JP5580068B2 - Optical device - Google Patents

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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。   The present invention relates to an optical device that controls propagation characteristics of an optical fiber.

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。   An optical switch that removes a part of the cladding of an optical fiber to turn light on and off is known (Patent Document 1). In this optical switch, one of an on-side switch body and an off-side switch body acting as an optical medium is selectively disposed around the exposed core. The refractive index of the on-side switch body is lower than the refractive index of the core, and the refractive index of the off-side switch body is higher than the refractive index of the core. A liquid such as ethylene tetrafluoride is used for the on-side switch body, and ferromagnetic fine particles are used for the off-side switch body. On / off switching is performed by moving the ferromagnetic fine particles with a magnet.

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。   A technique is known in which an optical waveguide in which a pair of cores having a rectangular cross section are embedded in a substrate acting as a clad is operated as an optical switch (Patent Document 2). The substrate between the pair of cores is removed, and this portion is filled with a liquid crystal material. Switching is performed by controlling the alignment of the liquid crystal material.

実開昭59−66203号公報Japanese Utility Model Publication No.59-66203 特開2003−222915号公報JP 2003-222915 A

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。   In the optical switch that moves the ferromagnetic fine particles, the switching speed is limited by the moving time of the ferromagnetic fine particles. For this reason, it is difficult to increase the switching speed. In the structure in which the core is embedded in the substrate, the core embedded in the substrate and the core of the optical fiber must be connected.

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。   The objective of this invention is providing the optical apparatus which can control the propagation characteristic of an optical fiber at high speed.

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、コレス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垂直配向させる電界を印加する電極と
を有し、
前記液晶分子を、垂直配向したネマチック相とコレステリックブルー相の間でスイッチングする光学装置が提供される。
According to one aspect of the invention,
An optical fiber in which the clad surrounds the core and the clad is removed in a part of the length direction;
A liquid crystal material arranged so as to surround a portion of the optical fiber where the cladding is removed, and expressing a cholesteric blue phase;
An electrode for applying an electric field for vertically aligning liquid crystal molecules in the liquid crystal material,
An optical device is provided that switches the liquid crystal molecules between a vertically aligned nematic phase and a cholesteric blue phase.

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。   The optical properties of the liquid crystal material differ between a state in which a cholesteric blue phase is developed and a state in which an electric field is applied by an electrode. This changes the propagation characteristics of the optical fiber. The response speed can be increased compared to the case where the optical medium is mechanically moved.

(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。(1A) is a cross-sectional plan view of the optical device according to Example 1, and (1B) is a cross-sectional view taken along one-dot chain line 1B-1B of (1A). (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。(2A) is a schematic diagram of a cross section of the liquid crystal material and the core when no voltage is applied, and (2B) is a schematic diagram of a cross section of the liquid crystal material and the core when a voltage is applied. (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。(3A) and (3Ba) are plan views in the course of manufacturing the optical device according to Example 1, and (3Bb) is a cross-sectional view taken along one-dot chain line 3Bb-3Bb in (3Ba). (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。(3Ca) and (3Da) are plan views in the course of manufacturing the optical device according to the first embodiment, and (3Cb) and (3Db) are cross-sectional views taken along the alternate long and short dash line 3Cb-3Cb and (3Da), respectively. It is sectional drawing in dashed-dotted line 3Db-3Db. (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。(3E) and (3F) are cross-sectional views in the course of manufacturing the optical device according to Example 1. (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。(4A) is a cross-sectional plan view of the optical device according to Example 2, and (4B) is a cross-sectional view taken along one-dot chain line 4B-4B in (4A).

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。   FIG. 1A is a plan sectional view of the optical device according to the first embodiment. FIG. 1B is a cross-sectional view taken along one-dot chain line 1B-1B in FIG. 1A. A cross-sectional view taken along one-dot chain line 1A-1A in FIG. 1B corresponds to FIG. 1A.

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。   In a partial region 23 in the length direction of the optical fiber 20 in which the core 21 is covered with the clad 22, the clad 22 is removed and the core 21 is exposed. For example, the core 21 has a diameter of 10 μm, and the optical fiber 20 including the cladding 22 has a diameter of 30 μm. A general optical fiber having a cladding outer diameter of about 125 μm may be used. The space on the side of the core 21 in the region 23 where the cladding is removed is filled with the liquid crystal material 18. The liquid crystal material 18 is sandwiched between the first substrate 10 and the second substrate 12 that are arranged in parallel to each other. For the first substrate 10 and the second substrate 12, for example, a glass substrate having a thickness of 0.7 mm is used. A plastic substrate may be used instead of the glass substrate.

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。   A sealing member 15 disposed between the first substrate 10 and the second substrate 12 seals the space filled with the liquid crystal material 18. The seal member 15 is in contact with the side surface of the core 21 between the end portion of the clad 22 and the space filled with the liquid crystal material 18. The refractive index of the seal member 15 is lower than the refractive index of the core 21. For this reason, the seal member 15 acts as a clad of the optical fiber 20.

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。   A first electrode 11 and a second electrode 13 are formed on the inner surfaces of the first substrate 10 and the second substrate 12, respectively. For example, an indium tin oxide (ITO) film having a thickness of 150 nm is used for the first electrode 11 and the second electrode 13. The first electrode 11 and the second electrode 13 are led out from the space closed by the seal member 15 in a direction perpendicular to the axial direction of the optical fiber 20. The direction in which the first electrode 11 is derived (downward in FIG. 1A) is opposite to the direction in which the second electrode 13 is derived. That is, on one side of the optical fiber 20 (the lower side of the optical fiber 20 in FIG. 1A), the first electrode 11 and the seal member 15 overlap, and on the other side (the upper side of the optical fiber 20 in FIG. 1A), The second electrode 13 and the seal member 15 overlap. When the three members of the seal member 15, the first electrode 11, and the second electrode 13 overlap, the overlapped portion causes deterioration. In Example 1, since the area | region where these three members overlap does not exist, degradation can be suppressed.

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。   The drive power supply 25 applies an alternating drive voltage to the first electrode 11 and the second electrode 13 via the switch 26.

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。   The liquid crystal material 18 has, for example, positive dielectric anisotropy and refractive index anisotropy, and develops a cholesteric blue phase (hereinafter simply referred to as “blue phase”) within an operating temperature range when no voltage is applied. . As the liquid crystal material 18, it is preferable to use a material containing a polymer network and expressing a polymer-stabilized blue phase. The polymer stabilized blue phase will be described in detail later.

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、異常光線屈折率をn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+n)/3になる。 The blue phase is a liquid crystal phase that appears between a chiral nematic phase having a relatively short helical pitch and an isotropic phase, and is optically isotropic. It is known that there are three types of blue phases called blue phase I, blue phase II, and blue phase III from the low temperature side. Blue phase I has body-centered cubic symmetry, blue phase II has simple cubic symmetry, and blue phase III has isotropic symmetry. The ordinary refractive index of the liquid crystal material 18 n o, the extraordinary ray refractive index n e. The blue phase is optically isotropic and its refractive index is (2n o + n e ) / 3.

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+n)/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。 FIG. 2A schematically shows a cross section of the liquid crystal material 18 and the core 21 when no voltage is applied. The liquid crystal material 18 exhibits a blue phase. The refractive index (2n o + ne ) / 3 of the blue phase is lower than the refractive index of the core 21. For this reason, the liquid crystal material 18 acts as a clad. Therefore, the light propagating along the core 21 on one side of the region 23 where the cladding 22 is removed propagates as it is in the region 23 where the cladding 22 is removed, and reaches the core 21 on the other side. The state when no voltage is applied is referred to as a “transmission state”.

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と、異常光線屈折率nとを持つ屈折率異方性を示す。異常光線屈折率n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。 FIG. 2B schematically shows a cross section of the liquid crystal material 18 and the core 21 when a voltage is applied. The liquid crystal material 18 is aligned to be in a homeotropic alignment state. The liquid crystal material of the homeotropic alignment state 18 is the refractive index anisotropy with the ordinary refractive index n o, and the extraordinary ray refractive index n e. The extraordinary ray refractive index ne is higher than the refractive index of the core 21. Therefore, components affected by the extraordinary refractive index n e of the light propagating along the core 21, from leaking from the core 21 in the liquid crystal material 18. For this reason, the light propagating in the optical fiber 20 is attenuated in the region 23 where the cladding 22 is removed. The state when the voltage is applied is referred to as an “attenuation state”.

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。   Thus, by applying a voltage between the first electrode 11 and the second electrode 13, the propagation characteristic of the optical fiber 20 can be changed. Switching between the transmission state and the attenuation state is performed at a speed at which the alignment state of the liquid crystal molecules changes. For this reason, compared with the case where an optical medium is moved mechanically, switching can be performed at high speed.

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。   In the optical communication system, the region 23 from which the cladding is removed can be operated as an optical switch. It is also possible to operate as a relatively low-speed optical modulator. When the optical fiber 20 is used for transmission of illumination light, the region 23 from which the cladding is removed can be operated as a dimmer. By collecting the light leaking from the optical fiber 20 in the region 23 where the cladding is removed, it is possible to function as an optical branching unit.

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。   With reference to FIGS. 3A to 3F, a method of manufacturing an optical device according to the first embodiment will be described.

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。   As shown in FIG. 3A, the first electrode 11 is formed on a part of the surface of the first substrate 10, and the second electrode 13 is formed on a part of the surface of the second substrate 12. Patterning of the first electrode 11 and the second electrode 13 made of ITO can be performed using a well-known photolithography technique. For etching ITO, for example, aqua regia mixed acid or ferric chloride can be used. After forming the electrodes, the first substrate 10 and the second substrate 12 are cleaned. In the cleaning step, for example, brush cleaning using an alkaline detergent, pure water cleaning, air blowing, ultraviolet irradiation, and infrared drying are performed in this order. High pressure spray cleaning or plasma cleaning may be used.

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。   As shown in FIG. 3Ba, a seal member 15 is formed on the surface of the first substrate 10. FIG. 3Bb is a cross-sectional view taken along one-dot chain line 3Bb-3Bb in FIG. 3Ba. For the seal member 15, for example, an ultraviolet curable sealant is used. As shown in FIG. 1B, since the optical fiber 20 has a function of adjusting the distance between the first substrate 10 and the second substrate 12, it is not necessary to add a gap control agent to the sealing agent. For the application of the sealing agent, for example, a screen printing method, a dispenser method, or the like can be used.

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。   As shown in FIG. 3Ba, the seal member 15 is disposed so as to surround a region where the liquid crystal material is disposed. If the seal member 15 is disposed in a portion overlapping the core, the seal member 15 spreads in the plane when the optical fiber is mounted. In order to prevent the seal member 15 from spreading, a groove 15A in which the seal member 15 is not disposed is provided in a portion overlapping the core of the optical fiber. Note that the entire coating amount of the seal member 15 may be reduced, and the seal member 15 may be disposed in a portion overlapping the core. By reducing the coating amount, the in-plane spread of the seal member 15 when the optical fiber is mounted is suppressed.

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。   As shown in FIG. 3Ca, the liquid crystal material 18 is dropped on the first substrate 10 in the region surrounded by the seal member 15. A dispenser method can be used for dropping the liquid crystal material 18. Hereinafter, a method for adjusting the liquid crystal material 18 will be described.

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。 Nematic liquid crystal composition JC1041-XX (manufactured by Chisso Corporation) and 4-cyano-4′-pentylbiphenyl (manufactured by Merck Corporation) are mixed in an equimolar ratio. Refractive index anisotropy Δn of JC1041-XX is 0.142, ordinary refractive index n o is 1.507. Refractive index anisotropy Δn of 4-cyano-4'-pentyl-biphenyl is 0.184, ordinary refractive index n o is 1.534. To this mixed liquid crystal composition, ZLI-4572 (manufactured by Merck & Co., Inc.) is added as a chiral agent so as to be 5.6 mol%.

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。   A monofunctional photopolymerizable monomer and a bifunctional photopolymerizable monomer are mixed at a molar ratio of 70:30 to prepare a mixed monomer. As the monofunctional monomer, 2-ethylhexyl acrylate (manufactured by Sigma-Aldrich Japan) can be used, and as the bifunctional monomer, RM257 (manufactured by Merck) can be used. A photopolymerization initiator 2,2-dimethoxy-2-phenylacetophenone (DMPAP) is added so as to be 5 mol% based on the mixed monomer.

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。   The liquid crystal material 18 is prepared by adding the mixed monomer so as to be 8 mol% with respect to the mixed liquid crystal composition containing the chiral agent. It is also possible to use materials other than those exemplified as the liquid crystal composition, chiral agent, photopolymerizable monomer, and photopolymerization initiator. However, the photopolymerizable monomer preferably includes both a monofunctional monomer and a bifunctional monomer.

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。   As shown in FIG. 3Da, a portion of the cladding 22 of the optical fiber 20 is removed. 3Db is a cross-sectional view taken along one-dot chain line 3Db-3Db in FIG. 3Da. For removing the clad 22, for example, hydrofluoric acid or buffered hydrofluoric acid can be used. The optical fiber 20 is mounted on the first substrate 10. The exposed portion of the core 21 is accommodated in the groove 15 </ b> A of the seal member 15 and penetrates the liquid crystal material 18. The end surface of the clad 22 is in contact with the outer side surface of the seal member 15. For example, the refractive index of the core 21 is 1.6, and the refractive index of the cladding 22 is 1.57.

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。   As shown in FIG. 3E, the second substrate 12 is overlaid on the first substrate 10. At this time, the seal member 15 is crushed and slightly spreads in the in-plane direction. Further, the seal member 15 also enters the space below and above the exposed core 21, and the space in which the liquid crystal material 18 is confined is sealed. The optical fiber 20 plays a role of adjusting the distance between the first substrate 10 and the second substrate 12. The step of overlaying the second substrate 12 on the first substrate 10 may be performed in a vacuum. The first substrate 10, the second substrate 12, the liquid crystal material 18, and the like are heated to cause the liquid crystal material 18 to develop a blue phase.

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。 As shown in FIG. 3F, the liquid crystal material 18 is irradiated with ultraviolet rays in a wavelength region of 365 nm in a state where a blue phase is developed. By the ultraviolet irradiation, the photopolymerizable monomer in the liquid crystal material 18 is polymerized and the seal member 15 is cured. The ultraviolet intensity is, for example, 30 mW / cm 2 . In the ultraviolet irradiation process, for example, an irradiation period of 1 second and a non-irradiation period of 10 seconds are alternately repeated 10 times, and then continuous irradiation for 3 minutes is performed. The intensity of ultraviolet rays is not limited to the above range. However, if the intensity of ultraviolet light is weakened, it is necessary to lengthen the irradiation time.

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。   Polymerization of the photopolymerizable monomer forms a polymer network in the liquid crystal material 18. When the polymer network is formed, the temperature range in which the liquid crystal material 18 develops a blue phase is expanded. In Example 1, the liquid crystal material 18 exhibits a blue phase in a wide temperature range of −5 ° C. to 60 ° C. The temperature range in which the blue phase is developed can be expanded depending on the materials used, the mixing ratio, the polymerization conditions, and the like. A blue phase including a polymer network and having an expanded temperature range of the blue phase is referred to as a “polymer stabilized blue phase”.

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及び異常光線屈折率nは、それぞれ1.521及び1.683である。異常光線屈折率nがコア21の屈折率よりも高いため、異常光線屈折率n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。 The refractive index of the liquid crystal material 18 in a state where the blue phase is expressed is 1.574, which is lower than the refractive index 1.6 of the core 21. For this reason, the liquid crystal material 18 acts as a clad. Ordinary refractive index n o and the extraordinary ray refractive index n e of the liquid crystal material 18 of the homeotropic alignment state, respectively 1.521 and 1.683. For extraordinary refractive index n e is higher than the refractive index of the core 21, the light affected by the extraordinary refractive index n e is not confined to the core 21, from leaking into the liquid crystal material 18.

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。   When a driving voltage of 200 V is applied under the condition of room temperature, the response time to change from the blue phase to the homeotropic alignment state is about 30 μs, and the response time to change from the homeotropic alignment state to the blue phase Was about 15 μs. This response time is shorter than the time for mechanically moving the optical medium disposed around the exposed core 21. For this reason, the transmission state and the attenuation state can be switched at high speed.

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。   In the first embodiment, the dropping injection method (ODF method) is used for filling the liquid crystal material 18, but a vacuum injection method may be used. When the vacuum injection method is used, the seal member 15 provided with the injection port is cured before filling with the liquid crystal material. After curing, the liquid crystal material 18 is injected into the seal member 15 from the injection port, and finally the portion through which the injection port and the core pass is closed with a sealant. When the vacuum injection method is applied, a thermosetting sealant can be used as the seal member 15.

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。   The liquid crystal material 18 is not limited to that exemplified in the first embodiment. As the liquid crystal material 18, another liquid crystal material that exhibits a collective blue phase having a refractive index lower than that of the core 21 can be used. When refractive index anisotropy is manifested when voltage is applied, at least one refractive index component is preferably larger than the refractive index of the core 21. By becoming larger than the refractive index of the core 21, light propagating along the core 21 leaks out of the core 21.

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。   Since the structure of the optical device according to the first embodiment is a hermetically sealed type, the optical device is hardly affected by the environment in which the device is installed. For example, since it is hardly affected by dust or the like, it can be used indoors.

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。   In the first embodiment, an example in which the liquid crystal material 18 is sandwiched between a pair of flat plates is shown, but the structure for confining the liquid crystal material 18 is not limited to the illustrated example. For example, the liquid crystal material 18 may be filled in a cylinder such as a quadrangular prism or a cylinder that surrounds the exposed core. In addition, after the liquid crystal material 18 and the exposed core are arranged in the casing in which one surface of the hexahedron is opened, the opened one surface may be closed with a lid.

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。   FIG. 4A is a plan sectional view of the optical device according to the second embodiment. FIG. 4B is a cross-sectional view taken along one-dot chain line 4B-4B in FIG. 4A. A cross-sectional view taken along one-dot chain line 4A-4A in FIG. 4B corresponds to FIG. 4A. Hereinafter, description will be made by paying attention to differences from the optical device according to the first embodiment shown in FIGS. 1A and 1B, and description of the same configuration will be omitted.

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。   In the first embodiment, the seal member 15 is in contact with the exposed portion of the core 21, but in the second embodiment, the seal member 15 is in contact with the clad 22. For this reason, the liquid crystal material 18 is disposed around the core 21 over the entire length direction of the exposed portion of the core 21. In this configuration, the seal member 15 does not affect the propagation of light in the optical fiber 20. For this reason, the freedom degree of selection of the sealing member 15 increases.

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。   Although the present invention has been described with reference to the embodiments, the present invention is not limited thereto. It will be apparent to those skilled in the art that various modifications, improvements, combinations, and the like can be made.

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
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 1st board | substrate 11 1st electrode 12 2nd board | substrate 13 2nd electrode 15 Seal member 18 Liquid crystal material 20 Optical fiber 21 Core 22 Clad 23 The area | region 25 from which the clad was removed 25 Drive power supply 26 Switch

Claims (4)

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、コレス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垂直配向させる電界を印加する電極と
を有し、
前記液晶分子を、垂直配向したネマチック相とコレステリックブルー相の間でスイッチングする光学装置。
An optical fiber in which the clad surrounds the core and the clad is removed in a part of the length direction;
A liquid crystal material arranged so as to surround a portion of the optical fiber where the cladding is removed, and expressing a cholesteric blue phase;
An electrode for applying an electric field for vertically aligning liquid crystal molecules in the liquid crystal material,
An optical device for switching the liquid crystal molecules between a vertically aligned nematic phase and a cholesteric blue phase.
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。   The liquid crystal material when the refractive index of the liquid crystal material expressing a cholesteric blue phase is lower than the refractive index of the core of the optical fiber, and anisotropy is developed in the refractive index by applying an electric field to the liquid crystal material The optical device according to claim 1, wherein a component having the highest refractive index is higher than a refractive index of the core. 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とし、異常光線屈折率をnとしたとき、nが前記光ファイバのコアの屈折率よりも高く、(n+2n)/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。 Wherein the refractive index anisotropy of the liquid crystal material is positive, the ordinary refractive index of the liquid crystal material and n o, when the extraordinary refractive index was n e, n e is higher than the refractive index of the core of the optical fiber The optical device according to claim 1, wherein (n e + 2n o ) / 3 is lower than a refractive index of a core of the optical fiber. 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。
further,
A pair of substrates disposed on both sides of the portion where the cladding of the optical fiber is removed and sandwiching the liquid crystal material;
A sealing member disposed between the substrates and sealing a space where the liquid crystal material is disposed, and the electrodes are formed on inner surfaces of the pair of substrates. 4. The optical device according to any one of 3.
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