JP2004069743A - 高分子光導波路の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡便な方法により非常に低コストで他の光学部品との接続が容易で損失の少ない高分子光導波路を製造する方法を提供すること。
【解決手段】１）光導波路用凸部が形成された原盤から鋳型を作製する工程、２）前記鋳型に該鋳型との密着性が良好なクラッド用フィルム基材を密着させる工程、３）クラッド用フィルム基材を密着させた鋳型の一端を、コアとなる紫外線硬化性樹脂又は熱硬化性樹脂に接触させ、該樹脂を毛細管現象により前記鋳型の凹部に進入させる工程、４）進入させた樹脂を硬化させ、鋳型をクラッド用フィルム基材から剥離する工程、５）コアが形成されたクラッド用フィルム基材の上にクラッド層を形成する工程、を有する高分子光導波路の製造方法であって、前記コアはその長手方向において、断面積、断面形状、又は断面積及び断面形状の両者が変化し、かつコアの２つの端面における面積が異なることを特徴とする高分子光導波路の製造方法。
【選択図】　図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光導波路、特にフレキシブルな高分子光導波路の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
高分子導波路の製造方法としては、（１）フイルムにモノマーを含浸させてコア部を選択的に露光して屈折率を変化させフイルムを張り合わせる方法（選択重合法）、（２）コア層及びクラッド層を塗布後、反応性イオンエチングを用いてクラッド部を形成する方法（ＲＩＥ法）、（３）高分子材料中に感光性の材料を添加した紫外線硬化樹脂を用いて、露光・現像するフォトリソグラフィー法を用いる方法（直接露光法）、（４）射出成形を利用する方法、（５）コア層及びクラッド層を塗布後、コア部を露光してコア部の屈折率を変化させる方法（フォトブリーチング法）等が提案されている。
然し、（１）の選択重合法はフイルムの張り合わせに問題があり、（２）や（３）の方法は、フォトリソグラフィー法を使うためコスト高になり、（４）の方法は、得られるコア径の精度に課題がある。また、（５）の方法はコア層とクラッド層との十分な屈折率差がとれないと言う問題がある。
現在、性能的に優れた実用的な方法は、（２）や（３）の方法だけであるが前記のごときコストの問題がある。そして（１）ないし（５）のいずれの方法も、大面積でフレキシブルなプラスチック基材に高分子導波路を形成するのに適用しうるものではない。
【０００３】
また、高分子光導波路を製造する方法として、キャピラリーとなる溝のパターンが形成されたパターン基板（クラッド）にコア用のポリマー前駆体材料を充填し、その後硬化させてコア層を作り、その上に平面基板（クラッド）を貼り合わせる方法が知られているが、この方法ではキャピラリー溝にだけでなく、パターン基板と平面基板の間にも全面的にポリマー前駆体材料が薄く充填され硬化されてコア層と同じ組成の薄い層が形成される結果、この薄い層を通って光が漏洩してしまうという問題があった。
この問題を解決する方法の１つとして、デビット・ハートはキャピラリーとなる溝のパターンが形成されたパターン基板と平面基板とをクランプ用治具で固着し、さらにパターン基板と平面基板との接触部分を樹脂でシールなどした後減圧して、モノマー（ジアリルイソフタレート）溶液をキャピラリーに充填して、高分子光導波路を製造する方法を提案した（特許公報３１５１３６４号明細書）。この方法はコア形成用樹脂材料としてポリマー前駆体材料を用いる代わりにモノマーを用いて充填材料を低粘度化し、キャピラリー内に毛細管現象を利用して充填させ、キャピラリー以外にはモノマーが充填されないようにする方法である。
しかし、この方法はコア形成用材料としてモノマーを用いているため、モノマーが重合してポリマーになる際の体積収縮率が大きく、高分子光導波路の透過損失が大きくなるいう問題がある。
また、この方法は、パターン基板と平面基板とをクランプで固着する、あるいはこれに加えさらに接触部を樹脂でシールするなど煩雑な方法であり、量産にはむかず、その結果コスト低下を期待することはできない。また、クラッドとして厚さがｍｍオーダーあるいは１ｍｍ以下のフィルムを用いる高分子光導波路の製造に適用することは不可能である。
【０００４】
また、最近、ハーバード大学のＧｅｏｒｇｅ　Ｍ．　Ｗｈｉｔｅｓｉｄｅｓらは、ナノ構造を作る新技術として、ソフトリソグラフィーの一つとして毛細管マイクロモールドという方法を提唱している。これは、フォトリソグラフィーを利用してマスター基板を作り、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）の密着性と容易な剥離性を利用してマスター基板のナノ構造をＰＤＭＳの鋳型に写し取り、この鋳型に毛細管現象を利用して液体ポリマーを流し込んで固化させる方法である。ＳＣＩＥＮＴＩＦＩＣ　ＡＭＥＲＩＣＡＮ　Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ　２００１（日経サイエンス２００１年１２月号）に詳しい解説記事が記載されている。
【０００５】
又はバード大学のＧｅｏｒｇｅ　Ｍ．　ＷｈｉｔｅｓｉｄｅｓのグループのＫｉｍ　Ｅｎｏｃｈらによって毛細管マイクロモールド法に関する特許が出願されている（米国特許６３５５１９８号明細書）。
しかし、この特許に記載の製造方法を高分子光導波路の製造に適用しても、光導波路のコア部は断面積が小さいので、コア部を形成するのに時間がかかり、量産に適さない。また、モノマー溶液が重合して高分子になるときに体積変化を起こしコアの形状が変化し、透過損失が大きくなるという欠点を持つ。
【０００６】
また、ＩＢＭチュリッヒ研究所のＢ．　ＭｉｃｈｅｌらはＰＤＭＳを用いた高解像度のリソグラフィー技術を提案しており、この技術により数十ｎｍの解像力が得られると報告している。詳しい解説記事は、ＩＢＭ　Ｊ．　ＲＥＶ．　＆　ＤＥＶ．　ＶＯＬ．　４５　ＮＯ．　５　ＳＥＰＴＥＭＢＥＲ　２００１に記載されている。
このように、ＰＤＭＳを使ったソフトリソグラフィー技術や、毛細管マイクロモールド法は、ナノテクノロジーとして最近、米国を中心に注目を集めている技術である
【０００７】
しかしながら、前記のごときマイクロモールド法を用いて光導波路を作製すると、硬化時の体積収縮率を小さくする（したがって透過損失を小さくする）ことと、充填を容易にするために充填液体（モノマー等）を低粘度化することを両立させえない。したがって、透過損失を小さくすることを優先的に考慮すると、充填液体の粘度をある限度以下にすることができず、充填速度が遅くなり、量産は望めない。また前記のマイクロモールド法は、基板としてガラスやシリコン基板を用いることが前提になっており、フレキシブルなフィルム基材を用いることは考慮されていない。
【０００８】
これに対して本発明者等は、特願２００２−１８７４７３号として、フィルム基材に光導波路を設けたフレキシブル高分子光導波路を作製する方法を提案した。この方法は、製造工程が極めて単純化されたもので、容易に高分子光導波路を作製することができ、従来の高分子光導波路の製造方法に比較し、非常に低コストで高分子光導波路を作製することができる。
このようなフレキシブル高分子光導波路には、複数の光学部品を接続する機能が求められるが、光学部品である発光素子の発光部や受光素子の受光部の面積、形状はそれぞれ異なるため、光導波路の入出力部の断面積や断面形状を任意に変更して接続することが望まれる。そのための技術としては例えばＲＩＥ法を用いて導波路自体を加工する方法もあるが、コストアップは避けられない。
【０００９】
光導波路と光ファイバー等の光学部品との接続を行なう高分子光導波路（ただしフレキシブルではない）の製造方法として、例えば特開平１０−２５３８４５号公報には、フォトリソ法を用いて高分子光導波路に光ファイバーを接続する方法が記載されているが、フォトリソ法を用いるため、フォトマスクを用いたパターン露光が毎回必要となる。また、この方法では、高分子光導波路と光ファイバーの接続には、基板に浅い液貯めプールと該プールの両側に溝を形成して、該溝に光ファイバーを置く方法が採用されているので、基板に液貯めプールの他に溝を加工する必要もあり工数が増えたり、作製する高分子光導波路ごとに、溝とフォトマスクの位置を正確に合わせる必要があるため、依然としてコスト高の問題がある。また、光導波路の断面積を長手方向に三次元的に変化させるには、浅い液貯めプールの深さを精密に制御する必要があり、歩留まりが低くなる問題点がある。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、前記のごとき問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、簡便な方法により、非常に低コストで他の光学部品との接続が容易で損失の少ない高分子光導波路を製造する方法を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
前記課題は、以下の高分子光導波路を製造する方法を提供することにより解決される。
（１）１）光導波路用凸部が形成された原盤に鋳型形成用樹脂材料の層を形成した後剥離して型を取り、次いで前記型に形成された光導波路用凸部に対応する凹部が露出するように型の両端を切断して鋳型を作製する工程、
２）前記鋳型に該鋳型との密着性が良好なクラッド用フィルム基材を密着させる工程、
３）クラッド用フィルム基材を密着させた鋳型の一端を、コアとなる紫外線硬化性樹脂又は熱硬化性樹脂に接触させ、紫外線硬化性樹脂又は熱硬化性樹脂を毛細管現象により前記鋳型の凹部に進入させる工程、
４）進入させた紫外線硬化性樹脂又は熱硬化性樹脂を硬化させ、鋳型をクラッド用フィルム基材から剥離する工程、
５）コアが形成されたクラッド用フィルム基材の上にクラッド層を形成する工程、
を有する高分子光導波路の製造方法であって、前記コアはその長手方向において、断面積、断面形状、又は断面積及び断面形状の両者が変化し、かつコアの２つの端面における面積が異なることを特徴とする高分子光導波路の製造方法。
【００１２】
（２）前記コアの断面積、断面形状、又は断面積及び断面形状の両者の変化が、長手方向において連続的であることを特徴とする前記（１）に記載の高分子光導波路の製造方法。
（３）前記コアの２つの端面のうち、少なくとも一方の端面の面積を、接続すべき光学部品の面積より大きくすることを特徴とする前記（１）に記載の高分子光導波路の製造方法。
（４）前記光学部品が、光ファイバー、発光素子、受光素子、集光レンズのいずれかであることを特徴とする前記（３）に記載の高分子光導波路の製造方法。
（５）前記鋳型凹部の２つの端面のうち、少なくとも一方の端面の断面形状及び断面積を光学部品が挿入できる断面形状及び断面積とし、前記３）の工程において紫外線硬化性樹脂又は熱硬化性樹脂を毛細管現象により鋳型の凹部に進入させる前又は進入させた後に、前記鋳型凹部端面から光学部品を挿入することを特徴とする前記（１）に記載の高分子光導波路の製造方法。
【００１３】
（６）前記クラッド層の形成が、紫外線硬化性樹脂又は熱硬化性樹脂を塗布した後硬化させることによる前記（１）に記載の光導波路の製造方法。
（７）前記クラッド層の形成が、クラッド用のフィルムを該フィルムと近い屈折率をもつ接着剤により貼り合わせることによる前記（１）に記載の光導波路の製造方法。
（８）前記鋳型形成用樹脂材料の層が硬化性シリコーン樹脂を硬化した層であることを特徴とする前記（１）に記載の高分子光導波路の製造方法。
【００１４】
（９）前記鋳型の表面エネルギーが１０ｄｙｎ／ｃｍ〜３０ｄｙｎ／ｃｍであることを特徴とする前記（１）に記載の高分子光導波路の製造方法。
（１０）前記鋳型のシェア（Ｓｈａｒｅ）ゴム硬度が１５〜８０であることを特徴とする前記（１）に記載の高分子光導波路の製造方法。
（１１）前記鋳型の表面粗さが０．５μｍ以下であることを特徴とする前記（１）に記載の高分子光導波路の製造方法。
（１２）前記鋳型の厚さが０．１ｍｍ〜５０ｍｍであることを特徴とする前記（１）に記載の高分子光導波路の製造方法。
【００１５】
（１３）前記クラッド用フィルム基材の屈折率が１．５５以下であることを特徴とする前記（１）に記載の高分子光導波路の製造方法。
（１４）前記クラッド用フィルム基材が脂環式オレフィン樹脂フイルムであることを特徴とする前記（１）に記載の高分子光導波路の製造方法。
（１５）前記脂環式オレフィン樹脂フイルムが主鎖にノルボルネン構造を有しかつ側鎖に極性基をもつ樹脂フィルムであることを特徴とする前記（１４）に記載の高分子光導波路の製造方法。
【００１６】
（１６）前記紫外線硬化性樹脂又は熱硬化性樹脂の粘度が１０ｍＰａ・ｓ〜２０００ｍＰａ・ｓであることを特徴とする前記（１）に記載の高分子光導波路の製造方法。
（１７）前記紫外線硬化性樹脂又は熱硬化性樹脂を硬化させたときの体積変化が１０％以下であることを特徴とする前記（１）に記載の高分子光導波路の製造方法。
（１８）前記クラッド層の屈折率がクラッド用フィルム基材と同じであることを特徴とする前記（１）に記載の高分子光導波路の製造方法。
【００１７】
（１９）紫外線硬化性樹脂又は熱硬化性樹脂の硬化物の屈折率が１．５５以上であることを特徴とする前記（１）に記載の高分子光導波路の製造方法。
（２０）前記クラッド用フィルム基材及びクラッド層とコアの屈折率差が０．０２以上あることを特徴とする前記（１）に記載の高分子光導波路の製造方法。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明の高分子光導波路の製造方法は基本的に以下の工程を有する。
１）光導波路用凸部が形成された原盤に鋳型形成用樹脂材料の層を形成した後剥離して型を取り、次いで前記型に形成された光導波路用凸部に対応する凹部が露出するように型の両端を切断して鋳型を作製する工程、
２）前記鋳型にクラッドとなる該鋳型との密着性が良好なクラッド用フィルム基材を密着させる工程、
３）クラッド用フィルム基材を密着させた鋳型の一端を、コアとなる紫外線硬化性樹脂又は熱硬化性樹脂に接触させ、紫外線硬化性樹脂又は熱硬化性樹脂を毛細管現象により前記鋳型の凹部に進入させる工程、
４）進入させた紫外線硬化性樹脂又は熱硬化性樹脂を硬化させる工程、鋳型をクラッド用フィルム基材から剥離する工程、及び
５）コアが形成されたクラッド用フィルム基材の上にクラッド層を形成する工程。
そして、本発明の高分子光導波路の製造方法においては、前記１）の原盤作製工程において光導波路用凸部の形状を、１）ないし５）の工程により作製されるコアが、その長手方向において、断面積、断面形状、又は断面積及び断面形状の両者が変化し、かつコアの２つの端面における面積が異なるような形状とするものである。
【００１９】
本発明における前記１）ないし５）の工程からなる高分子光導波路の製造方法は、鋳型に、鋳型との密着性が良好なクラッド用フィルム基材を密着させると、両者を特別な手段を用いて固着させなくても（前記特許第３１５１３６４号明細書に記載のごとき固着手段）、鋳型に形成された凹部構造以外には、鋳型とクラッド用フィルム基材の間に空隙が生ずることなく、紫外線硬化性樹脂又は熱硬化性樹脂を前記凹部のみに進入させることができることを見い出したことに基づくものであるので、本発明の高分子光導波路の製造方法は、製造工程が極めて単純化され容易に高分子光導波路を作製することができ、従来の高分子光導波路の製造方法に比較し、極めて低コストで高分子光導波路を作製することを可能にするものである。また、本発明の高分子光導波路の製造方法により、損失ロスが少なく高精度であり、かつ各種機器への自由な装填を可能とするフレキシブルな高分子光導波路が得られる。さらに高分子光導波路の形状等を自由に設定することができる。
前記１）ないし５）の工程からなる高分子光導波路の製造方法において、作製されるコアが、その長手方向において、断面積、断面形状、又は断面積及び断面形状の両者が変化し、かつコアの２つの端面における面積が異なるような形状とするためには、原盤作製工程において、特定の形状を有する光導波路用凸部をＲＩＥ法、精密機械加工のごとき精密加工やフォトリソグラフィー法等により作製することが必要であるものの、原盤からいくつも鋳型が作製できるので、煩雑な工程を最小限に抑えることができ、
したがって、本発明により、他の光学部品との接続（例えば光ファイバーの口径変換）が容易なフレキシブル高分子光導波路を極めて低コストで簡便に作製することができ、特開平１０−２５３８４５号公報に記載のごとき、高分子光導波路の作製ごとにフォトリソグラフィー法を用いなければならない従来方法に比較し、飛躍的に生産性が向上する。また、光学部品の接続の際は、鋳型凹部とフィルム基材の間に形成される孔を位置決めにそのまま利用できるため、前記公報に記載のごときＶ溝などによる位置決めや位置合わせが不用になる。最も代表的な光ファイバーの接続の例では、前記孔に直接差し込むだけでよい。さらに、通常、前記孔の断面形状は四角形のため、光ファイバーを挿入したとしても孔の直角コーナー部に隙間が生じ、光ファイバーを挿入したままでも毛細管現象によって紫外線硬化樹脂等が進入できる。
【００２０】
まず、図１用いて本発明の高分子光導波路の製造方法における基本的な工程についてその概略を説明する。
図１（Ａ）は以下で詳述するような光導波路用凸部１２が形成された原盤１０を示す。最初に図１（Ｂ）で示すように、原盤１０の光導波路用凸部１２が形成された面に、鋳型形成用樹脂材料の層２０ａ（例えば硬化性樹脂の硬化した層）を形成する。次に、鋳型形成用樹脂材料の層２０ａを原盤１０から剥離し（型取り）、その後、型に形成された光導波路用凸部に対応する凹部２２が露出するように型の両端を切断して（図示せず）鋳型２０を作製する（図１（Ｃ）参照）。
このようにして作製した鋳型に、該鋳型との密着性がよいクラッド用フィルム基材３０を密着させる（図１（Ｄ）参照）。次に、鋳型の一端をコアとなる硬化性樹脂４０ａに接触させ、毛細管現象を利用して鋳型の凹部２２に進入させる。図１（Ｅ）は鋳型の凹部に硬化性樹脂が充填された状態を示す。その後、凹部内の硬化性樹脂を硬化させ、鋳型を剥離する（図示せず）。図１（Ｆ）が示すように、クラッド用フィルム基材の上に光導波路用凸部（コア）４０が形成される。
さらに、クラッド用フィルム基材のコア形成面にクラッド層５０を形成することにより、本発明の高分子光導波路６０（図１（Ｇ）参照）が作製される。
【００２１】
以下に、本発明による高分子光導波路の製造方法を工程順に説明する。
１）光導波路用凸部が形成された原盤に鋳型形成用樹脂材料の層を形成した後剥離して型を取り、次いで前記型に形成された光導波路用凸部に対応する凹部が露出するように型の両端を切断して鋳型を作製する工程
＜原盤の作製＞
本発明においては、原盤作製工程において、原盤に形成する光導波路用凸部は、下記の２）ないし５）の工程により作製されるコアが、長手方向において断面積、断面形状、又は断面積及び断面形状の両者が変化し、かつ、コアの２つの端面における面積が異なるものとなるように形成される。
図２に、長手方向において断面積が連続的に変化する光導波路用凸部を有する原盤、及び該原盤を用いて形成される、長手方向において断面積が連続的に変化し、かつコアの両端面の面積が異なる高分子光導波路を模式的に示す。（図は一本の光導波路用凸部を有する原盤を示しているが、これは説明用であり、必ずしも一本ではない。）
図２（Ａ−１）及び図２（Ａ−３）は、原盤１０の光導波路用凸部１２の長手方向からの両側面図を示し、図２（Ａ−２）は、原盤１０の光導波路用凸部１２の長手方向に沿った断面図を示す。
また、図２（Ｂ−１）及び図２（Ｂ−２）は、高分子光導波路６０のコア４０の長手方向からの両側面図を示し、図２（Ｂ−２）は、高分子光導波路６０のコア４０の長手方向に沿った断面図を示す。図に示すようにコアの２つの端面の面積は異なっている。
光導波路用凸部（したがってコア）の断面積等の変化は必ずしも連続的である必要はないが、例えば、光ファイバーの口径変換の際に導波損失を最小にするには、断面積もしくは断面形状もしくはその両方が長手方向に連続的に変化することが望ましい。もっとも分岐導波路などの作製の際にはこの限りではない。
また、コアの端面の面積及び形状は、接続すべき光学部品を考慮して適宜決められるが、以下の工程において、鋳型作製の際に凹部を露出させるため端部を切断したり、硬化性樹脂を充填・硬化後、作製された高分子光導波路を適宜のサイズに切り出したりするので、この点を考慮して、光導波路用凸部を形成する。
【００２２】
光導波路用凸部（コアに対応する凸部）を形成した原盤の作製には、従来の方法、たとえばＲＩＥ法、面精度の高い機械加工等を特に制限なく用いることができる。また光導波路用凸部の膜厚を変化させる必要がない場合は、厚膜レジスト（ＳＵ−８）をスピンコートした後露光するフォトリソグラフィー法により、簡便に原盤を作製することができる。
【００２３】
＜型の作製＞
型は、前記のようにして作製した原盤の光導波路面に、鋳型樹脂材料の層を形成した後剥離して作製される。
鋳型樹脂材料としては、原盤から容易に剥離することができること、鋳型（繰り返し用いる）として一定以上の機械的強度・寸法安定性を有することが好ましい。鋳型樹脂材料の層は、鋳型形成用樹脂あるいはこれに必要に応じて各種添加剤を加えたものから形成される。
鋳型形成用樹脂は、原盤に形成された個々の光導波路を正確に写し取らなければならないので、ある限度以下の粘度、たとえば、２０００〜７０００ｍＰａ・ｓ程度を有することが好ましい。また、粘度調節のために溶剤を、溶剤の悪影響がない程度に加えることができる。
【００２４】
前記鋳型形成用樹脂としては、硬化性シリコーン樹脂（熱硬化型、室温硬化型）が、剥離性、機械強度・寸法安定性の観点から好ましく用いられる。また、前記樹脂であって低分子量の液体樹脂は、十分な浸透性が望め好ましく用いられる。前記樹脂の粘度は５００〜７０００ｍＰａ・ｓ、さらには、２０００〜５０００ｍＰａ・ｓ程度のものが好ましい。
硬化性シリコーン樹脂としては、メチルシロキサン基、エチルシロキサン基、フェニルシロキサン基を含むものが好ましく、特に硬化性ジメチルシロキサン樹脂が好ましい。
【００２５】
また、前記原盤にはあらかじめ離型剤塗布などの離型処理を行なって鋳型との剥離を促進させることが望ましい。
原盤の光導波路面に、鋳型樹脂材料の層を形成するには、前記面に鋳型形成用樹脂を塗布したり注型するなどの方法により鋳型形成用樹脂の層を形成し、その後必要に応じ乾燥処理、硬化処理などが行なわれる。
鋳型樹脂材料の層の厚さは鋳型としての取り扱い性を考慮して適宜決められるが、一般的に０．１〜５０ｍｍ程度が適切である。
その後、鋳型樹脂材料の層と原盤を剥離して型とする。
【００２６】
＜鋳型の作製＞
次いで前記型に形成された光導波路用凸部に対応する凹部が露出するように型の両端を切断して鋳型を作製する。凹部が露出するように型の両端を切断するのは、後の工程で紫外線硬化性樹脂又は熱硬化性樹脂を毛細管現象により前記鋳型の凹部に進入させるためである。
鋳型の表面エネルギーは、１０ｄｙｎ／ｃｍ〜３０ｄｙｎ／ｃｍ、好ましくは１５ｄｙｎ／ｃｍ〜２４ｄｙｎ／ｃｍの範囲にあることが、基材フィルムとの密着性の点からみて好ましい。
鋳型のシェア（Ｓｈａｒｅ）ゴム硬度は、１５〜８０、好ましくは２０〜６０であることが、型取り性能や剥離性の点からみて好ましい。
鋳型の表面粗さ（二乗平均粗さ（ＲＭＳ））は、０．５μｍ以下、好ましくは０．１μｍ以下にすることが、型取り性能の点からみて好ましい。
【００２７】
２）前記鋳型に該鋳型との密着性が良好なクラッド用フィルム基材を密着させる工程
本発明の光導波路は、カプラー、ボード間の光配線や光分波器等としても使用しうるので、その用途に応じて前記フィルム基材の材料としては、該材料の屈折率、光透過性等の光学的特性、機械的強度、耐熱性、鋳型との密着性、フレキシビリティー（可撓性）等を考慮して選択される。可撓性のフィルム基材を用い、可撓性を有する高分子光導波路を作製することが好ましい。前記フィルムとしては脂環式アクリルフイルム、脂環式オレフィンフイルム、三酢酸セルロースフイルム、含フッ素樹脂フイルム等が挙げられる。フィルム基材の屈折率は、コアとの屈折率差を確保するため、１．５５より小さく、好ましくは１．５３より小さくすることが望ましい。
【００２８】
前記脂環式アクリルフイルムとしてはトリシクロデカン等の脂肪族環状炭化水素をエステル置換基に導入した、ＯＺ−１０００、ＯＺ−１１００等が用いられる。
また、脂環式オレフィンフイルムとしては主鎖にノルボルネン構造を有するもの、及び主鎖にノルボルネン構造を有しかつ側鎖にアルキルオキシカルボニル基（アルキル基としては炭素数１から６のものやシクロアルキル基）等の極性基をもつものが挙げられる。中でも前記のごとき主鎖にノルボルネン構造を有しかつ側鎖にアルキルオキシカルボニル基等の極性基をもつ脂環式オレフィン樹脂は、低屈折率（屈折率が１．５０近辺であり、コア・クラッドの屈折率の差を確保できる）及び高い光透過性等の優れた光学的特性を有し、鋳型との密着性に優れ、さらに耐熱性に優れているので特に本発明の高分子光導波路の作製に適している。
また、前記フィルム基材の厚さはフレキシビリティーと剛性や取り扱いの容易さ等を考慮して適切に選ばれ、一般的には０．１ｍｍ〜０．５ｍｍ程度が好ましい。
【００２９】
３）クラッド用フィルム基材を密着させた鋳型の一端を、コアとなる紫外線硬化性樹脂又は熱硬化性樹脂に接触させ、紫外線硬化性樹脂又は熱硬化性樹脂を毛細管現象により前記鋳型の凹部に進入させる工程
この工程においては、紫外線硬化性樹脂及び熱硬化性樹脂を、毛細管現象により鋳型とフィルム基材との間に形成された空隙（鋳型の凹部）に充填させるため、用いる紫外線硬化性樹脂及び熱硬化性樹脂はそれが可能なように十分低粘度である他、前記硬化性樹脂の硬化後の屈折率はクラッドを構成する高分子材料よりも高い（クラッドとの差が０．０２以上）ことが必要である。このほかに、原盤に形成された光導波路用凸部が有する元の形状を高精度に再現するため、前記硬化性樹脂の硬化前後の体積変化が小さいことが必要である。例えば、体積が減少すると導波損失の原因になる。したがって、前記硬化性樹脂は、体積変化ができるだけ小さいものが望ましく、１０％以下、好ましくは６％以下であるのが望ましい。溶剤を用いて低粘度化することは、硬化前後の体積変化が大きいので避ける方が好ましい。
【００３０】
したがって、前記硬化性樹脂の粘度は、１０ｍＰａ・ｓ〜２０００ｍＰａ・ｓ、望ましくは２０ｍＰａ・ｓ〜１０００ｍＰａ・ｓ、更に好ましくは３０ｍＰａ・ｓ〜５００ｍＰａ・ｓにするのが好ましい。
また、前記紫外線硬化性樹脂としてエポキシ系、ポリイミド系、アクリル系紫外線硬化性樹脂が好ましく用いられる。
【００３１】
また、この工程において、フィルム基材を密着させた鋳型の一端を、コアとなる紫外線硬化性樹脂又は熱硬化性樹脂に接触させて紫外線硬化性樹脂又は熱硬化性樹脂を毛細管現象により前記鋳型の凹部に充填することを促進するため、この系全体を減圧（０．１〜２００Ｐａ程度）することが望ましい。また系全体を減圧にする代わりに、鋳型の、前記硬化性樹脂と接触する一端とは異なる端からポンプで吸引したり、あるいは前記硬化性樹脂と接触する一端において加圧したりすることもできる。
また、前記充填を促進するため、前記減圧及び加圧に代えあるいはこれらに加えて、鋳型の一端に接触させる硬化性樹脂を加熱することにより、より硬化性樹脂を低粘度化することも有効な手段である。
コアとなる紫外線硬化性樹脂又は熱硬化性樹脂の硬化物の屈折率は、クラッドとなる前記フィルム基材（以下の５）の工程におけるクラッド層を含む）より大きいことが必要で、１．５３以上、好ましくは１．５５以上である。クラッド（以下の５）の工程におけるクラッド層を含む）とコアの屈折率の差は、０．０２以上、好ましくは０．０５以上である
【００３２】
４）進入させた紫外線硬化性樹脂又は熱硬化性樹脂を硬化させ、鋳型をフィルム基材から剥離する工程
進入させた紫外線硬化性樹脂又は熱硬化性樹脂を硬化させる。紫外線硬化性樹脂を硬化させるには、紫外線ランプ、紫外線ＬＥＤ、ＵＶ照射装置等が用いられる。また、熱硬化性樹脂を硬化させるには、オーブン中での加熱等が用いられる。
また、前記１）〜３）の工程で用いる鋳型をそのままクラッド層に用いることも可能で、この場合は、鋳型を剥離する必要はなくそのままクラッド層として利用する。
【００３３】
５）コアが形成されたフィルム基材の上にクラッド層を形成する工程
コアが形成されたフィルム基材の上にクラッド層を形成するが、クラッド層としてはフィルム（たとえば前記２）の工程で用いたようなフィルム基材が同様に用いられる）、硬化性樹脂（紫外線硬化性樹脂、熱硬化性樹脂）を塗布して硬化させた層、高分子材料の溶剤溶液を塗布して乾燥して得られる高分子膜等が挙げられる。クラッド層としてフィルムを用いる場合は、接着剤を用いて貼り合わされるが、その際、接着剤の屈折率がフィルムの屈折率と近いことが望ましい。
クラッド層の屈折率は、コアとの屈折率差を確保するため、１．５５より小さく、好ましくは１．５３より小さくすることが望ましい。また、クラッド層の屈折率を前記フィルム基材の屈折率と同じにすることが、光の閉じ込めの点からみて好ましい。
【００３４】
本発明の高分子光導波路の製造方法において、特に、鋳型材料として熱硬化性のシリコーン樹脂、中でも熱硬化性ジメチルシロキサン樹脂を用い、フィルム基材として主鎖にノルボルネン構造を有しかつ側鎖にアルキルオキシカルボニル基等の極性基をもつ脂環式オレフィン樹脂を用いる組み合わせは、両者の密着性が特に高く、また、凹部構造の断面積が極めて小さくても（たとえば１０×１０μｍの矩形）毛細管現象により素早く凹部に硬化性樹脂を充填することができる。
【００３５】
さらに、前記の鋳型をクラッド層として用いることもできるが、その場合には、鋳型の屈折率が１．５以下で、鋳型とコア材料の接着性を向上させるために鋳型をオゾン処理することが好ましい。
【００３６】
［他の光学部品との接続］
本発明の方法により、他の光学部品、例えば光ファイバー、発光素子、受光素子、集光レンズなどの光学部品と接続可能な高分子光導波路を、あるいは高分子光導波路の作製工程において前記光学部品を接続して光学部品が接続された高分子光導波路を、容易に作製することができる。
例えば、径の異なる２つの光ファイバーを接続する（口径変換）には、２つの光ファイバーの径等を考慮して原盤及び鋳型を作製し、その後の工程にファイバー接続工程を容易に組み込むことができる。図３にその一態様を示す。図３は、図２に示すような原盤を用いて作製された鋳型とフィルム基材の間に形成される孔の両端部に径の異なる光ファイバーを、紫外線硬化性樹脂又は熱硬化性樹脂を毛細管現象により該孔に進入させる前又は進入させた後に、孔の端部から挿入する工程を示す。その後、孔に光ファイバーを挿入する前又は後に充填された硬化性樹脂が硬化される際、挿入された光ファイバーがコア端面部においてコアに接続される。
【００３７】
図３（Ａ−１）及び図３（Ａ−３）は、鋳型２０の凹部２２の長手方向からの両側面図を示し、図３（Ａ−２）は、鋳型２０の凹部２２の長手方向に沿った断面図を示す。（なお図は一本の凹部を有する鋳型を示しているが、これは説明用であり、必ずしも一本ではない。）次に、図３（Ｂ−１）ないし図３（Ｂ−３）に示すように、鋳型の両端部における凹部に径の異なる光ファイバー７０、７２をそれぞれ挿入し、その後、鋳型の一端に紫外線硬化性樹脂又は熱硬化性樹脂４０ａを接触させる。前記硬化性樹脂は毛細管現象により鋳型凹部に進入する（図示せず）。なお、硬化性樹脂を鋳型凹部に充填した後、光ファイバーを挿入してもよい。次いで、前記硬化性樹脂を硬化し、鋳型を剥離する。その結果図３（Ｃ−１）ないし図３（Ｃ−３）に示すように、光導波路４０に径の異なる２つの光ファイバー７０、７２が接続された高分子光導波路が作製される。
なお、前記鋳型凹部の２つの端面の断面形状及び断面積を光ファイバーが挿入できる断面形状及び断面積とすることが必要である。
【００３８】
また、本発明の方法により、面発光レーザーアレイ（ＶＣＳＥＬ）のごとき発光素子や受光素子等と、特別なレンズ系を追加せず、容易に接続可能な高分子光導波路を製造することができる。この場合も発光素子等のレーザー光スポット径などを考慮して原盤及び鋳型を作製する。
面発光レーザーアレイの半導体レーザー素子は発熱が大きいため、発熱による悪影響を防ぐためには、半導体レーザー素子とコア端面との間に間隔を保ち放熱させる必要があるが、半導体レーザービームは広がり角度を有するため、前記間隔がある限度を超えるとコア端面におけるレーザー光スポット直径が、コアが許容する以上（たとえばコア直径が５０μｍの場合、許容直径は４５μｍ）のものになってしまう。
しかし、面発光レーザーアレイにおける半導体レーザーのスポット径、レーザービームの広がり角度を考慮することにより、前記のレンズ等を設けなくても半導体レーザーとコア端面の間の間隔を、発熱の影響を十分避けることができる程度に空けることが可能になる。
【００３９】
たとえば、半導体レーザーのスポット径が１０μｍ、ビーム広がり角度が２５°、アレイ間隔が２５０μｍの面発光レーザーアレイ（富士ゼロックス株式会社製、ＶＣＳＥＬ−ＡＭ−０１０４）を、コア径が５０μｍのマルチモード高分子光導波路シートの端面に取り付ける場合、コア面におけるレーザー光スポット直径が４５μｍ程度まで許容されるため、半導体レーザーとコア端面との間隔は最大７９μｍまで可能となる。また、コア端面におけるレーザー光直径を３０μｍに設定する場合には、半導体レーザーとコア端面との間隔は４５μｍ程度となるが、この程度の間隔があれば半導体レーザー素子が１００℃位まで温度上昇することを考慮しても十分熱を逃がすことが可能である。
したがって、面発光レーザーアレイにおける半導体レーザーのスポット径が１〜２０μｍ、レーザービームの広がり角度が５°〜３０°程度のものが好ましく用いられ、また、アレイ間隔は１００〜５００μｍ程度のものが好ましい。例えば、富士ゼロックス株式会社のＶＣＳＥＬ−ＡＭ−０１０４、ＶＣＳＥＬ−ＡＭ−０１１２等が好ましく用いられる。
【００４０】
また、光導波路シートのコア端面と、面発光レーザーアレイの半導体レーザーとの間の間隔を前記のように保つ手段としては、面発光レーザーアレイに前記間隔を維持するに十分な高さの枠を設ければよく、枠と光導波路シートとの取り付けは、接着剤などを用いて行なわれる。
【００４１】
また、本発明の光学素子には、発光部に加え受光部を設けてもよい。発光部としては光ダイオードアレイ等が好ましく用いられる。光ダイオードアレイは、ＳｉフォトダイオードアレイやＧａＡｓフォトダイオードアレイのように、面発光レーザーアレイと同じ波長の紫外に感度を持ち、感度の良いものが好ましい。
【００４２】
【実施例】
以下に実施例を示し本発明をさらに具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例により限定されるものではない。
実施例１
石英ガラス基板をＲＩＥ法により加工し、図２（Ａ−１）から図２（Ａ−３）に示すような光導波路用凸部を４本有する原盤を作製した。光導波路用凸部の長さは５０ｍｍで、断面形状は正方形であり、該凸部の両端部の大きさは一辺の長さがそれぞれ８０μｍと２０μｍであり、該凸部の一端から他端に向かい連続的に断面積が変化している。
次に、この原盤に離型剤を塗布した後、熱硬化性ジメチルシロキサン樹脂（ダウコウニングアジア社製：ＳＹＬＧＡＲＤ１８４）を流し込み、１２０℃で３０分間加熱して固化させた後、剥離して、連続的に断面積が変化する凹部を持った型（鋳型の厚さ：３ｍｍ）を作製した。さらに、前記型の両端を切断して下記紫外線硬化性樹脂の入出力部を作り鋳型とした。
この鋳型と、鋳型より一回り大きい膜厚１８８μｍのフィルム基材（アートンフイルム、ＪＳＲ（株）製、屈折率１．５１０）を密着させた。次に、鋳型の一端にある入出力部に、粘度が１３００ｍＰａ・ｓの紫外線硬化性樹脂（ＪＳＲ社製：ＰＪ３００１）を数滴落としたところ、毛細管現象により前記凹部に紫外線硬化性樹脂が充填された。次いで、５０ｍＷ／ｃｍ^２のＵＶ光を鋳型を透して１０分間照射して紫外線硬化させた。鋳型をアートンフイルムから剥離したところ、アートンフイルム上に前記原盤凸部と同じ形状のコアが形成された。コアの屈折率は１．５９１であった。
次に、アートンフイルムのコア形成面に、硬化後の屈折率がアートンフイルムと同じ１．５１０である紫外線硬化性樹脂（ＪＳＲ（株）製）を全面に塗布した後、５０ｍＷ／ｃｍ^２のＵＶ光を１０分間照射して紫外線硬化させ（硬化後の膜厚１０μｍ）、クラッド層（側面及び上面クラッド層）を形成した。フレキシブルな高分子光導波路が得られた。
次に、前記のようにして作製した高分子光導波路のコア端面に、１Ｘ４面発光レーザーアレイ（富士ゼロックス（株）製：ＶＣＳＥＬ−ＡＭ−０１０４、半導体レーザーのスポット径が１０μｍ、ビーム広がり角度が３０°、アレイ間隔が２５０μｍ）を、４０μｍのギャップを設けて取り付けた。この場合、位置決め公差が４０μｍとなるので、機械的なあてつけによる位置決めにより配置することが可能である。しかもレーザー光の出口が絞られているため接続効率が向上した。また、コアのもう一方の端面に直接受光素子（浜松フォトニクス製シリコンフォトディテクタ）を設けた。
【００４３】
実施例２
実施例１において、原盤に作製する光導波路用凸部が、長さが５０ｍｍで、断面形状は正方形であり、該凸部の両端部の大きさは一辺の長さがそれぞれ７２μｍと６０μｍである他は、実施例１と同様にして、原盤及び鋳型を作製した。
この鋳型と、鋳型より一回り大きい膜厚１８８μｍのフィルム基材（アートンフイルム、ＪＳＲ（株）製、屈折率１．５１０）を密着させた。
鋳型とフィルム基材との間に形成された孔に、口径６２．５μｍと５０μｍのＧＩ型光ファイバーを１ｍｍ程度挿入した。次に、粘度が３００ｍＰａ・ｓの紫外線硬化性樹脂（ＮＴＴ−ＡＴ社製）を、鋳型の端部（形成された孔の断面積が大きい方の端部）に数滴垂らし、孔と光ファイバーとの隙間から毛細管現象により前記樹脂を充填した。
次に鋳型の側から５０ｍＷ／ｃｍ^２のＵＶ光を１０分間照射して硬化させ、鋳型を剥離して、アートンフイルム上に屈折率１．５９１のコアを作製した。孔の両端部に口径の異なる光ファイバーが接続された。
このコア形成面に、屈折率がアートンフイルムと同じ１．５１０の紫外線硬化樹脂を塗布した後、５０ｍＷ／ｃｍ^２のＵＶ光を１０分間照射して硬化させ、クラッド層（側面及び上面クラッド層）を形成した。光ファイバーの口径を変換するフレキシブルな高分子光導波路が作製された。
【００４４】
【発明の効果】
本発明により、他の光学部品との接続が容易なフレキシブル高分子光導波路を極めて低コストで簡便に作製することができ、特開平１０−２５３８４５号公報に記載のごとき、高分子光導波路の作製ごとにフォトリソグラフィー法を用いなければならない従来方法に比較し、飛躍的に生産性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の高分子光導波路の製造工程を示す基本概念図である。
【図２】本発明において用いる原盤に形成される光導波路用凸部及び作製される高分子光導波路のコアの一例を示す概念図である。
【図３】本発明の高分子光導波路の製造過程において光ファイバーを接続する工程を示す概念図である。
【符号の説明】
１０　　　　原盤
１２　　　　光導波路用凸部
２０ａ　　　鋳型形成用樹脂材料の層
２０　　　　鋳型
２２　　　　鋳型凹部
３０　　　　クラッド用フィルム基材
４０ａ　　　コア用硬化性樹脂
４０　　　　コア
５０　　　　クラッド層
６０　　　　高分子光導波路
７０、７２　光ファイバー

Claims (20)

1. １）光導波路用凸部が形成された原盤に鋳型形成用樹脂材料の層を形成した後剥離して型を取り、次いで前記型に形成された光導波路用凸部に対応する凹部が露出するように型の両端を切断して鋳型を作製する工程、
   ２）前記鋳型に該鋳型との密着性が良好なクラッド用フィルム基材を密着させる工程、
   ３）クラッド用フィルム基材を密着させた鋳型の一端を、コアとなる紫外線硬化性樹脂又は熱硬化性樹脂に接触させ、該紫外線硬化性樹脂又は熱硬化性樹脂を毛細管現象により前記鋳型の凹部に進入させる工程、
   ４）進入させた紫外線硬化性樹脂又は熱硬化性樹脂を硬化させ、鋳型をクラッド用フィルム基材から剥離する工程、
   ５）コアが形成されたクラッド用フィルム基材の上にクラッド層を形成する工程、
   を有する高分子光導波路の製造方法であって、前記コアはその長手方向において、断面積、断面形状、又は断面積及び断面形状の両者が変化し、かつコアの２つの端面における面積が異なることを特徴とする高分子光導波路の製造方法。
2. 前記コアの断面積、断面形状、又は断面積及び断面形状の両者の変化が、長手方向において連続的であることを特徴とする請求項１に記載の高分子光導波路の製造方法。
3. 前記コアの２つの端面のうち、少なくとも一方の端面の面積を、接続すべき光学部品の面積より大きくすることを特徴とする請求項１に記載の高分子光導波路の製造方法。
4. 前記光学部品が、光ファイバー、発光素子、受光素子、集光レンズのいずれかであることを特徴とする請求項３に記載の高分子光導波路の製造方法。
5. 前記鋳型凹部の２つの端面のうち、少なくとも一方の端面の断面形状及び断面積を光学部品が挿入できる断面形状及び断面積とし、前記３）の工程において紫外線硬化性樹脂又は熱硬化性樹脂を毛細管現象により鋳型の凹部に進入させる前又は進入させた後に、前記鋳型凹部端面から光学部品を挿入することを特徴とする請求項１に記載の高分子光導波路の製造方法。
6. 前記クラッド層の形成が、紫外線硬化性樹脂又は熱硬化性樹脂を塗布した後硬化させることによる請求項１に記載の高分子光導波路の製造方法。
7. 前記クラッド層の形成が、クラッド用のフィルムを該フィルムと近い屈折率をもつ接着剤により貼り合わせることによる請求項１に記載の高分子光導波路の製造方法。
8. 前記鋳型形成用樹脂材料の層が硬化性シリコーン樹脂を硬化した層であることを特徴とする請求項１に記載の高分子光導波路の製造方法。
9. 前記鋳型の表面エネルギーが１０ｄｙｎ／ｃｍ〜３０ｄｙｎ／ｃｍであることを特徴とする請求項１に記載の高分子光導波路の製造方法。
10. 前記鋳型のシェア（Ｓｈａｒｅ）ゴム硬度が１５〜８０であることを特徴とする請求項１に記載の高分子光導波路の製造方法。
11. 前記鋳型の表面粗さが０．５μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の高分子光導波路の製造方法。
12. 前記鋳型の厚さが０．１ｍｍ〜５０ｍｍであることを特徴とする請求項１に記載の高分子光導波路の製造方法。
13. 前記クラッド用フィルム基材の屈折率が１．５５以下であることを特徴とする請求項１に記載の高分子光導波路の製造方法。
14. 前記クラッド用フィルム基材が脂環式オレフィン樹脂フイルムであることを特徴とする請求項１に記載の高分子光導波路の製造方法。
15. 前記脂環式オレフィン樹脂フイルムが主鎖にノルボルネン構造を有しかつ側鎖に極性基をもつ樹脂フィルムであることを特徴とする請求項１４に記載の高分子光導波路の製造方法。
16. 前記紫外線硬化性樹脂又は熱硬化性樹脂の粘度が１０ｍＰａ・ｓ〜２０００ｍＰａ・ｓであることを特徴とする請求項１に記載の高分子光導波路の製造方法。
17. 前記紫外線硬化性樹脂又は熱硬化性樹脂を硬化させたときの体積変化が１０％以下であることを特徴とする請求項１に記載の高分子光導波路の製造方法。
18. 前記クラッド層の屈折率がクラッド用フィルム基材と同じであることを特徴とする請求項１に記載の高分子光導波路の製造方法。
19. 紫外線硬化性樹脂又は熱硬化性樹脂の硬化物の屈折率が１．５５以上であることを特徴とする請求項１に記載の高分子光導波路の製造方法。
20. 前記クラッド用フィルム基材及びクラッド層とコアの屈折率差が０．０２以上あることを特徴とする請求項１に記載の高分子光導波路の製造方法。

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