JP2009015015A - 高分子光導波路及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】耐熱性の高い材料を用いなくても耐熱性を向上させ、廉価かつ簡便に製造することができる高分子光導波路及びその製造方法を提供する。
【解決手段】この高分子光導波路１は、１又は２以上の薄膜３０より構成された第１の層３Ａと、第１の層３Ａ上に形成されたコア４０と、コア４０を覆うように第１の層３Ａ上に形成され、第１の層３Ａを構成する薄膜３０よりも厚い厚さを有し、コア４０よりも屈折率が小さいクラッド４１と、クラッド４１上に形成され、クラッド４１よりも薄い厚さを有する１又は２以上の薄膜３０より構成された第２の層３Ｂとを備える。本高分子光導波路１が高温環境下に置かれた場合に、第１及び第２の層３Ａ，３Ｂは、応力緩和層として機能し、反り等の変形を抑制する。
【選択図】図１

Description

本発明は、高分子光導波路及びその製造方法に関する。

従来の光導波路として、例えば、コア形成面に多層膜を形成したものが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

この光導波路は、基板と、基板上に形成された下クラッド層と、下クラッド層上に形成された多層膜と、多層膜上に形成され、下クラッド層および多層膜よりも屈折率の大きいコアと、コアを覆うように形成され、コアよりも屈折率の小さい上クラッド層とを備え、多層膜は、溶融温度が低い第１のガラス層と、形状を保持する第２のガラス層とが任意の開始順序で交互に積層されている。この構成によれば、アニール処理によって多層膜の第１のガラス層が溶融し、下クラッド層の表面に存在する微細な凹凸が多層膜で吸収され、コア形成面が平坦化される。
特開２００５−１４０８１５号公報

本発明の目的は、耐熱性の高い材料を用いなくても耐熱性を向上させ、廉価かつ簡便に製造することができる高分子光導波路及びその製造方法を提供することにある。

本発明の一態様は、上記目的を達成するため、以下の高分子光導波路及びその製造方法を提供する。

［１］１又は２以上の薄膜より構成された第１の層と、前記第１の層上に形成されたコアと、前記コアを覆うように前記第１の層上に形成され、前記第１の層を構成する前記薄膜よりも厚い厚さを有し、前記コアよりも屈折率が小さいクラッドと、前記クラッド上に形成され、前記クラッドよりも薄い厚さを有する１又は２以上の薄膜より構成された第２の層とを備えた高分子光導波路。

［２］前記第１の層の少なくとも前記コア側の前記薄膜は、前記クラッドと同一の材料から形成された前記［１］に記載の高分子光導波路。

［３］前記第１の層を構成する前記薄膜の数が、前記第２の層を構成する前記薄膜の数と同一である前記［１］に記載の高分子光導波路。

［４］前記第１及び第２の層を構成する前記薄膜は、前記クラッドと同一の材料から形成された前記［１］に記載に高分子光導波路。

［５］第１の基板と、前記第１の基板上に形成された１又は２以上の薄膜より構成された第１の層と、前記第１の層上に形成されたコアと、前記コアを覆うように前記第１の層上に形成され、前記第１の層を構成する前記薄膜よりも厚い厚さを有し、前記コアよりも屈折率が小さいクラッドと、前記クラッド上に形成され、前記クラッドよりも薄い厚さを有する１又は２以上の薄膜より構成された第２の層と、前記第２の層上に形成された第２の基板とを備えた高分子光導波路。

［６］コア、及び前記コアの周囲に前記コアよりも屈折率の小さいクラッドから構成された光導波路層と、前記光導波路層の両面に形成され、前記光導波路層よりも薄い厚さを有する１又は２以上の薄膜より構成された第１及び第２の層とを備えた高分子光導波路。

［７］基板上に１又は２以上の薄膜を形成する第１の工程と、前記薄膜が形成された前記基板を２つに分ける第２の工程と、前記第２の工程で分けられた２つの基板のうち一方の基板の前記薄膜上に直接又はクラッド層を介してコアを形成する第３の工程と、前記薄膜又は前記クラッド層上に、前記コアを覆うように前記薄膜よりも厚い厚さを有し、前記コアよりも屈折率が小さいクラッドを形成する第４の工程と、前記一方の基板上に形成された前記クラッドに、前記第２の工程で分けられた２つの基板のうち他方の基板の前記薄膜を接合する第５の工程とを含む高分子光導波路の製造方法。

請求項１に係る高分子光導波路によれば、耐熱性の高い材料を用いなくても耐熱性を向上させ、廉価かつ簡便に製造することができる。

請求項２に係る高分子光導波路によれば、コアと接する層をそのままクラッド層として用いることができ、工程数増加によるコスト高を回避することが可能となる。

請求項３に係る高分子光導波路によれば、高温環境下における変形を抑制することができる。

請求項４に係る高分子光導波路によれば、クラッドの厚さを質を低下させることなく、厚くすることができ、高温環境下における変形を抑制することができる。

請求項５に係る高分子光導波路によれば、耐熱性の高い材料を用いなくても耐熱性を有する高分子光導波路を廉価かつ簡便に高分子光導波路を製造することができる。

請求項６に係る高分子光導波路によれば、クラッドを厚く形成することが可能になり、耐熱性の高い材料を用いなくても耐熱性を向上させ、廉価かつ簡便に製造することができる。

請求項７に係る高分子光導波路の製造方法によれば、耐熱性の高い材料を用いなくても耐熱性を向上させ、廉価かつ簡便に製造することができる。

［第１の実施の形態］
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る高分子光導波路の概略の構成例を示す断面図である。

この高分子光導波路１は、下部基板２Ａと、下部基板２Ａ上に形成され、１又は２以上の薄膜３０からなる第１の層３Ａと、第１の層３Ａ上に形成された光導波路層４と、光導波路層４上に形成された１又は２以上の薄膜３０からなる第２の層３Ｂと、第２の層３Ｂ上に形成された上部基板２Ｂとを有して構成されている。

（光導波路層）
光導波路層４は、第１の層３Ａ上に形成された複数のコア４０と、これらのコア４０の周囲（側面及び上面）を覆うように第１の層３Ａ上に形成され、コア４０よりも小さい屈折率を有するクラッド４１とから構成されている。

コア４０は、例えば、紫外線硬化性樹脂、熱硬化性樹脂等の硬化性樹脂からなり、その横断面のサイズは、用途等に応じて適宜決められ、一般に、シングルモード用には１０μｍ角程度のサイズ、マルチモード用には５０〜２５０μｍ角程度のサイズが用いられる。本実施の形態では、５０μｍ角のコア４０を用いる。

クラッド４１は、その材料が用途に応じて、材料の屈折率及び光透過性等の光学的特性、機械的強度、耐熱性、フレキシビリティー（可撓性）等を考慮して決定され、例えば、紫外線硬化性樹脂、熱硬化性樹脂等の硬化性樹脂からなる。

（下部基板及び上部基板）
下部基板２Ａ及び上部基板２Ｂは、樹脂、ガラス、セラミック、金属等から形成される。高温環境下における変形を抑制するためには、耐熱性（例えばガラス転移点１５０℃以上）を有するものが好ましい。また、第１及び第２の層３Ａ，３Ｂとの接着性が良好であり、かつ、第１及び第２の層３Ａ，３Ｂとの線膨張係数差が、例えば、５×１０^−６／℃以下と小さいことが、高温環境下における、はがれ、変形を抑制するために好ましい。また、用途に応じて、光透過性等の光学的特性、機械的強度、フレキシビリティー（可撓性）等が要求される。屈折率は、コア４０との接触がないため、伝搬光に影響を与えないことから、特に制限されないが、コア４０、クラッド４１、第１及び第２の層３Ａ，３Ｂに紫外線硬化樹脂を用いる場合は、紫外領域に対して透明性が高いことが必要である。

（第１及び第２の層）
第１の層３Ａを構成する各薄膜３０は、クラッド４１と同一の材料から形成される必要はなく、さらに、各薄膜３０同士が同一の材料から形成されていなくてもよいが、コア４０と接する最上部の薄膜３０は、クラッドとして機能するため、クラッド４１と同一又は近似した屈折率を有する必要がある。また、第１の層３Ａを構成する各薄膜３０の材料は、製造の簡便さとコストの点から、コア４０周囲のクラッド４１と同一の材料が好ましい。

第２の層３Ｂを構成する各薄膜３０は、クラッド４１と同一の材料から形成される必要はなく、さらに、各薄膜３０同士が同一の材料から形成されていなくてもよい。また、第２の層３Ｂを構成する各薄膜３０の材料は、製造の簡便さとコストの点から、コア４０周囲のクラッド４１と同一の材料が好ましい。

第１及び第２の層３Ａ，３Ｂを構成する薄膜３０の数は、光導波路１全体の厚さによって制限されるが、応力緩和を促進し、変形を抑制するため、多い方が望ましい。また、第１及び第２の層３Ａ，３Ｂを構成する各薄膜３０は、第１及び第２の層３Ａ，３Ｂ間で同じ材料でもよいし、異なっていてもよいが、簡便さとコストからクラッド材と同一材料であることが望ましく、硬化型高分子材料が好適で、特に紫外線硬化型、熱硬化型が好ましい。

光導波路１が上下対称構造でないと、光導波路１の上部側と下部側の線膨張係数差から、高温環境下で光導波路が反ったり、変形したりする現象が生じ、結果として導波光の漏れとなって損失増大を招くので、上下対称であることが望ましい。そのため、第１及び第２の層３Ａ，３Ｂ間で薄膜３０の数、膜厚、材料は、等しい方が好ましい。また、第１及び第２の層３Ａ，３Ｂを構成する薄膜３０は、光導波路層４との線膨張係数差が、例えば、５×１０^−６／℃小さいことが、高熱環境下における、はがれ、変形を抑制するために好ましい。さらに、第１及び第２の層３Ａ，３Ｂを構成する薄膜３０の膜厚は、光導波路層４よりも薄い厚さ、例えば、２〜３０μｍが好ましく、５〜２０μｍがより好ましい。

（第１及び第２の層の作用）
一般的な高分子導波路の形態は、下部クラッドと、下部クラッド上のコアと、コアを取り囲むように形成され、コアよりも屈折率の小さいクラッドとからなる。この構成に更に上下外側に第１及び第２の層を有する本実施の形態の構造を採用すると、高温環境下においてクラッドとその外側の層との界面における、線膨張係数差によって発生する応力を緩和し、耐熱性が増すといった効果を奏する。さらに、第１及び第２の層３Ａ，３Ｂを構成する薄膜３０を薄くし、膜数を増すことで、さらに応力緩和が働き、さらに耐熱性が増すといった効果を奏し、応力緩和層とし機能する。なお、下部および上部の少なくともどちらか一方に薄膜（応力緩和層）を形成することで、耐熱性を向上させることができる。

図２は、本高分子光導波路１の製造方法の一例を示す断面図である。本製造方法は、次の工程からなる。

（ａ）基板を用意する工程（第１の工程）
（ｂ）基板に第１及び第２の層の第１薄膜を形成する工程（第１の工程）
（ｃ）さらに第１及び第２の層の第２薄膜、第３薄膜を形成する工程（第１の工程）
（ｄ）第１及び第２の層を形成した基板を切断する工程（第２の工程）
（ｅ）第１の層上にコアを形成する工程（第３の工程）
（ｆ）コアが形成された第１の層上にクラッドを塗布する工程（第４の工程）
（ｇ）上部基板を貼り合わせ、クラッドを硬化し、導波路構造を完成する工程（第５の工程）
以下に、上記各工程について詳細に説明する。

（ａ）基板を用意する工程
図２（ａ）に示すように、下部基板２Ａ及び上部基板２Ｂとなる基板２を準備する。ここでは、基板２として、ガラス転移点１７１℃のノルボルネン系耐熱透明樹脂からなるアートンフィルム（ＪＳＲ株式会社製）を用いる。

（ｂ）基板に第１及び第２の層の１層目の薄膜を形成する工程
基板２上に第１及び第２の層３Ａ，３Ｂの１層目の薄膜（基板２側の薄膜）３０を形成する。この薄膜３０を形成する方法としては、デポジション法、ディップ法、スピンコート法、ドライフィルム貼り付け等が挙げられるが、簡便さ、製造コスト、またクラッド材と同一材料を使用する等を考慮したとき、スピンコート法が好ましい。

（ｃ）さらに第１及び第２の層の２層目、３層目の薄膜を形成する工程
上記（ｂ）の工程で作製した１層目の薄膜３０上にさらに２層目、３層目の薄膜３０を形成する。この２層目、３層目の薄膜３０を形成する方法としては、上記（ｂ）の方法を繰り返すことによって実現する。

（ｄ）第１及び第２の層を形成した基板を切断する工程
上記（ｂ）、（ｃ）の工程で作製された第１及び第２の層３Ａ，３Ｂを有する基板２を切断し、下部基板２Ａおよび上部基板２Ｂとする。切断する方法は、特に制限されないが、正確な寸法、およびばり、チッピングの少ないことを考慮すると、ダイシングソーを利用する方法が好ましい。

（ｅ）第１の層上にコアを形成する工程
第１の層３Ａ上にコア４０を形成する。第１の層３Ａ上にコア４０を形成する方法としては、直接露光法、エッチング法等、制限なく用いることができるが、簡便さと低コストから本出願人が先に出願したマイクロモールディング法（特開２００４−２９５０７号公報、特開２００４−８６１４４号公報、特開２００４−１０９９２７号公報）を用いることが好ましい。

ここで、このマイクロモールディング法によるコア４０の形成工程について図３を参照して説明する。

図３（ａ）〜（ｄ）は、本発明の第１の実施の形態に係るコアの形成工程の一例を示す断面図である。図３（ａ）に示すように、ベース５０上にコア４０に対応した形状の凸部５１を設けた原盤５を作製する。原盤５の作製には、例えば、フォトリソグラフィ法等を用いることができる。また、本出願人が先に出願した電着法又は光電着法により高分子光導波路を作製する方法（特開２００２−３３３５３８号公報）も原盤５を作製するのに適用することができる。

次に、原盤５の凸部５１が形成された面に、図３（ｂ）に示すように、鋳型形成用硬化性樹脂を塗布または注型し、必要に応じて乾燥処理した後、鋳型形成用硬化性樹脂を硬化させて鋳型６を作製する。鋳型６には、コア４０に対応した凹部６ａが形成される。鋳型形成用硬化性樹脂として、例えば、硬化後に、シリコーンゴム又はシリコーン樹脂となる硬化性オルガノポリシロキサンが好ましい。

次に、原盤５から鋳型６を剥離し、図３（ｃ）に示すように、下部基板２Ａ上に形成された第１の層３Ａの上に鋳型６を配置し、鋳型６の凹部６ａ中にコア形成用硬化性樹脂７を毛細管現象及び減圧吸引を利用して充填し、コア形成用硬化性樹脂７を硬化させた後、鋳型６を剥離する。このようにして図３（ｄ）に示すように下部基板２Ａの第１の層３Ａ上にコア４０が形成される。

（ｆ）コアが形成された第１の層上にクラッドを塗布する工程
次に、図２（ｆ）に示すように、コア４０が形成された第１の層３Ａ上にクラッド４１を滴下する。

（ｇ）上部基板を貼り合わせ、クラッドを硬化し、導波路構造を完成する工程
次に、図２（ｇ）に示すように、工程（ｆ）で滴下されたクラッド材に対して、上部から第２の層３Ｂが下方面となるよう、工程（ｄ）で作製された上部基板２Ｂを貼り合わせる。工程（ｆ）で滴下されたクラッド材が硬化型のときには、硬化処理を施し、クラッド材を硬化させる。

その後、導波路の端面形成を行い、高分子光導波路１を完成させるが、端面形成の方法としてはダイシングソーによる切削が挙げられる。以上の工程により、応力緩和層を具備した耐熱性高分子光導波路１が完成する。

［第２の実施の形態］
図４は、本発明の第２の実施の形態に係る高分子光導波路の概略の構成例を示す断面図である。

この高分子光導波路１０は、下部基板２Ａと、下部基板２Ａ上に形成され、１又は２以上の薄膜３０からなる第１の層３Ａと、第１の層３Ａ上に形成された光導波路層１４と、光導波路層１４上に形成された１又は２以上の薄膜３０からなる第２の層３Ｂと、第２の層３Ｂ上に形成された上部基板２Ｂとを有して構成されている。

（光導波路層）
光導波路層１４は、第１の層３Ａ上に形成された下部クラッド１４１Ａと、下部クラッド１４１Ａ上に形成された複数のコア１４０と、これらのコア１４０の周囲（側面及び上面）を覆うように下部クラッド１４１Ａ上に形成され、コア１４０よりも小さい屈折率を有する上部クラッド１４１Ｂとから構成されている。

コア１４０は、第１の実施の形態と同様に、紫外線硬化性樹脂、熱硬化性樹脂等の硬化性樹脂からなり、その横断面のサイズは、用途等に応じて適宜決められ、本実施の形態では、５０μｍ角のコア１４０を用いる。

下部クラッド１４１Ａ及び上部クラッド１４１Ｂは、第１の実施の形態と同様に、紫外線硬化性樹脂、熱硬化性樹脂等の硬化性樹脂からなる。下部クラッド１４１Ａ及び上部クラッド１４１Ｂは、厚さの制限は特にないが、下部クラッド１４１Ａは、薄膜３０よりも厚い厚さを有する。

（第１及び第２の層）
第１及び第２の層３Ａ，３Ｂを構成する各薄膜３０は、クラッド１４１Ａ、１４１Ｂと同一の材料から形成される必要はなく、さらに、各薄膜３０同士が同一の材料から形成されていなくてもよい。また、第１及び第２の層３Ａ，３Ｂを構成する各薄膜３０の材料は、第１の実施の形態と同様に、製造の簡便さとコストの点から、コア１４０周囲のクラッド１４１Ａ、１４１Ｂと同一の材料が好ましい。第１の実施の形態では、コアに接する薄膜３０は、クラッドと同一又は近似した屈折率を有する必要があったが、本実施の形態では、そのような制限はない。本実施の形態においても、第１及び第２の層３Ａ，３Ｂは、第１の実施の形態と同様に、応力緩和層として機能する。

本実施の形態の高分子光導波路１０は、第１の実施の形態と同様に作製することができる。すなわち、基板２上に所要枚数の薄膜３０を形成し、これを２つに分けて下部基板２Ａ、上部基板２Ｂとする。次に、下部基板２Ａの薄膜３０上に下部クラッド１４１Ａを形成し、下部クラッド１４１Ａ上にコア１４０を形成し、コア１４０の側面及び上面を覆うように下部クラッド１４１Ａ上に上部クラッド１４１Ｂを形成する。次に、上部クラッド１４１Ａに上部基板２Ａを薄膜３０を下面側にして接合することにより、高分子光導波路１０が作製される。

図５は、本発明の実施例１〜３と比較例１の構造と挿入損失の比較結果を示す。

実施例１〜３は、第１の実施の形態に対応するものであり、基板２として、アートンフィルム（ＪＳＲ株式会社製、膜厚１８８μｍ）を用い、このアートンフィルム上に、屈折率１．５１の紫外線硬化型高分子材料をスピンコート法により着膜し、これを紫外線照射により硬化させて厚さ７μｍの薄膜３０を作製した（実施例１）。さらに同スピンコート法および紫外線照射によって、３層、５層の薄膜を作製した（実施例２、実施例３）。次に、ダイシングソーを用いて２分し、一方を下部フィルム（下部基板２Ａ）、他方を上部フィルム（上部基板２Ｂ）とした。光導波路層４の厚さＴはいずれも０．１２４ｍｍ、長さは４０ｍｍである。

（比較例１）
比較例１として、薄膜を形成せず、光導波路層４が同厚の０．５ｍｍ、同長の５０ｍｍの高分子光導波路を作製した。

（評価）
上記実施例１〜３及び比較例１の高分子光導波路を２５０℃を頂点とするリフロー環境下に３回設置した後と設置前の挿入損失の変化を測定したところ、実施例１では０．２１ｄＢ、実施例３では０．１８ｄＢ、実施例４では０．１１ｄＢとなり、比較例１は０．２７ｄＢとなった。図５から、実施例１〜３は、上部に薄膜を有していない比較例１よりも挿入損失の変化が小さいことが分かる。また、薄膜３０の枚数が多いほど挿入損失の変化が小さいことが分かる。

なお、本発明は、上記実施の形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々な変形実施が可能である。例えば、上記各実施の形態では、完成した光導波路は、上下に基板を有しているが、一方又は両方の基板を有していなくてもよい。また、上記各実施の形態では、光導波路層は、１層のみを形成したが、１層以上を積層し、その上に緩和層を形成してもよい。

図１は、本発明の第１の実施の形態に係る高分子光導波路の概略の構成例を示す断面図である。 図２（ａ）〜（ｇ）は、本発明の第１の実施の形態に係る高分子光導波路の製造方法の一例を示す断面図である。 図３（ａ）〜（ｄ）は、本発明の第１の実施の形態に係るコアの形成工程の一例を示す断面図である。 図４は、本発明の第２の実施の形態に係る高分子光導波路の概略の構成例を示す断面図である。 図５は、本発明の実施例１〜３と比較例１の構造と挿入損失の比較結果を示す図である。

符号の説明

１ 高分子光導波路
２ 基板
２Ａ 下部基板
２Ｂ 上部基板
３Ａ 第１の層
３Ｂ 第２の層
４ 光導波路層
５ 原盤
６ 鋳型
６ａ 凹部
７ コア材
１０ 高分子光導波路
１４ 光導波路層
３０ 薄膜
４０ コア
４１ クラッド
５０ ベース
５１ 凸部
１４０ コア
１４１Ａ 下部クラッド
１４１Ｂ 上部クラッド

Claims (7)

1. １又は２以上の薄膜より構成された第１の層と、
   前記第１の層上に形成されたコアと、
   前記コアを覆うように前記第１の層上に形成され、前記第１の層を構成する前記薄膜よりも厚い厚さを有し、前記コアよりも屈折率が小さいクラッドと、
   前記クラッド上に形成され、前記クラッドよりも薄い厚さを有する１又は２以上の薄膜より構成された第２の層とを備えた高分子光導波路。
2. 前記第１の層の少なくとも前記コア側の前記薄膜は、前記クラッドと同一の材料から形成された請求項１に記載の高分子光導波路。
3. 前記第１の層を構成する前記薄膜の数が、前記第２の層を構成する前記薄膜の数と同一である請求項１に記載の高分子光導波路。
4. 前記第１及び第２の層を構成する前記薄膜は、前記クラッドと同一の材料から形成された請求項１に記載に高分子光導波路。
5. 第１の基板と、
   前記第１の基板上に形成された１又は２以上の薄膜より構成された第１の層と、
   前記第１の層上に形成されたコアと、
   前記コアを覆うように前記第１の層上に形成され、前記第１の層を構成する前記薄膜よりも厚い厚さを有し、前記コアよりも屈折率が小さいクラッドと、
   前記クラッド上に形成され、前記クラッドよりも薄い厚さを有する１又は２以上の薄膜より構成された第２の層と、
   前記第２の層上に形成された第２の基板とを備えた高分子光導波路。
6. コア、及び前記コアの周囲に前記コアよりも屈折率の小さいクラッドから構成された光導波路層と、
   前記光導波路層の両面に形成され、前記光導波路層よりも薄い厚さを有する１又は２以上の薄膜より構成された第１及び第２の層とを備えた高分子光導波路。
7. 基板上に１又は２以上の薄膜を形成する第１の工程と、
   前記薄膜が形成された前記基板を２つに分ける第２の工程と、
   前記第２の工程で分けられた２つの基板のうち一方の基板の前記薄膜上に直接又はクラッド層を介してコアを形成する第３の工程と、
   前記薄膜又は前記クラッド層上に、前記コアを覆うように前記薄膜よりも厚い厚さを有し、前記コアよりも屈折率が小さいクラッドを形成する第４の工程と、
   前記一方の基板上に形成された前記クラッドに、前記第２の工程で分けられた２つの基板のうち他方の基板の前記薄膜を接合する第５の工程とを含む高分子光導波路の製造方法。

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