JP2006018110A

JP2006018110A - 光導波路

Info

Publication number: JP2006018110A
Application number: JP2004197141A
Authority: JP
Inventors: Kenichi Tagawa; 憲一田河; Shu Mochizuki; 周望月; Kazunori So; 和範宗
Original assignee: Nitto Denko Corp
Current assignee: Nitto Denko Corp
Priority date: 2004-07-02
Filing date: 2004-07-02
Publication date: 2006-01-19

Abstract

【課題】光導波路の作製を容易とし、光伝搬損失の小さい光導波路を提供する。
【解決手段】基板１上にアンダークラッド層２が積層形成され、アンダークラッド層２上にコア層３が形成されているとともに、このコア層３には所定パターンのコア層露光部３ｂが形成され、コア層３上にはオーバークラッド層５が形成されている。コア層露光部３ｂを含むコア層３が、特定のポリビニルアセタール樹脂に、アシルホスフィンオキサイド系光ラジカル発生剤を含有してなる。
【選択図】図６

Description

本発明は、光回路、光スイッチ、光合分波器、光電気混載基板等において広く用いられる光導波路に関するものである。

光ファイバの開発による光通信システムの実用化に伴い、光導波路構造を用いた多種多様な光通信用デバイスの開発が求められている。一般に、光導波路材料に要求される特性としては、光伝搬損失が小さいこと、屈折率が制御可能なこと、さらに耐熱性と耐湿性を有すること等をあげることができる。このような特性を要求される光導波路材料として、近年、合成樹脂の使用が検討されている。

従来、合成樹脂からなる光回路は、一般に、つぎのようなドライプロセスによって形成されている。すなわち、まず、溶媒中に合成樹脂を溶解させて合成樹脂ワニスを調製し、このワニスをスピンコート法やキャスティング法によって基板上に塗布し、ついで加熱して溶剤を除去することによって合成樹脂膜を形成する。その後、酸素プラズマ等を用いた選択イオンエッチング（ＲＩＥ：Reactive Ion Etching）法によって上記合成樹脂膜に光回路としてのパターンを形成することに光回路が作製される。しかし、このような従来のドライプロセスによる製造では、光回路の形成に長時間を要するのみならず、加工領域に制限があるため、自ずから製造コストが嵩むという問題がある。

このようなドライプロセスに対して、ウェットプロセスによって光回路パターンを形成する方法、すなわち、所要のパターンに対応する感光性組成物層の領域に紫外線を照射した後、現像を行い紫外線照射部に対応するパターンを得る方法が知られている（特許文献１参照）。このように、感光性組成物への紫外線照射とその後の現像工程を含むウェットプロセスによって、上述したドライプロセスにおける長時間を要するコア形成の改善を図ることが提案されている。
特開平２−２０１３２２号公報

しかしながら、光導波路を作製するには、基材の上に、下部クラッド，コア，上部クラッドを順に形成しなければならず、コア形成工程を簡略化しても、なお多工程を要しており、さらなる工数の削減が求められており、このような工数の削減を可能とし、しかも得られる光導波路において光伝搬損失の小さい良好なものを得ることが可能な感光性組成物となる形成材料が求められている。

本発明は、このような事情に鑑みなされたもので、光導波路の作製を容易とし、光伝搬損失の小さい光導波路の提供をその目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明の光導波路は、基板上に所定パターンのコア層露光部を含むコア層が形成されてなる光導波路であって、上記コア層露光部を含むコア層が、下記の一般式（１）で表される繰り返し単位を有するポリビニルアセタール樹脂に、アシルホスフィンオキサイド系光ラジカル発生剤を含有してなる形成材料を用いて形成されているという構成をとる。

すなわち、本発明者らは、従来の、現像液を用いたウェットプロセス法による光導波路の形成での問題を解決するために鋭意検討を重ねた。その結果、コア層形成材料として、特定のポリビニルアセタール樹脂にアシルホスフィンオキサイド系光ラジカル発生剤を含有する特殊な材料を用いると、これを光照射すれば、露光部と非露光部との間に屈折率差を形成することができ、従来のような現像をはじめとするウェットエッチング工程を経由しなくとも、光導波路構造を形成することが可能となることを見出し本発明に到達した。

このように、本発明は、前記特定のポリビニルアセタール樹脂に、アシルホスフィンオキサイド系光ラジカル発生剤を含有してなる形成材料を用いてコア層露光部を含むコア層が形成された光導波路である。このため、従来の紫外線照射後の現像工程を省略することができ、低コスト化を図ることができる。さらに、上記特殊な形成材料を用いることにより、光ファイバーを用いて感光性樹脂を露光し熱処理することによって自己形成導波路を作製することも可能となる。しかも、光伝搬損失の小さい光導波路を得ることができる。

そして、上記アシルホスフィンオキサイド系光ラジカル発生剤の含有量を、ポリビニルアセタール樹脂１００重量部に対して０．０１〜５０重量部の範囲に設定すると、屈折率変化が充分に得られるという効果を奏する。

本発明の光導波路は、その一例として、図６に示す層構成のものがあげられる。この光導波路５は、基板１上にアンダークラッド層２が積層形成され、さらに上記アンダークラッド層２上にコア層３が形成されているとともに、このコア層３には所定パターンのコア層露光部３ｂが形成されている。そして、上記コア層３上にはオーバークラッド層４が形成されている。

上記基板１材料としては、特に限定するものではなく従来公知のもの、例えば、青板ガラス、合成石英、シリコンウエハー、二酸化ケイ素付シリコンウエハー、ポリイミド樹脂等があげられる。

上記基板１上に積層形成されるアンダークラッド層２形成材料としては、例えば、ポリビニルアセタール樹脂等があげられ、具体的にはポリビニルブチラール樹脂のワニスが用いられる。このワニスは、ポリビニルアセタール樹脂を溶媒で溶解した樹脂溶液である。上記溶媒としては、特に限定するものではなく、例えば、Ｎ，Ｎ−ジメチルアセトアミド（ＤＭＡｃ）やＮ−メチルピロリドン（ＮＭＰ）等の極性溶媒を使用することができる。なかでも、透明性の点から加熱工程において熱分解が生起しにくいＤＭＡｃが好ましく用いられる。上記ポリビニルアセタール樹脂ワニスの固形分濃度は、例えば、１〜５０重量％が好ましく、より好ましくは５〜３０重量％である。

なお、上記アンダークラッド層２を形成するポリビニルアセタール樹脂は、アンダークラッド層２の形成後に、上記コア層３よりも屈折率が低くなるように調製される。より、具体的には、下記の数式（ａ）において、マルチモード用光導波路の場合、Δが０．５〜３．０となるように、コア層３と、アンダークラッド層２およびオーバークラッド層４との屈折率を調整する。

上記アンダークラッド層２上に積層形成されるコア層３および所定パターンのコア層露光部３ｂの形成材料としては、下記の構造式（１）で表される繰り返し単位を有するポリビニルアセタール樹脂とともに、アシルホスフィンオキサイド系光ラジカル発生剤を含有する合成樹脂材料が用いられる。

上記ポリビニルアセタール樹脂としては、例えば、構造式（１）中のＲ₁がブチル基であるポリビニルブチラール樹脂、構造式（１）中のＲ₁が水素であるポリビニルホルマール樹脂等があげられる。そして、上記ポリビニルアセタール樹脂としては、重量平均分子量が５００００〜５０００００の範囲のものが用いられる。

また、上記アシルホスフィンオキサイド系光ラジカル発生剤としては、２，４，６−トリメチルベンゾイルビフェニルホスフィンオキサイド、ビス（２，４，６−トリメチルベンゾイル）ホスフィンオキサイド等があげられる。これらは単独でもしくは２種以上併せて用いられる。

上記アシルホスフィンオキサイド系光ラジカル発生剤の含有量は、上記ポリビニルアセタール樹脂１００重量部（以下「部」と略す）に対して０．０１〜５０部の範囲に設定することが好ましく、特に好ましくは５〜３０部である。すなわち、０．０１部未満では、充分な屈折率変化が得られ難く、５０部を超えると、コア層の均一な厚みを得ることが困難になる傾向がみられるからである。

上記コア層３上に積層形成されるオーバークラッド層４形成材料としては、上記コア層３の露光部３ｂよりも屈折率が低くなるよう調整されたものが用いられる。好ましくは、前記アンダークラッド層２の形成材料と同様のポリビニルアセタール樹脂ワニス、例えば、ポリビニルブチラール樹脂のワニスが用いられる。

つぎに、本発明の光導波路の、上記基板および各層形成材料を用いてなる製造方法について一例をあげて説明する。

まず、図１に示すように、基板１を準備し、この基板１上に、アンダークラッド層形成材料であるポリビニルアセタール樹脂ワニスを、乾燥後の膜厚が好ましくは５〜２０μｍとなるよう塗布し、５０〜１００℃の温度条件下で乾燥させることにより、下部クラッド層としてのアンダークラッド層を形成する。上記塗布方法としては、スピンコート法やキャスティング法等の従来公知の塗布方法が用いられる。このようにして、図２に示すように、基板１上にアンダークラッド層２を形成する。

つぎに、前述のコア層３形成材料である、構造式（１）で表される繰り返し単位を有するポリビニルアセタール樹脂にアシルホスフィンオキサイド系光ラジカル発生剤を含有する合成樹脂材料を溶媒に溶解したポリビニルアセタール樹脂ワニスを調製して予め成膜しておき、図３に示すように、この膜を上記アンダークラッド層２上にラミネートすることによって、コア層３を形成する。なお、上記コア層３の厚みは、マルチモード用光導波路の場合、１０〜１００μｍに設定することが好ましく、特に好ましくは３０〜５０μｍである。

ついで、図４に示すように、所望のパターンが得られるように、コア層３上にフォトマスク６を介して露光を行う。上記フォトマスク６を介しての露光としては、例えば、コア層３とフォトマスク６とを直接接触させるハードコンタクト露光方法、コア層３とフォトマスク６との間に若干の隙間を設けるプロキシミティ露光方法、さらには投影露光方法等の公知の露光方法があげられる。

露光後、加熱して、露光部を高屈折率化して屈折率差を形成する。この露光後の加熱は、例えば、１４０℃以上で加熱することによって、露光部が非露光部に対して高屈折率となるのである。このようにして、図５に示すように、コア層３に所定パターンのコア層露光部３ｂを形成する。

つぎに、前記アンダークラッド層２形成材料と同様の、ポリビニルアセタール樹脂ワニスを調製して予め成膜しておき、図６に示すように、この膜を上記コア層３およびコア層露光部３ｂの上にラミネートすることによって、オーバークラッド層４を形成し、光導波路５を形成する。上記オーバークラッド層４の厚みは、５〜５０μｍの範囲に設定することが好ましく、特に好ましくは１５〜３０μｍである。

このようにして得られた光導波路５としては、特に制限されることなく、種々の光デバイスを光接続するために用いられ、具体的には、直線光導波路、曲がり光導波路、交差光導波路、Ｙ分岐光導波路、スラブ光導波路、マッハツエンダー型光導波路、ＡＷＧ（Alley Wave Guide）型光導波路、グレーティング、光導波路レンズ等として用いられる。

また、これらの光導波路により接続される光デバイスとしては、例えば、波長フィルタ，光スイッチ，光分岐器，光合波器，光合分波器，光アンプ，波長変換器，波長分割器，光スプリッタ，方向性結合器、さらにはレーザダイオードやフォトダイオードをハイブリッド集積した光伝送モジュール等があげられる。

つぎに、実施例について比較例と併せて説明する。

〔感光性ポリビニルブチラール樹脂ワニス〕
Ｎ，Ｎ−ジメチルアセトアミドに溶解させたポリビニルブチラール樹脂（和光純薬社製、ポリビニルブチラール１０００、重量平均分子量１４６０００）をポリビニルブチラール樹脂ワニス（固形分濃度２０重量％）とし、これに２，４，６−トリメチルベンゾイルジフェニルホスフィンオキサイドをポリビニルブチラール樹脂（固形分）１００部に対して５部の割合で添加して溶解させることにより、感光性ポリビニルブチラール樹脂ワニスを調製した。

〔光導波路の作製〕
図１に示すように、基板として厚み２５μｍのシリコンウェハ１を準備し、このシリコンウェハ１上にクラッド層形成材料となる上記ポリビニルブチラール樹脂ワニスを塗布して、９０℃で１５分間乾燥することにより溶媒を除去し、厚み１５μｍのアンダークラッド層２を形成した（図２参照）。

つぎに、上記感光性ポリビニルブチラール樹脂ワニスを用いて成膜して、図３に示すように、上記アンダークラッド層２上にラミネートして厚み３０μｍのコア層３を形成した。ついで、図４に示すように、このコア層３を、フォトマスク６を介して露光量１０００ｍＪ／ｃｍ³で露光した後（プロキシミティ露光方法）、２００℃で加熱することにより、所定のパターンとなるコア層露光部３ｂを形成した（図５参照）。

そして、上記クラッド層形成材料となる上記ポリビニルブチラール樹脂ワニスを用いて成膜して厚み１５μｍとし、この膜を上記コア層３およびコア層露光部３ｂ上にラミネートすることにより、図６に示すように、オーバークラッド層４を形成して光導波路５を作製した。

つぎに、このようにして得られた光導波路を、ダイサーによって端面切断を行い、その後、波長８５０μｍにてカットバック法を用いて、この光導波路の損失評価を行った。その結果、光導波路の伝搬損失は０．８ｄＢ／ｃｍであった。

Ｎ，Ｎ−ジメチルアセトアミドに溶解させたポリビニルホルマール樹脂（東京化成社製、ポリビニルホルマール、重量平均分子量１５００００）をポリビニルホルマール樹脂ワニス（固形分濃度２０重量％）とし、これに２，４，６−トリメチルベンゾイルジフェニルホスフィンオキサイドをポリビニルホルマール樹脂（固形分）１００部に対して５部の割合で添加して溶解させることにより、感光性ポリビニルホルマール樹脂ワニスを調製した。そして、感光性ポリビニルブチラール樹脂ワニスに代えて、この感光性ポリビニルホルマール樹脂ワニスを用いた。それ以外は実施例１と同様にして光導波路を作製した。得られた光導波路を、ダイサーによって端面切断を行い、その後、波長８５０μｍにてカットバック法を用いて、この光導波路の損失評価を行った。その結果、光導波路の伝搬損失は１．２ｄＢ／ｃｍであった。

Ｎ，Ｎ−ジメチルアセトアミドに溶解させたポリビニルブチラール樹脂（和光純薬社製、ポリビニルブチラール１０００、重量平均分子量１４６０００）をポリビニルブチラール樹脂ワニス（固形分濃度２０重量％）とし、これにビス（２，４，６−トリメチルベンゾイル）ホスフィンオキサイドをポリビニルブチラール樹脂（固形分）１００部に対して５部の割合で添加して溶解させることにより、感光性ポリビニルブチラール樹脂ワニスを調製した。そして、実施例１の感光性ポリビニルブチラール樹脂ワニスに代えて、この感光性ポリビニルブチラール樹脂ワニスを用いた。それ以外は実施例１と同様にして光導波路を作製した。得られた光導波路を、ダイサーによって端面切断を行い、その後、波長８５０μｍにてカットバック法を用いて、この光導波路の損失評価を行った。その結果、光導波路の伝搬損失は０．８ｄＢ／ｃｍであった。

２，４，６−トリメチルベンゾイルジフェニルホスフィンオキサイドをポリビニルホルマール樹脂（固形分）１００部に対して０．０１部の割合で添加した。それ以外は実施例１と同様にして光導波路を作製した。得られた光導波路を、ダイサーによって端面切断を行い、その後、波長８５０μｍにてカットバック法を用いて、この光導波路の損失評価を行った。その結果、光導波路の伝搬損失は１．０ｄＢ／ｃｍであった。

２，４，６−トリメチルベンゾイルジフェニルホスフィンオキサイドをポリビニルホルマール樹脂（固形分）１００部に対して３０部の割合で添加した。それ以外は実施例１と同様にして光導波路を作製した。得られた光導波路を、ダイサーによって端面切断を行い、その後、波長８５０μｍにてカットバック法を用いて、この光導波路の損失評価を行った。その結果、光導波路の伝搬損失は０．９ｄＢ／ｃｍであった。

〔比較例１〕
Ｎ，Ｎ−ジメチルアセトアミドに溶解させたポリビニルブチラール樹脂（和光純薬社製、ポリビニルブチラール１０００、重量平均分子量１４６０００）をポリビニルブチラール樹脂ワニスとし、これに２−ベンジル−２−ジメチルアミノ−１−（４−モルフォリノフェニル）−ブタノン−１をポリビニルブチラール樹脂（固形分）１００部に対して５部の割合で添加して溶解させることにより、感光性ポリビニルブチラール樹脂ワニスを調製した。そして、実施例１の感光性ポリビニルブチラール樹脂ワニスに代えて、この感光性ポリビニルブチラール樹脂ワニスを用いた。それ以外は実施例１と同様にして光導波路を作製した。得られた光導波路を、ダイサーによって端面切断を行い、その後、波長８５０μｍにてカットバック法を用いて、この光導波路の損失評価を行った。その結果、光導波路の伝搬損失は１２ｄＢ／ｃｍであった。このように、アシルホスフィンオキサイド系光ラジカル発生剤以外の光ラジカル発生剤を用いた場合、伝搬損失が大きかった。

本発明の光導波路としては、例えば、直線光導波路、曲がり光導波路、交差光導波路、Ｙ分岐光導波路、スラブ光導波路、マッハツエンダー型光導波路、ＡＷＧ型光導波路、グレーティング、光導波路レンズ等があげられる。そして、上記光導波路を用いて接続される光デバイスとしては、例えば、波長フィルタ，光スイッチ，光分岐器，光合波器，光合分波器，光アンプ，波長変換器，波長分割器，光スプリッタ，方向性結合器、さらにはレーザダイオードやフォトダイオードをハイブリッド集積した光伝送モジュール等があげられる。

本発明の光導波路の製造工程を示す断面図である。本発明の光導波路の製造工程を示す断面図である。本発明の光導波路の製造工程を示す断面図である。本発明の光導波路の製造工程を示す断面図である。本発明の光導波路の製造工程を示す断面図である。本発明の光導波路の製法により得られる光導波路の構成を示す断面図である。

符号の説明

１基板
２アンダークラッド層
３コア層
３ｂコア層露光部
４オーバークラッド層
５光導波路

Claims

基板上に所定パターンのコア層露光部を含むコア層が形成されてなる光導波路であって、上記コア層露光部を含むコア層が、下記の一般式（１）で表される繰り返し単位を有するポリビニルアセタール樹脂に、アシルホスフィンオキサイド系光ラジカル発生剤を含有してなる形成材料を用いて形成されていることを特徴とする光導波路。
上記一般式（１）で表される繰り返し単位を有するポリビニルアセタール樹脂が、ポリビニルブチラール樹脂またはポリビニルホルマール樹脂である請求項１記載の光導波路。
上記アシルホスフィンオキサイド系光ラジカル発生剤が、２，４，６−トリメチルベンゾイルビフェニルホスフィンオキサイドおよびビス（２，４，６−トリメチルベンゾイル）ホスフィンオキサイドの少なくとも一方である請求項１または２記載の光導波路。
上記アシルホスフィンオキサイド系光ラジカル発生剤の含有量が、ポリビニルアセタール樹脂１００重量部に対して０．０１〜５０重量部の範囲に設定されている請求項１〜３のいずれか一項に記載の光導波路。