JP2009175164A - 熱レンズ形成素子 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】熱レンズ形成素子1は、制御光を吸収する色素溶液の溶剤として、160℃以上における粘度が0ないし3mPa・sであり、かつ、160℃における粘度の値で、40℃における粘度の値を除した値が1以上、6以下である溶剤を用い、前記色素溶液を入射信号光の光軸を中心軸とする円柱またはその円柱に外接するN角柱(Nは4以上の整数)の形状の第1の空間11内に充填して制御光吸収領域とし、前記第1の空間11を溶液導入路12および堰17を介して第2の空間13に接続され、この第2の空間13には前記色素溶液および不活性気体の気泡14が充填されている。
【選択図】図1a
Description
前記光学セルは、少なくとも制御光が焦点を結ぶように配置された制御光吸収領域を有し、
前記溶剤の160℃以上における粘度が0ないし3mPa・sであり、かつ、前記溶剤の160℃における粘度の値で、前記溶剤の40℃における粘度の値を除した値が1以上、6以下であり、
前記制御光吸収領域には、前記制御光吸収領域が吸収する波長帯域から選ばれる波長の制御光と、前記制御光吸収領域が吸収しない波長帯域から選ばれる波長の信号光とが各々収束されて照射され、かつ前記制御光および前記信号光の各々の収束点の位置が同一または相異なるように照射され、前記制御光吸収領域が前記制御光を吸収した領域およびその周辺領域に起こる温度上昇に起因して可逆的に形成される屈折率の分布に基づいた熱レンズが形成され、
前記制御光が照射されず熱レンズが形成されない場合は前記収束された信号光が通常の開き角度と直進方向で出射する状態と、
前記制御光および前記信号光の各々の収束点の位置が同一になるよう制御光が照射されて熱レンズが形成される場合は前記収束された信号光が通常の開き角度よりも大きい開き角度で出射する状態、または、前記制御光および前記信号光の各々の収束点の位置が相異なるよう制御光が照射されて熱レンズが形成される場合は前記収束された信号光が通常の開き角度と異なる開き角度と直進方向とは異なる方向で出射する状態
とを、
前記制御光の照射の有無に対応させて実現させることを特徴とする熱レンズ形成素子である。
図1a〜図1cは本発明の第1の実施の形態に係る熱レンズ形成素子1の一例の概略構成図である。
熱レンズ形成素子1は光学セル16の内部の第1の空間11および第2の空間13に色素を溶剤に溶解した溶液を充填し、蓋15を接着した構成である。ここで第1の空間11と第2の空間13は、堰17によって狭められた溶液導入路12を通じて連結している。なお、後に詳しく説明するように、第2の空間13の内部には不活性気体の気泡14も封印されている。以下、個々の構成要素について詳細に説明する。
光学セルおよび蓋の材質は石英ガラスまたはサファイアガラスが好適に用いられる。光学セルおよび蓋の加工精度は、いわゆる「オプティカルコンタクト」すなわち接着剤なしでも2つの部品の表面が密着するよう研磨されていれば良い。このような表面精度で表面加工された石英ガラス(またはサファイアガラス)の複数の部品を組み合わせて、融点直下の温度で均一に加熱すると、オプティカルコンタクトしている面で融着させることができる。光学セル16も、このような融着法によって、製造される。
光学セル16へ蓋15を取り付ける方法としては、加熱および発熱を伴わない方式であることが必須である。光学セル16内の第1の空間11および第2の空間13に充填された色素溶液が昇温で膨張すると、光学セル16と蓋15の接合面からあふれ出したり、接合面を汚染したりする。従って、以下の要求を満たすような接着剤で接着することが推奨される。
(b)光学セル16内部に充填される色素溶液の溶剤に溶解しないこと。
(c)前記溶剤に膨潤しないこと。
(d)前記溶剤の蒸気を透過しないこと。
(e)酸素が前記色素溶液の劣化の原因となる場合、酸素ガスを透過しないこと。
(f)水が前記色素溶液の劣化の原因となる場合、水蒸気を透過しないこと。
(g)二酸化炭素、一酸化炭素、亜硫酸ガスなどが前記色素溶液の劣化の原因となる場合、これらのガスを透過しないこと。
(h)接着剤成分および硬化剤成分が、前記色素溶液の成分と作用しないこと。
本発明の熱レンズ形成素子に用いられる色素は以下のような過酷な要件を満足しなければならない。
(B)制御光の吸収波長帯域の収束レーザーの収束位置における200℃を超える温度上昇に2千時間以上、可能であれば数万時間以上耐えること。
(C)制御光吸収波長帯域の収束レーザーの照射および温度上昇によって分解物、反応生成物、あるいは会合体などの固体粒子を形成しないこと。
(D)信号光の波長帯域において光吸収や光散乱を起こさないこと。
650〜670nm:1,5,9,13−テトラ−tert−ブチル銅フタロシアニン
685〜715nm:1,5,9,13−テトラ−tert−ブチルオキシバナジウムフタロシアニン
730〜830nm:2,11,20,29−テトラ−tert−ブチルオキシバナジウムナフタロシアニン
840〜890nm:5,9,14,18,23,27,32,36−オクタ−n−ブトキシ−2,3−ナフタロシアニン
本発明の熱レンズ形成素子に用いられる溶剤は以下のような複数の要件を満足しなければならない。
[2]信号光および制御光レーザーの照射に2千時間以上、可能であれば数万時間以上耐えること。
[3]信号光および制御光レーザーの収束位置における200℃を超える温度上昇に2千時間以上、可能であれば数万時間以上耐えること。
[4]信号光および制御光レーザーの照射および温度上昇によって分解物、反応生成物、あるいは会合体などの固体粒子を形成しないこと。
[5]信号光の波長帯域において光吸収や光散乱を起こさないこと。
[6]制御光レーザーの収束位置における光吸収に伴う発熱・温度上昇に敏感に応答し、温度1℃の変化当たりの屈折率変化として0.0004以上を示すこと。
熱レンズ形成素子としての利用分野を広くするためには、使用可能温度範囲が広範であることが好ましい。例えば、光通信の分野で活用するには−40℃から85℃の温度範囲で支障なく稼働することが要求される。溶剤の融点が−40℃未満であれば、このような低温域の要求に応えることができる。また、制御光が照射されない状態において、すでに85℃に到達している場合、熱レンズ形成素子としての機能を充分に発揮するためには、制御光照射部の温度が200℃以上、可能であれば300℃程度まで到達しても色素溶液が液体状態である必要がある。すなわち、本発明の熱レンズ形成素子に用いられる溶剤の沸点は、200℃以上、可能であれば300℃を超えることが好ましい。溶剤成分の化学構造は単一である必要はなく、混合物であって良い。
・第1成分:1−フェニル−1−(2,5−キシリル)エタン
・第2成分:1−フェニル−1−(2,4−キシリル)エタン
・第3成分:1−フェニル−1−(3,4−キシリル)エタン
・第4成分:1−フェニル−1−(4−エチルフェニル)エタン
・外観:無色透明液体
・臭気:弱い芳香臭
・沸点:290〜305℃
・融点:−47.5℃
・蒸気圧:0.067Pa (25℃)
・蒸気密度:7.2 (空気=1)
・比重(水=1):0.987
・水溶解度(20℃):水に溶けない。
試料部温水循環式屈折率計NAR−2T型(株式会社アタゴ製)を用い、20℃から90℃までの屈折率を測定した。溶剤#1および溶剤#2の屈折率・温度変化の様子を図7および図8に各々示す。
・溶剤#1:−0.00048866
・溶剤#2:−0.00042963
すなわち、溶剤#1および溶剤#2の屈折率・温度変化係数の差はあるものの、さほど顕著なものではないことが判った。
溶剤#1および溶剤#2の粘度・温度変化を測定・比較したところ、著しい相違があることを見出し、本発明に至った。
図1に示す熱レンズ形成素子1は光学セル16の内部の第1の空間11および第2の空間13に色素を溶剤に溶解した溶液を充填し、蓋15を接着した構成であり、第1の空間11と第2の空間13は、堰17によって狭められた溶液導入路12を通じて連結し、第2の空間13の内部には前記色素溶液とともに不活性気体の気泡14が封印されている。気泡14の役割は、熱レンズ形成素子1全体の温度が上昇・下降した場合における、光学セル16と色素溶液の熱膨張率の差に起因する光学セル16内部圧力の増大・減少を緩衝することである。光学セル16の材質は石英ガラスまたはサファイアガラスであるため、室温から300℃程度までの熱膨張は極めて小さい。これに対して光学セル16内部に充填される溶剤(特に有機溶剤)の熱膨張は非常に大きく、また、気体と異なり、液体の体積を圧縮するには膨大な圧力を必要とするため、気泡なしにガラスセル内部に溶剤を密封し、温度を上下させると、±10℃〜±20℃の変化であっても、溶剤体積の膨張・収縮によって、ガラスセルは容易に破損してしまう。これを避けるためには、信号光が通過する第1の空間11と、堰17によって狭められた溶液導入路12を通じて連結した第2の空間13の内部には前記色素溶液とともに不活性気体の気泡14を封入することが効果的である。ここで、堰17によって狭められた溶液導入路12があれば、気泡14が第1の空間11内部に侵入することはなく、信号光の透過に影響することもない。
図4は本発明の熱レンズ形成素子を用いた、リングビーム方式光路切替装置の一例の概略構成図である。リングビーム方式光路切替装置の詳細は特許文献1に記載されている。概要として、入力側信号光・光ファイバー400から出射した入射信号光をコリメートレンズ40にてほぼ平行なビーム401に変換してダイクロイックミラー42を透過させ、更に集光レンズ43にて収束させ、収束光として熱レンズ形成素子1(または、後述する熱レンズ形成素子2または3)に入射させる。一方、制御光・光ファイバー410から出射した制御光をコリメートレンズ41にてほぼ平行なビーム411としてダイクロイックミラー42にて反射させ、信号光ビーム401と光軸を一致させ、更に集光レンズ43にて収束させ、収束光として熱レンズ形成素子1(または、後述する熱レンズ形成素子2または3)に入射させる。リングビーム方式光路切替装置および方法においては、制御光と信号光を同一光軸で熱レンズ形成素子の制御光吸収領域へ収束入射させ、更に、制御光および信号光双方の収束領域が重なり合い、前記制御光吸収領域の信号光入射側近傍に位置するよう、光学系が微調整される。こうすると、熱レンズ形成素子・制御光吸収領域の信号光入射側近傍へ収束入射した制御光は、前記制御光吸収領域において光吸収されながら進行し、吸収された光エネルギーは熱に変わり、色素溶液の熱膨張に伴う密度減少および屈折率の低下を引き起こし、光の進行方向に特定の形状の熱レンズを形成させる。このように前記制御光吸収領域に形成された熱レンズ内部に収束入射された信号光が広がりながら進行すると、入射時にはガウス分布であった信号光のビーム断面のエネルギー分布は、リング状に変換され、制御光が照射されない場合の角度よりも大きな開き角度で、熱レンズ形成素子1(または、後述する熱レンズ形成素子2または3)から出射する。この出射信号光を、集光レンズ43よりも大きな開口数の受光レンズ44にて受光し、ほぼ平行なビームに変換してから、制御光が照射されず直進する場合の信号光・光路に45度の角度で設置され、制御光が照射されず直進する場合の信号光ビームが通過するのに充分な大きさの穴が設けられた穴付ミラー45に入射させると、制御光が照射されない場合、信号光421は直進し、結合レンズ46に入射し、収束され、直進出力側信号光・光ファイバー420に入射していく。一方、制御光が照射された場合は、熱レンズ効果によってリングビームに変換された信号光は、穴付ミラー45の穴の周辺で反射され、結合レンズ47にて収束され、光路切替信号光431として光路切替出力側信号光・光ファイバー430に入射していく。
溶剤#1の替わりに、温度を変えた場合の粘度変化が大きな溶剤#2を用いた他は溶剤#1を用いた場合と同様にして、図4に示す本発明の熱レンズ形成素子を用いた、リングビーム方式光路切替装置において制御光411を断続する矩形波の周波数を0.1kHzないし20kHzに設定し、そのときの制御光411の断続に対応する光路切替信号光431の波形4310の振幅Lを測定した結果を図14に示す。制御光411を断続する矩形波の周波数を20Hz(応答速度25ミリ秒)とした場合(図示せず)、信号光の振幅Lは1であるが、200〜500Hz(同2.5〜1ミリ秒)では同0.97に減じ、更に周波数を高めると信号光の振幅Lは、図14に示すように漸減していく。以上、まとめると、溶剤#2を用いた場合、熱レンズ形成素子の応答速度は溶剤#1の場合の4分の1以下に減ずることが判った。この原因は、先に詳細に述べたように、温度が上昇したとき、溶剤#2の粘度が下がりにくいため、信号光収束・吸収部分の温度上昇に伴う低密度・低屈折率領域の膨張が妨げられ、熱レンズの形成に時間を要するものと推定される。
図5は本発明の熱レンズ形成素子1(または、後述する熱レンズ形成素子2または3)を用いた、丸ビーム方式光路偏向装置の一例の概略構成図である。丸ビーム方式光路偏向装置の詳細は特許文献3〜5に記載されている。概要として、入力側信号光・光ファイバー500から出射した入射信号光をコリメートレンズ50にてほぼ平行なビーム501に変換してダイクロイックミラー52を透過させ、更に集光レンズ53にて収束させ、収束光として熱レンズ形成素子1(または、後述する熱レンズ形成素子2または3)に入射させる。一方、制御光・光ファイバー510から出射した制御光をコリメートレンズ51にてほぼ平行なビーム511としてダイクロイックミラー52にて反射させ、信号光ビーム501とは平行ビームとして光軸中心間距離を30μm程度ずらし、更に集光レンズ53にて収束させ、収束光として熱レンズ形成素子1(または、後述する熱レンズ形成素子2または3)に入射させる。丸ビーム方式光路偏向装置および方法においては、制御光と信号光を熱レンズ形成素子の制御光吸収領域へ収束入射させ、更に、制御光および信号光双方の収束領域中心点が30μm程度離れて重なり合い、前記制御光吸収領域の信号光入射側近傍に位置するよう、光学系が微調整される。こうすると、熱レンズ形成素子・制御光吸収領域の信号光入射側近傍へ、僅かに離れて収束入射した制御光は、前記制御光吸収領域において光吸収されながら進行し、吸収された光エネルギーは熱に変わり、色素溶液の熱膨張に伴う密度減少および屈折率の低下を引き起こし、光の進行方向に特定の形状の熱レンズを形成させる。このように前記制御光吸収領域に形成された熱レンズ内部に、異なる収束位置で収束入射された信号光が広がりながら進行すると、入射時のガウス分布の丸ビーム断面のエネルギー分布を保ちながら進行方向が偏向され、制御光が照射されない場合の直進方向から数度偏向されて、熱レンズ形成素子1(または、後述する熱レンズ形成素子2または3)から出射する。この出射信号光を、受光レンズ54にて受光し、ほぼ平行なビームに変換し、制御光が照射されない場合、信号光521は直進し、結合レンズ56に入射し、収束され、直進出力側信号光・光ファイバー520に入射していく。一方、制御光が照射された場合は、熱レンズ効果によって丸ビームのまま偏向された信号光531として結合レンズ57に入射し、収束され、光路偏向出力側信号光・光ファイバー530に入射していく。
信号光光源として波長1550nm、制御光光源として波長860nmのレーザーを用い、色素として5,9,14,18,23,27,32,36−オクタ−n−ブトキシ−2,3−ナフタロシアニンを溶剤#2に0.1重量%の濃度で溶解した溶液を用いた他は本実施形態と同様にして、制御光パワーを10.4、12.9、15.5、18.0mWとしたとき、熱レンズ効果によって丸ビームのまま偏向された信号光531の偏向角は、各々、6.7度、7.9度、9.3度、10.3度と、図15に示すように、溶剤#1を用いた場合よりも明らかに小さくなった。溶剤の相違によって、同一制御光パワーを継続的に照射した場合に誘起される熱レンズ効果、すなわち熱レンズの大きさに大小ができたものと推測される。
図2aおよび図2bは本発明の第2の実施の形態に係る熱レンズ形成素子2の概略構成図である。
熱レンズ形成素子2はコイン型光学セル26の内部の第1の空間20および第2の空間23に色素を溶剤に溶解した溶液を充填し、蓋25を接着した構成である。ここで第1の空間20と第2の空間23は、リング状の堰27によって狭められた溶液導入路22を通じて連結している。なお、後に詳しく説明するように、第2の空間23の内部には不活性気体の気泡24も封印されている。以下、個々の構成要素について詳細に説明する。
コイン型光学セル26および蓋25の材質、板材の厚さ、無反射コート、については第1の実施の形態で説明した通りである。
本実施形態(図2に示す)の第2の空間23内に封入された不活性気体の気泡24の役割は、第1の実施の形態における気泡14と同様に、熱レンズ形成素子2全体の温度が上昇・下降した場合における、コイン型光学セル26と色素溶液の熱膨張率の差に起因するコイン型光学セル26内部圧力の増大・減少を緩衝することである。因みに、本実施形態(図2)の熱レンズ形成素子2に気泡24を封入しない場合、素子全体の温度を50℃程度まで加熱しただけで、コイン型光学セル26内部圧力は石英ガラスの許容曲げ応力(1.97MPa)を超え、ガラス接合部分の角にヒビが生じることが確認された。そこで、熱レンズ形成素子2の第2の空間23に封入された不活性気体の気泡24の直径D8を温度30〜70℃において顕微鏡で観察し、体積および内部圧力の温度変化を計算した結果を表2に示す。なお、熱レンズ形成素子2内部の第1の空間20および第2の空間23、溶液導入路22および色素溶液注入孔28の合計体積が19μLのコイン型光学セル26を用い、不活性気体の種類は窒素ガスとし、窒素雰囲気グローブボックス内で熱レンズ形成素子2内部に色素溶液を注入する際、直径D8が約1mmの気泡が残るようにし、室温硬化のエポキシ接着剤で蓋25を取り付け、密閉した後、実体顕微鏡下に設置したホットプレートにて温度を調整し、泡の直径を精密に測定した。なお、熱レンズ形成素子2の第2の空間23は高さが500μmであるため、直径1mm前後の気泡の形状は「球体」ではなく「楕円体」である。3辺の長さが2a,2b,2cの直方体に内接する楕円体の体積Vは式〔1〕で計算される:
[数1]
V=4πabc/3 … 〔1〕
[数2]
P=nRT/V … 〔2〕
第1の実施の形態における熱レンズ形成素子1の替わりに第2の実施の熱レンズ形成素子2を、図5に概略構成を示す丸ビーム方式光路偏向装置に取り付け、光学系の調整を行った。調整および特性測定は25℃において、信号光(および制御光)の光軸200が鉛直方向、すなわち重力の方向に直交するよう装置の方位を設定して実施した。このような方位設定において、コイン型の熱レンズ形成素子2は、「コインが立った」向きで動作する。制御光の波長860nm、強度7.3mW、信号光の波長1550nm、強度2mW、として、丸ビーム方式光路偏向装置に入射する信号光・光ファイバーから入射する信号光強度に対する、制御光の消灯・点灯に対応して出射する直進信号光521および偏向信号光531の強度を測定・比較した。結果を表3に示す。
本比較例の熱レンズ形成素子3は、図3に示すように、第2の実施の形態における熱レンズ形成素子2(図2)から円柱型の堰27を取り除いたものである。すなわち、コイン型光学セル36の内部の、単純な円筒型空間33に、色素溶液および不活性気体の気泡34を封入し、色素溶液注入孔38をエポキシ接着剤にて蓋35で封印したものである。
Claims (5)
- 信号光の波長の光を吸収せず、制御光の光を吸収する色素を溶剤に溶解させた溶液が充填された光学セルを備える熱レンズ形成素子であって、
前記光学セルは、少なくとも制御光が焦点を結ぶように配置された制御光吸収領域を有し、
前記溶剤の160℃以上における粘度が0ないし3mPa・sであり、かつ、前記溶剤の160℃における粘度の値で、前記溶剤の40℃における粘度の値を除した値が1以上、6以下であり、
前記制御光吸収領域には、前記制御光吸収領域が吸収する波長帯域から選ばれる波長の制御光と、前記制御光吸収領域が吸収しない波長帯域から選ばれる波長の信号光とが各々収束されて照射され、かつ前記制御光および前記信号光の各々の収束点の位置が同一または相異なるように照射され、前記制御光吸収領域が前記制御光を吸収した領域およびその周辺領域に起こる温度上昇に起因して可逆的に形成される屈折率の分布に基づいた熱レンズが形成され、
前記制御光が照射されず熱レンズが形成されない場合は前記収束された信号光が通常の開き角度と直進方向で出射する状態と、
前記制御光および前記信号光の各々の収束点の位置が同一になるよう制御光が照射されて熱レンズが形成される場合は前記収束された信号光が通常の開き角度よりも大きい開き角度で出射する状態、または、前記制御光および前記信号光の各々の収束点の位置が相異なるよう制御光が照射されて熱レンズが形成される場合は前記収束された信号光が通常の開き角度と異なる開き角度と直進方向とは異なる方向で出射する状態
とを、
前記制御光の照射の有無に対応させて実現させることを特徴とする熱レンズ形成素子。 - 前記制御光吸収領域の形状が、前記制御光が照射されず前記信号光が直進する場合の光軸を中心軸とする円柱またはその円柱に外接するN角柱(Nは4以上の整数)であって、前記信号光は前記円柱またはその円柱に外接するN角柱の一方の底面から垂直に入射し、他方の底面から出射することを特徴とする請求項1に記載の熱レンズ形成素子。
- 前記円柱またはその円柱に外接するN角柱の高さ、すなわち、底面間距離と前記円柱の直径が同一であることを特徴とする請求項2に記載の熱レンズ形成素子。
- 前記円柱またはその円柱に外接するN角柱の高さである、底面間距離が200μmないし500μmであり、かつ、前記円柱の直径が200ないし500μmであることを特徴とする請求項2または請求項3に記載の熱レンズ形成素子。
- 形状が円柱またはその円柱に外接するN角柱である前記制御光吸収領域が、内径10ないし50μmの細管または隙間間隔が5ないし20μmの堰を介して第2の空間に接続され、この第2の空間には前記色素溶液および不活性気体が充填されていることを特徴とする請求項2に記載の熱レンズ形成素子。
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