专利名称：波导路型液晶光开关的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于光通信系统的光开关，具体涉及利用液晶控制在波导路间的光路切换的波导路型液晶光开关。
在这些器件中，光开关具有对光线路的切换功能，作为光通信用交换器非常重要。以往的用于光通信的光开关各种产品为大家所熟知，其中使用光波导路，利用各种物理现象切换光的传送路径的方式，由于没有机械的活动部分，具有可靠性高，速度快的优势。作为这种方式，比如众所周知的是使用具有电光学效果或者声光学效果的LiNbO3等的电介体结晶波导路、利用载流子注入的半导体波导路、利用热光学效果的硅系列波导路等的光开关。
而且，在具备同样的光波导路的光开关中，使用液晶是周知的。液晶具有施加电场后折射率发生变化的广义的电光学效果。而且具有可以由低电压驱动、用于显示器上具有高可靠性、生产效率高、成本低等的特性。作为这样的波导路型液晶光开关，比如有在特开平5-165068号公报中记载的在下层金属包层上形成两条平行，其中一部分具有接近的耦合部分的单模光芯形状，进而在耦合部的下层金属包层上形成下部电极，耦合部分用定向的液晶充满，用具有上部电极的玻璃板密封所构成的波导路型液晶光开关。
但是，在这个波导路型液晶光开关上，形成的液晶及电极基本上将下层金属包层的全体都覆盖住，因此在金属包层的广范围，折射率变化，波导方式发生波乱，作为开关将发生被视为致命程度的交调失真。而且由于波导路芯的耦合部分在三个面与液晶相连，如果有未被定向为规定方向的液晶分子，由此造成的散射损失也会变大。而且，由于下部电极距离波导路的耦合部分非常近，所以下部电极的损失也变得非常大。进一步，由于电极只能是上下一对配置的构造，所以存在着对偏振波依赖性强的问题。
为了实现所述目的，本发明提供的波导路型液晶光开关，是一种具有一对接近的第1芯及第2芯的光波导路，使光从第1芯或者第2芯的一方射入，并在两个芯之间对所述射入光的光路进行切换的光开关，其特征在于具备从第1芯及第2芯间隔规定的距离、覆盖被夹在由第1芯和第2芯之间的空间而形成的，并且填充有被定向膜定向为规定方向的向列型液晶的第3芯；在第3芯的与第1芯及第2芯相反的一侧，覆盖第1芯与第2芯的缝隙部分而配置的第1电极；夹住第1电极而成对配置的，并且使液晶分子的定向方向与定向膜的规定方向成正交的方向的第2电极及第3电极；将第1芯、第2芯、第3芯及各个电极全部包围在其中的金属包层。
图2是
图1的AA剖面图。
图3是表示图1所示的波导路型液晶光开关的光路切换状态的一例的平面图。
图4是为说明图1所示由波导路型液晶光开关光路切换的原理的剖面图。
图5是表示通过A传输模耦合(A)或B传输模耦合(B)的各芯内的光强度的变化测定结果的图。
图6是为说明A传输模耦合及B传输模耦合的波导路型液晶光开关的设计例的平面图(A)及剖面图(B)。
图7是表示为了测定由于上下金属包层的折射率的差产生在芯内的光强度的变化而使用的波导路型液晶光开关的设计例(A)及说明测定上下金属包层的折射率差和芯内的光强度的变化的结果的图。
图8是表示连接4个本发明的波导路型液晶光开关而构成的双闸门型光开关的平面图。
图9是表示连接2个本发明的波导路型液晶光开关而构成的双闸门型光开关的平面图。
图中1A-第1芯，1B-第2芯，3-金属包层，3A-上金属包层，3B-下金属包层，4-第3芯，6A-第2电极，6B-第1电极，6C-第3电极，7A、7B-定向膜，8A-上基板，8B-下基板，10-波导路型液晶光开关，11-光学粘结剂。
(波导路型液晶光开关)图1表示本发明的波导路型液晶光开关10的一个实施例，是从芯侧(图2的下侧)看到的平面图，图2是图1的AA剖面图。如图所示，波导路型液晶光开关10被分割成上基板8A和下基板8B两部分，在下基板8B上沿着其轴线方向的第1芯1A、第2芯1B被埋设在从表面起的规定深度的位置。第1芯1A、第2芯1B在中央部分的规定长度上相互接近并平行，两端边缘的间隔逐渐向外扩展。这个接近平行的部分就形成了所谓的方向性耦合器。
上基板8A及下基板8B是由比形成第1芯1A、第2芯1B的材料具有更低折射率的材料形成的，比如折射率可以是1.523的(SiO2-TiO2)。一方面第1芯1A、第2芯1B的折射率比如可以是1.530的(SiCl4-TiCl4)。
在上基板8A的与下基板8B对向一侧的表面上，为了覆盖由第1芯1A和第2芯1B所夹隔的空间，形成筋状的剖面为矩形的凹部。在这个凹部的底部形成定向膜7A，在其上面充填向列的液晶。在下基板8B上设置定向膜7B将其全面覆盖，通过将上基板8A和下基板8B用适当的光粘结剂11粘结使之成为一体，将向列型液晶密封，形成第3芯4。
形成第3芯4的向列型液晶种类并无限制，比如可以使用4-(4-戊基环己基)氰基苯等。而且定向膜7A及定向膜7B都可以使用周知的材料，比如可以使用经过研磨处理的聚酰胺膜等。
而且，在上基板8A上在第3芯4的正上方，设置覆盖住第1芯1A和第2芯1B之间缝隙的第1电极6B，并且在第1电极6B的两侧，形成第2电极6A和第3电极6C。第1电极6B、第2电极6A及第3电极6C可以各自被独立控制，而且第2电极6A和第3电极6C的液晶分子的定向方向与定向膜7A、7B的定向方向被规定为正交方向。作为电极材料可以使用SnO2、ITO等的透明导电材料，另外也可以使用金、铜、铝等金属材料。
如上所述构成的波导路型液晶光开关10，通过调整在第1～第3的电极6A～6C上施加的电压，控制第3芯4的液晶分子的定向，可以在第1芯1A和第2芯1B之间进行光路(开关)切换。比如，如图3(A)所示，使光信号5A、5B从各自射入一侧的芯向第3芯4透过，进而向其他方向的芯转移，如图3(B)所示，转移到其他方向的芯的光信号，再一次透过第3芯4，并且可以使之转移到射入侧的芯上。而在以下的说明中，将射入的光信号从同一个芯射出时，称为‘ON’状态，将射入的光信号从其他的芯射出时称为‘OFF’状态。
在所述光路切换时，如图4(A)所示，对于第1电极6B，通过向第2电极6A及第3电极6C施加相同相位的电位，如图中箭头所示，产生一个从第1电极6B朝向第2电极6A及第3电极6C的电场，由此，第3芯4中，对于第1电极6B，垂直电场成为支配性的。其结果，对TE偏光的耦合系数的变化成为支配性的。而且，如图4(B)所示，在第2电极6A及第3电极6C上，通过以第1电极6B为基准电位施加一个反相电位，如图中箭头所示，对于从第2电极6A朝向第3电极6C的第3芯4的水平电场成为支配性的，对于TM偏光的耦合系数的变化成为支配性的。这样，通过调整相对第1电极6B的第2电极6A及第3电极6C的电压和相位，可以对于TE偏光及TM偏光的ON状态、OFF状态进行调整，消除其偏光依赖性。
一般，由于液晶的折射率变化比形成芯1A、1B的材料和形成金属包层的材料的折射率差要大数十倍，所以可以用小的电压确实地执行所述的开关动作。
而且，所述开关样式，使用于第3芯4的向列液晶为正折射率变化的情况与为负折射率变化的情况下是相反的。
而且，为了更正确地执行所述的开关动作，采用下述所示的A传输模耦合或者B传输模耦合是理想的。而所有这些说明的都是所述的ON状态的情况。
(1)A传输模耦合在A传输模耦合中，第1芯1A及第2芯1B在各自的光轴方向的中间位置，光射入侧的芯(比如第1芯1A)及第3芯4的光强度取极小值，而光不射入侧的芯(比如第2芯1B)的光强度取最大值。在这样的耦合方式中，射入第1芯1A的光的一部分经过第3芯4转移到第2芯1B，以后也同样地经过第3芯4返回到第1芯1A。
为了实现这个A传输模耦合，设计的各个芯必须使从第1芯1A向第2芯1B的转移周期与通过第3芯4向第1芯1A或者第2芯1B的转移周期一致，以下说明其中一个例子。使用由下述设计制成的波导路型液晶光开关，其各芯的光强度的变化的实测结果表示在图5(A)中。而各部分的尺寸如图6所示。
W＝8μm、D＝5μm、GLC＝1.5μm、HLC＝1.6μm、WLC＝8μm、LLC＝2.97μm(2)B传输模耦合在B传输模耦合中，第1芯1A及第2芯1B在各自的光轴方向的中间位置，光射入侧的芯(比如第1芯1A)的光强度取极小值，而光不射入侧的芯(比如第2芯1B)的光强度取最大值。为了实现这个B传输模耦合，设计例子如下所示(而各部分的尺寸如图6所示)，与A传输模耦合比较，其特征是第1芯1A及第2芯1B形成在下基板8B更深的部位。而且，使用由下述设计制成的波导路型液晶光开关，其各芯的光强度的变化的实测结果表示在图5(B)中。
W＝8μm、D＝5μm、GLC＝3.9μm、HLC＝1.6μm、WLC＝8μm、LLC＝2.77μm在本发明的波导路型液晶光开关10中，作为电极材料，如上所述，除了SnO2、ITO等的透明导电材料以外，还可以使用金、铜、铝等的金属材料，但是由于这些材料会吸收光，所以最好将第1芯1A及第2芯1B和各电极之间的间隔控制在芯宽度(W)的一半以上，更理想的是与芯宽度相同。但是电极间距变大以后，为了使第3芯4的液晶分子定向，必须增大施加在上面的电压，使运行的电力成本增加。
为了解决这个问题，抑制分布在各电极外侧的光强度是有效方法，为此，可以使包围第1芯1A及第2芯1B的金属包层和包围各电极的金属包层分别具有各自的不同的折射率。即，再次参照图2，将金属包层3划分为包围第1芯1A及第2芯1B的下基板8B和包围第1～第3电极6A～6C及第3芯4的上基板8A，使之分别由具有不同折射率的不同的材料形成。另外，在以下的说明中，为了方便，将上基板8A称为上金属包层3A，将下基板8B称为下金属包层3B。
根据这样的构成，下金属包层3B的折射率为NCL1，上金属包层3A的折射率为NCL2，为了不使从芯向电极侧漏光，可以使(NCL1-NCL2)＞0，(NCL1-NCL2)的值越大漏光越少。以图7(A)所示的尺寸及折射率的材料制作芯及上下金属包层，以ΔNCL＝NCL1+NCL2作为参数，Y轴方向的光强度的衰减量的测定结果表示在图7(B)上，与ΔNCL＝0，即上金属包层与下金属包层的折射率相等的情况比较，折射率的差(ΔNCL)如果大于零，光强度出现衰减，折射率差(ΔNCL)越大光强度的衰减也越大，换言之就是漏光越小。
上述的实验结果表明，比如使用上金属包层3A和下金属包层3B折射率的差(ΔNCL)为0.04的材料，在上金属包层上从下金属包层3B的表面距离2μm左右的位置形成各电极6A～6C，由于电极表面的光强度衰减到芯的0.1％以下，所以由电极对光的吸收可以忽略不计。
而且，一般由于液晶对温度的依赖性很大，本发明的波导路型液晶光开关为了排除外部环境变化的影响，具备温度控制的装置是更理想的。作为温度控制的装置，由于伯尔帖元件体积小、温度控制简单，是合适的材料，图中的表示被省略，比如在上金属包层3B(或者上基板8A)的上面敷设在第3芯4的近旁，而且对整个开关隔热。由于这样对温度变动的控制，可以以低的交调失真，实现低损耗的波导路型液晶光开关。
(双闸门型光开关)所述的波导路型液晶光开关10，将其偶数个相连接，作为整体与单一的光开关同样地具有一对输入端和一对输出端也可以构成一种开关。在本发明中，连接偶数个波导路型液晶光开关10作为一个整体，作为一个单一的开关发挥作用的构成定义为双闸门型光开关。
图8是这样的双闸门型光开关的一个实例图，是从表示的由4个波导路型液晶光开关10构成的双闸门型光开关的模式图。图中所示的双闸门型光开关，由第1波导路型液晶光开关10A的一方的输出端c和第2的波导路型液晶光开关10B的一方的输入端e，第1波导路型液晶光开关10A的另一方的输出端d和第4的波导路型液晶光开关10D的一方的输入端m，第3的波导路型液晶光开关10C的一方的输出端k和第2的波导路型液晶光开关10B的另一方的输入端f，第3波导路型液晶光开关10C的另一方的输出端1和第4的波导路型液晶光开关10D的另一方的输入端n由各自的光波导路20连接而构成。而且，第1波导路型液晶光开关10A的一方的输入端a作为第1输入端口(IN1)，第3的波导路型液晶光开关10C的一方的输入端j作为第2输入端口(IN2)，进而，第2的波导路型液晶光开关10B的一方的输出端g作为第1输出端口(OUT1)，第4的波导路型液晶光开关10D的另一方的输出端p作为第2输出端口(OUT2)，并且第2波导路型液晶光开关10B的另一方的输出端h作为空端口1，第4波导路型液晶光开关10D的另一方的输出端o作为空端口2，分别作为对外的端口。
在这个双闸门型光开关中，也如同所述的波导路型液晶光开关(参照图3)那样，从第1输入端口IN1射入的光信号从第1输出端口OUT1射出，从第2输入端口IN2射入的光信号从第2输出端口OUT2射出的状态作为‘ON状态’，相反，从第1输入端口IN1射入的光信号从第2输出端口OUT2射出，从第2输入端口1N2射入的光信号从第1输出端口OUT1射出的状态作为‘OFF状态’。而在ON状态或者OFF状态中，应该从各输出端口射出的光信号的强度与不应该射出的光信号(迷光)的强度的比定义为‘消光比’。
所述的双闸门型光开关中，在ON状态时，所有的波导路型液晶光开关10A～10D都在ON状态。由此，第1输入端口IN1射入的光信号从第1波导路型液晶光开关10A的输出端c射出，再射入第2波导路型液晶光开关10B的输入端e，再从输出端g也就是第1输出端口OUT1射出。此时，即使有迷光存在，在第1波导路型液晶光开关10A中从输出端射出，到达空端口2，在第2波导路型液晶光开关10B中到达空端口1，而不会从各自本来的输出端口射出，可以实现高的消光比。
另一方面在OFF状态，可以是所有的波导路型液晶光开关10A～10D都处于OFF状态，这种情况下，迷光从空端口1或者空端口2射出。
而且，如图9所示，连结两个波导路型液晶光开关10，可以作为一个整体构成单一的光开关。在这个构成中，第1波导路型液晶光开关10A的一方输出端c和第2波导路型液晶光开关10B的一方输入端e经光波导路20连接，第1波导路型液晶光开关10A的一方的输入端a作为第1输入端口IN1，第2波导路型液晶光开关10B的另一方的输入端f作为第2输入端口IN2，第2波导路型液晶光开关10B的一方的输出端g作为第1输出端口OUT，第1波导路型10A的另一方的输出端d作为第2输出端口OUT2。而且，第2波导路型液晶光开关10B的另一方的输出端作为空端口。
这个双闸门型光开关中，在ON状态时，第1波导路型液晶光开关10A及第2波导路型光开关10B都是ON状态。由此，射入第1输入端口IN1的光信号从第1波导路型液晶光开关10A的输出端c射出，射入第2波导路型液晶光开关10B的输入端e再从输出端g，也就是说第1输出端口OUT1射出。此时，如果存在迷光，到达第1波导路型液晶光开关10A的另一方的输出端d，从第2输出端口OUT2射出，因此消光比与波导路型液晶光开关单体的情况相同。
另一方面，在OFF状态，第1波导路型液晶光开关10A及第2波导路型液晶光开关10B都是OFF状态。由此，射入第1输入端口IN1及第2输入端口IN2的光信号的迷光都从空端口2输出。
如上所述，由二个波导路型液晶光开关10A、10B构成的双闸门型光开关中，使用波导路型液晶光开关的数量少也就便宜。但是由于不能从第2输入端口IN2向第2输出端口OUT2输出，所以必须采用在ON状态下不使用第2输出端口OUT2的结构。
而且，所述的双闸门型光开关，理想上是将所有的波导路型液晶光开关由光波导路连接集成在一个基板上，但是也可以将个别形成的波导路型液晶光开关通过光导纤维连接构成。
如以上所述，通过本发明，与以往的波导路型液晶光开关相比，可以提供一种插入损失低，无偏振波依赖性的高性能的波导路型液晶光开关。
权利要求
1.一种有芯的波导路形成的波导路型液晶光开关，是一对第1芯及第2芯，使光从第1芯或者第2芯的一方射入，并在所述两个芯之间对光路进行切换，并且所述第1芯、第2芯在这之间形成空间设置，其特征在于从第1芯及第2芯间隔规定的距离设置第3芯，在内部填充由定向膜向规定方向定向的向列型液晶，具备以第3芯为基准，在第1芯及第2芯相反的一侧，重叠在第1芯与第2芯的间隔部分配置的第1电极；夹着第1电极成对配置，并且在与定向膜的定向方向的直交方向定向液晶分子的第2电极及第3电极；将第1芯、第2芯、第3芯及各个电极全部包围在其中的金属包层。
2.如权利要求1所述的波导路型液晶光开关，其特征是通过变化对于TE偏振光或者TM偏振光的第3芯的折射率，在第1及第2芯之间进行光路的切换。
3.如权利要求1或2所述的波导路型液晶光开关，其特征是在增大了第3芯的折射率的状态下，在第1芯及第2芯在各自光轴方向的中间位置，取光射入一侧的芯及第3芯的光强度的极小值，并且取不射入光的一侧的芯的光强度的最大值地进行传输模耦合。
4.如权利要求1或2所述的波导路型液晶光开关，其特征是在增大了第3芯的折射率的状态下，在第1芯及第2芯在各自光轴方向的中间位置，取光射入一侧的芯的光强度的极小值，并且取不射入光一侧的芯及第3芯的光强度的最大值地进行传输模耦合。
5.如权利要求4所述的波导路型液晶光开关，其特征是将金属包层分成包围第1芯及第2芯的第1金属包层和包围第3芯及各电极的第2金属包层，将第1金属包层的折射率做得比第2金属包层的折射率高。
6.如权利要求5所述的波导路型液晶光开关，其特征是具有用于使光波导路的温度保持稳定的温度控制装置。
7.如权利要求6所述的波导路型液晶光开关，其特征是温度控制装置为与周围温度隔离的一体化的装置。
8.一种双闸门型光开关，其特征是由权利要求1～7的任意项所述的2个或4个波导路型液晶光开关构成，并且一方波导路型液晶光开关的输出端与另一方波导路型液晶光开关的输入端通过光波导路或光导纤维连接，作为整体具有2个输入端、2个输出端、1个或者2个空输出端。
全文摘要
本发明提供一种波导路型液晶光开关，是一种具有一对接近的第1芯及第2芯的光波导路，使光从第1芯或者第2芯的一方射入，并在两个芯之间对所述射入光的光路进行切换的光开关，具备从第1芯及第2芯间隔规定的距离、覆盖第1芯和第2芯之间的间隔形成的，并且填充有被定向膜定向为规定方向的向列型液晶的第3芯；在第3芯的与第1芯及第2芯相反的一侧，覆盖第1芯与第2芯的间隔部分配置的第1电极；夹住第1电极成对配置的，并且使液晶分子的定向方向与定向膜的规定方向成正交方向的第2电极及第3电极；将第1芯、第2芯、第3芯及各个电极全部包围在其中的金属包层。它在功率消耗低、插入损失小、价格便宜的基础上更具有没有偏振波依赖性的优点。
文档编号G02F1/13GK1458545SQ0313624
公开日2003年11月26日 申请日期2003年5月19日 优先权日2002年5月17日
发明者河本真司 申请人:日本板硝子株式会社