JP2011164341A

JP2011164341A - 光学装置

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Publication number: JP2011164341A
Application number: JP2010026639A
Authority: JP
Inventors: Yasuo Toko; 康夫都甲; Hiroshi Dobashi; 博史土橋
Original assignee: Stanley Electric Co Ltd
Current assignee: Stanley Electric Co Ltd
Priority date: 2010-02-09
Filing date: 2010-02-09
Publication date: 2011-08-25
Anticipated expiration: 2030-02-09
Also published as: JP5580068B2

Abstract

【課題】光ファイバの伝搬特性を高速で制御することができる光学装置を提供する。
【解決手段】コアをクラッドが包囲する光ファイバの、長さ方向の一部分において該クラッドが除去されている。光ファイバのクラッドが除去された部分を包囲するように、コレクテリックブルー相を発現する液晶材料が配置されている。電極が、液晶材料内の液晶分子を配向させる電界を印加する。
【選択図】図１

Description

本発明は、光ファイバの伝搬特性を制御する光学装置に関する。

光ファイバのクラッドの一部を除去して光をオンオフする光スイッチが知られている（特許文献１）。この光スイッチでは、露出したコアの周囲に、光学媒質として作用するオン側スイッチ体及びオフ側スイッチ体のいずれか一方を選択的に配置する。オン側スイッチ体の屈折率はコアの屈折率よりも低く、オフ側スイッチ体の屈折率はコアの屈折率よりも高い。オン側スイッチ体には４フッ化エチレン等の液体が用いられ、オフ側スイッチ体には強磁性微粒子が用いられる。磁石で強磁性微粒子を移動させることにより、オンオフが切り替えられる。

クラッドとして作用する基板内に、断面が四角形の一対のコアを近接して埋設した光導波路を光スイッチとして動作させる技術が知られてる（特許文献２）。一対のコアの間の基板が除去されて、この部分に液晶材料が充填される。液晶材料の配向を制御することによって、スイッチングが行われる。

実開昭５９−６６２０３号公報特開２００３−２２２９１５号公報

強磁性微粒子を移動させる光スイッチでは、スイッチング速度が強磁性微粒子の移動時間によって制限される。このため、スイッチング速度を高めることが困難である。基板内にコアを埋設する構造では、基板内に埋設したコアと、光ファイバのコアとを接続しなければならない。

本発明の目的は、光ファイバの伝搬特性を高速で制御することができる光学装置を提供することである。

本発明の一観点によると、
コアをクラッドが包囲し、長さ方向の一部分において該クラッドが除去されている光ファイバと、
前記光ファイバのクラッドが除去された部分を包囲するように配置され、コレクテリックブルー相を発現する液晶材料と、
前記液晶材料内の液晶分子を配向させる電界を印加する電極と
を有する光学装置が提供される。

コレステリックブルー相が発現した状態と、電極によって電界が印加された状態とで、液晶材料の光学的性質が異なる。これにより、光ファイバの伝搬特性が変化する。光学媒質を機械的に移動させる場合に比べて、応答速度を高めることができる。

（１Ａ）は、実施例１による光学装置の平断面図であり、（１Ｂ）は、（１Ａ）の一点鎖線１Ｂ−１Ｂにおける断面図である。（２Ａ）は、電圧無印加時における液晶材料及びコアの断面の模式図であり、（２Ｂ）は、電圧印加時における液晶材料及びコアの断面の模式図である。（３Ａ）及び（３Ｂａ）は、実施例１による光学装置の製造途中段階における平面図であり、（３Ｂｂ）は、（３Ｂａ）の一点鎖線３Ｂｂ−３Ｂｂにおける断面図である。（３Ｃａ）及び（３Ｄａ）は、実施例１による光学装置の製造途中段階における平面図であり、（３Ｃｂ）及び（３Ｄｂ）は、それぞれ（３Ｃａ）の一点鎖線３Ｃｂ−３Ｃｂにおける断面図及び（３Ｄａ）の一点鎖線３Ｄｂ−３Ｄｂにおける断面図である。（３Ｅ）及び（３Ｆ）は、実施例１による光学装置の製造途中段階における断面図である。（４Ａ）は、実施例２による光学装置の平断面図であり、（４Ｂ）は、（４Ａ）の一点鎖線４Ｂ−４Ｂにおける断面図である。

図１Ａに、実施例１による光学装置の平断面図を示す。図１Ｂに、図１Ａの一点鎖線１Ｂ−１Ｂにおける断面図を示す。図１Ｂの一点鎖線１Ａ−１Ａにおける断面図が図１Ａに相当する。

コア２１をクラッド２２で被覆した光ファイバ２０の長さ方向の一部の領域２３において、クラッド２２が除去されてコア２１が露出している。例えば、コア２１の直径は１０μｍであり、クラッド２２を含む光ファイバ２０の直径は３０μｍである。なお、クラッドの外径が１２５μｍ程度の一般的な光ファイバを用いてもよい。クラッドが除去された領域２３のコア２１の側方の空間に、液晶材料１８が充填されている。液晶材料１８は、相互に平行に配置された第１の基板１０と第２の基板１２とに挟まれている。第１の基板１０及び第２の基板１２には、例えば厚さ０．７ｍｍのガラス基板が用いられる。なお、ガラス基板に代えてプラスチック基板を用いてもよい。

第１の基板１０と第２の基板１２との間に配置されたシール部材１５が、液晶材料１８が充填されている空間を封止する。シール部材１５は、クラッド２２の端部と、液晶材料１８が充填された空間との間のコア２１の側面に接する。シール部材１５の屈折率は、コア２１の屈折率よりも低い。このため、シール部材１５は、光ファイバ２０のクラッドとして作用する。

第１の基板１０及び第２の基板１２の内側の表面に、それぞれ第１の電極１１及び第２の電極１３が形成されている。第１の電極１１及び第２の電極１３には、例えば、厚さ１５０ｎｍのインジウム錫酸化物（ＩＴＯ）膜が用いられる。第１の電極１１及び第２の電極１３は、シール部材１５で塞がれた空間から、光ファイバ２０の軸方向と直交する方向に導出されている。第１の電極１１が導出される向き（図１Ａにおいて下向き）は、第２の電極１３が導出される向きと反対向きである。すなわち、光ファイバ２０の一方の側（図１Ａにおいて光ファイバ２０の下側）で、第１の電極１１とシール部材１５とが重なり、他方の側（図１Ａにおいて光ファイバ２０の上側）で、第２の電極１３とシール部材１５とが重なる。シール部材１５、第１の電極１１、及び第２の電極１３の３つの部材が重なると、その重なった部分が劣化の原因になる。実施例１では、この３つの部材が重なる領域が存在しないため、劣化を抑制することができる。

駆動電源２５がスイッチ２６を介して第１の電極１１と第２の電極１３とに交流の駆動電圧を印加する。

液晶材料１８は、例えば、正の誘電率異方性及び屈折率異方性を持ち、電圧無印加時に、動作温度範囲内でコレステリックブルー相（以下、単に「ブルー相」という。）を発現する。液晶材料１８として、高分子ネットワームを含み、高分子安定化ブルー相を発現するものを用いることが好ましい。高分子安定化ブルー相については、後に詳しく説明する。

ブルー相は、らせんピッチの比較的短いキラルネマチック相と等方相との間に現れる液晶相であり、光学的に等方性を示す。ブルー相には、低温側よりブルー相Ｉ、ブルー相ＩＩ、ブルー相ＩＩＩと呼ばれる３種類が存在することが知られている。ブルー相Ｉは体心立方の対称性を有し、ブルー相ＩＩは単純立方の対称性を有し、ブルー相ＩＩＩは等方性の対称性を有する。液晶材料１８の常光線屈折率をｎ_ｏ、異常光線屈折率をｎ_ｅとする。ブルー相は光学的に等方性であり、その屈折率は（２ｎ_ｏ＋ｎ_ｅ）／３になる。

図２Ａに、電圧無印加時における液晶材料１８及びコア２１の断面を模式的に示す。液晶材料１８はブルー相を示す。ブルー相の屈折率（２ｎ_ｏ＋ｎ_ｅ）／３は、コア２１の屈折率よりも低い。このため、液晶材料１８がクラッドとして作用する。従って、クラッド２２が除去された領域２３の一方の側のコア２１に沿って伝搬する光は、クラッド２２が除去された領域２３をそのまま伝搬し、他方の側のコア２１まで到達する。電圧無印加時の状態を「透過状態」ということとする。

図２Ｂに、電圧印加時における液晶材料１８及びコア２１の断面を模式的に示す。液晶材料１８が配向してホメオトロピック配向状態になる。ホメオトロピック配向状態の液晶材料１８は常光線屈折率ｎ_ｏと、異常光線屈折率ｎ_ｅとを持つ屈折率異方性を示す。異常光線屈折率ｎ_ｅはコア２１の屈折率よりも高い。このため、コア２１に沿って伝搬する光のうち異常光線屈折率ｎ_ｅの影響を受ける成分は、コア２１から液晶材料１８内に漏れる。このため、光ファイバ２０内を伝搬する光は、クラッド２２が除去された領域２３内で減衰する。電圧印加時の状態を「減衰状態」ということとする。

このように、第１の電極１１と第２の電極１３との間に電圧を印加することにより、光ファイバ２０の伝搬特性を変化させることができる。透過状態と減衰状態との切り替えは、液晶分子の配向状態が変化する速さで行われる。このため、光学媒質を機械的に移動させる場合に比べて、高速で切り替えを行うことができる。

光通信システムにおいて、クラッドが除去された領域２３を光スイッチとして動作させることが可能である。また、比較的低速の光変調器として動作させることも可能である。光ファイバ２０を照明光の伝送に用いる場合には、クラッドが除去された領域２３を調光器として動作させることが可能である。クラッドが除去された領域２３内で光ファイバ２０から漏れた光を回収することにより、光分岐部として機能させることも可能である。

図３Ａ〜図３Ｆを参照して、実施例１による光学装置の製造方法について説明する。

図３Ａに示すように、第１の基板１０の表面の一部に第１の電極１１を形成し、第２の基板１２の表面の一部に第２の電極１３を形成する。ＩＴＯからなる第１の電極１１及び第２の電極１３のパターニングは、周知のフォトリソグラフィ技術を用いて行うことができる。ＩＴＯのエッチングには、例えば王水系の混酸や第二塩化鉄を用いることができる。電極を形成した後、第１の基板１０及び第２の基板１２を洗浄する。洗浄工程では、例えば、アルカリ洗剤を用いたブラシ洗浄、純水洗浄、エアーブロー、紫外線照射、赤外線乾燥をこの順番に行う。なお、高圧スプレー洗浄やプラズマ洗浄を用いてもよい。

図３Ｂａに示すように、第１の基板１０の表面に、シール部材１５を形成する。図３Ｂｂに、図３Ｂａの一点鎖線３Ｂｂ−３Ｂｂにおける断面図を示す。シール部材１５には、例えば紫外線硬化型のシール剤が用いられる。図１Ｂに示したように、光ファイバ２０が第１の基板１０と第２の基板１２との間隔を調節する機能を持つため、シール剤にギャップコントロール剤を添加する必要はない。シール剤の塗布には、例えばスクリーン印刷法、ディスペンサ法等を用いることができる。

シール部材１５は、図３Ｂａに示したように、液晶材料が配置される領域を取り囲むように配置される。コアと重なる部分にシール部材１５を配置すると、光ファイバを搭載するときに、シール部材１５が面内に広がってしまう。シール部材１５の広がりを防止するために、光ファイバのコアと重なる部分には、シール部材１５が配置されない溝１５Ａが設けられている。なお、シール部材１５の全体の塗布量を少なくして、コアと重なる部分にもシール部材１５を配置してもよい。塗布量を少なくすることにより、光ファイバの搭載時におけるシール部材１５の面内の広がりが抑制される。

図３Ｃａに示すように、シール部材１５で囲まれた領域の第１の基板１０の上に、液晶材料１８を滴下する。液晶材料１８の滴下には、ディスペンサ法を用いることができる。以下、液晶材料１８の調整方法について説明する。

ネマチック液晶組成物ＪＣ１０４１−ＸＸ（チッソ株式会社製）と４−シアノ−４’−ペンチルビフェニル（メルク株式会社製）とを等モルの割合で混合する。ＪＣ１０４１-ＸＸの屈折率異方性Δｎは０．１４２であり、常光線屈折率ｎ_ｏは１．５０７である。４−シアノ−４’−ペンチルビフェニルの屈折率異方性Δｎは０．１８４であり、常光線屈折率ｎ_ｏは１．５３４である。この混合液晶組成物に、カイラル剤としてＺＬＩ-４５７２（メルク株式会社製）を、５．６モル％になるように添加する。

一官能性の光重合性モノマーと二官能性の光重合性モノマーとを７０：３０のモル比になるように混合して混合モノマーを調整する。一官能性のモノマーとして、２−エチルヘキシルアクリレート（シグマアルドリッチジャパン株式会社製）を用い、二官能性のモノマーとして、ＲＭ２５７（メルク株式会社製）を用いることができる。光重合開始剤２，２−ジメトキシ−２−フェニルアセトフェノン（ＤＭＰＡＰ）を、混合モノマーに対して５モル％になるように添加する。

この混合モノマーを、カイラル剤を含む混合液晶組成物に対して８モル％になるように添加して液晶材料１８を調整する。液晶組成物、カイラル剤、光重合性モノマー、光重合開始剤として、例示したもの以外の材料を用いることも可能である。ただし、光重合性モノマーは、一官能性のモノマーと二官能性のモノマーとの両方を含むことが好ましい。

図３Ｄａに示すように、光ファイバ２０の一部のクラッド２２を除去する。図３Ｄｂに、図３Ｄａの一点鎖線３Ｄｂ−３Ｄｂにおける断面図を示す。クラッド２２の除去には、例えばフッ酸、または緩衝フッ酸を用いることができる。第１の基板１０に、この光ファイバ２０を搭載する。コア２１の露出した部分がシール部材１５の溝１５Ａ内に収納され、液晶材料１８を貫通する。クラッド２２の端面が、シール部材１５の外側の側面に接する。例えば、コア２１の屈折率は１．６であり、クラッド２２の屈折率は１．５７である。

図３Ｅに示すように、第１の基板１０の上に、第２の基板１２を重ねる。このとき、シール部材１５が押しつぶされて面内方向にやや広がる。さらに、露出したコア２１の下及び上の空間にもシール部材１５が回り込み、液晶材料１８が閉じ込められた空間が密閉状態になる。光ファイバ２０が第１の基板１０と第２の基板１２との間隔を調整する役割を果たす。第１の基板１０に第２の基板１２を重ねる工程は、真空中で行ってもよい。第１の基板１０、第２の基板１２、液晶材料１８等を加熱して、液晶材料１８にブルー相を発現させる。

図３Ｆに示すように、液晶材料１８がブルー相を発現した状態で３６５ｎｍの波長域の紫外線を照射する。紫外線照射により、液晶材料１８中の光重合性モノマーが重合するとともに、シール部材１５が硬化される。紫外線強度は例えば３０ｍＷ／ｃｍ^２とする。紫外線の照射工程においては、例えば１秒間の照射期間と１０秒間の無照射期間とを交互に１０回繰り返した後、３分間の連続照射を行う。紫外線の強度は、上記範囲に限られない。ただし、紫外線の強度を弱くすると、照射時間を長くする必要がある。

光重合性モノマーが重合することによって、液晶材料１８内に高分子ネットワークが形成される。高分子ネットワークが形成されると、液晶材料１８がブルー相を発現する温度範囲が広がる。実施例１においては、液晶材料１８は、−５℃〜６０℃の広い温度範囲でブルー相を発現するようになる。ブルー相を発現する温度範囲は、使用する材料や混合比、重合条件等によって拡大することができる。高分子ネットワークを含み、ブルー相の発現温度範囲が拡大されたブルー相は、「高分子安定化ブルー相」という。

ブルー相が発現した状態の液晶材料１８の屈折率は１．５７４であり、コア２１の屈折率１．６よりも低い。このため、液晶材料１８がクラッドとして作用する。ホメオトロピック配向状態の液晶材料１８の常光線屈折率ｎ_ｏ及び異常光線屈折率ｎ_ｅは、それぞれ１．５２１及び１．６８３である。異常光線屈折率ｎ_ｅがコア２１の屈折率よりも高いため、異常光線屈折率ｎ_ｅの影響を受ける光は、コア２１に閉じ込められず、液晶材料１８内に漏れる。

室温の条件下で、２００Ｖの駆動電圧を印加したときに、ブルー相からホメオトロピック配向状態に変化するまでの応答時間は約３０μｓであり、ホメオトロピック配向状態からブルー相に変化するまでの応答時間は約１５μｓであった。この応答時間は、露出したコア２１の周囲に配置した光学媒質を機械的に移動させる時間に比べて短い。このため、透過状態と減衰状態とを高速に切り替えることができる。

実施例１では、液晶材料１８の充填に滴下注入法（ＯＤＦ法）を用いたが、真空注入法を用いてもよい。真空注入法を用いる場合には、注入口を設けたシール部材１５を、液晶材料の充填前に硬化させる。硬化後に、注入口からシール部材１５の内側に液晶材料１８を注入し、最後に注入口及びコアが貫通している部分をシール剤で塞げばよい。真空注入法を適用する場合には、シール部材１５として熱硬化性のシール剤を用いることができる。

液晶材料１８は、実施例１で例示したものに限られない。液晶材料１８として、コア２１の屈折率よりも低い屈折率を有するコレクテリックブルー相を発現する他の液晶材料を用いることができる。電圧印加時に屈折率異方性を発現したときには、少なくとも１つの屈折率の成分が、コア２１の屈折率よりも大きくなることが好ましい。コア２１の屈折率よりも大きくなることにより、コア２１に沿って伝搬する光が、コア２１の外に漏れ出すようになる。

実施例１による光学装置の構造は密閉型であるため、装置が設置される環境の影響を受けにくい。例えば、埃等の影響を受けにくいため、屋内一般に採用することができる。

実施例１では、液晶材料１８を一対の平板で挟んだ例を示したが、液晶材料１８を閉じ込める構造は、例示したものに限られない。例えば、露出したコアの周囲を取り囲む四角柱状、円筒状等の筒内に液晶材料１８を充填してもよい。また、六面体の１つの面が開放された筐体内に液晶材料１８及び露出したコアを配置した後、開放された１つの面を蓋で塞いでもよい。

図４Ａに、実施例２による光学装置の平断面図を示す。図４Ｂに、図４Ａの一点鎖線４Ｂ−４Ｂにおける断面図を示す。図４Ｂの一点鎖線４Ａ−４Ａにおける断面図が図４Ａに相当する。以下、図１Ａ及び図１Ｂに示した実施例１による光学装置との相違点に着目して説明し、同一の構成については説明を省略する。

実施例１では、シール部材１５がコア２１の露出した部分に接触していたが、実施例２では、シール部材１５がクラッド２２に接触している。このため、コア２１の露出した部分の長さ方向の全域に亘って、コア２１の周囲に液晶材料１８が配置される。この構成では、シール部材１５は光ファイバ２０内の光の伝搬に影響を与えない。このため、シール部材１５の選択の自由度が高まる。

以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。

１０第１の基板
１１第１の電極
１２第２の基板
１３第２の電極
１５シール部材
１８液晶材料
２０光ファイバ
２１コア
２２クラッド
２３クラッドが除去された領域
２５駆動電源
２６スイッチ

Claims

コアをクラッドが包囲し、長さ方向の一部分において該クラッドが除去されている光ファイバと、
前記光ファイバのクラッドが除去された部分を包囲するように配置され、コレクテリックブルー相を発現する液晶材料と、
前記液晶材料内の液晶分子を配向させる電界を印加する電極と
を有する光学装置。
コレステリックブルー相を発現した前記液晶材料の屈折率が、前記光ファイバのコアの屈折率よりも低く、前記液晶材料に電界を印加して屈折率に異方性を発現させたときの前記液晶材料の、最も高い屈折率の成分が、前記コアの屈折率よりも高い請求項１に記載の光学装置。
前記液晶材料の屈折率異方性が正であり、該液晶材料の常光線屈折率をｎ_ｏとし、異常光線屈折率をｎ_ｅとしたとき、ｎ_ｅが前記光ファイバのコアの屈折率よりも高く、（ｎ_ｅ＋２ｎ_ｏ）／３が前記光ファイバのコアの屈折率よりも低い請求項１または２に記載の光学装置。
さらに、
前記光ファイバのクラッドが除去された部分の両側に配置されて前記液晶材料を挟む一対の基板と、
前記基板の間に配置され、前記液晶材料が配置された空間を封止するシール部材と
を有し、前記電極は、前記一対の基板の各々の内側の面に形成されている請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光学装置。