JP4184693B2

JP4184693B2 - 偏光制御型液晶光変調器

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Publication number: JP4184693B2
Application number: JP2002102426A
Authority: JP
Inventors: 昌史井出
Original assignee: Citizen Holdings Co Ltd; Citizen Watch Co Ltd
Current assignee: Citizen Holdings Co Ltd; Citizen Watch Co Ltd
Priority date: 2002-04-04
Filing date: 2002-04-04
Publication date: 2008-11-19
Anticipated expiration: 2022-04-04
Also published as: JP2003295152A; US7019724B2; US20030189538A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信用偏光制御型液晶光変調器とその駆動方法に関し、更に詳しくは光ファイバを用いた波長多重（ＷＤＭ）通信方式・光化ネットワークに用いる偏光制御型液晶光スイッチに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ネマティック液晶を用いた偏光制御型光変調器は、これまで液晶ディスプレイ用途で実用化が進んできた。その偏光制御型光変調器で使用される偏光回転子の代表例として９０°ツイステッドネマティック（ＴＮ）型液晶が挙げられる。ＴＮ型液晶セルは、基本的にコントラスト比を大きくクロストーク減衰量を大きくするのには適しているが、
応答時間がセル厚の２乗に比例するため、応答速度を高速化するために液晶セル厚を薄くする必要がある。ここで、λは波長、Δｎは液晶の屈折率異方性、ｄは液晶セルのセル厚とすると、いわゆるモーガン（Mauguin ）条件、λ／２がΔｎ・ｄに対して充分に小さい条件を満たさなくなるためウェーブガイド効果が小さくなる。その結果、コントラスト比が劣化するという現象が生じる。この問題を解決するためにＴＮ型液晶の代表的な応用例である今日の高速応答ＴＮ型ディスプレイは、式
ｄ＝（λ／２）・（ｕ／Δｎ）
のモーガンパラメータｕを３乗根に設定した液晶ディスプレイのノーマリーブラックモードで言うファースト（first: 以下１ｓｔと記載する）ミニマム条件にセルパラメータを決めてセル化をする場合が多い。
【０００３】
前記、１ｓｔミニマム条件を採用したＴＮ型液晶を光ファイバ通信用の２×２スイッチに応用した例として、参考文献は例えば（Y. Hakamata, T. Yoshizawa and T. Kodaira, “A 1.3 μm Single-Mode 2X2 Liquid Crystal Optical Switch”, IEICE Trans. Commun., Vol. E77-B, No.10 October 1994）がある。
この文献では、シングルモード光ファイバをコリメータで平行光に変換する入出力部を有し、偏光分離器と全反射ミラーとを一体化したプリズムと波長１．３μｍ帯で１ｓｔミニマム条件を満たすように設計された２つの該プリズムで挟持されたＴＮ型液晶からなる２×２スイッチが示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記文献の例でも示されているとおり、光ファイバ通信で用いられる波長は近赤外域であり、ディスプレイとして用いる場合の可視域の使用波長（例：緑で５５０ｎｍ）と異なり１３００ｎｍ帯や１５５０ｎｍ帯が使用されることが多い。
したがって、その使用波長が長いため、前記セル厚ｄが結果的に厚くなってしまう。このため、従来のＴＮ型液晶セルを光ファイバ通信用の偏光制御型光スイッチに使用すると、応答速度が遅くなってしまうことが問題となる。例えば、同期光ネットワーク（ＳＯＮＥＴ）や同期デジタルハイアラーキ（ＳＤＨ）などの規格では、ネットワークに障害が起こったときに復帰時間として５０ｍ秒以下であることが規定されている。
【０００５】
また、ネットワークシステムの光化が今後進展していく場合も、従来からのネットワークとの親和性が重要であり、光スイッチの応答時間は少なくとも５０ｍ秒より短くする必要が生じる。この様な、前記規格に順ずる偏光制御型光変調器に、従来のＴＮ型液晶をそのまま液晶光スイッチに適用することができなかった。以下にその詳細について述べる。
【０００６】
まず、光スイッチの偏光回転子をＴＮ型液晶技術を用いて実現することを考える。中心波長を光ファイバ通信で多用されている１５５０ｎｍとした場合、前記１ｓｔミニマム条件を満たすセル厚は、液晶をＺＬＩ−４７９２（メルクジャパンの商品名）を使用するとΔｎ（液晶の屈折率異方性）を０．０９としたときに、液晶セル厚ｄはほぼ１５μｍとなる。このとき立ち上がり応答時間τｒは、液晶セルに印加する電場の大きさの２乗に逆比例する。よって、セル厚が厚くても印加電圧を大きくすれば５０ｍ秒以下にすることが可能となるが、立ち下り応答時間τｄは、液晶のセル厚の２乗に比例するため、室温近傍において１５０ｍ秒以上になってしまい、従来の構成の液晶セルのままでは光通信に用いられる光スイッチには実用上適さない。
【０００７】
また、偏光回転子に、液晶セルを０次の半波長板として用いた光スイッチで実現することを考えた場合、アンチパラレル又はパラレル配向の液晶セルが半波長板となるためのセル厚は、
ｄ＝λ／（２・Δｎ）
となる。ここで、前記ＺＬＩ−４７９２のΔｎ＝０．０９とし、中心波長λを１５５０ｎｍとしたときに、セル厚ｄは約８．６μｍとなる。この場合、ＴＮ型液晶セルより立ち下り応答時間τｄは３倍程度高速になり、約６０ｍ秒が得られるがＴＮ型液晶セルを用いた場合より、クロストーク減衰量を大きく出来る波長の帯域が狭くなってしまうという問題があった。
【０００８】
本発明の目的は上記のような課題を解決し、光ファイバ通信に適用可能な、単純な構造を有し、高速で広帯域であり、更に光減衰器にも応用可能な偏光制御型液晶光スイッチの構成法を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記目的を達成するために、基本的には、下記に記載されたような技術構成を採用するものである。
【００１０】
すなわち、第１の手段は、少なくとも１枚の偏光制御用液晶セルを含む液晶偏光回転子を備え、前記液晶偏光回転子は、偏光回転動作するときに前記液晶偏光回転子へ入射する所定の波長の直線偏光に対して半波長板として動作し、前記偏光制御用液晶セルは、前記半波長板として動作するときの中心波長を可変とする機能と、さらにクロストーク減衰量を最大に保つ機能とを有する構成とすることを特徴とするものである。
【００１１】
また、第２の手段は、前記偏光制御用液晶セルを、一対の基板で挟持された液晶層をアンチパラレルまたはパラレルのいずれかに統一して配向させたセルとすることであり、第３の手段は、前記液晶偏光回転子を、少なくとも１枚の偏光制御用液晶セルと、その偏光制御用液晶セルを通る光路上の位置に、前記クロストーク減衰量を最大に保つための残留複屈折補償手段を有することであり、第４の手段は、前記残留複屈折補償手段を、一対の基板で挟持された液晶層をアンチパラレルまたはパラレルのいずれかに配向させた残留複屈折補償用液晶セルとし、その残留複屈折補償用液晶セルと、前記偏光制御用液晶セルとのそれぞれの液晶ダイレクタ方位角がほぼ直交となるように配した構成とすることであり、第５の手段は、前記残留複屈折補償手段を、水晶板または異方性フィルムからなる残留複屈折補償用波長板であり、その残留複屈折補償用波長板のｃ軸が前記偏光制御用液晶セルのダイレクタと直交するように配置した構成とすることである。
第６の手段は、少なくとも１枚の偏光制御用液晶セルを含む液晶偏光回転子と、前記偏光制御用液晶セルに電圧を印加する電圧印加手段と、印加する電圧を制御する制御装置とを備え、前記制御装置が、前記偏光制御用液晶セルに印加する電圧値を制御することにより、前記液晶偏光回転子のリタデーションを変更し、前記液晶偏光回転子に入射する所定の波長の光を偏光回転させる構成とすることを特徴とするものである。また、第７の手段は、前記制御手段が、前記リタデーションが半波長板条件を満たす電圧を印加し、前記液晶偏光回転子を半波長板として動作させる構成とすることであり、第８の手段は、前記制御装置が、前記リタデーションが半波長板条件を満たす電圧をシフトさせることにより中心波長を可変とする構成とすることであり、第９の手段は、前記制御装置が、前記リタデーションが半波長板条件を満たす電圧を印加し、前記液晶偏光回転子を通過する直線偏光のクロストーク減衰量を最大とする構成とすることである。
【００１２】
〔作用〕
本発明の偏光制御型液晶光スイッチにおける液晶偏光回転子は、同じ光軸方向のアンチパラレルまたはパラレル配向のいずれかに統一された理想的には２枚以上の複数の偏光制御用液晶セルを多段に配置し、さらに理想的には位相を補正するための残留複屈折補償手段である、少なくとも１枚以上の残留複屈折補償用波長板または液晶セルを光路に挿入した構造である。
この複数の偏光制御用液晶セルの第１から第ｋ番目までの偏光制御用液晶セルには、複数の偏光制御用液晶セルにおける個々のΔｎが等しいセルを用いた。また、前記複数の偏光制御用液晶セルの最も光入射側に位置する第１の偏光制御用液晶セルの光入射側基板に接する液晶のダイレクタ方位角を基準としたとき、第i番目の偏光制御用液晶セルの光入射側基板に接する液晶のダイレクタ方位角は、第ｉ−１番目の偏光制御用液晶セルの光出射側基板に接する液晶のダイレクタ方位角にほぼ等しくなるように配置する。さらに、前記残留複屈折補償用液晶セルを採用する場合、残留複屈折補償用液晶セルのダイレクタ方向を偏光制御用液晶セルのダイレクタ方向にほぼ直交とし、さらにそのセルの液晶層をアンチパラレルまたはパラレルのいずれかに配向した構造とする。なお、前記偏光制御用液晶セルと前記残留複屈折補償用液晶セルの配向は、アンチパラレル、パラレルの同じ配向としても構わないし、異なる配向としても構わない。
【００１３】
まず、透過型液晶セルで液晶偏光回転子を構成する場合を例に本発明に適用する偏光制御用液晶セルのセル厚ｄについて考察する。アンチパラレルまたはパラレル配向型液晶素子で良く知られているように、偏光制御用液晶セルを所定の波長λにおいてスイッチング可能な半波長板として用いるときのセル厚の条件は、
ｄ＝λ／（２・Δｎ）（１）
となる。ｄは偏光制御用液晶セルの総セル厚、Δｎは電場無印加時の液晶の屈折率異方性、λは波長である。
【００１４】
しかし、本発明の構造では、前述の通り、光スイッチの光路に残留複屈折補償用液晶セルを挿入しても良い。この場合、偏光制御用液晶セルと残留複屈折補償用液晶セルの複合素子からなる液晶偏光回転子が半波長板として作用する必要がある。したがって、液晶偏光回転子の合成リターデーションΔｎ_ｔ・ｄ_ｔは、偏光制御用液晶セルのリターデーションをΔｎ・ｄとして、残留複屈折補償用液晶セルのリターデーションをΔｎ_c・ｄ_cとおいたとき

という条件を満たす必要がある。この式から、偏光制御用液晶セルのセル厚ｄは、
ｄ＝λ／（２・Δｎ（Ｖ₁））＋（Δｎ_c／Δｎ（Ｖ₁））ｄ_c （３）
を満たすように設定することが好ましい。ここで、Δｎ_cは残留複屈折補償用液晶セルに補償用電圧Ｖ_ｃを印加したときの補償動作時の複屈折率であり、ｄ_cは残留複屈折補償用セルの厚さである。また、Δｎ（Ｖ₁）は、偏光制御用液晶セルに電圧Ｖ₁を印加したときの実効複屈折率を示している。（２）および（３）式においては、残留複屈折補償用液晶セルの補償動作時の複屈折率を異常軸の屈折率から常軸の屈折率を引いた値として定義するためΔｎ_cはいつも正の値である。
【００１５】
ここで、上記（２）式を満たし、全ての偏光制御用液晶セルのダイレクタ方位角を同じくし、多段に配した複数の偏光制御用液晶セルの作用について説明する。本発明の液晶光スイッチは、それぞれの偏光制御用液晶セルの電極に小バイアス電圧Ｖ₁を印加した場合は、半波長板条件と光学的には等価となる。したがって、所定の波長で第１の偏光制御用液晶セルの入射側ダイレクタ方位角とπ／４かその奇数倍だけ傾いた方位角を持つ入射直線偏光は、第ｋ番目の偏光制御用液晶セルの出射側で楕円偏光となることなく、入射直線偏光の方位角に対して出射直線偏光の方位角をπ／２ラジアン回転させることができる。
【００１６】
それに対し、第１から第ｋ番目の各偏光制御用液晶セルに所定の大バイアス電圧Ｖ₂を印加した場合は、各偏光制御用液晶セルのリターデーションが小さくなり、更に各偏光制御用液晶セルの残留複屈折分を残留複屈折補償用液晶セルでほぼ消失することができるため、入射直線偏光は、方位角を回転することなく第ｋ番目の偏光制御用液晶セルから出射させることができる。したがって、本発明の偏光制御型液晶光スイッチにおいては出射側に偏光ビームスプリッタや複屈折結晶を用いた偏光ビームセパレータなどを配置し、上述の如く印加する電圧Ｖ₁、電圧Ｖ₂を制御することで、入射直線偏光の方路変更および所定の出射方向への出射光強度を可変とすることが可能となり、光スイッチに適用できる。
【００１７】
次に、本発明の液晶光スイッチの応答速度について説明する。簡単のため、液晶偏光回転子が、等しいセル厚みを持つ２枚の偏光制御用液晶セルと、残留複屈折補償用液晶セルで合成したリターデーション（Δｎ_t・ｄ_t）が２分の１波長板条件からなる本発明の偏光制御型の液晶光スイッチとした場合について考察する。
【００１８】
従来の偏光制御用液晶セル１枚からなる半波長板液晶セルにおいて、セル厚ｄは（１）式の通り、
ｄ＝λ／（２・Δｎ）
としている。本発明の液晶偏光回転子が２枚のほぼ４分の１波長板条件の偏光制御用液晶セルからなる偏光制御型液晶光スイッチの場合は、２枚の偏光制御用液晶セルでセル厚ｄを２分割できるため、一枚あたりのセル厚をほぼｄ／２とすることができる。アンチパラレルまたはパラレル配向の半波長板条件の液晶セルにおいて、電場無印加から電場印加時の立ち上がり応答時間τｒは、印加電圧をＶとすると近似的に
τr が（ｄ／Ｖ）² に比例する
という関係が知られている。また、電場印加状態から電場無印加時の立ち下り応答時間（τｄ）は、近似で
τｄがｄ² に比例する
ことが知られている。例えば、従来技術と比較して本発明の液晶偏光回転子が２枚のほぼ４分の１波長板条件の偏光制御用液晶セルと残留複屈折補償用液晶セルからなる偏光制御型液晶光スイッチの場合、同一液晶材料で比較すると、それぞれの応答速度を４倍程度にまで高速にできる。ここで、厚み方向の分割数を増やして、一枚あたりのセル厚を薄くすればさらに高速化が可能となり、従来技術における構成では達成できなかった立ち上がり応答時間τｒと、立ち下り応答時間τｄをともに２０ｍ秒以下にすることが容易となる。
【００１９】
更に、本発明の液晶スイッチを構成する液晶偏光回転子は、偏光制御用液晶セルに電圧を印加したときに残る残留複屈折成分を光路に挿入する残留複屈折補償用波長板または残留複屈折補償用液晶セルにより、等価的に液晶偏光回転子のリターデーションを０に近づけることができる。このため、光スイッチのクロストークアッテネーションを低減することが可能である。
【００２０】
また、液晶偏光回転子を構成する偏光制御用液晶セルはアンチパラレルやパラレル配向などの平行配向セルを用いるため、半波長板条件となる波長を印加電圧制御により変化させることができ、さらにその液晶偏光回転子に入射する光の所定の波長において、もっともクロストーク減衰を大きくすることが可能となる。したがって、使用波長に応じて半波長板条件を最適にする設計を採用すれば、見かけ上の光スイッチとして使用可能なバンド幅を広くとることができる。
【００２１】
以上の説明で明らかなように、本発明の液晶光スイッチでは、単純な構成で簡便な駆動方法により高速・広帯域で高機能な光スイッチおよび可変光減衰器を実現できる。また、本発明の目的は、光ファイバを用いた波長多重（ＷＤＭ）通信や光化ネットワークに用いる偏光制御型液晶光スイッチを提供することだが、本発明の範囲はここに述べる装置により限定されないで、例えば自由空間光通信装置用の液晶光変調器への応用も可能であることは言うまでもない。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明を実施するための最良な形態における液晶光スイッチの構成とその駆動方法を説明する。
【００２３】
はじめに本発明の実施形態における液晶光スイッチの構成を、図を用いて説明する。図２は本発明の実施形態における液晶光スイッチを構成する液晶セル２２０の構成を説明するための構造断面図である。
【００２４】
図２に示すように、本発明の液晶制御型光スイッチの偏光制御用および残留複屈折補償用に用いる液晶セル２２０は、信号電極２１１を形成した第１の基板２０３と共通電極２１３を形成した第２の基板２０５の間にネマティック液晶層２０１を挟持することにより構成している。このネマティック液晶層２０１は、第１の基板２０３の信号電極２１１の上と第２の基板２０５の共通電極２１３の上とに形成した配向層２１７によって電場無印加時のポジ（ｐ）型液晶分子のダイレクタ２０７のプレティルト角２０９が、０．５度から２０度となるようにアンチパラレル配向とする。ここで、配向層２１７はポリイミドで形成し、ラビング法により液晶分子を所定の方向に配向させる。また図２では、アンチパラレル配向の場合を示したがダイレクタ２０７はパラレル配向としても良い。
【００２５】
図２には明示しないが、第１の基板２０３と第２の基板２０５は、ネマティック液晶層２０１が数μｍの所定の一定厚みを保持するようにスペーサを介して液晶セル２２０周辺部をシール材で固定する。また図２には示していないが、信号電極２１１と共通電極２１３が短絡するのを防ぐために、信号電極２１１の上か共通電極２１３の上または両方に五酸化タンタル（Ｔａ₂Ｏ₅）や二酸化シリコン（ＳｉＯ₂）などの透明絶縁膜を配向層２１７の下に形成しても良い。
【００２６】
第１の基板２０３上に形成する信号電極２１１と第２の基板２０５上に形成する共通電極２１３は、アレイ化する場合など必要に応じて透明導電膜からなる所定のパターンを形成する。
透明導電膜として酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）を用いる時は、膜厚を５０ｎｍ以下とし、さらに、近赤外域での透過率を向上するために、成膜時に酸素濃度を多くしたシート抵抗数百Ωから１ｋΩ程度の膜を使用することが望ましい。これは、通常低抵抗のＩＴＯが可視光領域だと透明であるが近赤外領域では、入射光の振動数が低抵抗のＩＴＯのプラズマ周波数より低い振動数となり、金属的な反射特性を示すためである。ここでは、キャリヤ濃度が小さくなる分だけ近赤外領域の反射率を小さくする事が出来る酸素濃度の高い高抵抗のＩＴＯを用いた。また、ＩＴＯのほかに透明導電膜としては、酸化インジウム（Ｉｎ₂Ｏ₃）、酸化スズ（ＳｎＯ₂）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）などの薄膜が使用可能である。この場合も、膜厚は５０ｎｍ以下として、シート抵抗数は数百Ωから１ｋΩ程度の膜を使うことが望ましい。
【００２７】
さらに、ガラスからなる第１の基板２０３および第２の基板２０５のネマティック液晶層２０１と反対の面には、空気と基板界面での反射を防止するため必要に応じて無反射コート２１５を形成する。また、図２では無反射コート２１５は第１の基板２０３上だけに形成した場合を示したが、第２の基板２０５の下にも必要に応じて形成する。
【００２８】
次に本発明の液晶偏光回転子に用いる偏光制御用液晶セルを、セル厚およびプレティルト角の等しいアンチパラレル配向液晶セル２段で構成した場合について図３および図４を用いて説明する。図３は第１の偏光制御用液晶セル３０１と第２の偏光制御用液晶セル３０３および残留複屈折補償用液晶セル３３１から構成した液晶偏光回転子３１７を模式的に示す図である。
図３において、第１の偏光制御用液晶セル３０１は、第１のガラス基板３１９と第２のガラス基板３２１とで第１の液晶層３０５を挟持した構造とする。また、第２の偏光制御用液晶セル３０３は、第３のガラス基板３２３と第４のガラス基板３２５とで第２の液晶層３０７を挟持した構造とする。第１の液晶セル３０１の第１のセル厚みｄ_１と第２の液晶セル３０３の第２のセル厚みｄ_２は等しくする。さらに、第1の液晶セル３０１と第２の液晶セル３０３との間に残留複屈折補償用液晶セル３３１を配置する。残留複屈折補償用液晶セル３３１は第５のガラス基板３２７と第６のガラス基板３２９とで第３の液晶層３０６を挟持した構造とする。本実施例では第1の偏光制御用液晶セル３０１と第２の偏光制御用液晶セル３０３との間に前記残留複屈折補償用液晶セル３３１を配置する例を示したが、液晶偏光回転子３１７の光路内であれば、第１の偏光制御用液晶セル３０１の直前や第２の偏光制御用液晶セル３０３の直後などに配置しても構わない。また、図３には明示しないが、第１の偏光制御用液晶セル３０１と第２の偏光制御用液晶セル３０３および残留複屈折補償用液晶セル３３１は、図２で説明した液晶セル２２０と同じ構成とする。
【００２９】
図３における第１の液晶層３０５と第２の液晶層３０７および第３の液晶層３０６中の矢印は、液晶分子の配向状態を示すためのものであり、液晶のダイレクタを模式的に示したものである。ここで、第１の偏光制御用液晶セル３０１において、第１のガラス基板３１９と第１の液晶層３０５との界面を第１の界面３０９とし、同様に第２のガラス基板３２１と第１の液晶層３０５との界面を第２の界面３１１とする。さらに第２の偏光制御用液晶セル３０３において、第３のガラス基板３２３と第２の液晶層３０７との界面を第３の界面３１３とし、第４のガラス基板３２５と第２の液晶層３０７との界面を第４の界面３１５とする。さらに残留複屈折補償用液晶セル３３１において、第５のガラス基板３２７と第３の液晶層３０６との界面を第５の界面３３３とし、第６のガラス基板３２９と第３の液晶層３０６との界面を第６の界面３３５とする。
【００３０】
ここで、ｘ−ｙ−ｚ座標系において、ｘ軸の正の方向からｙ軸の正の方向に時計回りの方向を正の方位角とした場合に、第１の偏光制御用液晶セル３０１の第１の界面３０９側の液晶ダイレクタの方位角をπ／４ラジアンにとり、厚み方向をｚ軸に平行となるように選ぶことにする。
【００３１】
次に各界面３０９，３１１，３１３，３１５，３３３，３３５での液晶ダイレクタの方向を、それぞれ図４（ａ）〜（ｄ）、図５（ａ）〜（ｂ）の平面図に示す。以下、図３と図４、図５とを交互に参照しながら説明する。
図４（ａ）に示す第１の界面３０９においては、第１の液晶ダイレクタ４０１のｘ軸から測った方位角α₁をπ／４ラジアンとし、図３に示す第１の偏光制御用液晶セル３０１は、アンチパラレル配向としてあるので、図４（ｂ）に示す第２の界面３１１においては、第２の液晶ダイレクタ４０３の方位角α₂もπ／４ラジアンとなる。次に図４（ｃ）における第３の界面３１３の第３の液晶ダイレクタ４０５の方位角α₃は、第２の液晶ダイレクタ４０３と平行にするため、π／４ラジアンとなり、図３に示すように第２の偏光制御用液晶セル３０３もアンチパラレル配向としてあるので、図４（ｄ）における第４の界面３１５における第４の液晶ダイレクタ４０７の方位角α₄はπ／４ラジアンとなる。
さらに、図５（ａ）に示すように、第５の界面３３３の第５の液晶ダイレクタ４２１の方位角α₅は、隣接する第２の液晶ダイレクタ４０３と直交させるため、ｘ軸に対して−π／４ラジアンとなり、図３に示すように残留複屈折補償用液晶セル３３１もアンチパラレル配向としてあるので、図５（ｂ）における第６の界面３３５における第６の液晶ダイレクタ４２３の方位角α₆は−π／４ラジアンとなる。
【００３２】
この様な構成とすることで、前記液晶パネルの偏光制御用液晶セル３０１，３０３を小電圧Ｖ₁印加状態とし、残留複屈折補償用セル３３１に所定の電圧Ｖ_cを印加することで図４（ａ）における入射直線偏光４１０を、図４（ｄ）における出射直線偏光４１３で示すように方位角をπ／２ラジアン回転させることができる。また、前記液晶パネルの偏光制御用液晶セル３０１，３０３を大電圧Ｖ₂印加状態とし、残留複屈折補償用セル３３１に所定の電圧Ｖ_cを印加することで、前記方位角を回転させることなく出射させることができることがわかる。
【００３３】
ここまででは、等しいセル厚を持った２枚の偏光制御用液晶セル３０１，３０３および残留複屈折補償用液晶セル３３１で液晶偏光回転子３１７を構成する場合を説明したが、偏光制御用液晶セルを３枚以上のｋ枚で本発明を構成することもできる。この場合、その全セル厚ｄは、第１のセル厚ｄ₁から第ｋのセル厚ｄ_kとおいたとき、
ｄ＝ｄ₁＋ｄ₂＋．．．ｄ_k （４）
となる。使用する液晶材料の異常光屈折率をｎ_e、常光屈折率をｎ_oとしたとき局所実効異常光屈折率δｎ_effは、液晶のティルト角をθとしたとき、
δｎ_eff=(sin²θ／ｎ_o ²＋cos²θ／ｎe²)^-1/2 （５）
となる。実際の液晶セル内では局所実効異常光屈折率δｎ_effは、印加電場とセルの厚み方向の関数となるため、液晶セル厚をｄとしたとき、一枚の液晶セル全体としての実効異常光屈折率ｎ_eff（Ｖ）はある所定の電圧Ｖにおいて、（５）式をセル厚方向に０からｄまで積分した次式（６）の値となる。
ｎ_eff（Ｖ）＝∫δｎ_effｄｚ（∫はｚ＝０からｄまで）（６）
ここで、本発明の液晶光スイッチにおける各偏光制御用液晶セルの実効複屈折率Δｎ（Ｖ）は、電圧の関数であり、
Δｎ（Ｖ）＝ｎ_eff（Ｖ）−ｎ_o （７）
とおくことが出来る。したがって、所定の波長λにおいて３枚以上の液晶セルで構成された全セル厚ｄ_tは、前記（３）式
ｄ_t＝λ／（２・Δｎ（Ｖ₁））＋（Δｎ_c／Δｎ（Ｖ₁））ｄ_c
を満たすようにする。ここで、Δｎ_cは残留複屈折補償用液晶セルの補償動作時の複屈折率であり、ｄ_cは残留複屈折補償用液晶セルの厚さである。
また、偏光制御用液晶セルに小電圧Ｖ₁を印加して、残留複屈折補償用液晶セルに所定の電圧Ｖ_cを印加し、液晶偏光回転子が前記（３）式の条件を満たす場合、前記液晶偏光回転子は、光学的には良く知られているように、水晶などの光学結晶で作製した０次の半波長板と等価となる。（参考文献：例えばPochi Yeh and Claire Gu, Optics of Liquid Crystal Displays, Wiley, 1999）
【００３４】
また、偏光制御用液晶セル２枚で構成された液晶偏光回転子と同様に、第１から第２ｋまでの界面での液晶ダイレクタの方位角α_kは、第１の液晶ダイレクタの方位角α1と全て等しくする必要がある。例えば、
α₁＝π／４ラジアンとしたときに
α₁＝α₂
α₂＝α₃
．．．
α_2k-1＝α_2k
となるように設定する。
上記の様に、（３）式を満たし、かつ３枚以上の複数の偏光制御用液晶セルのそれぞれのダイレクタの方位角をほぼ同一とすることで、２枚の偏光制御用液晶セルで構成された液晶偏光回転子と同じ様に、偏光制御型液晶光スイッチに適用できることがわかった。なお、作用欄での説明の如く、３枚以上の偏光制御用液晶セルであっても本発明の構成とすれば、その分一枚のセル厚を薄くして応答速度を高速化できる。その応答速度を考慮して、ｎ個の偏光制御用液晶セルで本発明の液晶偏向回転子を構成した場合に、各偏光制御用液晶セルのリタデーションをほぼ１／２ｎ波長とする形態が最も好ましい。
【００３５】
次に、本発明の液晶偏光回転子の具体的な構成について詳細に説明する。図３において、液晶偏光回転子３１７を構成する偏光制御用液晶セルの全セル厚ｄ_tは、半波長板として機能するセル厚ｄ₀に残留複屈折補償用液晶セルを補正するための補正セル厚ｄ_cpを足したものと考えることが出来、前述の（３）式と同じ、

となる。
ここで、残留複屈折補償用液晶セル３３１においては、偏光制御用液晶セル３０１，３０３に所定の電圧を印加したときに残る残留複屈折成分を等価的にキャンセルできれば良いので、例えば残留複屈折補償用液晶セル３３１にリターデーションΔｎ_c・ｄ_cが１４分の１波長となる電圧を印加する設計例について説明する。
はじめに、偏光制御用液晶セルを２枚構成とし、残留複屈折補償用液晶セルを１枚とする。ここで、各液晶セルの厚みは３枚とも同じでｄとする。先に示したように液晶偏光回転子の見かけ上の全厚みｄ_tと見かけ上の全複屈折ｎ_tの積である見かけ上のリターデーションは（２）式の関係を満たせば良い。

ここで、先の仮定によりΔｎ_c・ｄ_cはλ／１４である。
【００３６】
各液晶セルは、中心波長λを１５５０ｎｍ、プレティルト角を１°として、例えば液晶材料にＺＬＩ−４７９２（メルクジャパンの商品名）を用いた場合、Δｎは約０．０９である。またこのとき、λ／１４は約０．１１１[μｍ]となり、上記式（２）によると、
ｄ＝９．８ [μｍ]
となる。したがって、液晶偏光回転子３１７を２枚の偏光制御用液晶セルで構成する場合、第１の液晶セル３０１のセル厚ｄ₁および第２の液晶セル３０３のセル厚ｄ₂は、少なくとも、
ｄ₁＝ｄ₂＝４．９ [μｍ]
と設定すれば良いことがわかる。ここでは、ｄ₁＝ｄ₂＝５[μｍ]として若干のバイアスＶ₁を印加することで、液晶偏光回転子３１７を半波長板として動作させることを考える。これは、バイアスを印加することで、温度等が変化してもバイアスの制御によって液晶セルのリターデーションの変化を最小とし、液晶偏光回転子３１７を常時半波長板として動作することに役立つ。
【００３７】
つぎに、前記構成における偏光制御用および残留複屈折率補償用液晶セルに印加する最適なバイアス値について説明する。図９は液晶セル厚を５μｍとしたときの液晶セル一枚あたりの駆動電圧―リターデーション（Δｎ・ｄ）特性を示すグラフである。
中心波長１５５０ｎｍにおいて、２枚の偏光制御用液晶セル３０１および３０３への小バイアスＶ₁印加時は、液晶偏光回転子３１７全体のリターデーションΔｎ_t・ｄ_tを１．５５[μｍ]の半分の約０．７８[μｍ]とする必要がある。したがって、（２）式を変形して、

となる。この結果、図９のグラフから２枚で構成される偏光制御用液晶セル1枚に対して、バイアスＶ₁は、Δｎ（Ｖ₁）・ｄ₁が０．４４３[μｍ]となる１．８[Ｖ]を印加すれば良いことがわかる。また、仮定より、残留複屈折補正用液晶セル３３１のリターデーションは、λ／１４で約０．１１１[μｍ]であり、セル厚ｄ_cはｄ₁およびｄ₂と等しいとしたので同じ図９のグラフから、残留複屈折補償用液晶セル３３１には、電圧４．８[Ｖ]を常時印加すれば良いことがわかる。
【００３８】
以上のように構成した液晶偏光回転子３１７の偏光制御用液晶セル３０１および３０３に、図９より求めた小バイアス１．８［Ｖ］を印加した場合を考える。図４（ａ）における第１の界面３０９の第１の液晶ダイレクタ４０１に対して方位角が−π／４だけ傾いた方位角β1＝０ラジアンの入射直線偏光４１０を入射すると、図４（ｄ）における第４の界面３１５の平面を出射する出射直線偏光４１３は第４の液晶ダイレクタ４０７に対して＋π／４だけ傾いた方位角β2＝π／２ラジアンで振動する直線偏光とすることができる。つまり、２枚の第１および第２の偏光制御用液晶セル３０１，３０３と残留複屈折補償用液晶セル３３１からなる液晶偏光回転子３１７は、入射直線偏光４１０を方位角π／２回転だけさせて出射直線偏光４１３に偏光を回転する０次の半波長板の働きをすることがわかる。
【００３９】
つぎに、作用欄で説明した、光スイッチのクロストークアッテネーションについて説明する。図８は、図４における出射直線偏光４１３に直交する漏れ光成分の波長依存性を説明するための図面である。なお、図８における符号８０３は、本発明の複屈折板に０次の半波長板条件で作製した液晶偏光回転子特性のアイソレーション特性を示し、符号８０１は、従来技術の１ｓｔミニマム条件で作製した９０°ＴＮ型偏光回転子特性のアイソレーション特性を示す。
前述の通り、本発明の構成で小バイアス１．８［Ｖ］を印加した場合、アイソレーション特性が理想的な偏光回転子として機能すれば、図４（ａ）における入射直線偏光４１０は、図４（ｄ）における出射直線偏光４１３に全て変換されるはずである。しかしながら、所定の波長の半波長板条件から使用波長が離れるに従って、実際は出射直線偏光４１３に直交する成分も同時に生じてしまい、光スイッチのクロストーク成分となってしまう。
【００４０】
実用的に考えてアイソレーションが−３０ｄＢより大きくなる波長範囲を動作波長範囲と見なして比較した場合、中心波長を１５５０[ｎｍ]で比べたときに、従来技術の９０°ＴＮ型偏光回転子特性８０１の−３０ｄＢ範囲８１０が約８０[ｎｍ]に対して、本発明の半波長板型の液晶偏光回転子特性８０３における−３０ｄＢ範囲８１３は、約６０[ｎｍ]と約３／４に狭くなるものの、本発明の半波長板型の液晶偏光回転子では、偏光制御用液晶セルに印加するバイアスの値を可変することで、クロストークアッテネーションが最大となる中心波長をシフトさせられる。このため、光スイッチとして適用できる使用可能帯域を大幅に広げる事が可能となる。その一例を下記に示す。例えば、偏光制御用液晶セルに印加する小バイアスを１．８[Ｖ]から１．８５[Ｖ]に変更すると特性はシフト後の液晶偏光回転子特性８０５となり、クロストークアッテネーションが最大となる中心波長を１５５０[ｎｍ]から、１５２９[ｎｍ]にシフトさせることができる。さらに、半波長板として機能する本発明の光スイッチは、全セル厚ｄを従来技術の９０°ＴＮ型偏光回転子と比較して、およそ１／３^1/2だけ薄く出来る特長から、特に高速スイッチが必要な場合はこの半波長板型の構成が適していることがわかる。
【００４１】
次に、本発明の光スイッチとして駆動するための具体的な方法について詳述する。まず、第１と第２の偏光制御用液晶セル３０１，３０３に十分大きな電場を印加した場合の動作を説明する。第１の偏光制御用液晶セル３０１と第２の偏光制御用液晶セル３０３に十分大きな所定の電圧Ｖ₂を印加した場合、各セルの液晶分子は、電場方向に並ぶため異方性が小さくなる。図９は液晶セル厚を５μｍとしたときの液晶セル一枚あたりの駆動電圧―リターデーション（Δｎ・ｄ）特性９０１を示すグラフであり、中心波長１５５０ｎｍにおいて、１４分の１波長の複屈折補正量を与える電圧Ｖ_cを印加した残留複屈折補償用液晶セル３３１を用いた場合のリターデーションは０．１１１[μｍ]であるから、二枚で構成される偏光制御用液晶セルでは一枚あたり０．０５５[μｍ]の補正が必要となる。また、このときに偏光制御用液晶セル３０１，３０３には、図９より印加電圧Ｖ₂として８．９[Ｖ]を印加すれば良いことがわかる。したがって、このとき液晶偏光回転子３１７全体では、常光と異常光との区別が無くなり複屈折に起因する位相差を生じなくなる。この結果、入射直線偏光４１０は、出射しても方位角を入射時とおなじ０ラジアンとすることができる。
【００４２】
更に駆動時には、液晶偏光回転子３１７に電場を印加する場合、第１の偏光制御用液晶セル３０１と第２の偏光制御用液晶セル３０３に同時に十分大きな電圧Ｖ₂（前記の例においては８．９［Ｖ］）を印加するようにする。また、液晶偏光回転子３１７を小バイアスＶ₁印加状態（前記の例の場合は１．８［Ｖ］）にする場合も、第１の偏光制御用液晶セル３０１と第２の偏光制御用液晶セル３０２へ印加している電場を同時に取り去るようにする。このような駆動方法を採用することで、スイッチング時間は厚さを分割した偏光制御用液晶セル３０１および３０３で決められるため、液晶偏光回転子３１７の高速スイッチングが可能となる。
【００４３】
以上の説明で明らかなように本発明の液晶偏光回転子を用いた偏光制御型液晶光スイッチにおいては、偏光回転時（本実施例では小バイアス１．８[Ｖ]印加）の入射直線偏光が偏光回転後に楕円偏光となることがなく、光学特性を最適にすることが可能であるとともに、偏光非回転時（電場印加時）も入射直線偏光が楕円偏光となることがなく光学特性を最適にすることを可能とし、さらに応答時間を短縮することが可能となる。
【００４４】
なお、以上の説明では、液晶偏光回転子３１７の偏光非回転時の残留複屈折補償を残留複屈折補償用液晶セル３３１で補償する構成を説明したが、残留複屈折補償用液晶セル３３１の代りに所定のリターデーションを有する水晶や異方性フィルムからなる波長板を挿入しても良い。ここでは、前記波長板のｃ軸は偏光制御用液晶セル３０１および３０３のダイレクタと直交するように配置する。この場合、液晶偏光回転子３１７で発生する残留複屈折を広い波長範囲にわたって補償することは難しいが用途によっては簡易的な残留複屈折補償法として適用可能である。
【００４５】
（実施例１）
次に前記偏光制御型の液晶光スイッチの全体の構成について図１を用いて詳細に説明する。図１は本発明の偏光制御型の液晶光スイッチ３２０を模式的に示す図である。
前記液晶偏光回転子３１７は、第１の偏光制御用液晶セル３０１と第２の偏光制御用液晶セル３０３および残留複屈折補償用液晶セル３３１とから構成する。第１の偏光制御用液晶セル３０１には、第１の信号源１３１を第１のスイッチ１３５を介して接続する。同様に第２の偏光制御用液晶セル３０３には、第２の信号源１３３を第２のスイッチ１３７を介して接続する。図１では理解しやすくするため、偏光制御用液晶セルへの信号電圧Ｖ₂の印加、小バイアスＶ₁印加の制御をそれぞれ第１のスイッチ１３５と第２のスイッチ１３７のオンとオフに対応させて説明するが、実際はスイッチの代りに信号源をトランジスタやダイオードまたはＩＣを用いて電子的に制御することは言うまでもない。また、図に明示しないが残留複屈折補償用液晶セルにも常時電圧Ｖ_cを印加する外部電源を接続する。
【００４６】
本発明の偏光制御型の液晶光スイッチ３２０は、第１の偏光分離器１２１と第２の偏光分離器１２３とで液晶偏光回転子３１７の第１の領域１４５を両側から挟む構成とする。また、第１の全反射ミラー１２５と第２の全反射ミラー１２７とで液晶偏光回転子３１７の第２の領域１４７を両側から挟む構造とし、液晶光スイッチ３２０は、入力Ａおよび入力Ｂと出力Ｃおよび出力Ｄを備え、２×２の光スイッチの構成とすることができる。なお、前記偏向分離器と全反射ミラーの位置は図１に示す構成に限らず、第１の領域１４５の光出射側に全反射ミラー１２７を、第２の領域１４７の光出射側に第２の偏向分離器１２３を配した構成としても構わない。この構成とすることで、本発明の液晶光スイッチ３２０に入射する、入力Ａ，Ｂと、出力Ｃ，Ｄの全ての光路長を同じとすることができる。
【００４７】
次に本発明の液晶光スイッチ３２０の動作について説明する。以下では、残留複屈折補償用液晶セル３３１の作用が偏光制御用液晶セル３０１および３０３の残留複屈折成分を除去するためであり、スイッチング特性の動作説明には本質的でないため残留複屈折補償用液晶セル３３１の働きを省略して説明する。はじめに、液晶偏光回転子３１７を構成する第１の偏光制御用液晶セル３０１と第２の偏光制御用液晶セル３０３とに小バイアスＶ₁印加で液晶偏光回転子３１７が偏光を回転する作用をする場合を、図１を用いて説明する。
【００４８】
まず、入力Ａに第１の入力光１０１を入射することを考える。図１には明示しないが第１の入力光１０１は、光ファイバから出射した光をコリメータで平行光とした光とする。第１の入力光１０１は、第１の偏光分離器１２１に対するＰ偏光となる第１の直線偏光１０３とＳ偏光となる第２の直線偏光１０５とに分けて考える。以降は、Ｐ偏光を図面上、垂直か水平の矢印で示し、Ｓ偏光を図面上、斜めの矢印で示すことにする。
【００４９】
第１の偏光分離器１２１に入射した第１の直線偏光１０３は、Ｐ偏光のため第１の偏光分離器１２１を透過し、液晶偏光回転子３１７の第１の領域１４５を通る第１の光路１４１に従って液晶偏光回転子３１７中を進む。第１の直線偏光１０３は、液晶偏光回転子３１７を構成する第１の偏光制御用液晶セル３０１と第２の偏光制御用液晶セル３０３が小バイアスＶ₁印加状態であり、図１に図示しないが、Ｐ偏光の方位角と第１の偏光制御用液晶セル３０１の入射側の液晶ダイレクタの方位角とのなす角が４５°のため、第１の領域１４５を出射したときは、方位角を９０°回転してＳ偏光となる。Ｓ偏光となった第１の直線偏光１０３は、第２の偏光分離器１２３で進行方向を直角に変えて出力Ｄから出射する。
【００５０】
一方、入力Ａに入った第２の直線偏光１０５は、Ｓ偏光のため第１の偏光分離器１２１で直角に向きを変えて第１の全反射ミラー１２５に入射し、更に直角に向きを変えてＳ偏光のまま液晶偏光回転子３１７の第２の領域１４７を通る第２の光路１４３に従って液晶偏光回転子３１７中を伝搬する。第２の直線偏光１０５は、液晶偏光回転子３１７を構成する第１の偏光制御用液晶セル３０１と第２の偏光制御用液晶セル３０３が小バイアスＶ₁印加状態であり、第２の領域１４７を出射したときは、液晶偏光回転子３１７が半波長板として働くため方位角を９０°回転してＰ偏光となる。
【００５１】
第２の領域１４７を出射した第２の直線偏光１０５は、第２の全反射ミラー１２７で直角に向きを変え、更に第２の偏光分離器１２３では向きを変えることなく透過するため、出力ＤにＰ偏光として到達する。したがって、出力Ｄでは、第１の領域１４５を伝搬してＳ偏光となった第１の直線偏光１０３と、第２の領域１４５を伝搬してＰ偏光となった第２の直線偏光１０５とを合成した第１の出力光１１３として出射する。第１の出力光１１３は、図示しないが必要に応じてコリメータレンズを介して光ファイバと結合する。
【００５２】
次に、入力Ｂに入射した第２の入力光１０７について考える。第２の入力光１０７は、第１の偏光分離器１２１に対するＰ偏光となる第３の直線偏光１０９とＳ偏光となる第４の直線偏光１１１とに分けて考える。
【００５３】
第１の偏光分離器１２１に入射した第３の直線偏光１０９は、Ｐ偏光のため第１の偏光分離器１２１を透過し、第１の全反射ミラー１２５で直角に向きを変えて液晶偏光回転子３１７の第２の領域１４７を通る第２の光路１４３に従って液晶偏光回転子３１７中を進む。第３の直線偏光１０９は、液晶偏光回転子３１７を構成する第１の偏光制御用液晶セル３０１と第２の偏光制御用液晶セル３０３が小バイアスＶ₁印加状態であり、図１に図示しないがＰ偏光の方位角と、第１の偏光制御用液晶セル３０１における入射側の液晶ダイレクタの方位角との成す角が４５°のため、第２の領域１４７を出射したときは、方位角を９０°回転してＳ偏光となる。Ｓ偏光となった第３の直線偏光１０９は、第２の全反射ミラー１２７で直角に向きを変え、更に第２の偏光分離器１２３に入射する。しかし、Ｓ偏光のため第２の偏光分離器１２３で進行方向を直角に変えて出力Ｃから出射する。
【００５４】
一方、入力Ｂに入った第４の直線偏光１１１は、Ｓ偏光のため第１の偏光分離器１２１で直角に向きを変えて、Ｓ偏光のまま液晶偏光回転子３１７の第１の領域１４５を通る第１の光路１４１に従って液晶偏光回転子３１７中を伝搬する。
【００５５】
第４の直線偏光１１１は、液晶偏光回転子３１７を構成する第１の偏光制御用液晶セル３０１と第２の偏光制御用液晶セル３０３が小バイアスＶ₁印加状態であり、第１の領域１４５を出射したときは、液晶偏光回転子３１７が半波長板として働くため、方位角を９０°回転してＰ偏光となる。第１の領域１４５を出射した第４の直線偏光１１１は、第２の偏光分離器１２３で向きを変えることなく透過するため、出力ＣにＰ偏光として到達する。したがって、出力Ｃでは、第２の領域１４７を伝搬してＳ偏光となった第３の直線偏光１０９と、第１の領域１４５を伝搬してＰ偏光となった第４の直線偏光１１１とを合成した第２の出力光１１５として出射する。第２の出力光１１５は、図示しないが必要に応じてコリメータレンズを介して光ファイバと結合する。
【００５６】
次に、図１における第１の信号源１３１の第１のスイッチ１３５と、第２の信号源１３３の第２のスイッチ１３７とをオン状態とし、液晶偏光回転子３１７を構成する第１の偏光制御用液晶セル３０１と第２の偏光制御用液晶セル３０３とに十分大きな電圧Ｖ₂（駆動電圧）を印加して液晶偏光回転子３１７が偏光回転しない場合について説明する。
まず、入力Ａに第１の入力光１０１を入射することを考える。第１の入力光１０１は、第１の偏光分離器１２１に対するＰ偏光となる第１の直線偏光１０３とＳ偏光となる第２の直線偏光１０５とに分けて考える。
【００５７】
第１の偏光分離器１２１に入射した第１の直線偏光１０３は、Ｐ偏光のため第１の偏光分離器１２１を透過し、液晶偏光回転子３１７の第１の領域１４５を通る第１の光路１４１に従って液晶偏光回転子３１７中を進む。第１の直線偏光１０３は、液晶偏光回転子３１７を構成する第１の偏光制御用液晶セル３０１と第２の偏光制御用液晶セル３０３が駆動電圧Ｖ₂の印加状態であり、液晶偏光回転子３１７では方位角の回転が起こらないため、第１の領域１４５を出射したときもＰ偏光のままである。したがって、第１の直線偏光１０３は、第２の偏光分離器１２３をそのまま透過して出力Ｃから出射する。
【００５８】
一方、入力Ａに入った第２の直線偏光１０５は、Ｓ偏光のため第１の偏光分離器１２１で直角に向きを変えて第１の全反射ミラー１２５に入射し、更に直角に向きを変えてＳ偏光のまま液晶偏光回転子３１７の第２の領域１４７を通る第２の光路１４３に従って液晶偏光回転子３１７中を伝搬する。
【００５９】
第２の直線偏光１０５は、液晶偏光回転子３１７を構成する第１の偏光制御用液晶セル３０１と第２の偏光制御用液晶セル３０３が駆動電圧Ｖ₂印加状態であり、第２の領域１４７を出射したときも、偏光状態を変えずにＳ偏光のままである。したがって、第２の領域１４７を出射した第２の直線偏光１０５は、第２の全反射ミラー１２７で直角に向きを変え、更に第２の偏光分離器１２３で直角に向きを変えて、出力ＣにＳ偏光のまま到達する。したがって、出力Ｃでは、第１の領域１４５を伝搬してＰ偏光である第１の直線偏光１０３と、第２の領域１４７を伝搬してＳ偏光である第２の直線偏光１０５とを合成した第２の出力光１１５として出射する。第２の出力光１１５は、図示しないが必要に応じてコリメータレンズを介して光ファイバと結合する。
【００６０】
次に、入力Ｂに入射した第２の入力光１０７について考える。第２の入力光１０７は、第１の偏光分離器１２１に対するＰ偏光となる第３の直線偏光１０９とＳ偏光となる第４の直線偏光１１１とに分けて考える。第１の偏光分離器１２１に入射した第３の直線偏光１０９は、Ｐ偏光のため第１の偏光分離器１２１を透過し、第１の全反射ミラー１２５で直角に向きを変えて液晶偏光回転子３１７の第２の領域１４７を通る第２の光路１４３に従って液晶偏光回転子３１７中を進む。
【００６１】
第３の直線偏光１０９は、液晶偏光回転子３１７を構成する第１の偏光制御用液晶セル３０１と第２の偏光制御用液晶セル３０３が駆動電圧Ｖ₂印加状態であり、偏光回転機能を消失しているため、第２の領域１４７を出射したときもＰ偏光を維持している。第２の領域１４７を出射した第３の直線偏光１０９は、第２の全反射ミラー１２７で直角に向きを変え、次に第２の偏光分離器１２３に入射する。しかし、Ｐ偏光のため第２の偏光分離機１２３をそのまま透過して出力Ｄから出射する。
【００６２】
一方、入力Ｂに入った第４の直線偏光１１１は、Ｓ偏光のため第１の偏光分離器１２１で直角に向きを変えて、Ｓ偏光のまま液晶偏光回転子３１７の第１の領域１４５を通る第１の光路１４１に従って液晶偏光回転子３１７中を伝搬する。第４の直線偏光１１１は、液晶偏光回転子３１７を構成する第１の偏光制御用液晶セル３０１と第２の偏光制御用液晶セル３０３が駆動電圧Ｖ₂印加状態であり、偏光回転機能を消失しているため、第１の領域１４５を出射したときもＳ偏光を維持する。第１の領域１４５を出射した第４の直線偏光１１１は、第２の偏光分離器１２３で直角に向きを変えて出力ＤにＳ偏光として到達する。したがって出力Ｄでは、第２の領域１４７を伝搬したＰ偏光の第３の直線偏光１０９と、第１の領域１４５を伝搬したＳ偏光の第４の直線偏光１１１とを合成した第１の出力光１１３として出射する。第１の出力光１１３は、図示しないが必要に応じてコリメータレンズを介して光ファイバと結合する。
【００６３】
以上の説明から明らかなように、入力Ａに入射した第１の入力光１０１は、液晶偏光回転子３１７を構成する第１の偏光制御用液晶セル３０１と第２の偏光制御用液晶セル３０３とに小バイアスＶ₁を印加する場合、第１の出力光１１３として出力Ｄから出射する。また、入力Ａに入射した第１の入力光１０１は、液晶偏光回転子３１７を構成する第１の偏光制御用液晶セル３０１と第２の偏光制御用液晶セル３０３とに駆動電圧Ｖ₂を印加して液晶偏光回転子３１７が偏光回転機能を消失した場合、第２の出力光１１５として出力Ｃから出射する。すなわち第１の入力光１０１は、偏光制御用液晶セル３０１、３０３への電圧がＶ₁かＶ₂かにより異なる出力Ｃと出力Ｄからの出力光となる。
【００６４】
また、入力Ｂに入射した第２の入力光１０７は、液晶偏光回転子３１７を構成する第１の偏光制御用液晶セル３０１と第２の偏光制御用液晶セル３０３とに小バイアスＶ₁を印加する場合、第２の出力光１１５として出力Ｃから出射する。また、入力Ｂに入射した第２の入力光１０７は、液晶偏光回転子３１７を構成する第１の偏光制御用液晶セル３０１と第２の偏光制御用液晶セル３０３とに駆動電圧Ｖ₂を印加して液晶偏光回転子３１７が偏光回転機能を消失した場合、第２の出力光１１５として出力Ｃから出射する。すなわち第１の入力光１０１は、偏光制御用液晶セル３０１、３０３への電圧がＶ₁かＶ₂かにより異なる出力Ｄと出力Ｃからの出力光となる。
【００６５】
以上の説明から、本発明の液晶光スイッチ３２０は、２×２の光スイッチとして動作することがわかる。また、図１に示した、第１の入力光１０１か第２の入力光１０７の片方だけを使えば１×２の光スイッチとして使用できることは言うまでもない。
【００６６】
（実施例２）
次に本発明の液晶光スイッチ３２０の入力光が、初めから直線偏光である場合の動作について説明する。まず、液晶偏光回転子３１７を構成する第１の偏光制御用液晶セル３０１と第２の偏光制御用液晶セル３０３とに小バイアスＶ₁を印加して液晶偏光回転子３１７が偏光を回転する場合について、図７を用いて説明する。図７では、図１と同一構成要素には同一符号をつけている。まず、入力Ａに第１の入力光１０１を入射することを考える。図７には明示しないが第１の入力光１０１および後述する第２の入力光１０７は、偏波保存光ファイバから出射した光をコリメータで平行光とした光で良い。第１の入力光１０１は、第１の偏光分離器１２１に対するＰ偏光となる第１の直線偏光１０３だけからなる偏光成分とする。
【００６７】
第１の偏光分離器１２１に入射した第１の直線偏光１０３は、Ｐ偏光のため第１の偏光分離器１２１を透過して、液晶偏光回転子３１７の第１の領域１４５を通る第１の光路１４１に従って液晶偏光回転子３１７中を進む。第１の直線偏光１０３は、液晶偏光回転子３１７を構成する第１の偏光制御用液晶セル３０１と第２の偏光制御用液晶セル３０３が小バイアス印加Ｖ₁状態であり、図７には図示しないがＰ偏光の方位角と第１の液晶セル３０１の入射側の液晶ダイレクタの方位角との成す角が４５°のため、第１の領域１４５を出射したときは、方位角を９０°回転してＳ偏光となる。第１の入力光１０１であるＳ偏光となった第１の直線偏光１０３は、第２の偏光分離器１２３で進行方向を直角に変えて出力Ｄから第１の出力光１１３として出射する。第１の出力光１１３は、図示しないが必要に応じてコリメータレンズを介して光ファイバと結合する。
【００６８】
次に、入力Ｂに入射した第２の入力光１０７について考える。第２の入力光１０７は、第１の偏光分離器１２１に対するＳ偏光となる方位角の第４の直線偏光１１１であるとする。入力Ｂに入った第４の直線偏光１１１は、Ｓ偏光のため第１の偏光分離器１２１で直角に向きを変えて、Ｓ偏光のまま液晶偏光回転子３１７の第１の領域１４５を通る第１の光路１４１に従って液晶偏光回転子３１７中を伝搬する。
【００６９】
第４の直線偏光１１１は、液晶偏光回転子３１７を構成する第１の偏光制御用液晶セル３０１と第２の偏光制御用液晶セル３０３が小バイアスＶ₁印加状態であり、第１の領域１４５を出射したときは、液晶偏光回転子３１７が半波長板として働くため、方位角を９０°回転してＰ偏光となる。第１の領域１４５を出射した第２の入力光１０７である第４の直線偏光１１１は、第２の偏光分離器１２３で向きを変えることなく透過するため、出力ＣにＰ偏光として到達する。したがって出力Ｃでは、第２の出力光１１５として出射する。第２の出力光１１５は、図示しないが必要に応じてコリメータレンズを介して光ファイバと結合する。
【００７０】
ここで、液晶偏光回転子３１７を構成する第１の偏光制御用液晶セル３０１と第２の偏光制御用液晶セル３０３とにそれぞれ第１の信号源１３１および第２の信号源１３３を配し、第１のスイッチ１３５と第２のスイッチ１３７を入れることで、各液晶セルに所定の駆動電圧Ｖ₂を印加する場合を考える。この場合、液晶偏光回転子３１７は、入射偏光の方位角を９０°回転する作用を消失する。したがって、第１の入力光１０１は出力Ｃに第２の出力光１１５として出射し、第２の入力光１０７は出力Ｄに第１の出力光１１３として出射する。
【００７１】
以上の説明から、本発明の液晶光スイッチ３２０は、液晶偏光回転子３１７への駆動電圧Ｖ₂印加および小バイアスＶ₁印加の切り替えにより出力先を選択できる２×２の光スイッチとして動作することがわかる。また、図７に示した第１の偏光分離器１２１を使用せずに、Ｐ偏光またはＳ偏光の第１の入力光１０１か第２の入力光１０７のどちらか片方だけが第１の領域１４５に入射するようにすれば、１×２の光スイッチとして使用できることは言うまでもない。
【００７２】
（実施例３）
次に本発明の偏光制御型の液晶光スイッチ３２０を可変光減衰器として用いる場合の構成と、その駆動方法について説明する。本構成における液晶偏向回転子は、実施例１と同じで、第１、第２のスイッチ１３５，１３７構成と駆動方法のみが異なる。その一具体例について説明する。
【００７３】
例えば、図１で入力を入力Ａに第１の入力光１０１だけを入射するとし、出力とし出力Ｄから出射する第１の出力光１１３だけを考える。次に第１のスイッチ１３５と第２のスイッチ１３７とをそれぞれ短絡状態にして、第１の偏光制御用液晶セル３０１に第１の信号源１３１を、第２の偏光制御用液晶セル３０３に第２の信号源１３３をそれぞれ接続する。このとき、第１の信号源１３１と第２の信号源１３３における出力の振幅またはパルス幅を変えるなどして、偏光制御用液晶セル３０１，３０３に印加する電圧実効値をアナログ的に変えていくことを考える。
【００７４】
このとき、液晶偏光回転子３１７の第１の領域１４５と第２の領域１４７を出射する光は、液晶偏光回転子３１７が偏光制御用液晶セル３０１，３０３の変調印加電圧に応じて、偏光回転機能をアナログ的に消失するため、一般にはその出射する光は楕円偏光となる。このため、出力Ｄへ出射する第１の出力光１１３は、強度変調を受けることになるため、第１の信号源１３１と第２の信号源１３３の出力の実効値に応じて連続的に出力光強度を任意に制御することが可能となる。したがって、本実施例の構成で、偏光制御型液晶光スイッチ３２０を可変光減衰器として使用することができる。
【００７５】
（実施例４）
次に、本発明の液晶を用いた偏光制御型光スイッチをアレイ化する場合の構成について図６を用いて説明する。図６は、アレイ化した液晶セルを用いた偏光制御型の液晶光スイッチの構成を示す図である。アレイ化する場合は、複数のセルからなる液晶偏光回転子３１７をアレイの数に面内で分割して構成する。その具体的な分割方法は図６には図示していないが、液晶偏光回転子３１７を構成する偏光制御用液晶セルの透明電極を所定の領域に電極面内で分割して、複数の液晶偏光回転素子部を構成し、その複数に分割された液晶偏向回転素子部をそれぞれ任意に制御することで実現する。図６では、液晶偏光回転子３１７を第１の液晶偏光回転素子部６２１と、第２の液晶偏光回転素子部６２３とに２分割する場合を示す。
【００７６】
図６に示すように、第１の複合プリズム部６３１を第１の偏光分離器１２１と第１の全反射ミラー１２５により構成し、第２の複合プリズム部６３３を第２の偏光分離器１２３と第２の全反射ミラー１２７により構成する。アレイ化偏光制御型光スイッチは、前述の通り、分割された複数の液晶偏向回転素子部を有する液晶偏光回転子３１７を、第１の複合プリズム部６３１と第２の複合プリズム部６３３との間に配置することで構成する。図６では、２×２素子を２つ配置したアレイ化素子を示す。第１の液晶偏光回転素子部６２１では、第１Ａの入力６０１と第１Ｂの入力６０３からの入射光を制御し、第１Ｃの出力６１１および第１Ｄの出力６１３から出射するようにする。また、第２の液晶偏光回転素子部６２３では、第２Ａの入力６０５と第２Ｂの入力６０７からの入射光を制御し、第２Ｃの出力６１５および第２Ｄの出力６１７から出射するようにする。
【００７７】
図６では、簡単のため液晶偏光回転子３１７を２分割した１次元２アレイ構成の場合を示したが、アレイ化は上記と同様な手法で２次元面内に展開することが可能なので、１次元２アレイには限定しないことは言うまでもない。
【００７８】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明の液晶光スイッチにより、単純な構成で可変光減衰器としても利用可能な高機能な光スイッチを実現できる。
【００７９】
つまり、本発明の液晶偏光回転子を用いた偏光制御型液晶光スイッチにおいては、偏光回転時の入射直線偏光が偏光回転後に楕円偏光となることがなく、光学特性を最適にすることが可能であるとともに、偏光非回転時も入射直線偏光が楕円偏光となることがなく光学特性を最適にすることが可能であり、さらに応答時間を短縮することが可能となる。
【００８０】
また、本発明の構成を適用すれば、光スイッチのクロストークアッテネーションを低減することが可能となり、半波長板条件となる波長を印加電圧制御により変化させるとともに、その液晶偏光回転子に入射する光の所定の波長において、もっともクロストーク減衰を大きくすることが可能となる。したがって、使用波長に応じて半波長板条件を最適にする設計を採用すれば、見かけ上の光スイッチとして使用可能なバンド幅を広くとることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１または３における、偏光制御型または可変光減衰器として用いた場合の液晶光スイッチの装置構成を示す模式図である。
【図２】本発明の実施形態における偏光制御型の液晶光スイッチの液晶偏光回転子を構成する液晶セルの構造を示す模式断面図である。
【図３】本発明の実施形態における偏光制御型の液晶光スイッチの液晶偏光回転子の構造を示す模式図である。
【図４】本発明の実施形態における偏光制御型の液晶光スイッチの液晶偏光回転子を構成する偏光制御用液晶セルの各基板界面での液晶ダイレクタの方位角を説明するための平面図である。
【図５】本発明の実施形態における偏光制御型の液晶光スイッチの液晶偏光回転子を構成する複屈折補償用液晶セルの基板界面での液晶ダイレクタの方位角を説明するための平面図である。
【図６】本発明の実施例４における、偏光制御型の液晶光スイッチをアレイ化したときの構成を示す模式図である。
【図７】本発明の実施例２における、入射光が直線偏光に限定できる場合の偏光制御型の液晶光スイッチ構成を示す模式断面図である。
【図８】偏光制御型の液晶光スイッチに用いる液晶セルに、ＴＮ型を用いた場合と半波長板型を用いた場合とのアイソレーション特性の波長依存性を比較するためのグラフである。
【図９】偏光制御型の液晶光スイッチに用いる液晶セルの駆動電圧―リターデーション特性を示すグラフである。
【符号の説明】
１０１第１の入力光
１０３第１の直線偏光
１０５第２の直線偏光
１０７第２の入力光
１０９第３の直線偏光
１１１第４の直線偏光
１１３第１の出力光
１１５第２の出力光
１２１第１の偏光分離器
１２３第２の偏光分離器
１２５第１の全反射ミラー
１２７第２の全反射ミラー
１３１第１の信号源
１３３第２の信号源
１４１第１の光路
１４３第２の光路
１４５第１の領域
１４７第２の領域
３０１第１の偏光制御用液晶セル
３０３第２の偏光制御用液晶セル
３１７液晶偏光回転子
３２０液晶光スイッチ
３３１残留複屈折補償用液晶セル

Claims

一対の基板で挟持した液晶層をアンチパラレルまたはパラレルのいずれかに統一し、同じダイレクタ方位角に配向させた非ＴＮ型の偏光制御用液晶セルを複数枚と、クロストーク減衰量を最大に保つための残留複屈折補償手段とを光路上に配置した構成であり、
前記各偏光制御用液晶セルは、印加電圧によりリターデーションが可変であって、入射直線偏光の波長に応じてリターデーションを変えることにより、前記複数の偏光制御用液晶セル全体が入射直線偏光に対して半波長板として機能して偏光面を回転させ、リターデーションを変化させると、入射直線偏光の波長を中心とするクロストーク減衰特性曲線が、形状不変のまま、変化したリターデーションに対応する波長を中心とする位置に移ることを特徴とする偏光制御型液晶光変調器。
請求項１に記載の偏光制御型液晶光変調器において、
前記残留複屈折補償手段は、一対の基板で挟持された液晶層をアンチパラレルまたはパラレルのいずれかに配向させた残留複屈折補償用液晶セルであり、該残留複屈折補償用液晶セルと、前記偏光制御用液晶セルとのそれぞれの液晶ダイレクタ方位角がほぼ直交するように配置されていることを特徴とする偏光制御型液晶光変調器。
請求項１に記載の偏光制御型液晶光変調器において、
前記残留複屈折補償手段は、水晶板または異方性フィルムからなる残留複屈折補償用波長板であり、該残留複屈折補償用波長板のｃ軸が、前記偏光制御用液晶セルのダイレクタと直交するように配置されていることを特徴とする偏光制御型液晶光変調器。