JP2007241048A - 光導波路およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】コアとクラッドとの界面に荒れを生じさせることなく、かつ容易に作製しうるステップインデックス型光導波路およびその作製方法を提供することを主な目的とする。
【解決手段】コア部とクラッド部を有する光導波路において、コア部が、クラッド部を構成する母体ポリマー材料に下記の特性を有する化合物の気体分子を浸透させた複合体により構成されていることを特徴とする光導波路：
(i)気化性を有している、
(ii)母体ポリマーよりも屈折率が高い、
(iii)光の伝搬波長において透明である。
【選択図】図８

Description

本発明は、情報通信において光情報を伝搬するための高分子材料製の光導波路、例えば光回折路、光分波路及び光合波路、光分岐路及び光合成路、光スイッチ、光回路などの高分子材料製の光導波路とその製造方法に関する。

従来から知られている高分子材料製のステップインデックス型光導波路(以下、「高
分子光導波路」という)は、コアとコアを取り囲むようにその周面を被覆するクラッドと
を備えている。コアは、無色透明な合成樹脂により形成されており、クラッドは、コアを形成する合成樹脂よりも屈折率の低い無色透明な合成樹脂により形成されている。そして、光情報は、前記コアとクラッドとの境界面で反射されながら、コア内を伝搬される。

従来、この様な高分子光導波路は、主に反応性イオンエッチング法（ＲＩＥ法）を用いて、製造されてきた（特許文献１）。この製造方法においては、まず、スピンコート法などにより、基材上に薄膜状の下部クラッドを形成する。次いで、薄膜状の下部クラッドの表面に、スピンコート法などの方法により、薄膜状のコア形成層を積層する。次いで、コア形成層の一部をＲＩＥ法でエッチング除去することにより、下部クラッドの表面に、所定のパターン形状をなすように、凸部からなるコアを形成する。次いで、スピンコート法などの方法により、下部クラッド表面全体を覆うように、上部クラッドを形成する。その結果、下部クラッド表面のコアが、上部クラッドにより被覆された形態で、所望の高分子光導波路が得られる。

しかしながら、このＲＩＥ法によるエッチング処理を必須とする高分子光導波路の製造方法には、複数の高分子光導波路を形成するために、(a)エッチングなどの処理をそれ
ぞれ個別に実施する必要がある、(b)加工速度が遅く、作業が繁雑で製造コストが嵩む、(c)従って、量産化を図りにくいなどの問題点がある。

そこで、高分子光導波路の量産化を容易とする製造方法として、加熱エンボス加工法（特許文献２）、直接露光法、フォトブリーチング法（特許文献３）などが提案されている。これらのなかでも、加熱エンボス加工法は、生産性を高めやすく、高分子光導波路の製造方法として、注目されている。

この加熱エンボス加工法で製造された高分子光導波路のクラッドは、その表面に凹条が凹設された矩形状をなすクラッド基部と、当該凹条の開口を塞ぐようにクラッド基部の表面に取着された板状をなすクラッド蓋部とから形成されている。このクラッド基部の凹条は、加熱により軟化した熱可塑性樹脂に対し、表面に凸条を有するエンボス用金型を押し付けることにより、凸条に対応した凹条を刻設することによって形成されている。そして、クラッド基部の凹条内にコアを形成した後、同クラッド基部及びコアの表面を覆うようにクラッド蓋部が形成されることによって高分子光導波路が製造される。

しかしながら、凹条形成後に、クラッド基部と金型との分離を円滑に行うことが困難であり、分離後にクラッドとコアとの界面となるべき表面に荒れが生じるので、最終的に得られる光導波路の伝搬損失に悪影響を及ぼすことになる。
特開平10-170738号公報 特開2004-093989号公報 特開2004-333883号公報

従って、本発明は、コアとクラッドとの界面に荒れを生じさせることなく、かつ容易に作製しうるステップインデックス型光導波路およびその作製方法を提供することを主な目的とする。

本発明者は、従来技術の問題点に留意しつつ、研究を進めた結果、高屈折率を有する化合物の気化分子をクラッド基部に浸透させることを着想し、さらに研究を重ねて、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明は、下記の光導波路とその製造方法を提供する。
１．コア部とクラッド部を有する光導波路において、コア部が、クラッド部を構成する母体ポリマー材料に下記の特性を有する化合物の気体分子を浸透させた複合体により構成されていることを特徴とする光導波路：
(i)気化性を有している：
(ii)母体ポリマーよりも屈折率が高い：
(iii)光の伝搬波長において透明である。
２．浸透させる化合物の飽和蒸気圧が、100℃において10^-3〜150mmHgの範囲にある上記項１に記載の光導波路。
３．コア部とクラッド部を有する光導波路の製造方法において、(１)所定の導波路形状に対応してマスキングされた母体ポリマー材料と下記の特性を有する化合物とを真空密閉容器に入れ、真空密閉容器を加熱することにより、化合物の気体分子を非マスキング部から母体ポリマー材料中に浸透させて、コア部となるべき部分に複合体を形成させる工程；
(i)気化性を有している、
(ii)母体ポリマーよりも屈折率が高い、
(iii)光の伝搬波長において透明である、
(２)母体ポリマー表面のマスクを除去する工程：
(３)上記化合物分子が浸透した母体ポリマー材料表面に母体ポリマー材料を積層して、両者を一体化する工程
を備えたことを特徴とする光導波路の製造方法。
４．浸透させる化合物の飽和蒸気圧が、100℃において10^-3〜150mmHgの範囲にある上記項３に記載の光導波路の製造方法。

本発明による光導波路においては、ポリマー母体中への化合物気体分子の浸透により、クラッド内にコアを形成させるので、クラッドとコアの界面に光散乱の原因となる「荒れ」は存在しない。従って、本発明によれば、量産に適した低損失の光導波路を容易に作製することができる。

また、本発明によって作製した光導波路は、高屈折率化合物を一度昇華させるプロセスを経ているので、高屈折率化合物は分子レベルまで分解可能であり、コア部に極めて高純度の化合物を浸透させることが可能である。従って、光導波路の特性を大幅に向上させることができる。

以下、本発明の一実施態様を示す図面を参照しつつ、本発明をさらに詳細に説明する。

図１に示す様に、まず、クラッド基部材料５の表面に、コアパターンに対応する所定
形状の開口を有するマスク１５を形成することにより、クラッド基部３０を調製する。次いで、図２に示す様に、マスクで被覆されたクラッド基部３０と所定の気化性化合物２０とを容器１０(以下、容器としてガラス管を用いる一例について説明する)内に収容する。次いで、図３に示す様に、高真空排気装置５０を用いて、ガラス管１０を真空排気し、バーナー６０でガラス管１０の開口端を封じて、アンプル１１とする（図４参照）。

次いで、図５に示す様に、上記のアンプル１１を加熱装置７０に入れ、所定の温度と時間で加熱することにより、昇華した高屈折率化合物の気体分子がアンプル１１内に充満する。高屈折率化合物の気体分子は、運動エネルギーを有しているため、マスク開口からクラッド基部３０内に浸透し、高屈折率化合物の浸透層を形成する。次いで、浸透層を形成されたクラッド基部３０内部を室温まで徐冷して、気化性化合物が垂直方向に浸透したクラッド基部４０を得る（図６参照）。

次いで、マスクを除去したクラッド基部５の表面に、クラッド基部材料５と同様な大きさのクラッド蓋部８０を重ねて、真空容器中で加熱圧着することにより、クラッド基部材料５とクラッド蓋部８０とが一体化する（図７参照）。この様にして、クラッド中に、高屈折率化合物とクラッド基部材料との複合体からなるコアを内包した所望の光導波路９０が得られる（図８参照）。クラッド基材とクラッド蓋材とは、高屈折率化合物との相溶性、光導波路の屈折率の調整などを考慮すれば、同種材料であることが好ましい。

一般に、クラッド基部材料よりも高い屈折率を有する化合物は、複数のベンゼン環で構成されているため、融点或いは昇華点が高い。本発明者の研究によれば、100℃におけ
る飽和蒸気圧が10^-3〜120mmHgである化合物を使用する場合には、その昇華気体によるク
ラッド基部への浸透により、コア−クラッド間の界面荒れを生じることなく、光伝搬損失の低い光導波路が得られることが明らかとなった。すなわち、化合物の飽和蒸気圧(100℃)が10^-3mmHgよりも低い場合には、浸透層がコアとしての機能を充分に発揮できないのに
対し、150mmHgよりも高い場合には、揮発性が高く、クラッド基部材料を溶解してしまう
。高屈折率化合物の飽和蒸気圧(100℃)は、0.05〜60mmHg程度であることがより好ましい
。
本発明で使用する高屈折率を有する化合物としては、ベンゼン環含有化合物、複素原子環含有化合物、硫黄原子とベンゼン環とを含有する化合物、硫黄原子と複素原子環とを含有する化合物が挙げられる。
ベンゼン環含有化合物類としては、ビフェニル、ターフェニル、ナフタレン、アントラセン、ナフトキノン、アントラキノン、安息香酸フェニル、安息香酸ナフタレン、ベンジルベンゾエート、ナフチルベンゾエート、ジフェニルフタレート、ジベンジルフタレート、ベンジルフタレート、トリフェニルフォスフェート、ジフェニルメタン、トリフェニルメタン、ベンジルナフタレン、ジフェニルプロパン、スチルベン、アゾベンゼン、ブロモナフタレン、ブロモアントラセン、フルオレン、ジベンゾフルオレン、ピリジン、ビピリジン、ピロール、ビピロールなどが挙げられる。

複素原子環含有化合物類としては、ベンゾオキサジアゾール、ベンゾオキサゾール、ベンゾチアゾール、ベンゾチアジアゾール、ジアリルエテン、ローダミン、クマリン、ジメチルアミノスチリルピランなど挙げられる。

硫黄原子とベンゼン環とを含有する化合物類として、ジフェニルサルファイド、ジフェニルスルフォキシド、ジフェニルサルフォン、ジフェニルジサルファイドなどが挙げられる。
硫黄原子と複素原子環とを含有する化合物類としては、ビチオフェン、ターチオフェンなどが挙げられる。

さらに、本発明においては、上記の各化合物類の骨格に様々な置換基が導入された誘導体も、使用可能である。この様な置換基としては、特に限定されるものではないが、メチル基、エチル基、プロピル基、カルボニル基、メチルエステル基、エチルエステル基、プロピルエステル基、ホルミル基、メチルケトン基、エチルケトン基、プロピルケトン基、−ＯＨ基、−ＣＨ_２ＯＨ基、−Ｃ_２Ｈ_４ＯＨ基、−Ｃ_３Ｈ_６ＯＨ基、メチルエーテル基、エチルエーテル基、プロピルエーテル基、チオール基、−ＳＣＨ_３基、−ＳＣ_２Ｈ_５基、−ＳＣ_３Ｈ_７基などが挙げられる。

中心に金属を有する錯体では、配位子として、キノリン、メチルジケトン、アセチルアセトン、２，４−ヘキサンジオン、３，５−ヘプタンジオン、６−メチルヘプタン−２，４−ジオン、フルオレニルなどが挙げられる。また中心金属としてアルミニウム、ユーロピウム、銅、チタン、亜鉛、マグネシウム、鉄、イリジウム、エルビウムなどが挙げられる。

上記の化合物を浸透させて、コアを内包形成させる母材ポリマーは、通信波長帯において、透明であることが必要である。本発明において、「母材ポリマー」とは、「プラスチック」と総称される有機化合物の重合体を意味する。

母材ポリマーは、公知の光導波路のクラッド材料として使用されているものが使用可能である。具体例としては、透明な非晶質高分子、例えば、ポリ−４−メチル−１−ペンテン、 ポリスチレン、ポリ（α−メチルスチレン）、ポリビニルナフタレン、ポリビニ
ルカルバゾール、スチレン−アクリロニトリル共重合体、ポリビニルピリジン、 ポリビ
ニルホルマール、ポリビニルアルコール、ポリアクリロニトリル、ポリビニルアセタール、ポリビニルブチラール、ポリ酢酸ビニル、ポリアクリル酸メチル、ポリアクリル酸エチル、ポリアクリル酸、ポリメタクリル酸メチル、ポリメタクリル酸エチル、ポリメタクリル酸ブチル、ポリメタクリル酸ベンジル、ポリメタクリル酸フェニル、ポリメタクリル酸シクロヘキ シル、ポリメタクリル酸；ポリエチレンテレフタレート、ポリイミド、脂肪
族ポリアミド、芳香族ポリアミド、ジアリルフタレートプレポリマー、ジアリルイソフタレートプレポリマー、エチレンジメタクリレートプレポリマーなど熱硬化性高分子の前駆体；有機ポリシラン、シリコーン樹脂などが挙げられる。また、上記ポリマー類を構成するモノマーの２種以上による共重合体、さらには、上記モノマーを重水素化したポリマーも挙げられる。

特に、可視光源を通信波長の光源とする場合は、ポリメチルメタクリレート（PMMA）などのポリメタクリレート誘導体、ビスフェノールＡポリカーボネートなどのポリカーボーネート類、ポリシクロオレフィン、エポキシ樹脂、ポリイミドなどが用いられる。これらのなかでも、ポリメタクリレート誘導体がより好ましい。

クラッド基材への気化性化合物の浸透量、浸透深さなどは、特に限定されず、クラッド基材の材質、気化性化合物の種類、光導波路に求められる光学的特性などを総合的に勘案して、適宜選択すれば良い。これらの浸透量、浸透深さなどは、加熱温度、加熱時間などを調整することにより、制御できる。浸透量は、コア部の屈折率変化に影響を及ぼすので、クラッド基材の屈折率を考慮して、定めればよい。浸透量は、限定されるものではないが、通常5〜20wt％程度の範囲とすることが好ましい。浸透深さは、伝搬波長にもよるが
、通常5〜800μm程度の範囲とすることが好ましい。
［実施例１］
図１に示す様に、2×10×25mm³のPMMAプレート(屈折率(以下「nd」とする):1.491）
５表面に、間隙が100μmのマスク１５を施した。

次いで、図２に示す様に、このマスクを形成したPMMAプレート３０を内径12mmのガラ
ス管１０に入れ、安息香酸フェニル（nd:1.58、蒸気圧:0.7mmHg）0.5ｇ（図２において、“２０”として示す）を同管させた。

その後、図３および図４に示す様に、高真空排気装置５０によってガラス管１０を真空排気した後、バーナー６０で開放端を封じきって、アンプル１１とした。

次いで、図５に示す様に、このアンプル１１をオーブン７０に入れ、100℃で４時間
熱処理した後、室温まで徐冷することにより、図６に示す様に、安息香酸フェニルが直線状に浸透したPMMAプレート４０を得た。

次いで、同様な大きさの未処理のPMMAプレート８０と上記で作製したプレート４０とを真空オーブン中で貼り合わせて（図７）、光導波路９０を作製した（図８）。この光導波路の伝搬損失をカットバック法により測定した結果、0.35dB/cmであった。貼り合わせ
時の条件は、0.1〜1mmHgの真空度で、温度140〜175℃であった。
［比較例１］
図９および図１０に示す様に、実施例１と同様にしてマスクを施したPMMAプレート３１とベンゼン２１(nd:1.501、蒸気圧1358mmHg)とをガラス管１２内に同管させた。この時ベンゼンは、排気中に留去されないように、液体窒素で冷却を行った。その後、高真空排気装置５１によってガラス管１２を真空排気し、バーナー６１で封じきって、アンプルとした。このアンプルを100℃で4時間熱処理した後、室温まで徐冷した。PMMAプレートは溶けており、光導波路は作製できなかった。
［実施例２］
ガラス管に入れる気化性化合物としてビフェニル(nd:1.587、蒸気圧:5.3mmHg）を使
用する以外は、実施例１に示す手法に準じて、光導波路を作製した。得られた光導波路の伝搬損失をカットバック法により測定した結果、0.36dB/cmであった。
［比較例２］
ガラス管に入れる化合物をポリスチレン(nd:1.591、蒸気圧：高すぎるので、測定不
能）とする以外は、実施例１に示す手法に準じて、光導波路の作製を試みた。ポリスチレンは昇華せず、PMMAに浸透しなかったので、光導波路は得られなかった。
［実施例３］
ガラス管に入れる気化性化合物としてジフェニルサルファイド(nd:1.633、蒸気圧:1.3mmHg）を使用する以外は、実施例１に示す手法に準じて、光導波路を作製した。得られ
た光導波路の伝搬損失をカットバック法により測定した結果、0.26dB/cmであった。

マスクを形成したクラッド基部の概要を示す斜面図である。 マスクを形成したクラッド基部と気化性化合物とをガラス管内に収容した状態を示す模式的な断面図である。 図２に示すガラス管内を減圧した後、開口端部を封止する過程を示す模式的な断面図である。 図３に示す過程を経て得られるアンプルとその収容物を示す模式的な断面図である。 図４に示すアンプルを加熱装置内に収容した状態を示す模式的な断面図である。 クラッド基部に気化性化合物が浸透した状態を示す斜面図である。 気化性化合物が浸透したクラッド基部とこれに貼り合わせるべきクラッド蓋部とを示す斜面図である。 本発明による光導波路の概要を示す斜面図である。 比較例２による光導波路作製手法の過程を示す断面図である。 比較例２による光導波路作製手法の過程を示す断面図であり、特にガラス管を封じアンプル作製にいたるまでを示している。

符号の説明

５…PMMAプレート
１０…ガラス管
１１…アンプル
１２…ガラス管
１５…マスク
１２…ガラス管
２０…安息香酸フェニル
２１…ベンゼン
３０…PMMAプレート
３１…PMMAプレート
４０…安息香酸フェニル浸透PMMAプレート
５０…高真空排気装置
５１…高真空排気装置
６０…バーナー
６１…バーナー
７０…オーブン
８０…未処理PMMAプレート
９０…光導波路

Claims (4)

1. コア部とクラッド部を有する光導波路において、コア部が、クラッド部を構成する母体ポリマー材料に下記の特性を有する化合物の気体分子を浸透させた複合体により構成されていることを特徴とする光導波路：
   (i)気化性を有している、
   (ii)母体ポリマーよりも屈折率が高い、
   (iii)光の伝搬波長域において透明である。
2. 浸透させる化合物の飽和蒸気圧が、100℃において10^-3〜150mmHgの範囲にある請求項１に記載の光導波路。
3. コア部とクラッド部を有する光導波路の製造方法において、(１)所定の導波路形状に対応してマスキングされた母体ポリマー材料と下記の特性を有する化合物とを真空密閉容器に入れ、真空密閉容器を加熱することにより、化合物の気体分子を非マスキング部から母体ポリマー材料中に浸透させて、コア部となるべき部分に複合体を形成させる工程；
   (i)気化性を有している、
   (ii)母体ポリマーよりも屈折率が高い、
   (iii)光の伝搬波長域において透明である、
   (２)母体ポリマー表面のマスクを除去する工程：
   (３)上記化合物分子が浸透した母体ポリマー材料表面に母体ポリマー材料を積層して、両者を一体化する工程
   を備えたことを特徴とする光導波路の製造方法。
4. 浸透させる化合物の飽和蒸気圧が、100℃において10^-3〜150mmHgの範囲にある請求項３に記載の光導波路の製造方法。

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