特集：次世代 EO 素子開発の最前線 3

有機色素の EO 効果を向上させる分子設計法

有機 EO色素の設計と評価

光通信に欠かせないEO効果
電 気 光 学（EO、Electric-Optic）
効果とは、物質に電圧をかけたときに屈折率が変化する現象です。EO効果は、光通信のキーデバイスであ

光変調器の性能は EO 効果の大きさと変調帯域で決まりる電気信号を光信号に変換する光変ます。有機色素分子の EO 効果を大きくするには、有機調器や光スイッチの中で使われてい色素の分子レベルでの非線形感受率（超分極率）を上げます。現在、EO効果をもつ物質とることが必要です。どのような分子設計をすれば超分極して、主に無機物が使われていま率は上がるのか、有機色素の特性評価が大切になります。

すが、私たちのグループでは、EO効果をもつポリマー（EOポリマー）の特性を向上させ、光変調器や光スイッチに応用するための研究をしています。
私 た ち が 研 究 し て い るEOポ リ
マーは、ポリマーの長い主鎖に、側鎖としてEO効果をもつ色素を結合させたものです（図1）。このようなEOポリマーは、そのままでは十分なEO効果を発揮することができま

ナノICT 研究室主任研究員

山田 俊樹
Yamada Toshiki

博士
（工学）
学歴

1996年 東京工業大学大学院理工学研究科博士課
程修了
略歴

1994年、日本学術振興会DC1研究員、1996年、科学
技 術振 興事業団研究員（九州大学大学院）、1999年、郵政省通信総合研究所（現NICT）研究官、2002年より主任研究員、2008年より東京工業大学大学院連携大学院准教授兼務。
研究分野
有機材料物性、光計測、ナノテクノロジー
近況
研究、家庭、休息などバランスをとりながら過ごしています。一昨年前にアキレス腱を切ってからは本格的な運動ができていないのがさみしいところです。

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図 1 有機 EO ポリマーの概要

せん。それは、EO色素の向きがばらばらだからです（図1（a））
。EO
色素の分子内には、電荷の偏りがあり、一方の端はプラスの電荷を、もう一方の端はマイナスの電荷を帯びています。これを「双極子」といい、図のように、マイナスからプラスに図2

本研究で用いた EO 色素向かう矢印で表します。大きなEO効果を得るには、双極子の向きを図ナーと呼ばれる電子を押し出す性質

電子ドナー部位の特定の場所（アミ1（b）のように揃える必要があるのをもつ基、電子アクセプターと呼ばノベンゼンのメタ位）にメトキシ基です。

れる電子を引き付ける性質をもつ基、 （OCH3）が入った構造をもっていそのために、ポーリングという処理をします。具体的にはポリマーのます。

非対称構造をとっています。

EO分子の特性評価

温度を上げてポリマー鎖が動きやす分子内の原子と原子が二重結合をい状態にしておき、そこで比較的高つくるとき、1本目の結合をつくるい電圧をかけ、EO色素の双極子の電子（σ電子）はがっちり結びつく方向を揃え、そのまま温度を下げてのに対して、2本目の結合をつくる

超分極率の評価はハイパーレーその配向（並び方）を凍結します。

電子（π電子）は動きやすい性質をリー散乱（HRS）法を用います（図もっています。分子の光学的、電気3）。この手法ではEO色素の溶液をこのほかに、単位体積中のEO色素的な機能の発現には、このπ電子の準備し、パルスレーザーを当てたとの数を多くすることと、EO色素分集団であるπ共役系が重要な役割をきに生じる光第2次高調波の散乱光

子の超分極率（βEO、分子1個のΕ担っており、EO色素の分子設計に（HRS光）を検出します。HRS光はΟ効果に対応するもの）を大きくすおいても、π共役系の長さや向きな溶液中のEO色素分子の時間的、空ることが必要です。EOデバイス作どを考えることが重要となります。

間的な配向ゆらぎから生じ、様々な製の際には、この3つの要素はそれ試料（b）はワシントン大学のグぞれ独立ではなく複雑に絡み合ってループによって開発されたEO色素HRS光強度は入射光強度の2乗やいますが、ここではそのうちの1つ分子で、非常に大きな超分極率をも超 分 極 率 の2乗、 濃 度 の そ れ ぞ れであるEO色素分子の超分極率の測つことが特徴です。この分子の電子に比例します。したがって、超分定とその分子設計について述べます。

アクセプター部位の発見はEO色素極率が既知の分子（本実験では試開発の大きなブレークスルーとな料（a）のDR1）と測定したい試料分りました。試料（c）はNICTで新規子のHRS光強度の比較から、試料

図2の 試 料（a）は 代 表 的 なEO色に設計・合成されたEO色素分子で分子の超分極率の値が求められま素分子であるDR1という分子です。

す。電子アクセプター部位とπ共役す。この超分極率（βHRS）は、波

このようにEO色素分子は、電子ド系部位の構造は（b）と同じですが、長1952nmの 光 を 入 射 し て、 そ の大 き なEO効 果 を 得 る た め に は、EO色素の分子設計

12それをつなぐπ共役系から構成され、KARC FRONT vol.26 2013 SPRING

これらのEO色素の超分極率の評価を行いました。

方向に散乱されます。

特集：次世代 EO 素子開発の最前線 3

図 4 分子内の弱い水素結合（CH…O 型）

図 3 ハイパーレーリー散乱（HRS) 法の実験系と EO 色素に関する実験結果

図 5 吸収スペクトルの比較

半分の波長（976nm）のHRS光を観されています（ここではデータを示することができました※2。

測した場合のものです。この値に適しませんが）。また、試料（b）と試当なモデルを仮定して、光通信に使料（c）の吸収スペクトル（図5）では、われる1.55μmの光についての値メトキシ基をもつ（c）はもたない

一般に有機材料を用いた光・電子に換算したものをβEOとして評価（b）と比べて、吸収ピークが低エネデバイスでは、研究・開発段階におしています。

ルギー側（長波長側）にシフトしていて、基本性能が無機系のデバイス

図3下 部 に、試 料（b）と試 料（c）います。さらに、吸収のバンドの幅を上回るものは多くありません。そのβHRSとその値から算出したβEOも狭くなっており、特に低エネルのような場合、フレキシビリティー、の値を示しています。メトキシ基をギー側が急激に減衰しています。こ

軽量、低コスト、低環境負荷などのもつEO色素（c）はもたないEO色素のことも分子内の弱い水素結合に起他の利点を考えながら研究・開発を（b）と比べて、βEOの値が1.2 〜 1.3因しているものと考えています。

進めていく必要があります。

将来への期待倍程度大きくなりました。このようこのような吸収スペクトルの特徴

し か し、 有 機EOポ リ マ ー の 場に大きくなった原因として、図4のよは、βEOの値が大きいことと並ん合は、性能指数が代表的な無機系

うな分子内の弱い水素結合（CH…O

で、この色素をEOデバイスに利用

EO材 料 で あ る ニ オ ブ 酸 リ チ ウ ム型）が、分子のねじれを抑制し、πする際の大きな利点となります。こ（LiNbO3）を超えるものがすでに多共役系の構造的安定化に寄与し、実こでは（c）を例として述べましたが、数報告されています。新規EO色素

効的にπ共役系を長くしているので私たちはほかにも、長いπ共役系をの開発や配向制御を行うことによりはないかと考えています。図2の化もつさまざまなEO色素に、メトキさらなる性能指数の向上が期待され学構造式のみからは理解しづらいかシ基を含むアルキルオキシ基※1を導ます。また、有機EOポリマーは変もしれませんが、大きな有機分子は入しており、それらのEO色素でも調帯域に関しても、LiNbO3と比べその自由度も大きく、その構造は置分子内の弱い水素結合の効果を確認て優れています。作製プロセス、耐かれている環境の中で刻々変化してしています。

熱性、寿命など改善・改良していかいると考えられるのです。

このように、アルキルオキシ基をなければならない部分は多々あるも図4 の よ う な 分 子 内 の 弱 い 水 素

アミノベンゼンのメタ位に導入するのの有望であると考えられます。

結合の存在は、核磁気共鳴分光法という比較的単純な分子設計により、※１ 化学式では（-OR）と表され、” R” の部分は「アルキル基」をもった物質※２ Mater. Chem. Phys., accepted.

1（ H-NMR）の実験結果からも示唆様々な側面で有用なEO色素を開発

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