JP2006508399A

JP2006508399A - 光描画可能な重合性複合材料に基づく光学素子構造

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Publication number: JP2006508399A
Application number: JP2004557309A
Authority: JP
Inventors: シー，ミン−イー; ゴルクチカ，トマス・バート
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2002-11-27
Filing date: 2003-11-24
Publication date: 2006-03-09
Also published as: US20040101268A1; AU2003293074A1; EP1567895A1; KR20050084025A; CN1739048A; WO2004051331A8; TW200420925A; WO2004051331A1; CA2507295A1

Abstract

基板（１０）と１個以上の位相特徴とを備える光学素子構造（２２）。位相特徴は、重合性バインダーと未硬化モノマーから形成されたポリマー複合材料からなる。位相特徴は、制御された位相プロファイル及び位相特徴に沿って制御された屈折率を有する。光学素子構造は、多モード導波デバイス、単一モード導波デバイス、光データ記憶デバイス、熱光学スイッチ、レンズ又はマイクロ電子機械システムとすることができる。

Description

本発明は、ポリマー複合材料からなる光学素子構造に関する。本発明は特に、光学素子構造を構成する位相特徴（topological feature）に関する。本発明を用いてクラッド及びコア層を有する光学素子構造を形成することができる。

最新の高速通信システムでは、高帯域幅データの送受信に光ファイバーを用いることが益々増加している。可撓性、取り扱い及び設置の容易さに関するポリマー光ファイバーの優れた特性が、例えば家庭、ＬＡＮ（ローカルエリアネットワーク）、自動車情報システム、診断システム及び娯楽システムへの光ファイバーの採用など、高帯域幅、短距離データ伝送用途への光ファイバーの採用を促す重要な推進力になっている。

どのようなタイプの光通信システムでも、異なる別個の部品を相互接続する必要がある。これらの部品には、デバイス、例えばレーザー、検出器、ファイバー変調器、スイッチなどがある。ポリマー系デバイス、例えば導波路はこれらの部品を相互接続する有効な手段を提供し、安価になる可能性のある相互接続スキームを提供することができる。このようなデバイスは、良好な効率及び低い伝搬損にて導波路へのもしくは導波路からの光を垂直にカップリングすることができなければならず、一方効率や伝搬損は主としてポリマー及びデバイス境界両方の品質によって決められる。

散乱損失の過剰な増加なしに低い減衰率と優れた熱安定性を示すポリマー光導波路を製造するには、ポリマー材料を適切に選択することが必要である。さらに、光焦点合わせ又は光散乱素子を巧妙に導入することは、ポリマー光導波路における光の発光を制御するのに有用である可能性がある。

光電子マルチチップモジュールを作製する必要とは、パッケージの電子回路と「光学ベンチ」部分との光相互接続を実現することである。これを行う一つの方法では、モジュールの電子部分と一体化され、該電子部分により制御される垂直空洞式表面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ＝ｖｅｒｔｉｃａｌｃａｖｉｔｙｓｕｒｆａｃｅｅｍｉｔｔｉｎｇｌａｓｅｒ）を設け、そのレーザー光をモジュールの光学部分のベースに垂直に差し向ける。レーザー光の方向を垂直方向から水平方向に変え、こうしてレーザー光を光学ベンチに差し向けるには、角度ほぼ４５°の「ミラー」が必要である。このミラーは、幾つかの理由から、従来の方法で製造するのが困難である。ミラーは、ＶＣＳＥＬの水平表面に関して４５°傾斜した表面をもたなければならない。ミラーをＶＣＳＥＬの上方に配置するとき、ミラーはＶＣＳＥＬから投射された垂直な光ビームを水平方向に反射し光学ベンチを含むポリマー導波路に入れる。さらに、ミラー表面は、光伝送損失を制限するために極めて平滑でなければならず、また下側のＶＣＳＥＬに精密にアラインメントしなければならない。プレーナーポリマー導波路で遭遇する別の問題として、光伝送損失を制限するために導波路構造のエッジを平滑にする必要がある。導波路構造を画定するのに通常の反応性イオンエッチング技術を用いると、発生するエッジが粗すぎて単一モード光伝送に使用できないおそれがあると考えられている。従来、角度４５°のミラーは、コアポリマー材料を適切な角度でレーザーアブレーションし、グレイスケールマスクを用いて反応性イオンエッチングするか、必要な構造をポリマー表面にエンボス加工することによって画定されている。導波路構造は、種々の方法で形成でき、例えば適当な基板上に下側クラッド層を塗工し、エンボス加工、エッチング又は現像によりクラッド層にトレンチを形成し、トレンチにコア材料を充填し、上側クラッド層で上塗りすることにより形成できる。リッジ導波路は、基板に下側クラッド及びコア層を塗工し、エッチング又は現像によりコアをパターン形成してリッジを形成し、上側クラッド層で上塗りすることにより形成できる。プレーナー導波路は、基板に下側クラッド及びコア材料を塗工し、ＵＶ露光により導波路を画定し、その上に上側クラッド層を堆積することにより形成できる。未露光コアとその周囲のクラッド層との間で露出コア区域への反応物質の拡散が起こり、その屈折率（以下ＲＩと記すこともある）を変え、導波路を形成する。

低損失の放射線硬化性材料からなり、製造工程数の少ないより直接的なプロセスによりトポグラフィ、屈折率又は組成の少なくともいずれかを制御した、光学素子が依然として必要とされている。さらに、反応性イオンエッチング又は現像に依拠することなく、原料として単一の重合性複合材料を用いて、他の光学素子又はレーザーデバイスとの垂直相互接続を可能にする平滑なテーパー状エッジを有する、光学素子構造、例えば導波路構造を形成することのできるプロセスを開発することが望まれている。

したがって、本発明の第１の観点によれば、ある組成及び屈折率を有する基板と１個以上の位相特徴とを備える光学素子構造が提供される。位相特徴は、基板の表面に設けられ、ポリマー複合材料からなる。位相特徴は制御された位相プロファイル及び位相特徴に沿って制御された屈折率を有する。位相特徴はそこを通過する放射線を方向転換する。

本発明の第２の観点によれば、基板上に設けられた、光学素子構造を構成する位相特徴が提供される。位相特徴は、制御された組成を有するポリマー複合材料を含み、制御された位相プロファイル及び位相特徴に沿って制御された屈折率を有する。位相特徴はそこを通過する放射線を方向転換する。

本発明の第３の観点によれば、基板と基板の表面に設けられた１個以上の位相特徴とを備える光学素子構造が提供される。位相特徴は、少なくとも１種のポリマーバインダー及び少なくとも１種の未硬化モノマーを含有する重合性複合材料から形成され、制御された組成プロファイルを有する。位相特徴は制御された屈折率を有し、位相特徴の屈折率が基板の屈折率とは異なる。位相特徴がそこを通過する放射線を方向転換する。

以下の説明で、複数の図面にわたる同じ参照符号は同じか対応する部材を示す。また、「上」、「下」、「外」、「内」などの用語は便宜的に用いたものであり、限定的な用語と解すべきではない。

一般に図面は本発明の好適な実施形態を具体的に示すためのもので、本発明をそれに限定することを意図したものではない。

図１は、ポリマーバインダー及び放射線重合性モノマーを含有する重合性複合材料の硬化を示す線図である。基板１０の表面１４上に重合性複合材料１２の層が設層されている。重合性複合材料はポリマーバインダー及び未硬化モノマーを含有する。重合性複合材料１２のパターン形成は、硬化用放射線１８に露出することのできる区域を画定するようにマスク１６を用いて、行う。硬化用放射線として紫外線（ＵＶ）を用いるのが好ましい。硬化工程で、硬化用放射線に露出された区域のモノマーは重合する。紫外線の外に、他の形態の放射線、例えば直接記録用レーザーを用いることもできる。ここでは硬化用放射線をＵＶとして記述するが、重合性複合材料を硬化するのに他の放射線源も同様に使用できる。本発明の光学素子構造を形成する方法は、「ＭｅｔｈｏｄｆｏｒＭａｋｉｎｇＯｐｔｉｃａｌＤｅｖｉｃｅＳｔｒｕｃｔｕｒｅｓ」と題するＴｈｏｍａｓＢ．Ｇｏｒｃｚｙｃａの米国特許出願第号（出願）に記載されており、その開示内容は援用によって本明細書の内容の一部をなす。

図２は、放射線に露出されなかった重合性複合材料１２の区域からの未硬化モノマーをベークする（以下「揮発する」とも言う）工程２４を示す線図である。そのほかに、露光部分又は区域に残っている未硬化モノマーも揮発させる。このプロセスの結果として、揮発性未硬化モノマー成分が非露光区域から蒸発し、その結果、表面２０を有する光学素子構造２２が形成される。光学素子構造の表面２０は１個以上の位相特徴（ｔｏｐｏｌｏｇｉｃａｌｆｅａｔｕｒｅ）を有する。１個以上の位相特徴の寸法は、１実施形態では約１００μｍ未満で、別の実施形態では約５μｍ未満で、さらに他の実施形態では約２μｍ未満である。さらに、光学素子構造２２の位相特徴は、１実施形態では制御された位相プロファイルを有し、別の実施形態では制御された組成を有する。重合性複合材料１２の性質並びに後続のパターン形成及びベーク工程に用いる条件に応じて、種々の位相プロファイルを得ることが可能であり、したがって種々の光学素子構造となる。１実施形態では、位相プロファイルが１以上の段を含む。段は上向き段でも下向き段でもよい。別の実施形態では、位相プロファイルが、凸状プロファイル、凹状プロファイル又は多角形プロファイルの少なくともいずれかを含む。一般に、位相プロファイルは、段が基板１４の表面に対して約５°〜約９０°の角度をなすようなものである。

重合性複合材料１２を形成するのに材料を適切に選択することで、屈折率の大きな差を実現することが可能になり、これにより形成された光学素子構造２２を通過する光ビームに極めて小さい曲げ半径を与えることができる。屈折率が位相特徴に沿って制御された形態で変化することも可能である。例えば、屈折率が位相特徴に沿って直線的に変化することが可能である。屈折率が、最大値と最小値との間に入るように、制御された形態で変化することも可能である。屈折率は、位相特徴に沿って、１実施形態では約０．２％以上変化し、別の実施形態では約２０％以下変化し、また他の実施形態では約５％だけ変化する。別の実施形態では、制御された屈折率が位相特徴の中心に最大値又は最小値を有する。

表面トポグラフィに加えて、揮発工程２４から得られる光学素子構造は組成変化をもつことも可能である。他の要因の中でも、組成変化は、放射線露光区域のモノマーの重合、それと同時の、照射工程中のモノマーの非露光区域から放射線露光区域への移動、そして主として放射線非露光区域からの未硬化モノマーの揮発から得られる複合的結果である。１実施形態では、位相特徴が制御された組成を有する。例えば、モノマーの放射線誘起重合を、重合性モノマーの一部分だけが重合されるように行うことができる。残りのモノマーは後続のベーク工程で揮発させる。この不完全重合プロセスは、露光区域のモノマーすべてが重合した場合のトポグラフィ、組成変化及び特性とは異なる位相、組成変化及び特性を有する光学素子をもたらしうる。多くの実施形態で、組成変化は、光学素子構造の熱膨張係数、ガラス転移温度、屈折率、複屈折、光透過、モジュラス、誘電性及び熱伝導度の少なくともいずれかに変化をもたらす。

重合性複合材料１２は、ポリマーバインダーと未硬化モノマーとを含有する。ポリマーバインダーは、モノマー蒸発工程の間熱的に安定であれば、どのようなポリマーでもよい。ポリマーバインダーは、選択したモノマーと相溶性である必要もある。１実施形態では、ポリマーバインダーは、アクリルポリマー、ポリエーテルイミド、ポリイミド、シロキサン含有ポリエーテルイミド、ポリカーボネート、シロキサン含有ポリカーボネート、ポリスルホン、シロキサン含有ポリスルホン、ポリフェニレンオキシド、ポリエーテルケトン、ポリフッ化ビニル及びこれらの組合せの少なくとも１種を含有する。特定の実施形態では、アクリルポリマーは、ポリ（メチルメタクリレート）、ポリ（テトラフルオロプロピルメタクリレート）、ポリ（２，２，２−トリフルオロエチルメタクリレート）、アクリルポリマーから誘導された構造単位を含むコポリマー及びこれらの組合せの少なくとも１種を含有する。別の実施形態では、ポリイミドは、構成単位として２，２’−ビス［４−（３，４−ジカルボキシフェノキシ）フェニル］プロパン二無水物、１，３−フェニレンジアミン、ベンゾフェノンテトラカルボン酸二無水物及び５（６）−アミノー１−（４’−アミノフェニル）−１，３−トリメチルインダンを含有する。

未硬化モノマーは、ポリマーバインダーと相溶性であり、放射線の照射により重合でき、さらにベーク工程中にモノマー形態で蒸発するものであれば、どのようなモノマーでもよい。モノマーは単官能性とすることができ、この場合モノマーは照射中に熱可塑性ポリマーを形成する。或いは、モノマーは多官能性とすることができ、この場合モノマーは照射時に熱硬化性ポリマーマトリックスを形成する。モノマーは照射中にモノマー自体とまたポリマーバインダーと反応することができる。未硬化モノマーは、アクリルモノマー、シアン酸モノマー、ビニルモノマー、エポキシド含有モノマー及びこれらの組合せの少なくとも１種である。モノマーの例としては、アクリルモノマー、例えばメチルメタクリレート、２，２，２−トリフルオロエチルメタクリレート、テトラフルオロプロピルメタクリレート、ベンジルメタクリレート、グリコール系及びビスフェノール系ジアクリレート及びジメタクリレート、またエポキシ樹脂、例えば脂肪族エポキシ類、脂環式エポキシ類（例えばＣＹ−１７９）、ビスフェノール系エポキシ類（例えばビスフェノールＡジグリシジルエーテル及びビスフェノールＦジグリシジルエーテル）、水添ビスフェノール系及びノボラック系エポキシ類、シアン酸エステル、スチレン、アリルジグリコールカーボネートなどがあるが、これらに限定されない。

モノマーは放射線の照射により重合させることができる。１実施形態では、硬化用放射線として紫外線（ＵＶと記述することもある）を用いるのが好ましい。モノマーの重合に、紫外線の外に、他の形態の放射線、例えば直接描画用レーザーを用いることもできる。

重合性モノマー又はポリマーバインダーいずれかの使用は、本発明の硬化した及び／又はベークした材料との相溶性によって限定されるだけである。

放射線源に露出すべき区域を画定するのに用いるマスクは、種々の形状、寸法及び異なるグレースケール度合を有しうる。異なるグレースケールは異なる組成の領域を生成する。したがってグレースケールマスクを使用して、重合性複合材料の単一層の単一露光で、異なるトポグラフィ又はトポグラフィ列を生成することができる。図３は、グレースケールマスク２６を通して重合性複合材料１２に紫外線１８を照射することにより、位相特徴の配列を有する光学素子２８〜３６を生成する例を示す線図である。未硬化モノマーの揮発後、本プロセスから光学素子構造配列（アレイ）が得られる。１実施形態では、光学素子構造は、１個以上の位相特徴を有する複数のデバイス構造を備える。別の実施形態では、光学素子構造は、配列を形成する複数の位相特徴を含むことができる。

重合性複合材料中のモノマーの放射線硬化の結果得られる硬化材料の屈折率は、マスクにより放射線から遮蔽されていた重合性複合材料の屈折率とは異なる。重合性複合材料の組成に応じて、放射線硬化部分の屈折率は、マスクで遮蔽されていた部分より大きいことも小さいこともある。図４は、ケイ素ウェーハ上に堆積されたポリマー／エポキシ薄膜のＵＶ露光部分と非露光部分との間の屈折率のコントラストを示すグラフである。適切なポリマーバインダーと未硬化モノマー成分を選ぶことにより、広い範囲の屈折率差を実現することができる。屈折率は、真空中の光の速度を媒体中の光の速度で割った商として定義される。異なる材料間の屈折率の差は、光がある材料から伝播速度が異なる別の材料に移行する際に伝播光波が屈折するか曲がる量の目安を与える。１実施形態では、コア（即ち第１領域）とクラッドとの間の屈折率勾配が０．２％以上である。本明細書に記載する光学素子構造の多くで、クラッドとコア（即ち第２領域）との間のＲＩ勾配が約５％である。クラッド及びコア両方が完全に重合した材料からなる完全なポリマーシステムについて、コアとクラッドのＲＩの差約２０％以下を達成できる。例えば、ＲＩ約１．５９のコアとＲＩ約１．５５のクラッドを含む光学素子構造は、約０．５μｍから約３μｍまでの移行幅に沿って約２．６％の滑らかなＲＩ勾配をもつ。ＵＶ露光量、蒸発量及び初期出発材料を制御することにより、薄膜、プレーナー、勾配屈折率構造を製造することができる。勾配ＲＩ型導波路が階段ＲＩ型導波路より好ましい。前者の方が光伝送損失が少ないからである。

図５は、光学素子構造を形成するのに用いることのできる複合材料の屈折率が、硬化成分の量及び屈折率に依存することを示す線図である。複合材料の屈折率（以下ＲＩ_{ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ}で表わす）は、下記式（Ｉ）で示すように、複合ポリマーを構成する個々のポリマー成分の量及びその屈折率に依存する。

ここで、Ｗｎは複合ポリマー中のｎ番目のポリマー成分の重量％を示し、ＲＩｎは複合ポリマー中のｎ番目のポリマー成分の屈折率を示す。図５から分かるように、モノマーの屈折率（以下ＲＩ_{ｍｏｎｏｍｅｒ}で表す）が照射及びベーク工程から得られるポリマーバインダーの屈折率（以下ＲＩ_{ｐｏｌｙｍｅｒ}で表す）より大きい場合、ポリマー複合材の屈折率がポリマー複合材の厚さの増加と共に増加する。他方、ＲＩ_{ｍｏｎｏｍｅｒ}がＲＩ_{ｐｏｌｙｍｅｒ}より小さい場合、ポリマー複合材の屈折率がポリマー複合材の厚さの増加と共に減少する。ＲＩ_{ｍｏｎｏｍｅｒ}とＲＩ_{ｐｏｌｙｍｅｒ}がほぼ等しい場合、ポリマー複合材の屈折率がポリマー複合材の厚さに対して比較的不変に留まる。したがって、重合性複合材料の製造及び組成は、特定の光学素子構造の屈折率要件を満足するように調節することができる。

図６は、重合性複合材料から形成された光パターン化層トポグラフィの生成を示す線図である。この図で、重合性複合材料中のモノマー及びポリマーバインダーの屈折率の相対的大きさに応じて、ＡがＢに変換されるか、ＡがＣに変換される。つまり、ＡにおいてＲＩ_{ｍｏｎｏｍｅｒ}がＲＩ_{ｐｏｌｙｍｅｒ}より大きい場合にはＢが出現し、一方、ＡにおいてＲＩ_{ｍｏｎｏｍｅｒ}がＲＩ_{ｐｏｌｙｍｅｒ}にほぼ等しい場合には、Ｃが出現する。

上述したような光学素子構造を形成するプロセスを繰り返して、一体の垂直に積層された光学素子構造を製造することもできる。図７は、重合性複合材料から光パターン化積重層トポグラフィの生成を示す線図である。つまり、１実施形態では、揮発２４後に、先行光学素子構造４４及び４６に第２の重合性複合材料を供給し、上述した通りに得た光学素子構造の上に第２重合性複合材料の第２層を設層し、第２層をパターン化して、第２層に露出区域と非露出区域を画定し、第２層の露出区域に照射し、第２未硬化モノマーを揮発して新しい光学素子構造４８及び５０を形成することができる。第２重合性複合材料は第２ポリマーバインダーと第２未硬化モノマーを含有する。第１光学素子構造の形成に用いた第１重合性複合材料の組成と同じでも異なってもよい組成の第２重合性複合材料について、上述した方法を使用することができる。一般に、ＶＣＳＥＬとの垂直接続に適当なテーパー状エッジを有する導波路を形成するためには、重合性複合材料を構成する硬化性モノマーが、放射線誘起硬化工程及び後続のベーク工程により形成されるポリマー材料の屈折率より大きい屈折率を有するのが理想的である。

上述した光学素子構造作製へのアプローチは、微細な光学素子構造の製造に多数の潜在的用途を有する。図８は、ＶＣＳＥＬ一体化マイクロレンズ配列の生成を示す線図である。本発明の方法により形成したドーム形構造５４はビーム焦点合わせマイクロレンズ配列として作用しうる。放射線重合性モノマー、ポリマーバインダー及びマスク条件を適切に選択することにより、複数の同一光学素子構造の配列又はある範囲の厚さ及び屈折率を有する複数の光学素子構造の配列を生成することができ、図８に示すように各光学素子構造をＶＣＳＥＬ５２と一体化することができる。

図９は、ポリ（メチルメタクリレート）とＣＹ１７９の６０：４０（重量比）混合物の照射後のポストベーク工程から形成された、複数の約５μｍのドーム形構造を示すＳＥＭ顕微鏡写真である。上述した方法ともっと大きな寸法のマスクを用いて、もっと大きなドーム形光学素子構造を生成することもできる。図９に示すように形成されたドーム形構造は、各ドーム形構造のほぼ中心に位置するディンプル構造を含んでもよい。図９に示す各ディンプル形構造は直径約５μｍである。図１０は、ポリ（メチルメタクリレート）とＣＹ１７９の６０：４０（重量比）混合物の照射後のポストベーク工程から形成された、各々直径約２４μｍの複数のドーム形構造を示すＳＥＭ写真である。

図１１は、ポリ（メチルメタクリレート）とＣＹ１７９の６０：４０（重量比）混合物の照射後のポストベーク工程から形成された、複数のディンプル形構造を示すＳＥＭ写真である。これらのディンプル形構造は、ＶＣＳＥＬと一体化したときビーム整形レンズとして機能する可能性を有する。図１２は、ＶＣＳＥＬ一体化マイクロビーム整形レンズ配列の生成を示す線図である。ＶＣＳＥＬ５２からの発散性レーザービームはディンプルの凸面５６を通過して焦点の合った平行ビームとして出現する。図１３は、ディンプル形光学素子構造の凸面に沿ったＶＣＳＥＬレーザー光源の入力強度プロファイルを示すグラフである。図１４は、ディンプル形光学素子構造の凹面に沿ったＶＣＳＥＬレーザー光源の出力強度プロファイルを示すグラフである。ディンプル形トポグラフィを通過した後のビームの波長広がりがＶＣＳＥＬ５２が発生するビームの波長広がりより狭いことが分かる。このようなディンプル形構造の形成を図１５に示す。図１５は、ポリ（メチルメタクリレート）とＣＹ１７９の６０：４０（重量比）混合物のＵＶ照射及び硬化後に形成された、各々直径約２４μｍの複数のドーム形構造を示すＳＥＭ写真である。

基板１０は、その上に光学素子構造を確立したい材料であればどのような材料でもよい。基板材料は、例えば、ガラス、石英、プラスチック、セラミック、結晶性材料及び半導体材料、具体的にはケイ素、酸化ケイ素、ヒ化ガリウム、窒化ケイ素などからなる。１実施形態では、基板は任意のタイプの可撓性材料である。別の実施形態では、可撓性基板はプラスチック材料を含む。基板は、高い表面性と優れた放熱性を有することが知られたケイ素ウェーハとすることもできる。別の実施形態では、基板は光学素子構造を構成するクラッド層を含む。

上述した方法を用いて、光学素子構造、例えば導波路、合波器（マルチプレクサー）、ミラー、レンズ及びレンズ部品を製造することができる。本方法により、電子−光モジュールの電子部分と光学ベンチ部分との垂直相互接続又は光ファイバーケーブルと光学ベンチとの垂直接続を可能にする、制御された屈折率及び平滑なテーパー状エッジを有する導波路構造を形成することができる。さらに、上述した光学素子構造は、反応性イオンエッチングや現像を用いることなく形成でき、かくしてプロセスは一層環境にやさしいものとなる。テーパー状エッジをミラーとして使用して、ＶＣＳＥＬ又は光ファイバーの発光を水平な光学ベンチに差し向けることができる。屈折率勾配を有するポリマー複合材料により導波路パスが画定される。特定の実施形態では、光学素子構造は導波路、４５度ミラー及びこれらの組合せの少なくともいずれかを含む。別の実施形態では、光学素子構造は、多モード導波デバイス、単一モード導波デバイス、光データ記憶デバイス、熱光学スイッチ及びマイクロ電子機械システムの少なくともいずれかを含む。

本発明の別の観点によれば、光学素子構造に用いる位相特徴が提供される。位相特徴は、基板上に設けられ、制御された組成及び制御された位相プロファイルを有するポリマー複合材料からなる。さらに、位相特徴は、位相プロファイルに沿って制御された屈折率を有する。これにより、もっと複雑なアーキテクチャを有する光学素子構造の形成に必須である、ある範囲の所定の位相特徴を有するデバイス構造となりうる。位相特徴を形成するのに用いる本方法の１つの観点として、重合性複合材料中に存在する重合性モノマーの一部だけが重合され、残りのモノマーの揮発が後続のベーク工程で起こるような、モノマーの放射線誘起重合が本方法に含まれる。この不完全な重合のプロセスから、放射線に露出された区域のモノマーのすべてが重合される方法により形成された光学素子構造とは異なる、表面トポグラフィ、トポグラフィプロファイル、組成変化、その他の特性を有する光学素子構造が得られる。変化しうる特性の一例は屈折率である。１実施形態では、位相プロファイルに沿って制御された屈折率が基板の屈折率とは異なる。別の実施形態では、位相特徴の組成が、その上に光学素子構造を構成する位相特徴を生成する基板の組成とは異なる。光学素子構造に関して上述した他の実施形態のすべてが、光学素子構造を構成する位相特徴にも成り立つ。

実施例１
この実施例では、ポリカーボネートＡｐｅｃ（商標）９３７１（Ｂａｙｅｒ社製）とＣＹ１７９からＵＶ放射線を用いて誘導されたポリマー複合材料からなる表面位相を作製する方法を説明する。

約５０重量部のポリカーボネートＡｐｅｃ（登録商標）、約５０重量部のＣＹ１７９、１重量部の光触媒ＣｙｒａｃｕｒｅＵＶＩ−６９７６、１５０重量部のアニソール及び５０重量部のシクロペンタノンを含有する混合物を製造した。この材料をスピンコートし、被覆を９０℃で２０分間部分硬化して溶剤を除去することにより、厚さ５０μｍの膜をガラス基板上に形成した。石英板上に設けたパターン化クロム像を用いて、ポリカーボネート／エポキシ膜を露光し、膜にパターンを画定した。ＫａｒｌＳｕｓｓ接触型プリンタを用いて３０秒露光した。露光後、サンプルをホットプレート上で２００℃で１時間ベークした。得られた表面トポグラフィの表面プロフィロメトリーによる測定値から、下側非露光膜表面と上側露光膜表面との間に約２３μｍの段が存在することが分かった。ブランケットＵＶ露光又は無露光とベークを行った別の試験サンプルの重量損失の測定値から、非露光区域からは約９０％のエポキシ損失が見られたが、露光区域のエポキシ損失は１０％未満であった。

実施例１の結果から、ベーク工程後、ＵＶ露光区域と非露光区域の組成は互いに著しく異なることが分かる。ＵＶ露光区域では、複合ポリマー材料が示した組成は、約５０重量％のポリカーボネートコポリマー結合部及び５０重量％のエポキシポリマー結合部（ＣＹ１７９に由来する）に相当し、出発複合材料の組成と同様であった。しかし、非露光区域では、ベーク後の組成が約９０重量％のポリカーボネートコポリマー結合部及び１０重量％のエポキシポリマー結合部（ＣＹ１７９に由来する）に相当した。

以上、代表的な実施形態を例示の目的で記載したが、上記の説明は本発明の範囲を限定するものとみなすべきではない。したがって、当業者には、本発明の要旨から逸脱することなく、種々の変更、改作、代替が想起できるであろう。

ポリマーバインダー及びＵＶ重合性モノマーを含有する重合性複合材料の硬化を示す線図である。モノマーのＵＶ硬化後の蒸発後に生成する表面トポグラフィを示す線図である。重合性複合材料のグレースケールマスクを通してのＵＶ照射により生成する表面トポグラフィ配列を示す線図である。ケイ素ウェーハ上に堆積したポリマー／エポキシ薄膜のＵＶ露光部とＵＶ非露光部との屈折率のコントラストを示すグラフである。光学素子構造を構成する複合材料の屈折率が硬化成分の量と屈折率に依存することを示すグラフである。重合性複合材料から光パターン化層トポグラフィを生成することを示す線図である。重合性複合材料から光パターン化積重層トポグラフィを生成することを示す線図である。ＶＣＳＥＬ一体化マイクロレンズ配列の生成を示す線図である。ポリ（メチルメタクリレート）とＣＹ１７９の６０：４０（重量比）混合物の照射後のポストベーク工程から形成された、複数の寸法約５μｍのドーム形構造を示すＳＥＭ顕微鏡写真である。ポリ（メチルメタクリレート）とＣＹ１７９の６０：４０（重量比）混合物の照射後のポストベーク工程から形成された、複数の寸法約２４μｍのドーム形構造を示すＳＥＭ写真である。ポリ（メチルメタクリレート）とＣＹ１７９の６０：４０（重量比）混合物の照射後のポストベーク工程から形成された、複数の寸法約５μｍのディンプル形構造を示すＳＥＭ写真である。ＶＣＳＥＬ一体化マイクロビーム整形レンズ配列の生成を示す線図である。ＶＣＳＥＬのレーザー光源の入力強度プロファイルを示すグラフである。ＶＣＳＥＬのレーザー光源の出力強度プロファイルを示すグラフである。ポリ（メチルメタクリレート）とＣＹ１７９の６０：４０（重量比）混合物のＵＶ照射及び硬化後に形成された、寸法約２４μｍのドーム形構造を示すＳＥＭ写真である。

符号の説明

１０基板
１４基板表面
１８放射線
２２光学素子構造

Claims

ある組成及び屈折率を有する基板（１０）と、
基板の表面（１４）に設けられた、ポリマー複合材料からなる１個以上の位相特徴と
を備える光学素子構造（２２）であって、
位相特徴が制御された位相プロファイル及び位相特徴に沿って制御された屈折率を有し、位相特徴がそこを通過する放射線（１８）を方向転換する、
光学素子構造。
前記位相特徴が制御された組成を有する、請求項１記載の光学素子構造。
前記位相特徴に沿って制御された屈折率が基板の屈折率とは異なる、請求項１記載の光学素子構造。
前記制御された屈折率が位相特徴に沿って変化する、請求項１記載の光学素子構造。
前記制御された屈折率が最大値と最小値の間で変化する、請求項４記載の光学素子構造。
前記制御された屈折率が位相特徴に沿って０．２％以上変化する、請求項５記載の光学素子構造。
前記制御された屈折率が位相特徴の中心に最大値を有する、請求項５記載の光学素子構造。
前記制御された屈折率が位相特徴の中心に最小値を有する、請求項５記載の光学素子構造。
前記制御された屈折率が位相特徴に沿って直線的に変化する、請求項５記載の光学素子構造。
当該光学素子構造が導波路、合波器、ミラー及びレンズのいずれかである、請求項１記載の光学素子構造。
前記基板が可撓性基板である、請求項１記載の光学素子構造。
前記可撓性基板がプラスチック材料からなる、請求項１１記載の光学素子構造。
前記基板がガラス、石英、セラミック材料、結晶性材料及び半導体材料の少なくとも１種からなる、請求項１記載の光学素子構造。
前記光学素子構造が位相特徴を複数個有する、請求項１記載の光学素子構造。
前記複数の位相特徴が配列をなす、請求項１４記載の光学素子構造。
前記制御された組成が１個以上の位相特徴に沿って変化する、請求項１記載の光学素子構造。
前記制御された位相プロファイルが凹状プロファイル、凸状プロファイル及び多角形プロファイルの１個以上を有する、請求項１記載の光学素子構造。
前記重合性複合材料がポリマーバインダー及び未硬化モノマーを含有する、請求項１記載の光学素子構造。
前記ポリマーバインダーが環状オレフィンコポリマー、アクリルポリマー、ポリイミド、ポリカーボネート、ポリスルホン、ポリフェニレンオキシド、ポリエーテルケトン、ポリフッ化ビニル及びこれらの組合せの少なくとも１種を含有する、請求項１８記載の光学素子構造。
前記アクリルポリマーが、ポリ（メチルメタクリレート）、ポリ（テトラフルオロプロピルメタクリレート）、ポリ（２，２，２−トリフルオロエチルメタクリレート）、ポリ（テトラフルオロプロピルメタクリレート）、アクリルポリマーから誘導された構造単位を含むコポリマー及びこれらの組合せの少なくとも１種である、請求項１９記載の光学素子構造。
前記未硬化モノマーが、アクリルモノマー、シアン酸モノマー、ビニルモノマー、エポキシド含有モノマー及びこれらの組合せの少なくとも１種である、請求項１８記載の光学素子構造。
前記未硬化モノマーが、ベンジルメタクリレート、２，２，２−トリフルオロエチルメタクリレート、テトラフルオロプロピルメタクリレート、メチルメタクリレート、３，４−エポキシシクロヘキシルメチル−３，４−エポキシシクロヘキサンカルボキシレート、ビスフェノールＡジグリシジルエーテル、ビスフェノールＦジグリシジルエーテル、スチレン、アリルジグリコールカーボネート及びシアン酸エステルの少なくとも１種を含有する、請求項２１記載の光学素子構造。
前記１個以上の位相特徴各々の寸法が約１００μｍ未満である、請求項１記載の光学素子構造。
前記１個以上の位相特徴各々の寸法が約５μｍ未満である、請求項１記載の光学素子構造。
前記１個以上の位相特徴各々の寸法が約２μｍ未満である、請求項１記載の光学素子構造。
当該光学素子構造が多モード導波デバイス、単一モード導波デバイス、光データ記憶デバイス、熱光学スイッチ及びマイクロ電子機械システムの少なくともいずれかを含む、請求項１記載の光学素子構造。
前記基板がクラッド層を含み、このクラッド層が光学素子構造を構成する、請求項１記載の光学素子構造。
光学素子構造用の位相特徴であって、当該位相特徴が基板上に設けられており、当該位相特徴が、
制御された組成を有するポリマー複合材料を含み、
制御された位相プロファイル及び位相特徴に沿って制御された屈折率を有し、
そこを通過する放射線を方向転換する、る位相特徴。
前記位相プロファイルの制御された組成が基板の組成とは異なる、請求項２８記載の位相特徴。
前記位相プロファイルに沿って制御された屈折率が基板の屈折率とは異なる、請求項２８記載の位相特徴。
前記制御された屈折率が最大値と最小値の間で変化する、請求項２８記載の位相特徴。
前記制御された屈折率が位相特徴に沿って０．２％以上変化する、請求項３０記載の位相特徴。
前記制御された屈折率が位相特徴の中心に最大値を有する、請求項２８記載の位相特徴。
前記制御された屈折率が位相特徴の中心に最小値を有する、請求項２８記載の位相特徴。
前記制御された屈折率が位相特徴に沿って直線的に変化する、請求項２８記載の位相特徴。
前記制御された組成が位相特徴に沿って変化する、請求項２８記載の位相特徴。
当該位相特徴が凹状特徴、凸状特徴及び多角形特徴の少なくともいずれかを有する、請求項２８記載の位相特徴。
前記ポリマー複合材料が重合性複合材料から形成される、請求項２８記載の位相特徴。
前記重合性複合材料がポリマーバインダー及び未硬化モノマーを含有する、請求項３８記載の位相特徴。
前記ポリマーバインダーが環状オレフィンコポリマー、アクリルポリマー、ポリイミド、ポリカーボネート、ポリスルホン、ポリフェニレンオキシド、ポリエーテルケトン、ポリフッ化ビニル及びこれらの組合せの少なくとも１種を含有する、請求項３９記載の位相特徴。
前記アクリルポリマーが、ポリ（メチルメタクリレート）、ポリ（テトラフルオロプロピルメタクリレート）、ポリ（２，２，２−トリフルオロエチルメタクリレート）、ポリ（テトラフルオロプロピルメタクリレート）、アクリルポリマーから誘導された構造単位を含むコポリマー及びこれらの組合せの少なくとも１種である、請求項４０記載の位相特徴。
前記未硬化モノマーが、アクリルモノマー、シアン酸モノマー、ビニルモノマー、エポキシド含有モノマー及びこれらの組合せの少なくとも１種である、請求項３９記載の位相特徴。
前記未硬化モノマーが、ベンジルメタクリレート、２，２，２−トリフルオロエチルメタクリレート、テトラフルオロプロピルメタクリレート、メチルメタクリレート、３，４−エポキシシクロヘキシルメチル−３，４−エポキシシクロヘキサンカルボキシレート、ビスフェノールＡジグリシジルエーテル、ビスフェノールＦジグリシジルエーテル、スチレン、アリルジグリコールカーボネート及びシアン酸エステルの少なくとも１種を含有する、請求項３９記載の位相特徴。
当該位相特徴の寸法が約１００μｍ未満である、請求項２８記載の位相特徴。
当該位相特徴の寸法が約５μｍ未満である、請求項２８記載の位相特徴。
当該位相特徴の寸法が約２μｍ未満である、請求項２８記載の位相特徴。
前記光学素子構造が多モード導波デバイス、単一モード導波デバイス、熱光学スイッチ、マイクロ電子機械システム及び光データ記憶デバイスの少なくともいずれかを含む、請求項２８記載の位相特徴。
前記基板がクラッド層を含み、このクラッド層が光学素子構造を構成する、請求項２８記載の位相特徴。
基板と基板の表面に設けられた１個以上の位相特徴とを備える光学素子構造であって、
位相特徴が少なくとも１種のポリマーバインダー及び少なくとも１種の未硬化モノマーを含有する重合性複合材料から形成され、
位相特徴が制御された組成プロファイル及び制御された屈折率を有し、位相特徴の屈折率が基板の屈折率とは異なり、位相特徴がそこを通過する放射線を方向転換する、
光学素子構造。
前記ポリマーバインダーが環状オレフィンコポリマー、アクリルポリマー、ポリイミド、ポリカーボネート、ポリスルホン、ポリフェニレンオキシド、ポリエーテルケトン、ポリフッ化ビニル及びこれらの組合せの少なくとも１種を含有する、請求項４９記載の光学素子構造。
前記アクリルポリマーが、ポリ（メチルメタクリレート）、ポリ（テトラフルオロプロピルメタクリレート）、ポリ（２，２，２−トリフルオロエチルメタクリレート）、ポリ（テトラフルオロプロピルメタクリレート）、アクリルポリマーから誘導された構造単位を含むコポリマー及びこれらの組合せの少なくとも１種である、請求項５０記載の光学素子構造。
前記未硬化モノマーが、アクリルモノマー、シアン酸モノマー、ビニルモノマー、エポキシド含有モノマー及びこれらの組合せの少なくとも１種である、請求項４９記載の光学素子構造。
前記未硬化モノマーが、ベンジルメタクリレート、２，２，２−トリフルオロエチルメタクリレート、テトラフルオロプロピルメタクリレート、メチルメタクリレート、３，４−エポキシシクロヘキシルメチル−３，４−エポキシシクロヘキサンカルボキシレート、ビスフェノールＡジグリシジルエーテル、ビスフェノールＦジグリシジルエーテル、スチレン、アリルジグリコールカーボネート及びシアン酸エステルの少なくとも１種を含有する、請求項４９記載の光学素子構造。
前記制御された組成プロファイルが位相特徴に沿って変化する、請求項４９記載の光学素子構造。
前記位相特徴が凹状特徴、凸状特徴及び多角形特徴の少なくともいずれかを有する、請求項４９記載の光学素子構造。
前記位相特徴の寸法が約１００μｍ未満である、請求項４９記載の光学素子構造。
前記位相特徴の寸法が約５μｍ未満である、請求項４９記載の光学素子構造。
前記位相特徴の寸法が約２μｍ未満である、請求項４９記載の光学素子構造。
当該光学素子構造が多モード導波デバイス、単一モード導波デバイス、光データ記憶デバイス、熱光学スイッチ及びマイクロ電子機械システムの少なくともいずれかを含む、請求項４９記載の光学素子構造。
前記基板がクラッド層を含み、このクラッド層が光学素子構造を構成する、請求項４９記載の光学素子構造。
前記基板がガラス、石英、セラミック材料、結晶性材料及び半導体材料の少なくとも１種からなる、請求項１記載の光学素子構造。