JP2000081520A

JP2000081520A - 高分子光導波路用樹脂組成物及びそれを用いた高分子光導波路

Info

Publication number: JP2000081520A
Application number: JP10248935A
Authority: JP
Inventors: Toru Ozaki; 徹尾崎; Minoru Yokoshima; 実横島
Original assignee: Nippon Kayaku Co Ltd
Current assignee: Nippon Kayaku Co Ltd
Priority date: 1998-09-03
Filing date: 1998-09-03
Publication date: 2000-03-21

Abstract

(57)【要約】【課題】加工時のインターミキシングもなく、作製され
た高分子光導波路は、伝送損失も小さく、耐熱性に優れ
た高分子光導波路用樹脂組成物及びそれを用いた高分子
光導波路の提供。【解決手段】分子中にベンゼン環を含有しないウレタン
（メタ）アクリレート（Ａ）と分子中にベンゼン環を含
有しない反応性単量体（Ｂ）及び光重合開始剤（Ｃ）を
含有することを特徴とする高分子光導波路用樹脂組成
物。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高分子材料を用い
た光導波路に関するものであり、光通信、光情報処理、
微小光学あるいはその他の一般光学の分野で広く用いら
れる種々の光導波路、例えば、ファクシミリ、複写機、
イメージスキァナなどのハードコピー画像の一次元読み
取り光学系に利用される光導波路型縮小イメージセンサ
等に利用できる。

【０００２】

【従来の技術】光導波路は、基板の表面若しくは基板表
面直下に、周囲よりわずかに屈折率の高い部分を作るこ
とにより光を閉じ込め、光の合波・分波やスイッチング
などを行う特殊な光学部品である。具体的には、通信や
光情報処理の分野で有用な光合分波回路、周波数フィル
タ、光スイッチ又は光インターコネクション部品等が挙
げられる。光導波路デバイスの特長は、基本的には１本
１本の光ファイバを加工して作る光ファイバ部品と比較
して、精密に設計された導波回路を基に高機能をコンパ
クトに実現できること、量産が可能であること、多種類
の光導波路を１つのチップに集積可能であること等にあ
る。

【０００３】光導波路の開発の歴史を簡単に振り返る
と、光導波路デバイスは光ファイバ通信システムへの導
入を想定して発達してきている。光ファイバ通信の初期
に当たる１９７０年代には、マルチモードファイバーに
対応したマルチモード光導波路の研究が主であったが、
１９８０年代になると、シングルモードファイバを使っ
た通信システムが主流となったため、ここへの導入に合
わせてシングルモード光導波路の研究開発が活発化し
た。シングルモード光導波路の利点は、導波光制御が容
易であること、デバイスの小型化に有利であること、光
パワー密度が大きいこと、高速動作に適すること等であ
る。一方、マルチメデアの急速な立ち上りによって、高
度なコンピュータ通信の配信の気運が高まる中、低コス
トの光部品としてマルチモード光導波路部品が注目され
始めている。マルチモード光導波路は、シングマモード
光導波路に比べ量産に適していることと接続等の取扱い
が格段に容易になることに利点がある。

【０００４】従来、光導波路材料としては、透明性に優
れ光学異方性の小さい無機ガラスが主に用いられてき
た。しかし、無機ガラスは、重く破損しやすいこと、生
産コストが高いこと等の問題を有しており、最近では、
無機ガラスの代わりに、可視域で極めて透明であり通信
波長でも１．３μｍ、１．５５μｍに窓のある透明高分
子を使って、光導波路部品を製造しようという動きが活
発化してきている。

【０００５】高分子材料は、スピンコート法やディップ
法等により薄膜形成が容易であり、大面積の光導波路を
作製するのに適している。また、皮膜に際して高温での
熱処理工程を含まないことから石英等の無機ガラス材料
を用いる場合に比べて、プラスチック基板などの高温で
の熱処理が困難な基板の上にも光導波路を作製できると
いう利点がある。更に、高分子の柔軟性や強じん性を活
かした基板フリーの光導波路フィルムの作製も可能であ
る。また、製造が基本的に低温プロセスであること、金
型を用いた量産など複製化への展開が容易であること等
により、ガラス系や半導体系の光導波路に比べて低コス
ト化に対するポテンシャルが高い。こうしたことから、
光通信の分野で用いられる光集積回路や、光情報処理の
分野で用いられる光配線板等の光導波路部品を、高分子
光学材料を用いて大量・安価に製造できることが期待さ
れている。光導波路用高分子としては、ポリメチルメタ
クリレートを始め各種の透明性高分子が提案されてい
る。従来、高分子光学材料は、耐熱性など耐環境性の点
で問題があるとされてきたが、近年、ベンゼン環などの
芳香族基を含ませることあるいは無機高分子を用いるこ
とで耐熱性を向上した材料が報告されるに至っている
〔例えば、特開平３−４３４２３号〕。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところが、従来の高分
子光学材料においては、まず耐溶剤性が低いという欠点
があった。また、インターミキシングと呼ばれる加工上
の重大な問題点も有していた。インターミキシングは、
高分子膜を溶液塗布法により積層する場合に、下層の表
面が上層塗布溶液に溶解あるいは膨潤されて界面が不均
一になることをさす。インターミキシングが発生した場
合、導波路形状が設計寸法より小さくなったり、コアと
クラッドとの間の屈折率差に変化が生じ、光導波路とし
ての所望の機能の発現が困難となる。したがって、０．
３〜数％の範囲で比屈折率差が制御された同系統材料を
コア材及びクラッド材として用いることの多い光導波路
の分野では、下部クラッド、コア、上部クラッドを順次
作り込んでいくプロセスにおいて、同一あるいは極めて
類似した溶剤を使用した塗布法を使う限りにおいて、イ
ンターミキシングの抑制は極めて解決の難しい課題であ
った。

【０００７】また、耐熱性の向上に効果的なベンゼン環
などの芳香族基を含む材料は複屈折が大きいという、シ
ングルモード光導波路用としては致命的という欠点も有
していた。一方、芳香環がなく、かつ耐熱性に優れる無
機高分子は厚膜形成あるいはその加工が容易でない欠点
を持っていた。すなわち厚膜にするとクラッキングが入
りやすく、またドライエッチングでその膜を加工するに
は特殊な反応ガスを使用する必要があり、適当なマスク
材料がないなどの問題点があった。

【０００８】本発明はこのような現状にかんがみてなさ
れたものであり、その目的は、高い耐溶剤性を持ちイン
ターミキシングを回避し、耐熱性に優れ、複屈折が小さ
く、加工性に優れた高分子光学材料を用いて、従来得ら
れることのなっかた低複屈折かつ高耐熱性の低損失光導
波路を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、（１）構造中
にベンゼン環を含有しないウレタン（メタ）アクリレー
ト（Ａ）と構造中にベンゼン環を含有しない反応性単量
体（Ｂ）及び光重合開始剤（Ｃ）を含有することを特徴
とする高分子光導波路用樹脂組成物、（２）（１）記載
の高分子光導波路用樹脂組成物の硬化物を有する高分子
光導波路、（３）（１）記載の高分子光導波路用樹脂組
成物の硬化物を光学コア及び／又は光学クラッドとして
用いることを特徴とする高分子光導波路、に関する。

【００１０】

【発明の実施の形態】本発明の高分子導波路用樹脂組成
物は、分子中にベンゼン環を含有しないウレタン（メ
タ）アクリレート（Ａ）と分子中にベンゼン環を含有し
ない反応性単量体（Ｂ）及び光重合開始剤（Ｃ）を含有
することを特徴とする。本発明の組成物の各成分の使用
割合は、（Ａ）＋（Ｂ）成分の総量を１００重量部とし
た場合、（Ａ）成分は５〜６０重量部が好ましく、特に
好ましくは１０〜４０重量部である。（Ｂ）成分は４０
〜９５重量部が好ましく、特に好ましくは６０〜９０重
量部である。（Ｃ）成分は、（Ａ）＋（Ｂ）成分の総量
１００重量部に対して、０．０５〜１０重量部が好まし
く、特に好ましくは、０．５〜５重量部である。

【００１１】本発明に用いられるウレタン（メタ）アク
リレート（Ａ）は、分子中にベンゼン環を有していない
ウレタン（メタ）アクリレートである。具体的には、例
えばポリオール（Ａ１）と脂肪族又は脂環基含有有機ポ
リイソシアネート（Ａ２）と脂肪族又は脂環基含有モノ
ヒドロキシ（メタ）アクリレート（Ａ３）とを反応させ
ることにより得られる。

【００１２】ポリオール（Ａ１）としては、例えばエチ
レングリコール、ネオペンチルグリコール、１，６−ヘ
キサンジオール、１，４−ブタンジオール、３−メチル
−１，５−ペンタンジオール、プロピレングリコール、
シクロヘキサン−１，４−ジメチロール、ポリエチレン
グリコール、ポリプロピレングリコール、ポリテトラメ
チレングリコール等の脂肪族又は脂環基含有ポリオール
化合物（ａ）、コハク酸、マレイン酸、アジピン酸、テ
トラヒドロフタル酸、ヘキサヒドロフタル酸等の脂肪族
又は脂環基含有多塩基酸又はその無水物（ｂ）と前記ポ
リオール化合物（ａ）からなるポリエステルポリオール
化合物（ｃ）、前記（ａ）とε−カプロラクトンの反応
物あるいは前記（ａ）と（ｃ）とε−カプロラクトンの
反応物等のポリカプロラクトンポリオール化合物
（ｄ）、ポリカーボネートポリオール化合物（ｅ）ある
いはフッ素含有ポリオール化合物（ｆ）等があげられ
る。

【００１３】脂肪族又は脂環基含有有機ポリイソシアネ
ート（Ａ２）としては、例えばヘキサメチレンジイソシ
アネート、トリメチルヘキサメチレンジイソシアネー
ト、イソホロンジイソシアネート、ジシクロヘキシルメ
タンジイソシアネート等があげられる。

【００１４】脂肪族又は脂環基含有モノヒドロキシ（メ
タ）アクリレート（Ａ３）としては、例えば２−ヒドロ
キシエチル（メタ）アクリレート、２−ヒドロキシプロ
ピル（メタ）アクリレート、ポリエチレングリコールモ
ノ（メタ）アクリレート、ポリプロピレングリコールモ
ノ（メタ）アクリレート、１，４−ブタンジオールモノ
（メタ）アクリレート、シクロヘキサン−１，４−ジメ
タノールモノ（メタ）アクリレート、ペンタエリスリト
ールトリ（メタ）アクリレートあるいはフッ素含有モノ
ヒドロキシ（メタ）アクリレート化合物等があげられ
る。

【００１５】前記ポリオール（Ａ１）の１種又は２種以
上と前記有機ポリイソシアネート（Ａ２）との反応は、
前記ポリオール（Ａ１）の水酸基１当量に対して、前記
有機ポリイソシアネート（Ａ２）のイソシアネート基
１．１〜５当量となる量を使用するのが好ましく、特に
好ましくは１．３〜４当量である。反応温度は６０〜１
００℃で、反応時間は４〜２０時間である。

【００１６】次に前記ヒドロキシ（メタ）アクリレート
（Ａ３）との反応は、（Ａ１）と（Ａ２）の反応物のイ
ソシアネート基１当量に対して、前記モノヒドロキシ
（メタ）アクリレート（Ａ３）の水酸基０．９５〜１．
２当量となる量を使用するのが好ましく、特に好ましく
は０．９９〜１．１当量である。必要に応じて、反応触
媒であるジブチルスズジラウレート等のＳｎ化合物やア
ミン化合物を用いることができる。反応温度は６０〜１
００℃で、反応時間は１〜３０時間である。

【００１７】本発明で使用するウレタン（メタ）アクリ
レート（Ａ）としては、前記の、ポリオール（Ａ１）と
脂肪族又は脂環基含有有機ポリイソシアネート（Ａ２）
と脂肪族又は脂環基含有モノヒドロキシ（メタ）アクリ
レート（Ａ３）とを反応させて得られるウレタン（メ
タ）アクリレート以外に、前記（Ａ２）と（Ａ３）を反
応させて得られるウレタン（メタ）アクリレートもあげ
ることができる。

【００１８】本発明では、分子中にベンゼン環を含有し
ない反応性単量体（Ｂ）を使用する。この反応性単量体
（Ｂ）としては、例えば上記のウレタン（メタ）アクリ
レート（Ａ）以外のアクリレート系の単量体をあげるこ
とができる。アクリレート系の単量体としては、例えば
脂肪族（メタ）アクリレート又は脂環基含有（メタ）ア
クリレートをあげることができる。

【００１９】脂肪族（メタ）アクリレートとしては、例
えば２−エチルヘキシル（メタ）アクリレート、２−エ
チルヘキシルオキシエチルオキシエチル（メタ）アクリ
レート、カルビトール（メタ）アクリレート、２−ヒド
ロキシエチル（メタ）アクリレート、ポリエチレングリ
コールモノ（メタ）アクリレート、１，６−ヘキサンジ
オールジ（メタ）アクリレート、１，９−ノナンジオー
ルジ（メタ）アクリレート、ネオペンチルグリコールジ
エトキシジ（メタ）アクリレート、ネオペンチルグリコ
ールジプロポキシジ（メタ）アクリレート、トリメチロ
ールプロパントリ（メタ）アクリレート、トリメチロー
ルプロパンポリエトキシトリ（メタ）アクリレート、ト
リメチロールプロパンポリプロポキシトリ（メタ）アク
リレート、ペンタエリスリトールトリ（メタ）アクリレ
ート、ネルペンチルグリコールヒドロキシピバレートジ
（メタ）アクリレート（日本化薬（株）製、ＫＡＹＡＲ
ＡＤＭＡＮＤＡ）、ペンタエリスリトールテトラ（メ
タ）アクリレート、ジトリメチロールプロパンテトラ
（メタ）アクリレート、ジペンタエリスリトールペンタ
及びヘキサ（メタ）アクリレート混合物あるいはフッ素
含有のモノ又はジアクリレート類等を挙げることができ
る。

【００２０】脂環基含有（メタ）アクリレートとして
は、例えばイソボルニル（メタ）アクリレート、シクロ
ヘキサン−１，４−ジメタノールモノ（メタ）アクリレ
ート、テトラヒドロフルフリル（メタ）アクリレート、
ジシクロペンテニルオキシエチルアクリレート、トリシ
クロデカニル（メタ）アクリレート（日立化成（株）、
ＦＡ−５１３Ａ）、５−エチル−２−（２−ヒドロキシ
−１，１−ジメチルエチル）−５−（ヒドキシメチル）
−１，３−ジオキサンジアクリレート（日本化薬（株）
製、ＫＡＹＡＲＡＤＲ−６０４）、シクロヘキサン−
１，４−ジメタノールジ（メタ）アクリレート、下記構
造式を有するイミド（メタ）アクリレート、あるいはフ
ッ素含有のモノ又はジアクリレート類等を挙げることが
できる。

【００２１】

【化１】

【００２２】本発明で用いる光重合開始剤（Ｃ）として
は、例えば２−ヒドロキシ−２−メチルプロピオフェノ
ン、１−ヒドロキシ−２−シクロヘキシル−フェニルケ
トン、２，４，６−トリメチルベンゾイルジフェニルフ
ォスフィンオキサイド、２，２−ジエトキシアセトフェ
ノン、メチルフェニルグリオキシレート、ビスアシルフ
ォスフィンオキサイド等の紫外線照射後に着色の少ない
光重合開始剤が好ましい。これらの光重合開始剤は、１
種又は２種以上を使用することができる。

【００２３】本発明の樹脂組成物には、必要に応じて、
（Ａ）及び（Ｂ）成分以外のエポキシ（メタ）アクリレ
ート、ポリエステル（メタ）アクリレート、ウレタン
（メタ）アクリレート、有機溶剤、重合禁止剤、紫外線
吸収剤、光安定剤、酸化防止剤、レベリング剤、消泡
剤、その他の添加剤を配合することができる。

【００２４】本発明の高分子光導波路用樹脂組成物は、
（Ａ）〜（Ｃ）成分、必要に応じて各種有機溶剤や各種
添加剤を混合、加熱、溶解することにより調製すること
ができる。この本発明の高分子光導波路用樹脂組成物
は、コア用原料・クラッド用原料として使用できる。本
発明の樹脂組成物を各々所望の厚さに塗布した後、紫外
線等の電磁波を照射して硬化（重合）することができ
る。

【００２５】本発明の樹脂組成物を用いて光導波路を作
製する場合は、まず、光導波路に要求される導波モード
条件に応じて樹脂組成物の屈折率調整を行う必要があ
る。すなわち、コア材及びクラッド材として精密に制御
された屈折率差を有する少なくとも２種の樹脂組成物を
準備しなければならない。屈折率の調整は、本発明で使
用する前記ウレタン（メタ）アクリレート（Ａ）と前記
反応性単量体（Ｂ）及び光重合開始剤（Ｃ）を選択する
ことにより行う。

【００２６】比屈折率差の大きさは導波すべき光のモー
ドとコアの寸法に応じて決定されるが、一般的には０．
１〜５％の範囲である。例えば、シングルモード光ファ
イバと導波光のモード径を合わせる場合、コア部の形状
は８μｍ角の正方形、比屈折率差は０．３％であること
が望ましい。また、４０μｍ角程度のマルチモード光導
波路の場合、マルチモード光ファイバとのモード径を合
わせるには、比屈折率差１％程度が一般的である。

【００２７】光導波路を作製するには、以下のような手
順によるのが一般的である。まず、クラッド材を基板
（例えばシリコンウエハー等）上に塗布し、紫外線を照
射し硬化させ下部クラッドとする。次いで、この上にコ
ア材をスピンコート法等により塗布し、紫外線を照射し
硬化させた後、コア層の上にエッチングマスクとなる層
を形成し、フォトリソグラフィー等により導波路パター
ンに加工する。エッチングマスクの材料としては有機フ
ォトレジスト又は金属等が用いられる。次に、エッチン
グマスク越しにコア層を反応性イオンエッチングするこ
とにより所望の導波路パターンを形成することができ
る。この方法は、特に、シングルモード光導波路の作製
に有効である。コアが光反応性を持つ場合、マスクを通
して光を直接照射していない部分を溶媒で溶解除去する
ことにより導波路パターンを形成することもできる。こ
の方法は、特に、マルチモード光導波路の作製に有効で
ある。最後に上部クラッド層を塗布し、硬化する。

【００２８】一方、特開平９−３２９７２１号公報に
は、光導波路型縮小イメージセンサに用いる光導波路の
作製方法として、例えば光が伝搬するコア部となる溝が
形成されたＰＭＭＡ等の高分子材料からなるパターン基
板を射出形成技術を用いて作製する。次いで、このパタ
ーン基板の溝に、光導波路のコア用の組成物を充填し
て、ＰＭＭＡ等の高分子からなる平板基板をパターン基
板の溝側に接するように密着させた後、紫外線照射でコ
ア用組成物を硬化させコア部を形成し、高分子光導波路
を作製するというものがある。

【００２９】以下、本発明を実施例により更に具体的に
説明するが、本発明はこれら実施例に限定されない。合成例１（ウレタン（メタ）アクリレート（Ａ）の合
成）エチレングリコール３７．２ｇ、ポリテトラメチレング
リコール（平均分子量８５０）３４１．５ｇ及びイソホ
ロンジイソシアネート４４４．６ｇを仕込み、８０℃で
約９時間反応し、イソシアネートの濃度が約１０．２％
になったら、次に２−ヒドロキシエチルアクリレート２
５５．４ｇとメトキノン０．３ｇを仕込み８０℃で９時
間反応し、次にジラウリン酸−ジ−Ｎ−ブチルスズ０．
１ｇを仕込み、８０℃で約２時間反応し、イソシアネー
ト濃度が０．３％以下になるまで反応を継続し、ウレタ
ンアクリレート（Ａ−１）を得た。

【００３０】実施例１（１）コア材用樹脂組成物（Ｉ）の調製合成例１で得たウレタンアクリレート（Ａ−１）３０
ｇ、トリシクロデカニルアクリレート（日立化成（株）
製、ＦＡ−５１３Ａ）３０ｇ、ネオペンチルグリコール
ヒドロキシピバレートジアクリレート（日本化薬（株）
製、ＫＡＹＡＲＡＤＭＡＮＤＡ）３０ｇ、ジペンタエ
リスリトールペンタ及びヘキサアクリレート混合物（日
本化薬（株）製、ＫＡＹＡＲＡＤＤＰＨＡ）１０ｇ及
び１−ヒドロキシ−２−シクロヘキシル−フェニルケト
ン（光重合開始剤）３ｇを加熱、混合溶解し、ろ過を行
ないコア材用樹脂組成物（Ｉ）を得た。

【００３１】（２）クラット材用樹脂組成物（ＩＩ）の
調製合成例１で得たウレタンアクリレート（Ａ−１）２５
ｇ、ネオペンチルグリコールヒドロキシピバレートジア
クリレート６５ｇ、２−エチルヘキシルアクリレート１
０ｇ及び１−ヒドロキシ−２−シクロヘキシル−フェニ
ルケトン３ｇを加熱、混合溶解し、ろ過を行ない、硬化
時にコアとの比屈折率差が１％前後になるように、クラ
ット材用樹脂組成物（ＩＩ）を調製した。

【００３２】調製した（Ｉ）及び（ＩＩ）樹脂組成物か
ら作製した膜の硬化後の波長５８９ｎｍでの屈折率は各
々、１．５１００、１．４９２０であった。このよう
に、両者の比屈折率差は、設定通り、１％前後（正確に
は１．２％）となった。

【００３３】（３）上記樹脂組成物（Ｉ）及び（ＩＩ）
を用いた光導波路の作製まず、樹脂組成物（ＩＩ）をシリコンウエハー上に滴下
し、スピンコート法により薄膜化した。これを高圧水銀
灯で１０００ｍＪ／ｃｍ²を照射し硬化させ、下部クラ
ッドとした。硬化後の膜厚は４０μｍであった。次いで
この上に、硬化後の厚さが４０μｍになるように樹脂組
成物（Ｉ）の樹脂膜をコートした。この際、（Ｉ）の樹
脂膜と下部クラッド層との間にはインターミキシングは
全く見られなかった。このようにして作製した樹脂膜に
非接触で幅４０μｍの直線状パターンが形成できるフォ
トマスクをマウントし、高圧水銀灯で１５００ｍＪ／ｃ
ｍ ²を照射し硬化させた。未硬化部分をγ−ブチロラク
トンにより溶解除去して、幅、高さ共に４０μｍのコア
を作製した。最後に、コア上に、樹脂組成物（ＩＩ）を
用いて樹脂膜をコートし、紫外線を照射し、硬化させ、
高分子光導波路を作製した。このようにして作製した光
導波路の両端を切り落とし、長さ５ｃｍの直線光導波路
を得た。

【００３４】この長さ５ｃｍの直線光導波路に波長５８
９ｎｍの光を透過させたところ、コア部のみが明るく光
ることを観察した。更に、この波長での光伝搬損失を測
定したところ、０．５ｄＢ／ｃｍであった。更に、この
導波路の光伝搬損失は７０℃／９０％ＲＨの条件下にお
いても３０日以上変動しなかった。

【００３５】上記の結果より、本発明の高分子光導波路
用樹脂組成物は、加工時のインターミキングもなく、作
製された高分子光導波路は、伝送損失も小さく、耐熱性
に優れている。

【００３６】

【発明の効果】本発明の高分子光導波路用樹脂組成物
は、加工時のインターミキシングもなく、作製された高
分子光導波路は、伝送損失も小さく、耐熱性に優れてい
る。したがって、本発明の高分子光導波路は、光通信、
光情報処理、微小光学あるいはその他の一般光学分野で
広く用いられる種々の光導波路、例えばファクシミリ、
複写機、イメージスキャナなどのハードコピー画像の一
次元読み取り光学系に利用される光導波路型縮小イメー
ジセンサー等に広く適用できる。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】分子中にベンゼン環を含有しないウレタン
（メタ）アクリレート（Ａ）と分子中にベンゼン環を含
有しない反応性単量体（Ｂ）及び光重合開始剤（Ｃ）を
含有することを特徴とする高分子光導波路用樹脂組成
物。
【請求項２】請求項１記載の高分子光導波路用樹脂組成
物の硬化物を有する高分子光導入波路。
【請求項３】請求項１記載の高分子光導波路用樹脂組成
物の硬化物を光学コア及び／又は光学クラッドとして用
いることを特徴とする高分子光導波路。