(57)【要約】【課題】扱い易い光学機能材料を提供する。【解決手段】特定の光を選択的に透過させる材料であって、入射した複数の光のうちの特定の光以外を散乱、吸収する半導体粉末１１０と、波長選択フィルタを形成し、半導体粉末１１０を分散するゲル状物質１２０とを含み、半導体粉末１１０の粒系を１０倍した値よりも小さな値の波長の光１３０を散乱し、半導体粉末１１０のバンドギャップ波長よりも短い波長の光１４０を吸収し、半導体粉末１１０の粒系を１０倍した値よりも大きな値で、かつ、半導体粉末１１０のバンドギャップ波長よりも長い波長の光１５０を透過させる。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
特定の光を選択的に透過させる材料であって、
当該材料は、半導体粉末と粘質を持ったゲル状物質とを含む
ことを特徴とする光学機能材料。
【請求項２】
前記半導体粉末の大きさは、透過させる光の波長の１０分の１以下である
ことを特徴とする請求項１記載の光学機能材料。
【請求項３】
前記半導体粉末のバンドギャップ波長は、透過させる光の波長よりも短い
ことを特徴とする請求項１又は２記載の光学機能材料。
【請求項４】
前記半導体粉末の形状は、球状である
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の光学機能材料。
【請求項５】
前記ゲル状物質の屈折率は、前記半導体粉末の屈折率と略一致する
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の光学機能材料。
【請求項６】
前記半導体粉末は、前記ゲル状物質において、漸次的な変化の濃淡を持って分散している
ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の光学機能材料。
【請求項７】
前記濃淡を持った分散は、前記半導体粉末の濃度の高い部分と前記半導体粉末の濃度の低い部分とが周期的である
ことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の光学機能材料。
【請求項８】
前記濃淡を持った分散は、さらに、
２次元若しくは３次元的な周期性を有する
ことを特徴とする請求項７記載の光学機能材料。
【請求項９】
前記半導体粉末は、磁性を有する
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の光学機能材料。
【請求項１０】
前記半導体粉末の形状は、針状であり、
前記半導体粉末の長手方向は当該光学機能材料に印加される磁場により方向を変える
ことを特徴とする請求項９記載の光学機能材料。
【請求項１１】
前記ゲル状物質の粘度は、ゲル状物質において前記半導体粉末が重力により沈む程度に低い
ことを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の光学機能材料。
【請求項１２】
前記ゲル状物質は、ゲル状物質と前記半導体粉末が分離する程度に半導体粉末となじみが悪い
ことを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載の光学機能材料。
【請求項１３】
前記ゲル状物質は、可塑性を有する
ことを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１項に記載の光学機能材料。
【請求項１４】
前記ゲル状物質は、筋状に硬化する
ことを特徴とする請求項１３記載の光学機能材料。
【請求項１５】
請求項１〜８のいずれか１項に記載の光学機能材料を用いた波長選択フィルタ。
【請求項１６】
請求項９又は１０記載の光学機能材料を用いた偏波回転素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、扱い易い光学機能材料に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、光加入者系通信網といった高度情報化社会に向けて、半導体レーザを代表とする光能動素子や光機能モジュールの開発が急速に進められている。さらに今後は、家庭にまで光ファイバの敷設を行うことで、各家庭への光通信端末の普及が見込まれている。光通信端末の普及には、低価格な光通信端末を実現することが重要であり、低コストの光送受信モジュールの実現が望まれている。
【０００３】
しかしながら、低コストの光送受信モジュールの実現には、いくつかの問題がある。特に問題であるのが容易に取り付けることのできる波長選択フィルタの実現である。光送受信モジュールには波長１．５５ｍ帯の映像用信号と波長１．３ｍ帯の双方向通信用信号とを分離するための波長選択フィルタが集積されており、波長選択フィルタは柔軟性の無い２０μｍ程度の薄いフィルム状の誘電体多層膜からなるので、スリットに対する波長選択フィルタの挿入位置決めをおこなうという困難な工程が必要となり、この工程が光送受信モジュールのコスト削減を困難にしているのである。
【０００４】
このような問題を解決するものとして、有機材料からなる波長選択フィルタがある。これは、様々な形に容易に加工できる柔軟性のある有機材料を波長選択フィルタに使用することで、スリットに波長選択フィルタを挿入する工程を省略し、光送受信モジュールの低コスト化を図っている。また、このような問題を解決するための先行事例としては、「光学フィルタ挿入型光導波路素子」（特許文献１参照）がある。これは、光送受信モジュールに波長選択フィルタを挿入するための位置を示すマーカをエッチングによって設けることで、波長選択フィルタの挿入を容易にし、光送受信モジュールの低コスト化を図っている。
【０００５】
【特許文献１】
特開平９−２１１２４３号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の有機材料からなる波長選択フィルタでは、有機材料を構成する高分子が可視光波長領域にフィルタ機能を持ち、かつ、孤立分子であるためにその吸収スペクトルが非常に狭いので、広い波長領域においてフィルタ機能を必要とする場合に対応できないという問題がある。
【０００７】
また、従来の波長選択フィルタを挿入するための位置を示すマーカを設けた光送受信モジュールでは、位置を示すマーカを設ける工程を加える必要があり、依然、光送受信モジュールに波長選択フィルタを容易に取り付けることができていないという問題がある。
【０００８】
これらの問題は、有機材料や誘電体多層膜といった既存の材料を波長選択フィルタに応用するという前提から生じる問題であり、広い波長領域においてフィルタ機能を有し、かつ、扱い易い材料が存在すれば、上記のような問題は生じない。そこで、本発明は、かかる問題点に鑑み、広い波長領域においてフィルタ機能を有し、かつ、扱い易い光学機能材料を実現することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明に関わる光学機能材料は、特定の光を選択的に透過させる材料であって、当該材料は、半導体粉末と粘質を持ったゲル状物質とを含むことを特徴とする。
【００１０】
これによって、光学機能材料の形状がゲル状物質により決定され、半導体粉末により透過させる光の選択がおこなわれるので、柔軟で扱い易く、広い範囲の波長領域においてフィルタ機能が必要な場合に対応する光学機能材料を実現できるという効果が発揮される。
【００１１】
また、前記半導体粉末の大きさは、透過させる光の波長の１０分の１以下であってもよい。
【００１２】
これによって、透過させる光は半導体粉末により散乱されず、半導体粉末の粒系を１０倍した値よりも小さな値の波長の光が半導体粉末により散乱されるので、半導体粉末の粒系を制御することにより、透過させる光を選択することができるという効果が発揮される。
【００１３】
また、前記半導体粉末のバンドギャップ波長は、透過させる光の波長よりも短くてもよい。
【００１４】
これによって、透過させる光は半導体粉末により吸収されず、バンドギャップ波長よりも短い波長の光が半導体粉末により吸収されるので、半導体粉末の種類を制御することにより、透過させる光を選択することができるという効果が発揮される。
【００１５】
また、前記半導体粉末の形状は、球状であってもよい。
【００１６】
これによって、半導体粉末が球状であるため光の偏光方向に対して無依存なので、光の偏光方向に依存することなくフィルタ機能を発揮する光学機能材料を実現できるという効果が発揮される。
【００１７】
また、前記ゲル状物質の屈折率は、前記半導体粉末の屈折率と略一致してもよい。
【００１８】
これによって、ゲル状物質と半導体粉末の屈折率差を無くすことができるので、ゲル状物質と半導体粉末の界面における反射を大幅に軽減することができるという効果が発揮される。
【００１９】
また、前記半導体粉末は、前記ゲル状物質において、漸次的な変化の濃淡を持って分散していてもよい。
【００２０】
これによって、光学機能材料において吸収係数が連続的に変化することとなるので、吸収係数の急激な変化による透過させる光の散乱を抑制することができるという効果が発揮される。
【００２１】
また、前記濃淡を持った分散は、前記半導体粉末の濃度の高い部分と前記半導体粉末の濃度の低い部分とが周期的であってもよい。
【００２２】
これによって、光学機能材料において屈折率が周期的に変化することとなり、ブラッグ波長と同じ波長の光が強く反射されるので、特定の波長の光だけを反射する光学機能材料を実現することができるという効果が発揮される。
【００２３】
また、前記濃淡を持った分散は、さらに、２次元若しくは３次元的な周期性を有してもよい。
【００２４】
これによって、光学機能材料はフォトニック結晶の機能を有し、フォトニックバンドギャップと同じ波長の光は透過させないので、半導体粉末の粒系、バンドギャップ波長以外にも透過する光を選択する手段を提供することができ、非常に高い自由度を持って透過させる光を選択できる光学機能材料を実現することができるという効果が発揮される。
【００２５】
また、前記半導体粉末は、磁性を有してもよい。
【００２６】
これによって、光の偏光方向を回転する光機能材料を実現することができるという効果が発揮される。
【００２７】
また、前記半導体粉末の形状は、針状であり、前記半導体粉末の長手方向は当該光学機能材料に印加される磁場により方向を変えてもよい。
【００２８】
これによって、光の偏光方向を回転する場合と偏光方向を回転しない場合とを選択できる光機能材料を実現することができるという効果が発揮される。
【００２９】
また、前記ゲル状物質の粘度は、ゲル状物質において前記半導体粉末が重力により沈む程度に低くてもよい。
【００３０】
これによって、半導体粉末は重力によりゲル状物質の下方に沈降し、半導体粉末は下方に密集にするので、少ない半導体粉末でもフィルタ機能を有する光機能材料を実現できるという効果が発揮される。
【００３１】
また、前記ゲル状物質は、ゲル状物質と前記半導体粉末が分離する程度に半導体粉末となじみが悪くてもよい。
【００３２】
これによって、半導体粉末とゲル状物質とは相分離し、その界面において半導体粉末は密集するので、緻密な光機能材料を実現できるという効果が発揮される。
【００３３】
また、前記ゲル状物質は、可塑性を有してもよい。
【００３４】
これによって、ゲル状物質は任意の形状で固化させ、また、ゲル状物質に分散している半導体粉末の位置を固定することができるので、形状の選択性に自由度を持ち、かつ、安定性のある光学機能材料を実現できるという効果が発揮される。
【００３５】
また、前記ゲル状物質は、筋状に硬化してもよい。
【００３６】
これによって、筋状に硬化したゲル状物質に含まれる半導体粉末も筋状に配置されるので、偏波特性を持つ光学機能材料を実現することができるという効果が発揮される。
【００３７】
また、本発明に係る光学機能材料を用いた波長選択フィルタであってもよい。
【００３８】
これによって、広い波長領域でフィルタ機能を有し、かつ、扱い易い波長選択フィルタを実現することができるという効果が発揮される。
【００３９】
また、本発明に係る光学機能材料を用いた偏波回転素子であってもよい。
【００４０】
これによって、扱い易い偏波回転素子を実現することができるという効果が発揮される。
【００４１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態おける光学機能材料について、図面を参照しながら説明する。
（第１の実施の形態）
図１は、本実施の形態における波長選択フィルタの構成を概念的に示す図である。
【００４２】
本実施の形態の波長選択フィルタは、広い波長領域でフィルタ機能を有し、かつ、扱い易い波長選択フィルタを実現することを目的とするものであって、波長選択フィルタに入射する光のうち特定の波長領域以外の波長の光を散乱、吸収する半導体粉末１１０と、波長選択フィルタを形成し、半導体粉末１１０を分散するゲル状物質１２０とから構成される。
【００４３】
半導体粉末１１０は、ボールミルやアトライター等の機械的粉砕法、あるいは陽極化成法により得られた多孔質半導体を粉砕することにより作製される球状の半導体微粒子である。なお、半導体粉末１１０は、複数種類の半導体微粒子の混合であってもよい。ここで、半導体粉末１１０の粒系をａとし、バンドギャップ波長をλｇとする。
【００４４】
ゲル状物質１２０は、シリコーンゲル、ポリエチレンゲル等の粘質を持った物質である。なお、ゲル状物質１２０は、複数種のゲル状物質の混合であってもよい。また、ゲル状物質１２０は、可塑性を有しても良い。ここで、可塑性を有するゲル状物質１２０とは、熱エネルギーにより重合反応が進み硬化する加熱硬化型のゲル状物質、あるいは光エネルギーにより重合反応が進む紫外線照射硬化型のゲル状物質のことをいう。また、ゲル状物質１２０は、金属アルコキシドを原料としてゾルゲル法により作製される物質であってもよい。
【００４５】
このような構成を有する波長選択フィルタは、ゲル状物質１２０に半導体粉末１１０を投入し、半導体粉末１１０が一様に分布するように攪拌することにより作製される。
【００４６】
上記で述べた波長選択フィルタによる透過させる光の選択のメカニズムについて、図１を参照し、説明する。
【００４７】
波長選択フィルタによる透過させる光の選択は、半導体粉末１１０の粒系ａを１０倍した値よりも小さな値の波長の光を半導体粉末１１０に散乱させ、半導体粉末１１０のバンドギャップ波長λｇよりも短い波長の光を半導体粉末１１０に吸収させることによりおこなわれる。例えば、（１）式の関係を持つλ１という波長の光１３０と、（２）式の関係を持つλ２という波長の光１４０と、（３）式の関係を持つλ３という波長の光１５０とが波長選択フィルタに入射する場合、光１３０は、半導体粉末１１０の粒系ａの値が光１３０の波長λ１を１０分の１倍した値よりも大きな値であるため半導体粉末１１０により散乱され、光１４０は、半導体粉末１１０のバンドギャップ波長λｇが光１４０の波長λ２よりも短いため半導体粉末１１０により吸収されるのに対して、光１５０は、半導体粉末１１０の粒系ａの値が光１５０の波長λ３を１０分の１倍した値よりも小さな値であるため半導体粉末１１０により散乱されず、また、半導体粉末１１０のバンドギャップ波長λｇが光１５０の波長λ３より長いため半導体粉末１１０により吸収されないので、光１５０だけが透過する。
λ１／１０＜ａ・・・（１）
λ２＜λｇ・・・（２）
λ３／１０＞ａ、λ３＞λｇ・・・（３）
【００４８】
ここで、半導体粉末１１０の粒系が大きく、半導体粉末１１０の屈折率とゲル状物質１２０の屈折率との差が大きい場合、半導体粉末１１０に入射する光は半導体粉末１１０とゲル状物質１２０との界面において反射され、半導体粉末１１０に効率良く入射することができない。よって、半導体粉末１１０の屈折率とゲル状物質１２０の屈折率との差が小さくなるように半導体粉末１１０とゲル状物質１２０とは選択されるのが好ましい。
【００４９】
以上のように本実施の形態によれば、波長選択フィルタは半導体粉末１１０とゲル状物質１２０とから構成され、その形状はゲル状物質１２０により決定される。よって、波長選択フィルタは任意の形状を採ることができるので、本実施の形態の波長選択フィルタは、扱い易い波長選択フィルタを実現することができる。
【００５０】
また、本実施の形態によれば、透過する光の選択は半導体粉末１１０によりおこなわれ、半導体粉末１１０は、その特性上、バンドギャップ波長よりも短い波長の光に対して大きな吸収係数を有し、バンドギャップ波長よりも長い波長の光に対し透明である。よって、本実施の形態の波長選択フィルタは、広い波長領域でフィルタ機能を有する波長選択フィルタを実現することができる。
【００５１】
また、本実施の形態によれば、波長選択フィルタを透過させる光は半導体粉末１１０の粒系と半導体粉末１１０のバンドギャップ波長との組み合わせにより変化する。よって、波長選択フィルタに含まれる半導体粉末１１０の粒系と種類との組合せを変化させることにより透過させる光を自由に選択することができるので、本実施の形態の波長選択フィルタは、高い自由度を持って透過させる光を選択する波長選択フィルタを実現することができる。
【００５２】
また、本実施の形態によれば、半導体粉末１１０はゲル状物質１２０に分散しており、その分布を自由に変化させることができる。よって、半導体粉末１１０の濃度を偏らせることにより、本実施の形態の波長選択フィルタは、少量の半導体粉末１１０でも有効に機能する波長選択フィルタを実現することができる。例えば、少量の半導体物質１１０を一様に分布させた場合、半導体粉末１１０に入射する確率が低くなるため波長選択フィルタはフィルタ機能を有効に発揮することができないが、少量の半導体粉末１１０を粘度の低いゲル状物質１２０に含ませ、重力により半導体粉末１１０の濃度を下側に偏らせ、図２に示すように半導体粉末１１０を分布させた場合、下側から入射する光は高い確率で半導体粉末１１０に入射するため波長選択フィルタはフィルタ機能を有効に発揮することができ、少量の半導体粉末１１０でも有効に機能する波長選択フィルタを実現することができる。
【００５３】
また、本実施の形態によれば、半導体粉末１１０となじみの悪いゲル状物質１２０と半導体粉末１１０とを組み合わせることにより、半導体粉末１１０とゲル状物質１２０とは相分離し、その界面において半導体粉末１１０は密集する。よって、半導体粉末１１０となじみの悪いゲル状物質１２０と半導体粉末１１０とを組み合わせることにより、本実施の形態の波長選択フィルタは、緻密な波長選択フィルタを実現することができる。
【００５４】
また、本実施の形態によれば、２種類以上の高分子材料の混合をゲル状物質１２０として使用することにより、硬化時に様々な自己組織化現象が現れるので、高分子材料の混合比率を調節することで層状、柱状、粒子状、ギロイド相状等の特徴的な構造を波長選択フィルタの中に持たせることができる。よって、２種類以上の高分子材料の混合をゲル状物質１２０として使用することにより、本実施の形態の波長選択フィルタは、更なる高次機能を有する波長選択フィルタを実現することができる。例えば、層状の構造を波長選択フィルタの中に持たせた場合、偏波依存性を有する波長選択フィルタを実現することができ、また、ギロイド相状の構造を波長選択フィルタの中に持たせた場合、フォトニック結晶の機能を有する波長選択フィルタを実現することができる。
【００５５】
また、本実施の形態によれば、線状の高分子からなる高分子ゲルをゲル状物質１２０として使用することにより、ゲル状物質１２０を筋状に固化させ、半導体粉末１１０を線状に配置させることができる。よって、線状の高分子からなる高分子ゲルをゲル状物質１２０として使用することにより、本実施の形態の波長選択フィルタは、光の偏光方向に対して異なる吸収特性を持つことができる。
【００５６】
なお、本実施の形態において、波長選択フィルタを構成するものとして粘質を持ったゲル状物質１２０を例示した。しかし、光エネルギーまたは熱エネルギーをゲル状物質１２０に与えて重合反応を進ませ、硬化させることで、本実施の形態の波長選択フィルタは、硬化したゲル状物質１２０から構成されてもよい。
【００５７】
また、本実施の形態において、半導体粉末１１０の形状は球状であるとした。しかし、半導体粉末１１０の形状は、重金属などで汚染させた半導体表面で結晶成長をおこなわせるウィスカー成長法等により作製される針状の半導体微粒子であってもよい。
【００５８】
（実施例１）
次に、第１の実施の形態の波長選択フィルタの具体例を実施例によって示す。図３（ａ）は、本実施例における光送受信モジュールの斜視図であり、図３（ｂ）は、同光送受信モジュールの断面図である。
【００５９】
本実施例における光送受信モジュールは、アナログ映像放送に用いられる１．５５μｍという波長の光を受信し、双方向デジタル通信に用いられる１．３μｍという波長の光を送信することを目的とするものであって、シリコン基板３１０と、石英基板３２０と、１．５５μｍ、１．３μｍという波長の光を伝送する光ファイバ３３０と、１．３μｍという波長の光を送信するレーザダイオード３４０と、１．５５μｍという波長の光を受信するフォトダイオード３５０と、ハーフミラー３６０と、１．５５μｍ、１．３μｍという波長の光から１．５５μｍという波長の光だけを透過させる波長選択フィルタ３７０とから構成される。
【００６０】
図４は、波長選択フィルタ３７０の構成を概念的に示す図である。
【００６１】
波長選択フィルタ３７０は、シリコーンゲル４２０に添加され、波長選択フィルタ３７０に入射した光のうちの１．４５μｍ以下の波長の光を吸収し、１．４μｍ以下の波長の光を散乱するＧａＩｎＡｓＰ半導体粉末４１０と、波長選択フィルタ３７０を形成し、ＧａＩｎＡｓＰ半導体粉末４１０を分散するシリコーンゲル４２０とから構成される。
【００６２】
このような構成を有する波長選択フィルタ３７０は、陽極化成法により得られた多孔質なＧａＩｎＡｓＰ混晶半導体を粉砕することにより直径０．１４μｍの球状のＧａＩｎＡｓＰ半導体粉末４１０を作製し、そのＧａＩｎＡｓＰ半導体粉末４１０とシリコーンゲル４２０とを混合し、攪拌することにより作製される。ここで、ＧａＩｎＡｓＰ混晶半導体の混晶比は、ＧａＩｎＡｓＰ混晶半導体をＧａ１−ＸＩｎＸＡｓ１−ＹＰＹ混晶半導体とした場合に、混晶比Ｘは０．３６であり、混晶比Ｙは０．２であって、バンドギャップ波長は、１．４５μｍである。なお、本実施例ではＧａＩｎＡｓＰ半導体粉末４１０と混合するゲル状物質としてシリコーンゲル４２０を例示した。しかし、ゲル状物質は、テトラメトキシシラン、メタノール、水、および塩酸を原料としてゾルゲル法により作製されるシリカゲルであってもよい。また、その場合、テトラメトキシシランはアルコキシシランであればそれに限られず、テトラエトキシシラン、テトラプロポキシシラン、テトラブトキシシラン等のテトラアルコキシシラン類、メチルトリエトキシシラン、メチルトリメトキシシラン、エチルトリメトキシシラン、エチルトリエトキシシラン、プロピルトリメトキシシラン、プロピルトリエトキシシラン等のトリアルコキシシラン類、あるいはジアルコキシシラン類等であってもよいし、メタノールは低級アルコールやそれらの混合物であればそれに限られず、エタノール、イソプロピルアルコール、あるいはそれらの混合物等であってもよいし、塩酸は酸触媒であればそれに限られず、硝酸、あるいは酢酸等であってもよい。
【００６３】
本実施例における光送受信モジュールによる１．５５μｍという波長の光の受信、および１．３μｍという波長の光の送信のメカニズムについて、図３、図４を参照し、説明する。
【００６４】
光送受信モジュールによる１．５５μｍという波長の光の受信は、光ファイバ３３０を伝送してきた１．５５μｍ、１．３μｍという波長の光のハーフミラー３６０による反射、１．５５μｍ、１．３μｍという波長の光の波長選択フィルタ３７０への入射、１．５５μｍという波長の光の波長選択フィルタ３７０による透過、１．５５μｍという波長の光のフォトダイオード３５０への入射という経路を辿っておこなわれる。ここで、波長選択フィルタ３７０による１．５５μｍという波長の光の透過は、波長選択フィルタ３７０に含まれるＧａＩｎＡｓＰ半導体粉末４１０にＧａＩｎＡｓＰ半導体粉末４１０の粒系０．１４μｍの１０倍、つまり、１．４μｍよりも小さな値の波長の光を散乱させ、ＧａＩｎＡｓＰ半導体粉末４１０のバンドギャップ波長１．４５μｍよりも短い波長の光を吸収させることによりおこなわれる。つまり、１．３μｍという波長の光４３０は、光４３０の波長１．３μｍが１．４μｍよりも小さな値のために散乱され、光４３０の波長１．３μｍが１．４５μｍよりも小さな値のためにＧａＩｎＡｓＰ半導体粉末４１０により吸収されるのに対し、１．５５μｍという波長の光４４０は、光４４０の波長１．５５μｍが１．４μｍよりも大きな値のためにＧａＩｎＡｓＰ半導体粉末４１０により散乱されず、光４４０の波長１．５５μｍが１．４５μｍよりも大きな値のためにＧａＩｎＡｓＰ半導体粉末４１０により吸収されないので、光４４０だけが透過するのである。
【００６５】
光送受信モジュールによる１．３μｍという波長の光の送信は、レーザダイオード３４０から１．３μｍという波長の光を光ファイバ３３０に送信することによりおこなわれる。
【００６６】
以上のように本実施例の光送受信モジュールによれば、波長選択フィルタ３７０の形状は粘質を持ったシリコーンゲル４２０により決定される。よって、光ファイバ３３０とフォトダイオード３５０との間の小さな隙間に容易に波長選択フィルタ３７０を流し込むことができ、波長選択フィルタの挿入という通常困難な工程を容易におこなうことができるので、本実施例の光送受信モジュールは、光送受信モジュールの低コスト化を実現することができる。
【００６７】
また、本実施例の光送受信モジュールにおける波長選択フィルタ３７０によれば、ＧａＩｎＡｓＰ混晶半導体をＧａ１−ＸＩｎＸＡｓ１−ＹＰＹ混晶半導体とした場合に、混晶比Ｘ、Ｙを変化させることによりバンドギャップ波長を変化させることができる。よって、本実施例の光送受信モジュールにおける波長選択フィルタは、高い自由度を持って透過させる光を選択する波長選択フィルタを実現することができる。
【００６８】
なお、本実施例の光送受信モジュールにおいて、波長選択フィルタ３７０に含まれる半導体粉末としてＧａＩｎＡｓＰ半導体粉末４１０を例示した。しかし、波長選択フィルタに含まれる半導体粉末として約０．１μｍの球状のＩｎＰ半導体粉末を使用した場合、波長選択フィルタは、長距離伝送のために用いられる１．３μｍという波長の光と、短距離伝送のために用いられる０．８５μｍという波長の光とから１．３μｍという波長の光だけを透過させるので、本実施例の光送受信モジュールは、波長選択フィルタに含まれる半導体粉末として直径０．１３μｍの球状のＩｎＰ半導体粉末を使用してもよい。ここで、ＩｎＰ半導体粉末は、陽極化成法により得られた多孔質なＩｎＰ半導体を粉砕することにより作製される。
【００６９】
（第２の実施の形態）
上記第１の実施の形態に関わる波長選択フィルタのゲル状物質１２０において、半導体粉末１１０が一様に分布されるとした。しかし、ゲル状物質１２０において半導体粉末１１０が周期的な濃淡を持って分布していても周期的な濃淡を持って分布していないときと同様の効果が得られ、更にこの場合、波長選択フィルタにおいて屈折率の変化が周期的となり、ブラッグ波長と同じ波長の光に対して強い反射が起きるので、特定の波長の光を反射させることができる。そこで、第２の実施の形態に関わる波長選択フィルタにおいて、周期的な濃淡を持って半導体粉末１１０をゲル状物質１２０に分布させた。以下、第１の実施の形態と異なる点を中心に説明する。
【００７０】
図５は、本実施の形態における波長選択フィルタの構成を概念的に示す図である。図５において、図１と同一の要素には同一の符号が付されており、それらに関する詳しい説明はここでは省略する。
【００７１】
本実施の形態の波長選択フィルタは、特定の波長の光を反射させることを目的とするものであって、周期的な濃淡を持ってゲル状物質１２０に分布する半導体粉末１１０と、ゲル状物質１２０とから構成される。ここで、ゲル状物質１２０における半導体粉末１１０の濃淡の変化は、なだらか（漸次的）である。
【００７２】
このような構成を有する波長選択フィルタは、ゲル状物質１２０に半導体粉末１１０を投入し、波長の等しい超音波を波長選択フィルタの両端から超音波振動子により照射し、振動強度の大きい場所に半導体粉末１１０の濃度の低い領域をつくり、振動強度の小さい場所に半導体粉末１１０の濃度の高い領域をつくることにより作製される。なお、超音波は４方向または６方向から波長選択フィルタに照射されてもよい。
【００７３】
上記で述べた波長選択フィルタによる特定の波長の光の反射のメカニズムについて、図４を参照し、説明する。
【００７４】
波長選択フィルタによる特定の波長の光の反射は、（４）式により決定されるブラッグ波長λｂと同じ波長の光を反射させることによりおこなわれる。（４）式において、ｎは、波長選択フィルタの平均的な屈折率であり、Λは半導体粉末１１０の濃淡の周期である。例えば、（５）式の関係を持つλ４という波長の光５１０と、（６）式の関係を持つλ５という波長の光５２０とが波長選択フィルタに入射した場合、光５１０は、光５１０の波長λ４が波長選択フィルタのブラッグ波長λｂと等しいために強い反射を受けるのに対して、光５２０は、光５２０の波長λ３が波長選択フィルタのブラッグ波長λｂと等しくないため反射を受けないので、光５１０だけが反射する。
λｂ＝Λ／ｎ・・・（４）
λ４＝λｂ・・・（５）
λ５≠λｂ・・・（６）
【００７５】
以上のように本実施の形態によれば、波長選択フィルタはブラッグ波長と同じ波長の光だけを反射する。よって、本実施の形態の波長選択フィルタは、特定の波長の光を反射する波長選択フィルタを実現することができる。
【００７６】
また、本実施の形態によれば、波長選択フィルタに超音波を４方向または６方向から照射することにより、半導体粉末１１０を２次元的または３次元的な周期構造の濃淡を持ってゲル状物質１２０に分布させることができる。よって、本実施の形態の波長選択フィルタは、特定の波長領域において光を透過させないフォトニック結晶の機能を有する波長選択フィルタを実現することができる。
【００７７】
また、本実施の形態によれば、ゲル状物質１２０における半導体粉末１１０の濃淡の変化をなだらかにすることができる。よって、吸収係数の変化が連続的となり、濃淡の変化の界面における透過させる光の反射を抑制することができるので、本実施の形態の波長選択フィルタは、透過効率の高い波長選択フィルタを実現することができる。
【００７８】
（第３の実施の形態）
上記第１の実施の形態に関わる波長選択フィルタに含まれる半導体粉末１１０が磁性を有する場合、半導体粉末１１０が磁性を有しないときと同様の効果が得られ、更にこの場合、波長選択フィルタに光の進行方向と同一方向に磁場を印加することにより、光の偏光方向を回転させることができる。そこで、第２の実施の形態に関わる波長選択フィルタにおいて、磁性を有する半導体粉末をゲル状物質１２０に分布させる。以下、第１の実施の形態と異なる点を中心に説明する。
【００７９】
図６は、本実施の形態における波長選択フィルタの構成を概念的に示す図である。図６において、図１と同一の要素には同一の符号が付されており、それらに関する詳しい説明はここでは省略する。
【００８０】
本実施の形態の波長選択フィルタは、偏光方向を回転する波長選択フィルタを実現することを目的とするものであって、波長選択フィルタに入射した光の偏光方向を回転させる磁性半導体粉末６１０と、波長選択フィルタを形成し、磁性半導体粉末６１０を分散するゲル状物質１２０と、磁性半導体粉末６１０が分散したゲル状物質１２０に磁場を印加する磁石のＳ極６２０ａ、磁石のＮ極６２０ｂとから構成される。
【００８１】
磁性半導体粉末６１０は、機械的粉砕法、あるいは陽極化成法により得られた多孔質半導体を粉砕することにより作製された球状の半導体微粒子に金属を添加することにより作製される磁性を有する半導体微粒子である。なお、磁性半導体粉末６１０は、複数種類の磁性を有する半導体微粒子の混合であってもよい。
【００８２】
このような構成を有する波長選択フィルタは、ゲル状物質１２０に磁性半導体粉末６１０を投入し、磁性半導体粉末６１０が一様に分布するように攪拌することにより作製される。
【００８３】
上記で述べた波長選択フィルタによる光の偏光方向の回転のメカニズムについて、図７を参照し、説明する。
【００８４】
波長選択フィルタによる光の偏光方向の回転は、磁石のＳ極６２０ａ、磁石のＮ極６２０ｂにより波長選択フィルタに磁場を印加し、その磁場と同一方向に進行する光の偏光方向を磁性半導体粉末６１０に回転させることによりおこなわれる。例えば、Ｘ軸方向に磁場Ｈが印加された波長選択フィルタに、Ｘ軸方向と異なる方向に進行する光６３０と、Ｘ軸方向と同一方向に進行する光６４０とが入射する場合、磁性半導体粉末６１０は、光６３０が磁場Ｈと異なる方向に進行するため光の偏光方向を回転しないのに対して、磁性半導体粉末６１０は、光６４０が磁場Ｈと同一方向に進行するため光の偏光方向を回転するので、光６４０の偏光方向だけが回転する。
【００８５】
以上のように本実施の形態によれば、波長選択フィルタは光の偏光方向を回転させる。よって、本実施の形態の波長選択フィルタは、偏波回転素子の機能を有する波長選択フィルタを実現することができる。
【００８６】
また、本実施の形態において、磁性半導体粉末６１０の形状は球状であるとした。しかし、磁性半導体粉末６１０の形状は、ウィスカー成長法等により作製された半導体微粒子に金属を添加することにより作製される針状の磁性を有する半導体微粒子であってもよい。
【００８７】
（実施例２）
次に、第３の実施の形態の波長選択フィルタの具体例を実施例によって示す。
図７（ａ）、（ｂ）は、本実施例の偏波スイッチング素子の構成を概念的に示す図である。
【００８８】
本実施例の偏波スイッチング素子は、偏光方向を回転させる場合と偏光方向を回転させない場合とを選択することを目的とするものであって、シリコーンゲル７２０に添加され、光の偏光方向を回転させるＧａＮ磁性半導体粉末７１０と、波長選択フィルタを形成し、ＧａＮ磁性半導体粉末７１０を分散するシリコーンゲル７２０と、ＧａＮ磁性半導体粉末７１０が分散したシリコーンゲル７２０に磁場を印加する磁石のＳ極７３０ａ、磁石のＮ極７３０ｂとから構成される。
【００８９】
このような構成を有する偏波スイッチング素子は、ウィスカー成長法により針状のＧａＮ半導体粉末を作製し、そのＧａＮ半導体粉末にＣｒを添加することによりＧａＮ磁性半導体粉末７１０を作製し、そのＧａＮ磁性半導体粉末７１０とシリコーンゲル７２０とを混合、攪拌することにより作製される。なお、本実施例ではＧａＮ磁性半導体粉末７１０と混合するゲル状物質としてシリコーンゲル７２０を例示した。しかし、ゲル状物質は、テトラメトキシシラン、メタノール、水、および塩酸を原料としてゾルゲル法により作製されるシリカゲルであってもよい。また、その場合、テトラメトキシシランはアルコキシシランであればそれに限られず、テトラエトキシシラン、テトラプロポキシシラン、テトラブトキシシラン等のテトラアルコキシシラン類、メチルトリエトキシシラン、メチルトリメトキシシラン、エチルトリメトキシシラン、エチルトリエトキシシラン、プロピルトリメトキシシラン、プロピルトリエトキシシラン等のトリアルコキシシラン類、あるいはジアルコキシシラン類等であってもよいし、メタノールは低級アルコールやそれらの混合物であればそれに限られず、エタノール、イソプロピルアルコール、あるいはそれらの混合物等であってもよいし、塩酸は酸触媒であればそれに限られず、硝酸、あるいは酢酸等であってもよい。
【００９０】
上記で述べた偏波スイッチング素子による偏光方向を回転させる場合と偏光方向を回転させない場合との選択のメカニズムについて、図７（ａ）、（ｂ）を参照し、説明する。
【００９１】
偏波スイッチング素子による偏光方向を回転させる場合と偏光方向を回転させない場合との選択は、偏波回転素子に印加する磁場の向きを変化させることによりおこなわれる。例えば、Ｘ軸方向に進行する光７４０が偏波スイッチング素子に入射する場合、図７（ａ）に示すように磁場ＨをＸ軸方向に印加することでＧａＮ磁性半導体粉末７１０の長手方向がＸ軸方向に揃うため、光７４０はＧａＮ磁性半導体粉末７１０に入射し、また、磁場Ｈが光７４０の進行方向と同一方向であるため、光７４０の偏光方向は回転するが、図７（ｂ）に示すように磁場ＨをＹ軸方向に印加することでＧａＮ磁性半導体粉末７１０の長手方向がＹ軸方向に揃うため、光７４０はＧａＮ磁性半導体粉末７１０に入射せず、また、磁場Ｈが光７４０の進行方向と異なる方向であるため、光７４０の偏光方向は回転しないので、磁場Ｈが光７４０の進行方向と同一方向であるときにだけ光７４０の偏光方向が回転する。
【００９２】
以上のように本実施例の偏波スイッチング素子によれば、偏波スイッチング素子に印加する磁場の向きに応じて光の偏光方向は回転したり、回転しなかったりする。よって、本実施例の偏波スイッチング素子は、偏光方向を回転させる場合と偏光方向を回転させない場合とを選択することができる。
【００９３】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明に係る光学機能材料によれば、光学機能材料はゲル状物質と半導体粉末とから構成され、その形状はゲル状物質により決定されるので、加工柔軟性がある波長選択フィルタを実現できるという効果が奏される。また、本発明に係る光学機能材料によれば、透過する光の選択は半導体粉末によりおこなわれるので、広い波長領域でフィルタ機能を有する波長選択フィルタを実現できるという効果が奏される。また、本発明に係る光学機能材料によれば、半導体粉末を周期的な濃淡を持ってゲル状物質に分散させることができるので、特定の波長の光だけを反射させる波長選択フィルタを実現できるという効果が奏される。また、本発明に係る光学機能材料によれば、３次元的な周期構造を持って半導体粉末をゲル状物質に分散させることができるので、フォトニック結晶の機能を有する波長選択フィルタを実現できるという効果が奏される。また、本発明に係る光学機能材料によれば、磁性半導体をゲル状物質に分散させることで光の偏光方向を回転させることができるので、加工柔軟性がある偏波回転素子を実現できるという効果が奏される。また、本発明に係る光学機能材料によれば、針状の磁性半導体粉末をゲル状物質に分散させ、外部から光学機能材料に磁場を印加することにより光の偏光方向が回転する場合と回転しない場合とを選択することができるので、光の偏光方向が回転する場合と回転しない場合とを選択する偏波スイッチング素子を実現できるという効果が奏される。
【００９４】
よって、本発明により、広い波長領域においてフィルタ機能を有し、かつ、扱い易い光学機能材料を提供することが可能となり、加工柔軟性があり、かつ、広い波長領域においてフィルタ機能を有する波長選択フィルタを使った安価で高性能な光通信用の光送受信モジュール、加工柔軟性がある偏波回転素子を使った安価な光アイソレータ等を実現することができ、実用的価値は極めて高い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態における波長選択フィルタの構成を概念的に示す図である。
【図２】同実施の形態における少量の半導体粉末でも有効に機能する波長選択フィルタの構成を概念的に示す図である。
【図３】（ａ）は、本発明の実施例１に係る光送受信モジュールの斜視図である。（ｂ）は、同光送受信モジュールの断面図である
【図４】同光送受信モジュールにおける波長選択フィルタの構成を概念的に示す図である。
【図５】本発明の第２の実施の形態における波長選択フィルタの構成を概念的に示す図である。
【図６】本発明の第３の実施の形態における波長選択フィルタの構成を概念的に示す図である。
【図７】（ａ）は、本発明の実施例２に係る偏波スイッチング素子において光の偏光方向が回転する場合の偏波スイッチング素子の構成を概念的に示す図である。（ｂ）は、本発明の実施例２に係る偏波スイッチング素子において光の偏光方向が回転しない場合の偏波スイッチング素子の構成を概念的に示す図である。
【符号の説明】
１１０    半導体粉末
１２０    ゲル状物質
１３０、１４０、１５０    光
３１０    シリコン基板
３２０    石英基板
３３０    光ファイバ
３４０    レーザダイオード
３５０    フォトダイオード
３６０    ハーフミラー
３７０    波長選択フィルタ
４１０    ＧａＩｎＡｓＰ半導体粉末
４２０    シリコーンゲル
４３０、４４０    光
５１０、５２０    光
６１０    磁性半導体粉末
６２０ａ    磁石のＳ極
６２０ｂ    磁石のＮ極
６３０、６４０    光
７１０    ＧａＮ磁性半導体粉末
７２０    シリコーンゲル
７３０ａ    磁石のＳ極
７３０ｂ    磁石のＮ極
７４０    光
【図１】
2004309763.tif 000003
【図２】
2004309763.tif 000004
【図３】
2004309763.tif 000005
【図４】
2004309763.tif 000006
【図５】
2004309763.tif 000007
【図６】
2004309763.tif 000008
【図７】
2004309763.tif 000009