JPH0641039A - 有機非線形光学材料及び有機非線形光学素子 - Google Patents

有機非線形光学材料及び有機非線形光学素子

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JPH0641039A
JPH0641039A JP21343092A JP21343092A JPH0641039A JP H0641039 A JPH0641039 A JP H0641039A JP 21343092 A JP21343092 A JP 21343092A JP 21343092 A JP21343092 A JP 21343092A JP H0641039 A JPH0641039 A JP H0641039A
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organic nonlinear
optical
film
anab
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JP21343092A
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English (en)
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Tadashi Ishibashi
義 石橋
Ichiro Fujiwara
一郎 藤原
Nobutoshi Asai
伸利 浅井
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Sony Corp
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Abstract

(57)【要約】 (修正有) 【目的】 有機非線形光学材料として、薄膜導波路化に
最適なANABアルキル鎖誘導体を得、さらにこのAN
ABアルキル鎖誘導体を使用して有機非線形光学素子を
作製する。 【構成】 有機非線形光学材料として、下記式で示され
る化合物を使用する。 また、基板1上に導波層2として上記化合物のLB膜を
形成して有機非線形光学素子とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、有機非線形光学特性
を有する新規な化合物に関する。更に詳しくは、この発
明は、光通信・光ディスク・光情報処理などの光エレク
トロニクスシステムにおいて重要なキーデバイスとなる
有機非線形光学素子及び有機非線形光学素子を実現する
ための有機非線形光学材料に関する。
【0002】
【従来の技術】有機非線形光学材料は、大容量の情報を
伝達・処理することを目的とした光エレクトロニクスシ
ステムのキー材料として注目されている。これは、無機
材料の非線形光学現象が格子振動に起因しているのに対
して、有機材料ではπ電子の共役に起因するため、速い
応答性と大きい光学定数即ち高い非線形性が得られるか
らである。また、有機材料の開発に際しては、分子設計
により種々の化合物を合成することができ、合成した化
合物を材料化する手段も多様である。そのため、有機非
線形光学材料の開発が進められており、実際、これまで
に無機材料を凌ぐ非線形光学特性を示す有機非線形光学
材料が得られている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】一方、有機非線形光学
材料を用いた光機能デバイスを実現させるためには、有
機非線形光学材料の薄膜導波路化が必須となる。しか
し、高い非線形性を持つ有機非線形光学材料の薄膜化技
術はまだ検討段階であり、現状では確立されていない。
【0004】このような状況下において、有機非線形光
学材料の有力な薄膜化技術の1つとしてラングミュア・
ブロジェット法(LB法)が検討されている。このLB
法により良好な有機薄膜を得るにはその構成分子を両親
媒性分子(分子内に親水性基と疎水性基を合わせ持つ分
子)とすることが必要である。そこで、従来より非線形
性が大きい低分子を両親媒性になるように合成し、それ
をLB法により薄膜化する試みが多くなされてきてい
る。
【0005】例えば、公知の有機非線形光学材料である
アゾベンゼン色素の誘導体(4-Amino-4'-Nitro Azobenz
en :ANAB)に対して、そのアミノ基の部分に炭素数
18のアルキル鎖を付加して光学材料(C18ーANA
B)を得、この単分子膜をY型LB膜として積層するこ
とが試みられているが、単独のLB膜としての積層には
成功していない(Kalinaら,Thin Soli
d Films,Vol 160,p363ー371,
1988) 。したがって、このANABアルキル鎖誘導
体については、高い非線形性が期待されながらも薄膜導
波路としての有機非線形光学特性の評価も行われていな
い。なお、ANABアルキル鎖誘導体についてLB法に
よる薄膜導波路化が困難となっているのは、LB膜を形
成するために必要とされる種々の条件、特にANABア
ルキル鎖誘導体のアルキル鎖の長さに関する最適条件が
見出されていないためである。
【0006】このように、これまでにLB法により非線
形特性を示す有機薄膜が得られた例は極めて少なく、良
好な非線形光学特性を有する有機薄膜導波路はまだ得ら
れていないというのが現状である。
【0007】この発明は以上のような従来技術の課題を
解決しようとするものであり、第1に、ANABを基本
とした有機非線形光学材料として、薄膜導波路化に最適
なANABアルキル鎖誘導体を得ること、及び第2に、
このANABを基本とした有機非線形光学材料を、LB
法を用いてY型LB膜を作製することにより薄膜導波路
化し、それにより有機非線形光学素子を実現することを
目的としている。
【0008】
【課題を解決するための手段】この発明者は、ANAB
アルキル鎖誘導体のアルキル鎖の長さを炭素数21以上
と長くして分子内の親水性基と疎水性基のバランスを改
善すると、ANABアルキル鎖誘導体がLB膜として累
積しやすい分子構造になり、上記の目的を達成できるこ
とを見いだし、この発明を完成させるに至った。
【0009】即ち、この発明は下記式(1)で示される
化合物を提供する。
【0010】
【化2】 また、この発明は、上記化合物を含有してなる有機非線
形光学材料を提供する。
【0011】さらに、この発明は、このような有機非線
形光学材料からなる単分子層が少なくとも1層積層され
てなる有機非線形光学素子を提供する。
【0012】この発明の有機非線形光学材料は、上記の
式(1)で示される新規なANABアルキル鎖誘導体を
含有してなるものである。式(1)中、nは、LB法に
おいて良好に薄膜導波路を作製できるように分子内の親
水性基と疎水性基とをバランスさせるため、20〜35
とすることが好ましく、20〜27とすることがより好
ましい。すなわち、一般にアルキル鎖の炭素数を長くす
ると、分子内の疎水性が増加し、水面上の単分子膜の崩
壊表面圧(単分子膜が崩壊するときの表面圧)が増大す
る。ところで、従来ANABアルキル鎖誘導体をLB膜
として累積ができなかった原因の1つは崩壊表面圧が低
すぎることにある。したがって、この発明では式(1)
のnを20以上としてANABアルキル鎖誘導体のアル
キル鎖を長くし、それにより水面上の単分子膜の崩壊表
面圧を上げ、単分子膜を安定にする。一方、ANABア
ルキル鎖誘導体のアルキル鎖が長すぎると分子内の疎水
性と親水性のバランスを失い、水面上に安定な単分子を
得ることができない。したがって、この発明では式
(1)のnを27以下とすることが好ましい。
【0013】このような式(1)の化合物は、4-アミノ
-4'-ニトロアゾベンゼンのアミノ基にアルキル基を導入
することにより得ることができる。
【0014】この発明の有機非線形光学材料は、式
(1)の化合物の他にアラキン酸、ベヘン酸、オメガト
リコセン酸等の脂肪酸を含有することができる。これに
よりLB膜の配列を変えることができる。
【0015】この発明の有機非線形光学素子は、基板上
に上述のような有機非線形光学材料からなる単分子層を
LB法等により少なくとも1層積層したものである。こ
の場合、LB法の条件としては、有機非線形光学材料の
良好なY型LB膜が得られるように、LB膜を形成する
水面の温度、表面圧、LB膜の累積スピード等の諸条件
を次のようにして最適化することが好ましい。すなわ
ち、水温を下げ、それにより単分子膜の崩壊表面圧を増
大させる。また、LB膜の累積時に基板の移動速度を遅
くし、水面上の単分子膜を安定に基板上に移しとる。
【0016】なお、この発明の有機非線形光学素子は、
基板上に上述の有機非線形光学材料からなる単分子層を
少なくとも1層有している限り、他の材料からなる層が
形成されていてもよく、さらにこのような他の材料から
なる層はLB法に限らずスピンコートや蒸着法により形
成されたものでもよい。また、この発明の有機非線形光
学素子には、単分子層が複数層積層されていてもよい。
【0017】
【作用】この発明の式(1)で示される化合物は、AN
ABアルキル鎖誘導体のアルキル鎖の長さが炭素数21
以上と長いので、LB膜を形成するための分子内の親水
性基と疎水性基のバランスが改善されたものとなる。
【0018】したがって、式(1)で示される化合物を
使用することにより、薄膜導波路として良好なY型LB
膜を作製することが可能となり、それにより有機非線形
光学素子、特に2次の非線形光学効果を用いた波長変換
素子(第2高調波発生)、光変調器及び3次の非線形光
学効果を用いた光スイッチを実現させることが可能とな
る。
【0019】
【実施例】以下、この発明を実施例に基づいて具体的に
説明する。
【0020】実施例1(有機非線形光学材料の合成) アルキル鎖の長さが炭素数22のANABアルキル鎖誘
導体(C22- ANAB)を、次のようにして4-アミノ
-4'-ニトロアゾベンゼン(Disperse Orenge 3、ANA
B、化2)と臭化ドコシルとを反応させることにより合
成した。
【0021】
【化3】 まず、4-アミノ-4'-ニトロアゾベンゼン25〜30gと
等モル量の臭化ドコシルとをフェノールに溶解し、2時
間加熱還流することにより反応させた。その後、アセト
ンを用いて再結晶させて臭酸(HBr)を除去し、さら
に、カラムクロマトを通すことにより精製した。そし
て、得られた合成物のMNRを測定し、元素分析をする
ことにより目的物(C22- ANAB)であることを確
認した(4-アミノ-4'-ニトロアゾベンゼンに対する収率
1%程度)。以下にMNRの結果を示し、表1に元素分
析値の結果を示す。
【0022】NMR 0. 8ppm:メチル基(3H)、 1. 2〜1. 7ppm:メチレン基(40H)、 3. 2ppm:アミノ基に結合したメチレン基(2
H)、 6. 6ppm、7. 6〜7. 9ppm、6. 3ppm:
ベンゼン環の水素
【0023】
【表1】 元素分析(C22- ANAB) H C N (%) 試料(733.3μg) 9.81 74.05 10.09 計算値 9.86 74.14 10.17 実施例2(薄膜導波路の作製) 実施例1で得たC22ーANABを、以下のようにLB
法により薄膜導波路化し、その非線形光学特性を測定し
た。 (i) C22−ANABの安定な単分子膜の作製条件の検
討 LB膜作製装置にはラウダ社製のものを用いた。展開溶
液としては、C22−ANABをクロロホルム溶液に溶
解させ、濃度0. 5mg/mlに調製した。下層液は超
純水とした。そして、展開溶液を250μl水面上に滴
下し、単分子膜を作製した。
【0024】ここで、単分子膜の安定性を、まず下層の
水温に対して検討するため、水面上に形成された単分子
膜の崩壊表面圧−崩壊面積曲線を下層の水温を変えて測
定した。この場合、崩壊面積は単分子膜が壊れるときの
分子占有面積に着目して測定した。図3に得られた崩壊
表面圧−分子占有面積曲線(π−A曲線)の温度依存性
を示す。その結果、崩壊表面圧は水温が減少するにつれ
て、増大することが分かった。この傾向は単分子膜の性
質として妥当性ある結果である。一方、崩壊面積は0.
31nm2 とほぼ一定値を示した。この値は、アルキル
鎖が水面に対して垂直に配列している脂肪酸の崩壊面積
の値(0.22nm2 )と比較して大きな値となってい
るので、C22−ANABのベンゼン環の傾き(キン
ク)角度は水面方向より約63度傾いていると推定され
る。
【0025】LB膜としての累積性を考えた場合、崩壊
表面圧が大きいこと、ある一定の累積条件に保持した場
合の単分子膜の面積の変化が時間の変化に対して少ない
ことが必要である。そこで、上述の図3に示した崩壊表
面圧−分子占有面積曲線(π−A曲線)の結果を基にし
て、単分子膜の累積条件として下層液温度2℃、累積表
面圧10mN/mを採用した。崩壊表面圧は約30mN
/mであり、十分累積可能である。
【0026】次に、表面圧を10mN/mに保持した場
合の単分子膜の安定性を検討した。表面積は時間が経過
するとともに除々に減少する傾向を示したが、表面積の
減少量は1時間で約8%であり、十分LB膜としての累
積が可能であることが分かった。 (ii)C22−ANABの単分子膜の累積 次に、C22−ANABのLB膜の累積実験を行った。
基板にはガラス基板を用い、累積前にシランカップリン
グ剤(オクタデシルトリクロロシラン)を用いて疎水化
処理をしたものを使用した。基板表面は疎水性のため、
累積は基板降下より開始し、累積時の基板の移動スピー
ドは5〜10mm/minとした。なお、この累積実験
では基板の上下移動をはじめとして、すべてコンピュー
タ制御で行った。
【0027】累積時のトレース(基板の位置と累積され
て減少した表面積の関係)より累積実験では、良好なY
型LB膜が形成されていることが確認できた。 (ii)非線形光学特性の測定 上述の(i) と同様にしてガラス基板上にC22−ANA
Bの単分子膜を累積し、ガラス基板の両面にそれぞれC
22−ANABの単分子膜が16層積層したものを得
た。そしてこの2次の非線形光学感受率χ2 及び3次の
非線形光学感受率χ3 の評価を行った。
【0028】評価法としてはメイカーフリンジ法を用い
た。なお、メイカーフリンジ法は非線形光学感受率の代
表的な測定法である。この方法は基板上に積層した薄膜
を試料とし、この試料にレーザ光を照射し、その照射に
より生ずる第2次高調波(SHG)または第3次高調波
(THG)の強度を測定するものであり、その際、試料
を回転させて試料の実効的な厚さを変え、SHG光また
はTHG光に起因するフリンジの干渉パターンを観測す
るものである。この方法は、位相整合がとれない場合に
も適応できるという特徴を持っている。
【0029】このことをSHG光についてさらに説明す
る。一般に、SHG強度は媒質の厚さをLとすると、次
式Iに示すようになる。
【0030】
【数1】 式IよりLB膜の厚みLを変化させることにより、フリ
ンジパターンを描くことがわかる。
【0031】この実施例では、まず図4に示したメーカ
ーフリンジ測定装置を使用し、光パラメトリック発振に
より発生させたレーザ光(基本波波長1220nm)ま
たはYAGレーザによるレーザ光(基本波波長1064
nm)を使用してSHG光に起因するフリンジの干渉パ
タンを測定した。
【0032】即ち、図4の装置は、YAGレーザー4と
He−Neレーザー5からなる光源部、IR透過フィル
ター6、NDフィルター7、フネレルロムプリズム8、
偏光子9、レンズ10からなる光学系、鉛直方向に回転
可能なサンプルステージ11、IR吸収フィルター1
2、レンズ13、レンズ14、検光子15よりなる検出
部、レファレンスのための光ディテクタ等からなる光学
系16、情報処理装置17、演算機18からなる解析部
からなっている。このメーカーフリンジ測定装置により
測定を行うに際しては、まず鉛直方向を軸として回転す
るサンプルステージ11にサンプル19を載せ、これに
光源部からIR透過フィルター6、NDフィルター7、
フネレルロムプリズム8、偏光子9、レンズ10を通し
たレーザー光を照射して、IR吸収フィルター12、レ
ンズ13、レンズ14、検光子15によりSHG光を測
定し、これとレファレンスのためのディテクタ等からな
る光学系16を通したレーザー光とを情報処理装置1
7、演算機18によって解析し、メーカーフリンジパタ
ーンを得る。
【0033】この実施例では、このようなメーカーフリ
ンジ装置を使用して、まずガラス基板の測定を行い、非
線形性を示さないことを確認し、次に上述のC22−A
NABの単分子膜をガラス基板上に16層累積した試料
の測定を行った。
【0034】図5にC22- ANABのLB膜をガラス
基板上に16層累積した試料の典型的メイカーフリンジ
パターンを示す。同図のメイカーフリンジパターンは、
1064nmのレーザ光をLB膜の累積方向に対して水
平に偏光させて入射させ、SHG光の測定も入射光と同
一偏波方向で行ったものである。これにより、ガラス基
板の両面に存在するLB膜の2次の非線形光学性に基づ
く明瞭なフリンジパターンが観測され、C22- ANA
Bは非線形光学特性を有することが確認できた。また、
この結果から求められる2次の非線形光学感受率χ2
異方向性より、ダイポールモーメントは基板に対して水
平面内にあり、LB膜の累積方向と同一方向に向いてい
ることがわかった。なお、図でSHG強度がベースライ
ンまで戻っていないのは、図6に示したようにSHG波
長532mmにLB膜が吸収を持っているためである。
【0035】3次の非線形光学特性も上述のような2次
の非線形光学特性と同様にメイカーフリンジ法により評
価した。その結果、基板上にC22- ANABの単分子
膜を累積した試料は3次の非線形光学特性も示し、波長
2000nmのレーザ光に対する3次の高調波も観測で
きた。
【0036】実施例3(有機非線形光学素子の作製及び
評価) 実施例1で得たC22−ANABを有機非線形光学材料
として用いた非線形光学素子として、チェレンコフ方式
による波長変換素子(2次元スラブ導波路型SHG素子
(図1)及び3次元リッジ導波路型SHG素子(図
2))を作製し、評価した。
【0037】この図1に示した2次元スラブ導波路型S
HG素子は、実施例2でガラス基板上にC22−ANA
Bの単分子膜を累積した場合と同様にして、ガラス基板
1上にC22−ANABの単分子膜を累積し有機非線形
導波層2を形成したものであり、図2に示した3次元リ
ッジ導波路型SHG素子は、ガラス基板1上の一部をフ
ォトレジスト3によりパターニングし、その上に有機非
線形導波層2を形成したものである。
【0038】これらのSHG素子の作製に際し、C22
−ANABのLB膜の吸収スペクトルを測定したとこ
ろ、図6に示すように400nmから600nmにかけ
て吸収帯が見られたので、これらのSHG素子は基本波
波長800nmを第2高調波発生(SHG)により40
0nmに変換する素子として作製した。
【0039】なお、チェレンコフ方式は次のような現象
を利用して位相整合を行い、波長変換素子を実現するも
のである。即ち、基本波モードが実効屈折率で導波層を
伝わると、SHG波を発生する非線形分極波も同一の位
相速度をもって伝わる。このとき基板のSHG波におけ
る屈折率が導波層の基本波の屈折率よりも低ければ、S
HG波が基板側の方向へ自動的に位相整合のとれた角度
で放射される。
【0040】このようなチェレンコフ方式による位相整
合方式では基板の選択が重要である。この実施例では、
基板としてガラス基板(屈折率1.51、保谷ガラス製
PC2)を使用した。また、モード結合理論によりC2
2−ANABからなる有機非線形導波層2の膜厚を0.
65μmとした。
【0041】作製したSHG素子の特性評価を次のよう
にして行った。図1及び図2のそれぞれのSHG素子に
対して、プリズムを用いて波長800nmのチタンサフ
ァイアレーザ光を導波層2に導入し、導波層2から出て
くるSHG光をフォトマルで検知した。その結果、いず
れのSHG素子においても400nmのSHG光を観測
することができた。
【0042】以上の実施例では、有機非線形光学材料と
してC22−ANABを使用した場合についてこの発明
を具体的に説明したが、この発明のANABアルキル鎖
誘導体のアルキル鎖の炭素数が異なるものを使用した場
合でも、同様の非線形光学特性が得られることは言うま
でもない。
【0043】
【発明の効果】この発明によれば、有機非線形光学材料
として、薄膜導波路化に最適なANABアルキル鎖誘導
体が得られ、このANABアルキル鎖誘導体を使用して
有機非線形光学素子を作製することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】2次元スラブ導波路型SHG素子の断面図であ
る。
【図2】3次元リッジ導波路型SHG素子の断面図であ
る。
【図3】C22−ANABのLB膜の崩壊表面圧−分子
占有面積曲線(π−A曲線)である。
【図4】メーカーフリンジ測定装置の構成図である。
【図5】C22- ANABのLB膜をガラス基板上に1
6層累積した試料の典型的なメイカーフリンジパターン
である。
【図6】C22−ANABのLB膜の吸収スペクトルで
ある。
【符号の説明】
1 ガラス基板 2 導波層 3 フォトレジスト

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 下記式(1)で示される化合物。 【化1】
  2. 【請求項2】 請求項1記載の式(1)で示される化合
    物を含有してなる有機非線形光学材料。
  3. 【請求項3】 基板上に、請求項2記載の有機非線形光
    学材料からなる単分子層が少なくとも1層積層されてな
    る有機非線形光学素子。
  4. 【請求項4】 単分子層がLB膜である請求項3記載の
    有機非線形光学素子。
  5. 【請求項5】 基板上に単分子層が複数積層され、その
    うち少なくとも1層が請求項2記載の有機非線形光学材
    料からなる有機非線形光学素子。
JP21343092A 1992-07-17 1992-07-17 有機非線形光学材料及び有機非線形光学素子 Pending JPH0641039A (ja)

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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6034340A (en) * 1998-04-15 2000-03-07 Kabushiki Kaisha Tokai-Rika-Denki-Seisakusho Switch assembly
US6857357B2 (en) 2003-07-09 2005-02-22 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Rocker switch
US9987703B2 (en) 2012-12-17 2018-06-05 Fuji Engineering Co., Ltd. Plasma spraying apparatus

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