JP3071916B2

JP3071916B2 - 光スイッチとその製造方法

Info

Publication number: JP3071916B2
Application number: JP3341531A
Authority: JP
Inventors: 敬二田中; 謹矢加藤; 重信酒井
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1991-12-24
Filing date: 1991-12-24
Publication date: 2000-07-31
Anticipated expiration: 2015-07-31
Also published as: JPH05173196A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電圧を印加することに
より簡単に光の回折／直進または透過／反射のいずれか
一方を制御することのできる、光スイッチとその製造方
法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、実時間ホログラム媒体を用いた光
スイッチが、大規模光スイッチやフレキシブル光スイッ
チへの応用を目的として検討されている（参考文献１：
山崎ほか，１９９１年電子情報通信学会秋季大会予稿
集、Ｂ−２８６（1991））。図１３は従来のホログラム
媒体を用いた光スイッチの構成及び動作を示す図であ
る。この光スイッチ１は、ＩＴＯからなる平板状の透明
電極２と櫛形状の透明電極３の間に、一対の液晶配向膜
４，５がこれらの液晶配向膜４，５それぞれの配向方向
が直角になるように配置され、これらの液晶配向膜４，
５間にネマティック液晶６が配置されたものである。こ
のネマティック液晶６は、液晶配向膜４，５により、分
子方向が９０度以上ねじられた、いわゆるツイスト・ネ
マティック液晶となる。この光スイッチ１では、透明電
極２，３間に電圧を印加しない場合、ネマティック液晶
６の屈折率が変化しないので、図１３（ａ）に示すよう
に照射されたレーザー光Ｌは光スイッチ１をそのまま通
過する。また、透明電極２と一つおきの透明電極３ａの
間に電圧を印加した場合、電圧が印加されたネマティッ
ク液晶６ａの分子方向が変化することにより屈折率が変
化し、図１４に示す様に、光スイッチ１は屈折率ｎ₁の
領域７と屈折率ｎ₂の領域８を交互に配置した位相型回
折格子９となる。但し、ｎ₁≠ｎ₂である。この場合、入
射されたレーザー光Ｌは回折し進行方向が変化する。し
たがって、透明電極２，３間の電圧を変化させることに
より、光の回折／直進を制御する光スイッチとすること
ができる。

【０００３】この光スイッチ１においては、図１４に示
す様に、光の入射角θ₀と出射角θ₁の関係は次式で表わ
すことができる。ｓｉｎθ₀＋ｓｉｎθ₁＝ｍλ／ｄ（ｍ＝０，±１，±２，…）…（１）但し、λは入射される光の波長、ｄは屈折率の異なる領
域７，８の周期の間隔である。（１）式より、屈折率が
異なる領域７，８の周期の間隔ｄは光の回折角（θ₁−
θ₀）に影響を与え、屈折率の異なる領域７，８の周期
の間隔ｄが狭ければ狭いほど、光の回折角（θ₁−θ₀）
を大きくすることができる。したがって、この光の回折
角（θ₁−θ₀）を大きくできれば、光スイッチと光を受
光する面の間隔を狭くすることができ、この光スイッチ
１を用いた光制御装置をも小型化することができる。

【０００４】また、図１５の様に光の透過量を制御した
光スイッチ１１も知られている。この光スイッチ１１
は、一対の偏光膜１２，１３の光の偏光方向が互いに平
行となるように、上述した光スイッチ１の表面１ａに偏
光膜１２を、また裏面１ｂに偏光膜１３をそれぞれ設け
たものである。偏光膜１２を通過したレーザ光Ｌは直線
偏光となる。透明電極２，３間に電圧を印加しない場合
では、ネマティック液晶６は光を透過させる領域とな
り、この光スイッチ１１は回折格子にはならず入射した
レーザ光Ｌを全て直進させる。また、透明電極２，３ａ
間のみに電圧を印加した場合では、電圧が印加されない
透明電極２と透明電極３ｂとの間では、レーザ光Ｌはネ
マティック液晶６ｂにより偏光され、偏光膜１３を透過
する。一方、透明電極２と透明電極３ａとの間では、ネ
マティック液晶６ａの分子方向が変化し、直線偏光され
たレーザ光Ｌはネマティック液晶６ａでは偏光されず、
偏光膜１３を透過できなくなる。したがって、電圧が印
加された透明電極３ａと電圧が印加されない透明電極３
ｂを交互に配置すると、光を透過させない領域と光を透
過させる領域が交互に形成され、よく知られた振幅形回
折格子の構造になりレーザ光Ｌを回折させる。このよう
に、レーザ光の進行方向を変えられる光スイッチとして
動作する。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
光スイッチ１，１１には以下に述べるような問題点があ
った。まず、光スイッチ１においては、透明電極２，３
は、通常のフォトリソグラフィ技術を用いて加工した場
合、幅５μｍ程度までしか加工することができないとい
う問題がある。また、例えばＸ線リソグラフィの様に極
めて解像度の高いフォトリソグラフィ技術を用いて１μ
ｍ程度の細い幅で電極を加工することができたとして
も、このような間隔が狭い電極を有する光スイッチで
は、透明電極２，３ａ間に挟まれたネマティック液晶６
ａに加わる電界が、透明電極２，３ｂ間に挟まれたネマ
ティック液晶６ｂに漏れ、十分な屈折率差が得られない
という問題もある。また、光スイッチ１１においても光
スイッチ１と同様に、透明電極２，３は、通常のフォト
リソグラフィ技術を用いて加工した場合、幅５μｍ程度
までしか加工することができないという問題がある。ま
た、例えばＸ線リソグラフィの様に極めて解像度の高い
フォトリソグラフィ技術を用いて１μｍ程度の細い幅で
電極を加工することができたとしても、このような間隔
が狭い電極を有する光スイッチでは、透明電極２，３ａ
間に挟まれたネマティック液晶６ａに加わる電界が、透
明電極２，３ｂ間に挟まれたネマティック液晶６ｂに漏
れ、ネマティック液晶６の分子の方向が複雑になり、十
分な光透過強度比が得られないという問題もある。

【０００６】以上の理由から、従来の光スイッチ１，１
１では、屈折率が異なる領域の間隔は１００μｍ程度ま
でしか縮めることができないという欠点がある。例え
ば、ヘリウム−ネオンレーザーを用いて入射角０度で波
長６３３ｎｍのレーザ光を照射した場合、１次の回折光
（ｍ＝±１）の出射角はたかだか１度であり、光制御装
置を小型化できる光スイッチの作製が困難である。

【０００７】本発明は、上記の事情に鑑みてなされたも
のであって、従来の様々な問題点や欠点を解決するとと
もに、電圧を印加することにより簡単に光の回折／直進
または透過／反射のいずれか一方を制御することのでき
る、光スイッチとその製造方法を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明は下記の様な光スイッチとその製造方法を採
用した。すなわち、請求項１記載の光スイッチは、屈折
率の異なる複数の領域からなり、これらの領域のうち１
つ以上の領域に電界を印加することにより当該領域の屈
折率を変化させ、光の回折／直進または透過／反射のい
ずれか一方を制御する光スイッチであって、前記屈折率
の異なる複数の領域の両面に、それぞれ偏光板を設けて
なり、前記屈折率の異なる複数の領域は、少なくとも、
液晶からなる第１の領域と高分子材料からなる第２の領
域からなり、前記第１の領域に電界を印加することによ
り該第１の領域の屈折率を変化させることを特徴として
いる。

【０００９】

【００１０】

【００１１】

【００１２】

【００１３】また、請求項２記載の光スイッチの製造方
法は、屈折率の異なる複数の領域が、少なくとも、液晶
からなる第１の領域と高分子材料からなる第２の領域か
らなり、これら複数の領域のうち１つ以上の領域に電界
を印加することにより当該領域の屈折率を変化させ、光
の回折／直進または透過／反射のいずれか一方を制御す
る光スイッチの製造方法であって、前記高分子材料は、
光または熱のいずれか一方を加えることにより硬化する
硬化型高分子材料からなり、前記液晶と該硬化型高分子
材料との混合物を、２つの透明電極間に充填し、その
後、該混合物に複数のレーザー光を照射し、レーザー光
の干渉パターンによる光の強弱層により前記液晶と前記
硬化型高分子材料とを分離し、前記液晶からなる第１の
領域と前記硬化型高分子材料からなる第２の領域を形成
することを特徴と徴としている。

【００１４】

【００１５】

【００１６】

【００１７】

【作用】本発明の請求項１記載の光スイッチでは、入射
するレーザ光を一旦偏光板で偏光し、その後第１の領域
を透過させる。このレーザ光は液晶により偏光し、もう
１つの偏光板により該レーザ光が遮断される。一方、第
２の領域では光は偏光されずそのまま直進する。したが
って、液晶からなる第１の領域では光を透過せず、高分
子材料からなる第２の領域では光を透過する回折格子と
することが可能になり、よく知られた振幅形回折格子の
原理（参考文献２：ボルン、ウオルフ著，「光学の原
理」東海大学出版）に従い光を回折する。また、第１の
領域に電圧を加えることにより、液晶分子が１方向に整
列し、この第１の領域では光の偏光がおこらなくなり、
この第１の領域でも光が透過するようになる。したがっ
て、回折格子の構造がなくなり光を直進させることが可
能になり、光の回折／直進を制御することが可能にな
る。この光スイッチでは、高分子材料は電界により偏光
が変化しないので、液晶に加える電界は高分子材料の偏
光に何等影響を与えない。したがって、微細な間隔で液
晶と高分子材料を配置すれば液晶の電界による偏光変化
の特性を、光スイッチにおける光の透過量変化に用いる
ことができる。

【００１８】

【００１９】

【００２０】

【００２１】また、請求項２記載の光スイッチの製造方
法では、液晶と硬化型高分子材料との混合物を、２つの
透明電極間に充填し、その後、複数のレーザー光を液晶
と硬化型高分子材料との混合物に照射すれば、レーザー
光の干渉パターンによる光の強弱層により、液晶と硬化
型高分子材料が分離される。すなわち、光を加えること
により硬化する光硬化型高分子材料と液晶の混合物にレ
ーザー光による干渉パターンを照射すると、光強度が強
い領域で光硬化型高分子材料が硬化する。また、前記高
分子材料が熱硬化型高分子材料である場合、光強度が強
い領域で発熱がおこり熱硬化型高分子材料が硬化する。
したがって、光の弱い領域には主に液晶が集り、屈折率
が異なる薄層を干渉パターンに従った微細間隔で繰返し
形成することが可能になる。また、レーザーの干渉パタ
ーンによる光の強弱層は、レーザー光の照射方向を調節
することにより光の波長程度の間隔で光強度に強弱を生
じさせることが可能である。

【００２２】

【００２３】

【００２４】

【実施例】以下、本発明の各実施態様について図面に基
づいて説明する。（第１実施例および第１参考例）図１は本発明の第１実施例である光スイッチの製造方法
を説明する上で参考となる、第１参考例の光スイッチの
構成及び動作を示す図である。この光スイッチ２１は、
例えば、薄厚５００オングストロームのＩＴＯ膜からな
る２つの平行な透明電極２２，２３間に、屈折率が電界
によりｎ1からｎ2まで可変なネマティック液晶（例え
ば、メルク社製Ｅ−７、ｎ1＝１．７５，ｎ2＝１．５
２）（第１の領域）２４と、屈折率ｎ3の光硬化型の高
分子材料（例えば、ラックストラックＬＣＲ０２０８、
ｎ3＝１．５）（第２の領域）２５とが交互に配列され
ている。また、ネマティック液晶２４と、高分子材料２
５のそれぞれの幅は５００ｎｍである。前記高分子材料
２５は、熱硬化型の高分子材料（例えば、エポキシ樹
脂、ｎ3＝１．５）に置き換えることもできる。

【００２５】この光スイッチ２１においては、図１
（ａ）に示すように、透明電極２２，２３間に電圧を加
えない場合では、ネマティック液晶２４の屈折率をｎ₁
とすると、全体として屈折率がｎ₃／ｎ₁／ｎ₃…ｎ₃／ｎ
₁／ｎ₃（ｎ₁＝１．７５、ｎ₃＝１．５）の構造の回折格
子に等しくなり、位相形回折格子の原理（参考文献２：
ボルン、ウオルフ著，「光学の原理」東海大学出版）に
従い、入射光Ｌ₁を回折し光の進行方向を変える動作を
する。

【００２６】また、図１（ｂ) に示すように、透明電極
２２，２３間に電圧を加えた場合では、ネマティック液
晶２４の屈折率をｎ₂とすると、全体として屈折率がｎ₃
／ｎ₂／ｎ₃…ｎ₃／ｎ₂／ｎ₃（ｎ₂＝１．５２、ｎ₃＝
１．５）の構造となり、各領域の屈折率差がほとんどな
くなる。このため、光の回折が起こらなくなり、光を直
進させる動作をする。

【００２７】次に、本発明の第１実施例である光スイッ
チの製造方法について図２を基に説明する。まず、同図
（ａ）に示す様に、例えば、薄厚５００オングストロー
ムのＩＴＯ膜からなる２つの平行な透明電極２２，２３
間に、屈折率が電界によりｎ1からｎ2まで可変なネマテ
ィック液晶（例えば、メルク社製Ｅ−７、ｎ1＝１．７
５，ｎ2＝１．５２）と、屈折率ｎ3の光硬化型の高分子
材料（例えば、ラックストラックＬＣＲ０２０８、ｎ3
＝１．５）との混合物（以下、単に混合物と略称）２６
を充填する。この混合物２６は、ネマティック液晶と熱
硬化型の高分子材料（例えば、エポキシ樹脂、ｎ3＝
１．５）との混合物とすることもできる。

【００２８】次に、同図（ｂ）に示すように、この混合
物２６に例えば波長４８８ｎｍの複数のアルゴンレーザ
ー光２７，２７を照射する。このときこれらのアルゴン
レーザー光２７，２７は干渉を起こし、特定間隔ｄ（例
えば１μｍ間隔）でレーザー光に強弱が生じた干渉パタ
ーン２８が得られる（同図（ｃ））。

【００２９】これらのアルゴンレーザー光２７，２７の
強弱は、光の波長と２つ光の入射角により決定される微
細な間隔で生じる（参考文献４：大越孝敬著、ホログラ
フィ、電子通信学会編、（1977））。この干渉パターン
２８が照射された混合物２６は、光強度が強い領域で光
硬化型の高分子材料２５が硬化する。また、混合物が熱
硬化型高分子材料を含んでいる場合では、光強度が強い
領域で発熱がおこり熱硬化型高分子材料が硬化する。し
たがって、この干渉パターン２８の光強度の弱い領域に
は主にネマティック液晶２４が集まることとなる。この
結果、ネマティック液晶２４と光硬化型の高分子材料２
５が良好に分離された光スイッチ２１が作製できる（同
図（ｄ））。

【００３０】以上説明した様に、この第１参考例の光ス
イッチ２１によれば、２つの平行な透明電極２２，２３
間に、ネマティック液晶２４と高分子材料２５とを交互
に配列することとしたので、ネマティック液晶２４に電
界を印加することにより屈折率を変化させ、ネマティッ
ク液晶２４と高分子材料２５との屈折率差を変化させる
ことができる。したがって、光の回折／直進を制御する
ことができる。

【００３１】また、この光スイッチ２１では、ネマティ
ック液晶２４に加える電界は高分子材料２５の屈折率に
何等影響を与えないので、ネマティック液晶２４と高分
子材料２５とを微細な間隔で配置することができ、ネマ
ティック液晶２４の電界による屈折率変化の特性を、光
スイッチにおける屈折率変化に用いることができる。

【００３２】そして、本発明の第１実施例である光スイ
ッチの製造方法によれば、混合物２６に複数のアルゴン
レーザー光２７，２７を照射し、これらのアルゴンレー
ザー光２７，２７の干渉パターン２８により光硬化型の
高分子材料２５を硬化させることとしたので、アルゴン
レーザー光２７を照射するだけの工程で、波長間隔程度
の微細間隔でネマティック液晶２４と高分子材料２５と
を交互に配列させることができ、極めて回折角が大きい
光スイッチ２１を簡便に作製することができる。

【００３３】また、２つのアルゴンレーザー光２７，２
７の照射方向を変えることによって干渉パターンの方
向、間隔を任意に変えることができ、ネマティック液晶
２４と高分子材料２５とを任意の間隔で任意の方向に作
製することができる。このため、種々の波長帯域の光に
対し、任意の回折角を有する光スイッチ２１を簡便に作
製することができる。

【００３４】なお、この光スイッチ２１では、ネマティ
ック液晶２４及び高分子材料２５のそれぞれの屈折率
を、ｎ₁＝１．７５、ｎ₂＝１．５２、ｎ₃＝１．５の場
合について示したが、ネマティック液晶２４の屈折率
は、電圧を印加した時または電圧を印加しないときのい
ずれかが、高分子材料２５の屈折率に近ければよく、ネ
マティック液晶２４及び高分子材料２５のそれぞれの屈
折率は上記に限定されない。

【００３５】また、ネマティック液晶２４及び高分子材
料２５のそれぞれの幅は、この幅を変えることにより回
折角を変えることができるので、設計上求められる回折
角に応じて様々に変更可能である。

【００３６】また、屈折率が変化する材料にネマティッ
ク液晶２４を用いたが、電圧によって屈折率が変化する
高分子液晶、強誘電性液晶等であっても全く同様の作用
・効果を奏することが可能である。また、熱硬化形高分
子材料としてエポキシ樹脂、光硬化形高分子材料として
ラックストラックＬＣＲ０２０８に限ることはなく、光
あるいは熱で硬化する高分子材料であればよい。

【００３７】また、本発明の第１実施例である光スイッ
チの製造方法では、干渉パターンを得る為にアルゴンレ
ーザー光２７，２７を用いたが、その限りでなく、干渉
光がえられる位相が揃った光源であればよい。

【００３８】（第２実施例）図３は本発明の第２実施例である光スイッチの構成及び
動作を示す図である。この光スイッチ３１は、例えば、
光の偏光方向が平行になるように配置された２つの平行
な偏光膜（偏光板）３２，３３のそれぞれの内側に、例
えば、薄厚５００オングストロームのＩＴＯ膜からなる
透明電極２２，２３が設けられ、これらの透明電極２
２，２３のそれぞれの内側に、液晶配向膜３４，３５が
液晶の配向方向が直角になるように設けられている。そ
して、これらの液晶配向膜３４，３５間には、屈折率が
電界によりｎ₁からｎ₂まで可変なネマティック液晶（例
えば、メルク社製Ｅ−７、ｎ₁＝１．７５，ｎ₂＝１．５
２）（第１の領域）２４と、屈折率ｎ₃の光硬化型の高
分子材料（例えば、ラックストラックＬＣＲ０２０８、
ｎ₃＝１．５）（第２の領域）２５とが交互に配列され
ている。これらネマティック液晶２４と高分子材料２５
のそれぞれの幅は５００ｎｍである。前記高分子材料２
５は、熱硬化型の高分子材料（例えば、エポキシ樹脂、
ｎ₃＝１．５）に置き換えることもできる。

【００３９】この光スイッチ３１においては、図３
（ａ）に示すように、透明電極２２，２３間に電圧を加
えない場合では、偏光膜３２を通過した入射光Ｌ₁はネ
マティック液晶２４により９０度偏向し、偏光膜３３に
より遮断される。一方、高分子材料２５では入射光Ｌ₁
は偏向されずそのまま直進する。したがって、ネマティ
ック液晶２４では入射光Ｌ₁を透過せず、高分子材料２
５では入射光Ｌ₁を透過する回折格子ができ、振幅形回
折格子の原理（参考文献２：ボルン、ウオルフ著，「光
学の原理」東海大学出版）に従い、入射光Ｌ₁を回折し
光の進行方向を変える動作をする。

【００４０】また、図３（ｂ）に示すように、透明電極
２２，２３間に電圧を加えた場合では、ネマティック液
晶２４の分子が１方向に整列し、該ネマティック液晶２
４では入射光Ｌ₁の偏向がおこらなくなる。したがっ
て、ネマティック液晶２４でも光が透過するようにな
る。このため、光の回折が起こらなくなり、光を直進さ
せる動作をする。

【００４１】次に、光スイッチ３１の製造方法について
図４を基に説明する。まず、同図（ａ）に示す様に、偏
光膜３２，３３のそれぞれの内側に透明電極２２，２３
を設け、これらの透明電極２２，２３のそれぞれの内側
に液晶配向膜３４，３５を設け、これらの液晶配向膜３
４，３５間に、屈折率が電界によりｎ₁からｎ₂まで可変
なネマティック液晶（例えば、メルク社製Ｅ−７、ｎ₁
＝１．７５，ｎ₂＝１．５２）と、屈折率ｎ₃の光硬化型
の高分子材料（例えば、ラックストラックＬＣＲ０２０
８、ｎ₃＝１．５）との混合物（混合物）３６を充填す
る。この混合物３６は、ネマティック液晶と熱硬化型の
高分子材料（例えば、エポキシ樹脂、ｎ₃＝１．５）と
の混合物とすることもできる。

【００４２】次に、この混合物３６に例えば波長４８８
ｎｍの複数のアルゴンレーザー光２７，２７を照射す
る。このときこれらのアルゴンレーザー光２７，２７は
干渉を起こし、特定間隔ｄ（例えば１μｍ間隔）でレー
ザー光に強弱が生じた干渉パターンが得られる。この干
渉パターンが照射された混合物３６は、光強度が強い領
域で光硬化型の高分子材料２５が硬化する。また、混合
物が熱硬化型高分子材料を含んでいる場合では、光強度
が強い領域で発熱がおこり熱硬化型高分子材料が硬化す
る。したがって、アルゴンレーザー光２７，２７の干渉
パターンの光強度の弱い領域には主にネマティック液晶
２４が集まることとなる。この結果、ネマティック液晶
２４と光硬化型の高分子材料２５が良好に分離される。
次に、光の偏光方向が平行になるように２枚の偏光膜３
２，３３を透明電極２２，２３のそれぞれの外側に配置
し光スイッチ３１とする（同図（ｂ））。

【００４３】以上説明した様に、この第２実施例の光ス
イッチ３１によれば、２つの平行な偏光膜３２，３３の
それぞれの内側に透明電極２２，２３が設けられ、これ
らの透明電極２２，２３のそれぞれの内側に、液晶配向
膜３４，３５が設けられ、これらの液晶配向膜３４，３
５間に、ネマティック液晶２４と高分子材料２５とが交
互に配列されているとしたので、ネマティック液晶２４
に電界を印加することにより偏向方向を変化させ、ネマ
ティック液晶２４でも光が透過するようにすることがで
きる。したがって、光の回折／直進を制御することがで
きる。

【００４４】また、この光スイッチ３１の製造方法によ
れば、混合物３６に複数のアルゴンレーザー光２７，２
７を照射し、これらのアルゴンレーザー光２７，２７の
干渉パターンにより光硬化型の高分子材料２５を硬化さ
せることとしたので、アルゴンレーザー光２７を照射す
るだけの工程で、波長間隔程度の微細間隔でネマティッ
ク液晶２４と高分子材料２５とを交互に配列させること
ができ、極めて回折角が大きい光スイッチ３１を簡便に
作製することができる。

【００４５】また、２つのアルゴンレーザー光２７，２
７の照射方向を変えることによって干渉パターンの方
向、間隔を任意に変えることができ、ネマティック液晶
２４と高分子材料２５とを任意の間隔で任意の方向に作
製することができる。このため、種々の波長帯域の光に
対し、任意の回折角を有する光スイッチ３１を簡便に作
製することができる。

【００４６】なお、ネマティック液晶２４及び高分子材
料２５のそれぞれの幅は、この幅を変えることにより回
折角を変えることができるので、設計上求められる回折
角に応じて様々に変更可能である。

【００４７】また、屈折率が変化する材料にネマティッ
ク液晶２４を用いたが、電圧によって分子方向が変化す
る高分子液晶、強誘電性液晶等であっても全く同様の作
用・効果を奏することが可能である。また、熱硬化形高
分子材料としてエポキシ樹脂、光硬化形高分子材料とし
てラックストラックＬＣＲ０２０８に限ることはなく、
光あるいは熱で硬化する高分子材料を用いればよい。

【００４８】また、この光スイッチ３１の製造方法で
は、干渉パターンを得る為にアルゴンレーザー光２７，
２７を用いたが、その限りでなく、干渉光がえられる位
相が揃った光源であればよい。

【００４９】（第２参考例）図５は第２参考例である多方向光スイッチ（光制御装
置）の概略構成図である。この多方向光スイッチ４１
は、第１参考例の光スイッチ２１ａ，２１ｂを光軸Ａｘ
上に、それぞれのネマティック液晶２４と高分子材料２
５との配列方向が互いに直交する様に配置されたもので
ある。ここでは、光スイッチ２１ａはネマティック液晶
２４と高分子材料２５を水平に交互に配置し、光スイッ
チ２１ｂはネマティック液晶２４と高分子材料２５を垂
直に交互に配置している。

【００５０】この多方向光スイッチ４１においては、光
スイッチ２１ａ，２１ｂそれぞれに電圧を印加すると、
回折格子の構造はできず、入射光は図６（ａ）のように
直進する。また、光スイッチ２１ａに電圧を印加せず、
光スイッチ２１ｂのみに電圧を印加すると、光スイッチ
２１ａにおいて回折格子の構造ができ入射光が回折し、
また光スイッチ２１ｂでは直進するため、入射光は図６
（ｂ）のように上方に折れ曲がる。また、光スイッチ２
１ａに電圧を印加し、光スイッチ２１ｂに電圧を印加し
ないと、光スイッチ２１ｂにおいて回折格子の構造がで
き光が回折し、入射光は図６（ｃ）のように横方向に折
れ曲がる。また、光スイッチ２１ａ、光スイッチ２１ｂ
共に電圧を印加しないと、光スイッチ２１ａ及び光スイ
ッチ２１ｂ共に回折格子の構造ができ光が回折し、入射
光は図６（ｄ）のように斜め上方に折れ曲がる。

【００５１】以上の様に、この多方向光スイッチ４１に
よれば、第１参考例の光スイッチ２１ａ，２１ｂを光軸
Ａｘ上に、それぞれのネマティック液晶２４と高分子材
料２５との配列方向が互いに直交する様に配置されるこ
ととしたので、回折格子ができる方向が異なる２つの光
スイッチ２１ａ，２１ｂを組合せることにより４方向に
選択的に光を送る多方向光スイッチを得ることができ
る。

【００５２】なお、この多方向光スイッチ４１では、光
スイッチ２１ａ，２１ｂそれぞれの回折格子の間隔ｄを
同じにし、光スイッチ２１ａにより形成される回折格子
と光スイッチ２１ｂにより形成される回折格子とが直交
するように配置したが、この限りでなく、光スイッチ２
１ａ，２１ｂそれぞれの回折格子の間隔ｄや、光スイッ
チ２１ａにより形成される回折格子と光スイッチ２１ｂ
により形成される回折格子の角度をそれぞれ変えること
により光の出射方向を変えることができる。

【００５３】また、この多方向光スイッチ４１では、２
つの光スイッチ２１ａ，２１ｂにより構成した例につい
て示したが、回折角、回折方向が異なる複数の光スイッ
チにより構成すれば、任意の回折角と任意の回折方向を
有する多方向光スイッチを作成することができる。

【００５４】また、光スイッチ２１の替わりに、第２実
施例の光スイッチ３１を使用しても全く同様の多方向光
スイッチを作成することができる。

【００５５】（第３参考例）図７は第３参考例の多段光スイッチ（光制御装置）の概
略構成図である。この多段光スイッチ５１は、第１参考
例の光スイッチ２１ａ，２１ｂ，…を複数個有する光ス
イッチパネル５２が複数枚光軸Ａｘ上に配置され、それ
ぞれの光スイッチパネル５２のそれぞれのネマティック
液晶２４と高分子材料２５との配列方向が互いに平行す
る様に配置されている。ここでは、ネマティック液晶２
４と高分子材料２５は水平に交互に配置されている。

【００５６】この多段光スイッチ５１では、例えば入力
された３つの光信号５３は、この多段光スイッチ５１を
通過する間に光の進行方向を変え出力される。入力され
た光信号５３は光スイッチ２１ａにより回折格子の形成
状態を変化させることによって、出力側の任意の位置に
光を出射させる。この多段光スイッチ５１では、個別の
光スイッチ２１ａ，２１ｂ，…での光の回折角が大きい
ため、光入力位置から光出力位置までの長さを短くで
き、多段光スイッチ５１を小型化できる。この多段光ス
イッチ５１は例えば光交換機等において有効に利用する
ことができる。

【００５７】なお、上記の多方向光スイッチ４１では、
光スイッチ２１ａ，２１ｂを光軸Ａｘ上に、それぞれの
ネマティック液晶２４と高分子材料２５との配列方向が
互いに直交する様に配置され、また、上記の多段光スイ
ッチ５１では、光スイッチ２１ａ，２１ｂ，…を複数個
有する光スイッチパネル５２が複数枚光軸Ａｘ上に配置
され、それぞれの光スイッチパネル５２のそれぞれのネ
マティック液晶２４と高分子材料２５との配列方向が互
いに平行する様に配置されるとしたが、これらの光スイ
ッチの配置は上記参考例に限定されることなく、その用
途及び目的に応じて様々な配置が可能である。例えば、
複数の光スイッチ２１ａ，２１ｂ，…それぞれを光軸に
対して一定の角度傾けた状態で配置してもよく、また、
これらの光スイッチ２１ａ，２１ｂ，…の互いに隣接す
るもの同士のなす角度を光軸に対して漸次拡大もしくは
縮小するようにこれらの光スイッチ２１ａ，２１ｂ，…
を配置してもよい。

【００５８】（第４参考例）図８は第４参考例の書込型光スイッチ（光制御装置）の
概略構成図である。この書込型光スイッチ６１は、第１
参考例の光スイッチ２１において、ネマティック液晶２
４の替わりに強誘電性液晶６２を用いたものである。強
誘電性液晶６２は、ネマティック液晶２４と異なり、一
度屈折率あるいは分子方向を変化させると、電界を加え
ない限りその状態を保持する。したがって、回折角が大
きくかつ回折角、回折方向を記憶することができる光ス
イッチを作成することができる。

【００５９】図９は、この書込型光スイッチ６１を用い
た光ＭＤＦ（Ｍain ＤistributionＦrame）６３の概略
構成図である。この光ＭＤＦ６３は、複数個の書込型光
スイッチ６１，…を２列に平行に配置して２つの多方向
書込型光スイッチ６４，６４とし、それぞれの書込型光
スイッチ６１に光ファイバ６５を接続したものである。
この光ＭＤＦ６３では、光ファイバ６５から出た光ビー
ム６６は多方向書込形光スイッチ６４により進行方向が
変えられ、再度多方向書込型光スイッチ６４を経て光フ
ァイバ６５に出力される。この光ＭＤＦ６３は、光スイ
ッチの回折角が大きいので小型化することができる。

【００６０】（第５参考例）図１０は第５参考例の光分光スイッチ（光制御装置）７
１の概略構成図である。この光分光スイッチ７１は、第
１参考例の光スイッチ２１を用いたもので、この光スイ
ッチ２１に連続波長の白色光７２を入射し、該白色光７
２をそれぞれの波長の光７３〜７５に分離するものであ
る。この光スイッチ２１においては、上述した様に
（（１）式参照）、光の回折角（θ1−θ0）は、入射さ
れる光の波長λに依存して変化する。このため、複数の
波長からなる白色光７２を光スイッチ２１に照射する
と、光の波長に応じて青色光７３、緑色光７４、赤色光
７５に分光することができる。

【００６１】この光分光スイッチ７１では、光の回折角
を大きくとれるので、波長による分離角を大きく取るこ
とができる。例えば入射角θ＝０度で波長６３３ｎｍの
ヘリウムネオンレーザー光と波長８５０ｎｍの半導体レ
ーザー光の出射角のちがいは例えば、液晶領域の幅を５
００ｎｍ、熱硬化型高分子材料の幅を５００ｎｍとした
光分光スイッチでは１８度であった。

【００６２】（第６参考例）図１１は第６参考例の表示装置（光制御装置）８１の概
略構成図である。この表示装置８１は、第１参考例の光
スイッチ２１を用いたもので、波長４２０ｎｍの青色の
光が回折角４０度で回折されるようにネマティック液晶
２４の幅を３３０ｎｍ、高分子材料２５の幅を３３０ｎ
ｍとした青色を４０度回折させる領域８２と、波長５２
０ｎｍの緑色の光が回折角４０度で回折されるようにネ
マティック液晶２４の幅を４００ｎｍ、高分子材料２５
の幅を４００ｎｍとした緑色を４０度回折させる領域８
３と、波長６２０ｎｍの光が回折角４０度で回折される
ようにネマティック液晶２４の幅を４８０ｎｍ、高分子
材料２５の幅を４８０ｎｍとした赤色を４０度回折させ
る領域８４を交互に配置した光スイッチとしている。

【００６３】この表示装置８１では、青色を４０度回折
させる領域８２、緑色を４０度回折させる領域８３、赤
色を４０度回折させる領域８４の光スイッチはそれぞれ
独立に動作させる。これらの領域８２〜８４に白色光７
２を照射し、青色を４０度回折させる領域８２、緑色を
４０度回折させる領域８３、赤色を４０度回折させる領
域８４それぞれに回折格子を形成した場合、表示面８５
には青領域８６、緑領域８７、赤領域８８が形成され
る。このような光の分離は、光スイッチにおける回折角
が大きいために実現することができる。

【００６４】また、青色を４０度回折させる領域８２、
緑色を４０度回折させる領域８３、赤色を４０度回折さ
せる領域８４で回折格子を作らない場合には、光は直進
し、表示面８５には光は照射されない。また、青色を４
０度回折させる領域８２のみに回折格子を作る場合に
は、青色の光だけが表示面８５に照射される。同様に、
緑色を４０度回折させる領域８３だけの場合には緑色
が、赤色を４０度回折させる領域８４だけの場合には赤
色が表示される。

【００６５】以上説明した様に、この多方向光スイッチ
４１によれば、青色を４０度回折させる領域８２、緑色
を４０度回折させる領域８３、赤色を４０度回折させる
領域８４それぞれの光スイッチを制御することにより、
種々の表示色を出せる表示装置８１を提供することがで
きる。

【００６６】（第７参考例）図１２は第７参考例の反射型光スイッチ９１の構成及び
製法を示す図である。この反射型光スイッチ９１は、第
１参考例の光スイッチ２１を変形したもので、２つの平
行な透明電極２２，２３間に、ネマティック液晶２４と
高分子材料２５とが交互に、かつ、これらのネマティッ
ク液晶２４と高分子材料２５の配列方向が入射光Ｌ1に
対して斜めになる様に配列されている。

【００６７】この反射型光スイッチ９１は、同図（ｂ）
に示すように、例えば波長４８８ｎｍの複数のアルゴン
レーザー光２７，２７により生じた干渉パターン２８
を、混合物２６に斜めに照射することによって作成する
ことができる。

【００６８】この反射型光スイッチ９１においては、ネ
マティック液晶２４と高分子材料２５との屈折率差が大
きい場合には、多層構造を持つ回折格子の回折条件（参
考文献３：小山、西原著、「光波電子光学」コロナ社）
に従い、入射された光のうち回折波が互いに強め合う条
件の特定波長の光だけが反射され、その他の波長の光は
透過する。また、ネマティック液晶２４と高分子材料２
５との屈折率差が小さい場合には、大部分の光は透過す
る。したがって、光の透過／反射を制御することのでき
る反射型光スイッチを提供することができる。

【００６９】

【発明の効果】以上詳細に説明した様に、本発明の請求
項１記載の光スイッチによれば、屈折率の異なる複数の
領域からなり、これらの領域のうち１つ以上の領域に電
界を印加することにより当該領域の屈折率を変化させ、
光の回折／直進または透過／反射のいずれか一方を制御
する光スイッチであって、前記屈折率の異なる複数の領
域の両面に、それぞれ偏光板を設けてなり、前記屈折率
の異なる複数の領域は、少なくとも、液晶からなる第１
の領域と高分子材料からなる第２の領域からなり、前記
第１の領域に電界を印加することにより該第１の領域の
屈折率を変化させることとしたので、入射するレーザ光
を一旦偏光膜で偏光し、その後第１の領域を透過させる
ことにより、液晶からなる第１の領域では光を透過せ
ず、高分子材料からなる第２の領域では光を透過する回
折格子とすることができる。したがって、光の回折／直
進を制御することができる。

【００７０】

【００７１】

【００７２】この光スイッチでは、硬化型高分子材料は
電界により偏光が変化しないので、液晶に加える電界は
硬化型高分子材料の偏光に何等影響を与えない。したが
って、微細な間隔で液晶と硬化型高分子材料を配置する
ことができ、液晶の電界による偏光変化の特性を、光ス
イッチにおける光の透過量変化に用いることができる。

【００７３】

【００７４】

【００７５】

【００７６】また、請求項２記載の光スイッチの製造方
法によれば、前記高分子材料を、光または熱のいずれか
一方を加えることにより硬化する硬化型高分子材料と
し、前記液晶と該硬化型高分子材料との混合物を、２つ
の透明電極間に充填し、その後、該混合物に複数のレー
ザー光を照射し、レーザー光の干渉パターンによる光の
強弱層により前記液晶と前記硬化型高分子材料とを分離
し、前記液晶からなる第１の領域と前記硬化型高分子材
料からなる第２の領域を形成するとしたので、レーザー
光の干渉パターンによる光の強弱層により液晶と硬化型
高分子材料を良好に分離することができる。したがっ
て、屈折率が異なる薄層を干渉パターンに従った微細間
隔で繰返し形成することができる。

【００７７】

【００７８】

【図面の簡単な説明】

【図１】第１参考例の光スイッチの構成及び動作を示す
図である。

【図２】本発明の第１実施例である光スイッチの製造方
法を示す過程図である。

【図３】本発明の第２実施例の光スイッチの構成及び動
作を示す図である。

【図４】本発明の第２実施例の光スイッチの製造方法を
示す過程図である。

【図５】第２参考例の多方向光スイッチの概略構成図で
ある。

【図６】第２参考例の多方向光スイッチの動作を説明す
るための図である。

【図７】第３参考例の多段光スイッチの概略構成図であ
る。

【図８】第４参考例の書込型光スイッチの概略構成図で
ある。

【図９】第４参考例の書込型光スイッチを用いた光ＭＤ
Ｆの概略構成図である。

【図１０】第５参考例の光分光スイッチの概略構成図で
ある。

【図１１】第６参考例の表示装置の概略構成図である。

【図１２】第７参考例の反射型光スイッチの構成及び製
法を示す図である。

【図１３】従来の光スイッチの構成及び動作を示す図で
ある。

【図１４】従来の位相型回折格子を示す概略構成図であ
る。

【図１５】従来の光の透過量を制御した光スイッチを示
す概略構成図である。

【符号の説明】

２１光スイッチ２２，２３透明電極２４ネマティック液晶２５高分子材料２６ネマティック液晶と光硬化型の高分子材料との混
合物２７アルゴンレーザー光２８干渉パターン３１光スイッチ３２，３３偏光膜３４，３５液晶配向膜３６ネマティック液晶と光硬化型の高分子材料との混
合物４１多方向光スイッチ（光制御装置）５１多段光スイッチ（光制御装置）５２光スイッチパネル６１書込型光スイッチ（光制御装置）６２強誘電性液晶６３光ＭＤＦ（Ｍain Ｄistribution Ｆrame）６４多方向書込型光スイッチ６５光ファイバ６６光ビーム７１光分光スイッチ（光制御装置）７２白色光７３青色光７４緑色光７５赤色光８１表示装置（光制御装置）８２青色を４０度回折させる領域８３緑色を４０度回折させる領域８４赤色を４０度回折させる領域８５表示面８６青領域８７緑領域８８赤領域９１反射型光スイッチ

フロントページの続き (56)参考文献特開昭63−4205（ＪＰ，Ａ) 特開昭61−86727（ＪＰ，Ａ) 特開平３−183255（ＪＰ，Ａ) 特開平１−128007（ＪＰ，Ａ) 特開平５−72509（ＪＰ，Ａ) 特開平５−80310（ＪＰ，Ａ) 特開昭61−86730（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G02F 1/29 G02F 1/13 - 1/1333

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】屈折率の異なる複数の領域からなり、こ
れらの領域のうち１つ以上の領域に電界を印加すること
により当該領域の屈折率を変化させ、光の回折／直進ま
たは透過／反射のいずれか一方を制御する光スイッチで
あって、前記屈折率の異なる複数の領域の両面に、それぞれ偏光
板を設けてなり、前記屈折率の異なる複数の領域は、少なくとも、液晶か
らなる第１の領域と高分子材料からなる第２の領域から
なり、前記第１の領域に電界を印加することにより該第１の領
域の屈折率を変化させることを特徴とする光スイッチ。
【請求項２】屈折率の異なる複数の領域が、少なくと
も、液晶からなる第１の領域と高分子材料からなる第２
の領域からなり、これら複数の領域のうち１つ以上の領
域に電界を印加することにより当該領域の屈折率を変化
させ、光の回折／直進または透過／反射のいずれか一方
を制御する光スイッチの製造方法であって、前記高分子材料は、光または熱のいずれか一方を加える
ことにより硬化する硬化型高分子材料からなり、前記液晶と該硬化型高分子材料との混合物を、２つの透
明電極間に充填し、その後、該混合物に複数のレーザー
光を照射し、レーザー光の干渉パターンによる光の強弱
層により前記液晶と前記硬化型高分子材料とを分離し、
前記液晶からなる第１の領域と前記硬化型高分子材料か
らなる第２の領域を形成することを特徴とする光スイッ
チの製造方法。