(57)【要約】【課題】  少なくとも１つの基板（１）と、少なくとも一対の電極（２）と、少なくとも一層の電気光学材料とからなる電気光学装置を提供する。【解決手段】  電気光学材料は、光学的異方性結晶薄膜（３）を表し、芳香環を有し、かつ光軸の１つに沿って３．４±０．２Åの格子面間隔（ブラッグ反射）を有する格子をもつ分子を含む。電気光学材料（３）は、電界強度に依存する異方性屈折率及び／又は異方性吸収係数を有する。
2005509919.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの基板と、少なくとも一対の電極と、少なくとも一層の電気光学材料とを備える電気光学装置であって、
前記少なくとも一層の電気光学材料が、光学的異方性結晶薄膜を表すものであり、かつ、芳香環を有し、光軸の１つに沿った３．４±０．２Åの格子面間隔（ブラッグ反射）を有する格子をもち、電界強度に依存する異方性屈折率及び／又は異方性吸収係数を有する分子を含むことを特徴とする電気光学装置。
【請求項２】
前記結晶薄膜が、少なくとも１つの二色性染料をベースとするリオトロピック液晶から形成された請求項１に記載の電気光学装置。
【請求項３】
前記結晶薄膜が、二価金属又は三価金属のイオンにより処理された請求項１に記載の電気光学装置。
【請求項４】
前記結晶薄膜の少なくとも一層が、複素環を有する分子を含む請求項１に記載の電気光学装置。
【請求項５】
前記少なくとも一対の電極が、直流電圧、交流電圧、又はパルス電圧に接続された請求項１に記載の電気光学装置。
【請求項６】
前記少なくとも１つの電極の少なくとも一部が、光学的に透明な材料で作られた請求項１に記載の電気光学装置。
【請求項７】
前記少なくとも１つの電極が光学的に非透明な材料で作られ、光ビームを通すために少なくとも１つの透明なウィンドウが設けられた請求項１に記載の電気光学装置。
【請求項８】
前記少なくとも１つの電極の少なくとも一部が、前記少なくとも一層の電気光学材料の表面上に形成された請求項１に記載の電気光学装置。
【請求項９】
前記少なくとも一対の電極が、前記少なくとも一層の電気光学材料の反対の面に配設された請求項１に記載の電気光学装置。
【請求項１０】
前記少なくとも一対の電極が、前記少なくとも一層の電気光学材料の同じ表面に配設された請求項１に記載の電気光学装置。
【請求項１１】
前記少なくとも一対の電極が、前記少なくとも一層の電気光学材料の同じ端部に配設された請求項１に記載の電気光学装置。
【請求項１２】
前記少なくとも一対の電極が、前記少なくとも一層の電気光学材料の異なる端部に配設された請求項１に記載の電気光学装置。
【請求項１３】
前記少なくとも一層の電気光学材料が、一対の電極の少なくとも１つから電気的に絶縁され、電圧が前記一対の電極に印加されて、前記電気光学材料の層に電界が生成される請求項１に記載の電気光学装置。
【請求項１４】
前記電気光学材料の層と、該電気光学材料の層に隣接した電極との間に形成された保護層をさらに備え、前記電極及び前記電気光学材料の物質の拡散を阻止する請求項１に記載の電気光学装置。
【請求項１５】
前記電気光学材料の層と、該電気光学材料の層に隣接した電極との間に形成された絶縁層をさらに備える請求項１に記載の電気光学装置。
【請求項１６】
電界強度に依存しない屈折率及び／又は吸収係数を有する等方性材料又は異方性材料の少なくとも一層をさらに備える請求項１に記載の電気光学装置。
【請求項１７】
前記電気光学材料の少なくとも一層が、前記少なくとも１つの電極上、及び／又は少なくとも一層の等方性材料上、及び／又は光学的に透明な材料又は光学的に非透明な材料で作られた少なくとも１つの基板上に形成された請求項１６に記載の電気光学装置。
【請求項１８】
前記少なくとも１つの基板の少なくとも一部が、結晶性形態であるか又は非結晶性形態にある、ガラス、又は石英、又はポリマー材料、又は半導体で作られた請求項１に記載の電気光学装置。
【請求項１９】
前記電気光学材料の少なくとも一層の表面、及び／又は前記少なくとも１つの電極の表面、及び／又は前記少なくとも一層の等方性材料の表面に対する垂線が、入射光ビームの方向に対して０°から９０°までの間の角度を形成する請求項１６に記載の電気光学装置。
【請求項２０】
前記少なくとも一対の電極間の電界におけるベクトルの方向が、前記入射光ビームの方向に対して０°から１８０°までの間の角度を形成する請求項１６に記載の電気光学装置。
【請求項２１】
前記少なくとも１つの基板が縦方向軸を有する光導波路である請求項１に記載の電気光学装置。
【請求項２２】
前記少なくとも一層の電気光学材料、及び／又は前記少なくとも１つの電極、及び／又は前記少なくとも一層の等方性材料又は異方性材料が、少なくとも１つの光導波路の側面に形成された請求項２１に記載の電気光学装置。
【請求項２３】
前記少なくとも一層の電気光学材料、及び／又は前記少なくとも１つの電極、及び／又は前記少なくとも一層の等方性材料又は異方性材料が、少なくとも１つの光導波路の端部表面に形成された請求項２１に記載の電気光学装置。
【請求項２４】
前記少なくとも１つの導波路に、少なくとも１つの傾斜した及び／又は先細になった及び／又は楔形状の端部に設けられた請求項２１に記載の電気光学装置。
【請求項２５】
前記少なくとも一層の電気光学材料の少なくとも１つの光軸が、前記光導波路の前記縦方向軸に対して平行である請求項２１に記載の電気光学装置。
【請求項２６】
前記少なくとも一層の電気光学材料の前記少なくとも１つの光軸が、前記光導波路の前記縦方向軸において、周期的に方向を変化させるようになった請求項２１に記載の電気光学装置。
【請求項２７】
前記少なくとも一層の電気光学材料の前記少なくとも１つの光軸が、前記光導波路の前記縦方向軸に対して螺旋状の配向を有する請求項２１に記載の電気光学装置。
【請求項２８】
前記少なくとも一層の電気光学材料の前記少なくとも１つの光軸が、前記光導波路の前記縦方向軸に対して垂直である請求項２１に記載の電気光学装置。
【請求項２９】
少なくとも１つの光導波路が平坦である請求項２１に記載の電気光学装置。
【請求項３０】
前記少なくとも１つの光導波路がシングルモードである請求項２１に記載の電気光学装置。
【請求項３１】
前記少なくとも１つの光導波路がマルチモードである請求項２１に記載の電気光学装置。
【請求項３２】
前記少なくとも１つの光導波路が、少なくとも１つのコアと１つ又はそれ以上の反射クラッドとを含む光ファイバを表し、前記反射クラッドの屈折率は前記コアの屈折率より小さい請求項２１に記載の電気光学装置。
【請求項３３】
前記光ファイバが、半径にしたがって連続的に変化する屈折率プロファイルを有する屈折率勾配型光ファイバであるか、又は境界上で異なる値の間で跳躍的形態で変化する屈折率を有する２つ又はそれ以上の反射クラッドをもつＷ字形光ファイバであるか、又は高低屈折率をもつ交互の層で構成される被覆をもつ光ファイバを表す請求項３２に記載の電気光学装置。
【請求項３４】
少なくとも１つの光ファイバが、導波路マトリクスとは異なる屈折率をもつ材料を充填した周期的な又は非周期的な縦方向の溝のシステムを含むフォトニック結晶形式の光ファイバを表す請求項３２に記載の電気光学装置。
【請求項３５】
前記少なくとも一層の電気光学材料、及び／又は前記少なくとも１つの電極、及び／又は前記少なくとも一層の等方性材料又は異方性材料が、前記光ファイバの前記反射クラッドの表面上に形成された請求項３２に記載の電気光学装置。
【請求項３６】
前記少なくとも一層の電気光学材料、及び／又は前記少なくとも１つの電極、及び／又は前記少なくとも一層の等方性材料又は異方性材料が、少なくとも１つのＤ字形光ファイバの平らな表面上に形成された請求項３２に記載の電気光学材料。
【請求項３７】
前記少なくとも１つの光ファイバが、一定の断面を有する請求項３２に記載の電気光学装置。
【請求項３８】
前記少なくとも１つの光ファイバが、可変の断面を有し、前記少なくとも一層の電気光学材料、及び／又は前記少なくとも１つの電極、及び／又は前記少なくとも一層の等方性材料又は異方性材料が、減少した断面をもつ前記ファイバの少なくとも１つの領域に形成された請求項３２に記載の電気光学装置。
【請求項３９】
前記電気光学装置が、少なくとも２つの入力光ファイバと少なくとも２つの出力光ファイバとを備える光カプラを表す請求項３２に記載の電気光学装置。
【請求項４０】
前記少なくとも１つの光ファイバのコアに形成された少なくとも１つの長周期グレーティングをさらに備える請求項３２に記載の電気光学装置。
【請求項４１】
前記少なくとも一層の電気光学材料、及び／又は前記少なくとも１つの電極、及び／又は前記少なくとも一層の等方性材料又は異方性材料が、前記少なくとも１つの光ファイバの前記反射クラッドの前記少なくとも１つの領域に形成され、前記電気光学材料の層が、前記少なくとも１つの長周期グレーティングが形成された少なくとも１つのコア領域と部分的に重なる請求項３２に記載の電気光学装置。
【請求項４２】
少なくとも１つのブラッググレーティングが、前記少なくとも一層の電気光学材料内に形成された請求項１に記載の電気光学装置。
【請求項４３】
前記少なくとも一層の電気光学材料が、平らな表面又は二次表面を有する請求項１に記載の電気光学装置。
【請求項４４】
前記少なくとも一層の電気光学材料の少なくとも１つの異方性吸収係数が、この層に印加される電界強度に依存する請求項１に記載の電気光学装置。
【請求項４５】
主要な光軸が互いに対して０°乃至９０°回転された、少なくとも二層の前記電気光学材料を備える請求項１に記載の電気光学装置。
【請求項４６】
前記少なくとも一層の電気光学材料が、光波の伝播方向に沿って変化する厚さを有する請求項１に記載の電気光学装置。
【請求項４７】
電気光学装置を製造する方法であって、
異方性粒子のコロイド系を少なくとも１つの電極上、及び／又は少なくとも１つの基板、及び／又は少なくとも一層の等方性材料又は異方性材料上に堆積させて、少なくとも一層の電気光学材料を形成し、
前記コロイド系を外部アラインメントさせて、コロイド系粒子の好ましいアラインメントを形成し、
前記コロイド系を乾燥させ、
少なくとも１つの電極、及び／又は少なくとも一層の等方性又は異方性材料を、前記電気光学材料の層の少なくとも一部の上に形成する、
ことを含む方法。
【請求項４８】
前記コロイド系が、前記外部アラインメントの作用前に系の粘度を減少させる外部作用を受けるか、又は前記コロイド系の好ましいアラインメントを確実にするこのアラインメント作用が、該系の粘度を減少させる前記外部作用中に生成される請求項４７に記載の方法。
【請求項４９】
コロイド粘度を減少させる外部作用が、前記系のアラインメント後に停止されるか、又は前記コロイド系の粘度を少なくとも初期レベルに戻すために付加的な外部作用が生成される請求項４８に記載の方法。
【請求項５０】
前記コロイド系に対する前記外部作用が、電気光学的異方性材料の層とは反対の側部からの前記基板の局部加熱及び／又は全体加熱によってであるか、及び／又は、前記電気光学的異方性材料の層が形成されたのと同じ側からの前記基板及び／又はコロイド溶液層の局部加熱及び／又は全体加熱によって生成される請求項４８に記載の方法。
【請求項５１】
前記加熱が、放射ヒータ及び／又は抵抗ヒータ、及び／又は交流電界又は磁界、及び／又は加熱された液体及び／又はガスの流れを用いて実行される請求項５０に記載の方法。
【請求項５２】
前記系に対する前記外部作用が、基板上に適用された前記コロイド溶液層に対する機械的作用により生成される請求項４８に記載の方法。
【請求項５３】
適用された前記コロイド溶液の表面に対する前記外部アラインメントの作用は、ナイフ、及び／又は円筒形ワイパ、及び／又は平らなプレート、又は適用された層の表面に対して平行に配向された、及び／又はこの表面に対して或る角度で配向された他の任意の器具を表す少なくとも１つのアラインメント装置の方向をもった機械的運動により生成され、これにより、基板表面から前記アラインメント装置までの距離が、必要な厚さの異方性結晶薄膜を得るようにあらかじめ設定される請求項４７に記載の方法。
【請求項５４】
特定のレリーフが前記アラインメント装置の表面上に作られる請求項５３に記載の方法。
【請求項５５】
前記アラインメントが、加熱された器具により実行される請求項５３に記載の方法。
【請求項５６】
前記アラインメントが、外部電界を前記系に印加することにより実行される請求項４７に記載の方法。
【請求項５７】
前記アラインメントが、外部磁界を前記系に印加することにより実行される請求項４７に記載の方法。
【請求項５８】
前記アラインメントが、外部電界及び／又は外部磁界を前記系に印加し、同時に加熱することにより実行される請求項４７に記載の方法。
【請求項５９】
前記アラインメントが、１つ又は幾つかのコヒーレントなレーザビームにより前記系を照らすことにより実行される請求項４７に記載の方法。
【請求項６０】
前記系の粘度を少なくとも初期レベルに戻すことが、前記アラインメント作用中に粘度を減少させる外部作用を停止することにより達成される請求項４８に記載の方法。
【請求項６１】
前記乾燥が、室温で、かつ５０％より低くない湿度で実行される請求項４７に記載の方法。
【請求項６２】
前記コロイド系における前記異方性粒子が結晶性である請求項４７に記載の方法。
【請求項６３】
リオトロピック液晶が、前記コロイド系として採用される請求項４７に記載の方法。
【請求項６４】
前記外部作用は、前記系における位相遷移をもたらすように選択される請求項６３に記載の方法。
【請求項６５】
分散相濃度が前記系のチキソトロピー性挙動を確実にするように選択された前記コロイド系を用いる請求項４７に記載の方法。
【請求項６６】
コロイド系の初期粘度に戻した後の、前記系に対する付加的なアラインメント作用が、主要なアラインメント段階におけるものと同じ方向に生成される請求項４７に記載の方法。
【請求項６７】
前記コロイド系の運動単位が帯電される請求項４７に記載の方法。
【請求項６８】
請求項４７による方法により得られた電気光学的異方性結晶薄膜。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願）
本出願は、２００１年１１月１９日に出願されたロシア特許出願番号第２００１−１３１０６８号に基づく優先権を主張するものであり、この開示の全体を参照により本明細書に組み入れる。
【０００２】
本発明は、一般に、電気光学装置に関し、具体的には、可視でかつ近赤外線範囲内で放射線を制御できる電気光学装置に関する。
【背景技術】
【０００３】
ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ3）、ＫＤＰ及びＫＴＰのような電気光学材料をベースとした電気光学装置が、ここに述べられている。アカデミック・プレスによって編集されたＩ．Ｐ．  Ｋａｍｉｎｏｖ他による「光ファイバ電気通信」第ＩＩＩＢ巻（１９９７年）を参照されたい。
Ｄ字形光ファイバをベースにし、ニオブ酸リチウム結晶を用いる光変調器のような公知の電気光学装置がある。Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．  Ｌｅｔｔ．第２７巻、第１１番の８９４ページから８９６ページにあるＷ．ジョンストン他による「能動マルチモードの導波管オーバーレイを用いる光ファイバ変調器」（１９９１年）を参照されたい。側面研磨光ファイバとも言われるＤ字形の光ファイバは、Ｄ字形の断面を有する光ファイバのことを言う。通常は、この種の光変調器は、典型的には数１０センチメートルから数メートルまでの曲率を有する溝が形成されたプレーンに平行な石英ガラスのプレート上に生成される。シングルモードすなわちモノモードの光ファイバがこの溝の中に接着される。次に、その中にファイバが接着された溝を有するプレートの側面は、このプレーンがファイバコアに達するまで研削され、基本モード（主にコアに局所化された）は、反射クラッドから研磨表面まで透通できるようになる。この処理の後に、光ファイバの断面がＤ字形になる。Ａｐｐｌ．  Ｏｐｔｉｃｓ第３１巻第１８番の３４３８ページから３４４７ページまでにあるＳ．Ｍ．ツェン他による「側面研磨ファイバ」（１９９２年）を参照されたい。Ｄ字形光ファイバの研磨面は、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）組成物の透明電極薄層で被覆される。次に、ニオブ酸リチウム薄結晶が、この電極上に接着され、厚さが２０乃至３０ミクロンに減少するように研削される。最後に、第２電極がニオブ酸リチウム結晶層の上に適用される。
【０００４】
光変調器は、次のように作動する。電気光学的ニオブ酸リチウム結晶に印加された外部電圧が、材料の屈折率を変化させ、光ファイバの基本モードとニオブ酸リチウム層の導波モードとの間の共鳴条件を修正する。共鳴条件は、本質的には位相同期条件又はニオブ酸リチウムのコアをもつ平坦な光導波路の導波モード、及びＤ字形光ファイバの基本モードの等しい伝播定数である。モードが共鳴状態にある場合には、光信号は、光ファイバからニオブ酸リチウム結晶に事実上送り出され、ファイバ端部における出力信号強度は減少する。印加電圧を変化させて、ニオブ酸リチウム結晶の屈折率を改変し共鳴を中断する場合には、光は、強度を損失することなく、Ｄ字形光ファイバを通過する。従来技術においては、有意水準の出力信号の変調は、１５０Ｖの電圧を３５ミクロンの厚さのＩＴＯ電極間の制御層に印加することにより達成される。
上述の光変調器の問題点の１つは、ニオブ酸リチウム薄層の製造工程が非常に複雑であるということである。さらに、ニオブ酸リチウム結晶の厚さによって決定される電極間間隔は、比較的大きい。
【０００５】
Ｄ字形光ファイバの表面上に様々な屈折率をもつ材料層及び液晶層を採用する、同じ作動原理を用いる光学スイッチについて記載されている。Ｊｐｎ．  Ｊ．  Ａｐｐｌ．  Ｏｐｔｉｃｓパート２の第３７巻Ｌ４２からＬ４５までのＳ．Ｍ．ツェン他による「低電圧の光ファイバスイッチ」（１９９８年）を参照されたい。この種の光スイッチにおいては、約３０Ｖの電圧が、１３ミクロンの電極間間隔の共鳴を中断するのに必要である。この装置の問題点の１つは、液晶の遅い応答によって定められる比較的遅い作動速度である。スイッチング時間は、約７ミリ秒であり、１００Ｈｚの周波数をもつ交流電圧では、液晶を再配向することはできない。
電荷キャリア注入器を有する光変調器のような公知の電気光学装置がある。モスクワ所在のＮａｕｋａからの、Ｅ．Ｒ．ムステル他による「光の変調及び走査方法」（１９７０年）を参照されたい。この種の光変調器は、基板上のｎ型半導体膜を表す電気光学材料層を採用する。光は、光導波路の役割を果たすこの膜に沿って伝搬する。このｎ型膜の上にはｐ型半導体層が堆積され、ｐ−ｎ接合が形成される。この装置はさらに、一方がｎ型半導体膜とオーム接触し、他方がｐ型半導体膜とオーム接触する一対の電極を含み、これに対して制御（直流又は交流）電圧が印加される。制御電圧がｐ−ｎ接合に順方向に印加される場合には、電荷キャリア（正孔）が光導波路（ｎ型半導体膜）の中に注入される。正孔の光導波路の中への注入が、材料の光吸収を高め、このようにして光を変調する。
【０００６】
この種の光変調器の問題点の１つは、電流により誘起されるｐ−ｎ接合の加熱であり、これは、装置全体を熱的に安定化するのに特別な措置をとることが必要になる。別の問題点は、この装置に採用される光変調機構によって変調周波数に課される制限である。実際、ｐ−ｎ接合を通して注入される小数キャリアの持続時間は、通常は正孔について約１０-6秒までに制限される。このため、小数キャリアの注入によって導かれる光変調器は、１０-5乃至１０-6Ｈｚまでの周波数でしか作動することができない。光導波路を通る電流は、密度が十分に大きいものでなければならない。この必要条件は、システムの寸法に制限を与える。装置の大きさが大きくなればなるほど、装置の作動に必要な水準の密度を維持するのに必要とされる電流は高くなる。電流通過に関するさらに別の問題点は、大きなエネルギ消費であり、これは電流値によって増加する。
印加された電界強度によって光学的特性が変化する材料層を含む公知の電気光学装置がある。ＷＯ第００／４５２０２号を参照されたい。こうした材料の一例が、強誘電性セラミックである。強誘電性特性をもつセラミック材料は、通常は複屈折現象を示す。従って、セラミック層は、電気光学材料であり、印加された電界は装置を制御できる。この材料の強誘電性特性と電気光学的特性との組み合わせによって、このシステムは、光ファイバ通信システム、非線形光学装置、及び変調器、シャッター及び周波数逓倍器等といった電気光学装置において光信号を制御して変調するのに用いることができる。
【０００７】
観察された光学効果は、印加された電界におけるドメイン偏光ベクトルの配向又は再配向に関係している。結果として、セラミック粒子の光軸も同様に配向されるか又は再配向される。印加された電界の作用の下での電気光学セラミック材料におけるドメインの再配向は、電界の方向に対して垂直な機械的応力の生成が付随する。
強誘電性セラミックの問題点の１つは、これらが、膜のスイッチを切った後に、独断的に長時間にわたってドメイン偏光ベクトルの配向を保持するということである。従って、初期状態を回復するためには、異極性及び半振幅をもつ制御パルスを印加すること、セラミック基板を機械的に変形させること、及び小さい振幅の高周波電界を印加することのような付加的な措置をとらなければならない。強誘電性セラミックのこの特性が、電気光学装置の制御システムを複雑にする。
【０００８】
強誘電性セラミックの別の問題点は、高速の作動速度を確実にすることの難しさである。実際、所与の変調効率における光変調速度の増加は、制御電圧の振幅を増加させる必要がある。この事実及びこうした材料における遅延した電気光学的応答は、磁壁の形成及び再配向におけるエネルギ消費に関係している。例えば、約２μｓの電気パルス持続時間では、パルス振幅は、準静的制御電圧よりも２倍大きくなければならず、パルス持続時間を１μｓに減少させるためには、パルス振幅は、３倍にしなければならず、以下同様である。
さらに別の問題点は、強誘電性セラミック材料に固有の疲労である。光の空間変調に対応する範囲内でセラミック材料を酷使すると（例えば、部分的な再偏光を犠牲にして）、電界によって誘起される偏光の変形特徴に関する問題に遭遇する。このため、特に大きな強度（５ｋＶ／ｃｍを上回る）の、電界の繰り返されるオン・オフサイクルが、残留変形の蓄積をもたらす。この残留変形は、変調された光の光学的コントラストを減少させ、これは、電気光学的強誘電性セラミック層の不可逆偏光によって現れる。
【０００９】
上記装置の別の問題点は、強誘電性層の特徴である極めて強い温度依存性である。温度変化が、制御装置の光学的特性の変化をもたらす。温度ドリフトを排除するためには、熱的安定化システムを制御装置に設けることが必要であり、該システムはエネルギ消費を高め、装置を複雑にし、製造コストを増加させる。
強誘電性セラミックを採用する装置の重大な問題点は、セラミックプレートの強い変形及び逆の圧電効果の結果として処理されるデータに組み込まれる位相歪みの可能性である。欠陥及び内部応力の存在が、製造工程のパラメータに対して極めて敏感なこのような材料の特性の低下をもたらして、装置の製造を困難な仕事にする。
【００１０】
有機材料をベースにした公知の電気光学装置がある。フォレスト他に付与された米国特許第５，１７２，３８５号及びモスクワ所在のＮａｕｋａからの、Ｌ．Ｍ．ブリノフによる「液晶の電気光学及び磁気光学」（１９７８年）の１１５ページ、３５１ページ、３５２ページを参照されたい。この種の装置は、システムがビーム透過モードで作動する場合には両方が透明であり、又はシステムがビーム反射モードで作動する場合には両方が透明でかつ反射性である２つの電極を含む。電極間に配置される電気光学材料層は、液晶を表しており、その厚さ（電極間間隔）は、シーリングスペーサによって定められる。電極は、ガラス基板上に堆積される。
多数の有機分子の化学的分類は、光ファイバ、集積光学及び光通信に効果的に用いることができる幅広いスペクトルの材料を与える。
【００１１】
誘電特性、半導体特性及びさらに金属特性ももつ、フタロシアニン、ポリアセチレン、芳香族炭化水素、共役高分子系等といった分子又は分子鎖からなる種々の化学的性質をもつ有機物質の分類及び群がある。これらの分子に共通の特徴は、超格子の存在である。高分子材料（米国特許第４，２０４，２１６号、米国特許第４，６６３，００１号、米国特許第４，２６９，７３８号、米国特許第５，１０４，５８０号、米国特許第３，７７５，１７７号、仏国特許第２，５８３，２２２号）、線状ポリアニリン化合物の塩類（米国特許第４，０２５，７０４号）、フタロシアニン誘導体（米国特許第５，５２５，８１１号、米国特許第６，０５１，７０２号）、有機染料（米国特許第３，８４４，８４３号）、及びポルフィリン（米国特許第３，９９２，２０５号、米国特許第３，９３５，０３１号）をベースにした公知の有機膜があり、これらは、光起電力装置（米国特許第４，１６４，４３１号）、太陽電池（米国特許第３，８４４，８４３号）及び偏光装置（米国特許第５，１７２，３８５号）において、電荷キャリアを生成する層として今日の電子装置に幅広く用いられている。
例えば、ラングミュア−ブロジェット技術（米国特許第５，０７９，５９５号）、分子線エピキタシ等のような有機膜を形成して異方性膜構造体を生成する種々の公知の方法がある。しかしながら、液晶分子化合物を採用する光学装置は、多数の問題点をもち、具体的には、高度に順序付けられたクリーンな構造を得るために、特別に準備された基板、アラインメント層、又は高真空状態を必要とする。特別な先端技術が用いられるが、これらでさえも、或る種の順番をもち、かつ必要な光学的異方性を確実にする膜の獲得を保証できないことが多い。
【００１２】
分散された有機染料（ゲスト）分子をもつ液晶（ホスト）マトリクスの電気光学材料を用いる公知の電気光学装置がある。モスクワ所在のＶｙｓｓｈａｙａ  ＳｈｋｏｌａからのＩ．Ｋ．ベレシチャーギン他による「光電子光学入門」（１９９１年）の１７３ページ、ニューヨーク所在のＳｐｒｉｎｇｅｒ−ＶｅｒｌａｇからのＬ．Ｍ．ブリノフ他による「液晶材料の電気光学効果」（１９９４年）の１８２ページを参照されたい。制御装置は、ゲスト−ホストの相互作用原理で作動し、システムがビーム透過モードで作動する場合には両方が透明であり、又はシステムがビーム反射モードで作動する場合には透明でかつ反射性である２つの電極からなる上述のものに構造的に類似している。電極間に配置される電気光学材料層は、色素分子でドープ処理された液晶を表す。この層の厚さ（電極間間隔）は、ガラス基板上に堆積された電極間に配置されたシーリングスペーサによって定められる。液晶及び色素の分子は、アラインメント層に対して平行な同じ方向に配向される。印加電圧がないときは、色素分子の長軸において偏光された光は吸収され、如何なる信号も、光学装置を通して伝送されることはない。この色素の吸収は、色素分子の長軸に対して平行に偏光された光の電界が、電子を分子端の間で振動させ、このようにしてビームエネルギを消費するという事実に関係している。電極に印加される外部電圧が、液晶内に電界を生成する。この電界は、液晶分子を回転させ、従って色素分子を回転させ（ゲスト−ホスト効果によって）て、該色素分子の長軸が光ビームの偏光プレーンに対して垂直になるようにする。この場合、色素分子の電子は、光ビームの電界によって移動させられることはない。従って、光は、液晶層に吸収されず、ビームは、大幅に損失されることなく光学装置を透過する。
【００１３】
上記の光学装置の問題点の１つは、０．１秒のオーダーの切り換え時間により特徴付けられる比較的遅い作動速度である。この装置は、低温では不良な作動をし、こうした条件下では作動速度はさらに急激に低下する。この装置は、不十分な可使時間を有し、これは、約１０4時間になる。
【発明の開示】
【００１４】
従って、本発明の目的は、上述の公知の装置に固有の問題点を解消する電気光学装置を提供することにある。
本発明の別の目的は、極めて低い使用電圧を用いる電気光学装置を提供することである。
本発明のさらに別の目的は、偏光された光波及び偏光されていない光波の両方を制御することができる電気光学装置を提供することである。
【００１５】
本発明の付加的な目的は、光信号をフィルタ処理し、伝達し、かつ変調する、電圧によって制御される能動素子を生成する電気光学装置を提供することである。
本発明のさらに別の目的は、電気光学装置を製造するための低価格で、材料及びエネルギを節約する方法を提供することである。
本発明の別の目的は、液晶相における正味の固体相の含量に基づいて電気光学的異方性結晶薄膜の厚さ及び適用された湿潤層の厚さを制御する方法を提供することである。
【００１６】
本発明のさらに別の目的は、電気光学材料層に電流を通電することなく電気光学効果を得ることができる電気光学装置を提供することである。
本発明のさらに別の目的は、光ファイバ通信のための光ファイバをベースにした小型の電気光学装置を提供することである。
本発明のさらに別の目的は、印加された電界又は光波の電界の強度に依存する屈折率を有する電気光学装置を提供することである。
【００１７】
本発明のさらに別の目的は、印加された電界の作用の下でシフトされる光吸収帯をもつ電気光学装置を提供することである。
本発明のこれら及び他の目的は、本電気光学装置及び該装置を製造する方法によって達成される。本発明の電気光学装置は、少なくとも１つの基板と、少なくとも一対の電極と、少なくとも一層の電気光学材料とからなる。電気光学材料は、光学的異方性結晶薄膜を表し、芳香環を有し、かつ光軸の１つに沿った３．４±０．２Åの格子面間隔（ブラッグ反射）を有する格子をもつ分子を含む。電気光学材料は、電界強度に依存する異方性屈折率及び／又は異方性吸収係数を有する。
別の実施形態においては、本発明は、電気光学装置を製造する方法を提供する。本方法においては、異方性粒子のコロイド系を少なくとも１つの電極上に、及び／又は少なくとも１つの基板上に、及び／又は少なくとも一層の等方性若しくは異方性材料上に堆積させて、少なくとも一層の電気光学材料を形成する。外部アラインメント作用をコロイド系に加えて、コロイド系粒子の好ましいアラインメントを形成する。次に、コロイド系を乾燥させる。次に、少なくとも１つの電極及び／又は少なくとも一層の等方性若しくは異方性材料を電気光学材料層の少なくとも一部の上に形成する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明は、添付の図面と組み合わせて読むことにより、次の説明からより良く理解されるであろう。
一般に、本発明は、少なくとも１つの基板と、少なくとも一対の電極と、少なくとも一層の電気光学材料とからなる電気光学装置を提供する。少なくとも一層の電気光学材料は、光学的異方性結晶薄膜を表し、芳香環を有し、かつ光軸の１つに沿って３．４±０．２Åの格子面間隔（ブラッグ反射）を有する格子をもち、かつ電界強度に依存する異方性屈折率及び／又は異方性吸収係数を有する分子を含む。
本発明の電気光学的異方性結晶薄膜は、小さい厚さと、低い温度感度と、高い異方性の屈折率と、異方性の吸収係数と、高い二色比と、製造の単純さとを含む独自特性を有する。これらの独自特性は、結晶薄膜を作る方法によって及び材料の特徴によって、すなわち、液晶を適当な基板上に適用し、位置合わせし、乾燥させたときに、安定したリオトロピック又はサーモトロピック液晶相を形成できる少なくとも１つの有機化合物を含有する液晶相の結晶化を通して得られる特別な分子結晶構造によって定められる。本電気光学的異方性結晶薄膜の有機物質は、少なくとも１つの有機化合物を含み、該化合物の化学式は、（ｉ）リオトロピック液晶相を得るための極性溶媒中の溶解度を確実にする少なくとも１つのイオノゲン基、及び／又は（ｉｉ）リオトロピック液晶相を得るための無極性溶媒中の溶解度を確実にする少なくとも１つのノニオノゲン基、及び／又は（ｉｉｉ）材料の形成中に分子構造体に保持されてもよいし、保持されなくてもよい少なくとも１つの対イオンを含む。
【００１９】
電気光学的異方性結晶薄膜は、ワインハイム所在のＶＣＨからのＪ．Ｍ．レーンによる「超分子化学、概念と展望」（１９９５年）に記載されたもののような１つ又は幾つかの有機化合物の多数の超分子複合体を含む。これらの超分子複合体は、導電率及び透過光の偏光をもたらすように特定の方法で配向される。
電気光学的異方性結晶薄膜のためのベース材料の選択は、共役芳香環のπ共役結合が生成された系の存在によって、及び分子のプレーン内にあり、結合からなる芳香族系に入り込んだアミン、フェノール、ケトン等のような基の存在によって求められる。分子及び／又は分子断片は、平面構造をもつ。これらは、例えば、インダンスロン（バット・ブルー４）、１，４，５，８−ペリレンテトラカルボン酸ジベゾイミダゾール（バット・レッド１４）、３，４，９，１０−ペリレンテトラカルボン酸ジベゾイミダゾール、キナクリドン（ピグメント・バイオレット１９）等のような有機物質とすることができ、これらの誘導体（又はこれらの混合物）は、安定したリオトロピック液晶相を形成できる。
【００２０】
適切な溶媒中に溶解されると、こうした有機化合物は、コロイド系（リオトロピック液晶）を形成し、このコロイド系において分子は、この系の運動単位を構成する超分子複合体に凝集させられ、これについてはＰＣＴ公表ＷＯ第０２／５６０６６号を参照されたい。このリオトロピック液晶相は、本質的にはこの系の順序付けられた状態の先駆体であり、固体の電気光学的異方性結晶薄膜は、後続する超分子複合体のアラインメント及び溶媒の除去中にここから形成される。
超分子複合体を用いてコロイド系から電気光学的異方性結晶薄膜を作る本方法は、次のステップを含む。
【００２１】
−コロイド系を多層構造体の基板又は素子又は層上に適用するステップ。コロイド系は、典型的には、チキソトロープ性をもち、これは、分散相のあらかじめ設定された温度及び特定の濃度を維持することにより生成される。
−溶液の粘度を減少させるために、適用されたコロイド系を、加熱、剪断歪みのようないずれかの外部作用によって高い流動状態に変換するステップ。この作用は、この系がアラインメント中に増加した粘度をもつ状態に緩和しないように、後続するアラインメント段階全体にわたって適用してもよいし、又は必要最小限の時間だけ続けてもよい。
【００２２】
−機械的な要素を用いて、或いは、付加的な照度、磁界、又は光学的フィールド（例えば、干渉性光起電力効果）の有無に関係なく、例えば、通常の温度又は高温で外部電界を印加することによってのような他のいずれかの手段により生成することができる、この系への外部アラインメントステップであって、この外部アラインメントの程度は、コロイド系の運動単位に必要な配向を付与し、電気光学的異方性結晶薄膜の結晶格子のベースとして働く構造体を形成するのに十分なものであるべきである。
−位置合わせされた層の領域を、初期作用によって達成される減少した粘度状態から初期の状態、すなわちより高い粘度状態に変換するステップ。この遷移は、電気光学的異方性結晶薄膜構造体の誤った配向を招かないように、かつ表面の欠陥を生成しないように実行される。
−溶媒を除去して、最終的な電気光学的異方性結晶薄膜構造体を形成する最終的な乾燥ステップ。
【００２３】
結果として得られた電気光学的異方性結晶薄膜においては、分子プレーンは、互いに対して平行であり、これらの分子は、少なくとも一部が結晶である、三次元の結晶構造体を形成する。製造技術の最適化が、電気光学的異方性単結晶膜の形成を可能にすることができる。この単結晶の光軸は、分子プレーンに対して垂直である。こうした結晶薄膜は、高度の異方性をもち、少なくとも一方向においては、高い屈折率及び／又は高い吸収係数を示す。
本電気光学的異方性結晶薄膜の光学的異方性は、吸収係数及び屈折率のそれぞれの角度の違いを特徴とする複素屈折率の虚数部及び実数部の楕円面によって説明される。本発明による光学的異方性結晶薄における複素屈折率の虚数部（Ｋi）及び実数部（ｎi）の成分は、次の関係を同時に満たすべきである。
Ｋ1≧Ｋ2＞Ｋ3、
（ｎ1＋ｎ2）／２＞ｎ3
ここで、Ｋ1、Ｋ2、Ｋ3、及びｎ1、ｎ2、ｎ3は、結晶薄膜材料の異方性複素屈折率の楕円面の半軸の虚数部及び実数部である。
【００２４】
異方性複素屈折率の実数部及び虚数部の成分、並びに楕円面の主軸の方向は、通常の偏光法及び分光測光技法によって求めることができる。
吸収係数（Ｋ1、Ｋ2、Ｋ3）及び屈折率（ｎ1、ｎ2、ｎ3）の要求される異方性、並びに必要な主軸の配向（すなわち、多層構造体における電気光学的異方性結晶薄膜の光学的特性）は、特定の角度分布の分子を基板表面の偏光膜に確立することにより確実にすることができる。
中間の光学的特性をもつ結晶膜を得るために、コロイド系を混合することも可能である（これにより複合超分子が形成される）。混合コロイド溶液から得られる電気光学的異方性結晶薄膜の吸収係数及び屈折率は、初期成分によって定められる限度内で種々の値をとることができる。異なるコロイド系を複合超分子組成物とこのように混合することは、採用される有機化合物に対する１つの特性寸法（３．４±０．２Åの格子面間隔）の一致によって可能になる。
【００２５】
電気光学的異方性結晶薄膜の厚さは、適用される溶液中の固体物質の内容物によって定められる。こうした層の形成中に、商業的生産条件下で都合良く制御される技術的パラメータは、溶液濃度である。
最終結晶膜の結晶化度は、Ｘ線回折により及び／又は光学的方法により監視することができる。
本方法を用いて、電気光学的異方性結晶薄膜は、金属、半導体、誘電体、結晶、多結晶、ガラス、ポリマー等を含む種々の基板材料上に形成することができる。さらに、本方法は、電気光学的異方性結晶薄膜を、単純な（平らな）形状及び複雑な形状（円筒形、円錐形、球形等）の両方の種々の表面上で得られるようにし、このことは、本電気光学的異方性結晶薄膜を、例えば光ファイバの縁部及び側面上、こうしたファイバの平らな研磨側面上、フォトニック結晶の光ファイバ（すなわち、コアにおいて及び／又は反射クラッドにおいて縦方向の風洞システムを含む光ファイバ）の内面及び外面において、最も精巧な設計の電気光学装置に用いることを可能にする。
【００２６】
結晶薄膜が適用される基板は、表面の均一な濡れを確実にして、該表面を親水性にするようにさらに処理することができる。可能性のある処理には、機械的処理、焼きなまし、機械的化学的処理等が含まれる。結晶薄膜を適用する前に、基板表面を機械的に処理して異方性アラインメント構造体を形成することができ、これが、得られる結晶薄膜における分子配列の程度の増加に有利に働く。
電界強度は、式Ｅ＝Ｕ／Ｄにより印加電圧（Ｕ）及び膜の厚さ（Ｄ）によって求められるので、使用電圧のレベルを大幅に減らす可能性は、１００乃至５００ｎｍのオーダーの異方性結晶膜の小さい厚さにより確実なものとなる。
【００２７】
偏光された光波及び偏光されていない光波の両方を濾過し、制御し、伝達する能動素子を生成する可能性は、高度の複屈折を有する電気光学的異方性をもつ材料を用いることにより確実なものとなり、０．３ミクロンの厚さを有する電気光学的結晶膜は、Ｒｅ（ｎo−ｎe）＝０．８５の最大値を有する。通常の材料の場合には、こうした複屈折は、典型的には、２００ミクロンの層の厚さで達せられる。Ｐ．  Ｌａｚａｒｅｖ他による「結晶薄膜リターダ」（第７回ディスプレイ材料及び構成要素についての国際ワークショップ講演集、神戸（日本）、第１１５９〜６０頁、１１月２９日〜１２月１日（２０００年））を参照されたい。結晶薄膜の屈折率は、印加された電界により求められ、石英ガラス基板のものとは大幅に異なることがある。さらに、結晶薄膜材料は、感光性であり、レーザ光線の下ではその光学的特性を変化させる。屈折率は、光度に依存する。本材料は、興味深い非線形の光学的特性をもつ。
温度変化に対する本電気光学装置の低い感度は、通常の材料のものと比べて、高い熱的安定性をもつ結晶薄膜により確実なものとなる。結晶薄膜は、偏光効率の損失が、０．８％を超えない状態で、４時間までの時間にわたって空気中又はアルゴン中に１８０℃までの温度で熱処理することができる。
【００２８】
本装置の高い技術的特性は、技術的設備及び材料の両方が比較的安価で、結晶薄膜が如何なる形状の表面にも容易に適用されるということにより保証される。電気光学材料の高い技術的特性、結晶薄膜製造の単純性及び品質監視の利便性が、制御された変調器、スイッチ、カプラ、減衰器、フィルタ等といった光ファイバ通信装置において本電気光学的異方性結晶薄膜の適用に有利に働く。小さい結晶は光ファイバの縁部又は側面のような複雑な形状の表面に容易に形成することができるので、これらの結晶薄膜を用いることにより、小型の光ファイバ装置を作り出すことが可能になる。光ファイバは、それ自体では極めて小さい寸法をもつことができる。実際、シングルモードの光ファイバのコアは、５乃至１０ミクロンの直径を有し、反射クラッドの直径は、１２５ミクロンになる。
光ファイバは、石英ガラス、カルコゲニドガラス及びフッ化物ガラス、ハロゲン化タリウム、並びにポリマーのような幾つかの他の無機及び有機、結晶及び非晶質材料、又はこれらの組み合わせを含む種々の材料で作ることができる。コア及び反射クラッドの両方がガラスで作られたガラスだけからなるファイバ、ガラスのコア及びプラスチックの反射クラッドをもつガラス−プラスチックシステム、及びコア及び反射クラッドの両方がプラスチックで作られたプラスチックだけからなるファイバという、３つの主要な種類の光ファイバがある。
【００２９】
光ファイバは、石英ガラス、フッ化物ガラス及びカルコゲニドガラス、多結晶のハロゲン化タリウム、並びにポリマー等を含む異なる材料で作られた１つのコア及び／又は１つ又はそれ以上の反射クラッドを含むことができる。
数十から数百ミクロンまでの寸法をもつ小型の電気光学的異方性薄結晶は、上記のファイバ材料のすべての上に得ることができる。こうした材料のリストは、決して前述の例に限定されるものではない。
本発明の電気光学ファイバ装置の製造は、電気光学的異方性結晶薄膜を複雑な幾何学的形状の表面上に形成することを含む。本方法は、電気光学的異方性結晶薄膜を単純な（平らな）形状及び複雑な（円筒形、円錐形、球形等）形状の両方を含む種々の表面上に得ることを可能にする。従って、結晶薄膜はまた、光ファイバの円筒形の反射クラッド上、平らで傾斜したファイバの端面上、及びＤ字形ファイバの反射クラッドの平らな研磨表面上（研磨されたプレーンがファイバコアに近くなるように湾曲したファイバの素地であるか、又はＤ字形の断面と平らな表面の近くに位置するコアとをもつブランクから引かれたファイバのいずれか）に形成されることになる。具体的には、開示された方法は、コア材料内に少なくとも１つの長周期グレーティングが形成された光ファイバの反射クラッド表面上に、結晶薄膜を得ることを可能にする。こうしたグレーティングは、材料を照射するか又はドープ処理することによるようないずれかの好適な方法によって形成されて、光信号と電気光学的異方性結晶薄膜との強い相互作用をもたらすことができる。適用される結晶薄膜は、感光性があるので、ブラッグ及び長周期グレーティングの両方もこの膜に記録することができる。
【００３０】
異方性結晶薄膜を電気光学装置に用いることは、これらの材料の異方性屈折率及び吸収係数が印加された電界強度に依存し、膜の厚さが電界（電気歪み）に依存し、屈折率が光学的放射電磁界の電気成分に依存するという事実に基づいている。ファイバ又は平坦な光導波路上の外部被膜を形成する結晶膜は、該光導波路のコアのガイドから電気光学的異方性結晶薄膜の中に透通することができる導波モードと相互作用する。
ここで、図１から図２１までを参照しながら、本発明の電気光学装置についてより詳細に説明する。
【００３１】
図１は、第１の透明電極２の逐次的堆積層を支持する基板１と、異方性結晶薄膜３を表す電気光学材料と、第２の透明電極２とからなる電気光学装置を示す。基板１は、透明材料であるか、又は金属、半導体及び誘電体を含む非透明材料のいずれかで作ることができる。基板１は、ガラス、石英、又はプラスチックで作られることが好ましい。透明電極２は、酸化スズ（ＳｎＯ2）又は酸化インジウム（Ｉｎ2Ｏ3）で作ることができる。３００Ｏｈｍ／ｃｍ2及びそれより下の抵抗率をもつＳｎＯ2層は、４００乃至５００℃のマッフル炉においてＳｎＣｌ4又は水和ＳｎＣｌ2の熱分解よって得られる。この技術は、異方性結晶薄膜を適用する前に電極層を基板上に堆積するのに用いることができる。電極層は、透明度及び低い電気抵抗のような適用における必要条件に応じて薄くてもよいし又は厚くてもよい。ＳｎＯ2層は、溶剤としてＢＦ−２又はＢＦ−４接着剤の希エタノール溶液を用いて薄い金属導体にはんだ付けすることができる。酸化インジウム層は、１０-5トルの真空中での陰極スパッタリングによって得られる。陰極スパッタリングは、さらに技術的に進んでおり、ＳｎＯ2膜のものとほぼ同じ特性（機械的強度、光の透過率、抵抗率）を有する酸化インジウム膜を生成することができる。透明な導電性電極膜がガラス基板上に用いられる場合には、Ｃｕ2Ｓ層を用いることも可能である。電極は、直流及び／又は交流のバイアス電圧源に接続される。
【００３２】
図２は、非透明電極４をさらに含む電気光学装置を示す。この非透明電極は、真空中でアルミニウムのような金属を噴霧することによって光学的異方性結晶薄膜の表面上に形成することができる。非透明電極の他の候補材料は、金、チタニウム等である。このシステムを通る光透過は、例えば、マスクを通して金属電極を堆積させることによってであるか又は他のいずれかの手段によって形成されるウィンドウにより形成される。
図３は、付加的な保護層５が上部電極４と光学的異方性結晶薄膜３との間に形成された電気光学装置を示す。この保護層５は、電極及び異方性電気光学材料の物質が相互に拡散されることを阻止する。アルミニウム電極の場合には、保護層５は、装置の劣化につながるアルミニウム原子の透過から電気光学材料を保護する。保護層５はまた、電流が電気光学材料を通るのを阻止する絶縁層として働くことができる。
【００３３】
図４は、電気光学材料３の層において縦方向の電気光学的効果を採用する環状キャビティが形成された光変調器を表す電気光学装置を示す。ここでは、光ビームは、変調周波数に対してカットオフ以下の（一過性の）導波路を構成するウィンドウ７及び８を通してキャビティ６の軸に沿って通過する。マイクロ波変調信号は、フィードスルー９を介してキャビティに供給される。この電気光学装置においては、電界１０は、光ビームに対して平行である。電極を通して光を透過するこの方法は、マイクロ波領域においては好ましい。このキャビティは、電気光学的異方性結晶薄膜の静電容量をもち、一端が短絡され、他端が荷重された同軸ケーブルの部分として考慮することができる。
図５は、光ビームが、印加された電界１０に対して平行な方向に電気光学的異方性結晶薄膜内に伝搬する電気光学装置を示す。この電気光学装置においては、電極２は、電気光学材料層３の端部上に形成される。光ビームは、光プリズム１１を通して電気光学材料に送り込まれ、かつ該材料から送り出される。
【００３４】
図６は、図５に示されるものに類似した電気光学装置を示すが、電極２が、電気光学材料層３の端部から上面に沿って延びており、光ビームは、傾斜した端面を有する光導波路１２を介して電気光学材料に送り込まれ、かつ該材料から送り出される。
図７は、基板１をベースとした多層変調器セルを表す電気光学装置を示す。電気光学材料層３は、電極２によって分離される。電圧は、電気光学材料の隣接する層における電界が反対方向に配向されるように電極２に印加される。この装置においては、光ビームの伝搬方向と電界ベクトルとの間の角度は、０であるか又は１８０°である。
【００３５】
図８は、基板がコア１３及び反射クラッド１４をもつ光ファイバを表す電気光学装置を示す。この装置は、光シャッターの機能を果たす。光ファイバの反射クラッド１４は、円筒形の電極層２によって覆われ、その次に円筒形の電気光学材料層３及び別の電極層２が続く。外部変調電圧を電極２に印加すると、装置は、次のように作動する。電気光学材料３が、電極２に印加された電圧に依存する屈折率により特徴付けられる場合には、変調された制御電圧が、電気光学層３及び電極２が位置している領域内のファイバコア１３を取り囲む反射クラッド１４の有効屈折率ｎeffを変化させる。有効屈折率ｎeffが、ファイバコアのものよりも小さい場合には、光ビームは、反射クラッド１４からコア１３の方向に離れるることになり、従って導かれることになる。有効屈折率ｎeffが、ファイバコアのものよりも大きい場合には、光ビームは、反射することなく、電気光学材料層３を透過することになる。電気光学材料３が、外部電圧に依存する吸収係数により特徴付けられる場合には、光ビームは、電気光学層３及び電極２が位置している領域内の導かれた光吸収の変化の結果として変調される。本異方性結晶薄膜は、屈折率ｎ0及びｎeと吸収係数との両方について極めて高い異方性を有する。このため、図８に示されるような装置は、説明されたように、異なる偏光の光学モードを制御できるようにする。
【００３６】
図９は、２つの円筒形電極２及び電気光学層３の能動（電圧によって制御される）システムが、光ファイバ上の２つの領域に形成された電気光学装置を示す。この装置は、より深い光変調を与え、光シャッターの機能を果たすこともできる。
図１０は、円筒形の電気光学材料層３が、コア１３をもつ光ファイバの反射クラッド１４の表面上に形成された電気光学装置を示す。この装置においては、２つの電極２は、断面で示されているように、電気光学材料の同じ円筒形の外面上に配置されている。この装置は、次のように作動する。制御電圧の変化が、反射クラッドの有効屈折率ｎeffを変化させ、及び／又は電気光学層３の吸収係数を変化させる。光ビームは、ファイバ被覆１４からの反射によって（ｎeffがファイバコアの屈折率よりも小さい場合）であるか、又はファイバからの放射によって（ｎeffがファイバコアの屈折率よりも大きい場合）変調される。第２の変調機構は、電気光学材料の吸収係数の電界によって誘起される変化に関係している。本実施形態においては、この装置は、光シャッターとして用いることができる。高度の光学的異方性のため、開示された装置はまた、光を偏光に対して制御するためにも用いることができる。
【００３７】
図１１は、２つの電極２及び電気光学層３の能動（電圧によって制御される）システムが、コア１３が平らなインターフェースに対してより近くに位置された、Ｄ字形光ファイバの反射クラッド１４の平らな表面上に形成された電気光学装置を示す。
図１２は、２つの電極１５及び電気光学層１６の能動（電圧によって制御される）システムが、光ファイバの「ウエスト」領域に形成された電気光学装置を示す。こうしたウエスト部は、ファイバの局所的な加熱及び伸長により得ることができる。ウエスト領域においては、ファイバは、可変の断面を有する。この装置においてウエスト部を用いる利点は、こうした領域内のファイバコア１７が、反射クラッド面上に形成される電気光学層１８により近いという事実に関係している。結果として、コア内に伝搬する光は、電気光学材料とより強く相互作用する。
【００３８】
図１３は、２つの電極２及び電気光学層３の能動（電圧によって制御される）システムが、コア１３及び反射クラッド１４を有するファイバの平らな端面上に形成された電気光学装置を示す。電極２の間に制御電圧を印加することにより、ビームを端面から反射させるか、又は光が電気光学材料を透過できるようにすることが可能になる。可変電界が、電気光学材料の吸収係数を変化させる場合には、光ビームは、実質的に減衰されることなく透過されるか、又は電気光学層に完全に吸収される。この装置は、単一の電気光学材料層３の代わりに多層構造体を採用することができる。多層構造体は、高い値及び低い値の屈折率をもつ、及び／又は互いに対して０から９０度までの角度で配向される主光軸をもつ交互の層で構成できる。層の厚さは、λ／４ｎに等しいものとすることができ、ここでλは、光の波長であり、ｎは、屈折率である。一般に、こうした多層構造体は、帯域通過又は帯域停止フィルタとして用いることができ、低域通過フィルタ及び高域通過フィルタも、こうした多層構造体をベースにして実施することができる。
図１４は、傾斜端面をもつ光ファイバをベースとした電気光学装置を示す。この装置においては、２つの電極２及び電気光学層３の能動（電圧によって制御される）システムは、コア１３及び反射クラッド１４をもつファイバの平らな端面上に形成されている。電気光学装置のこうした設計は、光ビームをファイバから抽出することを可能にする。図１３に示す装置のように、この装置も、単一の電気光学材料層３の代わりに多層構造体を採用することができ、これは一組の光学的に等方性及び／又は異方性の電気光学材料及び／又は非電気光学材料からなるものである。
【００３９】
図１５は、同じ原理で作動する電気光学装置を示す。本実施形態においては、２つの電極２及び電気光学層３の能動（電圧によって制御される）システムは、例えば、基板１上に取り付けられた平面設計の光導波路１９の傾斜端部に形成されている。図１３及び図１４に示す装置のように、この装置も、単一電気光学層３の代わりに多層構造体を採用することができる。さらに、この種の装置は、図１５に示す幾何学的形状に制限されるものではない。例えば、光導波路層には、先細になった又は楔形状の端部が形成されてもよい。
図１６は、ファイバコア１３内に形成された長周期（１００乃至１６０ミクロン）グレーティング２０をもつ光ファイバをベースとした電気光学装置を示す。このグレーティング２０は、基本光学モード又は近軸領域に集中された電界をもつその他のあらゆる導波軸方向モードを、反射クラッド内に伝搬する周辺モードに変換するか、或いは逆もまた同様に、周辺モードを基本光学モードその他のあらゆる導波軸方向モードに変換する。長周期グレーティングは、位相同期性条件により導波軸方向モードと周辺モードとの有効結合を確実なものにする。このため、こうしたグレーティングは、光とファイバの反射クラッド１４の表面上に形成された電極２及び電気光学層３の能動システムとの相互作用を高める。電気光学的異方性結晶薄膜は、選択的に光ビームと相互作用して、グレーティング周期に対応するモードに対してのみ作用する。異方性結晶薄膜は非常に高い異方性を有するので、開示された装置は、異なる偏光をもつモード選択を与えることができる。さらに、結晶薄膜が、電界における吸収係数の強い依存性により特徴付けられると、この装置もまた、吸収に対して、選択された波長をもつ光の変調を実行することができる。
【００４０】
図１７は、ファイバコア１３に形成された２つの長周期グレーティング２０と、ファイバの反射クラッド１４の表面にある２つのグレーティング間領域に形成された電極２及び電気光学層３の能動システムとを有する電気光学装置を示す。ここでは、第１の長周期グレーティングが、対応するモードを分け、該モードを反射クラッド内に伝搬する周囲モードに変換し、第２の長周期グレーティングは、これらのモードをコアに戻す。電極及び電気光学層の能動システムは、反射クラッド内で移動する光に作用する。上記の例と同様に、結晶膜が電界における吸収係数の強い依存性により特徴付けられるため、この装置は、吸収に対して、選択された波長をもつ光の変調を実行することができる。結晶薄膜の異方性のために、この装置もまた、偏光に対して光の変調を実行することができる。
図１８は、図１６及び図１７に示す装置を組み合わせた電気光学装置を示す。
【００４１】
図１９は、膜組成物の違いによって又はレーザ照射によって達成することができる屈折率の対応する特性を生成することにより、電気光学材料３の層に形成されたブラッググレーティング２１を採用する電気光学装置を示す。ブラッググレーティング２１をもつ電気光学層３は、コア１３及び反射クラッド１４をもつＤ字形光ファイバの平らな研磨表面上に配置される。制御電圧が、電気光学層３の表面上に堆積された２つの電極２の間に印加される。電界の印加は、ブラッググレーティングの特性を修正し、従って該グレーティングから反射される光の波長を変化させる。
図２０は、平らな研磨表面が互いに向い合うように回転された、コア１３及び反射クラッド１４をもつ２つのシングルモードのＤ字形光ファイバを含む電気光学装置を示す。２つの電極２と電気光学材料３とからなる能動多層構造体は、２つの光ファイバの間に閉じ込められている。直流及び／又は交流の制御電圧が透明電極の間に印加される。この装置は、光スイッチの機能を果たし、この作動は、電界強度に依存する電気光学材料の屈折率に基づいている。電界によって誘起される屈折率の変化が、電気光学膜（導波路コア）と反射クラッドと電極材料（反射層）とによって形成される平坦な光導波路構造体により導かれるモードの伝搬定数を改変する。平坦な導波路モードの伝搬定数の変化が、これらのモードと光ファイバの基本モードとの間の共鳴条件を改変する。制御電圧が、所与の波長をもつ最初の光信号が電気光学膜によって形成された平坦な光導波路のすべての導波モードと共鳴しないものである場合には、該信号は、第１のファイバ出力２２に伝送される。制御電圧が、所与の波長をもつ最初の光信号が電気光学膜によって形成された平坦な光導波路の導波モードの１つと共鳴状態にある場合には、該信号は、平坦な導波路に送り込まれ、第２のファイバの基本モードを励起させたときに、別の出力２３に伝送される。
【００４２】
図２１は、平らな研磨表面が互いに向い合うように回転された２つのシングルモードのＤ字形光ファイバを含む電気光学装置を示す。２つの光ファイバの間には、能動多層構造体が、２つの電極と、例えばレーザ照射によって形成された長周期グレーティングが形成された電気光学材料層３との間に閉じ込められている。透明電極間に印加される直流及び／又は交流の制御電圧が、長周期グレーティングの光学パラメータを変化させる。ここでは、可視でかつ近赤外線範囲内の放射線制御（光信号の変調及び／又は２つのチャネル間のスイッチング）は、異なる光導波路モード間の位相同期を確実なものにし、従って事実上これらのモードを結合する。
次の実施例は、本発明を例示するのに与えられるものであり、決して本発明の範囲を制限するように意図されるものではない。
【実施例】
【００４３】
実施例１
この実施例は、硫化インダントロン有機染料をベースとしたリオトロピック液晶の電気光学的異方性結晶薄膜の製造を示す。
こうした膜は、室温で六方晶相を形成できる硫化インダントロンの９．５％水性溶液から調製された。この有機染料は、非等軸超分子複合体の形態で溶液中に生じ、これが目標膜の結晶構造体の基礎を形成した。最初のペーストを鋳造及び散布によってクリーンなシリコン又はガラス基板上に適用した。次に、このコロイド系を後続するアラインメントステップのために粘度を減少させるように処理した。結果として得られた溶液は、ネマチック相、又はネマチック相と六方晶相との混合物を形成し、粘度は１７８０ｍＰａ／ｓから２５０ｍＰａ／ｓに減少した。コロイド系の高い流動状態へのこの事前変換が、本発明の高品質の異方性結晶薄膜を得る前の第１ステップである。
【００４４】
次の作業は、リオトロピック液晶のコロイド系の運動単位を位置合わせすることであった。アラインメント作用は、種々の技術によって実行することができた。本実施例においては、アラインメントは、湿潤層を９．５ｍｍの厚さで制御するように、巻かれたワイヤをもつマイヤーワイパの４番を用いて実行された。アラインメント工程中のワイヤ速度は、１３ｍ／ｓであった。層に対するワイパ作用中に生じる剪断応力が、系の粘度をさらに減少させた。
最終段階は乾燥であった。溶剤の除去率は、前段階で形成された目標構造体を改変しないのに十分なだけ小さくなるように制御された。本実施例においては、乾燥は、室温でかつ湿度６０％で実行された。
結果として、０．３乃至０．４ミクロンの厚さをもつ異方性結晶薄膜が得られ、高い異方性の光学的特性及び電気的特性をもっていた。こうした膜は、膜表面に沿ったパラメータの均一性により、及びバッチ毎の良好な再現性により特徴付けられた。こうした膜の高い結晶構造の完成度は、光学的方法及びＸ線回折によって確認された。
【００４５】
実施例２
本実施例は、本発明の電気光学装置の製造を示す。
０．５ミクロンの厚さをもつＳｎＯ2層を、通常の方法により形成した。この膜の上に、電気光学的異方性結晶薄膜を上述の方法により形成し、これを、１０乃至２０ｎｍの厚さをもつアセテート保護膜によって塞いだ。次に、４ミリメートル幅のアルミニウムストリップを真空中でアセテート膜の表面上に堆積させた。最後に、電極を直流及び／又は交流の制御電圧源に取り付けて接続した。
【００４６】
実施例３
本実施例は、Ｄ字形光ファイバをベースにした電気光学装置の製造を示す。
金属膜をＤ字形光ファイバの平らな表面上に堆積させた。次に、約５乃至１０ミクロン幅のギャップをレーザ光線によって形成し、金属層を２つの電極に分けた。最後に、電気光学的異方性結晶薄膜が上述の方法によってこの多層構造体の上に形成された。
有利なことに、本発明の電気光学装置は、可視でかつ近赤外線範囲内で放射線を制御できる。本発明の電気光学装置は、印加された電界の強度及び／又は可視光又は赤外線の電界成分に依存する種々の屈折率及び／又は吸収係数をもつ材料の層からなる。本発明に用いられる電気光学材料は、印加された電界の強度に依存する屈折率の一次変動（ポッケルス効果）、印加された電界の強度に依存する屈折率の二次変動（電気光学カー効果）、光学カー効果、圧電効果、及び電気歪みを含む多数の有益な特性をもっている。本発明の電気光学装置は、光信号の振幅、位相、及び周波数を制御し、放射線ビームの方向を変化させ、短い（ナノ秒及びピコ秒）光パルスを発生させ、調節可能な光フィルタ、電気光学的異方性薄結晶の光変調器及びスイッチ、過剰な輝度に対する光学的保護手段（放射線リミッタ）、ビーム偏光器、並びに、特に光ファイバ通信システムに採用される他の光学装置を作り出すのに幅広く用いることができる。
【００４７】
本発明は、上記で詳述された好ましい実施形態及び実施例を参照することにより開示されるが、当業者であれば、本発明の範囲及び添付の特許請求の範囲内にある修正及び組み合わせが容易に想い付くことが意図されるので、これらの実施形態及び実施例が、制限的な意味ではなく、例示的な意味で意図されることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明の一実施形態による電気光学装置を示す概略図である。
【図２】本発明の一実施形態による、非透明電極を含む電気光学装置を示す概略図である。
【図３】本発明の一実施形態による、上部電極と光学的異方性結晶薄膜との間に形成された保護層を含む電気光学装置を示す概略図である。
【図４】本発明の一実施形態による、環状キャビティをもつ光変調器を表す電気光学装置を示す概略図である。
【図５】本発明の一実施形態による、光ビームが印加された電界に対して平行な方向で電気光学的異方性結晶薄膜内に伝搬する電気光学装置を示す概略図である。
【図６】本発明の一実施形態による、電極が部分的に電気光学材料層の１つの表面まで延びる電気光学装置を示す概略図である。
【図７】本発明の一実施形態による、多層変調器セルを表す電気光学装置を示す概略図である。
【図８】本発明の一実施形態による、基板がコア及び反射クラッドをもつ光ファイバを表す電気光学装置を示す概略図である。
【図９】本発明の一実施形態による、２つの円筒形電極及び電気光学層の能動（電圧によって制御される）システムが、光ファイバ上の２つの領域に形成された電気光学装置を示す概略図である。
【図１０】本発明の一実施形態による、円筒形の電気光学材料層が、光ファイバの反射クラッドの表面上に形成された電気光学装置を示す概略図である。
【図１１】本発明の一実施形態による、２つの電極及び電気光学層の能動（電圧によって制御される）システムが、Ｄ字形光ファイバの反射クラッドの平らな表面上に形成された電気光学装置を示す概略図である。
【図１２】本発明の一実施形態による、２つの電極及び電気光学層の能動（電圧によって制御される）システムが、光ファイバの「ウエスト」領域に形成された電気光学装置を示す概略図である。
【図１３】本発明の一実施形態による、２つの電極及び電気光学層の能動（電圧によって制御される）システムが、コアと反射クラッドとをもつファイバの平らな端面上に形成された電気光学装置を示す概略図である。
【図１４】傾斜した端面をもつ光ファイバをベースにした導波電気光学装置を示す概略図である。
【図１５】本発明の一実施形態による、図１４の場合と同じ原理で作動する電気光学装置を示す概略図である。
【図１６】本発明の一実施形態による、ファイバコア内に形成された長周期グレーティングをもつ光ファイバをベースとした電気光学装置を示す概略図である。
【図１７】本発明の一実施形態による、ファイバコア内に形成された２つの長周期グレーティングと、ファイバの反射クラッドの表面上にある２つのグレーティング間領域に形成された電極及び電気光学層の能動システムとを有する電気光学装置を示す概略図である。
【図１８】本発明の一実施形態による、図１６及び図１７に示す装置の特徴を組み合わせた電気光学装置を示す概略図である。
【図１９】本発明の一実施形態による、屈折率の対応する外形を生成することによって電気光学材料層内に形成されたブラッググレーティングを採用する電気光学装置を示す概略図である。
【図２０】本発明の一実施形態による、その平らな研磨表面が互いに向い合う状態で回転されたコア及び反射クラッドをもつ２つのシングルモードのＤ字形光ファイバからなる電気光学装置を示す概略図である。
【図２１】本発明の一実施形態による、その平らな研磨表面が互いに向かい合う状態で回転された２つのシングルモードのＤ字形光ファイバからなる電気光学装置を示す概略図である。
【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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【国際調査報告】
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