JPH01319733A

JPH01319733A - 光導波素子

Info

Publication number: JPH01319733A
Application number: JP15211388A
Authority: JP
Inventors: Kazuo Isaka; 井阪　和夫; Shuzo Kaneko; 金子　修三; Akihiro Mori; 明広毛利; Kazuo Yoshinaga; 和夫吉永; Yutaka Kurabayashi; 豊倉林
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1988-06-22
Filing date: 1988-06-22
Publication date: 1989-12-26
Anticipated expiration: 2015-01-17
Also published as: JP2999199B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は情報を光の形態て伝送する光導波素子に関する
ものである。

［従来の技術］従来、情報を光の形て伝送することにより大量の情報を
効率よく取扱うことが出来る為、種々の光導波路が検討
されている。

光導波路材料としては、ガラス、カルコゲナイクト、Ｌ
ｉＮｂＯ３等の無機系のものと、ポリウレタン、エポキ
シ、フォトクロミック等の有機系、高分子系のものが研
究されている。

［発明が解決しようとする課題］しかしながら、無機系の材料は光導波路を作成する為に
、熱蒸着、スパッタリング、　ＣＶＤ　、エピタキシャ
ル成長等の方法が必要であり、製法が複雑な為にコスト
アップにつながり、また大面積化が難しいという欠点が
あった。

また、ポリウレタン、エポキシ等の有機系材料は、機能
素子化が不可能であるこ・と、フ才トリソグラフィー等
により光導波路のパターニングは出来るかパターンの変
更が出来ないという欠点かあった。

一方、フォトクロミック材料は光導波路のバターニング
および変更は可能であるか、外部にパターニング用光源
か必要となるために、素子の小型化か図れない点、また
外部光によりフォトクロミック材料か徐々に劣化する点
に問題があり、また実用化されて゛いない現状である。

本発明は、この様な従来技術の問題に鑑みてなされたも
のてあり、光導波路を高分子液晶により構成することに
より、フレキシブルてバターニング及びその変更か可能
てあり、必要箇所のみ簡便にスイッチング薄膜を作成す
ることができ、耐久性か良く、低コスト化が可能な光導
波素子を提供することを目的とするものである。

［課題を解決するための手段］即ち、本発明は、基板上に高分子液晶からなる光導波路
を有することを特徴とする光導波素子である。

本発明の光導波素子は、高分子液晶からなる光導波路を
有するものであるか、該高分子液晶としては、サーモト
ロピック液晶性を示す材料か好適である。この例として
は、メタクリル酸ポリマーやシロキサンポリマー等を主
鎖とし、低分子液晶をペンダント状に付加したいわゆる
側鎖型高分子液晶、また高強度、高弾性、耐熱性ｍ維や
樹脂の分野て用いら・れているポリエステル系またはポ
リアミド系等の主鎖型高分子液晶等を用いることかてき
る。

さらに、高分子液晶中に不斉炭素を導入した５ＩＩＣ′
を示す相を有し、強誘電性を示す高分子液晶も好ましく
用いることかできる。また、高分子液晶に低分子液晶を
ブレンドした系ても良い。

以下、高分子液晶の具体例を例示するが、本発明はこれ
らに限定されるものてはない。

上記高分子液晶は正の誘電異方性を示し、屈折率は、印
加電界に対してｎｚ＝１．６．　　ｎよ＝１．５である
。

［作用］本発明の光導波素子は、基板上に高分子液晶からなる光
導波路を有するので、薄膜作製が簡便て、異なる箇所に
異なる配向処理を行なうことか可能て、膜厚制御も容易
で、必要箇所のみに簡便にスイッチング薄膜を作成する
ことか出来、液晶状態の固定か可能な光導波素子とする
ことかできる。

［実施例］以下、図面に示す実施例に基づいて本発明をさらに具体
的に説明する。

第１図（ａ）　、　（ｂ）は本発明の光導波素子の一実
施例を示す説明図である。第１図（ｃ）は光導波素子の
応用例を示す説明図である。

同第１図（ａ）において、光導波素子１はＡＩ！からな
る電極６を蒸着したスチレンとメタクリル酸メチルの共
重合体からなる屈折率１．５の基板５に、電子ビームレ
ジストにより屈折率１．５５の高分子導波路層８を形成
し、その上に高分子液晶からなる光導波路（以下、高分
子液晶層と記す）４をワイヤーパーコーティングにより
形成し、さらにその上に表面にＡｆからなる電極３を蒸
着した配向膜７を圧着し、該電極３の上に絶縁層を介し
て加熱層２としてチッ化タンタル（ＴａＮ　）を蒸着し
てなるものである。

上記のように高分子導波路８と高分子液晶層４を積層し
て２層構成にすることにより、大面積導波路の作成が容
易となると同時に両層の間の密着性が良くなり、又両者
の屈折率の選択度か高くなる利点がある。

次に、高分子液晶層４における高分子液晶の２種類の分
子配列状態の形成方法を第１図（ａ）、（ｂ）により説
明する。

第１図（ａ）は加熱層２に電流を流して加熱し、画電極
３．６間は開放にして電圧無印加の状態を示している。

加熱層２の加熱により高分子液晶層４の高分子液晶はガ
ラス転移点以上に加熱されるが、電極３，６間には電圧
が印加されていない為、配向膜７により、図示されるよ
うに面に平行に配向されている。

第１図（ｂ）は加熱層２に電流を流して加熱し、画電極
３，６間に電圧を印加した状態を示す。加熱層２の加熱
と電極３．６間の電圧印加により、高分子液晶は図示さ
れるように面に垂直に配向される。

一般にネマチック液晶は、第２図（ａ）に示すように分
子配向の軸方向に偏光している光波に対してはｎｌの屈
折率を示し、これと直交する偏光に対しては第２図（ｂ
）に示すようにｎｌ　（〈ｎ、）を示す。

又、高分子導波路層の屈折率をｎｆとすると、本実施例
では屈折率をｎ工＜ｎ（＜ｎｌとなるように設定する必
要があり、例えば、ｎｚ＝１．６゜ｎｒ　＝１．５５．
　ｎｔ　＝１．５となるように材料を選択すればよい。

第１図（ａ）においては、高分子導波路層８中のＴＥ、
　７Ｍモードの光に対しては高分子液晶層は屈折率ｎＡ
となるので、高分子導波路層８中の導波光は減衰せずに
高分子導波路層８の中をそのまま伝搬する。

これに対し、第１図（ｂ）においては、液晶分子は面に
対し垂直に配列し、この方向に偏光する光に対して高分
子液晶層４はｎｚ　　（＞ｎｒ　）となるので、７Ｍモ
ードは高分子液晶層４中に漏れ出し、散乱して徐々に消
滅する。しかしながら、ＴＥモートの光に対しては、印
加電圧の有無に拘らず高分子液晶層８は常にｎ工　（＜
ｎｒ）となりＴＥモートの光は高分子導波路層８中をそ
のまま透過する。

即ち、高分子液晶層の状態を換えることにより。

７Ｍモードに対する光スイッチングを行なうことかてき
る。

第１図（Ｃ）に光導波回路としての応用例を示す、基板
５の上に高分子導波路層８および高分子液晶層４を図の
ようなパターンに形成し、不図示の配向Ｉ！！７、電極
３．加熱層２を順次第１図（ａ）に示す様に積層してな
るものである。この様に構成された光導波素子において
は、常時は光信号を高分子導波路層８中を１００％通過
させ、必要時のみ熱および電圧を印加することによって
高分子液晶層４に光信号を漏洩させて、漏洩光を不図示
のセンサでモニターしたり、高分子導波路中の透過光量
を制御することが出来る。

このような光導波路のスイッチングの原理は、低分子液
晶を例として、例えば「光集積回路」３１８頁（昭和６
０年　オーム社発行）に示されているが、本発明は高分
子液晶からなる光導波路を使用することにより、薄膜作
製が簡便で、異なる箇所に異なる配向処理を行なうこと
が可能で、膜厚制御も容易で、必要箇所のみに簡便にス
イッチング薄膜を作成することが出来、液晶状態の固定
が可能な従来の低分子液晶では出来なかった新規な光導
波素子を提供することができる。

第３図（ａ）においては、高分子液晶層４を中間層とし
て利用し、高分子導波路層８ａ　、Ｂｂ間の光スイッチ
ングを行なう第１図（ａ）の光導波素子の変形例を示す
。第１図（ａ）と同様に、不図示の電極に電圧を印加し
てスイッチングを行なうことが出来る。

この場合、高分子導波路層８ａに入射した光に対して高
分子導波路層８ａ　、８ｂの屈折率ｎ８．。

ｎａｂ及び高分子液晶の２つの状態の屈折率をｎよｒ”
ｌとした時に、ｎｚ　＜ｎａａ＜ｎｚ　＜ｎａｂとなる
ように設定しておけば、高分子液晶の液晶状態によって
光は高分子導波路層８ａを直接透過したり、または高分
子導波路層８ｂへ導いたりすることができ、光スイッチ
ングが可能となる。このように、高分子導波路層８ａ　
、８ｂを主導波路とすることによって、高分子液晶層４
中の光減衰が大きいという短所をカバーすることができ
る。

例えば、高分子導波路層８ａをスチレンとメタクリル酸
メチルの共重合体（ｎ　＝　１．５５）　、高分子導波
路層８ｂをポリサルホン（ｎ　＝　１．６３）で作成す
れば、前述の式（１）の高分子液晶に対して本実施例の
動作を実際に行なわせることが可能である。

又、高分子液晶層４の作成は、第３図（ｂ）に示すよう
に、高分子導波路層８ａ　、８ｂの間隙にスクリーン印
刷によって高分子液晶層を塗布して形成しても良いし、
第３図（Ｃ）に示すように、前高分子導波路層８ａ　、
８ｂにかかるように高分子液晶を塗布して形成しても良
い。

次に、本発明においては高分子液晶を利用することによ
って、必要に応じて異なる光導波路パターンを有する可
変パターン導波路を得ることも可能である。

第４図（ａ）、（ｂ）に基づいて、高分子液晶を利用し
た光導波路のバターニングについて説明する。

第４図（ａ）、（ｂ）の（ア）〜（１）は、光導波素子
を層方向に主要層構成単位に分離し、その各層を説明す
るものである。始めに、（ア）〜（１）の各層について
その構成を概説し、続いて層全体てバターニングする原
理について説明する。

（ア）２ａ　、２ｂは加熱層を示し、例えば抵抗発熱層
か形成されていて通電により面状加熱を行なうことか出
来る。この層は光導波路全面てあってもよいし、バター
ニングに対応する部位のみてもよい。

（イ）３ａ　、３ｂは電極層を示し、パターニングに対
応する形状を有する。電極層を支持する電極支持層を設
け、高分子液晶層に接する側には、例えばラビング処理
されたポリイミド膜からなる配向膜を有してもよい。

ここで、（ア）、（イ）のいずれかがパターンに対応し
ていれば必要な高分子液晶の分子状態を得ることかでき
、また（ア）、（イ）が一体化されていてもよい。

（つ）基板５に高分子液晶層４を、例えばスピナーによ
り１鉢臘の厚さに塗布して形成したちのである。高分子
液晶を塗布する基板表面には配向膜を設けてもよい。

（１）６ａ　、６ｂは（イ）に対向する電極層を示し、
パターニングに対応する形状であってもよいし、平面全
域にわたっていてもよい。また、（つ）と一体であって
も良い。

次に、光導波路のバターニング法について説明する。

第４図（ａ）において、（ア）〜（１）の４層を密着積
層して、加熱層２ａに電流を流して高分子液晶層４が液
晶相状態を示すように加熱する。

次いて、（イ）、（１）の電極３ａ　、６ａ間に電圧を
印加すると、（つ）の４ａ＋の部分の液晶分子は基板に
垂直方向に配列し、電圧無印加の４８２の部分の液晶分
子は基板に平行に配列する。この配列方向は配向膜によ
って、例えば光の進行方向に制御すれば良い。

その後、（ア）の発熱層における加熱と（イ）、（１）
間の電圧印加をとり去ればパターニングか完了する。

導波光の振動方向を基板に垂直とすれば、導波光は電圧
印加により垂直配向された高分子液晶層内を選択的に通
過する。

パターンを変更する場合には、例えば、（ア）、（イ）
を第１層、（つ）を第２層、（１）を第３層として分離
回走にして電圧印加する電極のパターン層（イ）、（１
）を第４図（ａ）→第４図（ｂ）と変更して、上記と同
様の工程を繰返せば良い。又、パターン形成は電極を透
明電極とし全面に電圧を印加して１例えば（ｆｌ：２１ｔｓ）２Ｎ（ＹＸトＮ（Ｃ２Ｈ５）２ｃｐ
ｏ、ｅて与えられるような光吸収剤を含有する高分子液晶に部
分的に、例えば発光波長８：ｌＯｎｍ　、発光出力３０
ｍＷの半導体レーザーて光照射することにより加熱を行
なっても良い。

第５図（ａ）、（ｂ）は光導波素子の可変パターン導波
路の変形例を示す説明図である。同図においては、電極
を同一基板上に複数種類設けて随時パターンの変更を行
なうことがてきる様に構成したものである。例えば、加
熱層２により高分子液晶層４を液晶層温度以上に加熱し
、第５図（ａ）　、　（ｂ）に示すように、電極３ｃ、
６ｃ間或いは電極３ｄ、６０間に電圧を印加することに
より高分子液晶層に所望の導波パターンを形成すること
ができる。

加熱層を利用して高分子液晶をガラス転移点より低い一
定温度に制御する事により、光学素子として利用する際
の温度安定性を良くすることも可能である。また、これ
をスイッチング素子として機能させることも可能である
。

本発明においては、光導波路は低分子液晶と異なり、高
分子液晶からなるので、膜厚制御が容易で層構成が簡易
となり、高分子液晶層を積層することにより三次元導波
路を容易に製作することが可能となる。

上記実施例においては、高分子導波路と高分子液晶から
なる光導波路の組合せについて説明したが、勿論これに
限ることなく無機導波路と高分子液晶からなる光導波路
の組合せに適用することも可能である。

［発明の効果］以上説明したように、本発明によれば、光導波路に高分
子液晶を利用することによって、フレキシブルでパター
ニング及びその変更が可能で、必要箇所のみに簡便にス
イッチング薄膜を作成することが出来、耐久性が良く、
低コスト化が可能な光導波素子を提供することが出来る
。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）、（ｂ）は本発明の光導波素子の一実施例
を示す説明図、第１図（Ｃ）はその光導波素子の応用例
を示す説明図、第２図（ａ）、（ｂ）はネマチック液晶
の分子配向に対する屈折率の変化を示す説明図、第３図
（ａ）〜（Ｃ）は光導波素子の他の実施例を示す説明図
、第４図（ａ）、（ｂ）は高分子液晶を利用した光導波
路のパターニングを示す説明図および第５図（ａ）、（
ｂ）は光導波素子の可変パターン導波路の変形例を示す
説明図である。ｌ・・・光導波素子２．２ａ　、２ｂ・・・加熱層３　、３ａ　〜３ｄ　、　６　、６ａ　〜６ｃ　−電極
４・・・高分子液晶層５・・・基板７・・・配向膜８．８ａ　、８ｂ・・・高分子導波路層第１図第２図（ａ）　　　　　　　　　　（ｂ）

Claims

【特許請求の範囲】

（１）基板上に高分子液晶からなる光導波路を有するこ
とを特徴とする光導波素子。
（２）前記高分子液晶に熱エネルギー又は熱エネルギー
及び光エネルギーを印加することにより所望の光導波路
を形成する加熱層が設けられている請求項１記載の光導
波素子。
（３）前記高分子液晶に熱エネルギー及び電圧を印加す
ることにより高分子液晶の光学特性を制御する一対の電
極が設けられている請求項１記載の光導波素子。
（４）前記光導波路が複数の高分子液晶層からなる請求
項１記載の光導波素子。
（５）前記光導波路の少なくとも一方の面に高分子液晶
の温度制御を行なう電極が設けられている請求項１記載
の光導波素子。