JPS6141120A - Optical switch - Google Patents

Optical switch

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Publication number
JPS6141120A
JPS6141120A JP16339784A JP16339784A JPS6141120A JP S6141120 A JPS6141120 A JP S6141120A JP 16339784 A JP16339784 A JP 16339784A JP 16339784 A JP16339784 A JP 16339784A JP S6141120 A JPS6141120 A JP S6141120A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
liquid crystal
polarized light
cell
light
crystal cell
Prior art date
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Pending
Application number
JP16339784A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Kumio Kasahara
笠原 久美雄
Gonichi Hotta
堀田 権一
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.)
Mitsubishi Electric Corp
Original Assignee
Mitsubishi Electric Corp
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Filing date
Publication date
Application filed by Mitsubishi Electric Corp filed Critical Mitsubishi Electric Corp
Priority to JP16339784A priority Critical patent/JPS6141120A/en
Publication of JPS6141120A publication Critical patent/JPS6141120A/en
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Abstract

PURPOSE:To speed up an optical switch and to reduce a cross-talk by applying the prescribed orientation processing to the substrate of a liquid crystal cell, and making polarized light incident with the prescribed inclination. CONSTITUTION:The orientation processing by an oblique deposition of SiOX and rubbing is applied to a substrate having a transparent electrode to form a pi cell 19 obtained by twisting the major axis of a pneumatic liquid crystal molecule at pi/2 angle between two substrates. Polarized light prisms 2 and 3 are symmetrically disposed at right and left sides of the pi cell 19. A drive circuit 20 applies AC voltages VL and VH giving maximum and minimum values of transparency, respectively. P and S polarized light components 16 and 17 are separated from the light inputted from an optical fiber 8 by means of the prism 2 through a rod lens 4, pass through the cell 19 under the impression of the voltage VL (in case of A), are synthesized by the prism 3 and inputted to an optical fiber 10 through a rod lens 6. Under the impression of the VH (in case of B) P and S types of polarized light are alternately converted at incident and emitting sides of the cell 19, synthesized by the prism 3 and inputted to an optical fiber 11 through a rod lens 7.

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 この発明は、能動媒体として液晶セルを用い、この液晶
セルに外部よシミ圧を印加することによ)、1本又は2
本の光ファイバを伝送する光を他の2本の光ファイバの
いずれかに切シ替えることができる光スイッチに関する
ものである。
Detailed Description of the Invention [Technical Field of the Invention] This invention uses a liquid crystal cell as an active medium, and by applying stain pressure from the outside to this liquid crystal cell, one or two
This invention relates to an optical switch that can switch light transmitted through one optical fiber to either of two other optical fibers.

〔従来技術〕[Prior art]

従来この種の光スイッチとしては、第1図(5)及び(
ロ)に示すものがあった。第1図(ト)及びCB)は、
それぞれ従来の光スイッチにおける2つの切シ替え状態
を示す構成図である。各図において、1は液晶セル、2
及び3は偏光ビームスプリッタと直角プリズムとを組み
合わせた第1及び第2の偏光プリズム、4,5及び6,
7Fi人、出力用の館1及び第2の集束性ロッドレンズ
、8,9,10.11杜人、出力用の光ファイバである
Conventionally, this type of optical switch is shown in Fig. 1 (5) and (
There was something shown in (b). Figure 1 (G) and CB) are
FIG. 3 is a configuration diagram showing two switching states in a conventional optical switch, respectively. In each figure, 1 is a liquid crystal cell, 2
and 3 are first and second polarizing prisms that are a combination of a polarizing beam splitter and a right-angle prism; 4, 5, and 6;
7Fi person, output lens 1 and second focusing rod lens, 8, 9, 10.11 Mori person, output optical fiber.

一般に、液晶は、液晶分子の長軸に平行な方向の誘電率
を6□1、垂直な方向の誘電率をε上とする時、ノε=
ε0、−1↓ が正又は負のいずれかに分類され、前者
をP形液晶、後者をN形液晶とそれぞれ呼んでいる。
In general, liquid crystal has a dielectric constant of 6□1 in the direction parallel to the long axis of the liquid crystal molecules, and a dielectric constant of ε in the perpendicular direction, then ε=
ε0, -1↓ are classified as either positive or negative, and the former is called a P-type liquid crystal, and the latter is called an N-type liquid crystal.

上記液晶セル1は、第2図(5)及び(ロ)に示す様に
InzOs 8n03膜などの透明電極12を蒸着した
ガラス基板13間に、高分子化合物などの材料を用いた
スペーサ14を挿入し、このスペーサ14によって形成
される間隔内にP形ネマテック液晶分子15を封入した
ものである。第2図(5)に示す様に、液晶セル1に電
圧が印加されていない状態においては、この液晶セル1
は、8i0xの簀め蒸着や綿布によるラビングによ如、
上記P形ネマテック液晶分子15の長11IILQ配向
方向が2つのガラス基板13間においてπ/2ねじれる
様に設定した、いわゆるツィステッド・ネマテックセル
(TNセル>を構成するものとなる。また、第2図(ロ
)に示す様に、液晶セル1の透明電極12間に電圧を印
加した状態においては、P形液晶であるためにP形ネマ
テック液晶分子15の長軸は電界方向に配向する。
The liquid crystal cell 1 is constructed by inserting a spacer 14 made of a material such as a polymer compound between glass substrates 13 on which a transparent electrode 12 such as an InzOs 8n03 film is deposited, as shown in FIGS. 2(5) and 2(b). However, P-type nematec liquid crystal molecules 15 are sealed within the interval formed by the spacer 14. As shown in FIG. 2 (5), when no voltage is applied to the liquid crystal cell 1, the liquid crystal cell 1
As shown in the figure, by vapor deposition of 8i0x and rubbing with cotton cloth.
This constitutes a so-called twisted nematec cell (TN cell) in which the length 11IILQ alignment direction of the P-type nematec liquid crystal molecules 15 is twisted by π/2 between the two glass substrates 13. As shown in (b), when a voltage is applied between the transparent electrodes 12 of the liquid crystal cell 1, the long axes of the P-type nematic liquid crystal molecules 15 are oriented in the direction of the electric field because it is a P-type liquid crystal.

さて、上記第1回内及び(ハ)に示す様に、光ファイバ
8よJ) 0.25ピツチの長さを持つ第1の集束性ロ
ッドレンズ4に光を入射させて平行光に変換し、この平
行光を、第1の偏光プリズム2でP偏光成分(第1の偏
光プリズム2の入射面に平行な直線偏光成分)の光16
及びS偏光成分(第1の偏光プリズム20入射面に垂直
な直線偏光成分)の光17に分離し、この内、S偏光成
分の光17を直角プリズムで全反射させ、各々を液晶セ
ル1に垂直に入射させる。第1図に示す様に液晶セル1
に電圧を印加しない状態では、第2回内に示す様に、P
形ネマテック液晶分子15の長軸がガラス基板13間で
π/2ねじれているため、直線偏光の光が液晶−1−ル
1を通過すると、この直線偏光の偏光面がπ/2回転し
て、P偏光成分の光16はS偏光成分の光17に、また
、8偏光成分の光174−1F偏光成分の光16に変換
される。この様にして、偏光方向が変換された光を再び
第2の偏光プリズム3に入射させると、P偏光成分の光
16は透過し、S偏光成分の光17は反射するので、2
つの各P、S偏光成分の光16,17は合成さ、れて第
2の集束性ロッドレンズ6に入射し、光ファイバ10に
集光されて出力される。
Now, as shown in the first part and (c) above, the light is made to enter the optical fiber 8 and the first converging rod lens 4 having a length of 0.25 pitch to convert it into parallel light. , this parallel light is converted into P-polarized light component (linearly polarized light component parallel to the plane of incidence of the first polarizing prism 2) by the first polarizing prism 2.
and S-polarized component (linearly polarized component perpendicular to the plane of incidence of the first polarizing prism 20) light 17, of which the S-polarized component light 17 is totally reflected by a right-angle prism, and each is sent to the liquid crystal cell 1. Make it incident vertically. As shown in Figure 1, liquid crystal cell 1
When no voltage is applied to P, as shown in the second part,
Since the long axis of the nematic liquid crystal molecules 15 is twisted by π/2 between the glass substrates 13, when linearly polarized light passes through the liquid crystal 1-1, the plane of polarization of this linearly polarized light is rotated by π/2. , the P-polarized light component 16 is converted into the S-polarized light component 17, and the 8-polarized light component 174-1F is converted into the F-polarized light component 16. When the light whose polarization direction has been converted in this way is again incident on the second polarizing prism 3, the P-polarized light component 16 is transmitted, and the S-polarized light component 17 is reflected.
The two P and S polarized light components 16 and 17 are combined, enter the second focusing rod lens 6, and are focused onto the optical fiber 10 and output.

一方、第1図(ロ)に示す様に液晶セル1に電圧を印加
した状態では、上記第1図(5)で説明したと同様に、
液晶セル1には各P、8偏光成分の光16゜17が垂直
に入射するが、第2図(ロ)に示す様に1P形ネマテッ
ク液晶分子15の長軸は光の進行方向と平行となル、直
線偏光の光拡そのまま通過する。このため、P偏光成分
の光16もS偏光成分の光17も共に変化せずに液晶セ
ル1を通過して第2の偏光プリズム3に入射するので、
2つの各P、8偏光成分の光16.17は合成されて第
2の集束性ロッドレンズ7に入射し、光ファイバ11に
集光されて出力される。
On the other hand, in the state where a voltage is applied to the liquid crystal cell 1 as shown in FIG. 1(b), as explained in FIG. 1(5) above,
Light 16°17 of each of the P and 8 polarization components is perpendicularly incident on the liquid crystal cell 1, but as shown in FIG. Therefore, it passes through the linearly polarized light as it is. Therefore, both the P-polarized component light 16 and the S-polarized component light 17 pass through the liquid crystal cell 1 and enter the second polarizing prism 3 without changing.
The two P, 8 polarized light components 16 and 17 are combined, enter the second focusing rod lens 7, and are focused onto the optical fiber 11 and output.

以上述べた様に、光ファイバ8を伝搬する光は、液晶セ
ルIK印加する電圧をオフにすると光ファイバ10に、
また、オンにすると光ファイバ11にそれぞれ切シ替え
られる。なお、光ファイバ9を伝搬する光は、同様の動
作原理によ〕、液晶セル1に印加する電圧をオフにする
と光ファイバ11に、また、オンにすると光ファイバ1
0にそれぞれ切9替えられる。
As described above, when the voltage applied to the liquid crystal cell IK is turned off, the light propagating through the optical fiber 8 is transmitted to the optical fiber 10.
Moreover, when turned on, each switch is switched to the optical fiber 11. Note that, according to the same operating principle, the light propagating through the optical fiber 9 is transmitted to the optical fiber 11 when the voltage applied to the liquid crystal cell 1 is turned off, and is transmitted to the optical fiber 11 when the voltage applied to the liquid crystal cell 1 is turned on.
0 respectively.

ところで、上記した元スイッチの切シ替え時間は、液晶
セル1の応答時間によル規定される。一般に、液晶セル
1の応答時間tは下記の第(1)式によって与えられる
Incidentally, the switching time of the above-mentioned main switch is defined by the response time of the liquid crystal cell 1. Generally, the response time t of the liquid crystal cell 1 is given by the following equation (1).

ここで、ηは液晶の粘性、Kは液晶の弾性定数、kは波
数、Δε社液晶分子の長軸方向と短軸方向との比誘電率
差、goは真空中の誘電率、■は印加電圧、dは液晶セ
ル1の厚みである。上記したTNセルの構成で鉱、波数
には近似的にx/dと考えられるので、応答時間tQ立
ち上多時間1゜及び立ち下がり時間1(を、透過光強度
が定常値の10%から90%になるまでの時間及びその
逆の時間とすると、各tr、tfは各々下記の第(2)
式、第(3)式となる。
Here, η is the viscosity of the liquid crystal, K is the elastic constant of the liquid crystal, k is the wave number, the difference in dielectric constant between the major axis and minor axis of the Δε liquid crystal molecules, go is the dielectric constant in vacuum, and ■ is the applied voltage. The voltage and d are the thickness of the liquid crystal cell 1. In the configuration of the TN cell described above, the wave number can be considered to be approximately x/d, so the response time tQ rise time 1° and fall time 1 (when the transmitted light intensity changes from 10% of the steady value) Assuming the time until it reaches 90% and vice versa, each tr and tf are calculated according to the following (2).
The equation becomes equation (3).

6′       ・・・・・・・・・・(3)tf=
Kr” 第3図は、第2図(5)及び(ロ)の液晶セルの応答時
間と液晶セルの厚みとの関係を、印加電圧をパラメータ
として示した特性図である。第3図には、液晶セ/I/
1として、例えばメルク社JlIZLI−1557を用
いた場合に、室温T=20℃において、応答時間tの立
ち上夛時間tr及び立ち下がプ時間tlと液晶セル1の
厚みdとの関係を、印加電圧■をパラメータとして計算
した例が示されている。第3図及び上記第(2)式、第
(3)式から明らかな様に、光スイッチを高速に切り替
えるには、粘性が小さく、誘電異方性の大きい液晶材料
を用いると共に、液晶セル1の厚み金薄くすれば良い。
6' ・・・・・・・・・(3) tf=
Figure 3 is a characteristic diagram showing the relationship between the response time and the thickness of the liquid crystal cell of the liquid crystal cells in Figures 2 (5) and (b) using the applied voltage as a parameter. , LCD SE/I/
1, for example, when Merck JlIZLI-1557 is used, the relationship between the rise time tr and fall time tl of the response time t and the thickness d of the liquid crystal cell 1 at room temperature T = 20°C is as follows. An example of calculation using the applied voltage ■ as a parameter is shown. As is clear from FIG. 3 and Equations (2) and (3) above, in order to switch the optical switch at high speed, a liquid crystal material with low viscosity and large dielectric anisotropy is used, and the liquid crystal cell 1 It is better to make the thickness thinner.

しかるに1液晶セ/I/1の厚みを余シ薄くするとツィ
ステッド・ネマテック効果が減少し、りpストークが増
大するので、このクロストークを一20dB以下になる
様に実現するためには、液晶セル1の厚みは6μm程度
が限界となる。第3図において、液晶セ、A/1の厚み
d=6μmの場合、印加電圧■を12V以上にすると、
応答時間tの立ち上シ時間1.をl m s以下Kまで
できるが、立ち下υ時間tl  は印加電圧■に依存せ
ず一定であり9 m s程度である。この時、パルス応
答の立ち下シ部分には、液晶分子がπ/2ねじれて再配
向するために要する約10m5の遅れ時間tdが存在す
る。
However, if the thickness of 1 liquid crystal cell/I/1 is made thinner, the twisted nematic effect will decrease and the rpstoke will increase. 1 has a maximum thickness of about 6 μm. In Fig. 3, when the thickness d of the liquid crystal cell A/1 is 6 μm, when the applied voltage ■ is 12 V or more,
Startup time of response time t1. However, the fall time tl is constant, independent of the applied voltage (2), and is about 9 m s. At this time, at the falling edge of the pulse response, there is a delay time td of about 10 m5 required for the liquid crystal molecules to be twisted and reoriented by π/2.

したがって、全立ち下シ時間は’f + ’(1= 1
9m5となる。ところが、液晶の粘性ηは、第4図に示
す様に強い温度依存性を持ち、温度0℃では温度20℃
の場合に比べて、上記したメルク社製ZLI−1557
の液晶セ/L/1では、約2.7倍の粘性が高い。この
九め、温度θ℃では、立ち上り時間は2.7−@s、 
、立ち下)時間は51m5と−ab、高速に光スイッチ
の切シ替えを実現することは難しいという欠点があった
。また、光スイッチのクロストークを一20dB以下に
低減するためには、液晶セ/I/1の厚みを6μm以上
にする必要があり、−例として液晶セル1の厚みを6μ
mから8μmにすると、応答時間は約1.8倍長くなシ
、この結果、クロストーク特性やスイッチング特性を同
時に改善して、光スイッチの性能の向上を図ることは困
難であるなどの欠点があった。
Therefore, the total fall time is 'f + '(1=1
It will be 9m5. However, as shown in Figure 4, the viscosity η of liquid crystal has a strong temperature dependence;
Compared to the case of ZLI-1557 manufactured by Merck & Co., Ltd.
The liquid crystal C/L/1 has about 2.7 times higher viscosity. Ninth, at temperature θ℃, the rise time is 2.7-@s,
, fall) time was 51 m5, -ab, and there was a drawback that it was difficult to realize high-speed switching of the optical switch. In addition, in order to reduce the crosstalk of the optical switch to less than -20 dB, it is necessary to make the thickness of the liquid crystal cell 1 6 μm or more.
When changing from m to 8 μm, the response time is about 1.8 times longer.As a result, it is difficult to improve the crosstalk characteristics and switching characteristics at the same time to improve the performance of the optical switch. there were.

〔発明の概要〕[Summary of the invention]

この発明は、上記の様な従来のものの欠点を改善する目
的でなされたもので、液晶セルに外部よ)電圧を印加す
ることにより、1本又は2本の光ファイバを伝送する光
を他の2本の光ファイバのいずれかに切り替えることが
できる光スイッチにおいて、液晶セルは、液晶を封入す
るガラス基板の両面に同一方向の斜め蒸着又はラビング
を施して、ネマテック液晶分子の長軸がガラス基板の両
面で逆チルト状態で所定のチルド角管成す様に配向させ
て構4.p 、液晶セルに垂直に直線偏光の光を入射さ
せる際に、ネマテック液晶分子の配向方向と直線偏光の
偏光面とがπ/4の傾きを!b−′)様に入射させ、液
晶セルの出射側でリターデーションπを発生させ、出射
する直線偏光の偏光面が入射させた直線偏光の偏光面に
対して直交する方向と危る様にすることにより、光スイ
ッチの切り替え速度の高速化とり日ストークの低減を同
時に実現できる光スイッチを提供するものである。
This invention was made for the purpose of improving the drawbacks of the conventional ones as described above, and by applying a voltage (from an external source) to a liquid crystal cell, light transmitted through one or two optical fibers can be transferred to another optical fiber. In an optical switch that can switch between two optical fibers, the liquid crystal cell is formed by diagonally depositing or rubbing in the same direction on both sides of the glass substrate that encloses the liquid crystal, so that the long axis of the nematic liquid crystal molecules is aligned with the glass substrate. 4. The tubes are oriented so as to form a predetermined chilled angle tube in a reverse tilted state on both sides of the tube. p, when linearly polarized light is incident perpendicularly into a liquid crystal cell, the orientation direction of the nematec liquid crystal molecules and the polarization plane of the linearly polarized light have an inclination of π/4! b-'), generate retardation π on the output side of the liquid crystal cell, and make the polarization plane of the emitted linearly polarized light perpendicular to the polarization plane of the incident linearly polarized light. This provides an optical switch that can simultaneously increase the switching speed of the optical switch and reduce the daily stoke.

〔発明の実施例〕[Embodiments of the invention]

以下、この発明の実施例を図について説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

第5図はこの発明の光スイッチに用いるπセルの動作原
理図である。図に示す様に、2軸のz = Qからz=
dにわた)液晶分子15の長軸は、X軸に対し一様な方
向に配向されており、これ忙偏光方向がX軸方向に平行
な直線偏光の光18を2軸方向に入射する。この時、Q
(z(dにおいて、X軸及びy軸方向の電界成分をEx
、Eyと表わすと、下記の第(4)式の通シとなる。
FIG. 5 is a diagram showing the operating principle of the π cell used in the optical switch of the present invention. As shown in the figure, from two axes z = Q to z =
d) The long axes of the liquid crystal molecules 15 are oriented in a uniform direction with respect to the X-axis, and linearly polarized light 18 whose polarization direction is parallel to the X-axis direction is incident in biaxial directions. At this time, Q
(In z(d, the electric field components in the X-axis and y-axis directions are Ex
, Ey, the following equation (4) is obtained.

ただし、E@d電界強度、ωは光の角周波数、nsx 
m n上 は各々液晶分子15の長軸及び短軸方向の屈
折率である。上記第(4)式を書き換えて一=π/4を
代入すると、 m=社り止コシ用  ・・・・・・・・・・(6)λ となシ、リターデーションδによ〕直線偏光の光18が
2軸方向に伝搬するにっれて、第5図に示す様に、偏光
状態が楕円9円、楕円、直線の各偏光に変化し、これに
よル直線偏光の方向も変わる。
However, E@d electric field strength, ω is the angular frequency of light, nsx
m n is the refractive index in the long axis and short axis directions of the liquid crystal molecules 15, respectively. Rewriting the above equation (4) and substituting 1 = π/4, m = for stopping the movement... (6) λ and retardation δ] Straight line As the polarized light 18 propagates in two axial directions, the polarization state changes to elliptical, elliptical, and linear polarization, as shown in FIG. 5, and the direction of linear polarization also changes. change.

したがって、J千にとなる様に液晶分子15の長軸と短
軸方向の屈折率(n□、−nよ)及び液晶セル1の厚み
dを適当力値に設定すると、液晶セル1を透過する直線
偏光の光の偏光方向をπ/2回転させることがSきる。
Therefore, if the refractive index of the liquid crystal molecules 15 in the long axis and short axis directions (n□, -n) and the thickness d of the liquid crystal cell 1 are set to appropriate values so that The polarization direction of linearly polarized light can be rotated by π/2.

上記した様に、リターデーション4を生じる液晶セル1
となるので、これをπセルと呼んでいる。
As mentioned above, the liquid crystal cell 1 that produces retardation 4
Therefore, this is called a π cell.

第6回内は、第5図のπセルにおける液晶分子の配向状
態を説明するための液晶セルの構成を示す断面図である
。図に示すに−kJyは、ガラス基板13に、対して数
置の所定のチルト角tとなる様に斜め蒸着又はラビング
処理を施し、上記ガラス基板130両面で逆チルト状態
になる様に液晶セルを構成したものである。これに対し
て比較のために、第6図(ロ)は、従来のTNセルにお
ける液晶分子の配向状態を説明するための液晶セルの構
成を示す断面図である。
The sixth part is a cross-sectional view showing the configuration of a liquid crystal cell for explaining the alignment state of liquid crystal molecules in the π cell of FIG. As shown in the figure, -kJy is obtained by subjecting the glass substrate 13 to an oblique vapor deposition or rubbing process so as to have a predetermined tilt angle t of several positions, and then forming the liquid crystal cell so that both sides of the glass substrate 130 are in a reverse tilt state. It is composed of For comparison, FIG. 6(b) is a cross-sectional view showing the configuration of a liquid crystal cell for explaining the alignment state of liquid crystal molecules in a conventional TN cell.

いま、第6図(5)及び(ハ)に示す様に、πセル及び
TNセルにそれぞれ電圧Vを印加すると、両セル共P形
ネマテック液晶を封入しているので、液晶分子15の長
、軸線、透明電極12の近傍から離れた領域では、第6
回内及び(ハ)に明示される様に電界方向に配向する・
この状態において電圧Vをオフにすると、両セルにおい
て、各第6図に)及び(ハ)に矢印で示す方向に復元力
が働く。第6図0に示すTNセルで社、ガラス基板13
0両面で液晶分子15とも反対方向の復元力が働くため
、復元力紘弱められてゆつく〕と電圧Vの印加以前の配
向状態にもどる。これに対し、第6回内に示す「セルで
は、全ての液晶分子15に同一方向の復元力が働くため
、高速に電圧Vの印加以前の配向状態にもどる。このた
め、この発明による光スイッチで紘、従来の光スイッチ
と比べて切シ替え時間が大幅に短縮できる。
Now, as shown in FIG. 6 (5) and (c), when voltage V is applied to each of the π cell and the TN cell, the length of the liquid crystal molecules 15 and In the region away from the axis and the vicinity of the transparent electrode 12, the sixth
Pronation and orientation in the direction of the electric field as shown in (c).
When voltage V is turned off in this state, a restoring force acts in both cells in the directions indicated by the arrows in FIGS. 6) and 6(c). In the TN cell shown in FIG. 6, the glass substrate 13
Since a restoring force acts in the opposite direction to the liquid crystal molecules 15 on both sides, the restoring force is weakened and the orientation state before the voltage V is applied is returned. On the other hand, as shown in Part 6, "In the cell, a restoring force acts on all the liquid crystal molecules 15 in the same direction, so they quickly return to the alignment state before the voltage V was applied. For this reason, the optical switch according to the present invention Compared to conventional optical switches, the switching time can be significantly reduced.

第7図は、第6図に)及び(ロ)のπセルとTNセルに
おける応答時間の比較を示す特性図である。第7図は、
−例として上記メルク社製ZLI−1557のネマテッ
ク液晶を用いた場合に、冨セλとTNセルの応答時間を
液晶セルの厚みdを変えて測定した特性図を示している
。図中、実線がπセルを、破線がTN−にルをそれぞれ
示している。例えば液晶セルの厚みdが6μmの場合、
応答時間tの立ち上シ時間1.は、πセルがTNセルに
比べて約172倍、また、立ち下シ時間Tfは、前述の
どと(TN″′:P!/において、液晶分子15をガラ
ス基板13の両画でπ/2ねじっていることによる遅れ
時間14が生じるため、TN−+cルでは立ち下シ時間
をt、 + t4で評価する必要があ〕、このことを考
慮すると、πセルはTNセルに比べて約1/10に短縮
でき、光スイッチの高速な切シ替えを実現できる。
FIG. 7 is a characteristic diagram showing a comparison of response times between the π cell and the TN cell in FIGS. 6) and (b). Figure 7 shows
- As an example, when using the above-mentioned Nematec liquid crystal ZLI-1557 manufactured by Merck & Co., Ltd., a characteristic diagram is shown in which the response time of a TN cell is measured by changing the thickness d of the liquid crystal cell. In the figure, the solid line indicates the π cell, and the broken line indicates the TN- cell. For example, if the thickness d of the liquid crystal cell is 6 μm,
Startup time of response time t1. is approximately 172 times longer for the π cell than for the TN cell, and the falling time Tf is approximately 172 times longer than that for the TN cell. Since there is a delay time of 14 due to twisting, it is necessary to evaluate the fall time in TN-+cell as t, + t4]. Taking this into consideration, π-cell has a delay time of about 14% compared to TN-cell. /10, and high-speed switching of optical switches can be realized.

第8図は、第6園内のπセルにおける透過光強度と印加
電圧との関係を示す特性図である。第8図は、上記πセ
ルを偏光子と検光子の間に入れ、平行ニコル状態(実線
)と直交ニコル状態(一点鎖線)において、透過光強度
と印加電圧との関係を測定した特性図を示している。な
お、液晶セルの厚みdは6μm1駆動電圧の周波数fは
10kHzの場合である。図よシ明らかな様に、透過光
強度は印加電圧によ〕周期的に変化する。平行ニコル状
態では、透過光強度の最大値が、上記第5図において説
明したりタープ−ジョンδ= 2 mπ(m=Q、l、
3・欅・)の場合に、ま九、透過光強度の最小値が、リ
ターデーションJ=(2m+1)πの場合にそれぞれ和
尚する。上記透過光強度の最大値、最小値を与える電圧
をVL、V□とすると、各電圧vL、vHをスイッチン
グするととKより光スイッチを構成できる。この時、ク
ロストークは、各電圧vL、vHにおける平行ニコル状
態と直交ニコル状態での透過光強度の差に相当し、いず
れの場合にもフロストークを一20dB以下にできるこ
とを示している。
FIG. 8 is a characteristic diagram showing the relationship between transmitted light intensity and applied voltage in the π cell in the sixth garden. Figure 8 shows a characteristic diagram in which the above-mentioned π cell was placed between a polarizer and an analyzer, and the relationship between transmitted light intensity and applied voltage was measured in the parallel Nicols state (solid line) and the orthogonal Nicols state (dotted chain line). It shows. Note that the thickness d of the liquid crystal cell is 6 μm, and the frequency f of the driving voltage is 10 kHz. As is clear from the figure, the transmitted light intensity changes periodically depending on the applied voltage. In the parallel Nicol state, the maximum value of the transmitted light intensity is as explained in FIG.
In the case of 3.Keyaki.), the minimum value of the transmitted light intensity is the retardation J=(2m+1)π, respectively. Assuming that the voltages that give the maximum and minimum values of the transmitted light intensity are VL and V□, an optical switch can be constructed from K by switching the voltages vL and vH. At this time, the crosstalk corresponds to the difference in transmitted light intensity between the parallel Nicols state and the crossed Nicols state at each voltage vL, vH, and it is shown that the frosttalk can be reduced to -20 dB or less in either case.

#I9図^及び(ハ)は、それぞれこの発明の一実施例
である光スイッチの2つの状態を示す構成図である。各
図において、19はπセル、20は駆動回路である。そ
の他の各符号2〜11及び16゜17で示す各構成は、
上記第1図に示す従来の光スイッチで説明したものと同
じである。第9図内は、πセル19に駆動回路20よシ
ミ圧vL1周波数fの交流電圧を印加した状態を示し、
第9図(ハ)は、πセ/I/19に駆動回路20よシミ
圧V□、周波数fの交流電圧を印加した状態を示してい
る。
#I9 Figures ^ and (c) are configuration diagrams respectively showing two states of an optical switch which is an embodiment of the present invention. In each figure, 19 is a π cell and 20 is a drive circuit. Other configurations indicated by numerals 2 to 11 and 16°17 are as follows:
This is the same as that described in connection with the conventional optical switch shown in FIG. 1 above. 9 shows a state in which an AC voltage of stain pressure vL1 frequency f is applied to the π cell 19 by the drive circuit 20,
FIG. 9(C) shows a state in which an AC voltage of a stain pressure V□ and a frequency f is applied to the drive circuit 20 at π/I/19.

この発明による光スイッチでは、第1及び第2の各偏向
プリズム2及び3t−πセル19を中心として左右対称
に1し、光ファイバ8から入力した光を第1の集束性ロ
ッドレンズ4で平行光に変換した後、第1の偏向プリズ
ム2でP偏光成分の光16と8偏光成分の光17とに分
離している。この様にして分離され九各々の直線偏光の
光は、第9図(5)に示すもの社、上記第8図の特性図
で説明した様にリターデーションδが2mπの状態に相
幽し、偏光方向が変化せずに透過するため、P偏光及び
S偏光共にπセル19をそのまま通過し、再び第2の偏
向プリズム3で合成されて第2の集束性ロンドレンズ6
に入力し、光ファイバ10に集光されて出力される。一
方、第9図(ハ)に示すものは、上記第8図の特性図で
説明した様にリターデーションaが(2m+1 )xの
状態に相当し、偏光方向はπセ/I/19の入射側と出
射側とでπ/2回転するため、P偏光が8偏光に、また
、S偏光がP偏光に変換される。その後、第2の偏光プ
リズム3で合成されて1III2の集束性ロッドレンズ
7に入力し、光ファイバ11に集光されて出力される。
In the optical switch according to the present invention, the first and second deflection prisms 2 and 3t-π cells 19 are arranged symmetrically, and the light input from the optical fiber 8 is parallelized by the first convergent rod lens 4. After being converted into light, the first deflection prism 2 separates the light into a P-polarized light component 16 and an eight-polarized light component 17. The nine linearly polarized lights separated in this way are shown in Fig. 9 (5), and as explained in the characteristic diagram of Fig. 8 above, the retardation δ is 2mπ. Since the polarized light is transmitted without changing its polarization direction, both the P-polarized light and the S-polarized light pass through the π cell 19 as they are, and are combined again in the second deflection prism 3 to form the second focusing Rondo lens 6.
The light is input to the optical fiber 10, and is focused on the optical fiber 10 and output. On the other hand, the one shown in FIG. 9(C) corresponds to the state where the retardation a is (2m+1)x, as explained in the characteristic diagram of FIG. 8 above, and the polarization direction is π/I/19. Since it rotates by π/2 between the side and the output side, P-polarized light is converted to 8-polarized light, and S-polarized light is converted to P-polarized light. Thereafter, the lights are combined by the second polarizing prism 3, input to the focusing rod lens 7 of 1III2, and then focused to the optical fiber 11 and output.

なお、光ファイバ、9から光が入力した場合には、上記
したと同様な動作原理により、第9図内に示す状態では
光ファイバ11に、また、第9図CB)に示す状態では
光7アイパ10にそれぞれ出力される。ここで、駆動回
路20としては、消費電力を低くするため、例えばC−
MOSを用いて発振回路、ゲート回路、供給電圧安定化
回路等を構成し、入力されるオン・オフ制御信号により
規定の電圧vL及びvHの交流電圧を発生するものであ
る。
Note that when light is input from the optical fiber 9, the light is input to the optical fiber 11 in the state shown in FIG. 9, and the light 7 is input in the state shown in FIG. The signals are output to the AIPA 10 respectively. Here, in order to reduce power consumption as the drive circuit 20, for example, a C-
An oscillation circuit, a gate circuit, a supply voltage stabilizing circuit, etc. are constructed using MOS, and AC voltages of specified voltages vL and vH are generated according to input on/off control signals.

第10図は、第9図(5)及び(ロ)の光スイッチにお
けるスイッチング特性を示す各部の波形図である。
FIG. 10 is a waveform diagram of each part showing switching characteristics in the optical switch of FIGS. 9(5) and (b).

各図において、21は駆動回路200Å力電圧波形を、
22はπセル19の駆動電圧波形を、23゜24は、第
9図(5)及び(B)に示す様に、光ファイバ8から光
が入力して各党ファイバ10.11に出力した時の透過
光の波形をそれぞれ示したものであり、これにより、光
スイッチにおける高速な切シ替えを実現できることが分
かる。
In each figure, 21 represents the drive circuit 200 Å force voltage waveform,
22 is the drive voltage waveform of the π cell 19, and 23 and 24 are the waveforms when light is input from the optical fiber 8 and output to each party fiber 10 and 11, as shown in FIG. 9 (5) and (B). The waveforms of the transmitted light are shown, and it can be seen that high-speed switching in the optical switch can be realized.

なお、上記実施例では、2×2マトリツクス状の光スイ
ッチの場合について説明したが、この発明の光スイッチ
はこれに限定されることなく、1×2双投型光スイツチ
及びオン・オフ光スイッチ等の場合にも十分に適用でき
る仁とは云うまでもない。
In the above embodiment, a 2×2 matrix optical switch was explained, but the optical switch of the present invention is not limited to this, and can be applied to a 1×2 double-throw optical switch and an on/off optical switch. It goes without saying that jin can be fully applied to cases such as these.

〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕

この発明は以上説明した様に、液晶セルに外部より電圧
を印加することにより、1本又は2本の光ファイバを伝
送する光を他の2本の光ファイバのいずれかに切シ替え
ることができる光スイッチにおいて、液晶セルは、液晶
を封入するガラス基板の両面に同一方向の斜め蒸着又は
ラビングを施して、ネマテック液晶分子の長軸がガラス
基板の両面で逆チルト状態で所定のチルト角を成す様に
配向させて構成し、液晶セルに垂直に直線偏光の光を入
射させる際に、ネマテック液晶分子の配向方向と直線偏
光の偏光面とがπ/4の傾きをもつ様に入射させ、液晶
セルの出射側でリターデーションπを発生させ、出射す
る直線偏光の偏光面が入射させた直線偏光の偏光面に対
して直交する方向となる様にしたので、この種の従来の
光スイッチと比べて、液晶噸ルの厚みを増加させること
なく、印加電圧の制御のみによって、光スイッチの切シ
替え速度を高速化でき、かつり四ストークの低減を同時
に実現できるという優れた効果を奏するものである。
As explained above, this invention allows light transmitted through one or two optical fibers to be switched to either of the other two optical fibers by applying a voltage to the liquid crystal cell from the outside. In the optical switch that can be used, the liquid crystal cell is formed by performing oblique vapor deposition or rubbing in the same direction on both sides of the glass substrate that encloses the liquid crystal, so that the long axes of the nematec liquid crystal molecules are tilted in the opposite direction on both sides of the glass substrate to form a predetermined tilt angle. When linearly polarized light is made perpendicular to the liquid crystal cell, the alignment direction of the nematic liquid crystal molecules and the polarization plane of the linearly polarized light are made to have an inclination of π/4. Retardation π is generated on the output side of the liquid crystal cell so that the polarization plane of the output linearly polarized light is perpendicular to the polarization plane of the input linearly polarized light. In comparison, the switching speed of the optical switch can be increased simply by controlling the applied voltage without increasing the thickness of the liquid crystal panel, and the switching speed can be simultaneously reduced. It is.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図(5)及び(ロ)は、それぞれ従来の光スイッチ
における2つの切り替え状態を示す構成図、第2図(5
)及び(ロ)は、それぞれ第1図(5)及び(ロ)の光
スイッチにおける液晶セルの構成を示す断面図、第3図
は、第2図(5)及び(ロ)の液晶セルの応答時間と液
晶セルの厚みとの関係を、印加電圧をパラメータとして
示した特性図、第4図は、第2図(5)及び但)の液晶
セルにおける液晶の粘性の温度依存性を示す特性図、第
5図はこの発明の光スイッチに用いるπセルの動作原理
図、第6図(5)は、第5図のπセルにおける液晶分子
の配向状態を説明するための液晶セルの構成を示す断面
図、第6図(B)は、従来のTNセルにおける液晶分子
の配向状態を説明するための液晶セルの構成を示す断面
図、第7図は、第6回向及び(ロ)のπセルとTNセル
における応答時間の比較を示す特性図、第8図は、第6
図(5)のπセルにおける透過光強度と印加電圧との関
係を示す特性図、第9図(5)及び(ハ)は、それぞれ
この発明の一実施例である光スイッチの2つの状態を示
す構成図、第10図は、第9回内及び(ロ)の光スイッ
チにおけるスイッチング特性を示す各部の波形図である
。 図において、1・・・液晶セル、2及び3・・・第1及
び第2の偏向プリズム、4,5及び6.7−・・・第1
及び第2の集束性ロッドレンズ% 819F10.11
・・・光ファイバ、12・・・透明電極、13・・・ガ
ラス基板、14e・・スペーサ、15・・・・P形ネマ
テック液晶分子、16・・・P偏光成分の光、17・・
・S偏光成分の光、18・・・直線偏光の光、19・・
・πセル、20・・・駆動回路である。 なお、各図中、同一符号は同一、又は相当部分を示す。 代理弛大岩増雄 (B) 第2図 (A) (B) 第 3 図 T = 20’C 表晶tルQ厚み dp机ン 第4図 温度T (’C) wJ5図 第6図 (A) (B) 第7図 T−20’C 液晶’C)l/1f)4J−1−d(P7FL)第8図 印1XJ電圧   ff) (B) 第 1012 轡罰 吟閘
Figures 1 (5) and (b) are block diagrams showing two switching states in a conventional optical switch, and Figure 2 (5) is a block diagram showing two switching states in a conventional optical switch, respectively.
) and (b) are cross-sectional views showing the structure of the liquid crystal cell in the optical switch shown in FIG. 1 (5) and (b), respectively, and FIG. A characteristic diagram showing the relationship between the response time and the thickness of the liquid crystal cell using the applied voltage as a parameter. Figure 4 shows the temperature dependence of the viscosity of the liquid crystal in the liquid crystal cell shown in Figure 2 (5) and proviso. 5 is a diagram of the operating principle of the π cell used in the optical switch of the present invention, and FIG. 6 (5) shows the configuration of the liquid crystal cell for explaining the alignment state of liquid crystal molecules in the π cell of FIG. 5. 6(B) is a sectional view showing the configuration of a liquid crystal cell for explaining the alignment state of liquid crystal molecules in a conventional TN cell, and FIG. 7 is a sectional view showing the sixth direction and (B). A characteristic diagram showing a comparison of response times between a π cell and a TN cell, FIG.
Figure (5) is a characteristic diagram showing the relationship between the transmitted light intensity and the applied voltage in the π cell, and Figures (5) and (c) respectively show two states of the optical switch which is an embodiment of the present invention. The configuration diagram shown in FIG. 10 is a waveform diagram of each part showing the switching characteristics in the optical switch in the ninth and (b). In the figure, 1...liquid crystal cell, 2 and 3...first and second deflection prisms, 4, 5 and 6.7-...first
and second focusing rod lens% 819F10.11
... Optical fiber, 12 ... Transparent electrode, 13 ... Glass substrate, 14e ... Spacer, 15 ... P-type nematic liquid crystal molecule, 16 ... P-polarized light component, 17 ...
・S-polarized light, 18...Linearly polarized light, 19...
- π cell, 20... Drive circuit. In each figure, the same reference numerals indicate the same or equivalent parts. Surrogate Masao Iwa (B) Fig. 2 (A) (B) Fig. 3 T = 20'C Surface crystal T = Q thickness dp Mechanism Fig. 4 Temperature T ('C) wJ5 Fig. 6 (A) (B) Figure 7 T-20'C Liquid crystal 'C) l/1f) 4J-1-d (P7FL) Figure 8 mark 1XJ voltage ff) (B) 1012th Penalty Ginlock

Claims (1)

【特許請求の範囲】 外部制御信号により1本又は2本の光ファイバより入力
した光を他の2本の光ファイバのいずれかに切り替える
光スイッチにおいて、前記1本又は2本の光ファイバの
出力端側に設けられ、この光ファイバより入力した光を
平行光に変換する第1の集束性ロッドレンズと、この第
1の集束性ロッドレンズにより変換された平行光をP偏
光とS偏光の各直線偏光に分離する第1の偏光プリズム
と、液晶を封入するガラス基板の両面に同一方向の斜め
蒸着又はラビングを施して、ネマテック液晶分子の長軸
が前記ガラス基板の両面で逆チルト状態で所定のチルト
角を成す様に配向させると共に、前記ネマテック液晶分
子の配向方向に対して前記直線偏光の偏光面がπ/4の
角度をもつて入射する様に配置し、かつ印加電圧によつ
て前記直線偏光の偏光面をπ/2回転させつつ透過させ
る液晶セルと、入力するオン・オフ制御信号により発生
する所定の電圧を前記液晶セルに供給する駆動回路と、
この液晶セルを透過した直線偏光の光を再び合成する第
2の偏光プリズムと、前記他の2本の光ファイバの入力
端側にそれぞれ設けられ、 前記第2の偏光プリズムで合成した光を前記他の2本の
光ファイバに集光させゐ第2の集束性ロッドレンズとを
備えたことを特徴とする光レンズ。
[Claims] In an optical switch that switches light input from one or two optical fibers to either of the other two optical fibers in response to an external control signal, the output of the one or two optical fibers A first convergent rod lens is provided at the end of the optical fiber and converts the light input from the optical fiber into parallel light, and the parallel light converted by the first convergent rod lens is converted into P-polarized light and S-polarized light. Oblique vapor deposition or rubbing is performed in the same direction on both sides of a first polarizing prism that separates into linearly polarized light and a glass substrate that encloses liquid crystal, so that the long axes of nematic liquid crystal molecules are set in a reverse tilted state on both sides of the glass substrate. The plane of polarization of the linearly polarized light is incident at an angle of π/4 with respect to the alignment direction of the nematic liquid crystal molecules, and the linearly polarized light is a liquid crystal cell that transmits linearly polarized light while rotating the plane of polarization by π/2; a drive circuit that supplies the liquid crystal cell with a predetermined voltage generated by an input on/off control signal;
A second polarizing prism that recombines the linearly polarized light that has passed through the liquid crystal cell, and a second polarizing prism that is provided at the input end side of the other two optical fibers, and that combines the light that has been combined by the second polarizing prism with the An optical lens comprising a second focusing rod lens that focuses light onto two other optical fibers.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH01137549A (en) * 1987-11-24 1989-05-30 Nissin Electric Co Ltd Ion implanter
US6259015B1 (en) 1994-08-10 2001-07-10 Yamaha Corporation Acoustic signal producing apparatus
KR20030034793A (en) * 2001-10-27 2003-05-09 (주)화이버테크 Optical switch using aliquid crystal for exchanging the optical path

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