(57)【要約】      （修正有）【課題】液晶を制限材料として用い、光ヒューズ機能を有する光導波路素子を提供する。【解決手段】２つの光透過性基板の対向する主表面の間に、１次元フォトニック結晶および液晶層を設けたスラブ型光導波路素子である。入力光伝送要素から光導波路素子に入射された励起光によって光導波路素子で生じた導波路モードの光を出力光伝送要素へ伝送する際、光導波路素子への入射光が所定の光強度レベルを超える場合には、液晶層の屈折率変化により出力光伝送要素へ伝送される導波路モードの光を消失する。【選択図】図１
2008256999.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２つの光透過性基板の対向する主表面の間に、１次元フォトニック結晶および液晶層を設けたスラブ型光導波路素子。
【請求項２】
前記１次元フォトニック結晶が、グレーティングからなる請求項１に記載の光導波路素子。
【請求項３】
前記グレーティングが、クロム、クロム合金、金、タングステン、シリコンまたはゲルマニウム製のグレーティングである請求項１または２に記載の光導波路素子。
【請求項４】
前記グレーティングは、ワイヤーが並列的に所定間隔で配列されたものである請求項２または３に記載の光導波路素子。
【請求項５】
前記液晶層がネマチック液晶からなる請求項１〜４のいずれか１項に記載の光導波路素子。
【請求項６】
前記光透過性基板は、石英基板またはガラス基板である請求項１〜５のいずれか１項に記載の光導波路素子。
【請求項７】
前記２つの光透過性基板の対向する主表面の間隔を規定するスペーサーを、前記２つの光透過性基板の対向する主表面の間にさらに有する請求項１〜６のいずれか１項に記載の光導波路素子。
【請求項８】
光導波路素子の温度を調節するための温度調整装置を併設する請求項１〜７のいずれか１項に記載の光導波路素子。
【請求項９】
光ヒューズとして用いられる請求項１〜８のいずれか１項に記載の光導波路素子。
【請求項１０】
（１）入力光伝送要素からの励起光を光導波路素子に入射する工程、
（２）励起光によって光導波路素子で生じた導波路モードの光を出力光伝送要素へ伝送する工程と、
（３）光導波路素子への入射光が所定の光強度レベルを超える場合に、出力光伝送要素へ伝送される導波路モードの光が消失する工程を含み、
前記光導波路素子が請求項１〜８のいずれか１項に記載の光導波路素子である光量制御方法。
【請求項１１】
前記入射光はレーザ光である請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記レーザ光は、３００ｎｍ〜３００μｍの波長範囲である請求項１１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ヒューズとしての機能を有するスラブ型光導波路素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
最初のレーザの開発以来、受動光リミッタの研究が行われ、レーザの最高強度が誘起する損傷から光センサを保護する構想が試験されてきた。ＣＷレーザ（連続発振レーザ）用の最初の光リミッタは、吸光性バルク液体の熱レンズ作用に基づくものであった。すなわち、撮像系を局部加熱すると屈折率が低下し、「熱焦点ぼけ」が引き起こされ、光線は焦点が合わなくなった。パルスレーザ源を制限するために、逆可飽和吸収、２光子自由キャリア吸収、自己焦点合わせ、非線形屈折および誘起散乱など、他の方法も提案されている。
【０００３】
医療、工業および遠隔検出用途における通信やその他の系では、単一のファイバ即ち導波管で、マイクロワットから数ワットまでの比較的高い光強度を取扱う可能性がある。これらの系に高強度（単位面積当たりの強度）が導入されると、多くの薄い塗膜、光接着剤、および材料全体さえ、その損傷閾値を超える光強度にさらされることになる。他の問題としてはレーザの安全性がある。ファイバから空中へ放出可能な強度の上限は明確に規定されている。これらの２つの問題は、ファイバ／導波管を伝搬するエネルギー量を許容可能なレベルに制限する受動装置を必要としている。主として高出力レーザ放射、高出力パルス放射、および眼の安全装置について、光リミッタを実現するために多くの試みがなされてきた。
【０００４】
そこで、いくつかの光リミッタが提案されている（特許文献１、２）。
【０００５】
特許文献１には、入力光伝送要素と、出力光伝送要素と、前記入力光伝送要素と前記出力光伝送要素の間に配置され、前記入力光伝送要素から前記出力光伝送要素へ光信号を伝送する強度制限要素とを含む光強度リミッタが記載されている。ここで、強度制限要素は、所定の光強度レベルを超える光に応答して可逆的熱変化を生じ、これによって強度制限要素の光伝送特性を変化させる、少なくとも１種の材料の粒子を含有する光制限固体混合物を含む。光制限固体混合物は、光透明母材（例えば、ポリメタクリル酸メチルおよびその誘導体、エポキシ樹脂、ガラス、ゾルゲル材料およびスピンオンガラスから構成される群から選択される）に分散した光吸収粒子（例えば、Ａｇ、Ａｕ、Ｎｉ、Ｖａ、Ｔｉ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｃ、Ｒｅ、ＳｉおよびＳｍＯ2から構成される群から選択される少なくとも１種の材料である）を含むものである。
【０００６】
特許文献２には、入力する信号光を光パラメトリック増幅するパラメトリック増幅素子と、該パラメトリック増幅素子より出力する信号光から所定の波長の信号光以外の波長成分を除去する波長選択素子とを備えたことを特徴とする光リミッタが記載されている。ここで、パラメトリック増幅素子は、光ファイバ（例えば、分散シフト光ファイバ、分散フラット光ファイバである）であり、パラメトリック増幅素子は、非線形光学材料（例えば、ＫＴｉＯＰＯ4、ＫＴｉＯＡｓＯ4、β−ＢａＢ2Ｏ4、ＬｉＮｂＯ3のいずれか１種である）を備えた光導波路素子であり波長選択素子は、光フィルタである。
【０００７】
一方、液晶を注入したフォトニック結晶、光学素子、の研究は１９９９年、計算結果（非特許文献１）と実験結果（非特許文献２）を始めとして、注目されている。２次元、３次元のシリコンで作られたマイクロキャビティ（ＭｉｃｒｏＣａｖｉｔｙ）に液晶を注入し、外部からの信号、(熱、電位差、又は偏光等)を変化させることにより、液晶の配列、且つ光学特性を制御する研究が盛んになりつつある。液晶の配列が相転移により変化することにより、フォトニックバンドがシフトするのである。また、液晶の配列は表面の形状、物質に敏感であり、フォトニック結晶中にある液晶の配列の制御に関しての議論もされている。このような光学素子は光学スイッチ、高密度情報記録、ディスプレイ等としての応用が検討されている（非特許文献３〜８）。
【特許文献１】特開２００４−３１０１２０号公報
【特許文献２】特開平１１−２１８７９２号公報
【非特許文献１】S. John, et al. PRL 83, 967
【非特許文献２】K.Yoshino, et al, APL 75, 932
【非特許文献３】S. Kurihara et al. 'Photochemical switching behavior of azofunctionalized polymer liquid crystal/SiO2 composite photonic crystal' APL 89, 153131 (2006)
【非特許文献４】E. Kosmidou et al. 'Analysis of tunable photonic crystal directional couplers' J. Appl. Phys. 100, 043118 (2006)
【非特許文献５】Ch. Schuller et al. 'Polarization-dependent optical properties of planar photonic crystals infiltrated with liquid crystals' APL 87 121105 (2005)
【非特許文献６】M. Soljacic 'Enhancement of nonlinear effects using photonic crystals' Nature, Vol. 3, 211 (2004)
【非特許文献７】M. Ozaki et al. 'Electrically color-tunable defect mode lasing in one-dimensional phonic-band-gap system containing liquid crystal' APL 82 3593 (2003)
【非特許文献８】G. Mertens et al. 'Two- and three-dimensional photonic crystals made of macroporous silicon and liquid crystals', APL 83, 3036 (2003)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１には、主として高出力パルス用に、液晶を制限材料として使う試みも行われたが、導波器変動のために、この材料は普通の液体よりひどいノイズと歪みを引き起こす（段落０００７）、との記載があり、これまで、液晶を用いた光リミッタは知られていなかった。
【０００９】
上記特許文献１および２に記載の光リミッタは、低レベルの光入力に対して透過率が高く、高い強度に対して透過率が低くなるように設計された装置である。しかし、光入力が所定レベルを超えた場合に透過光が自発的に遮断する機能を有する素子は、これまで知られていない。さらに、一度、透過光が遮断されてＯＦＦになっても、光入力が所定レベルを下回った場合には、自発的に遮断が解除されてＯＮの状態に戻れる素子も知られていない。そのような光ヒューズとして機能し得る光学素子は、今後、高強度の光から、下流に設置された装置等を保護するような素子としての活用が期待される。
【００１０】
そこで、本発明は、上述したような光ヒューズとして機能し得る光学素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明者らは、液晶を注入したフォトニック結晶が光素子として優れた点を有していることに注目し、液晶を注入したフォトニック結晶を用いた素子について種々の検討をし、その結果、フォトニック結晶を用いたスラブ型光導波路素子が光ヒューズとしての機能を有することを見いだして、本発明を完成させた。
【００１２】
本発明は以下のとおりである。
［１］２つの光透過性基板の対向する主表面の間に、１次元フォトニック結晶および液晶層を設けたスラブ型光導波路素子。
［２］前記１次元フォトニック結晶が、グレーティングからなる［１］に記載の光導波路素子。
［３］前記グレーティングが、クロム、クロム合金、金、タングステン、シリコンまたはゲルマニウム製のグレーティングである［１］または２に記載の光導波路素子。
［４］前記グレーティングは、ワイヤーが並列的に所定間隔で配列されたものである［２］または［３］に記載の光導波路素子。
［５］前記液晶層がネマチック液晶からなる［１］〜［４］のいずれかに記載の光導波路素子。
［６］前記光透過性基板は、石英基板またはガラス基板である［１］〜［５］のいずれかに記載の光導波路素子。
［７］前記２つの光透過性基板の対向する主表面の間隔を規定するスペーサーを、前記２つの光透過性基板の対向する主表面の間にさらに有する［１］〜［６］のいずれかに記載の光導波路素子。
［８］光導波路素子の温度を調節するための温度調整装置を併設する［１］〜［７］のいずれかに記載の光導波路素子。
［９］光ヒューズとして用いられる［１］〜［８］のいずれかに記載の光導波路素子。
［１０］（１）入力光伝送要素からの励起光を光導波路素子に入射する工程、
（２）励起光によって光導波路素子で生じた導波路モードの光を出力光伝送要素へ伝送する工程と、
（３）光導波路素子への入射光が所定の光強度レベルを超える場合に、出力光伝送要素へ伝送される導波路モードの光が消失する工程を含み、
前記光導波路素子が［１］〜［８］のいずれかに記載の光導波路素子である光量制御方法。
［１１］前記入射光はレーザ光である［１０］に記載の方法。
［１２］前記レーザ光は、３００ｎｍ〜３００μｍの波長範囲である［１１］に記載の方法。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、光入力が所定レベルを超えた場合に透過光が自発的に遮断する機能を有し、かつ、一度、透過光が遮断されてＯＦＦになって、光入力が所定レベルを下回った場合には、自発的に遮断が解除されてＯＮの状態に戻れる素子を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
［スラブ型光導波路素子］
本発明のスラブ型光導波路素子は、２つの光透過性基板の対向する主表面の間に、１次元フォトニック結晶および液晶層を設けたものである。
【００１５】
前記１次元フォトニック結晶は、グレーティング（回折格子）からなるものであり、グレーティングは、例えば、クロム、クロム合金、金、タングステン、シリコンまたはゲルマニウム製のグレーティングであることができる。
【００１６】
本発明の光導波路素子は、具体的には、一方の主表面の一部または全部にグレーティングを設けた光透過性基板、前記グレーティングを設けた光透過性基板とグレーティングを有さない光透過性基板に挟まれた液晶層からなる。即ち、一方の光透過性基板、その主表面のグレーティング、液晶層、および他方の光透過性基板の順である。
【００１７】
グレーティングは、光透過性基板の一方の表面の一部または全部に設けたものであることができる。グレーティングは、クロム（Ｃｒ）製またはクロム合金製のグレーティングであることか適当である。Ｃｒは他の一般的に用いられる金属に比べ、可視光領域の光に対する吸収が大きい。Ｃｒ以外も可視光領域の光に対する吸収が大きい金属があれば、Ｃｒと同様に使用でき、例えば、金、タングステン、シリコン、ゲルマニウムなども、グレーティングを構成する材料として挙げられる。金の反射は５００nmより短波長で反射率が低くなり、５００nmより短波長に合わせたグレーティングの設計をすれば光の吸収も比較的にあり、本発明の光ヒューズの効果が得られ得る。
【００１８】
上記グレーティングは連続光レーザの入射光および励起された導波路によって光を吸収し、放熱する。放熱量がある値以上になると、液晶の屈折率が変化することで導波路モードが励起されなくなり、信号がＯＦＦとなり、光ヒューズとしての機能を発揮する。この際、液晶の温度設定を相転移近くにすると、少しの温度差で液晶の屈折率がより大きく変化する為、速めの応答が得られる。尚、本発明の素子では、上記説明のように、液晶の屈折率変化による導波路モードのスイッチング（信号のＯＮおよびＯＦＦ）以外に、液晶の相転移による導波路モードのスイッチングもあり得る。但し、液晶の屈折率変化に比べて液晶の相転移に必要な熱量が大きいため、液晶の屈折率変化による導波路モードのスイッチングの方が感度や応答性ははるかに優れる。そこで以下では、液晶の屈折率変化による導波路モードのスイッチングについて説明する。但し、本発明の素子は、液晶の相転移による導波路モードのスイッチングによっても動作をするものである。
【００１９】
グレーティングは、ワイヤーが並列的に所定間隔で配列されたものである。ワイヤーの線幅、厚みおよびワイヤーの間隔は、本発明の光導波路素子が用いられる光の波長に応じて適宜設定することができる。光導波路素子が用いられる光の波長を(とする。尚、(は、３００ｎｍ〜３００μｍの範囲であることができる。その際、ワイヤーの間隔は波長程度の範囲で、ワイヤーの厚みは液晶の種類にもよるが、(/１０〜(/１００程度、そしてワイヤーの線幅は０．０１(〜０．０９(程度とすることが適当である。
【００２０】
液晶層は、例えば、ネマチック液晶からなることができる。ネマチック液晶としては、例えば、ＭＢＢＡ:Ｎ-(ｐ-methoxybenzylidene）-p-n-butylaniline（Tc=47℃）, 5CB：4`-n-pentyl-4-cyanobiphenyl (Tc=36℃), ＰＡＡ：p-azoxyanisole（Ｔc=135℃）, EBBA：N-(p-ethoxybenzylidene)-p-n-butylaniline (Tc=81℃)等を挙げることができる。但し、これらの例に限定される意図ではなく、ネマチック液晶であれば、いずれも使用できる。さらに、2種以上のネマチック液晶の混合液晶を用いることもできる。
【００２１】
液晶層の厚さが薄くなると、それだけ応答速度が速いくなること、およびファブリーぺロー効果による多重モード共鳴を避けることを考慮すると、液晶層の厚さは、入射光波長程度またはそれ以下の厚さであることが好ましい。具体的には、10nm〜1000μmの範囲であることができ、好ましくは50nm〜500μmの範囲である。
【００２２】
光透過性基板は、例えば、石英基板であることができる。石英基板以外であっても、光導波路素子が使用される光に対して、所定の透過性を有するものであれば、適宜使用することはでき、例えば、ガラス基板や合成樹脂基板等であってもよい。光透過性基板の厚みには特に制限はないが、例えば、０．１〜１０ｍｍの範囲とすることができる。
【００２３】
本発明の光導波路素子は、２つの光透過性基板の対向する主表面の間隔を規定するスペーサーを、２つの光透過性基板の対向する主表面の間にさらに有することができる。このスペーサーは、光透過性基板の間隔を規定することができるものであれば、特に制限はない。例えば、光透過性基板の間隔が、サブミクロンである場合、サブミクロンサイズの粒子をスペーサーとして利用し、サブミクロンサイズの粒子が一層になるように光透過性基板の間に配置することで、所定の間隔とすることができる。サブミクロンサイズの粒子の材質には特に限定はないが、化学的あるいは光学的に不活性な物質が得られることが適当である。サブミクロンサイズの粒子は、接着剤を用いて、粒子間および光透過性基板と接着されることができる。接着剤にも、特に制限はない。液晶等の光導波路素子を構成する材料に対して不活性であり、光透過性基板とスペーサーとを良好に接着できるものであれば、公知の接着剤から適宜選択できる。
【００２４】
本発明の光導波路素子は、上記スペーサーなしでも作製は可能である。また、スペーサーとしてパターンが作製されたレジスト（フォトレジスト等）を用いることもできる。
【００２５】
本発明の光導波路素子は、光導波路素子の温度を調節するための温度調整装置を併設することもできる。そのような温度調整装置としては、例えば、ヒーター又はペルチエ素子を挙げることができる。ヒーター又はペルチエ素子は、例えば、アルミニウムなどの金属ブロックに光学素子ともに埋め込み、温度検出器で金属ブロックをモニターし、温度調整をすることが好ましい。
【００２６】
光導波路素子を使用する場合に、通常は、ＯＮの状態（導波路モードが励起される状態）であり、光導波路素子が一定以上昇温した場合に、ＯＦＦの状態（導波路モードが励起されてい状態）になるように、温度は設定される。光導波路素子が、ＯＮの状態からＯＦＦの状態に変化する温度は、光導波路素子に設けられた１次元フォトニック結晶および液晶層の種類によって変化する。光導波路素子が、ＯＮの状態からＯＦＦの状態に変化する温度は、例えば、上記そのような温度は、温度調整装置を併記した光導波路素子の温度を、金属ブロックに埋め込まれた温度検出器で確認および調整をしつつ、導波路モードが励起されるエネルギー（波長）を測定することで、決定できる。液晶がある屈折率であるときに励起する導波路モードのエネルギー（波長）は、液晶が熱により屈折率が変化した際に励起される導波路モードエネルギー（波長）のシフトに基づいて決定することができ、測定された導波路モードのエネルギーが確認されれば、上記変化温度を見積もることができる。
【００２７】
本発明の光導波路素子は、入射光を完全に遮断する光ヒューズとして用いることができる。
【００２８】
［光量制御方法］
本発明は、上記本発明の光導波路素子を用いる光量制御方法も包含する。本発明の光量制御方法は、
（１）入力光伝送要素からの励起光を光導波路素子に入射する工程、
（２）励起光によって光導波路素子で生じた導波路モードの光を出力光伝送要素へ伝送する工程と、
（３）光導波路素子への入射光が所定の光強度レベルを超える場合に、出力光伝送要素へ伝送される導波路モードの光が消失する工程を含み、
前記光導波路素子が本発明の光導波路素子である。
【００２９】
光導波路素子への入射励起光は、入力光伝送要素から、光導波路素子の１次元フォトニック結晶と隣接していない方の光透過性基板から光導波路素子に入射する。入力光伝送要素は、例えば、光ファイバであることができる。
【００３０】
入射した光は、光透過性基板および液晶層を透過した後に１次元フォトニック結晶に到達する。１次元フォトニック結晶は、励起光によって導波路モードの光を生成し、生成した導波路モードの光は、光透過性基板の主表面と平行な方向に出射して、出力光伝送要素へ伝送される。１次元フォトニック結晶の光学特性に合わせた定常波レーザを励起光として入射すると、１次元フォトニック結晶である、例えば、Ｃｒグレーティングのブラッグ反射により、液晶層に導波路モードが励起され導波路モードは伝播する（この状態を信号ＯＮとする。）。
【００３１】
上記で生成した導波路モードの光の一部は、１次元フォトニック結晶に吸収され、吸収された熱は１次元フォトニック結晶から発散し、その一部は液晶層に吸収される。具体的には、可視光領域で光の吸収がある、例えば、Ｃｒ製のグレーティングは、定常波レーザの入射光そして励起された導波路モードによって光を吸収し、放熱する。入射光が所定の光強度レベルを超えて、１次元フォトニック結晶からの発散熱量が所定レベルを超えて、液晶層に吸収される熱量が所定レベルを超えて、液晶の屈折率が変化する。液晶の屈折率が変化するその変化分だけ、導波路素子内を伝播する光のエネルギー(波長)は変化する。その結果、液晶層に励起されていた導波路モードが励起されなくなり、出力光伝送要素へ伝送される導波路モードの光が消失する（この状態を信号ＯＦＦとする。）。
【００３２】
しかし、素子全体から外部へも放熱していることから、この素子全体からの放熱量が１次元フォトニック結晶からの放熱量に勝り、液晶の屈折率の変化に達しない場合には、上記液晶の相転移による導波路モードの光伝播の停止は生じない。即ち、入射励起光のパワーが、素子全体からの放熱量が１次元フォトニック結晶からの放熱量に勝るレベルでない場合には、上記のような液晶の相転移は生じず、自発的スイッチングは起らない。また、上述のように、必要な一定量の光のパワーで励起光を入射した際に、平衡となる温度を測定し、その温度での液晶の屈折率で励起する導波路モードの波長を選択する。そうすると、必要な光パワーでは導波路モードは励起し続けて、それ以上の光パワーが入射されると導波路モードは消失することが可能となる。
【００３３】
また、液晶層に導波路モードの光が励起されなくなり、出力光伝送要素へ伝送される導波路モードの光が消失しても、入射励起光の強度が低下して、素子全体からの放熱量が１次元フォトニック結晶からの放熱量に勝る状態にあり、液晶層の温度が、液晶の屈折率変化温度を下回り、液晶の屈折率が元に戻れば、液晶層の導波路モードの光の伝播は回復する（再度、信号ＯＮの状態になる。）。
【００３４】
本発明の光導波路素子は、所定のレベルを超える強度の光から、下流に設置された装置等を保護するような素子、光学ヒューズとしての活用が期待される。また、オフになった後、入射されていた定常波レーザを消すと液晶が再び元の屈折率に戻る為、光導波路素子としての機能が回復する。このように、入射光の強度が所定レベル以下になれば、導波路モードが液晶層に再び励起され、繰り返し、光ヒューズとして利用できる。
【００３５】
本発明の光導波路素子を利用した光スイッチ(光ヒューズ)の例を図５に示す。光導波路素子（ｓａｍｐｌｅ）のグレーティングに合わせた波長の連続光（ｏｐｔｉｃａｌ  ｓｉｇｎａｌ）が試料に入射し（ＣＷ  ｉｎｐｕｔ）、導波路モードが液晶層に励起される。光導波路素子（ｓａｍｐｌｅ）の横から（ｘ軸方向、図１参照）導波路モードの信号（Ｓｉｇｎａｌ  ｏｕｔｐｕｔ）が光検知器（ｐｈｏｔｏ  ｄｅｔｅｃｔｏｒ）で確認される。（この状態を信号ＯＮとする。）ある強度以上の連続光が入射した場合、液晶は屈折率の変化または相転移を起こし、導波路モードの励起エネルギーがシフトし、励起されていた導波路モードが励起されなくなる。（この状態を信号ＯＦＦとする。）信号のＯＮおよびＯＦＦを光検出器（ｐｈｏｔｏ  ｄｅｔｅｃｔｏｒ）で検出し、検出情報に基づいて、入射光を制御することができる。
【００３６】
連続光が入射されなくなると、液晶の温度が下がり、液晶の屈折率または相が元に戻る為、もう一度、光ヒューズとして使用可能である。
【００３７】
従来から光学スイッチング、光リミッタについての提案はあるが、自発的スイッチングを利用し、且つ再使用可能な、光学素子としての提案は本発明特有のものである。従来から光学スイッチング、光リミッタは、図6の上図に示す、挙動を示すものであるのに対して、本発明の光導波路素子は、図6の下図に示す、挙動を示すものである。
【実施例】
【００３８】
以下、本発明を実施例により、さらに詳細に説明する。以下の実施例は本発明の説明の目的で記載するものであり、本発明の範囲を限定する意図ではない。
【００３９】
実施例１
1）試料の製作
本実施例の光導波路素子の作製方法は以下の通りである。
一枚の石英基板上に電子ビームリソグラフィー法を使いＣｒの一次元グレーティング（フォトニック結晶）を作製した。Ｃｒグレーティングの周期は５００nmとした。濃硫酸過酸化水素水（ピラニア溶液）で前処理され石英基板上に電子ビーム用のレジストを塗布、スピンコートした。電子ビームでの露光後、現像をし、プラズマスパッターを利用し低温度で６０nm程のＣｒの薄膜を形成した。リフトオフ（レジストの剥離）によって、ナノサイズ（２００nm）のＣｒワイヤーが周期的に配列された形状のＣｒグレーティングが作製された。Ｃｒはプラズマスパッターで比較的容易に薄膜が形成され、リフトオフが可能である。グレーティングの形状はネマチック液晶の配向に適しており、フォトリソグラフィー法での大量生産も可能である。
【００４０】
次に、サブマイクロサイズのシリカ粒子（日本触媒からの提供）をスペーサーとして利用し、グレーティングが作製された基板上に並べた。
【００４１】
２枚の基板のギャップ間隔を制御するために、シリカ粒子をスペーサーとして使用した。１μｍ以下のギャップの作製であった為、サブマイクロサイズの粒子を利用した。基板洗浄後、水で分散されたシリカ粒子を含むシリカ溶液を、マイクロシリンジを用いて、基板表面の端側に滴下した。次いで、６０℃から８０℃程度の熱をかけて、水を蒸発させた。蒸発温度はシリカ粒子のサイズにより適宜調整できる)。水が蒸発する際にシリカ粒子が重ならない様に、比較的ゆっくり蒸発させることが適当である。
【００４２】
数回ろ過され浮遊物を除去したエポキシ(協立化学産業から入手)でもう一枚の前処理された石英基板を上から貼り付けセルを作製した。数回ろ過され浮遊物を除去したエポキシは、充填剤を含まないものであり、粘性も比較的小さいものが適当である。洗浄された金属グレーティングが作製されている基板表面の端側に少量のエポキシを塗布する。そして、シリカ粒子がばらまかれた基板上に置き、圧力をかけてエポキシをＵＶおよび熱硬化した。
【００４３】
ＵＶ（１５Ｊ/ｃｍ2）と熱（１２０℃）により、エポキシを硬化した。セルの完成後、光の干渉により、ギャップの厚さを確認した。ギャップの厚さは薄いほうが観測的にも応答スピードを上げる為にも好ましい。上記スペーサーとして使用するシリカ粒子より大きな付着物があると、所望のギャップが実現できないので、上記セルの作成はクリーンルームの中で行う。
【００４４】
尚、グレーティング作製前に基板を酸洗浄した。グレーティング作製後はアセトン、ＩＰＡなどで洗浄した。グレーティングの作製されていないもう片方の基板は酸洗浄処理した後にクリーンルームで更にアセトン、ＩＰＡで洗浄した。クリーンルームはクラス１００（１００粒子/ｆｔ3）である。
【００４５】
本実施例では、基板と基板の間隔(ギャップ)が、５μｍの光導波路素子が作製された。（図１参照）
【００４６】
最後に高い温度（８０−１００℃）に上げて粘性を落とした液晶を真空引きしながら、キャピラリーを使い、セルの間に注入した。セルのギャップの厚さによって、液晶層の厚さが決まる。本実施例では、液晶として５ＣＢ（4-シアノ-4'-n-ペンチルビフェニル）を使用した。５ＣＢは室温でネマチック相、３５℃で等方（イソトロピック）相に相転移する。注入後、液晶はＣｒグレーティングに沿って自然に配列した（Ｐｌａｎａｒ配向）。図１に本実施例で得られた光導波路素子の説明図を示す。
【００４７】
2）試料の特性確認
観測の最初の過程として白色光（ハロゲンライト）を素子の表面に対して垂直入射し、その透過光で導波路の形成される波長の値を確認した。この際、素子は相転移温度の少し下のネマチック相の温度に設定した。また、導波路の観測の為の白色光はＴＥモードとＴＭモードによって偏光板が調整された。即ち、ＴＥ導波路モードはグレーティングと同軸方向（ｙ軸方向、図１参照）に偏光している導波路モードである。ＴＭモードはグレーティングの垂直方向（ｘ、ｚ平面状に電場が、ｙ軸方向に磁場がむいている、図１参照）に偏光している導波路モードである。入射光をｘ軸またはｙ軸に偏光することにより、ＴＭ導波路モードかＴＭ導波路モードを基板間（液晶層）に励起することができる。
【００４８】
図２に、白色光透過スペクトルを示す。試料と入射光間の角度を-10°から＋10°に2°おきに測定した結果である。グレーティングにおける励起エネルギー（波長）の値で導波路モードが励起されていることが確認できる。入射光はｙ軸方向（図１参照、グレーティングと平行方向）にＴＥ導波路モード測定の為に偏光されてある。
【００４９】
本実施例ではＴＥモードの導波路が顕著に観測出来た為、全ての観測はＴＥモードを使って実験した(図２参照)。
【００５０】
素子は温度調節の為、サーモバス（図１には図示せず）に埋め込んだ。このサーモバス（温度制御機）は摂氏１度おきの調整が可能である。次に、素子中の液晶が等方（イソトロピック）相に相転移する温度より高い温度に、素子の温度を３１〜３４℃に調整した。そして、イソトロピック相に形成された導波路を確認した。図３の（a-1,a-2）に白色透過スペクトルを示す。入射光は試料に対して垂直入射。（a-1）試料温度は液晶（ネマチック〜等方相）相転移温度以下の摂氏３１度に、（a-2）試料温度は液晶が等方相に配向するとされる、摂氏３４度に設定されている。（a-1）と（a-2）では５０nm以上のシフトが測定できた。
【００５１】
次に、白色光に換わって、連続光レーザで導波路素子を励起した。連続光レーザにはスペクトラフィジック社製ＴＳＵＮＡＭＩのピコ秒ロックを解除して、可視、近赤外線で波長変調可能なレーザを使用した。ネマチック液晶層に形成されるＴＥ導波路モードの高波長側の波長（７９７．７３nm）に合わせた。励起光の波長幅は１ｎｍ以下である。まず、定常波入射に対しての液晶の相転移が確認された。
【００５２】
図３の（b-1,b-2）液晶の理想配向状態を憶測した数値計算を示す。（b-1）は液晶がグレーティングに沿って配向したとされる透過スペクトルの数値結果である。（b-2）液晶が等方配向したと仮定した数値透過スペクトルである。（a）と（b）では同等程度に導波路モードの励起、そして同等程度の５０nm以上の液晶相転移によるスペクトルシフトが測定された。よって液晶が理想的に配向しその制御が温度調整により可能なことが示された。
【００５３】
白色光をプローブ光として、素子の表面と１０度程の角度をつけて透過光を観測した。励起光（パワー、１５７ｍＷ）が入射された直後に観測された導波路（d-1）と入射されて１０分ほど経過した導波路（d-2）では、液晶が相転移する前(ネマチック相での導波路（c-1）)と相転移した後（イソトロピック相での導波路（c-2））と同じスペクトルがそれぞれ確認された（図３（c）、（d）参照）。
【００５４】
図３の（c-1,c-2）白色光（プローブ光）透過スペクトル。入射光は試料に対して１０°の角度で入射。（c-1）液晶がネマチック相とされる３１℃に試料温度を調整した。（c-2）液晶が等方相とされる３４℃に試料温度を調整した。（ｄ-1,d-2）パンプ光（737.79nmの励起光）に対しての導波路モードの自発スイッチングの測定である。中央の737.79nm付近のピークはパンプ光（励起光）の散乱光である。白色透過スペクトルを（c）と同じく、試料に対して１０°の角度で入射し透過スペクトルを測定した。（d-1）パンプ光が試料に入射した直後の白色光（プローブ光）透過スペクトルである。試料温度は液晶がネマチック相であるとされる３１℃に設定した。（d-2）試料温度の温度変更は行わずに、パンプ光が試料に１０分間当て続けられた後に測定された白色光（プローブ光）透過スペクトルである。（ｄ-1,d-2）では、温度調整をして液晶を相転移した際の透過スペクトル（c-1,c-2）のシフトと同等の温度調整をせずに励起光のみによるスペクトルシフトが測定された。よって、（d-1,d-2）は励起光により、自発的に液晶に相転移を起こし、導波路モードのシフトが測定されたことを示す。
【００５５】
この実験により、励起光（１５７ｍＷの定常波）が一次元Ｃｒフォトニック結晶に吸収され熱を発散し、液晶の相転移を自発的に起こしたことが確認できた。
【００５６】
3）動作確認
励起光パワー強度の違いによる素子中の液晶の相転移速度の違いを測定した。励起光の波長は前述の実験と同じ波長797.73nmが使われた。プローブ光にはＨｅ−Ｎｅレーザが使用された。前述の実験と同様に、素子の表面に対して１０度程度の角度からのプローブ光の透過測定である。この実験の透過測定の際、プローブ光は２枚の偏光板の間を通る様に、そして素子はその２枚の偏光板の間に設置された。プローブ透過光は励起光のからの散乱光のノイズを最小にする為、分光器を通ってから、フォト探知機で透過光の強度が測定された。二枚の偏光板は外部から素子中の液晶温度をイソトロピック相にまで上げた際、プローブ透過光の強度が最小（ゼロ値付近）になるように設置された。結果を図４に示す。
【００５７】
図4は、励起光（７３７．７９nm）の光度強度の違いによる液晶相転移の速度の測定結果を示す。励起光による液晶が自発的に相転移する様子を示す。試料を２枚の偏光板の間に設置し、その透過強度で測定した。試料温度を液晶が等方相に配向する３４℃に設定し、２枚の偏光板をお互いに直角に設定。液晶が等方相の際、透過強度が最小、ゼロ付近になるように設置した。液晶に位方性がある場合、複屈折性がある為、２枚の偏光が直角になっていても、透過光が測定できる。まず、試料温度を液晶がネマチック相、３１℃に設定する。その際の透過光強度で後の透過光強度を規格化する。励起光強度が７９mWの際には透過光強度はゼロにはならなかった。励起光強度を上げていくと、最大157ｍＷで液晶が５３５ミリ秒後には相転移することが確認できた。（図４内のテーブル参照。）
【００５８】
７９ｍＷの励起光に対しては、液晶の相転移は観測できなかった。１０２ｍＷの励起光では１３秒以上、１３０ｍＷの励起光に対しては６３０ミリ秒以上、そして１５７ｍＷの励起光に対しては３５３ミリ秒以の定常入射により、プローブ透過光が初期値より一度増加し、その後、ゼロ付近に経時的に減衰した。７９ｍＷの励起光では素子中の液晶の相転移は起こらないが、励起光の強度が増すにつれ、相転移の速度も増加することが測定された。励起光はネマチック相において励起された導波路の高波長側の波長に設定されている。ネマチック相において励起された導波路は、イソトロッピク相に変化すると、液晶の屈折率が大きく変化する為に低波長側に５０nm以上スイッチングする（図２参照）。その為、ネマチック相において高波長側で励起されていた導波路は励起されなくなる。
【００５９】
図４が示すようにそのスイッチングの速度は励起光の強度によるが、最大３５３ミリ秒以上が本実施例では測定された。この際の励起光強度はダイオードレーザーなどでも容易に得られる強度である為、光のリーク防止、強度の光に対する照射を避ける際の光学スイッチに適している。
【００６０】
尚、本実施例で作製されたＣｒグレーティングの形状は一般的に液晶をＰｌａｎａｒ配向にする際にＲｕｂｂｉｎｇ処理されるポリマーと類似している。この応用により２次元、３次元フォトニック結晶を利用した液晶の配向に比べ、より簡潔に配向されたネマチック液晶層が可能となる。
【００６１】
一般的にフォトニック結晶のマイクロキャヴィティーに液晶を注入して光スイッチの研究をする際に２次元、３次元フォトニック結晶が使われている。ネマチック液晶は棒状（１次元的形状）なものの集合流体である。２次元、３次元フォトニック結晶内での液晶の配向は等価な組み合わせが複数あるので液晶を特定方向に制御するのは困難である。１次元グレーティング内では、液晶はグレーティングに沿ってほぼ確実に配向する。その結果、液晶が相転移する際にみられる光スイッチも効率良く最大化される。よって従来みられるスイッチングより大きな値でのスイッチング（５０nm以上のシフト）が観測された。
【００６２】
実施例２
実施例１は、液晶の相転移に基づくスイッチングの例であるが、本実施例では、液晶の屈折率の変化に基づくスイッチングの例を示す。使用する光導波路素子は、実施例１のものと同一である。実験装置概略図を図７に示す。
【００６３】
（a）液晶層内の導波路モードの有無の確認実験。
（b）同時に液晶層の変化を観測する実験。
【００６４】
（a）試料を初期温度、Ｔ＝Ｔｃ−１：ネマチック相で且つ相転移温度付近、に設定した。励起光（連続光）をその際に励起される導波路モードエネルギー（この場合波長）に設定する。励起光に対して垂直に（試料の側面から）伝播する導波路モードの時間的応答を測定した。結果を図８の（a）に示す。時間、０秒でシャッターが開けられ、その際に導波路モードが測定された。しかし、２５ミリ秒後には導波路モードは消失した。この時の導波路モードのパワーはシャッターが閉じている状況の値より高い。これには、試料内の液晶層を透過した励起光のいくらかが、石英基板内でTotal Internal  Reflectionを起こして、基板内を伝播しているものと思われる。このバックグラウンドノイズを取り除く為、基板の側面をある部分、黒く塗ったが光が少し漏れているものと考えられる。
【００６５】
（ｂ）同時に試料の同じ位置での液晶層の変化を測定した。結果を図８の（ｂ）に示す。導波路モードが２５秒以内で消失していることに対して、液晶はこの測定時間内では相転移は起こしていない（透過光はゼロにはなっていない）。しかし、その層は、透過光は、大きく変化している。これは液晶の屈折率の変化を表している。導波路モードがうまく閉じ込められている為、少しの液晶の屈折率の変化ででも、導波路モードエネルギーがシフトし励起されないことが（a）と（b）で示されている。
【産業上の利用可能性】
【００６６】
本発明は、光伝送の分野に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】実施例で作製した本発明の光導波路素子の説明図を示す。左上部は、ＳＥＭで撮影されたＣｒグレーティング試料の写真である。
【図２】白色光透過スペクトルを示す。
【図３】（a-1,a-2）白色透過スペクトルである。（b-1,b-2）液晶の理想配向状態を憶測した数値計算結果である。（c-1,c-2）白色光（プローブ光）透過スペクトルである。（ｄ-1,d-2）パンプ光（737.79nmの励起光）に対しての導波路モードの自発スイッチングの測定結果である。
【図４】励起光（７３７．７９nm）の光度強度の違いによる液晶相転移の速度の測定結果を示す。
【図５】本発明の光導波路素子を用いた光学スイッチの説明図。
【図６】図6の上図は、従来から光学スイッチング、光リミッタの挙動を示し、図6の下図は、本発明の光導波路素子の挙動を示す。
【図７】実施例２で用いた実験装置の概略図を示す。
【図８】実施例２の実験結果を示す。（a）は、液晶層内の導波路モードの有無の確認実験結果であり、（b）同時に行われた液晶層の変化を観測する実験結果である。
【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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