(57)【要約】【課題】素子の向きに依存せず広い使用温度範囲で高速に熱レンズを形成・消滅させる。【解決手段】熱レンズ形成素子１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色素溶液を収納する円筒型容器の形態が、円筒管の側面２ヶ所を互いに平行な２つの平面部分に変形させた形状であって、２つの平面部分７，８はともに、制御光が照射されず信号光が直進する場合の光軸に対して垂直であり、２つの平面部分７，８の大きさは、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、色素溶液部分１０に近接して１つの気泡１１が存在する。【選択図】図１
2011017863.tif 000002
【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が、円筒管の側面２ヶ所を互いに平行な２つの平面部分に変形させた形状であって、前記２つの平面部分はともに、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２つの平面部分の大きさは、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ることを特徴とする熱レンズ形成素子。
【請求項２】
前記溶剤の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℃における粘度の値で、前記溶剤の４０℃における粘度の値を除した値が１以上、６以下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２つの平面部分に挟まれた前記色素溶液の厚さが２００μｍないし５００μｍであ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】
熱レンズ形成素子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２つの平面部分は直径２Ｒないし４Ｒの円を外接するに充分な大きさ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５】
前記円筒管が石英ガラスからな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６】
前記円筒管の管壁の厚さが５０μｍないし１００μｍであ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７】
前記円筒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１つの気泡が前記色素溶液の液柱に接して存在す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８】
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、前記円筒管容積の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、前記円筒管容積の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、前記円筒管容積の４０％以上、６０％以下、であることを特徴とする請求項７に記載の熱レンズ形成素子。
【請求項９】
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７に記載の熱レンズ形成素子。
【請求項１０】
前記円筒管の表面に屈折率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１１】
少なくとも、熱レンズ形成素子の円筒型容器として用いられる石英ガラス製円筒管を、石英ガラスの軟化温度まで表面を加熱した２つの円筒管一部平坦化用治具によって挟むことで、前記円筒管の側面２ヶ所を互いに平行な２つの平面部分に変形させる工程と、
側面２ヶ所が平面化された前記円筒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、側面２ヶ所が平面化された前記円筒管の封止されていない一端を圧力シールを通じて、内部圧力が調整可能なチャンバー内へ挿入し、前記円筒内の圧力を大気圧よりも低くしてから、前記チャンバー内に設置したカップ内の色素溶液内へ前記円筒管の封止されていない一端を挿入し、その後、前記チャンバー内の圧力を増加させ、色素溶液を前記円筒管内に注入し、注入された色素溶液の液柱が前記円筒管の側面２ヶ所が平面化された部分を満たすよう、注入量を調整する工程と、
色素溶液を注入した後、前記円筒管の封止されていない一端を色素溶液から引き上げる工程と、
前記円筒管内に注入された色素溶液の液柱が前記円筒管の側面２ヶ所が平面化された部分を満たすよう、前記チャンバー内の圧力を調整する工程と、
前記円筒管内に注入された色素溶液の下方の、色素溶液が存在しない位置において前記円筒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。
【請求項１２】
少なくとも、熱レンズ形成素子の円筒型容器として用いられる石英ガラス製円筒管の一端を封じる工程と、
一端を封止した前記円筒管の内部圧力を大気圧よりも減圧あるいは加圧しながら、石英ガラスの軟化温度まで表面を加熱した２つの円筒管一部平面化用治具によって挟むことで、前記円筒管の側面２ヶ所を互いに平行な２つの平面部分に変形させる工程と、
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、側面２ヶ所が平面化された前記円筒管の封止されていない一端を圧力シールを通じて、内部圧力が調整可能なチャンバー内へ挿入し、前記円筒内の圧力を大気圧よりも低くしてから、前記チャンバー内に設置したカップ内の色素溶液内へ前記円筒管の封止されていない一端を挿入し、その後、前記チャンバー内の圧力を増加させ、色素溶液を前記円筒管内に注入し、注入された色素溶液の液柱が前記円筒管の側面２ヶ所が平面化された部分を満たすよう、注入量を調整する工程と、
色素溶液を注入した後、前記円筒管の封止されていない一端を色素溶液から引き上げる工程と、
前記円筒管内に注入された色素溶液の液柱が前記円筒管の側面２ヶ所が平面化された部分を満たすよう、前記チャンバー内の圧力を調整する工程と、
前記円筒管内に注入された色素溶液の下方の、色素溶液が存在しない位置において前記円筒管の一端を加熱溶融封止する工程と、
を有することを特徴と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】
光学媒体中へレーザーを照射した場合の発熱に伴う温度上昇・屈折率およびその分布の変化による「熱レンズ効果」そのものについては、レーザー光学の初期から数多く研究・報告がなされている。例えば、２７種類の有機溶剤にヘリウム・ネオンレーザー（発振波長６３３ｎｍ）を照射した場合に観察される屈折率変化の温度係数∂ｎ／∂Ｔが報告されている（非特許文献１）。しかしながら、非特許文献１には、溶剤の粘度の温度特性に関する記述はない。
【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
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】D．Solimini: “Loss Measurement of Organic Materials at ６３２８Å”，J．Appl．Phys．，vol．３７，３３１４−３３１５(１９６６)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、熱レンズ形成素子の制御光照射の有無に対する熱レンズ形成の応答速度をできる限り高速化することを目的とする。
【００１０】
本発明は、また、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。
【００１１】
本発明は、更に、熱レンズ形成素子の使用可能温度範囲を広くすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、以下の特徴を有する。
【００１３】
（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が、円筒管の側面２ヶ所を互いに平行な２つの平面部分に変形させた形状であって、前記２つの平面部分はともに、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２つの平面部分の大きさは、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ることを特徴とする熱レンズ形成素子である。
【００１４】
（２）前記溶剤の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℃における粘度の値で、前記溶剤の４０℃における粘度の値を除した値が１以上、６以下である上記（１）に記載の熱レンズ形成素子である。
【００１５】
（３）前記２つの平面部分に挟まれた前記色素溶液の厚さが２００μｍないし５００μｍである上記（１）または（２）に記載の熱レンズ形成素子である。
【００１６】
（４）熱レンズ形成素子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２つの平面部分は直径２Ｒないし４Ｒの円を外接するに充分な大きさを有する上記（１）または（２）に記載の熱レンズ形成素子である。
【００１７】
（５）前記円筒管が石英ガラスからなる上記（１）または（２）に記載の熱レンズ形成素子。
【００１８】
（６）前記円筒管の管壁の厚さが５０μｍないし１００μｍである上記（１）または（２）に記載の熱レンズ形成素子である。
【００１９】
（７）前記円筒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１つの気泡が前記色素溶液の液柱に接して存在する上記（１）に記載の熱レンズ形成素子である。
【００２０】
（８）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、前記円筒管容積の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、前記円筒管容積の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、前記円筒管容積の４０％以上、６０％以下、である上記（７）に記載の熱レンズ形成素子である。
【００２１】
（９）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以上である上記（７）に記載の熱レンズ形成素子である。
【００２２】
（１０）前記円筒管の表面に屈折率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上記（１）または（２）に記載の熱レンズ形成素子。
【００２３】
（１１）少なくとも、熱レンズ形成素子の円筒型容器として用いられる石英ガラス製円筒管を、石英ガラスの軟化温度まで表面を加熱した２つの円筒管一部平面化用治具によって挟むことで、前記円筒管の側面２ヶ所を互いに平行な２つの平面部分に変形させる工程と、
側面２ヶ所が平面化された前記円筒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、側面２ヶ所が平面化された前記円筒管の封止されていない一端を圧力シールを通じて、内部圧力が調整可能なチャンバー内へ挿入し、前記円筒内の圧力を大気圧よりも低くしてから、前記チャンバー内に設置したカップ内の色素溶液内へ前記円筒管の封止されていない一端を挿入し、その後、前記チャンバー内の圧力を増加させ、色素溶液を前記円筒管内に注入し、注入された色素溶液の液柱が前記円筒管の側面２ヶ所が平面化された部分を満たすよう、注入量を調整する工程と、
色素溶液を注入した後、前記円筒管の封止されていない一端を色素溶液から引き上げる工程と、
前記円筒管内に注入された色素溶液の液柱が前記円筒管の側面２ヶ所が平面化された部分を満たすよう、前記チャンバー内の圧力を調整する工程と、
前記円筒管内に注入された色素溶液の下方の、色素溶液が存在しない位置において前記円筒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。
【００２４】
（１２）少なくとも、熱レンズ形成素子の円筒型容器として用いられる石英ガラス製円筒管の一端を封じる工程と、
一端を封止した前記円筒管の内部圧力を大気圧よりも減圧あるいは加圧しながら、石英ガラスの軟化温度まで表面を加熱した２つの円筒管一部平面化用治具によって挟むことで、前記円筒管の側面２ヶ所を互いに平行な２つの平面部分に変形させる工程と、
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、側面２ヶ所が平面化された前記円筒管の封止されていない一端を圧力シールを通じて、内部圧力が調整可能なチャンバー内へ挿入し、前記円筒内の圧力を大気圧よりも低くしてから、前記チャンバー内に設置したカップ内の色素溶液内へ前記円筒管の封止されていない一端を挿入し、その後、前記チャンバー内の圧力を増加させ、色素溶液を前記円筒管内に注入し、注入された色素溶液の液柱が前記円筒管の側面２ヶ所が平面化された部分を満たすよう、注入量を調整する工程と、
色素溶液を注入した後、前記円筒管の封止されていない一端を色素溶液から引き上げる工程と、
前記円筒管内に注入された色素溶液の液柱が前記円筒管の側面２ヶ所が平面化された部分を満たすよう、前記チャンバー内の圧力を調整する工程と、
前記円筒管内に注入された色素溶液の下方の、色素溶液が存在しない位置において前記円筒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】
【００２５】
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。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【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用円筒管の側面２ヶ所を互いに平行な２つの平面部分に変形させる工程の概略構成図であり、両端が開放系の場合の図である。
【図２ｂ】本発明の実施の形態１における熱レンズ形成素子用円筒管の側面２ヶ所を互いに平行な２つの平面部分に変形させる工程の概略構成図であり、一端が封止されている場合の図である。
【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円筒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。
【図１６】図１ｂのＢ−Ｂ’線に沿った断面図である。
【図１７】比較実施形態４における熱レンズ形成素子の概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、図１〜図１７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１７（ｂ）は図１７（ａ）のＡ−Ａ’線に沿った断面図である。
【００２８】
（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。
【００２９】
熱レンズ形成素子の構成：
［円筒型容器］
円筒型容器の材質は石英ガラスが好適に用いられる。
【００３０】
円筒型容器を構成する石英ガラスの板材の厚さは５０μｍないし１００μｍが好適である。石英ガラスの板材の厚さが５０μｍ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１００μｍ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。
【００３１】
円筒型容器の寸法は熱レンズ効果の大きさ、および、加工上の制約との関係で最適な大きさが決定される。
【００３２】
まず、加工上の制約として、外径１ｍｍ以下の円筒型容器の末端を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い。したがって、円筒型容器の一方の端に色素溶液の液柱を寄せて５ないし１０ｍｍの長さで充填した場合、円筒型容器の全長は１５ないし２０ｍｍである。
【００３３】
一方、円筒型容器の円柱部分の内径は、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。
【００３４】
以上に記述したように、円筒管の側面２ヶ所を互いに平行な２つの平面部分に変形させて形成される２つの平面部分の「内法」に相当する、２つの平面部分に挟まれた前記色素溶液の厚さ（光路長ｄ）を２００μｍないし５００μｍとするためには、円筒型容器の円柱部分の内径が、これらの寸法よりも２０ないし３０％大きければ良い。すなわち、本発明を実施する上で好ましい円筒型容器の円柱部分の内径は概ね２４０ないし６５０μｍである。同外径はこれら内径に前記石英ガラスの板材の厚さを積算すれば求まる。
【００３５】
以上に記述したような石英ガラスの板材の厚さおよび円柱部分の内径の石英ガラス管として、市販の石英ガラスキャピラリー管を好適に使用することができる。石英キャピラリー管は科学分析機器用および医療用途に種々の外径・内径のものが市販されているが、例えば、外径６６０μｍ、内径５３０μｍ、板材の厚さ６５μｍのものを使用すると図１６に示すように、円筒管の側面２ヶ所を互いに平行な２つの平面部分に変形させて形成される２つの平面部分７および８の「内法ｄ」を４００μｍ、「外法Ｄ」を５３０μｍ、２つの平面部分７および８の一片の長さＬおよびＬ’を約２００μｍとすることができる。２つの平面部分７および８のもう一片の長さＳおよびＳ’の長さ（図１（ａ），図１（ｂ）に示す）は円筒管一部平面化用治具２１および２２（図２ａ，図２ｂに示す）の一片の長さで決定される。例えば、全長２０ｍｍの円筒管一部平面化熱レンズ形成素子１において、長さＳおよびＳ’を３ないし５ｍｍとすることができる。
【００３６】
上記の２つの平面部分７，８の寸法は、熱レンズ形成素子の「光路長ｄ」を２００ないし５００μｍとするための加工上の要請から結果的に得られたものである。
【００３７】
一方、熱レンズ形成素子１に要求される光学素子として必要となる平面部分の大きさは、平面部分に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。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２つの平面部分は直径２Ｒないし４Ｒの円を外接するに充分な大きさであれば良い。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は２００μｍ、４Ｒは４００μｍである。上記の加工例の場合、「光路長ｄ」を４００μｍとしたとき、Ｌ＝２００μｍで前記２Ｒを満足しているが、４Ｒは満足しない。この場合は、加工前のキャピラリーとして外径８８０μｍのものを用い、「光路長ｄ」を４００μｍとなるまで平面化加工を行えば、Ｌ＝５００μｍ以上となり、４Ｒ＝４００μｍを充分満足する。この場合、熱レンズ形成素子１の平面部分に内接する円９の直径Ｑよりも４Ｒは小さい値である。
【００３８】
［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の円筒型容器の材質・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、平面部分７または８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の円筒型容器内部が汚染されないよう、例えば、円筒型容器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の円筒型容器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。
【００３９】
［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。
【００４０】
［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。
【００４１】
（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。
【００４２】
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。
【００４３】
［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。
【００４４】
［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。
【００４５】
［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。
【００４６】
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
【００４７】
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。
【００４８】
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％
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
［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。
【００５３】
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。
【００５４】
［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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
【表１】
2011017863.tif 000003
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
［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、一部平面化された円筒管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。比較実施形態４の熱レンズ形成素子２は図１７（ａ）および図１７（ｂ）に示すように、一部平面化された円筒管３の両端に２つの気泡１１および１２が色素溶液１０からなる１本の液柱を挟んで存在する点以外は、本発明の熱レンズ形成素子１と同様である。後述するように熱レンズ形成素子１と２の違いは一端が封止一部平面化された円筒管３へ色素溶液１０を注入する際の手順と圧力条件の違いであり、操作上は、本発明の熱レンズ形成素子１を作成する方が容易である。本発明の熱レンズ形成素子１の特長は、円筒管３を構成する円柱の中心軸方向に衝撃が加えられたときに起こりうる色素溶液１０の液柱の分裂が、比較実施形態４の熱レンズ形成素子２の場合と比較して、起こりにくく、更に、仮に液柱の分裂が起こっても熱レンズ形成素子１の一部平面化部分、すなわち、信号光および制御光の通過する領域において液柱の分裂が起こりにくいことである。液柱の分裂は水銀温度計に強い衝撃を与えたときに観察されることがあり、一端分裂した液柱は元に戻りにくい。容易に理解できるように液柱の分裂は色素溶液１０の液柱と気泡１１または１２の近傍で起こり、比較実施形態４の熱レンズ形成素子２ではその確率は本発明の熱レンズ形成素子１の場合の２倍高い。
【００６２】
仮に液柱の分裂が起こっても熱レンズ形成素子１の一部平面化部分を避けて起こるようにするには、不活性気体からなる１つの気泡１１と色素溶液の接触面を円筒管の一部平面化部分から遠ざけることが好ましく、円筒管の一部平面化部分を色素溶液１０に満たされた一端に近い位置に設けることが好ましい。すなわち、図１（ａ）において、平面化されていない部分の長さＨおよびＭについて、気泡１１が存在する左側の長さＨを色素溶液１０のみが存在する右側の長さＭよりも長くすることが好ましい。例えば、好ましい具体例として熱レンズ形成素子１の円柱軸方向の長さ（Ｈ＋Ｓ＋Ｍ）を２０ｍｍとした場合、Ｈを１２ｍｍ、Ｓを５ｍｍ、Ｍを３ｍｍとする。更に、Ｈを１４ｍｍ、Ｓを３ｍｍ、Ｍを３ｍｍとしても良い。この場合、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１１と色素溶液１０の境界と熱レンズ形成素子１の平面化部分の端との距離は４ｍｍである。
【００６３】
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。一方、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５０ないし１００μｍ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の円柱軸方向の長さ（Ｈ＋Ｓ＋Ｍ）から式〔１〕によって計算される。
【００６４】
［数１］
Ｋ／Ｔ  ＝  １０／（Ｈ＋Ｓ＋Ｍ）    …  〔１〕
【００６５】
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。
【００６６】
［数２］
Ｖ3＝１００−Ｖ1                    …  〔２〕
［数３］
Ｖ4＝Ｖ3×ΔＶ                 …  〔３〕
［数４］
Ｖ2＝１００−Ｖ4                    …  〔４〕
【００６７】
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。
【００６８】
［数５］
Ｐ1×Ｖ1＝ｎ×Ｒ×Ｔ1                …  〔５〕
［数６］
Ｐ2×Ｖ2＝ｎ×Ｒ×Ｔ2                …  〔６〕
【００６９】
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〕
【００７０】
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。
【００７１】
【表２】
2011017863.tif 000004
【００７２】
【表３】
2011017863.tif 000005
【００７３】
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。
【００７４】
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。
【００７５】
【表４】
2011017863.tif 000006
【００７６】
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％。
【００７７】
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。
【００７８】
これら不活性気体で満たされた色素溶液充填装置（本発明の実施形態２および３参照）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やすい色素として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。
【００７９】
［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。
【００８０】
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２．２、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。
【００８１】
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。
【００８２】
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。
【００８３】
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。
【００８４】
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。
【００８５】
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。
【００８６】
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。
【００８７】
［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。
【００８８】
［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５３１はミラー５８を経由して、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。
【００８９】
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１０．０、１２．２、１５．３、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。
【００９０】
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の円柱中心軸、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の円柱中心軸、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）。
【００９１】
【表５】
2011017863.tif 000007
【００９２】
［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１０．０、１２．２、１５．３、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。
【００９３】
［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の円柱中心軸を紙面に平行に「Ｙ軸」とし、熱レンズ形成素子１へ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。
【００９４】
【表６】
2011017863.tif 000008
【００９５】
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。
【００９６】
[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３８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。
【００９７】
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。
【００９８】
【表７】
2011017863.tif 000009
【００９９】
表７を表５と比較して判るように、信号光の光軸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。
【０１００】
ところが、信号光（および制御光）の光軸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。
【０１０１】
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。
【０１０２】
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。
【０１０３】
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。
【０１０４】
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。
【０１０５】
（実施の形態２）  
本発明の実施の形態２においては、円筒管として石英ガラス製キャピラリーを使用し、円筒管の両端が開放状態で円筒管の側面２ヶ所を互いに平行な２つの平面部分に変形させた後、円筒管の前記平面部分に近い方の一端を溶融封止した後、色素溶液を円筒管内に注入し、色素溶液の液柱を溶融封止端および前記平面部まで満たしてから、圧力を調整した状態で気泡を１つ残す形で他端を溶融封止し、本発明の熱レンズ形成素子１（図１）を製造する方法について詳しく説明する。
【０１０６】
［キャピラリーの切断］
石英ガラス製キャピラリーは静電気を帯電し易く、空気中の塵が表面に付着し易く、また、一旦付着した塵は除去しにくいため、キャピラリーの切断工程以降はクリーンルーム内またはクリーンベンチ内で行うことが好ましい。キャピラリーを、例えば長さ１５０ｍｍに切断し、以降の工程に進む。
【０１０７】
［保護膜除去］
石英ガラス製キャピラリーは通常、脆い石英薄膜を保護するため、表面にポリイミド膜あるいは紫外線硬化樹脂がコートされた状態で市販されている。石英ガラスを加熱溶融加工する部分（平面化部分７，８および溶融封止部分１５，１６）については、この保護膜を予め除去する必要がある。低温ガスバーナーの温度７００ないし８００℃の炎で加熱し、燃焼させることで保護膜の除去を容易に行うことができる。なお、保護膜を除去した部分は非常に脆いので、以降の取扱には細心の注意が必要である。また、保護膜を除去する面積は、必要最小限に留めることが望ましい。
【０１０８】
［円筒管一部平面化］
図２ａに示すように、一部平面化前の円筒管（両端開放）４を円筒管一部平面化用治具２１，２２に対する位置決めを精密に行うための円筒管位置決め機構２４に取り付ける。円筒管位置決め機構２４は治具２１，２２に対する円筒管４の位置を固定し、かつ、マイクロメーターの精度で、円筒管４の側面と治具２１，２２各々との間隔を調整できることが好ましい。
【０１０９】
円筒管一部平面化用治具２１，２２は耐熱性セラミック（例えばジルコニア；融点２７００℃）ブロックを切削加工し、円筒管４の側面に接するアンビル部分を精密研磨加工によって平面化したものに、高温電気ヒーター（例えば、タンタル製電熱線；融点２８５０℃）を組み込んだものである。電気ヒーターを自動制御することで、治具２１，２２のアンビル面の温度を１１００ないし１３００℃に保つものとする。アンビル面の長さＳは例えば３ないし５ｍｍ、奥行き方向の長さは、熱容量維持のため、例えば１０ｍｍとする。
【０１１０】
アンビル面の温度は赤外線温度計によって非接触で測定することができる。アンビル面の温度が２面とも所定の温度（例えば１２００℃）に到達したら、同期機構（図示せず）にて円筒管一部平面化用治具２１，２２を連動させて動かし、円筒管４を挟み、所定の時間、例えば３０秒間、挟んだ状態を維持する。次いで、治具２１，２２の間隔を広め、円筒管の側面２ヶ所を互いに平行な２つの平面部分に変形させた円筒管５を取り外す。必要に応じて、平面化部分を実体顕微鏡で観察し、仕上がりを検査する。
【０１１１】
［一端の封止］
必要に応じ、両端開放一部平面化円筒管５の内部を溶剤で洗浄・乾燥する。次いで、封止用治具（図示せず）に取り付け、小型ガスバーナーの炎で一端から所定の距離の位置で溶融させ、溶融部の両端を引き離すことで封止を行う。あるいは、図３の第１段階１３１のように、円筒管５を取り付け、一端を指で保持し、小型ガスバーナーの炎で一端から所定の距離の位置で溶融させ、溶融部の両端を引き離すことで封止を行っても良い。
【０１１２】
［封止部の確認］
図３の第１段階１３１に示すように、一端封止一部平面化円筒管６を圧力調整チャンバー３１の圧力シール３２に挿入し、固定した状態とする。圧力調整チャンバー３１は０気圧までの減圧と２気圧程度の加圧（高純度アルゴンガスなどの不活性ガス導入）の可能な耐圧仕様とする。圧力シール３２はキャピラリーをガスクロマト分析装置に取り付ける際に用いられるもので、０ないし２気圧程度の圧力を維持できる仕様のものである。一端封止一部平面化円筒管６の封止部の密閉性および強度を、以降の工程に進む前に点検することが好ましい。具体的には、図３の第１段階１３１の状態で圧力調整チャンバー３１内部を０．９気圧程度の微減圧状態にしてから密閉したとき、圧力調整チャンバー３１内部の圧力が一定時間（例、２ないし１０分間）維持できれば、封止状態に問題がないと判断される。封止部が強度不足の場合、微減圧時に破損し、減圧が困難になる。封止部にピンホールがある場合、微減圧状態が維持できない。
【０１１３】
［一端封止円筒管内の不活性ガス置換］
一端封止一部平面化円筒管６を圧力調整チャンバー３１に取り付ける場合、別の真空装置内で脱気および不活性ガスの導入を行い、一端封止一部平面化円筒管６の内部を不活性ガス置換しておき、これを、不活性ガスで満たされた圧力調整チャンバー３１に手早く取り付け、微減圧と不活性ガス導入を数回繰り返し、一端封止一部平面化円筒管６の内部を不活性ガスで置換する。
【０１１４】
両端開放一部平面化円筒管５を不活性ガスで満たされた圧力調整チャンバー３１に取り付ける場合は、取り付け後、数分間、両端開放一部平面化円筒管５の一端から不活性ガスを連続的に流出させ、不活性ガスの流出を僅かにしてから、開放端を溶融封止すれば、結果として、一端封止一部平面化円筒管６の内部の不活性ガス置換が完了する。
【０１１５】
なお、不活性ガス置換を行う間、円筒管５または６の温度を８０ないし１２０℃に加熱すると、石英ガラス表面に吸着している水分および酸素の除去をスムーズに行うことができる。
【０１１６】
［色素溶液］
図３の第１段階１３１の図には、色素溶液が予め入れられた状態が描かれているが、実際には、上記の工程を完了してから、圧力調整チャンバー３１内へ色素溶液を搬入し、図３の第１段階１３１の状態とすることが好ましい。
【０１１７】
高精度グローブボックス内で前記色素を前記溶剤＃１に０．２ないし０．５重量%濃度で溶解し、０．２５μｍのテフロンメンブランフィルターを通じて濾過した色素溶液を圧力調整チャンバー３１内の色素溶液カップ３３に入れ、ベローズ式昇降機構３７に乗せる。あるいは、高精度グローブボックス内で色素溶液カップ３３に入れてから、ゲートを通じてグローブブックスと接続された圧力調整チャンバー３１内へ移動させ、ベローズ式昇降機構３７に乗せても良い。
【０１１８】
［色素溶液導入前の減圧工程］
図３の第２段階１３２に示すように、ベローズ式昇降機構３７に乗った色素溶液カップ３３を上昇させ、一端封止一部平面化円筒管６の開放端が色素溶液カップ内の色素溶液内部まで浸かるようにし、次いで、圧力調整チャンバー３１内を徐々に減圧にすると、色素溶液内に挿入された円筒管６の開放端から、不活性ガスの泡が吹き出してくる。この泡の吹き出しが止まるまで、圧力調整チャンバー３１内を微減圧状態とする。
【０１１９】
［色素溶液導入］
図３の第３段階１３３に示すように、前工程に次いで、圧力調整チャンバー３１内の圧力を不活性ガス導入で徐々に高めると、一端封止一部平面化円筒管６内に色素溶液が上昇してくる。
【０１２０】
図３の第４段階１３４に示すように、色素溶液の液柱の長さが所定値、例えば１０ｍｍになったところで、ベローズ式昇降機構３７に乗った色素溶液カップ３３を下降させると一端封止一部平面化円筒管６への色素溶液の流入は止まる。
【０１２１】
図３の第５段階１３５に示すように、圧力調整チャンバー３１内の圧力を不活性ガス導入で更に高めると、色素溶液の液柱は、一端封止一部平面化円筒管６の上端にまで到達する。
【０１２２】
［開放端の封止］
図３の第６段階１３６に示すように、まず、一端封止一部平面化円筒管６の上端付近を円筒管保持具３６で固定し、次いで、円筒管封止治具（例えば、複数の小型バーナーを組み合わせて一緒にスライドできるようにしたもの）を用いて封止部分を溶融させ、円筒管保持具３６を上方に引き上げ、封止を完了させる。この封止作業を行うとき、圧力調整チャンバー３１内の減圧度を調整することで、熱レンズ形成素子１に封印される気泡１１の内部圧力を制御することができる。ただし、溶融封止の際の封止部分の温度上昇から室温までの温度低下の影響により、気泡１１の内部圧力は、封止作業時の圧力調整チャンバー３１内の圧力よりも低くなることを考慮する必要がある。封止作業時の圧力と気泡１１の内部圧力との具体的な対応については、実験によって確認する必要がある。
【０１２３】
［封止の点検］
封止が完了した熱レンズ形成素子１の重量を精密天秤でマイクログラムのオーダーで測定、記録する。これを、１つずつ仕切られ、ＩＤ番号をふった濾紙が敷かれたトレーに入れ、４０℃に加熱された恒温器に入れ、２０ないし２４時間放置する。恒温器から取り出し、室温まで冷却する。４０℃加熱試験に封止部分が耐えられなかった場合、濾紙に色素溶液が滲む。また、封止部にピンホールがある場合、数十マイクログラム以上の重量減少が観察される。
【０１２４】
［ＡＲ膜の塗工］
ＡＲコート樹脂の溶液に、熱レンズ形成素子１の平面部分および最初に封止した部分までを浸漬し、一定速度で引き上げた後、予備乾燥および乾燥し、ＡＲ塗工膜を形成する。必要に応じて、後から封止した部分にも、補強のため、塗工膜を形成する。
【０１２５】
［石英製架台への取り付けおよび光学特性検査］
Ｖ溝を設けた石英ガラス製の第１架台をステンレス製の第２架台に取り付けた架台（図示せず）のＶ溝に熱レンズ形成素子１を乗せ、光学ベンチ上の所定の位置に設置し、例えば、熱レンズ形成素子１が吸収しない波長帯域の可視光線レーザービーム（波長５３２ｎｍなど）を熱レンズ形成素子１の平面部分に垂直に入射するよう、架台の回転および素子のＶ溝上での回転を行う。平面部分への垂直入射の状態は、熱レンズ形成素子１のビーム出射面の後方に設置したスクリーンへのビーム投影位置で把握する。Ｖ溝に対する熱レンズ形成素子１の位置が確定したら、常温硬化のエポキシ接着剤などで、熱レンズ形成素子１を架台に固定する。硬化に１時間以上かかるエポキシ接着剤の場合、予め、架台のＶ溝の所定位置に塗布しておいても良い。
【０１２６】
［スペクトル特性の測定］
架台への接着が完了した熱レンズ形成素子１について、制御光波長の透過率（ほぼゼロである）と信号光波長の透過率（９５％以上）を測定し、性能を確認する。
【０１２７】
［色素溶液の用後処置］
続けて、熱レンズ形成素子の製造を行う場合、色素溶液カップ３３に密閉式の蓋（図示せず）を取り付け色素溶液の汚染を防ぐことが好ましい。更に、圧力調整チャンバー３１からゲートを通じて、グローブボックス中へ待避させても良い。あるいは、色素溶液カップのサイズを微小化し、色素溶液の充填量を必要最小限とし、色素溶液カップを毎回更新しても良い。
【０１２８】
[比較実施形態４]
実施の形態２の色素溶液導入前の減圧工程において、圧力調整チャンバー３１内の減圧速度を通常よりも遅くし、色素溶液内に挿入された円筒管の開放端からの不活性ガスの泡が吹き出しを、泡の数が数えられる程ゆっくりにし、一端封止一部平面化円筒管６内部に不活性ガスが残るようにする以外は実施の形態２と同様にして、比較実施形態４の熱レンズ形成素子２を作成すると、図１７に示すように、色素溶液１０の液柱を挟んで、２つの気泡１１，１２が存在している。この素子を架台に固定した後、実施の形態２の熱レンズ形成素子１と同一条件で耐衝撃試験を複数回実施すると、液柱分裂の起こる確率が実施の形態２の熱レンズ形成素子１の場合の約２倍になることが確認できる。
【０１２９】
（実施の形態３）  
本発明の実施の形態３においては、円筒管として石英ガラス製キャピラリーを使用し、一端を溶融封止した後、円筒管の一端が封止状態で円筒管の側面２ヶ所を互いに平行な２つの平面部分に変形させた後、色素溶液を円筒管内に注入し、色素溶液の液柱を溶融封止端および前記平面部まで満たしてから、圧力を調整した状態で気泡を１つ残す形で他端を溶融封止し、本発明の熱レンズ形成素子１（図１）を製造する。工程の順序の一部分のみが実施の形態２と異なる以外、次の１点を除き、実施の形態２の場合とほとんど同一である。
【０１３０】
円筒管の一端を予め封止してから円筒管の側面２ヶ所を互いに平行な２つの平面部分に変形させるとき、一部平面化前の円筒管（一端封止）４を図２ｂに示すように、一端封止円筒管内圧調整機構２５に取り付けることで、円筒管４の内部圧力を微調整しながら、一部平面化加工を行うことが可能となる。実施の形態２の場合、円筒管４は両端が開放されているため、内圧の調整は不可能である。円筒管側面の一部平面化加工を行う際、円筒管４の内部圧力を微加圧すると、軟化した石英膜部分が円筒管一部平面化用治具２１，２２のアンビル面に圧着され、圧力調整しない場合よりも平面性が高くなると期待される。
【０１３１】
なお、一端封止円筒管内圧調整機構２５は、円筒管一部平面化用治具２１，２２に対する位置決めを精密に行うため実施の形態２で用いられる円筒管位置決め機構２４と同様に、治具２１，２２に対する円筒管４の位置を固定し、かつ、マイクロメーターの精度で、円筒管４の側面と治具２１，２２各々との間隔を調整できるものとする。
【０１３２】
また、一部平面化前の円筒管（両端開放）４を一端封止円筒管内圧調整機構２５に取り付け、円筒管内に不活性ガスを流しながら円筒管４を加熱処理した後、一端を溶融封止することで、一部平面化前の円筒管（一端封止）４の内部の不活性ガス置換を完璧に実施可能となる。
【０１３３】
熱レンズ形成素子１に要求される特性に応じて、実施の形態２と３を使い分ければ良い。
【産業上の利用可能性】
【０１３４】
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】
【０１３５】
１，２  熱レンズ形成素子、３  両端封止一部平面化円筒管、４  一部平面化前の円筒管（両端開放または一端封止）、５  両端開放一部平面化円筒管、６  一端封止一部平面化円筒管、７，８  ２つの平面部分の１つ、９  ２つの平面部分の１つに内接する円、１０  色素溶液、１１，１２  気泡、１５，１６，１７  円筒型容器封止部、２１，２２  円筒管一部平面化用治具、２４  円筒管位置決め機構、２５  一端封止円筒管内圧調整機構、３１  圧力調整チャンバー、３２  圧力シール、３３  色素溶液カップ、３４  円筒型容器内色素溶液、３５  円筒管封止治具、３６  円筒管保持具、３７  ベローズ式昇降機構、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、１３１  色素溶液充填工程第１段階、１３２  色素溶液充填工程第２段階、１３３  色素溶液充填工程第３段階、１３４  色素溶液充填工程第４段階、１３５  色素溶液充填工程第５段階、１３６  色素溶液充填工程第６段階、４００  入力側信号光・光ファイバー、４０１  入射信号光、４１０  制御光・光ファイバー、４１１  入射制御光、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、５１０  制御光・光ファイバー、５１１  入射制御光、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１】
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【図２ａ】
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【図２ｂ】
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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１０ａ】
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【図１０ｂ】
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【図１０ｃ】
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【図１０ｄ】
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【図１１】
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【図１２】
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