(57)【要約】      （修正有）【課題】光ファイバの光の通路上に設けた微細なスリットの間に均一な光学的品質を有する可飽和吸収領域を形成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】光ファイバの光通路に可飽和吸収領域を有する光学装置において、前記可飽和吸収領域が、同軸上に保持された２つの光ファイバの両端面間で形成されるスリット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る。【選択図】  図３
2005321483.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ファイバの光通路に可飽和吸収領域を有する光学装置において、前記可飽和吸収領域が、同軸上に保持された２つの光ファイバの両端面間で形成されるスリット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いることを特徴とする光学装置。
【請求項２】
前記スリットが、保持部材上に保持された光ファイバを切断することによって形成されたものである請求項１に記載の光学装置。
【請求項３】
保持部材が基板上に光ファイバのフェルール又は被覆部を保持するための溝及び／又はスリット形成のための溝が形成されたものである請求項１又は２に記載の装置。
【請求項４】
前記スリットが、毛細管に２本の光ファイバを挿入し、その両端面間で形成されたものである請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記スリットが１〜５０μｍである請求項１ないし４のいずれかに記載の光学装置。
【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ないし５のいずれかに記載の光学装置。
【請求項７】
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６に記載の光学装置。
【請求項８】
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７に記載の光学装置。
【請求項９】
前記接続領域が、前記光ファイバの近接した部分に複数形成された請求項１ないし７のいずれかに記載の光学装置。
【請求項１０】
保持部材上又は保持部材中に保持された光ファイバを切断することによりスリットを形成し、前記スリットに、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、光ファイバの光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光学装置を製造する方法。
【請求項１１】
２本の光ファイバを毛細管に挿入し、その両端面間でスリットを形成し、該スリットに、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、光ファイバの光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、光ファイバの光の通路において、非常に微小な領域、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、光ファイバの光の通路上に設けた微細なスリットの間に均一な光学的品質を有する可飽和吸収領域を形成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、光ファイバの光の通路に上に設けたスリット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、乾燥することにより、該スリット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、しかも、得られたカーボンナノチューブ分散ポリマーは可飽和吸収機能を有することを確認した。
【００１０】
本発明では、保持部材又は毛細管で保持された光ファイバに形成したスリット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、光ファイバの途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）光ファイバの光通路に可飽和吸収領域を有する光学装置において、前記可飽和吸収領域が、同軸上に保持された２つの光ファイバの両端面間で形成されるスリット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いることを特徴とする光学装置。
（２）前記スリットが、保持部材上に保持された光ファイバを切断することによって形成されたものである上記（１）に記載の光学装置。
（３）保持部材が基板上に光ファイバのフェルール又は被覆部を保持するための溝及び／又はスリット形成のための溝が形成されたものである上記（１）又は（２）に記載の装置。
（４）前記スリットが、毛細管に２本の光ファイバを挿入し、その両端面間で形成されたものである上記（１）に記載の装置。
（５）前記スリットが１〜５０μｍである上記（１）ないし（４）のいずれかに記載の光学装置。
（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）ないし（５）のいずれかに記載の光学装置。
（７）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（６）に記載の光学装置。
（８）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７に記載の光学装置。
（９）前記接続領域が、前記光ファイバの近接した部分に複数形成された上記（１）ないし（７）のいずれかに記載の光学装置。
（１０）保持部材上又は保持部材中に保持された光ファイバを切断することによりスリットを形成し、前記スリットに、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、光ファイバの光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光学装置を製造する方法。
（１１）２本の光ファイバを毛細管に挿入し、その両端面間でスリットを形成し、該スリットに、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、光ファイバの光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光学装置を製造する方法。
【００１２】
本発明の１つの態様においては、図２で示されるように、支持基板により光ファイバを固定し、固定した支持基板の中央部にブレード等によりスリットを形成する。次に、カーボンナノチューブ分散ポリマー溶液を前記スリット間に充填し、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。
【００１３】
光ファイバは、光を透過させるために用いられる溶融石英やその他の透明物質の長く細い線で、光信号を送信し受信するものである。光ファイバは、被覆を取り除いたガラス素線または光ファイバの被覆されたものを保持部材で支持できる。
【００１４】
光ファイバを保持部材上に固定するためには、保持部材にＶ字型、コの字型などの溝を切っておき、この溝に光ファイバを埋め込んで固定することができる。また、保持部材の中央には、後にスリットを形成しやすいように、前記溝と直交する溝を切り込んでおくことができる。
【００１５】
光ファイバを固定する保持部材としては、中心部に光ファイバの外径と整合した穴が貫通しているフェルールを用いることもできる。この貫通穴中に光ファイバを通して固定し、フェルール側面よりブレードで溝を切ってスリットとすることができる。保持フェルールの側面は、後にスリットを形成しやすいように、平面研削しておくことができる。
【００１６】
保持部材としては、ガラスと膨張率が等しいか近い材料である、ガラス、ジルコニアなどが好ましいが、アルミナ、ガーネットなどのセラミックスの他、エポキシ樹脂、液晶ポリマーなどの樹脂製の保持部材であってもよい。樹脂としては、熱可塑性樹脂、熱硬化樹脂のいずれも利用可能である。
【００１７】
保持部材に光ファイバを固定するためには、接着剤を使用することができる。接着剤としては、エポキシ系接着剤、紫外線硬化型接着剤などを使用することができる。
【００１８】
本発明の別の態様によれば、２本の光ファイバを毛細管に挿入し、その両端面間でスリットを形成し、該スリットに、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、光ファイバの光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形成する。
【００１９】
このような毛細管としては、例えば、市販されているガラス製の光ファイバ接続用光ファイバ接続用毛細管（スプライサー）を使用することが可能である。
光ファイバを保持部材又は毛細管に保持して、光ファイバの途中に可飽和吸収性を有す微小領域を形成するためには、微小な隙間を埋め込むことが可能な可飽和吸収特性を有する材料が必要となる。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溶液が極めて有益であることを発見した。
【００２０】
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すぐ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。
【００２１】
ポリマーにＳＷＮＴを均一に分散させるためには、例えば、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。次に、この溶媒を超音波で処理し、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。
【００２２】
本発明で用いられるポリマーとしては、ポリイミド、ポリビニルアルコールなどがあげられるが、溶剤に可溶であることが必要とされる。特に好ましくは、溶剤に可溶なポリイミドが用いられる。溶剤に可溶なポリイミドとしては、ブロック共重合ポリイミドが知られている。
【００２３】
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、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。
【００２４】
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、多くの天然および合成高分子樹脂を溶かすことができる。
【００２５】
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。
【００２６】
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。  
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
本発明で用いられるカーボンナノチューブ分散溶媒には、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。
【００３１】
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】
【００３２】
本発明は、光ファイバの光の通路中を伝搬する光パルスの波形整形、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、光ファイバの光通路の途中の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】
【００３３】
以下に、本発明の実施例を図面に基づき詳細に説明する。
【実施例１】
【００３４】
（カーボンナノチューブ分散ポリイミド溶液の作製）
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。
【００３５】
（光学装置の作製）
図３に示すように、保持部材４の上面には光ファイバの載置される溝５が形成されている。
光ファイバの途中のポリマー被覆を剥ぎ、光ファイバのガラス素線６を露出する。その素線６を、保持部材４の上に形成された溝５にのせ、エポキシ系接着剤を流し込んだあと硬化させ固定する。素線６をダイシングソーで切断しスリット７を加工する。その際、スリット７は、幅３０μｍになるようにした。
次に、スリット７の間に、上記により作製されたカーボンナノチューブ分散ポリイミド溶液を適量充填した。これを乾燥することにより、スリット７はカーボンナノチューブが分散したポリイミドで満たされる。
このようにして、図４の断面図に示されるように、光ファイバの光通路の途中の微小領域に可飽和吸収機能有するカーボナノチューブ分散ポリマー領域を極めて簡易に形成することができた。
【実施例２】
【００３６】
（光学装置の作製）
保持部材として、図５に示す市販の光ファイバ接続用毛細管（マイクロ・キャピラリ）を使用した。前記光ファイバ接続用毛細管に、図６に示すように、２本の被覆を除去した光ファイバを挿入し、両端面の間隔により形成されるスリット１３の幅は２５μｍになるようにし、紫外線硬化型接着剤により固定した。
次に、前記スリット１３の間に、上記実施例１により作製されたカーボンナノチューブ分散ポリイミド溶液を適量充填した。これを乾燥することにより、スリット１３はカーボンナノチューブが分散したポリイミドで満たされる。
このようにして、保持部材１４の光ファイバ接続用毛細管内に保持された光ファイバの光通路の途中の微小領域に可飽和吸収機能有するカーボナノチューブ分散ポリマー領域を極めて簡易に形成することができた。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】従来のカーボンナノチューブ薄膜を用いた光学装置の概念図である。
【図２】本発明の光学装置の作製方法を示す図である。
【図３】本発明の実施例のスリットの見取り図である。
【図４】本発明の実施例の光学装置の断面図である。
【図５】本発明の実施例の保持部材（光ファイバ接続用毛細管型）の見取り図である。
【図６】本発明の実施例のスリットの見取り図である。
【符号の説明】
【００３８】
１    光ファイバ
２    レンズ
３    可飽和吸収体
４    保持部材
５    Ｖ溝
６    光ファイバガラス素線
７    スリット
８    保持部材
９    光ファイバガラス素線
１０  カーボンナノチューブ分散ポリマー
１１  貫通穴
１２  光ファイバガラス素線
１３  スリット
１４  保持部材
【図１】
2005321483.tif 000003
【図２】
2005321483.tif 000004
【図３】
2005321483.tif 000005
【図４】
2005321483.tif 000006
【図５】
2005321483.tif 000007
【図６】
2005321483.tif 000008