JP3597056B2 - 高分子材料、光導波路およびその形成方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、光通信用部品を構成する高分子材料、および高分子材料を用いた光導波路の形成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
通信分野においては、大容量通信を実現するため、光導波路の開発が大きな課題となっている。
【０００３】
従来、例えば、光導波路などの光通信用部品を構成する材料には、ガラスや無機結晶材料が用いられていた。しかしながら、これらの材料は高価で、しかも加工が困難であった。
【０００４】
そのため、近年、ガラスや無機結晶材料よりも、価格が安く加工の容易な例えばＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレート）などの高分子材料（ポリマーとも称する。）が用いられてきている。このような材料を用いれば、これまでよりも面積が広くて可撓性に優れたフィルム状の光導波路を形成することができる。また、機能性化合物や官能基をこの高分子材料中に導入することによって機能性導波路を形成することができる。
【０００５】
このような光導波路等の光通信用部品を構成する材料は、光信号として用いられる近赤外域の波長帯における高い透明性を有している必要がある。また、この材料は、光伝送路を構成する材料となるため、屈折率を制御することのできる材料でなければならない。
【０００６】
高透明性を示す材料として、ＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレート）やポリスチレン（ＰＳ）等が挙げられる。しかしながら、これらの材料は、近赤外域においては透明性が不十分である。これは、近赤外域において、これらの材料の分子内に存在するＣ−Ｈ結合に起因する吸収があるためである。この問題を解決するため、従来、例えばＰＭＭＡの水素を重水置換した重水素化ＰＭＭＡが開発されている。重水素化ＰＭＭＡにおいては、近赤外域での吸収を遠赤外域へシフトさせることができる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、重水素化ＰＭＭＡは、ガラス転移点が１０７℃と低い。例えば、この重水素化ＰＭＭＡを材料として用いて、コンピュータ等の電子部品を構成する場合、はんだ処理等の熱処理によって、この材料は簡単に軟化してしまうおそれがある。
【０００８】
また、この重水素化ＰＭＭＡの吸水率は２．０％という高い値である。光通信用部品を構成する材料が水分を吸収してしまうと、材料の屈折率が変化してしまう。これにより、光通信において伝送ミスが起きる原因となるおそれがある。
【０００９】
このため、近赤外域での透明性に優れた高分子材料であって、従来よりも耐熱性および低吸水性に優れた材料の出現が望まれていた。また、このような高分子材料を用いた光導波路の出現が望まれていた。また、このような光導波路を簡易に形成できる技術が望まれていた。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
このため、この発明にかかる発明者らは、鋭意研究および実験の結果、高分子材料をイミド化すると、その材料のガラス転移点が上昇し、かつ吸水性が低下するという点に注目し、この発明をするに至った。
【００１１】
従って、この発明の高分子材料によれば、下記（１）で表される繰り返し単位からなる。
【００１２】
【化３】
【００１３】
この材料は、例えば、近赤外域での透明性に優れた重水素化ＰＭＭＡに重水素化メチルアミンを反応させて生成されるが、重水素化ＰＭＭＡのエステル結合部分に重水素化メチルアミンが反応し、分子内でイミド化が起こっている。また、このイミドは環状である。イミド化された重水素化ＰＭＭＡ、すなわち重水素化ポリメタクリルイミドは、重水素化ＰＭＭＡよりもガラス転移点が高く、かつ吸水性が低い。しかも近赤外域での透明性は重水素化ＰＭＭＡと同程度である。このため、光通信用部品の材料として用いて好適な材料である。
【００１４】
また、この出願では、第２の発明として、下記（２）で表される繰り返し単位からなる高分子材料も主張する。
【００１５】
【化４】
【００１６】
この第２の発明の材料は、例えば重水素化ＰＭＭＡにエチレンジアミンを反応させて生成する。この反応では、重水素化ＰＭＭＡのエステル結合部分にエチレンジアミンが反応する。ここでは１つの繰り返し単位と１つのアミノ基とが反応する。エチレンジアミン１分子中にはアミノ基が２つあるため、重水素化ＰＭＭＡの２つの繰り返し単位とエチレンジアミン１分子とが反応する。このため、反応後の生成物（高分子材料）は、２つの重水素化ＰＭＭＡの繰り返し単位間をエチレンジアミンで架橋している構造となる。また、この高分子材料の繰り返し単位内には、上記の重水素化ポリメタクリルイミドと同様の環状の部分が２つ形成されている。この高分子材料においても、重水素化ＰＭＭＡと比べて、ガラス転移点が高く、かつ吸水性が低い。しかも、近赤外域での透明性は重水素化ＰＭＭＡと同等である。このため、光通信用部品を構成する材料として用いて好適である。
【００１７】
また、クラッドとコアとを有する光導波路において、好ましくは、上述した高分子材料を用いてコアが形成されているのが良い。
【００１８】
ここで、上述の各発明の高分子材料各々の分子量は、この材料の使用目的に応じた任意の値にできる。これら材料を、スピンコートにより膜化する場合であれば、これら高分子材料の分子量が、１２，５００〜５４０，０００になるように高分子材料の重合度を調整するのがよい。より好ましくは、１５０，０００〜５４０，０００の分子量の範囲に調整するのがよい。スピンコートする塗布液の粘度は、高分子材料の分子量と溶媒に溶解させる量とで調整される。高分子材料の分子量が上記範囲内にあれば、塗布液の粘度の調整が容易となり、表面が平坦な高分子材料の膜が得られる。
【００１９】
また、これらの高分子材料を用いて形成された光導波路は、耐熱性に優れ、かつ吸水性が低い。このため、この光導波路を用いれば、周囲の環境に対する耐久性に優れた光通信用素子を提供することができる。
【００２０】
また、上記光導波路において、好ましくは、クラッドがこの発明の高分子材料よりも屈折率の低い材料で形成されているのがよい。例えば、クラッドの材料としてポリメチルメタクリレートを用いるのがよい。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の高分子材料および光導波路の実施の形態について、説明する。なお、以下の説明で用いる使用材料、使用装置、また使用材料の使用量、高分子材料の形成工程中の温度、圧力等の数値的条件は、この発明の範囲内の好適な一例に過ぎない。従って、この高分子材料がこれらの条件を備えて形成されると限定されるものではない。
【００２２】
＜第１の実施の形態＞
第１の実施の形態として、この発明の下記（１）で表される繰り返し単位からなる高分子材料を、例えば以下のようにして形成する。
【００２３】
【化５】
【００２４】
まず、この高分子材料の形成材料としての重水素化ポリメチルメタクリレート（重水素化ＰＭＭＡ、創和科学社製：分子量１３７，７００：品番Ｐ８１８）１０ｇを、溶剤としてのテトラヒドロキシフラン（ＴＨＦ）９０ｇに加える。そしてこれを、常温で２４時間攪拌溶解する。これを第１溶液とする。また、重水素化メチルアミン（関東科学社製）を、５０重量％の濃度になるようにメタノールに溶解させた第２溶液を調整しておく。この後、第１溶液と第２溶液２０ｇとを混合して、２６０℃の温度で２時間反応させる。
【００２５】
この操作によって、下記（３）式で示されるようなイミド化反応が起こっていると考えられる。
【００２６】
【化６】
【００２７】
ただし、ｎは重合度を示し、１以上の整数とする。
【００２８】
反応終了後、反応液を自然放冷によって室温まで冷却する。その後、反応液中に純水５００ｃｃを加える。これにより、上記（１）で表される繰り返し単位からなる高分子材料と思われる生成物が析出する。具体的には、上記（３）式中の右辺の構造式（３ａ）で表されることを特徴とする高分子材料を合成することができる。この生成物を水洗いした後、乾燥させる。
【００２９】
次に、この生成物が上記（１）（具体的には（３ａ））の高分子材料であることを確かめるために、得られた生成物の赤外吸収スペクトルを測定する。そこで、生成物を２６０℃の温度で融解してペレット状に成形して赤外吸収スペクトルを測定した。
【００３０】
この結果、波数が１７２０ｃｍ−１、１６６３ｃｍ−１および７５０ｃｍ−１のところにメタクリルイミドに特有の吸収が見られた。これにより、イミド化していることが確認された。
【００３１】
また、この高分子材料のガラス転移温度を測定したところ、１６５℃であった。従来の重水素化ＰＭＭＡのガラス転移温度は１０７℃であるため、ガラス転移温度を大幅に上げることが出来た。これにより、高分子材料の耐熱性を向上させることができる。
【００３２】
また、上述した高分子材料のペレットを、９０％の湿度でかつ９０℃の温度であるような高温高湿の環境に１００時間放置させた後、吸水率を測定した。このペレットの吸水率は０．９％であった。重水素化ＰＭＭＡの吸水率は２．０％であるため、従来よりも吸水率を低くすることができた。
【００３３】
また、この高分子材料の屈折率を測定したところ、１．５１であり、重水素化ＰＭＭＡよりも若干高い値を示した。また、偏光モードを示すＴＥ（Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｗａｖｅ）モードおよびＴＭ（Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｗａｖｅ）モードにおける屈折率は等しかった。このため、複屈折を生じることのない材料であることが分かった。
【００３４】
次に、図１および図２を参照して、第１の実施の形態で生成した上記（１）の高分子材料を用いて光導波路を形成する例につき、説明する。
【００３５】
なお、この説明に用いる各図は、これら発明を理解できる程度に各構成成分の形状、大きさおよび配置関係を概略的に示してあるに過ぎない。また、各図において同様な構成成分については、同一の番号を付して示し、その重複する説明を省略することがある。
【００３６】
図１は、この発明の高分子材料を用いて光導波路を形成する際の一形態を説明する工程図である。いずれの図も、工程中の主な工程での試料の様子を断面の切り口で以て示した図である。また、図２は、図１に続く工程図である。
【００３７】
この光導波路の構造は、基板上に第１クラッドが設けられていて、この第１クラッド上に直線状のコアが形成されていて、さらに、このコアを覆うように第２クラッドが設けられている。
【００３８】
この例では、以下の▲１▼〜▲３▼の工程によって、この光導波路を形成する。
【００３９】
▲１▼まず、基板上に第１クラッドを形成する。
【００４０】
この例では、第１クラッドの形成材料として、上記（１）で表される重水素化ポリメタクリルイミドよりも屈折率の低い材料、例えばポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ、創和科学社製：分子量７５，０００：品番３０７）３ｇを、溶剤としての酢酸２−メトキシエチル（２−Ｍｅｔｈｏｘｙｅｔｈｙｌ Ａｃｅｔａｔｅ）７ｇに加える。そしてこれを、常温で１２時間攪拌溶解し、さらにフィルタ（０．４５μｍ細孔径ＰＴＦＥ膜）で濾過して、ＰＭＭＡの３０重量％塗布液を調整する。
【００４１】
次に、シリコン基板１１上にこの塗布液を、３０００回転／分、３０秒間の条件でスピンコート法によって塗布する。そして、この塗布膜を９５℃かつ大気雰囲気の炉中で６時間乾燥させる。この結果、シリコン基板１１上に、第１クラッド１３として、約７μｍの厚さのＰＭＭＡ膜が得られる（図１（Ａ））。
【００４２】
▲２▼次に、第１のクラッド上に直線状のコアを形成する。
【００４３】
この例では、第１の実施の形態で生成した上記（１）で表される重水素化ポリメタクリルイミド２ｇを、溶剤としての酢酸２−メトキシエチル８ｇに加える。そしてこれを常温で１２時間攪拌溶解し、さらにフィルタ（０．４５μｍ細孔径ＰＴＦＥ膜）で濾過して、重水素化ポリメタクリルイミドの２０重量％塗布液を調整する。
【００４４】
この後、第１クラッド１３上にこの塗布液を、３０００回転／分、３０秒間の条件でスピンコート法によって塗布する。そして、この塗布膜を９５℃かつ大気雰囲気の炉中で６時間乾燥させる。この結果、第１クラッド１３上に、約４μｍの厚さの重水素化ポリメタクリルイミドの層１５が得られる（図１（Ｂ））。
【００４５】
次に、この重水素化ポリメタクリルイミドの層１５の上に、シリコン含有レジスト（ＤＬＲ（商品名）：ＮＴＴアドバンスト社製）をスピンコート法を用いて、３０００回転／分、３０秒の条件で塗布する。そして、この塗布膜を１００℃かつ大気雰囲気の炉中で２０分乾燥させて、レジスト層１７を形成する（図１（Ｃ））。その後、このレジスト層１７の上側に直線のパターン形状１９を有するフォトマスク２１を設ける。ここでは、このパターン形状１９を、例えば１０μｍの幅のラインアンドスペースのパターン形状１９とする。そして、このフォトマスク２１を介して、マスクアライナーという露光装置を用いて１０秒間露光する（図１（Ｄ））。この露光を図１（Ｄ）の矢印で示している。その後、連続して現像操作を行う。これにより、レジスト層１７は、直線のレジストパターン１７ｘとなる（図２（Ａ））。その後、酸素プラズマを用いて、レジストパターン１７ｘから露出している重水素ポリメタクリルイミドの層１５に対してエッチングを行う（図２（Ｂ））。この後、残留しているレジストパターン１７ｘを剥離液を用いて除去する（図２（Ｃ））。これにより、１０μｍのラインアンドスペースのパターン形状を有する、重水素化ポリメタクリルイミドからなるコア１５ｘが第１クラッド１３上に形成される（図２（Ｃ））。
【００４６】
▲３▼次に、このコアを覆うように第２クラッドを形成する。
【００４７】
この例では、▲１▼の工程で説明した第１クラッドの形成と同様にして、ＰＭＭＡの３０重量％の塗布液を調整する。この塗布液を、コア１５ｘを覆うように第１クラッド１３上に塗布する。ここでは、スピンコート法を用いて、３０００回転／分の回転速度で、かつ３０秒間回転させて塗布する。そして、この塗布膜を９５℃かつ大気雰囲気の炉中で６時間乾燥させる。この結果、コア１５ｘの上側に、約７μｍの厚さの第２クラッド２３が形成される（図２（Ｄ））。
【００４８】
この後、直線状のコア１５ｘの両端面を含む、積層体２５の両面を研磨して、光導波路が得られる。
【００４９】
この実施例によれば、コア１５ｘが重水素化ポリメタクリルイミドで構成され、クラッド１３および２３がポリメチルメタクリレートで構成された光導波路が形成される。
【００５０】
上記のように形成された光導波路に、光通信で用いられる近赤外域の波長１３３０ｎｍの光を入力して、透過減衰量を測定したところ、場所によらず、ほぼ一定の値（約０．４ｄＢ／ｃｍ）を示すことが分かった。
【００５１】
＜第２の実施の形態＞
次に、この発明の下記（２）で表される繰り返し単位からなる高分子材料を、例えば以下のようにして形成する。
【００５２】
【化７】
【００５３】
この実施の形態では、上記（２）で示される高分子材料の膜を形成する例につき説明する。
【００５４】
まず、この高分子材料の形成材料としての重水素化ＰＭＭＡ（創和科学社製：分子量：分子量１３７，７００：品番Ｐ８１８）３．０ｇを、溶剤としての酢酸２−メトキシエチル（２−Ｍｅｔｈｏｘｙｅｔｈｙｌ Ａｃｅｔａｔｅ）７．０ｇに加える。そしてこれを、常温で１２時間攪拌溶解し、さらにフィルタ（０．４５μｍ細孔径ＰＴＦＥ膜）で濾過して、重水素化ＰＭＭＡの３０％塗布液を調整する。
【００５５】
次に、屈折率が１．４５９のガラス基板上に、この塗布液をスピンコート法を用いて塗布する。このときの回転速度を３０００回転／分とし、回転時間を３０秒とする。そして、この塗布膜を９５℃かつ大気雰囲気の炉中で６時間乾燥させる。この結果、ガラス基板上に厚さが約７μｍの重水素化ＰＭＭＡの膜が得られる。
【００５６】
次に、ガラス基板およびこの上の重水素化ＰＭＭＡ膜を、２０重量％の濃度の、エチレンジアミン（関東科学社製）を含有しているメタノール溶液中に１２時間浸漬する。次いで、この溶液に浸漬させたまま、３００℃まで溶液の温度を昇温して、２時間この温度に維持する。
【００５７】
この操作によって、下記（４）式で示されるような架橋反応が起こっていると考えられる。
【００５８】
【化８】
【００５９】
ただし、ｎは重合度を示し、１以上の整数とする。
【００６０】
その後、この膜を水洗いして、乾燥させる。
【００６１】
これにより、上記（２）で表される繰り返し単位からなる高分子材料の膜が形成される。具体的には、上記（４）式中の右辺の構造式（４ａ）で表されることを特徴とする高分子材料を得ることができる。
【００６２】
上記のように形成された高分子材料膜に、光通信に使用される波長である１３３０ｎｍの光を入射させて、透過減衰量を測定したところ、場所によらずほぼ一定の値（０．４ｄＢ／ｃｍ）を示すことが分かった。
【００６３】
また、この膜に対して熱分析を行ってガラス転移温度を測定したところ、１８０℃であった。これは、従来の重水素化ＰＭＭＡのガラス転移温度よりも７０℃以上高い温度である。よって、耐熱性に優れた膜であることが分かる。
【００６４】
また、第１の実施の形態と同様にして、この膜の吸水率を測定したところ、０．５％であった。この値は重水化ＰＭＭＡの吸水率の１／４の値である。よって、吸収率も大幅に低減することができた。
【００６５】
なお、上記（２）で表される繰り返し単位からなる高分子材料（具体的には上記（４ａ）で表される高分子材料）は、この第２の実施の形態で説明した方法に限られず、例えば、第１の実施の形態と同じ工程を用いても形成することが出来る。
【００６６】
すなわち、第１の実施の形態の第２溶液を、５０重量％の濃度のエチレンジアミンのメタノール溶液とすればよい。このようにして形成された高分子材料が、上記（２）で示される高分子材料であることは、赤外吸収スペクトルを測定することによって、容易に確認される。
【００６７】
【発明の効果】
上述した説明からも明らかなように、この発明の高分子材料によれば、下記（１）で表される繰り返し単位からなる。
【００６８】
【化９】
【００６９】
この材料は、イミド化された重水素化ＰＭＭＡ、すなわち重水素化ポリメタクリルイミドであり、重水素化ＰＭＭＡよりもガラス転移点が高く、かつ吸水性が低い。しかも近赤外域での透明性は重水素化ＰＭＭＡと同程度である。このため、光通信用部品の材料として用いて好適な材料である。
【００７０】
また、第２の発明の高分子材料は、下記（２）で示される繰り返し単位からなる。
【００７１】
【化１０】
【００７２】
この材料も重水素化ＰＭＭＡと比べて、ガラス転移点が高く、かつ吸水性が低い。また、近赤外域での透明性は重水素化ＰＭＭＡと同等である。よって、光通信用部品の材料として用いて好適である。
【００７３】
また、この発明の高分子材料を用いて形成されたコアを具えた光導波路は、耐熱性に優れ、かつ吸水性が低い。このため、この光導波路を用いれば、周囲の環境に対する耐久性に優れた光通信用素子を提供することができる。
【００７４】
また、ポリメチルメタクリレート系材料で構成されたコアを具える光導波路を形成するに当たり、コアは、重水素化ポリメチルメタクリレートの膜を形成し、この膜を、重水素化メチルアミンを含む溶液又はエチレンジアミンを含む溶液中に浸漬した状態で熱処理する工程を含む工程で、形成される。
【００７５】
この工程を用いれば、従来よりも簡易に光導波路を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（Ａ）〜（Ｄ）は、この発明の実施例の説明に供する概略的な工程図である。
【図２】（Ａ）〜（Ｄ）は、図１に続く概略的な工程図である。
【符号の説明】
１１：シリコン基板
１３：第１クラッド（ＰＭＭＡ膜）
１５：重水素化ポリメタクリルイミドの層
１５ｘ：コア
１７：レジスト層
１７ｘ：レジストパターン
１９：直線のパターン形状
２１：フォトマスク
２３：第２クラッド
２５：積層体
【発明の属する技術分野】
この発明は、光通信用部品を構成する高分子材料、および高分子材料を用いた光導波路の形成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
通信分野においては、大容量通信を実現するため、光導波路の開発が大きな課題となっている。
【０００３】
従来、例えば、光導波路などの光通信用部品を構成する材料には、ガラスや無機結晶材料が用いられていた。しかしながら、これらの材料は高価で、しかも加工が困難であった。
【０００４】
そのため、近年、ガラスや無機結晶材料よりも、価格が安く加工の容易な例えばＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレート）などの高分子材料（ポリマーとも称する。）が用いられてきている。このような材料を用いれば、これまでよりも面積が広くて可撓性に優れたフィルム状の光導波路を形成することができる。また、機能性化合物や官能基をこの高分子材料中に導入することによって機能性導波路を形成することができる。
【０００５】
このような光導波路等の光通信用部品を構成する材料は、光信号として用いられる近赤外域の波長帯における高い透明性を有している必要がある。また、この材料は、光伝送路を構成する材料となるため、屈折率を制御することのできる材料でなければならない。
【０００６】
高透明性を示す材料として、ＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレート）やポリスチレン（ＰＳ）等が挙げられる。しかしながら、これらの材料は、近赤外域においては透明性が不十分である。これは、近赤外域において、これらの材料の分子内に存在するＣ−Ｈ結合に起因する吸収があるためである。この問題を解決するため、従来、例えばＰＭＭＡの水素を重水置換した重水素化ＰＭＭＡが開発されている。重水素化ＰＭＭＡにおいては、近赤外域での吸収を遠赤外域へシフトさせることができる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、重水素化ＰＭＭＡは、ガラス転移点が１０７℃と低い。例えば、この重水素化ＰＭＭＡを材料として用いて、コンピュータ等の電子部品を構成する場合、はんだ処理等の熱処理によって、この材料は簡単に軟化してしまうおそれがある。
【０００８】
また、この重水素化ＰＭＭＡの吸水率は２．０％という高い値である。光通信用部品を構成する材料が水分を吸収してしまうと、材料の屈折率が変化してしまう。これにより、光通信において伝送ミスが起きる原因となるおそれがある。
【０００９】
このため、近赤外域での透明性に優れた高分子材料であって、従来よりも耐熱性および低吸水性に優れた材料の出現が望まれていた。また、このような高分子材料を用いた光導波路の出現が望まれていた。また、このような光導波路を簡易に形成できる技術が望まれていた。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
このため、この発明にかかる発明者らは、鋭意研究および実験の結果、高分子材料をイミド化すると、その材料のガラス転移点が上昇し、かつ吸水性が低下するという点に注目し、この発明をするに至った。
【００１１】
従って、この発明の高分子材料によれば、下記（１）で表される繰り返し単位からなる。
【００１２】
【化３】
この材料は、例えば、近赤外域での透明性に優れた重水素化ＰＭＭＡに重水素化メチルアミンを反応させて生成されるが、重水素化ＰＭＭＡのエステル結合部分に重水素化メチルアミンが反応し、分子内でイミド化が起こっている。また、このイミドは環状である。イミド化された重水素化ＰＭＭＡ、すなわち重水素化ポリメタクリルイミドは、重水素化ＰＭＭＡよりもガラス転移点が高く、かつ吸水性が低い。しかも近赤外域での透明性は重水素化ＰＭＭＡと同程度である。このため、光通信用部品の材料として用いて好適な材料である。
【００１４】
また、この出願では、第２の発明として、下記（２）で表される繰り返し単位からなる高分子材料も主張する。
【００１５】
【化４】
この第２の発明の材料は、例えば重水素化ＰＭＭＡにエチレンジアミンを反応させて生成する。この反応では、重水素化ＰＭＭＡのエステル結合部分にエチレンジアミンが反応する。ここでは１つの繰り返し単位と１つのアミノ基とが反応する。エチレンジアミン１分子中にはアミノ基が２つあるため、重水素化ＰＭＭＡの２つの繰り返し単位とエチレンジアミン１分子とが反応する。このため、反応後の生成物（高分子材料）は、２つの重水素化ＰＭＭＡの繰り返し単位間をエチレンジアミンで架橋している構造となる。また、この高分子材料の繰り返し単位内には、上記の重水素化ポリメタクリルイミドと同様の環状の部分が２つ形成されている。この高分子材料においても、重水素化ＰＭＭＡと比べて、ガラス転移点が高く、かつ吸水性が低い。しかも、近赤外域での透明性は重水素化ＰＭＭＡと同等である。このため、光通信用部品を構成する材料として用いて好適である。
【００１７】
また、クラッドとコアとを有する光導波路において、好ましくは、上述した高分子材料を用いてコアが形成されているのが良い。
【００１８】
ここで、上述の各発明の高分子材料各々の分子量は、この材料の使用目的に応じた任意の値にできる。これら材料を、スピンコートにより膜化する場合であれば、これら高分子材料の分子量が、１２，５００〜５４０，０００になるように高分子材料の重合度を調整するのがよい。より好ましくは、１５０，０００〜５４０，０００の分子量の範囲に調整するのがよい。スピンコートする塗布液の粘度は、高分子材料の分子量と溶媒に溶解させる量とで調整される。高分子材料の分子量が上記範囲内にあれば、塗布液の粘度の調整が容易となり、表面が平坦な高分子材料の膜が得られる。
【００１９】
また、これらの高分子材料を用いて形成された光導波路は、耐熱性に優れ、かつ吸水性が低い。このため、この光導波路を用いれば、周囲の環境に対する耐久性に優れた光通信用素子を提供することができる。
【００２０】
また、上記光導波路において、好ましくは、クラッドがこの発明の高分子材料よりも屈折率の低い材料で形成されているのがよい。例えば、クラッドの材料としてポリメチルメタクリレートを用いるのがよい。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の高分子材料および光導波路の実施の形態について、説明する。なお、以下の説明で用いる使用材料、使用装置、また使用材料の使用量、高分子材料の形成工程中の温度、圧力等の数値的条件は、この発明の範囲内の好適な一例に過ぎない。従って、この高分子材料がこれらの条件を備えて形成されると限定されるものではない。
【００２２】
＜第１の実施の形態＞
第１の実施の形態として、この発明の下記（１）で表される繰り返し単位からなる高分子材料を、例えば以下のようにして形成する。
【００２３】
【化５】
まず、この高分子材料の形成材料としての重水素化ポリメチルメタクリレート（重水素化ＰＭＭＡ、創和科学社製：分子量１３７，７００：品番Ｐ８１８）１０ｇを、溶剤としてのテトラヒドロキシフラン（ＴＨＦ）９０ｇに加える。そしてこれを、常温で２４時間攪拌溶解する。これを第１溶液とする。また、重水素化メチルアミン（関東科学社製）を、５０重量％の濃度になるようにメタノールに溶解させた第２溶液を調整しておく。この後、第１溶液と第２溶液２０ｇとを混合して、２６０℃の温度で２時間反応させる。
【００２５】
この操作によって、下記（３）式で示されるようなイミド化反応が起こっていると考えられる。
【００２６】
【化６】
ただし、ｎは重合度を示し、１以上の整数とする。
【００２８】
反応終了後、反応液を自然放冷によって室温まで冷却する。その後、反応液中に純水５００ｃｃを加える。これにより、上記（１）で表される繰り返し単位からなる高分子材料と思われる生成物が析出する。具体的には、上記（３）式中の右辺の構造式（３ａ）で表されることを特徴とする高分子材料を合成することができる。この生成物を水洗いした後、乾燥させる。
【００２９】
次に、この生成物が上記（１）（具体的には（３ａ））の高分子材料であることを確かめるために、得られた生成物の赤外吸収スペクトルを測定する。そこで、生成物を２６０℃の温度で融解してペレット状に成形して赤外吸収スペクトルを測定した。
【００３０】
この結果、波数が１７２０ｃｍ−１、１６６３ｃｍ−１および７５０ｃｍ−１のところにメタクリルイミドに特有の吸収が見られた。これにより、イミド化していることが確認された。
【００３１】
また、この高分子材料のガラス転移温度を測定したところ、１６５℃であった。従来の重水素化ＰＭＭＡのガラス転移温度は１０７℃であるため、ガラス転移温度を大幅に上げることが出来た。これにより、高分子材料の耐熱性を向上させることができる。
【００３２】
また、上述した高分子材料のペレットを、９０％の湿度でかつ９０℃の温度であるような高温高湿の環境に１００時間放置させた後、吸水率を測定した。このペレットの吸水率は０．９％であった。重水素化ＰＭＭＡの吸水率は２．０％であるため、従来よりも吸水率を低くすることができた。
【００３３】
また、この高分子材料の屈折率を測定したところ、１．５１であり、重水素化ＰＭＭＡよりも若干高い値を示した。また、偏光モードを示すＴＥ（Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｗａｖｅ）モードおよびＴＭ（Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｗａｖｅ）モードにおける屈折率は等しかった。このため、複屈折を生じることのない材料であることが分かった。
【００３４】
次に、図１および図２を参照して、第１の実施の形態で生成した上記（１）の高分子材料を用いて光導波路を形成する例につき、説明する。
【００３５】
なお、この説明に用いる各図は、これら発明を理解できる程度に各構成成分の形状、大きさおよび配置関係を概略的に示してあるに過ぎない。また、各図において同様な構成成分については、同一の番号を付して示し、その重複する説明を省略することがある。
【００３６】
図１は、この発明の高分子材料を用いて光導波路を形成する際の一形態を説明する工程図である。いずれの図も、工程中の主な工程での試料の様子を断面の切り口で以て示した図である。また、図２は、図１に続く工程図である。
【００３７】
この光導波路の構造は、基板上に第１クラッドが設けられていて、この第１クラッド上に直線状のコアが形成されていて、さらに、このコアを覆うように第２クラッドが設けられている。
【００３８】
この例では、以下の▲１▼〜▲３▼の工程によって、この光導波路を形成する。
【００３９】
▲１▼まず、基板上に第１クラッドを形成する。
【００４０】
この例では、第１クラッドの形成材料として、上記（１）で表される重水素化ポリメタクリルイミドよりも屈折率の低い材料、例えばポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ、創和科学社製：分子量７５，０００：品番３０７）３ｇを、溶剤としての酢酸２−メトキシエチル（２−Ｍｅｔｈｏｘｙｅｔｈｙｌ Ａｃｅｔａｔｅ）７ｇに加える。そしてこれを、常温で１２時間攪拌溶解し、さらにフィルタ（０．４５μｍ細孔径ＰＴＦＥ膜）で濾過して、ＰＭＭＡの３０重量％塗布液を調整する。
【００４１】
次に、シリコン基板１１上にこの塗布液を、３０００回転／分、３０秒間の条件でスピンコート法によって塗布する。そして、この塗布膜を９５℃かつ大気雰囲気の炉中で６時間乾燥させる。この結果、シリコン基板１１上に、第１クラッド１３として、約７μｍの厚さのＰＭＭＡ膜が得られる（図１（Ａ））。
【００４２】
▲２▼次に、第１のクラッド上に直線状のコアを形成する。
【００４３】
この例では、第１の実施の形態で生成した上記（１）で表される重水素化ポリメタクリルイミド２ｇを、溶剤としての酢酸２−メトキシエチル８ｇに加える。そしてこれを常温で１２時間攪拌溶解し、さらにフィルタ（０．４５μｍ細孔径ＰＴＦＥ膜）で濾過して、重水素化ポリメタクリルイミドの２０重量％塗布液を調整する。
【００４４】
この後、第１クラッド１３上にこの塗布液を、３０００回転／分、３０秒間の条件でスピンコート法によって塗布する。そして、この塗布膜を９５℃かつ大気雰囲気の炉中で６時間乾燥させる。この結果、第１クラッド１３上に、約４μｍの厚さの重水素化ポリメタクリルイミドの層１５が得られる（図１（Ｂ））。
【００４５】
次に、この重水素化ポリメタクリルイミドの層１５の上に、シリコン含有レジスト（ＤＬＲ（商品名）：ＮＴＴアドバンスト社製）をスピンコート法を用いて、３０００回転／分、３０秒の条件で塗布する。そして、この塗布膜を１００℃かつ大気雰囲気の炉中で２０分乾燥させて、レジスト層１７を形成する（図１（Ｃ））。その後、このレジスト層１７の上側に直線のパターン形状１９を有するフォトマスク２１を設ける。ここでは、このパターン形状１９を、例えば１０μｍの幅のラインアンドスペースのパターン形状１９とする。そして、このフォトマスク２１を介して、マスクアライナーという露光装置を用いて１０秒間露光する（図１（Ｄ））。この露光を図１（Ｄ）の矢印で示している。その後、連続して現像操作を行う。これにより、レジスト層１７は、直線のレジストパターン１７ｘとなる（図２（Ａ））。その後、酸素プラズマを用いて、レジストパターン１７ｘから露出している重水素ポリメタクリルイミドの層１５に対してエッチングを行う（図２（Ｂ））。この後、残留しているレジストパターン１７ｘを剥離液を用いて除去する（図２（Ｃ））。これにより、１０μｍのラインアンドスペースのパターン形状を有する、重水素化ポリメタクリルイミドからなるコア１５ｘが第１クラッド１３上に形成される（図２（Ｃ））。
【００４６】
▲３▼次に、このコアを覆うように第２クラッドを形成する。
【００４７】
この例では、▲１▼の工程で説明した第１クラッドの形成と同様にして、ＰＭＭＡの３０重量％の塗布液を調整する。この塗布液を、コア１５ｘを覆うように第１クラッド１３上に塗布する。ここでは、スピンコート法を用いて、３０００回転／分の回転速度で、かつ３０秒間回転させて塗布する。そして、この塗布膜を９５℃かつ大気雰囲気の炉中で６時間乾燥させる。この結果、コア１５ｘの上側に、約７μｍの厚さの第２クラッド２３が形成される（図２（Ｄ））。
【００４８】
この後、直線状のコア１５ｘの両端面を含む、積層体２５の両面を研磨して、光導波路が得られる。
【００４９】
この実施例によれば、コア１５ｘが重水素化ポリメタクリルイミドで構成され、クラッド１３および２３がポリメチルメタクリレートで構成された光導波路が形成される。
【００５０】
上記のように形成された光導波路に、光通信で用いられる近赤外域の波長１３３０ｎｍの光を入力して、透過減衰量を測定したところ、場所によらず、ほぼ一定の値（約０．４ｄＢ／ｃｍ）を示すことが分かった。
【００５１】
＜第２の実施の形態＞
次に、この発明の下記（２）で表される繰り返し単位からなる高分子材料を、例えば以下のようにして形成する。
【００５２】
【化７】
この実施の形態では、上記（２）で示される高分子材料の膜を形成する例につき説明する。
【００５４】
まず、この高分子材料の形成材料としての重水素化ＰＭＭＡ（創和科学社製：分子量：分子量１３７，７００：品番Ｐ８１８）３．０ｇを、溶剤としての酢酸２−メトキシエチル（２−Ｍｅｔｈｏｘｙｅｔｈｙｌ Ａｃｅｔａｔｅ）７．０ｇに加える。そしてこれを、常温で１２時間攪拌溶解し、さらにフィルタ（０．４５μｍ細孔径ＰＴＦＥ膜）で濾過して、重水素化ＰＭＭＡの３０％塗布液を調整する。
【００５５】
次に、屈折率が１．４５９のガラス基板上に、この塗布液をスピンコート法を用いて塗布する。このときの回転速度を３０００回転／分とし、回転時間を３０秒とする。そして、この塗布膜を９５℃かつ大気雰囲気の炉中で６時間乾燥させる。この結果、ガラス基板上に厚さが約７μｍの重水素化ＰＭＭＡの膜が得られる。
【００５６】
次に、ガラス基板およびこの上の重水素化ＰＭＭＡ膜を、２０重量％の濃度の、エチレンジアミン（関東科学社製）を含有しているメタノール溶液中に１２時間浸漬する。次いで、この溶液に浸漬させたまま、３００℃まで溶液の温度を昇温して、２時間この温度に維持する。
【００５７】
この操作によって、下記（４）式で示されるような架橋反応が起こっていると考えられる。
【００５８】
【化８】
ただし、ｎは重合度を示し、１以上の整数とする。
【００６０】
その後、この膜を水洗いして、乾燥させる。
【００６１】
これにより、上記（２）で表される繰り返し単位からなる高分子材料の膜が形成される。具体的には、上記（４）式中の右辺の構造式（４ａ）で表されることを特徴とする高分子材料を得ることができる。
【００６２】
上記のように形成された高分子材料膜に、光通信に使用される波長である１３３０ｎｍの光を入射させて、透過減衰量を測定したところ、場所によらずほぼ一定の値（０．４ｄＢ／ｃｍ）を示すことが分かった。
【００６３】
また、この膜に対して熱分析を行ってガラス転移温度を測定したところ、１８０℃であった。これは、従来の重水素化ＰＭＭＡのガラス転移温度よりも７０℃以上高い温度である。よって、耐熱性に優れた膜であることが分かる。
【００６４】
また、第１の実施の形態と同様にして、この膜の吸水率を測定したところ、０．５％であった。この値は重水化ＰＭＭＡの吸水率の１／４の値である。よって、吸収率も大幅に低減することができた。
【００６５】
なお、上記（２）で表される繰り返し単位からなる高分子材料（具体的には上記（４ａ）で表される高分子材料）は、この第２の実施の形態で説明した方法に限られず、例えば、第１の実施の形態と同じ工程を用いても形成することが出来る。
【００６６】
すなわち、第１の実施の形態の第２溶液を、５０重量％の濃度のエチレンジアミンのメタノール溶液とすればよい。このようにして形成された高分子材料が、上記（２）で示される高分子材料であることは、赤外吸収スペクトルを測定することによって、容易に確認される。
【００６７】
【発明の効果】
上述した説明からも明らかなように、この発明の高分子材料によれば、下記（１）で表される繰り返し単位からなる。
【００６８】
【化９】
この材料は、イミド化された重水素化ＰＭＭＡ、すなわち重水素化ポリメタクリルイミドであり、重水素化ＰＭＭＡよりもガラス転移点が高く、かつ吸水性が低い。しかも近赤外域での透明性は重水素化ＰＭＭＡと同程度である。このため、光通信用部品の材料として用いて好適な材料である。
【００７０】
また、第２の発明の高分子材料は、下記（２）で示される繰り返し単位からなる。
【００７１】
【化１０】
この材料も重水素化ＰＭＭＡと比べて、ガラス転移点が高く、かつ吸水性が低い。また、近赤外域での透明性は重水素化ＰＭＭＡと同等である。よって、光通信用部品の材料として用いて好適である。
【００７３】
また、この発明の高分子材料を用いて形成されたコアを具えた光導波路は、耐熱性に優れ、かつ吸水性が低い。このため、この光導波路を用いれば、周囲の環境に対する耐久性に優れた光通信用素子を提供することができる。
【００７４】
また、ポリメチルメタクリレート系材料で構成されたコアを具える光導波路を形成するに当たり、コアは、重水素化ポリメチルメタクリレートの膜を形成し、この膜を、重水素化メチルアミンを含む溶液又はエチレンジアミンを含む溶液中に浸漬した状態で熱処理する工程を含む工程で、形成される。
【００７５】
この工程を用いれば、従来よりも簡易に光導波路を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（Ａ）〜（Ｄ）は、この発明の実施例の説明に供する概略的な工程図である。
【図２】（Ａ）〜（Ｄ）は、図１に続く概略的な工程図である。
【符号の説明】
１１：シリコン基板
１３：第１クラッド（ＰＭＭＡ膜）
１５：重水素化ポリメタクリルイミドの層
１５ｘ：コア
１７：レジスト層
１７ｘ：レジストパターン
１９：直線のパターン形状
２１：フォトマスク
２３：第２クラッド
２５：積層体
Claims (5)
- 下記（１）で表される繰り返し単位からなる高分子材料。
- 下記（２）で表される繰り返し単位からなる高分子材料。
- クラッドとコアとを有する光導波路において、
前記コアは、請求項１または請求項２に記載の高分子材料で形成されている
ことを特徴とする光導波路。 - 請求項３に記載の光導波路において、
前記クラッドは、ポリメチルメタクリレートを用いて形成されている
ことを特徴とする光導波路。 - ポリメチルメタクリレート系材料で構成されたコアを具える光導波路を形成するに当たり、
コアは、重水素化ポリメチルメタクリレートの膜を形成し、該膜を、重水素化メチルアミンを含む溶液又はエチレンジアミンを含む溶液中に浸漬した状態で熱処理する工程を含む工程で、形成される
ことを特徴とする光導波路の形成方法。
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