(57)【要約】      （修正有）【課題】平面光導波路の光の通路に上に設けた微細な溝の間に均一な光学的品質を有する可飽和吸収領域を設定した光損失の少ない、可飽和吸収特性を利用する光学装置を提供する。【解決手段】平面光導波路４の信号光の通路上に非常に狭い溝６中に、カーボンナノチューブ分散ポリマー溶液を充填、乾燥することにより前記カーボンナノチューブ分散ポリマー領域７を形成する。この際、カーボンナノチューブ分散ポリマー溶液として、カーボンナノチューブ、アミド系極性有機溶媒並びに非イオン性界面活性剤及び／又はポリビニルピロリドン（ＰＶＰ）からなる溶媒をポリマー混合溶媒に混合した溶液を用いると、カーボンナノチューブが均一に分散された可飽和吸収領域が得られる。【選択図】  図２
2005321733.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
信号光の通路の途中にカーボンナノチューブ分散ポリマー領域を有する平面光導波路において、前記カーボンナノチューブ分散ポリマー領域が、前記光信号の通路の途中に形成された溝中にカーボンナノチューブ分散ポリマー溶液を充填、乾燥することにより形成されており、その可飽和吸収機能を利用することを特徴とする光学装置。
【請求項２】
前記溝の幅が１〜５０μｍである請求項１に記載の光学装置。
【請求項３】
前記カーボンナノチューブ分散ポリマー溶液が、カーボンナノチューブ、アミド系極性有機溶媒並びに非イオン性界面活性剤及び／又はポリビニルピロリドン（ＰＶＰ）からなる溶媒をポリマー混合溶媒に混合した溶液である請求項１又は２に記載の光学装置。
【請求項４】
前記カーボンナノチューブが単層カーボンナノチューブ（ＳＷＮＴ）である請求項３に記載の光学装置。
【請求項５】
前記ポリマー混合溶媒がポリイミド混合溶媒である請求項３又は４に記載の光学装置。
【請求項６】
前記カーボンナノチューブ分散ポリマー領域が、前記光の通路中に、近接して複数設けられた１ないし５のいずれかに記載の平面光導波路。
【請求項７】
平面光導波路の信号光の通路において、通路中に溝を設け、前記溝中に、単層カーボンナノチューブ（ＳＷＮＴ）、アミド系極性有機溶媒並びに非イオン性界面活性剤及び／又はポリビニルピロリドン（ＰＶＰ）並びにポリマーからなるカーボンナノチューブ分散溶液を充填、乾燥することにより、信号光の通路中にカーボンナノチューブが均一に分散された微小領域が設けられた光学装置を製造する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、近赤外波長領域において、通信波長域の光をカーボンナノチューブ分散ポリマーの有する可飽和吸収機能を利用して制御するための可飽和吸収体内蔵光学装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
非常に短い時間だけ瞬間的にパルス光を発振する超短時間パルスレーザーは、超高速物理現象や化学現象の観測、光エレクトロニクスや加工技術、医療分野等への幅広い応用が期待される。超短時間パルス光を生成する方法としては、モード同期法が広く普及しており、モード同期を実現するために可飽和吸収材料を利用する方法が簡便な方法として多用されている。近赤外波長領域の可飽和吸収材料としては、１９９５年から実用された化合物半導体多重量子井戸系があるが、製造コストが高く、光耐損傷性の脆弱さという問題があった。
【０００３】
そこで、低製造コストで、光損傷性に優れた可飽和吸収材料の開発が望まれていた。近年発見されたカーボンナノチューブは、直径がカーボンファイバーよりも細い1ミクロン以下の６角網目状のシート状の構造がチューブの軸に平行になって管を形成したものでああるが、半導体的性質を示すＳＷＮＴが近赤外波長領域で可飽和吸収機能をもつことが知られており、近赤外波長領域で動作する光学素子へのＳＷＮＴの応用について提案されている。
【０００４】
例えば、カーボンナノチューブの可飽和吸収機能を利用すれば、現在普及しているモード同期短時間パルスレーザー光源を安価でコンパクトに提供することができる。このようなカーボンナノチューブの可飽和特性を利用した装置として、ＳＷＮＴをガラスに塗布した薄膜を利用することが提案されている（下記特許文献１参照）。
【０００５】
また、超短時間パルスレーザーだけでなく、カーボンナノチューブの可飽和吸収体が有する、光パワーが大きくなると透過率が増加する特性を利用すれば、信号光に対して相対的に雑音光を減じることが可能であり、信号光の雑音低減装置としての応用も提案されている（下記特許文献２参照）。
【特許文献１】特開２００３−１２１８９２号公報
【特許文献２】特開２００３−２４８２５１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記で提案されているカーボンナノチューブの可飽和吸収特性を利用した装置は、いずれもＳＷＮＴをガラスなどの基板上に塗布するものであった。このようなガラス基板上に形成したＳＷＮＴ薄膜では、光ファイバを用いた装置に組み込む際、図１に示されるように、いったん通路から出て拡がった光をレンズにより集光しなければならず、装置全体としては大がかりになり、光軸調整に手間がかかりコスト高になるなどの問題があった。また、ガラス基板上へのＳＷＮＴ溶液のスプレーによる塗布では、ＳＷＮＴをガラス基板上に均一に塗布することが困難であり、場所によって光学的品質にばらつきが生じ再現性のあるデバイスを作製することができなかった。
【０００７】
これに対して、平面光導波路の光の通路において、非常に狭い間隔、例えば１〜５０μｍ程度の隙間に可飽和吸収体を収容し、光の通路の一部として連続的に形成することができれば、レンズによる集光が必要なく、かつ、光損失の少ない装置を提供できることになる。
【０００８】
したがって、本発明の目的は、平面光導波路の光の通路に上に設けた微細な溝の間に均一な光学的品質を有する可飽和吸収領域を設定した光損失の少ない、可飽和吸収特性を利用する光学装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明は、平面光導波路の光の通路上に設けた非常に狭い溝間にカーボンナノチューブが分散したポリマー溶液を充填し、乾燥することにより、該溝にカーボンナノチューブ分散ポリマー領域を形成するものである。カーボンナノチューブを水溶性ポリマーに均一に分散するためには、水並びに界面活性剤からなるカーボンナノチューブ分散水溶液を用いることが有効であることが知られている。このナノチューブ分散水溶液を水溶性ポリマー溶液と混合することで、カーボンナノチューブが均一に分散したポリマー溶液を得ることができる。また、本発明の発明者は、アミド系極性溶媒に可溶なポリマーにカーボンナノチューブを均一に分散するためには、アミド系極性有機溶媒並びに非イオン性界面活性剤及び／又はポリビニルピロリドン（ＰＶＰ）からなるカーボンナノチューブ分散溶媒を用いることが有効であることを見出した。このカーボンナノチューブ分散溶媒をポリマー溶媒と混合することで、カーボンナノチューブが均一に分散したポリマー溶液を得ることができる。このようにして得られたカーボンナノチューブ分ａｓンポリマーは、カーボンナノチューブがポリマー母材に均一に分散しているため、カーボンナノチューブの有する可飽和吸収機能を十分に発揮することができる。
【００１０】
本発明では、平面光導波路の信号光の通路において、通路中に設けられた溝中にカーボンナノチューブ分散ポリマー溶液を充填、乾燥することにより、該溝中にカーボンナノチューブが均一に分散された微小な可飽和吸収領域を極めて簡易に製造することができる。
【００１１】
本発明の具体的構成は以下のとおりである。
（１）信号光の通路の途中にカーボンナノチューブ分散ポリマー領域を有する平面光導波動路において、前記カーボンナノチューブ分散ポリマー領域が、前記光信号の通路の途中に形成された溝中にカーボンナノチューブ分散ポリマー溶液を充填、乾燥することにより形成されており、その可飽和吸収機能を利用することを特徴とする光学装置。
（２）前記溝の幅が１〜５０μｍである上記（１）に記載の光学装置。
（３）前記カーボンナノチューブ分散ポリマー溶液が、カーボンナノチューブ、アミド系極性有機溶媒並びに非イオン性界面活性剤及び／又はポリビニルピロリドン（ＰＶＰ）からなる溶媒をポリマー混合溶媒に混合した溶液である上記（１）又は（２）に記載の光学装置。
（４）前記カーボンナノチューブが単層カーボンナノチューブ（ＳＷＮＴ）である上記（３）に記載の光学装置。
（５）前記ポリマー混合溶媒がポリイミド混合溶媒である上記（３）又は（４）に記載の光学装置。
（６）前記カーボンナノチューブ分散ポリマー領域が、前記光の通路中に、近接して複数設けられた（１）ないし（５）のいずれかに記載の平面光導波路。
（７）平面光導波路の信号光の通路において、通路中に溝を設け、前記溝中に、単層カーボンナノチューブ（ＳＷＮＴ）、アミド系極性有機溶媒並びに非イオン性界面活性剤及び／又はポリビニルピロリドン（ＰＶＰ）並びにポリマーからなるカーボンナノチューブ分散溶液を充填、乾燥することにより、信号光の通路中にカーボンナノチューブが均一に分散された微小領域が設けられた光学装置を製造する方法。
【００１２】
平面光導波路は光信号をある特定の領域に閉じ込めて入射端から出射端に導く部品で、屈折率の高いコアが屈折率の低いクラッドで囲まれた構造を有する。本発明においては、このような平面光導波路の光の通路の途中に通路に連続して可飽和吸収領域を設けることにより、光損失の低い可飽和吸収特性を有する光学装置を提供する。
【００１３】
平面光導波路材料としては、ガラス、有機高分子、半導体などを用いることができる。基板としては、Ｓｉ材料のほかに、セラミック基板、石英基板、化合物半導体基板などを用いることができる。例えば、基板の上に、ＳｉＯ２のアンダークラッド層、オーバークラッド層の間に直線状のコアを挟み込んで形成することができる。コアはＳｉＯ２に屈折率を上げる不純物、例えば、Ｇｅをドープしたものを使用することができる。屈折率の高いコアの中を光が伝搬する。
【００１４】
本発明においては、平面光導波路の光の通路と直交し、かつ横断する少なくとも１つの溝を、フォトリソグラフィーとドライエッチング法を組み合わせて形成するか、又は、ダイシングソーにより形成する。溝は、幅１〜５０μｍの範囲で形成する。この溝を利用して、コアの一部の微小領域に可飽和吸収特性を有する領域を形成するためには、溝に埋め込むことが可能な可飽和吸収材料が必要となる。本発明の発明者は、このような条件を満たす材料としてカーボンナノチューブが均一に分散したポリマーが極めて有益であることを発見した。
【００１５】
一般に、カーボンナノチューブをポリマー等の材料に分散させようとすると、相互の凝集力（ファンデルワールスの力）によって、カーボンナノチューブが束状及び縄状になってしまい均一に分散させることは極めて困難である。特に、カーボンナノチューブの原子レベルでの滑らかな表面が基材に対する親和性を低下する要因となっている。カーボンナノチューブのこのような特性のために、ポリマーに対してカーボンナノチューブを混合・分散することは困難であった。特に、カーボンナノチューブが均一分散した光学的品質に優れたポリマー材料を形成することは極めて困難であった。
【００１６】
本発明の発明者は、ポリマーにＳＷＮＴを均一に分散させるためには、ＳＷＮＴを、ＮＭＰ（Ｎ−メチルピロリドン）溶媒並びに非イオン系界面活性剤混合溶媒及び／又はポリビニルピロリドン(ＰＶＰ)混合溶媒に入れて混合したＳＷＮＴ分散溶媒を用いるのが有効であることを見出した。この溶液を、超音波で処理し、次いで、超遠心分離機又はガラス繊維ろ紙でろ過して、微細なＳＷＮＴのみが分散した溶媒とする。これをポリマー溶媒と混合することにより、カーボンナノチューブが均一に分散したポリマー溶液を得ることができる。また、ろ過は、ＳＷＮＴ分散液の段階で行ってもよいし、分散液をポリマー混合有機溶媒と混合した後に行うこともできる。
【００１７】
このようにして得られたカーボンナノチューブ分散ポリマーは、カーボンナノチューブがポリマー母材に均一に分散しているため、カーボンナノチューブの有する可飽和吸収機能を十分に発揮することができる。  
【００１８】
本発明においては、このようなカーボンナノチューブ分散ポリマー溶液を平面光導波路の光の通路の途中に設けた１〜５０μｍ程度の溝に充填し、乾燥することにより、極めて簡略に光損失の低い可飽和吸収特性を有する光学装置を得ることができる。
【００１９】
カーボンナノチューブは高い可飽和吸収機能を有することが知られている。本発明においては、好ましくは、単層カーボンナノチューブ（ＳＷＮＴ）が用いられる。ＳＷＮＴの製造方法としては、特に制限されるものではなく、触媒を用いる熱分解法（気相成長法と類似の方法）、アーク放電法、およびレーザー蒸発法、ＨｉＰｃｏ法（Ｈｉｇｈ−Ｐｒｅｓｕｕｒｅ  ｃａｒｂｏｎ  ｍｏｎｏｘｉｄｅ  ｐｒｏｃｅｓｓ）等、従来公知のいずれの製造方法を採用しても構わない。
【００２０】
本発明で用いられるアミド系極性有機溶媒としては、具体的には、ジメチルホルムアミド（ＤＭＦ）、ジエチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド（ＤＭＡＣ）、Ｎ−メチルピロリドン（ＮＭＰ）などのいずれも用いることができるが、特に好ましくは、Ｎ−メチルピロリドン（ＮＭＰ）及び／又はジメチルアセトアミド（ＤＭＡＣ）を用いることができる。これらは、多くの有機物（低級炭化水素を除く）、無機物、極性ガス、天然および高分子樹脂を溶かすことができる。
【００２１】
本発明で用いられる非イオン性界面活性剤としては、ポリオキシエチレン系、多価アルコールと脂肪酸エステル系、この両者を併せ持つ系のいずれであってもよいが、特に好ましくは、ポリオキシエチレン系のものが用いられる。ポリオキシエチレン系界面活性剤の例としては、脂肪酸のポリオキシエチレン・エーテル、高級アルコールのポリオキシエチレン・エーテル、アルキル・フェノール・ポリオキシエチレン・エーテル、ソルビタン・エステルのポリオキシニチレン・エーテル、ヒマシ油のポリオキシエチレン・エーテル、ポリオキシ・プロピレンのポリオキシエチレン・エーテル、脂肪酸のアルキロールアマイドなどがある。多価アルコールと脂肪酸エステル系界面活性剤の例としては、モノグリセライト型界面活性剤、ソルビトール型界面活性剤、ソルタビン型界面活性剤、シュガーエステル型界面活性剤などがある。
【００２２】
これら非イオン性界面活性剤の添加量は、ＳＷＮＴの配合量、配合するアミド系極性有機溶媒の種類によって適宜定めることができるが、一般には、０．００５〜１０％であれば、ＳＷＮＴの十分な分散効果を得ることができる。０．００５％以下であると、ＳＷＮＴに対する界面活性剤の量が不足するために、一部のナノチューブは凝集して沈殿物が生じてしまう。また、１０％以上であると、界面活性剤分子の溶媒中での分子回転が困難になるために、疎水性のナノチューブ表面に十分な量の界面活性剤の疎水部が吸着することが出来なくなり、微細なナノチューブの分散には不都合である。また、ＳＷＮＴの配合量を０．００５〜０．０５％にした場合、非イオン性界面活性剤の配合量は、０．０１〜５％がよい。
【００２３】
また、ＳＷＮＴの配合量は、使用目的によっても異なるが、分散性が得られる限り特に限定されるものではない。ＳＷＮＴを用いて、ＮＭＰ及びポリオキシエチレン系の界面活性剤の混合溶液に分散した場合、最大０．０５％まで分散することができる。
【００２４】
本発明で使用される超音波は、２０ｋＨｚ、１５０Ｗ及び２８ｋＨｚ、１４０Ｗを用い、約１時間処理することによって良好な分散効果を得ることができたが、本発明の超音波の条件はこれに限定されるものではない。配合されるカーボンナノチューブの量、アミド系極性有機の種類等によって、適宜、定めることが可能である。
【００２５】
本発明で使用されるフィルターは、ガラス繊維フィルター、メンブランフィルターなどが用いられる。その際、保留粒子径は、目的に応じて適宜定めることができる。保留粒子径とは、ＪＩＳ  ３８０１で規定された硫酸バリウムなどを自然ろ過したときの漏洩粒子径により求めたものであるが、実質的には、フィルターの平均孔径に相当する。例えば、光散乱の低減を利用した光学機器に応用する場合、フィルターの保留粒子径は小さいほどよいが、一般には保留粒子径０．１〜２．０μｍ、好ましくは０．１〜１．０μｍのものを用いることができる。
【００２６】
本発明で用いられるカーボンナノチューブ分散光損失の少ない溶媒には、ポリビニルピロリドン（ＰＶＰ）を混合してもよい。ポリビニルピロリドンは、カーボンナノチューブの表面に吸着し、カーボンナノチューブを包むいわゆるラッピング効果を有することが知られている。したがって、本発明におけるカーボンナノチューブ分散液に混合することにより、カーボンナノチューブの凝集及び再凝集が防止される効果を有するものと考えられる。
【００２７】
カーボンナノチューブ分散溶媒中のポリビニルピロリドンの配合量は、カーボンナノチューブの配合量によって適宜定めることができるが、好ましくは０．１〜１０％とするとよい。
【発明の効果】
【００２８】
本発明は、平面光導波路の光の通路中を伝搬する光信号のパルスの波形整形、雑音低減、モード同期など可飽和吸収機能を利用する光学装置において、光の通路の途中のごく微小領域に可飽和吸収領域を極めて簡易に形成することができる。したがって、可飽和吸収機能を利用した装置として、コンパクトで、光損失の少ない安価な装置を、短時間で製造することができる。 
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
本発明の光学装置の作成方法を実施例として以下に示す。本発明は、これに限定されるものではない。
【実施例】
【００３０】
以下に、本発明の実施例を図面に基づき詳細に説明する。
（カーボンナノチューブ分散ポリイミドの作製）
ＳＷＮＴ（３ｍｇ）を、ＮＭＰ（Ｎ−メチルピロリドン）溶媒（３０ｇ）と非イオン性界面活性剤Ｔｒｉｔｏｎ  Ｘ−１００（３０ｍｇ）の混合溶媒に入れて混合し、超音波（２０ｋＨｚ）で１時間処理した。次に、この分散溶液をガラス繊維濾紙（ＧＣ−５０、保留粒子径０．５μｍ）で濾過し、カーボンナノチューブ分散溶媒を得た。
上記で得られたカーボンナノチューブ分散液と、溶剤可溶ポリイミドの有機溶媒混合溶液（３０ｇ）を混合攪拌したところ、黒色に着色した均一な溶液を得た。
【００３１】
（光学装置の作製）
石英ガラス平面光導波路として市販の直線光導波路チップ（日本発条製）を用いた。この導波路に対して、図２に示すようにコア部の光の通路４と垂直になるように、幅３０μｍ、深さ１５０μｍの溝６を形成した。光導波路チップは台座に固定し、溝の形成は市販のダイシングソーを用いた。
【００３２】
このように得られた平面光導波路チップに形成した溝に上記で得られたカーボンナノチューブ分散ポリイミド溶液を充填し、乾燥することにより、前記溝にはカーボンナノチューブ分散ポリイミド領域７、７’が形成された。カーボンナノチューブ分散ポリイミド領域７、７’は、カーボンナノチューブがポリイミド母材に均一に分散しているため、極めて優れた可飽和吸収特性を有する。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】従来の装置の概念を示す図である。
【図２】本発明の実施例の光学装置の上面図及び側面図である。
【符号の説明】
【００３４】
１        光ファイバ
２        レンズ
３        可飽和吸収体
４、４’  導波路コア部
５、５’  導波路クラッド部
６        溝
７、７’  カーボンナノチューブ分散ポリイミド
８        基板
【図１】
2005321733.tif 000003
【図２】
2005321733.tif 000004