JP2006065102A - 導波路型偏光変換器 - Google Patents

導波路型偏光変換器 Download PDF

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Abstract

【課題】 液晶素子の厚さを十分に小さくでき、十分な小型化及び低損失化を実現できる導波路型偏光変換器を提供すること。
【解決手段】 本発明は、基板1と、基板1の一面1a上に設けられる導波路2、基板1の一面1a上に、導波路2と光軸が一致し導波路2の端面2cと離れて配置される端面3cを有する導波路3、導波路2の端面2cと導波路3の端面3cとの間に光軸X1、X2を横切るように配置される液晶素子4を備える導波路型偏光変換器100で、液晶素子4の光軸に直交する面内での複屈折Δnが、0.15以上である。この導波路型偏光変換器100によれば、液晶素子4のリタデーションを一定の値に設定する場合に、液晶素子4の光軸方向に沿った厚さを十分に小さくでき、十分な小型化及び低損失化を実現できる。
【選択図】 図1

Description

本発明は、基板上に設けられる導波路に、液晶素子が導波路の光軸を横切るように設けられた導波路型偏光変換器に関する。
導波路型偏光変換器は、基板上に設けられる導波路に、液晶素子が導波路の光軸を横切るように設けられたものであり、このような導波路型偏光変換器として、従来、下記特許文献1に記載のものが知られている。同文献には、液晶素子として、ポリマーフィルム間に液晶を注入したものが開示されており、ポリマーフィルムとして、フッ素化ポリイミドフィルムが用いられ、液晶として、メルク社のネマチック液晶ZLI2293が用いられている。そして、同文献1には、液晶素子の厚さが約15μmであることも記載されている。
特開平8−248368号公報
しかしながら、上記特許文献1に記載の導波路型偏光変換器は、以下に示す課題を有していた。
すなわち、上記従来の導波路型偏光変換器においては、ポリイミドフィルム間に注入された液晶の複屈折Δnが0.053であり、決して十分大きな値を示すとは言えず、液晶のリタデーションが一定の値に設定される場合、液晶素子の厚さを大きくせざるを得なかった。このため、導波路型偏光変換器の十分な小型化を実現することができない。また液晶素子は導波構造を有していないため、一方の導波路から出射される光が回折によって広がり、他方の導波路に入射する際に損失が発生する。このため、液晶素子の厚さが大きくなると、導波路型偏光変換器において十分な低損失化を実現することができなくなる。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、液晶素子の厚さを十分に小さくすることができ、十分な小型化及び低損失化を実現できる導波路型偏光変換器を提供することを目的とする。
上記課題を解決するため、本発明は、基板と、基板の一面上に設けられる第1導波路と、前記基板の前記一面上に、前記第1導波路と光軸が一致し前記第1導波路の第1端面と離れて配置される第2端面を有する第2導波路と、前記第1導波路の前記第1端面と前記第2導波路の前記第2端面との間に前記光軸を横切るように配置される液晶素子とを備える導波路型偏光変換器であって、前記液晶素子の前記光軸に直交する面内での複屈折Δnが、0.15以上であることを特徴とする。
この導波路型偏光変換器によれば、液晶素子の光軸に直交する面内での複屈折が0.15以上であると、液晶素子のリタデーションを一定の値に設定する場合に、液晶素子の光軸方向に沿った厚さを十分に小さくすることができ、ひいては十分な小型化及び低損失化を実現することが可能となる。
上記導波路型偏光変換器において、液晶素子が高分子液晶フィルムを有することが好ましい。この場合、低分子液晶を用いる場合に比べて、液晶素子を構成する基体を1枚以下とすることができ、液晶素子の光軸方向に沿った厚さをより小さくすることができる。
上記導波路型偏光変換器において、液晶素子が高分子液晶フィルムと、紫外線硬化樹脂フィルムとを備えることが好ましい。この場合、高分子液晶フィルムが紫外線硬化樹脂フィルムによって補強され、液晶素子を上記導波路型偏光変換器に組み込む際の破損を防止できる。
前記液晶素子の光軸に直交する面内での複屈折主軸間の位相差が180°であり、前記液晶素子の複屈折主軸が前記導波路型偏光変換器の前記基板の一面に対して45°傾いていることが好ましい。この場合、第1導波路に例えばTE波が入射されると、TE波は、液晶素子に入射される。このとき、液晶素子によってTE波の各複屈折主軸方向にベクトル分解された成分の位相は180°だけずらされる。このため、TE波がTM波に変換されることになる。
本発明の導波路型偏光変換器によれば、液晶素子の厚さを十分に小さくすることができ、導波路型偏光変換器の十分な小型化及び低損失化を実現することができる。
以下、本発明の導波路型偏光変換器の実施形態について詳細に説明する。
図1は、本発明の導波路型偏光変換器の好適な実施形態を示す斜視図、図2は、図1の導波路型偏光変換器の部分側面図、図3は、図1の液晶素子の側面図である。
図1に示すように、導波路型偏光変換器100は、基板1と、基板1の一面1a上に設けられる導波路(第1導波路)2と、基板1の一面1a上に設けられる導波路(第2導波路)3とを備えている。導波路2は、基板1の一面1a上に設けられるクラッド2aと、クラッド2a内に埋め込まれるコア2bとで構成されている。一方、導波路3は、基板1の一面1a上に設けられるクラッド3aと、クラッド3a内に埋め込まれるコア3bとで構成されている。
ここで、コア2bとコア3bとは同一の屈折率を有し、その屈折率は例えば1.56である。コア2bとコア3bとは、異なる材料で構成されていてもよいが、通常は同一材料で構成される。この場合、コア2b及びコア3bは、例えばSiOに8mol%のTaを添加したもので構成される。
またクラッド2aとクラッド3aとは同一の屈折率を有する。その屈折率は、コア2b及びコア3bの屈折率よりも小さければよく、例えば1.45である。
図2に示すように、導波路2のコア2bの端面(第1端面)2cと、導波路3のコア3bの端面(第2端面)3cとは互いに離れて配置されている。ここで、端面2c及び端面3cは同一形状及びサイズであり、端面2c及び端面3cは例えば正方形で一辺が1.8μmである。
ここで、端面2cに直交する光軸X1と、端面3cに直交する光軸X2とは一致しており、第1導波路2の端面2cと、第2導波路3の端面3cとの間には、光軸X1及びX2を横切るように液晶素子4が配置されている。
ここで、液晶素子4は、一定方向に液晶分子が配向された素子であり、導波路2又は導波路3から入射される光の直交する2方向成分間の位相に差を与えるもの、即ち複屈折を発現するものであり、光軸X1及びX2に直交する面内での複屈折Δnが、偏光変換器を使用する光の波長において0.15以上である。具体的に述べると、複屈折Δnが0.15以上であれば、波長1550nmの光を用いる場合では、液晶素子が半波長板として作用するリタデーション775nmを得るために必要な液晶素子の厚みは5.17μm以下となる。これは、特許文献1に開示されている液晶素子の厚みのわずか1/3である。
以上のように、この導波路型偏光変換器100によれば、液晶素子4の光軸X1及びX2に直交する面内での複屈折Δnが0.15以上であると、液晶素子4のリタデーションが一定の値に設定される場合に、液晶素子4の光軸方向に沿った厚さを十分に小さくすることができ、導波路型偏光変換器100について十分な小型化及び低損失化を実現することが可能となる。
但し、複屈折Δnは好ましくは0.50以下である。Δnが0.50を超えると、液晶素子4が過度に薄膜化され、液晶素子4の形状が保持されなくなるおそれがある。
液晶素子4は、高分子液晶フィルム5を有することが好ましい。この場合、低分子液晶を用いる場合に比べて、液晶素子4を構成する基体を1枚に減らすか、あるいは基体を不要とすることができる。このため、液晶素子4の光軸方向に沿った厚さをより小さくすることができる。高分子液晶フィルム5についての詳細は後述する。
ここで、液晶素子4は、高分子液晶フィルム5のほかに、更に紫外線硬化樹脂フィルム6を備えることが好ましい。この場合、高分子液晶フィルム5が紫外線硬化樹脂フィルム6によって補強され、液晶素子4の形状の経時変化が十分に防止され、寿命が向上する。紫外線硬化樹脂フィルムについての詳細は後述する。
なお、導波路型偏光変換器100において、液晶素子4の光軸X1及びX2に直交する面内での複屈折主軸間の位相差が180°であり、液晶素子4が複屈折主軸が導波路型偏光変換器100の基板1の一面1aに対して45°傾いていることが好ましい。この場合、導波路2のコア2bに例えばTE波が入射されると、TE波は、コア2bを伝搬し、端面2cから出射されて、液晶素子4に入射される。このとき、液晶素子4によってTE波の各複屈折主軸方向にベクトル分解された成分間の位相は180°だけずらされる。このため、TE波がTM波に変換され、TM波は、導波路3のコア3bの端面3cから入射され、コア3bを伝搬する。
次に、上述した高分子液晶フィルム5について詳細に説明する。
高分子液晶フィルム5は、液晶性高分子を含む。ここで、液晶性高分子は、均一でモノドメインなネマチック配向性を示しかつその配向状態を容易に固定化できる液晶性高分子に所定量の光学活性化合物を加えた組成物、または均一でモノドメインなねじれネマチック配向性を示しかつその配向状態を容易に固定化できる液晶性高分子である。
まず前者のネマチック液晶性高分子と光学活性化合物よりなる組成物について説明すると、ベースとなる均一でモノドメインなネマチック配向性を示しかつその配向状態を容易に固定化できる高分子液晶は、以下のような性質を有することが必須である。ネマチック配向の安定した固定化を行うためには、液晶の相系列でみた場合、ネマチック相より低温部に結晶相を持たないことが重要である。これらの相が存在する場合、固定化のために冷却するとき必然的にこれらの相を通過することになり、結果的に一度得られたネマチック配向が破壊されてしまい、透明性が不満足なものになってしまう。したがって、本発明の液晶素子を作製するためには、ネマチック相より低温部にガラス相を有する高分子液晶を用いることが必須である。これらのポリマーに光学活性化合物を加えることにより、液晶状態ではねじれネマチック配向をし、液晶転移点以下ではガラス相をとるために、ねじれネマチック構造を容易に固定化できる。用いられるポリマーの種類としては、液晶状態でネマチック配向し、液晶転移点以下ではガラス状態となるものはすべて使用でき、例えばポリエステル、ポリアミド、ポリカーボネート、ポリエステルイミドなどの主鎖型液晶ポリマー、あるいはポリアクリレート、ポリメタクリレート、ポリマロネート、ポリシロキサンなどの側鎖型液晶ポリマーなどを例示することができる。なかでも合成の容易さ、透明性、配向性、ガラス転移点などからポリエステルが好ましい。用いられるポリエステルとしてはオルソ置換芳香族単位を構成成分として含むポリマーが最も好ましいが、オルソ置換芳香族単位の代わりにかさ高い置換基を有する芳香族、あるいはフッ素または含フッ素置換基を有する芳香族などを構成成分として含むポリマーもまた使用することができる。上記オルソ置換芳香族単位とは、主鎖をなす結合を互いにオルソ位とする構造単位を意味する。具体的には次に示すようなカテコール単位、サリチル酸単位、フタル酸単位およびこれらの基のベンゼン環に置換基を有するものなどをあげることができる。
Figure 2006065102
(上記式中、Xは水素、Cl,Br等のハロゲン、炭素数が1から4のアルキル基もしくはアルコキシ基またはフェニル基を示す。またkは0〜2である。)
これらのなかでも特に好ましい例として次のようなものを例示することができる。
Figure 2006065102
上記ポリエステルとしては、(a)ジオール類より誘導される構造単位(以下、ジオール成分という)およびジカルボン酸類より誘導される構造単位(以下、ジカルボン酸成分という)および/または(b)一つの単位中にカルボン酸と水酸基を同時に含むオキシカルボン酸類より誘導される構造単位(以下、オキシカルボン酸成分という)を構成成分として含み、好ましくは、前記オルソ置換芳香族単位を含むポリマーが例示できる。これらのうち、ジオール成分としては次のような芳香族および脂肪族のジオールを挙げることができる。
Figure 2006065102
(Yは水素、Cl,Br等のハロゲン炭素数1から4のアルキル基もしくはアルコキシまたはフェニル基を示す。lは0〜2である。)
Figure 2006065102
Figure 2006065102
Figure 2006065102
Figure 2006065102
オキシカルボン酸成分としては、具体的には次のような単位を例示することができる。
Figure 2006065102
ジカルボン酸とジオールのモル比は、一般のポリエステルと同様、大略1:1である(オキシカルボン酸を用いている場合は、カルボン酸基と水酸基の割合)、またポリエステル中に占めるオルソ置換芳香族単位の割合は5モル%から40モル%の範囲が好ましく、さらに好ましくは10モル%から35モル%の範囲である。5モル%より少ない場合は、ネマチック相の下に結晶相が現れる傾向があり好ましくない。また40モル%より多い場合は、ポリマーが液晶性を示さなくなる傾向があり好ましくない。代表的なポリエステルとしては次のようなポリマーを例示することができる。
Figure 2006065102
Figure 2006065102
Figure 2006065102
オルソ置換芳香族単位に変えて次に示すようなかさ高い置換基を含む芳香族単位、あるいはフッ素または含フッ素置換基を含む芳香族単位を構成成分とするポリマーもまた好ましく用いられる。
Figure 2006065102
Figure 2006065102
これらのポリマーの分子量は、各種溶媒中たとえばフェノール/テトラクロロエタン(60/40重量比)混合溶媒中、30℃で測定した対数粘度が0.05から3.0、が好ましく、さらに好ましくは0.07から2.0の範囲である。対数粘度が0.05より小さい場合、得られた高分子液晶の強度が弱くなり好ましくない。また3.0より大きい場合、液晶形成時の粘性が高すぎて、配向性の低下や配向に要する時間の増加など問題点が生じる。またこれらポリエステルのガラス転移点も重要であり、配向固定化した後の配向の安定性に影響を及ぼす。用途にもよるが、一般的には室温付近で使用すると考えれば、ガラス転移点が通常0℃以上であることが望ましく、特に20℃以上であることが望ましい。
これらポリマーの合成法は特に制限されるものではなく、当該分野で公知の重合法、例えば溶融重合法あるいは対応するジカルボン酸の酸クロライドを用いる酸クロライド法で合成される。溶融重合法で合成する場合、例えば対応するジカルボン酸と対応するジオールのアセチル化物を、高温、高真空下で重合させることによって製造でき、分子量は重合時間のコントロールあるいは仕込組成のコントロールによって容易に行える。重合反応を促進させるためには、従来から公知の酢酸ナトリウムなどの金属塩を使用することもできる。また溶液重合法を用いる場合は、所定量のジカルボン酸ジクロライドとジオールとを溶媒に溶解し、ピリジンなどの酸受容体の存在下に加熱することにより、容易に目的のポリエステルを得ることができる。
これらネマチック液晶性ポリマーにねじれを与えるために混合される光学活性化合物について説明すると、代表的な例としてまず光学活性な低分子化合物をあげることができる。光学活性を有する化合物であればいずれも使用することができるが、ベースポリマーとの相溶性の観点から光学活性な液晶性化合物であることが望ましい。具体的には次のような化合物を例示することができる。
Figure 2006065102
Figure 2006065102
上記光学活性化合物として、次に光学活性な高分子化合物をあげることができる。分子内に光学活性な基を有する高分子であればいずれも使用することができるが、ベースポリマーとの相溶性の観点から液晶性を示す高分子であることが望ましい。例として光学活性な基を有する液晶性のポリアクリレート、ポリメタクリレート、ポリマロネート、ポリシロキサン、ポリエステル、ポリアミド、ポリエステルアミド、ポリカーボネート、あるいはポリペプチド、セルロースなどをあげることができる。なかでもベースとなるネマチック液晶性ポリマーとの相溶性から、芳香族主体の光学活性なポリエステルが最も好ましい。具体的には次のようなポリマーを例示することができる。
Figure 2006065102
Figure 2006065102
Figure 2006065102
Figure 2006065102
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これらのポリマー中に占める光学活性な基の割合は通常0.5モル%〜80モル%であり、好ましくは5モル%〜60モル%が望ましい。また、これらのポリマーの分子量は、たとえばフェノール/テトラクロロエタン中、30℃で測定した対数粘度が0.05から5.0の範囲が好ましい。対数粘度が5.0より大きい場合は粘性が高すぎて結果的に配向性の低下を招くので好ましくなく、また0.05より小さい場合は組成のコントロールが難しくなり好ましくない。
これらの組成物の調製は、ネマチック液晶性ポリエステルと光学活性化合物を所定の割合で、固体混合、溶液混合あるいはメルト混合などの方法によって行える。組成物中に占める光学活性化合物の割合は、光学活性化合物中の光学活性な基の比率、あるいはその光学活性化合物のネマチック液晶にねじれを与えるときのねじれ力によって異なるが、一般的には0.1から60wt%の範囲が好ましく、特に0.5から40wt%の範囲が好ましい。0.1wt%より少ない場合はネマチック液晶に十分なねじれを与えることができず、また60wt%より多い場合は配向性に悪影響をおよぼす。
本発明に用いる高分子液晶フィルムはまた、他の光学活性化合物を用いることなく自身で均一でモノドメインなねじれネマチック配向をし、かつその配向状態を容易に固定化できる高分子液晶を用いることによっても製造できる。これらのポリマーは主鎖中に光学活性基を有し自身が光学活性であることが必須であり、具体的には光学活性なポリエステル、ポリアミド、ポリカーボネート、ポリエステルイミドなどの主鎖型液晶ポリマー、あるいはポリアクリレート、ポリメタクリレート、ポリシロキサンなどの側鎖型液晶ポリマーなどを例示することができる。なかでも合成の容易さ、配向性、ガラス転移点などからポリエステルが好ましい。用いられるポリエステルとしてはオルソ置換芳香族単位を構成成分として含むポリマーが最も好ましいが、オルソ置換芳香族単位の代わりにかさ高い置換基を有する芳香族、あるいはフッ素または含フッ素置換基を有する芳香族などを構成成分として含むポリマーもまた使用することができる。これらの光学活性なポリエステルは、今まで説明してきたネマチック液晶性ポリエステルに、さらに光学活性なジオール、ジカルボン酸、オキシカルボン酸を用いて次に示すような光学活性基を導入することにより得られる。(式中、*印は光学活性炭素を示す)
Figure 2006065102
Figure 2006065102
これら光学活性な基のポリマー中に占める割合は、0.1から50モル%の範囲が好ましく、特に0.5から30モル%の範囲が好ましい。光学活性な基の割合が0.1%より少ない場合は高分子液晶フィルムに必要なねじれ構造が得られず、また50モル%より多い場合は配向性の悪化をまねく場合があり好ましくない。これらのポリマーの分子量は、各種溶媒中たとえばフェノール/テトラクロロエタン(60/40)混合溶媒中、30℃で測定した対数粘度が0.05から3.0が好ましく、さらに好ましくは0.07から2.0の範囲である。対数粘度が0.05より小さい場合、得られた高分子液晶フィルムの強度が弱くなり好ましくない。また3.0より大きい場合、液晶形成時の粘性が高すぎて、配向性の低下や配向に要する時間の増加など問題が生じる。またこれらポリエステルのガラス転移点も重要であり、配向固定化した後の配向の安定性に影響を及ぼす。用途にもよるが、一般的には室温付近で使用すると考えれば、ガラス転位点が通常0℃以上であることが望ましく、特に20℃以上であることが望ましい。
これらのポリマーの重合は前述した溶融重縮合法、あるいは酸クロイド法を用いることによって行うことができる。以上述べてきた液晶性高分子の代表的な例としては、具体的には、
Figure 2006065102
Ch;コレステリル基、で示されるポリマー(m/n=通常99.9/0.1〜70/30、好ましくは99.5/0.5〜80/20、さらに好ましくは99/1〜90/10)
Figure 2006065102
で示されるポリマー(m/n=通常99.9/0.1〜70/30、好ましくは99.5/0.5〜80/20、さらに好ましくは99/1〜90/10)
Figure 2006065102
で示されるポリマー(m/n=通常99.9/0.1〜70/30、好ましくは99.5/0.5〜90/10、さらに好ましくは99/1〜95/5、p,q;2〜20の整数)
Figure 2006065102
で示されるポリマー(m/n=通常99.9/0.1〜70/30、好ましくは99.5/0.5〜90/10、さらに好ましくは99/1〜95/5、p,q;2〜20の整数)
Figure 2006065102
で示されるポリマー(m/n=通常99.9/0.1〜60/40、好ましくは99.5/0.5〜80/20、さらに好ましくは99/1〜90/10)
Figure 2006065102
で示されるポリマー(m/n=0.5/99.5〜30/70、好ましくは1/99〜10/90)
Figure 2006065102
で示されるポリマー(k=l+m+n、k/n=99.5/0.5〜60/40、好ましくは、99/1〜70/30、l/m=5/95〜80/20)
Figure 2006065102
で示されるポリマー(k=l+m+n、k/n=99.5/0.5〜60/40、好ましくは、99/1〜70/30、l/m=5/95〜80/20)
Figure 2006065102
で示されるポリマー混合物((A)/(B)=通常99.9/0.1〜50/50(重量比)、好ましくは99.5/0.5〜70/30、さらに好ましくは99/1〜80/20、k=l+m、l/m=75/25〜25/75、p=q+r、p/q=80/20〜20/80)
Figure 2006065102
(B)コレステリルベンゾエートで示されるポリマー混合物((A)/(B)=通常99.9/0.1〜50/50重量比、好ましくは99.5/0.5〜70/30、好ましくは99/1〜80/20、m=k+l、k/l=80/20〜20/80)
Figure 2006065102
で示されるポリマー混合物((A)/(B)=通常99.9/0.1〜60/40(重量比)好ましくは99.5/0.5〜70/30、好ましくは99/1〜80/20、k=l+m、l/m=25/75〜75/25、p=q+r、q/r=20/80〜80/20)
上記高分子液晶フィルム5は、界面活性剤を更に含むことが好ましい。ここで、界面活性剤について説明する。界面活性剤は、膜厚精度が高度に均一に保たれた高分子液晶フィルムを形成するに当たって極めて重要な役割を果たす。高分子液晶フィルム5の製造法においては液晶性高分子の溶液を、各種塗布方法で配向基板上にまず塗布し、次に溶媒を除去するために乾燥する。この工程が膜厚精度に最も大きく影響する。塗布・乾燥は産業の様々な分野で用いられている一般的なプロセスであり、特に磁気テーブあるいは写真フィルムなどの分野では、非常に発達した技術による精度の高い塗布が行われている。しかしながらこれらの技術といえども膜厚の均一性を、総膜厚に対して常に安定して±1%以内におさめるのは極めて困難である。本発明者らはこの困難を克服するための方法について検討を重ねた結果、高分子液晶溶液に界面活性剤を添加する方法により、塗布時および乾燥時に効果的なレベリング効果を生じせしめ、膜厚の均一性の高い塗膜が得られることを見いだした。
上記界面活性剤は、液晶性高分子を溶解するための溶媒および液晶性高分子自身に対する相溶性が高いことが必須であり、また所定量の添加で自在に溶液の表面張力を制御できることが好ましい。好ましい界面活性剤の種類としては、アルキルカルボン酸金属塩、アルキルリン酸カリウム、カルボン酸型高分子界面活性剤などのアニオン界面活性剤、ポリオキシエチレンアルキルエーテル、ポリオキシエチレンアルキルフェニルエーテル、オキシエチレンオキシプロピレンブロックポリマー、ソルビタン脂肪酸エステル、ポリオキシエチレンソルビタン脂肪酸エステル、脂肪酸モノグリセライド、ポリエチレングリコール脂肪酸エステル、ポリオキシエチレンアルキルアミン、アルキルアルコキシレート、アルキル基含有(メタ)アクリレートオリゴマーなどのノニオン界面活性剤、およびアルキルアミン塩、第4級アンモニウム塩などのカチオン界面活性剤などを例示できる。またこれらの中でもフッ素含有界面活性剤特に界面活性剤のオキシエチレン基、オキシプロピレン基あるいはアルキル基中の水素原子の一部または全部をフッソ原子で置換したタイプのフッソ含有界面活性剤、例えばパーフルオロアルキルカルボン酸金属塩(カリウム塩等)、パーフルオロアルキルリン酸カリウム、ポリエチレングリコールパーフルオロアルキル脂肪酸エステル、パーフルオロアルキルアルコキシレート、パーフルオロアルキル基含有(メタ)アクリレートオリゴマーなどが、相溶性、安定性、表面張力低下能などの観点から好ましく用いられる。
用いる界面活性剤の量は、液晶性高分子の種類、溶媒の種類などによって異なってくるが、一般的には液晶性高分子に対して重量で0.01%から10%の範囲が好ましく、特に0.05%から5%の範囲が好ましい。0.01%より少ない量の時は目的とする塗膜の均一性向上効果が得られず、また10%より多いときは液晶性高分子と相分離を起こし易くなり好ましくない。
上記した液晶性高分子および界面活性剤を溶解し塗布用溶液を調製するための溶媒としては、クロロホルム、ジクロロエタン、テトラクロロエタン、トリクロロエチレン、テトラクロロエチレン、オルソジクロロベンゼンなどのハロゲン化炭化水素、これらとフェノール類との混合溶媒、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、ジメチルスルホキシド、N−メチルピロリドン、スルホラン、シクロヘキサンなどの極性溶媒を用いることができる。溶液の濃度は液晶性高分子および界面活性剤を含めた固形分漬度として、通常は重量で5から50%の範囲で使用され、好ましくは10から30%の範囲である。
この溶液を用いて配向基板上に高分子液晶フィルム5を形成する方法について次に詳しく説明する。まず用いる液晶性高分子の種類に応じて配向基板を選ばねばならない。すなわち液晶性高分子溶液を調整するために用いる溶媒に侵されず、熱処理するときの温度に耐えられる配向基板を選ぶ必要がある。また後の転写工程においては補償層をこの配向基板から剥離するため適度な剥離性を有することが望ましい。先に例示した中でも特にラビングしたポリイミド層を有するガラス基板、直接ラビングしたポリイミド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリフェニレンサルファイド、ポリエチレンテレフタレートのフィルムまたはシートなどがこれらの性質を満足させ好ましい。
塗布溶液をこれら配向基板上に塗布する。塗布法としては、スピンコート法、ロールコート法、グラビアコート法、カーテンコート法、スロットコート法、浸積引き上げ法などを採用できる。塗布後溶媒を乾燥により除去し、所定温度で所定時間熱処理してモノドメインなねじれネマチック配向を完成させる。界面効果による配向を助ける意味でポリマーの粘性は低いほうが良く、したがって温度は高いほうが好ましいが、あまり温度が高いとコストの増大と作業性の悪化を招き好ましくない。またポリマーの種類によっては、ネマチック相より高温部に等方相を有するので、この温度域で熱処理しても配向は得られない。以上のようにそのポリマーの特性にしたがい、ガラス転移点以上で等方相への転移点以下の温度で熱処理することが好ましく、一般的には50℃から300℃の範囲が好適で、特に100℃から250℃の範囲が好適である。配向膜上で液晶状態において十分な配向を得るために必要な時間は、ポリマーの組成、分子量によって異なり一概にはいえないが、10秒から100分の範囲が好ましく、特に30秒から60分の範囲が好ましい。10秒より短い場合は配向が不十分となり、また100分より長い場合は得られる高分子液晶フィルムの透明性が低下することがある。またポリマーを溶融状態で、配向基板上に塗布したのち熱処理をすることによっても、同様の配向状態を得ることができる。上記高分子液晶を用いてこれらの処理を行うことによって、まず液晶状態で配向基板上全面にわたって均一なねじれネマチック配向を得ることができる。この均一性の精度を高める上で界面活性剤が大きな役割を果たす。
こうして得られた配向状態を、次に該液晶性高分子のガラス転移点以下の温度に冷却することによって、配向を全く損なわずに固定化できる。一般的に液晶相より低温部に結晶相を持っているポリマーを用いた場合、液晶状態における配向は冷却することによって壊れてしまう。本発明の方法によれば、液晶相の下にガラス相を有するポリマー系を使用するためにそのような現象が生ずることなく、完全にねじれネマチック配向を固定化することができる。
次に、上述した紫外線硬化樹脂フィルムについて説明する。
紫外線硬化樹脂フィルムは、紫外線硬化性樹脂を紫外線で硬化してなるものであり、このような紫外線硬化性樹脂としては、例えば単官能アクリレート、2官能アクリレート、多官能アクリレートのようなアクリレート系、ポリエステルアクリレート、ウレタンアクリレート、エポキシアクリレートのようなアクリレートオリゴマーおよびこれらの混合物などが用いられる。これらの中でも、アクリレート系とアクリレートオリゴマー系の混合物が好ましい。この場合、硬化時の体積収縮、発熱、着色が少なく、得られた硬化物が適度な柔軟性を有するという利点が得られる。また、これら樹脂を光硬化させるためには光重合開始剤を混合しておくことが必要となるが、光重合開始剤としては、 アセトフェノン型、アシルフォスフィンオキサイド型、オルソ-アシルオキシム型、チタノセン型などのラジカル光重合開始剤や、ジアゾニウム塩、ジフェニルヨウドニウム塩、トリフェニルスルホニウム塩、スルホン酸エステル、鉄アレーン錯体、シラノール/アルミニウム錯体、オキセタン化合物などカチオン重合開始剤などを用いることが出来る。
次に、上述した液晶素子4の製造方法について説明する。
まずは、液晶素子4が高分子液晶フィルム5と紫外線硬化樹脂フィルム6とを積層してなる場合を例にして説明する。
はじめに仮基板7を用意する(図4(a)参照)。そして、仮基板7の上に、配向膜8として、例えばポリイミド膜を成膜する(図4(b)参照)。そして、配向膜8に対して一定方向にラビングを行う。
続いて、配向膜8の上に、高分子液晶フィルム5を成膜し、液晶相を呈する温度で液晶分子を配向させる(図4(c)参照)。高分子液晶の薄膜は、例えば高分子液晶をクロロホルムなどの有機溶媒に溶解した溶液を、スピンコート法、ドクターブレード法、グラビア印刷法などの塗布方法により均一塗布した後に、溶媒を乾燥させることによって得られる。
次に、高分子液晶フィルム5の上に、紫外線硬化性樹脂を含む溶液を塗布し、塗膜9を形成する(図4(d)参照)。溶液の塗布方法は、例えばスピンコート法が用いられる。この場合、スピンコートの条件は、例えば3000rpmで60秒とする。このとき、塗膜9をさらに薄くしたい場合には、仮基板7、配向膜8及び塗膜9を例えばダイレクトホットプレート(図示せず)で加熱すればよい。
次に、塗膜9の上に、塗膜9の硬化時における塗膜9の酸素阻害を防止するために保護フィルム10を形成する(図4(e)参照)。保護フィルム10は、紫外線を透過でき、且つ塗膜9の硬化後に塗膜9から容易に剥離できるものであればよく、このような保護フィルム10としては、例えばPETフィルムが用いられる。
そして、保護フィルム10越しに塗膜9に対して紫外線(UV)を照射する。紫外線の波長は、塗膜9を構成する紫外線硬化性樹脂によって異なるが、紫外線硬化性樹脂として例えばアクリレート系とアクリレートオリゴマー系の混合物を用いる場合には、紫外線の波長は365nmとすればよい。こうして塗膜9を硬化させ、紫外線硬化樹脂フィルム6が得られる(図4(f)参照)。この後は、保護フィルム10を紫外線硬化樹脂フィルム6から剥離し、続いて、仮基板7を高分子液晶フィルム5から剥離する。こうして高分子液晶フィルム5と紫外線硬化樹脂フィルム6とを積層した液晶素子4が得られる(図4(g)参照)。
次に、液晶素子4が高分子液晶フィルム5のみからなる場合を例にして説明する。
この場合、上記と同様にして、仮基板7の上に、配向膜8及び高分子液晶フィルム5を形成した後は、仮基板7及び配向膜8を高分子液晶フィルム5から剥離する。これにより、高分子液晶フィルム5のみからなる液晶素子4を得ることができる。
次に、前述した導波路型偏光変換器100の製造方法について説明する。
まず基板1を用意する。基板1としては、例えばシリコンを用いる(図5(a)参照)。
次に、基板1の一面1a上にクラッド層11を形成する(図5(b)参照)。クラッド層11は、例えばシリコンを酸化して形成することができる。クラッド層11としては、例えばSiOを用いる。
次に、クラッド層11の上に、コア層12を帯状に形成する(図5(c)参照)。コア層12は、例えばCVD法、イオンビーム法、スパッタリング法、真空蒸着法などを用いて形成することができる。コア層12としては、例えばTaを8mol%含有したSiOを用いる。こうしてリッジ型光導波路が得られる。
次に、上記のようにして得られたリッジ型光導波路において、コア層12の中央部に例えばダイシングソー13を当て、基板1の一面1aに達するまでダイシングソー13を基板1に向かって移動させ、溝14を形成する(図5(d)参照)。こうして基板1の一面1a上に、導波路2と導波路3が形成される。
次に、上述した液晶素子4を溝14に挿入する。こうして導波路型偏光変換器100が得られる(図5(e)参照)。
本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば上記導波路型偏光変換器100においては、第1導波路2については第1クラッド2a上に第1コア2bが設けられ、第2導波路3については、第2クラッド3a上に第2コア3bが設けられているが、第1導波路2については第1クラッド2a中に第1コア2bが埋め込まれ、第2導波路3については、第2クラッド3a中に第2コア3bが埋め込まれていてもよい。
本発明の導波路型偏光変換器の一実施形態を示す斜視図である。 図1の導波路型偏光変換器を示す部分側面図である。 図1の液晶素子を示す側面図である。 (a)〜(g)は、図1の液晶素子の製造方法の一例を示す一連の工程図である。 (a)〜(e)は、図1の導波路型偏光変換器の製造方法の一例を示す一連の工程図である。
符号の説明
1…基板、1a…一面、2…導波路(第1導波路)、2c…第1端面、3…導波路(第2導波路)、3c…端面(第2端面)、4…液晶素子、5…高分子液晶フィルム、6…紫外線硬化樹脂フィルム、X1、X2…光軸、100…導波路型偏光変換器。

Claims (3)

  1. 基板と、
    基板の一面上に設けられる第1導波路と、
    前記基板の前記一面上に、前記第1導波路と光軸が一致し前記第1導波路の第1端面と離れて配置される第2端面を有する第2導波路と、
    前記第1導波路の前記第1端面と前記第2導波路の前記第2端面との間に前記光軸を横切るように配置される液晶素子とを備える導波路型偏光変換器であって、
    前記液晶素子の前記光軸に直交する面内での複屈折Δnが、0.15以上であることを特徴とする導波路型偏光変換器。
  2. 前記液晶素子が高分子液晶フィルムを有する、請求項1に記載の導波路型偏光変換器。
  3. 前記液晶素子が紫外線硬化樹脂フィルムを更に備える、請求項2に記載の導波路型偏光変換器。
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