屈折率n1
の誘電体材料を経て入射し、FLC材料を含む範囲との境
界面に当たる。座標系は、ｚ軸がＸ−Ｙ平面によって定
められた境界面に垂直であり、ｘ軸が入射平面に垂直で
あり、ｙ軸がｘ軸およびｙ軸の両方に対して垂直である
ように選択される。
イバ導波体またはその他のタイプの導波体中で自由に伝
播する、あるいは制限されても良い）が第１の屈折率n1
の誘電体材料を経て入射し、FLC材料を含む範囲との境
界面に当たる。座標系は、ｚ軸がＸ−Ｙ平面によって定
められた境界面に垂直であり、ｘ軸が入射平面に垂直で
あり、ｙ軸がｘ軸およびｙ軸の両方に対して垂直である
ように選択される。
この実施例において、FLCのスメクティック層は、境
界面の平面（Ｘ−Ｙ平面）との交差がｙ軸に対して角度
αをなし、境界面に対する垂線から角度δで傾斜される
ように向けられる。異なる配向ベクトル方向は適切な方
向および符号の電界↑Ｅを与えることによって選択され
る。例えば、境界面に垂直な電界は第１の誘電体媒体の
表面上の透明な誘電被覆および上述された境界面に平行
なFLC領域を制限する導電プレート間に電圧を供給する
ことによって与えられる。（FLCおよび電極の更に詳細
な構造は第17図を参照して後述する。）好ましい配向ベ
クトル方向は層に平行な供給電界Ｅの成分に平行なＰを
有し、供給された電圧の反転はそれがその他の方向に関
して角度２Ψｏで配向ベクトル方向をあたえるような↑
Ｅの符号を変える。
界面の平面（Ｘ−Ｙ平面）との交差がｙ軸に対して角度
αをなし、境界面に対する垂線から角度δで傾斜される
ように向けられる。異なる配向ベクトル方向は適切な方
向および符号の電界↑Ｅを与えることによって選択され
る。例えば、境界面に垂直な電界は第１の誘電体媒体の
表面上の透明な誘電被覆および上述された境界面に平行
なFLC領域を制限する導電プレート間に電圧を供給する
ことによって与えられる。（FLCおよび電極の更に詳細
な構造は第17図を参照して後述する。）好ましい配向ベ
クトル方向は層に平行な供給電界Ｅの成分に平行なＰを
有し、供給された電圧の反転はそれがその他の方向に関
して角度２Ψｏで配向ベクトル方向をあたえるような↑
Ｅの符号を変える。
好ましいとされる方向のどれでも少なくとも境界面の
長さξ中に存在し、ここではξはその弾性エネルギ密度
K/ξ２が静電気エネルギ密度PE（ξ＝［K/PE］1/2）に
等しいような歪みの大きさを特徴とする長さである。強
い供給電界Ｅ＞＞Ｋ（Ｐλ）２のため、この距離は光波
長λに比較して小さく、装置動作に実質的には影響を及
ぽさない。電界の好ましいとされたもの以外のその他の
配向ベクトル方向の選択は米国特許第4,367,924号およ
び第4,563,I,059号明細書（ClarkおよびLagerWall）に
よって開示されている表面安定化のメカニズムによって
可能である。彼等が明らかにするように、強い供給電界
が無いので、４つまでの別個な配向ベクトル方向は表面
とのFLCの相互作用によって固定され、これらの配向ベ
クトルの方向間のスイッチングは制限された時間のため
表面に対して垂直に供給されたより強い電界によって達
成される。従って、境界面に近い６個の電界で選択され
た配向ベクトル方向状態：すなわち境界面に垂直だが反
対側に向けられて供給された強い電界によって与えられ
た２つの状態と、クラークおよびラガーウォールによっ
て開示された供給電界パルスによって切換えられる４つ
の表面安定化された状態に対して可能性が存在する。
長さξ中に存在し、ここではξはその弾性エネルギ密度
K/ξ２が静電気エネルギ密度PE（ξ＝［K/PE］1/2）に
等しいような歪みの大きさを特徴とする長さである。強
い供給電界Ｅ＞＞Ｋ（Ｐλ）２のため、この距離は光波
長λに比較して小さく、装置動作に実質的には影響を及
ぽさない。電界の好ましいとされたもの以外のその他の
配向ベクトル方向の選択は米国特許第4,367,924号およ
び第4,563,I,059号明細書（ClarkおよびLagerWall）に
よって開示されている表面安定化のメカニズムによって
可能である。彼等が明らかにするように、強い供給電界
が無いので、４つまでの別個な配向ベクトル方向は表面
とのFLCの相互作用によって固定され、これらの配向ベ
クトルの方向間のスイッチングは制限された時間のため
表面に対して垂直に供給されたより強い電界によって達
成される。従って、境界面に近い６個の電界で選択され
た配向ベクトル方向状態：すなわち境界面に垂直だが反
対側に向けられて供給された強い電界によって与えられ
た２つの状態と、クラークおよびラガーウォールによっ
て開示された供給電界パルスによって切換えられる４つ
の表面安定化された状態に対して可能性が存在する。
一般に、与えられた配向ベクトルの方向のFLCとの境
界面上の第１の誘電体からの線形偏光入射は部分的に反
射され部分的に透過される。部分的に透過された光は、
一般に、２つの光線、すなわち常光線（ordinary）と異
常光線（extraordinary）とから成る。第１の媒体が等
方性誘電体であるなら、部分的に反射された光は１つの
光線のみから成るけれども、一般にそれは楕円偏光であ
る。しかしながら第１の媒体が異方性であるなら、部分
的に反射された光は一般に２つの光線、すなわち、常光
線と異常光線とから成る。反射された光線の楕円偏光
（第１の媒体が等方性の場合）および全ての反射され透
過された光線の振幅およびい強度（第１の媒体が等方性
であるいは異方性のいずれかの場合）は境界面に垂直な
供給電界によって選択された様々な配向ベクトル状態に
よって異なる。
界面上の第１の誘電体からの線形偏光入射は部分的に反
射され部分的に透過される。部分的に透過された光は、
一般に、２つの光線、すなわち常光線（ordinary）と異
常光線（extraordinary）とから成る。第１の媒体が等
方性誘電体であるなら、部分的に反射された光は１つの
光線のみから成るけれども、一般にそれは楕円偏光であ
る。しかしながら第１の媒体が異方性であるなら、部分
的に反射された光は一般に２つの光線、すなわち、常光
線と異常光線とから成る。反射された光線の楕円偏光
（第１の媒体が等方性の場合）および全ての反射され透
過された光線の振幅およびい強度（第１の媒体が等方性
であるいは異方性のいずれかの場合）は境界面に垂直な
供給電界によって選択された様々な配向ベクトル状態に
よって異なる。
しかしながら、入射角度θｉは透過された常光線のた
めの臨界角度θｃより大きいなら、透過された光線のみ
が異常光線である。これは、それらが正常の屈折率noよ
り大きい異常屈折率neを有するので反転よりむしろFLC
のため可能な場合であり、そのため異常光線によって生
じる屈折率は常に同様にnoである常光線によって生じる
屈折率より大きい。異常光線によって生じる屈折率は、
しかしながら、光学軸またはFLCの配向ベクトルに関す
るその方向に依存する。その波の伝播方向（その波頭に
垂直な方向）がFLCの光学式に接近するほど、異常光線
によって生じる屈折率はnoに近くなる。この関連する伝
播方向は、一般に、様々な電界で選択された配向ベクト
ル状態によって異なっており、それによって透過異常光
線がこれらの状態のための異なる屈折率を生じることを
包含する。従って、第１の媒体の屈折率n1および入射の
角度は、配向ベクトルの状態の１つにおいて異常光線を
透過し、もう１の配向ベクトル状態に対して全ての入射
光を全反射するため、常光線を透過しない特性を失うこ
となく、更に調整されることができる。従って、FLC媒
体の境界を定める２つの上述された電極間に供給された
電圧は２つの配向ベクトル状態、すなわち、透過異常光
線がより高い屈折率を生じ、いくらかの光が、第３図ａ
に示されるように、インターフェースを横切って透過さ
れる（“透過状態”）ような方向の配向ベクトルを有す
るものと、第３図ｃに示されるように、全ての入射光が
反射され透過されるものがない（“反射状態”）ように
低い屈折率を与えるｙ軸にほぼ平行な配向ベクトル方向
を有するものとの間で選択できる。結果的に、スイッチ
ング効果は文献（R.A.KashnoWおよびC.R.Stein..Applie
d Optics,第10巻、2309−2311頁、1973年10月）および
米国特許第4,278,327号明細書（McMahonおよびSoref）
および第4,385,799号明細書（Soref）に開示されるよう
なネマティックLCを使用するものと同様に達成される。
透過状態と反射状態の配向ベクトル方向間の最大可能屈
折率を達成することは入射の最大角度を許容するけれど
も、一方同時に入射の角度における変化に対して最も感
度の悪い装置の動作を生じる。最大屈折率変化は大きい
複屈折（Δｎ）および大きい傾斜角度（Ψｏ）を有する
FLC材料を使用し、小さい傾斜（δ）を有するようにス
メクティック層を方向づけることによって得られる。δ
＝０の特別な場合のため、電界の好ましいとされる配向
ベクトル状態は境界面に平行であり、入射平面に垂直に
偏光された入射光（以下ｓ偏光と呼ぶ）が、α＝Ψｏの
とき得られる電界の好ましい配向ベクトル状態の１つの
ため完全に異常屈折率neによって影響されることを許容
とする。その他の電界の好ましいとされる配向ベクトル
状態に対するｓ偏光入射光によって生じる屈折率は大き
いΨｏが小さくされ、Ψｏ＝45゜のときnoの最小値に達
する。
めの臨界角度θｃより大きいなら、透過された光線のみ
が異常光線である。これは、それらが正常の屈折率noよ
り大きい異常屈折率neを有するので反転よりむしろFLC
のため可能な場合であり、そのため異常光線によって生
じる屈折率は常に同様にnoである常光線によって生じる
屈折率より大きい。異常光線によって生じる屈折率は、
しかしながら、光学軸またはFLCの配向ベクトルに関す
るその方向に依存する。その波の伝播方向（その波頭に
垂直な方向）がFLCの光学式に接近するほど、異常光線
によって生じる屈折率はnoに近くなる。この関連する伝
播方向は、一般に、様々な電界で選択された配向ベクト
ル状態によって異なっており、それによって透過異常光
線がこれらの状態のための異なる屈折率を生じることを
包含する。従って、第１の媒体の屈折率n1および入射の
角度は、配向ベクトルの状態の１つにおいて異常光線を
透過し、もう１の配向ベクトル状態に対して全ての入射
光を全反射するため、常光線を透過しない特性を失うこ
となく、更に調整されることができる。従って、FLC媒
体の境界を定める２つの上述された電極間に供給された
電圧は２つの配向ベクトル状態、すなわち、透過異常光
線がより高い屈折率を生じ、いくらかの光が、第３図ａ
に示されるように、インターフェースを横切って透過さ
れる（“透過状態”）ような方向の配向ベクトルを有す
るものと、第３図ｃに示されるように、全ての入射光が
反射され透過されるものがない（“反射状態”）ように
低い屈折率を与えるｙ軸にほぼ平行な配向ベクトル方向
を有するものとの間で選択できる。結果的に、スイッチ
ング効果は文献（R.A.KashnoWおよびC.R.Stein..Applie
d Optics,第10巻、2309−2311頁、1973年10月）および
米国特許第4,278,327号明細書（McMahonおよびSoref）
および第4,385,799号明細書（Soref）に開示されるよう
なネマティックLCを使用するものと同様に達成される。
透過状態と反射状態の配向ベクトル方向間の最大可能屈
折率を達成することは入射の最大角度を許容するけれど
も、一方同時に入射の角度における変化に対して最も感
度の悪い装置の動作を生じる。最大屈折率変化は大きい
複屈折（Δｎ）および大きい傾斜角度（Ψｏ）を有する
FLC材料を使用し、小さい傾斜（δ）を有するようにス
メクティック層を方向づけることによって得られる。δ
＝０の特別な場合のため、電界の好ましいとされる配向
ベクトル状態は境界面に平行であり、入射平面に垂直に
偏光された入射光（以下ｓ偏光と呼ぶ）が、α＝Ψｏの
とき得られる電界の好ましい配向ベクトル状態の１つの
ため完全に異常屈折率neによって影響されることを許容
とする。その他の電界の好ましいとされる配向ベクトル
状態に対するｓ偏光入射光によって生じる屈折率は大き
いΨｏが小さくされ、Ψｏ＝45゜のときnoの最小値に達
する。
スメクティック相の強誘電性液晶を使用する単一路ス
イッチの実施例の概略図が第4a図乃至第4d図に示されて
いる。このスイッチは各表面上に透明な導電性被膜44お
よび45を有する２つのガラスプリズム42と43との間のス
メクティック層41を含むFLC材料40の薄い板によって形
成される。電圧パルスは異なる可能な配向ベクトル方向
間で選択するためこれらの被覆へ供給される。層の方
向、光の入射の角度、およびプリズムの屈折率npは、第
4c図において選択された配向ベクトル状態のためプリズ
ム42のポート11上の光源15からの光線入射がその偏光状
態にかかわらずFLCインターフェースでnpsinθｉより小
さい屈折率を生じるように調整され、それ故プリズム42
のポート13から出るように全反射される。しかしなが
ら、もう１つの配向ベクトル状態が第4a図に示されるよ
うに選択されるとき、FLC内の伝播の異常モードを励起
するポート11を経る光線入射の偏光成分はもはや全反射
されはしないが、それは臨界角度より小さい入射の角度
をなすのに充分大きい（すなわち、＞npsinθｉ）屈折
率を生じるからである。従って、この光線の一部はFLC
板を横切って透過され、プリズムのポート14を経て出る
けれども、一方その他の部分は前記のように反射されて
プリズム42のポート13を経て出力する。この状態で透過
される入射光の部分がFLCにおける異常光線によって生
じる屈折率を、プリズムの材料の適切な選択によってFL
C中の異常光線を励起する光線によってプリズム中に生
じる屈折率へ整合することによって最大にされる。４つ
のポート11,12,13および14のいずれかは光線のための入
射ポートとして使用され、１つ以上が同時に使用されて
も良い。
イッチの実施例の概略図が第4a図乃至第4d図に示されて
いる。このスイッチは各表面上に透明な導電性被膜44お
よび45を有する２つのガラスプリズム42と43との間のス
メクティック層41を含むFLC材料40の薄い板によって形
成される。電圧パルスは異なる可能な配向ベクトル方向
間で選択するためこれらの被覆へ供給される。層の方
向、光の入射の角度、およびプリズムの屈折率npは、第
4c図において選択された配向ベクトル状態のためプリズ
ム42のポート11上の光源15からの光線入射がその偏光状
態にかかわらずFLCインターフェースでnpsinθｉより小
さい屈折率を生じるように調整され、それ故プリズム42
のポート13から出るように全反射される。しかしなが
ら、もう１つの配向ベクトル状態が第4a図に示されるよ
うに選択されるとき、FLC内の伝播の異常モードを励起
するポート11を経る光線入射の偏光成分はもはや全反射
されはしないが、それは臨界角度より小さい入射の角度
をなすのに充分大きい（すなわち、＞npsinθｉ）屈折
率を生じるからである。従って、この光線の一部はFLC
板を横切って透過され、プリズムのポート14を経て出る
けれども、一方その他の部分は前記のように反射されて
プリズム42のポート13を経て出力する。この状態で透過
される入射光の部分がFLCにおける異常光線によって生
じる屈折率を、プリズムの材料の適切な選択によってFL
C中の異常光線を励起する光線によってプリズム中に生
じる屈折率へ整合することによって最大にされる。４つ
のポート11,12,13および14のいずれかは光線のための入
射ポートとして使用され、１つ以上が同時に使用されて
も良い。
上述された屈折率整合状態が満たされるとき、第4c図
および第4d図の実施例は偏光ビームスプリッタとして動
作し、実質的に完全に異常モードが励起する一方のもの
を透過し他方を反射することによって任意の偏光状態の
入射光線を生成する２つの直角の線形偏光成分から分離
する。この特性は更に新しい有効な光スイッチング装置
を可能にする。例えば、第4a図乃至第4d図において示さ
れるような単一路FLCスイッチからの出力光はもう１つ
の同様のスイッチに入射されるように向けられ、光学ス
イッチは偏心でない入力光を完全にスイッチする。FLC
を使用するこのようなスイッチの実施例は第5a図および
第5b図において示される。
および第4d図の実施例は偏光ビームスプリッタとして動
作し、実質的に完全に異常モードが励起する一方のもの
を透過し他方を反射することによって任意の偏光状態の
入射光線を生成する２つの直角の線形偏光成分から分離
する。この特性は更に新しい有効な光スイッチング装置
を可能にする。例えば、第4a図乃至第4d図において示さ
れるような単一路FLCスイッチからの出力光はもう１つ
の同様のスイッチに入射されるように向けられ、光学ス
イッチは偏心でない入力光を完全にスイッチする。FLC
を使用するこのようなスイッチの実施例は第5a図および
第5b図において示される。
第5a図および第5b図は入射光の偏心に対して実質的に
感度の悪いスイッチを製造するため減速器50および51を
具備する第４図の２つの素子を結合する２路FLCスイッ
チの実施例を示す。第5a図および第5b図のスイッチはま
た２つのプリズム42と43との間のFLC材料の薄い板40に
よって形成され、FLCガラス境界面の形態は第4a図乃至
第4d図を参照して上述されたものと同じである。第4a図
乃至第4d図を参照して上述されたスイッチが入射光の偏
光がFLC中の伝播の異常モードを励起するスイッチであ
るが、しかしながら、第5a図および第5b図のスイッチン
グ装置はそれらを通過する偏光の偏光状態を変える減速
器50および51を使用する。これらの減速器は複屈折材料
（ウェーブプレート）のプレートであってもよく、ある
いはフレネル菱形として当分野で知られている装置にお
いて開発されるような内部全反射光線によってなされた
再減速の使用によって動作しても良い。
感度の悪いスイッチを製造するため減速器50および51を
具備する第４図の２つの素子を結合する２路FLCスイッ
チの実施例を示す。第5a図および第5b図のスイッチはま
た２つのプリズム42と43との間のFLC材料の薄い板40に
よって形成され、FLCガラス境界面の形態は第4a図乃至
第4d図を参照して上述されたものと同じである。第4a図
乃至第4d図を参照して上述されたスイッチが入射光の偏
光がFLC中の伝播の異常モードを励起するスイッチであ
るが、しかしながら、第5a図および第5b図のスイッチン
グ装置はそれらを通過する偏光の偏光状態を変える減速
器50および51を使用する。これらの減速器は複屈折材料
（ウェーブプレート）のプレートであってもよく、ある
いはフレネル菱形として当分野で知られている装置にお
いて開発されるような内部全反射光線によってなされた
再減速の使用によって動作しても良い。
第5a図は供給された電圧が、異常モードを励起する入
射光の成分が実質的に総合的に伝達されるようなFLC状
態を選択したときのスイッチを示す。２つの直交偏光成
分から成る光源15からの非偏光入力はポート11を経て入
り、FLC中の常光線モードを励起する成分についてθｃ
より大きい入射角度でプリズム−FLC境界面へ入射す
る。入射光線のこの偏光成分は全反射され同じプリズム
42中に止まる。他方で、他の成分はFLC領域40を通って
実質的な反射を伴わずに他方のプリズム43内へ伝達され
るが、それはプリズム中およびFLC中に同じ屈折率を生
じるからである。光成分はそれから空気ガラス境界面で
内側に全反射され、反対側からFLCプリズム境界面に向
けて後方に向けられる。各光成分はそれから減速器（50
あるいは51のいずれか）を通過する。減速器50は反射光
の偏光をFLC中の異常モードを励起する状態へ転換さ
れ、そのためFLCプリズム境界面に向かうその次の通路
上でそれは実質的に全体的に透過され、一方減速器51は
伝達された異常光の偏光をFLCプリズム境界面で内側へ
全反射される状態へ転換する。この方法において、２つ
の成分は第２のガラスプリズム42を経て進行するように
再び結合されポート14を経て出る。
射光の成分が実質的に総合的に伝達されるようなFLC状
態を選択したときのスイッチを示す。２つの直交偏光成
分から成る光源15からの非偏光入力はポート11を経て入
り、FLC中の常光線モードを励起する成分についてθｃ
より大きい入射角度でプリズム−FLC境界面へ入射す
る。入射光線のこの偏光成分は全反射され同じプリズム
42中に止まる。他方で、他の成分はFLC領域40を通って
実質的な反射を伴わずに他方のプリズム43内へ伝達され
るが、それはプリズム中およびFLC中に同じ屈折率を生
じるからである。光成分はそれから空気ガラス境界面で
内側に全反射され、反対側からFLCプリズム境界面に向
けて後方に向けられる。各光成分はそれから減速器（50
あるいは51のいずれか）を通過する。減速器50は反射光
の偏光をFLC中の異常モードを励起する状態へ転換さ
れ、そのためFLCプリズム境界面に向かうその次の通路
上でそれは実質的に全体的に透過され、一方減速器51は
伝達された異常光の偏光をFLCプリズム境界面で内側へ
全反射される状態へ転換する。この方法において、２つ
の成分は第２のガラスプリズム42を経て進行するように
再び結合されポート14を経て出る。
第5b図は供給された電圧がもう１つの分子方向を選択
したときの２路FLCスイッチを示す。示されるように、
両方の光成分はFLCガラス境界面で内側へ全反射され第
１のガラス領域42中で伝播する。両方の成分はガラス−
空気境界面で再び反射され共に減速器50を通過する。両
成分はFLC−ガラス境界面に向けて伝播し続けるが、そ
こではそれらは再び内側へ全反射され、それからそれら
はガラスプリズム42を経てポート13を出るように後方へ
伝播する。
したときの２路FLCスイッチを示す。示されるように、
両方の光成分はFLCガラス境界面で内側へ全反射され第
１のガラス領域42中で伝播する。両方の成分はガラス−
空気境界面で再び反射され共に減速器50を通過する。両
成分はFLC−ガラス境界面に向けて伝播し続けるが、そ
こではそれらは再び内側へ全反射され、それからそれら
はガラスプリズム42を経てポート13を出るように後方へ
伝播する。
第5a図および第5b図に示されるスイッチはまた２つの
状態を有する４ポート装置として使用される。このた
め、入射光は、第１のガラス領域42の入射ポート11へ供
給された光と同じ入射角度で第２のガラス領域43のポー
ト12のような第２の入射光を供給される。FLC分子が単
位ディレクタ↑ｎがｙ軸から遠ざかるように向けられる
とき、ポート11での入射光の両成分は共に反対側のポー
ト14を経て出、ポート12の入射光の両成分は反対側のポ
ート13を経て共に出る。FLCの配向ベクトル↑ｎはｙ軸
により近く、他方で、入射光の両成分はそれらが入射さ
れるガラス領域に留まる。従って、ポート11の入射光は
ポート13を経て出、ポート12の入射光はポート14を経て
出る。結果的に、この光学スイッチは２つの状態、即
ち、一方はポート11が光学的にポート13へ接続され、ポ
ート12は光学的にポート14へ接続されるという状態で、
他方はポート11と14および12と13が各々互いに接続され
る状態である２つの状態を伴う４ポート装置を定める。
状態を有する４ポート装置として使用される。このた
め、入射光は、第１のガラス領域42の入射ポート11へ供
給された光と同じ入射角度で第２のガラス領域43のポー
ト12のような第２の入射光を供給される。FLC分子が単
位ディレクタ↑ｎがｙ軸から遠ざかるように向けられる
とき、ポート11での入射光の両成分は共に反対側のポー
ト14を経て出、ポート12の入射光の両成分は反対側のポ
ート13を経て共に出る。FLCの配向ベクトル↑ｎはｙ軸
により近く、他方で、入射光の両成分はそれらが入射さ
れるガラス領域に留まる。従って、ポート11の入射光は
ポート13を経て出、ポート12の入射光はポート14を経て
出る。結果的に、この光学スイッチは２つの状態、即
ち、一方はポート11が光学的にポート13へ接続され、ポ
ート12は光学的にポート14へ接続されるという状態で、
他方はポート11と14および12と13が各々互いに接続され
る状態である２つの状態を伴う４ポート装置を定める。
第5a図および第5b図の光学スイッチング装置は、入力
ビームが２つの電圧で選択された出力の１つへ接続され
る多用光学ルーチングスイッチとして機能する。さら
に、スイッチが透過状態にあるとき、上述されたものと
異なるように減速器50および51の減速を選択することに
よって、ポート11の入射光は減速器の減速によって決定
される強度の比率で両方のポート13および14で出る。
ビームが２つの電圧で選択された出力の１つへ接続され
る多用光学ルーチングスイッチとして機能する。さら
に、スイッチが透過状態にあるとき、上述されたものと
異なるように減速器50および51の減速を選択することに
よって、ポート11の入射光は減速器の減速によって決定
される強度の比率で両方のポート13および14で出る。
第６図は第4a図乃至第4d図を参照して上述された同じ
効果が１×Ｎ（Ｎ個の出力のうち選択された１つへ進行
する１入力）スイッチを形成するため使用される。加え
て、第６図のスイッチはまた逆にＮ×１（単一の出力へ
進むＮ個の入力のうちの選択された１つ）スイッチとし
て動作する。更に、１×ＮとＮ×１の組の装置はＮ×Ｎ
スイッチを形成するため結合され、ここでは全てのN!の
可能な接続（ここでは各入力は１個だけの出力へ接続さ
れ各出力は１個だけの入力へ接続される）は電圧選択可
能である。第６図は１例として１入力４出力スイッチを
示すが、ここではポート11で入射する光源15からの入力
光線は電極63aと64a、63bとG4b、63cと64cおよび63dと8
4dの間で各々の適切な電圧パルスを供給することによっ
て４つの出力61a,61b,61cおよび61dのいずれか１つへ送
られる。示されるように、第３の出力は他の電極配置と
異なる配向ベクトル状態を選択するために電極83cと64c
との間に電界を供給することによって選択された。結果
的に、電極63Cと64Cとの間のFLC板の部分の分子は、入
射光がFLC板40を経て第２のプリズム42および選択され
たポート61cへ送られるような高い屈折率を与えるよう
に向けられる。
効果が１×Ｎ（Ｎ個の出力のうち選択された１つへ進行
する１入力）スイッチを形成するため使用される。加え
て、第６図のスイッチはまた逆にＮ×１（単一の出力へ
進むＮ個の入力のうちの選択された１つ）スイッチとし
て動作する。更に、１×ＮとＮ×１の組の装置はＮ×Ｎ
スイッチを形成するため結合され、ここでは全てのN!の
可能な接続（ここでは各入力は１個だけの出力へ接続さ
れ各出力は１個だけの入力へ接続される）は電圧選択可
能である。第６図は１例として１入力４出力スイッチを
示すが、ここではポート11で入射する光源15からの入力
光線は電極63aと64a、63bとG4b、63cと64cおよび63dと8
4dの間で各々の適切な電圧パルスを供給することによっ
て４つの出力61a,61b,61cおよび61dのいずれか１つへ送
られる。示されるように、第３の出力は他の電極配置と
異なる配向ベクトル状態を選択するために電極83cと64c
との間に電界を供給することによって選択された。結果
的に、電極63Cと64Cとの間のFLC板の部分の分子は、入
射光がFLC板40を経て第２のプリズム42および選択され
たポート61cへ送られるような高い屈折率を与えるよう
に向けられる。
（ｂ）境界面に平行に供給された電界を有する誘電体FL
C境界面 第7a図乃至第7b図はFLC電気一光学スイッチのもう１
つの実施例を示すが、これは、FLC材料が半空間領域ｚ
＜０を専有し、Ｘ−Ｙ平面がFLCともう１つの誘電体と
の間のインーターフェースであるように座標系が選択さ
れたものである。スメクティック層の法線はＸ−Ｚ表面
に存在し、第7a図に示されるようにｘ軸とゼロでない角
度δをなす。Ｙ−Ｚ平面は入射平面であるように選択さ
れ、光源15からの入射光線は第7b図に示されるようにｚ
軸と角度θｉをなす。電界がｙ軸に平行に供給されるな
ら、反対側に向けられた電界によって選択されたFLC分
子方向はＸ−Ｚ平面でそれらの配向ベクトル↑ｎを有す
る。一方の状態は第7a図に示されるようにほぽｚ軸に平
行であり、他方の状態は第7c図で示されるようにｘ軸に
ほぼ平行である。最も好ましい形態はＮ☆乃至Ｃ☆相連
続を有する材料において見出だされるように、スメクテ
ィックＣ☆が角度Ψｏ＝45゜に傾斜し、層の法線もまた
Ｘ軸およびｚ軸の両方と角度45゜（即ちδ＝45゜）をな
すとき生じる。この形態は従来技術のネマティック装置
におけるそれらと同様の光学状態を有する装置を製造す
る。
C境界面 第7a図乃至第7b図はFLC電気一光学スイッチのもう１
つの実施例を示すが、これは、FLC材料が半空間領域ｚ
＜０を専有し、Ｘ−Ｙ平面がFLCともう１つの誘電体と
の間のインーターフェースであるように座標系が選択さ
れたものである。スメクティック層の法線はＸ−Ｚ表面
に存在し、第7a図に示されるようにｘ軸とゼロでない角
度δをなす。Ｙ−Ｚ平面は入射平面であるように選択さ
れ、光源15からの入射光線は第7b図に示されるようにｚ
軸と角度θｉをなす。電界がｙ軸に平行に供給されるな
ら、反対側に向けられた電界によって選択されたFLC分
子方向はＸ−Ｚ平面でそれらの配向ベクトル↑ｎを有す
る。一方の状態は第7a図に示されるようにほぽｚ軸に平
行であり、他方の状態は第7c図で示されるようにｘ軸に
ほぼ平行である。最も好ましい形態はＮ☆乃至Ｃ☆相連
続を有する材料において見出だされるように、スメクテ
ィックＣ☆が角度Ψｏ＝45゜に傾斜し、層の法線もまた
Ｘ軸およびｚ軸の両方と角度45゜（即ちδ＝45゜）をな
すとき生じる。この形態は従来技術のネマティック装置
におけるそれらと同様の光学状態を有する装置を製造す
る。
即ち、スメクティック層はｙ軸に平行に供給された電
界が、↑ｎがｘ軸に平行である状態かあるいは↑ｎが電
界の符号に依存してｚ軸に平行である状態のいずれかを
選択する。供給された電界がｚ軸に平行な↑ｎを有する
状態を選択するとき入射Ｐ偏光は屈折率neで処理され、
一方ｓ偏光は第7b図で示されるように屈折率noで処理さ
れる。しかしながら、反対側に向けられた電界が供給さ
れるとき、入射光の２つの直交成分によって生じる屈折
率は、第7d図で示されるように、ｐ偏光が屈折率noで処
理され、ｓ偏光が屈折率neで処理されるように相互に交
換される。従って、第5a図および第5b図を参照して説明
されたものと同様の偏光に感じない４ポート２×２スイ
ッチが減速器をもはや必要としないで更に簡単に構成さ
れる。
界が、↑ｎがｘ軸に平行である状態かあるいは↑ｎが電
界の符号に依存してｚ軸に平行である状態のいずれかを
選択する。供給された電界がｚ軸に平行な↑ｎを有する
状態を選択するとき入射Ｐ偏光は屈折率neで処理され、
一方ｓ偏光は第7b図で示されるように屈折率noで処理さ
れる。しかしながら、反対側に向けられた電界が供給さ
れるとき、入射光の２つの直交成分によって生じる屈折
率は、第7d図で示されるように、ｐ偏光が屈折率noで処
理され、ｓ偏光が屈折率neで処理されるように相互に交
換される。従って、第5a図および第5b図を参照して説明
されたものと同様の偏光に感じない４ポート２×２スイ
ッチが減速器をもはや必要としないで更に簡単に構成さ
れる。
第7a図乃至第7d図の装置は、FLC層が使用されると
き、電界がネマティック液晶装置に関して境界面面に対
する法線に平行に与えられるのと異なって入射面に平行
（第7a図〜第7d図におけるｙ軸に平行）に与えられなけ
ればならないことを除いて、従来技術のネマティック液
晶装置と同様に動作する。電界はFLC層と誘電体との間
の境界面に沿ってインターデジットな電極を配置するこ
とによってインターフェース平面に平行に供給される。
他の実施例におけるように、スイッチング時間は従って
ネマティック液晶を使用する従来技術の装置よりも非常
に減少される。
き、電界がネマティック液晶装置に関して境界面面に対
する法線に平行に与えられるのと異なって入射面に平行
（第7a図〜第7d図におけるｙ軸に平行）に与えられなけ
ればならないことを除いて、従来技術のネマティック液
晶装置と同様に動作する。電界はFLC層と誘電体との間
の境界面に沿ってインターデジットな電極を配置するこ
とによってインターフェース平面に平行に供給される。
他の実施例におけるように、スイッチング時間は従って
ネマティック液晶を使用する従来技術の装置よりも非常
に減少される。
第６図を参照して論議されたタイプのスイッチング装
置もまた第7a図乃至第7d図の形状を使用して構成されて
も良い。即ち、１×Ｎ及びＮ×Ｎポート装置もまたマト
リックス中にいくつかのこのようなスイッチを配置する
ことによって製造される。
置もまた第7a図乃至第7d図の形状を使用して構成されて
も良い。即ち、１×Ｎ及びＮ×Ｎポート装置もまたマト
リックス中にいくつかのこのようなスイッチを配置する
ことによって製造される。
（ｃ）導波体−FLC境界面 第8a図乃至第8c図は上述の内部全反射効果が光が導波
体から入射されるスイッチング装置においてどのように
利用されるかを示す。ここでは、FLC板は構成された２
つの導波体を接するプレートへ分離する。導波体−基板
境界面、あるいは導波体−FLC境界面に構成された電極
は電圧がFLCディレクタの方向を制御するように供給さ
れるようにする。導波体はトラップされたビームが、FL
Cおよび基板の屈折率が充分に低いならば第8a図に示さ
れるように伝播されるような高屈折率材料である。伝播
は導波体−FLC及び導波体−基板境界面でトラップされ
たビームの多数の内部全反射として見られる。導波体中
の光のトラッピングは第３図乃至第７図を参照して先に
論議されたものと同じメカニズムによるFLC配向によっ
て制御される。導波体中のものより高い屈折率を与える
ようにFLCを切換えることによって光を導波体から放射
させ、FLC板を通過させ、他方のプレート上の導波体へ
入れる。
体から入射されるスイッチング装置においてどのように
利用されるかを示す。ここでは、FLC板は構成された２
つの導波体を接するプレートへ分離する。導波体−基板
境界面、あるいは導波体−FLC境界面に構成された電極
は電圧がFLCディレクタの方向を制御するように供給さ
れるようにする。導波体はトラップされたビームが、FL
Cおよび基板の屈折率が充分に低いならば第8a図に示さ
れるように伝播されるような高屈折率材料である。伝播
は導波体−FLC及び導波体−基板境界面でトラップされ
たビームの多数の内部全反射として見られる。導波体中
の光のトラッピングは第３図乃至第７図を参照して先に
論議されたものと同じメカニズムによるFLC配向によっ
て制御される。導波体中のものより高い屈折率を与える
ようにFLCを切換えることによって光を導波体から放射
させ、FLC板を通過させ、他方のプレート上の導波体へ
入れる。
第8a図は基板に垂直に供給された電界によって高屈折
率状態および低屈折率状態が選択される第３図のものと
同様のFLC形状を示すが、一方第8b図は２つの状態が基
板に平行に供給された電界によって選択される第７図の
ものと同様の形状を示す。FLCを経て第２の導波体へ進
む入射光エネルギの割合いは導波体の幾何学的形状に依
存するが、充分な導波体オーバーラップを有するほとん
どの構造はFLCがその高屈折率状態へ切換えられるとき
入射光エネルギの大部分（＞５％）を透過するが、一方
FLCがその低屈折率状態にあるとき透過される光の割合
いは非常に小さい。この導波体−FLC導波構造は第8c図
において示されるような非遮断Ｎ×Ｎルーチングスイッ
チ内へ組込まれ、それにおいてはFLC板および導波体層
は紙面に平行に示される。導波体層は、頂部基板上の各
チャンネルが底部基板上の全チャンネルを横切るように
向けられた平行チャンネルへパターン化される。電極は
各オーバーフツプ領域中のFLCが独立的に切換えられる
ように配列する。それから、頂部基板上のチャンネルの
１つへ入射された光はFLCを切換えることによって底部
プレートの任意の選択されたチャンネルへ結合され、そ
の頂部チャンネルは選択された底部チャンネルを横切
る。図中の破線は入射光の切換えがなされていない小部
分によって得られた通路を示し、それはFLC領域がその
低屈折率状態のままであるとき入射の全てが通る経路で
ある。太い実線はFLCがその高屈折率状態へ切換えられ
るときの光の通路を示している。
率状態および低屈折率状態が選択される第３図のものと
同様のFLC形状を示すが、一方第8b図は２つの状態が基
板に平行に供給された電界によって選択される第７図の
ものと同様の形状を示す。FLCを経て第２の導波体へ進
む入射光エネルギの割合いは導波体の幾何学的形状に依
存するが、充分な導波体オーバーラップを有するほとん
どの構造はFLCがその高屈折率状態へ切換えられるとき
入射光エネルギの大部分（＞５％）を透過するが、一方
FLCがその低屈折率状態にあるとき透過される光の割合
いは非常に小さい。この導波体−FLC導波構造は第8c図
において示されるような非遮断Ｎ×Ｎルーチングスイッ
チ内へ組込まれ、それにおいてはFLC板および導波体層
は紙面に平行に示される。導波体層は、頂部基板上の各
チャンネルが底部基板上の全チャンネルを横切るように
向けられた平行チャンネルへパターン化される。電極は
各オーバーフツプ領域中のFLCが独立的に切換えられる
ように配列する。それから、頂部基板上のチャンネルの
１つへ入射された光はFLCを切換えることによって底部
プレートの任意の選択されたチャンネルへ結合され、そ
の頂部チャンネルは選択された底部チャンネルを横切
る。図中の破線は入射光の切換えがなされていない小部
分によって得られた通路を示し、それはFLC領域がその
低屈折率状態のままであるとき入射の全てが通る経路で
ある。太い実線はFLCがその高屈折率状態へ切換えられ
るときの光の通路を示している。
FLC方向における変化は異常モードに影響を及ぼすそ
の屈折率においてのみ変化を生じる。FLCのため通常no
＜neなので、放射光は常に異常光であり、導波体中でト
ラップされるFLCにおける正常光モードを励起する光を
残す。従って、最も有効なスイッチングは、入射光が主
としてFLC申の異常光モードを励起する偏光であるよう
に配置されるなら得られる。この光は、FLC中に生じる
屈折率が導波体のそれよりあまり大きくないから、即ち
屈折率整合が光放射状態における境界面の反射を減少す
るなら、導波体から最も強く放射される。FLC屈折率が
導波体のそれよりわずかに少ないときでさえ、１つの基
板上の導波体中を伝播するエバネセント（evanescent）
波は、FLC板が充分薄いなら他方の基板上の導波体中の
伝播波へ結合し、従てこの装置を電界を選択されたFLC
状態の両方によって与えられた屈折率が導波体のそれよ
り小さいモード中で動作させるが、一方の屈折率は導波
体のそれよりかなり小さく、他方の屈折率は導波体のそ
れよりわずかに小さいだけである。
の屈折率においてのみ変化を生じる。FLCのため通常no
＜neなので、放射光は常に異常光であり、導波体中でト
ラップされるFLCにおける正常光モードを励起する光を
残す。従って、最も有効なスイッチングは、入射光が主
としてFLC申の異常光モードを励起する偏光であるよう
に配置されるなら得られる。この光は、FLC中に生じる
屈折率が導波体のそれよりあまり大きくないから、即ち
屈折率整合が光放射状態における境界面の反射を減少す
るなら、導波体から最も強く放射される。FLC屈折率が
導波体のそれよりわずかに少ないときでさえ、１つの基
板上の導波体中を伝播するエバネセント（evanescent）
波は、FLC板が充分薄いなら他方の基板上の導波体中の
伝播波へ結合し、従てこの装置を電界を選択されたFLC
状態の両方によって与えられた屈折率が導波体のそれよ
り小さいモード中で動作させるが、一方の屈折率は導波
体のそれよりかなり小さく、他方の屈折率は導波体のそ
れよりわずかに小さいだけである。
（ｄ）FLC−FLC境界面 第9a図乃至第9c図は、光源15からの光が異なる方向付
けをされたFLC領域の間の境界面上に入射されるような
本発明のもう１つの実施例を示す。第9a図は与えられた
実施例のFLC装置の側面図を示し、第9b図および第9c図
はFLC装置の頂面図を示す。
けをされたFLC領域の間の境界面上に入射されるような
本発明のもう１つの実施例を示す。第9a図は与えられた
実施例のFLC装置の側面図を示し、第9b図および第9c図
はFLC装置の頂面図を示す。
第9a図において示されるように、光は薄いFLC板81を
通って伝播するが、それは導波体を形成するように内部
全反射によって光を限定する低屈折率材料82によって両
側に境界を作られる。境界媒体82の表面上に電極83,84,
85および86が設けられ、その電極は、FLCの制御が周囲
の領域と同じかあるいは異なって方向付けられるように
電圧を供給する。電極83および84（電極83および84は境
界媒体82の各表面上の互いに横切って直接取付けられて
いる）へ供給された電圧は同様に付着された電極85およ
86によって定められた板の領域に与えられるのと同じFL
C配向ベクトル方向を選択するとき、２つの領域間の境
界面87上の光入射は第9b図に示されるように変化を伴わ
ずに伝達される。しかしながら、電極83および84へ供給
された電圧が電極85および86によって定められた領域に
おいて選択されるものと異なるFLC配向ベクトル方向を
選択するとき、異なる誘電体間の境界面87が形成され、
第２図を参照して上述されたような反射および屈折の現
象が生じる。電極85および86によって定められた領域に
おいて入射光に対する屈折率niが、入射角度で充分傾斜
している（nisinθ＞nt）とき電極83およびおよび84に
よって定められた領域を除いた境界面に平行に伝播する
光に対する屈折率ntより大きいとき、内部全反射が発生
する。FLCのような光学的に異方性媒体における光の伝
播のため、屈折率は異常モードのためのみ光学軸（即ち
配向ベクトル）に関する光の伝播の方向に依存するけれ
ども、一方常光線モードは常に同じ（正常）屈折率を生
じる。従って、FLC−FLC境界面でのスイッチングは入射
光の異常部分についてのみ得られ、低屈折率であるほど
伝播方向が配向ベクトルにより接近する。
通って伝播するが、それは導波体を形成するように内部
全反射によって光を限定する低屈折率材料82によって両
側に境界を作られる。境界媒体82の表面上に電極83,84,
85および86が設けられ、その電極は、FLCの制御が周囲
の領域と同じかあるいは異なって方向付けられるように
電圧を供給する。電極83および84（電極83および84は境
界媒体82の各表面上の互いに横切って直接取付けられて
いる）へ供給された電圧は同様に付着された電極85およ
86によって定められた板の領域に与えられるのと同じFL
C配向ベクトル方向を選択するとき、２つの領域間の境
界面87上の光入射は第9b図に示されるように変化を伴わ
ずに伝達される。しかしながら、電極83および84へ供給
された電圧が電極85および86によって定められた領域に
おいて選択されるものと異なるFLC配向ベクトル方向を
選択するとき、異なる誘電体間の境界面87が形成され、
第２図を参照して上述されたような反射および屈折の現
象が生じる。電極85および86によって定められた領域に
おいて入射光に対する屈折率niが、入射角度で充分傾斜
している（nisinθ＞nt）とき電極83およびおよび84に
よって定められた領域を除いた境界面に平行に伝播する
光に対する屈折率ntより大きいとき、内部全反射が発生
する。FLCのような光学的に異方性媒体における光の伝
播のため、屈折率は異常モードのためのみ光学軸（即ち
配向ベクトル）に関する光の伝播の方向に依存するけれ
ども、一方常光線モードは常に同じ（正常）屈折率を生
じる。従って、FLC−FLC境界面でのスイッチングは入射
光の異常部分についてのみ得られ、低屈折率であるほど
伝播方向が配向ベクトルにより接近する。
第9c図において示された配向ベクトル方向に対して、
電極83および84によって定められた領域内の境界面に平
行に伝播する光は電極85およ86によって定められた領域
における入射光より配向ベクトル方向により接近して伝
播し、そのため内部全反射は充分大きい入射角度に対し
て得られる。最も好ましい状況は最大屈折率変化が得ら
れる場合であり、それは文献（J.S.Pate1およびJ.W.Goo
dby,.JournalofApp1ied PhysiCs）第59巻、2355乃至236
0頁、1986月４月１日）に示された処理のように、大き
い傾斜角度と境界面法線に近い方向にされた層を伴うFL
C材料に対して発生する。境界面に垂直なスメクディッ
ク層を有することには、供給された電界の好ましい状態
がそれらの配向ベクトルを有し、この故に導波体の横断
電気（TE）モードに異常光伝播モードを純粋に形成させ
るようなクラッディング境界面に平行なそれらの光学軸
を有することは導波体装置にとって利点であり、それに
よって境界面上の光入射が純粋に異常光だけであり、従
って完全に切換え可能であるようにする。
電極83および84によって定められた領域内の境界面に平
行に伝播する光は電極85およ86によって定められた領域
における入射光より配向ベクトル方向により接近して伝
播し、そのため内部全反射は充分大きい入射角度に対し
て得られる。最も好ましい状況は最大屈折率変化が得ら
れる場合であり、それは文献（J.S.Pate1およびJ.W.Goo
dby,.JournalofApp1ied PhysiCs）第59巻、2355乃至236
0頁、1986月４月１日）に示された処理のように、大き
い傾斜角度と境界面法線に近い方向にされた層を伴うFL
C材料に対して発生する。境界面に垂直なスメクディッ
ク層を有することには、供給された電界の好ましい状態
がそれらの配向ベクトルを有し、この故に導波体の横断
電気（TE）モードに異常光伝播モードを純粋に形成させ
るようなクラッディング境界面に平行なそれらの光学軸
を有することは導波体装置にとって利点であり、それに
よって境界面上の光入射が純粋に異常光だけであり、従
って完全に切換え可能であるようにする。
Ｎ×Ｎスイッチング装置は第10図において示されたよ
うなマトリックスパターンにおいて第9a図乃至第9c図の
いくつかのスイッチ素子を配列することによって構成さ
れる。各異なる方向に向けられたFLC領域91は、供給さ
れた電界が、周囲の領域と同じかあるいは異なるかのい
ずれかに配向ベクトル↑ｎを方向づけるため選択的にス
イッチされるために電極によって境界されている。第10
図において、例えば破線は、電極が周囲の領域と同じ配
向ベクトル方向を選択するとき得られる通路を示し、一
方実線は電極が周囲の領域より異なった配向ベクトル方
向を選択するとき光のとる方向を示す。
うなマトリックスパターンにおいて第9a図乃至第9c図の
いくつかのスイッチ素子を配列することによって構成さ
れる。各異なる方向に向けられたFLC領域91は、供給さ
れた電界が、周囲の領域と同じかあるいは異なるかのい
ずれかに配向ベクトル↑ｎを方向づけるため選択的にス
イッチされるために電極によって境界されている。第10
図において、例えば破線は、電極が周囲の領域と同じ配
向ベクトル方向を選択するとき得られる通路を示し、一
方実線は電極が周囲の領域より異なった配向ベクトル方
向を選択するとき光のとる方向を示す。
光は第9a図乃至第9c図および第10図におけて示される
型式のスイッチング動作のためにFLC媒体を経て伝播す
る必要はない。文献（TeruiおよびKobayashiNProceedin
g of SPIE−The International Societyf Optlcal Engi
neering）第517巻、267−274頁、1984）において示され
るように、例えば、液晶材料が単に少し高い屈折率の材
料の導波体のための低屈折率クラッディングを形成する
場合に同じ内部全反射現象が得られる。このような導波
体スイッチの断面は第11図に示されている。
型式のスイッチング動作のためにFLC媒体を経て伝播す
る必要はない。文献（TeruiおよびKobayashiNProceedin
g of SPIE−The International Societyf Optlcal Engi
neering）第517巻、267−274頁、1984）において示され
るように、例えば、液晶材料が単に少し高い屈折率の材
料の導波体のための低屈折率クラッディングを形成する
場合に同じ内部全反射現象が得られる。このような導波
体スイッチの断面は第11図に示されている。
第11図に示さた実施例において、光は高屈折率導波体
層中を伝播し、その層は低屈折率バッファ層と一側面で
隣接し、低屈折率FLC材料と他側面で接している。導波
体層中を伝播する光の瞬間電界上のFLCにおける配向ベ
クトル方向の変化の効果は第８図および第９図を参照し
て上述されたスイッチによって生じたものと同じ結果を
生じる。従って、上述された種類の装置の各々もまた第
11図において示されたタイプの導波体スイッチとして構
成されても良い。
層中を伝播し、その層は低屈折率バッファ層と一側面で
隣接し、低屈折率FLC材料と他側面で接している。導波
体層中を伝播する光の瞬間電界上のFLCにおける配向ベ
クトル方向の変化の効果は第８図および第９図を参照し
て上述されたスイッチによって生じたものと同じ結果を
生じる。従って、上述された種類の装置の各々もまた第
11図において示されたタイプの導波体スイッチとして構
成されても良い。
2.連続装置 上記セクションＩの１において、FLC配向ベクトル方
向がいつでも、特に配向ベクトル↑ｎが境界に対する法
線に依存しないとき同じであることが仮定された。しか
しながら、FLCとの境界表面に垂直な方向に↑ｎを依存
させることによって配向ベクトル方向における異質性を
生じるための方法があることが知られている。例えば、
表面（境界面に直接隣接しているFLCの部分）は↑Ｐ・
↑Ｓの１符号を好ましいとし、ここで↑Ｓは境界面の外
部表面に垂直な配向ベクトルであり、表面付近の供給さ
れた電界またはもう一方は反対側に向けられた↑Ｐを好
ましい方向とする。従って、もしFLC層が供給された電
界に関してこの方法で方向付けられるなら、↑Ｐおよび
↑Ｓの方向が変化する領域が表面に接近して生じる。
向がいつでも、特に配向ベクトル↑ｎが境界に対する法
線に依存しないとき同じであることが仮定された。しか
しながら、FLCとの境界表面に垂直な方向に↑ｎを依存
させることによって配向ベクトル方向における異質性を
生じるための方法があることが知られている。例えば、
表面（境界面に直接隣接しているFLCの部分）は↑Ｐ・
↑Ｓの１符号を好ましいとし、ここで↑Ｓは境界面の外
部表面に垂直な配向ベクトルであり、表面付近の供給さ
れた電界またはもう一方は反対側に向けられた↑Ｐを好
ましい方向とする。従って、もしFLC層が供給された電
界に関してこの方法で方向付けられるなら、↑Ｐおよび
↑Ｓの方向が変化する領域が表面に接近して生じる。
（ａ）ケース１−低屈折率を与える表面の好ましい配向
ベクトル 第3a図乃至第3d図において示される実施例において、
FLCと他の誘電体との間の境界面はｓ偏光を入射するた
め低屈折率を与える配向ベクトル方向を与える↑Ｐの方
向を好ましい方向とする。反対側に向けられた↑Ｐを好
ましいとする電界が第3d図において示される方向である
ときFLCへ供給されるなら、配向ベクトルの方向は境界
面に直接隣接する頭域内の境界面によって好ましい方向
から境界面から幾分離れて供給された電界によって好ま
しい方向へ変化することが可能である。この方法で、 “深さ（depth）”ξが変えられても良い。事実、変化
のほとんどは境界面からの距離ξ中に発生し、ここで
は、 ξ＝［K/（PE）］1/2 であり、式中ＫはFLCのOssen−Frank弾性定数と等し
く、Ｐは強誘電性分極の大きさに等しく、Ｅは供給され
た電界の強度に等しい。
ベクトル 第3a図乃至第3d図において示される実施例において、
FLCと他の誘電体との間の境界面はｓ偏光を入射するた
め低屈折率を与える配向ベクトル方向を与える↑Ｐの方
向を好ましい方向とする。反対側に向けられた↑Ｐを好
ましいとする電界が第3d図において示される方向である
ときFLCへ供給されるなら、配向ベクトルの方向は境界
面に直接隣接する頭域内の境界面によって好ましい方向
から境界面から幾分離れて供給された電界によって好ま
しい方向へ変化することが可能である。この方法で、 “深さ（depth）”ξが変えられても良い。事実、変化
のほとんどは境界面からの距離ξ中に発生し、ここで
は、 ξ＝［K/（PE）］1/2 であり、式中ＫはFLCのOssen−Frank弾性定数と等し
く、Ｐは強誘電性分極の大きさに等しく、Ｅは供給され
た電界の強度に等しい。
従って、低い供給電界に対してξは大きく、境界面に
近い領域がｓ偏光のための低屈折率を伴う方向を有し、
そのため内部全反射は第12a図において示されるように
生じる。供給された電界が増加されるとき、ξは減少し
てFLC内への光のフィールドの進入の深さに匹敵するよ
うになる。この点でかなりの量の光は第12b図において
示されるように透過され始める。供給電界が更に増加す
るとξは更に減少し、それによって光の透過部分におけ
る更なる増加を生成する。これは供給された電界の大き
さを変えることによって連続的方法において透過および
反射された光の強度が制御されることを可能にする。一
般に、透過された光は楕円偏光され、供給された電圧が
変化するとき楕円の離心率および主軸の方向が変化し、
制限ξ＜＜λで直線偏光になる（λは光の真空中の波
長）。
近い領域がｓ偏光のための低屈折率を伴う方向を有し、
そのため内部全反射は第12a図において示されるように
生じる。供給された電界が増加されるとき、ξは減少し
てFLC内への光のフィールドの進入の深さに匹敵するよ
うになる。この点でかなりの量の光は第12b図において
示されるように透過され始める。供給電界が更に増加す
るとξは更に減少し、それによって光の透過部分におけ
る更なる増加を生成する。これは供給された電界の大き
さを変えることによって連続的方法において透過および
反射された光の強度が制御されることを可能にする。一
般に、透過された光は楕円偏光され、供給された電圧が
変化するとき楕円の離心率および主軸の方向が変化し、
制限ξ＜＜λで直線偏光になる（λは光の真空中の波
長）。
（ｂ）ケース２−高い屈折率を与える表面の好ましいる
配向ベクトル FLCの表面が第3b図に示された好ましいとされる方向
を有するとき、低い供給電界および大きいξ＞＞λ（λ
は入射光の真空中の波長）に対して、境界面に直接隣接
している層はｓ偏光に対して大きい屈折率を与える方向
を有し、これは初期に透過される。この光がFLCを経て
伝播し、FLCの配向ベクトル方向↑ｎは次第に変化する
が、しかしながらξ＞＞λである限り、透過された光の
偏光は第13a図に示されるように↑ｎによって定められ
る光学軸方向に“断熱的にに従う。モーギン（Maugin）
制限におけるこの伝播（即ちここでは光は液晶のらせん
のねじれに従う）は正確に従来技術のツイストされたネ
マティック装置によって開発される現象である。言替え
ると、モーギン制限において、最初にｓ偏光される光は
FLC領域を経てほぼ完全に透過される。電界が増加され
るとき、ξはλに匹敵するように短くされ、モーギン状
態（ξ＞＞λ）はもはや満されない。光はもはや第13b
図に示されるように光学軸方向に従うことはない。従っ
て、かなりの量の入射光は入射の平面に対して垂直に偏
光されないときでさえ反射される。事実、反射された光
は直線偏光されることは全くなく、それは楕円偏光され
る。
配向ベクトル FLCの表面が第3b図に示された好ましいとされる方向
を有するとき、低い供給電界および大きいξ＞＞λ（λ
は入射光の真空中の波長）に対して、境界面に直接隣接
している層はｓ偏光に対して大きい屈折率を与える方向
を有し、これは初期に透過される。この光がFLCを経て
伝播し、FLCの配向ベクトル方向↑ｎは次第に変化する
が、しかしながらξ＞＞λである限り、透過された光の
偏光は第13a図に示されるように↑ｎによって定められ
る光学軸方向に“断熱的にに従う。モーギン（Maugin）
制限におけるこの伝播（即ちここでは光は液晶のらせん
のねじれに従う）は正確に従来技術のツイストされたネ
マティック装置によって開発される現象である。言替え
ると、モーギン制限において、最初にｓ偏光される光は
FLC領域を経てほぼ完全に透過される。電界が増加され
るとき、ξはλに匹敵するように短くされ、モーギン状
態（ξ＞＞λ）はもはや満されない。光はもはや第13b
図に示されるように光学軸方向に従うことはない。従っ
て、かなりの量の入射光は入射の平面に対して垂直に偏
光されないときでさえ反射される。事実、反射された光
は直線偏光されることは全くなく、それは楕円偏光され
る。
電界がξ＜＜λであるように増加されるとき、装置の
動作は分離した状態の装置を参照して上述されたもの戻
る（セクションI.A.1.）。入射光はそれから内部全反射
される。これはセクションI.A.2.の（ａ）で上述された
ケース１の装置のそれと反対の透過対供給電圧特性とす
ることを可能にする。
動作は分離した状態の装置を参照して上述されたもの戻
る（セクションI.A.1.）。入射光はそれから内部全反射
される。これはセクションI.A.2.の（ａ）で上述された
ケース１の装置のそれと反対の透過対供給電圧特性とす
ることを可能にする。
B.方向変化装置 上記セクションＡに記述された電気一光学効果は、少
なくとも１つがFLCである２つの誘電体間の境界面で光
の反射および屈折を生じる光の電界を説明する複素振幅
における変化に依存する。実質的な電気一光学スイッチ
ング装置を製造するために利用されるもう１つの効果は
誘電体境界面での屈折によって生成される透過光の伝播
の方向における変化である。例えば、２つの誘電体媒体
１および２がＸ−Ｙ平面を定めるそれらの間の境界面を
有し、媒体１を通過するＹ−Ｚ平面における光入射およ
びその波面に垂直な配向ベクトル↑Siがｚ軸に対して角
度θｉをなすから、この光に対する屈折率は第14a図お
よび第14b図において示されるようにniである（第14a図
および第14b図において、θｉ＝θｔ＝０であることに
注意しなければならない）。境界面においてこの光は一
般に部分的に反射され部分的に屈折される（透過され
る）。更に、透過された光の波面に対して垂直な配向ベ
クトルStとｚ軸との間の角度がθｔなら、媒体２におい
てこの光に対する屈折率はntである。それから屈折の角
度に対する入射角度に関係する一般形式のスネル（Snel
l）の法則のもとで、関係は以下の式を結果として生じ
る。
なくとも１つがFLCである２つの誘電体間の境界面で光
の反射および屈折を生じる光の電界を説明する複素振幅
における変化に依存する。実質的な電気一光学スイッチ
ング装置を製造するために利用されるもう１つの効果は
誘電体境界面での屈折によって生成される透過光の伝播
の方向における変化である。例えば、２つの誘電体媒体
１および２がＸ−Ｙ平面を定めるそれらの間の境界面を
有し、媒体１を通過するＹ−Ｚ平面における光入射およ
びその波面に垂直な配向ベクトル↑Siがｚ軸に対して角
度θｉをなすから、この光に対する屈折率は第14a図お
よび第14b図において示されるようにniである（第14a図
および第14b図において、θｉ＝θｔ＝０であることに
注意しなければならない）。境界面においてこの光は一
般に部分的に反射され部分的に屈折される（透過され
る）。更に、透過された光の波面に対して垂直な配向ベ
クトルStとｚ軸との間の角度がθｔなら、媒体２におい
てこの光に対する屈折率はntである。それから屈折の角
度に対する入射角度に関係する一般形式のスネル（Snel
l）の法則のもとで、関係は以下の式を結果として生じ
る。
（ni［↑Si］−nt［↑St］）×［↑ｚ］＝０ 従って、FLCが第２の媒体を含むなら、その分子方向
における電気的に誘発された変化は異常光に影響を及ぼ
す光学軸方向および屈折率ntにおける変化を生じる。屈
折率ntにおける変化は伝播方向↑Stにおける変化を生
じ、光学軸方向における変化は、この方向はそれが光学
軸に沿ってあるいはそれに対して垂直に伝播しない限り
異常光のための波伝播に平行でないので光エネルギが流
れる光線および方向において更に変化を生成する。
における電気的に誘発された変化は異常光に影響を及ぼ
す光学軸方向および屈折率ntにおける変化を生じる。屈
折率ntにおける変化は伝播方向↑Stにおける変化を生
じ、光学軸方向における変化は、この方向はそれが光学
軸に沿ってあるいはそれに対して垂直に伝播しない限り
異常光のための波伝播に平行でないので光エネルギが流
れる光線および方向において更に変化を生成する。
この方向変化効果の例として、第１の媒体がガラスで
第２の媒体が第14a図か第14b図のいずれかに示されるよ
うに境界面に平行なスメクティック層を具備するFLCで
あるようにする。ｘ軸に平行あるいは平行でない供給電
界によって選択されたFLCの２つの状態は層の法線から
角度＋Ψｏ（第14a図）または−Ψｏ（第14b図）のいず
れかでそれらの光学軸を有する。ｙ軸に平行な偏光によ
るこのインタフェース上の垂直な光入射は変化しない伝
播方向を有しており、境界面を横切って伝達されるが、
異常光線は屈折され、屈折の方向は２つのFLC状態の選
択されたものに依存する。no＜neに対して、通常のFLC
の場合のように、屈折光線は光学軸と同じ側のｚ軸上に
存在する。
第２の媒体が第14a図か第14b図のいずれかに示されるよ
うに境界面に平行なスメクティック層を具備するFLCで
あるようにする。ｘ軸に平行あるいは平行でない供給電
界によって選択されたFLCの２つの状態は層の法線から
角度＋Ψｏ（第14a図）または−Ψｏ（第14b図）のいず
れかでそれらの光学軸を有する。ｙ軸に平行な偏光によ
るこのインタフェース上の垂直な光入射は変化しない伝
播方向を有しており、境界面を横切って伝達されるが、
異常光線は屈折され、屈折の方向は２つのFLC状態の選
択されたものに依存する。no＜neに対して、通常のFLC
の場合のように、屈折光線は光学軸と同じ側のｚ軸上に
存在する。
第15図はこの方向変化原理の別の例を示す。第15図に
おいて両方の媒体は入射平面への垂線から同じ角度δで
傾斜されたそれらの層を具備するFLCであり、ｙ軸に対
する同じ角度αで入射の平面と交差する。もし配向ベク
トルの状態が両方の領域において同じであるなら、光学
軸方向は両方の領域において同じであり、（破線光路に
よって示されるように）入射の角度にかかわらず反射あ
るいは屈折は存在しない。他方で、もしｘ軸に沿って供
給された電界が２つの領域における異なる配向ベクトル
状態を選択したならば、境界面を横切る光学軸における
変化が存在し、異常光線の屈折が再び発生する。
おいて両方の媒体は入射平面への垂線から同じ角度δで
傾斜されたそれらの層を具備するFLCであり、ｙ軸に対
する同じ角度αで入射の平面と交差する。もし配向ベク
トルの状態が両方の領域において同じであるなら、光学
軸方向は両方の領域において同じであり、（破線光路に
よって示されるように）入射の角度にかかわらず反射あ
るいは屈折は存在しない。他方で、もしｘ軸に沿って供
給された電界が２つの領域における異なる配向ベクトル
状態を選択したならば、境界面を横切る光学軸における
変化が存在し、異常光線の屈折が再び発生する。
第15図の原理を利用する方向変化装置の特に簡単な実
施例は第16a図において図式化されている。破線は、FLC
配向ベクトル方向が両方の領域にわたって同じであると
きの入射光路を示す。しかしながら、電極161へ供給さ
れた電圧は異なる方向を選択選択したとき、異常光線は
実線路に従ってもとの経路から移動された電極領域から
出てくる。別の簡単な構成の実施例は第16b図に示され
ている。再び、FLC配向ベクトルの方向は全体にわった
同じであるとき、入射光は直線路（破線）に沿って進
む。電極162によって配向ベクトル状態が周囲の領域に
おけるそれとは異なるように選択されたとき、透過され
た異常光線は実線のように変化された方向で反対側の境
界面から出る。従って、第16a図のようにFLC領域の反対
側の面が入射面と平行であるから、光はそのもとの経路
と平行であるがもとの経路から変位して出力される。ま
た、第16b図に示されるように反対側の面が入射面と平
行でないならは、この入射光の方向は変化して出力され
る。したがって、入射光の方向に対して出力光の方向を
所望の方向に変化させることができる。
施例は第16a図において図式化されている。破線は、FLC
配向ベクトル方向が両方の領域にわたって同じであると
きの入射光路を示す。しかしながら、電極161へ供給さ
れた電圧は異なる方向を選択選択したとき、異常光線は
実線路に従ってもとの経路から移動された電極領域から
出てくる。別の簡単な構成の実施例は第16b図に示され
ている。再び、FLC配向ベクトルの方向は全体にわった
同じであるとき、入射光は直線路（破線）に沿って進
む。電極162によって配向ベクトル状態が周囲の領域に
おけるそれとは異なるように選択されたとき、透過され
た異常光線は実線のように変化された方向で反対側の境
界面から出る。従って、第16a図のようにFLC領域の反対
側の面が入射面と平行であるから、光はそのもとの経路
と平行であるがもとの経路から変位して出力される。ま
た、第16b図に示されるように反対側の面が入射面と平
行でないならは、この入射光の方向は変化して出力され
る。したがって、入射光の方向に対して出力光の方向を
所望の方向に変化させることができる。
この方向変化効果は入射光が第９図を参照して先に与
えられた導波体原理によってFLC板中を伝播するように
制限された装置において利用される。また、第11図を参
照して記載されたように、光は液晶中を伝播する必要は
なく、これらの効果がまたFLCがより高い屈折率の導波
体のためのクラッディングであるような形態で達成され
ることを許容する。
えられた導波体原理によってFLC板中を伝播するように
制限された装置において利用される。また、第11図を参
照して記載されたように、光は液晶中を伝播する必要は
なく、これらの効果がまたFLCがより高い屈折率の導波
体のためのクラッディングであるような形態で達成され
ることを許容する。
II.FLC電気一光学スイッチの構成 セクションＩは本発明に従って電気一光学スイッチン
グ効果を達成するため強誘電体液晶を使用される様々な
幾何学的形態に関するものであった。このセクションで
は、このような装置を構成し操作するための方法につい
て説明する。説明される技術のほとんど米国特許第4,54
3,059号明細書において既に開示されたSSFLC装置に等し
く適用できる。
グ効果を達成するため強誘電体液晶を使用される様々な
幾何学的形態に関するものであった。このセクションで
は、このような装置を構成し操作するための方法につい
て説明する。説明される技術のほとんど米国特許第4,54
3,059号明細書において既に開示されたSSFLC装置に等し
く適用できる。
本発明の好ましい実施例に従ったFLCセルの一般的な
原型が第17図に断面図で示されている。FLCセル170は２
つのガラスプレート（またはその他の適当な誘電体媒
体）172と173との間の間隙へ封入される。間隙の縁は間
隙空間を定めるようにするスペーサガスケット174によ
って密閉される。さらに分散されたスペーサ粒子175お
よびスペーサパッド176が間隙の大きさを定めるために
使用されている。ガラスプレート172および173は電極と
してパターン化された誘電層177および178によって被覆
され、このプレートは更にFLC層を方向づけるため摩擦
されたポリマー層179によって被覆される。これらの素
子の各々の材料組成は以下に説明する。
原型が第17図に断面図で示されている。FLCセル170は２
つのガラスプレート（またはその他の適当な誘電体媒
体）172と173との間の間隙へ封入される。間隙の縁は間
隙空間を定めるようにするスペーサガスケット174によ
って密閉される。さらに分散されたスペーサ粒子175お
よびスペーサパッド176が間隙の大きさを定めるために
使用されている。ガラスプレート172および173は電極と
してパターン化された誘電層177および178によって被覆
され、このプレートは更にFLC層を方向づけるため摩擦
されたポリマー層179によって被覆される。これらの素
子の各々の材料組成は以下に説明する。
合成される第１の既知の強誘電体液晶材料は文献（Me
yeΓ等、LoJournaldePhysique）第36巻、pp.L−69−7
1、1975）に記載され、DOBAMBACとして市販されている
（ｐデシロキシベンジリデン ｐ−アミノ ２−メチル
ブチル シナメート）。ここに説明された装置の全ては
DOBAMBCから作られることができるけれども、それは本
発明において使用するためには望ましくないいくつかの
欠点を有している。すなわち、第１に、DOBAMBCにおけ
る強誘電体相が通常の大気の温度以上の温度で発生する
ので、この装置はほとんどの環境で外部的に加熱される
必要がある。第２に、DOBAMBCは化学的に安定せず、Ｃ
＝Ｎの結合の加水分解を生じやすい。したがって、ほと
んどの動作状態下で、DOBAMBCは、不都合に短い期間後
に分解して材料がもはや強誘電体液晶相を有しない。
yeΓ等、LoJournaldePhysique）第36巻、pp.L−69−7
1、1975）に記載され、DOBAMBACとして市販されている
（ｐデシロキシベンジリデン ｐ−アミノ ２−メチル
ブチル シナメート）。ここに説明された装置の全ては
DOBAMBCから作られることができるけれども、それは本
発明において使用するためには望ましくないいくつかの
欠点を有している。すなわち、第１に、DOBAMBCにおけ
る強誘電体相が通常の大気の温度以上の温度で発生する
ので、この装置はほとんどの環境で外部的に加熱される
必要がある。第２に、DOBAMBCは化学的に安定せず、Ｃ
＝Ｎの結合の加水分解を生じやすい。したがって、ほと
んどの動作状態下で、DOBAMBCは、不都合に短い期間後
に分解して材料がもはや強誘電体液晶相を有しない。
現在の時点で、非常に改良された特性を有する多くの
その他のFLC材料が多数の供給源から市販されており、
いくつかの異なる化合物を混合することによって、有効
な環境にわたる広い温度範囲を有する材料が得られる。
更に、化学的に安定した成分を使用することによって、
合成混合物は時間の経過によって明らかに分解されない
こともまた確実に可能である。例えば、市販されている
混合物CS−1014（Chisso社）は本発明の電気一光学スイ
ッチング装置の構成において使用される。しかしなが
ら、その他の強誘電体液晶材料も動作状態に応じて使川
できる。
その他のFLC材料が多数の供給源から市販されており、
いくつかの異なる化合物を混合することによって、有効
な環境にわたる広い温度範囲を有する材料が得られる。
更に、化学的に安定した成分を使用することによって、
合成混合物は時間の経過によって明らかに分解されない
こともまた確実に可能である。例えば、市販されている
混合物CS−1014（Chisso社）は本発明の電気一光学スイ
ッチング装置の構成において使用される。しかしなが
ら、その他の強誘電体液晶材料も動作状態に応じて使川
できる。
FLCは本質的に部分的に流動体であるので、液晶（L
C）セルは材料を包含するように構成されなければなら
ない。さらに、LCセルはまた不可欠な電極およびおよび
アライメント層179を支持するために適切な手段を設け
られなければならない。図示の実施例によって説明する
と、第17図においてLCセル170は平面FLC層171を包囲す
るものとして示されている。この平面FLC層は２つの固
体誘電体材料172および173（種々のシリケートガラスか
ら形成された透明なガラスプレートまたは透明な柔軟な
ポリマから形成されたプレートあるいはその他の誘電体
材料のプレートであっても良い）を配置することによっ
て包囲されるが、それはFLCを包含するための間隙が平
行な面の間に定められるように互いに向かう平面を具備
する。面の間の間隙は間隙の縁に沿って所望された厚さ
の離間ガスケット174を配置し、ギャップ全体にわたっ
てスペーサ175および178を分配することによって定めら
れる。離間ガスケット174はまた密封材料から形成さ
れ、FLCの密閉に使用される。
C）セルは材料を包含するように構成されなければなら
ない。さらに、LCセルはまた不可欠な電極およびおよび
アライメント層179を支持するために適切な手段を設け
られなければならない。図示の実施例によって説明する
と、第17図においてLCセル170は平面FLC層171を包囲す
るものとして示されている。この平面FLC層は２つの固
体誘電体材料172および173（種々のシリケートガラスか
ら形成された透明なガラスプレートまたは透明な柔軟な
ポリマから形成されたプレートあるいはその他の誘電体
材料のプレートであっても良い）を配置することによっ
て包囲されるが、それはFLCを包含するための間隙が平
行な面の間に定められるように互いに向かう平面を具備
する。面の間の間隙は間隙の縁に沿って所望された厚さ
の離間ガスケット174を配置し、ギャップ全体にわたっ
てスペーサ175および178を分配することによって定めら
れる。離間ガスケット174はまた密封材料から形成さ
れ、FLCの密閉に使用される。
スベーサ175および176は多数の技術によってプレート
172および173の平面上に取付けられる。例えば、このス
ベーサはSiOのようなFLCに対して不活性な材料を蒸発さ
せることによって、あるいはポリアミドのようなポリマ
のスピン・オン（spun−on）層をプレート面上にパター
ン化することによって形成されても良い。その代わり
に、スペーサはグラスファイバあるいはポリマ球のよう
な堅い粒子から構成されても良く、それは液晶材料中に
分散して配置される。
172および173の平面上に取付けられる。例えば、このス
ベーサはSiOのようなFLCに対して不活性な材料を蒸発さ
せることによって、あるいはポリアミドのようなポリマ
のスピン・オン（spun−on）層をプレート面上にパター
ン化することによって形成されても良い。その代わり
に、スペーサはグラスファイバあるいはポリマ球のよう
な堅い粒子から構成されても良く、それは液晶材料中に
分散して配置される。
FLC材料171は種々の方法でプレートの間の間隙へ導入
される。間隙が小さい（数百ミクロン以下）とき、間隙
を部分的に満たす液体はそれを更に間隙中へ流す大きい
毛細管力を加えられる。従って、もしセルがFLC材料を
その等方性液体相に入れるのに充分高い温度へ加熱され
るなら、間隙の縁部に置かれた材料は間隙が満たされる
まで間隙内へ流れる。充填の前に間隙から空気を排気す
ることもまた充填処理を加速するため使用される。
される。間隙が小さい（数百ミクロン以下）とき、間隙
を部分的に満たす液体はそれを更に間隙中へ流す大きい
毛細管力を加えられる。従って、もしセルがFLC材料を
その等方性液体相に入れるのに充分高い温度へ加熱され
るなら、間隙の縁部に置かれた材料は間隙が満たされる
まで間隙内へ流れる。充填の前に間隙から空気を排気す
ることもまた充填処理を加速するため使用される。
セクションＩにおいて記載されたように、本発明はFL
C層の幾何学的形態、供給された電界、および分子方向
に依存するいくつかの有効な電気−光学スイッチング特
性を有する。第３図乃至第16図において示されるよう
に、例えば、本発明の異なる実施例の各々はスメクティ
ック層が選択された方向に対して予め決められた角度で
配列されることを必要とする。このスメクティック層配
列は様々な異なる方法によって達成される。例えば、第
17図において示されるように、異方性被覆179は、ネマ
ティック液晶を整列するために通常使用されるものと同
様の方法で境界プレート172および173のいずれか一方ま
たは双方へ加えられてもよい。このような被覆のいくつ
かを生じるためのいくつかの技術は文献（J.S.Patel
等、Ferroelctrics）第59巻、pp.137−144、1984年、お
よびJ.S.Patel等、Journalof Applled Physics）第59
巻、No.7、1986年４月１日、pp.2355−60）に記述され
ている。
C層の幾何学的形態、供給された電界、および分子方向
に依存するいくつかの有効な電気−光学スイッチング特
性を有する。第３図乃至第16図において示されるよう
に、例えば、本発明の異なる実施例の各々はスメクティ
ック層が選択された方向に対して予め決められた角度で
配列されることを必要とする。このスメクティック層配
列は様々な異なる方法によって達成される。例えば、第
17図において示されるように、異方性被覆179は、ネマ
ティック液晶を整列するために通常使用されるものと同
様の方法で境界プレート172および173のいずれか一方ま
たは双方へ加えられてもよい。このような被覆のいくつ
かを生じるためのいくつかの技術は文献（J.S.Patel
等、Ferroelctrics）第59巻、pp.137−144、1984年、お
よびJ.S.Patel等、Journalof Applled Physics）第59
巻、No.7、1986年４月１日、pp.2355−60）に記述され
ている。
層を整列するためのもう１つの方法は第18図に示され
ている。図示されたように、弱い切断張力がスメクティ
ック層を方向づけるためFLCセル170へ加えられる。この
技術のため、FLCセル170は２つのやや柔軟なプレートか
ら成り、ローラ181,182,183,184および185の各々の間を
通過し、それらローラは交互にオフセットされ反対方向
に回転する。セルの結果として生じる波動はスメクティ
ック材料の層をプレートの動きの方向に平行な向きの切
断張力を生じる。必要な張力を生じるためのその他の既
知の手段もまた本発明の技術的範囲内で使用できる。
ている。図示されたように、弱い切断張力がスメクティ
ック層を方向づけるためFLCセル170へ加えられる。この
技術のため、FLCセル170は２つのやや柔軟なプレートか
ら成り、ローラ181,182,183,184および185の各々の間を
通過し、それらローラは交互にオフセットされ反対方向
に回転する。セルの結果として生じる波動はスメクティ
ック材料の層をプレートの動きの方向に平行な向きの切
断張力を生じる。必要な張力を生じるためのその他の既
知の手段もまた本発明の技術的範囲内で使用できる。
第17図を再び参照すると、本発明のFLCセル170は電界
をFLCセル171へ供給するための手段を必要とする。電圧
をFLCセル170へ供給するための簡単な技術は境界プレー
ト172および173へ取付けられた導電層177および178を使
用するものである。これらの導体を使用して、電界は各
境界表面172と173との間に電圧を供給することによって
FLC層を横断して供給される。更に、第７図ａ乃至第７
図ｄにおいて示される実施例におけるようにFLC層に平
行な電界が要求されるときには、電圧は同じ境界プレー
ト上の２つの隣接する電極間に供給される。導電層177
および178はアルミニウムのような金属の薄い層（例え
ば、厚さ1000オングストローム）の真空蒸着によって構
成される。さらに、光が導電領域を通過することが望ま
れるとき、酸化インジウム−錫のような透明な導体が既
知の方法を使用する真空付着によって境界プレートに代
わりに被着される。
をFLCセル171へ供給するための手段を必要とする。電圧
をFLCセル170へ供給するための簡単な技術は境界プレー
ト172および173へ取付けられた導電層177および178を使
用するものである。これらの導体を使用して、電界は各
境界表面172と173との間に電圧を供給することによって
FLC層を横断して供給される。更に、第７図ａ乃至第７
図ｄにおいて示される実施例におけるようにFLC層に平
行な電界が要求されるときには、電圧は同じ境界プレー
ト上の２つの隣接する電極間に供給される。導電層177
および178はアルミニウムのような金属の薄い層（例え
ば、厚さ1000オングストローム）の真空蒸着によって構
成される。さらに、光が導電領域を通過することが望ま
れるとき、酸化インジウム−錫のような透明な導体が既
知の方法を使用する真空付着によって境界プレートに代
わりに被着される。
多数の手段がFLC配向ベクトル方向を変えるためには
必要とされる電圧を生じるため使用されるけれども、光
によって制御される手段は本発明の装置の電気一光学ス
イッチング機能のため特に有利である。スイッチング電
圧を発生するための望ましい手段は光起電装置（PVD）
を照射する光から電力を発生する。典型的なPVDは0.5乃
至1.5Vの電圧を発生するけれども、しかしながら、これ
らの電圧は実際の厚さ（＞１μｍ）のFLC層にわたって
供給されるとき切換えを生じることができるような充分
な大きさはやっと得られる程度である。幸いに、大きい
電圧を得るための多数のDC−DC変換方法が知られてい
る。80％以上の効率を有するDC−DC変換器はこの目的に
適している。
必要とされる電圧を生じるため使用されるけれども、光
によって制御される手段は本発明の装置の電気一光学ス
イッチング機能のため特に有利である。スイッチング電
圧を発生するための望ましい手段は光起電装置（PVD）
を照射する光から電力を発生する。典型的なPVDは0.5乃
至1.5Vの電圧を発生するけれども、しかしながら、これ
らの電圧は実際の厚さ（＞１μｍ）のFLC層にわたって
供給されるとき切換えを生じることができるような充分
な大きさはやっと得られる程度である。幸いに、大きい
電圧を得るための多数のDC−DC変換方法が知られてい
る。80％以上の効率を有するDC−DC変換器はこの目的に
適している。
PVDから高電圧を得るためのもう１つの簡単な方法は
電気的に直列に接続されるいくつかのPVDを同時に照明
することである。シリコンPVDのモノリシック配列は所
望されるなら10V以上の有効な電圧を与えるように第19a
図に示されるように直列に接続されても良い。FLC装置
の両面間に生じる電圧を供給することによって、FLCの
分子状態のスイッチングは入射光に対して単独に反応し
て実行される。第19a図において示されるように、２つ
の直列接続多重素子PVDは各プレート193および194の表
面上の電極191および192に反対の極性で接続され、FLC
材料195の分子の方向を変化させる。PVDは適切な電圧極
性をセルへ供給するために反対の極性で入射光から電圧
を生成するように配置される。例えば、光がPVD−Ｂは
照射せずPVD−Ａだけを照射するとき、正の電極がFLC装
置の両端間に生成され、それによってそれを第１の光学
状態へ切換える。しかしながら、PVD−ＡではなくPVD−
Ｂを光が照射するときには、負の電圧がFLC装置の両端
間に生成され、それによってそれを第２の光学状態へ切
換える。このような方法によってFLCは光の照射によっ
て単独に２つの状態間で切換えられることができる。
電気的に直列に接続されるいくつかのPVDを同時に照明
することである。シリコンPVDのモノリシック配列は所
望されるなら10V以上の有効な電圧を与えるように第19a
図に示されるように直列に接続されても良い。FLC装置
の両面間に生じる電圧を供給することによって、FLCの
分子状態のスイッチングは入射光に対して単独に反応し
て実行される。第19a図において示されるように、２つ
の直列接続多重素子PVDは各プレート193および194の表
面上の電極191および192に反対の極性で接続され、FLC
材料195の分子の方向を変化させる。PVDは適切な電圧極
性をセルへ供給するために反対の極性で入射光から電圧
を生成するように配置される。例えば、光がPVD−Ｂは
照射せずPVD−Ａだけを照射するとき、正の電極がFLC装
置の両端間に生成され、それによってそれを第１の光学
状態へ切換える。しかしながら、PVD−ＡではなくPVD−
Ｂを光が照射するときには、負の電圧がFLC装置の両端
間に生成され、それによってそれを第２の光学状態へ切
換える。このような方法によってFLCは光の照射によっ
て単独に２つの状態間で切換えられることができる。
PVDによって付勢されるFLCを使用する光学スイッチン
グ装置はスイッチングのための低電圧および低電力要求
のため特に有利であり、適切な量の光は切換えを行うた
めPVDを照射する必要がある。装置付勢領域のFLC装置を
切換えるため必要とされる電荷量は2Pであり、Ｐは強誘
電体分極である。一般的な材料についてのＰの値は10nC
/cm2程度である。一般的なPVDは入射光１ワット当り0.5
Aの電流を生じ、２×10-7Jの光エネルギが、10の係数が
不可欠な電圧増加に対して許容されるなら毎センチメー
タ平方FLC装置を切換えるのに充分な電気エネルギを生
じる必要がある。
グ装置はスイッチングのための低電圧および低電力要求
のため特に有利であり、適切な量の光は切換えを行うた
めPVDを照射する必要がある。装置付勢領域のFLC装置を
切換えるため必要とされる電荷量は2Pであり、Ｐは強誘
電体分極である。一般的な材料についてのＰの値は10nC
/cm2程度である。一般的なPVDは入射光１ワット当り0.5
Aの電流を生じ、２×10-7Jの光エネルギが、10の係数が
不可欠な電圧増加に対して許容されるなら毎センチメー
タ平方FLC装置を切換えるのに充分な電気エネルギを生
じる必要がある。
PVDを使用するFLCスイッチング装置の制御のために使
用される別の技術が第19b図に示されている。この装置
は、図示されるように、単一のPVD196が使用され、また
このPVD196の供給する電圧を反転するためのアナログFE
Tスイッチ197がFLCへ供給される電圧を切換えるため使
用される。FETアナログスイッチ197を付勢するために充
分な電力はPVD196から得られ、境界プレート193および1
94上の電極191および192へ供給される電圧の極性を変化
させる。制御回路198は受取られた光に依存するFLCの状
態を制御するため使用される。さらに、PVD196を照射す
る光はFLC装置の種々の入力および出力ポートとは分離
した独立のポートから供給されてもよく、あるいはFLC
装置に光を供給するポートの１つがPVD196へ光を供給す
るためにFLC装置に入射される光の少なくとも一部を使
用するようにしてもよい。
用される別の技術が第19b図に示されている。この装置
は、図示されるように、単一のPVD196が使用され、また
このPVD196の供給する電圧を反転するためのアナログFE
Tスイッチ197がFLCへ供給される電圧を切換えるため使
用される。FETアナログスイッチ197を付勢するために充
分な電力はPVD196から得られ、境界プレート193および1
94上の電極191および192へ供給される電圧の極性を変化
させる。制御回路198は受取られた光に依存するFLCの状
態を制御するため使用される。さらに、PVD196を照射す
る光はFLC装置の種々の入力および出力ポートとは分離
した独立のポートから供給されてもよく、あるいはFLC
装置に光を供給するポートの１つがPVD196へ光を供給す
るためにFLC装置に入射される光の少なくとも一部を使
用するようにしてもよい。
第19b図の装置が動作するとき、光はPVD196によって
検出され、FLCの両面間に供給された電圧の符号はFETア
ナログスイッチ197によって反転される。スイッチ197お
よびFLC装置の状態は制御回路198の状態によって制御さ
れる。例えば、制御回路198は、入射光ビームが瞬間的
に遮断されるときは常に状態を変えるように入射光によ
って制御される。この方法によって、FLCは複雑な外部
スイッチング制御回路を使用することなく状態を切換え
ることができる。
検出され、FLCの両面間に供給された電圧の符号はFETア
ナログスイッチ197によって反転される。スイッチ197お
よびFLC装置の状態は制御回路198の状態によって制御さ
れる。例えば、制御回路198は、入射光ビームが瞬間的
に遮断されるときは常に状態を変えるように入射光によ
って制御される。この方法によって、FLCは複雑な外部
スイッチング制御回路を使用することなく状態を切換え
ることができる。
本発明の多数の実施例が先に詳細に説明されたけれど
も、当業者にとって本発明の新しい技術および利点から
実質的に外れることなく実施例の多数の付加的修正が可
能である。従って、全てのこのような修正は特許請求の
範囲に記載されている本発明の技術的範囲内に含まれる
ことを意図されている。
も、当業者にとって本発明の新しい技術および利点から
実質的に外れることなく実施例の多数の付加的修正が可
能である。従って、全てのこのような修正は特許請求の
範囲に記載されている本発明の技術的範囲内に含まれる
ことを意図されている。
第１図は、スメクティックＣ液晶材料の幾何学的形態の
概略図表現である。 第２図は、異方性媒体間の境界面での反射および屈折の
一般的な幾何学的形態の概略的表現である。 第3a図乃至第3d図は、低いおよび高い屈折率を偏光され
た入射光に与える配向ベクトル状態を伴うFLC誘電体境
界面の概略的表現である。 第4a図乃至第4d図は、FLCが２つのガラスプリズム間の
薄い板であるような単一路FLCスイッチの概略図であ
る。 第5a図および第5b図は、入力光の偏光を感知しない複数
路FLCスイッチの概略図である。 第６図は、FLCによる１−入力、４−出力スイッチの概
略図である。 第7a図乃至第7d図は、第１の状態において分子が境界面
に対する法線に平行にむけられ、第２の状態において分
子がインターフェースに平行であるような境界面に対す
る角度δでスメクティック層を具備する誘電体−FLC境
界面の概略的図である。 第8a図乃至第8c図は光が導波体から入射され、一方の導
波体からもう一方へ切換えられるようなスイッチング装
置の概略図である。 第9a図乃至第9c図はFLC−FLCインターフェースを有する
スイッチの概略図である。 第10図は、入力光が複数の光学出力の１つのへ選択的に
進められるように配列された第９図を参照して示される
複数のFLC−FLC境界面を具備するマトリックススイッチ
の概略図である。 第11図は第９図を参照して示されたFLC−FLC境界面を使
用する導波体スイッチの概略図である。 第12a図および第12b図は第３図におけるようにスメクテ
ィック−FLC境界面の概略図であり、伝達されたおよび
反射された光の強度が連続的方法で制御されるような非
均質なFLC方向を表わす。 第13a図および第13b図は第12図におけるように誘電体−
FLC境界面の概略図であるが、入射光が境界面にわたっ
て伝達され、強い供給電界がない配向ベクトル方向に従
う表面で異なる好ましいとされる分子方向を有する。 第14a図および第14b図は、入射光がｘ軸に平行な対向す
る電界を供給することによって選択された２つの異なる
方向に屈折される方向変化特徴を使用する誘電体−FLC
境界面の概略図である。 第15図はFLC−FLC境界面を生じる第14図を参照して示さ
れた方向変化原理の概略的表現である。 第16a図および第16b図は第14図を参照して示される方向
変化原理を利用する方向変化装置の概略図である。 第17図は本発明の好ましい実施例のFLCセルの概略図で
ある。 第18図は切断張力をFLCへ加えるスメクティック層の配
列を生じるための手段の概略図である。 第19a図および第19b図は入射光からFLCによって使用さ
れるスイッチング電圧を生じるための装置の概略図であ
る。 11,12,13,14……ポート、15……光源、40……FLC材料、
42,43……ガラスプリズム、50,51……減速器、63,64…
…電極、81……FLC板、170……FLCセル、175,176……ス
ペーサ、193,194……プレート、195……FLC材料、196…
…PVD。
概略図表現である。 第２図は、異方性媒体間の境界面での反射および屈折の
一般的な幾何学的形態の概略的表現である。 第3a図乃至第3d図は、低いおよび高い屈折率を偏光され
た入射光に与える配向ベクトル状態を伴うFLC誘電体境
界面の概略的表現である。 第4a図乃至第4d図は、FLCが２つのガラスプリズム間の
薄い板であるような単一路FLCスイッチの概略図であ
る。 第5a図および第5b図は、入力光の偏光を感知しない複数
路FLCスイッチの概略図である。 第６図は、FLCによる１−入力、４−出力スイッチの概
略図である。 第7a図乃至第7d図は、第１の状態において分子が境界面
に対する法線に平行にむけられ、第２の状態において分
子がインターフェースに平行であるような境界面に対す
る角度δでスメクティック層を具備する誘電体−FLC境
界面の概略的図である。 第8a図乃至第8c図は光が導波体から入射され、一方の導
波体からもう一方へ切換えられるようなスイッチング装
置の概略図である。 第9a図乃至第9c図はFLC−FLCインターフェースを有する
スイッチの概略図である。 第10図は、入力光が複数の光学出力の１つのへ選択的に
進められるように配列された第９図を参照して示される
複数のFLC−FLC境界面を具備するマトリックススイッチ
の概略図である。 第11図は第９図を参照して示されたFLC−FLC境界面を使
用する導波体スイッチの概略図である。 第12a図および第12b図は第３図におけるようにスメクテ
ィック−FLC境界面の概略図であり、伝達されたおよび
反射された光の強度が連続的方法で制御されるような非
均質なFLC方向を表わす。 第13a図および第13b図は第12図におけるように誘電体−
FLC境界面の概略図であるが、入射光が境界面にわたっ
て伝達され、強い供給電界がない配向ベクトル方向に従
う表面で異なる好ましいとされる分子方向を有する。 第14a図および第14b図は、入射光がｘ軸に平行な対向す
る電界を供給することによって選択された２つの異なる
方向に屈折される方向変化特徴を使用する誘電体−FLC
境界面の概略図である。 第15図はFLC−FLC境界面を生じる第14図を参照して示さ
れた方向変化原理の概略的表現である。 第16a図および第16b図は第14図を参照して示される方向
変化原理を利用する方向変化装置の概略図である。 第17図は本発明の好ましい実施例のFLCセルの概略図で
ある。 第18図は切断張力をFLCへ加えるスメクティック層の配
列を生じるための手段の概略図である。 第19a図および第19b図は入射光からFLCによって使用さ
れるスイッチング電圧を生じるための装置の概略図であ
る。 11,12,13,14……ポート、15……光源、40……FLC材料、
42,43……ガラスプリズム、50,51……減速器、63,64…
…電極、81……FLC板、170……FLCセル、175,176……ス
ペーサ、193,194……プレート、195……FLC材料、196…
…PVD。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ノエル・エー・クラーク アメリカ合衆国、コロラド州 80303, ブールダー、キットレル・コート 3106 (56)参考文献 特開 昭55−9536（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−153837（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−180333（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−138837（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−32028（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−247228（ＪＰ，Ａ) 実開 昭60−92231（ＪＰ，Ｕ)
Claims (8)
- 【請求項１】第１の誘電体と、 分子層に配列された複数の隣接して配置された分子を有
するキラルスメクティック液晶層から構成され、前記第
１の誘電体に隣接してそれとの間に境界面を形成して配
置されている第２の誘電体と、 配向ベクトルの方向を変化させるのに十分な強度を有す
る電界を前記第２の誘電体の液晶層に供給し、前記電界
の変化によって前記分子の方向を変化させる手段と、 前記第１の誘電体を通って光を導き、前記配向ベクトル
の方向における前記変化に関係なく、入射光の少なくと
も一部を前記境界面を横切って通過させ、さらにスメク
ティック液晶層から構成されている第２の誘電体を透過
して伝達させるような角度で傾斜して前記境界面に光を
入射させる光源とを具備し、 前記光源と、前記電界を液晶層に供給する手段と、前記
液晶の前記分子層とは、前記入射した光と前記境界面と
の相互作用が前記配向ベクトルの方向の前記変化を生じ
させて伝達された光の伝達方向に変化を生じさせるよう
な相互関係で配置され、 前記キラルスメクティック液晶層から構成されている前
記第２の誘電体と共に前記第１の誘電体もまたキラルス
メテクィック液晶の層を含み、前記電界を供給する手段
は第１の電界を前記第１の誘電体へ、また第２の電界を
前記第２の誘電体へ供給し、前記第１および第２の電界
は前記層に平行な成分を含み、かつ前記第１および第２
の誘電体の前記配向ベクトルの方向を変えるのに充分な
強度を有し、前記配向ベクトルの方向変化が更に前記第
１および第２の誘電体の屈折率における変化を生成する
ことを特徴とする液晶電気・光学スイッチング装置。 - 【請求項２】第１の誘電体と、 分子層に配列された複数の隣接して配置された分子を有
するキラルスメクティック液晶層から構成され、前記第
１の誘電体に隣接してそれとの間に第１の境界面を形成
して配置されている第２の誘電体と、 前記第２の誘電体に隣接してそれとの間に第２の境界面
を形成するように配置された第３の誘電体とを具備し、
この第２と第３の誘電体の間の第２の境界面は前記前記
第１と第２の誘電体の間の第１の境界面に対して平行で
はなく傾斜して配置され、 さらに、配向ベクトルの方向を変化させるのに十分な強
度を有する電界を前記第２の誘電体の液晶層に供給し、
前記電界の変化によって前記分子の方向を変化させる手
段と、 第１の誘電体に入射させる入射光を生成する光源とを具
備し、 前記光源は、第１の誘電体に入射させた入射光が第１の
誘電体を通って導かれ、前記配向ベクトルの方向におけ
る変化に関係なく入射光の少なくとも一部を前記第１の
境界面を通って第２の誘電体の液晶層を透過して伝達さ
せるような傾斜角度で前記第１の境界面に傾斜して光を
入射させるように配置され、 前記光源と、前記電界を液晶層に供給する手段と、前記
液晶の前記分子層とは、前記入射した光と前記境界面と
の相互作用が前記配向ベクトルの方向の前記変化を生じ
させて伝達された光の伝達方向に変化を生じさせるよう
な相互関係で配置されていることを特徴とする液晶電気
・光学スイッチング装置。 - 【請求項３】複数の層に配列された分子層を有し、配向
ベクトルを含むキラルスメクティック液晶と、 前記液晶を含み、この液晶との間に境界面を形成するよ
うに前記液晶に関して配置された誘電体手段を具備して
いる手段と、 前記液晶の層の所望された配向方向を与える手段と、 前記配向ベクトルの複数の方向の間の選択をするために
前記液晶に電界を供給する手段と、 光を前記境界面に導いて前記配向ベクトルの方向によっ
て規定されるように光を前記境界面と相互作用させる手
段とを具備し、 前記電界を供給する手段が前記液晶の近くに配置された
複数の電極およびその間の電圧差を生成するために前記
電極へ電気的に接続されている手段を含み、 前記電圧差を生成する手段が光によって照明されたとき
電圧差を生じる光起電装置を具備し、 前記電圧差を生成するために光起電装置を照明する光は
前記光を導く手段によって供給されることを特徴とする
液晶電気・光学スイッチング装置。 - 【請求項４】複数の層に配列された分子層を有し、配向
ベクトルを含むキラルスメクティック液晶と、 前記液晶を含み、この液晶との間に境界面を形成するよ
うに前記液晶に関して配置された誘電体手段を具備して
いる手段と、 前記液晶の層の所望された配向方向を与える手段と、 前記液晶へ前記配向ディレクタフィールドの複数の方向
の間の選択をする電界を供給する手段と、 光を前記境界面に導いて前記配向ベクトルの方向によっ
て規定されるように光を前記境界面と相互作用させる手
段とを具備し、 前記電界を供給する手段が前記液晶の近くに配置された
複数の電極およびその間の電圧差を生成する前記電極へ
電気的に接続される手段を含み、 前記電圧差を生成する手段が光によって照明されたとき
電圧差を生じる光起電装置を具備し、 前記光起電装置は第１および第２の群へ分割され、第２
の群を除く第１の群の照明は前記電極間の前記電圧差の
第１の状態を生じるものであり、第１の群を除く第２の
群の照明は前記第１の状態と異なる前記電極間の前記電
圧差の第２の状態を生成することを特徴とする液晶電気
・光学スイッチング装置。 - 【請求項５】複数の層に配列された分子層を有し、配向
ベクトルを含むキラルスメクティック液晶と、 前記液晶を含み、この液晶との間に境界面を形成するよ
うに前記液晶に関して配置された誘電体手段を具備して
いる手段と、 前記液晶の層の所望された方向を与える手段と、 前記液晶へ前記配向ベクトルの複数の方向の間の選択を
する電界を供給する手段と、 光を前記境界面に導いて前記配向ベクトルの方向によっ
て規定されるように光を前記境界面と相互作用させる手
段とを具備し、 前記電界を供給する手段が前記液晶の近くに配置された
複数の電極およびその間の電圧差を生成する前記電極へ
電気的に接続される手段を含み、 前記電圧差を生成する手段が光によって照明されたとき
電圧差を生じる光起電装置を具備し、 前記電圧差を生成する手段が、さらに、 前記光起電装置へ接続されたスイッチと、 前記電圧差の極性を反転するように前記スイッチの状態
を選択的に変化させるための制御回路とを含んでいるこ
とを特徴とする液晶電気・光学スイッチング装置。 - 【請求項６】前記光信号の存在が前記スイッチの状態に
おける変化を生じるような光信号の存在を検出するため
の装置を含んでいる請求項５記載の装置。 - 【請求項７】誘電体材料によって境界面を定められるよ
うに複数の隣接して配置された分子層を含む強誘電性液
晶を誘電体材料間に配置し、強誘電性液晶は配向ベクト
ルとこの配向ベクトルによって決定される屈折率を有し
ており、 前記強誘電性液晶の分子層を所望される配向方向に整列
させ、 前記強誘電性液晶中に電界を生成するための手段を配置
し、その生成された電界における変化が前記配向ベクト
ルにおける変化を生じさせて前記屈折率における変化を
生成し、 前記屈折率における変化が前記光と境界面との相互作用
における変化を生じるように入射光に関して前記境界面
を配置し、 第１および第２の平坦な境界プレートを互いに定められ
た間隔で平行に配置してこれら境界プレートを含む包囲
手段内に前記強誘電性液晶を配置し、 前記プレート上に導電手段を配置し、 前記分子層を配向方向に整列させる過程は、 反対方向に回転するように交互にオフセットされて配置
されている複数のローラ間に前記プレートとその間の前
記間隙に含まれた強誘電性液晶との積層体を通過させる
ことによって前記強誘電性液晶の分子層に対して切断力
を加えて前記分子層に前記プレートの運動方向に平行な
配向方向を与える過程を含む液晶電気・光学スイッチン
グ装置を形成する方法。 - 【請求項８】前記プレートが透明で、柔軟なポリマによ
って形成される請求項７記載の方法。
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