JP5868339B2 - 波長板装填光導波路 - Google Patents

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。

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。

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。

（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）。

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。

（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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

特許第３５０１２３５号公報 特許第３６３２２２０号公報 特許第３６７７６３２号公報 特許第３８４２１０２号公報

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。 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。 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。 光配向させた溝内重合性液晶の偏光顕微鏡写真である。 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。 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。 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。 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。 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。 重合性液晶のΔｎの温度依存性を示すグラフである。 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。

［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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

［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。

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。

［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。

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。

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。

［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。

通常の重合性液晶の複屈折率ｎ_e,ｎ_o（ｎ_e：ｅｘｔｒａｏｒｄｉｎａｒｙ（異常光）、ｎ_o：ｏｒｄｉｎａｒｙ（常光））は温度と共に減少し、さらにΔｎ＝ｎ_e−ｎ_o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。

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。

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。

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

Claims (10)

1. 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個以上の溝の前記コアが露出した対向する壁面に、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て充填され、配向方向が前記液晶用配向膜の配向方向にしたがって固定された、重合性液晶と
   を有することを特徴とする光導波路。
2. 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ることを特徴とする光導波路。
3. 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、前記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、Δｎ×Ｌ×ｎ＝λ／２あるいはλ／４となるように、前記溝幅Ｌが決められていることを特徴とする光導波路。
4. 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とされていることを特徴とする光導波路。
5. 請求項１乃至４のいずれか記載の光導波路において、前記重合性液晶の上にヒーター電極を備え、配向した前記重合性液晶の屈折率異方性を温度で制御することを特徴とする光導波路。
6. 請求項１記載の光導波路において、充填された前記重合性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液晶であることを特徴とする光導波路。
7. 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の溝の前記コアが露出した対向する壁面には０度方向に配向させられた液晶用配向膜と、
   前記第２の溝の前記コアが露出した対向する壁面には４５度方向に配向させられた液晶用配向膜と、
   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液晶用配向膜に挟まれて充填され、配向方向が、前記液晶用配向膜の配向方向にしたがって固定された重合性液晶と、
   前記重合性液晶の上にヒーター電極と、
   を備え、配向した前記重合性液晶の屈折率異方性を温度で制御することを特徴とする偏波コントローラ。
8. 請求項１記載の光導波路の製造方法であって、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光導波路の製造方法。
9. 請求項１記載の光導波路の製造方法であって、前記溝の形成方法が、反応性イオンエッチングであることを特徴とする光導波路の製造方法。
10. 請求項４記載の光導波路の製造方法であって、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、前記溝の対向する前記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を、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とすることを特徴とする光導波路の製造方法。