JP2849483B2 - 光導波路の製造方法 - Google Patents

光導波路の製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、有機ポリマー中に半導
体超微粒子が選択的部分に分散してなることにより、屈
折率が周囲より大なる光導波部を有することを特徴とす
る光導波路の製造方法に関する。
【0002】光導波路は、光ファイバーの分岐・結合を
容易に行なったり、光スイッチなどの非線形光学動作を
行わせるためにきわめて有用である。
【0003】
【従来の技術】光通信や光情報処理分野において利用さ
れる光回路の研究は近年、急速な進歩を遂げ、その中で
も光導波路の開発はめざましいものがある。
【0004】光導波路には、LiNbO3にTiを拡散させた無
機結晶やイオン交換により金属を他金属と交換したガラ
スなどの他に有機ポリマー光導波路がある。
【0005】従来の有機ポリマー導波路製造法として
は、リソグラフィーを応用し、光導波路パターンを形成
する方法、すなわち、モノマーを含む有機ポリマー膜を
作製したのち、パターン用マスクを用いて選択的に紫外
線重合させて、屈折率変化をもたせる方法、あるいはレ
ーザースキャンにより高屈折率の導波路を形成する方法
等がある(特開昭63-91604)。
【0006】従来、リソグラフィーを応用した光導波路
パターンの形成に於いては、紫外線照射による架橋反応
と競争する樹脂の黄変や、エッチング時の有機ポリマー
の膨潤による材料の変質という問題が指摘されている。
これを克服する方法として、例えば、特開昭64-59302に
は露光によるエッチング処理を有機溶剤ではなく、水を
使用しておこなう方法などが開示されている。しかしな
がら、このような露光、エッチング処理による方法は、
特に有機ポリマー光導波路の作製に対しては依然問題点
が多いといわれている。
【0007】有機ポリマー非線形動作光導波路として
は、ポーリング(電界配向)処理、即ち、ポリマーの軟
化点温度あるいはガラス転移点付近に於いて、電界を印
加し、含有されている極性低分子の配向を揃えるという
処理をされた有機ポリマー導波路がある。これは下部電
極をリソグラフィーによって設け、バッファ層をその上
に構成し、メチルニトロアニリンなどの非線形光学性化
合物を分散した有機ポリマーをコートする。この上にパ
ターン化された電極を施し、電極に印加することによ
り、電極印加部分に存在するメチルニトロアニリンが分
極配向し、周囲の非配向部分に比較して高屈折率部分が
形成された非線形光学効果を有する導波路である(R.Ly
tel ら、SPIE予稿集第 824号、152 頁, 1987年)。
【0008】しかし、経時変化のために所要屈折率発現
のために不可欠の分子の配向が解消したり、配向を保持
するために電界をかけておく必要があったりする難点が
ある。また、分子の配向分極効果にもとづくために屈折
率差が大きくとりにくいなどの欠点を有する。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】本発明者らは、以上に
述べた従来技術における問題点を一挙に解決するべく研
究を行い、光導波路、就中、非線形光学効果を併せもつ
パターン集積化された有機ポリマー光導波路の新規な製
造方法を見出し、本発明をなすに到った。
【0010】本発明は、有機ポリマー中に半導体超微粒
子が選択的部分に分散してなることにより、屈折率が周
囲より大なる光導波部を有する光導波路の製造方法に関
するもので、半導体超微粒子の原料となる金属元素化合
物を含有した前駆体有機ポリマーに該金属元素化合物と
反応して半導体超微粒子を生成する反応性物質を反応さ
せることにより半導体超微粒子を選択的部分に分散させ
て、光導波部を形成するに際し、前駆体有機ポリマー
に、反応性物質含有樹脂溶液により導波路形成用パター
ンをプリントすることを特徴とする該光導波路の製造方
法を提供するものである。
【0011】本発明方法によると、感光性樹脂を用いた
露光あるいは溶剤を用いたエッチング処理工程が省略さ
れるので、製造工程中における材料の変質化の虞れがな
い。また、光導波路形成のためにプリント部分に屈折率
の異なる物質を分散させるので、経時変化による配向分
極の解消による屈折率差の低下を回避できるし、また分
極による効果ではないので充填率の向上により、より大
きい屈折率変化も付与しうる。
【0012】さらにまた、半導体超微粒子は空間的に 1
00オングストローム程度以下になるとその電子状態が閉
じ込め効果を受け、大きな非線形性能の発現することが
知られており、さらに有用性が高まる。
【0013】
【課題を解決するための手段】本発明により製造される
光導波路について第1図を用いて説明する。本発明によ
る光導波路は第1図中c)に示された断面図のように、金
属化合物を含有した有機ポリマー中のパターン化された
部分に選択的に半導体超微粒子が分散して、光導波部と
なった構造をしている。
【0014】次に、第1図にもとづき、本発明の製造方
法について記述する。まず、半導体超微粒子の原料とな
る金属元素化合物を含有した前駆体有機ポリマーを調製
する。
【0015】金属元素化合物としては、元素周期律表第
II−VI族元素化合物半導体超微粒子生成のために、過塩
素酸カドミウム、酢酸亜鉛、硝酸鉛などの第II族元素化
合物を用いる。
【0016】有機ポリマーとしては、透明性などの光学
的特性に優れた有機ポリマー、たとえばポリメチルメタ
クリレート、ポリアクリロニトリル、ポリカーボネー
ト、ポリスチレンなど、あるいはこれらのひとつないし
は複数を含有する混合物ないしは共重合体を用いる。
【0017】これら金属元素化合物、有機ポリマーを適
当な溶媒に溶解させる。例えば、ジメチルホルムアミ
ド、アセトニトリル、メタノール、テトラヒドロフラン
などの極性有機溶媒が金属元素ならびに有機ポリマーの
溶解性の観点から好ましく用いられる。
【0018】このようにして調製された溶液をガラスや
シリコンなどの適当な基板上にキャストあるいはスピン
コートすることにより展開する。含まれている溶媒は風
乾あるいは加熱乾燥、あるいは減圧処理することにより
除去処理をおこない、前駆体有機ポリマーフィルムを形
成する。尚、この前駆体有機ポリマーフィルムは、フィ
ルム状になっていれば溶媒が完全に除去されていなくて
も差し支えない。
【0019】このようにして得られた前駆体有機ポリマ
ーフィルムに反応性物質含有樹脂溶液により導波路形成
用パターンをプリントする。ここに、反応性物質含有樹
脂溶液とは、反応性物質と樹脂を溶解させる能力のある
溶剤、例えば、ジメチルホルムアミド、アセトニトリ
ル、メタノール、アセトン、ベンゼンなど、あるいは反
応性物質と樹脂を吸蔵する能力を有するいわゆる可塑
剤、例えば、フタル酸ジメチル、リン酸トリブチルなど
に反応性物質及び樹脂を溶解した樹脂溶液であり、樹脂
としてはブチラール樹脂、SBR樹脂、メラミン樹脂、
アクリル樹脂、天然ゴムあるいはこれらを基体とした組
成物などが用いられる。この反応性物質含有樹脂溶液
は、前駆体有機ポリマーにパターン化されて粘着・固着
化されるが、パターン化するのにスクリーニング印刷等
のプリント手段が適宜に採用される。
【0020】半導体超微粒子生成に必要な反応性物質と
しては気体、液体、固体のいずれでも、あるいはこれら
任意の混合物でもよく、気体としては、硫化水素ガス、
セレン化水素ガスなどの第VI族元素化合物ガスあるいは
窒素、ヘリウムなどの不活性ガスで希釈したガス、さら
にはこれらを任意な比率で混合した混合ガスを、液体と
しては、硫化ビス(トリメチルシリル)、セレン化ビス
(トリメチルシリル)等の第VI族元素化シリル誘導体あ
るいはこれらを任意な比率で混合した溶液を、固体とし
ては、硫化ナトリウムや硫化アンモニウム、セレン化水
素ナトリウム等の第VI族元素化合物あるいはこれらを任
意な比率で混合した固体を目的に応じて適宜用いる。反
応性物質含有樹脂溶液は、プリントされたパターン部分
に於て、反応性物質が接触している前駆体有機ポリマー
中に拡散する過程で半導体超微粒子を生成し、超微粒子
生成のない非パターン化部分に比較して高屈折率を有し
た導波路を形成する。
【0021】必要に応じ、金属元素化合物濃度、前駆体
有機ポリマー中の溶媒残存量を調節することにより生成
する半導体超微粒子の粒子径あるいは密度を調節するこ
とも可能である。
【0022】半導体超微粒子分散体の非線形光学効果
は、光吸収により発生する電子−正孔の空間的閉じ込め
効果を利用するため、粒子径は10から 100オングストロ
ーム程度に制御されるのが好ましい。
【0023】本発明の方法によると平面導波路、チャン
ネル導波路、導波路複合構造のものを得ることが可能で
ある。
【0024】
【実施例】以下、実施例により本発明をさらに詳細に説
明する。 実施例1 過塩素酸カドミウムCd(ClO4)2 ・6H2Oを1.0x10-4モル、
アクリロニトリル/スチレン共重合樹脂 0.5gを均一に
溶解させたジメチルホルムアミド溶液 3.5mlを直径70mm
のガラスシャーレに展開する。これを真空デシケーター
にいれ、1Torrの減圧下、室温で一日放置することによ
り、溶媒を除去し、前駆体有機ポリマーフィルムを得
る。このフィルムの膜厚は90μmであった。この前駆体
有機ポリマーフィルムに、硫化水素ガス雰囲気下、室温
で2時間放置して硫化水素を吸蔵させたフタル酸ジエチ
ルにアクリル樹脂を溶かした液を反応性物質含有樹脂溶
液として用い、塗布により直線状にパターンを形成し
た。これを窒素雰囲気下で20時間放置した後、アクリ
ル樹脂を取り去り、パターン部分のみが黄色に変化して
いるチャンネル形導波路を得た。生成した硫化カドミウ
ム半導体超微粒子による可視・紫外吸収スペクトルなら
びに電子顕微鏡観察写真により、プリントによる半導体
超微粒子の選択的部分への分散化が達成されていること
を確認した。導波路による進行光の閉じ込め効果は、ヘ
リウム−ネオンレーザー 632.8nmを用い、フィルム面内
で導波路直線方向に対して約10度の傾斜を持たせた入射
光線が導波路内に閉じ込められ、伝播されることが確か
められ、これにより光導波路の形成を確認した。
【0025】実施例2 ヨウ化カドミウムCdI2を5.0x10-4モル、アクリロニトリ
ル/スチレン共重合樹脂 0.5gを均一に溶解させたジメ
チルホルムアミド溶液 3.5mlを直径70mmのガラスシャー
レに展開する。これを真空デシケーターにいれ、1Torr
の減圧下、室温で一日放置することにより溶媒を除去
し、前駆体有機ポリマーフィルムを得る。このフィルム
の膜厚は90μmであった。この前駆体有機ポリマーフィ
ルムに、硫化水素雰囲気下に1時間放置して硫化水素を
溶解させたブチラール樹脂のエタノール溶液を反応性物
質含有樹脂溶液として用い、塗布により直線状にパター
ンを形成した。これを8時間放置し、チャンネル形導波
路を得た。生成した硫化カドミウム半導体超微粒子によ
る可視・紫外吸収スペクトルならびに電子顕微鏡観察写
真により、プリントによる半導体超微粒子の選択的部分
への分散化が達成されていることを確認した。
【0026】光導波路による進行光の閉じ込め現象は、
実施例1と同様の手法によってこれを確認した。
【0027】実施例3 ヨウ化カドミウムCdI2を1.0x10-4モル、ポリメチルメタ
クリレート 0.5gを均一に溶解させたジメチルホルムア
ミド溶液 3.5mlを直径70mmのガラスシャーレに展開す
る。これを真空デシケーターにいれ、1Torrの減圧下室
温で一日放置することにより、溶媒を除去し、前駆体有
機ポリマーフィルムを得る。このフィルムの膜厚は80μ
mであった。窒素シールされたドライボックス中で、ジ
メチルホルムアミドにセレン化水素ナトリウム及びブチ
ラール樹脂を溶かした溶液を反応性物質含有樹脂溶液と
して用い、この前駆体有機ポリマーフィルムに、塗布に
より直線状にパターンを形成した。これを窒素シールド
ライボックス中に8時間放置し、チャンネル形導波路を
得た。生成したセレン化カドミウム半導体超微粒子によ
る可視・紫外吸収スペクトルならびに電子顕微鏡観察写
真により、プリントによる半導体超微粒子の選択的部分
への分散化が達成されていることを確認した。
【0028】
【発明の効果】有機ポリマー光導波路は、加工性がよい
ことや取扱い易さの点から汎用性が高いことが期待され
ているが、本発明は新規な方法でありながら、きわめて
簡便かつ有効な導波路製造方法を提供するものである。
本発明の方法で作製された光導波路は、単に導波路とし
ての役割だけではなく、非線形光学性能を有する場合
は、光スイッチなどにその有用性は更に高いものにな
る。また、ポーリングポリマー導波路のように経時変化
に伴う分極の解消による導波路の消失という難点も克服
されるという効果がある。さらに、本発明はパターン形
成に塗布やスクリーニング印刷などのプリント手法を用
いるので、光導波回路形成の多様性が著しく拡大すると
いう効果が得られる。本発明は光回路の特性改善等に大
きく貢献するものであり、産業上重大な意義を有する。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1図は本発明による光導波路の製造方法を説
明する図である。 a)は前駆体有機ポリマー b)はパターン化した前駆体有機ポリマー c)は製造された光導波路 を示す図である。
【符号の説明】
1‥‥前駆体有機ポリマー、2‥‥反応性物質含有樹脂
溶液による導波路形成用パターン、3‥‥半導体超微粒
子分散部分:光導波部(高屈折率部分)、4‥‥低屈折
率部分。

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 有機ポリマー中に半導体超微粒子が選択
    的部分に分散し、その部分の屈折率が周囲より大なるこ
    とにより光導波部を形成する光導波路において、半導体
    超微粒子の原料となる金属元素化合物を含有した前駆体
    有機ポリマーに該金属元素化合物と反応して半導体超微
    粒子を生成する反応性物質を反応させることにより半導
    体超微粒子を光導波部となる選択的部分に分散させるに
    際し、前駆体有機ポリマーに、反応性物質含有樹脂溶液
    により導波路形成用パターンをプリントすることを特徴
    とする該光導波路の製造方法。
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