フォトニッククリスタル非線型光学材料による空間光制御デバイスに関する研究

1999 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 10450024
• 研究機関: 筑波大学
• 研究代表者: 谷田貝 豊彦 筑波大学, 物理工学系, 教授 (90087445)
• 研究分担者: 原田 建治 筑波大学, 物理工学系, 講師 (30312820) ; 伊藤 雅英 筑波大学, 物理工学系, 助教授 (30150874)
• キーワード: 空間光変調器 / 非線形光学材料 / 電場配向ポリマー / フォトニッククリスタル

研究概要

フォトニッククリスタルとは光の波長程度の周期で誘電率を変調させた材料で、モードの効果的な変調制御が可能なものである。本研究では、フォトニッククリスタルによる光波モードの究極的な閉じ込め制御により高効率へ線形現象を確認し、これを用いたデバイス化への基礎研究を行うことを目的にした。
具体的には、電解印可による透過バンド位置の変化を利用した透過強度の変調デバイスの開発を目的にしている。フォトニッククリスタルに導入する有機非線形材料は電場配向ポリマーであり、この材料は、色素をドープしたポリマーに高電圧を印可して色素のダイポールモーメントの向きを揃えるものである。このとき通常緩和がおこり、非線形光学特性は数時間で消滅してしまう。
本研究では、高いガラス転移温度を有するポリマーの探査と、このポリマーに色素を側鎖として導入した新しい材料を設計し試作した。この結果、数千時間経過後も緩和の現象がみられない安定な材料を開発できた。また、非線形光学定数も極めて大きい材料が開発された。
しかし光変調材料として、この電場配向ポリマーを用いる場合でも、高い変調電圧が必要である。例えば、DR1(Disperse Red 1)をPMMAにドープした厚さ100 μmの材料を用いる場合には、光の位相をπ変調するためには、500V/μm程度の高電圧を印可しなければならない。この電圧は通常の絶縁破壊電圧を超えてしまう。低電圧で駆動可能にするためには、上記のフォトニッククリスタル構造が利用できる。フォトニッククリスタル構造で、不純物として中央層に電場配向された有機非線形材料を使った場合、この材料に電圧を印可すると透明ピーク位置が変化する。層数が増加すると、より低電圧で光制御できるようになり、31層のフォトニッククリスタルを使用した場合では印加電界10V/μmでコントラスト100:1が得られた。また、10MHz程度の応答スピードが得られた。

研究成果

• [文献書誌] Y.Hayasaki,M.Itoh,T.Yatagai and N.Nishida: "Nonmechanical Optical Manipulation of Microparticle Using Spatial Light Modulator"Opt.Rev.. 6・1. 24-27 (1999)
• [文献書誌] H.Huang,M.Itoh and T.Yatagai: "Phase Retrieval of Phase-Shifting Interferometry with Iterative Least-Squares Fitting Algorithm:Experiments"Opt.Rev.. 6・3. 196-203 (1999)
• [文献書誌] N.Yoshikawa,T.Yatagai: "Interpolation Method for Computer-generated Holograms Using Random Phase Technique"Opt.Rev.. (1999)
• [文献書誌] M.Sai,H.Huang,M.Itoh,T.Yatagai: "Absolute Thickness Measurement Using Automatic Fractional Fringe Order Method"Proc.SPIE. 3749. 67-68 (1999)
• [文献書誌] K.Munakata,K.Hanada,N.Yoshikawa,M.Itoh,S.Umegaki and T.Yatagai: "Direct Fabrication Methods of Surface Relief Electro-Optic Gratings in Azo-Polymer Films"Opt.Rev.. 6・6. 518-521 (1999)
• [文献書誌] M.Sai,R.Tian,H.Huang,M.Itoh and T.Yatagai: "Absolute Thickness Measurement Using Automatic Fractional Fringe Order Method"Proc.SPIE. 3897. 335-339 (1999)