JPH0876149A

JPH0876149A - 光変調素子およびその製造方法

Info

Publication number: JPH0876149A
Application number: JP20895894A
Authority: JP
Inventors: Koji Hara; 浩二原
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1994-09-01
Filing date: 1994-09-01
Publication date: 1996-03-22

Abstract

(57)【要約】【構成】負の誘電率異方性を示す低分子の液晶材料２
が高分子マトリックス３の連続した孔４内に充填された
構造の複合膜からなる液晶層１を、垂直配向処理を施し
た一対の透明電極５で挟着した。【効果】電圧を印加していない時に光を透過し、かつ
その状態で自動的に光透過状態であるため、フェイルセ
ーフモードへの対応が可能である。また、液晶層１が低
分子の液晶材料４からなるため、駆動電圧が低くかつ長
寿命である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は光変調素子に関し、より
詳しくは、例えば光ファイバー間の光伝達強度を制御す
るための光変調素子に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、光ファイバーによる通信網の発達
に伴って、光通信の機器に用いられる各種光機能素子の
開発が進められている。各種光機能素子の中でも、光強
度を時間的に変化させて光信号に情報を付与したり、光
強度を検出器の最適感度領域に調整したりする光変調素
子はとりわけ重要な光機能素子である。

【０００３】従来、光変調素子としては、図３に示すよ
うなマッハツェンダー型光変調素子Ｂが最もよく使われ
ている。これは、ＬｉＮｂＯ₃などの単結晶基板１１上
に、断面積が数μｍ²の矩形状に近い光導波路１２を形
成したものである。この光変調素子Ｂによれば、２つの
光導波路１２ａ，１２ｂによって光を２つに分け、電極
１３による電気光学効果によってその位相を相対的に変
化させた後、２つの光を合波すると、光の干渉作用によ
ってその光強度が変化する。

【０００４】しかし、この光変調素子Ｂは、(1) 偏光依
存性が強いために偏波保存型ファイバーが必要になり、
さらに(2) 波長依存性が強いために多波長を同時に制御
できない、(3) 光ファイバーとの光結合損失が大きい、
(4) 光変調素子自体のサイズが大きいなどの問題を有し
ている。そこでこれらの問題を解決すべく、図４に示す
ような光制御部に液晶を利用した光変調素子Ｃが開発さ
れた〔第３９回応用物理学会関係連合講演会講演予稿
集、９８５頁、（ポリマー分散型液晶を用いた超小型・
低損失光ファイバー変調器）１９９２年発行〕。

【０００５】この光変調素子Ｃは、２本の光ファイバー
７’（コア７'a，グラッド７'b）の平面状の出射端面
８’が筒状のスリーブ９’中で相対するように配置さ
れ、フェルール１０’で固定されている。前記出射端面
８’上には透明電極５’が形成されており、出射端面
８’間には、高分子マトリックス中に独立した液滴状の
低分子の液晶材料が分散している高分子分散液晶（ＰＤ
ＬＣ）の液晶層１’が形成されている。

【０００６】光変調素子Ｃは、透明電極５’間に加える
電圧を制御することにより、高分子分散液晶中の液晶分
子の配向状態をランダムな状態と電場方向に配向した状
態およびその中間状態とに制御することが可能であるた
めに、一方の光ファイバーから他方の光ファイバーへの
光の伝達強度を任意に制御することができる。また、光
変調素子Ｃは、光制御部に高分子分散液晶を用いたため
に、(1) 偏光依存性がないために偏波保存型ファイバー
などの特殊な装置が不要になり、さらに(2) 波長依存性
がない、(3) 光結合損失が小さい、(4) 光変調素子自体
のサイズを小型化できるなどの特徴を有しており、安価
で製作が容易であるために大量生産の用途に好適であ
る。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記光
変調素子Ｃの液晶層１’は、電圧を印加している時に透
明化し、電圧を印加していない時には白濁化するため
に、フェイルセーフモードに対応できない、または無瞬
断切替用光スイッチへの適用ができないなどの問題を有
している。

【０００８】一方、フェールセーフモードへの対応が可
能な液晶材料として、低分子の液晶材料に相当する側鎖
をポリマーの骨格鎖に結合し、かつ正の誘電率異方性を
有するものが知られている。かかる側鎖型液晶性高分子
には、本来的に正の誘電率異方性を示すものと、低周波
数下で正の誘電率異方性を示す２周波駆動型のものとが
ある。

【０００９】しかし、上記側鎖型液晶性高分子はいずれ
も粘度が高いために、素子の駆動電圧が高くなるという
問題がある。また、２周波駆動型の側鎖型液晶性高分子
は、低周波数下で使用した際の劣化が早いという問題も
ある。そこで、本発明の目的は、フェイルセーフモード
に対応させることができ、しかも、駆動電圧が低く、か
つ長寿命の光変調素子を提供することである。

【００１０】

【課題を解決するための手段および作用】上記課題を解
決するための本発明の光変調素子は、負の誘電率異方性
を示す低分子の液晶材料が高分子マトリックスの連続し
た孔内に充填された構造の複合膜を、前記低分子の液晶
材料がホメオトロピック配向するための配向処理を施し
た一対の透明電極で挟着してなり、前記透明電極に電圧
を印加していない時に光を透過し、電圧を印加している
時に光を散乱することを特徴とするものである。

【００１１】また、本発明の光変調素子の製造方法は、
負の誘電率異方性を示す低分子の液晶材料と、高分子材
料とを溶媒に溶解させた溶液または分散させた分散液
を、配向処理が施された一対の透明電極の一方に塗布す
るか、あるいは一対の透明電極間に注入した後、溶媒を
蒸発させることにより低分子の液晶材料と高分子材料と
を相分離させて、低分子の液晶材料が高分子マトリック
スの連続した孔内に充填された構造の複合膜を形成する
ことを特徴とするものである。

【００１２】以下に、本発明の光変調素子の一例を模式
的に示した図面を参照してさらに詳細に説明する。本発
明の光変調素子は、例えば図２に示すように、出射端面
８が相対するように２本の光ファイバー７を配し、前記
出射端面８に形成された一対の透明電極５間に液晶層１
を形成したものである。透明電極５の表面には、垂直配
向膜６などを形成することにより、液晶層１を構成する
低分子の液晶材料２がホメオトロピック配向するための
配向処理が施されている。

【００１３】尚、図２において、符号９は２本の光ファ
イバー７を固定するためのスリーブであり、セラミッ
ク、ガラスなどの筒状部材からなる。また、符号１０は
光ファイバー７をスリーブ９に対して確実に固定するた
めのフェルールであり、その外径とスリーブ９の内径と
が一致するように形成された金属、セラミックスなどの
筒状部材からなる。

【００１４】液晶層１は、負の誘電率異方性を示す低分
子の液晶材料２が高分子マトリックス３の連続した孔４
内に充填された構造の複合膜からなり、前記低分子の液
晶材料２が配向処理を施した透明電極５の表面と接して
いる。尚、配向処理が垂直配向膜６によりなされる場合
は、図１に示すように、その垂直配向膜６が低分子の液
晶材料２と接している。

【００１５】液晶層１を挟着している一対の透明電極５
に電圧を印加していない時は、その透明電極５の表面に
施された配向処理により、高分子マトリックス３の連続
した孔４内に充填された低分子の液晶材料２がホメオト
ロピック配向して均一な屈折率を示す。従って、この時
の液晶層は光透過状態になり、出射端面８が相対するよ
うに配された２本の光ファイバー７間に光が伝達され
る。

【００１６】一方、透明電極５に電圧を印加している時
は、低分子の液晶材料２が負の誘電率異方性を有するた
めに、高分子マトリックス３の連続した孔４内における
低分子の液晶材料２のホメオトロピック配向が乱されて
しまい、低分子の液晶材料２と高分子マトリックス３と
の界面、あるいは低分子の液晶材料２の内部で光が散乱
する。従って、この時の液晶層は光散乱状態になり、出
射端面８が相対するように配された２本の光ファイバー
７間の光の伝達が遮断される。

【００１７】また、透明電極５に上記両状態の中間の電
圧を印加した時の液晶層１は、その印加電圧の大きさに
応じて両状態の中間の光透過率を示す。さらに、停電な
どにより透明電極５への電圧の印加が停止された時は、
自動的に電荷を印加しない時の光透過状態に戻る。液晶
層１は、電圧の印加により動作する液晶材料が低分子量
であるため、従来の液晶性高分子を用いた素子に比べ
て、液晶層１の配向状態を変化させるために要する駆動
電圧を低くできる。また、前記液晶材料（低分子の液晶
材料２）は、従来の２周波駆動型の液晶性高分子のよう
に短時間で劣化することがなく、長寿命である。

【００１８】上記液晶層１の構造は、低分子の液晶材料
２と、高分子マトリックス３を構成する高分子材料とを
含む溶液または分散液から溶媒を蒸発させる際に、両者
が相分離することによって形成される。上記低分子の液
晶材料２の誘電率異方性（Δε）は、負の値を有してい
ればよいが、液晶層１の光散乱時における白濁化の効果
を十分なものにするためには、上記Δεが−５以下であ
ることが好ましい。

【００１９】また、透明電極５に電圧を印加しない時の
液晶層１の透明度を高くするためには、前記低分子の液
晶材料２の屈折率が高分子マトリックス３の屈折率に近
いことが好ましい。屈折率の好ましい範囲の一例として
は、低分子の液晶材料２が１．５０〜１．５１、高分子
マトリックス３が１．４９〜１．５０である。さらに、
低分子の液晶材料２の屈折率異方性（Δｎ）は、液晶層
１の光透過時と光散乱時とでの透明度の差を明確にする
ために、より大きい値であることが好ましい。尚、上記
Δｎが０．０５以上でないと十分な透明性が得られな
い。

【００２０】低分子の液晶材料２の具体例としては、例
えばネマチック液晶、スメクチック液晶、コレステリッ
ク液晶などの従来公知の液晶材料が挙げられる。また、
負の誘電率異方性が大きい液晶材料としては、分子の短
軸方向に大きな双極子モーメントを導入したものが例示
され、具体的には、例えばシアノスチルベン系ネマチッ
ク液晶や、主鎖を構成するベンゼン環の２位、３位にシ
アノ基を導入したエステル系ネマチック液晶などの分子
の短軸方向にシアノ基を導入した化合物が挙げられる。

【００２１】尚、液晶材料における「低分子」とは、側
鎖液晶性基を有する液晶性高分子のような主鎖構造およ
び側鎖構造を有していないことを示しており、分子量で
規定しているのではない。上記高分子マトリックス３を
構成する高分子材料としては、ポリメタクリル酸メチル
（ＰＭＭＡ）に代表される（メタ）アクリル系高分子
や、エポキシ系高分子、ウレタン系高分子などが挙げら
れる。また、透明電極６やスリーブ９への複合膜の密着
性を向上させたり、光ファイバー７の位置ずれなどを確
実に防止するために、接着性高分子や粘着性高分子を併
用することもできる。接着性高分子や粘着性高分子とし
ては、高分子マトリックス３の透明性を維持するため
に、当該高分子マトリックス３との相溶性に優れたもの
を使用するのが好ましく、例えば高分子マトリックス３
にＰＭＭＡを使用する場合には、（メタ）アクリル系の
接着性高分子または粘着性高分子が好適に使用される。

【００２２】高分子マトリックス３は架橋構造を有して
いてもよい。架橋構造の形成は、高分子材料である未架
橋高分子を、多官能性架橋剤などの適当な架橋剤を介し
て架橋させる方法などによって行われる。未架橋高分子
としては、例えば前記例示の高分子材料のうちで分子中
に水酸基を含有するものが挙げられ、多官能性架橋剤と
しては、例えばイソシアネート類が挙げられる。

【００２３】前述のような低分子の液晶材料２と高分子
材料との相分離が起こるのは、両者の分子量の違いが主
たる原因である。高分子材料の分子量が大きい場合は、
液晶材料との分子量の差が大きくなるので２つの相の分
離が明確になり、その結果、相分離後の低分子の液晶材
料２の屈折率と高分子マトリックス３の屈折率との差が
大きくなり、光散乱状態における複合膜の白濁度が高く
なる。従って、高分子マトリックス３の架橋構造の有無
は規定されないものの、架橋構造を有していることが好
ましく、さらに架橋構造を有する場合は、高分子マトリ
ックス３の自己保持性が向上するために、より好まし
い。

【００２４】高分子材料の架橋は、上記のように多官能
性架橋剤の添加によって成し得るが、この他にも、高分
子材料に紫外線硬化型樹脂を用いた場合は紫外線の照射
によって、熱硬化型高分子を用いた場合は加熱によって
それぞれ架橋構造が得られる。また、架橋は相分離と同
時に行っても、あるいは相分離後に行ってもよい。低分
子の液晶材料２と高分子材料との溶液または分散液に用
いる溶媒としては、沸点が低く気化しやすいもの（蒸気
圧の高いもの）が好ましく、例えばジクロロメタン、ジ
クロロエタンなどが挙げられる。

【００２５】上記の溶液または分散液の組成は、低分子
の液晶材料２が５０〜９０重量％（溶液または分散液の
総量に対する重量％、以下同じ）、好ましくは６０〜８
０重量％で含有され、高分子材料としての未架橋高分子
が５０〜１０重量％、好ましくは４０〜２０重量％で含
有される。また、多官能性架橋剤は、その官能基が未架
橋高分子の官能基に対して当量比になるように用いるこ
とができる。

【００２６】上記透明電極５としては、例えばインジウ
ム−チン−オキサイド（ＩＴＯ）、ＳｎＯ₂、ＩｎＯ₂
などが挙げられ、蒸着法、スパッタリング法、塗布法な
どの公知の方法によって形成される。透明電極５に施す
配向処理としては、ラビング処理や、ＳｉＯ₂などを透
明電極の表面に斜方蒸着するなどの方法が挙げられる
が、透明電極上に垂直配向膜６を形成することが好まし
い。

【００２７】上記垂直配向膜６の材料としては、例えば
ポリイミドやシランカップリング剤が挙げられ、透明電
極５の表面にコーティング法やキャスティング法によっ
て塗布して形成される。上記材料を用いた垂直配向膜６
を形成することにより表面張力を低くすることができる
ために、上記低分子の液晶材料が垂直方向に配向しやす
くなる。

【００２８】透明電極５間に液晶層１を形成する方法と
しては、上記低分子の液晶材料と高分子材料との溶液ま
たは分散液を、透明電極５上に塗布する方法や透明電極
５間に注入する方法などがある。光変調素子が図２に示
すような構造の場合には、例えばスリーブ９に、孔やそ
の全長にわたるスリットなどを形成しておき、そこか
ら、上記溶液または分散液を注入すればよい。

【００２９】尚、この発明の光変調素子は、図２のよう
に、透明電極５で挟着された液晶層１の部分と、２本の
光ファイバー７とが一体化されていなくてもよい。例え
ば液晶層１を挟着する一対の透明電極５のうちの少なく
とも一方をガラス板などの透明基材の表面に形成して、
光ファイバー７と別体化し、それを光ファイバー７など
の光導波路と組み合わせてもよい。その他、この発明の
要素を変更しない範囲で、種々の変更を施すことができ
る。

【００３０】

【実施例】以下に、実施例を挙げて、本発明の光変調素
子を説明する。（１）光変調素子の作製実施例１シングルモード光ファイバー７（コア７a 部、グラッド
７b 部）の出射端面８にＩＴＯからなる透明電極５を形
成した。また、この透明電極５上にポリイミド系の垂直
配向膜用塗布液（日産化学工業社製のＳＥ７５１１）を
塗布し、１８０℃で１時間加熱して、垂直配向膜６を形
成した。さらに、こうして形成した２本の光ファイバー
７の出射端面８が相対するようにして、スリーブ９中に
フェルール１０を用いて固定した。

【００３１】次いで、負の誘電率異方性を示す低分子の
液晶材料（チッソ製のＥＮ−３８、Δε＝−７．５、Δ
ｎ＝０．０７１）とアクリル系の高分子材料（帝国化学
産業社製のＷＳ０２３）を３：７の重量比となるように
ジクロロエタン中に加え、さらにイソシアネート系架橋
剤（武田薬品工業社製のＡ５０）を高分子材料の官能基
と等量比で加えて、固形分濃度１０％の溶液を得た。こ
うして得られた溶液を、前記スリーブ９に形成された、
その全長にわたるスリットから、光ファイバー７の出射
端面８間に注入した後、１００℃で５分間加熱して硬化
させ、図１に示すように、高分子マトリックス３の連続
した孔４内に低分子の液晶材料２が充填された構造の複
合膜からなる液晶層１を形成した。実施例２透明電極５上にシランカップリング剤（信越化学工業社
製のＬＳ−９００）を塗布し、８０℃で１時間加熱して
垂直配向膜を形成した他は、実施例１と同様にして光変
調素子を作製した。（２）光透過率の測定実施例１で得られた光変調素子(a) および実施例２で得
られた光変調素子(b)と、比較例として波長１ｋＨｚ以
下で正の誘電率異方性を示す側鎖型液晶性高分子を用い
た２周波駆動型の光変調素子(c) および正の誘電率異方
性を示す側鎖型液晶性高分子を用いた光変調素子(d) と
において、光の透過率と印加電圧との関係を調べた。そ
の結果を図５に示す。

【００３２】透過率の測定には、島津社製のＵＶ１６０
を使用し、測定波長は０．６３３μｍで行った。また、
素子の駆動には５００Ｈｚの矩形波を使用した。図５中
の曲線(a) は本発明の実施例１の光変調素子の結果であ
り、曲線(b) は本発明の実施例２の光変調素子の結果、
曲線(c) は側鎖型液晶性高分子を用いた２周波駆動型の
光変調素子（比較例）の結果、曲線(d) は正の誘電率異
方性を示す側鎖型液晶性高分子を用いた光変調素子（比
較例）の結果である。

【００３３】本発明の実施例の光変調素子〔図５の曲線
(a) および(b) 〕は比較例の光変調素子〔図５の曲線
(c) および(d) 〕に比べて、印加電圧を大きくすれば急
激に透過率が減少することから、駆動電圧を低くできる
ことがわかる。すなわち液晶層を白濁させるのに要する
印加電圧が小さい。

【００３４】

【発明の効果】本発明の光変調素子Ａは、負の誘電率異
方性を示す低分子の液晶材料が、高分子マトリックスの
連続した孔内に充填された構造の複合膜からなる液晶層
を備えるとともに、この液晶層中の低分子の液晶材料が
透明電極の表面と接しており、前記液晶材料をホメオト
ロピック配向させるため配向処理が前記透明電極に施さ
れている。

【００３５】従って、電圧を印加していない時に光を透
過し、電圧を印加している時に光を散乱する。さらに、
フェールセーフモードへの対応が可能である。また、本
発明の光変調素子Ａは、低分子の液晶材料を液晶層に用
いているために、従来のフェイルセーフモード対応の液
晶性高分子を用いた光変調素子に比べて駆動電圧を低く
することができるとともに、液晶層の長寿命化を図るこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の光変調素子における液晶層の一例を示
す模式図である。

【図２】本発明の光変調素子の実施例の一例を示す模式
図である。

【図３】マッハツェンダー型光変調素子Ｂを示す模式図
である。

【図４】光制御部に高分子分散型液晶を用いた従来の光
変調素子Ｃを示す模式図である。

【図５】各実施例および各比較例の光変調素子における
印加電圧と光透過率との関係を示すグラフである。

【符号の説明】

１液晶層２低分子の液晶材料３高分子マトリックス４孔５透明電極６垂直配向膜Ａ光変調素子７光ファイバー８出射端面

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】負の誘電率異方性を示す低分子の液晶材料
が高分子マトリックスの連続した孔内に充填された構造
の複合膜を、前記低分子の液晶材料がホメオトロピック
配向するための配向処理を施した一対の透明電極で挟着
してなり、前記透明電極に電圧を印加していない時に光
を透過し、電圧を印加している時に光を散乱することを
特徴とする光変調素子。
【請求項２】低分子の液晶材料の誘電率異方性が−５以
下、屈折率異方性が０．０５以上である請求項１記載の
光変調素子。
【請求項３】高分子マトリックスが架橋構造を有する請
求項１記載の光変調素子。
【請求項４】透明電極の配向処理が、ポリイミドまたは
シランカップリング剤からなる垂直配向膜を透明電極上
に形成してなされている請求項１記載の光変調素子。
【請求項５】配向処理を施した透明電極を出射端面上に
形成し、その出射端面が相対するように２本の光ファイ
バーを配するとともに、前記出射端面間を満たすように
複合膜が形成されている請求項１記載の光変調素子。
【請求項６】負の誘電率異方性を示す低分子の液晶材料
と、高分子材料とを溶媒に溶解させた溶液または分散さ
せた分散液を、配向処理が施された一対の透明電極の一
方に塗布するか、あるいは一対の透明電極間に注入した
後、溶媒を蒸発させることにより低分子の液晶材料と高
分子材料とを相分離させて、低分子の液晶材料が高分子
マトリックスの連続した孔内に充填された構造の複合膜
を形成することを特徴とする光変調素子の製造方法。
【請求項７】高分子材料として架橋性の高分子を用い、
相分離時あるいは相分離後に前記架橋性高分子を架橋さ
せる請求項６記載の光変調素子の製造方法。