(57)【要約】本発明は、それぞれが少なくとも一つの光導波路（１１０）を有する２つの平面光基板（１００）と、これらの間に挿入されるネマティック液晶（２００）とを備え、液晶（２００）が、導波路（１１０）に挿入される光信号のＴＥおよびＴＭ偏光それぞれの結合および分離を制御する、２つの異なる活性領域（２１０，２２０）に分けられていることを特徴とする、電気光学素子を提供する。
2004521390.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
それぞれが少なくとも一つの光導波路（１１０，４１０）を有する２つの平面光基板（１００，４００）と、これらの間に挿入されるネマティック液晶（２００）とを備え、前記液晶（２００）が、前記導波路（１１０，４１０）に挿入される光信号のＴＥおよびＴＭ偏光それぞれの結合および分離を制御する、２つの異なる活性領域（２１０，２２０）に分けられていることを特徴とする、電気光学素子。
【請求項２】
前記２つの活性液晶領域（２１０，２２０）のそれぞれに関連する２つの電極対（３１０および３１２；３２０および３２２）を備え、各電極対の電極（３１０および３１２；３２０および３２２）は、前記導波路（１１０，４１０）の両側に配され、前記電極（３１０および３１２；３２０および３２２）の向きは、１つの対が他の対と直交していることを特徴とする、請求項１に記載の電気光学素子。
【請求項３】
前記導波路（１１０）は直線的であって、前記基板（１００）の主面の一つ（１０２）と同一平面であることを特徴とする、請求項１または２に記載の電気光学素子。
【請求項４】
前記導波路（１１０）は正方形または長方形である四角形の直断面を有し、その面はそれぞれ前記基板（１００）の主面と平行または垂直であって、基本ＴＥ０およびＴＭ０モードのみが伝搬されることを特徴とする、請求項１乃至３のいずれかに記載の電気光学素子。
【請求項５】
前記ネマティック液晶（２００）は、前記光導波路（１１０）の屈折率ｎｇよりも小さい常光線屈折率ｎｏと、前記光導波路（１１０）の屈折率ｎｇよりも大きい異常光線屈折率ｎｅとを有することを特徴とする、請求項１乃至４のいずれかに記載の電気光学素子。
【請求項６】
前記液晶（２００）の、前記基板（１００）へのアンカリングは弱いことを特徴とする、請求項１乃至５のいずれかに記載の電気光学素子。
【請求項７】
前記液晶（２００）は、液晶の前記活性領域と非活性領域（２１０，２２０；２３０）との境界を画定する、対向電極によって封入されることを特徴とする、請求項１乃至６のいずれかに記載の電気光学素子。
【請求項８】
前記液晶（２００）は、前記光導波路（１１０，４１０）の屈折率よりも低い屈折率を持つ媒体によって封入され、前記媒体は前記活性液晶領域（２１０，２２０）の境界を画定することを特徴とする、請求項１乃至６のいずれかに記載の電気光学素子。
【請求項９】
それぞれ前記導波路（１１０，４１０）の両側に配された少なくとも１つの電極対（３１０および３１２；３２０および３２２）を備え、前記各電極（３１０および３１２；３２０および３２２）は、前記２つの基板（１００，４００）の隙間より小さい厚みを持つ２つのグループの電極に分けられ、各基板（１００，４００）に隣接することを特徴とする、請求項１乃至８のいずれかに記載の電気光学素子。
【請求項１０】
第１の基板（１００）に支持される２つの電極（３２０ａおよび３２２ａ）にまず電圧を印加し、次に第２の基板（４００）に支持される２つの電極（３２０ｂおよび３２２ｂ）に電圧を印加し、前記基板に平行な電界を画定する手段を備えることを特徴とする、請求項９に記載の電気光学素子。
【請求項１１】
前記２つの基板（１００，４００）にそれぞれ支持される第１の電極対（３１２ａおよび３１０ａ）にまず電圧を印加し、次に同様に前記２つの基板（１００，４００）にそれぞれ支持される第２の電極対（３１２ｂおよび３１０ｂ）に電圧を印加し、前記基板（１００，４００）に垂直な電界を画定する手段を備えることを特徴とする、請求項９または１０に記載の電気光学素子。
【請求項１２】
それぞれが光導波路（１１０，４１０）を有する２つの基板（１００，４００）を備え、導波路の一つは入力ポート（１１２）および出力ポート（１１４）を有し、他の導波路は１ｘ２構成に対応する、少なくとも一つの出力ポート（４１４）を有することを特徴とする、請求項１ないし１１のいずれかに記載の電気光学素子。
【請求項１３】
それぞれが光導波路（１１０，４１０）を有する２つの基板（１００，４００）を備え、各導波路はそれぞれ２ｘ２構成に対応する、入力ポート（１１２，４１２）および出力ポート（１１４，４１４）を有することを特徴とする、請求項１ないし１１のいずれかに記載の電気光学素子。
【請求項１４】
２つの基板（１００，４００）を備え、そのうち少なくとも一つが複数の光導波路（１１０，４１０）を有し、各導波路はＮｘＰ構成に対応する、入力ポート（１１２，４１２）と出力ポート（１１４，４１４）とを有することを特徴とする、請求項１ないし１１のいずれかに記載の電気光学素子。
【請求項１５】
前記２つの基板（１００，４００）は、Ｎ（Ｎ−１）／２スイッチを有することを特徴とする、請求項１４に記載の電気光学素子。
【請求項１６】
前記導波路（１１０，４１０）のうち、少なくともいくつかは曲がった部分を有することを特徴とする、請求項１４または１５に記載の電気光学素子。
【請求項１７】
前記２つの基板（１００，４００）の前記導波路（１１０，４１０）のある部分は互いに対向し、これらの部分は活性液晶領域（２１０，２２０）の対で分離され、各活性液晶領域は電極対（３１０および３１２、３２０および３２２）に接続されていることを特徴とする、請求項１４乃至１６のいずれかに記載の電気光学素子。
【請求項１８】
Ｎ個の導波路（１１０，４１０）を備え、１番目からＮ−１番目までの前記導波路は２つの基板（１００，４００）に交互に配され、ｉ番目の前記導波路はｉ−１個のスイッチを介して他の基板の１つめの導波路に結合され、ｉ個のスイッチを介して前記他の基板の２つめの導波路に結合されることを特徴とする、請求項１乃至１７のいずれかに記載の電気光学素子。
【請求項１９】
前記基板（１００，４００）の少なくとも一つが複数の導波路（１１０，４１０）を有し、各導波路（１１０，４１０）は一直線上にない複数の部分（１１１，１１３，４１１，４１３）を有し、一つめの基板（１００）の各導波路（１１０）は、二つめの基板（４００）の各導波路（４１０）と向かい合う部分（１１３）を有していることを特徴とする、請求項１乃至１１のいずれかに記載の電気光学素子。
【請求項２０】
２つの導波路（１１０，４１０）の向かい合う部分の対はそれぞれ、２つの異なる活性領域（２１０，２２０）と、２つの直交する電極対（３１０および３１２；３２０および３２２）の組立体を有していることを特徴とする、請求項１９に記載の電気光学素子。
【請求項２１】
前記２つの基板（１００，４００）にそれぞれ配された前記導波路（１１０，４１０）は、互いに直交する方向に延びていることを特徴とする、請求項１９または２０に記載の電気光学素子。
【請求項２２】
前記各導波路（１１０，４１０）は、階段状構成を持ち、相互に平行な直線部分（１１１，４１１）と、それを連結する、前記平行部分に関して好ましくは４５度の角度で傾いている部分（１１３，４１３）とを有していることを特徴とする、請求項１９乃至２１のいずれかに記載の電気光学素子。
【請求項２３】
前記２つの活性液晶領域（２１０，２２０）に関連する電極（３１０および３１２，３２０および３２２）に電圧を印加する手段を備え、前記電圧は前記液晶を再配向するか、前記液晶のアンカリングを切り、光スイッチを形成することを特徴とする、請求項１乃至２２のいずれかに記載の電気光学素子。
【請求項２４】
前記２つの活性液晶領域（２１０，２２０）に関連する電極（３１０および３１２，３２０および３２２）に電圧を印加する手段を備え、前記電圧は前記液晶の配向を制御して、光減衰器を形成することを特徴とする、請求項１乃至２２のいずれかに記載の電気光学素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光信号切り替えの分野に関する。
【０００２】
より詳しくは、本発明は好ましくは、例えば光ファイバーの光ポート間を伝搬する、波長分割多重（ＷＤＭ）信号の切り替えに適用される。
【背景技術】
【０００３】
本発明は、ＮとＰが整数であり、かつＮとＰが選択的に同じ数値であり得る、ＮｘＰ光スイッチの設計を試みるものである。
【０００４】
数年前にＷＤＭ信号が光通信に登場したことにより、広帯域処理を行えるようにするための新しい光コンポーネントを開発する必要が生じた。
【０００５】
最も重要なコンポーネントの一つは、複数の入力ポートまたはファイバーからの光信号を異なる出力ポートまたはファイバーに送ることができる、光スイッチである。
【０００６】
過去には、このようなルーティングは光電変換器を介して行われていた。残念ながら、電子的な変換では一波長のみしか処理できず、故にＷＤＭ送信（現在８０の伝搬波長があり、近い将来には１６０になる）には用いることができない。
【０００７】
これにより、電気通信の分野を専門とする多くの供給業者が、全光スイッチ、すなわち全てのスイッチング工程が光によっておこなわれるスイッチの開発をすることとなった。
【０００８】
これらの全光スイッチの中で、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）は明らかに、最も電気通信業界の興味をひいた（［１］「通信ネットワークにおけるＭＥＭＳベースの光スイッチング」、Ｄｒ．アニス  フセイン、ＯＦＣ２００１議事録、ＰａｐｅｒＷＸ１−１）。これはシリコンマイクロミラー起動の原理によって動作し、あらゆるサイズ（１ｘ２ポートから、４，０００ｘ４，０００ポートまで）のスイッチングマトリクスを構築するために用いることができる。カップリング、挿入損失、スイッチ時間、クロストークなどに関する性能がかなり良いにもかかわらず、ＭＥＭＳには、シリコンマイクロミラーを作成することに関し、および多くのポートを持つマトリクス内の多くのシリコンマイクロミラーに関し、技術的な複雑さが増すという問題がある。
【０００９】
平行して熱光学スイッチ、インクバブルスイッチ、液晶スイッチなどの、他の光スイッチング技術も開発されてきた。
【００１０】
これらの技術のうち、はじめの２つは集積オプティカルソリューションを用いる。熱光学スイッチはプラナー光学を用いて作られるマッハ−ツェンダー干渉計の熱光学効果を用いている。インクバブルスイッチは複数の平面光導波路の交点のインクバブルを局所的に熱することによる全反射を用いる（［２］米国特許公報第６，２１２，３０８号）。これらの技術は、光学的に十分に集積されたソリューションを用いることによる効果があるものの、通常温度や時間に関する安定性は良くない。
【００１１】
現在開発されている液晶技術では、液晶セルに光信号を伝搬することによって引き起こされる偏光回転を用いている（［３］米国特許公報第６，１３４，３５８）。残念ながら、これらのスイッチを動作させるには異なる偏光を別々に処理しなければならず、結果としてコンポーネントの光学的設計全体が複雑になっている。第２の欠点は、カスケード状の複数の液晶セルを用いることによってのみ多くのポートを有するＮｘＰマトリクスを構築できるため、マトリクスポートの数が多くなり、挿入損失がかなり大きくなるということである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明の目的は、特に異なる偏光を個別に処理することに伴う不利益を克服することができる、新しい光スイッチ手段を提案することにある。
【００１３】
本発明の付帯的な目的は、少なくとも一つの入力ポートと一つの出力ポートとの間で、光信号が制御されながら徐々に減衰されることを可能にする手段を提案することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明によれば、この目的は、それぞれが少なくとも一つの光導波路を有する２つの平面光基板と、これらの間に挿入されるネマティック液晶とを備え、液晶が、導波路に挿入される光信号のＴＥおよびＴＭ偏光それぞれの結合および分離を制御する、２つの異なる活性領域に分けられていることを特徴とする、電気光学素子によって達成される。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の利点によれば、装置は二つの活性液晶領域のそれぞれに関連する２対の電極を有し、各対の電極は導波路の両側にそれぞれ配置され、一方の対の電極の向きは他の対のそれと直交するように定められている。
【００１６】
本発明の他の特徴、目的、および利点は添付の図面を参照しながら、非限定的に例示される以下の詳細な説明を読むことにより明らかになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明の素子は、集積光学を用いており、２つの基板間に置かれた液晶が電気的に再配向することを用いている。
【００１８】
本発明のスイッチは、集積光学を用いており、２つの基板間に置かれた液晶が電気的に再配向することを用いている。
【００１９】
本発明によれば、好ましくは入力ポートと出力ポートとは光ファイバーによって形成される。しかし、改良例においては、入力ポートは同等の発光体で形成されてもよく、同様に出力ポートは同等の光受信体で形成されてもよい。
【００２０】
図１乃至３に示す、本発明による電気光学素子の基本構造をまず説明する。
【００２１】
基本構造は、
−光導波路１１０を有する平面基板１００と、
−２つの異なる活性領域２１０および２２０として、基板１００に対向して置かれるネマティック液晶材料２００と、
−液晶２００の各活性領域２１０、２２０に結合され、それぞれＴＥおよびＴＭ線形偏光を処理するのに適した向きで各領域の両側に置かれる、少なくとも１対の電極３１０，３１２および３２０，３２２と
を備える。
【００２２】
以下の記載は、基点Ｏを有する直交フレームｘ、ｙ、ｚを参照する。軸Ｏｘは基板１００の基準平面（ｍｅａｎ  ｐｌａｎｅ）に垂直に延び、軸Ｏｙは基板１００に平行であって、光導波路１１０の長手方向に対して垂直に延び、軸Ｏｚは基板１００に平行であって、光導波路１１０に平行に延びる。
【００２３】
図１に示すように、導波路１１０は軸Ｏｚに沿って直線的に延びる。導波路１１０は基板１００の主面の一つ、１０２と同一平面にある。導波路１１０の一端には入力ポート１１２が、他端には出力ポート１１４がある（入力ポートと出力ポートの定義は、素子が左右対称である限りは任意に決められ、よってポート１１２，１１４はどちらも入力ポートまたは出力ポートであり得る）。
【００２４】
平面基板１００に埋め込まれている光導波路１１０は、２つの基本モードＴＥ０、ＴＭ０のみを伝えるようになっている。これらのモードは図１に示すＯｙおよびＯｘの方向に偏光されている。
【００２５】
このように、導波路１１０は好ましくは正方形または長方形である四角形の断面を持ち、それぞれ軸ＯｙおよびＯｚと基板１００の主面とに平行及び垂直である面を持つ。
【００２６】
好ましくは、基板１００と導波路１１０とは、シリカまたはポリマー材料を用いて作られる。
【００２７】
ネマティック液晶２００は光導波路１１０の屈折率ｎｇより低い常光線屈折率ｎｏを持ち、またｎｇより高い異常光線屈折率ｎｅを持つ。
【００２８】
液晶２００のプレート（基板）１００と対向界面基板（図の簡素化のため、図１では省略）へのアンカリングは、弱くされる。これにより、高くはあるが破壊電界よりは低い電界が加えられたときに界面で起こる液晶のバッファ層からの外乱を最小限にされる。または、アンカリングが破壊されたときに加わる電界の値が低くされ、これは、適当な電圧が電極対３１０，３１２および３２０，３２２に印加されることにより起こる。
【００２９】
ネマティック液晶の２つの活性領域２１０および２２０は、導波路１１０に対向して配置されており、非活性領域２３０によってＯｚ方向に隙間が空けられている。添付の図１乃至３に示すように、Ｏｙ方向の活性領域２１０および２２０の幅は、導波路１１０の対応する幅よりも大きい。
【００３０】
通常、液晶の活性領域２１０および２２０はそれぞれｚＯｙ平面において四角形の断面を持つ。
【００３１】
領域２１０に関連する２つの電極３１０および３１２はＯｘ方向において液晶の両端に配置されている。電極３１０と３１２間に電圧が印加されていないとき、液晶２１０の分子は図１に示すように、導波路１１０に対して平行に、Ｏｚ方向に配向する。これに対し、適当な電圧が電極３１０と３１２間に印加されると、これらの電極間の液晶２１０の分子は図２に示すように、導波路１１０の長手方向に対して直角に、Ｏｘ方向に配向するようになる。
【００３２】
このように、電極３１０と３１２間に電圧を印加することにより、導波路１１０に入った信号のＴＭ偏光成分を切り離す。
【００３３】
実際には、２つの電極３１０と３１２を、それぞれ基板１００の外側と対向封止基板の外側に支持させることができる。
【００３４】
領域２２０に関連する２つの電極３２０および３２２はＯｙ方向において液晶の両端に配置されている。電極３２０と３２２間に電圧が印加されていないとき、液晶２２０の分子は図１に示すように、導波路１１０に対して平行に、Ｏｚ方向に配向する。これに対し、適当な電圧が電極３２０と３２２間に印加されると、これらの電極間の液晶２２０の分子は図２に示すように、導波路１１０の長手方向に対して直角に、Ｏｙ方向に配向するようになる。
【００３５】
このように、電極３２０と３２２間に電圧を印加することにより、導波路１１０に入った信号のＴＥ偏光成分を切り離す。
【００３６】
実際には、２つの電極３２０および３２２は、基板１００に直接支持させることができる。
【００３７】
このように、液晶の活性領域２１０および２２０はそれぞれ入力ポート１１２から光導波路の出口にある出力ポート１１４に向かう、あるいはその逆方向に向かう、ＴＭ０モードまたはＴＥ０モードを結合したり切り離したりする。
【００３８】
電極３１０と３１２、３２０と３２２間に電圧が印加されていないときは、ポート１１２、１１４の一方を介して入力された光信号は導波路１１０の他端にあるポート１１４または１１２に全体が届く。これに対し、適当な電圧が印加されていると、導波路１１０の入力に印加された信号は切り離され、出力側に現れない。
【００３９】
非限定的な実施例によれば、２ｘ２カプラの挿入損失はほぼ０．５デシベル（ｄＢ）から１ｄＢ程度であり、Ｏｙ方向における導波路１１０の幅は約４マイクロメートル（μｍ）から８μｍであり、Ｏｘ方向における導波路１１０の厚さは約２μｍから４μｍであり、基板１００と対向封止基板との間の液晶２００の厚さは約２μｍから６μｍであり、Ｏｚ方向で測定した液晶の活性領域２１０、２２０の長さはそれぞれ約５０μｍから１００μｍであり、Ｏｙ方向における液晶の活性領域２１０、２２０の幅は導波路の幅より大きく、１０μｍから３０μｍの範囲にあり、電極３１０と３１２、または３２０と３２２間に印加される電界はほぼ３ボルトパーマイクロメートル（Ｖ／μｍ）から１０Ｖ／μｍ程度である。
【００４０】
次に、図４乃至７を参照して本発明による光スイッチの基本構造を説明する。これは２ｘ２構造、すなわち２つの入力と２つの出力を持ち、２つの入力のそれぞれにある信号は２つの出力のうち、選択された方に交代で送られる。
【００４１】
通常、１つの入力のみしか用いられない場合、他の構造が以下に述べるものと同じだとして、このような装置は１ｘ２スイッチとして用いることができる。
【００４２】
２ｘ２マトリクスはｙＯｚ面に関して対称である、２つの基板１００、４００を用いて作られる。基板１００、４００はそれぞれ埋込平面光導波路１１０，４１０を有する。２つの導波路１１０，４１０は、上述した導波路１１０と同等である。２つの平面基板１００、４００は重ねられており、２つの導波路１１０、４１０は平行に重なり合い、垂直カプラを構成している。また２つの導波路１１０、４１０は液晶媒体２００で分断されている。
【００４３】
この装置はさらに、導波路１１０と４１０とに沿ってＯｚ方向に離間された２つの活性領域２１０および２２０に分割された、液晶２００を有し、また２つの電極対、３１０と３１２、３２０と３２２を有する。
【００４４】
Ｏｘ方向に離間され、領域２１０の両側にそれぞれ配された電極３１０と３１２は、電極３１０を示す図４に見られるように、それぞれ基板１００および４００の外側表面に保持されてもよい。
【００４５】
Ｏｙ方向に離間され、領域２２０の両側に配される電極３２０および３２２は、好適には基板１００および４００の内側表面に保持される。
【００４６】
実際には、電極３２０および３２２の厚さは２つの基板１００および４００の間の隙間と等しくてもよく、また各電極がこの隙間より小さい厚みを持つ電極群にさらに分割され、これら小さい厚みの各電極は基板１００，４００に隣接して置かれ、スペーサーで分離されていてもよい（図８に示されるように）。
【００４７】
通常、このような状態では、制御電圧（＋ｖ；−ｖ）が基板１００に保持される電極対３２０ａおよび３２２ａと、基板４００に保持される電極対３２０ｂおよび３２２ｂとの両方に印加され、Ｏｙ方向に配向された電界を画定する。
【００４８】
同様に、電極３１０および３１２は基板１００および４００の内側表面に置かれ、各電極は２つの基板１００および４００の間の隙間より小さい厚みを持つ電極のグループに分けられてもよい。小さい厚みの電極はそれぞれ基板１００および４００に隣接して置かれ、図９に示すようにこれら基板に保持される。制御電圧（＋ｖ；−ｖ）が領域２１０の片側において基板１００および４００に保持される電極対３１２ａおよび３１０ａと、領域２１０のもう片側において基板１００および４００に保持される電極対３１２ｂおよび３１０ｂに印加され、Ｏｘ方向に配向した電界を画定する。
【００４９】
このような電極３１０ａ、３１０ｂ、３１２ａ、３１２ｂ、３２０ａ、３２０ｂ、３２２ａ、３２２ｂは通常アルミニウムから成り、１００ナノメートル（ｎｍ）から５００ｎｍの厚みを持つ。これらは光信号を吸収しないように、導波路１１０、４１０の外側に形成される。
【００５０】
２つの入力信号が、例えば添付の図面で１１２および４１２とした入力ポートを介するなどして、平面基板１００の２つの導波路１１０、４１０に入れられる。
【００５１】
常光線屈折率（ｏｒｄｉｎａｎｙ  ｉｎｄｅｘ）ｎｏが光導波路１１０，４１０の屈折率ｎｇより小さく、また異常光線屈折率（ｅｘｔｒａｏｒｄｉｎａｒｙ  ｉｎｄｅｘ）ｎｅがｎｇより大きい液晶２００を選択することにより、活性液晶領域を用いて、線形ＴＥ偏光またはＴＭ偏光をポート１１２および４１２から他端の出力ポート１１４および４１４へ結合することができる。
【００５２】
活性液晶領域２１０および２２０にはそれぞれ、電極３１０および３１２、３２０および３２２によって外部から液晶領域に電界が印加されているかに応じて２つの状態（活性か非活性）がある。
【００５３】
電界が印加されていないとき（非活性状態）は、液晶と基板１００，４００との界面のアンカリングが液晶の配向の量を決定する。液晶の分子は図６に示すように、Ｏｚ方向つまり導波路１１０，４１０の長手方向に平行に配向される。
【００５４】
電界が印加されるとき（活性状態）には、液晶の配向は、電極３１０および３１２、３２０および３２２に印加される電界の方向によって決定される。
【００５５】
このような電界が存在すると、電極３１０および３１２の間の領域２１０では、図５および７に示すように液晶はＯｘ方向に配向し、電極３２０および３２２の間の領域２２０では、図７に示すように液晶はＯｙ方向に沿って配向する。
【００５６】
入力１１２および４１２に入った光信号が完全に出力１１４および４１４に送信されるためには、ＴＥおよびＴＭ偏光の両方を結合する必要がある。これを行うために、本発明によれば、非活性距離２３０だけ離間された２つの活性液晶領域２１０および２２０が用いられる。液晶の配列や印加される電界の方向は、連続的にＴＥ偏光およびＴＭ偏光を処理する２つの液晶領域を画定するように決定される。
【００５７】
液晶の２つの活性領域２１０および２２０を実際に用いるためには、それぞれの領域のネマティック液晶を電気的に再配向させるために、電極３１０と３１２、３２０と３２２を取り付ける必要がある。電極３２０および３２２は、（例えば図８に示すように）各光導波路１１０，４１０のどちらかの側でＴＥ偏光を処理する活性領域２２０用に、平面基板１００，４００のどちらかの側に配置される。この電極の構成は、Ｏｙ方向の電界を得ることを可能にし、この方向への液晶の再配向を可能にする。ＴＭ偏光を処理する活性領域２１０では、電極３１０と３１２とが光導波路１１０，４１０の下に配置され、Ｏｘ方向の電界を発生させるか、あるいは図９に示すように、導波路１１０，４１０の両側に配置される。
【００５８】
液晶２００は少なくとも２つの方法で封止できる。ひとつめの方法は、２つの平面基板１００，４００の間の隙間を完全に液晶２００で埋める方法である。この状態では、液晶の活性領域２１０および２２０と、非活性領域２３０との境界は、対向電極によって決定される。ふたつめの方法は、光導波路１１０，４１０よりも屈折率が低い媒体を用い、この媒体が活性液晶領域２１０，２２０の境界を決定するものである。
【００５９】
この２ｘ２スイッチの結合を最適化し、損失を最小化するために、平面基板１００，４００の平面光導波路１１０，４１０は基本ＴＥ０およびＴＭ０モードのみを伝えることができる。そして、スイッチのポート１１２，４１２に入った入射偏光は、スイッチ内で損失されることなく伝わる。ＴＥ０およびＴＭ０モードは通常モードであるため、これらのモードのひとつを活性液晶領域２１０、２２０のひとつに結合することは、他の搬送モードに影響を与えない。故にＴＭ０モードの伝搬を妨げることなくＴＥ０モードを活性液晶領域２１０内に結合することは可能であり、またその逆も可能である。
【００６０】
本発明による２ｘ２スイッチは、入力ポート１１２，４１２と、出力ポート１１４，４１４に関し完全に対称に動作する。これは、入力ポート１１２および４１２にそれぞれ入力された光信号が同じ出力ポートに切り替えられることはないことを意味する。故に、例えば、入力１１２に入った入力信号が出力ポート１１４に進めば、入力４１２に入った入力信号は必然的に出力ポート４１４に進むことになる。
【００６１】
２ｘ２スイッチの残留クロスオーバ損失（残留クロストーク損失）を最小限にするために、光信号が２つの活性液晶領域２１０，２２０を通過する間、ＴＥ０およびＴＭ０モードの偏光解消を最小化することが重要である。連続した２つの活性領域を持つ本発明のタイプの装置では、偏光解消によって、誤った出力ポートに結合されるなどして損失が起こる。よって、ＴＥおよびＴＭ偏光の方向に対応する活性液晶領域２１０，２２０の構成（すなわち液晶の配列方向や再配向方向など）を選択することが重要である。第２に、液晶アンカリングエネルギーとして適当な値を選択する必要がある。通常、外部電界を印加することによって液晶が積極的に再配向されるバッファ層が存在する。図１０にこのようなバッファ層を示す。このバッファ層の厚さ（コヒーレント長）とその光特性は基本的に液晶と平面基板との間のアンカリング力に依存する。結合の影響を最小限にし、故に本発明のスイッチの偏光解消を最小限にする、最も効果的な方法は、平面基板１００および４００に対し、天頂方向および方位角方向のどちらにたいしても弱いアンカリング力を用いることである。この弱いアンカリングエネルギーは、液晶の許容応答時間（ｔ＜２０ミリセカンド（ｍｓ））を維持するように選択される。
【００６２】
上述の構成は、Ｏｚ方向の静止時配向と電圧を印加された状態でのＯｙおよびＯｘ方向の配向の間で液晶分子の配向を切り替えることによって、光信号を入力ポートと出力ポートとの間でオン／オフ切り替えするのに適している。
【００６３】
しかし、電極３１０および３１２、３２０および３２２の間にこのようなオン／オフ切り替えを行うのに必要な電圧より弱い電圧を印加することにより、分子はＯｚ方向から離れ、Ｏｙ方向またはＯｘ方向に向かって傾く。このような状態では、入力信号は完全に出力に送信されず、減衰される。
【００６４】
このように、電極３１０および３１２、３２０および３２２に印加される電圧の大きさは０から１００％の範囲で光信号の減衰を制御するのに用いられる。
【００６５】
図１１は、減衰効果を得るために、この方法によって大きさが制御された電圧を印加された液晶の中間構成を示す。
【００６６】
本発明は、２ｘ２構成を持つスイッチまたは減衰マトリクスに限定されるものではない。ＮｘＮタイプ、あるいはより一般的なＮｘＰタイプの構成にもその範囲は及ぶ。
【００６７】
ＮｘＮまたはＮｘＰスイッチの例が図１２乃至１４に示されている。
【００６８】
多くのポートを持つＮｘＮまたはＮｘＰスイッチマトリクスは、２ｘ２マトリクスを形成するのと同様の方法で形成することができる。
【００６９】
このようなＮｘＮスイッチは、２ｘ２スイッチで用いられたものと同等の、複数の導波路１１０、４１０を有する２つの平面基板１００，４００を備える。２つの基板１００，４００の導波路１１０，４１０の特定の部分は互いに向かい合っている。これらの部分は活性液晶領域対２１０および２２０によって離間されており、これら各領域は電極対３１０および３１２、３２０および３２２に接続されている。
【００７０】
上述の部分における導波路間の接合部は、好ましくは基本ＴＥ０およびＴＭ０モードのみを伝搬する湾曲した導波路によって形成される。
【００７１】
本発明の好適な特性によれば、この方法で作られたスイッチは相互に連結されたＮ（Ｎ−１）／２個の独立した２ｘ２スイッチを備える。
【００７２】
図１２および１３は、ＮｘＮスイッチの２つの例を非制限的に示したものである。これらの図では、基板の一つ１００と、関連する導波路１１０が実線で描かれている。これに対して、もう一つの基板４００と、関連する導波路４１０とが破線で描かれている。
【００７３】
図１２は、６つのスイッチ領域２００を持つ、４ｘ４スイッチ（すなわち、４つの入力ポートと４つの出力ポートとを持つスイッチ）の例である。
【００７４】
図１３は、１５のスイッチ領域２００を持つ、６ｘ６スイッチ（すなわち、６つの入力ポートと６つの出力ポートとを持つスイッチ）の例である。
【００７５】
図１２および１３に示す構成は、制限的なものではない。
【００７６】
これらの図では、Ｎ個の導波路１１０，４１０が交互に２つの基板１００，４００に備えられている。列１から列Ｎ−１の導波路では、列ｉの導波路がｉ−１個のスイッチを介してもう一つの基板の第１の導波路に結合されており、ｉ個のスイッチを介して他の基板の第２の導波路に結合されている。
【００７７】
図１４に示す、スイッチの変形例を以下に説明する。
【００７８】
図１４の例は、３ｘ３スイッチである。しかし、図１４の構成はＮｘＮスイッチや、より一般的なＮｘＰスイッチに適応可能である。
【００７９】
図１４では、基板の一つ１００と関連する導波路１１０．１、１１０．２、１１０．３が実線で示され、もう一つの基板４００と関連する導波路４１０．１、４１０．２、４１０．３が破線で示されている。
【００８０】
各導波路１１０，４１０は一直線上にない複数の部分を有し、基板１００上の導波路１１０は第２の基板４００上の導波路４１０と向き合う部分を有するようになっている。
【００８１】
２つの異なる基板１００、４００に属する２つの導波路１１０、４１０の向かい合う部分の対を備える組立体Ｅの基本スイッチ構成はそれぞれ、２つの異なる活性領域２１０，２２０と２つの直交する電極対３１０および３１２、３２０および３２２を備える、上述の構成と同じである。
【００８２】
ＮｘＰスイッチでは、このような組立体ＥがＮＰ存在する。これらＮＰ個の組立体Ｅのそれぞれは、個々に、そして他のセットと別々に制御される。
【００８３】
より詳しくは、２つの基板１００および４００の導波路１１０および４１０は、好ましくは互いに直交する方向に延びている。
【００８４】
例えば、基板１００の導波路１１０はこの基板の２つの互いに平行な端部１０４および１０６の間に延びている。
【００８５】
基板４００の導波路４１０は基板４００の２つの互いに平行な端部４０５および４０７の間に延びている。これらの端部は、上述の端部１０４および１０６に直交している。
【００８６】
加えて、導波路１１０および４１０は階段状に構成されている。
【００８７】
このように、基板１００の導波路１１０は上述の端部１０４および１０６に直交した直線状部分１１１を有し、この直線状部分１１１は、端部１０４および１０６に対して好ましくは４５度の角度で傾いた直線状部分１１３に接続されている。
【００８８】
同様に、基板４００の導波路４１０は上述の端部４０５および４０７に直交した直線状部分４１１を有し、この直線状部分４１１は、端部４０５および４０７に対して好ましくは４５度の角度で傾いた直線状部分４１３に接続されている。部分１１３および４１３は互いに平行に向かい合っていることになる。
【００８９】
このように作られ、図１４に示された構成では、適切に制御され、スイッチ組立体Ｅの一つのみを通過することにより、信号が導波路１１０の一つから導波路４１０の一つへ（あるいはその逆で）送信されるようにする。
【００９０】
このように、導波路１１０．１の入力に印加された信号を導波路４１０．１、４１０．２、４１０．３の一つに送信するには、対応するスイッチ組立体Ｅ１１、Ｅ１２、またはＥ１３を適切に動作させる。
【００９１】
導波路１１０．２の入力に印加された信号を導波路４１０．１、４１０．２、４１０．３の一つに送信するには、対応するスイッチ組立体Ｅ２１、Ｅ２２、またはＥ２３を適切に動作させる。
【００９２】
さらに一般的には、導波路１１０．ｉの入力に印加された信号を導波路４１０．ｊに送信するためには、スイッチ組立体Ｅｉｊを動作させる必要がある。
【００９３】
本発明は、上述の特定の実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内の全ての変形例も含むものとする。
【００９４】
上述の記載は、印加された電界に平行な方向に液晶の分子が配向する、正の誘電体異方性を持つ液晶に関する。
【００９５】
当業者は、負の誘電体異方性を持つ液晶用に電極３１０および３１２、３２０および３２２の向きを変え、所望の減衰やスイッチングを行うことが可能である。このような場合、液晶分子は印加された電界に対し、垂直に配向する。
【図面の簡単な説明】
【００９６】
【図１】本発明による素子の基本構造を示す斜視図。
【図２】電界を印加することにより駆動された、本発明の素子の図１と同様の図。
【図３】活性液晶領域と光信号領域との位置を示す、基板の平面図。
【図４】本発明によるスイッチの斜視図。
【図５】素子が駆動位置にあるときの、図４のＶ−Ｖ面でのスイッチの断面図。
【図６】静止状態にあるスイッチの、長手方向での断面図。
【図７】駆動状態にあるスイッチの、同様に長手方向での断面図。
【図８】好適な実施形態を示す図１の、ＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ面での断面図であって、電極を備え付ける特定の方法を示す図。
【図９】好適な実施形態を示す図１の、ＩＸ−ＩＸ面での断面図であって、電極を備え付ける特定の方法を示す図。
【図１０】界面に液晶のバッファ層（コヒーレント長）が存在する装置の詳細な断面図。
【図１１】光減衰効果を持つのに適した制御状態の、素子の断面図。
【図１２】本発明による考え得る実施形態を示す図。
【図１３】本発明による考え得る実施形態を示す図。
【図１４】本発明による考え得る実施形態を示す図。
【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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