JPH052157A - 光スイツチ素子 - Google Patents
光スイツチ素子Info
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- JPH052157A JPH052157A JP3314811A JP31481191A JPH052157A JP H052157 A JPH052157 A JP H052157A JP 3314811 A JP3314811 A JP 3314811A JP 31481191 A JP31481191 A JP 31481191A JP H052157 A JPH052157 A JP H052157A
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- G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour
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- G—PHYSICS
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- G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
- G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
- G02F1/29—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the position or the direction of light beams, i.e. deflection
- G02F1/31—Digital deflection, i.e. optical switching
- G02F1/313—Digital deflection, i.e. optical switching in an optical waveguide structure
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- Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】 光スイッチ素子に関し、簡単な構成で、多元
スイッチ素子に応用できる光スイッチを提供する。 【構成】 コア層と、コア層を挟持する外側層と、コア
層又は外側層に電圧を印加するための電極とを含み、コ
ア層又は外側層の屈折率が電気光学効果により可変であ
り、よってコア層に側面から入射された光が、外側層に
より全反射されてコア層内を通過する態様と、外側層の
少なくとも１方を透過して外側層の主面方向に出射する
態様との間でスイッチされることが可能であることを特
徴とする光スイッチ素子。
スイッチ素子に応用できる光スイッチを提供する。 【構成】 コア層と、コア層を挟持する外側層と、コア
層又は外側層に電圧を印加するための電極とを含み、コ
ア層又は外側層の屈折率が電気光学効果により可変であ
り、よってコア層に側面から入射された光が、外側層に
より全反射されてコア層内を通過する態様と、外側層の
少なくとも１方を透過して外側層の主面方向に出射する
態様との間でスイッチされることが可能であることを特
徴とする光スイッチ素子。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は光スイッチ素子、とく
に、光を光導波路の主面外側方向に出射させる制御を行
う新規な光スイッチ素子であり、より具体的には２次元
マトリクス配置の多素子を一体化した光スイッチ素子の
構成に関する。
に、光を光導波路の主面外側方向に出射させる制御を行
う新規な光スイッチ素子であり、より具体的には２次元
マトリクス配置の多素子を一体化した光スイッチ素子の
構成に関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、情報処理の大容量化、高密度化、
高速化にともない、光配線をはじめとする光技術の開発
実用化が急速に進んでいる。光による情報の伝送、処理
は電磁障害がないので、多重通信や多重スイッチングな
どの高密度情報処理に極めて有効である。
高速化にともない、光配線をはじめとする光技術の開発
実用化が急速に進んでいる。光による情報の伝送、処理
は電磁障害がないので、多重通信や多重スイッチングな
どの高密度情報処理に極めて有効である。
【０００３】このような処理を行うためには、光素子、
とくに、複数の光素子を一つにまとめた光素子、たとえ
ば、光導波路とスイッチング素子を一体化した光スイッ
チ素子が必要であり、種々の提案がなされている。たと
えば、強誘電体単結晶であるニオブ酸リチウム（ＬｉＮ
ｂＯ3 ）を基板として、その上に、たとえばＴｉ拡散層
を形成して光導波路とし、電気光学効果を用いて電圧印
加の有無により光のスイッチを行わせる光スイッチ素子
や光変調器が開発され、一部に実用化されはじめてい
る。
とくに、複数の光素子を一つにまとめた光素子、たとえ
ば、光導波路とスイッチング素子を一体化した光スイッ
チ素子が必要であり、種々の提案がなされている。たと
えば、強誘電体単結晶であるニオブ酸リチウム（ＬｉＮ
ｂＯ3 ）を基板として、その上に、たとえばＴｉ拡散層
を形成して光導波路とし、電気光学効果を用いて電圧印
加の有無により光のスイッチを行わせる光スイッチ素子
や光変調器が開発され、一部に実用化されはじめてい
る。
【０００４】このような強誘電体単結晶を用いる光スイ
ッチ素子は耐環境性に優れ、かつ、高速動作ができるな
どの点で大きな長所があり、用途によってはその将来性
が大いに注目されている。
ッチ素子は耐環境性に優れ、かつ、高速動作ができるな
どの点で大きな長所があり、用途によってはその将来性
が大いに注目されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかし、上記従来の強
誘電体単結晶を用いる光スイッチ素子は、一般に製造技
術が難しく、また、多数のスイッチング素子をマトリク
ス状に配置して多重処理することが困難であるといった
問題があり、その解決が求められていた。
誘電体単結晶を用いる光スイッチ素子は、一般に製造技
術が難しく、また、多数のスイッチング素子をマトリク
ス状に配置して多重処理することが困難であるといった
問題があり、その解決が求められていた。
【０００６】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、コア層と、コア層を挟持する外側層と、コア層又は
外側層に電圧を印加するための電極とを含み、コア層又
は外側層の屈折率が電気光学効果により可変であり、よ
ってコア層に側面から入射された光が、外側層により全
反射されてコア層内を通過する態様と、外側層の少なく
とも１方を透過して外側層の主面外側方向に出射する態
様との間でスイッチされることが可能であることを特徴
とする光スイッチ素子、並びに、この光スイッチ素子に
おいて、外側層の１部分のみの屈折率が電気光学効果に
より可変であり、よってその部分で光スイッチされ、か
つ外側層の残部はその内側のコア層より屈折率が十分に
大きくてコア層内を通過する光が全反射されて導波路を
成すことを特徴とする光スイッチ素子を提供する。
に、コア層と、コア層を挟持する外側層と、コア層又は
外側層に電圧を印加するための電極とを含み、コア層又
は外側層の屈折率が電気光学効果により可変であり、よ
ってコア層に側面から入射された光が、外側層により全
反射されてコア層内を通過する態様と、外側層の少なく
とも１方を透過して外側層の主面外側方向に出射する態
様との間でスイッチされることが可能であることを特徴
とする光スイッチ素子、並びに、この光スイッチ素子に
おいて、外側層の１部分のみの屈折率が電気光学効果に
より可変であり、よってその部分で光スイッチされ、か
つ外側層の残部はその内側のコア層より屈折率が十分に
大きくてコア層内を通過する光が全反射されて導波路を
成すことを特徴とする光スイッチ素子を提供する。
【０００７】上記構成によれば、電極をＸ−Ｙマトリッ
クス配置してそのＸ−Ｙマトリッスクの交点において外
側層の屈折率を選択的に変化させ、その選択点で光スイ
ッチすることができる。電気光学効果で屈折率を変化さ
せうる代表的な材料としては、限定するわけではない
が、強誘電体を挙げることができる。
クス配置してそのＸ−Ｙマトリッスクの交点において外
側層の屈折率を選択的に変化させ、その選択点で光スイ
ッチすることができる。電気光学効果で屈折率を変化さ
せうる代表的な材料としては、限定するわけではない
が、強誘電体を挙げることができる。
【０００８】また、本発明は好ましい態様において、透
明電極と配向膜をそれぞれ積層した２枚の透明基板を対
面配置して形成された液晶注入空間に、基板界面近傍で
は強誘電層を形成し中間部では常誘電層を形成する液晶
を注入して液晶セルを構成し、液晶層の側面から光を入
射させ、透明電極間に印加する電圧を制御して、液晶層
中を導波される光と液晶層の主面方向に出射する光の間
で制御を行うことを特徴とする光スイッチ素子を提供す
る。
明電極と配向膜をそれぞれ積層した２枚の透明基板を対
面配置して形成された液晶注入空間に、基板界面近傍で
は強誘電層を形成し中間部では常誘電層を形成する液晶
を注入して液晶セルを構成し、液晶層の側面から光を入
射させ、透明電極間に印加する電圧を制御して、液晶層
中を導波される光と液晶層の主面方向に出射する光の間
で制御を行うことを特徴とする光スイッチ素子を提供す
る。
【０００９】なお、本発明の光スイッチ素子は複数個を
組合せて多段処理に利用できる。
組合せて多段処理に利用できる。
【００１０】
【作用】中心部の屈折率より十分に大きい屈折率を有す
る層で外側を覆えば、中心部内の光は外側層との境界面
で全反射されること、外側層の屈折率が中心部の屈折率
と同等あるいはより小さくなれば中心部内の光は外側層
を通過することは知られている。従って、外側層（又は
中心部）の屈折率を電気光学効果で変化させることによ
って、中心部内の光を外側層で反射させたり、またその
主面から出力するようにスイッチングすることが可能で
ある。また、外側層の一部分だけを電気光学効果（電圧
印加）で屈折率変化させれば、一体の素子内において複
数の箇所でスイッチ操作することが可能になる。
る層で外側を覆えば、中心部内の光は外側層との境界面
で全反射されること、外側層の屈折率が中心部の屈折率
と同等あるいはより小さくなれば中心部内の光は外側層
を通過することは知られている。従って、外側層（又は
中心部）の屈折率を電気光学効果で変化させることによ
って、中心部内の光を外側層で反射させたり、またその
主面から出力するようにスイッチングすることが可能で
ある。また、外側層の一部分だけを電気光学効果（電圧
印加）で屈折率変化させれば、一体の素子内において複
数の箇所でスイッチ操作することが可能になる。
【００１１】また、本発明者らが今回見い出した液晶セ
ルを利用すると、上記構成の素子が容易に製造でき、か
つ低電圧駆動できる。
ルを利用すると、上記構成の素子が容易に製造でき、か
つ低電圧駆動できる。
【００１２】
【実施例】図１に本発明の原理を説明する。コア層１は
外層側２，３により挟まれ、さらに透明電極４，５によ
って挟まれている。原理的には、最低これだけの構成要
素からなる。任意に、外側層２，３はコア層１の一部分
のみを挟み、他の部分はクラッド層６，７で挟むことが
できる。さらに、コア層１の側面から光を入力する手段
８及び他の側面から出力する光を受ける手段９を設け
る。手段８，９は例えば光ファイバからなる。
外層側２，３により挟まれ、さらに透明電極４，５によ
って挟まれている。原理的には、最低これだけの構成要
素からなる。任意に、外側層２，３はコア層１の一部分
のみを挟み、他の部分はクラッド層６，７で挟むことが
できる。さらに、コア層１の側面から光を入力する手段
８及び他の側面から出力する光を受ける手段９を設け
る。手段８，９は例えば光ファイバからなる。
【００１３】光ファイバ８からコア層１の左端に入力し
た光はコア層１より十分に大きい屈折率を有するクラッ
ド層６，７で全反射され、コア層内を導波される。仮
に、コア層１より外側層２，３の屈折率が大きければ光
は外側層２，３でも全反射されて導波され、光ファイバ
９へ出力される。しかし、外側層２，３のうち少なくと
も１方、例えば外側層２の屈折率がコア層１の屈折率と
ほぼ同等以下であれば、光は外側層２を通過し、透明電
極４を通過して、外側層２の主面方向に出射される。
た光はコア層１より十分に大きい屈折率を有するクラッ
ド層６，７で全反射され、コア層内を導波される。仮
に、コア層１より外側層２，３の屈折率が大きければ光
は外側層２，３でも全反射されて導波され、光ファイバ
９へ出力される。しかし、外側層２，３のうち少なくと
も１方、例えば外側層２の屈折率がコア層１の屈折率と
ほぼ同等以下であれば、光は外側層２を通過し、透明電
極４を通過して、外側層２の主面方向に出射される。
【００１４】本発明では、この外側層２が透明電極４，
５により印加される電圧により、電気光学的効果で屈折
率変化し、かつその屈折率変化がコア層１を通る光が外
側層２で全反射される場合と外側層２を通過する場合が
生じるような屈折率の変化である。そのため、透明電極
４，５を用いて外側層２の屈折率を変化させることによ
って、コア層１の１端に入力された光をそのままコア層
の他端に出力させる場合と、外側層２の主面の外方向に
出射させる場合との間でスイッチさせることができる。
５により印加される電圧により、電気光学的効果で屈折
率変化し、かつその屈折率変化がコア層１を通る光が外
側層２で全反射される場合と外側層２を通過する場合が
生じるような屈折率の変化である。そのため、透明電極
４，５を用いて外側層２の屈折率を変化させることによ
って、コア層１の１端に入力された光をそのままコア層
の他端に出力させる場合と、外側層２の主面の外方向に
出射させる場合との間でスイッチさせることができる。
【００１５】外側層２と共にもう１方の外側面３の屈折
率も同様に変化させることができれば、光は外側面３の
主面の外方向に出射するようにスイッチさせることがで
きる。また、外側層２，３ではなくコア層１の屈折率を
変化させる態様、外側層２，３とコア層１の両方の屈折
率を変化させる態様でもよいことは明らかである。
率も同様に変化させることができれば、光は外側面３の
主面の外方向に出射するようにスイッチさせることがで
きる。また、外側層２，３ではなくコア層１の屈折率を
変化させる態様、外側層２，３とコア層１の両方の屈折
率を変化させる態様でもよいことは明らかである。
【００１６】しかし、外側層２，３に挟まれずクラット
層６，７で挟まれるコア層１を有する形態では、外側層
２，３の屈折率を変化させる態様がよい。さらに、クラ
ッド層６，７と外側層２，３とは同一材料で一体である
ことがより好ましい。この場合、この材料の屈折率はコ
ア層１より大きく、クラッド層６，７として機能できる
ものであり、かつ電気光学効果によりその屈折率は小さ
くされてコア層２の光が外側層２，３を通過するように
変化しなければならない。
層６，７で挟まれるコア層１を有する形態では、外側層
２，３の屈折率を変化させる態様がよい。さらに、クラ
ッド層６，７と外側層２，３とは同一材料で一体である
ことがより好ましい。この場合、この材料の屈折率はコ
ア層１より大きく、クラッド層６，７として機能できる
ものであり、かつ電気光学効果によりその屈折率は小さ
くされてコア層２の光が外側層２，３を通過するように
変化しなければならない。
【００１７】なお、電気光学効果による外側層２，３及
び／又はコア層の屈折率の変化は、電圧を印加すること
によって変化すべきであるが、変化した屈折率は電圧を
印加しつづける形あるいは電圧を印加しない形のいずれ
で維持されてもよいことは明らかである。図２に本発明
の光スイッチ装置のより具体的な態様の例を示す。光ス
イッチ装置１１の光スイッチ素子１２は、コア層及び外
側層又はクラッド層（図示せず）の外に、４×４マトリ
ックスからなるＸ−Ｙマトリックス状に配置されたスト
リップ状透明電極１３，１４を有する。光スイッチ素子
１２には信号入力用光ファイバアレイ１５が接続され、
この光ファイバアレイ１５は透明電極１３の４本の平行
ストリップにそれぞれ対応するように配置された４本の
光ファイバを含む。同様に、光スイッチ素子１２にはも
う１つ信号出力用光ファイバアレイ１６が接続され、こ
の光ファイバアレイ１６も透明電極１３の４本の平行ス
トリップにそれぞれ対応するように配置された４本の光
ファイバを含む。
び／又はコア層の屈折率の変化は、電圧を印加すること
によって変化すべきであるが、変化した屈折率は電圧を
印加しつづける形あるいは電圧を印加しない形のいずれ
で維持されてもよいことは明らかである。図２に本発明
の光スイッチ装置のより具体的な態様の例を示す。光ス
イッチ装置１１の光スイッチ素子１２は、コア層及び外
側層又はクラッド層（図示せず）の外に、４×４マトリ
ックスからなるＸ−Ｙマトリックス状に配置されたスト
リップ状透明電極１３，１４を有する。光スイッチ素子
１２には信号入力用光ファイバアレイ１５が接続され、
この光ファイバアレイ１５は透明電極１３の４本の平行
ストリップにそれぞれ対応するように配置された４本の
光ファイバを含む。同様に、光スイッチ素子１２にはも
う１つ信号出力用光ファイバアレイ１６が接続され、こ
の光ファイバアレイ１６も透明電極１３の４本の平行ス
トリップにそれぞれ対応するように配置された４本の光
ファイバを含む。
【００１８】光ファイバ素子１２は透明電極１３，１４
が交差する１６のスポットを有し、各スポットにおいて
光は３方向にスイッチされることができる。光スイッチ
装置１１は、さらに、電極Ｘ−Ｙマトリックスの１６個
のスポットに対応する１６個の光センサを有する光セン
サアレイ１７，１８を有し、これらの光センサアレイ１
７，１８は１６本の信号出力用光ファイバを含む光ファ
イバアレイ１９，２０にそれぞれ接続されている。光セ
ンサアレイ１７，１８は光スイッチ素子１２から空間的
に離れている必要はないし、また電極Ｘ−Ｙマトリック
スの１６個のスポットにそれぞれ対応する光ファイバが
直接に接続されていてもよい。さらに、光センサは光信
号を電気信号に変換できるものでもよく、この場合光セ
ンサアレイ１７，１８には電気ケーブルアレイが接続さ
れる。
が交差する１６のスポットを有し、各スポットにおいて
光は３方向にスイッチされることができる。光スイッチ
装置１１は、さらに、電極Ｘ−Ｙマトリックスの１６個
のスポットに対応する１６個の光センサを有する光セン
サアレイ１７，１８を有し、これらの光センサアレイ１
７，１８は１６本の信号出力用光ファイバを含む光ファ
イバアレイ１９，２０にそれぞれ接続されている。光セ
ンサアレイ１７，１８は光スイッチ素子１２から空間的
に離れている必要はないし、また電極Ｘ−Ｙマトリック
スの１６個のスポットにそれぞれ対応する光ファイバが
直接に接続されていてもよい。さらに、光センサは光信
号を電気信号に変換できるものでもよく、この場合光セ
ンサアレイ１７，１８には電気ケーブルアレイが接続さ
れる。
【００１９】光スイッチ素子１２、光センサアレイ１
９，２０は支持体２１によって一体に支持されている。
この光スイッチ素子１２が多段に接続されることができ
ることは明らかである。すなわち、１つの光スイッチ素
子でスイッチされた出力信号たる光を、さらに別の光ス
イッチ素子に入力信号として入力し、そこでさらにスイ
ッチするわけである。
９，２０は支持体２１によって一体に支持されている。
この光スイッチ素子１２が多段に接続されることができ
ることは明らかである。すなわち、１つの光スイッチ素
子でスイッチされた出力信号たる光を、さらに別の光ス
イッチ素子に入力信号として入力し、そこでさらにスイ
ッチするわけである。
【００２０】本発明の光スイッチ素子において、屈折率
変化する外側層（コア層）は電気光学効果で屈折率が変
化する材料からなればよいが、例えば、ＬｉＮｂＯ3 ，
ＢａＴｉＯ3 ，ＫＮｂＯ3 ，ＬｉＴａＯ3 ，ＰｂＮｂ2
Ｏ6 ，ＰｂＴａ2 Ｏ6 ，ＮａＢａ2(ＮｂＯ3)5 ，Ｇｂ
2(ＭｏＯ4)3 ，ＫＳｒ2(ＮｂＯ3)5 等の強誘電体である
ことができる。
変化する外側層（コア層）は電気光学効果で屈折率が変
化する材料からなればよいが、例えば、ＬｉＮｂＯ3 ，
ＢａＴｉＯ3 ，ＫＮｂＯ3 ，ＬｉＴａＯ3 ，ＰｂＮｂ2
Ｏ6 ，ＰｂＴａ2 Ｏ6 ，ＮａＢａ2(ＮｂＯ3)5 ，Ｇｂ
2(ＭｏＯ4)3 ，ＫＳｒ2(ＮｂＯ3)5 等の強誘電体である
ことができる。
【００２１】屈折率変化しないコア層（外側層）は常誘
電体材料であることができ、例えば適当な屈折率を有す
る透明樹脂である。例えば、ニオブ酸リチウムのような
強誘電体を外側層として使用する場合には、０．１６０
〜０．１２０の屈折率を有する樹脂をコア層に用いるこ
とができる。このような屈折率を有する透明樹脂の他の
例としてはポリビニルアルコール、ポリアクリロニトリ
ル、ポリカーボネート、等がある。
電体材料であることができ、例えば適当な屈折率を有す
る透明樹脂である。例えば、ニオブ酸リチウムのような
強誘電体を外側層として使用する場合には、０．１６０
〜０．１２０の屈折率を有する樹脂をコア層に用いるこ
とができる。このような屈折率を有する透明樹脂の他の
例としてはポリビニルアルコール、ポリアクリロニトリ
ル、ポリカーボネート、等がある。
【００２２】図３にこのような光スイッチ素子の例を示
す。図中、３１は常誘電体、例えば屈折率０．１３５の
ポリビニルアルコール樹脂からなるコア層（数μｍ
厚）、３２は強誘電体、例えば屈折率２．２０のニオブ
酸リチウム（ＬｉＮｂＯ3)からなる外側層（０．６μｍ
層）、３３は透明電極、３４は透明基板、３５は電源、
３６は電源スイッチである。この光スイッチ素子の強誘
電体からなる外側層３２に１５０Ｖの電圧を印加する
と、外側層３２の屈折率は、強誘電体中の分極ドメイン
が逆転してコア層の屈折率とほぼ同等まで小さくなるた
め、光の進行方向がスイッチされる。
す。図中、３１は常誘電体、例えば屈折率０．１３５の
ポリビニルアルコール樹脂からなるコア層（数μｍ
厚）、３２は強誘電体、例えば屈折率２．２０のニオブ
酸リチウム（ＬｉＮｂＯ3)からなる外側層（０．６μｍ
層）、３３は透明電極、３４は透明基板、３５は電源、
３６は電源スイッチである。この光スイッチ素子の強誘
電体からなる外側層３２に１５０Ｖの電圧を印加する
と、外側層３２の屈折率は、強誘電体中の分極ドメイン
が逆転してコア層の屈折率とほぼ同等まで小さくなるた
め、光の進行方向がスイッチされる。
【００２３】本発明の最も好ましい態様では、コア層及
び外側層を液晶セルで構成する。すでに、本発明者らは
ネマチック液晶セルの基板界面近傍での液晶分子配向に
ついて基礎的検討を行い、ある特定の液晶材料および液
晶分子配向膜を用いた場合にはパネル基板界面部と液晶
層中間部で液晶の分子配向に大きな差があることを発見
している（Jap.J.Appl.Phys., Vol.29, L322, 1990）。
すなわち、図４（イ）に示すごとく基板界面近傍では液
晶分子が垂直配向をなし、一方、液晶層中間部では水平
配向をなすような分子配向をとる現象である。
び外側層を液晶セルで構成する。すでに、本発明者らは
ネマチック液晶セルの基板界面近傍での液晶分子配向に
ついて基礎的検討を行い、ある特定の液晶材料および液
晶分子配向膜を用いた場合にはパネル基板界面部と液晶
層中間部で液晶の分子配向に大きな差があることを発見
している（Jap.J.Appl.Phys., Vol.29, L322, 1990）。
すなわち、図４（イ）に示すごとく基板界面近傍では液
晶分子が垂直配向をなし、一方、液晶層中間部では水平
配向をなすような分子配向をとる現象である。
【００２４】図４はこの態様の原理構成を示す図で、同
図（イ）は電圧無印加時、同図（ロ）は電圧印加時を示
した。図中、４１，４２は透明基板、４３，４４は透明
電極、４５，４６は配向膜、４７は液晶、４８は電源、
４９はスイッチである。同図（イ）の電圧無印加時にお
いて、上記の如くある特定の条件を満たすと、液晶層中
間部でダイマーを形成している液晶４７は基板界面近傍
では配向膜４５，４６との相互作用によりモノマーに分
離し、かつ、分極方向を揃えて、たとえば、配向膜４
５，４６にマイナス極側を接するように分子配列して、
それぞれの界面に強誘電性液晶層（Ａ）を形成する。こ
れに対して、中間部のダイマーを形成している液晶は常
誘電性液晶層（Ｂ）を形成している。
図（イ）は電圧無印加時、同図（ロ）は電圧印加時を示
した。図中、４１，４２は透明基板、４３，４４は透明
電極、４５，４６は配向膜、４７は液晶、４８は電源、
４９はスイッチである。同図（イ）の電圧無印加時にお
いて、上記の如くある特定の条件を満たすと、液晶層中
間部でダイマーを形成している液晶４７は基板界面近傍
では配向膜４５，４６との相互作用によりモノマーに分
離し、かつ、分極方向を揃えて、たとえば、配向膜４
５，４６にマイナス極側を接するように分子配列して、
それぞれの界面に強誘電性液晶層（Ａ）を形成する。こ
れに対して、中間部のダイマーを形成している液晶は常
誘電性液晶層（Ｂ）を形成している。
【００２５】今回、本発明者らはこの強誘電性液晶層
（Ａ）の屈折率（ｎA）が常誘電性液晶層（Ｂ）の屈折
率（ｎB ）よりも大きいことを見出した。したがって、
図示した如く液晶４７層の側面から光を入射させると、
強誘電性液晶層（Ａ）と常誘電性液晶層（Ｂ）との界面
で全反射を繰り返しながら液晶層の中を伝播して行く。
すなわち、液晶層が光導波路を形成することになる。
（Ａ）の屈折率（ｎA）が常誘電性液晶層（Ｂ）の屈折
率（ｎB ）よりも大きいことを見出した。したがって、
図示した如く液晶４７層の側面から光を入射させると、
強誘電性液晶層（Ａ）と常誘電性液晶層（Ｂ）との界面
で全反射を繰り返しながら液晶層の中を伝播して行く。
すなわち、液晶層が光導波路を形成することになる。
【００２６】一方、この状態でスイッチ４を閉じると同
図（ロ）に示したごとく、スイッチを閉状態にした瞬
間、バネルに印加する電圧の極性に応じて強誘電性液晶
層（Ａ）の部分の分極が反転する。たとえば、印加する
電圧がプラスの場合、図４（ロ）に示したＢ′部分の分
極した液晶分子のうちの一部が分極反転を生じる。これ
に伴って、Ｂ′部分全体の平均屈折率（ｎB ′）はｎA
よりも小さくなり、ほぼｎB と同程度の大きさになる。
したがって、入射した光は界面で全反射せずにパルの外
に出射していくことになる。
図（ロ）に示したごとく、スイッチを閉状態にした瞬
間、バネルに印加する電圧の極性に応じて強誘電性液晶
層（Ａ）の部分の分極が反転する。たとえば、印加する
電圧がプラスの場合、図４（ロ）に示したＢ′部分の分
極した液晶分子のうちの一部が分極反転を生じる。これ
に伴って、Ｂ′部分全体の平均屈折率（ｎB ′）はｎA
よりも小さくなり、ほぼｎB と同程度の大きさになる。
したがって、入射した光は界面で全反射せずにパルの外
に出射していくことになる。
【００２７】図５は本発明の基本動作特性を示す図で、
縦軸に液晶セルの主面方向に出射する光強度を、横軸に
印加電圧をとってある。一般に、電圧印加にともなって
分極反転する液晶分子の数は印加電圧の大きさにしたが
って多くなるが、通常の液晶ディスプレイと同様に図示
した如くしきい値電圧が存在する。すなわち、ある電圧
に達するまでは殆ど透過光は得られず、しきい値電圧を
越えると印加電圧に対応して透過光強度が増加し、たと
えば、強誘電性液晶層の分極が全て分極反転すると透過
光強度は飽和する。
縦軸に液晶セルの主面方向に出射する光強度を、横軸に
印加電圧をとってある。一般に、電圧印加にともなって
分極反転する液晶分子の数は印加電圧の大きさにしたが
って多くなるが、通常の液晶ディスプレイと同様に図示
した如くしきい値電圧が存在する。すなわち、ある電圧
に達するまでは殆ど透過光は得られず、しきい値電圧を
越えると印加電圧に対応して透過光強度が増加し、たと
えば、強誘電性液晶層の分極が全て分極反転すると透過
光強度は飽和する。
【００２８】すなわち、この態様によれば極めて簡単な
素子構成で光導波路と一体化された光スイッチ素子、と
くに、２次元マトリクス配置の光スイッチ素子アレイが
構成されるので、並列光情報処理が可能となる。しか
も、液晶セルを用いているのでＣ−ＭＯＳレベルでの低
電圧駆動ができ極めて低価格で製造することができる。
液晶セルを用いたデバイスとしては液晶表示素子が広く
実用化され、すでに６４０×４００ドット以上の大型Ｘ
−Ｙマトリクス構成の液晶表示装置が既に普及してお
り、大型・大容量の液晶セルの製造技術は高度の域に達
している。
素子構成で光導波路と一体化された光スイッチ素子、と
くに、２次元マトリクス配置の光スイッチ素子アレイが
構成されるので、並列光情報処理が可能となる。しか
も、液晶セルを用いているのでＣ−ＭＯＳレベルでの低
電圧駆動ができ極めて低価格で製造することができる。
液晶セルを用いたデバイスとしては液晶表示素子が広く
実用化され、すでに６４０×４００ドット以上の大型Ｘ
−Ｙマトリクス構成の液晶表示装置が既に普及してお
り、大型・大容量の液晶セルの製造技術は高度の域に達
している。
【００２９】図６は本発明の実施例を示す図で、同図
（イ）は素子構成の概略を示す斜視図、同図（ロ）は光
スイッチの状態を示す図であり、この実施例は３×３の
マトリクス構成の光スイッチ素子の場合である。図中、
５１（５１ａ，５１ｂ，５１ｃ）は透明電極で、走査電
圧を入力する３本のストライプ状電極から構成され、一
方、５２（５２ａ，５２ｂ，５２ｃ）は透明電極で、信
号電圧を入力する３本のストライプ状電極から構成され
ている。
（イ）は素子構成の概略を示す斜視図、同図（ロ）は光
スイッチの状態を示す図であり、この実施例は３×３の
マトリクス構成の光スイッチ素子の場合である。図中、
５１（５１ａ，５１ｂ，５１ｃ）は透明電極で、走査電
圧を入力する３本のストライプ状電極から構成され、一
方、５２（５２ａ，５２ｂ，５２ｃ）は透明電極で、信
号電圧を入力する３本のストライプ状電極から構成され
ている。
【００３０】具体的には、ガラス製の基板５３および５
４の上に、巾５mm、間隔２mmの透明導電膜、たとえば、
ＩＴＯ（Ｉｎ2 Ｏ3−ＳｎＯ2)からなるストライプ状の
透明電極５１（５１ａ，５１ｂ，５１ｃ）および５２
（５２ａ，５２ｂ，５２ｃ）をそれぞれ形成する。その
上に図示してない配向膜として、たとえば、ポリイミド
樹脂をスピンコートし約３５０℃で焼成したあと、両基
板の透明電極５３，５４を交叉させてマトリクス配置に
構成したときに互いに平行あるいは反平行になるように
ラビング処理を施す。
４の上に、巾５mm、間隔２mmの透明導電膜、たとえば、
ＩＴＯ（Ｉｎ2 Ｏ3−ＳｎＯ2)からなるストライプ状の
透明電極５１（５１ａ，５１ｂ，５１ｃ）および５２
（５２ａ，５２ｂ，５２ｃ）をそれぞれ形成する。その
上に図示してない配向膜として、たとえば、ポリイミド
樹脂をスピンコートし約３５０℃で焼成したあと、両基
板の透明電極５３，５４を交叉させてマトリクス配置に
構成したときに互いに平行あるいは反平行になるように
ラビング処理を施す。
【００３１】配向膜は表面極性の高い膜、特にダイマー
をモノマーに分離することが可能な膜が好ましく、例え
ばアルキルアミン基を持つポリマーからなる膜を焼き付
けたものを挙げることができる。配向膜として有効なそ
の他の例はポリビニルアルコール、ポリアミドイミド、
ポリアミド、ポリピロリドン、ポリｐ−ビニルフェノー
ル、ポリビニルアセテート、これらの共重合体等であ
る。
をモノマーに分離することが可能な膜が好ましく、例え
ばアルキルアミン基を持つポリマーからなる膜を焼き付
けたものを挙げることができる。配向膜として有効なそ
の他の例はポリビニルアルコール、ポリアミドイミド、
ポリアミド、ポリピロリドン、ポリｐ−ビニルフェノー
ル、ポリビニルアセテート、これらの共重合体等であ
る。
【００３２】両基板を上記のごとき配置でセルギャップ
３０μｍになるように液晶セルを形成し、セル空間に液
晶２として、たとえば、ダイマーを形成し易いシアノビ
フェニルを主成分とする混合ネマチック液晶組成物を注
入封止する。液晶セルに封入すべき液晶の好ましい例
は、ダイマーを形成可能な液晶である。ある液晶分子が
ダイマーを形成する能力は分子の構造から予見でき、か
つダイマーを形成したか否かは液晶セルに封入後容量を
測定することによって検知可能である。このような液晶
の例には４−アルキル−４−シアノビフェニル（例、４
−ペンチル−４−シアノビフェニル、４−ヘプチル−４
−シアノビフェニル、４−ヘキシル−４−シアノビフェ
ニル）、４−アルコキシ−４−シアノビフェニル、４−
アルキル−ジオキサン−４−シアノベンゼン（例、４−
ペンチル−ジオキサン−４−シアノベンゼン）、４−ア
ルコキシ−ジオキサン−４−シアノベンゼン、４−アル
キル−４−フルオロビフェニル（例、４−ペンチル−４
−フルオロビフェニル）、４−アルコキシ−４−フルオ
ロビフェニル等がある。勿論、このような液晶の他、他
の液晶や溶媒を混合できる。
３０μｍになるように液晶セルを形成し、セル空間に液
晶２として、たとえば、ダイマーを形成し易いシアノビ
フェニルを主成分とする混合ネマチック液晶組成物を注
入封止する。液晶セルに封入すべき液晶の好ましい例
は、ダイマーを形成可能な液晶である。ある液晶分子が
ダイマーを形成する能力は分子の構造から予見でき、か
つダイマーを形成したか否かは液晶セルに封入後容量を
測定することによって検知可能である。このような液晶
の例には４−アルキル−４−シアノビフェニル（例、４
−ペンチル−４−シアノビフェニル、４−ヘプチル−４
−シアノビフェニル、４−ヘキシル−４−シアノビフェ
ニル）、４−アルコキシ−４−シアノビフェニル、４−
アルキル−ジオキサン−４−シアノベンゼン（例、４−
ペンチル−ジオキサン−４−シアノベンゼン）、４−ア
ルコキシ−ジオキサン−４−シアノベンゼン、４−アル
キル−４−フルオロビフェニル（例、４−ペンチル−４
−フルオロビフェニル）、４−アルコキシ−４−フルオ
ロビフェニル等がある。勿論、このような液晶の他、他
の液晶や溶媒を混合できる。
【００３３】なお、液晶セルの封止部の、少なくとも、
一面側には光を入射させる透明窓を設けてある（図示せ
ず）。上記図示してない左側の透明窓から、たとえば、
３本の光ビームを液晶層に入射させると透明電極５１，
５２のマトリクス交点に印加される電圧により、図４で
示した基板界面近傍での強誘電体的液晶層Ａから常誘電
体的液晶層Ｂ′への相転換にともなって、光は液晶セル
の主面下側への光（５１ａ、５２ｃ）や上側への光（５
１ｂ，５２ｂ）および光（５１ｃ，５２ａ）へと光スイ
ッチが行われる。すなわち、本実施例の構成により液晶
層を光導波路とし液晶層の主面方向に光ビームを取り出
す３×３のマトリクス型の光スイッチ素子が得られるの
である。
一面側には光を入射させる透明窓を設けてある（図示せ
ず）。上記図示してない左側の透明窓から、たとえば、
３本の光ビームを液晶層に入射させると透明電極５１，
５２のマトリクス交点に印加される電圧により、図４で
示した基板界面近傍での強誘電体的液晶層Ａから常誘電
体的液晶層Ｂ′への相転換にともなって、光は液晶セル
の主面下側への光（５１ａ、５２ｃ）や上側への光（５
１ｂ，５２ｂ）および光（５１ｃ，５２ａ）へと光スイ
ッチが行われる。すなわち、本実施例の構成により液晶
層を光導波路とし液晶層の主面方向に光ビームを取り出
す３×３のマトリクス型の光スイッチ素子が得られるの
である。
【００３４】本実施例の場合、直径２０μｍφ以下に絞
った光ビームを３本並列に入射させ光スイッチングを行
わせたところ、液晶層の主面方向で光強度のＯＮ／ＯＦ
Ｆ比として５０：１以上の光スイッチが可能であること
を確認した。以上の実施例では３×３のマトリクス構成
のものを示したが、ストライプ状の透明電極数を多くす
ることにより、さらに並列処理数をふやした光スイッチ
素子が実現できることは言うまでもない。
った光ビームを３本並列に入射させ光スイッチングを行
わせたところ、液晶層の主面方向で光強度のＯＮ／ＯＦ
Ｆ比として５０：１以上の光スイッチが可能であること
を確認した。以上の実施例では３×３のマトリクス構成
のものを示したが、ストライプ状の透明電極数を多くす
ることにより、さらに並列処理数をふやした光スイッチ
素子が実現できることは言うまでもない。
【００３５】図７はこの態様の実施例の駆動方法の例を
示す図で、図６の３×３のマトリクス構成の場合を例に
とってある。たとえば、走査側の透明電極５１（５１
ａ，５１ｂ，５１ｃ）に図示したごとき±２Ｖの走査電
圧パルス列を印加し、一方、信号側の透明電極５２（５
２ａ，５２ｂ，５２ｃ）には＋１８Ｖの信号電圧を前記
走査電圧パルス列の，，の各パルスにそれぞれ同
期させて印加すると、マトリクス交点の（１１ａ，２１
ｃ）、（１１ｂ，２１ｂ）、（１１ｃ，２１ａ）で選択
電圧＋２０となって光は、たとえば、上側に反射スイッ
チされ、その他の交点では非選択もしくは半選択（＋１
６Ｖ）となって光はそのまま液晶層の中を伝播される。
示す図で、図６の３×３のマトリクス構成の場合を例に
とってある。たとえば、走査側の透明電極５１（５１
ａ，５１ｂ，５１ｃ）に図示したごとき±２Ｖの走査電
圧パルス列を印加し、一方、信号側の透明電極５２（５
２ａ，５２ｂ，５２ｃ）には＋１８Ｖの信号電圧を前記
走査電圧パルス列の，，の各パルスにそれぞれ同
期させて印加すると、マトリクス交点の（１１ａ，２１
ｃ）、（１１ｂ，２１ｂ）、（１１ｃ，２１ａ）で選択
電圧＋２０となって光は、たとえば、上側に反射スイッ
チされ、その他の交点では非選択もしくは半選択（＋１
６Ｖ）となって光はそのまま液晶層の中を伝播される。
【００３６】なお、ある信号電極の信号電圧を−１８Ｖ
とすればその交点では光は反対側、すなわち、下側に反
射スイッチされることは言うまでもない。以上述べた実
施例は例を示したもので、本発明の趣旨に添うものであ
る限り、その他使用する素材や構成など上記以外の適宜
好ましいもの、あるいはそれらの組み合わせを用いてよ
いことは言うまでもない。
とすればその交点では光は反対側、すなわち、下側に反
射スイッチされることは言うまでもない。以上述べた実
施例は例を示したもので、本発明の趣旨に添うものであ
る限り、その他使用する素材や構成など上記以外の適宜
好ましいもの、あるいはそれらの組み合わせを用いてよ
いことは言うまでもない。
【００３７】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば極
めて簡単な素子構成で光導波路と一体化された光スイッ
チ素子、とくに、２次元マトリクス配置の光スイッチ素
子アレイが構成されるので、並列光情報処理が可能とな
る。しかも、液晶セルを用いれば、Ｃ−ＭＯＳレベルで
の低電圧駆動が可能で極めて低価格で製造することがで
き、並列処理型の光スイッチ装置の性能の向上と低価格
化に寄与するところが極めて大きい。
めて簡単な素子構成で光導波路と一体化された光スイッ
チ素子、とくに、２次元マトリクス配置の光スイッチ素
子アレイが構成されるので、並列光情報処理が可能とな
る。しかも、液晶セルを用いれば、Ｃ−ＭＯＳレベルで
の低電圧駆動が可能で極めて低価格で製造することがで
き、並列処理型の光スイッチ装置の性能の向上と低価格
化に寄与するところが極めて大きい。
【図１】本発明の光スイッチ素子の原理を説明する図で
ある。
ある。
【図２】本発明の光スイッチ素子の具体的例を示す図で
ある。
ある。
【図３】本発明の１態様の光スイッチ素子を示す断面図
である。
である。
【図４】液晶セルを用いる態様の原理構成を示す図であ
る。
る。
【図５】図４の態様の基本動作特性を示す図である。
【図６】液晶セルを用いる態様の具体例を示す図であ
る。
る。
【図７】図６の具体例の駆動方法の例を説明する図であ
る。
る。
１…コア層
２，３…外側層
４，５…透明電極
６，７…クラッド層
８…入力手段
９…出力手段
１１…光スイッチ装置
１２…光スイッチ素子
１３，１４…透明電極
１５，１６…光ファイバアレイ
１７，１８…光センサアレイ
１９，２０…光ファイバアレイ
３１…コア層（常誘電体）
３２…外側層（強誘電体）
３３…透明電極
３４…透明基板
４１，４２…透明基板
４３，４４…透明電極
４５，４６…配向膜
４７…液晶
Ａ…強誘電体液晶層
Ｂ…常誘電体液晶層
Ｂ′…強誘電体液晶層
４８…電源
４９…電源スイッチ
５１（５１ａ，５１ｂ，５１ｃ）、５２（５２ａ，５２
ｂ，５２ｃ）…透明電極 ５３，５４…透明基板
ｂ，５２ｃ）…透明電極 ５３，５４…透明基板
Claims (8)
- 【請求項１】 コア層と、該コア層を挟持する外側層
と、該コア層又は該外側層に電圧を印加するための電極
とを含み、該コア層又は該外側層の屈折率が電気光学効
果により可変であり、よって該コア層に側面から入射さ
れた光が、該外側層により全反射されて該コア層内を通
過する態様と、該外側層の少なくとも１方を透過して該
外側層の主面外側方向に出射する態様との間でスイッチ
されることが可能であることを特徴とする光スイッチ素
子。 - 【請求項２】 前記外側層の１部分のみの屈折率が電気
光学効果により可変であり、よってその部分で光スイッ
チされ、かつ該外側層の残部はその内側の前記コア層よ
り屈折率が十分大きくて該コア層内を通過する光が全反
射されて導波路を成す請求項１記載の光スイッチ素子。 - 【請求項３】 前記コア層より前記外側層の方が屈折率
が大きくて該コア層内を通過する光が全反射され、かつ
前記電極が前記外側層の外側にＸ−Ｙマトリッスク状に
形成され、該Ｘ−Ｙマトリックスの交点で該外側層の屈
折率が電圧印加により小さくされて、該コア層内の光が
該外側層を透過することが可能にされる請求項１又は２
記載の光スイッチ素子。 - 【請求項４】 前記外側層が強誘電体である請求項１，
２又は３記載の光スイッチ素子。 - 【請求項５】 透明電極と配向膜をそれぞれ積層した２
枚の透明基板を対面配置して形成された液晶注入空間
に、基板界面近傍では強誘電層を形成し中間部では常誘
電層を形成する液晶を注入して液晶セルを構成し、前記
液晶層の側面から光を入射させ、前記透明電極間に印加
する電圧を制御して、前記液晶層中を導波される光と、
前記液晶層の主面外側方向に出射する光との間で制御を
行うことを特徴とする光スイッチ素子。 - 【請求項６】 前記液晶が動作温度範囲においてネマテ
ィック相であり、かつ、少なくともその１成分としてダ
イマー形成能力を有するネマチック液晶を含むことを特
徴とした請求項５記載の光スイッチ素子。 - 【請求項７】 前記コア層の側面から光を入力する手
段、前記光スイッチ素子から出力する光を受ける手段、
前記電極に電圧を印加する手段を含む請求項１〜６記載
の光スイッチ素子。 - 【請求項８】 請求項１〜７記載の光スイッチ素子の１
つから出力される光を別の光スイッチ素子でさらにスイ
ッチして多段に処理するように構成された光スイッチ素
子。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP32751890 | 1990-11-28 | ||
| JP2-327518 | 1990-11-28 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH052157A true JPH052157A (ja) | 1993-01-08 |
| JP3147957B2 JP3147957B2 (ja) | 2001-03-19 |
Family
ID=18200012
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP31481191A Expired - Fee Related JP3147957B2 (ja) | 1990-11-28 | 1991-11-28 | 光スイッチ素子 |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5317429A (ja) |
| EP (1) | EP0488708B1 (ja) |
| JP (1) | JP3147957B2 (ja) |
| DE (1) | DE69124487T2 (ja) |
Cited By (4)
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| CN102492208A (zh) * | 2011-12-13 | 2012-06-13 | 黑龙江省科学院技术物理研究所 | 一种利用热塑性聚酯弹性体改性线性低密度聚乙烯的方法 |
| JP2023159987A (ja) * | 2022-04-21 | 2023-11-02 | Tdk株式会社 | 光検知素子 |
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