JP2006171516A - ポリマ光導波路及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 耐ヒートショック性、温度特性に優れたポリマ光導波路を提供する。
【解決手段】
基板２と、
基板２上に形成される緩衝層３と、
緩衝層３上に形成されるポリマ導波路本体４と
からなり、
緩衝層３は、基板２とポリマ導波路本体４の熱膨張差を吸収する材料で形成されるものである。
【選択図】 図１

Description

本発明は、緩衝層付きポリマ光導波路及びその製造方法に関する。

近年、ガラスを用いたガラス光導波路に比べ、加工容易性、作製コスト低減などの点で優れているポリマを用いたポリマ光導波路が研究・開発されている。

基板上に形成される導波路本体の材料としては、アクリル（特許文献１参照）、エポキシ（特許文献２参照）、ポリイミド（特許文献３参照）など種々のものが提案されているが、これらの材料は、高温・高湿度状態では吸湿に伴う屈折率や損失の変化など耐熱性や耐湿性に劣ることが懸念される。

また、使用温度範囲内において、導波路本体にガラス転移温度が存在すると、ガラス転移温度以上の温度では、屈折率がさらに大きく変化するようになるなど、ポリマ光導波路の光学特性に悪影響を及ぼす懸念がある。そのため、導波路本体の材料としては、一般にガラス転移温度の高い材料が使用される。

一方、ガラス光導波路において、温度変化時にガラス光導波路に蓄積する熱応力を緩和して温度無依存化するため、基板と導波路本体の中間の線膨張係数を有する応力緩衝用のクラッド層を備えたものがある（特許文献４参照）。

なお、基板の裏面に金属からなる応力発生膜を形成し、その応力発生膜で予め基板を反らせておき、その後基板の表面に導波路本体を形成することで、内部応力の残留しないポリマ光導波路を製造する方法もある（特許文献５参照）。

特開平１０−１７０７３９号公報 特開２００２−２８６９５３号公報 特開２００３−２１５３６４号公報 特開２００４−１２６３９９号公報 特開２００２−１８９１３８号公報

しかしながら、ガラス転移温度の高い材料を用いたポリマ光導波路は、基板上に導波路本体を直接形成するので、ヒートショック試験（例えば、−４０〜８５℃の温度範囲内で周囲温度を繰り返し上昇・下降させる試験）を行うと、基板から導波路本体が剥離したり、導波路本体に亀裂が生じたりするという問題がある。

また、このようなポリマ光導波路を用いて作製した光合波器では、周囲温度の変化により、出力光量が変化してしまう。

一方、特許文献４のクラッド層は、基板と導波路本体との線膨張係数差が小さい場合には有効である。しかし、ポリマ光導波路の場合、導波路本体の線膨張係数が、一般的なＳｉウエハや石英ガラス基板に比べて非常に大きいため、基板と導波路本体との線膨張係数差が大きい。

したがって、特許文献４のクラッド層は、ポリマ光導波路にそのまま用いても、十分な緩衝効果を得ることができず、十分な緩衝効果を得ようとすると、厚さが非常に厚くなってしまう。さらに、特許文献４のクラッド層はガラスなので、樹脂に比べて加工が難しく、作製コストも高い。

そこで、本発明の目的は、耐ヒートショック性、温度特性に優れたポリマ光導波路及びその製造方法を安価に提供することにある。

本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、請求項１の発明は、
基板と、
基板上に形成される緩衝層と、
緩衝層上に形成されるポリマ導波路本体と
からなり、
上記緩衝層は、上記基板と上記ポリマ導波路本体の熱膨張差を吸収する材料で形成されるポリマ光導波路である。

請求項２の発明は、上記基板はＳｉあるいは石英ガラスからなり、上記ポリマ導波路本体は上記基板と線膨張係数が異なるポリマで形成される請求項１記載のポリマ光導波路である。

請求項３の発明は、上記ポリマ導波路本体は、紫外線硬化性アクリル系、フッ素化アクリル系、エポキシ系、感光性ポリイミド系のポリマで形成される請求項２記載のポリマ光導波路である。

請求項４の発明は、上記緩衝層は、１０〜６０℃の温度範囲内においてガラス転移温度を有し、かつゴム状態の弾性率が５×１０⁷ Ｐａ以下である請求項１記載のポリマ光導波路である。

請求項５の発明は、上記緩衝層は、架橋構造を有する樹脂やゴムで形成される請求項４記載のポリマ光導波路である。

請求項６の発明は、上記緩衝層は、紫外線硬化性アクリル系、アクリル系、エポキシ系、ウレタン系、フッ素系の樹脂やシリコーンゴム、あるいはこれら樹脂を組み合わせた樹脂で形成される請求項５記載のポリマ光導波路である。

請求項７の発明は、上記緩衝層の厚さは、１０〜１００μｍである請求項４記載のポリマ光導波路である。

請求項８の発明は、
基板を用意する第１工程と、
基板上に緩衝層を形成する第２工程と、
緩衝層上にポリマ導波路本体を形成する第３工程と
からなり、
第２工程で形成する緩衝層は、上記基板と上記ポリマ導波路本体の熱膨張差を吸収する材料を用いて形成されるポリマ光導波路の製造方法である。

請求項９の発明は、第１工程で用意する基板は、Ｓｉあるいは石英ガラスからなるものを用い、第３工程で形成するポリマ導波路本体は、上記基板と線膨張係数が異なるポリマを用いて形成される請求項８記載のポリマ光導波路の製造方法である。

請求項１０の発明は、第２工程は、基板上に液状で未硬化の樹脂を塗布し、その樹脂を硬化して上記緩衝層を形成する工程を含む請求項８記載のポリマ光導波路の製造方法である。

請求項１１の発明は、第１工程は、基板上に上記緩衝層を形成する前に、基板上にシランカップリング剤を塗布する工程を含む請求項８記載のポリマ光導波路の製造方法である。

本発明によれば、耐ヒートショック性、温度特性に優れたポリマ光導波路を安価に提供できるという優れた効果を発揮する。

以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面にしたがって説明する。

図１は、本発明の好適な実施の形態を示すポリマ光導波路の断面図である。

図１に示すように、本実施の形態に係るポリマ光導波路１は、基板２と、基板２上に形成される緩衝層３と、緩衝層３上に形成されるポリマ導波路本体４とからなる緩衝層付きポリマ光導波路である。

基板２としては、例えば、Ｓｉや石英ガラスなどの無機材料からなるものを用いる。本実施の形態では、基板２として、厚さが４００μｍのＳｉウエハ（Ｓｉ基板）を用いた。

ポリマ導波路本体４は、基板２と線膨張係数が異なるポリマで形成される。このポリマ導波路本体４は、アンダークラッド（下部クラッド）層５と、そのアンダークラッド層５上に形成されるコア６と、アンダークラッド層５の上部とコア６とを覆うオーバークラッド（上部クラッド）層７とで構成される。

本実施の形態では、ポリマとして、ＵＶ（紫外線）硬化性アクリル系（架橋タイプ）で、ガラス転移温度Ｔｇが１２０℃の架橋構造を有するポリマを用いた。架橋構造を有するポリマを用いたのは、耐溶剤性や耐熱性が高いからである。コア６の屈折率は、アンダークラッド層５やオーバークラッド層７の屈折率よりも高くする。

本実施の形態では、アンダークラッド層５の厚さを２０μｍ、横断面が矩形状のコア６の径を６０μｍ（コア幅ｗ：６０μｍ、コア高さｈ６：６０μｍ）、コア６の表面からオーバークラッド層７の表面までの厚さｈ７を２０μｍとした。なお、導波路のサイズに特に制限はなく、自由に設計可能である。

ポリマとしては、例えば、フッ素化アクリル系、エポキシ系、感光性ポリイミド系などのポリマを用いてもよい。

さて、緩衝層（膜）３は、基板２とポリマ導波路本体４の熱膨張差により発生する応力を吸収する材料で形成される。言い換えれば緩衝層３は、基板２とポリマ導波路本体４の線膨張係数が互いに異なることから、温度変化時の基板２とポリマ導波路本体４間に発生する熱応力を緩和（低減）するものである。

緩衝層３としては、弾性率の小さな材料が適当である。さらに、緩衝層３としては、ポリマ光導波路１の使用温度範囲、あるいはヒートショック試験の温度範囲である−５０〜１００℃において、基板２とポリマ導波路本体４間の熱膨張差を吸収する効果を発揮する材料が適当である。

より詳細には、緩衝層３は、１０〜６０℃の温度範囲内においてガラス転移温度Ｔｇを有し、かつゴム状態の弾性率Ｅが５×１０⁷ Ｐａ以下であるとよい。

ゴム状態とは、分子が動きやすく、引っ張ったり押したりすると分子が流れて伸び縮みできる軟らかい固体状態をいう。これに対し、ガラス状態とは、分子がランダムで結晶化しておらず（非晶質）、押しても分子があまり流れない硬い固体状態をいう。ゴム状態とガラス状態との境界点の温度がガラス転移温度Ｔｇである。

緩衝層３のガラス転移温度Ｔｇと弾性率Ｅを上述したように限定したのは、以下の理由による。

緩衝層３における温度Ｔ（℃）と弾性率Ｅ（Ｐａ）の関係の一例を図２に示す。図２では弾性率Ｅを対数目盛で示している。図２に示すように、ゴム状態ではガラス状態と比較して弾性率Ｅがオーダー単位で小さく（急激に小さく）なり、緩衝層が軟らかくなるので、緩衝層としての効果が大きい。このため、ポリマ光導波路の使用温度範囲内にガラス転移温度Ｔｇを有することで、緩衝層としての効果が期待できるが、ポリマ光導波路の使用温度の上限となる６０℃以下にガラス転移温度Ｔｇを有していないと、その効果が小さい。

一方、緩衝層としてのゴム状態の範囲が広い方が熱応力の発生は小さくなると考えられるが、ガラス転移温度Ｔｇが１０℃未満であると、軟らかすぎてダイシングが困難であるという問題が生じる。

さらに、ゴム状態の弾性率Ｅが５×１０⁷ Ｐａを超えると、ゴム状態での弾性率Ｅの減少が十分でなくなり、緩衝層が硬くなるので、緩衝層としての効果が小さくなる。

また、緩衝層３は、高温時に流動を起こさないためにも、架橋型の材料、例えば、架橋構造を有する樹脂で形成される。

緩衝層３の厚さは、１０〜１００μｍであるとよい。これは、１０μｍ未満であると緩衝層としての効果が発揮されず、１００μｍを超えると、後述するスピンコート法を用いて均一な層が形成できないからである。本実施の形態では、緩衝層３の厚さを１５μｍとした。

本実施の形態では、緩衝層３として、ＵＶ硬化性アクリル系（架橋タイプ）で、ガラス転移温度Ｔｇが３０℃の架橋構造を有する樹脂で形成されるものを用いた。ＵＶ硬化性の樹脂を用いたのは、固まりが早く、しかも緩衝層３の形成が容易だからである。

緩衝層３としては、アクリル系、エポキシ系、ウレタン系、フッ素系などの架橋構造を有する樹脂やシリコーンゴム、あるいはこれら樹脂を組み合わせた（アクリル系＋フッ素系、エポキシ系＋フッ素系）樹脂で形成されるものを用いてもよい。

ポリマ導波路本体４の剥がれに対しては、緩衝層３の接着性も重要であり、緩衝層３としては、基板２およびポリマ導波路本体４との接着性に優れる材料を選択する必要がある。材料の組み合わせの一例として、フッ素系のポリマを用いてポリマ導波路本体４を作製する場合には、接着性を考慮して、フッ素系の樹脂を用いて緩衝層３を形成する。

また、緩衝層３としては、インタミキシング（互いに混ざること）の問題があるので、緩衝層３の作製後に塗布するクラッド材（硬化後にアンダークラッド層５となる）等に溶解したり、染みこんだりしない材料を用いることが望ましい。

次に、ポリマ光導波路１の製造方法を説明する。

まず、基板２を用意し（図３（ａ）：第１工程）、この基板２上に緩衝層３を形成する（図３（ｂ）：第２工程）。ここで、基板２上に緩衝層３を形成する方法の一例を図４（ａ）〜図４（ｃ）を用いて説明する。

まず、基板２上に緩衝層３を形成する前に、基板２上にシランカップリング剤ｃを塗布し、基板２の表面処理を行う（図４（ａ））。基板２を用意する第１工程は、この図４（ａ）の工程を含む。

表面処理した基板２上に、スピンコート法により、液状で未硬化の架橋構造を有する樹脂ｒを塗布し、塗布した樹脂ｒを硬化させる（図４（ｂ））。

本実施の形態では、ＵＶ硬化性の樹脂ｒを用いたので、液状の樹脂ｒを塗布した後、上方から樹脂ｒに紫外線Ｌを照射し、塗布した樹脂ｒを硬化して緩衝層３を形成する（図４（ｃ））。基板２上に緩衝層３を形成する第２工程は、これら図４（ｂ）、図４（ｃ）の工程を含む。

樹脂ｒは、モノマあるいはオリゴマを含んだ状態で基板２上に塗布されるので、未反応基が残っており、硬化（ポリマー化、あるいは樹脂化）する際、シランカップリング剤ｃとくっつきやすい。これにより、樹脂ｒとシランカップリング剤ｃが化学的に結合しやすいので、基板２と樹脂ｒの接着性が向上し、基板２から緩衝層３が剥がれにくくなる。

基板２と樹脂ｒの接着性がよい場合には、図４（ａ）のシランカップリング剤ｃを塗布する工程を省略してもよい。

次に、図３に戻り、直接露光法を用いて図１に示したコア６を形成する。緩衝層３を形成した後、その緩衝層３上にアンダークラッド層５を形成し（図３（ｃ））、そのアンダークラッド層５上にコア材料２６を塗布する（図３（ｄ））。

コア材料２６を塗布した後、コア材料２６の上方に、コア６と同じ形状のパターンが形成されたマスク２１を配置し、そのマスク２１の上方からコア材料２６に紫外線Ｌを照射する（図３（ｅ））。その後、紫外線Ｌが照射されなかったコア材料２６を、コア現像液でエッチングして除去する。紫外線Ｌが照射されたコア材料２６は硬化するため、コア現像液でエッチングされずにコア６となる。本実施の形態では、コア現像液としてアセトンを用いた。

コア現像液としては、例えば、酢酸ブチル、酢酸エチル、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、プロピレングリコールモノメチルエーテル、プロピレングリコール、トルエン、キシレンなどを用いてもよい。

コア６を形成した後、アンダークラッド層５の上部とコア６とを覆うようにオーバークラッド層７を形成してポリマ導波路本体４を形成する。緩衝層３上にポリマ導波路本体４を形成する第３工程は、これら図３（ｃ）〜図３（ｆ）の工程である。さらに、ダイシング等を行って所定形状に加工すると、図１に示した緩衝層付きポリマ光導波路１が得られる（図３（ｆ））。

作製したポリマ光導波路１について、−４０〜８５℃の温度範囲で周囲温度を１０００サイクル繰り返し上昇・下降させるヒートショック（ヒートサイクル）試験を行った。その結果、ポリマ導波路本体４の剥離はなく、ポリマ光導波路１の損失増加もなかった。

本実施の形態の作用を説明する。

ポリマ光導波路１は、ポリマ導波路本体４の線膨張係数が基板２に比べて非常に大きい。通常、無機材料からなる基板２の線膨張係数は２０ｐｐｍ／℃（×１０^-6／℃）以下、例えば、一般的なガラス基板では１０ｐｐｍ／℃、石英ガラス基板では０．５ｐｐｍ／℃、Ｓｉ基板では３ｐｐｍ／℃である。また、有機材料からなるポリマ導波路本体４の線膨張係数は一般的には５０〜２００ｐｐｍ／℃である。

このため、周囲温度が高くなると、ポリマ導波路本体４は大きく伸びようとし、基板２はあまり伸びようとしないので、基板２とポリマ導波路本体４間に熱膨張差が生じる。周囲温度が低くなると、ポリマ導波路本体４は大きく縮もうとし、基板２はあまり縮もうとしないので、同様に基板２とポリマ導波路本体４間に熱膨張差（この場合は熱収縮差ともいう）が生じる。

ポリマ光導波路１は、予め基板２とポリマ導波路本体４間に、軟らかい緩衝層３を設けたので、基板２とポリマ導波路本体４との線膨張係数差が大きくても、緩衝層３によって両者の熱膨張差により発生する応力を吸収して小さくできる。すなわち、温度変化時の基板２とポリマ導波路本体４間に発生する熱応力を緩和でき、基板２とポリマ導波路本体４間に熱応力が加わりにくい。

したがって、ポリマ光導波路１は、ヒートショック試験を行っても、基板２からポリマ導波路本体４が剥離したり、ポリマ導波路本体４に亀裂を生じたりせず、耐ヒートショック性に優れている。

さらに、ポリマ光導波路１は、周囲温度が変化しても、ポリマ導波路本体４に歪が蓄積しにくいので、損失が増加するなどの光学特性の変化を小さくでき、温度特性に優れている。

また、本実施の形態に係る製造方法によれば、基板２上に液状で未硬化の樹脂ｒを塗布し、その樹脂ｒを硬化することで、緩衝層３を短時間で容易に形成できる。緩衝層３を形成するために用いる材料は樹脂ｒなので、取り扱いが容易であり、ガラスに比べて加工が容易で作製コストも安い。したがって、緩衝層付きポリマ光導波路１を安価に製造できる。

上記実施の形態では、直接露光法を用いてコア６を形成する例で説明したが、金型、あるいはＲＩＥ（反応性イオンエッチング）を用いてコア６を形成してもよい。

金型を用いる場合は、図３（ａ）〜図３（ｃ）の工程後、図５（ａ）に示すように、アンダークラッド層５上に、コア６と同じ形状のパターンの注入溝５２を有する紫外線に対して透明な金型５１を配置し、注入溝５２にコア材料２６を注入する。その後、図５（ｂ）に示すように、金型５１の上方からコア材料２６に紫外線Ｌを照射し、注入したコア材料２６を硬化させてコア６を形成する。基板２、緩衝層３、アンダークラッド層５が紫外線に対して透明な場合には、基板２の底面側からコア材料２６に紫外線を照射してもよい。

また、図１のポリマ光導波路１の変形例として、基板上に、緩衝層、コア、オーバークラッド層を順次形成したポリマ光導波路でもよい。つまり、緩衝層にアンダークラッド層の機能を追加することで、アンダークラッド層を省略してもよい。この場合、緩衝層としては、コアを伝送する光に対して透明な樹脂で形成されるものを用いる。

次に、ポリマ光導波路１を用いた光デバイスの一例を説明する。

図６に示すように、光合波器６１は、図１のポリマ光導波路１を用いて作製したものであり、４つの入力導波路６２、３つのＹ結合部６３、１つの出力導波路６４で図１のコア６を構成した４入力１出力型のポリマ光導波路である。各入力導波路６２には、互いに異なる波長帯域の光信号を出力するＬＤ（半導体レーザ）６５がそれぞれ光結合される。出力導波路６４には、光ファイバ６６が接続される。

この光合波器６１では、各ＬＤ６５から各入力導波路６２に入力された４つの光信号は、３つのＹ結合部６３で合波され、４つの光信号が波長分割多重された１つの光信号として出力導波路６４から出力され、光ファイバ６６に伝送される。

上述したように、従来のポリマ光導波路を用いて作製した光合波器は、基板上に導波路本体を直接形成しており、基板と導波路本体の線膨張係数が異なるため、周囲温度の変化により、導波路本体に歪が蓄積し、それに伴い出力光量が変化するという問題が生じる。また、同様の理由で、ＰＤＬ（偏波依存損失）が増加するなどの光学特性にも影響を及ぼす。

これに対し、光合波器６１は、図１の緩衝層３により、温度変化時に発生する熱応力を緩和できるので、周囲温度の変化に伴う出力光量の変化を小さくすることができ、ＰＤＬが増加するなどの光学特性の変化も小さくできる。

ポリマ光導波路１は、上述した光合波器に限らず、例えば、ＶＯＡ（光可変減衰器）、光カプラ、ＣＷＤＭ（粗波長多重分割）方式のＡＷＧ（アレイ導波路回折格子）などの光デバイスとしても使用される。ポリマ光導波路１はシングルモードでも、マルチモードでもよい。

本発明の好適な実施の形態を示すポリマ光導波路の断面図である。 緩衝層における温度と弾性率の関係の一例を示す図である。 図３（ａ）〜図３（ｆ）は、本発明の好適な実施の形態であるポリマ光導波路の製造工程の一例を示す断面図である。 図４（ａ）〜図４（ｃ）は、緩衝層を形成する方法の一例を示す断面図である。 図５（ａ）および図５（ｂ）は、コアを形成する方法の一例を示す断面図 図１に示したポリマ光導波路を用いた光合波器の平面図である。である。

符号の説明

１ ポリマ光導波路
２ 基板
３ 緩衝層
４ ポリマ導波路本体
５ アンダークラッド層
６ コア
７ オーバークラッド層

Claims (11)

1. 基板と、
   基板上に形成される緩衝層と、
   緩衝層上に形成されるポリマ導波路本体と
   からなり、
   上記緩衝層は、上記基板と上記ポリマ導波路本体の熱膨張差を吸収する材料で形成されることを特徴とするポリマ光導波路。
2. 上記基板はＳｉあるいは石英ガラスからなり、上記ポリマ導波路本体は上記基板と線膨張係数が異なるポリマで形成される請求項１記載のポリマ光導波路。
3. 上記ポリマ導波路本体は、紫外線硬化性アクリル系、フッ素化アクリル系、エポキシ系、感光性ポリイミド系のポリマで形成される請求項２記載のポリマ光導波路。
4. 上記緩衝層は、１０〜６０℃の温度範囲内においてガラス転移温度を有し、かつゴム状態の弾性率が５×１０⁷ Ｐａ以下である請求項１記載のポリマ光導波路。
5. 上記緩衝層は、架橋構造を有する樹脂やゴムで形成される請求項４記載のポリマ光導波路。
6. 上記緩衝層は、紫外線硬化性アクリル系、アクリル系、エポキシ系、ウレタン系、フッ素系の樹脂やシリコーンゴム、あるいはこれら樹脂を組み合わせた樹脂で形成される請求項５記載のポリマ光導波路。
7. 上記緩衝層の厚さは、１０〜１００μｍである請求項４記載のポリマ光導波路。
8. 基板を用意する第１工程と、
   基板上に緩衝層を形成する第２工程と、
   緩衝層上にポリマ導波路本体を形成する第３工程と
   からなり、
   第２工程で形成する緩衝層は、上記基板と上記ポリマ導波路本体の熱膨張差を吸収する材料を用いて形成されることを特徴とするポリマ光導波路の製造方法。
9. 第１工程で用意する基板は、Ｓｉあるいは石英ガラスからなるものを用い、第３工程で形成するポリマ導波路本体は、上記基板と線膨張係数が異なるポリマを用いて形成される請求項８記載のポリマ光導波路の製造方法。
10. 第２工程は、基板上に液状で未硬化の樹脂を塗布し、その樹脂を硬化して上記緩衝層を形成する工程を含む請求項８記載のポリマ光導波路の製造方法。
11. 第１工程は、基板上に上記緩衝層を形成する前に、基板上にシランカップリング剤を塗布する工程を含む請求項８記載のポリマ光導波路の製造方法。
    

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