JPH08271746A

JPH08271746A - 光導波路およびその作製法

Info

Publication number: JPH08271746A
Application number: JP7616495A
Authority: JP
Inventors: Akira Tomaru; 暁都丸; Saburo Imamura; 三郎今村; Michiyuki Amano; 道之天野
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1995-03-31
Filing date: 1995-03-31
Publication date: 1996-10-18

Abstract

(57)【要約】【目的】安価で簡便に作製可能であり、しかも高性能
な光学素子等の導波路、特に単一モード用導波路であっ
て、数μｍオーダー以下の位置合わせ精度で他の光部品
と容易にかつ低損失で光結合が可能な光導波路およびそ
の作製法を提供することにある。【構成】コアと、該コアを囲み該コアよりも低屈折率
のクラッドとを少なくとも有する光導波路において、コ
アはエポキシ環を有するモノマーあるいはオリゴマーと
重合開始剤の混合物を光硬化または熱硬化したものであ
り、または、コアは不飽和基を有するモノマーあるいは
オリゴマーと重合開始剤の混合物を光硬化または熱硬化
したものであり、コアはシロキサン結合を有するモノマ
ーあるいはオリゴマーと重合開始剤の混合物を光硬化ま
たは熱硬化したものであり、混合物の粘度が、室温にお
いて１００００ｃｐｓ以下であることが望ましい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光通信分野、光情報処
理分野において使用される光デバイス等に使用可能な光
導波路およびその作製法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の導波路型光学素子等の光
導波路は、石英ガラス、あるいはＬｉＮｂＯ₃ 等の誘電
体結晶を材料として用いて作製されている。その作製に
は、微細加工を必要するため、ＬＳＩプロセスでよく用
いられるフォトリソグラフィ、ドライエッチングプロセ
ス等が組み合わされていた。これについては、河内正夫
氏によるＯｐｔｉｃａｌａｎｄＱｕａｎｔｕｍＥ
ｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ２２巻３９１ページ（１９９０
年）が参考となる。

【０００３】しかし、従来の作製法はその製造プロセス
が繁雑であり、使用される作製装置が高価なことから、
大量生産には適さず、安価な素子等の光導波路を作製で
きないという欠点があった。

【０００４】また、従来の作製法により素子等の光導波
路を作製しても、その後に光ファイバ等の他の光部品と
光結合を行う際に精密な調整を要するため、大量生産に
は適していないという問題がある。

【０００５】さらに、近時、より安価な材料や高分子材
料を用いて光導波路を作製することも行われている。こ
れについては、今村氏他によるＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ
Ｌｅｔｔｅｒｓ２７巻１３４２ページ（１９９１
年）が参考となる。しかし、作製法としてガラス導波路
と同様な導波路作製法を用いるとすると、基板１枚ごと
に同じパターンニング工程を繰り返す必要があること、
エッチング装置が高価なこと等のため、材料的には安価
であっても全体のプロセスコストはガラス導波路と同程
度を要し、結果として安価とはならないという欠点があ
る。また、この場合にも、導波路を作製したとしても、
その後に光ファイバ等の他の光部品と光結合を行う際に
精密な調整を要するため、やはり大量生産には適してい
ないという問題がある。

【０００６】そこで、プロセスコストを下げるため、あ
るいは光結合の繁雑さを避けるため、金型の転写による
射出成形等の高分子成形法により高分子導波路を作製す
る方法も提案されている。これは大量生産に適した作製
法ではあるが、数μｍオーダーの加工精度が要求される
単一モード導波路の作製においては十分な光学特性を有
する導波路が実現できない欠点があった。

【０００７】また、このような高分子成形法によりＳｉ
基板に施したＶ溝加工を基にして作製した金型を用い
て、そのＶ溝を高分子導波路と一体化して作製し、その
Ｖ溝に配される光ファイバとの結合を簡便にして光学素
子等の導波路作製に関わるコストを下げるという考えも
提案されている。しかし、特に単一モード導波路と単一
モード光ファイバとの結合では数μｍオーダー以下の位
置合わせ精度が特に要求されるため、十分に低い結合損
失を有する導波路を作製できない欠点があった。これら
はいずれも主に成形時に用いる金型寸法と成形後の高分
子部分の転写寸法とが大きく異なることに起因する。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明の第１の目的
は、安価で簡便に作製可能であり、しかも高性能な光学
素子等の導波路、特に単一モード用導波路であって、数
μｍオーダー以下の位置合わせ精度で他の光部品と容易
にかつ低損失で光結合が可能な光導波路を提供すること
にある。

【０００９】本発明の第２の目的は、かかる光導波路の
効率的な作製法を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明において上記課題
を解決するための要因について簡単に説明する。

【００１１】（１）光学素子等の光導波路を作製する導
波路作製プロセスにおいては、大掛かりな装置を用い
ず、大量生産に適した加工法を用いること、（２）材料
コストが低く、加工が容易な高分子材料を用いること、
（３）光導波路を作製する際、光ファイバ等他光部品と
の位置合わせを考慮した金型を用い、作製後の光結合の
ための作業をできるだけ簡略化すること等が挙げられ
る。

【００１２】本発明では、安価な高分子材料を、大量生
産に適した加工法である金型のパターンを転写する成形
加工により光導波路を作製することを基本としている。
この際の問題は、前述したように、成形時に用いる金型
寸法と成形後の高分子部分の転写寸法とが大きく異なっ
てしまうという点にある。これは例えば射出成形後では
高分子を成形するのに高温下で非常に大きな圧力をかけ
て成形し、その後室温まで冷却するといった方法をとる
ために、ガラス等に比較すると１桁以上大きい固有の熱
膨張係数を有する高分子材料を用いる場合には、成形時
に用いる金型寸法と成形後の高分子部分の転写寸法との
差を小さくすることは困難であることが多い。

【００１３】そこで、上記第１の目的を達成するため
に、請求項１記載の発明は、コアと、該コアを囲み該コ
アよりも低屈折率のクラッドとを少なくとも有する光導
波路において、前記コアは、エポキシ環を有するモノマ
ーあるいはオリゴマーと重合開始剤の混合物を光硬化ま
たは熱硬化したものであることを特徴とする。

【００１４】請求項２記載の発明は、コアと、該コアを
囲み該コアよりも低屈折率のクラッドとを少なくとも有
する光導波路において、前記コアは、不飽和基を有する
モノマーあるいはオリゴマーと重合開始剤の混合物を光
硬化または熱硬化したものであることを特徴とする。

【００１５】請求項３記載の発明は、コアと、該コアを
囲み該コアよりも低屈折率のクラッドとを少なくとも有
する光導波路において、前記コアは、シロキサン結合を
有するモノマーあるいはオリゴマーと重合開始剤の混合
物を光硬化または熱硬化したものであることを特徴とす
る。

【００１６】請求項４記載の発明は、請求項１ないし３
のいずれかの項に記載の光導波路において、前記混合物
の粘度が、室温において１００００ｃｐｓ以下であって
もよい。

【００１７】また、上記第２目的を達成するために、請
求項５記載の発明は、所望のコアの形状を有する成型用
の型を用い、かつ光硬化性のコア用原料を主とした光学
材料を光照射あるいは加熱により硬化させてコアを形成
する工程を有する光導波路の作製法において、該成型用
の型が光透過性を有し、該光照射が該成型用の型を通し
て行われることを特徴とする。

【００１８】本発明の作製法では、光あるいは、熱によ
り硬化するタイプの高分子材料を用い、特に熱をかける
場合でもそれほど高温を必要としなくても硬化する材料
を用いることにより、成形時に用いる金型寸法と成形後
の高分子部分の転写寸法との差をできるだけ小さくする
ことができる。

【００１９】また、本発明の光導波路の作製法では、光
あるいは、熱により硬化するタイプの材料の構造もエポ
キシ環、不飽和基、シリコーン等を有するため、硬化収
縮が少ない。このため、成形時に用いる金型寸法と成形
後の高分子部分の転写寸法との差を小さくすることがで
きる。

【００２０】さらに、本発明の光導波路の作製法では、
用いられる成形用の型の構造を特定のものとすることに
より光導波路と、光ファイバを載置するためのＶ溝とを
一体で作製することができる。これにより、光導波路と
光ファイバとの光結合を精度よく簡便にできる。

【００２１】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細
に説明する。

【００２２】まず、図１の（ａ）〜（ｅ）を本発明の光
導波路の作製法の一実施例を説明する。

【００２３】図１の（ａ）に示すように、所望の形状に
加工された基板１上にスピンコート、ディッピング等の
手段により塗布層２を設ける。この塗布層２を形成する
材料としては室温で流動性を示し、かつ、後述の例えば
光照射により硬化し、しかも硬化収縮の比較的小さい性
質を有するモノマーあるいはオリゴマーを挙げることが
できる。

【００２４】次に、（ｂ）に示すように、塗布層２の上
に、所望の形状の長尺凸部３ａを有する成形用の型３を
被せる。この型３は、本実施例では上記塗布層２を硬化
させるのに利用される波長の光（紫外線）を少なくとも
透過する材料から形成されている。この型３の上方から
上記透過波長の光４を照射して塗布層２を硬化させて下
部クラッドとなる硬化膜５ａを形成する。勿論、光照射
時に、上記塗布層２を所定の温度で加熱して硬化させて
もよい。

【００２５】次に、（ｃ）に示すように、型３を除去す
ると、硬化膜５ａの上部に型３の長尺凸部３ａに対応し
た形状、寸法の溝を露出させ、その溝内にコア材料を収
容し、コア材料層６を形成する。このコア材料６として
は、硬化時に下部クラッドである硬化膜５ａよりも屈折
率が高くなり、かつ室温で流動性を示すモノマーあるい
はオリゴマーを挙げることができる。

【００２６】この工程（ｃ）においては、溝内に光照射
または加熱により硬化させる材料を挿入するが、その材
料の粘度が１００００ｃｐｓ以上の材料では溝中にのみ
挿入することが困難であり、硬化後その余剰部分を除去
するのにドライエッチング等の工程が必要となるため、
溝部に挿入する材料の粘度は１００００ｃｐｓ以下が望
ましい。

【００２７】次に、（ｄ）に示すように、再び光照射４
によりコア材料層６を硬化させ、硬化膜７とする。勿
論、光照射時に、上記コア材料層６を所定の温度で加熱
して硬化させてもよい。この際、溝からはみ出したコア
材料層６の余剰部分がある場合にはドライエッチング等
により除去する。

【００２８】次に、（ｅ）に示すように、硬化膜５およ
び７の上に塗布層２と同様の材料を塗布した後、光照射
により上部クラッドとなる硬化膜５ｂを形成してコアと
上下クラッドとから構成された目的の導波路型の光学素
子８を得ることができる。

【００２９】次に、図２を参照して上記実施例の変形例
を説明する。

【００３０】まず、図２の（ａ）は図１の（ａ）と同一
の状態を示している。本変形例では、図１の（ｂ）にお
ける長尺凸部３ａを有する型３を用いずに、図２の
（ｂ）に示すように塗布層２を光照射あるいは加熱によ
り硬化させて下部クラッドとなる硬化膜５ａとする。一
方、型９の上部に形成された長尺凹部９ａ内にコア材料
を収容し、コア材料層６を形成する。このコア材料とし
ては前述と同様に硬化時に硬化膜５ａより屈折率の高く
なる室温で流動性を示すモノマーあるいはオリゴマーを
挙げることができる。このコア材料も、前述したよう
に、溝内への挿入困難性等を考慮してその粘度は１００
００ｃｐｓ以下が望ましい。

【００３１】次に、（ｃ）に示すように硬化膜５ａを下
側にした状態で基板１を型９上に載せ、型９が透明性で
あれば、型９の下方から光照射し、または加熱してコア
材料層６を硬化させてコアリッジ１０を形成する。型９
を取り除くと、（ｄ）に示すように、コアリッジ１０が
硬化膜５ａ上に突出するように露出する。次に、このコ
アリッジ１０および硬化膜５ａの上に塗布層２を形成す
る材料と同様の材料を塗布し、光照射あるいは加熱によ
り硬化させて上部クラッドとなる硬化膜５ｂを形成す
る。このような各工程を経て、（ｅ）に示すように、コ
アと上下クラッドとから構成された目的の導波路型の光
学素子８を得ることができる。

【００３２】以下、具体的な例を挙げて本発明を詳細に
説明する。

【００３３】（実施例１）本発明の光導波路の作製法に
ついて説明する。図３に示したのはその作製手順であ
る。

【００３４】まず、（ａ）に示すように、基板２１を用
意し、この上にスピンコート法により下部クラッド材料
としてエポキシ系ＵＶモノマー（粘度１０００ｃｐｓ）
を塗布し、塗布層２２を形成する。この塗布材料の主成
分は次の一般式

【００３５】

【化１】

【００３６】（ここで、ｎは０以上の整数である）で表
されるか、あるいは次の一般式

【００３７】

【化２】

【００３８】で表される。この塗布層２２の上には、
（ｂ）に示すようにガラス性の型２４を被せる。この型
２４は、その下側に幅１０μｍ、高さ１０μｍ、長さ５
０ｍｍの凸部２４ａを有するものである。塗布層２２上
に型２４を被せた状態で、紫外線照射２５により塗布層
２２を光硬化させ、（ｃ）に示すように導波路の下部ク
ラッド２３ａを形成する（屈折率ｎ＝１．５１、波長
１．３１μｍ）。この下部クラッド２３ａの上には、型
２４の凸部２４ａの形状に従って凹部が形成される。

【００３９】次に、（ｄ）に示すように、この下部クラ
ッド２３ａの凹部内に、塗布層２２を形成する材料の主
成分と同一の主成分を有し、コア材料となるエポキシ系
ＵＶモノマー材料（粘度１００ｃｐｓ）を挿入してコア
材料層２６を形成する。この際、コア材料のモノマーの
粘度が１００ｃｐｓ以下のものを選ぶと、ほぼ溝（凹
部）のみに挿入でき、はみ出した材料の除去工程を省略
することができる。

【００４０】次に、（ｅ）に示すように、紫外線照射に
よりモノマーのコア材料層２６を光硬化させて、コア２
７を形成する。このコア２７は、幅７μｍ、高さ７μｍ
の寸法を有している（屈折率ｎ＝１．５２、波長１．３
１μｍ）。

【００４１】次に、（ｆ）に示すように、コア２７およ
び下部クラッド２３ａの上に、塗布層２２を形成する材
料と同一の材料であるエポキシ系ＵＶモノマーを塗布
し、紫外線照射により硬化させて上部クラッド２３ｂを
形成する。これにより、コアと上下クラッドとから構成
された光導波路２８を作製することができる。

【００４２】得られた光導波路２８についてＬＤ光源
（波長１．３１μｍ）を用いて導波路損失を測定したと
ころ、導波路損失は０．３ｄＢ／ｃｍであった。

【００４３】（実施例２）コア材料および上下クラッド
材料の主成分として下記の不飽和基を有するモノマーを
用いた以外は、実施例１と同様の作製法により導波路型
の光学素子を作製したところ、導波路損失は０．１ｄＢ
／ｃｍであった（クラッド屈折率ｎ＝１．４７、コア屈
折率ｎ＝１．４８、コア幅７μｍ、高さ７μｍ）。

【００４４】

【化３】

【００４５】

【化４】

【００４６】（実施例３）コア材料および上下クラッド
材料の主成分として下記のシロキサン結合を有するモノ
マーを用いた以外は、実施例１と同様の作製法により導
波路型の光学素子を作製したところ、導波路損失は０．
１ｄＢ／ｃｍ（波長１．３μｍ）、０．５ｄＢ／ｃｍ
（波長１．５５μｍ）であった（クラッド屈折率ｎ＝
１．５０、コア屈折率ｎ＝１．５１、コア幅７μｍ、高
さ７μｍ）。なお、シロキサン結合を有するモノマーを
下記の一般式で表すが、式中、ｎは自然数である。

【００４７】

【化５】

【００４８】

【化６】

【００４９】（実施例４）本発明方法によるＶ溝付導波
路の作製法について説明する。図４に示したのはその作
製手順である。

【００５０】まず、（ａ）に示すように、基板３０を用
意し、この上にエポキシ系ＵＶモノマーを塗布し、塗布
層３１を形成する。

【００５１】一方、（ｂ）に示すように、ガラス性の型
３２を用意する。この型３２は、その下側の一部にＶ字
形状凸部３３を有するものである。この凸部３３は、開
き角６０°、高さ１５０μｍ、幅１７０μｍ、長さ２０
ｍｍの寸法を有している。

【００５２】次に、（ｃ）に示すように、型３２を塗布
層３１上に被せ、型３２の上方からＵＶ光源により紫外
線照射３４を行って露光し、光硬化させ、下部クラッド
（屈折率ｎ＝１．５１、波長１．３１μｍ）３５ａを形
成する。塗布層３１は型３２の下側の凸形状に従って硬
化し、下部クラッド３５ａの上面にＶ溝３６が形成され
る。このＶ溝３６は、開き角６０°、高さ１５０μｍ、
長さ２０ｍｍの寸法を有している。

【００５３】他方、（ｄ）に示すように、他の型３７を
用意する。この型３７の下側には、型３２の凸部３３と
同寸法の凸部３８が形成され、この凸部３８の中央側の
端部から凸部３８の長さ方向に沿って延びる細溝部３９
が形成されている。この細溝部３９は、深さ１０μｍ、
幅１０μｍ、長さ４０ｍｍの寸法を有している。

【００５４】次に、（ｅ）に示すように、型３７の細溝
部３９にコアとなるエポキシ系ＵＶモノマー３００を挿
入すると共に、（ｃ）に示したように基板３０の下部ク
ラッド３５ａを密着させる。次いで、（ｆ）に示すよう
に、型３７の下方から光照射してモノマー３００を硬化
させ、コアリッジ３０１を下部クラッド３５ａ上に密着
した状態で形成する。この際、下部クラッド３５ａの上
に形成されていたＶ溝３６と型３７のＶ字形状凸部３８
とを正確に合わせることにより、（ｆ）に示すように幅
１０μｍ、高さ１０μｍのコアリッジ（屈折率ｎ＝１．
５２、波長１．３１μｍ）３０１をＶ溝３６の位置に合
わせて作製する。

【００５５】次に、（ｇ）に示すように、再びエポキシ
系ＵＶモノマー３１を塗布し、光照射により硬化させて
上部クラッド３５ｂを形成する。これにより、コアリッ
ジ３０１、上下クラッド３５ａおよび３５ｂを含むＶ溝
付導波路３０２を作製することができる。この導波路３
０２のＶ溝３６には、光ファイバを固定することができ
るが、Ｖ溝３６がコアリッジ３０１と一体に形成されて
いるので、その光ファイバとコアリッジ３０１との光結
合に際し、その位置決めを容易にかつ低接続損失で行う
ことができる。なお、本実施例において、光ファイバを
挿入する溝形状としてＶ溝を用いたが光ファイバが挿入
できる形状であればＶ溝でなくてもよいことは勿論であ
る。

【００５６】得られた導波路３０２の外観を図４の
（ｈ）に示す。このＶ溝３６に光ファイバを固定し、Ｌ
Ｄ光源（波長１．３１μｍ）を用いて導波路損失を測定
したところ、ファイバとの接続損失は０．２ｄＢ、導波
路損失は０．３ｄＢ／ｃｍであった。

【００５７】なお、上記実施例のいずれにおいても光硬
化剤を用いた光導波路の作製例を示したが、熱により重
合させる場合は重合開始剤の種類を変えることにより同
様な作製が行える。

【００５８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
安価で簡便に作製可能であり、しかも高性能な光学素子
等の導波路、特に単一モード用導波路であって、数μｍ
オーダー以下の位置合わせ精度で他の光部品と容易にか
つ低損失で光結合が可能な光導波路を提供することがで
きる。

【００５９】また、本発明によれば、光導波路と光ファ
イバ固定用の溝とが一体に設けられているので、その溝
に固定された光ファイバと光導波路との光結合を精度よ
く、簡便に低損失で行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）〜（ｅ）は、それぞれ本発明の光導波路
の作製法の一実施例における各工程を示す断面図であ
る。

【図２】（ａ）〜（ｅ）は、それぞれ本発明の光導波路
の作製法の他の実施例における各工程を示す断面図であ
る。

【図３】（ａ）〜（ｆ）は、それぞれ本発明の光導波路
の作製法のさらに他の実施例における各工程を示す図で
あって、（ａ）は断面図であり、（ｂ）〜（ｆ）は斜視
図である。

【図４】（ａ）〜（ｈ）は、それぞれ本発明の光導波路
の作製法の他の実施例における各工程を示す図であっ
て、（ａ）、（ｃ）、（ｅ）〜（ｇ）は断面図であり、
（ｂ）、（ｄ）および（ｈ）は斜視図である。

【符号の説明】

１基板２室温で流動性を示すモノマーあるいはオリゴマー３成形用の型４光照射あるいは加熱５ａ下部クラッド５ｂ上部クラッド６コア材料層７コア８導波路型の光学素子９成形用の型９ａ凹部１０コアリッジ２１基板２２エポキシ系ＵＶモノマー２３ａ下部クラッド２３ｂ上部クラッド２４成形用の型２５光照射２６コア材料層２７コア２８直線導波路３０基板３１エポキシ系ＵＶモノマー３２成形用の型３３Ｖ字形状凸部３４紫外線照射３５ａ下部クラッド３５ｂ上部クラッド３６Ｖ溝３７成形用の型３８Ｖ字形状凸部３９細溝部３００コア材料３０１コアリッジ３０２Ｖ溝付導波路

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】コアと、該コアを囲み該コアよりも低屈
折率のクラッドとを少なくとも有する光導波路におい
て、前記コアは、エポキシ環を有するモノマーあるいはオリ
ゴマーと重合開始剤の混合物を光硬化または熱硬化した
ものであることを特徴とする光導波路。
【請求項２】コアと、該コアを囲み該コアよりも低屈
折率のクラッドとを少なくとも有する光導波路におい
て、前記コアは、不飽和基を有するモノマーあるいはオリゴ
マーと重合開始剤の混合物を光硬化または熱硬化したも
のであることを特徴とする光導波路。
【請求項３】コアと、該コアを囲み該コアよりも低屈
折率のクラッドとを少なくとも有する光導波路におい
て、前記コアは、シロキサン結合を有するモノマーあるいは
オリゴマーと重合開始剤の混合物を光硬化または熱硬化
したものであることを特徴とする光導波路。
【請求項４】前記混合物の粘度が、室温において１０
０００ｃｐｓ以下であることを特徴とする請求項１ない
し３のいずれかの項に記載の光導波路。
【請求項５】所望のコアの形状を有する成型用の型を
用い、かつ光硬化性のコア用原料を主とした光学材料を
光照射あるいは加熱により硬化させてコアを形成する工
程を有する光導波路の作製法において、該成型用の型が光透過性を有し、該光照射が該成型用の
型を通して行われることを特徴とする光導波路の作製
法。