JP6460717B2 - 光スイッチ装置 - Google Patents

Description

本発明は、光通信ネットワークやその他の光信号処理において、伝搬する光信号の進行方向を空間的に切り替える光スイッチ装置に関する。

今日、光通信ネットワークの発展に伴い、光信号を伝搬するための光ファイバーが広く使用されている。光ファイバーにより光信号を伝搬するためには、光ファイバー間で光信号の進行方向を切り替える必要がある。このような光信号の進行方向を切り替える方法の一つとして、液晶素子を利用して光信号のまま進行方向の切り換える液晶光スイッチが知られている。

特許第４０９２９８６号公報

本発明は、光信号の反射を抑制し、光損失を低減することが可能な光スイッチ装置を提供することを目的とする。

本発明の一態様に係る光スイッチ装置は、入射光を第１偏光成分と第２偏光成分とに分離する分離部材と、前記第１偏光成分を受け、第１液晶層を有し、前記第１液晶層に印加される電界に応じて、前記第１偏光成分の偏光面を変化させる第１液晶素子と、前記分離部材と前記第１液晶素子との間に設けられた第１透明部材と、前記第２偏光成分を受け、第２液晶層を有し、前記第２液晶層に印加される電界に応じて、前記第２偏光成分の偏光面を変化させる第２液晶素子と、前記第１液晶素子からの前記第１偏光成分と、前記第２液晶素子からの前記第２偏光成分とを合成する合成部材と、前記合成部材と前記第２液晶素子との間に設けられた第２透明部材とを具備することを特徴とする。

また、本発明の一態様に係る光スイッチ装置は、入射光を第１偏光成分と第２偏光成分とに分離する分離部材と、前記第１偏光成分を受け、第１液晶層を有し、前記第１液晶層に印加される電界に応じて、前記第１偏光成分の偏光面を変化させる第１液晶素子と、前記分離部材と前記第１液晶素子との間に設けられた第１透明部材と、前記第２偏光成分を受け、第２液晶層を有し、前記第２液晶層に印加される電界に応じて、前記第２偏光成分の偏光面を変化させる第２液晶素子と、前記第１液晶素子からの前記第１偏光成分を受け、第３液晶層を有し、前記第３液晶層に印加される電界に応じて、前記第１偏光成分の偏光面を変化させる第３液晶素子と、前記第３液晶素子からの前記第１偏光成分と、前記第２液晶素子からの前記第２偏光成分とを合成する合成部材と、前記合成部材と前記第２液晶素子との間に設けられた第２透明部材と、前記合成部材と前記第３液晶素子との間に設けられた第３透明部材とを具備することを特徴とする。

本発明は、光信号の反射を抑制し、光損失を低減することが可能な光スイッチ装置を提供することができる。

第１実施形態に係る光スイッチ装置の断面図。 第１実施形態に係る光スイッチ装置の断面図。 第１実施形態に係る光スイッチ装置の動作状態を説明する図。 第１実施形態に係る液晶素子の動作を説明する概略図。 第１実施形態に係る液晶素子の動作を説明する概略図。 第１実施形態に係る液晶素子の動作を説明する概略図。 第１実施形態に係る液晶素子の旋光性を説明する図。 第１実施形態に係る液晶素子の旋光性を説明する図。 第１実施形態に係る光スイッチ装置の使用例を説明する概略図。 第１実施形態に係る光スイッチ装置の使用例を説明する概略図。 第１実施形態に係る光スイッチ装置の使用例を説明する概略図。 第１実施形態に係る光スイッチ装置の動作状態を説明する図。 第２実施形態に係る光スイッチ装置の断面図。 第２実施形態に係る光スイッチ装置の断面図。 ビームスプリッター及び液晶素子を透過する光の反射原理を説明する図。 第３実施形態に係る光スイッチ装置の断面図。 第３実施形態に係る光スイッチ装置の断面図。 第３実施形態に係る液晶素子の旋光性を説明する図。 第３実施形態に係る液晶素子の旋光性を説明する図。

以下、実施形態について図面を参照して説明する。ただし、図面は模式的又は概念的なものであり、各図面の寸法及び比率等は必ずしも現実のものと同一とは限らないことに留意すべきである。また、図面の相互間で同じ部分を表す場合においても、互いの寸法の関係や比率が異なって表される場合もある。特に、以下に示す幾つかの実施形態は、本発明の技術思想を具体化するための装置及び方法を例示したものであって、構成部品の形状、構造、配置等によって、本発明の技術思想が特定されるものではない。尚、以下の説明において、同一の機能及び構成を有する要素については同一符号を付し、重複説明は必要な場合にのみ行う。

［１］第１実施形態
第１実施形態では、光スイッチ装置１を構成する導光部材（ミラー）４１に入射する直線偏光の偏光面を、導光部材４１に対して平行にすることで導光部材４１での反射時における光損失を低減する。

［１−１］光スイッチ装置１の構成
図１及び図２は、第１実施形態に係る光スイッチ装置１の断面図である。図１は、光信号の進行方向を９０°変化させて出射させる状態を示し、図２は、光信号の進行方向を変えずに出射させる状態を示す。図３は、第１実施形態に係る光スイッチ装置１の動作状態を説明する図である。

図１及び図２に示すように、光スイッチ装置１は、液晶素子１０、２０、偏光分離部材（ビームスプリッター）３０、偏光合成部材（ビームスプリッター）３１、及び導光部材（ミラー）４０、４１を備える。光スイッチ装置１には、入射光（光信号）５０が入力される。光スイッチ装置１は、この入射光５０の偏光及び進行方向を制御することで、出力としての出射光（光信号）５３の進行方向を切り換える。図１及び図２において、入射光に含まれる互いに直交する２つの偏光成分の一方を点（Ｓ偏光、紙面に垂直な成分）、他方を線分（Ｐ偏光、紙面に平行な成分）で示している。

液晶素子１０は、液晶素子１０ａ及び１０ｂを備える。液晶素子１０ａ及び１０ｂは、透明基板（例えば、ガラス基板）１１、１２、液晶層１３、シール剤１４、及び透明電極１５、１６ａ、１６ｂを備える。透明電極１５、１６ａ、１６ｂとしては、例えば、ＩＴＯ（インジウム錫酸化物）が用いられる。

透明基板１１及び１２は、対向して配置される。透明基板１１及び１２間には、液晶層１３が封入される。液晶層１３としては、例えば、ネマティック液晶が用いられる。液晶層１３の配向は、図示した液晶分子の長軸方向で表している。液晶層１３の封入には、シール剤１４が用いられる。

透明電極１５及び透明電極１６ａ、１６ｂは、それぞれ透明基板１１及び透明基板１２の液晶層１３側に設けられる。透明電極１５は、紙面に平行な方向に向かって、透明電極１６ａ、１６ｂは紙面に垂直な方向に向かって、それぞれ液晶層１３が封入されている層から外に引き出され、電圧を印加するための信号線に電気的に接続される。透明電極１５及び透明電極１６ａ間に位置する液晶層を液晶層１３ａと表記し、透明電極１５及び透明電極１６ｂ間に位置する液晶層を液晶層１３ｂと表記する。液晶素子１０ａは、液晶層１３ａ及び透明電極１６ａを備え、液晶素子１０ｂは、液晶層１３ｂ及び透明電極１６ｂを備える。

本実施形態では、液晶素子１０ａ、１０ｂは、透明基板１１、１２、透明電極１５、及び液晶層１３を共通にして構成される。尚、液晶素子１０ａ、１０ｂは、個別に構成しても良い。

透明基板１２及び透明電極１５の液晶層１３側には、液晶層１３の配向を制御する配向膜（図示せず）が配置され、透明基板１１及び透明電極１６ａ、１６ｂの液晶層１３側には、液晶層１３の配向を制御する配向膜（図示せず）が配置される。これにより、液晶層１３は、透明基板１１、１２に対して平行に配向するホモジニアス配向になっている。

他の構成要素は、入射光５０の進行順に説明する。
ビームスプリッター３０は、液晶素子１０ｂの透明基板１１側に、液晶素子１０ｂに対して平行に配置され、入射光５０を垂直に受ける。ビームスプリッター３０は、液晶素子１０ｂに対して概略４５°で配置される偏光分離面３０ａを備える。ビームスプリッター３０は、偏光分離面３０ａにおいて入射光５０の互いに直交する偏光成分のうち一方（紙面に垂直な成分）を反射して９０°進行方向を変え、他方（紙面に平行な成分）を透過する。ビームスプリッター３０により分離された入射光５０のうち一方を第１偏光成分５１（ビームスプリッター３０により反射される成分）、他方を第２偏光成分５２（ビームスプリッター３０を透過する成分）と表記する。ビームスプリッター３０を透過した第２偏光成分５２は、液晶素子１０ｂに対して垂直に入射して、液晶層１３ｂを透過する。

ミラー４０は、ビームスプリッター３０により反射された第１偏光成分５１の進行方向を、ビームスプリッター３０を透過した第２偏光成分５２と平行な方向に反射する。これにより、第１偏光成分５１は、液晶素子１０ａに対して垂直に入射して、液晶層１３ａを透過する。ミラー４１は、液晶素子１０ｂを透過した第２偏光成分５２の進行方向を、ビームスプリッター３０により反射された第１偏光成分５１と平行な方向に反射する。

液晶素子２０は、液晶素子１０（１０ａ、１０ｂ）と同じ構成を有し、透明基板２１、２２、液晶層２３、シール剤２４、及び透明電極２５、２６を備える。液晶素子２０は、液晶素子１０に対して９０°回転した状態で、液晶素子１０の透明基板１２側に配置される。尚、液晶素子２０は、透明基板１２に接着されていても良いし、離れていても良い。ミラー４１に導かれた第２偏光成分５２は、液晶素子２０に対して垂直に入射して、液晶層２３を透過する。

偏光合成部材（ビームスプリッター）３１は、偏光分離部材３０と同じ構成を有する。ビームスプリッター３１は、液晶素子１０ａの透明基板１２側かつ液晶素子２０の透明基板２２側に配置され、液晶素子２０を透過した第１偏光成分５１と、液晶素子２０を透過した第２偏光成分５２とをそれぞれ別の面で垂直に受ける。ビームスプリッター３１は、液晶素子１０ａに対して概略４５°で配置される偏光合成面３１ａを備える。ビームスプリッター３１は、偏光合成面３１ａにおいて第１偏光成分５１と第２偏光成分５２とを合成し、同一の光路に出射光５３を出力する。出射光５３の進行方向は、光スイッチ装置１の状態に応じて第１方向＜１＞（入射光に対して進行方向が９０°変化）、又は第２方向＜２＞（入射光と同じ進行方向）に切り換えられる。

［１−２］液晶素子１０、２０の動作
図４乃至図６は、第１実施形態に係る液晶素子１０の動作を説明する概略図であり、液晶素子１０に入力する信号の状態が異なる。液晶素子１０は、例えば、所定周期で電圧の極性が反転する反転駆動方式で動作する。液晶層１３は、ホモジニアス配向であるため、液晶層１３に電界が印加されていない状態（無電界時）では、透明基板１１及び１２に対して平行に配向している。また、液晶分子の長軸は、無電界時において、液晶素子１０に入射する直線偏光の偏光面に対して角度θ（概略４５°）だけ傾いている。

図４（ａ）は、液晶素子１０の平面図を透明基板１１、液晶層１３、及び透明基板１２の３層に分けて示している。図４（ｂ）は、図４（ａ）の動作状態における液晶素子１０の断面図である。

図４（ａ）に示すように、透明電極１５には信号線１７が接続され、矩形波の電圧が入力される。信号線１７に入力される矩形波の電圧を基準の信号（正位相）とする。透明電極１６ａ及び透明電極１６ｂには、それぞれ信号線１８ａ及び信号線１８ｂが接続され、それぞれ信号線１７と同位相の信号が入力される。透明電極１５、透明電極１６ａ、及び透明電極１６ｂの入力信号が同位相であるため、液晶層１３ａ及び１３ｂには電界が印加されない。このとき、図４（ｂ）に示すように、液晶層１３ａ及び１３ｂは、透明基板１１及び１２に対して平行に配向する。

図５は、液晶素子１０の他の動作を説明する図である。図５（ａ）に示すように、信号線１８ｂには、逆位相の信号が入力される。透明電極１５及び透明電極１６ｂに異なる位相の電圧が入力されるため、液晶層１３ｂには電界が印加される。このとき、図５（ｂ）に示すように、液晶層１３ｂは、電界方向に応じて、透明基板１１及び１２に対して概略垂直に配向する。

図６は、液晶素子１０のさらに他の動作を説明する図である。図６（ａ）に示すように、信号線１８ａ及び１８ｂに逆位相の信号が入力される。このとき、図６（ｂ）に示すように、液晶層１３ａ及び１３ｂは、電界方向に応じて、透明基板１１及び１２に対して概略垂直に配向する。

以上のように、第１実施形態に係る液晶素子１０は、一つの液晶素子１０で液晶層１３の配向が異なった領域（液晶層１３ａ及び１３ｂ）を形成することができる。液晶素子２０の基本的な動作も、液晶素子１０ａ、１０ｂと同様である。

［１−３］液晶素子１０、２０の旋光性
図７及び図８は、第１実施形態に係る液晶素子１０、２０の旋光性を説明する図である。図７及び図８では、液晶素子２０を用いて動作を説明するが、液晶素子１０の動作についても液晶素子２０と同様である。図７及び図８では、液晶層２３の配向が異なる。

液晶素子２０の液晶層２３の厚さ（ギャップ）ｄ_１とし、すなわち、ギャップｄ_１は、対向する透明電極２５及び透明電極２６間の距離に対応する。ギャップｄ_１は、ギャップｄ_１と複屈折性Δｎ（液晶分子の長軸に沿った屈折率ｎ_ｅからそれに垂直な方向に沿った屈折率ｎ_０を引いた値）とをかけた値が、概略λ／２になるように設定される。すなわち、ギャップｄ_１は、以下の式で表される。
ｄ_１≒λ／（２Δｎ）
λは入射光５０の波長であり、例えば、赤外光を用いた場合は概略１５５０ｎｍとなる。複屈折性Δｎ＝０．１５５とすると、ギャップｄ_１＝５μｍとなる。

図７及び図８の平面図は、液晶層２３に入射光（直線偏光）５４が入射した場合の偏光の変化を示している。液晶分子の長軸は、液晶素子１０に入射する直線偏光の偏光面に対して角度θ（概略４５°）だけ傾いている。

図７に示すように、液晶層２３が透明基板２１及び２２に対して平行に配向している場合、入射光５４には、液晶層２３を透過する際にλ／２の位相差が与えられる。これにより、出射光５５は、その偏光面が入射光５４の偏光面に対して垂直な直線偏光になる。

一方、図８に示すように、液晶層２３が透明基板２１及び２２に対して垂直に配向している場合、入射光５４には、液晶層２３を透過する際に位相差が与えられない。これにより、出射光５５は、その偏光面が入射光５４の偏光面と同じ直線偏光になる。

以上のように、液晶素子１０及び２０の旋光性は、液晶層の配向によって変化する。これにより、液晶素子１０及び２０の各々の透明電極に入力する電圧条件を変えることで、液晶素子１０及び２０を透過する光の偏光面を変化させることができる。

［１−４］光スイッチ装置１の動作
図１乃至図３を用いて、光スイッチ装置１の詳細な動作について説明する。
図１に示すように、入射光５０の進行方向を切り換えて第１方向＜１＞に出射する場合、液晶素子１０及び２０の各々の液晶層の動作状態は図３の通りである。対向する透明電極に入力する信号が同位相で、対応する液晶層が透明基板に対して平行に配向している場合をオフ状態（ＯＦＦ）と定義し、対向する透明電極に入力する信号が逆位相で、対応する液晶層が透明基板に対して垂直に配向している場合をオン状態（ＯＮ）と定義する。

入射光５０は、ビームスプリッター３０によって第１偏光成分５１と第２偏光成分５２とに分離される。ビームスプリッター３０によって分離された第１偏光成分５１は、紙面に垂直な直線偏光（Ｓ偏光）となり、その偏光面がミラー４０に対して平行な状態で反射する。ミラー４０で反射した第１偏光成分５１は、液晶素子１０ａがオン状態のため、偏光変換されずに液晶素子１０ａを透過する。

一方、ビームスプリッター３０によって分離された第２偏光成分５２は、紙面に平行な直線偏光（Ｐ偏光）となり、液晶素子１０ｂに入射する。液晶素子１０ｂに入射した第２偏光成分５２は、液晶素子１０ｂがオフ状態のため、液晶層１３ｂを通過する際にλ／２の位相差が与えられ、紙面に垂直な直線偏光に変換される。液晶素子１０ｂを透過した第２偏光成分５２は、偏光面がミラー４１に対して平行な状態で反射する。ミラー４１で反射した第２偏光成分５２は、液晶素子２０がオフ状態のため、液晶層２３を通過する際にλ／２の位相差が与えられ、紙面に平行な直線偏光に変換される。

液晶素子１０ａを透過した第１偏光成分５１は、紙面に垂直な直線偏光であるため、ビームスプリッター３１に入射すると９０°進行方向が変化する。一方で、液晶素子２０を透過した第２偏光成分５２は、紙面に平行な直線偏光であるため、ビームスプリッター３１に入射すると、そのまま透過して直進する。これにより、第１偏光成分５１及び第２偏光成分５２は、同一の光路（第１方向＜１＞）に出射光５３として出射される。

図２に示すように、入射光５０の進行方向を切り換えずに第２方向＜２＞に出射する場合、図１に対して液晶層１３ａ及び２３の配向状態が変わっている。以下、図１と異なる点のみ説明する。

ミラー４０で反射した第１偏光成分５１は、液晶素子１０ａがオフ状態のため、液晶層１３ａを透過する際にλ／２の位相差が与えられ、紙面に平行な直線偏光に変換される。一方、ミラー４１で反射した第２偏光成分５２は、液晶素子２０がオン状態のため、偏光変換されずに液晶素子２０を透過する。

液晶素子１０ａを透過した第１偏光成分５１は、紙面に平行な直線偏光であるため、ビームスプリッター３１に入射すると、そのまま透過して直進する。一方で、液晶素子２０を透過した第２偏光成分５２は、紙面に垂直な直線偏光であるため、ビームスプリッター３１に入射すると９０°進行方向が変化する。これにより、第１偏光成分５１及び第２偏光成分５２は同一の光路（第２方向＜２＞）に出射光５３として出射される。

以上のように、光スイッチ装置１を制御することで、第１偏光成分５１及び第２偏光成分５２をミラー４０及びミラー４１で反射させる際に、各々のミラーに対して平行な偏光面で反射させることができる。

［１−５］光スイッチ装置１の使用例
図９乃至図１１は、第１実施形態に係る光スイッチ装置１の使用例を説明する図であり、光スイッチ装置１を３つ使用した３ポートの光スイッチ装置１００である。図９乃至図１１は、２つの光スイッチ装置１（１−１及び１−２）と光スイッチ装置２とで制御状態が異なり、入射光５０の出力先となるポートが異なる。光スイッチ装置２は、光スイッチ装置１を上下反転させたものであり、光スイッチ装置１と同一の参照符号を付している。

図１２は、図９乃至図１１の光スイッチ装置１００の動作時における、光スイッチ装置１−１、２、１−２の各々に含まれる液晶素子の動作状態を説明する図である。図１２のように、図９乃至図１１の光スイッチ装置１−１、２、１−２を制御することで、入射光５０の出力先をポート＜Ｉ＞、ポート＜ＩＩ＞、及びポート＜ＩＩＩ＞のいずれかに切り替えることができる。尚、図９及び図１０のように、入射光５０が入力されない光スイッチ装置がある場合、それらの液晶層の動作状態は図１１に示す状態に限られない。

以上のように、光スイッチ装置１及び光スイッチ装置２を交互に並べることで、多ポートの光スイッチ装置１００を構成することができる。光スイッチ装置１００のポート数は、光スイッチ装置１及び２の個数により、任意の数に設計できる。尚、本使用例では光スイッチ装置１と、光スイッチ装置１を上下反転させた光スイッチ装置２とを用いているが、ビームスプリッターが向き合うようにして複数の光スイッチ装置１を並べることで複数のポートを有する光スイッチ装置を設計しても良い。

［１−６］第１実施形態の効果
従来の光スイッチ装置では、光スイッチ装置の出力方向によって、ミラーに対して偏光面が垂直な直線偏光が入射してしまう場合があり、入射光がミラーで反射する際に光損失が発生してしまう。

そこで、第１実施形態に係る光スイッチ装置１では、偏光分離部材（ビームスプリッター）３０によって分離された第１偏光成分５１は、その偏光面が導光部材（ミラー）４０に対して平行になるように入射される。また、ビームスプリッター３０によって分離されかつ液晶素子１０ｂを透過した第２偏光成分５２は、その偏光面が導光部材（ミラー）４１に対して平行になるように入射される。さらに、液晶素子１０ａを透過した第１偏光成分５１と、液晶素子２０を透過した第２偏光成分５２とは、偏光合成部材（ビームスプリッター）３１によって合成される。

従って第１実施形態によれば、入射光５０の進行方向を切り替えることが可能な光スイッチ装置１を実現できる。また、ミラー４０、４１に対して平行な直線偏光をミラー４０、４１に入射させることができるため、光スイッチ装置１を透過する入射光５０の光損失を低減することができる。

尚、第１実施形態に係る液晶素子１０及び２０はホモジニアス型液晶素子を使用しているが、無電界時において各々の液晶層が基板に対して概略垂直に配向する垂直配向型液晶素子を使用しても良い。垂直配向型液晶素子を使用した場合、対向する透明電極に入力する信号が同位相のとき、対応する液晶層が透明基板に対して垂直に配向する。一方、対向する透明電極に入力する信号が逆位相のとき、対応する液晶層が透明基板に対して概略平行に配向する。このように、垂直配向型液晶素子を使用した場合、入力する信号（同位相又は逆位相）に対する液晶層の配向方向がホモジニアス型液晶素子と逆になる。垂直配向型液晶素子の旋光性は、ホモジニアス型液晶素子と同様に液晶層の厚さで設定される。

［２］第２実施形態
第２実施形態では、液晶素子の透明基板及びビームスプリッター間に、透明基板及びビームスプリッターの屈折率と概略同じ屈折率を有する透明部材を設ける。これにより、透明基板及びビームスプリッターの界面における反射を低減する。

［２−１］光スイッチ装置１の構成
図１３及び図１４は、第２実施形態に係る光スイッチ装置１の断面図である。図１３は、光の進行方向を９０°変化させて出射させる状態を示し、図１４は、光の進行方向を変えずに出射させる状態を示す。

図１３及び図１４に示すように、第２実施形態に係る光スイッチ装置１は、透明部材６０、６１ａ、６１ｂをさらに備える。光スイッチ装置１の動作は、第１実施形態と同じである。

透明部材６０は、液晶素子１０ｂの透明基板１１及びビームスプリッター３０間に設けられる。透明部材６１ａは、液晶素子１０ａの透明基板１２及びビームスプリッター３１間に設けられる。透明部材６１ｂは、液晶素子２０の透明基板２２及びビームスプリッター３１間に設けられる。本実施形態では、透明部材６１ａ及び６１ｂは、一体で構成されている。尚、透明部材６１ａ及び６１ｂは、個別に構成しても良い。

透明部材６０、６１ａ、６１ｂには、透明基板及びビームスプリッターの屈折率と概略同じ屈折率を有する材料が用いられる。透明基板としてガラス基板（屈折率ｎ_Ｇ≒１．５）を用いた場合、透明部材６０、６１ａ、６１ｂとして、例えばアクリル樹脂（屈折率ｎ_Ｊ≒１．５）が用いられる。透明部材６０、６１ａ、６１ｂは、透明基板の屈折率と概略同じ屈折率を有する接着剤であっても良い。透明部材（接着剤）６０、６１ａ、６１ｂとしては、例えば、紫外線硬化型アクリル樹脂接着剤が用いられる。ビームスプリッターは、例えば、ガラス又はアクリル樹脂を含んで構成される。

基板及び透明部材（接着剤）を全く同じ材料で構成することは難しいため、基板の屈折率と透明部材の屈折率とが同じにはならない。よって、「屈折率が概略同じ」とは、基板と屈折率が近い材料を透明部材として用いた場合における屈折率の差を含むものとする。

透明部材とこれに接する基板との屈折率の差が、空気層と基板との屈折率の差よりも小さい場合、ビームスプリッター及び基板間に透明部材がある構成は、ビームスプリッター及び基板間に空気層がある構成に比べて、屈折角が小さくなる。よって、透明部材及びこれに接する基板の屈折率の差が、空気層及び基板の屈折率の差より小さくなるように、透明部材の材料を選択することで、反射を低減できる。

以上の説明は、透明部材６０、６１ａ、６１ｂと透明基板との屈折率の関係について述べているが、透明部材６０、６１ａ、６１ｂとビームスプリッターとの屈折率の関係についても同じである。尚、透明部材の屈折率は、基板及びビームスプリッターの一方との屈折率と概略同じであっても良い。このような構成においても、基板とビームスプリッターとの間での反射を低減できる。

［２−２］第２実施形態の効果
従来の光スイッチ装置は、透明基板と空気層との界面、及びビームスプリッターと空気層との界面で屈折率が大きく異なるため、反射による光損失が発生してしまう。例えば、透明基板（ガラス基板）の屈折率ｎ_Ｇ＝１．５、空気の屈折率ｎ_０＝１．０である場合、その界面で発生する反射成分Ｒは、次式により算出される。

Ｒ＝（ｎ_０−ｎ_Ｇ）^２／（ｎ_０＋ｎ_Ｇ）^２
計算すると、反射成分Ｒは４％となり、この数値が一つの界面における入射光５０の損失となる。そこで、第２実施形態に係る光スイッチ装置１は、透明基板及びビームスプリッターの屈折率と概略同じ屈折率を有する透明部材６０、６１ａ、６１ｂをさらに備える。透明部材６０は、液晶素子１０ｂの透明基板１１及びビームスプリッター３０間に設けられる。透明部材６１ａは、液晶素子１０ａの透明基板１２及びビームスプリッター３１間に設けられる。透明部材６１ｂは、液晶素子２０の透明基板２２及びビームスプリッター３１間に設けられる。これにより、光スイッチ装置１における透明基板及びビームスプリッターと、空気層との界面を減らすことができる。

ビームスプリッター及び液晶素子を透過する光の反射原理を図１５に示す。図１５には、液晶素子１０、ビームスプリッター３０、及び第２偏光成分５２を例示している。図１５（ａ）は、透明基板１１及びビームスプリッター３０間に透明部材６０が無い場合における第２偏光成分５２に対する反射成分Ｒを示しており、図１５（ｂ）は、透明基板１１及びビームスプリッター３０間に透明部材６０が設けられている場合における第２偏光成分５２に対する反射成分Ｒを示している。

図１５（ａ）に示すように、透明部材６０が無い場合、第２偏光成分５２は、ビームスプリッター３０と空気層との界面により生じる反射成分Ｒ１と、空気層及び透明基板１１の界面により生じる反射成分Ｒ２と、透明基板１２及び空気層の界面により生じる反射成分Ｒ３との、合計３箇所で反射による光損失が生じる。

一方で、透明部材６０を設けた場合、透明部材６０は、透明基板１１及びビームスプリッター３０と屈折率が概略同じであるため、ビームスプリッター３０から液晶素子１０に入射するまでの界面の反射を無視できるようになる。これにより、図１５（ｂ）に示すように、第２偏光成分５２の光損失は、透明基板１２及び空気層の界面により生じる反射成分Ｒ３の１箇所に減少する。

以上のように、透明基板及びビームスプリッター間に透明部材を形成することにより、空気層との界面を減らすことができる。これにより、透明基板及びビームスプリッターと空気層との屈折率の違いにより生じる入射光５０の光損失を低減することができる。

［３］第３実施形態
第３実施形態では、第２実施形態におけるλ／２の位相差を有する液晶素子の代わりに、λ／４の位相差を有する２つの液晶素子を積層して構成する。このような構成にすることで、光損失を低減しつつ、動作速度を高速化するようにしている。

［３−１］光スイッチ装置１の構成
図１６及び図１７は、第３実施形態に係る光スイッチ装置１の断面図である。図１６は、光の進行方向を９０°変化させて出射させる状態を示し、図１７は、光の進行方向を変えずに出射させる状態を示す。

図１６及び図１７に示すように、液晶素子１０ａは、液晶素子１０ａ−１及び１０ａ−２が積層されて構成される。液晶素子１０ａ−１及び１０ａ−２は、透明部材（図示せず）で接着される。これにより、液晶素子１０ａ−１及び１０ａ−２が接着された界面における入射光５０の反射は抑制され、光損失を低減することができる。

同様に、液晶素子１０ｂは、液晶素子１０ｂ−１及び１０ｂ−２が積層されて構成される。液晶素子２０は、液晶素子２０−１及び２０−２が積層されて構成される。

本実施形態では、液晶素子１０ａ及び液晶素子１０ｂは、一体に構成されているが、個別に構成しても良い。

［３−２］光スイッチ装置１の動作
図１８及び図１９は、第３実施形態に係る液晶素子１０、２０の旋光性を説明する図である。図１８及び図１９では、液晶素子２０を用いて動作を説明するが、液晶素子１０の動作についても液晶素子２０と同様である。図１８及び図１９では、液晶層２３の配向が異なる。

液晶素子２０−１及び液晶素子２０−２は、同じ電圧で駆動され、一つの液晶素子２０として機能する。液晶素子１０ａ及び１０ｂの動作についても同様である。

液晶素子２０−１及び２０−２の各々の液晶層２３の厚さ（ギャップ）ｄ_２とする。ギャップｄ_２は、ギャップｄ_２と複屈折性Δｎとをかけた値が、概略λ／４になるように設定される。すなわち、ギャップｄ_２は、以下の式で表される。
ｄ_２≒λ／（４Δｎ）
λは入射光５０の波長であり、例えば、赤外光を用いた場合は概略１５５０ｎｍとなる。複屈折性Δｎ＝０．１５５とすると、ギャップｄ_２＝２．５μｍとなる。

液晶素子２０の応答時間τは、ギャップの２乗に比例する。第３実施形態に係る液晶素子２０−１及び２０−２の各々は、第１実施形態に係る液晶素子２０よりもギャップを狭くすることで高速応答を可能にしている。

図１８及び図１９の平面図は、液晶層２３に入射光（直線偏光）５４が入射した場合の偏光の変化を示している。液晶素子２０−１及び２０−２が同じ電圧で駆動されるため、液晶素子２０−１及び２０−２の液晶層２３の配向は、同じ状態になる。

図１８に示すように、液晶素子２０−１及び２０−２の液晶層２３が透明基板２１及び２２に対して平行に配向している場合、入射光５４には、液晶素子２０−１を透過する際にλ／４の位相差が与えられ、円偏光（出射光５６）に変換される。さらに、出射光５６には、液晶素子２０−２を透過する際にλ／４の位相差が与えられ、直線偏光（出射光５５）に変換される。すなわち、入射光５４は、液晶素子２０−１及び２０−２を透過する際にλ／２の位相差が与えられ、出射光５５の偏光面は、入射光５４の偏光面に対して垂直な直線偏光になる。

一方、図１９に示すように、液晶素子２０−１及び２０−２の液晶層２３が透明基板２１及び２２に対して垂直に配向している場合、入射光５４には、液晶素子２０−１及び２０−２を透過する際に位相差が与えられない。これにより、出射光５５は、その偏光面が入射光５４の偏光面と同じ直線偏光になる。

以上のように、第３実施形態に係る液晶素子２０−１及び２０−２は、第１実施形態に係る液晶素子２０と同じ動作をすることが可能である。

［３−３］第３実施形態の効果
第３実施形態では、位相差λ／４を有する２つの液晶素子２０−１及び２０−２を積層することで、位相差λ／２を有する液晶素子２０を構成している。液晶素子１０ａ及び１０ｂについても同様である。これにより、第１及び第２実施形態と同じ動作を行うことが可能な光スイッチ装置１を実現できる。

また、液晶素子２０−１及び２０−２のギャップが小さくなることで、液晶素子２０−１及び２０−２の動作を高速化できる。結果として、光スイッチ装置１の動作を高速化できる。その他の効果は、第１及び第２実施形態と同じである。

本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内で、構成要素を変形して具体化することが可能である。さらに、上記実施形態には種々の段階の発明が含まれており、１つの実施形態に開示される複数の構成要素の適宜な組み合わせ、若しくは異なる実施形態に開示される構成要素の適宜な組み合わせにより種々の発明を構成することができる。例えば、実施形態に開示される全構成要素から幾つかの構成要素が削除されても、発明が解決しようとする課題が解決でき、発明の効果が得られる場合には、これらの構成要素が削除された実施形態が発明として抽出されうる。

１、２…光スイッチ装置、１０、２０…液晶素子、１１、１２、２１、２２…透明基板、１３、２３…液晶層、１４、２４…シール材、１５、１６ａ、１６ｂ、２５、２６…透明電極、１７、１８ａ、１８ｂ…信号線、３０…偏光分離部材、３１…偏光合成部材、４０、４１…導光部材、６０、６１ａ、６１ｂ…透明部材、１００…光スイッチ装置。

Claims (8)

1. 入射光を、第１偏光方向を有する第１光と、前記第１偏光方向と直交する第２偏光方向を有する第２光とに分離する分離部材と、
   前記第１光を反射する第１導光部材と、
   前記第１導光部材によって反射された前記第１光を受けるように配置され、光の偏光方向を制御し、第３光を出射する第１液晶素子と、
   前記第２光を受けるように配置され、光の偏光方向を制御し、前記第１偏光方向を有する第４光を出射する第２液晶素子と、
   前記第４光を反射する第２導光部材と、
   前記第２導光部材によって反射された前記第４光を受けるように配置され、光の偏光方向を制御し、第５光を出射する第３液晶素子と、
   前記第３光と、前記第５光とを合成する合成部材と、
   前記合成部材と前記第１液晶素子との間に設けられた第１透明部材と、
   前記分離部材と前記第２液晶素子との間に設けられた第２透明部材と、
   前記合成部材と前記第３液晶素子との間に設けられた第３透明部材と
   を具備し、
   前記第１偏光方向は、前記第１導光部材の反射面、及び前記第２導光部材の反射面に平行であることを特徴とする光スイッチ装置。
2. 前記第１液晶素子と前記第２液晶素子とは、互いの光出射面が平行に配置され、
   前記第１液晶素子と前記第３液晶素子とは、互いの光出射面が直交するように配置されることを特徴とする請求項１に記載の光スイッチ装置。
3. 前記合成部材は、前記合成した光を、異なる２つの方向にいずれかに出射することを特徴とする請求項１又は２に記載の光スイッチ装置。
4. 前記第１液晶素子は、第１液晶層と、前記第１液晶層を挟む第１及び第２基板とを備え、
   前記第１基板は、前記第１透明部材に接するように配置され、
   前記第１透明部材の屈折率は、前記第１基板の屈折率と概略同じであり、
   前記第２液晶素子は、第２液晶層と、前記第２液晶層を挟む第３及び第４基板とを備え、
   前記第３基板は、前記第２透明部材に接するように配置され、
   前記第２透明部材の屈折率は、前記第３基板の屈折率と概略同じであり、
   前記第３液晶素子は、第３液晶層と、前記第３液晶層を挟む第５及び第６基板とを備え、
   前記第５基板は、前記第３透明部材に接するように配置され、
   前記第３透明部材の屈折率は、前記第５基板の屈折率と概略同じである
   ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の光スイッチ装置。
5. 前記入射光の波長λ、前記第１乃至第３液晶素子の各々に含まれる液晶層の複屈折性△ｎ、前記液晶層の厚さｄとすると、
   ｄ≒λ／（２△ｎ）
   を満たす
   ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の光スイッチ装置。
6. 前記第１乃至第３液晶素子の各々は、第１及び第２液晶素子部分が積層されて構成され、
   前記入射光の波長λ、前記第１及び第２液晶素子部分の各々に含まれる液晶層の複屈折性△ｎ、前記第１及び第２液晶素子部分の各々に含まれる液晶層の厚さｄとすると、
   ｄ≒λ／（４△ｎ）
   を満たす
   ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の光スイッチ装置。
7. 前記第１乃至第３液晶素子の各々は、ホモジニアス型であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の光スイッチ装置。
8. 前記第１乃至第３液晶素子の各々は、垂直配向型であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の光スイッチ装置。

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