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WO1998006002A1 - Bauelement zum schalten von optischen mustern in der zeiteinheit von mikrosekunden - Google Patents

Bauelement zum schalten von optischen mustern in der zeiteinheit von mikrosekunden Download PDF

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Publication number
WO1998006002A1
WO1998006002A1 PCT/EP1997/004263 EP9704263W WO9806002A1 WO 1998006002 A1 WO1998006002 A1 WO 1998006002A1 EP 9704263 W EP9704263 W EP 9704263W WO 9806002 A1 WO9806002 A1 WO 9806002A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
optical
component according
angle
switching
ferroelectric liquid
Prior art date
Application number
PCT/EP1997/004263
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Wolfgang Dultz
Leonid Beresnev
Wolfgang Haase
Thomas Weyrauch
Original Assignee
Deutsche Telekom Ag
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Deutsche Telekom Ag filed Critical Deutsche Telekom Ag
Publication of WO1998006002A1 publication Critical patent/WO1998006002A1/de

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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • 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
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • 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
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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 
    • G02F1/13—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  based on liquid crystals, e.g. single liquid crystal display cells
    • G02F1/133—Constructional arrangements; Operation of liquid crystal cells; Circuit arrangements
    • G02F1/1333—Constructional arrangements; Manufacturing methods
    • G02F1/1347—Arrangement of liquid crystal layers or cells in which the final condition of one light beam is achieved by the addition of the effects of two or more layers or cells
    • G02F1/13471—Arrangement of liquid crystal layers or cells in which the final condition of one light beam is achieved by the addition of the effects of two or more layers or cells in which all the liquid crystal cells or layers remain transparent, e.g. FLC, ECB, DAP, HAN, TN, STN, SBE-LC cells
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • 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
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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 
    • G02F1/13—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  based on liquid crystals, e.g. single liquid crystal display cells
    • G02F1/137—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  based on liquid crystals, e.g. single liquid crystal display cells characterised by the electro-optical or magneto-optical effect, e.g. field-induced phase transition, orientation effect, guest-host interaction or dynamic scattering
    • G02F1/139—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  based on liquid crystals, e.g. single liquid crystal display cells characterised by the electro-optical or magneto-optical effect, e.g. field-induced phase transition, orientation effect, guest-host interaction or dynamic scattering based on orientation effects in which the liquid crystal remains transparent
    • G02F1/141—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  based on liquid crystals, e.g. single liquid crystal display cells characterised by the electro-optical or magneto-optical effect, e.g. field-induced phase transition, orientation effect, guest-host interaction or dynamic scattering based on orientation effects in which the liquid crystal remains transparent using ferroelectric liquid crystals

Definitions

  • the invention relates to a component for switching optical patterns or data with unpolarized light according to the preamble of claim 1.
  • a second element for parallel optical processing must enable the rapid switching of the optical patterns into a number of optical channels.
  • the usual way of switching the pattern or optical data into a number of channels is to record the image via a CCD video camera with subsequent transmission of the electrical signals and the regeneration of the images on the screen. This process is limited by the operating frequency of the computer, which does not exceed 10 9 bit / s.
  • the invention is therefore based on the object to alleviate the disadvantages described above and in particular to provide a component for switching optical patterns or data with unpolarized light according to the preamble of claim 1, which switch or process a large number of optical data or patterns very quickly in parallel can.
  • the device for switching patterns according to the invention operates much faster than the known methods and devices. It is possible to transmit any image with non-polarized light in a relatively wide wavelength range with the switching time of 3 to 5 ⁇ s and the operating frequency of 10 5 frames per second.
  • the transmission frequency can be up to 10 12 bits / s (ie terabits / s) for the example in which the optical pattern contains 10 7 pixels and the patterns are switched at a frequency before 10 5 frames / s.
  • the component according to the invention uses the division of the unpolarized light beam, based on the optical pattern, into two perpendicular polarized beams. This is achieved by a wide-angle polarization beam splitter, followed by rotating both polarizations by 90 ° using an electro-optical modulator and combining both polarized beams into one beam using a second beam splitter.
  • a suitable crystal such as LiNb0 3 can be used as the electro-optical modulator, as described in Storell in the published patent application DE 30 13 498 from April 8, 1980 "Optical modulator and laser engraving device with such a modulator".
  • the optical switch described here has disadvantages, such as a small aperture and a small angle of the control beam, high switching voltage on the order of a few 100 V, the wavelength dependence of the switching efficiency, due to optical dispersion and high prices for the electro-optical crystal.
  • This switch also appears to be usable only when using lasers. Cascading using this switch is difficult to accomplish.
  • Liquid crystals as an electro-optical medium were used by Coa, A.J.A. in EP-A-0 074 144 "Optical Switch", priority 07.09.1981, NL 8104 122, for switching unpolarized light from an optical fiber into different fiber channels. This was also described by K. Hirabayashi and T. Kurokawa in Liquid Crystals 14, pages 307-317 (1993) under the title "Liquid crystal devices for optical communication and information processing systems". In both works ne atic liquid crystals were used.
  • the optical circuit of a cell of a twisted nematic liquid crystal is as electro-optical modulator shown.
  • the orthogonally polarized light passes through the cell from the first polarizing beam splitter PBS 1, the polarization plane being rotated through 90 °.
  • the light After combining the two polarized beams in the second polarizing beam splitter PBS 2, the light enters the outgoing channel 1.
  • the liquid crystal is converted into the homeotropic alignment, both polarized beams pass through the rotary cell without to rotate the angle of the polarization planes. In this case, the light enters channel 2 after the polarized beams have been combined in the second polarizing beam splitter PBS 2.
  • the major disadvantage of the circuit using nematic liquid crystals is the low operating frequency of approximately 10 Hz. This means that the use of a nematic liquid crystal modulator for pattern transmission is slower than electronic video recording. In addition, gray level control of the light intensity between the optical channels is difficult.
  • the electro-optical circuit of the proposed embodiment uses for the first time an electro-optical modulator made up of several electrically controllable or controllable delay plates in series connection.
  • these switchable delay plates are based on ferroelectric liquid crystals (FLC's) for the first time.
  • FLC's ferroelectric liquid crystals
  • the great advantage of the switches according to the invention includes the high efficiency ( ⁇ 100%) of the optical circuit of the polarized light; low optical loss, which essentially results only from the reflection on the transparent solid surfaces such as quartz, glass or calcite.
  • the possibility of a light channel switch is given by cascading. Very fast switching and grayscale modulation of optical images every microsecond, - low switching voltage of approximately 25 V; Low dependence of the switching efficiency on the wavelength of the light and thus the perfect switching of any color image are also advantages of this component.
  • the low dependence on the angular distribution of the modulated light beam can be used for the rapid switching of the polarization plane of the light in compact stereo projectors, for which purpose only one lens is required.
  • the left and right eye images appear alternately on the screen at a frequency of 100 Hz or higher. This property is also ideal for realizing glasses with rapidly switchable polarization directions or for fast closures for viewing stereoscopic images using the polarization division or the time division of images for the left and right eyes.
  • 2 shows the principle of the conventional optical switching of non-polarized light, as described, for example, by RA Sorel in Optics Letters 5 (4), 147-149 (1980) under the title “Total switching of unpolarized fiber light with a fourport electro-optic liquid- crystal device "and Katsuhiko Hirabayashi and Takashi Kurokawa in Liquid Crystals 14 (2), 307-317 (1993) under the title “Liquid crystal devices for optical communication and information processing systems", where PBS refers to polarizing beam splitters and the twisted-nematic cell as electro-optical Switch of the polarization planes is shown
  • Fig. 4 the 2x2 cross switch according to the invention with two
  • Input and two output channels realized by using a number of at least two switchable uniaxial optical delay plates
  • Fig. 5 shows the electro-optical effect, based on the orientation of the inclination planes of the chiral inclined guest molecules, which were entered in the lamellar phase, in the given case in the smectic A phase, a) without an applied electric field, whereby a random orientation of the The planes of inclination of the chiral molecules result and the central optical axis n runs along the z-direction, which results in the local inclination of the chiral molecules at the angle ⁇ m , b) the electric field E runs parallel to the layers opposite to the viewing direction, the transverse ones molecular dipoles are oriented along the electric field and, due to the organization of the inclination planes of the inclined chiral molecules, the central optical axis ⁇ n> is rotated counterclockwise at an angle ⁇ > less than ⁇ m compared to case a), c) that electric field + E runs parallel to the layers in the direction of view, the middle re optical axis is rotated clockwise by
  • FIG. 7 shows the switching efficiency of the cross switch shown in FIG. 4 with an electroclinical double modulator using the ferroelectric liquid crystal FLC-392
  • FIG 8 shows an optical circuit diagram for the cascading of the optical switches according to the invention for switching optical patterns or data or of fiber channels from one input channel to 4 output channels.
  • a component according to the invention for the rapid switching of optical patterns is described below.
  • Each optical image 1 can be switched into two channels 2, 3 by means of unpolarized polychromatic light.
  • the component contains two polarizing beam splitters 4, 5 and prisms 6, 7 as well as an electro-optical modulator 8, which consists of at least two electrically controlled or controllable
  • the angle between the optical axes is 45 ° or 90 ° for switching in channel 1 or channel 2.
  • Capillary cells with ferroelectric liquid crystals in planar geometry can be used as switchable optical delay plates 9, 10.
  • SSFLC surface-stabilized ferroelectric liquid crystal
  • DHF ferroelectric helix
  • the modulator consists of four switchable delay plates 9, 10, 11, 12 and the electroclinic effect is applied, the required angle of inclination is only 5.625 °.
  • the response time is then correspondingly shorter and can be less than 1 microsecond.
  • the proposed fast optical switching element can be used for fiber channels 13, 14, 15 and as an active element in optical computers.
  • the operating speed for switching between the optical channels are in the order of several terabits / s.
  • the component can be cascaded, which enables the switching of patterns in any number of channels. Description of the principle of the component
  • Fig. 1 The general scheme of the proposed switch is shown in Fig. 1.
  • SRP's series-connected optical delay plates
  • Two or more ferroelectric liquid crystalline layers connected in series result in the excellent properties of the optical switch such as:
  • the resulting deviation in the plane of polarization after passing through two of these plates is then 90 °, as described by G. Andersson, I. Dahl, L. Komitov, S.T. Lagerwall, K. Skarp, and B. Stebler in J. Appl. Phys. 66 (10), 4983-4995 (1989) under the title "Device physics of the soft-mode electro-optic effect".
  • the response time can be of the order of a microsecond or less, due to the small value of the induced tilt angle. This means that the working frequency can be around 10 5 - 10 6 Hz.
  • the intrinsic grayscale scale of the electroclinic and the DHF effect means that the controlled distribution of the intensity of the optical patterns in two channels can be achieved regardless of the possibility of the overall circuit.
  • This property can be used for effective amplitude modulation of the non-polarized light with very high transmission close to 100% in the open state.
  • An application for this is e.g. in fast optically limiting components or for the automatic control or control of the light intensity when using a photodetector in the corresponding output and the feedback to the voltage that is applied to the switchable delay plates.
  • the switch proposed according to the invention is able to switch two incoming optical beams symmetrically into two outgoing channels, as can be seen in FIG. 4.
  • the plane of the deviation of the optical axis is perpendicular to the field direction and the size of the deviation angle is proportional to the amplitude of the electrical field in the case of the electroclinic and DHF effect.
  • the resulting is
  • All three mentioned electro-optical modes can be used to implement a component, ie for Rotation of the polarization plane and thus as a basic element of the switchable delay plate of the proposed optical switch.
  • the inventors use a new electroclinic material that requires only a very low switching voltage.
  • Mixtures which consist of a lamellar matrix (for example of a smectic A or smectic C * phase) and chiral guest molecules which are inclined in the layer at a certain angle ⁇ m , as shown in FIG. 5a.
  • the hindrance of these molecules when rotating about the longitudinal axis is due to the monoclinic local environment, which is caused by the inclination of the chiral molecules in the layer. Because of this handicap, the short axis of these molecules is oriented in the direction of the layer and perpendicular to the plane of inclination.
  • the transverse dipole moment which is connected to the short axis, can be oriented in this direction.
  • the tilt planes of the chiral tilted molecules are statistically distributed.
  • An external electric field applied along the layers, orients the dipole moments of the separated molecules and correspondingly their planes of inclination, as shown in FIGS. 5b and c.
  • the mean optical refractive index index deviates by the mean angle ⁇ >, which is smaller than ⁇ m , in the plane that is perpendicular to the applied electric field.
  • the value of the deviation of the mean optical indicatrix depends on the concentration of the chiral guest molecules, their angle of inclination ⁇ m and the optical transition moment of the matrix and the guest molecules.
  • the expected response time is shorter than with collective switching in the chiral smectic C "phase.
  • the electroclinic material used according to the invention with the lamellar phase and the inclined chiral molecules dissolved therein allows switching in a very short response time.
  • FIG. 6 shows the temperature dependence of the switching time and the induced inclination angle ⁇ of an electroclinic material FLC-392 according to the invention at a switching voltage of ⁇ 10 V. It can be seen that the response times are on the order of a few microseconds and drop in the range of 1.5-2 microseconds at higher temperatures.
  • FIG. 7 shows the efficiency of switching the switch according to the invention in accordance with the configuration shown in FIG. 4.
  • the transmission of a few percent of the light intensity which is still present in the case of the blocking state is due to the wavelength dispersion of the polarizing beam splitter used and the optical non-uniformity of the electroclinic modulators.
  • the DHF materials can be used for electro-optical switching, where fractions of a millisecond are required as switching time in connection with very small switching voltages of 1 - 2 volts. You could e.g. are used in glasses to be operated with low switching voltages for stereoscopic TV systems.
  • the transmission speed can reach many terabits / s and is only limited by the resolution of the optical standard elements, such as lenses, prisms, etc.
  • optical switch according to the invention can be used in optical limiting components, e.g. in fast shutters in video cameras or to protect the eye, or to control or control the light intensity when using the feedback of the photo receiver via an amplifier.
  • the proposed switch can also be used for the overall switching of depolarized light in optical fibers.
  • FIG. 8 shows the optical circuit diagram for a possible cascading which contains 4 output channels.

Landscapes

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Abstract

Damit bei einem Bauelement zum Schalten von optischen Mustern oder Daten mit unpolarisiertem Licht, umfassend zwei polarisierende Strahlteiler (4, 5) und zumindest einen elektrooptischen Modulator (8), der zwischen den Strahlteilern angeordnet ist, wobei eine Änderung der Polarität und der Amplitude einer an den Modulator angelegten elektrischen Spannung eine Drehung der Polarisationsebene des Lichts, das von dem ersten polarisierenden Strahlteiler durch den Modulator hindurchgeht, um den Winkel 0 bis 90° bewirkt, eine hohe Anzahl optischer Daten oder Muster sehr schnell parallel geschaltet oder verarbeitet werden kann, ist vorgesehen, dass der Modulator (8) mindestens zwei elektrisch schalt- oder steubare optische Verzögerungsplatten (9, 10) umfaßt, die ferroelectrische Flüssigkristalle enthalten.

Description

Bauelement zum Schalten von optischen Mustern in der Zeiteinheit von Mikrose unden
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Bauelement zum Schalten von optischen Mustern oder Daten mit unpolarisiertem Licht gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Der aktuelle Trend in der Informationsverarbeitung zielt derzeit auf eine Operations- oder Verarbeitungsgeschwindigkeit von Terabit/s hin. Das ist heutzutage nur durch parallele Verarbeitung erreichbar. Eine solche Operationsgeschwindigkeit kann z.B. erreicht werden, wenn optische Muster von ca. 1 bis 10 Millionen Bildpunkten mit einer Arbeitsfrequenz in der Größenordnung von 100 000 Bildern pro Sekunde übertragen werden. Für die parallele optische Datenverarbeitung sind zwei Funktionselemente grundlegend: Einmal die schnelle und reversible optische Speicherung mit der Möglichkeit zum Schreiben, Lesen und Löschen der Muster bei der genannten Informationsdichte und bei der genannten Arbeitsfrequenz pro Vorgang. Für diesen Zweck wird allgemein der optisch adressierbare räumliche Lichtmodulator (OASLM) als geeignet angesehen. Dieser erlaubt es, typische Funktionen der parallelen optischen Verarbeitung, z.B. Chiffrierung - Dechiffrierung der optischen Muster, neue und monotone Filterung, Bilderkennung, Herstellung und Wiederherstellung von Hologrammen, wie es im Review K. Hirabayashi und T. Kurokawa, Liquid Crystals 14, Seiten 307 - 317 (1993) unter dem Titel "Liquid Crystal Devices for Optical Co munication and Information Processing Systems" beschrieben wurde, auszuführen. In dem genannten Bauelement werden die einzigartigen Eigenschaften von ferroelektrischen Flüssigkristallen zum schnellen Schalten in der Zeiteinheit von Mikrosekunden bei einer SchaltSpannung in der Größenordnung von 10 V angewandt, was die sehr hohe Dichte von unabhängig kontrollier- bzw. steuerbaren Bildpunkten, beispielsweise mit einer Auflösung von bis zu 100 Linienpaaren pro mm erlaubte.
Ein zweites Element für parallele optische Verarbeitung muß das schnelle Schalten der optischen Muster in eine Anzahl von optischen Kanälen ermöglichen. Der übliche Weg zur Schaltung der Muster oder optischen Daten in eine Anzahl von Kanälen besteht in der Bildaufzeichnung über eine CCD-Videokamera mit anschließender Übertragung der elektrischen Signale und der Wiedererzeugung der Bilder auf dem Bildschirm. Dieser Prozeß ist limitiert durch die Arbeitsfrequenz des Computers, die 109 Bit/s nicht überschreitet .
Der Erfindung liegt folglich die Aufgabe zugrunde, die vorstehend geschilderten Nachteile zu lindern und insbesondere ein Bauelement zum Schalten von optischen Mustern oder Daten mit unpolarisiertem Licht gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, welches eine hohe Anzahl optischer Daten oder Muster sehr schnell parallel schalten oder verarbeiten kann.
Diese Aufgabe wird bereits mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst .
Das erfindungsgemäße Bauelement zur Umschaltung von Mustern operiert viel schneller als die bekannten Verfahren und Vorrichtungen. Es ist möglich, irgendein Bild mit nichtpolarisiertem Licht in einem relativ weiten Wellenlängenbereich mit der Schaltzeit von 3 bis 5 μs und der Arbeitsfrequenz von 105 Bildern pro Sekunde zu übertragen. Die Übertragungsfrequenz kann bis zu 1012 Bit/s (d.h. Terabit/s) betragen für den Beispielfall, daß das optische Muster 107 Bildpunkte enthält und die Schaltung der Muster mit einer Frequenz vor 105 Bildern/s erfolgt.
Das erfindungsgemäße Bauelement nützt die Aufteilung des unpolarisierten Lichtstrahles, ausgehend vom optischen Muster, in zwei senkrecht zueinander polarisierte Strahlen aus. Dies wird durch einen Weitwinkel- Polarisationsstrahlteiler erreicht, gefolgt von der Drehung beider Polarisationen um 90° unter Verwendung eines elektrooptischen Modulators und der Zusammenführung beider polarisierter Strahlen zu einem Strahl unter Verwendung eines zweiten Strahlteilers.
Einer der Vorteile dieses Systems liegt in der hohen Effizienz der Schaltung, da keine absorbierenden oder reflektierenden Polarisatoren benötigt werden.
Als elektrooptischer Modulator kann ein geeigneter Kristall wie LiNb03 verwendet werden, wie es bei Storell in der Offenlegungsschrift DE 30 13 498 vom 08.04.1980 "Optischer Modulator sowie Laser-Graviervorrichtung mit einem derartigen Modulator", dargelegt wurde. Der hier beschriebene optische Schalter hat allerdings Nachteile, wie eine kleine Apertur und einen kleinen Winkel des Kontrollstrahls, hohe Schaltspannung in der Größenordnung von einigen 100 V, die Wellenlängenabhängigkeit der Schalteffizienz, bedingt durch optische Dispersion und hohe Preise für den elektrooptischen Kristall. Dieser Schalter scheint ferner nur benutzbar bei Anwendung von Lasern. Eine Kaskadierung, unter Verwendung dieses Schalters ist schwierig zu realisieren.
Flüssigkristalle als elektrooptisches Medium wurden bei Nicia, A. J. A. in der EP-A-0 074 144 "Optical Switch", Priorität 07.09.1981, NL 8104 122, eingesetzt zum Schalten von unpolarisiertem Licht aus einer optischen Faser in verschiedene Faserkanäle. Dies wurde auch von K. Hirabayashi und T. Kurokawa in Liquid Crystals 14, Seiten 307 - 317 (1993) unter dem Titel "Liquid crystal devices for optical communication and Information processing Systems" beschrieben. In beiden Arbeiten wurden ne atische Flüssigkristalle verwandt.
In Fig. 2 wird die optische Schaltung einer Zelle eines twisted-nematischen Flüssigkristalls als elektrooptischer Modulator gezeigt. Im feldfreien Zustand geht das orthogonal polarisierte Licht vom ersten polarisierenden Strahlteiler PBS 1 durch die Zelle, wobei die Polarisationsebene um 90° gedreht wird. Nach Zusammenführung der beiden polarisierten Strahlen im zweiten polarisierenden Strahlteiler PBS 2 tritt das Licht in den ausgehenden Kanal 1. Wenn das elektrische Feld an die Drehzelle angelegt wird, wird der flüssige Kristall in die homöotrope Ausrichtung überführt, beide polarisierten Strahlen gehen durch die Drehzelle, ohne den Winkel der Polarisationsebenen zu drehen. Nach Zusammenführung der polarisierten Strahlen in dem zweiten polarisierenden Strahlteiler PBS 2 tritt das Licht in diesem Fall in den Kanal 2 ein.
Der große Nachteil der Schaltung unter Anwendung von nematischen Flüssigkristallen ist die geringe Arbeitsfrequenz von ca. 10 Hz. Dies bedeutet, daß die Anwendung eines nematischen Flüssigkristall -Modulators für die Musterübertragung langsamer ist als die elektronische Videoaufzeichnung. Zusätzlich ist eine Graustufenkontrolle der Lichtintensität zwischen den optischen Kanälen schwierig.
Die elektrooptische Schaltung der vorgeschlagenen Ausführung benutzt zum ersten Mal einen elektrooptischen Modulator aus mehreren elektrisch kontrollier- bzw. steuerbaren Verzögerungsplatten in Serienschaltung. Zudem basieren diese schaltbaren Verzögerungsplatten erstmals auf ferroelektrischen Flüssigkristallen (FLC's).
Der große Vorteil der erfindungsgemäßen Schalter umfaßt die hohe Effizienz (~ 100 %) der optischen Schaltung des polarisierten Lichtes ; geringen optischen Verlust, welcher im wesentlichen nur von der Reflexion an den transparenten festen Oberflächen wie Quarz, Glas oder Calcit herrührt. Die Möglichkeit eines Lichtkanalschalters ist durch Kaskadierung gegeben. Sehr schnelles Schalten sowie Graustufenmodulation von optischen Bildern im Mikrosekundentakt ,- geringe Schaltspannung von ungefähr 25 V; geringe Abhängigkeit der Schalteffizienz von der Wellenlänge des Lichtes und somit die perfekte Schaltung irgendeines Farbbildes sind zudem Vorteile dieses Bauelementes . die geringe Abhängigkeit von der Winkelverteilung des modulierten Lichtstrahles kann für die schnelle Schaltung der Polarisationsebene des Lichtes in kompakten Stereoprojektoren benutzt werden, wozu nur ein Objektiv benötigt wird. Die Bilder für das linke und das rechte Auge erscheinen mit einer Frequenz von 100 Hz oder höher abwechselnd auf dem Bildschirm. Diese Eigenschaft ist ebenfalls hervorragend geeignet zur Realisation von Brillen mit schnell umschaltbaren Polarisationsrichtungen oder für schnelle Verschlüsse zur Betrachtung von stereoskopischen Darstellungen unter Verwendung der Polarisationsteilung oder der Zeitunterteilung von Bildern für das linke und das rechte Auge.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsformen und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen im einzelnen beschrieben.
Es zeigen: Fig. 1 das Prinzip des erfindungsgemäßen Schalters, bei welchem die Variabilität der schaltbaren Verzögerungsplatten, wie z.B. des doppelten elektroklinen Modulators mit dem elektrisch induzierten molekularen Neigungswinkel von θ = 11,25° in der s ektischen A-Phase, ausgenutzt wird, Fig. 2 das Prinzip der herkömmlichen optischen Schaltung von nichtpolarisiertem Licht, wie es R. A. Sorel u.a. in Optics Letters 5(4), 147 - 149 (1980) unter dem Titel "Total switching of unpolarized fiber light with a fourport electro-optic liquid-crystal device" und Katsuhiko Hirabayashi und Takashi Kurokawa in Liquid Crystals 14 (2), 307 - 317 (1993) unter dem Titel "Liquid crystal devices for optical communication and Information processing Systems" beschrieben haben, wobei PBS polarisierende Strahlteiler bezeichnet und die twisted-nematische Zelle als elektrooptischer Schalter der Polarisationsebenen gezeigt ist,
Fig. 3 das Prinzip des erfindungsgemäßen Schalters, wobei vier schaltbare Verzögerungsplatten mit einem schaltbaren Winkel der chiralen smektischen C*-Phase oder dem elektrisch induzierten Neigungswinkel der smektischen A-Phase von θ = 5,625° eingesetzt werden,
Fig. 4 den erfindungsgemäßen 2x2 Kreuzschalter mit zwei
Eingangs- und zwei Ausgangskanälen realisiert durch die Verwendung einer Anzahl von mindestens zwei schaltbaren uniaxialen optischen Verzögerungsplatten,
Fig. 5 den elektrooptischen Effekt, basierend auf der Orientierung der Neigungsebenen der chiralen geneigten Gastmoleküle, die in die lamellare Phase, im gegebenen Fall in die smektische A-Phase, eingetragen wurden, a) ohne angelegtes elektrisches Feld, wobei sich eine zufälligen Orientierung der Neigungsebenen der chiralen Moleküle ergibt und die mittlere optische Achse n entlang der z-Richtung verläuft, woraus die lokale Neigung der chiralen Moleküle unter dem Winkel θm resultiert, b) das elektrische Feld E verläuft parallel zu den Schichten entgegen der Blickrichtung, wobei die transversalen molekularen Dipole entlang des elektrischen Feldes orientiert sind und bedingt durch die Organisation der Neigungsebenen der geneigten chiralen Moleküle die mittlere optische Achse <n> entgegen dem Uhrzeigersinn unter einem Winkel <θ> kleiner als θm gegenüber dem Fall a) verdreht wird, c) das elektrische Feld + E verläuft parallel zu den Schichten in Blickrichtung, wobei die mittlere optische Achse im Uhrzeigersinn um einen Winkel + <θ> kleiner als θm verdreht wird,
Fig. 6 die Temperaturabhängigkeit der Schaltzeit τ und des induzierten Neigungswinkels ±θ des von den Erfindern entwickelten elektroklinen Materials FLC-392, wobei die Zellendicke 1,6 μm, die Schaltspannung ±10 V beträgt,
Fig. 7 die Schalteffizienz des in Fig. 4 dargestellten Kreuzschalters mit einem elektroklinen Doppelmodulator unter Verwendung des ferroelektrischen Flüssigkristalls FLC-392,
Fig. 8 ein optisches Schaltbild für die Kaskadierung der erfindungsgemäßen optischen Schalter zum Schalten von optischen Mustern bzw. Daten oder von Faserkanälen von einem Eingangskanal in 4 Ausgangskanäle.
Bei der nachfolgenden Beschreibung bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder ähnliche Bauteile oder -gruppen.
Ein erfindungsgemäßes Bauelement zum schnellen Schalten von optischen Mustern wird nachfolgend beschrieben.
Jedes optische Bild 1 kann in zwei Kanäle 2, 3 mittels unpolarisiertem polychromatischem Licht geschaltet werden. Die charakteristische Schaltzeit liegt bei 3 bis 5 Mikrosekunden, die SchaltSpannung ist nicht höher als = 25 V. Das Bauelement enthält je zwei polarisierende Strahlteiler 4, 5 und Prismen 6, 7 sowie einen elektrooptischen Modulator 8, der aus wenigstens zwei elektrisch kontrollier- bzw. steuerbaren
Phasenverzögerungsplatten 9, 10, z. B. uniaxiale optische Platten, deren Brechungsindices n0 und ne die Bedingung (ne - n0)d = λ/2 (d = Dicke der Platte, λ = Wellenlänge) erfüllen, besteht. Bei Verwendung von zwei Platten 9, 10 beträgt der Winkel zwischen den optischen Achsen 45° bzw. 90° für das Schalten in Kanal 1 bzw. Kanal 2. Als schaltbare optische Verzögerungsplatte 9, 10 können Kapillarzellen mit ferroelektrischen Flüssigkristallen in planarer Geometrie angewandt werden. Die Schaltwinkel 2Θ._ und 2Θ2 der optischen Achsen beider Platten genügen beim Umschalten der Polarität des angelegten elektrischen Feldes der Bedingung θj_ + θ2 = 22,5°. Zwei gleiche Zellen mit Schaltwinkeln θ, = θ2 = 11,25° stellen den einfachsten Fall dar.
Drei prinzipielle elektrooptische Effekte in ferroelektrischen Flüssigkristallen können und werden in erfindungsgemäßer Weise angewandt: 1. SSFLC (oberflächenstabilisiertes ferroelektrisches Flüssigkristall) -Material mit einem schaltbaren molekularen Neigungswinkel θ0 = 11,25°; 2. Der elektrokline Effekt mit einem elektrisch induzierten Tiltwinkel von θe = 11,25°; 3. Der Effekt der Deformation der ferroelektrischen Helix (DHF) mit einem elektrisch induzierten Winkel <θ> = 11,25° für die Abweichung der mittleren optischen Indikatrix des helikalen ferroelektrischen Flüssigkristalls von der Schichtnormale. Der Vorteil des vorgeschlagenen Bauelementes ist: geringe Wellenlängendispersion bei der Schaltung, was erlaubt, optische Bilder im breiten Wellenlängenbereich zu schalten; geringe Abhängigkeit der Schalteffizienz bei der Drehung des Modulators entlang der Achse des Lichtes,- eine Schaltzeit von ca. 3 μs bei einer Schaltspannung von = 25 V ist realisierbar bei Anwendung des elektroklinen Effektes; bei Anwendung des DHF-Effektes kann eine Schaltfrequenz von 2 bis 4 kHz und eine sehr geringe Spannung von weniger als = 3 V eingesetzt werden.
Wenn der Modulator aus vier schaltbaren Verzögerungsplatten 9, 10, 11, 12 besteht und der elektrokline Effekt angewandt wird, beträgt der benötigte Neigungswinkel nur 5,625°. Die Antwortzeit ist dann entsprechend kürzer und kann weniger als 1 Mikrosekunde betragen.
Das vorgeschlagene schnelle optische Schaltelement kann für Faserkanäle 13, 14, 15 und als aktives Element in optischen Rechnern eingesetzt werden. Im zweiten Fall kann die Operationsgeschwindigkeit für den Wechsel zwischen den optischen Kanälen in der Größenordnung mehrerer Terabit/s liegen. Das Bauelement kann kaskadiert werden, wodurch das Schalten von Mustern in beliebig viele Kanäle möglich wird. Beschreibung des Prinzips des Bauelements
Das allgemeine Schema des vorgeschlagenen Schalters ist in Fig. 1 dargestellt Die Vorteile der in Serie geschalteten optischen Verzδgerungsplatten (SRP's) als elektrooptisches Element werden ausgenutzt. Zwei oder mehrere ferroelektrische flüssigkristalline Schichten in Serie geschaltet ergeben die vorzüglichen Eigenschaften des optischen Schalters wie:
1. Kleine Werte des Schaltwinkels von 22,5° der optischen Achse in irgendeiner der benutzten Platten. Das bedeutet, daß der elektrisch gesteuerte molekulare Winkel der elektroklinen Mode, wie beschrieben von S. Garoff und R. B. Meyer in Phys . Rev. Lett. 38, 848 (1978) sowie S. T. Lagerwall, G. Andersson, I. Dahl, W. Kuczynski, K. Skarp und B. Stebler im US-Patent 4 838 663 vom 13. Juni 1989 und der Priorität vom 7. Oktober 1986 unter der europäischen Patent-Spezifikation 86 850 337 unter dem Titel "Device for submicrosecond electro-optical modulation in the liquid crystal smectic A-phase using orthogonal bookshelf geometry" , welche durch Bezugnahme auch zum Gegenstand der vorliegenden Beschreibung gemacht wird, nur 11,25° betragen muß. Die resultierende Abweichung der Polarisationsebene nach Durchgang durch zwei dieser Platten ist dann 90°, wie es von G. Andersson, I. Dahl, L. Komitov, S.T. Lagerwall, K. Skarp, and B. Stebler in J. Appl . Phys. 66(10), 4983 - 4995 (1989) unter dem Titel "Device physics of the soft-mode electro-optic effect" beschrieben wurde.
Von einem der Erfinder wurde gefunden, daß in der oberflächenstabilisierten Zelle, beschrieben von N. A. Clark und S. T. Lagerwall on Appl. Phys. Lett. 36, 899 - 901 (1980) unter dem Titel "Submicrosecond bistable electro- optic switching in liquid crystals" und im US-Patent 4 563 059 vom 7. Januar 1986 mit der Priorität vom 7. Juli 1983 unter dem Titel "Surface stabilized ferroelectric liquid crystal device", der molekulare Winkel in der chiralen smektischen C*-Phase nur einen Wert von 11,25° haben muß. Ein Autor der vorliegenden Anmeldung konnte zeigen, daß die notwendige Abweichung der mittleren optischen Indikatrix in der Deformierten Helikalen Ferroelektrischen (DHF) -Mode, beschrieben von L.A. Beresnev, V.G. Chigrinov, E.P. Pozhidaev, D.I. Dergachev, J. FünfSchilling und M. Schadt in Liquid Crystals 5, 1171 - 1179 (1989) unter dem Titel "Deformed helical ferroelectric liquid crystal display: A new electrooptical mode in ferroelectric liquid crystals" und von L.A. Beresnev, V.G. Chigrinov, D.I. Dergachev, M. V. Loseva, N.I. Chernova, E.P. Pozhidaev, B.I. Ostrovskii, A.Z. Rabinovich, A.V. Ivaschenko, V.V. Titov und M. Schadt im Schweizerischen Patent 3722/87, Referenz RAN 4701/127-002, Priorität vom 21. September 1987 unter dem Titel "Ferroelektrische Flüssigkristallanzeige", ebenfalls 11,25° betragen sollte. Bedingt durch diese niedrigen Schaltwinkel kann die Amplitude der SchaltSpannung in erfindungsgemäßer Weise mindestens um den Faktor 2 reduziert werden im Vergleich zur Anwendung von nur einer modulierten Schicht. Tatsächlich ist die Reduktion aufgrund der Nichtlinearität in der Abhängigkeit des Abweichungswinkels von der anliegenden Spannung höher als um den Faktor 2. Im Falle der Anwendung von vier schaltbaren Verzögerungsplatten nach Figur 3 beträgt der notwendige Wert des schaltbaren Neigungswinkels in irgendeiner der Verzögerungsplatten nur 5,625°, was auf Grund der starken Abnahme der anzulegenden Spannung und der Antwortzeit vorteilhaft ist . Im Falle der Anwendung des elektroklinen oder des DHF-Effektes resultiert eine sehr lineare Graustufenskala. Im Falle der elektroklinen Mode kann die Antwortzeit in der Größenordnung von einer Mikrosekunde oder niedriger, bedingt durch den kleinen Wert des induzierten Tiltwinkels, liegen. Das bedeutet, daß die Arbeitsfrequenz bei ca. 105 - 106 Hz liegen kann.
2. Die sehr starke Kompensation der Wellenlängendispersion der erfindungsgemäßen Einrichtungen. Dieses Phänomen wurde theoretisch vorausgesagt von G. Andersson, I. Dahl, L. Komitov, S.T. Lagerwall, K. Skarp und B. Stebler in J. Appl. Phys. 66(10), 4983 - 4995 (1989) unter dem Titel "Device physics of the soft-mode electro- optic effect" und von den Erfindern experimentell bestätigt für den Fall, daß die beiden optischen Achsen zweier identischer elektrokliner Schichten unter einem Winkel von 67.5° zueinander stehen und für den Fall entgegengesetzter Polaritäten, bei der die kontrollierten bzw. gesteuerten optischen Achsen unter einem Winkel von 90° bzw. 45° zueinander stehen. Zusätzliche Vorteile wurden von den Erfindern aufgezeigt, wie die Kompensation der optischen Ungleichförmigkeiten, die durch die Ungleichförmigkeit der Dicken der beiden elektrooptischen Schichten entstehen, und die sehr geringe Abhängigkeit der Schalteffizienz von der Rotation der Anordnung der schaltbaren Verzögerungsplatten um die Richtung des einfallenden Lichtstrahles.
3. Durch die intrinsische Graustufenskala des elektroklinen und des DHF-Effektes kann die gesteuerte Verteilung der Intensität der optischen Muster in zwei Kanäle unabhängig von der Möglichkeit der Gesamtschaltung verwirklicht werden. Diese Eigenschaft kann zur effektiven Amplitudenmodulation des nichtpolarisierten Lichtes mit sehr hoher Transmission nahe bei 100 % im offenen Zustand ausgenützt werden. Eine Anwendung hierfür ist z.B. in schnellen optisch limitierenden Bauelementen oder für die automatische Kontrolle bzw. Steuerung der Lichtintensität bei Anwendung eines Photodetektors im korrespondierenden Ausgang sowie der Rückkopplung an die Spannung, die an die schaltbaren Verzögerungsplatten angelegt ist, gegeben.
Dies ist ähnlich den Bauelementen, die bei R. Bruhin in der Europäischen Patentanmeldung Nr. 03305056, Priorität vom 31. März 1988 unter der Nummer 88810218.3 CH und dem Titel "Lichtfilter mit selbsttätiger Regelung der optischen Transmission" und bei M. Eve und D.W. Smith in Electronic Letters 15(5), 146 - 146 (1979) unter dem Titel "New auto atic-gain-control-syste for optical receivers" beschrieben wurden.
Der erfindungsgemäß vorgeschlagene Schalter ist in der Lage, symmetrisch zwei eintretende optische Strahlen in zwei ausgehende Kanäle zu schalten, wie es in Fig. 4 zu sehen ist.
Im folgenden soll die Anwendung der verschiedenen elektrooptischen Effekte der ferroelektrischen Flüssigkristalle zum Schalten der Polarisationsebene beschrieben werden. Die grundlegende elektrooptische Eigenschaft von ferroelektrischen Flüssigkristallen, beschrieben bei R.B. Meyer, L. Liebert, L. Strzelecki und P. Keller in Journal de Physique Lett. 36, L69
(1975) unter dem Titel "Ferroelectric liquid crystals", ist die Veränderung der Lage der optischen Achse unter dem Einfluß eines elektrischen Feldes.
Die große Abweichung des Brechungsindexellipsoids bei kleiner Schaltspannung ist verbunden mit einer sehr geringen Antwortzeit in der Größenordnung von 10 Mikrosekunden oder kürzer. Dies wurde beschrieben von N. A. Clark und S. T. Lagerwall in Appl. Phys. Lett. 36, 899 - 901 (1980) unter dem Titel "Submicrosecond bistable electro-optic switching in liquid crystals" und im Patent der Vereinigten Staaten, Nr. 4,563,059 vom 7. Januar 1986, Priorität 7. Juli 1983, unter dem Titel "Surface stabilized ferroelectric liquid crystal devices".
Die Ebene der Abweichung der optischen Achse ist senkrecht zur Feldrichtung und die Größe des Abweichungswinkels ist im Fall des elektroklinen und DHF- Effektes proportional zur Amplitude des elektrischen Feldes. Im Falle der Schaltung in einer SSFLC bzw. oberflächenstabilisierten ferroelektrischen Flüssigkristall- Geometrie beträgt die resultierende
Winkeländerung das Zweifache des Wertes des molekularen Neigungswinkels θ0 in der chiralen smektischen C*-Phase.
Alle drei genannten elektrooptischen Moden können zur Realisierung eines Bauelementes eingesetzt werden, d.h. zur Drehung der Polarisationsebene und damit als Basiselement der schaltbaren Verzögerungsplatte des vorgeschlagenen optischen Schalters.
Die grundlegenden Eigenschaften für die Realisation dieses Schalters sind in Tabelle 1 aufgelistet.
Tabelle 1: Parameter der elektrooptischen Effekte in ferroelektrischen Flüssigkristallen
Elektrooptischer SSFLC-Schalten DHF-Effekt Elektrokliner Effekt Effekt
Charakteristische Daten ___
Antwortzeiten [μs] 20 - 30 100 - 200 ca. 5
Zelldicken [μm] 1,5 - 2 1,8 - 2,5 1,3 - 1,6
SchaltSpannungen 20 - 30 1 - 5 20 - 30 [V]
Optische 0,12-0,15 0,06-0,09 0,12-0,15 Anisotropie
WellenlängenDa a j a- dispersion
Abhängigkeit vom klein sehr klein klein
Betrachtungs - winkel
Graustuf nskala nicht möglich ja, aber mit perfekte
Gleich- Graustuf en spannunngs- hysterese
Schaltbarer 22 , 5 ° (Optimum) 0 ° - 32 ' 0 ° - 11 , 25 ' Winkel
Zur Herstellung sehr schneller optischer Schalter mit Mikro- und Submikrosekunden-Antwortzeiten verwenden die Erfinder ein neues elektroklines Material, welches eine nur sehr geringe Schal Spannung benötigt .
Für die hierzu verwendete Mischung kann die Reorientierung der mittleren optischen Indikatrix mehr als Bewegung individueller Einheiten von Molekülen und nicht als kollektive Prozesse wie Softmode oder Goldstone-Mode beschrieben werden.
Es werden Mischungen verwendet, die aus einer lamellaren Matrix (z.B. aus einer smektischen A- oder smektischen C*-Phase) und chiralen Gastmolekülen, die in der Schicht unter einem gewissen Winkel θm geneigt sind, bestehen, wie in Fig. 5a dargestellt. Die Behinderung dieser Moleküle bei Drehung um die Längsachse ist bedingt durch die monokline lokale Umgebung, die durch die Neigung der chiralen Moleküle in der Schicht entsteht . Auf Grund dieser Behinderung wird die kurze Achse diese Moleküle in Richtung der Schicht und senkrecht zur Neigungsebene orientiert. Das transversale Dipolmoment, welches mit der kurzen Achse verbunden ist, kann in diese Richtung orientiert werden. Ohne Anlegen eines elektrischen Feldes sind die Neigungsebenen der chiralen geneigten Moleküle statistisch verteilt . Ein äußeres elektrische Feld, entlang der Schichten angelegt, orientiert die Dipolmomente der separierten Moleküle und entsprechend ihre Neigungsebenen, wie Fig. 5b und c zeigen. Die mittlere optische Brechungsindexindikatrix weicht um den mittleren Winkel <θ>, der kleiner als θm ist, in der Ebene, die senkrecht zum anliegenden elektrischen Feld liegt, ab. Der Wert der Abweichung der mittleren optischen Indikatrix hängt von der Konzentration der chiralen Gastmoleküle, deren Neigungswinkel θm und dem optischen Übergangsmoment der Matrix und der Gastmoleküle ab. Die erwartete Antwortzeit ist kürzer als bei kollektivem Schalten in der chiralen smektischen C" -Phase.
Schaltzeiten in der Größenordnung von Nanosekunden sind möglich, wie aus gepulsten pyroelektrischen Messungen, die von L. A. Beresnev, L. M. Blinov und E. B. Sokolova in Sor JETP- Lett. 28(6), 340 (1988) unter dem Titel "Kinetics of spontaneous polarization in ferroelectric liquid crystal" beschrieben wurden, folgt. Ebenso folgt dies aus C13-NMR- Messungen, beschrieben bei A. Yoshizawa, H. Kikuzaki und T. Fukumasa in Liquid Crystals 18(3), 351 - 366 (1995) unter dem Titel "Microscopic organization of molecules in smectic A- and chiral (racemic) smectic C-phases : Dynamical molecular deformation effect on SA to Sc * (Sc) transition" . Diese Experimente zeigten die Möglichkeit der Realisierung von Schaltzeiten von ca. 100 Nanosekunden bei einer Schaltspannung von 10 - 20 V und Raumtemperatur auf.
Das erfindungsgemäß verwendete elektrokline Material mit der lamellaren Phase und den darin gelösten geneigten chiralen Molekülen erlaubt das Schalten in einer sehr kurzen Antwortzeit .
In Fig. 6 ist die Temperaturabhängigkeit der Schaltzeit und des induzierten Neigungswinkels θ eines erfindungsgemäßen elektroklinen Materials FLC-392 bei einer Schaltspannung von ±10 V dargestellt. Es ist ersichtlich, daß die Antwortzeiten in der Größenordnung von einigen Mikrosekunden liegt und bei höheren Temperaturen in den Bereich von 1,5 - 2 μs abfällt.
In Fig. 7 ist die Effizienz des Schaltens des erfindungsgemäßen Schalters gemäß der in Fig. 4 dargestellten Konfiguration gezeigt. Die im Falle des Sperrzustandes immer noch vorliegende Transmission von einigen Prozent der Lichtintensität ist durch die Wellenlängendispersion des verwendeten polarisierenden Strahlteilers und die optische Ungleichförmigkeit der elektroklinen Modulatoren bedingt.
SSFLC-Mischungen mit einem fixierten molekularen Tiltwinkel θ0 = 11,25° können als elektrooptische Materialien ebenso benutzt werden. Hier treten moderate Antwortzeiten im Mikrosekundenbereich auf und es liegt keine Temperaturabhängigkeit des Schaltwinkels vor.
Die DHF-Materialen sind für elektrooptisches Schalten einsetzbar, wo Bruchteile von Millisekunden als Schaltzeit in Verbindung mit sehr kleinen SchaltSpannungen von 1 - 2 Volt benötigt werden. Sie könnten z.B. in mit niedrigen SchaltSpannungen zu betreibenden Brillen für stereoskopische TV-Systeme angewandt werden.
Die vorgeschlagenen Schalter im elektroklinen Mode oder SSFLC-Mode mit dem Vorteil des kleinen Schaltwinkels von θ0 = 11,25° können für die parallele optische Prozessierung oder optische Datenverarbeitung verwendet werden, hauptsächlich da, wo die Schaltung der optischen Muster zwischen unterschiedlichen Kanälen in der Größenordnung von 100 000 Bildern/s liegen. Die Transmissionsgeschwindigkeit kann in diesem Fall viele Terabit/s erreichen und ist nur durch die Auflösung der optischen Standardelemente, wie Linsen, Prismen usw. , begrenz .
Der erfindungsgemäße optische Schalter kann in optischen limitierenden Bauelementen angewendet werden, z.B. in schnellen Verschlüssen in Videokameras oder zum Schutz des Auges, oder zur Kontrolle oder Steuerung der Lichtintensität, wenn man die Rückkopplung des Photoempfängers über einen Verstärker benutzt.
Der vorgeschlagene .Schalter kann ebenso zur Gesamtschaltung von depolarisiertem Licht in optischen Fasern benutzt werden. Die hohe Effizienz des Schaltens und die geringen optischen Verluste, die nur durch Reflexionen an transparenten Oberflächen und durch Störstellen im Modulator bedingt sind, die etwa 1% betragen können, erlauben die Kaskadierung der vorgeschlagenen Schalter.
In Fig. 8 ist das optische Schaltbild für eine mögliche Kaskadierung dargestellt, die 4 Ausgangskanäle enthält.

Claims

Patentansprüche
Bauelement zum Schalten von optischen Mustern oder Daten mit unpolarisiertem Licht, umfassend zwei polarisierende Strahlteiler (4, 5) und zumindest einen elektrooptischen Modulator (8) , der zwischen den Strahlteilern (4, 5) angeordnet ist, wobei eine Änderung der Polarität und/oder der Amplitude einer an den Modulator (8) angelegten elektrischen Spannung eine Drehung der Polarisationsebene des Lichts, das von dem ersten polarisierenden Strahlteiler (4) durch den Modulator (8) hindurchgeht, um den Winkel 0 - 90° bewirkt, dadurch gekennzeichnet, daß der Modulator (8) mindestens zwei elektrisch schalt- oder steuerbare optische Verzögerungsplatten (9, 10, 11, 12) umfaßt, die ferroelektrische Flüssigkristalle enthalten.
Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel zwischen der optischen Achse der Verzögerungsplatten (9, 10) bei einer ersten an diese angelegten Spannung und einer ersten Polarität dieser Spannung 45° beträgt und mit der ersten Spannung bei der umgekehrten Polarität 90° oder 0° beträgt.
Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltwinkel 2Θ-, und 2Θ2 der optischen Achsen der Verzögerungsplatten (9, 10) der Bedingung 2 Θ-. + 2β2= 45° genügen.
4. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Winkel βλ und θ2 11,25° betragen.
5. Bauelement nach Anspruch l, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der elektrisch schaltbaren optischen Verzögerungsplatten (9, 10, 11, 12) vier beträgt.
6. Bauelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Winkel zwischen den optischen Achsen der ersten (9) und der zweiten (10) bzw. der dritten (11) und der vierten (12) Verzögerungsplatte 22,5° für eine erste Polarität einer angelegten Spannung und für die erste Spannung mit umgekehrter Polarität 0° betragen.
7. Bauelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Winkel zwischen den optischen Achsen der ersten (9) und der zweiten (10) bzw. der dritten (11) und der vierten
Verzögerungsplatte (12) 67,5° für eine erste Polarität einer angelegten Spannung und 90° für die umgekehrte Polarität der angelegten Spannung betragen.
8. Bauelement nach Anspruch 1 oder 5 , dadurch gekennzeichnet, daß die genannten ferroelektrischen Flüssigkristalle aus einer lamellaren Phase bestehen, die chirale geneigte Moleküle enthält.
9. Bauelement nach Anspruch 1 oder 5 , dadurch gekennzeichnet, daß bei den ferroelektrischen Flüssigkristallen die helikale Struktur des ferroelektrischen Flüssigkristalls steuerbar deformierbar ist.
10. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten ferroelektrischen Flüssigkristalle in einer chiralen smektischen Phase mit einem schaltbaren molekularen Winkel von 11,25° vorliegen.
11. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten ferroelektrischen Flüssigkristalle in einer geneigten chiralen smektischen Phase mit einem schaltbaren molekularen Winkel von 5,625° vorliegen.
12. Bauelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die genanncen ferroelektrischen Flüssigkristalle in einer geneigten chiralen smektischen Phase mit einem schaltbaren Winkel von 11,25° vorliegen.
13. Bauelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten ferroelektrischen Flüssigkristalle in einer geneigten chiralen smektischen Phase C* mit einem schaltbaren Winkel von 5,625° vorliegen.
Bezugszeichenliste
1 optisches Bild
2 Kanal
3 Kanal
4 polarisierender Strahlteiler
5 polarisierender Strahlteiler
6 Prisma
7 Prisma
8 elektrooptischer Modulator
9 elektrisch steuerbare Phasenverzögerungsplatte
10 elektrisch steuerbare Phasenverzögerungsplatte
11 elektrisch steuerbare Phasenverzögerungsplatte
12 elektrisch steuerbare Phasenverzögerungsplatte
13 optischer Faserkanal
14 optischer Faserkanal
15 optischer Faserkanal
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122 Ep: pct application non-entry in european phase
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