JPH0371114A - 光スイッチ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、電界または磁界の印加によって、光の進行方
向を切替える光スィッチに関するものである。

（従来の技術） 光の進行方向を制御する光偏向用光スィッチは、光情報
処理、光交換、光メモリ、光入出力デバイス等の構成要
素として不可欠である。この種の光スィッチは、その偏
向の制御手段として、機械的偏向、電気光学的偏向、音
響光学的偏向による各種方法を採用している。

機械的偏向を採用した光スィッチ、は、ガルバノメータ
付ミラーや回転プリズム鏡等の反射を用いるので、偏向
効率が高く、偏向角が大きいという利点を有する。

また、電気光学的偏光を採用した光スィッチとしては、
電界によって固体の屈折率が変化するポッケルス効果、
あるいは磁界によって光の偏光状態が変化するファラデ
ー効果等を利用して、複屈折により二つの偏光を分離偏
向するものと、高屈折率物質中に埋め込まれた二本の近
接した先導波路間での光の結合を利用した方向性結合型
先導波路変調器（スイッチ）等が提案されている。これ
らは、偏向速度が速く、偏向角も大きく取れるという利
点かある。

また、音響光学的偏向は、超音波歪みによる物質の屈折
率変化を用い゛ている。

第２図は、超音波によるブラッグ回折を用いた従来の音
響光学偏向光スイッチの構成図である。

基本的な原理は、超音波ＵＳの伝搬に伴い、高周波電源
１の光学結晶２に対する電界の印加状態に応じて、光学
結晶２の屈折率が周波数に対応して周期的に変化し、こ
れが一種の回折格子となる。

このような状態にある光学結晶２に、角度θをもって光
λｉｎを入射すると、ブラッグ回折が生し、放射角θの
光が得られる。この原理を利用して出射光λｏｕｔの光
路切替えが行なわれる。

この音響光学偏向光スイッチは、比較的速い偏向速度が
得られるという利点を有している。

（発明が解決しようとする課２ｆ１） しかしながら、機械的偏向によるものは、上記したよう
な利点を有するものの、その偏向速度は、駆動部の機械
的振動数や回転数で決まるので、速度に制約を受けると
いう欠点がある。

また、電気光学的偏向によるものは、偏向速度が速く、
偏向角も大きくとれるものの、光の並列処理に重要な偏
向点を大きくとることができないという欠点がある。

また、音響光学的偏向によるものは、比較的速い偏向速
度を得られるものの、偏向角を大きくとることができず
、電気光学的偏向と同様に、偏向点を大きくとることが
できないという欠点を有している。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、そ
の目的は、大きな偏向点を得ることが可能で、偏向効率
が高く、しかも偏向角、偏光速度も大きい光スィッチを
提供することにある。

（課題を解決するための手段） 上記目的を達成するため、請求項（１）では、電界また
は磁界の印加状態に応して屈折率をｎｌとｎ２（ｎｌ＞
ｎ２）のいずれかに選択できる第１の透明物質と、該第
１の透明物質に密着された屈折率ｎ２より大きな屈折率
ｎｏを有する第２の透明物質と、前記第２の透明物質側
から、当該第２の透明物質と前記第１の透明物質との界
面に対して角度θで光を入射する入射手段とを備え、前
記角度θが、 なる関係を満足し、かつ、 のいずれかの関係を満足するように構成した。

また、請求項（２）では、前記第１の透明物質及び前記
第２の透明物質をそれぞれ単一構造の物質により構成し
、かつ、個々に制御可能な印加手段を複数個設けた。

（作　用） 請求項（（）によれば、入射光は、入射手段を介して第
１の透明物質と第２の透明物質との界面に対して、第２
の透明物質側から角度θをもって入射される。

このとき、入射光が界面にて全反射するか、あるいは屈
折光となって第１の透明物質に進行するかは、印加手段
による電界または磁界の印加状態によって制御される。

即ち、第１の透明物質の屈折率を０１かｎ２のいずれか
に設定することによって、入射光の光路の偏向か行なわ
れる。

また、請求項（２）によれば、各印加手段による電界ま
たは磁界の印加状態に応じて第１の透明物質の屈折率が
局所的に制御される。

（実施例１） 第１図は本発明に係る光スィッチの第１の実施例を示す
構成図である。

第１図において、１１は第１の透明物質で、電界または
磁界の印加状態に応じて屈折率が０１とｎ２（但し、ｎ
ｌ＞ｎ２）のいずれかに選択されるよう設定される。具
体的には、例えば、電界または磁界無印加時には屈折率
が０２に設定され、印加時には、屈折率がｎｌに設定さ
れる。その構成物質として、例えば固体では、ＫＨ２Ｐ
Ｏ４゜ＺｎＴｅ、ＬｉＮｂＯ３，ＢａＴｉＯ３等の電気
光学結晶のように、屈折率異方性Δｎ（＝ｎｌｎ２）が
大きい物質が適している。また、非固体では、比較的大
きな屈折率異方性を有する材料として、ネマチック液晶
やスメクチック液晶を用いることができる。

１２は第２の透明物質で、第１の透明物質１１の屈折率
ｎ２より大きな屈折率ｎＯ（ｎｏ＞ｎｌまたはｎｌ＞ｎ
Ｏ＞ｎ２）を有し、例えば、屈折率異方性を持たない各
種のガラス月料、プラスチック材料等から構成される。

１３は界面で、第１及び第２の透明物質１１゜１２の一
面同士が互いに密着されて構成されている。

１４は入射手段としてのミラーで、例えば、空気中を伝
搬し、さらに第２の透明物質１２を伝搬した偏向すべき
入射光λｉｎを界面１３に垂直に設定した法線に対して
、角度（以下、入射角という）θをもって入射させる。

この入射角θを決定するミラー１４は、ガラス表面への
アルミニウムの蒸着等により構成される。

１５及び１６は透明電極で、電源１７による電圧印加に
伴ない、第１の透明物質１１に電界を印加する。この電
界印加時には、第１の透明物質１１の屈折率が例えばｎ
ｌに保持される。なお、透明電極１５は第１の透明物質
１１の下面に、透明電極１６は第２の透明物質１２の上
面にそれぞれ配設されており、ＩＴＯ等の透明導電膜に
より構成されている。

１８はミラーで、界面１３にて全反射され偏向された全
反射光λ８．を第２の透明物質１２、透明電極１６を介
して空気中へ導出させる。

１９はプリズムで、界面１３を介してｍ２の透明物質１
２から第１の透明物質１１へ入射し、透明電極１５、ガ
ラス基板１０を介した屈折光λＲＦを、空気中に対して
所定角度をもって導出させる。

次に、上記構成による光路偏向動作を、上記したように
、第１の透明物質１１として液晶を適用し、かつ、第２
の透明物質１２としてガラスを適用した場合を例にとり
、第３図の（ａ）及び（ｂ）に基づいて説明する。

なお、具体的に液晶として、例えばロシュ（Ｒｏｃｈｅ
　）社製の市販ネマチック液晶材料ＴＮＯ４０３を用い
る。この液晶の分子長軸に平行方向の屈折率は、ｎ　１
　＝１．７３　（電界印加時）で、液晶分子長軸に垂直
方向の屈折率はｎ２ｄ１．５２であり、正の誘電率異方
性を有する。これに対して、ｎ２より大きな屈折率ｎｏ
を有するガラスとして、屈折率ｎｏが１．７４であるコ
ーニング社製の８９４０ガラスを用いる。

第３図の（ａ）は、電極１５と１６との間に電圧が印加
されていないときの液晶分子１１ａの状態を示している
（電源を省略している）。液晶性子１１ａは、ガラス表
面のラビング等の周知の配向処理技術を用いて、長袖が
界面１３にほぼ平行のホモジニアスに配向される。ここ
では、説明を簡単にするため、入射光λｉｎは界面１３
に対して垂直な振動面を有するＳ偏光とし、分子の長細
は振動面に対して垂直とする。

このような条件の下で、入射光λｊｎの入射方向からみ
た液晶の屈折率は、はぼｎ　２−１．５２であり、上記
８９４０ガラスの屈折率ｎｏは１．７３である。

従って、ミラー１４を介し、第２の透明物質１２を伝搬
してきた入射光λｉｎの界面１３に対する入射角θが、
次の（１）式で示す全反射条件、なる関係を満足すれば
、入射光λｉｎは界面１３にて全反射され、さらに第２
の透明物質１２を伝搬し、ミラー１８を介して空気中に
導出される。

次に、透明電極１５と１６との間に電源１７により電圧
を印加し、第１の透明物質１１に印加される電界が、液
晶の閾値電圧より充分に大きくす　０ ると、液晶分子１１ａは、電界方向に配向し、分子長軸
は、第３図の（ｂ）に示すように、界面１３に対して垂
直になる。

このとき、入射したＳ偏光の振動面は、液晶分子の長軸
と揃うため、入射光λｉｎの入ｎ・を方向からみた第１
の透明物質１１の屈折率は、はぼｎｌ−１，７３となる
。

ここで、入射角θを、次の（２）式で示す全反射条件、 なる関係を満足すれば、入射光λｉｎは屈折光λ８Ｆと
なり界面１３より屈折角φで第１の透明物質１１を伝搬
する。

第３図の（ａ）及び（ｂ）から分かるように、入射角θ
を、次の（３）式に示す条件、６０．９°くθ＜　８３
．ｌｉｏ　　　　　　　　・（３）に設定すると、第１
の透明物質１１への電界印加を制御することによって、
全反射光λ３．と、屈折光λＲＰとの間に、次の（４）
式に示すような光路偏向角Ａを得ることができる。

Ａ＝１８０−〇−φ　　　　　　　　　　・・・（４）
但し、入射角θが大きい程、偏向角Ａを大きくとること
ができ、かつ、第３図の（ｂ）において、界面１３にて
発生する不要な反射光を減少させることができる。

なお、以上の例では、第２の透明物質１２の屈折率ｎｏ
がｎ　Ｏ（１，７４）＞　ｎ　１　（１，７３）である
ため、入射角θが８３．６°より大きいと、液晶の屈折
率異方性に拘わらず全反射が生じ、光路偏向ができなく
なる。

しかし、第２の透明物質１２の屈折率ｎｏとして、次の
（５）式、 ｎｌ＞ｎＯ＞ｎ２　　　　　　　　　　　・・・（５）
なる関係を満足する値を選択すれば、第１の透明物質（
液晶）１１の屈折率が、ｎ　１−１．７３　（ｒＵ！、
弄印加時）の場合には、常に屈折光λＲＦとなる。

例えば、第２の透明物質１２としてガラスの代わりにポ
リカーボネー１・を用いると、屈折率ｎ。

が１．５９であるから、ｎ＞ｎＯの関係を満足し、入１ 射角θによらず屈折光となり、界面１３より第１の透明
物質１１中へと進行する。

なお、第１の透明物質１１の屈折率ｎ２が１，５２の場
合、入射角θとして、次の（６）式で示す全反射条件、 なる関係を満足する値を選択すれば、入射光λ１ｎは界
面１３にて全反射され、さらに第２の透明物質１２を伝
搬し、ミラー１８に到達する。

以上のように、本実施例によれば、偏向角が大きく、偏
向効率の良い光スィッチを実現できる。

また、第１の透明物質として、液晶のような非結晶材料
を用いたので、入射光λｉｎの入射面積に制約を受ける
ことがなくなり、光の並列処理に重要な偏向点を大きく
とれる利点がある。

また、液晶材料の中でも強誘電性液晶を用いれば、偏向
速度は１０−４〜１０−６秒を達成でき、高速の光スィ
ッチを実現できる。

（実施例２） 　２ 第４図は、本発明に係る光スィッチの第２の実施例を示
す構成図で、複数個の光スィッチを並列に配設し多重化
した多重光スイッチの構成例を示している。

第４図において、２１は第１の透明物質で、実施例１と
同様の材料により構成されており、電界または磁界の印
加及び無印加により屈折率が０１とｎ２　（ｎｌ＞ｎ２
）のいずれかに設定される。

２２．２３は透明電極列で、第１の透明物質２１の屈折
率ｎ２より大きな屈折率ｎＯを有する。

各透明電極２２ａ、２３ａは外部から個別に制御可能で
あり、各電極間に電圧を印加するか否かにより、第１の
透明物質２１に局所的な電界を印加する。第４図では透
明電極列２２と２３との間に第１の透明物質２１が挿入
されており、各透明電極２２ａ、　　２３ａは、実施例
１における第２の透明物質１２と透明電極１５．１６と
の機能を合せ持つ。また、これら透明電極２２ａ、２３
ａは、ＩＴＯやＳｎＯ２等の飼料を真空蒸着し、フォト
リソグラフィ技術を用いてパターン加工を行ない３ 形成されている。

２４は界面で、第１の透明電極２１と透明電極列２２の
各透明電極２２ａとが密着されて構成されている。

２５は入射手段としてのガラスプリズムで、空間的に広
がりを持った光、または、複数の光ビームの集まりであ
る偏向すべき入射光λｉｎを、各透明電極２２ａへ所定
角度θをもって入射させ、また、界面２４にて全反射さ
れた反射光λＲＬを空気中へ導出させる。

２６はガラスプリズムで、界面２４を介して第１の透明
物質２１中へ進行した屈折光λＲ２を空気中へ導出させ
る。

なお、これらのガラスプリズム２５及び２６の屈折率は
、透明電極２２ａ、２３ａとほぼ等しいガラスにより構
成されている。

本実施例では、例えば、第１の透明物質として実施例１
と同様に、ロシュ社製の市販ネマチック液晶材料ＴＮ０
４０３を用い、透明電極２２ａ。

２３ａとして屈折率ｎＯが１．９のＳｎＯ２を用いた。

この場合、第１の透明物質（液晶）２１へ電界無印加時
には、入射角θが５３．１’より大きいならば入射光λ
ｉｎは全反射する。

一方、第１の透明物質２１へ電界印加時には、入射角θ
が６５．６°より小さければ入射光λｉｎは界面２４を
透過して屈折光λＲＰとなる。例えば、入射角θを６０
°とすれば、透明電極２２ａ、２３ａに個別に電圧を印
加するか否かで、多重の光スィッチを実現できる。

以上のように、本実施例２によれば、荊記実施例１の効
果に加えて、第２の透明物質と電極との機能を、透明電
極２２ａに併合させたので、第２の透明物質と電極とを
別々に設けた多重光スイッチに比較して、小型化を図れ
る利点がある。

なお、以上の実施例１及び２では、屈折率可変の第１の
透明物質として液晶を例にとり説明したが、これに限定
されるものではなく、他の光学結晶材料や圧電・焦電性
高分子材料等も同様に用いることができる。

また、第１の透明物質の屈折率の可変手段とし　５ て、電界印加を例に説明したが、磁界によって屈折率が
変化するコットンムートン効果を生ずる磁性拐料を用い
ることができる。また、電界、磁界を印加する電極構造
、位置、飼料も例示したものに限定されるものではなく
、屈折率可変の第１の透明物質に所望の外力を印加てき
る種々の構造が選択できる。

また、光の入射手段あるいは取り出し手段についても、
ミラー、プリズム以外に、光ファイバを直接接着する等
の種々の方法を選択できる。

（発明の効果） 以上説明したように、請求項（１）によれば、従来の光
スィッチに比べ、偏向角が大きく、かつ偏向効率が良く
、しかも光の並列処理に重要な偏向点を大きくとれる光
スィッチを提供できる利点がある。

また、請求項（２）によれば、上記効果に加えて、複数
の光を並列的に処理可能な多重光スイッチを実現できる
利点がある。

【図面の簡単な説明】

　６ 第１図は本発明に係る光スィッチの第１の実施例を示す
構成図、第２図は従来の音響光学偏向光スイッチの構成
図、第３図は第１図の動作説明図、第４図は本発明に係
る光スィッチの第２の実施例を示す構成図である。 図中、１０・・・ガラス基板、１１．２１・・・第１の
透明物質、１２・・・第２の透明物質、１３．２４・・
界面、１４・・・ミラー（入射手段）、１５．１６・・
・透明電極、１７・・・電源、１８・・・ミラー　１９
゜２５．２６・・・プリズム、２２．２３・・・透明電
極列、２２ａ、２３ａ・・・透明電極。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）電界または磁界の印加状態に応じて屈折率をｎ１
   とｎ２（ｎ１＞ｎ２）のいずれかに選択できる第１の透
   明物質と、 該第１の透明物質に密着された屈折率ｎ２より大きな屈
   折率ｎ０を有する第２の透明物質と、前記第２の透明物
   質側から、当該第２の透明物質と前記第１の透明物質と
   の界面に対して角度θで光を入射する入射手段とを備え
   、 前記角度θが、 θ＞ｓｉｎ＾−＾１ｎ２／ｎ０ なる関係を満足し、 かつ、 θ＜ｓｉｎ＾−＾１ｎ１／ｎ０、またはｎ１＞ｎ０のい
   ずれかの関係を満足する ことを特徴とする光スイッチ。
2. （２）前記第１の透明物質及び前記第２の透明物質をそ
   れぞれ単一構造の物質により構成し、かつ、個々に制御
   可能な印加手段を複数個設けた請求項（１）記載の光ス
   イッチ。