JP4902409B2 - Slab type optical waveguide device with optical fuse function - Google Patents
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Description
本発明は、光ヒューズとしての機能を有するスラブ型光導波路素子に関する。 The present invention relates to a slab type optical waveguide device having a function as an optical fuse.
最初のレーザの開発以来、受動光リミッタの研究が行われ、レーザの最高強度が誘起する損傷から光センサを保護する構想が試験されてきた。CWレーザ(連続発振レーザ)用の最初の光リミッタは、吸光性バルク液体の熱レンズ作用に基づくものであった。すなわち、撮像系を局部加熱すると屈折率が低下し、「熱焦点ぼけ」が引き起こされ、光線は焦点が合わなくなった。パルスレーザ源を制限するために、逆可飽和吸収、2光子自由キャリア吸収、自己焦点合わせ、非線形屈折および誘起散乱など、他の方法も提案されている。 Since the development of the first laser, passive optical limiters have been studied, and the concept of protecting the optical sensor from damage induced by the highest intensity of the laser has been tested. The first optical limiter for CW lasers (continuous oscillation lasers) was based on the thermal lens action of a light absorbing bulk liquid. That is, when the imaging system was locally heated, the refractive index decreased, causing “thermal defocus”, and the light beam was out of focus. Other methods have been proposed to limit the pulsed laser source, such as reverse saturable absorption, two-photon free carrier absorption, self-focusing, nonlinear refraction and induced scattering.
医療、工業および遠隔検出用途における通信やその他の系では、単一のファイバ即ち導波管で、マイクロワットから数ワットまでの比較的高い光強度を取扱う可能性がある。これらの系に高強度(単位面積当たりの強度)が導入されると、多くの薄い塗膜、光接着剤、および材料全体さえ、その損傷閾値を超える光強度にさらされることになる。他の問題としてはレーザの安全性がある。ファイバから空中へ放出可能な強度の上限は明確に規定されている。これらの2つの問題は、ファイバ/導波管を伝搬するエネルギー量を許容可能なレベルに制限する受動装置を必要としている。主として高出力レーザ放射、高出力パルス放射、および眼の安全装置について、光リミッタを実現するために多くの試みがなされてきた。 In communications and other systems in medical, industrial and remote sensing applications, a single fiber or waveguide may handle relatively high light intensities from microwatts to several watts. When high intensity (intensity per unit area) is introduced into these systems, many thin coatings, photoadhesives and even the entire material will be exposed to light intensity that exceeds its damage threshold. Another problem is laser safety. The upper limit of the intensity that can be emitted from the fiber into the air is clearly defined. These two problems require passive devices that limit the amount of energy propagating through the fiber / waveguide to an acceptable level. Many attempts have been made to realize optical limiters, primarily for high power laser radiation, high power pulse radiation, and eye safety devices.
そこで、いくつかの光リミッタが提案されている(特許文献1、2)。 Therefore, several optical limiters have been proposed (Patent Documents 1 and 2).
特許文献1には、入力光伝送要素と、出力光伝送要素と、前記入力光伝送要素と前記出力光伝送要素の間に配置され、前記入力光伝送要素から前記出力光伝送要素へ光信号を伝送する強度制限要素とを含む光強度リミッタが記載されている。ここで、強度制限要素は、所定の光強度レベルを超える光に応答して可逆的熱変化を生じ、これによって強度制限要素の光伝送特性を変化させる、少なくとも1種の材料の粒子を含有する光制限固体混合物を含む。光制限固体混合物は、光透明母材(例えば、ポリメタクリル酸メチルおよびその誘導体、エポキシ樹脂、ガラス、ゾルゲル材料およびスピンオンガラスから構成される群から選択される)に分散した光吸収粒子(例えば、Ag、Au、Ni、Va、Ti、Co、Cr、C、Re、SiおよびSmO2から構成される群から選択される少なくとも1種の材料である)を含むものである。 In Patent Document 1, an input optical transmission element, an output optical transmission element, an optical signal transmitted from the input optical transmission element to the output optical transmission element is disposed between the input optical transmission element and the output optical transmission element. A light intensity limiter including an intensity limiting element for transmission is described. Here, the intensity limiting element contains particles of at least one material that causes a reversible thermal change in response to light exceeding a predetermined light intensity level, thereby changing the light transmission characteristics of the intensity limiting element. Contains light limited solid mixture. The light-limiting solid mixture is composed of light-absorbing particles (for example, selected from the group consisting of polymethyl methacrylate and its derivatives, epoxy resin, glass, sol-gel material, and spin-on glass) dispersed in a light-transparent matrix (for example, And at least one material selected from the group consisting of Ag, Au, Ni, Va, Ti, Co, Cr, C, Re, Si, and SmO 2 .
特許文献2には、入力する信号光を光パラメトリック増幅するパラメトリック増幅素子と、該パラメトリック増幅素子より出力する信号光から所定の波長の信号光以外の波長成分を除去する波長選択素子とを備えたことを特徴とする光リミッタが記載されている。ここで、パラメトリック増幅素子は、光ファイバ(例えば、分散シフト光ファイバ、分散フラット光ファイバである)であり、パラメトリック増幅素子は、非線形光学材料(例えば、KTiOPO4、KTiOAsO4、β−BaB2O4、LiNbO3のいずれか1種である)を備えた光導波路素子であり波長選択素子は、光フィルタである。 Patent Document 2 includes a parametric amplification element that optically parametrically amplifies input signal light, and a wavelength selection element that removes wavelength components other than signal light having a predetermined wavelength from the signal light output from the parametric amplification element. An optical limiter characterized in that is described. Here, the parametric amplifying element is an optical fiber (for example, a dispersion shifted optical fiber or a dispersion flat optical fiber), and the parametric amplifying element is a nonlinear optical material (for example, KTiOPO 4 , KTiOAsO 4 , β-BaB 2 O). 4 and LiNbO 3 ), and the wavelength selection element is an optical filter.
一方、液晶を注入したフォトニック結晶、光学素子、の研究は1999年、計算結果(非特許文献1)と実験結果(非特許文献2)を始めとして、注目されている。2次元、3次元のシリコンで作られたマイクロキャビティ(MicroCavity)に液晶を注入し、外部からの信号、(熱、電位差、又は偏光等)を変化させることにより、液晶の配列、且つ光学特性を制御する研究が盛んになりつつある。液晶の配列が相転移により変化することにより、フォトニックバンドがシフトするのである。また、液晶の配列は表面の形状、物質に敏感であり、フォトニック結晶中にある液晶の配列の制御に関しての議論もされている。このような光学素子は光学スイッチ、高密度情報記録、ディスプレイ等としての応用が検討されている(非特許文献3〜8)。
特許文献1には、主として高出力パルス用に、液晶を制限材料として使う試みも行われたが、導波器変動のために、この材料は普通の液体よりひどいノイズと歪みを引き起こす(段落0007)、との記載があり、これまで、液晶を用いた光リミッタは知られていなかった。 US Pat. No. 6,057,009 also attempted to use liquid crystal as a limiting material, mainly for high power pulses, but due to the director variation, this material causes more severe noise and distortion than ordinary liquids (paragraph 0007). ), And so far, no optical limiter using liquid crystal has been known.
上記特許文献1および2に記載の光リミッタは、低レベルの光入力に対して透過率が高く、高い強度に対して透過率が低くなるように設計された装置である。しかし、光入力が所定レベルを超えた場合に透過光が自発的に遮断する機能を有する素子は、これまで知られていない。さらに、一度、透過光が遮断されてOFFになっても、光入力が所定レベルを下回った場合には、自発的に遮断が解除されてONの状態に戻れる素子も知られていない。そのような光ヒューズとして機能し得る光学素子は、今後、高強度の光から、下流に設置された装置等を保護するような素子としての活用が期待される。 The optical limiters described in Patent Documents 1 and 2 are devices designed to have a high transmittance for low-level light input and a low transmittance for high intensity. However, an element having a function of spontaneously blocking transmitted light when the light input exceeds a predetermined level has not been known so far. Furthermore, even if the transmitted light is interrupted once and turned off, there is no known element that can spontaneously cancel the interruption and return to the ON state when the light input falls below a predetermined level. The optical element that can function as such an optical fuse is expected to be used as an element that protects devices installed downstream from high-intensity light.
そこで、本発明は、上述したような光ヒューズとして機能し得る光学素子を提供することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide an optical element that can function as the optical fuse as described above.
本発明者らは、液晶を注入したフォトニック結晶が光素子として優れた点を有していることに注目し、液晶を注入したフォトニック結晶を用いた素子について種々の検討をし、その結果、フォトニック結晶を用いたスラブ型光導波路素子が光ヒューズとしての機能を有することを見いだして、本発明を完成させた。 The present inventors paid attention to the fact that photonic crystals injected with liquid crystal have excellent points as optical elements, and conducted various studies on elements using photonic crystals injected with liquid crystal. The present invention was completed by finding that a slab type optical waveguide device using a photonic crystal has a function as an optical fuse.
本発明は以下のとおりである。
[1]2つの光透過性基板の対向する主表面の間に、1次元フォトニック結晶および液晶層を設け、かつ光導波路素子の温度を調節するための温度調整装置を併設するスラブ型光導波路素子。
[2]前記1次元フォトニック結晶が、グレーティングからなる[1]に記載の光導波路素子。
[3]前記グレーティングが、クロム、クロム合金、金、タングステン、シリコンまたはゲルマニウム製のグレーティングである[1]または2に記載の光導波路素子。
[4]前記グレーティングは、ワイヤーが並列的に所定間隔で配列されたものである[2]または[3]に記載の光導波路素子。
[5]前記液晶層がネマチック液晶からなる[1]〜[4]のいずれかに記載の光導波路素子。
[6]前記光透過性基板は、石英基板またはガラス基板である[1]〜[5]のいずれかに記載の光導波路素子。
[7]前記2つの光透過性基板の対向する主表面の間隔を規定するスペーサーを、前記2つの光透過性基板の対向する主表面の間にさらに有する[1]〜[6]のいずれかに記載の光導波路素子。
[8]光ヒューズとして用いられる[1]〜[7]のいずれかに記載の光導波路素子。
[9](1)入力光伝送要素からの励起光を光導波路素子に入射する工程、
(2)励起光によって光導波路素子で生じた導波路モードの光を出力光伝送要素へ伝送する工程と、
(3)光導波路素子への入射光が所定の光強度レベルを超える場合に、出力光伝送要素へ伝送される導波路モードの光が消失する工程を含み、
前記光導波路素子が[1]〜[7]のいずれかに記載の光導波路素子である光量制御方法。
[10]前記入射光はレーザ光である[9]に記載の方法。
[11]前記レーザ光は、300nm〜300μmの波長範囲である[10]に記載の方法。
The present invention is as follows.
[1] A slab type optical waveguide in which a one-dimensional photonic crystal and a liquid crystal layer are provided between opposing main surfaces of two light-transmitting substrates , and a temperature adjusting device for adjusting the temperature of the optical waveguide element is provided . element.
[2] The optical waveguide device according to [1], wherein the one-dimensional photonic crystal is made of a grating.
[3] The optical waveguide device according to [1] or 2, wherein the grating is a grating made of chromium, a chromium alloy, gold, tungsten, silicon, or germanium.
[4] The optical waveguide device according to [2] or [3], wherein the grating is formed by arranging wires in parallel at a predetermined interval.
[5] The optical waveguide device according to any one of [1] to [4], wherein the liquid crystal layer is made of a nematic liquid crystal.
[6] The optical waveguide device according to any one of [1] to [5], wherein the light transmissive substrate is a quartz substrate or a glass substrate.
[7] Any one of [1] to [6], further including a spacer that defines an interval between opposing main surfaces of the two light-transmitting substrates between the opposing main surfaces of the two light-transmitting substrates. 2. An optical waveguide device according to 1.
[ 8 ] The optical waveguide device according to any one of [1] to [ 7 ], which is used as an optical fuse.
[ 9 ] (1) A step of causing the excitation light from the input light transmission element to enter the optical waveguide device,
(2) a step of transmitting waveguide mode light generated in the optical waveguide element by the excitation light to the output optical transmission element;
(3) when the incident light to the optical waveguide element exceeds a predetermined light intensity level, including a step of eliminating the waveguide mode light transmitted to the output light transmission element;
The light quantity control method whose said optical waveguide element is an optical waveguide element in any one of [1]-[ 7 ].
[ 10 ] The method according to [ 9 ], wherein the incident light is laser light.
[ 11 ] The method according to [ 10 ], wherein the laser beam has a wavelength range of 300 nm to 300 μm.
本発明によれば、光入力が所定レベルを超えた場合に透過光が自発的に遮断する機能を有し、かつ、一度、透過光が遮断されてOFFになって、光入力が所定レベルを下回った場合には、自発的に遮断が解除されてONの状態に戻れる素子を提供することができる。 According to the present invention, when the light input exceeds a predetermined level, the transmitted light is spontaneously blocked, and once the transmitted light is blocked and turned off, the light input reaches the predetermined level. When it falls below, the element | device which can cancel | release spontaneously and can return to an ON state can be provided.
[スラブ型光導波路素子]
本発明のスラブ型光導波路素子は、2つの光透過性基板の対向する主表面の間に、1次元フォトニック結晶および液晶層を設けたものである。
[Slab type optical waveguide device]
In the slab type optical waveguide device of the present invention, a one-dimensional photonic crystal and a liquid crystal layer are provided between opposing main surfaces of two light-transmitting substrates.
前記1次元フォトニック結晶は、グレーティング(回折格子)からなるものであり、グレーティングは、例えば、クロム、クロム合金、金、タングステン、シリコンまたはゲルマニウム製のグレーティングであることができる。 The one-dimensional photonic crystal is made of a grating (diffraction grating), and the grating can be, for example, a grating made of chromium, a chromium alloy, gold, tungsten, silicon, or germanium.
本発明の光導波路素子は、具体的には、一方の主表面の一部または全部にグレーティングを設けた光透過性基板、前記グレーティングを設けた光透過性基板とグレーティングを有さない光透過性基板に挟まれた液晶層からなる。即ち、一方の光透過性基板、その主表面のグレーティング、液晶層、および他方の光透過性基板の順である。 Specifically, the optical waveguide device of the present invention includes a light transmissive substrate provided with a grating on a part or all of one main surface, a light transmissive substrate provided with the grating, and a light transmissive material having no grating. It consists of a liquid crystal layer sandwiched between substrates. That is, the order is one of the light transmissive substrates, the grating on the main surface, the liquid crystal layer, and the other light transmissive substrate.
グレーティングは、光透過性基板の一方の表面の一部または全部に設けたものであることができる。グレーティングは、クロム(Cr)製またはクロム合金製のグレーティングであることか適当である。Crは他の一般的に用いられる金属に比べ、可視光領域の光に対する吸収が大きい。Cr以外も可視光領域の光に対する吸収が大きい金属があれば、Crと同様に使用でき、例えば、金、タングステン、シリコン、ゲルマニウムなども、グレーティングを構成する材料として挙げられる。金の反射は500nmより短波長で反射率が低くなり、500nmより短波長に合わせたグレーティングの設計をすれば光の吸収も比較的にあり、本発明の光ヒューズの効果が得られ得る。 The grating may be provided on part or all of one surface of the light transmissive substrate. The grating is suitably made of chromium (Cr) or a chromium alloy. Cr absorbs more light in the visible light region than other commonly used metals. In addition to Cr, if there is a metal that has a large absorption of light in the visible light region, it can be used in the same manner as Cr. For example, gold, tungsten, silicon, germanium, and the like can be cited as materials constituting the grating. The reflection of gold has a low reflectance at a wavelength shorter than 500 nm, and if the grating is designed for a wavelength shorter than 500 nm, light absorption is relatively high, and the effect of the optical fuse of the present invention can be obtained.
上記グレーティングは連続光レーザの入射光および励起された導波路によって光を吸収し、放熱する。放熱量がある値以上になると、液晶の屈折率が変化することで導波路モードが励起されなくなり、信号がOFFとなり、光ヒューズとしての機能を発揮する。この際、液晶の温度設定を相転移近くにすると、少しの温度差で液晶の屈折率がより大きく変化する為、速めの応答が得られる。尚、本発明の素子では、上記説明のように、液晶の屈折率変化による導波路モードのスイッチング(信号のONおよびOFF)以外に、液晶の相転移による導波路モードのスイッチングもあり得る。但し、液晶の屈折率変化に比べて液晶の相転移に必要な熱量が大きいため、液晶の屈折率変化による導波路モードのスイッチングの方が感度や応答性ははるかに優れる。そこで以下では、液晶の屈折率変化による導波路モードのスイッチングについて説明する。但し、本発明の素子は、液晶の相転移による導波路モードのスイッチングによっても動作をするものである。 The grating absorbs and dissipates light by the incident light of the continuous light laser and the excited waveguide. When the amount of heat radiation exceeds a certain value, the waveguide mode is not excited by changing the refractive index of the liquid crystal, the signal is turned off, and the function as an optical fuse is exhibited. At this time, if the temperature setting of the liquid crystal is close to the phase transition, the refractive index of the liquid crystal changes more greatly with a slight temperature difference, so that a faster response can be obtained. In the element of the present invention, as described above, in addition to the switching of the waveguide mode due to the change in the refractive index of the liquid crystal (signal ON and OFF), the switching of the waveguide mode due to the phase transition of the liquid crystal is also possible. However, since the amount of heat required for the phase transition of the liquid crystal is larger than the change in the refractive index of the liquid crystal, the switching and switching of the waveguide mode by the change in the refractive index of the liquid crystal is far superior in sensitivity and responsiveness. Therefore, in the following, switching of the waveguide mode due to a change in the refractive index of the liquid crystal will be described. However, the element of the present invention also operates by switching in the waveguide mode due to the phase transition of the liquid crystal.
グレーティングは、ワイヤーが並列的に所定間隔で配列されたものである。ワイヤーの線幅、厚みおよびワイヤーの間隔は、本発明の光導波路素子が用いられる光の波長に応じて適宜設定することができる。光導波路素子が用いられる光の波長を(とする。尚、(は、300nm〜300μmの範囲であることができる。その際、ワイヤーの間隔は波長程度の範囲で、ワイヤーの厚みは液晶の種類にもよるが、(/10〜(/100程度、そしてワイヤーの線幅は0.01(〜0.09(程度とすることが適当である。 The grating is one in which wires are arranged in parallel at predetermined intervals. The wire width, thickness, and wire spacing can be appropriately set according to the wavelength of light in which the optical waveguide device of the present invention is used. The wavelength of the light used by the optical waveguide element is (assuming that (can be in the range of 300 nm to 300 μm. In this case, the distance between the wires is in the range of the wavelength, and the thickness of the wire is the kind of liquid crystal. However, it is appropriate that the wire width of the wire is about 0.01 (˜0.09 (about 10 / (/ 100).
液晶層は、例えば、ネマチック液晶からなることができる。ネマチック液晶としては、例えば、MBBA:N-(p-methoxybenzylidene)-p-n-butylaniline(Tc=47℃), 5CB:4`-n-pentyl-4-cyanobiphenyl (Tc=36℃), PAA:p-azoxyanisole(Tc=135℃), EBBA:N-(p-ethoxybenzylidene)-p-n-butylaniline (Tc=81℃)等を挙げることができる。但し、これらの例に限定される意図ではなく、ネマチック液晶であれば、いずれも使用できる。さらに、2種以上のネマチック液晶の混合液晶を用いることもできる。 The liquid crystal layer can be made of, for example, nematic liquid crystal. As the nematic liquid crystal, for example, MBBA: N- (p-methoxybenzylidene) -pn-butylaniline (T c = 47 ° C.), 5CB: 4`-n-pentyl-4-cyanobiphenyl (T c = 36 ° C.), PAA: p-azoxyanisole (T c = 135 ° C.), EBBA: N- (p-ethoxybenzylidene) -pn-butylaniline (T c = 81 ° C.) and the like. However, it is not intended to be limited to these examples, and any nematic liquid crystal can be used. Furthermore, a mixed liquid crystal of two or more nematic liquid crystals can be used.
液晶層の厚さが薄くなると、それだけ応答速度が速いくなること、およびファブリーぺロー効果による多重モード共鳴を避けることを考慮すると、液晶層の厚さは、入射光波長程度またはそれ以下の厚さであることが好ましい。具体的には、10nm〜1000μmの範囲であることができ、好ましくは50nm〜500μmの範囲である。 Considering that the response speed increases as the thickness of the liquid crystal layer decreases, and that multimode resonance due to the Fabry-Perot effect is avoided, the thickness of the liquid crystal layer is about the thickness of the incident light wavelength or less. It is preferable. Specifically, it can be in the range of 10 nm to 1000 μm, and preferably in the range of 50 nm to 500 μm.
光透過性基板は、例えば、石英基板であることができる。石英基板以外であっても、光導波路素子が使用される光に対して、所定の透過性を有するものであれば、適宜使用することはでき、例えば、ガラス基板や合成樹脂基板等であってもよい。光透過性基板の厚みには特に制限はないが、例えば、0.1〜10mmの範囲とすることができる。 The light transmissive substrate can be, for example, a quartz substrate. Other than the quartz substrate, any optical waveguide element can be used as long as it has a predetermined transparency to the light used, for example, a glass substrate or a synthetic resin substrate. Also good. Although there is no restriction | limiting in particular in the thickness of a transparent substrate, For example, it can be set as the range of 0.1-10 mm.
本発明の光導波路素子は、2つの光透過性基板の対向する主表面の間隔を規定するスペーサーを、2つの光透過性基板の対向する主表面の間にさらに有することができる。このスペーサーは、光透過性基板の間隔を規定することができるものであれば、特に制限はない。例えば、光透過性基板の間隔が、サブミクロンである場合、サブミクロンサイズの粒子をスペーサーとして利用し、サブミクロンサイズの粒子が一層になるように光透過性基板の間に配置することで、所定の間隔とすることができる。サブミクロンサイズの粒子の材質には特に限定はないが、化学的あるいは光学的に不活性な物質が得られることが適当である。サブミクロンサイズの粒子は、接着剤を用いて、粒子間および光透過性基板と接着されることができる。接着剤にも、特に制限はない。液晶等の光導波路素子を構成する材料に対して不活性であり、光透過性基板とスペーサーとを良好に接着できるものであれば、公知の接着剤から適宜選択できる。 The optical waveguide device of the present invention can further include a spacer that defines the distance between the opposing main surfaces of the two light-transmitting substrates between the opposing main surfaces of the two light-transmitting substrates. The spacer is not particularly limited as long as it can define the interval between the light transmissive substrates. For example, when the distance between the light-transmitting substrates is submicron, the submicron-sized particles are used as spacers, and the sub-micron-sized particles are arranged between the light-transmitting substrates so that one layer is formed. The predetermined interval can be set. The material of the submicron-sized particles is not particularly limited, but it is appropriate to obtain a chemically or optically inactive substance. Submicron sized particles can be adhered between the particles and with the light transmissive substrate using an adhesive. There is no particular limitation on the adhesive. Any known adhesive can be appropriately selected as long as it is inert to the material constituting the optical waveguide element such as liquid crystal and can satisfactorily bond the light-transmitting substrate and the spacer.
本発明の光導波路素子は、上記スペーサーなしでも作製は可能である。また、スペーサーとしてパターンが作製されたレジスト(フォトレジスト等)を用いることもできる。 The optical waveguide device of the present invention can be manufactured without the spacer. Further, a resist (a photoresist or the like) in which a pattern is formed can be used as the spacer.
本発明の光導波路素子は、光導波路素子の温度を調節するための温度調整装置を併設することもできる。そのような温度調整装置としては、例えば、ヒーター又はペルチエ素子を挙げることができる。ヒーター又はペルチエ素子は、例えば、アルミニウムなどの金属ブロックに光学素子ともに埋め込み、温度検出器で金属ブロックをモニターし、温度調整をすることが好ましい。 The optical waveguide device of the present invention can be provided with a temperature adjusting device for adjusting the temperature of the optical waveguide device. Examples of such a temperature adjusting device include a heater or a Peltier element. It is preferable that the heater or the Peltier element is embedded in a metal block such as aluminum together with an optical element, and the temperature is adjusted by monitoring the metal block with a temperature detector.
光導波路素子を使用する場合に、通常は、ONの状態(導波路モードが励起される状態)であり、光導波路素子が一定以上昇温した場合に、OFFの状態(導波路モードが励起されてい状態)になるように、温度は設定される。光導波路素子が、ONの状態からOFFの状態に変化する温度は、光導波路素子に設けられた1次元フォトニック結晶および液晶層の種類によって変化する。光導波路素子が、ONの状態からOFFの状態に変化する温度は、例えば、上記そのような温度は、温度調整装置を併記した光導波路素子の温度を、金属ブロックに埋め込まれた温度検出器で確認および調整をしつつ、導波路モードが励起されるエネルギー(波長)を測定することで、決定できる。液晶がある屈折率であるときに励起する導波路モードのエネルギー(波長)は、液晶が熱により屈折率が変化した際に励起される導波路モードエネルギー(波長)のシフトに基づいて決定することができ、測定された導波路モードのエネルギーが確認されれば、上記変化温度を見積もることができる。 When an optical waveguide element is used, it is normally in an ON state (a state in which the waveguide mode is excited), and when the optical waveguide element is heated above a certain level, it is in an OFF state (the waveguide mode is excited). The temperature is set so that The temperature at which the optical waveguide element changes from the ON state to the OFF state varies depending on the type of one-dimensional photonic crystal and liquid crystal layer provided in the optical waveguide element. The temperature at which the optical waveguide element changes from the ON state to the OFF state is, for example, such a temperature as described above by using a temperature detector embedded in a metal block with the temperature of the optical waveguide element including the temperature adjusting device. It can be determined by measuring the energy (wavelength) at which the waveguide mode is excited while checking and adjusting. The waveguide mode energy (wavelength) excited when the liquid crystal has a certain refractive index is determined based on the shift of the waveguide mode energy (wavelength) excited when the refractive index of the liquid crystal changes due to heat. If the measured waveguide mode energy is confirmed, the change temperature can be estimated.
本発明の光導波路素子は、入射光を完全に遮断する光ヒューズとして用いることができる。 The optical waveguide device of the present invention can be used as an optical fuse that completely blocks incident light.
[光量制御方法]
本発明は、上記本発明の光導波路素子を用いる光量制御方法も包含する。本発明の光量制御方法は、
(1)入力光伝送要素からの励起光を光導波路素子に入射する工程、
(2)励起光によって光導波路素子で生じた導波路モードの光を出力光伝送要素へ伝送する工程と、
(3)光導波路素子への入射光が所定の光強度レベルを超える場合に、出力光伝送要素へ伝送される導波路モードの光が消失する工程を含み、
前記光導波路素子が本発明の光導波路素子である。
[Light intensity control method]
The present invention also includes a light amount control method using the optical waveguide element of the present invention. The light quantity control method of the present invention is:
(1) a step of making excitation light from the input light transmission element enter the optical waveguide element;
(2) a step of transmitting waveguide mode light generated in the optical waveguide element by the excitation light to the output optical transmission element;
(3) when the incident light to the optical waveguide element exceeds a predetermined light intensity level, including a step of eliminating the waveguide mode light transmitted to the output light transmission element;
The optical waveguide element is the optical waveguide element of the present invention.
光導波路素子への入射励起光は、入力光伝送要素から、光導波路素子の1次元フォトニック結晶と隣接していない方の光透過性基板から光導波路素子に入射する。入力光伝送要素は、例えば、光ファイバであることができる。 Incident excitation light to the optical waveguide element enters the optical waveguide element from the light transmitting substrate that is not adjacent to the one-dimensional photonic crystal of the optical waveguide element from the input light transmission element. The input optical transmission element can be, for example, an optical fiber.
入射した光は、光透過性基板および液晶層を透過した後に1次元フォトニック結晶に到達する。1次元フォトニック結晶は、励起光によって導波路モードの光を生成し、生成した導波路モードの光は、光透過性基板の主表面と平行な方向に出射して、出力光伝送要素へ伝送される。1次元フォトニック結晶の光学特性に合わせた定常波レーザを励起光として入射すると、1次元フォトニック結晶である、例えば、Crグレーティングのブラッグ反射により、液晶層に導波路モードが励起され導波路モードは伝播する(この状態を信号ONとする。)。 The incident light reaches the one-dimensional photonic crystal after passing through the light-transmitting substrate and the liquid crystal layer. The one-dimensional photonic crystal generates waveguide mode light by excitation light, and the generated waveguide mode light is emitted in a direction parallel to the main surface of the light-transmitting substrate and transmitted to the output light transmission element. Is done. When a standing wave laser that matches the optical characteristics of the one-dimensional photonic crystal is incident as excitation light, the waveguide mode is excited in the liquid crystal layer by Bragg reflection of a one-dimensional photonic crystal, for example, Cr grating, and the waveguide mode is Propagate (this state is signal ON).
上記で生成した導波路モードの光の一部は、1次元フォトニック結晶に吸収され、吸収された熱は1次元フォトニック結晶から発散し、その一部は液晶層に吸収される。具体的には、可視光領域で光の吸収がある、例えば、Cr製のグレーティングは、定常波レーザの入射光そして励起された導波路モードによって光を吸収し、放熱する。入射光が所定の光強度レベルを超えて、1次元フォトニック結晶からの発散熱量が所定レベルを超えて、液晶層に吸収される熱量が所定レベルを超えて、液晶の屈折率が変化する。液晶の屈折率が変化するその変化分だけ、導波路素子内を伝播する光のエネルギー(波長)は変化する。その結果、液晶層に励起されていた導波路モードが励起されなくなり、出力光伝送要素へ伝送される導波路モードの光が消失する(この状態を信号OFFとする。)。 A part of the waveguide mode light generated above is absorbed by the one-dimensional photonic crystal, and the absorbed heat is diffused from the one-dimensional photonic crystal, and a part thereof is absorbed by the liquid crystal layer. Specifically, for example, a grating made of Cr that absorbs light in the visible light region absorbs and dissipates light by incident light of a standing wave laser and an excited waveguide mode. When the incident light exceeds a predetermined light intensity level, the amount of heat dissipated from the one-dimensional photonic crystal exceeds a predetermined level, the amount of heat absorbed by the liquid crystal layer exceeds a predetermined level, and the refractive index of the liquid crystal changes. The energy (wavelength) of the light propagating in the waveguide element changes by the change in the refractive index of the liquid crystal. As a result, the waveguide mode excited in the liquid crystal layer is not excited, and the waveguide mode light transmitted to the output light transmission element disappears (this state is referred to as signal OFF).
しかし、素子全体から外部へも放熱していることから、この素子全体からの放熱量が1次元フォトニック結晶からの放熱量に勝り、液晶の屈折率の変化に達しない場合には、上記液晶の相転移による導波路モードの光伝播の停止は生じない。即ち、入射励起光のパワーが、素子全体からの放熱量が1次元フォトニック結晶からの放熱量に勝るレベルでない場合には、上記のような液晶の相転移は生じず、自発的スイッチングは起らない。また、上述のように、必要な一定量の光のパワーで励起光を入射した際に、平衡となる温度を測定し、その温度での液晶の屈折率で励起する導波路モードの波長を選択する。そうすると、必要な光パワーでは導波路モードは励起し続けて、それ以上の光パワーが入射されると導波路モードは消失することが可能となる。 However, since heat is radiated from the entire element to the outside, the amount of heat radiated from the entire element is greater than the amount of heat radiated from the one-dimensional photonic crystal, and the liquid crystal does not reach the change in the refractive index. There is no stop of light propagation in the waveguide mode due to the phase transition. In other words, when the power of the incident excitation light is not at a level where the amount of heat released from the entire element is higher than the amount of heat released from the one-dimensional photonic crystal, the above-described liquid crystal phase transition does not occur and spontaneous switching occurs. Not. In addition, as described above, when excitation light is incident at the required fixed amount of light power, the temperature at which equilibrium is measured is measured, and the wavelength of the waveguide mode that is excited by the refractive index of the liquid crystal at that temperature is selected. To do. Then, the waveguide mode continues to be excited at the required optical power, and the waveguide mode can disappear when more optical power is incident.
また、液晶層に導波路モードの光が励起されなくなり、出力光伝送要素へ伝送される導波路モードの光が消失しても、入射励起光の強度が低下して、素子全体からの放熱量が1次元フォトニック結晶からの放熱量に勝る状態にあり、液晶層の温度が、液晶の屈折率変化温度を下回り、液晶の屈折率が元に戻れば、液晶層の導波路モードの光の伝播は回復する(再度、信号ONの状態になる。)。 In addition, even if the waveguide mode light is not excited in the liquid crystal layer and the waveguide mode light transmitted to the output light transmission element disappears, the intensity of the incident excitation light decreases, and the amount of heat released from the entire device. If the temperature of the liquid crystal layer is lower than the refractive index change temperature of the liquid crystal and the refractive index of the liquid crystal returns to the original state, the light of the waveguide mode light of the liquid crystal layer returns. Propagation is restored (again, the signal is turned on again).
本発明の光導波路素子は、所定のレベルを超える強度の光から、下流に設置された装置等を保護するような素子、光学ヒューズとしての活用が期待される。また、オフになった後、入射されていた定常波レーザを消すと液晶が再び元の屈折率に戻る為、光導波路素子としての機能が回復する。このように、入射光の強度が所定レベル以下になれば、導波路モードが液晶層に再び励起され、繰り返し、光ヒューズとして利用できる。 The optical waveguide element of the present invention is expected to be used as an element or an optical fuse that protects a device installed downstream from light having an intensity exceeding a predetermined level. Further, when the incident standing wave laser is turned off after being turned off, the liquid crystal returns to the original refractive index again, so that the function as the optical waveguide element is restored. As described above, when the intensity of incident light falls below a predetermined level, the waveguide mode is excited again in the liquid crystal layer, and can be used repeatedly as an optical fuse.
本発明の光導波路素子を利用した光スイッチ(光ヒューズ)の例を図5に示す。光導波路素子(sample)のグレーティングに合わせた波長の連続光(optical signal)が試料に入射し(CW input)、導波路モードが液晶層に励起される。光導波路素子(sample)の横から(x軸方向、図1参照)導波路モードの信号(Signal output)が光検知器(photo detector)で確認される。(この状態を信号ONとする。)ある強度以上の連続光が入射した場合、液晶は屈折率の変化または相転移を起こし、導波路モードの励起エネルギーがシフトし、励起されていた導波路モードが励起されなくなる。(この状態を信号OFFとする。)信号のONおよびOFFを光検出器(photo detector)で検出し、検出情報に基づいて、入射光を制御することができる。 An example of an optical switch (optical fuse) using the optical waveguide device of the present invention is shown in FIG. A continuous light (optical signal) having a wavelength matching the grating of the optical waveguide element (sample) is incident on the sample (CW input), and the waveguide mode is excited in the liquid crystal layer. From the side of the optical waveguide element (sample) (in the x-axis direction, see FIG. 1), a signal in the waveguide mode (Signal output) is confirmed by a photodetector (photo detector). (This state is signal ON.) When continuous light of a certain intensity or more is incident, the liquid crystal undergoes a change in refractive index or phase transition, and the excitation energy of the waveguide mode shifts, and the waveguide mode that has been excited. Is no longer excited. (This state is referred to as signal OFF.) Signal ON and OFF can be detected by a photodetector, and incident light can be controlled based on the detection information.
連続光が入射されなくなると、液晶の温度が下がり、液晶の屈折率または相が元に戻る為、もう一度、光ヒューズとして使用可能である。 When continuous light is not incident, the temperature of the liquid crystal decreases and the refractive index or phase of the liquid crystal returns to its original value, so that it can be used again as an optical fuse.
従来から光学スイッチング、光リミッタについての提案はあるが、自発的スイッチングを利用し、且つ再使用可能な、光学素子としての提案は本発明特有のものである。従来から光学スイッチング、光リミッタは、図6の上図に示す、挙動を示すものであるのに対して、本発明の光導波路素子は、図6の下図に示す、挙動を示すものである。 Conventionally, there have been proposals for optical switching and optical limiters, but the proposal as an optical element that utilizes spontaneous switching and can be reused is unique to the present invention. Conventionally, the optical switching and the optical limiter show the behavior shown in the upper diagram of FIG. 6, whereas the optical waveguide device of the present invention shows the behavior shown in the lower diagram of FIG.
以下、本発明を実施例により、さらに詳細に説明する。以下の実施例は本発明の説明の目的で記載するものであり、本発明の範囲を限定する意図ではない。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples. The following examples are set forth for purposes of illustration and are not intended to limit the scope of the invention.
実施例1
1)試料の製作
本実施例の光導波路素子の作製方法は以下の通りである。
一枚の石英基板上に電子ビームリソグラフィー法を使いCrの一次元グレーティング(フォトニック結晶)を作製した。Crグレーティングの周期は500nmとした。濃硫酸過酸化水素水(ピラニア溶液)で前処理され石英基板上に電子ビーム用のレジストを塗布、スピンコートした。電子ビームでの露光後、現像をし、プラズマスパッターを利用し低温度で60nm程のCrの薄膜を形成した。リフトオフ(レジストの剥離)によって、ナノサイズ(200nm)のCrワイヤーが周期的に配列された形状のCrグレーティングが作製された。Crはプラズマスパッターで比較的容易に薄膜が形成され、リフトオフが可能である。グレーティングの形状はネマチック液晶の配向に適しており、フォトリソグラフィー法での大量生産も可能である。
Example 1
1) Production of sample The production method of the optical waveguide device of this example is as follows.
A one-dimensional Cr grating (photonic crystal) was fabricated on a single quartz substrate using an electron beam lithography method. The period of the Cr grating was 500 nm. A pre-treatment with concentrated hydrogen peroxide solution (piranha solution) was applied onto a quartz substrate, and a resist for electron beam was applied and spin-coated. After exposure with an electron beam, development was performed, and a Cr thin film having a thickness of about 60 nm was formed at low temperature using plasma sputtering. A Cr grating having a shape in which nano-sized (200 nm) Cr wires are periodically arranged was produced by lift-off (resist peeling). Cr forms a thin film relatively easily by plasma sputtering and can be lifted off. The shape of the grating is suitable for the alignment of nematic liquid crystal and can be mass-produced by photolithography.
次に、サブマイクロサイズのシリカ粒子(日本触媒からの提供)をスペーサーとして利用し、グレーティングが作製された基板上に並べた。 Next, sub-micro size silica particles (provided by Nippon Shokubai Co., Ltd.) were used as spacers and arranged on the substrate on which the grating was fabricated.
2枚の基板のギャップ間隔を制御するために、シリカ粒子をスペーサーとして使用した。1μm以下のギャップの作製であった為、サブマイクロサイズの粒子を利用した。基板洗浄後、水で分散されたシリカ粒子を含むシリカ溶液を、マイクロシリンジを用いて、基板表面の端側に滴下した。次いで、60℃から80℃程度の熱をかけて、水を蒸発させた。蒸発温度はシリカ粒子のサイズにより適宜調整できる)。水が蒸発する際にシリカ粒子が重ならない様に、比較的ゆっくり蒸発させることが適当である。 Silica particles were used as spacers to control the gap distance between the two substrates. Since the gap was 1 μm or less, sub-micro size particles were used. After washing the substrate, a silica solution containing silica particles dispersed in water was dropped onto the end side of the substrate surface using a microsyringe. Next, heat was applied from 60 ° C. to 80 ° C. to evaporate the water. The evaporation temperature can be adjusted as appropriate according to the size of the silica particles). It is appropriate to evaporate relatively slowly so that the silica particles do not overlap when the water evaporates.
数回ろ過され浮遊物を除去したエポキシ(協立化学産業から入手)でもう一枚の前処理された石英基板を上から貼り付けセルを作製した。数回ろ過され浮遊物を除去したエポキシは、充填剤を含まないものであり、粘性も比較的小さいものが適当である。洗浄された金属グレーティングが作製されている基板表面の端側に少量のエポキシを塗布する。そして、シリカ粒子がばらまかれた基板上に置き、圧力をかけてエポキシをUVおよび熱硬化した。 A cell was prepared by attaching another pretreated quartz substrate from above with epoxy (obtained from Kyoritsu Chemical Industry) that had been filtered several times to remove suspended matters. Epoxies that have been filtered several times to remove suspended solids are free from fillers, and those having a relatively low viscosity are suitable. A small amount of epoxy is applied to the edge side of the substrate surface on which the cleaned metal grating is fabricated. The epoxy was then UV and heat cured by placing it on a substrate with dispersed silica particles and applying pressure.
UV(15J/cm2)と熱(120℃)により、エポキシを硬化した。セルの完成後、光の干渉により、ギャップの厚さを確認した。ギャップの厚さは薄いほうが観測的にも応答スピードを上げる為にも好ましい。上記スペーサーとして使用するシリカ粒子より大きな付着物があると、所望のギャップが実現できないので、上記セルの作成はクリーンルームの中で行う。 The epoxy was cured by UV (15 J / cm 2 ) and heat (120 ° C.). After the cell was completed, the gap thickness was confirmed by light interference. A thinner gap is preferable for increasing the response speed in observation. If there is a larger deposit than the silica particles used as the spacer, the desired gap cannot be realized, so the cell is created in a clean room.
尚、グレーティング作製前に基板を酸洗浄した。グレーティング作製後はアセトン、IPAなどで洗浄した。グレーティングの作製されていないもう片方の基板は酸洗浄処理した後にクリーンルームで更にアセトン、IPAで洗浄した。クリーンルームはクラス100(100粒子/ft3)である。 The substrate was acid-washed before producing the grating. After preparation of the grating, it was washed with acetone, IPA or the like. The other substrate on which no grating was prepared was subjected to an acid cleaning treatment and then further cleaned with acetone and IPA in a clean room. The clean room is class 100 (100 particles / ft 3 ).
本実施例では、基板と基板の間隔(ギャップ)が、5μmの光導波路素子が作製された。(図1参照) In this example, an optical waveguide device having a substrate-to-substrate distance (gap) of 5 μm was produced. (See Figure 1)
最後に高い温度(80−100℃)に上げて粘性を落とした液晶を真空引きしながら、キャピラリーを使い、セルの間に注入した。セルのギャップの厚さによって、液晶層の厚さが決まる。本実施例では、液晶として5CB(4-シアノ-4'-n-ペンチルビフェニル)を使用した。5CBは室温でネマチック相、35℃で等方(イソトロピック)相に相転移する。注入後、液晶はCrグレーティングに沿って自然に配列した(Planar配向)。図1に本実施例で得られた光導波路素子の説明図を示す。 Finally, while raising the temperature to a high temperature (80-100 ° C.) and reducing the viscosity of the liquid crystal, a capillary was used to inject the liquid crystal between the cells. The thickness of the liquid crystal layer is determined by the thickness of the cell gap. In this example, 5CB (4-cyano-4′-n-pentylbiphenyl) was used as the liquid crystal. 5CB undergoes a phase transition to a nematic phase at room temperature and an isotropic phase at 35 ° C. After the injection, the liquid crystals were naturally aligned along the Cr grating (Planar orientation). FIG. 1 is an explanatory diagram of the optical waveguide device obtained in this example.
2)試料の特性確認
観測の最初の過程として白色光(ハロゲンライト)を素子の表面に対して垂直入射し、その透過光で導波路の形成される波長の値を確認した。この際、素子は相転移温度の少し下のネマチック相の温度に設定した。また、導波路の観測の為の白色光はTEモードとTMモードによって偏光板が調整された。即ち、TE導波路モードはグレーティングと同軸方向(y軸方向、図1参照)に偏光している導波路モードである。TMモードはグレーティングの垂直方向(x、z平面状に電場が、y軸方向に磁場がむいている、図1参照)に偏光している導波路モードである。入射光をx軸またはy軸に偏光することにより、TM導波路モードかTM導波路モードを基板間(液晶層)に励起することができる。
2) Confirmation of sample characteristics As the first process of observation, white light (halogen light) was perpendicularly incident on the surface of the device, and the value of the wavelength at which the waveguide was formed by the transmitted light was confirmed. At this time, the device was set to a nematic phase temperature slightly below the phase transition temperature. In addition, the polarizing plate of white light for observation of the waveguide was adjusted by the TE mode and the TM mode. That is, the TE waveguide mode is a waveguide mode polarized in the coaxial direction (y-axis direction, see FIG. 1) with the grating. The TM mode is a waveguide mode that is polarized in the vertical direction of the grating (the electric field is in the x and z planes and the magnetic field is in the y-axis direction, see FIG. 1). By polarizing incident light in the x-axis or y-axis, the TM waveguide mode or the TM waveguide mode can be excited between the substrates (liquid crystal layer).
図2に、白色光透過スペクトルを示す。試料と入射光間の角度を-10°から+10°に2°おきに測定した結果である。グレーティングにおける励起エネルギー(波長)の値で導波路モードが励起されていることが確認できる。入射光はy軸方向(図1参照、グレーティングと平行方向)にTE導波路モード測定の為に偏光されてある。 FIG. 2 shows a white light transmission spectrum. This is a result of measuring the angle between the sample and the incident light every 2 ° from −10 ° to + 10 °. It can be confirmed that the waveguide mode is excited by the value of the excitation energy (wavelength) in the grating. Incident light is polarized in the y-axis direction (see FIG. 1, parallel to the grating) for TE waveguide mode measurement.
本実施例ではTEモードの導波路が顕著に観測出来た為、全ての観測はTEモードを使って実験した(図2参照)。 In this example, since the TE mode waveguide was remarkably observed, all observations were conducted using the TE mode (see FIG. 2).
素子は温度調節の為、サーモバス(図1には図示せず)に埋め込んだ。このサーモバス(温度制御機)は摂氏1度おきの調整が可能である。次に、素子中の液晶が等方(イソトロピック)相に相転移する温度より高い温度に、素子の温度を31〜34℃に調整した。そして、イソトロピック相に形成された導波路を確認した。図3の(a-1,a-2)に白色透過スペクトルを示す。入射光は試料に対して垂直入射。(a-1)試料温度は液晶(ネマチック〜等方相)相転移温度以下の摂氏31度に、(a-2)試料温度は液晶が等方相に配向するとされる、摂氏34度に設定されている。(a-1)と(a-2)では50nm以上のシフトが測定できた。 The element was embedded in a thermo bath (not shown in FIG. 1) for temperature control. This thermobus (temperature controller) can be adjusted every other degree Celsius. Next, the temperature of the device was adjusted to 31 to 34 ° C. so that the temperature of the liquid crystal in the device was higher than the temperature at which the liquid crystal transitioned to the isotropic phase. And the waveguide formed in the isotropic phase was confirmed. The white transmission spectrum is shown in (a-1, a-2) of FIG. Incident light is perpendicular to the sample. (A-1) The sample temperature is set to 31 degrees Celsius below the liquid crystal (nematic to isotropic phase) phase transition temperature, and (a-2) the sample temperature is set to 34 degrees Celsius, where the liquid crystal is oriented in the isotropic phase. Has been. In (a-1) and (a-2), a shift of 50 nm or more could be measured.
次に、白色光に換わって、連続光レーザで導波路素子を励起した。連続光レーザにはスペクトラフィジック社製TSUNAMIのピコ秒ロックを解除して、可視、近赤外線で波長変調可能なレーザを使用した。ネマチック液晶層に形成されるTE導波路モードの高波長側の波長(797.73nm)に合わせた。励起光の波長幅は1nm以下である。まず、定常波入射に対しての液晶の相転移が確認された。 Next, instead of white light, the waveguide element was excited with a continuous light laser. As the continuous light laser, a laser capable of modulating the wavelength with visible and near infrared light after releasing the picosecond lock of TSUTNAMI manufactured by SpectraPhysics was used. The wavelength was adjusted to the wavelength on the high wavelength side (797.73 nm) of the TE waveguide mode formed in the nematic liquid crystal layer. The wavelength width of the excitation light is 1 nm or less. First, the phase transition of liquid crystal with respect to standing wave incidence was confirmed.
図3の(b-1,b-2)液晶の理想配向状態を憶測した数値計算を示す。(b-1)は液晶がグレーティングに沿って配向したとされる透過スペクトルの数値結果である。(b-2)液晶が等方配向したと仮定した数値透過スペクトルである。(a)と(b)では同等程度に導波路モードの励起、そして同等程度の50nm以上の液晶相転移によるスペクトルシフトが測定された。よって液晶が理想的に配向しその制御が温度調整により可能なことが示された。 Fig. 4 shows numerical calculations based on the ideal alignment state of the (b-1, b-2) liquid crystal in Fig. 3. (B-1) is a numerical result of a transmission spectrum in which the liquid crystal is aligned along the grating. (B-2) Numerical transmission spectrum assuming that the liquid crystal is isotropically oriented. In (a) and (b), the waveguide mode was excited to the same extent, and the spectral shift due to the liquid crystal phase transition of 50 nm or more was measured to the same extent. Therefore, it was shown that the liquid crystal is ideally aligned and can be controlled by adjusting the temperature.
白色光をプローブ光として、素子の表面と10度程の角度をつけて透過光を観測した。励起光(パワー、157mW)が入射された直後に観測された導波路(d-1)と入射されて10分ほど経過した導波路(d-2)では、液晶が相転移する前(ネマチック相での導波路(c-1))と相転移した後(イソトロピック相での導波路(c-2))と同じスペクトルがそれぞれ確認された(図3(c)、(d)参照)。 Using white light as probe light, transmitted light was observed at an angle of about 10 degrees with the surface of the element. In the waveguide (d-1) observed immediately after the excitation light (power, 157 mW) is incident and the waveguide (d-2) that has been incident for about 10 minutes, before the liquid crystal undergoes phase transition (nematic phase) After the phase transition with the waveguide (c-1)), the same spectrum as that of the waveguide in the isotropic phase (c-2) was confirmed (see FIGS. 3 (c) and 3 (d)).
図3の(c-1,c-2)白色光(プローブ光)透過スペクトル。入射光は試料に対して10°の角度で入射。(c-1)液晶がネマチック相とされる31℃に試料温度を調整した。(c-2)液晶が等方相とされる34℃に試料温度を調整した。(d-1,d-2)パンプ光(737.79nmの励起光)に対しての導波路モードの自発スイッチングの測定である。中央の737.79nm付近のピークはパンプ光(励起光)の散乱光である。白色透過スペクトルを(c)と同じく、試料に対して10°の角度で入射し透過スペクトルを測定した。(d-1)パンプ光が試料に入射した直後の白色光(プローブ光)透過スペクトルである。試料温度は液晶がネマチック相であるとされる31℃に設定した。(d-2)試料温度の温度変更は行わずに、パンプ光が試料に10分間当て続けられた後に測定された白色光(プローブ光)透過スペクトルである。(d-1,d-2)では、温度調整をして液晶を相転移した際の透過スペクトル(c-1,c-2)のシフトと同等の温度調整をせずに励起光のみによるスペクトルシフトが測定された。よって、(d-1,d-2)は励起光により、自発的に液晶に相転移を起こし、導波路モードのシフトが測定されたことを示す。 (C-1, c-2) white light (probe light) transmission spectrum of FIG. Incident light is incident on the sample at an angle of 10 °. (C-1) The sample temperature was adjusted to 31 ° C. at which the liquid crystal is in the nematic phase. (C-2) The sample temperature was adjusted to 34 ° C. where the liquid crystal is in an isotropic phase. This is a measurement of spontaneous switching of a waveguide mode with respect to (d-1, d-2) pump light (737.79 nm excitation light). The peak near the center of 737.79 nm is scattered light of pump light (excitation light). Similar to (c), the white transmission spectrum was incident on the sample at an angle of 10 °, and the transmission spectrum was measured. (D-1) A white light (probe light) transmission spectrum immediately after the pump light is incident on the sample. The sample temperature was set to 31 ° C. where the liquid crystal was considered to be in the nematic phase. (D-2) This is a white light (probe light) transmission spectrum measured after pump light was kept on the sample for 10 minutes without changing the sample temperature. In (d-1, d-2), the spectrum based only on excitation light without temperature adjustment equivalent to the shift of the transmission spectrum (c-1, c-2) when the temperature is adjusted and the liquid crystal undergoes phase transition. Shift was measured. Therefore, (d-1, d-2) indicates that the phase transition was spontaneously caused in the liquid crystal by the excitation light, and the shift of the waveguide mode was measured.
この実験により、励起光(157mWの定常波)が一次元Crフォトニック結晶に吸収され熱を発散し、液晶の相転移を自発的に起こしたことが確認できた。 This experiment confirmed that the excitation light (steady wave of 157 mW) was absorbed by the one-dimensional Cr photonic crystal, dissipated heat, and the liquid crystal phase transition spontaneously occurred.
3)動作確認
励起光パワー強度の違いによる素子中の液晶の相転移速度の違いを測定した。励起光の波長は前述の実験と同じ波長797.73nmが使われた。プローブ光にはHe−Neレーザが使用された。前述の実験と同様に、素子の表面に対して10度程度の角度からのプローブ光の透過測定である。この実験の透過測定の際、プローブ光は2枚の偏光板の間を通る様に、そして素子はその2枚の偏光板の間に設置された。プローブ透過光は励起光のからの散乱光のノイズを最小にする為、分光器を通ってから、フォト探知機で透過光の強度が測定された。二枚の偏光板は外部から素子中の液晶温度をイソトロピック相にまで上げた際、プローブ透過光の強度が最小(ゼロ値付近)になるように設置された。結果を図4に示す。
3) Operation check The difference in the phase transition speed of the liquid crystal in the device due to the difference in the excitation light power intensity was measured. The wavelength of the excitation light was 797.73 nm, the same as in the previous experiment. A He—Ne laser was used as the probe light. Similar to the above-described experiment, the probe light transmission is measured from an angle of about 10 degrees with respect to the surface of the element. In the transmission measurement of this experiment, the probe light was passed between the two polarizing plates, and the element was placed between the two polarizing plates. In order to minimize the noise of the scattered light from the excitation light, the intensity of the transmitted light was measured with a photo detector after passing through the spectroscope. The two polarizing plates were installed so that the intensity of the probe transmitted light was minimized (near the zero value) when the liquid crystal temperature in the device was raised to the isotropic phase from the outside. The results are shown in FIG.
図4は、励起光(737.79nm)の光度強度の違いによる液晶相転移の速度の測定結果を示す。励起光による液晶が自発的に相転移する様子を示す。試料を2枚の偏光板の間に設置し、その透過強度で測定した。試料温度を液晶が等方相に配向する34℃に設定し、2枚の偏光板をお互いに直角に設定。液晶が等方相の際、透過強度が最小、ゼロ付近になるように設置した。液晶に位方性がある場合、複屈折性がある為、2枚の偏光が直角になっていても、透過光が測定できる。まず、試料温度を液晶がネマチック相、31℃に設定する。その際の透過光強度で後の透過光強度を規格化する。励起光強度が79mWの際には透過光強度はゼロにはならなかった。励起光強度を上げていくと、最大157mWで液晶が535ミリ秒後には相転移することが確認できた。(図4内のテーブル参照。) FIG. 4 shows the measurement result of the speed of liquid crystal phase transition due to the difference in luminous intensity of excitation light (737.79 nm). A state in which liquid crystal by excitation light spontaneously undergoes phase transition is shown. A sample was placed between two polarizing plates and measured by its transmission intensity. The sample temperature is set to 34 ° C. where the liquid crystal is oriented in the isotropic phase, and the two polarizing plates are set perpendicular to each other. When the liquid crystal is in the isotropic phase, the transmission intensity is set to a minimum and near zero. When the liquid crystal has a directionality, the transmitted light can be measured even if the two polarized light beams are at right angles because of the birefringence. First, the liquid crystal is set to a nematic phase and 31 ° C. The transmitted light intensity at that time is normalized by the transmitted light intensity at that time. When the excitation light intensity was 79 mW, the transmitted light intensity did not become zero. As the excitation light intensity was increased, it was confirmed that the liquid crystal transitioned after 535 milliseconds at a maximum of 157 mW. (Refer to the table in FIG. 4.)
79mWの励起光に対しては、液晶の相転移は観測できなかった。102mWの励起光では13秒以上、130mWの励起光に対しては630ミリ秒以上、そして157mWの励起光に対しては353ミリ秒以の定常入射により、プローブ透過光が初期値より一度増加し、その後、ゼロ付近に経時的に減衰した。79mWの励起光では素子中の液晶の相転移は起こらないが、励起光の強度が増すにつれ、相転移の速度も増加することが測定された。励起光はネマチック相において励起された導波路の高波長側の波長に設定されている。ネマチック相において励起された導波路は、イソトロッピク相に変化すると、液晶の屈折率が大きく変化する為に低波長側に50nm以上スイッチングする(図2参照)。その為、ネマチック相において高波長側で励起されていた導波路は励起されなくなる。 A liquid crystal phase transition could not be observed for 79 mW excitation light. The probe transmitted light increases once from the initial value due to steady incidence of 13 msec or more for 102 mW excitation light, 630 msec or more for 130 mW excitation light, and 353 msec for 157 mW excitation light. Then, it attenuated with time near zero. It was measured that the phase transition of the liquid crystal in the device did not occur with the excitation light of 79 mW, but the speed of the phase transition increased as the intensity of the excitation light increased. The excitation light is set to a wavelength on the high wavelength side of the waveguide excited in the nematic phase. When the waveguide excited in the nematic phase changes to the isotropic phase, the refractive index of the liquid crystal changes greatly, so that it switches to the lower wavelength side by 50 nm or more (see FIG. 2). Therefore, the waveguide that has been excited on the high wavelength side in the nematic phase is not excited.
図4が示すようにそのスイッチングの速度は励起光の強度によるが、最大353ミリ秒以上が本実施例では測定された。この際の励起光強度はダイオードレーザーなどでも容易に得られる強度である為、光のリーク防止、強度の光に対する照射を避ける際の光学スイッチに適している。 As shown in FIG. 4, the switching speed depends on the intensity of the excitation light, but a maximum of 353 milliseconds or more was measured in this example. The intensity of the excitation light at this time is an intensity that can be easily obtained with a diode laser or the like, and is therefore suitable for an optical switch for preventing light leakage and avoiding irradiation with intense light.
尚、本実施例で作製されたCrグレーティングの形状は一般的に液晶をPlanar配向にする際にRubbing処理されるポリマーと類似している。この応用により2次元、3次元フォトニック結晶を利用した液晶の配向に比べ、より簡潔に配向されたネマチック液晶層が可能となる。 Note that the shape of the Cr grating produced in this example is generally similar to the polymer that is rubbed when the liquid crystal is planarized. This application enables a nematic liquid crystal layer that is more concisely aligned than liquid crystal alignment using two-dimensional and three-dimensional photonic crystals.
一般的にフォトニック結晶のマイクロキャヴィティーに液晶を注入して光スイッチの研究をする際に2次元、3次元フォトニック結晶が使われている。ネマチック液晶は棒状(1次元的形状)なものの集合流体である。2次元、3次元フォトニック結晶内での液晶の配向は等価な組み合わせが複数あるので液晶を特定方向に制御するのは困難である。1次元グレーティング内では、液晶はグレーティングに沿ってほぼ確実に配向する。その結果、液晶が相転移する際にみられる光スイッチも効率良く最大化される。よって従来みられるスイッチングより大きな値でのスイッチング(50nm以上のシフト)が観測された。 In general, two-dimensional and three-dimensional photonic crystals are used to study optical switches by injecting liquid crystals into photocavity microcavities. A nematic liquid crystal is an aggregate fluid of a rod-like (one-dimensional shape). Since there are a plurality of equivalent combinations of liquid crystal orientations in the two-dimensional and three-dimensional photonic crystals, it is difficult to control the liquid crystal in a specific direction. In the one-dimensional grating, the liquid crystal is almost certainly aligned along the grating. As a result, the optical switch seen when the liquid crystal undergoes phase transition is also maximized efficiently. Therefore, switching (shift of 50 nm or more) at a larger value than that observed in the past was observed.
実施例2
実施例1は、液晶の相転移に基づくスイッチングの例であるが、本実施例では、液晶の屈折率の変化に基づくスイッチングの例を示す。使用する光導波路素子は、実施例1のものと同一である。実験装置概略図を図7に示す。
Example 2
Example 1 is an example of switching based on the phase transition of the liquid crystal, but in this example, an example of switching based on a change in the refractive index of the liquid crystal is shown. The optical waveguide element used is the same as that of the first embodiment. A schematic diagram of the experimental apparatus is shown in FIG.
(a)液晶層内の導波路モードの有無の確認実験。
(b)同時に液晶層の変化を観測する実験。
(A) Confirmation experiment of presence / absence of waveguide mode in liquid crystal layer.
(B) An experiment to observe changes in the liquid crystal layer at the same time.
(a)試料を初期温度、T=Tc−1:ネマチック相で且つ相転移温度付近、に設定した。励起光(連続光)をその際に励起される導波路モードエネルギー(この場合波長)に設定する。励起光に対して垂直に(試料の側面から)伝播する導波路モードの時間的応答を測定した。結果を図8の(a)に示す。時間、0秒でシャッターが開けられ、その際に導波路モードが測定された。しかし、25ミリ秒後には導波路モードは消失した。この時の導波路モードのパワーはシャッターが閉じている状況の値より高い。これには、試料内の液晶層を透過した励起光のいくらかが、石英基板内でTotal Internal Reflectionを起こして、基板内を伝播しているものと思われる。このバックグラウンドノイズを取り除く為、基板の側面をある部分、黒く塗ったが光が少し漏れているものと考えられる。 (A) The sample was set to an initial temperature, T = Tc-1: nematic phase and near the phase transition temperature. The excitation light (continuous light) is set to the waveguide mode energy (wavelength in this case) excited at that time. The temporal response of the waveguide mode propagating perpendicular to the excitation light (from the side of the sample) was measured. The results are shown in FIG. The shutter was opened at time 0 seconds, at which time the waveguide mode was measured. However, the waveguide mode disappeared after 25 milliseconds. The power of the waveguide mode at this time is higher than the value in the situation where the shutter is closed. This is thought to be because some of the excitation light transmitted through the liquid crystal layer in the sample caused total internal reflection in the quartz substrate and propagated in the substrate. In order to remove this background noise, the side surface of the substrate is painted black, but it is thought that light leaks a little.
(b)同時に試料の同じ位置での液晶層の変化を測定した。結果を図8の(b)に示す。導波路モードが25秒以内で消失していることに対して、液晶はこの測定時間内では相転移は起こしていない(透過光はゼロにはなっていない)。しかし、その層は、透過光は、大きく変化している。これは液晶の屈折率の変化を表している。導波路モードがうまく閉じ込められている為、少しの液晶の屈折率の変化ででも、導波路モードエネルギーがシフトし励起されないことが(a)と(b)で示されている。 (B) At the same time, the change of the liquid crystal layer at the same position of the sample was measured. The result is shown in FIG. In contrast to the disappearance of the waveguide mode within 25 seconds, the liquid crystal does not undergo phase transition within this measurement time (transmitted light is not zero). However, the light transmitted through the layer is greatly changed. This represents a change in the refractive index of the liquid crystal. It is shown in (a) and (b) that the waveguide mode energy is well confined, so that even a slight change in the refractive index of the liquid crystal causes the waveguide mode energy to shift and not be excited.
本発明は、光伝送の分野に有用である。 The present invention is useful in the field of optical transmission.
Claims (11)
(2)励起光によって光導波路素子で生じた導波路モードの光を出力光伝送要素へ伝送する工程と、
(3)光導波路素子への入射光が所定の光強度レベルを超える場合に、出力光伝送要素へ伝送される導波路モードの光が消失する工程を含み、
前記光導波路素子が請求項1〜7のいずれか1項に記載の光導波路素子である光量制御方法。 (1) a step of making excitation light from the input light transmission element enter the optical waveguide element;
(2) a step of transmitting waveguide mode light generated in the optical waveguide element by the excitation light to the output optical transmission element;
(3) when the incident light to the optical waveguide element exceeds a predetermined light intensity level, including a step of eliminating the waveguide mode light transmitted to the output light transmission element;
Light quantity control method the optical waveguide device is an optical waveguide element according to any one of claims 1-7.
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