(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
信号光の波長の光を吸収せず、制御光の光を吸収する色素を溶剤に溶解させた色素溶液を充填した光学セルを備える熱レンズ形成素子であって、
前記光学セルは、少なくとも制御光が焦点を結ぶように配置された制御光吸収領域を有し、
前記制御光吸収領域の形状は、合計４つの当該平面について互いに平行な２つの外側平面および２つの内側平面、を有する角型断面中空管であって、前記互いに平行な２つの外側平面および２つの内側平面はともに、前記制御光が照射されず前記信号光が直進する場合の光軸に対して垂直であり、前記互いに平行な２つの外側平面および２つの内側平面の大きさは、前記制御光および信号光の入射する領域および直進または光路切替されて出射する信号光が通過する領域において平面である大きさであり、前記角型断面中空管の両端はその素材の融点において溶融封止されており、前記制御光吸収領域には、前記制御光吸収領域が吸収する波長帯域から選ばれる波長の制御光と、前記制御光吸収領域が吸収しない波長帯域から選ばれる波長の信号光とが各々収束されて照射され、かつ前記制御光および前記信号光の各々の収束点の位置が同一または相異なるように照射され、前記制御光吸収領域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形成される屈折率の分布に基づいた熱レンズが形成され、
前記制御光が照射されず熱レンズが形成されていない場合は前記収束された信号光が通常の開き角度と直進方向で出射する状態と、
前記制御光および前記信号光の各々の収束点の位置が同一になるよう制御光が照射されて熱レンズが形成される場合は前記収束された信号光が通常の開き角度よりも大きい開き角度で出射する状態、または、前記制御光および前記信号光の各々の収束点の位置が相異なるよう制御光が照射されて熱レンズが形成される場合は前記収束された信号光が通常の開き角度と異なる開き角度と直進方向とは異なる方向で出射する状態とを、
前記制御光の照射の有無に対応させて実現させ、
かつ、
前記角型断面中空管内の一端には色素溶液が１本の液柱として気泡無しに存在し、他端には前記１本の液柱を維持するための１つの気泡が前記色素溶液の液柱に接して存在し、
前記気泡の室温における圧力が０．４ないし０．７気圧であり、
同圧力が０．４ないし０．５気圧のとき、前記気泡の体積が、前記角型断面中空管容積の２０％以上、６０％以下であり、
同圧力が０．６気圧のとき、前記気泡の体積が、前記角型断面中空管容積の２５％以上、６０％以下であり、
同圧力が０．７気圧のとき、前記気泡の体積が、前記角型断面中空管容積の４０％以上、６０％以下、であることを特徴とする熱レンズ形成素子。
【請求項２】
前記１つの気泡を構成する気体中の酸素濃度が０．５ｐｐｍ以下、０ｐｐｍ以上であることを特徴とする請求項１に記載の熱レンズ形成素子。
【請求項３】
前記角型断面中空管の表面に屈折率１．２ないし１．４の透明有機高分子膜からなる厚さ１０ｎｍないし２００μｍの無反射コート膜を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の熱レンズ形成素子。
【請求項４】
少なくとも、熱レンズ形成素子の角型断面容器として用いられる石英ガラス製角型断面中空管のためのプリフォームを、互いに平行な２つの外側平面および２つの内側平面からなる角型断面中空管に変形させる工程と、
前記角型断面中空管を切断して両端が開いた中空管とする工程と、
互いに平行な２つの外側平面および２つの内側平面を有する角型断面中空管の一端を封じる工程と、
信号光の波長の光を吸収せず、制御光の光を吸収する色素を溶剤に溶解させた色素溶液を調製する工程と、
一端を封止した互いに平行な２つの外側平面および２つの内側平面を有する角型断面中空管の内部に前記色素溶液を注入する工程と、
前記色素溶液を注入した後、前記角型断面中空管の色素溶液が注入されていない空間を真空にした後、接着剤で仮封止する工程と、
前記色素溶液が注入された角型断面中空管の、色素溶液が存在しない位置において前記角型断面中空管の一端を加熱溶融封止する工程と、
を有する熱レンズ形成素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、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、光路切替装置および光路切替方法に用いられる熱レンズ形成素子およびその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
本発明者らは、全く新しい原理に基づく光路切替方法および装置として、熱レンズ形成素子中の制御光吸収領域に、制御光吸収領域が吸収する波長帯域の制御光、および、制御光吸収領域が吸収しない波長帯域の信号光を各々の光軸が一致するよう収束させて照射し、制御光が照射されていない場合は信号光が鏡の穴を通して直進するようにし、一方、制御光が照射される場合は、信号光の進行方向に対して傾けて設けた穴付ミラーを用いて反射することによって光路を変更させる方法およびそのための装置を発明した（特許文献１参照）。この発明以前の背景技術については、特許文献１に詳しく記載されている。
【０００３】
本発明者らは、また、熱レンズ形成素子および穴付ミラーを複数組み合わせて用いる光制御式光路切替型光信号伝送装置および光信号光路切替方法を発明した（特許文献２参照）。なお、特許文献１および特許文献２に記載の光路切替方式おいて制御光を照射した場合、熱レンズ効果によって信号光のビーム断面形状はリング状になる。そこでこの方式を以下「リングビーム方式」と呼ぶ。
【０００４】
本発明者らは、以下に説明する発明も、出願している。熱レンズ形成光素子中の制御光吸収領域に、制御光吸収領域が吸収する波長帯域の制御光、および、制御光吸収領域が吸収しない波長帯域の信号光とを入射させ、その際、前記制御光および前記信号光が、前記制御光吸収領域にて収束するように照射されかつ前記制御光および前記信号光の各々の収束点の位置が相異なるように照射され、これにより、前記制御光と前記信号光は、光の進行方向で前記制御光吸収領域の入射面またはその近辺において収束したのち拡散される。これにより、前記制御光吸収領域内における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可逆的に熱レンズが形成され、形成された熱レンズによって、屈折率が変化し、前記信号光の進行方向を変えることを特徴とする光変更方法および光路切替装置を開示した（特許文献３〜５参照）。特許文献３〜５において、熱レンズ形成光素子の制御光吸収領域としては、色素を溶剤に溶解したものをガラス容器に封じたものが開示されており、溶剤としては、少なくとも使用する色素を溶解するものであって、熱レンズ形成時の温度上昇に際し、熱分解することなく、かつ、沸騰する温度（沸点）が１００℃以上、好ましくは２００℃以上、更に好ましくは３００℃以上のものを好適に用いることができると記載されている。しかしながら、特許文献３〜５には、溶剤の屈折率および粘度の温度特性に関する記述はない。なお、特許文献３〜５に記載の光路切替方式においては制御光を照射しても信号光のビーム断面形状はほぼ円形に保たれる。そこでこの方式を以下「丸ビーム方式」と呼ぶ。
【０００５】
本発明者の一部他は、液状の光応答性組成物を充填した光学セルに、前記光応答性組成物が感応する波長の制御光を照射し、制御光とは異なる波長帯域にある信号光の透過率および／または屈折率を可逆的に変化させることにより、前記光学セルを透過する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方法であって、前記制御光および前記信号光を各々収束させて前記光学セルへ照射し、かつ、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が最も高い領域が前記光学セル内の前記光応答性組成物中において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をそれぞれ配置し、前記光学素子中の前記光応答性組成物を透過した後、発散していく信号光光線束を、前記信号光の収束手段よりも小さい開口数の凸レンズまたは凹面鏡で受光することによって、前記強度変調および／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を発明した（特許文献６参照）。特許文献６にも、溶剤の屈折率および粘度の温度特性に関する記述はない。特許文献６には、光学セルの２枚のガラス板とスペーサーにより構成される扁平直方体型空間に色素溶液が満たされた形態の熱レンズ形成素子が記載されているが、この素子の向きを重力の方向に対して変化させた場合の熱レンズ効果の変動に関しては全く記述されていない。
【０００６】
本発明者の一部他は、液状の光応答性組成物を充填した光学セルを熱レンズ形成素子と呼び、前記光応答性組成物が感応する波長の制御光を吸収する色素溶液の溶剤として、１６０℃以上における粘度が０ないし３ｍＰａ・ｓであり、かつ、１６０℃における粘度の値で、４０℃における粘度の値を除した値が１以上、６以下である溶剤を用い、更に、光学セルの形態として前記色素溶液を入射信号光の光軸を中心軸とする円柱またはその円柱に外接するＮ角柱（Ｎは４以上の整数）の形状の第１の空間内に充填して制御光吸収領域とし、前記第１の空間を溶液導入路および堰を介して第２の空間に接続させ、この第２の空間には前記色素溶液および不活性気体の気泡１４が充填されている構造を開示した（特許文献７参照）。特許文献７の熱レンズ形成素子（光学セル）においては、光学セルの色素溶液注入孔に蓋を接着剤で接着し色素溶液を封止する方式が開示されているに過ぎない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第３８０９９０８号明細書
【特許文献２】特許第３９０６９２６号明細書
【特許文献３】特開２００７−２２５８２５号公報
【特許文献４】特開２００７−２２５８２６号公報
【特許文献５】特開２００７−２２５８２７号公報
【特許文献６】特許第３５０４０７６号明細書
【特許文献７】特開２００９−１７５１６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、熱レンズ形成素子の光学セルへ色素溶液を注入した後、注入孔に蓋を接着する方式を廃し、接着剤層を溶剤分子、酸素分子、水分子が透過する可能性を排除することを目的とする。
【０００９】
本発明は、また、熱レンズ形成素子の光学セルの形状を単純化して製造コストを低減させることを目的とする。
【００１０】
本発明は、更に、熱レンズ形成素子の向きを重力の方向に対して変えた場合の熱レンズ効果の変動を最小化することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、以下の特徴を有する。
【００１２】
（１）信号光の波長の光を吸収せず、制御光の光を吸収する色素を溶剤に溶解させた色素溶液を充填した光学セルを備える熱レンズ形成素子であって、
前記光学セルは、少なくとも制御光が焦点を結ぶように配置された制御光吸収領域を有し、
前記制御光吸収領域の形状は、合計４つの当該平面について互いに平行な２つの外側平面および２つの内側平面、を有する角型断面中空管であって、前記互いに平行な２つの外側平面および２つの内側平面はともに、前記制御光が照射されず前記信号光が直進する場合の光軸に対して垂直であり、前記互いに平行な２つの外側平面および２つの内側平面の大きさは、前記制御光および信号光の入射する領域および直進または光路切替されて出射する信号光が通過する領域において平面である大きさであり、前記角型断面中空管の両端はその素材の融点において溶融封止されており、前記制御光吸収領域には、前記制御光吸収領域が吸収する波長帯域から選ばれる波長の制御光と、前記制御光吸収領域が吸収しない波長帯域から選ばれる波長の信号光とが各々収束されて照射され、かつ前記制御光および前記信号光の各々の収束点の位置が同一または相異なるように照射され、前記制御光吸収領域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形成される屈折率の分布に基づいた熱レンズが形成され、
前記制御光が照射されず熱レンズが形成されていない場合は前記収束された信号光が通常の開き角度と直進方向で出射する状態と、
前記制御光および前記信号光の各々の収束点の位置が同一になるよう制御光が照射されて熱レンズが形成される場合は前記収束された信号光が通常の開き角度よりも大きい開き角度で出射する状態、または、前記制御光および前記信号光の各々の収束点の位置が相異なるよう制御光が照射されて熱レンズが形成される場合は前記収束された信号光が通常の開き角度と異なる開き角度と直進方向とは異なる方向で出射する状態とを、
前記制御光の照射の有無に対応させて実現させ、
かつ、
前記角型断面中空管内の一端には色素溶液が１本の液柱として気泡無しに存在し、他端には前記１本の液柱を維持するための１つの気泡が前記色素溶液の液柱に接して存在し、
前記気泡の室温における圧力が０．４ないし０．７気圧であり、
同圧力が０．４ないし０．５気圧のとき、前記気泡の体積が、前記角型断面中空管容積の２０％以上、６０％以下であり、
同圧力が０．６気圧のとき、前記気泡の体積が、前記角型断面中空管容積の２５％以上、６０％以下であり、
同圧力が０．７気圧のとき、前記気泡の体積が、前記角型断面中空管容積の４０％以上、６０％以下、であることを特徴とする熱レンズ形成素子である。
【００１３】
（２）前記１つの気泡を構成する気体中の酸素濃度が０．５ｐｐｍ以下、０ｐｐｍ以上であることを特徴とする上記（１）に記載の熱レンズ形成素子である。
【００１４】
（３）前記角型断面中空管の表面に屈折率１．２ないし１．４の透明有機高分子膜からなる厚さ１０ｎｍないし２００μｍの無反射コート膜を有することを特徴とする上記（１）または（２）に記載の熱レンズ形成素子である。
【００２２】
（４）少なくとも、熱レンズ形成素子の角型断面容器として用いられる石英ガラス製角型断面中空管のためのプリフォームを、互いに平行な２つの外側平面および２つの内側平面からなる角型断面中空管に変形させる工程と、
前記角型断面中空管を切断して両端が開いた中空管とする工程と、
互いに平行な２つの外側平面および２つの内側平面を有する角型断面中空管の一端を封じる工程と、
信号光の波長の光を吸収せず、制御光の光を吸収する色素を溶剤に溶解させた色素溶液を調製する工程と、
一端を封止した互いに平行な２つの外側平面および２つの内側平面を有する角型断面中空管の内部に前記色素溶液を注入する工程と、
前記色素溶液を注入した後、前記角型断面中空管の色素溶液が注入されていない空間を真空にした後、接着剤で仮封止する工程と、
前記色素溶液が注入された角型断面中空管の、色素溶液が存在しない位置において前記角型断面中空管の一端を加熱溶融封止する工程と、
を有する熱レンズ形成素子の製造方法である。
【発明の効果】
【００２３】
制御光の出力３０ｍＷ以下という小さいパワーで、リングビーム方式の場合１ミリ秒未満、丸ビーム方式の場合１０ミリ秒未満の高速な応答速度で熱レンズ効果を発揮する熱レンズ形成素子を低い製造コストで実現することができる。また、素子の向きを重力方向に対して変化させても、熱レンズ効果の変動が少ない熱レンズ形成素子を提供することができる。更に、−４０〜８５℃の温度範囲で使用可能な熱レンズ形成素子を提供することができる。更にまた、実使用条件において５年以上、熱レンズ形成性能を維持するとこのできる熱レンズ形成素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の実施の形態１における熱レンズ形成素子の断面の概略構成図である。
【図２ａ】本発明の実施の形態１における熱レンズ形成素子の断面の概略構成図であり、断面が正方形の場合である。
【図２ｂ】本発明の実施の形態１における熱レンズ形成素子の断面の概略構成図であり、断面が長方形の場合である。
【図３】本発明の実施の形態１における熱レンズ形成素子用角型断面中空管への色素溶液の充填工程を説明するための概略工程図である。
【図４】本発明の熱レンズ形成素子を用いた光路切替装置の一例の概略構成図である。
【図５】本発明の熱レンズ形成素子を用いた光路切替装置の一例の概略構成図である。
【図６】本発明の熱レンズ形成素子に用いられる溶剤＃１の質量分析ガスクロマトグラムである。
【図７】本発明の熱レンズ形成素子に用いられる溶剤＃１の屈折率・温度依存性を表すグラフである。
【図８】比較例に用いられる溶剤＃２の屈折率・温度依存性を表すグラフである。
【図９】溶剤＃１および溶剤＃２の粘度・温度特性を表すグラフである。太い線が溶剤＃１、細い線が溶剤＃２の特性を示している。
【図１０ａ】本発明の熱レンズ形成素子を出射した信号光ビームの断面形状と制御光パワーの対応を示す図であって、制御光を照射しない場合の信号光ビーム（ガウス分布の丸ビーム）断面である。
【図１０ｂ】本発明の熱レンズ形成素子を出射した信号光ビームの断面形状と制御光パワーの対応を示す図であって、制御光パワー２．２ｍＷを照射した場合の信号光ビーム断面である。
【図１０ｃ】本発明の熱レンズ形成素子を出射した信号光ビームの断面形状と制御光パワーの対応を示す図であって、制御光パワー４．３ｍＷを照射した場合の信号光ビーム断面である。
【図１０ｄ】本発明の熱レンズ形成素子を出射した信号光ビームの断面形状と制御光パワーの対応を示す図であって、制御光パワー７．６ｍＷを照射した場合の信号光ビーム断面である。
【図１１】オシロスコープで観察した制御光および信号光の波形を表した図である。
【図１２】オシロスコープで観察した制御光および信号光の波形を表した図である。
【図１３】制御光を断続する周波数と光路切替された信号光の強度（振幅）の関係を表した図である。
【図１４】制御光を断続する周波数と光路切替された信号光の強度（振幅）の関係を表した図である。
【図１５】本発明および比較例の熱レンズ形成素子を用いた丸ビーム方式光路切替装置における変更角と制御光パワーの関係を表した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、図１〜図１５の図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。なお、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ’線に沿った断面図であり、図２ａおよび図２ｂは図１（ｂ）のＢ−Ｂ‘線に沿った断面図である。
【００２６】
（実施の形態１）
図１（ａ）〜図１（ｂ）は本発明の実施の形態１に係る熱レンズ形成素子１の一例の概略構成図である。
【００２７】
熱レンズ形成素子の構成：
［角型断面中空管］
本発明の熱レンズ形成素子１に用いられる、合計４つの当該平面について互いに平行な２つの外側平面および２つの内側平面を有する角型断面中空管の材質は石英ガラスが好適に用いられる。
【００２８】
前記角型断面中空管の管壁を構成する石英ガラスの板材の厚さＳは１００μｍないし５００μｍが好適である。石英ガラスの板材の厚さＳが１００μｍよりも薄いと、強度不足で加工時に破損し易くなる。一方、石英ガラスの板材の厚さが５００μｍよりも厚いと、収束しながら入射する信号光あるいは拡散・変更しながら出射する信号光のビーム形状が屈折の影響で劣化する度合い、すなわちビーム断面形状の円からの乖離が大きくなり好ましくない。
【００２９】
前記角型断面中空管の寸法は加工上の制約、内部に注入される色素溶液の液柱の長さの制約、および、熱レンズ効果の大きさ、との関係で最適な大きさが決定される。
【００３０】
まず、加工上の制約として、外側平面の幅１ｍｍ以下の前記角型断面中空管の末端を石英ガラスの融点約１７０℃において加熱溶融によって封止する場合、内部の色素溶液の端部と溶融封止部分の距離Ｈは最小１０ｍｍであり、上限については加工上の制限はなく、産業上の利用の観点からはできるだけ短いことが好ましく、１５ｍｍ以内であれば好適である。一方、前記角型断面中空管の寸法は加工上の制約、内部に注入される色素溶液の液柱の長さＭは、最小１ｍｍ、最長１５ｍｍ程度であることが好ましい。液柱の長さＭが１ｍｍよりも短いと、信号光および制御光の通過する平面部分が、前記角型断面中空管の溶融封止端面の形状の影響を受けるおそれがある。液柱の長さＭには特に上限はないが、色素溶液充填操作上、最長１５ｍｍよりも短いことが好ましい。したがって、前記角型断面中空管の一方の端に色素溶液の液柱を一端に寄せて５ないし１０ｍｍの長さで充填した場合、前記角型断面中空管の全長は２０ないし２５ｍｍである。
【００３１】
一方、熱レンズ形成素子１に用いられる前記角型断面中空管の内側平面２つの間隔、すなわち、色素溶液の厚さ（光路長ｄ）は、熱レンズ形成および消滅の応答速度の観点から最適な大きさが決定される。すなわち、制御光吸収領域における熱レンズ形成をできるだけ効果的に行うには、特定の領域にある程度の熱エネルギーが蓄積される必要がある。例えば、ガラス基板に色素薄膜を真空蒸着によって直接形成した場合には、制御光を収束照射しても発生した熱は瞬時に拡散してしまうため、検知できるような熱レンズ効果は起こらない。後述の色素溶液を用い、制御光および信号光が進行する色素溶液の厚さを変えて、熱レンズ効果の大きさを調べた結果、色素溶液の厚さ（光路長ｄ）は２００μｍないし５００μｍが好適であることが判った。色素溶液の厚さを２００μｍよりも薄くすると、制御光パワーを大きくしても、熱の拡散による損失が支配的となって、大きな熱レンズ効果は得られない。また、色素溶液の厚さを５００μｍよりも厚くしても熱レンズ効果の大きさは変わらなくなり、反面、色素溶液内を信号光ビームが入射面・出射面に対して斜めに、あるいは、拡散しながら長距離進行することによる、出射後の信号光ビームの形状劣化の度合いが大きくなり、好ましくない。なお、以上の実験において「熱レンズ効果の大きさ」は、リングビーム方式の場合、出射信号光断面のリングの大きさとして、また、丸ビーム方式の場合、熱レンズ形成素子を出射する信号光の光路切替角度の大きさとして明確に検知・比較可能である。
【００３２】
また、熱レンズ形成素子１に用いられる前記角型断面中空管の内側平面の幅Ｄは、平面部分に収束されて入射する制御光および信号光のビーム径、および、広がりながら出射する信号光のビーム径、および、光路が変更されて出射する信号光のビーム径と出射位置から規定される。なお、信号光は角型断面中空管の内側平面６または７に内接する円９（その直径Ｑ＝Ｄ）の中心を通過するものとする。具体的には、熱レンズ形成素子１に入射する前記信号光および制御光のビーム直径の大きい方をＲとしたとき、前記角型断面中空管の内側平面の幅Ｄの最小値は、前記大きい方のビーム直径Ｒの２倍程度であれば良い。幅Ｄの最小値または長さＭの最小値が２Ｒよりも小さいと、広がりながら出射する信号光が、前記角型断面中空管の内側平面に直交する内側側面に遮られる可能性がある。ビーム直径Ｒが最も大きくなるのは、マルチモードファイバーからの出射光をコリメートした平行光を信号光または制御光として入射させる場合であって、Ｒは１００μｍ前後である。すなわち、２ＲすなわちＤの最小値は２００μｍである。
【００３３】
前記角型断面中空管の内側平面の幅Ｄは、前記角型断面中空管の管壁を構成する石英ガラスの強度上の制約を受け、当該石英ガラスの板材の厚さＳの２倍を超えると破損し易くなる。厚さＳが１００μｍの場合、信号光または制御光ビームの制約、すなわちＤは２００μｍとすると前記２つの制約を同時に満足する。厚さＳが２００〜２５０μｍの場合、Ｄの最大値は４００〜５００μｍであり、強度的にも信号光または制御光ビームの透過上にも好適である。
【００３４】
以上まとめると、熱レンズ形成素子１に用いられる前記角型断面中空管の寸法上の好ましい実施の形態は次の通りである：
（１）前記角型断面中空管の管壁の厚さＳ：  ２００〜２５０μｍ
（２）前記角型断面中空管の内側平面の幅Ｄ：  ４００〜５００μｍ
（３）前記角型断面中空管の外側平面の幅Ｄ：  ８００〜１０００μｍ
（４）前記角型断面中空管の内側平面２つの間隔ｄ：  ２００〜５００μｍ
（５）前記角型断面中空管の内部の一端に注入される色素溶液の液柱の長さＭ：
１〜１５ｍｍ
（６）内部の色素溶液の端部と溶融封止部分の距離Ｈ：  １０〜１５ｍｍ。
【００３５】
［角型断面中空管の製造］
公知の方法によって製造された角型断面中空管のプリフォームを公知の方法によって溶融延伸・冷却することによって、本発明の熱レンズ形成素子１に用いられる角型断面中空管３を製造することができる。前記角型断面中空管の寸法上の好ましい実施の形態は前述の通りである。
【００３６】
信号光が通過する角型断面中空管の４つの面（２つの外側平面４，５および２つの内側平面６，７）の平行度および平滑性については、次のような公差を満足することが好ましい。なお、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸は以下のように定義する。
【００３７】
Ｘ軸：  角型断面中空管の長軸方向
Ｙ軸：  信号光が通過する角型断面中空管の４つの面に平行で、角型断面中空管の長軸に直交
Ｚ軸：  角型断面中空管の４つの面４，５，６，７を垂直に通過する信号光の方向
（１）平滑性：  波長（λ）９８０〜１６００ｎｍの光についてλ／４
（２）Ｚ軸に対するＸ軸方向の角度ずれ：  １度以下、好ましくは０．５度以下
（３）Ｚ軸に対するＹ軸方向の角度ずれ：  １度以下、好ましくは０．５度以下
【００３８】
［角型断面中空管の切断および洗浄］
熱レンズ形成素子１の長軸方向の長さ（Ｈ＋Ｍ）は、例えば、色素溶液の液柱の長さＭが１０ｍｍの場合、２０〜２５ｍｍである。この長さの熱レンズ形成素子１を製造するためには、後述の工程で失われる部分の長さを補って、予め、長さ（Ｈ＋Ｍ）の２ないし３倍の長さ（具体的には５０〜８０ｍｍ）に、角型断面中空管の切断を行うことが好ましい。角型断面中空管の切断は公知の方法で行うことができる。切断の際に発生する破片が、角型断面中空管内部に入ることがあるので、切断後、角型断面中空管の内部および外部を公知の洗浄用溶剤で洗浄し、洗浄後、乾燥させる。
【００３９】
［角型断面中空管の一端封止と真空乾燥］
角型断面中空管の一端をバーナーで加熱溶融し、封止する。封止部分を光学顕微鏡で拡大して観察し、ピンホールが残っていないことを確認することが好ましい。バーナーの燃焼ガス中の水分が溶融封止した角型断面中空管内部に結露することがあるので、一端封止した角型断面中空管を、適当な密閉可能な真空容器（図示せず）に入れ、例えば８０℃以上に加熱しながら真空乾燥する。真空乾燥チャンバー内部の圧力が３×１０−４Ｐａ未満に到達すれば、乾燥は充分である。
【００４０】
［角型断面中空管への溶液注入］
色素溶液への水分および酸素の悪影響を避けるため、色素溶液の調整および以下の注入工程は、次のような条件を満足するグローブボックス（図示せず）内で実施することが好ましい。
（１）酸素濃度０．５ｐｐｍ未満
（２）水分濃度０．５ｐｐｍ未満（露点温度−８０℃以下）
【００４１】
前記密閉可能な真空容器（図示せず）をパスボックスを通じて前記グローブボックス内部へ入れてから、真空乾燥が済んだ一端封止角型断面中空管８を取り出す。一端封止角型断面中空管８の内部へ溶液注入管２０を、その先端が一端封止角型断面中空管８の封止端に届くまで挿入し、溶液注入管２０を通じて、色素溶液を注入する。色素溶液の注入量は、溶液注入管２０を引き抜いた後で、色素溶液の液柱の長さが１〜１５ｍｍになるように調整する。
【００４２】
［角型断面中空管の一端仮封止］
溶融封止端側に色素溶液が注入された一端封止角型断面中空管８を硬化に１時間以上を要する接着剤であって、後述の圧力まで減圧した際に揮発する成分のない接着剤を入れた容器の中に入れ、これを適当な真空チャンバー（例、前記パスボックス）に入れて、例えば圧力を０．４気圧に保ち、接着剤が硬化するのを待つ。接着剤としては、例えば、揮発成分のないエポキシ接着剤を好適に用いることができる。接着剤の使用量は一端封止角型断面中空管８の開放端を仮封止するに最小限の量、例えば５０〜１００ｍｇが好ましく、接着剤を入れる容器の大きさは、例えば、高さ１０〜２０ｍｍで、一端封止角型断面中空管８を縦に支えるのに充分な大きさであり、断面は、一端封止角型断面中空管８を挿入するのに必要最小限な大きさ、例えば、直径２〜３ｍｍの円形であれば良い。
【００４３】
［角型断面中空管の他端封止］
前記接着剤が硬化し、一端封止角型断面中空管８の仮封止が完了した後、一端封止角型断面中空管８をグローブボックス・前記真空チャンバーから取り出し、色素溶液充填部分を上にしてつり下げ、色素溶液の存在しない部分をガスバーナーで溶融封止する。溶融封止を必要最小限の大きさのバーナー炎を用い、１秒以内で行うことで、内部の色素溶液に影響を与えること無しに、石英ガラスの溶融封止を完了することができる。両端が封止されて完成した本発明の熱レンズ形成素子１の封止状態の完全性を確認するため、熱レンズ形成素子１の重量（１０〜数十ミリグラム）をμｇ単位で精密に測定した後、例えば、８５℃において１０００時間、加熱を継続した後、重量を精密に測定した。その結果、重量変化が±２μｇ以内であることが確認され、封止が完全であることが判った。
【００４４】
［無反射コート］
空気の屈折率１．００に対し本発明の熱レンズ形成素子１の前記角型断面中空管の材質・石英ガラスの屈折率は可視光領域から波長１．５μｍの赤外線領域において１．４６ないし１．４４であり、したがって、無反射コートを行わないと、外側平面４または５へ垂直入射する信号光または制御光について４〜５％の反射ロスが発生するため、使用する信号光および制御光の波長に対応した無反射（ＡＲ）コートを行うことが推奨される。ＡＲコートとしては公知のものを使用することができる。例えば、使用する信号光および制御光の波長に対応した誘電体多層膜や空気と石英ガラスの屈折率の中間の値の屈折率を有する透明有機高分子膜を使用することができる。ただし、透明有機高分子膜を熱レンズ形成素子１の表面に形成する真空プロセスは通常、バッチ処理で生産性が低く、また、高温に曝されるため、色素溶液を充填する前にＡＲコートを行う必要があり、その際、熱レンズ形成素子１の前記角型断面中空管内部が汚染されないよう、例えば、前記角型断面中空管の両端を仮に溶融封止し、色素溶液を注入する前に一端を開放する、などの工程を追加する必要が生ずる。これに対し、透明有機高分子を適当な揮発性溶剤に溶解した溶液を熱レンズ形成素子１の表面にディッピング法などで塗工、乾燥してＡＲコート層を形成する方法は、熱レンズ形成素子１の前記角型断面中空管内部に色素溶液を注入し、両端を溶融封止してからＡＲコートが可能であり、製造プロセスを合理化可能である。透明有機高分子の屈折率は可視光領域から波長１．５μｍの赤外線領域において１．２ないし１．４であることが好ましい。更に好ましくは屈折率１．３５程度が好適である。屈折率が前記の範囲よりも小さくても、大きくても、反射ロスの低減効果が小さくなる。透明有機高分子溶液の具体例としては、有機フッ素樹脂「サイトップ（CYTOP）」（登録商標）（旭硝子株式会社製）をフッ素系溶剤に溶解した溶液を好適に使用することができる。この高分子膜の屈折率は１．３４である。塗工によるＡＲコート膜の膜厚は１０ｎｍないし２００μｍであることが好ましい。これよりも薄いと塗膜にピンホールができるおそれがある。また、これよりも厚い膜を塗工法で作成すると、膜厚のムラが発生し易くなる。なお、ＡＲコート膜の厚さを１００μｍないし２００μｍとすると、非常に薄い石英ガラスからなる、本発明の熱レンズ形成素子１の平面部分を補強し、耐衝撃性を高めることもできる。
【００４５】
［色素溶液］
本発明における色素溶液は、信号光の波長の光を吸収せず、制御光の光を吸収する色素を溶剤に溶解させたものである。
【００４６】
［色素］
本発明の熱レンズ形成素子に用いられる色素は以下のような過酷な要件を満足しなければならない。
【００４７】
（Ａ）制御光の吸収波長帯域の収束レーザーの照射に２千時間以上、可能であれば数万時間以上耐えること。
（Ｂ）制御光の吸収波長帯域の収束レーザーの収束位置における２００℃を超える温度上昇に２千時間以上、可能であれば数万時間以上耐えること。
（Ｃ）制御光吸収波長帯域の収束レーザーの照射および温度上昇によって分解物、反応生成物、あるいは会合体などの固体粒子を形成しないこと。
（Ｄ）信号光の波長帯域において光吸収や光散乱を起こさないこと。
【００４８】
色素の具体例としては、信号光波長９８０〜２０００ｎｍの場合、制御光波長の帯域に応じて、以下のような溶剤可溶性フタロシアニン誘導体を好適に用いることができる。
・６５０〜６７０ｎｍ：１，５，９，１３−テトラ−tert−ブチル銅フタロシアニン、
・６８５〜７１５ｎｍ：１，５，９，１３−テトラ−tert−ブチルオキシバナジウムフタロシアニン、
・７３０〜８３０ｎｍ：２，１１，２０，２９−テトラ−tert−ブチルオキシバナジウムナフタロシアニン、
・８４０〜８９０ｎｍ：５，９，１４，１８，２３，２７，３２，３６−オクタ−ｎ−ブトキシ−２，３−銅ナフタロシアニン。
【００４９】
［溶剤］
本発明の熱レンズ形成素子に用いられる溶剤は以下のような複数の要件を満足しなければならない。
【００５０】
［１］本発明の熱レンズ形成素子に用いられる色素を適切な濃度で安定に溶解すること。
［２］信号光および制御光レーザーの照射に２千時間以上、可能であれば数万時間以上耐えること。
［３］信号光および制御光レーザーの収束位置における２００℃を超える温度上昇に２千時間以上、可能であれば数万時間以上耐えること。
［４］信号光および制御光レーザーの照射および温度上昇によって分解物、反応生成物、あるいは会合体などの固体粒子を形成しないこと。
［５］信号光の波長帯域において光吸収や光散乱を起こさないこと。
［６］制御光レーザーの収束位置における光吸収に伴う発熱・温度上昇に敏感に応答し、温度１℃の変化当たりの屈折率変化として０．０００４以上を示すこと。
【００５１】
［溶剤の融点と沸点］
熱レンズ形成素子としての利用分野を広くするためには、使用可能温度範囲が広範であることが好ましい。例えば、光通信の分野で活用するには−４０℃から８５℃の温度範囲で支障なく稼働することが要求される。溶剤の融点が−４０℃未満であれば、このような低温域の要求に応えることができる。また、制御光が照射されていない状態において、すでに８５℃に到達している場合、熱レンズ形成素子としての機能を充分に発揮するためには、制御光照射部の温度が２００℃以上、可能であれば３００℃程度まで到達しても色素溶液が液体状態である必要がある。すなわち、本発明の熱レンズ形成素子に用いられる溶剤の沸点は、２００℃以上、可能であれば３００℃を超えることが好ましい。溶剤成分の化学構造は単一である必要はなく、混合物であって良い。
【００５２】
本発明の熱レンズ形成素子に好適に用いられる溶剤として、次に示す構造異性体４成分（分子量は同一）の混合溶剤が推奨される。この溶剤を以下「溶剤＃１」と呼ぶ。
・第１成分：１−フェニル−１−（２，５−キシリル）エタン
・第２成分：１−フェニル−１−（２，４−キシリル）エタン
・第３成分：１−フェニル−１−（３，４−キシリル）エタン
・第４成分：１−フェニル−１−（４−エチルフェニル）エタン
【００５３】
溶剤＃１の質量分析ガスクロマトグラムを図６に示す。主ピーク４本とも、分子イオンピークの質量は２１０である。個々のピークと上記化学構造との対応については未解決であるが、分子量が同一の構造異性体混合物であることは明確である。
【００５４】
溶剤＃１の諸物性は以下の通りである。
・外観：無色透明液体
・臭気：弱い芳香臭
・沸点：２９０〜３０５℃
・融点：−４７．５℃
・蒸気圧：０．０６７Ｐａ (２５℃)
・蒸気密度：７．２ (空気＝１)
・比重（水＝１）：０．９８７
・水溶解度(２０℃)：水に溶けない。
・体積熱膨張率（２５℃から８５℃）：約５％
【００５５】
一方、沸点が３００℃以上であって、前記フタロシアニン誘導体を良く溶解する溶剤として、アルキルナフタレン系の油拡散ポンプ用オイル「ライオンＳ」（ライオン株式会社）を挙げることができる。この溶剤を以下「溶剤＃２」と呼ぶ。溶剤＃２の体積熱膨張率（２５℃から８５℃）は約４％である。
【００５６】
溶剤＃１の替わりに溶剤＃２を用いた熱レンズ形成素子は、熱レンズ効果は示すものの、リングビーム方式の場合、制御光パワーを同一で比較したとき、溶剤＃１よりもリングのサイズが小さく、応答速度も遅くなることが判った。また、丸ビーム方式の場合、溶剤＃１よりも変更角が小さく、応答速度も遅くなることが判った。
【００５７】
このような溶剤の種類による熱レンズ効果の良否の原因を解明するため、以下のような検討を行った。
【００５８】
［屈折率の温度変化の測定］
試料部温水循環式屈折率計ＮＡＲ−２Ｔ型（株式会社アタゴ製）を用い、２０℃から９０℃までの屈折率を測定した。溶剤＃１および溶剤＃２の屈折率・温度変化の様子を図７および図８に各々示す。
【００５９】
観察された屈折率の温度変化は、直線近似可能であり、２００℃以上まで外挿しても特に問題ないと判断される。屈折率の温度変化係数は以下のように測定された。
・溶剤＃１：−０．０００４８８６６
・溶剤＃２：−０．０００４２９６３
すなわち、溶剤＃１および溶剤＃２の屈折率・温度変化係数の差はあるものの、さほど顕著なものではないことが判った。
【００６０】
［粘度の温度変化の測定］
溶剤＃１および溶剤＃２の粘度・温度変化を測定・比較したところ、著しい相違があることを見出し、本発明に至った。
【００６１】
粘度・温度変化の測定には、毛細管粘度計やヘプラー型落球式粘度計などの測定装置内に試料液体を入れ、全体を所定の温度まで加熱してから測定する方法の他、試料液体の温度のみを昇温し、回転式センサー、あるいは、音叉式センサーを液中に挿入して、温度とともに粘度を測定する方法がある。測定温度を１５０℃以上の高温にする場合、粘度計全体の温度を均一に加熱しながら測定操作を行うことが容易でないことから、試料液体のみ昇温する測定方法を採用することとした。回転式センサーを試料液体に挿入する方法は、センサーを沈める深さを正確に制御することが困難であること、および、昇温時のセンサーの温度を正確に測定することが困難であることから、熱容量の小さい、音叉式センサーを試料液体に一定深さで挿入し、共振周波数の変化から粘度を測定する方式にて測定することとした。測定装置として音叉振動式粘度計ＳＶ−１０型（株式会社エー・アンド・デイ製造）を用い、ＪＩＳ規格「粘度１０」の標準液を用いて２５℃前後の温度で校正してから、粘度・温度変化の測定を行った。なお、装置の仕様上、測定温度の上限は１６０℃とした。試料液体の量は１００ｍｌとし、マグネチックスターラー付ホットプレートにて、緩やかに攪拌しながら昇温速度５℃／分で加熱した。温度上昇に伴い試料液体の体積が膨張し、液面が上昇する。そこで、試料容器およびマグネチックスターラー付ホットプレートをラボジャッキの上に設置し、試料容器の高さを調整し、粘度計の音叉センサーと試料液面の位置関係を一定に保った。
【００６２】
以上のようにして測定した溶剤＃１および溶剤＃２の粘度・温度特性を図９に示す。いずれの溶剤の場合も、室温から温度が上昇すると、粘度は急激に減少した後、１００℃を超えたあたりから、減少の度合いが徐々に減じ、１５０℃以上では温度変化に対する粘度変化が緩慢になることが判る。また、図９において、溶剤＃１（太い曲線）に比べ、溶剤＃２（細い曲線）の温度に対する粘度変化が非常に大きいことが判る。このような粘度・温度特性の相違を定量的に表すため、室温よりも若干高い４０℃における粘度の値（η１）を、１６０℃における粘度の値（η２）で除算した数値（η１／η２）を用いることとした。なお、潤滑油の分野では粘度・温度特性の数値表現として、４０℃における粘度の値を、１００℃における粘度の値で除算した数値が用いられている。室温から昇温開始して測定する際、温度上昇速度が安定し始める領域であることから低温側の代表温度として４０℃を選定した。使用した粘度計の仕様の制約で、高温側の値として１６０℃の粘度を用いることとしたが、１５０℃以上では温度変化に対する粘度変化が緩慢になることから、熱レンズ効果に関連する高温側の代表値として意味があると判断される。測定誤差を考慮し、３回測定した結果を表１に示す。
【００６３】
【表１】
0005453656.tif 000002
【００６４】
溶剤＃１および溶剤＃２について、η１／η２を比較すると、溶剤＃１の４０℃／１６０℃の粘度変化η１／η２は平均５．００であるのに対し、溶剤＃２では同１３．７と大きい。このような粘度・温度特性の相違を「熱レンズ形成」のプロセスに当てはめて考察すると、収束された制御光ビーム収束点（サイズは数μｍのオーダー）で発生した熱で色素溶液の温度が上昇し、熱膨張と屈折率の減少が起こり、その領域が周辺に伝搬していく際、溶剤＃１のように、室温近辺の粘度が比較的低く、温度上昇に伴う粘度変化も小さい場合、粘度、すなわち、溶剤分子間のズリ応力が小さく、「熱膨張の伝搬」（単なる熱伝導とは異なり、分子の移動を伴う現象）が円滑に進行するものと推測される。一方、溶剤＃２のように室温近辺の粘度が比較的高く、温度上昇に伴う粘度変化は大きい場合、「熱膨張の伝搬」は近接する「低温状態の溶剤分子」との大きなズリ応力によって妨害され、通常の「熱伝導」で近接分子の温度上昇（すなわち分子の振動増大）が起きて、粘度が低下して初めて、「熱膨張の伝搬」が起こると考えられる。温度上昇に伴う屈折率の低下は、「体積膨張＝密度の低下」に寄るところが大きいため、結果的に「体積膨張領域の伝搬が速い溶剤＃１の方が、遅い溶剤＃２よりも速く、屈折率低下領域＝熱レンズ効果領域が広がる」と考察される。
【００６５】
以上の観点から、種々の溶剤の粘度・温度特性を測定・比較し、熱レンズ効果の大きさおよび応答速度との比較を行った結果、特に優れた熱レンズ形成素子の色素溶液の溶剤の温度・粘度特性として、１６０℃以上における粘度が０ないし３ｍＰａ・ｓであり、かつ、前記溶剤の１６０℃における粘度の値η２で、前記溶剤の４０℃における粘度の値η１を除した値η１／η２が１以上、６以下であることを見出した。１６０℃以上における好ましい溶剤の粘度は３ｍＰａ・ｓ以下であり、下限については０ｍＰａ・ｓより大きい値であれば特に制約はない。１６０℃以上における粘度が３ｍＰａ・ｓを超えていると、溶剤＃２の場合よりも更に熱レンズ形成特性が悪くなり、応答速度も遅くなり、熱レンズ形成素子としての実用性がなくなってしまう。溶剤の１６０℃における粘度の値η２で、前記溶剤の４０℃における粘度の値η１を除した値η１／η２の上限６は、溶剤＃１とほぼ同等の高い熱レンズ効果・応答速度を与える溶剤としての上限値であり、これを超えた場合は、制御光パワーを同一で溶剤＃１と比較した場合、熱レンズ効果による光路切替角度が小さくなったり、応答速度が遅くなったりする。η１／η２の下限については１よりも大きい値であれば特に制約はない。
【００６６】
以上のような粘度・温度特性を必須要件として、更に、先に列挙した溶剤の要求項目［１］〜［６］および「沸点２００℃以上、融点−４０℃以下」という制約を加えると、使用できる溶剤の種類は極めて限定される。具体的には先に詳しく説明した混合溶剤「溶剤＃１」（図６に示す組成のもの）およびその組成を変化させたものを特に好適に使用することができる。
【００６７】
［不活性気体の気泡］
本発明の熱レンズ形成素子１は図１（ａ）および図１（ｂ）に示すように、一部平面化された角型断面中空管３の一端には色素溶液１０が１本の液柱として気泡無しに存在し、他端には後述の不活性気体からなる１つの気泡１１が前記色素溶液１０の液柱に接して存在することを特徴とする。色素溶液が１本の液中として存在しているため、角型断面中空管の壁面と溶液の摩擦力によって、熱レンズ形成素子１に外部から衝撃を受けても、液中は分断されにくくなっている。
【００６８】
不活性気体からなる１つの気泡１１の角型断面中空管３の好適な長さＨは、前述のように１０〜１５ｍｍである。
【００６９】
一方、不活性気体からなる１つの気泡１１の体積Ｋが熱レンズ形成素子１の総内容積Ｔに占める気泡比率（Ｋ／Ｔ）は上記の液柱分裂の悪影響を避けるためには、小さいことが好ましい。また、熱レンズ形成素子１の温度が上昇した場合、色素溶液１０の温度上昇による気泡１１の圧縮および気泡１１自体の温度上昇による気体の状態方程式に準拠した圧力上昇によって、気泡１１の圧力は上昇する。ここで、熱レンズ形成素子１を構成する石英ガラスの厚さは１００ないし５００μｍであるため、内部の圧力上昇によって破裂するおそれがある。熱レンズ形成素子１の温度上昇に伴う気泡１１の圧力上昇を低減するためには、気泡比率Ｋ／Ｔは大きい方が好ましい。ここで、前述のように、熱レンズ形成素子１内の色素溶液１０の端部と溶融封止部分との距離は最小１０ｍｍであるから、気泡比率Ｋ／Ｔは熱レンズ形成素子１の角型断面中空管の長軸方向の長さ（Ｈ＋Ｍ）から式〔１〕によって計算される。
【００７０】
［数１］
Ｋ／Ｔ  ＝  １０／（Ｈ＋Ｍ）    …  〔１〕
【００７１】
室温を２５℃、昇温時の温度を８５℃（この温度は電気通信分野の電子部品の信頼性試験に広く用いられている）と仮定すると、この温度変化に伴う色素溶液１０の体積熱膨張率は４ないし５％、更に１００℃を超えて昇温した場合は１０％程度であると推測される。液体の体積の圧力による変化は数メガパスカルの超高圧でないと観察されない程、小さいため、密閉容器内に気体と液体が共存する場合、液体の体積が熱膨張した分、気体の体積は圧縮される。室温時の気泡１１の体積をＶ1、液体の体積をＶ3、昇温時の気泡１１の体積をＶ2、液体の体積をＶ4、液体の体積膨張率をΔＶとすると次の数式の関係がある。
【００７２】
［数２］
Ｖ3＝１００−Ｖ1                    …  〔２〕
［数３］
Ｖ4＝Ｖ3×ΔＶ                 …  〔３〕
［数４］
Ｖ2＝１００−Ｖ4                    …  〔４〕
【００７３】
ｎを気体の分子数、Ｒを気体常数、室温Ｔ1における体積Ｖ1の気泡１１の圧力をＰ1とし、昇温時温度Ｔ2における体積Ｖ2の気泡１１の圧力をＰ2とすると、気体の状態方程式は以下の通りである。
【００７４】
［数５］
Ｐ1×Ｖ1＝ｎ×Ｒ×Ｔ1                …  〔５〕
［数６］
Ｐ2×Ｖ2＝ｎ×Ｒ×Ｔ2                …  〔６〕
【００７５】
したがって、気体の状態方程式から計算される、気泡１１の圧力上昇倍率Ｆは次の式で計算される：
［数７］
Ｆ＝Ｐ2／Ｐ1＝（Ｔ2／Ｔ1）×（Ｖ1／Ｖ2）  …  〔７〕
【００７６】
以上から、室温時の気泡１１の圧力を０．５気圧と仮定した場合の、温度上昇時の気泡１１の圧力は、表２および表３のように試算される。
【００７７】
【表２】
0005453656.tif 000003
【００７８】
【表３】
0005453656.tif 000004
【００７９】
すなわち、温度変化に伴う色素溶液１０の体積熱膨張率が１０％の場合であっても、気泡比率が２０ないし６０％であれば、室温における気泡１１の圧力が０．５気圧のとき、昇温時の気泡１１の圧力を、ほぼ大気圧以下に維持することが可能である。気泡比率が前記範囲よりも小さい場合は色素溶液充填部分の長さが、また、気泡比率が前記範囲よりも大きい場合は気泡部分の長さが、無駄に長くなり実用上、好ましくない。
【００８０】
更に、室温における気泡１１の圧力を０．４ないし０．８気圧とした場合の昇温時の気泡１１の圧力を試算した結果を表４に掲げる。
【００８１】
【表４】
0005453656.tif 000005
【００８２】
室温における気泡１１の圧力を０．４気圧以下にすると、衝撃を受けた際に色素溶液の液柱が分断される危険性が高まる。また、室温における気泡１１の圧力が０．７気圧を超え、０．８気圧に近づくと８５℃まで昇温した場合、熱レンズ形成素子１が破裂する危険性が高まることが判る。更に、室温における気泡１１の圧力に応じて、気泡比率の最適範囲は以下のように変化する。
０．４ないし０．５気圧のとき、２０ないし６０％、
０．６気圧のとき、２５ないし６０％、
０．７気圧のとき、４０ないし６０％。
【００８３】
不活性気体の種類としては、ヘリウム、窒素、アルゴン、キセノンなどを好適に用いることができる。
【００８４】
これら不活性気体で満たされた色素溶液充填装置を用い、酸素濃度計にて残留酸素濃度を測定しながら、熱レンズ形成素子１への色素溶液の注入と封止を行い、残留酸素濃度の異なる不活性気体からなる気泡１１を有する熱レンズ形成素子１を複数作成した。色素溶液１０としては、酸素分子の存在下、光照射すると一重項酸素による酸化分解を起こし易い色素として１，５，９，１３−テトラ−tert−ブチル銅フタロシアニンを前記溶剤＃１へ０．２重量％で溶解して用いた。この色素溶液は大気中で室内光の照射下、数日で色素の光酸化分解が急激に進行する。不活性気体からなる気泡１１中の残留酸素が数ｐｐｍの場合、室温では、１，５，９，１３−テトラ−tert−ブチル銅フタロシアニン溶液の吸収スペクトルはほとんど変化しない。しかしながら、８５℃の加熱加速試験を行うと、残留酸素濃度が０．５ｐｐｍ以下であれば、１万時間以上、色素の吸収スペクトルは変化しないが、残留酸素濃度が０．５ｐｐｍを超えた試料については、８５℃数千時間で色素分解による吸光度の低下が確認された。残留酸素濃度の好ましい、理想的下限は、言うまでもなく０ｐｐｍである。現実的には０．５ｐｐｍ以下であれば充分である。残留酸素濃度０．５ｐｐｍ以下は、例えば市販の高純度アルゴンガスを使用することで、あるいは循環ガス再生装置を使用することで実現可能である。
【００８５】
［リングビーム方式光路切替への応用］
図４は本発明の熱レンズ形成素子１を用いた、リングビーム方式光路切替装置の一例の概略構成図である。リングビーム方式光路切替装置の詳細は特許文献１に記載されている。概要として、入力側信号光・光ファイバー４００から出射した入射信号光をコリメートレンズ４０にてほぼ平行なビーム４０１に変換してダイクロミックミラー４２を透過させ、更に集光レンズ４３にて収束させ、収束光として熱レンズ形成素子１に入射させる。一方、制御光・光ファイバー４１０から出射した制御光をコリメートレンズ４１にてほぼ平行なビーム４１１としてダイクロミックミラー４２にて反射させ、信号光ビーム４０１と光軸を一致させ、更に集光レンズ４３にて収束させ、収束光として熱レンズ形成素子１に入射させる。リングビーム方式光路切替装置および方法においては、制御光と信号光を同一光軸で熱レンズ形成素子の制御光吸収領域へ収束入射させ、更に、制御光および信号光双方の収束領域が重なり合い、前記制御光吸収領域の信号光入射側近傍に位置するよう、光学系が微調整される。こうすると、熱レンズ形成素子・制御光吸収領域の信号光入射側近傍へ収束入射した制御光は、前記制御光吸収領域において光吸収されながら進行し、吸収された光エネルギーは熱に変わり、色素溶液の熱膨張に伴う密度減少および屈折率の低下を引き起こし、光の進行方向に特定の形状の熱レンズを形成させる。このように前記制御光吸収領域に形成された熱レンズ内部に収束入射された信号光が広がりながら進行すると、入射時にはガウス分布であった信号光のビーム断面のエネルギー分布は、リング状に変換され、制御光が照射されていない場合の角度よりも大きな開き角度で、熱レンズ形成素子１から出射する。この出射信号光を、集光レンズ４３よりも大きな開口数の受光レンズ４４にて受光し、ほぼ平行なビームに変換してから、制御光が照射されず直進する場合の信号光・光路に４５度の角度で設置され、制御光が照射されず直進する場合の信号光ビームが通過するのに充分な大きさの穴が設けられた穴付ミラー４５に入射させると、制御光が照射されていない場合、信号光（直進信号光）４２１は直進し、結合レンズ４６に入射し、収束され、直進出力側信号光・光ファイバー４２０に入射していく。一方、制御光が照射された場合は、熱レンズ効果によってリングビームに変換された信号光は、穴付ミラー４５の穴の周辺で反射され、結合レンズ４７にて収束され、光路切替信号光４３１として光路切替出力側信号光・光ファイバー４３０に入射していく。
【００８６】
図１０ａから図１０ｄに、信号光光源として波長１５５０ｎｍ、制御光光源として波長６６０ｎｍのレーザーを用い、色素として１，５，９，１３−テトラ−tert−ブチル銅フタロシアニンを溶剤＃１に０．２重量％の濃度で溶解した溶液を本発明の熱レンズ形成素子１（光路長ｄ＝５００μｍ）に充填した場合の出射信号光ビームの断面形状と制御光パワーの対応を示す。制御光を照射しない場合、図１０ａのように信号光のビーム断面はエネルギーがガウス分布の丸ビームである。制御光パワーを２．２ｍＷ、４．３ｍＷ、７．６ｍＷと大きくすると、信号光のビーム断面は、各々図１０ｂ，図１０ｃ，図１０ｄのように変化する。この場合、制御光パワーが４．３ｍＷのとき、リングの形状および大きさが最適になり、同２．２ｍＷではパワーが足りず「リングの開き具合」が不充分であり、同７．６ｍＷでは制御光が強すぎて熱レンズの形状が乱れ、リングが多重に形成される。
【００８７】
本発明の熱レンズ形成素子を用いた、リングビーム方式光路切替装置は、４ないし５ｍＷという小さい制御光パワーで、制御光を照射しない場合のガウス分布・丸ビームと、制御光を照射した場合のリングビームの変換を行うことができる。
【００８８】
本発明の熱レンズ形成素子を用いた、リングビーム方式光路切替装置の応答速度を調べるため、制御光パワーをデューティ比１：１（すなわち制御光光源点灯時間と消灯時間の比率１：１）で、周波数を変えて断続させ、それに対応する直進制御光の強度変化の波形をオシロスコープで観察した。図４において、熱レンズ形成素子１に入射する制御光（入射制御光）４１１の一部分を光検出器に導いてオシロスコープ上で測定した制御光の波形４１１０および制御光４１１の明滅に対応して光路切替された信号光（光路切替信号光）４３１を光検出器に導いてオシロスコープ上で測定した信号光の波形４３１０を図１１および図１２に示す。なお、図１２の縦軸は図１１の場合の３倍に拡大されている。また、制御光４１１を断続する矩形波の周波数を０．１ｋＨｚないし１００ｋＨｚに設定し、そのときの制御光４１１の断続に対応する光路切替信号光４３１の波形４３１０の振幅Ｌを測定した結果を図１３に示す。
【００８９】
図１１において制御光４１１（図４）を断続する矩形波の周波数５００Ｈｚであり、このときの信号光の断続に対応する信号光の波形４３１０の振幅Ｌを基準の１とすると、制御光４１１を断続する矩形波の周波数範囲０．２から２ｋＨｚにおいて、振幅Ｌは、ほぼ１であった。すなわち、応答速度２５０マイクロ秒で完全な光路切替が可能であることが確認された。
【００９０】
更に周波数を高めた場合の例として、周波数２０ｋＨｚにおける信号光の波形４３１０を図１２に示す。図１２から判るように熱レンズ効果による光路切替が完了しない内に制御光を消灯すると、信号光の波形はのこぎりの刃状になり、振幅Ｌは小さくなっていく。
【００９１】
すなわち、熱レンズ効果の応答速度を超えると光路の切替は不完全になり、信号光の一部は光路切替されずに直進する。制御光４１１を断続する矩形波の周波数を２ｋＨｚから高めた場合の信号光の振幅Ｌは、図１３に示すように漸減していく。
【００９２】
本実施形態（図４に示す）の光路切替装置の耐久性を測定するため、信号光を連続光とし、一方、制御光を周波数数１ｋＨｚで、デューティ比１：１の矩形波断続光線として照射し、光路切替された信号光の強度振幅の時間を比較した。その結果、連続１万時間経過しても、信号光の強度振幅は減衰しなかった。
【００９３】
［比較実施形態１］
溶剤＃１の替わりに、温度を変えた場合の粘度変化が大きな溶剤＃２を用いた他は溶剤＃１を用いた場合と同様にして、図４に示す本発明の熱レンズ形成素子を用いた、リングビーム方式光路切替装置において制御光４１１を断続する矩形波の周波数を０．１ｋＨｚないし２０ｋＨｚに設定し、そのときの制御光４１１の断続に対応する光路切替信号光４３１の波形４３１０の振幅Ｌを測定した結果を図１４に示す。制御光４１１を断続する矩形波の周波数を２０Ｈｚ（応答速度２５ミリ秒）とした場合（図示せず）、信号光の振幅Ｌは１であるが、２００〜５００Ｈｚ（同２．５〜１ミリ秒）では同０．９７に減じ、更に周波数を高めると信号光の振幅Ｌは、図１４に示すように漸減していく。以上、まとめると、溶剤＃２を用いた場合、熱レンズ形成素子の応答速度は溶剤＃１の場合の４分の１以下に減ずることが判った。この原因は、先に詳細に述べたように、温度が上昇したとき、溶剤＃２の粘度が下がりにくいため、信号光収束・吸収部分の温度上昇に伴う低密度・低屈折率領域の膨張が妨げられ、熱レンズの形成に時間を要するものと推定される。
【００９４】
［丸ビーム方式光路切替への応用］
図５は本発明の熱レンズ形成素子１を用いた、丸ビーム方式光路切替装置の一例の概略構成図である。丸ビーム方式光路切替装置の詳細は特許文献３〜５に記載されている。概要として、入力側信号光・光ファイバー５００から出射した入射信号光をコリメートレンズ５０にてほぼ平行なビーム５０１に変換してダイクロミックミラー５２を透過させ、更に集光レンズ５３にて収束させ、収束光として熱レンズ形成素子１に入射させる。一方、制御光・光ファイバー５１０から出射した制御光をコリメートレンズ５１にてほぼ平行なビーム５１１としてダイクロミックミラー５２にて反射させ、更に集光レンズ５３にて収束させ、収束光として熱レンズ形成素子１に入射させる。丸ビーム方式光路切替装置および方法においては、制御光と信号光を熱レンズ形成素子の制御光吸収領域へ収束入射させ、更に、制御光および信号光双方の収束領域中心点が３０μｍ程度離れて重なり合い、前記制御光吸収領域の信号光入射側近傍に位置するよう、光学系が微調整される。こうすると、熱レンズ形成素子・制御光吸収領域の信号光入射側近傍へ、僅かに離れて収束入射した制御光は、前記制御光吸収領域において光吸収されながら進行し、吸収された光エネルギーは熱に変わり、色素溶液の熱膨張に伴う密度減少および屈折率の低下を引き起こし、光の進行方向に特定の形状の熱レンズを形成させる。このように前記制御光吸収領域に形成された熱レンズ内部に、異なる収束位置で収束入射された信号光が広がりながら進行すると、入射時のガウス分布の丸ビーム断面のエネルギー分布を保ちながら進行方向が変更され、制御光が照射されていない場合の直進方向から数度、光路が変更されて、熱レンズ形成素子１から出射する。この出射信号光を、受光レンズ５４にて受光し、ほぼ平行なビームに変換し、制御光が照射されていない場合、信号光（直進信号光）５２１は直進し、結合レンズ５６に入射し、収束され、直進出力側信号光・光ファイバー５２０に入射していく。一方、制御光が照射された場合は、熱レンズ効果によって丸ビームのまま光路が変更された信号光（光路切替信号光）５３１はミラー５８を経由して、信号光（光路切替信号光）５３２として結合レンズ５７に入射し、収束され、光路切替出力側信号光・光ファイバー５３０に入射していく。
【００９５】
ここで、信号光光源として波長１５５０ｎｍ、制御光光源として波長６６０ｎｍのレーザーを用い、色素として１，５，９，１３−テトラ−tert−ブチル銅フタロシアニンを溶剤＃１に０．１重量％の濃度で溶解した溶液を本発明の熱レンズ形成素子１（光路長５００μｍ）に充填し、図５に示す丸ビーム方式光路切替装置に取り付け、光学系を調整した。制御光パワーを１０．０ｍＷ，１２．２ｍＷ，１５．３ｍＷ，１８．７ｍＷとしたとき、熱レンズ効果によって丸ビームのまま変更された信号光５３１の変更角を、制御光が照射されていない場合に信号光が熱レンズ形成素子１を出射する点を原点とし、制御光が照射されていない場合の信号光出射方向を「０度」として測定した結果を図１５に示す。制御光パワーを強くするにしたがい、変更角は９．３度、１１．４度、１２．８、１３．７度と大きくなった。
【００９６】
制御光パワーを１５．５ｍＷとし、光学系を調整して光路切替特性を最適化した結果、制御光の点灯−消灯に対応した直進信号光５２１および光路切替信号光５３２各々の消光比および挿入ロスは表５に掲げる通りであり、優れた光路切替特性を発揮した。なお、この測定の際、熱レンズ形成素子１の角型断面中空管の長軸、および、信号光の光軸は重力方向に直交する配置とした（図５において、熱レンズ形成素子１の角型断面中空管の長軸、および、信号光の光軸は紙面と平行であり、重力の方向は紙面上方から下方のＺ軸マイナス方向である）。
【００９７】
【表５】
0005453656.tif 000006
【００９８】
［比較実施形態２］
信号光光源として波長１５５０ｎｍ、制御光光源として波長６６０ｎｍのレーザーを用い、色素として１，５，９，１３−テトラ−tert−ブチル銅フタロシアニンを溶剤＃２に０．１重量％の濃度で溶解した溶液を用いた他は本実施形態と同様にして、制御光パワーを１０．０ｍＷ、１２．２ｍＷ、１５．３ｍＷ、１８．７ｍＷとしたとき、熱レンズ効果によって丸ビームのまま変更された信号光５３１の変更角は、各々、６．８度、７．８度、９．４度、１０．３度と、図１５に示すように、溶剤＃１を用いた場合よりも明らかに小さくなった。溶剤の相違によって、同一制御光パワーを継続的に照射した場合に誘起される熱レンズ効果、すなわち熱レンズの大きさに大小ができたものと推測される。
【００９９】
［熱レンズ素子の方位と光路切替特性］
図５に示すように、前記丸ビーム方式光路切替装置に載置された実施の形態１における熱レンズ形成素子１の合計４つの当該平面について互いに平行な、２つの外側平面および２つの内側平面を紙面に平行になるよう置き、角型中空管の中空断面中心を通る長軸を紙面に平行に「Ｙ軸」とし、熱レンズ形成素子１の外側平面へ垂直に入射する信号光の進行方向を「Ｘ軸」とし、紙面に垂直に紙面から上に進む方向を「Ｚ軸」と定義した。そこで、Ｚ軸の正方向を重力と同じ方向に向けて前記丸ビーム方式光路切替装置を設置した場合を「Ｚ−」、同、重力と逆方向に設置した場合を「Ｚ＋」、同様に、Ｘ軸の正方向を重力と同じ方向に向けて前記丸ビーム方式光路切替装置を設置した場合を「Ｘ−」、同、重力と逆方向に設置した場合を「Ｘ＋」、Ｙ軸の正方向を重力と同じ方向に向けて前記丸ビーム方式光路切替装置を設置した場合を「Ｙ−」、同、重力と逆方向に設置した場合を「Ｙ＋」と表示し、各々の状態において、制御光を消灯−点灯した場合の光路切替信号光の消光比および挿入ロスを測定した結果を表６に掲げる。
【０１００】
【表６】
0005453656.tif 000007
【０１０１】
光路切替信号光の消光比の方位依存性は０．６ｄＢ以内、同挿入ロスの方位依存性は０．０５ｄＢ以内であり、顕著な方位依存性は観察されなかった。
【０１０２】
[比較実施形態３]
比較実施形態３の熱レンズ形成素子（図示せず）は、「コイン型セル」と呼ばれるもので、厚さが５００μｍの石英ガラス板材を直径８ｍｍの円盤状に加工した部材２枚（１枚には直径１ｍｍの色素溶液注入孔を円盤の中心から離して設ける）および外径８ｍｍ、内径が６．５ｍｍの石英ガラスパイプを高さが５００μｍになるよう切断・研磨した部材を順に重ね、融着加工することによって製造される。このコイン型光学セルの内部の、扁平な円筒型空間に、色素溶液および不活性気体の気泡（直径１ｍｍ程度）を封入し、色素溶液注入孔をエポキシ接着剤にて蓋（直径３ｍｍ、厚さ５００μｍの石英ガラス板材の円盤）で封印したものである。
【０１０３】
本比較実施形態３のコイン型熱レンズ形成素子を用いた以外は、実施の形態１の場合と同一の装置、色素、溶剤、調整・測定手順によって、信号光（および制御光）の光軸、すなわち、ビーム５０１が重力の方向に直交するよう装置の方位を設定して、制御光の波長６６０ｎｍ、強度１５．５ｍＷ、信号光の波長１５５０ｎｍ、強度２ｍＷ、として、丸ビーム方式光路偏向装置に入射する信号光・光ファイバーから入射する信号光強度に対する、制御光の消灯・点灯に対応して出射する直進信号光５２１および光路切替信号光５３２の強度を測定・比較した。結果を表７に示す。
【０１０４】
【表７】
0005453656.tif 000008
【０１０５】
表７を表５と比較して判るように、信号光の光軸、すなわち、ビーム５０１が重力の方向に直交するよう装置の方位を設定した場合については、比較実施形態３のコイン型熱レンズ形成素子は、本発明の実施の形態１の一部平面化円筒型熱レンズ形成素子１の場合に遜色ない光スイッチ特性を発揮する。
【０１０６】
ところが、信号光（および制御光）の光軸、すなわち、ビーム５０１を回転軸として、コイン型熱レンズ形成素子の方位がコイン型を形成する円盤の中心軸を中心に回転するよう、丸ビーム方式光路偏向装置の向きを４５度ずつ変えて、上記の消光比を測定した。消光比の変動は大きく、１ないし２ｄＢの変化が認められた。
【０１０７】
更に、コイン型の熱レンズ形成素子を構成する円盤状平面に平行で、信号光の光軸５０１に直交する方向を回転軸とし、丸ビーム方式光路偏向装置の向きを４５度ずつ変えて、上記の強度比を測定した。強度比の変動は一層大きくなり、値の変動は最大±５ｄＢに達した。
【０１０８】
以上の方位を変える測定において、装置の特定の方位で強度比の変動が特に大きくなる現象が数回観察され、信号光強度比の変動は一時的に±１０ｄＢに達した。これは、コイン型光学セル内に封印された不活性ガスの気泡が内部を自由に移動可能であるため、装置の方位を変える操作中に、制御光および信号光の光路をよぎったものと推測される。
【０１０９】
以上、本比較実施形態３が示唆するように、熱レンズ形成素子の光学セル内部が適度に仕切られていないと、色素溶液内部で温度が上昇した部分およびその周辺に引き起こされる「熱対流」が激しく起こり、素子の方位の変化にしたがって、熱レンズの形成に好ましくない影響を与える。一方、実施の形態１に詳しく記載したように、本発明の一部平面化円筒型熱レンズ形成素子１の内部空間は、対称性の高い、適度な大きさの空間（細長い円柱状）に仕切られているため、素子の方位が変化しても光スイッチ特性への影響を小さくすることができる。
【０１１０】
以上のように、本発明の熱レンズ形成素子は、熱レンズ形成素子の向きを重力の方向に対して変えた場合の熱レンズ効果の変動を極めて小さくすることができる。
【産業上の利用可能性】
【０１１１】
本発明は、光通信分野および光情報処理分野において有効に用いることができる。
【符号の説明】
【０１１２】
１  熱レンズ形成素子、３  角型断面中空管、４，５  外側平面、６，７  内側平面、８  一端封止角型断面中空管、９  円、１０  色素溶液、１１  気泡、１５，１６，１７  角型断面中空管封止部、２０  溶液注入管、４０，４１，５０，５１  コリメートレンズ、４２，５２  ダイクロミックミラー、４３，５３  集光レンズ、４４，５４  受光レンズ、４５  穴付ミラー、４６，４７，５６，５７  結合レンズ、５８  ミラー、４００  入力側信号光・光ファイバー、４０１  入射信号光（ビーム）、４１０  制御光・光ファイバー、４１１  入射制御光（ビーム）、４２０  直進出力側信号光・光ファイバー、４２１  直進信号光、４３０  光路切替出力側信号光・光ファイバー、４３１  光路切替信号光、５００  入力側信号光・光ファイバー、５０１  入射信号光（ビーム）、５１０  制御光・光ファイバー、５１１  入射制御光（ビーム）、５２０  直進出力側信号光・光ファイバー、５２１  直進信号光、５３０  光路切替出力側信号光・光ファイバー、５３１，５３２  光路切替信号光、４１１０  制御光の波形、４３１０  信号光の波形。
【図２ａ】
0005453656.tif 000009
【図２ｂ】
0005453656.tif 000010
【図３】
0005453656.tif 000011
【図４】
0005453656.tif 000012
【図５】
0005453656.tif 000013
【図１】
0005453656.tif 000014
【図６】
0005453656.tif 000015
【図７】
0005453656.tif 000016
【図８】
0005453656.tif 000017
【図９】
0005453656.tif 000018
【図１０ａ】
0005453656.tif 000019
【図１０ｂ】
0005453656.tif 000020
【図１０ｃ】
0005453656.tif 000021
【図１０ｄ】
0005453656.tif 000022
【図１１】
0005453656.tif 000023
【図１２】
0005453656.tif 000024
【図１３】
0005453656.tif 000025
【図１４】
0005453656.tif 000026
【図１５】
0005453656.tif 000027