(57)【要約】【課題】溶液化が困難かつ液体中にコロイド分散させても沈降し易い無機色素を熱レンズ形成素子へ使用できるようにする。【解決手段】信号光の波長の光を吸収せず、制御光の波長の光を吸収する色素が表面および孔内に担持された無機多孔質粒子から成る無機多孔質粒子層６に、前記無機多孔質粒子と屈折率が同一になるよう調整された混合有機溶剤１０を含浸させた制御光吸収領域を有する熱レンズ形成素子１００である。【選択図】図２ｃ
2016151622.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
信号光の波長の光を吸収せず、制御光の波長の光を吸収する色素が担持された無機多孔質粒子から成る多孔質層に、前記無機多孔質粒子と屈折率が同一になるよう調整された混合有機溶剤を含浸させた制御光吸収領域を有する熱レンズ形成素子。
【請求項２】
前記制御光吸収領域が角型断面中空管の内壁の１つの面に形成され、前記内壁の対向面との間に空房を挟んで前記制御光吸収領域が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の熱レンズ形成素子。
【請求項３】
前記制御光吸収領域が形成された前記角型断面中空管の一端が溶融封止され、前記空房の一端には前記混合有機溶剤が充填され、前記空房の他端には１気圧以下の圧力で前記混合有機溶剤の蒸気および不活性気体が充填され、前記角型断面中空管の他端が溶融封止されていることを特徴とする請求項２に記載の熱レンズ形成素子。
【請求項４】
前記制御光吸収領域が形成された角型断面中空管の断面形状は４つの平面について互いに平行な２つの外側平面および２つの内側平面を有する角型断面中空管であって、前記互いに平行な２つの外側平面および２つの内側平面はともに、前記制御光が照射されず前記信号光が直進する場合の光軸に対して垂直であり、前記互いに平行な２つの外側平面および２つの内側平面の大きさは、前記制御光および信号光の入射する領域および直進または光路切替されて出射する信号光が通過する領域において平面である大きさであり、前記角型断面中空管の両端はその素材の融点において溶融封止されており、前記制御光吸収領域には、前記制御光吸収領域が吸収する波長帯域から選ばれる波長の制御光と、前記制御光吸収領域が吸収しない波長帯域から選ばれる波長の信号光とが各々収束されて照射され、かつ前記制御光および前記信号光の各々の収束点の位置が同一または相異なるように照射され、前記制御光吸収領域が前記制御光を吸収した領域およびその周辺領域に起こる温度上昇に起因して可逆的に形成される屈折率の分布に基づいた熱レンズが形成され、
前記制御光が照射されず熱レンズが形成されていない場合は前記収束された信号光が通常の開き角度と直進方向で出射する状態と、
前記制御光および前記信号光の各々の収束点の位置が同一になるよう制御光が照射されて熱レンズが形成される場合は前記収束された前記信号光が通常の開き角度よりも大きい開き角度で出射する状態、または、前記制御光および前記信号光の各々の収束点の位置が相異なるよう前記制御光が照射されて熱レンズが形成される場合は前記収束された前記信号光が通常の開き角度と異なる開き角度と直進方向とは異なる方向で出射する状態とを、
前記制御光の照射の有無に対応させて実現させること
を特徴とする請求項１に記載の熱レンズ形成素子。
【請求項５】
水平に載置された角型断面中空管の内部に、信号光の波長の光を吸収せず制御光の波長の光を吸収する色素が担持された無機多孔質粒子を高分子バインダー溶液に分散させた液を注入した後、１００℃以下の温度の気体を前記角型断面中空管の内部に送風して乾燥させ、前記角型断面中空管の底面に前記無機多孔質粒子の水溶性高分子バインダー塗工膜を形成する工程、
前記塗工膜を形成する工程を繰り返し行い、所望の厚さの前記塗工膜を、前記底面の対向面との間に空房を挟んで形成する工程、
前記角型断面中空管に乾燥気体を送風し前記塗工膜中の水分を除去する工程、
前記角型断面中空管を５００〜６００℃に加熱し、前記角型断面中空管に５００〜６００℃の空気を送風して、前記水溶性高分子バインダーを焼成除去し、前記無機多孔質粒子から成る多孔質層を形成する工程、
前記角型断面中空管の一端を溶融封止する工程、
前記角型断面中空管の前記空房に、この空房を残して前記無機多孔質粒子と屈折率が同一になるよう調整された混合有機溶剤を充填し、前記多孔質層に前記混合有機溶剤を含浸させる工程、
前記空房を減圧し前記空房内に前記混合有機溶剤の蒸気を充満させる工程、
前記空房内に前記混合有機溶剤の蒸気および不活性気体を１気圧未満で充満させた状態で、前記角型断面中空管の他端を溶融封止する工程、
を有することを特徴とする熱レンズ形成素子の製造方法。
【請求項６】
水平に載置された角型断面中空管の内部に、無機多孔質粒子を高分子バインダー溶液に分散させた液を注入した後、１００℃以下の温度の気体を前記角型断面中空管の内部に送風して乾燥させ、前記角型断面中空管の底面に前記無機多孔質粒子の水溶性高分子バインダー塗工膜を形成する工程、
前記塗工膜を形成する工程を繰り返し行い、所望の厚さの前記塗工膜を、前記底面の対向面との間に空房を挟んで形成する工程、
前記角型断面中空管に乾燥気体を送風し前記塗工膜中の水分を除去する工程、
前記角型断面中空管を５００〜６００℃に加熱し、前記角型断面中空管に５００〜６００℃の空気を送風して、前記水溶性高分子バインダーを焼成除去し、前記無機多孔質粒子から成る多孔質層を形成する工程、
前記多孔質層の前記無機多孔質粒子の表面および孔内に、信号光の波長の光を吸収せず制御光の波長の光を吸収する色素を担持する工程、
前記角型断面中空管の一端を溶融封止する工程、
前記角型断面中空管の前記空房に、この空房を残して前記無機多孔質粒子と屈折率が同一になるよう調整された混合有機溶剤を充填し、前記多孔質層に前記混合有機溶剤を含浸させる工程、
前記空房を減圧し前記空房内に前記混合有機溶剤の蒸気を充満させる工程、
前記空房内に前記混合有機溶剤の蒸気および不活性気体を１気圧未満で充満させた状態で、前記角型断面中空管の他端を溶融封止する工程、
を有することを特徴とする熱レンズ形成素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光通信、光情報処理などの光エレクトロニクスおよびフォトニクスの分野において有用な光路切替装置および光路切替方法に用いられる熱レンズ形成素子およびその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
本発明者らは、全く新しい原理に基づく光路切替方法および装置として、熱レンズ形成素子中の制御光吸収領域に、制御光吸収領域が吸収する波長帯域の制御光、および、制御光吸収領域が吸収しない波長帯域の信号光を各々の光軸が一致するよう収束させて照射し、制御光が照射されていない場合は信号光が鏡の穴を通して直進するようにし、一方、制御光が照射される場合は、信号光の進行方向に対して傾けて設けた穴付ミラーを用いて反射することによって光路を偏光させる方法およびそのための装置を発明した（特許文献１参照）。この発明以前の背景技術については、特許文献１に詳しく記載されている。
【０００３】
本発明者らは、また、熱レンズ形成素子および穴付ミラーを複数組み合わせて用いる光制御式光路切替型光信号伝送装置および光信号光路切替方法を発明した（特許文献２参照）。なお、特許文献１および特許文献２に記載の光路切替方式において制御光を照射した場合、熱レンズ効果によって信号光のビーム断面形状はリング状になる。そこでこの方式を以下「リングビーム方式」と呼ぶ。
【０００４】
本発明者らは、以下に説明する発明も、出願している。熱レンズ形成光素子中の制御光吸収領域に、制御光吸収領域が吸収する波長帯域の制御光、および、制御光吸収領域が吸収しない波長帯域の信号光とを入射させ、その際、前記制御光および前記信号光が、前記制御光吸収領域にて収束するように照射されかつ前記制御光および前記信号光の各々の収束点の位置が相異なるように照射され、これにより、前記制御光と前記信号光は、光の進行方向で前記制御光吸収領域の入射面またはその近辺において収束したのち拡散される。これにより、前記制御光吸収領域内における前記制御光を吸収した領域およびその周辺領域に起こる温度上昇に起因し可逆的に熱レンズが形成され、形成された熱レンズによって、屈折率が変化し、前記信号光の進行方向を変えることを特徴とする光偏光方法および光路切替装置を開示した（特許文献３〜５参照）。特許文献３〜５において、熱レンズ形成光素子の制御光吸収領域としては、色素を溶剤に溶解したものをガラス容器に封じたものが開示されており、溶剤としては、少なくとも使用する色素を溶解するものであって、熱レンズ形成時の温度上昇に際し、熱分解することなく、かつ、沸騰する温度（沸点）が１００℃以上、好ましくは２００℃以上、更に好ましくは３００℃以上のものを好適に用いることができると記載されている。なお、特許文献３〜５に記載の光路切替方式においては制御光を照射しても信号光のビーム断面形状はほぼ円形に保たれる。そこでこの方式を以下「丸ビーム方式」と呼ぶ。
【０００５】
本発明者らは、液状の光応答性組成物を充填した光学セルを熱レンズ形成素子と呼び、前記光応答性組成物が感応する波長の制御光を吸収する色素溶液の溶剤として、１６０℃以上における粘度が０ないし３ｍＰａ・ｓであり、かつ、１６０℃における粘度の値で、４０℃における粘度の値を除した値が１以上、６以下である溶剤を用い、更に、光学セルの形態として前記色素溶液を入射信号光の光軸を中心軸とする円柱またはその円柱に外接するＮ角柱（Ｎは４以上の整数）の形状の第１の空間内に充填して制御光吸収領域とし、前記第１の空間を溶液導入路および堰を介して第２の空間に接続させ、この第２の空間には前記色素溶液および不活性気体の気泡１４が充填されている構造を開示した（特許文献６参照）。
【０００６】
本発明者らは、また、素子の向きに依存せず広い使用温度範囲で高速に熱レンズを形成・消滅させることを目的に、熱レンズ形成素子として、信号光の波長の光を吸収せず、制御光の光を吸収する色素を溶剤に溶解させた色素溶液を収納する容器の形態が、合計４つの当該平面について互いに平行な、２つの外側平面および２つの内側平面を有する、両端が溶融封止された角型断面中空管であって、前記互いに平行な２つの外側平面および２つの内側平面はともに、制御光が照射されず信号光が直進する場合の光軸に対して垂直であり、前記互いに平行な２つの外側平面および２つの内側平面の大きさは、制御光および信号光の入射する領域および直進または光路切替されて出射する信号光が通過する領域において平面である大きさであり、色素溶液部分に近接して１つの気泡が存在する構造を開示した（特許文献７参照）。
【０００７】
特許文献６および７には、制御光の光を吸収する有機色素の光および熱による分解を防ぐためには、色素溶液から酸素および水を徹底的に除去することが効果的であること、また、特許文献７には、色素溶液を不活性気体とともに、例えば石英ガラス製セルに溶融封止することで色素の分解を防止できることが記載されている。
【０００８】
本発明者らは、また、少なくとも光吸収層膜を含む薄膜光素子中の光吸収層膜に、互いに波長の異なる制御光および信号光を各々収束させて照射し、前記制御光の波長は前記光吸収層膜が吸収する波長帯域から選ばれるものとし、少なくとも前記制御光が前記光吸収層膜内において焦点を結ぶものとし、前記光吸収層膜が前記制御光を吸収した領域およびその周辺領域に起こる温度上昇に起因して可逆的に生ずる屈折率の分布に基づいた熱レンズを用いることによって、前記信号光の強度変調および／または光束密度変調を行う薄膜光素子において、前記光吸収層膜の厚さが、収束された前記制御光の共焦点距離の２倍を越えないことが好ましいことを見いだした（特許文献８参照）。
【０００９】
一方、特許文献９には、貫通孔を有し、平均孔径ｄ１が０．０２〜３μｍであり、空孔率が４０〜９０％である多孔質フィルム（A）の貫通孔中に、導電体と半導体とからなる群から選択される導電性物質が充填されている多孔質電極、および、貫通孔を有し、平均孔径ｄ１が０．０２〜３μｍであり、空孔率が４０〜９０％である多孔質フィルム（A）の表面に導電体と半導体とからなる群から選択される導電性物質を含む液を塗工し、多孔質フィルム（A）の貫通孔に前記導電性物質を充填する工程を有する多孔質電極の製造方法が開示されている。当業者が容易に類推できるように、特許文献９に記載の製造方法をフィルムの代わりに多孔質微粒子に適用することによって、多孔質微粒子の貫通孔に半導体微粒子を担持することが可能である。さらに、非特許文献１には、各種化合物半導体の吸収スペクトルについて具体例が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特許第３８０９９０８号公報
【特許文献２】特許第３９０６９２６号公報
【特許文献３】特許第４８２２１１３号公報
【特許文献４】特許第４８２２１１４号公報
【特許文献５】特許第４８２２１１５号公報
【特許文献６】特許第５３７０７１１号公報
【特許文献７】特許第５４５３６５６号公報
【特許文献８】特許第４１９６０１９号公報
【特許文献９】特許第４８７６４５０号公報
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】佐藤藤昭著「太陽電池のキホン」ＳＢクリエイティブ（２０１１年４月発行）〔ISBNコード：9784797360844〕
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明は、熱レンズ形成素子に用いられる芳香族化合物の平面型巨大分子を溶剤可溶化した赤外線吸収・有機色素が数年間の時間を経て結晶化し、析出する現象を避けること、および、熱レンズ形成素子の製造プロセスの不備によって混入した酸素または水の影響で有機色素が数年間の経時で劣化する現象を避けることを目的とする。本発明は、また、耐久性の点では優れるものの、溶液化が困難かつ液体中にコロイド分散させても沈降し易い無機色素を熱レンズ形成素子へ使用できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、以下の特徴を有する。
（１）信号光の波長の光を吸収せず、制御光の波長の光を吸収する色素が担持された無機多孔質粒子から成る多孔質層に、前記無機多孔質粒子と屈折率が同一になるよう調整された混合有機溶剤を含浸させた制御光吸収領域を有する熱レンズ形成素子である。
【００１４】
（２）前記制御光吸収領域が角型断面中空管の内壁の１つの面に形成され、前記内壁の対向面との間に空房を挟んで前記制御光吸収領域が形成されていることを特徴とする。
【００１５】
（３）前記制御光吸収領域が形成された前記角型断面中空管の一端が溶融封止され、前記空房の一端には前記混合有機溶剤が充填され、前記空房の他端には１気圧以下の圧力で前記混合有機溶剤の蒸気および不活性気体が充填され、前記角型断面中空管の他端が溶融封止されていることを特徴とする。
【００１６】
（４）前記制御光吸収領域が形成された角型断面中空管の断面形状は４つの平面について互いに平行な２つの外側平面および２つの内側平面を有する角型断面中空管であって、前記互いに平行な２つの外側平面および２つの内側平面はともに、前記制御光が照射されず前記信号光が直進する場合の光軸に対して垂直であり、前記互いに平行な２つの外側平面および２つの内側平面の大きさは、前記制御光および信号光の入射する領域および直進または光路切替されて出射する信号光が通過する領域において平面である大きさであり、前記角型断面中空管の両端はその素材の融点において溶融封止されており、前記制御光吸収領域には、前記制御光吸収領域が吸収する波長帯域から選ばれる波長の制御光と、前記制御光吸収領域が吸収しない波長帯域から選ばれる波長の信号光とが各々収束されて照射され、かつ前記制御光および前記信号光の各々の収束点の位置が同一または相異なるように照射され、前記制御光吸収領域が前記制御光を吸収した領域およびその周辺領域に起こる温度上昇に起因して可逆的に形成される屈折率の分布に基づいた熱レンズが形成され、前記制御光が照射されず熱レンズが形成されていない場合は前記収束された信号光が通常の開き角度と直進方向で出射する状態と、前記制御光および前記信号光の各々の収束点の位置が同一になるよう制御光が照射されて熱レンズが形成される場合は前記収束された前記信号光が通常の開き角度よりも大きい開き角度で出射する状態、または、前記制御光および前記信号光の各々の収束点の位置が相異なるよう前記制御光が照射されて熱レンズが形成される場合は前記収束された前記信号光が通常の開き角度と異なる開き角度と直進方向とは異なる方向で出射する状態とを前記制御光の照射の有無に対応させて実現させることを特徴とする。
【００１７】
（５）水平に載置された角型断面中空管の内部に、信号光の波長の光を吸収せず制御光の波長の光を吸収する色素が担持された無機多孔質粒子を高分子バインダー溶液に分散させた液を注入した後、１００℃以下の温度の気体を前記角型断面中空管の内部に送風して乾燥させ、前記角型断面中空管の底面に前記無機多孔質粒子の水溶性高分子バインダー塗工膜を形成する工程、前記塗工膜形成工程を繰り返し行い、所望の厚さの前記塗工膜を、前記底面の対向面との間に空房を挟んで形成する工程、前記角型断面中空管に乾燥気体を送風し前記塗工膜中の水分を除去する工程、前記角型断面中空管を５００〜６００℃に加熱し、前記角型断面中空管に５００〜６００℃の空気を送風して、前記水溶性高分子バインダーを焼成除去し、前記無機多孔質粒子から成る多孔質層を形成する工程、前記角型断面中空管の一端を溶融封止する工程、前記角型断面中空管の前記空房に、この空房を残して前記無機多孔質粒子と屈折率が同一になるよう調整された混合有機溶剤を充填し、前記多孔質層に前記混合有機溶剤を含浸させる工程、前記空房を減圧し前記空房内に前記混合有機溶剤の蒸気を充満させる工程、前記空房内に前記混合有機溶剤の蒸気および不活性気体を１気圧未満で充満させた状態で、前記角型断面中空管の他端を溶融封止する工程を有することを特徴とする熱レンズ形成素子の製造方法である。
【００１８】
（６）水平に載置された角型断面中空管の内部に、無機多孔質粒子を高分子バインダー溶液に分散させた液を注入した後、１００℃以下の温度の気体を前記角型断面中空管の内部に送風して乾燥させ、前記角型断面中空管の底面に前記無機多孔質粒子の水溶性高分子バインダー塗工膜を形成する工程、前記塗工膜を形成する工程を繰り返し行い、所望の厚さの前記塗工膜を、前記底面の対向面との間に空房を挟んで形成する工程、前記角型断面中空管に乾燥気体を送風し前記塗工膜中の水分を除去する工程、前記角型断面中空管を５００〜６００℃に加熱し、前記角型断面中空管に５００〜６００℃の空気を送風して、前記水溶性高分子バインダーを焼成除去し、前記無機多孔質粒子から成る多孔質層を形成する工程、前記多孔質層の前記無機多孔質粒子の表面および孔内に、信号光の波長の光を吸収せず制御光の波長の光を吸収する色素を担持する工程、前記角型断面中空管の一端を溶融封止する工程、前記角型断面中空管の前記空房に、この空房を残して前記無機多孔質粒子と屈折率が同一になるよう調整された混合有機溶剤を充填し、前記多孔質層に前記混合有機溶剤を含浸させる工程、前記空房を減圧し前記空房内に前記混合有機溶剤の蒸気を充満させる工程、前記空房内に前記混合有機溶剤の蒸気および不活性気体を１気圧未満で充満させた状態で、前記角型断面中空管の他端を溶融封止する工程を有することを特徴とする熱レンズ形成素子の製造方法である。
【発明の効果】
【００１９】
本発明により、無機多孔質粒子から成る多孔質層に、信号光の波長の光を吸収せず、制御光の波長の光を吸収する色素を担持したので、経時変化によって結晶化し、析出する可能性のある、巨大平面型芳香族化合物分子を溶剤可溶化した赤外線吸収・有機色素の使用を避けることができる。また、熱レンズ形成素子の製造プロセスの不備によって混入した酸素または水の影響で経時劣化する可能性のある有機色素の使用を避けることができる。更に、耐久性の点では優れるものの、溶液化が困難かつコロイド分散させても沈降し易い無機色素を熱レンズ形成素子の制御光吸収層として使用することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１ａ】本発明の実施の形態１に記載の熱レンズ形成素子の製造方法において、水平に載置された角型断面中空管の側面図である。
【図１ｂ】本発明の実施の形態１に記載の熱レンズ形成素子の製造方法において、水平に載置された角型断面中空管の内部に、信号光の波長の光を吸収せず制御光の波長の光を吸収する色素が担持された多孔質粒子を高分子バインダー溶液に分散させた液を注入した状態を表す側面図である。
【図１ｃ】本発明の実施の形態１に記載の熱レンズ形成素子の製造方法において、水平に載置された角型断面中空管の内部に注入された多孔質粒子の分散液の大部分を除去した後、水平に載置された角型断面中空管の底面に分散液が残留している状態を表す側面図である。
【図１ｄ】本発明の実施の形態１に記載の熱レンズ形成素子の製造方法において、水平に載置された角型断面中空管の底面に残留した多孔質粒子の分散液を乾燥する工程を表す側面図である。
【図１ｅ】本発明の実施の形態１に記載の熱レンズ形成素子の製造方法において、水平に載置された角型断面中空管の底面に堆積した多孔質粒子塗工層の高分子バインダーを焼成する工程を表す側面図である。
【図２ａ】本発明の実施の形態１に記載の熱レンズ形成素子の製造方法において、水平に載置された角型断面中空管の底面に多孔質粒子の焼成層を形成した後、角型断面中空管の一端を溶融封止した状態を表す側面図である。
【図２ｂ】本発明の実施の形態１に記載の熱レンズ形成素子の製造方法において、一端が溶融封止された角型断面中空管に、空房を残し、混合有機溶剤を注入した状態を表す側面図である。
【図２ｃ】本発明の実施の形態１に記載の熱レンズ形成素子の製造方法によって作成された、本発明の熱レンズ形成素子を表す概念図である。
【図３ａ】図１ａの角型断面中空管のａ−ａ'断面を表す断面図である。
【図３ｂ】図２ａの角型断面中空管のｂ−ｂ'断面を表す断面図である。
【図３ｃ】図２ｂの角型断面中空管のｃ−ｃ'断面を表す断面図である。
【図４】本発明の熱レンズ形成素子を用いたリングビーム方式光路切替装置の一例の概略構成図である。
【図５】本発明の熱レンズ形成素子を用いた丸ビーム方式光路切替装置の一例の概略構成図である。
【図６ａ】本発明の熱レンズ形成素子を出射した信号光ビームの断面形状と制御光パワーの対応を示す図であって、制御光を照射しない場合の信号光ビーム（ガウス分布の丸ビーム）断面である。
【図６ｂ】本発明の熱レンズ形成素子を出射した信号光ビームの断面形状と制御光パワーの対応を示す図であって、制御光パワー２．０ｍＷを照射した場合の信号光ビーム断面である。
【図６ｃ】本発明の熱レンズ形成素子を出射した信号光ビームの断面形状と制御光パワーの対応を示す図であって、制御光パワー４．０ｍＷを照射した場合の信号光ビーム断面である。
【図６ｄ】本発明の熱レンズ形成素子を出射した信号光ビームの断面形状と制御光パワーの対応を示す図であって、制御光パワー８．０ｍＷを照射した場合の信号光ビーム断面である。
【図７】本発明の熱レンズ形成素子を用いた丸ビーム方式光路切替装置における偏光角と制御光パワーの関係を表した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、図１ａ〜図７の図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
（実施の形態１）
熱レンズ形成素子の構成：
まず、熱レンズ形成素子１００の概略構成について説明し、その後、熱レンズ形成素子１００を構成する各構成要素及びその製造方法について詳しく説明する。図２ｃに示すように、熱レンズ形成素子１００は、内部が中空の直方体であり、内部に内側平面１６，１７を含む４つの平面を備える角型断面中空管１と、そのうちの１つの平面である内側平面１６に形成された無機多孔質粒子層６と、角型断面中空管１の内部に所定量充填される屈折率が調整された混合有機溶剤１０と、角型断面中空管１の内部に封入される不活性気体からなる１つの気泡１１とを備えている。角型断面中空管１の内部は、混合有機溶剤１０及び気泡１１によって満たされている。角型断面中空管１の一端７が溶融封止された後に混合有機溶剤１０が充填されて、さらに、気泡１１が封入された後に角型断面中空管１の他端１２が溶融封止される。また、角型断面中空管１の内側平面１６，１７に対応する外側平面１４，１５には無反射コートが施される。
【００２２】
［角型断面中空管］
図２ｃ、図３ａ等に示すように、本発明の熱レンズ形成素子１００に用いられる、合計４つの当該平面について互いに平行な、２つの外側平面１４，１５および２つの内側平面１６，１７を有する角型断面中空管１の材質は石英ガラスが好適に用いられる。
【００２３】
角型断面中空管１の管壁を構成する石英ガラスの板材の厚さＳは１００μｍないし５００μｍが好適である。石英ガラスの板材の厚さＳが１００μｍよりも薄いと、強度不足で加工時に破損し易くなる。一方、石英ガラスの板材の厚さが５００μｍよりも厚いと、収束しながら入射する信号光あるいは拡散・偏光しながら出射する信号光のビーム形状が屈折の影響で劣化する度合い、すなわち、斜めに入射するビーム断面形状の円からの乖離が大きくなり好ましくない。
【００２４】
角型断面中空管１の寸法は加工上の制約、内部に注入される混合有機溶剤１０の液柱の長さの制約、および、熱レンズ効果の大きさ、との関係で最適な大きさが決定される。
まず、加工上の制約として、外側平面の幅１ｍｍ以下の角型断面中空管１の末端を石英ガラスの融点約１７００℃において加熱溶融によって封止する場合、内部の混合有機溶剤１０の端部と溶融封止部分の距離Ｈは最小１０ｍｍであり、上限については加工上の制限はなく、産業上の利用の観点からはできるだけ短いことが好ましく、１５ｍｍ以内であれば好適である。一方、角型断面中空管１の寸法は加工上の制約、内部に注入される混合有機溶剤１０の液柱の長さＭは、最小１ｍｍ、最長１５ｍｍ程度であることが好ましい。液柱の長さＭが１ｍｍよりも短いと、信号光および制御光の通過する平面部分が、角型断面中空管１の溶融封止端面の形状の影響を受けるおそれがある。液柱の長さＭには特に上限はないが、混合有機溶剤充填操作上、最長１５ｍｍよりも短いことが好ましい。したがって、角型断面中空管１の一方の端に混合有機溶剤１０の液柱を一端に寄せて５ないし１０ｍｍの長さで充填した場合、角型断面中空管１の全長は２０ないし２５ｍｍである。
【００２５】
一方、熱レンズ形成素子１００に用いられる角型断面中空管１の内側平面１６，１７の２つの間隔、すなわち、無機多孔質粒子層６の厚さｄ１に、屈折率が調整された混合有機溶剤１０の厚さｄ２を加えた光路長ｄ０は、熱レンズ形成および消滅の応答速度の観点から最適な大きさが決定される（図２ｃ参照）。すなわち、制御光吸収領域における熱レンズ形成をできるだけ効果的に行うには、特定の領域にある程度の熱エネルギーが蓄積される必要がある。例えば、一例として、ガラス基板に色素薄膜を真空蒸着によって直接形成した場合には、制御光を収束照射しても発生した熱は瞬時に拡散してしまうため、検知できるような熱レンズ効果は起こらない。無機多孔質粒子層６の厚さｄ１および屈折率が調整された混合有機溶剤１０の厚さｄ２を各々変えて、熱レンズ効果の大きさを調べた結果、無機多孔質粒子層６の厚さｄ１は１００μｍから２００μｍが好ましいこと、また、屈折率が調整された混合有機溶剤１０の厚さｄ２については、熱レンズ効果の大きさよりも無機多孔質粒子層６を製造する際の空房４（図１ｃ参照）の厚さが、作業上、２００μｍないし５００μｍであることが好ましいことから、厚さｄ１にｄ２を加えた光路長ｄは４００μｍから７００μｍが好ましいことが判った。無機多孔質粒子層６の厚さｄ１が１００μｍ未満であると、無機多孔質粒子層６に担持された色素が制御光を吸収したときの熱が角型断面中空管１の内側平面１６に逃げてしまい、熱レンズの形成が妨げられる。一方、無機多孔質粒子層６の厚さｄ１が２００μｍを超えると、色素が制御光を吸収したときの熱が無機多孔質粒子層６に止まり、近接した混合有機溶剤１０における熱レンズ形成に有効に利用されない。屈折率が調整された混合有機溶剤１０の厚さｄ２は無機多孔質粒子層６を製造する際の空房４の厚さに相当するが、これが２００μｍ未満であると、多孔質粒子の分散液の注入抵抗が大きくなり、作業に支障をきたす。一方、厚さｄ２が５００μｍを超えると、厚さｄ１にｄ２を加えた光路長ｄが７００μｍを超えることとなり、熱レンズ効果によって光路が偏光される信号光の偏向角度を考慮すると、角型断面中空管１の信号光入射面および出射面の幅を、相応に大きくする必要が生じる。その結果、角型断面中空管１の断面サイズが外寸で１．２ｍｍ以上となり、有機溶剤注入後の溶融封止に大きな炎が必要となり、溶融封止に失敗する可能性が高くなってしまう。
【００２６】
また、熱レンズ形成素子１００に用いられる角型断面中空管１の内側平面１６，１７の幅Ｄは、平面部分に収束されて入射する制御光および信号光のビーム径、および、広がりながら出射する信号光のビーム径、および、光路が偏光されて出射する信号光のビーム径と出射位置から規定される。なお、信号光は角型断面中空管１の内側平面１６または１７に内接する円（その直径Ｑ＝Ｄ）の中心を通過するものとする。具体的には、熱レンズ形成素子１００に入射する前記信号光および制御光のビーム直径の大きい方をＲとしたとき、角型断面中空管１の内側平面１６，１７の幅Ｄの最小値は、前記大きい方のビーム直径Ｒの２倍程度であれば良い。幅Ｄの最小値または長さＭの最小値が２Ｒよりも小さいと、広がりながら出射する信号光が、角型断面中空管１の内側平面１６，１７に直交する内側側面１６，１７に遮られる可能性がある。ビーム直径Ｒが最も大きくなるのは、マルチモードファイバーからの出射光をコリメートした平行光を信号光または制御光として入射させる場合であって、Ｒは１００μｍ前後である。すなわち、２ＲすなわちＤの最小値は２００μｍである。
【００２７】
角型断面中空管１の内側平面１６，１７の幅Ｄは、角型断面中空管１の管壁を構成する石英ガラスの強度上の制約を受け、当該石英ガラスの板材の厚さＳの２倍を超えると破損し易くなる。厚さＳが１００μｍの場合、信号光または制御光ビームの制約、すなわちＤは２００μｍとすると前記２つの制約を同時に満足する。厚さＳが２００〜２５０μｍの場合、Ｄの最大値は４００〜７００μｍであり、強度的にも信号光または制御光ビームの透過上にも好適である。
【００２８】
以上まとめると、熱レンズ形成素子１００に用いられる角型断面中空管１の寸法上の好ましい実施の形態は次の通りである。
【００２９】
（１）角型断面中空管１の管壁の厚さＳ：２００〜２５０μｍ。
【００３０】
（２）角型断面中空管１の内側平面の幅Ｄ：５００〜７００μｍ。
【００３１】
（３）角型断面中空管１の外側平面の幅Ｄ：１０００〜１２００μｍ。
【００３２】
（４）角型断面中空管１の内側平面２つの間隔ｄ０：５００〜７００μｍ。
【００３３】
（５）角型断面中空管１の内部の一端に注入される混合有機溶剤の液柱の長さＭ：１〜１５ｍｍ。
【００３４】
（６）内部の混合有機溶剤１０の端部と溶融封止部分の距離Ｈ：１０〜１５ｍｍ。
【００３５】
［角型断面中空管の製造］
公知の方法によって製造された角型断面中空管１のプリフォームを公知の方法によって溶融延伸・冷却することによって、本発明の熱レンズ形成素子１００に用いられる角型断面中空管１を製造することができる。角型断面中空管１の寸法上の好ましい実施の形態は前述の通りである。
【００３６】
信号光が通過する角型断面中空管１の４つの面（２つの外側平面１４，１５および２つの内側平面１６，１７）の平行度および平滑性については、次のような公差を満足することが好ましい。なお、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸は以下のように定義する。
【００３７】
Ｘ軸：角型断面中空管１の長軸方向。
【００３８】
Ｙ軸：信号光が通過する角型断面中空管１の４つの面１４〜１７に平行で、角型断面中空管の長軸に直交。
【００３９】
Ｚ軸：角型断面中空管１の４つの面１４〜１７を垂直に通過する信号光の方向。
【００４０】
（１）平滑性：波長（λ）４００〜１６００ｎｍの光についてλ／４。
【００４１】
（２）Ｚ軸に対するＸ軸方向の角度ずれ：１度以下、好ましくは０．５度以下。
【００４２】
（３）Ｚ軸に対するＹ軸方向の角度ずれ：１度以下、好ましくは０．５度以下。
【００４３】
［角型断面中空管１の切断および洗浄］
熱レンズ形成素子１００の長軸方向の長さ（Ｈ＋Ｍ）は、例えば、混合有機溶剤１０の液柱の長さＭが１０ｍｍの場合、２０〜２５ｍｍである。この長さの熱レンズ形成素子１００を製造するためには、後述の工程で失われる部分の長さを補って、予め、長さ（Ｈ＋Ｍ）の２ないし３倍の長さ（具体的には５０〜８０ｍｍ）に、角型断面中空管１の切断を行うことが好ましい。角型断面中空管１の切断は公知の方法で行うことができる。
【００４４】
［有機色素］
熱レンズ形成素子１００に照射される制御光の波長には特に制限はなく、制御光の波長の光を吸収し、信号光の波長の光を透過する色素を用いれば、紫外線、可視光線、および赤外線を適用することができる。ここで、特許文献７に記載されているような、熱レンズ形成素子に適した有機溶剤に可溶な有機色素であって、レーザー照射と熱レンズ形成領域の高温に耐える有機色素の内、吸収・透過特性が使用する制御光と信号光の波長に適合するものを好適に使用することができる。
【００４５】
耐光性および耐熱性を付与するため有機色素分子の化学構造を巨大化する場合も含め、紫外線ないし可視光線の波長領域を吸収する有機色素の分子平面は、それほど大規模ではなく、最も大きい場合でもフタロシアニン程度である。しかるに、ターシャリー・ブチル基を４つ置換した、テトラ（ターシャリー・ブチル）銅フタロシアニンを後述の溶剤＃１（高精度に精製し酸素と水を０．５ｐｐｍ未満としたもの）に０．２ないし０．５重量％という比較的低濃度の溶液について、石英ガラス溶融封止セル中、数年間以上、観察を続けると、２年程度までは溶液状態を保つものの、３年以上を経過すると青色の固体が析出する現象が認められる。また、フタロシアニン骨格に複素環を縮合させて得られる赤外線吸収色素についても、溶剤＃１やクロロホルムの溶液として３年以上経過させると、固体の析出が認められることがある。このような、溶剤可溶化した大規模芳香族・平面分子の析出現象の機構解明には３年を超える実時間での試料採取が必要なため、検討中であるが、（ｉ）大規模芳香族・平面分子の溶剤可溶化は速度論的制御の現象として固体析出が妨げられている、（ｉｉ）平衡論的には、固体として析出する方がエネルギー的に安定であり、３年以上を要して固体化が進行する、と思慮することができる。
【００４６】
また、色素溶液を石英セルに密閉するプロセスを高度に管理して、酸素および水の混入を０．５ｐｐｍ未満になるよう制御しているが、このような低濃度成分の定量分析は極めて困難であり、管理濃度が維持されていないセルの発生確率はゼロではない。微量な酸素および水の混入により、レーザー照射を受けて色素が分解し、析出する危険性を配慮する必要がある。
【００４７】
いずれにせよ、有機溶剤を熱レンズ形成素子１００に適用する場合であっても、「溶液」ではない、固体析出の影響の無い、熱レンズ形成素子１００の形態が希求される。
【００４８】
本発明の熱レンズ形成素子１００において、無機多孔質粒子からなる多孔質層に有機色素を担持させる方法は、有機色素の耐熱温度は通常の多孔質層形成プロセスの温度よりも低いこと、かつ、有機色素が後述の混合有機溶剤１０に溶解することを防ぐ必要があることから次のような手法に限定される。なお、以下、「微粒子」とは、無機多孔質の孔に自由に出入り可能な粒径のものを差し、その具体的サイズは直径１００ｎｍ以下である。
【００４９】
〔１〕有機色素の前駆体を無機多孔質の表面と親和性の高い液体（例、水）に溶解した溶液を無機多孔質粒子の内部に含浸させた後、化学反応（例、酸化）によって微粒子として固体化・固着させる。
【００５０】
〔２〕有機色素微粒子の表面を化学的に修飾（例、クロルメチル化を経てアルコール残基を付与）し、シランカップリング剤またはチタンカップリング剤と反応できるようにし、これら微粒子の分散液を無機多孔質粒子の内部に含浸させた後、前記のカップリング剤を用いて無機多孔質粒子の表面および孔内に固定する。
【００５１】
いずれの場合も、無機多孔質粒子の表面および孔内に担持された有機色素は光照射下、酸化を受け易いため、熱レンズ形成素子への加工プロセスは遮光下で行い、内部の酸素および水を徹底的に除去し、不活性気体（例、窒素、アルゴン、ヘリウム）の存在下、溶融封止した後、熱レンズ形成素子として使用することが好ましい。
【００５２】
［無機色素］
本発明の熱レンズ素子において無機多孔質粒子からなる多孔質層に担持させるのに好適な無機色素を以下に列挙する。
【００５３】
〔ａ〕金属塩（例、塩化コバルト、臭化銅など）
【００５４】
〔ｂ〕金属酸化物、複合酸化物顔料（例、大日精化工業株式会社製、ダイピロキサイド（登録商標）各種）
【００５５】
〔ｃ〕金属硫化物（例、硫化カドミウム、硫化銅）
【００５６】
〔ｄ〕金属微粒子およびコロイド（例、金、銀、ケイ素、ゲルマニウム）
【００５７】
〔ｅ〕化合物半導体（例、テルル化カドミウム、ヒ化ガリウム、リン化インジウム、セレン化銅インジウム）
【００５８】
【表１】
2016151622.tif 000003
【００５９】
なお、表１に掲げるような無機色素の吸収波長は、微粒子とした場合、粒子径と周辺環境によって変化するため、表１に記載する波長は、あくまで「一例」である。
【００６０】
［無機多孔質粒子からなる無機多孔質粒子層の作成］
図１ｂ〜１ｅに示すように、本発明の熱レンズ形成素子１００の無機多孔質粒子層６は、水平に載置された角型断面中空管１へ高分子バインダー溶液に分散させた無機多孔質粒子分散液２を注入した後、この無機多孔質粒子分散液２の大部分を流し出した後に角型断面中空管１の内側平面１６の上に残留した残留無機多孔質粒子分散液３を、１００℃以下の温度の送風空気８を角型断面中空管１の内部に送風して乾燥させる操作を繰り返し実施し、所望の厚さの無機多孔質粒子塗工膜５を形成し、これを完全に乾燥してから５００〜６００℃の送風空気９によって焼成し、高分子バインダーを除去することで作成される。
【００６１】
［無機多孔質粒子］
本発明の熱レンズ形成素子１００の無機多孔質粒子層６を形成する無機多孔質粒子としては、後述の混合有機溶剤１０との屈折率の適合性の点から、酸化ケイ素（シリカゲル；波長５８８ｎｍにおける石英ガラスの屈折率の例、１．５１６８）が好適である。酸化ケイ素からなる多孔質粒子は公知のゾルゲル法で好適に製造できる。
【００６２】
本発明の熱レンズ形成素子１００の無機多孔質粒子層６を形成する無機多孔質粒子の粒度分布を制御することで、色素を担持させたときの吸収スペクトルの形、特に最長吸収波長（吸収端）をシャープに整えることができる。これは、制御光波長と信号光波長を、できるだけ近づける必要がある場合、重要である。
【００６３】
本発明の熱レンズ形成素子１００の無機多孔質粒子層６を形成する無機多孔質粒子の平均粒子径は、１次粒子として１〜１００ｎｍ、１次粒子の凝集体として１０〜１０００ｎｍが好適である。これらの粒径を外れた場合、粒度分布をシャープに制御することが困難になるおそれがある。
【００６４】
［無機多孔質粒子の分散液］
無機多孔質粒子としてシリカゲルを用いる場合、分散液の溶剤としては水が好適である。高分子バインダーとしてはポリビニルアルコールが好ましく、特に分散剤を使用することなく、安定かつ低粘度の分散液（塗工液）を調整することができる。
【００６５】
無機多孔質粒子としてシリカゲルを用いる場合の分散液の好適な具体的実施の形態は、例えば、シリカゲルの１次粒子径７ｎｍ、凝集体としての粒子径１００ｎｍを８重量％で水に超音波分散した液とポリビニルアルコールの８重量％水溶液を１：４重量部で混合したものである。
【００６６】
［無機多孔質粒子塗工膜の作成］
図１ａに示すように、角型断面中空管１を例えば長さ３００ｍｍに切断し、その一端を保温・加熱炉３５の内部に載置された注入ヘッダー２０の挿入孔２１へ差し込む。注入ヘッダー２０に取り付けられた空気導入バルブ２２を閉じ、分散液導入バルブ２３を開き、無機多孔質分散液２５を角型断面中空管１へ注入し、廃液受器３０に余剰分散液が流れ出るまで注入を続けた後、分散液導入バルブ２３を閉じる。次いで、空気導入バルブ２２を開き、空気余熱器２６で室温以上、１００℃未満に加熱された空気を、水平に載置された角型断面中空管１へ穏やかに注入する。空気の流速は、毎秒１０〜３０ｍｍになるように流量を制御する。こうして、角型断面中空管１の内側平面１６の上面へ、無機多孔質粒子塗工膜５を形成する。この分散液注入及び乾燥の手順を繰り返して行い、角型断面中空管１の内壁１７の上面に、所望の厚さの無機多孔質粒子塗工膜５を形成する。加温した空気を注入により水分を除去し、無機多孔質粒子塗工膜５を完全に乾燥する。次いで、保温・加熱炉３５の内部温度を５００〜６００℃に加熱し、空気導入バルブ２２を開き、送風空気２４を空気余熱器２６で加熱して５００〜６００℃に加熱された空気を角型断面中空管１へ注入する。空気の流速は、毎秒１００〜５００ｍｍになるよう、流量を制御する。こうして無機多孔質粒子塗工膜５に含まれる高分子バインダーを燃焼・除去し、無機多孔質粒子層６を角型断面中空管１の内側平面１６の上面に形成する。以上の行程で、空気の注入速度が高すぎると、無機多孔質粒子層６にヒビが入ったり、表面が波打ったりする。また、焼成温度が６００℃を超えると、シリカゲルの孔が融着するおそれが出る。
【００６７】
［無機多孔質粒子表面への無機色素の担持］
本発明の熱レンズ形成素子１００の製造プロセスにおいて、無機色素を無機多孔質粒子の表面および孔内に担持させる手順は、無機多孔質粒子層６の焼成工程の前または後に行うことができる。
【００６８】
使用する無機色素が焼成温度域（５００〜６００℃）で無機多孔質粒子（シリカゲル）と反応しない場合は、焼成工程の前または後のいずれにおいて担持させても良い。一方、使用する無機色素が焼成温度域（５００〜６００℃）でシリカゲルと反応したり、粒子径が変化したりする場合は、プロセスの制御が複雑になることを避けるため、焼成工程の後に担持させることが推奨される。
【００６９】
焼成工程の前または後のいずれにおいても担持の手法は以下に列挙する方法が好適に利用できる。
〔Ａ〕無機色素の微粒子（例、粒子径１〜５０ｎｍ）を溶剤に分散させた液を無機多孔質粒子層６の焼成工程の前または後に含浸させる。必要に応じて分散剤を最小限の量で使用し、含浸させた後、この分散剤を洗浄し除去しても良い。焼成工程の前に含浸させる場合は、無機多孔質粒子の分散液に無機顔料の微粒子を予め混合しても良い。
【００７０】
〔Ｂ〕無機色素の前駆体を無機多孔質粒子層６の焼成温度以下で焼成することで無機顔料の微粒子を製造できる場合は、無機多孔質粒子の分散液に無機顔料の前駆体を混合する方法、または、焼成前の無機多孔質粒子に無機顔料の前駆体を湿式で含浸させてから焼成する方法を採用することができる。
【００７１】
〔Ｃ〕無機多孔質粒子層６の焼成工程の後、ドライプロセス（気相反応）で、無機多孔質粒子の表面および孔内に無機顔料微粒子を担持させることもできる。ドライプロセスとしては、真空蒸着、スパッタリングなどの真空プロセス、および、無機多孔質粒子層６の粒子表面および孔内に担持させた無機顔料前駆体を気体の反応剤と反応させる気相反応法などの公知の方法を好適に用いることができる。
【００７２】
［好適な色素濃度］
本発明の熱レンズ形成素子１００において、無機多孔質粒子層６の厚さｄ１および屈折率が調整された後述の混合有機溶剤１０の厚さｄ２を各々変えて、熱レンズ効果の大きさを調べた結果、無機多孔質粒子層６の厚さｄ１は１００μｍから２００μｍが好ましいことを見いだした。ここで、無機多孔質粒子層６の表面および孔内に担持される色素の濃度は、使用される制御光の波長において、透過率が０．１％から１０％になるよう、調整することが好ましい。前記透過率が０．１％未満になるよう、色素の濃度を高めると、信号光の波長領域まで裾を引いた吸収の影響や散乱の影響が大きくなり、熱レンズ形成素子１００を透過する信号光の減衰が増すおそれがある。また、前記透過率が１０％を超えると、制御光照射時、充分な大きさの熱レンズの形成が困難となるおそれがある。
【００７３】
言うまでもなく、使用する色素の吸収係数が大きいほど、無機多孔質粒子層６の表面および孔内に担持させたときの色素濃度の調整が容易になる。
【００７４】
［混合有機溶剤］
熱レンズ形成素子１００に好適に用いられる有機溶剤の一般的諸物性は特許文献７に詳細に記載されている。本発明の熱レンズ形成素子１００に用いられる混合有機溶剤１０は、これらの諸物性を満足する上に、制御光が照射されない場合の信号光透過率を最大にするよう、無機多孔質粒子層６と屈折率を等価にする必要がある。
【００７５】
石英ガラスないしシリカゲルの屈折率は石英ガラスの組成、特に水酸基の含有量に応じて異なるが、一例として、波長５８８ｎｍにおいて１．５１６８０、波長１０６０ｎｍにおいて１．５０６６９である。これに対して、下記の４成分混合溶剤の市販品（これを「溶剤＃１」と呼ぶ。）の波長５８８ｎｍにおける屈折率は１．５６３と、石英ガラスよりも若干大きい。因みに、有機溶剤分子中のフェニル基など芳香族残基の含有量が大きいほど、屈折率は高くなる。一方、脂肪族系有機溶剤の屈折率は比較的低い。
・第１成分：１−フェニル−１−（２，５−キシリル）エタン
・第２成分：１−フェニル−１−（２，４−キシリル）エタン
・第３成分：１−フェニル−１−（３，４−キシリル）エタン
・第４成分：１−フェニル−１−（４−エチルフェニル）エタン
【００７６】
溶剤＃１の諸物性は以下の通りである。
・外観：無色透明液体
・臭気：弱い芳香臭
・沸点：２９０〜３０５℃
・融点：−４７．５℃
・蒸気圧：０．０６７Ｐａ(２５℃)
・蒸気密度：７．２(空気＝１)
・比重（水＝１）：０．９８７
・水溶解度(２０℃)：水に溶けない。
・体積熱膨張率（２５℃から８５℃）：約５％
【００７７】
溶剤＃１に第５の成分として、屈折率の低い脂肪族系有機溶剤として、ｎ−パラフィンを混合することで、混合有機溶剤としての諸物性、特に粘度−温度特性を熱レンズ形成素子用有機溶剤として好適に保ったまま、屈折率の値を石英ガラスないしシリカゲルの値に近づけることが可能となる。
【００７８】
ｎ−パラフィンとしては、沸点が溶剤＃１に近いものとして、ｎ−ヘプタデカンを好適に用いることができる。
【００７９】
ｎ−ヘプタデカンの諸物性は以下の通りである。
・外観：無色透明液体
・臭気：弱い灯油臭
・沸点：３０２℃
・融点：２２〜２４℃
・屈折率：１．４３６(２０℃、波長５８８ｎｍ)
・比重（水＝１）：０．７７
・水溶解度(２０℃)：水に溶けない。
【００８０】
溶剤＃１に種々の割合でｎ−ヘプタデカンを混合した場合の屈折率および信号光透過率の測定例を表２に掲げる。なお、屈折率の測定はナトリウムのＤ線（波長５８８ｎｍ）を光源とするアッベ式屈折率計を用い、赤外線波長の信号光透過率の測定は、外寸１ｍｍスクエア（正方形）、内寸５００μｍスクエア（正方形）の角型断面中空管１の内面の１面に厚さ２００μｍのシリカゲル焼成層（シリカゲルの見かけの粒子径１００ｎｍ）を設け、一端のみ封止した熱レンズ形成素子１００に混合有機溶剤試料を注入し、シリカゲル焼成層に混合有機溶剤を充分含浸させた後、熱レンズ効果測定用テストベンチ（図４）に取り付け、信号光として赤外線レーザーを強度１ｍＷで照射し、当該混合有機溶剤のみを注入した、シリカゲル焼成層を有さない、角型断面中空管・素管を参照試料として、透過信号光の強度を比較する方法で実施した。なお、透過率測定の場合、図４における直進出力側信号光・光ファイバー４２０の代わりに光パワーメーターのセンサーを設置した。本測定の場合、一端のみ封止した熱レンズ形成素子の外側平面にＡＲコートを行っていないため、信号光の透過率は最良でも９０％前後である。
【００８１】
【表２】
2016151622.tif 000004
【００８２】
［角型断面中空管の一端封止と真空乾燥］
図２ａ〜図３ｃに示すように、角型断面中空管１の一端７をバーナーで加熱溶融し、封止する。封止部分を光学顕微鏡で拡大して観察し、ピンホールが残っていないことを確認することが好ましい。バーナーの燃焼ガス中の水分が溶融封止した角型断面中空管１の内部に結露することがあるので、一端封止した角型断面中空管１を、適当な密閉可能な真空容器（図示せず）に入れ、例えば８０℃以上に加熱しながら真空乾燥する。真空乾燥チャンバー内部の圧力が３×１０-4Ｐａ未満に到達すれば、乾燥は充分である。
【００８３】
［角型断面中空管への溶液注入］
混合有機溶剤１０への水分および酸素の悪影響を避けるため、混合有機溶剤１０の調整および以下の注入工程は、次のような条件を満足するグローブボックス（図示せず）内で実施することが好ましい。
【００８４】
（１）酸素濃度０．５ｐｐｍ未満
【００８５】
（２）水分濃度０．５ｐｐｍ未満（露点温度−８０℃以下）
【００８６】
前記密閉可能な真空容器（図示せず）をパスボックスを通じて前記グローブボックス内部へ入れてから、真空乾燥が済んだ一端封止済みの角型断面中空管１を取り出す。図２ｂに示すように、一端封止済みの角型断面中空管１の内部へ混合有機溶剤注入管１９を、その先端が一端封止済みの角型断面中空管１の封止端に届くまで挿入し、混合有機溶剤注入管１９を通じて混合有機溶剤１０を注入する。混合有機溶剤１０の注入量は、混合有機溶剤注入管１９を引き抜いた後で、混合有機溶剤１０の液柱の長さが１〜１５ｍｍになるように調整する。
【００８７】
［角型断面中空管の他端仮封止］
溶融封止端側に混合有機溶剤１０が注入された一端封止済の角型断面中空管１を、硬化に１時間以上を要する接着剤であって、後述の圧力まで減圧した際に揮発する成分のない接着剤を入れた容器の中に入れ、これを適当な真空チャンバー（例、前記パスボックス）に入れて、例えば圧力を０．０１気圧に保ち、接着剤が硬化するのを待つ。接着剤としては、例えば、揮発成分のないエポキシ接着剤を好適に用いることができる。接着剤の使用量は一端封止済みの角型断面中空管１の開放端（他端）を仮封止するに最小限の量、例えば５０〜１００ｍｇが好ましく、接着剤を入れる容器の大きさは、例えば、高さ１０〜２０ｍｍで、一端封止済みの角型断面中空管１を縦に支えるのに充分な大きさであり、断面は、一端封止済みの角型断面中空管１を挿入するのに必要最小限な大きさ、例えば、直径２〜３ｍｍの円形であれば良い。
【００８８】
［不活性気体の気泡］
角型断面中空管１の他端の仮封止を行う前に、一端封止済みの角型断面中空管１の内部に不活性気体を充填して１つの気泡１１を形成する。本発明の熱レンズ形成素子１００は図２（ｃ）に示すように、角型断面中空管１の一端には混合有機溶剤１０が１本の液柱として気泡無しに存在し、他端には後述の不活性気体からなる１つの気泡１１が混合有機溶剤１０の液柱に接して存在することを特徴とする。混合有機溶剤１０が１本の液中として存在しているため、角型断面中空管１の壁面と溶液の摩擦力によって、熱レンズ形成素子１００に外部から衝撃を受けても、液中は分断されにくくなっている。不活性気体からなる１つの気泡１１の好適な長さＨは、前述のように１０〜１５ｍｍである。不活性気体としては窒素、アルゴン、ヘリウムを好適に使用できる。なお、気泡１１の好ましい圧力については特許文献７に詳細に記述されている。
【００８９】
［角型断面中空管の他端封止］
前記接着剤が硬化し、一端封止済みの角型断面中空管１の仮封止が完了した後、一端封止済みの角型断面中空管１をグローブボックス・前記真空チャンバーから取り出し、混合有機溶剤充填部分を上にしてつり下げ、混合有機溶剤１０の存在しない部分をガスバーナーで溶融封止する。溶融封止を必要最小限の大きさのバーナー炎を用い、１秒以内で行うことで、内部の混合有機溶剤１０に影響を与えること無しに、石英ガラスの溶融封止を完了することができる。両端が封止されて完成した本発明の熱レンズ形成素子１００の封止状態の完全性を確認するため、熱レンズ形成素子１００の重量（１０〜数十ミリグラム）をμｇ単位で精密に測定した後、例えば、８５℃において１０００時間、加熱を継続した後、重量を精密に測定した。その結果、重量変化が±２μｇ以内であることが確認され、封止が完全であることが判った。
【００９０】
［無反射コート］
空気の屈折率１．００に対し本発明の熱レンズ形成素子１００の角型断面中空管１の材質・石英ガラスの屈折率は可視光領域から波長１．５μｍの赤外線領域において１．５６ないし１．５０である。したがって、無反射コートを行わないと、平面部分１４または１５へ垂直入射する信号光または制御光について４〜５％の反射ロスが発生するため、使用する信号光および制御光の波長に対応した無反射（ＡＲ）コートを行うことが推奨される。ＡＲコートとしては公知のものを使用することができる。例えば、使用する信号光および制御光の波長に対応した誘電体多層膜や空気と石英ガラスの屈折率の中間の値の屈折率を有する透明有機高分子膜を使用することができる。ただし、透明有機高分子膜を熱レンズ形成素子１００の表面に形成する真空プロセスは通常、バッチ処理で生産性が低く、また、高温に曝されるため、混合有機溶剤１０を充填する前にＡＲコートを行う必要があり、その際、熱レンズ形成素子１００の角型断面中空管１の内部が汚染されないよう、例えば、角型断面中空管１の両端を仮に溶融封止し、混合有機溶剤１０を注入する前に一端を開放する、などの工程を追加する必要が生ずる。これに対し、透明有機高分子を適当な揮発性溶剤に溶解した溶液を熱レンズ形成素子１００の表面にディッピング法などで塗工、乾燥してＡＲコート層を形成する方法は、熱レンズ形成素子１００の角型断面中空管１の内部に混合有機溶剤１０を注入し、両端を溶融封止してからＡＲコートが可能であり、製造プロセスを合理化可能である。透明有機高分子の屈折率は可視光領域から波長１．５μｍの赤外線領域において１．２ないし１．４であることが好ましい。更に好ましくは屈折率１．３５程度が好適である。屈折率が前記の範囲よりも小さくても、大きくても、反射ロスの低減効果が小さくなる。透明有機高分子溶液の具体例としては、有機フッ素樹脂「サイトップ（CYTOP）」（登録商標）（旭硝子株式会社製）をフッ素系溶剤に溶解した溶液を好適に使用することができる。この高分子膜の屈折率は１．３４である。塗工によるＡＲコート膜の膜厚は１０ｎｍないし２００μｍであることが好ましい。これよりも薄いと塗膜にピンホールができるおそれがある。また、これよりも厚い膜を塗工法で作成すると、膜厚のムラが発生し易くなる。なお、ＡＲコート膜の厚さを１００μｍないし２００μｍとすると、非常に薄い石英ガラスからなる、本発明の熱レンズ形成素子１００の平面部分を補強し、耐衝撃性を高めることもできる。
【００９１】
［リングビーム方式光路切替への応用］
図４は本発明の熱レンズ形成素子１００を用いた、リングビーム方式光路切替装置の一例の概略構成図である。本実施形態の本発明の熱レンズ形成素子１００として、外寸１ｍｍスクエア（正方形）、内寸５００μｍスクエア（正方形）の角型断面中空管１の内面の１面に厚さ２００μｍのシリカゲル焼成層（シリカゲルの見かけの粒子径１００ｎｍ）を設け、シリカゲル焼成層を成すシリカゲルの表面および孔内に、公知の太陽電池製造方法を適用してリン化インジウムの微粒子を担持させ、更に混合有機溶剤試料を注入し、シリカゲル焼成層に混合有機溶剤１０を充分含浸させた後、空房４にアルゴンを０．０１気圧で封入、密閉封止したものを用いた。信号光光源として波長１５５０ｎｍのレーザーおよび制御光光源として波長８５０ｎｍのレーザーを用いた場合の本実施形態の本発明の熱レンズ形成素子１００の透過率は、各々、９０％以上および５％以下であった。
【００９２】
なお、リングビーム方式光路切替装置の詳細は特許文献１に記載されている。概要として、入力側信号光・光ファイバー４００から出射した入射信号光をコリメートレンズ４０にてほぼ平行なビーム４０１に変換してダイクロミックミラー４２を透過させ、更に集光レンズ４３にて収束させ、収束光として熱レンズ形成素子１００に入射させる。一方、制御光・光ファイバー４１０から出射した制御光をコリメートレンズ４１にてほぼ平行なビーム４１１としてダイクロミックミラー４２にて反射させ、信号光ビーム４０１と光軸を一致させ、更に集光レンズ４３にて収束させ、収束光として熱レンズ形成素子１００に入射させる。リングビーム方式光路切替装置および方法においては、制御光と信号光を同一光軸で熱レンズ形成素子の制御光吸収領域へ収束入射させ、更に、制御光および信号光双方の収束領域が重なり合い、前記制御光吸収領域の信号光入射側近傍に位置するよう、光学系が微調整される。こうすると、熱レンズ形成素子・制御光吸収領域の信号光入射側近傍へ収束入射した制御光は、前記制御光吸収領域において光吸収されながら進行し、吸収された光エネルギーは熱に変わり、混合有機溶剤の熱膨張に伴う密度減少および屈折率の低下を引き起こし、光の進行方向に特定の形状の熱レンズを形成させる。このように前記制御光吸収領域に形成された熱レンズ内部に収束入射された信号光が広がりながら進行すると、入射時にはガウス分布であった信号光のビーム断面のエネルギー分布は、リング状に変換され、制御光が照射されていない場合の角度よりも大きな開き角度で、熱レンズ形成素子１００から出射する。この出射信号光を、集光レンズ４３よりも大きな開口数の受光レンズ４４にて受光し、ほぼ平行なビームに変換してから、制御光が照射されず直進する場合の信号光・光路に４５度の角度で設置され、制御光が照射されず直進する場合の信号光ビームが通過するのに充分な大きさの穴が設けられた穴付ミラー４５に入射させると、制御光が照射されていない場合、信号光４２１は直進し、結合レンズ４６に入射し、収束され、直進出力側信号光・光ファイバー４２０に入射していく。一方、制御光が照射された場合は、熱レンズ効果によってリングビームに変換された信号光は、穴付ミラー４５の穴の周辺で反射され、結合レンズ４７にて収束され、光路切替信号光４３１として光路切替出力側信号光・光ファイバー４３０に入射していく。
【００９３】
図６ａ〜図６ｄに、信号光光源として波長１５５０ｎｍ、制御光光源として波長８５０ｎｍのレーザーを用い、本実施形態の熱レンズ形成素子１００に照射した場合の出射信号光ビームの断面形状と制御光パワーの対応を示す。なお、図４における穴付ミラー４５に代えて、ビームプロファイラーの受光面を載置した。制御光を照射しない場合、図６ａのように信号光のビーム断面はエネルギーがガウス分布の丸ビームである。制御光パワーを２．０、４．０ｍｗ、８．０ｍＷと大きくすると、信号光のビーム断面は、各々図６ｂ，図６ｃ，図６ｄのように変化する。この場合、制御光パワーが４．０ｍＷのとき、リングの形状および大きさが最適になり、同２．０ｍｗではパワーが足りず「リングの開き具合」が不充分であり、同８．０ｍＷでは制御光が強すぎて熱レンズの形状が乱れ、リングが多重に形成される。
【００９４】
本発明の熱レンズ形成素子１００を用いた、リングビーム方式光路切替装置は、４ないし５ｍＷという小さい制御光パワーで、制御光を照射しない場合のガウス分布・丸ビームと、制御光を照射した場合のリングビームの変換を行うことができる。本発明の熱レンズ形成素子１００の制御光吸収領域すなわち制御光の波長の光を吸収する色素が担持された無機多孔質粒子から成る多孔質層が収束照射された制御光のビームウエスト近傍において吸収して発生した熱が、効率良く混合有機溶剤１０に伝達され、混合有機溶剤１０が熱膨張して収束照射された制御光のビームウエスト近傍において熱レンズを形成し、高い効率で信号光のリングビームへの変換を実現することができた。
【００９５】
本実施形態の熱レンズ形成素子１００を用いた、リングビーム方式光路切替装置は、３年以上の繰り返し使用に耐えることが確認された。
【００９６】
［比較実施形態１］
本発明の熱レンズ形成素子１００に替えて、テトラ−ターシャリーブチル銅フタロシアニンの溶剤＃１溶液（色素濃度０．２重量％）を充填した、従来型の熱レンズ形成素子を用い、制御光光源として波長６６０ｎｍのレーザーを用い、図４のリングビーム方式光路切替装置にて、熱レンズ効果による光路切り替えを完結的に、繰り返し実施したところ、初期の性能を２年間は発揮できた。ところが、３年以上の経過で熱レンズ形成素子の色素溶液内に青色の固体が析出してきた。固体が析出しても、色素溶液は有効に作用するため、熱レンズ効果による光路切り替えは実施可能であったが、析出した固体が信号光の光路をよぎる際、信号光が一時的に遮られ、ノイズとして検出された。すなわち、光通信における光路切替用としての耐用年数は２年程度であることが確認された。
【００９７】
［丸ビーム方式光路切替への応用］
図５は本発明の熱レンズ形成素子１００を用いた、丸ビーム方式光路切替装置の一例の概略構成図である。丸ビーム方式光路切替装置の詳細は特許文献３〜５に記載されている。本実施形態の本発明の熱レンズ形成素子１００として、外寸１ｍｍスクエア（正方形）、内寸５００μｍスクエア（正方形）の角型断面中空管１の内面の１面に厚さ２００μｍのシリカゲル焼成層（シリカゲルの見かけの粒子径１００ｎｍ）を設け、シリカゲル焼成層を成すシリカゲルの表面および孔内に、公知の太陽電池製造方法を適用してセレン化銅インジウムの微粒子を担持させ、更に混合有機溶剤試料を注入し、シリカゲル焼成層に混合有機溶剤を充分含浸させた後、空房４にアルゴンを０．０１気圧で封入、密閉封止したものを用いた。また、信号光光源として波長１５５０ｎｍ、制御光光源として波長９８０ｎｍのレーザーを用いた。
【００９８】
概要として、入力側信号光・光ファイバー５００から出射した入射信号光をコリメートレンズ５０にてほぼ平行なビーム５０１に変換してダイクロミックミラー５２を透過させ、更に集光レンズ５３にて収束させ、収束光として熱レンズ形成素子１００に入射させる。一方、制御光・光ファイバー５１０から出射した制御光をコリメートレンズ５１にてほぼ平行なビーム５１１としてダイクロミックミラー５２にて反射させ、更に集光レンズ５３にて収束させ、収束光として熱レンズ形成素子１００に入射させる。丸ビーム方式光路切替装置および方法においては、制御光と信号光を熱レンズ形成素子１００の制御光吸収領域へ収束入射させ、更に、制御光および信号光双方の収束領域中心点が３０μｍ程度離れて重なり合い、前記制御光吸収領域の信号光入射側近傍に位置するよう、光学系が微調整される。こうすると、熱レンズ形成素子・制御光吸収領域の信号光入射側近傍へ、僅かに離れて収束入射した制御光は、前記制御光吸収領域において光吸収されながら進行し、吸収された光エネルギーは熱に変わり、混合有機溶剤の熱膨張に伴う密度減少および屈折率の低下を引き起こし、光の進行方向に特定の形状の熱レンズを形成させる。このように前記制御光吸収領域に形成された熱レンズ内部に、異なる収束位置で収束入射された信号光が広がりながら進行すると、入射時のガウス分布の丸ビーム断面のエネルギー分布を保ちながら進行方向が偏光され、制御光が照射されていない場合の直進方向から数度、光路が偏光されて、熱レンズ形成素子１００から出射する。この出射信号光を、受光レンズ５４にて受光し、ほぼ平行なビームに変換し、制御光が照射されていない場合、信号光５２１は直進し、結合レンズ５６に入射し、収束され、直進出力側信号光・光ファイバー５２０に入射していく。一方、制御光が照射された場合は、熱レンズ効果によって丸ビームのまま光路が偏光された信号光５３１はミラー５８を経由して、信号光５３２として結合レンズ５７に入射し、収束され、光路切替出力側信号光・光ファイバー５３０に入射していく。
【００９９】
制御光パワーを１０．０、２０．０、３０．０、４０．０ｍＷとしたとき、熱レンズ効果によって丸ビームのまま偏向された信号光５３１の偏向角を、制御光が照射されていない場合に信号光が熱レンズ形成素子１００を出射する点を原点とし、制御光が照射されていない場合の信号光出射方向を「０度」として測定した結果を図７に示す。この測定の際、図５に示す光学装置において、結合レンズ５６，ミラー５８などに替えて、ビームプロファイラーの受光面を載置し、光路切替信号光の偏向角をビームの受光位置から計算で算出した。制御光パワーを強くするにしたがい、偏向角は１０．４度、１２．９度、１３．９、１４．９度と大きくなった。本発明の熱レンズ形成素子１００の制御光吸収領域すなわち制御光の波長の光を吸収する色素が担持された無機多孔質粒子から成る多孔質層が収束照射された制御光のビームウエスト近傍において吸収して発生した熱が、効率良く混合有機溶剤１０に伝達され、混合有機溶剤１０が熱膨張して収束照射された制御光のビームウエスト近傍において熱レンズを形成し、高い効率で信号光の光路偏向を実現することができた。
【０１００】
本発明の熱レンズ形成素子は、３年以上の長期間使用に耐えることが確認された。現在、１０年を超える実使用条件における耐久性の試験を進めている。
【産業上の利用可能性】
【０１０１】
本発明は、光通信分野および光情報処理分野において有効に用いることができる。
【符号の説明】
【０１０２】
１  角型断面中空管、２，２５  無機多孔質粒子分散液、３  残留無機多孔質粒子分散液、４  空房、５  無機多孔質粒子塗工膜、６  無機多孔質粒子層、７  一端、８，９，２４  送風空気、１０  混合有機溶剤、１１  気泡、１２  他端、１４，１５  外側平面、１６，１７  内側平面、１９  混合有機溶剤注入管、２０  注入ヘッダー、２１  角型断面中空管挿入孔、２２  空気導入バルブ、２３  分散液導入バルブ、２６  空気余熱器、３０  廃液受器、３５  保温・加熱炉、４０，４１，５０，５１ コリメートレンズ、４２，５２ ダイクロミックミラー、４３，５３ 集光レンズ、４４，５４ 受光レンズ、４５ 穴付ミラー、４６，４７，５６，５７ 結合レンズ、５８ ミラー、１００  本発明の熱レンズ形成素子、４００ 入力側信号光・光ファイバー、４０１ 入射信号光（ビーム）、４１０ 制御光・光ファイバー、４１１ 入射制御光（ビーム）、４２０ 直進出力側信号光・光ファイバー、４２１ 直進信号光、４３０ 光路切替出力側信号光・光ファイバー、４３１ 光路切替信号光、５００ 入力側信号光・光ファイバー、５０１ 入射信号光（ビーム）、５１０ 制御光・光ファイバー、５１１ 入射制御光（ビーム）、５２０ 直進出力側信号光・光ファイバー、５２１ 直進信号光、５３０ 光路切替出力側信号光・光ファイバー、５３１，５３２ 光路切替信号光。
【図１ａ】
2016151622.tif 000005
【図１ｂ】
2016151622.tif 000006
【図１ｃ】
2016151622.tif 000007
【図１ｄ】
2016151622.tif 000008
【図１ｅ】
2016151622.tif 000009
【図２ａ】
2016151622.tif 000010
【図２ｂ】
2016151622.tif 000011
【図２ｃ】
2016151622.tif 000012
【図３ａ】
2016151622.tif 000013
【図３ｂ】
2016151622.tif 000014
【図３ｃ】
2016151622.tif 000015
【図４】
2016151622.tif 000016
【図５】
2016151622.tif 000017
【図７】
2016151622.tif 000018
【図６ａ】
2016151622.tif 000019
【図６ｂ】
2016151622.tif 000020
【図６ｃ】
2016151622.tif 000021
【図６ｄ】
2016151622.tif 000022