JP4013892B2 - 回折素子および光減衰器 - Google Patents

Description

本発明は、回折素子および光減衰器に関し、特に、回折格子の一部に液晶を用い、液晶に電圧を印加することにより液晶の実質的な屈折率を制御し、入射光を回折させて０次回折光（透過光）の光量を制御する回折素子および光減衰器に関する。

従来、カイラル材が含有され等方的屈折率を有するコレステリック液晶のブルー相（以下、ブルー相液晶という。）を利用し、印加電圧の大きさに応じて屈折率が等方的に変化する回折素子が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。係る回折素子等の液晶素子１００の構成例および光学系の概念的な断面図を図１０に示す。従来の液晶素子１００では、透明電極膜３、４がパターニングによって形成された２枚のガラス基板５、６と、その間のシール７とで、ブルー相液晶２を狭持している。

対向する透明電極膜３、４間には、電源８から出力された電圧が印加される。光源１４から出射され、液晶素子１００を直進透過して投射スクリーン１５に到達する０次回折光の光量は、印加電圧の大きさに応じて変化する。係る構成の液晶素子１００は、高速スイッチングが可能とされ、液晶素子１００を用いて位相グリッド（すなわち位相回折格子）などが得られるとされている。

ここで、屈折率が等方的なブルー相は、１〜５℃の温度範囲内でしか発現しないため、透明の発熱体である発熱透明板１６をガラス基板５に形成して温度制御を行い、ブルー相を維持するようになっている。しかし、ブルー相は、上記のように極めて狭い温度範囲内でしか発現しないため、正確で困難な温度制御が必要となっている。そこで、係る温度制御の問題を解決するべく、液晶にモノマーを混合してブルー相液晶の発現温度域で紫外線を照射することによりモノマーを高分子化し、ブルー相液晶が発現する温度範囲を１〜５℃から６０℃以上に拡大することを可能とする技術が開発された。以下、上記で温度範囲が拡大されたブルー相液晶を高分子安定化ブルー相液晶という。高分子安定化ブルー相液晶を用いることによって、１ｍｓｅｃ以下の高速応答が確認されている（例えば、非特許文献１）。しかし、光学的等方性を利用した入射偏光の状態に依存しないスイッチング素子の構成例は、これまで開示されていない。
米国特許４，７６７，１９４号公報 ネイチャー、物質、第１巻、２００２年９月、６４頁（Ｎａｔｕｒｅ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｖｏｌ．１，２００２，Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ、Ｐ．６４）

しかし、このような従来の回折素子および光減衰器では、パターニングして形成された電極を有する２枚の基板を必要とすると共に電極構造が複雑であり、対向する電極の位置がずれてしまうと印加電圧に応じた所望の屈折率等の性能を有する位相回折格子が得られないため、高い位置合わせ精度が必要であった。特に、入射光を効率よく大きな角度で回折させる回折格子を得るためには、隣接する電極間隔を１０μｍ以内の精度でパターニング及び位置合わせする必要があり、実用的な光学素子を得ることは困難であった。

また、対向する電極対により生成される電界が電極の無い液晶域にも生成され、それに応じて液晶の屈折率が変化するため、所望の特性を有する位相回折格子を得ることができず、回折効率が劣化する問題があった。

これらの問題は、ブルー相液晶が発現する温度範囲を拡張した高分子安定化ブルー相液晶を用いる場合も同様である。

本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、ブルー相液晶または高分子安定化ブルー相液晶を用いて、入射偏光に依存せず、従来と同等またはそれ以上の高速光スイッチングと消光比を安定して実現できる回折素子および光減衰器を提供するものである。

以上の点を考慮して、請求項１に係る発明は、光を透過させる基板と、前記基板上に等方的な屈折率の等方性屈折率固体材料を用いて形成され、断面構造が周期的凸凹を有する格子と、前記周期的凸凹を有する格子の少なくとも凹部に充填され、屈折率が等方的に変化し、コレステリックブルー相を発現するコレステリックブルー相液晶と、前記コレステリックブルー相液晶に電圧を印加するための電極とを備え、前記格子とコレステリックブルー相液晶とによって回折格子が構成され、前記回折格子を構成する前記コレステリックブルー相液晶の屈折率が前記電極を介して印加される電圧によって変化されるようにした回折素子であって、前記コレステリックブルー相液晶は、所定の高分子材料を含有することによって前記コレステリックブルー相の発現温度範囲が拡大された高分子安定化コレステリックブルー相液晶であり、前記電極は、前記基板と前記格子との間に設けられ、１つおきに隣り合う前記格子に沿った線状の各電極が接続される２つの電極の組からなり、前記２つの電極の組を介して隣り合う前記電極間に電圧が印加されるようにした構成を有している。

この構成により、コレステリックブルー相液晶を格子の凹部に充填し、印加する電圧の大きさによってコレステリックブルー相液晶の屈折率を制御するようにしたため、入射偏光に依存せず、従来と同等またはそれ以上の高速光スイッチングと消光比を安定して得ることができる回折素子を実現できる。

また、この構成により、コレステリックブルー相液晶として高分子安定化コレステリックブルー相液晶を用いるため、広い温度範囲で入射偏光に依存しない安定した高い消光比が得られるとともに高速光スイッチングできる回折素子を実現できる。

また、この構成により、等方性屈折率固体材料からなる回折格子を形成する基板面側のみに電極をパターニングして形成すればよいため、対向する基板面に電極は不要で位置合わせをする必要もないため、素子作製の工程を従来よりも簡素化できる回折素子を実現できる。

また、請求項２に係る発明は、請求項１に記載の回折素子と、前記回折素子の電極を介して電圧が印加されたことにより生じた入射光の高次回折光を、前記回折素子を直進透過する入射光の０次回折光から分離し、前記０次回折光を抽出する分別手段とを備え、前記電極を介して印加された電圧の大きさに応じて前記０次回折光の光量を調整するようにした構成を有している。

この構成により、ブルー相液晶または高分子安定化ブルー相液晶を用いる本発明の回折素子と、分別手段とを設けたため、入射偏光に依存せず、従来と同等またはそれ以上の高速光スイッチングと消光比を安定して得ることができる光減衰器を実現できる。

本発明は、ブルー相液晶または高分子安定化ブルー相液晶を用いることによって、入射偏光の状態に依存せず、従来と同等またはそれ以上の高速光スイッチングと消光比を安定して得ることができる効果を有する回折素子および光減衰器を提供できる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。

（第１の実施の形態）（参考例）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る回折素子の断面構造を概念的に示す図である。図１に示す回折素子１０は、透光性基板５、６の片面に透明電極膜３、４がそれぞれ成膜され、透明電極膜３、４間に、略直方体の等方性屈折率固体材料が平行に周期的に配列されて格子２Ａを成し、格子２Ａを形成する各等方性屈折率固体材料間の領域が等方性屈折率液晶２Ｂによって占められた回折格子１が形成され、透明電極膜３、４とシール７によって等方性屈折率液晶２Ｂを密封するように構成される。

ここで、等方性屈折率固体材料とは、入射光の偏光方向に関わらず屈折率ｎ_ｓが一定であり複屈折性の無い透明材料をいい、等方性屈折率固体材料として、ＳｉＯ_２やＳｉＮなどの無機材料を用いるのでもよいし、ポリイミドや紫外線硬化樹脂などの有機物材料を用いるのでもよい。また、回折格子１を構成する格子２Ａと等方性屈折率液晶２Ｂの周期的な配列パターン（以下、回折格子パターンという。）は、１μｍから１００μｍ程度の所望の膜厚ｄに成膜した等方性屈折率固体材料を、フォトリソグラフィやドライエッチングなどの微細加工技術を用いて加工して得られる。感光性ポリイミドなどの感光性材料を格子２Ａ（等方性屈折率固体材料）として用いると、回折格子パターンに対応したマスクを用いて露光および現像を行うだけで格子形状に加工できるため、回折格子パターンの作製工程が簡略化でき、好適である。

次に、等方性屈折率液晶２Ｂの密封は、従来の液晶素子と同様に、透明電極膜４が成膜された透光性基板６の片面にシール７を印刷塗布し、透光性基板５にシール材を圧着固化することによりセル化する。そして、シールの一部に設けられた注入口（図示せず）から印加電圧Ｖの大きさに応じて屈折率ｎ（Ｖ）が等方的に変化する等方性屈折率液晶２Ｂを注入して格子２Ａの等方性屈折率固体材料間の領域に等方性屈折率液晶２Ｂが充填され、注入口を封止して回折素子１０が完成する。ここで、格子２Ａの等方性屈折率固体材料の透光性基板５に垂直な方向の厚さｄが等方性屈折率液晶２Ｂの層厚を規定するため、従来の液晶素子で用いられるギャップ制御材は用いなくともよい。

等方性屈折率液晶２Ｂとして用いる液晶は、印加電圧Ｖの大きさに応じて入射光に対する屈折率が等方的に変化する材料であれば何れでもよい。等方性屈折率液晶２Ｂとしてブルー相液晶を用いた場合、１ｍｓｅｃ以下の高速応答性が実現するため好ましい。また、等方性屈折率液晶２Ｂとして高分子安定化ブルー相液晶を用いた場合、ブルー相が発現する温度範囲が拡大されため、等方性屈折率液晶２Ｂをブルー相に保つための温度制御が容易になり、さらに好ましい。高分子安定化ブルー相液晶に用いられる材料および作製方法については、非特許文献１等に開示されており、その説明を省略する。以下では、特に断る場合を除いて、凸凹状の周期性を有する格子２Ａの凹部には、屈折率が等方的に変化し、コレステリックブルー相を発現する高分子安定化コレステリックブルー相液晶を含むブルー相液晶が充填されるものとする。

電源８から出力された電圧Ｖは、透明電極膜３、４を介して等方性屈折率液晶２Ｂに印可され、等方性屈折率液晶２Ｂの配向性を制御することによって屈折率を制御するために用いられる。

以下、本発明の第１の実施の形態に係る回折素子１０の電圧応答の例について説明する。図２は、本発明の第１の実施の形態に係る回折素子１０の電圧応答の一例を説明するための説明図である。図２（ａ）は印加電圧Ｖ＝０の場合を、図２（ｂ）は±１次回折光が最大（すなわち０次回折光（透過光）が最小）となる電圧Ｖｍが印加された場合の電圧応答の例について説明するための説明図である。以下では、０次回折光以外の回折光を高次回折光ともいう。

図１に示すように略直方体の格子２Ａと等方性屈折率液晶２Ｂとが交互に周期的に配列された構造を有する回折格子１において、格子２Ａの幅と等方性屈折率液晶２Ｂの幅との比が１：１をなすときに、波長λの入射光が回折素子１０を直進透過する割合を示す０次回折効率η_０は、η_０＝ｃｏｓ^２（π×△ｎ×ｄ／λ）で近似的に記述される。ここで、△ｎは回折格子１を構成する等方性屈折率液晶２Ｂの屈折率ｎ（Ｖ）と格子２Ａの屈折率ｎ_ｓとの差、すなわち△ｎ＝ｎ（Ｖ）−ｎ_ｓである。

したがって、電圧を印加しない時にｎ（０）＝ｎ_ｓとなるように格子２Ａの等方性屈折率固体材料および等方性屈折率液晶２Ｂを選定することにより、図２（ａ）に示すように、０次回折効率η_０は１００％となり、入射光は直進透過し、高次回折光発生に伴う光量の損失をほぼなくすることができる。一方、印加電圧Ｖを増大することにより、ｎ（Ｖ）とｎ_ｓの差（Δｎ）が増加するため、０次回折効率η_０が低下し、△ｎ×ｄ＝λ／２となる印加電圧Ｖｍにおいて、図２（ｂ）に示すように、０次回折効率η_０は略ゼロにでき、±１次回折光を最大とできる。

回折素子を直進透過する０次回折光と直進透過しない回折光（高次回折光）とを分離し、直進透過光のみを抽出する分別手段としては、例えばレンズや集光鏡などの集光素子がある。光源から放射された光をレンズや集光鏡などの集光素子を用いて光検出器の受光部に集光する光学系において、本発明の回折素子を光源と集光素子による集光点との間の光路中に配置することにより、回折素子内の電極間に印加する電圧値に応じて集光点に集光される光量を調整できる光減衰器となる。集光点位置に、例えば光検出器の受光面を配置し、光信号光量を検出する。

すなわち、回折素子内の電極間印加電圧の大きさに応じて生成された高次回折光（例えば、±１次回折光。）は、集光素子により光検出器の受光面に集光されないが、回折格子により回折されない０次回折光は光検出器の受光面に集光される。その結果、電極間印加電圧の大きさに応じて０次回折光量が変化するため、光検出器の信号光量が可変な光減衰器となる。

ここで、高い消光比を得るためには、直進透過光（０次回折光）と高次回折光を分離することが必要で、指向性の鋭い光束を発する光源と回折素子を直進透過した光を光検出器の微少な受光面に集光する集光素子を用いる構成が好ましい。なお、光源と回折素子の間、または光検出器と回折素子との間に光ファイバや光導波路などの光伝送路が介在してもよい。

上記の分別手段として凸レンズ１１の集光素子と開口絞り１２を用いた構成例の断面図を図３に示す。回折素子１０の直進透過光（０次回折光）は、凸レンズの集光点位置に置かれた開口絞り１２の開口部を通過し、高次回折光は、開口絞り１２の開口部周辺に集光されて開口部を通過できないため、強度変調された出射光が得られる。

すなわち、印加電圧を０からＶｍに、またはＶｍから０に切り換えることにより、高い消光比を有する高速応答の光スイッチが実現できる。また、０からＶｍの間の電圧を印加することにより、０次回折効率η_０が１００％から０％まで変化する光減衰器を実現できる。

次に、等方性屈折率固体材料の断面形状が鋸波状の回折格子２１を用いた回折素子２０の断面図を図４に示す。ここで、回折格子２１の格子２２Ａを構成する等方性屈折率固体材料の鋸歯のもっとも厚い部分の膜厚をｄ、格子ピッチをＰとする。回折素子２０は、回折格子の断面形状が回折素子１０と異なる以外、回折素子１０と同じ構成である。したがって、図１のものと同じ要素は、同じ符号が付してある。

このとき、波長λの入射光が回折素子２０を直進透過する割合を示す０次回折効率η_０は、η_０＝｛ｓｉｎ（π×△ｎ×ｄ／λ）／（π×△ｎ×ｄ／λ）｝^２で近似的に記述される。また、回折角度θがｓｉｎθ＝λ／Ｐで規定される１次回折光の回折効率η_１は、η_１＝｛ｓｉｎ（π×△ｎ×ｄ／λ）／（π−π×△ｎ×ｄ／λ）｝^２で近似的に記述される。したがって、△ｎ＝０のときη_０＝１００％となり、△ｎ×ｄ＝λのときη_１＝１００％となる。すなわち、ｎ（Ｖ１）＝ｎ_ｓとなる電圧Ｖ１と、ｎ（Ｖ２）＝ｎ_ｓ＋λ／ｄなる電圧Ｖ２とを切り換えることにより、回折素子２０の出射光の進行方向を入射光の方向と角度θ傾斜した方向にスイッチングできる。

例えば、図５に断面を示すように、回折素子２０の光出射側に凸レンズ１１を配置して回折素子２０の透過光を集光するとともに、０次回折光の集光点位置と１次回折光の集光点位置に光ファイバの光伝送部１３Ａ、１３Ｂを配置し、透明電極膜３、４間の印加電圧をＶ１とＶ２の間で切り替えることによって、光伝送路を切り替えることができる。

回折素子１０および回折素子２０は入射光を透過する回折素子の構成例であるが、回折素子を構成する透光性基板の片面に光反射膜を形成することにより、反射型回折素子とできる。

図６に、透光性基板５と透明電極膜３との間に光反射膜９を設けた構成、すなわち、透光性基板５の片面に光反射膜９を形成し、さらにその上に透明電極膜３を成膜した構成の回折素子３０の断面図を示す。回折素子３０は、透光性基板５と透明電極膜３との間に光反射膜９が形成されている以外、回折素子１０と同じ構成になっているが、入射光を反射して回折させる反射型の回折素子となっている。すなわち、図１と同じ要素は、同じ符号を付してある。

光反射膜９は、アルミや金などの金属膜でもよいし、高屈折率誘電体と低屈折率誘電体を交互に各膜の光学膜厚が入射光の１／４波長程度となるように積層した光学多層膜からなる光反射膜でもよい。光反射膜９として金属反射膜を用いる場合、等方性屈折率液晶２Ｂに電圧を印加するための電極膜としても機能するため、透明電極膜３を省略することができる。光学多層反射膜を用いる場合、透光性基板５上に形成された透明電極膜３の上に、光学多層反射膜を光反射膜９として形成してもよい。

このような反射型の回折素子３０とした場合、入射光は回折格子１を往復するため、図１および図４に示すような透過型の回折素子に比べて±１次回折光が最大となり、０次回折効率η_０が略ゼロとなるために必要な屈折率差△ｎは半分ですむため、印加電圧Ｖｍの低減につながる。あるいは、回折格子１の格子２Ａの膜厚ｄを半分にしても透過型の回折素子と同等の０次回折効率η_０の電圧依存性となるため、回折格子の作製時間を短縮できる。

図７は、回折素子３０を用いた光減衰器の構成例を示す断面図である。図７において、光ファイバの光伝送部１３から出射された光は、凸レンズ１１により平行光となって回折素子３０に垂直に入射するように配置されている。回折素子３０により回折されないで出射する反射光は、再び凸レンズ１１を透過して元の光ファイバの光伝送部１３に集光され光ファイバ内に伝搬する。一方、回折素子３０により回折されて出射する反射光は、再び凸レンズ１１を透過して元の光ファイバの光伝送部１３に集光されないため、光ファイバ内を伝搬しない。したがって、印加電圧の大きさに応じて光ファイバに帰還する光量を調整できる光減衰器が実現できる。

なお、本実施例の回折格子において、電圧印加時の偏光依存性をより有効になくするために、ブルー層液晶として正の誘電率異方性を有する液晶分子を用いることが好ましい。

以上説明したように、本発明の第１の実施の形態に係る回折素子は、ブルー相液晶を格子の凹部に充填し、印加する電圧によってブルー相液晶の屈折率を制御するようにしたため、入射偏光に依存せず、従来と同等またはそれ以上の高速光スイッチングと消光比を安定して得ることができる。

また、ブルー相液晶として高分子安定化ブルー相液晶を用いることにより、広い温度範囲で入射偏光に依存しない安定した高い消光比が得られるとともに高速光スイッチングできる。

また、等方性屈折率液晶の対向する面に電極を設けるようにしたため、電極を格子形状に応じてパターニングすることやパターンの位置合わせを必要としない。

また、本発明の第１の実施の形態に係る光減衰器は、高分子安定化ブルー層液晶を含むブルー相液晶を用いる本発明の回折素子と、分別手段とを設けたため、入射偏光に依存せず、従来と同等またはそれ以上の高速光スイッチングと消光比を安定して得ることができる光減衰器を実現できる。

（第２の実施の形態）
図８は、本発明の第２の実施の形態に係る回折素子の断面図であり、図９は、この回折素子の平面図である。本発明の第２の実施の形態に係る回折素子４０は、本発明の第１の実施の形態に係る回折素子１０から透明電極膜４を除き、透明電極膜３の代わりにパターニングされた透明電極膜３Ａ、３Ｂが設けられた構成となっている。ここで、透明電極膜３Ａ、３Ｂは、透光性基板５と格子２Ａとの間に挟まれるように形成されている。その他の構成部分については、本発明の第１の実施の形態に係る回折素子１０と同様であり、その説明を省略する。したがって、図１の要素と同じものは、同じ符号を付してある。

回折格子１に形成された線状の各透明電極３Ａ、３Ｂは、図８に示すように、１つおきに接続された２つの電極の組に分けられる。具体的には、１つおきに形成された、例えば透明電極膜３Ａからなる組と、透明電極膜３Ｂからなる組に分けられ、これらの組をなす電極の間に電圧が印加され、隣り合う電極間に電圧が印加されるようになっている。このように、隣り合う電極間に電圧を印加すると、回折格子１の等方性屈折率液晶２ＢにＹ軸方向の電界が発生するため、電圧Ｖの大きさに応じて液晶２の屈折率が等方的に変化する。その結果、本発明の第１の実施の形態に係る回折素子において説明した電圧応答性と同等の応答性が得られる。なお、本実施例の回折格子において、電圧印加時の偏光依存性をより有効になくするために、ブルー層液晶として負の誘電率異方性を有する液晶分子を用いることが好ましい。

図８に示す回折素子４０は、透明電極膜３Ａ、３Ｂが格子２Ａと透光性基板５とが接する部分（以下、格子２Ａの底面という。）にのみ形成された例であるが、格子２Ａの等方性屈折率液晶２Ｂに接する側面にも透明電極膜が形成されていて、格子２Ａの底面に形成された透明電極膜と導通する構成であってもよい。このような電極構造とすることにより、格子２Ａの層厚ｄが厚い場合でも、等方性屈折率液晶２Ｂの厚さ方向に均一なＹ方向の電界を発生することができ、格子ピッチＰを短くして発生する電界強度を増大することができるため、比較的低電圧で大きな光路長差△ｎ×ｄ（格子２Ａの光路長と等方性屈折率液晶２Ｂの光路長との差）が得られ、直進透過する０次回折光の大きな変化が達成できる。

また、上記の光学多層膜を光反射膜として成膜した透光性基板５上に、透明電極膜３Ａおよび３Ｂを形成することにより、図６に示す回折素子３０と同様に反射型回折素子としての電圧応答が得られる。

本発明の第２の実施の形態に係る回折素子の構成とすることによって、電極および回折格子の加工形成は透光性基板５上のみで済むため、部材数の低減および作製工程が簡略化できる。また、本発明の第１および第２の実施の形態に係る回折素子において、回折格子パターンを空間的に分割したり、直線以外に空間的に曲がった形状や格子ピッチを分布させるいわゆるホログラム格子パターンとしたりすることにより、複数の回折光を発生させたり回折光の波面を変換できるため、回折光を信号光検出等に利用する場合に有効となる。

本発明の回折素子および光減衰器のさらなる特徴については、以下に示す実施例により具体的に説明する。

本例の回折素子１０の断面図を図１に示す。ガラスでできた透光性基板５、６の片面にＩＴＯからなる透明電極膜３、４を成膜する。さらに、透光性基板（ガラス）５の透明電極膜（ＩＴＯ）３が形成された面にポリイミドをスピンコートして塗布する。その後、スピンコート後のポリイミドを焼成固化し、波長６３３ｎｍにおける屈折率ｎ_ｓが１．５４で、膜厚ｄが７μｍの等方性屈折率層を形成する。等方性屈折率層として形成したポリイミド膜をフォトリソグラフィとドライエッチングにより、格子２Ａを形成する。格子２Ａは、略直方体の等方性屈折率固体材料が平行かつ周期的凸凹状に配列されたように形成され、透光性基板（ガラス）５に垂直な方向（図１に示すＺ方向）に厚さが７μｍで、略直方体の配列の周期が最も短い方向（図１に示すＹ方向）の等方性屈折率固体材料の幅と等方性屈折率液晶２Ｂの幅の比が１：１、略直方体の配列の周期である格子ピッチＰが２０μｍとなるように形成する。

次に、シール材を用いて透光性基板（ガラス）６の透明電極膜（ＩＴＯ）４が形成された面にシール７を印刷塗布し、透光性基板（ガラス）５に圧着固化してセル化する。セル化によってシール７ができたら、シール７の一部に設けられた注入口（図示せず）から、カイラル材と液晶モノマーと重合開始材を正の誘電率異方性を有するネマティック液晶に混合して得られる液晶を、周期性を有する格子２Ａの凹部に注入して充填し、等方性屈折率液晶２Ｂを形成する。

非特許文献１に記載された材料および製法と同様に、液晶相がブルー相となるように温度調整した状態で、液晶が注入されたセルに紫外線を照射してモノマーを高分子化させ、ブルー相の発現する温度範囲が室温から５０℃となる高分子安定化ブルー相液晶を形成し、等方性屈折率液晶２Ｂとする。さらに、シール７の一部に設けられた注入口を接着剤で封止して回折素子１０となる。

透明電極間隔１０μｍのセル内に形成された高分子安定化ブルー相液晶のみからなる実験用素子を用いて性能を測定した結果、高分子安定化ブルー相液晶の屈折率ｎ（Ｖ）は、１ｋＨｚの矩形波形の電圧印加に伴い、ｎ（０）＝１．５４からｎ（１５０Ｖ）＝１．４９まで変化し、屈折率が約０．０５、等方的に変化し、実験用素子の応答速度は約１ｍｓｅｃであった。一般に、液晶の屈折率は印加電界の大きさに応じて変化するため、電極間隔が狭いほど同じ屈折率変化が低電圧で得られる。また、応答速度は、電極間隔の２乗に略比例し、電極間隔が狭いほど高速となる。

すなわち、本実施例の回折素子１０を構成する電極の間隔が、格子２Ａを構成する等方性屈折率固体材料の厚さ（等方性屈折率液晶２Ｂの厚さに等しい）ｄ（＝７μｍ）であることから、実験用素子の屈折率を実現するための印加電圧は、上記実験用素子の７／１０程度となり、電極間の間隔が狭くなった分だけ、応答速度も速くなり１ｍｓｅｃ以下となる。

格子２Ａの凹部に充填された等方性屈折率液晶２Ｂの屈折率ｎ（Ｖ）と格子２Ａの屈折率ｎ_ｓの差△ｎは、電圧非印加時にはｎ（０）＝ｎ_ｓのため△ｎ＝０であるが、１０５Ｖ印加時には△ｎ＝０．０５となり、格子２Ａの光路長と等方性屈折率液晶２Ｂの光路長との光路長差△ｎ×ｄ＝０．３５μｍが発生する。その結果、波長λ＝６３３ｎｍのレーザ光を回折素子１０に入射させると、Ｖ＝０では、図２（ａ）に示すように直進透過する０次回折光のみが得られ、電圧Ｖの増加とともに高次回折光が発生して直進透過光が減少する。遂には、△ｎ×ｄがλ／２となるＶｍ（１００Ｖ以下）で図２（ｂ）に示すように直進透過光がほぼゼロとなる。

したがって、図３に示すように、凸レンズ１１の集光点位置に開口絞りの開口部１２を配置し、直進透過する０次回折光以外の高次回折光を遮断することにより、印加電圧の大きさに応じて強度変調された出射光が得られる。格子２Ａおよび等方性屈折率液晶２Ｂは、何れも入射光の偏光に依存しない等方性屈折率を有するため、入射光の偏光に依存しない電圧応答性を示す回折素子が得られると共に、出射光の偏光方向も変化しないため、広範な用途に適用した回折素子が実現できる。

図８に断面図を示す回折素子４０において、パターニングされた透明電極膜３Ａ、３Ｂ上に、それぞれの光学膜厚（屈折率×膜厚）が波長λ＝６３３ｎｍに対してλ／４となるようにＳｉＯ_２膜（低屈折率誘電体として）とＴａ_２Ｏ_５膜（高屈折率誘電体として）を交互に１６層積層して不図示の光反射膜（以下、誘電体多層反射膜という。）を形成し、反射型の回折素子とする。格子２Ａおよび等方性屈折率液晶２Ｂが形成された層を入射光は往復するため、格子２Ａの膜厚ｄは実施例１の半分である３．５μｍとしている。また、低電圧で等方性屈折率液晶２Ｂに実効的に高い電界を印加するため、格子ピッチＰを１０μｍとし、隣り合う透明電極膜３Ａと３Ｂの間隔が５μｍとなるように加工する。また、等方性屈折率液晶２Ｂとして、カイラル材とモノマーと重合開始材を負の誘電率異方性を有するネマティック液晶に混合して用いる。上記の構成部以外の構成部は、本発明の第２の実施の形態で説明した回折素子４０および実施例１の回折素子１０で説明したものと同様である。

このようにして形成した本実施例２の回折素子は、電極間隔ｄが実施例１の実験用素子の半分に相当する５μｍであるため、印加電圧をほぼ半分にすることができ、応答速度も１ｍｓｅｃ以下となる。

具体的には、電圧非印加時にはｎ（０）＝ｎ_ｓのため屈折率差△ｎ＝０であるが、７５Ｖ印加時には△ｎ＝０．０５となり、反射型のため２×△ｎ×ｄ＝０．３５μｍの光路長差が発生する。その結果、波長λ＝６３３ｎｍのレーザ光を回折素子に入射させると、Ｖ＝０では誘電体多層反射膜で通常の反射の法則に従って反射する０次回折光（以下、正規反射光といい、この反射を正規反射という。）のみであるが、電圧Ｖの増加とともに高次回折光が発生して正規反射光が減少する。遂には、△ｎ×ｄがλ／４となるＶｍ（７５Ｖ程度）となり、正規反射光がほぼゼロとなる。

したがって、図７に示す構成おいて、反射型の回折素子３０の代わりに本実施例２の回折素子を用い、凸レンズ１１の集光点位置に光ファイバ１３の光出入射端を配置し、本実施例２の回折素子で正規反射する０次回折光のみを光ファイバ１３で伝送することにより、印加電圧に応じて強度変調された反射光が光ファイバ１３に戻り、光ファイバ１３中を帰還伝搬することになる。

以上説明したように、本発明の第２の実施の形態に係る回折素子は、等方性屈折率固体材料からなる格子を形成する基板面側のみに電極をパターニングして形成すればよいため、対向する基板面に電極は不要で位置合わせをする必要もないため、素子作製の工程を従来よりも簡素化できる。

また、本発明の第２の実施の形態に係る光減衰器は、基板面側のみに電極をパターニングした回折素子と、分別手段とを設けたため、入射偏光の状態に依存せず、従来と同等またはそれ以上の高速光スイッチングと消光比を安定して得ることができると共に、素子作製の工程を従来よりも簡素化できる。

本発明にかかる回折素子および光減衰器は、入射偏光に依存せず、従来と同等またはそれ以上の高速光スイッチングと消光比を安定して得ることができるという効果が有用な回折素子および光減衰器等の用途にも適用できる。

本発明の第１の実施の形態に係る回折素子の断面構造を概念的に示す図 本発明の第１の実施の形態に係る回折素子の電圧応答の一例を説明するための説明図 分別手段として凸レンズの集光素子と開口絞りを用いた構成を概念的に示す断面図 等方性屈折率固体材料の断面形状が鋸波状の回折格子を用いた回折素子の断面構造を概念的に示す図 図４に示す回折素子の動作の一例を説明するための説明図 透光性基板と透明電極膜との間に光反射膜を設けた構成の回折素子の断面構造を概念的に示す図 図６に示す回折素子を用いた光減衰器の一例の断面構造を概念的に示す図 本発明の第２の実施の形態に係る回折素子の断面構造を概念的に示す図 図８に示す回折素子の平面構造を概念的に示す図 従来の回折素子の断面構造を概念的に示す図

符号の説明

１、２１ 回折格子
２Ａ、２２Ａ 格子
２Ｂ、２２Ｂ 等方性屈折率液晶
３、３Ａ、３Ｂ、４ 透明電極膜
５、６ 透光性基板（ガラス）
７ シール
８ 電源
９ 光反射膜
１０、２０、３０、４０ 回折素子
１１ 凸レンズ
１３、１３Ａ、１３Ｂ 光ファイバの光伝送部
１４ 光源
１５ 投射スクリーン
１００ 液晶素子

Claims (2)

1. 光を透過させる基板と、
   前記基板上に等方的な屈折率の等方性屈折率固体材料を用いて形成され、断面構造が周期的凸凹を有する格子と、
   前記周期的凸凹を有する格子の少なくとも凹部に充填され、屈折率が等方的に変化し、コレステリックブルー相を発現するコレステリックブルー相液晶と、
   前記コレステリックブルー相液晶に電圧を印加するための電極とを備え、
   前記格子とコレステリックブルー相液晶とによって回折格子が構成され、前記回折格子を構成する前記コレステリックブルー相液晶の屈折率が前記電極を介して印加される電圧によって変化されるようにした回折素子であって、
   前記コレステリックブルー相液晶は、所定の高分子材料を含有することによって前記コレステリックブルー相の発現温度範囲が拡大された高分子安定化コレステリックブルー相液晶であり、
   前記電極は、前記基板と前記格子との間に設けられ、１つおきに隣り合う前記格子に沿った線状の各電極が接続される２つの電極の組からなり、
   前記２つの電極の組を介して隣り合う前記電極間に電圧が印加されるようにした回折素子。
2. 請求項１に記載の回折素子と、前記回折素子の電極を介して電圧が印加されたことにより生じた入射光の高次回折光を、前記回折素子を直進透過する入射光の０次回折光から分離し、前記０次回折光を抽出する分別手段とを備え、
   前記電極を介して印加された電圧の大きさに応じて前記０次回折光の光量を調整するようにした光減衰器。

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