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  • 法律状态
  • 优先权
    • 专利摘要:
    Die Erfindung betrifft ein lichtleitendes Material, enthaltend ein Polymer und mindestens eine hierin eingebrachte organische Verbindung, die ein kondensiertes aromatisches Ringsystem darstellt, das zwei oder mehr aromatische Ringe aufweist, die isozyklisch oder heterozyklisch sind, wobei im Falle eines heterozyklischen Ringes jedes Heteroatom genau einem Ring zugeordnet ist. DOLLAR A Das erfindungsgemäße lichtleitende Material findet bevorzugt Verwendung als Kern eines Lichtwellenleiters.
    公开号:DE102004013525A1
    申请号:DE200410013525
    申请日:2004-03-19
    公开日:2004-12-30
    发明作者:Johannes Dr. Böhm；Thomas Dr. Hanemann；Jürgen Prof. Dr. Haußelt
    申请人:Forschungszentrum Karlsruhe GmbH；
    IPC主号:G02B1-04
    专利说明:
    [0001] DieErfindung betrifft ein lichtleitendes Material aus einem transparentenorganischen Feststoff und dessen Verwendung in einem Lichtwellenleiter.
    [0002] EinLichtwellenleiter besteht im Wesentlichen aus einem Kern aus einemlichtleitenden Material und einen ihn umgebenden Mantel. Dabei wird alsFolge der Totalreflexion an der Grenzschicht zwischen Kern und MantelLicht durch den Lichtwellenleiter geleitet. Totalreflexion trittauf, solange der Brechungsindex des Kerns größer als der des Mantels ist.Zum Betrieb des Lichtwellenleiters wird auf der einen Seite desLichtwellenleiters Licht in das darin befindliche lichtleitendeMaterial eingekoppelt; auf der anderen Seite wird das durch daslichtleitende Material transmittierte Licht aus dem Lichtwellenleiterausgekoppelt.
    [0003] HerkömmlicheLichtwellenleiter bestehen aus Quarzglas oder aus Kunststoff (Polymer),deren Brechungsindizes Werte von 1,46 bzw. 1,50 aufweisen. Der Vorteilvon Lichtwellenleitern aus Polymeren gegenüber solchen aus Glasfasernliegt neben den geringeren Herstellungskosten vor allem in der Biegefähigkeitder Polymer-Lichtwellenleiters.
    [0004] Lichtwellenleiterkönnenmit einer Reihe von bekannten Verfahren hergestellt werden. Beispielsweiseist aus der DE 41 24176 A1 sowie aus M. Jöhnck,Polyacrylate und Polylactone fürAnwendungen in einmodigen, integriert optischen, passiven Wellenleitern,Dissertation, UniversitätDortmund, 2000, bekannt, dass sich Polymer-Lichtwellenleiter ausacrylatbasierten Polymeren herstellen lassen, wobei sich der Brechungsindexdes Lichtwellenleiters aus der chemischen Synthese ergibt und damit für ein bestimmtesMaterial festliegt. Um den Brechungsindex zu variieren, muss einneues Polymer verwendet werden, dessen Synthese im Allgemeinen sehraufwändigist.
    [0005] Generellist es wünschenswert,den Brechungsindex des Kerns durch Zugabe eines geeigneten Materialszu erhöhen,um Totalreflexion über einenweiten Bereich zu erreichen. Vor allem in der Mikrooptik werdenPolymere mit möglichsthohem Brechungsindex benötigt,um die Verluste (Fresnel-Verluste) beim Einkoppeln des Lichts inden Lichtwellenleiter zu verringern.
    [0006] InW. Pfleging, J. Böhm,E. Gaganidze, Th. Hanemann, R. Heidinger, K. Litfin, Direct laser-assistedprocessing of polymers for micro-fluidic and micro-optical applications,Proc. SPIE Vol. 4977: Photon Processing in Microelectronics andPhotonics II in Laser Applications in Microelectronics and OptoelectronicManufacturing VIII, Photonics West Conference, 2003, wird hierzuvorgeschlagen, den Brechungsindex im Kern des Lichtwellenleitersdadurch zu erhöhen,dass nanoskalige anorganische keramische Füllstoffe in das flüssige Polymereingebracht werden. Durch Optimierung der Dispersion dieser Füllstoffelässt sichder Brechungsindex des Kerns leicht erhöhen bzw. absenken. Mit demDispergieren der Füllstoffein das Reaktionsharz verschlechtern sich allerdings die Eigenschaftendes Lichtwellenleiters signifikant: Mit steigendem Keramikanteilerhöhtsich die Viskositätdes Reaktionsharzes derart, dass die weitere Verarbeitung wie dasBefülleneiner grabenartigen Struktur auf einem Substrat stark erschwert odervölligunmöglichwird. Zusätzlichnimmt die optische Transmission durch den Lichtwellenleiter stark ab,d.h. die Dämpfungstark zu, was den Anwendungsbereich für derartige Lichtwellenleitererheblich einschränkt.
    [0007] Alternativkönnentransparente organische Füllstoffein das flüssigePolymer eingebracht werden. Die DE 37 10 889 A1 offenbart Polymere, darunterPolymethylmethacrylat (PMMA), die nach Einlagerung von Komponentenmit dem Strukturelement eines Pyrrolo[1.2-b]azins als nichtlineareoptische Materialien geeignet sind. Aus der EP 0 615 141 A1 sind Polymerewie z. B. PMMA als lichtleitendes Material bekannt, in die nicht-polymerisierendeKomponenten wie Phthalsäureesteroder Benzoesäureester zurErzielung höhererTransparenz und zur Variation des Brechungsindex eingebracht wurden.Nachteilig hieran ist eine Absenkung des Glaspunkts im Polymer undsomit eine etwas geringere Temperaturbeständigkeit. Die mechanische Belastbarkeitwird ebenfalls etwas geringer.
    [0008] Davonausgehend ist es die Aufgabe der Erfindung, ein lichtleitendes Material,das die genannten Nachteile und Einschränkungen nicht aufweist undinsbesondere bei unverringerter Transmission und Viskosität eineneinfach festzulegenden Brechungsindex besitzt, sowie dessen Verwendunganzugeben.
    [0009] DieseAufgabe wird in Bezug auf das lichtleitende Material durch die Merkmaledes Anspruchs 1, in Bezug auf die Verwendung durch Anspruch 9 gelöst. DieUnteransprüchebeschreiben vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
    [0010] Einerfindungsgemäßes lichtleitendesMaterial basiert auf einem transparenten organischen Feststoff,der mindestens ein Polymer oder auch eine Mischung aus Polymerenund Monomeren enthält. Bevorzugtlassen sich hierfürPolymere wie Polymethylmethacrylat (PMMA) oder Polyester bzw. Monomerewie Methylmethacrylat (MMA) einsetzen.
    [0011] Dievorteilhaften Eigenschaften des erfindungsgemäßen lichtleitenden Materialswerden dadurch erzielt, dass elektronenreiche organische Verbindungenin den zunächstungefülltenorganischen Feststoff (Polymer) eingebracht werden. Die Füllgradereichen hierbei im Allgemeinen von 0–30 Prozent, können aberauch Werte bis zu 50% und darüber. Hierfür geeigneteorganische Verbindungen sind kondensierte aromat ische Ringsysteme,worunter isozyklische Systeme aus mehr als einem Kohlenstoffring,deren einzelne Kohlenstoffringe gemeinsame Kohlenstoffatome aufweisen,verstanden werden. Hierzu gehörenz. B. Phenanthren, Fluoren, Benz[a]anthrazen, Triphenylen, Anthrazen,2,3-Benzanthrazen oder 11H-Benzo[b]fluoren.
    [0012] Ineiner alternativen Ausgestaltung werden in den kondensierten aromatischenRingsystemen Kohlenstoffatome, die nur zu einem einzigen Kohlenstoffringgehören,durch Heteroatome ersetzt. Beispiele hierfür sind Benzo[h]chinolin, Phenantroline oderPhenanthridin, in denen das Heteroatom ein Stickstoff-Atom ist.
    [0013] Ineiner bevorzugten Ausgestaltung werden kondensierte aromatischeRingsysteme eingesetzt, die drei Ringe aufweisen wie zum BeispielPhenanthren, Fluoren, Benzo[h]chinolin, Phenantroline oder Phenanthridin.Ebenfalls geeignet sind kondensierte aromatische Ringsysteme mitvier Ringen wie zum Beispiel Benzanthrazene, 11H-Benzo[b]fluoren oderTriphenylen.
    [0014] Besondersbevorzugt sind hierbei Ringsysteme, in denen die Ringe angular angeordnetsind. Die Definition von angular ergibt sich aus dem Unterschiedzwischen Anthrazen und Phenanthren: Während in Anthrazen die dreiKohlenstoffringe in einer Linie liegen, bilden die Verbindungsliniender Mittelpunkte der Ringe im hierzu isomeren Phenanthren einenWinkel. Besonders bevorzugte Verbindungen mit angular angeordnetenKohlenstoffringen sind die isozyklischen Phenanthren, Fluoren undBenz[a]anthrazen. Der Grund fürdie besondere Eignung dieser Substanzklasse dürfte in der Ausbildung einesvon Null verschiedenen Dipolmoments aufgrund der Anordnung der Kohlenstoff-bzw. Heteroatome liegen. Als Resultat zeigt sich eine besondersdeutliche Erhöhungdes Brechungsindex im lichtleitenden Material.
    [0015] Ineiner alternativen Ausgestaltung werden heterozyklische kondensiertearomatische Ringsysteme eingesetzt, in denen jedes Heteroatom eindeutigeinem Ring zugeordnet ist. Hierzu gehören insbesondere Benzo[h]chinolin,1,10-Phenanthrolin, Phenanthridin und 1,7-Phenantrolin. Auch indieser Substanzklasse weisen die Verbindungen ein von Null verschiedenesDipolmoment auf, und es liegt eine deutliche Erhöhung des Brechungsindex imlichtleitenden Material vor.
    [0016] Ineiner weiteren Ausgestaltung werden kondensierte aromatische Ringsystemeeingesetzt, die aus zwei Ringen bestehen und die Stickstoff- und/oderSauerstoff-Atome als Heteroatome aufweisen. Beispiele hierfür sind 1,2-Benzioxazolund Benzofuran, die ebenfalls ein von Null verschiedenes Dipolmomentaufweisen und den Brechungsindex im lichtleitenden Material erhöhen.
    [0017] Daserfindungsgemäße Materialfindet Verwendung als Kern von Lichtwellenleitern. In einer bevorzugtenAusführungliegen hierzu die Kerne der Lichtwellenleiter auf einem Substratin Form einer gefülltenGrabenstruktur mit einer hierauf aufgebrachten Deckschicht vor.Erfindungsgemäße Lichtwellenleiterweisen einen optischen Brechungsindex des Kerns auf, der für eine Wellenlänge im Bereichvon 200 nm bis 2000 nm, insbesondere von 300 nm bis 1900 nm, einstellbarist.
    [0018] Daserfindungsgemäße lichtleitendeMaterial wird hergestellt, indem zunächst ein aushärtbaresorganisches Material bereitgestellt wird, in dem eine oder mehrereder genannten organischen Verbindungen gelöst werden. Abschließend wirddas aushärtbareorganische Material zusammen mit der oder den hierin gelösten organischenVerbindungen zu einem transparenten organischen Festkörper ausgehärtet. Alsaushärtbaresorganisches Material wird bevorzugt eine Mischung aus einem Monomerund einem Polymer gewählt,die zusätzlicheinen Photostarter zur Beschleunigung des lichtinduzierten Aushärtens (Polymerisation)sowie ein Trennmittel enthalten kann.
    [0019] Dieorganische Verbindung wird vorzugsweise mittels einer Hochleistungsrühreinheitin das aushärtbareorganische Material eingerührtund anschließendbevorzugt mit Ultraschall beaufschlagt.
    [0020] Hierzuwird die vorliegende klare Flüssigkeit unterLichtinduktion in einigen Minuten ausgehärtet oder direkt in vorgefertigteGräbengefüllt.In einer alternativen Ausgestaltung werden zum Beispiel mittelseiner Spritzgießanlageoptische Mikrobauteile wie mikrooptische Bänke, Mach-Zehnder-Interferometeroder optische Komponenten wie Richtkoppler, Y-Koppler und andereabgeformt. In einer weiteren Ausgestaltung kann über das so genannte 2-Komponenten-Spritzgiessender mit den organischen Substanzen gefüllte polymere Wellenleiterin einem Arbeitsgang hergestellt werden.
    [0021] DasAushärtenerfolgt entweder mittels Licht, das eine Wellenlänge im Bereich von 200 nm bis 1000nm, besonders bevorzugt von 300 nm bis 800 nm, besitzt, bzw. über dieZufuhr von Wärme.
    [0022] Dieerfindungsgemäßen organischenVerbindungen lösensich bevorzugt in niedrig viskosen Reaktionsharzen bis zu einerKonzentration von 30% und verändernden Brechungsindex des ausgehärtetenReaktionsharzes zum Teil signifikant, während dessen optische Transmissionnahezu unbeeinflusst bleibt.
    [0023] Mitder vorliegenden Erfindung wird eine neue Klasse von gefüllten Polymer-Lichtwellenleitern vorgeschlagen.Diese weist insbesondere die folgenden Vorteile auf: – DerBrechungsindex von Kernen von Lichtwellenleitern lässt sicheinfach variieren, insbesondere erhöhen. – Dieoptischen Eigenschaften des ungefüllten Polymers, vor allem dessenTransmission und Viskosität,bleiben erhalten. – DieViskositätkann gegenüberunbehandelten Systemen sogar noch abgesenkt werden, was die Verarbeitbarkeitpositiv beeinflusst. – BessereAnkopplung an andere lichtführende Bauteilemit hohem Brechungsindex. – Einfacheund kostengünstigeHerstellung.
    [0024] DieErfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
    [0025] Gemäß Tabelle1 wird jeweils in einen flüssigenAnsatz, der ein Polymer, gegebenenfalls ein Monomer, ein Trennmittelund einen Photostarter enthält,eine erfindungsgemäße organischeVerbindung gegeben. Das Volumen des Ansatzes beträgt zwischen10 ml und 250 ml. Mit einer Hochleistungsrühreinheit wird dieser Ansatzfür 1 bis5 Minuten bei einer Drehzahl von 10000 bis 25000 U/min gerührt unddann fürweitere 5 Minuten in ein Ultraschallbad gestellt. Die anschließend vorliegendeklare Flüssigkeitwird dann als Plättchen2 cm × 6cm mit einer Dicke von 1 mm unter Lichtinduktion in einigen Minuten ausgehärtet oderdirekt in vorgefertigte Gräbengefüllt.
    [0026] Weiterhinkann Tabelle 1 der maximale Füllgradder eingesetzten organischen Verbindung im genannten Polymer, dieTransmission ohne Streulicht bei 1550 nm und, soweit bestimmt, dererzielte Brechungsindex bei 633 nm des lichtleitenden Materialsals Kern eines Lichtwellenleiters entnommen werden.
    权利要求:
    Claims (9)
    [1] Lichtleitendes Material, enthaltend ein Polymerund mindestens eine hierin eingebrachte organische Verbindung, dadurchgekennzeichnet, dass die organische Verbindung ein kondensiertesaromatisches Ringsystem darstellt, das zwei oder mehr aromatischeRinge aufweist, die isozyklisch oder heterozyklisch sind, wobeiim Falle eines heterozyklischen Ringes jedes Heteroatom genau einemRing zugeordnet ist.
    [2] Lichtleitendes Material nach Anspruch 1, dadurchgekennzeichnet, dass das kondensierte aromatische Ringsystem dreioder mehr Ringe aufweist.
    [3] Lichtleitendes Material nach Anspruch 2, dadurchgekennzeichnet, dass die Ringe des kondensierten aromatischen Ringsystemsangular angeordnet sind.
    [4] Lichtleitendes Material nach einem der Ansprüche 1 bis3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Heteroatom Stickstoffist.
    [5] Lichtleitendes Material nach einem der Ansprüche 1 bis3, dadurch gekennzeichnet, dass das kondensierte aromatische RingsystemPhenanthren, Fluoren, Benz[a]anthrazen oder Triphenylen ist.
    [6] Lichtleitendes Material nach einem der Ansprüche 1 bis4, dadurch gekennzeichnet, dass das kondensierte aromatische RingsystemBenzo[h]chinolin, 1,10-Phenanthrolin, Phenanthridin oder 1,7-Phenantrolinist.
    [7] Lichtleitendes Material nach Anspruch 1, dadurchgekennzeichnet, dass das kondensierte aromatische Ringsystem 1,2-Benzioxazol oderBenzofuran ist.
    [8] Lichtleitendes Material nach einem der Ansprüche 1 bis2, dadurch gekennzeichnet, dass das kondensierte aromatische RingsystemAnthrazen, 2,3-Benzanthrazen oder 11H-Benzo[b]fluoren ist.
    [9] Verwendung des lichtleitenden Materials gemäß einemder Ansprüche1 bis 8 als Kern eines Lichtwellenleiters.
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    引用文献:
    公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题
    法律状态:
    2004-12-30| OP8| Request for examination as to paragraph 44 patent law|
    2006-07-27| 8364| No opposition during term of opposition|
    2010-01-21| 8339| Ceased/non-payment of the annual fee|
    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
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    DE200410013525|DE102004013525B4|2003-04-10|2004-03-19|Lichtleitendes Material und Lichtwellenleiter|DE200410013525| DE102004013525B4|2003-04-10|2004-03-19|Lichtleitendes Material und Lichtwellenleiter|
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