JPH02501094A - 光学スイッチ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 光学スイッチ 電話等において使用されている光学信号処理及び送信技術は空間的に離間したポ イント間において光を切り換えることのできる装置を必要とする。スペーススイ ッチングは適当なカブラと共にファイバ光学ケーブルのような導波器を使用する ことにより実行し得るが、例えばイメージスイッチングのようにガイドされてい ないフリースペーススイッチングを使用すると有利になる場合も多々ある。しか し、公知のフリースペース光学スイッチはレンズ群等のように、高精度に位置合 わせされた光学部品の複雑なシステムを使用するために、産業上の応用には適し たものではない。

方解石のようなあるクラスの物質は複屈折を起こすことがよく知られている。こ の種の物質でできたセルを介して偏光されていない光により対象物を見た時、こ のセルの厚さ及び方位により定められる距離だけ離れた２つの空間的に離間した イメージが観察される。この観察される２つのイメージは直交平面において偏光 され、この観察されたイメージ間分離は光が、異なる角度だけ屈折され、即ち、 光がその偏光状態に応じて通常の程度か異常な程度で屈折されるという複屈折物 質の特性に起因している。

複屈折物質のセルは例えば液晶表示装置に使用されるタイプの液晶セルのような 可変偏光回転セルと共に使用される。この液晶セルは、例えば、ツイストネマチ ック液晶タイプである。ネマチック液晶が、その上面及び下面における結晶方位 が９０”を成すように、薄いセル内に均質に整列された場合、このセルへの平面 偏光された光の偏光面が９０”だけ回転されるという特性を持つようなツイスト ブレーナ構造が得られる。このセルに電界がかけられると、ネマチック液晶の分 子がこの電界ラインに沿って位置合わせされツイスト構造を破壊し偏光回転特性 を除去する。

また、結晶が単一方向に均一に位置合わせされた液晶セルを使用することが可能 である。この種セルの結晶が入射光の偏光面に対して角度Ｔをもって位置設定さ れている場合には、このセルは光の偏光面を全体で２Ｔの角度だけ回転させる。

従って、結晶を偏光面に対して４５＃の方向に設定すると、平面偏光された入射 光は９０°回転されることになる。セルの厚さ及び複屈折が適当に選択された場 合には、このセルはλ／２位相板として機能する。所要の複屈折はセルにバイア ス電圧を印加して分子を傾斜させることにより達成される。このセルは、セルに 高電圧を印加してこのセルの複屈折が実質的に除去されるような方向に結晶を位 置合わせすることにより、オフ状態、即ち、入射光の偏光面が回転されない状態 に切り換えられる。

この種のセルは、液晶セルに印加された電界に応じて２つの直交偏光状態間にお いて光を切り換えることができる。

複屈折セルを、普通程度に及び異常な程度に屈折された光線が２つの別々の位置 に指向されるようにその光軸が設定された状態で、液晶セルと隣接して配置する ことにより、液晶セルにより得られる直交偏光状態間の切り換えに応じて上記２ つの位置間において光を切り換えることが可能である。上述の構成は、クルケ（ Ｋｕｌｋｅ）他による「高速ディジタル−インデックス光偏向器（Ａ　Ｆａｓｔ 、　Ｄｉｇｉｔａｌ−Ｉｎｄｅｘｅｄ　Ｌｉｇｈｔ　Ｄｅｆｌｅｃｔｏｒ　）　 Ｊというタイトルで１９６４年１月のＩＢＭジャーナル（ＩＢＭ　Ｊｏｕｒｎａ ｌ　）のショートコミュニケーション（６４頁ないし６７０頁）に紹介されてい る。

本発明の光学スイッチは、 各々が複屈折セルとｎ個の位置Ｐ１ないしＰｎの１つに配置されるｎ個以下の個 々にアドレス可能なサブセルを持つ可変偏向回転セルを有するところの、２（ｎ −１）個の一連のマクロセルを備え； サブセル（位置ｐｔ）を通過する光がこの一連のセルの次のマクロセルの可変偏 光回転セルの位置ＰＬまたはＰｉ＋１を通過すべく切り換えられるように、（ｎ −１）個の複屈折セルが通過光に関連して配向され、且つサブセル（位置ＰＬ） を通過する光がこの一連のセルの次のマクロセルの可変偏光回転セルの位置ＰＬ またはＰＬ−１を通過すべく切り換えられるように％　（ｎ−１）個の複屈折セ ルが通過光に関連して配向され、前記サブセルはｎ個の入力の中の任意の入力か らの光がｎ個の出力の中の任意の出力に独立的に切り換えられるように位置設定 され、かつｎ〉１であるところの光学スイッチにより構成される。

冗長サブセルはアドレスされることはないが、製造の便宜上、マクロセルはｎ個 の位置の各々の位置においてアドレス可能なサブセルを持つことが可能である。

この冗長サブセルは必要に応じて製造前に容易に指定され省くことが可能である 。マクロセルはいかなる順序でも配置可能である。１つの便利な構成としては、 異なる複屈折配向のマクロセルペアを作成し、同様のベア同士をアセンブルする ことにより光学スイッチを形成することが可能である。別の構成としては、同じ 配向のマクロセルを集合することである。

液晶に代わるものとして、可変偏光回転セルはＰＬＺＴ結晶のような材料により 形成可能である。

本発明の装置を次のような添付図面を参照して詳細に説明する。

第１図は光線が図式的に示されたところの本発明の第１実施例の側面図、 第２図は本発明の他の実施例の側面図、第３図は本発明の更にその他の実施例の 側面図、第４図は複屈折を説明するための光線図、及び第５Ａ及び５Ｂ図はそれ ぞれ方解石及び硝酸ナトリウムの複屈折特性を説明するグラフである。

光学スペーススイッチは入力３．４及び出力５．６間に直列に配置されたマクロ セル１．２を具備する。各マクロセル１．２は実質的に平面的な液晶セルフと、 この液晶セルフの間近に隣接して配置された断面形状が矩形の方解石結晶８とを 含む。

液晶セルフはツイストネマチック液晶により形成される。

各液晶セルフの領域はサブセルＳに分割され、各サブセルはこのスイッチの入力 ３．４に位置合わせされている。

平面偏光された光を９０°回転させる状態から平面偏光された光を回転させずに 送出する状態へと、サブセルＳを切り換えるために、これらのサブセルＳに電界 を印加すべく電極（簡潔化のため省略）が使用される。

マクロセル１．２の光軸は異なる方向に位置するように設定される。第１マクロ セル１の光軸及び寸法は、入力３．４の一方から液晶７を介して方解石結晶８に 入射された平面偏光されたビームがバスに沿って普通程度にまたは異常な程度に 屈折されて第２マクロセル２の液晶７のいずれかのサブセルＳ上に照射されるよ うに、選択される。また、第２マクロセル２の配向及び寸法は、ｔＪ２マクロセ ル２の液晶セルフのサブセルＳからのビームがバスに沿って屈折されてこのスイ ッチの出力５．６の一方または他方上に照射されるように、選択される。第１図 に示されるように、マクロセルが同じ形状及び同じ寸法をもつ場合には、マクロ セル１及び２の光軸とセルの表面との間の角度ａ１及びａ２がａｌ＋ａ２＝１８ ０°となるように設定される。

第１図のスイッチは、入力３．４のいずれからかの光でも出力５．６のいずれに でも独立的に切り換えられるような２×２クロスポイントパラレル−ビームスイ ッチとして力３からのビームについて考えることにする。（以下の説明での参照 を容易にするために、符号Ｓｎｍを使用することにする。ここで、ｎはユマクロ セルの番号、ｍはサブセルの番号である）。Ｓｌｌがオフ状態に切り換えられた 時、ビームの偏光面はサブセルにより９０°回転されて紙面に対して直角となる 。この偏光状態での光は角度θで大幅に屈折されサブセルＳ２２を照射するよう に伝達される。このサブセルＳ２２がオフ状態に切り換えられると、偏光面は再 び９０°回転される。このセルＳ２２においては、ビームは普通程度に屈折され 、第２マクロセル２の結晶への入射角がゼロであるので、ビームはＺ軸に沿って 平行に伝播され続けて、最終的には出力６を通してこのスイッチから出力される 。同様にして、Ｓ１２がオン状態に切り換えられた場合には、入力４からの光が 出力５に切り換えられる。これは、「クロス」スイッチ状態である。「直進」状 態はすべてのサブセルＳ１１、Ｓ１２、Ｓ２１及びＳ２２がオン状態にセットさ れているときに設定される。

２Ｘ２スイツチを構成する原理はｎ入力及び出力のりニアアレイまで拡張可能で ある。非ブロッキング（即ち、独立した）スイッチングは２（ｎ−１）個のマク ロセルを使用することにより実施可能である。例えば、８×８スイツチは第２図 に示すように、直列に配列された１４個のマクロセルを有し、最初の７個のマク ロセルは第１方向に沿った光軸を有し、別の７個のマクロセルは第２方向に沿っ た光軸を持つ。また、８個の入力のうちの１つからの光を別の入力に戻すスイッ チは第３図に示されるように、所定方向に沿った軸を持つ７個のマクロセルと、 第７マクロセルに隣接した鏡面９とを使用することにより構成される。同じ方解 石ブロックは異なる方向に伝播される光に対して異なる配向を提供し、従って、 入力から通過して再び戻される光は、１４個のマクロセル、即ち同一配向の７個 のマクロセルを介して伝播されることになる。

本発明のスイッチのマクロセルに対する適当な配向及び寸法の選定には、複屈折 物質の特定配向における異常の及び普通の光線特性間のオフセット角度ｒについ ての知識が必要である。第４図に示されるように、結晶面に直角に入射する光線 に、ホイヘンス原理による２次小波の方法を適用すると、オフセット角ｒは次式 に示すように結晶配向の特性角度マに関連していることが分かる。

（ＣＶ／／／　Ｖ　）　２−１　）　ｊａｎ　’Ｆここで、■　は光軸に対して 直角な光の速度であり、■は光軸に平行な光の速度である。’ｊ　／、／／　Ｖ 　の比は特定の複屈折物質の定数特性であり、従って、この特性定数が分かれば 、Ｖの任意の値に対してｒを計算することが可能である。第５ａ図及び５ｂ図は それぞれ方解石及び硝酸ナトリウムのすの関数としてのｒを示す。

スイッチの複屈折に対するオフセット角が分かると、マクロセルに対する適当な 寸法が計算できる。切り換えられるビームのｌ　／　ｅ幅の代表的値は５００ミ クロンであり、この幅はロッドレンズを使用することにより得られる。ビームを 独立的に切り換え可能にするためには、マクロセルを通過した後に、偏位された ビームを少なくともビームの直径分だけ横方向にシフトすることが必要とされる 。第５図から、方解石において得られる最大オフセット角は、光軸が表面に対し て４８°の角度にあるときに６．２°になることが分かる。方解石の代わりに使 用可能な硝酸ナトリウムにおいては、最大オフセット角度Ｒは１０°に増加する 。欠陥のない大きな結晶が容易に得られるという利点を持つ方解石を使用し、か つ出口側において８００ミクロンのビームオフセットを許容すると、各マクロセ ルに対する方解石結晶の必要な厚さは８００／　ｊａｎ（６，２＠）　、即ち、 ７．４ｍｍとなる。ツイストネマチック液晶セルは約２ｍｍの厚さで形成可能で あり、マクロセル全体での厚さは約１０ｍｍとなる。このように、８×８スイツ チの全厚ｔは次式で与えられる。

ｔ−２（８−１）Ｘ１０ｍｍ興１４０ｍｍ使用した物質の特性に基づき、８Ｘ８ スイツチの性能を、挿入損、クロストーク及びスイッチング速度の点から割り出 すことが可能である。

反射防止膜またはインデックスマツチング材が各誘電体インターフェース間に使 用され、高インピーダンスＩＴＯ（インヂウム酸化すず）被膜が液晶セル内に使 用されているとすると、挿入損は各セルごとに０．２ｄＢまで減少させることが できる。方解石結晶内の伝播損は例えば１センチ当り０．１ｄＢ未満である。こ のように、複屈折物質として方解石結晶を使用した８×８スイツチに対する全挿 入損は例えば４ｄＢとなる（外部素子との結合損を無視する）。この数値は方解 石の複屈折結晶の代わりに応力ポリマシートを使用することにより更に改善でき る。この種シートは高透明度及び高複屈折率の両方を提供する。

スイッチ内のクロストークはツイストネマチック液晶セルの効率により主として 決定される。グーチ（Ｇｏｏｃｈ　）及びバリー（Ｐａｒｒｙ　）はエレクトレ ット（Ｅｌｅｃｔ　Ｌｅｔｔ）　、１０．１、（２ページ）、１９７４年に発行 された文献において、平行偏光器間の消光比が１％以上であることが確認され、 且つ波長の周期的な値において、消光がゼロと区別し得ないことが確認されたこ とを示している。このスイッチにおけるクロストークの分布は、このスイッチを 構成するマ゛トリクス状の素子の特定のスイッチング状態により強く影響される 。全クロストークは例えば３０ｄＢ未満であ仝Ｏ スイッチの速度を制限する主要素はスイッチングオフ時間であり、このスイッチ ングオフ時間は液晶内における体積流動を考察することにより決定される。市販 のネマチック混合体をもつ薄いツイストネマチック液晶セルを使用することによ り、３０　ｍ　ｓのスイッチングオフ時間が得られる。ネマチックにコレステリ ック材をドーピングすることにより更に数１０％の改善をすることが可能である 。適当な表面処理を施したり、適当なネマチック混合体を使用することにより、 標準液晶セルの性能を更に改善することが可能である。しかしながら、スイッチ オフ時間を３０μＳ以下とするように速度を大幅に上昇さるためには、スフチッ クＣ（強誘電性）液晶を使用することが望まれる。

本発明の光学スイッチは光学イメージを切り換えることができるので、例えば、 空間的に多重化された光学バスを切り換えるのに応用される。

浄書（内容に変更なし） ＦＩＧ、１ ！　法面に方０傭り 壷 ＠　欣昏に直角／７偵１Ｌ −１±Ｊ」０すＬ ＠　ＯＮ　ｘ　ＯＦＦ　ＯＦＦ　クロ入ス４７すＸ−イン／スフ ＦＩＧ、２ σζ−ト　１３Ｉメル１．ｒζ−ト１よ〆１０の刈り切干Ｌｓガ、１ｇ×３朴ア ロ１檜ン７”入イブナＦＩＧ、３ ＦＩＧ、４ 手続補正書□ １、事件の表示 ＰＣＴ／ＧＢ８８１００４３８ ２、発明の名称 光学スイッチ ３、補正をする者 事件との関係　特許出願人 名称　ブリテラシュ・テレコミュニケイションズ・パブリック・リミテッド・カ ンパニー ４、代理人 東京都千代田区霞が関３丁目７番２号 国際調査報告 １ＩＩＩ−Ｉ′１１１Ｈ６−Ｉ　Ａ＃ｌＵｔ畦−Ｎ−、ＰＣＴ／ＧＢ　８８１０ ０４３８国際調査報告

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. １．各々が複屈折セルと、ｎ個の位置Ｐ１ないしＰｎの１つに配置されるｎ個以 下の個々にアドレス可能なサブセルを持つ可変偏光回転セルとを含むところの、 ２（ｎ−１）個の一連のマクロセルを備え； サブセル（位置Ｐｉ）を通過する光がこの一連のセルの次のマクロセルの可変偏 光回転セルの位置ＰｉまたはＰｉ＋１を通過すべく切り換えられるように、（ｎ −１）個の複屈折セルが通過光に関連して配向され；且つサブセル（位置Ｐｉ） を通過する光がこの一連のセルの次のマクロセルの可変偏光回転セルの位置Ｐｉ またはＰｉ−１を通過すべく切り換えられるように、（ｎ−１）個の複屈折セル が通過光に関連して配向され、前記サブセルはｎ個の入力の中の任意の入力から の光がｎ個の出力の中の任意の出力に独立的に切り換えられるように位置設定さ れ、かつｎ＞１であるところの光学スイッチ。
2. ２．前記可変偏光回転サブセルは液晶セルであるところの請求の範囲第１項記載 の光学スイッチ。
3. ３．前記液晶はスメチックＣ液晶であるところの請求の範囲第１項記載の光学ス イッチ。
4. ４．前記複屈折セルは方解石結晶であるところの請求の範囲第１項及び第３項の いずれか１項に記載の光学スイッチ。
5. ５．前記複屈折セルは応力ポリマシートにより構成されているところの特許請求 の範囲第１項乃至第３項のいずれか１項に記載の光学スイッチ。
6. ６．同一配向の複屈折セルを持つ前記マクロセルは一つのグループにまとめられ ているところの特許請求の範囲第１項乃至第５項のいずれか１項に記載の光学ス イッチ。
7. ７．前記マクロセルは個々の配向の複屈折セルをもつところの、マクロセルが対 を成すようにグループ分けれているところの特許請求の範囲第１項乃至第６項の いずれか１項に記載の光学スイッチ。