JP3213260B2 - 有機導波路型光変調器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は３次非線形光学性能
に優れた光変調器に係り、特に有機材料の３次非線形光
学性能を有効に生かした有機導波路型光変調器に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】近年のマルチメディア社会の急速な発展
に伴い、より多くの情報をやりとりするための大容量高
速光通信への要求は高まる一途である。

【０００３】現在は複数の家庭やオフィス等の情報発振
源から、電話回線を通じて送られた電気信号は、長距離
通信用の中継局に集められ、そこで電気信号から光信号
に変換される。多数の光信号が光ファイバを介して、数
百ｋｍ離れた別の中継局に送られ、そこで再び電気信号
に変換され、目的の情報受信源に送られる。

【０００４】このような光通信を利用する情報発振源の
数の増加だけでなく、送られる情報が単純な音声に加え
て、コンピュータのデータファイルや画像のように、さ
らに大容量化し、それらをより高速にやりとりすること
が求められている。

【０００５】さらに、より高速化のために、全ての情報
発振源からの電気信号から、光信号化されつつある。こ
のための対応策として、より短い光パルスを用いること
により、単位時間当りの信号量を増加させている。

【０００６】こうした光信号伝送に用いられる光ファイ
バは、主にシリカガラスのファイバであり、このファイ
バの光伝送損失が最小となる波長１.３μｍまたは１.５
μｍの光が信号光として用いられている。例えば、この
波長での光伝送損失は０.５ｄＢ／ｋｍ程度であるが、
僅かに波長が異なるとすぐに伝送損失は１ｄＢ／ｋｍを
超えてしまう。従って、光通信に用いられる光源は、こ
の光ファイバの特性に合わせた単色性の良いレーザ光が
用いられている。

【０００７】このようなレーザ光に対し、情報となる電
気信号に応じて光変調器を用い、その強度を変化させ、
光パルス列を発生させることで光信号は形成されてい
る。

【０００８】このような光パルスを用いた光通信におい
ても、数百ｋｍにわたり光パルスを伝送すると、光信号
は減衰するため、途中に光パルスを増幅するための中継
器を用いている。現在用いられている中継器では、中継
器に到達した光信号を光検出器により一度電気信号に変
換し、電気的に増幅，再生，リタイミング等の復調処理
を行い、その電気信号をレーザ光に変調させ、光信号と
して次の受信基地まで送信する。

【０００９】こうした中継器において電気的処理を行う
ために、より高速な光信号には到達した光信号を光のま
まで復調する技術が必要とされている。このような高速
光変調は、電気的信号処理の限界と云われる数１０Ｇｂ
ｉｔ／ｓｅｃ以上の大容量高速通信においては必須と云
われ、この領域ではより高速な光による光の変調が必要
となる。

【００１０】光による光の変調には、物質の３次の非線
形光学効果の一つである四光波混合、光双安定現象等が
用いられ、これらは非線形屈折率変化に起因している。

【００１１】通常、光を物質に照射すると、その光電場
の大きさに比例して物質中に分極が誘起される。非線形
光学効果とは物質に光を入射すると、誘起される物質の
分極のうち入射光電場に非線形に比例する効果全般を指
し、光電場の２乗、３乗、…に比例する効果をそれぞれ
２次、３次、…の非線形光学効果という（Ｐ．Ｎ．Ｂut
cher、Ｄ．Ｃotter著：Ｔhe Ｅlements of Ｎonlinear
Ｏptics（Ｃambridge現代光学研究９）、Ｃambridge大
学出版、１９９０年）。

【００１２】３次の非線形光学効果による分極Ｐは、物
質が中心対称性の場合は以下の式〔１〕で書き表され
る。

【００１３】

【数１】

【００１４】ここで、ｔは時刻、ωは光の角周波数、ε
₀は真空中の誘電率、Ｅ_ω(t)は入射光電場を示す。また
χ(1)は物質の線形感受率を示し、物質の線形屈折率ｎ₀
と次式〔２〕で関係づけられる。

【００１５】

【数２】

【００１６】ここで、Ｒeはχ(1)の実数部をとることを
示す。また、χ(3)は物質の３次非線形感受率を示し、
物質の３次非線形屈折率ｎ₂と次式〔３〕で関係づけら
れる。

【００１７】

【数３】

【００１８】これらから物質の屈折率ｎ(ω)は線形屈折
率ｎ₀と非線形屈折率ｎ₂から次式〔４〕のように表わさ
れる。

【００１９】

【数４】 ｎ(ω)＝ｎ₀(ω)＋ｎ₂(ω)｜Ｅ_ω(ｔ)｜²＝ｎ₀(ω)＋ｎ₂(ω)Ｉ …〔４〕 ここで、Ｉは物質の光学定数を変化させる制御光の強度
を示す。このことは物質の屈折率は、光の強度が弱い時
は入射する光の強度に関係なく一定の値ｎ₀であるよう
に見えるが、レーザ光のような強い光に対しては光の強
度が増加するにつれ変化することを示している。

【００２０】上記のように、このような光による物質定
数の変調により、物質の屈折率、吸収率、偏光、位相等
の物性が変化し、これによりその物質を通過または反射
する光の方向や強度を変えることができる。このような
光変調は入射した光の光電場により引き起こされるため
に、光の速さで物質の分極が起こり、急速に物性を変化
させることができる。

【００２１】ところが、一度物質に誘起された分極は、
入射光が通過後も一定時間残留し、その残留時間は物質
の分極機構によって異なる。例えば、ＧａＡｓやＩｎＳ
ｂ等の半導体では、光励起により電子と正孔に分離した
励起子を生じ、これが再結合して元の状態に戻るには数
ナノ秒（１０~⁹秒）以上の時間を要する。これは半導体
を構成する原子が共有結合により規則正しく結合してい
るために、分離した電子と正孔が複数の原子を渡り歩
き、両者の距離が離れるためである。

【００２２】これに対し、ポリジアセチレンや金属フタ
ロシアニンのような有機分子や石英ガラスでは、光励起
により分子が励起状態になっても、隣の分子との間に共
有結合等に由来するバンド構造がないため電子と正孔の
分離は起こらず、励起状態が失活して元の状態に戻るに
は数ピコ秒（１０~¹²秒）程度以下の時間で済む。

【００２３】その一方、分極された電子と正孔の電荷量
が同じであれば、このような物質の分極の大きさはその
分離された距離に比例することから、分極の大きさと失
活の速さとはトレードオフの関係にある。

【００２４】このように、３次の非線形光学効果による
数ピコ秒以下の高速応答性を用いて、物質の屈折率、吸
収率、偏光、位相等の物性を変化させ、これによりその
物質を通過または反射する光の方向や強度を変える光ス
イッチを実現するための材料としては、有機分子や石英
ガラスが適している。

【００２５】ところが、これら高速応答性を有する材料
の３次非線形光学感受率が１０~¹⁴〜１０~¹²ｅｓｕ程度
であり、それを用いた光スイッチを実現するためには、
非常に多くの制御光強度を要する。例えば、文献（Ｔ．
Ｍorioka and Ｍ．Ｓaruwatari：ＩＥＥＥ Ｊ．Ｓelec
t．Ａreas Ｃommun．第６巻、１１８６頁、１９８８
年）によると、制御光によって物質の偏光状態を変化さ
せる光カー（Ｋerr）効果型の光変調器においては、制
御光の存在によって物質中に制御光に平行な方向と、垂
直な方向に２つの異なる非線形屈折率ｎ₂xxとｎ₂xyがそ
れぞれ誘起される。

【００２６】時刻ｔにおける両方向の屈折率の差Δｎ
(ｔ)は、これらの非線形屈折率と制御光の強度Ｉ_p(t)を
用いて、次式〔５〕のように表わされる。

【００２７】

【数５】 Δｎ(t)＝(ｎ₂xx−ｎ₂xy)Ｉ_p …〔５〕 このような屈折率差を有する物質からなる光導波路中
を、波長λの光が長さＬだけ進んだ時の光の位相差Δφ
(t)は次式〔６〕で与えられる。

【００２８】

【数６】Δφ(t)＝(２π／λ)Ｌ(ｎ₂xx−ｎ₂xy)Ｉ_p この光スイッチでは制御光によって偏光面を回転させる
ため、光スイッチとして駆動させる最低必要制御光量
は、Δφ(t)＝πとなる時である。

【００２９】Δｎ(t)は物質定数であるから、用いる素
材と光の波長が定まると、光スイッチの光導波路の長さ
Ｌと必要な駆動光量Ｉ_p(t)とは反比例の関係になる。例
えば非線形屈折率が１０~¹⁶ｃｍ²／Ｗ程度のシングルモ
ード石英ファイバを用いた場合、ファイバ長２０ｍで制
御光量３０Ｗ、１５０ｍで３.４Ｗが必要であったと報
告されている。しかしながら、石英ファイバの非線形応
答速度は数１０フェムト秒以下と高速であり、１.９Ｇ
Ｈｚの光信号列からの信号抽出は容易に実現されてい
る。

【００３０】より少ない制御光量でスイッチング特性を
得るためには、応答速度を損なうことなく非線形光学感
受率の大きな物質を用いることが必要である。特に、テ
ラビット級の大容量光信号処理には、応答速度が１ピコ
秒以下である必要がある。このような特性を満足する３
次非線形光学材料として、π電子共役系からなる分子骨
格を含む有機化合物がある。

【００３１】例えば、ｐ−ニトロアニリン、３−メチル
−４−ニトロアニリン、尿素、カルコン、スチルベン、
トラン、ベンジリデン、ポルフィリン、フタロシアニ
ン、ポリアセチレン、ポリジアセチレン、ポリチオフェ
ン等の数多くの分子が高い非線形特性を示すことが知ら
れている（Ｈ．Ｓ．Ｎalwa，Ｓ．Ｍiyata著、：Ｎonlin
ear Ｏptics of Ｏrganic Ｍolecules and Ｐolymers，
ＣＲＣ Ｐress，１９９７年）。

【００３２】

【発明が解決しようとする課題】これら有機非線形光学
材料は、ガラスや半導体化合物に比べて特定の分子骨格
を構造単位としているために、その分子骨格の形状に由
来する光学的異方性を生じる。このため、物質中におけ
る各分子の配列状態の違いによって光学的特性が大きく
変化し、分子配列状態の制御が、より効果的な非線形光
学特性を得る上で必要とされている。

【００３３】これら有機分子を配列させる技術として
は、単結晶成長法のほかに、高分子延伸法、ラビング
法、電場配向法、磁場配向法、水面展開法等の手法が提
案されている。これらの手法により、有機分子を特定の
配向方向に配列状態を揃えることができるが、その方向
は必ずしも光学的に非線形光学効果が最も高くなる方向
とは一致せず、その入射させる光信号の伝搬方向の制御
が重要であった。

【００３４】特に、より少ない制御光量で光スイッチン
グ特性を得るためには、先に述べたように数ｍの長い距
離にわたって光を拡散させることなく、非線形光学媒体
中を伝搬させる必要があった。このため、上記の長さ以
上にわたって均一に分子配向制御を行うと同時に、非線
形光学材料として最も望ましい方向に同程度の大きさの
光導波路を形成する必要があった。

【００３５】通常の光導波路は、高々数ｃｍの基板表面
内にフォトリソグラフィ法により光導波路を形成するも
のであり、数ｍに及ぶ光導波路の形成には有機高分子の
熔融延伸法による光ファイバ形成法しかなかった。しか
しながら、この方法では延伸方向と非線形光学特性の望
ましい方向が必ずしも一致するとは限らず、場合によっ
ては全く不活性な方向に分子が揃ってしまうと云う問題
があった。

【００３６】このように異方性の強い有機非線形光学材
料からなる光スイッチを実現する上で、数ｍ以上にわた
って均一に、その分子配向制御、光導波路構造形成、屈
折率分布制御を行う手段がなかった。このため、物性と
して優れたサブピコ秒の高速応答性を示す有機非線形光
学材料の、実用的な光スイッチの実現を困難にしてい
た。

【００３７】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決する本発
明の要旨は次のとおりである。

【００３８】光の入射，出射が可能で、非線形光学効果
により外部から制御された電場または光により光の光学
特性（透過率、反射率、屈折率）の変調が可能な光変調
器において、該光変調器が少なくとも１軸方向に配向さ
れた有機高分子層を含み、該有機高分子層表面の一部に
外部から制御された電場または光が存在しない状態にお
ける該有機高分子の屈折率を変化し得る屈折率調整剤を
含有し、該屈折率調整剤含有部をコア層とし非含有部を
クラッド層とする光導波路の一部または全領域を、外部
から制御された電場または光により制御することを特徴
とする有機導波路型光変調器にある。

【００３９】また、前記光導波路のコア径が導波させる
光の波長の１〜１０倍である前記の有機導波路型光変調
器にある。

【００４０】また、前記光導波路の有機高分子層の配向
方向と光電場の方向が略平行となる前記の有機導波路型
光変調器にある。

【００４１】また、前記光導波路の一部に前記有機高分
子層および前記屈折率調整剤とは異なる有機非線形光学
材料を含む前記の有機導波路型光変調器にある。

【００４２】また、前記有機高分子層中に３次非線形光
学感受率が１０~¹²ｅｓｕ以上の有機高分子を含む前記
の有機導波路型光変調器にある。

【００４３】また、前記有機高分子層が水溶性の有機高
分子である前記の有機導波路型光変調器にある。

【００４４】さらにまた、前記有機高分子層がシアニン
色素を含む前記の有機導波路型光変調器にある。

【００４５】

【発明の実施の形態】本発明の光変調効果を示す媒体の
有機化合物としては、２−メチル−４−ニトロアニリン
〔Ｈ₂Ｎ−Ｃ₆Ｈ₃(−ＣＨ₃)−ＮＯ₂〕、４−メチル−４'
−トラン（Ｈ₃Ｃ−Ｃ₆Ｈ₄−Ｃ≡Ｃ−Ｃ₆Ｈ₄−ＣＮ）、
ポリジアセチレン、ポリアセチレン、金属フタロシアニ
ン等の有機化合物を挙げることができ、特に、効果的に
光変調を起こすためには、これら構成する物質層単体も
しくは多層化させた状態での３次非線形光学定数が、変
調光の波長において１０~¹²ｅｓｕ以上であることが好
ましい。

【００４６】また、上記において、異種材料あるいは本
発明のものとは構造の異なる他の材料と共存、混在させ
て用いることができる。

【００４７】また、これらの光変調器を形成するため
に、ガラス、シリコン、ひ素化ガリウム等の基板を用い
ることができる。

【００４８】本発明の光変調器を構成する高分子基質材
料としてはポリビニルアルコール、ポリアクリル酸ナト
リウム、ポリエチレンオキシド、メチルセルロース、ビ
スコース、デキストラン、コラーゲン、アルギン酸ナト
リウム等の高分子や、ポリエチレン、ポリスチレン、ポ
リブタジエン、ポリアクリル酸メチル、ポリ塩化ビニ
ル、ポリアクリル酸等の高分子を用いることができる。

【００４９】本発明の光変調器の作製方法としては、各
種高分子延伸薄膜形成技術、例えば、熔融射出成形法、
スピンコート法、スパッタ法、ラングミュアブロジェッ
ト法等を用いることができる。また、これらの媒体にそ
の光変調効果の発現のための電場または磁場によるポー
リング処理を施すことができる。

【００５０】さらに光変調器を形成するためには、必要
とされる光パルスの特性に応じて、各種精密加工技術を
用いることができる。例えば、精密ダイアモンド切断加
工、レーザ加工、エッチング加工、フォトリソグラフ
ィ、反応性イオンエッチング、集束イオンビームエッチ
ング等が挙げられる。

【００５１】また、予め加工された光変調器を複数個多
層化、もしくは、一定の間隔で配置したり、または、そ
の間を光導波路で結合したり、あるいはその状態で封止
することができる。

【００５２】本発明の光変調器は、製品の形成後に外
観、特性の向上、あるいは長寿命化のための後処理を行
ってもよい。こうした後処理としては熱アニーリング、
放射線照射、電子線照射、光照射、電波照射、磁力線照
射、超音波照射等が挙げられる。さらにその素子を各種
複合化、例えば、接着、融着、電着、蒸着、圧着、染
着、熔融成形、混練、プレス成形、塗工等その用途また
は目的に応じた手段を用いて複合化させることができ
る。

【００５３】本発明は、特に、物質の電気的状態を制御
するための電極の設置や、光強度密度を上昇させるため
の光共振器構造、または、光導波路構造をとるのに必要
な鏡や異なる屈折率媒体の付加は、光変調特性を向上さ
せるのに有効である。

【００５４】クラッド層に囲まれたコアとなるべき空間
に、光変調効果を示す媒体を充填することにより、より
少ない入射光強度で効果的に光増幅効果を引き出すこと
ができる。特に、波長１.３μｍから１.５μｍ帯の光通
信帯の信号光パルスに対する光パラメトリック増幅素子
としては、波長０.６５μｍから０.８μｍのＧａＡｌＡ
ｓ半導体レーザやチタンドープサファイア固体レーザ等
をポンプ光パルスに用いることができる。さらにまた、
これらレーザを光導波路や光ファイバを組み込んだ一体
型の素子とすることも可能である。

【００５５】また、本発明の光パラメトリック増幅素子
を組み込んだ各種素子、例えば、光波長変換素子、光変
調器、光スイッチ、光メモリ、光混合器、光位相分別
器、光位相共役鏡、画像表示素子、画像印刷素子等の光
機能素子に応用することができる。

【００５６】特に、ポンプ光パルスに他の外部信号情
報、例えば、可視域の画像情報等を重畳することによ
り、通信波長域の光パルス列に対して、信号を書き込み
伝送する素子として用いることが可能である。これらの
具体的応用例としては、通信用の光導波路、光ケーブ
ル、光集積回路、２次元論理素子等が挙げられる。

【００５７】本発明によれば、異方性の強い有機非線形
光学材料からなる光導波路型光変調器を、有機物層の最
も効果的な配列状態を形成することにより、光変調効果
を高めることができると共に、より簡便な手法により長
距離光導波路構造を形成することで、より少ない制御光
量により変調素子を駆動させることができる。このよう
な光変調器により、高速、かつ、高繰り返しの大容量光
通信の情報抽出が実現できる。

【００５８】次に、本発明に係る光変調器を実施例に基
づき説明する。

【００５９】〔実施例 １〕まず最初に、本発明の光変
調器の基本的構成、並びに、該光変調器の具体的作製手
順について説明する。

【００６０】図１は、板状延伸高分子媒体表面に光変調
特性を有する光導波路構造を形成した光変調器の基本的
構成の一例を示すものである。図１において（ａ）は上
面、（ｂ）は端面、（ｃ）は側面からの様子を示す模式
断面図である。

【００６１】ここで、延伸高分子媒体１は、非線形光学
効果を示す有機低分子化合物を混練後射出成形するか、
あるいは、高分子自身に非線形光学効果を示す官能基を
持たせたものを用いる。どのような高分子と非線形化合
物の組み合わせを選ぶかは、その素材の熱的、化学的特
性により決定される。

【００６２】一般に、分子骨格が異方的な低分子化合物
を分散させた高分子を延伸すると、延伸方向に低分子化
合物の分子長軸が揃う。ところが各低分子化合物の分子
長軸と、非線形光学効果の原因となる分子分極の方向と
は、一般には一致していないため、分子全体の方位を高
分子媒体の延伸で揃えても、その延伸方向と物質全体と
しての分極ベクトルの方向が一致しているとは限らな
い。

【００６３】物質全体で最も効率的に非線形光学効果を
得るためには、この全体の分極ベクトルの方向と、外部
から導入される光電場の方向とを平行にすることが望ま
しい。即ち、導入される光の伝搬方向は、この全体の分
極ベクトルに垂直であることが望ましい。

【００６４】そこで、光変調器を構成する際の光導波方
向６は、この光の伝搬方向に選択され、その方向は該高
分子媒体の高分子延伸方向５とは一般には一致しない。

【００６５】本発明の光変調器では、このような方向に
光導波路層２を設けてある。この光導波路層２は、同じ
延伸高分子媒体１に局所的に屈折率を高めるための屈折
率調整剤を含浸させることで形成される。

【００６６】この光導波路層２の大きさは、含浸させる
際の端面での光導波路層２の幅と厚さにより特徴づけら
れ、その大きさの下限は導波させる光の波長よりも大き
くなければならない。また、その上限は、導波させる光
の伝搬モードによっても異なるが、最も効果的に光変調
特性を得るためには、シングルモードで光が伝搬される
ことが望ましく、光導波路層２と延伸高分子媒体１との
比屈折率差（形成される光導波路層の形状と屈折率分布
により異なる）を、用いる光の波長の１０倍以下とする
ことが望ましい。

【００６７】また、延伸高分子媒体１および光導波路層
２の上部には、屈折率調整剤を含浸させる際に用いる光
重合樹脂層４と光導波路層２を保護する高分子被膜層３
が設けてある。これら光重合樹脂層４と高分子被膜層３
の屈折率は、光導波路層２の屈折率より低くなければな
らず、光の伝搬モードを整えるためには延伸高分子媒体
１の屈折率に近いことが望ましい。

【００６８】図２は、非線形光学効果を示す低分子化合
物を、高分子基質に分散させた延伸高分子媒体として用
いる場合の、該光変調器の作成手順の一例を示すもので
ある。

【００６９】光変調効果を示す高分子媒体の原料は、高
分子基質と用いる非線形光学化合物と、射出成形時の粘
度を調整するための粘度調整剤を混練させて得る。これ
らの混合比率は各成分の相溶性、必要とされる非線形化
合物の濃度、および、次の原料熔融時と射出成形時の粘
度を考慮して決められる。

【００７０】次に、これらの原料を熔融し各成分が均一
になるように十分撹拌する。この混合物を射出成形機に
より、板状または円柱状に射出成形し冷却固化する。こ
の際、射出された方向に高分子鎖が配列し、これに合わ
せて分散させた非線形光学効果を示す低分子化合物の分
子長軸方向が射出方向に揃う。この方向を高分子延伸方
向５とする。また、射出成形された方向に必要に応じて
加熱延伸等の処理を加え、延伸度を高めることもでき
る。

【００７１】次に、射出成形物を取り出し、必要な光変
調器の大きさや形状に加工し、必要に応じて表面を光学
的レベルの平坦度まで研磨する。あるいは、射出成形時
の鋳型自身を必要な光変調器の形状に合わせておくこと
で、より簡便に加工することも可能である。かくして、
延伸高分子媒体１を作成することができる。

【００７２】次に、延伸高分子媒体１の上面に光重合性
樹脂７を塗布する。多くの場合、光重合性樹脂７を溶媒
で希釈し、スピンコートによって被膜を形成し、溶媒を
蒸発させて数１０ｎｍ程度の薄膜層とする。

【００７３】次に、形成すべき光導波路の幅と形状に合
わせたフォトマスク８をこの上に載せ、紫外線等の光に
よって光重合性樹脂７を重合し、光重合樹脂層４を形成
する。あるいはフォトマスクを用いずに、十分に絞り込
んだレーザビームや電子線等により、直接光重合性樹脂
７をパターニングすることもできる。

【００７４】次に、フォトマスクを取り外し、未重合の
光重合性樹脂７を洗浄、除去する。このパターニングさ
れた光重合樹脂層４が付いた延伸高分子媒体１の上部
を、屈折率調整剤を含む溶液（但し、この溶液の溶媒は
光重合樹脂層４や延伸高分子媒体１を溶解しないもの）
に浸し、一定の温度と時間をかけて、屈折率調整剤を含
浸させ、光導波路層２を形成する。

【００７５】次いで上記溶液を除去し、延伸高分子媒体
１の上部に高分子被膜層３を塗布する。最後に、光導波
路の端面を切削，研磨して光の入出射口を設ける。

【００７６】以上のようにして延伸された高分子中に、
分散された非線形光学化合物を媒体とし、その中に屈折
率の高い領域を光導波路として設けた有機導波路型光変
調器の素子が作製される。

【００７７】〔実施例 ２〕次に、数ｃｍ〜数ｍにわた
る長さの光導波路層を有する本発明の光変調器の製法に
ついて説明する。

【００７８】図３は、長距離光導波路型光変調器の構成
を示す模式斜視図で、（ａ）に平面型を、また、（ｂ）
には円柱型の素子形状を示した。

【００７９】（ａ）平面型の場合は、１枚の延伸高分子
媒体１を準備し、その高分子延伸方向５に対して垂直
に、かつ、その端面近傍で光導波路が折り返された光導
波路層２を形成する。この場合、折り返し部分では効果
的な光変調特性が得られないが、数ｃｍ角の延伸高分子
媒体を用いた場合でも１回の光重合によるパターニング
により、比較的長い光導波路を形成することができる。

【００８０】なお、光導波路層２の折り返し部分の曲率
半径が小さい程、直線部分が多い光導波路層２を形成で
きるが、それに伴ない曲率半径が小さくなり光導波路と
しての曲げ損失が大きくなり、制御光と信号光の偏光方
向の差に由来する偏波分散を生じる。そのため、この部
分が少ない方が好ましいと云うトレードオフの関係にあ
る。

【００８１】一方、（ｂ）円柱型の場合は、射出成形さ
れた円柱型延伸高分子媒体（円柱中心軸が高分子延伸方
向５）を用い、その表面に光重合性樹脂を塗布する。そ
して円柱の側面にレーザビームによって螺旋状に光導波
路層２を形成する。

【００８２】この時、螺旋の旋回角は延伸高分子媒体１
の延伸方向に対し一定となり、上記（ａ）のような途中
で折り返す部分がない、一定の方位関係を有する長距離
光導波路を形成することができる。この構造では、円柱
の半径を光導波路の曲げ損失を生じない程度の曲率半径
以上とすることによって、偏波分散の生じない変調特性
が得られる。

【００８３】〔実施例 ３〕次に、具体的な素材を選定
して、低分子の有機非線形光学化合物を高分子基質に分
散させた本発明の光変調器の製法を示す。図４は、本実
施例で用いた各素材とその化学構造式を示す。

【００８４】高分子基質にはポリビニルアルコール（和
光純薬製、平均重合度１７００、完全鹸化）を用いた。

【００８５】非線形光学化合物には４種のシアニン色
素、ＮＫ−１０４６［１−エチル−２−〔１−エチル−
２(１Ｈ)−キノリニリデン)メチルキノリニウムブリマ
イド〕］、ＮＫ−３［１−エチル−２−〔３−（１−エ
チル−２(１Ｈ)−キノリニリデン)−１−プロペニル〕
キノリニウムアイオダイド］、ＮＫ−１４５６［１−エ
チル−２−〔５−(１−エチル−２(１Ｈ)−キノリニリ
デン)−１,３−ペンタジエニル〕キノリニウムアイオダ
イド］、および、ＮＫ−１２３［１−エチル−２−〔７
−(１−エチル−２(１Ｈ)−キノリニリデン)−１,５−
ヘプタトリエニル〕キノリニウムアイオダイド］（いず
れも日本感光色素製）を用いた。

【００８６】また、屈折率調整剤には沃化リチウム（和
光純薬製、バルク結晶屈折率：１.９５５）を用いた。

【００８７】次に、実施例１で説明した低分子の有機非
線形光学化合物を、高分子基質に分散させた光変調器の
作成手順に従い、これらの原料を用いて作成した光変調
器について説明する。

【００８８】純水に１２重量％のポリビニルアルコール
と、０.５重量％の非線形光学化合物を秤量し、混練す
る。これを９０℃で加熱，撹拌すると、これら原料の均
一な熔融物が得られた。

【００８９】これを柱状に射出成形後、５０℃の減圧乾
燥機内で含有水分量が３０重量％程度になるまで乾燥
し、さらに柱状成形物の両端に引張り張力を加えながら
８０℃で脱水を継続する。こうにして得られた柱状成形
物を、延伸軸が面内に含むように３ｃｍ×３ｃｍ×厚さ
５ｍｍの板状に切断加工し、その片面を基板上面として
油性スラリで鏡面研磨した。

【００９０】こうにして作成された延伸高分子媒体１を
クロスニコル下で偏光性を調べたところ、延伸方向と偏
光子の偏光方向が０度または９０度で最暗状態になり、
４５度で最明状態になったことから、延伸方向に光学的
主軸が形成されていることが分かった。

【００９１】次に、研磨面にα−シアノシナミリデン酢
酸−ポリビニルアルコールエステルからなる光重合性樹
脂を、スピンコータを用いて３０００ｒｐｍでスピンコ
ートし、溶媒を減圧乾燥した。この上に幅３０μｍ×長
さ３ｃｍの直線状パターンが形成されたフォトマスクの
直線状パターンが、上記延伸方向と垂直となるように配
置し、高圧紫外線ランプで１分間照射して光重合した。
次いで、未反応の光重合性樹脂を洗浄除去し、風乾し
た。

【００９２】次に、４０重量％の屈折率調整剤である沃
化リチウムおよび図４に示す有機非線形化合物の飽和メ
タノール溶液を調製し、この中に上記の板状延伸高分子
を浸漬し、４０℃に加温しながら８時間放置して、屈折
率調整剤を拡散させることで、光導波路層２を形成し
た。

【００９３】次いで上記光導波路層２を形成した板状延
伸高分子媒体１を取り出し、ヘキサンでリンスし、風乾
して上記の光重合性樹脂を再度スピンコートし、フォト
マスクを用いずに全面を光重合した。

【００９４】最後に、光導波路層２を形成した３ｃｍ×
３ｃｍの板状延伸高分子媒体１の端面を５ｍｍずつ切断
し、光導波路端面を形成した。

【００９５】上記の光変調器の光導波路に光が閉じ込め
られて、導波することを確認するために、光導波路の一
方の端面よりヘリウムネオンレーザ光を集光し、基板上
面から顕微鏡で光の経路を確認したところ、形成された
パターンに沿って光線が確認され、光が拡散することな
く、伝搬されていることが確認された。

【００９６】〔実施例 ４〕実施例３のシアニン色素を
非線形光学化合物とする有機光導波路を用い、光の変調
効果を確認した。ここでは、光導波路に導入された信号
光の偏光状態が、別の制御光の共存により変化する光カ
ー効果による変調特性を評価した。図５は、光変調特性
を確認するための測定系の説明図である。

【００９７】制御光にはチタンサファイアレーザ９（Ｃ
ohernt社製、ＭＩＲＡ９００Ｆ、波長７９０ｎｍ、繰り
返し周波数７６ＭＨｚ、パルス時間幅９０ｆｓｅｃ、平
均出力５００ｍＷ）を用い、これを種光として再生増幅
器１０（ＢＭｉ社製、Ａlpha−１０００Ｓ、波長７９０
ｎｍ、繰り返し周波数１ｋＨｚ、パルス時間幅１２０ｆ
ｓｅｃ、平均パルスエネルギー８００μＪ）で、光強度
を増幅させた光パルスを制御光とした。

【００９８】信号光には半導体レーザ１１（住友電工
製、ＳＬ−１３Ａ２、波長１.３μｍ、連続発振、平均
出力６ｍＷ）を用いた。制御光は偏光子１３を通過し、
全反射ミラー１７で反射し、可変フィルタ２９を通過し
た一部の光を部分反射ミラー２１で取り分け、大部分の
光は選択反射ミラー１９で反射される。取り分けられた
一部の制御光は光検出器２６に導かれ、制御光の強度が
コンピュータ２８でモニタされる。

【００９９】また、信号光は偏光子１２を通過し、全反
射ミラー１５、１６で反射し、選択反射ミラー１９を通
過して、ここで選択的に反射された前記制御光と同一光
路に重ねられる。これら制御光と信号光はレンズ２２で
集光されて、一端より試料光導波路２４に導かれ、これ
を通過して他端より取り出され、レンズ２３で平行光に
戻される。この際、制御光の偏光面が試料光導波路２４
の高分子の延伸方向に平行となるように偏光子１３で調
整され、信号光の偏光面が制御光の偏光面に対して＋４
５度となるように偏光子１２で調整されている。

【０１００】このような配置で信号光と制御光を非線形
光学化合物を分散させた光導波路に通過させると、制御
光が存在する時はその光カー効果により信号光の偏光面
を回転させる。その効果は制御光の光量が大きい程、ま
た、より長い導波路を通過するほど大きくなる。

【０１０１】光導波路を出た信号光と制御光は、選択反
射ミラー２０で制御光のみが反射され、信号光は通過す
る。反射された制御光はダンパ２５により吸収される。

【０１０２】通過した信号光は全反射ミラー１８で反射
され、検光子１４を通過して光検出器２７に導かれる。
検光子１４は、制御光量がゼロの時に最低となるように
偏光面を調整し、変調を受けた信号光のみを検知するよ
うに配置されている。光検出器２７で検知された変調信
号光量はコンピュータ２８でモニタされる。

【０１０３】図６に、代表的な制御光量と変調信号光量
の関係を示した。一定の長さの非線形光導波路の場合、
制御光量が増えるに従って、偏光面を回転させられた信
号光の量は増大し、特性制御光量（Ｐ_th）で最初の極大
を示す。ここでは最初の信号光の偏光面に対して丁度９
０度偏光面が回転させらた状態になっている。

【０１０４】さらに制御光量を増やすとさらに偏光面が
回転され、１８０度回転させられると最初と同じ偏光状
態となり、変調信号光量は極小を示す。さらに制御光量
を増やすといっそう偏光面が回転され、同様に変調信号
光量の増大、減少を繰り返す。

【０１０５】今回の実験では、この特性制御光量
（Ｐ_th）を測定し、その大きさを４種のシアニン色素を
それぞれ用いた光変調器で比較した時の、相対的特性制
御光量で比較した結果を表１に示した。

【０１０６】

【表１】

【０１０７】ここで色素による制御光の吸収の補正は行
っている。その結果、いずれの色素の場合も変調効果が
確認され、相対的特性制御光量はＮＫ−１０４６、ＮＫ
−３、ＮＫ−１４５６、ＮＫ−１２３の順に小さくなっ
た。これら色素の吸収極大波長が、制御光の波長（７９
０ｎｍ）に近い程、より少ない制御光量で変調可能なこ
とを示している。

【０１０８】以上のように、シアニン色素系の有機導波
路型光変調器で光変調効果が確認された。

【０１０９】

【発明の効果】本発明の高速、かつ、非線形光学効果の
高い有機非線形光学材料を高配向に配列することによ
り、より光活性が高く、極めてコンパクトな有機導波路
型光変調器を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の光変調器の基本構成を示す模式図であ
る。

【図２】実施例１の本発明の光変調器の作製工程を示す
模式断面図である。

【図３】実施例２の本発明の長距離光導波路構造の光変
調器の素子構造の模式斜視図である。

【図４】実施例３の本発明の光変調器の作成に用いた原
料物質の一覧図である。

【図５】実施例３の原料物質を用いた光変調器の光変調
特性評価のための光学測定系の説明図である。

【図６】実施例４の光変調器の光変調特性の制御光量と
変調信号光量との関係を示すグラフである。

【符号の説明】

１…延伸高分子媒体、２…光導波路層、３…高分子被膜
層、４…光重合樹脂層、５…高分子延伸方向、６…光導
波方向、７…光重合性樹脂、８…フォトマスク、９…チ
タンサファイアレーザ、１０…再生増幅器、１１…半導
体レーザ、１２，１３…偏光子、１５，１６，１７，１
８…全反射ミラー、１９，２０…選択反射ミラー、２１
…部分反射ミラー、２２，２３…レンズ、２４…試料光
導波路、２５…ダンパ、２６，２７…光検出器、２８…
コンピュータ、２９…可変フィルタ。

フロントページの続き (56)参考文献 特開 平６−110096（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−100262（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−238304（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−250403（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−126235（ＪＰ，Ａ) 特表 昭63−503172（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G02F 1/35 - 1/383 G02B 6/12 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ) ＷＰＩ（ＤＩＡＬＯＧ)

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光の入射，出射が可能で、非線形光学効
   果により、外部から制御された光、または、外部から電
   場を印加して制御した光により、信号光の波長における
   物質の光学特性（透過率、反射率、屈折率）の変調が可
   能な光変調器において、前記 光変調器が１軸方向に配向された有機高分子層を含
   み、該有機高分子層表面の一部に外部から制御された
   光、または、外部から電場を印加して制御した光が存在
   しない状態における該有機高分子の屈折率を変化し得る
   屈折率調整剤を含有し、該屈折率調整剤含有部をコア
   層、非含有部をクラッド層とする光導波路は、前記コア
   層の光導波路部分での分極ベクトルの方向と外部から導
   入される光電場の方向とが略平行となるよう形成されて
   おり、前記 光導波路のコア径が導波させる光の波長の１〜１０
   倍であり、該光導波路は円柱構造の表面に螺旋状に形成
   されており、かつ、その一部または全領域を、外部から
   制御された光、または、外部から電場を印加して制御し
   た光により制御することを特徴とする有機導波路型光変
   調器。
2. 【請求項２】 前記光導波路の一部に前記有機高分子層
   および前記屈折率調整剤とは異なる有機非線形光学材料
   を含む請求項１に記載の有機導波路型光変調器。
3. 【請求項３】 前記屈折率調整剤が沃化リチウムである
   請求項１または２に記載の有機導波路型光変調器。
4. 【請求項４】 前記有機高分子層が水溶性の有機高分子
   である請求項１，２または３のいずれかに記載の有機導
   波路型光変調器。
5. 【請求項５】 前記有機高分子層がシアニン色素を含む
   請求項１〜４のいずれかに記載の有機導波路型光変調
   器。