JPH1152435A - 薄膜光素子およびそれを用いる光制御方法および光制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 低パワーのレーザー光を制御光として用い充
分な大きさおよび速度の光応答を発揮するような薄膜光
素子、光制御方法および光制御装置を提供する。 【解決手段】 光源１から制御光が、光源２から信号光
が射出する。制御光および信号光は集光レンズ７で収束
され、薄膜光素子８に照射される。受光レンズ９および
波長選択フィルター２０を経て光検出器２２で信号光の
みが検出される。制御光のＯＮ、ＯＦＦにより薄膜光素
子内に熱レンズが可逆的に形成され、信号光の強度変調
が実現する。薄膜光素子の構成を、例えば伝熱層膜／保
温層膜／光吸収層膜／保温層膜／伝熱層膜からなる積層
構造にし、光吸収層膜の厚さを収束された制御光の共焦
点距離の２倍を越えないよう調節することによって、低
パワーのレーザー光を制御光として用い充分な大きさお
よび速度の光応答を得ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば光通信、光情報
処理などの光エレクトロニクスおよびフォトニクスの分
野において有用な、薄膜光素子およびそれを用いる光制
御方法および光制御装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】超高速情報伝達・処理を目的として、光
の多重性、高密度性に着目した光エレクトロニクスおよ
びフォトニクスの分野において、光学材料または光学組
成物を加工して作成した光学素子に光を照射することで
引き起こされる透過率や屈折率の変化を利用して、電子
回路技術を用いずに、光の強度（振幅）または周波数
（波長）を変調しようとする光・光制御方法の研究開発
が盛んに進められている。また、光の特徴を活かして、
並列光論理演算や画像処理を行おうとする場合、光ビー
ムの断面に光強度分布変化など、何等かの変調を行うた
めの「空間光変調器」が極めて重要であり、ここへも光
・光制御方法の適用が期待される。

【０００３】光・光制御方法への応用が期待される現象
としては可飽和吸収、非線形屈折、フォトリフラクティ
ブ効果などの非線形光学効果、およびフォトクロミック
現象が広く注目を集めている。

【０００４】一方、第一の波長帯域の光で励起された分
子が、分子構造の変化を伴わずに、第一の波長帯域とは
異なる第二の波長帯域において新たに光吸収を起こす現
象も知られており、これを「励起状態吸収」または「誘
導吸収」、あるいは「過渡吸収」と呼ぶことができる。

【０００５】励起状態吸収の応用を試みた例としては、
例えば、特開昭５３−１３７８８４号公報にはポルフィ
リン系化合物と電子受容体を含んだ溶液または固体に対
して波長の異なる少なくとも二種類の光線を照射し、こ
の照射により一方の波長の光線が有する情報を他方の光
線の波長に移すような光変換方法が開示されている。ま
た、特開昭５５−１００５０３号公報および特開昭５５
−１０８６０３号公報にはポルフィリン誘導体などの有
機化合物の基底状態と励起状態の間の分光スペクトルの
差を利用し、励起光の時間的な変化に対応して伝搬光を
選択するような機能性の液体コア型光ファイバーが開示
されている。また、特開昭６１−１２９６２１には、酸
化ウラニウムをドープしたバリウムクラウンガラスから
なるファイバーに、第一光子束を減衰しないように導入
し、第二光子束を導入することにより第一光子束を減衰
させると共に、ファイバーのエネルギーレベル２をポピ
ュレイトし、第一光子束の一部が吸収されてエネルギー
レベル３をポピュレイトし、エネルギーレベル３の一部
が再びエネルギーレベル２に戻って第一光子束を更に減
衰させる段階を含む放射エネルギー透過制御方法が開示
されている。また、特開昭６３−８９８０５号公報には
光によって励起された三重項状態から更に上位の三重項
状態への遷移に対応する吸収を有するポルフィリン誘導
体などの有機化合物をコア中に含有しているプラスチッ
ク光ファイバーが開示されている。また、特開昭６３−
２３６０１３号公報にはクリプトシアニンなどのシアニ
ン色素の結晶に第一の波長の光を照射して分子を光励起
した後、第一の波長とは異なる第二の波長の光を前記分
子に照射し、第一の波長の光による光励起状態によって
第二の波長の光の透過または反射をスイッチングするよ
うな光機能素子が開示されている。また、特開昭６４−
７３３２６号公報にはポルフィリン誘導体などの光誘起
電子移動物質をマトリックス材料中に分散した光変調媒
体に第一および第二の波長の光を照射して、分子の励起
状態と基底状態の間の吸収スペクトルの差を利用して光
変調するような光信号変調媒体が開示されている。

【０００６】これら従来技術で用いられている光学装置
の構成としては、特開昭５５−１００５０３号公報、特
開昭５５−１０８６０３号公報、および特開昭６３−８
９８０５号公報には伝搬光の伝播する光ファイバーを励
起光の光源（例えばフラッシュランプ）の周囲に巻きつ
けるような装置構成が開示されており、特開昭５３−１
３７８８４号公報および特開昭６４−７３３２６号公報
には光応答性光学素子内部の信号光に相当する光の伝播
している部分全体に信号光の光路とは別の方向から制御
光に相当する光を収束させることなくむしろ投射レンズ
などの手段によって拡散させて照射するような装置構成
が開示されている。

【０００７】更に、従来技術においては、熱効果による
屈折率分布を利用して光の変調を行う方法も検討されて
いる。特開昭５９−６８７２３号公報には、発熱抵抗体
へ入力電気信号を通電し、前記発熱手段からの熱を受け
屈折率分布を生じる液体媒体中の屈折率分布によって、
光束の波面を変形するような光変調素子が開示されてお
り、ＫＨｚのオーダー、すなわちミリ秒のオーダーで屈
折率分布形成から消滅までのサイクルを行うことができ
ると記載されている。また、特開昭６０−１３０７２３
号公報には、近赤外線制御光を熱吸収層で熱エネルギー
に変換し、この熱を近赤外線反射膜層および可視光線反
射膜層を通じて熱効果媒体まで伝熱させ、熱効果媒体中
に発生する屈折率分布によって、可視光線反射膜層へ入
射する光束の波面を変換する方法が開示されている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
熱効果による屈折率分布を利用した光の変調を行う方法
は、熱効果を生ずるまでの熱の伝達経路が長く、かつ、
制御光ビーム断面積よりも温度上昇部分の面積が拡大し
ながら伝達されるため伝達経路の体積、すなわち熱容量
が大きくなって、制御光から与えられるエネルギーの利
用効率が低く、また、高速応答も望めない。

【０００９】また、上述したいずれの従来技術も、実用
に足りる大きさの透過率変化または屈折率変化を引き起
こすため、非常に高密度の光パワーを必要としたり、光
照射に対する応答が遅かったり、光学系の微妙な調整が
必要で、かつ光学系の多少の変動で制御光出力が大きく
変動したりするため、実用に至るものは未だ得られてい
ないのが現状である。

【００１０】本発明は、上記課題を解決し、できる限り
低い光パワーで充分な大きさおよび速度の光応答を引き
出せるような薄膜光素子およびそれを用いる光制御方法
および制御装置を提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本願の請求項１記載の発明に係る薄膜光素子は、少
なくとも光吸収層膜を含む薄膜光素子中の光吸収層膜
に、互いに波長の異なる制御光および信号光を各々収束
させて照射し、前記制御光の波長は前記光吸収層膜が吸
収する波長帯域から選ばれるものとし、少なくとも前記
制御光が前記光吸収層膜内において焦点を結ぶものと
し、前記光吸収層膜が前記制御光を吸収した領域および
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、前記信号光の強度変調および／または光束密度変調
を行う薄膜光素子において、前記光吸収層膜の厚さが、
収束された前記制御光の共焦点距離の２倍を越えないこ
とを特徴とする。

【００１２】ここで、信号光および制御光は、反射によ
る損失を最小限にするため、前記薄膜光素子へほぼ垂直
に入射するものとする。

【００１３】また、ここで共焦点距離とは、凸レンズな
どの収束手段で収束された光束がビームウエスト（焦
点）の近傍において、ほぼ平行光と見なすことのできる
区間の距離である。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、共焦点距離Ｚc は、円周率
π、ビームウエスト半径ω₀ および波長λを用いた式
（１）で表すことができる。

【００１４】

【数１】Ｚc ＝ πω₀ ² ／λ …（１） なお、光吸収層膜の膜厚の下限については、光応答が検
知できる限りにおいて、薄ければ薄いほど好ましい。

【００１５】また、上記目的を達成するために、本願の
請求項２記載の発明に係る薄膜光素子は、請求項１に記
載の薄膜光素子において、前記光吸収層膜の片側または
両側に、前記制御光および前記信号光の波長帯域におい
て光透過性の保温層膜が設けられたことを特徴とする。

【００１６】また、上記目的を達成するために、本願の
請求項３記載の発明に係る薄膜光素子は、請求項１また
は請求項２に記載の薄膜光素子において、前記保温層膜
が存在しない場合には、前記光吸収層膜の片側または両
側に前記伝熱層膜が設けられ、一方、前記保温層膜が存
在する場合、前記光吸収層膜の片側または両側に、前記
保温層膜を介して、伝熱層膜が設けられたことを特徴と
する。

【００１７】また、上記目的を達成するために、本願の
請求項４記載の発明に係る薄膜光素子は、請求項１ない
し３のいずれかに記載の薄膜光素子において、前記光吸
収層膜および／または前記保温層膜および／または前記
伝熱層膜が自己形態保持性の材質からなることを特徴と
する。

【００１８】また、上記目的を達成するために、本願の
請求項５記載の発明に係る薄膜光素子は、請求項１ない
し４のいずれかに記載の薄膜光素子において、収束され
て照射された前記制御光および前記信号光が通過できる
大きさの孔を設けた光反射膜が前記光吸収層膜の制御光
入射側に、また前記保温層膜および／または伝熱層膜が
存在する場合には前記保温層膜および／または伝熱層膜
を介して設けられたことを特徴とする。

【００１９】また、上記目的を達成するために、本願の
請求項６記載の発明に係る薄膜光素子は、請求項１ない
し５のいずれかに記載の薄膜光素子において、前記光吸
収層膜が、前記制御光の波長帯域の光を吸収する色素な
いし色素分子凝集体を含有していることを特徴とする。

【００２０】また、上記目的を達成するために、本願の
請求項７記載の発明に係る薄膜光素子は、請求項１ない
し６のいずれかに記載の薄膜光素子において、前記光吸
収膜、保温層膜、光反射膜のいずれかを介して光透過膜
が設けられ、更に、前記制御光の収束手段としての凸レ
ンズが、光透過層膜を介して前記制御光の入射側に積層
されて設けられていることを特徴とする。

【００２１】また、上記目的を達成するために、本願の
請求項８記載の発明に係る光制御方法は、請求項１ない
し６のいずれかに記載の薄膜光素子の光吸収層膜に、互
いに波長の異なる制御光および信号光を各々収束させて
照射し、前記制御光の波長は前記光吸収層膜が吸収する
波長帯域から選ばれるものとし、少なくとも前記制御光
が前記光吸収層膜内において焦点を結ぶものとし、前記
光吸収層膜が前記制御光を吸収した領域およびその周辺
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、前記
信号光の強度変調および／または光束密度変調を行うこ
とを特徴とする。

【００２２】また、上記目的を達成するために、本願の
請求項９記載の発明に係る光制御方法は、請求項７に記
載の薄膜光素子に設けられた前記凸レンズに、前記制御
光および前記信号光を各々平行ビームとして照射し、少
なくとも前記制御光が前記光吸収層膜内において焦点を
結ぶものとし、前記光吸収層膜が前記制御光を吸収した
領域およ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、前記信号光の強度変調および／または光
束密度変調を行うことを特徴とする。

【００２３】また、上記目的を達成するために、本願の
請求項１０記載の発明に係る光制御方法は、請求項８ま
たは請求項９に記載の光制御方法において、前記薄膜光
素子を透過した後、発散していく信号光光線束を、前記
信号光光線束の発散角度よりも小さい角度範囲（開口
角）で取り出すことによって、強度変調および／または
光束密度変調を強く受けた領域の信号光光線束を分別し
て取り出すことを特徴とする。

【００２４】また、上記目的を達成するために、本願の
請求項１１記載の発明に係る光制御装置は、請求項１な
いし６のいずれかに記載の薄膜光素子の光吸収層膜に、
互いに波長の異なる制御光および信号光を各々照射し、
前記制御光の波長は前記光吸収層膜が吸収する波長帯域
から選ばれるものとし、前記光吸収層膜が前記制御光を
吸収した領域およ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、前記信号光の強度変調および／
または光束密度変調を行う光制御装置において、前記制
御光および前記信号光を各々収束させる収束手段を有
し、収束された前記制御光および前記信号光のそれぞれ
の焦点近傍の光子密度の最も高い領域が互いに重なり合
うように、前記制御光および前記信号光の光路がそれぞ
れ配置され、また、前記薄膜光素子の前記光吸収層膜
は、収束された前記制御光および前記信号光のそれぞれ
の焦点近傍の光子密度の最も高い領域が互いに重なり合
う位置に配置されていることを特徴とする。

【００２５】また、上記目的を達成するために、本願の
請求項１２記載の発明に係る光制御装置は、請求項７に
記載の薄膜光素子に設けられた前記凸レンズに、前記制
御光および前記信号光を各々平行ビームとして照射し、
前記光吸収層膜が前記制御光を吸収した領域およびその
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り、前
記信号光の強度変調および／または光束密度変調を行う
光制御装置において、前記制御光および前記信号光を各
々収束させる収束手段として前記凸レンズを有し、収束
された前記制御光および前記信号光のそれぞれの焦点近
傍の光子密度の最も高い領域が互いに重なり合うよう
に、前記制御光および前記信号光の光路がそれぞれ配置
され、また、前記薄膜光素子の前記光吸収層膜は、収束
された前記制御光および前記信号光のそれぞれの焦点近
傍の光子密度の最も高い領域が互いに重なり合う位置に
配置されていることを特徴とする。

【００２６】また、上記目的を達成するために、本願の
請求項１３記載の発明に係る光制御方法は、請求項１１
または請求項１２に記載の光制御装置において、強度変
調および／または光束密度変調を強く受けた領域の信号
光光線束を分別して取り出すための手段として、前記薄
膜光素子を透過した後、発散していく信号光光線束を、
前記信号光光線束の発散角度よりも小さい角度範囲（開
口角）で取り出す手段を設けたことを特徴とする。

【００２７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態について
説明する。

【００２８】［薄膜光素子の構成］本発明の薄膜光素子
は単層型または積層膜型構造を有し、その構成としては
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 （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）凸レンズ／光透過層膜／上記（１）ないし（１
０）の薄膜光素子。

【００２９】積層膜の構成が非対称な場合、例えば、上
記（２）「光吸収層膜／保温層膜」のような場合、制御
光を光吸収層膜側から入射させても良いし、保温層膜側
から入射させても良い。従って、凸レンズ／光透過膜層
を積層した場合の構成は、例えば次のようになる （１２）凸レンズ／光透過層膜／光吸収層膜／保温層膜 （１３）凸レンズ／光透過層膜／保温層膜／光吸収層
膜。

【００３０】収束されて照射された前記制御光および前
記信号光が通過できる大きさの孔を設けた光反射膜を前
記光吸収層膜の制御光入射側に、前記保温層膜および／
または伝熱層膜が存在する場合には前記保温層膜および
／または伝熱層膜を介して設ける。その場合の構成は、
次のようになる （１４）光反射膜／上記（１）ないし（１０）の薄膜光
素子 （１５）凸レンズ／光透過層膜／光反射膜／上記（１）
ないし（１０）の薄膜光素子。

【００３１】なお、必要に応じて光の入射面および出射
面に反射防止膜層（ＡＲコート膜層）を設けても良い。

【００３２】本発明の薄膜光素子の構成を例示した断面
図を図１１に示す。図１１に示すように、薄膜光素子
は、制御光Ｓ１および信号光Ｓ２の入射側から、凸レン
ズ８７／光透過層膜８６／孔８３を設けた反射膜８４／
保温層膜８１／光吸収層膜８０／保温層膜８１／伝熱層
膜８２の順に積層されてなる。

【００３３】光吸収層膜、保温層膜、伝熱層膜、および
光反射膜の材料、作成方法、各々の膜厚、光反射膜の孔
の大きさなどについて、以下に、順を追って説明する。

【００３４】［光吸収層膜の材料］本発明の薄膜光素子
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。

【００３５】本発明の薄膜光素子が光吸収層膜単独の単
層型構造である場合、光吸収層膜は自己形態保持性の材
質である必要がある。ここで、自己形態保持性の材質と
は、薄膜光素子としての形態（薄膜）を、支持手段なし
に維持できるような性状を有する材料のことをいう。例
えば、無機ガラス材質であれば、数μｍの厚さで、数ｍ
ｍ角の大きさの薄膜光素子としての形態を「自己形態保
持」することができるものである。一方、色素を含有し
たポリメタクリル酸メチルのような材料を用いて数μｍ
の厚さの光吸収膜を形成させる場合は、何等かの支持手
段が必要である。このような場合は、例えば、後述のよ
うに、無機ガラス材質からなる伝熱層膜を支持手段を兼
ねて、組み合わせて用いる必要がある。

【００３６】本発明の薄膜光素子が積層型構造であって
も、光吸収性材料自身に自己形態保持能力があれば、薄
膜光素子の構成を設計する際の自由度が増す。一方、後
に述べる保温層膜および／または伝熱層膜が自己形態保
持性であれば、光吸収層膜が自己形態保持性でなくても
差し支えない。

【００３７】本発明の薄膜光素子中の光吸収層膜に用い
られる光吸収性の材料の例を具体的に挙げるならば、例
えば、ＧａＡｓ、ＧａＡｓＰ、ＧａＡｌＡｓ、ＩｎＰ、
ＩｎＳｂ、ＩｎＡｓ、ＰｂＴｅ、ＩｎＧａＡｓＰ、Ｚｎ
Ｓｅ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（例えば、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（例えば、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
（例えば、鉄イオン）をドープしたニオブ酸リチウム
（ＬｉＮｂＯ₃）、ＬｉＢ₃Ｏ₅、ＬｉＴａＯ₃、ＫＴｉＯ
ＰＯ₄、ＫＨ₂ＰＯ₄、ＫＮｂＯ₃、ＢａＢ₂Ｏ₂などの強誘
電性結晶、金属イオン（例えば、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または分散したも
のを好適に使用することができる。

【００３８】これらの中でも、マトリックス材料中に色
素を溶解または分散したものは、マトリックス材料およ
び色素の選択範囲が広く、かつ薄膜光素子への加工も容
易であるため、本発明で特に好適に用いることができ
る。

【００３９】本発明で用いることができる色素の具体例
としては、例えば、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、ポリ
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などを好適に使用すること
ができる。

【００４０】本発明では、これらの色素を単独で、また
は、２種以上を混合して使用することができる。

【００４１】本発明で用いることのできるマトリックス
材料は、（１）本発明の光制御方法で用いられる光の波
長領域で透過率が高いこと、（２）本発明で用いられる
色素または種々の微粒子を安定性良く溶解または分散で
きること、（３）前述のように必要に応じて自己形態保
持性であること、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。

【００４２】無機系のマトリックス材料としては、例え
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。

【００４３】また、有機系のマトリックス材料として
は、例えば種々の有機高分子材料を使用することができ
る。

【００４４】これらのマトリックス材料中へ色素を溶解
または分散させるには公知の方法を用いることができ
る。例えば、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
液へ色素を溶解また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、色素を溶解また
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
素およ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および
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良い。

【００４５】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。例えば、前記微粒子をマトリックス材料の
溶液、または、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、例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または
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、または、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。

【００４６】なお、本発明で用いられる光吸収性材料
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
しても良い。

【００４７】［保温層膜の材料］保温層膜としては気
体、液体、および、固体の材料を用いることができる。
保温層膜の材質が気体や液体の場合のように、自己形態
保持性でない場合は、例えば、光吸収層膜および伝熱層
膜を自己形態保持性の材質で作成し、保温層膜の厚さに
相当する空乏を設け、そこへ気体または液体の保温層膜
材料を注入することで、保温層膜を作成することができ
る。保温層膜の材質が固体の場合は、光吸収層膜に保温
層膜を積層させて作成すれば良い。

【００４８】保温層膜の厚さは、用いる材料の種類にも
よるが、数ナノメートルから数百μｍの範囲の厚さであ
れば良く、数十ナノメートルから数十μｍの範囲であれ
ば特に好適である。

【００４９】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。

【００５０】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、制御光および信号光を透過し、光吸収
層膜の材質を溶解また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。例えば、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。

【００５１】保温層膜として固体を用いる場合は、熱伝
導率が光吸収層膜と同等か光吸収層膜よりも小さい材質
であって、かつ、制御光および信号光を透過し、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。例えば、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、色素を含まないポリメタクリル酸メチル［３００
Ｋ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。

【００５２】［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、制御
光および信号光を透過し、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、例えば、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。

【００５３】［光反射膜の材料］光反射膜としては、制
御光および信号光を反射し、光吸収層膜、保温層膜およ
び伝熱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。アルミニウムや金などの金属
薄膜、もしくは、酸化チタンと酸化ケイ素の交互積層膜
からなる誘電体多層膜を光反射膜として好適に用いるこ
とができる。

【００５４】［凸レンズの材料］本発明の薄膜光素子実
施形態の一つは、前記制御光の収束手段としての凸レン
ズが、光透過層膜を介して前記制御光の入射側に積層さ
れて設けられていることを特徴とするが、この凸レンズ
の材質としては、公知の、任意のものを使用することが
できる。 例えば、ポリメチルメタクリル酸エステル系
樹脂などのプラスチック、光学ガラスなどを好適に使用
することができる。

【００５５】［光透過層膜の材料］本発明の薄膜光素子
実施形態の一つは、前記制御光の収束手段としての凸レ
ンズが、光透過層膜を介して前記制御光の入射側に積層
されて設けられていることを特徴とするが、光透過層膜
の材質としては、固体の保温層膜および／または伝熱層
膜の材質と同様のものを使用することができる。

【００５６】［薄膜光素子の作成方法］本発明の薄膜光
素子の作成方法は、薄膜光素子の構成および使用する材
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。

【００５７】例えば、薄膜光素子中の光吸収層膜に用い
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、光吸収層膜を作成す
ることができる。

【００５８】例えば、色素を含有したマトリックス材料
からなる光吸収層膜と、光学ガラスを伝熱層膜として組
み合わせて用いた「光吸収層膜／伝熱層膜」という積層
型構造の薄膜光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、光吸収層膜を作成することができ
る。

【００５９】色素およ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層を形成する方
法。この場合、光吸収膜層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。

【００６０】電着法、電解重合法、ミセル電解法（特開
昭６３−２４３２９８号報）などの電気化学的成膜手法
を用いることができる。

【００６１】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。

【００６２】光吸収層膜を形成する有機高分子系マトリ
ックス材料が熱可塑性の場合、ガラス板を伝熱層膜とし
て組み合わせることによって、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
層／伝熱膜層」という積層型構造の薄膜光素子を作成す
ることができる。

【００６３】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、例えば、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、および、光重合法などがあ
げられる。

【００６４】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。

【００６５】２成分以上の有機系光学材料を溶液または
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２５
９９５６９号）を利用することもできる。

【００６６】以上のような固体の光吸収層膜の作成方法
は、例えば、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。

【００６７】［凸レンズの作成方法］本発明の薄膜光素
子実施形態の一つは、前記制御光の収束手段としての凸
レンズが、光透過層膜を介して前記制御光の入射側に積
層されて設けられていることを特徴とするが、この凸レ
ンズの作成方法としては、公知の、任意のものを使用す
ることができる。例えば、モノマーの浸透・拡散現象を
利用して、屈折率分布型の凸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: J
pn.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、例えば、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、高屈折率を持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。

【００６８】また、無機イオンの拡散現象を利用し、屈
折率分布型凸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),1052-10
56(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、例えば、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。

【００６９】なお、上記のような方法で、基板中に凸レ
ンズを作成する際に用いられる「マスク」を、本発明の
薄膜光素子における「収束されて照射された前記制御光
および前記信号光が通過できる大きさの孔を設けた光反
射膜」と兼用して用いることができる。

【００７０】［光反射膜に孔を設ける方法］本発明の薄
膜光素子実施形態の一つは、収束されて照射された前記
制御光および前記信号光が通過できる大きさの孔を設け
た光反射膜を有することを特徴とするが、光反射膜に、
この孔を設ける方法としては、公知の任意の方法を用い
ることができる。例えば、ガラス性の伝熱層膜上に設け
られた、金属蒸着膜からなる光反射膜にフォトレジスト
を塗工した後、定法に従って、フォトエッチングの手法
によって、孔を設けることができる。孔の形および大き
さについては後で述べる。

【００７１】［ビームウエスト直径の計算］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（凸レンズ）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。

【００７２】ガウスビームを、集光レンズ７などで、開
き角２θで収束させたときの焦点Ｆc 近傍における光線
束および波面３０の様子を図３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、有限の値を持つ。なお、ビーム半径ωやω
₀ 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。

【００７３】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広がり角θは波長λおよびビーム
ウエスト径ω₀ と、次の式（２）で関係づけられる。

【００７４】

【数２】π・θ・ω₀ ≒ λ …（２） ここで、πは円周率である。

【００７５】「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および焦点
距離から、集光レンズで集光されたビームウエスト径ω
₀ を計算することができる。

【００７６】更に一般的に、有効開口半径ａおよび開口
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２
ω₀は、次の式（３）で表すことができる。

【００７７】

【数３】２ω₀ ≒ ｋ・λ／ＮＡ …（３） 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。

【００７８】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（３）の係数ｋの値は以下のように求ま
る。

【００７９】

【数４】 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。

【００８０】例えば、集光レンズとして焦点距離６．２
ｍｍ、開口数０．６５、有効開口半径約４ｍｍのレンズ
を用い、波長６９４ｎｍの信号光を収束したとき、集光
レンズに入射するビーム半径ωが４ｍｍであればａ／ω
は約１で、ビームウエストの半径ω₀ は０．４９μｍ、
ωが１ｍｍであればａ／ωは約４でω₀ は１．６μｍと
計算される。同様にして波長６３３ｎｍの制御光を収束
したとき、ビーム半径ωが４ｍｍであればａ／ωは約１
で、ビームウエストの半径ω₀ は０．４５μｍ、ωが１
ｍｍであればａ／ωは約４でω₀ は１．５μｍと計算さ
れる。

【００８１】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、集光レンズが受光可能な最大限まで、ビーム径を拡
大（ビームエキスパンド）すれば良い。また、集光レン
ズへ入射するビーム径が同一の場合、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。

【００８２】本発明の光制御方法において光応答を大き
くするには、焦点近傍の光子密度が最も高い領域におけ
る前記信号光のビーム断面積が、焦点近傍の光子密度が
最も高い領域における前記制御光のビーム断面積を越え
ないように前記信号光および前記制御光のビーム断面の
形状および大きさをそれぞれ設定することが好ましい。
信号光および制御光ともにガウスビームを用いる場合で
あれば、以上の説明および計算式に従って、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、信号光および制御光のビーム径を、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、焦点近傍の光子密度が最も高い領域における
前記信号光のビーム断面積が、焦点近傍の光子密度が最
も高い領域における前記制御光のビーム断面積を越えな
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、例えば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。

【００８３】［共焦点距離Ｚc の計算］先に述べたよう
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 および波長λを用いた
式（１）で表すことができる。

【００８４】

【数５】Ｚc ＝ πω₀ ² ／λ …（１） 式（１）のω₀ に式（３）を代入すると、式（４）が得
られる。

【００８５】

【数６】Ｚc ≒ π（ｋ／ＮＡ）² λ／４ …（４） 例えば、集光レンズとして焦点距離６．２ｍｍ、開口数
０．６５、有効開口半径約４ｍｍのレンズを用い、波長
６９４ｎｍの信号光を収束したとき、集光レンズに入射
するビーム半径ωが４ｍｍであればａ／ωは約１で、ビ
ームウエストの半径ω₀ は０．４９μｍ、共焦点距離Ｚ
c は１．０９μｍ、ωが１ｍｍであればａ／ωは約４で
ω₀ は１．６μｍ、共焦点距離Ｚc は１１．６μｍと計
算される。同様にして波長６３３ｎｍの制御光を収束し
たとき、ビーム半径ωが４ｍｍであればａ／ωは約１
で、ビームウエストの半径ω₀ は０．４５μｍ、共焦点
距離Ｚc は０．９９６μｍ、ωが１ｍｍであればａ／ω
は約４でω₀ は１．５μｍ、共焦点距離Ｚc は１０．６
μｍと計算される。

【００８６】［光吸収層膜の最適膜厚］光吸収膜の光学
濃度が一定になるように膜厚と膜中の色素濃度の積が一
定になるように色素濃度と膜厚を調整して試料を作製
し、種々実験の結果、上記のようにして計算される共焦
点距離の２倍を光吸収層膜の膜厚の上限としたとき、本
発明の光制御方法の光応答速度が充分高速になることが
判った。

【００８７】光吸収層膜の膜厚の下限については、光応
答が検知できる限りにおいて、薄ければ薄いほど好まし
い。

【００８８】［保温層膜の膜厚］保温層膜の膜厚には、
光応答の大きさおよび／または速度を最大にするような
最適値（下限値および上限値）が存在する。その値は薄
膜光素子の構成、光吸収層膜の材質および厚さ、保温層
の材質、伝熱層膜の材質および厚さなどに応じて、実験
的に決定することができる。

【００８９】［伝熱層膜の膜厚］伝熱層膜の膜厚にも、
光応答の大きさおよび／または速度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。その値は薄膜
光素子の構成、光吸収層膜の材質および厚さ、保温層の
材質および厚さ、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。

【００９０】［光反射膜に設ける孔の役割、形および大
きさ］本発明の薄膜光素子において、収束されて照射さ
れる前記制御光および前記信号光が通過できる大きさの
孔を設けた光反射膜を、前記保温層膜および／または伝
熱層膜が存在する場合、前記光吸収層膜の制御光入射側
に、前記保温層膜および／または伝熱層膜を介して設け
ることによって、収束されて照射される前記制御光およ
び前記信号光の光軸の調整を容易に行えるようにするこ
とができる。すなわち、前記の孔を通過する信号光およ
び制御光の光量が、各々最大になるよう、信号光および
制御光の光軸を各々調節する、という簡便な操作によっ
て、結果的に、信号光および制御光の光軸の位置関係を
最適化することができる。

【００９１】孔の形および大きさは、上記役割を果たす
限りにおいて、信号光および制御光の光束をできる限り
有効に通過させる形および大きさであることが好まし
い。信号光および制御光がガウスビームであれば、その
光束断面は円形であるので、孔の形も円形であることが
好ましい。円形孔の半径は、孔を通過する信号光および
制御光のビーム半径と同等であることが好ましい。ここ
で、注意しなければならないこととして、孔の半径が小
さくなりすぎると、光の干渉が顕著になる。具体的な目
安として、孔の直径が信号光および制御光の波長の百倍
よりも小さくならないようにすることが好ましい。通
常、直径がミリメートルオーダーの信号光および制御光
が「収束」されてから孔を通過することから、孔を設け
た光反射膜の設置位置を調整することによって、孔の大
きさを、前記の値よりも大きくすることが可能になる。

【００９２】〔実施形態１〕図１には本実施形態の光制
御装置の概略構成が示されている。

【００９３】図１に概要を例示する本発明の光制御装置
は、制御光の光源１、信号光の光源２、ＮＤフィルター
３、シャッター４、半透過鏡５、光混合器６、集光レン
ズ７、本発明の薄膜光素子８、受光レンズ９、波長選択
透過フィルター２０、絞り１９、光検出器１１および２
２、およびオシロスコープ１００から構成される。これ
らの光学素子ないし光学部品のうち、制御光の光源１、
信号光の光源２、光混合器６、集光レンズ７、薄膜光素
子８、受光レンズ９、および、波長選択透過フィルター
２０は、図１の装置構成で本発明の光制御方法を実施す
るために必須の装置構成要素である。なお、ＮＤフィル
ター３、シャッター４、および半透過鏡５は必要に応じ
て設けるものであり、また、光検出器１１および２２、
およびオシロスコープ１００は、本発明の光制御方法を
実施するためには必要ないが光制御の動作を確認するた
めの電子装置として、必要に応じて用いられる。

【００９４】次に、個々の構成要素の特徴ならびに動作
について説明する。

【００９５】制御光の光源１にはレーザー装置が好適に
用いられる。その発振波長および出力は、本発明の光制
御方法が対象とする信号光の波長および使用する光吸収
層膜の光吸収特性に応じて適宜選択される。レーザー発
振の方式については特に制限はなく、発振波長帯域、出
力、および経済性などに応じて任意の形式のものを用い
ることができる。また、レーザー光源の光を非線形光学
素子によって波長変換してから使用しても良い。具体的
には例えば、アルゴンイオンレーザー（発振波長４５
７．９ないし５１４．５ｎｍ）、ヘリウム・ネオンレー
ザー（６３３ｎｍ）などの気体レーザー、ルビーレーザ
ーやＮｄ：ＹＡＧレーザーなどの固体レーザー、色素レ
ーザー、半導体レーザーなどを好適に使用することがで
きる。信号光の光源２にはレーザー光源からのコヒーレ
ント光だけではなく非コヒーレント光を使用することも
できる。また、レーザー装置、発光ダイオード、ネオン
放電管など、単色光を与える光源の他、タングステン電
球、メタルハライドランプ、キセノン放電管などからの
連続スペクトル光を光フィルターやモノクロメーターで
単色化して用いても良い。

【００９６】以下、信号光の光源２として半導体レーザ
ー（発振波長６９４ｎｍ、連続発振出力３ｍＷ）の出射
光をビーム整形して直径約８ｍｍの平行ガウスビームと
して用い、一方、制御光の光源１としてヘリウム・ネオ
ンレーザー（発振波長６３３ｎｍ、ビーム直径約２ｍｍ
の平行ビーム、ビーム断面のエネルギー分布はガウス分
布）を用いた場合について実施形態を説明する。

【００９７】ＮＤフィルター３は必ずしも必要ではない
が、装置を構成する光学部品や光学素子へ必要以上に高
いパワーのレーザー光が入射することを避けるため、ま
た、本発明の薄膜光素子の光応答性能を試験するに当た
り、制御光の光強度を増減するために有用である。本実
施形態では後者の目的で数種類のＮＤフィルターを交換
して使用した。

【００９８】シャッター４は、制御光として連続発振レ
ーザーを用いた場合に、これをパルス状に明滅させるた
めに用いられるものであり、本発明の光制御方法を実施
する上で必須の装置構成要素ではない。すなわち、制御
光の光源１がパルス発振するレーザーであり、そのパル
ス幅および発振間隔を制御できる形式の光源である場合
や、適当な手段で予めパルス変調されたレーザー光を光
源１として用いる場合は、シャッター４を設けなくても
良い。

【００９９】シャッター４を使用する場合、その形式と
しては任意のものを使用することができ、例えば、オプ
ティカルチョッパ、メカニカルシャッター、液晶シャッ
ター、光カー効果シャッター、ポッケルセル、光音響素
子などを、シャッター自体の作動速度を勘案して適宜選
択して使用することができる。

【０１００】半透過鏡５は、本実施形態において、本発
明の光制御方法の作用を試験するに当たり、制御光の光
強度を常時見積もるために用いるものであり、光分割比
は任意に設定可能である。

【０１０１】光検出器１１および２２は、本発明の光・
光制御による光強度の変化の様子を電気的に検出して検
証するため、また、本発明の薄膜光素子の機能を試験す
るために用いられる。光検出器１１および２２の形式は
任意であり、検出器自体の応答速度を勘案して適宜選択
して使用することができ、例えば、光電子増倍管やフォ
トダイオード、フォトトランジスターなどを使用するこ
とができる。

【０１０２】前記光検出器１１および２２の受光信号は
オシロスコープ１００などの他、ＡＤ変換器とコンピュ
ーターの組み合わせ（図示せず）によってモニターする
ことができる。

【０１０３】光混合器６は、前記薄膜光素子中を伝播し
ていく制御光および信号光の光路を調節するために用い
るものであり、本発明の光制御方法および光制御装置を
実施するに当たり重要な装置構成要素の一つである。偏
光ビームスプリッター、非偏光ビームスプリッター、ま
たはダイクロイックミラーのいずれも使用することがで
き、光分割比についても任意に設定可能である。

【０１０４】集光レンズ７は、信号光および制御光に共
通の収束手段として、光路が同一になるように調節され
た信号光および制御光を収束させて前記薄膜光素子へ照
射するためのものであり、本発明の光制御方法および光
制御装置の実施に必須な装置構成要素の一つである。集
光レンズの焦点距離、開口数、Ｆ値、レンズ構成、レン
ズ表面コートなどの仕様については任意のものを適宜使
用することができる。

【０１０５】本実施形態では、以下、集光レンズ７とし
て、焦点距離６．２ｍｍ、開口数０．６５、有効開口半
径４．０３ｍｍの顕微鏡用対物レンズを用いた場合につ
いて述べる。

【０１０６】この場合の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
ビームの半径ω₀ および共焦点距離Ｚc は、先に示した
式（２）および式（４）を用いた計算例の通り、波長６
３３ｎｍ、ビーム直径２ｍｍの制御光についてω₀ は
１．５μｍ、Ｚc は１０．６μｍと計算される。

【０１０７】同様にして波長６９４ｎｍ、ビーム直径８
ｍｍの信号光についてビームウエストにおける光ビーム
の半径ω₀ は０．４９μｍと計算される。すなわち、本
実施形態において、ビームウエストにおける制御光ビー
ムと信号光ビームの大小関係は、ビーム径として約３：
１、ビーム断面積として約１０：１の割合で、制御光の
方が大きい。

【０１０８】薄膜光素子中での制御光Ｓ１と信号光Ｓ２
との関係を模式的に図４に示す。

【０１０９】このようにビームウエストにおける制御光
のビームサイズを信号光に比べて大きくすると、集光レ
ンズの焦点近傍における制御光収束ビームのエネルギー
密度が最も高い領域に、信号光収束ビームのエネルギー
密度が最も高い領域を重ね合わせるように光学系を調整
することが容易になり、かつ、光学系諸要素の変動の影
響を受け難くなる。すなわち、焦点近傍において、制御
光および信号光の光軸中心を完全に一致させる必要はな
く、制御光および信号光のビーム位置が、ある程度変動
ないしドリフトしても、信号光収束ビームのエネルギー
密度が最も高い領域が制御光収束ビームのエネルギー密
度が最も高い領域から逸脱しないように調整することが
可能となる。

【０１１０】受光レンズ９は、収束されて薄膜光素子８
へ照射され、透過してきた信号光および制御光を平行お
よび／または収束ビームに戻すための手段であるが、充
分な大きさの信号光を再現性良く得るためには、前記集
光レンズ７の開口数より小さい開口数のレンズを用い
る。この実施形態では受光レンズ９として、開口数０．
４の顕微鏡レンズを用いた。すなわち、集光レンズ７の
開口数より受光レンズ９の開口数を小さくすることによ
り、信号光の光束のうち、強度変調および／または光束
密度変調を強く受けた領域の光束を分別して取り出すこ
とが可能となり、充分な大きさの信号光を再現性良く検
出できるようになる。なお、レンズ開口数が大きくて
も、絞り１９を入れたり光検出器に光束の中心部分のみ
入射させて実質的に開口数を小さくすることもできる
が、開口数の小さい受光レンズを用いる方が経済的であ
る。また、集光レンズおよび受光レンズの代わりに凹面
鏡を用いることも可能である。

【０１１１】波長選択透過フィルター２０は、図１の装
置構成で本発明の光制御方法を実施するために必須の装
置構成要素の一つであり、前記薄膜光素子中の同一の光
路を伝播してきた信号光と制御光とから信号光のみを取
り出すための手段の一つとして用いられる。

【０１１２】波長の異なる信号光と制御光とを分離する
ための手段としては他に、プリズム、回折格子、ダイク
ロイックミラーなどを使用することができる。

【０１１３】図１の装置構成で用いられる波長選択透過
フィルター２０としては、制御光の波長帯域の光を完全
に遮断し、一方、信号光の波長帯域の光を効率良く透過
することのできるような波長選択透過フィルターであれ
ば、公知の任意のものを使用することができる。例え
ば、色素で着色したプラスチックやガラス、表面に誘電
体多層蒸着膜を設けたガラスなどを用いることができ
る。

【０１１４】本発明の薄膜光素子の一形態として、伝熱
層膜／光吸収層膜／伝熱層膜タイプの薄膜光素子８は、
例えば以下の手順で作成することができる。すなわち、
シアニン色素の３，３’−ジエチルオキサジカルボシア
ニンヨージド（慣用名ＤＯＤＣＩ、エキシトン社製）：
５７．４ｍｇおよびポリメタクリル酸２−ヒドロキシプ
ロピル：１９４２．６ｍｇをアセトン：２００ｍｌに溶
解し、ｎ−ヘキサン：６００ｍｌ中へかき混ぜながら加
えて析出した沈殿（色素およびポリマーの混合物）を濾
別し、ｎ−ヘキサンで洗浄してから減圧下乾燥し、粉砕
した。得られた色素およびポリマーの混合粉末を１０^-5
Ｐａ未満の超高真空下、１００℃で２日間加熱を続け、
残留溶媒等の揮発成分を完全に除去して、色素／ポリマ
ー混合物の粉末を得た。この粉末２０ｍｇを伝熱層膜と
して用いるスライドガラス（２５ｍｍ×７６ｍｍ×厚さ
１．１５０ｍｍ）および同カバーガラス（１８ｍｍ×１
８ｍｍ×厚さ０．１５０ｍｍ）の間に挟み、真空下１６
０℃に加熱し、２枚のガラス板を圧着する方法（真空ホ
ットプレス法）を用いてスライドガラス／カバーガラス
間に色素／ポリマーの膜として、膜厚２０μｍの光吸収
層膜を作成した。この光吸収層膜へ収束させて照射する
制御光（波長６３３ｎｍ、ビーム直径２ｍｍ）の共焦点
処理は前述のように１０．６μｍと計算される。すなわ
ち、前記光吸収層膜の厚さは制御光の共焦点距離の２倍
を越えていない。

【０１１５】なお、色素／ポリマー膜中の色素濃度は、
色素／ポリマー混合物の密度を１．０６として計算する
と、６．２６×１０^-2ｍｏｌ／ｌである。

【０１１６】以上のようにして作成した薄膜光素子の透
過率スペクトルを図２に示す。この膜の透過率は制御光
の波長（６３３ｎｍ）で３８．３％、信号光の波長（６
９４ｎｍ）で９０．３％であった。

【０１１７】以上のような構成要素からなる図１の光学
装置において、光源１から出射された制御光の光ビーム
は、透過率を加減することによって透過光強度を調節す
るためのＮＤフィルター３を通過し、次いで制御光をパ
ルス状に明滅するためのシャッター４を通過して、半透
過鏡５によって分割される。

【０１１８】半透過鏡５によって分割された制御光の一
部は光検出器１１によって受光される。ここで、光源２
を消灯、光源１を点灯し、シャッター４を開放した状態
において薄膜光素子８への光ビーム照射位置における光
強度と光検出器１１の信号強度との関係を予め測定して
検量線を作成しておけば、光検出器１１の信号強度か
ら、薄膜光素子８に入射する制御光の光強度を常時見積
もることが可能になる。この実施形態では、ＮＤフィル
ター３によって、薄膜光素子８へ入射する制御光のパワ
ーを０．５ｍＷないし２５ｍＷの範囲で調節した。

【０１１９】半透過鏡５で分割・反射された制御光は、
光混合器６および集光レンズ７を通って、薄膜光素子８
に収束されて照射される。薄膜光素子８を通過した制御
光の光ビームは、受光レンズ９を通過した後、波長選択
透過フィルター２０によって遮断される。

【０１２０】光源２から出射された信号光の光ビーム
は、前記光混合器６によって、制御光と同一光路を伝播
するよう混合され、集光レンズ７を経由して、薄膜光素
子８に収束・照射され、素子を通過した光は受光レンズ
９および波長選択透過フィルター２０を透過した後、光
検出器２２にて受光される。

【０１２１】図１の光学装置を用いて光制御の実験を行
い、図５または図６に示すような光強度変化を観測し
た。図５および／または図６において、１１１は光検出
器１１の受光信号、２２２および２２３は光検出器２２
の受光信号である。光検出器２２の受光信号２２２の得
られる場合と２２３の得られる場合の違いは、以下の通
りである。

【０１２２】図１の装置配置においては薄膜光素子８に
制御光と信号光とを収束して入射させているが、最小収
束ビーム径位置、すなわちビームウエスト（焦点）を薄
膜光素子８の集光レンズ７に近いところ（光の入射側）
に設定すると、前記薄膜光素子を透過した前記信号光が
減少する方向の光応答２２２が観察される。一方、ビー
ムウエストを薄膜光素子８の受光レンズ９に近いところ
（光の出射側）に設定すると、前記薄膜光素子を透過し
た前記信号光の見かけの強度が増大する方向の光応答２
２３が観察される。

【０１２３】このような光応答が生じる機構は、次のよ
うに想定される。

【０１２４】光吸収層膜を設けた薄膜光素子に、前記光
吸収層膜が吸収する波長帯域から選ばれた波長の制御光
を、集光レンズ７によって収束させて照射すると、制御
光は前記光吸収層膜によって吸収され、吸収された光エ
ネルギーの一部分は熱エネルギーに変化し、まず前記光
吸収層膜中の制御光照射部分の温度が上昇し、次いで熱
伝導によって、前記制御光を吸収した領域の周辺領域の
温度も上昇する。制御光としてガウスビームを用いたと
きの温度上昇の分布は、ビーム中心部分が大きく、周辺
にいくに従って小さくなるガウス分布に類似すると推測
される。このような温度上昇およびその分布に起因し
て、前記光吸収層膜中の制御光照射部分に熱膨張が起こ
り、その結果、分布を持った密度変化および屈折率変化
が起こる。このようにして生じた屈折率分布に基づく光
学的作用を「熱レンズ」と呼ぶことができる。熱レンズ
形成のきっかけとなった制御光の照射を止めると、光吸
収による温度上昇は止まり、密度変化および屈折率分布
は解消し、熱レンズは消滅する。すなわち、制御光の断
続に対応して、熱レンズは可逆的に形成され、消滅す
る。ここで、収束されていない平行な制御光（ガウスビ
ーム）が、比較的薄い光吸収層を透過する場合に、光吸
収によって形成される熱レンズを考えると、ビーム中心
に近いほど温度上昇が大きく、熱膨張が大きく、密度低
下が大きくなり、結果的に、中心部分に近い程、屈折率
が小さくなるような分布が形成され、その光学的作用は
凹レンズに相当すると推定される。しかるに、収束され
た制御光が、比較的厚い光吸収層を透過していく場合に
形成される熱レンズの光学的作用は、光吸収の影響によ
って、ビーム断面のエネルギー分布がガウス分布から乖
離していくと推測され、単純な凹レンズが形成されると
は限らない。

【０１２５】そこで、次に述べるようにして、薄膜光素
子を透過した信号光ビーム断面の光強度分布およびその
変化についての測定を行った。なお、以下の測定で収束
ビームのビームウエスト（焦点Ｆc ）の位置を薄膜光素
子８内で移動するには、集光レンズ７および受光レンズ
９の間隔（ｄ₇₈＋ｄ₈₉）を固定したまま、薄膜光素子８
を移動させて行った。すなわち、集光レンズ７および受
光レンズ９の間隔を固定したまま、薄膜光素子８と集光
レンズ７の距離を変化させ、同一の光路で収束された制
御光および信号光の焦点位置と薄膜光素子８との位置関
係を変化させた。

【０１２６】図１の装置において、受光レンズ９を集光
レンズ７の開口数（本実施形態の場合は０．６５）より
も大きな開口数（例えば０．７５）のものに変更し、光
検出器２２の代わりに図７に示すようなスリットを設け
た光強度分布測定器を設置し、薄膜光素子８を透過した
光線束の全てを受光レンズ９で受光・収束させて前記光
強度分布測定器の受光部３１（有効直径４ｍｍ）へ入射
させ、信号光光線束断面の光強度分布を測定した。測定
結果を図８ないし１０に示す。ここで、光強度分布測定
器は、図７に示すように、受光部３１（有効直径４ｍ
ｍ）に対して幅１ｍｍの第一のスリット３２を設け、第
一のスリットの長さ方向、すなわち図７において点Ｘか
ら点Ｙの向きに、幅２５μｍの第二のスリット３３を一
定速度で移動させて、２枚のスリットが作る１ｍｍ×２
５μｍの長方形の窓を通過した光の強度を、前記窓の移
動位置に対応させて測定する装置である。前記窓の移動
位置に対応させて光強度を測定するには、例えば、第二
のスリット３３の移動速度に同期させたストレージオシ
ロスコープ上に、前記窓を通過した光を受光した検出器
の出力を記録すれば良い。図８ないし１０は、以上のよ
うにして、ストレージオシロスコープ上に記録された信
号光の光ビーム断面についての光強度分布を示すもので
あり、横軸（光ビーム断面内の位置）は図７の点Ｘから
点Ｙの方向の位置に対応し、縦軸は光強度を表す。

【０１２７】図８は、薄膜光素子８に制御光を入射せ
ず、信号光のみが入射された場合の前記信号光の光強度
分布である。この場合の光強度分布は、中心部分の強度
が強く、周辺にいくに従い強度が弱まる分布（ガウス分
布）である。

【０１２８】図９は、制御光および信号光のビームウエ
スト位置（焦点Ｆc ）を薄膜光素子８の集光レンズ７に
近いところ（光の入射側）に設定し、制御光を照射した
とき見かけの信号光強度が減少する向きの光応答２２２
が観察される条件において、制御光を照射したときの信
号光ビーム断面の光強度分布である。この場合の光強度
分布は、中心部分の光強度が弱く、周辺で光強度が増大
する分布になっている。信号光ビーム断面の中心部の光
強度は、制御光強度および薄膜光素子８と焦点の位置関
係に依存して減少し、制御光強度が増すに従い、ゼロに
近づいていく。これは制御光の照射により照射された中
心部分ほど屈折率が小さくなり、その部分の光がビーム
の外周方向に曲げられるためと考えられる。従って、こ
の場合、信号光ビームの中心部分だけを取り出して、見
かけの信号光強度を測定すると、制御光の断続に対応し
て、信号光の強度が減少する向きの光応答２２２を、充
分な大きさで取り出すことができる。

【０１２９】図１０は、制御光および信号光のビームウ
エスト位置（焦点Ｆc ）を薄膜光素子８の受光レンズ９
に近いところ（光の出射側）に設定し、制御光を照射し
たとき見かけの信号光強度が増大する向きの光応答２２
３が観察される条件において、制御光を照射したときの
信号光ビーム断面の光強度分布である。この場合は、中
心部分の光強度が、制御光を照射しない場合の中心部分
の光強度（図８）より強くなっている。ここで、信号光
ビーム断面の中心部の光強度は、制御光強度および薄膜
光素子８を焦点位置の関係に依存するが、制御光非照射
時の数倍にも達する。これは、この配置においては、収
束されて照射された制御光によって形成される熱レンズ
の光学作用は、同じく収束されて照射される信号光の収
束点を、結果的に薄膜光素子８の外側に伸ばした状態に
する（条件にもよるが、ほぼ無限遠に伸ばされた状態に
もなる）ためと考えられる。従って、この場合、信号光
ビームの中心部分だけを取り出して、見かけの信号光強
度を測定すると、制御光の断続に対応して、信号光の強
度が増大する向きの光応答２２３を充分な大きさで取り
出すことができる。

【０１３０】なお、受光レンズ９の開口数を集光レンズ
７の開口数よりも大きくし、薄膜光素子を透過した信号
光を全て受光した場合には、上記のような光強度分布を
持った信号光を光検出器２２に入射させても、光応答は
小さいかほとんどない。すなわち、制御光および信号光
を薄膜光素子８の集光レンズ側に収束して入射させた場
合でも、受光レンズ側に収束して入射させた場合でも、
光応答は小さいかほとんどない。これは、この実施形態
においては、薄膜光素子中の色素の励起状態からの吸収
は、事実上起きていないことを示唆している。

【０１３１】一方、本実施形態の図１のように受光レン
ズ９の開口数を集光レンズ７の開口数よりも小さくする
と、光検出器２２に入射する信号光は外周部分が除外さ
れ、制御光および信号光を薄膜光素子８の集光レンズ側
（入射側）に収束して入射させた場合には光検出器２２
に入射する信号光は小さくなり、受光レンズ側（出射
側）に収束して入射させた場合には光検出器２２に入射
する信号光は大きくなり、大きな光応答が得られること
になる。

【０１３２】図１の光学装置を用いて光制御の実験を行
い、図５または図６に示すような光強度変化を観測した
が、その詳細は以下に述べる通りである。

【０１３３】まず、制御光の光ビームと信号光の光ビー
ムとが、薄膜光素子８内部の同一領域で焦点Ｆc を結ぶ
ように、それぞれの光源からの光路、光混合器６、およ
び集光レンズ７を調節した。なお、前記薄膜光素子８の
カバーガラス側から信号光および制御光が入射し、スラ
イドガラス基板側から出射するような向きに薄膜光素子
を配置した。次いで、波長選択フィルター２０の機能を
点検した。すなわち、光源２を消灯した状態で、光源１
を点灯し、シャッター４を開閉した場合には光検出器２
２に応答が全く生じないことを確認した。

【０１３４】まず、前記焦点Ｆc を薄膜光素子８の集光
レンズ側（入射側）に設置した場合について図５を用い
て述べる。

【０１３５】シャッター４を閉じた状態で制御光の光源
１を点灯し、次いで、時刻ｔ1 において光源２を点灯し
薄膜光素子８へ信号光を照射すると、光検出器２２の信
号強度はレベルＣからレベルＡへ増加した。

【０１３６】時刻ｔ2 においてシャッター４を開放し、
薄膜光素子８内部の信号光が伝播しているのと同一の光
路へ制御光を収束・照射すると光検出器２２の信号強度
はレベルＡからレベルＢへ減少した。この変化の応答時
間は２マイクロ秒未満であった。

【０１３７】時刻ｔ3 においてシャッター４を閉じ、薄
膜光素子への制御光照射を止めると光検出器２２の信号
強度はレベルＢからレベルＡへ復帰した。この変化の応
答時間は３マイクロ秒未満であった。

【０１３８】時刻ｔ4 においてシャッター４を開放し、
次いで、時刻ｔ5 において閉じると、光検出器２２の信
号強度はレベルＡからレベルＢへ減少し、次いでレベル
Ａへ復帰した。

【０１３９】時刻ｔ6 において光源２を消灯すると光検
出器２２の出力は低下し、レベルＣへ戻った。

【０１４０】次いで、前記焦点Ｆc を薄膜光素子８の受
光レンズ側（光の出射側）に設置した場合について図６
を用いて述べる。

【０１４１】シャッター４を閉じた状態で制御光の光源
１を点灯し、次いで、時刻ｔ1 において光源２を点灯し
薄膜光素子８へ信号光を照射すると、光検出器２２の信
号強度はレベルＣからレベルＡへ増加した。

【０１４２】時刻ｔ2 においてシャッター４を開放し、
薄膜光素子８内部の信号光が伝播しているのと同一の光
路へ制御光を収束・照射すると光検出器２２の信号強度
はレベルＡからレベルＤへ増加した。この変化の応答時
間は２マイクロ秒未満であった。

【０１４３】時刻ｔ3 においてシャッター４を閉じ、薄
膜光素子への制御光照射を止めると光検出器２２の信号
強度はレベルＤからレベルＡへ復帰した。この変化の応
答時間は３マイクロ秒未満であった。

【０１４４】時刻ｔ4 においてシャッター４を開放し、
次いで、時刻ｔ5 において閉じると、光検出器２２の信
号強度はレベルＡからレベルＤへ増加し、次いでレベル
Ａへ復帰した。

【０１４５】時刻ｔ6 において光源２を消灯すると光検
出器２２の出力は低下し、レベルＣへ戻った。

【０１４６】以上まとめると、薄膜光素子８へ、制御光
を図５の１１１に示すような波形で表される光強度の時
間変化を与えて照射したところ、信号光の光強度をモニ
ターして示す光検出器２２の出力波形は図５または図６
の２２２または２２３に示すように、制御光の光強度の
時間変化に対応して可逆的に変化した。すなわち、制御
光の光強度の増減または断続により信号光の透過を制御
すること、すなわち光で光を制御すること（光・光制
御）、または、光で光を変調すること（光・光変調）が
できることが確認された。

【０１４７】なお、制御光の断続に対応する信号光光強
度の変化の程度は、前記の光検出器２２の出力レベル
Ａ、ＢおよびＣを用いて次に定義される値ΔＴ［単位
％］または、Ａ、ＣおよびＤを用いて次に定義される値
ΔＴ’［単位％］

【数７】ΔＴ ＝１００［（Ａ−Ｂ）／（Ａ−Ｃ）］ ΔＴ’＝１００［（Ｄ−Ａ）／（Ａ−Ｃ）］ によって定量的に比較することができる。ここで、Ａは
制御光を遮断した状態で信号光の光源２を点灯した場合
の光検出器２２の出力レベル、ＢおよびＤは信号光と制
御光を同時に照射した場合の光検出器２２の出力レベ
ル、Ｃは信号光の光源２を消灯した状態の光検出器２２
の出力レベルである。

【０１４８】上の例において、制御光の入射パワーを２
０ｍＷとし、薄膜光素子８の位置を前述のように移動し
て信号光の光応答の向きと大きさを調べたところ、信号
光強度が減少する向きの応答の大きさΔＴの最大値は８
０％、見かけの信号光強度が増加する向きの応答の大き
さΔＴ’の最大値は４０％であった。

【０１４９】〔実施形態２〕次に、光吸収層膜の光学濃
度を一定にして、光吸収層膜中の色素濃度および膜厚を
変える実験を行った。

【０１５０】まず、実施形態１で用いた光吸収層膜にお
ける色素濃度を２倍にし、一方、光吸収層膜の膜厚を実
施形態１の場合の半分の１０μｍとしたところ、光応答
の大きさΔＴおよびΔＴ’の大きさは実施形態１の場合
とほぼ同一、光応答速度もほぼ同一であった。

【０１５１】〔比較例１〕実施形態１の薄膜光素子にお
ける光吸収層膜の色素濃度を半分にし、一方、光吸収層
膜の膜厚を２倍の４０μｍにして薄膜光素子を作成し、
光応答の実験を行ったところ、光応答の大きさΔＴの最
大値は６８％、ΔＴ’の最大値は２５％となった。実施
形態１の場合に比べて、明らかに光応答の大きさが減少
した。これは、光吸収層膜の厚さが制御光の共焦点距離
の２倍を越えるほど厚くなり、その中に色素が、実施形
態１の場合に比べて希釈された形で存在するため、制御
光の光吸収に起因する熱レンズ形成が実施形態１の場合
よりも阻害されたためであると推測される。

【０１５２】〔比較例２〕実施形態１の薄膜光素子にお
ける光吸収層膜の色素濃度を変えずに、光吸収層膜の膜
厚のみを２倍の４０μｍに変更して薄膜光素子を作成
し、光応答の実験を行ったところ、光応答の大きさΔＴ
およびΔＴ’の最大値は実施形態１の場合と遜色ないも
のの、信号光透過率の絶対値が著しく減少してしまい、
高速応答の際の信号／ノイズ比が悪化した。

【０１５３】〔実施形態３〕特許公報第２５９９５６９
号に記載の複合型光学薄膜の製造方法を利用して、伝熱
層膜として用いるスライドガラス（２５ｍｍ×７６ｍｍ
×厚さ１．１５０ｍｍ）の上に、（i）ポリメタクリル
酸２−ヒドロキシプロピルを単独で用いた保温層膜、
（ii）色素としてＤＯＤＣＩ、マトリックス樹脂として
ポリメタクリル酸２−ヒドロキシプロピルを用い、色素
／ポリマー膜中の色素濃度１．２５×１０^-1ｍｏｌ／ｌ
になるように調整した光吸収層膜、（iii）ポリメタク
リル酸２−ヒドロキシプロピルを単独で用いた保温層膜
（膜厚１０μｍ）を積層・堆積させ、更に、伝熱層膜と
してのカバーガラス（１８ｍｍ×１８ｍｍ×厚さ０．１
５０ｍｍ）を重ねて真空下、加熱・加圧処理（真空ホッ
トプレス処理）し、本発明の薄膜光素子実施形態の一つ
として「伝熱層膜／保温層膜／光吸収層膜／保温層膜／
伝熱層膜」タイプの薄膜光素子を作成した。なお、２枚
の伝熱層膜（ガラス板）の厚さは各々、上記の通りであ
り、２層の保温層膜の厚さは、真空ホットプレス処理後
において、ともに１０μｍ、また、光吸収層膜の厚さ
は、同じく真空ホットプレス処理後において１０μｍに
なるよう成膜条件を調整した。

【０１５４】以上のようにして作成した実施形態３の薄
膜光素子の吸収スペクトルは実施形態１の薄膜光素子の
場合（図２参照）と、同等であった。

【０１５５】この薄膜光素子を用いて、実施形態１の場
合と同様に、制御光の入射パワー２０ｍＷにおいて、信
号光の光応答の向きと大きさを調べたところ、信号光強
度が減少する向きの応答の大きさΔＴの最大値は８８
％、見かけの信号光強度が増加する向きの応答の大きさ
ΔＴ’の最大値は４６％であった。すなわち、実施形態
１および実施形態２の場合よりも、光応答が大きくなっ
た。これは光吸収層膜を挟むように設けた保温層膜によ
って、熱レンズの形成が円滑に行われるようになったた
めであると推測される。

【０１５６】一方、実施形態２の場合、光吸収層膜中の
色素濃度および光吸収層膜の厚さは本実施形態３と同等
であるが、光応答は小さい（実施形態１と同等）。これ
は、保温層膜が存在しないため、光吸収層膜において吸
収された制御光のエネルギーが、急速に伝熱層膜に奪わ
れてしまい熱レンズの形成が阻害されるものと推測され
る。

【０１５７】〔比較例３〕実施形態１の薄膜光素子にお
ける光吸収層膜の色素濃度を変えずに、光吸収層膜の膜
厚のみを０．０１倍の０．２μｍに変更して薄膜光素子
を作成し、光応答の実験を行ったところ、光応答は検出
されなかった。これは、光吸収層膜中の色素量が少な
く、制御光の吸収による発熱量が少ないことに加えて、
制御光の吸収による発熱が急速に伝熱層膜に奪われてし
まい熱レンズの形成が阻害されるためであると推測され
る。

【０１５８】〔実施形態４〕文献［M.Oikawa,K.Iga: A
ppl.Opt.,21(6),1052-1056(1982)］記載の方法に従い、
無機イオンの拡散現象を利用し、屈折率分布型凸レンズ
を無機ガラス系材質で作成した。すなわち、ガラス基板
にマスク兼反射膜として金の蒸着膜を設け、これにフォ
トリソグラフィの手法により直径４００μｍの円形窓を
設けた。次いで、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、直径０．
９ｍｍ、焦点距離２ｍｍ、開口数ＮＡ＝０．２３の屈折
率分布型凸レンズを形成させた。

【０１５９】このガラス基板の反射膜側に、ポリメタク
リル酸メチルからなる厚さ２ｍｍの光透過層兼保温層膜
をキャスティング法によって設けた。

【０１６０】この光透過層兼保温層膜の上に、特許公報
第２５９９５６９号に記載の複合型光学薄膜の製造方法
を利用して、（i）色素としてＤＯＤＣＩ、マトリック
ス樹脂としてポリメタクリル酸２−ヒドロキシプロピル
を用い、色素／ポリマー膜中の色素濃度１．２５×１０
^-1ｍｏｌ／ｌになるように調整した光吸収層膜、（ii）
ポリメタクリル酸２−ヒドロキシプロピルを単独で用い
た保温層膜（膜厚１０μｍ）を積層・堆積させ、更に、
伝熱層膜としてのカバーガラス（１８ｍｍ×１８ｍｍ×
厚さ０．１５０ｍｍ）を重ねて真空下、加熱・加圧処理
（真空ホットプレス処理）し、本発明の薄膜光素子実施
形態の一つとして「凸レンズ／光透過層膜兼保温層膜／
光吸収層膜／保温層膜／伝熱層膜」タイプの薄膜光素子
を作成した。なお、ポリメタクリル酸２−ヒドロキシプ
ロピルからなる保温層膜の厚さおよび光吸収層膜の厚さ
は、真空ホットプレス処理後において、いずれも１０μ
ｍになるよう成膜条件を調整した。

【０１６１】以上のようにして作成した本実施形態４の
薄膜光素子を、集光レンズ７を取り除き、受光レンズの
開口数を０．１のものに代えた他は実施形態１の場合と
同様な光制御装置へ取り付け、本実施形態４の薄膜光素
子の反射膜へ設けた孔へ向けて、実施形態１における集
光レンズ７の代わりに、ガラス基板内に形成された屈折
率分布型凸レンズを経由して、信号光および制御光を、
薄膜光素子の面に垂直に入射させた。ここで、信号光と
しては、発振波長６９４ｎｍ、連続発振出力３ｍＷの半
導体レーザー出射光をビーム整形して直径約０．９ｍｍ
の平行ガウスビームとして用い、一方、制御光として
は、発振波長６３３ｎｍのヘリウム・ネオンレーザー出
射光をビーム整形して直径約０．９ｍｍの平行ガウスビ
ームとして用いた。前述の式（２）および式（４）を用
いて計算すると、信号光および制御光ともにａ／ωは１
でｋは約０．９２であって、信号光のビームウエスト半
径ω₀ は約１．４μｍ、共焦点距離Ｚc は約８．７μ
ｍ、制御光のビームウエスト半径ω₀ は約１．３μｍ、
共焦点距離Ｚc は約８．０μｍと算出される。すなわ
ち、上記のように、光吸収層膜の厚さは１０μｍであ
り、制御光の共焦点距離の２倍（約１６μｍ）を越えて
いない。

【０１６２】信号光および制御光の光軸合わせは、以下
のようにして、極めて簡便に行うことができた。まず、
信号光のみを入射させ、反射膜に設けた孔を通過してく
る信号光の大きさが最大になるよう、信号光の光軸（具
体的には光源の取り付け位置）を調節した。次いで、制
御光のみを入射させ、反射膜に設けた孔を通過してくる
制御光の大きさが最大になるよう、制御光の光軸（具体
的には光源の取り付け位置）を調節した。なお、このと
き、波長選択透過フィルター２０を一時的に取り外し、
光検出器２２にて制御光の光強度を測定した。

【０１６３】以下、実施形態１の場合と同様にして本実
施形態の薄膜光素子の光応答を測定し、実施形態１の場
合と同等の速度および大きさの光応答を観察した。

【０１６４】

【発明の効果】以上、詳細に説明したように、本発明の
薄膜光素子、光制御方法および光制御装置によれば、例
えば、可視領域にある低パワーのレーザー光を制御光と
して、近赤外線領域にある信号光を精度良く変調するこ
とが、極めて単純な光学装置によって、電子回路などを
一切用いることなく、実用上充分な応答速度において実
現可能になる。また、制御光と信号光の光軸調整を簡便
に行うことができ、更に、極めてコンパクトな光制御装
置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明を実施する際に用いられる装置構成を
例示した構成図である。

【図２】 薄膜光素子の透過率スペクトルである。

【図３】 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表した模式図である。

【図４】 薄膜光素子中での信号光と制御光との関係を
模式的に示した図である。

【図５】 最小収束ビーム径位置を薄膜光素子の集光レ
ンズに近いところに設定したときの制御光および信号光
の光強度時間変化を例示した図である。

【図６】 最小収束ビーム径位置を薄膜光素子の受光レ
ンズに近いところに設定したときの制御光および信号光
の光強度時間変化を例示した図である。

【図７】 光強度分布測定に用いたスリットと光ビーム
との関係を示す図である。

【図８】 信号光のビーム断面の光強度分布を表した図
である。

【図９】 信号光のビーム断面の光強度分布を表した図
である。

【図１０】 信号光のビーム断面の光強度分布を表した
図である。

【図１１】 本発明の薄膜光素子の構成例を例示した断
面図である。

【符号の説明】

１ 制御光の光源、２ 信号光の光源、３ ＮＤフィル
ター、４ シャッター、５ 半透過鏡、６ 光混合器、
７ 集光レンズ、８ 膜型光学素子、９ 受光レンズ、
１１ 光検出器、１９ 絞り、２０ 波長選択透過フィ
ルター（制御光遮断用）、２２ 光検出器（信号光の光
強度検出用）、８０光吸収層膜、８１保温層膜、８２
伝熱層膜、８３ 孔、８４ 光反射膜、８５ 熱レンズ
が形成されうる領域、８６ 光透過層膜、８７ 凸レン
ズ、１００ オシロスコープ、１１１ 光検出器１１か
らの信号（制御光の光強度時間変化曲線）、２２２およ
び２２３ 光検出器２２からの信号（信号光の光強度時
間変化曲線）、Ａ 制御光を遮断した状態で信号光の光
源を点灯した場合の光検出器２２の出力レベル、Ｂ 焦
点Ｆｃが膜型光学素子８の集光レンズ側に設定された場
合で、かつ信号光の光源を点灯した状態で制御光を照射
した場合の光検出器２２の出力レベル、Ｃ信号光を消灯
した状態の光検出器２２の出力レベル、Ｄ 焦点Ｆｃが
膜型光学素子８の受光レンズ側に設定された場合で、か
つ信号光の光源を点灯した状態で制御光を照射した場合
の光検出器２２の出力レベル、ｄ₇₈ 集光レンズ７と光
学素子８の距離、ｄ₈₉ 光学素子８と受光レンズ９の距
離、Ｆc 焦点、Ｓ１ 制御光、Ｓ２ 信号光、ｔ1
信号光の光源を点灯した時刻、ｔ2 制御光を遮断して
いたシャッターを開放した時刻、ｔ3 制御光をシャッ
ターで再び遮断した時刻、ｔ4 制御光を遮断したシャ
ッターを開放した時刻、ｔ5 制御光をシャッターで再
び遮断した時刻、ｔ6 信号光の光源を消灯した時刻、
θ 集光レンズで収束させた光ビームの外周部が光軸と
なす角度、ω₀ 集光レンズで収束させたガウスビームの
ビームウエスト（焦点位置におけるビーム半径）、Ｚc
共焦点距離。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (71)出願人 597007732 平賀 隆 茨城県つくば市春日１丁目一番地101棟308 号室 (71)出願人 597007743 守谷 哲郎 茨城県つくば市東２丁目23番地８号 (74)上記４名の代理人 弁理士 吉田 研二 （外２名 ） (72)発明者 平賀 隆 茨城県つくば市梅園１丁目１番４ 工業技 術院電子技術総合研究所内 (72)発明者 守谷 哲郎 茨城県つくば市梅園１丁目１番４ 工業技 術院電子技術総合研究所内 (72)発明者 田中 教雄 東京都足立区堀之内１丁目９番４号 大日 精化工業株式会社東京製造事業所内 (72)発明者 柳本 宏光 東京都足立区堀之内１丁目９番４号 大日 精化工業株式会社東京製造事業所内 (72)発明者 上野 一郎 神奈川県横浜市神奈川区守屋町３丁目12番 地 日本ビクター株式会社内 (72)発明者 辻田 公二 神奈川県横浜市神奈川区守屋町３丁目12番 地 日本ビクター株式会社内

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 少なくとも光吸収層膜を含む薄膜光素子
   中の光吸収層膜に、互いに波長の異なる制御光および信
   号光を各々収束させて照射し、前記制御光の波長は前記
   光吸収層膜が吸収する波長帯域から選ばれるものとし、
   少なくとも前記制御光が前記光吸収層膜内において焦点
   を結ぶものとし、前記光吸収層膜が前記制御光を吸収し
   た領域およ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、前記信号光の強度変調および／または
   光束密度変調を行う薄膜光素子において、前記光吸収層
   膜の厚さが、収束された前記制御光の共焦点距離の２倍
   を越えないことを特徴とする薄膜光素子。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の薄膜光素子において、 前記光吸収層膜の片側または両側に、前記制御光および
   前記信号光の波長帯域において光透過性の保温層膜が設
   けられたことを特徴とする薄膜光素子。
3. 【請求項３】 請求項１または請求項２に記載の薄膜光
   素子において、 前記保温層膜が存在しない場合には、前記光吸収層膜の
   片側または両側に前記伝熱層膜が設けられ、 一方、前記保温層膜が存在する場合、前記光吸収層膜の
   片側または両側に、前記保温層膜を介して、伝熱層膜が
   設けられたことを特徴とする薄膜光素子。
4. 【請求項４】 請求項１ないし３のいずれかに記載の薄
   膜光素子において、 前記光吸収層膜および／または前記保温層膜および／ま
   たは前記伝熱層膜が自己形態保持性の材質からなること
   を特徴とする薄膜光素子。
5. 【請求項５】 請求項１ないし４のいずれかに記載の薄
   膜光素子において、 収束されて照射された前記制御光および前記信号光が通
   過できる大きさの孔を設けた光反射膜が前記光吸収層膜
   の制御光入射側に、また前記保温層膜および／または伝
   熱層膜が存在する場合には前記保温層膜および／または
   伝熱層膜を介して設けられたことを特徴とする薄膜光素
   子。
6. 【請求項６】 請求項１ないし５のいずれかに記載の薄
   膜光素子において、 前記光吸収層膜が、前記制御光の波長帯域の光を吸収す
   る色素ないし色素分子凝集体を含有していることを特徴
   とする薄膜光素子。
7. 【請求項７】 請求項１ないし６のいずれかに記載の薄
   膜光素子において、 前記光吸収膜、保温層膜、光反射膜のいずれかを介し
   て、光透過膜層が設けられ、 更に前記制御光の収束手段としての凸レンズが、光透過
   層膜を介して前記制御光の入射側に積層されて設けられ
   ていることを特徴とする薄膜光素子。
8. 【請求項８】 請求項１ないし６のいずれかに記載の薄
   膜光素子の光吸収層膜に、互いに波長の異なる制御光お
   よび信号光を各々収束させて照射し、前記制御光の波長
   は前記光吸収層膜が吸収する波長帯域から選ばれるもの
   とし、少なくとも前記制御光が前記光吸収層膜内におい
   て焦点を結ぶものとし、前記光吸収層膜が前記制御光を
   吸収した領域およ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、前記信号光の強度変調および／
   または光束密度変調を行うことを特徴とする光制御方
   法。
9. 【請求項９】 請求項７に記載の薄膜光素子に設けられ
   た前記凸レンズに、前記制御光および前記信号光を各々
   平行ビームとして照射し、少なくとも前記制御光が前記
   光吸収層膜内において焦点を結ぶものとし、前記光吸収
   層膜が前記制御光を吸収した領域およびその周辺領域に
   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、前記信号光
   の強度変調および／または光束密度変調を行うことを特
   徴とする光制御方法。
10. 【請求項１０】 請求項８または請求項９に記載の光制
    御方法において、 前記薄膜光素子を透過した後、発散していく信号光光線
    束を、前記信号光光線束の発散角度よりも小さい角度範
    囲で取り出すことによって、 強度変調および／または光束密度変調を強く受けた領域
    の信号光光線束を分別して取り出すことを特徴とする光
    制御方法。
11. 【請求項１１】 請求項１ないし６のいずれかに記載の
    薄膜光素子の光吸収層膜に、互いに波長の異なる制御光
    および信号光を各々照射し、前記制御光の波長は前記光
    吸収層膜が吸収する波長帯域から選ばれるものとし、前
    記光吸収層膜が前記制御光を吸収した領域およびその周
    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、前
    記信号光の強度変調および／または光束密度変調を行う
    光制御装置において、 前記制御光および前記信号光を各々収束させる収束手段
    を有し、収束された前記制御光および前記信号光のそれ
    ぞれの焦点近傍の光子密度の最も高い領域が互いに重な
    るように、前記制御光および前記信号光の光路がそれぞ
    れ配置され、 また、前記薄膜光素子の前記光吸収層膜は、収束された
    前記制御光および前記信号光のそれぞれの焦点近傍の光
    子密度の最も高い領域が互いに重なり合う位置に配置さ
    れていることを特徴とする光制御装置。
12. 【請求項１２】 請求項７に記載の薄膜光素子に設けら
    れた前記凸レンズに、前記制御光および前記信号光を各
    々平行ビームとして照射し、前記光吸収層膜が前記制御
    光を吸収した領域およ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り、前記信号光の強度変調および
    ／または光束密度変調を行う光制御装置において、 前記制御光および前記信号光を各々収束させる収束手段
    として前記凸レンズを有し、収束された前記制御光およ
    び前記信号光のそれぞれの焦点近傍の光子密度の最も高
    い領域が互いに重なり合うように、前記制御光および前
    記信号光の光路がそれぞれ配置され、 また、前記薄膜光素子の前記光吸収層膜は、収束された
    前記制御光および前記信号光のそれぞれの焦点近傍の光
    子密度の最も高い領域が互いに重なり合う位置に配置さ
    れていることを特徴とする光制御装置。
13. 【請求項１３】 請求項１１または請求項１２に記載の
    光制御装置において、 強度変調および／または光束密度変調を強く受けた領域
    の信号光光線束を分別して取り出すための手段として、
    前記薄膜光素子を透過した後、発散していく信号光光線
    束を、前記信号光光線束の発散角度よりも小さい角度範
    囲で取り出す手段を設けたことを特徴とする光制御装
    置。