JP2006030357A - 光導波路の製造方法および光導波路 - Google Patents

Abstract

【課題】 簡易な工程により行うことができ、得られる光導波路の屈折率を容易に制御することが可能な光導波路の製造方法、および、これにより得られる高性能のＧＩ型光導波路を提供する。
【解決手段】 連続的に形成されたコア部１とクラッド部２とを含む光導波路の製造方法である。フォトブリーチング材料を含む単層膜１１を、一対のマスク部材１２Ａ、１２Ｂにより挟持するマスク工程と、単層膜１１に対し、一対のマスク部材１２Ａ、１２Ｂを介して対向する二方向から光を照射する第一の光照射工程と、単層膜１１から一対のマスク部材１２Ａ、１２Ｂを剥離する剥離工程と、一対のマスク部材１２Ａ、１２Ｂが剥離された単層膜１１に対し、再度前記二方向から光を照射する第二の光照射工程と、を含む。
【選択図】 図１

Description

本発明は光導波路の製造方法および光導波路に関し、詳しくは、高速大容量伝送に適したＧＩ（グレーテッドインデックス）型の光導波路の製造方法およびこれにより得られた光導波路に関する。

近年の光通信技術の発展に伴い、光スイッチや光合分波器などの光通信用部品を構成する基本素子として、高性能の光導波路の開発が望まれている。光導波路は一般に、基板上に、直接または下部クラッド層を介して、コア層および上部クラッド層を順次形成してなる構造を基本構造とする。そのコア層の材料としては、従来より、光伝播損失が小さいなどの利点から、光ファイバと同様に主として石英ガラス等の無機材料が用いられているが、最近では、加工性やコスト性に優れる合成樹脂などの有機材料を用いたポリマー光導波路（フィルム導波路）について、検討が進められてきている。

例えば、特許文献１には、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリイミド（ＰＩ）等を用いたプラスチック光導波路についての言及がある。また、耐熱性に優れるとの観点から、特定のポリイミド樹脂を用いたポリマー光導波路についても、種々検討がなされてきている（特許文献２参照）。

また、一般に光導波路には、コア層が均一な屈折率を有するＳＩ（ステップインデックス）型のものと、コア層内に屈折率分布が存在し、コア層が、クラッド層に近づくに従い屈折率が低くなるよう形成されているＧＩ型のものとがある。このうちＧＩ型光導波路は、伝播時間が光線の経路によらず一定であることから、広範な波長領域にわたり低損失であり、高速大容量伝送に好適であることが知られている。

かかるＧＩ型光導波路に関する技術として、例えば、特許文献３には、樹脂成型物の表面から所定深さまで、樹脂成型物の樹脂よりも屈折率が低い昇華性または揮発性有機化合物を浸透分散させることで、未浸透樹脂および浸透樹脂の屈折率により定義される光導波路部分の屈折率変化を所定範囲に規定したＧＩ型の光導波路が記載されており、かかる光導波路が、これら樹脂成型物および有機化合物を飽和蒸気圧状態に置くことで、有機化合物を樹脂成型物表面から内部に浸透分散させることにより作製されることも記載されている。

一方、光照射により屈折率が変化するフォトブリーチング材料を用いた光デバイスに係る技術も知られている。例えば、特許文献４には、フォトブリーチングを起こし得る原子団を有する材料に対して光照射してなり、屈折率が中心位置から外側に向かってほぼ連続的に変化してなる屈折率分布型光学材料およびその製造方法が記載されており、かかる光学材料がプラスチック光ファイバに適用可能であることも記載されている。
特開平６−３４７６５８号公報（段落［０００２］等） 特開２００１−１０８８５４号公報（段落［０００５］、［０００６］等） 特開２００３−３２２７４２号公報（［特許請求の範囲］等） 特開平９−１７８９０１号公報（［特許請求の範囲］、段落［００１０］等）

上述のように、ＧＩ型の光導波路およびその製造方法については既に知られているが、未だ十分な検討がなされてきているとはいえず、特に、従来の製造方法は、工程数が多く煩雑であり、屈折率を制御しにくいなどの難点を有するものであった。従って、簡易な工程により行うことができ、かつ、屈折率を容易に制御することが可能な製造方法により、所望の高性能を備えたＧＩ型光導波路を容易かつ確実に得ることができる技術の実現が望まれていた。

そこで本発明の目的は、簡易な工程により行うことができ、得られる光導波路の屈折率を容易に制御することが可能な光導波路の製造方法、および、これにより得られる高性能のＧＩ型光導波路を提供することにある。

本発明者らは鋭意検討した結果、光導波路の材料としてフォトブリーチング材料を用いるとともに、マスク部材により、このフォトブリーチング材料に対する光の照射強度に分布を持たせることで、所望の屈折率分布を形成し得ることを見出して、本発明を完成するに至った。

即ち、本発明の光導波路の製造方法は、連続的に形成されたコア部とクラッド部とを含む光導波路の製造方法において、
フォトブリーチング材料を含む単層膜を、一対のマスク部材により挟持するマスク工程と、前記単層膜に対し、該一対のマスク部材を介して対向する二方向から光を照射する第一の光照射工程と、前記単層膜から該一対のマスク部材を剥離する剥離工程と、前記一対のマスク部材が剥離された単層膜に対し、再度前記二方向から光を照射する第二の光照射工程と、を含むことを特徴とするものである。

本発明においては、前記マスク工程において、基板上に形成された単層膜を、該基板を介して前記一対のマスク部材により挟持する手法を用いることもできる。また、前記マスク工程に先立って、前記一対のマスク部材のうち少なくとも一方の、前記単層膜に対向する表面に離型処理を施すことが好ましい。さらに、前記一対のマスク部材としては、前記コア部に対応する形状がパターニングされたパターニングマスクか、または、前記コア部に対応して光透過率を連続的に変化させたグレーテッドマスクを好適に用いることができる。さらにまた、前記フォトブリーチング材料としては、光照射による屈折率変化量が０．００１以上であるものを用いることが好ましい。

また、本発明の光導波路は、上記本発明の製造方法により製造された光導波路であって、前記コア部が断面略円形状であり、かつ、中心近傍に向かい屈折率が連続的に高くなっていることを特徴とするものである。

本発明によれば、上記構成としたことにより、屈折率を適切に制御しつつ、簡易な工程により容易に光導波路を製造することが可能となった。従って、これにより、高速大容量伝送に好適な高性能のＧＩ型光導波路を容易かつ確実に得ることができる。なお、前述したように、フォトブリーチング材料を用いたＧＩ型光ファイバに係る技術は既に知られているが（特許文献４）、この技術では照射光の波長や強度、照射時間、照射位置、温度等のブリーチング条件を厳密に選択する必要があり、複雑であるという難点があり、また、ＧＩ型光導波路への適用に関しては何ら言及されていない。

以下、本発明の好適な実施の形態につき、図面を参照しつつ詳細に説明する。 本発明は、連続的に形成されたコア部とクラッド部とを含む光導波路の製造方法であって、フォトブリーチング材料を含む単層膜内にコア部とクラッド部とを形成するに際し行う光照射工程の改良に係る技術である。

図１に、本発明の一好適実施形態に係る光導波路の製造工程を示す概略説明図を示す。図示するように、本発明の製造方法は、フォトブリーチング材料を含む単層膜１１を一対のマスク部材１２Ａ、１２Ｂにより挟持するマスク工程（ａ）〜（ｃ）と、単層膜１１に対し、一対のマスク部材１２Ａ、１２Ｂを介して対向する二方向から光を照射する第一の光照射工程（ｄ）と、単層膜１１から一対のマスク部材１２Ａ、１２Ｂを剥離する剥離工程（ｅ）と、一対のマスク部材１２Ａ、１２Ｂが剥離された単層膜１１に対し、再度前記二方向から光を照射する第二の光照射工程（ｆ）と、を含むものであり、これにより、（ｇ）に示すようなコア部１とクラッド部２とを備えた光導波路１０を、従来に比し簡易な手法で得ることができるものである。

図示するマスク工程（ａ）〜（ｃ）においては、マスク部材１２Ｂを基板として用い（ａ）、このマスク部材１２Ｂ上にフォトブリーチング材料を含む単層膜材料を塗工して単層膜１１を形成し（ｂ）、その後、形成された単層膜１１上にさらにマスク部材１２Ａを積層することにより、単層膜１１を一対のマスク部材１２Ａ、１２Ｂにより挟持している。ここで、図示する一対のマスク部材１２Ａ、１２Ｂは、コア部１に対応する形状がパターニングされたパターニングマスクであり、符号１３Ａ、１３Ｂで示す部分がコア層１に対応している。従って、マスク部材１２Ａ、１２Ｂにより単層膜１１を挟持する際には、両側のマスク部材１２Ａ、１２Ｂのパターニング形状１３Ａ、１３Ｂが互いに合致するよう留意する必要がある。

なお、本発明に係るマスク工程は、図１に示すような手法には限られず、図３に示すように、通常のガラス等からなる基板１４上に単層膜１１を塗工形成した後、基板１４を介して、その上下面に一対のマスク部材１２Ａ、１２Ｂをそれぞれ積層することにより行ってもよい。但し、この場合には、基板１４を介して単層膜１１に対し光照射を行うことになるため、基板１４としては、用いるフォトブリーチング材料の屈折率を変化させるために必要な波長の光に対する透過率が３０％以上程度であるものを用いることが必須となる。この場合、図３（ｇ）に示すように、基板１４上に形成された光導波路１０が得られる。

上記いずれの手法を用いる場合においても、マスク部材１２Ａ、１２Ｂは、単層膜１１に対し固定することは必ずしも必要ではなく、光照射の際に単層膜１１とマスク部材１２Ａ、１２Ｂとの位置関係にズレが生じないものであれば、両者は密着させてもギャップを持たせても、いずれでもよい。また、マスク部材を基板として用いる場合のように、マスク部材と単層膜とを密着させる場合には、マスク工程に先立って、一方または双方のマスク部材の単層膜１１に対向する表面に離型処理を施しておくことが好ましく、これにより、その後の剥離工程（ｅ）におけるマスク部材の剥離が容易となる。なお、基板またはマスク部材上に単層膜１１を形成するための手法としては、特に制限されるものではなく、スピンコート法、コンマバー塗工法、マイクログラビア法等の慣用の塗工手段を適宜用いて単層膜材料を塗工した後、熱により乾燥、硬化させる手法を用いればよい。

次いで、第一の光照射工程（ｄ）においては、単層膜１１に対しマスク部材１２Ａ、１２Ｂを介して光照射を行うことで、パターニング形状に対応して、図示する単層膜１１の幅方向に屈折率分布が形成される。図示するように、この際、マスク部材１２Ａ、１２Ｂを透過した光は、回折現象によりコア部１に対応するパターニング幅よりも内側に回り込むため、単層膜１１内では、幅方向の両端に近づくほど光の照射強度が高く、従って屈折率が低下する一方、中央近傍に近づくほど照射強度が低く、従って屈折率変化が少くなるため、中央近傍は両端近傍に比して高屈折率となる。これにより、単層膜１１の幅方向両端にクラッド部を形成するとともに、幅方向中央近傍において連続的な屈折率傾斜を形成することができることになる。

次いで、剥離工程（ｅ）において単層膜１１から一対のマスク部材１２Ａ、１２Ｂを剥離した後、第二の光照射工程（ｆ）において、単層膜１１に対し再度前記二方向から光を照射することで、単層膜１１内において、高さ方向に屈折率分布を形成することができる。この場合、図示するように、上下方向から光を照射することで、上下それぞれの表面に近いほど照射強度が高く、高さ方向中央近傍に近づくほど照射強度が低くなるため、幅方向の場合と同様に、上下方向表面近傍にクラッド部を形成するとともに、中央部近傍において屈折率傾斜を形成することができ、結果として、図示するように、断面略円形状であって、中心近傍に向かい屈折率が連続的に高くなっているコア部１と、その周囲に形成されたクラッド部２とからなる光導波路１０を作製することが可能となるのである。なお、第一の光照射工程（ｄ）および第二の光照射工程（ｆ）における光の照射強度は、単層膜１１の厚さや材質、目的とするコア部のサイズ等により適宜設定すればよく、特に制限されるものではない。

本発明においては、図２に示すように、マスク部材として、コア部１に対応して光透過率を連続的に変化させたグレーテッドマスク（ハーフマスクとも呼ばれる）２２Ａ、２２Ｂを用いることもできる。この場合、第一の光照射工程（ｄ）において照射光がマスク部材２２Ａ、２２Ｂを通過すると、その照射強度はマスク部材２２Ａ、２２Ｂの光透過率分布に従い傾斜状に変化する。従って、光照射強度の傾斜に応じて単層膜２１の屈折率分布にも幅方向に傾斜が形成されるため、これにより、コア部のサイズや屈折率分布をより所望に制御しやすくなるメリットが得られる。なお、図２に示す製造工程においても、グレーテッドマスクを用いる以外の点については、図１の場合と同様に行えばよい。

本発明に係る単層膜１１は、上述したように、フォトブリーチング材料、即ち、光照射により屈折率が変化する材料を含むことが必要であり、これにより、単層膜１１内において屈折率を変化させて、コア部１とクラッド部２とを形成することが可能となる。かかるフォトブリーチング材料としては、特に制限されるものではなく、従来使用されているもののうちから適宜選択して用いることができ、例えば、ポリシラン等を代表的に挙げることができる。また、本発明においては、コア部１とクラッド部２との屈折率差を十分得るために、光照射による屈折率変化量が０．００１以上であるフォトブリーチング材料を用いることが好ましい。さらに、単層膜１１の厚さは、図示するようなコア部１およびクラッド部２からなる構造を形成できる程度のものであればよく、好適には、厚さ１０μｍ以上とする。

単層膜１１を形成するための単層膜材料は、上記フォトブリーチング材料のみで形成してもよいが、上記フォトブリーチング材料と他の材料とを適宜組み合わせて形成することもでき、特に制限されるものではない。フォトブリーチング材料と併用できる他の材料としては、通常この分野においてコアまたはクラッド材料として用いられるもののうちから、適宜選択して用いることができる。

かかる他の材料としては、具体的には例えば、透明性に優れたポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）などを初めとして、アクリル系、エポキシ系、ポリシラン系、あるいはポリイミド系の樹脂材料や、これらを重水素化またはフッ素化したものなどを挙げることができる。これら樹脂材料は、１．３μｍ以上１．５５μｍ以下の波長域の光に対して低吸収化が図られているため、これらの材料を用いることで、低損失な光デバイスを形成することができる。

また、本発明に用いる基板としては、石英、ガラスの他、前述したように用いるフォトブリーチング材料に対応する波長の光に対する透過率が３０％以上であって、乾燥工程において劣化しないものであれば、特に制限されない。具体的には例えば、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）フィルムやアクリル樹脂フィルム、ポリカーボネート（ＰＣ）フィルム、トリアセチルセルロース（ＴＡＣ）フィルム、ポリイミド（ＰＩ）フィルムなどを使用することができる。

さらに、本発明においては、上記のようにして作製した光導波路１０の表面に、ハードコートや吸湿防止層などを積層して用いてもよい。光導波路１０において光の経路となって情報を伝達する部位はコア部１であるので、コア部１が傷つかなければ光導波路としての性能に問題は生じないが、そのような大きな損傷を防止するために、表面にハードコートを設けることが必要となる場合もある。かかるハードコートの材料としては、（メタ）アクリレートモノマー、例えば、単官能（メタ）アクリレート、２官能（メタ）アクリレート、３官能以上の（メタ）アクリレートや、多官能のエポキシ、（メタ）アクリルオリゴマー、ウレタン（メタ）アクリレート、エポキシ（メタ）アクリレート、ポリエステル（メタ）アクリレート、共重合系（メタ）アクリレート、エポキシオリゴマーに、光開始剤を加えて重合させる（メタ）アクリレート系またはエポキシ系ハードコート材料や、シラン化合物、有機金属化合物、無機酸化物微粒子、硬化用触媒、および、所望に応じその他の材料を含むシリコーン系ハードコート材料（プライマー処理を用いてもよい）、オルガノアルコキシシラン系、アルコキシシラン・ジルコネート系、水系シリケート系、水性アルミナ系、オルガノアルコキシシラン・樹脂ハイブリッド系、アルコキシシラン・ジルコネート・樹脂ハイブリッド系、水系シリケート・樹脂ハイブリッド系などの無機系ハードコート材料、光カチオン硬化型有機・無機ハイブリッド材料などの有機・無機ハイブリッド型ハードコート材料等が挙げられる。

また、吸湿防止剤は、使用する光導波路材料によっては吸湿により屈折率が変化して、所期の設計値から大きく外れてしまうことがあるため、これを防ぐ目的で設けられる。吸湿防止層には、一般に疎水性が高い材料が用いられ、例えば、撥水性の塗料や、フッ素を含む化合物等が挙げられる。また、ＳｉＯ₂やＳｉＮ₄等を用いることもでき、これらを光導波路（フィルム）の上下面に塗布することで、光導波路材料自体の吸湿を防ぐものである。なお、片面のみに塗布した場合、異方性が生じて反りの発生につながる場合がある。

なお、上記各層の塗工溶液の調製に用いる溶剤としては、特に制限されるものではなく、例えば、アセトン、メチルエチルケトン（ＭＥＫ）、酢酸エチル、酢酸セロソルブ、ジオキサン、テトラヒドロフラン（ＴＨＦ）、ベンゼン、シクロヘキサノン等の慣用の有機溶剤から適宜選択して用いることができる。

以下、実施例により本発明を具体的に説明する。
実施例
線幅５０μｍでコア形状がパターニングされたガラス板（マスク部材１２Ｂ）を基板として用い、この基板の一方の表面にオプツールＤＳＸ（商品名、ダイキン工業（株）製）を塗布することで離型処理を行った後、離型処理を行った基板表面に、フォトブリーチング材料としてのグラシアＷＧ−１０６Ｎ（商品名、日本ペイント（株）製）をスピンコート法で厚さ７０μｍにて塗工し、１３０℃３０分のプリベークを行って、単層膜１１を形成した。

次いで、基板と同じパターンを有し、同様に表面に離型処理を行ったマスク部材１２Ａを、両者のパターンが一致するようにして単層膜１１上に貼り合わせ、上下方向から基板１２Ｂおよびマスク部材１２Ａを介して紫外線（ＵＶ）照射を積算光量１５Ｊ／ｃｍ²にて行った。その後、基板１２Ｂおよびマスク部材１２Ａを剥離して、積算光量１０Ｊ／ｃｍ²にて、全面にＵＶ照射を行った。さらに、３００℃６０分でポストベークを行うことにより、幅約４８μｍのコア部を有する光導波路１０を得た。

得られた光導波路１０の断面につき、二光束顕微鏡を用いて屈折率を測定したところ、コア部の中心屈折率が１．５８５である一方、クラッド部の屈折率は１．５７７となっており、その界面では屈折率が連続的に変化して傾斜状の屈折率分布を形成していた。これにより、ＧＩ型の光導波路が容易かつ確実に製造できることが確かめられた。

（ａ）〜（ｇ）は、本発明の一好適実施形態に係る光導波路の製造工程を示す概略説明図である。 （ａ）〜（ｇ）は、本発明の他の好適実施形態に係る光導波路の製造工程を示す概略説明図である。 （ａ）〜（ｇ）は、本発明のさらに他の好適実施形態に係る光導波路の製造工程を示す概略説明図である。

符号の説明

１、１０１ コア部
２、１０２ クラッド部
１０、２０ 光導波路
１１、２１ 単層膜
１２Ａ、１２Ｂ、２２Ａ、２２Ｂ マスク部材
１３Ａ、１３Ｂ、２３Ａ、２３Ｂ コア部に対応する部分
１４ 基板

Claims (7)

1. 連続的に形成されたコア部とクラッド部とを含む光導波路の製造方法において、
   フォトブリーチング材料を含む単層膜を、一対のマスク部材により挟持するマスク工程と、前記単層膜に対し、該一対のマスク部材を介して対向する二方向から光を照射する第一の光照射工程と、前記単層膜から該一対のマスク部材を剥離する剥離工程と、前記一対のマスク部材が剥離された単層膜に対し、再度前記二方向から光を照射する第二の光照射工程と、を含むことを特徴とする光導波路の製造方法。
2. 前記マスク工程において、基板上に形成された単層膜を、該基板を介して前記一対のマスク部材により挟持する請求項１記載の光導波路の製造方法。
3. 前記マスク工程に先立って、前記一対のマスク部材のうち少なくとも一方の、前記単層膜に対向する表面に離型処理を施す請求項１または２記載の光導波路の製造方法。
4. 前記一対のマスク部材として、前記コア部に対応する形状がパターニングされたパターニングマスクを用いる請求項１〜３のうちいずれか一項記載の光導波路の製造方法。
5. 前記一対のマスク部材として、前記コア部に対応して光透過率を連続的に変化させたグレーテッドマスクを用いる請求項１〜３のうちいずれか一項記載の光導波路の製造方法。
6. 前記フォトブリーチング材料として、光照射による屈折率変化量が０．００１以上であるものを用いる請求項１〜５のうちいずれか一項記載の光導波路の製造方法。
7. 請求項１〜６のうちいずれか一項記載の製造方法により製造された光導波路であって、前記コア部が断面略円形状であり、かつ、中心近傍に向かい屈折率が連続的に高くなっていることを特徴とする光導波路。

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