JP2008039909A - Nonlinear optical material and waveguide device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光通信、光配線、光情報処理、センサー、あるいは画像処理等の分野に適用することが可能な非線形光学材料及び該非線形光学材料を用いて得られる導波路デバイスに関する。 The present invention relates to a nonlinear optical material that can be applied to fields such as optical communication, optical wiring, optical information processing, sensors, and image processing, and a waveguide device obtained using the nonlinear optical material.
情報化社会の進展は著しく、特に最近では動画をはじめとする大容量の情報が企業間だけでなく個人の間でも頻繁にやり取りされるようになり、更なる大容量の高速通信手段が求められている。そのため、大容量高速情報通信が可能な光通信の重要性はますます高まっている。 The progress of the information society is remarkable, especially recently, large volumes of information such as videos are frequently exchanged not only between companies but also between individuals, and there is a need for higher-capacity high-speed communication means. ing. Therefore, the importance of optical communication capable of high-capacity high-speed information communication is increasing.
大容量高速通信を支える技術の一つに、光通信技術がある。光通信に用いられるデバイスとしては、光ファイバをはじめとして、光スイッチ素子、光変調器やルーターなどの様々な導波路デバイスがあり、これらのデバイスを組み合わせることにより、様々な機能を有する光回路が作製される。特に、光スイッチ素子や光変調器などの光素子には、電場によって屈折率が変化する「電気光学効果(EO効果)」を有する非線形光学材料がしばしば使用されている。特に、有機EO材料は、材料の誘電率が低いためにマイクロ波・ミリ波領域と光波領域との速度不整合がなく、応答速度を大幅に改善できる可能性があり、注目を集めている。さらに、有機EO材料は高分子材料に分散、あるいは結合させることで、スピンコート法などによって容易に大面積の薄膜を形成でき、加工性も向上するため、極めて安価に素子化できるという大きな利点を有している。具体的なEO材料の例としては、EO分子を高分子材料に分散させたもの、EO分子をホストポリマーに結合させたものの他、EO分子であるDAST(4‐N,N‐dimethylamino‐4’‐N‐methyl‐stilbazolium tosylate)の結晶を用いた例を挙げることができる(例えば、特許文献1及び2、非特許文献1参照。)。
EO材料を導波路デバイスに用いるには、光の透過損失が小さく、光損傷に対して強くなければならない。しかし、上述の例は、デバイスの光安定性については何の検証も行われていない。
有機非線形光学材料は、長いπ共役電子系を有する化合物が多く、光に対する安定性には特に懸念がある。何故なら、長いπ共役電子系を有する化合物は、比較的低エネルギーの光子を吸収し、化学反応を起こしやすいからである。特に、DAST結晶のように、有機非線形光学材料の周囲に、光反応に対して活性な化合物がある場合には、光によって隣接する分子と反応を起こしてしまい、さらに安定性が低下しやすくなる。有機非線形材料の光照射下における化学反応は、材料の屈折率の変化を引き起こして導波光の閉じ込めを弱めてしまい、結果として伝搬損失の増加が引き起こされる恐れがある。
次に、EO分子の濃度も、デバイスの光学特性に関わる重要な要素である。一般に、EO分子を高い濃度で有するEO材料の方が高いEO特性を有している。しかし、EO材料をあまり高濃度に高分子材料等へ分散させると、材料の均質性が失われ、光の透過損失が大きくなってしまう。
本発明は、上記従来の問題点に鑑みなされたものであり、以下の目的を達成することを課題とする。すなわち、本発明の目的は、高い光透過性と光に対する安定性とを両立した非線形光学材料と、それを用いた光信頼性の高い導波路デバイスを提供することにある。
In order to use an EO material for a waveguide device, the light transmission loss must be small and strong against optical damage. However, the above example has not been verified for the light stability of the device.
Many organic nonlinear optical materials have a compound having a long π-conjugated electron system, and there is a particular concern about the stability to light. This is because a compound having a long π-conjugated electron system absorbs a relatively low energy photon and easily causes a chemical reaction. In particular, when there is a compound that is active against a photoreaction around an organic nonlinear optical material, such as a DAST crystal, it reacts with adjacent molecules by light, and the stability is likely to be further reduced. . A chemical reaction of the organic nonlinear material under light irradiation may cause a change in the refractive index of the material and weaken the confinement of the guided light, resulting in an increase in propagation loss.
Secondly, the concentration of EO molecules is also an important factor related to the optical properties of the device. In general, an EO material having a higher concentration of EO molecules has higher EO characteristics. However, if the EO material is dispersed in a polymer material or the like at a very high concentration, the homogeneity of the material is lost and the light transmission loss increases.
The present invention has been made in view of the above-described conventional problems, and an object thereof is to achieve the following object. That is, an object of the present invention is to provide a nonlinear optical material that achieves both high light transmittance and stability against light, and a waveguide device with high optical reliability using the nonlinear optical material.
前記課題を解決するための手段は以下の通りである。すなわち、
<1> 非線形光学特性を示す、分子量が100〜5000の低分子化合物と、光反応に対して不活性な化合物とが、混合又は化学結合した状態で含み、0.6〜1.8μmの波長範囲内の特定波長の光における1cm当たりの透過減衰係数が0.5以下であることを特徴とする記載の非線形光学材料である。
Means for solving the above-mentioned problems are as follows. That is,
<1> A wavelength of 0.6 to 1.8 μm including a low molecular weight compound having a nonlinear optical property and having a molecular weight of 100 to 5000 and a compound inactive to a photoreaction in a mixed or chemically bonded state. The nonlinear optical material according to
<2> 全質量に対する前記低分子化合物の質量割合をN(0<N<1)、該低分子化合物の双極子モーメントをμ(Debye)、分子量をMWとしたとき、下記式(1)を満たすことを特徴とする前記<1>に記載の非線形光学材料である。 <2> The mass ratio of the low-molecular compound to the total weight N (0 <N <1), the dipole moment of the low molecular compound mu (Debye), when the molecular weight was M W, the following formula (1) The nonlinear optical material according to <1>, wherein the nonlinear optical material is satisfied.
<3> 前記光反応に対して不活性な化合物は、ポリカーボネートであることを特徴とする前記<1>または<2>に記載の非線形光学材料である。 <3> The nonlinear optical material according to <1> or <2>, wherein the compound inactive to the photoreaction is polycarbonate.
<4> 前記光反応に対して不活性な化合物は、ポリスルホンであることを特徴とする前記<1>または<2>に記載の非線形光学材料である。 <4> The nonlinear optical material according to <1> or <2>, wherein the compound inactive to the photoreaction is polysulfone.
<5> 前記光反応に対して不活性な化合物は、シリコーンであることを特徴とする請求項1または2に記載の非線形光学材料。
<5> The nonlinear optical material according to
<6> 前記<1>から<5>のいずれかに記載の非線形光学材料を用いて作製されてなる導波路デバイスである。 <6> A waveguide device manufactured using the nonlinear optical material according to any one of <1> to <5>.
本発明によれば、高い光透過性と光に対する安定性とを両立した非線形光学材料、およびそれを用いた光信頼性の高い導波路デバイスを提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a nonlinear optical material that achieves both high light transmittance and stability to light, and a waveguide device with high optical reliability using the nonlinear optical material.
本発明の非線形光学材料は、非線形光学特性を示す、分子量が100〜5000の低分子化合物と、光反応に対して不活性な化合物とが、混合又は化学結合した状態で含み、0.6〜1.8μmの波長範囲内の特定波長の光における1cm当たりの透過減衰係数が0.5以下であることを特徴としている。
本発明の導波路デバイスは、本発明の非線形光学材料を用いて作製されてなることを特徴としている。
以下に、まず、本発明の非線形光学材料について説明する。
The nonlinear optical material of the present invention includes a low molecular compound having a nonlinear optical property and having a molecular weight of 100 to 5000 and a compound inactive to a photoreaction in a mixed or chemically bonded state, and includes 0.6 to The transmission attenuation coefficient per 1 cm of light having a specific wavelength within a wavelength range of 1.8 μm is 0.5 or less.
The waveguide device of the present invention is manufactured using the nonlinear optical material of the present invention.
First, the nonlinear optical material of the present invention will be described.
<非線形光学材料>
本発明の非線形光学材料は、光に対する安定性を確保するため、非線形光学性を有する低分子化合物を、不活性化合物と混合又は化学結合した状態で用い、また、光透過性を確保するため、0.6〜1.8μmの波長範囲内の特定波長の光における1cm当たりの透過減衰係数を0.5以下としている。
ここで、1cmあたりの透過減衰係数Aとは、1cmの試料に光を透過させた時の入射エネルギーをPin、出射エネルギーをPoutしたとき、下記式(2)で表す係数と定義する。
<Nonlinear optical material>
The non-linear optical material of the present invention uses a low-molecular compound having non-linear optical properties in a mixed or chemically bonded state with an inert compound in order to ensure stability to light, and in order to ensure light transmission, The transmission attenuation coefficient per 1 cm of light having a specific wavelength within the wavelength range of 0.6 to 1.8 μm is set to 0.5 or less.
Here, the transmission attenuation coefficient A per 1 cm is defined as a coefficient expressed by the following equation (2) when the incident energy when transmitting light through a 1 cm sample is P in and the output energy is P out .
本発明においては、上述の通り、前記透過減衰係数を0.5以下としているが、0.5を超えると、高い光透過性を確保することができない。当該透過減衰係数は、0.45以下であることが好ましく、0.4以下であることがより好ましい。 In the present invention, as described above, the transmission attenuation coefficient is set to 0.5 or less. However, if it exceeds 0.5, high light transmittance cannot be ensured. The transmission attenuation coefficient is preferably 0.45 or less, and more preferably 0.4 or less.
また、前記透過減衰係数が0.5以下となる0.6〜1.8μmの波長範囲内の特定波長としては、より詳細には、広域通信分野では1.3〜1.6μmが好ましく、装置等の中の配されるボード間の通信では0.7〜1μmが好ましい。 The specific wavelength within the wavelength range of 0.6 to 1.8 μm where the transmission attenuation coefficient is 0.5 or less is more preferably 1.3 to 1.6 μm in the wide-area communication field. In the communication between boards arranged in the above, 0.7 to 1 μm is preferable.
本発明の非線形光学材料は、上述の通り、非線形光学特性を示す、分子量が100〜5000の低分子化合物(以下、単に「低分子化合物」と呼ぶ場合がある。)と、光反応に対して不活性な化合物(以下、単に「不活性化合物」と呼ぶ場合がある。)とを少なくとも含む。
本発明の非線形光学材料の構成成分のそれぞれについて以下に説明する。
As described above, the nonlinear optical material of the present invention is a low molecular compound having nonlinear optical characteristics and having a molecular weight of 100 to 5,000 (hereinafter sometimes referred to simply as “low molecular compound”), and photoreaction. And an inactive compound (hereinafter sometimes simply referred to as “inactive compound”).
Each component of the nonlinear optical material of the present invention will be described below.
−低分子化合物−
本発明に係る非線形光学特性を有する低分子化合物としては、分子量が100〜5000の低分子化合物であるが、特に、一次超分極率βが10×10−30esu以上の値を有する低分子化合物であることが好ましい。中でも、電子供与性基と電子求引性基とをπ電子系で繋いだ化合物群は、高い一次超分極率を有しており、好適である。
-Low molecular weight compounds-
The low molecular compound having nonlinear optical properties according to the present invention is a low molecular compound having a molecular weight of 100 to 5000, and in particular, a low molecular compound having a primary hyperpolarizability β of 10 × 10 −30 esu or more. It is preferable that Among them, a compound group in which an electron donating group and an electron withdrawing group are connected by a π electron system has a high first-order hyperpolarizability and is preferable.
本発明に係る低分子化合物として好適に使用可能な具体例としては、電子供与性基と電子求引性基を有するアゾ色素や、メロシアニン系の色素などが挙げられ、中でも好適な例としては、Disperse Red 1(DR1)や、2−メチル−6−(4−N,N−ジメチルアミノベンジリデン)−4H−ピラン−4−イリデンプロパンジニトリル、4−{[4−(ジメチルアミノ)フェニル]イミノ}−2,5−シクロヘキサジエン−1−オンなどが挙げられる。 Specific examples that can be suitably used as the low molecular weight compound according to the present invention include azo dyes having an electron donating group and an electron withdrawing group, merocyanine dyes, and the like. Disperse Red 1 (DR1), 2-methyl-6- (4-N, N-dimethylaminobenzylidene) -4H-pyran-4-ylidenepropanedinitrile, 4-{[4- (dimethylamino) phenyl] Imino} -2,5-cyclohexadien-1-one and the like.
本発明の非線形光学材料は、光透過性を確保するため、すなわち、0.6〜1.8μmの波長範囲内の特定波長の光における1cm当たりの透過減衰係数を0.5以下とするためには、全質量に対する前記低分子化合物の質量割合をN(0<N<1)、双極子モーメントをμ(Debye)、分子量をMWとしたとき、下記式(1)を満足するよう設定することが好ましい。なお、ここでいう分子量Mwは、低分子化合物と不活性化合物とを混合して用いた場合は、低分子化合物そのものの分子量であり、低分子化合物と不活性化合物とを化学結合して用いた場合は、非線形光学材料中の実質的に非線形特性を示す部分(低分子化合物に由来する部分)の分子量である。 The nonlinear optical material of the present invention ensures light transmission, that is, a transmission attenuation coefficient per cm for light of a specific wavelength within a wavelength range of 0.6 to 1.8 μm is 0.5 or less. is the mass fraction of the low-molecular compound to the total weight N (0 <N <1), when a dipole moment μ of (Debye), the molecular weight was M W, is set to satisfy the following formula (1) It is preferable. The molecular weight Mw referred to here is the molecular weight of the low molecular weight compound itself when the low molecular weight compound and the inert compound are mixed and used, and the low molecular weight compound and the inert compound are chemically bonded. In this case, the molecular weight of a portion (part derived from a low molecular weight compound) exhibiting substantially nonlinear characteristics in the nonlinear optical material.
当該式(1)を満足することで、非線形光学材料の非線形光学特性を損なうことなく、光学的に均質性の高い薄膜を形成することができる。また、式(1)の下限未満では非線形光学特性が劣化することがある。また、式(1)の上限を超えると、会合体や結晶が発生し透過減衰係数を0.5以下とすることができないことがある。 By satisfying the formula (1), a thin film having high optical homogeneity can be formed without impairing the nonlinear optical characteristics of the nonlinear optical material. Further, if the value is less than the lower limit of the formula (1), the nonlinear optical characteristics may be deteriorated. If the upper limit of formula (1) is exceeded, aggregates and crystals may be generated and the transmission attenuation coefficient may not be 0.5 or less.
一方、使用する波長が短い場合には、分子による光の吸収のためにデバイスの光学特性が低下してしまうので、前記低分子化合物の分散量は少なく抑えることが好ましい。 On the other hand, when the wavelength used is short, the optical characteristics of the device deteriorate due to light absorption by the molecules, so it is preferable to keep the amount of the low molecular compound dispersed small.
−不活性化合物−
上述の通り、本発明の非線形光学材料は、非線形光学特性を示す前記低分子化合物に対し、不活性化合物を混合又は化学結合した状態で含ませることによって光安定性を付与している。
ここで、光に対して不活性な化合物における光とは、波長域としては、紫外線〜赤外線の波長域が広範である点で最も好ましいが、必要に応じて、紫外線〜可視光の波長域、可視光〜赤外線の波長域であってもよい。また、当該光の強度としては、導波路に入射させる光の強度として6〜10mWとなる強度である。
-Inactive compounds-
As described above, the nonlinear optical material of the present invention imparts light stability to the low molecular weight compound exhibiting nonlinear optical characteristics by including an inert compound in a mixed or chemically bonded state.
Here, the light in the compound inactive to light is most preferable in terms of a wide wavelength range from ultraviolet to infrared, but if necessary, the wavelength range from ultraviolet to visible light, The wavelength range of visible light to infrared may be used. In addition, the intensity of the light is 6 to 10 mW as the intensity of light incident on the waveguide.
このような不活性化合物としては、高分子化合物が扱いも容易であり、好適な例として挙げることができる。但し、芳香環同士が直接結合していたり、芳香環同士が炭素−炭素二重結合で連結されていたり、縮環系芳香族化合物であったりしないことが必要である。また、芳香環以外の炭素−炭素二重結合や光反応性の置換基を有していないことも必要である。使用に不適切な高分子化合物の具体例としては、ポリチオフェン、ポリピロール、ポリアセチレン、ポリブタジエン、ポリアレンや感光性樹脂であるレジストなどの高分子化合物を挙げることができる。使用に適した高分子化合物の具体例としては、ポリスチレン、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリカーボネート、ポリエチレンテレフタラート、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニルスルホン、ポリウレタン、ポリアミド、シリコーンなどを挙げることができる。中でも、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリカーボネート、ポリスルホン、ポリウレタン、シリコーンは、樹脂自身や樹脂となる前駆体化合物の溶解性や薄膜化した際の耐溶剤性のバランスがよく、扱いやすいため好適である。特には、ポリカーボネート、ポリスルホンが好ましい。 As such an inactive compound, a polymer compound is easy to handle, and can be mentioned as a suitable example. However, it is necessary that the aromatic rings are not directly bonded, the aromatic rings are connected by a carbon-carbon double bond, or are not condensed ring aromatic compounds. Moreover, it is also necessary not to have a carbon-carbon double bond other than an aromatic ring or a photoreactive substituent. Specific examples of the polymer compound that is inappropriate for use include polymer compounds such as polythiophene, polypyrrole, polyacetylene, polybutadiene, polyarene, and a resist that is a photosensitive resin. Specific examples of the polymer compound suitable for use include polystyrene, polyimide, polyetherimide, polycarbonate, polyethylene terephthalate, polysulfone, polyethersulfone, polyphenylsulfone, polyurethane, polyamide, and silicone. Among these, polyimide, polyetherimide, polycarbonate, polysulfone, polyurethane, and silicone are preferable because they have a good balance between the solubility of the resin itself and the precursor compound that becomes the resin and the solvent resistance when thinned, and are easy to handle. In particular, polycarbonate and polysulfone are preferable.
本発明の非線形光学材料は、前記低分子化合物と前記不活性化合物とを混合して使用する態様と、低分子化合物と不活性化合物とを化学結合させて使用する態様とがある。以下、それぞれの態様について説明する。 The nonlinear optical material of the present invention has an aspect in which the low molecular compound and the inert compound are used in combination and an aspect in which the low molecular compound and the inert compound are chemically bonded. Each aspect will be described below.
〜低分子化合物と不活性化合物とを混合して使用する態様〜
本態様においては、適当に溶媒を選択し、該溶媒に低分子化合物と不活性化合物とを溶解して溶液として用いる。得られた溶液は塗膜形成のため塗布に供されるがそれについては後述する。
-Mode of using a mixture of a low molecular weight compound and an inert compound-
In this embodiment, a solvent is appropriately selected, and a low molecular compound and an inert compound are dissolved in the solvent and used as a solution. The obtained solution is used for coating to form a coating film, which will be described later.
〜低分子化合物と不活性化合物とを化学結合させて使用する態様〜
ここで言う化学結合としては、エーテル結合、エステル結合、アミド結合、イミド結合、スルフィド結合などが挙げられ、光透過性や化学結合の安定性の観点からエーテル結合やエステル結合が好ましい。
低分子化合物と不活性化合物とを化学結合させる方法としては、水酸基とハロゲンなどの脱離基との間における求核置換反応、水酸基同士や水酸基とカルボキシル基との間における脱水縮合反応の他、酸塩化物と水酸基を反応させるものなどが挙げられる。
-Aspect in which a low molecular weight compound and an inert compound are chemically bonded to each other-
Examples of the chemical bond herein include an ether bond, an ester bond, an amide bond, an imide bond, and a sulfide bond, and an ether bond and an ester bond are preferable from the viewpoint of light transmittance and chemical bond stability.
As a method of chemically bonding a low molecular weight compound and an inert compound, a nucleophilic substitution reaction between a hydroxyl group and a leaving group such as halogen, a dehydration condensation reaction between hydroxyl groups or between a hydroxyl group and a carboxyl group, What reacts an acid chloride and a hydroxyl group is mentioned.
本発明の非線形光学材料の形態は、如何なるものでも構わないが、導波路デバイスへの適用に当っては薄膜の形態にて利用されることが一般的である。本発明の非線形光学材料を含有する薄膜の形成方法としては、射出成形法、プレス成形法、ソフトリソグラフ法、ナノインプリント法、湿式塗布法等の公知の手法が利用可能であるが、製造装置の簡便性、量産性、膜品質(膜厚の均一性、気泡等の欠陥の少なさ等)、等の観点から、少なくとも上記の非線形光学特性を示す前記低分子化合物と前記不活性化合物とを有機溶剤に溶解させた溶液をスピンコート法、ブレードコート法、浸漬塗布法、インクジェット法等の手法により適当な基板上に塗布することによって成膜する湿式塗布法が好ましい。 The nonlinear optical material of the present invention may be in any form, but is generally used in the form of a thin film when applied to a waveguide device. As a method for forming a thin film containing the nonlinear optical material of the present invention, known methods such as an injection molding method, a press molding method, a soft lithographic method, a nanoimprint method, a wet coating method, and the like can be used. From the viewpoints of properties, mass productivity, film quality (thickness uniformity, few defects such as bubbles), etc., at least the low molecular weight compound and the inert compound exhibiting the above nonlinear optical characteristics are combined with an organic solvent. A wet coating method is preferred in which the solution dissolved in is coated on an appropriate substrate by a spin coating method, blade coating method, dip coating method, ink jet method or the like.
湿式塗布法において用いる有機溶剤は、用いる低分子化合物と不活性化合物とを溶解し得るものであれば如何なるものでも構わないが、その沸点が50〜200℃の範囲内にあるものが好ましい。沸点が50℃未満の有機溶剤を用いると、塗布溶液の保管時に溶剤揮発が起こり塗布溶液の粘度が変化(上昇)してしまう、塗布時に溶剤の揮発速度が早過ぎ結露が発生してしまう、等の問題が顕著となる傾向にある。一方、沸点が200℃を超える有機溶剤を用いると、塗布後の溶剤除去が困難になり残存した有機溶剤が不活性化合物の可塑剤として働きガラス転移温度の低下を齎す、等の問題が発生する場合がある。好ましい有機溶剤の例としては、メタノール、エタノール,2−プロパノール、ブタノール、テトラヒドロフラン、メチルテトラヒドロフラン、ジオキサン、ジエチレングリコールジメチルエーテル、メチルエチルケトン、シクロペンタノン、シクロヘキサン、シクロヘキサノン、酢酸エチル、シクロヘキサノール、ジクロロエタン、トルエン、キシレン、N,N-ジメチルホルムアミド、N,N-ジメチルアセトアミド、N-メチルピロリジン-2-オン、ジメチルスルホキシド、等が挙げられる。尚、これらの有機溶剤は単独で用いても、複数を混合して用いてもよい。 The organic solvent used in the wet coating method may be any organic solvent as long as it can dissolve the low-molecular compound and the inert compound to be used, but preferably has a boiling point in the range of 50 to 200 ° C. If an organic solvent with a boiling point of less than 50 ° C is used, solvent volatilization occurs when the coating solution is stored, and the viscosity of the coating solution changes (increases). There is a tendency for such problems to become prominent. On the other hand, when an organic solvent having a boiling point exceeding 200 ° C. is used, it is difficult to remove the solvent after coating, and the remaining organic solvent acts as a plasticizer for the inert compound and causes a decrease in the glass transition temperature. There is a case. Examples of preferred organic solvents include methanol, ethanol, 2-propanol, butanol, tetrahydrofuran, methyltetrahydrofuran, dioxane, diethylene glycol dimethyl ether, methyl ethyl ketone, cyclopentanone, cyclohexane, cyclohexanone, ethyl acetate, cyclohexanol, dichloroethane, toluene, xylene, N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide, N-methylpyrrolidin-2-one, dimethyl sulfoxide and the like can be mentioned. These organic solvents may be used alone or in combination.
本発明の非線形光学材料には、前記低分子化合物と不活性化合物の他に、必要に応じ種々の添加物を加えることができる。例えば、低分子化合物及び/又は不活性化合物の酸化劣化を抑制する目的で2,6-ジ-t-ブチル-4-メチルフェノール、ヒドロキノン等の公知の酸化防止剤を、低分子化合物及び/又は不活性化合物の紫外線劣化を抑制する目的で2,4-ジヒドロキシベンゾフェノン、2-ヒドロキシ-4-メトキシベンゾフェノン等の公知の紫外線吸収剤を、また、湿式塗布を行う場合には、その塗布液に、塗布膜の表面平滑性を改善する目的でシリコーンオイル等の公知のレベリング剤を、あるいは架橋硬化性官能基を有する低分子化合物及び/又は不活性化合物を用いる場合には、その架橋硬化を促進させる目的で公知の硬化触媒や硬化助剤を添加してもよい。 In addition to the low molecular weight compound and the inert compound, various additives can be added to the nonlinear optical material of the present invention as necessary. For example, known antioxidants such as 2,6-di-t-butyl-4-methylphenol and hydroquinone are used for the purpose of suppressing oxidative degradation of low molecular weight compounds and / or inactive compounds. For the purpose of suppressing the UV degradation of the inert compound, known UV absorbers such as 2,4-dihydroxybenzophenone and 2-hydroxy-4-methoxybenzophenone are used. When a known leveling agent such as silicone oil is used for the purpose of improving the surface smoothness of the coating film, or a low molecular weight compound and / or an inert compound having a crosslinkable curable functional group is used, the crosslink curing is promoted. For the purpose, a known curing catalyst or curing aid may be added.
<導波路デバイス>
次いで、本発明の導波路デバイスについて説明する。本発明の導波路デバイスは、既述の本発明の非線形光学材料を用いて作製されるものであり、具体的には、導波路層を本発明の非線形光学材料を用いて形成されるものである。
以下に、本発明の導波路デバイスについて、その作製プロセスを通じて説明する。以下に示すプロセスは一例であり、デバイスの構造や使用する材料の性状などに合わせて変更しても構わない。
<Waveguide device>
Next, the waveguide device of the present invention will be described. The waveguide device of the present invention is manufactured using the above-described nonlinear optical material of the present invention. Specifically, the waveguide layer is formed using the nonlinear optical material of the present invention. is there.
Hereinafter, the waveguide device of the present invention will be described through its manufacturing process. The process shown below is an example, and may be changed according to the structure of the device, the properties of the material to be used, and the like.
図1の1)〜5)は、基板201上に、下部電極202、下部クラッド層203、導波路層204、上部クラッド層205、及び上部電極206を形成して導波路デバイスを作製する工程を順次示している。以下に、基板及び各層について説明する。
1) to 5) in FIG. 1 are steps of manufacturing a waveguide device by forming a
[基板]
本発明に用いる基板は特に限定されないが、平坦性に優れたものが好ましい。例えば、金属基板、シリコン基板、透明基板等が挙げられ、導波路型光変調素子の形態によって適宜選択可能である。金属基板の好ましい例としては、金、銀、銅、アルミニウム、シリコン等の基板が挙げられ、透明基板の好ましい例としては、石英、ガラス、プラスチック等の基板が挙げられる。
[substrate]
Although the board | substrate used for this invention is not specifically limited, The thing excellent in flatness is preferable. For example, a metal substrate, a silicon substrate, a transparent substrate, etc. are mentioned, and can be appropriately selected depending on the form of the waveguide type light modulation element. Preferred examples of the metal substrate include gold, silver, copper, aluminum, and silicon substrates, and preferred examples of the transparent substrate include quartz, glass, and plastic substrates.
[下部電極]
まず、基板201の外側面、又は基板上に下部電極202(電気配線)を形成する(図1(1))。下部電極は、例えば、金属蒸着層、透明電極層等とすることができる。蒸着する金属の好ましい例としては、金、銀、銅、アルミニウム等が挙げられる。また、透明電極層の好ましい例としては、インジウムスズ酸化物(ITO)、フッ素ドープスズ酸化物(FTO)、アンチモンドープスズ酸化物等が挙げられる。基板は下部電極を兼ねていてもよい。
[Lower electrode]
First, the lower electrode 202 (electrical wiring) is formed on the outer surface of the
[下部クラッド層]
次に、基板、あるいは下部電極上に下部クラッド層を形成する。下部クラッド層の材料としては、ポリイミド、フッ素化ポリイミドの他、光硬化性のアクリル樹脂やエポキシ樹脂が好ましい例として挙げられる。材料の塗布法としては周知の手法、例えばカーテンコーティング法、押し出しコーティング法、ロールコーティング法、スピンコーティング法、ディップコーティング法、バーコーティング法、スプレーコーティング法、スライドコーティング法、印刷コーティング法等を採用することができ、特にスピンコーティング法が簡便である。
[Lower cladding layer]
Next, a lower clad layer is formed on the substrate or the lower electrode. As a material for the lower cladding layer, a photocurable acrylic resin or epoxy resin can be cited as a preferred example in addition to polyimide and fluorinated polyimide. As a material application method, a well-known method such as curtain coating method, extrusion coating method, roll coating method, spin coating method, dip coating method, bar coating method, spray coating method, slide coating method, print coating method, etc. is adopted. In particular, the spin coating method is simple.
[導波路層]
続いて、下部クラッド層203上に導波路層204を形成する(図1(2))。
導波路層としては、既述の本発明の非線形光学材料を用いる。この時、非線形光学材料は、下部クラッド層よりも屈折率の高い材料を選ぶ必要がある。非線形光学材料は、有機溶剤に溶解、あるいは熱で溶融させた状態において下部クラッド上に塗布する。塗布法としては周知の手法、例えばカーテンコーティング法、押し出しコーティング法、ロールコーティング法、スピンコーティング法、ディップコーティング法、バーコーティング法、スプレーコーティング法、スライドコーティング法、印刷コーティング法等を採用することができ、特にスピンコーティング法が簡便である。
[Waveguide layer]
Subsequently, a
As the waveguide layer, the above-described nonlinear optical material of the present invention is used. At this time, it is necessary to select a nonlinear optical material having a refractive index higher than that of the lower cladding layer. The nonlinear optical material is applied on the lower clad in a state dissolved in an organic solvent or melted by heat. As a coating method, a well-known method such as curtain coating method, extrusion coating method, roll coating method, spin coating method, dip coating method, bar coating method, spray coating method, slide coating method, print coating method, etc. may be adopted. In particular, the spin coating method is simple.
[導波路]
導波路層204を形成した後、反応性イオンエッチング(RIE)、フォトリソグラフィー、電子線リソグラフィー等の半導体プロセス技術を用いた公知の方法により導波路層をパターニングし、チャネル型導波路あるいはリッジ型導波路を形成することもできる。あるいは、コア層の一部にUV光、電子線等をパターニングして照射することにより、照射部分の屈折率を変化させてチャネル型あるいはリッジ型導波路を形成することもできる(図1(3))。
[Waveguide]
After the
導波路としては光波工学(コロナ社、1988年発行)、第107章、204頁に記載されている周知の導波路、例えば分岐導波路型、マッハツェンダー型、方向性結合器型、交差導波路型等を採用することができる。当然ながら、該文献に記載されていない導波路であっても、本発明における非線形光学材料を適用することは可能である。その一例として、Multi-Mode Interferometer型の導波路デバイスを挙げることができる。
導波路デバイスの型の例について具体的に示す。図2(A)〜(C)、図3(D)〜(G)、図4は、それぞれの導波路デバイスを真上から見た図であり、図1と同じ構成要素には同じ符合を付し、内部の導波路部分を視認できるように描いている。図2(A)は直線導波路、(B)は曲線導波路、(C)はY字導波路、図3(D)は方向性結合器、(E)はマッハ−ツェンダ型光変調器、(F)はモード変換器、(G)は分岐スイッチであり、図4はMulti-Mode Interferometer型の導波路デバイスを示す。
As waveguides, well-known waveguides described in light wave engineering (Corona, 1988), Chapter 107,
An example of a type of waveguide device will be specifically described. 2 (A) to (C), FIGS. 3 (D) to (G), and FIG. 4 are views of the respective waveguide devices as viewed from directly above. The same reference numerals are used for the same components as those in FIG. It is drawn so that the internal waveguide portion can be visually recognized. 2 (A) is a straight waveguide, (B) is a curved waveguide, (C) is a Y-shaped waveguide, FIG. 3 (D) is a directional coupler, (E) is a Mach-Zehnder type optical modulator, (F) is a mode converter, (G) is a branch switch, and FIG. 4 shows a multi-mode interferometer type waveguide device.
[上部クラッド層]
次いで、導波路層204上に、上部クラッド層205を形成する(図1(4))。導波路層の上に作製される上部クラッド層としては、導波路層よりも屈折率の低い材料であれば、いかなる材料を用いても構わない。具体的な上部クラッド層の材料としては、ポリイミド、フッ素化ポリイミドの他、光硬化性のアクリル樹脂やエポキシ樹脂が好ましい例として挙げられる。材料の塗布法としては周知の手法、例えばカーテンコーティング法、押し出しコーティング法、ロールコーティング法、スピンコーティング法、ディップコーティング法、バーコーティング法、スプレーコーティング法、スライドコーティング法、印刷コーティング法等を採用することができ、特にスピンコーティング法が簡便である。
[Upper clad layer]
Next, the upper clad
[上部電極]
上部クラッド層205上の全面、あるいは一部には、必要に応じて上部電極206(電気配線)を配する(図1(5))。上部電極を形成する材料は下部電極と同様、特に限定されない。例えば、金属であれば、金、銀、銅、アルミニウム等を用いることができる。上部電極はこれらの材料を蒸着した電極であることが好ましい。
[Upper electrode]
An upper electrode 206 (electrical wiring) is provided on the entire surface or a part of the
なお、上述のプロセスでは述べなかったが、前記導波路デバイスに非線形光学効果を発現させるために、分極配向処理を施す必要がある。分極配向処理は、試料の軟化状態もしくは流動状態において、試料に電極を装着し直流電場を印加するか、コロナ放電による帯電電荷を利用することができる。試料の固化は、冷却による場合や高分子の熱硬化による場合があるが、いずれも、電場印加状態または帯電状態で行うことが望ましい。この工程は、導波路層形成後であればいつ実行してもよいが、後の工程で加熱の必要がある場合には、非線形光学効果の低下が起こってしまうため、分極配向処理を最終工程として行うことが好ましい。
このようにして作製された導波路デバイスは、ダイシングやへき開によりウエハーからチップを切出すことで、デバイスとして完成する。
Although not described in the above-described process, it is necessary to perform polarization alignment processing in order to cause the waveguide device to exhibit a nonlinear optical effect. In the polarization orientation treatment, in the softened or fluidized state of the sample, an electrode can be attached to the sample and a DC electric field can be applied, or a charged charge by corona discharge can be used. The sample may be solidified by cooling or by thermosetting the polymer, but it is desirable to perform either in an electric field applied state or in a charged state. This step may be performed at any time after the formation of the waveguide layer. However, if heating is required in the subsequent step, the nonlinear optical effect is reduced, so that the polarization alignment treatment is performed as the final step. It is preferable to carry out as
The waveguide device thus manufactured is completed as a device by cutting a chip from the wafer by dicing or cleavage.
以下、本発明を実施例によりさらに具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。 EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention further more concretely, this invention is not limited to a following example.
[実施例1]
本実施例では、低分子化合物として、Disperse Red 1(以下、「DR1」と略す。双極子モーメントμ:7.5Debye、分子量MW:314)を用いた。
はじめに、非線形光学材料の溶液として、シクロヘキサノン、テトラヒドロフラン、ポリカーボネート、およびDR1を、前記すべての材料の総質量を100質量部としてそれぞれ、68質量部、17質量部、12質量部、および3質量部からなる溶液(以下、PC溶液)を調製した。この溶液から作製される非線形光学材料のNμ/MWはおよそ0.005であった。該非線形光学材料の薄膜における屈折率をプリズムカップリング法により測定したところ、1.56であることを確認した。
[Example 1]
In this example, Disperse Red 1 (hereinafter abbreviated as “DR1”, dipole moment μ: 7.5 Debye, molecular weight M W : 314) was used as the low molecular compound.
First, as the solution of the nonlinear optical material, cyclohexanone, tetrahydrofuran, polycarbonate, and DR1, and the total mass of all the materials as 100 parts by mass, from 68 parts by mass, 17 parts by mass, 12 parts by mass, and 3 parts by mass, respectively. A solution (hereinafter referred to as PC solution) was prepared. Nμ / M W of the non-linear optical materials made from this solution was approximately 0.005. When the refractive index in the thin film of the nonlinear optical material was measured by the prism coupling method, it was confirmed to be 1.56.
下部電極として金をスパッタしたシリコン基板上に、下部クラッド層として屈折率1.54のアクリル系紫外線硬化樹脂を塗布し、紫外線を照射して膜厚6μmの樹脂硬化膜を得た。続いて、導波路層として前記PC溶液を塗布、硬化させ、フォトリソグラフィに続くエッチングにより導波路を形成した。導波路層の膜厚は1.7μmであり、リッジ高さは0.4μm、幅は5μmであった。導波層上に下部クラッド層に用いた紫外線硬化樹脂を塗布し、6μm厚の上部クラッド層を作製した。上部電極をフォトリソグラフィに続くリフトオフによって作製し、ダイシングによりウエハーからチップを切出すことで導波路デバイスを作製した。 An acrylic ultraviolet curable resin having a refractive index of 1.54 was applied as a lower cladding layer on a silicon substrate on which gold was sputtered as the lower electrode, and an ultraviolet ray was irradiated to obtain a resin cured film having a thickness of 6 μm. Subsequently, the PC solution was applied and cured as a waveguide layer, and a waveguide was formed by etching following photolithography. The film thickness of the waveguide layer was 1.7 μm, the ridge height was 0.4 μm, and the width was 5 μm. The ultraviolet curable resin used for the lower clad layer was applied on the waveguide layer to produce an upper clad layer having a thickness of 6 μm. The upper electrode was fabricated by lift-off following photolithography, and a waveguide device was fabricated by cutting a chip from the wafer by dicing.
作製された導波路デバイスの直線導波路とシングルモードファイバとを調芯し、デバイスを短くしながら挿入損失を測定することにより、1.55μmの波長の光における伝搬損失が1.7dB/cmであることを確認した。なお、理論計算により、本実施例で作製したデバイスには、導波路壁面における散乱損失は0.1dB/cm以下であり、無視してもよいことを確認した。従って、導波路の非線型光学材料の吸収に由来する1cmあたりの透過減衰係数は0.4であった。
続いて、作製された導波路デバイスは、直線導波路とシングルモードファイバとを調芯し、アクリル系紫外線硬化樹脂を用いて接続した。このデバイスをオーブン内に収納し、70℃で光を導波させ続けることにより、デバイスと材料の光安定性の評価を実施した。その際の光パワーの経時変化を図5に示す。評価の結果、光の挿入による挿入損失の変化は殆どなく、導波路デバイスが光に対して安定であることが確認できた。
By aligning the straight waveguide and the single mode fiber of the manufactured waveguide device and measuring the insertion loss while shortening the device, the propagation loss in the light of 1.55 μm wavelength is 1.7 dB / cm. I confirmed that there was. In addition, it was confirmed by theoretical calculation that the device produced in this example has a scattering loss of 0.1 dB / cm or less on the waveguide wall surface and can be ignored. Therefore, the transmission attenuation coefficient per 1 cm derived from the absorption of the nonlinear optical material of the waveguide was 0.4.
Subsequently, in the manufactured waveguide device, a straight waveguide and a single mode fiber were aligned and connected using an acrylic ultraviolet curable resin. The device and the material were evaluated for light stability by storing the device in an oven and continuing to guide light at 70 ° C. FIG. 5 shows the change over time of the optical power at that time. As a result of the evaluation, there was almost no change in insertion loss due to the insertion of light, and it was confirmed that the waveguide device was stable to light.
[実施例2]
はじめに、非線形光学材料の溶液として、シクロヘキサノン、テトラヒドロフラン、ポリスルホン、およびDR1を、前記すべての材料の総質量を100質量部としてそれぞれ、77質量部、9質量部、10質量部、および4質量部からなる溶液(以下、PS溶液)を調製した。この溶液から作製される非線形光学材料のNμ/MWはおよそ0.007であった。該材料の薄膜における屈折率をプリズムカップリング法により測定したところ、1.63であることを確認した。
[Example 2]
First, as the solution of the nonlinear optical material, cyclohexanone, tetrahydrofuran, polysulfone, and DR1, and the total mass of all the materials as 100 parts by mass, respectively from 77 parts by mass, 9 parts by mass, 10 parts by mass, and 4 parts by mass A solution (hereinafter referred to as PS solution) was prepared. Nμ / M W of the non-linear optical materials made from this solution was approximately 0.007. When the refractive index in the thin film of this material was measured by the prism coupling method, it was confirmed to be 1.63.
下部電極として金をスパッタしたシリコン基板上に、下部クラッド層として屈折率1.50のエポキシ系紫外線硬化樹脂を塗布し、紫外線を照射して4μm厚の樹脂硬化膜を作製した。続いて、導波路層としてPS溶液を塗布、硬化させ、フォトリソグラフィに続くエッチングにより導波路を形成した。導波路層の膜厚は3.3μmであり、リッジ高さは0.6μm、幅は5μmであった。導波層上に上部クラッド層となる屈折率1.50のアクリル系紫外線硬化樹脂を塗布し、紫外線を照射して硬化さ、4μ厚の上部クラッド層を作製した。上部電極をフォトリソグラフィに続くリフトオフによって作製し、ダイシングによりウエハーからチップを切出すことで導波路デバイスを作製した。
作製されたデバイスの直線導波路とシングルモードファイバとを調芯し、デバイスを短くしながら挿入損失を測定することにより、1.55μmの波長の光における伝搬損失が1.6dB/cmであることを確認した。なお、本実施例で作製したデバイスには、導波路壁面における散乱損失は0.1dB/cm以下であり、無視してもよいことを確認した。従って、導波路の非線型光学材料の吸収に由来する1cmあたりの透過減衰係数は0.4であった。
An epoxy ultraviolet curable resin having a refractive index of 1.50 was applied as a lower clad layer on a silicon substrate on which gold was sputtered as a lower electrode, and an ultraviolet ray was irradiated to produce a resin cured film having a thickness of 4 μm. Subsequently, a PS solution was applied and cured as a waveguide layer, and a waveguide was formed by etching following photolithography. The film thickness of the waveguide layer was 3.3 μm, the ridge height was 0.6 μm, and the width was 5 μm. An acrylic ultraviolet curable resin having a refractive index of 1.50 serving as an upper clad layer was applied on the waveguide layer, and cured by irradiating with ultraviolet rays to produce a 4 μm thick upper clad layer. The upper electrode was fabricated by lift-off following photolithography, and a waveguide device was fabricated by cutting a chip from the wafer by dicing.
Propagation loss in light of 1.55 μm wavelength is 1.6 dB / cm by aligning the linear waveguide and single mode fiber of the fabricated device and measuring the insertion loss while shortening the device. It was confirmed. In addition, it was confirmed that the scattering loss on the waveguide wall surface is 0.1 dB / cm or less in the device manufactured in this example and can be ignored. Therefore, the transmission attenuation coefficient per 1 cm derived from the absorption of the nonlinear optical material of the waveguide was 0.4.
続いて、実施例1と同様にして、デバイスと材料の光安定性の評価を実施した。評価の結果、光の挿入による挿入損失の変化は殆どなく、光に対して安定であることが確認できた。 Subsequently, the light stability of the device and the material was evaluated in the same manner as in Example 1. As a result of the evaluation, it was confirmed that there was almost no change in insertion loss due to the insertion of light, and that it was stable against light.
[実施例3]
はじめに、非線形光学材料の溶液として、シクロヘキサノン、ポリスルホン、および[3−シアノ−2−ジシアノメチリデン−4−{trans,trans−[3−(2−(4−N,N−ジエチルアミノフェニル)ビニル)シクロヘク−2−エチリデン]−1−プロペニル}−5−メチル−5−(4−シクロヘキシルフェニル)−2,5−ジヒドロフラン(μ:16Debye、分子量MW:649)を、前記すべての材料の総質量を100質量部としてそれぞれ、85質量部、13質量部、および6質量部からなる溶液(以下、PSC溶液)を調製した。この溶液から作製される非線形光学材料のNμ/MWはおよそ0.0086であった。該材料の薄膜における屈折率をプリズムカップリング法により測定したところ、1.64であることを確認した。
[Example 3]
First, as a solution of a nonlinear optical material, cyclohexanone, polysulfone, and [3-cyano-2-dicyanomethylidene-4- {trans, trans- [3- (2- (4-N, N-diethylaminophenyl) vinyl) Cyclohex-2-ethylidene] -1-propenyl} -5-methyl-5- (4-cyclohexylphenyl) -2,5-dihydrofuran (μ: 16 Debye, molecular weight M w : 649) A solution (hereinafter referred to as a PSC solution) consisting of 85 parts by mass, 13 parts by mass, and 6 parts by mass was prepared with each mass being 100 parts by mass. Nμ / M W of the non-linear optical materials made from this solution was approximately 0.0086. When the refractive index in the thin film of this material was measured by the prism coupling method, it was confirmed to be 1.64.
下部電極として金をスパッタしたシリコン基板上に、下部クラッド層として屈折率1.50のエポキシ系紫外線硬化樹脂を塗布し、紫外線を照射して4μ厚の樹脂硬化膜を作製した。続いて、導波路層としてPSC溶液を塗布、硬化させ、フォトリソグラフィに続くエッチングにより導波路を形成した。導波路層の膜厚は3.3μmであり、リッジ高さは0.6μm、幅は5μmであった。導波層上に屈折率1.50のエポキシ系紫外線硬化樹脂を塗布し、紫外線を照射して硬化さ、4μm厚の上部クラッド層を作製した。上部電極をフォトリソグラフィに続くリフトオフによって作製し、ダイシングによりウエハーからチップを切出すことで導波路デバイスを作製した。
作製されたデバイスの直線導波路とシングルモードファイバとを調芯し、デバイスを短くしながら挿入損失を測定することにより、1.55μmの波長の光における伝搬損失が2.0dB/cmであることを確認した。なお、本実施例で作製したデバイスには、導波路壁面における散乱損失は0.1dB/cm以下であり、無視してもよいことを確認した。従って、導波路の非線型光学材料の吸収に由来する1cmあたりの透過減衰係数は0.5であった。
An epoxy ultraviolet curable resin having a refractive index of 1.50 was applied as a lower clad layer on a silicon substrate on which gold was sputtered as a lower electrode, and an ultraviolet ray was irradiated to produce a 4 μ thick resin cured film. Subsequently, a PSC solution was applied and cured as a waveguide layer, and a waveguide was formed by etching following photolithography. The film thickness of the waveguide layer was 3.3 μm, the ridge height was 0.6 μm, and the width was 5 μm. An epoxy-based ultraviolet curable resin having a refractive index of 1.50 was applied on the waveguiding layer and cured by irradiating with ultraviolet rays to produce a 4 μm thick upper cladding layer. The upper electrode was fabricated by lift-off following photolithography, and a waveguide device was fabricated by cutting a chip from the wafer by dicing.
Propagation loss in light with a wavelength of 1.55 μm is 2.0 dB / cm by aligning the straight waveguide and single mode fiber of the fabricated device and measuring the insertion loss while shortening the device. It was confirmed. In addition, it was confirmed that the scattering loss on the waveguide wall surface is 0.1 dB / cm or less in the device manufactured in this example and can be ignored. Therefore, the transmission attenuation coefficient per 1 cm derived from the absorption of the nonlinear optical material of the waveguide was 0.5.
続いて、実施例1と同様にして、デバイスと材料の光安定性の評価を実施した。評価の結果、光の挿入による挿入損失の変化は殆どなく、光に対して安定であることが確認できた。 Subsequently, the light stability of the device and the material was evaluated in the same manner as in Example 1. As a result of the evaluation, it was confirmed that there was almost no change in insertion loss due to the insertion of light, and that it was stable against light.
[実施例4]
始めに非線型光学材料の溶液として、シクロヘキサノン、テトラヒドロフラン、メタノール、蒸留水、1,6−ビス(ジメトキシメチルシリル)ヘキサン、およびジ{[2−(3−トリエトキシシリルプロピル)カルバモイロキシ]エチル}−4−(4−ニトロフェニルアゾ)フェニルアミン(双極子モーメントμ:7.5Debye、分子量MW:896)を、前記すべての材料の総質量を100質量部としてそれぞれ58質量部、6質量部、7質量部、4質量部、15質量部、および10質量部の割合で混合し、固体触媒としてイオン交換樹脂(アンバーリスト15E)を添加して室温で撹拌して1時間反応させた(以下、「溶液A」と呼ぶ)。続いて、アルミニウムアセチルアセトナート錯体、アセチルアセトン、シクロヘキサノンを、前記すべての材料の総質量を100質量部としてそれぞれ5質量部、10質量部、および85質量部の割合で混合した溶液を作製した(以下、「溶液B」と呼ぶ)。溶液Aをメンブランフィルターでイオン交換樹脂を濾過した後、溶液Bと20:1の割合で混合し、10分間撹拌をすることにより非線型光学材料の溶液(以下、Si溶液)を調製した。この溶液から作製される非線形光学材料のNμ/MWはおよそ0.005であった。該材料の薄膜における屈折率をプリズムカップリング法により測定したところ、1.53であることを確認した。
[Example 4]
First, as a solution of the nonlinear optical material, cyclohexanone, tetrahydrofuran, methanol, distilled water, 1,6-bis (dimethoxymethylsilyl) hexane, and di {[2- (3-triethoxysilylpropyl) carbamoyloxy] ethyl}- 4- (4-nitro phenylazo) phenylamine (dipole moment μ: 7.5Debye, molecular weight M W: 896), said respective 58 parts by 100 parts by total weight of all the materials, 6 parts by weight, 7 parts by mass, 4 parts by mass, 15 parts by mass, and 10 parts by mass were added, an ion exchange resin (Amberlyst 15E) was added as a solid catalyst, and the mixture was stirred at room temperature and reacted for 1 hour (hereinafter, Called “Solution A”). Subsequently, a solution in which aluminum acetylacetonate complex, acetylacetone, and cyclohexanone were mixed at a ratio of 5 parts by mass, 10 parts by mass, and 85 parts by mass, respectively, with the total mass of all the materials as 100 parts by mass was prepared (hereinafter referred to as “below”). , Referred to as “Solution B”). After filtering the ion exchange resin with a membrane filter, the solution A was mixed with the solution B at a ratio of 20: 1 and stirred for 10 minutes to prepare a solution of a nonlinear optical material (hereinafter referred to as Si solution). Nμ / M W of the non-linear optical materials made from this solution was approximately 0.005. When the refractive index in the thin film of this material was measured by the prism coupling method, it was confirmed to be 1.53.
下部電極として金をスパッタしたシリコン基板上に、下部クラッド層として屈折率1.50のエポキシ系紫外線硬化樹脂を塗布し、紫外線を照射して厚さ5μmの樹脂膜を作製した。続いて、導波路層としてSi溶液を塗布、硬化させ、フォトリソグラフィに続くエッチングにより導波路を形成した。導波路層の膜厚は1.6μmであり、リッジ高さは1.0μm、幅は4μmであった。導波層上に上部クラッド層となる屈折率1.50のエポキシ系紫外線硬化樹脂を塗布し、紫外線を照射して7μ厚の硬化膜を作製した。上部電極をフォトリソグラフィに続くリフトオフによって作製し、ダイシングによりウエハーからチップを切出すことで導波路デバイスを作製した。なお、理論計算によると本実施例で作製された導波路デバイスでは高次モードの伝搬光が発生するが、それらの影響は殆どなくシングルモードを伝搬すると見なしても問題がないことを確認した。
作製されたデバイスの直線導波路とシングルモードファイバとを調芯し、デバイスを短くしながら挿入損失を測定することにより、1.55μmの波長の光における伝搬損失が4.8dB/cmであることを確認した。なお、本実施例で作製したデバイスには導波路壁面におよそ250nmの表面荒れが発生しており、導波路壁面における散乱損失は3.2dB/cmであった。従って、非線型光学材料の吸収に由来する伝搬損失は1.6dB/cmであり、これを1cmあたりの透過減衰係数に変換すると0.4であった。
An epoxy ultraviolet curable resin having a refractive index of 1.50 was applied as a lower clad layer on a silicon substrate on which gold was sputtered as a lower electrode, and a resin film having a thickness of 5 μm was produced by irradiating with ultraviolet rays. Subsequently, a Si solution was applied and cured as a waveguide layer, and a waveguide was formed by etching following photolithography. The thickness of the waveguide layer was 1.6 μm, the ridge height was 1.0 μm, and the width was 4 μm. An epoxy-based ultraviolet curable resin having a refractive index of 1.50 serving as an upper clad layer was applied on the waveguide layer and irradiated with ultraviolet rays to produce a 7 μm thick cured film. The upper electrode was fabricated by lift-off following photolithography, and a waveguide device was fabricated by cutting a chip from the wafer by dicing. In addition, according to the theoretical calculation, the waveguide device manufactured in this example generates propagating light in a higher order mode, but it has been confirmed that there is almost no influence of these and there is no problem even if it is regarded as propagating in a single mode.
Propagation loss in light with a wavelength of 1.55 μm is 4.8 dB / cm by aligning the linear waveguide and single mode fiber of the fabricated device and measuring the insertion loss while shortening the device. It was confirmed. In the device manufactured in this example, surface roughness of about 250 nm occurred on the waveguide wall surface, and the scattering loss on the waveguide wall surface was 3.2 dB / cm. Therefore, the propagation loss derived from the absorption of the nonlinear optical material is 1.6 dB / cm, and is 0.4 when converted into a transmission attenuation coefficient per 1 cm.
続いて、実施例1と同様にして、デバイスと材料の光安定性の評価を実施した。評価の結果、光の挿入による挿入損失の変化は殆どなく、光に対して安定であることが確認できた。 Subsequently, the light stability of the device and the material was evaluated in the same manner as in Example 1. As a result of the evaluation, it was confirmed that there was almost no change in insertion loss due to the insertion of light, and that it was stable against light.
[比較例1]
はじめに、非線形光学材料の溶液として、シクロヘキサノン、テトラヒドロフラン、ポリスルホン、およびDR1を、前記すべての材料の総質量を100質量部としてそれぞれ、75質量部、9質量部、8質量部、および8質量部からなる溶液(以下、PS溶液)を調製した。この溶液から作製される非線形光学材料のNμ/MWはおよそ0.011であった。該材料の薄膜を作製したところ、薄膜にはひび割れなどの欠陥が散見され、導波路デバイスに使用できる薄膜にはならなかった。
[Comparative Example 1]
First, as the solution of the nonlinear optical material, cyclohexanone, tetrahydrofuran, polysulfone, and DR1, and the total mass of all the materials as 100 parts by mass, respectively from 75 parts by mass, 9 parts by mass, 8 parts by mass, and 8 parts by mass A solution (hereinafter referred to as PS solution) was prepared. Nμ / M W of the non-linear optical materials made from this solution was approximately 0.011. When a thin film of the material was produced, defects such as cracks were found in the thin film, and the thin film could not be used for a waveguide device.
201 基板
202 下部電極
203 下部クラッド層
204 導波路層
205 上部クラッド層
206 上部電極
201
Claims (6)
0.6〜1.8μmの波長範囲内の特定波長の光における1cm当たりの透過減衰係数が0.5以下であることを特徴とする記載の非線形光学材料。 A low molecular weight compound having a molecular weight of 100 to 5000, which exhibits nonlinear optical characteristics, and a compound inactive to a photoreaction, in a mixed or chemically bonded state,
The nonlinear optical material according to claim 1, wherein a transmission attenuation coefficient per 1 cm of light having a specific wavelength within a wavelength range of 0.6 to 1.8 μm is 0.5 or less.
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|---|---|---|---|---|
| JPH08166609A (en) * | 1994-12-14 | 1996-06-25 | Mitsubishi Chem Corp | Non-linear optical laminate and optical waveguide device |
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| JPN6012026523; APPLIED OPTICS Vol.45,No.21, 20060720, 5404-5413 * |
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