JP3324026B2 - 全光型光素子 - Google Patents

全光型光素子

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JP3324026B2
JP3324026B2 JP32063195A JP32063195A JP3324026B2 JP 3324026 B2 JP3324026 B2 JP 3324026B2 JP 32063195 A JP32063195 A JP 32063195A JP 32063195 A JP32063195 A JP 32063195A JP 3324026 B2 JP3324026 B2 JP 3324026B2
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National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
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Dainichiseika Color and Chemicals Mfg Co Ltd
National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Japan Science and Technology Corp
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    • G02F1/01Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
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    • B82YSPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
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  • Photo Coupler, Interrupter, Optical-To-Optical Conversion Devices (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、画像情報等の光情
報処理を行う光機能素子に関するものである。更に詳し
くは、薄膜内に有機化合物の単分子およびこれらの集合
体・凝集体から構成されるナノパーティクルを含む薄膜
素子に関するものである。
【0002】
【従来の技術】光演算処理装置としては、光コンピュー
タの概念が提唱されており、その概念に基づいた光演算
素子が提案・試作されている。これらの素子は、例え
ば、薄い平板状にした無機物結晶(LiNbO3 ,BB
O等)の前面に、部分的に光を遮光するマスクを設置し
て、信号光および制御光を入射して光演算を行うもので
ある。このマスクの遮光パターンを変えることにより、
種々の異なる演算方式を選択することが可能となる。
【0003】また、例えば、液晶を用いた光空間変調器
などでは、液晶を挟み込む2枚の基板ガラスの一方のガ
ラス板上に薄膜トランジスタ等の電子的駆動回路を微細
加工した透明電極を設置して、液晶の相変化を制御して
素子として機能させている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】ところが、前述した従
来の光コンピュータ用の素子においては、単結晶を用い
ているために、素子の機能発現を司る物質は均一な系で
あり、マスク等を用いた空間的制限法により空間分解能
を実現しているが、マスクの有する空間分解能以下には
ならない。また、有機化合物をポリマー等のマトリック
ス中に単一分子分散した系においても、上記の制限は同
様であり、本質的には解決されていない。
【0005】さらに、単結晶または単一分子分散系材料
を用いた素子におけるマスクは演算機能を担っている
が、その画素即ち、一つの機能を発現するのに必要なパ
ターンが単位面積当たりに含まれる数で画像などの信号
光の解像度が決定される。また、各々の画素間には相互
作用はなく、むしろ相互作用をしないという条件を課す
ことにより解像度が決定されている。
【0006】本発明は、上記問題点を除去し、有機化合
物の単分子およびこれらの集合体・凝集体から構成され
るナノパーティクルを含む薄膜素子を用いて、より高い
解像度を得ることができる全光型の全光型光素子を提供
することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するために、 〔1〕入力信号光に対する情報処理を、この入力信号光
および動作を補助するための補助光のみを用いて行う
光型光素子において、平行対向面を備えた一対の光学的
に透明な基板と、前記平行対向面の一方の上に設けられ
た光遮断膜からなる複数の帯状体と、前記平行対向面の
間に挟まれた透明ポリマー膜と、前記透明ポリマー膜内
に光機能凝集体として分散した凝集体を含み、この光機
能凝集体の各々は、前記補助光に応答して前記入力信号
光に作用を及ぼす一種以上の化合物の複数の分子から構
されるようにしたものである。
【0008】〔2〕上記〔1〕記載の全光型光素子にお
いて、前記光遮断膜の帯状体は、前記一対の光学的に透
明な基板のうち、光が入射する側の基板の内面に等間隔
でかつ互いに平行に配置され、信号光の散乱を阻止でき
る寸法である幅1μm程度から数10μm程度、厚さ数
10nmから数10μm程度、長さ10mmから数10
cm程度の寸法を有するようにしたものである。
【0009】〔3〕上記〔1〕記載の全光型光素子にお
いて、前記凝集体は前記信号光と前記補助光の組み合わ
せにより励起され、光素子を通る信号光の少なくとも一
部の透過率を変化させるようにしたものである。
【0010】
【発明の実施の形態】〔1〕本発明は、図1に示すよう
に、入射信号光1又は動作を補助するための光2を、光
機能分子凝集体として分散した、単一原子もしくは単一
分子から形成される単一種類もしくは複数種類の化合物
から形成される凝集体3に入射し、出射信号光4を出力
する。
【0011】〔2〕その素子内に分散した光機能分子凝
集体3が最小の単位素子として機能し、画像処理を行う
際の空間分解能が、信号光の波長で定まる回折限界では
定まらずに、その素子内に分散された単一原子もしくは
分子から形成される凝集体3の直径で定まり、その凝集
体内もしくはこれら凝集体間で情報処理を完結して行
う。
【0012】〔3〕また、光機能素子の内、各単位凝集
体内において、信号光により生成された単位凝集体内の
電子準位の光励起状態を信号入力(ON)状態とする。
【0013】〔4〕その全光型光素子において、光機能
素子の内、各単位凝集体における信号光に対する光応答
が、信号光が入射してから出射するまでの時間内に、前
記単位凝集体内に留まらずに、他の同種のもしくは異種
の分子等から構成される単位凝集体もしくは単一分子に
移動し、こらの凝集体等と協働的に作用した後に信号
光として出力される。
【0014】すなわち、図2に示すように、入射信号光
11が薄膜12内の単位凝縮体13に作用すると、光応
答は単位凝縮体14もしくは単一分子15に移動し、こ
れらの凝縮体等と協働的に作用した後に出射信号光1
6,17として出力される。
【0015】〔5〕この単位凝集体14内において、入
射信号光11により生成された励起状態を信号入力状態
とする光機能素子の内、生成された励起状態を信号光と
は異なる光、もしくは電気入力信号により各単位凝集体
もしくは単一分子の間を移動させることができる。
【0016】〔6〕この全光型光素子において、光機能
素子の内、この素子外部から入射信号光11と同一もし
くは異なる波長の光を1種類もしくは2種類以上、同軸
もしくはこれと異なる角度からこの素子平面に照射し
て、素子内における励起状態の移動過程を素子外部から
制御することができる。
【0017】〔7〕上記全光型光素子において、入射信
号光11により励起状態を生成する際に、信号光と同一
もしくは異なる波長を有する補助光を信号光と同軸もし
くは異なる角度からこの素子平面に照射して、励起状態
を生成するのに必要な信号光の強度を低減することがで
きる。
【0018】〔8〕上記全光型光素子において、2枚の
光学ガラス板もしくはこれと同等の表面平滑度・表面平
坦度等の光学的特性を有するプリズム等の光学的に透明
な基板に挟まれた構造を有し、且つこの基板間に設置さ
れた後に真空中において封止材を用い、大気雰囲気より
遮断することができる。
【0019】
〔9〕上記全光型光素子において、2枚の
透明な基板の内の光が入射する側の片方の基板上の試料
に接触する面上に信号光の散乱を生じない寸法である幅
1μm程度から数10μm程度、厚さ数10nmから数
10μm程度、長さ10mmから数10cm程度の寸法
を持ち、各々平行かつ等間隔に配置された光遮断膜から
なる複数の帯状体を有するようにしたものである。
【0020】ここで用いられる光遮断膜は、入射信号光
の波長の光を完全に遮断するものであり、前述のような
寸法に微細加工できるものであれば、任意のものが使用
できる。具体的には、アルミニウム、金などの金属蒸着
膜、同スパッタリング膜、カーボンブラックなどの着色
材を電子線硬化型樹脂中に分散または溶解した塗工液を
塗工した後、電子線でパターニングし、ドライエッチン
グによって微細加工した膜などを好適に使用することが
できる。
【0021】すなわち、図3及び図4に示すように、2
枚の透明なガラス基板22,23内の光が入射する側の
片方の基板上の試料に接触する面上に、入射信号光20
(633nm+694nm)の散乱を生じない寸法であ
る幅1μm程度から数10μm程度、厚さ数10nmか
ら数10μm程度、長さ10mmから数10cm程度の
寸法を持ち、各々平行かつ等間隔に配置された光遮断膜
からなる複数の帯状体21を設ける。24は色素凝縮体
+ポリマーからなる層であり、図4において、光遮断膜
からなる複数の帯状体21が配置されていない領域25
は信号光による励起状態密度が大であり、光遮断膜から
なる複数の帯状体21が配置された領域26は信号光に
よる励起状態密度が小であり、励起状態の移動が矢印方
向に行われる。
【0022】〔10〕上記
〔9〕記載の全光型光素子に
おいて、基板上に設置された光遮断膜からなる複数の帯
状体21の代わりに、図5に示すように、1種類以上の
光選択透過膜を設け、例えば、第1の光選択透過膜27
は、例えば、波長633nmの信号光を選択的に透過
し、励起光の波長が633nmの場合に対応する励起状
態領域30を生じさせ、一方、第2の光選択透過膜28
は、例えば、波長488nmの信号光を選択的に透過
し、励起光の波長が488nmの場合に対応する励起状
態領域29を生じさせるものとする。
【0023】ここで用いられる光選択透過膜は、信号光
の特定の波長を、特定の波長選択性で透過させるもので
あり、前述のような寸法に微細加工できるものであれ
ば、任意のものが使用できる。具体的には、例えば、酸
化チタンおよび酸化珪素薄膜の交互累積によって構成さ
れた誘電体多層膜をエッチングして微細加工した膜、着
色材を電子線硬化型樹脂中に分散又は溶解した塗工液を
塗工した後、電子線でパターニングし、ドライエッチン
グによって微細加工した膜などを好適に使用することが
できる。
【0024】〔11〕上記
〔9〕又は〔10〕記載の全
光型光素子において、平行且つ等間隔の光遮断膜、もし
くは光選択透過膜からなる薄膜の代わりに、信号光の散
乱を生じない寸法である幅1μm程度から数10μm程
度、厚さ数10nmから数10μm程度の薄膜を、微細
加工により得られる任意のパターンに形成し、この素子
面内における励起状態の移動を制御する。
【0025】すなわち、図6に示すように、光遮断膜3
1及び1〜10μm角の第1の光選択透過膜32、第2
の光選択透過膜33をパターニングする。
【0026】〔12〕上記〔1〕記載の全光型光素子に
おいて、分子凝集体を光機能凝集体として分散すると
き、その空間構造を規則的な配列、例えば3次元格子状
に分散配列を行うことにより、もしくは凝集体中分子の
方位をそろえることにより、素子内を伝播する信号光の
波面すなわち位相状態が出射時まで保存される。
【0027】〔13〕上記〔12〕記載の全光型光素子
において、前記光機能凝集体の内の一部もしくは全部の
光機能凝集体の電子の状態を外部より入射された光とは
異なる光もしくは同等の効果を有する外部信号により変
化させ、入射された信号光の位相状態を制御して、位相
に関する情報を情報処理に用いる。
【0028】以下、その具体的実施例を順次説明する。
【0029】
【実施例1】まず、本発明の実施例1について説明す
る。
【0030】2枚の光学ガラス板の間に単一分散分子お
よび色素凝集体を含むポリマー薄膜を形成するには、既
に公知の事実として知られている方法を用いることがで
きる(例えば、特開平6−306181号公報、特開平
6−263885号公報、特願平6−66706号、特
願平6−66707号)。
【0031】また、作製された光学薄膜素子は入射信号
光(例えば、ガラス板上に作成された“A”という文字
の遮光マスクを透過した光)の後段に信号光に対してそ
の面法線が45度傾くように、且つ入射信号光と直交す
る方向から入射される動作を補助するための光に対して
も、その面法線が45度傾くように設置される。
【0032】例えば、色素分子DODCI;3,3′−
Diethyloxadicarbocyanine
Iodideを単一分散分子として分散した場合、色素
及びこの色素の凝集体の吸収最大波長は580nmであ
るので、この中心波長の前後20nm程度は不透過領域
となるが、キセノンランプから導かれた白色光線(34
0nm程度から800nm程度)を、レンズもしくは球
面鏡から構成される集光光学系により、ビーム直径10
0μm程度に集光して光学薄膜素子に照射し、更に動作
を補助するための光として、キセノンランプからの光を
光学フィルターにより分別して、波長580nm程度に
最大強度を有する光(5mW/cm2 )を照射する。
【0033】動作を補助する光の照射前と照射中の透過
スペクトルの比較を図7に示す。この図に示すように、
概ね500nmから700nmの波長範囲で、動作補助
光の照射により透過率が減少しているのが観測され、動
作補助光の照射により光励起状態が生成されたことによ
る状態変化が検出されたことが明らかである。
【0034】
【実施例2】次に、本発明の実施例2について説明す
る。
【0035】この実施例では、白色光線をその強度が時
間の経過に依存しない定常光光源を用い、動作補助光源
を、例えば数ナノ秒のパルス幅を有するレーザー光源と
し、動作補助光の照射に対する時間応答を調べると、動
作補助光のパルス幅と同等の応答を示し、ナノ秒以下の
時間応答性が得られること、即ち光励起状態の生成時間
が動作補助光の照射中のみ該素子が動作状態にあること
がわかった。
【0036】
【実施例3】次に、本発明の実施例3について説明す
る。
【0037】この実施例では、上記実施例1で用いたマ
スクの代わりに、開口部の幅5μm、遮光部の幅5μ
m、長さ1cmのアルミニウム薄膜(厚さ0.5μm)
を光遮断膜として、実施例1、2と同様の実験を行った
ところ、実施例1より少ない光強度(1mW/cm2
で同等の実験結果を得た。この実験結果は開口部で生成
された光励起状態が遮光部へ拡散していくことにより観
測された現象であり、光励起状態がその励起状態分子に
留まらずに非励起状態分子に移動していくことを示して
いる。
【0038】
【実施例4】次に、本発明の実施例4について説明す
る。
【0039】この実施例では、上記実施例3で用いた光
遮断膜の代わりに、幅5μm、長さ1cmの第1の光選
択透過膜(光透過領域;中心波長580nm、透過幅;
40nm、580nmにおける透過率;95%)と幅5
μm、長さ1cmの第2の光選択透過膜(光透過領域;
中心波長514nm、透過幅;40nm、514nmに
おける透過率;95%)を交互に並べた構造を有する光
選択透過膜を用いる。
【0040】このマスクは真空蒸着法もしくはスパッタ
法により作製した薄膜を、湿式エッチングもしくはドラ
イエッチングにより不要部分を削除することにより作製
される。このマスクを用い、実施例1、実施例2、実施
例3と同様の実験を行ったところ、図8に示すように、
光選択透過膜の領域の中心波長514nmで励起された
領域のほうが透過率の減少が大きかった。
【0041】なお、本発明は上記実施例に限定されるも
のではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能
であり、これらを本発明の範囲から排除するものではな
い。
【0042】
【発明の効果】以上、詳細に説明したように、本発明に
よれば、有機化合物の単分子及びこれらの集合体・凝集
体から構成されるナノパーティクルを含む薄膜素子を用
いて、より高い解像度を有する全光型光素子を得ること
ができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の全光型光素子を用いた光光情報処理を
行うシステム構成図である。
【図2】本発明の全光型光素子の作用の説明図である。
【図3】本発明の全光型光素子の光遮断膜の配置を示す
図である。
【図4】本発明の光遮断膜を有する全光型光素子の断面
図である。
【図5】本発明の波長選択性透過膜を有する全光型光素
子の断面図である。
【図6】本発明の光遮断膜及び波長選択性透過膜を有す
る全光型光素子の平面図である。
【図7】本発明の実施例1の全光型光素子の波長と透過
光強度との関係を示す図である。
【図8】本発明の実施例4の全光型光素子の波長と透過
光強度との関係を示す図である。
【符号の説明】
1,11 入射信号光 2 動作を補助するための光 3 単一分子から形成される単一種類もしくは複数種
類の化合物から形成さ れる凝集体 4,16,17 出射信号光 12 薄膜 13,14 単位凝縮体 15 単一分子 20 信号光21 光遮断膜からなる複数の帯状体 22,23 ガラス基板 24 色素凝縮体+ポリマーからなる層 25 光遮断膜が配置されていない領域 26 光遮断膜が配置された領域 27,32 第1の光選択透過膜 28,33 第2の光選択透過膜 31 光遮断膜
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 平賀 隆 茨城県つくば市春日1−101−308 (72)発明者 守谷 哲郎 茨城県つくば市梅園1−1−4 電子技 術総合研究所内 (72)発明者 田中 教雄 東京都中央区日本橋馬喰町1−7−6 大日精化工業株式会社内 (72)発明者 上野 一郎 神奈川県横須賀市神明町58−7 日本ビ クター株式会社内 (56)参考文献 特開 平6−301071(JP,A) 特開 平5−300946(JP,A) 特開 平5−287116(JP,A) 特開 平5−224006(JP,A) 特開 平4−330422(JP,A) Applied Physics B,Vol.58,No.2,PP97− 104(1994) D.Dantsker and S. Speser Pramana−Jou rnal of Physics,Vo l.35,No.6.PP527−532 (1990) K.P.J.Reddy and P.K.Barhai Journal of Physical Chemi stry,Vol.96,No.6,p p.2501−2505(1992) R.Duchowicq et a l.Soriet Journal o f Quantum Eelctron ics,Vol.17,No.8,PP. 1080−1082(1987) M.A.Vasil’eva et. al.Molecular Cryst als and Liguid Cry stals−Proceedings of the 6th Interna tional Conference on Unconveutional Photoactive Solid s,Vol.252,pp.185−193 (1994)T.Hirga et al. (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G02F 1/00 - 7/00

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 入力信号光に対する情報処理を、該入力
    信号光および動作を補助するための補助光のみを用いて
    行う全光型光素子において、(a)平行対向面を備えた一対の光学的に透明な基板
    と、 (b)前記平行対向面の一方の上に設けられた光遮断膜
    からなる複数の帯状体と、 (c)前記平行対向面の間に挟まれた透明ポリマー膜
    と、 (d)前記透明ポリマー膜内に光機能凝集体として分散
    した凝集体を含み、該光機能凝集体の各々は、前記補助
    光に応答して前記入力信号光に作用を及ぼす一種以上の
    化合物の複数の分子から構成されている ことを特徴とす
    る全光型光素子。
  2. 【請求項2】 請求項1記載の全光型光素子において、
    前記光遮断膜の帯状体は、前記一対の光学的に透明な基
    板のうち、光が入射する側の基板の内面に等間隔でかつ
    互いに平行に配置され、信号光の散乱を阻止できる寸法
    である幅1μm程度から数10μm程度、厚さ数10n
    mから数10μm程度、長さ10mmから数10cm程
    度の寸法を有することを特徴とする全光型光素子。
  3. 【請求項3】 請求項記載の全光型光素子において、
    前記凝集体は前記信号光と前記補助光の組み合わせによ
    り励起され、光素子を通る信号光の少なくとも一部の透
    過率を変化させることを特徴とする全光型光素子。
JP32063195A 1995-12-08 1995-12-08 全光型光素子 Expired - Lifetime JP3324026B2 (ja)

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KR1019960062469A KR100254838B1 (ko) 1995-12-08 1996-12-06 전광형 광소자
US08/761,204 US5777776A (en) 1995-12-08 1996-12-06 Full optical type optical element

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JP32063195A JP3324026B2 (ja) 1995-12-08 1995-12-08 全光型光素子

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