JP4092986B2 - 光スイッチ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、光通信ネットワークやその他の光信号処理において伝搬する光信号の進行ルートを空間的に切り換える光スイッチに関する。
【０００２】
【従来の技術】
今日、光通信ネットワークの発展に伴い、光信号を伝搬するための光ファイバが広く使用されている。しかし、光ファイバにより光信号を伝送するためには、光ファイバ間で光信号の進行ルートを切り換える必要がある。
【０００３】
このような切換えを行う一つの方法として、光信号を通常の光電変換用電子デバイスで電気信号に変換し、変換された電気信号に応じて異なる進行ルートに配設した光源を点滅させることにより光信号の進行ルートの切換を行うものがある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかるに、情報データの伝送レートは上昇し続けているので、光ファイバにより伝送される光信号の広いデータ帯域を処理するのに通常の電子デバイスを用いることは益々困難になってきている。更に、光信号と電気信号の間で変換をする必要があるため、データフォーマットが制限されてしまうと共に装置が複雑且つ高価になるという問題があった。
【０００５】
この発明は、簡単な構造で光信号を電気信号に変換することなく光信号のまま正確に安定して進行ルートを切り換えることが可能な光スイッチを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の光スイッチは、入射光の互いに直交する偏光成分のうちの一方の第１偏光成分光を反射し、他方の第２偏光成分光を透過させる偏光分離手段と、前記偏光分離手段により反射された前記第１の偏光成分光の進行方向を前記第２偏光成分光と平行な方向に導く第１の導光手段と、前記偏光分離手段により分離された第２の偏光成分光と、前記偏光分離手段により分離され、前記第１の導光手段により導かれた前記第１の偏光成分光が入射され、電界の印加に応じて液晶分子が基板に平行に配向した第１の配向状態と、液晶分子が基板に対して略直角に立ち上がり配向した第２の配向状態とに切り替え可能な液晶素子と、前記液晶素子への電界の印加と同時に印加される電界に応じて、前記第１の配向状態と前記第２の配向状態とに切り替えられ、前記液晶素子のリタデーションの温度依存性を補償する補償用液晶素子とからなり、それぞれ前記第１の配向状態の前記液晶素子と前記補償用液晶素子を透過した光のリタデーションの値と、それぞれ前記第２の配向状態の前記液晶素子と前記補償用液晶素子を透過した光のリタデーションの値との差が、透過光の波長の実質的に１／２の奇数倍の値に設定された液晶装置と、前記液晶装置の光出射側に配置され、前記偏光分離手段により分離された第２の偏光成分光の前記液晶装置を透過した光を、前記第１の偏光成分光の前記液晶装置を透過した光の進行方向と交差する方向に導く第２の導光手段と、前記第１の偏光成分光の前記液晶装置を透過した光と、第２の偏光成分光の前記液晶装置を透過して前記第２の導光手段により導かれた光とが入力され、前記２つの光を同一の光路に出射させる偏光合成手段と、からなり、入射光を前記液晶装置に印加される電界に応じてそれぞれ異なる方向へ出射することを特徴とするものである。
【０００７】
この光スイッチにおいては、液晶装置の配向状態が入力信号に応じて透過光の旋光量が温度に拘わらず互いに９０°だけ異なる第１の液晶配向状態と第２の液晶配向状態に切り換えられ、この液晶装置に光スイッチの入射光が互いに偏光面の方向が直交するＳ波とＰ波の偏光成分光に分離されて入射し、液晶装置を透過する際に、各偏光成分光が温度に拘わらず第１と第２の各液晶配向状態に応じて一定量だけ旋光され、この後、液晶装置を出射した各偏光成分光は合成されて出射光となり所定方向に出射される。従って、本光スイッチによれば、温度に拘わらず常に安定して光信号を電気信号に変換することなく光信号のままその進行ルートを切り換えることができる。その結果、広いデータ帯域の光信号の進行ルートを光信号のままロスなく安定して正確に切り換えることができる安価な光スイッチを提供することが可能となる。
【０００８】
上述の光スイッチにおいて、前記液晶装置の前記液晶素子と前記補償用液晶素子は、それぞれ液晶分子を基板に平行に配向させた２個のホモジニアス型液晶素子であって、且つそれぞれの液晶分子の配向方向が互いに直交する配置で設置してなり、前記液晶素子と前記補償用液晶素子はそれぞれ、印加電圧に応じて液晶の配向状態を液晶分子が基板に平行に配向した第１の配向状態と液晶分子が立ち上がり配向した第２の配向状態との間で切り換えることにより、前記液晶装置を透過する光の偏光面を互いにほぼ９０゜異ならせた光を出射するようにするのが好ましい。
【０００９】
その場合、液晶装置を、前記第１偏光成分光の光路中に配置された第１液晶装置と、前記第２偏光成分光の光路中に配設された第２液晶装置とで構成するのがよい。
【００１０】
また、液晶装置を第１液晶装置と第２液晶装置とで構成した場合、前記偏光分離手段と前記偏光合成手段を、互いに直交する方向に反射軸と透過軸とを有して入射光のうちの偏光面が前記反射軸に沿った偏光成分光を反射し偏光面が前記透過軸に沿った偏光成分光を透過させる１個の反射偏光板とし、この反射偏光板を前記第1液晶装置と前記第２液晶装置間を通して斜めに配置しても良く、これにより、構成部材数が減って構造がより簡素化される。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１(ａ)、図１(ｂ)は、この発明の第１実施形態例としての光スイッチの構成を示す模式的構成図であり、それぞれ、光の進行方向を変えずに出射させる状態と光の進行方向を９０°変化させて出射させる状態を示している。
【００１２】
この実施形態例の光スイッチは、２個の第１液晶素子１，３と、２個の温度補償用の第２液晶素子２，４からなる液晶装置ＬAを用い、その入射光Ｒiが入射する光入射側に偏光分離手段としての第１ビームスプリッタ５と第１の導光手段としての第１反射鏡６を配置し、出射光Ｒoを出射させる光出射側に偏光合成手段としての第２ビームスプリッタ７と第２の導光手段としての第２反射鏡８を配置した構成となっている。なお、本例における入射光Ｒiは、波長が１６２０ｎｍのレーザー光である。
【００１３】
本例の液晶装置ＬAは、第１液晶素子１と第２液晶素子２をそれぞれの入、出射面を平行に並列配置してなる第１の液晶装置ＬA1と、第１液晶素子３と第２液晶素子４をそれぞれの入、出射面を平行に並列配置してなる第２の液晶装置ＬA2とで、構成してある。また、異なる液晶装置同士の第1液晶素子１と第１液晶素子３及び第２液晶素子２と第２液晶素子４も、それらの各入、出射面が互いに平行となるように配置してある。本例の４個の液晶素子１乃至４は、それぞれ、電極が形成された一対の電極基板１a,１b、２a,２b、３a,３b及び４a,４b間に液晶分子を各電極基板に対して平行に配向させて挟持したホモジニアス型液晶素子である。
【００１４】
第１の液晶装置ＬA1においては、ホモジニアス型の第１、第２液晶素子１、２を、それぞれの液晶分子の配向方向が互いに直交するように配置してある。即ち、図２の透過光の偏光方向と各液晶素子における液晶分子の配向方向との関係を示す説明図にも示されているように、第１液晶素子１の一対の電極基板１a,１b近傍の液晶分子の各配向方向つまりそれぞれの電極上に被着してある各配向膜(不図示)に施したラビング等の各配向処理方向ｄ1、ｄ1と、第２液晶素子２の一対の電極基板２a,２bにおけるそれぞれの同配向処理方向ｄ2、ｄ2とを、直交させてある。
【００１５】
そして、第２の液晶装置ＬA2においても、同様に、ホモジニアス型の第１、第２液晶素子３、４を、それぞれの液晶分子の配向方向が互いに直交するように、各液晶素子３、４に施した各配向処理方向ｄ3、ｄ4を直交させて、配置してある。なお、本例の第１の液晶装置ＬA1と第２の液晶装置ＬA2における対応する液晶素子１、３及び２、４同士の各配向処理ｄ1とｄ3及びｄ2とｄ4は、互いに直交させてあるが、互いに平行させてもよい。
【００１６】
上述のように構成された液晶素子ＬAの各液晶素子１〜４においては、液晶を介して対向する一対の電極基板１a,１b、２a,２b、３a,３b及び４a,４bに入力信号に応じて電圧が印加され、図１(a)に示すように電圧が印加されず(オフ時)液晶分子ｍLが電極基板に平行に配向した第１の液晶配向状態と、図１(b)に示すように電圧が印加されて(オン時)液晶分子が電極基板に対してほぼ垂直な姿勢に立ち上がり配向した第２の液晶配向状態とが、切り換えられる。ここで、上記第１の液晶配向状態においては、第１及び第２の液晶装置ＬA1、ＬA2に入射する各直線偏光は、それぞれ、第１液晶素子１から第２液晶素子２及び第１液晶素子３から第２液晶素子４を透過する間に、各液晶装置ＬA1、ＬA2による複屈折作用を受け、各液晶素子の温度に拘わらず、常に透過光の波長λの１／２の位相差が付与される。この理由は、以下の通りである。
【００１７】
即ち、第１及び第２の各液晶装置ＬA1、ＬA2における各第１液晶素子１、３は、図３の各液晶素子のリタデーション値Ｒｅ(Δｎｄ)の温度依存性図に示されるように、実線の曲線αで示されるリタデーションの温度依存性を示す。一方、温度補償用としての各第２液晶素子２、４は、破線の曲線βで示されるリタデーションの温度依存性を示す。ここで、第１の液晶装置ＬA1は上述したようにホモジニアス型液晶素子である第１液晶素子１と第２液晶素子２を互いに液晶分子の配向が直交するように配置してなるから、第１の液晶配向状態(オフ状態)にある第１の液晶装置ＬA1を透過する光に付与される位相差つまり第１の液晶装置ＬA1全体を通してのリタデーション値Ｒｅは、各液晶素子１、２の個々のリタデーションの差となる。この各液晶素子１、２の個々のリタデーションの差は、図３において二点鎖線γで示すように、−１０℃〜８０℃の温度範囲において約８１０ｎｍで略一定である。この温度に拘わらず一定なリタデーションの差は、レーザー光である透過光の波長λ＝１６２０ｎｍの１／２となっている。
【００１８】
第２の液晶装置ＬA2についても、上述とまったく同じ理論が成立し，第１の液晶配向状態(オフ状態)における全体を通してのリタデーション値Ｒｅは、−１０℃〜８０℃の温度範囲において約８１０ｎｍで略一定である。
【００１９】
以上のようにして、各液晶装置ＬA1、ＬA2を透過する各レーザー光は、各液晶装置の複屈折作用を受けて波長λの１／２の位相差が付与されるから、それぞれの偏光面が各液晶素子の温度に拘わらず常に９０°だけ回転されて出射される。第１の液晶装置ＬA1の光入射側には、偏光分離手段としての第１ビームスプリッタ５を対向配置してある。この第１ビームスプリッタ５はその偏光分離面５aを第１液晶素子１の光入射面に対し４５°に傾斜させて設置してある。
【００２０】
上述の第１ビームスプリッタ５は、入射光を偏光分離面５aにおいて互いに偏光面が直交する一対の偏光成分光(Ｓ波とＰ波)に分離し、それらを互いに直角方向に出射させるものである。本例では、第１ビームスプリッタ５に入射する入射光Ｒiを、図中｜で示す紙面に対して平行方向の偏光面を有する第１偏光成分光R1と、図中●で示す紙面に対して直角方向の偏光面を有する第２偏光成分光R2とに分離し、第２偏光成分光R2を第１液晶素子１の光入射面に平行な方向へ反射させ、第１偏光成分光R1を第１液晶素子１の光入射面に直角に入射する方向に透過させる。
【００２１】
第２の液晶装置ＬA2の光入射側には、第１の導光手段としての第１反射鏡６を、第１液晶素子３の光入射面に対し４５°に傾斜させた姿勢で、前記第１ビームスプリッタ５から出射される第２偏光成分光R2を反射させて第１液晶素子３に対し直角に入射させることが可能な位置に配置してある。
【００２２】
一方、液晶装置ＬAの光出射側においては、第２の液晶装置ＬA2の第２液晶素子４に対向する位置には偏光合成手段としての第２ビームスプリッタ７を、第１の液晶装置ＬA1の第２液晶素子２に対向する位置には第２の導光手段としての第２反射鏡８を、それぞれ配置してある。ここで、第２ビームスプリッタ７は、その偏光分離面７aを対向する第２液晶素子４の光出射面に対し４５°に傾斜させた配置で設置してあり、第２反射鏡８はその反射面を対向する第２液晶素子２の光出射面に対し４５°に傾斜させた配置で設置してある。
【００２３】
第２反射鏡８は、第２液晶素子２を透過してくる第１偏光成分光R1を第２ビームスプリッタ７に向けて反射させるものである。本例では、第２液晶素子２の光出射面に直角に出射する第１偏光成分光R1を直角方向に反射させて第２ビームスプリッタ７の偏光分離面７aに４５°の入射角で入射させる。
【００２４】
第２ビームスプリッタ７は、前述した第１ビームスプリッタ５と同じ部材で同じ機能を備えたものであり、第２液晶素子４から出射する第２偏光成分光R2と第２反射鏡８により反射された第１偏光成分光R1とが直交する位置に、偏光分離面７aを第１、第２偏光成分光R1、R2の各進行方向に対し４５°に交差させて配置してある。
【００２５】
これにより、この第２ビームスプリッタ７における偏光分離面７ａに対し、第２液晶素子４に対向する側(以下、表側という)から入射する第２偏光成分光R2とその裏側から入射する第１偏光成分光R1とが合成され、出射光Ｒoとして所定方向に出射される。
【００２６】
次に、本実施形態例の光スイッチの動作について説明する。
まず、図１(a)に示す４個の液晶素子１〜４全てに電圧が印加されていないオフ時においては、各液晶素子１〜４の液晶分子ｍLが、それぞれの電極基板に平行に配向している。即ち、各液晶装置ＬA1、ＬA2は、入射する偏光成分光の偏光面を９０°回転させることが可能な第１の液晶配向状態をとっている。
【００２７】
このような状態下で、本光スイッチに対する入射光Ｒiが第１ビームスプリッタ５に入射すると、そのうちの偏光面の振動方向が偏光分離面５aに沿った第２偏光成分光R2(図中●印で示す)は入射方向に対して直角方向に反射され、偏光面の振動方向が偏光分離面５aに交差する第１偏光成分光R1(｜印で示す)は入射方向に沿って同方向にそのまま第１ビームスプリッタ５を透過する。
【００２８】
第１ビームスプリッタ５の偏光分離面５aで反射された第２偏光成分光R2は、第１反射鏡６に４５°の入射角で入射して直角に反射され第１液晶素子３の入射面に対し直角に入射する。この過程において、第２偏光成分光R2の偏光面の振動方向は変わらず、紙面直角方向のままである。従って、第２偏光成分光R2は、その偏光面の振動方向が図２に示すように第１液晶素子３の液晶分子配向方向ｄ3に対して４５°に交差する方向となった状態でオフ状態の第１液晶素子３に入射する。
【００２９】
上述の偏光状態で第１液晶素子３に入射した第２偏光成分光R2は、共にオフ状態で互いに液晶分子の配向方向が直交するように配置された第１液晶素子３と第２液晶素子４を透過する間に、この第２偏光成分光R2の波長の１／２相当分の位相差が付与されるために偏光面が９０°回転される。従って、第２偏光成分光R2は、その偏光面の振動方向が紙面平行方向となった状態に旋光されて、第２液晶素子４の光出射面からその直角方向に出射される。第２液晶素子４を出射した第２偏光成分光R2は、第２ビームスプリッタ７に直角に入射し、その偏光分離面７aに対し表側から４５°の入射角で入射する。
【００３０】
一方、第１ビームスプリッタ５の偏光分離面５aを透過した第１偏光成分光R1は、オフ状態の第１液晶素子１の入射面に対し直角に入射する。この第１偏光成分光R1も、オフ状態の第１の液晶装置Ｌa1を透過する間に、第２偏光成分光R2と同様に偏光面を９０°回転される。
【００３１】
即ち、偏光面の振動方向が紙面平行方向の第１偏光成分光R1は、図２に示すように、その偏光面の振動方向が第１液晶素子１の液晶分子配向方向ｄ1に対して４５°に交差する方向となった状態でオフ状態の第１液晶素子１に入射する。そして、共にオフ状態で互いに液晶分子の配向方向が直交するように配置された第１液晶素子１と第２液晶素子２を透過する間に、この第１偏光成分光R1の波長の１／２相当分の位相差が付与されるために偏光面が９０°回転される。従って、第２液晶素子２を出射する第１偏光成分光R1の偏光面の振動方向は、紙面垂直方向となっている。
【００３２】
第２液晶素子２からその光出射面に対し直角方向に出射した第１偏光成分光R1は、第２反射鏡８により直角に反射され、第２ビームスプリッタ７の偏光分離面７aにその裏側から偏光面が紙面に直角な状態のまま４５°の入射角で入射する。
【００３３】
第２ビームスプリッタ７の偏光分離面７aに対してその表裏両側から入射した第１、第２偏光成分光R1、R2は、同方向に重畳して出射されるために合成され、偏光分離される前の入射光Ｒiと同じ構成の出射光Ｒoとなって入射光Ｒiの入射方向に沿った同方向に出射される。即ち、第２ビームスプリッタ７の偏光分離面７aにその一方の表側から入射する第２偏光成分光R2は、偏光面の振動方向が偏光分離面７aに対して交差する方向であるからそのまま透過して入射方向と同方向に出射し、偏光分離面７aの裏側から入射した第１偏光成分光R1は、偏光面の振動方向が偏光分離面７aに沿った方向であるから直角方向に反射されて第２偏光成分光R2と同方向に出射され、出射光Ｒoに合成される。
【００３４】
次に、本光スイッチに光の進行方向を切り換える旨の信号が入力されると、４個の液晶素子１〜４全てに電圧が印加され(オン時)、各液晶素子１〜４の液晶分子ｍLが図１(b)に示すようにそれぞれの電極基板１a〜４bに対して略直角方向に立ち上がった状態に配向する。即ち、液晶装置ＬAは、入射光の偏光面を回転させずにそのまま出射させる第２の液晶配向状態となる。
【００３５】
このような状態下では、液晶装置ＬAに入射する第１、第２偏光成分光R1、R2は、偏光面が回転されることなくそのまま液晶装置ＬAを透過し出射する。すなわち、上述のオフ時と同様に第１ビームスプリッタ５の偏光分離面５aで反射され第１反射鏡６で反射されて第１液晶素子３に入射する偏光面の振動方向が紙面直角方向に沿った第２偏光成分光R2は、偏光面の振動方向が同じ方向のまま第１液晶素子３と第２液晶素子４の各液晶層を透過して出射し、第２ビームスプリッタ７の偏光分離面７aに表側から入射する。また、第１ビームスプリッタ５の偏光分離面５aを透過した第１偏光成分光R1も、偏光面の振動方向が同じ方向のまま、第１液晶素子１と第２液晶素子２の各液晶層を透過して出射し、第２反射鏡８で直角に反射されて第２ビームスプリッタ７の偏光分離面７aに裏側から入射する。
【００３６】
そして、第２ビームスプリッタ７の偏光分離面７aに表側から入射した第２偏光成分光R2は、偏光面の振動方向が偏光分離面７aに平行であるために、直角に反射される。一方、偏光分離面７aに裏側から入射した第１偏光成分光R1は、偏光面の振動方向がその偏光分離面７aに交差するために透過し、入射方向と同方向、つまり第２偏光成分光R2の出射方向と同方向に重畳して出射される。このため、第２偏光成分光R2と第１偏光成分光R1とが合成され、偏光分離される前の入射光Ｒiと同じ構成の出射光Ｒoとなって入射光Ｒiに対して直角方向に出射される。
【００３７】
以上のように、本実施形態例の光スイッチは、液晶装置ＬAを構成する各液晶素子１〜４に印加する電圧を入力信号に応じて一律に切り換えるだけの簡単な操作で、光信号を電気信号に変換することなく光信号のままその進行方向を９０°異なる方向に切り換えることができる。そして、この光スイッチ効果は、旋光手段としての液晶装置を複数の液晶素子で構成し、それら液晶素子を個々のリタデーションの温度依存性が互いに補償し合うように組み合わせてあるから、温度に拘わらず安定的に奏される。
【００３８】
次に、本発明の第２実施形態例について、図４(a)と図４(b)の模式的構成図に基づき説明する。図４(a)と図４(b)は、それぞれ、光の進行方向を変えずに出射させる状態と光の進行方向を９０°変化させて出射させる状態を示している。なお、上述の第１実施形態例と同一の構成要素は、同じ符号を付してその説明を省略する。
【００３９】
本例の光スイッチは、旋光手段としての液晶装置ＬAを２個の第１液晶素子１０と第２液晶素子１１とで構成し、偏光分離手段及び偏光合成手段として第１、第２反射偏光板１２、１４を用いたものである。
【００４０】
第１液晶素子１０と第２液晶素子１１は、共に液晶分子ｍLをそれぞれの基板１０a,１０b及び１１a,１１bに平行な所定方向に配向させたホモジニアス型液晶素子であり、それぞれの液晶分子配向方向が互いに直交する配置で並列に配置してある。そして、第１液晶素子１０と第２液晶素子１１のそれぞれのリタデーションの温度依存性を、前述の実施形態例と同様に、液晶装置ＬAが温度に拘わらず一定のリタデーションが得られるように互いに補償し合う構成としてある。即ち、本例の第１液晶素子１０と第２液晶素子１１からなる液晶装置ＬAは、前述した第１実施形態例における第１液晶素子１と第２液晶素子２からなる第１の液晶装置ＬA1或いは第１液晶素子３と第２液晶素子４からなる第２の液晶装置ＬA2と同一の構成である。液晶装置ＬAの光入射側には、偏光分離手段としての第１反射偏光板１２と第１の導光手段としての第１反射鏡１３を、第１液晶素子１０の光入射面の所定の領域に対向させるとともに、その光入射面に対し４５°に傾斜させた姿勢で互いに平行に配置してある。
【００４１】
第１反射偏光板１２は、光学軸として互いに直交する方向に反射軸１２aと透過軸１２bとを有するものであり、それら光学軸１２a、１２bを第１液晶素子１０の液晶分子の配向方向ｄ1に対して４５°で交差させた配置で、設置してある。
【００４２】
液晶装置ＬAを介してその光出射側には、前記第１反射鏡１３に対向する位置に偏光合成手段としての第２反射偏光板１４を、前記第１反射偏光板１２に対向する位置には第２の導光手段としての第２反射鏡１５を、それぞれ配設してある。これら第２反射偏光板１４と第２反射鏡１５は、第２液晶素子１１の光入射面に対し共に４５°に傾斜させた姿勢で互いに平行に配置してある。
【００４３】
ここで、第２反射偏光板１４は、第２液晶素子１１から出射する第２偏光成分光R2と第２液晶素子１１から出射し第２反射鏡１５により反射された第１偏光成分光R1とが直交する位置に、それぞれの偏光成分光R1、R2の各進行方向に対し４５°で交差する姿勢で配置してある。これにより、この第２反射偏光板１４の第２液晶素子１１に対向する面(以下、表面という)に入射する第２偏光成分光R2とその裏面に入射する第１偏光成分光R1とが合成され、出射光Ｒoとして所定方向に出射される。
【００４４】
以上のように構成された本例の光スイッチによる場合も、前述した第１実施形態例と同様に、図４(a)に示す第１、第２液晶素子１０、１１に電圧が印加されていないオフ時においては入射光Ｒiと同方向に出射光Ｒoが出射され、図４(b)に示す第１、第２液晶素子１０、１１に電圧が印加されたオン時においては、出射光Ｒoの出射方向が入射光Ｒiに沿った方向に対して直角の方向に切り換えられる。そして、この光スイッチ効果は、第１、第２液晶素子１０、１１の温度に拘わらず、常に安定して奏される。
【００４５】
なお、本発明は、上記実施形態例等に限定されるものではなく、本発明の技術的範囲において種々の変形が可能であることは勿論である。
【００４６】
例えば、図４に示した実施形態の変形例として、第１反射偏光板と第２反射偏光板を、図６に示すように部品として１個にまとめることも可能である。この変形例においては、図１に示す第１実施形態例と同様に液晶装置ＬAを第１の液晶装置ＬA1と第２の液晶装置ＬA2に分け、これらの間に１個の反射偏光部材１６を各液晶素子１〜４の入、出射面に対し４５°に傾斜させた配置で設けてある。これにより、反射偏光部材１６の第１液晶素子１の入射面に対向する部分が第１反射偏光板１２と同じ機能を果たす第１反射偏光部となり、反射偏光部材１６の第２液晶素子４の出射面に対向する部分が第２反射偏光板１４と同じ機能を果たす第２反射偏光部となる。
【００４７】
上述のように構成された本変形例の光スイッチによれば、部品数が少なくなって構造がより簡素化されるとともに、第１乃至第２実施形態例と同様に温度に拘わらず常に安定して所望の光スイッチ効果が奏される。
【００４８】
また、図７に示すように、液晶装置ＬAに対する入射光Ｒiの入射方向を、第１液晶素子１の入射面に対して平行とし、偏光分離手段としての第１ビームスプリッタ５と偏光合成手段としての第２ビームスプリッタ７を第１液晶装置ＬA1を介して対向配置してもよい。この場合、液晶装置ＬAのオフ時には、出射光Ｒoが入射光Ｒiに対して直角方向に出射され、オン時には出射光Ｒoが入射光Ｒiに対して逆方向に出射される。このように、本発明によれば、入射光に対する出射光の相対方向が異なる種々の光スイッチを実現することができる。
【００４９】
更に、複数の液晶素子からなる液晶装置の透過光に付与する位相差は、透過光の波長の１／２に限らず、透過光の波長の１／２の奇数倍であればよい。
【００５０】
また更に、本発明の液晶装置を構成する液晶素子としては、ホモジニアス型液晶素子に限らず、ツイストネマチック型液晶素子等の他の種々の液晶素子を用いることが可能である。この場合、透過光に温度に拘わらず波長の１／２の奇数倍相当分の位相差が付与されるように、液晶装置を構成する複数の液晶素子におけるそれぞれのリタデーションの温度依存性や配向処理方向の配置を設定すればよい。
【００５１】
更にまた、液晶装置の第１の液晶配向状態と第２の液晶配向状態における入射光の偏光面の各回転量は、上述の実施形態例等では９０°と０°に設定してあるが、これに限らず、１８０°と９０度或いは−４５度と４５°等、互いに９０°だけ異なる種々の組合せが可能である。
【００５２】
また更に、複数の液晶素子を組み合わせるだけで液晶装置のリタデーションを温度に拘わらず一定にすることが困難な場合は、一つの液晶素子に印加する電圧を液晶装置のリタデーションが一定になるように温度に応じて調整するようにしても良い。
【００５３】
加えて、第１と第２の導光手段は、それぞれ、１個の反射鏡に限らず、複数の反射鏡を組み合わせて構成してもよい。
【００５４】
【発明の効果】
この発明の光スイッチは、入射光の互いに直交する偏光成分のうちの一方の第１偏光成分光を反射し、他方の第２偏光成分光を透過させる偏光分離手段と、前記偏光分離手段により反射された前記第１の偏光成分光の進行方向を前記第２偏光成分光と平行な方向に導く第１の導光手段と、前記偏光分離手段により分離された第２の偏光成分光と、前記偏光分離手段により分離され、前記第１の導光手段により導かれた前記第１の偏光成分光が入射され、電界の印加に応じて液晶分子が基板に平行に配向した第１の配向状態と、液晶分子が基板に対して略直角に立ち上がり配向した第２の配向状態とに切り替え可能な液晶素子と、前記液晶素子への電界の印加と同時に印加される電界に応じて、前記第１の配向状態と前記第２の配向状態とに切り替えられ、前記液晶素子のリタデーションの温度依存性を補償する補償用液晶素子とからなり、それぞれ前記第１の配向状態の前記液晶素子と前記補償用液晶素子を透過した光のリタデーションの値と、それぞれ前記第２の配向状態の前記液晶素子と前記補償用液晶素子を透過した光のリタデーションの値との差が、透過光の波長の実質的に１／２の奇数倍の値に設定された液晶装置と、前記液晶装置の光出射側に配置され、前記偏光分離手段により分離された第２の偏光成分光の前記液晶装置を透過した光を、前記第１の偏光成分光の前記液晶装置を透過した光の進行方向と交差する方向に導く第２の導光手段と、前記第１の偏光成分光の前記電気光手段を透過した光と、第２の偏光成分光の前記電気光手段を透過して前記第２の導光板により導かれた光とが入力され、前記２つの光を同一の光路に出射させる偏光合成手段とからなり、入射光を互いに偏光方向が直交するＳ波とＰ波の偏光成分光に分離して液晶装置に入射させ、液晶装置を透過させる際に、その旋光作用により各偏光成分光を温度に拘わらず一定量旋光させ、この後、液晶装置を出射した各偏光成分光を合成するものであり、液晶装置に入力される信号に応じて透過光の旋光量が互いに９０°だけ異なる第１の液晶配向状態と第２の液晶配向状態に切り換えるものであるから、温度に拘わらず常に安定して光信号を電気信号に変換することなく光信号のままその進行ルートを切り換えることができる。その結果、広いデータ帯域の光信号の進行ルートを光のロス無く安定して正確に切り換えることができる安価な光スイッチを提供することが可能となる。
【００５５】
この光スイッチにおいては、前記液晶装置を構成する前記液晶素子と前記補償用液晶素子はそれぞれ、液晶分子が基板に対して平行に配向したホモジニアス型液晶素子を各液晶素子の液晶分子の配向方向が互いに直交する配置で設置して構成することが好ましく、これにより、温度に拘わらず安定的に光信号を光信号のままその進行方向を切り換えることができる光スイッチを簡素に構成することができる。
【００５６】
そして、複数のホモジニアス型液晶素子からなる液晶装置を、分離された各偏光成分光の光路中にそれぞれ配置するのがよく、これにより、温度変化に対しより安定して光のロスの少ない鋭敏な光スイッチ効果を得ることができる。
【００５７】
また、上述のように液晶装置を２個の液晶装置で構成した場合、１個の反射偏光板を偏光分離手段と偏光合成手段を兼用する部材とし、この反射偏光板を２個の液晶装置の間を通して斜めに配置してもよく、これにより、構成部材数が少なくなり、本発明の光スイッチの構造がより簡素化される。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１実施形態例としての光スイッチを示す模式的構成図で、(ａ)はその光スイッチがオフされた状態を示し、(ｂ)はオンされた状態を示す。
【図２】上記第１実施形態例における透過光の偏光面の方向と液晶分子の配向方向との関係を示す説明図。
【図３】上記第１実施形態における液晶素子のリタデーション値の温度依存性を示すグラフ図。
【図４】この発明の第２実施形態例としての光スイッチを示す模式的構成図で、(ａ)はその光スイッチがオフされた状態を示し、(ｂ)はオンされた状態を示す。
【図５】上記第２実施形態例におけるおける透過光の偏光面の方向と液晶分子の配向方向との関係を示す説明図。
【図６】この発明の上記実施形態例の変形例を示す模式的構成図。
【図７】この発明の上記実施形態例の他の変形例を示す模式的構成図。
【符号の説明】
１，３，１０…第１液晶素子
２，４，１１…第２液晶素子
ＬA …液晶装置
ＬA1…第１の液晶装置
ＬA2…第２の液晶装置
５…第１ビームスプリッタ
６，１３…第１反射鏡
７…第２ビームスプリッタ
８，１５…第２反射鏡
１２…第１反射偏光板
１４…第２反射偏光板
１６…反射偏光部材
【発明の属する技術分野】
この発明は、光通信ネットワークやその他の光信号処理において伝搬する光信号の進行ルートを空間的に切り換える光スイッチに関する。
【０００２】
【従来の技術】
今日、光通信ネットワークの発展に伴い、光信号を伝搬するための光ファイバが広く使用されている。しかし、光ファイバにより光信号を伝送するためには、光ファイバ間で光信号の進行ルートを切り換える必要がある。
【０００３】
このような切換えを行う一つの方法として、光信号を通常の光電変換用電子デバイスで電気信号に変換し、変換された電気信号に応じて異なる進行ルートに配設した光源を点滅させることにより光信号の進行ルートの切換を行うものがある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかるに、情報データの伝送レートは上昇し続けているので、光ファイバにより伝送される光信号の広いデータ帯域を処理するのに通常の電子デバイスを用いることは益々困難になってきている。更に、光信号と電気信号の間で変換をする必要があるため、データフォーマットが制限されてしまうと共に装置が複雑且つ高価になるという問題があった。
【０００５】
この発明は、簡単な構造で光信号を電気信号に変換することなく光信号のまま正確に安定して進行ルートを切り換えることが可能な光スイッチを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の光スイッチは、入射光の互いに直交する偏光成分のうちの一方の第１偏光成分光を反射し、他方の第２偏光成分光を透過させる偏光分離手段と、前記偏光分離手段により反射された前記第１の偏光成分光の進行方向を前記第２偏光成分光と平行な方向に導く第１の導光手段と、前記偏光分離手段により分離された第２の偏光成分光と、前記偏光分離手段により分離され、前記第１の導光手段により導かれた前記第１の偏光成分光が入射され、電界の印加に応じて液晶分子が基板に平行に配向した第１の配向状態と、液晶分子が基板に対して略直角に立ち上がり配向した第２の配向状態とに切り替え可能な液晶素子と、前記液晶素子への電界の印加と同時に印加される電界に応じて、前記第１の配向状態と前記第２の配向状態とに切り替えられ、前記液晶素子のリタデーションの温度依存性を補償する補償用液晶素子とからなり、それぞれ前記第１の配向状態の前記液晶素子と前記補償用液晶素子を透過した光のリタデーションの値と、それぞれ前記第２の配向状態の前記液晶素子と前記補償用液晶素子を透過した光のリタデーションの値との差が、透過光の波長の実質的に１／２の奇数倍の値に設定された液晶装置と、前記液晶装置の光出射側に配置され、前記偏光分離手段により分離された第２の偏光成分光の前記液晶装置を透過した光を、前記第１の偏光成分光の前記液晶装置を透過した光の進行方向と交差する方向に導く第２の導光手段と、前記第１の偏光成分光の前記液晶装置を透過した光と、第２の偏光成分光の前記液晶装置を透過して前記第２の導光手段により導かれた光とが入力され、前記２つの光を同一の光路に出射させる偏光合成手段と、からなり、入射光を前記液晶装置に印加される電界に応じてそれぞれ異なる方向へ出射することを特徴とするものである。
【０００７】
この光スイッチにおいては、液晶装置の配向状態が入力信号に応じて透過光の旋光量が温度に拘わらず互いに９０°だけ異なる第１の液晶配向状態と第２の液晶配向状態に切り換えられ、この液晶装置に光スイッチの入射光が互いに偏光面の方向が直交するＳ波とＰ波の偏光成分光に分離されて入射し、液晶装置を透過する際に、各偏光成分光が温度に拘わらず第１と第２の各液晶配向状態に応じて一定量だけ旋光され、この後、液晶装置を出射した各偏光成分光は合成されて出射光となり所定方向に出射される。従って、本光スイッチによれば、温度に拘わらず常に安定して光信号を電気信号に変換することなく光信号のままその進行ルートを切り換えることができる。その結果、広いデータ帯域の光信号の進行ルートを光信号のままロスなく安定して正確に切り換えることができる安価な光スイッチを提供することが可能となる。
【０００８】
上述の光スイッチにおいて、前記液晶装置の前記液晶素子と前記補償用液晶素子は、それぞれ液晶分子を基板に平行に配向させた２個のホモジニアス型液晶素子であって、且つそれぞれの液晶分子の配向方向が互いに直交する配置で設置してなり、前記液晶素子と前記補償用液晶素子はそれぞれ、印加電圧に応じて液晶の配向状態を液晶分子が基板に平行に配向した第１の配向状態と液晶分子が立ち上がり配向した第２の配向状態との間で切り換えることにより、前記液晶装置を透過する光の偏光面を互いにほぼ９０゜異ならせた光を出射するようにするのが好ましい。
【０００９】
その場合、液晶装置を、前記第１偏光成分光の光路中に配置された第１液晶装置と、前記第２偏光成分光の光路中に配設された第２液晶装置とで構成するのがよい。
【００１０】
また、液晶装置を第１液晶装置と第２液晶装置とで構成した場合、前記偏光分離手段と前記偏光合成手段を、互いに直交する方向に反射軸と透過軸とを有して入射光のうちの偏光面が前記反射軸に沿った偏光成分光を反射し偏光面が前記透過軸に沿った偏光成分光を透過させる１個の反射偏光板とし、この反射偏光板を前記第1液晶装置と前記第２液晶装置間を通して斜めに配置しても良く、これにより、構成部材数が減って構造がより簡素化される。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１(ａ)、図１(ｂ)は、この発明の第１実施形態例としての光スイッチの構成を示す模式的構成図であり、それぞれ、光の進行方向を変えずに出射させる状態と光の進行方向を９０°変化させて出射させる状態を示している。
【００１２】
この実施形態例の光スイッチは、２個の第１液晶素子１，３と、２個の温度補償用の第２液晶素子２，４からなる液晶装置ＬAを用い、その入射光Ｒiが入射する光入射側に偏光分離手段としての第１ビームスプリッタ５と第１の導光手段としての第１反射鏡６を配置し、出射光Ｒoを出射させる光出射側に偏光合成手段としての第２ビームスプリッタ７と第２の導光手段としての第２反射鏡８を配置した構成となっている。なお、本例における入射光Ｒiは、波長が１６２０ｎｍのレーザー光である。
【００１３】
本例の液晶装置ＬAは、第１液晶素子１と第２液晶素子２をそれぞれの入、出射面を平行に並列配置してなる第１の液晶装置ＬA1と、第１液晶素子３と第２液晶素子４をそれぞれの入、出射面を平行に並列配置してなる第２の液晶装置ＬA2とで、構成してある。また、異なる液晶装置同士の第1液晶素子１と第１液晶素子３及び第２液晶素子２と第２液晶素子４も、それらの各入、出射面が互いに平行となるように配置してある。本例の４個の液晶素子１乃至４は、それぞれ、電極が形成された一対の電極基板１a,１b、２a,２b、３a,３b及び４a,４b間に液晶分子を各電極基板に対して平行に配向させて挟持したホモジニアス型液晶素子である。
【００１４】
第１の液晶装置ＬA1においては、ホモジニアス型の第１、第２液晶素子１、２を、それぞれの液晶分子の配向方向が互いに直交するように配置してある。即ち、図２の透過光の偏光方向と各液晶素子における液晶分子の配向方向との関係を示す説明図にも示されているように、第１液晶素子１の一対の電極基板１a,１b近傍の液晶分子の各配向方向つまりそれぞれの電極上に被着してある各配向膜(不図示)に施したラビング等の各配向処理方向ｄ1、ｄ1と、第２液晶素子２の一対の電極基板２a,２bにおけるそれぞれの同配向処理方向ｄ2、ｄ2とを、直交させてある。
【００１５】
そして、第２の液晶装置ＬA2においても、同様に、ホモジニアス型の第１、第２液晶素子３、４を、それぞれの液晶分子の配向方向が互いに直交するように、各液晶素子３、４に施した各配向処理方向ｄ3、ｄ4を直交させて、配置してある。なお、本例の第１の液晶装置ＬA1と第２の液晶装置ＬA2における対応する液晶素子１、３及び２、４同士の各配向処理ｄ1とｄ3及びｄ2とｄ4は、互いに直交させてあるが、互いに平行させてもよい。
【００１６】
上述のように構成された液晶素子ＬAの各液晶素子１〜４においては、液晶を介して対向する一対の電極基板１a,１b、２a,２b、３a,３b及び４a,４bに入力信号に応じて電圧が印加され、図１(a)に示すように電圧が印加されず(オフ時)液晶分子ｍLが電極基板に平行に配向した第１の液晶配向状態と、図１(b)に示すように電圧が印加されて(オン時)液晶分子が電極基板に対してほぼ垂直な姿勢に立ち上がり配向した第２の液晶配向状態とが、切り換えられる。ここで、上記第１の液晶配向状態においては、第１及び第２の液晶装置ＬA1、ＬA2に入射する各直線偏光は、それぞれ、第１液晶素子１から第２液晶素子２及び第１液晶素子３から第２液晶素子４を透過する間に、各液晶装置ＬA1、ＬA2による複屈折作用を受け、各液晶素子の温度に拘わらず、常に透過光の波長λの１／２の位相差が付与される。この理由は、以下の通りである。
【００１７】
即ち、第１及び第２の各液晶装置ＬA1、ＬA2における各第１液晶素子１、３は、図３の各液晶素子のリタデーション値Ｒｅ(Δｎｄ)の温度依存性図に示されるように、実線の曲線αで示されるリタデーションの温度依存性を示す。一方、温度補償用としての各第２液晶素子２、４は、破線の曲線βで示されるリタデーションの温度依存性を示す。ここで、第１の液晶装置ＬA1は上述したようにホモジニアス型液晶素子である第１液晶素子１と第２液晶素子２を互いに液晶分子の配向が直交するように配置してなるから、第１の液晶配向状態(オフ状態)にある第１の液晶装置ＬA1を透過する光に付与される位相差つまり第１の液晶装置ＬA1全体を通してのリタデーション値Ｒｅは、各液晶素子１、２の個々のリタデーションの差となる。この各液晶素子１、２の個々のリタデーションの差は、図３において二点鎖線γで示すように、−１０℃〜８０℃の温度範囲において約８１０ｎｍで略一定である。この温度に拘わらず一定なリタデーションの差は、レーザー光である透過光の波長λ＝１６２０ｎｍの１／２となっている。
【００１８】
第２の液晶装置ＬA2についても、上述とまったく同じ理論が成立し，第１の液晶配向状態(オフ状態)における全体を通してのリタデーション値Ｒｅは、−１０℃〜８０℃の温度範囲において約８１０ｎｍで略一定である。
【００１９】
以上のようにして、各液晶装置ＬA1、ＬA2を透過する各レーザー光は、各液晶装置の複屈折作用を受けて波長λの１／２の位相差が付与されるから、それぞれの偏光面が各液晶素子の温度に拘わらず常に９０°だけ回転されて出射される。第１の液晶装置ＬA1の光入射側には、偏光分離手段としての第１ビームスプリッタ５を対向配置してある。この第１ビームスプリッタ５はその偏光分離面５aを第１液晶素子１の光入射面に対し４５°に傾斜させて設置してある。
【００２０】
上述の第１ビームスプリッタ５は、入射光を偏光分離面５aにおいて互いに偏光面が直交する一対の偏光成分光(Ｓ波とＰ波)に分離し、それらを互いに直角方向に出射させるものである。本例では、第１ビームスプリッタ５に入射する入射光Ｒiを、図中｜で示す紙面に対して平行方向の偏光面を有する第１偏光成分光R1と、図中●で示す紙面に対して直角方向の偏光面を有する第２偏光成分光R2とに分離し、第２偏光成分光R2を第１液晶素子１の光入射面に平行な方向へ反射させ、第１偏光成分光R1を第１液晶素子１の光入射面に直角に入射する方向に透過させる。
【００２１】
第２の液晶装置ＬA2の光入射側には、第１の導光手段としての第１反射鏡６を、第１液晶素子３の光入射面に対し４５°に傾斜させた姿勢で、前記第１ビームスプリッタ５から出射される第２偏光成分光R2を反射させて第１液晶素子３に対し直角に入射させることが可能な位置に配置してある。
【００２２】
一方、液晶装置ＬAの光出射側においては、第２の液晶装置ＬA2の第２液晶素子４に対向する位置には偏光合成手段としての第２ビームスプリッタ７を、第１の液晶装置ＬA1の第２液晶素子２に対向する位置には第２の導光手段としての第２反射鏡８を、それぞれ配置してある。ここで、第２ビームスプリッタ７は、その偏光分離面７aを対向する第２液晶素子４の光出射面に対し４５°に傾斜させた配置で設置してあり、第２反射鏡８はその反射面を対向する第２液晶素子２の光出射面に対し４５°に傾斜させた配置で設置してある。
【００２３】
第２反射鏡８は、第２液晶素子２を透過してくる第１偏光成分光R1を第２ビームスプリッタ７に向けて反射させるものである。本例では、第２液晶素子２の光出射面に直角に出射する第１偏光成分光R1を直角方向に反射させて第２ビームスプリッタ７の偏光分離面７aに４５°の入射角で入射させる。
【００２４】
第２ビームスプリッタ７は、前述した第１ビームスプリッタ５と同じ部材で同じ機能を備えたものであり、第２液晶素子４から出射する第２偏光成分光R2と第２反射鏡８により反射された第１偏光成分光R1とが直交する位置に、偏光分離面７aを第１、第２偏光成分光R1、R2の各進行方向に対し４５°に交差させて配置してある。
【００２５】
これにより、この第２ビームスプリッタ７における偏光分離面７ａに対し、第２液晶素子４に対向する側(以下、表側という)から入射する第２偏光成分光R2とその裏側から入射する第１偏光成分光R1とが合成され、出射光Ｒoとして所定方向に出射される。
【００２６】
次に、本実施形態例の光スイッチの動作について説明する。
まず、図１(a)に示す４個の液晶素子１〜４全てに電圧が印加されていないオフ時においては、各液晶素子１〜４の液晶分子ｍLが、それぞれの電極基板に平行に配向している。即ち、各液晶装置ＬA1、ＬA2は、入射する偏光成分光の偏光面を９０°回転させることが可能な第１の液晶配向状態をとっている。
【００２７】
このような状態下で、本光スイッチに対する入射光Ｒiが第１ビームスプリッタ５に入射すると、そのうちの偏光面の振動方向が偏光分離面５aに沿った第２偏光成分光R2(図中●印で示す)は入射方向に対して直角方向に反射され、偏光面の振動方向が偏光分離面５aに交差する第１偏光成分光R1(｜印で示す)は入射方向に沿って同方向にそのまま第１ビームスプリッタ５を透過する。
【００２８】
第１ビームスプリッタ５の偏光分離面５aで反射された第２偏光成分光R2は、第１反射鏡６に４５°の入射角で入射して直角に反射され第１液晶素子３の入射面に対し直角に入射する。この過程において、第２偏光成分光R2の偏光面の振動方向は変わらず、紙面直角方向のままである。従って、第２偏光成分光R2は、その偏光面の振動方向が図２に示すように第１液晶素子３の液晶分子配向方向ｄ3に対して４５°に交差する方向となった状態でオフ状態の第１液晶素子３に入射する。
【００２９】
上述の偏光状態で第１液晶素子３に入射した第２偏光成分光R2は、共にオフ状態で互いに液晶分子の配向方向が直交するように配置された第１液晶素子３と第２液晶素子４を透過する間に、この第２偏光成分光R2の波長の１／２相当分の位相差が付与されるために偏光面が９０°回転される。従って、第２偏光成分光R2は、その偏光面の振動方向が紙面平行方向となった状態に旋光されて、第２液晶素子４の光出射面からその直角方向に出射される。第２液晶素子４を出射した第２偏光成分光R2は、第２ビームスプリッタ７に直角に入射し、その偏光分離面７aに対し表側から４５°の入射角で入射する。
【００３０】
一方、第１ビームスプリッタ５の偏光分離面５aを透過した第１偏光成分光R1は、オフ状態の第１液晶素子１の入射面に対し直角に入射する。この第１偏光成分光R1も、オフ状態の第１の液晶装置Ｌa1を透過する間に、第２偏光成分光R2と同様に偏光面を９０°回転される。
【００３１】
即ち、偏光面の振動方向が紙面平行方向の第１偏光成分光R1は、図２に示すように、その偏光面の振動方向が第１液晶素子１の液晶分子配向方向ｄ1に対して４５°に交差する方向となった状態でオフ状態の第１液晶素子１に入射する。そして、共にオフ状態で互いに液晶分子の配向方向が直交するように配置された第１液晶素子１と第２液晶素子２を透過する間に、この第１偏光成分光R1の波長の１／２相当分の位相差が付与されるために偏光面が９０°回転される。従って、第２液晶素子２を出射する第１偏光成分光R1の偏光面の振動方向は、紙面垂直方向となっている。
【００３２】
第２液晶素子２からその光出射面に対し直角方向に出射した第１偏光成分光R1は、第２反射鏡８により直角に反射され、第２ビームスプリッタ７の偏光分離面７aにその裏側から偏光面が紙面に直角な状態のまま４５°の入射角で入射する。
【００３３】
第２ビームスプリッタ７の偏光分離面７aに対してその表裏両側から入射した第１、第２偏光成分光R1、R2は、同方向に重畳して出射されるために合成され、偏光分離される前の入射光Ｒiと同じ構成の出射光Ｒoとなって入射光Ｒiの入射方向に沿った同方向に出射される。即ち、第２ビームスプリッタ７の偏光分離面７aにその一方の表側から入射する第２偏光成分光R2は、偏光面の振動方向が偏光分離面７aに対して交差する方向であるからそのまま透過して入射方向と同方向に出射し、偏光分離面７aの裏側から入射した第１偏光成分光R1は、偏光面の振動方向が偏光分離面７aに沿った方向であるから直角方向に反射されて第２偏光成分光R2と同方向に出射され、出射光Ｒoに合成される。
【００３４】
次に、本光スイッチに光の進行方向を切り換える旨の信号が入力されると、４個の液晶素子１〜４全てに電圧が印加され(オン時)、各液晶素子１〜４の液晶分子ｍLが図１(b)に示すようにそれぞれの電極基板１a〜４bに対して略直角方向に立ち上がった状態に配向する。即ち、液晶装置ＬAは、入射光の偏光面を回転させずにそのまま出射させる第２の液晶配向状態となる。
【００３５】
このような状態下では、液晶装置ＬAに入射する第１、第２偏光成分光R1、R2は、偏光面が回転されることなくそのまま液晶装置ＬAを透過し出射する。すなわち、上述のオフ時と同様に第１ビームスプリッタ５の偏光分離面５aで反射され第１反射鏡６で反射されて第１液晶素子３に入射する偏光面の振動方向が紙面直角方向に沿った第２偏光成分光R2は、偏光面の振動方向が同じ方向のまま第１液晶素子３と第２液晶素子４の各液晶層を透過して出射し、第２ビームスプリッタ７の偏光分離面７aに表側から入射する。また、第１ビームスプリッタ５の偏光分離面５aを透過した第１偏光成分光R1も、偏光面の振動方向が同じ方向のまま、第１液晶素子１と第２液晶素子２の各液晶層を透過して出射し、第２反射鏡８で直角に反射されて第２ビームスプリッタ７の偏光分離面７aに裏側から入射する。
【００３６】
そして、第２ビームスプリッタ７の偏光分離面７aに表側から入射した第２偏光成分光R2は、偏光面の振動方向が偏光分離面７aに平行であるために、直角に反射される。一方、偏光分離面７aに裏側から入射した第１偏光成分光R1は、偏光面の振動方向がその偏光分離面７aに交差するために透過し、入射方向と同方向、つまり第２偏光成分光R2の出射方向と同方向に重畳して出射される。このため、第２偏光成分光R2と第１偏光成分光R1とが合成され、偏光分離される前の入射光Ｒiと同じ構成の出射光Ｒoとなって入射光Ｒiに対して直角方向に出射される。
【００３７】
以上のように、本実施形態例の光スイッチは、液晶装置ＬAを構成する各液晶素子１〜４に印加する電圧を入力信号に応じて一律に切り換えるだけの簡単な操作で、光信号を電気信号に変換することなく光信号のままその進行方向を９０°異なる方向に切り換えることができる。そして、この光スイッチ効果は、旋光手段としての液晶装置を複数の液晶素子で構成し、それら液晶素子を個々のリタデーションの温度依存性が互いに補償し合うように組み合わせてあるから、温度に拘わらず安定的に奏される。
【００３８】
次に、本発明の第２実施形態例について、図４(a)と図４(b)の模式的構成図に基づき説明する。図４(a)と図４(b)は、それぞれ、光の進行方向を変えずに出射させる状態と光の進行方向を９０°変化させて出射させる状態を示している。なお、上述の第１実施形態例と同一の構成要素は、同じ符号を付してその説明を省略する。
【００３９】
本例の光スイッチは、旋光手段としての液晶装置ＬAを２個の第１液晶素子１０と第２液晶素子１１とで構成し、偏光分離手段及び偏光合成手段として第１、第２反射偏光板１２、１４を用いたものである。
【００４０】
第１液晶素子１０と第２液晶素子１１は、共に液晶分子ｍLをそれぞれの基板１０a,１０b及び１１a,１１bに平行な所定方向に配向させたホモジニアス型液晶素子であり、それぞれの液晶分子配向方向が互いに直交する配置で並列に配置してある。そして、第１液晶素子１０と第２液晶素子１１のそれぞれのリタデーションの温度依存性を、前述の実施形態例と同様に、液晶装置ＬAが温度に拘わらず一定のリタデーションが得られるように互いに補償し合う構成としてある。即ち、本例の第１液晶素子１０と第２液晶素子１１からなる液晶装置ＬAは、前述した第１実施形態例における第１液晶素子１と第２液晶素子２からなる第１の液晶装置ＬA1或いは第１液晶素子３と第２液晶素子４からなる第２の液晶装置ＬA2と同一の構成である。液晶装置ＬAの光入射側には、偏光分離手段としての第１反射偏光板１２と第１の導光手段としての第１反射鏡１３を、第１液晶素子１０の光入射面の所定の領域に対向させるとともに、その光入射面に対し４５°に傾斜させた姿勢で互いに平行に配置してある。
【００４１】
第１反射偏光板１２は、光学軸として互いに直交する方向に反射軸１２aと透過軸１２bとを有するものであり、それら光学軸１２a、１２bを第１液晶素子１０の液晶分子の配向方向ｄ1に対して４５°で交差させた配置で、設置してある。
【００４２】
液晶装置ＬAを介してその光出射側には、前記第１反射鏡１３に対向する位置に偏光合成手段としての第２反射偏光板１４を、前記第１反射偏光板１２に対向する位置には第２の導光手段としての第２反射鏡１５を、それぞれ配設してある。これら第２反射偏光板１４と第２反射鏡１５は、第２液晶素子１１の光入射面に対し共に４５°に傾斜させた姿勢で互いに平行に配置してある。
【００４３】
ここで、第２反射偏光板１４は、第２液晶素子１１から出射する第２偏光成分光R2と第２液晶素子１１から出射し第２反射鏡１５により反射された第１偏光成分光R1とが直交する位置に、それぞれの偏光成分光R1、R2の各進行方向に対し４５°で交差する姿勢で配置してある。これにより、この第２反射偏光板１４の第２液晶素子１１に対向する面(以下、表面という)に入射する第２偏光成分光R2とその裏面に入射する第１偏光成分光R1とが合成され、出射光Ｒoとして所定方向に出射される。
【００４４】
以上のように構成された本例の光スイッチによる場合も、前述した第１実施形態例と同様に、図４(a)に示す第１、第２液晶素子１０、１１に電圧が印加されていないオフ時においては入射光Ｒiと同方向に出射光Ｒoが出射され、図４(b)に示す第１、第２液晶素子１０、１１に電圧が印加されたオン時においては、出射光Ｒoの出射方向が入射光Ｒiに沿った方向に対して直角の方向に切り換えられる。そして、この光スイッチ効果は、第１、第２液晶素子１０、１１の温度に拘わらず、常に安定して奏される。
【００４５】
なお、本発明は、上記実施形態例等に限定されるものではなく、本発明の技術的範囲において種々の変形が可能であることは勿論である。
【００４６】
例えば、図４に示した実施形態の変形例として、第１反射偏光板と第２反射偏光板を、図６に示すように部品として１個にまとめることも可能である。この変形例においては、図１に示す第１実施形態例と同様に液晶装置ＬAを第１の液晶装置ＬA1と第２の液晶装置ＬA2に分け、これらの間に１個の反射偏光部材１６を各液晶素子１〜４の入、出射面に対し４５°に傾斜させた配置で設けてある。これにより、反射偏光部材１６の第１液晶素子１の入射面に対向する部分が第１反射偏光板１２と同じ機能を果たす第１反射偏光部となり、反射偏光部材１６の第２液晶素子４の出射面に対向する部分が第２反射偏光板１４と同じ機能を果たす第２反射偏光部となる。
【００４７】
上述のように構成された本変形例の光スイッチによれば、部品数が少なくなって構造がより簡素化されるとともに、第１乃至第２実施形態例と同様に温度に拘わらず常に安定して所望の光スイッチ効果が奏される。
【００４８】
また、図７に示すように、液晶装置ＬAに対する入射光Ｒiの入射方向を、第１液晶素子１の入射面に対して平行とし、偏光分離手段としての第１ビームスプリッタ５と偏光合成手段としての第２ビームスプリッタ７を第１液晶装置ＬA1を介して対向配置してもよい。この場合、液晶装置ＬAのオフ時には、出射光Ｒoが入射光Ｒiに対して直角方向に出射され、オン時には出射光Ｒoが入射光Ｒiに対して逆方向に出射される。このように、本発明によれば、入射光に対する出射光の相対方向が異なる種々の光スイッチを実現することができる。
【００４９】
更に、複数の液晶素子からなる液晶装置の透過光に付与する位相差は、透過光の波長の１／２に限らず、透過光の波長の１／２の奇数倍であればよい。
【００５０】
また更に、本発明の液晶装置を構成する液晶素子としては、ホモジニアス型液晶素子に限らず、ツイストネマチック型液晶素子等の他の種々の液晶素子を用いることが可能である。この場合、透過光に温度に拘わらず波長の１／２の奇数倍相当分の位相差が付与されるように、液晶装置を構成する複数の液晶素子におけるそれぞれのリタデーションの温度依存性や配向処理方向の配置を設定すればよい。
【００５１】
更にまた、液晶装置の第１の液晶配向状態と第２の液晶配向状態における入射光の偏光面の各回転量は、上述の実施形態例等では９０°と０°に設定してあるが、これに限らず、１８０°と９０度或いは−４５度と４５°等、互いに９０°だけ異なる種々の組合せが可能である。
【００５２】
また更に、複数の液晶素子を組み合わせるだけで液晶装置のリタデーションを温度に拘わらず一定にすることが困難な場合は、一つの液晶素子に印加する電圧を液晶装置のリタデーションが一定になるように温度に応じて調整するようにしても良い。
【００５３】
加えて、第１と第２の導光手段は、それぞれ、１個の反射鏡に限らず、複数の反射鏡を組み合わせて構成してもよい。
【００５４】
【発明の効果】
この発明の光スイッチは、入射光の互いに直交する偏光成分のうちの一方の第１偏光成分光を反射し、他方の第２偏光成分光を透過させる偏光分離手段と、前記偏光分離手段により反射された前記第１の偏光成分光の進行方向を前記第２偏光成分光と平行な方向に導く第１の導光手段と、前記偏光分離手段により分離された第２の偏光成分光と、前記偏光分離手段により分離され、前記第１の導光手段により導かれた前記第１の偏光成分光が入射され、電界の印加に応じて液晶分子が基板に平行に配向した第１の配向状態と、液晶分子が基板に対して略直角に立ち上がり配向した第２の配向状態とに切り替え可能な液晶素子と、前記液晶素子への電界の印加と同時に印加される電界に応じて、前記第１の配向状態と前記第２の配向状態とに切り替えられ、前記液晶素子のリタデーションの温度依存性を補償する補償用液晶素子とからなり、それぞれ前記第１の配向状態の前記液晶素子と前記補償用液晶素子を透過した光のリタデーションの値と、それぞれ前記第２の配向状態の前記液晶素子と前記補償用液晶素子を透過した光のリタデーションの値との差が、透過光の波長の実質的に１／２の奇数倍の値に設定された液晶装置と、前記液晶装置の光出射側に配置され、前記偏光分離手段により分離された第２の偏光成分光の前記液晶装置を透過した光を、前記第１の偏光成分光の前記液晶装置を透過した光の進行方向と交差する方向に導く第２の導光手段と、前記第１の偏光成分光の前記電気光手段を透過した光と、第２の偏光成分光の前記電気光手段を透過して前記第２の導光板により導かれた光とが入力され、前記２つの光を同一の光路に出射させる偏光合成手段とからなり、入射光を互いに偏光方向が直交するＳ波とＰ波の偏光成分光に分離して液晶装置に入射させ、液晶装置を透過させる際に、その旋光作用により各偏光成分光を温度に拘わらず一定量旋光させ、この後、液晶装置を出射した各偏光成分光を合成するものであり、液晶装置に入力される信号に応じて透過光の旋光量が互いに９０°だけ異なる第１の液晶配向状態と第２の液晶配向状態に切り換えるものであるから、温度に拘わらず常に安定して光信号を電気信号に変換することなく光信号のままその進行ルートを切り換えることができる。その結果、広いデータ帯域の光信号の進行ルートを光のロス無く安定して正確に切り換えることができる安価な光スイッチを提供することが可能となる。
【００５５】
この光スイッチにおいては、前記液晶装置を構成する前記液晶素子と前記補償用液晶素子はそれぞれ、液晶分子が基板に対して平行に配向したホモジニアス型液晶素子を各液晶素子の液晶分子の配向方向が互いに直交する配置で設置して構成することが好ましく、これにより、温度に拘わらず安定的に光信号を光信号のままその進行方向を切り換えることができる光スイッチを簡素に構成することができる。
【００５６】
そして、複数のホモジニアス型液晶素子からなる液晶装置を、分離された各偏光成分光の光路中にそれぞれ配置するのがよく、これにより、温度変化に対しより安定して光のロスの少ない鋭敏な光スイッチ効果を得ることができる。
【００５７】
また、上述のように液晶装置を２個の液晶装置で構成した場合、１個の反射偏光板を偏光分離手段と偏光合成手段を兼用する部材とし、この反射偏光板を２個の液晶装置の間を通して斜めに配置してもよく、これにより、構成部材数が少なくなり、本発明の光スイッチの構造がより簡素化される。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１実施形態例としての光スイッチを示す模式的構成図で、(ａ)はその光スイッチがオフされた状態を示し、(ｂ)はオンされた状態を示す。
【図２】上記第１実施形態例における透過光の偏光面の方向と液晶分子の配向方向との関係を示す説明図。
【図３】上記第１実施形態における液晶素子のリタデーション値の温度依存性を示すグラフ図。
【図４】この発明の第２実施形態例としての光スイッチを示す模式的構成図で、(ａ)はその光スイッチがオフされた状態を示し、(ｂ)はオンされた状態を示す。
【図５】上記第２実施形態例におけるおける透過光の偏光面の方向と液晶分子の配向方向との関係を示す説明図。
【図６】この発明の上記実施形態例の変形例を示す模式的構成図。
【図７】この発明の上記実施形態例の他の変形例を示す模式的構成図。
【符号の説明】
１，３，１０…第１液晶素子
２，４，１１…第２液晶素子
ＬA …液晶装置
ＬA1…第１の液晶装置
ＬA2…第２の液晶装置
５…第１ビームスプリッタ
６，１３…第１反射鏡
７…第２ビームスプリッタ
８，１５…第２反射鏡
１２…第１反射偏光板
１４…第２反射偏光板
１６…反射偏光部材
Claims (4)
- 入射光の互いに直交する偏光成分のうちの一方の第１偏光成分光を反射し、他方の第２偏光成分光を透過させる偏光分離手段と、
前記偏光分離手段により反射された前記第１の偏光成分光の進行方向を前記第２偏光成分光と平行な方向に導く第１の導光手段と、
前記偏光分離手段により分離された第２の偏光成分光と、前記偏光分離手段により分離され、前記第１の導光手段により導かれた前記第１の偏光成分光が入射され、電界の印加に応じて液晶分子が基板に平行に配向した第１の配向状態と、液晶分子が基板に対して略直角に立ち上がり配向した第２の配向状態とに切り替え可能な液晶素子と、前記液晶素子への電界の印加と同時に印加される電界に応じて、前記第１の配向状態と前記第２の配向状態とに切り替えられ、前記液晶素子のリタデーションの温度依存性を補償する補償用液晶素子とからなり、それぞれ前記第１の配向状態の前記液晶素子と前記補償用液晶素子を透過した光のリタデーションの値と、それぞれ前記第２の配向状態の前記液晶素子と前記補償用液晶素子を透過した光のリタデーションの値との差が、透過光の波長の実質的に１／２の奇数倍の値に設定された液晶装置と、
前記液晶装置の光出射側に配置され、前記偏光分離手段により分離された第２の偏光成分光の前記液晶装置を透過した光を、前記第１の偏光成分光の前記液晶装置を透過した光の進行方向と交差する方向に導く第２の導光手段と、
前記第１の偏光成分光の前記液晶装置を透過した光と、第２の偏光成分光の前記液晶装置を透過して前記第２の導光手段により導かれた光とが入力され、前記２つの光を同一の光路に出射させる偏光合成手段と、
からなり、入射光を前記液晶装置に印加される電界に応じてそれぞれ異なる方向へ出射することを特徴とする光スイッチ。 - 前記液晶装置の前記液晶素子と前記補償用液晶素子は、それぞれ液晶分子を基板に平行に配向させた２個のホモジニアス型液晶素子であって、且つそれぞれの液晶分子の配向方向が互いに直交する配置で設置してなり、前記液晶素子と前記補償用液晶素子はそれぞれ、印加電圧に応じて液晶分子が基板に平行に配向した第１の配向状態と液晶分子が基板に対して略直角に立ち上がり配向した第２の配向状態との間で切り換えることにより、前記液晶装置を透過する光の偏光面を互いに略９０゜異ならせた光を出射することを特徴とする請求項１に記載の光スイッチ。
- 前記液晶装置は、前記第１偏光成分光の光路中に配置した第１液晶装置と、前記第２偏光成分光の光路中に配置した第２液晶装置とからなることを特徴とする請求項２に記載の光スイッチ。
- 前記偏光分離手段と前記偏光合成手段は、互いに直交する方向に反射軸と透過軸とを有し、入射光のうちの偏光面が前記反射軸に沿った偏光成分光を反射し偏光面が前記透過軸に沿った偏光成分光を透過させる１個の反射偏光板からなり、該反射偏光板を前記第1液晶素子と前記第２液晶素子との間を通して斜めに配置したことを特徴とする請求項３に記載の光スイッチ。
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