JPH0836196A - Optical switch - Google Patents

Optical switch

Info

Publication number
JPH0836196A
JPH0836196A JP17389794A JP17389794A JPH0836196A JP H0836196 A JPH0836196 A JP H0836196A JP 17389794 A JP17389794 A JP 17389794A JP 17389794 A JP17389794 A JP 17389794A JP H0836196 A JPH0836196 A JP H0836196A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
liquid crystal
refractive index
voltage
ferroelectric liquid
optical switch
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP17389794A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Kazuyuki Kishimoto
和之 岸本
Mitsuhiro Shigeta
光浩 繁田
Akira Tagawa
晶 田川
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sharp Corp
Original Assignee
Sharp Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Sharp Corp filed Critical Sharp Corp
Priority to JP17389794A priority Critical patent/JPH0836196A/en
Publication of JPH0836196A publication Critical patent/JPH0836196A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Landscapes

  • Liquid Crystal (AREA)
  • Optical Integrated Circuits (AREA)

Abstract

PURPOSE:To simplify element structure and to easily obtain the best effective refractive index of ferroelectric liquid crystal for the ON/OFF operation of an optical switch by controlling the orientation direction of the ferroelectric liquid crystal according to the intensity of an applied voltage. CONSTITUTION:This optical switch is provided with optical waveguides 11 and 12, an orientation film 13, the ferroelectric liquid crystal 14, transparent electrodes 15 and 16, and an insulating film 17. In the optical switch, the two optical waveguides are set equal in propagation constant; and the light power of one optical waveguide 1 moves to the other optical waveguide 12 when the refractive index of the liquid crystal is large and close to the refractive index of the optical waveguide, but hardly move when the refractive index of the liquid crystal is small. Thus, the ferroelectric liquid crystal has the angle that two different orientation directions contain when a voltage is applied, and the liquid crystal is controlled with the intensity of the applied voltage to perform the switching operation. To control the orientation direction is to control the effective refractive index and the best refractive indexes which are necessary in the ON and OFF state can be obtained.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は光信号を制御する素子に
関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a device for controlling an optical signal.

【0002】[0002]

【従来の技術】光スイッチはその形状によりY分岐型、
方向性結合器型、交差(X)型などに分かれる。この中
で、方向性結合器型の光スイッチは、2本の平行な光導
波路を近接させて光パワーの移行を行う方向性結合器を
利用したものであり、原理的には100%の光パワーの
移行が可能であるという利点を持つ。
2. Description of the Related Art An optical switch has a Y-branch type, depending on its shape.
It is divided into a directional coupler type and a cross (X) type. Among them, the directional coupler type optical switch uses a directional coupler that moves optical power by bringing two parallel optical waveguides close to each other. It has the advantage that power can be transferred.

【0003】方向性結合器型の光スイッチはLiNbO
3などの無機物の結晶を用いたものと液晶を利用したも
のとに分けられる。液晶を利用した光スイッチでは、光
導波路と電極と配向制御層を有する2枚の基板間に液晶
を充填した構造をしており、電極間に電界を印加するこ
とにより液晶の屈折率を変化させて一方の光導波路から
他方の光導波路へ光を移行させる、もしくはさせないと
いうスイッチングを行う。液晶を利用した光スイッチで
は、ネマチック液晶を用いたものと強誘電性液晶を用い
たものが報告されている。ネマチック液晶を用いた光ス
イッチは比較的古くから研究されているが、強誘電性液
晶と比べて液晶中での光損失が大きい、応答速度が遅い
などの問題点を有している。
An optical switch of the directional coupler type is LiNbO.
It is divided into those using crystals of inorganic substances such as 3 and those using liquid crystals. An optical switch using liquid crystal has a structure in which liquid crystal is filled between two substrates having an optical waveguide, an electrode, and an orientation control layer, and the refractive index of the liquid crystal is changed by applying an electric field between the electrodes. Then, switching is performed such that light is transferred from one optical waveguide to the other optical waveguide or not. Optical switches using liquid crystals have been reported to use nematic liquid crystals and ferroelectric liquid crystals. Optical switches using nematic liquid crystals have been studied for a long time, but they have problems such as large optical loss in liquid crystals and slow response speed compared to ferroelectric liquid crystals.

【0004】図2に特開平5−79906で報告されて
いる強誘電性液晶を利用した方向性結合器型光スイッチ
の例を示す。強誘電性液晶21を透明電極22、光導波
路23を有する基板24で挟んだ構造になっている。光
は液晶駆動用の透明電極25の部分でスイッチされ上下
の光導波路23a,23bのどちらか一方を進む。強誘
電性液晶はキラルスメクチックC相、キラルスメクチッ
クF相などにおいて発現する強誘電性を利用する。これ
らの強誘電性液晶は螺旋構造を有しているが、セル厚が
薄い場合、螺旋構造が解けて双安定な二つの配向状態が
出現し、電界の向きによってこの二つの配向状態間をス
イッチできることが知られている。図3にこの様子を示
す。図中Pは液晶分子の自発分極を、Eは電界を表し、
矢印はそれぞれの向きを表す。図中実線及び点線で示す
向きの電界を印加することによって、それぞれ実線及び
点線で示す向きに液晶分子の自発分極の向きを揃えるこ
とができ、これに対応する二つの安定状態をとる。これ
ら二つの安定状態はスメクチック層法線に対してそれぞ
れ+θおよび−θのチルト角(傾き角)をもって配向す
るため2θの角度をもって二状態間をスイッチングす
る。そして、液晶の短軸方向の屈折率n⊥と長軸方向の
屈折率n‖が一般に異なるため、異常光に対する実効的
屈折率がこれら二つの安定状態間で異なる。図3では、
スメクチック層が、強誘電性液晶を挟持する基板に略垂
直な例を示しているが、スメクチック層が、「く」の字
に折れ曲がったシェブロン構造をとる場合もある。
FIG. 2 shows an example of a directional coupler type optical switch utilizing a ferroelectric liquid crystal reported in JP-A-5-79906. The ferroelectric liquid crystal 21 is sandwiched between a transparent electrode 22 and a substrate 24 having an optical waveguide 23. The light is switched at the transparent electrode 25 for driving the liquid crystal and travels through one of the upper and lower optical waveguides 23a and 23b. The ferroelectric liquid crystal utilizes the ferroelectricity exhibited in the chiral smectic C phase, the chiral smectic F phase, and the like. These ferroelectric liquid crystals have a spiral structure, but when the cell thickness is thin, the spiral structure is dissolved and two bistable alignment states appear, and a switch is made between these two alignment states depending on the direction of the electric field. It is known to be possible. This is shown in FIG. In the figure, P is the spontaneous polarization of liquid crystal molecules, E is the electric field,
Arrows indicate the respective directions. By applying an electric field in the directions indicated by the solid line and the dotted line in the figure, the directions of the spontaneous polarization of the liquid crystal molecules can be aligned in the directions indicated by the solid line and the dotted line, respectively, and two stable states corresponding to these can be obtained. Since these two stable states are oriented with tilt angles (tilt angles) of + θ and −θ with respect to the smectic layer normal, switching between the two states is performed with an angle of 2θ. Since the refractive index n⊥ in the minor axis direction and the refractive index n∥ in the major axis direction of the liquid crystal are generally different, the effective refractive index for extraordinary light is different between these two stable states. In FIG.
An example in which the smectic layer is substantially perpendicular to the substrate holding the ferroelectric liquid crystal in between is shown, but the smectic layer may have a chevron structure bent in a "<" shape.

【0005】また、これらのセル厚の薄い強誘電性液晶
は、メモリ効果を持つことが知られている。これは、前
記二つの配向状態間を、印加電界の向きによってスイッ
チさせることができるが、その後印加電界を除去して
も、その状態を保持するというものである。
It is known that these ferroelectric liquid crystals having a small cell thickness have a memory effect. This means that the two orientation states can be switched by the direction of the applied electric field, but the state is maintained even if the applied electric field is subsequently removed.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】強誘電性液晶を利用し
た方向性結合器型光スイッチの例としては前述の特開平
5−79906があるが、この場合には駆動部分以外の
液晶の屈折率を制御するための電圧を印加する必要があ
る。液晶を用いた方向性結合器型光スイッチでは、液晶
を駆動する部分は勿論、駆動しない部分の液晶の実効屈
折率も制御する必要がある。何故なら、液晶中での光の
減衰が無視できないため、駆動部分はできるだけ狭い方
が望ましいのであるが、例えば、1mm以下の駆動部分
だけに正確に液晶を注入するのは非常に困難である。従
って駆動部分以外にも液晶を注入せざるをえないのであ
るが、この部分の液晶の屈折率が正確に制御できていな
ければ、駆動部分の液晶の屈折率を正確に制御できて
も、良い光スイッチは設計できない。
As an example of the directional coupler type optical switch using the ferroelectric liquid crystal, there is the above-mentioned Japanese Patent Laid-Open No. 5-79906. In this case, the refractive index of the liquid crystal other than the driving portion is used. It is necessary to apply a voltage for controlling In the directional coupler type optical switch using liquid crystal, it is necessary to control the effective refractive index of the liquid crystal not only in the portion that drives the liquid crystal but also in the portion that does not drive the liquid crystal. Because the attenuation of light in the liquid crystal cannot be ignored, it is desirable that the driving portion is as narrow as possible, but it is very difficult to accurately inject the liquid crystal only into the driving portion of 1 mm or less, for example. Therefore, it is inevitable to inject the liquid crystal into the portion other than the driving portion, but if the refractive index of the liquid crystal in this portion cannot be accurately controlled, it may be possible to accurately control the refractive index of the liquid crystal in the driving portion. Optical switches cannot be designed.

【0007】特開平5−79906の場合では、駆動し
ない部分の液晶の屈折率の制御に電圧無印加時の双安定
なメモリ状態を利用している。この場合には双安定な状
態のうちの一方の配向状態に液晶を揃えるためには少な
くとも一度は電圧を印加しなければならず、液晶を駆動
しない部分にも透明電極をつける必要がある。従って素
子構造と駆動回路が複雑になるという欠点を有する。ま
た、この透明電極は導波路中を通る光を減衰させるとい
う悪影響を及ぼす。通常、透明電極は液晶ディスプレイ
などによく用いられているが、ほとんどの場合、光は透
明電極の膜を通過するだけなので、膜厚分の透明電極に
よる減衰を受けるだけであり、ほとんど無視できる。し
かし、導波路上に透明電極を直接つけると、電極の幅に
対応する分の減衰を光は受けるため、透明電極による光
の減衰の影響は大きい。従って透明電極はできるだけ少
ない方が望ましいのであるが、双安定なメモリ状態を利
用する場合には、少なくとも液晶を注入した領域には全
て透明電極をつけなければならず、光損失が大きくな
る。
In the case of Japanese Patent Laid-Open No. 5-79906, the bistable memory state when no voltage is applied is used to control the refractive index of the liquid crystal in the non-driving portion. In this case, in order to align the liquid crystal in one of the bistable states, a voltage must be applied at least once, and it is necessary to attach a transparent electrode also to a portion where the liquid crystal is not driven. Therefore, the device structure and the driving circuit are complicated. In addition, this transparent electrode has the adverse effect of attenuating the light passing through the waveguide. Usually, the transparent electrode is often used for liquid crystal displays and the like, but in most cases, light only passes through the film of the transparent electrode, and therefore is only attenuated by the thickness of the transparent electrode and can be almost ignored. However, when a transparent electrode is directly attached on the waveguide, the light is attenuated by the amount corresponding to the width of the electrode, so that the light attenuation by the transparent electrode has a great influence. Therefore, it is desirable that the number of transparent electrodes is as small as possible. However, when utilizing a bistable memory state, it is necessary to attach transparent electrodes to at least the region where the liquid crystal is injected, resulting in a large light loss.

【0008】又、駆動部分の液晶のオン状態(電圧印加
時)とオフ状態(電圧無印加時)で液晶の実効屈折率を
最適化するためには、前記二つの状態間での配向方向の
成す角度と液晶分子の長軸方向及び短軸方向の屈折率に
厳しい条件が課せられるが、特開平5−79906では
オン状態とオフ状態での二つの配向方向の成す角度は液
晶材料によって固定されているため、用いることのでき
る液晶材料がかなり制限されてしまうという問題もあ
る。従って本発明は、透明電極の面積を削減して光の減
衰をおさえ、素子構造を簡略化すること及び、光スイッ
チのオンとオフに最適な強誘電性液晶の実効屈折率を容
易に得られる手段を提供することを目的としている。
Further, in order to optimize the effective refractive index of the liquid crystal of the driving part in the ON state (when a voltage is applied) and the OFF state (when no voltage is applied), the alignment direction between the two states should be optimized. Strict conditions are imposed on the angle formed and the refractive indices of the liquid crystal molecules in the major axis direction and the minor axis direction, but in JP-A-5-79906, the angle formed by the two alignment directions in the ON state and the OFF state is fixed by the liquid crystal material. Therefore, there is also a problem that the liquid crystal materials that can be used are considerably limited. Therefore, according to the present invention, the area of the transparent electrode is reduced to suppress light attenuation, the device structure is simplified, and the effective refractive index of the ferroelectric liquid crystal that is optimal for turning on and off the optical switch can be easily obtained. It is intended to provide a means.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】本発明は上述する課題を
解決するためになされたもので、少なくとも、クラッド
層を備えた光導波路と電極膜と配向制御層とを有し、一
対の基板間に強誘電性液晶が充填された光方向性結合器
からなる光スイッチであって、前記強誘電性液晶は電圧
印加時に異なる2つの配向方向の成す角を持ち、これを
印加電圧の強度によって制御することによりスイッチン
グを行う光スイッチを提供するものである。
The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and has at least an optical waveguide having a clad layer, an electrode film, and an orientation control layer. An optical switch comprising an optical directional coupler filled with a ferroelectric liquid crystal, wherein the ferroelectric liquid crystal has two different orientation directions when a voltage is applied, and the angle is controlled by the intensity of the applied voltage. An optical switch that performs switching by doing so is provided.

【0010】また、前記強誘電性液晶は、電圧無印加時
に唯一の決まった配向方向を持ち、電圧無印加時におい
てオン又はオフ状態になる光スイッチを提供するもので
ある。
Further, the ferroelectric liquid crystal provides an optical switch which has a unique orientation direction when no voltage is applied and turns on or off when no voltage is applied.

【0011】更に、前記強誘電性液晶を挟持する2枚の
基板は非対称に配向処理が施される光スイッチを提供す
るものである。
Furthermore, the two substrates sandwiching the ferroelectric liquid crystal provide an optical switch which is asymmetrically oriented.

【0012】そして、前記強誘電性液晶は、短軸方向の
屈折率n⊥が光導波路のクラッド層の屈折率以下であ
り、同時に屈折率異方性Δnが0.1以上である光スイ
ッチを提供するものである。
The ferroelectric liquid crystal is an optical switch in which the refractive index n⊥ in the minor axis direction is less than or equal to the refractive index of the cladding layer of the optical waveguide, and at the same time, the refractive index anisotropy Δn is 0.1 or more. It is provided.

【0013】また、前記強誘電性液晶は、オンまたはオ
フ状態に最適な実効屈折率を得る電圧値で駆動される光
スイッチを提供するものである。
Further, the ferroelectric liquid crystal provides an optical switch driven by a voltage value for obtaining an effective refractive index which is optimum for an on or off state.

【0014】図1に本発明による光スイッチの構造を示
す。ここで11,12は光導波路、13は配向膜、14
は強誘電性液晶、15,16は透明電極、17は絶縁膜
である。この光スイッチでは、2本の光導波路の伝搬定
数を等しくしてあり、液晶の屈折率が大きく、光導波路
の屈折率に近い場合には、一方の光導波路11の光パワ
ーを他方の光導波路12へ移行し(オン状態)、液晶の
屈折率が小さい場合には光パワーは移行しにくくなる
(オフ状態)。
FIG. 1 shows the structure of the optical switch according to the present invention. Here, 11 and 12 are optical waveguides, 13 is an alignment film, and 14
Is a ferroelectric liquid crystal, 15 and 16 are transparent electrodes, and 17 is an insulating film. In this optical switch, the propagation constants of the two optical waveguides are made equal, and when the refractive index of the liquid crystal is large and close to the refractive index of the optical waveguide, the optical power of one optical waveguide 11 is changed to the other optical waveguide. When the liquid crystal has a low refractive index (12) (on state), the optical power does not easily move (off state).

【0015】[0015]

【作用】セル厚の薄い強誘電性液晶が電圧印加時に双安
定性を示すことは前述のようによく知られているが、こ
れら二つの安定な配向方向の成す角をかえることはでき
ないと考えられていた。しかし、条件によってはこれら
二つの配向方向の成す角を電界強度によってある程度調
節できることが見いだされた(特開平4−1376
7)。図4にこの中で報告されている電圧とチルト角θ
との関係を示す。チルト角とは、液晶分子長軸と層法線
との成す角度で、スイッチの二状態の配向方向の成す角
度は、図3に示されているように2θとなる。従って、
このデータは二つの配向方向の成す角を電圧により制御
することが可能であることを示す。なお、特開平4−1
3767では矩形波電圧の値を変えることによってθを
変化させている。
[Function] It is well known as described above that a ferroelectric liquid crystal having a small cell thickness exhibits bistability when a voltage is applied, but it is considered that the angle formed by these two stable orientation directions cannot be changed. It was being done. However, depending on the conditions, it was found that the angle formed by these two orientation directions can be adjusted to some extent by the electric field strength (Japanese Patent Laid-Open No. 4-1376).
7). FIG. 4 shows the voltage and tilt angle θ reported therein.
Shows the relationship with. The tilt angle is an angle formed by the long axis of the liquid crystal molecule and the layer normal, and the angle formed by the alignment directions of the two states of the switch is 2θ, as shown in FIG. Therefore,
This data shows that the angle between the two orientations can be controlled by voltage. Incidentally, Japanese Patent Laid-Open No. 4-1
In 3767, θ is changed by changing the value of the rectangular wave voltage.

【0016】配向方向を制御できるということは、すな
わち実効屈折率を制御できるということであるため、オ
ン状態とオフ状態で必要な最適の屈折率を得ることが容
易となる。
The fact that the orientation direction can be controlled means that the effective refractive index can be controlled, so that it becomes easy to obtain the optimum refractive index required in the ON state and the OFF state.

【0017】また、一般に強誘電性液晶は印加電圧を除
去した場合、前述のようにメモリ効果によって電圧印加
時の二つの安定状態に対応する二つのメモリ状態を有す
るが、このメモリ状態を一つに減らす(単安定性を与え
る)ことも可能である。単安定性を与えるには例えば、
液晶層を挟持する上側の基板と下側の基板で、配向方向
は同じであるが異なる配向処理を施す、あるいは片側基
板にのみ配向処理を施すような、非対称な配向処理を施
す方法がある。この電圧無印加時の単安定性を利用する
と、単安定な配向方向をオン状態またはオン状態するこ
とができる。
Further, in general, when the applied voltage is removed, the ferroelectric liquid crystal has two memory states corresponding to the two stable states at the time of voltage application by the memory effect as described above. It is also possible to reduce (give monostable) to. To give monostability, for example,
There is a method in which an upper substrate and a lower substrate that sandwich the liquid crystal layer have asymmetric alignment treatments in which the alignment directions are the same but different, or only one substrate is subjected to the alignment treatment. By utilizing the monostable state when no voltage is applied, the monostable orientation direction can be turned on or turned on.

【0018】図5に、液晶の実効屈折率と、結合効率及
び、結合長の関係を示す。液晶の実効屈折率neは、液
晶分子長軸と、基板面に平行に偏波した光線の入射方向
の成す角をφとすると、
FIG. 5 shows the relationship between the effective refractive index of liquid crystal, the coupling efficiency and the coupling length. The effective refractive index ne of the liquid crystal is φ, where φ is the angle between the long axis of the liquid crystal molecule and the incident direction of the light beam polarized parallel to the substrate surface.

【0019】[0019]

【数4】 [Equation 4]

【0020】(n‖:液晶分子長軸方向の屈折率 n
⊥:液晶分子短軸方向の屈折率)で表され、配向方向を
制御することにより、n⊥≦ne≦n‖ の範囲の値を
とる。
(N / |: Refractive index in the long axis direction of liquid crystal molecule n
⊥: refractive index in the minor axis direction of the liquid crystal molecule), and takes a value in the range of n⊥ ≦ ne ≦ n‖ by controlling the alignment direction.

【0021】結合効率とは、光パワーが一方の光導波路
から他方の光導波路に移行する割合で、結合効率が1つ
の時に光は100%移行する長さである。
Coupling efficiency is the rate at which optical power is transferred from one optical waveguide to the other optical waveguide, and is the length at which 100% of light is transferred when the coupling efficiency is one.

【0022】従って、液晶の屈折率がneのときの結合
長と、neの屈折率をもつ部分の幅(電極幅)が一致し
たときに結合効率は最大値1となり、結合長がneの屈
折率をもつ部分の幅(電極幅)からずれるほど結合効率
は小さくなる。図5では、結合長が最小になる屈折率で
の結合長に一致する電極幅0.5mmでの結果を示して
いる。
Therefore, when the bond length when the refractive index of the liquid crystal is ne and the width (electrode width) of the portion having the refractive index of ne coincide with each other, the coupling efficiency becomes the maximum value 1 and the refraction of the coupling length of ne is performed. The coupling efficiency decreases as it deviates from the width of the portion having the ratio (electrode width). FIG. 5 shows the result when the electrode width is 0.5 mm, which corresponds to the bond length at the refractive index where the bond length is the minimum.

【0023】本光スイッチを設計する上で最も重要な点
は液晶の屈折率の制御である。
The most important point in designing the present optical switch is control of the refractive index of the liquid crystal.

【0024】オンオフ比を最もよくするためにはオン状
態とオフ状態でのneを次の手順で選定するとよい。な
お、これは電圧無印加時の単安定な配向方向がオフ状態
である場合の手順である。
In order to maximize the on / off ratio, ne in the on state and the off state may be selected by the following procedure. Note that this is the procedure when the monostable orientation direction when no voltage is applied is in the off state.

【0025】今、導波路のコア部とクラッド層の屈折率
をそれぞれn1,n2とし、コア部の厚さをt、液晶層
の厚さをdとする。また、入射光の波長をλとする。
Now, let the refractive indices of the core portion and the cladding layer of the waveguide be n1 and n2, respectively, and let the thickness of the core portion be t and the thickness of the liquid crystal layer be d. The wavelength of the incident light is λ.

【0026】結合係数κは、The coupling coefficient κ is

【0027】[0027]

【数1】 [Equation 1]

【0028】となり、この時結合長Lは、Where the bond length L is

【0029】[0029]

【数2】 [Equation 2]

【0030】で与えられる。Is given by

【0031】総合効率Rは、Lと電極幅wの比で決ま
り、L=awとすると、
The total efficiency R is determined by the ratio of L to the electrode width w, and if L = aw,

【0032】[0032]

【数3】 (Equation 3)

【0033】で表される。It is represented by

【0034】従ってa=1、すなわちL=wのときRは
最大値1をとる。このとき、wはできるだけ小さい方が
望ましいので、数式1でκができるだけ大きくなるよう
なneを選び、このときのLにwを一致させると良い。
Therefore, when a = 1, that is, L = w, R has a maximum value of 1. At this time, it is desirable that w is as small as possible. Therefore, it is preferable to select ne such that κ is as large as possible in Expression 1 and match w with L at this time.

【0035】上記の状態(R=1)をオン状態とするの
がオンオフ比は最も良くなるが、R≧0.7でオン状態
としても良い。このとき、R=0.1となる状態がオフ
状態になるとすると、数式3よりa≧5のときにオフ状
態となる。従って数式1、数式2より液晶の取り得るn
e(n⊥≦ne≦n‖)のなかで、L≧5wとなるよう
なオフ状態のneを選べば良い。結合長Lが大きくなる
ほど結合効率Rは小さくなるので、オンオフ比は良くな
る。
The on / off ratio is best when the above state (R = 1) is in the on state, but it may be in the on state when R ≧ 0.7. At this time, assuming that the state where R = 0.1 is the off state, the off state is obtained when a ≧ 5 from Equation 3. Therefore, from Equations 1 and 2, n
Among e (n⊥ ≦ ne ≦ n /), it is only necessary to select the off-state ne such that L ≧ 5w. Since the coupling efficiency R decreases as the coupling length L increases, the on / off ratio improves.

【0036】なお、ここでは駆動部分以外の液晶の屈折
率が十分低く、この領域での光の移行はないものとして
いる。駆動部分以外の液晶の屈折率が高くなれば高くな
るほど結合長は短くなり、光の移行が無視できなくなっ
て、オンオフ比は低下する。
Here, it is assumed that the liquid crystal other than the driving portion has a sufficiently low refractive index, and light does not migrate in this region. As the refractive index of the liquid crystal other than the driving portion becomes higher, the coupling length becomes shorter, the light transfer cannot be ignored, and the on / off ratio decreases.

【0037】本発明では、電圧印加時の電圧強度による
液晶の配向方向の制御と、電圧無印加時の単安定性の利
用により、屈折率の最適化を容易にし、なおかつ、素子
構造の簡略化と低消費電力化を可能とする。以下、その
方法について説明する。まず、電圧無印加時の単安定な
配向方向(図7、71)が、オフあるいはオン状態とな
るように、ラビングなどの配向手段を用いて配向させ
る。次に、電圧を印加すると、強誘電性液晶は電界の向
きに応じて双安定な2つの配向方向(図7、72,7
3)をとる。ここで、印加電圧の強度を調節することに
より、二つの配向方向の成す角度2θが変化するため、
一方の配向方向(図7、72)で結合効率を最大(オン
状態)、あるいは最低(オフ状態)に屈折率を調節する
ことが可能となる。ただし、液晶を駆動する場合は必ず
交流駆動しなければならないため、双安定なもう一方の
配向方向(図7、73)もとる。この配向方向での結合
効率が、電圧無印加時の結合効率と同程度に小さい(オ
フ状態)、あるいは大きい(オン状態)必要があるた
め、さらに微調節が必要な場合がある。
The present invention facilitates the optimization of the refractive index by controlling the orientation direction of the liquid crystal by the voltage intensity when a voltage is applied and utilizing the monostability when no voltage is applied, and simplifies the device structure. And low power consumption is possible. The method will be described below. First, orientation is performed by using an orientation means such as rubbing so that the monostable orientation direction (FIG. 7, 71) when no voltage is applied is turned off or on. Next, when a voltage is applied, the ferroelectric liquid crystal is caused to move in two bistable orientation directions (FIGS. 7, 72, 7) depending on the direction of the electric field.
Take 3). Here, by adjusting the strength of the applied voltage, the angle 2θ formed by the two alignment directions changes,
It is possible to adjust the refractive index to the maximum (on state) or the minimum (off state) in the coupling efficiency in one orientation direction (72 in FIG. 7). However, when the liquid crystal is driven, AC drive must be performed without fail, so that the other bistable orientation direction (FIG. 7, 73) is also taken. Since the coupling efficiency in this orientation direction needs to be as small (off state) or large (on state) as the coupling efficiency when no voltage is applied, further fine adjustment may be necessary.

【0038】図6に駆動波形の例を示す。この図におい
て電圧無印加時の単安定な配向方向がオフ状態の場合に
は、+Vを印加した時がオン状態になり、−Vを印加し
た時と電圧無印加時にオフ状態になるようにする。この
時、Vの大きさと初期配向の方向(ラビングの方向な
ど)を調節することによりオンオフ比を最大にすること
ができる。
FIG. 6 shows an example of drive waveforms. In this figure, when the monostable orientation direction when no voltage is applied is in the off state, it is turned on when + V is applied, and turned off when -V is applied and when no voltage is applied. . At this time, the on / off ratio can be maximized by adjusting the magnitude of V and the direction of initial alignment (rubbing direction, etc.).

【0039】電圧無印加時の単安定な配向方向がオフ状
態であれば、オフ状態である時間の方がオン状態である
時間よりも長い(ノーマリーオフ)光スイッチにおいて
効果的に消費電力を下げることができる。逆に、オン状
態である時間がオフ状態である時間よりも長い(ノーマ
リーオフ)光スイッチの場合には、電圧無印加時の単安
定な配向方向がオン状態になるように設計すれば、低消
費電力化が可能となる。
If the monostable orientation direction when no voltage is applied is in the off state, the power consumption is effectively reduced in the optical switch in which the time in the off state is longer than the time in the on state (normally off). Can be lowered. On the other hand, in the case of an optical switch in which the time in the ON state is longer than the time in the OFF state (normally OFF), if the monostable orientation direction when no voltage is applied is designed to be in the ON state, Low power consumption is possible.

【0040】屈折率を最適化するためには、液晶分子自
身のもつ屈折率についてもある条件が必要となる。液晶
の屈折率の条件は、チルト角、光導波路の屈折率によっ
て必要条件が異なるが、短軸方向の屈折率n⊥が光導波
路のクラッド層の屈折率以下で、屈折率異方性Δn(=
n‖−n⊥)が0.1以上であることが必要である。
In order to optimize the refractive index, certain conditions are necessary for the refractive index of the liquid crystal molecules themselves. The condition for the refractive index of the liquid crystal varies depending on the tilt angle and the refractive index of the optical waveguide, but the refractive index n⊥ in the minor axis direction is equal to or less than the refractive index of the cladding layer of the optical waveguide, and the refractive index anisotropy Δn ( =
It is necessary that n ∥-n ⊥) is 0.1 or more.

【0041】[0041]

【実施例】以下図面を参照して本発明の実施例を説明す
る。本実施例では、強誘電性液晶材料14としてメルク
社のSCE−8(n‖=1.64、n⊥=1.49)を
用いた。SCE−8は、0〜10V/μmの範囲でチル
ト角が制御できた、光導波路11及び12は、コア部の
屈折率が1.53、クラッド層の屈折率が1.52、厚
さが4μmのものを用いた。透明電極15,16の電極
幅は最適化を行い、オンオフ比が最も良くなる0.5m
mとした。また、電圧無印加時での配向方向が光の入射
方向にそろうように、PVA配向膜13に片側ラビング
処理を行った。図7及び図8はそれぞれスイッチのオフ
状態とオン状態での光線の進行方向と液晶の配向方向を
示したものである。入射光の波長は780nmであり、
光の偏波方向は基板面に平行である。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In this embodiment, SCE-8 (n.ltoreq. = 1.64, n.perp. = 1.49) manufactured by Merck Ltd. was used as the ferroelectric liquid crystal material 14. The tilt angle of SCE-8 was controllable in the range of 0 to 10 V / μm. The optical waveguides 11 and 12 had a core having a refractive index of 1.53, a cladding layer having a refractive index of 1.52, and a thickness of The one with 4 μm was used. The electrode width of the transparent electrodes 15 and 16 is optimized, and the on / off ratio is optimized to be 0.5 m.
m. Further, the PVA alignment film 13 was rubbed on one side so that the alignment direction when no voltage was applied was aligned with the incident direction of light. 7 and 8 show the traveling direction of the light beam and the alignment direction of the liquid crystal in the off state and the on state of the switch, respectively. The wavelength of incident light is 780 nm,
The polarization direction of light is parallel to the substrate surface.

【0042】まず、電圧を印加しない場合には液晶分子
は単安定性を示し、図7aの71のように配向する。層
法線と成す角度θmは10.5°であった。このとき図
7bのように光導波路11を通ってきた光はスイッチさ
れずにそのまま導波路内を進行し、オフ状態になる。こ
のとき液晶の実効屈折率は最小値1.49をとり、結合
効率(導波路11から導波路12への光の移行率)は
5.1%になった。次に、ある電圧を印加してた図8a
の72のように液晶を配向させてオン状態とした場合に
は、図8bのように光導波路11を通ってきた光は電極
16の部分で光導波路12に移行する。本実施例では、
印加電圧は15Vで、オン状態と電圧無印加時での配向
方向71の成す角θ1は29.9°であった。このとき
光の感じる液晶の実効屈折率は1.523で、結合効率
は98%になった。
First, when no voltage is applied, the liquid crystal molecules exhibit monostability and are oriented as shown by 71 in FIG. 7a. The angle θm formed with the layer normal was 10.5 °. At this time, as shown in FIG. 7b, the light that has passed through the optical waveguide 11 is not switched and travels in the waveguide as it is, and is turned off. At this time, the effective refractive index of the liquid crystal had a minimum value of 1.49, and the coupling efficiency (transmission rate of light from the waveguide 11 to the waveguide 12) was 5.1%. Next, as shown in FIG.
When the liquid crystal is oriented to be in the ON state as in 72, the light that has passed through the optical waveguide 11 as shown in FIG. 8B moves to the optical waveguide 12 at the electrode 16. In this embodiment,
The applied voltage was 15 V, and the angle θ1 formed by the alignment direction 71 in the ON state and when no voltage was applied was 29.9 °. At this time, the effective refractive index of the liquid crystal sensed by light was 1.523, and the coupling efficiency was 98%.

【0043】液晶は交流駆動する必要があるためにオン
状態とは逆極性の電圧を印加する必要があるが、この場
合の配向方向は73のようになる。このとき、電圧無印
加時の配向方向と成す角度θ2は8.8°で、結合効率
は2.1%となり、オフ状態となる。オンオフ比は光導
波路及び液晶の屈折率、配向方向、印加電圧を最適化す
ることによりさらに向上させることが可能である。
Since the liquid crystal needs to be driven by an alternating current, it is necessary to apply a voltage having a polarity opposite to that of the ON state. In this case, the alignment direction is 73. At this time, the angle θ2 formed with the orientation direction when no voltage is applied is 8.8 °, the coupling efficiency is 2.1%, and the state is off. The on / off ratio can be further improved by optimizing the refractive index, the alignment direction, and the applied voltage of the optical waveguide and the liquid crystal.

【0044】[0044]

【発明の効果】印加電圧の強度によって強誘電性液晶の
配向方向、すなわち実効屈折率が制御できるため、より
多くの液晶材料について光スイッチのオンとオフに最適
な実効屈折率を容易に得ることが可能となる。電圧無印
加時の単安定な配向状態をオン状態またはオフ状態とし
て利用することにより駆動波形の簡略化及び低消費電力
化が可能となる。さらに、透明電極の面積が削減できる
ため、光の減衰を抑えることができ、電極形状が簡略化
できることにより、駆動回路も簡略化できる。
Since the alignment direction of the ferroelectric liquid crystal, that is, the effective refractive index can be controlled by the strength of the applied voltage, it is possible to easily obtain the optimum effective refractive index for turning on and off the optical switch for more liquid crystal materials. Is possible. By utilizing the monostable orientation state when no voltage is applied as the ON state or the OFF state, it is possible to simplify the drive waveform and reduce the power consumption. Further, since the area of the transparent electrode can be reduced, light attenuation can be suppressed, and the electrode shape can be simplified, so that the drive circuit can be simplified.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の光スイッチの構造を説明する図であ
る。
FIG. 1 is a diagram illustrating a structure of an optical switch of the present invention.

【図2】従来の強誘電性液晶を利用した光スイッチの例
を示す図である。
FIG. 2 is a diagram showing an example of a conventional optical switch using a ferroelectric liquid crystal.

【図3】強誘電性液晶のスイッチの概念図である。FIG. 3 is a conceptual diagram of a ferroelectric liquid crystal switch.

【図4】電圧によって配向方向を制御できることを示す
グラフである。
FIG. 4 is a graph showing that the orientation direction can be controlled by a voltage.

【図5】強誘電性液晶の実効屈折率と、結合効率及び結
合長の関係を示す図である。
FIG. 5 is a diagram showing a relationship between an effective refractive index of a ferroelectric liquid crystal and a coupling efficiency and a coupling length.

【図6】駆動波形の例を示す図である。FIG. 6 is a diagram showing an example of drive waveforms.

【図7】本発明の光スイッチの原理を説明する図であ
る。
FIG. 7 is a diagram illustrating the principle of the optical switch of the present invention.

【図8】本発明の光スイッチの原理を説明する図であ
る。
FIG. 8 is a diagram illustrating the principle of the optical switch of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

11,12,23 光導波路 13 配向膜 14,21 強誘電性液晶 15,16,22,25 透明電極 17 絶縁膜 24 基板 71 電圧無印加時の液晶の配向方
向 72,73 電圧印加時の液晶の配向方向
11, 12, 23 Optical waveguide 13 Alignment film 14, 21 Ferroelectric liquid crystal 15, 16, 22, 25 Transparent electrode 17 Insulating film 24 Substrate 71 Alignment direction of liquid crystal when no voltage is applied 72, 73 Orientation direction

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 G02F 1/1337 505 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (51) Int.Cl. 6 Identification code Internal reference number FI technical display location G02F 1/1337 505

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 少なくとも、クラッド層を備えた光導波
路と電極膜と配向制御層とを有し、一対の基板間に強誘
電性液晶が充填された光方向性結合器からなる光スイッ
チであって、前記強誘電性液晶は電圧印加時に異なる2
つの配向方向の成す角を持ち、これを印加電圧の強度に
よって制御することによりスイッチングを行うことを特
徴とする光スイッチ。
1. An optical switch comprising an optical directional coupler having at least an optical waveguide having a clad layer, an electrode film, and an orientation control layer and having a ferroelectric liquid crystal filled between a pair of substrates. The ferroelectric liquid crystal is different when a voltage is applied.
An optical switch having an angle formed by two orientation directions and performing switching by controlling this angle by the intensity of an applied voltage.
【請求項2】 前記強誘電性液晶は、電圧無印加時に唯
一の決まった配向方向を持ち、電圧無印加時においてオ
ン又はオフ状態になることを特徴とする請求項1に記載
の光スイッチ。
2. The optical switch according to claim 1, wherein the ferroelectric liquid crystal has a unique orientation direction when no voltage is applied, and is turned on or off when no voltage is applied.
【請求項3】 前記強誘電性液晶を挟持する2枚の基板
は非対称に配向処理が施され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。
3. The optical switch according to claim 1, wherein the two substrates sandwiching the ferroelectric liquid crystal are asymmetrically oriented.
【請求項4】 前記強誘電性液晶は、短軸方向の屈折率
n⊥が光導波路のクラッド層の屈折率以下であり、同時
に屈折率異方性Δnが0.1以上であることを特徴とす
る請求項1,2,又は3に記載の光スイッチ。
4. The ferroelectric liquid crystal has a refractive index n⊥ in the minor axis direction that is not more than the refractive index of the cladding layer of the optical waveguide, and at the same time has a refractive index anisotropy Δn of 0.1 or more. The optical switch according to claim 1, 2, or 3.
【請求項5】 前記強誘電性液晶は、オンまたはオフ状
態に最適な実効屈折率を得る電圧値で駆動されることを
特徴とする請求項1,2,3,又は4に記載の光スイッ
チ。
5. The optical switch according to claim 1, 2, 3, or 4, wherein the ferroelectric liquid crystal is driven by a voltage value that obtains an effective refractive index optimum for an on or off state. .
JP17389794A 1994-07-26 1994-07-26 Optical switch Pending JPH0836196A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP17389794A JPH0836196A (en) 1994-07-26 1994-07-26 Optical switch

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP17389794A JPH0836196A (en) 1994-07-26 1994-07-26 Optical switch

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JPH0836196A true JPH0836196A (en) 1996-02-06

Family

ID=15969121

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP17389794A Pending JPH0836196A (en) 1994-07-26 1994-07-26 Optical switch

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JPH0836196A (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002031788A (en) * 2000-07-18 2002-01-31 Sony Corp Optical device

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002031788A (en) * 2000-07-18 2002-01-31 Sony Corp Optical device

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP0032362B1 (en) Chiral smectic liquid crystal electro-optical device and process of making the same
JPS63153521A (en) Optical modulation using liquid crystal electro-optical device
US4813771A (en) Electro-optic switching devices using ferroelectric liquid crystals
JPH11513809A (en) Bistable nematic liquid crystal device
JP2004518988A (en) Reflective bistable display device with inverted contrast
JPH0522218B2 (en)
US5568287A (en) Liquid crystal device with optical means of high refractive index at pixels and low refractive index between pixels
WO1996010774A1 (en) Viewing angle enhancement for vertically aligned cholesteric liquid crystal displays
JP2005070729A (en) Bistable chiral-splay nematic liquid crystal display
EP0229287B1 (en) Optical change-over switch
D'have et al. Antiferroelectric liquid crystals with 45 (0) tilt: new electro-optic effects in liquid crystals
JP2008504586A (en) Flexible electro-optic liquid crystal device
EP0556617B1 (en) Method for producing a ferroelectric liquid crystal device
JPH11344730A (en) Reflective bistable nematic liquid crystal display device
Acharya et al. In-fiber nematic liquid crystal optical modulator based on in-plane switching with microsecond response time
Oka et al. Electro-optical characteristics and switching behavior of a twisted nematic liquid crystal device based upon in-plane switching
JPH07505236A (en) lcd device
KR0144680B1 (en) Liquid Crystal Light Modulators and Liquid Crystal Light Modulators
KR100258535B1 (en) Ferroelectric liquid crystal display device
JPH0836196A (en) Optical switch
Gros et al. Ferroelectric liquid crystal optical waveguide switches using the double-refraction effect
JPH0949996A (en) Waveguide type optical device
JPH0750284B2 (en) Optical path switch
Nose et al. Application of a liquid crystal microlens to an optical fiber switch
JP3231910B2 (en) Liquid crystal display device