(57)【要約】本発明は、１種のポリマーと、これに導入される少なくとも１種の有機化合物とを含有する光伝送性材料であって、該有機化合物が、同素環又は複素環である２個以上の芳香族環を有する縮合芳香族環系であり、その際、複素環の場合には、それぞれのヘテロ原子が正確に１個の環に割り当てられている光伝送性材料に関する。本発明にかかる光伝送性材料は、光導波路のコアとしての使用が見出される。【特許請求の範囲】
【請求項１】
１種のポリマーと、これに導入される少なくとも１種の有機化合物とを含有する光伝送性材料であって、該有機化合物が、同素環又は複素環である２個以上の芳香族環を有する縮合芳香族環系であり、その際、複素環の場合には、それぞれのヘテロ原子が正確に１個の環に割り当てられていることを特徴とする光伝送性材料。
【請求項２】
縮合芳香族環系が、３個以上の環を有することを特徴とする、請求項１に記載の光伝送性材料。
【請求項３】
縮合芳香族環系の環が、アンギュラー型に配列されていることを特徴とする、請求項２に記載の光伝送性材料。
【請求項４】
少なくとも１種のヘテロ原子が、窒素であることを特徴とする、請求項１から３までの何れか１項に記載の光伝送性材料。
【請求項５】
縮合芳香族環系が、フェナントレン、フルオレン、ベンゾ［ａ］アントラセン又はトリフェニレンであることを特徴とする、請求項１から３までの何れか１項に記載の光伝送性材料。
【請求項６】
縮合芳香族環系が、ベンゾ［ｈ］キノリン、１，１０−フェナントロリン、フェナントリジン又は１，７−フェナントロリンであることを特徴とする、請求項１から４までの何れか１項に記載の光伝送性材料。
【請求項７】
縮合芳香族環系が、１，２−ベンゾイソオキサゾール又はベンゾフランであることを特徴とする、請求項１記載の光伝送性材料。
【請求項８】
縮合芳香族環系が、アントラセン、２，３−ベンゾアントラセン又は１１Ｈ−ベンゾ［ｂ］フルオレンであることを特徴とする、請求項１又は２に記載の光伝送性材料。
【請求項９】
請求項１から８までの何れか１項に記載の光伝送性材料の、光導波路のコアとしての使用。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、透明な有機固体からなる光伝送性材料及び光導波路におけるその使用に関する。
【０００２】
光導波路は、一般的に、光伝送性材料からなるコアと、これを囲うクラッドとから構成されている。それゆえにコアとクラッドとの境界層での全反射の結果として、光が光導波路を通り導かれる。全反射は、コアの屈折率がクラッドの屈折率と比べて大きければ生ずる。光導波路の稼働のために、光導波路の一方の側部では、光がその中に存在する光伝送性材料に入力結合され；他方の側部では、光伝送性材料を通り伝達された光が光導波路から出力結合される。
【０００３】
慣用の光導波路は石英ガラス又はプラスチック（ポリマー）から構成されており、これらの屈折率は１．４６又は１．５０の値を示す。ポリマーからなる光導波路の利点は、グラスファイバからなる光導波路に対して、低い製造コストの他に、特にポリマー製光波導波路の曲げ強さにある。
【０００４】
光導波路は、多くの公知の方法により製造することができる。例えば、ＤＥ４１２４１７６号Ａ１並びにＭ．イエンク著  単一モードの光集積回路の受動導波路における適用のためのポリアクリレートとポリラクトン、博士論文、ドルトムント大学、２０００年（Ｍ．Ｊｏｅｈｎｃｋ，  Ｐｏｌｙａｃｒｙｌａｔｅ  ｕｎｄ  Ｐｏｌｙｌａｃｔｏｎｅ  ｆｕｅｒ  Ａｎｗｅｎｄｕｎｇｅｎ  ｉｎ  ｅｉｎｍｏｄｉｇｅｎ，  ｉｎｔｅｇｒｉｅｒｔ  ｏｐｔｉｓｃｈｅｎ，  ｐａｓｓｉｖｅｎ  Ｗｅｌｌｅｎｌｅｉｔｅｒｎ，  Ｄｉｓｓｅｒｔａｔｉｏｎ，  Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔａｅｔ  Ｄｏｒｔｍｕｎｄ，  ２０００）からは、ポリマー製光導波路が、アクリレートを基礎とするポリマーから製造でき、その際、光導波路の屈折率は、化学合成に従うものであり、これにより所定の材料については決まっていることが知られている。屈折率を変えるためには新型のポリマーを使用せねばならず、その合成には一般的に極めて費用がかかる。
【０００５】
一般的に、全反射を広範囲にわたり達成するために、コアの屈折率を好適な材料の添加により高めることが望ましい。特に、マイクロ光学においては、光を光導波路内に入力結合する際の損失（フレネル損失）を減らすために、可能な限り高い屈折率を有するポリマーが必要とされる。
【０００６】
Ｗ．プフレギング、Ｊ．ベーム、Ｅ．ガガニツェ、Ｔｈ．ハネマン、Ｒ．ハイディンガー、Ｋ．リトフィン著  マイクロ流体用途及びマイクロ光学用途のためのポリマーの直接的レーザアシスト加工、ＳＰＩＥ会報４９７７巻（Ｗ．Ｐｆｌｅｇｉｎｇ，  Ｊ．Ｂｏｅｈｍ，  Ｅ．Ｇａｇａｎｉｄｚｅ，  Ｔｈ．Ｈａｎｅｍａｎｎ，  Ｒ．Ｈｅｉｄｉｎｇｅｒ，  Ｋ．Ｌｉｔｆｉｎ，  Ｄｉｒｅｃｔ  ｌａｓｅｒ−ａｓｓｉｓｔｅｄ  ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  ｏｆ  ｐｏｌｙｍｅｒｓ  ｆｏｒ  ｍｉｃｒｏ−ｆｌｕｉｄｉｃ  ａｎｄ  ｍｉｃｒｏ−ｏｐｔｉｃａｌ  ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，  Ｐｒｏｃ．  ＳＰＩＥ  Ｖｏｌ．  ４９７７）：マイクロエレクトロニクスのレーザ用途とオプトエレクトロニクス製造ＶＩＩＩの、マイクロエレクトロニクスとフォトニクスにおけるフォトン加工ＩＩ、フォトニクスウエストカンファレンス２００３（Ｐｈｏｔｏｎ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  ｉｎ  Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ  ａｎｄ  Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ  ＩＩ  ｉｎ  Ｌａｓｅｒ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ  ｉｎ  Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｏｎｉｃｓ  ａｎｄ  Ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ  ＶＩＩＩ，  Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ  Ｗｅｓｔ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，  ２００３）においては、これについてナノスケールの無機セラミック充填剤を液状ポリマー中に導入することにより光導波路のコアの屈折率を高めることが提案されている。この充填剤の分散の最適化により、コアの屈折率は容易に高める又は低めることができる。しかしながら、充填剤を反応樹脂中に分散させれば、光導波路の特性は顕著に悪化する：セラミックの割合が増加すると、更なる加工、例えば基板上の溝形構造に充填するのが極めて困難か又は完全に不可能になるほど、反応樹脂の粘度が高まる。更に、光導波路を介しての光の透過率が激しく減少すること、即ち、損失が激しく増すことにより、かかる光導波路についての使用範囲が著しく限定される。
【０００７】
選択的に、透明な有機充填剤を液状ポリマー中に導入することができる。ＤＥ３７１０８８９号Ａ１は、ピロロ［１．２−ｂ］アジンの構成要素を有する成分が分散することから非線形光学材料として好適であるポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）を含むポリマーを開示している。ＥＰ０６１５１４１号Ａ１からは、高い透明性を達成し、かつ屈折率を変えるために非重合成分、例えばフタル酸エステル又は安息香酸エステルが導入されたポリマー、例えばＰＭＭＡが光伝送性材料として知られている。これに関しては、ポリマー中においてガラス点が低下し、そしてこれに起因して耐熱性がいくぶん低いことが欠点である。機械的荷重容量についても、同様にいくぶん低くなる。
【０００８】
これに端を発し、本発明の課題は、前記の欠点及び制限を有さず、かつ特に透過率及び粘度を低下させずに、屈折率を容易に確定できる光伝送性材料並びにその使用を提示することである。
【０００９】
該課題は、光伝送性材料に関しては請求項１の特徴部により、その使用に関しては請求項９により解決される。従属請求項は、本発明の有利な実施態様を記載するものである。
【００１０】
本発明にかかる光伝送性材料は、少なくとも１種のポリマーか、或いはポリマー及びモノマーからなる混合物を含有する透明な有機固体を基礎とする。このために、好ましくは、ポリマー、例えばポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）又はポリエステル若しくはモノマー、例えばメチルメタクリレート（ＭＭＡ）が使用される。
【００１１】
本発明にかかる光伝送性材料の有利な特性は、電子豊富な有機化合物を、最初は未充填の有機固体（ポリマー）に導入することにより達成される。充填度は、この際、一般的に０〜３０パーセントに達するが、５０％以上の値まで達してもよい。このために好適な有機化合物は縮合芳香族環系であって、１個より多い炭素環からなり、その個々の炭素環同士が複数の共通の炭素原子を有する同素環系と解される。これは、例えばフェナントレン、フルオレン、ベンゾ［ａ］アントラセン、トリフェニレン、アントラセン、２，３−ベンゾアントラセン又は１１Ｈ−ベンゾ［ｂ］フルオレンが該当する。
【００１２】
選択的な一実施態様においては、縮合芳香族環系において、１個だけの炭素環にのみ所属する炭素原子をヘテロ原子により置換する。これについての例は、ヘテロ原子が窒素原子である、ベンゾ［ｈ］キノリン、フェナントロリン又はフェナントリジンである。
【００１３】
好ましい実施態様においては、３個の環を有する縮合芳香族環系、例えばフェナントレン、フルオレン、ベンゾ［ｈ］キノリン、フェナントロリン又はフェナントリジンを使用する。同様に、４個の環を有する縮合芳香族環系、例えばベンゾアントラセン、１１Ｈ−ベンゾ［ｂ］フルオレン又はトリフェニレンが好適である。
【００１４】
その際、特に好ましいのは、環がアンギュラー型に配列された環系である。“アンギュラー型”の定義は、アントラセンとフェナントレンとの間の差異に従うものである：アントラセンにおいては３個の炭素環が線形である一方で、これに対してその異性体のフェナントレンにおいては、環の中心を結ぶ線が角を形成する。アンギュラー型に配列された炭素環を有する特に好ましい化合物は、同素環のフェナントレン、フルオレン及びベンゾ［ａ］アントラセンである。この物質クラスの特別な適性についての理由は、炭素又はヘテロ原子の配列に基づく０とは異なる双極子モーメントの形成にあるといってよいだろう。結果として、光伝送性材料において屈折率の特に明白な増加が見られる。
【００１５】
選択的な一実施態様においては、それぞれのヘテロ原子が一義的に１個の環に割り当てられた複素環縮合芳香族環系を使用する。これは、特にベンゾ［ｈ］キノリン、１，１０−フェナントロリン、フェナントリジン及び１，７−フェナントロリンが該当する。また、この物質クラスにおいても、化合物は０とは異なる双極子モーメントを示し、かつ光伝送性材料の屈折率が明らかに増加する。
【００１６】
別の一実施態様においては、２個の環からなり、かつ窒素原子及び／又は酸素原子をヘテロ原子として有する縮合芳香族環系を使用する。これについての例は、１，２−ベンゾイソオキサゾール及びベンゾフランであり、これらも同様に０とは異なる双極子モーメントを示し、かつ光伝送性材料の屈折率を高める。
【００１７】
本発明にかかる材料は、光導波路のコアとしての使用が見出される。好ましい一実施態様においては、このために、光導波路のコアは基板上に、溝構造を充填して、その上にカバー層が施与された形で存在する。本発明にかかる光導波路は、２００〜２０００ｎｍ、好ましくは３００〜１９００ｎｍの範囲の波長について調整可能なコアの光学的屈折率を示す。
【００１８】
本発明にかかる光伝送性材料は、まず前記の１種又は複数種の有機化合物が溶解された硬化可能な有機材料を用意することにより製造する。最後に硬化可能な有機材料を、これに溶解された１種又は複数種の有機化合物と一緒に硬化させ、透明な有機固体とする。硬化可能な有機材料として、好ましくは１種のモノマー及び１種のポリマーからなる混合物が選択され、該混合物は更に、光誘導硬化（重合）を促進するための光開始剤並びに離型剤を含有してよい。
【００１９】
有機化合物は、好ましくは、高性能混合装置を用いて硬化可能な有機材料中に混合し、そしてその後に、好ましくは超音波を印加する。
【００２０】
その上で、この澄明な液体を数分にわたり光誘導させて硬化させるか、又は予め形成された溝の中に直接的に充填する。選択的な一実施態様においては、例えば射出成形装置を用いて、光学用超小型構成部品、例えばマイクロオプティカルベンチ、マッハツェンダー干渉計又は光学コンポーネント、例えば方向性結合器、Ｙ型結合器その他を成形する。別の一実施態様においては、このような前記の２成分射出成形を介して、有機物質が充填されたポリマー製の導波路を一作業工程で製造することができる。
【００２１】
硬化は、２００〜１０００ｎｍ、特に好ましくは３００〜８００ｎｍの範囲の波長を有する光を用いて実施するか、又は熱の供給を介して実施する。
【００２２】
本発明にかかる有機化合物は、好ましくは、低粘度の反応樹脂中に３０％の濃度まで溶解し、かつ硬化された反応樹脂の屈折率を部分的に顕著に変える一方で、その光学伝送性はほぼ影響を受けないままである。
【００２３】
本発明を用いれば、新型の部類の充填ポリマー製光導波路が提供される。これらは、特に以下の利点を示す：
−  光導波路のコアの屈折率を容易に変えることができ、特に高めることができる。
−  未充填ポリマーの光学特性、特にその透過率及び粘度が、保たれたままである。
−  更に粘度を未処理の系に対して依然として低くすることができ、このことにより加工性に有利な影響がもたらされる。
−  高い屈折率を有する他の光伝送性構成部品への連結が良好である。
−  製造が容易であり、かつコストが安い。
【００２４】
本発明を、以下に実施例に基づいて詳細に説明する。
【００２５】
第１表に従って、それぞれ、１種のポリマー、場合により１種のモノマー、離型剤及び光開始剤を含有する液状の出発材料中に、本発明にかかる有機化合物を添加する。出発材料の容量は、１０〜２５０ｍｌである。高性能撹拌装置を用いて、この出発材料を１〜５分にわたり、１００００〜２５０００回転／分の回転数で攪拌し、次いで更に５分にわたり超音波槽内に置く。その後に存在する澄明な液体を、次いで数分にわたり光誘導させて１ｍｍの厚さを有する２×６ｃｍの小板として硬化させるか、又は予め形成された溝に直接的に充填する。
【００２６】
更に、第１表からは、前記ポリマーにおいての使用された有機化合物の最大充填度と、１５５０ｎｍでの散乱光を含まない透過率と、決定した限りでの、光導波路のコアとしての光伝送性材料について６３３ｎｍで達した屈折率とを読み取ることができる。
【００２７】
第１表
【００２８】
【表１】
2006522350.tif 000002
【００２９】
【表２】
2006522350.tif 000003
【００３０】
【表３】
2006522350.tif 000004
【００３１】
【表４】
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【国際調査報告】
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2006522350.tif 000007
2006522350.tif 000008
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