JPH0315831A

JPH0315831A - 光偏向素子

Info

Publication number: JPH0315831A
Application number: JP1151785A
Authority: JP
Inventors: Shinji Uchida; 真司内田; Seiji Nishiwaki; 青児西脇; Yoshinao Taketomi; 義尚武富; Junichi Asada; 潤一麻田
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1989-06-14
Filing date: 1989-06-14
Publication date: 1991-01-24

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】産業上の利用分野本発明は光の方向を変化させる光偏光素子に関するもの
である。

従来の技術例えば特昭開８３−２３５９０４号公報に開示されてい
る従来の光偏向素子について、第６図（ａ）（ｂ）に基
き説明する。

第６図（ａ）に示すように、基板６１上に、導電性薄膜
６２と透明体層６３とを介して液晶層６４を設け、液晶
層８４上にグレーティング６５Ｇと透明体層６５、及び
基板ｅ６上に形成された導電性薄膜６７が設けられてい
る。液晶Ｊ！ｌＥＩ４に導波光６８を伝搬させると、グ
レーティング６５Ｇによって放射光８９、８９゜が形成
される。電圧信号器７０により発生させた信号波を、導
電性薄膜６２と導電性薄膜８７の間に加えることで、液
晶の配向方向すなわち導波光６８に対する液晶の屈折率
を変化させて、液晶層６４を導波する放射光６９の放射
角θを変えるものである。

発明が解決しようとする課題しかしながら、このような従来の光偏向素子においては
以下の課題があった。

すなわち第８図（ｂ）に斜線部で示すように、導枝光の
光エネルギーは液晶層８４に集中した分布形状を取って
いた。

一般に液晶の伝搬損失は、２０ｄｂ／ｃｍ〜３０ｄｂ／
ｃｍであり非常に大きい。従って、液晶層６４を導波層
とすると、損失が著しく増大するという問題があった。

本発明はかかる問題に鑑み、損失の小さい光偏向素子を
提供することを目的とする。

課題を解決するための手段本発明は上記目的を構成するため、以下の手段を用いる
。

第１の電極と、この第ｌの電極上に直接もしくは第１の
透明体層を挟んで形成された第２の透明体層と、この第
２の透明体層上に設けられた液晶層と、この液晶層上に
直接もしくは第３の透明体層を挟んで設けられた第２の
電極とを有し、第ｌの電極もしくは第１の透明体層もし
くは第２の透明体層上にグレーティングを設けるか、ま
たはグレーティングが形成された基板上に第１の電極を
設け、導波光が第２の透明体層もしくは第２の透明体層
とこれに隣接する液晶層の一部とを伝搬するように構成
したことを特徴とする光偏向素子である。

また、第２の透明体層の屈折率が、液晶層の異常光の屈
折率よりも高い光偏向素子である。

また、導波モードがＯ次モードである光偏向素子である
。

作用上記構成により、液晶層に存在する光エネルギーを低減
できるので、損失の小さい光偏向素子を実現することが
できる。

実施例以下、本発明の一実施例における光偏光素子を、第ｌ図
ないし第５図に基づいて説明する。

第工図は同光偏向素子の断面構成図を示す。第１の電極
１上に、第ｌの透明体Ｉ！Ｉ２、第２の透明体層３を順
次形成する。第２の透明体層３は第１の透明体層２より
も屈折率が大きいものを用いる。

なお、電極１が透明の場合は第１の透明体層２を省いて
もよく、その場合第２の透明体層３は電極１よりも高い
屈折率のものを用いる。また電極１は、シリコン基板も
しくは光学ガラス基板上に導電性薄膜を形成したものを
用いても良い。第２の透明体層３は２層以上の構成であ
ってもよく、このうち少なくとも１層はその屈折率が液
晶の正常先に対する屈折率よりも高いものを使用する。

第２の透明体層３の上面には電子線ビーム露光法、２光
束干渉法等によってグレーティング４が形成されている
。なお、グレーティング４は、電極ｌまたは第１の透明
体層２の上面に形成してもよく、シリコン基板もしくは
光学ガラス基板等の基板上にグレーティングを作製した
後、その上に導電性薄膜、第ｌの透明体Ｊｉ２Ｉ２、第
２の透明体層３を設けてもよい。

第２の透明体層３の上には、液晶層５を介して第２の電
極６を設ける。この電極θは、例えば光学ガラス上にＩ
ＴＯ等の透明導電性薄膜を形成したものを用いることに
よって構成することができる。この場合、液晶層５と第
２の電極６との間に第３の透明体層（図示せず）を挟ん
でもよい。

第２の透明体層３を伝搬する導波光７はグレーティング
４により放射され、その放射光８の放射角θ（基板表面
の法線１０となす角）は次式で与えられる。

ｓｉｎθ＝Ｎ＋ｑ　λ／Ａ　　　　−−−（１）（１）
式において、λはレーザー光の波長、Ｎは導波層の等価
屈折率、Ａはグレーティング４のピッチ、ｑは結合次数
であり２ビーム結合の場合ｑ＝−１となる。

グレーティング４のピッチはサブミクロンオーダーの大
きさであり、このグレーティング４が液晶分子の配向保
持力となるので、透明体層３の表面近傍に於ける配向方
向はグレーティング４に沿った方向をとる。信号波発生
器１０により得られる信号波は振幅変調器ｌ１により振
幅変調され、その振幅変調信号が第１の電極１と第２の
電極６との間に加えられる。

この時の、振幅変調信号と、液晶の屈折率分布との関係
を第２図（ａ）〜（ｃ）に示す。導波光７として、ＴＥ
モード、ＴＭモードどちらを用いてもよいが、ここでは
ＴＥモードを例にとり、また第２の透明体層３の屈折率
ｎｐが、ｎε＜ｎｐの場合（ｎｉは、液晶層５の異常光
に対する屈折率）について説明する。

第２図（ａ）は、振幅変調信号の振幅が小さい時を示す
。液晶分子５Ａの配向方向は、グレーティング４に沿っ
た方向である。導波光７は、グレーティング４に直交し
て（紙面に垂直な方向に）伝搬するので、ＴＥモードの
導波光に対する液晶の屈折率は異常光に対する屈折率ｎ
ｉに等しい。従って、法線方向（Ｘ軸方向）に沿った液
晶層５の屈折率分布はほぼ一様にｎ，となる。

第２図（ｂ）は、振幅変調信号の振幅を大きくした場合
で液晶分子５Ｂの配向方向は、グレーティング４と直交
する法線方向（Ｘ軸方向）を向く。

ただし透明体層３表面近傍の液晶分子５Ｂはグレーティ
ング４による配向保持力が働き十分に法線方向を向いて
いない。

振幅変調信号の振幅を更に大きくしていくと、第２図（
Ｃ）に示す様に、透明体層３表面近傍の液晶分子５Ｃは
、更に法線方向に向き、ｎｏに収束していく。

このように、振幅変調信号を第１の電極１と第２の電極
６との間に加えると、液晶分子の配向状態が変わり、透
明体Ｊｉｌ３近傍の屈折率は変化する。

透明体層３近傍の屈折率が変化すると（１）式に示す等
価屈折率が変化し、放射角θを変えることができる。

第３図に、液晶層５の屈折率をｎε＝　１　．６　９、
第２の透明体層３の屈折率をｎ　ｐ　＝１　．　７　８
、この透明体層３の膜厚を０　．　４　ミ’ｙａ冫、第
ｌの透明体層２の屈折率をｎｓ＝１　．５３とした時の
、導波光７の光エネルギー分布図を示す。

第３図の斜線部分は、エバネッセント光を示しており、
液晶の伝搬損失は通常２０ｄｂ／ｃｍ〜３０ｄｂ／ｃｍ
と非常に大きいため、できる限り液晶層５への浸み出し
光量（いわゆるエバネソセント光の光エネルギー）が小
さい方が望ましい。

従って、本構成では光エネルギーが液晶層５と第２の透
明体層３とに分散した分布をとるため、第６図（ｂ）に
示したような従来構成と比べ、液晶による損失を大幅に
低減化することができる。

一般に、液晶の屈折率は１　．５＜ｎｏ＜ｎＥ＜１　．
８程度である。導波光７が透明体層３のみの導波モード
もしくは透明体層３と液晶層５の一部とを導波層とする
導波モードとなるためには，前記透明体層３の屈折率ｎ
ｐはｎ０より大きくければならない。この透明体層３の
屈折率ｎＦがｎｏ＜ｎＦ＜ｎＥで振幅変調信号が小さい
時、導波光７が液晶層５のみを導波層とする導波モード
となる場合がある。

この時は液晶層５の屈折率の利用範囲が限定されてしま
い、光の偏向角変化が制限される。従って、偏向角変化
を増大するには透明体層３の屈折率ｎＦをｎｔ＜ｒｉｐ
とした方がよい。

第４図に、透明体層３の屈折率がｎ　Ｆ＝　１　．　８
　０ｓｎＦ＝２．００とした場合のそれぞれの液晶層内
エバネッセント光量と等価屈折率変化量の関係を示す。

縦軸は等価屈折率変化量、横軸はエバネッセント光量で
ある。エバネッセント光量は、導波光７の全光量をｒｌ
Ｊで標準化している。

同図から明らかなように、同じエバネッセント光量に対
して、ｎｐ”２．００よりもｒｌＦ＝　１　．８　０の
方が等価屈折率変化量は大きい。すなわち、　（１）式
よりエパネッセント光量が同じ場合は透明体層３の屈折
率ｎｐが大きいほど、偏向角変化を大きくすることがで
きる。

従って、以上述べた２つの点、すなわちｎｉ＜ｎ，とし
た方が液晶の屈折率変化をすべて利用できる点、また屈
折率ｎｐが大きいほど損失を小さくできる点から、透明
体層３の屈折率ｎｐはｎ　ｏ　＜　ｎ　ｐ　＜　ｎ，と
するよりもｎε＜ｎｐとした方が有用であると言える。

本実施例では、透明体層３の導波モードがＯ次の場合に
ついて述べたが、■次モード、２次モードの場合につい
ても当てはまる。第５図にＯ次モ−ドと１次モードの、
等価屈折率変化と液晶層内エバネッセント光量の関係を
示す。これより同じエバネッセント光量の場合は、１次
モードよりＯ次モードの方が、等価屈折率変化を大きく
できることがわかる。従って、１次モードよりＯ次モー
ドを利用する方が液晶による損失の小さい良好な光偏向
素子が実現できる。

なお、上記実施例ではグレーティング４によって液晶を
配向する場合について述べたが、透明体ＭＩｓ上に配向
膜等の液晶配向手段を付加してもよい。

発明の効果以上本発明のように、導波光が第２の透明体層もしくは
第２の透明体層とこれに隣接する液晶層の一部とを伝搬
する構成とすることにより、損失の小さい光偏向素子を
実現できる。

また、第２の透明体層の屈折率が液晶の異常光の屈折率
よりも高い光偏向素子を用い、導波モードをＯ次モード
とすれば、更に損失の小さい光偏向素子を実現できる。

以上の効果により、本発明は実用的に極めて有効である
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例における光偏向素子の断面構
成図、第２図（ａ）〜（Ｃ）は本実施例における振幅変
調信号による配向方向の変化と法線方向の屈折率分布の
変化を示す説明図、第３図は光エネルギーの強度分布を
示す説明図、第４図及び第５図はエバネッセント光量と
等価屈折率変化量を示す説明図、第６図（ａ）（ｂ）は
従来の光偏向素子の断面構成図Ｗ允エネルギーの強度分
布を示す説明図ｍである。１・・・第１の電極、２・・・第１の透明体層、３・・
・第２の透明体層、４・・・グレーティング、５・・・
液晶層、θ・・・第２の電極、７・・・導波光、ｎＥ・
・・第２の透明体層の屈折率、ｎＰ・・・液晶層の異常
光に対する屈折率。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）第１の電極と、この第１の電極上に直接もしくは
第１の透明体層を挟んで形成された第２の透明体層と、
この第２の透明体層上に設けられた液晶層と、この液晶
層上に直接もしくは第３の透明体層を挟んで設けられた
第２の電極とを有し、第１の電極もしくは第１の透明体
層もしくは第２の透明体層上にグレーティングを設ける
か、またはグレーティングが形成された基板上に第１の
電極を設け、導波光が第２の透明体層もしくは第２の透
明体層とこれに隣接する液晶層の一部とを伝搬するよう
に構成したことを特徴とする光偏向素子。
（２）第２の透明体層の屈折率が、液晶層の異常光の屈
折率よりも高いことを特徴とする請求項１記載の光偏向
素子。
（３）導波モードが、０次モードであることを特徴とす
る請求項１記載の光偏向素子。