JP3808399B2 - 光接続素子およびこれを有する光装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信や光インターコネクションの分野において、ＬＳＩチップ間や多数のＬＳＩチップを実装したモジュール間を光で接続するための光接続素子に関し、特に、光の分岐、減衰、波長分離、および偏光分離等の機能を内蔵した光接続素子に関する。さらに、これらの光接続素子を１個あるいは複数個配列して構成した光装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
大容量のデータを高速に伝送するために、通信基盤の光化が進展し、そのための光技術が進歩している。例えば、海底には光ファイバーのケーブルが敷設され、基地局では波長多重通信技術や高速ＬＳＩ技術による交換機の大容量化と高速化が進展している。
【０００３】
ここで従来から、通信機器やコンピュータ等の装置内部での通信速度を制限する電気配線の課題（伝送速度のボトルネック）が認識されている。即ち、仮に家庭まで光ファイバーで信号が伝送されても、コンピュータ等の装置内部で信号処理の速度が十分ではなければ、利用者は通信のブロードバンド化の恩恵を十分に享受することはできない。この原因は、ＣＰＵとメモリの間といったＬＳＩチップ間や、マザーボードやＣＰＵを搭載したプリント基板といったモジュール間において、電気信号の干渉や伝播遅延のために、十分に高速に信号を伝送することが困難なためである。一方、基地局から家庭までの“last one mile”の通信機器の低コスト化と小型化を如何に実現するかという課題もある。大型で高価な交換機と“last one mile”の通信機器の課題は、全ての家庭に光ファイバーを引くというＦＴＴＨ（Fiber To The Home）構想の足かせとなっている。
【０００４】
そこで、伝送速度のボトルネック解消ならびに交換機や“last one mile”の通信機器の低コスト化、小型化、および低電力化のための技術として、従来から、光インターコネクション技術が注目されている。光インターコネクション技術によれば、電気による信号伝送を光で置き換えることにより、電気信号に伴う伝送速度のボトルネックを解消すると共に、例えば放送型の接続のように、接続パターンの自由度を大きくすることができる。また、光ファイバーやコネクタ等の部品実装の簡素化、配線密度の増加、伝送経路の解析の簡素化等により、通信機器の小型化、低コスト化、低電力化が実現されると期待されている。
【０００５】
このような従来の光インターコネクション技術の例として、回折と屈折を利用した光接続素子が、Ｂｒｅｎｎｅｒらの論文（Karl-Heinz Brenner and Frank Sauer, "Diffractive-reflective optical interconnects", Applied Optics, Vol. 27, No. 20, pp.4251-4254, 1988.）に示されている。その素子の構成を図１に示す。この光接続素子は、発光素子１１１と受光素子１１２とを片側の表面に実装した基板１１０と、発光素子１１１と受光素子１１２のそれぞれに対向する位置に回折素子１２１、回折素子１２２を配置した透明基板１２０とで構成され、さらに透明基板１２０の表面にはミラー１２３、ミラー１２４が形成されている。図１に示すように、回折素子１２１は、発光素子１１１からの光をコリメートして平行光線にすると共に、予め決められた方向に偏向する。光は、ミラー１２３、ミラー１２４によって反射されながら透明基板１２０の内部を伝送されて、回折素子１２２に至る。回折素子１２２は、回折素子１２１とは逆に、平行光線を偏向して受光素子１１２に集光する。このように、ミラーで何度か反射させて光の進路を透明基板の内部に折り畳むことにより、発光素子から受光素子への信号伝送が実現される。ここで、コリメート機能を持つ回折素子の代わりに、集光機能を持つ回折素子を用いて、発光素子から発せられた光が受光素子に集光されるように構成してもよい。
【０００６】
ここで、光は、透明基板１２０の内部の３次元空間を伝送される。このような透明基板の内部の“自由空間”では、光が干渉しない限り複数の光信号を同一の経路で伝送することができるため、高密度の光接続が可能であり、設計の自由度も大きい。これは、光導波路を用いた平面状の光接続技術に比べて大きな利点である。
【０００７】
しかし、光の進路は、使用する回折素子と発光素子の特性により決まり、一度構成を決定すると後に接続経路を変更することは不可能である。しかし、応用によっては接続経路を変更したい場合がある。例えば、時間によって接続経路を変更する、あるいは、ある接続経路が使用不可能になったときに他の接続経路に切り替える、といった応用である。図１の受光素子の代わりに光スイッチを配置すれば接続経路を変更できるが、独立した素子を用いることは部品実装の手間が増え、装置の製造コストと体積を増加させるので望ましくない。
【０００８】
前述のＢｒｅｎｎｅｒらの論文には、この課題を解決するための構成が示されている。即ち、図２に示すように、図１のミラー１２３の代わりに非線形材料で形成した非線形ミラー１２３ｂを使用する。ここで、非線形ミラー１２３ｂは、透過と反射の２つの状態をダイナミックに変更することができる。非線形ミラー１２３ｂに制御光を照射すると透過状態になり、透明基板１２０内部を伝送されてきた光は外部へ逃げ出し、回折素子１２２、受光素子１１２へは到達しない。したがって、制御光の有無により光の進路をダイナミックに変更することができる。Ｂｒｅｎｎｅｒらの論文には記されていないが、仮に透過した光の先に受光素子を配置すれば、光の分岐スイッチとして機能することは明らかである。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
従来の接続経路を変更することが可能な光接続素子には、以下に述べる課題がある。
【００１０】
第一に、光の接続経路を変更するためには、非線形ミラーに制御光を照射する必要がある。したがって、そのための光源とその制御手段が必要となり、装置の製造コストと体積が増加する。
【００１１】
第二に、非線形ミラーに制御光を照射して光の接続経路を変更した場合には、光は透明基板の外部へ漏れ出す。接続か非接続かを切り替える単純なスイッチとしてはこれでよいが、さらに光の分岐スイッチとして使用するためには、透明基板から漏れ出た光の進路に受光素子等の部品を配置する必要がある。したがって、新たな部品配置に関する部品コストと実装の手間が発生して、装置の製造コストと体積が増加する。
【００１２】
第三に、光の接続経路を変更するという機能の他にも、様々な機能を光接続素子に付与することができれば、これらの機能を果たす独立した素子を追加する必要が無くなり、光装置の小型化と製造コストの低減に有利になる。ここで、様々な付加機能とは、伝送される光を減衰させて所望のレベルにする機能（光減衰機能）、伝送される光量を検出する機能（光量検出機能）、伝送される光の波長に応じて異なる出力先へ接続する機能（波長分離機能）、伝送される光の中で特定の偏光成分のみを減衰あるいは検出あるいは波長分離する機能（偏光分離機能）のいずれかである。これらの機能を光接続素子に如何に付与するかに関して、従来の技術には何ら教唆が無い。
【００１３】
第四に、多数の光接続素子を配列して多チャンネルの光装置を低コストで形成する手法に関して、従来の技術には何ら教唆が無い。
【００１４】
本発明は、上記の事情を鑑みて発明されたものであり、ＬＳＩチップ間や多数のＬＳＩチップを実装したモジュール間の光接続素子に関し、特に、光分岐、光減衰、光量検出、波長分離、偏光分離などの機能を持つ光接続素子と、それを用いた光装置とを、低コストで提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明の光接続素子は、光が複数の方向に伝播することが可能な導光手段と、該導光手段に外部から光を入力する入力結合手段と、該導光手段から光を外部へ出力する出力結合手段と、前記導光手段の光が伝送される経路に配置され、制御手段によってその特性を変更することができる能動型の光学手段とを有し、前記光学手段は、電気光学効果を有する材料と電極とを含む能動型の回折素子であって、前記制御手段から供給される電気信号に応じて、光の分岐、減衰、波長分離、および偏光分離のうちの少くとも一つの機能を発現するものであり、前記導光手段は、透明基板であり、光は該透明基板の内部にて反射を繰り返して伝播し、前記能動型の回折素子は、基板と前記透明基板との間に配置された液晶を有することを特徴とする。
【００１８】
前記電極は、１対の櫛歯状の形状を呈し、前記基板および前記透明基板のうちの少くとも一方の前記液晶に対向する表面に配置されるものでよい。あるいは、前記電極は、周期的に配列された複数の電極群であり、前記基板および前記透明基板のうちの少くとも一方の前記液晶に対向する表面に配置されてもよい。さらに、記電極は、前記基板および前記透明基板のうちの少くとも一方の前記液晶に対向する表面に一様に配置され、前記液晶上または中には、複数の誘電体が周期的に配置されように構成してもよい。
【００１９】
前記制御手段は、前記透明基板の前記液晶に対向する表面にて、薄膜トランジスタを含む回路素子によって構成されてもよい。
【００２０】
前記入力結合手段および前記出力結合手段のうちの少くとも一方は、回折素子または前記導光手段の内部に配置された反射素子によって構成されてもよい。
【００２１】
本発明の光装置は、少なくとも１個の発光素子と、複数の受光素子と、請求項１乃至８のいずれかに記載の少なくとも１個の前記光接続素子とを有する。
【００２２】
ここで、第一に、前記導光手段は、透明基板であり、前記発光素子および前記受光素子のうちの少くとも一方は、前記透明基板にフリップ実装されてもよい。あるいは、前記発光素子および前記受光素子は、複数の開口を有するプリント基板にフリップ実装され、前記発光素子からの光が前記開口を通して前記入力結合手段に導かれる一方、前記出力結合手段からの光が前記開口を通して前記受光素子に導かれる構成としてもよい。
【００２３】
第二に、前記発光素子と前記入力結合手段との間、ならびに、前記出力結合手段と前記受光素子との間に、集光機能を持つ屈折素子がそれぞれ配置してもよい。
【００２４】
第三に、前記導光手段の内部を伝送される光量をモニタするための光量検出手段が、前記基板および前記透明基板のうちの少くとも一方の前記液晶に対向する表面に配置されてもよい。前記光量検出手段は、アモルファスシリコン材料を含む受光素子であってもよい。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態による光接続素子およびこれを有する光装置について詳細に説明する。
【００２６】
［第一の実施の形態］−分岐、波長分離、偏光分離−
図３は、本発明の第一の実施の形態における光接続素子を用いた光装置の主な構成要素を示す説明図である。右側の分解斜視図に示すように、この光装置は、透明基板１１と、その上側の表面に実装された発光素子６０および受光素子７０ａ、７０ｂ、７０ｃと、透明基板１１の反対側の表面に配置された回折素子２１、３１、３２、３３と、基板４２の表面に形成された櫛歯状電極４３および制御回路５１と、基板４２と透明基板１１の間に挿入された液晶４１で構成される。
【００２７】
さらに詳しく構成を説明する。透明基板１１は、実際にはガラス材料やＰＭＭＡ、ＰＣＢ等のポリマー材料で形成される。発光素子６０、受光素子７０ａ等が実装される透明基板１１の表面には配線１２が形成されており、これらの素子は外部の（不図示の）回路へ電気的に接続される。基板４２の表面に形成された回折素子２１、３１、３２、３３は、発光素子６０および受光素子７０ａ、７０ｂ、７０ｃに対向する場所に形成される。
【００２８】
図４は、図３の光装置の発光素子６０、受光素子７０ｂ等の構成要素を含む断面を示す説明図である。この例では、発光素子６０および受光素子７０ｂ等を、透明基板１１にフリップ実装する例を示している。即ち、発光素子６０および受光素子７０ｂ等は、透明基板１１に形成された配線１２に半田等を用いて固定されると共に、外部の回路に電気的に接続される。さらに、図５は、図３の光装置の透明基板１１よりも下部に配置された構成要素を、透明基板１１の側から見た様子を示している。また、図４と図５においては、発光素子から発せられた光が受光素子に到達するまでの経路を模式的に示している。
【００２９】
図３の光装置の動作について、図３〜図５を参照しながら説明する。
【００３０】
発光素子６０から発せられた光は、透明基板１１と液晶４１とを順に透過して回折素子２１に至る。ここで発光素子６０の指向性に応じて、回折素子２１に至る光はある程度の広がりを持つ。回折素子２１は光を反射するときに、この広がった光を平行な光線に変換すると共に、その進行方向を変える。このように、回折素子２１によってコリメートされると同時に偏向された光は、透明基板１１の内部で反射を繰り返して伝送される。この例では、透明基板１１として屈折率が高い材料を用いて、透明基板１１の上下の表面で光を全反射させることにより光を伝送しているが、透明基板１１の表面の光が到達する場所に反射材料を配置することにより光を伝送してもよい。伝送された光はやがて櫛歯状電極４３が形成された領域に到達する。
【００３１】
ここで、制御回路５１により櫛歯状電極４３に電圧を印加すると、櫛歯状電極４３の上方にある液晶４１の屈折率が変化して、櫛歯電極に対応して屈折率の周期パターンが発生する。周期的な屈折率変化を持つ媒体は回折素子として機能するので、光は回折により複数の方向へ分岐する。この例では３方向に分岐する構成を示している。
【００３２】
これらの分岐した光は、前述と同様にして何回か透明基板１１の内部で反射を繰り返して伝送され、回折素子３１、３２、３３に至る。これらの回折素子は、それぞれに対応した場所に配置された受光素子７０ａ、７０ｂ、７０ｃの方向へ光の進路を変更すると同時に受光素子の受光部に光を集める。
【００３３】
以上の動作により、櫛歯状電極４３に電圧を印加する場合には、発光素子６０と、受光素子７０ａ、７０ｂ、７０ｃのそれぞれとが光によって接続される。
【００３４】
一方、櫛歯状電極４３に電圧を印加しない場合には、液晶分子は一様に配向されたままなので周期的な屈折率分布は生じない。したがって、光は分岐することなく透明基板１１の内部を伝送されて回折素子３２に至り、受光素子７０ｂに入射する。即ち、この場合には発光素子６０と受光素子７０ｂとが光によって接続される。
【００３５】
このように、制御回路５１により液晶４１の特定の場所に周期的な屈折率分布を生じさせるか否かを制御することにより、光の接続経路を変更することができる。即ち、図３〜図５に示した構成は、光の分岐機能を持つ光接続素子である。
【００３６】
ここで、回折角度は光の波長に依存する。したがって、波長多重通信技術の場合のように入射光が複数の波長を含む場合には、この光接続素子により複数の波長を分離して、それぞれに対応した受光素子 へ接続することができる。即ち、図３〜図５に示した構成は、波長分離の機能を併せ持つ光接続素子である。
【００３７】
さらに、後に詳述するように、櫛歯状電極への印加電圧を変化させると、回折光の強度が変化する。例えば、非回折光が接続される受光素子７０ｂへの接続に注目すると、入射光を任意の強度に減衰させる可変光学減衰器（Variable Optical Attenuator、即ち、ＶＯＡ）として機能していることが分かる。即ち、図３〜図５に示した構成は、ＶＯＡの機能を併せ持つ光接続素子である。但し、ＶＯＡとして機能させる場合には、不要な光を吸収する必要があるが、これは例えば回折素子３１等の代わりに光吸収層を形成することにより容易に実現される。
【００３８】
以上では、図５の平面図において、櫛歯電極４３の櫛歯の方向と光の入射方向が平行な場合を説明したが、両者が平行でない場合の例を図６に示す。この構成の櫛歯状電極に電圧を印加しない場合には、光は直進して回折素子３４に至る。電圧を印加すると、図６の平面において櫛歯に平行な方向に回折光が現れる。また、後述するように、入射光の一方の偏光成分は回折され、他方の偏光成分は直進するようにことができる。即ち、図６の構成は偏光分離機能を併せ持つ光接続素子である。
【００３９】
以上に説明した本実施の形態の構成と動作において、最も特徴的で重要な機能を持つ構成要素は、櫛歯状電極４３を形成した基板４２と透明基板１１とで液晶４１を挟んで構成される“能動型回折素子”である。以下では、垂直配向した液晶回折素子を用いる例を挙げて、実際の素子の試作と特性評価の結果について詳細に説明する。
【００４０】
図７は、能動型回折素子として用いる液晶回折素子の構成を示す説明図である。右側の分解斜視図に示すように、この液晶回折素子は、その表面に互いに対向する一対の櫛歯状の透明電極が形成された透明基板と、もう１枚の透明基板とで液晶を挟んで構成される。透明電極にはパッド部が設けられて外部へ電気的に接続される。さらに、図８の断面図に示すように、これら２枚の透明基板の液晶に接する表面には、それぞれ配向膜が形成されている。また、図７に示すように、一方の透明基板には液晶を注入して封入するための液晶封入口とシール材料とが形成される。ここで、図７の上側に配置された透明基板が導光手段として機能するためには、液晶と透明基板の屈折率の選択が重要である。
【００４１】
以下では、本実施の形態の液晶回折素子の製造方法とその特性について、具体的な数値例を挙げながら詳細に説明する。今回の液晶回折素子の製作に用いた主な部材を表１に示す。
【００４２】
【表１】
【００４３】
ここで、導光手段として機能する透明基板は、特に屈折率の高い材料を用いた。液晶はネマチック液晶と基板は無アルカリのガラス基板で、いずれも液晶ディスプレイの製造に一般的に用いられている部材である。櫛歯状電極は、基板に厚さ１００ｎｍのＩＴＯ（インジウム錫酸化物）を成膜して、フォトリゾグラフィによりパターン化して形成した。今回の素子では、電極の幅と配列ピッチはそれぞれ５μｍ、１０μｍとした。使用した基板の面積は１５０ｍｍ角で、一枚当たりに同一の電極パターン９個を同時に形成し、後に９素子を分離できるようにした。
【００４４】
製作工程の実際を表２にまとめて示す。ここで用いた配向膜の材料は、電圧無印加時において液晶が配向膜に対して垂直に配向するものである。この配向膜を形成された基板に対して、ラビング処理あるいはＳｉＯ等の材料の斜方蒸着といった表面処理は不要である。シール材に混入するスペーサと基板に散布するスペーサを選択して、２枚の基板間の距離、即ち、後に液晶を注入したときの液晶層の厚さを６μｍに設定した。これらの工程は、いずれも液晶ディスプレイの製造に用いられる一般的なものである。
【００４５】
【表２】
【００４６】
以上の手順に従って製作した液晶回折素子の動作を、図８〜図１３を参照しながら説明する。
【００４７】
図８は図７の液晶回折素子の櫛歯状電極を含む断面図であり、通常の液晶素子の動作説明で一般的に行われるように、液晶分子を楕円体で模式的に表している。即ち、液晶分子には屈折率の異方性があり、異常光に対する屈折率ｎｅを楕円の長軸で、常光に対する屈折率ｎｏを楕円の短軸でそれぞれ表す。もちろん、液晶分子は透明電極に比べてはるかに小さく、この図は実際の液晶分子の大きさや形状を表すものではない。図８は、櫛歯状電極に電圧を印加した場合を示している。液晶分子は、電極の上部ではほぼ基板に垂直に、電極間の領域では平行に配向する。ここで上側の透明基板の内部を伝送される光について考えると、周期的な屈折率分布を持つ液晶の領域に到達すると光は回折してその進路が変化する。電圧を印加しない場合には液晶分子は配向膜に垂直に一様に配向するので、周期的な屈折率分布は生じない。したがって、上側の透明基板の内部を伝送される光は、櫛歯状電極が配置されている領域に到達しても回折することはない。即ち、櫛歯状電極に電圧を印加するか否かにより、光の進路を切り替えることができる。また、回折角度は波長に依存するため、複数の波長を含む光から個々の波長の光を分離することができる。
【００４８】
図９は、この液晶回折素子において、上側の透明基板の端面から光を入力したときの様子を模式的に示している。透明基板や液晶の屈折率と光の入射角度とは、光が透明基板の内部で全反射を繰り返して伝送されるように設定した。光源としてレーザーダイオードを用い、この素子の端面から波長６７０ｎｍの単色光を入射した。光源と素子との間には偏光子を挿入し、一方の偏光成分のみを入射するようにした。但しここでは、光の入射面は図９のｙｚ面にあり、ｚｘ平面からある角度を設けている。
【００４９】
図１０は、試作した素子に光を入射したときの写真である。電場の振幅方向が透明電極に垂直な成分の偏光（以下ではＴＭ波と呼ぶ）を入射した場合には、櫛歯状電極に電圧を印加すると、図１０（ｂ）の写真に示すように入射光の方向を中心として対称的に多数の回折光が生じた。これらの回折光は、液晶回折素子の他方の端面から透明基板の外部に出力された。電圧を印加しない場合には、図１０（ａ）の写真に示すように回折光は殆ど生じず、光はそのまま透明基板の内部を伝送されて端面から出力された。ここで、図１０の写真で上側の透明基板に明るい点が確認できるのは、液晶層に到達した一部の光が液晶層によって散乱されるためである。また、これらの明るい点の強度が交互に変化している理由は、透明基板の上側の表面に付着した異物によって内部を伝送する光の一部が弱く散乱されるためと考えられる。
【００５０】
一方、電場の振幅方向が透明電極に平行な成分の偏光（以下ではＴＥ波と呼ぶ）を入射した場合には、櫛歯状電極に印加する電圧に関わらず、光は殆ど回折せず、図１０（ａ）と同等の結果となった。
【００５１】
次に、櫛歯状電極に印加する電圧を変化させ、透明基板の端面から出力される光の強度をパワーメータで測定した。結果を図１１に示す。ここで、０次回折光（即ち、回折しない成分）の強度は印加電圧の増加と共に減少することが確認できる。一方、１次回折光はこれとは逆の振る舞いを示す。図１１の結果は、ある印加電圧（約１２Ｖ）において０次光と１次光の強度が等しくなるので、３つ方向に同じ強度の光が伝送されることを示している。
【００５２】
これらの実験結果は以下の通りに理解される。
【００５３】
まず、印加電圧が小さい間は、液晶分子の大部分は一様に透明基板に垂直に配向したままである。したがって、液晶層の屈折率分布は一様である。但し、櫛歯状の透明電極の有無による周期性が存在するので、弱い回折光が発生することになる。図１１において、印加電圧が０のときに０次回折光の約１／１５の強度の１次回折光が観察されたのは、この周期的に配置された透明電極の影響である。
【００５４】
次に、印加電圧を増加していくと、透明電極の間の領域に十分な強度の電界が存在するようになり、この領域の液晶分子が電界の方向へ配向する。透明電極の真上の領域では電界強度が弱く、液晶分子は垂直配向のままである。また、配向膜の近傍の領域では仮に電界が十分大きくても、液晶分子は配向膜からの影響を強く受けてその配向を変えることはできない。しかし、印加電圧の増加と共に、屈折率の周期性を持つ領域が透明基板の上部にまで到達して、透明基板を伝送される光が周期性を感じるようになる。
【００５５】
以上の動作は、透明基板に入射する光がＴＭ波の場合である。印加電圧の有無に関わらずＴＥ波は殆ど回折しないのは、ＴＥ波が基板近傍の垂直配向している液晶層により全反射されて、周期的に配向している液晶層まで浸み込まないためと考えられる。したがって、この素子は偏光依存性を持つため、例えば特定の偏光成分のみを回折する偏光分離器として動作させることができる。
【００５６】
尚、図１０（ｂ）では櫛歯状電極の配置された約１５ｍｍ角の領域が白く見えている。この理由は、周期的に配列した液晶分子によって室内光が散乱されているためである。実際の応用では、全体を密封した容器に入れる等の手段により、信号光以外には光が透明基板に入らないようにする。
【００５７】
さらに、液晶回折素子の設計によっては、図１０（ｂ）に示すように多数の高次回折光が生じることがある。不要な回折光が透明基板の内部を伝送されると、素子の境界に存在する界面で反射されたり、入出力結合に用いる回折素子の不完全さに起因して新たな回折光が発生したりして、迷光になる。このような迷光が受光素子に到達すればノイズになる。しかし、不要な回折光が発生する角度とそれらが到達する透明基板の表面の場所は予め予測できる。したがって、予め光吸収材料を透明基板の表面に形成しておき、光接続に利用しない不要な回折光を吸収することができる。これにより、不要な回折光に起因するノイズの混入は回避できる。
【００５８】
次に、図９、図１０では、光の入射面はｙｚ平面にあったが、図１２に示すように、この平面から外れて光が入射しても構わない。図１３は、こうして光（ＴＭ波）を試作した素子に入射したときの写真である。櫛歯状電極に電圧を印加すると、図１３（ｂ）の写真に示すように、櫛歯に平行な方向を中心に対称的に多数の回折光が生じた。これらの回折光は、液晶回折素子の他方の端面から透明基板の外部に出力された。電圧を印加しない場合には、図１３（ａ）の写真に示すように回折光は殆ど生じず、光はそのまま透明基板の内部を伝送されて端面から出力された。したがって、偏光方向がランダムな光を入射した場合には、ＴＥ波は直進し、ＴＭ波は回折して方向を変えられて分離、分岐されることになる。
【００５９】
以上に説明したように、本発明の光接続素子は、光分岐、波長分離、偏光分離、の機能を内蔵するため、これらの機能が求められる光装置への応用が可能である。ここで、このような光装置についてまとめる。
【００６０】
第一に、図１１に示したように、この光接続素子は印加電圧により０次回折光の強度を調整できる。したがって、図３の構成は、発光素子６０と受光素子７０ｂとが可変光学減衰器により接続されているのと同等である。図５の例では０次回折光最小値と最大値の比は約６だが、電界分布の設計や液晶材料の選択により必要に応じてこの比を大きく設定することができる。また、後述するように、複数の同様の液晶回折素子を直列に接続すれば、さらに減衰量を大きくすることができる。
【００６１】
第二に、図３に示すように複数の回折光を出力として利用すれば、可変光学減衰機能を併せ持つ分岐スイッチとして動作する。
【００６２】
第三に、異なる複数の波長の光が入射光に含まれる場合、個々の波長の光を分離して取り出すことができる。これは、回折角度が波長に依存することを利用しており、分波器あるいは特定の波長の光を出力側に接続するフィルタとして動作する。
【００６３】
第四に、偏光方向がランダムな光を入射した場合には、ＴＥ波は直進し、ＴＭ波は回折して分離されるので、偏光分離フィルタとして機能する。
【００６４】
［第一の実施の形態の変形例］
以上に説明した本発明の第一の実施の形態においては、電圧を印加しない状態において液晶を透明基板に垂直に配向する例を挙げたが、液晶の配向方向はこの例に限られるものではない。従来の例で一般に行われているように、電圧無印加時に液晶分子が透明基板に平行になるように配向させ、電圧印加時に垂直になるようにしても良い。あるいは、最初は電極の配列方向に平行に配向させておき、電圧印加時に電極の配列方向と直行する方向に配向するようにしても良い。このような液晶の配向方向は、例えばラビング処理の方向を選択することにより自由に設定することができる。したがって、このような垂直配向以外の配向方向を採用する構成も本発明の第一の実施の形態の変形例と見なす。
【００６５】
また、本発明の趣旨を損なうことなく、本実施の形態における様々な構成要素の寸法、材料の種類、実装の形態等の選択が可能である。例えば、電極や液晶層の寸法は設計事項であり、この実施の形態の数値例に限るものではない。また、液晶の注入方法は塗布法のように毛細管現象を利用しない方法もあるし、ポリマー性の液晶をスピン・コーティング法により形成しても良い。その場合にはシール材料は不要である。このように、本発明の趣旨を損なうことなく、様々な構成要素の設計、材料や実装形態の選択が可能である。したがって、このような構成も本発明の変形例と見なす。
【００６６】
また、以上では、一対の櫛歯状電極を片方の基板に配置することにより液晶分子の配向を切り替える構成を例に挙げて説明したが、周期的な屈折率分布を液晶層に発生させるための構成はこのような電極に限られるものではない。例えば、液晶を挟む両方の基板の表面に一様に透明電極を形成し、柱状の誘電体を両基板の間に周期的に配置してもよい。このような構成は、例えば以下の通りにして形成される。即ち、一様な透明電極を形成した基板の上に誘電体の膜を形成し、誘電体を短冊状にパターン化し、スペーサを介してもう一方の基板と貼り合わせ、最後に誘電体の隙間に液晶を注入すればよい。あるいは、透明電極の形成された２枚の透明基板を貼り合わせ、紫外光の照射により硬化して誘電体となる液状の材料（前駆体）を混入した液晶を２枚の基板の隙間に注入し、最後に周期的な短冊状の開口を持つマスクを用いて透明基板を透過して紫外光を照射して誘電体を形成してもよい。いずれの製造工程の場合も、柱状誘電体の屈折率が液晶の常光あるいは異常光に対する屈折率のいずれかと一致するように材料を選択することが大切である。
【００６７】
本発明の能動型回折素子に求められる機能は、周期的な屈折率分布の発現を外部から制御することである。この趣旨に沿えば、電気光学（ＥＯ）効果、熱光学（ＴＯ）効果、音響光学（ＡＯ）効果、磁気光学（ＭＯ）効果のいずれかを持つ材料と、その材料に物理的な入力（それぞれ、電界、熱、超音波、磁界）を与えるための制御手段とを用いることにより、能動型回折素子を構成することが可能である。例えば、ＥＯ効果を持つ材料としては、液晶の他にも光学結晶のニオブ酸リチウムや各種のポリマー材料が知られている。
【００６８】
［第二の実施の形態］−多チャンネル−
第一の実施の形態においては、入射光が１つのみであったが、装置を小型化して製造コストを低減するためには、複数の光を入力して、それぞれの光を独立に制御できる構成が望ましい。即ち、本発明の第二の実施の形態では、図３の光装置を複数個配列して、共通の制御回路を用いて複数の入射光を制御する。
【００６９】
図１４は、このような光装置の主な構成要素を示す説明図である。さらに、図１５は、その制御回路の構成を示す説明図である。図１４の分解斜視図に示すように、この光装置は、透明基板１１ｂと基板４２ｂとで液晶４１ｂを挟んで構成される。
【００７０】
ここで、透明基板１１ｂには、複数の発光素子６０と受光素子７０ａ、７０ｂ、７０ｃのための配線１２ｂが形成される。また、基板４２ｂには、複数の回折素子２１ｂ、３１ｂ、３２ｂ、３３ｂと、複数の櫛歯状電極４３ｂと、個々の櫛歯状電極４３ｂに印加する電圧を独立して制御するための制御回路５１ｂとが形成される。さらに、図１２には示していないが、第一の実施の形態で説明した場合と同様に、それぞれの基板上には液晶の配向方向を整えるための配向膜を形成し、さらにその上に液晶の封入のための液晶封入口を備えたシール材料を予め形成する。次に、この２つの基板を貼り合わせて固定し、液晶を注入し、複数の発光素子６０と受光素子７０ａ、７０ｂ、７０ｃを透明基板１１ｂにフリップ実装することにより、図１２の構成が形成される。
【００７１】
図１５に示した制御回路５１ｂは、シフトレジスタ回路と、シフトレジスタ回路の個々の出力端子ＣＬＭにゲート電極が接続されたトランジスタＴｒと、Ｔｒによって入力信号ＤＡＴＡが保持される静電容量Ｃ、および、Ｃに保持された電位が印加される液晶回折素子ＤＯＥとから構成される。このような制御回路５１ｂは、低温多結晶シリコン（ｐｏｌｙ−Ｓｉ）を用いた薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）によりガラス基板やプラスチック基板等の透明基板の上に形成することができる。
【００７２】
この光装置の動作は以下の通りである。シフトレジスタ回路は、クロック信号ＣＬＫ１、ＣＬＫ２を継続して入力した状態でスタート信号ＳＴＲＴを与えると、端から順番に出力端子ＣＬＭに矩形パルスが現れる。最初に出力端子ＣＬＭ＃１がＨレベルになってＴｒ１が導通し、そのときの入力信号ＤＡＴＡが静電容量Ｃ＃１に保持される。液晶回折素子ＤＯＥ＃１は、Ｃ＃１に保持された電圧に従った光学特性を発現する。次に、出力端子ＣＬＭ＃１がＬレベルになり、隣の出力端子ＣＬＭ＃２がＨレベルになると、同様にして液晶回折素子ＤＯＥ＃２の光学特性が設定される。このような動作を全ての出力端子ＣＬＭについて繰り返すことにより、全ての液晶回折素子ＤＯＥの光学特性が設定される。ここで、個々の液晶回折素子は独立しており、第一の実施の形態と同様の動作をすることが分かる。このようにして、入力信号ＤＡＴＡを静電容量Ｃ＃１、Ｃ＃２、・・・に書き込むことにより、全ての液晶回折素子ＤＯＥの特性を思い通りに設定することができる。
【００７３】
図１４において個々の回折素子を実装する密度の限度は、隣接する回折光の干渉が起こらない範囲である。これは、入射光の大きさ、広がり等の要因に依存するが、例えば１００μｍから１０ｍｍのピッチで配列することは容易に可能である。
【００７４】
第二の実施の形態の構成において特徴的なのは、共通の透明基板の上に複数の櫛歯状電極のパターンを備え、同時に液晶を注入して封止する点である。これにより、複数個の独立した素子を実装する構成に比べて高密度に光接続素子を配列することが可能になる。また、一チャネル当たりの製造コストを低減することができるという効果がある。
【００７５】
また、ＴＦＴにより制御回路の一部を同一の透明基板上に形成することの利点は、第一に実装の簡略化と小型化である。単純に図３の構成を複数個配列した構成では、液晶回折素子の数に比例した数のパッド部が存在し、その一つ一つをワイヤボンディング等の手法により外部のプリント基板等に接続する必要がある。これに対して図１４に示した構成では、外部回路へ接続するためのパッド部の数は劇的に減少する。接続数の減少は接続の信頼性を向上させる。第二に、ＴＦＴで基板上に搭載した制御機能は外部の集積回路では不要となり、外部の集積回路の規模が減少し、光装置の小型化と低コスト化が実現されるという利点がある。
【００７６】
尚、液晶回折素子の配列ピッチは一定である必要は無く、用途に応じて自由に配列すればよい。本実施の形態の趣旨は、制御回路の一部を透明基板上に形成することにより実装コストの低減、小型化等の効果をもたらすことである。したがって、このような構成も本実施の形態の変形例と見なす。
【００７７】
［第三の実施の形態］−光量モニタ−
以上に説明した光接続素子およびこれを有する光装置において、例えば液晶の温度特性のように、予め制御することが困難な何らかの原因により、光接続素子に入射する光量あるいは出力の回折光の強度が変動する場合があり得る。仮に、これらの変動量を検出して、それに応じて液晶へ印加する電圧を調整すれば、外的な変動要因に依存しない光接続素子およびこれを有する光装置を提供することができる。図１６に、そのような光量検出機能を備えた光装置の構成の例を示す。図１６の構成が図１４と異なるのは、光量モニタ５２ｃを備えている点と、それに応じて制御回路５１ｃが設計されている点である。
【００７８】
第一に、透明基板１１ｃの内部を伝送される光が到達する場所に、光量モニタ５２ｃが配置される。光量モニタ５２ｃは、例えばアモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）技術によるフォトダイオード等の光検出器であって、基板４２ｃの表面に形成される。このようなフォトダイオード配列はａ−Ｓｉを用いた密着型イメージセンサで一般に用いられており、低温ポリシリコン技術による薄膜トランジスタの製造工程とも親和性が高い。即ち、同様の大面積対応の薄膜半導体プロセスを用いて図１５の回路を透明基板上に製造することができる。ここで、光量モニタ５２ｃが検出するのは、櫛歯状電極４３ｃの上部の液晶４１ｃによって生じる回折光であってもよいし、回折されずに伝送される光でもよい。即ち、回折光や非回折光の強度は印加電圧に依存して一意的に決まるので、どの次数の回折光を検出しても構わない。
【００７９】
第二に、図１７は、制御回路５１ｃの構成を示す説明図である。図１５の制御回路の構成と異なるのは、シフトレジスタ回路の各出力端子に、トランジスタＴｒｂを介してフォトダイオードＰＤが接続されている点と、電源線Ｖｄｄに接続されたＰＤを充放電するときの電流を検出するための出力線ＯＵＴが形成されている点である。
【００８０】
図１６の構成の動作は以下の通りである。まず、光量モニタ５２ｃにより、例えば−１次の回折光の強度を検出する。この光量検出は以下の通りにして実現される。例えば、シフトレジスタ回路の出力端子ＣＬＭ＃１がＨレベルになると、トランジスタＴｒｂ＃１が導通して、信号線ＯＵＴからフォトダイオードＰＤ＃１へ電流が流れ込む。この電流を積分した値は、一定の期間にフォトダイオードが光照射によって生成する電荷量に等しい。したがって、一定の間隔でトランジスタＴｒｂ＃１を導通させながら、（不図示の）増幅回路により、トランジスタＴｒｂ＃１が導通している間に信号線ＯＵＴに流れる電流を積分して、フォトダイオードＰＤ＃１を照射した光量を検出することができる。このようにして、シフトレジスタ回路を動作させて全てのフォトダイオードを照射する光量を検出できる。次に、光量モニタ５２ｃの出力が一定となるように、常時あるいは一定の周期で櫛歯状電極４３ｃに印加する電圧を補正する。
【００８１】
したがって、何らかの原因で回折光強度が変動した場合には、その変化量を元に回折特性を偏光することにより安定した動作を得ることができる。こうして、外的な変動要因に依存しない光接続素子およびこれを有する光装置を提供することができる。
【００８２】
さらに、液晶回折素子ＤＯＥ＃１に電圧を書き込むためのトランジスタＴｒ＃１ａのゲート電極と、トランジスタＴｒ＃１ｂのゲート電極とは、シフトレジスタ回路の同一の出力が接続されている。この構成により、液晶回折素子ＤＯＥ＃１への電圧の書き込みと、以前に書き込まれた電圧値に対応した回折光強度の検出結果の出力とを同時に行うことができる。シフトレジスタ回路を共有することで回路規模を低減でき、その結果、素子の製造コストを低減できる。
【００８３】
［第四の実施の形態］−可変光学減衰器（ＶＯＡ）−
第三の実施の形態においては、伝送される光のパワーを光量モニタにより検出して、それに応じて櫛歯状電極へ印加する電圧を調整することにより、外的な変動要因に依存しない光装置を提供する。調整可能な光のパワーの範囲は液晶回折素子の設計によって決まるが、複数の液晶回折素子を直列に挿入することにより、光のパワーの調整範囲を格段に広げることが可能である。図１８に、そのような光量の可変減衰機能を内蔵した光装置の構成の例を示す。図１８の構成が図１６と異なるのは、櫛歯状電極５３ｄを備えている点と、それに応じて制御回路５１ｄが設計されている点である。
【００８４】
第一に、透明基板１１ｃの内部を伝送される光が到達する場所に、櫛歯状電極５３ｄが配置される。
【００８５】
第二に、図１９は、制御回路５１ｄの構成を示す説明図である。図１７の制御回路の構成と異なるのは、シフトレジスタ回路の各出力端子に、トランジスタＴｒｃを介して可変光学減衰器（Variable Optical Attenuator、即ちＶＯＡと表記）が接続されている点と、これらの特性を保持するための静電容量Ｃｃ、および、これらに所望の特性を設定するための出力線ＯＵＴ２が形成されている点である。図１９に示すように、ＶＯＡとＤＯＥとは等価な回路であり、物理的にもいずれも同等の液晶回折素子である。
【００８６】
図１８の構成の動作は以下の通りである。まず、第三の実施の形態の場合と同様にして、光量モニタ５２ｄにより、例えば−１次の回折光の強度を検出する。全てのフォトダイオードを照射する光量を検出し、光量モニタ５２ｄの出力が一定となるように、常時あるいは一定の周期で櫛歯状電極４３ｄに印加する電圧を補正する。これと同時に、信号線ＤＡＴＡ２を介して所望の電圧値を全てのＶＯＡに設定する。櫛歯状電極５３ｄは櫛歯状電極４３ｄと受光素子３２ｄを接続する経路に挿入されているので、櫛歯状電極５３ｄによる光の回折現象により受光素子７０ｂに到達する光量が減衰する。これは図１６の構成に比べて伝送する光量の可変範囲が拡大している。例えば、図１１に示した特性の液晶回折素子を櫛歯状電極４３ｄ、５３ｄにより形成すれば、最大の減衰量は１段で約１／６だったのが２段にすることにより約１／３６となる。
【００８７】
図１８の例では、櫛歯状電極５３ｄは非回折光が到達する場所に配置され、受光素子３２ｄに到達する光のパワーの可変範囲を拡大する構成である。櫛歯状電極５３ｄを配置する場所を変えれば、その他の受光素子に到達する光のパワーを可変とする範囲を拡大することも可能である。また、さらに複数段の液晶回折素子を直列に挿入することにより、光量の可変範囲をさらに拡大できる。
【００８８】
ここで、可変光学減衰器ＶＯＡに電圧を書き込むためのトランジスタＴｒａのゲート電極と、液晶回折素子ＤＯＥに電圧を書き込むためのトランジスタＴｒｂのゲート電極と、光量モニタＰＤの信号を読み出すためのトランジスタＴｒｂとには、シフトレジスタ回路の同一の出力が接続されている。この構成により、液晶回折素子ＤＯＥ＃１への電圧の書き込みと、以前に書き込まれた電圧値に対応した回折光強度の検出結果の出力と、伝送する光の更なる減衰を同時に行うことができる。シフトレジスタ回路を共有することで回路規模を低減でき、その結果、素子の製造コストを低減できる。
【００８９】
［第五の実施の形態］−プリント基板に実装−
以上の実施の形態では、導光手段として機能する透明基板の片方の表面に配線を形成し、発光素子や受光素子を直接に透明基板にフリップ実装する構成であった。実装する素子の種類や光装置の要求性能によっては、従来のプリント基板を用いた実装方法を採用してもよい。特に、多層配線による高密度の実装が望まれる場合には、このような実装方法が望ましい。図２０は、そのような実装方法を採用した光装置の主な構成要素の断面と動作原理を示す説明図である。
【００９０】
図２０で特徴的なのは、開口８２、配線８３を設けたプリント基板８１に発光素子６０などがフリップ実装されている点と、プリント基板８１に対向する透明基板１１の表面が低屈折率層１３によって覆われている点である。ここで、低屈折率層１３の屈折率は、液晶２１の常光に対する屈折率と同等かそれより小さくなるように材料を選択する。これは、光が透明基板の内部で全反射する条件を考慮したものである。これにより光はプリント基板に対向する透明基板の表面でも問題なく透明基板の内部を伝送されて、第一の実施の形態と同様に、櫛歯状電極４３の上部の液晶４１によって回折するか否かが決められる。したがって、光の接続経路の変更、光量調整等の機能が第一の実施の形態の場合と全く同様にして実現される。
【００９１】
尚、全反射ではなく鏡面による反射により光を透明基板の内部で伝送する構成としてもよい。この場合には、低屈折率層１３の代わりに銀やアルミニウム等の反射率の高い材料を光の到達する位置に形成すればよい。
【００９２】
図２１は、図２０の光装置において、プリント基板８１よりも下方に配置された主な構成要素を示す説明図である。これらの図で明らかなように、回折素子２１、３２等が透明基板１１と低屈折率層１３との間に形成されている点も第一の実施の形態と異なる。これは、回折素子の設計を変更して透明基板の表面に形成しても構わないことを示しただけのもので、本質的な相違点ではない。
【００９３】
［第六の実施の形態］−マイクロレンズ−
図２０において多層配線によりプリント基板の厚さが増せば、発光素子と回折素子の距離が増加して、光の広がりが無視できなくなることがある。そのような場合には屈折素子を用いて集光すればよい。図２２は、そのような構成の光装置の主な構成要素の断面と動作原理を示す説明図である。ここで特徴的なのは、屈折素子２２と屈折素子３５とをそれぞれ発光素子６０、受光素子７０ｂと透明基板１１の間に挿入している点である。尚、図では凸レンズとしているが、屈折率分布を持たせたものやフレネルレンズなどの平面状の屈折素子を利用してもよい。
【００９４】
［第七の実施の形態］−ミラー−
以上の実施の形態では、発光素子からの光を導光手段に入力したり、受光素子へ出力したりするための光学手段として、回折素子による入出力結合を利用する構成であった。入出力結合の機能を果たす光学手段は回折素子に限られるものではなく、例えばプリズムは従来から入出力結合の目的に用いられている。したがって、図４あるいは図２０の発光素子をプリズムの斜面に実装して透明基板に光を入力する等の構成としてもよい。しかし、プリズムの斜面に素子をフリップ実装するのは手間がかかる。これは受光素子や発光素子がチップの面に垂直に光を入出力するという事実を暗黙のうちに仮定しているためである。将来、斜めに光を入出力する素子が開発されれば、このようなプリズムを用いる構成も現実的になると考えられる。
【００９５】
一方、プリズムや回折素子の代わりに反射素子を用いてもよい。図２３は、反射素子を入出力結合手段として用いる光装置の主な構成要素の断面と動作原理を示す説明図である。反射素子２３と反射素子３８とが、それぞれ発光素子６０、受光素子７０ｂに対向する位置に形成されている点が特徴的である。このような反射素子は、斜めの面を持つブレードで透明基板を切削し、表面を鏡面とすることにより形成される。ここで、鏡面は透明基板１１の内部に形成する必要がある。したがって、透明基板１１を切削するときに液晶層が外部に漏れないように、予めシール材料４４の場所を図２３のように配置しておく必要がある。
【００９６】
［第八の実施の形態］−回折素子の場所−
既にこれらの実施の形態から明らかなように、入出力結合手段として用いる回折素子を配置する場所は、導光手段として用いる透明基板の上側か下側かのどちらでもよい。即ち、図４と図２２の例では下側に、図２０の例では上側に回折素子が形成されている。これは、プリント基板を用いるか否かという視点とは無関係の設計事項である。したがって、本発明の第八の実施の形態として、残りの組み合わせである透明基板に発光素子等を実装すると共に透明基板の上側に回折素子を形成する構成について図２４に示す。動作はこれまでの実施の形態と同様である。
【００９７】
【発明の効果】
本発明の構成は、従来の接続経路を変更することが可能な光接続素子に比較して、次に説明する効果がある。
【００９８】
第一に、従来の光接続素子の場合は非線形ミラーに制御光を照射する必要があるため、そのための光源とその制御手段が必要となり、製造コストを低減することが困難であった。これに対して、本発明の構成では、第一の実施の形態で説明したように、ＥＯ効果をもつ材料で構成した偏向／分岐手段を用いる。その結果、光接続素子の製造コストと体積を低減できる。
【００９９】
第二に、第一の実施の形態で説明したように、本発明の光接続素子では、接続経路を変更した場合にも光は導光手段の内部に閉じ込められる。したがって、本発明の構成では、従来の方法に比べ、本発明の光接続素子を様々な光装置への応用する場合に、小型化に有利である。
【０１００】
第三に、個々の独立した光接続素子を実装する従来の構成に比べて、本発明では、第二の実施の形態で説明したように、共通の透明基板の上に複数の透明電極のパターンを備え、同時に液晶を注入して封止することにより、高密度に光接続素子を配列することが可能になる。その結果、様々な多チャンネルの光装置の小型化に有利である。さらに、一チャネル当たりの製造コストが低減される。
【０１０１】
第四に、本発明では、第三の実施の形態で説明したように、薄膜トランジスタにより制御回路の一部を同一の透明基板上に形成することにより、外部回路への電気接続の数を劇的に減少させ、外部の集積回路の規模を小さくすることができる。その結果、応用装置の小型化と低コスト化が実現される。
【０１０２】
第五に、本発明の光接続素子を応用して、可変光減衰器、偏光分離器、光スイッチ、フィルタ等の様々な光装置を構成することができる。本発明の光接続素子は前述の通りの効果を持つので、これを応用したこれらの光装置には、装置の小型化と製造コストの低減が比較的に容易である。
【０１０３】
第六に、回折光の強度を検出する手段を備える本発明の構成では、回折光強度が一定となるように常時あるいは一定の周期で回折素子に印加する電圧を補正することにより、何らかの原因で回折光強度が変動した場合にも安定した動作を得ることができる。即ち、外的な変動要因に依存しない光接続素子およびこれを有する光装置を提供することができる。
【０１０４】
第七に、薄膜半導体プロセスを用いて回折素子と同一の基板上に光検出手段を形成することにより、部品点数、部材の費用、組立ての手間を増加させることなく、外的な変動要因に依存しない光接続素子およびこれを有する光装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の光接続素子を用いた光装置の構成を示す説明図である。
【図２】従来の光接続素子を用いた光装置の構成を示す説明図である。
【図３】本発明の第一の実施の形態における光接続素子を用いた光装置の主な構成要素を示す説明図である。
【図４】本発明の第一の実施の形態における光接続素子を用いた光装置の主な構成要素の断面と動作原理を示す説明図である。
【図５】本発明の第一の実施の形態における光接続素子を用いた光装置の動作を示す説明図である。
【図６】本発明の第一の実施の形態における光接続素子を用いた光装置の動作を示す説明図である。
【図７】本発明の第一の実施の形態における光接続素子の能動型回折手段として用いる液晶回折素子の構成を示す説明図である。
【図８】本発明の第一の実施の形態における光接続素子の能動型回折手段として用いる液晶回折素子の動作を示す説明図である。
【図９】本発明の第一の実施の形態における液晶回折素子の動作を示す説明図である。
【図１０】本発明の第一の実施の形態における液晶回折素子の動作を示す写真である。
【図１１】本発明の第一の実施の形態における液晶回折素子の特性を示す説明図である。
【図１２】本発明の第一の実施の形態における液晶回折素子の動作を示す説明図である。
【図１３】本発明の第一の実施の形態における液晶回折素子の動作を示す写真である。
【図１４】本発明の第二の実施の形態における光接続素子を用いた光装置の主な構成要素を示す説明図である。
【図１５】本発明の第二の実施の形態における光接続素子の制御回路の構成を示す説明図である。
【図１６】本発明の第三の実施の形態における光接続素子を用いた光装置の主な構成要素を示す説明図である。
【図１７】本発明の第三の実施の形態における光接続素子の制御回路の構成を示す説明図である。
【図１８】本発明の第四の実施の形態における光接続素子を用いた光装置の主な構成要素を示す説明図である。
【図１９】本発明の第四の実施の形態における光接続素子の制御回路の構成を示す説明図である。
【図２０】本発明の第五の実施の形態における光接続素子を用いた光装置の主な構成要素の断面と動作原理を示す説明図である。
【図２１】本発明の第五の実施の形態における光接続素子を用いた光装置の主な構成要素を示す説明図である。
【図２２】本発明の第六の実施の形態における光接続素子を用いた光装置の主な構成要素の断面と動作原理を示す説明図である。
【図２３】本発明の第七の実施の形態における光接続素子を用いた光装置の主な構成要素の断面と動作原理を示す説明図である。
【図２４】本発明の第八の実施の形態における光接続素子を用いた光装置の主な構成要素の断面と動作原理を示す説明図である。
【符号の説明】
１１ 透明基板
１２ 配線
１３ 低屈折率層
２１ 回折素子
２２ 屈折素子
２３ 反射素子
３１、３２、３３ 回折素子
３５ 屈折素子
３８ 反射素子
４１ 液晶
４２ 基板
４３ 櫛歯状電極
５１ 制御回路
５２ｃ 光量モニタ
５３ｄ 櫛歯状電極
６０ 発光素子
７０ａ、７０ｂ、７０ｃ 受光素子
８１ プリント基板
８２ 開口
８３ 配線
１１０ 基板
１１１ 発光素子
１１２ 受光素子
１２０ 透明基板
１２１ 回折素子
１２２ 回折素子
１２３ ミラー
１２４ ミラー
１２３ｂ 非線形ミラー
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信や光インターコネクションの分野において、ＬＳＩチップ間や多数のＬＳＩチップを実装したモジュール間を光で接続するための光接続素子に関し、特に、光の分岐、減衰、波長分離、および偏光分離等の機能を内蔵した光接続素子に関する。さらに、これらの光接続素子を１個あるいは複数個配列して構成した光装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
大容量のデータを高速に伝送するために、通信基盤の光化が進展し、そのための光技術が進歩している。例えば、海底には光ファイバーのケーブルが敷設され、基地局では波長多重通信技術や高速ＬＳＩ技術による交換機の大容量化と高速化が進展している。
【０００３】
ここで従来から、通信機器やコンピュータ等の装置内部での通信速度を制限する電気配線の課題（伝送速度のボトルネック）が認識されている。即ち、仮に家庭まで光ファイバーで信号が伝送されても、コンピュータ等の装置内部で信号処理の速度が十分ではなければ、利用者は通信のブロードバンド化の恩恵を十分に享受することはできない。この原因は、ＣＰＵとメモリの間といったＬＳＩチップ間や、マザーボードやＣＰＵを搭載したプリント基板といったモジュール間において、電気信号の干渉や伝播遅延のために、十分に高速に信号を伝送することが困難なためである。一方、基地局から家庭までの“last one mile”の通信機器の低コスト化と小型化を如何に実現するかという課題もある。大型で高価な交換機と“last one mile”の通信機器の課題は、全ての家庭に光ファイバーを引くというＦＴＴＨ（Fiber To The Home）構想の足かせとなっている。
【０００４】
そこで、伝送速度のボトルネック解消ならびに交換機や“last one mile”の通信機器の低コスト化、小型化、および低電力化のための技術として、従来から、光インターコネクション技術が注目されている。光インターコネクション技術によれば、電気による信号伝送を光で置き換えることにより、電気信号に伴う伝送速度のボトルネックを解消すると共に、例えば放送型の接続のように、接続パターンの自由度を大きくすることができる。また、光ファイバーやコネクタ等の部品実装の簡素化、配線密度の増加、伝送経路の解析の簡素化等により、通信機器の小型化、低コスト化、低電力化が実現されると期待されている。
【０００５】
このような従来の光インターコネクション技術の例として、回折と屈折を利用した光接続素子が、Ｂｒｅｎｎｅｒらの論文（Karl-Heinz Brenner and Frank Sauer, "Diffractive-reflective optical interconnects", Applied Optics, Vol. 27, No. 20, pp.4251-4254, 1988.）に示されている。その素子の構成を図１に示す。この光接続素子は、発光素子１１１と受光素子１１２とを片側の表面に実装した基板１１０と、発光素子１１１と受光素子１１２のそれぞれに対向する位置に回折素子１２１、回折素子１２２を配置した透明基板１２０とで構成され、さらに透明基板１２０の表面にはミラー１２３、ミラー１２４が形成されている。図１に示すように、回折素子１２１は、発光素子１１１からの光をコリメートして平行光線にすると共に、予め決められた方向に偏向する。光は、ミラー１２３、ミラー１２４によって反射されながら透明基板１２０の内部を伝送されて、回折素子１２２に至る。回折素子１２２は、回折素子１２１とは逆に、平行光線を偏向して受光素子１１２に集光する。このように、ミラーで何度か反射させて光の進路を透明基板の内部に折り畳むことにより、発光素子から受光素子への信号伝送が実現される。ここで、コリメート機能を持つ回折素子の代わりに、集光機能を持つ回折素子を用いて、発光素子から発せられた光が受光素子に集光されるように構成してもよい。
【０００６】
ここで、光は、透明基板１２０の内部の３次元空間を伝送される。このような透明基板の内部の“自由空間”では、光が干渉しない限り複数の光信号を同一の経路で伝送することができるため、高密度の光接続が可能であり、設計の自由度も大きい。これは、光導波路を用いた平面状の光接続技術に比べて大きな利点である。
【０００７】
しかし、光の進路は、使用する回折素子と発光素子の特性により決まり、一度構成を決定すると後に接続経路を変更することは不可能である。しかし、応用によっては接続経路を変更したい場合がある。例えば、時間によって接続経路を変更する、あるいは、ある接続経路が使用不可能になったときに他の接続経路に切り替える、といった応用である。図１の受光素子の代わりに光スイッチを配置すれば接続経路を変更できるが、独立した素子を用いることは部品実装の手間が増え、装置の製造コストと体積を増加させるので望ましくない。
【０００８】
前述のＢｒｅｎｎｅｒらの論文には、この課題を解決するための構成が示されている。即ち、図２に示すように、図１のミラー１２３の代わりに非線形材料で形成した非線形ミラー１２３ｂを使用する。ここで、非線形ミラー１２３ｂは、透過と反射の２つの状態をダイナミックに変更することができる。非線形ミラー１２３ｂに制御光を照射すると透過状態になり、透明基板１２０内部を伝送されてきた光は外部へ逃げ出し、回折素子１２２、受光素子１１２へは到達しない。したがって、制御光の有無により光の進路をダイナミックに変更することができる。Ｂｒｅｎｎｅｒらの論文には記されていないが、仮に透過した光の先に受光素子を配置すれば、光の分岐スイッチとして機能することは明らかである。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
従来の接続経路を変更することが可能な光接続素子には、以下に述べる課題がある。
【００１０】
第一に、光の接続経路を変更するためには、非線形ミラーに制御光を照射する必要がある。したがって、そのための光源とその制御手段が必要となり、装置の製造コストと体積が増加する。
【００１１】
第二に、非線形ミラーに制御光を照射して光の接続経路を変更した場合には、光は透明基板の外部へ漏れ出す。接続か非接続かを切り替える単純なスイッチとしてはこれでよいが、さらに光の分岐スイッチとして使用するためには、透明基板から漏れ出た光の進路に受光素子等の部品を配置する必要がある。したがって、新たな部品配置に関する部品コストと実装の手間が発生して、装置の製造コストと体積が増加する。
【００１２】
第三に、光の接続経路を変更するという機能の他にも、様々な機能を光接続素子に付与することができれば、これらの機能を果たす独立した素子を追加する必要が無くなり、光装置の小型化と製造コストの低減に有利になる。ここで、様々な付加機能とは、伝送される光を減衰させて所望のレベルにする機能（光減衰機能）、伝送される光量を検出する機能（光量検出機能）、伝送される光の波長に応じて異なる出力先へ接続する機能（波長分離機能）、伝送される光の中で特定の偏光成分のみを減衰あるいは検出あるいは波長分離する機能（偏光分離機能）のいずれかである。これらの機能を光接続素子に如何に付与するかに関して、従来の技術には何ら教唆が無い。
【００１３】
第四に、多数の光接続素子を配列して多チャンネルの光装置を低コストで形成する手法に関して、従来の技術には何ら教唆が無い。
【００１４】
本発明は、上記の事情を鑑みて発明されたものであり、ＬＳＩチップ間や多数のＬＳＩチップを実装したモジュール間の光接続素子に関し、特に、光分岐、光減衰、光量検出、波長分離、偏光分離などの機能を持つ光接続素子と、それを用いた光装置とを、低コストで提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明の光接続素子は、光が複数の方向に伝播することが可能な導光手段と、該導光手段に外部から光を入力する入力結合手段と、該導光手段から光を外部へ出力する出力結合手段と、前記導光手段の光が伝送される経路に配置され、制御手段によってその特性を変更することができる能動型の光学手段とを有し、前記光学手段は、電気光学効果を有する材料と電極とを含む能動型の回折素子であって、前記制御手段から供給される電気信号に応じて、光の分岐、減衰、波長分離、および偏光分離のうちの少くとも一つの機能を発現するものであり、前記導光手段は、透明基板であり、光は該透明基板の内部にて反射を繰り返して伝播し、前記能動型の回折素子は、基板と前記透明基板との間に配置された液晶を有することを特徴とする。
【００１８】
前記電極は、１対の櫛歯状の形状を呈し、前記基板および前記透明基板のうちの少くとも一方の前記液晶に対向する表面に配置されるものでよい。あるいは、前記電極は、周期的に配列された複数の電極群であり、前記基板および前記透明基板のうちの少くとも一方の前記液晶に対向する表面に配置されてもよい。さらに、記電極は、前記基板および前記透明基板のうちの少くとも一方の前記液晶に対向する表面に一様に配置され、前記液晶上または中には、複数の誘電体が周期的に配置されように構成してもよい。
【００１９】
前記制御手段は、前記透明基板の前記液晶に対向する表面にて、薄膜トランジスタを含む回路素子によって構成されてもよい。
【００２０】
前記入力結合手段および前記出力結合手段のうちの少くとも一方は、回折素子または前記導光手段の内部に配置された反射素子によって構成されてもよい。
【００２１】
本発明の光装置は、少なくとも１個の発光素子と、複数の受光素子と、請求項１乃至８のいずれかに記載の少なくとも１個の前記光接続素子とを有する。
【００２２】
ここで、第一に、前記導光手段は、透明基板であり、前記発光素子および前記受光素子のうちの少くとも一方は、前記透明基板にフリップ実装されてもよい。あるいは、前記発光素子および前記受光素子は、複数の開口を有するプリント基板にフリップ実装され、前記発光素子からの光が前記開口を通して前記入力結合手段に導かれる一方、前記出力結合手段からの光が前記開口を通して前記受光素子に導かれる構成としてもよい。
【００２３】
第二に、前記発光素子と前記入力結合手段との間、ならびに、前記出力結合手段と前記受光素子との間に、集光機能を持つ屈折素子がそれぞれ配置してもよい。
【００２４】
第三に、前記導光手段の内部を伝送される光量をモニタするための光量検出手段が、前記基板および前記透明基板のうちの少くとも一方の前記液晶に対向する表面に配置されてもよい。前記光量検出手段は、アモルファスシリコン材料を含む受光素子であってもよい。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態による光接続素子およびこれを有する光装置について詳細に説明する。
【００２６】
［第一の実施の形態］−分岐、波長分離、偏光分離−
図３は、本発明の第一の実施の形態における光接続素子を用いた光装置の主な構成要素を示す説明図である。右側の分解斜視図に示すように、この光装置は、透明基板１１と、その上側の表面に実装された発光素子６０および受光素子７０ａ、７０ｂ、７０ｃと、透明基板１１の反対側の表面に配置された回折素子２１、３１、３２、３３と、基板４２の表面に形成された櫛歯状電極４３および制御回路５１と、基板４２と透明基板１１の間に挿入された液晶４１で構成される。
【００２７】
さらに詳しく構成を説明する。透明基板１１は、実際にはガラス材料やＰＭＭＡ、ＰＣＢ等のポリマー材料で形成される。発光素子６０、受光素子７０ａ等が実装される透明基板１１の表面には配線１２が形成されており、これらの素子は外部の（不図示の）回路へ電気的に接続される。基板４２の表面に形成された回折素子２１、３１、３２、３３は、発光素子６０および受光素子７０ａ、７０ｂ、７０ｃに対向する場所に形成される。
【００２８】
図４は、図３の光装置の発光素子６０、受光素子７０ｂ等の構成要素を含む断面を示す説明図である。この例では、発光素子６０および受光素子７０ｂ等を、透明基板１１にフリップ実装する例を示している。即ち、発光素子６０および受光素子７０ｂ等は、透明基板１１に形成された配線１２に半田等を用いて固定されると共に、外部の回路に電気的に接続される。さらに、図５は、図３の光装置の透明基板１１よりも下部に配置された構成要素を、透明基板１１の側から見た様子を示している。また、図４と図５においては、発光素子から発せられた光が受光素子に到達するまでの経路を模式的に示している。
【００２９】
図３の光装置の動作について、図３〜図５を参照しながら説明する。
【００３０】
発光素子６０から発せられた光は、透明基板１１と液晶４１とを順に透過して回折素子２１に至る。ここで発光素子６０の指向性に応じて、回折素子２１に至る光はある程度の広がりを持つ。回折素子２１は光を反射するときに、この広がった光を平行な光線に変換すると共に、その進行方向を変える。このように、回折素子２１によってコリメートされると同時に偏向された光は、透明基板１１の内部で反射を繰り返して伝送される。この例では、透明基板１１として屈折率が高い材料を用いて、透明基板１１の上下の表面で光を全反射させることにより光を伝送しているが、透明基板１１の表面の光が到達する場所に反射材料を配置することにより光を伝送してもよい。伝送された光はやがて櫛歯状電極４３が形成された領域に到達する。
【００３１】
ここで、制御回路５１により櫛歯状電極４３に電圧を印加すると、櫛歯状電極４３の上方にある液晶４１の屈折率が変化して、櫛歯電極に対応して屈折率の周期パターンが発生する。周期的な屈折率変化を持つ媒体は回折素子として機能するので、光は回折により複数の方向へ分岐する。この例では３方向に分岐する構成を示している。
【００３２】
これらの分岐した光は、前述と同様にして何回か透明基板１１の内部で反射を繰り返して伝送され、回折素子３１、３２、３３に至る。これらの回折素子は、それぞれに対応した場所に配置された受光素子７０ａ、７０ｂ、７０ｃの方向へ光の進路を変更すると同時に受光素子の受光部に光を集める。
【００３３】
以上の動作により、櫛歯状電極４３に電圧を印加する場合には、発光素子６０と、受光素子７０ａ、７０ｂ、７０ｃのそれぞれとが光によって接続される。
【００３４】
一方、櫛歯状電極４３に電圧を印加しない場合には、液晶分子は一様に配向されたままなので周期的な屈折率分布は生じない。したがって、光は分岐することなく透明基板１１の内部を伝送されて回折素子３２に至り、受光素子７０ｂに入射する。即ち、この場合には発光素子６０と受光素子７０ｂとが光によって接続される。
【００３５】
このように、制御回路５１により液晶４１の特定の場所に周期的な屈折率分布を生じさせるか否かを制御することにより、光の接続経路を変更することができる。即ち、図３〜図５に示した構成は、光の分岐機能を持つ光接続素子である。
【００３６】
ここで、回折角度は光の波長に依存する。したがって、波長多重通信技術の場合のように入射光が複数の波長を含む場合には、この光接続素子により複数の波長を分離して、それぞれに対応した受光素子 へ接続することができる。即ち、図３〜図５に示した構成は、波長分離の機能を併せ持つ光接続素子である。
【００３７】
さらに、後に詳述するように、櫛歯状電極への印加電圧を変化させると、回折光の強度が変化する。例えば、非回折光が接続される受光素子７０ｂへの接続に注目すると、入射光を任意の強度に減衰させる可変光学減衰器（Variable Optical Attenuator、即ち、ＶＯＡ）として機能していることが分かる。即ち、図３〜図５に示した構成は、ＶＯＡの機能を併せ持つ光接続素子である。但し、ＶＯＡとして機能させる場合には、不要な光を吸収する必要があるが、これは例えば回折素子３１等の代わりに光吸収層を形成することにより容易に実現される。
【００３８】
以上では、図５の平面図において、櫛歯電極４３の櫛歯の方向と光の入射方向が平行な場合を説明したが、両者が平行でない場合の例を図６に示す。この構成の櫛歯状電極に電圧を印加しない場合には、光は直進して回折素子３４に至る。電圧を印加すると、図６の平面において櫛歯に平行な方向に回折光が現れる。また、後述するように、入射光の一方の偏光成分は回折され、他方の偏光成分は直進するようにことができる。即ち、図６の構成は偏光分離機能を併せ持つ光接続素子である。
【００３９】
以上に説明した本実施の形態の構成と動作において、最も特徴的で重要な機能を持つ構成要素は、櫛歯状電極４３を形成した基板４２と透明基板１１とで液晶４１を挟んで構成される“能動型回折素子”である。以下では、垂直配向した液晶回折素子を用いる例を挙げて、実際の素子の試作と特性評価の結果について詳細に説明する。
【００４０】
図７は、能動型回折素子として用いる液晶回折素子の構成を示す説明図である。右側の分解斜視図に示すように、この液晶回折素子は、その表面に互いに対向する一対の櫛歯状の透明電極が形成された透明基板と、もう１枚の透明基板とで液晶を挟んで構成される。透明電極にはパッド部が設けられて外部へ電気的に接続される。さらに、図８の断面図に示すように、これら２枚の透明基板の液晶に接する表面には、それぞれ配向膜が形成されている。また、図７に示すように、一方の透明基板には液晶を注入して封入するための液晶封入口とシール材料とが形成される。ここで、図７の上側に配置された透明基板が導光手段として機能するためには、液晶と透明基板の屈折率の選択が重要である。
【００４１】
以下では、本実施の形態の液晶回折素子の製造方法とその特性について、具体的な数値例を挙げながら詳細に説明する。今回の液晶回折素子の製作に用いた主な部材を表１に示す。
【００４２】
【表１】
ここで、導光手段として機能する透明基板は、特に屈折率の高い材料を用いた。液晶はネマチック液晶と基板は無アルカリのガラス基板で、いずれも液晶ディスプレイの製造に一般的に用いられている部材である。櫛歯状電極は、基板に厚さ１００ｎｍのＩＴＯ（インジウム錫酸化物）を成膜して、フォトリゾグラフィによりパターン化して形成した。今回の素子では、電極の幅と配列ピッチはそれぞれ５μｍ、１０μｍとした。使用した基板の面積は１５０ｍｍ角で、一枚当たりに同一の電極パターン９個を同時に形成し、後に９素子を分離できるようにした。
【００４４】
製作工程の実際を表２にまとめて示す。ここで用いた配向膜の材料は、電圧無印加時において液晶が配向膜に対して垂直に配向するものである。この配向膜を形成された基板に対して、ラビング処理あるいはＳｉＯ等の材料の斜方蒸着といった表面処理は不要である。シール材に混入するスペーサと基板に散布するスペーサを選択して、２枚の基板間の距離、即ち、後に液晶を注入したときの液晶層の厚さを６μｍに設定した。これらの工程は、いずれも液晶ディスプレイの製造に用いられる一般的なものである。
【００４５】
【表２】
以上の手順に従って製作した液晶回折素子の動作を、図８〜図１３を参照しながら説明する。
【００４７】
図８は図７の液晶回折素子の櫛歯状電極を含む断面図であり、通常の液晶素子の動作説明で一般的に行われるように、液晶分子を楕円体で模式的に表している。即ち、液晶分子には屈折率の異方性があり、異常光に対する屈折率ｎｅを楕円の長軸で、常光に対する屈折率ｎｏを楕円の短軸でそれぞれ表す。もちろん、液晶分子は透明電極に比べてはるかに小さく、この図は実際の液晶分子の大きさや形状を表すものではない。図８は、櫛歯状電極に電圧を印加した場合を示している。液晶分子は、電極の上部ではほぼ基板に垂直に、電極間の領域では平行に配向する。ここで上側の透明基板の内部を伝送される光について考えると、周期的な屈折率分布を持つ液晶の領域に到達すると光は回折してその進路が変化する。電圧を印加しない場合には液晶分子は配向膜に垂直に一様に配向するので、周期的な屈折率分布は生じない。したがって、上側の透明基板の内部を伝送される光は、櫛歯状電極が配置されている領域に到達しても回折することはない。即ち、櫛歯状電極に電圧を印加するか否かにより、光の進路を切り替えることができる。また、回折角度は波長に依存するため、複数の波長を含む光から個々の波長の光を分離することができる。
【００４８】
図９は、この液晶回折素子において、上側の透明基板の端面から光を入力したときの様子を模式的に示している。透明基板や液晶の屈折率と光の入射角度とは、光が透明基板の内部で全反射を繰り返して伝送されるように設定した。光源としてレーザーダイオードを用い、この素子の端面から波長６７０ｎｍの単色光を入射した。光源と素子との間には偏光子を挿入し、一方の偏光成分のみを入射するようにした。但しここでは、光の入射面は図９のｙｚ面にあり、ｚｘ平面からある角度を設けている。
【００４９】
図１０は、試作した素子に光を入射したときの写真である。電場の振幅方向が透明電極に垂直な成分の偏光（以下ではＴＭ波と呼ぶ）を入射した場合には、櫛歯状電極に電圧を印加すると、図１０（ｂ）の写真に示すように入射光の方向を中心として対称的に多数の回折光が生じた。これらの回折光は、液晶回折素子の他方の端面から透明基板の外部に出力された。電圧を印加しない場合には、図１０（ａ）の写真に示すように回折光は殆ど生じず、光はそのまま透明基板の内部を伝送されて端面から出力された。ここで、図１０の写真で上側の透明基板に明るい点が確認できるのは、液晶層に到達した一部の光が液晶層によって散乱されるためである。また、これらの明るい点の強度が交互に変化している理由は、透明基板の上側の表面に付着した異物によって内部を伝送する光の一部が弱く散乱されるためと考えられる。
【００５０】
一方、電場の振幅方向が透明電極に平行な成分の偏光（以下ではＴＥ波と呼ぶ）を入射した場合には、櫛歯状電極に印加する電圧に関わらず、光は殆ど回折せず、図１０（ａ）と同等の結果となった。
【００５１】
次に、櫛歯状電極に印加する電圧を変化させ、透明基板の端面から出力される光の強度をパワーメータで測定した。結果を図１１に示す。ここで、０次回折光（即ち、回折しない成分）の強度は印加電圧の増加と共に減少することが確認できる。一方、１次回折光はこれとは逆の振る舞いを示す。図１１の結果は、ある印加電圧（約１２Ｖ）において０次光と１次光の強度が等しくなるので、３つ方向に同じ強度の光が伝送されることを示している。
【００５２】
これらの実験結果は以下の通りに理解される。
【００５３】
まず、印加電圧が小さい間は、液晶分子の大部分は一様に透明基板に垂直に配向したままである。したがって、液晶層の屈折率分布は一様である。但し、櫛歯状の透明電極の有無による周期性が存在するので、弱い回折光が発生することになる。図１１において、印加電圧が０のときに０次回折光の約１／１５の強度の１次回折光が観察されたのは、この周期的に配置された透明電極の影響である。
【００５４】
次に、印加電圧を増加していくと、透明電極の間の領域に十分な強度の電界が存在するようになり、この領域の液晶分子が電界の方向へ配向する。透明電極の真上の領域では電界強度が弱く、液晶分子は垂直配向のままである。また、配向膜の近傍の領域では仮に電界が十分大きくても、液晶分子は配向膜からの影響を強く受けてその配向を変えることはできない。しかし、印加電圧の増加と共に、屈折率の周期性を持つ領域が透明基板の上部にまで到達して、透明基板を伝送される光が周期性を感じるようになる。
【００５５】
以上の動作は、透明基板に入射する光がＴＭ波の場合である。印加電圧の有無に関わらずＴＥ波は殆ど回折しないのは、ＴＥ波が基板近傍の垂直配向している液晶層により全反射されて、周期的に配向している液晶層まで浸み込まないためと考えられる。したがって、この素子は偏光依存性を持つため、例えば特定の偏光成分のみを回折する偏光分離器として動作させることができる。
【００５６】
尚、図１０（ｂ）では櫛歯状電極の配置された約１５ｍｍ角の領域が白く見えている。この理由は、周期的に配列した液晶分子によって室内光が散乱されているためである。実際の応用では、全体を密封した容器に入れる等の手段により、信号光以外には光が透明基板に入らないようにする。
【００５７】
さらに、液晶回折素子の設計によっては、図１０（ｂ）に示すように多数の高次回折光が生じることがある。不要な回折光が透明基板の内部を伝送されると、素子の境界に存在する界面で反射されたり、入出力結合に用いる回折素子の不完全さに起因して新たな回折光が発生したりして、迷光になる。このような迷光が受光素子に到達すればノイズになる。しかし、不要な回折光が発生する角度とそれらが到達する透明基板の表面の場所は予め予測できる。したがって、予め光吸収材料を透明基板の表面に形成しておき、光接続に利用しない不要な回折光を吸収することができる。これにより、不要な回折光に起因するノイズの混入は回避できる。
【００５８】
次に、図９、図１０では、光の入射面はｙｚ平面にあったが、図１２に示すように、この平面から外れて光が入射しても構わない。図１３は、こうして光（ＴＭ波）を試作した素子に入射したときの写真である。櫛歯状電極に電圧を印加すると、図１３（ｂ）の写真に示すように、櫛歯に平行な方向を中心に対称的に多数の回折光が生じた。これらの回折光は、液晶回折素子の他方の端面から透明基板の外部に出力された。電圧を印加しない場合には、図１３（ａ）の写真に示すように回折光は殆ど生じず、光はそのまま透明基板の内部を伝送されて端面から出力された。したがって、偏光方向がランダムな光を入射した場合には、ＴＥ波は直進し、ＴＭ波は回折して方向を変えられて分離、分岐されることになる。
【００５９】
以上に説明したように、本発明の光接続素子は、光分岐、波長分離、偏光分離、の機能を内蔵するため、これらの機能が求められる光装置への応用が可能である。ここで、このような光装置についてまとめる。
【００６０】
第一に、図１１に示したように、この光接続素子は印加電圧により０次回折光の強度を調整できる。したがって、図３の構成は、発光素子６０と受光素子７０ｂとが可変光学減衰器により接続されているのと同等である。図５の例では０次回折光最小値と最大値の比は約６だが、電界分布の設計や液晶材料の選択により必要に応じてこの比を大きく設定することができる。また、後述するように、複数の同様の液晶回折素子を直列に接続すれば、さらに減衰量を大きくすることができる。
【００６１】
第二に、図３に示すように複数の回折光を出力として利用すれば、可変光学減衰機能を併せ持つ分岐スイッチとして動作する。
【００６２】
第三に、異なる複数の波長の光が入射光に含まれる場合、個々の波長の光を分離して取り出すことができる。これは、回折角度が波長に依存することを利用しており、分波器あるいは特定の波長の光を出力側に接続するフィルタとして動作する。
【００６３】
第四に、偏光方向がランダムな光を入射した場合には、ＴＥ波は直進し、ＴＭ波は回折して分離されるので、偏光分離フィルタとして機能する。
【００６４】
［第一の実施の形態の変形例］
以上に説明した本発明の第一の実施の形態においては、電圧を印加しない状態において液晶を透明基板に垂直に配向する例を挙げたが、液晶の配向方向はこの例に限られるものではない。従来の例で一般に行われているように、電圧無印加時に液晶分子が透明基板に平行になるように配向させ、電圧印加時に垂直になるようにしても良い。あるいは、最初は電極の配列方向に平行に配向させておき、電圧印加時に電極の配列方向と直行する方向に配向するようにしても良い。このような液晶の配向方向は、例えばラビング処理の方向を選択することにより自由に設定することができる。したがって、このような垂直配向以外の配向方向を採用する構成も本発明の第一の実施の形態の変形例と見なす。
【００６５】
また、本発明の趣旨を損なうことなく、本実施の形態における様々な構成要素の寸法、材料の種類、実装の形態等の選択が可能である。例えば、電極や液晶層の寸法は設計事項であり、この実施の形態の数値例に限るものではない。また、液晶の注入方法は塗布法のように毛細管現象を利用しない方法もあるし、ポリマー性の液晶をスピン・コーティング法により形成しても良い。その場合にはシール材料は不要である。このように、本発明の趣旨を損なうことなく、様々な構成要素の設計、材料や実装形態の選択が可能である。したがって、このような構成も本発明の変形例と見なす。
【００６６】
また、以上では、一対の櫛歯状電極を片方の基板に配置することにより液晶分子の配向を切り替える構成を例に挙げて説明したが、周期的な屈折率分布を液晶層に発生させるための構成はこのような電極に限られるものではない。例えば、液晶を挟む両方の基板の表面に一様に透明電極を形成し、柱状の誘電体を両基板の間に周期的に配置してもよい。このような構成は、例えば以下の通りにして形成される。即ち、一様な透明電極を形成した基板の上に誘電体の膜を形成し、誘電体を短冊状にパターン化し、スペーサを介してもう一方の基板と貼り合わせ、最後に誘電体の隙間に液晶を注入すればよい。あるいは、透明電極の形成された２枚の透明基板を貼り合わせ、紫外光の照射により硬化して誘電体となる液状の材料（前駆体）を混入した液晶を２枚の基板の隙間に注入し、最後に周期的な短冊状の開口を持つマスクを用いて透明基板を透過して紫外光を照射して誘電体を形成してもよい。いずれの製造工程の場合も、柱状誘電体の屈折率が液晶の常光あるいは異常光に対する屈折率のいずれかと一致するように材料を選択することが大切である。
【００６７】
本発明の能動型回折素子に求められる機能は、周期的な屈折率分布の発現を外部から制御することである。この趣旨に沿えば、電気光学（ＥＯ）効果、熱光学（ＴＯ）効果、音響光学（ＡＯ）効果、磁気光学（ＭＯ）効果のいずれかを持つ材料と、その材料に物理的な入力（それぞれ、電界、熱、超音波、磁界）を与えるための制御手段とを用いることにより、能動型回折素子を構成することが可能である。例えば、ＥＯ効果を持つ材料としては、液晶の他にも光学結晶のニオブ酸リチウムや各種のポリマー材料が知られている。
【００６８】
［第二の実施の形態］−多チャンネル−
第一の実施の形態においては、入射光が１つのみであったが、装置を小型化して製造コストを低減するためには、複数の光を入力して、それぞれの光を独立に制御できる構成が望ましい。即ち、本発明の第二の実施の形態では、図３の光装置を複数個配列して、共通の制御回路を用いて複数の入射光を制御する。
【００６９】
図１４は、このような光装置の主な構成要素を示す説明図である。さらに、図１５は、その制御回路の構成を示す説明図である。図１４の分解斜視図に示すように、この光装置は、透明基板１１ｂと基板４２ｂとで液晶４１ｂを挟んで構成される。
【００７０】
ここで、透明基板１１ｂには、複数の発光素子６０と受光素子７０ａ、７０ｂ、７０ｃのための配線１２ｂが形成される。また、基板４２ｂには、複数の回折素子２１ｂ、３１ｂ、３２ｂ、３３ｂと、複数の櫛歯状電極４３ｂと、個々の櫛歯状電極４３ｂに印加する電圧を独立して制御するための制御回路５１ｂとが形成される。さらに、図１２には示していないが、第一の実施の形態で説明した場合と同様に、それぞれの基板上には液晶の配向方向を整えるための配向膜を形成し、さらにその上に液晶の封入のための液晶封入口を備えたシール材料を予め形成する。次に、この２つの基板を貼り合わせて固定し、液晶を注入し、複数の発光素子６０と受光素子７０ａ、７０ｂ、７０ｃを透明基板１１ｂにフリップ実装することにより、図１２の構成が形成される。
【００７１】
図１５に示した制御回路５１ｂは、シフトレジスタ回路と、シフトレジスタ回路の個々の出力端子ＣＬＭにゲート電極が接続されたトランジスタＴｒと、Ｔｒによって入力信号ＤＡＴＡが保持される静電容量Ｃ、および、Ｃに保持された電位が印加される液晶回折素子ＤＯＥとから構成される。このような制御回路５１ｂは、低温多結晶シリコン（ｐｏｌｙ−Ｓｉ）を用いた薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）によりガラス基板やプラスチック基板等の透明基板の上に形成することができる。
【００７２】
この光装置の動作は以下の通りである。シフトレジスタ回路は、クロック信号ＣＬＫ１、ＣＬＫ２を継続して入力した状態でスタート信号ＳＴＲＴを与えると、端から順番に出力端子ＣＬＭに矩形パルスが現れる。最初に出力端子ＣＬＭ＃１がＨレベルになってＴｒ１が導通し、そのときの入力信号ＤＡＴＡが静電容量Ｃ＃１に保持される。液晶回折素子ＤＯＥ＃１は、Ｃ＃１に保持された電圧に従った光学特性を発現する。次に、出力端子ＣＬＭ＃１がＬレベルになり、隣の出力端子ＣＬＭ＃２がＨレベルになると、同様にして液晶回折素子ＤＯＥ＃２の光学特性が設定される。このような動作を全ての出力端子ＣＬＭについて繰り返すことにより、全ての液晶回折素子ＤＯＥの光学特性が設定される。ここで、個々の液晶回折素子は独立しており、第一の実施の形態と同様の動作をすることが分かる。このようにして、入力信号ＤＡＴＡを静電容量Ｃ＃１、Ｃ＃２、・・・に書き込むことにより、全ての液晶回折素子ＤＯＥの特性を思い通りに設定することができる。
【００７３】
図１４において個々の回折素子を実装する密度の限度は、隣接する回折光の干渉が起こらない範囲である。これは、入射光の大きさ、広がり等の要因に依存するが、例えば１００μｍから１０ｍｍのピッチで配列することは容易に可能である。
【００７４】
第二の実施の形態の構成において特徴的なのは、共通の透明基板の上に複数の櫛歯状電極のパターンを備え、同時に液晶を注入して封止する点である。これにより、複数個の独立した素子を実装する構成に比べて高密度に光接続素子を配列することが可能になる。また、一チャネル当たりの製造コストを低減することができるという効果がある。
【００７５】
また、ＴＦＴにより制御回路の一部を同一の透明基板上に形成することの利点は、第一に実装の簡略化と小型化である。単純に図３の構成を複数個配列した構成では、液晶回折素子の数に比例した数のパッド部が存在し、その一つ一つをワイヤボンディング等の手法により外部のプリント基板等に接続する必要がある。これに対して図１４に示した構成では、外部回路へ接続するためのパッド部の数は劇的に減少する。接続数の減少は接続の信頼性を向上させる。第二に、ＴＦＴで基板上に搭載した制御機能は外部の集積回路では不要となり、外部の集積回路の規模が減少し、光装置の小型化と低コスト化が実現されるという利点がある。
【００７６】
尚、液晶回折素子の配列ピッチは一定である必要は無く、用途に応じて自由に配列すればよい。本実施の形態の趣旨は、制御回路の一部を透明基板上に形成することにより実装コストの低減、小型化等の効果をもたらすことである。したがって、このような構成も本実施の形態の変形例と見なす。
【００７７】
［第三の実施の形態］−光量モニタ−
以上に説明した光接続素子およびこれを有する光装置において、例えば液晶の温度特性のように、予め制御することが困難な何らかの原因により、光接続素子に入射する光量あるいは出力の回折光の強度が変動する場合があり得る。仮に、これらの変動量を検出して、それに応じて液晶へ印加する電圧を調整すれば、外的な変動要因に依存しない光接続素子およびこれを有する光装置を提供することができる。図１６に、そのような光量検出機能を備えた光装置の構成の例を示す。図１６の構成が図１４と異なるのは、光量モニタ５２ｃを備えている点と、それに応じて制御回路５１ｃが設計されている点である。
【００７８】
第一に、透明基板１１ｃの内部を伝送される光が到達する場所に、光量モニタ５２ｃが配置される。光量モニタ５２ｃは、例えばアモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）技術によるフォトダイオード等の光検出器であって、基板４２ｃの表面に形成される。このようなフォトダイオード配列はａ−Ｓｉを用いた密着型イメージセンサで一般に用いられており、低温ポリシリコン技術による薄膜トランジスタの製造工程とも親和性が高い。即ち、同様の大面積対応の薄膜半導体プロセスを用いて図１５の回路を透明基板上に製造することができる。ここで、光量モニタ５２ｃが検出するのは、櫛歯状電極４３ｃの上部の液晶４１ｃによって生じる回折光であってもよいし、回折されずに伝送される光でもよい。即ち、回折光や非回折光の強度は印加電圧に依存して一意的に決まるので、どの次数の回折光を検出しても構わない。
【００７９】
第二に、図１７は、制御回路５１ｃの構成を示す説明図である。図１５の制御回路の構成と異なるのは、シフトレジスタ回路の各出力端子に、トランジスタＴｒｂを介してフォトダイオードＰＤが接続されている点と、電源線Ｖｄｄに接続されたＰＤを充放電するときの電流を検出するための出力線ＯＵＴが形成されている点である。
【００８０】
図１６の構成の動作は以下の通りである。まず、光量モニタ５２ｃにより、例えば−１次の回折光の強度を検出する。この光量検出は以下の通りにして実現される。例えば、シフトレジスタ回路の出力端子ＣＬＭ＃１がＨレベルになると、トランジスタＴｒｂ＃１が導通して、信号線ＯＵＴからフォトダイオードＰＤ＃１へ電流が流れ込む。この電流を積分した値は、一定の期間にフォトダイオードが光照射によって生成する電荷量に等しい。したがって、一定の間隔でトランジスタＴｒｂ＃１を導通させながら、（不図示の）増幅回路により、トランジスタＴｒｂ＃１が導通している間に信号線ＯＵＴに流れる電流を積分して、フォトダイオードＰＤ＃１を照射した光量を検出することができる。このようにして、シフトレジスタ回路を動作させて全てのフォトダイオードを照射する光量を検出できる。次に、光量モニタ５２ｃの出力が一定となるように、常時あるいは一定の周期で櫛歯状電極４３ｃに印加する電圧を補正する。
【００８１】
したがって、何らかの原因で回折光強度が変動した場合には、その変化量を元に回折特性を偏光することにより安定した動作を得ることができる。こうして、外的な変動要因に依存しない光接続素子およびこれを有する光装置を提供することができる。
【００８２】
さらに、液晶回折素子ＤＯＥ＃１に電圧を書き込むためのトランジスタＴｒ＃１ａのゲート電極と、トランジスタＴｒ＃１ｂのゲート電極とは、シフトレジスタ回路の同一の出力が接続されている。この構成により、液晶回折素子ＤＯＥ＃１への電圧の書き込みと、以前に書き込まれた電圧値に対応した回折光強度の検出結果の出力とを同時に行うことができる。シフトレジスタ回路を共有することで回路規模を低減でき、その結果、素子の製造コストを低減できる。
【００８３】
［第四の実施の形態］−可変光学減衰器（ＶＯＡ）−
第三の実施の形態においては、伝送される光のパワーを光量モニタにより検出して、それに応じて櫛歯状電極へ印加する電圧を調整することにより、外的な変動要因に依存しない光装置を提供する。調整可能な光のパワーの範囲は液晶回折素子の設計によって決まるが、複数の液晶回折素子を直列に挿入することにより、光のパワーの調整範囲を格段に広げることが可能である。図１８に、そのような光量の可変減衰機能を内蔵した光装置の構成の例を示す。図１８の構成が図１６と異なるのは、櫛歯状電極５３ｄを備えている点と、それに応じて制御回路５１ｄが設計されている点である。
【００８４】
第一に、透明基板１１ｃの内部を伝送される光が到達する場所に、櫛歯状電極５３ｄが配置される。
【００８５】
第二に、図１９は、制御回路５１ｄの構成を示す説明図である。図１７の制御回路の構成と異なるのは、シフトレジスタ回路の各出力端子に、トランジスタＴｒｃを介して可変光学減衰器（Variable Optical Attenuator、即ちＶＯＡと表記）が接続されている点と、これらの特性を保持するための静電容量Ｃｃ、および、これらに所望の特性を設定するための出力線ＯＵＴ２が形成されている点である。図１９に示すように、ＶＯＡとＤＯＥとは等価な回路であり、物理的にもいずれも同等の液晶回折素子である。
【００８６】
図１８の構成の動作は以下の通りである。まず、第三の実施の形態の場合と同様にして、光量モニタ５２ｄにより、例えば−１次の回折光の強度を検出する。全てのフォトダイオードを照射する光量を検出し、光量モニタ５２ｄの出力が一定となるように、常時あるいは一定の周期で櫛歯状電極４３ｄに印加する電圧を補正する。これと同時に、信号線ＤＡＴＡ２を介して所望の電圧値を全てのＶＯＡに設定する。櫛歯状電極５３ｄは櫛歯状電極４３ｄと受光素子３２ｄを接続する経路に挿入されているので、櫛歯状電極５３ｄによる光の回折現象により受光素子７０ｂに到達する光量が減衰する。これは図１６の構成に比べて伝送する光量の可変範囲が拡大している。例えば、図１１に示した特性の液晶回折素子を櫛歯状電極４３ｄ、５３ｄにより形成すれば、最大の減衰量は１段で約１／６だったのが２段にすることにより約１／３６となる。
【００８７】
図１８の例では、櫛歯状電極５３ｄは非回折光が到達する場所に配置され、受光素子３２ｄに到達する光のパワーの可変範囲を拡大する構成である。櫛歯状電極５３ｄを配置する場所を変えれば、その他の受光素子に到達する光のパワーを可変とする範囲を拡大することも可能である。また、さらに複数段の液晶回折素子を直列に挿入することにより、光量の可変範囲をさらに拡大できる。
【００８８】
ここで、可変光学減衰器ＶＯＡに電圧を書き込むためのトランジスタＴｒａのゲート電極と、液晶回折素子ＤＯＥに電圧を書き込むためのトランジスタＴｒｂのゲート電極と、光量モニタＰＤの信号を読み出すためのトランジスタＴｒｂとには、シフトレジスタ回路の同一の出力が接続されている。この構成により、液晶回折素子ＤＯＥ＃１への電圧の書き込みと、以前に書き込まれた電圧値に対応した回折光強度の検出結果の出力と、伝送する光の更なる減衰を同時に行うことができる。シフトレジスタ回路を共有することで回路規模を低減でき、その結果、素子の製造コストを低減できる。
【００８９】
［第五の実施の形態］−プリント基板に実装−
以上の実施の形態では、導光手段として機能する透明基板の片方の表面に配線を形成し、発光素子や受光素子を直接に透明基板にフリップ実装する構成であった。実装する素子の種類や光装置の要求性能によっては、従来のプリント基板を用いた実装方法を採用してもよい。特に、多層配線による高密度の実装が望まれる場合には、このような実装方法が望ましい。図２０は、そのような実装方法を採用した光装置の主な構成要素の断面と動作原理を示す説明図である。
【００９０】
図２０で特徴的なのは、開口８２、配線８３を設けたプリント基板８１に発光素子６０などがフリップ実装されている点と、プリント基板８１に対向する透明基板１１の表面が低屈折率層１３によって覆われている点である。ここで、低屈折率層１３の屈折率は、液晶２１の常光に対する屈折率と同等かそれより小さくなるように材料を選択する。これは、光が透明基板の内部で全反射する条件を考慮したものである。これにより光はプリント基板に対向する透明基板の表面でも問題なく透明基板の内部を伝送されて、第一の実施の形態と同様に、櫛歯状電極４３の上部の液晶４１によって回折するか否かが決められる。したがって、光の接続経路の変更、光量調整等の機能が第一の実施の形態の場合と全く同様にして実現される。
【００９１】
尚、全反射ではなく鏡面による反射により光を透明基板の内部で伝送する構成としてもよい。この場合には、低屈折率層１３の代わりに銀やアルミニウム等の反射率の高い材料を光の到達する位置に形成すればよい。
【００９２】
図２１は、図２０の光装置において、プリント基板８１よりも下方に配置された主な構成要素を示す説明図である。これらの図で明らかなように、回折素子２１、３２等が透明基板１１と低屈折率層１３との間に形成されている点も第一の実施の形態と異なる。これは、回折素子の設計を変更して透明基板の表面に形成しても構わないことを示しただけのもので、本質的な相違点ではない。
【００９３】
［第六の実施の形態］−マイクロレンズ−
図２０において多層配線によりプリント基板の厚さが増せば、発光素子と回折素子の距離が増加して、光の広がりが無視できなくなることがある。そのような場合には屈折素子を用いて集光すればよい。図２２は、そのような構成の光装置の主な構成要素の断面と動作原理を示す説明図である。ここで特徴的なのは、屈折素子２２と屈折素子３５とをそれぞれ発光素子６０、受光素子７０ｂと透明基板１１の間に挿入している点である。尚、図では凸レンズとしているが、屈折率分布を持たせたものやフレネルレンズなどの平面状の屈折素子を利用してもよい。
【００９４】
［第七の実施の形態］−ミラー−
以上の実施の形態では、発光素子からの光を導光手段に入力したり、受光素子へ出力したりするための光学手段として、回折素子による入出力結合を利用する構成であった。入出力結合の機能を果たす光学手段は回折素子に限られるものではなく、例えばプリズムは従来から入出力結合の目的に用いられている。したがって、図４あるいは図２０の発光素子をプリズムの斜面に実装して透明基板に光を入力する等の構成としてもよい。しかし、プリズムの斜面に素子をフリップ実装するのは手間がかかる。これは受光素子や発光素子がチップの面に垂直に光を入出力するという事実を暗黙のうちに仮定しているためである。将来、斜めに光を入出力する素子が開発されれば、このようなプリズムを用いる構成も現実的になると考えられる。
【００９５】
一方、プリズムや回折素子の代わりに反射素子を用いてもよい。図２３は、反射素子を入出力結合手段として用いる光装置の主な構成要素の断面と動作原理を示す説明図である。反射素子２３と反射素子３８とが、それぞれ発光素子６０、受光素子７０ｂに対向する位置に形成されている点が特徴的である。このような反射素子は、斜めの面を持つブレードで透明基板を切削し、表面を鏡面とすることにより形成される。ここで、鏡面は透明基板１１の内部に形成する必要がある。したがって、透明基板１１を切削するときに液晶層が外部に漏れないように、予めシール材料４４の場所を図２３のように配置しておく必要がある。
【００９６】
［第八の実施の形態］−回折素子の場所−
既にこれらの実施の形態から明らかなように、入出力結合手段として用いる回折素子を配置する場所は、導光手段として用いる透明基板の上側か下側かのどちらでもよい。即ち、図４と図２２の例では下側に、図２０の例では上側に回折素子が形成されている。これは、プリント基板を用いるか否かという視点とは無関係の設計事項である。したがって、本発明の第八の実施の形態として、残りの組み合わせである透明基板に発光素子等を実装すると共に透明基板の上側に回折素子を形成する構成について図２４に示す。動作はこれまでの実施の形態と同様である。
【００９７】
【発明の効果】
本発明の構成は、従来の接続経路を変更することが可能な光接続素子に比較して、次に説明する効果がある。
【００９８】
第一に、従来の光接続素子の場合は非線形ミラーに制御光を照射する必要があるため、そのための光源とその制御手段が必要となり、製造コストを低減することが困難であった。これに対して、本発明の構成では、第一の実施の形態で説明したように、ＥＯ効果をもつ材料で構成した偏向／分岐手段を用いる。その結果、光接続素子の製造コストと体積を低減できる。
【００９９】
第二に、第一の実施の形態で説明したように、本発明の光接続素子では、接続経路を変更した場合にも光は導光手段の内部に閉じ込められる。したがって、本発明の構成では、従来の方法に比べ、本発明の光接続素子を様々な光装置への応用する場合に、小型化に有利である。
【０１００】
第三に、個々の独立した光接続素子を実装する従来の構成に比べて、本発明では、第二の実施の形態で説明したように、共通の透明基板の上に複数の透明電極のパターンを備え、同時に液晶を注入して封止することにより、高密度に光接続素子を配列することが可能になる。その結果、様々な多チャンネルの光装置の小型化に有利である。さらに、一チャネル当たりの製造コストが低減される。
【０１０１】
第四に、本発明では、第三の実施の形態で説明したように、薄膜トランジスタにより制御回路の一部を同一の透明基板上に形成することにより、外部回路への電気接続の数を劇的に減少させ、外部の集積回路の規模を小さくすることができる。その結果、応用装置の小型化と低コスト化が実現される。
【０１０２】
第五に、本発明の光接続素子を応用して、可変光減衰器、偏光分離器、光スイッチ、フィルタ等の様々な光装置を構成することができる。本発明の光接続素子は前述の通りの効果を持つので、これを応用したこれらの光装置には、装置の小型化と製造コストの低減が比較的に容易である。
【０１０３】
第六に、回折光の強度を検出する手段を備える本発明の構成では、回折光強度が一定となるように常時あるいは一定の周期で回折素子に印加する電圧を補正することにより、何らかの原因で回折光強度が変動した場合にも安定した動作を得ることができる。即ち、外的な変動要因に依存しない光接続素子およびこれを有する光装置を提供することができる。
【０１０４】
第七に、薄膜半導体プロセスを用いて回折素子と同一の基板上に光検出手段を形成することにより、部品点数、部材の費用、組立ての手間を増加させることなく、外的な変動要因に依存しない光接続素子およびこれを有する光装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の光接続素子を用いた光装置の構成を示す説明図である。
【図２】従来の光接続素子を用いた光装置の構成を示す説明図である。
【図３】本発明の第一の実施の形態における光接続素子を用いた光装置の主な構成要素を示す説明図である。
【図４】本発明の第一の実施の形態における光接続素子を用いた光装置の主な構成要素の断面と動作原理を示す説明図である。
【図５】本発明の第一の実施の形態における光接続素子を用いた光装置の動作を示す説明図である。
【図６】本発明の第一の実施の形態における光接続素子を用いた光装置の動作を示す説明図である。
【図７】本発明の第一の実施の形態における光接続素子の能動型回折手段として用いる液晶回折素子の構成を示す説明図である。
【図８】本発明の第一の実施の形態における光接続素子の能動型回折手段として用いる液晶回折素子の動作を示す説明図である。
【図９】本発明の第一の実施の形態における液晶回折素子の動作を示す説明図である。
【図１０】本発明の第一の実施の形態における液晶回折素子の動作を示す写真である。
【図１１】本発明の第一の実施の形態における液晶回折素子の特性を示す説明図である。
【図１２】本発明の第一の実施の形態における液晶回折素子の動作を示す説明図である。
【図１３】本発明の第一の実施の形態における液晶回折素子の動作を示す写真である。
【図１４】本発明の第二の実施の形態における光接続素子を用いた光装置の主な構成要素を示す説明図である。
【図１５】本発明の第二の実施の形態における光接続素子の制御回路の構成を示す説明図である。
【図１６】本発明の第三の実施の形態における光接続素子を用いた光装置の主な構成要素を示す説明図である。
【図１７】本発明の第三の実施の形態における光接続素子の制御回路の構成を示す説明図である。
【図１８】本発明の第四の実施の形態における光接続素子を用いた光装置の主な構成要素を示す説明図である。
【図１９】本発明の第四の実施の形態における光接続素子の制御回路の構成を示す説明図である。
【図２０】本発明の第五の実施の形態における光接続素子を用いた光装置の主な構成要素の断面と動作原理を示す説明図である。
【図２１】本発明の第五の実施の形態における光接続素子を用いた光装置の主な構成要素を示す説明図である。
【図２２】本発明の第六の実施の形態における光接続素子を用いた光装置の主な構成要素の断面と動作原理を示す説明図である。
【図２３】本発明の第七の実施の形態における光接続素子を用いた光装置の主な構成要素の断面と動作原理を示す説明図である。
【図２４】本発明の第八の実施の形態における光接続素子を用いた光装置の主な構成要素の断面と動作原理を示す説明図である。
【符号の説明】
１１ 透明基板
１２ 配線
１３ 低屈折率層
２１ 回折素子
２２ 屈折素子
２３ 反射素子
３１、３２、３３ 回折素子
３５ 屈折素子
３８ 反射素子
４１ 液晶
４２ 基板
４３ 櫛歯状電極
５１ 制御回路
５２ｃ 光量モニタ
５３ｄ 櫛歯状電極
６０ 発光素子
７０ａ、７０ｂ、７０ｃ 受光素子
８１ プリント基板
８２ 開口
８３ 配線
１１０ 基板
１１１ 発光素子
１１２ 受光素子
１２０ 透明基板
１２１ 回折素子
１２２ 回折素子
１２３ ミラー
１２４ ミラー
１２３ｂ 非線形ミラー
Claims (12)
- 光が複数の方向に伝播することが可能な導光手段と、該導光手段に外部から光を入力する入力結合手段と、該導光手段から光を外部へ出力する出力結合手段と、前記導光手段の光が伝送される経路に配置され、制御手段によってその特性を変更することができる能動型の光学手段とを有し、
前記光学手段は、電気光学効果を有する材料と電極とを含む能動型の回折素子であって、前記制御手段から供給される電気信号に応じて、光の分岐、減衰、波長分離、および偏光分離のうちの少くとも一つの機能を発現するものであり、
前記導光手段は、透明基板であり、光は該透明基板の内部にて反射を繰り返して伝播し、
前記能動型の回折素子は、基板と前記透明基板との間に配置された液晶を有することを特徴とする光接続素子。 - 前記電極は、１対の櫛歯状の形状を呈し、前記基板および前記透明基板のうちの少くとも一方の前記液晶に対向する表面に配置される請求項１に記載の光接続素子。
- 前記電極は、周期的に配列された複数の電極群であり、前記基板および前記透明基板のうちの少くとも一方の前記液晶に対向する表面に配置される請求項１に記載の光接続素子。
- 前記電極は、前記基板および前記透明基板のうちの少くとも一方の前記液晶に対向する表面に一様に配置され、
前記液晶中には、複数の誘電体が周期的に配置される請求項１に記載の光接続素子。 - 前記制御手段は、前記透明基板の前記液晶に対向する表面にて、薄膜トランジスタを含む回路素子によって構成される請求項１乃至４のいずれかに記載の光接続素子。
- 前記入力結合手段および前記出力結合手段のうちの少くとも一方は、回折素子または前記導光手段の内部に配置された反射素子によって構成される請求項１乃至５のいずれかに記載の光接続素子。
- 少なくとも１個の発光素子と、複数の受光素子と、請求項１乃至６のいずれかに記載の少なくとも１個の前記光接続素子とを有する光装置。
- 前記導光手段は、透明基板であり、前記発光素子および前記受光素子のうちの少くとも一方は、前記透明基板にフリップ実装される請求項７に記載の光装置。
- 前記発光素子および前記受光素子は、複数の開口を有するプリント基板にフリップ実装され、前記発光素子からの光が前記開口を通して前記入力結合手段に導かれる一方、前記出力結合手段からの光が前記開口を通して前記受光素子に導かれる請求項７に記載の光装置。
- 前記発光素子と前記入力結合手段との間、ならびに、前記出力結合手段と前記受光素子との間に、集光機能を持つ屈折素子がそれぞれ配置される請求項７に記載の光装置。
- 前記導光手段の内部を伝送される光量をモニタするための光量検出手段が、前記基板および前記透明基板のうちの少くとも一方の前記液晶に対向する表面に配置される請求項７に記載の光装置。
- 前記光量検出手段は、アモルファスシリコン材料を含む受光素子である請求項１１に記載の光装置。
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