(57)【要約】【課題】光路分離や光遮断を完全に行ったとしても、信号間クロストークが発生しない光学装置を提供すること。【解決手段】直線偏光の入射光線の方位を回転する、９０度ＴＮ型液晶素子からなる旋光光学素子と、当該旋光光学素子を出射した出射光線の内、設定された方位の直線偏光のみを透過させる偏光素子とを有する光学装置であって、この旋光光学素子が、入射光線の光軸に対する垂直方向から、液晶分子のプレチルト角だけ傾けて設置する構成とした。【選択図】図１
2009080151.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直線偏光の入射光線の方位を回転する、９０度ＴＮ型液晶素子からなる旋光光学素子と、
当該旋光光学素子を出射した出射光線の内、設定された方位の直線偏光のみを透過させる偏光素子とを有する光学装置であって、
前記旋光光学素子は、前記入射光線の光軸に対する垂直方向から、液晶分子のプレチルト角だけ傾けて設置されている
ことを特徴とする光学装置。
【請求項２】
前記旋光光学素子は、前記入射光線の波長に対して、モーガン条件を満たす様に設計された素子であり、
前記偏光素子は、前記９０度ＴＮ型液晶素子に対して、電圧無印加あるいは液晶の動作閾値電圧近傍の電圧を加えたときに、入射する光を遮断する方位に透過軸が設置されている
ことを特徴とする請求項１に記載の光学装置。
【請求項３】
前記旋光光学素子と前記偏光素子とを、一対の第１、第２の光ファイバーの間に配置し、
前記第１の光ファイバーと前記旋光光学素子との間に、当該第１の光ファイバーから出射された光を、周波数スペクトルに分散する第１の波長分散素子と、
前記偏光素子と前記第２の光ファイバーとの間に、当該偏光素子を透過した、周波数スペクトル毎の光を前記第２の光ファイバーに結合する第２の波長分散素子とを更に備える
ことを特徴とする請求項１または２に記載の光学装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光信号を必要に応じて遮断する光学装置、更に詳しくは波長が多重化された光ファイバーの光信号を波長スペクトル信号に分け、各スペクトル信号を必要に応じて独立に遮断する波長ブロッカに用いる光学装置、あるいは光信号の光路を必要に応じて切り替える光スイッチに用いる光学装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザー光のような単色光あるいはＬＥＤなどの準単色光を信号光に用いた光通信システムでは、必要に応じて光信号を遮断や減衰、あるいは別の経路に切り替える必要がある。この遮断や経路切り替えには、シャッターやミラーの回転等の変位を利用した装置が用いられてきた。しかしこれらは機械的な動作であり、電気的に動作可能な装置への置き換えが必要とされてきた。
【０００３】
そこで、回折格子と独立駆動可能な複数の部位から構成された９０度ＴＮ型液晶素子、及び方解石のような複屈折性素子とを組み合わせ、電気的に偏光回転を制御することで、光の周波数に応じて光路を切り替える光スイッチに関して開示された（例えば、特許文献１参照のこと）。ここで、９０度ＴＮ型液晶素子は、入射直線偏光の方位を電気的に０度あるいは９０度回転する役目を果たす。その後の処理として、特許文献１では、９０度ＴＮ型液晶素子の後段に複屈折性素子を設置しているので、直線偏光の方位を０度回転の場合と９０度回転の場合とで、その光路を切り替えることができる様になっている。
【０００４】
次に、この特許文献１の構成要素である、電気的に偏光回転を制御する９０度ＴＮ型液晶の作用に関して図４を用いて説明する。
【０００５】
図４に示す様に、Ｙ軸方向に直線偏光した入射光１０１が、９０度ＴＮ型液晶素子１０２に入射する。このとき９０度ＴＮ型液晶素子は、入射光１０１の光軸に対して垂直に設置されている。そして、９０度ＴＮ型液晶素子１０２に電圧が印加されない状態では、出射光１０４は偏光方向が９０度回転されてＸ軸方向の直線偏光となる。また、９０度ＴＮ型液晶素子１０２に十分高い電圧を加えれば、出射偏光は入射前と同じＹ軸方向の直線偏光のまま出射する。この様に、この従来の光学装置は、電気的な偏光回転装置として機能する。ここで特許文献１に記載の複屈折性素子の代わりに偏光板等の偏光素子を、９０度ＴＮ型液晶素子１０２の後段に設置すれば、電気的に光を遮断または透過させる機能を備えた光学装置（光スイッチ）とすることができる。
【０００６】
【特許文献１】特表平８−５１０５６４号公報（第９−１０頁、第１−３図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、この特許文献１に記載の光学装置では、９０度ＴＮ型液晶素子１０２を通過した出射光１０４が、後に述べるモーガン条件の不備やＺ偏光の発生により理想的な直線偏光にはならない。そのため、光路分離や光遮断を完全に行うことができずに信号漏れが生じ、信号間クロストークが発生する。
【０００８】
そこで、特許文献１に記載の様に、最近の光通信システム、特にはＤＷＤＭのような波長多重通信においては、波長多重信号を波長（周波数）スペクトルに分散し、各スペクトルを必要に応じて選択的に遮断、または透過させる必要がある。そして、再び各スペクトルを合波、あるいは波長スペクトル毎に別の経路に分波させる。このとき、不要なスペク
トルが十分に遮断されていないと信号間クロストークとなり、その後の信号処理に不都合か生じる。この問題を実用的に解消するには、−４０ｄＢ（１万分の１）以下という非常に低い信号間クロストークが要求され、図４に示した従来構成では、この目的を十分に達成できなかった。
【０００９】
そこで、本発明は上記課題を解決し、光路分離や光遮断を完全に行ったとしても、信号間クロストークが発生しない光学装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために、本発明の光学装置は、基本的には下記記載の内容を採用するものである。
【００１１】
本発明における光学装置は、直線偏光の入射光線の方位を回転する、９０度ＴＮ型液晶素子からなる旋光光学素子と、当該旋光光学素子を出射した出射光線の内、設定された方位の直線偏光のみを透過させる偏光素子とを有する光学装置であって、この旋光光学素子が、入射光線の光軸に対する垂直方向から、液晶分子のプレチルト角だけ傾けて設置されていることを特徴とするものである。
【００１２】
また、本発明における光学装置は、上記旋光光学素子が、入射光線の波長に対して、モーガン条件を満たす様に設計された素子であり、上記偏光素子が、９０度ＴＮ型液晶素子に対して、電圧無印加あるいは液晶の動作閾値電圧近傍の電圧を加えたときに、入射する光を遮断する方位に透過軸が設置されていることを特徴とするものである。
【００１３】
また、本発明における光学装置は、上記旋光光学素子と偏光素子とを、一対の第１、第２の光ファイバーの間に配置し、この第１の光ファイバーと上記旋光光学素子との間に、当該第１の光ファイバーから出射された光を、周波数スペクトルに分散する第１の波長分散素子と、偏光素子と第２の光ファイバーとの間に、当該偏光素子を透過した、周波数スペクトル毎の光を第２の光ファイバーに結合する第２の波長分散素子とを更に備えることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１４】
本発明による光学装置を用いれば、表示用途に長年にわたり適用されてきた量産性や信頼性の高い９０度ＴＮ型液晶素子を用いて、単色光あるいは準単色光に対して４０ｄＢ以上の消光比を得る事ができる。その結果、たとえば波長多重通信等において選択的に波長スペクトルを遮断する波長ブロッカに適用した際に、波長スペクトル間のクロストークの問題を解決できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明の光学装置は、入射光線に対し液晶分子のプレチルト角だけ傾けられた９０度ＴＮ型液晶素子と偏光素子を用い、電気信号により入射光を透過あるいは遮断する。また、９０度ＴＮ型液晶素子は入射波長に対しモーガン条件を満たし、電圧無印加あるいは液層動作閾値電圧近傍の電圧を加えた状態のとき、入射光を遮断する方位に偏光素子は設置される。以下に、本発明の光学装置の構成および作用について説明する。
【実施例１】
【００１６】
図１に本発明による光スイッチとして機能する光学装置の構成例を示す。
図１に示す様に、Ｙ軸方向の直線偏光である波長λの入射光１０１が、９０度ＴＮ型液晶素子１０２に入射する。このとき９０度ＴＮ型液晶素子１０２は、入射光１０１の光軸に対する垂直方向から液晶分子１０３のプレチルト角θだけ傾いて設置される。このとき、直線偏光である出射光１０４の偏光方位はＸ軸方向となり、Ｙ軸方向の直線偏光の透過
軸を持つ偏光素子１０５により遮断される。液晶に十分高い電圧を加えれば、９０度ＴＮ型液晶素子１０２の旋光性は失われ、出射光１０４の偏光方位はＹ軸方向になり、偏光素子１０５を透過する。ここで消光比は遮断時に漏れる光強度に対する透過時の光強度の比で定義され、信号間クロストークの逆数である。
【００１７】
ここで９０度ＴＮ型液晶素子１０２は、入射光の波長に対しほぼモーガン条件を満たす。また、９０度ＴＮ型液晶素子１０２は、液晶分子１０３のプレチルト角θだけ傾いているため、液晶分子１０３の分子長軸は、Ｙ軸方向すなわち入射光１０１の偏光方位と一致する。従来技術においては、液晶分子１０３の長軸方位は、Ｙ軸から傾き、かつＺ軸と直交しないため、液晶分子１０３の分子長軸方向の誘電分極振動が入射光１０１により励起される際に、Ｚ軸方向の電界成分を発生させてしまう。これが消光比に影響を及ぼす一因となっている。
【００１８】
次に、上述した９０度ＴＮ型液晶素子による、電気的に制御可能な旋光光学素子について説明する。図２では、説明を容易にするために、独立に制御可能な上下２領域からなる９０度ＴＮ型液晶素子の断面図を示したが、必ずしも透明電極を分割する必要はない。なお、図２（ａ）は、透明電極間に電圧が加えられていない状態を示しており、図２（ｂ）は、透明電極間に電圧が印加されている状態を示している。
【００１９】
図２（ａ）に示す様に、本発明に係る９０度ＴＮ型液晶素子には、一対の透明基板１１１に、上下の領域に分割された透明電極１１２が形成されている。また、透明電極１１２上には更に配向膜１１３が塗布され、その配向軸１１４ａがＹ軸方向（紙面に平行）、配向軸１１４ｂがＸ軸方向（紙面に垂直）となる様にしてある。このとき、ラグビーボール形状をした液晶分子１０３は、配向膜近辺でその分子長軸１１５を配向軸１１４ａ及び配向軸１１４ｂの方向に揃える。従って、液晶分子１０３の分子長軸１１５が、Ｙ軸方向からＸ軸方向に滑らかに９０度捻れた液晶層１１６を形成する。この様にして液晶分子１０３は、透明基板１１１に対し、数度のプレチルト角１１７だけ傾いて配向される。
【００２０】
図２（ａ）に示す領域では、Ｙ軸方向の直線偏光である入射光１０１は、およそ分子長軸１１５の屈折率ｎｅを見ながら液晶層１１６を伝搬し、結果としてＸ軸方向の直線偏光である出射光１０４aとなる。このとき、出射光１０４aが厳密に直線偏光になるには、以下のモーガン条件を満たす必要がある。
α２＝４ｍ２−１  ・・・・（１）
α＝２Δｎｄ／λ  ・・・・（２）
ここで、Δｎは液晶分子の分子長軸１１５と液晶分子の分子短軸１１６の屈折率差、λは入射光の波長、ｄは液晶層の厚み、ｍは整数である。
【００２１】
また、図２（ｂ）に示す様に、透明電極１１２を介してＺ軸方向に液晶動作閾値電圧の２倍以上である十分高い電圧が加えられると、この領域においては、液晶分子１０３の分子長軸１１５は、電界方向であるＺ軸方向にそろった液晶層１１６を形成し、９０度の捻れは解消される。従ってこの領域では、入射光１０１の直線偏光方位は維持され伝搬する。すなわち、Ｙ軸方向の直線偏光である入射光１０１は、およそ分子短軸１１７の屈折率ｎｏを見ながら液晶層１１６を伝搬し、Ｙ軸方向の直線偏光である出射光１０４ｂとなる。
【００２２】
以上の説明から明らかなように、９０度ＴＮ型液晶素子１０２は、入射直線偏光の方位を９０度回転させる旋光性を持ち、液晶層に十分高い電圧を加えることで、その旋光性は失われる機能を有するものとなる。
【００２３】
この９０度ＴＮ型液晶素子１０２を、入射光１０１の光軸に対して傾ける利点として、
更には液晶素子内部の干渉と表面反射による戻り光の問題がある。液晶素子に単色光あるいは準単色光のような干渉性の高い光線が垂直に入射すると、２枚のガラス基板等の透明基板で挟まれた液晶素子内部で、平行に置かれた鏡のように光の多重干渉が発生する。しかるに液晶素子が傾いている場合には、同一光路の多重干渉は発生しない。
【００２４】
また、９０度ＴＮ型液晶素子１０２が光軸から傾けられていると、表面反射光が光源側に戻らないという利点もある。一般にレーザーのような干渉性の高い光の場合、戻り光があると発振モードに影響を与える。この様な現象は、素子の表面に無反射コートを施すことで解決されるが、液晶素子の場合は、素子作成プロセスや内部干渉の問題で、無反射コートの機能が低下する傾向にある。
【００２５】
また、図１に示したように、この光学装置の偏光素子１０５によって、出射光１０４を遮断する際には、９０度ＴＮ型液晶素子１０２には電圧を印加する必要がないが、液晶動作閾値電圧近傍の電圧を与えた方が好ましい。それは、電圧無印加の状態では液晶分子が熱的に揺らぎ、出射光１０４が直線偏光を満たし難くなるからである。また、環境温度の変化で分子長軸の屈折率が変化し、モーガン条件が満たされにくくなる。この際にも、液晶動作閾値電圧近傍の電圧をバイアス電圧として加えることで、モーガン条件に沿う様に、９０度ＴＮ型液晶素子１０２を調整することができる。
【００２６】
また、本発明において、９０度ＴＮ型液晶素子１０２に十分高い電圧を与えて旋光性を無くし、そのまま入射光１０１を偏光回転させずに出射光１０４を遮断するように、偏光素子１０５の透過軸の方位をＸ軸方向にしてもよい。しかしこの場合、十分に高い電圧を加えても配向膜界面近傍の液晶分子はＺ軸方向に傾き難いので、出射光１０４は、複屈折の影響で若干の楕円偏光になってしまう。したがって、高い消光比を得にくくなる。
【００２７】
以上のような構成の光学装置を用いることで、４０ｄＢ以上の消光比を実用的に得ることができる。また、本発明では偏光素子１０５として直線偏光板を想定して説明したが、従来技術で示した方解石のような複屈折性素子や、偏光プリズム等の偏光素子を用いてもよい。この場合は、出射光１０４の偏光方位により光路が変わるため光スイッチを構成することができる。このときも偏光状態の分離を十分に行うことができ、クロストークが少ない高い性能が得られる。
【実施例２】
【００２８】
次に、本発明における波長ブロッカの構成について説明をする。図３は、本発明における波長ブロッカの光学装置の構成を示した図である。
【００２９】
図３に示す様に、光ファイバー１０６ａから出射した波長多重光信号１０７は、波長分散素子１０８ａ（例えば回折格子）により波長が若干異なるλ１、λ２、λ３の３種類の周波数スペクトルを持つ光信号１０９にＸ軸方向に分離され、レンズ１１０ａにより平行光になり、更にＹ軸方向の直線偏光の透過軸を持つ偏光素子１０５ａを透過し、９０度ＴＮ型液晶素子１０２に入射する。
【００３０】
波長λ１，λ２、λ３の実際の値は実用化されている光通信システムの一例として１．５７５±０．０５μｍの範囲にあり準単色光と言える。波長λ１、λ２、λ３に対しほぼモーガン条件を満たす９０度ＴＮ型液晶素子１０２は、図１に示す９０度ＴＮ型液晶素子１０２と基本は同じ構成である。また、本実施形態における９０度ＴＮ型液晶素子１０２は、独立して制御可能な３領域を持ち、λ１、λ２、λ３の各光信号が各領域に分かれて入射する。ここで、９０度ＴＮ型液晶素子１０２は、実施例１と同様に、Ｙ軸方向に対して液晶分子１０３のプレチルト角程度、傾けて設置されている。
【００３１】
９０度ＴＮ型液晶素子１０２を出射した光信号１０９は、Ｙ軸方向の透過軸を持つ偏光素子１０５ｂ、レンズ１１０ｂ、波長分散素子１０８ｂを透過して波長多重信号１０７になって光ファイバー１０６ｂに伝搬される。このとき９０度ＴＮ型液晶素子１０２の３つの領域において、液晶動作閾値以下の電圧を与えた領域では光信号１０９は遮断され、光ファーバー１０６ｂに伝搬されない。一方、十分に高い電圧を与えた領域では、光信号１０９はほぼ減衰せずに光ファイバー１０６ｂに伝搬される。
【００３２】
以上のように本実施形態の光学装置による波長ブロッカを用いることで、４０ｄＢ以上の消光比を実用的に得ることができ、異なる波長を持つ光信号の信号間クロストークの問題を解決できる。
【００３３】
また図３おいて、光ファイバー１０６ａから出射される波長多重信号１０７が分波されて光信号１０９となり、この光信号１０９を再び波長多重信号１０７として一本の光ファイバー１０６ｂに集光伝搬させる例を示したが、異なる３本の光ファイバーからの各光信号に対して９０度ＴＮ型液晶素子１０２と偏光素子１０５ａ、１０５ｂを用いて光スイッチとして作用させる用途もあり、その場合においても本実施形態を適用することができる。
【００３４】
また、本発明では偏光素子１０５、１０５ａ、１０５ｂとして直線偏光板を想定して説明したが、方解石のような複屈折性素子や偏光プリズム等の素子を用いてもよい。この場合は、光信号１０９の偏光方位により光路が変わるため、周波数スペクトルに応じた光スイッチを構成することができる。このときも、偏光状態の分離を十分に行うことができ、クロストークが少ない高い性能を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の光学装置の主要部構成を示す図である。（実施例１）
【図２】本発明に係る９０度ＴＮ型液晶素子による旋光機能の原理を示す図である。（実施例１）
【図３】本発明の光学装置の更に他の主要部構成を示す図である。（実施例２）
【図４】９０度ＴＮ型液晶素子を用いた従来の光学装置の主要構成を示す図である。
【符号の説明】
【００３６】
１０１  入射光
１０２  ９０度ＴＮ型液晶素子
１０３  液晶分子
１０４  出射光
１０５、１０５ａ、１０５ｂ  偏光素子
１０６ａ、１０６ｂ  光ファイバー
１０７  波長多重信号
１０８ａ、１０８ｂ  波長分散素子
１０９  光信号
１１０ａ、１１０ｂ  レンズ
１１１  透明基板
１１２  透明電極
１１３  配向膜
１１４  配向軸
１１５  分子長軸
１１６  液晶層
１１７  分子短軸
１１８  プレチルト角
【図１】
2009080151.tif 000003
【図２】
2009080151.tif 000004
【図３】
2009080151.tif 000005
【図４】
2009080151.tif 000006