JP3271463B2 - Nonlinear optical material and device - Google Patents

Nonlinear optical material and device

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JP3271463B2
JP3271463B2 JP05030795A JP5030795A JP3271463B2 JP 3271463 B2 JP3271463 B2 JP 3271463B2 JP 05030795 A JP05030795 A JP 05030795A JP 5030795 A JP5030795 A JP 5030795A JP 3271463 B2 JP3271463 B2 JP 3271463B2
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、光情報処理や光通信シ
ステムにおいて、将来的に重要である光スイッチや光メ
モリーに用いられる非線形光学材料、及び光スイッチや
光メモリーから構成される光信号演算処理装置などの非
線形光学装置に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a non-linear optical material used for an optical switch and an optical memory which is important in the future in optical information processing and an optical communication system, and an optical signal composed of the optical switch and the optical memory. The present invention relates to a nonlinear optical device such as an arithmetic processing device.

【0002】[0002]

【従来の技術】非線形光学効果とは、物質に光が入射し
たときに、物質の電気分極Pが、下記一般式(数1):
2. Description of the Related Art The nonlinear optical effect means that when light is incident on a substance, the electric polarization P of the substance is expressed by the following general formula (Equation 1):

【0003】[0003]

【数1】(Equation 1)

【0004】 P=χ(1) E+χ(2) 2 +χ(3) 3 +・・・P = χ (1) E + χ (2) E 2 + χ (3) E 3 +...

【0005】で書けるのに対し、第2項以降の項により
発現する効果を言うものである〔χ(i) はi次の電気感
受率、Eは光の電界強度である〕。特に、第2項による
第2高調波発生(SHG)や第3項による第3高調波発
生(THG)は波長変換効果としてよく知られている
が、第3項はまた、光強度に応じた光学定数の変化、例
えば非線形屈折率効果や非線形吸収効果を与えるものと
して重要である。例えば、非線形屈折率効果は物質の屈
折率nが入射光強度に比例して変化するものであり、n
=n0 +n2 Iで記述される(n0 は定数、n2 は非線
形屈折率係数である)。この効果を示す非線形光学材料
と、光共振器や偏光子あるいは反射鏡など他の光学素子
とを組合せると、光双安定素子や光スイッチあるいは位
相共役波発生器などの光情報処理や光通信システムにお
いて将来的に用いられる重要なデバイスの実現が可能で
ある。
[0005] In contrast, 効果(i) is the i-th electric susceptibility and E is the electric field intensity of light. In particular, the second harmonic generation (SHG) according to the second term and the third harmonic generation (THG) according to the third term are well known as wavelength conversion effects, but the third term also depends on the light intensity. It is important to give a change in optical constants, for example, a nonlinear refractive index effect or a nonlinear absorption effect. For example, the nonlinear refractive index effect is one in which the refractive index n of a substance changes in proportion to the intensity of incident light.
= N 0 + n 2 I (n 0 is a constant and n 2 is a nonlinear refractive index coefficient). By combining nonlinear optical materials that exhibit this effect with other optical elements such as optical resonators, polarizers, and reflectors, optical information processing and optical communications such as optical bistable elements, optical switches, and phase conjugate wave generators can be realized. Important devices for future use in the system are possible.

【0006】このような非線形屈折率効果を示す非線形
光学材料を媒質とする非線形光学装置の従来例として、
光双安定素子の実例を図5を参照しながら以下に示す。
図5の符号15は光双安定素子、21は非線形屈折率を
有する光学材料(非線形屈折率媒質)、22A及び22
Bは非線形屈折率媒質21の両面にコートされた反射率
約90%の誘電体蒸着ミラーである。この構成において
は、入力光の波長を僅かに変化させて共振条件を満足す
ると、入力光強度Piに対して出力光Ptが図6中の
(A)、(B)に示した様な特性を持つ〔動作原理につ
いては文献アプライド フィジックス レターズ{ App
l. Phys. Lett.、第35巻、第451頁(1976)}
に詳しい〕。これらはそれぞれリミッタ動作及び双安定
動作に対応しており、光通信や光情報処理システムにお
いて入力光パルスの波形整形、光スイッチ、あるいは光
信号メモリー、光論理演算動作などへの応用が可能なも
のである。すなわち、図6は非線形光学装置(光双安定
素子)の(A)リミッタ動作特性、(B)双安定動作特
性を示す図である。図中の矢印はPiの増加時、及び減
少時のPtの特性を現す経路を示す。ところで、この種
の非線形光学装置においては、特性として、使用可能な
入力光波長並びに入力光強度、更に光信号の強度変化に
対して追随可能な応答時間の3つの値が重要である。例
えば図5中の非線形光学媒質21として、GaAsとG
aAlAsの半導体薄膜を交互に繰り返し成長させて作
製した超格子結晶を用いた例においては、結晶内で励起
子が光吸収に伴って励起されることによって屈折率が光
強度依存性を示すこと(吸収依存性効果)を動作原理と
しているため、前記一般式(数1)の第3項の係数が大
きく(すなわち3次非線形の効率が高く)、動作に必要
な入力光強度は5×104 W/cm2 程度と小さくて済
む点では優れているが、使用可能な入力光波長が励起子
吸収スペクトル近傍の極めて狭い範囲に限られてしまう
こと、及び応答時間が励起子寿命により決定され、3×
10-8secより高速の光信号処理には使えないという
問題点があった。また、非線形光学媒質として非線形光
学液体である二硫化炭素(CS2 )を満たしたガラスセ
ルを用い、前記誘電体蒸着ミラー22A、22Bの代り
に、外部ミラーを用いた別の従来例においては、光電界
に応じた分子の回転配列により屈折率が光強度依存性を
示すこと(分子回転非線形効果)を動作原理としている
ため、使用可能な入力光波長が可視から近赤外域の広い
範囲にわたるという点では優れているものの、3次非線
形の効果がそれ程高くなく、動作に必要な入力光強度が
108 W/cm2 程度と大きくなること、及び応答時間
が分子の回転緩和時間により決定され、10-11 〜10
-12 secより高速の光信号処理には使えないという問
題点があった。
As a conventional example of a nonlinear optical device using a nonlinear optical material exhibiting such a nonlinear refractive index effect as a medium,
An example of the optical bistable element will be described below with reference to FIG.
5 is an optical bistable element, 21 is an optical material having a nonlinear refractive index (a nonlinear refractive index medium), and 22A and 22.
B is a dielectric vapor deposition mirror coated on both sides of the nonlinear refractive index medium 21 and having a reflectivity of about 90%. In this configuration, if the resonance condition is satisfied by slightly changing the wavelength of the input light, the output light Pt exhibits the characteristics shown in FIGS. 6A and 6B with respect to the input light intensity Pi. [Refer to Applied Physics Letters II for the operating principle. App
l. Phys. Lett., 35, 451 (1976)
Detailed). These correspond to limiter operation and bistable operation, respectively, and can be applied to optical communication and optical information processing systems, such as waveform shaping of input optical pulses, optical switches, optical signal memory, and optical logic operation. It is. That is, FIG. 6 is a diagram showing (A) limiter operation characteristics and (B) bistable operation characteristics of the nonlinear optical device (optical bistable element). Arrows in the figure indicate paths that show the characteristics of Pt when Pi increases and decreases. Incidentally, in this kind of nonlinear optical device, three values of a usable input light wavelength and input light intensity and a response time that can follow a change in the intensity of an optical signal are important as characteristics. For example, as the nonlinear optical medium 21 in FIG.
In an example using a superlattice crystal fabricated by alternately and repeatedly growing semiconductor thin films of aAlAs, the refractive index exhibits light intensity dependence by excitons excited in the crystal along with light absorption ( Since the operation principle is based on the absorption-dependent effect, the coefficient of the third term of the general formula (Equation 1) is large (that is, the efficiency of the third-order nonlinearity is high), and the input light intensity required for the operation is 5 × 10 4. Although it is excellent in that it can be as small as about W / cm 2 , the usable input light wavelength is limited to an extremely narrow range near the exciton absorption spectrum, and the response time is determined by the exciton lifetime, 3x
There is a problem that it cannot be used for optical signal processing faster than 10 -8 sec. Further, in another conventional example using a glass cell filled with carbon disulfide (CS 2 ) as a nonlinear optical liquid as a nonlinear optical medium and using an external mirror instead of the dielectric vapor deposition mirrors 22A and 22B, Since the principle of operation is that the refractive index shows light intensity dependence due to the rotational arrangement of molecules according to the optical electric field (molecular rotation nonlinear effect), the usable input light wavelength ranges from the visible to the near infrared. Although the point is excellent, the third-order nonlinear effect is not so high, the input light intensity required for operation is as large as about 10 8 W / cm 2 , and the response time is determined by the rotation relaxation time of the molecule. 10 -11 to 10
There is a problem that it cannot be used for optical signal processing faster than -12 sec.

【0007】以上のことから明らかなように、非線形光
学装置の性能は、非線形光学材料の特性によってほとん
ど決定される。したがって、使用可能な波長範囲が広
く、3次非線形の効率が高く、動作に必要な入力光強度
が小さく、応答時間が短い材料の開発が熱望され、それ
に向けて活発な研究が行われているのが現状である。こ
のような非線形屈折率効果を示す3次の非線形光学材料
としては、ベンゼン環や2重結合あるいは3重結合など
のπ電子共役をもつ有機非線形光学材料が最近特に注目
されている。例えば、ポリジアセチレンビス−(パラト
ルエンスルホネート)(略称PTS)では、3次効果の
定数χ(3) はχ(3) =1×10-10 esu〔非線形屈折
率係数に換算すると、n2 =2×10-12 (W/c
2 -1となる〕の値をもち、上記のCS2 液体より2
桁大きい。また、この非線形効果のメカニズムは吸収に
よるものでなく、かつ分子や結晶格子との相互作用によ
るものでもなく、純粋に電子分極に由来するものである
ために、光信号の強度変化に追随可能な応答時間が10
-14 secと極めて高速であることが有機非線形光学材
料の大きな特長である。また、使用可能な入力光波長は
0.65μm付近から2.0μm以上の広い範囲にわた
っているという優れた特性を併せ持っている。しかしな
がら、上記PTSなどのポリジアセチレンは、一般に結
晶性高分子であるために、実際に光スイッチや光メモリ
ー用の媒質として用いる場合には、媒質全体が単結晶と
なっていることが必要である。もし、媒質の一部に非晶
質部が存在したり、全体が多結晶状態になっていて微小
な単結晶の集合体であったりすると、入射光の散乱損失
が増大してしまい、使いものにならない。したがって、
ポリジアセチレンを用いた光学装置を製造するに当って
は、目的に応じた大型結晶の育成あるいは薄膜結晶化な
どの技術が不可欠であり、更にこれらの結晶が得られた
場合でも、結晶を切断したり表面を研磨したりする加工
技術を確立することが必要である。ポリジアセチレンに
関するこれらの周辺技術は今のところまだ解決されてい
ない。また、代表的な導電性高分子材料であるポリアセ
チレンについても上記PTSを上回る大きな3次の非線
形光学定数(χ(3) >10-9esu)を有するが、PT
S同様結晶性高分子であるため光透過性、加工性に劣
り、実用的観点から光スイッチや光メモリー用媒質とし
ての使用は困難である。このように、ポリジアセチレン
あるいはポリアセチレンなど従来公知である高い非線形
光学効果を有する高分子材料として、実用レベルで非線
形光学装置への応用に供せられるものは一つも実現して
いない。
As apparent from the above, the performance of a nonlinear optical device is almost determined by the characteristics of the nonlinear optical material. Therefore, there is a keen need to develop a material having a wide usable wavelength range, high third-order nonlinear efficiency, low input light intensity required for operation, and short response time, and active research is being conducted toward it. is the current situation. As a tertiary nonlinear optical material exhibiting such a nonlinear refractive index effect, an organic nonlinear optical material having π-electron conjugation such as a benzene ring, a double bond, or a triple bond has recently received particular attention. For example, in the case of polydiacetylenebis- (paratoluenesulfonate) (abbreviated as PTS), the constant of the third-order effect χ (3) is χ (3) = 1 × 10 −10 esu [n 2 = 2 × 10 -12 (W / c
m 2) has the value becomes -1], 2 from the above CS 2 Liquid
Order of magnitude larger. Also, the mechanism of this nonlinear effect is not due to absorption and interaction with molecules or crystal lattices, but is purely derived from electronic polarization, so that it can follow changes in the intensity of optical signals. Response time 10
An extremely high speed of -14 sec is a major feature of the organic nonlinear optical material. Further, it has an excellent characteristic that the usable input light wavelength ranges from about 0.65 μm to 2.0 μm or more. However, since polydiacetylene such as PTS is generally a crystalline polymer, when it is actually used as a medium for an optical switch or an optical memory, it is necessary that the entire medium is a single crystal. . If an amorphous part is present in a part of the medium, or if the whole is in a polycrystalline state and is an aggregate of minute single crystals, the scattering loss of incident light increases, and No. Therefore,
In manufacturing optical devices using polydiacetylene, techniques such as growing large crystals or thin-film crystallization according to the purpose are indispensable, and even when these crystals are obtained, It is necessary to establish a processing technique for polishing and polishing the surface. These peripheral technologies for polydiacetylene have not yet been solved. Polyacetylene, which is a typical conductive polymer material, also has a large third-order nonlinear optical constant (χ (3) > 10 −9 esu) exceeding the above PTS.
Since it is a crystalline polymer like S, it is inferior in light transmittance and workability, and is difficult to use as a medium for optical switches and optical memories from a practical viewpoint. As described above, none of the conventionally known polymer materials having a high nonlinear optical effect, such as polydiacetylene or polyacetylene, which can be applied to a nonlinear optical device at a practical level has been realized.

【0008】[0008]

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記事情に
かんがみてなされたもので、従来の光双安定素子を始め
とする、光スイッチ、位相共役波発生装置などの非線形
屈折率を利用した非線形光学装置に適用する問題点、す
なわち前記したような使用波長制限、低速応答性、高動
作入力光強度、あるいは所望の光学材料を容易に入手で
きないこと、などの欠点を除去することを課題とするも
のであり、使用波長範囲が広く、高速応答性を有し、か
つ動作入力光強度が小さい、実用に供し得る高効率非線
形光学材料、及びこれを用いた高性能非線形光学装置を
提供することを課題としている。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above circumstances, and utilizes a nonlinear refractive index of a conventional optical bistable element, an optical switch, a phase conjugate wave generator, and the like. It is an object of the present invention to eliminate disadvantages applied to a non-linear optical device, i.e., to eliminate disadvantages such as the above-mentioned wavelength limitation, low-speed response, high operation input light intensity, or the inability to easily obtain a desired optical material. A high-efficiency nonlinear optical material that can be used in a wide range of wavelengths, has a high-speed response, and has a small operating input light intensity, and a high-performance nonlinear optical device using the same. Is an issue.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】本発明を概説すれば、本
発明の第1の発明は非線形光学材料に関する発明であっ
て、ドナー性を有する複素芳香環とアクセプター性を有
する複素芳香環とエチニレンとから構成されるπ電子共
役高分子からなる非線形光学材料において、該π電子共
役高分子が下記一般式(化1):
SUMMARY OF THE INVENTION In summary, the first invention of the present invention relates to a nonlinear optical material, and relates to a heteroaromatic ring having a donor property, a heteroaromatic ring having an acceptor property, and ethynylene. Wherein the π-electron conjugated polymer is represented by the following general formula (Formula 1):

【0010】[0010]

【化1】 (Ar、Ar′は置換あるいは無置換複素芳香環を表
し、Arはπ共役系に関して、ドナー性を有し、Ar′
はπ共役系に関してアクセプター性を有す。n及びmは
1〜6の整数であり、その少なくとも一方は2以上であ
る)で表されるポリアリーレンエチニレンであることを
特徴とする。また、本発明の第2の発明は非線形光学装
置に関する発明であって、非線形屈折率を有する光学媒
質と、光共振器や偏光子、あるいは反射鏡などの光学素
子とで構成される非線形光学装置において、該非線形屈
折率を有する光学媒質が前記一般式(化1)で表される
ポリアリーレンエチニレンであることを特徴とする。
Embedded image (Ar and Ar ′ represent a substituted or unsubstituted heteroaromatic ring, Ar has a donor property with respect to a π-conjugated system, and Ar ′
Has an acceptor property with respect to a π-conjugated system. n and m are integers of 1 to 6, at least one of which is 2 or more). The second invention of the present invention relates to a non-linear optical device, and comprises a non-linear optical device including an optical medium having a non-linear refractive index and an optical element such as an optical resonator, a polarizer, or a reflecting mirror. Wherein the optical medium having the non-linear refractive index is polyarylene ethynylene represented by the general formula (Formula 1).

【0011】前記課題を解決するために本発明は上記の
構成からなる。すなわち、本発明は、一般式(化1)で
表されるポリアリーレンエチニレンが、極めて大きな非
線形光学効果を有すると共に光の透過性に優れる薄膜を
容易に得ることができることを見出したものである。
In order to solve the above-mentioned problems, the present invention has the above-mentioned configuration. That is, the present invention has found that the polyarylene ethynylene represented by the general formula (Formula 1) can easily obtain a thin film having an extremely large nonlinear optical effect and excellent light transmittance. .

【0012】すなわち従来のπ電子共役高分子材料系の
非線形光学材料は、π電子共役長を長くすること、ある
いはπ電子共役系を平面的に広げることによって非線形
光学効果が大きくなることを基本としていたのに対し、
本発明のポリアリーレンエチニレンでは、π電子共役高
分子材料が分子内にエチニレンを挟んでπ共役系につい
てアクセプター性を有する複素芳香環とドナー性を有す
る複素芳香環とを有し、その片方若しくは両方が複数の
複素芳香環により構成されるために分子内での大きな電
荷移動が容易に起り、これがπ電子共役高分子材料の非
線形光学特性を著しく向上させることを見出したもので
ある〔前記π共役系についてのアクセプター性、ドナー
性については、次の著書に詳しい。ニューヨーク市、ジ
ョン ワイリー サンズ社1982年発行、G.R.ニ
ューカム(G.R.Newkome)及びW.W.パウドラー
(W.W.Paudler)共著、「コンテムポラリ ヘテロサ
イクリック ケミストリー(Contemporary heterocycli
c chemistry)。ただし、この著書のなかでは、該π共役
系についてのアクセプター性、ドナー性を、それぞれπ
−デフィシエント(π−deficient)、π−イクセッシブ
(π−excessive)と表現している〕。また本発明のポリ
アリーレンエチニレンは、異種の芳香環から構成される
ために結晶性が阻害され、非晶質の高分子が容易に得ら
れ、この結果光学的透明性に優れる薄膜フィルムの製作
が容易であることが判明した。
That is, the conventional π-electron conjugated polymer-based nonlinear optical material is based on the fact that the π-electron conjugate length is increased or the nonlinear optical effect is increased by expanding the π-electron conjugate system in a plane. Whereas
In the polyarylene ethynylene of the present invention, the π-electron conjugated polymer material has a heteroaromatic ring having an acceptor property and a heteroaromatic ring having a donor property with respect to a π-conjugated system with ethynylene in the molecule, and It has been found that since both are composed of a plurality of heteroaromatic rings, large charge transfer easily occurs in the molecule, and this significantly improves the nonlinear optical properties of the π-electron conjugated polymer material [the above-mentioned π. Regarding the acceptor property and the donor property of the conjugated system, see the following book. New York City, John Wiley Sands, 1982, G.C. R. Newcome (GR) and W.K. W. Co-authored by WW Paudler, “Contemporary heterocycli
c chemistry). However, in this book, the acceptor property and the donor property of the π-conjugated
−π-deficient, π-excessive). In addition, the polyarylene ethynylene of the present invention is composed of different types of aromatic rings, so that its crystallinity is inhibited and an amorphous polymer can be easily obtained. As a result, a thin film having excellent optical transparency can be produced. Turned out to be easy.

【0013】π共役系についてアクセプター性を有する
複素芳香環としては、ピリジン、ピリミジン、ピラジ
ン、ピリダジン、トリアジン、テトラジン、ベンゾチア
ゾール、ベンゾオキサゾール及びこれらのアルキルある
いはアルコキシ置換体など種々の化合物が用い得るが、
特にピリジンである場合に本発明の効果が特に大きいこ
とを見出した。また、ドナー性を有する複素芳香環とし
てはチオフェン、セレノフェン、フラン、ピロール、テ
ルロフェン、及びこれらのアルキルあるいはアルコキシ
置換体など種々の化合物を用い得るが、チオフェンある
いはセレノフェンである場合に本発明の効果が特に大き
いことを見出したものである。一つのアクセプター性を
有する複素芳香環と一つのドナー性を有する複素芳香環
を含んだ繰り返し単位で構成されるポリアリーレンエチ
ニレン系π電子共役高分子材料が、大きな非線形光学効
果を有すると共に薄膜形成が容易であることについては
本発明者らによって明らかにされている〔T.山本、
M.タカギ、K.キズ、T.マルヤマ、K.クボタ、
H.カンバラ、T.栗原、及びT.戒能(T.Yamamot
o、M.Takagi、K.Kizu、T.Maruyama、K.Kubot
a、H.Kanbara、T.Kurihara、T.Kaino)、ケミカル
コミュニケーションズ(Chem. Commun.)、第9号、第
797頁(1993)〕。ここで、π共役系についてア
クセプター性を有する複素芳香環がピリジンであり、ド
ナー性を有する複素芳香環が3−ヘキシルチオフェンで
ある場合に、3−ヘキシルチオフェンからピリジンへの
電荷移動効果により光非線形性が大きくなることが判明
している。しかしこのような材料を具体的に超高速の光
スイッチ素子に応用するために更に大きな非線形光学特
性が必要である。更に大きな非線形光学特性を得るため
にはπ電子共役系の中に更に大きな分子内での電荷移動
を起こさせる必要があると考え本発明に至ったものであ
る。この目的を達成するためにドナー性を有する複素芳
香環とアクセプター性を有する複素芳香環とを含むπ電
子共役高分子からなる非線形光学材料において、該π電
子共役高分子としてポリアリーレンエチニレンを選択し
ている。更にπ共役系についてアクセプター性を有する
複素芳香環がピリジン、あるいはアルキル基あるいはア
ルコキシ基で置換されたピリジンであり、ドナー性を有
する複素芳香環がチオフェンあるいはセレノフェン、あ
るいはアルキル基あるいはアルコキシ基で置換されたチ
オフェンあるいはセレノフェンあるいはこれらのセレノ
フェンあるいはチオフェンを組合せた化合物であり、ド
ナー性を有する複素芳香環とアクセプター性を有する複
素芳香環の双方あるいは片方が2〜6個連結した化合物
で構成される場合に本発明の効果が特に大きいことを見
出したものである。従来このような方法でπ電子共役高
分子の分子内電荷移動を増大させることが、非線形光学
特性向上に寄与することについては明らかにされていな
かった。
Various compounds such as pyridine, pyrimidine, pyrazine, pyridazine, triazine, tetrazine, benzothiazole, benzoxazole and their alkyl or alkoxy substituents can be used as the heteroaromatic ring having an acceptor property for the π-conjugated system. ,
In particular, it has been found that the effect of the present invention is particularly large when pyridine is used. Further, as the heteroaromatic ring having a donor property, various compounds such as thiophene, selenophene, furan, pyrrole, tellurophen, and their alkyl or alkoxy substituents can be used, and when the compound is thiophene or selenophene, the effect of the present invention can be obtained. It was found to be particularly large. A polyaryleneethynylene-based π-electron conjugated polymer composed of a repeating unit containing one heteroaromatic ring having one acceptor property and one heteroaromatic ring having one donor property has a large nonlinear optical effect and forms a thin film. Have been made clear by the present inventors [T. Yamamoto,
M. Takagi, K. Scratch, T. Maruyama, K. Kubota,
H. Kambara, T. Kurihara and T.S. Kainou (T. Yamamot
o, M. Takagi, K .; Kizu, T .; Maruyama, K .; Kubot
a, H. Kanbara, T .; Kurihara, T .; Kaino), Chemical Communications (Chem. Commun.), No. 9, p. 797 (1993)]. Here, in the case where the heteroaromatic ring having an acceptor property in the π-conjugated system is pyridine and the heteroaromatic ring having a donor property is 3-hexylthiophene, the optical non-linearity due to the charge transfer effect from 3-hexylthiophene to pyridine is obtained. It has been found that gender increases. However, in order to specifically apply such a material to an ultra-high-speed optical switching device, even larger nonlinear optical characteristics are required. The inventors of the present invention have thought that it is necessary to cause charge transfer within a larger molecule in a π-electron conjugate system in order to obtain a larger nonlinear optical characteristic. In order to achieve this object, in a nonlinear optical material comprising a π-electron conjugated polymer containing a heteroaromatic ring having a donor property and a heteroaromatic ring having an acceptor property, polyarylene ethynylene is selected as the π-electron conjugated polymer. are doing. Further, a heteroaromatic ring having an acceptor property with respect to a π-conjugated system is pyridine or pyridine substituted with an alkyl group or an alkoxy group, and a heteroaromatic ring having a donor property is substituted with thiophene or selenophene, or an alkyl group or an alkoxy group. Thiophene or selenophene or a compound obtained by combining these selenophenes or thiophenes, and is composed of a compound in which both or one or both of a heteroaromatic ring having a donor property and a heteroaromatic ring having an acceptor property are linked to each other. It has been found that the effect of the present invention is particularly large. Conventionally, it has not been clarified that increasing the intramolecular charge transfer of the π-electron conjugated polymer by such a method contributes to the improvement of the nonlinear optical characteristics.

【0014】本発明のポリアリーレンエチニレンにおい
ては、ピリジン及びチオフェンあるいはセレノフェンは
各芳香環が2〜6個連結した化合物がエチニレンを挟ん
で交互に結合しても良く、また、ピリジン環が1〜6個
連結した化合物とチオフェン環あるいはセレノフェン環
が交互にあるいはランダムに、あるいは2分子以上の単
位で結合した化合物とがエチニレンを挟んで交互に結合
しても良い。ドナー性芳香環及びアクセプター性芳香環
がそれぞれ7個以上連結した化合物においても非線形光
学効果は観測されるものの、この場合理由は必ずしも明
確にされていないが分子の平面性が低下する傾向が生
じ、分子内電荷移動の増大効果を活かすことができない
ため、本発明においては各芳香環が2〜6個連結した化
合物において発明の効果が顕著である。
In the polyarylene ethynylene of the present invention, pyridine and thiophene or selenophene may be a compound in which two to six aromatic rings are linked alternately with ethynylene interposed therebetween. A compound in which six compounds are linked and a thiophene ring or a selenophene ring alternately or randomly, or a compound in which two or more molecules are bonded may be alternately bonded via ethynylene. Although a non-linear optical effect is also observed in a compound in which a donor aromatic ring and an acceptor aromatic ring are each linked 7 or more, the reason for this is not necessarily clear, but the planarity of the molecule tends to decrease, Since the effect of increasing the intramolecular charge transfer cannot be utilized, in the present invention, the effect of the invention is remarkable in a compound in which two to six aromatic rings are linked.

【0015】本発明に係わる高分子材料はギ酸などに可
溶であるが、更に有機溶媒可溶性の構造とすることが好
ましい場合がある。この目的達成のためにはドナー性を
有する複素芳香環としてアルキル基あるいはアルコキシ
基で置換されたチオフェンあるいはセレノフェンを用い
る、あるいはアクセプター性を有する複素芳香環として
アルキル基あるいはアルコキシ基で置換されたピリジン
を用いることが有効である。この場合、芳香環が1〜6
個連結したピリジンあるいはチオフェンあるいはセレノ
フェン化合物すべての芳香環にアルキル基あるいはアル
コキシ基が置換されている必要はなく、合成の容易さを
勘案して任意の芳香環にアルキル基あるいはアルキコシ
基の置換を行えばよい。アルキル基あるいはアルコキシ
基による置換は当該ポリアリーレンエチニレン系π電子
共役高分子の溶解性を向上させるのみならず、π電子共
役高分子の平面性向上に寄与することも本発明の効果の
一つである。この結果、アルキル基あるいはアルコキシ
基で置換されないチオフェンあるいはセレノフェンと、
アルキル基あるいはアルコキシ基で置換されないピリジ
ン環のそれぞれ、あるいは片方が2〜6個連結した化合
物で構成されるポリアリーレンエチニレン系π電子共役
高分子に比べて非線形光学特性が向上するという効果を
もたらす。
Although the polymer material according to the present invention is soluble in formic acid or the like, it may be preferable that the polymer material has a structure soluble in an organic solvent. To achieve this object, thiophene or selenophene substituted with an alkyl group or an alkoxy group as a heteroaromatic ring having a donor property, or pyridine substituted with an alkyl group or an alkoxy group as a heteroaromatic ring having an acceptor property is used. It is effective to use. In this case, the aromatic ring has 1 to 6
It is not necessary that an alkyl group or an alkoxy group be substituted on all aromatic rings of the pyridine, thiophene or selenophene compounds connected individually, and an alkyl group or an alkoxy group is substituted on any aromatic ring in consideration of easiness of synthesis. Just do it. One of the effects of the present invention is that the substitution with an alkyl group or an alkoxy group not only improves the solubility of the polyaryleneethynylene-based π-electron conjugated polymer but also contributes to the improvement of the planarity of the π-electron conjugated polymer. It is. As a result, thiophene or selenophene not substituted with an alkyl group or an alkoxy group,
The effect of improving the nonlinear optical properties as compared with a polyaryleneethynylene-based π-electron conjugated polymer composed of a pyridine ring not substituted with an alkyl group or an alkoxy group, or a compound in which one or two pyridine rings are linked to each other. .

【0016】また本発明は、非線形屈折率を有する光学
媒質と、光共振器や偏光子、あるいは反射鏡などの光学
素子とで構成される非線形光学装置において、非線形屈
折率を有する光学媒質としてドナー性を有する複素芳香
環とアクセプター性を有する複素芳香環のそれぞれ、あ
るいは片方が2〜6個連結した化合物で構成されるポリ
アリーレンエチニレン系π電子共役高分子材料を用いる
ことを特徴とするものである。前記π共役系についてア
クセプター性を有する複素芳香環とドナー性を有する複
素芳香環とから構成されるポリアリーレンエチニレン系
π電子共役高分子材料としては下記式(化2)中の
(I)〜(IV)で示されるようなピリジン及びチオフ
ェンとから構成されるπ電子共役高分子材料、あるいは
下記式(化3)中の(V)〜(VIII)で示されるような
ピリジン及びセレノフェンとから構成されるπ電子共役
高分子材料、あるいは下記式(化4)中の(IX)〜
(X)で示されるようなピリジン及びチオフェンとセレ
ノフェンとから構成されるポリアリーレンエチニレン系
π電子共役高分子材料などが挙げられる。複素芳香環に
非対称性がある場合、厳密には単一の繰り返し単位から
なっていなくとも、形式上共重合体からなる物質で有
り、いわゆる頭−尾(head-to-tail) の構造のみならず
いわゆる頭−頭(head-to-head) の部分が形成されても
良い。しかしこの複素芳香環の繰り返し単位の多くは規
則的で有り、多少の不規則部分が存在しても本発明効果
への影響は小さい。いわゆるランダム構造の化合物であ
っても複素芳香環の非対称性に基づく構造変化が光非線
形性あるいは溶解性に及ぼす影響は特に問題とはならな
い。
The present invention also relates to a nonlinear optical device comprising an optical medium having a non-linear refractive index and an optical element such as an optical resonator, a polarizer, or a reflecting mirror. Characterized by using a polyaryleneethynylene-based π-electron conjugated polymer material composed of a compound in which each of a heteroaromatic ring having a property and a heteroaromatic ring having an acceptor property, or one of which is connected to 2 to 6 heteroaromatic rings. It is. Regarding the π-conjugated system, a polyaryleneethynylene-based π-electron conjugated polymer material composed of a heteroaromatic ring having an acceptor property and a heteroaromatic ring having a donor property includes (I) to (I) in the following formula (Formula 2). A π-electron conjugated polymer material composed of pyridine and thiophene represented by (IV), or pyridine and selenophene represented by (V) to (VIII) in the following formula (3) Conjugated polymer material to be used, or (IX) to (IX) in the following formula (Formula 4)
A polyaryleneethynylene-based π-electron conjugated polymer material composed of pyridine, thiophene, and selenophene as shown by (X) is exemplified. When a heteroaromatic ring has asymmetry, it is a substance that is formally a copolymer even if it is not strictly composed of a single repeating unit, and if only a so-called head-to-tail structure is used. Alternatively, a so-called head-to-head portion may be formed. However, most of the repeating units of the heteroaromatic ring are regular, and the effect of the present invention is small even if some irregular portions are present. Even in the case of a compound having a so-called random structure, the effect of a structural change based on the asymmetry of the heteroaromatic ring on optical non-linearity or solubility does not cause any particular problem.

【0017】[0017]

【化2】 Embedded image

【0018】[0018]

【化3】 Embedded image

【0019】[0019]

【化4】 Embedded image

【0020】これらのπ電子共役高分子材料の合成は、
アモルファス構造をもつ導電性高分子材料として既に報
告されているポリ−(3−ヘキシルチオフェン−2,5
−ジイルエチニレン−ピリジン−2,5−ジイル−)、
あるいはポリ−(セレノフェン−2,5−ジイルエチニ
レン,ピリジン−2,5−ジイルエチニレン)に準じて
行うことができる。後で述べるように、本発明による非
線形光学材料は、ギ酸のみならずクロロホルム、ジメチ
ルアセトアミド、ジメチルホルムアミド、ジメチルスル
ホキシド、テトラヒドロフラン、n−メチルピロリド
ン、トルエンなどの有機溶媒に可溶のポリマーを合成す
ることができるため、成形性に優れ、取扱いやすく、か
つ化学的に安定である。
The synthesis of these π-electron conjugated polymer materials is as follows:
Poly- (3-hexylthiophene-2,5) which has already been reported as a conductive polymer material having an amorphous structure
-Diylethynylene-pyridine-2,5-diyl-),
Alternatively, it can be carried out according to poly- (selenophene-2,5-diylethynylene, pyridine-2,5-diylethynylene). As will be described later, the nonlinear optical material according to the present invention synthesizes a polymer that is soluble not only in formic acid but also in an organic solvent such as chloroform, dimethylacetamide, dimethylformamide, dimethylsulfoxide, tetrahydrofuran, n-methylpyrrolidone, and toluene. It is excellent in moldability, easy to handle, and chemically stable.

【0021】これらのドナー性を有する複素芳香環とア
クセプター性を有する複素芳香環のそれぞれ、あるいは
片方が2〜6個連結した化合物で構成されるポリアリー
レンエチニレン系π電子共役高分子材料は、3次非線形
効果が極めて大きく、また、光透過性に優れることを、
本発明者らは初めて明らかにすることができた。また、
その大きな3次効果故に非線形屈折率係数が大きな値と
なることを確認し、この材料を非線形光学媒質として光
双安定素子、光スイッチ、位相共役波発生器などの非線
形光学装置を構成し、それらが実用に供し得るとしたの
は、本発明の第2に強調すべき点である。
A polyaryleneethynylene-based π-electron conjugated polymer material composed of a compound in which each of the heteroaromatic ring having a donor property and the heteroaromatic ring having an acceptor property, or one of which is linked to two or six, is The fact that the third-order nonlinear effect is extremely large and that the light transmittance is excellent
The present inventors were able to clarify for the first time. Also,
The nonlinear refractive index coefficient was confirmed to be large due to the large third-order effect, and this material was used as a nonlinear optical medium to construct nonlinear optical devices such as optical bistable elements, optical switches, and phase conjugate wave generators. It is the second point of emphasis that the present invention can be put to practical use.

【0022】[0022]

【実施例】以下、実施例を用いて本発明に係わるπ共役
系についてドナー性を有する複素芳香環とアクセプター
性を有する複素芳香環のそれぞれ、あるいは片方が2〜
6個連結した化合物で構成されるポリアリーレンエチニ
レン系π電子共役高分子材料の非線形光学効果及びこれ
を用いた非線形光学装置の特徴を詳しく説明する。
EXAMPLES Hereinafter, using the examples, in the π-conjugated system according to the present invention, each of a heteroaromatic ring having a donor property and a heteroaromatic ring having an acceptor property, or one of them, is 2 to 3.
The non-linear optical effect of a polyarylene ethynylene-based π-electron conjugated polymer material composed of six linked compounds and the characteristics of a non-linear optical device using the same will be described in detail.

【0023】実施例1 有機材料の3次効果は、一般に第3高調波光(THG
光)の強度を測定することによって評価される。レーザ
パルス光を入射し、サンプルをレーザ光の入射方向と垂
直な軸の回りに回転させながら、出てくるTHG光強度
を測定し、既に効率が既知の材料(ここでは石英ガラス
を用いた)を同一の観測系で測定して、THGのピーク
強度と比較すれば、3次効果の効率を測定することがで
きる〔測定原理については、文献 エレクトロニクス
レターズ(Electron. Lett.)、第23巻、第11号、第
595頁(1987)に詳しい〕。図7は、ポリー(ビ
−3−ヘキシルチオフェンジイルエチニレン−ピリジン
ジイルエチニレン)(略称PAE−BTRPY)フィル
ム(この場合の厚さは0.15μm)を対象とし、TH
G法で得られた結果を3次の電気感受率χ(3) (縦軸、
×10-10 esu)で表し、入射光波長(横軸、μm)
に対してプロットした結果である。χ(3) の値は8×1
-10 esu前後であり、前述のPTSとほぼ同程度の
値であることが確かめられた。なお、この測定値から非
線形屈折率はn2 =5×10-12 (W/cm2 -1前後
と算出される。上記PAE−BTRPYフィルムの作製
法について述べる。下記式(化5)は本発明の非線形光
学材料PAE−BTRPYを合成するときの反応スキー
ムの一例である。
Embodiment 1 The third order effect of an organic material is generally based on third harmonic light (THG).
It is evaluated by measuring the intensity of light. A laser pulse light is incident, and while the sample is rotated around an axis perpendicular to the incident direction of the laser light, the intensity of the emitted THG light is measured, and a material of which efficiency is already known (here, quartz glass is used) Can be measured with the same observation system and compared with the peak intensity of THG to measure the efficiency of the tertiary effect.
Letters (Electron. Lett.), Vol. 23, No. 11, p. 595 (1987)]. FIG. 7 shows a poly (bi-3-hexylthiophenediylethynylene-pyridinediylethynylene) (abbreviation: PAE-BTRPY) film (in this case, a thickness of 0.15 μm),
The result obtained by the G method is calculated as the third order electric susceptibility χ (3) (vertical axis,
× 10 −10 esu) and the wavelength of incident light (horizontal axis, μm)
It is the result plotted against.値 The value of (3) is 8 × 1
It was about 0 -10 esu, and it was confirmed that the value was almost the same as the above-mentioned PTS. From this measured value, the nonlinear refractive index is calculated to be about n 2 = 5 × 10 −12 (W / cm 2 ) −1 . A method for producing the PAE-BTRPY film will be described. The following formula (Formula 5) is an example of a reaction scheme when synthesizing the nonlinear optical material PAE-BTRPY of the present invention.

【0024】[0024]

【化5】 Embedded image

【0025】目的とする高分子化合物PAE−BTRP
Yはトルエンやクロロホルムなどの有機溶媒に可溶であ
り、これを溶解(1重量%前後)し、スピンコーティン
グにより0.02〜0.5μmの薄膜フィルムが得られ
る。
The desired polymer compound PAE-BTRP
Y is soluble in an organic solvent such as toluene and chloroform, and is dissolved (about 1% by weight), and a thin film of 0.02 to 0.5 μm is obtained by spin coating.

【0026】また、PAE−BTRPYの吸収スペクト
ルは、分光光度計で測定した。その結果、無吸収波長域
は0.70〜2.2μmと極めて広いことが判った。す
なわち、この材料は使用可能波長域が前述のPTSより
更に広く優れている。更に同様な考察から、π共役系に
ついてドナー性を有する複素芳香環とアクセプター性を
有する複素芳香環のそれぞれ、あるいは片方が2〜6個
連結した化合物で構成されるポリアリーレンエチニレン
系π電子共役高分子材料の応答時間はPTSと同様に1
-14 sec程度と推測され、充分な高速性を備えてい
る。一方、PAE−BTRPYトルエン溶液のキャステ
ィングにより2μm厚のフィルムを得て、プリズムカッ
プリング法によってこのフィルムの光透過性を評価した
ところ、波長1.3μmで1.5dB/cmという優れ
た光透過性を有することが判った。
The absorption spectrum of PAE-BTRPY was measured with a spectrophotometer. As a result, it was found that the non-absorption wavelength range was extremely wide, 0.70 to 2.2 μm. That is, this material has a wider usable wavelength range than the PTS described above. Further, from the same consideration, a polyarylene ethynylene-based π-electron conjugate composed of a compound in which each of a heteroaromatic ring having a donor property and a heteroaromatic ring having an acceptor property or a compound in which one of the heteroaromatic rings has 2 to 6 atoms is connected. The response time of the polymer material is 1 like PTS.
It is estimated to be about 0 -14 sec and has a sufficient speed. On the other hand, when a film having a thickness of 2 μm was obtained by casting a toluene solution of PAE-BTRPY, and the light transmittance of this film was evaluated by the prism coupling method, an excellent light transmittance of 1.5 dB / cm at a wavelength of 1.3 μm was obtained. It was found to have

【0027】実施例2 ポリ−(ビセレノフェン−2,5−ジイルエチニレン−
ビ−4−メチルピリジン−2,5−ジイルエチニレン)
(略称PAE−BSBPYR)フィルム(この場合の厚
さは0.15μm)を合成し、3次の電気感受率χ(3)
値を測定したところ2×10-9esu前後であり、前述
のPTSと同程度の値であることが確かめられた。な
お、この測定値から非線形屈折率はn2 =5×11-11
(W/cm2 -1前後と算出される。高分子化合物PA
E−BSBPYRをクロロホルムに溶解(1重量%前
後)し、スピンコーティングにより0.02〜1.5μ
m厚の薄膜フィルムが得られる。また、PAE−BSB
PYRの吸収スペクトルは、分光光度計で測定した。そ
の結果、無吸収波長域は0.70〜2.2μmと極めて
広いことが判った。すなわち、この材料は使用可能波長
域が前述のPTSより更に広く優れている。本発明の非
線形光学材料PAE−BSBPYRの応答時間はPTS
と同様に10-14 sec程度と推測され、充分な高速性
を備えている。一方、PAE−BSBPYRクロロホル
ム溶液のキャスティングにより2μm厚のフィルムを得
て、プリズムカップリング法によってこのフィルムの光
透過性を評価したところ、波長1.3μmで1.2dB
/cmという優れた光透過性を有することが判った。
Example 2 Poly- (biselenophen-2,5-diylethynylene-
Bi-4-methylpyridine-2,5-diylethynylene)
(Abbreviation PAE-BSBPYR) film (in this case, the thickness is 0.15 μm), and a third-order electric susceptibility χ (3)
When the value was measured, it was about 2 × 10 −9 esu, and it was confirmed that the value was about the same as the above-mentioned PTS. From this measured value, the nonlinear refractive index is n 2 = 5 × 11 −11.
(W / cm 2 ) -1 is calculated. Polymer compound PA
E-BSBPYR is dissolved in chloroform (about 1% by weight), and 0.02-1.5 μm is spin-coated.
An m-thick thin film is obtained. Also, PAE-BSB
The absorption spectrum of PYR was measured with a spectrophotometer. As a result, it was found that the non-absorption wavelength range was extremely wide, 0.70 to 2.2 μm. That is, this material has a wider usable wavelength range than the PTS described above. The response time of the nonlinear optical material PAE-BSBPYR of the present invention is PTS
It is estimated to be about 10 -14 sec in the same manner as described above, and it has a sufficiently high speed. On the other hand, a film having a thickness of 2 μm was obtained by casting a chloroform solution of PAE-BSBPYR, and the light transmittance of the film was evaluated by a prism coupling method.
/ Cm.

【0028】実施例3〜15 表1、表2及び表3に本発明によるπ共役系についてド
ナー性を有する複素芳香環とアクセプター性を有する複
素芳香環のそれぞれ、あるいは片方が2〜6個連結した
化合物で構成される種々のポリアリーレンエチニレン系
π電子共役高分子材料の非線形光学効果及び光透過性を
示す。いずれも高非線形光学効果と優れた光透過性を有
していることが判る。
Examples 3 to 15 Tables 1, 2 and 3 show that the π-conjugated system according to the present invention is a heteroaromatic ring having a donor property and a heteroaromatic ring having an acceptor property, or one or two of which are linked. 3 shows nonlinear optical effects and light transmittance of various polyaryleneethynylene-based π-electron conjugated polymer materials composed of the above compounds. It can be seen that each of them has a highly nonlinear optical effect and excellent light transmittance.

【0029】[0029]

【表1】 [Table 1]

【0030】[0030]

【表2】 [Table 2]

【0031】[0031]

【表3】 [Table 3]

【0032】実施例16 図1は本発明の光双安定素子の構成の一例を示す概略斜
視図であり、ここに10は光双安定素子(外部共振
器)、20は非線形屈折率媒質、23A、23Bは誘電
体多層膜ミラー、Piは入力光、Ptは力出力光であ
る。この外部共振器波、上記に述べた方法により作製し
たPAE−BTRPYフィルムを非線形屈折率媒質20
として使用し、入力光を約90%反射し、残りを透過さ
せる誘電体多層膜ミラー23A、23Bを非線形屈折率
媒質20を挟んで対向させて配置した外部光共振器であ
る。ここに、上述したPAE−BTRPYフィルムはP
AE−BTRPYのトルエン溶液をガラス基板上にキャ
スティングし、溶媒を除去した後、基板よりはく離する
ことによって、10×10×1mm3 程度の大きさのフ
リースタンディングなフィルム状の非線形屈折率媒質に
したものを使用した。
Embodiment 16 FIG. 1 is a schematic perspective view showing an example of the configuration of an optical bistable element according to the present invention, where 10 is an optical bistable element (external resonator), 20 is a nonlinear refractive index medium, and 23 A , 23B are dielectric multilayer mirrors, Pi is input light, and Pt is force output light. The external cavity wave and the PAE-BTRPY film produced by the above-described method are applied to the nonlinear refractive index medium 20.
This is an external optical resonator in which the dielectric multilayer mirrors 23A and 23B that reflect about 90% of the input light and transmit the rest are opposed to each other with the nonlinear refractive index medium 20 interposed therebetween. Here, the above-mentioned PAE-BTRPY film is P
A toluene solution of AE-BTRPY was cast on a glass substrate, and after removing the solvent, it was peeled off from the substrate to form a free-standing film-like nonlinear refractive index medium having a size of about 10 × 10 × 1 mm 3 . One used.

【0033】実施例17 図2は、本発明の光制御光スイッチの構成の一例を示す
概略斜視図である。図2において、符号11は光制御光
スイッチ、20は本発明の非線形屈折率媒質、24A、
24Bは偏光子、Piは入力光、Ptは出力光、Pgは
ゲートパルス光である。この光制御光スイッチ11は互
いに偏光軸が直交するよう配置された2枚の偏光子24
A、24Bからなる直交偏光子系を有し、これらの直交
偏光子24A、24Bで非線形屈折率媒質20を挟んだ
構成である。非線形屈折率媒質20としては実施例1で
得られたPAE−BTRPYを使用した。この構成にお
いては、ゲートパルス光Pgが入射している間だけ直交
偏光子24Aを通過した直線偏光が、非線形屈折率媒質
20の屈折率変化によって偏光角の回転を受け、直交偏
光子24Bを通過する。すなわち入力光Piはゲートパ
ルス光Pgによって光スイッチされる。本装置において
も、使用可能波長範囲、応答時間、及び動作入力光強度
(ゲートパルス光)の値は重要であるが、使用可能波長
範囲及び応答時間について極めて優れていることは実施
例1より明らかである。
Embodiment 17 FIG. 2 is a schematic perspective view showing an example of the configuration of a light control optical switch according to the present invention. In FIG. 2, reference numeral 11 denotes a light control optical switch, 20 denotes a nonlinear refractive index medium of the present invention, and 24A,
24B is a polarizer, Pi is input light, Pt is output light, and Pg is gate pulse light. This light control optical switch 11 is composed of two polarizers 24 arranged so that their polarization axes are orthogonal to each other.
A orthogonal polarizer system composed of A and 24B is provided, and the nonlinear refractive index medium 20 is sandwiched between these orthogonal polarizers 24A and 24B. As the nonlinear refractive index medium 20, the PAE-BTRPY obtained in Example 1 was used. In this configuration, linearly polarized light that has passed through the orthogonal polarizer 24A only while the gate pulse light Pg is incident undergoes rotation of the polarization angle due to a change in the refractive index of the nonlinear refractive index medium 20, and passes through the orthogonal polarizer 24B. I do. That is, the input light Pi is optically switched by the gate pulse light Pg. In this apparatus, the usable wavelength range, the response time, and the value of the operation input light intensity (gate pulse light) are important, but it is clear from the first embodiment that the usable wavelength range and the response time are extremely excellent. It is.

【0034】実施例18 図3は、本発明の位相共役波発生装置の構成の一例を示
す概略断面図である。図3において、12は本発明の位
相共役波発生装置、20は本発明の非線形屈折率媒質、
25A、25Bは半透過鏡、26は全反射鏡、Piは入
力光、Ptは力出力光、A1 、A2 、Ac、Apは光波
である。本発明の位相共役波発生装置12は、本発明の
非線形屈折率媒質20を第1の半透過鏡25Aと全反射
鏡26とで挟み、更に半透過鏡25Aからの光を半透過
鏡25Bが半透過鏡25Aと全反射鏡26の光軸に傾い
て非線形屈折率媒質20に入射するように配置してあ
る。非線形屈折率媒質20としては実施例1にて得られ
たPAE−BTRPYを使用した。この構成は縮退4光
波混合と呼ばれる光学配置であって、非線形屈折率媒質
20に、A1 、A2 (A1 と反対方向)、Ap(傾入
射)の3つの光波が入射すると、Apに対して空間位相
項のみが共役である第4の光波Acが発生する。この位
相共役波は画像情報処理技術における像修正や、実時間
ホログラフィなどの有効な手段として注目されている。
本実施例においても装置の高速応答性、及び低動作入力
光強度が確認できた。
Embodiment 18 FIG. 3 is a schematic sectional view showing an example of the configuration of a phase conjugate wave generator according to the present invention. In FIG. 3, reference numeral 12 denotes a phase conjugate wave generator of the present invention, 20 denotes a nonlinear refractive index medium of the present invention,
25A, 25B are semitransparent mirror, 26 a total reflection mirror, Pi is the input light, Pt is the power output light, A 1, A 2, Ac , Ap is the light wave. In the phase conjugate wave generator 12 of the present invention, the nonlinear refractive index medium 20 of the present invention is sandwiched between the first semi-transmissive mirror 25A and the total reflection mirror 26, and the light from the semi-transmissive mirror 25A is transmitted to the semi-transmissive mirror 25B. The transflective mirror 25A and the total reflection mirror 26 are arranged so as to be inclined to the optical axis and enter the nonlinear refractive index medium 20. As the nonlinear refractive index medium 20, the PAE-BTRPY obtained in Example 1 was used. This configuration is an optical arrangement called degenerate four-wave mixing. When three light waves A 1 , A 2 (in the opposite direction to A 1 ), and Ap (oblique incidence) enter the nonlinear refractive index medium 20, Ap is applied to Ap. On the other hand, a fourth light wave Ac in which only the spatial phase term is conjugate is generated. This phase conjugate wave is attracting attention as an effective means for image correction in image information processing technology and real-time holography.
Also in this example, high-speed response and low operation input light intensity of the device were confirmed.

【0035】実施例19 実施例1で得られたPAE−BTRPYをクロロホルム
に溶解しガラス基板上にスピンコートして、厚さ2.0
μmの薄膜を得た。この薄膜は、端面より光を入射する
ことで3層スラブ型光導波路として動作する。この光導
波路を非線形屈折率媒質として用いた光制御光スイッチ
を図4に示す。図4において、符号16は光制御光スイ
ッチ、24A、24Bは偏光子、27はダイクロイック
ミラー、28は集光レンズ、29はガラス基板、30は
本発明の非線形屈折率媒質薄膜からなる光導波層、Pi
は入力光、Ptは出力光、Pgはゲートパルス光であ
る。光導波層30の長さは1.5cmとした。この光制
御光スイッチ16は互いに偏光軸が直交するよう配置さ
れた2枚の偏光子24A、24Bからなる直交偏光子系
で非線形屈折率媒質による光導波層30を挟んだ構成で
ある。ダイクロイックミラー27は、ゲートパルス光の
導入及び出力光からの分離に、集光レンズ28は入力光
及びゲートパルス光の光導波層30への導入及び光導波
層30からの取り出しを行う。この構成においては、ゲ
ートパルス光Pgが入射している間だけ直交偏光子24
Bを通過した直線偏光が、光導波層30の屈折率変化に
よって偏光角の回転を受け、直交偏光子24Bを通過す
る。すなわち入力光Piはゲートパルス光Pgによって
光スイッチされる。光制御光スイッチ16は、光導波層
内へのゲート光及び信号光の閉じ込めが起るために、光
スイッチ11に比べて約20分の1のゲートハルス光強
度で動作し、高効率な光スイッチが構成されたことが確
かめられた。本装置においても、使用可能波長範囲及び
応答時間について極めて優れていることは実施例1より
明らかである。
Example 19 The PAE-BTRPY obtained in Example 1 was dissolved in chloroform and spin-coated on a glass substrate to give a thickness of 2.0.
A μm thin film was obtained. This thin film operates as a three-layer slab type optical waveguide when light enters from the end face. FIG. 4 shows an optical control optical switch using this optical waveguide as a nonlinear refractive index medium. In FIG. 4, reference numeral 16 denotes an optical control optical switch, 24A and 24B denote polarizers, 27 denotes a dichroic mirror, 28 denotes a condensing lens, 29 denotes a glass substrate, and 30 denotes an optical waveguide layer made of a non-linear refractive index medium thin film of the present invention. , Pi
Is input light, Pt is output light, and Pg is gate pulse light. The length of the optical waveguide layer 30 was 1.5 cm. The optical control optical switch 16 has a configuration in which an optical waveguide layer 30 made of a non-linear refractive index medium is sandwiched between orthogonal polarizer systems including two polarizers 24A and 24B arranged so that their polarization axes are orthogonal to each other. The dichroic mirror 27 introduces the gate pulse light and separates it from the output light, and the condenser lens 28 introduces the input light and the gate pulse light into and out of the optical waveguide layer 30. In this configuration, the orthogonal polarizer 24 is applied only while the gate pulse light Pg is incident.
The linearly polarized light that has passed through B undergoes a rotation of the polarization angle due to a change in the refractive index of the optical waveguide layer 30, and passes through the orthogonal polarizer 24B. That is, the input light Pi is optically switched by the gate pulse light Pg. The optical control optical switch 16 operates at a gate Hals light intensity of about 1/20 compared to the optical switch 11 because the gate light and the signal light are confined in the optical waveguide layer. Was constructed. It is clear from Example 1 that this apparatus is also extremely excellent in the usable wavelength range and the response time.

【0036】[0036]

【発明の効果】本発明によれば、ポリアリーレンエチニ
レン系π電子共役高分子材料をπ共役系についてドナー
性を有する複素芳香環とアクセプター性を有する複素芳
香環のそれぞれ、あるいは片方が2〜6個連結した化合
物で構成することによって、従来の最高レベルの3次の
非線形光学特性が得られると共に、光透過性に優れる薄
膜を得ることが可能である。また本発明によれば、大き
な非線形屈折率を持ち、かつ極めて応答速度が大きく、
可視域から近赤外領域の広い波長範囲で透光性を有する
ドナー性を有する複素芳香環とアクセプター性を有する
複素芳香環のそれぞれ、あるいは片方が2〜6個連結し
た化合物で構成されるポリアリーレンエチニレン系π電
子共役高分子材料のフィルムを非線形屈折率媒質として
用いて、光双安定素子、光スイッチ、あるいは位相共役
波発生装置など将来の光情報処理あるいは光通信分野で
重要となる非線形光学装置を構成することができるた
め、従来の非線形光学液体や半導体超格子結晶を用いた
非線形光学装置と比較して波長依存性、応答速度、動作
に必要な入力光強度の点で格段に優れたものとすること
ができ、現存の半導体レーザを光源として使用できると
いう実用的価値のある非線形光学装置とすることができ
る。
According to the present invention, a polyaryleneethynylene-based π-electron conjugated polymer material is converted into a heteroaromatic ring having a donor property and a heteroaromatic ring having an acceptor property for a π-conjugated system. By using a six-linked compound, it is possible to obtain a conventional high-order third-order nonlinear optical characteristic and to obtain a thin film having excellent light transmittance. Further, according to the present invention, it has a large nonlinear refractive index, and extremely high response speed,
Each of a heteroaromatic ring having a donor property and a heteroaromatic ring having an acceptor property having a light-transmitting property in a wide wavelength range from a visible region to a near-infrared region, or a polycyclic compound composed of a compound in which one or two are linked to each other. Using a film of an arylene ethynylene-based π-electron conjugated polymer material as a nonlinear refractive index medium, the nonlinearity that will be important in the future optical information processing or optical communication fields such as optical bistable elements, optical switches, or phase conjugate wave generators Since the optical device can be configured, it is much better in terms of wavelength dependence, response speed, and input light intensity required for operation than conventional nonlinear optical liquid or nonlinear optical device using semiconductor superlattice crystal. Thus, a non-linear optical device having practical value that an existing semiconductor laser can be used as a light source can be obtained.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の実施例16に従う光双安定素子の構成
を示す概略斜視図である。
FIG. 1 is a schematic perspective view showing a configuration of an optical bistable element according to Example 16 of the present invention.

【図2】本発明の実施例17に従う光制御光スイッチの
構成を示す概略斜視図である。
FIG. 2 is a schematic perspective view showing a configuration of a light control optical switch according to Embodiment 17 of the present invention.

【図3】本発明の実施例18に従う位相共役波発生装置
の構成を示す概略斜視図である。
FIG. 3 is a schematic perspective view showing a configuration of a phase conjugate wave generator according to Embodiment 18 of the present invention.

【図4】本発明の実施例19に従う光制御光スイッチの
構成を示す概略斜視図である。
FIG. 4 is a schematic perspective view showing a configuration of a light control optical switch according to Embodiment 19 of the present invention.

【図5】従来の非線形光学装置(光双安定素子)の構成
の一例を示す概略斜視図である。
FIG. 5 is a schematic perspective view showing an example of a configuration of a conventional nonlinear optical device (optical bistable element).

【図6】非線形光学装置(光双安定素子)の(A)リミ
ッタ動作特性、(B)双安定動作特性を示す図である。
FIG. 6 is a diagram showing (A) limiter operation characteristics and (B) bistable operation characteristics of the nonlinear optical device (optical bistable element).

【図7】本発明によるポリアリーレンエチニレン系π電
子共役高分子材料のTHG法で測定した3次非線形感受
率χ(3) 値の入射光波長依存を示す図である。
FIG. 7 is a graph showing the dependence of the third-order nonlinear susceptibility χ (3) value of the polyaryleneethynylene-based π-electron conjugated polymer material according to the present invention on the wavelength of incident light, as measured by the THG method.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10:光双安定素子(外部共振器)、11:光制御スイ
ッチ、12:位相共役波発生装置、15:光双安定素
子、16:光制御光スイッチ、20:本発明の非線形屈
折率媒質、21:従来の非線形屈折率媒質、22A及び
22B:誘電体蒸着ミラー(反射率約90%)、23A
及び23B:(外部)誘電体多層膜ミラー、24A及び
24B:偏光子(直交偏光子系を構成している)、25
A及び25B:半透過鏡、26:全反射鏡、27:ダイ
クロイックミラー、28:集光レンズ、29:ガラス基
板、30:本発明の非線形屈折率媒質薄膜からなる光導
波層、Pi:入力光、Pt:出力光、Pg:ゲートパル
ス光
10: optical bistable element (external resonator), 11: optical control switch, 12: phase conjugate wave generator, 15: optical bistable element, 16: optical control optical switch, 20: nonlinear refractive index medium of the present invention, 21: Conventional nonlinear refractive index medium, 22A and 22B: Dielectric deposited mirror (reflectance: about 90%), 23A
And 23B: (external) dielectric multilayer mirror, 24A and 24B: polarizer (constituting orthogonal polarizer system), 25
A and 25B: semi-transmissive mirror, 26: total reflection mirror, 27: dichroic mirror, 28: condenser lens, 29: glass substrate, 30: optical waveguide layer made of the non-linear refractive index medium thin film of the present invention, Pi: input light , Pt: output light, Pg: gate pulse light

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平6−289444(JP,A) Macromolecules,Vo l.27,No.2,562−571 (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G02F 1/361 CA(STN) JICSTファイル(JOIS)──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of front page (56) References JP-A-6-289444 (JP, A) Macromolecules, Vol. 27, No. 2,562-571 (58) Field surveyed (Int. Cl. 7 , DB name) G02F 1/361 CA (STN) JICST file (JOIS)

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 ドナー性を有する複素芳香環とアクセプ
ター性を有する複素芳香環とエチニレンとから構成され
るπ電子共役高分子からなる非線形光学材料において、
該π電子共役高分子が下記一般式(化1): 【化1】 (Ar、Ar′は置換あるいは無置換複素芳香環を表
し、Arはπ共役系に関して、ドナー性を有し、Ar′
はπ共役系に関してアクセプター性を有す。n及びmは
1〜6の整数であり、その少なくとも一方は2以上であ
る)で表されるポリアリーレンエチニレンであることを
特徴とする非線形光学材料。
1. A nonlinear optical material comprising a π-electron conjugated polymer composed of a heteroaromatic ring having a donor property, a heteroaromatic ring having an acceptor property, and ethynylene,
The π-electron conjugated polymer is represented by the following general formula (Formula 1): (Ar and Ar ′ represent a substituted or unsubstituted heteroaromatic ring, Ar has a donor property with respect to a π-conjugated system, and Ar ′
Has an acceptor property with respect to a π-conjugated system. n and m are integers of 1 to 6, and at least one of them is 2 or more), which is a polyarylene ethynylene.
【請求項2】 一般式(化1)において、Arがチオフ
ェン若しくはセレノフェン環、又はチオフェンとセレノ
フェンを組合せた化合物よりの基、あるいはそれらのア
ルキル又はアルコキシ置換体であり、Ar′がピリジン
環、あるいはそのアルキル又はアルコキシ置換体である
ことを特徴とする請求項1に記載の非線形光学材料。
2. In the general formula (Formula 1), Ar is a thiophene or selenophene ring, or a group from a compound obtained by combining thiophene and selenophene, or an alkyl or alkoxy substituent thereof, and Ar ′ is a pyridine ring or The nonlinear optical material according to claim 1, which is an alkyl- or alkoxy-substituted product thereof.
【請求項3】 非線形屈折率を有する光学媒質と、光共
振器や偏光子、あるいは反射鏡などの光学素子とで構成
される非線形光学装置において、該非線形屈折率を有す
る光学媒質が下記一般式(化1): 【化1】 (Ar、Ar′は置換あるいは無置換複素芳香環を表
し、Arはπ共役系に関して、ドナー性を有し、Ar′
はπ共役系に関してアクセプター性を有す。n及びmは
1〜6の整数であり、その少なくとも一方は2以上であ
る)で表されるポリアリーレンエチニレンであることを
特徴とする非線形光学装置。
3. A nonlinear optical device comprising an optical medium having a nonlinear refractive index and an optical element such as an optical resonator, a polarizer, or a reflecting mirror, wherein the optical medium having the nonlinear refractive index is represented by the following general formula: (Chemical 1): (Ar and Ar ′ represent a substituted or unsubstituted heteroaromatic ring, Ar has a donor property with respect to a π-conjugated system, and Ar ′
Has an acceptor property with respect to a π-conjugated system. n and m are integers of 1 to 6, and at least one of them is 2 or more.) is a polyarylene ethynylene represented by the following formula:
【請求項4】 一般式(化1)において、Arがチオフ
ェン若しくはセレノフェン環、又はチオフェンとセレノ
フェンを組合せた化合物よりの基、あるいはそれらのア
ルキル又はアルコキシ置換体であり、Ar′がピリジン
環、あるいはそのアルキル又はアルコキシ置換体である
ことを特徴とする請求項3に記載の非線形光学装置。
4. In the general formula (Formula 1), Ar is a thiophene or selenophene ring, or a group from a compound obtained by combining thiophene and selenophene, or an alkyl or alkoxy substituent thereof, and Ar ′ is a pyridine ring or 4. The nonlinear optical device according to claim 3, wherein the non-linear optical device is an alkyl- or alkoxy-substituted product thereof.
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