ES2304158T3 - Material fotoconductor y su uso. - Google Patents
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Abstract
Uso de un material fotoconductor, que contiene un polímero y al menos un compuesto orgánico incorporado en el mismo, en donde el compuesto orgánico representa un sistema de anillo aromático condensado que posee dos o múltiples anillos que son isocíclicos o heterocíclicos, en donde, en caso de un anillo heterocíclico, cada heteroátomo está asignado exactamente a un anillo, para ajustar el índice de refracción óptica de una guía de ondas de luz a una longitud de onda de 200 nm hasta 2000 nm.
Description
Material fotoconductor y su uso.
La invención se refiere al uso de un material
fotoconductor que contiene un polímero y al menos un compuesto
orgánico incorporado al mismo, para determinar el índice de
refracción óptica del núcleo de una guía de ondas de luz.
Una guía de ondas de luz se compone,
esencialmente, de un núcleo formado a partir de un material
fotoconductor y un revestimiento que lo rodea. Como consecuencia de
la reflexión total sobre la capa límite entre núcleo y
revestimiento, se produce, de este modo, la conducción de luz a
través de la guía de ondas de luz. La reflexión total se produce
con la condición de que el índice de refracción del núcleo sea mayor
que el del revestimiento. Para el funcionamiento de la guía de
ondas de luz, se acopla luz sobre el material fotoconductor
correspondiente a un lado de la guía de ondas de luz; por el otro
lado, la luz transmitida a través del material fotoconductor se
desacopla de la guía de ondas de luz.
Las guías de ondas de luz actuales están
compuestas por cristales de cuarzo o por material sintético
(polímero), cuyos índices de refracción alcanzan valores de 1,46 ó
1,50, respectivamente. La ventaja de las guías de ondas de luz
formadas por polímeros frente a las fibras de vidrio radica, además
de en los costes más reducidos de fabricación, sobre todo en la
flexibilidad de la guía de ondas de luz polímera.
Las guías de ondas de luz se pueden fabricar por
medio de una serie de procedimientos conocidos. Por ejemplo, por el
documento DE 41 24 176 A1, así como de la disertación de M. Jöhnk,
Polyacrylate und Polylactone für Anwendungen in einmögen,
integriert optischen, passiven Wellenleitern, Universidad de
Dortmund, Alemania, 2000, se sabe que es posible fabricar guías de
ondas de luz polímeras a partir de polímeros basados en acrilato,
en las que el índice de refracción de la guía de ondas de luz se
obtiene de la síntesis química y, por lo tanto, se encuentra
establecido para un material determinado. Para modificar el índice
de refracción, se debe utilizar un nuevo polímero, cuya síntesis
es, en general, muy costosa.
En términos generales, es deseable elevar el
índice de refracción del núcleo mediante la adición de un material
apropiado, con el fin de alcanzar la reflexión total dentro de un
intervalo amplio. Principalmente en el campo de la micro-óptica se
utilizan polímeros de un índice de refracción lo más alto posible
para reducir las pérdidas (pérdidas de Fresnel) en el acoplamiento
de la luz a la guía de ondas de luz.
En la presentación de W. Pfleging, J. Böhm, E.
Gaganidze, Th. Hanemann, R. Heidinger, K. Litfin, Direct
laser-assisted processing of polymers for
microfluidic and micro-optical applications,
Proc. SPIE Vol. 4977: Photon Processing in
Microelectronics and Optoelectronic Manufacturing VIII,
Photonics West Conference, 2003, se propuso, en este sentido,
incrementar el índice de refracción en el núcleo de la guía de ondas
de luz a través de la incorporación de cargas cerámicas
inorgánicas, a escala nanométrica, en el polímero en estado
líquido. A través de la optimización de la dispersión de estas
cargas resulta sencillo aumentar o reducir el índice de refracción
del núcleo. En general, con la dispersión de cargas en la resina de
reacción empeoran de forma importante las propiedades de la guía de
ondas de luz: con el aumento de la fracción cerámica, se incrementa
la viscosidad de la resina de reacción de tal modo que se dificulta
fuertemente o resulta totalmente imposible el posterior
procesamiento tal como el relleno de una estructura con cavidades
sobre un sustrato. Adicionalmente, la transmisión óptica a través
de la guía de ondas de luz disminuye de forma importante, es decir,
la atenuación aumenta fuertemente, lo cual limita considerablemente
el campo de aplicaciones para este tipo de guías de ondas de
luz.
De manera alternativa, se pueden incorporar al
polímero líquido cargas orgánicas transparentes. El documento DE 37
10 889 A1 describe polímeros, entre ellos, poli(metacrilato
de metilo) (PMMA), que después de la inclusión de componentes con
el elemento estructural de una
pirrolo[1.2-b]azina, son apropiados
como materiales ópticos no lineales. El documento EP 0 615 141 A1
describe polímeros tales como, por ejemplo PMMA, como material
fotoconductor, en los que se han incluido componentes no
polimerizadores tales como éster del ácido ftálico o éster del ácido
benzoico, para lograr una elevada transparencia y para variar el
índice de refracción. En estos casos, los inconvenientes se
manifiestan en una reducción del punto de transición vítrea del
polímero y, por consiguiente, una resistencia a la temperatura algo
menor. Igualmente, la capacidad de carga mecánica disminuye en
cierta medida.
El documento US 5 606 638 A describe una fibra
óptica con un núcleo escintilante. El núcleo está compuesto por una
matriz polímera y un compuesto aromático policíclico tal como, por
ejemplo, fenantreno, trifenileno, naftalina o fluoranteno.
El documento WO 2003/012500 A1 describe una
fibra óptica con un núcleo formado por una matriz polímera tal
como, por ejemplo, PMMA, y un reforzador ópticamente activo,
compuesto por un átomo de tierras raras como átomo central, y un
compuesto aromático heterocíclico condensado tal como, por ejemplo,
fenantrolina.
El documento JP 59090805 A describe un reductor
para una fibra óptica, que está compuesto por una matriz polímera y
un aditivo disperso en la misma, tal como, por ejemplo, antraceno,
pireno o fenantreno.
Sobre esta base, la misión de la invención
consiste en el uso de un material fotoconductor, que contiene un
polímero y al menos un compuesto orgánico incorporado en el mismo,
para ajustar el índice de refracción óptica de un núcleo de una
guía de ondas de luz, que esté exento de los inconvenientes y
limitaciones mencionados anteriormente y, especialmente en el caso
de una transmisión y viscosidad no reducidas, posea un índice de
refracción fácil de determinar.
Esta tarea se resuelve por medio de las
características de la reivindicación 1. Las reivindicaciones
secundarias describen formas de realización ventajosas de la
invención.
Un material fotoconductor apropiado para el uso
previsto según la invención se basa en un sólido orgánico
transparente, que contiene al menos un polímero o, también, una
mezcla de polímeros y monómeros. Preferentemente, se utilizan para
este fin polímeros tales como poli(metacrilato de metilo)
(PMMA) o poliésteres o monómeros tales como metacrilato metílico
(MMA).
Las propiedades ventajosas del uso del material
fotoconductor previsto según la invención se alcanzan por el hecho
de que se incorporan compuestos orgánicos ricos en electrones en el
sólido orgánico (polímero) que carece, inicialmente, de relleno.
Los grados de relleno se encuentran, por lo general, dentro del
intervalo de 0 a 30 por ciento, si bien pueden alcanzar también
valores de 50% y mayores. Compuestos orgánicos apropiados para esto
son sistemas de anillo aromáticos condensados, comprendiendo los
mismos sistemas isocíclicos formados por más de un anillo de
carbono, cuyos anillos de carbono individuales exhiben carbonos
comunes. Pertenecen a este grupo, por ejemplo, fenantreno,
fluoreno, benz[a]antraceno, trifenileno, antraceno,
2,3-benzantraceno u
11H-benzo-[b]fluoreno.
En una forma de realización alternativa, en los
sistemas de anillo aromáticos condensados, los átomos de carbono
que pertenecen a un único anillo de carbono están sustituidos por
heteroátomos. Ejemplos de los mismos son
benzo[h]quinolina, fenantrolina o fenantridina, en los
cuales el heteroátomo es un átomo de nitrógeno.
En una forma de realización preferida, se
utilizan sistemas de anillo aromáticos condensados, que poseen tres
anillos tales como, por ejemplo, fenantreno, fluoreno,
benzo[h]quinolina, fenantrolina o fenantridina.
Igualmente apropiados son los sistemas de anillo aromáticos
condensados con cuatro anillos tales como, por ejemplo,
benzantraceno, 11H-benzo[b]fluoreno,
o trifenileno.
Son especialmente preferidos, en este contexto,
sistemas de anillo en los que los anillos están dispuestos de
manera angular. La definición del término angular resulta de
la diferencia entre antraceno y fenantreno: en tanto que en el
antraceno, los tres anillos de carbono se encuentran formando una
sola línea, las líneas de conexión de los puntos centrales de los
anillos forman, en el caso del fenantreno isómero, un ángulo.
Compuestos especialmente preferidos con anillos de carbono
dispuestos de forma angular son fenantreno, fluoreno y
benzo[h]antraceno isocíclicos. La razón para la
especial adecuación de esta clase de sustancias podría radicar en la
formación de un momento dipolar diferente de cero, debida a la
disposición de los átomos de carbono o de los heteroátomos,
respectivamente. Como resultado, se demuestra una elevación
especialmente evidente del índice de refracción del material
fotoconductor.
En una forma de realización alternativa, se
utilizan sistemas de anillo aromáticos condensados heterocíclicos,
en los que cada heteroátomo está claramente asignado a un anillo.
Pertenecen a éstos, en especial, benzo[h]quinolina,
1,10-fenantrolina, fenantridina, y
1,7-fenantrolina. También en esta clase de
sustancias muestran los compuestos un momento dipolar diferente de
cero, y se observa un incremento manifiesto del índice de refracción
del material fotoconductor.
En una forma de realización adicional, se
utilizan sistemas de anillo aromáticos condensados compuestos por
dos anillos y que presentan, como heteroátomos, átomos de nitrógeno
y/u oxígeno. Ejemplos de éstos son 1,2-benzioxazol
y benzofurano que poseen, igualmente, un momento dipolar diferente
de cero, y elevan el índice de refracción del material
fotoconductor.
De acuerdo con la invención, el material
descrito encuentra utilización como núcleo en las guías de ondas de
luz. En una realización preferida, los núcleos de la guía de ondas
de luz se hallan dispuestos, adicionalmente, sobre un sustrato que
tiene la forma de una estructura con cavidades rellenas, con una
capa de recubrimiento aplicada sobre la misma. Según la invención,
el material sirve para ajustar el índice de refracción óptica del
núcleo de una guía de ondas de luz a una longitud de onda dentro del
intervalo de 200 nm hasta 2000 nm, en especial de 300 nm hasta 1900
nm.
El material fotoconductor previsto para ser
utilizado de acuerdo con la invención se fabrica preparando, en
primer lugar, un material orgánico endurecible, en el cual se
disuelven uno o múltiples de los compuestos orgánicos anteriormente
citados. A continuación, el material orgánico endurecible se
endurece, junto con el o los compuestos orgánicos disueltos en el
mismo, para formar un cuerpo sólido orgánico transparente. El
material orgánico endurecible se selecciona, preferentemente, de
una mezcla de un monómero y un polímero que puede contener,
adicionalmente, un fotoiniciador para acelerar el endurecimiento
inducido por la luz (polimerización), así como un
antiadherente.
El compuesto orgánico se incorpora en el
material orgánico endurecible, preferentemente por medio de una
unidad de agitación de alto rendimiento y, a continuación, se
trata, preferentemente, con ultrasonidos.
Con este fin, el líquido transparente obtenido
se introduce bajo inducción fotónica en cavidades endurecidas
durante algunos minutos, o directamente en cavidades fabricadas
previamente. En una forma de realización alternativa, se producen,
por ejemplo, mediante un dispositivo de moldeo por inyección,
micropiezas ópticas tales como bancos micro-ópticos,
interferómetros de Mach-Zehnder, o componentes
ópticos tales como acopladores direccionales, acopladores Y, y
otros. En una forma de realización adicional, y utilizando el
denominado moldeo por inyección de 2 componentes, es posible
preparar, en una única etapa de trabajo, las guías de ondas
polímeras rellenas con sustancias orgánicas.
El endurecimiento tiene lugar a través de la
aplicación de luz a una longitud de onda dentro del intervalo de
200 nm hasta 1000 nm y, de forma especialmente preferida, de 300 nm
hasta 800 nm, o por aporte de calor.
Los compuestos orgánicos previstos para ser
utilizados según la invención se disuelven, preferentemente, en
resinas de reacción de viscosidad baja, a una concentración de hasta
30%, y modifican, en parte, el índice de refracción de la resina de
reacción endurecida de modo importante, mientras que su transmisión
óptica permanece prácticamente inalterada.
Con la presente invención se propone una nueva
clase de guías de ondas de luz polímeras rellenas. Esta clase
exhibe, en particular, las siguientes ventajas:
- El índice de refracción de los núcleos de las
guías de ondas de luz se puede variar, en especial elevar, de
manera sencilla.
- Las propiedades ópticas del polímero sin
relleno, sobre todo, su transmisión y viscosidad están
conservadas.
- Con respecto a los sistemas no tratados,
resulta posible incluso reducir la viscosidad, lo que influye
positivamente sobre la capacidad de procesamiento.
- Mejor acoplamiento a otras piezas
fotoconductoras con elevado índice de refracción.
- Fabricación sencilla y económica.
A continuación, la invención se explicará de
forma más detallada por medio de ejemplos de realización.
De acuerdo con la Tabla 1, a una mezcla líquida
que contiene un polímero, eventualmente un monómero, un
antiadherente y un fotoiniciador, se agrega, respectivamente, un
compuesto orgánico de uso previsto según la invención. El volumen
de la mezcla está comprendido entre 10 ml y 250 ml. Con una unidad
de agitación de alto rendimiento, se agita esta mezcla durante 1 a
5 minutos a un número de revoluciones de 10.000 hasta 25.000 rpm y,
seguidamente, se introduce en un baño de ultrasonidos durante 5
minutos adicionales. El líquido transparente resultante se
endurece, en un plazo de algunos minutos, en forma de plaquitas de 2
cm x 6 cm, con un espesor de 1 mm, bajo inducción fotónica, o se
vierte directamente en cavidades previamente fabricadas.
Adicionalmente, de la Tabla 1 se puede deducir
el grado máximo de relleno de compuesto orgánico utilizado en el
citado polímero, la transmisión sin luz dispersa a 1550 nm y, si así
se determina, el índice de refracción alcanzado a 633 nm del
material fotoconductor como núcleo de una guía de ondas de luz.
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(Tabla pasa a página
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Claims (10)
1. Uso de un material fotoconductor, que
contiene un polímero y al menos un compuesto orgánico incorporado en
el mismo, en donde el compuesto orgánico representa un sistema de
anillo aromático condensado que posee dos o múltiples anillos que
son isocíclicos o heterocíclicos, en donde, en caso de un anillo
heterocíclico, cada heteroátomo está asignado exactamente a un
anillo, para ajustar el índice de refracción óptica de una guía de
ondas de luz a una longitud de onda de 200 nm hasta 2000 nm.
2. Uso del material fotoconductor según la
reivindicación 1, caracterizado porque el sistema de anillo
aromático condensado tiene tres o más anillos.
3. Uso del material fotoconductor según la
reivindicación 2, caracterizado porque los anillos del
sistema de anillo aromático condensado están dispuestos de forma
angular.
4. Uso del material fotoconductor según una de
las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque al menos uno
de los heteroátomos es nitrógeno.
5. Uso del material fotoconductor según una de
las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque el sistema
de anillo aromático condensado es fenantreno, fluoreno,
ben[a]antraceno, o trifenileno.
6. Uso del material fotoconductor según una de
las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque el sistema
de anillo aromático condensado es benzo[h]quinolina,
1,10-fenantrolina, fenantridina, o
1,7-fenantrolina.
7. Uso del material fotoconductor según la
reivindicación 1, caracterizado porque el sistema de anillo
aromático condensado es 1,2-benzioxazol o
benzofurano.
8. Uso del material fotoconductor según una de
las reivindicaciones 1 a 2, caracterizado porque el sistema
de anillo aromático condensado es antraceno,
2,3-benzantraceno, u
11H-benzo[b]fluoreno.
9. Uso del material fotoconductor según una de
las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque el núcleo de
la guía de ondas de luz está presente sobre un sustrato en forma de
una estructura de cavidades rellenas, con una capa de revestimiento
aplicada sobre la misma.
10. Uso del material fotoconductor según una de
las reivindicaciones 1 a 9 para ajustar el índice de refracción
óptica del núcleo de una guía de ondas de luz a una longitud de onda
en el intervalo de 300 nm hasta 1900 nm.
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