KR20030025291A - 액정 기반 전기 광학 장치, 특히 스위치를 형성하는 장치 - Google Patents

액정 기반 전기 광학 장치, 특히 스위치를 형성하는 장치 Download PDF

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종-프랑소아 르게이
올리비에 듀헴
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네몹틱
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Abstract

본 발명은 적어도 하나의 광학 기판(100)으로 구성되어, 상기 광학 기판(100)은 광 도파관, 및 상기 기판에 대향하여 배치된 네마틱 액정(200)을 구비하는 는 것을 특징으로 하는 전기 광학 장치에 관련된다. 본 발명에 의하면, 액정(200)은 도파관(110)에 주사되는 광선신호의 두 편파 TE 또는 TM 중 하나의 결합/분리를 각각 제어하기 위한 2개의 개별적인 액티브 존(210, 220)으로 분리된다.

Description

액정 기반 전기 광학 장치, 특히 스위치를 형성하는 장치{LIQUID CRYSTAL-BASED ELECTROOPTICAL DEVICE FORMING, IN PARTICULAR, A SWITCH}
광통신에 있어서 수년 전 WDM 신호의 출현은 광대역 스펙트럼의 처리를 가능하게 하기 위한 새로운 광학 성분들의 개발을 요구했다.
가중 중요한 성분 중 하나는 다수의 입구 포트 또는 섬유로부터 들어오는 광선신호가 다른 출구 포트나 섬유로 라우팅 될 수 있게 하는 광학 스위치이다.
과거에 이러한 라우팅은 광전자 변환기를 통해 이루어졌다. 공교롭게도, 전자 변환은 신호 파장만을 처리할 수 있기 때문에, WDM 전송(현재에는 80 전파 파장, 가까운 미래에는 160)과는 호환되지 않는다.
이 때문에, 통신 분야에 전문화 된 다수의 공급자들이 완전 광 스위치, 즉 스위칭 처리가 완전히 광학적인 스위치들을 개발하게 했다.
이러한 완전 광 스위치 중에서, 마이크로 전기 자동 시스템(MEMS)이 통신 커뮤니티에서 가장 관심을 끌었다는 것은 의심할 여지가 없다([1] 통신망에서의 MEMS 기반 광통신 스위칭, by Dr. Anis Husain, OFC 2001 Proceedings, Paper WX1-1). 이것은 실리콘 마이크로미러의 활성화 원리에 따라 동작하며, 임의의 사이즈(1 ×2 포트 ∼ 4000 ×4000 포트)의 스위칭 매트릭스를 세우는 데 사용될 수 있다. 결합, 삽입 손실, 스위칭 시간 및 크로스 토크의 관점에서 이들의 성능은 매우 우수하지만, MEMS는 실리콘 마이크로미러의 제작 및 막대한 수의 포트를 갖는 매트릭스에서 이러한 미러의 수가 막대한 것과 관련된 고도의 기술적 복잡성을 나타낸다.
열전 광 스위치, 잉크 버블 스위치 또는 액정 스위치 등의 다른 광 스위칭 기술이 동시에 개발되었다.
이들 기술 중 처음 언급한 두 가지는 통합된 광학 해법을 이용한다: 열전 광 스위치는 2차 광학을 이용하여 세워진 마크-제너 간섭계에서 발생된 열전 광 효과를 이용하는 한편, 잉크 버블 스위치는 다수의 평면 광 도파관간의 교차점에 배치된 잉크의 버블을 국부적으로 가열함으로써 발생하는 총 반사를 이용한다([2] US-A-6 212 308). 이 기술들은 임의로 완전히 통합되는 해법을 이용하는 이점을 나타내지만, 일반적으로 온도 또는 시간에 대해 우수한 안정성을 나타내는 것은 아니다.
현재 개발된 액정 기술은 광선신호를 액정 셀에 전달함으로써 유도되는 편파 회전을 이용한다([3] US-A-6 134 358). 공교롭게도, 이 스위치들의 동작은 다른 편파들이 개별적으로 처리될 것을 요구하므로, 이러한 성분의 전체적인 광학 설계를 복잡하게 한다. 두 번째 약점은 막대한 수의 포트를 갖는 N ×P 매트릭스 구성이 다수의 액정 셀을 직렬로 이용하는 것에 의해서만 관찰될 수 있으며, 이것은 매트릭스 포트의 수를 증가시키는 동시에 삽입 손실의 큰 증가를 수반한다는 사실에 기인한다.
본 발명은 광선신호의 스위칭 분야에 관련된다.
보다 정확하게, 본 발명은 광학 포트 사이에, 예를 들면 광섬유로 전달되는 파장 분할 다중(WDM) 신호의 스위칭에 적용하는 것이 바람직하다.
본 발명은 N ×P, 여기서 N과 P는 정수이고 임의로 동일하게 할 수도 있는 N ×P 광학 스위치를 설계하고자 하는 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 장치의 기본 구조를 나타내는 도식적인 사시도이다.
도 2는 전계를 인가함으로써 활성화되는 위치에 있어서, 상기 장치의 유사도이다.
도 3은 기판의 평면도로서, 액티브 액정 및 광선신호 존의 위치를 나타낸다.
도 4는 본 발명에 따른 스위치의 도식적인 사시도이다.
도 5는 도 4에서의 V-V 기준 단면에 대한 스위치의 횡단면도로서, 장치는 그 활성화 위치에서 도시된다.
도 6은 휴지 상태에서의 스위치의 종단면도이다.
도 7은 활성화 상태에서의 스위치의 유사한 종단면도이다.
도 8 및 도 9는 바람직한 실시형태를 나타내며 도 1의 VIII-VIII 및 IX-IX 기준 단면에 대한 각각 2개의 횡단면도로서, 전극을 주입하는 구체적인 방법을 나타낸다.
도 10은 경계면에 액정의 버퍼 층(코히런트 길이)을 나타내는 상기 장치의 상세한 단면도이다.
도 11은 광 감쇠 효과를 전하기에 적당한 제어 상태에 있어서의 상기 장치의 도식적인 단면도이다.
도 12, 13 및 14는 본 발명에 따른 스위치의 세 가지 가능한 실시형태를 나타내는 도면이다.
본 발명의 과제는 특히 다른 편파에 대한 개별 처리와 관련된 약점의 극복을 가능하게 하는 새로운 광 스위칭 수단을 제안하는 것이다.
본 발명의 보조 과제는 적어도 하나의 입구 포트와 하나의 출구 포트 사이에서 제어되는 방식으로 광선신호가 점진적으로 감쇠되게 하는 수단을 제안하는 것이다.
본 발명의 정황에 있어서, 이 과제는 각각 적어도 하나의 광 도파관을 갖는 2개의 평탄한 광학 기판, 및 이 사이에 삽입된 네마틱 액정을 구비하며, 상기 액정은 상기 도파관에 주사되는 광선신호의 TE 및 TM 편파 각각의 결합 및 분리를 제어하기 위한 2개의 개별적인 액티브 존으로 분리되는 전기 광학 장치에 의해 달성된다.
본 발명의 유리한 특징에 의하면, 상기 장치는 상기 두 액정 존 각각에 관련된 2쌍의 전극을 가지며, 상기 각 쌍에서 전극은 상기 도파관의 각각 반대쪽에 배치되고, 상기 전극의 방향은 각 쌍이 서로 직각이다.
본 발명의 그 밖의 특징, 과제 및 장점은 첨부 도면을 참조한 다음의 상세한 설명으로부터 분명해진다.
본 발명의 장치는 통합 광학을 이용하여 이루어지며, 전기적으로 방향이 전환되는 두 기판 사이에 배치된 액정의 능력을 이용한다.
본 발명의 정황에 있어서, 입구 및 출구 포트는 광섬유에 의해 구현되는 것이 바람직하다. 그렇지만, 변형으로 입구 포트는 임의의 동등한 라이트 이미터에 의해 형성될 수도 있고, 마찬가지로 출구 포트도 임의의 동등한 라이트 리시버에 의해 형성될 수도 있다.
도 1 내지 3에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 전기 광학 장치의 기본 구조를 먼저 설명한다.
이 기본 구조는:
- 광 도파관(110)을 가진 평면 기판(100);
- 기판(100)에 대향하여 두 개별적인 액티브 존(210, 220)의 형태로 배치된 네마틱 액정재(200); 및
- 액정(200)의 각 액정 존(210, 220)에 관련되어, 각각 TE 및 TM 선형 편파의 처리에 적당한 방향으로 이들 각각의 존의 어느 한 쪽에 각기 배치된 적어도 한 쌍의 전극(310 & 312, 320 & 322)을 포함한다.
O를 원점으로 하는x,y,z직교 좌표계를 참조한 설명이 하기에 주어져 있다. Ox 축은 기판(100)에 수직으로 연장하고, Oy 축은 기판(100)에 평행하고 광 도파관(110)의 길이 방향에 수직으로 연장하며, Oz 축은 기판(100)에 평행하고 광 도파관(110)에 평행하게 연장한다.
첨부 도면 1에 도시한 바와 같이, 광 도파관(110)은 Oz 축을 따르는 직선이다. 이것은 기판(100)의 주 표면(102) 중 한 면과 같은 높이이다. 도파관(110)은 그 일단에 입구 포트(112) 및 그 다른 단에 출구 포트(114)를 규정한다(그렇지만 이 입구 포트(112) 및 출구 포트(114)의 규정은 장치가 대칭인 한 임의이므로, 포트(112, 114) 각각은 입구 포트나 출구 포트가 될 수 있다).
평면 기판(100)에 박혀 있는 광 도파관(110)은 두 기본 모드 TE0및 TM0에서만 전달할 수 있게 하는 식으로 만들어진다. 이들 모드는 도 1에 도시한 바와 같이, Oy 및 Ox의 각 방향으로 편향된다.
이와 같이, 도파관(10)은 기판(100)의 주 표면에서 Oy 및 Oz 축에 각각 평행 및 수직인 면을 가진 사각형 표면 부분, 정사각형 또는 직사각형인 것이 바람직하다.
기판(100) 및 도파관(110)은 이산화규소 또는 중합체 재료를 이용하여 만들어지는 것이 유리하다.
네마틱 액정(200)은 광 도파관(110)의 굴절률 ng보다 낮은 정규 굴절률 no를 갖고, 또 ng보다 큰 비정규 굴절률 ne를 갖는다.
높지만 누설 전계보다 낮은 전계가 인가될 때 경계면에서 액정의 버퍼층으로부터의 장애를 최소화하기 위해, 또는 전극 쌍(310 & 312 또는 320 & 322)에 적당한 전압이 인가되어 고정이 파괴될 때 인가되는 전계의 값을 낮추기 위해, 플레이트(100) 및 외장 경계판(도면을 간단히 하기 위해 도 1에는 도시하지 않음) 상에 액정(200)을 고정하는 것은 약하게 해야 한다.
네마틱 액정의 두 액티브 존(210, 220)은 도파관(110)에 대향하여 배치된다. 이들은 비 액티브 존(230)에 의해 Oz 방향으로 이격된다. 첨부 도면 1∼3에서 알 수 있듯이, Oy 방향으로의 액티브 존(210, 220)의 폭은 도파관(110)의 해당 폭보다 크다.
대체로, 액정의 각 액티브 존(210, 220)은 zOy 평면에서 사각형 표면 부분이 된다.
존(210)에 관련된 두 전극(310 & 312)은 Ox 방향으로 액정의 어느 한 쪽에 각각 배치된다. 전극(310 & 312) 사이에 전기 전압이 없을 때는, 도 1에 도식적으로 나타낸 바와 같이, 액정(210)의 분자들이 Oz 방향으로 도파관(110)에 평행하게 편향된다. 이와 반대로, 전극(310 & 312) 사이에 적당한 전압이 인가되면, 이들 전극 사이에 위치하는 액정(210)의 분자들은, 도 2에 도식적으로 나타낸 바와 같이, Ox 방향으로 도파관(110)의 길이 방향에 수직으로 편향된다.
이와 같이, 전극(310 & 312) 사이의 전압 인가에 의해 도파관(110)에 주입된 신호의 TM 편파 성분이 분리된다.
실제로, 두 전극(310, 312)은 플레이트(100)의 표면 및 대향 제한 플레이트의 표면에 각각 지지된다.
존(220)에 관련된 두 전극(320 & 322)은 Oy 방향으로 액정의 어느 한 쪽에 각각 배치된다. 이들 전극(320 & 322) 사이에 전기 전압이 없을 때는, 도 1에 도식적으로 나타낸 바와 같이, 액정(220)의 분자들이 Oz 방향으로 도파관에 평행하게 편향된다. 이와 반대로, 전극(320 & 322) 사이에 적당한 전압이 인가되면, 이들전극 사이에 위치하는 액정(210)의 분자들은, 도 2에 도식적으로 나타낸 바와 같이, Oy 방향으로 도파관(110)의 길이 방향에 수직으로 편향된다.
이와 같이, 전극(320 & 322) 사이의 전압 인가에 의해 도파관(110)에 주입된 신호의 TE 편파 성분이 분리된다.
실제로, 두 전극(320, 322)은 플레이트(100)에 의해 직접 지지될 수 있다.
이와 같이 액정의 각 액티브 존(210, 220)은 광 도파관(110)의 출구에 위치하는 출구 포트(114)로 나가는 입구 포트(112), 또는 그 반대로부터 TM0모드 또는 TE0모드를 결합 또는 분리된다.
전극(310 & 312 또는 320 & 322) 사이에 전압이 인가되지 않으면, 포트(112 또는 114)를 통해 주사된 광선신호가 도파관(110)의 다른 단에 위치하는 포트(114 또는 112)에 완전히 도달한다. 반대로, 적당한 전계가 있으면, 도파관(110)의 입구에 인가되는 신호는 분리되고, 따라서 출구에는 나타나지 않는다.
비 제한적인 예에 의하면:
- 2 ×2 커플러에 대한 삽입 손실은 대략 0.5 데시벨(dB) 내지 1 dB이다;
- 도파관(110)의 Oy 방향의 폭은 약 4 마이크로미터(㎛) 내지 8 ㎛이다;
- 도파관(110)의 Ox 방향의 두께는 약 2 ㎛ 내지 4 ㎛이다;
- 플레이트(100)와 대향 제한 플레이트간 액정(200)의 두께는 약 2 ㎛ 내지 6 ㎛이다;
- Oz 방향으로 측정된 액정의 각 액티브 존(210, 220)의 길이는 약 50 ㎛ 내지 100 ㎛이다;
- 액정의 각 액티브 존(210, 220)은 Oy 방향으로 도파관(110)의 폭보다 큰 폭을 가지며, 대체로 10 ㎛ 내지 30 ㎛의 범위 내에 있다;
- 전극(310 & 312 또는 320 & 322)에 인가되는 전계는 대략 3 마이크로미터 당 볼트(V/㎛) 내지 10 V/㎛이다.
이들은 본 발명에 따라 2 ×2 구성을 갖는, 즉 2개의 입구 및 2개의 출구를 가지며, 이 두 입구 각각에 있는 신호가 두 출구 중 선택된 것에 교대로 인가될 수 있는 광선 스위치의 기본 구조에 대한 도 4 내지 7을 참조한 설명을 따른다.
물론, 이러한 장치는 장치의 입구가 하나만 사용된다면, 후술하는 수단과 동등한 다른 장치 구조로, 1 ×2 스위치로서 사용될 수 있다.
yOz 평면에 대해 대칭인 2개의 평면 기판(100)을 사용하여 2 ×2 매트릭스가 만들어진다. 각 기판(100, 400)은 각각 주입된 평면 광 도파관(110, 410)을 갖고 있다. 2개의 도파관(110, 410)은 상술한 도파관(110)에 상당한다. 두 평면 기판(100, 400)은 두 도파관(110, 410)이 평행하게 겹쳐져 수직 커플러를 구성하도록 위아래로 배치된다. 두 도파관(110, 410)은 액정 매체(200)에 의해 분리된다.
이 장치는 도파관(110, 410)을 따라 Oz 방향으로 이간되는 두 액티브 존(210, 220)으로 액정(200)을 분리시키고, 두 쌍의 전극(310 & 312, 320 & 32)을 구비한다.
Ox 방향으로 이간되어 존(210)의 서로 반대쪽에 각각 배치된 전극(320 & 322)은, 전극(310)에 대해 도 4에서 알 수 있듯이, 플레이트(100, 400)의 표면에의해 각각 지지될 수 있다.
Oy 방향으로 이간되어 존(220)의 어느 한쪽에 배치된 전극(320 & 322)은 플레이트(100, 400)의 안쪽 면에 의해 지지되는 것이 유리하다.
실제로, 전극(320 & 322)의 두께는 두 플레이트(100, 400)간 틈의 폭과 동일하게 할 수 있고, 또는 전극은 상기 틈보다 두께가 좁은 전극들의 그룹으로 세분될 수 있어, 각 두께가 좁은 전극들은 각 플레이트(100, 400)에 인접하여 스페이서에 의해 분리된다(도 8에 도시한 바와 같이).
물론, 이러한 환경 하에서, 플레이트(100)에 의해 지지되는 전극 쌍(320a & 322a) 사이와 플레이트(400)에 의해 지지되는 전극 쌍(320b & 322b) 사이에는 제어 전압(+V; -V)이 인가되어, Oy 방향을 따라 편향된 전계를 정의한다.
마찬가지로, 플레이트(100, 400)의 안쪽 면에 전극(310 & 312)이 배치될 수 있고, 각 전극은 EN 플레이트(100, 400)간 틈보다 두께가 좁은 전극들의 그룹으로 분리될 수 있어, 두께가 좁은 전극들은 각 플레이트(100, 400)에 각각 인접하고, 이것에 의해 도 9에 도시한 방식으로 지지된다.
그리고 존(210)의 한쪽에서 플레이트(100)에 의해 각각 지지되는 전극 쌍(312a & 310a)과, 존(210)의 다른 쪽에서 플레이트(100, 400)에 의해 각각 지지되는 전극 쌍(312b & 310b)에는 제어 전압(+V; -V)이 인가되어, Ox 방향을 따라 편향된 전계를 정의한다.
이러한 전극들(310a, 310b, 312a, 312b, 320a, 320b, 322a, 322b)은 대개 약 100 나노미터(㎚) 내지 500 ㎚의 두께를 갖는 알루미늄으로 만들어진다. 이들은바깥쪽에 도파관(110, 410)을 형성하여 광선신호의 흡수를 피한다.
평면 기판(100, 400)에 삽입된 두 도파관(110, 410)에, 예를 들어 첨부 도면에서 112 및 412로 참조된 입구 포트를 통해 두 입구 신호가 주사된다.
정규 지표 no가 광 도파관(110)의 지표 ng보다 낮고, 비정규 지표 ne가 ng보다 큰 액정(200)을 선택함으로써, 액티브 액정 존을 이용하여 서로 맞은 편 끝(114, 414)에서 포트(112, 412)로부터 출구 포트로 선형 TE 또는 TM 편파 중 하나를 결합하는 것이 가능해진다.
두 상태(액티브 및 비 액티브)는 전극(310 & 312, 320 & 322)에 의해 외부 전계가 본 액정 존에 인가되는지 여부에 따라 각 액티브 액정 존(210, 220)에 관련된다.
전계가 없으면(비 액티브 상태), 액정을 기판(100, 400)의 경계면에 고정하는 것이 용적에서 액정의 방향을 결정한다. 액정 분자들은 도 6에서 알 수 있듯이, Ox 방향 및 도파관(110, 410)의 길이 방향에 평행하게 편향된다.
전계가 있으면(액티브 상태), 용적에서 액정의 방향은 기판(310 & 312 또는 320 & 322)에 인가되는 전계 방향에 의해 결정된다.
이러한 전계가 있으면, 기판(310 & 312) 사이의 존(210)에서 액정이 도 5 및 7에 도시한 바와 같이 Ox 방향으로 편향되는 한편, 기판(320 & 322) 사이의 존(220)에서 액정이 도 7에 도시한 바와 같이 Oy 방향을 따라 편향된다.
입구(112, 412)에 주사된 광선신호가 확실히 출구(114, 414)에 완전히 전달되기 위해서, TE 및 TM 편파를 결합하는 것이 필수적이다. 이를 위해, 본 발명에서는 비 액티브 간격(230)에 의해 이격된 두 액정 존(210, 220)이 사용된다. 액정에 대해 선택된 정렬 및 인가된 전계의 방향이 결정되어, TE 및 TM 편파를 연속하여 처리하는 두 액정 존을 규정한다.
액정의 두 액정 존(210, 220)의 실제 구현에서는 전극(310 & 312, 320 & 322)이 설치되어 이들 존 각각에서 네마틱 액정을 전기적으로 방향 전환해야 한다. 전극(320 & 322)은 각 광 도파관(110, 410)의 어느 한쪽에서 TE 편파를 처리하는 액티브 존(220)에 대한 평면 기판(100, 400)의 어느 한쪽에 삽입된다(예를 들어, 도 8에 도시한 바와 같이). 이러한 전극 구성은 Oy 방향으로 전계를 취득하여 액정의 방향을 상기 방향으로 전환시키는 것을 가능하게 한다. TM 편파를 처리하는 액티브 존(210)에 대해, 전극(310 & 312)은 도 9에 도시한 바와 같이, 광 도파관(110, 410) 바로 밑에 삽입되어 Ox 방향으로 전계를 생성하거나, 도파관(110, 410)의 어느 한쪽에 삽입된다.
액정(200)은 적어도 두 방법으로 한정될 수 있다. 첫 번째 방법은 두 평면 기판(100, 400)간 전체 틈을 액정으로 매우는 것에 있다. 이러한 환경 하에서, 카운터 전극이 액정의 상기 액티브 존(210, 220)과 비 액티브 존(230)과의 경계를 규정한다. 두 번째 방법은 광 도파관(110, 410)의 지표보다 낮은 지표의 매체를 이용하는 것에 있으며, 사익 매체는 액티브 액정 존(210, 220)의 경계를 규정한다.
2 ×2 스위치에서 결합을 최적화하고 손실을 최소화하기 위해, 평면 기판(100, 400)에 만들어진 평면 광 도파관(110, 410)은 기본적인 TE0및 TM0모드에서만 전파가 가능하다. 이와 같이, 스위치의 포트(112, 412)에 들어가는 어떤입사 편파도 스위치에서 손실 없이 전달될 수 있다. TE0및 TM0모드는 정상 모드이므로, 액티브 액정 존(210, 220) 중 하나에서 이들 모드 중 하나를 결합하는 것은 다른 전달 모드에 영향을 주지 않는다. 따라서, 액티브 액정 존에서 TM0모드의 전파를 방해하지 않고 TE0모드를 결합할 수 있으며, 그 반대도 가능하다.
본 발명에 따른 2 ×2 스위치는 입구 포트(112, 412) 및 출구 포트(114, 414)에 대해 완전히 대칭으로 동작한다. 이것은 입구(112, 412)에 각각 주사된 광선신호가 동일한 출구 포트로 전환될 수 없음을 의미한다. 따라서, 예를 들어 입구(112)에 주사된 입구 신호가 출구 포트(114)쪽으로 보내지면, 입구(412)에 주사된 입구 신호는 반드시 출구 포트(414)로 보내진다.
2 ×2 스위치에서 남은 크로스오버 손실(잔여 크로스오버 손실)을 최소화하기 위해서는, TE0및 TM0모드의 탈 분극을 최소화하는 한편, 광선신호가 두 액티브 액정 존(210, 220)을 통과하는 것이 필수적이다. 어떠한 탈 분극도 두 액티브 존을 직렬로 구비하는 본 발명에 따른 타입의 장치에서 잘못된 출구 포트에 결합하는 것에 의한 손실을 구성한다. 따라서, TE 및 TM 편파에 특정된 방향에 호환 가능한 액티브 액정 존(210, 220)(즉, 액정의 정렬 방향 및 재편향 방향)의 구성을 선택하는 것이 필수적이다. 두 번째로, 액정 고정 에너지에 대한 적당한 값을 선택할 필요가 있다. 일반적으로 외부 전계의 인가 하에서 액정이 점진적으로 방향 전환되는 버퍼층이 존재한다. 이러한 버퍼층은 도 10에 도식적으로 나타낸다. 이 버퍼층의 두께(코히런트 길이) 및 그 광 특성은 대개 액정과 평면 기판 사이의 고정력에 의존한다. 결합에 관한 영향을 최소화하여 본 발명의 스위치에서의 탈 분극을 최소화하는 가장 효과적인 방법은 평면 기판(100, 400)에 대한 천장 방향과 방위 방향으로 모두 약한 고정력을 이용하는 것에 있다. 이 약한 고정 에너지는 액정에 대해 받아들일 수 있는 응답 시간(t < 20 밀리세컨드(㎳))을 유지하도록 선택된다.
상술한 구조는 Oz 방향으로의 휴지 방위와 Oy 및 Ox 방향으로 각각 전압이 인가된 상태의 방위 사이에 액정 분자의 방위를 전환함으로써 입구 포트와 출구 포트간 광선신호의 온/오프 스위칭 제공에 적합하다. 이러한 환경 하에서, 입구 신호는 출구에 완전히 전해질뿐만 아니라 감쇠된다.
기판(310 & 312, 320, 322)에 인가된 전압의 크기가 광선신호의 감쇠를 0 내지 100% 범위로 제어하는 것에 이용될 수 있다.
도 11은 감쇠 효과가 취득될 수 있도록 이와 같이 제어되는 크기의 전압으로 취득된 액정의 중간 구성을 나타내는 도면이다.
본 발명은 2 ×2 구성을 갖는 스위치 또는 감쇠 매트릭스를 이루는 것으로 한정되지 않는다. N ×N 타입 또는 보다 일반적인 N ×P 타입의 다른 구성으로도 확장된다.
도 12∼14에 N ×N 또는 N ×P 스위치의 예를 나타낸다.
막대한 수의 포트를 갖는 N ×N 또는 N ×P 스위치 매트릭스는 2 ×2 매트릭스를 확립하는 것과 비슷한 방식으로 확립된다.
이러한 N ×N 스위치는 2 ×2 스위치에서 사용되는 것과 같은 다수의 도파관(110, 410)을 갖는 두 평면 기판(100, 400)을 포함한다. 두 기판(100, 400)에 마련된 도파관(110, 410)의 특정 부분은 서로 대향하여 배치된다. 이 부분들은 액티브 액정 존(210 & 220)의 각 쌍들에 의해 분리되고, 이들 각 존은 한 쌍의 전극(310 & 312, 320 & 322)에 관련된다.
상술한 부분에서 여러 도파관 사이의 접합은 기본적인 TE0및 TM0모드만을 지지하는 곡선 도파관을 이용함으로써 실시되는 것이 바람직하다.
본 발명의 바람직한 특성에 의하면, 이와 같이 구성된 스위치는 서로 연결된 N(N-1)/2개의 개개의 2 ×2 스위치를 포함하는 것이 유리하다.
도 12 및 13은 N ×N 스위치의 두 가지 예를 한정하지 않는 방식으로 나타낸다. 이들 도면에서, 하나의 기판(100)과 관련 도파관(110)은 이어진 선으로 나타낸다. 반대로, 다른 기판(400)과 그 관련된 도파관(410)은 점선으로 나타낸다.
도 12는 6개의 스위치 존(200)이 마련된 4 ×4 스위치(즉, 2개의 입구 포트와 4개의 출구 포트를 갖는 스위치)의 예를 나타낸다.
도 13은 15개의 스위치 존(200)이 마련된 6 ×6 스위치(즉, 6개의 입구 포트 및 6개의 출구 포트)의 예를 나타낸다.
도 12 및 13에 도시한 도면 및 구성은 한정적이지 않다.
이들 도면에서, 두 기판(100, 400) 상에 N개의 도파관(110, 410)이 교대로 마련된다. 1 내지 N-1 등급의 도파관에 대해,i등급의 도파관은 i-1개의 스위치를 통해 다른 기판의 제1 도파관에 결합되고,i개의 스위치에 의해 상기 다른 기판의 제2 도파관에 결합된다.
도 14에 도시한 것과 같은 스위치의 변형예를 설명한다.
도 14에 주어진 예는 3 ×3 스위치에 해당한다. 그러나 도 14에 도시한 구조는 N ×N 스위치, 보다 일반적으로는 N ×P 스위치로 일반화되기 쉽다.
도 14에서, 기판(100) 중 하나와 관련 도파관(110.1, 110.2, 110.3)은 이어진 선으로 나타내는 한편, 다른 기판(400)과 그 관련 도파관(410.1, 410.2, 410.3)은 점선으로 나타낸다.
각 도파관(110, 410)은 기판(100)에 마련된 각 도파관(110)이 제2 기판(400)에 마련된 각 도파관(410)에 대향하는 부분을 나타내는 정렬이 아닌 다수의 부분을 갖는다.
2개의 다른 기판(100, 400)에 속하는 두 도파관(110, 410)의 대향하는 부분들의 쌍을 포함하는 각 조립(E)에 대해, 2개의 개별적인 액티브 존(210, 220)과 2개의 직교하는 전극 쌍(310 & 312, 320 & 322)을 포함하는 상술한 것과 동일한 기본 스위치 구조를 찾을 수 있다.
N ×P 스위치에 대해서는 NP의 이러한 조립(E)이 있다. 이들 NP의 조립(E) 각각은 다른 세트들과 개별적으로 분리하여 제어될 수 있다.
보다 정확하게, 두 기판(100, 400)에 각각 위치하는 도파관(110, 410)은 일반적으로 상호 직교하는 방향으로 연장하는 것이 바람직하다.
예를 들어, 기판(100)의 도파관(110)은 기판의 두 상호 평행한 에지(104, 106) 사이로 연장한다.
기판(400)의 도파관(410)은 기판(400)의 두 상호 평행한 에지(405, 407) 사이로 연장하며, 이 에지들은 상기 에지(104, 106)에 수직이다.
또한, 도파관(110, 410)은 계단 구성이다.
따라서, 기판(100)의 도파관(110)은 상기 에지(104, 106)에 수직이고, 상기 에지(104, 106)에 대해, 바람직하게는 45° 경사진 직선 부분(113)에 의해 서로 연결되는 직선 부분(111)을 갖고 있다.
마찬가지로, 기판(400)의 도파관(410)은 상기 에지(405, 407)에 수직이고, 상기 에지(405, 407)에 대해, 바람직하게는 45° 경사진 직선 부분(413)에 의해 서로 연결되는 직선 부분(111)을 포함하므로, 상기 부분들(113, 413)은 서로 평행하고 서로 대향한다.
이와 같이 형성되어 도 14에 나타낸 구조는, 스위치 조립(E) 중 하나만을 적절하게 제어하고 통과함으로써, 도파관(110)의 어느 하나로부터 도파관(410)의 어느 하나로(또 그 반대로) 신호가 전송될 수 있게 한다.
이와 같이, 도파관(110.1)의 입구에 인가된 신호를 도파관(410.1, 410.2 또는 410.3) 중 하나에 전달하기 위해, 대응하는 스위치 조립(E11, E12또는 E13)을 동작하는 것이 적절하다.
보다 일반적으로, 도파관(110.I)의 입구에 인가된 신호를 도파관(410.J)에 전달하기 위해, 스위치 조립(Eij)을 동작해야 한다.
물론, 본 발명은 상술한 특정 실시형태에 한정되는 것이 아니라, 본 발명의 정신에 포함되는 모든 변형예로 확장될 수 있다.
상기 설명은 (+) 유전체 이방성을 갖는 액정에 관련되어, 액정 분자들은 인가된 전계에 평행하게 편향된다.
이 기술에 숙련된 자는 (-) 유전체 이방성을 갖는 액정에 사용되는 전극(310 & 312, 320 &322)의 방위를 쉽게 개조할 수 있어, 원하는 감쇠 또는 스위칭을 얻을 수 있으며, 이러한 환경 하에서 액정 분자들은 인가된 전계에 수직으로 편향된다는 것을 상기할 수 있다.

Claims (24)

  1. 전기 광학 장치에 있어서,
    각각 적어도 하나의 광 도파관을 갖는 2개의 평탄한 광학 기판(100, 400), 및 이 사이에 삽입된 네마틱 액정(200)을 구비하며,
    상기 액정(200)은 상기 도파관(110, 410)에 주사되는 광선신호의 TE 및 TM 편파 각각의 결합 및 분리를 제어하기 위한 2개의 개별적인 액티브 존(210, 220)으로 분리되는 것을 특징으로 하는 전기 광학 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 두 액정 존(210, 220)의 각각에 관련된 2쌍의 전극(310 & 312; 320 & 322)을 가지며, 상기 각 쌍에서 전극(310 & 312; 320 & 322)은 상기 도파관(110, 410)의 각각 반대쪽에 배치되고, 상기 전극(310 & 312; 320 & 322)의 방향은 각 쌍이 서로 직각인 것을 특징으로 하는 전기 광학 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 도파관(110)은 직선으로 나가며 상기 기판(100)의 주 표면(102) 중 하나와 같은 높이인 것을 특징으로 하는 전기 광학 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 도파관(110)은 기본적인 TE0및 TM0모드에서만 전파를 허가를 허가하는 식으로, 상기 기판(100)의 주 표면에 각각 평행 및 수직인 면을 가진 사각형 표면 부분, 정사각형 또는 직사각형인 것을 특징으로 하는 전기 광학 장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 네마틱 액정(200)은 상기 광 도파관(110)의 지표 ng보다 낮은 정규 지표 no, 및 상기 광 도파관(110)의 지표 ng보다 큰 비정규 지표 ne를 갖는 것을 특징으로 하는 전기 광학 장치.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 플레이트(100) 상에서 상기 액정(200)의 고정은 약한 것을 특징으로 하는 전기 광학 장치.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 액정(200)은 액정의 상기 액티브 및 비 액티브 존(210, 220; 230)과의 경계를 규정하는 카운터 전극에 의해 한정되는 것을 특징으로 하는 전기 광학 장치.
  8. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 액정(200)은 광 도파관(110, 410)의 지표보다 낮은 지표의 중간에 의해 한정되며, 이 중간은 상기 액티브 액정 존(210, 220)의 경계를 규정하는 것을 특징으로 하는 전기 광학 장치.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 도파관(110, 410)의 어느한 쪽에 각각 배치된 적어도 한 쌍의 전극(310 & 312; 320 & 322)을 가지며, 상기 각 전극(310 & 312; 320 & 322)은 두 플레이트(100, 400)의 간격보다 두께가 좁고 각 플레이트(100, 400)에 각각 인접한 두 그룹으로 분리되는 것을 특징으로 하는 전기 광학 장치.
  10. 제9항에 있어서, 먼저 제1 플레이트(100)에 의해 지지되는 두 전극(320a & 322a) 사이에, 다음으로 제2 플레이트(400)에 의해 지지되는 두 전극(320b & 322b) 사이에 전기 전압을 인가하여, 상기 플레이트에 평행한 방향의 전계를 규정하기에 적당한 수단을 갖는 것을 특징으로 하는 전기 광학 장치.
  11. 제9항 또는 제10항에 있어서, 먼저 상기 두 플레이트(100, 400)에 의해 각각 지지되는 제1 쌍의 전극(312a & 312a) 사이에, 다음으로 역시 상기 두 플레이트(100, 400)에 의해 각각 지지되는 제2 쌍의 전극(312b & 312b) 사이에 전기 전압을 인가하여, 상기 플레이트(100, 400)에 수직인 방향의 전계를 규정하기에 적당한 수단을 갖는 것을 특징으로 하는 전기 광학 장치.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 입구 포트(112)와 출구 포트(114)를 규정하는 도파관 및 1 ×2 구성에 대응하는 적어도 하나의 출구 포트(414)를 규정하는 도파관 중 하나의 광 도파관(110, 410)을 각각 갖는 2개의 기판(100, 400)을 구비하는 것을 특징으로 하는 전기 광학 장치.
  13. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 각각 광 도파관(110, 410)을 갖는 2개의 기판(100, 400)을 구비하며, 상기 각 도파관은 각 입구 포트(112, 412)를 규정하고, 각각의 출구 포트(114, 414)는 2 ×2 구성에 대응하는 것을 특징으로 하는 전기 광학 장치.
  14. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 2개의 기판(100, 400)을 구비하며, 그 중 적어도 하나가 입구 포트(112) 및 N ×P 구성에 대응하는 출구 포트(114, 414)를 각각 규정하는 다수의 광 도파관(110, 410)을 갖는 것을 특징으로 하는 전기 광학 장치.
  15. 제14항에 있어서, 상기 두 기판(100, 400)은 N(N-1)/2개의 스위치를 규정하는 것을 특징으로 하는 전기 광학 장치.
  16. 제14항 또는 제15항에 있어서, 상기 도파관(110, 410) 중 적어도 일부는 곡선 부분을 갖는 것을 특징으로 하는 전기 광학 장치.
  17. 제14항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 두 기판(100, 400)에 설치된 상기 도파관(110, 410)의 상기 부분들 중 일부는 서로 대향하여 배치되고, 이 부분들은 각 쌍의 전극(310 & 312, 320 & 322)에 각각 관련된 액티브 액정 존의 각쌍에 의해 분리되는 것을 특징으로 하는 전기 광학 장치.
  18. 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 1 내지 N-1 등급으로 두 기판(100, 400)에 교대로 설치된 N개의 도파관(110, 410)을 구비하며,i등급의 도파관은 i-1개의 스위치를 통해 다른 기판의 제1 도파관에 결합되고,i개의 스위치에 의해 상기 다른 기판의 제2 도파관에 결합되는 것을 특징으로 하는 전기 광학 장치.
  19. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기판(100, 400) 중 적어도 하나는 다수의 도파관(110, 410)을 지지하고, 각 도파관(110, 410)은 일직선이 되는 것이 아니라 제1 기판(100) 상에 설치된 각 도파관(110)이 제2 기판(400) 상에 설치된 각 도파관(410)에 대향하는 부분(113)을 나타내는 여러 부분들(111, 113, 411, 413)을 갖는 것을 특징으로 하는 전기 광학 장치.
  20. 제19항에 있어서, 상기 두 도파관(110, 410)의 각 쌍의 대향 부분들은 2개의 개별적인 액티브 존(210, 220) 및 2개의 직교 전극 쌍(310 & 312; 320 & 322)과의 조립을 규정하는 것을 특징으로 하는 전기 광학 장치.
  21. 제19항 또는 제20항에 있어서, 상기 두 기판(100, 400) 상에 각각 위치하는 상기 도파관(110, 410)은 일반적으로 상호 직교하는 방향으로 연장하는 것을 특징으로 하는 전기 광학 장치.
  22. 제19항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 각 도파관(110, 410)은 상호 평행한 직선 부분들(111; 411)이 평행한 부분들에 대해 바람직하게는 45° 경사진 부분들(113, 413)에 의해 서로 연결되어 구성된 계단 구성을 갖는 것을 특징으로 하는 전기 광학 장치.
  23. 제1항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서, 액정의 방향을 전환시키거나, 액정의 고정을 파괴하기에 충분한 2개의 액티브 액정 존(210, 220)에 관련된 전극(310 & 312, 320 & 322) 사이에 전기 전압을 인가하여, 발광 스위치를 형성하기에 적당한 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 전기 광학 장치.
  24. 제1항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서, 액정의 방향을 제어하기에 적당한 2개의 액티브 액정 존(210, 220)에 관련된 전극(310 & 312, 320 & 322) 사이에 전압을 인가하여, 광 감쇠기를 형성하기에 적당한 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 전기 광학 장치.
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