JP3885513B2 - ポリマ導波路及びその製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ポリマ導波路及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ポリマ導波路は、簡易な方法で作製できること、大面積サイズ化が容易なこと、低コスト化の可能性があること、等の特長を有しているために実用化が期待されている。このポリマ導波路に用いられるポリマ材料としては、アクリル系、エポキシ系、ポリイミド系、シリコーン系、ポリシラン系等の材料が検討されている。これらのポリマ材料には周囲の温度変化に対して、屈折率や熱膨張係数等の特性が変化しにくいことが望まれている。このため、これらのポリマ材料の中でも特にポリイミド系、エポキシ系、ポリシラン系のポリマ材料が注目され、改良が行なわれている。
【０００３】
ポリマ材料を改良する方法としてはポリマ材料に紫外線を照射することにより３次元導波路パターンを形成する例（特開平６−２２２２３４号公報参照。）、アモルファスポリシランを用いる例（特開平１１−２８７９１６号公報参照。）、直鎖型ポリシラン又は分岐型ポリシランを用いる例（特開平８−２６７７２８号公報参照）等が挙げられる。
【０００４】
図１５は従来のポリマ導波路の外観斜視図である。
【０００５】
同図において、５０はポリシロキサンからなるコアを示し、５１はメチルフェニルポリシランからなるクラッドを示す。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来技術には以下のような問題がある。
(1) 屈折率が周囲温度によって大きく変化する。このためにこのようなポリマ材料を用いたポリマ導波路からなる光回路の光学特性（伝搬モード、パワー分布、波長特性等）が大幅に変化してしまい、所望の性能が得られない。
(2) ポリマ導波路の近傍に２００℃前後で電子部品や光部品を半田実装する際に、ポリマ導波路の屈折率の値が初期の値から別の値に変わってしまい、周囲温度を元に戻してもポリマ導波路の屈折率値が元の値に戻らない。このため、(1) に示したようなポリマ導波路で構成した光回路の光学特性が変わってしまう。
(3) 直鎖型ポリシラン材料を用いた膜に紫外線を照射して３次元の導波路を形成する方法が提案されているが、(1) 及び(2) のような問題や屈折率の偏光依存性の問題等があり、実用化するまでには至っていない。また紫外線を照射してポリマ膜の屈折率を反応性よく大幅に変化させようとしても屈折率変化が照射光エネルギーに対して不連続に変化する。また大きな屈折率変化を得るためには照射エネルギーを高くしなければならない。
【０００７】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、周囲温度が変化しても光学特性の変化が少ない低損失のポリマ導波路及びその製造方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明のポリマ導波路は、低屈折率のクラッド層と、クラッド層で覆われた略矩形断面形状の高屈折率のコア層とを備えた導波路において、コア層及びコア層の両側面の側面クラッド層は分岐型ポリシラン化合物にシリコーン化合物を含有した材料で構成されているものである。
【０００９】
本発明のポリマ導波路は、低屈折率のクラッド層と、クラッド層で覆われた略矩形断面形状の高屈折率のコア層とを備えた導波路において、コア層及びコア層の両側面の側面クラッド層は分岐型ポリシラン化合物にトリクロロメチルトリアジン系光酸発生剤を含有した材料で構成されているものである。
【００１０】
上記構成に加え本発明のポリマ導波路の側面クラッド層は紫外線の照射前と照射後とで少なくとも１％の比屈折率差が得られるように紫外線照射で屈折率が低下させられているのが好ましい。
【００１１】
上記構成に加え本発明のポリマ導波路のコア層は紫外線が照射され、側面クラッド層の屈折率よりも高い値に保たれているのが好ましい。
【００１２】
上記構成に加え本発明のポリマ導波路のクラッド層及びコア層は半導体、ガラス、磁性体、プラスチックス、あるいはこれらの複合体からなる板状部材の上に形成されているのが好ましい。
【００１３】
上記構成に加え本発明のポリマ導波路はクラッド層としてシリコーン化合物が用いられているのが好ましい。
【００１４】
上記構成に加え本発明のポリマ導波路はコア層及び側面クラッド層の上面、下面あるいは両面に紫外線カット層が形成されているのが好ましい。
【００１５】
上記構成に加え本発明のポリマ導波路はコア層の上側の上部クラッド層及びコア層の下側の下部クラッド層はトリクロロメチルトリアジン系光酸発生剤とポリシリコン化合物とシリコーン化合物とを含有する材料が用いられ、紫外線が照射されて屈折率が低下しているのが好ましい。
【００１６】
上記構成に加え本発明のポリマ導波路の分岐型ポリシラン化合物は、Ｓｉ原子以外に炭化水素基、アルコキシ基、又は水素原子と結合している化合物であるのが好ましい。
【００１７】
上記構成に加え本発明のポリマ導波路の分岐型ポリシラン化合物は分岐度２％以上、５０％以下の化合物が用いられているのが好ましい。
【００１８】
上記構成に加え本発明のポリマ導波路のシリコーン化合物は架橋性、あるいはアルコキシ基からなり、ポリシラン化合物に対して４０〜９０ｗｔ％の配合比で添加されているのが好ましい。
【００１９】
上記構成に加え本発明のポリマ導波路は光酸発生剤としてトリクロロメチルトリアジン系の発生剤を用い、発生剤がポリシラン化合物に対して１ｗｔ％以上、５．５ｗｔ％以下の配合比で添加されているのが好ましい。
【００２０】
本発明のポリマ導波路の製造方法は低屈折率の下部クラッド層の上面に分岐型ポリシラン化合物と架橋性あるいはアルコキシ基のシリコーン化合物とを含有する高屈折率のポリマ層を形成する工程、ポリマ層の上面に所望パターン形状の描かれたフォトマスクを介して紫外線を照射して高屈折率の略矩形断面形状のコア層とその周りの側面に低屈折率に変化した側面クラッド層を形成する工程、コア層及び側面クラッド層の上面に低屈折率の上部クラッド層を形成する工程、上部クラッド層の上面にＵＶカット層を形成する工程からなるものである。
【００２１】
上記構成に加え本発明のポリマ導波路の製造方法は、低屈折率の下部クラッド層の上に分岐型ポリシラン化合物と架橋性あるいはアルコキシ基のシリコーン化合物とを含有する高屈折率のポリマ層を形成し、ポリマ層の上に低屈折率の上部クラッド層を形成し、上部クラッド層の上にフォトマスクを配置して紫外線を照射して高い屈折率の略矩形断面形状のコア層とコア層の両側面に低屈折率の側面クラッド層を形成した後、上部クラッド層の上にＵＶカット層を形成するものである。
【００２２】
上記構成に加え本発明のポリマ導波路の製造方法は、下部クラッド層を半導体、ガラス、磁性体、プラスチックスあるいはこれらの複合体かなる板状部材の上に形成するのが好ましい。
【００２３】
上記構成に加え本発明のポリマ導波路の製造方法は、有機溶媒に溶けた上記分岐型ポリシラン化合物と上記シリコーン化合物とを板状部材の上に塗布し、１００℃以上、２８０℃以下で熱処理して硬化させて上記ポリマ層を形成するのが好ましい。
【００２４】
本発明によれば、２５０℃程度の高い温度まで屈折率の温度依存性の極めて少ないフォトブリーチングによる低光伝搬損失のポリマ導波路が実現可能となる。
【００２５】
これは、分岐型ポリシラン化合物を用いることと、このポリシラン化合物に光透過率の高いシリコーン化合物を所定の配合比で添加することにより、屈折率の温度依存性を小さくすると共にポリマコア層の光透過率が高められることによって達成されるものである。すなわち、分岐型ポリシラン化合物の分岐度が２％以上の材料を用い、その分岐度が高いほど、光伝搬損失を下げることができ、またその材料中へのシリコーン化合物の添加量を多くするほど、さらに低光伝搬損失が実現可能となる。
【００２６】
また、フォトマスクを介して紫外線を照射することにより比屈折率差が少なくとも１％の３次元の屈折率差構造を持った導波路を容易に製造することができるので、従来のポリマ導波路に比して、構造の不均一性による光散乱損失を低く抑えることが可能となる。
【００２７】
また分岐型ポリシラン化合物に、架橋性、あるいはアルコキシ基のシリコーン化合物を添加したポリマ材料はトルエンのような有機溶媒に容易に溶けて粒子径が極めて小さくなり、その結果均一になるので、微小な光散乱中心のほとんどない低損失なポリマ層を種々の基板の上に形成することができる。そしてこのように粒子径の均一な膜に所望パターンの描かれたフォトマスクを介して紫外線を照射すると上記パターンを極めて正確に転写することができる。これにより、コア層と側面クラッド層との界面を均一にすることができるので、光散乱損失の小さいポリマ導波路を実現することが可能となる。これは比屈折率差の大きい導波路を低損失で実現する上でこの界面の均一性は極めて重要である。
【００２８】
また上記ポリシランとシリコーンの均一に添加された化合物とにトリクロロメチルトリアジン系光酸発生剤を所望量添加することにより、さらに高い温度まで屈折率が一定に保てることと、紫外線照射による屈折率を所望値に制御性良く変化させることができ、さらに紫外線照射に対する屈折率変化の感度も向上させることができる。
【００２９】
また低屈折率のクラッド層にシリコーン化合物を用いることにより、当該クラッド層とコア層及び側面クラッド層との界面の均一性及び密着性をさらに良くすることができることと、熱膨張係数の違いによるマイクロクラックの発生を抑えることができる。
【００３０】
またポリマ導波路の上部や下部を紫外線カット層で覆うことにより、ポリマ層の屈折率値の長期的な安定性を維持することができる。
【００３１】
したがって容易に、かつ安価にポリマ導波路を作ることができる。
【００３２】
以下にポリマ材料についてそれぞれ説明する。
（分岐型ポリシラン）
本発明で用いられるポリシランとしては、直鎖型ポリシランではなく分岐型ポリシランが挙げられる。分岐型と直鎖型とは、ポリシラン中に含まれるＳｉ原子の結合状態によって区別される。分岐型ポリシランは、隣接するＳｉ原子と結合している数（結合数）が、３又は４であるＳｉ原子を含むポリシランである。これに対して、直鎖型のポリシランは、Ｓｉ原子の、隣接するＳｉ原子との結合数は２である。通常Ｓｉ原子の原子価は４であるので、ポリシラン中に存在するＳｉ原子の中で結合数が３以下のものは、Ｓｉ原子以外に、炭化水素基、アルコキシ基又は水素原子と結合している。このような炭化水素基としては、炭素数１〜１０のハロゲンで置換されていてもよい脂肪族炭化水素基、炭素数６〜１４の芳香族炭化水素基が好ましい。脂肪族炭化水素基の具体例として、メチル基、プロピル基、ブチル基、ヘキシル基、オクチル基、デシル基、トリフルオロプロピル基及びノナフルオロヘキシル基などの鎖型のもの、及びシクロヘキシル基、メチルシクロヘキシル基のような脂環型のものなどが挙げられる。
【００３３】
また、芳香族炭化水素基の具体例として、フェニル基、ｐ−トリル基、ビフェニル基及びアントラシル基などが挙げられる。アルコキシ基としては、炭素数１〜８のものが挙げられる。具体例としては、メトキシ基、エトキシ基、フェノキシ基、オクチルオキシ基などが挙げられる。合成の容易さを考慮すると、これらの中でメチル基及びフェニル基が特に好ましい。
【００３４】
分岐型ポリシランの場合には、隣接するＳｉ原子との結合数が３又は４であるＳｉ原子は、分岐型ポリシラン中の全体のＳｉ原子数の２％以上であることが好ましい。２％未満のものや直鎖状のポリシランは結晶性が高く、膜中で微結晶が生成しやすいことにより散乱の原因とり、透明性が低下する。
【００３５】
本発明に使用されるポリシランはハロゲン化シラン化合物をナトリウムのようなアルカリ金属の存在下、ｎ−デカンやトルエンのような有機溶媒中において８０℃以上に加熱することによる重縮合反応によって製造することができる。また、電解重合法や、金属マグネシウムと金属塩化物を用いた方法でも合成可能である。
【００３６】
分岐型ポリシランの場合には、オルガノトリハロシラン化合物、テトラハロシラン化合物、及びジオルガノジハロシラン化合物から成り、オルガノトリハロシラン化合物及びテトラハロシラン化合物が全体量の２モル％以上であるハロシラン混合物を加熱して重縮合することにより、目的とする分岐型ポリシランが得られる。
【００３７】
ここで、オルガノトリハロシラン化合物は、隣接するＳｉ原子との結合数が３であるＳｉ原子源となり、一方のテトラハロシラン化合物は、隣接するＳｉ原子との結合数が４であるＳｉ原子源となる。尚、ネットワーク構造の確認は、紫外線吸収スペクトルやＳｉの核磁気共鳴スペクトルの測定により確認することができる。
【００３８】
ポリシランの原料として用いられるオルガノトリハロシラン化合物、テトラハロシラン化合物、及びジオルガノジハロシラン化合物がそれぞれ有するハロゲン原子は、塩素原子であることが好ましい。オルガノトリハロシラン化合物及びジオルガノジハロシラン化合物が有するハロゲン原子以外の置換基としては、上述の炭化水素基、アルコキシ基又は水素原子が挙げられる。
【００３９】
この分岐型ポリシランは、有機溶媒に可溶であり、塗布により透明な膜が成膜できるものであれば特に限定されない。このような有機溶媒として好ましいものは、炭素数５〜１２の炭化水素系、ハロゲン化炭化水素系、エーテル系である。
【００４０】
炭化水素系の例としては、ペンタン、ヘキサン、ヘプタン、シクロヘキサン、ｎ−デカン、ｎ−ドデカン、ベンゼン、トルエン、キシレン、メトキシベンゼンなどが挙げられる。ハロゲン化炭化水素系の例としては、四塩化炭素、クロロホルム、１，２−ジクロロエタン、ジクロロメタン、クロロベンゼンなどが挙げられる。エーテル系の例としては、ジエチルエーテル、ジブチルエーテル、テトラハイドロフランなどが挙げられる。
【００４１】
また分岐型ポリシラン化合物には分岐度が２％以上のものを用いればその分岐度が高いほど、より光透過率を高めることができ、また重水素化、あるいは一部又はすべてをハロゲン化、特にフッ素化したものも用いることができるので、特定の波長での吸収を抑え、かつ広い波長域にわたって光透過率が高く、また紫外線照射に対して高感度、高精度で屈折率変化を起こさせることができ、また屈折率の熱安定性も向上させることが可能となる。
（シリコーン化合物）
本発明で用いられるシリコーン化合物は、
【００４２】
【化１】

【００４３】
で表される。
【００４４】
但し、化１式中、Ｒ１からＲ１２は、炭素数１〜１０のハロゲン又はグリシジルオキシ基で置換されていてもよい脂肪族炭化水素基、炭素数６〜１２の芳香族炭化水素基、炭素数１〜８のアルコキシ基からなる群から選択される基であり、同一でも異なっていてもよい。ａ，ｂ，ｃ，及びｄは０を含む整数であり、ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ≧１を満たすものである。
【００４５】
このシリコーン化合物が有する、脂肪族炭化水素基の具体例として、メチル基、プロピル基、ブチル基、ヘキシル基、オクチル基、デシル基、トリフルオロプロピル基、グリシジルオキシプロピル基などの鎖状のもの、及びシクロヘキシル基、メチルシクロヘキシル基のような脂環式のものなどが挙げられる。また、芳香族炭化水素基の具体例として、フェニル基、ｐ−トリル基、ビフェニル基などが挙げられる。アルコキシ基の具体例としては、メトキシ基、エトキシ基、フェノキシ基、オクチルオキシ基、ｔｅｒ−ブトキシ基などが挙げられる。
【００４６】
上記のＲ１〜Ｒ１２の種類及びａ，ｂ，ｃ，ｄの値は特に重要ではなく、ポリシラン及び有機溶媒と相溶し、膜が透明なものであれば特に限定されない。相溶性を考慮した場合には、使用するポリシランが有する炭化水素基と同じ基を有していることが好ましい。例えば、ポリシランとして、フェニルメチル系のものを使用する場合には、同じフェニルメチル系又はジフェニル系のシリコーン化合物を使用することが好ましい。また、Ｒ１〜Ｒ１２のうち、少なくとも２つが炭素数１〜８のアルコキシ基であるような、１分子中にアルコキシ基を２つ以上有するシリコーン化合物は、架橋剤として利用可能である。そのようなものとしては、アルコキシ基を１５〜３５重量％含んだメチルフェニルメトキシシリコーンやフェニルメトキシシリコーンなどを挙げることができる。
【００４７】
分子量としては、１００００以下、好ましくは３０００以下のものが好適に用いられる。
【００４８】
またシリコーン化合物にも重水素化、あるいは一部又は全てにハロゲン化、特にフッ素化したものも用いることもできるので、特定の波長での吸収を抑え、かつ広い波長域にわたって光透過率が高く、また紫外線照射に対して高感度、高精度で屈折率変化を起こさせることができ、また屈折率の熱安定性も向上させることが可能となる。
（光酸発生剤）
光酸発生剤とは、光によって酸を発生する化合物であれば特に限定されないが、２，４，６−トリス（トリハロメチル）−１，３，５−トリアジンとその２位、又はその２位と４位が置換された化合物を例として挙げることができる。これらの化合物が有する置換基は、置換基を有していてもよい脂肪族及び芳香族炭化水素基である。一般的にはトリクロロメチル基をもつトリアジンが使用できる。
【００４９】
光酸発生剤の添加は、Ｓｉ−Ｓｉ結合が、ハロゲンラジカルとそれから生成する酸により効率よく切断されることを利用したものである。
【００５０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付図面に基づいて詳述する。
【００５１】
図１は本発明のポリマ導波路の一実施の形態を示す断面図である。
【００５２】
このポリマ導波路は、コア層４及び側面クラッド層３−１、３−２として、分岐型ポリシラン化合物とシリコーン化合物とが所定の配合比で均一に添加されたフォトブリーチングポリマ層を用いたものである。
【００５３】
まず本ポリマ導波路の構成について示す。
【００５４】
基板１の上に低屈折率の下部クラッド層２が形成され、その下部クラッド層２の上に、分岐型ポリシラン化合物とシリコーン化合物とが所定の配合比で均一に添加されたフォトブリーチングポリマ層からなる高屈折率のコア層４が形成され、そのコア層４の側面に紫外線照射によって屈折率が低下された側面クラッド層３−１、３−２が形成されている。
【００５５】
コア層４及び側面クラッド層３−１、３−２の上に低屈折率の上部クラッド層５及び紫外線カット層６が順次形成されている。下部クラッド層２及び上部クラッド層５はシリコーン化合物を用いることにより、コア層４及び側面クラッド層３−１、３−２と均一に、かつ密着性良く形成することができる。
【００５６】
次に図１に示したポリマ導波路の製造について具体的な数値を挙げて説明するが、本発明はこれに限定されたものではない。
【００５７】
基板１にはＳｉ基板を用い、その基板１上に純粋なシリコーンをトルエン有機溶媒に溶かしたシリコーン溶液を１０００ｒｐｍ、２０秒のスピンコーテイング条件で塗布した。その後、２００℃、２０分間ベークして屈折率１．４８９（波長６３３ｎｍでの値）の厚い膜（膜厚：約２０μｍ）を形成した。
【００５８】
次に、シリコーン化合物を５０ｗｔ％添加した分岐型ポリシラン化合物をトルエンに溶かした溶液を準備し、５００ｒｐｍ、２０秒のスピンコーティング条件で下部クラッド層２上に塗布した。その後、２５０℃で２０分間ベークして硬化したポリマ膜（膜厚：約８μｍ）が得られた。
【００５９】
次にフォトブリーチング用ポリマ膜上にフォトマスクを配置し、そのフォトマスクの上から紫外線を照射してフォトマスクパターンの潜像をポリマ膜に形成した。紫外線の照射エネルギーは９０００ｍＪ、１８０００ｍＪ、２７０００ｍＪの３条件で行ったが、いずれの場合もポリマ膜の深さ方向に略一様に屈折率が変化した略矩形断面形状の高屈折率のコア層４と、そのコア層４の側面に低屈折率の側面クラッド層３−１、３−２とが同時に形成された。
【００６０】
次に、コア層４及び側面クラッド層３−１、３−２の上に下部クラッド層２の形成に用いたときと同様のポリマ溶液を同条件で塗布した後、ベークして上部クラッド層５を形成した。
【００６１】
最後に上部クラッド層５の上に紫外線カット層６を約２μｍ形成することによりポリマ導波路が得られた。
【００６２】
図２は本発明のポリマ導波路の他の実施の形態を示す断面図である。以下、図１に示した部材と同様の部材には共通の符号を用いた。
【００６３】
図１に示したポリマ導波路との相違点は、コア層４−１、４−２が入力側あるいは出力側に２本形成された点である。
【００６４】
すなわち、本ポリマ導波路は、基板１と、基板１上に形成されフォトブリーチング材料からなる下部クラッド層７と、下部クラッド層７上に形成され下部クラッド層７より屈折率の高くフォトブリーチング材料からなる２本のコア層４−１、４−２と、下部クラッド層７の上のコア層４−１、４−２の側面に形成されたコア層４−１、４−２より屈折率の低くフォトブリーチング材料からなる側面クラッド層３−１、３−２、３−３と、コア層４−１、４−２及び側面クラッド層３−１〜３−３の上に形成されコア層４−１、４−２よりも屈折率の低い上部クラッド層５と、上部クラッド層５の上に形成された紫外線カット層６とで構成されたものである。
【００６５】
このようなポリマ導波路は方向性結合器、光スイッチ、光フィルタ等のような光回路に用いられる。このような光回路もフォトブリーチング用ポリマ膜上に紫外線をフォトマスクパターンを介して照射し、いわばフォトマスクパターンを膜に転写することにより、容易に実現することができる。
【００６６】
尚、下部クラッド層にシリコーン化合物を５０ｗｔ％添加した分岐型ポリシラン化合物の膜に紫外線を照射して低屈折率にしたものが用いられている。このような膜を用いると、その膜の上に形成されるコア層４−１、４−２と、側面クラッド層３−１、３−２、３−３との界面の均一性及び密着性を向上させることができる。
【００６７】
図３は本発明のポリマ導波路の他の実施の形態を示す断面図である。
【００６８】
図１に示したポリマ導波路との相違点は、コア層４と側面クラッド層３−１、３−２とを紫外線カット層６−１と紫外線カット層６−２とでサンドイッチ構造にした点である。
【００６９】
すなわち、このポリマ導波路は、基板１と、基板１上に形成されフォトブリーチング材料からなる下部クラッド層７と、下部クラッド層７の上に形成された紫外線カット層６−１と、紫外線カット層６−１の上に形成され下部クラッド層７より屈折率の高くフォトブリーチング材料からなるコア層４と、紫外線カット層６−１の上のコア層４の側面に形成されコア層４より屈折率が低くフォトブリーチング材料からなる側面クラッド層３−１、３−２と、コア層４及び側面クラッド層３−１、３−２の上に形成された紫外線カット層６−２と、紫外線カット層６−２の上に形成されコア層４より屈折率の低い上部クラッド層５とで構成されたものである。
【００７０】
ポリマ導波路をこのような構成とすることにより、コア層４及び側面クラッド層３−１、３−２の屈折率の長期的な劣化が抑えられる。
【００７１】
図４は本発明のポリマ導波路の他の実施の形態を示す断面図である。
【００７２】
図２に示したポリマ導波路との相違点は基板として紫外線カットシート８を用い、その紫外線カットシート８上に導波路を構成した点である。
【００７３】
すなわち、本ポリマ導波路は、紫外線カットシート８と、紫外線カットシート８上に形成されたバッファ層２と、バッファ層２の上に形成されバッファ層２よりも屈折率の高くフォトブリーチング材料からなる３本のコア層４−１、４−２、４−３と、バッファ層２の上のコア層４−１〜４−３の側面に形成されコア層４−１〜４−３よりも屈折率の低くフォトブリーチング材料からなる側面クラッド層３−１〜３−４と、コア層４−１〜４−３及び側面クラッド層３−１〜３−４の上に形成されコア層４−１〜４−３よりも屈折率の低い上部クラッド層５と、上部クラッド層５の上に形成された紫外線カット層６とで構成されたものである。
【００７４】
このようなポリマ導波路においても図２に示したポリマ導波路と同様の効果が得られる。
【００７５】
図５は本発明のポリマ導波路の製造方法の一実施例を示す工程図である。
【００７６】
このポリマ導波路の製造プロセスは、イエロールームのような紫外線の照射されない環境下で行われる。
【００７７】
まず、基板上に有機溶媒に溶かしたポリマ溶液を塗布する。塗布方法はスピンコーティング、押し出しコーティング等を用いる（工程Ｐ１）。
【００７８】
そのポリマ膜をプリベークする。プリベーク温度条件は１２０℃、２０分とする（工程Ｐ２）。
【００７９】
ポリマ膜のポストベークを行う。ポストベークは１８０℃から２５０℃の温度範囲で１０分から１時間の範囲で行う（工程Ｐ３）。
【００８０】
フォトブリーチング用ポリマ膜の上にフォトマスクを配置して紫外線を照射することにより、フォトマスクパターンをポリマ膜に転写する（工程Ｐ４）。
【００８１】
ポリマ膜の上に上部クラッド層用ポリマ溶液を塗布する（工程Ｐ５）。
【００８２】
上部クラッド層となるポリマ膜のベークを行う（工程Ｐ６）。
【００８３】
紫外線カット層を塗布する（行程Ｐ７）。
【００８４】
次いでベークを行う（行程Ｐ８）。
【００８５】
尚、コア層及び側面クラッド層用のフォトブリーチング用ポリマ膜を形成してベークを行い、そのポリマ膜の上に上部クラッド層用ポリマ溶液を塗布してベークベークした後、フォトマスクを配置し、紫外線を上部クラッド層の上から照射してフォトブリーチング用ポリマ層の屈折率変化を起こさせてもよい。
【００８６】
図６は本発明のポリマ導波路に用いられるポリマ材料の特性を示す図であり、横軸はベーク温度軸を示し、縦軸は屈折率軸を示している。
【００８７】
同図は図５に示した工程を用いてＳｉ基板上にシリコーン化合物を添加した分岐型ポリシラン化合物の溶液を塗布し、１２０℃、２０分間のプリベークを行った膜についてポストベーク温度を変えて作製した膜の屈折率を室温で測定したものである。屈折率の測定波長は６３３ｎｍと１５５０ｎｍである。
【００８８】
図６において、実線で示すＬ１は波長が６３３ｎｍでシリコーン配合比が２５％のときの特性曲線を示し、Ｌ２は波長が６３３ｎｍでシリコーン配合比が３０％のときの特性曲線を示し、以下同様に、Ｌ３はシリコーン配合比が４０％、Ｌ４はシリコーン配合比が４５％、Ｌ５はシリコーン配合比が５０％、Ｌ６はシリコーン配合比が７５％、Ｌ７はシリコーン配合比が９０％、Ｌ８はシリコーン配合比が１３０％のときの特性曲線をそれぞれ示す。
【００８９】
また、破線で示すＬ９は波長が１５５０ｎｍでシリコーン配合比が２５％のときの特性曲線を示し、Ｌ１０は波長が１５５０ｎｍでシリコーン配合比が３０％のときの特性曲線を示し、以下同様に、Ｌ１１はシリコーン配合比が４０％、Ｌ１２はシリコーン配合比が４５％、Ｌ１３はシリコーン配合比が５０％、Ｌ１４はシリコーン配合比が７５％、Ｌ１５はシリコーン配合比が９０％、Ｌ１６はシリコーン配合比が１３０％のときの特性曲線をそれぞれ示す。
【００９０】
尚、分岐型ポリシラン化合物にはポリメチルフェニルシランを用いた。シリコーン化合物にはメトキシ基含有の架橋性メチルフェニルシリコーンを用い、その配合比を変えて膜を作製した。
【００９１】
図６よりシリコーン化合物の配合比が４０％から９０％の範囲が屈折率の温度安定性の面で良好であることが分かる。この結果から、２５０℃程度の高温度まで屈折率のほとんど変化しないポリマ膜を得られることが分かる。これより、導波路の上部や中、あるいは下部に電子部品、あるいは光部品を半田で実装することができ、この半田リフローの際の導波路の屈折率変化がなくなる。
【００９２】
図７及び図８はシリコーン化合物添加分岐型ポリシラン化合物に光酸発生剤としてトリクロロメチルトリアジン系材料を添加した場合のベーク温度に対する屈折率の特性を示す図であり、横軸はベーク温度軸を示し、縦軸は屈折率軸を示す。る。図７は波長６３３ｎｍのときの特性を示し、図８は波長１５５０ｎｍのときの特性を示す。
【００９３】
図７及び図８において、トリクロロメチルトリアジンにはパラメトキシスチルトリアジンを用いた。
【００９４】
図７に示すＬ２０はパラメトキシスチルトリアジンの添加量が０％のときの特性曲線を示し、Ｌ２１は同添加量が１％のときの特性曲線を示し、Ｌ２２は同添加量が５％のときの特性曲線を示す。
【００９５】
図８に示すＬ３０はパラメトキシスチルトリアジンの添加量が０％のときの特性曲線を示し、Ｌ３１は同添加量が１％のときの特性曲線を示し、Ｌ３２は同添加量が５％のときの特性曲線を示す。
【００９６】
図７及び図８よりトリクロロメチルトリアジンの添加量が多い程、屈折率の温度安定性は良い結果になることが分かる。但し、トリクロロメチルトリアジンの添加量が５％以上になると、長波長帯（＞８３０ｎｍ）での光透過率が低下するので、トリクロロメチルトリアジンの添加量としては１％以上、５．５％以下が好ましい。
【００９７】
図９は増感剤として、好ましくない材料を用いた場合のベーク温度に対する屈折率変化を示す図であり、横軸はベーク温度軸を示し、縦軸は屈折率軸を示す。
【００９８】
図９に示すＬ４０は波長が６３３ｎｍで過酸化物の添加量が０％のときの特性曲線を示し、Ｌ４１は波長が６３３ｎｍで同添加量が５％のときの特性曲線を示す。Ｌ４２は波長が１５５０ｎｍで同添加量が０％のときの特性曲線を示し、Ｌ４３は波長が１５５０ｎｍで同添加量が５％のときの特性曲線を示す。
【００９９】
この例では増感剤として光反応性の過酸化物が用いられている。この過酸化物が０％と５％とについて屈折率特性を測定したが、過酸化物を添加した方が屈折率の温度安定性は悪くなることが分かった。すなわち、増感剤にも好ましいものとそうでないものとがあることが分かった。トリクロロメチルトリアジン系については好ましい結果が得られたが、長波長帯での光透過率を考えると、できる限り光透過率の良い材料が好ましい。また、ポリシラン化合物の紫外線吸収ピーク波長に近い最大吸収波長をもった材料を選ぶ必要がある。さらに融点の高い材料を選ぶことも重要な要素である。
【０１００】
本発明のシリコーン化合物を添加した分岐型ポリシラン化合物にトリクロロメチルトリアジンの添加量を変えて試作したポリマ膜の特性を図１０、図１１に示す。図１０は図７のトリクロロメチルトリアジン添加量が０％の場合の紫外線照射による屈折率の低下の様子を示す図である。図１１は図７のトリクロロメチルトリアジン添加量が５％の場合のそれぞれの紫外線照射による屈折率の低下の様子を示す図である。図１０及び図１１において横軸はＵＶ光照射時間軸を示し、縦軸は屈折率軸を示す。図１０に示すＬ５０はトリアジンの添加率が０％で波長が６３３ｎｍのときの特性曲線を示し、Ｌ５１は同添加率が０％で波長が１５５０ｎｍのときの特性曲線を示す。図１１に示すＬ６０はトリアジンの添加率が５％で波長が６３３ｎｍ％のときの特性曲線を示し、Ｌ６１は同添加率が５％で波長が１５５０ｎｍのときの特性曲線を示す。
【０１０１】
図１０及び図１１は紫外線として１５０Ｗ水銀キセノンランプからの紫外線をファイババンドルスコープでガイドしてきて膜表面に照射し、その照射時間に対する膜の屈折率を測定して求めたものである。但し、上記ファイババンドルスコープの出力は１２００ｍＪ／ｃｍ² であった。図１０、１１より、トリクロロメチルトリアジンの添加されていない膜の屈折率は紫外線照射時間に対して不連続に変化し、屈折率を照射時間で精密に制御することが困難であった。これに対して、トリクロロメチルトリアジン５ｗｔ％を添加した膜の屈折率は紫外線の照射時間に対して連続的に変化し、照射時間で屈折率を制御することが容易となる。
【０１０２】
図１２は分岐型ポリシラン化合物にシリコーン化合物を添加して得たポリマ膜のシリコーン化合物添加量に対する紫外線の照射前と照射後で比屈折率差が最大でどのくらい得られるかを求めた結果を示す図である。同図において横軸はポリシラン化合物に対するシリコーン化合物の添加量を示し、縦軸は紫外線照射によって得られる最大比屈折率差Δを示す。
【０１０３】
この図１２は図６に示した特性のポリマ膜を２００℃のベーク温度で熱処理したポリマ膜について波長６３３ｎｍでの屈折率を紫外線の照射前と照射後とで測定し、得られた測定結果から最大比屈折率差Δを求めたものである。シリコーン化合物の添加量が多くなると、比屈折率差Δも小さくなることが分かった。この比屈折率差Δはできるだけ大きくとれることが望ましいが、屈折率の温度安定性を考慮に入れると、最適なシリコーン化合物の添加量４０ｗｔ％から９０ｗｔ％の範囲では比屈折率差Δは３％以上、５．５％以下の値が得られたが、この値は十分に高感度な値である。
【０１０４】
次に、ポリシラン化合物の最適なものについて述べる。
【０１０５】
図１３は本発明のポリマ導波路に用いられるポリシラン膜及び従来のポリマ導波路に用いられるポリシラン膜の光透過率と波長との関係を示す図であり、横軸が波長軸を示し、縦軸が光透過率軸を示している。
【０１０６】
同図において、Ｌ７０は本発明のポリマ導波路用の膜としての分岐型ポリシラン膜（分岐度２０％）の特性曲線を示し、Ｌ７１は本発明のポリマ導波路用の膜としての分岐型ポリシラン膜（分岐度３％）の特性曲線を示し、Ｌ７２は従来のポリマ導波路用の膜としての直鎖型のポリシラン膜の特性曲線を示す（膜厚：約３０μｍ）。
【０１０７】
ここで、ポリシラン膜には、同一条件での比較のため、全てシリコーン化合物が５０ｗｔ％添加されている。同図より、従来のポリマ導波路に用いられている直鎖型ポリシラン膜より本発明のポリマ導波路に用いられる分岐型ポリシラン膜の方が光透過率は高くなることが分かる。また、本発明の分岐型の場合にはその分岐度を高くするほど、光透過率は高くなることを初めて見出すことができた。
【０１０８】
図１４は本発明のポリマ導波路に用いられる分岐型ポリシラン化合物に添加するシリコーン化合物の添加量と光透過率特性との関係を示す図である（膜厚：約３００μｍ）。同図において横軸は波長軸を示し、縦軸は光透過率軸を示す。
【０１０９】
同図に示すＬ８０はシリコーン化合物の添加量が０％のときの特性曲線、Ｌ８１は同添加量が２０％のときの特性曲線、Ｌ８２は同添加量が５０％のときの特性曲線、Ｌ８３同添加量が７０％のときの特性曲線、Ｌ８４は同添加量が１００％のときの特性曲線をそれぞれ示す。
【０１１０】
同図より、シリコーン化合物の添加量が多い程、光透過率が向上することを見出すことができた。この図１４に示した結果と、図６に示した結果とから、シリコーン化合物の最適な添加量を先に示したような値に選ぶことができた。
【０１１１】
以上において、本発明によれば
(1) ２５０℃程度の高い温度まで屈折率の温度依存性の極めて少ないフォトブリーチングによる低光伝搬損失のポリマ導波路を実現することができる。これはポリシラン化合物にシリコーン化合物を所望配合比で添加することによって屈折率の温度安定性と低光伝搬損失を実現することができたものである。またシリコーン化合物の添加によって屈折率も低い値に下げることができるので、ガラス系ファイバとの接続の際の接続損失を小さくすることができる。またポリシラン化合物に分岐型ポリシラン化合物を用いたことも低光伝搬損失化に効果を発揮させることができた。また上記分岐型ポリシラン化合物を用いることにより、またその分岐度として２％以上のものを用いることにより、低光伝搬損失で、偏波依存性のない導波路を実現することもできる。
(2) 分岐型ポリシラン化合物に、架橋性、あるいはアルコキシ基からなるシリコーン化合物を添加したポリマ材料はトルエンのような有機溶媒に容易に溶けて粒子径が極めて小さく、均一になるので、光散乱中心のほとんどない低損失なポリマ層を種々の基板の上に形成することができる。また上記微粒子径の均一なポリマ膜の上に所望パターンの描かれたフォトマスクを置いて紫外線を照射することにより、極めて正確なパターンを描画することができ、その結果、コア層と側面クラッド層の界面をより均一にすることができる。これにより、さらに低光散乱損失の導波路を実現することができる。
(3) また上記ポリシランとシリコーンの化合物の添加されたものにトリクロロメチルトリアジン系光酸発生剤を所望量添加することで、さらに高い温度まで屈折率を一定に保つことができ、また紫外線照射量によって屈折率を制御性良く低下させることができると共に屈折率変化の感度も向上させることができた。
(4) また低屈折率のクラッド層にシリコーン化合物を用いることにより上記コア層及び側面クラッド層との界面の均一性及び密着性を向上させることができる。またフォトブリーチング用ポリマ膜との熱膨張係数の違いを小さくすることができるので、熱膨張係数の違いによるマイクロクラックの発生を抑えることができる。
(5) ２５０℃程度の高い温度まで屈折率の温度依存性の極めて少ないフォトブリーチングによる低光伝搬損失のポリマ導波路であるので、導波路の上、下、あるいは中に電子または光部品を半田実装する際に上記導波路の屈折率がほとんど変化しないので、種々の高機能光電気複合デバイスを実現することができる。
(6) 高比屈折率差の導波路を低損失で実現することができる。
【０１１２】
【発明の効果】
以上要するに本発明によれば、次のような優れた効果を発揮する。
【０１１３】
周囲温度が変化しても光学特性の変化が少ない低損失のポリマ導波路及びその製造方法の提供を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のポリマ導波路の一実施の形態を示す断面図である。
【図２】本発明のポリマ導波路の他の実施の形態を示す断面図である。
【図３】本発明のポリマ導波路の他の実施の形態を示す断面図である。
【図４】本発明のポリマ導波路の他の実施の形態を示す断面図である。
【図５】本発明のポリマ導波路の製造方法の一実施例を示す工程図である。
【図６】本発明のポリマ導波路に用いられるポリマ材料の特性を示す図である。
【図７】シリコーン化合物添加分岐型ポリシラン化合物に光酸発生剤としてトリクロロメチルトリアジン系材料を添加した場合のベーク温度に対する屈折率の特性を示す図である。
【図８】シリコーン化合物添加分岐型ポリシラン化合物に光酸発生剤としてトリクロロメチルトリアジン系材料を添加した場合のベーク温度に対する屈折率の特性を示す図である。
【図９】増感剤として、好ましくない材料を用いた場合のベーク温度に対する屈折率変化を示す図である。
【図１０】図７のトリクロロメチルトリアジン添加量が０％の場合の紫外線照射による屈折率の低下のようすを示す図である。
【図１１】図８のトリクロロトリメチルアジン添加量が５％の場合のそれぞれの紫外線照射による屈折率の低下のようすを示す図である。
【図１２】分岐型ポリシラン化合物にシリコーン化合物を添加して得たポリマ膜のシリコーン化合物の添加量に対する紫外線の照射前と照射後で比屈折率差が最大でどのくらい得られるかを求めた結果を示す図である。
【図１３】本発明のポリマ導波路に用いられるポリシラン膜及び従来のポリマ導波路に用いられるポリシラン膜の光透過率と波長との関係を示す図である。
【図１４】本発明のポリマ導波路に用いられる分岐型ポリシラン化合物に添加するシリコーン化合物の添加量と光透過率特性との関係を示す図である。
【図１５】従来のポリマ導波路の外観斜視図である。
【符号の説明】
１ 基板
２ 下部クラッド層
３−１〜３−３ 側面クラッド層
４−１、４−２ コア層
５ 上部クラッド層
６ 紫外線カット層

Claims (16)

1. 低屈折率のクラッド層と、該クラッド層で覆われた略矩形断面形状の高屈折率のコア層とを備えた導波路において、該コア層及び該コア層の両側面の側面クラッド層は分岐型ポリシラン化合物にシリコーン化合物を含有した材料で構成されていることを特徴とするポリマ導波路。
2. 低屈折率のクラッド層と、該クラッド層で覆われた略矩形断面形状の高屈折率のコア層とを備えた導波路において、該コア層及び該コア層の両側面の側面クラッド層は分岐型ポリシラン化合物にトリクロロメチルトリアジン系光酸発生剤を含有した材料で構成されていることを特徴とするポリマ導波路。
3. 上記側面クラッド層は紫外線の照射前と照射後とで少なくとも１％の比屈折率差が得られるように紫外線照射で屈折率が低下させられている請求項１又は２に記載のポリマ導波路。
4. 上記コア層は紫外線が照射され、上記側面クラッド層の屈折率よりも高い値に保たれている請求項１から３のいずれかに記載のポリマ導波路。
5. 上記クラッド層及び上記コア層は半導体、ガラス、磁性体、プラスチックス、あるいはこれらの複合体からなる板状部材の上に形成されている請求項１から４のいずれかに記載のポリマ導波路。
6. 上記クラッド層としてシリコーン化合物が用いられている請求項１から５のいずれかに記載のポリマ導波路。
7. 上記コア層及び上記側面クラッド層の上面、下面あるいは両面に紫外線カット層が形成されている請求項１から６のいずれかに記載のポリマ導波路。
8. 上記コア層の上側の上部クラッド層及び上記コア層の下側の下部クラッド層はトリクロロメチルトリアジン系光酸発生剤とポリシリコン化合物とシリコーン化合物とを含有する材料が用いられ、紫外線が照射されて屈折率が低下している請求項１から７のいずれかに記載のポリマ導波路。
9. 上記分岐型ポリシラン化合物は、Ｓｉ原子以外に炭化水素基、アルコキシ基、又は水素原子と結合している化合物である請求項１から８のいずれかに記載のポリマ導波路。
10. 上記分岐型ポリシラン化合物は分岐度２％以上、５０％以下の化合物が用いられている請求項１から９のいずれかに記載のポリマ導波路。
11. 上記シリコーン化合物は架橋性、あるいはアルコキシ基からなり、ポリシラン化合物に対して４０〜９０ｗｔ％の配合比で添加されている請求項１から１０のいずれかに記載のポリマ導波路。
12. 上記光酸発生剤としてトリクロロメチルトリアジン系の発生剤を用い、該発生剤がポリシラン化合物に対して１ｗｔ％以上、５．５ｗｔ％以下の配合比で添加されている請求項１から１１のいずれかに記載のポリマ導波路。
13. 低屈折率の下部クラッド層の上面に分岐型ポリシラン化合物と架橋性あるいはアルコキシ基のシリコーン化合物とを含有する高屈折率のポリマ層を形成する工程、該ポリマ層の上面に所望パターン形状の描かれたフォトマスクを介して紫外線を照射して高屈折率の略矩形断面形状のコア層とその周りの側面に低屈折率に変化した側面クラッド層を形成する工程、上記コア層及び上記側面クラッド層の上面に低屈折率の上部クラッド層を形成する工程、該上部クラッド層の上面にＵＶカット層を形成する工程からなることを特徴とするポリマ導波路の製造方法。
14. 低屈折率の下部クラッド層の上に分岐型ポリシラン化合物と架橋性あるいはアルコキシ基のシリコーン化合物とを含有する高屈折率のポリマ層を形成し、該ポリマ層の上に低屈折率の上部クラッド層を形成し、該上部クラッド層の上にフォトマスクを配置して紫外線を照射して高い屈折率の略矩形断面形状のコア層と該コア層の両側面に低屈折率の側面クラッド層を形成した後、上記上部クラッド層の上にＵＶカット層を形成することを特徴とするポリマ導波路の製造方法。
15. 上記下部クラッド層を半導体、ガラス、磁性体、プラスチックスあるいはこれらの複合体かなる板状部材の上に形成する請求項１３又は１４に記載のポリマ導波路の製造方法。
16. 有機溶媒に溶けた上記分岐型ポリシラン化合物と上記シリコーン化合物とを板状部材の上に塗布し、１００℃以上、２８０℃以下で熱処理して硬化させて上記ポリマ層を形成する請求項１３から１５のいずれかに記載のポリマ導波路の製造方法。

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