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 Verarbeitungs¬ geschwindigkeit 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 10 ⁹ 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 10 ⁵ Bildern pro Sekunde zu übertragen. Die Übertragungsfrequenz kann bis zu 10 ¹² Bit/s (d.h. Terabit/s) betragen für den Beispielfall, daß das optische Muster 10 ⁷ Bildpunkte enthält und die Schaltung der Muster mit einer Frequenz vor 10 ⁵ 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 LiNb0 ₃ 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 θ _m 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 θ _m 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 θ _m 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 n ₀ und n _e die Bedingung (n _e - n ₀ )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 2Θ ₂ der optischen

Achsen beider Platten genügen beim Umschalten der Polarität des angelegten elektrischen Feldes der Bedingung θ _j _ + θ ₂ = 22,5°. Zwei gleiche Zellen mit Schaltwinkeln θ, = θ ₂ = 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 θ ₀ = 11,25°; 2. Der elektrokline Effekt mit einem elektrisch induzierten Tiltwinkel von θ _e = 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. 10 ⁵ - 10 ⁶ 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 θ ₀ 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

Wellenlängen¬ Da 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 θ _m 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 θ _m 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 θ _m 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 C ¹³ -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 S _A to S _c ^* (S _c ) 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 θ ₀ = 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 θ ₀ = 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.