JP7426468B2 - 光通信デバイス - Google Patents

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Description

本発明は、光通信デバイスに関する。
年々増加する通信データ量に伴い、通信デバイスは高容量化が求められている。高容量化のため、波長分割多重通信(ＷＤＭ：Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘ)が採用されており、その実現には専用の光源ユニット（波長ロッカー）が大きな役割を果たしている（例えば特許文献１）。
また、光ファイバを電気信号に変換するカプラ（例えば特許文献２）、および、光マルチプレクサあるいは波長デマルチプレクサ（例えば特許文献３）等の高性能化も、高容量通信の実現に寄与している。
国際公開第２０１６／２０１６２５号 国際公開第２０１６／２０６５３７号 国際公開第２０１８／０１０６７５号
特許文献１では、波長ロッカーの中に、光源、コリメートレンズ、光アイソレータ、エタロン、および、集光レンズが実装されており、特にコリメートレンズおよび集光レンズは、ガラスあるいは石英等の無機光学材料が適用されている。光学的な要請、あるいは、加工や実装上の制約のため、これらのレンズは比較的大型なものである。
同様に、カプラ、光マルチプレクサ、および、波長デマルチプレクサ等においても同様のコリメートレンズあるいはコリメートレンズアレイが使用される場合があり、実装上のサイズに制約をもたらす。通信の高容量化は、単にファイバ１本あたりの通信容量のみならず、受送信処理装置が占有するスペースあたり情報処理容量もまた重要とされており、受送信処理装置を構成する各デバイスやその部材ひとつひとつにも、より一層の小型化が求められている。
そこで、本発明は、より小型化したレンズ素子を用いる光通信デバイスの提供を課題とする。
具体的には、このレンズ素子を用いる、波長ロッカーおよびそれを用いる光送信器光学アセンブリ、波長デマルチプレクサ、光ディスプレーサおよびそれを用いる光結合システム、ならびに、光スイッチングシステム等を含む光通信デバイスを提供することを課題とする。
本発明者らは、以下の構成により上記課題が解決できることを見出した。
［１］ レンズ素子として、液晶化合物を含む組成物を用いて形成された光学異方性層を有する液晶回折レンズ素子を有し、
液晶回折レンズ素子の光学異方性層は、液晶化合物に由来する光学軸の向きが、一方向に向かって連続的に回転しながら変化している液晶配向パターンを、内側から外側に向かう放射線状に有し、かつ、
液晶配向パターンにおいて、液晶化合物に由来する光学軸の向きが連続的に回転しながら変化する一方向における、液晶化合物に由来する光学軸の向きが１８０°回転する長さを１周期とした際に、１周期の長さが内側から外側に向かって、漸次、短くなるものである、光通信デバイス。
［２］ レーザと、波長ロッカー部とを有し、
波長ロッカー部が、コリメートレンズと、コリメートレンズを透過した光の進行方向を規制する光アイソレータと、光アイソレータを透過した光を処理するエタロンとを有するもので、かつ、コリメートレンズが液晶回折レンズ素子である、
波長ロッカーとして作用する、［１］に記載の光通信デバイス。
［３］ 波長ロッカー部が、光の進行方向のエタロンの下流に集光レンズを有する、［２］に記載の光通信デバイス。
［４］ コリメートレンズと光アイソレータとが一体化されている、［２］または［３］に記載の光通信デバイス。
［５］ 基体と、
基体に保持される、光ファイバを接続するためのソケット、ソケットに接続された光ファイバが出射する光が透過するコリメートレンズ、コリメートレンズを透過した光を波長分離するデマルチプレクサブロック、および、デマルチプレクサブロックによって波長分離された各波長域の光を集光する複数の集光レンズを有する集光レンズアレイと、を有し、
集光レンズアレイの集光レンズが液晶回折レンズ素子である、
波長デマルチプレクサとして作用する、［１］に記載の光通信デバイス。
［６］ 光の進行方向のデマルチプレクサブロックの下流に、基体に保持される、デマルチプレクサブロックによって波長分離された各波長域の光を折り曲げるフォールディングプリズムを有する、［５］に記載の光通信デバイス。
［７］ デマルチプレクサブロックが保持される面を基体の表面とした際に、集光レンズアレイは、基体の裏面に保持されており、
フォールディングプリズムによって折り曲げられた光は、基体を透過して集光レンズアレイに入射する、［６］に記載の光通信デバイス。
［８］ 偏光分離する光ディスプレーサを含むものであり、
光ディスプレーサが、入射側レンズ素子と、入射側レンズ素子を透過した光を偏光分離する複屈折板とを有し、
入射側レンズ素子が、液晶回折レンズ素子である、［１］に記載の光通信デバイス。
［９］ 光ディスプレーサが、光の進行方向の複屈折板の下流に、複屈折板で偏光分離された光の光路を調節する出射側レンズ素子を有する、［８］に記載の光通信デバイス。
［１０］ 光ファイバを有し、入射側レンズ素子は、光ファイバから出射された光が透過する、［８］または［９］に記載の光通信デバイス。
［１１］ 光の進行方向の光ディスプレーサの下流に、格子カプラを含むフォトニックデバイスを有し、偏光多重モード光受信機として機能する、［８］～［１０］のいずれかに記載の光通信デバイス。
［１２］ コリメートレンズと、コリメートレンズを透過した光を波長分離する分光素子と、分光素子によって波長分離された光を変調する空間変調素子と、を有し、コリメートレンズが、液晶回折レンズ素子である、
光スイッチングシステムとして作用する、［１］に記載の光通信デバイス。
本発明によれば、小型化したレンズ素子を用いる光通信デバイスを提供できる。
また、本発明によれば、このレンズ素子を用いる波長ロッカーおよび波長デマルチプレクサ等を有する光通信デバイスを提供できる。
図１は、本発明の光通信デバイスで用いる液晶回折レンズ素子の一例を概念的に示す図である。 図２は、図１に示す液晶回折レンズ素子の層構成の一例を概念的に示す図である。 図３は、液晶回折レンズ素子の別の例の液晶配向パターンを説明するための概念図である。 図４は、図３に示す液晶回折レンズ素子の作用を説明するための概念図である。 図５は、図３に示す液晶回折レンズ素子の作用を説明するための概念図である。 図６は、配向膜を露光する露光装置の一例の概念図である。 図７は、本発明の光通信デバイスを構成する波長ロッカーを含む光送信器光学アセンブリの一例を概念的に示す図である。 図８は、レンズ素子と光アイソレータとが一体化されたレンズ－光アイソレータ一体型素子の一例を概念的に示す図である。 図９は、本発明の光通信デバイスを構成する波長デマルチプレクサの一例を概念的に示す側面図である。 図１０は、図９に示す波長デマルチプレクサの正面を概念的に示す図である。 図１１は、図９に示す波長デマルチプレクサの別の側面を概念的に示す図である。 図１２は、本発明の光通信デバイスを構成する光ディスプレーサ、およびそれを含む光結合システムの一例を概念的に示す図である。 図１３は、本発明の光通信デバイスを構成する光スイッチングシステム、およびそれを含む光結合システムの一例を概念的に示す図である。
以下、本発明について詳細に説明する。
以下に記載する構成要件の説明は、本発明の代表的な実施態様に基づいてなされることがあるが、本発明はそのような実施態様に限定されるものではない。
なお、本明細書において、「～」を用いて表される数値範囲は、「～」の前後に記載される数値を下限値および上限値として含む範囲を意味する。
本発明の通信デバイスは、レンズ素子として、液晶化合物を含む組成物を用いて形成された、液晶化合物に由来する光学軸の向きが、一方向に向かって連続的に回転しながら変化している液晶配向パターンを、内側から外側に向かう放射線状に有する光学異方性層を有する液晶回折レンズ素子を含む。
このような液晶回折レンズ素子の好ましい光学異方性層の一例として、図１の平面図に概念的に示すような液晶配向パターンを有する光学異方性層が例示される。
上述のように、本発明の通信デバイスにおいては、レンズ素子として光学異方性層２６を有する液晶回折レンズ素子１０を用いる。この液晶回折レンズ素子１０の光学異方性層２６は、液晶化合物に由来する光学軸の向きが、一方向に向かって連続的に回転しながら変化している液晶配向パターンを、内側から外側に向かう放射線状に有する。すなわち、図１に示す光学異方性層２６の液晶配向パターンは、液晶化合物３０に由来する光学軸の向きが連続的に回転しながら変化する一方向を内側から外側に向かう同心円状に有する、同心円状のパターンである。
なお、図１～図４においては、液晶化合物３０として、棒状液晶化合物を例示しているので、光学軸の方向は、液晶化合物３０の長手方向に一致する。
光学異方性層２６では、液晶化合物３０の光学軸の向きは、光学異方性層２６の中心から外側に向かう多数の方向、例えば、矢印Ａ1で示す方向、矢印Ａ2で示す方向、矢印Ａ3で示す方向、矢印Ａ4で示す方向…に沿って、連続的に回転しながら変化している。
従って、光学異方性層２６において、液晶化合物３０の光学軸の回転方向は、全ての方向（一方向）で同じ方向である。図示例では、矢印Ａ1で示す方向、矢印Ａ2で示す方向、矢印Ａ3で示す方向、および、矢印Ａ4で示す方向の全ての方向で、液晶化合物３０の光学軸の回転方向は、反時計回りである。
すなわち、矢印Ａ1と矢印Ａ4とを１本の直線と見なすと、この直線上では、光学異方性層２６の中心で、液晶化合物３０の光学軸の回転方向が逆転する。一例として、矢印Ａ1と矢印Ａ4とが成す直線が、図中右方向（矢印Ａ1方向）に向かうとする。この場合には、液晶化合物３０の光学軸は、最初は、光学異方性層２６の外方向から中心に向かって時計回りに回転し、光学異方性層２６の中心で回転方向が逆転し、その後は、光学異方性層２６の中心から外方向に向かって反時計回りに回転する。
また、液晶回折レンズ素子１０の光学異方性層２６において、液晶配向パターンは、液晶化合物３０の光学軸の向きが連続的に回転しながら変化する一方向における、液晶化合物に由来する光学軸の向きが１８０°回転する長さを１周期とした際に、１周期の長さが内側から外側に向かって、漸次、短くなる。
この液晶配向パターンを有する光学異方性層２６に入射した円偏光は、液晶化合物３０の光学軸の向きが異なる個々の局所的な領域において、それぞれ、絶対位相が変化する。この際に、それぞれの絶対位相の変化量は、円偏光が入射した液晶化合物３０の光学軸の向きに応じて異なる。
液晶化合物３０の光学軸の向きが、一方向に向かって連続的に回転しながら変化する液晶配向パターンを有する光学異方性層（液晶光学素子）では、透過する光の屈折方向は、液晶化合物３０の光学軸の回転方向に依存する。すなわち、この液晶配向パターンでは、液晶化合物３０の光学軸の回転方向が逆の場合には、透過する光の屈折方向は、光学軸が回転する一方向に対して逆方向になる。
また、光学異方性層２６による回折角度は、１周期が短いほど、大きくなる。すなわち、光学異方性層２６による光の屈折は、１周期が短いほど、大きくなる。
従って、このような同心円状の液晶配向パターン、すなわち、放射状に光学軸が連続的に回転して変化する液晶配向パターンを有する光学異方性層２６は、液晶化合物３０の光学軸の回転方向および入射する円偏光の旋回方向に応じて、複数の入射光（光ビーム）を、発散または集束して透過できる。液晶回折レンズ素子１０はこの原理を利用して、入射光のコリメート、および、入射光の集光等を行う。
以下、この液晶回折レンズ素子１０について、より詳細に説明する。
図２に、液晶回折レンズ素子１０の層構成を概念的に示す。
図２に示す液晶回折レンズ素子１０は、一例として、支持体２０と、配向膜２４と、上述した光学異方性層２６とを有する。
なお、本発明の通信デバイスにおいて、液晶回折レンズ素子の層構成は、これに制限はされない。すなわち、液晶回折レンズ素子は、図２に示す液晶回折レンズ素子１０から支持体２０を剥離した、配向膜２４と光学異方性層２６とで構成されるものあってもよい。あるいは、液晶回折レンズ素子は、図２に示す液晶回折レンズ素子１０から支持体２０および配向膜２４を剥離した、光学異方性層２６のみで構成されるものあってもよい。あるいは、液晶回折レンズ素子は、光学異方性層２６に、別の基材などのシート状物を貼着したものであってもよい。
すなわち、本発明の通信デバイスにおいて、液晶回折レンズ素子は、上述した、液晶化合物に由来する光学軸の向きが、一方向に向かって連続的に回転しながら変化している液晶配向パターンを、内側から外側に向かう放射線状（同心円状）に有する光学異方性層を有するものであれば、各種の層構成が利用可能である。
＜＜支持体＞＞
液晶回折レンズ素子１０において、支持体２０は、配向膜２４、および、光学異方性層２６を支持するものである。
支持体２０は、配向膜２４および光学異方性層２６を支持できるものであれば、各種のシート状物（フィルム、板状物）が利用可能である。
支持体２０としては、透明支持体が好ましく、ポリメチルメタクリレート等のポリアクリル系樹脂フィルム、セルローストリアセテート等のセルロース系樹脂フィルム、シクロオレフィンポリマー系フィルム（例えば、商品名「アートン」、ＪＳＲ社製、商品名「ゼオノア」、日本ゼオン社製）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリカーボネート、および、ポリ塩化ビニル等を挙げることができる。支持体は、可撓性のフィルムに限らず、ガラス基板等の非可撓性の基板であってもよい。
支持体２０の厚さには、制限はなく、液晶回折レンズ素子１０の用途および支持体２０の形成材料等に応じて、配向膜および光学異方性層を保持できる厚さを、適宜、設定すればよい。
支持体２０の厚さは、１～１０００μｍが好ましく、３～２５０μｍがより好ましく、５～１５０μｍがさらに好ましい。
＜＜配向膜＞＞
液晶回折レンズ素子１０において、支持体２０の表面には配向膜２４が形成される。
配向膜２４は、液晶回折レンズ素子１０の光学異方性層２６を形成する際に、液晶化合物３０を所定の液晶配向パターンに配向するための配向膜である。
上述のように、本発明でレンズ素子として用いる液晶回折レンズ素子１０において、光学異方性層２６は、液晶化合物３０に由来する光学軸３０Ａ（図３参照）の向きが、面内の一方向（上述した矢印Ａ１方向等）に沿って連続的に回転しながら変化している液晶配向パターンを、内側から外側に向かって放射線状に有する。言い換えれば、本発明でレンズ素子として用いる液晶回折レンズ素子１０において、光学異方性層２６の液晶配向パターンは、液晶化合物３０に由来する光学軸の向きが連続的に回転しながら変化する一方向を、内側から外側に向かう同心円状に有する、同心円状のパターンである。
また、本発明においては、光学異方性層２６の液晶配向パターンは、光学軸３０Ａの向きが連続的に回転しながら変化する一方向において、光学軸３０Ａの向きが１８０°回転する長さを１周期（光学軸の回転周期）とした際に、１周期の長さが、内側から外側に向かって、漸次、短くなる。すなわち、光学異方性層２６の液晶配向パターンは、１周期の長さが、中心から外側に向かって、漸次、短くなる。
従って、液晶回折レンズ素子１０の配向膜は、光学異方性層２６が、この液晶配向パターンを形成できるように、形成される。
以下の説明では、『光学軸３０Ａの向きが回転』を単に『光学軸３０Ａが回転』とも言う。
配向膜は、公知の各種のものが利用可能である。
例えば、ポリマーなどの有機化合物からなるラビング処理膜、無機化合物の斜方蒸着膜、マイクログルーブを有する膜、ならびに、ω－トリコサン酸、ジオクタデシルメチルアンモニウムクロライドおよびステアリル酸メチルなどの有機化合物のラングミュア・ブロジェット法によるＬＢ（Langmuir-Blodgett：ラングミュア・ブロジェット）膜を累積させた膜、等が例示される。
ラビング処理による配向膜は、ポリマー層の表面を紙または布で一定方向に数回こすることにより形成できる。
配向膜に使用する材料としては、ポリイミド、ポリビニルアルコール、特開平９－１５２５０９号公報に記載された重合性基を有するポリマー、特開２００５－０９７３７７号公報、特開２００５－０９９２２８号公報、および、特開２００５－１２８５０３号公報記載の配向膜等の形成に用いられる材料が好ましく例示される。
液晶回折レンズ素子１０においては、配向膜は、光配向性の素材に偏光または非偏光を照射して配向膜とした、いわゆる光配向膜が好適に利用される。すなわち、液晶回折レンズ素子１０においては、配向膜２４として、支持体２０上に、光配向材料を塗布して形成した光配向膜が、好適に利用される。
偏光の照射は、光配向膜に対して、垂直方向または斜め方向から行うことができ、非偏光の照射は、光配向膜に対して、斜め方向から行うことができる。
本発明に利用可能な光配向膜に用いられる光配向材料としては、例えば、特開２００６－２８５１９７号公報、特開２００７－０７６８３９号公報、特開２００７－１３８１３８号公報、特開２００７－０９４０７１号公報、特開２００７－１２１７２１号公報、特開２００７－１４０４６５号公報、特開２００７－１５６４３９号公報、特開２００７－１３３１８４号公報、特開２００９－１０９８３１号公報、特許第３８８３８４８号公報および特許第４１５１７４６号公報に記載のアゾ化合物、特開２００２－２２９０３９号公報に記載の芳香族エステル化合物、特開２００２－２６５５４１号公報および特開２００２－３１７０１３号公報に記載の光配向性単位を有するマレイミドおよび／またはアルケニル置換ナジイミド化合物、特許第４２０５１９５号および特許第４２０５１９８号に記載の光架橋性シラン誘導体、特表２００３－５２０８７８号公報、特表２００４－５２９２２０号公報および特許第４１６２８５０号に記載の光架橋性ポリイミド、光架橋性ポリアミドおよび光架橋性エステル、ならびに、特開平９－１１８７１７号公報、特表平１０－５０６４２０号公報、特表２００３－５０５５６１号公報、国際公開第２０１０／１５０７４８号、特開２０１３－１７７５６１号公報および特開２０１４－０１２８２３号公報に記載の光二量化可能な化合物、特にシンナメート化合物、カルコン化合物およびクマリン化合物等が、好ましい例として例示される。
中でも、アゾ化合物、光架橋性ポリイミド、光架橋性ポリアミド、光架橋性エステル、シンナメート化合物、および、カルコン化合物は、好適に利用される。
配向膜の厚さには制限はなく、配向膜の形成材料に応じて、必要な配向機能を得られる厚さを、適宜、設定すればよい。
配向膜の厚さは、０．０１～５μｍが好ましく、０．０５～２μｍがより好ましい。
配向膜の形成方法には、制限はなく、配向膜の形成材料に応じた公知の方法が、各種、利用可能である。一例として、配向膜を支持体２０の表面に塗布して乾燥させた後、配向膜をレーザ光によって露光して、配向パターンを形成する方法が例示される。
図６に、配向膜を露光して、この配向パターンを有する配向膜２４を形成する露光装置の一例を概念的に示す。
露光装置８０は、レーザ８２を備えた光源８４と、レーザ８２からのレーザ光ＭをＳ偏光ＭＳとＰ偏光ＭＰとに分割する偏光ビームスプリッタ８６と、Ｐ偏光ＭＰの光路に配置されたミラー９０ＡおよびＳ偏光ＭＳの光路に配置されたミラー９０Ｂと、Ｓ偏光ＭＳの光路に配置されたレンズ９２と、偏光ビームスプリッタ９４と、λ／４板９６とを有する。
偏光ビームスプリッタ８６で分割されたＰ偏光ＭＰは、ミラー９０Ａによって反射されて、偏光ビームスプリッタ９４に入射する。他方、偏光ビームスプリッタ８６で分割されたＳ偏光ＭＳは、ミラー９０Ｂによって反射され、レンズ９２によって集光されて偏光ビームスプリッタ９４に入射する。
Ｐ偏光ＭＰおよびＳ偏光ＭＳは、偏光ビームスプリッタ９４で合波されて、λ／４板９６によって偏光方向に応じた右円偏光および左円偏光となって、支持体２０の上の配向膜２４に入射する。
ここで、右円偏光と左円偏光の干渉により、配向膜２４に照射される光の偏光状態が干渉縞状に周期的に変化するものとなる。同心円の内側から外側に向かうにしたがい、左円偏光と右円偏光の交差角が変化するため、内側から外側に向かってピッチが変化する露光パターンが得られる。これにより、配向膜２４において、配向状態が周期的に変化する放射線状（同心円状）の配向パターンが得られる。
この露光装置８０において、液晶化合物３０の光軸が一方向に沿って連続的に１８０°回転する液晶配向パターンの１周期は、レンズ９２の屈折力（レンズ９２のＦナンバー）、レンズ９２の焦点距離、および、レンズ９２と配向膜２４との距離等を変化させることで、制御できる。
また、レンズ９２の屈折力（レンズ９２のＦナンバー）を調節することによって、光軸が連続的に回転する一方向において、液晶配向パターンの１周期の長さを変更できる。
具体的には、平行光と干渉させる、レンズ９２で広げる光の広がり角によって、光軸が連続的に回転する一方向において、液晶配向パターンの１周期の長さを変えることができる。より具体的には、レンズ９２の屈折力を弱くすると、平行光に近づくため、液晶配向パターンの１周期の長さΛは、内側から外側に向かって緩やかに短くなり、Ｆナンバーは大きくなる。逆に、レンズ９２の屈折力を強めると、液晶配向パターンの１周期の長さΛは、内側から外側に向かって急に短くなり、Ｆナンバーは小さくなる。
なお、上述のように、液晶回折レンズ素子１０において、配向膜２４は、好ましい態様として設けられるものであり、必須の構成要件ではない。
例えば、支持体２０をラビング処理する方法、支持体２０をレーザ光等で加工する方法等によって、支持体２０に配向パターンを形成することにより、光学異方性層２６等が、液晶化合物３０に由来する光学軸３０Ａの向きが、放射線状（同心円状）に一方向に沿って連続的に回転しながら変化している液晶配向パターンを有する構成とすることも、可能である。
＜＜光学異方性層＞＞
図２に示す液晶回折レンズ素子１０において、配向膜２４の表面には、光学異方性層２６が形成される。
なお、図１（および、後述する図４および図５）においては、図面を簡略化して液晶回折レンズ素子１０の構成を明確に示すために、光学異方性層２６は、共に、配向膜２４の表面の液晶化合物３０（液晶化合物分子）のみを示している。しかしながら、光学異方性層２６は、図２に概念的に示すように、通常の液晶化合物を含む組成物を用いて形成された光学異方性層と同様に、配向された液晶化合物３０が積み重ねられた構造を有する。
前述のように、液晶回折レンズ素子１０において、光学異方性層２６は、液晶化合物を含む組成物を用いて形成されたものである。
光学異方性層２６は、面内レタデーションの値をλ／２に設定した場合に、一般的なλ／２板（１／２波長板）としての機能を有する。すなわち、面内レタデーションの値をλ／２に設定した光学異方性層２６は、入射した光に含まれる互いに直交する２つの直線偏光成分に、半波長すなわち１８０°の位相差を与える機能を有している。
光学異方性層２６は、光学異方性層の面内において、液晶化合物に由来する光学軸の向きが一方向（図１の矢印Ａ1～矢印Ａ4方向など）に連続的に回転しながら変化する液晶配向パターンを、内側から外側に向かう放射線状に有する。すなわち、光学異方性層２６の液晶配向パターンは、液晶化合物３０に由来する光学軸の向きが連続的に回転しながら変化する一方向を内側から外側に向かう同心円状に有する、同心円状のパターンである。
なお、液晶化合物３０に由来する光学軸３０Ａとは、液晶化合物３０において屈折率が最も高くなる軸、いわゆる遅相軸である。例えば、液晶化合物３０が棒状液晶化合物である場合には、光学軸３０Ａは、棒形状の長軸方向に沿っている。
以下の説明では、液晶化合物３０に由来する光学軸３０Ａを、『液晶化合物３０の光学軸３０Ａ』または『光学軸３０Ａ』とも言う。
以下、この光学異方性層２６について、図３に平面図を概念的に示す、光学軸３０Ａが矢印Ａで示す一方向に連続的に回転しながら変化する液晶配向パターンを有する光学異方性層２６Ａを参照して、説明する。
図１に示す、光学軸が連続的に回転しながら変化する一方向を、内側から外側に向かう放射線状（同心円状）に有する液晶配向パターンにおいても、光学軸が連続的に回転しながら変化する一方向に関しては、図３に示す液晶配向パターンと同様の光学的な作用効果を発現する。
光学異方性層２６Ａにおいて、液晶化合物３０は、矢印Ａで示す一方向と、この矢印Ａ方向と直交するＹ方向とに平行な面内に二次元的に配列している。なお、後述する図４および図５では、Ｙ方向は、紙面に直交する方向となる。
以下の説明では、『矢印Ａで示す一方向』を単に『矢印Ａ方向』とも言う。
図１に示す光学異方性層２６においては、同心円状の液晶配向パターンにおける、同心円の円周方向が、図３におけるＹ方向に相当する。
なお、平面図とは、光学異方性層２６Ａを厚さ方向（＝各層（膜）の積層方向）から見た図である。言い換えれば、光学異方性層２６を主面と直交する方向から見た図である。なお、主面とは、シート状物（板状物、フィルム、層）における最大面である。
また、図３では、液晶回折レンズ素子１０の構成を明確に示すために、図１と同様、液晶化合物３０は配向膜２４の表面の液晶化合物３０のみを示している。しかしながら、この光学異方性層２６Ａも、厚さ方向には、図２に示されるように、この配向膜の表面の液晶化合物３０から、液晶化合物３０が積み重ねられた構造を有する。
光学異方性層２６Ａは、光学異方性層２６Ａの面内において、液晶化合物３０に由来する光学軸３０Ａの向きが、矢印Ａ方向に沿って連続的に回転しながら変化する液晶配向パターンを有する。
液晶化合物３０の光学軸３０Ａの向きが矢印Ａ方向（所定の一方向）に連続的に回転しながら変化しているとは、具体的には、矢印Ａ方向に沿って配列されている液晶化合物３０の光学軸３０Ａと、矢印Ａ方向とが成す角度が、矢印Ａ方向の位置によって異なっており、矢印Ａ方向に沿って、光学軸３０Ａと矢印Ａ方向とが成す角度がθからθ＋１８０°あるいはθ－１８０°まで、順次、変化していることを意味する。
なお、矢印Ａ方向に互いに隣接する液晶化合物３０の光学軸３０Ａの角度の差は、４５°以下であるのが好ましく、１５°以下であるのがより好ましく、より小さい角度であるのがさらに好ましい。
一方、光学異方性層２６Ａを形成する液晶化合物３０は、矢印Ａ方向と直交するＹ方向、すなわち光学軸３０Ａが連続的に回転する一方向と直交するＹ方向では、光学軸３０Ａの向きが等しい液晶化合物３０が等間隔で配列されている。
言い換えれば、光学異方性層２６を形成する液晶化合物３０において、Ｙ方向に配列される液晶化合物３０同士では、光学軸３０Ａの向きと矢印Ａ方向とが成す角度が等しい。
図１に示す光学異方性層２６においては、中心を一致する円環状に、光学軸３０Ａの向きが同じである領域が形成される。
光学軸３０Ａが一方向に向かって連続的に回転する液晶配向パターンにおいては、液晶化合物３０の光学軸３０Ａが１８０°回転する長さ（距離）を、液晶配向パターンにおける１周期の長さΛとする。
すなわち、図３に示す光学異方性層２６Ａであれば、面内で光学軸３０Ａの向きが連続的に回転して変化する矢印Ａ方向において、液晶化合物３０の光学軸３０Ａが１８０°回転する長さ（距離）を、液晶配向パターンにおける１周期の長さΛとする。言い換えれば、液晶配向パターンにおける１周期の長さは、液晶化合物３０の光学軸３０Ａと矢印Ａ方向とのなす角度がθからθ＋１８０°となるまでの距離により定義される。
すなわち、矢印Ａ方向に対する角度が等しい２つの液晶化合物３０の、矢印Ａ方向の中心間の距離を、１周期の長さΛとする。具体的には、図３に示すように、矢印Ａ方向と光学軸３０Ａの方向とが一致する２つの液晶化合物３０の、矢印Ａ方向の中心間の距離を、１周期の長さΛとする。
以下の説明では、この１周期の長さΛを『１周期Λ』とも言う。
光学異方性層２６Ａ（光学異方性層２６）において、光学異方性層の液晶配向パターンは、この１周期Λを、矢印Ａ方向すなわち光学軸３０Ａの向きが連続的に回転して変化する一方向に繰り返す。
なお、光学軸３０Ａが連続的に回転する液晶配向パターンを、放射線状（同心円状）に有する、本発明の通信デバイスに用いられる液晶回折レンズ素子１０は、光学異方性層２６における、１周期Λは、内側（中心）から外側に向かって、漸次、短くなる。
前述のように光学異方性層２６Ａにおいて、Ｙ方向に配列される液晶化合物は、光学軸３０Ａと矢印Ａ方向（液晶化合物３０の光学軸の向きが回転する１方向）とが成す角度が等しい。この光学軸３０Ａと矢印Ａ方向とが成す角度が等しい液晶化合物３０が、Ｙ方向に配置された領域を、領域Ｒとする。
この場合に、それぞれの領域Ｒにおける面内レタデーション（Ｒｅ）の値は、半波長すなわちλ／２であるのが好ましい。これらの面内レタデーションは、領域Ｒの屈折率異方性に伴う屈折率差Δｎと光学異方性層の厚さとの積により算出される。ここで、光学異方性層における領域Ｒの屈折率異方性に伴う屈折率差とは、領域Ｒの面内における遅相軸の方向の屈折率と、遅相軸の方向に直交する方向の屈折率との差により定義される屈折率差である。すなわち、領域Ｒの屈折率異方性に伴う屈折率差Δｎは、光学軸３０Ａの方向の液晶化合物３０の屈折率と、領域Ｒの面内において光学軸３０Ａに垂直な方向の液晶化合物３０の屈折率との差に等しい。つまり、上記屈折率差Δｎは、液晶化合物の屈折率差に等しい。
なお、光学軸３０Ａが一方向に向かって連続的に回転する液晶配向パターンを、放射線状に有する、本発明の通信デバイスに用いられる液晶回折レンズ素子１０においては、図１に示す光学異方性層２６では、中心を一致して円環状に形成される、光学軸３０Ａの向きが同じである領域が、図３における領域Ｒに相当する。
このような光学異方性層２６Ａに円偏光が入射すると、光は、屈折され、かつ、円偏光の方向が変換される。
この作用を、図４および図５に概念的に示す。光学異方性層２６Ａは、液晶化合物の屈折率差と光学異方性層の厚さとの積の値がλ／２であるとする。
なお、上述のように、この作用は、光学軸３０Ａが一方向に向かって連続的に回転する液晶配向パターンを、放射線状に有する、本発明の通信デバイスに用いられる液晶回折レンズ素子１０においても、全く同様である。
図４に示すように、光学異方性層２６の液晶化合物の屈折率差と光学異方性層の厚さとの積の値がλ／２の場合に、光学異方性層２６に左円偏光である入射光Ｌ1が入射すると、入射光Ｌ1は、光学異方性層２６Ａを通過することにより１８０°の位相差が与えられて、透過光Ｌ2は、右円偏光に変換される。
また、入射光Ｌ1は、光学異方性層２６Ａを通過する際に、それぞれの液晶化合物３０の光学軸３０Ａの向きに応じて絶対位相が変化する。このとき、光学軸３０Ａの向きは、矢印Ａ方向に沿って回転しながら変化しているため、光学軸３０Ａの向きに応じて、入射光Ｌ1の絶対位相の変化量が異なる。さらに、光学異方性層２６Ａに形成された液晶配向パターンは、矢印Ａ方向に周期的なパターンであるため、光学異方性層２６を通過した入射光Ｌ1には、図４に示すように、それぞれの光学軸３０Ａの向きに対応した矢印Ａ方向に周期的な絶対位相Ｑ１が与えられる。これにより、矢印Ａ方向に対して逆の方向に傾いた等位相面Ｅ１が形成される。
そのため、透過光Ｌ2は、等位相面Ｅ１に対して垂直な方向に向かって傾くように屈折（回折）され、入射光Ｌ1の進行方向とは異なる方向に進行する。このように、左円偏光の入射光Ｌ1は、入射方向に対して矢印Ａ方向に一定の角度だけ傾いた、右円偏光の透過光Ｌ2に変換される。
一方、図５に概念的に示すように、光学異方性層２６Ａの液晶化合物の屈折率差と光学異方性層の厚さとの積の値がλ／２のとき、光学異方性層２６Ａに右円偏光の入射光Ｌ4が入射すると、入射光Ｌ4は、光学異方性層２６を通過することにより、１８０°の位相差が与えられて、左円偏光の透過光Ｌ5に変換される。
また、入射光Ｌ4は、光学異方性層２６Ａを通過する際に、それぞれの液晶化合物３０の光学軸３０Ａの向きに応じて絶対位相が変化する。このとき、光学軸３０Ａの向きは、矢印Ａ方向に沿って回転しながら変化しているため、光学軸３０Ａの向きに応じて、入射光Ｌ4の絶対位相の変化量が異なる。さらに、光学異方性層２６Ａに形成された液晶配向パターンは、矢印Ａ方向に周期的なパターンであるため、光学異方性層２６を通過した入射光Ｌ4は、図５に示すように、それぞれの光学軸３０Ａの向きに対応した矢印Ａ方向に周期的な絶対位相Ｑ２が与えられる。
ここで、入射光Ｌ4は、右円偏光であるので、光学軸３０Ａの向きに対応した矢印Ａ方向に周期的な絶対位相Ｑ２は、左円偏光である入射光Ｌ1とは逆になる。その結果、入射光Ｌ4では、入射光Ｌ1とは逆に矢印Ａ方向に傾斜した等位相面Ｅ２が形成される。
そのため、入射光Ｌ4は、等位相面Ｅ２に対して垂直な方向に向かって傾くように屈折され、入射光Ｌ4の進行方向とは異なる方向に進行する。このように、入射光Ｌ4は、入射方向に対して矢印Ａ方向とは逆の方向に一定の角度だけ傾いた左円偏光の透過光Ｌ5に変換される。
光学異方性層２６において、複数の領域Ｒの面内レタデーションの値は、半波長であるのが好ましいが、波長が５５０ｎｍである入射光に対する光学異方性層２６の複数の領域Ｒの面内レタデーションＲｅ（５５０）＝Δｎ550×ｄが下記式（１）に規定される範囲内であるのが好ましい。ここで、Δｎ550は、入射光の波長が５５０ｎｍである場合の、領域Ｒの屈折率異方性に伴う屈折率差であり、ｄは、光学異方性層２６の厚さである。
２００ｎｍ≦Δｎ550×ｄ≦３５０ｎｍ・・・（１）
なお、いわゆるλ／２板として機能するのは光学異方性層２６である。しかしながら、本発明では、支持体２０および配向膜２４を有する場合には、これらを一体的に備えた積層体がλ／２板として機能する態様を含む。
ここで、光学異方性層２６Ａは、形成された液晶配向パターンの１周期Λを変化させることにより、透過光Ｌ2およびＬ5の屈折の角度を調節できる。具体的には、液晶配向パターンの１周期Λが短いほど、互いに隣接した液晶化合物３０を通過した光同士が強く干渉するため、透過光Ｌ2およびＬ5を大きく屈折させることができる。
また、入射光Ｌ1およびＬ4に対する透過光Ｌ2およびＬ5の屈折の角度は、入射光Ｌ1およびＬ4（透過光Ｌ2およびＬ5）の波長によって異なる。具体的には、入射光の波長が長いほど、透過光は大きく屈折する。すなわち、入射光が赤色光、緑色光および青色光である場合には、赤色光が最も大きく屈折し、青色光の屈折が最も小さい。
さらに、矢印Ａ方向に沿って回転する、液晶化合物３０の光学軸３０Ａの回転方向を逆方向にすることにより、透過光の屈折の方向を、逆方向にできる。
上述したように、本発明の通信システムにおいて、液晶回折レンズ素子１０の光学異方性層２６は、一方向に向かって光学軸３０Ａが回転する液晶配向パターンにおいて、液晶配向パターンの１周期Λが、内側（中心）から外側に向かって、漸次、短くなる。
従って、入射する光の波長および偏光状態等に応じて、液晶回折レンズ素子１０の中央に向かって光を屈折するように、内側から外側に向かう光学軸３０Ａの回転方向を設定し、かつ、液晶配向パターンの１周期Λの長さの漸減の程度を、適宜、調節することにより、液晶回折レンズ素子１０の中央（光軸）に向かう、光の集光の程度を調節できる。
すなわち、液晶配向パターンの１周期Λの長さを、大きく漸減することで、液晶回折レンズ素子１０を集光レンズ（凸レンズ）として作用させることができる。また、液晶配向パターンの１周期Λの長さの漸減の程度を、緩やかにすることで、液晶回折レンズ素子１０をコリメートレンズとして作用させることができる。
光学異方性層２６は、棒状液晶化合物または円盤状液晶化合物を含む液晶組成物を用いて形成されるものであり、棒状液晶化合物の光学軸または円盤状液晶化合物の光学軸が、上記のように配向された液晶配向パターンを有している。
支持体２０上に、上述した液晶配向パターンに応じた配向パターンを有する配向膜２４を形成し、配向膜２４上に液晶組成物を塗布して、硬化することにより、液晶組成物の硬化層からなる光学異方性層を得ることができる。
なお、光学異方性層２６を形成するための液晶組成物は、棒状液晶化合物または円盤状液晶化合物を含有し、さらに、レベリング剤、配向制御剤、重合開始剤および配向助剤などのその他の成分を含有していてもよい。
また、光学異方性層２６は、入射光の波長に対して広帯域であることが望ましく、複屈折率が逆分散となる液晶材料を用いて構成されていることが好ましい。また、液晶組成物に捩れ成分を付与することにより、また、異なる位相差層を積層することにより、入射光の波長に対して光学異方性層を実質的に広帯域にすることも好ましい。例えば、光学異方性層２６において、捩れ方向が異なる２層の液晶を積層することによって広帯域のパターン化されたλ／２板を実現する方法が特開２０１４－０８９４７６号公報等に示されており、本発明において好ましく使用することができる。
―棒状液晶化合物―
棒状液晶化合物としては、アゾメチン類、アゾキシ類、シアノビフェニル類、シアノフェニルエステル類、安息香酸エステル類、シクロヘキサンカルボン酸フェニルエステル類、シアノフェニルシクロヘキサン類、シアノ置換フェニルピリミジン類、アルコキシ置換フェニルピリミジン類、フェニルジオキサン類、トラン類、および、アルケニルシクロヘキシルベンゾニトリル類等が好ましく用いられる。棒状液晶化合物としては、以上のような低分子液晶性分子だけではなく、高分子液晶性分子も用いることができる。
光学異方性層２６では、棒状液晶化合物を重合によって配向を固定することがより好ましく、重合性棒状液晶化合物としては、Makromol. Chem., １９０巻、２２５５頁（１９８９年）、Advanced Materials ５巻、１０７頁（１９９３年）、米国特許４６８３３２７号明細書、同５６２２６４８号明細書、同５７７０１０７号明細書、国際公開第９５／０２２５８６号、同９５／０２４４５５号、同９７／０００６００号、同９８／０２３５８０号、同９８／０５２９０５号、特開平１－２７２５５１号公報、同６－０１６６１６号公報、同７－１１０４６９号公報、同１１－０８００８１号公報、および、特願２００１－０６４６２７号公報などに記載の化合物を用いることができる。さらに棒状液晶化合物としては、例えば、特表平１１－５１３０１９号公報および特開２００７－２７９６８８号公報に記載のものも好ましく用いることができる。
―円盤状液晶化合物―
円盤状液晶化合物としては、例えば、特開２００７－１０８７３２号公報および特開２０１０－２４４０３８号公報に記載のものを好ましく用いることができる。
なお、光学異方性層に円盤状液晶化合物を用いた場合には、光学異方性層において、液晶化合物３０は厚さ方向に立ち上がっており、液晶化合物に由来する光学軸３０Ａは、円盤面に垂直な軸、いわゆる進相軸として定義される。
このような光学異方性層２６を有する液晶回折レンズ素子１０は、シート状であり、ボールレンズ、半球レンズおよびマイクロレンズ等が有する凹凸面が無い。
また、液晶回折レンズ素子１０は、厚さが、１～１００μｍと薄い。
従って、レンズ素子として、この液晶回折レンズ素子１０を用いことで、本発明の通信デバイス（本発明の通信デバイスを構成するデバイス）を小型化し、さらに、実装スペースを小型化利点をもたらす。
このような液晶回折レンズ素子は、光通信システムを構成する各種のデバイスに用いることができる。光通信システムを構成するデバイスとしては、一例として、波長ロッカーを含む光送信器光学アセンブリ、波長デマルチプレクサ、光ディスプレーサおよびそれを含む光結合システム、ならびに、光スイッチングシステム等が例示される。
なお、以下に示す、光通信システムを構成する各デバイスでは、必要に応じて、上述した液晶回折レンズ素子よりも上流に、光を円偏光にする光学部材として、λ／４板（１／４波長板）、および、偏光子とλ／４板とからなる円偏光板を設けてもよい。
ここで、本発明においては、特に注釈が無い場合には、上流および下流とは、光の進行方向の上下流である。
図７に、本発明の光通信デバイスを構成するデバイスの好ましい一例として、このような液晶回折レンズ素子を用いる波長ロッカーを含む、光送信器光学アセンブリを概念的に示す。
図７に示す光送信器光学アセンブリ２００は、レーザ２０１と、コリメートレンズ２０２と、エタロン２０４と、集光レンズ２０５と、フェルール２０６とを有する。これらの部材は、直線上に配置されて、光送信器光学アセンブリ２００を形成する。
図示例では、コリメートレンズ２０２、エタロン２０４、および、集光レンズ２０５が、波長ロッカー部（波長ロッカー）を構成する。
図示例の光送信器光学アセンブリ２００においては、コリメートレンズ２０２が、上述した液晶回折レンズ素子１０である。
図７に示す光送信器光学アセンブリ２００において、コリメートレンズ２０２以外の部材は、公知の光送信器光学アセンブリおよび波長ロッカーに用いられる、公知の光学部材（光学素子）である。
例えば、レーザ２０１としては、一例として、分布帰還型レーザが例示される。以下の説明では、分布帰還型レーザを、ＤＦＢレーザともいう。なお、ＤＦＢとは、『Distributed Feedback』の略である。光アイソレータ２０３の一例は、図８に例示して、後述する。
図７示す光送信器光学アセンブリ２００において、レーザ２０１が照射したレーザ光は、コリメートレンズ２０２によってコリメートされる。
コリメートされた光は、順方向に進む光のみを透過し、逆方向の光を遮断する光アイソレータ２０３を透過して、エタロン２０４によってフィルタリングされて所定の狭帯域の光とされる。
子の狭帯域光は、集光レンズ２０５によって集光されて、フェルール２０６に入射されて、例えば、下流の光学素子に光を供給（通信）するための光ファイバに供給される。
エタロン２０４は、所定の狭帯域光のみを透過する光フィルタである。周知のように、エタロン２０４は、コリメートされた光（平行光）を入射させる必要がある。従って、例えばＤＦＢレーザ等、原理的に一定以上のビーム拡がりを有するレーザ２０１からの出射光を、直接、エタロン２０４に入射させることはできない。従って、レーザ２０１とエタロン２０４との間には、レーザ２０１の出射光をコリメートするためのコリメートレンズ２０２を必要とする。
加えて、エタロン２０４から反射される光、ならびに、フェルール２０６および例えばフェルールに２０６に接続される図示しない光ファイバからの反射再帰光が、光送信器光学アセンブリ２００内をループすると、光送信器光学アセンブリ２００のパフォーマンスが低下する。そのため、コリメートレンズ２０２とエタロン２０４の間に、光アイソレータ２０３が設けられる。
集光レンズ２０５は、好ましい態様として、エタロン２０４から出射された光を集光してフェルール２０６に入射するために、設けられるものである。従って、波長ロッカー部において、集光レンズ２０５は、必須の構成要件ではない。なお、本発明の光通信デバイスを構成する光送信器光学アセンブリ２００においては、集光レンズ２０５として、上述した液晶回折レンズ素子１０を用いてもよい。
このような光送信器光学アセンブリ２００を構成する光学部材は、周囲環境の変化に鋭敏である。そのため、これらの光学部材は、フェルール２０６の一部（他の光学部材との接続部）を除いて、気密封止される。
ここで、上述のように、エタロン２０４には、コリメートされた光を入射させる必要がある。そのために、光送信器光学アセンブリ２００は、エタロン２０４の上流にコリメートレンズ２０２を配置して、コリメートされた光をエタロン２０４に入射している。
従来、コリメートレンズ２０２としてはボールレンズ、半球レンズおよび非球面レンズ等が用いられていた。そのため、光送信器光学アセンブリ２００は、全長が長大になり、気密封止にかかる工数とコストが大きかった。
これに対して、図７に示す光送信器光学アセンブリ２００（波長ロッカー部（波長ロッカー））は、上述した液晶回折レンズ素子１０をコリメートレンズ２０２として用いる。上述のように、この液晶回折レンズ素子１０は、薄いシート状である。そのため、本発明によれば、波長ロッカーすなわち光送信器光学アセンブリ２００を小型化でき、かつ、気密封止の上でも利得をもたらす。
上述した液晶回折レンズ素子１０は、薄いシート状である。そのため、この液晶回折レンズ素子１０をコリメートレンズ２０２として用いる光送信器光学アセンブリ２００は、コリメートレンズ２０２と光アイソレータ２０３とを、一体化できる。
コリメートレンズ２０２と光アイソレータ２０３とを一体化することによって、例えば波長ロッカー部における実装サイズを、さらに小型化でき、加えて、部品点数を削減することによって製造工数を削減できる。
図８に、コリメートレンズ２０２（液晶回折レンズ素子）と光アイソレータ２０３とが一体化された、レンズ－光アイソレータ一体型素子３００の一例を概念的に示す。
レンズ－光アイソレータ一体型素子３００は、コリメートレンズ２０２と光アイソレータ２０３とが一体化されている。
図８に示すように、光アイソレータ２０３は、一例として、第１偏光子２０３ａ、旋光子２０３ｂ、および、第２偏光子２０３ｃで構成できる。なお、本発明の光送信器光学アセンブリ２００において、光アイソレータ２０３は、これに制限はされず、公知の光アイソレータが、各種、利用可能であるのは、上述のとおりである。
偏光子としては、ワイヤグリッド、グランテーラ偏光子、樹脂偏光子など、公知の偏光子が、各種、利用可能である。を利用できる。
旋光子２０３ｂも、イットリウム・アルミニウム・ガーネット（ＹＡＧ）等の無機材料、および、有機材料または液晶材料を利用した旋光子等、公知の旋光子が、各種、利用可能である。特に、捩れ配向を固定した液晶材料を含む旋光子は、１～１００μｍと非常に薄いものが得られ、部材の小型化に著しい寄与があるので、特に好ましく用いられる。
必要に応じ、集光レンズ素子を、レンズ－光アイソレータ一体型素子３００の光出射側に設けても良い。
この場合、集光レンズ素子としては、上述した液晶回折レンズ素子１０を用いるのが望ましい。
コリメートレンズ２０２と光アイソレータ２０３との一体化の方法には、制限はなく、光学デバイス（光学装置）において、十分な光透過性を確保する必要がある光学部材同士の一体化（接合）に用いられる公知の方法が、各種、利用可能である。
一例として、貼着層を用いる一体化が例示される。
貼着層は、貼り合わせの対象となる物同士を貼り合わせられる層であれば、公知の各種の材料からなるものが利用可能である。貼着層は、接着剤からなる層でも、粘着剤からなる層でも、接着剤と粘着剤との両方の特徴を持った材料からなる層でもよい。接着剤とは、貼り合わせる際には流動性を有し、その後、固体になる貼着剤である。粘着剤とは、貼り合わせる際にゲル状（ゴム状）の柔らかい固体で、その後もゲル状の状態が変化しない、貼着剤である。
従って、貼着層は、光学透明接着剤（ＯＣＡ（Optical Clear Adhesive））、光学透明両面テープ、ならびに、紫外線硬化型樹脂等の、光学装置および光学素子等で、光学部材の貼り合わせに用いられる公知のものを用いればよい。
なお、各要素を接合するために用いる貼着層および筐体等は図８中には図示していないが、本発明の趣旨に沿って適宜加えることができる。
この際において、貼着層としては、上述したものが例示される。
図９～図１１に、本発明の光通信デバイスを構成するデバイスの好ましい一例として、液晶回折レンズ素子１０を用いる波長デマルチプレクサの一例を概念的に示す。
なお、図９は波長デマルチプレクサ４００の第１側面図、図１０は波長デマルチプレクサ４００の正面図、図１１は波長デマルチプレクサ４００の第２側面図である。
具体的には、図９は、波長デマルチプレクサ４００を図１０における紙面横方向から見た図であり、図１１は、波長デマルチプレクサ４００を図１０における紙面下方向から見た図である。
図示例の波長デマルチプレクサ４００は、基体４２０と、基体４２０に設けられる、ソケット４１０、コリメートレンズ４１１、反射器４３０、デマルチプレクサブロック４４１、狭帯域波長選択フィルタ４４３、フォールディングプリズム４５０、および、集光レンズアレイ４６０と、を有する。
集光レンズアレイ４６０は、４つの集光レンズ４６０Ａ～４６０Ｄを有する。この集光レンズは、上述した、液晶回折レンズ素子１０である。
なお、図示例の波長デマルチプレクサ４００は、図面を簡略化して、公正を明確に示すために、４つの狭帯域の波長（λ１～λ４）に対応する波長デマルチプレクサを例示しているが、本発明は、これに制限はれず、さらに多くの波長帯域に対応可能な波長デマルチプレクサであってもよい。
図９～図１１に示す波長デマルチプレクサ４００において、集光レンズ４６０Ａ～４６０Ｄ以外の部材は、公知の波長デマルチプレクサに用いられる、公知の光学部材である。
図示例の波長デマルチプレクサ４００においては、基体４２０は、波長分離する光に対して、十分な透過性を有する材料で形成される、矩形の板状部材である。
波長デマルチプレクサ４００において、ソケット４１０、コリメートレンズ４１１、反射器４３０、デマルチプレクサブロック４４１、狭帯域波長選択フィルタ４４３、および、フォールディングプリズム４５０は、基体４２０の一方の主面（表面）に設けられ、集光レンズアレイ４６０は、基体４２０の他方の主面（裏面）に設けられる。
波長デマルチプレクサ４００において、４つの波長（λ１～λ４）を含む波長多重の光４１２は、例えば、ソケット４１０に差し込まれた光ファイバ（図示省略）によって供給される。
供給された光は、コリメートレンズ４１１によってコリメートされて平行光４１６となり、反射器４３０によって反射され、デマルチプレクサブロック４４１に入射される。反射器４３０は、例えば、プリズムである。
デマルチプレクサブロック４４１に入射した光は、デマルチプレクサブロック４４１内で反射を繰り返して、狭帯域波長選択フィルタ４４３に入射する。
狭帯域波長選択フィルタ４４３は、４つの狭帯域のバンドパスフィルタを有する。各バンドパスフィルタは、それぞれ、波長λ１、波長λ２、波長λ３および波長λ４の光を透過するものである。従って、デマルチプレクサブロック４４１内で反射を繰り返して、狭帯域波長選択フィルタ４４３に入射した光は、それぞれの波長に対応するバンドパスフィルタを透過することで、波長λ１、波長λ２、波長λ３および波長λ４の各波長の光に分割される。
狭帯域波長選択フィルタ４４３で波長分離された光は、フォールディングプリズム４５０によって光路を折り返すように反射されて、基体４２０を透過して、裏面側に抜けて、集光レンズアレイ４６０に入射する。
上述のように、集光レンズアレイ４６０は、４つの集光レンズ４６０Ａ～４６０Ｄを有する。
集光レンズアレイ４６０における各集光レンズは、狭帯域波長選択フィルタ４４３における、対応する波長の光を透過する狭帯域バンドパスフィルタに対応する位置に配置される。一例として、集光レンズ４６０Ａは波長λ１の光に、集光レンズ４６０Ｂは波長λ２の光に、集光レンズ４６０Ｃは波長λ３の光に、集光レンズ４６０Ｄは波長λ４の光に、それぞれ対応する。
従って、狭帯域波長選択フィルタ４４３によって分離された、波長λ１の光は、集光レンズ４６０Ａによって、波長λ２の光は、集光レンズ４６０Ｂによって、波長λ３の光は、集光レンズ４６０Ｃによって、さらに、波長λ４の光は、集光レンズ４６０Ｄによって、それぞれ、集光されて、下流の光学部材、例えば、光ファイバに入射される。
このような波長デマルチプレクサにおいては、従来より、集光レンズ４６０Ａ～４６０Ｄとしては、ボールレンズ、半球レンズおよび非球面レンズ等が用いられてきた。しかしながら、ボールレンズ等は、波長デマルチプレクサ側面から飛び出した構造となるため、実装上の制約があった。
これに対して、本発明の波長デマルチプレクサ４００は、集光レンズ４６０Ａ～４６０Ｄとして、上述した液晶回折レンズ素子１０を用いる。上述のように、この液晶回折レンズ素子は、薄いシート状である。そのため、本発明の波長デマルチプレクサ４００は、側面がフラットとなり、実装レイアウトの自由度が増すと共に、実装スペースを削減でき、デバイス設計に有利である。
図示例の波長デマルチプレクサ４００は、フォールディングプリズム４５０を有し、デマルチプレクサブロック４４１および狭帯域波長選択フィルタ４４３によって波長分離した光を、基体４２０を透過させた後に、集光レンズアレイ４６０に入射させている。
しかしながら、本発明の波長デマルチプレクサは、これに制限はされず、各種の構成が利用可能である。
一例として、本発明の波長デマルチプレクサは、フォールディングプリズム４５０を有さず、集光レンズアレイ４６０を、基体４２０のデマルチプレクサブロック４４１等と同じ面に設け、デマルチプレクサブロック４４１および狭帯域波長選択フィルタ４４３によって波長分離した光を、直接的に、集光レンズアレイ４６０に入射するようにしてもよい。
この点に関しては、入射側に設けられる反射器４３０も同様である。すなわち、本発明の波長デマルチプレクサにおいては、反射器４３０を設けず、ソケット４１０から供給された光を、直接的に、デマルチプレクサブロック４４１に入射するようにしてもよい。
また、本発明の光通信デバイスは、図示例の波長デマルチプレクサ４００を、集光レンズアレイ４６０側を光の入射側、コネクタ４１４側を光の出射側とすることも可能である。これにより、波長デマルチプレクサ４００を、光マルチプレクサとして用いることも可能である。
すなわち、上述した図７に示す波長ロッカーを含む光送信器光学アセンブリ２００を複数設置し、かつ、各光送信器光学アセンブリ２００が出射する光の波長は異なるものとする。その上で、各光送信器光学アセンブリ２００から出射される光を、集光レンズアレイ４６０からそれぞれ入射させることで、波長多重モードの信号光を、ソケット４１０側から、ソケット４１０に装着された光ファイバに入射させることができる。
図１２に、本発明の光通信デバイスを構成するデバイスの好ましい一例として、液晶回折レンズ素子１０を用いる光ディスプレーサ、および、それを含む光結合システムの一例を概念的に示す。
図１２に示す光ディスプレーサ７１０は、光を偏光分離するものであり、入射側レンズ素子７０４と、複屈折板７０５と、出射側レンズ素子７０６とを有する。なお、出射側レンズ素子７０６は、必要に応じて設けられるものである。
この光ディスプレーサ７１０において、入射側レンズ素子７０４は、上述した、液晶回折レンズ素子１０である。この入射側レンズ素子７０４は、コリメートレンズとして作用する。
図１２に示す光ディスプレーサ７１０および光結合システム７００においては、入射側レンズ素子７０４以外は、公知の光ディスプレーサおよび光結合システムに用いられる、公知の光学部材である。
例えば、複屈折板７０５は、公知の位相差板が、各種、利用可能である。具体的には、複屈折板７０５は、バナジン酸イットリウム（ＹＶＯ4）結晶、ホウ酸バリウム（α－ＢＢＯ）結晶、カルサイト結晶、ルチル（ＴｉＯ2）結晶などの無機複屈折材料、および有機複屈折材料から形成することができる。
光ディスプレーサ７１０において、光ファイバ７０２から出射される光７３０は、例えば、Ｓ偏光とＰ偏光とを含んでいる。
光７３０は、コリメートレンズとして作用する入射側レンズ素子７０４によってコリメートされ（平行光とされ）、複屈折板７０５によって、Ｓ偏光とＰ偏光とに分離される。
分離されたＳ偏光およびＰ偏光は、必要に応じて設けられる出射側レンズ素子７０６によって光路を調節され、下流の光学部材、図示例においては、フォトニックデバイス７２０に入射される。
なお、本発明においては、出射側レンズ素子７０６として、上述した液晶回折レンズ素子１０を用いてもよい。
複屈折板７０５で理想的なビーム分割（偏光分離）を行うには、少なくとも複屈折板７０５に入射する光７０３は平行光である必要がある。従って、例えばＤＦＢレーザおよび光ファイバ端などから出射される、拡がりを有した光を、そのまま複屈折板７０５に入射するのは、好ましくない。
そのため、光ディスプレーサでは、偏光分離を行う複屈折板の上流に、コリメートレンズを設け、コリメートして平行光化した光を複屈折板に入射している。
従来の光ディスプレーサは、このコリメートレンズとして、ボールレンズ、半球レンズおよび非球面レンズ等が用いられている。これらのレンズは大きな実装スペースを占有するという問題があった。
これに対して、本発明の光ディスプレーサ７１０は、コリメートレンズとして作用する入射側レンズ素子７０４として、上述した液晶回折レンズ素子１０を用いる。上述のように、この液晶回折レンズ素子は、薄いシート状である。そのため、本発明の光ディスプレーサ７１０は、実装スペースを小型化できる。さらに、薄いシート状である入射側レンズ素子７０４（液晶回折レンズ素子）は、図３に示す一体型素子と同様、複屈折板７０５の表面に一体化して設けることもできる。この一体化した構成は、さらなる実装スペースの小型をもたらすばかりでなく、入射光学軸とのアライメントを容易にし、実装作業をより簡便にする点でも利点となる。
上述した光ディスプレーサ７１０を、さらに、光ファイバ７０２、ならびに、複数の格子カプラ７２１および７２２を含むフォトニックデバイス７２０と組み合わせることによって、偏光多重モードに対応可能な光結合システム７００を構成できる。この光結合システムは、偏光多重モード光受信機として機能することができる。
すなわち、光ファイバ７０２から出射されたＰ偏光およびＳ偏光を含む光７０３を、上述したように、光ディスプレーサ７１０によって偏光分離する。互いに直交する偏光である偏光７２３と偏光７２４を、格子カプラ７２１および格子カプラ７２２によってフォトニックデバイス７２０に入射して結合させることにより、偏光多重のマルチチャネル化が実現される。なお、フォトニックデバイス７２０は、図示しない光電変換素子を有しており、フォトニックデバイス７２０に入射したＳ偏光およびＰ偏光は、光電変換されて、電気信号とされる。
図１３に、本発明の光通信デバイスを構成するデバイスの好ましい一例として、上述した液晶回折レンズ素子１０を用いる光スイッチングシステム、および、それを含む光結合システムの一例を概念的に示す。
光スイッチングシステム８１０は、コリメートレンズ８１１、分光素子８１２、および、空間変調器８２０を有する。コリメートレンズ８１１は、上述した液晶回折レンズ素子１０である。
図１３に示す光スイッチングシステム８１０および光結合システム８００においては、コリメートレンズ８１１以外は、公知の光スイッチングシステムおよび光結合システムに用いられる、公知の光学部材である。
例えば、分光素子８１２としては、ブレーズド回折格子、プリズム、ホログラム素子、および、液晶回折素子などを用いることができる。分光素子８１２は、「Erez Hasman et al., Polarization dependent focusing lens by use of quantized Pancharatnm-Berry phase diffractive optics, Applied Physics Letters, Volume 82, Number 3 pp.328-330」に記載の構造複屈折を用いて回折構造を形成した偏光回折素子でもよい。
薄く小型の素子が作成可能な点でホログラム素子および液晶回折素子が好ましく、波長分解能が高い点で液晶回折素子がより好ましい。このような液晶回折素子としては、例えば、特許第５２７６８４７号公報に記載の複屈折材料を用いて回折構造を形成した偏光回折素子、および、コレステリック液晶相を固定してなるコレステリック液晶層を用いることができる。
他方、空間変調器８２０は、透過型および反射型のいずれであってもよく、ＬＣＯＳ（Liquid Crystal On Silicon)、ＬＣセル（Liquid Crystal Cell)、および、ＤＭＤ（Digital Micromirror Device）などを利用することができる。光損失が少なく光結合効率に優れることから、ＬＣＯＳまたはＤＭＤが好ましい。
例えば、光ファイバ８０１を入力側の光ファイバとして、光ファイバ８０１からは、４つの波長（λ１～λ４）を含む多重波長の信号光が出射される。
光ファイバ８０１から出射され、コリメートレンズ８１１を通じて平行光化された信号光は、分光素子８１２により波長λ１、波長λ２、波長λ３および波長λ４に光に波長分離されて、空間変調器８２０に入射する。
分離された各波長の光に対して空間変調器８２０の各ピクセルを対応させ、各ピクセルの電気的制御により、各波長成分の透過率、反射率、および、光路の少なくとも１つを制御する。これにより、波長多重された信号光に対し、各波長チャンネル毎にオン・オフ可能（取捨選択可能）な光スイッチングシステム８１０が構成される。
分光素子８１２で適正な波長分離を行うためには、分光素子に入射する光は平行光である必要がある。従って、光ファイバ８０１から出射される、拡がりを有した光を、そのまま分光素子８１２に入射するのは、好ましくない。
そのため、光スイッチングシステムでは、光を波長分離する分光素子の上流にコリメートレンズを設け、コリメートして平行光化した光を分光素子に入射している。
従来の光スイッチングシステムは、このコリメートレンズとして、ボールレンズ、半球レンズおよび非球面レンズ等が用いられている。これらのレンズは、大きな実装スペースを占有するという問題があった。
これに対して、本発明の光スイッチングシステム８１０は、コリメートレンズ８１１として、上述した液晶回折レンズ素子１０を用いる。上述のように、この液晶回折レンズ素子は、薄いシート状である。そのため、本発明の光スイッチングシステム８１０によれば、実装スペースを削減し小型化された光スイッチングシステムを実現しうる。
上述した光スイッチングシステム８１０に、さらに、光ファイバ８０２～８０５を、出力側の光ファイバとして組み合わせることにより、光スイッチング機能を有する光結合システム８００を構築することができる。
ここで、レンズ素子８３０としては、従来知られたボールレンズ、半球レンズおよび非球面レンズに代えて、液晶回折レンズ素子１０を用いるのが好ましい。
この液晶回折レンズ素子を用いることにより、実装スペースを小型化した光結合システムを実現しうる。こうした光結合システムは、従来、個別に設けられていた波長デマルチプレクサと光スイッチとを統合した単一のデバイスとして機能しうることから、光通信システムの実装サイズの小型化に寄与することができる。
さらに別の好ましい一態様として、上述した光結合システム８００において、光の入出力を逆にしてもよい。すなわち、入力側を、それぞれが単一波長モードの光を伝播する光ファイバ８０２～８０５とし、出力側を波長多重モードの光ファイバ８０１として、光路を反転させてもよい。これにより、複数の単一波長モードの入力信号を、個別にスイッチングし、かつ、それらを統合して波長多重モードの信号光として出力する光結合システムを構築できる。
この場合は、光スイッチングシステム８１０は、光マルチプレクサと光スイッチとが統合された単一のデバイスとして機能し、コリメートレンズ８１１として上述した液晶回折レンズ素子を用いることにより、光通信システムの実装サイズの小型化に寄与することができる。また、分光素子８１２は、異なる角度で入射する、各波長の光を同一光路上に出射する光コンバイナとして、機能させることができる。さらに、コリメートレンズ８１１は、光コンバイナ（分光素子８１２）から入射する光を集光して光ファイバ８０１と結合させる集光レンズとして、機能させることができる。
本発明の光通信デバイスに用いられる液晶回折レンズ素子は、光通信デバイスに実装される上述した図示例のデバイス以外のデバイスにも組み込むことが可能であり、上述した各デバイスと同様に実装スペースの削減を可能にする。従って、本発明は、上記で例示した各デバイスに限定して解釈されるべきものではない。
１０ 液晶回折レンズ素子
２０ 支持体
２４ 配向膜
２６，２６Ａ 光学異方性層
３０ 液晶化合物
３０Ａ 光学軸
５２ 液晶化合物
５６ 光学異方性層
８０ 露光装置
８２ レーザ
８４ 光源
８６，９４ 偏光ビームスプリッタ
９０Ａ，９０Ｂ ミラー
９６ λ／４板
９２ レンズ
２００ 光送信器光学アセンブリ
２０１ レーザ
２０２ コリメートレンズ
２０３ 光アイソレータ
２０３ａ 第１偏光子
２０３ｂ 旋光子
２０３ｃ 第２偏光子
２０４ エタロン
２０５ 集光レンズ
２０６ フェルール
３００ レンズ－光アイソレータ一体型素子
４００ 波長デマルチプレクサ
４１０ ソケット
４１１ コリメートレンズ
４１６ 平行光
４２０ 基体
４３０ 反射器
４４１ デマルチプレクサブロック
４４３ 狭帯域波長選択フィルタ
４５０ フォールディングプリズム
４６０ 集光レンズアレイ
４６０Ａ，４６０Ｂ，４６０Ｃ，４６０Ｄ 集光レンズ
７００ 光結合システム
７０２ 光ファイバ
７０３ 光
７０４ 入射側レンズ素子
７０５ 複屈折板
７０６ 出射側レンズ素子
７１０ 光ディスプレーサ
７２０ フォトニックデバイス
７２１，７２２ 格子カプラ
７２３，７２４ 偏光
８００ 光結合システム
８０１，８０２，８０３，８０４，８０５ 光ファイバ
８０２ａ，８０３ａ，８０４ａ，８０５ａ 光カプラ
８１０ 光スイッチングシステム
８１１ コリメートレンズ
８１２ 分光素子
８２０ 空間変調器
８３０ レンズ素子
Ｍ レーザ光
ＭＰ Ｐ偏光
ＭＳ Ｓ偏光
Ｌ1，Ｌ4 入射光
Ｌ2，Ｌ5 透過光
Ｑ１，Ｑ２ 絶対位相
Ｅ１，Ｅ２ 等位相面

Claims (4)

  1. 偏光分離する光ディスプレーサを含むものであり、前記光ディスプレーサが、入射側レンズ素子と、前記入射側レンズ素子を透過した光を偏光分離する複屈折板とを有し、
    前記入射側レンズ素子は、液晶化合物を含む組成物を用いて形成された光学異方性層を有する液晶回折レンズ素子であって、
    前記液晶回折レンズ素子の光学異方性層は、前記液晶化合物に由来する光学軸の向きが、一方向に向かって連続的に回転しながら変化している液晶配向パターンを、内側から外側に向かう放射線状に有し、かつ、
    前記液晶配向パターンにおいて、前記液晶化合物に由来する光学軸の向きが連続的に回転しながら変化する前記一方向における、前記液晶化合物に由来する光学軸の向きが１８０°回転する長さを１周期とした際に、１周期の長さが内側から外側に向かって、漸次、短くなるものであり、
    前記入射側レンズ素子を前記複屈折板の表面に一体化して設けた、光通信デバイス。
  2. 前記光ディスプレーサが、光の進行方向の前記複屈折板の下流に、前記複屈折板で偏光分離された光の光路を調節する出射側レンズ素子を有する、請求項１に記載の光通信デバイス。
  3. 光ファイバを有し、前記入射側レンズ素子は、前記光ファイバから出射された光が透過する、請求項１または２に記載の光通信デバイス。
  4. 光の進行方向の前記光ディスプレーサの下流に、格子カプラを含むフォトニックデバイスを有し、偏光多重モード光受信機として機能する、請求項１～３のいずれか１項に記載の光通信デバイス。
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