JP5089520B2 - 光導波路の製造方法 - Google Patents

Description

本発明はコアとコアを覆うオーバークラッド層を含む光導波路の製造方法に関する。

光導波路は軽量で高速信号伝送が可能であるため各種電子デバイスに利用されることが期待されている。従来から光導波路の製造方法として、パターン形成されたコアを覆うように液状の樹脂を流延しオーバークラッド層を形成する方法が知られている（特許文献１）。
特開２００５−１６５１３８号公報

従来の製造方法で得られた光導波路は光の散乱が大きく光伝送効率が低いという問題があった。本発明の目的は光の散乱が小さく光伝送効率の高い光導波路の製造方法を提供することである。

本発明者らが鋭意検討した結果、従来の製造方法により作られた光導波路の光伝送効率が低い原因は、コアの表面に液状の樹脂を流延してオーバークラッド層を形成する際、コアの周囲に気泡が付着し、それが残存するためであることが判明した。

本発明においてはコアの表面に流延した樹脂層を加熱し、通気孔を有する凹型モールド型を樹脂層に押圧することにより、樹脂層に含まれた気泡が通気孔を通して外部に排出される。このようにしてコア周囲に残存した気泡を効果的に減らすことができる。その結果光伝送効率の優れた光導波路を得ることができる。

本発明の要旨は以下のとおりである。
（１）本発明の光導波路の製造方法は、コアとコアを覆うオーバークラッド層を含む光導波路の製造方法であって、液状の樹脂を流延してコアを覆う樹脂層を形成する工程Ａと、工程Ａで得られた樹脂層を加熱しながら、または加熱後に、型外に通じた通気孔を凹部に有する凹型モールド型を樹脂層に押圧してオーバークラッド層を成形する工程Ｂとを含むことを特徴とする。
（２）本発明の光導波路の製造方法は、工程Ｂにおいてオーバークラッド層の端部の光出射部と光入射部のいずれかまたは両方をレンズ形状に成形することを特徴とする。
（３）本発明の光導波路の製造方法は、オーバークラッド層の端部のレンズ形状に成形された部分が、側断面がほぼ１／４円弧の長尺レンズ形状であることを特徴とする。

本発明の製造方法によれば光伝送効率の高い光導波路を得ることができる。オーバークラッド層の端の光出射部をレンズ形状に成形することによって、その先端から平行光を出射する光導波路デバイスが得られる。またオーバークラッド層の端の光入射部をレンズ形状に成形することによって、その先端から入射した光をコアに集光する光導波路デバイスが得られる。

［本発明の製造方法］
本発明の光導波路の製造方法はパターン形成されたコアと、コアを覆うように成形されたオーバークラッド層を含み、後述する工程Ａと工程Ｂを含む。この製造方法によれば凹型モールド型の通気孔からコア周囲に付着した気泡が効果的に排出されるため、光散乱の小さいオーバークラッド層を得ることができ、光伝送効率の高い光導波路を得ることができる。従来の製造方法では流延する液状の樹脂の粘度が高いほど、またオーバークラッド層の厚みが大きいほどコアの周囲に付着した気泡を取り除くことが難しかった。本発明の製造方法はそのような条件の場合に特に顕著な効果が得られる。

図１は好ましい実施形態における本発明の光導波路の製造方法の説明図である。図１（ａ）はアンダークラッド層１１の表面にコア１２をパターン形成する工程である。図１（ｂ）はのちにオーバークラッド層を形成することになる液状の活性エネルギー線硬化樹脂を、パターン形成されたコア１２を覆うように流延して、樹脂層１３を形成する工程である。このときコア１２の周囲に気泡１４が存在することは避けられない。気泡１４はコア１２を通る光が散乱する原因となる。図１（ｃ）は樹脂層１３を加熱しながら、または加熱後、型外に通じた通気孔１５を凹部に有する凹型モールド型１６を樹脂層１３に押圧して、樹脂層１３からオーバークラッド層１７を成形する工程である。樹脂層１３を所定の形状に成形したものをオーバークラッド層１７と呼ぶ。樹脂層１３の加熱と押圧により気泡１４はコア１２の周囲から離脱して凹型モールド型１６外に通じた通気孔１５から排出される。図１（ｄ）は凹型モールド型１６の外側から活性エネルギー線１８（例えば紫外線）を照射してオーバークラッド層１７を硬化させる工程である。図１（ｅ）は凹型モールド型１６を取り除く工程である。

本発明の製造方法は次の工程Ａと工程Ｂを含み、好ましくは工程Ｃも含む。
工程Ａ：のちにオーバークラッド層を形成する液状の活性エネルギー線硬化樹脂を、パターン形成されたコアを覆うように流延して樹脂層を形成する（図１（ｂ））。
工程Ｂ：樹脂層を加熱しながら、または加熱後、通気孔を有する凹型モールド型を樹脂層に押圧してオーバークラッド層を成形する（図１（ｃ））。
工程Ｃ：凹型モールド型の外側から活性エネルギー線を照射してオーバークラッド層を硬化させる（図１（ｄ））。

本発明の製造方法では活性エネルギー線硬化樹脂を用いるため、気泡を取り除くための加熱処理によっても樹脂層の流動性が低下しない。そのため気泡を効果的に取り除くことができ、光伝送効率の高い光導波路を作製することができる。

［工程Ａ］
本発明に用いられる工程Ａは、パターン形成されたコアを覆うように、のちにオーバークラッド層を形成する液状の樹脂を流延して、樹脂層を形成する工程である。

本発明に用いられる、のちにオーバークラッド層を形成する液状の樹脂（以下液状樹脂という）はコアより屈折率の低い任意の樹脂を含む。液状樹脂に制限はないが活性エネルギー線硬化樹脂が好ましい。活性エネルギー線硬化樹脂は後述する工程Ｂでの加熱処理によっても粘度が上昇しにくいため気泡を取り除くのに好適である。本明細書において「活性エネルギー線硬化樹脂」とは赤外線、紫外線、電子線などのエネルギーにより架橋し、難溶難融の安定した状態に変化する樹脂をいう。活性エネルギー線硬化樹脂は好ましくは紫外線硬化樹脂である。通常、紫外線硬化樹脂は光化学的作用により重合する光重合性プレポリマーを含み、それ以外に反応性希釈剤、光重合開始剤、溶剤、レベリング剤などを含んでいてもよい。

液状樹脂の粘度はコア周囲に付着した気泡が系外に移動しやすいという観点から、好ましくは１ｍＰａ・ｓ〜５００ｍＰａ・ｓであり、さらに好ましくは２ｍＰａ・ｓ〜３００ｍＰａ・ｓである。この粘度は実施例に記載された測定方法によるものである。

上記の樹脂層はパターン形成されたコアを覆うように液状樹脂を流延することにより得られる層である。樹脂層の厚み（流延の厚み）はコア高さにより適宜決定されるが、好ましくは１５μｍ〜１５０μｍである。液状樹脂を流延する方法に制限はなくスピンコート法、ディッピング法、キャスティング法などが用いられる。

コアはオーバークラッド層より屈折率の高い任意の材料により形成される。コアを形成する材料は好ましくはパターン形成性に優れた紫外線硬化樹脂である。紫外線硬化樹脂としては、好ましくはアクリル系紫外線硬化樹脂、エポキシ系紫外線硬化樹脂、シロキサン系紫外線硬化樹脂、ノルボルネン系紫外線硬化樹脂、ポリイミド系紫外線硬化樹脂などが挙げられる。

コアをパターン形成する方法に制限はなくドライエッチング法、転写法、露光・現像法、フォトブリーチ法などが用いられる。

コアは基材またはアンダークラッド層の表面に作製される。通常、基材およびアンダークラッド層はコアより屈折率が低い。コアの断面形状に制限はないが、台形または四角形が好ましい。コアの幅は好ましくは１０μｍ〜５００μｍであり、コアの高さは好ましくは１０μｍ〜１００μｍである。コアが台形の場合、コアの幅は下底の長さであり、コアの高さは上底の中点と下底の中点を結ぶ線分の長さである。

［工程Ｂ］
本発明に用いられる工程Ｂは工程Ａで得られた樹脂層を加熱しながら、または加熱後、型外に通じた通気孔を凹部に有する凹型モールド型を樹脂層に押圧してオーバークラッド層を成形する工程である。

樹脂層の加熱処理はコアの周囲に付着した気泡を取り除くために行なわれる。加熱処理の温度は、樹脂層に溶媒が含まれる場合は溶媒の沸点にもよるが、好ましくは４０℃〜１２０℃であり、さらに好ましくは６０℃〜１００℃である。

凹型モールド型の凹型の形状を適切に設定することにより所望の形状のオーバークラッド層を形成することができる。凹型モールド型は樹脂層に含まれた気泡を排出するための型外に通じた通気孔を凹部に有する。複数の凹部があるときは、好ましくは複数の凹部を連通する通気孔を有する。通気孔の大きさは凹型モールド型の凹部に充填される液状樹脂の量１ｃｍ^３当たり好ましくは０．３ｃｍ^２〜２ｃｍ^２である。

凹型モールド型の材料に制限はないが、例えば石英、ニッケル合成金属、グラシーカーボンなどが挙げられる。凹型モールド型の表面は離型剤で処理されていてもよい。離型剤としてはフッ素樹脂系の分子構造を有するシランカップリング剤が好ましく用いられる。

凹型モールド型を樹脂層に押圧する条件は液状樹脂の種類や粘度などの物性に応じて適宜決定される。例えば樹脂層が粘度の低い液状樹脂からなるものであれば押圧の圧力は１００万Ｐａ（約１０気圧）以下である。条件によっては押圧は凹型モールド型を載せるだけでほとんど加圧しないでもよい。このときの圧力は１０万Ｐａ（約１気圧）以下である。

［他の工程］
好ましい実施形態において、本発明の製造方法は凹型モールド型の外側から活性エネルギー線を照射して、オーバークラッド層を硬化させる工程Ｃを含む。活性エネルギー線は好ましくは紫外線である。紫外線の照射量は好ましくは１００ｍＪ／ｃｍ^２〜８０００ｍＪ／ｃｍ^２である。この条件範囲でオーバークラッド層を十分硬化させることができる。本発明の製造方法において工程Ｃが採用される場合、凹型モールド型は照射される光に対して透明であることが好ましい。活性エネルギー線による硬化が終了したのち凹型モールド型はオーバークラッド層から剥離される。

［光導波路］
本発明の製造方法により得られる光導波路はパターン形成されたコアとコアを覆うように成形されたオーバークラッド層を含む。好ましくは図２に示すように、光導波路２０はアンダークラッド層２１と、アンダークラッド層２１の表面にパターン形成されたコア２２と、コア２２を覆うようにアンダークラッド層２１上に形成されたオーバークラッド層２３を備える。オーバークラッド層２３は好ましくは先端部２３ａがレンズ形状に成形されたレンズ一体型オーバークラッド層である。

レンズ一体型オーバークラッド層は、工程Ｂにおいて、オーバークラッド層の先端部をレンズ形状になるように成形することにより得られる。レンズ一体型オーバークラッド層を備えた光導波路は、例えば発光素子や受光素子などの光素子と結合させて光導波路デバイスとして用いることができる。このような光導波路デバイスは例えば発光素子からの光を平行光線に変換して出射したり、拡散した光を集光して受光素子に送ったりすることができる。

クラッド層がアンダークラッド層とオーバークラッド層からなる場合、アンダークラッド層の厚みは好ましくは５μｍ〜１０ｍｍである。オーバークラッド層の厚みは好ましくは１０μｍ〜１０ｍｍの範囲でアンダークラッド層より厚く設定される。

オーバークラッド層の先端部にレンズが一体成形される場合、そのレンズは好ましくは凸形状（凸レンズ）であり、さらに好ましくは側断面がほぼ１／４円弧状の凸形状（レンチキュラーレンズの１／２）である。レンズが凸形状であるとき曲率半径は好ましくは３００μｍ〜５ｍｍであり、さらに好ましくは５００μｍ〜３ｍｍである。

［用途］
本発明の製造方法により製造される光導波路の用途に制限はないが、例えば光配線板、光コネクタ、光電気混載基板、光学式タッチパネルなどに用いられる。

［クラッド層形成用ワニスの調製］
・［成分Ａ］脂環骨格を有するエポキシ系紫外線硬化樹脂（アデカ社製 ＥＰ４０８０Ｅ） １００重量部
・［成分Ｂ］光酸発生剤（サンアプロ社製 ＣＰＩ−２００Ｋ） ２重量部
を混合してクラッド層形成用ワニスを調製した。

［コア形成用ワニスの調製］
・［成分Ｃ］フルオレン骨格を含むエポキシ系紫外線硬化樹脂（大阪ガスケミカル社製 オグソールＥＧ） ４０重量部
・［成分Ｄ］フルオレン骨格を含むエポキシ系紫外線硬化樹脂（ナガセケムテックス社製 ＥＸ−１０４０） ３０重量部
・［成分Ｅ］１，３，３−トリス（４−（２−（３−オキセタニル）ブトキシフェニル）ブタン（製法後述） ３０重量部
・上記成分Ｂ １重量部
・乳酸エチル ４１重量部
を混合してコア形成用ワニスを調製した。

［１，３，３−トリス（４−（２−（３−オキセタニル）ブトキシフェニル）ブタンの製法］
温度計、冷却管及び攪拌装置を備えた２００ｍｌの三口フラスコに、１，３，３−トリス（４−ヒドロキシフェニル）ブタン６．６８ｇ（２０ｍｍｏｌ）と、Ｎ−メチル−２−ピロリドン２５ｍｌとを入れ、窒素雰囲気下８０℃に加熱しながら完全に溶けるまで攪拌した。溶解後、炭酸セシウム２３．４６ｇ（７２ｍｍｏｌ）を加え、さらに３０分攪拌した。そこに、先に合成した２−（３−オキセタニル）ブチルトシレート１７．８４ｇ（６６ｍｍｏｌ）を加え、窒素雰囲気下８０℃で２０時間攪拌した。反応終了後、室温まで冷却したのち、酢酸エチル１００ｍｌと蒸留水５０ｍｌとを加え、その後放置し、水相と有機相に分離した。このように分離した有機相を抽出し、これを水でさらに洗浄し、無水硫酸マグネシウムで一晩乾燥させた。その後、硫酸マグネシウムを濾別し、さらに溶媒を留去することにより、反応粗生成物を得た。この粗生成物を、シリカゲルカラムクロマトグラフィー（溶離液：ｎ−ヘキサン／アセトン）により分離精製し、無色透明の半固形体１２．２０ｇ（収率９７％）を得た。このようにして得られた化合物は、 ¹Ｈ−ＮＭＲおよび¹³Ｃ−ＮＭＲ（ともに日本電子社製）を用いて分析した結果、１，３，３−トリス（４−（２−（３−オキセタニル））ブトキシフェニル）ブタンであることが確認された。

［光導波路の作製］
厚み１８８μｍのポリエチレンナフタレートフィルムの表面にクラッド層形成用ワニスを塗布し、紫外線を１０００ｍＪ／ｃｍ^２照射したのち８０℃で５分間加熱処理して、厚み２０μｍのアンダークラッド層を形成した。アンダークラッド層の波長８３０ｎｍにおける屈折率は１．５１０であった。

アンダークラッド層の表面にコア形成用ワニスを塗布し１００℃で５分間加熱処理してコア層を形成した。コア層にフォトマスクをかぶせて（ギャップ１００μｍ）紫外線を２５００ｍＪ／ｃｍ^２照射し、さらに１００℃で１０分間加熱処理した。コア層の紫外線未照射部分をＹ−ブチロラクトン水溶液で溶解除去し、１２０℃で５分間加熱処理して、コア幅２０μｍ、コア高さ５０μｍのコアを図３のＬ字型光導波路の得られるようにパターンニングした。コアの屈折率は波長８３０ｎｍで１．５９２であった。

クラッド層形成用ワニスにメチルエチルケトンを加え粘度が２００ｍＰａ・ｓとなるようにした希釈液を調製した。コア全体を覆うように希釈液を塗布してウエット厚み６０μｍの樹脂層を形成した。樹脂層を８０℃で５分間加熱したのち、凹部に通気孔を有する凹型モールド型（石英製）を押圧してコア周辺に存在する気泡を取り除いた。

通気孔からクラッド層形成用ワニスを追加注入して凹型モールド型の凹部をワニスで充填した。凹型モールド型を通してクラッド層形成用ワニスに紫外線を２０００ｍＪ／ｃｍ^２照射して、８０℃で５分間加熱処理した。このようにして側断面形状がほぼ１／４円弧の長尺凸レンズ（レンチキュラーレンズの１／２の形状）を先端部に備えた厚み１ｍｍのオーバークラッド層を成形した。凸レンズの曲率半径は１．５ｍｍ、オーバークラッド層の波長８３０ｎｍにおける屈折率は１．５１０であった。

得られた光導波路はアンダークラッド層（厚み２０μｍ）と、アンダークラッド層の表面にパターン形成されたコア（幅２０μｍ、高さ５０μｍ）と、コアを覆うようにアンダークラッド層上に形成されたオーバークラッド層（厚み１ｍｍ）を備えるものであった。

［比較例］
実施例で使用したのと同じ通気孔を有する凹型モールド型（石英製）をコア上に設置し、通気孔からクラッド層形成用ワニスを注入して凹型モールド型の凹部をワニスで充填した。それ以外は実施例と同様にして光導波路を作製した。

［評価］
図３に示すように実施例で作製したレンズ一体型オーバークラッド層を備えた光導波路３１、３２を２つ用意した。一方の光導波路３１の末端には波長８５０ｎｍの光を出射する発光素子３３（Ｏｐｔｗｅｌｌ社製 ＶＣＳＥＬ）を連結した。他方の光導波路３２の末端には受光素子３４（ＴＡＯＳ社製 ＣＭＯＳリニアセンサーアレイ）を連結した。各光導波路３１、３２の出射端、入射端が座標入力領域３５を隔てて対向するように配置し、図３に示す対角３インチの光学式タッチパネル３０を作製した。また比較例で作製したレンズ一体型オーバークラッド層を備えた光導波路を用いて実施例と同様に光学式タッチパネルを作製した。

実施例および比較例の光学式タッチパネルについて、発光素子から強度５．０ｍＷの光を出射し受光素子で受光強度を測定した。結果を表１に示す。実施例の光導波路の受光強度は比較例よりも０．４ｍＷ大きく、実施例の光導波路の方が光伝送効率が高いことが確認できた。

［測定方法］
［粘度］
ストレスレオメーター（ＴｈｅｒｍｏＨＡＡＫＥ社製 ＨＡＫＫＥ Ｒｈｅｏ Ｓｔｒｅｓｓ６００）を用いて温度２５℃で測定した。

［屈折率］
クラッド層形成用ワニスおよびコア形成用ワニスをそれぞれシリコンウエハ上にスピンコートにより成膜して屈折率測定用サンプルを作製し、プリズムカプラー（サイロン社製）を用いて測定した。

［コア幅、コア高さ］
作製した光導波路をダイサー式切断機（ＤＩＳＣＯ社製 ＤＡＤ５２２）を用いて断面切断し、切断面をレーザー顕微鏡（キーエンス社製）を用いて観察測定した。

本発明の光導波路の製造方法の説明図 本発明の製造方法により得られた光導波路の断面図 本発明の製造方法により得られた光導波路を利用した光学式タッチパネル

符号の説明

１１ アンダークラッド層
１２ コア
１３ 樹脂層
１４ 気泡
１５ 通気孔
１６ 凹型モールド型
１７ オーバークラッド層
１８ 活性エネルギー線
２０ 光導波路
２１ アンダークラッド層
２２ コア
２３ オーバークラッド層
２３ａ オーバークラッド層の先端部
３０ 光学式タッチパネル
３１ 光導波路
３２ 光導波路
３３ 発光素子
３４ 受光素子
３５ 座標入力領域

Claims (3)

1. コアと前記コアを覆うオーバークラッド層を含む光導波路の製造方法であって、
   液状の樹脂を流延して前記コアを覆う樹脂層を形成する工程Ａと、
   前記工程Ａで得られた前記樹脂層を加熱しながら、または加熱後に、型外に通じた通気孔を凹部に有する凹型モールド型を前記樹脂層に押圧して前記オーバークラッド層を形成する工程Ｂとを含むことを特徴とする光導波路の製造方法。
2. 前記工程Ｂにおいて前記オーバークラッド層の端部の光出射部と光入射部のいずれかまたは両方をレンズ形状に形成することを特徴とする請求項１に記載の光導波路の製造方法。
3. 前記オーバークラッド層の端部のレンズ形状に形成された部分は、側断面がほぼ１／４円弧の長尺レンズ形状であることを特徴とする請求項２に記載の光導波路の製造方法。

Images