(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に光導波路あるいは光ファイバが設けられ、前記光導波路あるいは光ファイバの光通過部分を切断する溝が設けられ、前記溝に液晶が充填され、表裏両面に前記液晶に電界を印加する一対の電極が設けられた絶縁体が、前記溝の前記光通過部分の近傍の前記光通過部以外の部分に挿入されてなることを特徴とする光制御素子。
【請求項２】
請求項１に記載の光制御素子において、前記絶縁体の表裏両面に設けられている一対の電極は、前記液晶に電界を印加する一対の電極に、光を通過させるための穴が設けられ、該穴に液晶が充填されてなることを特徴とする光制御素子。
【請求項３】
請求項１または２に記載の光制御素子において、前記絶縁体の表裏両面に設けられた電極は、パターニングされた電極であり、前記絶縁体は絶縁性高分子フィルムであることを特徴とする光制御素子。
【請求項４】
請求項１乃至３のうちいずれか１項に記載の光制御素子において、前記液晶が、コレステリック−ネマチック相転移液晶、ポリマーネットワーク液晶、高分子分散型液晶、液晶粒の大きさが１００ｎｍから１５０ｎｍ程度のナノサイズ高分子分散型液晶のうちいずれか１つであることを特徴とする光制御素子。
【請求項５】
基板上に光導波路あるいは光ファイバを形成し、前記光導波路あるいは光ファイバの光通過部分を切断する溝を形成し、該溝に液晶を充填し、表裏両面に前記液晶に電界を印加する一対の電極を形成した絶縁体を、前記溝の前記光通過部分の近傍の前記光通過部以外の部分に挿入することを特徴とする光制御素子の作製方法。
【請求項６】
請求項５に記載の光制御素子の作製方法において、前記絶縁体の表裏両面に形成されている一対の電極は、前記液晶に電界を印加する一対の電極に、光を通過させるための穴を形成し、該穴に液晶を充填することを特徴とする光制御素子の作製方法。
【請求項７】
請求項５に記載の光制御素子の作製方法において、前記絶縁体の表裏両面に形成された電極は、パターニングされた電極であり、前記絶縁体は絶縁性高分子フィルムであることを特徴とする光制御素子の作製方法。
【請求項８】
請求項５に記載の光制御素子の作製方法において、前記絶縁体の表裏両面に形成された一対の電極を複数組形成することを特徴とする光制御素子の作製方法。
【請求項９】
請求項５乃至８のうちいずれか１項に記載の光制御素子の作製方法において、前記液晶が、コレステリック−ネマチック相転移液晶、ポリマーネットワーク液晶、高分子分散型液晶、液晶粒の大きさが１００ｎｍから１５０ｎｍ程度のナノサイズ高分子分散型液晶のうちいずれか１つであることを特徴とする光制御素子の作製方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、光導波路あるいは光ファイバ中の光の強度、位相を可変に調整する光制御素子及びその作製方法に関し、特に、光導波路あるいは光ファイバで構成される光導波路あるいは光ファイバを伝搬する光の強度、位相を可変に調整する制御技術に適用して有効な技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光ファイバによる光通信は、大容量の情報を高速に伝送することができるため、最近急速に実用化されつつある。従来は光ファイバの両端には、送信器と受信器がつながれた単純な１対１の通信が中心であった。しかし、近年、光スイッチの技術が進展したため、光信号を電気信号に変換することなく、光信号のままで切り替える光スイッチが実用化されている。
【０００３】
光スイッチでは、多数の光ファイバの光信号の行き先をそれぞれの方向に切り替える。光スイッチでは、スイッチングにより、光のパスの長さが変化し、また、通過する光スイッチ部が変化することにより、通過ロスが変化する。すなわち、たとえ入力側に同じ強度の光が入力されたとしても出力側では、その強度にばらつきがある。また、スイッチングにより、同じ出力端子でも光の強度が変化するという問題があった。
【０００４】
このため、光信号の切り替えに対応して、その強度を一定に保つように調整する可変光減衰器が必要になる。さらに、多端子である場合には可変光減衰器アレイが必要になる。光減衰器は、光シャッタ、オン・オフ（ｏｎ／ｏｆｆ）の光スイッチ、光源のレベル変動補正など非常に多くの分野で使用されている。
【０００５】
また、要求性能は、透明状態のロスが低く、低価格であり、電気制御可能であり、安価であり、アレイ化が容易であり、光ファイバのみでなく光導波路上にも形成可能であるといったことである。
また、光を分岐したり、合波したり、スイッチングしたり、波長ごとに分波・合波したりするため、光導波路が用いられる。
【０００６】
ガラス光導波路は、シリコン（以下、Ｓｉと称する。）基板上に火炎堆積法によりガラス層を堆積し、ホトリソグラフィ技術により導波路（コア）を形成することにより作製される。
【０００７】
高分子導波路は、スピンコートなど簡便な方法で作製が可能である。ガラス光導波路、高分子導波路は、基本的にはパッシブ部品であるが、局所ヒータなどを設けることにより、導波路の一部の屈折率を変化させて、位相の制御を行うことができる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のバルク型光制御素子は、部品点数が多く、各部品のアライメントの労力が大きいという問題があった。
また、バルク部品を用いるため、光制御素子の小型化に不向きであるという問題があった。
また、種々の光ファイバ、光導波路をそれぞれアレイ化した部品に適用することができなった。
本発明の目的は、光制御素子において、ロスを低減し、簡便で安価な光制御素子を作製することが可能な技術を提供することにある。
本発明の他の目的は、光制御素子において、ロスを低減し、かつ偏波依存性を低減することが可能な技術を提供することにある。
本発明の他の目的は、光制御素子において、ロスを低減し、偏波依存性を低減し、かつ簡便で安価な光制御素子を作製することが可能な技術を提供することにある。
本発明の他の目的は、光制御素子において、光ファイバ内あるいは光導波路内の光のパワー、位相を容易に制御することが可能な技術を提供することにある。
本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述及び添付図面によって明らかにする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、以下のとおりである。
【００１１】
（１）基板上に光導波路あるいは光ファイバが設けられ、前記光導波路あるいは光ファイバの光通過部分を切断する溝が設けられ、前記溝に液晶が充填され、表裏両面に前記液晶に電界を印加する一対の電極が設けられた絶縁体が、前記溝の前記光通過部分の近傍の前記光通過部以外の部分に挿入されてなる光制御素子である。
【００１３】
（２）前記手段（１）の光制御素子において、前記絶縁体の表裏両面に設けられている一対の電極は、前記液晶に電界を印加する一対の電極に、光を通過させるための穴が設けられ、該穴に液晶が充填されてなる。
【００１４】
（３）前記手段（１）または（２）の光制御素子において、前記絶縁体の表裏両面に設けられた電極は、パターニングされた電極であり、前記絶縁体は絶縁性高分子フィルムである。
【００１６】
（４）前記手段（１）乃至（３）のうちいずれか１つの光制御素子において、前記液晶が、コレステリック−ネマチック相転移液晶、ポリマーネットワーク液晶、高分子分散型液晶、液晶粒の大きさが１００ｎｍから１５０ｎｍ程度のナノサイズ高分子分散型液晶のうちいずれか１つである。
【００１８】
（５）基板上に光導波路あるいは光ファイバを形成し、前記光導波路あるいは光ファイバの光通過部分を切断する溝を形成し、該溝に液晶を充填し、表裏両面に前記液晶に電界を印加する一対の電極を形成した絶縁体を、前記溝の前記光通過部分の近傍の前記光通過部以外の部分に挿入する光制御素子の作製方法である。
【００２０】
（６）前記手段（５）の光制御素子の作製方法において、前記絶縁体の表裏両面に形成されている一対の電極は、前記液晶に電界を印加する一対の電極に、光を通過させるための穴を形成し、該穴に液晶を充填して形成する作製方法である。
【００２１】
（７）前記手段（５）の光制御素子の作製方法において、前記絶縁体の表裏両面に形成された電極は、パターニングされた電極であり、前記絶縁体は絶縁性高分子フィルムである作製方法である。
【００２２】
（８）前記手段（５）の光制御素子の作製方法において、前記絶縁体の表裏両面に設けられた一対の電極を複数組形成する作製方法である。
【００２３】
（９）前記手段（５）乃至（８）のうちいずれか１つの光制御素子の作製方法において、前記液晶が、コレステリック−ネマチック相転移液晶、ポリマーネットワーク液晶、高分子分散型液晶、液晶粒の大きさが１００ｎｍから１５０ｎｍ程度のナノサイズ高分子分散型液晶のうちいずれか１つである作製方法である。
【００２４】
以下、本発明について、図面を参照して実施の形態（実施例）とともに詳細に説明する。
なお、実施例を説明するための全図において、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。
【００２５】
【発明の実施の形態】
（参考例１）
図１は、参考例１の光制御素子の概略構成を示す図であり、（ａ）は外観斜視図、（ｂ）は要部断面図である。図１において、１０１は光ファイバ（あるいは光導波路）、１０２は光ファイバアレイを固める樹脂、１０３は溝、１０４は金属フィルム電極、１０５は光ファイバコア部である。
参考例１の光制御素子は、図１に示すように、光ファイバ１０１あるいは光導波路に設けられた溝１０３に、金属フィルム電極１０４がスリット部１１３を形成するように挿入されており、この金属フィルム電極１０４で形成されるスリット部１１３から光ファイバコア部１０５を通る光が通過するようになっている。また、スリット部１１３は液晶（図示していない）が充填されている。このスリット部１１３に充填された液晶は、電場、電圧、電流に対して偏光板を使用しないでその透過率を可変できる。
ここで、充填する液晶としては、コレステリック−ネマチック相転移液晶を使用する、高分子分散型液晶、ダイナミックスキャッタリング液晶を用いてもよい。
【００２６】
前記参考例１の光制御素子の作製は、光導波路、あるいは光ファイバ１０１を薄い基板内に形成し、その光ファイバコア部１０５を切断するように幅２０μｍの溝１０３を形成し、溝幅に相当する厚さを持ち、２０μｍ幅のスリット部１１３を通して光が通過するように、金属フィルム電極１０４を溝１０３に挿入する。さらに、前記スリット部１１３の内に液晶を充填し、光の通過方向に垂直に電圧を印加する。
そして、前記液晶としては、例えば、コレステリック−ネマチック相転移液晶あるいは高分子分散型液晶あるいはダイナミックスキャッタリング液晶を用いる。
また、前記光ファイバ１０１は、コアの一部が１０μｍ以上３０μｍ以下に拡大されている。
また、前記光ファイバ１０１の光ファイバコア部１０５と前記金属フィルム電極１０４がアレイ状に配置されており、電気鋳造によって前記金属フィルム電極１０４が作製されている。
【００２７】
図２は、通常のコレステリック−ネマチック相転移液晶の動作原理を説明するための図であり、（ａ）は電圧無印加状態のグランジャン配向のコレステリック液晶を示す図、（ｂ）は電圧無印加状態のフォーカルコニック配向のコレステリック液晶を示す図、（ｃ）は電圧印加状態のホメオトロピック配向のネマチック液晶を示す図である。図２において、１０６は透明電極、１０７は垂直配向膜、１０８はグランジャン配向のコレステリック液晶、１０９はガラス基板、１１０はフォーカルコニック配向のコレステリック液晶、１１１はホメオトロピック配向のネマチック液晶である。
コレステリック液晶は、ネマチック液晶分子が捻れて配列したものであり、２枚の透明電極１０６が付いたガラス基板１０９に垂直配向膜１０７を形成し、その間にネマチック液晶を充填すると、電圧無印加状態では、図２（ａ）に示すように、グランジャン配向のコレステリック液晶１０８となって光を反射するか、あるいは図２（ｂ）に示すように、フォーカルコニック配向のコレステリック液晶１１０となり光を散乱する。
図２（ａ）もしくは図２（ｂ）の状態から、透明電極１０６に電圧を印加すると、液晶分子の捻れがほどけて、電場に平行な方向に液晶分子が並び、図２（ｃ）に示すように、ホメオトロピック配向のネマチック液晶１１１となり、透明になり光を透過する。
このコレステリック−ネマチック相転移液晶を用いると、偏光板を使用せずに光の透過率の可変が可能であるので、明るい平面ディスプレイとして商用化されているが、電圧無印加状態でも透過率が数％と高いので、コントラストが低く、平面ディスプレイとしては大きく普及するに至っていない。
【００２８】
図３は、参考例１の光制御素子に用いるスリット金属フィルム電極の概略構成を示す図であり、（ｂ）は、（ａ）の丸印で囲んだ部分の拡大図であり、１０４は金属フィルム電極、１１２はスリット金属フィルム電極、１１３はスリット部である。
参考例１の光制御素子に用いるスリット金属フィルム電極１１２は、図３（ａ）及び図３（ｂ）に示すように、スリット部１１３と金属フィルム電極１０４からなる。前記スリット部１１３は、間隔２５０μｍピッチ、スリット幅２０μｍ、厚さ２０μｍでアレイ状に配置されており、このスリット部１１３に、コレステリック−ネマチック相転移液晶が充填される。
このスリット金属フィルム電極１１２により、金属フィルム電極１０４間（スリット部１１３）に充填されたコレステリック−ネマチック相転移液晶に、光の進行方向に対して垂直に電場を印加することができる。
このような細いスリット部１１３を有するスリット金属フィルム電極１１２を作製するには、電気鋳造（エレクトロフォーミング）と呼ばれる技術を利用するとよい。エレクトロフォーミングは、エッチングとは逆の工程で、メッキによりパターンを形成する方法である。そのため、エッチングに比べてサイドエッチが少なく、垂直に切り立った細いスリットを作製することができる。
【００２９】
図４は、エレクトロフォーミングによる前記スリット金属フィルム電極１１２の作製方法を説明するための図である。
前記スリット金属フィルム電極１１２は、まず、図４（ａ）に示すように、母型（基板）１１２Ａと呼ばれる電着金属の表面にレジストコート１１２Ｂを塗布し、図４（ｂ）に示すように、そのレジストコート１１２Ｂ上にスリット金属フィルム電極パターン１１２Ｃを焼き付けた後、図４（ｃ）に示すように、現像してレジストパターン１１２Ｄを形成する。その後、図４（ｄ）に示すように、メッキによる電鋳加工を行い、図４（ｅ）に示すように、レジストパターン１１２Ｄを除去した後、図４（ｆ）に示すように、メッキ金属１１２Ｅを母型１１２Ａから取り外すとスリット金属フィルム電極１１２が得られる。
この時、メッキ金属１１２Ｅ（金属フィルム電極１０４）を母型１１２Ａから取り外した時、メッキ金属１１２Ｅ（金属フィルム電極１０４）の配列がみだれないようするため、メッキ金属１１２Ｅ（金属フィルム電極１０４）の端部を支持するメッキ金属支持フレームが同時に形成される。そして、このメッキ金属支持フレームは、金属フィルム電極１０４が配置された後、それぞれが電気的に短絡（ショート）しないように切断される。
【００３０】
図５は、参考例１の光制御素子の制御部分の作製方法を説明するための図であり、１１４はガラス基板、１１５は液晶層である。
参考例１の光制御素子の制御部分は、図５（ａ）及び図５（ｂ）に示すように、前記エレクトロフォーミングにより作製したスリット金属フィルム１１２を２枚のガラス基板１１４で挟んだ後、スリット金属フィルム１１２間に液晶層１１５として、コレステリック−ネマチック相転移液晶を充填してある。ここで、スリット金属フィルム１１２及びガラス基板１１４には垂直配向膜を形成するのが、素子の特性上望ましい。
コレステリック−ネマチック相転移液晶が充填された液晶層１１５は、スリット金属フィルム電極１０４の間（スリット部１１３）に電圧を印加していないときは入射光を反射もしくは散乱してしまうが、スリット金属フィルム電極１０４の間に電圧を印加すると、ガラス基板１１４に対して垂直に入射した光は液晶層１１５を透過する。
【００３１】
図６は、参考例１の光制御素子の制御部の透過率−印加電圧特性を示す図である。前記スリット金属フィルム電極１０４の電場は、光の入射方向に対して垂直に印加される。電圧無印加時には、不透明なフォーカルコニック配向のコレステリック液晶であり、光は透過せず散乱される。電圧印加時には、液晶分子が基板と平行な方向に配向し、透明なホメオトロピック配向のネマチック液晶になるので、光が透過する。
この時、図６に示すように、印加する電圧の大きさとともに、透過率が向上し、ガラス基板での反射のロスを除いた、液晶内でのロスはほぼ０ｄＢとなる。また、ロスに偏波依存性はない。
この現象は、本発明者が初めて見いだしたものであり、この特性を応用した参考例１の光制御素子は、可変光減衰器として用いることができる。
【００３２】
図７及び図８は、参考例１の光制御素子（可変光減衰器）の作製工程を示す図である。
参考例１の光制御素子（可変光減衰器）は、始めに、図７（ａ）に示すように、光ファイバ１１６あるいは光ファイバアレイを樹脂１０２で基板上に固定したもの、もしくは直線導波路が形成された光導波路（ＰＬＣ；Ｐlanar Ｌightwave Ｃircuit）基板１１７を用意する。
ここで、ロスを少なくするために、図７（ａ）の○印内（コア拡大図）に示すように、コアの一部分が３０μｍ程度まで拡大されたコア拡大ファイバ（ＴＥＣ；Ｔhermally Ｅxpanded Ｃore）１１６あるいはＰＬＣ基板１１７を用いるのが望ましいが、参考例１ではコア拡大ファイバではなく通常のコアのものを用いる。
【００３３】
次に、図７（ｂ）に示すように、ダイシングソー１１８により、樹脂１０２で固めた光ファイバアレイ、もしくは光導波路に厚さ２０μｍ、深さ２００μｍ以下の溝１０３を掘る。この溝１０３は、断面の凹凸をできる限り少なくし、鏡面に近くなるようにするのが望ましく、高速回転するダイシングソー１１８のブレードに、砥粒液を供給しながら切断する。この砥粒液には、アルミナ砥粒、シリカ系砥粒、ジルコニア砥粒、シリカ砥粒が含まれているものが望ましい（松井伸介，斉藤忠男，渡邊順二，大平文和，小薮国夫，竹内義男，「遊離微粒子加工を援用したマイクロ形状加工技術の開発」，精密工学会誌，Vol.64，p.162-166(1998)参照）。
【００３４】
次に、この溝１０３には、垂直配向膜を塗るのが望ましいが、垂直配向膜を塗らなくてもよい。また、溝１０３の深さは２００〜３００μｍが望ましいが、Ｓｉ基板まで達しないように、溝１０３の深さを導波路層の厚さと同程度の８０μｍ程度に調整する必要がある。あるいは、図７（ｂ）の右側に示すように、Ｓｉ基板まで達する溝１０３を掘り、酸素を含む雰囲気中で１０００℃程度に加熱して熱酸化させ、Ｓｉの露出した部分に酸化膜（ＳｉＯ２膜）を形成して絶縁化してもよい。
【００３５】
次に、図８（ｃ）に示すように、前記図３に示したスリット幅１０μｍ乃至７０μｍのスリットを持つ厚さ２０μｍのスリット金属フィルム電極１１２を溝１０３に挿入する。
ここで、スリット金属フィルム電極１１２にも垂直配向膜を形成する。スリット金属フィルム電極１１２を垂直配向膜用ポリイミド溶液にディップする（浸す）ことにより、垂直配向膜が形成できる。スリット金属フィルム電極１１２を溝１０３に挿入した後、スリット金属フィルム電極１１２の液晶充填部分１１９と、光ファイバコア部１０５の位置合わせ（アライメント）を行ってから、コレステリック−ネマチック相転移液晶を充填する。
次に、図８（ｄ）に示すように、封止用のパッケージ１２０を装着した後、接着剤により封止し、スリット金属フィルム電極１１２を折り曲げて、曲げた部分１２１と、電源とを電極配線１２２で接続する。
【００３６】
参考例１ではスリット金属フィルム電極１１２の液晶充填部分１１９に、コレステリック−ネマチック相転移液晶を充填したが、ダイナミックスキャッタリング液晶を充填してもよい。
また、参考例１では、溝１０３の幅を代表的な２０μｍにしたが、この溝１０３の幅とロス（Ｌoss）の関係は下記の数１の式で与えられる。
【００３７】
【数１】
0003681918.tif 000002
【００３８】
前記数１の式において、ｄは溝２５の幅、ｎは溝２５の内部の屈折率、導波路の屈折率、ωはコアの径である。
【００３９】
図９は、溝の幅とロスの関係を示す図である。図９では、入射光の波長を１.５５μｍ、屈折率を１.５とし、コア直径ωをパラメータとして前記数１によりロスの溝１０３の幅依存性を示している。
通常の光ファイバアレイ１１６やＰＬＣ基板１１７のコア直径ωは約１０μｍであり、幅１０３を２０μｍ程度にしても、図９に示すように、ロスは０.１ｄＢ程度であるが、それ以上に溝１０３の幅を広げると、ロスが急激に大きくなる。
しかし、図９に示すように、コア直径ωを大きくするとロスは低減できる。コア直径ωは最大３０μｍまで拡大でき、最大の３０μｍにすると、溝１０３の幅が２００μｍ程度まで広がっても、ロスを０.１ｄＢ以下に抑えることができる。
【００４０】
図１０は、参考例１の光制御素子のロスの印加電圧依存性を示す図である。図１０において、ロスはファイバ−ファイバ間で測定したものであり、入力側の偏波を偏波コントローラによりあらゆる偏波状態にして測定している。
参考例１の光制御素子は、図１０に示すように、電圧無印加時のロスは約１５ｄＢであるが、電圧を約３０Ｖ印加すると、ロスは０.１ｄＢ程度まで低くなるため、スリット金属フィルム電極１１２に印加する電圧を制御することにより、ロスを制御できるので、光減衰器として用いることができる。
また、参考例１の溝１０３の幅は約２０μｍであったが、この幅１０３を７０μｍにすると駆動電圧は７５Ｖになる。溝１０３の幅を７０μｍ以上にすると、直接ＰＬＣ導波路に挟んだ方が有効になる。また、偏波依存性は測定限界以下の±０.１ｄＢ以下であった。
【００４１】
図１１は、参考例１の光制御素子と比較するための光制御素子の概略構成を説明するための図である。図１１において、１３１はガラス基板、１３２はパターニングした上側電極、１３３は下側電極で、ファイバを用いる場合には金属基板、ＰＬＣ基板の場合にはＳｉ基板である。
参考例１の光制御素子と比較するための光制御素子は、図１１に示すように、スリット金属フィルム電極１１２の代わりに、ガラス基板１３１に電極１３２を形成したもので覆う構造になっている。光ファイバを用いる場合には、金属基板を下側電極１３３として用い、ＰＬＣ基板の場合はＳｉ基板を下側電極１３３として用いる。
図１１に示すような、光ファイバあるいは光導波路を電極で挟んだ構造の光制御素子でも、参考例１の光制御素子（光減衰器）と同様の特性が得られ、光減衰器として用いることができるが、参考例１の光制御素子に比べ、印加電圧が数倍大きくなる。
すなわち、光ファイバの場合には電極間隔が１２５μｍとなり、参考例１の光制御素子（光減衰器）に比べ、６倍の高電圧が必要になる。また、ＰＬＣ導波路の場合でも、ガラス層の厚さが約８０μｍあるため、４倍の高電圧が必要となる。したがって、１００Ｖ以上の高電圧が必要となり、現実的ではない。また、液晶層が厚くなるため、応答速度も遅くなる。
【００４２】
（参考例２）
図１２は、参考例２の光制御素子（光減衰器）を使用する石英導波路光スイッチの概略構成を示す図であり、図１３は、図１２の部分拡大図である。図１２において、２０１は２×２の基本スイッチ、２０２は８×８エレメント、２０３は８×８スイッチ、２０４は光制御素子、（８光減衰器アレイ）である。また、図１３において、２０５は減衰器電極アレイ、２０６は取り出し電極、２０７は光導波路基板（ＰＬＣ基板）である。
参考例２の石英導波路光スイッチは、図１２及び図１３に示すように、２×２の基本スイッチ（２０１）を６４個並べた８×８エレメント（２０２）を、５０ｍｍ角の光導波路基板２０７内に１５個並べて８×８ＰＬＣ光スイッチ２０３）を形成している。
このような光スイッチ２０３においては、スイッチパスの経路によりロスが最大±１ｄＢ程度ばらつく。このため、参考例１の光制御素子（８光減衰器アレイ）２０４を光導波路基板２０７の出力部分に取り付けることにより、スイッチのパスを切り替えても常に一定の出力を得ることができる。
従来、このような石英光導波路スイッチにおいては、出力ファイバ部に光減衰器を取り付けていたため、光減衰器の占める面積が大きくなっていたが、前記参考例１の光制御素子（可変光減衰器）を使用することにより、小型化することが可能になる。
【００４３】
（参考例３）
図１４は、参考例３の前記参考例１の光制御素子（可変光減衰器）を使用するアレイ導波路格子の概略構成を示す図である。図１４において、３０１は入力側光導波路、３０２は第１のスラブ導波路、３０３は波長板、３０４は溝、３０５は光制御素子（光減衰器アレイ）、３０６は取り出し電極、３０７はＳｉ基板、３０８は第２のスラブ導波路、３０９はアレイ導波路格子である。
アレイ導波路格子においても、入力側光導波路３０１の入力ポートによってロス（減衰量）がばらつくが、前記参考例１の光制御素子（光減衰器アレイ）３０５をＳｉ基板３０７の出力部分に取り付けることにより、出力を常に一定にすることが可能である。
以上説明したように、前記参考例１〜３によれば、光ファイバあるいは光導波路１０１に溝１０３を形成し、その溝１０３にスリット金属フィルム電極１０４を挿入し、スリット部１１３液晶を充填し、液晶の透過率を印加する電圧で制御することにより、非常にロスが低く、安価で、アレイ化が容易であり、光導波路上にも形成可能な光減衰器を実現することができる。
なお、参考例１〜３では、スリット金属フィルム電極のスリット部にコレステリック−ネマチック相転移液晶を用いたが、ネマチック液晶に導電性の物質を添加したダイナミックスキャッタリング液晶でも同様の効果が得られる。ダイナミックスキャッタリング液晶を充填した場合には、印加電圧を大きくするとロスが大きくなり、参考例１で示したものとは逆の特性が得られる。また、これらの代わりに高分子分散型液晶を用いても同様の効果が得られる。
【００４４】
（参考例４）
前記参考例１〜３の光制御素子は、透明電極を使用せず、さらに電極スリットの間隔（あるいは、電界が印加される液晶層の厚さ）が狭く、駆動電圧が低く、応答速度が速いという利点を有しているが、液晶層に印加される電界方向が、光の進行方向に対して垂直方向となるので、偏波依存性が生じる場合もある。また、光導波路を、Ｓｉ基板上に作製する場合には、溝がＳｉ基板に達してしまうと、スリット付き電極フィルムの電極とＳｉ基板が導通してしまう。
参考例４の光制御素子は、液晶層に電界を印加する電極を溝内部、あるいは溝壁面でなく、光導波路部品（例えば、光導波路、光ファイバ）の表面、あるいは、光導波路部品近傍の光導波路部品の一面と平行な面に形成したものである。
【００４５】
図１５は、参考例４の光制御素子の基本構成を説明するための図であり、（ａ）は要部断面図、（ｂ）は斜視図である。図１５において、４０３は光導波路コア部、４１０は電気力線、４０２は光導波路表面に形成した電極、４０５は溝、４０６は光導波路である。なお、光導波路が参考例４の光導波路部品を構成する。
参考例４では、電極４０２は光導波路４０６の表面に、溝４０５を挟んで対向するように形成されており、この電極４０２間に電圧を印加することにより、電気力線４１０が形成される。したがって、電極４０２より下部にある液晶層に電界が印加できる。
【００４６】
以下、この様子を、図１６を用いて、さらに詳細に説明する。図１６に示すように、光導波路４０６の表面上に対向する電極４０２が２×ｌ（ｍ）離れて形成されている時に、中心線上の光導波路４０６の表面からＸ（ｍ）の深さにおけるポイントＡの電界強度は、下記の数２の式で与えられる。但し、この数２の式では、光導波路４０６の誘電率を１と仮定している。
【００４７】
【数２】
0003681918.tif 000003
【００４８】
ここで、ｑは電極に貯まった電荷である。
いま、ｘ＝ａ×ｌであるとすると、前記数２の式は下記の数３の式のように表される。
【００４９】
【数３】
0003681918.tif 000004
【００５０】
すなわち、中心線上の光導波路４０６の表面からＸ（ｍ）の深さにおけるポイントＡの電界強度は、電極面から離れるにしたがって弱くなる。いま、探さｄ（ｍ）に光導波路コアがあり、電圧Ｖを印加したと仮定する。電極４０２と同一面上の電界をＶ／２ｄと仮定すると、光導波路コア部の電界は、下記の数４の式のように表される。
【００５１】
【数４】
0003681918.tif 000005
【００５２】
ここで、Ｖ／２ｄの前の係数ａ／(ａ２＋ｌ２)３/２をａの関数としてプロットすると図１７のようになる。
この図１７から分かるように、ａが約０.７の時最大となる。したがって、光導波路コアが、光導波路４０６の表面からｄの位置に形成されている場合、電極４０２の間隔は２.８６×ｄとするのが光導波路コア部分に近い液晶層に最も有効に電界を印加することができる。
【００５３】
しかし、前記の計算では、光導波路と液晶層の誘電率が同じで均一と仮定して計算したが、光導波路、液晶層の屈折率は材料によって異なる。従って、マージンを取って電極４０２の間隔は、ｄないし３.５×ｄを満足するようにするのが
望ましい。
【００５４】
例えば、光導波路コア部の深さが５０μｍの場合、石英ガラスの誘電率を４、液晶層の誘電率（ε０，εe）をそれぞれε０＝４，εe＝１２と仮定すると、電極４０２の間隔を１４２μｍにすると、最も有効に光導波路コア部分に近い液晶層に最も有効に電界を印加することができる。
【００５５】
すなわち、参考例４は、光の減衰量、あるいは位相を制御する導波路型光制御素子で、光導波部が所定間隔を持って対向配置される一対の光導波路部品と、前記所定間隔を持って対向配置される一対の光導波路部品間に形成される液晶層と、前記液晶層に電界を印加する一対の電極とを有する導波路型光制御素子であって、前記一対の電極は、前記一対の光導波路部品の表面、あるいは、前記一対の光導波路部品の平面と平行な面に形成されており、かつ、前記一対の光導波路部品を伝搬する光の進行方向と略同一方向の電界を、前記液晶層に印加することを特徴とする。
【００５６】
また、参考例４は、前記一対の光導波路部品と前記液晶層とを覆う絶縁基板を、さらに有し、前記一対の電極は、前記絶縁基板上に形成されていることを特徴とする。
また、参考例４は、前記一対の光導波路部品と前記液晶層とを覆う絶縁基板を、さらに有し、前記一対の電極は、前記絶縁基板上に形成され、さらに、前記一対の光導波路部品のそれぞれの表面上に形成される
【００５７】
また、参考例４は、前記一対の光導波路部品が、ガラス導波路、高分子導波路、ガラス光ファイバ、あるいは、プラスチック光ファイバである。
また、参考例４は、前記一対の光導波路部品が、ガラス光ファイバ、またはプラスチック光ファイバであり、前記一対のガラス光ファイバ、または一対のプラスチック光ファイバにおける、前記一対の電極が形成される面と反対側の表面、あるいは、前記一対のガラス光ファイバ、または一対のプラスチック光ファイバにおける、前記一対の電極が形成される面と反対側の平面と平行な面に形成される一対の第２電極であって、前記一対の電極とともに前記一対のガラス光ファイバ、または一対のプラスチック光ファイバを伝搬する光の進行方向と略同一方向の電界を、前記液晶層に印加する一対の第２電極を有する。
【００５８】
（参考例５）
図１８は、参考例５の光制御素子の概略構成を示す図であり、４０１は液晶層、４０２は金属電極、４０３は光導波路コア部、４０４はＳｉ基板、４０５は溝、４０６は光導波路である。
参考例５の光制御素子は、図１８に示すように、前記参考例３の光制御素子を可変光減衰器に適用したものであり、光導波路４０６に形成した溝４０５に液晶層４０１を充填するとともに、当該溝４０５を挟むように対向して設けた金属電極４０２により、液晶層４０１に印加する電圧を変化させ、光の減衰量を制御するようにしたものである。
ここで、液晶層４０１としては、ポリマーネットワーク液晶を使用したが、コレステリック−ネマチック相転移液晶、あるいは、高分子分散型液晶でも構わない。但し、コレステリック−ネマチック相転移液晶、若干駆動電圧を高くする必要がある。
【００５９】
図１９は、参考例５の光制御素子の作製工程を示す図である。
参考例５の光制御素子は、始めに、図１９（ａ）に示すように、直線光導波路が形成された光導波路基板４０７を用意し、図１９（ｂ）に示すように、光導波路４０６に沿って電極４０２を蒸着する。なお、電極４０２の作製には、蒸着マスクを用いてもよいし、ホトリソグラフィ技術によりパターニングしてもよい。
また、光導波路基板４０７として、Ｓｉ基板上にガラス光導波路を形成する場合には、通常、Ｓｉ基板上のガラス光導波路コアは表面部から約５０μｍの深さとされるので、対向する電極４０２の間隔は約１４０μｍが最適である。
次に、図１９（ｃ）に示すように、電極４０２間の中心を通るようにダイシングソー４０８のブレードにより、約３０μｍの溝４０５を形成する。ここで、溝４０５の溝幅は１０μｍから１００μｍが望ましいが、３０μｍ以上になると、光の損失（透過ロス）が大きくなるので注意が必要である。なお、溝幅増加による光の損失増加を防ぐには、コア部を一部拡大させることが有効である。
次に、図１９（ｄ）に示すように、溝４０５内にポリマーネットワーク液晶４０１を充填した後、図１９（ｅ）のように、紫外線４０９を照射して、ポリマーネットワーク液晶を固体化する。その後、ポリマーネットワーク液晶４０１の封止剤を溝４０５にかぶせ、コネクタ付きファイバを接続する。
【００６０】
このようにして作製された参考例５の光制御素子（可変光減衰器）の一例の特性を図２０に示す。
通常、ポリマーネットワーク液晶素子はセル厚が１０μｍで、しきい電圧は２Ｖ程度であるが、参考例５の光制御素子（可変光減衰器）では電極間隔が１４０μｍあるため、しきい電圧は２０Ｖ程度と若干高くなっている。
前記図２０のグラフから分かるように、参考例５の光制御素子は、ヒステリシスを持たず、また、偏波依存性は０.１ｄＢ以下であり、安定した特性を得ることができる。さらに、減衰量は通信波長帯１.５５μｍで０.１ｄＢから１５ｄＢまで可変できた。
【００６１】
前記図１９では、ポリマーネットワーク液晶を用いたが、高分子分散型液晶、コレステリック−ネマチック相転移型液晶でも同様の効果を得ることができる。
また、参考例５では、Ｓｉ基板上のガラス光導波路を用いた場合について説明したが、高分子光導波路でも同様の効果が得られ、また、光ファイバを埋め込んだものでも同様の効果が得られる。
また、参考例５では、可変光減衰器として動作させたが、電圧を印加して、透過ロスが低くなった領域では、液晶層４０１は、偏波無依存の屈折率変化層として動作する。したがって、参考例５の光制御素子は、高い駆動電圧領域では可変位相器としても動作する。
【００６２】
（参考例６）
図２１は、参考例６の光制御素子の概略構成を示す図であり、（ａ）は要部断面図、（ｂ）は動作原理を説明するための図である。図２１において、５０１は光導波路基板、５０２はガラス基板、５０３は光導波路基板５０１上に形成した取り出し電極、５０４はガラス基板５０２に形成した電極、５０５は配向膜、５０６は液晶層、５０９は液晶分子、５０７は溝、５０８は光導波路である。
前記参考例６の光制御素子の動作を、図２１（ｂ）を用いて説明する。なお、この図２１（ｂ）は、光導波路基板５０１の上側から見た様子を示している。
参考例６の光制御素子において、電圧を印加しない場合には、液晶層５０６のネマチック液晶層の液晶分子５０９は溝５０７に平行な向きに配向している。
また、２０Ｖ程度の電圧を印加すると、液晶層５０６のネマチック液晶層の液晶分子５０９は、斜めに傾き、屈折率は（ｎe）から（ｎo）へと減少していく。また、５０Ｖ程度の電圧を印加すると、液晶層５０６のネマチック液晶層のほとんど全ての液晶分子５０９が溝５０７に垂直に並び、電界の方向に揃う。このようにして、（ｎe）から（ｎo）へと屈折率が変化するので、溝５０７の幅をｄとすると、光路長を（ｎe・ｄ）から（ｎo・ｄ）へと変化させることができる。但し、参考例６の光制御素子は、偏波依存性があり、前記した動作をするのは、光導波路に平行な偏波に対してのみであり、光導波路に垂直な偏波に対しては、光路長は変化しない。
【００６３】
図２２は、参考例６の光制御素子の作製工程を示す図である。参考例６の光制御素子は、初めに、図２２（ａ）に示すように、光導波路基板５０１と、ガラス基板５０２とを用意し、図２２（ｂ）に示すように、各基板（５０１，５０２）の一面に、それぞれ電極（５０３，５０４）を形成する。
ここで、ガラス基板５０２上に形成した電極５０４は、液晶層５０６に電界を印加するためのものであり、電極５０４の間隔は１４０μｍである。また、光導波路基板５０１上に形成した電極５０３は、ガラス基板５０２上の電極５０４に接触して外部に電極を取り出すための電極である。
次に、図２２（ｃ）に示すように、電極５０３間の中心を通るようにダイシングソー５１０のブレードにより、溝５０７を形成する。
次に、図２２（ｄ）に示すように、溝５０７内と、ガラス基板５０２とに配向膜５０５を塗布し、両基板（５０１，５０２）を張り合わせた時のラビング方向が非平行になるようにラビング処理を施す。この場合に、光導波路基板５０１に形成される配向膜５０５は、光導波路基板５０１に形成した溝５０７の壁面に均一に形成する。
次に、両基板（５０１，５０２）を張り合わせて、両基板（５０１，５０２）の間にネマチック液晶層を充填して液晶層５０６を形成する。
【００６４】
（参考例７）
図２３及び図２４は、参考例７の光制御素子の概略構成を示す図である。図２３において、６０１はガラス光ファイバ又はプラスチック光ファイバ、６０２はＶ溝付き基板絶縁基板、６０３は前記Ｖ溝基板にコートした下部電極、６０４は導電性ペースト、６０５は溝内に形成される電界の様子、６０６は溝内の充填した液晶層である。図２４では、６０７は光ファイバの周りにコートした金属である。
参考例５及び参考例６の光制御素子では、光導波路の上側の面上に電極を形成するようにしたが、対向する電極の間隔は、液晶層のセルギャップ長よりも大きいので、印加電圧が通常よりも高くなり、偏波依存性が出る場合もある。そのため、参考例７の光制御素子は、光導波路の下側の面上にも電極を形成するようにしたものである。但し、参考例７では、通常のガラス光導波路またはプラスチック光導波路ではなく、ガラス光ファイバまたはプラスチック光ファイバにのみ適用可能である。
【００６５】
図２５及び図２６は、参考例７の光制御素子の作製工程を示す図である。参考例７の光制御素子は、始めに、図２５（ａ），（ａ’）に示すように、金属コートされたファイバ、通常のファイバの被覆を剥がす。図２５に示すように、Ｖ溝付きの基板を用意する。ここで、Ｖ溝付きの基板は、ガラス基板、プラスチック基板、あるいはセラミック基板等で構成される。
次に、図２５（ｃ），（ｃ’）に示すように、Ｖ溝基板に固定する。（ｃ）のように金属コートファイバを固定する場合には通常の接着剤６１０を用いて固定し、電極６０９を取り出す。(ｃ’)のように通常の光ファイバを固定する場合には導電性ペースト６０４で固定する。
次に、図２５（ｄ），（ｄ’）に示すように、ダイシングソー６１１のブレードにより、光ファイバを切断するように溝６１２を形成する。次に、図２６（ｅ），（ｅ’）に示すように、溝６１２に、ポリマーネットワーク液晶６０６を充填する。次に、図２６（ｆ），（ｆ’）に示すように紫外線を照射してポリマーネットワークを固体化する。
電極を取り出し、この間に電圧を印加することにより、光減衰器が実現できる。図２３にも示したように、電界が光の進行方向に対して平行になるので、偏波依存性が小さいという利点がある。また簡便に作製可能であるという利点がある。
【００６６】
（参考例８）
参考例７では、ロスを制御する光制御素子およびその作製工程を示した。参考例８は偏波、位相を制御する光制御素子およびその作製工程を示す。
図２７は、参考例８の光制御素子のもう一つの作製方法を示した図面である。図２７（ａ）から（ｃ）までの工程は、図２５と同じである。
図２７（ｄ），（ｄ’）に示すように、溝６０２の壁面に配向膜６１３を塗布し、ラビング処理する。一方図２７（ｅ）に示すように、ガラス基板６１４に配向膜６１３に塗布して、同様にラビング処理する。図２７（ｆ），（ｆ’）に示すように、ラビング方向が反平行になるようにガラス基板を張り付ける。図２７（ｇ），（ｇ’）に示すように、ネマチック液晶６１５を溝に充填し、電極を取り出す。
図２８は、本素子の液晶の配向を示したものである。図２８（ａ）は電界の印加の様子を示したものであり、図２８（ｂ）は液晶の配向方向を示したものである。電圧無印加の場合には、液晶は溝に平行に配向する。電圧を中程度かけた場合にはやや溝に対して傾く。電圧を十分印加した場合には液晶は溝に対して垂直に配向する。液晶分子は屈折率異方性を持っているので、偏波、位相を制御することが可能となる。溝幅ｄ及び液晶の屈折率差Δｎの積が光の波長より大きくなるように設定すると、位相を０から２πまで変化させることができる。
【００６７】
（参考例９）
参考例８では、偏波、位相を制御する光制御素子およびその作製工程に付いて述べたが、参考例９では、この素子を４つ用いて、任意の偏波が入力したとき、任意の偏波に変換する偏波制御素子を示したものである。
図２９は、参考例９の構成を示したものである。８００は参考例８で作製した偏波制御素子であり、８０１は光ファイバである。光ファイバ８０１はねじれることなく、まっすぐに伸びており、偏波制御素子８００がその角度を４５度ずつ回転させながら、４つ取り付けてある。例えば、任意の楕円偏波が入力された場合、これらの４つの素子の電圧を制御することにより、直線偏波に変換可能である。
【００６８】
（実施形態１）
図３０は、本発明による実施形態１の光制御素子の概略構成を示す図であり、（ａ）は光制御素子の外観斜視図、（ｂ）は光制御素子の上面図である。
図３０において、９０１は光ファイバ、９０２は光ファイバ９０１を保持する基板、９０３は絶縁フィルム、９０４は光ファイバ９０１を切断する溝、９０５は溝９０４に充填した液晶、９０６は絶縁フィルム９０３の表裏両面に形成された金属電極、９０７は金属電極９０６間に電圧を印加した場合の絶縁フィルム９０３端面の近傍に形成される電気力線である。
図３０に示すように、本実施形態１の溝９０４はダイシングソーにより形成されており、この溝９０４にポリマーネットワーク液晶９０５が充填されている。本実施形態１では、一本の光ファイバで構成される例を示すが、光導波路、光導波路アレイ、光ファイバアレイであっても同様の構造にすることができる。
【００６９】
図３１及び図３２は、本実施形態１の光制御素子の作製方法を説明するための図である。図３１及び図３２において、９０８は光ファイバ９０１をＶ溝に固定する接着剤、９０９は光導波路のコア部、９１０は光導波路の基板部、９１１は光導波路のクラッド層、９１２はダイシングソー、９１３は光導波路がＳｉ基板上に形成されている場合に、電極の絶縁用に設けるＳｉＯ２膜である。
以下、図３１及び図３２を用いて本実施形態１の光制御素子の作製方法を説明する。まず、図３１（ａ）に示すように、光ファイバの心線９０１をＶ溝基板９０２上に設けられたＶ溝に接着剤９０８で固定する。本発明は、前記光ファイバ９０１をＶ溝基板９０２に固定したものに限らず、石英光導波路、プラスチック光導波路でもよい。
次に、図３１（ｂ）に示すように、ダイシングソー９１２のブレードにより光通過部を切断するように溝９０４を形成する。この時の溝の幅は、絶縁フィルム９０５が挿入できる幅であればよく、場合によっては１０μｍ程度の狭い溝でもよい。
【００７０】
次に、図３２（ｃ）に示すように、ポリエステルフィルムまたはポリイミドフィルム９０３の両面にＡｌ電極９０６を蒸着して、カッタ等により断面が垂直になるように切り出す。次に、図３２（ｄ）に示すように、光ファイバ９０１の溝９０４内に、微動台を用いて光通過部近傍まで絶縁フィルム９０３を挿入し、この絶縁フィルム９０３が挿入されていない部分にポリマーネットワーク液晶を充填し、紫外線を照射してポリマーネットワーク液晶９０５を形成することで、前記図３０（ａ）及び図３０（ｂ）に示した、本実施形態４の光制御素子が得られる。
このよう構成することにより、絶縁フィルム９０３の両面のＡｌ電極９０６に電圧を印加すると、光通過部の液晶部に電圧が印加され、その部分が光に対して透明になり光を透過することができる。
【００７１】
図３３は、本実施形態１の光制御素子のファイバ−ファイバ間のロスの電圧依存性を示す図である。例えば、溝幅が１００μｍある場合、原理的に約２ｄＢのロスがある。
本実施形態１の光制御素子では、約２０ｄＢから２.５ｄＢまで光強度が変化し、０Ｖから４０Ｖの電圧を印加することにより、光減衰器の特性を観測できた。
本実施形態１では、光ファイバに通常のシングルモードファイバを用い、コア直径が約９μｍである。溝を形成する部分の光ファイバのコアを約２５μｍまで拡大したコア拡大ファイバ（ＴＥＣファイバ）を用いた場合、約１００μｍの溝を設けてもほとんどロスがなく、前記手順に沿って光減衰器を作製した場合、２０ｄＢから０ｄＢへと光のロスを可変できる。
【００７２】
また、図３４（ａ）及び図３４（ｂ）に示すように、絶縁フィルムを２枚用い、光通過部を挟むようにフィルムを挿入すると、液晶部にかかる電場が光の進行方向と完全に平行になり、低電圧化がはかれ、さらに偏波依存性を少なくすることができる。
また、本実施形態１では液晶層９０５にポリマーネットワーク液晶を用いたが、これに限らず、コレステリック−ネマチック相転移液晶を用いても光ロスを制御することができる。
また、ナノサイズ高分子分散型液晶を用いた場合には、屈折率を１％程度変化させることができ、光の位相を変化させることが可能になる。
【００７３】
（実施形態２）
図３５は、本発明による実施形態２の光制御素子の概要構成を示す図であり、１００１は表裏両面電極フィルムに設けたピンホール、１００４は光ファイバあるいは光導波路のコア、１００５は絶縁フィルム、１００６は溝である。
図３６は、本実施形態２の光制御素子の動作原理を説明するための図であり、１００２は入射光、１００３はピンホール１００１に形成される電場である。本実施形態２の光制御素子は、図３５及び図３６に示すように、表裏両面に電極のついた絶縁フィルムに直径１０μｍから数１０μｍの円形のピンホール１００１を設け、そのピンホール１００１に液晶を充填して光を通過させる。ピンホール１００１内及び溝１００６内には前記参考例９と同様に、ポリマーネットワーク液晶が充填されている。ピンホール１００１内に電場を印加することにより、電場が中心対称に印加されるので、偏波依存性は少なくなる。また、ピンホール１００１の形状は、円形に限らず、長方形、四角形、三角形等、どのような形状であってもよい。
【００７４】
図３７及び図３８は、本実施形態２の光制御素子の作製方法を説明するための図である。以下、図３７及び図３８を用いて本実施形態２の光制御素子の作製方法を説明する。
まず、図３７（ａ）に示すように、表裏両面に電極がついたポリエステルフィルムまたはポリイミドフィルム１００５を用意する。次に、図３７（ｂ）に示すように、前記ポリエステルフィルムに円形のピンホール１００１Ａ、長方形のピンホール１００１Ｂ、三角形のピンホール１００１Ｃ等、任意の形状のピンホールを形成する。ピンホールの形成は、精密な金型を用いて打ち抜く方法や、エキシマレーザなどのレーザビームで穴開けする方法がある。
前記形成された円形ピンホール１００１Ａ、長方形のピンホール１００１Ｂ、三角形のピンホール１００１Ｃ等のピンホールにポリマーネットワーク液晶を十分に充填する。その後、紫外線を照射して液晶を固化させる。ピンホール１００１Ａ，１００１Ｂ，１００１Ｃ等のピンホールを開けたフィルム１００５を光ファイバー１００４を切断した溝１００６に挿入し、ピンホールが光通過部にくるようにアライメントする。
前記手順で作製された光制御素子は、光減衰器として用いることができ、偏波無依存で、２０ｄＢから２ｄＢ程度までロスを電圧で可変することが可能である。
さらに、用いる光ファイバをコア拡大ファイバとし、コア拡大部分に溝を掘ることにより、光減衰器のロスを減らすことができ、２０ｄＢからほぼ０ｄＢまで光のロスを制御することが可能である。
【００７５】
（実施形態３）
本発明による実施形態３の光制御素子は、前記実施形態１及び２の光制御素子と同様に、充填する液晶にナノサイズ高分子分散型液晶とし、位相変調器として用いたものである。
前記実施形態１及び２で説明した光制御素子を位相変調器として用いるためには、充填する液晶にナノサイズ高分子分散型液晶を用いればよい。このナノサイズ高分子分散型液晶は、基本的にはポリマーネットワーク液晶と同じ構造であるが、液晶の粒子の大きさが、ポリマーネットワーク液晶では１μｍから数μｍであるのに対し、ナノサイズ高分子分散型液晶では１００ｎｍから１５０ｎｍと小さく、電圧の印加、無印加に関わらず、透明である。
また、ナノサイズ高分子分散型液晶の基本的な材料及び製造方法は、ポリマーネットワーク液晶と同じであるが、固化する際の紫外線の強度を１桁強くし、転移温度よりも数℃温度を高くすることによって、液晶の粒子を１００ｎｍ程度まで小さくすることができる。
【００７６】
ナノサイズ高分子分散型液晶に電圧を印加することによって、偏波無依存で屈折率を変化させることができる（S.Matsumoto, M.Houlbert, T.Hayashi and K.Kubodera, “Fine droplets of LCs in a transparent polymer and their response to an electric field”, Appl. Phys. Lett., vol.69(8), pp.1044参照）。
また、その応答速度は、通常の液晶より３倍速く、厚さ２０μｍのナノサイズ高分子分散型液晶に約１００Ｖの電圧を印加すると、屈折率が約１％変化する。このため、幅７５μｍの溝を掘り、その溝に厚さ約７５μｍで、直径約１５μｍのピンホールを持つフィルムを挿入する。このピンホールにナノサイズ高分子分散型液晶を充填する。
前記ナノサイズ高分子分散型液晶に約４００Ｖの電圧を印加すると、通信波長１.５５μｍ帯で０.７５μｍの光路長が変化するため、位相をπ変化させることが可能であり、かつ、偏波無依存性である。
この位相変調器を用いてマッハツェンダ干渉計を組むことにより、２×２スイッチ、可変波長フィルタ等を実現できる。また、光導波路では、ＴＯ効果を用いて位相を変調し、各種光処理デバイスを実現しているが、ＴＯ効果を本実施形態６の位相変調器に置き換えることにより、低消費電力で、高速の光制御素子が実現できる。
【００７７】
（参考例１０）
光スイッチング回路、光クロスコネクト回路、光加入者回路においては、光のパスの切り替えにより、光パワーのレベルが変動するため、そのパワーを一定にする必要があり、光レベル調整器が必要となる。
そこで、参考例１０では、前記実施形態１もしくは２の光制御素子（可変光減衰器）の後段に光のパワーをモニタする光ディテクタを設け、常にその光パワーを一定にするように制御する光制御素子（光レベル調整器）について説明する。
図３９及び図４０は、参考例１０の光制御素子（光レベル調整器）の概略構成を示す図であり、図３９は光強度モニタを備えた光レベル調整器を示す図で、図４０は、偏波モニタを備えた光レベル調整器を示す図である。図３９及び図４０において、１２０１は光導波路あるいは光ファイバの光通過部分を切断する溝、１２０２は透過型の光ディテクタ、１２０３は光ディテクタ１２０２のパワーをモニタして、印加する電圧を制御する制御回路、１２０４は光減衰部分、１２０５は分岐した導波路、１２０６は受光型の光ディテクタ、１２０７は偏波制御部分、１２０８は光偏光子である。
【００７８】
参考例１０の光制御素子（光レベル調整器）においては、図３９（ａ）に示すように、制御回路１２０３は、光ディテクタのパワーをモニタして、常にその強度を一定にするように光減衰部分１２０４に電圧を印加する。
前記光ディテクタ１２０２は、１００μｍ以下に薄く研磨されており、溝１２０１に挿入され光を受ける。この光ディテクタ１２０２は、１０％程度の光を吸収し、残りの９０％はそのまま透過させる。
また、図３９（ｂ）に示すように、前記参考例９の光制御素子の後段に分岐導波路１２０５を設け、光ディテクタ１２０６を壁面に張り付け、図３９（ａ）と同様に制御回路１２０３に接続する。ここで、光ディテクタ１２０６を光導波路の壁面に接続したが、光導波路１２０５に４５度ミラーを設け、光導波路面下側に光ディテクタを張り付けてもよい。
【００７９】
また、分岐導波路１２０５では、１０対１で光が分岐される。また、図４０（ａ）に示すように、光制御素子の後段に１００μｍ程度の溝を２本設け、それぞれの溝に、互いに直交した光偏光子１２０８が付いた２つの光ディテクタを挿入し、光ファイバ中の光の偏波状態をモニタして、制御回路１２０３により、偏波制御素子に印加する電圧を制御することにより、光の偏波状態を常に一定に保つことが可能になる。
この時、図４０（ｂ）に示したように、分岐導波路を２本設け、２つの光ディテクタを壁面に張り付ける、もしくは光導波路に４５度ミラーを設け、光導波路面下側に光ディテクタを取り付けてもよい。
【００８０】
（参考例１１）
前記実施形態１乃至３、参考例１０までは、フィルム面に形成した電極はベタ電極であったが、電極をパターニングすることにより、より精度よく偏波制御が可能となる。これまで、通常のガラス基板に電極をパターニングしてネマチック液晶を回転させて、回転波長板として用いることが提案されている（Y.Ohtera,T.Chiba, and S.Kawakami, “Liquid crystal Rotable Waveplates”,IEEE Photonics Techn-ol. Letts., vol.8, No.3, pp.390〜392 (1996) 参照）。
参考例１１では、絶縁フィルムの両側にパターニングした電極を付け、各電極に位相の異なる電圧を印加することによって、中心部に設けた穴に充填されたネマチック液晶を回転させ、回転波長板として動作させる。
【００８１】
図４１は、参考例１１の光制御素子の概略構成を示す図である。図４１において、１３０１は絶縁フィルムに設けた穴、１３０２は穴１３０１の中心を対称中心として８つに分割パターン化された電極、１３０３は絶縁フィルム、１３０４は取り出し電極、１３０５はネマチック液晶である。
図４１（ａ）では、片面しか示していないが、裏面にも同様のパターンの電極が形成されている。
参考例１１の光制御素子は、図４１に示すように、絶縁フィルム１３０３に穴１３０１を開け、その中心を対称中心とする８つのパターニングされた電極１３０２を形成し、前記実施形態１及び２と同様に、光導波路あるいは光ファイバに設けられた溝に挿入して、光がこの穴を通過するようにアライメントし、穴の中にネマチック液晶１３０５を充填する。電圧が無印加の状態ではネマチック液晶１３０５はランダムに配向している。
図４１（ｂ）に示すように、８つに分割された電極にπ／４ずつ位相をずらして印加し、θを０から２πまで変化させることにより、中心部のネマチック液晶１３０５が回転する。ネマチック液晶１３０５は、複屈折を持つため、波長板と同様の働きをする。
前記溝の幅をλ／２相当の厚さに設定しておくと、回転λ／２板が実現でき、直線偏波が入射したとき、入射する光の偏波を回転させることが可能となる。
また、光制御素子の後段に偏光子の付いた光ディテクタを数個設け、光導波路内、光ファイバ内の偏波状態をモニタして、制御回路により偏波回転板にフィードバックすることにより、偏波の状態を常に一定に保つことが可能となる。
【００８２】
以上説明したように、本実施形態１〜３、参考例４〜１１の光制御素子では、光通過部に透明電極がなく、さらに溝の間が１０μｍから１００μｍと短いため、ロスが非常に低く、さらに電極は液晶近傍にあるため低電圧駆動であり、電場が光の進行方向に平行である場合には偏波依存性がなく、光のロス、光路長を調整でき、光ファイバのアライメントが必要なく、安価であるという効果が得られる。
また、光ディテクタを備えることにより、光のパワー、位相を常に一定に制御できるという効果が得られる。
以上、本発明を、前記実施形態に基づき具体的に説明したが、本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であることは勿論である。
【００８３】
【発明の効果】
本願において開示される発明のうち代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、以下のとおりである。
（１）光制御素子において、非常にロスが低く、安価で、アレイ化が容易であり、光導波路上にも形成可能な光減衰器を実現できる。
（２）光制御素子において、ロスを低減し、かつ偏波依存性を低減することができる。
（３）光制御素子において、ロスを低減し、偏波依存性を低減し、かつ簡便で安価な光制御素子を作製することができる。
（４）光制御素子において、光ファイバ内あるいは光導波路内の光のパワー、位相を容易に制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  参考例１の光制御素子の概略構成を示す図である。
【図２】  コレステリック−ネマチック相転移液晶の特性を説明するための図である。
【図３】  参考例１の光制御素子の光制御部分の作製方法を説明するための図である。
【図４】  参考例１の光制御素子の光制御部分の作製方法を説明するための図である。
【図５】  参考例１の光制御素子の光制御部分の作製方法を説明するための図である。
【図６】  参考例１の光制御素子の透過率−印加電圧特性を示す図である。
【図７】  参考例１の光制御素子の作製方法を説明するための図である。
【図８】  参考例１の光制御素子の作製方法を説明するための図である。
【図９】  参考例１の光制御素子のロスと溝幅の関係を示す図である。
【図１０】  参考例１の光制御素子のロスの印加電圧依存性を示す図である。
【図１１】  参考例１の光制御素子の他の電極形成方法説明するための図である。
【図１２】  参考例２の光制御素子（光減衰器）を使用する石英導波路光スイッチの概略構成を示す図である。
【図１３】  図１２の部分拡大図である。
【図１４】  参考例３のアレイ導波路格子の概略構成を説明するための図である。
【図１５】  参考例４の光制御素子の基本構成を説明するための図である。
【図１６】  参考例４の溝内の電界の強度を計算を説明するための図である。
【図１７】  参考例４の係数ａ／(ａ２＋ｌ２)３/２をａの関数としてプロットした図である。
【図１８】  参考例５の光制御素子の概略構成を示す図である。
【図１９】  参考例５の光制御素子の作製工程を説明するための図である。
【図２０】  参考例５の光制御素子のロスの印加電圧依存性を示す図である。
【図２１】  参考例６の光制御素子の概略構成を示す図である。
【図２２】  参考例６の光制御素子の作製工程を説明するための図である。
【図２３】  本発明による実施形態３の光制御素子の概略構成を示す図である。
【図２４】  参考例７の光制御素子の概略構成を示す図である。
【図２５】  参考例７の光制御素子の作製工程を説明するための図である。
【図２６】  参考例７の光制御素子の作製工程を説明するための図である。
【図２７】  参考例８の光制御素子の作製工程を説明するための図である。
【図２８】  参考例８の電界分布、液晶配向方向を示す図である。
【図２９】  参考例９の偏波制御素子の概略構成を示す図である。
【図３０】  本発明による実施形態１の光制御素子の概略構成を示す図である。
【図３１】  本実施形態１の光制御素子の作製方法を説明するための図である。
【図３２】  本実施形態１の光制御素子の作製方法を説明するための図である。
【図３３】  本実施形態１の光制御素子のロスの印加電圧依存性を示す図である。
【図３４】  本実施形態１の変形例を示す図である。
【図３５】  本発明による実施形態２の光制御素子の概略構成を示す図である。
【図３６】  本実施形態２の光制御素子の動作原理を説明するための図である。
【図３７】  本実施形態２の光制御素子の作製方法を説明するための図である。
【図３８】  本実施形態２の光制御素子の作製方法を説明するための図である。
【図３９】  参考例１０の光制御素子の概略構成を示す図である。
【図４０】  参考例１０の光制御素子の変形例を示す図である。
【図４１】  参考例１１の光制御素子の概略構成を示す図である。
【符号の説明】
１０１…光ファイバ、１０２…光ファイバアレイを固める樹脂、１０３…溝、１０４…金属フィルム電極、１０５…光ファイバコア部、１０６…透明電極、１０７…垂直配向膜、１０８…グランジャン配向のコレステリック液晶、１０９…ガラス基板、１１０…フォーカルコニック配向のコレステリック液晶、１１１…ホメオトロピック配向のネマチック液晶、１１２…スリット金属フィルム電極、１１３…スリット部、１１４…ガラス基板、１１５…液晶層、１１６…光ファイバ、１１７…光導波路基板、１１８…ダイシングソー、１１９…液晶充填部分、１２０…封止用パッケージ、１２１…スリット金属フィルム電極の曲げた部分、１２２…電極配線、１３１…ガラス基板、１３２…上側電極、１３３…下側電極、２０１…２×２の基本スイッチ、２０２…８×８エレメント、２０３…８×８スイッチ、２０４…光制御素子（８光減衰器アレイ）、２０５…減衰器電極アレイ、２０６…取り出し電極、２０７…光導波路基板（ＰＬＣ基板）、３０１…入力側光導波路、３０２…第１のスラブ導波路、３０３…波長板、３０４…溝、３０５…光制御素子（光減衰器アレイ）、３０６…取り出し電極、３０７…Ｓｉ基板、３０８…第２のスラブ導波路、３０９…アレイ導波路格子、４０３…光導波路コア部、４０１…液晶層、４０２…電極、４０３…光導波路コア部、４０４…Ｓｉ基板、４０５…溝、４０６…光導波路、４０７…光導波路基板、４０８…ダイシングソー、４０９…紫外線、４１０…電気力線、５０１…光導波路基板、５０２…ガラス基板、５０３…取り出し電極、５０４…電極、５０５…配向膜、５０６…液晶層、５０７…溝、５０８…光導波路、５０９…液晶分子、５１０…ダイシングソー、６０１…ガラス光ファイバまたはプラスチック光ファイバ、６０２…Ｖ溝付き絶縁基板、６０３…下部電極、６０４…導電性ペースト、６０５…電気力線、６０６…液晶層、６０７…ファイバの周りのコートされた電極、６０８…光ファイバ被覆、６０９…取り出し電極、６１０…ファイバをＶ溝に固定する接着剤、６１１…ダイシングソーのブレード、６１２…ダイシングソーによって形成された溝、６１３…配向膜、６１４…ガラス基板、６１５…ネマチック液晶、８００…偏波制御素子、８０１…光ファイバ、９０１…光ファイバ、９０２…基板、９０３…絶縁フィルム、９０４…溝、９０５…液晶、９０６…金属電極、９０７…電気力線、９０８…接着剤、９０９…光導波路コア部、９１０…基板部、９１１…クラッド層、９１２…ダイシングソー、９１３…ＳｉＯ２膜、１００１…ピンホール、１００２…入射光、１００３…電場、１００４…光ファイバコア、１００５…絶縁フィルム、１００６…溝、１００１Ａ…円形ピンホール、１００１Ｂ…長方形ピンホール、１００１Ｃ…三角形ピンホール、１２０１…溝、１２０２…透過型光ディテクタ、１２０３…制御回路、１２０４…光減衰部分、１２０５…分岐導波路、１２０６…受光型の光ディテクタ、１２０７…偏波制御部分、１２０８…光偏光子、１３０１…穴、１３０２…電極、１３０３…絶縁フィルム、１３０４…取り出し電極、１３０５…ネマチック液晶。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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