JP4635148B2 - 波長変換装置及び波長変換方法 - Google Patents

Description

この出願の発明は、波長変換装置及び波長変換方法に関するものである。さらに詳しくは、この出願の発明は、特に光通信分野や光情報処理分野において好ましく用いられる新規な波長変換装置及び波長変換方法である。

光通信分野や光情報処理分野において重要な光学素子として、波長変換装置がある。この波長変換装置は、たとえばある特定の波長のパルス信号を別の波長のパルス信号に変換するものである。従来の波長変換装置の一例を図１に模式的に示す。

図１に示す波長変換装置は、光通信の波長帯域である波長１．５５μｍの入射パルス光をフォトダイオード（ＰＤ）（１）で受光し、その出力でもってレーザダイオード（ＬＤ）（２）を駆動させ、波長７８０ｎｍのパルス光を出射するものである。

一方で、インターネット等の急速な普及に伴い、より高速な光ネットワークに実現が切望されている。そのために高速応答が可能な各種の光学素子の実現が望まれている。
藤原祺多夫、不破敬一郎、小林孝嘉著、レーザー誘起熱レンズ効果とその比色法への応用、「化学」、化学同人発行、第３６巻、第６号、４３２−４３８頁（１９８１年） 北森武彦、澤田嗣郎著、光熱変換分光分析法、「ぶんせき」、日本分析化学会発行、１９９４年３月号、１７８−１８７頁 平賀隆、田中教雄、早水紀久子、守谷哲郎著、色素会合体・凝集体の作成・構造評価・光物性、「電子技術総合研究所彙報」、通商産業省工業技術院電子技術総合研究所発行、第５９巻、第２号、２９−４９頁（１９９４年）

しかしながら、図１に示すような従来の波長変換装置では、光パルス⇒電気パルス変換の電子回路及び電気パルス⇒光パルス変換の電子回路へ電源を供給する必要がある、前記電子回路が電磁波障害の影響をうけやすい、前記電子回路が電磁波障害の原因に成りうる、使用できる波長がレーザダイオード（ＬＤ）等を用いているため制限がある、などの課題があり、高速光ネットワーク等の実現のためには、電磁波障害の影響を受けず、かつ、電磁波障害の原因にならない、波長選択の範囲が広い光の利用が可能となることが切望されていた。また、電気回路や機械的可動部分を用いないで、高速な波長変換が行うことができる耐久性が高い波長変換装置の実現が望まれていた。

そこで、この出願の発明は、以上のとおりの事情に鑑みてなされたもので、電気回路や機械的可動部分を用いないで、電磁波障害の影響を受けず、電磁波障害の原因とならない、波長選択の範囲が広い光の利用が可能となり、しかも耐久性が高い、新規な波長変換装置及び波長変換方法を提供することを課題とする。

この出願の発明は、上記課題を解決するものとして、第１には、特定の波長のパルス状信号光を入射する信号光入力部と、信号光とは異なる波長の変換用光を照射する変換用光光源と、信号光に対し吸収性を示し、変換用光に対し透過性を示す波長帯域を持つ光吸収層膜と、光吸収層膜に、信号光と変換用光が焦点を結ぶように各々収束させて照射する手段と、前記光吸収層膜を含み、前記光吸収層膜が信号光を吸収した領域及びその周辺領域に起こる温度上昇に起因して可逆的に生ずる屈折率の分布に基づいた熱レンズを用いることによって、信号光が照射されず熱レンズが形成されない場合は収束された変換用光が通常の開き角度で出射する状態と、制御光が照射されて熱レンズが形成される場合は収束された変換用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とを、信号光の照射の有無に対応させて実現させる熱レンズ形成素子と、出射した変換用光のうち、通常の開き角度よりも大きい角度で出射する変換用光のみを変換光として出射する変換光選択手段と、変換光選択手段からの変換光を集光して、入射した信号光とは異なる波長のパルス状変換光とする集光部を備えることを特徴とする波長変換装置を提供する。

また、第２には、少なくとも、特定の波長のパルス状信号光に対し吸収性を示し、信号光とは異なる波長の変換用光に対し透過性を示す波長帯域を持つ光吸収層膜を含む熱レンズ形成素子の光吸収層膜に、信号光と変換用光が焦点を結ぶように各々収束させて照射し、前記光吸収層膜が信号光を吸収した領域及びその周辺領域に起こる温度上昇に起因して可逆的に生ずる屈折率の分布に基づいた熱レンズを用いることによって、信号光が照射されず熱レンズが形成されない場合は収束された変換用光が通常の開き角度で出射する状態と、制御光が照射されて熱レンズが形成される場合は収束された変換用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とを、信号光の照射の有無に対応させて実現させ、出射した変換用光のうち、通常の開き角よりも大きい角度で出射する変換用光のみを変換光として選択的に出射させ、出射した変換光を集光して、入射した信号光とは異なる波長のパルス状変換光とすることを特徴とする波長変換方法を提供する。

この出願の第１及び第２の発明によれば、電気回路や機械的可動部分を用いないで、電磁波障害の影響を受けず、電磁波障害の原因とならない、波長選択の範囲が広い光の利用が可能となり、しかも耐久性が高い、新規な波長変換技術を提供することができる。

この出願の発明は上記のとおりの特徴をもつものであるが、以下にその実施の形態について説明する。

この出願の発明の波長変換装置及び波長変換方法では、熱レンズ効果を利用した熱レンズ形成素子を用いる。ここで熱レンズ効果とは、光吸収の中心部分において光を吸収した分子などが光を熱に変換し、この熱が周囲に伝搬されることにより温度分布が生じ、その結果、光透過媒体の屈折率が光吸収中心から外部へ向けて球状に変化して光吸収中心の屈折率が低く外部へ向けて屈折率が高くなる分布を生じ、これが凹レンズのように機能するような光の屈折効果を示す現象である。

熱レンズ効果は分光分析の分野で古くから利用されており、現在では分子１個による光吸収をも検出するような超高感度分光分析も可能になっている（非特許文献１及び非特許文献２参照）。

この出願の発明者らも、全光型光素子等による新たな情報処理技術の開発を目指して、有機色素凝集体をポリマーマトリックスに分散した有機ナノパーティクル光熱レンズ形成素子（非特許文献３参照）を用いて、光制御方式の研究を行ってきた。現在、制御光（６３３ｎｍ）により信号光（７８０ｎｍ）の変調を行う方式で、制御光と信号光を同軸・同焦点入射させることを特徴とし、制御光の吸収により過渡的に形成される熱レンズにより信号光が屈折されるという動作原理の素子を開発しており、約２０ナノ秒の高速応答を達成している。

この出願の発明の波長変換装置は、特定の波長のパルス状信号光を入射する信号光入力部と、信号光とは異なる波長の変換用光を照射する変換用光光源と、信号光に対し吸収性を示し、変換用光に対し透過性を示す波長帯域を持つ光吸収層膜と、光吸収層膜に、信号光と変換用光が焦点を結ぶように各々収束させて照射する手段と、前記光吸収層膜を含み、前記光吸収層膜が信号光を吸収した領域及びその周辺領域に起こる温度上昇に起因して可逆的に生ずる屈折率の分布に基づいた熱レンズを用いることによって、信号光が照射されず熱レンズが形成されない場合は収束された変換用光が通常の開き角度で出射する状態と、制御光が照射されて熱レンズが形成される場合は収束された変換用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とを、信号光の照射の有無に対応させて実現させる熱レンズ形成素子と、出射した変換用光のうち、通常の開き角度よりも大きい角度で出射する変換用光のみを変換光として出射する変換光選択手段と、変換光選択手段からの変換光を集光して、入射した信号光とは異なる波長のパルス状変換光とする集光部を備えることを特徴とする。

この出願の発明の波長変換装置の一実施形態の概念図を図２に示し、図２の熱レンズ形成素子に使用される一例の光吸収層膜に用いる材料（この場合、色素）の波長と吸収特性及び透過特性との関係を図３に示し、概略装置構成例を図４に示す。

この実施形態の波長変換装置では、光制御型熱レンズ形成素子（１１）を用い、信号入力部（１２）より任意波長Ａの光パルス信号を信号光（１４）として入射するとともに、変換用光光源（１３）より任意波長Ｂの連続光を変換用光（１５）として入射し、任意波長Ｂの光パルスを変換光（１６）として出射する。信号入力部（１２）より入射する信号光（１４）はレーザ光源をはじめ従来から使用されている各種の光源からの光を用いることができる。また、変換用光光源（１３）にはレーザ装置が好適に用いられるが、これに限定されない。

熱レンズ形成素子（１１）には、図３に示すような波長帯域を持つ光吸収層膜を設ける。すなわち、この光吸収層膜は、波長Ａに対して吸収率が大であり、波長Ｂに対して透過率が大で、かつ、屈折率効果（温度の変化に対して大きな屈折率変化を示す）を有するものとする。このような波長帯域の形態は、光吸収層膜の材料によって様々な形態をとるので、材料の選択により波長Ａ、Ｂは任意に選ぶことができる。

この実施形態の波長変換装置の構成を図４に基づき、より具体的に説明すると、熱レンズ形成素子（１１）は、信号光（１４）に対し高い吸収性を示し、変換用光（１５）に対し高い透過性を示す波長帯域を持つ光吸収層膜を有し、たとえばそのような波長帯域を持つ色素含有溶液を透明な光学セルに収容したものとすることができる。たとえば信号入力部（１２）としてファイバー増幅器を用い、光通信の波長帯にある波長１．５５μｍの光パルスの信号光（１４）を入射し、変換光光源（１３）としてレーザダイオード（ＬＤ）（１３）を用い、波長６５０ｎｍのレーザ光（連続光）からなる変換用光（１５）を入射するものとする。この場合、熱レンズ形成素子（１１）として、たとえば色素（商品名ＣＩＲ−９６０；日本カーリット社製：近赤外領域（７８０〜１５００ｎｍ）に大きな吸収を示す）のテトラヒドロフラン（ＴＦＴ）溶液を透明な光学セル内に収容したものを用いることができる。なお、この色素ＣＩＲ−９６０の吸収及び透過の波長帯域の形態は図３のものとは異なっている。

図４の装置の光学系について述べると、熱レンズ形成素子（１１）以外に、レンズ（２１）、レンズ（２２）、光混合器（２３）、レンズ（２４）、レンズ（２５）、変換光選択部材（２６）、レンズ（２７）を備える。また（３１）は信号出力部（光ファイバー）である。レンズ（２１）、は、信号光（１４）を平行光として光混合器（２３）に送り、レンズ（２２）は、変換用光（１５）を平行光として光混合器（２３）に送るものである。光混合器（２３）は、送られてきた信号光（１４）と変換用光（１５）を、熱レンズ形成素子（１１）の光吸収層膜に焦点を結ぶように各々収束させる役割をするものであり、たとえば偏光ビームスプリッター、非偏光ビームスプリッター、ダイクロイックミラー等を使用することができる。レンズ（２５）は、熱レンズ形成素子（１１）を通過した変換用光（１５）を平行光とするものである。変換光選択部材（２６）は、熱レンズ形成素子（１１）において熱レンズが形成されない場合に出射される通常の開き角度の変換用光（１５ａ）は遮断し、熱レンズ形成素子（１１）において熱レンズが形成された場合に出射される、通常の開き角度より大きい角度の変換用光（１５ｂ）のみ出射させるものである。変換光選択部材（２６）は、熱レンズ形成素子（１１）を通過した信号光（１４）を遮断する機能を有していることが好ましい。変換光選択部材（２６）としては、たとえば波長１．５５μｍ及び６５０ｎｍの光を吸収する材料としてカーボンブラック塗料を塗工したアルミニウムなどの金属板等を用いることができる。レンズ（２７）は、出射した変換用光（１５ｂ）を変換光（１６）として集光する役割を行う。

次に、図４の実施形態の波長変換装置の動作について述べる。

図４のような構成の装置において、信号入力部（１２）であるファイバー増幅器から波長１．５５μｍのパルス状信号光（１４）を入射し、レンズ（２１）により平行光として光混合器（２３）に送る。一方、変換用光光源（１３）であるレーザダイオードより波長６５０ｎｍのレーザ光（連続光）が変換用光（１５）として出射し、レンズ（２２）により平行光とされ、光混合器（２３）に送られる。なお、ここでは変換用光（１５）の位相、偏光状態は信号光と同じものとする。

光混合器（２３）は、送られてきた信号光（１４）と変換用光（１５）を、熱レンズ形成素子（１１）の光吸収層膜に焦点を結ぶように各々収束させる。

熱レンズ形成素子（１１）では、パルス状の信号光（１４）がオン（又はｈｉｇｈ）のときは、光吸収層膜が波長１．５５μｍの光に高い吸収性を持つため、熱レンズを形成する。このとき、変換用光（１５）は、形成された熱レンズのため、その屈折率の特性により、通常の開き角度より大きな角度で変換用光（１５ｂ）として出射する。この変換用光（１５ａ）はレンズ（２５）により平行光とされ、レンズ（２７）により集光される。

一方、熱レンズ形成素子（１１）では、パルス状の信号光（１４）がオン（又はｌｏｗ）のときは、光吸収層膜には信号光（１４）が照射されないため、熱レンズは形成されない。したがって、変換用光（１５）は、通常の開き角度で変換用光（１５ａ）として出射する。この変換用光（１５ａ）は変換光選択部材（２６）により遮断される。

したがって、信号光（１４）のパルスのオン・オフ（あるいはｈｉｇｈ・ｌｏｗ）により、熱レンズの形成の有無が繰り返され、信号光（１４）の波長のデータが、変換光（１６）の波長のデータに変換される。熱レンズ形成素子の応答速度は数十ナノ秒と非常に高速なため、電気回路や機械的可動部分を用いないで、応答速度が非常に高速で、種々の波長の光の利用が可能となり、しかも耐久性が高い波長変換が可能となる。また、波長変換が光だけで行われるため、電磁波障害の影響を受けず、また、電磁波障害の原因となることもない。

次に、この出願の発明で用いる熱レンズ形成素子について詳述する。

［熱レンズ形成素子］
この出願の発明において、熱レンズ形成素子としてはたとえば積層膜型構造を有するものを好適に用いることができ、その積層膜の構成としてはたとえば以下のような組み合わせを挙げることができる。
（１）光吸収層膜単独。ただし、光吸収層膜は、文字通り「光吸収膜」単独の単層膜、あるいは、「光吸収膜／熱レンズ形成層」という２層構造、又は、「光吸収膜／熱レンズ形成層／光吸収膜」という３層構造の積層型薄膜のいずれであってもよい。なお、以下の（２）から（１０）の「光吸収層膜」も上記同様の構造を含むものとする。
（２）光吸収層膜／保温層膜
（３）保温層膜／光吸収層膜／保温層膜
（４）光吸収層膜／伝熱層膜
（５）伝熱層膜／光吸収層膜／伝熱層膜
（６）光吸収層膜／保温層膜／伝熱層膜
（７）伝熱層膜／光吸収層膜／保温層膜
（８）伝熱層膜／光吸収層膜／保温層膜／伝熱層膜
（９）伝熱層膜／保温層膜／光吸収層膜／保温層膜
（１０）伝熱層膜／保温層膜／光吸収層膜／保温層膜／伝熱層膜
（１１）屈折率分布型レンズ／（光透過層／）上記（１）ないし（１０）の熱レンズ形成素子
（１２）屈折率分布型レンズ／（光透過層／）上記（１）ないし（１０）の熱レンズ形成素子／（光透過層／）屈折率分布型レンズなお、上記「（光透過層／）」とは、必要に応じて光透過層を設けることを意味する。さらに、必要に応じて光の入射面及び出射面に反射防止膜（ＡＲコート膜）を設けてもよい。

熱レンズ形成素子の構成の一例を例示した断面図を図５に示す。図５に例示するように、熱レンズ形成素子（５００）は、信号光（５０９）及び変換用光（５０８）の入射側から、たとえば、屈折率分布型レンズ（５０７）／光透過層（５０６）／伝熱層膜（５０１）／光吸収層膜（５０３）／熱レンズ形成層（５０５）／光吸収層膜（５０４）／伝熱層膜（５０２）の順に積層されてなる。なお、図５に示す信号光（５０９）の光線は模式的なものであり、各層膜間における屈折を省略している。

熱レンズ形成素子の構成の別の一例を例示した断面図を図６に示す。図６に例示するように、熱レンズ形成素子（６００）は、信号光（６０９）及び変換用光（６０８）の入射側から、たとえば、伝熱層膜（６０１）／光吸収層膜（６０３）／熱レンズ形成層（６０５）／光吸収層膜（６０４）／伝熱層膜（６０２）の順に積層されてなる。この場合、信号光（６０９）及び変換用光（６０８）は外部に設けた集光レンズ（６１０）によって集光されつつ、熱レンズ形成素子（６００）に入射する。なお、図６に示す信号光（６０９）の光線は模式的なものであり、各層膜間における屈折を省略している。

さらにまた、色素溶液充填式熱レンズ形成素子を例示した模式図を図７に示す。図７に例示するように、色素溶液充填式熱レンズ形成素子（８００）は、伝熱層膜として作用する入射・出射面ガラス（８０１）及び（８０２）、側面ガラス（８０３）及び（８０４）、底面ガラス（８０５）に囲まれた光学セル（８０９）の色素充填部（８０８）へ、導入管（８０６）の導入口（８０７）から光吸収層膜兼熱レンズ形成層として作用する色素溶液を充填し、導入口（８０７）を封じたものである。すなわち、伝熱層膜／光吸収層膜兼熱レンズ形成層／伝熱層膜という単純な素子構成のものである。

光吸収層膜、熱レンズ形成層、保温層膜、伝熱層膜、光透過層、及び屈折率分布型レンズの材料、作成方法、各々の膜厚などについて、以下に、順を追って説明する。

なお、この出願の発明で用いられる光吸収層膜、熱レンズ形成層、保温層膜、伝熱層膜、光透過層、及び屈折率分布型レンズの材料は、その機能に支障をきたさない範囲において、加工性を向上させたり、光学素子としての安定性・耐久性を向上させるため、添加物として公知の酸化防止剤、紫外線吸収剤、一重項酸素クエンチャー、分散助剤などを含有してもよい。

［光吸収層膜の材料］
この出願の発明で用いられる熱レンズ形成素子中の光吸収層膜に用いられる光吸収性の材料としては、公知の種々のものを使用することができる。

この出願の発明で用いられる熱レンズ形成素子中の光吸収層膜に用いられる光吸収性材料の例を具体的に挙げるならば、たとえば、ＧａＡｓ、ＧａＡｓＰ、ＧａＡｌＡｓ、ＩｎＰ、ＩｎＳｂ、ＩｎＡｓ、ＰｂＴｅ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＺｎＳｅなどの化合物半導体の単結晶、前記化合物半導体の微粒子をマトリックス材料中へ分散したもの、異種金属イオンをドープした金属ハロゲン化物（たとえば、臭化カリウム、塩化ナトリウムなど）の単結晶、前記金属ハロゲン化物（たとえば、臭化銅、塩化銅、塩化コバルトなど）の微粒子をマトリックス材料中へ分散したもの、銅などの異種金属イオンをドープしたＣｄＳ、ＣｄＳｅ、ＣｄＳｅＳ、ＣｄＳｅＴｅなどのカドミウムカルコゲナイドの単結晶、前記カドミウムカルコゲナイドの微粒子をマトリックス材料中に分散したもの、シリコン、ゲルマニウム、セレン、テルルなどの半導体単結晶薄膜、多結晶薄膜ないし多孔質薄膜、シリコン、ゲルマニウム、セレン、テルルなどの半導体微粒子をマトリックス材料中へ分散したもの、ルビー、アレキサンドライト、ガーネット、Ｎｄ：ＹＡＧ、サファイア、Ｔｉ：サファイア、Ｎｄ：ＹＬＦなど、金属イオンをドープした宝石に相当する単結晶（いわゆるレーザー結晶）、金属イオン（たとえば、鉄イオン）をドープしたニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ₃）、ＬｉＢ₃Ｏ₅、ＬｉＴａＯ₃、ＫＴｉＯＰＯ₄、ＫＨ₂ＰＯ₄、ＫＮｂＯ₃、ＢａＢ₂Ｏ₂などの強誘電性結晶、金属イオン（たとえば、ネオジウムイオン、エルビウムイオンなど）をドープした石英ガラス、ソーダガラス、ホウケイ酸ガラス、その他のガラスなどのほか、マトリックス材料中に色素を溶解又は分散したもの、及び、非晶質の色素凝集体を好適に使用することができる。

これらの中でも、マトリックス材料中に色素を溶解又は分散したものは、マトリックス材料及び色素の選択範囲が広く、かつ熱レンズ形成素子への加工も容易であるため、特に好適に用いることができる。

この出願の発明で用いることができる色素の具体例としては、たとえば、ローダミンＢ、ローダミン６Ｇ、エオシン、フロキシンＢなどのキサンテン系色素、アクリジンオレンジ、アクリジンレッドなどのアクリジン系色素、エチルレッド、メチルレッドなどのアゾ色素、ポルフィリン系色素、フタロシアニン系色素、３，３'−ジエチルチアカルボシアニンヨージド、３，３'−ジエチルオキサジカルボシアニンヨージドなどのシアニン色素、エチル・バイオレット、ビクトリア・ブルーＲなどのトリアリールメタン系色素、ナフトキノン系色素、アントラキノン系色素、ナフタレンテトラカルボン酸ジイミド系色素、ペリレンテトラカルボン酸ジイミド系色素などを好適に使用することができる。

この出願の発明では、これらの色素を単独で、又は、２種以上を混合して使用することができる。

この出願の発明で用いることのできるマトリックス材料は、
（１）この出願の発明で用いられる光の波長領域で透過率が高いこと、
（２）この出願の発明で用いられる色素又は種々の微粒子を安定性良溶解又は分散できること、
という条件を満足するものであれば任意のものを使用することができる。

無機系固体状のマトリックス材料としては、たとえば金属ハロゲン化物の単結晶、金属酸化物の単結晶、金属カルコゲナイドの単結晶、石英ガラス、ソーダガラス、ホウケイ酸ガラスなどの他、いわゆるゾルゲル法で作成された低融点ガラス材料などを使用することができる。

無機系液体状のマトリックス材料としては、水、水ガラス（アルカリケイ酸塩の濃厚水溶液）、塩酸、硫酸、硝酸、王水、クロルスルホン酸、メタンスルホン酸、トリフルオロメタンスルホン酸、などを使用することができる。

また、有機系液体状のマトリックス材料として、たとえば種々の有機溶剤を使用することができる。有機溶剤としては、具体的には、メタノール、エタノール、イソプロピルアルコール、ｎ−ブタノール、アミルアルコール、シクロヘキサノール、ベンジルアルコールなどのアルコール類、エチレングリコール、ジエチレングリコール、グリセリンなどの多価アルコール類、酢酸エチル、酢酸ｎ−ブチル、酢酸アミル、酢酸イソプロピルなどのエステル類、アセトン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、シクロヘキサノンなどのケトン類、ジエチルエーテル、ジブチルエーテル、メトキシエタノール、エトキシエタノール、ブトキシエタノール、カルビトールなどのエーテル類、テトラヒドロフラン、１，４−ジオキサン、１，３−ジオキサンなどの環状エーテル類、ジクロロメタン、クロロホルム、四塩化炭素、１，２−ジクロロエタン、１，１，２−トリクロロエタン、トリクレン、ブロモホルム、ジブロモメタン、ジヨードメタンなどのハロゲン化炭化水素類、ベンゼン、トルエン、キシレン、クロロベンゼン、ｏ−ジクロロベンゼン、ニトロベンゼン、アニソール、α−クロロナフタレンなどの芳香族炭化水素類、ｎ−ペンタン、ｎ−ヘキサン、ｎ−ヘプタン、シクロヘキサンなどの脂肪族炭化水素類、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド、Ｎ，Ｎ−ジメチルアセトアミド、ヘキサメチルホスホリックトリアミドなどのアミド類、Ｎ−メチルピロリドンなどの環状アミド類、テトラメチル尿素、１，３−ジメチル−２−イミダゾリジノンなどの尿素誘導体類、ジメチルスルホキシドなどのスルホキシド類、炭酸エチレン、炭酸プロピレンなどの炭酸エステル類、アセトニトリル、プロピオニトリル、ベンゾニトリルなどのニトリル類、ピリジン、キノリンなどの含窒素複素環化合物類、トリエチルアミン、トリエタノールアミン、ジエチルアミノアルコール、アニリンなどのアミン類、クロル酢酸、トリクロル酢酸、トリフルオロ酢酸、酢酸などの有機酸の他、ニトロメタン、二硫化炭素、スルホランなどの溶剤を用いることができる。これらの溶剤は、また、複数の種類のものを混合して用いてもよい。

さらに、有機系のマトリックス材料としては、液体状、固体状又はゴム状の有機高分子材料を使用することができる。その具体例としては、ポリスチレン、ポリ（α−メチルスチレン）、ポリインデン、ポリ（４−メチル−１−ペンテン）、ポリビニルピリジン、ポリビニルホルマール、ポリビニルアセタール、ポリビニルブチラール、ポリ酢酸ビニル、ポリビニルアルコール、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリビニルメチルエーテル、ポリビニルエチルエーテル、ポリビニルベンジルエーテル、ポリビニルメチルケトン、ポリ（Ｎ−ビニルカルバゾール）、ポリ（Ｎ−ビニルピロリドン）、ポリアクリル酸メチル、ポリアクリル酸エチル、ポリアクリル酸、ポリアクリロニトリル、ポリメタクリル酸メチル、ポリメタクリル酸エチル、ポリメタクリル酸ブチル、ポリメタクリル酸ベンジル、ポリメタクリル酸シクロヘキシル、ポリメタクリル酸、ポリメタクリル酸アミド、ポリメタクリロニトリル、ポリアセトアルデヒド、ポリクロラール、ポリエチレンオキシド、ポリプロピレンオキシド、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリカーボネート類（ビスフェノール類＋炭酸）、ポリ（ジエチレングリコール・ビスアリルカーボネイト）類、６−ナイロン、６，６−ナイロン、１２−ナイロン、６，１２−ナイロン、ポリアスパラギン酸エチル、ポリグルタミン酸エチル、ポリリジン、ポリプロリン、ポリ（γ−ベンジル−Ｌ−グルタメート）、メチルセルロース、エチルセルロース、ベンジルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロース、アセチルセルロース、セルローストリアセテート、セルローストリブチレート、アルキド樹脂（無水フタル酸＋グリセリン）、脂肪酸変性アルキド樹脂（脂肪酸＋無水フタル酸＋グリセリン）、不飽和ポリエステル樹脂（無水マレイン酸＋無水フタル酸＋プロピレングリコール）、エポキシ樹脂（ビスフェノール類＋エピクロルヒドリン）、ポリウレタン樹脂、フェノール樹脂、尿素樹脂、メラミン樹脂、キシレン樹脂、トルエン樹脂、グアナミン樹脂などの樹脂、ポリ（フェニルメチルシラン）などの有機ポリシラン、有機ポリゲルマン及びこれらの共重合・共重縮合体が挙げられる。また、二硫化炭素、四フッ化炭素、エチルベンゼン、パーフルオロベンゼン、パーフルオロシクロヘキサン又はトリメチルクロロシラン等、通常では重合性のない化合物をプラズマ重合して得た高分子化合物などを使用することができる。さらに、これらの有機高分子化合物に色素の残基をモノマー単位の側鎖として、もしくは架橋基として、共重合モノマー単位として、又は重合開始末端として結合させたものをマトリックス材料として使用することもできる。さらに、前記の色素残基とマトリックス材料が化学結合を形成していてもよい。

これらのマトリックス材料中へ色素を溶解又は分散させるには公知の方法を用いることができる。たとえば、色素とマトリックス材料を共通の溶媒中へ溶解して混合した後、溶媒を蒸発させて除去する方法、ゾルゲル法で製造する無機系マトリックス材料の原料溶液へ色素を溶解又は分散させてからマトリックス材料を形成する方法、有機高分子系マトリックス材料のモノマー中へ、必要に応じて溶媒を用いて、色素を溶解又は分散させてから該モノマーを重合ないし重縮合させてマトリックス材料を形成する方法、色素と有機高分子系マトリックス材料を共通の溶媒中に溶解した溶液を、色素及び熱可塑性の有機高分子系マトリックス材料の両方が不溶の溶剤中へ滴下し、生じた沈殿を濾別し乾燥してから加熱・溶融加工する方法などを好適に用いることができる。色素とマトリックス材料の組み合わせ及び加工方法を工夫することで、色素分子を凝集させ、「Ｈ会合体」や「Ｊ会合体」などと呼ばれる特殊な会合体を形成させられることが知られているが、マトリックス材料中の色素分子をこのような凝集状態もしくは会合状態を形成する条件で使用してもよい。

また、これらのマトリックス材料中へ前記の種々の微粒子を分散させるには公知の方法を用いることができる。たとえば、前記微粒子をマトリックス材料の溶液、又は、マトリックス材料の前駆体の溶液に分散した後、溶媒を除去する方法、有機高分子系マトリックス材料のモノマー中へ、必要に応じて溶媒を用いて、前記微粒子を分散させてから該モノマーを重合ないし重縮合させてマトリックス材料を形成する方法、微粒子の前駆体として、たとえば過塩素酸カドミウムや塩化金などの金属塩を有機高分子系マトリックス材料中へ溶解又は分散した後、硫化水素ガスで処理して硫化カドミウムの微粒子を、又は、熱処理することで金の微粒子を、それぞれマトリックス材料中に析出させる方法、化学的気相成長法、スパッタリング法などを好適に用いることができる。

色素を単独で、光散乱の少ない非晶質状態（アモルファス）の薄膜として存在させることができる場合は、マトリックス材料を用いずに、非晶質色素膜を光吸収層膜として用いることもできる。

また、色素を単独で、光散乱を起こさない微結晶凝集体として存在させることができる場合は、マトリックス材料を用いずに、色素の微結晶凝集体を光吸収層膜として用いることもできる。この出願の発明で用いられる熱レンズ形成素子におけるように、光吸収層膜としての色素微結晶凝集体が、熱レンズ形成層（樹脂など）、伝熱層膜（ガラスなど）及び保温層膜（樹脂など）の少なくとも一方と積層されて存在する場合、前記色素微小結晶の粒子径が信号光の波長と変換用光の波長を比べて短い方の波長の１／５を超えない大きさであれば、実質的に光散乱を起こさない。

［光吸収層膜の材料、信号光の波長帯域、及び変換用光の波長帯域の組み合わせ］
この出願の発明で使用される光吸収層膜の材料、信号光の波長帯域、及び変換用光の波長帯域は、これらの組み合わせとして、使用目的に応じて適切な組み合わせを選定し用いることができる。

具体的な設定手順としては、たとえば、まず、使用目的に応じて信号光と変換用光のそれぞれの波長ないし波長帯域の組合せを決定し、それらに最適な光吸収層膜の材料を選定すればよい。光の波長の組み合わせを選定すればよい。

［光吸収層膜の材料の組成、光吸収層膜中の光吸収層膜の膜厚、及び熱レンズ形成層の膜厚］
この出願の発明で用いられる熱レンズ形成素子において、光吸収層膜は、「光吸収膜」単独の単層膜、あるいは、「光吸収膜／熱レンズ形成層」という２層構造、又は、「光吸収膜／熱レンズ形成層／光吸収膜」という３層構造の積層型薄膜のいずれであってもよく、光吸収層膜全体の厚さは、収束された変換用光の共焦点距離の２倍を超えないことが好ましい。さらに、一層高速な応答速度を目指す場合は、前記積層型薄膜からなる光吸収層膜の厚さは、収束された変換用光の共焦点距離の１倍を超えないことが好ましい。

このような条件の中で、この出願の発明で用いられる光吸収層膜の材料の組成及び光吸収層膜中の光吸収膜（１又は２枚）の膜厚については、これらの組み合わせとして、光吸収層膜を透過する変換用光及び信号光の透過率を基準にして設定することができる。たとえば、まず、光吸収層膜の材料の組成の内、少なくとも変換用光あるいは信号光を吸収する成分の濃度を決定し、次いで、熱レンズ形成素子を透過する変換用光及び信号光の透過率が特定の値になるよう光吸収層膜中の光吸収膜（１又は２枚）の膜厚を設定することができる。又は、まず、たとえば装置設計上の必要に応じて、光吸収層膜中の光吸収膜（１又は２枚）の膜厚を特定の値に設定した後、熱レンズ形成素子を透過する変換用光及び信号光の透過率が特定の値になるよう光吸収層膜の材料の組成を調整することができる。

この出願の発明で用いられる熱レンズ形成素子から、できる限り低い光パワーで充分な大きさ及び高速度の熱レンズ効果を引き出すために最適な、光吸収層膜を透過する変換用光及び信号光の透過率の値は、それぞれ、次に示す通りである。

この出願の発明で用いられる熱レンズ形成素子においては、熱レンズ形成素子中の光吸収層膜を伝播する変換用光の透過率が９０％ないし０％になるよう光吸収層膜中の光吸収成分の濃度及び存在状態の制御、光吸収層膜中の光吸収膜（１又は２枚）の膜厚設定を行うことが推奨される。

一方、信号光を照射しない状態において、熱レンズ形成素子中の光吸収層膜を伝播する変換用光の透過率が下限として１０％以上、また、上限としては１００％に限りなく近づくよう光吸収層膜中の光吸収成分の濃度及び存在状態の制御、光吸収層膜中の光吸収膜（１又は２枚）の膜厚設定を行うことが推奨される。

光吸収層膜中の熱レンズ形成層膜厚の下限は、以下に記載するように、熱レンズ形成層の材料に応じて選定される。

［光吸収層膜中の熱レンズ形成層の材料及び熱レンズ形成層の膜厚］
単層の光吸収膜そのものが、熱レンズ形成層として作用してもよいが、光吸収と熱レンズ形成の機能を別々の材料に分担させて、各々選択された最適の材料を積層して使用することが好ましい。

光吸収層膜中の熱レンズ形成層の材料としては液体、液晶、及び、固体の材料を用いることができる。特に、熱レンズ形成層が、非晶質の有機化合物、有機化合物液体、及び液晶からなる群から選ばれる有機化合物からなると好適である。なお、熱レンズ形成層の材質が液晶及び液体の場合、たとえば、光吸収膜及び伝熱層膜の少なくとも一方を自己形態保持性の材質で作成し、熱レンズ形成層の厚さに相当する空乏を設け、そこへ流動状態の熱レンズ形成層材料を注入することで、熱レンズ形成層を作成することができる。一方、熱レンズ形成層の材質が固体の場合は、熱レンズ形成層の片面又は両面に光吸収膜を積層させて作成すればよい。

熱レンズ形成層の材質は単一でなくともよく、たとえば、複数種類の固体の積層膜であってもよく、また、固体と液体を積層させたものであってもよい。

熱レンズ形成層の厚さは、用いる材料の種類にもよるが、数ナノメートルから１ｍｍの範囲の厚さであればよく、数十ナノメートルから数百μｍの範囲であれば特に好適である。

前述のように、熱レンズ形成層と１又は２枚の光吸収膜を積層してなる光吸収層膜の合計の厚さは、収束された前記信号の共焦点距離の２倍を超えないことが好ましい。

光吸収層膜中の熱レンズ形成層の材料としては液体、液晶、及び、固体の材料を用いることができるが、いずれの場合も屈折率の温度依存性が大きい材料が好ましい。

代表的な有機化合物液体及び水の屈折率温度依存性の物性値は文献［Ｄ．Ｓｏｌｉｍｉｎｉ：Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，ｖｏｌ．３７，３３１４（１９６６）］に記載されている。波長６３３ｎｍの光に対する屈折率の温度変化［単位：１／Ｋ］は、水（０．８×１０^-4）よりもメタノール（３．９×１０^-4）などのアルコールが大きく、さらに、シクロペンタン（５．７×１０^-4）、ベンゼン（６．４×１０^-4）、クロロホルム（５．８×１０^-4）、ベンゼン（６．４×１０^-4）、二硫化炭素（７．７×１０^-4）などの非水素結合性有機溶剤が大きい。

光吸収層膜中の熱レンズ形成層の材料として液晶を用いる場合、液晶としては、公知の任意のものを使用することができる。具体的には、種々のコレステロール誘導体、４'−ｎ−ブトキシベンジリデン−４−シアノアニリン、４'−ｎ−ヘキシルベンジリデン−４−シアノアニリンなどの４'−アルコキシベンジリデン−４−シアノアニリン類、４'−エトキシベンジリデン−４−ｎ−ブチルアニリン、４'−メトキシベンジリデンアミノアゾベンゼン、４−（４'−メトキシベンジリデン）アミノビフェニル、４−（４'−メトキシベンジリデン）アミノスチルベンなどの４'−アルコキシベンジリデンアニリン類、４'−シアノベンジリデン−４−ｎ−ブチトキシアニリン、４'−シアノベンジリデン−４−ｎ−ヘキシルオキシアニリンなどの４'−シアノベンジリデン−４−アルコキシアニリン類、４'−ｎ−ブトキシカルボニルオキシベンジリデン−４−メトキシアニリン、ｐ−カルボキシフェニル・ｎ−アミルカーボネイト、ｎ−ヘプチル・４−（４'−エトキシフェノキシカルボニル）フェニルカーボネイトなどの炭酸エステル類、４−ｎ−ブチル安息香酸・４'−エトキシフェニル、４−ｎ−ブチル安息香酸・４'−オクチルオキシフェニル、４−ｎ−ペンチル安息香酸・４'−ヘキシルオキシフェニルなどの４−アルキル安息香酸・４'−アルコキシフェニルエステル類、４，４'−ジ−ｎ−アミルオキシアゾキシベンゼン、４，４'−ジ−ｎ−ノニルオキシアゾキシベンゼンなどのアゾキシベンゼン誘導体、４−シアノ−４'−ｎ−オクチルビフェニル、４−シアノ−４'−ｎ−ドデシルビフェニルなどの４−シアノ−４'−アルキルビフェニル類などの液晶、及び（２Ｓ，３Ｓ）−３−メチル−２−クロロペンタノイック酸・４'，４"−オクチルオキシビフェニル、４'−（２−メチルブチル）ビフェニル−４−カルボン酸・４−ヘキシルオキシフェニル、４'−オクチルビフェニル−４−カルボン酸・４−（２−メチルブチル）フェニルなどの強誘電性液晶を使用することができる。

光吸収層膜中の熱レンズ形成層の材料として固体の材料を用いる場合は、光散乱が小さく屈折率の温度依存性の大きな、非晶質の有機化合物が特に好適である。具体的には、前記マトリックス材料と同様に、種々の有機高分子材料の中から光学用樹脂として公知のものを選定して使用することができる。文献［技術情報協会編、「最新光学用樹脂の開発、特性と高精度部品の設計、成形技術」、技術情報協会（１９９３）、Ｐ．３５］に記載されている光学用樹脂の屈折率の温度変化［単位：１／Ｋ］は、たとえば、ポリ（メタクリル酸メチル）１．２×１０^-4、ポリカーボネート１．４×１０^-4、ポリスチレン１．５×１０^-4である。これらの樹脂を光吸収層膜中の熱レンズ形成層の材料として好適に使用することができる。

前記有機溶剤の屈折率温度依存性は前記光学用樹脂の場合よりも大きいというメリットがある反面、信号光照射による温度上昇が有機溶剤の沸点に到達すると沸騰してしまうという問題がある（高沸点の溶剤を用いる場合は問題ない）。これに対して、揮発性不純物を徹底的に除去した光学用樹脂は、たとえばポリカーボネートの場合、信号光照射による温度上昇が２５０℃を超えるような過酷な条件においても使用可能である。

［保温層膜］
保温層膜として気体を用いる場合は、空気の他、窒素、ヘリウム、ネオン、アルゴンなどの不活性ガスを好適に用いることができる。

保温層膜として液体を用いる場合は、熱伝導率が光吸収層膜と同等か光吸収層膜よりも小さい材質であって、かつ、変換用光及び信号光を透過し、光吸収層膜の材質を溶解又は腐食しないものであれば、任意の液体を用いることができる。たとえば、光吸収層膜がシアニン色素を含有したポリメタクリル酸メチルからなる場合、流動性パラフィンを用いることができる。

保温層膜として固体を用いる場合は、熱伝導率が光吸収層膜（光吸収膜及び熱レンズ形成層）と同等か光吸収層膜よりも小さい材質であって、かつ、偏光用光及び信号光を透過し、光吸収層膜や伝熱層膜の材質と反応しないものであれば、任意の固体を用いることができる。たとえば、光吸収膜がシアニン色素を含有したポリメタクリル酸メチルからなる場合、色素を含まないポリメタクリル酸メチル［３００Ｋにおける熱伝導率０．１５Ｗｍ^-1Ｋ^-1］を保温層膜として用いることができる。

［伝熱層膜の材料］
伝熱層膜としては、熱伝導率が光吸収層膜よりも大きい材質が好ましく、変換用光及び信号光を透過し、光吸収層膜や保温層膜の材質と反応しないものであれば、任意のものを用いることができる。熱伝導率が高く、かつ、可視光線の波長帯域における光吸収が小さい材質として、たとえば、ダイアモンド［３００Ｋにおける熱伝導率９００Ｗｍ^-1Ｋ^-1］、サファイア［同４６Ｗｍ^-1Ｋ^-1］、石英単結晶［ｃ軸に平行方向で同１０．４Ｗｍ^-1Ｋ^-1］、石英ガラス［同１．３８Ｗｍ^-1Ｋ^-1］、硬質ガラス［同１．１０Ｗｍ^-1Ｋ^-1］などを伝熱層膜として好適に用いることができる。

［光透過層の材料］
この出願の発明で用いられる熱レンズ形成素子は、信号光の収束手段としての屈折率分布型レンズが、光透過層を介して変換用光の入射側に積層されて設けられていてもよいが、光透過層の材質としては、固体の保温層膜及び／又は伝熱層膜の材質と同様のものを使用することができる。光透過層は、文字通り、信号光及び変換用光を効率よく透過させるだけでなく、屈折率分布型レンズを熱レンズ形成素子構成要素として接着するためのものである。いわゆる紫外線硬化型樹脂や電子線硬化型樹脂の内、信号光及び変換用光の波長帯域の光透過率の高いものを特に好適に用いることができる。

［熱レンズ形成素子の作成方法］
この出願の発明で用いられる熱レンズ形成素子の作成方法は、熱レンズ形成素子の構成及び使用する材料の種類に応じて任意に選定され、公知の方法を用いることができる。

たとえば、熱レンズ形成素子中の光吸収膜に用いられる光吸収性の材料が、前述のような単結晶の場合、単結晶の切削・研磨加工によって、光吸収膜を作成することができる。

たとえば、色素を含有したマトリックス材料からなる光吸収膜、光学用樹脂からなる熱レンズ形成層、及び光学ガラスを伝熱層膜として組み合わせて用いた「伝熱層膜／光吸収膜／熱レンズ形成層／光吸収膜／伝熱層膜」という構成の熱レンズ形成素子を作成する場合、以下に列挙するような方法によって、まず、伝熱層膜上に光吸収膜を作成することができる。

色素及びマトリックス材料を溶解した溶液を、伝熱層膜として用いられるガラス板上に塗布法、ブレードコート法、ロールコート法、スピンコート法、ディッピング法、スプレー法などの塗工法で塗工するか、あるいは、平版、凸版、凹版、孔版、スクリーン、転写などの印刷法で印刷して光吸収膜を形成する方法を用いてもよい。この場合、光吸収膜の形成にゾルゲル法による無機系マトリックス材料作成方法を利用することもできる。

電着法、電解重合法、ミセル電解法（特開昭６３−２４３２９８号公報）などの電気化学的成膜手法を用いることができる。

さらに、水の上に形成させた単分子膜を移し取るラングミア・ブロジェット法を用いることができる。

原料モノマーの重合ないし重縮合反応を利用する方法として、たとえば、モノマーが液体の場合、キャスティング法、リアクション・インジェクション・モールド法、プラズマ重合法、及び、光重合法などが挙げられる。

昇華転写法、蒸着法、真空蒸着法、イオンビーム法、スパッタリング法、プラズマ重合法、ＣＶＤ法、有機分子線蒸着法、などの方法を用いることもできる。

２成分以上の有機系光学材料を溶液又は分散液状態で各成分毎に設けた噴霧ノズルから高真空容器内に噴霧して基板上に堆積させ、加熱処理することを特徴とする複合型光学薄膜の製造方法（特許公報第２５９９５６９号）を利用することもできる。

以上のような固体の光吸収膜の作成方法は、たとえば、固体の有機高分子材料からなる保温層膜を作成する場合にも、好適に使用することができる。

次いで、熱可塑性の光学用樹脂を用いて熱レンズ形成層を作成する場合、真空ホットプレス法（特開平４−９９６０９号公報）を用いて「伝熱層膜／光吸収膜／熱レンズ形成層／光吸収膜／伝熱層膜」という構成の熱レンズ形成素子を作成することができる。すなわち、熱可塑性光学用樹脂の粉末又はシートを、上記の方法で表面に光吸収膜を形成した２枚の伝熱層膜（ガラス板）で挟み、高真空下、加熱・プレスすることによって、上記構成の積層型薄膜素子を作成することができる。

［屈折率分布型レンズの材料と作成方法］
この出願の発明で用いられる熱レンズ形成素子は、信号光の収束手段としての屈折率分布型レンズが、光透過層を介して信号光の入射側に積層されて設けられていてもよいが、この屈折率分布型レンズの材料と作成方法としては、公知の、任意のものを使用することができる。

たとえば、モノマーの浸透・拡散現象を利用して、屈折率分布型の屈折率分布型レンズを有機高分子系材質で作成することができる［Ｍ．Ｏｉｋａｗａ，Ｋ．Ｉｇａ，Ｔ．Ｓａｎａｄａ：Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ，２０（１），Ｌ５１−Ｌ５４（１９８１）］。すなわち、モノマー交換技術によって、屈折率分布レンズを平坦な基板上にモノリシックに作ることができ、たとえば、低屈折率プラスチックとしてのメタクリル酸メチル（ｎ＝１．４９４）を、３．６ｍｍφの円形ディスクのマスクのまわりから、高屈折率をもつポリイソフタル酸ジアクリル（ｎ＝１．５７０）の平坦なプラスチック基板中へ拡散させる。

また、無機イオンの拡散現象を利用し、屈折率分布型の屈折率分布型レンズを無機ガラス系材質で作成することができる［Ｍ．Ｏｉｋａｗａ，Ｋ．Ｉｇａ：Ａｐｐｌ．Ｏｐｔ．，２１（６），１０５２−１０５６（１９８２）］。すなわち、ガラス基板にマスクを付けてからフォトリソグラフィの手法により直径百μｍ前後の円形窓を設け、溶融塩に浸けてイオン交換により屈折率分布を形成させるに当たり、数時間に渡って電界を印加してイオン交換を促進させることによって、たとえば、直径０．９ｍｍ、焦点距離２ｍｍ、開口数ＮＡ＝０．２３のレンズを形成させることができる。

［光学セル］
色素溶液充填式熱レンズ形成素子で用いられる光学セルは、色素溶液を保持する機能、及び色素溶液に実効的に形態を付与し、光吸収層膜兼熱レンズ形成層として作用させる機能を有し、さらに、収束されて照射される信号光及び制御光を受光して光応答性塑性物へ信号光及び変換用光を伝播させる機能、及び光応答性組成物を透過した後、発散していく変換用光を伝播させて出射する機能を有するものである。

色素溶液充填式熱レンズ形成素子で用いられる光学セルの形態は外部形態と内部形態に大別される。

光学セルの外部形態は、この出願の発明の波長変換装置の構成に応じて、板状、直方体状、四角柱状などの形状のものが用いられる。

光学セルの内部形態とは、すなわち、色素溶液充填部の形態であり、色素溶液に、実効的に形態を付与するものである。この出願の発明の波長変換装置の構成に応じて、光学セルの内部形態は、具体的には、たとえば薄膜、厚膜、板状、直方体状、四角柱状、凸レンズ状、凹レンズ状などの中から適宜選択することができる。

光学セルの構成及び材質は、下記の要件を満たすものであれば任意のものを使用することができる。
（１）上記のような外部形態及び内部形態を、使用条件において精密に維持できること。（２）色素溶液に対して不活性であること・
（３）色素溶液を構成する諸成分の放散・透過・浸透による組成変化を防止できること。（４）色素溶液が、酸素や水などの使用環境に存在する気体あるいは液体と接触することによって劣化することを防げることができること。

光学セルの材質としては、具体的には、色素溶液の種類によらずソーダガラス、ホウセイ酸ガラスなどの種々の光学ガラス、石英ガラス、サファイアなどを好適に使用することができる。また、色素溶液の溶剤が水やアルコール系である場合、ポリ（メタクリル酸メチル）、ポリスチレン、ポリカーボネートなどのプラスチックを用いることもできる。

なお、上記要件のうち、色素溶液の組成変化や劣化を防止する機能は、熱レンズ形成素子としての設計寿命の範囲内に限り発揮すればよい。

この出願の発明で用いられる他の光学要素、すなわち、集光レンズ、受光レンズ、波長選択透過フィルターなどを前記光学セルに組み込んだ一体構造の光学セルを用いることができる。

［ビームウエスト直径の計算］
この出願の発明において熱レンズ効果を有効に利用するためには、焦点（集光点）近傍の光子密度が最も高い領域、すなわち「ビームウエスト」における変換用光のビーム断面積が、ビームウエストにおける信号光のビーム断面積を超えないように変換用光及び信号光のビーム断面の形状及び大きさをそれぞれ設定することが好ましい。

以下、進行方向ビーム断面の電場の振幅分布、すなわち光束のエネルギー分布がガウス分布となっているガウスビームの場合について述べる。なお、以下の説明では、ビーム収束手段として集光レンズ（屈折率分布型レンズ）を用いる場合について説明するが、収束手段が凹面鏡や屈折率分散型レンズであっても同様である。

ガウスビームを、集光レンズなどで、開き角２θで収束させたときの焦点（３０１）近傍における光線束及び波面（３００）の様子を図８に示す。ここで、波長λのガウスビームの直径２ωが最小になる位置を「ビームウエスト」という。以下、ビームウエスト直径を２ω₀で表すものとする。光の回折作用のため、２ω₀はゼロにはならず、有限の値をもつ。なお、ビーム半径ωやω₀の定義は、ガウスビームのビーム中心部分のエネルギーを基準として、エネルギーが１／ｅ²（ｅは自然対数の底）になる位置をビーム中心から測ったときの距離であり、ビーム直径は２ω又は２ω₀で表される。いうまでもなく、ビームウエストの中心において、光子密度は最も高い。

ガウスビームの場合、ビームウエストから充分に遠方でのビーム拡がり角θは波長λ及びビームウエスト径ω₀と、次の式〔１〕で関係付けられる。
（数１）
π・θ・ω₀ ≒ λ …〔１〕
ここで、πは円周率である。

「ビームウエストから充分に遠方」という条件を満たす場合に限りこの式を用いて、集光レンズに入射するビーム半径ω、集光レンズの開口数及び焦点距離から、集光レンズで集光されたビームウエスト径ω₀を計算することができる。

さらに一般的に、有効開口半径ａ及び開口数ＮＡの集光レンズで、ビーム半径ωの平行ガウスビーム（波長λ）を収束させた場合のビームウエスト直径２ω₀は、次の式〔２〕で表すことができる。
（数２）
２ω₀ ≒ ｋ・λ／ＮＡ …〔２〕
ここで、係数ｋは代数的に解くことができないため、レンズ結像面での光強度分布についての数値解析計算を行うことによって決定することができる。

集光レンズに入射するビーム半径ωと集光レンズの有効開口半径ａの比率を変えて、数値解析計算を行うと、式〔２〕の係数ｋの値は以下のように求まる。
（数３）
ａ／ω ＝ １ のとき ｋ ≒ ０．９２
ａ／ω ＝ ２ のとき ｋ ≒ １．３
ａ／ω ＝ ３ のとき ｋ ≒ １．９
ａ／ω ＝ ４ のとき ｋ ≒ ３
すなわち、集光レンズの有効開口半径ａよりもビーム半径ωが小さければ小さい程、ビームウエスト径ω₀は大きくなる。

たとえば、集光レンズとして開口数０．２５、有効開口半径約５ｍｍのレンズを用い、波長７８０ｎｍの偏光用光を収束したとき、集光レンズに入射するビーム半径ωが５ｍｍであればａ／ωは約１で、ビームウエストの半径ω₀は１．４μｍ、ωが１．２５ｍｍであればａ／ωは約４でω₀は４．７μｍと計算される。同様にして波長６３３ｎｍの信号光を収束したとき、ビーム半径ωが５ｍｍであればａ／ωは約１で、ビームウエストの半径ω₀は１．２μｍ、ωが１．２５ｍｍであればａ／ωは約４でω₀は３．８μｍと計算される。

この計算例から明らかなように、集光レンズの焦点近傍の光子密度が最も高い領域、すなわちビームウエストにおける光ビームの断面積を最小にするには、集光レンズに入射する光ビームの強度分布が平面波に近くなるまで、ビーム直径を拡大（ビームエキスパンド）すればよい。また、集光レンズへ入射するビーム直径が同一の場合、光の波長が短い程、ビームウエスト径は小さくなることも判る。

前述のように、この出願の発明において熱レンズ効果を有効に利用するためには、ビームウエスト近傍の光子密度が最も高い領域における変換用光のビーム断面積が、ビームウエストにおける信号光のビーム断面積を超えないように変換用光及び信号光のビーム断面の形状及び大きさをそれぞれ設定することが好ましい。変換用光及び信号光ともにガウスビームを用いる場合であれば、以上の説明及び計算式にしたがって、集光レンズなどの収束手段で収束する前の平行ビームの状態で、波長に応じて、変換用光及び信号光のビーム直径を、必要に応じてビームエキスパンドするなどして、調節することによって、ビームウエスト近傍の光子密度が最も高い領域における変換用光のビーム断面積が、ビームウエストにおける信号光のビーム断面積を超えないようにすることができる。ビームエキスパンドの手段としては、公知のもの、たとえば２枚の凸レンズからなるケプラー型の光学系を用いることができる。

［共焦点距離Ｚｃの計算］
一般に、ガウスビームの場合、凸レンズなどの収束手段で収束された光束のビームウエスト近傍、すなわち、焦点を挟んで共焦点距離Ｚｃの区間においては、収束ビームはほぼ平行光と見なすことができ、共焦点距離Ｚｃは、円周率π、ビームウエスト半径ω₀及び波長λを用いた式〔３〕で表すことができる。
（数４）
Ｚｃ ＝ πω₀ ²／λ …〔３〕
式〔３〕のω₀に式〔２〕を代入すると、式（４）が得られる。
（数５）
Ｚｃ ≒ π（ｋ／ＮＡ）²λ／４ …〔４〕
たとえば、集光レンズとして開口数０．２５、有効開口半径約５ｍｍのレンズを用い、波長７８０ｎｍの変換用光を収束したとき、集光レンズに入射するビーム半径ωが５ｍｍであればａ／ωは約１で、ビームウエストの半径ω₀は１．４μｍ、共焦点距離Ｚｃは８．３μｍ、ωが１．２５ｍｍであればａ／ωは約４でω₀は４．７μｍ、共焦点距離Ｚｃは８８μｍと計算される。同様にして波長６３３ｎｍの変化用光を収束したとき、ビーム半径ωが５ｍｍであればａ／ωは約１で、ビームウエストの半径ω₀は１．２μｍ、共焦点距離Ｚｃは６．７μｍ、ωが１．２５ｍｍであればａ／ωは約４でω₀は３．８μｍ、共焦点距離Ｚｃは７１μｍと計算される。

［集光レンズ及び受光レンズの開口数］
この出願の発明においては、変化用光及び信号光を同軸で集光レンズによって収束させて熱レンズ形成素子中に焦点を結ぶように照射しているが、熱レンズ形成素子から通常よりも大きい開き角度で出射する光を受光レンズで受光して平行光にコリメートする場合、この受光レンズの開口数（以下、ＮＡと呼ぶ。）は、集光レンズのＮＡよりも大きくなるよう設定することが推奨される。さらに受光レンズのＮＡは、集光レンズのＮＡの２倍以上が好ましい。ただし、集光レンズに入射するビーム半径ωよりも集光レンズの有効開口半径ａが大きい（すなわちａ／ω＞１）の場合は、集光レンズの実質的開口数は集光レンズの開口数よりも小さい。よって、受光レンズの開口数は、集光レンズ開口数ではなく集光レンズの実質的開口数よりも大きく、２倍以上に設定することが好ましい。受光レンズのＮＡを、集光レンズのＮＡの２倍以上とすることによって、信号光のビーム直径が熱レンズ形成素子へ入射する際の２倍以上まで拡大されても、損失なしに受光することが可能となる。

［光吸収層膜の最適膜厚］
光吸収層膜を構成する１又は２枚の光吸収膜の厚さを変えず、熱レンズ形成層の厚さを変えて試料を作製し、光学濃度一定で膜厚の異なる複数の熱レンズ形成素子について実験した結果、上記のようにして計算される共焦点距離Ｚｃの２倍を光吸収層膜の膜厚の上限としたとき、熱レンズ効果の光応答速度が充分高速になることが判った。

光吸収層膜の膜厚の下限については、熱レンズ効果が発揮できる限りにおいて、薄ければ薄いほど好ましい。

［保温層膜の膜厚］
保温層膜の膜厚には、光応答の大きさ及び速度の少なくとも一方を最大にするような最適値（下限値及び上限値）が存在する。その値は熱レンズ形成素子の構成、光吸収層膜の材質及び厚さ、保温層膜の材質、伝熱層膜の材質及び厚さなどに応じて、実験的に決定することができる。たとえば、伝熱層膜として通常の硼硅酸ガラス、保温層膜及び熱レンズ形成層の材質としてポリカーボネート、光吸収膜としてプラチナフタロシアニンの蒸着膜を用い、ガラス（伝熱層膜、膜厚１５０μｍ）／ポリカーボネート樹脂層（保温層）／プラチナフタロシアニン蒸着膜（光吸収膜、膜厚０．２μｍ）／ポリカーボネート樹脂層（熱レンズ形成層、膜厚２０μｍ）／プラチナフタロシアニン蒸着膜（光吸収膜、膜厚０．２μｍ）／ポリカーボネート樹脂層（保温層）／ガラス（伝熱層膜、膜厚１５０μｍ）という構成の熱レンズ形成素子を作成した場合、保温層膜の膜厚は好ましくは５ｎｍから５μｍであり、さらに好ましくは５０ｎｍから５００ｎｍである。

［伝熱層膜の膜厚］
伝熱層膜の膜厚にも、光応答の大きさ及び速度の少なくとも一方を最大にするような最適値（この場合は下限値）が存在する。その値は熱レンズ形成素子の構成、光吸収層膜の材質及び厚さ、保温層の材質及び厚さ、伝熱層膜の材質などに応じて、実験的に決定することができる。たとえば、伝熱層膜として通常の硼硅酸ガラス、保温層膜及び熱レンズ形成層の材質としてポリカーボネート、光吸収膜としてプラチナフタロシアニンの蒸着膜を用い、ガラス（伝熱層膜、膜厚１５０μｍ）／ポリカーボネート樹脂層（保温層）／プラチナフタロシアニン蒸着膜（光吸収膜、膜厚０．２μｍ）／ポリカーボネート樹脂層（熱レンズ形成層、膜厚２０μｍ）／プラチナフタロシアニン蒸着膜（光吸収膜、膜厚０．２μｍ）／ポリカーボネート樹脂層（保温層）／ガラス（伝熱層膜、膜厚１５０μｍ）という構成の熱レンズ形成素子を作成した場合、伝熱層膜の厚さの下限は、好ましくは１０μｍ、さらに好ましくは１００μｍである。なお、伝熱層膜の膜厚の上限については光応答の大きさ及び／又は速度からの制約はないが、用いられる集光レンズ及び受光レンズの方式、焦点距離及び作動距離（ワーキングディスタンス）と整合させて設計する必要がある。

従来の波長変換装置の一例を模式的に示す図である。 この出願の発明の波長変換装置の一実施形態の概念図である。 熱レンズ形成素子に使用される一例の光吸収層膜に用いる材料の波長と吸収 特性及び透過特性との関係を示す図である。 上記実施形態の概略装置構成例を示す図である。 熱レンズ形成素子の構成の一例を例示した断面図である。 熱レンズ形成素子の構成の別の一例を例示した断面図である。 色素溶液充填式熱レンズ形成素子を例示した模式図である。 集光レンズなどで収束されたガウスビームの焦点近傍における様子を示した図である。

１１ 熱レンズ形成素子
１２ 信号入力部（ファイバー増幅器）
１３ 変換用光光源（レーザダイオード）
１４ 信号光
１５ 変換用光
１５ａ 通常の開き角度の変換用光（変換光）
１５ｂ 通常の開き角度より大きい角度の変換用光（変換光）
１６ 変換光
２１、２２、２４、２５、２６、２７ レンズ
２３ 光混合器
３１ 信号出力部（光ファイバー）

Claims (2)

1. 特定の波長のパルス状信号光を入射する信号光入力部と、
   信号光とは異なる波長の変換用光を照射する変換用光光源と、
   信号光に対し吸収性を示し、変換用光に対し透過性を示す波長帯域を持つ光吸収層膜と、
   光吸収層膜に、信号光と変換用光が焦点を結ぶように各々収束させて照射する手段と、
   前記光吸収層膜を含み、前記光吸収層膜が信号光を吸収した領域及びその周辺領域に起こる温度上昇に起因して可逆的に生ずる屈折率の分布に基づいた熱レンズを用いることによって、信号光が照射されず熱レンズが形成されない場合は収束された変換用光が通常の開き角度で出射する状態と、制御光が照射されて熱レンズが形成される場合は収束された変換用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とを、信号光の照射の有無に対応させて実現させる熱レンズ形成素子と、
   出射した変換用光のうち、通常の開き角度よりも大きい角度で出射する変換用光のみを変換光として出射する変換光選択手段と、
   変換光選択手段からの変換光を集光して、入射した信号光とは異なる波長のパルス状変換光とする集光部を備えることを特徴とする波長変換装置。
2. 少なくとも、特定の波長のパルス状信号光に対し吸収性を示し、信号光とは異なる波長の変換用光に対し透過性を示す波長帯域を持つ光吸収層膜を含む熱レンズ形成素子の光吸収層膜に、信号光と変換用光が焦点を結ぶように各々収束させて照射し、前記光吸収層膜が信号光を吸収した領域及びその周辺領域に起こる温度上昇に起因して可逆的に生ずる屈折率の分布に基づいた熱レンズを用いることによって、信号光が照射されず熱レンズが形成されない場合は収束された変換用光が通常の開き角度で出射する状態と、制御光が照射されて熱レンズが形成される場合は収束された変換用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とを、信号光の照射の有無に対応させて実現させ、
   出射した変換用光のうち、通常の開き角よりも大きい角度で出射する変換用光のみを変換光として選択的に出射させ、
   出射した変換光を集光して、入射した信号光とは異なる波長のパルス状変換光とすることを特徴とする波長変換方法。