WO2017154094A1 - 光スイッチ装置 - Google Patents

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WO2017154094A1
WO2017154094A1 PCT/JP2016/057124 JP2016057124W WO2017154094A1 WO 2017154094 A1 WO2017154094 A1 WO 2017154094A1 JP 2016057124 W JP2016057124 W JP 2016057124W WO 2017154094 A1 WO2017154094 A1 WO 2017154094A1
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liquid crystal
crystal element
crystal layer
polarization component
optical switch
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PCT/JP2016/057124
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森田　英裕
水迫　亮太
哲夫 武藤
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株式会社オルタステクノロジー
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    • G02F1/29—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the position or the direction of light beams, i.e. deflection
    • G02F1/31—Digital deflection, i.e. optical switching

Definitions

  • the present invention relates to an optical switch device that spatially switches the traveling direction of a propagating optical signal in an optical communication network or other optical signal processing.
  • optical fibers for propagating optical signals are widely used.
  • a liquid crystal optical switch that switches the traveling direction of an optical signal using a liquid crystal element is known.
  • An object of the present invention is to provide an optical switch device capable of suppressing reflection of an optical signal and reducing optical loss.
  • An optical switch device includes a separation member that separates incident light into a first polarization component and a second polarization component, the first polarization component, a first liquid crystal layer, A first liquid crystal element that changes a polarization plane of the first polarization component according to an electric field applied to one liquid crystal layer; a first transparent member provided between the separation member and the first liquid crystal element; A second liquid crystal element that receives the second polarization component, has a second liquid crystal layer, and changes a polarization plane of the second polarization component in accordance with an electric field applied to the second liquid crystal layer; A synthetic member that synthesizes the first polarization component from one liquid crystal element and the second polarization component from the second liquid crystal element; and a second member provided between the synthesis member and the second liquid crystal element. And a transparent member.
  • the optical switch device includes a separation member that separates incident light into a first polarization component and a second polarization component, the first polarization component, and a first liquid crystal layer.
  • a first liquid crystal element that changes a polarization plane of the first polarization component according to an electric field applied to the first liquid crystal layer, and a first transparent provided between the separation member and the first liquid crystal element.
  • a second liquid crystal element that receives the second polarization component has a second liquid crystal layer, and changes a polarization plane of the second polarization component according to an electric field applied to the second liquid crystal layer;
  • a third liquid crystal layer that receives the first polarization component from the first liquid crystal element, has a third liquid crystal layer, and changes a polarization plane of the first polarization component according to an electric field applied to the third liquid crystal layer;
  • the present invention can provide an optical switch device capable of suppressing reflection of an optical signal and reducing optical loss.
  • the polarization plane of linearly polarized light incident on the light guide member (mirror) 41 constituting the optical switch device 1 is guided by being parallel to the light guide member 41. Light loss during reflection by the optical member 41 is reduced.
  • FIGS. 1 and 2 are cross-sectional views of the optical switch device 1 according to the first embodiment.
  • FIG. 1 shows a state in which the traveling direction of the optical signal is emitted by changing by 90 °
  • FIG. 2 shows a state in which the traveling direction of the optical signal is emitted without changing the traveling direction.
  • FIG. 3 is a diagram for explaining an operation state of the optical switch device 1 according to the first embodiment.
  • the optical switch device 1 includes liquid crystal elements 10 and 20, a polarization separation member (beam splitter) 30, a polarization composition member (beam splitter) 31, and light guide members (mirrors) 40 and 41. Is provided.
  • Incident light (optical signal) 50 is input to the optical switch device 1.
  • the optical switch device 1 switches the traveling direction of the outgoing light (optical signal) 53 as an output by controlling the polarization and traveling direction of the incident light 50.
  • one of two orthogonal polarization components included in incident light is indicated by a point (S-polarization, a component perpendicular to the paper surface), and the other is indicated by a line segment (P-polarization, a component parallel to the paper surface). ing.
  • the liquid crystal element 10 includes liquid crystal elements 10a and 10b.
  • the liquid crystal elements 10a and 10b include transparent substrates (for example, glass substrates) 11 and 12, a liquid crystal layer 13, a sealing material 14, and transparent electrodes 15, 16a and 16b.
  • transparent electrodes 15, 16a, 16b for example, ITO (indium tin oxide) is used.
  • the transparent substrates 11 and 12 are arranged to face each other.
  • a liquid crystal layer 13 is sealed between the transparent substrates 11 and 12.
  • nematic liquid crystal is used as the liquid crystal layer 13.
  • the orientation of the liquid crystal layer 13 is represented by the major axis direction of the liquid crystal molecules shown in the figure.
  • a sealing material 14 is used to enclose the liquid crystal layer 13.
  • the transparent electrode 15 and the transparent electrodes 16a and 16b are provided on the liquid crystal layer 13 side of the transparent substrate 11 and the transparent substrate 12, respectively.
  • the transparent electrode 15 is drawn out from the layer in which the liquid crystal layer 13 is encapsulated in the direction parallel to the paper surface, and the transparent electrodes 16a and 16b are applied in the direction perpendicular to the paper surface to apply a voltage.
  • the signal line is electrically connected.
  • a liquid crystal layer positioned between the transparent electrode 15 and the transparent electrode 16a is referred to as a liquid crystal layer 13a
  • a liquid crystal layer positioned between the transparent electrode 15 and the transparent electrode 16b is referred to as a liquid crystal layer 13b.
  • the liquid crystal element 10a includes a liquid crystal layer 13a and a transparent electrode 16a
  • the liquid crystal element 10b includes a liquid crystal layer 13b and a transparent electrode 16b.
  • the liquid crystal elements 10a and 10b are configured with the transparent substrates 11 and 12, the transparent electrode 15, and the liquid crystal layer 13 in common.
  • the liquid crystal elements 10a and 10b may be individually configured.
  • An alignment film (not shown) for controlling the alignment of the liquid crystal layer 13 is disposed on the liquid crystal layer 13 side of the transparent substrate 12 and the transparent electrode 15, and on the liquid crystal layer 13 side of the transparent substrate 11 and the transparent electrodes 16a and 16b.
  • An alignment film (not shown) for controlling the alignment of the liquid crystal layer 13 is disposed. Thereby, the liquid crystal layer 13 is in a homogeneous alignment that is aligned in parallel to the transparent substrates 11 and 12.
  • the beam splitter 30 is disposed on the transparent substrate 11 side of the liquid crystal element 10b in parallel with the liquid crystal element 10b and receives incident light 50 vertically.
  • the beam splitter 30 includes a polarization separation surface 30a disposed at approximately 45 ° with respect to the liquid crystal element 10b.
  • the beam splitter 30 reflects one of the polarized light components orthogonal to each other of the incident light 50 on the polarization separation surface 30a (the component perpendicular to the paper surface), changes the traveling direction by 90 °, and transmits the other (component parallel to the paper surface). To do.
  • first polarization component 51 a component reflected by the beam splitter 30
  • second polarization component 52 a component that passes through the beam splitter 30
  • the second polarization component 52 transmitted through the beam splitter 30 is perpendicularly incident on the liquid crystal element 10b and is transmitted through the liquid crystal layer 13b.
  • the mirror 40 reflects the traveling direction of the first polarization component 51 reflected by the beam splitter 30 in a direction parallel to the second polarization component 52 transmitted through the beam splitter 30.
  • the first polarization component 51 is perpendicularly incident on the liquid crystal element 10a and passes through the liquid crystal layer 13a.
  • the mirror 41 reflects the traveling direction of the second polarization component 52 transmitted through the liquid crystal element 10 b in a direction parallel to the first polarization component 51 reflected by the beam splitter 30.
  • the liquid crystal element 20 has the same configuration as the liquid crystal element 10 (10a, 10b), and includes transparent substrates 21 and 22, a liquid crystal layer 23, a sealing material 24, and transparent electrodes 25 and 26.
  • the liquid crystal element 20 is disposed on the transparent substrate 12 side of the liquid crystal element 10 while being rotated by 90 ° with respect to the liquid crystal element 10.
  • the liquid crystal element 20 may be bonded to the transparent substrate 12 or may be separated.
  • the second polarization component 52 guided to the mirror 41 enters the liquid crystal element 20 perpendicularly and transmits the liquid crystal layer 23.
  • the polarization combining member (beam splitter) 31 has the same configuration as that of the polarization separation member 30.
  • the beam splitter 31 is disposed on the transparent substrate 12 side of the liquid crystal element 10 a and the transparent substrate 22 side of the liquid crystal element 20, and includes a first polarization component 51 that has passed through the liquid crystal element 20 and a second polarization component 52 that has passed through the liquid crystal element 20. Are received vertically on different surfaces.
  • the beam splitter 31 includes a polarization combining surface 31a disposed at approximately 45 ° with respect to the liquid crystal element 10a.
  • the beam splitter 31 combines the first polarization component 51 and the second polarization component 52 on the polarization combining surface 31a, and outputs the emitted light 53 to the same optical path.
  • the traveling direction of the outgoing light 53 is the first direction ⁇ 1> (the traveling direction changes by 90 ° with respect to the incident light) or the second direction ⁇ 2> (the same traveling as the incident light) depending on the state of the
  • FIGS. 4 to 6 are schematic diagrams for explaining the operation of the liquid crystal element 10 according to the first embodiment, and the states of signals input to the liquid crystal element 10 are different.
  • the liquid crystal element 10 operates by, for example, an inversion driving method in which the polarity of the voltage is inverted at a predetermined period. Since the liquid crystal layer 13 is homogeneously aligned, the liquid crystal layer 13 is aligned in parallel to the transparent substrates 11 and 12 when no electric field is applied to the liquid crystal layer 13 (no electric field). The major axis of the liquid crystal molecules is inclined by an angle ⁇ (approximately 45 °) with respect to the plane of polarization of linearly polarized light incident on the liquid crystal element 10 when no electric field is applied.
  • ⁇ approximately 45 °
  • FIG. 4A shows a plan view of the liquid crystal element 10 divided into three layers of a transparent substrate 11, a liquid crystal layer 13, and a transparent substrate 12.
  • FIG. 4B is a cross-sectional view of the liquid crystal element 10 in the operation state of FIG.
  • a signal line 17 is connected to the transparent electrode 15, and a rectangular wave voltage is input.
  • a rectangular wave voltage input to the signal line 17 is set as a reference signal (positive phase).
  • a signal line 18a and a signal line 18b are connected to the transparent electrode 16a and the transparent electrode 16b, respectively, and signals having the same phase as the signal line 17 are input thereto. Since the input signals of the transparent electrode 15, the transparent electrode 16a, and the transparent electrode 16b are in phase, no electric field is applied to the liquid crystal layers 13a and 13b. At this time, as shown in FIG. 4B, the liquid crystal layers 13 a and 13 b are aligned in parallel to the transparent substrates 11 and 12.
  • FIG. 5 is a diagram for explaining another operation of the liquid crystal element 10.
  • an antiphase signal is input to the signal line 18b. Since voltages having different phases are input to the transparent electrode 15 and the transparent electrode 16b, an electric field is applied to the liquid crystal layer 13b.
  • the liquid crystal layer 13b is aligned substantially perpendicular to the transparent substrates 11 and 12 in accordance with the electric field direction.
  • FIG. 6 is a diagram for explaining still another operation of the liquid crystal element 10.
  • signals having opposite phases are input to the signal lines 18a and 18b.
  • the liquid crystal layers 13a and 13b are aligned substantially perpendicular to the transparent substrates 11 and 12 in accordance with the electric field direction.
  • the liquid crystal element 10 can form regions (liquid crystal layers 13 a and 13 b) in which the alignment of the liquid crystal layer 13 is different in one liquid crystal element 10.
  • the basic operation of the liquid crystal element 20 is the same as that of the liquid crystal elements 10a and 10b.
  • FIGS. 7 and 8 are diagrams for explaining the optical rotation of the liquid crystal elements 10 and 20 according to the first embodiment. 7 and 8, the operation is described using the liquid crystal element 20, but the operation of the liquid crystal element 10 is the same as that of the liquid crystal element 20. 7 and 8, the alignment of the liquid crystal layer 23 is different.
  • Gap d 1 is the value obtained by multiplying the (a value obtained by subtracting the refractive index n 0 in the direction perpendicular thereto from the refractive index n e along the long axis of the liquid crystal molecules) gap d 1 and birefringence [Delta] n, It is set to be approximately ⁇ / 2. That is, the gap d 1 is expressed by the following equation.
  • FIG. 7 and 8 show changes in polarization when incident light (linearly polarized light) 54 is incident on the liquid crystal layer 23.
  • FIG. The major axis of the liquid crystal molecules is inclined by an angle ⁇ (approximately 45 °) with respect to the plane of polarization of linearly polarized light incident on the liquid crystal element 10.
  • the incident light 54 is given a phase difference of ⁇ / 2 when passing through the liquid crystal layer 23. .
  • the outgoing light 55 becomes linearly polarized light whose polarization plane is perpendicular to the polarization plane of the incident light 54.
  • the incident light 54 is not given a phase difference when passing through the liquid crystal layer 23.
  • the outgoing light 55 is linearly polarized with the same polarization plane as that of the incident light 54.
  • the optical rotation of the liquid crystal elements 10 and 20 changes depending on the orientation of the liquid crystal layer.
  • transmits the liquid crystal elements 10 and 20 can be changed by changing the voltage conditions input into each transparent electrode of the liquid crystal elements 10 and 20.
  • FIG. 1 When the traveling direction of the incident light 50 is switched and emitted in the first direction ⁇ 1>, the operation states of the liquid crystal layers of the liquid crystal elements 10 and 20 are as shown in FIG.
  • the signals input to the opposing transparent electrodes are in phase and the corresponding liquid crystal layer is aligned parallel to the transparent substrate, it is defined as an OFF state (OFF), and the signals input to the opposing transparent electrodes are reversed.
  • OFF OFF
  • ON state ON
  • the incident light 50 is separated into a first polarization component 51 and a second polarization component 52 by the beam splitter 30.
  • the first polarization component 51 separated by the beam splitter 30 becomes linearly polarized light (S-polarized light) perpendicular to the paper surface, and the polarization plane is reflected in a state parallel to the mirror 40.
  • the first polarization component 51 reflected by the mirror 40 passes through the liquid crystal element 10a without being subjected to polarization conversion because the liquid crystal element 10a is in the on state.
  • the second polarization component 52 separated by the beam splitter 30 becomes linearly polarized light (P-polarized light) parallel to the paper surface and enters the liquid crystal element 10b. Since the liquid crystal element 10b is off, the second polarization component 52 incident on the liquid crystal element 10b is given a phase difference of ⁇ / 2 when passing through the liquid crystal layer 13b, and is converted into linearly polarized light perpendicular to the paper surface. .
  • the second polarization component 52 transmitted through the liquid crystal element 10 b is reflected in a state where the polarization plane is parallel to the mirror 41. Since the liquid crystal element 20 is off, the second polarization component 52 reflected by the mirror 41 is given a phase difference of ⁇ / 2 when passing through the liquid crystal layer 23 and is converted into linearly polarized light parallel to the paper surface.
  • the traveling direction of 90 ° changes.
  • the second polarization component 52 transmitted through the liquid crystal element 20 is linearly polarized light parallel to the paper surface, when it enters the beam splitter 31, it is transmitted and travels straight.
  • the first polarization component 51 and the second polarization component 52 are emitted as emission light 53 in the same optical path (first direction ⁇ 1>).
  • the first polarization component 51 reflected by the mirror 40 is converted into linearly polarized light parallel to the paper surface by being given a phase difference of ⁇ / 2 when transmitted through the liquid crystal layer 13a because the liquid crystal element 10a is in an off state.
  • the second polarization component 52 reflected by the mirror 41 is transmitted through the liquid crystal element 20 without being subjected to polarization conversion because the liquid crystal element 20 is in an ON state.
  • the first polarization component 51 transmitted through the liquid crystal element 10a is linearly polarized light parallel to the paper surface, when it enters the beam splitter 31, it is transmitted and travels straight.
  • the second polarization component 52 transmitted through the liquid crystal element 20 is linearly polarized light perpendicular to the paper surface, when the light enters the beam splitter 31, the traveling direction of 90 ° changes.
  • the first polarization component 51 and the second polarization component 52 are emitted as emission light 53 in the same optical path (second direction ⁇ 2>).
  • FIGS. 9 to 11 are diagrams illustrating usage examples of the optical switch device 1 according to the first embodiment.
  • the optical switch device 100 of FIG. 9 to 11, the control state is different between the two optical switch devices 1 (1-1 and 1-2) and the optical switch device 2, and the port to which the incident light 50 is output is different.
  • the optical switch device 2 is obtained by inverting the optical switch device 1 upside down, and has the same reference numerals as the optical switch device 1.
  • FIG. 12 is a diagram for explaining the operating state of the liquid crystal elements included in each of the optical switch devices 1-1, 1-2, and 1-2 when the optical switch device 100 of FIGS. 9 to 11 is in operation.
  • the output destination of the incident light 50 is set to the port ⁇ I>, the port ⁇ II>, and the port ⁇ III>.
  • the operation state of the liquid crystal layer is not limited to the state shown in FIG.
  • the multi-port optical switch device 100 can be configured by alternately arranging the optical switch device 1 and the optical switch device 2.
  • the number of ports of the optical switch device 100 can be designed to an arbitrary number depending on the number of the optical switch devices 1 and 2.
  • the optical switch device 1 and the optical switch device 2 obtained by inverting the optical switch device 1 are used.
  • a plurality of optical switch devices 1 can be arranged by arranging a plurality of optical switch devices 1 with the beam splitters facing each other.
  • An optical switch device having a plurality of ports may be designed.
  • the polarization plane of the first polarization component 51 separated by the polarization separation member (beam splitter) 30 is parallel to the light guide member (mirror) 40. So that it is incident.
  • the second polarization component 52 separated by the beam splitter 30 and transmitted through the liquid crystal element 10 b is incident so that the polarization plane is parallel to the light guide member (mirror) 41.
  • the first polarization component 51 transmitted through the liquid crystal element 10 a and the second polarization component 52 transmitted through the liquid crystal element 20 are combined by a polarization combining member (beam splitter) 31.
  • the optical switch device 1 capable of switching the traveling direction of the incident light 50 can be realized. Further, since linearly polarized light parallel to the mirrors 40 and 41 can be incident on the mirrors 40 and 41, the optical loss of the incident light 50 transmitted through the optical switch device 1 can be reduced.
  • the liquid crystal elements 10 and 20 according to the first embodiment use homogeneous liquid crystal elements, but use vertical alignment type liquid crystal elements in which each liquid crystal layer is aligned substantially perpendicular to the substrate when no electric field is applied. You may do it.
  • the vertical alignment type liquid crystal element when the signals input to the opposing transparent electrodes have the same phase, the corresponding liquid crystal layer is aligned perpendicular to the transparent substrate.
  • the signals input to the opposing transparent electrodes are in reverse phase, the corresponding liquid crystal layer is aligned substantially parallel to the transparent substrate.
  • the alignment direction of the liquid crystal layer with respect to the input signal (in phase or reverse phase) is opposite to that of the homogeneous type liquid crystal element.
  • the optical rotation of the vertical alignment type liquid crystal element is set by the thickness of the liquid crystal layer in the same manner as the homogeneous type liquid crystal element.
  • a transparent member having substantially the same refractive index as that of the transparent substrate and the beam splitter is provided between the transparent substrate and the beam splitter of the liquid crystal element. This reduces reflection at the interface between the transparent substrate and the beam splitter.
  • FIGS. 13 and 14 are cross-sectional views of the optical switch device 1 according to the second embodiment.
  • FIG. 13 shows a state in which the traveling direction of the light is emitted by changing by 90 °
  • FIG. 14 shows a state in which the light is emitted without changing the traveling direction of the light.
  • the optical switch device 1 according to the second embodiment further includes transparent members 60, 61a, 61b.
  • the operation of the optical switch device 1 is the same as that of the first embodiment.
  • the transparent member 60 is provided between the transparent substrate 11 and the beam splitter 30 of the liquid crystal element 10b.
  • the transparent member 61a is provided between the transparent substrate 12 and the beam splitter 31 of the liquid crystal element 10a.
  • the transparent member 61 b is provided between the transparent substrate 22 and the beam splitter 31 of the liquid crystal element 20.
  • the transparent members 61a and 61b are integrally formed. In addition, you may comprise the transparent members 61a and 61b separately.
  • the transparent members 60, 61a and 61b a material having a refractive index substantially the same as that of the transparent substrate and the beam splitter is used.
  • a glass substrate reffractive index n G ⁇ 1.5
  • an acrylic resin reffractive index n J ⁇ 1.5
  • the transparent members 60, 61a, 61b may be an adhesive having a refractive index substantially the same as the refractive index of the transparent substrate.
  • an ultraviolet curable acrylic resin adhesive is used as the transparent member (adhesive) 60, 61a, 61b.
  • a beam splitter is comprised including glass or an acrylic resin, for example.
  • substantially the same refractive index includes a difference in refractive index when a material having a refractive index close to that of the substrate is used as the transparent member.
  • the configuration in which the transparent member is disposed between the beam splitter and the substrate has the air space between the beam splitter and the substrate.
  • the refraction angle is smaller than in a configuration with a layer. Therefore, the reflection can be reduced by selecting the material of the transparent member so that the difference in refractive index between the transparent member and the substrate in contact with the transparent member becomes smaller than the difference in refractive index between the air layer and the substrate.
  • the above description describes the relationship between the refractive indexes of the transparent members 60, 61a, 61b and the transparent substrate, but the relationship between the refractive indexes of the transparent members 60, 61a, 61b and the beam splitter is the same.
  • the refractive index of the transparent member may be approximately the same as the refractive index of one of the substrate and the beam splitter. Even in such a configuration, reflection between the substrate and the beam splitter can be reduced.
  • the optical switch device 1 further includes transparent members 60, 61a, and 61b having substantially the same refractive index as that of the transparent substrate and the beam splitter.
  • the transparent member 60 is provided between the transparent substrate 11 and the beam splitter 30 of the liquid crystal element 10b.
  • the transparent member 61a is provided between the transparent substrate 12 and the beam splitter 31 of the liquid crystal element 10a.
  • the transparent member 61 b is provided between the transparent substrate 22 and the beam splitter 31 of the liquid crystal element 20.
  • FIG. 15 shows the reflection principle of light transmitted through the beam splitter and the liquid crystal element.
  • FIG. 15 illustrates the liquid crystal element 10, the beam splitter 30, and the second polarization component 52.
  • FIG. 15A shows the reflection component R for the second polarization component 52 when there is no transparent member 60 between the transparent substrate 11 and the beam splitter 30, and
  • FIG. 15B shows the transparent substrate 11 and the beam splitter.
  • polarized-light component 52 in case the transparent member 60 is provided between 30 is shown.
  • the second polarization component 52 is generated by the reflection component R1 generated by the interface between the beam splitter 30 and the air layer and the interface between the air layer and the transparent substrate 11.
  • Light loss due to reflection occurs in a total of three locations, the reflection component R2 and the reflection component R3 generated by the interface between the transparent substrate 12 and the air layer.
  • the transparent member 60 when the transparent member 60 is provided, the transparent member 60 has substantially the same refractive index as that of the transparent substrate 11 and the beam splitter 30, so that the reflection at the interface from the beam splitter 30 to the liquid crystal element 10 is ignored. become able to. As a result, as shown in FIG. 15B, the light loss of the second polarization component 52 is reduced to one portion of the reflection component R3 generated by the interface between the transparent substrate 12 and the air layer.
  • the interface with the air layer can be reduced by forming a transparent member between the transparent substrate and the beam splitter.
  • the optical loss of the incident light 50 caused by the difference in refractive index between the transparent substrate and the beam splitter and the air layer can be reduced.
  • FIGS. 16 and 17 are cross-sectional views of the optical switch device 1 according to the third embodiment.
  • FIG. 16 shows a state in which the traveling direction of light is emitted by changing by 90 °
  • FIG. 17 shows a state in which the light is emitted without changing the traveling direction of light.
  • the liquid crystal element 10a is configured by laminating liquid crystal elements 10a-1 and 10a-2.
  • the liquid crystal elements 10a-1 and 10a-2 are bonded by a transparent member (not shown). Thereby, reflection of the incident light 50 at the interface where the liquid crystal elements 10a-1 and 10a-2 are bonded is suppressed, and light loss can be reduced.
  • liquid crystal element 10b is configured by laminating liquid crystal elements 10b-1 and 10b-2.
  • liquid crystal element 20 is configured by laminating liquid crystal elements 20-1 and 20-2.
  • liquid crystal element 10a and the liquid crystal element 10b are integrally formed, but may be individually configured.
  • FIGS. 18 and 19 are diagrams for explaining optical rotation of the liquid crystal elements 10 and 20 according to the third embodiment. 18 and 19, the operation is described using the liquid crystal element 20, but the operation of the liquid crystal element 10 is the same as that of the liquid crystal element 20. 18 and 19, the alignment of the liquid crystal layer 23 is different.
  • the liquid crystal element 20-1 and the liquid crystal element 20-2 are driven with the same voltage and function as one liquid crystal element 20. The same applies to the operations of the liquid crystal elements 10a and 10b.
  • the gap d 2 is set so that a value obtained by multiplying the gap d 2 by the birefringence ⁇ n is approximately ⁇ / 4. That is, the gap d 2 is expressed by the following equation.
  • the response time ⁇ of the liquid crystal element 20 is proportional to the square of the gap.
  • Each of the liquid crystal elements 20-1 and 20-2 according to the third embodiment enables a high-speed response by narrowing the gap as compared with the liquid crystal element 20 according to the first embodiment.
  • FIG. 18 and FIG. 19 show changes in polarization when incident light (linearly polarized light) 54 is incident on the liquid crystal layer 23.
  • FIG. Since the liquid crystal elements 20-1 and 20-2 are driven with the same voltage, the alignment of the liquid crystal layer 23 of the liquid crystal elements 20-1 and 20-2 is in the same state.
  • incident light 54 is transmitted through the liquid crystal element 20-1.
  • a phase difference of ⁇ / 4 is given and converted into circularly polarized light (emitted light 56).
  • the outgoing light 56 is given a phase difference of ⁇ / 4 when passing through the liquid crystal element 20-2, and is converted into linearly polarized light (outgoing light 55). That is, the incident light 54 is given a phase difference of ⁇ / 2 when passing through the liquid crystal elements 20-1 and 20-2, and the polarization plane of the outgoing light 55 is perpendicular to the polarization plane of the incident light 54. It becomes linearly polarized light.
  • the incident light 54 includes the liquid crystal element 20-1 And 20-2 are not given a phase difference.
  • the outgoing light 55 is linearly polarized with the same polarization plane as that of the incident light 54.
  • liquid crystal elements 20-1 and 20-2 according to the third embodiment can perform the same operation as the liquid crystal element 20 according to the first embodiment.
  • a liquid crystal element having a phase difference ⁇ / 2 is obtained by stacking two liquid crystal elements 20-1 and 20-2 having a phase difference ⁇ / 4. 20 is constituted.
  • the optical switch apparatus 1 which can perform the same operation
  • the present invention is not limited to the embodiment described above, and can be embodied by modifying the constituent elements without departing from the scope of the invention. Further, the above embodiments include inventions at various stages, and are obtained by appropriately combining a plurality of constituent elements disclosed in one embodiment or by appropriately combining constituent elements disclosed in different embodiments. Various inventions can be configured. For example, even if some constituent elements are deleted from all the constituent elements disclosed in the embodiments, the problems to be solved by the invention can be solved and the effects of the invention can be obtained. Embodiments made can be extracted as inventions.

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Abstract

光スイッチ装置１は、入射光５０を第１偏光成分５２と第２偏光成分５１とに分離する分離部材３０と、第１偏光成分５２を受け、第１液晶層１３ｂを有し、第１液晶層１３ｂに印加される電界に応じて、第１偏光成分５２の偏光面を変化させる第１液晶素子１０ｂと、分離部材３０と第１液晶素子１０ｂとの間に設けられた第１透明部材６０と、第２偏光成分５１を受け、第２液晶層１３ａを有し、第２液晶層１３ａに印加される電界に応じて、第２偏光成分５１の偏光面を変化させる第２液晶素子１０ａと、第１液晶素子１０ｂからの第１偏光成分５２と、第２液晶素子１０ａからの第２偏光成分５１とを合成する合成部材３１と、合成部材３１と第２液晶素子１０ａとの間に設けられた第２透明部材６１ａとを含む。

Description

光スイッチ装置
　本発明は、光通信ネットワークやその他の光信号処理において、伝搬する光信号の進行方向を空間的に切り替える光スイッチ装置に関する。
　今日、光通信ネットワークの発展に伴い、光信号を伝搬するための光ファイバーが広く使用されている。光ファイバーにより光信号を伝搬するためには、光ファイバー間で光信号の進行方向を切り替える必要がある。このような光信号の進行方向を切り替える方法の一つとして、液晶素子を利用して光信号のまま進行方向の切り換える液晶光スイッチが知られている。
特許第４０９２９８６号公報
　本発明は、光信号の反射を抑制し、光損失を低減することが可能な光スイッチ装置を提供することを目的とする。
　本発明の一態様に係る光スイッチ装置は、入射光を第１偏光成分と第２偏光成分とに分離する分離部材と、前記第１偏光成分を受け、第１液晶層を有し、前記第１液晶層に印加される電界に応じて、前記第１偏光成分の偏光面を変化させる第１液晶素子と、前記分離部材と前記第１液晶素子との間に設けられた第１透明部材と、前記第２偏光成分を受け、第２液晶層を有し、前記第２液晶層に印加される電界に応じて、前記第２偏光成分の偏光面を変化させる第２液晶素子と、前記第１液晶素子からの前記第１偏光成分と、前記第２液晶素子からの前記第２偏光成分とを合成する合成部材と、前記合成部材と前記第２液晶素子との間に設けられた第２透明部材とを具備することを特徴とする。
　また、本発明の一態様に係る光スイッチ装置は、入射光を第１偏光成分と第２偏光成分とに分離する分離部材と、前記第１偏光成分を受け、第１液晶層を有し、前記第１液晶層に印加される電界に応じて、前記第１偏光成分の偏光面を変化させる第１液晶素子と、前記分離部材と前記第１液晶素子との間に設けられた第１透明部材と、前記第２偏光成分を受け、第２液晶層を有し、前記第２液晶層に印加される電界に応じて、前記第２偏光成分の偏光面を変化させる第２液晶素子と、前記第１液晶素子からの前記第１偏光成分を受け、第３液晶層を有し、前記第３液晶層に印加される電界に応じて、前記第１偏光成分の偏光面を変化させる第３液晶素子と、前記第３液晶素子からの前記第１偏光成分と、前記第２液晶素子からの前記第２偏光成分とを合成する合成部材と、前記合成部材と前記第２液晶素子との間に設けられた第２透明部材と、前記合成部材と前記第３液晶素子との間に設けられた第３透明部材とを具備することを特徴とする。
　本発明は、光信号の反射を抑制し、光損失を低減することが可能な光スイッチ装置を提供することができる。
第１実施形態に係る光スイッチ装置の断面図。 第１実施形態に係る光スイッチ装置の断面図。 第１実施形態に係る光スイッチ装置の動作状態を説明する図。 第１実施形態に係る液晶素子の動作を説明する概略図。 第１実施形態に係る液晶素子の動作を説明する概略図。 第１実施形態に係る液晶素子の動作を説明する概略図。 第１実施形態に係る液晶素子の旋光性を説明する図。 第１実施形態に係る液晶素子の旋光性を説明する図。 第１実施形態に係る光スイッチ装置の使用例を説明する概略図。 第１実施形態に係る光スイッチ装置の使用例を説明する概略図。 第１実施形態に係る光スイッチ装置の使用例を説明する概略図。 第１実施形態に係る光スイッチ装置の動作状態を説明する図。 第２実施形態に係る光スイッチ装置の断面図。 第２実施形態に係る光スイッチ装置の断面図。 ビームスプリッター及び液晶素子を透過する光の反射原理を説明する図。 第３実施形態に係る光スイッチ装置の断面図。 第３実施形態に係る光スイッチ装置の断面図。 第３実施形態に係る液晶素子の旋光性を説明する図。 第３実施形態に係る液晶素子の旋光性を説明する図。
　以下、実施形態について図面を参照して説明する。ただし、図面は模式的又は概念的なものであり、各図面の寸法及び比率等は必ずしも現実のものと同一とは限らないことに留意すべきである。また、図面の相互間で同じ部分を表す場合においても、互いの寸法の関係や比率が異なって表される場合もある。特に、以下に示す幾つかの実施形態は、本発明の技術思想を具体化するための装置及び方法を例示したものであって、構成部品の形状、構造、配置等によって、本発明の技術思想が特定されるものではない。尚、以下の説明において、同一の機能及び構成を有する要素については同一符号を付し、重複説明は必要な場合にのみ行う。
　［１］第１実施形態
　第１実施形態では、光スイッチ装置１を構成する導光部材（ミラー）４１に入射する直線偏光の偏光面を、導光部材４１に対して平行にすることで導光部材４１での反射時における光損失を低減する。
　［１－１］光スイッチ装置１の構成
　図１及び図２は、第１実施形態に係る光スイッチ装置１の断面図である。図１は、光信号の進行方向を９０°変化させて出射させる状態を示し、図２は、光信号の進行方向を変えずに出射させる状態を示す。図３は、第１実施形態に係る光スイッチ装置１の動作状態を説明する図である。
　図１及び図２に示すように、光スイッチ装置１は、液晶素子１０、２０、偏光分離部材（ビームスプリッター）３０、偏光合成部材（ビームスプリッター）３１、及び導光部材（ミラー）４０、４１を備える。光スイッチ装置１には、入射光（光信号）５０が入力される。光スイッチ装置１は、この入射光５０の偏光及び進行方向を制御することで、出力としての出射光（光信号）５３の進行方向を切り換える。図１及び図２において、入射光に含まれる互いに直交する２つの偏光成分の一方を点（Ｓ偏光、紙面に垂直な成分）、他方を線分（Ｐ偏光、紙面に平行な成分）で示している。
　液晶素子１０は、液晶素子１０ａ及び１０ｂを備える。液晶素子１０ａ及び１０ｂは、透明基板（例えば、ガラス基板）１１、１２、液晶層１３、シール材１４、及び透明電極１５、１６ａ、１６ｂを備える。透明電極１５、１６ａ、１６ｂとしては、例えば、ＩＴＯ（インジウム錫酸化物）が用いられる。
　透明基板１１及び１２は、対向して配置される。透明基板１１及び１２間には、液晶層１３が封入される。液晶層１３としては、例えば、ネマティック液晶が用いられる。液晶層１３の配向は、図示した液晶分子の長軸方向で表している。液晶層１３の封入には、シール材１４が用いられる。
　透明電極１５及び透明電極１６ａ、１６ｂは、それぞれ透明基板１１及び透明基板１２の液晶層１３側に設けられる。透明電極１５は、紙面に平行な方向に向かって、透明電極１６ａ、１６ｂは紙面に垂直な方向に向かって、それぞれ液晶層１３が封入されている層から外に引き出され、電圧を印加するための信号線に電気的に接続される。透明電極１５及び透明電極１６ａ間に位置する液晶層を液晶層１３ａと表記し、透明電極１５及び透明電極１６ｂ間に位置する液晶層を液晶層１３ｂと表記する。液晶素子１０ａは、液晶層１３ａ及び透明電極１６ａを備え、液晶素子１０ｂは、液晶層１３ｂ及び透明電極１６ｂを備える。
　本実施形態では、液晶素子１０ａ、１０ｂは、透明基板１１、１２、透明電極１５、及び液晶層１３を共通にして構成される。尚、液晶素子１０ａ、１０ｂは、個別に構成しても良い。
　透明基板１２及び透明電極１５の液晶層１３側には、液晶層１３の配向を制御する配向膜（図示せず）が配置され、透明基板１１及び透明電極１６ａ、１６ｂの液晶層１３側には、液晶層１３の配向を制御する配向膜（図示せず）が配置される。これにより、液晶層１３は、透明基板１１、１２に対して平行に配向するホモジニアス配向になっている。
　他の構成要素は、入射光５０の進行順に説明する。　
　ビームスプリッター３０は、液晶素子１０ｂの透明基板１１側に、液晶素子１０ｂに対して平行に配置され、入射光５０を垂直に受ける。ビームスプリッター３０は、液晶素子１０ｂに対して概略４５°で配置される偏光分離面３０ａを備える。ビームスプリッター３０は、偏光分離面３０ａにおいて入射光５０の互いに直交する偏光成分のうち一方（紙面に垂直な成分）を反射して９０°進行方向を変え、他方（紙面に平行な成分）を透過する。ビームスプリッター３０により分離された入射光５０のうち一方を第１偏光成分５１（ビームスプリッター３０により反射される成分）、他方を第２偏光成分５２（ビームスプリッター３０を透過する成分）と表記する。ビームスプリッター３０を透過した第２偏光成分５２は、液晶素子１０ｂに対して垂直に入射して、液晶層１３ｂを透過する。
　ミラー４０は、ビームスプリッター３０により反射された第１偏光成分５１の進行方向を、ビームスプリッター３０を透過した第２偏光成分５２と平行な方向に反射する。これにより、第１偏光成分５１は、液晶素子１０ａに対して垂直に入射して、液晶層１３ａを透過する。ミラー４１は、液晶素子１０ｂを透過した第２偏光成分５２の進行方向を、ビームスプリッター３０により反射された第１偏光成分５１と平行な方向に反射する。
　液晶素子２０は、液晶素子１０（１０ａ、１０ｂ）と同じ構成を有し、透明基板２１、２２、液晶層２３、シール材２４、及び透明電極２５、２６を備える。液晶素子２０は、液晶素子１０に対して９０°回転した状態で、液晶素子１０の透明基板１２側に配置される。尚、液晶素子２０は、透明基板１２に接着されていても良いし、離れていても良い。ミラー４１に導かれた第２偏光成分５２は、液晶素子２０に対して垂直に入射して、液晶層２３を透過する。
　偏光合成部材（ビームスプリッター）３１は、偏光分離部材３０と同じ構成を有する。ビームスプリッター３１は、液晶素子１０ａの透明基板１２側かつ液晶素子２０の透明基板２２側に配置され、液晶素子２０を透過した第１偏光成分５１と、液晶素子２０を透過した第２偏光成分５２とをそれぞれ別の面で垂直に受ける。ビームスプリッター３１は、液晶素子１０ａに対して概略４５°で配置される偏光合成面３１ａを備える。ビームスプリッター３１は、偏光合成面３１ａにおいて第１偏光成分５１と第２偏光成分５２とを合成し、同一の光路に出射光５３を出力する。出射光５３の進行方向は、光スイッチ装置１の状態に応じて第１方向＜１＞（入射光に対して進行方向が９０°変化）、又は第２方向＜２＞（入射光と同じ進行方向）に切り換えられる。
　［１－２］液晶素子１０、２０の動作
　図４乃至図６は、第１実施形態に係る液晶素子１０の動作を説明する概略図であり、液晶素子１０に入力する信号の状態が異なる。液晶素子１０は、例えば、所定周期で電圧の極性が反転する反転駆動方式で動作する。液晶層１３は、ホモジニアス配向であるため、液晶層１３に電界が印加されていない状態（無電界時）では、透明基板１１及び１２に対して平行に配向している。また、液晶分子の長軸は、無電界時において、液晶素子１０に入射する直線偏光の偏光面に対して角度θ（概略４５°）だけ傾いている。
　図４（ａ）は、液晶素子１０の平面図を透明基板１１、液晶層１３、及び透明基板１２の３層に分けて示している。図４（ｂ）は、図４（ａ）の動作状態における液晶素子１０の断面図である。
　図４（ａ）に示すように、透明電極１５には信号線１７が接続され、矩形波の電圧が入力される。信号線１７に入力される矩形波の電圧を基準の信号（正位相）とする。透明電極１６ａ及び透明電極１６ｂには、それぞれ信号線１８ａ及び信号線１８ｂが接続され、それぞれ信号線１７と同位相の信号が入力される。透明電極１５、透明電極１６ａ、及び透明電極１６ｂの入力信号が同位相であるため、液晶層１３ａ及び１３ｂには電界が印加されない。このとき、図４（ｂ）に示すように、液晶層１３ａ及び１３ｂは、透明基板１１及び１２に対して平行に配向する。
　図５は、液晶素子１０の他の動作を説明する図である。図５（ａ）に示すように、信号線１８ｂには、逆位相の信号が入力される。透明電極１５及び透明電極１６ｂに異なる位相の電圧が入力されるため、液晶層１３ｂには電界が印加される。このとき、図５（ｂ）に示すように、液晶層１３ｂは、電界方向に応じて、透明基板１１及び１２に対して概略垂直に配向する。
　図６は、液晶素子１０のさらに他の動作を説明する図である。図６（ａ）に示すように、信号線１８ａ及び１８ｂに逆位相の信号が入力される。このとき、図６（ｂ）に示すように、液晶層１３ａ及び１３ｂは、電界方向に応じて、透明基板１１及び１２に対して概略垂直に配向する。
　以上のように、第１実施形態に係る液晶素子１０は、一つの液晶素子１０で液晶層１３の配向が異なった領域（液晶層１３ａ及び１３ｂ）を形成することができる。液晶素子２０の基本的な動作も、液晶素子１０ａ、１０ｂと同様である。
　［１－３］液晶素子１０、２０の旋光性
　図７及び図８は、第１実施形態に係る液晶素子１０、２０の旋光性を説明する図である。図７及び図８では、液晶素子２０を用いて動作を説明するが、液晶素子１０の動作についても液晶素子２０と同様である。図７及び図８では、液晶層２３の配向が異なる。
　液晶素子２０の液晶層２３の厚さ（ギャップ）ｄ１とし、すなわち、ギャップｄ１は、対向する透明電極２５及び透明電極２６間の距離に対応する。ギャップｄ１は、ギャップｄ１と複屈折性Δｎ（液晶分子の長軸に沿った屈折率ｎｅからそれに垂直な方向に沿った屈折率ｎ０を引いた値）とをかけた値が、概略λ／２になるように設定される。すなわち、ギャップｄ１は、以下の式で表される。　
　ｄ１≒λ／（２Δｎ）
　λは入射光５０の波長であり、例えば、赤外光を用いた場合は概略１５５０ｎｍとなる。複屈折性Δｎ＝０．１５５とすると、ギャップｄ１＝５μｍとなる。
　図７及び図８の平面図は、液晶層２３に入射光（直線偏光）５４が入射した場合の偏光の変化を示している。液晶分子の長軸は、液晶素子１０に入射する直線偏光の偏光面に対して角度θ（概略４５°）だけ傾いている。
　図７に示すように、液晶層２３が透明基板２１及び２２に対して平行に配向している場合、入射光５４には、液晶層２３を透過する際にλ／２の位相差が与えられる。これにより、出射光５５は、その偏光面が入射光５４の偏光面に対して垂直な直線偏光になる。
　一方、図８に示すように、液晶層２３が透明基板２１及び２２に対して垂直に配向している場合、入射光５４には、液晶層２３を透過する際に位相差が与えられない。これにより、出射光５５は、その偏光面が入射光５４の偏光面と同じ直線偏光になる。
　以上のように、液晶素子１０及び２０の旋光性は、液晶層の配向によって変化する。これにより、液晶素子１０及び２０の各々の透明電極に入力する電圧条件を変えることで、液晶素子１０及び２０を透過する光の偏光面を変化させることができる。
　［１－４］光スイッチ装置１の動作
　図１乃至図３を用いて、光スイッチ装置１の詳細な動作について説明する。　
　図１に示すように、入射光５０の進行方向を切り換えて第１方向＜１＞に出射する場合、液晶素子１０及び２０の各々の液晶層の動作状態は図３の通りである。対向する透明電極に入力する信号が同位相で、対応する液晶層が透明基板に対して平行に配向している場合をオフ状態（ＯＦＦ）と定義し、対向する透明電極に入力する信号が逆位相で、対応する液晶層が透明基板に対して垂直に配向している場合をオン状態（ＯＮ）と定義する。
　入射光５０は、ビームスプリッター３０によって第１偏光成分５１と第２偏光成分５２とに分離される。ビームスプリッター３０によって分離された第１偏光成分５１は、紙面に垂直な直線偏光（Ｓ偏光）となり、その偏光面がミラー４０に対して平行な状態で反射する。ミラー４０で反射した第１偏光成分５１は、液晶素子１０ａがオン状態のため、偏光変換されずに液晶素子１０ａを透過する。
　一方、ビームスプリッター３０によって分離された第２偏光成分５２は、紙面に平行な直線偏光（Ｐ偏光）となり、液晶素子１０ｂに入射する。液晶素子１０ｂに入射した第２偏光成分５２は、液晶素子１０ｂがオフ状態のため、液晶層１３ｂを通過する際にλ／２の位相差が与えられ、紙面に垂直な直線偏光に変換される。液晶素子１０ｂを透過した第２偏光成分５２は、偏光面がミラー４１に対して平行な状態で反射する。ミラー４１で反射した第２偏光成分５２は、液晶素子２０がオフ状態のため、液晶層２３を通過する際にλ／２の位相差が与えられ、紙面に平行な直線偏光に変換される。
　液晶素子１０ａを透過した第１偏光成分５１は、紙面に垂直な直線偏光であるため、ビームスプリッター３１に入射すると９０°進行方向が変化する。一方で、液晶素子２０を透過した第２偏光成分５２は、紙面に平行な直線偏光であるため、ビームスプリッター３１に入射すると、そのまま透過して直進する。これにより、第１偏光成分５１及び第２偏光成分５２は、同一の光路（第１方向＜１＞）に出射光５３として出射される。
　図２に示すように、入射光５０の進行方向を切り換えずに第２方向＜２＞に出射する場合、図１に対して液晶層１３ａ及び２３の配向状態が変わっている。以下、図１と異なる点のみ説明する。
　ミラー４０で反射した第１偏光成分５１は、液晶素子１０ａがオフ状態のため、液晶層１３ａを透過する際にλ／２の位相差が与えられ、紙面に平行な直線偏光に変換される。一方、ミラー４１で反射した第２偏光成分５２は、液晶素子２０がオン状態のため、偏光変換されずに液晶素子２０を透過する。
　液晶素子１０ａを透過した第１偏光成分５１は、紙面に平行な直線偏光であるため、ビームスプリッター３１に入射すると、そのまま透過して直進する。一方で、液晶素子２０を透過した第２偏光成分５２は、紙面に垂直な直線偏光であるため、ビームスプリッター３１に入射すると９０°進行方向が変化する。これにより、第１偏光成分５１及び第２偏光成分５２は同一の光路（第２方向＜２＞）に出射光５３として出射される。
　以上のように、光スイッチ装置１を制御することで、第１偏光成分５１及び第２偏光成分５２をミラー４０及びミラー４１で反射させる際に、各々のミラーに対して平行な偏光面で反射させることができる。
　［１－５］光スイッチ装置１の使用例
　図９乃至図１１は、第１実施形態に係る光スイッチ装置１の使用例を説明する図であり、光スイッチ装置１を３つ使用した３ポートの光スイッチ装置１００である。図９乃至図１１は、２つの光スイッチ装置１（１－１及び１－２）と光スイッチ装置２とで制御状態が異なり、入射光５０の出力先となるポートが異なる。光スイッチ装置２は、光スイッチ装置１を上下反転させたものであり、光スイッチ装置１と同一の参照符号を付している。
　図１２は、図９乃至図１１の光スイッチ装置１００の動作時における、光スイッチ装置１－１、２、１－２の各々に含まれる液晶素子の動作状態を説明する図である。図１２のように、図９乃至図１１の光スイッチ装置１－１、２、１－２を制御することで、入射光５０の出力先をポート＜Ｉ＞、ポート＜ＩＩ＞、及びポート＜ＩＩＩ＞のいずれかに切り替えることができる。尚、図９及び図１０のように、入射光５０が入力されない光スイッチ装置がある場合、それらの液晶層の動作状態は図１１に示す状態に限られない。
　以上のように、光スイッチ装置１及び光スイッチ装置２を交互に並べることで、多ポートの光スイッチ装置１００を構成することができる。光スイッチ装置１００のポート数は、光スイッチ装置１及び２の個数により、任意の数に設計できる。尚、本使用例では光スイッチ装置１と、光スイッチ装置１を上下反転させた光スイッチ装置２とを用いているが、ビームスプリッターが向き合うようにして複数の光スイッチ装置１を並べることで複数のポートを有する光スイッチ装置を設計しても良い。
　［１－６］第１実施形態の効果
　従来の光スイッチ装置では、光スイッチ装置の出力方向によって、ミラーに対して偏光面が垂直な直線偏光が入射してしまう場合があり、入射光がミラーで反射する際に光損失が発生してしまう。
　そこで、第１実施形態に係る光スイッチ装置１では、偏光分離部材（ビームスプリッター）３０によって分離された第１偏光成分５１は、その偏光面が導光部材（ミラー）４０に対して平行になるように入射される。また、ビームスプリッター３０によって分離されかつ液晶素子１０ｂを透過した第２偏光成分５２は、その偏光面が導光部材（ミラー）４１に対して平行になるように入射される。さらに、液晶素子１０ａを透過した第１偏光成分５１と、液晶素子２０を透過した第２偏光成分５２とは、偏光合成部材（ビームスプリッター）３１によって合成される。
　従って第１実施形態によれば、入射光５０の進行方向を切り替えることが可能な光スイッチ装置１を実現できる。また、ミラー４０、４１に対して平行な直線偏光をミラー４０、４１に入射させることができるため、光スイッチ装置１を透過する入射光５０の光損失を低減することができる。
　尚、第１実施形態に係る液晶素子１０及び２０はホモジニアス型液晶素子を使用しているが、無電界時において各々の液晶層が基板に対して概略垂直に配向する垂直配向型液晶素子を使用しても良い。垂直配向型液晶素子を使用した場合、対向する透明電極に入力する信号が同位相のとき、対応する液晶層が透明基板に対して垂直に配向する。一方、対向する透明電極に入力する信号が逆位相のとき、対応する液晶層が透明基板に対して概略平行に配向する。このように、垂直配向型液晶素子を使用した場合、入力する信号（同位相又は逆位相）に対する液晶層の配向方向がホモジニアス型液晶素子と逆になる。垂直配向型液晶素子の旋光性は、ホモジニアス型液晶素子と同様に液晶層の厚さで設定される。
　［２］第２実施形態
　第２実施形態では、液晶素子の透明基板及びビームスプリッター間に、透明基板及びビームスプリッターの屈折率と概略同じ屈折率を有する透明部材を設ける。これにより、透明基板及びビームスプリッターの界面における反射を低減する。
　［２－１］光スイッチ装置１の構成
　図１３及び図１４は、第２実施形態に係る光スイッチ装置１の断面図である。図１３は、光の進行方向を９０°変化させて出射させる状態を示し、図１４は、光の進行方向を変えずに出射させる状態を示す。
　図１３及び図１４に示すように、第２実施形態に係る光スイッチ装置１は、透明部材６０、６１ａ、６１ｂをさらに備える。光スイッチ装置１の動作は、第１実施形態と同じである。
　透明部材６０は、液晶素子１０ｂの透明基板１１及びビームスプリッター３０間に設けられる。透明部材６１ａは、液晶素子１０ａの透明基板１２及びビームスプリッター３１間に設けられる。透明部材６１ｂは、液晶素子２０の透明基板２２及びビームスプリッター３１間に設けられる。本実施形態では、透明部材６１ａ及び６１ｂは、一体で構成されている。尚、透明部材６１ａ及び６１ｂは、個別に構成しても良い。
　透明部材６０、６１ａ、６１ｂには、透明基板及びビームスプリッターの屈折率と概略同じ屈折率を有する材料が用いられる。透明基板としてガラス基板（屈折率ｎＧ≒１．５）を用いた場合、透明部材６０、６１ａ、６１ｂとして、例えばアクリル樹脂（屈折率ｎＪ≒１．５）が用いられる。透明部材６０、６１ａ、６１ｂは、透明基板の屈折率と概略同じ屈折率を有する接着剤であっても良い。透明部材（接着剤）６０、６１ａ、６１ｂとしては、例えば、紫外線硬化型アクリル樹脂接着剤が用いられる。ビームスプリッターは、例えば、ガラス又はアクリル樹脂を含んで構成される。
　基板及び透明部材（接着剤）を全く同じ材料で構成することは難しいため、基板の屈折率と透明部材の屈折率とが同じにはならない。よって、「屈折率が概略同じ」とは、基板と屈折率が近い材料を透明部材として用いた場合における屈折率の差を含むものとする。
　透明部材とこれに接する基板との屈折率の差が、空気層と基板との屈折率の差よりも小さい場合、ビームスプリッター及び基板間に透明部材がある構成は、ビームスプリッター及び基板間に空気層がある構成に比べて、屈折角が小さくなる。よって、透明部材及びこれに接する基板の屈折率の差が、空気層及び基板の屈折率の差より小さくなるように、透明部材の材料を選択することで、反射を低減できる。
　以上の説明は、透明部材６０、６１ａ、６１ｂと透明基板との屈折率の関係について述べているが、透明部材６０、６１ａ、６１ｂとビームスプリッターとの屈折率の関係についても同じである。尚、透明部材の屈折率は、基板及びビームスプリッターの一方との屈折率と概略同じであっても良い。このような構成においても、基板とビームスプリッターとの間での反射を低減できる。
　［２－２］第２実施形態の効果
　従来の光スイッチ装置は、透明基板と空気層との界面、及びビームスプリッターと空気層との界面で屈折率が大きく異なるため、反射による光損失が発生してしまう。例えば、透明基板（ガラス基板）の屈折率ｎＧ＝１．５、空気の屈折率ｎ０＝１．０である場合、その界面で発生する反射成分Ｒは、次式により算出される。
　Ｒ＝（ｎ０－ｎＧ）２／（ｎ０＋ｎＧ）２
　計算すると、反射成分Ｒは４％となり、この数値が一つの界面における入射光５０の損失となる。そこで、第２実施形態に係る光スイッチ装置１は、透明基板及びビームスプリッターの屈折率と概略同じ屈折率を有する透明部材６０、６１ａ、６１ｂをさらに備える。透明部材６０は、液晶素子１０ｂの透明基板１１及びビームスプリッター３０間に設けられる。透明部材６１ａは、液晶素子１０ａの透明基板１２及びビームスプリッター３１間に設けられる。透明部材６１ｂは、液晶素子２０の透明基板２２及びビームスプリッター３１間に設けられる。これにより、光スイッチ装置１における透明基板及びビームスプリッターと、空気層との界面を減らすことができる。
　ビームスプリッター及び液晶素子を透過する光の反射原理を図１５に示す。図１５には、液晶素子１０、ビームスプリッター３０、及び第２偏光成分５２を例示している。図１５（ａ）は、透明基板１１及びビームスプリッター３０間に透明部材６０が無い場合における第２偏光成分５２に対する反射成分Ｒを示しており、図１５（ｂ）は、透明基板１１及びビームスプリッター３０間に透明部材６０が設けられている場合における第２偏光成分５２に対する反射成分Ｒを示している。
　図１５（ａ）に示すように、透明部材６０が無い場合、第２偏光成分５２は、ビームスプリッター３０と空気層との界面により生じる反射成分Ｒ１と、空気層及び透明基板１１の界面により生じる反射成分Ｒ２と、透明基板１２及び空気層の界面により生じる反射成分Ｒ３との、合計３箇所で反射による光損失が生じる。
　一方で、透明部材６０を設けた場合、透明部材６０は、透明基板１１及びビームスプリッター３０と屈折率が概略同じであるため、ビームスプリッター３０から液晶素子１０に入射するまでの界面の反射を無視できるようになる。これにより、図１５（ｂ）に示すように、第２偏光成分５２の光損失は、透明基板１２及び空気層の界面により生じる反射成分Ｒ３の１箇所に減少する。
　以上のように、透明基板及びビームスプリッター間に透明部材を形成することにより、空気層との界面を減らすことができる。これにより、透明基板及びビームスプリッターと空気層との屈折率の違いにより生じる入射光５０の光損失を低減することができる。
　［３］第３実施形態
　第３実施形態では、第２実施形態におけるλ／２の位相差を有する液晶素子の代わりに、λ／４の位相差を有する２つの液晶素子を積層して構成する。このような構成にすることで、光損失を低減しつつ、動作速度を高速化するようにしている。
　［３－１］光スイッチ装置１の構成
　図１６及び図１７は、第３実施形態に係る光スイッチ装置１の断面図である。図１６は、光の進行方向を９０°変化させて出射させる状態を示し、図１７は、光の進行方向を変えずに出射させる状態を示す。
　図１６及び図１７に示すように、液晶素子１０ａは、液晶素子１０ａ－１及び１０ａ－２が積層されて構成される。液晶素子１０ａ－１及び１０ａ－２は、透明部材（図示せず）で接着される。これにより、液晶素子１０ａ－１及び１０ａ－２が接着された界面における入射光５０の反射は抑制され、光損失を低減することができる。
　同様に、液晶素子１０ｂは、液晶素子１０ｂ－１及び１０ｂ－２が積層されて構成される。液晶素子２０は、液晶素子２０－１及び２０－２が積層されて構成される。
　本実施形態では、液晶素子１０ａ及び液晶素子１０ｂは、一体に構成されているが、個別に構成しても良い。
　［３－２］光スイッチ装置１の動作
　図１８及び図１９は、第３実施形態に係る液晶素子１０、２０の旋光性を説明する図である。図１８及び図１９では、液晶素子２０を用いて動作を説明するが、液晶素子１０の動作についても液晶素子２０と同様である。図１８及び図１９では、液晶層２３の配向が異なる。
　液晶素子２０－１及び液晶素子２０－２は、同じ電圧で駆動され、一つの液晶素子２０として機能する。液晶素子１０ａ及び１０ｂの動作についても同様である。
　液晶素子２０－１及び２０－２の各々の液晶層２３の厚さ（ギャップ）ｄ２とする。ギャップｄ２は、ギャップｄ２と複屈折性Δｎとをかけた値が、概略λ／４になるように設定される。すなわち、ギャップｄ２は、以下の式で表される。　
　ｄ２≒λ／（４Δｎ）
　λは入射光５０の波長であり、例えば、赤外光を用いた場合は概略１５５０ｎｍとなる。複屈折性Δｎ＝０．１５５とすると、ギャップｄ２＝２．５μｍとなる。
　液晶素子２０の応答時間τは、ギャップの２乗に比例する。第３実施形態に係る液晶素子２０－１及び２０－２の各々は、第１実施形態に係る液晶素子２０よりもギャップを狭くすることで高速応答を可能にしている。
　図１８及び図１９の平面図は、液晶層２３に入射光（直線偏光）５４が入射した場合の偏光の変化を示している。液晶素子２０－１及び２０－２が同じ電圧で駆動されるため、液晶素子２０－１及び２０－２の液晶層２３の配向は、同じ状態になる。
　図１８に示すように、液晶素子２０－１及び２０－２の液晶層２３が透明基板２１及び２２に対して平行に配向している場合、入射光５４には、液晶素子２０－１を透過する際にλ／４の位相差が与えられ、円偏光（出射光５６）に変換される。さらに、出射光５６には、液晶素子２０－２を透過する際にλ／４の位相差が与えられ、直線偏光（出射光５５）に変換される。すなわち、入射光５４は、液晶素子２０－１及び２０－２を透過する際にλ／２の位相差が与えられ、出射光５５の偏光面は、入射光５４の偏光面に対して垂直な直線偏光になる。
　一方、図１９に示すように、液晶素子２０－１及び２０－２の液晶層２３が透明基板２１及び２２に対して垂直に配向している場合、入射光５４には、液晶素子２０－１及び２０－２を透過する際に位相差が与えられない。これにより、出射光５５は、その偏光面が入射光５４の偏光面と同じ直線偏光になる。
　以上のように、第３実施形態に係る液晶素子２０－１及び２０－２は、第１実施形態に係る液晶素子２０と同じ動作をすることが可能である。
　［３－３］第３実施形態の効果
　第３実施形態では、位相差λ／４を有する２つの液晶素子２０－１及び２０－２を積層することで、位相差λ／２を有する液晶素子２０を構成している。液晶素子１０ａ及び１０ｂについても同様である。これにより、第１及び第２実施形態と同じ動作を行うことが可能な光スイッチ装置１を実現できる。
　また、液晶素子２０－１及び２０－２のギャップが小さくなることで、液晶素子２０－１及び２０－２の動作を高速化できる。結果として、光スイッチ装置１の動作を高速化できる。その他の効果は、第１及び第２実施形態と同じである。
　本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内で、構成要素を変形して具体化することが可能である。さらに、上記実施形態には種々の段階の発明が含まれており、１つの実施形態に開示される複数の構成要素の適宜な組み合わせ、若しくは異なる実施形態に開示される構成要素の適宜な組み合わせにより種々の発明を構成することができる。例えば、実施形態に開示される全構成要素から幾つかの構成要素が削除されても、発明が解決しようとする課題が解決でき、発明の効果が得られる場合には、これらの構成要素が削除された実施形態が発明として抽出されうる。

Claims (14)

  1. 　入射光を第１偏光成分と第２偏光成分とに分離する分離部材と、
    　前記第１偏光成分を受け、第１液晶層を有し、前記第１液晶層に印加される電界に応じて、前記第１偏光成分の偏光面を変化させる第１液晶素子と、
    　前記分離部材と前記第１液晶素子との間に設けられた第１透明部材と、
    　前記第２偏光成分を受け、第２液晶層を有し、前記第２液晶層に印加される電界に応じて、前記第２偏光成分の偏光面を変化させる第２液晶素子と、
    　前記第１液晶素子からの前記第１偏光成分と、前記第２液晶素子からの前記第２偏光成分とを合成する合成部材と、
    　前記合成部材と前記第２液晶素子との間に設けられた第２透明部材と
    　を具備することを特徴とする光スイッチ装置。
  2. 　前記第１液晶素子は、前記第１液晶層を挟む第１及び第２基板を備え、
    　前記第１基板は、前記第１透明部材に接するように配置され、
    　前記第１透明部材の屈折率は、前記第１基板の屈折率と概略同じであり、
    　前記第２液晶素子は、前記第２液晶層を挟む第３及び第４基板を備え、
    　前記第３基板は、前記第２透明部材に接するように配置され、
    　前記第２透明部材の屈折率は、前記第３基板の屈折率と概略同じである
    　ことを特徴とする請求項１に記載の光スイッチ装置。
  3. 　前記第２偏光成分を前記第２液晶素子に導く第１導光部材と、
    　前記第１液晶素子からの前記第１偏光成分を前記合成部材に導く第２導光部材と
    　をさらに具備することを特徴とする請求項１に記載の光スイッチ装置。
  4. 　前記入射光の波長λ、前記液晶層の複屈折性△ｎ、前記液晶層の厚さｄとすると、
    　ｄ≒λ／（２△ｎ）
    　を満たす
    　ことを特徴とする請求項１に記載の光スイッチ装置。
  5. 　前記液晶素子の各々は、第１及び第２液晶素子部分が積層されて構成され、
    　前記入射光の波長λ、前記第１及び第２液晶素子部分の各々に含まれる液晶層の複屈折性△ｎ、前記第１及び第２液晶素子部分の各々に含まれる液晶層の厚さｄとすると、
    　ｄ≒λ／（４△ｎ）
    　を満たす
    　ことを特徴とする請求項１に記載の光スイッチ装置。
  6. 　前記液晶層は、ホモジニアス型であることを特徴とする請求項１に記載の光スイッチ装置。
  7. 　前記液晶層は、垂直配向型であることを特徴とする請求項１に記載の光スイッチ装置。
  8. 　入射光を第１偏光成分と第２偏光成分とに分離する分離部材と、
    　前記第１偏光成分を受け、第１液晶層を有し、前記第１液晶層に印加される電界に応じて、前記第１偏光成分の偏光面を変化させる第１液晶素子と、
    　前記分離部材と前記第１液晶素子との間に設けられた第１透明部材と、
    　前記第２偏光成分を受け、第２液晶層を有し、前記第２液晶層に印加される電界に応じて、前記第２偏光成分の偏光面を変化させる第２液晶素子と、
    　前記第１液晶素子からの前記第１偏光成分を受け、第３液晶層を有し、前記第３液晶層に印加される電界に応じて、前記第１偏光成分の偏光面を変化させる第３液晶素子と、
    　前記第３液晶素子からの前記第１偏光成分と、前記第２液晶素子からの前記第２偏光成分とを合成する合成部材と、
    　前記合成部材と前記第２液晶素子との間に設けられた第２透明部材と、
    　前記合成部材と前記第３液晶素子との間に設けられた第３透明部材と
    　を具備することを特徴とする光スイッチ装置。
  9. 　前記第１液晶素子は、前記第１液晶層を挟む第１及び第２基板を備え、
    　前記第１基板は、前記第１透明部材に接するように配置され、
    　前記第１透明部材の屈折率は、前記第１基板の屈折率と概略同じであり、
    　前記第２液晶素子は、前記第２液晶層を挟む第３及び第４基板を備え、
    　前記第３基板は、前記第２透明部材に接するように配置され、
    　前記第２透明部材の屈折率は、前記第３基板の屈折率と概略同じであり、
    　前記第３液晶素子は、前記第３液晶層を挟む第５及び第６基板を備え、
    　前記第５基板は、前記第３透明部材に接するように配置され、
    　前記第３透明部材の屈折率は、前記第５基板の屈折率と概略同じである
    　ことを特徴とする請求項８に記載の光スイッチ装置。
  10. 　前記第２偏光成分を前記第２液晶素子に導く第１導光部材と、
    　前記第１液晶素子からの前記第１偏光成分を前記第３液晶素子に導く第２導光部材と
    　をさらに具備することを特徴とする請求項８に記載の光スイッチ装置。
  11. 　前記入射光の波長λ、前記液晶層の複屈折性△ｎ、前記液晶層の厚さｄとすると、
    　ｄ≒λ／（２△ｎ）
    　を満たす
    　ことを特徴とする請求項８に記載の光スイッチ装置。
  12. 　前記液晶素子の各々は、第１及び第２液晶素子部分が積層されて構成され、
    　前記入射光の波長λ、前記第１及び第２液晶素子部分の各々に含まれる液晶層の複屈折性△ｎ、前記第１及び第２液晶素子部分の各々に含まれる液晶層の厚さｄとすると、
    　ｄ≒λ／（４△ｎ）
    　を満たす
    　ことを特徴とする請求項８に記載の光スイッチ装置。
  13. 　前記液晶層は、ホモジニアス型であることを特徴とする請求項８に記載の光スイッチ装置。
  14. 　前記液晶層は、垂直配向型であることを特徴とする請求項８に記載の光スイッチ装置。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JPH11125844A (ja) * 1997-10-21 1999-05-11 Yazaki Corp 光分岐装置及びその製造方法
JP2006154492A (ja) * 2004-11-30 2006-06-15 Asahi Glass Co Ltd 液晶素子および光減衰器
JP4092986B2 (ja) * 2002-08-30 2008-05-28 カシオ計算機株式会社 光スイッチ

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