JPH03501895A - 有機光学的導波管 - Google Patents

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】 ゛学的導゛ 本発明は、有機光学的導波管に関し、導波管構造体を製造する方法も含む。

非線形光学的導波管の一つの構造は、１９８７年１０月２８日に公告された英国 特許出願第２１８９６２４号に記載されている。これには特に次のように記述さ れている。有機溶媒に入れた溶液から適当な支持体に付着された線形重合体フィ ルム層を形成する０次にそのフィルム表面の一部分を非線形ドープ（ｄｏｐｅ） 用添加剤で処理し、フィルムの隣接部分と比較して屈折率の値が局部的に増大し た部分を生じさせる。これにより多くの光学的論理及び信号処理用途に用いるこ とができる非線形チャネル導波管構造体を与えている。

この目的に用いられるドープ用添加剤は、分子中高度の非線形性を示す必要があ る。しかし、この性質の主要な効果は、中に含浸させたドープ剤材料の非線形性 を薄める傾向がある重合体基体の存在によって非常に低下する。従って、導波管 チャネル体積の大部分が線形型の材料によって占められるようになり、この材料 は伝達される信号の光学的制御には、何等貢献することができない。

本発明は、光学的導波管を製造する別の方法を与えるために考えられたものであ り、非線形材料の主要な効果の実質的な部分を利用することができる方法である 。更に、ドープ用添加剤として可能な材料の選択は、幾らか広くすることができ る。

本発明によれば、重合体材料の基体フィルムで、そのフィルム表面の一部分が重 合体材料の屈折率を局部的に増大し且つ導波管チャネルを定めるのに有効なドー プ用添加剤を含む基体フィルムを有し、しかも前記重合体材料が非線形光学的材 料である光学的装置が与えられる。

適当な非線形重合体材料の一つの種類は、キシル可溶性ポリジアセチレンである 。特別な例は１０．１２−ドコサジイン−１，２２−ジオールビス（Ｓ−（−） −メチルベンジルウレタン）であり、それは今後９ＳＭＢＵとして言及する。

種々のポリジアセチレン及び関連する基体フィルムの製造及び性質は、１９８７ 年６月２０日に出願された特許出願第Ｇ　Ｂ　８７１４５１１号明細書に記載さ れている。

適当なドープ用添加剤の幾つかの例には、２−メチル−４−ニトロアニリンの如 きニトロアニリンが含まれる。

別の態様によれば、本発明は、支持物体を用意し、その表面上に非線形重合体材 料を付着させて基体フィルムを形成し、前記付着は有機溶媒中に材料を入れた溶 液から行ない、前記フィルム表面上にマスク材料を付着させ、ドープ用添加物を 含浸させる必要がある領域中のマスク部分を除去し、ドープ用添加剤の溶液中に 前記マスクした基体物体を浸漬し、前記添加剤の前記露出させた表面フィルム部 分中への拡散を促進する諸工程からなる光学的装置の製造方法にある。付着段階 は、支持物体を溶液の表面から取り出す浸漬被覆操作か、スピン（ｓｐｉｎ）被 覆法によって、良好な光学的品質をもつフィルムを形成するようにして行なわれ る。

適当な処理時間が終わった時、基体フィルムを有する支持物体をビー１用添加剤 溶液から取り出す。次にもし必要なら、残留マスク材料をフィルム表面から取り 除き、装置の製造を完了させてもよい。

例として、本発明の成る特定の態様を付図を参照して次に記述する０図中二 第１図〜第３図は導波管の異なった構造を示し、そして 第４図は重合体フィルムの材料の吸収率を示すグラフである。

本発明の光学的導波管の製造は、この態様ではガラス板である支持物体を与える ことがら始める０次にその板を数字９ＳＭＢＵ化合物の基体フィルムで被覆する 必要があり、この材料の必要な量は前述の特許出願第８７１４５１１号に記載さ れた方法によって予め調製しておいた。

板上の基体フィルムの付着は、クロロホルムに９３ＭＢＵを入れた溶液から板を 取り出すことにより行なわれ、その場合、存在する固体濃度は約１０重量％であ り、板の取り呂し速度は２８０ｚｘ／分になるように調整した。得ろれな付着物 は０．４μｌの厚さをもつフィルムの形になっており、それは赤／オレンジ色を 示していた。この効果は、浸漬被覆法が板表面上の重合体分子の配列に成る程度 の配向を与えていたことを示していた。

製造されたフィルムに必要なドープ用添加剤を導入する工程は、「溶媒補助拡散 （ｓｏｌｖｅｎｔ−ａｓｓｉｓｔｅｄ　１ｎｄｉｆｆｕ−ｓｉｏｎ）」（Ｓ　Ａ 　Ｉ　Ｄ　）法によって行なわれ、それはドープ剤と、ドープ剤の飽和溶液とか らなる二相系中で重合体基体を接触させることを含んでいる。溶媒は、ドープ剤 分子を一定速度で基体の表面に接触させると同時に、基体上に均一な分布を与え る移動媒体として働く、溶液中に懸濁された固体ドープ剤が存在することにより 、常に飽和された溶液及び定常状態を確実に与える。基体の表面に到達したドー プ剤分子は、続いて溶媒和になっているか、又は基体中に侵入して固溶体を形成 するかのいずれかをとる０表面中に入った分子は更にマトリックス中へ拡散する であろう、ドープ剤の濃度は、屈折率の変化を生じさせるのに充分であるべきで あり、拡散の深さはフィルムの厚さによって決定される。これによって良好な非 線形性を有する効果的な導波管を与えるであろうが、多くのモードを維持する厚 い導波管の形成を避けることになるであろう。

実際、ドープされた層の厚み中の屈折率が局所的に増大しているようになる程度 まで有機又は有機金属化合物がドープされた表面層が、基体の重合体マトリック ス中に形成される。不活性溶媒に入れた溶液から吸収により重合体マトリックス 中ヘドーブ剤を導入する方法は、屈折率の変化度を変えることができるように制 御することができる。得られる導波管のこれらの特徴を決定する主たる因子は、 （ａ）ドープ剤及び溶媒の性質、（ｂ）溶液の濃度、（ｅ）処理時宜、（ｄ）重 合体マトリックスの種類、及び溶媒と重合体マトリックスに対するドープ剤の相 対的親和力、（ｅ）処理温度、（ｆ）前処理の性質、及び（ｇ＞の飽和溶液中に 浸漬する。容器中に基体を覆うのに充分な量の溶液を入れ、撹拌しながら必要な 温度へ加熱する。

もし用いられる温度が過度の溶媒蒸発を起こす傾向があるならば、凝縮器が必要 になるであろう。温度は、サーモスタット制御浴又は溶媒の還流によって最もよ く維持される。わずかな過剰量を含む飽和溶液を与えるのに充分な量のドープ剤 を添加し、系を平衡に到達させる。基体を溶液中に必要な時間浸漬する。溶液が 撹拌される限り、懸濁された固体ドープ剤粒子は通常その方法に影響を与えるこ とはないが、用いられた温度でドープ剤が溶融状形になるならば、基体がドープ 剤液滴によって直接濡らされないように注意しなければならない、さもないと不 均一な拡散が得られることになる０通常渦巻きは液滴を容器の側壁に付着させる ことになるであろう。それから基体を導入してもよい、基体表面に粒子が付着す るために不均一な拡散が起きる場合、その原因は屡々静電気にある。浸漬する前 に静電防止銃（ａｎｔｉ−ｓｔａｔｉｃ　ｇｕｎ）で基体を前処理するのがこの 問題を解決するのに通常有効である。浸漬後、基体を冷却し、洗浄し、乾燥して もよい。

丘二ヱ旦ｆｆ１ 選択されなドープ剤は、第１に重合体基体中への拡散で屈折率を上昇させること ができるべきである。従って、非線形重合体基体中へ拡散して安定な固溶体を形 成する非反応性材料は、それが伝達されるビームを吸収しない限り、用いること ができるであろう。

ドープ剤は、５ｅＮＡ、ｏＮＡ、ＣＩＮＡ、ＤＡＮの如き既知の非線形化合物、 又はベンゾフェノン、置換無ホコハク酸、例えばフルガイド（Ｆ　ｕｌｇｉｄｅ ）の如き線形化合物、又はスカンジウム　トリスへブタフルオロジメチルアセｌ 夏曵五」 本発明の方法で用いられる溶媒の機能は、本質的に移動媒体として働くことであ る。それは不活性であるべきであり、基体をひどく溶解したり膨潤させるべきで はない。ドープ剤は、移動を可能にするために溶媒に溶けなければならないが、 溶解度積は小さいのがよい。その理由は二つある。第１はドープ剤の溶媒から基 体への移動は、溶媒と重合体へのその相対的溶解度に依存する。溶媒に対する親 和力が低く、重合体基体に対する親和力が高いと、ドープ剤分子が界面で基体の 方へ入り易くなる。

第２に、溶媒中の溶解度が高いと言うことは、多量のドープ剤が取り込まれるこ とを意味し、一方溶解度が低いと言うことはわずかな量のドープ剤で飽和溶液が 維持されると言うことを意味する。

ドープ剤の高温拡散及び低温での操作（蒸気損失が最小である場合）の両方に対 し、高沸点溶媒が望ましい。

過フッ化（ｐｅｒｆ　１ｏｒｅｎａｔｅｄ）有機溶媒が本発明の方法で有利な溶 媒であることが見出されている。殆んどの有機化合物は上昇させた温度でこれら の溶媒にわずがしが溶けず、広い範囲のそのような溶媒を入手することができ（ ＰＰ範囲）から商業的に入手することができる。しがし、その技術は過フッ素化 溶媒を使用することに限定されるものではなく、高沸点アルクン、例えばテトラ デカンの如き他の溶媒及びダウ・コーニング（Ｄｏｗ　Ｃｏｒｎｉｎｇ）２００ シリーズの如きシリコーンオイルを用いてもよい。

次の実施例により本発明の方法を例示する。

実施例 浸漬被覆９ＳＭＢＵを、ＰＰ９（主にペルフルオロメチルデカリンの異性体混合 物がらなり、１６０”Ｃで沸騰する商業的フルオロカーボン溶り中に入れた２− メチル−４−ニトロアニリン（ＭＮＡ）の飽和溶液中に、１２０”Ｃの温度で浸 漬することにより拡散（ｉｎｄｉｆｆｕｓｉｏｎ）を行なった。

上の実施例で記述した方法を用いて、一層複雑な導波管楕遣体を次のようにして 形成することができる。標準的写真平板法によりマトリックス材料の表面上にマ スクを予め定める。このマスク中に定められた孔により、マトリックス材料の表 面の選択された領域に溶媒拡散を行なわせ、チャネル導波管構造体を与えること ができる。

この方法によって、曲がった導波管、分岐した導波管、方向性カップラー及びイ ンターフェロメーターを含めた種々の能動及び受動チャネル導波管構造体を形成 することができる。典型的導波管種遺体が第１図、第２図及び第３図に例示され ており、Ｒａｄｉｏ　＆　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒ。

Ｖｏｌ、５３．　Ｎｏ、９．　ｐｐ、３１３−３２０．５ｅｐｔ、　（１９８３ ）に発表されたベニオン（Ｂｅｎｎｉｏｎ）その他による論文に例示されている 。

第４　（ａ）区は平坦な導波管を示し、第４（ｂ）図は曲線状導波管を示し２第 ４（ｃ）図はＹ型接合拡張線導波管を示している。第４　（ａ）ｔｌではプラス チック基体（２）は、相（１）内の屈折率を上昇させるドープ剤の溶媒拡散によ って形成された導波表面相（１）を有する。第２図に示された導波管は、領域（ ３）に溶媒拡散を極限することによってＪ型導波管チャネルをもつように形成さ れている。第３図は、表面相（１）中に規定された模様状に溶媒拡散ドープ剤を 同様に極限することにより形成されたＹ型チャネル導波管構造体を示している。

第３図の導波管では、例えばチャネル４に沿った方向に向けられた光は二つ路（ ５）及び（６）に分割されるであろう。ベニオンその他の論文には、基本的製造 原理及び有機光学的導波管の利用について記述されている。

第４図は重合体フィルム中のドープ剤材料の吸収率を示すグラフである。水平軸 はフィルム試料により伝達される光の波長（ｎ−）を与え、垂直軸は吸収率を示 している。

試料はガラス基体上に支持された９ＳＭＢｔＪフィルムに関し、ドープ剤材料は ＭＮＡであった。溶液中の浸漬時間の増大に伴うドープ剤材料の取り込み量はＵ Ｖ／Ｖ　Ｉ　Ｓ分光分析により検査し、ＭＮＡの吸収ピークは３８４０−の所に あり、９　ＳＭＢＵの同様なピークは４８２及び５３０ｎｍ（二重ＩＩ）の所に あると予想された。

グラフの曲線は、ドープ剤溶液中にフィルムを浸漬した１、２．４及び８分の浸 漬時間の結果と一緒に０時間の結果を示している。２分は、ドープ剤材料の最大 取り込みを与えるための最適時間であることが観察された。

点線で示した曲線は、フィルム中へのドープ剤材料の最大の取り込みであるが、 １４日間のエージング期間が経過した後の結果を示している。このことは、重合 体フィルム層中のドープ剤材料の安定性を示している。

本発明の方法をニトロアニリンの拡散に特に関連して例示してきたが、別の有機 ドープ剤を用いることもできる。

この種類のチャネル導波管構造体の一つ特別な用途は、例えば本出願人による英 国特許ｆｆ１ｌｆｆ第２１５５１９４号に記載されているような半導体部品間の 光学的相互結合部を与えることである。

例えば、最初の基体上に一つ以上の重合体材料の層を付着させ、その構造体を（ もし必要なら、硬化後〉溶媒拡散処理にかけた後、重合体の次の層を付着させる ことにより多相導波管構造体を形成することもできる。スピン被覆又は浸漬被覆 法は、二つ以上重ねられた重合体マトリックス層を付着させるのに適した方法で ある。

上で示した如きチャネル導波管構造体は、希望の模様を重合体フィルム上に定め る標準的写真平板法を用いることにより製造することができる。そのような方法 は、重合体フィルム上に蒸発させた金属マスク（例えば、アれている。基体中へ 溶媒拡散させた後、アルミニウムを除去することにより、よく規定されたチャネ ル導波管が残される。写真平板法又は他の標準的方法により重合体フィルム上に 付着させた金属層は、溶媒拡散処理去する必要はないが、拡散したドープ剤に電 場を印加して極性ドープ剤分子を配列させる手段として用いることができる。

この最後に述べた方法は、特に多くの重合体分子の大きな二次及び三次の磁化率 及び強度依存性屈折率を利用した光学的非線形導波管構造体を製造するのに特に 有用である。そのような有機分子を用いて製造された導波管は、広い範囲の非線 形機能を果たすことができるであろう、それらは、多相及び分配フィードバック 構造体と同様、上述の平らな構造体及び数多くのチャネル導波管構造体の形をと ることができる。

国際調査報告 国際調査報告

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. １．重合体材料の基体フイルムで、前記重合体材料の屈折率を局部的に増大し、 導波管チャネルを定めるのに有効なドープ用添加剤を含むフイルム表面部分を有 する基体フイルムを有し、前記重合体が非線形光学的材料である光学的装置。
2. ２．重合体材料がキラル可溶性ポリジアセチレンである請求項１に記載の装置。
3. ３．重合体材料が、本文中に規定した９ＳＭＢＵである請求項１又は２に記載裝 の置。
4. ４．ドープ用添加剤が、拡散法によってフイルム表面に入ることができる有機化 合物である請求項１〜３のいずれか１項に記載の装置。
5. ５．ドープ用添加剤が２−メチル−４−ニトロアニリンである請求項１〜４のい ずれか１項に記載の装置。
6. ６．基体物体を用意し、その表面に非線形重合体材料を付着させて表面フイルム を形成し、前記付着を有機溶媒中に前記材料を入れた溶液から行ない、前記フイ ルム表面上にマスク材料を付着し、ドープ用添加剤の含浸が必要な領域中のマス ク領域部分を除去し、マスクされた基体物体をドープ用添加剤の溶液中に浸漬し 、前記添加剤の表面フイルム中への拡散を促進する諸工程からなる光学的装置の 製造方法。
7. ７．ドープ用添加剤が２−メチル−４−ニトロアニリン化合物からなる請求項６ に記載の方法。
8. ８．２−メチル−４−ニトロアニリン化合物をペルフルオロメチルデカリン中に 入れた溶液として添加する請求項７に記載の方法。
9. ９．拡散操作が８０℃〜１６０℃の範囲の温度で行なわれる請求項６〜８のいず れか１項に記載の方法。
10. １０．温度範囲が１１５℃〜１２５℃である請求項９に記載の方法。
11. １１．本文中に記載したのと実質的に同じ光学的装置製造方法。
12. １２．付図のいずれか一つを参照して本文中に記載したのと実質的に同じ光学的 装置。