WO1996032664A1

WO1996032664A1 - Optical device and method of production thereof

Info

Publication number: WO1996032664A1
Application number: PCT/JP1996/000987
Authority: WO
Inventors: Keisuke Sasaki
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1995-04-11
Filing date: 1996-04-10
Publication date: 1996-10-17
Anticipated expiration: 1997-10-11
Also published as: EP0766123A1; US5745629A; JPH11142900A; EP0766123A4

Description

明糸田光学素子及びその製造方法

[技術分野]

この発明は、光学材料薄膜の積層構造を用いた光学素子及びその製造方法に係り、特に光学材料の薄膜化と積層化の工程を利用して、配向の周期構造を持つ非線形光学素子用の導波路や屈折率の周期的^ 布を持つグレーティングを作る方法に関する。

[背景の技術]

光波の非線形相互作用を利用した波長変換素子や各種電気光学素子として、疑似位相整合（QPW) 法を用いたものが注目されている。 QPWデバイスは、非線形光学材料ある L i N b 0₃や L i T a 0₃等の強誘電体結晶に、非線形光学係数の符号を周期的に反転させた周期ドメイン構造を導入することにより作られる。強誘電体結晶に周期ドメイン構造を導入する方法としては、電界を印加する方法や電子ビームを照射する方法等が用いられる。

一方、強誘電体結晶は高価であり、微細加工も難しいことから、近年、有機非線形光学材料及びこれを利用した光学デバイスの研究が盛んになつている。有機高分子材料で優れた非線形光学特性を得るためには、例えば、側鎖に 2次非線形光学色素分子を導入した高分子膜に所定温度で電場を印加して配向処理（ポーリング）を行う。

具体的に高分子の薄膜導波路は、所定の基板上にスピンコート等により塗布して得られる。塗布された高分子膜に、コロナポーリング装置等を用いて、高分子膜をガラス転移点温度程度に加熱した状態で電場を印加する事により、周期ドメイン構造を作ることができる。この種の薄膜導波路で例えば、第 2次高調波発生 ( S H G) 等の波長変換を効率よく行うためには、導波路中での位相整合条件が決定的に重要である。

しかし、高分子薄膜導波路に、電場配向によりコヒーレンス長に合わせた周期構造を作ることは容易ではなく、現在までのところまだ小さい波長変換効率しか得られていない。電場配向高分子膜では、作製後の配向緩和が問題になる場合が多い。

一方近年、有槻高分子材料を用いた広帯域、低損失の光ファイバ（以下プラスチック光ファイバという）が作られ、光ファイバ通信網内での実用化研究が盛んになされている。プラスチック光ファイバの低損失波長域は、 6 5 0 n m等の可視光域にあるため、可視光域でのプラスチック光ファイバシステム用の光増幅器や新規の光ファイバ発振器その他の光学素子の開発が望まれている。

ファイバ型光増幅器は、光励起で光を増幅できる、高効率 ·高利得 ·広帯域の光増幅が可能である、ファイバシステムとの整合性がよいといった種々の特長を持つ。石英系では、赤外域に光増幅機能を持つ希土類添加ファイバ増幅器が開発されているが、可視域で使用できるプラスチック光ファイバ発振器（レーザ）や光ファイバ増幅器はまだ実用化されていない。

ローダミン系色素に代表される蛍光性の有機色素には、可視域で優れた光増幅特性を示すものがある。プラスチック光ファイバではガラス転移温度が低いため、これらの有機色素を容易に添加することができる。従って、各波長帯域に適した誘導放出断面積の大きい有機色素を添加することにより、可視域のどの波長帯においても高効率の光発振や光増幅が原理的に可能である。

しかし、プラスチック光ファイバ増幅器の光増幅に必要なボンビング光と信号光の波長が異なる場合には、光ファイバ増幅器にはポンビング光と信号光を同時に入れることが必要になる。もし、ファイバ内部あるいは外部に何らかの波長選択性を持つ構造を作れば、ポンビング光のみを入射して特定波長の信号光成分を増幅して取出すことが可能になり、ファイバレーザとしての応用も期待される。

, [発明の開示]

この発明の目的は、有機非線形光学材料の薄膜積層体を用いて周期ドメイン構造を実現した非線形光学素子用の導波路を提供することにある。

この発明の他の目的は、電場を印加することなく、有機非線形光学材料の薄膜化と積層化の工程で色素分子配向を行い、周期ドメィン構造を得るようにした非線形光学素子用の導波路の製造方法を提供することにある。

この発明の更に他の目的は、光学材料薄膜を積層して光ファイバレーザゃ光フアイバ増幅器に有用なグレーティングを作る製造方法を提供することにある。

この発明に係る非線形光学素子用導波路は、複数の高分子薄膜が積層された高分子薄膜積層体により作られた周期ドメイン構造を有し、前記各高分子薄膜は、高分子とその側鎖が置換された 2次非線形光学色素分子とから作られて前記光学色素分子の末端が前記高分子に結合された有機非線形光学材料を圧延延伸して形成されて、前記光学色素分子が一方向に配向されていることを特徴とする。

この発明に係る非線形光学素子用導波路の製造方法は、高分子とその側鎖が置換された 2次非線形光学色素分子とから作られて前記光学色素分子の末端が前記高分子に結合された有機非線形光学材料を、圧延延伸して前記光学色素分子を一方向に配向させた高分子薄膜を作製する工程と、前記高分子薄膜を複数層積曆した高分子薄膜積層体を作製する工程と、前記高分子薄膜積層体から所定方向に所定厚み切り出して周期ドメイン構造を持つ導波路を作製する工程とを有することを特徴とする。

この発明に係るグレーティングの製造方法は、所定の屈折率分布を持つ透明光学材料をその屈折率分布を持つ方向とは直交する方向に圧延延伸して薄膜を作製する工程と、作製された前記薄膜を複数層積層して薄膜積層体を作製する工程と、作製された前記薄膜積層体から周期的な屈折率分布を持つグレーティングを切り出す工程とを有することを特徴とする。

この発明においては、電場によるポーリングを行うことなく、有機非線形光学材料を圧延延伸して高分子薄膜を作製すると同時に、この圧延延伸の際に加わるせん断力によって物理的に側鎖非線形光学色素分子を配向させる。この発明の方法で良好な色素分子配向高分子薄膜が得られる前提条件として、有機非線形光学材料として、非線形光学色素分子の末端がスぺーサを介して高分子の主鎖に結合されたいわゆる末端置換型の材料を用いることが重要である。この様な材料を用いることにより、従来のような電場印加や電子ビーム描画に依らず、材料の薄膜化の工程で自動的に色素分子配向がなされる。

そして分子配向させた高分子薄膜を、その配向方向を選択して複数層積層することにより、必要な周期ドメイン構造を持つ非線形光学素子用導波路が簡単に得られる。

また、この発明のグレーティングの製造方法によれば、光ファイバまたは光フアイバとして延伸する前の母材を薄膜化して積層することにより、周期的屈折率分布を持ち、従ってその屈折率分布により決まる波長選択性を有するグレーティングが得られる。

[図面の簡単な説明]

図 1は、この発明の実施例による配向高分子薄膜の製造装置を示す。

図 2は、同実施例に用いる有機光学材料の構造を示す。

図 3 Aおよび 3 Bは、同実施例の装置より配向処理がなされる様子を示す。図 4は、同実施例の装置により得られる薄膜積層体を示す。

図 5 A及び 5 Bは、図 4の積層体から切り出される薄膜導波路を示す。

図 6は、図 5 Aの導波路を用いた S H G素子を示す。

図 7は、図 5 Bの導波路を用いた電気光学変調素子を示す。

図 8は、他の実施例による色素分子配向高分子薄膜の製造装置を示す。

図 9は、図 8の装置により得られた高分子薄膜の積層体を用いた電気光学素子を示す。

図 1 0は、他の実施例による光アイソレータを示す。

図 1 1は、他の実施例による配向高分子薄膜の製造装置を示す。

図 1 2は、他の実施例の薄膜積層装置を示す。

図 1 3は、この発明の実施例によるグレーティング用ブラスチック薄膜の製造装置を示す。

図 1 4は、同実施例の装置により作られる薄膜積層体を示す。

図 1 5は、同薄膜積層体から切り出したグレーティングを示す。

図 1 6は、図 1 5のグレーティングを用いたファイバ光増幅器の構成を示す。図 1 7八及ぴ1 7 Bは、色素分子が水平配向された高分子薄膜のメーカーフリンジ法による S H G強度特性を示す。

図 1 8は、色素分子が垂直配向された高分子薄膜のメーカーフリンジ法による SHG強度特性を示す。

[発明を実施するための最良の形態]

以下、図面を参照して、この発明の実施例を説明する。

図 1は、この発明の一実施例による色素分子配向高分子薄膜の製造装置と製造方法を示している。この製造装置は、有機非線形光学材料 1を圧延する圧延ローラー対 2a, 2bと、圧延された高分子薄膜 3を巻き付けて引き出す延伸ローラ一対 4a, 4bと、延伸されて色素分子が配向された配向高分子薄膜 3を取り出す引き出しローラ一対 5a， 5bを有する。更に引き出された高分子薄膜 3を折り畳むための、図に矢印で印すように交互に逆方向に平行驟動される 3対の折り畳み用ガイドローラー 6 a (6 a 1 , 6 a 2) , 6 b (6 b 1 , 6b2) および 6 c (6 c 1 , 6 c 2) を有し、これらガイドローラー 6 a , 6bおよび 6cにより折り畳まれた配向高分子薄膜 3を収納する容器 7を有する。

原材料である有機非線形光学材料 1として、この実施例では、 SHG導波路用として有用な、色素分子 DR 1MAとメチルメタクリレート（MMA) との共重合体 Po 1 y (MMA-co-DRlMA)が用いられる。

ここで、 DR1MAは、

4- [N-ethyl-N- (methacryoxyethyl) amino-] -4， nitrozobenzene

または

2- {N-ethyl-N- [4- (4， -nitrophenylazo) pheny 1 ] am i no} e thy 1 methac ry 1 ate で表されるものである。

この光学材料 1は、図 2に示すように、側鎖の一部が DR1MAに置換された PMMAである。より具体的にいえば、この DR 1MA置換 PMMAにおいては、 DR 1MAの分子末端のエチレン基がスぺーザの役割を果たして PMMAに結合されている。

この有機非線形光学材料 1としては具体的に、通常の熱成形プロセスや湿式法又は半乾式法で作製したファイバ、あるいはフィルムが用いられる。この他にスラブ伏、ロッド伏の材料を用いることもできる。有機非線形材料 1の薄膜を作る方法として、図 1と同様の構成の薄膜化装置を用いて、色素分子配向がなされない条件で薄膜化することも有効である。

この様な非線形光学材料 1を、ガラス転移温度付近の温度、好ましくは 100 〜1 2 O'C程度に加熱した伏態で圧延延伸する。これにより、非線形光学材料 1 にはせん断力が加わって、物理的に色素分子が一方向に配向される。分子配向高分子薄膜 3は、好ましくは、サブミクロンの厚みになるように多段のロールを用いて延伸して配向を促進する。

図 3A及び 3Bは、この延伸配向処理の様子を模式的に示している。図 3Aに示すように、高分子の主鎖 21には自発分極を持つ多数の色素分子 22がスぺーサ 23を介して、ランダムな方向を向いて付加された形になっている。この実施例の場合スぺーサ 23は、前述のように色素分子 22の末端から供給されたものである。これを圧延して延伸すると、主鎖 21及び側鎖色素分子 22が図 3 Bに示すように一方向に引っ張られる結果、全体として矢印で示すように膜面に平行な方向に大きな分極 P sが形成されることになる。

多くの色素分子 22が主鎖 21に平行に近い伏態で配向するためには、上述のように色素分子 22の末端が PMMAに結合された色素分子末端固定型であることが重要な意味を持つ。

図 17 Aは、上述の圧延延伸による配向処理を実験的に行って得られた高分子薄膜サンブルについてメーカーフリンジ法により測定した SHGパワー特性を示す。このサンプルは、 DR 1MAが 5wt %の Poly(MMA-co-DRlMA)から作られたもので、実験での圧延延伸の温度は 120'Cであり、約 10 m の薄膜を約 7 m まで圧延延伸した。図 17Aにおいて、 0' で SHG振幅が極大になっているのは、非線形定数成分 dllに基づくもので、膜面に平行な分子配向がなされていることが確認される。

図 1 7Bは、同じサンプルの SHG強度分布を膜面に垂直な軸の回りに薄膜サンプルを回転させて測定した結果を極座標系で示したものである。図 1 7Bの 0 ° 方向が延伸方向である。

実験によれば、色素分子配向の度合いは、圧延口一ラー 2 a， 2 bの速度を異ならせる等の制御により、また圧延ローラー 2 a, 2bによる薄膜加熱温度を別々に制御することにより制御できる。非線形光学材料 1のガラス転移温度が分解温度に近く、配向 '延伸が困難な場合には、光学材料 1に予めガラス転移温度を下げるような添加剤を加えることも有効である。添加剤としては、非線形光学材料の溶剤となるものや、非線形光学材料と相溶性のよいガラス転移温度の低い高分子を用いることができる。溶剤を添加した場合、配向処理後、真空下で加熱して溶剤を除去することができる。

また実験によれば、圧延延伸の条件を変えることにより、薄膜の膜面に垂直な方向に色素分子が配向されることも確認されている。特に、垂直方向の分子配向を得るには、圧延延伸の温度をより低くすることが好ましいことが分かっている。図 1 8は、 9 0 'C以下の温度で圧延延伸して得られた高分子薄膜サンプルの S H Gパワー特性を示している。図 1 8において、 0 ' で S H G振幅が極小値を示しているのは、非線形光学定数成分 d 33に基づくもので、薄膜の膜面に垂直に色素分子が配向されていることが確認される。

以上の実施例の方法により得られる色素分子配向高分子膜の配向緩和は、従来のコロナポーリング法による場合に比べて小さい。その理由は、延伸によって高分子の主鎖も直線伏に配列される結果、色素分子が自由に回転できる自由容積が小さくなるためである。

以下の説明は、膜面に水平方向に分子配向される場合について行う。上述のように色素分子が配向された高分子薄膜 3は、連続的に引き出されて所定長さで繰り返し折り畳まれて納容器 7に IS納される。この驭納された配向高分子薄膜を圧着して一体化した高分子薄膜積層体とする。図 4はこうして得られた高分子薄膜積層体 3 1を示している。高分子薄膜積層体 3 1は、各層の配向高分子薄膜 3 が交互に上下面を反転させて折り畳まれている結果、図に矢印で示すように厚み方向に交互に反転した分極を有する周期配向構造を持つものとなる。

この様に周期配向構造を持つ高分子薄膜積層体 3 1を、適当な厚みで適当な大きさに切り出すことにより、所望の光学素子用導波路を得ることができる。図 5 Α及び 5 Βは、それぞれ S H G素子用薄膜導波路 4 1 , 電気光学素子用薄膜導波路 4 2を示している。図 5 Aの S H G素子用薄膜導波路 4 1は、図 4において破線 Aで示すように、高分子薄膜積層体 3 1の積層方向が導波方向となるように切り出したもので、導波方向に沿って、上向きのドメイン 4 1 aと下向きのドメイン 41 bとが所定ピッチで交互に配列された 2方向周期ドメイン構造（周期的ドメイン反転構造）を持つ。図 5Bの電気光学素子用薄膜導波路 42は、図 4において破線 Bで示すように、色素分子配向方向が導波方向となるように高分子薄膜積層体 31から切り出したもので、導波方向と直交する膜厚方向に沿って交互に反転したドメイン 42 a， 42 bが配列された 2方向周期ドメイン構造を持つ。図 6は、図 4Aの SHG素子用導波路 41を基板 51に搭載した SHG素子 5 0を示している。この SHG素子 50は例えば、シリカ系ファイバ網を用いた光通信の幹線系の光データを波長変換してユーザ一に提供するといつた用途に用いられる。幹線系のシリカファイバ 52を伝搬された 1. 3 im帯又は 1. 55// m帯の光信号データ 54をこの SHG素子 50に入射すれば、波長変換された 6 5 Onm帯又は 78 Onm帯の短波長光 55が出力される。波長変換された光信号 5 5を図示しない光ファイバ増幅素子で増幅した後、分枝素子で分けて、光フアイパ 53によりユーザー側回路に伝送する。光ファイバ 53としては、安価で且つ伝送帯域幅の広い屈折率傾斜型のポリマー光ファイバ（GIPOF) が好ましい。

また図 6の SHG素子 50は、ファイバ系の波長変換に限らず、赤色光の育や緑等の波長変換素子として、レーザプリンタ、 CDピックアップ等への用途にも有用である。

図 7は、図 5Bに示す薄膜導波路 42を用いた電気光学素子 60の例を示している。薄膜導波路 42は、基板 61上に下部電極 62及び下部バッファ層 63を介して搭載される。搭載された導波路 42上には上部バッファ層 64を介して上部電極 65が形成される。導波路 42への入出力端にはプリズム 66， 67が設けられる。この素子 60は例えば、上述したユーザー側の G I POF系で短波長光信号を送り出すためのマルチモード電気光学変調素子として有用である。上部電極 65に与えられる高周波電気信号により、入射される光信号 68を変調して、変調光信号 69を出力することができる。あるいはまた、光波をオンオフする光スィツチとしても用いられる。

図 8は、他の実施例の製造装置である。この実施例では、引き出され配向高分子薄膜 3を巻き取りドラム 8により巻き取ることにより、高分子薄膜積層体 32 を得る。この場合、高分子薄膜積層体 32は、図 1の場合と異なり、積層方向に沿って配向方向が反転されることはなく、同じ配向方向をもって複数層繰り返し積層されることになる。

図 9は、図 8の装置により得られる高分子薄膜積層体 3 2から、色素分子配向方向が導波方向となるように切り出した適当な厚みのバルク 8 1を用いた電気光学素子 8 0の例を示している。バルク 8 1は、図に矢印で示すように、厚み方向に沿って、色素分子配向方向が揃ったドメインが配列された 1方向周期ドメイン構造を持つ。このバルク 8 1の厚み方向上下に電極 8 2， 8 3が形成される。電極 8 2， 8 3間に高周波電源 8 4 (又はスィッチ電源）を印加すれば、電界に直交する方向の入射光信号 8 5をポッケルス効果により変調して変調光信号 8 6を出力することができる。あるいは、入射光信号 8 5をスィッチすることができる。バルク 8 1を図 7の実施例と同様に所定の基板にサブミクロンの薄膜導波路として搭載してもよい。

図 1及び図 8の実施例では、延伸された配向高分子薄膜 3を速統的に引き出しながら折り畳んで、あるいは巻き取って積層しているが、引き出される配向高分子薄膜 3を一定の長さで次々に切断して取り出した後、これらを積層してもよい。この場合には、各切り出し片の配向方向を任意に選んで積層することができる。図 1 0は、切り出された配向高分子薄膜 3の配向方向を少しずつ回転させた伏態で積層した高分子薄膜積層体 9 1を用いた光アイソレータ 9 0の例を示している。図示のように配向方向を厚み方向に «旋伏に回転させることにより、膜厚方向に光波 9 2を伝搬させたとき偏波面が回転し、特定偏波面の光波 9 3を取り出すことができる。

図 1 1は、更に他の実施例の製造装置である。この実施例では、圧接ローラー対 2 a， 2 bの一方のローラー 2 aの周囲に、所定間隔で電圧が印加される正負電極対 1 0 1， 1 0 2が配置されている。図では、 4対の正負電対 1 0 1 , 1 0 2を配置しているが、それぞれ対をなす正電極 1 0 1と負電極 1 0 2間の距離 L 1に対して、隣の電極対間の距離 L 2は十分に大きく設定することが必要である。これにより、対をなす正電極 1 0 1と負電極 1 0 2の間では大きな電場を形成し、 ¾接電極対間での電場は無視できる伏態になる。この装置を用いると、圧延延伸される時に非線形有機光学材料 1に対して、面内方向に間欠的に一定の極性の電場を印加することができ、配向高分子薄膜 3の分子配向がより促進される。但しこの電界印加は補助的に利用される。

ここまでの実施例は、一回の圧延延伸工程で得られた配向高分子薄膜を積層して高分子薄膜積層体を得ているが、得られた高分子薄膜を繰り返し圧延延伸工程に戻して更に薄膜化すること、また得られた配向高分子薄膜積層体を圧延延伸ェ程に戻して薄膜化して積層するという多段積層を行うことも有効である。これにより、配向周期のピッチをより小さくした導波路を得ることができる。

また実施例では、圧延延伸の工程で色素分子配向を行っているが、圧延延伸前の工程である有機光学材料の紡糸あるいは薄膜化の工程で、同様にせん断力を加えて予備的に色素分子配向させることは有効である。

更に図 1 1の実施例では、間欠的な電場を印加しているから、得られる配向高分子薄膜は、間欠的に色素分子配向が大きくなる。したがって、電場印加により色素分子配向が大きくなつた部分のみを選択して積層するようにしてもよい。これにより、分子配向度が高く且つその分布が均一な高分子薄膜積層体を得ることができる。

図 1 2は、別の実施例の高分子薄膜積層装置である。

図 8の装置では、有機光学材料 1の圧延延伸工程とその後の欖層工程を連統的に行っている。このため前述のように、得られる高分子薄膜積層体は、各薄膜の配向方向が描ったものとなる。これに対して、図 8の装置は圧延延伸用のみとして用い、これと図 1 2に示す薄膜積層装置を組み合わせることにより、任意の配向の組み合わせの高分子薄膜積層体を作ることが可能である。この場合、図 8の装置では巻き取りドラム 8には冷却された配向高分子薄膜が巻き取られるようにする。

図 1 2において、二つの供給ドラム 2 0 0 a , 2 O O bには、図 8の装置で巻き取られた配向高分子薄膜 3 2 a , 3 2 bが装着される。ここで、一方の配向高分子薄膜 3 2 aは、図 8の装置で巻き取った状態のままとし、他方の配向高分子薄膜 3 2 bは図 8の装置で巻き取ったものを巻き戻したものとする。これにより、二つの供給ドラム 2 0 0 a， 2 0 0 bから供給される配向高分子薄膜 3 2 a , 3 2 bの色素分子配向は互いに逆になる。これらの配向高分子薄膜 3 2 a , 3 2 b は圧接口一ラー対 20 l a, 201 bの間を通って圧着されて一体化され、配向高分子薄膜 33が得られる。このとき圧接口一ラー 201 a， 201 bを加熱して、あるいは別途ヒータを設けて、配向高分子薄膜 32 a, 32bの接着を促進することが好ましい。配向高分子薄膜 33は、ローラー対 202 a, 202bの間を通り、更にローラー対 203 a， 203bの間を通って、巻き取りドラム 2 04に巻き取られる。ローラ一対 202 a， 202 b及びローラ一対 203 a， 203bでは、配向高分子薄膜 33が冷却される。配向高分子薄膜 33の配向緩和を防止するためには、配向高分子薄膜 33が緊張状態で巻き取りドラム 204 に巻き取られるようにすることが好ましい。

この様にして、巻き取りドラム 204には、 2枚の配向高分子薄膜を積層した配向高分子薄膜が巻き取られる。そして巻き取られた配向高分子薄膜を、それぞれの配向方向を考慮して再度図 12の積層装置により、同様に積層することにより、 4枚の配向高分子薄膜を積層した高分子薄膜積層体が得られる。以下、同様の工程を繰り返すことにより、任意に積層数の高分子薄膜積層体が得られる。なお積層装置については、図 12のようなローラーを用いたものに限らず、平板上で複数枚の薄膜を圧着する通常の積層装置を用いることができる。

本発明に利用できる非線形光学材料は、上記実施例に限られない。例えば、主鎖となる高分子として、熱可塑性高分子、溶剤や可塑剤を併用して熱可塑性を示す高分子、 PET、 PC、ポリアミド、ポリイミド、ポリウレタン、ポリエステル、ポリエステルイミド等を用いることができる。非線形光学色素分子としては、一般に、 7Γ共役部分を π、ドナー基を D、ァクセブタ基を Aとして、 -D-(7T) A、又は、 A-(7T)-Dで表されるものを用いることができる。 - D-(;c)-Aの中には、 N-メチルピリジニゥム塩非線形光学色素等の分子イオン性色素が含まれる。例えば、

Poly{l-methyl-4- {2- [4-6- ( (.methac ry 1 oxy) hexy 1 ) oxy) pheny l]vinyl}pyridinium tetraphenyl borate} -co-methylmethacrylate}

等が用いられる。

また、色素分子と高分子の主鎖の間に介在させるスぺーサとしては、

- (CH₂) _n—、 - (CHaCHaO) _n—、 - (PhO) „一、一 COOCH₂CH₂—等が用いられる。

以上述べたようにこの発明によれば、電場を印加することなく、有機非線形光学材料を圧延延伸して配向処理を施した配向高分子薄膜を作製し、これを積層するという簡便な方法で、配向の周期構造を持つ薄膜導波路を作ることができ、これを用いて優れた特性の波長変換素子その他の非線形光学素子を安価に作ることができる。

次に、図 13を参照して、この発明によるグレーティングの製造方法の実施例を説明する。図 13の薄膜製造装置は、図 8と基本的に同じである。この実施例では、原材料として、コア部 303に有機色素がドープされたプラスチック光フアイバ 301を用いる。プラスチック光ファイバ 301は具体的には、次のようにして作られる。有機色素、屈折率分布を形成するための低分子化合物、重合開始剤、連鎖移動剤及び、有機色素の溶解を助ける DMSO (ジメチルスルホキシド）を含む MMA (メチルメタクリレート）モノマー溶液を先ず調製する。このモノマー溶液を PMMA (ポリメチルメタクリレート）製の中空管に注入し、 9 0〜95'Cの乾燥機中で回転させながら約 25時間重合する。その後、 ImmH g以下、 11 O'Cで約 24時間滅圧熱処理する。得られた母材を、 190〜25 O'Cで熱延伸することにより、色素ドープのコア部 303と透明クラッド部 30 2からなるプラスチック光ファイバ 301が得られる。有機色素としてローダミン B, ローダミン 6G等が用いられる。

なおこの実施例では、上述のように延伸して得られたプラスチック光フアイバ 301を原材料として用いているが、実際には延伸する前のロッド状の母材ゃスラブ材を用いることも可能である。またその屈折率分布は、ステップインデックス（S I) 型，グレーテッドインデックス（GI) 型いずれでもよい。

図 13に示す装置を用いて、プラスチック光ファイバ 301を、約 200'C程度に加熱した伏態で圧延延伸することにより、プラスチック薄膜 304が連続的に作られる。ブラスチック薄膜 304は、好ましくは 0. 5〜0. 3 m程度の厚みまで薄くする。延伸されたプラスチック薄膜 304は、連続的に引き出されて巻き取りドラム 8に巻き取られる。

次に、巻き取られたプラスチック薄膜を巻き戻して複数層重ねて、所定温度と圧力で熱圧着して一体化して、薄膜積層体とする。具体的には例えば、図 12の積層装置を用いて、 2枚のプラスチック薄膜を圧着する工程を繰り返すことによつて、所定の積層数のブラスチック薄膜積層体を得ることができる。

図 14は得られたプラスチック薄膜積層体 306を示している。薄膜積層体 3 06は、原材料であるプラスチック光ファイバ 301のコア部 303とクラッド部 302に対応して、低屈折率層 307と高屈折率層 308が厚み方向に周期的に配列された構造となる。低屈折率層 307と高屈折率層 308の配列周期は、積層体 306を圧着により形成する際の厚み減少がないとすれば、プラスチック薄膜 304の厚み、即ち 0. 5〜0. 3 m になる。コア部 303には有機色素がドープされているから、屈折率分布と重なるように周期的な色素濃度分布が形成される。周期的屈折率分布は、好ましくは、 1. 4〜1. 5の範囲の小さい分布とする。これにより、有機色素がドープされたアクティブ領域と有機色素がドープされていないパッシブ領域が周期的に配列された分布帰還（DFB) 構造が得られる。従ってこの薄膜積層体 306は、波長選択性と同時に、 DFB構造によりその周期で決まる特定波長光を選択増幅して取り出す光増幅作用を有するものとなる。

この様に屈折率及び色素分布の周期構造を持つ薄膜積層体 306を、図 15に示すように厚み方向に円柱伏に切り出して、 DFB構造のグレーティング 310 を得る。光ファイバ増幅器への応用のためには、このグレーティング 310の怪が増幅用ファイバの径と同程度となるように成型する。

図 16は、得られたグレーフイング 310のプラスチックファイバ光増幅器への応用例である。増幅ファイバ 321は、この実施例のグレーティング製造の原料と同じく、コア部 322に有機色素をドープしたプラスチック光ファイバである。この増幅フアイバ 321の入力端にグレーティング 310が配置される。この様な構成として、グレーティング 310に波長 λρのボンビング光を入射すると、グレーティング 310の波長選択と特定波長え sのレーザ増幅により大きな信号光が得られる。例えば、有機色素としてローダミン Βを用いたとき、ポンビング光として、 λρ = 532ηπιの Nd ： YAGレーザの第 2高調波を用いて、グレーティング 310からは As = 590 nmの大きな信号光を得ることができる。グレーティング 3 1 0から出射された波長 A sの信号光を、増幅フアイバ 3 2 1に入射することにより、更に光信号増幅がなされる。

この実施例によると、増幅ファイバ 3 2 1の前段に光増幅作用を持つグレーテイング 3 1 0を配置することによって、信号光とボンビング光を同時に用いることなく、ポンビング光のみを用いて特定波長の信号光増幅が可能になる。また、グレーティング 3 1 0を用いない場合に比べて、増幅ファイバ 3 2 1として短いものを用いて大きな信号光利得が得られる。

上記実施例では、コア部に色素がドープされたブラスチック光ファイバを用いたが、クラッド部に色素がドープされた光ファイバを用いることもできる。またこの発明は、色素がドープされていないプラスチックファイバを用いた場合も有効である。この場合、上記実施例と同様の工程で得られるグレーティングは、光増幅作用を持ず、屈折率分布による波長選択性のみを持つものとなる。

またこの発明は、透明光学材料としてプラスチックではなく、ガラスを用いた場合にも有効である。ガラスファイバを原料として同様の製法でグレーティングを作ることができる。また、コア部にキレートがドーブされた光ファイバを用いれば、上記実施例と同様の製法によって、レーザ増幅機能を持つグレーティングを作ることができる。

更に実施例では連続的に引き出されるプラスチック薄膜を巻き取っているが、引き出される薄膜を一定の長さで次々に切断して取り出した後、これらを積層して一体化することもできる。

以上のようにこの発明の方法によると、光ファイバ又は光ファイバとして延伸する前の母材を延伸して薄膜を作製し、得られた薄膜を積層することにより、積層方向に周期的屈折率分布を持つ薄膜積層体が得られる。この薄膜積層体から、屈折率分布により決まる波長選択性を示すグレーティングが簡単に得られる。特にこの発明において、予めコア部またはクラッド部に有機色素がドーブされたプラスチック光ファイバを用いれば、 D F B構造のグレーティングが得られる。このグレーティングは光発振及び光増幅作用を有するから、光ファイバレーザや光フアイパ増幅器応用が可能となる。

Claims

請求の範囲

1 . 複数の高分子薄膜が積層された高分子薄膜積層体により作られた周期ドメイン構造を有し、

前記各高分子薄膜は、高分子とその側鎖が置換された 2次非線形光学色素分子とから作られて前記光学色素分子の末端が前記高分子に結合された有機非線形光学材料を圧延延伸して形成されて、前記光学色素分子が一方向に配向されていることを特徴とする非線形光学素子用導波路。

2 . 前記非線形光学素子は、基板とこの基板に搭載された前記導波路とを有する波長変換素子であり、

前記高分子薄膜積層体は、前記複数の高分子薄膜をその色素分子配向方向が交互に逆になるように積層して構成され、

前記導波路は、前記高分子薄膜積餍体の積層方向が導波方向となるように前記高分子薄膜積層体から切り出されて、前記導波方向に沿って配列されるドメインが周期的に反転された 2方向周期ドメイン構造を持つ

ことを特徴とする請求項 1記載の導波路。

3 . 前記光学素子は、基板と、この基板に搭載された前記導波路と、前記導波路に導波方向と直交する方向に電界を印加する手段とを備えて光波を変調する電気光学素子であり、

前記高分子薄膜積層体は、前記複数の高分子薄膜をその色素分子配向方向を揃えて積層して構成され、

前記導波路は、前記高分子薄膜積層体の色素分子配向方向が導波路方向となるように前記高分子薄膜積層体から切り出されて、導波方向と直交する厚み方向に配列されるドメインの配向方向が揃った 1方向周期ドメイン構造を持つことを特徴とする請求項 1記載の導波路。

4 . 前記光学素子は、基板と、この基板に搭載された前記導波路と、前記導波路に導波方向と直交する方向に電界を印加する手段とを備えて光波を変調する電気光学素子であり、

前記高分子薄膜積層体は、前記複数の高分子薄膜をその色素分子配向方向が交互に逆になるように積層したものであり、

前記導波路は、前記高分子薄膜積層体の色素分子配向方向が導波方向となるように前記高分子薄膜積層体から切り出されて、前記高分子薄膜積層体の積層方向に配列されるドメインが周期的に反転された 2方向周期ドメイン構造を持つことを特徴とする請求項 1記載の導波路。

5 . 高分子とその側鎖が置換された 2次非線形光学色素分子とから作られて前記光学色素分子の末端が前記高分子に結合された有機非線形光学材料を、圧延延伸して前記光学色素分子を一方向に配向させた高分子薄膜を作製する工程と、前記高分子薄膜を複数層積層した高分子薄膜積層体を作製する工程と、前記高分子薄膜積層体から所定方向に所定厚み切り出して周期ドメイン構造を持つ導波路を作製する工程と

を有することを特徴とする非線形光学素子用導波路の製造方法。

6 . 前記高分子薄膜積層体は、前記高分子薄膜を所定長さで繰り返し折り畳んで重ねることにより作ることを特徴とする請求項 5記載の製造方法。

7 . 前記高分子薄膜積層体は、分子配向された前記高分子簿膜を連統的に巻き取りドラムに巻き取って作ることを特徴とする請求項 5記載の製造方法。

8 . 分子配向された前記高分子薄膜を、圧延延伸の工程に戻して更に薄膜化する工程を有することを特徴とする請求項 5記載の製造方法。

9 . 前記高分子薄膜積層体は、分子配向された前記高分子薄膜を巻き取り、巻き取られた複数の高分子薄膜をそれらの色素分子配向方向を選択して重ねて圧着することにより作ることを特徴とする請求項 5記載の製造方法。

1 0 . 分子配向された前記高分子薄膜の 2枚ずつの圧着工程を複数回繰り返すことにより、必要な積層数の高分子薄膜積層体を作ることを特徴とする請求項 9記載の製造方法。

1 1 . 前記有機非線形光学材料を圧延延伸して配向処理を施す際に、配向を促進するために延伸方向に所定の電場を補助的に印加することを特徴とする請求項 5 記載の製造方法。

1 2 . 前記非線形光学素子は、基板とこの基板に搭載された前記導波路とを有する二次高調波発生素子用であって、前記高分子薄膜積層体は、分子配向された前記高分子薄膜をその色素分子配向方向が交互に逆になるように複数層積層して作り、

前記導波路は、前記高分子薄膜積層体の積層方向が導波方向となるように前記高分子薄膜積層体から切り出して、前記導波方向に沿って配列されるドメインが周期的に反転された 2方向周期ドメイン構造を持つようにする

ことを特徴とする請求項 5記載の製造方法。

1 3 . 前記非線形光学素子は、基板と、この基板に搭載された前記導波路と、前記導波路に導波方向と直交する方向に電界を印加する手段とを備えて光波を変調する電気光学素子であり、

前記高分子薄膜積層体は、分子配向された前記高分子薄膜をその色素分子配向方向を揃えて複数層積層して作り、

前記導波路は、前記高分子薄膜積層体の色素分子配向方向が導波方向となるように前記高分子薄膜積層体から切り出して、導波方向と直交する厚み方向に配列されるドメインの配向方向が描った 1方向周期ドメイン構造を持つようにすることを特徴とする請求項 5記載の製造方法。

1 4 . 前記非線形光学素子は、基板と、この基板に搭載された前記導波路と、前記導波路に導波方向と直交する方向の電界を印加する手段とを備えて光波を変調する電気光学素子であり、

前記高分子薄膜積層体は、分子配向された前記高分子薄膜をその色素分子配向方向が交互に逆になるように複数層積層して作り、

前記導波路は、前記高分子薄膜積層体の色素分子配向方向が導波方向となるように前記高分子薄膜積層体から切り出して、前記導波方向に直交する厚み方向に配列されるドメインが周期的に反転された 2方向周期ドメイン構造を持つようにする

ことを特徴とする請求項 5記載の製造方法。

1 5 . 前記高分子薄膜積層体を、圧延延伸の工程に戻して薄膜化する工程を有することを特徴とする請求項 5記載の製造方法。

1 6 . 所定の屈折率分布を持つ透明光学材料をその屈折率分布を持つ方向とは直交する方向に圧延延伸して薄膜を作製する工程と、作製された前記薄膜を複数層積層して薄膜積層体を作製する工程と、作製された前記薄膜積層体から周期的な屈折率分布を持つグレーティングを切り出す工程と

を有することを特徴とするグレーティングの製造方法。

1 7 . 前記透明光学材料は、コア部、クラッド部のいずれか一方に有機色素がド —ブされたブラスチック光ファイバであり、

前記グレーティングは周期的な屈折率分布と周期的的な有機色素濃度分布を持つ分布帰還構造を有する

ことを特徴とする請求項 1 6記載のグレーティングの製造方法。