(57)【要約】【課題】大がかりな光源や集光光学系が不要で低消費電力な小型の光機能素子及びその作動方法を提供する。【解決手段】基板１上に、光変調素子２と、該光変調素子２に光を照射するための光照射用導波路３とが設けられてなることを特徴とするもので、特に、前記光変調素子２が、一対の光信号用導波路４、５を具備し、該光信号用導波路４の一部に、前記光応答性導波路６及び分岐部Ａ、ｂが含まれることが好ましい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に、光変調素子と、該光変調素子に光を照射するための光照射用導波路とが設けられてなることを特徴とする光機能素子。
【請求項２】
前記光変調素子が、一対の光信号用導波路及び分岐部を具備し、該光信号用導波路が光応答性導波路を含むことを特徴とする請求項１に記載の光機能素子。
【請求項３】
前記基板上にグラッド層が設けられ、該グラッド層に前記光変調素子及び前記光照射用導波路が内蔵されていることを特徴とする請求項１又は２記載の光機能素子。
【請求項４】
前記光照射用導波路が、前記光応答性導波路に対して略垂直の方向から光を照射するように配置されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の光機能素子。
【請求項５】
前記光照射用導波路が非線形光学効果を有する材料からなることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の光機能素子。
【請求項６】
前記光照射用導波路が有機薄膜からなることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の光機能素子。
【請求項７】
前記光応答性導波路が光応答性有機ガラスからなることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の光機能素子。
【請求項８】
前記光応答性有機ガラスが、ジアリールエテン系フォトクロミック材料からなることを特徴とする請求項７のいずれかに記載の光機能素子。
【請求項９】
請求項１乃至８のいずれかに記載の光機能素子の作動方法であって、光照射用導波路から光変調素子に対して光を照射することによって、光信号の変調を行うことを特徴とする光機能素子の作動方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信及び光情報処理分野等において使用される光信号用導波路型の光制御デバイスに対して好適に用いられる光機能素子及びその作動方法に関するものである。
【０００２】
【従来技術】
近年、光通信システムや、光情報処理システムの実用化が進むにつれて、さらに大容量の光信号を処理できる高機能システムが要求されている。これらのシステムの実現には、光信号を伝送・処理するための光信号用導波路回路が不可欠となっている。
【０００３】
例えば、基板上に光信号用導波路を作製することで種々の機能を実現したり、ポッケルス効果等の電気光学効果を有する基板上に光信号用導波路回路を形成して電気信号を印加して能動的機能を発現させたり、半導体基板上に光信号用導波路を形成することにより、半導体レーザ等の光部品の集積化が行われている。
【０００４】
光機能素子を構成する光信号用導波路には、波長が１．３１や１．５５μｍの赤外光に対して良好な透過特性を示すＰＭＭＡ（ポリメタクリル酸メチル）に代表される有機ポリマーが従来用いられてきた。また、ＰＭＭＡに特定の機能を有する有機分子を分散させる手法や、ＰＭＭＡのポリマー側鎖を機能性分子で修飾する手法を用いることによって、ＰＭＭＡに種々の機能が付与されている。
【０００５】
特に、光応答性を有するフォトクロミック材料の研究が、近年活発に行われ、従来の記録用材料としてのみならず、通信用光機能素子への応用が提案されている（例えば、非特許文献１参照、特許文献１〜３）。
【０００６】
フォトクロミック材料は、波長選択的な光応答性を有するため、異なった波長の光照射によりＯＮ、ＯＦＦの信号を発生することが可能であり、これを用いた光機能素子が提案されている。例えば、分子構造が、化１に示すように、可逆的な変化を示すと、この化学構造の変化に応じて光吸収係数、屈折率、旋光性あるいは誘電率等の光学特性が変化し、しかも分子構造のみならず特性も可逆的に変化し、且つその分子構造及び特性が光の再照射による構造変化まで保持されるという特徴を有している。
【０００７】
【化１】
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【０００８】
このような機能性有機材料を用いたデバイスは、一連の過程が純粋な光学的反応を利用するため、フォクロミック材料を用いた光機能素子では従来必要不可欠であった電極形成が不要となり、電気回路から解放されるという特徴があり、今後の集積化や高機能化に用いられる材料の一つと見込まれている。
【０００９】
このようなフォトクロミック材料を用いた光機能素子の応用例として、光のスイッチングを行う光機能素子が提案されている。例えば、図２に示したように、ガラス等の透明基板１１の主面にＰＭＭＡからなるグラッド層１２が設けられ、その内部に光変調素子が形成されている。（例えば、特許文献４〜１１参照）
光変調素子は、一対の光信号用導波路１４、１５で構成されている。光信号用導波路１４、１５は、互いに接近した分岐部Ａと分岐部Ｂ、光応答性導波路１６、光の入射口となる入力ポートＰ１、Ｐ２、及び出射口である出力ポートＰ３、Ｐ４を具備している。
【００１０】
光信号用導波路１４、１５は、フッ素を含有するＰＭＭＡで構成され、また、光応答性導波路１６にはジアリールエテン誘導体等のフォトクロミック分子が含まれている。
【００１１】
このような光変調素子は、基板１１の主面側又は対向主面側からランプ等の光源１８を用いて光を光応答性導波路１６に照射し、フォトクロミック分子に構造変化を誘起し、この構造変化に伴う屈折率変化によって光応答性導波路１６の屈折率が変化し、入力ポートＰ１、Ｐ２より入射された光信号が第一の分岐部Ａで分波されてそれぞれ光応答性導波路１６と光不動性導波路１７を通り、再び第二の分岐部Ｂで分岐する際に、光応答性導波路１６と光不動性導波路１７を通過する際に生じた光の位相差に応じて干渉が生じ、出力ポートＰ３、Ｐ４の出射光強度を制御できる。
【００１２】
なお、光源１８には、例えば紫外光（波長α１）と可視光等（波長α２）を照射することにより、光応答性導波路１６の屈折率を可逆的に変化させ、その結果、光のスイッチング機能を果たすことができる。
【００１３】
このような屈折率変化Δｎは、分子構造変化が可逆的であることから、一定であり、フォトクロミック分子が分散された光応答性導波路１６の長さＬを最適に設定することにより、所望のスイッチング機能を実現することができる。
【００１４】
【非特許文献１】
Ｍ．Ｈｏｓｈｉｎｏ、Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ  Ｖｏｌ．３３（１９９６）、ｐ．１５５０〜１５５３
【特許文献１】
特開２００１−１５１７６９号公報
【特許文献２】
特開２００１−６４２７６号公報
【特許文献３】
特開平１１−３１１８１３号公報
【特許文献４】
特開平８−１３６７５２号公報
【特許文献５】
特開平５−１９６９７３号公報
【特許文献６】
特開２００２−２９３７８４号公報
【特許文献７】
特開２００２−６９４３９号公報
【特許文献８】
特開２００１−４８８７５号公報
【特許文献９】
特開２０００−２２６５７１号公報
【特許文献１０】
特開２０００−１６０１５３号公報
【特許文献１１】
特開２０００−４７２７０号公報
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献３〜１１に記載の構造を有する光機能素子は、優れたスイッチング機能を有するものの、フォトクロミック材料の構造を変化させるために照射する光の光源としてランプやレーザ等が用いられているが、そのために光信号用導波路素子の小型化が難しく、さらには、大きな消費電力が必要となり、実用性が低いという問題があった。
【００１６】
また、照射用光源を光応答性導波路１６に局所的に照射する必要があるため、集光光学系が必要となり、装置が大型化するという問題があった。
【００１７】
したがって、本発明は、大がかりな光源や集光光学系が不要で低消費電力な小型の光機能素子及びその作動方法を提供することを目的とする。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、光変調素子に隣接するように光照射用導波路を設けることにより、光を効率良く光変調素子に照射できるため、大がかりな光源や集光光学系が不要で低消費電力の小型の光機能素子を実現できるという知見に基づく。
【００１９】
即ち、本発明の光機能素子は、基板上に、光変調素子と、該光変調素子に光を照射するための光照射用導波路とが設けられてなることを特徴とする。
【００２０】
特に、前記光変調素子が、一対の光信号用導波路を具備し、該光信号用導波路の一部に、光応答性導波路及び分岐部が含まれることが好ましい。このような構造を採用することによって、２つの分岐部間で入力された信号光に位相差を生じせしめて、信号光の変調を可能にすることができる。
【００２１】
また、前記基板上にグラッド層が設けられ、該グラッド層に前記光変調素子及び前記光照射用導波路が内蔵されていることが好ましい。これにより、光変調素子を保護するとともに、光の漏出を効果的に防止できる。
【００２２】
さらに、前記光照射用導波路が、前記光応答性導波路に対して略垂直の方向から光を照射するように配置されていることが好ましい。これにより、光応答性有機ガラスからなる光応答性導波路に局所的に光を略垂直な方向から照射できるため、効率よく光照射を行うことができる。
【００２３】
また、前記光照射用導波路が非線形光学効果を有する材料からなることが好ましい。従来は、紫外光、可視光の２つの光源が必要であったが、非線形光学効果を発現する材料を用いることにより、電圧を印加するだけで照射光の波長を２倍、又は１／２倍に変調することが可能となり、一つの光源で２種類の波長の光を照射することができ、更なるシステムの小型化に寄与できる。
【００２４】
さらに、前記光照射用導波路が有機薄膜からなることが、光変換効率およびプロセスの簡略化の点で好ましい。
【００２５】
さらに、前記光応答性導波路が光応答性有機ガラスからなることが、光変調素子の小型化の点で好ましい。中でも、前記光応答性有機ガラスが、ジアリールエテン系フォトクロミック材料であることが好ましい。従来は、低分子系のフォトクロミック材料を高分子樹脂に分散させ用いていたが、低分子系フォトクロミック材料を高濃度で分散することができず、結果として十分な屈折率変化が得られないという問題があった。これに対して、ジアリールエテン系フォトクロミック材料を用いることによって、高分子樹脂中に分散させなくても単一材料として薄膜形成することができるため、屈折率変化が大きく、結果として光応答性導波路の短縮化を容易に実現する。さらにジアリールエテン骨格を示すことから、繰り返し耐久性に優れた光変調素子が実現できる。
【００２６】
また、光機能素子の作動方法は、上記の光機能素子の作動方法であって、光照射用導波路から光変調素子に対して光を照射することによって、光信号の変調を行うことを特徴とするものである。これによって、小型化、小消費電力化を達成することができる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
本発明は、光変調素子と光照射用導波路とが同一基板上に併設されてなることが重要であり、このような構造を採用することによって、光照射用導波路から光変調素子に直接光を照射できるため顕著な小型化を実現でき、しかも大がかりな光源や集光光学系が不要となり、消費電力も低減できる。
【００２８】
本発明の光機能素子は、例えば図１（ａ）に示したように、基板１上に光変調素子２と、光照射用導波路３とが設けられている。このように光照射用導波路３が光変調素子２に隣接させることにより、光変調素子２に光を照射して光信号の変調を行うことができ、例えば光のスイッチングも行うことができる。
【００２９】
光変調素子２は、一対の光信号用導波路４、５と、分岐部Ａ、Ｂとを有し、光信号用導波路４が光に応答して特性が可逆的に変化する光応答性導波路６を含み、光信号用導波路５が光に応答しない光不動性導波路７とを並列して配置するのが良い。このような構成にすることにより、光照射用導波路３から照射された光を光応答性導波路６で受光して構造変化が起こり、光に応答しない光不動性導波路７との光の位相差によって光を容易に変調することができる。
【００３０】
さらに、光の入射口である入力ポートＰ１、Ｐ２及び出射口である出力ポートＰ３、Ｐ４とを備えることにより、入力ポートＰ１、Ｐ２から入射した光は、分岐部Ａ、分岐部Ｂによってそれぞれの強度を調整し、出力ポートＰ３、Ｐ４から変調した光を出力することができる。
【００３１】
光変調素子２及び光照射用導波路３は、基板１の表面に設けられたグラッド層８の内部に形成されていることが好ましい。これは、信号光を導波路内に閉じ込め、導波炉内を効率よく導波させ、また、周囲の環境から保護される。
【００３２】
グラッド層８は、透光性材料、特にＰＭＭＡ（ポリメタクリル酸メチル）に代表される透光性有機材料からなり、内部に設けられた光信号用導波路４、５及び光応答性導波路６を保護するとともに、光信号用導波路４、５及び光応答性導波路６の内部を通過する光が外部に漏出することを防止する効果がある。
【００３３】
なお、光変調素子２がグラッド層８内に含まれるのが良いが、入力ポートＰ１、Ｐ２及び出力Ｐ３、Ｐ４は、光信号の入出力に関するものであり、外部との接続のために入出力ポートを構成する光信号用導波路４、５の一部がグラッド層８の外部に設けられていても良い。また、基板１がグラッド層８と同様の作用効果を有していれば、光変調素子２が基板１の上に直接設けられても良い。
【００３４】
グラッド層８の厚みは、素子の保護のため、１０〜５０μｍ、特に１５〜４０μｍ、更には２０〜３０μｍの厚みであることが好ましく、スピンコート等の方法を用いて薄膜として形成されていることが好ましい。
【００３５】
光信号用導波路４、５は、グラッド層８と屈折率の異なる材料からなり、その差によって光が光信号用導波路４、５から外部に漏出することを防止できる。光漏出を効果的に防止するため、光信号用導波路４、５の屈折率はグラッド層８の屈折率よりも大きい方が良い。また、屈折率の差が０．５以上であると光漏出防止に対してより効果的である。
【００３６】
光信号用導波路４、５としては、例えばＰＭＭＡ等の透光性材料を用いることができる。
【００３７】
光信号用導波路４、５の幅は、光信号の効率的な伝送のため、１〜５μｍ、特に２〜４μｍであることが好ましい。また、その厚みも同様の理由により１〜５μｍ、特に２〜４μｍであることが好ましい。
【００３８】
光照射用導波路３は、光応答性導波路に対して略垂直の方向から光を照射するように配置されていることが好ましい。即ち、これにより、光応答性導波路に対してより大きな光量で光を照射でき、省電力化にさらに寄与できる。
【００３９】
また、光照射用導波路３において、光を放出する端部がテーパー状に形成され、導波光の漏出を効果的に防止し、且つ光応答性導波路６に集中的に光を照射することが可能となり、省電力化の点で好ましい。
【００４０】
光照射用導波路３は、非線形光学効果を有する材料で構成されていることが好ましい。このような材料を分極処理し、分極方向が周期的に反転した擬似位相整合型第２高調波素子を形成することが容易であり、この素子を光変調に用いることで、単一の光源及び単一の光照射用導波路３でも２種類の波長の光を照射することができ、光機能素子の小型化ができる。
【００４１】
また、光照射用導波路３は、有機薄膜からなることが好ましい。有機薄膜は光変換効率も高く、また光信号用導波路４、５、光応答性導波路６又はグラッド層８と同様に有機材料からなるため、製造プロセスの簡略化にも有利である。
【００４２】
光照射用導波路３として、ＰＭＭＡ側鎖に色素ＤＲ１を導入したポリマーを例示できる。これは非線形光学効果を有し、さらに有機薄膜にすることによって、低コストの塗布法で薄膜形成が可能となる。
【００４３】
光応答性導波路６が、光応答性有機ガラスからなることが好ましい。この光応答性有機ガラスは大きな屈折率を有するため、光応答性導波路の長さを短縮することができ、素子のさらなる小型化に寄与できる。
【００４４】
また、光応答性有機ガラスは、ジアリールエテン系フォトクロミック材料、例えば、末端にジフェニルアミノ基を有するジチエニルエテン誘導体であることが好ましい。このジチエニルエテン誘導体の化学式は、化２に示すもので、これを採用することにより、小型化および高速応答性の実現に効果が高い。
【００４５】
【化２】
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【００４６】
光源は、レーザーダイオード及び／又は発光ダイオードが用いられる。信号光と同様に光ファイバケーブルを伝搬して光照射用導波路３の入力口に接続され照射される。さらに、レーザーダイオードや発光ダイオードを基板上に形成しても良く、また、複数の光変調素子２を集積した基板１上に光源を設けても更なるシステムの小型化を推進するために好ましい。
【００４７】
光の波長は所望のものを用いればよいが、ジアリールエテン系材料を光応答性導波路６に用いる場合、可逆的化学変化を最も効率的に行うために、紫外光と可視光とを用いるのが良い。
【００４８】
次に、本発明の光機能素子の製造方法について、ＰＭＭＡを用いた場合を一例として説明する。即ち、ＰＭＭＡを２層形成し、下部グラッド層及び上部グラッド層とし、更にその層間に変調素子と光照射用導波路を内蔵するように形成する。
【００４９】
まず、ガラス基板上に、スピンコート等の方法を用いて、ＰＭＭＡ（ポリメタクリル酸メチル）膜を約数１０μｍの厚みで形成し、これを下部グラッド層とする。
【００５０】
下部グラッド層の表面に、グラッド層と所望の屈折率差を有するフッ素を含有したＰＭＭＡを用いて、幅１〜５μｍ、厚さ１〜５μｍの光信号用導波路を形成する。形成に当っては、スピンコート等により全面に成膜した後、例えばフォトリソグラフィー技術、並びにドライエッチング技術を用いて光導波路を形成すればよい。
【００５１】
次に、光応答性導波路を形成する。即ち、光応答性有機ガラス材料を上記と同様の方法で成膜した後、不要部分をフォトリソグラフィー技術、並びにドライエッチング技術を用いて除去して形成する。
【００５２】
また、光照射用導波路を作製する。非線形光学効果を有する材料、例えばＰＭＭＡ側鎖に色素ＤＲ１を導入したポリマー等をスピンコートし、この上に櫛型周期電極をフォトリソグラフィー技術を用いて形成する。これに電界を印加し、分極方向が周期的に反転した擬似位相整合型第２高調波素子を形成する。
【００５３】
最後にＰＭＭＡ膜を上記と同様な方法で１０〜１５μｍの厚みで形成し、上部グラッド層とする。このようにして、グラッド層を２層に分けて形成することにより、光変調素子及び光照射用導波路をグラッド層の内部に形成することが容易にできる。
【００５４】
本発明の光機能素子の作動方法は、上記の光機能素子において、光照射用導波路から光変調素子、特に光変調素子を構成する光応答性導波路に光を照射することによって、光応答性有機ガラス材料の屈折率が変化し、２つの導波路間に光の位相差が生じ、その結果スイッチング機能を発現するものである。このような操作を行うことによって、完全光制御小型低消費電力型光導派路型光制御素子を実現できる。
【００５５】
光信号が入力ポートＰ１、Ｐ２から入力し、第一の分岐部Ａを通過した光の一方が光応答性導波路を通るとともに、他方が光不動性導波路を通り、第二の分岐部Ｂに達する際に、信号長の光路長が変わるため、出力ポートＰ３、Ｐ４とからの出力信号を変調することができる。
【００５６】
光照射用導波路から光応答性導波路に光を照射することによって、光応答性導波路を構成する光応答性有機ガラスの化学構造を可逆的に変化させ、その構造変化に伴う屈折率の変化を利用して光の変調を行うものであり、このような光変調方法は、消費電力の小さな光源や小型の光源を用いることが出来、光機能素子の小型化を実現でき、その結果、光システムの小型化に大きく寄与することができる。
【００５７】
【発明の効果】
本発明は、基板上に光変調素子と共に光照射用導波路を設けることにより、光照射用導波路から光変調素子に光を照射してスイッチング機能を発現することができるので、小型で低消費電力の光機能素子を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光機能素子を示すもので、（ａ）斜視図、（ｂ）概略断面図である。
【図２】従来の光機能素子の斜視図である。
【符号の説明】
１・・・基板
２・・・光変調素子
３・・・光照射用導波路
４、５・・・光信号用導波路
６・・・光応答性導波路
７・・・光不動性導波路
８・・・グラッド層
Ａ、Ｂ・・・分岐部
Ｐ１、Ｐ２・・・入力ポート
Ｐ３、Ｐ４・・・出力ポート
【図１】
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【図２】
2004177623.tif 000006