JP3483188B2

JP3483188B2 - 高分子材料の光導波路形成方法

Info

Publication number: JP3483188B2
Application number: JP6992697A
Authority: JP
Inventors: 晃次圓佛; 暁都丸; 三郎今村; 健助川
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1997-03-24
Filing date: 1997-03-24
Publication date: 2004-01-06
Anticipated expiration: 2017-03-24
Also published as: JPH10268152A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高分子材料を用い
た光導波路形成方法に関するものであり、一般光学や微
小光学分野で、また、光通信や光情報処理の分野で用い
られる種々の光導波路、光集積回路または光配線板等に
利用できる。

【０００２】

【従来の技術】高分子材料はスピンコート法やディップ
法等による薄膜形成が容易であり、面積の大きい光導波
路を作製するのに適している。またこの方法によれば、
膜形成に際して高温での熱処理工程を含まないので、石
英等の無機ガラス材料と比べて高分子材料は、半導体基
板やプラスチック基板等高温での熱処理が困難な基板上
にでも光導波路を作製できるという利点がある。さら
に、高分子材料の柔軟性や強靭性を活かしたフレキシブ
ルな光導波路の作製も可能である。こうしたことから、
光通信の分野で用いられる光集積回路や、光情報処理の
分野で用いられる光配線板等の光導波路部品を、光学用
高分子材料を用いて大量・安価に製造することが期待さ
れている。

【０００３】光学用高分子材料は、耐熱性や耐湿性等の
耐環境性の点で問題があるとされてきたが、近年、ベン
ゼン環などの芳香族基を含まない材料あるいは無機高分
子材料等の耐熱性を向上した材料が、例えば、特開平３
−４３４２３号に報告されている。高分子材料には上述
のような利点があり、耐熱性や耐湿性等の問題点も改善
されつつある。高分子材料を用いた光導波路の作製方法
としては、高分子の中にモノマーを含ませて部分的に光
照射し、モノマーと反応させることにより未照射部分と
の屈折率差を作るフォトロッキングあるいは選択光重合
法（黒川ら、「アプライドオプティックス」１７巻６４
６ページ、１９７８年）、リソグラフィやエッチングな
どを半導体加工に用いる方法（今村ら、「エレクトロニ
クスレター」２７巻１３４２ページ、１９９１年）、感
光性高分子あるいはレジストを用いた方法（トレウェラ
ら、「ＳＰＩＥ」１１７７巻３７９ページ、１９８９
年）等が挙げられる。感光性高分子あるいはレジストを
用いた方法は、非常に簡易性が高く、量産性にも優れて
いる。

【０００４】ところが、従来は感光性材料として室温で
固体の高分子材料を用いていたので、厚膜にすると、紫
外や可視領域における散乱が多くなり、光透過特性が劣
化し、特に厚膜におけるパターンの信頼性が低く、硬化
した際の解像度が悪くなるため作製された光導波路の損
失にも悪影響を与えていた。また透明性に関して材料の
吸収損失等の低減に配慮されていないため導波路損失も
高いという欠点を有していた。このためこのような感光
性材料を用いて作製された光部品等は実用性の面から不
十分なものであった。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】これを解決する手段と
して、室温で固体の高分子材料ではなく液状の光硬化性
樹脂を用いてパターン化する方法が考えられた。しか
し、かかる材料は流動性があるため、樹脂を塗布した後
に塗布膜厚が変化したりして、光導波路を再現性よく、
かつ制御性よく作製することができなかった。

【０００６】本発明はこのような現状に鑑みてなされた
ものであり、その目的は、簡易にパターン形成ができ、
加工性にも優れた、液状の光硬化性樹脂を用いる光導波
路を作製することにあり、簡易で量産性に優れた高分子
材料の光導波路形成方法を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の高分子材料の光
導波路形成方法は、基板上に高分子材料の下部クラッド
層を形成する工程と、該下部クラッド層上に液状の光硬
化性樹脂を位置させ、該液状の光硬化性樹脂を露光し
て、該下部クラッド層の上に、コア部を形成する領域の
外周に閉じた形状のスペーサを形成する工程と、該スペ
ーサの内周側に、光硬化後の屈折率が前記下部クラッド
層よりも高い、液状の光硬化性樹脂を保持する工程と、
該液状の光硬化性樹脂に、マスクをかぶせて光を照射す
るか、あるいは直接光をパターン照射してコア部のパタ
ーン潜像を形成する工程と、未照射部を溶媒にて除去す
ることによりコア部を形成する工程と、該コア部の上に
光硬化後の屈折率が前記コア部の屈折率よりも低い上部
クラッド層を形成する工程と、を含むことを特徴とす
る。

【０００８】ここで、前記スペーサを形成する工程にお
いて、前記下部クラッド層の上に塗布したコア部と同一
の液状の光硬化性樹脂の塗布膜を、スペーサ用マスクを
通して光を照射するかもしくは直接光をパターン照射し
てスペーサのパターン潜像を光硬化させてスペーサを形
成することができる。

【０００９】また、前記スペーサを形成する工程におい
て、紫外線を完全には吸収しない材質からなる金型であ
って、スペーサのパターン形状の溝部を有する金型の、
該溝部に液状の光硬化性樹脂を注入し、ついで下部クラ
ッド層を形成した基板を、該下部クラッド層を下にして
該金型の上に重ね、該金型側から光を照射することによ
り前記溝部内の液状の光硬化性樹脂を光硬化させてスペ
ーサのパターン潜像を形成した後、金型を除去してスペ
ーサを形成してもよい。

【００１０】すなわち、本発明によれば、液状の光硬化
性樹脂を再現性・制御性良くパターン化するのに必要な
スペーサを、精度よく容易に作製することができるた
め、導波路リッジパターンを精度よく形成することが可
能になった。また従来の室温で固体の高分子材料を用い
た場合には、リッジパターン形成において、厚膜形成・
導波路加工が非常に困難であったが、容易に厚膜での導
波路加工が可能となった。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の内容を詳細に説
明する。

【００１２】本発明に従って光導波路を作製する工程
は、以下のようである。まず高分子材料からなるクラッ
ド材料を基板上に塗布して、下部クラッド層を形成す
る。次にそのクラッド層上に、任意の高さあるいは任意
の形状を有するスペーサを形成する。その後、所定のマ
スクを通してスペーサ中に存在する光硬化後の屈折率が
クラッド層の屈折率よりも高くなるような液状の光重合
開始剤が配合された光硬化性樹脂等に光を照射してパタ
ーン化された潜像を形成した後、未照射部を溶媒にて除
去すると硬化したパターン部分がクラッド上に残され
る。このパターン部分は光が通るコア部分になる。最後
に、このコア部分に高分子材料からなるクラッド層を被
せ高分子材料の光導波路を作製する。なお、光硬化性樹
脂に光を照射する場合、マスクを通さないで直接光を照
射してもよい。本発明に用いられる液状の光硬化性樹脂
としては、エポキシ系オリゴマー、シリコーン系オリゴ
マー、アクリル系オリゴマー材料等が挙げられる。感光
剤としては、ジフェニルトリケトンベンゾイン、ベンゾ
インメチルエーテル、ベンゾフェノン、アセトフェノ
ン、ジアセチル等のカルボニル化合物や過酸化ベンゾイ
ルなどの過酸化物、アゾビスイソブチロニトリルなどの
アゾ化合物、アジドピレンなどのアジド化合物、４，
４′−ジアジドベンザルアセトン、２，６−ジー（４′
−アジドベンザル）シクロヘキサノン、２，６−ジ−
（４′−アジドベンザル）−４−メチルシクロヘキサノ
ンなどのビスアジド化合物、ジアゾ化合物、さらにはス
ルフォニウム塩、オスミニウム塩が代表的なものとして
挙げられる。

【００１３】本発明においては、クラッド層用のクラッ
ド材料、スペーサ用の材料およびコア用の材料として、
上記液状の光硬化性樹脂からなる材料を用いることが好
ましい。

【００１４】

【実施例】本発明を実施例により具体的に説明するが、
本発明はこれら実施例に限定されるものでない。

【００１５】実施例１図１〜図８に、本発明の一態様を表す光導波路の形成工
程を示す。

【００１６】以下に示した構造式（１）を主成分とする
液状の光硬化性エポキシ樹脂であって、光重合開始剤を
２重量％含み、光硬化後の屈折率が、波長０．８５μｍ
で１．５４となるように調製した材料（Ａ）と、光硬化
後の屈折率が、波長０．８５μｍで１．５２となるよう
に調製したクラッド層用材料とを準備した。なお、材料
（Ａ）およびクラッド層用材料には、適宜必要に応じ
て、他の添加剤等が加えられていてもよい。

【００１７】

【化１】

【００１８】次に、図１に示すように、シリコン基板１
上にクラッド層用材料をスピンコートにより塗布してか
ら、全面に紫外線（ＵＶ光）２を照射して膜厚２０μｍ
のクラッド層３を形成した。屈折率は波長０．８５μｍ
で１．５２であった。図２に示すように、準備した材料
（Ａ）をクラッド層上に塗布した層４を形成し、マスク
５と材料（Ａ）を塗布した層４との間隔を１ｍｍ程度あ
け、マスク５を通して光照射した。ここで用いたマスク
のパターンを図３に示した。この操作により、図４に示
すようにスペーサ６が基板の外周上に形成された。この
際、形成されたスペーサ６の高さは４０μｍとほぼ均一
であり、またスペーサ６内部には未照射の光硬化性樹脂
部が残され、その厚さはスペーサの高さに依存して３８
μｍであり、基板全面にわたり一様であった。

【００１９】その後、図５に示すような導波路パターン
のマスク７を通して紫外線（ＵＶ光）８を未照射の光硬
化性樹脂部４に照射した後、ジグライム溶液で現像した
（図６）。但し、このときの照射量は２０００ｍＪ／ｃ
ｍ² であった。マスク７のパターンに従い、光照射した
部分のみ液状の光硬化性樹脂が硬化し、図７に示すよう
な形状のリッジパターン９が形成された。硬化後の屈折
率は波長０．８５μｍで１．５４であった。

【００２０】図８に示すように、このリッジパターン９
に、クラッド層用材料を塗布して硬化させ、上部クラッ
ド層を形成し、マルチモードチャネル導波路１０を作製
した。この操作により屈折率１．５２の下部クラッド層
３と上部クラッド層１１、リッジパターン形状に形成さ
れた屈折率１．５４のコア部１２を有するマルチモード
チャネル導波路１０が（深さ３８μｍ、幅４０μｍ）作
製された。

【００２１】得られたマルチモードチャネル導波路を、
ダイシングソーによって５ｃｍの長さに切り出し挿入損
失を測定したところ、波長０．８５μｍで１ｄＢ以下、
１．３μｍで１．５ｄＢ以下、波長１．５５μｍで３．
０ｄＢ以下の挿入損失であった。また、挿入損失の偏光
依存性は、波長１．３μｍでも波長１．５５μｍでも
０．１ｄＢ以下であった。さらに、このマルチモードチ
ャネル導波路の損失は、７５℃／９０％ＲＨの条件下に
おいても１ケ月以上変動しなかった。

【００２２】実施例２上記に示した構造式（１）を主成分とする液状の光硬化
性エポキシ樹脂であって、光重合開始剤を２重量％含
み、光硬化後の屈折率が、波長１．３０μｍで１．５０
４となるように調製した材料（Ｂ）と、光硬化後の屈折
率が、波長１．３０μｍで１．５０となるように調製し
たクラッド層用材料とを準備した。なお、材料（Ｂ）お
よびクラッド層用材料には、適宜必要に応じて、他の添
加剤等が加えられていてもよい。

【００２３】次に、実施例１と同様にして、シリコン基
板上に、クラッド層用材料を塗布して、厚さ２０μｍの
下部クラッド層を形成した。下部クラッド層の上に、材
料（Ｂ）を用いて、実施例１と同様の方法によりスペー
サを基板上の外周部に形成した。スペーサの内周部には
未照射の材料（Ｂ）が残され、その高さはスペーサの高
さに依存して８μｍであり、基板全面にわたって一様で
あった。実施例１と同様にして、導波路パターンのマス
クを通して紫外線（ＵＶ光）を照射し、ジグライム溶液
で現像して８μｍ幅のリッジパターンを形成した後、下
部クラッド層を形成するのに用いた光硬化性エポキシ樹
脂を用いてこのリッジパターンをオーバーコートし、マ
ルチモードチャネル導波路を作製した。これにより、波
長１．３０μｍでの屈折率が１．５０のクラッドと屈折
率が１．５０４のコアからなるマルチモードチャネル導
波路を作製することができた。

【００２４】この光導波路をダイシングソーによって５
ｃｍの長さに切り出し、実施例１と同様にして挿入損失
を測定したところ、波長０．８５μｍで１ｄＢ以下、波
長１．３０μｍで３ｄＢ以下の挿入損失であり、波長
１．２μｍ以上の波長域ではこのマルチモードチャネル
導波路がシングルモード動作を示すことがわかった。

【００２５】実施例３図９〜図１７に、本発明の第２の態様を表す光導波路の
形成工程を示す。

【００２６】上記に示した構造式（１）を主成分とする
液状の光硬化性エポキシ樹脂であって、光重合開始剤を
２重量％含み、光硬化後の屈折率が、波長０．８５μｍ
で１．５２となるように調製した材料（Ｃ）と、光硬化
後の屈折率が、波長０．８５μｍで１．５４となるよう
に調製した材料（Ｄ）とを準備した。なお、材料（Ｃ）
および材料（Ｄ）には、適宜必要に応じて、他の添加剤
等が加えられていてもよい。

【００２７】次に、図９に示すように、シリコン基板１
４上に上記材料（Ｃ）をスピンコートにより塗布してか
ら全面に紫外線（ＵＶ光）１５を照射して、膜厚２０μ
ｍのクラッド層１６を形成した。屈折率は波長０．８５
μｍで１．５２であった。図１０に示すような形状のア
クリル樹脂製の金型１７（溝幅２００μｍ、高さ４０μ
ｍ）の溝１８に、上記材料（Ｃ）を注入し、シリコン基
板１４をクラッド層を下側にして、金型の上に重ねた
（図１１）。次に図１２に示すように、紫外線（ＵＶ
光）１９を照射して液状の材料（Ｃ）が注入された部分
１３を光硬化させてスペーサ２０を形成した。図１３に
示すように、シリコン基板１４を下側に、スペーサ２０
を上側にして、スペーサに囲まれた部分に材料（Ｄ）を
注入した。図１４に示すパターンのマスク２２を、図１
５に示すようにスペーサ２０の上に重ねて、マスク越し
に紫外線（ＵＶ光）２３を照射した後、ジグライム溶液
で現像した（図１６）。但し、このときの照射量は２０
００ｍＪ／ｃｍ² であった。マスク２２のパターンに従
い、光照射した部分のみ液状の光硬化性樹脂が硬化し、
図１６に示すような形状のリッジパターン２４が形成さ
れた。硬化後の屈折率は波長０．８５μｍで１．５４で
あった。図１７に示すように、このリッジパターン２４
に、材料（Ｃ）を塗布して硬化させ、上部クラッド層２
６を形成し、マルチモードチャネル導波路２５を作製し
た（図１７）。この操作により、波長０．８５μでの屈
折率が１．５２のクラッド層１６、２６、屈折率が１．
５４のコア部２７を有するマルチモードチャンネル導波
路（深さ４０μｍ、幅４０μｍ）が作製された。

【００２８】得られたマルチモードチャネル導波路を、
ダイシングソーによって５ｃｍの長さに切り出し挿入損
失を測定したところ、波長０．８５μｍで１ｄＢ以下、
１．３μｍで１．５ｄＢ以下、波長１．５５μｍで３．
０ｄＢ以下の挿入損失であった。また、挿入損失の偏光
依存性は波長１．３μｍでも波長１．５５μｍでも０．
１ｄＢ以下であった。さらに、マルチモードチャネル導
波路の損失は、７５℃／９０％ＲＨの条件下においても
１ケ月以上変動しなかった。

【００２９】実施例４上記に示した構造式（１）を主成分とする液状の光硬化
性エポキシ樹脂であって、光重合開始剤を２重量％含
み、光硬化後の屈折率が、波長１．３０μｍで１．５０
となるように調製した材料（Ｅ）と、光硬化後の屈折率
が、波長１．３０μｍで１．５０４となるように調製し
た材料（Ｆ）とを準備した。なお、材料（Ｅ）および材
料（Ｆ）には、適宜必要に応じて、他の添加剤等が加え
られていてもよい。

【００３０】実施例３と同様にしてマルチモードチャネ
ル導波路（屈折率１．５０のクラッド、屈折率１．５０
４のコア）を作製した。

【００３１】但し、下部クラッド層および上部クラッド
層に用いられた材料は、光硬化時に波長１．３μｍで屈
折率１．５０となるように調整された材料（Ｅ）を、ま
た形成されたスペーサの高さは１０μｍであり、スペー
サの形成に用いられたスペーサ用材料としては材料
（Ｅ）を用い、スペーサの中に注入された液状の光硬化
性エポキシ樹脂は、光硬化後の屈折率が１．５０４の材
料（Ｆ）を用いた。実施例３と同様にして、導波路パタ
ーンを有するマスク越しにＵＶ光を照射し、また、ジグ
ライム溶液現像後得られたリッジパターンの幅は、８μ
ｍであった。コア部の硬化後の屈折率は波長１．３０μ
ｍで１．５０４であった。

【００３２】実施例３と同様にして、得られたマルチモ
ードチャネル導波路をダイシングソーによって５ｃｍの
長さに切り出し、挿入損失を測定したところ、波長０．
８５μｍで１ｄＢ以下、波長１．３０μｍで３ｄＢ以下
の挿入損失であり、波長１．２μｍ以上の波長域ではこ
の導波路がシングルモード動作を示すことがわかった。

【００３３】なお、液状エポキシオリゴマーの代わり
に、液状シリコーンエポキシオリゴマー、液状シリコー
ンオリゴマー、液状シリコーンビニルエーテルオリゴマ
ーを用いても上述の実施例１〜４と同様に高分子導波路
を作製することができ、同様の効果を有することが分か
った。

【００３４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
スペーサを利用することによって、簡易な作製方法で高
品質な高分子材料の光導波路を形成することができた。
このため本発明による高分子材料の光導波路は量産性が
要求される光導波路型部品への適用に有利に対応するこ
とができた。したがって、本発明は、一般光学や微小光
学分野で、また、光通信や光情報処理の分野で用いられ
る種々の光導波路、光集積回路または光配線板等に適用
できた。

【図面の簡単な説明】

【図１】クラッド層を有する基板の断面図である。

【図２】材料塗布層を有する基板にマスクをかぶせて光
照射した状態の断面図である。

【図３】マスクの平面図である。

【図４】スペーサを形成した状態の基板の断面図であ
る。

【図５】マスクの平面図である。

【図６】マスクを通して光を照射した状態の基板の断面
図である。

【図７】リッジパターンを形成した状態の基板の断面図
である。

【図８】本発明により形成した光導波路の断面図であ
る。

【図９】クラッド層を有する基板の断面図である。

【図１０】金型の断面図である。

【図１１】金型に基板をかぶせた状態の基板の断面図で
ある。

【図１２】金型側から光を照射した状態の基板と金型の
断面図である。

【図１３】スペーサ中に材料を注入した状態の基板の断
面図である。

【図１４】マスクの平面図である。

【図１５】スペーサの上にマスクをかぶせて光を照射し
た状態の基板の断面図である。

【図１６】リッジパターンを形成した状態の基板の断面
図である。

【図１７】本発明により形成した光導波路の断面図であ
る。

【符号の説明】

１シリコン基板２紫外線（ＵＶ光）３下部クラッド層４材料（Ａ）を塗布した層５マスク６スペーサ７マスク８紫外線（ＵＶ光）９リッジパターン１０マルチモードチャネル導波路１１上部クラッド層１２コア部１３材料（Ｃ）を注入した部分１４シリコン基板１５紫外線（ＵＶ光）１６下部クラッド層１７アクリル樹脂で作製した金型１８金型の溝１９紫外線（ＵＶ光）２０スペーサ２１材料（Ｄ）を注入した部分２２マスク２３紫外線（ＵＶ光）２４リッジパターン２５マルチモードチャネル導波路２６上部クラッド層２７コア部

フロントページの続き (72)発明者助川健東京都新宿区西新宿三丁目19番２号日本電信電話株式会社内 (56)参考文献特開昭61−9607（ＪＰ，Ａ) 特開昭56−142502（ＪＰ，Ａ) 特開昭56−122001（ＪＰ，Ａ) 特開平８−327842（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G02B 6/13 G02B 6/12

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】基板上に高分子材料の下部クラッド層を
形成する工程と、該下部クラッド層上に液状の光硬化性樹脂を位置させ、
該液状の光硬化性樹脂を露光して、該下部クラッド層の
上に、コア部を形成する領域の外周に閉じた形状のスペ
ーサを形成する工程と、該スペーサの内周側に、光硬化後の屈折率が前記下部ク
ラッド層よりも高い、液状の光硬化性樹脂を保持する工
程と、該液状の光硬化性樹脂に、マスクをかぶせて光を照射す
るか、あるいは直接光をパターン照射してコア部のパタ
ーン潜像を形成する工程と、未照射部を溶媒にて除去することによりコア部を形成す
る工程と、該コア部の上に光硬化後の屈折率が前記コア部の屈折率
よりも低い上部クラッド層を形成する工程と、を含むこ
とを特徴とする高分子材料の光導波路形成方法。
【請求項２】前記スペーサを形成する工程において、
前記下部クラッド層の上に塗布したコア部と同一の液状
の光硬化性樹脂の塗布膜を、スペーサ用マスクを通して
光を照射するかもしくは直接光をパターン照射してスペ
ーサのパターン潜像を光硬化させてスペーサを形成する
請求項１に記載の高分子材料の光導波路形成方法。
【請求項３】前記スペーサを形成する工程において、
紫外線を完全には吸収しない材質からなる金型であっ
て、スペーサのパターン形状の溝部を有する金型の、該
溝部に液状の光硬化性樹脂を注入し、ついで下部クラッ
ド層を形成した基板を、該下部クラッド層を下にして該
金型の上に重ね、該金型側から光を照射することにより
前記溝部内の液状の光硬化性樹脂を光硬化させてスペー
サのパターン潜像を形成した後、金型を除去してスペー
サを形成する請求項１に記載の高分子材料の光導波路形
成方法。