JP4004480B2 - 光導波路 - Google Patents
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Description
本発明は、光インターコネクション、光変調器、光集積回路、光スイッチ、分配器、光送受信モジュール等に用いることができる光導波路及び該光導波路を用いた光通信用デバイスに関するものである。
近年、インターネットのブロードバンド化が進む中で、ＦＴＴＨなどのアクセスを普及するためには、光通信用デバイスの大幅な低コストが必要である。光通信用デバイスとして、光を電気信号に変換する光送受信モジュールが光通信用機器の末端に用いられる。この光送受信モジュールの小型化及び低コスト化を図るために、モジュール内の部品である光導波路を有機高分子材料で形成する方法が提案されている（非特許文献１）。
例えば、基板上に下部クラッド層を形成し、この下部クラッド層の上に、有機高分子材料からなる光伝搬層を形成している。この光伝搬層は、フォトリソグラフィーを用い、ＲＩＥやＵＶ照射によりパターンを形成して、不要な部分を除去している。このようにして形成した光伝搬層の上に上部クラッド層が形成される。多くの場合、下部クラッド層及び上部クラッド層も有機高分子材料から形成される。
宮寺信生、光導波路用ポリマ材料、光アライアンス、p13、2、(1999）
宮寺信生、光導波路用ポリマ材料、光アライアンス、p13、2、(1999）
しかしながら、光導波路の上部クラッド層を有機無機複合体や、樹脂材料等の硬化時に体積収縮を伴う材料から形成する場合、上部クラッド層を形成する際に体積の収縮を伴うため、下部クラッド層においてクラックや剥離等が発生し易いという問題があった。
本発明の目的は、下部クラッド層及び上部クラッド層におけるクラックや剥離の発生を有効に防止することができる光導波路の新規な構造及び該光導波路を用いた光通信用デバイスを提供することにある。
本発明の光導波路は、光伝搬領域となるコア層と、該コア層の周囲を覆う上部クラッド層及び下部クラッド層と備え、上部クラッド層が有機無機複合体から形成されており、硬化によって体積の収縮を伴って形成される光導波路であって、上部クラッド層と下部クラッド層が接する領域の少なくとも一部において、上部クラッド層と下部クラッド層の間に、上部クラッド層の体積収縮に伴い発生する応力を緩和する応力緩和層が設けられ、応力緩和層が、コア層と同じ材料から形成され、かつコア層と一体化して形成されており、応力緩和層と上部クラッド層及び下部クラッド層のうち少なくとも一方との界面に凹凸が形成されていることを特徴としている。
本発明に従い、上部クラッド層と下部クラッド層の間に応力緩和層を設けることにより、上部クラッド層形成の際の体積収縮による応力を、応力緩和層によって緩和することができる。このため、下部クラッド層及び上部クラッド層において、クラックや剥離等が発生するのを有効に防止することができる。
本発明における応力緩和層は、上部クラッド層の材料より貯蔵弾性率が小さい材料から形成されていることが好ましい。一般に高分子材料に正弦的に変化する応力を与えると、歪みは同じ周波数で位相がδだけ遅れた正弦波形となる。貯蔵弾性率は、１周期あたり貯蔵され完全に回復されるエネルギーの尺度であり、動的粘弾性測定装置により測定することができる。
上部クラッド層が有機無機複合体から形成される場合には、応力緩和層及びコア層の貯蔵弾性率は、３０℃で１０００００ｋｇｆ／ｃｍ2以下であることが好ましく、さらに好ましくは５００００ｋｇｆ／ｃｍ2以下である。また、応力緩和層及びコア層も有機無機複合体から形成することができる。応力緩和層及びコア層の貯蔵弾性率の下限値は特に限定されるものではないが、一般に３０℃で１００００ｋｇｆ／ｃｍ2以上であることが好ましい。なお以下では、貯蔵弾性率は全て３０℃での貯蔵弾性率である。
本発明において、下部クラッド層は、有機無機複合体から形成されてもよい。
本発明において、有機無機複合体は、例えば、有機重合体と金属アルコキシドから形成することができる。また、有機無機複合体は、少なくとも１種の金属アルコキシドから形成されてもよい。この場合、少なくとも２種の金属アルコキシドから形成されることが好ましい。
上記有機無機複合体においては、有機重合体と金属アルコキシドの組み合わせまたは少なくとも２種の金属アルコキシドの組み合わせを適宜調整することにより、最終的に形成される有機無機複合体の屈折率を調整することができる。
金属アルコキシドとしては、光または熱により重合する重合性基を有する金属アルコキシドを用いてもよい。この場合、光または熱により重合する重合性基を有する金属アルコキシドと、該重合性基を有しない金属アルコキシドを組み合わせて用いることが好ましい。上記重合性基としては、メタクリロキシ基、アクリロキシ基、ビニル基、及びスチリル基などが挙げられる。
重合性基を有する金属アルコキシドを用いる場合には、光または熱により金属アルコキシドの重合性基が重合されていることが好ましい。
金属アルコキシドとしては、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ａｌ、Ｎｂ、Ｓｎ、Ｚｎなどのアルコキシドが挙げられる。特に、Ｓｉ、Ｔｉ、またはＺｒのアルコキシドが好ましく用いられる。従って、アルコキシシラン、チタンアルコキシド、ジルコニウムアルコキシドが好ましく用いられ、特にアルコキシシランが好ましく用いられる。
アルコキシシランとしては、テトラエトキシシラン、テトラメトキシシラン、テトラ−ｎ−プロポキシシラン、テトライソプロポキシシラン、テトラ−ｎ−ブトキシシラン、テトライソブトキシシラン、フェニルトリエトキシシラン（ＰｈＴＥＳ）、フェニルトリメトキシシラン（ＰｈＴＭＳ）、ジフェニルジエトキシシラン、ジフェニルジメトキシシランなどが挙げられる。
上記重合性基を有するアルコキシシランとしては、３−メタクリロキシプロピルトリエトキシシラン（ＭＰＴＥＳ）、３−メタクリロキシプロピルトリメトキシシラン（ＭＰＴＭＳ）、３−メタクリロキシプロピルメチルジメトキシシラン、３−アクリロキシプロピルトリメトキシシラン、ｐ−スチリルトリエトキシシラン、ｐ−スチリルトリメトキシシラン、ビニルトリメトキシシラン、ビニルトリエトキシシランなどが挙げられる。
チタンアルコキシドとしては、チタンイソプロポキシド、チタンブトキシド等が挙げられる。ジルコニウムアルコキシドとしては、ジルコニウムイソプロポキシド、ジルコニウムブトキシド等が挙げられる。ニオブアルコキシドとしては、ペンタエトキシニオブ等が挙げられる。
金属アルコキシドとしては、上述のものを用いることができるが、一般には、式Ｍ（ＯＲ）n、Ｒ′Ｍ（ＯＲ）n-1、及びＲ′2Ｍ（ＯＲ）n-2（ここで、Ｍは金属、ｎは２、３、４、または５、Ｒ及びＲ′は有機基を示す）で表わされる金属アルコキシドを用いることができる。有機基としては、アルキル基、アリール基、上記の重合性基を有する有機基などが挙げられる。Ｍとしては、上述のように、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ａｌ、Ｎｂ、Ｓｎ、Ｚｎ等が挙げられる。なお、アルキル基としては、炭素数１〜５のアルキル基が好ましい。
有機無機複合体を有機重合体と金属アルコキシドから形成する場合における、有機重合体は、金属アルコキシドと有機無機複合体を形成し得るものであれば特に限定されるものではない。有機重合体としては、例えば、カルボニル基を有する高分子重合体、ベンゼン環を有する高分子重合体、及びナフタレン環を有する高分子重合体を挙げることができる。
有機重合体の具体例としては、例えばポリビニルピロリドン、ポリカーボネート、ポリメタクリル酸メチル、ポリアミド、ポリイミド、ポリスチレン、ポリエチレン、ポリプロレン、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、アクリル樹脂、尿素樹脂、メラミン樹脂等を挙げることができる。光学的透明性に優れた有機無機複合体を形成する観点からは、ポリビニルピロリドン、ポリカーボネート、ポリメタクリル酸メチル、ポリスチレン、エポキシ樹脂、及びこれらの混合物が好ましく用いられる。
本発明において、応力緩和層、上部クラッド層及びその他の層を有機無機複合体から形成する場合における各層の貯蔵弾性率は、それぞれの層を形成するための溶液を用いてそれぞれの層を形成する条件で貯蔵弾性率測定のためのサンプルを作製し、このサンプルについて貯蔵弾性率を測定することにより求めることができる。
有機無機複合体は、原料溶液を塗布した後、これを加熱乾燥して形成することができる。重合性基を有する金属アルコキシドを用いた場合には、必要に応じて加熱または光照射により重合させて硬化させることができる。
本発明において、下部クラッド層は、コア層より低い屈折率を有する基板であってもよい。
また、本発明において、下部クラッド層は、基板の上に形成されたものであってもよい。また、上部クラッド層の上に、上部基板が設けられていてもよい。
本発明において、上部クラッド層は、複数の層を積層することにより形成されていてもよい。この場合、複数の層は同じ材料から形成された層であってもよい。すなわち、上部クラッド層は、複数回に分けて塗布されて形成されたものであってもよい。複数回に分けて塗布することにより、上部クラッド層形成の際の収縮により、上部クラッド層にクラックが発生したり、上部クラッド層が剥離したりするのを防止することができる。
また、本発明において、コア層の厚みをＨ、応力緩和層の厚みをｔとしたとき、応力緩和層の厚みｔは、０．０５μｍ≦ｔ≦０．２５Ｈを満足する範囲内であることが好ましい。応力緩和層の厚みが０．０５μｍより薄くなると、クラックや剥離の発生を低減するという本発明の効果が充分に得られない場合がある。また、応力緩和層の厚みが０．２５Ｈより大きくなると、応力緩和層からの光の漏れが生じる場合には、その程度が大きくなるおそれがある。応力緩和層のさらに好ましい厚みは、０．１μｍ≦ｔ≦１０μｍである。
また、本発明において、応力緩和層は、コア層と同じ材料から形成されている。応力緩和層をコア層と同じ材料から形成することにより、応力緩和層をコア層の形成と同時に形成することが可能となり、製造工程を簡略化することができる。この場合、応力緩和層は、コア層と一体化して形成される。
しかしながら、応力緩和層をコア層と同じ材料から形成すると、光が応力緩和層から外部に漏れるおそれが生じる。このような場合、コア層近傍の応力緩和層に、コア層と応力緩和層を分離する溝を形成し、この溝に応力緩和層の材料より低い屈折率を有する材料を充填することが好ましい。このような溝を形成することにより、応力緩和層をコア層から分離することができるので、応力緩和層からの光の漏れを防止することができる。
上記溝は、下部クラッド層に形成されていてもよい。さらに、下部クラッド層を通り、基板に到達するように形成されていてもよい。このように、溝を下部クラッド層、さらには基板に到達するように形成し、溝内に各層との密着性が良好な材料を充填することにより、各層間の密着性を高めることができる。
上記溝内を充填する材料としては、上部クラッド層と同じ材料が好ましく用いられるが、上部クラッド層と同じ材料を用いる場合には、上部クラッド層を形成する際に、溝内をこの材料で充填して同時に形成することができる。
上部クラッド層の上に上部基板が設けられる場合、上記溝は、上部基板及び上部クラッド層に形成されてもよい。
また、応力緩和層からの光の漏れを防ぐ方法として、応力緩和層と上部クラッド層の界面に凹凸を形成してもよい。このような凹凸としては、表面粗さＲmax０．０２〜１０μｍの範囲に相当する凹凸を例示することができる。
応力緩和層と上部クラッド層及び下部クラッド層の少なくとも一方との界面に凹凸を形成することにより、紫外線を照射して上部クラッド層またはコア層等を硬化する際、光硬化させる時の紫外線照射量を高い精度で一定にすることができる。すなわち、光導波路の上部クラッド層やコア層を光硬化性樹脂から形成する場合、樹脂は硬化時の紫外線照射量により屈折率が変化するため、照射する紫外線量を高い精度で制御する必要がある。上部クラッド層を硬化させる際照射した紫外線の一部は、下部クラッド層にも浸入し、下部クラッド層の反対側の界面で紫外線が反射し、再び上部クラッド層に到達して、上部クラッド層の紫外線硬化に寄与する。このようにして反射した紫外線の強度は、下部クラッド層の屈折率、厚さのばらつき等の影響を受け、ばらつくため、上部クラッド層またはコア層の屈折率にばらつきを与える。
応力緩和層と、上部クラッド層及び下部クラッド層の少なくとも一方との界面に凹凸を形成することにより、上部クラッド層またはコア層を硬化させるため照射した紫外線をこの凹凸部分で反射することができ、紫外線が下部クラッド層に到達しないようにすることができる。このため、上部クラッド層またはコア層を光硬化させる際の紫外線照射量を再現性良く、高い精度で制御することができ、上部クラッド層及びコア層における屈折率のばらつきを少なくすることができる。
上記のような目的で応力緩和層の界面に形成する凹凸形状は、光硬化に用いる波長４００ｎｍ以下の紫外線を散乱し得るものであれば特に限定されるものではないが、表面粗さＲmaxとして、０．０５〜１０μｍの範囲のものが好ましい。また凹凸形状としては、図２８に示すようなストライプ形状のものや、図２９に示す島状のもの、図３０に示すようなランダムに形成された島状のものなどが挙げられる。
また、応力緩和層からの光の漏れが迷光となり、ノイズ発生等の悪影響が発生するのを軽減する方法として、応力緩和層に光吸収または散乱成分を含有させてもよい。このような光吸収または散乱成分としては、炭素粒子、ＴｉＯ2、ＺｒＯ2等の酸化物、ＴｉＮ、ＺｒＮ等の窒化物などが挙げられる。
本発明において、光が入射及び／または出射するコア層の端面は、透明な材料からなる保護層によって覆われていることが好ましい。このような保護層の形成により、コア層内への水分の侵入や汚染物質の付着等を防止することができる。
保護層は、コア層の屈折率よりも高くない材料から形成されていることが好ましい。一般に界面での屈折率差が大きいほど反射による損失が大きくなる。従って、このような保護層を形成することにより、光がコア層に入射する際の反射による損失を低減することができる。
保護層は、上部クラッド層と同じ材料から形成されていることが好ましい。保護層を上部クラッド層と同じ材料から形成することにより、保護層を上部クラッド層の形成と同時に形成することができ、保護層を上部クラッド層と一体化して形成することができる。
本発明において、コア層の角部は、丸みを帯びた形状であることが好ましい。角部を丸みを帯びた形状にすることにより、コア層を形成する際にコア層の角部が欠損するのを防止することができる。
本発明の光通信用デバイスは、上記本発明の光導波路を光信号の送信及び／または受信の媒体として用いたことを特徴としている。
本発明によれば、上部クラッド層形成の際の体積収縮に伴う応力を、応力緩和層によって緩和することができるので、下部クラッド層及び上部クラッド層におけるクラックや剥離の発生を有効に防止することができる。
以下、本発明を実施例により説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲において適宜変更して実施することが可能なものである。
図１は、参考例の光導波路を示す断面図である。図１に示すように、基板１の上には、下部クラッド層２が形成されている。下部クラッド層２の中心部の上には、光伝搬領域となるコア層３が形成されている。コア層３の上には、上部クラッド層４が設けられている。下部クラッド層２及び上部クラッド層４は、コア層３よりも低い屈折率を有する材料から形成されている。コア層３は、上部クラッド層４及び下部クラッド層２によりその周囲を覆われることにより、その内部において光を伝搬させることができる。
コア層３が設けられていない領域において、上部クラッド層４と下部クラッド層２との間には、応力緩和層５が設けられている。応力緩和層５は、上部クラッド層４の材料より貯蔵弾性率が小さい材料から形成されている。従って、上部クラッド層４を形成する際に発生する、上部クラッド層４の体積収縮による応力は、応力緩和層５によって緩和することができる。このため、下部クラッド層２におけるクラックや剥離の発生並びに上部クラッド層４におけるクラックや剥離の発生を有効に防止することができる。
応力緩和層５の厚みは、０．０５μｍ以上であることが好ましく、コア層３の厚みの１／４以下であることが好ましい。さらに好ましくは、０．１μｍ〜１０μｍの範囲内である。
本参考例においては、下部クラッド層２、コア層３、上部クラッド層４、及び応力緩和層５は、いずれも有機無機複合体から形成されている。基板１は、ガラス基板から形成されている。
図２は、他の参考例の光導波路を示す断面図である。図２に示す参考例においては、基板が、コア層３よりも低い屈折率を有しており、基板が下部クラッド層２を構成している。このような下部クラッド層２として用いることができる基板としては、例えば石英、テンパックスガラス、パイレックス（登録商標）ガラス等が挙げられる。
図３は、本発明に従う実施例の光導波路を示す断面図である。本実施例においては、応力緩和層５が、コア層３と同じ材料から形成されている。従って、応力緩和層５は、コア層３と一体的に形成されている。
応力緩和層５は、上部クラッド層の材料よりも貯蔵弾性率が小さい材料から形成されている。しかしながら、コア層３と同じ材料から形成されているので、屈折率はコア層３と同一である。
本実施例では、応力緩和層５をコア層３と同じ材料から形成しているので、コア層３を形成する際に、応力緩和層５を同時に形成することができる。従って、製造工程を簡略化することができる。しかしながら、コア層３と同じ材料から形成しているので、屈折率が同じであり、コア層３を伝搬する光が応力緩和層５から外部に漏れるおそれがある。このような光の漏れは、後述する種々の方法により抑制することができる。
図４は、本発明に従うさらに他の実施例の光導波路を示す断面図である。図４に示す実施例においては、下部クラッド層２が基板から形成されている。その他については図３に示す実施例と同様である。
図５は、本発明におけるコア層の断面形状の例を示す図である。図５（ａ）〜（ｄ）に示すコア層３は、角部がない形状、あるいは角部が丸みを帯びた形状を有している。このため、コア層形成の際、欠け等が生じにくい。
図６及び図７は、図３に示す実施例の光導波路の製造工程を示す断面図である。
図６（ａ）に示すように、ガラス基板１の上に、有機無機複合体からなる下部クラッド層２を形成する。
次に、図６（ｂ）に示すように、下部クラッド層２の上に、有機無機複合体からなるコア層３を形成する。コア層３の有機無機複合体としては、熱可塑性を有する有機無機複合体を形成する。このような熱可塑性を有する有機無機複合体は、例えば、熱可塑性樹脂と金属アルコキシドを含む溶液から形成することができる。コア層３を加熱し、軟化させた状態とし、次に図６（ｃ）に示すように、軟化したコア層３の上に、型１０を押し当てる。型１０には、凹部１０ａが形成されており、この凹部１０ａの形状に合わせてコア層３が形成される。また、凹部１０ａの周辺部分においては、応力緩和層５が形成される。なお、本実施例において型１０はガラスから形成されている。
次に、図７（ｄ）に示すように、型１０を取り外し、図７（ｅ）に示すように、コア層３及び応力緩和層５の上に、有機無機複合体からなる上部クラッド層４を形成する。
図８は、以上のようにして作製した光導波路の端部を切断する状態を示す側面図である。図８に示すように、光導波路の端部をダイシングソー１１により切断し、良好な端面を露出させることができる。
図９は、さらに他の参考例の光導波路を示す断面図である。図９に示す参考例は、図１に示す参考例と同様に、基板１上に下部クラッド層２が形成されており、応力緩和層５は、コア層３と異なる材料から形成されている。
図１０は、図９に示す参考例の製造工程を示す断面図である。
図１０（ａ）に示すように、基板１の上に下部クラッド層２を形成する。次に、図１０（ｂ）に示すように、下部クラッド層２の上にコア層３を形成する。コア層３は、下部クラッド層２の全面上にコア層３を形成した後、フォトリソグラフィーとエッチングを用いて、図１０（ｂ）に示すようにパターニングして形成する。
次に、図１０（ｃ）に示すように、コア層３の上にマスク１２を設け、コア層以外の部分に応力緩和層５を形成する。マスク１２を除去した後、応力緩和層５及びコア層３の上に上部クラッド層を形成することにより、図９に示す光導波路を形成することができる。
図１１は、本発明に従うさらに他の実施例の光導波路を示す断面図である。図１１に示す実施例においては、下部クラッド層２に凹部２ａが形成され、この凹部２ａ内にコア層３が形成されている。また、応力緩和層５は、コア層３と同じ材料から形成されている。
図１２及び図１３は、図１１に示す実施例の製造工程を示す図である。
図１２（ａ）に示すように、基板１の上に下部クラッド層２を形成する。下部クラッド層２は、熱可塑性を有する有機無機複合体から形成する。下部クラッド層２を加熱して軟化させ、下方に突出した凸部１３ａを有する型１３を、軟化した状態の下部クラッド層２に押し当てる。
図１２（ｂ）に示すように、型１３の凸部１３ａにより下部クラッド層２に凹部２ａが形成される。
次に、図１３（ｃ）に示すように、型１３を取り外し、図１３（ｄ）に示すように下部クラッド層２の上にコア層３を形成する。凹部２ａに埋め込まれて、コア層３が形成されるとともに、その周辺の領域には、応力緩和層５が形成される。
次に、応力緩和層５及びコア層３の上に上部クラッド層を形成することにより、図１１に示す実施例の光導波路を作製することができる。
以下の実施例において使用する、各層の有機無機複合体を形成するための溶液は、以下の通りである。
〔クラッド層形成用溶液〕
３−メタクリロキシプロピルトリエトキシシラン（ＭＰＴＥＳ）１３．２ｇ、エタノール１６．８ｇ、塩酸（２Ｎ）１．６ｇ、及びフェニルトリエトキシシラン（ＰｈＴＥＳ）２．４ｇを混合し、３０℃で４５時間放置して、溶液Ａを作製した。この溶液Ａは、下部クラッド層及び上部クラッド層の形成に用いた。
３−メタクリロキシプロピルトリエトキシシラン（ＭＰＴＥＳ）１３．２ｇ、エタノール１６．８ｇ、塩酸（２Ｎ）１．６ｇ、及びフェニルトリエトキシシラン（ＰｈＴＥＳ）２．４ｇを混合し、３０℃で４５時間放置して、溶液Ａを作製した。この溶液Ａは、下部クラッド層及び上部クラッド層の形成に用いた。
〔コア層（応力緩和層）形成用溶液〕
ＰｈＴＥＳ３９．６ｇ、塩酸（０．０５Ｎ）５．９ｇ、及びＮ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）５３．６ｇを混合し、３０℃で１９時間放置した。この溶液１９．１ｇと、ＮＭＰ８２．５ｇにポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）１７．５ｇを溶解した溶液１０．９ｇとを３０分間混合して、溶液Ｂを作製した。この溶液Ｂを用いて、コア層及び（コア層と同じ材料で形成する場合の）応力緩和層を形成した。
ＰｈＴＥＳ３９．６ｇ、塩酸（０．０５Ｎ）５．９ｇ、及びＮ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）５３．６ｇを混合し、３０℃で１９時間放置した。この溶液１９．１ｇと、ＮＭＰ８２．５ｇにポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）１７．５ｇを溶解した溶液１０．９ｇとを３０分間混合して、溶液Ｂを作製した。この溶液Ｂを用いて、コア層及び（コア層と同じ材料で形成する場合の）応力緩和層を形成した。
〔応力緩和層形成用溶液〕
ＰｈＴＥＳ３９．６ｇ、塩酸（０．０５Ｎ）５．９ｇ、及びＮＭＰ５３．６ｇを混合し、３０℃で１９時間放置して溶液を作製した。この溶液３．３ｇと、ＮＭＰ８２．５ｇにＰＭＭＡ１７．５ｇを溶解した溶液１６．７ｇとを３０分間混合し、溶液Ｃを作製した。この溶液Ｃを用いて、応力緩和層を形成した。
ＰｈＴＥＳ３９．６ｇ、塩酸（０．０５Ｎ）５．９ｇ、及びＮＭＰ５３．６ｇを混合し、３０℃で１９時間放置して溶液を作製した。この溶液３．３ｇと、ＮＭＰ８２．５ｇにＰＭＭＡ１７．５ｇを溶解した溶液１６．７ｇとを３０分間混合し、溶液Ｃを作製した。この溶液Ｃを用いて、応力緩和層を形成した。
上記溶液Ａ、Ｂ及びＣから作製した有機無機複合体の屈折率及び貯蔵弾性率は、以下の通りである。
溶液Ａ：屈折率約１．５０、貯蔵弾性率約２７０００ｋｇｆ／ｃｍ2
溶液Ｂ：屈折率約１．５４、貯蔵弾性率約２２０００ｋｇｆ／ｃｍ2
溶液Ｃ：屈折率約１．５０、貯蔵弾性率約２００００ｋｇｆ／ｃｍ2
溶液Ａ：屈折率約１．５０、貯蔵弾性率約２７０００ｋｇｆ／ｃｍ2
溶液Ｂ：屈折率約１．５４、貯蔵弾性率約２２０００ｋｇｆ／ｃｍ2
溶液Ｃ：屈折率約１．５０、貯蔵弾性率約２００００ｋｇｆ／ｃｍ2
＜実施例１＞
図３に示す実施例の光導波路を以下のようにして作製した。
図３に示す実施例の光導波路を以下のようにして作製した。
図６（ａ）に示すように、直径７６ｍｍ、厚み１ｍｍのガラスからなる基板１の上に、溶液Ａをスピンコートし、塗布後、加熱炉を用いて１８０℃で２０分間加熱することにより塗膜を硬化させ、厚み約５μｍの下部クラッド層２を形成した。上記加熱により、ＭＰＴＥＳのメタクリロキシ基を重合させている。
次に、図６（ｂ）に示すように、下部クラッド層２の上に、溶液Ｂを滴下し、１２０℃で５時間乾燥することにより、溶媒を除去し、厚み約５０μｍのコア層３を形成した。
次に、コア層３を１４０℃に加熱し、軟化させた後、図６（ｃ）に示すように、ガラス製の型１０を押し付けて、型１０の形状をコア層３に転写した。型１０の凹部１０ａの幅は１００μｍであり、深さは４０μｍであり、角部の曲率半径は１０μｍであった。
以上のようにして、コア層３及び応力緩和層５を同時に形成した。応力緩和層５の厚みは約１０μｍであった。また、コア層３の厚みは約５０μｍであった。
次に、図７（ｄ）に示すように、型１０を取り外した後、図７（ｅ）に示すように、上部クラッド層４（応力緩和層５の上面から上部クラッド層４の上面までの厚み約６０μｍ）を形成した。上部クラッド層４は、溶液Ａを１２０℃で２０分間加熱し溶媒（エタノール）を除去して粘度の高い溶液とした後、これをコア層３及び応力緩和層５の上に滴下した後、中心波長３６５ｎｍ、強度２００ｍＷ／ｃｍ2（距離１０ｍｍ）の紫外線照射装置で、紫外線を約３０分間照射することにより硬化させて形成した。
なお、上部クラッド層４を形成する際には、２回にわけて形成した。すなわち、上部クラッド層４の形成に必要な量の半分をまず塗布し、紫外線を照射した後、残りの半分の溶液をこの上に塗布し紫外線を照射して硬化した。このように複数回に分けて上部クラッド層を形成することにより、上部クラッド層にクラックや剥離等が発生するのを防止することができる。なお、以下の実施例においては、同様に２回に分けて上部クラッド層を形成している。
なお、下部クラッド層２及び上部クラッド層４の有機無機複合体において、ＭＰＴＥＳのメタクリロキシ基は重合している。下部クラッド層２においては、熱により重合しており、上部クラッド層４においては紫外線照射により重合している。
上部クラッド層４を紫外線照射により硬化したのは、重合のために加熱しようとすると、コア層３及び応力緩和層５が熱可塑性を有するので変形するおそれがあるからである。従って、コア層３及び応力緩和層５が熱により変形するのを避けるため、上部クラッド層４を紫外線照射により硬化させている。
〔応力緩和効果の評価〕
応力緩和層による応力緩和効果を評価するため、ガラス基板上に、溶液Ａを用いて下部クラッド層（厚み約５μｍ）を形成し、その上に溶液Ｂを用いて応力緩和層（厚み約１０μｍ）を形成し、その上に溶液Ａを用いて上部クラッド層（厚み約６０μｍ）を形成し、サンプルを作製した。このサンプルを５０個作製し、光学顕微鏡で観察を行った結果、３個のサンプルにおいて上部クラッド層と下部クラッド層の剥離が認められた。
応力緩和層による応力緩和効果を評価するため、ガラス基板上に、溶液Ａを用いて下部クラッド層（厚み約５μｍ）を形成し、その上に溶液Ｂを用いて応力緩和層（厚み約１０μｍ）を形成し、その上に溶液Ａを用いて上部クラッド層（厚み約６０μｍ）を形成し、サンプルを作製した。このサンプルを５０個作製し、光学顕微鏡で観察を行った結果、３個のサンプルにおいて上部クラッド層と下部クラッド層の剥離が認められた。
これに対し、比較のため、基板上に下部クラッド層及び上部クラッド層を形成したサンプルを作製した。このサンプルにおいては、上部クラッド層と下部クラッド層との間に応力緩和層は形成されていない。このサンプルを５０個作製し、光学顕微鏡で観察したところ、１１個のサンプルにおいて上部クラッド層と下部クラッド層の剥離が認められた。
以上の結果から、応力緩和層を上部クラッド層と下部クラッド層の間に設けることにより、上部クラッド層形成の際の応力を緩和することができ、クラックや剥離の発生を防止できることがわかる。
〔耐水性試験〕
上記の同様に、上部クラッド層と下部クラッド層の間に応力緩和層を形成したサンプルを５０個作製し、これらのサンプルを２３℃の水に２４時間浸漬させた。この結果、５個のサンプルにおいて上部クラッド層及び下部クラッド層の剥離が認められた。これに対し、上記と同様に応力緩和層を設けていない比較のサンプルを５０個作製し、同様の耐水性試験を行った結果、２０個のサンプルにおいて上部クラッド層と下部クラッド層との剥離が認められた。
上記の同様に、上部クラッド層と下部クラッド層の間に応力緩和層を形成したサンプルを５０個作製し、これらのサンプルを２３℃の水に２４時間浸漬させた。この結果、５個のサンプルにおいて上部クラッド層及び下部クラッド層の剥離が認められた。これに対し、上記と同様に応力緩和層を設けていない比較のサンプルを５０個作製し、同様の耐水性試験を行った結果、２０個のサンプルにおいて上部クラッド層と下部クラッド層との剥離が認められた。
以上のことから、上部クラッド層と下部クラッド層との間に応力緩和層を設けることにより、耐水性が高められることがわかる。
＜参考例２＞
図９に示す参考例の光導波路を作製した。
図９に示す参考例の光導波路を作製した。
図１０（ａ）に示すように、直径７６ｍｍ、厚み１ｍｍのガラス基板１の上に、溶液Ａを用いてスピンコートし、加熱炉を用いて１８０℃で２０分間加熱して厚み約２μｍの下部クラッド層２を形成した。
次に、下部クラッド層２の上に、溶液Ｂを滴下して塗布し、１２０℃で５時間乾燥することにより、溶媒を除去し、厚み約５０μｍのコア層３を形成した。このコア層３をフォトリソグラフィー法とエッチング法によりパターニングして、図１０（ｂ）に示す形状のコア層３を形成した。
次に、図１０（ｃ）に示すように、コア層３の上にマスク１２を配置し、溶液Ｃを滴下して塗布し、１２０℃で５時間乾燥させて、厚さ約１０μｍの応力緩和層５を形成した。
マスク１２を取り除いた後、上記実施例１と同様にして、溶液Ａの溶媒を除去して粘性を高めた溶液を滴下して塗布し、その後約３０分間紫外線照射することにより、上部クラッド層４（厚み約６０μｍ）を形成した。
〔応力緩和効果の評価〕
上記実施例１と同様にして、基板の上に、下部クラッド層、応力緩和層、及び上部クラッド層をこの順で形成したサンプルを５０個作製した。なお、ここで応力緩和層は、溶液Ｃから形成した。実施例１と同様に光学顕微鏡で観察した結果、２個のサンプルで上部クラッド層及び下部クラッド層の剥離が観察された。
上記実施例１と同様にして、基板の上に、下部クラッド層、応力緩和層、及び上部クラッド層をこの順で形成したサンプルを５０個作製した。なお、ここで応力緩和層は、溶液Ｃから形成した。実施例１と同様に光学顕微鏡で観察した結果、２個のサンプルで上部クラッド層及び下部クラッド層の剥離が観察された。
〔耐水性の評価〕
上記と同様のサンプル５０個について、上記実施例１と同様に耐水性試験を行った結果、１７個のサンプルで剥離が観察された。
上記と同様のサンプル５０個について、上記実施例１と同様に耐水性試験を行った結果、１７個のサンプルで剥離が観察された。
以上の結果から、実施例１と同様に本参考例においても、応力緩和層を設けることにより、上部クラッド層形成の際の応力を緩和することができ、剥離の発生を抑制できることがわかる。また、耐水性についても改善されることがわかる。
＜実施例３＞
図１１に示す実施例の光導波路を作製した。
図１１に示す実施例の光導波路を作製した。
図１２（ａ）に示すように、直径７６ｍｍ、厚み１ｍｍのガラス基板１の上に、溶液Ａを滴下し、ガラス製の型１３を押し当てながら、加熱炉を用い１８０℃で２０分間加熱することにより下部クラッド層２を硬化させて形成した。型１３には、凸部１３ａが形成されており、凸部１３ａの幅は１００μｍ、高さは４０μｍ、角部の曲率半径は１０μｍである。
図１３（ｃ）に示すように、型１３を取り外すことにより、凹部２ａを有する下部クラッド層２が形成された。下部クラッド層２の厚みは約７０μｍである。
次に、下部クラッド層２の上に溶液Ｂを滴下し、１２０℃で５時間乾燥することにより溶媒を蒸発させて硬化させた。これにより、凹部２ａ内にコア層３が形成され、その周囲に応力緩和層５が形成された。
次に、この上に溶液Ａを滴下し、紫外線を３０分間照射することにより硬化させて、上部クラッド層４（厚み約３０μｍ）を形成した。
＜実施例４＞
図１４は、本発明に従うさらに他の実施例の光導波路を示す断面図である。本実施例においては、応力緩和層５と上部クラッド層４の界面５ａに凹凸が形成されている。このような凹凸５ａを形成することにより、コア層４からの光が応力緩和層５を通り、外部に漏れるのを防止することができる。凹凸５ａは、表面粗さＲmax約１μｍに相当する凹凸である。
図１４は、本発明に従うさらに他の実施例の光導波路を示す断面図である。本実施例においては、応力緩和層５と上部クラッド層４の界面５ａに凹凸が形成されている。このような凹凸５ａを形成することにより、コア層４からの光が応力緩和層５を通り、外部に漏れるのを防止することができる。凹凸５ａは、表面粗さＲmax約１μｍに相当する凹凸である。
図１５（ａ）に示すように、実施例１と同様にして、基板１の上に、下部クラッド層２及びコア層３を形成する。応力緩和層に相当する領域に凹凸１４ａが形成され、かつコア層に相当する領域に凹部１４ｂが形成された型１４を、図１５（ｂ）に示すようにコア層３に押し付ける。凹凸１４ａは、表面粗さＲmax約１μｍに相当する凹凸が形成されており、この凹凸が、応力緩和層５の表面に転写される。
図１５（ｃ）に示すように、型１４を取り除くことにより、応力緩和層５の表面に凹凸５ａが形成された状態となる。次に、実施例１と同様にこの上部クラッド層を形成することにより、図１４に示す光導波路が得られる。
作製した光導波路における光漏れを、図１８に示す装置を用いて評価した。図１８に示す装置においては、コア径約７μｍの光ファイバーが設けられており、その一方端面に波長６５０ｎｍのレーザ光１８を導入し、他方端面に、光導波路のコア層３を配置する。コア層３の一方端面に入射したレーザ光は、コア層３内を通り、他方端面からスクリーン１７に出射される。このスクリーン１７に出射された光のスポットを矢印の方向から観察することにより、光漏れの状態を観察することができる。この結果、本実施例の光導波路の場合、コア層３に対応したシャープな光スポットが観察された。これに対し、実施例１の光導波路を用いた場合には、光スポットの周りに弱い光が観察された。従って、実施例１の場合、応力緩和層から光が漏れていることがわかる。
本実施例では、応力緩和層に漏れ出た光が、応力緩和層と上部クラッド層の界面の凹凸により、光導波路の上方に散乱されるため、スクリーンに到達しなかったものと考えられる。
＜実施例５＞
図１６は、本発明に従うさらに他の実施例の光導波路を示す断面図である。本実施例においては、応力緩和層５の上部クラッド層４側の界面に、光吸収成分としての炭素粒子６が含有されている。
図１６は、本発明に従うさらに他の実施例の光導波路を示す断面図である。本実施例においては、応力緩和層５の上部クラッド層４側の界面に、光吸収成分としての炭素粒子６が含有されている。
図１７は、図１６に示す実施例の製造工程を示す断面図である。図１７（ａ）に示すように、応力緩和層に対応する部分である型１５の先端面１５ｂの上に炭素粒子６を付着させ、この型１５を、図１７（ｂ）に示すように、コア層３に押し付ける。これにより、応力緩和層５の中に炭素粒子６が配置される。また、型１５の凹部１５ａに対応する領域にコア層３が形成される。
図１７（ｃ）に示すように、型１５を取り除くことにより、応力緩和層５の表面に炭素粒子６が含有された状態となる。次に、コア層３及び応力緩和層５の上に上部クラッド層４を形成することにより、図１６に示す実施例の光導波路が作製される。
本実施例において、炭素粒子６としては、平均粒径約１μｍの炭素粉を用いた。
実施例４と同様にして、図１８の装置を用いて本実施例の光導波路について光漏れを評価したところ、スクリーンにシャープな光スポットが観察され、実施例４と同様に応力緩和層からの光漏れが防止されることが確認された。これは、応力緩和層中に含有させた炭素粒子により、応力緩和層に漏れ出た光が散乱または吸収され、それによってスクリーンまで到達しなかったものと考えられる。
＜実施例６＞
応力緩和層の厚みを、０．０２μｍ、０．０５μｍ、０．１μｍ、０．３μｍ、及び１０μｍと変化させる以外は、実施例１と同様にして光導波路を作製した。それぞれ５０個の光導波路のサンプルを作製し、光学顕微鏡を用いて観察した結果、応力緩和層の厚みが０．０２μｍのものでは１８個のサンプルに、０．０５μｍのものでは１０個のサンプルに、０．１μｍのものでは４個のサンプルに、０．３μｍのものでは３個のサンプルに、１０μｍのものでは３個のサンプルに、それぞれ上部クラッド層及び下部クラッド層の剥離が観察された。
応力緩和層の厚みを、０．０２μｍ、０．０５μｍ、０．１μｍ、０．３μｍ、及び１０μｍと変化させる以外は、実施例１と同様にして光導波路を作製した。それぞれ５０個の光導波路のサンプルを作製し、光学顕微鏡を用いて観察した結果、応力緩和層の厚みが０．０２μｍのものでは１８個のサンプルに、０．０５μｍのものでは１０個のサンプルに、０．１μｍのものでは４個のサンプルに、０．３μｍのものでは３個のサンプルに、１０μｍのものでは３個のサンプルに、それぞれ上部クラッド層及び下部クラッド層の剥離が観察された。
上記の結果から、応力緩和層の厚みとしては、０．０５μｍ以上であることが好ましく、さらに好ましくは、０．１μｍ以上であることがわかる。
また、コア層の高さが４０μｍのとき、応力緩和層の厚みが１０μｍ以上になると距離２０ｍｍのコア層中を光が伝搬する間に、５０％以上の光が応力緩和層を伝搬し、漏れ出ることがわかった。同様に、コア層の高さが８０μｍのとき、応力緩和層の厚みが２０μｍ以上になると、５０％以上の光が漏れ出ることがわかった。
以上のことから、応力緩和層の厚みｔは、コア層の高さをＨとすると、０．０５μｍ≦ｔ≦０．２５Ｈの範囲内であることが好ましく、さらに好ましくは、０．１μｍ≦ｔ≦１０μｍであることがわかる。
＜実施例７＞
図１９は、本発明に従うさらに他の実施例の光導波路を側方から見た断面図である。図１９に示すように、コア層３の光が入射及び／または出射する端面３ａの上には、保護層７が設けられている。保護層７は、上部クラッド層４と同じ材料から形成されている。従って、保護層７は、上部クラッド層４と一体的に形成されている。
図１９は、本発明に従うさらに他の実施例の光導波路を側方から見た断面図である。図１９に示すように、コア層３の光が入射及び／または出射する端面３ａの上には、保護層７が設けられている。保護層７は、上部クラッド層４と同じ材料から形成されている。従って、保護層７は、上部クラッド層４と一体的に形成されている。
図２０は、図１９に示す実施例と同様に、コア層３の端面３ａの上に、保護層７が設けられている。図２０に示す実施例では、この保護層７は、基板１の下方にも設けられている。
図１９及び図２０に示す実施例において、保護層７の厚みは約５０μｍである。端面３ａを保護層７で覆うことにより、光出力が約３％増加した。
保護層７を形成することにより、コア層への水分侵入や汚染物質の付着等を防止することができ、これによって光出力特性が向上したものと考えられる。
＜実施例８＞
図２１は、本発明に従うさらに他の実施例の光導波路を示す断面図である。図２１に示す実施例においては、コア層３近傍の応力緩和層５に、コア層３と応力緩和層５を分離する溝８が形成されている。溝８内には、上部クラッド層４と同じ材料が充填されている。従って、応力緩和層５より低い屈折率を有する材料が溝８内に充填されている。このため、コア層３内を伝搬する光は溝８内の材料により反射される。従って、応力緩和層５から光が漏れ出すのを防止することができる。
図２１は、本発明に従うさらに他の実施例の光導波路を示す断面図である。図２１に示す実施例においては、コア層３近傍の応力緩和層５に、コア層３と応力緩和層５を分離する溝８が形成されている。溝８内には、上部クラッド層４と同じ材料が充填されている。従って、応力緩和層５より低い屈折率を有する材料が溝８内に充填されている。このため、コア層３内を伝搬する光は溝８内の材料により反射される。従って、応力緩和層５から光が漏れ出すのを防止することができる。
溝８は、実施例１と同様にしてコア層３及び応力緩和層５を形成した後、ダイシングソー等を用いて形成することができる。溝８を形成した後、実施例１と同様にして上部クラッド層４を形成することにより、溝８内には、上部クラッド層４と同じ材料が充填される。
本実施例においては、コア層３に型を押し付けることにより凸形状を形成する工程（図６（ｃ））を経ずに図６（ｂ）の後にダイシングソー等で溝８を形成しても、溝８で応力緩和層５とコア層３が完全に分離されるため同様の結果が得られる。なお、この場合はコア層の厚みと応力緩和層の厚みは同一となる。
なお、本実施例においても、上部クラッド層４は複数回に分けて形成することが好ましい。例えば、所定量の半分の溶液Ａを塗布し、紫外線を照射し硬化させて溝８内を充填させた後、残りの半分の溶液Ａを塗布し、紫外線照射し硬化させて形成することが好ましい。なお、以下の実施例においても同様である。
＜実施例９＞
図２２は、本発明に従うさらに他の実施例の光導波路を示す断面図である。
図２２は、本発明に従うさらに他の実施例の光導波路を示す断面図である。
本実施例は、図１１に示す実施例において、コア層３近傍の応力緩和層５にコア層３と応力緩和層５を分離する溝８を形成し、この溝８に上部クラッド層４と同じ材料を充填したものである。実施例８と同様に、このような溝８を形成することにより、コア層３からの光の漏れを防止することができる。
溝８は、コア層３及び応力緩和層５を形成した後、ダイシングソーを用いて形成することができる。溝８を形成した後、上部クラッド層４を形成することにより、溝８内に上部クラッド層４と同じ材料を充填することができる。
＜実施例１０＞
図２３は、本発明に従うさらに他の実施例の光導波路を示す断面図である。
図２３は、本発明に従うさらに他の実施例の光導波路を示す断面図である。
本実施例は、図２１に示す実施例８において、上部クラッド層４の上に上部基板９が設けられている点において異なっている。上部基板９としては、例えばガラス基板を用いることができる。その他は、図２１に示す実施例８と同様である。
＜実施例１１＞
本実施例においては、図２２に示す実施例９において、上部クラッド層４の上に上部基板９が設けられている実施例である。その他は、実施例９と同様である。
本実施例においては、図２２に示す実施例９において、上部クラッド層４の上に上部基板９が設けられている実施例である。その他は、実施例９と同様である。
＜実施例１２＞
図２５は、本発明に従うさらに他の光導波路を示す断面図である。
図２５は、本発明に従うさらに他の光導波路を示す断面図である。
本実施例においては、溝８が、上部クラッド層４及び上部基板９にも形成されている。溝８内には、上部クラッド層４と同じ材料１９が充填されている。
本実施例においては、上部クラッド層４の上に、上部基板９を設け、その後、ダイシングソーを用いて溝８を形成し、形成した溝８内に上部クラッド層４と同じ材料１９を充填することにより形成することができる。
本実施例においても、上記実施例と同様にコア層３からの光の漏れを防止することができる。
＜実施例１３＞
図２６は、本発明に従うさらに他の実施例を示す断面図である。
図２６は、本発明に従うさらに他の実施例を示す断面図である。
本実施例においては、上部クラッド層４及び上部基板９にも溝８が形成されている。図２５に示す実施例１２と同様に、上部クラッド層４の上に上部基板９を設けた後、ダイシングソーを用いて溝８を形成し、この溝８に、上部クラッド層４と同じ材料１９を充填することにより形成することができる。
本実施例においても、溝８を形成することにより、コア層３からの光の漏れを防止することができる。
上記の実施例８〜１３においては、溝８内に充填する材料として、上部クラッド層４と同じ材料を例示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、応力緩和層５の材料より低い屈折率を有するものであれば、その他の材料を用いてもよい。
上記の各実施例においては、コア層を加熱により軟化させた状態で、型を押し当てて成形しているが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、粘性を有する液体を塗布し、これに型を押し当てた状態で紫外線照射等により硬化させて所定の形状にコア層を成形してもよい。例えば、ＭＰＴＭＳ３．６ｇ、エタノール１６．８ｇ、塩酸（２Ｎ）１．６ｇ、ＰｈＴＥＳ１１．７ｇを混合した溶液を調製し、この溶液を３０℃で４５時間放置した後、１２０℃で２０分間加熱して溶媒を除去することにより粘性の高い液体とし、この液体を用いて、上記のように型を押し当てた状態で紫外線を照射し、所定の形状に成形してもよい。
また、上記実施例においては、光導波路の各層を有機無機複合体から形成しているが、これらの層の内のいずれかを有機無機複合体から形成したような光導波路であってもよいし、各層を有機無機複合体以外の材料から形成してもよい。
＜実施例１４＞
図２７は、本発明の光通信用デバイスとしての光送受信モジュールを用いた光伝送系を示す斜視図である。光ファイバー２６の両端に、光送受信モジュール２０及び２３が接続されている。光送受信モジュール２０及び２３には、それぞれ実施例１の光導波路から形成したＹ分岐光導波路２７及び２８が設けられている。Ｙ分岐光導波路２７及び２８の先端には、光ファイバー２６の端部が接続されており、Ｙ分岐光導波路２７及び２８の分岐端には、それぞれレーザダイオード２１及び２４並びにフォトダイオード２２及び２５が接続されている。光ファイバー２６としては、コア径が５０μｍのガラス製マルチモード光ファイバーを用いている。
図２７は、本発明の光通信用デバイスとしての光送受信モジュールを用いた光伝送系を示す斜視図である。光ファイバー２６の両端に、光送受信モジュール２０及び２３が接続されている。光送受信モジュール２０及び２３には、それぞれ実施例１の光導波路から形成したＹ分岐光導波路２７及び２８が設けられている。Ｙ分岐光導波路２７及び２８の先端には、光ファイバー２６の端部が接続されており、Ｙ分岐光導波路２７及び２８の分岐端には、それぞれレーザダイオード２１及び２４並びにフォトダイオード２２及び２５が接続されている。光ファイバー２６としては、コア径が５０μｍのガラス製マルチモード光ファイバーを用いている。
光送受信モジュール２０のレーザダイオード２１から１００ｋＨｚのパルス波を入射したところ、光送受信モジュール２３のフォトダイオード２５からパルス波を再現することができた。また、レーザダイオード２４からの信号も、フォトダイオード２２で受信することができた。従って、光送受信モジュールとして機能することが確認された。
以下の実施例１５〜１９においては、上部クラッド層等を光硬化させる際に照射する紫外線が下部クラッド層に到達しないようにするため応力緩和層とクラッド層との界面に凹凸を形成する実施例について説明する。
＜実施例１５＞
〔コア層（応力緩和層）形成用溶液〕
３−メタクリロキシプロピルトリエトキシシラン（ＭＰＴＥＳ）：５．５ｍｌ
フェニルトリメトキシシラン（ＰｈＴＭＳ）：５．８ｍｌ
反応触媒としての塩酸を含む水溶液（濃度２Ｎの塩酸）：１．６５ｍｌ
エタノール：２０．５ｍｌ
を混合した後、２４時間放置することにより、ＭＰＴＥＳ及びＰｈＴＭＳを加水分解し、重縮合させた。得られた重縮合物の液４ｍｌをシャーレに取り、重合開始剤として１−ヒドロキシ−シクロヘキシル−フェニル−ケトンを１０ｍｇ溶解した後、１００℃で加熱することにより、エタノールを蒸発除去し、約１ｇの粘性液体を得た。この粘性液体１ｇに
トリメチルエトキシシラン：３ｍｌ
無水トリフルオロ酢酸：０．８ｍｌ
を混合し、２４時間放置した後、１００℃に加熱乾燥することにより、過剰のトリメチルエトキシシラン及び無水トリフルオロ酢酸を蒸発除去し、溶液Ｄを作製した。この溶液Ｄを用いて、コア層及び応力緩和層を形成した。
〔コア層（応力緩和層）形成用溶液〕
３−メタクリロキシプロピルトリエトキシシラン（ＭＰＴＥＳ）：５．５ｍｌ
フェニルトリメトキシシラン（ＰｈＴＭＳ）：５．８ｍｌ
反応触媒としての塩酸を含む水溶液（濃度２Ｎの塩酸）：１．６５ｍｌ
エタノール：２０．５ｍｌ
を混合した後、２４時間放置することにより、ＭＰＴＥＳ及びＰｈＴＭＳを加水分解し、重縮合させた。得られた重縮合物の液４ｍｌをシャーレに取り、重合開始剤として１−ヒドロキシ−シクロヘキシル−フェニル−ケトンを１０ｍｇ溶解した後、１００℃で加熱することにより、エタノールを蒸発除去し、約１ｇの粘性液体を得た。この粘性液体１ｇに
トリメチルエトキシシラン：３ｍｌ
無水トリフルオロ酢酸：０．８ｍｌ
を混合し、２４時間放置した後、１００℃に加熱乾燥することにより、過剰のトリメチルエトキシシラン及び無水トリフルオロ酢酸を蒸発除去し、溶液Ｄを作製した。この溶液Ｄを用いて、コア層及び応力緩和層を形成した。
〔クラッド層形成用溶液〕
上記ＰｈＴＭＳの量を４．５ｍｌとする以外は、上記コア層（応力緩和層）形成用溶液と同様にして、溶液Ｅを作製した。この溶液Ｅを用いて、上部クラッド層及び下部クラッド層を形成した。
上記ＰｈＴＭＳの量を４．５ｍｌとする以外は、上記コア層（応力緩和層）形成用溶液と同様にして、溶液Ｅを作製した。この溶液Ｅを用いて、上部クラッド層及び下部クラッド層を形成した。
上記溶液Ｄ及びＥから作製した有機無機複合体の屈折率及び貯蔵弾性率は、以下の通りである。
溶液Ｄ：屈折率１．５１９、貯蔵弾性率約２７０００ｋｇｆ／ｃｍ2
溶液Ｅ：屈折率１．５１５、貯蔵弾性率約２８０００ｋｇｆ／ｃｍ2
溶液Ｄ：屈折率１．５１９、貯蔵弾性率約２７０００ｋｇｆ／ｃｍ2
溶液Ｅ：屈折率１．５１５、貯蔵弾性率約２８０００ｋｇｆ／ｃｍ2
図３１は、本実施例の光導波路を示す断面図である。図３１に示すように、応力緩和層５と上部クラッド層４との界面に凹凸５ａが形成されている。このような凹凸５ａを形成することにより、応力緩和層５自体で紫外線を吸収し、紫外線が下部クラッド層２に到達しないようにすることができる。このため、上部クラッド層４またはコア層３を光硬化させる時の紫外線照射量を再現性良く、高精度に設定することができる。
凹凸５ａは、図２８に示すようなストライプ状の凹凸であり、半径０．３μｍの半円柱をストライプ状にピッチ０．５μｍの間隔で並べた形状を有している。なお、この凹凸５ａは、表面粗さＲmax０．３μｍに相当する。
図３２及び図３３は、図３１に示す実施例の光導波路を製造する工程を説明するための断面図である。
まず、図３２（ａ）に示すように、ガラス基板１の上に溶液Ｅを滴下し、シリコーンゴム製の型１３を押し当てながら、３６５ｎｍの中心波長を持つ強度１００ｍＷの紫外線ランプを用いて、３０分間紫外線を照射して硬化させ、下部クラッド層２を形成した。型１３には、凸部１３ａが形成されており、凸部１３ａの幅は７μｍ、高さは７μｍである。従って、凸部１３ａにより形成されるコア層は、光通信波長帯域である１３００ｎｍまたは１５５０ｎｍ帯において、いわゆるシングルモード光導波路となる。
次に、図３２（ｂ）に示すように、下部クラッド層２の溝部分に溶液Ｄを流し込み、図３３（ｃ）に示すように、シリコーンゴム製の型１４を押し当てながら、３６５ｎｍの中心波長を有する紫外線ランプを用いて、３０分間紫外線を照射して硬化させ、コア層３及び応力緩和層５を形成した。応力緩和層５の平均厚みは、０．５μｍである。型１４には、図３２（ｂ）に示すように、応力緩和層の凹凸５ａに対応する凹凸１４ａが形成されている。
次に、図３３（ｄ）に示すように、型１４を取り外し、コア層３及び応力緩和層５の上に、溶液Ｅを滴下し、その上に上部ガラス基板９を載せ、この状態で、３６５ｎｍの中心波長を有する紫外線ランプを用いて、３０分間紫外線を照射して硬化させ、上部クラッド層４を形成した。
以上のようにして、図３１に示す実施例の光導波路のサンプルを５０個作製し、上部クラッド層の屈折率を測定した。上部クラッド層の屈折率は、上部ガラス基板を除去した後、プリズムカプラ装置を用いて測定した。この結果、上部クラッド層の屈折率のばらつきは±０．００７％であった。
比較として、応力緩和層の表面に凹凸を形成しない以外は、上記実施例と同様にして光導波路のサンプルを５０個作製し、上部クラッド層の屈折率を測定した。この結果、この比較サンプルにおいて、上部クラッド層の屈折率のばらつきは±０．０１５％であった。
以上のことから、応力緩和層の表面に凹凸を形成することにより、上部クラッド層の屈折率を高精度に制御できることがわかる。
＜実施例１６＞
上記実施例１５と同様にして、図３４に示す構造の光導波路を作製した。図３４に示す実施例においては、下部クラッド層２と応力緩和層５との界面に凹凸５ｂが形成されている。この凹凸５ｂは、上記実施例１５と同様の形状である。この凹凸５ｂは、図３２（ａ）に示す型１３の対応箇所に凹凸形状を形成しておくことにより下部クラッド層２の表面に形成することができる。この実施例においても、上記実施例１５と同様に、上部クラッド層４の屈折率を制御できることが確認された。
上記実施例１５と同様にして、図３４に示す構造の光導波路を作製した。図３４に示す実施例においては、下部クラッド層２と応力緩和層５との界面に凹凸５ｂが形成されている。この凹凸５ｂは、上記実施例１５と同様の形状である。この凹凸５ｂは、図３２（ａ）に示す型１３の対応箇所に凹凸形状を形成しておくことにより下部クラッド層２の表面に形成することができる。この実施例においても、上記実施例１５と同様に、上部クラッド層４の屈折率を制御できることが確認された。
＜実施例１７＞
上記実施例１５及び実施例１６と同様にして、図３５に示す光導波路を作製した。図３５に示す実施例においては、応力緩和層５と上部クラッド層４との界面に凹凸５ａが形成されており、応力緩和層５と下部クラッド層２との界面に凹凸５ｂが形成されている。このように両方の界面に凹凸を形成することにより、上部クラッド層４の屈折率のばらつきはさらに改善され、±０．００６％まで低減することができた。
上記実施例１５及び実施例１６と同様にして、図３５に示す光導波路を作製した。図３５に示す実施例においては、応力緩和層５と上部クラッド層４との界面に凹凸５ａが形成されており、応力緩和層５と下部クラッド層２との界面に凹凸５ｂが形成されている。このように両方の界面に凹凸を形成することにより、上部クラッド層４の屈折率のばらつきはさらに改善され、±０．００６％まで低減することができた。
＜実施例１８＞
応力緩和層に形成する凹凸形状を、図２９に示す島状とする以外は、実施例１５と同様にして、光導波路を形成した。凹凸における島の大きさは、幅０．３μｍ、奥行き０．５μｍ、高さ０．５μｍであり、隣り合う島との間隔はそれぞれ０．５μｍである。この凹凸は、表面粗さＲmax０．５μｍに相当する。
応力緩和層に形成する凹凸形状を、図２９に示す島状とする以外は、実施例１５と同様にして、光導波路を形成した。凹凸における島の大きさは、幅０．３μｍ、奥行き０．５μｍ、高さ０．５μｍであり、隣り合う島との間隔はそれぞれ０．５μｍである。この凹凸は、表面粗さＲmax０．５μｍに相当する。
本実施例では、上部クラッド層の屈折率のばらつきを±０．００６％まで低減することができた。
＜実施例１９＞
応力緩和層に形成する凹凸を、図３０に示すような島状にする以外は、実施例１５と同様にして光導波路を作製した。１つの島の大きさは、幅０．３μｍ、奥行き０．３μｍ、高さ０．５μｍであり、島が分散する密度は、島の表面の面積が応力緩和層全体の表面の面積の約４０％を占めるように設定した。この凹凸は、表面粗さＲmax０．５μｍに相当する。
応力緩和層に形成する凹凸を、図３０に示すような島状にする以外は、実施例１５と同様にして光導波路を作製した。１つの島の大きさは、幅０．３μｍ、奥行き０．３μｍ、高さ０．５μｍであり、島が分散する密度は、島の表面の面積が応力緩和層全体の表面の面積の約４０％を占めるように設定した。この凹凸は、表面粗さＲmax０．５μｍに相当する。
本実施例では、上部クラッド層の屈折率のばらつきを、±０．００７％まで低減することができた。
＜実施例２０＞
〔コア層（応力緩和層）形成用溶液〕
３−メタクリロキシプロピルトリエトキシシラン（ＭＰＴＥＳ）：４．０ｍｌ
ジフェニルジエトキシシラン（ＤＰｈＤＥＳ）：３．３ｍｌ
反応触媒としての塩酸を含む水溶液（濃度２Ｎの塩酸）：１．１８ｍｌ
エタノール：１５ｍｌ
を混合した後、２４時間放置することにより、ＭＰＴＥＳ及びＤＰｈＤＥＳを加水分解し、重縮合させた。得られた重縮合物の液４ｍｌをシャーレに取り、重合開始剤として１−ヒドロキシ−シクロヘキシル−フェニル−ケトンを１０ｍｇ溶解した後、１００℃で加熱することにより、エタノールを蒸発除去し、約１ｇの粘性液体を得た。この粘性液体１ｇに
トリメチルエトキシシラン：３ｍｌ
無水トリフルオロ酢酸：０．８ｍｌ
を混合し、２４時間放置した後、１００℃に加熱乾燥することにより、過剰のトリメチルエトキシシラン及び無水トリフルオロ酢酸を蒸発除去し、溶液Ｆを作製した。この溶液Ｆを用いて、コア層及び応力緩和層を形成した。
〔コア層（応力緩和層）形成用溶液〕
３−メタクリロキシプロピルトリエトキシシラン（ＭＰＴＥＳ）：４．０ｍｌ
ジフェニルジエトキシシラン（ＤＰｈＤＥＳ）：３．３ｍｌ
反応触媒としての塩酸を含む水溶液（濃度２Ｎの塩酸）：１．１８ｍｌ
エタノール：１５ｍｌ
を混合した後、２４時間放置することにより、ＭＰＴＥＳ及びＤＰｈＤＥＳを加水分解し、重縮合させた。得られた重縮合物の液４ｍｌをシャーレに取り、重合開始剤として１−ヒドロキシ−シクロヘキシル−フェニル−ケトンを１０ｍｇ溶解した後、１００℃で加熱することにより、エタノールを蒸発除去し、約１ｇの粘性液体を得た。この粘性液体１ｇに
トリメチルエトキシシラン：３ｍｌ
無水トリフルオロ酢酸：０．８ｍｌ
を混合し、２４時間放置した後、１００℃に加熱乾燥することにより、過剰のトリメチルエトキシシラン及び無水トリフルオロ酢酸を蒸発除去し、溶液Ｆを作製した。この溶液Ｆを用いて、コア層及び応力緩和層を形成した。
〔クラッド層形成用溶液〕
上記ＤＰｈＤＥＳの量を２．５ｍｌとする以外は、上記コア層（応力緩和層）形成用溶液と同様にして、溶液Ｇを作製した。この溶液Ｇを用いて、上部クラッド層及び下部クラッド層を形成した。
上記ＤＰｈＤＥＳの量を２．５ｍｌとする以外は、上記コア層（応力緩和層）形成用溶液と同様にして、溶液Ｇを作製した。この溶液Ｇを用いて、上部クラッド層及び下部クラッド層を形成した。
上記溶液Ｆ及びＧから作製した有機無機複合体の屈折率及び貯蔵弾性率は、以下の通りである。
溶液Ｆ：屈折率１．５４７、貯蔵弾性率約２５０００ｋｇｆ／ｃｍ2
溶液Ｇ：屈折率１．５４２、貯蔵弾性率約２６０００ｋｇｆ／ｃｍ2
溶液Ｆ：屈折率１．５４７、貯蔵弾性率約２５０００ｋｇｆ／ｃｍ2
溶液Ｇ：屈折率１．５４２、貯蔵弾性率約２６０００ｋｇｆ／ｃｍ2
コア層（応力緩和層）形成用溶液、及びクラッド層形成用溶液として上記のものを用いる以外は実施例１９と同様にして光導波路を作製した。
本実施例では、上部クラッドの屈折率のばらつきを±０．００７まで低減することができた。
１…基板
２…下部クラッド層
３…コア層
４…上部クラッド層
５…応力緩和層
６…炭素粒子
７…保護層
８…溝
９…上部基板
１０…型
１１…ダイシングソー
１２…マスク
１３，１４，１５…型
１６…光ファイバー
１７…半透明スクリーン
１８…レーザ光
２０，２３…光送受信モジュール
２１，２４…レーザダイオード
２２，２５…フォトダイオード
２６…光ファイバー
２７，２８…Ｙ分岐光導波路
２…下部クラッド層
３…コア層
４…上部クラッド層
５…応力緩和層
６…炭素粒子
７…保護層
８…溝
９…上部基板
１０…型
１１…ダイシングソー
１２…マスク
１３，１４，１５…型
１６…光ファイバー
１７…半透明スクリーン
１８…レーザ光
２０，２３…光送受信モジュール
２１，２４…レーザダイオード
２２，２５…フォトダイオード
２６…光ファイバー
２７，２８…Ｙ分岐光導波路
Claims (20)
- 光伝搬領域となるコア層と、該コア層の周囲を覆う上部クラッド層及び下部クラッド層と備え、前記上部クラッド層が有機無機複合体から形成されており、硬化によって体積の収縮を伴って形成される光導波路であって、
前記上部クラッド層と前記下部クラッド層が接する領域の少なくとも一部において、前記上部クラッド層と前記下部クラッド層の間に、前記上部クラッド層の体積収縮に伴い発生する応力を緩和する応力緩和層が設けられ、前記応力緩和層が、前記コア層と同じ材料から形成され、かつ前記コア層と一体化して形成されており、
前記応力緩和層と前記上部クラッド層及び下部クラッド層のうち少なくとも一方との界面に凹凸が形成されていることを特徴とする光導波路。 - 前記応力緩和層及び前記コア層が有機無機複合体から形成されていることを特徴とする請求項１に記載の光導波路。
- 前記下部クラッド層が、有機無機複合体から形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の光導波路。
- 前記有機無機複合体が、有機重合体と金属アルコキシドから形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の光導波路。
- 前記有機無機複合体が、少なくとも１種の金属アルコキシドから形成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の光導波路。
- 前記下部クラッド層が基板であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の光導波路。
- 前記下部クラッド層が基板の上に形成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の光導波路。
- 前記上部クラッド層の上に上部基板が設けられていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の光導波路。
- 前記上部クラッド層が、複数の層を積層することにより形成されていることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の光導波路。
- 前記コア層の厚みをＨ、前記応力緩和層の厚みをｔとすると、前記応力緩和層の厚みｔが、０．０５μｍ≦ｔ≦０．２５Ｈを満足する範囲内であることを特徴する請求項１〜９のいずれか１項に記載の光導波路。
- 前記コア層近傍の前記応力緩和層に、コア層と応力緩和層を分離する溝が形成されており、該溝に応力緩和層の材料より低い屈折率を有する材料が充填されていることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の光導波路。
- 前記溝が前記下部クラッド層にも形成されていることを特徴とする請求項１１に記載の光導波路。
- 前記溝が前記下部クラッド層を通り前記基板に到達するように形成されていることを特徴とする請求項１２に記載の光導波路。
- 前記上部クラッド層の上に前記上部基板が設けられており、該溝が前記上部基板及び前記上部クラッド層にも形成されていることを特徴とする請求項１１〜１３のいずれか１項に記載の光導波路。
- 前記凹凸が、表面粗さＲｍａｘ０．０２〜１０μｍの範囲に相当する凹凸であることを特徴とする請求項１〜１４のいずれか１項に記載の光導波路。
- 前記応力緩和層に光吸収及び／または散乱成分が含有されていることを特徴とする請求項１〜１５のいずれか１項に記載の光導波路。
- 前記光吸収及び／または散乱成分が炭素粒子であることを特徴とする請求項１６に記載の光導波路。
- 光が入射及び／または出射する前記コア層の端面が、透明な材料からなる保護層によって覆われていることを特徴とする請求項１〜１７のいずれか１項に記載の光導波路。
- 前記コア層の角部が丸みを帯びた形状であることを特徴とする請求項１〜１８のいずれか１項に記載の光導波路。
- 請求項１〜１９のいずれか１項に記載の光導波路を、光信号の送信及び／または受信のための媒体として用いたことを特徴とする光通信用デバイス。
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