WO2019004295A1 - 高速光スイッチングエンジン - Google Patents

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    • G02F1/13775—Polymer-stabilized liquid crystal layers

Definitions

  • the present invention relates to high speed optical switching engines.
  • FIG. 1 is an example of a conventional liquid crystal phase panel (Non-Patent Document 1).
  • the nematic liquid crystal 24 is inserted between two parallel plate electrode panels 23.
  • the director (n) of the liquid crystal is aligned parallel to the plate electrodes and is incident
  • the light feels the XZ cross section (elliptical refractive index) of the index ellipsoid of the director (n), and is subjected to retardation.
  • the liquid crystal thickness can be operated as a half-wave plate.
  • the electric field becomes perpendicular to the plate electrodes, and the director of the liquid crystal also follows the electric field and becomes perpendicular.
  • the incident light senses the XZ cross section (circular refractive index) of the refractive index ellipsoid, does not receive retardation, and operates as an isotropic medium.
  • This liquid crystal utilizes the Kerr effect and can be switched quickly, but it is necessary to generate an electric field parallel to the plate electrode.
  • the electric field is always perpendicular to the plate electrode, and as it is, it can not be applied to polymer stabilized blue phase liquid crystal, and a comb tooth type called IPS (In Plane Switching) shown in FIG. Electrodes are being considered.
  • the present electrode applies a voltage of positive, negative, positive, or 0 to the adjacent comb-shaped electrodes 21 to generate an electric field in the lateral direction (X direction).
  • the electric field distribution is not uniform in the polymer-stabilized blue phase liquid crystal 22, and a large electric field distribution is generated, and a large electric field is generated particularly in the vicinity of the comb electrode 21 and the polymer stabilized blue phase liquid crystal 22 degradation of switching speed.
  • the liquid crystal thickness required becomes thicker, and in order to obtain desired performance, a large electric field distribution is required in the liquid crystal. For this reason, the electric field distribution in the vicinity of the comb-teeth-shaped electrode 21 is further increased, and the phase distribution is caused in the emitted light beam, which causes various performance deterioration such as loss and crosstalk.
  • the parallel plate electrode panel 23 can obtain a uniform electric field distribution. In order to use this, it is sufficient to make the light beam obliquely incident. In order to realize this, an embodiment was reported in which a parallel plate electrode was attached with a prism sheet to a polymer stabilized blue phase liquid crystal and driven by the conventional vertical electric field to obtain gradation characteristics from which hysteresis is removed. ing. (Patent Document 1, FIG. 3).
  • Patent Document 2 As an optical switch engine using liquid crystal and a polarization grating (Patent Document 2, FIG. 4) has been reported. This assumes that a phase plate (LC Half-Wave plate) and a polarization grating (Passive PG) are bonded and light is incident almost perpendicularly.
  • LC Half-Wave plate LC Half-Wave plate
  • Passive PG polarization grating
  • this conventional structure is effective in the case of a phase plate (LC Half-Wave plate) using ordinary nematic liquid crystal, but in the case of using a polymer stabilized blue phase liquid crystal, IPS (In Plane Switching) phase It is necessary to have a structure using a plate or a prism sheet, and as described above, in either case, significant characteristics are deteriorated such as switching speed and light beam phase distribution.
  • LC Half-Wave plate LC Half-Wave plate
  • IPS In Plane Switching phase
  • Patent Document 1 when the blue phase liquid crystal is obliquely incident at a large angle, the effect of light refraction by the prism sheet is not uniform in the light beam, so a large phase distribution in the emitted light beam To impress.
  • Patent Document 2 assumes that a phase plate (LC Half-Wave plate) and a polarization grating (Passive PG) are bonded and light is incident almost perpendicularly thereto.
  • a phase plate LC Half-Wave plate
  • Passive PG polarization grating
  • phase plate bonded with PG it is necessary for the phase plate (LC Half-Wave plate) using ordinary nematic liquid crystal implicitly It is assumed.
  • the present invention solves the above problems, and realizes an optical switching engine that generates a uniform electric field distribution in the polymer stabilized blue phase liquid crystal and does not generate a deterioration in switching speed or a phase distribution of emitted light beams.
  • the goal is to
  • the present invention is configured as follows with respect to a light switching engine using a polymer stabilized blue phase liquid crystal in order to solve the above problems.
  • the polarization grating (PG) is a polarization grating (PG) having a chiral structure in which the director is also rotated in the thickness direction as shown in FIG. PG)
  • the rotational axis A in the direction in which the director is rotating on the surface (XY plane) and the oblique side B of the silicon wedge are arranged or affixed so that they are perpendicular to each other (FIG. 7).
  • the wedge angle ⁇ a of the silicon wedge should satisfy the condition of the following equation.
  • ⁇ b sin ⁇ 1 (No ⁇ sin ⁇ o / N1)
  • No is the surrounding refractive index (eg, air)
  • N1 is the refractive index of silicon
  • ⁇ o is the incident angle.
  • the present invention can provide the following means.
  • a parallel-plate liquid crystal panel in which a polymer-stabilized blue phase liquid crystal is inserted between the electrodes so as to face each other so as to be an electrode and irradiated with light is stabilized to a thickness of a half-wave plate at the operating wavelength.
  • the laminate comprises one laminated body in which a polarization grating plate rotating at a period ⁇ ⁇ ⁇ in which a birefringence axis of a birefringence medium (referred to as a director) is in-plane is bonded to the output surface of the parallel flat liquid crystal panel Or a switching liquid crystal phase panel stacked several times in the same direction,
  • the substrate is made of a material having a refractive index larger than that of the substrate, and the cross section of the substrate is a square triangle substrate having two right triangles,
  • the axis at which the birefringence axis rotates in the plane and the oblique side of the wedge-shaped substrate whose cross section is a right triangle mutually alternate at the slopes of the two wedge-shaped substrates Stick them together so that Incident light incident from the end face of one wedge-shaped substrate (opposite to the polarization grating plate of the switching liquid crystal phase panel, referred to as the incident face) is an end face parallel to the end
  • a non-reflective coating is formed so as to be non-reflective with respect to the refractive index of the material adjacent to the inclined surface of the wedge-shaped substrate and the incident surface or the outgoing surface ((6)
  • the optical switching engine according to any one of 1) to (5).
  • the basic configuration of the present invention is a modification of the first embodiment.
  • the optical switching engine according to any one of (1) to (6) is used in two stages, and the emission surface of the optical switching engine at the front stage and the incident surface of the optical switching engine at the rear stage are each rotated 90 ° A doubled optical switching engine characterized in that it is stuck together.
  • FIG. 7 is an expanded configuration of the present invention, which is an aspect of the optical switching engine described in Example 2 below.
  • the parallel plate liquid crystal panel of the switching liquid crystal phase panel is segmented into two or more regions, and the segments of the period ⁇ ⁇ ⁇ are different with respect to the segments.
  • a multi-segmented optical switching engine characterized in that a polarization grating plate is formed, and incident light incident on the segments can be independently deflected and emitted from the polarization grating plate.
  • FIG. 7 is an expanded configuration of the present invention, which is an aspect of the optical switching engine described in Example 3 below.
  • FIG. 7 is an expanded configuration of the present invention, which is an aspect of the optical switching engine described in Example 4 below.
  • the present invention has the following effects.
  • a uniform electric field distribution is generated in the polymer stabilized blue phase liquid crystal, which is difficult in the prior art, and the light is generated in the plane without deteriorating the switching speed and the phase distribution of the outgoing light beam.
  • a high speed 1 ⁇ N optical switching engine can be realized to deflect the beam.
  • (A) is a refractive index ellipsoid representing the isotropic property of the polymer-stabilized blue phase liquid crystal portion when no voltage is applied
  • (B) is the refractive index of the polymer-stabilized blue phase liquid crystal portion when a voltage is applied It is a figure showing an ellipsoid. It is explanatory drawing of the polarization grating (PG) used for this invention.
  • a 1 ⁇ 2 light switching engine using a polymer stabilized blue phase liquid crystal panel and a polarization grating which are the basic structure of the present invention, bonded to two silicon wedges so as to be point symmetrical with each other is there.
  • PG polarization grating
  • 1 is an embodiment of the present invention.
  • 7 is another embodiment of the present invention.
  • 7 is another embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 shows an embodiment of a 1 ⁇ N optical switching engine according to the present invention.
  • the blue phase liquid crystal is a frustration system, and the local stability that wants to take the double twist of the liquid crystal is a state that exceeds the global stability that it wants to connect the space without defects, and generally it is extremely high at around 1 ° C. Exists at narrow temperatures. By adding a polymer to this, space defects are filled up, thermally stabilized, and the operation range is expanded to several tens of degrees Celsius.
  • the polymer-stabilized blue phase liquid crystal forms a circular index ellipsoid and operates as an optically isotropic medium.
  • FIG. 5 (B) when an electric field is applied, a birefringence is generated by approximately the square of the electric field, resulting in an elliptical index ellipsoid.
  • FIG. 6 shows the operation of the polarization grating (PG).
  • a polarization grating is made of a material having birefringence, such as a liquid crystal polymer, and is rotated at a certain period ⁇ (16) along a rotation axis A (17) with a director 12 which is a birefringence medium It is a thing. Its thickness is designed to be a half-wave plate at the working wavelength, which is equivalent to a minute half-wave plate rotating along the rotation axis A (17).
  • the direction of polarization changes depending on the direction of rotation (clockwise or counterclockwise) of the incident circularly polarized light.
  • left-handed circularly polarized light is diffracted to the right and becomes right-handed circularly polarized light.
  • circularly polarized light in the clockwise direction diffracts to the left and becomes counterclockwise circularly polarized light.
  • the diffraction angle ⁇ is given by the following equation.
  • ⁇ is the wavelength
  • ⁇ is the period of rotation of the director
  • ⁇ o is the incident angle. Therefore, the shorter period ⁇ diffracts at a larger angle.
  • FIG. 7A is a perspective view
  • FIG. 7B is a separation view
  • FIG. 7C is polymer stabilization when a voltage is applied to the 1 ⁇ 2 optical switch engine 1 which is a basic configuration of the optical switch engine according to the present invention.
  • the enlarged view of a blue phase liquid crystal panel is shown.
  • the optical switch engine 1 of the present invention comprises a polymer stabilized blue phase liquid crystal panel 2, a polarization grating 3 and a silicon wedge 8 having a triangular cross section.
  • the polymer stabilized blue phase liquid crystal panel 2 has a parallel flat plate electrode structure, and the polymer stabilized blue phase liquid crystal 6 is inserted between two substrates 5 on one side of which a thin film electrode 4 is formed, and light irradiation is performed. It is stabilized.
  • a polarization grating 3 is disposed or attached to the polymer stabilized blue phase liquid crystal panel 2 (this is called a 1 ⁇ 2 element 9).
  • a 1 ⁇ 2 optical switch engine 1 is obtained by sandwiching two silicon wedges 8 each having a triangular cross section on both sides of the 1 ⁇ 2 element 9.
  • the director of the polarization grating 3 is also rotated in the thickness direction as shown in FIG. 6C (much smaller than the rotation period ⁇ of the XY plane, on the order of several ⁇ m) It has a chiral structure, and is arranged or affixed such that the rotation axis A (17) of the director constituting the polarization grating 3 is perpendicular to the oblique side B of the silicon wedge 8. The reason will be described later.
  • the two silicon wedges 8 are attached so as to be rotationally symmetrical about the 1 ⁇ 2 element 9.
  • a non-reflective coating is applied to the substrate 5 constituting the polymer stabilized blue phase liquid crystal panel 2 as a non-reflective condition.
  • the substrate 5, the thin film electrode 4 and the polymer stabilized blue phase liquid crystal 6 constituting the polymer stabilized blue phase panel 2 are formed to have substantially the same refractive index.
  • the light beam incident at an angle perpendicular to the right propagates the polymer stabilized blue phase liquid crystal 6 diagonally (angle ⁇ ′), so that it senses birefringence and generates retardation.
  • silicon has a large refractive index N1 for the input.
  • Silicon has low absorption from 1.2 ⁇ m to 6 ⁇ m, so it can be used as the wedge material of the present invention in this wavelength range.
  • high refractive index glass for example, S-LAH 79 made by OHARA (refractive index 2.00), TAFD 40 made by HOYA (refractive index 2.00)
  • resin with high refractive index can be used.
  • a dimension becomes large you may use normal glass.
  • ⁇ a is the wedge angle of the silicon wedge 8
  • N 1 is the refractive index of silicon
  • N 2 is the refractive index of the substrate 5.
  • substrate 5, and the polymer stabilized blue phase liquid crystal 6 is substantially the same.
  • the light beam thus incident from the right at a vertical angle propagates the polymer-stabilized blue phase liquid crystal 6 obliquely (angle ⁇ '), so that birefringence is felt, and the polymer-stabilized blue phase liquid crystal 6 is suitably used.
  • T thickness
  • the index ellipsoid of the polymer-stabilized blue phase liquid crystal 6 is a sphere, and thus operates as an isotropic (zero retardation) medium, When a voltage is applied, it operates as a half-wave plate (retardation is ⁇ ).
  • the polarization grating 3 is disposed or attached to the subsequent stage of the parallel plate polymer stabilized blue phase liquid crystal panel 2. Therefore, the light beam is deflected (diffracted) at an angle ⁇ in the XZ plane (horizontal plane) depending on whether the incident circularly polarized light is clockwise or counterclockwise.
  • the director of the polarization grating 3 is disposed or affixed so that the rotation axis A (17) of the director is perpendicular to the oblique side B of the silicon wedge 8.
  • FIG. 8 shows the efficiency of the polarization grating 3 for two planes of incidence (A and B).
  • FIG. 7 shows the case where one set of 1 ⁇ 2 elements 9 (referred to as switching liquid crystal phase panels) consisting of the polymer stabilized blue phase liquid crystal panel 2 and the polarization grating 3 is used. In this case, it operates as a 1 ⁇ 2 optical switch engine 1 that switches in the XZ plane (horizontal plane).
  • 1 ⁇ 2 elements 9 referred to as switching liquid crystal phase panels
  • switching liquid crystal phase panels consisting of the polymer stabilized blue phase liquid crystal panel 2 and the polarization grating 3
  • FIG. 9 shows the case where two sets of 1 ⁇ 2 elements 9 are used, which operates as a 1 ⁇ 4 optical switch engine 1 which switches in an XZ plane (horizontal plane).
  • the period ⁇ of the second set of polarization gratings 3 is ⁇ / 2.
  • FIG. 10 is another embodiment of the present invention.
  • the 1 ⁇ 4 light switching engine 11 switching in the YZ plane (vertical plane) is disposed or bonded to the rear stage of the 1 ⁇ 4 light switching engine 10 switching in the XZ plane (horizontal plane). This makes it possible to realize a two-dimensional 1 ⁇ 16 optical switching engine operating in the XY plane.
  • FIG. 11 is another embodiment of the present invention.
  • Optical switch engines A to D (100, 101, 102, 103) having different deflection angles and switching numbers are formed in one optical switch engine 1.
  • This is a polymer stabilized blue phase liquid crystal panel It can be easily realized by dividing the two electrodes and changing the pattern of the polarization grating depending on the place.
  • FIG. 12 is another embodiment of the present invention.
  • the temperature is controlled by covering the periphery of the above-described optical switch engine 1 with a Peltier element 201 and arranging a heat sink 202 on the outside thereof. Thereby, stable switching can be realized even if the ambient temperature changes.
  • the 1 ⁇ N switch according to the present invention can also be applied to light steering devices.
  • Optical switch engine 2 Polymer stabilized blue phase liquid crystal panel (parallel plate liquid crystal panel) 3 Polarized grating (PG) 4 thin film electrode 5 substrate 6 polymer stabilized blue phase liquid crystal 7 director 8 silicon wedge 9 1 ⁇ 2 element, switching liquid crystal phase panel 10 1 ⁇ 4 light switching engine 11 switching in Y-Z plane (vertical plane) 11 X ⁇ 1 x 4 light switching engine 12 switching in the Z plane (horizontal plane) 12 director 13 ray 14 left-handed circularly polarized light 15 right-handed circularly polarized light 16 period ⁇ 17 Axis of rotation A 21 comb-shaped electrode 22 polymer stabilized blue phase liquid crystal 23 parallel plate electrode panel 24 nematic liquid crystal 100 light switch engine A 101 Light switch engine B 102 Light switch engine C 103 Light switch engine D 201 Peltier element 202 heat sink

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Abstract

ポリマー安定化ブルー相液晶を櫛歯型電極で駆動すると、液晶内で大きな電界分布が発生し、電極の近傍では大きな電界が発生し、電歪効果によりポリマー安定化ブルー相液晶のスイッチング速度の劣化をまねく。従来の薄膜電極が形成された平行平板を用い、その間にポリマー安定化ブルー相液晶を挿入してから偏光グレーティングプレートを張り合わせ、その両側にシリコンからなる断面が三角形状の２枚のシリコンウェッジを互いに回転対称となるように配置、あるいは張り付けた光スイッチングエンジンを作製した。

Description

高速光スイッチングエンジン
　本発明は高速光スイッチングエンジンに関する。
　図１は、従来の液晶位相パネルの一例である(非特許文献１)。
　二枚の平行平板電極パネル２３の間にネマティック液晶２４を挿入したものである。
　Zero-twisted ECB(electrically controlled birefringence)の場合であり、二枚の平行平板電極に電圧を印加しない場合は、液晶のダイレクター(ｎ)が平板電極に対して平行に配列しており、入射した光はダイレクター(ｎ)の屈折率楕円体のＸＺ断面(楕円形状の屈折率)を感じることになり、リターデーションを受ける。このとき、所望の液晶厚さとすることにより、例えば半波長板として動作させることができる。
　一方、二枚の平行平板電極パネル２３に電圧を印加すると、電界は平板電極に対して垂直となり、液晶のダイレクターも電界に追従し垂直となる。入射した光は、屈折率楕円体のＸＺ断面(円形状の屈折率)を感じることになり、リターデーションを受けず、アイソトロピック媒体として動作する。
　従来のネマティック液晶はディスプレイでは多く用いられているが、スイッチング速度がミリ秒と遅く、高速のスイッチング速度が要求される用途では使用できなかった。そこで、高速にスイッチングできるポリマー安定化ブルー相液晶が検討されている。
　この液晶はカー効果を利用したものであり、早いスイッチングできるが、平板電極に対して平行な電界を発生させる必要がある。前述した平行平板電極パネル２３では、常に電界は平板電極に対して垂直となり、このままではポリマー安定化ブルー相液晶には適用できず、図２に示すIPS(In Plane Switching)と言われる櫛歯型の電極が検討されている。
　本電極は、隣り合う櫛歯型電極２１に正負あるいは正、０の電圧を印加し、横方向(Ｘ方向)の電界を発生させるものである。
　しかし、ポリマー安定化ブルー相液晶２２内で電界分布は均一ではなく、大きな電界分布が発生し、特に櫛歯型電極２１の近傍では大きな電界が発生し、電歪効果によりポリマー安定化ブルー相液晶２２のスイッチング速度の劣化をまねく。
　さらに、長波長においては、必要となる液晶厚が厚くなり、益々、所望の性能を得るには液晶内で大きな電界分布が必要となる。このため、櫛歯型電極２１の近傍の電界分布も一層大きくなり、出射した光ビーム内で位相分布をまねき、損失やクロストークなど種々の性能劣化が生じる。
　櫛歯型電極２１に比べ平行平板電極パネル２３は均一な電界分布が得られる。これを利用するためには、光線を斜めに入射してやればよい。これを具現化するため平行平板電極をポリマー安定化ブルー相液晶にプリズムシートを付着し従前の垂直電界で駆動して履歴現象(hysteresis)が除去された階調特性を得た実施例が報告されている。(特許文献１、図３)。しかし、本構造は、垂直入射の場合では有効であるが、大きな角度で斜め入射させると、プリズムシートによる光屈折の効果が光ビーム内で一様でなくなるため、出射する光ビーム内で大きな位相分布をまねく。
　一方、液晶と偏光グレーティングを用いた光スイッエンジンとして(特許文献２、図４)のものが報告されている。これは、位相プレート(LC Half-Waveplate)と偏光グレーティング(Passive PG)を張り合わせ、それに光をほぼ垂直に入射することを前提としている。
　光をほぼ垂直に入射する理由は、図８(シミュレーションによる計算)示すように、入射面が(Ａ)の場合、±１次の回折効率が急激に劣化するためである。
　従って、本従来構造は、通常のネマティック液晶を用いた位相プレート(LC Half-Waveplate)の場合は有効であるが、ポリマー安定化ブルー相液晶を用いた場合は、IPS(In Plane Switching)型位相プレート、あるいは、プリズムシートを用いた構造をとる必要があり、上記したように、いずれの場合もスイッチング速度、光ビーム位相分布など大きな特性劣化を招く。
特開２０１４－１８６０４５号公報 ＵＳ２０１２／０１８８４６７　Ａ１
"Fundamentals of phase-only liquid crystal on silicon (LCOS) devices"、Zichen Zhang et al (Light: Science & Applications (2014)P16」」
　以上の問題点をまとめると次の様になる。
　（１）IPS(In Plane Switching)型の櫛歯型電極では、液晶内で大きな電界分布が発生し、電極の近傍では大きな電界が発生し、電歪効果によりポリマー安定化ブルー相液晶のスイッチング速度の劣化をまねく。
　（２）特に、長波長においては、必要となる液晶厚が厚くなり、益々、液晶内で大きな電界分布が発生する。
　（３）面内の電界分布も大きく、出射した光ビーム内で位相分布をまねき、損失やクロストークなど種々の性能劣化が生じる。
　（４）特許文献１の構造においては、ブルー相液晶に大きな角度で斜め入射させると、プリズムシートによる光屈折の効果が光ビーム内で一様でなくなるため、出射する光ビーム内で大きな位相分布をまねく。
　（５）特許文献２の構造は、位相プレート(LC Half-Waveplate)と偏光グレーティング(Passive PG)を張り合わせ、それに光をほぼ垂直に入射することを前提としている。この理由は、PGをシミュレーションすると図８に示すように、入射面が(Ａ)の場合、±１次の回折効率が急激に劣化するためである。
　従って、本従来構造を具現化するためには、PGと張り合わせている位相プレートにも、ほぼ垂直に入射する必要があり、通常のネマティック液晶を用いた位相プレート(LC Half-Waveplate)が暗黙に想定されている。
　また、ポリマー安定化ブルー相液晶を用いる場合においては、前述したIPS(In Plane Switching)型位相プレート、あるいは、プリズムシートを用いたポリマー安定化ブルー相液晶の位相プレートを適用する必要があるが、上記したように、いずれの場合もスイッチング速度、損失、クロストークなど光スイッチングエンジンとして大きな特性劣化を招く。
　そこで、本発明は、上記課題を解決し、ポリマー安定化ブルー相液晶内で均一な電界分布を発生させ、スイッチング速度の劣化や、出射する光ビームの位相分布を発生させない光スイッチングエンジンを実現することを目標としている。
　本発明は上記の課題を解決するためにポリマー安定化ブルー相液晶を用いた光スイッチングエンジンに関して次のように構成した。
　（１）従来の薄膜電極が形成された平行平板を用い(図７)、その間にポリマー安定化ブルー相液晶を挿入し、それに図６に示す偏光グレーティング(PG)を張り合わせたものを一組にして、および、それを数組積層させ、その両側にシリコンからなる断面が三角形状の２枚のシリコンウェッジを互いに回転対称となるように配置、あるいは張り付けたことにある。
　（２）さらに、上記の偏光グレーティング(PG)は、図６(Ｃ)に示すような厚さ方向もダイレクターが回転したカイラル構造の上記の偏光グレーティング(PG)であり、また、偏光グレーティング(PG)表面(ＸＹ面)でダイレクターが回転している方向の回転軸Ａとシリコンウェッジの斜辺Ｂとが互いに垂直となるように配置あるいは張り付けたことにある(図７)。
　（３）上記した構造のものを２組用い、それらを互いに９０°回転させて配置あるいは張り付けたことにある(図１０)。
　ただし、シリコンウェッジのウェッジ角度θaは、次式の条件を満たすものとする。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　ここでθｂ＝sin-1(Ｎo×sinθo/Ｎ1)、Ｎoは、周囲の屈折率(例えば空気)、Ｎ１は、シリコンの屈折率、θoは、入射角度とする。
　本発明は具体的には次の手段を提供することができる。
　（１）紫外線から使用波長帯の光波長領域で透明な基板の少なくとも一方の表面に所望の光波長領域で透明な薄膜電極を形成した基板を２枚用い、その薄膜電極が所望のギャップで平行電極となるように対向するように対峙させてその間にポリマー安定化ブルー相液晶を挿入して光を照射して安定化させた平行平板液晶パネルに、使用波長で半波長プレートとなる厚さの複屈折率媒体(ダイレクターと呼ぶ)の複屈折軸が面内である周期Λで回転している偏光グレーティングプレートを前記平行平板液晶パネルの出射面に張り合わせて構成した積層体１枚からなる、または同方向に数枚重ねたスイッチング液晶位相パネルと、
　前記基板より屈折率の大きな材料から構成されその断面が直角三角形の楔型基板が２枚とからなり、
　前記スイッチング液晶位相パネルを前記複屈折軸が前記面内で回転している軸と前記断面が直角三角形の楔型基板の斜辺とが互いに垂直なるように前記２枚の楔型基板の斜面で互い違いに挟むように張り合わせ、
　一方の楔型基板の端面(前記スイッチング液晶位相パネルの偏光グレーティングプレートの反対側、入射面と呼ぶ)から入射した入射光が、他方の楔型基板の前記端面と平行な端面(出射面と呼ぶ)から出射し得ることを特徴とする光スイッチングエンジン。
　本発明の基本構成であり、以下の実施例１に記載の光スイッチングエンジンの態様である。
　（２）前記偏光グレーティングプレートは、厚さ方向にも前記ダイレクターの複屈折軸が回転しているカイラル構造であることを特徴とする(１)に記載の光スイッチングエンジン。
　（３）前記一方の楔型基板の端面から光を入射した場合において、前記対向する薄膜電極に電圧を印加しない時はほぼアイソトロピックな媒体として動作し、電圧を印加した時は前記使用波長において前記半波長プレートとして動作することを特徴とする(１)に記載の光スイッチングエンジン。
　（４）前記基板がSiO2を主成分としたガラスあるいはSi基板であることを特徴とする(１)乃至(２)のいずれか１項に記載の光スイッチングエンジン。
　（５）前記楔型基板がシリコンから構成されていることを特徴とする(１)乃至(４)のいずれか１項に記載の光スイッチングエンジン。
　（６）前記楔型基板の前記斜面、および、前記入射面または前記出射面に隣り合う材料の屈折率に対して無反射となるような無反射コートが形成されていることを特徴とする(１)乃至(５)のいずれか１項に記載の光スイッチングエンジン。
　本発明の基本構成、実施例１の変形態様である。
　（７）(１)乃至(６)のいずれか１項に記載の光スイッチングエンジンを2段に用い、前段の光スイッチングエンジンの出射面と後段の光スイッチングエンジンの入射面をそれぞれが９０°回転させて張り合わせたことを特徴とする２重化された光スイッチングエンジン。
　本発明の拡張構成であり、以下の実施例２に記載の光スイッチングエンジンの態様である。
　（８）(７)に記載の光スイッチングエンジンにおいて、前記スイッチング液晶位相パネルの当該平行平板液晶パネルが２つ以上の領域にセグメント化されて、そのセグメントに対して異なった前記周期Λのセグメントからなる偏光グレーティングプレートが構成されており、前記セグメントに入射した入射光は独立して前記偏光グレーティングプレートから偏向されて出射され得ることを特徴とする多重セグメント化された光スイッチングエンジン。
　本発明の拡張構成であり、以下の実施例３に記載の光スイッチングエンジンの態様である。
　（９）(７)または(８)のいずれか１項に記載の光スイッチングエンジンにおいて、その周囲をペルツエ素子により所望の温度となるように制御したことを特徴とする光スイッチングエンジン。
　本発明の拡張構成であり、以下の実施例４に記載の光スイッチングエンジンの態様である。
　本発明は以下の効果を有する。
　(１)従来技術では困難であった、ポリマー安定化ブルー相液晶内で均一な電界分布を発生させ、スイッチング速度の劣化や、出射する光ビームの位相分布を劣化させずに、面内で光ビームを偏向させる高速な１×Ｎ光スイッチングエンジンを実現できる。
　(２)従来技術では困難であった高速な１×Ｎステアリングデバイスを実現できる。
従来のネマティック液晶位相パネルの一例である。 従来技術であるポリマー安定化ブルー相液晶のIPS(In Plane Switching)と言われる櫛歯型の電極の説明図である。 特許文献１の構造であるブルー相液晶に大きな角度で斜め入射させるため、入出力にプリズムシートを用いた図である。 特許文献２の構造である、位相プレート(LC Half-Waveplate)と偏光グレーティング(Passive PG)を張り合わせた光ビームステアリングの一実施例である。 従来技術であるポリマー安定化ブルー相液晶の平行電極の説明図である。(Ａ)は電圧を印加していない場合のポリマー安定化ブルー相液晶部のアイソトロピック特性を表す屈折率楕円体、(Ｂ)は電圧を印加した場合のポリマー安定化ブルー相液晶部の屈折率楕円体を表している図である。 本発明に用いる偏光グレーティング(ＰＧ)の説明図である。(Ａ)は左周り円偏光が中心に垂直に入射すると反対側から右周り円偏光がX軸方向にθ角度を変えて出射し、(B)は右周り円偏光が垂直に中心に入射すると反対側から左周り円偏光がＸ軸の逆方向にθ角度を変えて出射することを表す図である。また(Ｃ)はZ軸方向がカイラル構造であることを表す図である。 本発明の基本構造である、ポリマー安定化ブルー相液晶パネルと偏光グレーティングを用い、それらを２枚のシリコンウェッジに互いに点対称となるように張り合わせた、１×２光スイッチングエンジンの一実施例である。 偏光グレーティング(ＰＧ)の入射面に対する±１次の回折光の効率を示す計算図である。 本発明の一実施例である。 本発明の別の実施例である。 本発明の別の実施例である。 本発明の高速光スイッチングエンジンを温度制御したモジュールの実施例である。
　以下に本発明のいくつかの実施例を示す。
　図７に本発明に１×Ｎ光スイッチングエンジンの一実施例を示す。
　本実施例を説明する前に、先ず、本発明を構成する一つのエレメントであるポリマー安定化ブルー相液晶について説明する。その後、偏光グレーティング(ＰＧ)の基本的な動作について説明し、最後に１×Ｎ光スイッチングエンジンの実施例を説明する。
　ブルー相液晶は、フラストレーション系であり液晶の二重ねじれをとりたいというローカルな安定性が空間を無欠陥でつなぎたいというグローバルな安定性を上回った状態であり、一般には１℃程度の極めて狭い温度で存在する。これにポリマーを添加することで空間の欠陥を埋め、熱的に安定化させ、動作範囲を数十℃まで拡大させたものである。
　図５(Ａ)に示すように、ポリマー安定化したブルー相液晶は電界を印加しない場合は、円形の屈折率楕円体となり光学的にアイソトロピックな媒質として動作する。一方、図５(Ｂ)に示すように、電界を印加した場合は、電界のほぼ２乗で複屈折率を生じ、楕円形の屈折率楕円体となる。
　(Ａ)の場合、屈折率楕円体の長軸方向(Ｙ軸)から光を入射させると、光の２つの直交した偏光(光の進むベクトルに対して垂直に存在する)は、円形の屈折率(屈折率楕円体の長軸に対して垂直に輪切りにしたもの)を感じるため、リターデーションは発生せず、(Ｂ)に示すように斜めに入射する必要がある。
　(Ｂ)の場合、屈折率楕円体の輪切りにしたものは楕円となり、光の２つの偏光はそれぞれ異なった屈折率を感じリターデーションを生じる。
　図６に偏光グレーティング(ＰＧ)の動作を示す。
　偏光グレーティング(ＰＧ)は、液晶ポリマーなど複屈折を持つ材料から構成され、複屈折媒体であるダイレクター１２がある回転軸Ａ(１７)に沿って、ある周期Λ(１６)で回転しているものである。その厚さは、使用波長で半波長板となるように設計されており、微小な半波長板が回転軸Ａ(１７)に沿って回転しているものと等価である。
　このような構造においては、入射された円偏光は、その回転方向(右回り、左周り)に応じて、偏向(回折)する方向が変わる。
　例えば、左周りの円偏光は右側に回折し、右回りの円偏光となる。逆に、右周りの円偏光は左側に回折し、左回りの円偏光となる。その回折角θは、次式で与えられる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　ここで、λは波長、Λはダイレクターの回転の周期、θoは入射角度である。従って、短い周期Λほど大きな角度で回折する。
　図７に本発明光スイッチエンジンの基本構成である１×２光スイッチエンジン１について、(Ａ)は斜視図を(Ｂ)は分離図を、(Ｃ)は電圧を印加した場合のポリマー安定化ブルー相液晶パネルの拡大図を示す。
　本発明の光スイッチエンジン１はポリマー安定化ブルー相液晶パネル２と、偏光グレーティング３と２枚の断面が三角形状のシリコンウェッジ８とから構成される。
　ポリマー安定化ブルー相液晶パネル２は、平行平板の電極構造であり、一方の面に薄膜電極４が形成された２枚の基板５の間にポリマー安定化ブルー相液晶６を挿入し光照射により安定化させたものである。ポリマー安定化ブルー相液晶パネル２には偏光グレーティング３が配置あるいは張り付けられている(これを１×２エレメント９と呼ぶ)。
　１×２エレメント９の両側に断面が三角形状のシリコンウェッジ８を２枚用い、サンドイッチしたものが１×２光スイッチエンジン１である。
　ここで重要なことは、偏光グレーティング３は、図６(Ｃ)に示すような厚さ方向にもダイレクターが回転している(ＸＹ平面の回転周期Λに比べるとかなり小さく数μｍのオーダー)カイラル構造であり、また、偏光グレーティング３を構成するダイレクターの回転軸Ａ(１７)がシリコンウェッジ８の斜辺Ｂと垂直となるように配置あるいは張り付けたことである。この理由については、後述する。
　また、２枚のシリコンウェッジ８は１×２エレメント９を中心に回転対称となるように張り付けられている。
　シリコンウェッジ８の斜辺の面には、ポリマー安定化ブルー相液晶パネル２を構成する基板５に対して無反射条件となる無反射コートが施されている。
　尚、ポリマー安定化ブルー相パネル２を構成する基板５、薄膜電極４およびポリマー安定化ブルー相液晶６はほぼ同じ屈折率となるように形成される。
　今、図７(Ａ)に示すように光を右から垂直の角度で入射すると((１)式においてθb=０の場合)、シリコンウェッジ８とポリマー安定化ブルー相液晶パネル２の境界では下に述べる(３)式に示すスネルの法則に従って光が屈折し、光はポリマー安定化ブルー相液晶６の層に対してθ’の角度で斜めに伝搬する。
　従って、右から垂直の角度で入射された光ビームは、ポリマー安定化ブルー相液晶６を斜め(角度θ’)に伝搬するため、複屈折を感じ、リターデーションを発生させる。
　この効果は、(３)式より、Ｎ２に対してＮ１が大きいほど、θａが大きいほど顕著になり、大きな角度θ’で光ビームは伝搬する。
　このように、入力に屈折率Ｎ１の大きな材質(ここではシリコン)を用いることは重要である。
　以下、その理由を詳しく説明する。今、ポリマー安定化ブルー相パネル２を構成する基板５がガラス(屈折率Ｎ２=1.5)で、シリコンウェッジ８がシリコン(屈折率Ｎ１=3.5)、ウェッジ角度θａが２０°の場合を考える。
　図７(Ａ)のように、右側から光を垂直に入射すると、(２)式よりθ’＝53°となる。もし、シリコンウェッジ８が無く、空気から直接にポリマー安定化ブルー相液晶パネル２に入射する場合は、この53°を実現することはできず、せいぜい４０°程度が限界である(これでも実際は実現が難しい)。
　その理由は、ポリマー安定化ブルー相パネル２をθ’＝53°で伝搬する光は、周囲が空気の場合は、その境界で全反射となり、外部からは励起できないためである(理論的にはエバネッセント波で励起する必要がある)。従って、特許文献２では、ほぼ垂直に入射が前提になっている。
　このように、入力に屈折率Ｎ１の大きな材質(ここではシリコン)を用いることは極めて重要である。シリコンは1.2μｍから6μｍまでは吸収が少ないため、この波長域で本発明のウェッジ材料として使用可能である。
　また、1.2μｍより短波長では、高屈折率ガラス(例えば、オハラ製のS-LAH79(屈折率2.00)，ＨＯＹＡ製のTAFD40(屈折率2.00))や高屈折率の樹脂が使用できる。また、寸法は大きくなるが、通常のガラスを用いても良い。
　なお、ウェッジ角度θａは、(４)式を満たす必要がある。その理由は、シリコンウェッジ８とポリマー安定化ブルー相液晶パネル２の境界で全反射が生じ、左の面から光が出力しなくなるためである。また、(４)式は(１)式においてθb=０の特別な場合である。
　この場合、シリコンウェッジ８の角度θａに対する条件は、(３)式を満たす必要がある。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
　ここで、θａはシリコンウェッジ８のウェッジ角度、Ｎ１はシリコンの屈折率、Ｎ２は基板５の屈折率である。
　なお、ポリマー安定化ブルー相液晶パネル２を構成する薄膜電極４と基板５およびポリマー安定化ブルー相液晶６の屈折率はほぼ同じと仮定している。
　このように右から垂直の角度で入射された光ビームは、ポリマー安定化ブルー相液晶６を斜め(角度θ’)に伝搬するため、複屈折を感じ、ポリマー安定化ブルー相液晶６を適切な厚さ(T)とすることで、半波長板(リターデーションがπ)として動作させることができる。
　従って、ポリマー安定化ブルー相液晶パネル２に電圧を印加しない場合は、ポリマー安定化ブルー相液晶６の屈折率楕円体は球であるため、アイソトロピック(リターデーションが０)な媒体として動作し、電圧を印加すると半波長板(リターデーションがπ)として動作する。
　今、右回りの円偏光の光ビームを右から入射する場合を考える。ポリマー安定化ブルー相液晶パネル２に電圧を印加しない場合(off)は、アイソトロピック(リターデーションが０)な媒体であるため、偏光した状態のまま, 右回りの円偏光として出力する。
　一方、電圧を印加した場合(on)は、半波長板(リターデーションがπ)として動作するため、左回りの円偏光として出力する。
　本発明では、平行平板ポリマー安定化ブルー相液晶パネル２の後段に、偏光グレーティング３を配置あるいは張り付けている。このため、入射する円偏光が右回りか、あるいは、左回りか、によってＸ－Ｚ平面内(水平面)で光ビームは角度αで偏向(回折)する。
　ここで、重要なことは、偏光グレーティング３を構成するダイレクターの回転軸Ａ(１７)がシリコンウェッジ８の斜辺Ｂと垂直となるように配置あるいは張り付けたことである。
　図８は、２つの入射面(ＡとＢ)に対する偏光グレーティング３の効率を示す。
　(Ａ)の場合は、入射角度θが変化すると効率が大幅に劣化するが(Ｂ)の場合は、ほとんど効率は劣化しない。
　偏光グレーティング３を構成するダイレクターの回転軸Ａがシリコンウェッジ８の斜辺Ｂと垂直となるように配置あるいは張り付けた場合は(Ｂ)の場合にあたり、大きな角度θ‘で入射しても特性の劣化は生じない。なお、偏光グレーティング３を構成するダイレクターは、図６(Ｃ)に示すカイラル構造を有している。
　図７は、ポリマー安定化ブルー相液晶パネル２と偏光グレーティング３からなる１×２エレメント９(スイッチング液晶位相パネルと呼ぶ)が１組の場合であった。この場合は、Ｘ－Ｚ平面(水平面)内でスイッチする１×２光スイッチエンジン１をとして動作する。
　図９は、１×２エレメント９が２組用いた場合であり、Ｘ－Ｚ平面(水平面)内でスイッチする１×４光スイッチエンジン１をとして動作する。なお、本実施例では２組目の偏光グレーティング３の周期ΛはΛ／２としている。
　このように、１×２エレメント９を多段にＮ組、配置することで、Ｘ－Ｚ平面内(水平面)で動作する１×２N光スイッチングエンジンを実現できる。
　図１０は、本発明の別の実施例である。Ｘ－Ｚ平面(水平面)内でスイッチする１×４光スイッチングエンジン１０の後段にＹ－Ｚ平面(垂直面)内でスイッチする１×４光スイッチングエンジン１１を配置あるいは張り合わせている。これによりＸ－Ｙ平面内で動作する２次元の１×１６光スイッチングエンジンを実現できる。
　この場合、前段には最大偏向角が小さい光スイッチングエンジンを配置することで、ＭスイッチングエンジンとNスイッチングエンジンを組み合わせて、ウォークオフの小さい所望のＭ×Ｎ光スイッチングエンジンを実現できる。
　図１１は、本発明の別の実施例である。
　１つの光スイッチエンジン１の内に４つの偏向角度やスイッチング数の異なる光スイッチエンジンＡ～Ｄ(100、101、102、103)を形成したものである、これは、ポリマー安定化ブルー相液晶パネル２の電極を分割し、また、偏光グレーティングのパターンを場所により変化させることで容易に実現できる。
　これにより、コンパクトな多ビームを独立にスイッチできる多ビーム光スイッチングエンジンを実現できる。
　図１２は、本発明の別の実施例である。
　前記した光スイッチエンジン１の周囲をペルツエ素子201で覆い、その外側にヒートシンク202を配置することで、温度制御したものである。これにより、周囲の温度が変化しても、安定なスイッチングを実現できる。
　本発明に係る１×Ｎスイッチは、光ステアリングデバイスへも適用することができる。
１　光スイッチエンジン
２　ポリマー安定化ブルー相液晶パネル(平行平板液晶パネル)
３　偏光グレーティング(ＰＧ)
４　薄膜電極
５　基板
６　ポリマー安定化ブルー相液晶
７　ダイレクター
８　シリコンウェッジ
９　１×２エレメント、スイッチング液晶位相パネル
１０　Ｙ－Ｚ平面(垂直面)内でスイッチする１×４光スイッチングエンジン
１１　Ｘ－Ｚ平面(水平面)内でスイッチする１×４光スイッチングエンジン
１２　ダイレクター
１３　光線
１４　左周り円偏光
１５　右周り円偏光
１６　周期Λ
１７　回転軸Ａ
２１　櫛歯型電極
２２　ポリマー安定化ブルー相液晶
２３　平行平板電極パネル
２４　ネマティック液晶
１００　光スイッチエンジンＡ
１０１　光スイッチエンジンＢ
１０２　光スイッチエンジンＣ
１０３　光スイッチエンジンＤ
２０１　ペルツエ素子
２０２　ヒートシンク

Claims (9)

  1. 　紫外線から使用波長帯の光波長領域で透明な基板の少なくとも一方の表面に所望の光波長領域で透明な薄膜電極を形成した基板を２枚用い、その薄膜電極が所望のギャップで平行電極となるように対向するように対峙させてその間にポリマー安定化ブルー相液晶を挿入して光を照射して安定化させた平行平板液晶パネルに、使用波長で半波長プレートとなる厚さの複屈折率媒体(ダイレクターと呼ぶ)の複屈折軸が面内である周期Λで回転している偏光グレーティングプレートを前記平行平板液晶パネルの出射面に張り合わせて構成した積層体１枚からなる、または同方向に数枚重ねたスイッチング液晶位相パネルと、
    　前記基板より屈折率の大きな材料から構成されその断面が直角三角形の楔型基板が２枚とからなり、
    　前記スイッチング液晶位相パネルを前記複屈折軸が前記面内で回転している軸と前記断面が直角三角形の楔型基板の斜辺とが互いに垂直なるように前記２枚の楔型基板の斜面で互い違いに挟むように張り合わせ、
    　一方の楔型基板の端面(前記スイッチング液晶位相パネルの偏光グレーティングプレートの反対側、入射面と呼ぶ)から入射した入射光が、他方の楔型基板の前記端面と平行な端面(出射面と呼ぶ)から所望の偏光をして出射し得ることを特徴とする光スイッチングエンジン。
  2. 　前記偏光グレーティングプレートは、厚さ方向にも前記ダイレクターの複屈折軸が回転しているカイラル構造であることを特徴とする請求項１に記載の光スイッチングエンジン。
  3. 　前記一方の楔型基板の端面から光を入射した場合において、前記対向する薄膜電極に電圧を印加しない時はほぼアイソトロピックな媒体として動作し、電圧を印加した時は前記使用波長において前記半波長プレートとして動作することを特徴とする請求項１に記載の光スイッチングエンジン。
  4. 　前記基板がSiO2を主成分としたガラスあるいはSi基板であることを特徴とする請求項１乃至請求項２のいずれか１項に記載の光スイッチングエンジン。
  5. 　前記楔型基板がシリコンから構成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の光スイッチングエンジン。
  6. 　前記楔型基板の前記斜面、および、前記入射面または前記出射面に隣り合う材料の屈折率に対して無反射となるような無反射コートが形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の光スイッチングエンジン。
  7. 　請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の光スイッチングエンジンを2段に用い、前段の光スイッチングエンジンの出射面と後段の光スイッチングエンジンの入射面をそれぞれが９０°回転させて張り合わせたことを特徴とする２重化された光スイッチングエンジン。
  8. 　請求項７に記載の光スイッチングエンジンにおいて、前記スイッチング液晶位相パネルの当該平行平板液晶パネルが２つ以上の領域にセグメント化されて、そのセグメントに対して異なった前記周期Λのセグメントからなる偏光グレーティングプレートが構成されており、前記セグメントに入射した入射光は独立して前記偏光グレーティングプレートから偏向されて出射され得ることを特徴とする多重セグメント化された光スイッチングエンジン。
  9. 　請求項７または請求項８いずれか１項に記載の光スイッチングエンジンにおいて、その周囲をペルツエ素子により所望の温度となるように制御したことを特徴とする光スイッチングエンジン。
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