JPH0643504A

JPH0643504A - 光スイッチ素子及びそれに用いられる液晶光方向性結合器

Info

Publication number: JPH0643504A
Application number: JP7990693A
Authority: JP
Inventors: Hirosaku Nonomura; 啓作野々村; Mitsuhiro Shigeta; 光浩繁田
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1992-04-07
Filing date: 1993-04-06
Publication date: 1994-02-18

Abstract

(57)【要約】【目的】液晶を用いて、漏れ光の影響のないＳＮ比の
大きな光スイッチ素子を実現し、かつ結合長が短縮され
た光スイッチ素子を実現する。【構成】ガラス基板１上に第１の光導波路２が直線状
に形成されている。９０度に曲げられた部分をそれぞれ
有する複数の第２の光導波路５は、ガラス基板４上に形
成されている。各光導波路５毎に第１の光スイッチ部２
０及び第２の光スイッチ部２１を有する光スイッチ素子
が設けられている。ガラス基板１、４の間には、液晶層
３が配置されている。各光スイッチ部２０、２１に於い
て、第２の光導波路５は、液晶層３を介して第１の光導
波路２と光学的に接続されている。各光導波路５毎の光
スイッチ部２０、２１に於いて、ガラス基板１の液晶層
３に接する面に、各光導波路５毎の全ての光スイッチ部
２０、２１に共通に接続されている共通電極６が形成さ
れ、ガラス基板４の液晶層３に接する面に、各光導波路
５毎の光スイッチ部２０、２１に共通に接続されている
複数のセグメント電極７がそれぞれ形成されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光通信装置、光情報処
理装置に用いることのできる光スイッチ素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のＣＲＴ（陰極線管）と異なる原理
で表示を行う平面表示装置は、現在ワードプロセッサな
どの文書編集装置やパーソナルコンピュータ等の電子機
器における表示装置として、広く用いられている。ま
た、将来のハイビジョン受信機やＥＷＳ（高性能エンジ
ニアリングワークステーション）に用いられる表示装置
として、該平面表示装置の応用開発が推進されている。

【０００３】代表的な平面表示装置として、ＥＬＰ（エ
レクトロルミネッセンスパネル）、ＰＤＰ（プラズマデ
ィスプレイパネル）あるいはＬＣＤ（液晶表示装置）な
どが知られている。これらの平面表示装置に於いて、フ
ルカラー化の容易性、ＬＳＩ（大規模集積回路）との整
合性などの点からＬＣＤが最も有望視されている。

【０００４】ＬＣＤは、その表示駆動のための構造と駆
動方法とにより、単純マトリックス駆動型とアクティブ
マトリックス駆動型とに類別される。単純マトリックス
駆動型ＬＣＤにおいて、一対のガラス基板の対向する表
面に、ストライプ状電極がそれぞれ形成され、各ガラス
基板を組み合わせる時に、各ガラス基板のストライプ状
電極が相互に直交するように、各ガラス基板が組み合わ
される。各ガラス基板の間に例としてネマティック液晶
が封入されている。ネマティック液晶が有する表示状態
と非表示状態との間の光学的特性の変化の急峻性を利用
して、表示が実現される。

【０００５】また、アクティブマトリックス駆動型ＬＣ
Ｄは、絵素に非線形素子を付加した構造を有し、各非線
形素子のスイッチング特性を利用して表示を行う。従っ
て、前記単純マトリックス駆動型ＬＣＤと比較し、前記
液晶が有する光学的特性の急峻性への依存性が低く、高
コントラストで、且つ高速応答を行う表示装置が実現さ
れる。

【０００６】前記非線形素子は、２端子素子と３端子素
子とに類別される。２端子型非線形素子として、ＭＩＭ
（金属−絶縁体−金属）素子、ダイオードなどが知られ
ている。３端子型非線形素子として、ａ−ＳｉＴＦＴ
（アモルファスシリコン薄膜トランジスタ）素子及びｐ
−ＳｉＴＦＴ（ポリシリコン薄膜トランジスタ）などが
知られている。

【０００７】アクティブマトリックス駆動型ＬＣＤにお
いて、非線形素子に走査線を介して寄生容量が存在する
ため、コントラストの低下、残像の発生、パネル寿命の
低下などの問題が生じる。今後、表示パネルが大型化す
ると、この大型化に伴って配線長が長くなるため、配線
抵抗の増大と、寄生容量と配線抵抗との結合とによっ
て、信号の遅延が大きくなり、表示の均一性や高コント
ラストを更に阻害するという問題点を生じる。

【０００８】このような問題を解消するために、各絵素
に於ける表示のための駆動パルスの波形に関して解析が
行われているが、スイッチング素子の前記非線形性のた
めに詳細な理論的解析が困難である。

【０００９】一方、図７に示すように、光源４１から光
導波路４２に導かれた光を、複数の光分岐用素子４３で
分岐し、複数の行光導波路４４に光をそれぞれ伝達する
光走査方式を用いれば、絵素に付随する非線形素子と電
気配線との間で生じる前記寄生容量を著しく減少させる
ことができる。このため、光走査方式の採用によって、
前記信号遅延の問題が解消され、表示装置を大型化する
ことが容易になる。前記光分岐用素子４３は、光導波路
４２からの光を行光導波路４４に出力または遮断する光
スイッチ素子である。

【００１０】光スイッチ素子には、光ファイバーやプリ
ズム等を機械的に駆動して、光路の切り換えを行う機械
式の種類と、ＬｉＮｂＯ₃，Ａｓ₂Ｓ₃等物質の電気光学
効果や音響光学効果を利用した電子式の種類とがある。
このうち、可動部がなく信頼性の高い電子式スイッチ素
子、特に液晶を用いた光スイッチ素子が近年注目されて
いる。このような従来技術として、例えば、特開昭５７
−１４２６２２（出願人；日本電信電話公社）に記載さ
れているような、液晶と光導波路とを組み合わせたもの
がある。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】図２（Ａ）及び図２
（Ｂ）は、従来の液晶を用いた光スイッチ素子の構造と
その動作を説明するための断面図である。図２（Ａ）及
び図２（Ｂ）は、後述する実施例に於いて、該実施例の
装置の一部分の構成を示す際にも参照される。図２
（Ａ）に示すように、ガラス基板１上に第１の光導波路
２が形成されている。該第１の光導波路２の上に共通電
極６及び液晶層３を介して、セグメント電極７及び第２
の光導波路５が形成されている。第２の光導波路２は、
対向ガラス基板４に形成されている。ここで、前記第１
の光導波路２、共通電極６、液晶層３、セグメント電極
７及び第２の光導波路５を含んで、光スイッチ素子が構
成される。共通電極６とセグメント電極７とは、透明導
電膜から形成されている。各電極６、７の膜厚は充分厚
く、光導波路２、５と液晶層３との間の全反射または散
乱の関係に影響しない。図２（Ａ）は、光導波路２内の
光が、光導波路２内に閉じ込められている状態を示して
いる。

【００１２】同図（Ｂ）は、該光スイッチ素子のセグメ
ント電極７と共通電極６との間に電圧を印加した時に、
第１の光導波路２から第２の光導波路５に進む光の進行
方向を示している。この時の各構成材料の屈折率は、ｎ
AO＜ｎ1＜ｎe1＜ｎ2＞ｎBO（但し、電圧印加時の液晶層
３の屈折率；ｎe1、ガラス基板１；ｎAO，第１の光導波
路２；ｎ1、対向ガラス基板４；ｎBO、第２の光導波路
５；ｎ2）の関係を満たしている。入射光ａ0の全光量ａ
0に対し、９９．９％の光量の光（この光を、ａ1’と定
義する）が、１回目の散乱によって、第１の光導波路２
を飛び出し、残り０．１％の光（この光を、ｂ1’と定
義する）が第１の光導波路２に留まる。

【００１３】２回目の散乱では、ａ2’＝ｂ1’×９９．
９％の光が散乱されるのに対し、ｂ2’＝ｂ1’×０．１
％の光が光導波路２に留まる。このような２回の散乱
で、最初の全光量ａ0に対し、０．００００００１％の
光（この光をｂ’ｏｕｔと定義する）が光導波路２に留
まり、該全光量ａ0の９９．９９９９９９９％の光は散
乱される。この散乱された光は液晶層３内の伝搬損失等
により減衰し、７０％程度の光（この光をａ’outと定
義する）が第２の光導波路５に導かれる。

【００１４】一方、同図（Ａ）は、光スイッチ素子に電
圧が印加されていない状態を示している。各構成材料の
屈折率は、ｎAO＜ｎ1＞ｎe1’，ｎB0＜ｎ2＞ｎe1’（但
し、電圧が印加されていない時の液晶層３の屈折率；ｎ
e1’）の関係を満たしている。このため光量ａ0の入射
光は、第１の光導波路２内で反射光ａ1、ａ2、ａ3、…
のように全反射を繰り返す。全反射毎に０．１％の光量
の光ｂ1、ｂ2、ｂ3、…が散乱する。従って、反射光ａ
1、ａ2、ａ3において、０．１％ずつ光量が減衰するも
のの、光導波路２内を伝送される光（この光をａoutと
定義する）は、入射光ａ0のほぼ１００％に近い光量で
ある。

【００１５】光導波路２と液晶層３との界面において、
前記全反射毎に散乱された前記０．１％程度の散乱光ｂ
1、ｂ2、ｂ3は、それぞれ液晶３内の伝搬損失により
０．０７％となり、第２の光導波路５内に導かれ、光導
波路５内に存在する光と加算され、０．２％程度の漏れ
光となる。

【００１６】この漏れ光のために、従来の光スイッチ素
子のＳＮ比は、２６ｄＢ程度である。このため、第１の
光導波路２を伝達される光信号が光スイッチ素子に於い
て漏れるという漏話特性に関する問題を有している。ま
た、従来の光スイッチ素子は、ネマティック液晶を用い
ている。このため、スイッチング速度が数ｍ秒であり、
応答速度が比較的遅いという問題を有している。

【００１７】光走査を行う他の従来技術は、光導波路に
おける光分岐用素子として、光方向性結合器を採用して
いる。光方向性結合器は、主として光通信の分野に於け
る光信号の分岐のために用いられている。光導波路とし
て、光ファイバーやガラス光導波路、あるいは半導体光
導波路などが用いられている。光方向性結合型スイッチ
素子に用いられている材料として、Ｔｉ：ＬｉＮｂＯ₃
が知られている。更に、光方向性結合器を集積化した交
差結線型の４ｘ４型あるいは８ｘ８型のマトリックスス
イッチ素子が開発されている。

【００１８】更に他の従来技術は、液晶光方向性結合器
を光分岐用素子として用いている。該従来技術の液晶光
方向性結合器は、結合長が数ｍｍ程度である。従って、
表示装置において光走査を行う際に、各液晶光方向性結
合器のサイズを前記結合長程度とすると、列方向に延び
る光基幹導波路から前記液晶光方向性結合器を介して行
方向に延びる行光導波路を高密度に形成することができ
ないという問題を有している。

【００１９】本発明は、上記問題点を解決しようとして
成されたものであり、以下の目的を達成する。

【００２０】（１）液晶を用いて、漏れ光の影響のない
ＳＮ比の大きな光スイッチ素子を実現できる。

【００２１】（２）液晶層上に光導波路を曲げて形成す
ることにより、構成が簡単で、制御が容易な光スイッチ
素子を実現できる。

【００２２】（３）高速応答性を有する光スイッチ素子
を実現できる。

【００２３】（４）光集積回路、光走査方式によるアク
ティブマトリックス型液晶表示装置などへの応用が可能
な光スイッチ素子を実現できる。

【００２４】（５）結合長が短縮された光方向性結合器
を実現することができる。

【００２５】（６）光方向性結合器の結合長が短縮され
たので、絵素が高密度に形成されたマトリックス表示装
置を、該光方向性結合器を用いて実現することができ
る。

【００２６】

【課題を解決するための手段】本発明の光スイッチ素子
は、第１の光導波路から第２の光導波路へ光を透過し、
または遮断するための光スイッチ素子であって、該第１
の光導波路の一部と、該第１の光導波路の該一部上に光
学的に接続された第１の液晶層と、該第１の液晶層上に
光学的に接続された該第２の光導波路の第１部分と、該
第１の液晶層の屈折率を変化させるために該第１の液晶
層に電圧を印加するための第１の電圧印加手段と、を有
するための第１の光スイッチ部及び該第２の光導波路の
第２部分と、該第２の光導波路の該第２部分と光学的に
接続された第２の液晶層と、該第２の液晶層の屈折率を
変化させるために該第２の液晶層に電圧を印加するため
の第２の電圧印加手段と、を有する第２の光スイッチ部
とを備え、第１の光導波路から第２の光導波路へ光を透
過させるときに、第１の光スイッチ部が透過状態に定め
られ、且つ第２の光スイッチ部が遮断状態に定められ、
第１の光導波路から第２の光導波路へ光を遮断するとき
に、第１の光スイッチ部が遮断状態に定められ、且つ第
２の光スイッチ部が透過状態に定められ、これにより前
記目的が達成される。

【００２７】本発明に於て、前記第１の光導波路及び前
記第２の光導波路は、それぞれ屈折率ｎ1及びｎ2の光透
過材料を有し、前記第１の液晶層及び前記第２の液晶層
は、それぞれ屈折率ｎe1及びｎe2の液晶を有し、該第１
の光導波路から該第２の光導波路へ光を透過させるとき
に、屈折率がｎ1＜ｎe1＜ｎ2及びｎ2＞ｎe2の関係を満
たし、該第１の光導波路から該第２の光導波路へ光を遮
断する時に、屈折率がｎ1＞ｎe1、ｎ2＞ｎe1、及びｎ2
＜ｎe2の関係を満たす場合がある。

【００２８】本発明に於て、前記第１の光導波路及び前
記第２の光導波路は、それぞれ屈折率ｎ1及びｎ2の光透
過材料を有し、前記第１の液晶層及び前記第２の液晶層
は、それぞれ屈折率ｎe1及びｎe2の液晶を有し、前記第
１の光スイッチ部は、液晶光方向性結合器であり、該第
１の光導波路から該第２の光導波路へ光を透過させると
きに、屈折率がｎe1＜ｎ1、ｎe1＜ｎ2及びｎ2＞ｎe2の
関係を満たし、該第１の光導波路から該第２の光導波路
へ光を遮断するときにｎ1＞ｎe1、ｎ2＞ｎe1及びｎ2＜
ｎe2の関係を満たし、且つ該遮断時の屈折率ｎe1は、該
透過時の屈折率ｎe1よりも小さく定められる場合があ
る。

【００２９】本発明に於て、前記第１の光スイッチ部お
よび第２の光スイッチ部は、それぞれ第１の液晶光方向
性結合器及び第２の液晶光方向性結合器であり、該第１
の光導波路から該第２の光導波路へ光を透過させる場合
に於て、第１の液晶光方向性結合器を透過状態とし、且
つ第２の液晶光方向性結合器を遮断状態とし、該第１の
光導波路から該第２の光導波路へ光を遮断させる場合に
於て、第１の液晶光方向性結合器を遮断状態とし、且つ
第２の液晶光方向性結合器を透過状態とする場合があ
る。

【００３０】本発明に於て、前記第１の液晶層と前記第
２の液晶層とは液晶分子の配向方向が揃った同一の液晶
層から形成され、前記第２の光導波路は、前記第１の部
分と前記第２の部分との間において曲げられた部分を有
し、該第２の光導波路の該第１部分及び該第２の部分を
透過する光の進行方向は異なっている場合がある。

【００３１】本発明に於て、前記液晶層は強誘電性液晶
材料からなる場合がある。

【００３２】本発明の液晶光方向性結合器は、第１の光
導波路と第２の光導波路とを相互に結合し、該第１の光
導波路の一部と、該第１の光導波路の該一部に光学的に
接続された液晶層と、液晶層に光学的に接続された第２
の光導波路の一部とを含む液晶光方向性結合器であっ
て、該相互に結合された第１の光導波路と第２の光導波
路との全モード数が、それぞれ２以上で５以下であり、
これにより、前記目的を達成することができる。

【００３３】本発明に於て、前記第１の光導波路と第２
の光導波路とに於ける各導波モードは、第１の光導波路
及び第２の光導波路の各全モード数Ｍ１、Ｍ２に対し、
光の伝播定数が最小であるモード数ｍ１＝Ｍ１−１及び
ｍ２＝Ｍ２−１にそれぞれ選ばれる場合がある。

【００３４】本発明の液晶光方向性結合器は、第１の光
導波路と第２の光導波路とを相互に結合し、該第１の光
導波路の一部と、該第１の光導波路の該一部に光学的に
接続された液晶層と、液晶層に光学的に接続された第２
の光導波路の一部とを含む液晶光方向性結合器であっ
て、相互に結合される第１の光導波路と第２の光導波路
とは、それぞれ高屈折率部と低屈折率部とを有し、該高
屈折率部と低屈折率部との各屈折率の差が、それぞれ
０．０１以上で０．０５以下であり、これにより、前記
目的が達成される。

【００３５】本発明の液晶光方向性結合器は、液晶層を
挟む第１の電極と第２の電極とを有し、該第１の電極及
び第２の電極のいずれか一方が、複数に分割されてお
り、そのことによって前記目的が達成される。

【００３６】本発明の液晶光方向性結合器は、第１の光
導波路の一部と、該第１の光導波路の該一部に光学的に
接続された液晶層と、液晶層に光学的に接続された第２
の光導波路の一部とを含む液晶光方向性結合器であっ
て、前記液晶層における光透過状態と光遮断状態との各
屈折率の間の差が０．０２以上であり、そのことによっ
て、前記目的が達成される。

【００３７】本発明の液晶光方向性結合器は、強誘電性
液晶が用いられ、該強誘電性液晶の液晶分子の短軸方向
の屈折率ｎ⊥は、一軸性近似によって、ｎ⊥ ＜１．５
０であり、そのことによって、前記目的が達成される。

【００３８】本発明の液晶光方向性結合器は、強誘電性
液晶が用いられ、該強誘電性液晶の液晶分子の短軸方向
の屈折率ｎ⊥と液晶分子長軸方向の屈折率ｎ‖とに関し
て、複屈折率Δｎ＝ｎ‖−ｎ⊥とメモリー角２ωとの積
が３．５（degree）＞Δｎ・２ω＞１（degree）であ
り、そのことによって、前記目的が達成される。

【００３９】

【作用】上述したように本発明の光スイッチ素子におい
て、第１の光スイッチ部が第１の光導波路から第２の光
導波路への光の透過を制御する本来のスイッチとして作
用する。第２の光スイッチ部は、第１の光スイッチ部が
第２の光導波路へ光を透過させていないにも拘らず、第
２の光導波路に第１の光導波路から第１の光スイッチ部
を介して漏れて来る光を、第２の液晶層を透過させるこ
とで第２の導波路の外へ出してしまい、前記漏れ光をそ
のまま第２の光導波路に導かないようにする作用を実現
する。

【００４０】即ち、光取り出し時には、第１の光スイッ
チ部から、該第２の光スイッチ部内に於て、屈折率の関
係、ｎe2＜ｎ2（＞ｎB0）が満たされた第２の光導波路
に達した光は、一部光漏れにより第２の光導波路外に散
乱するものの、ほぼ１００％の光がそのまま第２の光導
波路内を伝わって行く。

【００４１】一方、光を取り出さないときは、第１の光
スイッチ部から該第２の光スイッチ部内の第２の光導波
路に達する光は、従来の光スイッチ素子に於いて問題と
なっていた漏れ光である。このとき、第２の光スイッチ
部内では、ｎe2＞ｎ2＞ｎB0の条件が満たされているの
で、漏れ光は第２の液晶層から第２の光導波路外へ散乱
される。これにより、従来、問題となっていた０．２％
の漏れ光は第２の光スイッチ部で除去され、第２の光導
波路を不必要な光が伝わることが防止される。従って、
ＳＮ比が大きな光スイッチ素子を実現することができ
る。

【００４２】このような作用を実現するために、該第１
の光導波路から該第２の導波路へ光を透過させるとき
に、屈折率がｎ1＜ｎe1＜ｎ2及びｎ2＞ｎe2の関係を満
たす場合があり、または屈折率がｎe1＜ｎ1、ｎe1＜ｎ2
及びｎ2＞ｎe2の関係を満たす場合がある。また、該第
１の光導波路から該第２の光導波路へ光を遮断する時に
各屈折率がｎ1＞ｎe1、ｎ2＞ｎe1、及びｎ2＜ｎe2の関
係を満たす場合がある。いずれの場合の発明に於いて
も、前記漏れ光が第２の導波路に漏れる事態を防止する
作用が実現される。

【００４３】また、液晶はその分子軸に対する入射角の
違いにより異なる屈折率を示す。このため、第１の液晶
層と第２の液晶層とで第２の光導波路に対する配向方向
を変えることによって、液晶材料を変える事なく、各液
晶層の屈折率ｎe1、ｎe2の値を相互に異ならしめること
が可能となる。

【００４４】特に、強誘電体液晶を用いると、導波路内
を伝わる光軸に対する液晶分子軸の軸角度の調整による
屈折率の変化がより顕著になり、またスイッチングの応
答速度が早くなる。

【００４５】本発明の液晶光方向性結合器は、該第１の
光導波路と第２の光導波路とを相互に結合し、該相互に
結合された第１の光導波路と第２の光導波路との全モー
ド数が、それぞれ２以上で５以下に選ばれる。全モード
数Ｍが１の場合、光の伝播定数が最小となるモード数ｍ
＝Ｍ−１を実現することができない。一方、全モード数
Ｍを６以上の大きな数にしようとすると、光導波路に於
ける屈折率差を極めて大きくする必要があり、このよう
な光導波路の製造が困難になる。前記のように定められ
る第１の光導波路と第２の光導波路とに於ける各導波モ
ードは、第１の光導波路及び第２の光導波路の各全モー
ド数Ｍ１、Ｍ２に対し、光の伝播定数が最小であるモー
ド数ｍ１＝Ｍ１−１及びｍ２＝Ｍ２−１にそれぞれ選ば
れる。このとき、各導波路間の結合長は最短になる。

【００４６】また、本発明の液晶光方向性結合器に於い
て、相互に結合される第１の光導波路と第２の光導波路
とは、それぞれ高屈折率部と低屈折率部とを有する。該
高屈折率部と低屈折率部との各屈折率の差が、それぞれ
０．０１以上で０．０５以下に定められる。屈折率の差
が０．０１未満である場合、前記全モード数を２以上に
できず結合長を短縮できないことが、モード結合理論か
ら帰結される。また、屈折率の差が０．０５を超える場
合、このような屈折率差を有する前記光屈折率部と低屈
折率部とを各光導波路内に形成することが困難になる。

【００４７】また、本発明の液晶光方向性結合器に於い
て、液晶層を挟む第１の電極と第２の電極のいずれか一
方が複数に分割される。電極を複数に分割することによ
り、強誘電性液晶のメモリー効果を利用して、無電界状
態に於いても光パワーが透過しない状態（ノーマリーオ
フ）とすることができる。これにより、液晶光方向性結
合器のスイッチング素子としての消費電力を抑制するこ
とができ、更に制御方法も容易になる。また、光が光導
波路を伝播し、空気に接している領域から液晶領域に達
したとき、光の伝播モードの空間変化により光の散乱が
引き起こされるが、本発明によってこの光の散乱が抑制
される。

【００４８】本発明の液晶光方向性結合器に於いて、液
晶層に於ける光透過状態と光遮断状態とに於ける各光強
度の比を、できるだけ大きくするために、液晶層におけ
る光透過状態と光遮断状態との各屈折率の間の差が０．
０２以上に選ばれる。このような大きな屈折率差を実現
するために、本発明の液晶光方向性結合器に於いて強誘
電性液晶が用いられる。該強誘電性液晶の液晶分子の短
軸方向の屈折率ｎ⊥は一軸性近似によってｎ⊥ ＜１．
５０に選ばれ、また該強誘電性液晶の液晶分子の短軸方
向の屈折率ｎ⊥と液晶分子長軸方向の屈折率ｎ‖とに関
して、複屈折率Δｎ＝ｎ‖−ｎ⊥とメモリー角２ωとの
積が３．５（degree）＞Δｎ・２ω＞１（degree）に選
ばれる。これにより、前記光透過状態と光遮断状態との
間の光強度の比を、例として１００以上に向上すること
ができる。

【００４９】

【実施例】以下、実施例により本発明を更に詳細に説明
する。

【００５０】図１は本発明の一実施例の光スイッチ素子
の平面構造を示す平面図であり、図２（Ａ）及び図２
（Ｂ）は、図１に示される光スイッチ素子の光スイッチ
部２０を図１の切断面線Ａ−Ａから見た断面図である。
本実施例の光スイッチ素子は、例としてアクティブマト
リックス液晶表示装置に用いられる。ガラス基板１上に
第１の光導波路２が直線状に形成されている。９０度に
曲げられた部分をそれぞれ有する複数の第２の光導波路
５は、ガラス基板４上に形成されている。図１に示すよ
うに、各光導波路５毎に第１の光スイッチ部２０及び第
２の光スイッチ部２１を有する光スイッチ素子が設けら
れている。

【００５１】ガラス基板１とガラス基板４との間には、
液晶層３が配置されている。各光スイッチ部２０、２１
に於いて、第２の光導波路５は、液晶層３を介して第１
の光導波路２と光学的に接続されている。各光導波路５
毎の光スイッチ部２０、２１に於いて、ガラス基板１の
液晶層３に接する面に、各光導波路５毎の全ての光スイ
ッチ部２０、２１に共通に接続されている共通電極６が
形成され、ガラス基板４の液晶層３に接する面に、各光
導波路５毎の光スイッチ部２０、２１に共通に接続され
ている複数のセグメント電極７がそれぞれ形成されてい
る。

【００５２】この２つの電極６、７は、各光スイッチ素
子２０、２１における液晶層３に電圧を印加するために
設けられている。第１の光スイッチ部２０は、共通電極
６と接する第１の導波路２の一部分、共通電極６、液晶
層３、セグメント電極７、及びセグメント電極７と接す
る第２の導波路５の第１の部分を有する。第２の光スイ
ッチ部２は、共通電極６、液晶層３、セグメント電極７
と接する第２の導波路５の第２の部分を有する。

【００５３】液晶層３の液晶分子は、ガラス基板１、４
に於ける予め定める方向に、配向方向が揃えられてい
る。液晶は、液晶分子の分子軸に対する光の入射角の違
いによって異なる屈折率を示すので、液晶層３に入射す
る光の方向が異なれば、液晶層３は異なる屈折率を示
す。図１に示される光スイッチ素子の第１の光スイッチ
部２０と第２の光スイッチ部２１とにおいて、第２の光
導波路５の中を進行する光の方向が、ガラス基板４の例
として列方向などの予め定める方向に対してそれぞれ異
なるため、液晶層３に入射する光の方向も異なる。従っ
て、第１の光スイッチ部２０と第２の光スイッチ部２１
とを進行する光に対し、光スイッチ部２０、２１におけ
る液晶層３は相互に異なる屈折率ｎe1、ｎe2を示す。

【００５４】図示しない光源によって発生され、第１の
導波路２の一端から入射した光１０は、光スイッチ素子
の第１の光スイッチ部２０及び第２の光スイッチ部２１
を透過し、第２の光導波路５を伝播して、第２の光導波
路５の一端から光１１及び光１２として取り出される。

【００５５】図３（Ａ）及び図３（Ｂ）は光スイッチ素
子の第２の光スイッチ部２１の図１の切断面線Ｂ−Ｂか
ら見た断面を示している。図３（Ａ）に示されるよう
に、ガラス基板４の表面に第２の光導波路５が形成され
ている。ガラス基板１、４の表面には、それぞれ共通電
極６及びセグメント電極７が形成されている。２つのガ
ラス基板１及び４の間に、前記第１スイッチ部２１に於
ける液晶層３と同一の液晶層３が封入されている。

【００５６】以下に図１〜図３を用いて、本発明の光ス
イッチ素子の作成方法を説明する。光導波路は、基板の
上に形成される。本実施例に於いて、この基板として、
アルカリ酸化物を有するソーダライム（soda lime）ま
たはホウケイ酸ガラス等のガラス基板、あるいはプラス
ッチック基板等を用いることができる。例えば、ガラス
基板を用いる場合、そのガラス基板の組成を適宜選ぶこ
とによって、ガラス基板の屈折率を、例として１．４５
〜１．９５程度の範囲内の任意の値に選ぶことができ
る。光導波路の屈折率は、光を光導波路内で伝送するた
めに、これを保持する基板の屈折率より０．５〜５％程
度大きくしておく必要がある。光スイッチ素子に用いる
液晶の屈折率は、組成及び光軸に対する液晶分子の配向
方向により変化する。但し、液晶の屈折率は、通常、
１．４５から１．８程度の範囲内であり、同一液晶材料
を用いて異なる配向方向に定めた場合の屈折率差は０．
１〜０．２程度である。

【００５７】図４は光導波路の形成方法を説明するため
の図である。これにより光導波路の形成方法を説明す
る。本実施例のガラス基板１、４として用いられるガラ
ス基板３１の表面は、凹凸が０．１μｍ以下の平坦にな
るように研磨された後、Ｔｉなどの金属やそれらの酸化
物からなり、前記光導波路２あるいは光導波路５のよう
な形状にスリットが形成されたマスク３３が、その表面
上に形成される。ガラス基板３１の表面に印加される電
界の均一性を高めて、形成される光導波路の表面形状を
円滑にし、これにより不要な光の散乱をなくして、該光
の散乱による伝送される光の減衰をできるだけ少なくす
るために、ガラス基板２１の表面は、平坦である必要が
ある。

【００５８】次に、ガラス基板３１に対し、湿式電界イ
オン交換法を用いて、ガラス基板３１中に屈折率増大イ
オン種を拡散させる。具体的には、下記のような工程を
用いる。まず、イオン交換槽は、２００〜７００℃に保
持する。イオン交換槽内の溶液中に陽電極として白金電
極を入れ、電界を印加することにより陽電極側からＡｇ
⁺、Ｔｌ⁺、Ｋ⁺等のイオンを選択的にガラス基板３１内
に拡散する。この操作により、図４に示すように、ガラ
ス基板３１中に、長手方向と交差する断面が半円形の高
屈折率部分が形成され、目的とする光導波路３２が形成
される。こうして形成された光導波路３２が本実施例の
第１と第２の光導波路２、５となる。

【００５９】本実施例では、図１、図２、図３に示すガ
ラス基板１として、ＦＫ１ガラス（屈折率ｎAO＝１．４
７）を用い、湿式電界イオン交換法により、Ａｇ⁺を必
要部分に拡散せしめ、屈折率ｎ1＝１．５２の帯状の第
１の光導波路２を、例として幅５０μm、深さ５０μmに
形成した。ガラス基板４として、ＫｚＦ１ガラス（屈折
率ｎBO＝１．５５）を用い、湿式電界イオン交換法によ
りＴ１⁺を、必要部分に拡散せしめて、屈折率ｎ2＝１．
５８の帯状の第２の光導波路５を、例として幅５０〜７
０μm、深さ３０μmに形成した。

【００６０】次に、第１の光導波路２が形成されたガラ
ス基板１及び第２の光導波路５が形成されたガラス基板
４の表面にＩｎ₂Ｏ₃を５０ｎｍの厚さに蒸着する。この
後、フォトエッチング操作によりパターニングし、前記
透明のセグメント電極７、７及び透明の共通電極６をそ
れぞれ形成した。このＩｎ₂Ｏ₃の屈折率は、２．００程
度であり比較的大きい。一方、前記膜厚は、入力される
光の波長の１０分の１以下である。従って、第１及び第
２の光導波路２、５と液晶層３との間の全反射及び散乱
には殆ど影響を与えない。尚、本実施例に於いて、光ス
イッチ素子の作成を容易にするため、液晶層３は光スイ
ッチ素子内の光導波路２、５全体に接するように配置さ
れているが、第１及び第２の光スイッチ部２０、２１に
おいて、光が透過する部分にのみ配置するようにしても
よい。

【００６１】次に液晶層３の形成工程を説明する。

【００６２】液晶層３の形成工程において、セグメント
電極７及び共通電極６を被覆する範囲に、図示しない合
成樹脂材料などからなる配向膜が形成される。液晶分子
が接する壁面への配向処理のために、前記配向膜にＳｉ
Ｏ₂を斜め蒸着する。液晶材料として、強誘電性液晶
｛３Ｍ２ＣＰＯＯＢ：(2S,3S)-3-methy1-2-chloropenta
noic acid-4',4''-octyloxybiphenylester;屈折率ｎ1’
＝１．４９、ｎ2’＝１．６０｝を用いる。本実施例に
於いて、液晶層３は、第１のスイッチ部２０における第
１の液晶層と、第２のスイッチ部２１における第２の液
晶層とを兼ねている。前記液晶材料は、印加される電界
の方向（正電界又は負電界）により、液晶分子が配向軸
に対し±３０°回転する。すなわち、電界方向を変える
ことによって、配向方向を６０°の範囲で変えることが
できる。

【００６３】表１に、この液晶材料の液晶分子の初期配
向角と電圧印加時の光入射角と屈折率との関係を示す。
初期配向角は、液晶分子軸が基板に平行になっていると
きの第１の光導波路２とのなす角度を示し、直角になっ
ているときを９０°とする。また、光の入射角も初期配
向角と同様の角度の設定法である。

【００６４】

【表１】

【００６５】尚、上記表１において、負電圧印加時の屈
折率ｎ1は、

【００６６】

【数１】ｎ1＝［ｎ1’²・ｎ2’²／{ｎ2’²・sin²(-60°)＋ｎ1’²・cos²(-60°)}］^1/2 に基づいて計算した。

【００６７】表１に示されるように、液晶の分子軸に対
しどの方向から光を入射させるかによって、入射光に対
する液晶の屈折率が変わる。

【００６８】本実施例では、入力光１０の進行方向、即
ち第１の光導波路２の方向に対して２０°の方向であっ
て、かつガラス基板１に対して平行に、液晶分子の分子
軸の長手方向が並ぶように液晶を配向させている。した
がって第１の光スイッチ部２０に対して、表１における
条件１が適用される。即ち、第１の光スイッチ部２０に
於いて、セグメント電極７に正の電圧を印加すると、光
の入射角に対して液晶分子は５０°に配向し、液晶層３
は１．５５２の屈折率ｎe1を示す。セグメント電極７に
負電圧を印加すると、光の入射角に対して、液晶分子は
−１０°に配向し、液晶層３は１．４９３の屈折率ｎe1
を示す。

【００６９】これに対して第２の光スイッチ部２１にお
いて、第２の光導波路５が９０°湾曲されているので、
光の進行方向が９０°変わるが、ガラス基板１、４に対
する液晶の分子軸の方向は不変である。従って、第２の
光スイッチ部２１に対し、表１に於ける条件２が適用さ
れる。即ち、第２の光スイッチ部２１に於いて、セグメ
ント電極７に正電圧を印加すると液晶は１．５３２の屈
折率ｎe2を示し、負電圧を印加すると液晶層は１．５９
６の屈折率ｎe2を示す。

【００７０】なお、本実施例の場合、厳密には液晶層３
に対して、液晶層３の厚さ方向に約１０°のモード角を
もって光が入射する。しかし、このモード角は充分小さ
いので、入射光に対する屈折率を大きく変化させるほど
ではない。

【００７１】以下に、上記のように構成された第１及び
第２光スイッチ部２０、２１条件を満たす光スイッチ素
子の動作を、図２（Ａ）、同図（Ｂ）、図３（Ａ）、同
図（Ｂ）及び表２を用いながら説明する。

【００７２】

【表２】

【００７３】セグメント電極７に正の電圧を印加すると
各構成材料の屈折率ｎ1、ｎ2、ｎe1及びｎe2は、表２に
おけるオン状態の場合の値となる。これらの屈折率は、
ｎ1＜ｎe1＜ｎ2の関係を満たすので、第１の光スイッチ
部２０に於いて、図２（Ｂ）に示されるように、第１の
光導波路２から第２の光導波路５へ光が透過する。

【００７４】また前記各屈折率は、ｎe2＜ｎ2の関係を
満たすので、第２の光スイッチ部２１において、図３
（Ａ）に示されるように、第２の光導波路５内に於ける
前記透過された光は、全反射を繰り返し、第２の光導波
路５を伝播してゆく。即ち、第２の光導波路５の外部の
第３の光導波路（ガラス基板１）への光が遮断される。

【００７５】一方、セグメント電極７に負の電圧を印加
すると、各構成材料の屈折率ｎ1、ｎ2、ｎe1、ｎe2は、
表２におけるオフ状態の場合の値となる。これらの屈折
率は、ｎ1＞ｎe1及びｎe1＜ｎ2の関係を満たす。これに
より、第１の光スイッチ部２０において、図２（Ａ）に
示されるように、第１の光導波路２と第２の光導波路５
とは光学的に遮断される。しかし第１の光導波路２から
漏れ光ｂ１〜ｂ３が、第２の光導波路５へ透過され、第
２の光導波路５を伝播してゆく。

【００７６】また前記各屈折率は、ｎ2＜ｎe2の関係を
満たすので、第２の光導波路５内を伝播してきた漏れ光
ｂ１〜ｂ３は、第２の光スイッチ部２１において、図３
（Ａ）に示されるように、液晶層３を経て第２の光導波
路５の外へ散乱される。即ち、前記第３の光導波路の中
へ光が透過する。従って、第１の光導波路２からの漏れ
光ｂ１〜ｂ３が、第２の光導波路５内を、第２の光スイ
ッチ部２１を通過して伝播する事態が防止されている。
このようにして、光スイッチ素子のＳＮ比は改善されて
いる。

【００７７】上記のように、本実施例の光スイッチ素子
はひとつの電極によって２ヵ所のスイッチン部が作動す
るため、制御が容易であり、また構成の簡単になってい
る。さらに、第１と第２の液晶層が共通の液晶層により
構成されているので、より一層構造が簡単である。

【００７８】本実施例の光スイッチ素子のスイッチング
特性を調べた結果、２種の光スイッチング素子の間に曲
がり導波路があるために光出力に２分の１程度の減衰は
あったものの、入射光量に対して３５〜４０％の光伝送
効率、消光比は測定系の限界値である３５ｄＢ以上の値
を得ることができることがわかった。

【００７９】尚、本実施例では、第２の光導波路の曲が
り角を９０°としたが、光スイッチ素子構成材料の屈折
率の関係が所定の条件を満たせばよく、用いられる液晶
材料等の関係で、９０°以外の値としても良い。

【００８０】また、光導波路の中の光が不要な箇所で散
乱を起こし、減衰することが無いように、光スイッチ素
子の透明電極以外の箇所、特に曲り導波路の上を、金属
等の光反射で保護することも有効である。

【００８１】本実施例に於いて、光スイッチ部２０、２
１を光がそれぞれ通過するとき、光導波路２、光スイッ
チ部２０、２１の液晶層３及び光導波路５の各屈折率ｎ
1、ｎe1、ｎe2、ｎ2が満足すべき関係は、ｎ1＜ｎe1＜
ｎ2、且つｎe2＜ｎ2である。本発明は、前記各屈折率に
関して、前記実施例に於ける前記関係に替えて、ｎe1＜
ｎ1、ｎe1＜ｎ2及びｎe2＜ｎ2で規定される屈折率の関
係を有する変形例を有する。

【００８２】この変形例について、図５及び図６を参照
して、光が光導波路２から、液晶層３を介して、光導波
路５に透過する場合における該光の挙動を、以下に説明
する。図５及び図６は、例として、光スイッチ部２０の
断面図である。光スイッチ部２０において、光導波路
２、光スイッチ部２０の液晶層３及び光導波路５の各屈
折率ｎ1、ｎe1、ｎ2が、関係ｎ1＜ｎe1＜ｎ2を有すると
き、光導波路２内の光は、前記実施例に於いて説明した
ように、光導波路２から液晶層３を介して光導波路５へ
透過する。

【００８３】一方、光導波路２、液晶層３及び光導波路
５に於ける光の電場分布は、該透過が進行するに従い、
図５に於ける曲線３５ａ、３５ｂ、３５ｃ、３５ｄにそ
れぞれ示されるような状態であることが、本願発明者に
よって確認された。具体的には、光導波路２から光導波
路５へ透過しつつある光の電場分布は、前記透過の進行
に従って、電場分布のピークの位置が、前記光導波路
２、液晶層３及び光導波路５の順に移動する。一方、該
光の前記透過のいずれの時点に於いても、該電場分布
は、光導波路２、液晶層３及び光導波路５のいずれにお
いても、無視できない程度に強度を有する分布を有して
いる。

【００８４】従って、前記屈折率の関係ｎ1＜ｎe1＜ｎ2
によると、光導波路２から液晶層３を介して光導波路５
に透過する光は、透過開始の光導波路２から、透過先の
光導波路５の間の全領域に亘って、その強度分布が拡散
してしまう。

【００８５】これに対して、前記実施例に於ける光導波
路２、液晶層３及び光導波路５の屈折率ｎ1、ｎe1、ｎ2
の関係を、ｎe1＜ｎ1、ｎe1＜ｎ2で規定される関係に選
ぶと、光導波路２から液晶層３を介して光導波路５に透
過する光の電場分布は、該透過が進行するに従い、図６
に於ける曲線３６ａ、３６ｂ、３６ｃ、３６ｄにそれぞ
れ示されるような状態にできることが、本願発明者によ
って確認された。

【００８６】前記各屈折率が関係ｎe1＜ｎ1、ｎe1＜ｎ2
を満たせば、光導波路２から光導波路５へ透過しつつあ
る光の電場分布は、前記透過の進行に従って、電場分布
のピークの位置が、前記光導波路２、液晶層３及び光導
波路５の順に移動する。更に、電場分布のピークが、前
記光導波路２、液晶層３及び光導波路５の順に移動する
時、例として液晶層３など、電場分布の前記ピークが、
例として液晶層３に位置するとき、光導波路２、５な
ど、前記ピークの位置の構成要素以外の構成要素に於け
る電場分布は、前記図５の場合よりも格段に小さい強度
分布をである。

【００８７】従って、本実施例に於ける前記新たな屈折
率の関係ｎe1＜ｎ1、ｎe1＜ｎ2の場合、光導波路２から
液晶層３を介して光導波路５に光が透過する際に、光の
透過の進行に従って、前記光導波路２、液晶層３及び光
導波路５に、それぞれ透過する光が閉じ込められた状態
が、順次的に遷移する。従って、光スイッチ部２０に於
ける結合効率が、前記実施例よりも更に向上される。こ
のような光スイッチ部２０の結合効率を向上する変形例
は、光スイッチ部２１に対しても適用される。本発明の
更に他の実施例が以下に説明される。本実施例は前記第
１の実施例に類似する。本実施例に於て、前記第１実施
例の構成要素と対応する部分に、前記実施例の参照符号
と同一の参照符号を用いる場合がある。本実施例におい
て、前記第１実施例の光スイッチ部２０、２１の少なく
ともいずれか一方が、後述するような構成の液晶光方向
性結合器（以下、結合器）とされることにより、光スイ
ッチ部２０、２１に於ける結合長が、従来技術に於ける
結合長よりも格段に短縮される。以下、前記第１の実施
例の光スイッチ部２０が、前記結合器４３とされた場合
を説明する。本実施例に於て、光導波路を伝達される光
の光パワーが、他の光導波路に透過するに最低必要な長
さを結合長と称する。

【００８８】図８は、本実施例の結合器４３を用いた大
型液晶表示装置（以下、表示装置）６０の平面図であ
り、図９は結合器４３の断面図である。図８に示される
ように、本実施例の表示装置６０は光源４１を備えてい
る。該光源４１は、半導体レーザーまたはＬＥＤ（発光
ダイオード）を備え、光走査に用いられる光を発生す
る。光源４１から発生した光は、ガラス基板１内におい
て、表示装置６０の列方向に延びている第１の光導波路
２内に導かれる。光の偏波は、ＴＥモードが選ばれる。
また、ガラス基板４内に、表示装置６０の行方向に延び
ている複数の行光導波路５が形成されている。

【００８９】光導波路２に、前記複数の行光導波路５と
同数の結合器４３が設けられている。この複数の結合器
４３の中の所定の１個の結合器４３が光学的にオンする
ことにより、この結合器４３が選択される。選択された
結合器４３によって、例えば１個の行光導波路５に、光
源４１からの光のほとんどが導かれる。このような構造
の表示装置６０に於ける光走査を実現するために、表示
装置６０に於て表示画像の精細さの点で必要とされる例
として１ｍｍの絵素間隔よりも、結合器４３に於ける結
合長が短いことが必要である。例として、結合長が１ｍ
ｍ以下であることが必要である。

【００９０】結合器４３は、ガラス基板１に形成された
前記光導波路２と、ガラス基板４に形成された行光導波
路５と、光導波路２上の光透過性を有する電極５４と、
行光導波路５上の光透過性を有する電極５５と、電極５
４、５５の間に挟まれている強誘電性液晶５２と、電極
５４上に形成された複数の絶縁膜５３ａ、５３ｂと、各
絶縁膜５３ａ、５３ｂ上にそれぞれ形成された光透過性
を有する複数の電極５６ａ、５６ｂとを含んで構成され
る。

【００９１】このような結合器４３は、一方の光導波路
２に存在する光パワーを、他方の行光導波路５に透過さ
せることができる。結合器４３に於て、液晶５２の屈折
率が大きい場合（オン状態）に、光パワーの前記透過が
実現され、液晶５２の屈折率が小さい場合（オフ状態）
に、前記光パワーの透過が遮断される。

【００９２】各行光導波路５上に、それぞれ複数の光散
乱部４６が形成されている。前記光が透過した行光導波
路５上に設けられた複数の光散乱部４６から、行光導波
路５を伝送される光が放出され、光電スイッチ４５に含
まれる光導電体４７を照射する。これによって、光電ス
イッチ４５は、オフ状態からオン状態に切り替わる。従
って、列方向に延びている複数の信号線４８から、表示
装置６０で表示される内容によって決定される表示駆動
電圧が、絵素に含まれる一方の電極４９に光電スイッチ
４５を介して印加される。これにより、前記表示内容に
対応した量の電荷が、該絵素に含まれる液晶層の等価容
量５０に蓄積される。該行光導波路５の走査が終了する
と、光電スイッチ４５がオフ状態に切り替わるので、等
価容量５０に一旦蓄積された電荷は、次の該行光導波路
５の走査タイミングまで、該等価容量５０に保持され
る。

【００９３】次に、上記構成を有する表示装置６０を実
現するために必要な、表示装置６０の更に詳細な構造及
び前記結合器４３の構造について説明する。本実施例に
於て、前述したように、表示装置６０の絵素間隔より
も、結合器４３の結合長が短くなるようにする。例とし
て、結合長が１ｍｍ以下の結合器４３を実現する。本実
施例に於て、結合器４３の結合長は、前記１ｍｍに限定
されるものではない。表示装置６０に於て、予め定めら
れる表示画像の精細さに基づいて、絵素間隔が定められ
る。本発明は、表示画像の精細さに対応して定められる
どのような絵素間隔よりも短い結合長を有する結合器を
実現するものである。

【００９４】結合器４３の結合長を一例として前記１ｍ
ｍ以下の値、好ましくは０．５ｍｍにした場合を想定す
ると、図８に示すように、例として１ｍｍ以下の相互の
間隔を有する各行光導波路５を、ガラス基板４上に形成
することが可能になる。従って、光源４１の光を各結合
器４３によって分岐して、各行光導波路５に対し、光信
号を配分することができる。即ち、結合器４３の結合長
が該行光導波路５の間隔よりも短ければ、各行光導波路
５が例として１ｍｍ以下の間隔で配列されている場合で
あっても、結合器４３に於いて、隣接する行光導波路５
が相互に重畳してしまう事態を防止することができる。

【００９５】本実施例に於て、結合長を任意の長さに定
めるために、以下のように結合器４３を構成した。強誘
電性液晶を用いた液晶光方向性結合器は、該強誘電性液
晶の有する屈折率の一軸性を利用する。即ち、図１０に
示したように、液晶分子の短軸方向の屈折率ｎ⊥と、長
軸方向の屈折率ｎ‖とが、一般に異なるため、異常光線
に対する実効的屈折率は、異常光線の伝播方向によって
異なる。

【００９６】強誘電性液晶は、図１０に示すように、印
加電圧の極性、即ち印加される電圧による電場の方向
が、図１０に実線で示す第１の方向であるか、あるいは
図１０に破線で示す第２の方向であるかによって、液晶
分子の配向方向が、層法線に対してメモリー角２ωの範
囲でチルトする。従って、印加電圧の極性によって実効
的屈折率が変化する。前記結合器４３は、この電気光学
効果を用いている。

【００９７】本件発明者は、本実施例に於て、液晶材料
と、光導波路の光学的特性と、電極構造との最適化を図
り、結合器４３に於ける結合長を可及的に短縮できる条
件を求めた。一般に、隣接している２つの光導波路に於
いて、該光導波路をそれぞれ伝播する光の各全モード数
がＭ１、Ｍ２の場合、結合長が最短になるのは、各光が
伝播する各光導波路のモードに於いて、伝播定数がそれ
ぞれ最小となるモード数ｍ１＝Ｍ１−１、ｍ２＝Ｍ２−
１であることが、本件発明者によって見いだされた。即
ち、光導波路の各全モード数Ｍ１、Ｍ２がそれぞれ３の
場合、モード数ｍ１＝ｍ２＝２である同士のモード結合
によって結合長が最短になる。

【００９８】前記全モード数Ｍを変化させる要素とし
て、光導波路の屈折率差、即ち、本実施例に於けるガラ
ス基板の屈折率と該ガラス基板中に形成された光導波路
の屈折率との屈折率差、導波路の厚さ、及び光の波長な
どがある。全モード数Ｍが１あるいは２の場合、光導波
路の厚さを一定にしている場合、光導波路の前記屈折率
差が比較的小さい。例えば、厚さが４μｍ程度である光
導波路に対し、全モード数を２以上にするためには、前
記屈折率差を、０．０１以上にする必要がある。一方、
全モード数Ｍを６以上などにするためには、光導波路の
前記屈折率差を大きくする必要がある。しかしながら、
現実の光導波路に於いて前記屈折率差を大きくする製造
工程は、技術的に実現困難である。

【００９９】また、光導波路を厚くすると、全モード数
Ｍが大きくなる。この場合、上述したようにｍ＝Ｍ−１
のモードの光導波路同士の結合長が、最短結合長にな
る。

【０１００】結合器４３の結合長は、光導波路中を伝播
する光のモード数ｍと密接な関係がある。モード数ｍが
小さいときには、結合長が比較的長くなる。従って、結
合長を短縮するために、できるだけモード数を大きくす
ることが必要である。一方、光導波路の実際の製造工程
に於いて、屈折率及び光導波路の厚さなどに関して、ガ
ラス基板及び光導波路の材料、及びガラス基板の厚さな
どの制約があり、任意の屈折率および光導波路の厚さを
実現できない。

【０１０１】本実施例の結合器４３において、結合器４
３によって相互に結合されている光導波路２、５の全モ
ード数が、それぞれ２以上で５以下に選ばれる。全モー
ド数Ｍが１の場合、光の伝播定数が最小となるモード数
ｍ＝Ｍ−１を実現することができない。一方、全モード
数Ｍを６以上の大きな数にしようとすると、光導波路に
於ける屈折率差を極めて大きくする必要があり、このよ
うな光導波路の製造が困難になる。また、ガラス基板に
於ける光導波路の厚みを大きくすることによって、前記
全モード数を増大できるが、このような場合、相互に結
合される各光導波路の結合長が長くなるという新たな不
都合が生じる。前記のように定められる第１の光導波路
２と第２の光導波路５とに於ける各導波モードは、第１
の光導波路２及び第２の光導波路５の各全モード数Ｍ
１、Ｍ２に対し、光の伝播定数が最小であるモード数ｍ
１＝Ｍ１−１及びｍ２＝Ｍ２−１にそれぞれ選ばれる。
このとき、各導波路間の結合長は最短になる。

【０１０２】結合器４３を、高精細な画像を表示しよう
とする表示装置６０に於ける光走査に用いるためには、
前述したように結合長が絵素間隔以下、例として１ｍｍ
以下であることが必要である。この為には、厚さが４μ
ｍ程度の光導波路の場合、光導波路の高屈折部分、即
ち、ガラス基板中にイオンの注入などによって形成され
た高屈折率の光導波路と、低屈折率部分即ち前記ガラス
基板との屈折率差が、例として０．０１以上であること
が必要である。

【０１０３】本実施例に於て、光導波路２の前記高屈折
率部分の屈折率を、例として１．５３とし、前記低屈折
率部分１の屈折率を例として１．５２に選ぶ。屈折率差
は、０．０１である。このような屈折率の選択によっ
て、全モード数Ｍを２にできることが確認された。この
ときの光導波路２の厚さは、４μｍに定められた。光導
波路２に関する前記屈折率差が小さい場合、前述したよ
うに、光導波路２の厚さを増大することにより、全モー
ド数Ｍを大きくすることが可能である。一方、この場
合、前記結合長を短くすることができないことが確認さ
れている。ガラス基板１と、該ガラス基板１中の光導波
路２の各屈折率を、例として１．５２と１．５４との組
合せにして、屈折率差を０．０２にすると、光導波路２
の厚さを増大することなく全モード数Ｍを３にすること
ができた。このとき、屈折率差が０．０１の場合と比較
し、結合器４３における結合長を短くすることができ
る。

【０１０４】本発明の結合器４３に於いて、相互に結合
される光導波路２、５は、それぞれ高屈折率部と低屈折
率部とを有する。高屈折率部は光導波路２、５であり、
低屈折率部はガラス基板１、４である。本実施例に於い
て、該高屈折率部と低屈折率部との各屈折率の差が、そ
れぞれ０．０１以上で０．０５以下に定められる。屈折
率の差が０．０１未満である場合、前記全モード数を２
以上にできず結合長を短縮できないことが、モード結合
理論から帰結される。また、屈折率の差が０．０５を超
える場合、このような屈折率差を有するように、例とし
て前記高光屈折率部である光導波路を、低屈折率部であ
るガラス基板中に形成することが困難である。これは、
ガラス基板に対して、屈折率差が０．０５を超えるよう
な高屈折率部を形成するドーパントが、現在、得られて
いないからである。

【０１０５】また、結合器４３として、電圧を印加して
いないときに、光パワーが透過しない状態（ノーマリー
オフ）になるように、その構成と材料の組合せを選ぶ
と、スイッチング素子として消費電力を抑制できる。ま
た、この場合、画像を表示しようとするとき、該画像信
号に同期して結合器４３をオン／オフ制御すればよく、
結合器４３のスイッチング素子としての制御方法も容易
になる。強誘電性液晶５２に於いて、強誘電液晶に特有
の液晶分子の配向状態のメモリー効果によって、強誘電
性液晶が無電界の場合でも、前記ノーマリーオフ状態を
実現できる。

【０１０６】そのため、図９に示すように、ガラス基板
１またはガラス基板４の少なくともいずれか一方の電極
を複数の部分に分割する。具体的には、図９に示される
ように、電極５４上に絶縁膜５３ａ、５３ｂを形成した
後、絶縁膜５３ａ、５３ｂの上に、それぞれ分割電極５
６ａ、５６ｂを形成する。このように分割されて得られ
た各分割電極５６ａ、５６ｂに、相互に異なった電位を
独立に印加するようにする。このために、各分割電極５
６ａ、５６ｂ毎に電圧発生回路５７、５８をそれぞれ接
続する。

【０１０７】また、強誘電性液晶５２の屈折率に関し
て、電圧無印加時の屈折率よりも電圧印加時の屈折率が
小さくなるように、各分割電極５６ａ、５６ｂにそれぞ
れ電圧を印加すると、強誘電性液晶５２の前記メモリー
効果によって、無電界の場合に於て、ノーマリーオフの
状態を実現することができる。この結果、図９の結合器
４３の列方向（図９の左右方向）に沿う中央位置に配置
されている各分割電極５６ａ、５６ｂへの印加電圧の正
負の切り替えによって、結合器４３のオン／オフ制御が
可能になる。

【０１０８】本実施例に於て、結合器４３の図９に於け
る前記中央位置の分割電極５６ａ、５６ｂの各長さをそ
れぞれ０．２５ｍｍとした。この長さは、結合器４３に
於ける前記結合長の半分の長さと一致する。なお、絵素
間隔は、例として１ｍｍであり、液晶セル厚は２μｍで
ある。

【０１０９】前記図９に示される各分割電極５６ａ、５
６ｂを更に多数に分割すると、各光導波路２、５間の結
合効率を改善することができる。結合器４３をオン／オ
フした時に、結合器４３を通過する光の強度の比をオン
／オフ比とすると、前記実施例の２分割電極を用いる
と、該オン／オフ比が１００以上になる結果を得た。

【０１１０】結合器４３に於いて、前記オン／オフ比を
１００より大きくするために、駆動時の実効的屈折率の
差を、０．０２よりも大きく選ぶ必要がある。前記実効
的屈折率の差がこの値よりも小さい場合、前記オン／オ
フ比が１００以下になることが確認された。

【０１１１】強誘電性液晶５２が、オン時とオフ時との
間で、このような大きな屈折率変化を有するようにする
ためには、前記屈折率ｎ⊥が、１．５０よりも小さく、
且つ前記複屈折率Δｎ＝ｎ‖−ｎ⊥と前記メモリー角の
積Δｎ・２ωが１（ｄｅｇ）より大きく、且つ３．５
（ｄｅｇ）より小さい範囲にあることが必要であること
が、本願発明者によって確認された。本実施例の表示装
置６０に於けるオン状態に於いて、強誘電性液晶５２の
実効的屈折率は１．５２、オフ状態に於ける実効的屈折
率は１．４９である。また、液晶の複屈折率Δｎ＝０．
１４、メモリー角は１２°である。

【０１１２】前記分割電極５６ａ、５６ｂを用いた結合
器４３の利点は、光が光導波路２を伝播し、空気に接し
ている領域から液晶領域に達したとき、光の伝播モード
の空間変化によって引き起こされる光の散乱が抑制され
ることである。このため、結合器４３における光損失を
抑制できる。

【０１１３】更に光が透過すると、結合器４３のオン／
オフに伴って透過される光の強度比である光パワーの前
記オン／オフ比を大きくするために、液晶の屈折率、特
に液晶分子の短軸方向の屈折率ｎ⊥と、駆動時の屈折率
変化の値とが重要になる。前記屈折率ｎ⊥と屈折率変化
の値とは、屈折率の値、複屈折率とメモリー角の積の値
とが、所定の範囲になるような材料を選択することで実
現できる。

【０１１４】

【発明の効果】本発明によれば、漏れ光の影響のないＳ
Ｎ比の大きな液晶を用いた導波路型光スイッチ素子が実
現できる。

【０１１５】また、１の液晶層上に光導波路を曲げて形
成することによって、構成が簡単で制御の容易な光スイ
ッチ素子を作成できる。さらに、強誘電性液晶を用いる
ことにより、数μｓ程度の高速性を併せ持った光スイッ
チ素子を作製できる。

【０１１６】本発明の光スイッチ素子は、光集積回路、
光走査法式によるアクティブマトリクス型液晶表示装置
等へ応用できる。

【０１１７】更に、本発明に於いて、光スイッチング素
子として結合長が短縮された光方向性結合器を実現する
ことができる。光方向性結合器の結合長が短縮された場
合、絵素が高密度に形成されたマトリックス表示装置
を、該光方向性結合器を用いて実現することができる。

【０１１８】液晶光方向性結合器に於いて、強誘電体液
晶を用いると、導波路内を伝わる光軸に対する液晶分子
軸の軸角度の調整による屈折率の変化がより顕著にな
り、またスイッチングの応答速度が早くなる。

【０１１９】本発明の液晶光方向性結合器は、液晶光方
向性結合器が相互に結合する各導波路間の結合長を最短
にすることができる。従って、液晶光方向性結合器を高
密度に形成することができる。これにより液晶光方向性
結合器を用いるマトリックス表示装置を高精細に形成す
ることができる。

【０１２０】また、本発明の液晶光方向性結合器に於い
て、液晶層を挟む第１の電極と第２の電極のいずれか一
方の電極を複数に分割することにより、強誘電性液晶の
メモリー効果を利用して、無電界状態に於いても光パワ
ーが透過しない状態（ノーマリーオフ）とすることがで
きる。これにより、液晶光方向性結合器のスイッチング
素子としての消費電力を抑制することができ、更に制御
方法も容易になる。

【０１２１】また、光が光導波路を伝播し、空気に接し
ている領域から液晶領域に達したとき、光の伝播モード
の空間変化により光の散乱が引き起こされるが、本発明
によってこの光の散乱が抑制される。この点に於いて
も、ＳＮ比を格段に向上することができる。

【０１２２】本発明の液晶光方向性結合器に於いて、液
晶層に於ける光透過状態と光遮断状態とに於ける各光強
度の比を、例として１００以上に向上することができ
る。この点に於いても、ＳＮ比を格段に向上することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明実施例の光スイッチ素子の構成を示す平
面図である。

【図２】従来の光スイッチ素子の構造を説明する断面図
である。

【図３】第２の光スイッチ部の構成を示す断面図であ
る。

【図４】光導波路の形成方法を説明する図である。

【図５】本実施例に於ける透過する光の電場分布を示す
断面図である。

【図６】本発明の他の実施例に於ける透過する光の電場
分布を示す断面図である。

【図７】光走査方式の原理を示す平面図である。

【図８】本発明の一実施例の表示装置６０の平面図であ
る。

【図９】本発明の一実施例の光方向性結合器の断面図で
ある。

【図１０】液晶の屈折率と配向方向とを示す斜視図であ
る。

【符号の説明】１、４ガラス基板２第１の光導波路３液晶層５第２の光導波路６共通電極７セグメント電極２０第１の光スイッチ部２１第２の光スイッチ部４２光導波路４３光分岐用素子（液晶光方向性結合器）４４行光導波路４５光電スイッチ４６光散乱部４７光導電体４８信号線５２強誘電性液晶５６ａ、５６ｂ分割電極５７、５８電圧発生回路６０表示装置ｎ1 ガラス基板１の屈折率ｎ2 ガラス基板４の屈折率ｎe1 光スイッチ部２０の液晶層３の屈折率ｎe2 光スイッチ部２１の液晶層３の屈折率

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】第１の光導波路から第２の光導波路へ光
を透過し、または遮断するための光スイッチ素子であっ
て、該第１の光導波路の一部と、該第１の光導波路の該一部上に光学的に接続された第１
の液晶層と、該第１の液晶層上に光学的に接続された該第２の光導波
路の第１部分と、該第１の液晶層の屈折率を変化させるために該第１の液
晶層に電圧を印加するための第１の電圧印加手段と、を
有するための第１の光スイッチ部及び該第２の光導波路
の第２部分と、該第２の光導波路の該第２部分と光学的に接続された第
２の液晶層と、該第２の液晶層の屈折率を変化させるために該第２の液
晶層に電圧を印加するための第２の電圧印加手段と、を有する第２の光スイッチ部とを備え、第１の光導波路から第２の光導波路へ光を透過させると
きに、第１の光スイッチ部が透過状態に定められ、且つ
第２の光スイッチ部が遮断状態に定められ、第１の光導波路から第２の光導波路へ光を遮断するとき
に、第１の光スイッチ部が遮断状態に定められ、且つ第
２の光スイッチ部が透過状態に定められる光スイッチ素
子。
【請求項２】前記第１の光導波路及び前記第２の光導
波路は、それぞれ屈折率ｎ1及びｎ2の光透過材料を有
し、前記第１の液晶層及び前記第２の液晶層はそれぞれ
屈折率ｎe1及びｎe2の液晶を有し、該第１の光導波路から該第２の光導波路へ光を透過させ
るときに、屈折率がｎ1＜ｎe1＜ｎ2及びｎ2＞ｎe2の関
係を満たし、該第１の光導波路から該第２の光導波路へ
光を遮断する時に、屈折率がｎ1＞ｎe1、ｎ2＞ｎe1、及
びｎ2＜ｎe2の関係を満たす請求項１に記載の光スイッ
チ素子。
【請求項３】前記第１の光導波路及び前記第２の光導
波路は、それぞれ屈折率ｎ1及びｎ2の光透過材料を有
し、前記第１の液晶層及び前記第２の液晶層はそれぞれ
屈折率ｎe1及びｎe2の液晶を有し、前記第１の光スイッチ部は、液晶光方向性結合器であ
り、該第１の光導波路から該第２の光導波路へ光を透過させ
るときに、屈折率がｎe1＜ｎ1、ｎe1＜ｎ2及びｎ2＞ｎe
2の関係を満たし、該第１の光導波路から該第２の光導
波路へ光を遮断するときにｎ1＞ｎe1、ｎ2＞ｎe1及びｎ
2＜ｎe2の関係を満たし、且つ該遮断時の屈折率ｎe1
は、該透過時の屈折率ｎe1よりも小さく定められる請求
項１に記載の光スイッチ素子。
【請求項４】前記第１の光スイッチ部および第２の光
スイッチ部は、それぞれ第１の液晶光方向性結合器及び
第２の液晶光方向性結合器であり、該第１の光導波路から該第２の光導波路へ光を透過させ
る場合に於て、第１の液晶光方向性結合器を透過状態と
し、且つ第２の液晶光方向性結合器を遮断状態とし、該第１の光導波路から該第２の光導波路へ光を遮断させ
る場合に於て、第１の液晶光方向性結合器を遮断状態と
し、且つ第２の液晶光方向性結合器を透過状態とする請
求項１に記載の光スイッチ素子。
【請求項５】前記第１の液晶層と前記第２の液晶層と
は液晶分子の配向方向が揃った同一の液晶層から形成さ
れ、前記第２の光導波路は、前記第１の部分と前記第２
の部分との間において曲げられた部分を有し、該第２の
光導波路の該第１部分及び該第２の部分を透過する光の
進行方向は異なっている請求項１〜４のいずれかに記載
の光スイッチ素子。
【請求項６】前記液晶層は強誘電性液晶材料からなる
請求項１に記載の光スイッチ素子。
【請求項７】第１の光導波路と第２の光導波路とを相
互に結合し、該第１の光導波路の一部と、該第１の光導
波路の該一部に光学的に接続された液晶層と、液晶層に
光学的に接続された第２の光導波路の一部とを含む液晶
光方向性結合器であって、該相互に結合された第１の光
導波路と第２の光導波路との全モード数が、それぞれ２
以上で５以下である液晶光方向性結合器。
【請求項８】前記第１の光導波路と第２の光導波路と
に於ける各導波モードは、第１の光導波路及び第２の光
導波路の各全モード数Ｍ１、Ｍ２に対し、光の伝播定数
が最小であるモード数ｍ１＝Ｍ１−１及びｍ２＝Ｍ２−
１にそれぞれ選ばれる請求項７に記載の液晶光方向性結
合器。
【請求項９】第１の光導波路と第２の光導波路とを相
互に結合し、該第１の光導波路の一部と、該第１の光導
波路の該一部に光学的に接続された液晶層と、液晶層に
光学的に接続された第２の光導波路の一部とを含む液晶
光方向性結合器であって、相互に結合される第１の光導
波路と第２の光導波路とは、それぞれ高屈折率部と低屈
折率部とを有し、該高屈折率部と低屈折率部との各屈折
率の差が、それぞれ０．０１以上で０．０５以下である
液晶光方向性結合器。
【請求項１０】液晶層を挟む第１の電極と第２の電極
とを有し、該第１の電極及び第２の電極のいずれか一方
が、複数に分割されている液晶光方向性結合器。
【請求項１１】第１の光導波路の一部と、該第１の光
導波路の該一部に光学的に接続された液晶層と、液晶層
に光学的に接続された第２の光導波路の一部とを含む液
晶光方向性結合器であって、前記液晶層における光透過
状態と光遮断状態との各屈折率の間の差が０．０２以上
である液晶光方向性結合器。
【請求項１２】強誘電性液晶が用いられ、該強誘電性
液晶の液晶分子の短軸方向の屈折率ｎ⊥は、一軸性近似
によって、ｎ⊥ ＜１．５０である液晶光方向性結合
器。
【請求項１３】強誘電性液晶が用いられ、該強誘電性
液晶の液晶分子の短軸方向の屈折率ｎ⊥と液晶分子長軸
方向の屈折率ｎ‖とに関して、複屈折率Δｎ＝ｎ‖−ｎ
⊥とメモリー角２ωとの積が３．５（degree）＞Δｎ・
２ω＞１（degree）である液晶光方向性結合器。