JP3193453B2 - 光学的スイッチ - Google Patents

光学的スイッチ

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、透明な材料を有し、こ
の材料中に光を回折することのできる３次元回折パタ−
ンが記録される光学的スイッチに関する。
【０００２】
【従来の技術】最も簡単なケ−スでは、光学的スイッチ
は単一光ビ−ムをＡ方向或いはＢ方向に偏向させること
に使用される。スイッチング動作によって光ビ−ムはＡ
方向に受信器Ａ' に向かって、又はＢ方向に受信器Ｂ'
へ向かって誘導される。従って、光ビ−ムは受信器Ａ'
と受信器Ｂ' の間でスイッチされる。また、さらに簡単
なスイッチにおいては、光ビ−ムは通過又は反射され
る。結果として、スイッチは単一受信器Ａ' の方向でオ
ン又はオフにされる。光ビ−ムを第１或いは第２の方向
に偏向するこのようなスイッチ部品として特にホログラ
ムが適している。
【０００３】雑誌AppLied Optics 27(1988)pp.4244〜42
50にはホログラムの平面装置と共に液晶セルのアレイお
よび偏光ビ−ム分割器を具備している光学的スイッチ
（ホロスイッチ）が記載されている。
【０００４】その光学的スイッチにおいて、液晶セル、
ビ−ム分割器、ホログラムはそれぞれ互いに結合してい
る。ホログラムは予め決められた一定の回折パタ−ンを
形成する。各液晶セルは例えばレ−ザ源より生成された
光ビ−ムの束をホログラムの１つへ偏向し、ホログラム
は光ビ−ムを関係した検出器へ偏向する。
【０００５】液晶セルは電気的に制御された装置であ
る。これらは光ビ−ムにおける相互に垂直な２つの偏光
状態の間で液晶セルに加えられた電圧に応じて切り替え
する。ビ−ム分割器は光ビ−ムの伝送方向で液晶セルに
後続して配置され、偏光状態に応じて光ビ−ムを透過或
いは反射する。従って、光ビ−ムは各ホログラムに達す
る前に液晶セルとビ−ム分割器を通過する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】この先行技術である光
学的スイッチはアルミニウムのボックス中に構成され、
19×19×23cmの寸法で、支持構造も備えている。このた
め光学的スイッチが相当なスペ−スを占めることにな
る。さらに液晶セルにおける２つの偏光状態の間の変化
は光学的スイッチのスイッチング速度を制限する。本発
明の目的は高い光透過率に適した光学的スイッチを提供
することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】この目的は、材料は非直
線的光学特性を有し、基体上の第１の層の形態で延在
し、少なくとも第１の電極、第２の電極が設けられ、こ
れらの電極に供給された電圧に応じて回折パタ−ンが可
変であることを特徴とする光学的スイッチによって達成
される。
【０００８】本発明による光学的スイッチは容易に製造
できる利点がある。それは個別的に電気的に制御される
ことを必要とする液晶セルやビ−ム分割器を具備してい
ないからである。これはまたスペ−スを節約する設計で
ある。本発明のさらに有益な利点は請求項２乃至９に記
載されている。以下、図面を参照して本発明の実施例を
詳細に説明する。
【０００９】
【実施例】図１に示された光学的スイッチは基体１とそ
の上に形成された層２からなる。基体１は例えばガラス
のような誘電体材料が好ましい。層２の材料は非直線光
学的特性を備えており、無機物又は有機物結晶、重合体
又は少なくとも１種類の重合体が非直線特性を有する重
合体の混合物である。層２は１μm 又は数マイクロメ−
タ−の厚さが好ましい。
【００１０】層２の上に付着している電極３、４、５、
６は透明で、例えば酸化インジウム錫の材料からなる。
これらの電極に対して電圧が供給される。結果として、
例えば電界は電極３と電極４の間、電極５と電極６の間
のように電極間で生成され、層２中に３次元の回折格子
を生成する。電界は例えば電極間の領域で材料の屈折率
を変化させ、それによって干渉縞が層２で生成され、こ
の干渉縞は供給された電圧に応じて変化する。好ましく
はコヒ−レントな光波が層２へ上部から入射すると、こ
の光の波は干渉縞に衝突する。光の波は全体として与え
られた方向へ偏向される。或いは光の波の１部がそれぞ
れ異なった方向に偏向される。層２の電界により、この
層の屈折率と吸収率は変化されることができる。
【００１１】層２には２次の非直線光学的重合体が特に
好適である。このような重合体は例えば、IEEE J.Quant
um ELectronics,QE-21 (1985) pp.1286-1295 から知ら
れている。これらの重合体は染料分子を含んでおり、こ
の染料分子はここで説明する応用に対して空間的に方向
づけられなければならない。この方向は有極化によって
確立されることが好ましい。このことを行うには、層２
を好ましくは軟化点まで加熱し、電界にさらし、層２に
電界を供給したまま冷却する。
【００１２】有極化による染料分子の方向はこれらの重
合体の屈折率に影響を及ぼす。従って、干渉縞は層２中
に形成され、層２は電界の供給による干渉縞の生成後も
屈折率における変化によって変更できる。
【００１３】電極は図１のように層２の上に置かれる代
わりに基体１と層２の間に設けられてもよい。図２の実
施例で示されているように光学的スイッチはファブリ−
ペロ−共振器を備えている。基体１と層２に加えて、光
学的スイッチはミラ−７、８を具備しており、これらは
例えば誘電体材料で形成されている。ミラ−７は層２と
基体１の間を延在しており、ミラ−８は層２の上部に設
けられている。ミラ−７の上部は電極９〜12を備えてい
る。
【００１４】電極９〜12はミラ−７の上面に配置される
代わりに基体１とミラ７−の間に位置してもよい。ミラ
−８はその上部における入射波に対して部分的に透明で
あり、ミラ−７は部分的に透明又は反射的である。
【００１５】図３は単一光学的スイッチの別の実施例で
あり、基体１上に単一のパタ−ン化された電極13が備え
られている。層２の上面にはさらに層15〜19が設けら
れ、これらの層は全て層２と同じ厚さであることが好ま
しい。層19、即ち最上部の層は同様にパタ−ン化された
電極14により被覆されている。電極13,14 の少なくとも
一方は光がスイッチされるように透明である。
【００１６】他の実施例（図示せず）では、図３の光学
的スイッチは図２で示されているように２つの透明な電
極13,14 とミラ−７、８を備えている。このミラ−はそ
れぞれ、基体１と電極13、電極14の間に設けられてい
る。
【００１７】ミラ−７、８のために、ミラ−８を通って
層２に入射した光は数回、層２を横切り、その結果、電
界により生成された回折パタ−ンの効果は増加する。こ
のことは光学的スイッチが低い駆動電圧で動作されるこ
とを可能にする。
【００１８】前述した２つの実施例における層２、15〜
19は二次の非直線性光学重合体より形成されることも好
ましい。これらは有極化され、その結果、相互に重なり
あっている層は異なった非直線的属性を有する。特に異
なったレベルの非直線の光学染料でド−プ処理され、ポ
リメチルメタクリレ−トのような重合体がコロナで有極
化された層に配列している。コロナによる有極化は例え
ば、J. AppL. Phy. 67(1990), pages 1037〜1041で知ら
れている。有極化された非直線的光学層の屈折率は電極
13,14 の間で生成された電界によって変化される。互い
に重なった層の屈折率の変化は異なっている。
【００１９】層２，15〜19の屈折率が存在する無限小の
電界の存在中で同一であり、また電界の影響下で逆方向
に変化するならば、前述した２つの構造は特に効果的で
ある。従って、重なり合う層における染料分子は有極化
の期間に逆向きに方向づけられる。つまり、有極化は逆
方向である。
【００２０】このように異なった有極層（例、層２、15
〜19）を生成するため、軟化点の異なる２つの重合体が
交互に使用される。連続した層の形成後、有極化は最初
に高温の軟化温度で生じ、染料分子の均一方向化が全て
の層２、15〜19で得られる。低温の軟化温度下での第２
有極化過程において、有極化は反対の電界によって行わ
れ、染料分子は低温のために、１つおきの層のみによっ
て再方向づけられる。異なった軟化動作を有する２つの
ＮＬＯ重合体の使用の代りに軟化動作が変化可能なＮＬ
Ｏ重合体が使用できる。特に適切なものは交差結合可能
なＮＬＯ重合体で、これを用いると、有極化の期間又は
有極化後、染料分子の方向は交差結合によって固定され
る。各層２、15〜19は被覆後、有極化され、交差結合さ
れ、使用する有極化技術にはコロナ有極化が好ましい。
【００２１】図３の光学的スイッチ上に斜めに入射した
光波が層２、15〜19を横切ると、全ての層２、15〜19の
屈折率が同一である限り、少量の光しか電極13、14、基
体１で反射されない。しかし、連続層の屈折率が異な
り、次式のブラッグの反射条件が満たされると、光ビ−
ムの高度な反射が生じる。 Ｚ・λ＝２・ｄ・ｓｉｎφ
【００２２】ここでＺは位数（整数）、λは波長、ｄは
各層の厚さ、φは視射角である。光学的スイッチは異な
った電圧を電極13、14に供給することによりこれら２つ
の光学的状態の間でスイッチされる。その一方の状態に
おいて、適供給電圧はゼロでよい。少なくとも電極13、
14の一方が複数の領域を備えていると、異なった反射率
を有する領域は適切な電気制御により形成される。
【００２３】非直線的光学重合体の有極化の期間中、複
屈折は屈折率の変化によって起こる。この屈折率におけ
る変化によって、連続した層２、15〜19は生成され、こ
の層は既に存在している無限小の電界におけるブラッグ
反射を生じさせる。このようにして屈折パタ−ンが形成
され、この屈折パタ−ンは電界のない場合でも効果的で
あり、電界により変化される。
【００２４】さらに図４の光学的スイッチは基体１上に
層２を備えているが、その他の層はない。このスイッチ
には多数の電極が設けられており、電極20〜26は基体１
と層２の間に、電極27〜33は層２の上に備えられてい
る。この配置によって特に、固定した干渉縞又は可変の
干渉縞は、スイッチ製造中或いはスイッチ製造中と光学
的スイッチの動作中、又はもっぱら光学的スイッチの動
作時間中に、電気的に生成される。特に電極は有極化の
期間に順次通電される。例えば、任意に傾斜した有極ゾ
−ンの形成を可能にする電界は１つおきの電極の間に所
定の時間、適用される。例えば、電極対21と27、22と2
8、23と29、24と30、25と31、26と32は順次付勢器され
ることができる。このようにして、干渉縞は生成され、
これは通常の入射光にも効果的である。
【図面の簡単な説明】
【図１】単一層を有する光学的スイッチ。
【図２】ファブリ−ペロ−共振器からなる光学的スイッ
チ。
【図３】複数の層を有する光学的スイッチ。
【図４】単一層と多数の電極を有する光学的スイッチ。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ペーター・ケルステン ドイツ連邦共和国、7250 レオンベル ク、ノイケルナー・シュトラーセ ８ (72)発明者 ベルナー・レーム ドイツ連邦共和国、7000 シュツットガ ルト 61、アム・シュタイネンベルク 10アー (72)発明者 ビルトラウト・ビッシュマン ドイツ連邦共和国、7016 ゲルリンゲ ン、ケルテンベーク ２ (56)参考文献 特開 平２−69723（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−68723（ＪＰ，Ａ) 特開 昭50−10149（ＪＰ，Ａ) 米国特許3930718（ＵＳ，Ａ) 英国特許出願公開2240188（ＧＢ，Ａ) 国際公開91／4506（ＷＯ，Ａ１) ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＭＯＤＥＲＮ ＯＰＴＩＣＳ，Ｖｏｌ．38，Ｎｏ．12 （1991）Ｐ．Ｒ．Ｓｍｉｔｈ，ｅｌ．ａ ｌ．，「Ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｉｎｔｅ ｒｆｅｒｅｎｃｅ ｄｅｖｉｃｅｓ ｆ ｏｒ ａｌｌ−ｏｐｔｉｃａｌ ｓｅｌ ｆ−ｒｏｕｔｅｉｎｇ」ｐｐ．2491− 2504 (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G02F 1/29 G02F 1/35 ＥＰＡＴ（ＱＵＥＳＴＥＬ) ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)

Claims (6)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 基体上に延在している非直線的光学特性
    を有する透明な材料の第１の層と、電界を生成するため
    の電圧を印加する２以上の電極とを具備し、前記非直線
    的光学特性を有する透明な材料は、材料中に生成される
    電界によって前記材料中に光の３次元回折パタ−ンが記
    録または生成される光学的スイッチにおいて、前記第１の層上に延在するそれぞれ非直線的光学特性を
    有する材料の２以上の別の層が設けられ、 前記第１の層およびその上の前記２以上の別の層はそれ
    ぞれ分子の方向性を有し、その方向は各層においてそれ
    に隣接する上下の層の分子の方向と異なってい ることを
    特徴とする光学的スイッチ。
  2. 【請求項２】 前記２以上の別の層のそれぞれの分子の
    方向はそれに隣接する上下の層の分子の方向と反対方向
    である請求項１記載の光学的スイッチ。
  3. 【請求項３】 前記非直線的光学特性を有する材料は分
    子の方向性を有する重合体であり、この分子の方向性は
    予め加熱されている重合体に電界を供給しながらる軟化
    点より下の温度まで冷却することによって与えられる請
    求項１または２記載の光学的スイッチ。
  4. 【請求項４】 電極が基体と第１の層との間に配置され
    ている請求項１乃至３のいずれか１項記載の光学的スイ
    ッチ。
  5. 【請求項５】 電極の一部のものが前記第１の層の上に
    設けられた別の層の上に配置され、電極の別の一部のも
    のが基体と第１の層との間に配置されている請求項１乃
    至３のいずれか１項記載の光学的スイッチ。
  6. 【請求項６】 電極の一部のものが前記第１の層の上に
    設けられた別の層の上に配置され、電極の別の一部のも
    のが基体と第１の層との間に配置されれ、前記第１の層
    に面している電極はパターン化されており、前記電極の
    一部のものおよび別の一部のものの少なくとも一方は切
    換えられる光に対して透明である請求項１乃至３のいず
    れか１項記載の光学的スイッチ。
JP13281092A 1991-05-23 1992-05-25 光学的スイッチ Expired - Fee Related JP3193453B2 (ja)

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