JP4786841B2 - Liquid crystal optical switch and driving method thereof - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信用偏光制御型液晶光スイッチに関し、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及びその駆動方法に関する。
【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。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型液晶では、応答時間がセル厚の2乗に比例するため、高速応答セルを実現するためには薄セル厚化が必要となる。
TN型液晶は、基本的にコントラスト比を大きくするのには適しているが応答速度を高速化するために液晶セル厚を薄くする。
【0003】
ここで、λは波長、Δnは液晶の屈折率異方性、dは液晶セル厚とすると、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を平方根3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する場合が多い。
【0004】
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。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、光ファイバ通信で用いられる波長は赤外域であり、ディスプレイで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、使用波長が長いためセル厚が結果的に厚くなってしまう。このため、従来のTN型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。
【0006】
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しる。
したがって、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秒より短い必要が生じる。
【0007】
例えば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1550nmの光ファイバ通信に用いられる波長とした場合、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を0.09としたときに、液晶セル厚dはほぼ15μmとなる。
【0008】
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乗に逆比例するためセル厚が厚くても、印加電圧を大きくすれば50m秒以下にすることが可能であるが、立下り応答時間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光通信に用いられる光スイッチには適さない。
【0009】
また、偏光回転子に、液晶素子を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素子より立下り応答時間τdは、高速になり、約60m秒が得られるが50m秒以下とするのは容易でない。
【0010】
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、単純な構造で駆動法も簡単でアレイ化に適し、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とその駆動方法を提供することである。
【0011】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明における液晶を用いた偏光制御型光スイッチ及びその駆動方法は、下記記載の手段を採用する。
【0012】
本発明の液晶光スイッチは、液晶を用いた液晶光スイッチにおいて、前記液晶光スイッチは、アンチパラレルまたはパラレル配向の複数の液晶セルからなる液晶偏光回転子を有し、前記各液晶セルのセル厚と、前記各液晶セルの液晶層のリターデーションとの比がほぼ等しく、前記液晶セル間で光出射側基板と光入射側基板とが対向し、光入射側基板の界面における液晶分子の液晶ダイレクタに対して、方位角が−π/4だけ傾いた方位角β1=0ラジアンの直線偏光の入射光が、液晶偏光回転子に入射すると、光出射側基板の界面における液晶ダイレクタに対して、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の出射光となり、液晶偏光回転子の電圧印加の有無によって、入射光を制御することを特徴とする。
【0013】
本発明の液晶光スイッチの液晶偏光回転子が所定の波長の半波長板であることを特徴とする。
【0014】
本発明の液晶光スイッチの液晶セルが2つであり、各液晶セルの前記液晶層のリターデーションがほぼ四分の一波長であることを特徴とする。
【0015】
本発明の液晶光スイッチの液晶偏光回転子の入射側と出射側に偏光分離器を設けたことを特徴とする
【0016】
本発明の液晶光スイッチの液晶偏光回転子の入射側と出射側に偏光分離器と全反射ミラーとを設けたことを特徴とする。
【0017】
本発明の液晶光スイッチの液晶セルに設ける透明電極を複数に分割し、前記液晶セルに複数の液晶偏光回転素子部を設けたことを特徴とする。
【0018】
本発明の液晶光スイッチの駆動方法は、前記液晶セルに印加する所定の駆動波形の実効値をアナログ変調し、連続的に偏光回転量および入射光の楕円率を制御することを特徴とする。
【0019】
〔作用〕
本発明の偏光制御型液晶光スイッチにおいては、該光スイッチを構成する偏光回転子が2枚以上の所定の枚数で、アンチパラレルまたはパラレル配向液晶素子を多段に配置した構造であり、第1から第k番目までの液晶素子について、初期配向時のそれぞれの素子の実効的な屈折率異方性Δniとセル厚diとの積であるリターデーション(ここで、iは1からkまでとする)φiの和をセル厚diで割った値が一定値であり、第1のツイステッドネマティック型液晶素子の光入力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番目の液晶素子の光入力側基板に接する液晶のダイレクタ方位角は、第i−1番目の液晶素子の光出射側基板に接する液晶のダイレクタ方位角に等しくなるように配置した構造とする。
【0020】
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、液晶素子を所定の波長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)
となる。dはセル厚、Δnはリターデーション、λは波長である。
【0021】
本発明の構造とすることで、それぞれの液晶素子の電極に電場を印加しない場合は、半波長板条件の液晶素子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ラジアン回転する。
【0022】
ここで、第1から第k番目の液晶セルに電場を印加した場合を考える。
所定の電場を各セルに印加することで各セルのリターデーション構造を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番目のセルから出射する。
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することで入射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することが可能である。
【0023】
簡単のため、偏光回転子が等しいセル厚みを持つ2枚の4分の1波長板条件からなる本発明の偏光制御型液晶光スイッチを考える。
【0024】
従来の液晶セル1枚からなる半波長板液晶セルにおいて、セル厚dは、
d=λ/(2・Δn)
としている。本発明の偏光回転子が2枚の4分の1波長板条件液晶セルからなる偏光制御型液晶光スイッチの場合は、セル厚dを2分割するため一枚あたりのセル厚をd/2とすることができる。
【0025】
アンチパラレルまたはパラレル配向の半波長条件液晶セルにおいて電場無印加から電場印加時の応答時間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
という関係であることが知られている。また、電場印加状態から電場無印加時の応答時間τdは、近似で
τdがd2に比例する
ことが知られている。
【0026】
したがって、従来技術と比較して本発明の偏光回転子が2枚の4分の1波長板条件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した場合、応答速度を4倍程度高速にできる。
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である。
【0027】
高速化は、光通信用光スイッチにおいては重要である。一般的には、応答時間は、50m秒以下が望まれている。しかし、従来技術で中心波長を1550nmの光ファイバ通信に用いられる波長とした場合、前記半波長条件を満たすセル厚は、例えば液晶にZLI−4792(メルクジャパンの商品名)を使用したときΔnは約0.09であるからセル厚dは、約8.6μmとなってしまう。
【0028】
このときτrは、印加電圧を大きくすれば50m秒以下にすることが可能であるがτdは、室温付近では60m秒以上になってしまう。したがって、光スイッチには適していない。
しかし、本発明の例えば、偏光回転子が2枚の4分の1波長板条件液晶セルからなる偏光制御型液晶光スイッチを採用すれば、応答時間τdを20m秒以下にすることが容易である。
【0029】
以上の説明で明らかなように本発明の液晶光スイッチおよび液晶可変光減衰器とその駆動方法では、単純な構成で簡便な駆動方法により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、本発明においては、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とその駆動方法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。
【0030】
【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および液晶可変光減衰器とその駆動方法の構成を説明する。
【0031】
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断面図である。
【0032】
図2に示すように、本発明の液晶光変調装置の液晶セル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。
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する。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。
【0033】
図2には明示しないが、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第1の基板203と第2の基板205は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。
【0034】
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)を用いるときは、膜厚を50nm以下とし、さらに、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。
【0035】
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。
【0036】
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。
【0037】
次に本発明の液晶偏光回転子を、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の液晶セル301と第2の液晶セル303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。
【0038】
図3において、第1の液晶セル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d1と第2の液晶セル303の第2のセル厚みd2とは、等しくする。図3には、明示しないが第1の液晶セル301および第2の液晶セル305は、図2で説明した液晶セル220と同じ構成とする。
【0039】
図3の第1の液晶層305と第2の液晶層307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す。
【0040】
ここで、第1の液晶セル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とする。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とする。最後に第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。
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方位角正とした場合に、第1の液晶セル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。
【0041】
次に各界面309,311,313,315での液晶ダイレクタの方向を図4の平面図に示す。以下、図3と図4とを交互に参照して説明する。
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ラジアンとする。第1の液晶セル301はアンチパラレル配向とするので第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ラジアンとする。次に第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ラジアンとする。
さらに、第2の液晶セル302もアンチパラレル配向とするので第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ラジアンとする。
【0042】
ここまででは、等しいセル厚を持った2枚の液晶セル301,303で液晶偏光回転子317を構成する場合を説明したが、液晶セルを3枚以上のk枚で構成することもできる。
この場合、全セル厚dは、第1のセル厚d1から第kのセル厚dkとおいたとき、
d=d1+d2+...dk (1)
となる。使用する液晶材料の異常光屈折率をne、常光屈折率をnoとしたとき実効異常光屈折率neffは、液晶セルのプレティルト角をθとしたとき、
neff=(sin2θ/no2+cos2θ/ne2)-1/2 (2)
となる。ここで、各液晶セルのプレティルト角θは、等しいとして、
Δn=neff−no (3)
とおいて、所定の波長λにおいて全セル厚は
d=λ/(2・Δn) (4)
を満たすようにする。
これは、良く知られているように水晶などで作製した0次の半波長板と等価である。(参考文献としては例えばPochi Yeh and Claire Gu, Optics of Liquid Crystal Displays, Wiley, 1999がある)
【0043】
また、第1から第2kまでの界面での液晶ダイレクタの方位角αk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
・・・・・
α2k−1=α2k
というように設定する。
【0044】
図3において、液晶偏光回転子317を構成する液晶セルの全セル厚dは、
d=λ/(2・Δn)
とする。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であるから、
d=8.6 [μm]
とする。したがって、液晶偏光回転子317を2枚の液晶セルで構成する場合、第1の液晶セル301のセル厚d1と第2の液晶セル303のセル厚d2とは、
d1=d2=4.3 [μm]
と設定すれば良い。
【0045】
以上のように構成した、液晶偏光回転子317に、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、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なる。
【0046】
つまり、2枚の第1および第2の液晶セル301,303からなる液晶偏光回転子317は入射直線偏光410は方位角をπ/2回転して出射直線偏光413に偏光を回転する0次の半波長板の働きをする。
図8に0次の半波長板条件で作製した液晶偏光回転子特性803と1stミニマム条件で作製した90°TN型偏光回転子特性801のアイソレーション特性の比較を示す。
【0047】
アイソレーション特性は、理想的な偏光回転子では入射直線偏光410は出射直線偏光413に全て変換されるはずであるが実際は、出射直線偏光413に直交する成分が生じ光スイッチのクロストーク成分となる。図8は、出射直線偏光413に直交する漏れ光成分の波長依存性を示している。
【0048】
一例として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、90°TN型偏光回転子特性801の−30dB範囲810が約80[nm]に対して、半波長板型の液晶偏光回転子特性803の−30dB範囲813は、約60[nm]と3/4位となるが、両者とも十分な帯域を持っているため全セル厚dを1/31/2だけ半波長板型は薄く出来る特長から特に高速スイッチが必要な場合は、半波長板型が適している。
【0049】
次に第1と第2の液晶セル301,303に電場を印加した場合の動作を説明する。
第1の液晶セル301と第2の液晶セル303に十分大きな所定の電圧を印加した場合、各セルの液晶分子は、電場方向に並ぶため、異方性を消失する。したがって、液晶偏光回転子317は、常光と異常光に対して位相差を付与しなくなる。この結果、入射直線偏光410は、出射しても方位角は、入射時とおなじ0ラジアンとなる。
【0050】
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の液晶セル301と第2の液晶セル303に同時に電場を印加するようにする。また、液晶偏光回転子317を電場無印加状態にする場合も、第1の液晶セル301と第2の液晶セル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、単個の液晶セル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。
【0051】
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(印加電場無し)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)の応答時間を短縮することが可能となる。
【0052】
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を用いて詳しく説明する。
【0053】
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。液晶偏光回転子317は、第1の液晶セル301と第2の液晶セル303とから構成する。
第1の液晶セル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液晶セルへの信号の印加、無印加の制御を第1のスイッチ135と第2のスイッチ137でおこなう方法で説明するが、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しても良いことは、言うまでもない。
【0054】
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する。
このように構成した液晶光スイッチ320は、入力Aおよび入力Bと出力Cおよび出力Dを備える。
【0055】
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。
はじめに、液晶偏光回転子317を構成する第1の液晶セル301と第2の液晶セル303とに電圧を無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。
【0056】
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。
【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の液晶セル301と第2の液晶セル303が電圧無印加であり、図1に図示しないが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なす角を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。
【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。第2の直線偏光105は、液晶偏光回転子317を構成する第1の液晶セル301と第2の液晶セル303が電圧無印加であり、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。
【0059】
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。
【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。第3の直線偏光109は、液晶偏光回転子317を構成する第1の液晶セル301と第2の液晶セル303が電圧無印加であり、図1に図示しないが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なす角が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。
【0061】
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の液晶セル301と第2の液晶セル303が電圧無印加であり、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。
【0062】
したがって、出力Cでは、第2の領域147を伝搬し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。
【0063】
次に、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の液晶セル301と第2の液晶セル303とに十分大きな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を図5を用いて説明する。この図5では、図1と同一構成要素には同一符号を付けている。
【0064】
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。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の液晶セル301と第2の液晶セル303が電圧印加状態であり、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。
【0065】
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、出力Cから出射する。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の液晶セル301と第2の液晶セル303が電圧印加状態であり、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。
【0066】
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。
このため、出力Cでは、第1の領域145を伝搬し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。
【0067】
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。
【0068】
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の液晶セル301と第2の液晶セル303が電圧印加状態であり、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、出力Dから出射する。
【0069】
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の液晶セル301と第2の液晶セル303が電圧印加状態であり、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。
【0070】
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。
【0071】
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の液晶セル301と第2の液晶セル303とに電圧を印加しない場合、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の液晶セル301と第2の液晶セル303とに電圧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、液晶セル301、303への電圧印加の有無により異なる出力Cと出力Dからの出力光となる。
【0072】
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の液晶セル301と第2の液晶セル303とに電圧を印加しない場合、第2の出力光115として出力Cから出射する。
【0073】
またさらに、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の液晶セル301と第2の液晶セル303とに電圧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2の入力光107は、液晶セル301、303への電圧印加の有無にかかわらず同じ出力Cと出力Dからの出力光となる。
【0074】
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。
【0075】
次に本発明の液晶光スイッチ320の入力光がはじめから直線偏光である場合の動作について説明する。
はじめに、液晶偏光回転子317を構成する第1の液晶セル301と第2の液晶セル303とに電圧を無印加で液晶偏光回転子317が偏光を回転する場合を図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。
【0076】
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だけからなるような偏光とする。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の液晶セル301と第2の液晶セル303が電圧無印加であり、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。
【0077】
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。
【0078】
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。
【0079】
第4の直線偏光111は、液晶偏光回転子317を構成する第1の液晶セル301と第2の液晶セル303が電圧無印加であり、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。
【0080】
ここで、液晶偏光回転子317を構成する第1の液晶セル301と第2の液晶セル303とに、それぞれ第1の信号源131および第2の信号源133によって所定の駆動電圧を第1のスイッチ135と第2のスイッチ137を入れることで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。
【0081】
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への電圧印加および無印加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を使用せずに第1の入力光101か第2の入力光107のどちらか片方だけを第1の領域145にP偏光またはS偏光として入射して使えば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。
【0082】
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駆動方法について説明する。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、出力としては、出力Dから出射する第1の出力光113だけを考える。
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の液晶セル301に第1の信号源131を、第2の液晶セル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の出力の振幅を変えるかパルス幅を変えるなどして液晶セル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。
【0083】
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制御することが可能となる。したがって、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。
【0084】
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。
【0085】
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することで構成する。分割方法としては図6には図示していないが液晶偏光回転子317を構成する液晶セルの透明電極を所定の領域に電極面内で分割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。
【0086】
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から構成し、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から構成する。
アレイ化偏光制御型光スイッチは前記分割素子部を持つ液晶偏光回転子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。
【0087】
第1の液晶偏光回転素子部621においては、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。
【0088】
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、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。
【0089】
【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およびその駆動方法によれば、単純な構成で簡便な駆動方法により可変光減衰器としても利用可能で高機能な光スイッチを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態における液晶光スイッチの構成を模式的に示す図面である。
【図2】本発明の実施形態における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模式的に示す図面である。
【図3】本発明の実施形態における液晶光スイッチの液晶偏光回転子の構造を模式的に示す図面である。
【図4】本発明の実施形態における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各基板界面での液晶ダイレクタの方位角を説明する平面図である。
【図5】本発明の実施形態における液晶光スイッチの液晶偏光回転子に信号源を接続した構成を模式的に示す図面である。
【図6】本発明の実施形態における液晶光スイッチをアレイ化したときの構成を模式的に示す図面である。
【図7】本発明の液晶を用いた偏光制御型光スイッチの入射光が直線偏光に限定できる場合の実施形態における構成を模式的に示す図面である。
【図8】偏光制御型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
135:第1のスイッチ 137:第2のスイッチ
141:第1の光路 143:第2の光路
145:第1の領域 147:第2の領域
201:ネマティック液晶層 203:第1の基板
205:第2の基板 207:ダイレクタ
209:プレティルト角 211:信号電極
213:共通電極 215:無反射コート
217:配向層 220:液晶セル
301:第1の液晶セル 303:第2の液晶セル
305:第1の液晶層 307:第2の液晶層
309:第1の界面 311:第2の界面
313:第3の界面 315:第4の界面
317:液晶偏光回転子 319:第1のガラス基板
320:偏光制御型液晶光スイッチ 321:第2のガラス基板
323:第3のガラス基板 325:第4のガラス基板
401:第1の液晶ダイレクタ 403:第2の液晶ダイレクタ
405:第3の液晶ダイレクタ 407:第4の液晶ダイレクタ
410:入射直線偏光 413:出射直線偏光
601:第1Aの入力 603:第1Bの入力
605:第2Aの入力 607:第2Bの入力
611:第1Cの出力 613:第1Dの出力
615:第2Cの出力 617:第2Dの出力
621:第1の液晶偏光回転素子部
623:第2の液晶偏光回転素子部
631:第1の複合プリズム部 633:第2の複合プリズム部
801:1stミニマム条件で作製した90°TN型偏光回転子特性
803:半波長板条件で作製した液晶偏光回転子特性
810:TN型の―30dB範囲
813:半波長板型の―30dB範囲
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a polarization control type liquid crystal optical switch for optical communication, and more particularly to a polarization control type liquid crystal optical switch used in a wavelength division multiplexing (WDM) communication system / optical network using an optical fiber and a driving method thereof.
[0002]
[Prior art]
The polarization-controlled optical modulator using nematic liquid crystal has been put into practical use for liquid crystal displays. As a typical example of the polarization rotator, a 90 ° twisted nematic (TN) type liquid crystal is given. In the TN type liquid crystal, the response time is proportional to the square of the cell thickness. Therefore, in order to realize a high-speed response cell, it is necessary to reduce the thickness of the cell.
The TN liquid crystal is basically suitable for increasing the contrast ratio, but the liquid crystal cell thickness is reduced in order to increase the response speed.
[0003]
Here, λ is the wavelength, Δn is the refractive index anisotropy of the liquid crystal, and d is the thickness of the liquid crystal cell, so-called Morgan conditions.
λ / 2 is sufficiently small relative to Δn · d
The wave guide effect is reduced because As a result, a phenomenon that the contrast ratio is deteriorated occurs. In order to solve this problem, today's fast response TN type display has the formula
d = (λ / 2) · (u / Δn)
In many cases, the cell parameters are determined in accordance with the first (first: hereinafter referred to as 1st) minimum condition in the normally black mode of the liquid crystal display in which the Morgan parameter u is set to 3 at the square root.
[0004]
As an example of applying TN type liquid crystal to a 2 × 2 switch for optical fiber communication, reference literature is (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).
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, the wavelength used in optical fiber communication is in the infrared region, and the 1300 nm band and the 1550 nm band are often used, unlike the wavelength used in the visible range (eg, 550 nm for green). Therefore, since the wavelength used is long, the cell thickness becomes thick as a result. For this reason, when a conventional TN type cell is used for a polarization control type optical switch for optical fiber communication, there is a problem that the response speed becomes slow.
[0006]
For example, standards such as the synchronous optical network (SONET) and the synchronous digital hierarchy (SDH) stipulate that the return time is 50 milliseconds or less when a failure occurs in the network.
Therefore, even when the opticalization of the system progresses in the future, the compatibility with the conventional network is important, and the response time of the optical switch needs to be shorter than at least 50 milliseconds.
[0007]
For example, consider realizing a polarization rotator of an optical switch using TN liquid crystal technology. When the center wavelength is a wavelength used for optical fiber communication of 1550 nm, the cell thickness that satisfies the 1st minimum condition is when the liquid crystal is ZLI-4792 (a product name of Merck Japan) and Δn is 0.09, The liquid crystal cell thickness d is approximately 15 μm.
[0008]
At this time, the rise response time τr is inversely proportional to the square of the magnitude of the electric field applied to the liquid crystal cell, so even if the cell thickness is large, the applied voltage can be increased to 50 ms or less. Since the fall response time τd is proportional to the square of the cell thickness of the liquid crystal, the fall response time τd becomes 150 msec or more in the vicinity of room temperature and is not suitable for an optical switch used for optical communication.
[0009]
In addition, considering that the polarization rotator is realized by an optical switch using a liquid crystal element as a zeroth-order half-wave plate, the cell thickness for the anti-parallel alignment liquid crystal cell to be a half-wave plate is
d = λ / (2 · Δn)
It becomes. Here, when Δn = 0.09 of the ZLI-4792 and the center wavelength λ is 1550 nm, the cell thickness d is about 8.6 μm.
In this case, the falling response time τd is faster than that of the TN element, and about 60 msec is obtained, but it is not easy to set it to 50 msec or less.
[0010]
The object of the present invention is to solve the above-mentioned problems and to be applicable to optical fiber communication, a simple structure, a simple driving method, suitable for arraying, and also applicable to an optical attenuator. It is to provide a switch and its driving method.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the polarization control type optical switch using the liquid crystal and the driving method thereof according to the present invention employ the following means.
[0012]
The liquid crystal optical switch of the present invention is a liquid crystal optical switch using liquid crystal, wherein the liquid crystal optical switch has a liquid crystal polarization rotator composed of a plurality of antiparallel or parallel alignment liquid crystal cells, and the cell thickness of each liquid crystal cell And the ratio of the retardation of the liquid crystal layer of each liquid crystal cell is substantially equal, and the light emitting side substrate and the light incident side substrate face each other between the liquid crystal cells. When incident light of linearly polarized light having an azimuth angle β1 = 0 radians inclined by −π / 4 with respect to the liquid crystal director of the liquid crystal molecules at the interface of the light incident side substrate is incident on the liquid crystal polarization rotator, It becomes a linearly polarized outgoing light oscillating at an azimuth angle β2 = π / 2 radians tilted by π / 4 with respect to the liquid crystal director at the interface of the outgoing side substrate. Control It is characterized by that.
[0013]
The liquid crystal polarization rotator of the liquid crystal optical switch of the present invention is a half-wave plate having a predetermined wavelength.
[0014]
The liquid crystal optical switch of the present invention has two liquid crystal cells, and the retardation of the liquid crystal layer of each liquid crystal cell is approximately a quarter wavelength.
[0015]
The liquid crystal optical switch of the present invention is characterized in that polarization separators are provided on the incident side and the output side of the liquid crystal polarization rotator.
[0016]
The liquid crystal optical switch of the present invention is characterized in that a polarization separator and a total reflection mirror are provided on the incident side and the emission side of the liquid crystal polarization rotator.
[0017]
The transparent electrode provided in the liquid crystal cell of the liquid crystal optical switch of the present invention is divided into a plurality of parts, and the liquid crystal cell is provided with a plurality of liquid crystal polarization rotation element portions.
[0018]
The liquid crystal optical switch driving method of the present invention is characterized in that an effective value of a predetermined driving waveform applied to the liquid crystal cell is analog-modulated to continuously control the amount of polarization rotation and the ellipticity of incident light.
[0019]
[Action]
The polarization control type liquid crystal optical switch of the present invention has a structure in which the polarization rotator constituting the optical switch is a predetermined number of two or more and antiparallel or parallel alignment liquid crystal elements are arranged in multiple stages. For the k-th liquid crystal element, the retardation is the product of the effective refractive index anisotropy Δni of each element at the initial alignment and the cell thickness di (where i is 1 to k) The value obtained by dividing the sum of φi by the cell thickness di is a constant value, and when the director azimuth angle of the liquid crystal in contact with the light input side substrate of the first twisted nematic liquid crystal element is used as a reference, the i th liquid crystal element The director azimuth angle of the liquid crystal in contact with the light input side substrate is arranged to be equal to the director azimuth angle of the liquid crystal in contact with the light emission side substrate of the (i-1) th liquid crystal element.
[0020]
As is well known for anti-parallel or parallel alignment type liquid crystal elements, the condition of the cell thickness when the liquid crystal element is used as a half-wave plate that can be switched at a predetermined wavelength λ is:
d = λ / (2 · Δn)
It becomes. d is the cell thickness, Δn is the retardation, and λ is the wavelength.
[0021]
With the structure of the present invention, when an electric field is not applied to the electrodes of each liquid crystal element, it is optically equivalent to a liquid crystal element under half-wave plate conditions. Therefore, incident linearly polarized light having an azimuth angle inclined by π / 4 or an odd multiple of π / 4 with respect to the incident side director azimuth angle of the first liquid crystal cell at a predetermined wavelength becomes elliptically polarized light on the output side of the kth liquid crystal cell. Instead, the azimuth angle of the outgoing linearly polarized light is rotated by π / 2 radians with respect to the azimuth angle of the incident linearly polarized light.
[0022]
Here, consider a case where an electric field is applied to the first to kth liquid crystal cells.
Since the retardation structure of each cell can be eliminated by applying a predetermined electric field to each cell, the incident linearly polarized light is emitted from the kth cell without rotating the azimuth angle.
Therefore, in the polarization control type liquid crystal optical switch of the present invention, a polarizing beam splitter or a polarizing beam separator using a birefringent crystal is arranged on the output side, thereby changing the direction of incident polarized light and emitting light in a predetermined output direction. It is possible to vary the intensity.
[0023]
For simplicity, consider the polarization controlled liquid crystal optical switch of the present invention consisting of two quarter wave plate conditions with polarization rotators having equal cell thickness.
[0024]
In a half-wave plate liquid crystal cell consisting of one conventional liquid crystal cell, the cell thickness d is
d = λ / (2 · Δn)
It is said. In the case of the polarization control type liquid crystal optical switch in which the polarization rotator of the present invention is composed of two quarter-wave plate condition liquid crystal cells, the cell thickness d is divided into two so that the cell thickness per sheet is d / 2. can do.
[0025]
In an anti-parallel or parallel-aligned half-wavelength condition liquid crystal cell, the response time τr when no electric field is applied to when the electric field is applied is approximately when the applied voltage is V.
τr is (d / V) 2 Proportional to
It is known that In addition, the response time τd when no electric field is applied from the electric field applied state is approximate.
τd is d 2 Proportional to
It is known.
[0026]
Therefore, in the case of the polarization control type liquid crystal optical switch in which the polarization rotator of the present invention is composed of two quarter-wave plate condition liquid crystal cells as compared with the prior art, the response speed is 4 when compared with the same liquid crystal material. About twice as fast.
Here, if the number of divisions in the thickness direction is increased and the cell thickness per sheet is reduced, the speed can be further increased.
[0027]
High speed is important for optical switches for optical communication. In general, the response time is desired to be 50 milliseconds or less. However, when the center wavelength is a wavelength used for optical fiber communication of 1550 nm in the prior art, the cell thickness that satisfies the half-wavelength condition is, for example, Δn when using ZLI-4792 (trade name of Merck Japan) for liquid crystal Since it is about 0.09, the cell thickness d is about 8.6 μm.
[0028]
At this time, τr can be reduced to 50 milliseconds or less by increasing the applied voltage, but τd becomes 60 milliseconds or more near room temperature. Therefore, it is not suitable for an optical switch.
However, if a polarization control type liquid crystal optical switch comprising, for example, two quarter wave plate condition liquid crystal cells with two polarization rotators is used in the present invention, the response time τd can be easily reduced to 20 ms or less. .
[0029]
As apparent from the above description, the liquid crystal optical switch and the liquid crystal variable optical attenuator of the present invention and the driving method thereof can realize a highly functional optical switch and variable optical attenuator with a simple configuration and a simple driving method.
The present invention also provides a polarization-controlled liquid crystal optical switch used for wavelength division multiplexing (WDM) communication using optical fibers and optical networks, and a driving method thereof. The scope of the present invention is limited to the apparatus described herein. Needless to say, the present invention can be applied to, for example, a liquid crystal light modulator for a free space optical communication device.
[0030]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, a configuration of a liquid crystal optical switch, a liquid crystal variable optical attenuator, and a driving method thereof in the best mode for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings.
[0031]
First, the configuration of a liquid crystal optical switch according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 2 is a cross-sectional view for explaining the configuration of the liquid crystal cell 220 constituting the liquid crystal optical switch in the embodiment of the present invention.
[0032]
As shown in FIG. 2, the liquid crystal cell 220 of the liquid crystal light modulation device of the present invention includes a nematic liquid crystal layer 201 between a first substrate 203 on which a signal electrode 211 is formed and a second substrate 205 on which a common electrode 213 is formed. It is comprised by pinching.
The nematic liquid crystal layer 201 is a director of positive (p) type liquid crystal molecules when no electric field is applied, by an alignment layer 217 formed on the signal electrode 211 of the first substrate 203 and the common electrode 213 of the second substrate 205. The anti-parallel orientation is set so that the pre-tilt angle 209 of 207 is 0.5 to 20 degrees.
Here, the alignment layer 217 is formed of polyimide and aligns liquid crystal molecules in a predetermined direction by a rubbing method. Further, FIG. 2 shows the case of anti-parallel alignment, but the director 207 may be parallel alignment.
[0033]
Although not clearly shown in FIG. 2, the periphery of the liquid crystal cell 220 is sealed with a sealant between the first substrate 203 and the second substrate 205 via a spacer so that the nematic liquid crystal layer 201 maintains a predetermined constant thickness of several μm. Fix it.
Although not shown in FIG. 2, in order to prevent the signal electrode 211 and the common electrode 213 from being short-circuited, tantalum pentoxide (Ta2O5) or silicon dioxide (SiO2) is formed on the signal electrode 211 or the common electrode 213 or both. A transparent insulating film such as may be formed under the alignment layer 217.
[0034]
The signal electrode 211 formed on the first substrate 203 and the common electrode 213 formed on the second substrate 205 form a predetermined pattern made of a transparent conductive film as necessary, for example, when arrayed.
When indium tin oxide (ITO) is used as the transparent conductive film, the film thickness is set to 50 nm or less, and in order to improve the transmittance in the infrared region, the sheet resistance is increased from several hundreds Ω with increased oxygen concentration during film formation. It is desirable to use a film of about 1 kΩ.
[0035]
In addition to ITO, thin films such as indium oxide (In 2 O 3), tin oxide (SnO 2), and zinc oxide (ZnO) can be used as the transparent conductive film.
In this case as well, it is desirable to use a film having a film thickness of 50 nm or less and a sheet resistance number of several hundred Ω to 1 kΩ.
[0036]
A non-reflective coating 215 is formed on the surfaces of the first substrate 203 and the second substrate 205 made of glass opposite to the nematic liquid crystal layer 201 to prevent reflection at the interface between the air and the substrate.
2 shows the case where the non-reflective coating 215 is formed only on the first substrate 203, it is also formed below the second substrate 205 as needed.
[0037]
Next, the case where the liquid crystal polarization rotator of the present invention is constituted by two stages of antiparallel alignment liquid crystal cells having the same cell thickness and pretilt angle will be described with reference to FIGS.
FIG. 3 is a diagram schematically showing a liquid crystal polarization rotator 317 composed of a first liquid crystal cell 301 and a second liquid crystal cell 303.
[0038]
In FIG. 3, the first liquid crystal cell 301 has a structure in which a first liquid crystal layer 305 is sandwiched between a first glass substrate 319 and a second glass substrate 321. The second liquid crystal cell 303 has a structure in which the second liquid crystal layer 307 is sandwiched between the third glass substrate 323 and the fourth glass substrate 325.
The first cell thickness d1 of the first liquid crystal cell 301 and the second cell thickness d2 of the second liquid crystal cell 303 are made equal. Although not explicitly shown in FIG. 3, the first liquid crystal cell 301 and the second liquid crystal cell 305 have the same configuration as the liquid crystal cell 220 described in FIG.
[0039]
The arrows in the first liquid crystal layer 305 and the second liquid crystal layer 307 in FIG. 3 are for indicating the alignment state of the liquid crystal molecules, and schematically show the director of the liquid crystal.
[0040]
Here, in the first liquid crystal cell 301, an interface between the first glass substrate 319 and the first liquid crystal layer 305 is a first interface 309. Similarly, the interface between the second glass substrate 321 and the first liquid crystal layer 305 is referred to as a second interface 311. Further, in the second liquid crystal cell 303, an interface between the third glass substrate 323 and the second liquid crystal layer 307 is a third interface 313. Finally, the interface between the fourth glass substrate 325 and the second liquid crystal layer 307 is defined as a fourth interface 315.
Here, in the xyz coordinate system, the first interface of the first liquid crystal cell 301 is obtained when the clockwise direction from the positive x-axis direction to the positive y-axis direction is azimuthally positive. The azimuth angle of the liquid crystal director on the 309 side is π / 4 radians, and the thickness direction is selected to be parallel to the z-axis.
[0041]
Next, the directions of the liquid crystal directors at the interfaces 309, 311, 313, and 315 are shown in the plan view of FIG. Hereinafter, description will be made with reference to FIGS. 3 and 4 alternately.
At the first interface 309, the azimuth angle α1 measured from the x-axis of the first liquid crystal director 401 is π / 4 radians. Since the first liquid crystal cell 301 has anti-parallel alignment, the azimuth angle α2 of the second liquid crystal director 403 is also π / 4 radians at the second interface 311. Next, the azimuth angle α3 of the third liquid crystal director 405 at the third interface 313 is set to π / 4 radians in order to be parallel to the second liquid crystal director 403.
Further, since the second liquid crystal cell 302 is also anti-parallel aligned, the azimuth angle α4 of the fourth liquid crystal director 407 at the fourth interface 315 is π / 4 radians.
[0042]
Up to this point, the case where the liquid crystal polarization rotator 317 is configured by the two liquid crystal cells 301 and 303 having the same cell thickness has been described, but the liquid crystal cell may be configured by three or more k sheets.
In this case, when the total cell thickness d is from the first cell thickness d1 to the kth cell thickness dk,
d = d1 + d2 +. . . dk (1)
It becomes. When the extraordinary refractive index of the liquid crystal material used is ne and the ordinary refractive index is no, the effective extraordinary refractive index neff is when the pretilt angle of the liquid crystal cell is θ,
neff = (sin 2 θ / no 2 + Cos 2 θ / ne 2 ) -1/2 (2)
It becomes. Here, assuming that the pretilt angle θ of each liquid crystal cell is equal,
Δn = neff−no (3)
The total cell thickness at a given wavelength λ is
d = λ / (2 · Δn) (4)
To satisfy.
This is equivalent to a zero-order half-wave plate made of quartz or the like as is well known. (For example, there are Pochi Yeh and Claire Gu, Optics of Liquid Crystal Displays, Wiley, 1999)
[0043]
In addition, the azimuth angle αk of the liquid crystal director at the first to second interface needs to be all equal to the azimuth angle α1 of the first liquid crystal director. For example
When α1 = π / 4 radians
α1 = α2
α2 = α3
...
α2k-1 = α2k
And so on.
[0044]
In FIG. 3, the total cell thickness d of the liquid crystal cell constituting the liquid crystal polarization rotator 317 is
d = λ / (2 · Δn)
And When the center wavelength λ is 1550 nm and the pretilt angle is 1 °, for example, when ZLI-4792 (trade name of Merck Japan) is used as the liquid crystal material, Δn is about 0.09.
d = 8.6 [μm]
And Therefore, when the liquid crystal polarization rotator 317 is composed of two liquid crystal cells, the cell thickness d1 of the first liquid crystal cell 301 and the cell thickness d2 of the second liquid crystal cell 303 are:
d1 = d2 = 4.3 [μm]
And set.
[0045]
The incident linearly polarized light 410 having an azimuth angle β1 = 0 radians inclined by −π / 4 with respect to the first liquid crystal director 401 of the first interface 309 is arranged on the liquid crystal polarization rotator 317 configured as described above. , The outgoing linearly polarized light 413 exiting the plane of the fourth interface 315 becomes linearly polarized light oscillating at an azimuth angle β2 = π / 2 radians inclined by + π / 4 with respect to the fourth liquid crystal director 407.
[0046]
In other words, the liquid crystal polarization rotator 317 composed of the two first and second liquid crystal cells 301 and 303 has the 0th order rotation of the incident linearly polarized light 410 by rotating the azimuth angle by π / 2 and rotating the polarized light to the outgoing linearly polarized light 413. Acts as a half-wave plate.
FIG. 8 shows a comparison of the isolation characteristics of the liquid crystal polarization rotator characteristic 803 produced under the 0th-order half-wave plate condition and the 90 ° TN type polarization rotator characteristic 801 produced under the 1st minimum condition.
[0047]
In the ideal polarization rotator, the incident linearly polarized light 410 should be completely converted to the outgoing linearly polarized light 413, but in reality, a component orthogonal to the outgoing linearly polarized light 413 is generated and becomes the crosstalk component of the optical switch. . FIG. 8 shows the wavelength dependence of the leaked light component orthogonal to the outgoing linearly polarized light 413.
[0048]
As a practical example, when a wavelength range in which isolation is greater than −30 dB is considered as an operating wavelength range and compared, a 90 ° TN polarization rotator characteristic 801 is obtained when the center wavelength is compared at 1550 [nm]. The −30 dB range 810 of the half-wave plate type liquid crystal polarization rotator characteristics 803 is about 60 [nm] and about 3/4, whereas the −30 dB range 810 is about 80 [nm]. 1/3 of total cell thickness d 1/2 Since the half-wave plate type can be made thin, the half-wave plate type is suitable particularly when a high-speed switch is required.
[0049]
Next, an operation when an electric field is applied to the first and second liquid crystal cells 301 and 303 will be described.
When a sufficiently large predetermined voltage is applied to the first liquid crystal cell 301 and the second liquid crystal cell 303, the liquid crystal molecules in each cell are aligned in the electric field direction, and thus anisotropy disappears. Therefore, the liquid crystal polarization rotator 317 does not give a phase difference between ordinary light and extraordinary light. As a result, even if the incident linearly polarized light 410 is emitted, the azimuth angle is 0 radians, which is the same as the incident angle.
[0050]
Further, when an electric field is applied to the liquid crystal polarization rotator 317 during driving, the electric field is applied to the first liquid crystal cell 301 and the second liquid crystal cell 303 simultaneously. Further, when the liquid crystal polarization rotator 317 is not applied with an electric field, the electric fields applied to the first liquid crystal cell 301 and the second liquid crystal cell 302 are simultaneously removed.
By adopting such a driving method, since the switching time is determined by a single liquid crystal cell, the liquid crystal polarization rotator 317 can be switched at high speed.
[0051]
As is apparent from the above description, in the polarization control type liquid crystal optical switch using the liquid crystal polarization rotator of the present invention, the incident linearly polarized light during polarization rotation (no applied electric field) becomes elliptically polarized light after polarization rotation. In addition, the optical characteristics can be optimized, and the response time when the polarization is not rotated (when an electric field is applied) can be shortened.
[0052]
Next, the entire configuration of the polarization control type liquid crystal optical switch will be described in detail with reference to FIG.
[0053]
FIG. 1 is a view schematically showing a polarization control type liquid crystal optical switch 320 of the present invention. The liquid crystal polarization rotator 317 includes a first liquid crystal cell 301 and a second liquid crystal cell 303.
A first signal source 131 is connected to the first liquid crystal cell 301 via a first switch 135. Similarly, a second signal source 133 is connected to the second liquid crystal cell 303 via a second switch 137. In FIG. 1, for the sake of easy understanding, a method in which the application of a signal to a liquid crystal cell and the non-application of a signal are controlled by a first switch 135 and a second switch 137 will be described. Needless to say, it may be controlled electronically using a diode or IC.
[0054]
The polarization control type liquid crystal optical switch 320 of the present invention has a configuration in which the first polarization separator 121 and the second polarization separator 123 sandwich the first region 145 of the liquid crystal polarization rotator 317 from both sides. The first total reflection mirror 125 and the second total reflection mirror 127 sandwich the second region 147 of the liquid crystal polarization rotator 317 from both sides.
The thus configured liquid crystal optical switch 320 includes an input A, an input B, an output C, and an output D.
[0055]
Next, the operation of the liquid crystal optical switch 320 of the present invention will be described.
First, the case where the liquid crystal polarization rotator 317 rotates the polarization without applying a voltage to the first liquid crystal cell 301 and the second liquid crystal cell 303 constituting the liquid crystal polarization rotator 317 will be described with reference to FIG. I will explain.
[0056]
First, consider that the first input light 101 enters the input A. Although not clearly shown in FIG. 1, the first input light 101 is light that is collimated from light emitted from the optical fiber. The first input light 101 is considered by dividing it into a first linearly polarized light 103 that is P-polarized light and a second linearly polarized light 105 that is S-polarized light for the first polarization separator 121.
Hereinafter, P-polarized light is indicated by a vertical or horizontal arrow on the drawing, and S-polarized light is indicated by an oblique arrow on the drawing.
[0057]
The first linearly polarized light 103 that has entered the first polarization separator 121 passes through the first polarization separator 121 because it is P-polarized light, and passes through the first region 145 of the liquid crystal polarization rotator 317. Follow the 141 in the liquid crystal polarization rotator 317. In the first linearly polarized light 103, no voltage is applied to the first liquid crystal cell 301 and the second liquid crystal cell 303 constituting the liquid crystal polarization rotator 317, and although not shown in FIG. Since the angle formed with the azimuth angle of the liquid crystal director on the incident side of the liquid crystal cell 301 is 45 °, when the first region 145 is emitted, the azimuth angle is rotated by 90 ° to become S-polarized light.
The first linearly polarized light 103 that has become S-polarized light is emitted from the output D with the second polarization separator 123 changing the traveling direction to a right angle.
[0058]
On the other hand, the second linearly polarized light 105 entering the input A is changed to a right angle by the first polarization separator 121 because it is an S-polarized light, enters the first total reflection mirror 125, and further turns to a right angle. And the light is propagated through the liquid crystal polarization rotator 317 according to the second optical path 143 passing through the second region 147 of the liquid crystal polarization rotator 317 while maintaining the S polarization. When the first liquid crystal cell 301 and the second liquid crystal cell 303 constituting the liquid crystal polarization rotator 317 are not applied with voltage and the second linearly polarized light 105 exits the second region 147, the liquid crystal polarization rotation is performed. Since the element 317 functions as a half-wave plate, the azimuth angle is rotated by 90 ° and becomes P-polarized light.
[0059]
The second linearly polarized light 105 emitted from the second region 147 changes its direction at a right angle by the second total reflection mirror 127 and further passes through the second polarization separator 123 without changing its direction. To P-polarized light. Therefore, at the output D, the first linearly polarized light 103 that has propagated through the first region 145 and becomes S-polarized light and the second linearly polarized light 105 that has propagated through the second region 145 and becomes P-polarized light are combined. The first output light 113 is emitted.
Although not shown, the first output light 113 is coupled to an optical fiber via a collimator lens as necessary.
[0060]
Next, consider the second input light 107 incident on the input B.
The second input light 107 is divided into a third linearly polarized light 109 that is P-polarized light and a fourth linearly polarized light 111 that is S-polarized light with respect to the first polarization separator 121. The third linearly polarized light 109 that has entered the first polarization separator 121 passes through the first polarization separator 121 because it is P-polarized light, and is turned at a right angle by the first total reflection mirror 125 to rotate the liquid crystal polarization. Proceed through the liquid crystal polarization rotator 317 according to a second optical path 143 passing through the second region 147 of the child 317. In the third linearly polarized light 109, no voltage is applied to the first liquid crystal cell 301 and the second liquid crystal cell 303 constituting the liquid crystal polarization rotator 317, and although not shown in FIG. Since the angle formed with the azimuth angle of the liquid crystal director on the incident side of the liquid crystal cell 301 is 45 °, when exiting the second region 147, the azimuth angle is rotated by 90 ° to become S-polarized light.
The third linearly polarized light 109 that has become S-polarized light is turned to a right angle by the second total reflection mirror 127, and is incident on the second polarization separator 123. However, since it is S-polarized light, the second polarization separator 123 changes the traveling direction to a right angle and emits it from the output C.
[0061]
On the other hand, the fourth linearly polarized light 111 that has entered the input B is S-polarized light, and is turned at a right angle by the first polarization separator 121, and remains as S-polarized light in the first region 145 of the liquid crystal polarization rotator 317. Propagates through the polarization rotator 317 according to a first optical path 141 passing through. The fourth linearly polarized light 111 is the liquid crystal polarization rotation when the first liquid crystal cell 301 and the second liquid crystal cell 303 constituting the liquid crystal polarization rotator 317 are applied with no voltage, and are emitted from the first region 145. Since the element 317 functions as a half-wave plate, the azimuth angle is rotated by 90 ° and becomes P-polarized light. The fourth linearly polarized light 111 emitted from the first region 145 passes through the second polarization separator 123 without changing its direction, and thus reaches the output C as P-polarized light.
[0062]
Therefore, at the output C, the third linearly polarized light 109 propagating through the second region 147 and becoming S-polarized light and the fourth linearly polarized light 111 propagating through the first region 145 and converted into P-polarized light are combined. The light is emitted as the second output light 115. Although not shown, the second output light 115 is coupled to an optical fiber via a collimator lens as necessary.
[0063]
Next, the first switch 135 of the first signal source 131 and the second switch 137 of the second signal source 133 are turned on, and the first liquid crystal cell 301 constituting the liquid crystal polarization rotator 317 and the second switch 137 are turned on. A case where a sufficiently large voltage is applied to the second liquid crystal cell 303 and the liquid crystal polarization rotator 317 does not rotate the polarization will be described with reference to FIG. In FIG. 5, the same components as those in FIG.
[0064]
First, consider that the first input light 101 enters the input A.
The first input light 101 is considered by dividing it into a first linearly polarized light 103 that is P-polarized light and a second linearly polarized light 105 that is S-polarized light for the first polarization separator 121. The first linearly polarized light 103 that has entered the first polarization separator 121 passes through the first polarization separator 121 because it is P-polarized light, and passes through the first region 145 of the liquid crystal polarization rotator 317. Then proceed through the liquid crystal polarization rotator 317 according to 141.
In the first linearly polarized light 103, the first liquid crystal cell 301 and the second liquid crystal cell 303 constituting the liquid crystal polarization rotator 317 are in a voltage application state, and the azimuth angle does not rotate in the liquid crystal polarization rotator 317. When the light is emitted from the first region 145, it remains P-polarized light.
[0065]
Therefore, the first linearly polarized light 103 passes through the second polarization separator 123 as it is and is emitted from the output C. On the other hand, the second linearly polarized light 105 entering the input A is changed to a right angle by the first polarization separator 121 because it is an S-polarized light, enters the first total reflection mirror 125, and further turns to a right angle. And the light is propagated through the liquid crystal polarization rotator 317 according to the second optical path 143 passing through the second region 147 of the liquid crystal polarization rotator 317 while maintaining the S polarization.
The second linearly polarized light 105 has a polarization state even when the first liquid crystal cell 301 and the second liquid crystal cell 303 constituting the liquid crystal polarization rotator 317 are in a voltage application state and are emitted from the second region 147. The S-polarized light remains unchanged.
[0066]
Therefore, the second linearly polarized light 105 emitted from the second region 147 is turned at a right angle by the second total reflection mirror 127 and further turned at a right angle by the second polarization separator 123, and the output C To S-polarized light.
Therefore, at the output C, the first linearly polarized light 103 propagating through the first region 145 and being P-polarized light and the second linearly polarized light 105 propagating through the second region 147 and being S-polarized light are combined. 2 is emitted as output light 115. Although not shown, the second output light 115 is coupled to an optical fiber via a collimator lens as necessary.
[0067]
Next, consider the second input light 107 incident on the input B. The second input light 107 is divided into a third linearly polarized light 109 that is P-polarized light and a fourth linearly polarized light 111 that is S-polarized light with respect to the first polarization separator 121.
[0068]
The third linearly polarized light 109 that has entered the first polarization separator 121 passes through the first polarization separator 121 because it is P-polarized light, and is turned at a right angle by the first total reflection mirror 125 to rotate the liquid crystal polarization. Proceed through the liquid crystal polarization rotator 317 according to a second optical path 143 passing through the second region 147 of the child 317.
In the third linearly polarized light 109, the first liquid crystal cell 301 and the second liquid crystal cell 303 constituting the liquid crystal polarization rotator 317 are in a voltage application state, and the polarization rotation function is lost. P-polarized light is maintained even when 147 is emitted. The third linearly polarized light 109 emitted from the second region 147 is turned at a right angle by the second total reflection mirror 127, and then enters the second polarization separator 123. However, since it is P-polarized light, it passes through the second polarization separator 123 as it is and exits from the output D.
[0069]
On the other hand, since the fourth linearly polarized light 111 entering the input B is S-polarized light, the first polarization separator 121 changes the direction at a right angle so that the first region 145 of the liquid crystal polarization rotator 317 remains the S-polarized light. It propagates through the liquid crystal polarization rotator 317 according to the first optical path 141 that passes.
The fourth linearly polarized light 111 is in the first region because the first liquid crystal cell 301 and the second liquid crystal cell 303 constituting the liquid crystal polarization rotator 317 are in a voltage application state and the polarization rotation function is lost. S-polarized light is maintained even when 145 is emitted. The fourth linearly polarized light 111 emitted from the first region 145 is turned at a right angle by the second polarization separator 123 and reaches the output D as S-polarized light.
[0070]
Accordingly, in the output D, the first output obtained by combining the P-polarized third linearly polarized light 109 propagated through the second region 147 and the S-polarized fourth linearly polarized light 111 propagated through the first region 145. The light 113 is emitted.
Although not shown, the first output light 113 is coupled to an optical fiber via a collimator lens as necessary.
[0071]
As is clear from the above description, when the first input light 101 incident on the input A does not apply a voltage to the first liquid crystal cell 301 and the second liquid crystal cell 303 constituting the liquid crystal polarization rotator 317, The light is emitted from the output D as the first output light 113.
Further, the first input light 101 incident on the input A is applied with a voltage to the first liquid crystal cell 301 and the second liquid crystal cell 303 constituting the liquid crystal polarization rotator 317, and the liquid crystal polarization rotator 317 rotates the polarization. When the function is lost, the second output light 115 is emitted from the output C. That is, the first input light 101 becomes output light from the outputs C and D that differ depending on whether or not voltage is applied to the liquid crystal cells 301 and 303.
[0072]
The second input light 107 incident on the input B is the second output light 115 when no voltage is applied to the first liquid crystal cell 301 and the second liquid crystal cell 303 constituting the liquid crystal polarization rotator 317. As shown in FIG.
[0073]
Further, the second input light 107 incident on the input B is applied with a voltage to the first liquid crystal cell 301 and the second liquid crystal cell 303 constituting the liquid crystal polarization rotator 317, and the liquid crystal polarization rotator 317 is polarized. When the rotation function is lost, the second output light 115 is emitted from the output C.
That is, the second input light 107 is output light from the same output C and output D regardless of whether or not voltage is applied to the liquid crystal cells 301 and 303.
[0074]
From the above description, it can be seen that the liquid crystal optical switch 320 of the present invention operates as a 2 × 2 optical switch.
Needless to say, if only one of the first input light 101 and the second input light 107 shown in FIG. 1 is used, it can be used as a 1 × 2 optical switch.
[0075]
Next, the operation when the input light of the liquid crystal optical switch 320 of the present invention is linearly polarized light from the beginning will be described.
First, the case where the liquid crystal polarization rotator 317 rotates polarized light without applying a voltage to the first liquid crystal cell 301 and the second liquid crystal cell 303 constituting the liquid crystal polarization rotator 317 will be described with reference to FIG. In FIG. 7, the same components as those in FIG.
[0076]
First, consider that the first input light 101 enters the input A. Although not clearly shown in FIG. 7, the first input light 101 and the second input light 107 to be described later may be light that is collimated from the light emitted from the polarization maintaining optical fiber.
The first input light 101 is polarized so as to consist only of the first linearly polarized light 103 which is P-polarized light with respect to the first polarization separator 121. The first linearly polarized light 103 that has entered the first polarization separator 121 passes through the first polarization separator 121 because it is P-polarized light, and passes through the first region 145 of the liquid crystal polarization rotator 317. Follow the 141 in the liquid crystal polarization rotator 317. In the first linearly polarized light 103, no voltage is applied to the first liquid crystal cell 301 and the second liquid crystal cell 303 constituting the liquid crystal polarization rotator 317, and although not shown in FIG. Since the angle formed with the azimuth angle of the liquid crystal director on the incident side of the first liquid crystal cell 301 is 45 °, when the first region 145 is emitted, the azimuth angle is rotated by 90 ° to become S-polarized light.
[0077]
The first linearly polarized light 103 that has become S-polarized light, which is the first input light 101, is output from the output D as the first output light 113 with the second polarization separator 123 changing the traveling direction to a right angle.
Although not shown, the first output light 113 is coupled to an optical fiber via a collimator lens as necessary.
[0078]
Next, consider the second input light 107 incident on the input B. It is assumed that the second input light 107 is the fourth linearly polarized light 111 having an azimuth angle that is S-polarized light with respect to the first polarization separator 121. The fourth linearly polarized light 111 that has entered the input B is changed to a right angle by the first polarization separator 121 because it is S-polarized light, and passes through the first region 145 of the liquid crystal polarization rotator 317 while remaining S-polarized. It propagates through the liquid crystal polarization rotator 317 according to the first optical path 141.
[0079]
The fourth linearly polarized light 111 is the liquid crystal polarization rotation when the first liquid crystal cell 301 and the second liquid crystal cell 303 constituting the liquid crystal polarization rotator 317 are applied with no voltage, and are emitted from the first region 145. Since the element 317 functions as a half-wave plate, the azimuth angle is rotated by 90 ° and becomes P-polarized light. The fourth linearly polarized light 111 that is the second input light 107 emitted from the first region 145 passes through the second polarization separator 123 without changing its direction, and thus reaches the output C as P-polarized light.
Therefore, the output C is emitted as the second output light 115. Although not shown, the second output light 115 is coupled to an optical fiber via a collimator lens as necessary.
[0080]
Here, a predetermined drive voltage is applied to the first liquid crystal cell 301 and the second liquid crystal cell 303 constituting the liquid crystal polarization rotator 317 by the first signal source 131 and the second signal source 133, respectively. Consider a case in which the switch 135 and the second switch 137 are applied.
In this case, the liquid crystal polarization rotator 317 disappears from the action of rotating the azimuth angle of incident polarized light by 90 °. Accordingly, the first input light 101 is emitted as the second output light 115 at the output C, and the second input light 107 is emitted as the first output light 113 at the output D.
[0081]
From the above description, it can be seen that the liquid crystal optical switch 320 of the present invention operates as a 2 × 2 optical switch that can select an output destination by applying or not applying a voltage to the liquid crystal polarization rotator 317.
Further, only one of the first input light 101 and the second input light 107 shown in FIG. 7 is used as P-polarized light or S-polarized light in the first region 145 without using the first polarization separator 121. Needless to say, it can be used as a 1 × 2 optical switch.
[0082]
Next, a configuration and driving method when the polarization control type liquid crystal optical switch 320 of the present invention is used as a variable optical attenuator will be described. For example, assume that only the first input light 101 enters the input A in FIG. 1, and only the first output light 113 emitted from the output D is considered as an output.
The first switch 135 and the second switch 137 are short-circuited, and the first signal source 131 is connected to the first liquid crystal cell 301 and the second signal source 133 is connected to the second liquid crystal cell 303. To do. At this time, the effective voltage applied to the liquid crystal cells 301 and 303 is changed in an analog manner by changing the amplitudes of the outputs of the first signal source 131 and the second signal source 133 or changing the pulse width. Think.
[0083]
At this time, the light emitted from the first region 145 and the second region 147 of the liquid crystal polarization rotator 317 has an analog function of rotating the polarization according to the modulation applied voltage of the liquid crystal cells 301 and 303. In general, it becomes elliptically polarized light.
For this reason, since the first output light 113 emitted to the output D is subjected to intensity modulation, it is continuously output according to the effective values of the outputs of the first signal source 131 and the second signal source 133. The light intensity can be controlled. Therefore, the polarization control type liquid crystal optical switch 320 can be used as a variable optical attenuator.
[0084]
A configuration in the case of arraying polarization control type optical switches using the liquid crystal of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 6 is a diagram showing a configuration of a polarization control type liquid crystal optical switch using an arrayed liquid crystal cell.
[0085]
In the case of forming an array, a liquid crystal polarization rotator 317 composed of a plurality of cells is divided into the number of arrays in a plane. Although not shown in FIG. 6, the dividing method is realized by dividing the transparent electrode of the liquid crystal cell constituting the liquid crystal polarization rotator 317 into predetermined regions within the electrode plane.
FIG. 6 shows a case where the liquid crystal polarization rotator 317 is divided into two parts, a first liquid crystal polarization rotator unit 621 and a second liquid crystal polarization rotator unit 623.
[0086]
As shown in FIG. 6, the first composite prism unit 631 includes a first polarization separator 121 and a first total reflection mirror 125, and the second composite prism unit 633 includes a second polarization separator 123. The second total reflection mirror 127 is used.
The arrayed polarization control type optical switch is configured by disposing a liquid crystal polarization rotator 317 having the dividing element portion between a first composite prism portion 631 and a second composite prism portion 633. FIG. 6 shows an arrayed element in which two 2 × 2 elements are arranged.
[0087]
In the first liquid crystal polarization rotation element unit 621, incident light from the first A input 601 and the first B input 603 is controlled and emitted from the first C output 611 and the first D output 613.
The second liquid crystal polarization rotator unit 623 controls incident light from the second A input 605 and the second B input 607 so as to be emitted from the second C output 615 and the second D output 617. .
[0088]
In FIG. 6, for the sake of simplicity, the case of a one-dimensional two-array configuration in which the liquid crystal polarization rotator 317 is divided into two parts is shown. However, since the array can be expanded in a two-dimensional plane by a similar method, a one-dimensional two-array It goes without saying that it is not limited to.
[0089]
【The invention's effect】
As is apparent from the above description, according to the liquid crystal optical switch and the driving method thereof of the present invention, a high-performance optical switch that can be used as a variable optical attenuator with a simple configuration and a simple driving method can be realized.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a drawing schematically showing a configuration of a liquid crystal optical switch in an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a drawing schematically showing the structure of a liquid crystal cell constituting a liquid crystal polarization rotator of a liquid crystal optical switch in an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a drawing schematically showing the structure of a liquid crystal polarization rotator of a liquid crystal optical switch in an embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a plan view for explaining the azimuth angle of a liquid crystal director at each substrate interface of a liquid crystal cell constituting a liquid crystal polarization rotator of a liquid crystal optical switch according to an embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a drawing schematically showing a configuration in which a signal source is connected to a liquid crystal polarization rotator of a liquid crystal optical switch in an embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a drawing schematically showing a configuration when liquid crystal optical switches according to an embodiment of the present invention are arrayed.
FIG. 7 is a drawing schematically showing a configuration in an embodiment when incident light of a polarization control type optical switch using a liquid crystal of the present invention can be limited to linearly polarized light.
FIG. 8 is a graph showing the wavelength dependence of isolation characteristics when a TN type is used for a liquid crystal cell used for a polarization control type optical switch and when a half-wave plate type is used.
[Explanation of symbols]
101: First input light 103: First linearly polarized light
105: Second linearly polarized light 107: Second input light
109: Third linearly polarized light 111: Fourth linearly polarized light
113: First output light 115: Second output light
121: First polarization separator 123: Second polarization separator
125: First total reflection mirror 127: Second total reflection mirror
131: First signal source 133: Second signal source
135: First switch 137: Second switch
141: First optical path 143: Second optical path
145: First area 147: Second area
201: Nematic liquid crystal layer 203: First substrate
205: Second substrate 207: Director
209: Pretilt angle 211: Signal electrode
213: Common electrode 215: Non-reflective coating
217: Alignment layer 220: Liquid crystal cell
301: First liquid crystal cell 303: Second liquid crystal cell
305: First liquid crystal layer 307: Second liquid crystal layer
309: First interface 311: Second interface
313: Third interface 315: Fourth interface
317: Liquid crystal polarization rotator 319: First glass substrate
320: Polarization control type liquid crystal optical switch 321: Second glass substrate
323: Third glass substrate 325: Fourth glass substrate
401: First liquid crystal director 403: Second liquid crystal director
405: Third liquid crystal director 407: Fourth liquid crystal director
410: incident linearly polarized light 413: outgoing linearly polarized light
601: 1A input 603: 1B input
605: 2nd A input 607: 2nd B input
611: 1C output 613: 1D output
615: 2C output 617: 2D output
621: First liquid crystal polarization rotation element section
623: Second liquid crystal polarization rotation element unit
631: First composite prism portion 633: Second composite prism portion
Characteristics of 90 ° TN polarization rotator fabricated under 801: 1st minimum conditions
803: Liquid crystal polarization rotator characteristics produced under half-wave plate conditions
810: TN type -30dB range
813: -30 dB range of half-wave plate type

Claims (4)

液晶を用いた液晶光スイッチにおいて、
前記液晶光スイッチは、アンチパラレルまたはパラレル配向の複数の液晶セルからなる液晶偏光回転子を有し、
前記各液晶セルのセル厚と、前記各液晶セルの液晶層のリターデーションとの比がほぼ等しく、
前記液晶セル間で光出射側基板と光入射側基板とが対向し
前記光入射側基板の界面における液晶ダイレクタに対して、方位角が−π/4だけ傾いた方位角β1=0ラジアンの直線偏光の入射光が、前記液晶偏光回転子に入射すると、前記光出射側基板の界面における液晶ダイレクタに対して、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の出射光となり、
前記液晶偏光回転子の電圧印加の有無によって、前記入射光を制御することを特徴とする液晶光スイッチ。
In liquid crystal optical switches using liquid crystals,
The liquid crystal optical switch has a liquid crystal polarization rotator comprising a plurality of liquid crystal cells of anti-parallel or parallel orientation,
The ratio of the cell thickness of each liquid crystal cell and the retardation of the liquid crystal layer of each liquid crystal cell is substantially equal,
The light emission side substrate and the light incident side substrate face each other between the liquid crystal cells ,
When linearly polarized incident light with an azimuth angle β1 = 0 radians inclined by −π / 4 with respect to the liquid crystal director at the interface of the light incident side substrate enters the liquid crystal polarization rotator, the light emission The output light is linearly polarized light that vibrates at an azimuth angle β2 = π / 2 radians inclined by π / 4 with respect to the liquid crystal director at the interface of the side substrate,
The liquid crystal optical switch, wherein the incident light is controlled depending on whether or not a voltage is applied to the liquid crystal polarization rotator .
前記液晶偏光回転子が所定の波長の半波長板であることを特徴とする請求項1記載の液晶光スイッチ。  2. The liquid crystal optical switch according to claim 1, wherein the liquid crystal polarization rotator is a half-wave plate having a predetermined wavelength. 前記液晶セルが2つであり、
各液晶セルの前記液晶層のリターデーションがほぼ四分の一波長であることを特徴とする請求項1又は2に記載の液晶光スイッチ。
Two liquid crystal cells;
The liquid crystal optical switch according to claim 1 or 2, wherein the retardation of the liquid crystal layer of each liquid crystal cell is approximately a quarter wavelength.
請求項1から3の何れか1項に記載の液晶光スイッチの駆動方法であって、
前記液晶セルに印加する所定の駆動波形の実効値をアナログ変調し、連続的に偏光回転量および入射光の楕円率を制御することを特徴とする液晶光スイッチの駆動方法。
A method for driving a liquid crystal optical switch according to any one of claims 1 to 3 ,
A method of driving a liquid crystal optical switch, characterized in that an effective value of a predetermined drive waveform applied to the liquid crystal cell is analog-modulated to continuously control the amount of polarization rotation and the ellipticity of incident light.
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