JP2014146004A - Optical waveguide having wavelength plate - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To directly form a wavelength plate, azimuth rotator, and filter in a groove disposed so as to cross a core of an optical waveguide.SOLUTION: The optical waveguide having a wavelength plate includes: one or more grooves 5-2 disposed so as to cut a core 5-1 of the optical waveguide; oriented films 5-3 for liquid crystal having undergone orientation processing in the one or more grooves; and a polymeric liquid crystal 5-5 sandwiched between the oriented films for liquid crystal. The oriented films 5-3 for liquid crystal are oriented films oriented by linear polarization of ultraviolet rays. By adjusting the direction of the linear polarization of radiated ultraviolet rays, the orientation direction of the filled polymeric liquid crystal 5-5 is controlled, and ultraviolet curing is performed.

Description

本発明は、光通信の分野の光導波路に関し、特に石英光導波路、ポリマー光導波路の偏波制御、位相制御、偏光分離機能など機能性を付与するための偏波制御機能を備えた波長板装填形の光導波路に関するものである。   TECHNICAL FIELD The present invention relates to an optical waveguide in the field of optical communication, and in particular, a wave plate loaded with a polarization control function for imparting functionality such as polarization control, phase control, and polarization separation function of a quartz optical waveguide and a polymer optical waveguide. It relates to a shaped optical waveguide.

光通信分野において、石英ガラス系光導波路、ポリマー系光導波路は、光の合分波、スイッチ、分岐などの機能を持つため、広く用いられている。特に石英ガラス系光導波路は信頼性が高い。しかしそれ単独では、光を導波させるのみで、能動的な機能が限られてくる。このため、ガラスと相性のよい樹脂を充填することによって機能性を出すことが多い。   In the optical communication field, quartz glass-based optical waveguides and polymer-based optical waveguides are widely used because they have functions such as optical multiplexing / demultiplexing, switching, and branching. In particular, silica glass optical waveguides have high reliability. However, by itself, only the light is guided and the active function is limited. For this reason, functionality is often obtained by filling a resin that is compatible with glass.

下記の光導波路に樹脂を充填することによって機能性を出した例を示し、その欠点を記す。   An example in which the functionality is given by filling a resin into the following optical waveguide will be described, and the disadvantages will be described.

(1)偏波制御のために、ポリイミド波長板を挿入する。
光学異方性を持ったフィルムは、波長板として下記のように光導波路で用いられる。
<1> 光導波路は、偏波依存性があるため、これを解消するために、図1に示すように、導波路1−1の中央部に溝1−2を作製し、ポリイミド延伸フィルムである1/2波長板1−3を挿入して偏波無依存化を図っている(特許文献1参照)。このポリイミド波長板の屈折率差Δnは約0.05であり、通信波長帯である1.5μmの光においては、厚さ約15μmとすることにより、1/2波長板としての役割を果たす。通常溝幅は20μm程度であり、上記の波長板より5μm広く、この間に接着剤で固定する必要がある。この接着剤は導波路と波長板を信頼性よく固定する必要があり、またロスを小さくする必要がある。挿入損失は約0.5dBと大きいことが問題である。さらに高Δ(Δは「差」を表す)の光導波路においては、コア径が小さくなるため、波長板の挿入損失は大きくなり、Δ=2.5%の石英導波路においては、挿入損失は2dBと大きくなる。
<2> 図3に示すように、導波路型Y分岐カプラとマルチモードカプラに0°方向と、90°方向の1/4波長板を挿入して、温度無依存で波長帯域の広い偏光ビームスプリッタを形成している(非特許文献1参照)。
(1) A polyimide wave plate is inserted for polarization control.
A film having optical anisotropy is used in an optical waveguide as a wave plate as described below.
<1> Since the optical waveguide has polarization dependence, in order to eliminate this, as shown in FIG. 1, a groove 1-2 is formed in the central portion of the waveguide 1-1, and a polyimide stretched film is used. A certain half-wave plate 1-3 is inserted to make the polarization independent (see Patent Document 1). The polyimide wavelength plate has a refractive index difference Δn of about 0.05, and in the case of 1.5 μm light, which is a communication wavelength band, has a thickness of about 15 μm, thereby serving as a half-wave plate. Usually, the groove width is about 20 μm, which is 5 μm wider than the above-mentioned wave plate, and needs to be fixed with an adhesive in the meantime. This adhesive is required to fix the waveguide and the wave plate with high reliability and to reduce the loss. The problem is that the insertion loss is as large as about 0.5 dB. Furthermore, in the optical waveguide of high Δ (Δ represents “difference”), since the core diameter is small, the insertion loss of the wave plate is large, and in the quartz waveguide of Δ = 2.5%, the insertion loss is Increased to 2 dB.
<2> As shown in FIG. 3, polarized wave beams with a wide wavelength band, independent of temperature, by inserting quarter-wave plates in the 0 ° and 90 ° directions into the waveguide-type Y-branch coupler and multimode coupler. A splitter is formed (see Non-Patent Document 1).

図3において、3−1は入力用光導波路であり、3−2は分岐カプラであり、3−3はダイシングによって掘った溝であり、3−4は1/4波長板(90度)であり、3−5は1/4波長板(0度)であり、3−6は2×2マルチモードカプラである。3−4の1/4波長板(90度)はTM波を90度進め、3−5の1/4波長板(0度)はTE波を90度進める。Y分岐によって分けられた2つの光の位相を+と−に90゜シフトさせて2×2MMIに入れることにより片方にはTE偏波のみ、もう片方にはTM偏波のみが出力される。この構成では、温度依存性と波長依存性が小さい。しかし溝をダイシングによって形成するため、最低でも20μmの幅があり、ロスが0.5dBと大きいという欠点がある。さらに高Δの光導波路においては、コア径が小さくなるため、波長板の挿入損失は大きくなり、Δ=2.5%の石英導波路においては、挿入損失は2dBと大きくなる。   In FIG. 3, 3-1 is an input optical waveguide, 3-2 is a branch coupler, 3-3 is a groove dug by dicing, and 3-4 is a quarter wavelength plate (90 degrees). 3-5 is a quarter wave plate (0 degree), and 3-6 is a 2 × 2 multimode coupler. The 3-4 quarter wave plate (90 degrees) advances the TM wave by 90 degrees, and the 3-5 quarter wave plate (0 degrees) advances the TE wave by 90 degrees. By shifting the phase of the two lights separated by the Y branch 90 ° to + and − and entering 2 × 2 MMI, only the TE polarized wave is output on one side and only the TM polarized wave is output on the other side. In this configuration, temperature dependency and wavelength dependency are small. However, since the grooves are formed by dicing, there is a disadvantage that the width is at least 20 μm and the loss is as large as 0.5 dB. Furthermore, since the core diameter is small in the high Δ optical waveguide, the insertion loss of the wave plate is large, and in the quartz waveguide of Δ = 2.5%, the insertion loss is as large as 2 dB.

(2)温度無依存化のために、導波路を横断するように掘った溝に樹脂を充填する
アサーマルAWGでは、AWGの導波路を横断するように複数の細い溝を設け、その中にシリコーン樹脂を充填することで温度無依存化を図っている。複数の細い溝にすることにより、トータルの溝幅は同じでも、ロスは大幅に低減できることが知られている。
(2) Filling the groove dug so as to cross the waveguide for temperature independence In the Athermal AWG, a plurality of thin grooves are provided so as to cross the waveguide of the AWG, and silicone is contained therein. By making the resin filled, temperature independence is achieved. It is known that by making a plurality of thin grooves, the loss can be greatly reduced even if the total groove width is the same.

波長板も複数の溝に挿入することが望まれているが、現状では薄い波長板フィルムを1本の溝に挿入して接着剤で固定する方法が取られている。   Although it is desired to insert the wave plate into a plurality of grooves, at present, a method of inserting a thin wave plate film into one groove and fixing it with an adhesive is used.

一方ディスプレイの分野では、近年、重合性液晶という配向可能硬化性樹脂が開発されて、液晶ディスプレイの視覚依存性や色補償を補償する位相差フィルムとして用いられている。また重合性液晶でパターン化した位相差フィルムを実現できるため、液晶メガネを必要としない3Dテレビも実現されている。   On the other hand, in the field of displays, in recent years, an alignable curable resin called a polymerizable liquid crystal has been developed and used as a retardation film that compensates for visual dependency and color compensation of a liquid crystal display. In addition, since a retardation film patterned with a polymerizable liquid crystal can be realized, a 3D television that does not require liquid crystal glasses is also realized.

重合性液晶は、通常の液晶のように電圧を印加してもその配向方向は変化しないが、配向膜上に塗布するとその配向方向に従って配向し、主に紫外線を照射するとその配向を保ったまま重合して高分子化するという特徴を持つ。従って配向後硬化させた重合性液晶は大きな屈折率異方性を持つ。   Polymeric liquid crystal does not change its orientation direction even when a voltage is applied like normal liquid crystal, but it is oriented according to the orientation direction when it is applied on the orientation film, and maintains its orientation when mainly irradiated with ultraviolet rays. It has the characteristic of polymerizing to polymerize. Therefore, the polymerizable liquid crystal cured after orientation has a large refractive index anisotropy.

従来の位相差フィルムはフィルムを延伸して異方性を持たせ、それを液晶ディスプレイに張り付けていたが、本重合性液晶を用いると基板に直接塗ることによって位相差膜を実現できるため、作業性が非常に上がるという利点がある。   Conventional retardation films were stretched to have anisotropy and were attached to a liquid crystal display. However, when this polymerizable liquid crystal is used, a retardation film can be realized by coating directly on the substrate. There is an advantage that the sex goes up very much.

以下に、重合性液晶を解説する。光重合性液晶は、モノマー状態で通常の液晶配向手段(ラビングした配向膜あるいはUV照射した光配向膜)の上に塗布することで容易に配向でき,配向状態のまま,その液晶骨格の分子配列をUV照射などして固定化してフィルム化することができる。重合性液晶は、「UVキュアラブル液晶」「photopolymerizable liquid crystal」「Reactive Mesogens」商品名キラコールPLC(アデカ社)、商品名Licrivue(メルク社)と呼ばれている。 (特許文献2、特許文献3、特許文献4参照)
その他「重合性液晶」は各種の構造があるが、本発明における「重合性液晶」は、上記の「重合性液晶」の定義の重合性液晶とする。
The polymerizable liquid crystal is described below. Photopolymerizable liquid crystal can be easily aligned by applying it on the normal liquid crystal alignment means (rubbed alignment film or UV-irradiated photoalignment film) in the monomer state, and the molecular arrangement of the liquid crystal skeleton in the aligned state. Can be fixed to a film by UV irradiation or the like. The polymerizable liquid crystal is called “UV curable liquid crystal”, “photopolymerizable liquid crystal”, “Reactive Mesogens”, trade name Kirakol PLC (Adeka), and trade name Liclive (Merck). (See Patent Document 2, Patent Document 3, and Patent Document 4)
The “polymerizable liquid crystal” has various structures, and the “polymerizable liquid crystal” in the present invention is a polymerizable liquid crystal as defined in the above “polymerizable liquid crystal”.

通常の側鎖型高分子液晶と違って重合したポリマーが液晶相を示さず,熱的に安定な硬化物となる。これらの光重合性液晶を用いて,液晶骨格がホモジニアス配向、スーパーツイストネマチック(STN)配向、あるいはパターン配向を形成している位相差フィルムや場所によりリターデーションが異なる位相差フィルムなどが実用化されている。特に液晶ディスプレイの位相差補償フィルムとしては、従来延伸フィルムが用いられてきたが、さらに薄く、簡易に塗布できる重合性液晶位相差フィルムが実用化されているし、3Dテレビ用に、パターン化した位相差フィルムも実用化されている。   Unlike ordinary side-chain polymer liquid crystals, polymerized polymer does not show a liquid crystal phase and becomes a thermally stable cured product. Using these photopolymerizable liquid crystals, a phase difference film having a liquid crystal skeleton forming a homogeneous orientation, a super twist nematic (STN) orientation, or a pattern orientation, or a retardation film having a different retardation depending on the place is put into practical use. ing. In particular, a stretched film has been conventionally used as a retardation compensation film for liquid crystal displays. However, a thinner, more easily polymerizable polymerizable liquid crystal retardation film has been put to practical use and patterned for 3D television. A retardation film has also been put into practical use.

特許第3501235号公報Japanese Patent No. 3501235 特許第3632220号公報Japanese Patent No. 3632220 特許第3677632号公報Japanese Patent No. 3767632 特許第3842102号公報Japanese Patent No. 3842102

Yusuke Nasu, Takayuki Mizuno, Ryoichi Kasahara, Takashi Saida, “Temperature Insensitive and Ultra Wideband Silica-based Dual Polarization Optical Hybrid for Coherent Receiver with Highly Symmetrical Interferometer Design,” Tu.3.LeSaleve.4, 37th European Conference and Exhibition on Optical communication 2011 (September 18-22, 2011, Geneva, Switzerland).Yusuke Nasu, Takayuki Mizuno, Ryoichi Kasahara, Takashi Saida, “Temperature Insensitive and Ultra Wideband Silica-based Dual Polarization Optical Hybrid for Coherent Receiver with Highly Symmetrical Interferometer Design,” Tu.3.LeSaleve.4, 37th European Conference and Exhibition on Optical communication 2011 (September 18-22, 2011, Geneva, Switzerland).

(1)従来は、波長板は無機結晶の波長板や延伸させたポリイミド波長板を用いてきた。これらの波長板は15μm程度の厚さであるが、挿入する溝は20μm程度必要であり、ロスは0.5dB程度と大きかった。さらに光導波路を小型化するために、導波路ガラスのΔを大きくするとコアの径が小さくなり、溝損失が数dBと大きくなるという欠点があった。(2)またポリイミド波長板を挿入するには、溝をダイシングで形成し、その中に挿入して透明接着剤で固定する必要があった。(3)アサーマルAWGの溝のように複数の細い溝に分轄することにより、溝でのロスを低減し、充填して波長板、位相差板、偏光子として使用できることが望まれていた。(4)ダイシングで溝を形成し、フィルムを装填するため、複数の導波路において、各導波路ごとにそれぞれ異なる波長板を挿入するのは、ダイシング溝はダイシングブレードの径の制約から、数mm以上の長さが必用であり、導波路間隔が狭いので、非常に難しかった。(5)従来の1/2波長版は、PLCの回路の対称となる場所にダイシングで5mmほどの長さの溝を掘って、数mm角のポリイミド波長板を挿入していた。複雑な集積回路を搭載したPLCでは、対称点は一箇所でないため、5mmの長さのダイシング溝を各所に掘ると、他の導波路も切断してしまうことになり、回路構成に制約があった。RIE(反応性イオンエッチング)で溝を波長板挿入用に溝を掘ってもよいが、挿入のためには数100μm掘る必要があり、時間と労力を要した。例えば、図2に示すような回路では、3ヶ所に波長板を挿入するが、隣接導波路があり、この導波路をダイシングで切断しないように、溝を掘らなくてはいけない。ダイシングブレードは5cmφの円形であり、隣接導波路を切断しないように溝を掘ることは困難であった。 (1) Conventionally, a wave plate of inorganic crystal or a stretched polyimide wave plate has been used as the wave plate. These wave plates have a thickness of about 15 μm, but a groove to be inserted needs about 20 μm, and the loss is as large as about 0.5 dB. Further, in order to reduce the size of the optical waveguide, if Δ of the waveguide glass is increased, the core diameter is decreased, and the groove loss is increased to several dB. (2) Moreover, in order to insert a polyimide wave plate, it was necessary to form a groove by dicing, insert it therein, and fix it with a transparent adhesive. (3) It has been desired that by dividing into a plurality of thin grooves such as the grooves of the athermal AWG, loss in the grooves can be reduced and filled so that it can be used as a wave plate, a phase difference plate, and a polarizer. (4) In order to form a groove by dicing and load a film, a different wave plate is inserted for each waveguide in a plurality of waveguides because the dicing groove is several mm due to the restriction of the diameter of the dicing blade. Since the above length is necessary and the waveguide interval is narrow, it is very difficult. (5) In the conventional half-wavelength version, a groove with a length of about 5 mm is dug in a place where the circuit of the PLC is symmetrical, and a polyimide wavelength plate of several mm square is inserted. In a PLC equipped with a complicated integrated circuit, there is no single point of symmetry, so if a dimming groove with a length of 5 mm is dug in each place, other waveguides will also be cut, limiting the circuit configuration. It was. Grooves may be dug by RIE (Reactive Ion Etching) for wave plate insertion, but for insertion, it is necessary to dug several hundred μm, which requires time and labor. For example, in the circuit as shown in FIG. 2, wave plates are inserted in three places, but there are adjacent waveguides, and a groove must be dug so as not to cut this waveguide by dicing. The dicing blade has a circular shape of 5 cmφ, and it is difficult to dig a groove so as not to cut the adjacent waveguide.

本発明では、重合性液晶をフィルム化して波長板とするのではなく、光導波路のコアを横断するように設けた1つあるいは複数の溝に、液晶用配向膜を塗り、直線偏波の紫外線照射による配向処理を行い、さらにその溝の中に紫外線硬化性の液晶を充填あるいは塗布して、紫外線を照射して硬化して、溝内に波長板、旋光子、フィルタを直接形成することを特徴とする。   In the present invention, instead of forming a polymerizable liquid crystal into a film and forming a wave plate, a liquid crystal alignment film is applied to one or a plurality of grooves provided so as to cross the core of the optical waveguide, and linearly polarized ultraviolet rays are applied. Applying alignment treatment by irradiation, filling or applying ultraviolet curable liquid crystal in the groove, curing by irradiating with ultraviolet light, and directly forming the wave plate, optical rotator and filter in the groove Features.

通常配向処理をするためには、ラビングを行う必要があるが、狭い溝壁面を均一にラビングする方法はない。そこで光配向膜を塗布して、直線偏光を照射することによって、溝壁面を配向処理できることを我々は見出した。(実施例1の写真、図4)
またRIE(反応性イオンエッチング)により任意の場所に溝を掘り、必要に応じて、水平配向膜、垂直配向膜をリフトオフによってパターンで形成したり、光配向膜を用い、光のマスクあるいは光を吸収する液体を用いて、所望の箇所に所望の配向方向を実現できた。硬化した重合性液晶は、フィルムのように屈折率異方性を持つため、波長板、結晶板と同じ効果を持ち、種々の光導波路の偏波制御、フィルタ、偏光子などの機能を持たせることができる。溝の幅は数μm〜数10μm、溝の深さはコアの下30μm〜100μm程度でよく、長さも100μm〜数100μmでよい。
Usually, in order to perform the alignment treatment, it is necessary to perform rubbing, but there is no method for uniformly rubbing a narrow groove wall surface. Therefore, we have found that the groove wall surface can be oriented by applying a photo-alignment film and irradiating linearly polarized light. (Photo of Example 1, FIG. 4)
Also, a trench is dug at an arbitrary position by RIE (reactive ion etching), and if necessary, a horizontal alignment film and a vertical alignment film are formed in a pattern by lift-off. Using the liquid to be absorbed, a desired orientation direction could be realized at a desired location. Since the cured polymerizable liquid crystal has a refractive index anisotropy like a film, it has the same effect as a wave plate and a crystal plate, and functions such as polarization control of various optical waveguides, filters, and polarizers. be able to. The width of the groove may be several μm to several tens of μm, the depth of the groove may be about 30 μm to 100 μm below the core, and the length may be 100 μm to several hundred μm.

また硬化した重合性液晶と導波路上面は段差が小さいため、ヒーター電極をその上に形成でき、重合性液晶の屈折率異方性Δnを温度で容易に制御できるようになり、偏波を制御することができる。   In addition, since there is a small step between the cured polymerizable liquid crystal and the top surface of the waveguide, a heater electrode can be formed thereon, and the refractive index anisotropy Δn of the polymerizable liquid crystal can be easily controlled by temperature, thereby controlling polarization. can do.

重合性液晶は、対向する壁面の配向膜の配向方向を直交させることにより、ツイストネマチック配向とすると、90゜の旋光子として用いることができる。   The polymerizable liquid crystal can be used as a 90 ° optical rotator when twisted nematic alignment is achieved by making the alignment directions of the alignment films on the opposing wall surfaces orthogonal.

さらに充填する液晶を、カイラル剤を添加したカイラルネマチック(コレステリック)液晶とし、カイラル剤の添加量を調整することにより、カイラルピッチを制御して、ある特定の波長のみを反射するフィルタとすることができ、導波路内に、ロスの少ない波長選択型のフィルタを作製することができる。   Furthermore, the liquid crystal to be filled may be a chiral nematic (cholesteric) liquid crystal to which a chiral agent is added, and a filter that reflects only a specific wavelength by controlling the chiral pitch by adjusting the addition amount of the chiral agent. In addition, a wavelength selective filter with little loss can be manufactured in the waveguide.

本発明は、光導波路のコアを切断するように設けた1個以上の微細な溝に配向処理して重合した液晶を充填した構造を持ち、これにより(1)溝幅を狭くしたり、分轄することができるためロスの小さな充填形の波長板を形成でき、(2)ダイシング以外にRIEなどのエッチング技術で任意の場所に形成できるため、光導波路の設計の自由度が上がり、
(3)Δnの大きな光導波路でも、ロスの小さな波長板を形成でき、
(4)液晶の配向を平行配向以外にツイストネマチックにすることにより、旋光子を実現でき、
(5)カイラル剤を添加することにより、波長フィルタを実現でき、
(6)さらにその上に微細なヒーター電極を形成することにより、光導波路型の偏波制御装置を実現できる
という利点がある。
The present invention has a structure in which one or more fine grooves provided so as to cut the core of the optical waveguide are filled with a liquid crystal polymerized by orientation treatment, thereby (1) narrowing the groove width or dividing it. Therefore, it is possible to form a filled wave plate with a small loss. (2) Since it can be formed at an arbitrary position by etching technology such as RIE in addition to dicing, the degree of freedom in designing the optical waveguide is increased.
(3) A wave plate with a small loss can be formed even with an optical waveguide having a large Δn.
(4) By making the alignment of the liquid crystal a twist nematic other than the parallel alignment, an optical rotator can be realized,
(5) By adding a chiral agent, a wavelength filter can be realized,
(6) Furthermore, there is an advantage that an optical waveguide type polarization control device can be realized by forming a fine heater electrode thereon.

従来の、石英系光導波路に波長板を挿入して偏波無依存化したことを示す図である。It is a figure which shows having made the polarization independent by inserting the wavelength plate into the conventional silica-type optical waveguide. 従来の、集積された導波路回路に波長板を3枚挿入した例である。This is an example in which three wave plates are inserted into a conventional integrated waveguide circuit. 導波路型偏光ビームスプリッタの構造を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the structure of a waveguide type polarization beam splitter. 光配向させた溝内重合性液晶の偏光顕微鏡写真である。It is a polarization micrograph of the photopolymerized in-groove polymerizable liquid crystal. 本発明に係る、重合性液晶を用いた1/2波長の作製工程を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the preparation process of 1/2 wavelength using the polymeric liquid crystal based on this invention. 本発明に係る、重合性液晶を用いた1/4波長板の作製工程および導波路型偏光ビームスプリッタを示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the manufacturing process of the quarter wavelength plate using the polymeric liquid crystal based on this invention, and a waveguide type | mold polarization beam splitter. 本発明に係る、ツイストネマチック液晶を充填した光導波路を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the optical waveguide filled with the twist nematic liquid crystal based on this invention. 本発明に係る、カイラルネマチック液晶充填光導波路を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the chiral nematic liquid crystal filling optical waveguide based on this invention. 図8の光導波路における、カイラル剤添加の重合性液晶量の反射の波長依存性を示すグラフである。FIG. 9 is a graph showing the wavelength dependence of reflection of the amount of polymerizable liquid crystal added with a chiral agent in the optical waveguide of FIG. 8. 重合性液晶のΔnの温度依存性を示すグラフである。It is a graph which shows the temperature dependence of (DELTA) n of a polymeric liquid crystal. 重合性液晶を用いた導波路型偏波コントローラの作製工程および構造を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the preparation process and structure of a waveguide type polarization | polarized-light controller using polymeric liquid crystal.

[実施例1:微細1/2波長板充填、光導波路の偏波無依存化]
石英系光導波路は、TE,TM偏波で位相差が生じるため、偏波依存性がある。これを解消するために、光導波路の対称中心部に20μm程度の溝を掘り、Δnが約0.05の光学異方性を持つ15μm厚のポリイミドフィルムを挿入して、偏波無依存化を図っている。トータルのロスは0.5dBと大きい。さらに屈折率差が大きな高Δ(例えばΔ=2.5%)の石英系導波路は、コアの大きさが3μm程度しかなく、溝に放射した光の放射角が大きくなるため、波長板を挿入した際のロスは2dB程度と非常に大きくなる。
[Example 1: Filling with fine half-wave plate, polarization independent of optical waveguide]
A quartz optical waveguide has a polarization dependency because a phase difference occurs between TE and TM polarization. In order to solve this problem, a groove of about 20 μm is dug in the center of symmetry of the optical waveguide, and a 15 μm-thick polyimide film having an optical anisotropy of Δn of about 0.05 is inserted to make polarization independent. I am trying. The total loss is as large as 0.5 dB. Furthermore, a high Δ (for example, Δ = 2.5%) quartz-based waveguide with a large refractive index difference has a core size of only about 3 μm, and the radiation angle of the light radiated into the groove increases. The loss at the time of insertion becomes very large as about 2 dB.

重合性液晶は溝に直接充填して紫外線や熱により硬化することができ、Δnは0.15〜0.25と大きく、溝幅を数μmまで細くでき、ロスを大幅に小さくすることができる。さらに溝を1本でなく、複数の溝に分轄して1本の溝幅を狭くすることにより、さらにロスを小さくできる。RIEによって溝を細く形成できるし、任意の場所に複数の溝を形成できる。   The polymerizable liquid crystal can be directly filled into the groove and cured by ultraviolet rays or heat, Δn is as large as 0.15 to 0.25, the groove width can be reduced to several μm, and the loss can be greatly reduced. . Further, the loss can be further reduced by narrowing the width of one groove by dividing the groove into a plurality of grooves instead of one. The grooves can be formed narrowly by RIE, and a plurality of grooves can be formed at arbitrary positions.

先ず溝に充填した重合性液晶が配向することを確認するため、予備実験を行った。石英ガラス上あるいはSi基板上の石英導波路を横断するように幅20μmの溝をダイシングによって形成し、光配向膜をスピナーによって溝壁面へ塗布し、deepUVを照射して、光配向膜を溝に対して0度、20度に配向させた。光配向膜を溝に対して0度に配向させた基板を基板1、20度に配向させた基板を基板5とする。この溝に重合性液晶を充填して紫外線を照射して重合性液晶の配向を固定した。光配向膜および重合性液晶の配向を固定したUV光はレンズで絞らず全体に照射した。偏光顕微鏡写真を図4に示す。このとき、重合性液晶を充填した基板の光路上に、基板を挟むように2つの偏光子を配置して2つの偏光子を90度直行させクロスニコルとし、溝を導波路の光の進行方向から見ている。クロスニコルにしたとき、2つの偏光子で挟んだ基板によって偏光状態が変化するときにのみ、光が通過して視野が明るくなる。2つの偏光子の、光の進行方向に対して基板より手前にある偏光子の偏光方向はy軸と平行とし後ろにある偏光子の偏光方向はx軸と平行とした。図4(a)は基板1をクロスニコル軸に対して傾けた場合、(b)は基板1をクロスニコル軸と一致させた場合、(c)は基板5をクロスニコル軸に対して、20度よりも大きく傾けた場合、(d)は基板5をクロスニコル軸に対して20度傾け、クロスニコル軸と重合性液晶の配向方向を一致させた場合である。重合性液晶の配向方向がクロスニコルの軸と一致すると暗くなり、45゜になると明るくなるため、クロスニコルとしたときの基板を通過する光の明るさによって、重合性液晶がクロスニコル軸と一致する方向に配向しているかどうかが分かる。図4より、重合性液晶が光配向膜によって良好に配向していることがわかる。   First, a preliminary experiment was performed to confirm that the polymerizable liquid crystal filled in the groove was aligned. A groove having a width of 20 μm is formed by dicing so as to cross the quartz waveguide on the quartz glass or the Si substrate, the photo-alignment film is applied to the groove wall surface by a spinner, and deep UV is irradiated to form the photo-alignment film in the groove. The orientation was 0 ° and 20 °. A substrate in which the photo-alignment film is aligned at 0 degrees with respect to the groove is referred to as a substrate 1, and a substrate in which the optical alignment film is aligned at 20 degrees is referred to as a substrate 5. This groove was filled with a polymerizable liquid crystal and irradiated with ultraviolet rays to fix the alignment of the polymerizable liquid crystal. UV light with fixed orientation of the photo-alignment film and polymerizable liquid crystal was irradiated to the whole without being squeezed by the lens. A polarizing microscope photograph is shown in FIG. At this time, on the optical path of the substrate filled with polymerizable liquid crystal, two polarizers are arranged so as to sandwich the substrate, the two polarizers are orthogonally crossed by 90 degrees to form crossed Nicols, and the groove is the light traveling direction of the waveguide Seen from. When crossed Nicol is used, only when the polarization state is changed by the substrate sandwiched between two polarizers, the light passes and the field of view becomes brighter. The polarization direction of the polarizer in front of the substrate with respect to the light traveling direction of the two polarizers was parallel to the y-axis, and the polarization direction of the polarizer behind it was parallel to the x-axis. 4A shows a case where the substrate 1 is tilted with respect to the crossed Nicols axis, FIG. 4B shows a case where the substrate 1 is made coincident with the crossed Nicols axis, and FIG. When tilted to a greater degree, (d) shows the case where the substrate 5 is tilted by 20 degrees with respect to the crossed Nicol axis and the crossed Nicol axis and the alignment direction of the polymerizable liquid crystal are matched. When the orientation direction of the polymerizable liquid crystal coincides with the crossed Nicol axis, it becomes dark and when it reaches 45 °, it becomes brighter. Therefore, the polymerizable liquid crystal coincides with the crossed Nicol axis depending on the brightness of the light passing through the substrate. It can be seen whether or not it is oriented in the direction. FIG. 4 shows that the polymerizable liquid crystal is well aligned by the photo-alignment film.

図5に重合性液晶を充填した1/2波長板の作製工程を示す。図5(a)は5.4μmの溝をRIEによって形成したことを示す図、(c)は光配向膜を塗布したことを示す図、(e)は光配向膜へ45度方向の直線偏波UV光を照射し、その後キュアしたことを示す図、(g)は重合性液晶を充填し、乾燥させ、UV光を照射し、その後キュアしたことを示す図であり、図5(b)(d)(f)(h)は図5(a)(c)(e)(g)それぞれの溝部分の断面を拡大した模式図である。図5(i)は、ロスを少なくするために、溝幅を狭くして複数本にした例である。反応性イオンエッチング(RIE)により導波路のコア5−1を切断するように、幅5.4μmの溝5−2を形成する(図5(a)、(b))。RIEによってエッチングした溝壁面はダイシングによって形成した壁面よりも平坦であり、配向処理が非常にやりやすい。5.4μm×Δn=0.74μm(Δn=0.137)であり、ほぼ1/2波長となり、1/2波長板として動作する。但しアニール温度、UVキュアを強くすることにより、Δnは小さくなる傾向にあり、1/2波長になる条件を最適化する必要がある。   FIG. 5 shows a manufacturing process of a half-wave plate filled with polymerizable liquid crystal. 5A is a diagram showing that a 5.4 μm groove has been formed by RIE, FIG. 5C is a diagram showing that a photo-alignment film has been applied, and FIG. 5E is a diagram showing a 45 ° direction linear deviation on the photo-alignment film. FIG. 5 (b) is a diagram showing that the UV light is irradiated and then cured, and (g) is a diagram showing that the polymerizable liquid crystal is filled, dried, irradiated with UV light, and then cured. (D) (f) (h) is the schematic diagram which expanded the cross section of each groove part of Fig.5 (a) (c) (e) (g). FIG. 5 (i) shows an example in which the groove width is narrowed to reduce the loss. A groove 5-2 having a width of 5.4 μm is formed so as to cut the core 5-1 of the waveguide by reactive ion etching (RIE) (FIGS. 5A and 5B). The groove wall surface etched by RIE is flatter than the wall surface formed by dicing, and the alignment treatment is very easy. 5.4 μm × Δn = 0.74 μm (Δn = 0.137), which is almost ½ wavelength, and operates as a ½ wavelength plate. However, by increasing the annealing temperature and UV curing, Δn tends to decrease, and it is necessary to optimize the conditions for ½ wavelength.

該重合性液晶は、壁面に対して平行配向したホモジニアス液晶であり、重合性液晶の屈折率異方性をΔn、溝幅をL、導波路を通過する光の波長をλ、紫外線照射エネルギーをEとした時、ΔnはEと共に減少するため(Δn(E)と書ける)、Δn(E)×L=λ/2あるいはλ/4となるように、該紫外線エネルギーEを最適化する必要がある。   The polymerizable liquid crystal is a homogeneous liquid crystal aligned in parallel with the wall surface. The refractive index anisotropy of the polymerizable liquid crystal is Δn, the groove width is L, the wavelength of light passing through the waveguide is λ, and the ultraviolet irradiation energy is Since Δn decreases with E (denoted as Δn (E)), it is necessary to optimize the ultraviolet energy E so that Δn (E) × L = λ / 2 or λ / 4. is there.

溝の形成方法は、RIEに限らず、ダイシングソーを用いても良い。次に液晶用光配向膜5−3を塗布する(図5(c)、(d))。日産化学光配向膜RN−2413(0421)を回転数3000rpm×20secの条件でスピナー塗布する。配向膜は薄く導波路面上および溝壁面に形成される。その後230℃、30分アニールする。 壁面に形成される配向膜の膜厚は数10nmであった。その後超高圧水銀灯の波長250〜300nmの光5−4をグランテーラプリズムにより直線偏光として照射する(図5(e)、(f))。配向方向は直線偏波の方向に対して垂直になる。ここでは1/2波長板を45°の方向に形成するため、基板に対して直線偏波が45°配向が傾くように、紫外線を照射した。照射エネルギーは1.0〜1.8J/cm2である。その後純水超音波洗浄1分行い、250℃、30分配向を固定化するために、ポストベークを行った。この場合、UV光は全体に照射してもよいし、1mmφ程度のバンドルファイバを用いて局所的に照射してもよい。 The method for forming the groove is not limited to RIE, and a dicing saw may be used. Next, the liquid crystal photo-alignment film 5-3 is applied (FIGS. 5C and 5D). Nissan chemical photo-alignment film RN-2413 (0421) is applied with a spinner under the condition of 3000 rpm × 20 sec. The alignment film is thinly formed on the waveguide surface and the groove wall surface. Thereafter, annealing is performed at 230 ° C. for 30 minutes. The thickness of the alignment film formed on the wall surface was several tens of nm. Thereafter, light 5-4 having a wavelength of 250 to 300 nm from the ultrahigh pressure mercury lamp is irradiated as linearly polarized light by the Grande Taylor prism (FIGS. 5E and 5F). The orientation direction is perpendicular to the direction of linear polarization. Here, in order to form the half-wave plate in a 45 ° direction, ultraviolet rays were irradiated so that the linearly polarized wave was inclined at 45 ° with respect to the substrate. The irradiation energy is 1.0 to 1.8 J / cm 2 . Thereafter, pure water ultrasonic cleaning was performed for 1 minute, and post-baking was performed in order to fix the alignment at 250 ° C. for 30 minutes. In this case, the UV light may be irradiated to the whole or locally using a bundle fiber of about 1 mmφ.

メルクの光重合性液晶Licrivue RMS03−013C(Δn=0.137)5−5を溝に充填する(図5(g)、(h))。液晶は溝端面に付けることにより、毛細管現象により、溝に入っていく。この液晶は溶媒を含んでいるため、溶媒が揮発しても溝に液晶が残るように、溝の上に盛り上がるように液晶を充填する。55±5℃、1分乾燥して溶媒を飛ばす。残った液晶は光配向膜により、配向する。UV照射5−6で波長365nmの光を, 20±5nW/cm2、60秒照射する。この時重合性液晶が加熱しないように、IRフィルタを付けることが望ましい。この照射により液晶は重合して高分子となる。 Merck's photopolymerizable liquid crystal Liclivee RMS03-013C (Δn = 0.137) 5-5 is filled into the groove (FIGS. 5G and 5H). The liquid crystal enters the groove by capillary action when attached to the groove end face. Since this liquid crystal contains a solvent, the liquid crystal is filled so as to rise above the groove so that the liquid crystal remains in the groove even if the solvent evaporates. Dry at 55 ± 5 ° C. for 1 minute to drive off the solvent. The remaining liquid crystal is aligned by the photo-alignment film. The light of wavelength 365nm is irradiated with UV irradiation 5-6 at 20 ± 5 nW / cm 2 for 60 seconds. At this time, it is desirable to attach an IR filter so that the polymerizable liquid crystal is not heated. By this irradiation, the liquid crystal is polymerized into a polymer.

微小部分にUVの直線偏波を照射するには、バンドルファイバガイドが有効である。1mmφ〜10mmφの直径で紫外線をガイドできるバンドルファイバが市販されている。導波路に適用するには1mmφ程度の物でよく、紫外線ランプの光を偏光子を通して直線偏波として、レンズで集光してバンドルファイバの端面から入れて出射端から直接導波路溝に照射する。この際バンドルファイバの先に集光レンズを付けて、さらにUV光を絞って照射することも有効である。通常のバンドルファイバでも1m程度の短い距離であれば、偏波は保存される。バンドルファイバを捻ることなく、入力端から偏波を入射すれば、出力は偏波を保持したままで出射される。偏波を完全に保持したいのであれば、偏波保持ファイバをバンドルファイバ化した物を用いることが望ましい。   A bundle fiber guide is effective for irradiating a minute portion with linearly polarized UV light. A bundle fiber capable of guiding ultraviolet rays with a diameter of 1 mmφ to 10 mmφ is commercially available. In order to apply to a waveguide, a thing of about 1 mmφ may be used. Light from an ultraviolet lamp is converted into a linearly polarized light through a polarizer, collected by a lens, introduced from the end face of a bundle fiber, and directly irradiated to the waveguide groove from the exit end. . At this time, it is also effective to attach a condensing lens at the end of the bundle fiber and further irradiate the UV light. Even with a normal bundle fiber, if the distance is as short as about 1 m, the polarization is preserved. If polarized light is incident from the input end without twisting the bundle fiber, the output is emitted while maintaining the polarized light. If it is desired to maintain the polarization completely, it is desirable to use a polarization maintaining fiber that is a bundle fiber.

液晶は(1)溝幅が狭くなるほど配向がし易くなり、(2)溝の端面20μm程度は境界領域となり、配向が乱れる。従って溝幅Lを20μm以下にすれば均一に配向し、溝の長さは(コアの幅+2×20μm)、深さはコアの下面より20μm以上とすれば、光が通過する部分の液晶の配向は均一になる。例えばコアが10μm角、クラッド厚さ20μmの導波路の場合、溝幅20μm以下、溝長さ50μm、深さ50μm以上とすればよい。   The liquid crystal becomes (1) easier to align as the groove width becomes narrower, and (2) about 20 μm of the end face of the groove becomes a boundary region, and the alignment is disturbed. Therefore, if the groove width L is 20 μm or less, the grooves are uniformly oriented, the groove length is (core width + 2 × 20 μm), and the depth is 20 μm or more from the lower surface of the core. The orientation becomes uniform. For example, when the core is a waveguide having a 10 μm square and a cladding thickness of 20 μm, the groove width may be 20 μm or less, the groove length is 50 μm, and the depth is 50 μm or more.

この導波路にPandaファイバを用いて、TE偏波を入射したところ、出射はTM偏波であった。溝でのロスは0.1dBであった。   When TE polarized light was incident on this waveguide using Panda fiber, the emission was TM polarized. The loss at the groove was 0.1 dB.

通常15μm厚のポリイミド波長板、20μmの溝に挿入すると、Δ=0.7%程度の導波路では、挿入損失は0.5dB程度である。しかし導波路の小型化のために、Δは大きくなる傾向にあり、Δ=2.5%ではその挿入損失は2〜3dBとなる。挿入損失を下げるために、コア幅を広げたり、逆に狭くしたりしてロスの低減を図って1.5dB程度まで低減している。ロスを少なくするために、溝幅を狭くして複数本にした例を図5(i)に示す。   Usually, when inserted into a 15 μm-thick polyimide wave plate and a 20 μm groove, the insertion loss is about 0.5 dB in a waveguide of Δ = 0.7%. However, due to the miniaturization of the waveguide, Δ tends to increase, and when Δ = 2.5%, the insertion loss is 2 to 3 dB. In order to reduce the insertion loss, the core width is widened or conversely narrowed to reduce the loss to about 1.5 dB. FIG. 5 (i) shows an example in which the groove width is narrowed to reduce the loss so that a plurality of grooves are formed.

図3に示す従来の導波路型偏光ビームスプリッタも同様に作製することができる。その製作工程を図6に示す。図6(a)は図3であり、(b)は2.7μm幅の溝をRIEによって形成したことを示し、(d)は光配向膜を塗布したことを示し、(f)は光配向膜へ90度偏波UV光をマスクを用いて片方のみ照射しキュアしたことを示し、(h)は光配向膜へ0度偏波UV光をマスクを用いて残りの片方のみ照射しキュアしたことを示し、(j)は重合性液晶を充填し、乾燥させ、UV照射しキュアしたことを示し、(l)は光配向膜へ90度偏波UV光を光ファイバを用いて照射したことを示し、(m)は光配向膜へ0度偏波UV光を光ファイバを用いて照射したことを示し、(n)は重合性液晶を充填し、乾燥させ、UV照射しキュアしたことを示し、(p)はバンドルファイバで局所的にUV直線偏波を照射したことを示している。図6(c)(e)(g)(i)(k)(o)は、図6(b)(d)(f)(h)(j)(n)それぞれの溝部分の断面を拡大した模式図である。図6に示すように、溝幅を2.7μmにし、2つの導波路の光配向膜に照射するUV光の偏波を0°、90°とする。ここで6−1は図3の偏光ビームスプリッタの導波路部分を抜き出したものであり、6−2はRIEによって形成した溝であり、6−3、6−4は偏光ビームスプリッタを形成するカプラの2本の導波路であり、6−5は液晶用光配向膜であり、6−6は250〜300nmの直線偏光したDeepUV光であり、6−7は片方の導波路に光を当てないための光遮断用マスクであり、6−8は重合性液晶であり、6−9は重合性液晶を硬化するための360nmを中心とするUV光であり、6−10は直線偏波のUV光を導波路に入力するためのファイバである。溝幅が2.7μmと狭いために、ロスが小さくなるというメリットがある。さらに溝を分轄してロスを小さくできる。ダイシングでなく、RIEによってアサーマル溝と同様に細く形成できる。   The conventional waveguide-type polarizing beam splitter shown in FIG. 3 can be similarly manufactured. The manufacturing process is shown in FIG. FIG. 6A is FIG. 3, FIG. 6B shows that a groove having a width of 2.7 μm is formed by RIE, FIG. 6D shows that a photo-alignment film is applied, and FIG. 6F shows photo-alignment. It shows that the film was cured by irradiating only 90% polarized UV light using a mask and (h) was cured by irradiating the remaining one side of the photo-alignment film with 0 degree polarized UV light using a mask. (J) indicates that the polymerizable liquid crystal is filled, dried, UV-irradiated, and cured, and (l) indicates that the optical alignment film is irradiated with 90-degree polarized UV light using an optical fiber. (M) indicates that the photo-alignment film was irradiated with 0-degree polarized UV light using an optical fiber, and (n) indicates that the polymerizable liquid crystal was filled, dried, and UV-irradiated and cured. (P) shows that UV linearly polarized light was irradiated locally with a bundle fiber. 6 (c) (e) (g) (i) (k) (o) is an enlarged view of the cross section of each groove portion in FIGS. 6 (b) (d) (f) (h) (j) (n). FIG. As shown in FIG. 6, the groove width is set to 2.7 μm, and the polarization of the UV light applied to the optical alignment films of the two waveguides is set to 0 ° and 90 °. Here, 6-1 is an extracted waveguide portion of the polarizing beam splitter of FIG. 3, 6-2 is a groove formed by RIE, and 6-3 and 6-4 are couplers forming the polarizing beam splitter. 6-5 is a photo-alignment film for liquid crystal, 6-6 is 250-300 nm linearly polarized deep UV light, and 6-7 does not apply light to one of the waveguides. 6-8 is a polymerizable liquid crystal, 6-9 is a UV light centering on 360 nm for curing the polymerizable liquid crystal, and 6-10 is a linearly polarized UV light. A fiber for inputting light into a waveguide. Since the groove width is as narrow as 2.7 μm, there is an advantage that loss is reduced. Furthermore, the groove can be divided to reduce the loss. It can be formed as thin as an athermal groove by RIE instead of dicing.

ここでは2箇所の溝の配向方向を変えるため、マスクを用いてUV光をカットしたが、2本の導波路にそれぞれ異なった直線偏波のUV光を入射させてもよい。6−10の光ファイバを導波路にバッドジョイントして直線偏波のUV光を照射すると溝の壁面の配向膜はこの方向に配向する。この場合配向する箇所は導波路光が通過する部分のみとなるが、波長板としての機能は十分果たすことができる。   Here, in order to change the orientation direction of the two grooves, the UV light is cut using a mask. However, differently polarized UV light may be incident on the two waveguides. When a 6-10 optical fiber is bad-joined to a waveguide and irradiated with UV light of linear polarization, the alignment film on the wall surface of the groove is oriented in this direction. In this case, only the portion through which the waveguide light passes is oriented, but the function as a wave plate can be sufficiently achieved.

あるいは微小部分にUVの直線偏波を照射するには、バンドルファイバガイドが有効である(図6(p))。1mmφ〜10mmφの直径で紫外線をガイドできるバンドルファイバが市販されている。導波路に適用するには1mmφ程度の物で良く、紫外線ランプの光を偏光子を通して直線偏 波として、レンズで集光してバンドルファイバ6−11の端面から入れて出射端から直接導波路溝に照射する。この際バンドルファイバの先に集光レンズを付けてさらにUV光を絞って照射することも有効である。   Alternatively, a bundle fiber guide is effective for irradiating a linear portion with UV linearly polarized light (FIG. 6 (p)). A bundle fiber capable of guiding ultraviolet rays with a diameter of 1 mmφ to 10 mmφ is commercially available. For application to a waveguide, an object having a diameter of about 1 mmφ may be used. The light from the ultraviolet lamp is converted into a linearly polarized light through a polarizer, collected by a lens, and introduced from the end face of the bundle fiber 6-11, and directly from the exit end to the waveguide groove. Irradiate. At this time, it is also effective to attach a condensing lens at the end of the bundle fiber and further irradiate the UV light.

通常のバンドルファイバでも1m程度の短い距離であれば、偏波は保存される。バンドルファイバを捻ることなく、入力端から偏波を入射すれば、出力は偏波を保持したままで出射される。偏波を完全に保持したいのであれば、偏波保持ファイバをバンドルファイバ化した物を用いることが望ましい。   Even with a normal bundle fiber, if the distance is as short as about 1 m, the polarization is preserved. If polarized light is incident from the input end without twisting the bundle fiber, the output is emitted while maintaining the polarized light. If it is desired to maintain the polarization completely, it is desirable to use a polarization maintaining fiber that is a bundle fiber.

[実施例2:ツイストネマチック液晶、スーパーツイストネマチック液晶]
図7に波長板でなく、旋光子(90゜偏波を回転する素子)を挿入する例を示す。図7(a)は紫外線吸収液体を溝に充填して、光配向膜へ90度方向の直線偏波UV光を照射後、キュアしたことを示す図であり、壁面の片方のみ光配向をさせており、(c)は光配向膜へ0度方向の直線偏波UV光を照射後、キュアしたことを示す図であり、図7(a)同様、壁面の片方のみ光配向をさせており、(e)は重合性液晶を充填し、乾燥させ、UV照射後キュアしたことを示す図ならびに液晶分子の配向の様子を示す図である。図7(b)(d)(f)は、図7(a)(c)(e)それぞれの溝部分の断面を拡大した模式図である。 溝7−1を形成し、光配向膜7−2を塗布するまでの工程は、図5と同じであるが、溝の対向する面の配向方向を直交するようにする。このため、紫外線7−3を照射する際、溝に紫外線を吸収する液体7−4を充填する。これには黒い色素を混入した水溶性インク、油性インク、ペンキなど、その他薄くても紫外線をカットするものであればよい。あるいは光を完全に散乱する白い溶液(例えば修正液など)を用いてもよい。7−3は90度方向の直線偏波UV光であり、7−5は0度方向の直線偏波UV光である。UV照射した後、溶液に浸けてこの液体を洗い流す。この後、平行配向用の重合性液晶7−6を充填する。これにはメルクの光重合性液晶Licrivue RMS03−013C(Δn=0.137)がよい。UV硬化させると、図7(e)の液晶分子の配向の様子を示す図のように、液晶分子7−7はツイストネマチック配向し、TE→TM偏波、TM→TE偏波へ変換できる。導波路上の任意の箇所にRIEにより幅数μm、深さ数10μm、横手方向長さ数100μm溝を形成できるため、任意の箇所に旋光子を設置できるという利点がある。
[Example 2: twisted nematic liquid crystal, super twisted nematic liquid crystal]
FIG. 7 shows an example in which an optical rotator (an element that rotates 90 ° polarization) is inserted instead of a wave plate. FIG. 7 (a) is a diagram showing that a UV-absorbing liquid is filled in the groove, and the photo-alignment film is cured after being irradiated with linearly polarized UV light in the 90-degree direction. Only one of the wall surfaces is photo-aligned. (C) is a diagram showing that the photo-alignment film is cured after being irradiated with linearly polarized UV light in the 0 degree direction. Like FIG. 7 (a), only one of the wall surfaces is photo-aligned. (E) is a diagram showing that the polymerizable liquid crystal is filled, dried, cured after UV irradiation, and a state of alignment of liquid crystal molecules. 7B, 7D, and 7F are schematic views in which the cross sections of the respective groove portions in FIGS. 7A, 7C, and 7E are enlarged. The steps from forming the groove 7-1 to applying the photo-alignment film 7-2 are the same as in FIG. 5, but the alignment directions of the opposing surfaces of the groove are orthogonal. For this reason, when irradiating the ultraviolet ray 7-3, the groove is filled with a liquid 7-4 that absorbs the ultraviolet ray. This may be water-soluble ink mixed with black pigment, oil-based ink, paint, etc., as long as it can cut ultraviolet rays even if it is thin. Alternatively, a white solution (for example, a correction solution) that completely scatters light may be used. 7-3 is 90 degree direction linearly polarized UV light, and 7-5 is 0 degree direction linearly polarized UV light. After UV irradiation, the liquid is washed away by immersing it in a solution. Thereafter, the polymerizable liquid crystal 7-6 for parallel alignment is filled. For this, Merck's photopolymerizable liquid crystal Licrive RMS03-013C (Δn = 0.137) is preferable. When UV curing is performed, the liquid crystal molecules 7-7 are twisted nematically aligned and can be converted from TE to TM polarization and from TM to TE polarization, as shown in FIG. Since a groove having a width of several μm, a depth of several 10 μm, and a transverse length of several hundred μm can be formed by RIE at an arbitrary position on the waveguide, there is an advantage that an optical rotator can be installed at an arbitrary position.

本実施例は、ツイストネマチック液晶、スーパーツイストネマチック液晶のいずれの場合にも適用できる。   This embodiment can be applied to any of twisted nematic liquid crystal and super twisted nematic liquid crystal.

[実施例3:カイラルネマチック液晶形フィルタ]
図8に波長板でなく、カイラルネマチック形のフィルタを挿入する例を示す。図8(a)は溝9−1形成後、光配向膜9−2を塗布したことを示す図、(c)は光配向膜へ90度方向の直線偏波UV光9−3を照射後、キュアしたことを示す図、(e)はカイラル剤を添加した重合性液晶9−4を重点後、乾燥させ、UV照射9−5した後、キュアしたことを示す図、図8(b)(d)(f)は図8(a)(c)(e)それぞれの溝部分の断面を拡大した模式図である。図8(g)は入射スペクトルであり、(h)はカイラルネマチック液晶のピッチPを示し、(i)は出射スペクトルである。カイラルネマチック液晶はネマチック液晶にカイラル剤を添加することによって、液晶が周期を持った螺旋状に配向し、グレーティングを形成する。そのピッチPは、カイラル剤の濃度DとP∝1/Dの関係にあり、カイラル剤の添加とともに、ピッチが短くなる。フィルタとしての透過スペクトルのピーク波長λはP=m×λ(mは整数)という関係にある。そこで透過波長が1.55μmになるように、Pを調整した。メルクのLicrivue RMS03−013C(Δn=0.137)にメルクのカイラル剤を1〜5wt%程度添加して、ピッチPを測定した。カイラル剤の添加量を振って反射スペクトルを測定した。カイラル剤の添加量と反射−波長依存性を図9に示す。カイラル剤を3wt%程度添加すると、反射の中心波長が1.55μmになる。
[Example 3: Chiral nematic liquid crystal filter]
FIG. 8 shows an example in which a chiral nematic filter is inserted instead of a wave plate. FIG. 8A shows that the photo-alignment film 9-2 is applied after the groove 9-1 is formed, and FIG. 8C shows that the photo-alignment film is irradiated with 90-degree linearly polarized UV light 9-3. FIG. 8E is a diagram showing curing, FIG. 8B is a diagram showing that the polymerizable liquid crystal 9-4 to which a chiral agent is added is emphasized, dried, UV-irradiated 9-5, and cured. FIG. (D) (f) is the schematic diagram which expanded the cross section of each groove part of Fig.8 (a) (c) (e). FIG. 8G shows the incident spectrum, FIG. 8H shows the pitch P of the chiral nematic liquid crystal, and FIG. 8I shows the output spectrum. In the chiral nematic liquid crystal, by adding a chiral agent to the nematic liquid crystal, the liquid crystal is aligned in a spiral shape with a period to form a grating. The pitch P has a relationship between the concentration D of the chiral agent and PD1 / D, and the pitch becomes shorter as the chiral agent is added. The peak wavelength λ of the transmission spectrum as a filter has a relationship of P = m × λ (m is an integer). Therefore, P was adjusted so that the transmission wavelength was 1.55 μm. About 1 to 5 wt% of Merck's chiral agent was added to Merck's Liquive RMS03-013C (Δn = 0.137), and the pitch P was measured. The reflection spectrum was measured by varying the amount of chiral agent added. The amount of chiral agent added and the reflection-wavelength dependence are shown in FIG. When about 3 wt% of a chiral agent is added, the central wavelength of reflection becomes 1.55 μm.

図8に示すように、波長板形成と同様の工程で、溝形成→配向膜形成→カイラル添加剤含有重合性液晶充填→UV硬化により、導波路上に波長選択形のフィルタを実現できた。   As shown in FIG. 8, a wavelength selective filter can be realized on the waveguide by groove formation → alignment film formation → chiral additive-containing polymerizable liquid crystal filling → UV curing in the same process as the wave plate formation.

導波路上の任意の箇所にRIEにより幅数μm×深さ数10μm×横手方向長さ数100μm溝を形成できるため、任意の箇所にフィルタを設置できるという利点がある。   Since a groove of several μm in width × several 10 μm in depth × 100 μm in length in the lateral direction can be formed by RIE at an arbitrary location on the waveguide, there is an advantage that a filter can be installed at an arbitrary location.

[実施例4:導波路型偏波コントローラ]
溝の中に局所的に重合性液晶を充填して配向・重合させて、その上に局所的なヒーターを付けることにより、重合性液晶部のΔnを可変して、偏波コントローラを作ることが可能である。ポリイミド波長板でも同様に導波路型偏波コントローラを実現できるが、ポリイミドフィルム自体が大きく、局所的に加熱できない。溝に充填してその上に局所電極を形成することにより、局所加熱ができ、低消費電力の偏波コントローラが実現できる。
[Example 4: Waveguide type polarization controller]
It is possible to make a polarization controller by changing the Δn of the polymerizable liquid crystal part by locally filling the groove with a polymerizable liquid crystal, aligning and polymerizing it, and attaching a local heater on it. Is possible. Similarly, a waveguide type polarization controller can be realized with a polyimide wavelength plate, but the polyimide film itself is large and cannot be heated locally. By filling the grooves and forming local electrodes thereon, local heating can be performed, and a polarization controller with low power consumption can be realized.

通常の重合性液晶の複屈折率ne,no(ne:extraordinary(異常光)、no:ordinary(常光))は温度と共に減少し、さらにΔn=ne−noもまた温度と共に減少する。図10にDICの重合性液晶のΔnの温度依存性を示す。室温から80℃〜100℃まで上げるとΔnは約10%減少する。全溝幅Lを広くして、Δn×Lの量がλ/2以上可変できるようにすると、0゜、45゜、0゜の方向に配向させた3枚の可変位相差板を作製すれば、完全偏波制御が可能となる。即ち溝幅Lを7.5μmとすると、Δn×Lは0.75μm変化することになり、波長1.5μmでは、π位相が変化することになる。 Birefringence of conventional polymerizable liquid crystal n e, n o (n e : extraordinary ( extraordinary light), n o: ordinary (ordinary)) decreases with temperature, also the temperature further Δn = n e -n o Decrease. FIG. 10 shows the temperature dependence of Δn of the polymerizable liquid crystal of DIC. When the temperature is raised from room temperature to 80 ° C. to 100 ° C., Δn decreases by about 10%. If the total groove width L is increased so that the amount of Δn × L can be varied by λ / 2 or more, three variable retardation plates oriented in the directions of 0 °, 45 °, and 0 ° can be produced. , Complete polarization control becomes possible. That is, if the groove width L is 7.5 μm, Δn × L changes by 0.75 μm, and the π phase changes at a wavelength of 1.5 μm.

溝はRIEで形成するため、幅7.5μm×深さ50μm×横手方向長さ数100μm角に形成するのは簡単であり、その上にヒーター電極を同サイズで形成すると、非常に微小な部分のみを加熱することができ、温度を室温から100℃に上げるのに、非常に小さな電力で済み、また応答速度も数msと早い。   Since the groove is formed by RIE, it is easy to form a width 7.5 μm × depth 50 μm × lateral direction length several 100 μm square. Only a very small electric power is required to raise the temperature from room temperature to 100 ° C., and the response speed is as fast as several ms.

図11に導波路型偏波コントローラの作製工程および完成構造を示す。先ず(a)RIEにより導波路11−1を切断するように3箇所に、幅7.5μm×深さ50μm×横手方向長さ数100μm溝11−2を掘る。(b)光配向膜(図示せず)を塗布し 直線偏波の紫外線を照射することにより、0゜、45゜、0゜方向に配向させる。(c)重合性液晶11−3を充填し、UV硬化させる。(d)ヒーター電極11−4を形成する。
(d)が導波路型偏波コントローラの最終構造となる。ヒータ電極に流す電流を調整し、室温から100℃までコントロールすることにより、0゜、45゜、0゜に配向した重合性液晶の温度を調整して、それぞれのΔnを調整することにより、任意の偏波を任意の偏波に変換する完全偏波制御が可能となる。熱光学効果による偏波制御素子のため応答速度は1ms程度である。
FIG. 11 shows a manufacturing process and a completed structure of the waveguide polarization controller. First, (a) grooves 11-2 having a width of 7.5 μm, a depth of 50 μm, and a lateral direction length of several hundreds of μm are dug in three locations so as to cut the waveguide 11-1. (b) A photo-alignment film (not shown) is applied and irradiated with linearly polarized ultraviolet rays so as to be oriented in the directions of 0 °, 45 ° and 0 °. (c) The polymerizable liquid crystal 11-3 is filled and UV cured. (d) The heater electrode 11-4 is formed.
(D) is the final structure of the waveguide polarization controller. By adjusting the current flowing through the heater electrode and controlling from room temperature to 100 ° C, the temperature of the polymerizable liquid crystal aligned at 0 °, 45 °, and 0 ° can be adjusted, and each Δn can be adjusted arbitrarily. Complete polarization control can be performed to convert the polarized wave into an arbitrary polarized wave. The response speed is about 1 ms because of the polarization control element based on the thermo-optic effect.

1−1 導波路
1−2 溝
1−3 1/2波長板
3−1 入力用光導波路
3−2 Y分岐カプラ
3−3 溝
3−4 1/4波長板(90度)
3−5 1/4波長板(0度)
3−6 2×2MMI
5−1 コア
5−2 溝
5−3 液晶用光配向膜
5−4 UV光
5−5 光重合性液晶
5−6 UV照射
6−1 偏光ビームスプリッタの導波路部分
6−2 溝
6−3、6−4 導波路
6−5 液晶用光配向膜
6−6 直線偏光したDeepUV光
6−7 光遮断用マスク
6−8 重合性液晶
6−9 UV光
6−10 ファイバ
6−11 バンドルファイバ
7−1 溝
7−2 光配向膜
7−3 90度方向の直線偏波UV光
7−4 紫外線を吸収する液体
7−5 0度方向の直線偏波UV光
7−6 重合性液晶
7−7 液晶分子
9−1 溝
9−2 光配向膜
9−3 90度方向の直線偏波UV光
9−4 カイラル剤を添加した重合性液晶
9−5 UV照射
11−1 導波路
11−2 溝
11−3 重合性液晶
11−4 ヒーター電極
1-1 Waveguide 1-2 Groove 1-3 Half-wave plate 3-1 Input optical waveguide 3-2 Y-branch coupler 3-3 Groove 3-4 1/4 wavelength plate (90 degrees)
3-5 1/4 wavelength plate (0 degree)
3-6 2 × 2 MMI
5-1 Core 5-2 Groove 5-3 Optical Alignment Film for Liquid Crystal 5-4 UV Light 5-5 Photopolymerizable Liquid Crystal 5-6 UV Irradiation 6-1 Waveguide Portion of Polarized Beam Splitter 6-2 Groove 6-3 6-6 Waveguide 6-5 Photo-alignment film for liquid crystal 6-6 Linearly polarized deep UV light 6-7 Light blocking mask 6-8 Polymerizable liquid crystal 6-9 UV light 6-10 Fiber 6-11 Bundle fiber 7 -1 Groove 7-2 Photo-alignment film 7-3 90 degree direction linearly polarized UV light 7-4 Liquid 7-5 absorbing ultraviolet rays 0 degree direction linearly polarized UV light 7-6 Polymerizable liquid crystal 7-7 Liquid crystal molecule 9-1 Groove 9-2 Photo-alignment film 9-3 90-degree linearly polarized UV light 9-4 Polymerizable liquid crystal 9-5 with added chiral agent UV irradiation 11-1 Waveguide 11-2 Groove 11 -3 Polymerizable liquid crystal 11-4 Heater electrode

Claims (8)

光導波路のコアを切断するように設けた1個以上の溝と、
前記1個以上の溝内部に、配向処理した液晶用配向膜と、
前記液晶用配向膜に挟まれた、重合性液晶と
を有することを特徴とする波長板装填光導波路。
One or more grooves provided to cut the core of the optical waveguide;
An alignment film for liquid crystal that has been subjected to an alignment treatment inside the one or more grooves,
A wave-plate-loaded optical waveguide comprising: a polymerizable liquid crystal sandwiched between the liquid crystal alignment films.
請求項1記載の光導波路において、前記液晶用配向膜は紫外線の直線偏波によって配向する配向膜であり、照射する前記紫外線の前記直線偏波の方向を調整することにより、充填した前記重合性液晶の配向方向を制御して、紫外線硬化したことを特徴とする波長板装填光導波路。   2. The optical waveguide according to claim 1, wherein the alignment film for liquid crystal is an alignment film that is aligned by the linear polarization of ultraviolet light, and the polymerizable property that is filled is adjusted by adjusting a direction of the linear polarization of the ultraviolet light to be irradiated. 1. A wave plate-loaded optical waveguide characterized by being UV-cured by controlling the alignment direction of liquid crystal. 請求項1または2記載の光導波路において、前記溝の形成方法が、反応性イオンエッチングであり、前記溝の幅は20μm以下であることを特徴とする波長板装填光導波路。   3. The optical waveguide according to claim 1, wherein the groove is formed by reactive ion etching, and the groove has a width of 20 [mu] m or less. 請求項1または2記載の光導波路において、前記重合性液晶は、壁面に対して平行配向したホモジニアス液晶であり、前記重合性液晶の屈折率異方性をΔn、溝幅をL、溝数をnとし、前記光導波路を通過する光の波長をλとした時、Δn×L×n=λ/2あるいはλ/4となるように、前記溝幅Lを決めることを特徴とする波長板装填光導波路。   3. The optical waveguide according to claim 1, wherein the polymerizable liquid crystal is a homogeneous liquid crystal aligned in parallel with a wall surface, the refractive index anisotropy of the polymerizable liquid crystal is Δn, the groove width is L, and the number of grooves is. Wave plate loading, wherein the groove width L is determined so that Δn × L × n = λ / 2 or λ / 4, where n is the wavelength of light passing through the optical waveguide, and λ. Optical waveguide. 請求項1乃至4のいずれか記載の光導波路において、前記液晶用配向膜に紫外線を照射して配向させる際、前記溝に紫外線吸収剤あるいは遮蔽剤を充填して、前記溝の対抗する壁面で異なる角度の紫外線直線偏波を照射することにより、前記重合性液晶の配向が、ツイストネマチック配向あるいはスーパーツイストネマチック配向(旋光子用)となることを特徴とする波長板装填光導波路。   5. The optical waveguide according to claim 1, wherein when aligning the alignment film for liquid crystal by irradiating with ultraviolet light, the groove is filled with an ultraviolet absorber or a shielding agent, and the wall facing the groove is used. A wavelength plate-loaded optical waveguide, wherein the alignment of the polymerizable liquid crystal becomes a twisted nematic alignment or a super twisted nematic alignment (for an optical rotator) by irradiating ultraviolet linearly polarized waves at different angles. 請求項1乃至5のいずれか記載の光導波路において、前記重合性液晶の上にヒーター電極を設けることにより、配向した前記重合性液晶のΔnを温度で制御することを特徴とする波長板装填光導波路。   6. An optical waveguide according to claim 1, wherein a Δn of the aligned polymerizable liquid crystal is controlled by temperature by providing a heater electrode on the polymerizable liquid crystal. Waveguide. 請求項1記載の光導波路において、充填する液晶がネマチック液晶にカイラル剤を添加したカイラルネマチック(コレステリック)液晶(フィルタ用)であることを特徴とする波長板装填光導波路。   2. The wave plate-loaded optical waveguide according to claim 1, wherein the liquid crystal to be filled is a chiral nematic (cholesteric) liquid crystal (for a filter) obtained by adding a chiral agent to a nematic liquid crystal. 光導波路のコアを切断するように連続して設けられた第1、第2、および第3の溝と、
前記第1、および前記第3の溝内には0度方向に配向させられた液晶用配向膜と、
前記第2の溝内には45度方向に配向させられた前記液晶用配向膜と、
前記0度方向に配向させられた液晶用配向膜および前記45度方向に配向させられた前記液晶用配向膜で挟んだ重合性液晶と
を有することを特徴とする偏波コントローラ。
First, second, and third grooves provided continuously to cut the core of the optical waveguide;
In the first and third grooves, an alignment film for liquid crystal aligned in the direction of 0 degrees;
In the second groove, the alignment film for liquid crystal aligned in a 45 degree direction,
A polarization controller comprising: a liquid crystal alignment film aligned in the 0 degree direction; and a polymerizable liquid crystal sandwiched between the liquid crystal alignment films aligned in the 45 degree direction.
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