(57)【要約】【解決手段】ＮＬＯ装置の応用における使用に適した複合非線形光学（ＮＬＯ）有機膜を製造するための方法が提供されている。これらの膜の高度なＮＬＯ特性は、自己秩序化ナノ構造液晶「ホスト」膜内の「ゲスト」ＮＬＯ分子のベクトル整列によるものである。中心対称性の除去には場のポーリングが使われている。非線形性を高めるため配向非線形ナノ結晶を増加する目的で、膜処理により「ゲスト」濃度が増加される。このような膜に基づいたＮＬＯ装置は、低コストで小型装置形式での高速切り替えを可能にする。【特許請求の範囲】
【請求項１】
秩序化された光学膜構造であって、
（ａ）実質的に互いに非反応性で、少なくともどちらかが液晶である、第１材料と第２材料とを提供する工程と、
（ｂ）前記第１材料と前記第２材料とを合わせて混合物を形成する工程と、
（ｃ）前記液晶により定義される分子秩序性を有する膜を、前記混合物で形成する工程と、
（ｄ）前記膜の分子秩序性を凍結する工程と、
（ｅ）全体にわたり散在する複数サイトと、液晶状分子秩序性とを有する基質を形成するため、前記第１材料と前記第２材料とのどちらかを除去する工程と、
（ｆ）非線形光学材料（ＮＬＯ材料）である第３材料を前記複数サイトへ適用する工程と
により製造される、秩序化された光学膜構造。
【請求項２】
請求項１記載の膜構造において、前記ＮＬＯ材料は、電磁放射入力に比例しない応答出力を生成する結晶を形成する材料を有する。
【請求項３】
請求項２記載の膜構造において、前記ＮＬＯ材料は、４−Ｎ，Ｎ−ジメチルアミノ−４’Ｎ’メチル−トシル酸スチルバゾリウム（ＤＡＳＴ）と、２−メチル−４−ニトロアニリン（ＭＮＡ）と、２−アミノ−５−ニトロピリジン（２Ａ５ＮＰ）と、ｐ−クロロフェニル尿素（ＰＣＰＵ）と、４−（Ｎ，Ｎ−ジメチルアミノ）−３−アセトアミドニトロベンゼン（ＤＡＮ）と、Ｎ−（５−ニトロ−２−ピリジル）−（Ｓ）−フェニルアラニノール（ＮＰＰＡ）と、３−アセトアミノ−４−メトキシ−Ｎ−（４−ニトロベンジリデン）アニリン（ＭＮＢＡ）と、４’−ニトロベンジリデン−３−アセトアミノ−４−メトキシ−アニリン（ＭＮＢＡ）と、４−ニトロ−４’−メチルベンジリデンアニリン（ＮＭＢＡ）と、４−アミノベンゾフェニルと、Ｌ−ａｒｇｉｎｕｍリン酸二水素（ＬＡＰ）と、３−メチル−４−メトキシ−４’−ニトロスチルベン（ＭＭＯＮＳ）と、メチル−（２，４−ジニトロフェニル）−アミノプロピオン酸（ＭＡＰ）と、２−シクロ−オクチルアミノ−５−ニトロピリジン（ＣＯＡＮＰ）と、３−メチル−４−ニトロ−ピリジン−１−オキシド（ＰＯＭ）と、ジメチル−アミノシアノベンゼン（ＤＭＡＣＢ）と、Ｎ−（５−ニトロ−２−ピリジル）−（Ｓ）−フェニルアラニノール（ＮＰＰＡ）と、３，５−ジメチル−１−（４−ニトロフェニル）−ピラゾール（ＤＭＮＰ）と、３，５−ジメチル−１−（４−ニトロフェニル）−１，２，４−トリアゾール（ＤＭＮＴ）と、（−）２−（（−メチルベンジルアミノ）−５−ニトロピリジン（ＭＢＡＮＰ）と、２−アダマンチルアミノ−５−ニトロピリジン（ＡＡＮＰ）と、（−）−４−（４’−ジメチルアミノ−フェニル）−３−（２’−ヒドロキシプロピルアミノ）シクロブテン−１，２−ジオン（ＤＡＤ）と、１−（２−チエニル）−３−（４−トリル）プロペン−１−オン（Ｔ−１７）と、３−（４−ジメチル−アミノフェニル）−１−（４−シアノフェニル）−フェニル）−２−プロペン−１−オン（ＤＡＣＣ）と、４−ブロモ−４’−メトキシ−カルコン（ＢＭＣ）と、４−メトキシ−４’−エトキシカルコン（ＭＥＣ）とからなるグループから選択される。
【請求項４】
請求項１記載の膜構造は、前記膜の分子秩序性を凍結する工程（ｄ）中、この膜の分子を配向させるため、この膜に電磁場を印加する工程をさらに有する。
【請求項５】
請求項４記載の膜構造は、前記第３材料を前記複数サイトへ適用する工程（ｆ）中、この膜に電磁場を印加する工程をさらに有する。
【請求項６】
請求項１記載の膜構造において、前記第１材料と前記第２材料とを合わせて混合物を形成する工程（ｂ）は、ＮＬＯ材料を前記第１材料と前記第２材料とに追加する工程をさらに有する。
【請求項７】
請求項１記載の膜構造は、前記ＮＬＯ材料を結晶化する工程をさらに有する。
【請求項８】
請求項１記載の膜構造において、前記基質は液晶を有し、液晶状分子秩序性を有する。
【請求項９】
請求項１記載の膜構造において、前記基質は非液晶を有し、前記複数サイトは液晶状分子秩序性を有する。
【請求項１０】
請求項９記載の膜構造において、前記第３材料は液晶状分子秩序性を有する。
【請求項１１】
請求項１記載の膜構造において、前記膜の分子秩序性を凍結する工程（ｄ）は、この膜の温度を変更する工程をさらに有する。
【請求項１２】
請求項１記載の膜構造において、前記第１材料と前記第２材料の少なくともどちらかは重合可能で、前記膜の分子秩序性を凍結する工程（ｄ）は、前記混合物を重合させる工程をさらに有する。
【請求項１３】
請求項１記載の膜構造において、前記液晶はネマティック液晶を有し、この膜構造は光学的複屈折性を提供する秩序化を呈する。
【請求項１４】
請求項１記載の膜構造において、前記液晶はネマティック液晶を有し、この膜構造は位相シフト透過性を提供する秩序化を呈する。
【請求項１５】
請求項１記載の膜構造において、前記第３材料は凍結されている。
【請求項１６】
請求項１５記載の膜構造において、前記第３材料は重合可能で、重合により凍結されている。
【請求項１７】
請求項１６記載の膜構造は、この膜構造内に散在する第２の複数サイトを提供するため、（ｇ）前記第１材料と前記第２材料とのどちらかを除去する工程をさらに有する。
【請求項１８】
請求項１７記載の膜構造は、（ｈ）この膜構造内に散在する前記第２の複数サイトに第４材料を適用する工程をさらに有する。
【請求項１９】
請求項１８記載の膜構造において、前記第４材料は、液晶状分子秩序性が与えられた非液晶である。
【請求項２０】
請求項１記載の膜構造において、前記基質は、間隔をおいて膜面に沿って配置された複数ゾーンをさらに有し、この複数ゾーンの少なくとも２つは互いに非連続的な光学特性を有する。
【請求項２１】
請求項２０記載の膜構造において、前記複数ゾーンの各々は特徴的な波長と偏光との範囲内で光を透過させるのに適合している。
【請求項２２】
秩序化された光学膜構造であって、
基質と、
前記基質上に配置されている材料と、
を有し、
前記材料は、液晶状分子秩序性を有する非線形光学（ＮＬＯ）材料である
秩序化された光学膜構造。
【請求項２３】
請求項２２記載の秩序化された光学膜構造において、前記液晶状分子秩序性は、位相シフト透過性を提供するネマティック秩序性をさらに有する。
【請求項２４】
請求項２２記載の秩序化された光学膜構造において、前記液晶状分子秩序性は、前記材料の分子間に配置された複数サイトをさらに有する。
【請求項２５】
請求項２２記載の秩序化された光学膜構造は、前記複数サイト内に配置された第２材料をさらに有する。
【請求項２６】
請求項２５記載の秩序化された光学膜構造において、前記第２材料は、ネマティック液晶と、液晶と、非液晶と、これらの組み合わせとからなるグループから選択される。
【請求項２７】
秩序化された光学膜構造であって、
（ａ）実質的に互いに非反応性の液晶と、非液晶と、非線形光学材料（ＮＬＯ）とを提供する工程と、
（ｂ）前記液晶を、前記非液晶と前記ＮＬＯ材料とに混合して混合物を形成する工程と、
（ｃ）前記液晶により定義される分子秩序性を有する膜を、前記混合物で形成する工程と、
（ｄ）前記膜の分子を配向させるため、この膜に電磁場を印加する工程と、
（ｅ）前記膜に電磁場を印加する工程（ｄ）中、この膜の分子秩序性を凍結する工程と、
（ｆ）全体にわたり散在する複数サイトを有し、液晶状分子秩序性を有する基質を形成するため、前記液晶と前記非液晶とのどちらかを除去する工程と、
（ｇ）非線形光学（ＮＬＯ）材料を前記複数サイトに適用する工程と
により製造される、秩序化された光学膜構造。
【請求項２８】
請求項２７記載の膜構造は、前記非線形光学（ＮＬＯ）材料を前記複数サイトに適用する工程（ｇ）中、この膜に電磁場を印加する工程をさらに有する。
【請求項２９】
請求項２７記載の膜構造において、前記液晶と前記非液晶とのどちらかを除去する工程（ｆ）は前記非液晶を除去する工程を有し、前記基質は液晶を有し、液晶状分子秩序性を有する。
【請求項３０】
請求項２７記載の膜構造において、前記液晶と前記非液晶とのどちらかを除去する工程（ｆ）は前記液晶を除去する工程を有し、前記複数サイトは液晶状分子秩序性を有する。
【請求項３１】
請求項２７記載の膜構造において、前記ＮＬＯ材料は液晶状分子秩序性を有する。
【請求項３２】
請求項２７記載の膜構造は、基質上に配置されている。
【請求項３３】
請求項３２記載の膜構造において、前記基質はシリコンウエハーを有する。
【請求項３４】
請求項３３記載の膜構造において、前記基質は内臓一体型の電子部品を有する。
【請求項３５】
請求項３４記載の膜構造において、前記電子部品は電極を有する。
【請求項３６】
請求項２７記載の膜構造は、一対の基質間に配置されている。
【請求項３７】
請求項２７記載の膜構造は、導波路を有する。
【請求項３８】
請求項２７記載の膜構造は、クラッド材に隣接して配置された中核部を有し、このクラッド材は光学的に等方性で、前記中核部の屈折率より低い屈折率を有する。
【請求項３９】
請求項３８記載の膜構造において、前記中核部の分子は軸方向に延出し、前記中核部はこの軸方向に沿って偏光された光に対し屈折率ｎｅを有し、この軸方向に直交して偏光された光に対し屈折率ｎｏを有し、前記クラッド材料は屈折率ｎｉを有し、ｎｅ＞ｎｉ＞ｎｏである。
【請求項４０】
請求項３９記載の膜構造は、リソグラフィーにより形成されている。
【請求項４１】
請求項４０記載の膜構造は、フォトマスクを通したＵＶ照射により形成されている。
【請求項４２】
請求項３９記載の膜構造は、直接的なレーザー書き込みにより形成されている。
【請求項４３】
請求項３９記載の膜構造であって、
（ｈ）前記中核部を形成するため、前記工程（ａ）〜（ｇ）をもたらす工程と、
（ｉ）前記中核部を、そのクリアリング温度より高く過熱する工程と、
（ｊ）前記中核部に隣接してクラッド材を適用する工程と、
（ｋ）前記クラッド材を形成するため、このクラッド材を重合させる工程と
により形成されている膜構造。
【請求項４４】
請求項２７記載の膜構造において、この膜構造に印加する電場は、この膜構造を通過する光ビームに位相遅延をもたらす。
【請求項４５】
請求項２７記載の膜構造は、スペクトル変換器を有する。
【請求項４６】
請求項４５記載の膜構造は、光高調波発生器を有し、この光高調波発生器から出る光のスペクトル周波数は入射光の高調波である。
【請求項４７】
請求項２７記載の膜構造は、第２高調波発生器を有する。
【請求項４８】
請求項２７記載の膜構造は、波長変換器を有し、複数の非連続的波長を含む入射光は、この複数の非連続的波長の和または差である他の波長に変換される。
【請求項４９】
請求項２７記載の膜構造は、パラメトリック発振器を有し、周波数ｆ１の入射光は、ｆ１＝ｆ２＋ｆ３の関係を持つ周波数ｆ２および周波数ｆ３を有する出力に変換される。
【請求項５０】
請求項２７記載の膜構造は、光整流器を有し、入射光は電気出力に変換される。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は複合膜に関し、より詳しくは、この発明は非線形光学的用途向けに新規性のある製造工程を採用した複合膜に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この出願は、１９９８年９月１０日付申請済みの米国特許出願第０９／１５１，９０９号「Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｌｙ Ｏｒｄｅｒｅｄ Ａｒｔｉｃｌｅｓ，Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ Ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｓａｍｅ」（構造的に秩序化されたものと、その製造方法および応用）の一部継続出願である。
【０００３】
この出願を通して、各種の文献および特許が識別的な引用により参照されている。この出願で引用されている文献および特許の開示は、言及によりこの開示に組み込まれるものとする。
【０００４】
液晶は、結晶性固体と等方性液体との中間的位相に存在する。これら化合物の分子は、通常、ディレクタと呼ばれる長い分子軸を有したロッド形状をしている。液晶位相は、分子が長い範囲の秩序を有する（すなわち、固体の観点から）ことにより特徴付けられる。ネマティック位相は最も単純で、ディレクタが略平行になるといった配向秩序性だけを有する。コレステリック液晶位相は、ネマティック位相にキラリティーが存在するものである。液晶には多数の用途がある。液晶はデジタル腕時計と、計算機と、パネルメーターと、温度計と、コンピュータモニタと、産業製品とのディスプレイとして使われる。そして画像の記録と格納と表示とに使え、大画面に投影することもできる。また、テレビのディスプレイとしての潜在的用途も有している。さらに液晶から膜を形成し、その膜において分子秩序性を凍結した形で、すなわち重合により、望ましい光学特性を提供することができる。例えば、ネマティック膜およびコレステリック（キラルネマティック）膜は、波長選択性および回転偏光選択性の反射率または透過率（コレステリック液晶（ＣＬＣ）膜の場合）と、位相シフト透過率（ネマティック液晶（ＮＬＣ）膜の場合）を呈するよう製造することが可能である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これら装置の数多い欠点の１つは、追加処理なしでは液晶材料が比較的高価で比較的温度に敏感になりがちであることである。また別の欠点としては、これらの材料が他の材料を吸収しがちで、これにより成分の特性が変化するなどがある。さらに、重合したＬＣは上記欠点を多少カバーする場合もあるが、そのようなＬＣは、例えば機械特性（剛性）や光学特性（屈折率、特徴的波長など）が不十分になるなどの理由から、多数の用途に不向きとなってしまう。
【０００６】
それに加え、現代の通信システムでは帯域幅がいっそう重要な要件になってきている。電気ケーブルから光ファイバーへの交代が進むに伴い、利用できる光ケーブル帯域幅を最大限に活用するためＷＤＭ技術およびＤＷＤＭ技術がますます使われるようになっている。それと同時に、パケット交換方式の信号アーキテクチャが多数の応用分野で徐々にＴＤＭ技術に取って代わろうとしている。ただし、帯域幅の拡張努力に何十億ドルもの投資が行われる一方、ある深刻な隘路−スイッチングノード（相互接続）ハードウェアが残されている。現行の相互接続装置では、データをまず電気信号に変換し、正しい出力にルーティングして、光学信号に再変換しなければならない。この光電子インタフェースが待ち時間を生じ、システムの全体的な帯域幅を実質的に狭めている。ＭＥＭＳ（ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｓｙｓｔｅｍの略称、マイクロ電気機械システム）または偏光ベースの技術を利用した全光学（光電気変換なしの）スイッチング技術は、ファイバー帯域幅を温存するが、スイッチが遅いため待ち時間が生じ、その用途が制限される。
【０００７】
非線形光学（ＮＬＯ）材料では高いスイッチング速度が得られるが、ＮＬＯ材料に伴う欠点が解決される一方でパフォーマンスの改善が求められている。例えば、チタン拡散ニオブ酸リチウム（Ｔｉ：ＬｉＮｂＯ３）などの無機ＮＬＯ結晶を使った装置は、ＮＬＯ特性が低いためパフォーマンスが劣る傾向にある。さらに、時間的安定性、熱的安定性、および放射線感受性は、よく知られた問題である。さらに、無機結晶装置は電子機器に直接統合しにくい。
【０００８】
ポーリングした有機高分子化合物の薄膜に基づくＮＬＯ装置は、このような有機材料が低コストで容易に処理できるため、良好な解決法であるというのが大方の見解である。これまで何百もの非線形有機材料が合成され特徴付けられてきており、このような材料を使った装置も実際に使われてきている。しかし、ポーリングされたこれら高分子化合物には、二次感受性が小さい、光損傷しきい値が低い、散乱損失が高い、および温度と温度安定性とが制約されている、という欠点がある。このように、ポーリングしたＮＬＯ高分子化合物の開発でも、有機材料特有の利点にかかわらず、いまだ実用性への糸口を模索している状態である。
【０００９】
これらの制限を克服しつつ薄膜有機物を活用する方法の１つは、光非線形性が非常に高く、損傷しきい値がより高く、散乱損失が低いＮＬＯ有機結晶膜を使うことである。米国特許第５，３８５，１１６号（Ｈａｔｔｏｒｉ　ｅｔ　ａｌ，１９９６）では、有機結晶膜を製造するための多様な技術をまとめている。ただし、実用的な装置を製造可能にするための深刻な問題が残されている。これらの問題が解決されるまで、生得的に優れている有機ＮＬＯ結晶材料も有用になることはないであろう。
【００１０】
高性能装置材料を得るもう１つのアプローチは、ＮＬＯ結晶を含む高分子複合材料を使用することである。米国特許第４，７５９，８２０号（Ｃａｌｖｅｒ　ｅｔ　ａｌ，１９８８）では、高分子化合物基質（ポリマーマトリクス）内で、有機または無機の非中心対称の結晶子を成長させるための工程を開示している。この結晶子の配向は、引き伸ばしと冷間引き抜きと他の方法とにより達成される。この技術の欠点は、ＮＬＯ材料と膜処理に強く依存する形態の制御が困難になりがちなことである。
【００１１】
このように、膜装置の欠点を克服しつつ大きい非線形光学効果を呈するより優れた光学膜が求められている。
【００１２】
【発明の概要】
本発明の第１の観点によれば、秩序化された光学膜構造は、以下の工程により製造される。
（ａ）実質的に互いに非反応性で、少なくともどちらかが液晶である、第１材料と第２材料とを提供する工程と、
（ｂ）前記第１材料と前記第２材料とを合わせて混合物を形成する工程と、
（ｃ）前記液晶により定義される分子秩序性を有する膜を、前記混合物で形成する工程と、
（ｄ）前記膜の分子秩序性を凍結する工程と、
（ｅ）全体にわたり散在する複数サイトと、液晶状分子秩序性とを有する基質を形成するため、前記第１材料と前記第２材料とのどちらかを除去する工程と、
（ｆ）第３材料を前記複数サイトへ適用する工程。
【００１３】
本発明の第２の観点において、秩序化された光学膜構造は、基質と、前記基質上に配置されている材料とを有し、この材料は、液晶状分子秩序性を有する非線形結晶である。
【００１４】
本発明の第３の観点によれば、秩序化された光学膜構造は、以下の工程により製造される。
（ａ）実質的に互いに非反応性の、液晶と非液晶とを提供する工程と、
（ｂ）前記液晶を、前記非液晶と混合して混合物を形成する工程と、
（ｃ）前記液晶により定義される分子秩序性を有する膜を、前記混合物で形成する工程と、
（ｄ）前記膜の分子秩序性を凍結する工程と、
（ｅ）全体にわたり散在する複数サイトと、液晶状分子秩序性とを有する基質を形成するため、前記液晶ぶｎと前記非液晶とのどちらかを除去する工程。
【００１５】
本発明の以上およびそれ以外の機能と利益とは、次の発明の実施の形態の項の説明および添付図面を参照することでより容易に理解することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、添付の図面を参照して、本発明の説明的実施形態を説明する。説明を明確にするため、添付の図面において同様な機能は同様な参照符号により示され、これらの図面で代替実施形態に使われる類似機能は類似符号により示される。
【００１７】
本発明は膜処理技術に関する（図１〜３を参照）。特有の「自己組織化（自己集合）」すなわち液晶（ＬＣ）分子の整列過程を利用することにより、「秩序化された」構造、例えばネマティック秩序化またはコレステリック秩序化を有する構造が図２Ａ〜３などに示すように得られる。分子レベルで「鋳型」（高分子化合物が残りの成分として使われている場合は、高分子化合物基質（ポリマーマトリクス））を形成するため、本発明には液晶を含む構造から構成物質を取り除く工程が含まれている。この鋳型に対して材料を追加および除去（またはそのどちらか）することにより、液晶状（すなわち液晶性）の構造が得られる。結果として得られるこの構造は若干のＬＣ特性を呈するが、すべて、または少なくとも部分的に非ＬＣ材料から製造される。この液晶状構造はＬＣの欠点を克服するものであり、他の有利な特性もいくつか有する可能性がある。
【００１８】
本明細書では、用語「液晶」または「ＬＣ」は１９９３年Ｃｌａｒｅｎｄｏｎ　Ｐｒｅｓｓ刊「Ｔｈｅ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　ｏｆ　Ｌｉｑｕｉｄ　Ｃｒｙｓｔａｌｓ」（第２版）１〜３ページでＤｅＧｅｎｎｅｓおよびＰｒｏｓｔにより定義されているように、空間の少なくとも１方向に液状秩序が存在し、ある程度の等方性が存在する材料クラスを意味する。同様に、本明細書で使われる用語「非液晶」または「非ＬＣ」は、本明細書で定義された液晶ではないモノマー（単量体）とポリマー（高分子化合物）とを含む材料を実質的にすべて指している。適切な非ＬＣ材料には、本明細書に記載されているように間隙を埋めることのできる材料が実質的にすべて含まれる。この非ＬＣ材料には、有機ガスか、無機ガスか、液体か、小さい粒子の溶液か、固体か（重合後または他の凍結後）を使うことができる。適切な非ＬＣ材料の例には、熱的または放射的に硬化可能なエポキシとアクリラートとがある。用語「液晶状（すなわち液晶性）」分子秩序性は、本明細書では液晶の長い範囲の分子秩序特性と定義されている（ネマティック秩序性、スメクティック秩序性、棒状秩序性、またはコレステリック秩序性など）。
【００１９】
図１〜８では、本発明がより詳しく説明されている。図１には、本発明の光学装置の製造工程の優良な実施形態が示されている。
【００２０】
工程１では、材料Ａと材料Ｂが実質的に均一に混合されている。材料Ａは、重合可能な液晶または重合不可能な液晶である。材料Ａ自体は、複数の材料の混合物であってもよい。材料Ｂは、重合可能な液晶か、重合可能な非液晶か、重合不可能な液晶か、重合不可能な非液晶である。材料Ｂ自体は、複数の材料の混合物であってもよい。重合可能な材料を使う場合は、光重合および熱重合（またはそのどちらか）、または他の手段など、簡便な任意の手段で重合が可能な材料を利用することができる。光重合材料の場合は、混合物に光開始材を少量加えてもよい。その濃度は典型的に２〜３重量パーセントとする。ただし、光開始材は濃度が高くても利用できる。材料Ａおよび材料Ｂは「非反応性」である。本明細書で使う用語「非反応性」は、Ｌｉｑｕｉｄ　Ｃｒｙｓｔａｌｓ、ｖｏｌ　１３、ｐ．５６１（１９９３）の「Ｃｈｏｌｅｓｔｅｒｉｃ　ｇｅｌｓ　ｆｏｒｍｅｄ　ｂｙ　ＬＣ　ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ　ａｎｄ　ｔｈｅｉｒ　ｕｓｅ　ｉｎ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｓｔｏｒａｇｅ」（Ｈｉｋｍｅｔ／Ｚｗｅｒｖｅｒ論文）その他でＲ．Ａ．Ｍ．ＨｉｋｍｅｔとＢ．Ｈ．Ｚｗｅｒｖｅｒが使用している意味、すなわち、「材料間で異なる材料を形成する化学反応がまったく起こらない」と同じ意味を有している。
【００２１】
混合物Ａ＋Ｂによる膜
工程２では、液晶用によく知られた技術を使って、混合物で光学膜が形成される。この膜は、混合物の分子が長い範囲で秩序化され、この膜がその特徴的光学特性、例えばコレステリック液晶（ＣＬＣ）膜の場合は波長選択性および回転偏光選択性の反射率、ネマティック液晶（ＮＬＣ）膜の場合は位相シフト透過率を呈するように、「整列」される。図２Ａは、材料Ａと材料Ｂとからなるネマティック液晶膜の秩序性を概略的に図示している。ここで、細長い分子は２つのサイズの楕円で表されており、２Ａ２が材料Ａ、２Ａ３が材料Ｂを表す。この膜は基質２Ａ１上に配置されている。整列されたネマティック膜の場合、分子の長軸はおおよそ平行に秩序化され、結果として光学的に複屈折性の膜が得られる。分子長軸、すなわち分子ディレクタの平均方向に平行な屈折率はｎｅ、垂直な屈折率はｎｏでそれぞれ表される。複屈折率はΔｎ＝ｎｅ−ｎｏで表される。ロッド形状のＬＣ分子の場合はｎｅ＞ｎｏで、屈折率は「正」であると言う。円盤形状のＬＣ分子の場合はｎｅ＜ｎｏで、屈折率は「負」であると言う。平均屈折率はｎａｖ＝（ｎｅ＋ｎｏ）／２となる。
【００２２】
整列されたコレステリック液晶で形成した膜は、波長選択性および回転偏光選択性の反射率を有する。反射帯域の中心はλＣ＝ｎａｖＰ０で、帯域幅はΔλ／λＣ＝Δｎ／ｎａｖで表される。ここで、Ｐ０はヘリカルピッチである。以下に説明した工程を使って得られる「ＣＬＣ状」膜を利用した新規性のある多様な位相遅延装置およびその他を開示する。
【００２３】
前記混合物の少なくとも１つの材料（材料Ａか材料Ｂ）が重合可能な場合は、重合により分子秩序性を「凍結」することが有利な場合がある。材料Ａおよび材料Ｂの混合と、重合工程の条件とに応じ、この「秩序性」は変化することがある。例えば、Ｌ．ＬｉおよびＳ．Ｍ．Ｆａｒｉｓによる１９９７年１１月米国特許第５，６９１，７８９号「Ｓｉｎｇｌｅ−ｌａｙｅｒ　ｒｅｆｌｅｃｔｉｖｅ　ｓｕｐｅｒ　ｂｒｏａｄｂａｎｄ　ｃｉｒｃｕｌａｒ　ｐｏｌａｒｉｚｅｒ　ａｎｄ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ　ｔｈｅｒｅｆｏｒ」（Ｌｉ／Ｆａｒｉｓ特許）により開示されているように、重合後の反射帯域は、重合前の反射帯域に比べ著しい増加を呈することがある。これは、膜厚方向に沿って局所的に組成が不均一になる（材料Ａと材料Ｂの相対濃度について）ためであり、その結果重合中に形成されたピッチが連続的に変化する。
【００２４】
重合は簡便な分子秩序性「凍結」方法であるが、凍結のための各種代替技術を使うこともできる。この液晶秩序性の凍結は、膜温度を変えることによっても達成できる。例えば、膜は材料Ａおよび材料Ｂからなる混合物で、所定温度で形成することができる。それ以降の追加膜処理工程は、どちらかの成分、すなわち材料Ａの秩序化された液晶構造が維持される、より低い温度またはより高い温度で行うことができる。
【００２５】
（Ａ＋Ｂ）−Ｂ＝Ａの工程
工程３では、例えば適切な溶剤で溶解する、または熱か真空蒸発で気化させるなど、何らかの手段により材料Ｂを部分的または完全に膜から除去する。これにより、除去された材料が占めていたサイト（場所）に間隙が生じる。これらの間隙は細長い形状をしており、必ずしも均一なサイズではないが、ある意味で空間的に秩序化されている。ネマティック膜の場合、これらの間隙はその長軸の平均方向が膜面に平行（すなわち、基質の表面に実質的に平行）で、膜を横切る方向に垂直（すなわち、基質に直交する方向に実質的に垂直）な配置になる。
【００２６】
図２Ｂは、図２Ａに示したものと同じ膜構造の断面図を概略的に示した図で、前記材料Ｂが選択的に除去されて前記材料Ａだけが残されたところである。この膜は基質２Ｂ１上にある。材料Ｂの除去により間隙が生じたサイトの１つが、点線２０で表されている。これらサイトまたは間隙２０の分布または「密度」は、材料Ｂの局部密度に比例している（図２Ａ）。間隙２０は比較的小さく、微視的スケール（入射光波長の１／３０以下）であることが期待され、互いにつながっている。
【００２７】
ＣＬＣ膜の場合、これらの間隙は、基質面に平行な膜面内の長軸平均方向が、膜方向を横切る方向（基質表面の法線）に沿って螺旋様の軌跡を描くような配置になる。材料Ｂの除去後、間隙または空のサイト２０の存在により、平均屈折率は除去前より減少する。この除去の結果生じる膜の他の光学特性も除去前と比べ変化する。例えばＣＬＣ膜の場合は、波長選択性および回転偏光選択性の反射帯域がより短い波長側へシフトし、帯域幅が減少する。ΔｎＬに等しい位相シフトΔφ（Ｌは膜厚）は、ネマティック膜の場合減少する。
【００２８】
［（Ａ＋Ｂ）−Ｂ］＋Ｃ＝Ａ＋Ｃの工程
工程４は、特定の動作温度範囲、機械的安定性の改善、化学的安定性の改善など望ましい特性を膜構造に設計するためオプションで使用できる。この工程は、膜の間隙２０へ材料Ｃを適用する工程を伴う。この材料Ｃは、重合可能な液晶か、重合可能な非液晶か、重合不可能な液晶か、重合不可能な非液晶である。さらに、非ＬＣ材料Ｃは光学的に等方性でもよい。．この材料Ｃには有機ガスか、無機ガスか、液体か、固体かを使うことができ、それ自体が複数の材料の混合物であってもよい。一部の応用例では、材料Ｃは、成分Ｂからその構成物質を一部取り除いたものであってもよい。成分Ｃは、毛管現象による前記間隙への浸潤を容易にするため、典型的に低密度にされる。表面を成分Ｃでコーティングした膜を減圧空間に置くと、間隙２０内の空気が減圧されるため、細孔フィリング速度が実質的に向上する。材料Ｃが重合可能な場合は、光か熱か他の手段かにより膜を重合させて、分子秩序性を凍結する。その結果得られる膜は、もとからの材料Ａと、追加材料Ｃと、場合により材料Ｂ（除去が不完全な場合は残留物として、あるいは材料Ｃの成分として意図的に適用されて）とからなる。この膜の光学特性は、ここでも変化している。材料Ｃによって、例えばＣＬＣ膜の場合は、波長選択性および回転偏光選択性の反射帯域がより長い波長側へシフトして帯域幅が変化し（広くなるか狭くなる）、ネマティック膜の場合は、位相シフトが変化する（増加または減少する）。
【００２９】
｛［（Ａ＋Ｂ）−Ｂ］＋Ｃ｝−Ａ＝Ｃの工程
工程５は、特定の動作温度範囲、機械的安定性の改善、化学的安定性の改善など望ましい特性を膜構造に追加設計するために利用できる追加オプション工程である。この工程では、例えば適切な溶剤で選択的に溶解する、または適切なエッチング液でエッチングするなど、何らかの手段により材料Ａを部分的または完全に膜から除去する。これにより、除去された材料Ａが占めていたサイト（場所）に間隙が生じる。これらの間隙は細長い形状をしており、必ずしも均一なサイズではないが、ある意味で空間的に秩序化されている。ＣＬＣ膜の場合、これらの間隙は、（基質面に平行な）特定の膜面内の長軸平均方向が、膜方向を横切る方向（基質表面の法線）に沿って螺旋様の軌跡を描くような配置になる。ネマティック膜の場合、これらの間隙は、（基質面に平行な）特定の膜面内の長軸平均方向が、膜方向を横切って（基質表面の法線）１方向を指すような配置になる。これら間隙の分布または「密度」は、材料Ａの除去前の局部密度に比例している。とりわけ、上記の結果得られる膜は実質的に材料Ｃからできており、この材料Ｃは非液晶であっても、例えば、当初いわゆるＣＬＣ秩序性を有していた膜の波長選択性および回転偏光選択性の反射帯域や、当初ネマティック秩序性を有していた膜の位相シフトなどの光学特性を呈する液晶状構造を維持している。このように、上記の結果得られる膜は、温度感受性などＬＣに付随する欠点がなく望ましい光学特性を有するＣＬ膜を提供することができる。
【００３０】
代替工程（Ａ＋Ｃ）−Ａ＝Ｃ
当業者であれば、何らかの材料Ａと材料Ｃとでまず膜を形成し、次にこの膜から材料Ａを除去することにより、非液晶材料Ｃの液晶状膜が得られることが理解できるであろう。上記工程５の目的のため、整列した液晶膜は、選ばれた特定の材料Ａおよび材料Ｃの混合物からは容易に直接形成できないことが仮定されている。
【００３１】
！｛［（Ａ＋Ｂ）−Ｂ］＋Ｃ｝−Ａ！＋Ｄ＝Ｃ＋Ｄの工程
工程６は、特定の動作温度範囲、機械的安定性の改善、化学的安定性の改善など望ましい特性を膜構造に追加設計するために利用できるさらに別の追加オプション工程である。この工程では、材料Ａの除去後に材料Ｄを膜の間隙に適用する。この成分Ｄは、重合可能な液晶か、重合可能な非液晶か、重合不可能な液晶か、重合不可能な非液晶である。材料Ｄにはガスか、液体か、固体かを使うことができ、それ自体が複数の材料の混合物であってもよい。この成分Ｄは、毛管現象による前記間隙への浸潤と浸透とを容易にするため、典型的に低密度にされる。表面を成分Ｄでコーティングした膜を減圧空間に置くと、間隙内の空気が減圧されるため、細孔フィリング速度が実質的に向上する。材料Ｄが重合可能な場合は、光か熱か他の手段かにより膜を重合させて、分子秩序性を凍結する。この結果得られる膜は、液晶または非液晶である材料Ｃおよび材料Ｄからなる。この膜の光学特性はここでも再び変化し、例えば、ＣＬＣ状膜の場合は波長選択性および回転偏光選択性の反射帯域の中心波長および帯域幅が変化し、ネマティック状膜の場合は複屈折率が変化する。
【００３２】
代替工程［（Ａ＋Ｃ＋Ｄ）−Ａ］＋Ｃ＝Ｃ＋Ｄ
当業者であれば、何らかの材料Ａと材料Ｃと材料Ｄとでまず膜を形成し、次にこの膜から材料Ａを除去して、それにより生じた間隙を材料Ｃまたは材料Ｄで満たすことにより、材料Ｃと材料Ｄとの液晶状膜が得られることが理解できるであろう。図示目的のため、整列した液晶膜は、材料Ｃおよび材料Ｄの混合物からは容易に直接形成できないことが仮定されている。
【００３３】
例示的具体例
例Ｉ
図４Ａは、本発明に従って形成された膜試料の実験的反射スペクトルを示す図である。曲線４Ａ１は、ＢＡＳＦアクリラートＣＬＣ高分子化合物Ｎｏ．１８１（４５重量％）と、キラルネマティック（５３重量％）と、少量のチバガイギー光開始材イルガキュア１８４（２重量％）とからなる混合物の平面状ＣＬＣ膜の反射スペクトルである。このキラルネマティック自体は、メルクの低分子量ネマティック液晶Ｅ４４と、カイラル添加物Ｒ１０１１（このキラルネマティックに対し０．７重量％）とからなる。この膜は厚さ２０μｍで従来の方法により形成された。すなわち、機械的に磨いた薄いポリイミド整列層でまず２枚のガラス基質を回転塗布する。次に、直径２０μｍのガラスビードを、コーティング面同士を向き合わせた２枚のガラス基質間に分散させる。その後、前記ＣＬＣ混合物を、毛細現象によりこれらガラス基質間に適用する。機械的に剪断した後（比較的小さな基質の横方向運動で、ＬＣ分子を強制整列させる）、この膜を室温で３０分焼きなます（試料を静かに放置し、材料固有の分子力でさらに分子を整列させる工程）。そしてこの膜をＵＶランプで光重合させる。その後、基質のうち１枚を取り除く。反射率４Ａ１は、膜の「裸」側で取得される（ガラス基質がない側）。前記説明に関連して、材料ＡはＢＡＳＦ　１８１高分子化合物、材料Ｂは低分子キラルネマティックであった。次に、混合物（Ａ＋Ｂ）で膜が形成された。次にＢ成分（低分子量キラルネマティック）を、アセトン溶解で除去し、その結果材料成分Ａのみを有するＣＬＣ状の膜が得られた。興味深い点は、前記成分Ｂ（キラルネマティックのメルクＥ４４およびメルクＲ１０１１）を再度適用することにより、反射スペクトルがもともとの膜の反射スペクトルと略同一になったことである。これは、キラルネマティックが間隙を「再び占有」し、膜をもとの膜と名目上同一にしたことを示している。これにより材料Ｂが間隙を再度満たすことが実証されている。この膜は、前記成分Ｂにより占有された、螺旋的に秩序化された間隙を有していた。曲線４Ａ２は、ＵＶ光により硬化可能なエポキシ（ノーランド製品、部品番号６１０１）を間隙のある膜に適用した場合の反射スペクトルを示している。
【００３４】
例ＩＩ
図４Ｂは、本発明に従って形成された膜試料の実験的反射スペクトルを示す図である。曲線４Ｂ１は、ＢＡＳＦアクリラートＣＬＣ高分子化合物Ｎｏ．１８１（２６重量％）と、キラルネマティック（６９重量％）と、少量のチバガイギー光開始材イルガキュア１８４（５重量％）とからなる混合物の平面状ＣＬＣ膜の反射スペクトルである。このキラルネマティック自体は、メルクの低分子量ネマティック液晶Ｅ４４と、カイラル添加物ＣＢ１５（このキラルネマティックに対し２４．４重量％）とからなる。この膜は厚さ２０μｍで、上記例Ｉで説明した方法に類似した方法で形成された。この膜をＵＶランプで光重合させ基質の１枚を除去したのち、反射率４Ａ１がこの膜の「裸」側で取得された。前記説明に関連して、材料ＡはＢＡＳＦ　１８１高分子化合物、材料Ｂは低分子キラルネマティックであった。次に、混合物（Ａ＋Ｂ）で膜が形成された。次にＢ成分（低分子量キラルネマティック）を、アセトン溶解で除去し、その結果材料成分Ａのみを有するＣＬＣ状の膜が得られた。この膜は、前記成分Ｂにより占有された、螺旋的に秩序化された間隙を有していた。興味深い点は、前記成分Ｂ（キラルネマティックのメルクＥ４４およびメルクＣＢ１５）を再度適用することにより、反射スペクトル（図示せず）がもともとの膜の反射スペクトルと略同一になったことである。曲線４Ｂ２は、メルクＥ４４を単独で間隙のある膜に適用した場合の反射スペクトルを示している。この反射スペクトルは、もとの反射スペクトルとは異なっていた。この差は、もともとＣＢ１５が占有していたサイトに生じた間隙をＥ４４が満たしたことによる、複屈折率の違いと平均屈折率ｎａｖの違いとによるものと考えることができる。
【００３５】
例ＩＩＩ
図４Ｃは、本発明に従って形成された膜試料の実験的反射スペクトルを示す図である。曲線４Ｃ１は、ＢＡＳＦアクリラートＣＬＣ高分子化合物Ｎｏ．１８１（４５重量％）と、キラルネマティック（５３重量％）と、少量のチバガイギー光開始材イルガキュア１８４（２重量％）とからなる前記混合物の平面状ＣＬＣ膜の反射スペクトルである。このキラルネマティック自体は、メルクの低分子量ネマティック液晶Ｅ４４と、カイラル添加物Ｒ１０１１（０．７重量％）とからなる。この膜は厚さ２０μｍで、上記の説明に類似した方法で形成された。この膜をＵＶランプで光重合させ基質の１枚を除去したのち、反射率４Ｃ１がこの膜の「裸」側で取得された。前記説明に関連して、材料ＡはＢＡＳＦ　１８１高分子化合物、材料Ｂは低分子キラルネマティックであった。次に、混合物（Ａ＋Ｂ）で膜が形成された。次にＢ成分（低分子量キラルネマティック）を、アセトン溶解で除去し、その結果、曲線４Ｃ２として示された反射スペクトルを呈する材料成分Ａのみを有するＣＬＣ状の膜が得られた。反射帯域の中心波長は、約７３４ｎｍから約２６５ｎｍにシフトした。処理された膜の反射率は、ＵＶスペクトル領域における材料吸収により減少した。
【００３６】
空間的特色を有する位相遅延装置
本発明に係る整列したネマティック膜は、位相遅延装置として使うことができる。複屈折率Δｎ、厚さＬの膜の場合、波長λの光における位相遅延はΔφ＝ΔｎＬ／λで与えられ、典型的に２π単位で表される。その一例は、Δφ＝（２Ｎ＋１／４）π（Ｎは整数）の１／４波長遅延装置である。１／４波長遅延装置は、円偏光した入射光を膜に通過させて線形に偏光した光に変え、逆方向の膜通過では線形に偏光した入射光を円偏光した光に変える光学装置である。位相遅延Δφは、入射光の波長λに強く依存するため、波長λ１用に「完璧に」または最適に設計された１／４波長遅延装置は波長λ２には「完璧な」１／４波長遅延装置とはならない。このような場合、λ１用に設計された１／４波長遅延装置を通過した波長λ２の光は、線形偏光または円偏光される代わりに楕円偏光される。すなわち、円偏光された波長λ１および波長λ２（λ２≠λ１）の入射光は、双方同時に線形偏光された光には変換されない。同様に、線形偏光された波長λ１および波長λ２（λ２≠λ１）の入射光は、双方同時に円偏光された光には変換されない。この問題は、入射光が広帯域の場合、より深刻化する。ゼロ次遅延装置（Ｎ＝０、ここでＮは上記１／４波長遅延装置の説明で定義済み）は高Ｎ次遅延装置より好ましいが、一般に高Ｎ次遅延装置より高価である。「色消し」、すなわち与えられた範囲または不連続な波長のセットについて波長遅延装置の波長依存性を実質的に排除するには、１／４波長板などの知られた手段がある。ただし、これらの装置は典型的に複雑で、例えば積層型の複数の複屈折層を要する傾向にある。
【００３７】
ＣＬＣフィルタを利用したカラーディスプレイなど一部の応用例では、ディスプレイは空間領域に分割されることがあり、本発明の位相遅延膜はこの空間領域について特定のスペクトル帯域用に最適化されている。図５Ａは、そのような光学装置５１０を図示したもので、この光学装置５１０は「チェッカーボード」様に複数のゾーンを有し、赤色サブピクセル用にゾーン５１１を有し、緑色サブピクセル用にゾーン５１２を有し、青色サブピクセル用にゾーン５１３を有する。上記に開示された工程を使うと、強度分布がスペクトル帯域を通じて均一であると仮定して、適切な材料Ｃをサブピクセル用に追加することにより、ΔｎＬ／λ１２＝π／４（ここで、１／λ１２＝（１／λ１＋１／λ２）／２）となるよう、スペクトル帯域λ１〜λ２用に複屈折率Δｎでピクセル化された波長遅延膜を容易に製造することができる。例えば、可視光範囲（４００ｎｍ〜７００ｎｍ）は３つのいわゆる原色帯域、つまりＲＧＢカラーサブピクセル用に、赤（Ｒ）（６０７ｎｍ〜７００ｎｍ）と、緑（Ｇ）（５１０ｎｍ〜６０７ｎｍ）と、青（Ｂ）（４００ｎｍ〜５１０ｎｍ）とに分割することができる。λ１２’は、赤帯域で６５０ｎｍ、緑帯域で５５４ｎｍ、青帯域で４４８ｎｍになる。典型的にＬＣＤディスプレイ用の放電ランプから生成される、不均一に分布したスペクトル帯域の場合、λ１２’には、例えば帯域における平均値にランプ強度分布の重み付けをした値が選ばれる。
【００３８】
空間的特色を有するノッチフィルタ装置
本発明に係る平面状コレステリック膜は、空間的特色を有するノッチフィルタ装置またはリジェクションフィルタ装置として使うことができる。入射ビームのスペクトル成分を選択的に反射すると、このフィルタが中心λｃ＝ｎａｖＰ０の拒絶帯と、帯域幅Δλ＝λｃ（Δｎ／ｎａｖ）と、膜の利き手の円偏光とを有するようにできる。 ＣＬＣカラーフィルタを利用したカラーディスプレイなど一部の応用例では、このようなフィルタ装置は、日本特許参照番号９−３１８８０７などに開示されているように、液晶ディスプレイ用に使われる従来の吸収カラーフィルタ膜より有利である。この例ではカラーフィルタ膜は空間領域へと分割されており、本発明に係るフィルタはそれら空間領域について特定のスペクトル帯域用に最適化されている。リジェクションフィルタは、バンドパスフィルタとして説明した方が便利である。可視入射光の場合は、フィルタを３つのいわゆる原色帯域、すなわち赤パスフィルタ（緑と青のスペクトル成分を拒絶する）と、緑パスフィルタ（赤と青のスペクトル成分を拒絶する）と、青パスフィルタ（赤と緑のスペクトル成分を拒絶する）とに分割するのが便宜的である。図５Ａをその説明として使うと、前記光学装置５１０は「チェッカーボード」様に複数のゾーンを有し、赤パスフィルタのゾーン５１１を有し、緑パスフィルタのゾーン５１２を有し、青パスフィルタのゾーン５１３を有する。近接した赤パスフィルタと、緑パスフィルタと、青パスフィルタとが１つのピクセルを構成している。上記に開示された工程を使うと、適切な材料Ｃをサブピクセル用に追加することにより、前記赤パスフィルタが２つのサブ領域を有し、その一方が緑のスペクトル成分を拒絶し、他方が青のスペクトル成分を拒絶するよう、原色用にピクセル化されたカラーフィルタ膜を容易に製造することができる。図５Ｂは、ピクセル化されたＲＧＢカラーフィルタの断面図である。赤パスサブピクセルフィルタは２つのサブレイヤ（副層）５１１Ｇおよび５１１Ｂを含んでおり、入射する「白い」円偏光した光５１５Ｉのうち、緑のスペクトル成分５１５ＲＧと青のスペクトル成分５１５ＲＢとを拒絶する。透過した光は円偏光した赤のスペクトル成分５１５ＴＲとなる。同様に、緑パスサブピクセルフィルタは２つのサブレイヤ（副層）５１２Ｒおよび５１２Ｂを含んでおり、入射する「白い」円偏光した光５１５Ｉのうち、赤のスペクトル成分５１５ＲＲと青のスペクトル成分５１５ＲＢとを拒絶する。透過した光は円偏光した緑のスペクトル成分５１５ＴＧとなる。青パスサブピクセルフィルタは２つのサブレイヤ（副層）５１３Ｒおよび５１３Ｇを含んでおり、入射する「白い」円偏光した光５１５Ｉのうち、赤のスペクトル成分５１５ＲＲと緑のスペクトル成分５１５ＲＧとを拒絶する。透過した光は円偏光した青のスペクトル成分５１５ＴＢとなる。
【００３９】
当業者であれば、同じ効果を達成するため、このフィルタ構造の変形を導入することが可能である。例えば、前記赤パスフィルタは、その拒絶帯が緑と青とをカバーする十分な広さを有していれば、単一層（サブレイヤなし）にできる。さらに別の例では、膜の反対側に異なる材料Ｃを追加する代わりに、前記フィルタを互いに貼り合わされた区別可能な２枚の層として製造し、各層がサブピクセル化されたＲ拒絶帯とＧ拒絶帯とＢ拒絶帯とを有するようにできる。
【００４０】
２色性偏光子
本発明の工程は、ネマティックＬＣを材料Ａとして使った２色性偏光子の製造に利用できる。２色性色素を添加した整列ネマティックＬＣを有する膜は、この膜内で色素分子が整列していることから、特定の偏光特性を有する入射光を他の偏光特性を有する入射光より強く吸収する能力を有するため、吸収偏光子用に使えることが知られている。図２Ｃと、図２Ｄと、図２Ｅでは、追加材料Ｃおよび追加材料Ｄのどちらか（例えば、図２Ｃにおいて２Ｃ３で示した材料Ｃ、図２Ｄにおいて２Ｄ２で示した材料Ｃ、図２Ｅにおいて２Ｅ２で示した材料Ｃと２Ｅ３で示した材料Ｄ）が光学的に吸収力を有している。この材料はＬＣが除去されて生じた前記サイト（間隙）を満たすものであるため、この材料の分子は、細長いＬＣ分子をかたどった細長い集合体として集まる。このように、前記追加材料Ｃと材料Ｄ、またはそのどちらかがＬＣ状の分子秩序性を伴って提供される。このように、これらの集合体がＬＣ分子と類似した光学特性、すなわち特定の偏光特性を有する入射光を他の偏光特性を有する入射光より強く吸収する光学特性を呈することにより、透過した光は１つの主要な偏光特性だけを有する。このアプローチは、有機２色性材料固有の制約を取り除くことにより高性能な偏光装置が得られる点で有利である。例えば、材料Ｃおよび材料Ｄはその「耐光性」（２色性色素による色消しまたは色分解への抵抗力）と、広い帯域（複合広帯域吸収を示す吸収材料の混合物）と、広いスペクトル範囲（ＵＶ〜ＩＲスペクトル範囲にかけて、特殊な２色性有機色素より吸収性のある材料が利用可能）と、高い動作温度とにより選ばれる。図６は、材料Ａ（６１）と材料Ｃ（６２）を含む構造を示す断面図５０１で、２色性偏光子６０１を図示している。ディレクタ６３は矢印で表されている。入射光６４Ａは偏光されておらず、ディレクタに平行に偏光した光成分は実質的に材料Ｃに吸収されるため、透過光６４Ｂは実質的にディレクタに垂直に偏光している。
【００４１】
広帯域円偏光
単一層広帯域円偏光は、前記で引用したＬｉ／Ｆａｒｉｓ特許で説明されている方法で、特定のコレステリック液晶混合物と重合とにより得られる。簡単に説明すると、このような偏光子は、重合可能なＣＬＣ単量体と、非反応性ネマティック液晶かキラルネマティック液晶（カイラル添加物を伴うネマティック液晶）とを含むＣＬＣ混合物で製造できる。ネマティック液晶またはキラルネマティック液晶が液晶相を保てる温度範囲は限られている。そのため、このような偏光子の動作温度範囲も限られてしまう。その上限は、典型的にポリマーマトリクス自体（約２００℃）よりむしろネマティック液晶またはキラルネマティック液晶により決定される（約１００℃）。さらに、これらネマティック液晶またはキラルネマティック液晶は典型的にサーモトロピック、つまり光学特性が温度に強く依存する。このため、こういった混合物を使った偏光子の特性は比較的温度に敏感である。
【００４２】
本発明の工程を使うと、このような欠点を克服することができる。１つの例では、材料Ａとして重合可能なＣＬＣ単量体を利用し、材料Ｂとして非反応性ネマティック液晶か非反応性キラルネマティック液晶を利用できる。整列したＣＬＣ膜が形成および重合されたら、この膜から材料Ｂを除去する。記号を使うと、これは（Ａ＋Ｂ）−Ｂ＝Ａと表せる。その結果得られる膜は完全に重合されており、ＣＬＣ状、すなわち波長選択性および回転偏光選択性の反射率を呈する。この膜の光学特性は、比較的広い温度範囲、特にその上限付近で温度感受性を有さない。この工程のさらに異なる利点は、除去された材料Ｂをその後の用途にリサイクルできることである。これは、望ましい材料Ｂが限られた数の供給業者からしか入手できず、それゆえ比較的量が限られ高価である場合、特に有利である。
【００４３】
典型的に、結果として得られる膜の反射帯域は、従来の装置の反射帯域より帯域幅が狭く中心波長が短いことが測定されている。また、ｎａｖの定義による前述の関係λｃ＝ｎａｖＰ０およびΔλ／λｃ＝Δｎ／ｎａｖから、結果として得られる膜がより小さいｎａｖを有する（間隙のため）ことも理解される。この点で、２つの材料１および２を有する膜の場合、平均屈折率は個々の材料のｎａｖを平均したものになる。それゆえ、このような膜ではｎａｖ＝ｃ１ｎａｖ１＋ｃ２ｎａｖ２となる。ここで、ｃ１およびｃ２は材料１と、材料２と、場合により他の材料パラメータとの相対比の関数である重み付き係数である（前記説明のとおり、変数ｎａｖ１は材料１について、変数ｎａｖ２は材料２について、それぞれ（ｎｅ＋ｎｏ）／２に等しい）。材料２が間隙で置き換えられると、それら間隙（空気）の屈折率は１（最小値）であるため、前記重み付き平均は減少する。
【００４４】
結果として得られる膜のΔｎも減少し（材料Ｂが除去されて寄与がゼロになるため）、場合によりＰ０も減少する（膜厚の減少により）。このように、設計された反射帯域を有する円偏光子の場合には、より広い帯域とより長い中心波長とを有する膜がまず形成される。当業者であれば、特定の材料とそのパーセント濃度は、望ましい反射帯域に対してＬＣ混合物を最適化するように選ばれることが理解できるであろう。使用される特定の処理工程、すなわちオプション処理工程４〜６のうち１つ以上も、望ましい特性を得られるよう選択される。例えば、間隙を材料Ｃで満たすと、「高密な」（つまり間隙のない）膜が得られる。このような膜には、より機械的に安定している（剛性の増大による）、より耐水性がある（表面積が減少するため）などいくつかの利点がある。
【００４５】
チューナブルノッチフィルタ
本発明に従って得られるＣＬＣ状の膜（記号的には（Ａ＋Ｂ）−Ｂ＝Ａ、ここでＡは弾性材料）は間隙を含むため、膜表面に圧力がかけられると材料が圧縮される点で機械的に従順である。これにより、ヘリカルピッチ（および場合により平均屈折率）が機械的に変化し、反射帯域の中心波長も変化する。
【００４６】
この効果を使うと、前記ＣＬＣ状の膜をチューナブルノッチフィルタとして使うことができる。図７は、本発明に係るＣＬＣ状の膜処理により製造された構造を使ったチューナブルノッチフィルタの優良な実施形態を示している。このノッチフィルタ７００は、２枚の基質７０２および７０３と、それらにはさまれたＣＬＣ状の膜７０１とからなる。これらの基質は前記ＣＬＣ状の膜７０１上の矢印７０５で表された圧力を伝える便宜性のために設けられている。円偏光されたビーム７０４Ｉは膜上に入射する。入射ビームの波長が反射帯域内にある場合、この入射光は実質的に反射される。反射されたビームは７０４Ｒで表されている。入射ビームの波長が反射帯域外にある場合、この入射光は実質的に透過される。反射されたビームは７０４Ｔで表されている（ＣＬＣ状の膜の利き手は、入射ビームの円偏光状態と同じであると仮定されている）。膜に加圧すると、ヘリカルピッチは変化し、反射帯域はシフトし狭まる。このように、この装置により（透過または反射される）入射光の透過は制御が可能である。さらに、このようなチューナブルノッチフィルタは圧力センサとしても利用できる。例えば、このフィルタの反射帯域のシフトを使って、フィルタにかけられる圧力の変化を決定できる。当業者には、互いに類似した反射帯域を有する左手型のＣＬＣ状膜と右手型のＣＬＣ状膜とをスタックすると、偏光されていない光を反射または透過するスイッチ可能な鏡を形成できることが明らかであろう。
【００４７】
本発明と同一出願人による米国特許出願、出願番号０９／０４５，３０７号「Ｓｏｌｉｄ　Ｓｔａｔｅ　Ｄｙｅ　Ｌａｓｅｒ」で説明されているとおりにＣＬＣ状膜にレーザー色素を添加すると、誘導レーザー発光の出力波長を調整することができる。図８は、本発明に係るＣＬＣ状膜処理により製造された構造を使った、チューナブル色素レーザーの優良な実施形態を示している。色素レーザー８００は、２枚の基質８０２および８０３と、それらにはさまれた色素添加増幅媒体８０１からなる。これらの基質は、色素添加ＣＬＣ状膜上の矢印８０５で表された圧力を伝える便宜性のために設けられている。ポンプビーム８０４Ｐは前記膜上に入射し、８０４Ａおよび８０４Ｂで表された膜表面の法線２方向に誘導光が発せられる。膜のピッチを（圧力で）変えることにより、反射帯域の端が変化して色素レーザーの出力波長が変化する。さらに、この装置は、調整可能な光源としてだけでなく圧力センサとしても利用できる。例えば、レーザー発光の出力波長を監視して、前述のチューナブルノッチフィルタと類似した方法で、装置へかかる圧力を示すことができる。この方法でチューナブル色素レーザーを利用することにより追加される利点は、監視する信号（レーザー発光の波長）がこのセンサへのポンプビーム入射角度に独立なことである。レーザー色素なしのチューナブルノッチフィルタを使った前記の例では、反射帯域は観測者と膜法線とがなす角度に依存している。入射角が増加すると、青方偏移（中心波長が短くなる）が観測される。
【００４８】
光学的格納層
ＣＬＣ膜の成分が除去される際の反射帯域のシフトは、光学データの格納に利用できることが示されている（Ｈｉｋｍｅｔ／Ｚｗｅｒｖｅｒ論文）。簡単に説明すると、ＨｉｋｍｅｔおよびＺｗｅｒｖｅｒは、重合可能な単量体ネマティック材料と非反応性カイラル添加物とからなるキラルネマティック材料を使って、特徴的な反射帯域の第１中心波長を有する整列したＣＬＣ膜を形成した。次に、集束レーザービームを使った高温（約２００℃）での熱的蒸発によりこのカイラル添加物を局所的に除去し、結果として反射帯域が第２の中心波長を呈した。この反射帯域のシフトが、２値状態で表されるデジタルデータの格納に利用された。
【００４９】
本発明と同一出願人Ｆａｒｉｓによる米国特許第５，３５３，２４７号「Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｍａｓｓ　Ｓｔｏｒａｇｅ　Ｓｙｓｔｅｍ　ａｎｄ　Ｍｅｍｏｒｙ　Ｃｅｌｌ　Ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｅｄ　Ｔｈｅｒｅｉｎ」と、Ｂ．ＦａｎおよびＳ．Ｍ．Ｆａｒｉｓによる米国特許第６，００５，８３８および５，８３８，６５３号「Ｍｕｌｔｉｐｌｅ　Ｌａｙｅｒ　Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｒｅｃｏｒｄｉｎｇ　Ｍｅｄｉａ　ａｎｄ　Ｍｅｔｈｏｄ　ａｎｄ　Ｓｙｓｔｅｍ　ｆｏｒ　Ｒｅｃｏｒｄｉｎｇ　ａｎｄ　Ｐｒｏｄｕｃｉｎｇ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｕｓｉｎｇ　ｔｈｅ　Ｓａｍｅ」（１９９８年１１月）に説明された方法で波長分割多重方式を多層構造で使うと、本発明に従って形成されるＣＬＣ膜ではデータ格納層の動作温度がより低下し、または反射帯域幅が狭まってさらに格納容量が増加する。記号的に［（Ａ＋Ｂ）−Ｂ］＋Ｃと表せる膜処理工程では、比較的揮発性（より低い蒸発温度で）で、より狭い第２反射帯域幅と、第１中心波長および第２中心波長の間におけるより大きなシフト（データ記録後にΔｎとｎａｖまたはそのどちらかを変更することにより）と（またはそのどちらか）を提供する特定の材料Ｃが選ばれる。当業者であれば、特定の材料とそのパーセント濃度は、望ましい反射帯域に対してＬＣ混合物を最適化するように選ばれることが理解できるであろう。使用される特定の処理工程、すなわち光学的処理工程４〜６のうち１つ以上も、望ましい特性を得られるよう選択される。
【００５０】
図９〜１３ｃには、配向したＮＬＯ結晶子を伴う複合ＮＬＯ膜の製造方法が開示されており、これらの方法は前述した問題の少なくとも１つを克服する。この製造方法は単純だが新規性を有している。高分子ホストは、交差結合可能で非反応性の低分子量（ＬＭＷ）ネマティック液晶の混合物からなることが好ましい。均一にホスト材料に溶解された少量の「ゲスト」ＮＬＯ分子を整列させるため、液晶分子の自己秩序化が利用されている。次に、中心対称性の除去には電場のポーリングが使われている。当業者には、磁場またはコロナ放電を代わりに利用できることが知られている。ゲスト材料の混和性に制限があるため、ＮＬＯ特性は典型的に小さい。本明細書で説明されているとおり、光学的非線形性を強化する目的で、さらに前記ホスト膜への処理を行うことができる。前記膜の非反応性成分を除去すると、メソゲンサイズの間隙が生じる。次にこれらの間隙を非線形材料で満たすと、この非線形材料は結晶を形成する。これらの結晶子は、ポリマーマトリクスに埋め込まれたシード（種）により高度に配向している。結晶子の配向は場のポーリングにより改善が可能である。膜の欠点を抑えるには、従来の熱的焼きなまし法を利用できる。
【００５１】
図１０ａは、ホストとして使うことが好ましいネマティック液晶（ＮＬＣ）膜の断面を平面構成で示した図である。図示のため、２枚の基質、１０１１および１０１２が使われている。優良な実施形態に必要な基質は１枚だけ、例えば１０１２だけである。典型的にＮＬＣ膜は２枚の基質を使って形成され、これら基質のうち１枚が前記の望ましい基質１０１２、例えば電子回路が内部に配置されているシリコンウエハーである。この膜形成後、他方の基質１０１１（単なる硝子板でよい）を除去して、前記ＮＬＣ膜を前記望ましい基質１０１２上に残す。また、例えばドクターブレード法を使って、望ましい基質上に平面構成の膜を形成することも可能である。これらの技術は液晶技術の当業者にはよく知られているため、詳しくは言及しない。この膜は、交差結合可能な高分子化合物（これらの分子は１０１３で示す）と、非反応性低分子量ネマティック（１０１４で示す）と、少量の光開始材（図示せず、典型的に２、３重量パーセント）との混合物を含むことが好ましい。この交差結合可能な高分子化合物と、この非反応性成分との重量比は５：９５の範囲になる。交差結合可能な高分子化合物の濃度が比較的高い混合物では、より間隙の少ない、すなわち比較的ＮＬＯ材料含有量が少なくＮＬＯ特性が低い膜が得られる。前記光開始材は、高分子化合物の重合（交差結合）を開始して配向ＮＬＯ結晶子に安定したネットワークを提供するために使う。平面構成の膜は、よく知られた技術をいくつか使って形成できる。例えば、液晶と接触する基質の表面は薄いポリイミド膜（図示せず）でコーティングできる。このコーティングはナイロンパイルで擦ることにより機械的に磨く。これにより、細長い液晶分子は擦り方向に整列する。また、機械的な摩擦を使わず、例えば、接触表面上の適切な薄いコーティングに正しく光を照射する従来の光学輻射法を使っても整列層を形成することもできる。代わりに、この接触表面に薄いシリコン酸化物膜を斜め蒸着させることもできる。これらの技術は液晶技術の当業者にはよく知られているため、さらに詳しくは言及しない。分子相互作用が「自由エネルギー」を最小化するため、細長い液晶分子は前記擦り方向（Ｘ軸）に沿って、実質的に互いに平行に整列される。この膜は正に一軸的であり、屈折率ｎｅ（Ｘ軸方向）と屈折率ｎｏ（ＹＺ面内の任意方向）とを有する（ｎｅ＞ｎｏ）。有機ＮＬＯ分子（１０１５で示す）も、吸収スペクトルで強い２色性により示されているように、ホスト液晶分子に平行に整列される（以下、図１２ａおよび１２ｂを参照して説明する）。
【００５２】
ネマティック膜も、図１０ｂの断面図に示すように等方状態で形成できる。この膜は図１０ａと同じ構成にできる。これは、交差結合可能な高分子化合物１０２３と非反応性低分子量ネマティック材料１０２４との混合物と、光開始材（図示せず）と、２枚の基質１０２１および１０２２にはさまれた有機ＮＬＯ材料１０２５という構成である。等方状態では、細長い液晶分子と有機ＮＬＯ分子はランダムに整列される。この膜は光学的に等方性で、屈折率はｎｉ＝［（ｎｅ２＋２ｎｏ２）／３］１／２（ｎｅ＞ｎｉ＞ｎｏ）である。この等方状態は、ネマティック混合物のクリアリング温度より高温に膜を加熱することにより得られる。等方状態にあるＬＣ材料は、より低い屈折率を有し、平面構造の領域と併せて導波路構造用のクラッド材として使用できる（以下、図９を参照して説明する）。
【００５３】
交差結合可能な高分子化合物を使う利点は、以下でより明確に理解される。いったん重合すると、液晶分子の配向は永久的に固定される。その光学特性は、ガラス位相転移温度（一部の高分子化合物の場合３００℃）まで温度感受性を有さない。このように、平面構造で等方性の領域を同じ膜上に形成し、屈折率の違いを利用して導波路構造を形成することが可能である（以下の説明を参照）。
【００５４】
前記で説明したＬＣ膜形成工程は、ＮＬＯ材料のナノ結晶を処理済みホストに埋め込むことにより、ＮＬＯ膜の形成に使用できる。これらナノ結晶の配向は、バルク結晶に見られる協動的ＮＬＯ効果が出るように選ぶことができる。
【００５５】
前述したとおり、導波路装置用にバルク結晶膜を製造するのは困難である。以下、ＮＬＯ材料Ｎ−（４−ニトロフェニル）−Ｌ−プロリノール（ＮＰＰ）を使ったＮＬＯ膜製造後続処理を、例示的具体例として説明する。図１１は、このＮＰＰの分子構造を示している。ＮＰＰは、ＮＯ２−Ｎ軸に沿って対象ではない分子構造を有し、電気光学係数が大きい単斜結晶を自然に形成する。
【００５６】
本発明で使用できる混合物の非限定的な例としては、交差結合可能なＣＭ４２８（ＢＡＳＦ、ドイツＬｕｄｗｉｇｓｃｈｉｆｆｅｎ所在）と、ＬＭＷネマティックＥ４４（ＥＭＩ、ニューヨーク州Ｈａｗｔｈｏｒｎｅ所在）とを重量比４：１０で混合したものに、約１重量％の光開始材Ｉｒｇａｃｕｒｅ　１８４（チバガイギー、ニューヨーク州Ｔａｒｒｙｔｏｗｎ所在）を混合したものからなるＮＬＣ混合物がある。この混合物は、次にＮＬＯ材料ＮＰＰ（シグマアルドリッチ、ワイオミング州ミルウォーキー所在）と統合される。このＮＰＰは液晶混合物において１重量％未満と推定される低い混和性を有する。次に、この混合物で前述の従来の技術を使って厚さ２．５μｍの膜を形成する。図１２ａと図１２ｂは、ＮＰＰ添加ＮＬＣ膜の吸収スペクトルを、平面構成で形成されたもの（図１０ａを参照）と、等方状態で形成されたもの（図１０ｂを参照）について示している。平面構成の膜は室温で焼きなましされており、その吸収はゲストＮＰＰ分子の配向の秩序性による２色性を示している。整列層の擦り方向に平行に偏光された入射光の吸収（１２１１で示す）は、整列層の擦り方向に垂直に偏光された入射光の吸収（１２１２で示す）より２７倍強い。一方、等方性の膜は１００℃で焼きなましされており（ＬＣ混合物のクリアリング温度より高い）、その吸収（１２２１で示す）は２色性を呈さない。この吸収は入射光の偏光状態に独立である。すなわち、吸収スペクトルは、擦り方向に平行に偏光された光と、擦り方向に垂直に偏光された光とで区別できない。これは、液晶分子などのＮＰＰ分子がランダムに整列していることを示している。
【００５７】
細長い液晶分子が擦り方向に沿って互いに略並行に自己整列することは、よく知られている。これは単に長い範囲での配向秩序性であり、すべての液晶分子の「頭」が同じ方向を向くわけではない。液晶分子は、「矢印」の「頭」および「尾」と呼ばれる分子の両端で定義される分子長軸に沿って対称でないことが仮定されているしたがって、これらの分子は通常ベクトル整列しておらず、全体的に反対の方向を向いている。実験結果によると、ゲストＮＬＯ分子は、全体としてホスト液晶分子の長軸と同じ縦軸に整列しているが、ベクトル配向していないことが示されている。その結果得られる膜は、電気光学用途（すなわち、光ビームに位相遅延をもたらすために電場を印加する応用例）と他の用途、例えば光学的第２高調波の発生（入射光を、その２倍のスペクトル周波数の光に変換する）、波長の上下変換（２つの異なる波長ｆ１およびｆ２を有する入射光を、和ｆ３＝ｆ１＋ｆ２または差ｆ３＝ｆ１−ｆ２の関係を有する別の波長ｆ３の光に変換する）、パラメトリック発振（入射光を、それぞれ異なる波長を有する２つの出力ビームに変換する）、光学検波（入射光を電気信号に変換する）、その他の非線形光学工程などに不適切な中心対称性を有する。分子間相互作用により、ホスト分子がベクトル整列しており、ＮＬＯ分子がベクトル整列している構造を提供することが有利である。
【００５８】
上記の理由から、何らかの手段によりＮＬＯ分子をベクトル配向して中心対称性を取り除くことが望ましい。ポーリングしたＮＬＯ高分子化合物膜で適用する電場のポーリングを、この目的に使用することができる。図１３ａは優良なポーリング構成を示している。この断面図は、２枚の基質１３１１および１３１２にはさまれたネマティック液晶（ＮＬＣ）膜を示している。この膜は、交差結合可能な高分子化合物（分子１３１３）と非反応性低分子量ネマティック（分子１３１４）との混合物と、光開始材（図示せず）と、有機ＮＬＯ材料（分子１３１５）とからなる。膜は平面構造で、整列方向はＸ軸上にある。この整列は、基質上のポリイミドコーティング（図示せず）を擦る、または前述の他の技術により達成される。電場のポーリングでは、１対の電極１３１６ａおよび１３１６ｂが前記基質１３１２上に付着される。典型的に、これらの電極は隙間により隔てられた金属膜の帯である。これらの導電性の帯は、インジウム酸化スズ（ＩＴＯ）のように光学的に半透明であるか、不透明（金、アルミニウム、クロミウム、またはその他）である。電極としてどの材料を選ぶかは特定の用途に応じて異なり、その材料が光の有効波長で条件を満たす吸収損失を有するか、その組み込み先装置と互換性があるかなどの設計配慮と併せて決定される。図示された電極構成は、一般に「面内」と呼ばれ、これは電極が前記基質１３１２の面と平行に配置されていることを意味する。このような構成は、同じ電極を電気光学装置に使えるため、有利である。
【００５９】
ポーリングでは、面内電極１３１６ａと面内電極１３１６ｂとの間にＤＣ電圧が印加される。この電場ポーリングでは、少なくとも２つの効果が得られる。第１の効果は、ネマティック液晶分子が、図１０ａのように前記基質の面に平行になる代わりに電場に沿って整列されることである（力線は破線で示されている）。電界効果を受ける低分子量ネマティックを含むようホスト混合物が調合されているため、液晶分子の可動度はかなり高い。またポーリング中の膜温度は高く、粘性が全体的に低くなるようクリアリング温度よりわずかに低いことが好ましい。第２の効果はＮＬＯ分子も液晶分子に沿って再配向されることである。これらのＮＬＯ分子も、その分子双極子モーメントが比較的大きいため好ましい方向にベクトル整列している。電場の強さ２５Ｖ／μｍはポーリング用に十分であるように見える。膜の温度は、ポーリング場が印加されると徐々に室温まで下げられる。次に、この膜を重合してＮＬＯ分子のベクトル秩序性を維持する。その後、上記で図１〜８を参照して説明したように、非反応性の成分を除去する。図１３ｂに示した処理済みの膜は間隙を有しており、大きな電気光学係数（ポーリング後のベクトル整列による）と、良好な時間安定性（構造的に秩序化されたＬＣ高分子化合物ホスト）とを有している。膜の非線形性は、非反応性ＬＣホスト材料を除去して生じた間隙を同じＮＬＯ材料で満たすことにより、さらに強化することができる。これにより膜内のＮＬＯ材料の含有量が増加するため、この膜ははるかに大きな吸収を示すようになる。ここで説明している膜試料の場合、吸収は４００ｎｍで１，０００倍以上増加する。このＮＬＯ分子が非反応性ＬＣ分子より小さいことにより、前記間隙を満たしたＮＬＯ材料はナノ結晶子を形成する傾向がある。これらのＮＬＯ分子は間隙内でクラスタ化し、この間隙内で結晶子を形成する傾向にある。これらの結晶子は、ポリマーマトリクス内の残りのＮＬＯ分子をシードとして利用することにより、ベクトル整列させることができる。場のポーリングもこれら結晶子のベクトル配向改善に利用できる。これは、図１３ｃに示すようにＤＣ電場をポーリング電極間に印加することにより行える。ＮＬＯ結晶子はその形成中に（間隙を溶剤で満たす場合は、溶剤の蒸発中に）配向させることが有利である。また、温度サイクル中にポーリング場を印加して結晶子を改善することにも利点がある。配向した結晶子間の協動的相互作用により、上記のように処理された膜のＮＬＯ特性は著しく高まり、バルク有機結晶のＮＬＯ特性に近づけることができる。
【００６０】
前記の説明では、例示的具体例としてＮＰＰを取り上げているが、結晶を形成し現在利用可能または今後合成可能なものであれば、実質的に他のいかなるＮＬＯ有機材料も適切である。例えば、ＮＬＯ膜を構成する有機化合物の部分的なリストを以下に示す。４−Ｎ，Ｎ−ジメチルアミノ−４’Ｎ’メチル−トシル酸スチルバゾリウム（ＤＡＳＴ）と、２−メチル−４−ニトロアニリン（ＭＮＡ）と、２−アミノ−５−ニトロピリジン（２Ａ５ＮＰ）と、ｐ−クロロフェニル尿素（ＰＣＰＵ）と、４−（Ｎ，Ｎ−ジメチルアミノ）−３−アセトアミドニトロベンゼン（ＤＡＮ）と、Ｎ−（５−ニトロ−２−ピリジル）−（Ｓ）−フェニルアラニノール（ＮＰＰＡ）と、３−アセトアミノ−４−メトキシ−Ｎ−（４−ニトロベンジリデン）アニリン（ＭＮＢＡ）と、４’−ニトロベンジリデン−３−アセトアミノ−４−メトキシ−アニリン（ＭＮＢＡ）と、４−ニトロ−４’−メチルベンジリデンアニリン（ＮＭＢＡ）と、４−アミノベンゾフェニルと、Ｌ−ａｒｇｉｎｕｍリン酸二水素（ＬＡＰ）と、３−メチル−４−メトキシ−４’−ニトロスチルベン（ＭＭＯＮＳ）と、メチル−（２，４−ジニトロフェニル）−アミノプロピオン酸（ＭＡＰ）と、２−シクロ−オクチルアミノ−５−ニトロピリジン（ＣＯＡＮＰ）と、３−メチル−４−ニトロ−ピリジン−１−オキシド（ＰＯＭ）と、ジメチル−アミノシアノベンゼン（ＤＭＡＣＢ）と、Ｎ−（５−ニトロ−２−ピリジル）−（Ｓ）−フェニルアラニノール（ＮＰＰＡ）と、３，５−ジメチル−１−（４−ニトロフェニル）−ピラゾール（ＤＭＮＰ）と、３，５−ジメチル−１−（４−ニトロフェニル）−１，２，４−トリアゾール（ＤＭＮＴ）と、（−）２−（（−メチルベンジルアミノ）−５−ニトロピリジン（ＭＢＡＮＰ）と、２−アダマンチルアミノ−５−ニトロピリジン（ＡＡＮＰ）と、（−）−４−（４’−ジメチルアミノ−フェニル）−３−（２’−ヒドロキシプロピルアミノ）シクロブテン−１，２−ジオン（ＤＡＤ）と、１−（２−チエニル）−３−（４−トリル）プロペン−１−オン（Ｔ−１７）と、３−（４−ジメチル−アミノフェニル）−１−（４−シアノフェニル）−フェニル）−２−プロペン−１−オン（ＤＡＣＣ）と、４−ブロモ−４’−メトキシ−カルコン（ＢＭＣ）と、４−メトキシ−４’−エトキシカルコン（ＭＥＣ）。
【００６１】
これらのＮＬＯ膜は、導波路装置が製造可能であればより有用になる。この光導波路は、光の伝播を閉じ込める誘電構造になっている。このような導波路の一例は、従来の光ファイバーである。典型的に、大部分の光学エネルギーを内部に閉じ込める光導波コア部は、その周囲の材料より高い屈折率を有している。前記に説明したように、前記平面状の膜（コア部）は光学的に一軸で、屈折率ｎｅ（整列方向に沿って）および屈折率ｎｏを有する。前記等方性の膜（クラッド部）は、ｎｅ＞ｎｉ＞ｎｏの関係がある屈折率ｎｉを有する。導光構造を形成するには、前記コア部の材料は平面構成で（液晶性列方向に沿って偏光された光に対し）より高い屈折率ｎｅを有することが好ましく、前記クラッド部は等方状態にありより低い屈折率ｎｉを有する材料からなる必要がある。この構成は、フォトマスクを通したＵＶ照射、または直接的なレーザー書き込みにより得ることができる。例示的具体例として、図９は水平偏波（ＴＥ）入力用のチャネル導波路を示している（当業者であれば、ＴＥが伝播モードの１分類であり、導波路理論で一般に使われていることを認識しているであろう。ＴＥモードはＸＺ平面内の電場を有し、ＴＭモードはＸＺ平面内の磁場を有する）。
【００６２】
リッジ導波路構造およびチャネル導波路構造は、標準的なリソグラフィー方法で容易に形成できる。簡単に説明すると、Ｘ軸に沿って分子が整列した平面構成の膜は、基質９１２上に形成され、この膜の狭い帯９１４（１つまたは複数）は、光導波を提供するよう重合されている。次に、この膜の重合されていない残りの部分は、クラッド領域または周囲領域９１３を形成するために重合され、膜温度をいわゆる「クリアリング温度」より高温に加熱することにより等方状態にされる。当業者であれば、この「クリアリング温度」は液晶混合物が液相にある温度で、その典型的な範囲が５０〜２００℃であることが認識されるであろう。追加処理として、前述の重合工程中に、および図１３との関連で前述したように（またはそのいずれか）、うめこみ電極９１５ａおよび９１５ｂをポーリング用に使うことができる。
【００６３】
その代替処理として、非重合材料でできた周囲を取り巻く帯９１４は、リッジ導波路を形成するために除去するか（この場合、前記クラッド部は空気と前記基質からなる）、クラッド材として別の材料で満たすことができる。重合していない液晶の除去は、アセトンなどの適切な溶剤を使って行える。他の適切なクラッド材は広く市販されており、例としてはＵＶ硬化可能なエポキシがある。このアプローチの利点は、前記クラッド部の屈折率が前記コア部の屈折率よりも小さい、すなわちｎｉ＜ｎｅおよびｎｉ＜ｎｏであることにより、ＴＥモードおよびＴＭモードの両方をサポートできる点である。異なる擦り方向を適用すると、非並行導波路を同じ基質上に形成することができる。ただし、本明細書で説明しているこの擦り技術は例示目的のものである。同じ目的には、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）産業でよく知られた多数の技術を適用することができる。例えば、ネマティックＬＣセルの整列には偏光された光を使うことができ、これにより直接書き込み導波路装置用の能力を提供できる。オプションで、環境効果からの保護またはモード制御のため導波路構造の上部に光学コーティングを追加することも（前記コア部と前記クラッド部との屈折率の違いを制御することにより）、または多層導波路構造の上部に光学コーティングを追加することもできる（基質としての中間層、または上層を伴う）。電子素子を有するシリコンウエハーを含む任意の基質でＮＬＯ膜が製作可能なことは明らかである。これにより、電子ドライバ回路を電気光学装置に統合することが可能になる。
【００６４】
以上をまとめると、本発明で開示している複合ＮＬＯ膜は、従来の技術に対し以下の明確な利点を有している。
【００６５】
高性能ＮＬＯ材料を有する膜埋め込み型の配向結晶子による大きな非線形性と、
内蔵ＮＬＯ有機材料の使用による高速スイッチ速度と、
高分子ホストによる高い熱的安定性と長期の時間的安定性と、
交差結合可能な液晶高分子ホスト材料特性による、従来技術を使った低損失と、
導波路装置への加工可能性。
【００６６】
前記の説明は、主に例示目的を意図したものである。本発明はその実施例に関して示され説明されてきたが、当業者であれば、本発明の要旨を変更しない範囲で、本発明の形状と詳細に前記その他の多様な変更、省略、追加を行えることが理解されることはいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明の光学膜を製造する工程の優良な実施形態を示す図。
【図２Ａ】
図１の工程に従って製造された、材料Ａと材料Ｂとの整列したネマティック膜混合物の構造を示す断面概略図（膜の厚さ方向に対する）。
【図２Ｂ】
図２Ａに示したものと同じ膜の構造を概略的に示した断面図で、前記材料Ｂが選択的に除去されて前記材料Ａだけが残されたところである。
【図２Ｃ】
図２Ｂに示したものと同じ膜の構造を概略的に示した断面図で、前記材料Ｂの除去により生じた間隙に材料Ｃが追加されたところである。
【図２Ｄ】
図２Ｃに示したものと同じ膜の構造を概略的に示した断面図で、前記材料Ａが選択的に除去されて前記材料Ｃだけが残されたところである。
【図２Ｅ】
図２Ｄに示したものと同じ膜の構造を概略的に示した断面図で、前記材料Ａの除去により生じた間隙に材料Ｄが追加されたところである。
【図３】
１方向に整列した成分分子を概略的に示す、整列したネマティック膜の層の上面図。
【図４Ａ】
本発明の工程によるＣＬＣ膜の例示的試料の実験的反射スペクトルを示す図。
【図４Ｂ】
本発明の工程によるＣＬＣ膜の第２の例示的試料の実験的反射スペクトルを示す図。
【図４Ｃ】
本発明の工程によるＣＬＣ膜の第３例示的試料の実験的反射スペクトルを示す図。
【図５Ａ】
本発明により製造される、ゾーンにより異なる位相遅延を伴うネマティック状の膜を示す図。
【図５Ｂ】
本発明により製造された、ピクセル化されたＲＧＢカラーフィルタの断面図。
【図６】
本発明により製造される、吸収性の線形偏光子としてのネマティック状の膜を示す図。
【図７】
本発明により製造される、チューナブルノッチフィルタの優良な実施形態を示す図。
【図８】
本発明により製造される、チューナブル色素レーザーの優良な実施形態を示す図。
【図９】
本発明の方法を使ったＮＬＯ光導波路の優良な実施形態を示す図。
【図１０ａ】
本発明の方法で使われるネマティック液晶膜の分子秩序性を平面構成で示す図であり、この平面構成において細長い分子は互いに平行に整列し、この膜は光学的に等方性である。
【図１０ｂ】
本発明の方法で使われるネマティック液晶膜の分子秩序性を等方状態で示す図であり、この等方状態においてこの液晶分子はランダムに配向し、この膜は光学的に等方性である。
【図１１】
本発明の方法用のゲスト材料として適した有機ＮＬＯ材料ＮＰＰの分子構造を示す図。
【図１２ａ】
吸収が偏光に依存する平面構造膜の液晶秩序性を有するＮＰＰ添加ネマティック液晶膜の吸収スペクトルを示す図。
【図１２ｂ】
吸収が偏光に依存しない等方性膜の液晶秩序性を有するＮＰＰ添加ネマティック液晶膜の吸収スペクトルを示す図。
【図１３ａ】
本発明で使われる、中心対称性を除去する際の各種工程と、非線形強化技術とを示す図。
【図１３ｂ】
本発明で使われる、中心対称性を除去する際の各種工程と、非線形強化技術とを示す図。
【図１３ｃ】
本発明で使われる、中心対称性を除去する際の各種工程と、非線形強化技術とを示す図。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
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【図２Ｅ】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
2004505299.tif 000013
【図６】
2004505299.tif 000014
【図７】
2004505299.tif 000015
【図８】
2004505299.tif 000016
【図９】
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【図１０ａ】
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【図１０ｂ】
2004505299.tif 000019
【図１１】
2004505299.tif 000020
【図１２ａ】
2004505299.tif 000021
【図１２ｂ】
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【図１３ａ】
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【図１３ｂ】
2004505299.tif 000024
【図１３ｃ】
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【国際公開パンフレット】
2004505299.tif 000026
2004505299.tif 000027
2004505299.tif 000028
2004505299.tif 000029
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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【国際調査報告】
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