ー一-~-~ト

3)位 相 反 転 構 造 を 有 す る 導 波 路 デ バ イ ス

L B膜 を 導 波 層 と し て 用 い る 場 合 の 最 も 有 用 な 点 は 、 位 相 反 転 構 造 を 容 易 に 導 入 で き る と い う 点 で あ る 。 ヘ テ ロ Y型膜の場合、 Fig.5.19に 示 す よ う に 累 積 す る 順 序 を 逆 に す る こ と に よ り 発 生 す る 第 二 次 高 調 波 の モ ー ド 分 布 関 数 の 位 相 を 反 転 さ せ る こ と が で き る 。 こ の 位 相 反 転 構 造 を 導 入 す る こ と に よ り 重 な り 積 分 S12大きくし、

波 長 変 換 効 率 を 高 め る こ と が 可 能 で あ る 。 fig.5.20お よ びfjg.5.21に 、 上 述 の 2つ の タ イ プ の 導 波 路 デ バ イ ス に お け る モ ー ド 分 布 と そ れ ぞ れ に 位 相 反 転 構 造 を 導 入 し た 場 合 の モ ー ド 分 布 と を モ ー ド 分 布 関 数⁹)に基づき計算した結果を示す。また、

Table  5.2に は 各 デ バ イ ス に お け る 位 相 反 転 構 造 を 導 入 し た 際 の 重 な り 積 分 の 増 大 の

割合を示している。ここで、

sH

は従来の潟波路における重なり積分、 S 12は位相

反 転 構 造 を 導 入 し た 際 の 重 な り 積 分 を 表 し て い る 。

各 導 波 路 デ バ イ ス に お い て 2"'‑'9倍 も 重 な り 積 分 が 大 き く な っ て お り 、 位 相 反 転 構 造 の 導 入 に よ り 導 波 路 デ バ イ ス の 高 効 率 化 が は か れ る こ と が わ か る 。

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wavelength  =  1064  nm 

728  nm 

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409  nm 

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一一ve

(TM~)

and  that of  second一harmonic

wave(TM~ω) ，

respectively. Broken  1ines show mode distribution  of  TMitnin  the waveguide with phase‑inverion  structure. 

‑121 ‑

wavelength  =  1064  nm  a l r  

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138  nm 

ri  ion  in  the frequency‑doubling waveguide(Cerenhov 

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2 2 2 2 f L z r ( : 巳 L A d J r t B 2 4 : ; : : : j h ; : : ; n L : 叫 : : : : : i i i l f

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122 ‑

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TM~ → TM~ω

wavelength  (nm)  effective  waveguide 

s ? i / S 1 2 

index  thickness  (nm) 

1064  1. 557  2000  4.7 

830  1. 548  1115  5.0 

1064  1. 460  501  1.7 

830  1.468  420  9.1 

Cerenkov  type 

‑ 123 ‑

5. 4  まとめ

こ の 章 で 得 ら れ た 研 究 成 果 を 以 下 に示す。

1)フェニルピラジン誘導体とアラキン酸を交互累積する ことにより、 高い非対称分 子 配 向 を 保 ち な が ら 導 波 路 と し て 応 用 可 能 な 数 μ mの 厚 さ ま で 積 層 す る こ と が で き る こ と を 明 ら か に し た 。 こ の L B膜 の 非 線 形 感 受率はχ;:;=1x10‑7eS11であ った。

2)この非対称L B膜 の 屈 折 率 分 散 をmラ イ ン 法 に よ り 決 定 し 、 そ の 結 果 に 基 づ い て い く つ か の 波 長 変 換 導 波 路 デ バ イ ス の 位 相 整 合 条 件 を 求 め た 。 ま た 、 位 相 反 転 構 造の導入により導波路デバイスの高効率化がはかれることを示した。

以上の結果は、 L B法 に お い て も 適 切 な 成 膜 分 子 の 選 択 に よ り 非 線 形 光 学 材 料 と して十分に応用可能な薄膜を作製できることを示した初めての例である。

‑124 ‑

参 考 文 献

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2)吉 本 旗 秋 、 島 村 常 夫 、 沖 本 清 美 、 柏 木 公一.日特公昭59. 144770.  144772  (1984)・

3)J.L.Ouder.  J.  Chem.  Phys..  67.  446  (1977). 

4)D.J.Williams.  Angew.  Chem.  Int.  Ed.  Engl..  23・690 (1985). 

5)M.G.Kuzyk.  K.D.Singer.  H.E.Zahn and L.A.King.  J.  Opt.  Soc.  Am.  B.  6.  742  (1989). 

6)A. Yariv: • Intrduction to  Optical Electronics..  Holt.  Rinehart and  Winston  Inc..  New York.  1985. 

7)西 原 治 、 春 名 正 光 、 栖 原 敏 明 . . 光 集 積 回 路 ¥ オ ー ム 社 . 1990.  8) P. K. Tien.  Appl.  Optcs.  10.  2395  (1971). 

9)D.Marcuse:  oTheory  of  Dielectric Optical  Waveguides.・AcademicPress.  New York.  1974. 

10)T.Kondo・Mol. Electron.  Bioelectron.. ~. 207  (1991). 

‑125  ‑

多有 6 主主 糸念幸舌

‑126 ‑

本 研 究 の 成 果 を 以 下 に ま と め る 。

親 水 部 末 端 に ア ゾ ベ ン ゼ ン 発 色 団 を 持 つ 成 膜 分 子 を モ デ ル 化 合 物 と し た 実 験 よ り 以 下 の こ と が 明 ら か に な っ た 。

成 膜 分 子 の 非 線 形 性 お よ び 水 面 単 分 子 膜 の 成 膜 性 、 分 子 配 向 性

( 1 ) 電 子 受 容 性 、 電 子 供 与 性 の 高 い 置 換 基 を 有 す る 成 膜 分子 ほ ど 高 い 分 子 超 分極 率

。を有する。 また、 こ の 様 な 分 子 は 基 底 状 態 の 双 極 子 モ ー メ ン ト も 大 き い 。 (2)親 水 性 の 高 い 親 水 基 ( カ ル ボ キ シ ル 基 な ど ) を 有 す る 成 膜 分 子 は 、 水 面 へ の 付 着

力 が 大 き く 安 定 な 単 分 子 膜 を 形 成 す る 。 これに対し、 ニ ト ロ 基 を 有 す る 成 膜 分 子 は 、 親 水 基 で あ る ニ ト ロ 基 の 水 面 へ の 付 着 力 が 小 さ く し か も 分 子 の 極 性 が 大

き い た め 、 水 面 上 で 安 定 な 単 分 子 膜 を 形 成 し な か っ た 。

(3)単 分 子 膜 内 の 分 子 の 配 向 性 は 、 極 性 が 小 さ い も の ほ ど あ る い は ア ル キ ル 鎖 聞 の 凝 集 力 の 大 き な も の ほ ど 高 く な る 傾 向 が あ っ た 。

非 対 称L B膜 に お け る 分 子 配 向 一 次 非 線 形 光 学 効 果

(4)非 対 称 L B膜 を 作 製 す る た め に は 、 ヘ テ ロ Y型 の 累 積 形 式 が 最 も 有 効 で あ っ た 。 Z型 の よ う に 親 水 部 と 疎 水 部 が 接 し て い る 構 造 は 不 安 定 で Z型 に な る よ う に 累 積 し て も Y型 の 膜 構 造 へ 変 化 し て し ま っ た 。

(5)カ ル ボ キ シ ル 基 を 有 す る 3種 の 成 膜 分 子 に お い て 、 ア ラ キ ン 酸 と 交 互 に 累 積 す る こ と に よ り 非 対 称L B膜 を 作 製 で き た 。 非 対 称L B膜 中 で の 分 子 配 向 は 、 極 性 の 小 さ い も の ほ ど 、 ま た ア ル キ ル 鎖 聞 の 凝 集 力 の 大 き な も の ほ ど 高 い 傾 向 に あった。 この中で、 2C18NAZOCOOHは 強 い 電 子 供 与 基 を 有 し 極 性 が 大 き い に も か か わ ら ず ア ル キ ル 基 閣 の 凝 集 力 が 大 き い た め 、 非 対 称L B膜 に お い て 高 い 分 子 配 向 を 実 現 で き 、 本 研 究 に お い て 最 も 高 い 二 次 非 線 形 感 受 率 (χ;

乙 : : : . 1

^{6 x}

10‑⁶ esu)示した。

以 上 よ り 、 非 対 称L B膜 に お い て 高 い 二 次 光 非 線 形 性 を 発 現 す る た め の 分 子 設 計 に お い て 次 の3つ の 相 互 作 用 に 着 目 す る 必 要 が あ る こ と が 示 唆 さ れ た 。

1)親 水 基 の 水 面 に 対 す る 付 着 力 2)ア ル キ ル 基 閣 の 凝 集 力

3)極 性 発 色 団 間 の 静 電 的 斥 力

1)は 成 膜 分 子 が 安 定 な 水 面 単 分 子 膜 を 形 成 す る 上 で 必 要 不 可 欠 で あ る 。 3)は 分 子 配 向 を 高 め る 上 で 好 ま し く な い も の で あ る が 、 分 子 超 分 極 率 の 高 い 分 子 を 用 い る 限 り

‑127 ‑

避け難いものである。よって高い二次光非線形性を発現するためには、 2)が重要に なる。すなわち、 3)の 斥 力 に 打 ち 勝 つ だ け の 十 分 な 分 子 関 凝 集 力 を2)により分子に 与えることが高い二次光非線形性を発現するために重要である。

II. 極性分子の配向を高める新しい手法として分子混合法を提案した。

(1)極性の高い分子と分子構造が類似し成膜性・配向性に優れた分子は、単分子膜 中で分子混合した。

(2)分 子 混 合 す る こ と に よ り 、 極 性 分 子 の 単 分 子 膜 内 で の 配 向 性 も 高 め ら れ た 。 その結果、混合単分子膜において高い二次光非線形性が発現した。

(3 )アルキル鎖長の長い成膜分子ほど、つまりアルキル鎖間の凝集力の高い分子ほ ど極性分子を高い割合で混合でき、より高い二次光非線形性が発現された。

分 子 混 合 法 と は 、 分 子 超 分 極 率 の 大 き な 分 子 と 配 向 性 に 優 れ た 分 子 と 、 そ れ ぞ れ 役 割 を 分 担 し た 分 子 を 分 子 混 合 さ せ る こ と に よ り 、 分 子 超 分 極 率 の 大 き な 分 子 を 高 度に配向させ高い二次光非線形性を発現させる手法である。この手法においても、

分子聞の凝集力が高い光非線形性を発現させるために重要であった。

III. フ ェ ニ ル ピ ラ ジ ン 誘 導 体 を 成 膜 分 子 と し て 用 い る こ と に よ り 、 導 波 路 デ バ イ ス として応用可能な μ mオ ー ダ ー の 膜 厚 ま で 非 対 称 L B膜 を 積 層 す る こ と が で き 、 し かもこのL B膜 に お い て 高 い 二 次 非 線 形 感 受 率 (χ;;;=lx10‑7esu)が得られる ことを示した。さらに、 mライン法によりこのL B膜の屈折率の波長分散を評価し、

そ の 結 果 に 基 づ き 導 波 路 デ バ イ ス の 設 計 を 行 っ た 。 こ れ は 非 対 称L B膜 の デ バ イ ス 化の可能性を示した最初の研究例である。

最 後 に 本 研 究 で 得 ら れ た 非 対 称L B膜 と 他 の 材 料 の 二 次 光 非 線 形 性 を 、 第 二 次 高 調 波 発 生 の 性 能 指 数 で 比 較 し た 結 果 を Fig.6.1に示した。

‑128 ‑

2C18NAZOCOOH 

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ドキュメント内 九州大学学術情報リポジトリ (ページ 125-134)