(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
液晶を用いた液晶光スイッチにおいて、
前記液晶光スイッチは、アンチパラレルまたはパラレル配向の複数の液晶セルからなる液晶偏光回転子を有し、
前記各液晶セルのセル厚と、前記各液晶セルの液晶層のリターデーションとの比がほぼ等しく、
前記液晶セル間で光出射側基板と光入射側基板とが対向し、
前記光入射側基板の界面における液晶ダイレクタに対して、方位角が−π／４だけ傾いた方位角β１＝０ラジアンの直線偏光の入射光が、前記液晶偏光回転子に入射すると、前記光出射側基板の界面における液晶ダイレクタに対して、π／４だけ傾いた方位角β２＝π／２ラジアンで振動する直線偏光の出射光となり、
前記液晶偏光回転子の電圧印加の有無によって、前記入射光を制御することを特徴とする液晶光スイッチ。
【請求項２】
前記液晶偏光回転子が所定の波長の半波長板であることを特徴とする請求項１記載の液晶光スイッチ。
【請求項３】
前記液晶セルが２つであり、
各液晶セルの前記液晶層のリターデーションがほぼ四分の一波長であることを特徴とする請求項１又は２に記載の液晶光スイッチ。
【請求項４】
請求項１から３の何れか１項に記載の液晶光スイッチの駆動方法であって、
前記液晶セルに印加する所定の駆動波形の実効値をアナログ変調し、連続的に偏光回転量および入射光の楕円率を制御することを特徴とする液晶光スイッチの駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信用偏光制御型液晶光スイッチに関し、更に詳しくは光ファイバを用いた波長多重（ＷＤＭ）通信方式・光化ネットワークに用いる偏光制御型液晶光スイッチ及びその駆動方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ネマティック液晶を用いた偏光制御型光変調器は、これまで液晶ディスプレイ用途で実用化が進んできた。偏光回転子の代表例として９０°ツイステッドネマティック（ＴＮ）型液晶が挙げられる。ＴＮ型液晶では、応答時間がセル厚の２乗に比例するため、高速応答セルを実現するためには薄セル厚化が必要となる。
ＴＮ型液晶は、基本的にコントラスト比を大きくするのには適しているが応答速度を高速化するために液晶セル厚を薄くする。
【０００３】
ここで、λは波長、Δｎは液晶の屈折率異方性、ｄは液晶セル厚とすると、いわゆるモーガン（Mauguin）条件、
λ／２がΔｎ・ｄに対して充分に小さい条件
を満たさなくなるためウェーブガイド効果が小さくなる。その結果、コントラスト比が劣化するという現象が生じる。この問題を解決するために今日の高速応答ＴＮ型ディスプレイは、式
ｄ＝（λ／２）・（ｕ／Δｎ）
のモーガンパラメータｕを平方根３に設定した液晶ディスプレイのノーマリーブラックモードで言うファースト（first: 以下１ｓｔと記載する）ミニマム条件にセルパラメータを決めてセル化する場合が多い。
【０００４】
ＴＮ型液晶を光ファイバ通信用の２×２スイッチに応用した例として、参考文献は例えば（Y. Hakamata, T. Yoshizawa and T. Kodaira, "A 1.3 μm Single-Mode 2X2 Liquid Crystal Optical Switch", IEICE Trans. Commun., Vol. E77-B, No.10 October 1994）がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、光ファイバ通信で用いられる波長は赤外域であり、ディスプレイでの可視域の使用波長（例：緑で５５０ｎｍ）と異なり１３００ｎｍ帯や１５５０ｎｍ帯が使用されることが多い。したがって、使用波長が長いためセル厚が結果的に厚くなってしまう。このため、従来のＴＮ型セルを光ファイバ通信用の偏光制御型光スイッチに使用すると、応答速度が遅くなってしまうことが問題となる。
【０００６】
例えば、同期光ネットワーク（ＳＯＮＥＴ）や同期デジタルハイアラーキ（ＳＤＨ）などの規格では、ネットワークに障害が起こったときに復帰時間として、５０ｍ秒以下であることが規定されてしる。
したがって、システムの光化が今後、進展していく場合も、従来からのネットワークとの親和性が重要であり光スイッチの応答時間は少なくとも５０ｍ秒より短い必要が生じる。
【０００７】
例えば光スイッチの偏光回転子をＴＮ型液晶技術を用いて実現することを考える。中心波長を１５５０ｎｍの光ファイバ通信に用いられる波長とした場合、１ｓｔミニマム条件を満たすセル厚は、液晶をＺＬＩ−４７９２（メルクジャパンの商品名）を使用するとΔｎを０．０９としたときに、液晶セル厚ｄはほぼ１５μｍとなる。
【０００８】
このとき立ち上がり応答時間τｒは、液晶セルに印加する電場の大きさの２乗に逆比例するためセル厚が厚くても、印加電圧を大きくすれば５０ｍ秒以下にすることが可能であるが、立下り応答時間τｄは、液晶のセル厚の２乗に比例するため室温近傍において１５０ｍ秒以上になってしまい光通信に用いられる光スイッチには適さない。
【０００９】
また、偏光回転子に、液晶素子を０次の半波長板として用いた光スイッチで実現することを考えた場合、アンチパラレル配向の液晶セルが半波長板となるためのセル厚は
ｄ＝λ／（２・Δｎ）
となる。ここで、前記ＺＬＩ−４７９２のΔｎ＝０．０９とし、中心波長λを１５５０ｎｍとしたときに、セル厚ｄは、約８．６μｍとなる。
この場合、ＴＮ素子より立下り応答時間τｄは、高速になり、約６０ｍ秒が得られるが５０ｍ秒以下とするのは容易でない。
【００１０】
本発明の目的は上記のような課題を解決し、光ファイバ通信に適用可能な、単純な構造で駆動法も簡単でアレイ化に適し、更に光減衰器にも応用可能な偏光制御型液晶光スイッチとその駆動方法を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明における液晶を用いた偏光制御型光スイッチ及びその駆動方法は、下記記載の手段を採用する。
【００１２】
本発明の液晶光スイッチは、液晶を用いた液晶光スイッチにおいて、前記液晶光スイッチは、アンチパラレルまたはパラレル配向の複数の液晶セルからなる液晶偏光回転子を有し、前記各液晶セルのセル厚と、前記各液晶セルの液晶層のリターデーションとの比がほぼ等しく、前記液晶セル間で光出射側基板と光入射側基板とが対向し、光入射側基板の界面における液晶分子の液晶ダイレクタに対して、方位角が−π／４だけ傾いた方位角β１＝０ラジアンの直線偏光の入射光が、液晶偏光回転子に入射すると、光出射側基板の界面における液晶ダイレクタに対して、π／４だけ傾いた方位角β２＝π／２ラジアンで振動する直線偏光の出射光となり、液晶偏光回転子の電圧印加の有無によって、入射光を制御することを特徴とする。
【００１３】
本発明の液晶光スイッチの液晶偏光回転子が所定の波長の半波長板であることを特徴とする。
【００１４】
本発明の液晶光スイッチの液晶セルが２つであり、各液晶セルの前記液晶層のリターデーションがほぼ四分の一波長であることを特徴とする。
【００１５】
本発明の液晶光スイッチの液晶偏光回転子の入射側と出射側に偏光分離器を設けたことを特徴とする
【００１６】
本発明の液晶光スイッチの液晶偏光回転子の入射側と出射側に偏光分離器と全反射ミラーとを設けたことを特徴とする。
【００１７】
本発明の液晶光スイッチの液晶セルに設ける透明電極を複数に分割し、前記液晶セルに複数の液晶偏光回転素子部を設けたことを特徴とする。
【００１８】
本発明の液晶光スイッチの駆動方法は、前記液晶セルに印加する所定の駆動波形の実効値をアナログ変調し、連続的に偏光回転量および入射光の楕円率を制御することを特徴とする。
【００１９】
〔作用〕
本発明の偏光制御型液晶光スイッチにおいては、該光スイッチを構成する偏光回転子が２枚以上の所定の枚数で、アンチパラレルまたはパラレル配向液晶素子を多段に配置した構造であり、第１から第ｋ番目までの液晶素子について、初期配向時のそれぞれの素子の実効的な屈折率異方性Δｎｉとセル厚ｄｉとの積であるリターデーション（ここで、ｉは１からｋまでとする）φｉの和をセル厚ｄｉで割った値が一定値であり、第１のツイステッドネマティック型液晶素子の光入力側基板に接する液晶のダイレクタ方位角を基準としたとき、第ｉ番目の液晶素子の光入力側基板に接する液晶のダイレクタ方位角は、第ｉ−１番目の液晶素子の光出射側基板に接する液晶のダイレクタ方位角に等しくなるように配置した構造とする。
【００２０】
アンチパラレルまたはパラレル配向型液晶素子で良く知られているように、液晶素子を所定の波長λにおいてスイッチング可能な半波長板として用いるときのセル厚の条件は、
ｄ＝λ／（２・Δｎ）
となる。ｄはセル厚、Δｎはリターデーション、λは波長である。
【００２１】
本発明の構造とすることで、それぞれの液晶素子の電極に電場を印加しない場合は、半波長板条件の液晶素子と光学的には等価となる。したがって、所定の波長で第１の液晶セルの入射側ダイレクタ方位角とπ／４かその奇数倍だけ傾いた方位角を持つ入射直線偏光は、第ｋ番目の液晶セルの出射側で楕円偏光となることなく、入射直線偏光の方位角に対して出射直線偏光の方位角をπ／２ラジアン回転する。
【００２２】
ここで、第１から第ｋ番目の液晶セルに電場を印加した場合を考える。
所定の電場を各セルに印加することで各セルのリターデーション構造を消失することができるため、入射直線偏光は、方位角を回転することなく第ｋ番目のセルから出射する。
したがって、本発明の偏光制御型液晶光スイッチにおいては出射側に偏光ビームスプリッタや複屈折結晶を用いた偏光ビームセパレータなどを配置することで入射偏光の方路変更および所定の出射方向への出射光強度を可変することが可能である。
【００２３】
簡単のため、偏光回転子が等しいセル厚みを持つ２枚の４分の１波長板条件からなる本発明の偏光制御型液晶光スイッチを考える。
【００２４】
従来の液晶セル１枚からなる半波長板液晶セルにおいて、セル厚ｄは、
ｄ＝λ／（２・Δｎ）
としている。本発明の偏光回転子が２枚の４分の１波長板条件液晶セルからなる偏光制御型液晶光スイッチの場合は、セル厚ｄを２分割するため一枚あたりのセル厚をｄ／２とすることができる。
【００２５】
アンチパラレルまたはパラレル配向の半波長条件液晶セルにおいて電場無印加から電場印加時の応答時間τｒは、印加電圧をＶとすると近似的に
τｒが（ｄ／Ｖ）2に比例する
という関係であることが知られている。また、電場印加状態から電場無印加時の応答時間τｄは、近似で
τｄがｄ2に比例する
ことが知られている。
【００２６】
したがって、従来技術と比較して本発明の偏光回転子が２枚の４分の１波長板条件液晶セルからなる偏光制御型液晶光スイッチの場合、同一液晶材料で比較した場合、応答速度を４倍程度高速にできる。
ここで、厚み方向の分割数を増やして、一枚あたりのセル厚を薄くすればさらに高速化が可能である。
【００２７】
高速化は、光通信用光スイッチにおいては重要である。一般的には、応答時間は、５０ｍ秒以下が望まれている。しかし、従来技術で中心波長を１５５０ｎｍの光ファイバ通信に用いられる波長とした場合、前記半波長条件を満たすセル厚は、例えば液晶にＺＬＩ−４７９２（メルクジャパンの商品名）を使用したときΔｎは約０．０９であるからセル厚ｄは、約８．６μｍとなってしまう。
【００２８】
このときτｒは、印加電圧を大きくすれば５０ｍ秒以下にすることが可能であるがτｄは、室温付近では６０ｍ秒以上になってしまう。したがって、光スイッチには適していない。
しかし、本発明の例えば、偏光回転子が２枚の４分の１波長板条件液晶セルからなる偏光制御型液晶光スイッチを採用すれば、応答時間τｄを２０ｍ秒以下にすることが容易である。
【００２９】
以上の説明で明らかなように本発明の液晶光スイッチおよび液晶可変光減衰器とその駆動方法では、単純な構成で簡便な駆動方法により高機能な光スイッチおよび可変光減衰器を実現できる。
また、本発明においては、光ファイバを用いた波長多重（ＷＤＭ）通信や光化ネットワークに用いる偏光制御型液晶光スイッチとその駆動方法を提供することだが、本発明の範囲はここに述べる装置により限定されないで、例えば自由空間光通信装置用の液晶光変調器への応用も可能であることは言うまでもない。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明を実施するための最良な形態における液晶光スイッチおよび液晶可変光減衰器とその駆動方法の構成を説明する。
【００３１】
はじめに本発明の実施形態における液晶光スイッチの構成を、図を用いて説明する。
図２は本発明の実施形態における液晶光スイッチを構成する液晶セル２２０の構成を説明するための断面図である。
【００３２】
図２に示すように、本発明の液晶光変調装置の液晶セル２２０は、信号電極２１１を形成した第１の基板２０３と共通電極２１３を形成した第２の基板２０５の間にネマティック液晶層２０１を挟持することにより構成している。
ネマティック液晶層２０１は第１の基板２０３の信号電極２１１の上と第２の基板２０５の共通電極２１３の上とに形成した配向層２１７によって電場無印加時のポジ（ｐ）型液晶分子のダイレクタ２０７のプレティルト角２０９が０．５度から２０度となるように、アンチパラレル配向とする。
ここで、配向層２１７は、ポリイミドで形成し、ラビング法により液晶分子を所定の方向に配向する。また、図２では、アンチパラレル配向の場合を示したがダイレクタ２０７はパラレル配向としても良い。
【００３３】
図２には明示しないが、ネマティック液晶層２０１が数μｍの所定の一定厚みを保持するように第１の基板２０３と第２の基板２０５はスペーサを介して液晶セル２２０周辺部をシール材で固定する。
また、図２には示していないが信号電極２１１と共通電極２１３が短絡するのを防ぐために信号電極２１１の上か共通電極２１３の上または両方に五酸化タンタル（Ｔａ2Ｏ5）や二酸化シリコン（ＳｉＯ2）などの透明絶縁膜を配向層２１７の下に形成しても良い。
【００３４】
第１の基板２０３上に形成する信号電極２１１と第２の基板２０５上に形成する共通電極２１３はアレイ化する場合など必要に応じて透明導電膜からなる所定のパタンを形成する。
透明導電膜として酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）を用いるときは、膜厚を５０ｎｍ以下とし、さらに、赤外域での透過率を向上するために、成膜時に酸素濃度を多くしたシート抵抗数百Ωから１ｋΩ程度の膜を使用することが望ましい。
【００３５】
ＩＴＯのほかに透明導電膜としては、酸化インジウム（Ｉｎ2Ｏ3）、酸化スズ（ＳｎＯ2）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）などの薄膜が使用可能である。
この場合も、膜厚は５０ｎｍ以下として、シート抵抗数は数百Ωから１ｋΩ程度の膜を使うことが望ましい。
【００３６】
ガラスからなる第１の基板２０３および第２の基板２０５のネマティック液晶層２０１と反対の面には空気と基板界面での反射を防止するため必要に応じて無反射コート２１５を形成する。
また、図２では無反射コート２１５は第１の基板２０３上だけに形成した場合を示したが、第２の基板２０５の下にも必要に応じて形成する。
【００３７】
次に本発明の液晶偏光回転子を、セル厚およびプレティルト角の等しいアンチパラレル配向液晶セル２段で構成した場合について図３および図４を用いて説明する。
図３は第１の液晶セル３０１と第２の液晶セル３０３から構成した液晶偏光回転子３１７を模式的に示す図である。
【００３８】
図３において、第１の液晶セル３０１は、第１のガラス基板３１９と第２のガラス基板３２１とで第１の液晶層３０５を挟持した構造とする。また、第２の液晶セル３０３は、第３のガラス基板３２３と第４のガラス基板３２５とで第２の液晶層３０７を挟持した構造とする。
第１の液晶セル３０１の第１のセル厚みｄ１と第２の液晶セル３０３の第２のセル厚みｄ２とは、等しくする。図３には、明示しないが第１の液晶セル３０１および第２の液晶セル３０５は、図２で説明した液晶セル２２０と同じ構成とする。
【００３９】
図３の第１の液晶層３０５と第２の液晶層３０７中の矢印は、液晶分子の配向状態を示すためのものであり、液晶のダイレクタを模式的に示す。
【００４０】
ここで、第１の液晶セル３０１において、第１のガラス基板３１９と第１の液晶層３０５との界面を第１の界面３０９とする。同様に第２のガラス基板３２１と第１の液晶層３０５との界面を第２の界面３１１とする。さらに第２の液晶セル３０３において、第３のガラス基板３２３と第２の液晶層３０７との界面を第３の界面３１３とする。最後に第４のガラス基板３２５と第２の液晶層３０７との界面を第４の界面３１５とする。
ここで、ｘ−ｙ−ｚ座標系において、ｘ軸の正の方向からｙ軸の正の方向に時計回りの方向を方位角正とした場合に、第１の液晶セル３０１の第１の界面３０９側の液晶ダイレクタの方位角をπ／４ラジアンにとり、厚み方向をｚ軸に平行となるように選ぶことにする。
【００４１】
次に各界面３０９，３１１，３１３，３１５での液晶ダイレクタの方向を図４の平面図に示す。以下、図３と図４とを交互に参照して説明する。
第１の界面３０９においては、第１の液晶ダイレクタ４０１のｘ軸から測った方位角α１をπ／４ラジアンとする。第１の液晶セル３０１はアンチパラレル配向とするので第２の界面３１１においては、第２の液晶ダイレクタ４０３の方位角α２もπ／４ラジアンとする。次に第３の界面３１３の第３の液晶ダイレクタ４０５の方位角α３は、第２の液晶ダイレクタ４０３と平行にするため、π／４ラジアンとする。
さらに、第２の液晶セル３０２もアンチパラレル配向とするので第４の界面３１５における、第４の液晶ダイレクタ４０７の方位角α４はπ／４ラジアンとする。
【００４２】
ここまででは、等しいセル厚を持った２枚の液晶セル３０１，３０３で液晶偏光回転子３１７を構成する場合を説明したが、液晶セルを３枚以上のｋ枚で構成することもできる。
この場合、全セル厚ｄは、第１のセル厚ｄ１から第ｋのセル厚ｄｋとおいたとき、
ｄ＝ｄ１＋ｄ２＋．．．ｄｋ                （１）
となる。使用する液晶材料の異常光屈折率をｎｅ、常光屈折率をｎｏとしたとき実効異常光屈折率ｎeffは、液晶セルのプレティルト角をθとしたとき、
ｎeff=(sin2θ／ｎo2＋cos2θ／ｎe2)-1/2    （２）
となる。ここで、各液晶セルのプレティルト角θは、等しいとして、
Δｎ＝ｎeff−ｎｏ                         （３）
とおいて、所定の波長λにおいて全セル厚は
ｄ＝λ／（２・Δｎ）                      （４）
を満たすようにする。
これは、良く知られているように水晶などで作製した０次の半波長板と等価である。（参考文献としては例えばPochi Yeh and Claire Gu, Optics of Liquid Crystal Displays, Wiley, 1999がある）
【００４３】
また、第１から第２ｋまでの界面での液晶ダイレクタの方位角αｋは、第１の液晶ダイレクタの方位角α１と全て等しくする必要がある。例えば
α１＝π／４ラジアンとしたときに
α１＝α２
α２＝α３
・・・・・
α２ｋ−１＝α２ｋ
というように設定する。
【００４４】
図３において、液晶偏光回転子３１７を構成する液晶セルの全セル厚ｄは、
ｄ＝λ／（２・Δｎ）
とする。中心波長λを１５５０ｎｍ、プレティルト角を１°として、例えば液晶材料にＺＬＩ−４７９２（メルクジャパンの商品名）を用いた場合、Δｎは、約０．０９であるから、
ｄ＝８．６  ［μｍ］
とする。したがって、液晶偏光回転子３１７を２枚の液晶セルで構成する場合、第１の液晶セル３０１のセル厚ｄ１と第２の液晶セル３０３のセル厚ｄ２とは、
ｄ１＝ｄ２＝４．３  ［μｍ］
と設定すれば良い。
【００４５】
以上のように構成した、液晶偏光回転子３１７に、第１の界面３０９の第１の液晶ダイレクタ４０１に対して方位角が−π／４だけ傾いた方位角β１＝０ラジアンの入射直線偏光４１０を入射すると、第４の界面３１５の平面を出射する出射直線偏光４１３は第４の液晶ダイレクタ４０７に対して＋π／４だけ傾いた方位角β２＝π／２ラジアンで振動する直線偏光となる。
【００４６】
つまり、２枚の第１および第２の液晶セル３０１，３０３からなる液晶偏光回転子３１７は入射直線偏光４１０は方位角をπ／２回転して出射直線偏光４１３に偏光を回転する０次の半波長板の働きをする。
図８に０次の半波長板条件で作製した液晶偏光回転子特性８０３と１ｓｔミニマム条件で作製した９０°ＴＮ型偏光回転子特性８０１のアイソレーション特性の比較を示す。
【００４７】
アイソレーション特性は、理想的な偏光回転子では入射直線偏光４１０は出射直線偏光４１３に全て変換されるはずであるが実際は、出射直線偏光４１３に直交する成分が生じ光スイッチのクロストーク成分となる。図８は、出射直線偏光４１３に直交する漏れ光成分の波長依存性を示している。
【００４８】
一例として実用的に考えてアイソレーションが−３０ｄＢより大きくなる波長範囲を動作波長範囲と見なして比較した場合、中心波長を１５５０［ｎｍ］で比べたときに、９０°ＴＮ型偏光回転子特性８０１の−３０ｄＢ範囲８１０が約８０［ｎｍ］に対して、半波長板型の液晶偏光回転子特性８０３の−３０ｄＢ範囲８１３は、約６０［ｎｍ］と３／４位となるが、両者とも十分な帯域を持っているため全セル厚ｄを１／３1/2だけ半波長板型は薄く出来る特長から特に高速スイッチが必要な場合は、半波長板型が適している。
【００４９】
次に第１と第２の液晶セル３０１，３０３に電場を印加した場合の動作を説明する。
第１の液晶セル３０１と第２の液晶セル３０３に十分大きな所定の電圧を印加した場合、各セルの液晶分子は、電場方向に並ぶため、異方性を消失する。したがって、液晶偏光回転子３１７は、常光と異常光に対して位相差を付与しなくなる。この結果、入射直線偏光４１０は、出射しても方位角は、入射時とおなじ０ラジアンとなる。
【００５０】
更に駆動時には、液晶偏光回転子３１７に電場を印加する場合、第１の液晶セル３０１と第２の液晶セル３０３に同時に電場を印加するようにする。また、液晶偏光回転子３１７を電場無印加状態にする場合も、第１の液晶セル３０１と第２の液晶セル３０２へ印加している電場を同時に取り去るようにする。
このような駆動方法を採用することで、スイッチング時間は、単個の液晶セルで決められるため液晶偏光回転子３１７の高速スイッチングが可能となる。
【００５１】
以上の説明で明らかなように、本発明の液晶偏光回転子を用いた偏光制御型液晶光スイッチにおいては、偏光回転時（印加電場無し）の入射直線偏光が偏光回転後に楕円偏光となることがなく光学特性を最適にすることが可能であるとともに、偏光非回転時（電場印加時）の応答時間を短縮することが可能となる。
【００５２】
次に前記、偏光制御型の液晶光スイッチの全体の構成について図１を用いて詳しく説明する。
【００５３】
図１は本発明の偏光制御型の液晶光スイッチ３２０を模式的に示す図である。液晶偏光回転子３１７は、第１の液晶セル３０１と第２の液晶セル３０３とから構成する。
第１の液晶セル３０１には、第１の信号源１３１を第１のスイッチ１３５を介して接続する。同様に第２の液晶セル３０３には、第２の信号源１３３を第２のスイッチ１３７を介して接続する。図１では、理解しやすくするため液晶セルへの信号の印加、無印加の制御を第１のスイッチ１３５と第２のスイッチ１３７でおこなう方法で説明するが、スイッチの代りに信号源をトランジスタやダイオードまたはＩＣを用いて電子的に制御しても良いことは、言うまでもない。
【００５４】
本発明の偏光制御型の液晶光スイッチ３２０は、第１の偏光分離器１２１と第２の偏光分離器１２３とで液晶偏光回転子３１７の第１の領域１４５を両側から挟む構成とする。また、第１の全反射ミラー１２５と第２の全反射ミラー１２７とで液晶偏光回転子３１７の第２の領域１４７を両側から挟む構造とする。
このように構成した液晶光スイッチ３２０は、入力Ａおよび入力Ｂと出力Ｃおよび出力Ｄを備える。
【００５５】
次に本発明の液晶光スイッチ３２０の動作について説明する。
はじめに、液晶偏光回転子３１７を構成する第１の液晶セル３０１と第２の液晶セル３０３とに電圧を無印加で液晶偏光回転子３１７が偏光を回転する作用をする場合を、図１を用いて説明する。
【００５６】
まず、入力Ａに第１の入力光１０１を入射することを考える。図１には明示しないが第１の入力光１０１は、光ファイバから出射した光をコリメータで平行光とした光とする。第１の入力光１０１は、第１の偏光分離器１２１に対するＰ偏光となる第１の直線偏光１０３とＳ偏光となる第２の直線偏光１０５とに分けて考える。
以降は、Ｐ偏光を図面上、垂直か水平の矢印で示し、Ｓ偏光を図面上、斜めの矢印で示すことにする。
【００５７】
第１の偏光分離器１２１に入射した第１の直線偏光１０３は、Ｐ偏光のため第１の偏光分離器１２１を透過し、液晶偏光回転子３１７の第１の領域１４５を通る第１の光路１４１に従って液晶偏光回転子３１７中を進む。第１の直線偏光１０３は、液晶偏光回転子３１７を構成する第１の液晶セル３０１と第２の液晶セル３０３が電圧無印加であり、図１に図示しないがＰ偏光の方位角と第１の液晶セル３０１の入射側の液晶ダイレクタの方位角とのなす角を４５°のため、第１の領域１４５を出射したときは、方位角を９０°回転して、Ｓ偏光となる。
Ｓ偏光となった第１の直線偏光１０３は、第２の偏光分離器１２３で、進行方向を直角に変えて出力Ｄから出射する。
【００５８】
一方、入力Ａに入った第２の直線偏光１０５は、Ｓ偏光のため第１の偏光分離器１２１で直角に向きを変えて、第１の全反射ミラー１２５に入射し、更に、直角に向きを変えてＳ偏光のまま、液晶偏光回転子３１７の第２の領域１４７を通る第２の光路１４３に従って液晶偏光回転子３１７中を伝搬する。第２の直線偏光１０５は、液晶偏光回転子３１７を構成する第１の液晶セル３０１と第２の液晶セル３０３が電圧無印加であり、第２の領域１４７を出射したときは、液晶偏光回転子３１７が半波長板として働くため方位角を９０°回転して、Ｐ偏光となる。
【００５９】
第２の領域１４７を出射した第２の直線偏光１０５は、第２の全反射ミラー１２７で直角に向きを変え、更に第２の偏光分離器１２３では向きを変えることなく透過するため、出力ＤにＰ偏光として到達する。したがって、出力Ｄでは、第１の領域１４５を伝搬しＳ偏光となった第１の直線偏光１０３と、第２の領域１４５を伝搬しＰ偏光となった第２の直線偏光１０５とを合成した第１の出力光１１３として出射する。
第１の出力光１１３は、図示しないが必要に応じてコリメータレンズを介して光ファイバと結合する。
【００６０】
次に、入力Ｂに入射した第２の入力光１０７について考える。
第２の入力光１０７は、第１の偏光分離器１２１に対するＰ偏光となる第３の直線偏光１０９とＳ偏光となる第４の直線偏光１１１とに分けて考える。第１の偏光分離器１２１に入射した第３の直線偏光１０９は、Ｐ偏光のため第１の偏光分離器１２１を透過し、第１の全反射ミラー１２５で直角に向きを変えて液晶偏光回転子３１７の第２の領域１４７を通る第２の光路１４３に従って液晶偏光回転子３１７中を進む。第３の直線偏光１０９は、液晶偏光回転子３１７を構成する第１の液晶セル３０１と第２の液晶セル３０３が電圧無印加であり、図１に図示しないがＰ偏光の方位角と第１の液晶セル３０１の入射側の液晶ダイレクタの方位角とのなす角が４５°のため、第２の領域１４７を出射したときは、方位角を９０°回転して、Ｓ偏光となる。
Ｓ偏光となった第３の直線偏光１０９は、第２の全反射ミラー１２７で直角に向きを変え、更に第２の偏光分離器１２３に入射する。しかし、Ｓ偏光のため第２の偏光分離器１２３で進行方向を直角に変えて出力Ｃから出射する。
【００６１】
一方、入力Ｂに入った第４の直線偏光１１１は、Ｓ偏光のため第１の偏光分離器１２１で直角に向きを変えて、Ｓ偏光のまま、液晶偏光回転子３１７の第１の領域１４５を通る第１の光路１４１に従って偏光回転子３１７中を伝搬する。第４の直線偏光１１１は、液晶偏光回転子３１７を構成する第１の液晶セル３０１と第２の液晶セル３０３が電圧無印加であり、第１の領域１４５を出射したときは、液晶偏光回転子３１７が半波長板として働くため方位角を９０°回転して、Ｐ偏光となる。第１の領域１４５を出射した第４の直線偏光１１１は、第２の偏光分離器１２３で向きを変えることなく透過するため、出力ＣにＰ偏光として到達する。
【００６２】
したがって、出力Ｃでは、第２の領域１４７を伝搬しＳ偏光となった第３の直線偏光１０９と、第１の領域１４５を伝搬しＰ偏光となった第４の直線偏光１１１とを合成した第２の出力光１１５として出射する。第２の出力光１１５は、図示しないが必要に応じてコリメータレンズを介して光ファイバと結合する。
【００６３】
次に、第１の信号源１３１の第１のスイッチ１３５と第２の信号源１３３の第２のスイッチ１３７とをオン状態とし、液晶偏光回転子３１７を構成する第１の液晶セル３０１と第２の液晶セル３０３とに十分大きな電圧を印加して液晶偏光回転子３１７が偏光回転しない場合を図５を用いて説明する。この図５では、図１と同一構成要素には同一符号を付けている。
【００６４】
まず、入力Ａに第１の入力光１０１を入射することを考える。
第１の入力光１０１は、第１の偏光分離器１２１に対するＰ偏光となる第１の直線偏光１０３とＳ偏光となる第２の直線偏光１０５とに分けて考える。第１の偏光分離器１２１に入射した第１の直線偏光１０３は、Ｐ偏光のため第１の偏光分離器１２１を透過し、液晶偏光回転子３１７の第１の領域１４５を通る第１の光路１４１に従って液晶偏光回転子３１７中を進む。
第１の直線偏光１０３は、液晶偏光回転子３１７を構成する第１の液晶セル３０１と第２の液晶セル３０３が電圧印加状態であり、液晶偏光回転子３１７では方位角の回転が起こらないため、第１の領域１４５を出射したときもＰ偏光のままである。
【００６５】
したがって、第１の直線偏光１０３は、第２の偏光分離器１２３をそのまま透過し、出力Ｃから出射する。一方、入力Ａに入った第２の直線偏光１０５は、Ｓ偏光のため第１の偏光分離器１２１で直角に向きを変えて、第１の全反射ミラー１２５に入射し、更に、直角に向きを変えてＳ偏光のまま、液晶偏光回転子３１７の第２の領域１４７を通る第２の光路１４３に従って液晶偏光回転子３１７中を伝搬する。
第２の直線偏光１０５は、液晶偏光回転子３１７を構成する第１の液晶セル３０１と第２の液晶セル３０３が電圧印加状態であり、第２の領域１４７を出射したときも、偏光状態を変えずにＳ偏光のままである。
【００６６】
したがって、第２の領域１４７を出射した第２の直線偏光１０５は、第２の全反射ミラー１２７で直角に向きを変え、更に第２の偏光分離器１２３で直角に向きを変えて、出力ＣにＳ偏光のまま到達する。
このため、出力Ｃでは、第１の領域１４５を伝搬しＰ偏光である第１の直線偏光１０３と、第２の領域１４７を伝搬しＳ偏光である第２の直線偏光１０５とを合成した第２の出力光１１５として出射する。第２の出力光１１５は、図示しないが必要に応じてコリメータレンズを介して光ファイバと結合する。
【００６７】
次に、入力Ｂに入射した第２の入力光１０７について考える。第２の入力光１０７は、第１の偏光分離器１２１に対するＰ偏光となる第３の直線偏光１０９とＳ偏光となる第４の直線偏光１１１とに分けて考える。
【００６８】
第１の偏光分離器１２１に入射した第３の直線偏光１０９は、Ｐ偏光のため第１の偏光分離器１２１を透過し、第１の全反射ミラー１２５で直角に向きを変えて液晶偏光回転子３１７の第２の領域１４７を通る第２の光路１４３に従って液晶偏光回転子３１７中を進む。
第３の直線偏光１０９は、液晶偏光回転子３１７を構成する第１の液晶セル３０１と第２の液晶セル３０３が電圧印加状態であり、偏光回転機能を消失しているため、第２の領域１４７を出射したときもＰ偏光を維持している。第２の領域１４７を出射した第３の直線偏光１０９は、第２の全反射ミラー１２７で直角に向きを変え、次に第２の偏光分離器１２３に入射する。しかし、Ｐ偏光のため第２の偏光分離機１２３をそのまま透過し、出力Ｄから出射する。
【００６９】
一方、入力Ｂに入った第４の直線偏光１１１は、Ｓ偏光のため第１の偏光分離器１２１で直角に向きを変えて、Ｓ偏光のまま液晶偏光回転子３１７の第１の領域１４５を通る第１の光路１４１に従って液晶偏光回転子３１７中を伝搬する。
第４の直線偏光１１１は、液晶偏光回転子３１７を構成する第１の液晶セル３０１と第２の液晶セル３０３が電圧印加状態であり、偏光回転機能を消失しているため、第１の領域１４５を出射したときもＳ偏光を維持する。第１の領域１４５を出射した第４の直線偏光１１１は、第２の偏光分離器１２３で直角に向きを変えて、出力ＤにＳ偏光として到達する。
【００７０】
したがって、出力Ｄでは、第２の領域１４７を伝搬したＰ偏光の第３の直線偏光１０９と、第１の領域１４５を伝搬したＳ偏光の第４の直線偏光１１１とを合成した第１の出力光１１３として出射する。
第１の出力光１１３は、図示しないが必要に応じてコリメータレンズを介して光ファイバと結合する。
【００７１】
以上の説明から明らかなように入力Ａに入射した第１の入力光１０１は、液晶偏光回転子３１７を構成する第１の液晶セル３０１と第２の液晶セル３０３とに電圧を印加しない場合、第１の出力光１１３として出力Ｄから出射する。
また、入力Ａに入射した第１の入力光１０１は、液晶偏光回転子３１７を構成する第１の液晶セル３０１と第２の液晶セル３０３とに電圧印加して液晶偏光回転子３１７が偏光回転機能を消失した場合、第２の出力光１１５として出力Ｃから出射する。すなわち第１の入力光１０１は、液晶セル３０１、３０３への電圧印加の有無により異なる出力Ｃと出力Ｄからの出力光となる。
【００７２】
また、入力Ｂに入射した第２の入力光１０７は、液晶偏光回転子３１７を構成する第１の液晶セル３０１と第２の液晶セル３０３とに電圧を印加しない場合、第２の出力光１１５として出力Ｃから出射する。
【００７３】
またさらに、入力Ｂに入射した第２の入力光１０７は、液晶偏光回転子３１７を構成する第１の液晶セル３０１と第２の液晶セル３０３とに電圧印加して液晶偏光回転子３１７が偏光回転機能を消失した場合、第２の出力光１１５として出力Ｃから出射する。
すなわち第２の入力光１０７は、液晶セル３０１、３０３への電圧印加の有無にかかわらず同じ出力Ｃと出力Ｄからの出力光となる。
【００７４】
以上の説明から、本発明の液晶光スイッチ３２０は、２×２の光スイッチとして動作することがわかる。
また、図１に示した、第１の入力光１０１か第２の入力光１０７の片方だけを使えば１×２の光スイッチとして使用できることは言うまでもない。
【００７５】
次に本発明の液晶光スイッチ３２０の入力光がはじめから直線偏光である場合の動作について説明する。
はじめに、液晶偏光回転子３１７を構成する第１の液晶セル３０１と第２の液晶セル３０３とに電圧を無印加で液晶偏光回転子３１７が偏光を回転する場合を図７を用いて説明する。図７では、図１と同一構成要素には同一符号をつけている。
【００７６】
まず、入力Ａに第１の入力光１０１を入射することを考える。図７には明示しないが第１の入力光１０１および後述する第２の入力光１０７は、偏波保存光ファイバから出射した光をコリメータで平行光とした光で良い。
第１の入力光１０１は、第１の偏光分離器１２１に対するＰ偏光となる第１の直線偏光１０３だけからなるような偏光とする。第１の偏光分離器１２１に入射した第１の直線偏光１０３は、Ｐ偏光のため第１の偏光分離器１２１を透過し、液晶偏光回転子３１７の第１の領域１４５を通る第１の光路１４１に従って液晶偏光回転子３１７中を進む。第１の直線偏光１０３は、液晶偏光回転子３１７を構成する第１の液晶セル３０１と第２の液晶セル３０３が電圧無印加であり、図７には図示しないが、Ｐ偏光の方位角と第１の液晶セル３０１の入射側の液晶ダイレクタの方位角とのなす角が４５°のため、第１の領域１４５を出射したときは、方位角を９０°回転して、Ｓ偏光となる。
【００７７】
第１の入力光１０１であるＳ偏光となった第１の直線偏光１０３は、第２の偏光分離器１２３で、進行方向を直角に変えて出力Ｄから第１の出力光１１３として出射する。
第１の出力光１１３は、図示しないが必要に応じてコリメータレンズを介して光ファイバと結合する。
【００７８】
次に、入力Ｂに入射した第２の入力光１０７について考える。第２の入力光１０７は、第１の偏光分離器１２１に対するＳ偏光となる方位角の第４の直線偏光１１１であるとする。入力Ｂに入った第４の直線偏光１１１は、Ｓ偏光のため第１の偏光分離器１２１で直角に向きを変えて、Ｓ偏光のまま、液晶偏光回転子３１７の第１の領域１４５を通る第１の光路１４１に従って液晶偏光回転子３１７中を伝搬する。
【００７９】
第４の直線偏光１１１は、液晶偏光回転子３１７を構成する第１の液晶セル３０１と第２の液晶セル３０３が電圧無印加であり、第１の領域１４５を出射したときは、液晶偏光回転子３１７が半波長板として働くため方位角を９０°回転して、Ｐ偏光となる。第１の領域１４５を出射した第２の入力光１０７である第４の直線偏光１１１は、第２の偏光分離器１２３で向きを変えることなく透過するため、出力ＣにＰ偏光として到達する。
したがって、出力Ｃでは、第２の出力光１１５として出射する。第２の出力光１１５は、図示しないが必要に応じてコリメータレンズを介して光ファイバと結合する。
【００８０】
ここで、液晶偏光回転子３１７を構成する第１の液晶セル３０１と第２の液晶セル３０３とに、それぞれ第１の信号源１３１および第２の信号源１３３によって所定の駆動電圧を第１のスイッチ１３５と第２のスイッチ１３７を入れることで印加する場合を考える。
この場合、液晶偏光回転子３１７は、入射偏光の方位角を９０°回転する作用を消失する。したがって、第１の入力光１０１は出力Ｃに第２の出力光１１５として出射し、第２の入力光１０７は出力Ｄに第１の出力光１１３として、出射する。
【００８１】
以上の説明から、本発明の液晶光スイッチ３２０は、液晶偏光回転子３１７への電圧印加および無印加により出力先を選択できる２×２の光スイッチとして動作することがわかる。
また、図７に示した、第１の偏光分離器１２１を使用せずに第１の入力光１０１か第２の入力光１０７のどちらか片方だけを第１の領域１４５にＰ偏光またはＳ偏光として入射して使えば１×２の光スイッチとして使用できることは言うまでもない。
【００８２】
次に本発明の偏光制御型の液晶光スイッチ３２０を可変光減衰器として用いる場合の構成と駆動方法について説明する。例えば図１で入力を入力Ａに第１の入力光１０１だけを入射するとし、出力としては、出力Ｄから出射する第１の出力光１１３だけを考える。
第１のスイッチ１３５と第２のスイッチ１３７とをそれぞれ短絡状態にして、第１の液晶セル３０１に第１の信号源１３１を、第２の液晶セル３０３に第２の信号源１３３をそれぞれ接続する。このとき、第１の信号源１３１と第２の信号源１３３の出力の振幅を変えるかパルス幅を変えるなどして液晶セル３０１，３０３に印加する電圧実効値をアナログ的に変えていくことを考える。
【００８３】
このとき、液晶偏光回転子３１７の第１の領域１４５と第２の領域１４７を出射する光は、液晶偏光回転子３１７が液晶セル３０１，３０３の変調印加電圧に応じて、偏光回転機能をアナログ的に消失するため、一般には楕円偏光となる。
このため、出力Ｄへ出射する第１の出力光１１３は、強度変調を受けることになるため、第１の信号源１３１と第２の信号源１３３の出力の実効値に応じて連続的に出力光強度を制御することが可能となる。したがって、偏光制御型液晶光スイッチ３２０を可変光減衰器として使用することができる。
【００８４】
本発明の液晶を用いた偏光制御型光スイッチをアレイ化する場合の構成について図６を用いて説明する。図６は、アレイ化した液晶セルを用いた偏光制御型の液晶光スイッチの構成を示す図である。
【００８５】
アレイ化する場合は、複数のセルからなる液晶偏光回転子３１７をアレイの数に面内で分割することで構成する。分割方法としては図６には図示していないが液晶偏光回転子３１７を構成する液晶セルの透明電極を所定の領域に電極面内で分割することで実現する。
図６では、液晶偏光回転子３１７を第１の液晶偏光回転素子部６２１と第２の液晶偏光回転素子部６２３とに２分割する場合を示す。
【００８６】
図６に示すように第１の複合プリズム部６３１を、第１の偏光分離器１２１と第１の全反射ミラー１２５から構成し、第２の複合プリズム部６３３を第２の偏光分離器１２３と第２の全反射ミラー１２７から構成する。
アレイ化偏光制御型光スイッチは前記分割素子部を持つ液晶偏光回転子３１７を、第１の複合プリズム部６３１と第２の複合プリズム部６３３との間に配置することで構成する。図６では、２×２素子を２つ配置したアレイ化素子を示す。
【００８７】
第１の液晶偏光回転素子部６２１においては、第１Ａの入力６０１と第１Ｂの入力６０３からの入射光を制御し、第１Ｃの出力６１１および第１Ｄの出力６１３から、出射するようにする。
また、第２の液晶偏光回転素子部６２３では、第２Ａの入力６０５と第２Ｂの入力６０７からの入射光を制御し、第２Ｃの出力６１５および第２Ｄの出力６１７から、出射するようにする。
【００８８】
図６では、簡単のため液晶偏光回転子３１７を２分割した１次元２アレイ構成の場合を示したがアレイ化は、同様な手法で２次元面内に展開することが可能なので１次元２アレイには限定しないことは言うまでもない。
【００８９】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明の液晶光スイッチおよびその駆動方法によれば、単純な構成で簡便な駆動方法により可変光減衰器としても利用可能で高機能な光スイッチを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態における液晶光スイッチの構成を模式的に示す図面である。
【図２】本発明の実施形態における液晶光スイッチの液晶偏光回転子を構成する液晶セルの構造を模式的に示す図面である。
【図３】本発明の実施形態における液晶光スイッチの液晶偏光回転子の構造を模式的に示す図面である。
【図４】本発明の実施形態における液晶光スイッチの液晶偏光回転子を構成する液晶セルの各基板界面での液晶ダイレクタの方位角を説明する平面図である。
【図５】本発明の実施形態における液晶光スイッチの液晶偏光回転子に信号源を接続した構成を模式的に示す図面である。
【図６】本発明の実施形態における液晶光スイッチをアレイ化したときの構成を模式的に示す図面である。
【図７】本発明の液晶を用いた偏光制御型光スイッチの入射光が直線偏光に限定できる場合の実施形態における構成を模式的に示す図面である。
【図８】偏光制御型光スイッチに用いる液晶セルにＴＮ型を用いた場合と半波長板型を用いた場合とのアイソレーション特性の波長依存性を示すグラフである。
【符号の説明】
１０１：第１の入力光            １０３：第１の直線偏光
１０５：第２の直線偏光            １０７：第２の入力光
１０９：第３の直線偏光            １１１：第４の直線偏光
１１３：第１の出力光            １１５：第２の出力光
１２１：第１の偏光分離器            １２３：第２の偏光分離器
１２５：第１の全反射ミラー            １２７：第２の全反射ミラー
１３１：第１の信号源            １３３：第２の信号源
１３５：第１のスイッチ            １３７：第２のスイッチ
１４１：第１の光路            １４３：第２の光路
１４５：第１の領域            １４７：第２の領域
２０１：ネマティック液晶層            ２０３：第１の基板
２０５：第２の基板            ２０７：ダイレクタ
２０９：プレティルト角            ２１１：信号電極
２１３：共通電極            ２１５：無反射コート
２１７：配向層            ２２０：液晶セル
３０１：第１の液晶セル            ３０３：第２の液晶セル
３０５：第１の液晶層            ３０７：第２の液晶層
３０９：第１の界面            ３１１：第２の界面
３１３：第３の界面            ３１５：第４の界面
３１７：液晶偏光回転子            ３１９：第１のガラス基板
３２０：偏光制御型液晶光スイッチ            ３２１：第２のガラス基板
３２３：第３のガラス基板            ３２５：第４のガラス基板
４０１：第１の液晶ダイレクタ            ４０３：第２の液晶ダイレクタ
４０５：第３の液晶ダイレクタ            ４０７：第４の液晶ダイレクタ
４１０：入射直線偏光            ４１３：出射直線偏光
６０１：第１Ａの入力            ６０３：第１Ｂの入力
６０５：第２Ａの入力            ６０７：第２Ｂの入力
６１１：第１Ｃの出力            ６１３：第１Ｄの出力
６１５：第２Ｃの出力            ６１７：第２Ｄの出力
６２１：第１の液晶偏光回転素子部
６２３：第２の液晶偏光回転素子部
６３１：第１の複合プリズム部          ６３３：第２の複合プリズム部
８０１：１ｓｔミニマム条件で作製した９０°ＴＮ型偏光回転子特性
８０３：半波長板条件で作製した液晶偏光回転子特性
８１０：ＴＮ型の―３０ｄＢ範囲
８１３：半波長板型の―３０ｄＢ範囲
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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