JP4178996B2

JP4178996B2 - Polymer optical waveguide

Info

Publication number: JP4178996B2
Application number: JP2003051166A
Authority: JP
Inventors: 裕紀安田; 光樹平野; 富也阿部; 雄三伊藤
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 2003-02-27
Filing date: 2003-02-27
Publication date: 2008-11-12
Anticipated expiration: 2023-02-27
Also published as: JP2004258493A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光導波路に係り、特に、フッ素化したアクリル酸エステルおよびメタクリル酸エステルを硬化して得られるポリマ光導波路に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、情報容量の大規模化に伴い、通信の媒体は電気に替わって光が用いられるようになってきている。幹線系では光通信への移行は大方進み、今後はアクセス系やＬＡＮなどの川下での光通信への移行が進むものと考えられている。川下ではコストの低減が重要になってくると考えられ、また、ファイバーや光素子との接続容易性からコア径の大きいマルチモード光導波路が必要になってくると考えられている。
【０００３】
このような流れを受けて、近年加工容易性、作製コスト低減のポテンシャルを持つポリマを用いた光導波路が検討されるようになってきている。
【０００４】
ポリマ導波路の成形方法としては、低屈折率基板を射出成形した後、コアを射出成形する方法（特許文献１）、有機物質にレーザ照射による光導波路形成を行いレーザ照射部に少なくともレーザのエネルギーに応じた組成及び／または構造変化を形成させる方法（特許文献２）、金型で光導波路を成形する方法（特許文献３）、光導波路に対応したスタンパを基板表面に密着させパターン内に有機高分子を充填し、これを外部エネルギーにより硬化させた後、表面からスタンパを分離する方法（特許文献４）、光硬化性の材料を塗布後コア部に紫外線を照射し現像により未照射部を取り除く事によって光導波路を作製する方法（特許文献５）などが検討されている。
【０００５】
ポリマは波長６５０ｎｍ、８５０ｎｍ帯では０．１ｄＢ／ｃｍ程度と低損失である。しかしながら、通信で一般に用いられている１３００ｎｍ帯、１５５０ｎｍ帯においてはポリマ中のＣ−Ｈ伸縮振動吸収、変格吸収による損失がよくても０．４ｄＢ／ｃｍ程度と大きいという問題を有している(W. Groh, Makromol. Chem., vol. 189, pp. 2861 (1988)）。また、耐熱性に劣るという欠点も有している。
【０００６】
これらの問題を解決する為に近年ではＣ−Ｈ基の吸収波長をずらす為に水素をフッ素に置換するという検討がなされ、特に耐熱性の高いフッ素化ポリイミドの研究が盛んに行われている（特許文献６）。
【０００７】
【特許文献１】
特開昭５５−１２０００４号公報
【特許文献２】
特開昭６３−９１６０４号公報
【特許文献３】
特開昭６３−１３９３０４号公報
【特許文献４】
特開平２−１３１２０２号公報
【特許文献５】
特開２００１−４８５８号公報
【特許文献６】
特許第０２８５１０１９号公報
【特許文献７】
特開２００２−１８２０４６号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このフッ素化ポリイミドを光導波路の材料として用いた場合には、石英の導波路と同じ反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）により導波路を作製しないといけないという欠点を有しており、ポリマの利点である加工容易性、低コスト性を生かしきれていない。また、上記材料はクラックが入りやすい、ＲＩＥでのコストの点からマルチモード光導波路を作製できないという欠点も有している。さらに、その材料骨格から屈折率の偏波面依存性が大きいと言う問題を有する（Toshio Watanabe et al, J. Lightwave technology., vol. 16, pp. 1049 (1998)）。
【０００９】
ＵＶ硬化性を持たせ低コストで導波路を作製でき、偏波面依存性に優れ、マルチモード光導波路として、本出願人はエポキシ基と（メタ）アクリル基を有する化合物Ａと下記の化学式５、６の混合物アクリル酸エステルＢを共重合させたものを用いたフッ素化アクリルを用いた導波路に関する発明を特許出願している。
しかしながら本材料系では耐熱性が（ガラス転移温度Ｔｇで６０℃程度）悪いという問題がある。
【００１０】
耐熱性にやや優れた２官能のアクリル基をベースにしたフッ素化アクリルの特許も出願されている（特許文献７）。
【００１１】
しかし、波長１３００ｎｍにおいて損失が０．２ｄＢ／ｃｍと良好であるが耐熱性は８０℃程度と低く、逆に耐熱性が１５０℃程度の時は波長１３００ｎｍでは０．５ｄＢ／ｃｍと損失が劣っている。
【００１２】
【化５】

【００１３】
ただし、Ｒ₁₈は水素もしくはメチル基、Ｒ₁₉は炭素数１〜４の含フッ素アルキル基である。
【００１４】
【化６】

【００１５】
ただし、Ｒ₂₀は水素もしくはメチル基、Ｒ₂₁は炭素数５〜２２の含フッ素アルキル基である。
【００１６】
製品として用いる為には損失、偏波面依存性、耐熱性、コスト等の全特性に優れている必要がある。
【００１７】
しかしながら、例えばフッ素化ポリイミドでは損失、耐熱性は優れているが偏波面依存性、コストの点で劣るというように、これまでの材料では個々の特性に優れているもののいずれかの特性が悪いという欠点がある。
【００１８】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、波長１３００ｎｍ帯、１５５０ｎｍ帯で損失、偏波面依存性、耐熱性、コストの全特性にバランスよく優れ、より製品として用いる価値の高いポリマ光導波路を提供することにある。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために請求項１の発明は、コア層とコア層よりも屈折率の小さいクラッド層とを含むポリマ光導波路において、コア層またはクラッド層の材料として、下記化学式（１）で表されるモノマーあるいは下記化学式（１）を構造単位とするオリゴマーを用いることを特徴とするポリマ光導波路である。
【００２２】
【化７】

【００２３】
ただしＲ₁ は炭素数１〜１５の含フッ素炭化水素、あるいは全フッ素化炭素、Ｒ₂ は水素原子あるいはメチル基を表す。
【００２４】
請求項２の発明は、請求項１に記載のポリマ光導波路において、コア層またはクラッド層の材料として、下記化学式（２）であらわされるモノマー及び下記化学式（２）を構造単位とするオリゴマーの中から任意に選択される少なくとも１つ以上を用いることを特徴とするポリマ光導波路である。
【００２５】
【化８】

【００２６】
ただしＲ₃ は炭素数１〜１５の含フッ素炭化水素あるいは全フッ素化炭化水素、Ｒ₄ 、Ｒ₅ は水素あるいはメチル基である。
【００２７】
請求項３の発明は、請求項１または２に記載のポリマ光導波路において、コア層またはクラッド層の材料として、化学式（３）、または（４）で表されるモノマーあるいはオリゴマーを１〜５０重量％用いることを特徴とするポリマ光導波路である。
【００２８】
【化９】

【００２９】
【化１０】

【００３０】
ただしＲ₆ 、Ｒ₁₂は水素あるいはメチル基、Ｒ₇ 、Ｒ₈ 、Ｒ₉ 、Ｒ₁₀、Ｒ₁₁、Ｒ₁₃、Ｒ₁₄、Ｒ₁₅、Ｒ₁₆、Ｒ₁₇は水素、臭素、フッ素あるいは塩素である。
【００３１】
請求項４の発明は、請求項１〜３いずれかに記載のポリマ光導波路において、コア層に光開始剤を導入し、上記コア層にパターンマスクを通してＵＶ照射することによりコアパターンを形成することを特徴とするポリマ光導波路である。
【００３２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な一実施形態を詳述する。
【００３３】
本発明者等は、上記課題を解決するため、次のような材料を用いてポリマ光導波路を発明した。
【００３４】
フッ素化した３官能アクリル酸エステル（化学式（１））を用いることにより高耐熱、低損失、低偏波面依存性、低コスト生産のバランスがとれた導波路を提供できる。
【００３５】
長波長帯での損失を下げるためにも化学式（１）のＲ₁ は、炭素数５〜１５のフッ素化炭化水素が望ましい。
【００３６】
導波路として用いるにはコアとクラッドが必要であり、コアとクラッドでは屈折率を変える必要があり、屈折率の制御が必要である。化学式（１）のＲ₁ を変えることにより屈折率の制御ができる。
【００３７】
また、化学式（１）よりも屈折率が低いフッ素化した２官能アクリル（化学式（２））を加えることで、化学式（１）で示される３官能アクリルの特性、とくに高耐熱性を損なうこと無く効率よく屈折率制御を行うことができる。
【００３８】
また、Ｃ−Ｈ結合が少なくかつ高屈折率をもつため少量で高い屈折率差をつけることができる化学式（３）あるいは化学式（４）を用いることにより、化学式（１）の特性を損なうこと無く屈折率制御を行うことができる。
【００３９】
特に前述の化学式（２）と、この化学式（３）、化学式（４）を組み合わせて屈折率の制御を行うことにより、特性を損なうこと無くより効率よく屈折率制御を行うことができ、高い屈折率差を必要とするマルチモード導波路を作製することができる。
【００４０】
ここで化学式（３）、（４）の化学式（１）、（２）への添加量は、１〜５０重量％の範囲が望ましい。
【００４１】
１％以下では十分な屈折率差を得られず、５０％以上では耐熱性の低下や伝送損失が増加する問題が生じる。
【００４２】
化学式（１）と化学式（２）は、Ｒ₁ 、Ｒ₂ を変えたものを種々混ぜ合わせてもよい。つまり、例えば化学式（１）Ｒ₁＝Ｃ₉ Ｆ₁₇と、化学式（２）−１Ｒ₃＝Ｃ₄ Ｆ₈ と、化学式（２）−２Ｒ₃ ＝Ｃ₁₀Ｆ₂₀との３つを混ぜたようなものを必須成分としてもかまわない。
【００４３】
また、副材として本発明の目的や効果を損なわない範囲においてモノマーやオリゴマー、そして光開始剤、界面活性剤、シランカップリング剤、光増感剤、連鎖移動剤、帯電防止剤、酸化防止剤、無機充填剤、溶媒、可塑剤、紫外線吸収剤、ベンゼン環等の屈折率制御基を持つモノマー、オリゴマー等を導入することができる。
【００４４】
上記材料を用いての導波路作製方法としては、ＲＩＥ法、金型成形法、コア材塗布後、コアパターン形状を刻んだマスクを通してＵＶあるいは電子線を照射し、未照射部を現像液によって取り除く事でコアパターンを形成する方法、電子線等で直接コアを描画する方法等さまざまな方法を用いる事ができる。とりわけ、化学式（１）またはそれと（２）、（３）、（４）で表される材料との混合品に光開始剤を導入する事により、コア材塗布後、コアパターン形状を刻んだマスクを通してＵＶあるいは電子線を照射し、未照射部を現像液によって取り除く事でコアパターンを形成することができ、低コストに導波路を作製することができる。
【００４５】
感光特性上、化学式（１）のＲ₂ は水素、化学式（２）のＲ₄ 、Ｒ₅ は水素が望ましい。
【００４６】
【化１１】

【００４７】
ただしＲ₁ は炭素数１〜１０の含フッ素炭化水素あるいは全フッ素化炭化水素、Ｒ₂ は水素あるいはメチル基を表す。
【００４８】
【化１２】

【００４９】
ただしＲ₃ は炭素数１〜１５の含フッ素炭化水素あるいは全フッ素化炭化水素、Ｒ₄ 、Ｒ₅ は水素あるいはメチル基である。
【００５０】
【化１３】

【００５１】
【化１４】

【００５２】
ただし、Ｒ₆、Ｒ₁₂は水素あるいはメチル基、Ｒ₇ 、Ｒ₈ 、Ｒ₉ 、Ｒ₁₀、Ｒ₁₁、Ｒ₁₃、Ｒ₁₄、Ｒ₁₅、Ｒ₁₆、Ｒ₁₇は水素、臭素、フッ素あるいは塩素である。
【００５３】
【実施例】
次に、本発明のより具体的な実施例を添付図面と共に説明する。
【００５４】
先ず、図１を用いて、実施例１〜６に共通する光導波路の製造プロセスを述べる。
【００５５】
図１（ａ）に示した基板１上に、クラッド２となる材料Ａをスピンコータで、図１（ｂ）に示すように塗布する（工程（ｂ））。
【００５６】
次に、図１（ｃ）に示すように、紫外光（ＵＶ）３を１０００ｍＪ／ｃｍ² 照射しホットプレートで加熱し（９０〜１５０℃、１〜３分））、下部クラッド２を形成する。
【００５７】
そして、図１（ｄ）に示すように、コア６となる材料Ｂをスピンコータで塗布する（工程（ｄ））。
【００５８】
次に、図１（ｅ）に示すように、パターンを形成したマスク５を介してＵＶ３を照射し、コア部を重合させ、しかる後、図１（ｆ）に示すように、未露光部を現像液により除去してコアパターン６を形成する（工程（ｆ））。
【００５９】
コアパターン６の形成後、図１（ｇ）に示すように、ＵＶ３を１０００ｍＪ／ｃｍ² 照射してポスト露光し、その後、ポストベイクする（９０〜１５０℃、１〜３分）。
【００６０】
最後に、図１（ｈ）に示すように、材料Ａをスピンコータで塗布した後（工程（ｈ））、図１（ｉ）に示すように、ＵＶ３を照射してホットプレートで加熱する（９０〜１５０℃、１〜３分）ことにより、オーバークラッド７を形成し光導波路を作製する。
【００６１】
実施例１
下記化学式（７）６０ｗｔ％、化学式（８）２０ｗｔ％、化学式（９）２０ｗｔ％の混合物に対し、光ラジカル重合開始剤としてチバ・スペシャリティ・ケミカルズ社製イルガキュア１８４を１ｗｔ％添加した（材料Ａ）。コア材として材料Ａに対しベンジルメタクリレート５ｗｔ％導入した（材料Ｂ）。材料Ａのガラス転移温度Ｔｇは１１６℃であった。なお、ガラス転移温度はＤＭＡ（周波数１０Ｈｚ、１０℃／ｍｉｎ）のｔａｎδのピークより求めた。
【００６２】
上記材料により前述した流れに従い導波路を作製した。作製した条件は次の通りである。
【００６３】
工程（ｂ）：クラッド材膜厚２０μｍ
工程（ｄ）：コア材膜厚１０μｍ
工程（ｆ）：現像アセトンに１〜３分浸漬
工程（ｈ）：オーバークラッド材膜厚３０μｍ
作製した導波路の室温においてカットバック法により損失測定を行った結果、波長１３００ｎｍではＴＥ、ＴＭとも０．２ｄＢ／ｃｍ、波長１５５０ｎｍではＴＥ、ＴＭとも０．５ｄＢ／ｃｍであった。またコアとクラッドのガラス転移温度Ｔｇは、１０８℃と１１１℃であった。
【００６４】
【化１５】

【００６５】
【化１６】

【００６６】
【化１７】

【００６７】
実施例２
上記化学式（７）６０ｗｔ％、化学式（８）１０ｗｔ％、化学式（９）３０ｗｔ％の混合物に対し、光ラジカル重合開始剤としてチバ・スペシャルティ・ケミカルズ社製イルガキュア１８４を１ｗｔ％添加した（材料Ａ）。コア材として材料Ａに対しベンジルメタクリレート５ｗｔ％導入した（材料Ｂ）。材料Ａのガラス転移温度Ｔｇは１０８℃であった。
【００６８】
光導波路作製条件は、実施例１と同じである。
【００６９】
作製した導波路の室温においてカットバック法により損失測定を行った結果、波長１３００ｎｍではＴＥ、ＴＭとも０．１ｄＢ／ｃｍ、波長１５５０ｎｍではＴＥ、ＴＭとも０．４ｄＢ／ｃｍであった。またコアとクラッドのガラス転移温度Ｔｇは、１０５℃と１０８℃であった。
【００７０】
実施例３
上記化学式（７）４０ｗｔ％、化学式（８）１０ｗｔ％、化学式（９）５０ｗｔ％の混合物に対し、光ラジカル重合開始剤としてチバ・スペシャルティ・ケミカルズ社製イルガキュア１８４を１ｗｔ％添加した（材料Ａ）。コア材として上記化学式（７）６０ｗｔ％、化学式（８）２０ｗｔ％、化学式（９）２０ｗｔ％の混合物に対し、ベンジルメタクリレート５ｗｔ％導入した（材料Ｂ）。材料Ａのガラス転移温度Ｔｇは１００℃であった。
【００７１】
光導波路作製条件はつぎのとおりである。
【００７２】
工程（ｂ）：クラッド材膜厚２０μｍ
工程（ｄ）：コア材膜厚６０μｍ
工程（ｆ）：現像酢酸ブチルに１〜３分浸漬
工程（ｈ）：オーバークラッド材膜厚３０μｍ
作製した導波路の室温においてカットバック法により損失測定を行った結果、波長１３００ｎｍではＴＥ、ＴＭとも０．２ｄＢ／ｃｍ、波長１５５０ｎｍではＴＥ、ＴＭとも０．５ｄＢ／ｃｍであった。またコアとクラッドのガラス転移温度Ｔｇは、１０８℃と１００℃であった。
【００７３】
実施例４
下記化学式（１０）６０ｗｔ％、化学式（１１）１０ｗｔ％、化学式（１２）３０ｗｔ％の混合物に対し、光ラジカル重合開始剤としてチバ・スペシャルティ・ケミカルズ社製イルガキュア６５１を１ｗｔ％添加した（材料Ａ）。また、コア材として上記化学式（７）６０ｗｔ％、化学式（８）２０ｗｔ％、化学式（９）２０ｗｔ％の混合物に対し、光ラジカル重合開始剤としてイルガキュア６５１を１ｗｔ％添加した（材料Ｂ）。材料Ａのガラス転移温度Ｔｇは１０５℃であった。
【００７４】
上記材料により前述した流れに従い導波路を作製した。作製した条件は次の通りである。
【００７５】
工程（ｂ）：クラッド材膜厚２０μｍ
工程（ｄ）：コア材膜厚１０μｍ
工程（ｆ）：現像エタノールに１〜３分浸漬
工程（ｈ）：オーバークラッド材膜厚３０μｍ
作製した導波路の損失測定を室温においてカットバック法により行った結果、波長１３００ｎｍではＴＥ、ＴＭとも０．２ｄＢ／ｃｍ、波長１５５０ｎｍではＴＥ、ＴＭとも０．５ｄＢ／ｃｍであった。またコアとクラッドのガラス転移温度Ｔｇは、１１１℃と１０５℃であった。
【００７６】
【化１８】

【００７７】
【化１９】

【００７８】
【化２０】

【００７９】
実施例５
上記化学式（７）５０ｗｔ％、化学式（９）５０ｗｔ％の混合物に対し、光ラジカル重合開始剤としてチバ・スペシャルティ・ケミカルズ社製イルガキュア９０７を１ｗｔ％添加した（材料Ａ）。また、コア材として上記化学式（７）に対し、光ラジカル重合開始剤としてイルガキュア９０７を１ｗｔ％添加した（材料Ｂ）。材料Ｂのガラス転移温度Ｔｇは１２５℃であった。
【００８０】
上記材料により前述した流れに従い導波路を作製した。作製した条件は次の通りである。
【００８１】
工程（ｂ）：クラッド材膜厚２０μｍ
工程（ｄ）：コア材膜厚１０μｍ
工程（ｆ）：現像酢酸ブチルに１〜３分浸漬
工程（ｈ）：オーバークラッド材膜厚３０μｍ
作製した導波路の損失測定を室温においてカットバック法により行った結果、波長１３００ｎｍではＴＥ、ＴＭとも０．２ｄＢ／ｃｍ、波長１５５０ｎｍではＴＥ、ＴＭとも０．５ｄＢ／ｃｍであった。またコアとクラッドのガラス転移温度Ｔｇは、１２５℃と１０８℃であった。
【００８２】
実施例６
上記化学式（７）６０ｗｔ％、化学式（８）１０ｗｔ％、化学式（９）３０ｗｔ％の混合物に対し、光ラジカル重合開始剤としてチバケミカルス社製イルガキュア１８４を１ｗｔ％添加した（材料Ａ）。また、コア材として上記化学式（７）８５ｗｔ％、ベンジルメタクリレート１５ｗｔ％の混合物に対し、光ラジカル重合開始剤としてイルガキュア１８４を１ｗｔ％添加した（材料Ｂ）。材料Ｂのガラス転移温度Ｔｇは１１３℃であった。
【００８３】
上記材料により前述した流れに従い導波路を作製した。作製した条件は次の通りである。
【００８４】
工程（ｂ）：クラッド材膜厚２０μｍ
工程（ｄ）：コア材膜厚６０μｍ
工程（ｆ）：現像エタノールに１〜３分浸漬
工程（ｈ）：オーバークラッド材膜厚８０μｍ
作製した導波路の損失測定を室温においてカットバック法により行った結果、波長１３００ｎｍではＴＥ、ＴＭとも０．２ｄＢ／ｃｍ、波長１５５０ｎｍではＴＥ、ＴＭとも０．５ｄＢ／ｃｍであった。またコアとクラッドのガラス転移温度Ｔｇは、１１３℃と１０８℃であった。
【００８５】
実施例７
上記化学式（７）６０ｗｔ％、化学式（８）１０ｗｔ％、化学式（９）３０ｗｔ％の混合物に対し、光ラジカル重合開始剤としてイチバ・スペシャルティ・ケミカルズ社製ルガキュア９０７を１ｗｔ％添加した（材料Ａ）。また、コア材として上記化学式（７）８５ｗｔ％、トリブロモフェニルアクリレート１５ｗｔ％の混合物に対し、光ラジカル重合開始剤としてチバ・スペシャルティ・ケミカルズ社製イルガキュア１８４を１ｗｔ％添加した（材料Ｂ）。材料Ｂのガラス転移温度Ｔｇは１２５℃であった。
【００８６】
上記材料により前述した流れに従い導波路を作製した。作製した条件は次の通りである。
【００８７】
工程（ｂ）：クラッド材膜厚２０μｍ
工程（ｄ）：コア材膜厚６０μｍ
工程（ｆ）：現像エタノールに１〜３分浸漬
工程（ｈ）：オーバークラッド材膜厚８０μｍ
作製した導波路の損失測定を室温においてカットバック法により行った結果、波長１３００ｎｍではＴＥ、ＴＭとも０．２ｄＢ／ｃｍ、波長１５５０ｎｍではＴＥ、ＴＭとも０．５ｄＢ／ｃｍであった。またコアとクラッドのガラス転移温度Ｔｇは、１２５℃と１０８℃であった。
【００８８】
実施例１〜７で作製した導波路の損失結果を表１に、ガラス転移温度Ｔｇを表２に示す。
【００８９】
【表１】

【００９０】
【表２】

【００９１】
上記方法以外にも金型成形法、ＲＩＥ法、電子線等で直接コアを作成する方法により導波路を作製できる。また、上記にあげた現像液、開始剤に限ったものではなく他の現像液、開始剤を本記材料を用いた導波路の作製に用いる事ができる。また、導波路を作製する基板としてはシリコン基板に限らず、ガラスエポキシ基板、石英基板等を用いる事ができる。
【００９２】
【発明の効果】
以上要するに本発明によれば、長波長側における損失が小さく、偏波面依存性、耐熱性にも優れた導波路を提供できた。また、光開始剤を添加した本材料を用いる事によりマスクを通してＵＶを照射し、現像液で未照射部を除く事でコア部を形成する方法で、低コストで量産に向いた導波路を提供することができるという優れた効果を発揮する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光導波路の製造プロセスを示す図である。
【符号の説明】
１基板
２クラッド
３ＵＶ
４コア材
５パターンマスク
６コア
７オーバークラッド[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an optical waveguide, and more particularly to a polymer optical waveguide obtained by curing a fluorinated acrylic ester and methacrylic ester.
[0002]
[Prior art]
In recent years, with an increase in information capacity, light is used as a communication medium instead of electricity. In the trunk line system, the shift to optical communication is largely advanced, and it is considered that the shift to the optical communication in the downstream such as the access system and the LAN will progress in the future. Downstream, cost reduction is considered to be important, and multimode optical waveguides with large core diameters are required for ease of connection with fibers and optical elements.
[0003]
In response to such a trend, in recent years, optical waveguides using polymers having the potential of processing ease and manufacturing cost reduction have been studied.
[0004]
As a method for forming the polymer waveguide, a method in which a low refractive index substrate is injection-molded and then a core is injection-molded (Patent Document 1), an optical waveguide is formed by laser irradiation on an organic substance, and at least laser energy is applied to the laser irradiation portion. A method of forming a composition and / or structural change in accordance with the method (Patent Document 2), a method of forming an optical waveguide with a mold (Patent Document 3), and a stamper corresponding to the optical waveguide is brought into close contact with the substrate surface and organic in the pattern After the polymer is filled and cured with external energy, the stamper is separated from the surface (Patent Document 4). After the photocurable material is applied, the core portion is irradiated with ultraviolet rays and the unirradiated portion is developed by development. A method of producing an optical waveguide by removing it (Patent Document 5) has been studied.
[0005]
The polymer has a low loss of about 0.1 dB / cm in the wavelength range of 650 nm and 850 nm. However, the 1300 nm band and the 1550 nm band that are generally used in communications have a problem that the loss due to C—H stretching vibration absorption and modification absorption in the polymer is as large as about 0.4 dB / cm at best ( W. Groh, Makromol. Chem., Vol. 189, pp. 2861 (1988)). Moreover, it has the fault that it is inferior to heat resistance.
[0006]
In recent years, in order to solve these problems, studies have been made to replace hydrogen with fluorine in order to shift the absorption wavelength of the C—H group, and research on fluorinated polyimide having particularly high heat resistance has been actively conducted ( Patent Document 6).
[0007]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 55-120004 [Patent Document 2]
Japanese Patent Laid-Open No. 63-91604 [Patent Document 3]
JP 63-139304 A [Patent Document 4]
JP-A-2-131202 [Patent Document 5]
JP 2001-4858 A [Patent Document 6]
Japanese Patent No. 02851019 [Patent Document 7]
Japanese Patent Laid-Open No. 2002-182046
[Problems to be solved by the invention]
However, when this fluorinated polyimide is used as a material for the optical waveguide, there is a disadvantage that the waveguide must be produced by the same reactive ion etching (RIE) as that of the quartz waveguide. The ease of processing and low cost are not fully utilized. In addition, the above materials have the disadvantages that they are prone to cracking and that a multimode optical waveguide cannot be produced from the viewpoint of RIE cost. Furthermore, there is a problem that the refractive index is largely dependent on the polarization plane due to the material skeleton (Toshio Watanabe et al, J. Lightwave technology., Vol. 16, pp. 1049 (1998)).
[0009]
As a multi-mode optical waveguide, the present applicant has obtained a compound A having an epoxy group and a (meth) acryl group, the following chemical formula 5, A patent application has been filed for an invention relating to a waveguide using a fluorinated acrylic, which is obtained by copolymerizing a mixture of acrylic ester B of No. 6.
However, this material system has a problem of poor heat resistance (about 60 ° C. at a glass transition temperature Tg).
[0010]
A patent for a fluorinated acrylic based on a bifunctional acrylic group that is slightly superior in heat resistance has been filed (Patent Document 7).
[0011]
However, the loss is as good as 0.2 dB / cm at a wavelength of 1300 nm, but the heat resistance is as low as about 80 ° C. Conversely, when the heat resistance is around 150 ° C., the loss is inferior at 0.5 dB / cm at a wavelength of 1300 nm. Yes.
[0012]
[Chemical formula 5]

[0013]
However, R ₁₈ is hydrogen or methyl, R ₁₉ is a fluorine-containing alkyl group having 1 to 4 carbon atoms.
[0014]
[Chemical 6]

[0015]
However, R ₂₀ is hydrogen or methyl, R ₂₁ is a fluorine-containing alkyl group having 5 to 22 carbon atoms.
[0016]
In order to use it as a product, it must be excellent in all characteristics such as loss, polarization plane dependency, heat resistance, and cost.
[0017]
However, for example, fluorinated polyimide has excellent loss and heat resistance, but is inferior in terms of polarization plane dependency and cost, so far, it has been said that any of the materials so far is excellent in individual characteristics but poor in characteristics. There are drawbacks.
[0018]
Accordingly, an object of the present invention is to solve the above-mentioned problems, and in a wavelength 1300 nm band and a 1550 nm band, a polymer optical waveguide having a good balance of loss, polarization plane dependency, heat resistance, and cost in a well-balanced manner and having a higher value for use as a product. Is to provide.
[0019]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a first aspect of the present invention provides a polymer optical waveguide including a core layer and a cladding layer having a refractive index smaller than that of the core layer. The material of the core layer or the cladding layer is represented by the following chemical formula (1): A polymer optical waveguide characterized by using a monomer represented by the formula or an oligomer having the following chemical formula (1) as a structural unit .
[0022]
[Chemical 7]

[0023]
However R ₁ is a fluorinated hydrocarbon having 1 to 15 carbon atoms, or fully fluorinated carbon, R ₂ represents a hydrogen atom or a methyl group.
[0024]
According to a second aspect of the present invention, in the polymer optical waveguide according to the first aspect, as a material for the core layer or the cladding layer, a monomer represented by the following chemical formula (2) and an oligomer having the following chemical formula (2) as a structural unit are used. The polymer optical waveguide is characterized in that at least one or more arbitrarily selected from the above are used.
[0025]
[Chemical 8]

[0026]
R ₃ is a fluorine-containing hydrocarbon or perfluorinated hydrocarbon having 1 to 15 carbon atoms, and R ₄ and R ₅ are hydrogen or a methyl group.
[0027]
According to a third aspect of the present invention, in the polymer optical waveguide according to the first or second aspect, the monomer or oligomer represented by the chemical formula (3) or (4) is used in an amount of 1 to 50 weights as the material of the core layer or the cladding layer. % Is a polymer optical waveguide .
[0028]
[Chemical 9]

[0029]
Embedded image

[0030]
R ₆ and R ₁₂ are hydrogen or a methyl group, and R ₇ , R ₈ , R ₉ , R ₁₀ , R ₁₁ , R ₁₃ , R ₁₄ , R ₁₅ , R ₁₆ and R ₁₇ are hydrogen, bromine, fluorine or chlorine. is there.
[0031]
A fourth aspect of the present invention, the polymer optical waveguide according to claim 1 to 3, to introduce a photoinitiator in the core layer to form a core pattern by UV irradiation through a patterned mask to the core layer A polymer optical waveguide characterized by the following.
[0032]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, a preferred embodiment of the present invention will be described in detail.
[0033]
In order to solve the above problems, the present inventors have invented a polymer optical waveguide using the following materials.
[0034]
By using a fluorinated trifunctional acrylic ester (chemical formula (1)), a waveguide having a balance of high heat resistance, low loss, low polarization dependence, and low cost production can be provided.
[0035]
In order to reduce the loss in the long wavelength band, R _{1 in the} chemical formula (1) is preferably a fluorinated hydrocarbon having 5 to 15 carbon atoms.
[0036]
In order to use as a waveguide, a core and a clad are necessary, and it is necessary to change the refractive index between the core and the clad, and it is necessary to control the refractive index. The refractive index can be controlled by changing R ₁ in the chemical formula (1).
[0037]
Further, by adding fluorinated bifunctional acrylic (chemical formula (2)) having a refractive index lower than that of chemical formula (1), the characteristics of trifunctional acrylic represented by chemical formula (1), particularly high heat resistance, are not impaired. Refractive index control can be performed efficiently.
[0038]
Further, by using the chemical formula (3) or the chemical formula (4) that can provide a high refractive index difference with a small amount because there are few C—H bonds and a high refractive index, the characteristics of the chemical formula (1) are not impaired. Refractive index control can be performed.
[0039]
In particular, by controlling the refractive index by combining the chemical formula (2), the chemical formula (3), and the chemical formula (4), the refractive index can be controlled more efficiently without impairing the characteristics, and the high refractive index. A multimode waveguide that requires a rate difference can be fabricated.
[0040]
Here, the addition amount of the chemical formulas (3) and (4) to the chemical formulas (1) and (2) is preferably in the range of 1 to 50% by weight.
[0041]
If it is 1% or less, a sufficient difference in refractive index cannot be obtained, and if it is 50% or more, there is a problem that heat resistance is lowered and transmission loss is increased.
[0042]
Chemical formula (1) and chemical formula (2) may be variously mixed with those in which R ₁ and R ₂ are changed. That is, for example, the chemical formula (1) R ₁ = C ₉ F ₁₇ , the chemical formula (2) -1 R ₃ = C ₄ F _8, and the chemical formula (2) -2 R ₃ = C ₁₀ F ₂₀ are mixed. Such a thing may be used as an essential component.
[0043]
In addition, monomers and oligomers, and photoinitiators, surfactants, silane coupling agents, photosensitizers, chain transfer agents, antistatic agents, and antioxidants as long as they do not impair the objects and effects of the present invention. Inorganic fillers, solvents, plasticizers, ultraviolet absorbers, monomers having a refractive index control group such as benzene rings, oligomers, and the like can be introduced.
[0044]
As a method for producing a waveguide using the above-mentioned materials, RIE method, mold forming method, core material application, UV or electron beam irradiation through a mask engraved with a core pattern shape, and unirradiated portions are removed with a developer. Various methods such as a method of forming a core pattern by the method and a method of directly drawing a core by an electron beam or the like can be used. In particular, a mask in which a core pattern shape is engraved after applying a core material by introducing a photoinitiator into a chemical formula (1) or a mixture of the material represented by (2), (3), and (4). The core pattern can be formed by irradiating UV or an electron beam through and removing the unirradiated portion with a developing solution, and a waveguide can be manufactured at low cost.
[0045]
From the viewpoint of photosensitive properties, R ₂ in chemical formula (1) is preferably hydrogen, and R ₄ and R _{5 in} chemical formula (2) are preferably hydrogen.
[0046]
Embedded image

[0047]
However R ₁ is a fluorinated hydrocarbon or a perfluorinated hydrocarbon having 1 to 10 carbon atoms, R ₂ represents hydrogen or a methyl group.
[0048]
Embedded image

[0049]
R ₃ is a fluorine-containing hydrocarbon or perfluorinated hydrocarbon having 1 to 15 carbon atoms, and R ₄ and R ₅ are hydrogen or a methyl group.
[0050]
Embedded image

[0051]
Embedded image

[0052]
R ₆ and R ₁₂ are hydrogen or methyl group, R ₇ , R ₈ , R ₉ , R ₁₀ , R ₁₁ , R ₁₃ , R ₁₄ , R ₁₅ , R ₁₆ , R ₁₇ are hydrogen, bromine, fluorine or chlorine It is.
[0053]
【Example】
Next, more specific embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
[0054]
First, the manufacturing process of the optical waveguide common to Examples 1-6 is described using FIG.
[0055]
On the substrate 1 shown in FIG. 1A, the material A to be the clad 2 is applied with a spin coater as shown in FIG. 1B (step (b)).
[0056]
Next, as shown in FIG. 1C, ultraviolet light (UV) 3 is irradiated at 1000 mJ / cm ² and heated on a hot plate (90 to 150 ° C., 1 to 3 minutes) to form the lower cladding 2. .
[0057]
And as shown in FIG.1 (d), the material B used as the core 6 is apply | coated with a spin coater (process (d)).
[0058]
Next, as shown in FIG. 1 (e), UV3 is irradiated through a mask 5 on which a pattern is formed, and the core part is polymerized. Then, as shown in FIG. The core pattern 6 is formed by removing with a developing solution (step (f)).
[0059]
After the formation of the core pattern 6, as shown in FIG. 1 (g), UV3 is irradiated at 1000 mJ / cm ² for post exposure, and then post baking is performed (90 to 150 ° C., 1 to 3 minutes).
[0060]
Finally, as shown in FIG. 1 (h), after applying the material A with a spin coater (step (h)), as shown in FIG. 1 (i), UV3 is irradiated and heated with a hot plate (90). ˜150 ° C., 1 to 3 minutes), thereby forming an overclad 7 to produce an optical waveguide.
[0061]
Example 1
The following chemical formula (7) 60 wt%, chemical formula (8) 20 wt%, chemical formula (9) 1 wt% of Irgacure 184 manufactured by Ciba Specialty Chemicals was added as a photo radical polymerization initiator (material A). . As a core material, 5 wt% of benzyl methacrylate was introduced with respect to material A (material B). The glass transition temperature Tg of Material A was 116 ° C. The glass transition temperature was determined from the tan δ peak of DMA (frequency 10 Hz, 10 ° C./min).
[0062]
A waveguide was produced from the above material according to the flow described above. The conditions produced are as follows.
[0063]
Step (b): Cladding material film thickness 20 μm
Step (d): Core material film thickness 10 μm
Step (f): Development Step of immersing in acetone for 1 to 3 minutes (h): Overclad material film thickness 30 μm
As a result of measuring the loss by the cutback method at room temperature of the manufactured waveguide, TE and TM were both 0.2 dB / cm at a wavelength of 1300 nm, and TE and TM were both 0.5 dB / cm at a wavelength of 1550 nm. The glass transition temperatures Tg of the core and the clad were 108 ° C. and 111 ° C.
[0064]
Embedded image

[0065]
Embedded image

[0066]
Embedded image

[0067]
Example 2
1 wt% of Irgacure 184 manufactured by Ciba Specialty Chemicals was added as a photo radical polymerization initiator to a mixture of the above chemical formula (7) 60 wt%, chemical formula (8) 10 wt%, and chemical formula (9) 30 wt% (Material A). . As a core material, 5 wt% of benzyl methacrylate was introduced with respect to material A (material B). The glass transition temperature Tg of Material A was 108 ° C.
[0068]
The conditions for producing the optical waveguide are the same as those in Example 1.
[0069]
As a result of measuring the loss by the cutback method at room temperature of the manufactured waveguide, TE and TM were both 0.1 dB / cm at a wavelength of 1300 nm, and TE and TM were both 0.4 dB / cm at a wavelength of 1550 nm. The glass transition temperatures Tg between the core and the clad were 105 ° C. and 108 ° C.
[0070]
Example 3
1 wt% of Irgacure 184 manufactured by Ciba Specialty Chemicals was added as a radical photopolymerization initiator to the mixture of the chemical formula (7) 40 wt%, the chemical formula (8) 10 wt%, and the chemical formula (9) 50 wt% (Material A). . As a core material, 5 wt% of benzyl methacrylate was introduced into the mixture of the chemical formula (7) 60 wt%, the chemical formula (8) 20 wt%, and the chemical formula (9) 20 wt% (material B). The glass transition temperature Tg of Material A was 100 ° C.
[0071]
The conditions for producing the optical waveguide are as follows.
[0072]
Step (b): Cladding material film thickness 20 μm
Step (d): Core material film thickness 60 μm
Step (f): Development 1-minute immersion in butyl acetate Step (h): Overclad material film thickness 30 μm
As a result of measuring the loss by the cutback method at room temperature of the manufactured waveguide, TE and TM were both 0.2 dB / cm at a wavelength of 1300 nm, and TE and TM were both 0.5 dB / cm at a wavelength of 1550 nm. The glass transition temperatures Tg between the core and the clad were 108 ° C. and 100 ° C.
[0073]
Example 4
1 wt% of Irgacure 651 manufactured by Ciba Specialty Chemicals was added as a photo radical polymerization initiator to a mixture of the following chemical formula (10) 60 wt%, chemical formula (11) 10 wt%, chemical formula (12) 30 wt% (Material A). . Further, 1 wt% of Irgacure 651 as a photo radical polymerization initiator was added to the mixture of the chemical formula (7) 60 wt%, the chemical formula (8) 20 wt%, and the chemical formula (9) 20 wt% as the core material (material B). The glass transition temperature Tg of Material A was 105 ° C.
[0074]
A waveguide was produced from the above material according to the flow described above. The conditions produced are as follows.
[0075]
Step (b): Cladding material film thickness 20 μm
Step (d): Core material film thickness 10 μm
Step (f): Development Step of immersing in ethanol for 1 to 3 minutes (h): Overclad material film thickness 30 μm
As a result of measuring the loss of the manufactured waveguide at room temperature by the cutback method, TE and TM were both 0.2 dB / cm at a wavelength of 1300 nm, and TE and TM were both 0.5 dB / cm at a wavelength of 1550 nm. The glass transition temperatures Tg of the core and the clad were 111 ° C. and 105 ° C.
[0076]
Embedded image

[0077]
Embedded image

[0078]
Embedded image

[0079]
Example 5
1 wt% of Irgacure 907 manufactured by Ciba Specialty Chemicals was added as a radical photopolymerization initiator to the mixture of the chemical formula (7) 50 wt% and the chemical formula (9) 50 wt% (Material A). Further, 1 wt% of Irgacure 907 was added as a radical photopolymerization initiator to the above chemical formula (7) as the core material (Material B). The glass transition temperature Tg of the material B was 125 ° C.
[0080]
A waveguide was produced from the above material according to the flow described above. The conditions produced are as follows.
[0081]
Step (b): Cladding material film thickness 20 μm
Step (d): Core material film thickness 10 μm
Step (f): Development 1-minute immersion in butyl acetate Step (h): Overclad material film thickness 30 μm
As a result of measuring the loss of the manufactured waveguide at room temperature by the cutback method, TE and TM were both 0.2 dB / cm at a wavelength of 1300 nm, and TE and TM were both 0.5 dB / cm at a wavelength of 1550 nm. The glass transition temperatures Tg of the core and the clad were 125 ° C. and 108 ° C.
[0082]
Example 6
1 wt% of Irgacure 184 manufactured by Ciba Chemicals Co., Ltd. was added as a photo radical polymerization initiator to the mixture of the chemical formula (7) 60 wt%, the chemical formula (8) 10 wt%, and the chemical formula (9) 30 wt% (Material A). Further, 1 wt% of Irgacure 184 was added as a radical photopolymerization initiator to the mixture of the above chemical formula (7) 85 wt% and benzyl methacrylate 15 wt% as the core material (material B). The glass transition temperature Tg of the material B was 113 ° C.
[0083]
A waveguide was produced from the above material according to the flow described above. The conditions produced are as follows.
[0084]
Step (b): Cladding material film thickness 20 μm
Step (d): Core material film thickness 60 μm
Step (f): Development Step of immersing in ethanol for 1 to 3 minutes (h): Overclad material film thickness 80 μm
As a result of measuring the loss of the manufactured waveguide at room temperature by the cutback method, TE and TM were both 0.2 dB / cm at a wavelength of 1300 nm, and TE and TM were both 0.5 dB / cm at a wavelength of 1550 nm. The glass transition temperatures Tg of the core and the clad were 113 ° C. and 108 ° C.
[0085]
Example 7
1 wt% of Ligacure 907 manufactured by Ichiba Specialty Chemicals Co., Ltd. was added as a radical photopolymerization initiator to the mixture of the above chemical formula (7) 60 wt%, chemical formula (8) 10 wt%, and chemical formula (9) 30 wt% (Material A). . Moreover, 1 wt% of Irgacure 184 manufactured by Ciba Specialty Chemicals was added as a radical photopolymerization initiator to a mixture of 85 wt% of the chemical formula (7) and 15 wt% of tribromophenyl acrylate as a core material (material B). The glass transition temperature Tg of the material B was 125 ° C.
[0086]
A waveguide was produced from the above material according to the flow described above. The conditions produced are as follows.
[0087]
Step (b): Cladding material film thickness 20 μm
Step (d): Core material film thickness 60 μm
Step (f): Development Step of immersing in ethanol for 1 to 3 minutes (h): Overclad material film thickness 80 μm
As a result of measuring the loss of the manufactured waveguide at room temperature by the cutback method, TE and TM were both 0.2 dB / cm at a wavelength of 1300 nm, and TE and TM were both 0.5 dB / cm at a wavelength of 1550 nm. The glass transition temperatures Tg of the core and the clad were 125 ° C. and 108 ° C.
[0088]
Table 1 shows the loss results of the waveguides manufactured in Examples 1 to 7, and Table 2 shows the glass transition temperature Tg.
[0089]
[Table 1]

[0090]
[Table 2]

[0091]
In addition to the above method, the waveguide can be manufactured by a method of directly forming a core by a mold forming method, an RIE method, an electron beam or the like. Further, the developer and the initiator are not limited to those described above, and other developers and initiators can be used for producing a waveguide using the material described above. The substrate for producing the waveguide is not limited to a silicon substrate, and a glass epoxy substrate, a quartz substrate, or the like can be used.
[0092]
【The invention's effect】
In short, according to the present invention, it is possible to provide a waveguide having a small loss on the long wavelength side and excellent in polarization plane dependency and heat resistance. In addition, by using this material with a photoinitiator added, UV is irradiated through a mask, and the core part is formed by removing the unirradiated part with a developer, providing a low-cost waveguide suitable for mass production. Demonstrate the excellent effect of being able to.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a manufacturing process of an optical waveguide according to the present invention.
[Explanation of symbols]
1 Substrate 2 Clad 3 UV
4 Core material 5 Pattern mask 6 Core 7 Over clad

Claims

コア層とコア層よりも屈折率の小さいクラッド層とを含むポリマ光導波路において、コア層またはクラッド層の材料として、下記化学式（１）で表されるモノマーあるいは下記化学式（１）を構造単位とするオリゴマーを用いることを特徴とするポリマ光導波路。

ただしＲ₁は炭素数１〜１５の含フッ素炭化水素、あるいは全フッ素化炭素、Ｒ₂は水素原子あるいはメチル基を表す。In a polymer optical waveguide including a core layer and a clad layer having a refractive index smaller than that of the core layer, a monomer represented by the following chemical formula (1) or the following chemical formula (1) is used as a structural unit as a material of the core layer or the clad layer. A polymer optical waveguide characterized by using an oligomer.

However R ₁ is a fluorinated hydrocarbon having 1 to 15 carbon atoms, or fully fluorinated carbon, R ₂ represents a hydrogen atom or a methyl group.

請求項１に記載のポリマ光導波路において、コア層またはクラッド層の材料として、下記化学式（２）であらわされるモノマー及び下記化学式（２）を構造単位とするオリゴマーの中から任意に選択される少なくとも１つ以上を用いることを特徴とするポリマ光導波路。

ただしＲ₃は炭素数１〜１５の含フッ素炭化水素あるいは全フッ素化炭化水素、Ｒ₄、Ｒ₅は水素あるいはメチル基である。 2. The polymer optical waveguide according to claim 1, wherein the material of the core layer or the cladding layer is at least arbitrarily selected from a monomer represented by the following chemical formula (2) and an oligomer having the following chemical formula (2) as a structural unit. One or more polymer optical waveguides are used.

R ₃ is a fluorine-containing hydrocarbon or perfluorinated hydrocarbon having 1 to 15 carbon atoms, and R ₄ and R ₅ are hydrogen or a methyl group.

請求項１または２に記載のポリマ光導波路において、コア層またはクラッド層の材料として、化学式（３）、または（４）で表されるモノマーあるいはオリゴマーを１〜５０重量％用いることを特徴とするポリマ光導波路。

ただしＲ₆、Ｒ₁₂は水素あるいはメチル基、Ｒ₇、Ｒ₈、Ｒ₉、Ｒ₁₀、Ｒ₁₁、Ｒ₁₃、Ｒ₁₄、Ｒ₁₅、Ｒ₁₆、Ｒ₁₇は水素、臭素、フッ素あるいは塩素である。 3. The polymer optical waveguide according to claim 1 , wherein the monomer or oligomer represented by the chemical formula (3) or (4) is used in an amount of 1 to 50% by weight as a material for the core layer or the cladding layer. Polymer optical waveguide .

R ₆ and R ₁₂ are hydrogen or a methyl group, and R ₇ , R ₈ , R ₉ , R ₁₀ , R ₁₁ , R ₁₃ , R ₁₄ , R ₁₅ , R ₁₆ and R ₁₇ are hydrogen, bromine, fluorine or chlorine. is there.

請求項１〜３いずれかに記載のポリマ光導波路において、コア層に光開始剤を導入し、上記コア層にパターンマスクを通してＵＶ照射することによりコアパターンを形成することを特徴とするポリマ光導波路。 In the polymer optical waveguide according to any one of claims 1 to 3, by introducing a photoinitiator in the core layer, a polymer optical waveguide, and forming a core pattern by UV irradiation through a patterned mask to the core layer .