JPH08254719A

JPH08254719A - 光スイッチ

Info

Publication number: JPH08254719A
Application number: JP7055828A
Authority: JP
Inventors: Kaika Chiyou; 海華張; Masao Hirano; 雅夫平野
Original assignee: Hoya Corp
Current assignee: Hoya Corp
Priority date: 1995-03-15
Filing date: 1995-03-15
Publication date: 1996-10-01

Abstract

(57)【要約】【目的】小形で、作製が容易でありながら、シール材
の影響による特性劣化のない光スイッチを提供すること
を目的とする。【構成】ガラス基板層１１とガラス基板層１２ａとの
間、及びガラス基板層１１とガラス基板層１２ｂとの間
には、それぞれ液晶がシール材１３により封入されてい
る。ガラス基板層１１の入射側及び出射側では、ガラス
基板１５の表面、透明電極１６ａ，１６ｂの表面、配向
膜１８ａ，１８ｂの表面の内のいずれかの上に全反射膜
１７ａ，１７ｂが形成されている。ガラス基板１５に入
射した光Ｌは全反射膜で反射し、シール材の影響を受け
ることなくスイッチング領域２２へと伝播する。また、
スイッチング領域から出射面へと伝播する光も同様にシ
ール材の影響を受けない。

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、光情報処理分
野において利用される光スイッチに関し、特に、液晶を
用い、光の進行方向を切り替える光スイッチに関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】光スイッチは、光通信、光情報処理分野
において、欠かせない光制御素子である。従来、このよ
うな光スイッチとして、液晶の屈折率異方性を利用する
液晶光スイッチがあり、その一種として、２次元光マト
リックススイッチが知られている。

【０００３】従来の２次元光マトリックススイッチは、
図５に示すように３つのガラス基板層５１、５２ａ、及
び５２ｂと、これらガラス基板層の間に封入された液晶
５３ａ，５３ｂを有している。

【０００４】ガラス基板層５１は、ガラス基板５４を有
し、その上下両面には、透明電極膜５５ａと配向膜５６
ａ及び透明電極膜５５ｂと配向膜５６ｂが、それぞれ形
成されている。また、ガラス基板層５２ａ、５２ｂは、
それぞれガラス基板５７ａ，５７ｂを有し、それぞれ上
下面の一方（ガラス基板層５１に対向する面）には、透
明電極膜５８ａ、５８ｂと配向膜５９ａ，５９ｂとが形
成されている。

【０００５】この２次元マトリックススイッチは、ガラ
ス基板５４に入射した光Ｌ（電気ベクトルＥは紙面内で
Ｌの進行方向に垂直）を、図５に示すように、ガラス基
板層５１と液晶５３ａまたは液晶５３ｂとの境界面で全
反射させて、ガラス基板層５１内を伝播させるか、ガラ
ス基板層５１と液晶５３ａまたは５３ｂとの境界面で屈
折させて、液晶５３ａ（または５３ｂ）及びガラス基板
層５２ａ（または５２ｂ）を通して外部へ出射させるこ
とにより、スイッチングを行う。

【０００６】ガラス基板５４に入射した光Ｌが、ガラス
基板層５１と液晶５３ａ（５３ｂ）との境界面で、全反
射するか屈折するかは、光Ｌの入射角度、ガラス基板層
５１の屈折率、及び液晶５３ａ（５３ｂ）の屈折率に依
存する。ここで、液晶５３ａ（５３ｂ）は、光学的異方
性を有しているため、見る方向によって屈折率が異な
る。しかも、液晶５３ａ（５３ｂ）は、電場を印加する
ことにより分子配向を変えることができる。このため、
特定方向から見た液晶５３ａ（５３ｂ）の屈折率は、電
場を印加することにより制御することができる。つま
り、この２次元マトリックススイッチでは、透明電極５
５ａ（５５ｂ）と透明電極５８ａ（５８ｂ）とに電圧を
印加してこれら電極間に電場を発生させることにより、
液晶５３ａ（５３ｂ）の屈折率を変化させることができ
る。しかも、この液晶５３ａ（５３ｂ）の屈折率の変化
は、マトリックスに配置した透明電極５８ａ（５８ｂ）
に対して選択的に電圧を印加することにより、部分的に
発生させることができる。よって、この２次元マトリッ
クススイッチでは、透明電極５５ａ，５５ｂと透明電極
５８ａ，５８ｂとに印加する電圧を制御することによっ
て、適当な入射角で入射する複数の光に対して、それぞ
れ独立してスイッチングを行うことができる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】液晶を用いる光スイッ
チでは、液晶を封止するためにシール材が必要不可欠で
ある。従来の光スイッチでは、このシール材が、液晶５
３と同様にガラス基板層５１、５２間に配置されてお
り、ガラス基板層５１を伝播する光Ｌが、ガラス基板層
５１とシール材との界面に当たることがある。シール材
の屈折率と液晶の屈折率とは異なるので、ガラス基板層
５１とシール材との界面では全反射条件が崩れる。ま
た、シール材による光吸収や、シール材の接着面の凹凸
による散乱などにより、反射光の偏光特性の劣化、強度
減少が見られる。このように、従来の光スイッチでは、
シール材が光スイッチ素子の透過光強度特性、消光比特
性等に悪影響を与えるという問題点がある。

【０００８】このような問題点を解決するために、シー
ル材をガラス基板間ではなく、ガラス基板の外周に沿っ
て設けることが考えられるが、そのためには、ガラス基
板の厚さをある程度以上にする必要があり、光スイッチ
が大型化するという新たな問題を引き起こす。また、シ
ール材の位置及び幅を精密にコントロールして、光の反
射点からシール材を離すことも考えられるが、作製が困
難で手間がかかるようになり、実用的でない。

【０００９】本発明は、小形で、作製が容易でありなが
ら、シール材の影響による特性劣化のない光スイッチを
提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、互いに
対向する一対の主表面と、該一対の主平面に連続する入
射面及び出射面とを有する第１の光透過性板と、前記一
対の主表面の少なくとも一方に形成された第１の透明電
極と、該第１の透明電極の表面上に形成された第１の配
向膜とを有する導光部材と、主平面を有する第２の光透
過性板と、前記主平面の所定領域に形成された第２の透
明電極と、該第２の透明電極と前記主平面の露出部分と
に形成された第２の配向膜とを有する側面部材と、前記
第１の配向膜と前記第２の配向膜とが所定の距離をおい
て対向するように前記導光部材と前記側面部材とを配置
したとき前記第１の配向膜と前記第２の配向膜との間に
注入される液晶と、前記第１の配向膜と前記第２の配向
膜との間に配され前記液晶を封止するシール材とを有
し、前記入射面に入射した光を前記導光部材と前記液晶
との界面で反射させて前記導光部材の内部を伝播させ前
記出射面から出射させる第１の動作モードと、前記入射
面に入射した光を前記液晶及び前記側面部材を通して外
部へ出射する第２の動作モードとを、前記第１及び第２
の透明電極に印加する電圧を制御して選択する光スイッ
チにおいて、前記主表面、前記第１の透明電極の表面、
及び前記第１の配向膜の表面の内のいずれかの上であっ
て、前記入射面に接する第１の所定領域に光を全反射す
る反射膜を形成したことを特徴とする光スイッチが得ら
れる。

【００１１】

【実施例】次に本発明の実施例について図面を参照して
説明する。図１は本発明の第１の実施例の光スイッチの
縦断面図である。

【００１２】図１に示すように、本実施例の光スイッチ
は、３つのガラス基板層１１、１２ａ、及び１２ｂと、
これらの間にシール材１３で封入された液晶１４ａ、１
４ｂとを有している。そして、ガラス基板層１１及び１
２ａと液晶１４ａとで、液晶セルＬＣ１を、ガラス基板
層１１及び１２ｂと液晶１４ｂとで、液晶セルＬＣ２を
構成している。

【００１３】ガラス基板層１１は、平行平板ガラス基板
１５を有し、その上下両面には、透明電極膜１６ａと全
反射膜１７ａと配向膜１８ａ、及び透明電極膜１６ｂと
全反射膜１７ｂと配向膜１８ｂが、それぞれ形成されて
いる。また、ガラス基板層１２ａ、１２ｂは、それぞれ
ガラス基板１９ａ，１９ｂを有し、各々のガラス基板層
１１に対向する面には、透明電極膜２０ａ、２０ｂと配
向膜２１ａ，２１ｂとが形成されている。ここで、ガラ
ス基板１９ａ，１９ｂの透明電極を配する面は平坦とし
ている。

【００１４】以下、本実施例の光スイッチの作製工程を
説明する。まず、ガラス基板１９ａの一表面上に、マト
リックスを形成するように、選択的に透明電極２０ａを
設ける。そして、透明電極２０ａ上と露出したガラス基
板１９ａの表面上とに配向膜２１ａを塗布した上で、ラ
ビングする。ガラス基板１９ｂについても同様に、透明
電極２０ａ及び配向膜２１ａ形成して、ラビングを行
う。こうして、ガラス基板層１２ａ及び１２ｂが得られ
る。

【００１５】一方、ガラス基板１５の互いに対向する主
面（上下面）には、部分的に（周辺部に）全反射膜１７
ａ、１７ｂを形成し、残りの部分に透明電極１６ａ及び
１６ｂを形成する。そして、透明電極１６ａ及び全反射
膜１７ａの表面上に配向膜１８ａを、透明電極１６ｂ及
び全反射膜１７ｂの表面上に配向膜１８ｂを形成し、ラ
ビングする。こうしてガラス基板層１１が得られる。

【００１６】次に、得られたガラス基板層１１、１２
ａ、及び１２ｂを図１のように配置する。即ち、配向膜
１８ａと配向膜２１ａとが互いに対向し、配向膜１８ｂ
と配向膜２１ｂとが互いに対向するよう、所定幅のギャ
ップを設けてガラス基板層１２ａと１２ｂとでガラス基
板層１１を挟みこむ。そして、ガラス基板層１１と１２
ａとの間のギャップと、ガラス基板層１１と１２ｂとの
間のギャップとに、それぞれ液晶１４ａと１４ｂとを注
入する。この後、ギャップの周辺部にシール材１３を塗
布し、液晶１４ａ、１４ｂを封止する。このとき、ガラ
ス基板層１１側のシール材の塗布位置は、全反射膜１７
ａ、１７ｂが形成されている範囲上とする。

【００１７】なお、液晶１４ａ、１４ｂの液晶分子の初
期配向は、配向膜１８ａ、１８ｂ、２１ａ、及び２１ｂ
の作用により、ガラス基板層１１、１２ａ、及び１２ｂ
の延在方向と平行になるようにしており、電場を印加す
るとその配向がガラス基板層１１、１２ａ、及び１２ｂ
に垂直となるようにしている。

【００１８】実際に光スイッチを作製する場合、ガラス
基板１５は、その屈折率ｎ_Dが、液晶１４ａ、１４ｂの
異常光線屈折率ｎ_e及び常光線屈折率ｎ_oのうち小さい
方より大きい必要がある。また、多チャンネル化を実現
するためには、ガラス基板１５の厚さを薄くして（例え
ば、厚さ０．２ｍｍ）、ガラス基板１５（ガラス基板層
１１）内部を伝播する光の反射回数（反射地点の数）を
増やす必要がある。

【００１９】ガラス基板１５としては、例えば、ＴａＦ
Ｄ３０（屈折率ｎ_D＝１．８７８５３）が使用できる。
また、透明で、屈折率が液晶１４ａ、１４ｂの異常光線
屈折率ｎ_e及び常光線屈折率ｎ_oのうち小さい方より大
きければ、プラスチック等であってもよい。

【００２０】全反射膜１７ａ、１７ｂとしては、例え
ば、アルミ薄膜を用いることができ、真空蒸着法、スパ
ッタリング法、ＣＶＤ法、銀鏡反応法等により形成する
ことができる。また、そのサイズは、例えば、幅６ｍ
ｍ、厚さ３００ｎｍとする。

【００２１】また、透明電極１６ａ、１６ｂ、２０ａ、
及び２０ｂとしては、例えば、Ｉｎ₂Ｏ₃：Ｓｎ（ＩＴ
Ｏ）膜、ＳｎＯ₂：Ｓｂ膜（ＮＥＳＡ膜）、Ｉｎ₂Ｏ₃
−ＳｎＯ2 等が使用できる。透明電極膜も全反射膜と同
様、スパッタリング法等で形成できる。

【００２２】透明電極１６ａ、１６ｂは、例えば、厚さ
０．２ｍｍのガラス基板１５の表面に形成しなければな
らないので、フォトリソグラフィによるパターニングが
困難となる。そこで、透明電極１６ａ、１６ｂは、ガラ
ス基板１５の上下両面に全面的に形成することとし、透
明電極２０ａ、２０ｂを、例えば、２×２ｍｍの島状電
極を２ｍｍ間隔でマトリックスに配置することにより、
複数ある光道を通過する光をそれぞれ独立してスイッチ
ング制御できるようにする。ガラス基板１５が厚い場合
は、透明電極２０ａ、２０ｂと同様のマトリックスに配
置された電極とすることもできる。また、電極のサイズ
及び間隔は、光道等に応じて変更する。

【００２３】配向膜１８ａ、１８ｂ、２１ａ、２１ｂと
しては、ポリイミドが使用でき、回転塗布法を用いて塗
布したあと硬化させる。その後、液晶分子の初期配向
が、図１に示すようなホモジニアス（図の表裏方向）と
なるようにラビング法による配向処理を行う。また、ポ
リアミド等の有機配向膜や、ＳｉＯ₂等の無機配向膜も
使用できる。

【００２４】液晶材料としては、速いスイッチング速度
を得るために、粘性の小さい液晶材料を選定することが
望ましい。また、液晶１４ａ、１４ｂの厚みはできるだ
け、薄いほうが良い。因みに、メルク社のネマチック液
晶ＺＬ−５０４９−１００（異常光線屈折率ｎ_e＝１．
７０９、常光線屈折率ｎ_o＝１．５０６５）を用いた場
合は、１０ｍｓ以下の応答速度を得ることができた。ま
た、液晶材料として強誘電性液晶を使用することもでき
る。強誘電性液晶は、電界の方向に応じた配向方向を示
し、電界消滅後もその配向方向を維持する。即ち、強誘
電性液晶は、メモリ性を有している。したがって、強誘
電性液晶を用いる場合は、極性の異なるパルス（＋電位
のパルス、及び−電位のパルス）を印加することによ
り、液晶分子の配向方向を変化させて、自己保持型スイ
ッチとして、光スイッチングを行うことができる。

【００２５】次に、図２及び図３を参照して、本実施例
の光スイッチの動作を説明する。ガラス基板１５に入射
面より入射した光Ｌは、全反射膜１７ａ及び１７ｂで全
反射されてガラス基板内１５を伝播し、スイッチング領
域２２に入る。光Ｌは、可視光でも赤外光でもよい。ま
た、光Ｌの電気ベクトルＥは、図２に示すように紙面内
で入射方向に垂直な方向である。

【００２６】スイッチング領域２２において、ガラス基
板１５（正確には、配向膜１８ａまたは１８ｂ）と液晶
１４ａ（１４ｂ）との界面で光が全反射される条件は、
良く知られているように、ガラス基板の絶対屈折率ｎ_D
が、液晶の絶対屈折率ｎ_LCよりも大きく、かつ、界面へ
の光の入射角度が、界面での全反射臨界角度θc ＝arcs
in（ｎ_LC／ｎ_D）よりも大きいことである。この条件を
満たす場合、光Ｌは、図２に示すように、スイッチング
領域２２において界面で全反射され、ガラス基板層１１
を伝播していく。

【００２７】例えば、ガラス基板１５としてＴａＦＤ３
０（屈折率ｎ_D＝１．８７８５３）を、液晶１４ａ（１
４ｂ）としてネマチック液晶ＺＬ−５０４９−１００を
使用した光スイッチに、光Ｌが入射する場合、その入射
角が、ガラス基板１５と液晶１４ａ（１４ｂ）との界面
に対して５７°の場合を考える。このとき、液晶１４ａ
（１４ｂ）には、電圧が印加されておらず、液晶分子の
配向方向が図２に示すように図の表裏方向であるとすれ
ば、その屈折率は、ｎ_LC（off ）＝１．５０６５、とな
り、界面での全反射臨界角度θc （off ）は、約５３°
となる。したがって、光Ｌの入射角が、全反射臨界角度
θc より大きいので、光Ｌは、界面で全反射され、ガラ
ス基板層１１内を伝播する。

【００２８】ガラス基板層１１を伝播し、出射側に到達
した光Ｌは、ここでも入射側と同様に、全反射膜１７ａ
及び１７ｂで全反射され、ガラス基板１５内を伝播して
出射面より外部へ出射する。このように本実施例では、
入射側及び出射側に全反射膜を設けたことで、シール材
による光の減衰等の悪影響を除去でき、光スイッチ素子
としての透過性、消光比を改善することができる。

【００２９】一方、スイッチング領域２２において、全
反射条件が満たされないときは、図３に示すように、光
Ｌはガラス基板１５と液晶１４ａ（１４ｂ）との界面で
屈折し、液晶１４ａ（１４ｂ）内を通過して、ガラス基
板１９ａの上面（ガラス基板１９ｂの下面）から外部へ
光Ｌ１（Ｌ２）として出射する。

【００３０】例えば、透明電極１６ａ（１６ｂ）と透明
電極２０ａ（２０ｂ）との間に電圧を印加し、液晶１４
ａ（１４ｂ）に電場を印加すると、その液晶分子の配向
方向は、図３のガラス基板層１１、１２ａ、１２ｂに垂
直方向（図の上下方向）となる。このとき、上記した光
スイッチでは、液晶１４ａ（１４ｂ）の屈折率は、ｎ_LC
（on）＝１．６４０７、となり、界面での全反射臨界角
度θc （on）は、約６０°となる。したがって、界面に
対して５７°で入射した光Ｌは、界面で全反射されるこ
と無く屈折し、光Ｌ１（Ｌ２）として外部へ出射する。
本実施例では、透明電極１７ａ（１７ｂ）をマトリック
スに配置し、図３に示すように部分的に液晶１４ａ（１
４ｂ）の屈折率を変化させるようにしたので、電圧の印
加方法によりマトリックススイッチを実現できる。

【００３１】なお、ガラス基板１５の両端（入射面及び
出射面）を、光Ｌがブリュースター角度で入射（出射）
するように、或いは垂直に入射（出射）するようにカッ
ト及び研磨すれば、入出力面での反射損失を小さくする
ことができる。また、ガラス基板１９ａ、１９ｂについ
ても同様に、出射光Ｌ１、Ｌ２がブリュースター角度で
出射するように、或いは垂直に出射するようにカット及
び研磨すれば反射損失を小さくすることができる。さら
にまた、ガラス基板１９ａ、１９ｂとして、液晶の屈折
率ｎ_LC（on）に等しいか近い屈折率のガラスを使用する
か、ガラス基板１９ａの上面及びガラス基板１９ｂの下
面とに、反射防止膜を形成しておくと、外部へ出射する
光Ｌ１、Ｌ２の反射損失を減少させることができる。た
だし、ガラス基板１９ａ、１９ｂの屈折率によって、光
Ｌ１、Ｌ２の出射角度が変わる点に注意しなければなら
ない。

【００３２】こうして、本実施例の光スイッチでは、液
晶１４ａ，１４ｂに印加する電場を制御することで、ガ
ラス基板１５に入射する光のスイッチングを行うことが
できる。なお、本実施例の光スイッチでは、５Ｖで液晶
セルの駆動ができる。すなわち、ＴＴＬレベルの低電圧
駆動ができる。

【００３３】次に、第２の実施例について図４を参照し
て説明する。なお、第１の実施例と同一のものには、同
一番号を付し、その説明を省略する。本実施例の光スイ
ッチでは、薄い板状の鏡である薄板鏡４１ａ、４１ｂ
が、透明電極１７ａ、１７ｂの表面上に貼り付けられて
いる。動作についてはガラス基板１５に入射した光が、
透明電極を通り、薄板反射板で反射され、スイッチング
領域２２へと伝播する点を除いて、第１の実施例と同じ
である。

【００３４】なお、薄板鏡４１ａ、４１ｂの代わりに、
第１の実施例の全反射鏡膜を用いてもよい。また、配向
膜の表面に、全反射鏡膜、或いは、薄板鏡４１ａ、４１
ｂを設けてもよい。

【００３５】さらにまた、第１及び第２の実施例とも
に、２つの液晶セルを有する光スイッチについて説明し
たが、ガラス基板の上下面の一方に液晶セルを形成し、
他方の面は、光を全反射するようにしてもよい。また、
第１の及び第２の実施例では、平行平板のガラス基板１
５を使用する場合について説明したが、円柱状等他の形
状のものでもよい。

【００３６】

【発明の効果】本発明によれば、液晶を利用して光の光
路を切り替える光スイッチにおいて、導光部材の入射面
側及び出射面側に光を全反射する全反射膜を形成し、シ
ール材と導光部材との界面に光が入射することを防ぐよ
うにしたことで、シール材と導光部材との界面における
光の偏光性や透過性などに対する悪影響を排除でき、光
スイッチの透過光強度特性及び消光比特性などの劣化を
防ぐことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例の縦断面図。

【図２】図１の光スイッチの動作を説明するための縦断
面図。

【図３】図１の光スイッチのもう一つ動作を説明するた
めの縦断面図。

【図４】本発明の第２の実施例の縦断面図。

【図５】従来の光スイッチの縦断面図。

【符号の説明】

１１ガラス基板層１２ａ，１２ｂガラス基板層１３シール材１４ａ、１４ｂ液晶１５平行平板ガラス基板１６ａ，１６ｂ透明電極膜１７ａ，１７ｂ全反射膜１８ａ，１８ｂ配向膜１９ａ，１９ｂ平行平板ガラス基板２０ａ、２０ｂ透明電極膜２１ａ，２１ｂ配向膜２２スイッチング領域４１ａ，４１ｂ薄板鏡５１ガラス基板層５２ａ，５２ｂガラス基板層５３ａ，５３ｂ液晶５４ガラス基板５５ａ，５５ｂ透明電極膜５６ａ，５６ｂ配向膜５７ａ，５７ｂガラス基板５８ａ，５８ｂ透明電極膜５９ａ，５９ｂ配向膜

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】互いに対向する一対の主表面と、該一対
の主平面に連続する入射面及び出射面とを有する第１の
光透過性板と、前記一対の主表面の少なくとも一方に形
成された第１の透明電極と、該第１の透明電極の表面上
に形成された第１の配向膜とを有する導光部材と、主平
面を有する第２の光透過性板と、前記主平面の所定領域
に形成された第２の透明電極と、該第２の透明電極と前
記主平面の露出部分とに形成された第２の配向膜とを有
する側面部材と、前記第１の配向膜と前記第２の配向膜
とが所定の距離をおいて対向するように前記導光部材と
前記側面部材とを配置したとき前記第１の配向膜と前記
第２の配向膜との間に注入される液晶と、前記第１の配
向膜と前記第２の配向膜との間に配され前記液晶を封止
するシール材とを有し、前記入射面に入射した光を前記
導光部材と前記液晶との界面で反射させて前記導光部材
の内部を伝播させ前記出射面から出射させる第１の動作
モードと、前記入射面に入射した光を前記液晶及び前記
側面部材を通して外部へ出射する第２の動作モードと
を、前記第１及び第２の透明電極に印加する電圧を制御
して選択する光スイッチにおいて、前記主表面、前記第
１の透明電極の表面、及び前記第１の配向膜の表面の内
のいずれかの上であって、前記入射面に接する第１の所
定領域に光を全反射する反射膜を形成したことを特徴と
する光スイッチ。
【請求項２】前記第１の所定領域が、前記シール材の
位置よりも、前記第１の動作モードのおける前記導光部
材の内部を伝播する光の進行方向前方にまで伸びている
ことを特徴とする請求項１の光スイッチ。
【請求項３】前記主表面、前記第１の透明電極の表
面、及び前記第１の配向膜の表面の内のいずれかの上で
あって、前記出射面に接する第２の所定領域に光を全反
射する反射膜を形成したことを特徴とする請求項１の光
スイッチ。
【請求項４】前記第２の所定領域が、前記シール材の
位置よりも、前記第１の動作モードのおける前記導光部
材の内部を伝播する光の進行方向後方にまで伸びている
ことを特徴とする請求項３の光スイッチ。
【請求項５】前記反射膜に代えて、薄板状の反射板を
設けたことを特徴とする請求項１、２、３、または４の
光スイッチ。