JP5130671B2 - 有機高分子組成物及び光導波路並びに光導波路の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、有機高分子組成物及び光導波路並びに光導波路の製造方法に関し、更に詳しくは、主に光学用途に用いられる有機高分子と、この有機高分子の屈折率を調整するための光透過性微粒子とを含有する有機高分子組成物、及びこの有機高分子組成物を硬化しコア部とした光導波路、並びにこの光導波路の製造方法に関するものである。

近年、インターネットのトラフィックの増大に伴い、光ファイバを用いた光通信網に対して一層の高速化及び大容量化が求められており、この光通信網を普及させるためにシステムの低価格化が求められている。
このシステムの低価格化においては、システムを構成する各種光デバイスの低価格化が必須であり、光デバイスを低コストで製造することがシステム低価格化における大きな課題となっている。
これらの光デバイスにおいては、二次元もしくは三次元構造の光導波路が採用されており、これらの光導波路は、石英基板等のリジッド基板の光導波路形成領域にイオン交換法や不純物熱拡散法等によりイオンを拡散させることにより形成される。
これらの従来型の導波路形成方法は、低損失の光導波路が得られるものの、石英基板等の材料が比較的高価な上に工程数も多く、低コスト化の要求に応えることは困難であった。

そこで、最近、これら従来の光導波路材料に代わるものとして、有機ポリマー（プラスチック）が注目されてきている。
有機ポリマーを用いた光導波路（以下、有機ポリマー導波路と称する）は、光導波路のコア及びクラッドを、アクリル系樹脂、エポキシ系樹脂、ポリカーボネート、ポリスチレン、ポリイミド等の有機ポリマーにより構成したもので、低価格で大面積化が容易である上、各種印刷法やスタンピング、エンボシング等、量産性に優れた光導波路形成方法が適用可能であることから、光導波路構造を有する各種光デバイスを低コストで製造し得る材料として期待されている。
さらに、この有機ポリマー導波路は、基材にフィルムを使用することにより、フレキシブル性を有する光導波路を形成することが可能であるから、従来のリジッド基板を用いた光導波路では適用することができなかった用途、例えば、電子部品間等を光によって接続するいわゆる光インターコネクト用途へ適用することが可能である。

この有機ポリマー導波路の形成方法としては、反応性イオンエッチング法（ＲＩＥ：Reactive Ion Etching）、直接露光法（例えば、特許文献１参照）、電子線等の高エネルギー線照射法、スタンピングやエンボシング等の成形加工法、微粒子添加法（例えば、特許文献２参照）等が提案されている。
直接露光法は、下部クラッド層上に形成した感光性樹脂前駆体層を、紫外線（ＵＶ）等を用いて所定のパターンで露光・現像してコア層とする方法であり、このコア層及び下部クラッド層上に上部クラッド層を形成することにより光導波路を作製することができる。
また、微粒子添加法は、有機ポリマーからなるクラッド部上に、この有機ポリマーにこれより屈折率が高い光透過性微粒子を含有してなるコア部を形成する方法であり、このコア部及びクラッド部上にさらにクラッド部を形成することにより光導波路を作製することができる。

この微粒子添加法は、光導波路のコアとクラッドを同じ組成の有機ポリマーにより構成することが可能となるため、コアとクラッドの熱的特性や複屈折性が一致し、これらの不一致に起因する導波路特性の劣化を招くことが無く、さらに、微粒子添加量によりコアとクラッドの屈折率差を任意に調整することができる等の優れた特徴を有する。
この微粒子添加法では、粒径が５０ｎｍ以下の微粒子が用いられているが、その理由は、可視光としては短波長である紫〜青色の光に対するミー散乱がほぼ無視することができ、散乱による光損失が低減するからと考えられている。
特開２００５−１６５１３９号公報 特開２００５−１２１６９６号公報

ところで、従来の微粒子添加法では、有機ポリマー導波路の微粒子の粒径を５０ｎｍ以下にしたとしても、レイリー散乱による散乱損失が残ってしまうという問題点があった。レイリー散乱による散乱損失は、光学薄膜のように光路長が数μｍ程度の場合には、余り問題とならないが、光導波路素子や光ファイバ等のように光路長が数ｃｍから数ｍ、あるいはそれ以上の場合には、無視することができなくなる。
また、従来の反応性イオンエッチング法では、真空プロセスを必要とするために、製造工程が複雑になるとともに、製造装置の構造も複雑かつ高価になり、したがって、量産性及び低コスト化の点で問題点があった。

また、従来の成形加工法では、量産性は優れているものの、光導波路の精度が成形に用いる金型の精度に依存してしまうために、光導波路の加工精度をさらに向上させることが難しいという問題点があった。
しかも、この成形加工法は、導波路パターン毎に金型を変える必要があるために、少量多品種の光導波路に対応するためには、膨大な量の金型を用意する必要があり、製造コストの点からも問題点があった。
さらに、この金型は受注生産が主であるから、金型を発注してから納品されるまでに長時間を要し、リードタイムが長くなってしまうという問題点もあった。

また、従来の直接露光法は、上記の各問題点を考慮すると、量産性、加工精度のバランスの点から有利と考えられるが、感光性樹脂の屈折率調整用として添加される微粒子に酸化チタンや酸化セリウム等、エネルギーギャップＥｇが３．２ｅＶ未満のものを用いた場合、パターニングの際に紫外線を吸収するために、紫外線に対して不透明となってしまうという問題点があった。
このため、予め形成されたクラッド部上にコア部形成用の微粒子添加有機ポリマーを塗布した後、導波路パターンを露光して光導波路を製造するような場合、クラッド部との界面にまで十分な量の紫外線が到達せず、パターンの転写性が悪化して光導波路の寸法精度が低下するという問題点があった。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、光導波路のコア部とクラッド部の熱的特性及び複屈折性を一致させるとともに、光の散乱損失が低く、屈折率の制御が容易であり、さらには、より簡便かつより低コストで高精度に光導波路を形成することが可能な有機高分子組成物及び光導波路並びに光導波路の製造方法を提供することを目的とする。

本発明者等は、上記の課題を解決するために鋭意検討を行った結果、有機高分子と、この有機高分子の屈折率を調整するための光透過性微粒子とを含有し、かつ、この光透過性微粒子を溶媒に分散した分散液における平均分散粒径を２０ｎｍ以下とし、さらに、この有機高分子を感光性樹脂とし、この光透過性微粒子のエネルギー帯におけるエネルギーギャップＥｇを３．２ｅＶ以上とした有機高分子組成物により光導波路のコア部を作製すれば、コア部とクラッド部の熱的特性及び複屈折性を一致させることが可能であり、光の散乱損失も低くすることが可能であり、また、この光透過性微粒子の含有量を変えることで屈折率の制御が容易であり、さらには、より簡便かつより低コストで高精度に光導波路を形成することが可能であることを見出し、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明の有機高分子組成物は、光導波路のコア部を形成するのに用いられ、有機高分子と、この有機高分子の屈折率を調整するための光透過性微粒子とを含有してなる有機高分子組成物であって、前記光透過性微粒子を溶媒に分散した分散液における平均分散粒径は２０ｎｍ以下であり、前記有機高分子は感光性樹脂であり、前記光透過性微粒子のエネルギー帯におけるエネルギーギャップＥｇは３．２ｅＶ以上であることを特徴とする。

前記光透過性微粒子は、ジルコニア、チタン酸バリウム、チタン酸カルシウム、タンタル酸カリウム、窒化ガリウムの群から選択された１種または２種以上からなる微粒子であることが好ましい。

本発明の光導波路は、本発明の有機高分子組成物を硬化してなるコア部と、前記有機高分子組成物に含まれる有機高分子と同一組成の有機高分子を硬化してなるクラッド部とを備えてなることを特徴とする。

本発明の光導波路の製造方法は、クラッド部上に本発明の有機高分子組成物を塗布して塗膜を形成し、次いで、この塗膜をパターニングして所定の形状の光導波路領域とすると共に該光導波路領域の化学反応を進行させ、次いで、この光導波路領域を硬化し、コア部とすることを特徴とする。

前記有機高分子を紫外線に対して感光性を有する感光性樹脂とし、前記パターニングの際に、前記塗膜の光導波路領域に紫外線を照射し、この光導波路領域の感光性樹脂の架橋反応を進行させることが好ましい。
前記クラッド部は、本発明の有機高分子組成物に含まれる有機高分子と同一組成の有機高分子を硬化してなることが好ましい。

本発明の有機高分子組成物によれば、有機高分子の屈折率を調整するための光透過性微粒子を溶媒に分散した分散液における平均分散粒径を２０ｎｍ以下とし、さらに、この有機高分子を感光性樹脂とし、この光透過性微粒子のエネルギー帯におけるエネルギーギャップＥｇを３．２ｅＶ以上としたので、この有機高分子組成物を用いてコア部を、前記有機高分子を用いてクラッド部を、それぞれ形成することにより、光導波路のコア部とクラッド部の熱的特性及び複屈折性を一致させることができ、レイリー散乱による光の散乱損失を低下させることができる。
また、光透過性微粒子の含有量を調整することにより、この有機高分子組成物の屈折率を容易に制御することができる。
また、この有機高分子組成物の塗膜をパターニングすることにより、より簡便かつより低コストで高精度に光導波路を形成することができる。

本発明の光導波路によれば、本発明の有機高分子組成物を硬化してなるコア部と、前記有機高分子組成物に含まれる有機高分子と同一組成の有機高分子を硬化してなるクラッド部とを備えたので、コア部とクラッド部の熱的特性及び複屈折性を一致させることができ、レイリー散乱による光の散乱損失を低下させることができる。
また、光透過性微粒子の含有量を調整することにより、コア部の屈折率を容易に制御することができる。

本発明の光導波路の製造方法によれば、クラッド部上に本発明の有機高分子組成物を塗布して塗膜を形成し、次いで、この塗膜をパターニングして所定の形状の光導波路領域とすると共に該光導波路領域の化学反応を進行させ、次いで、この光導波路領域を硬化し、コア部とするので、より簡便かつより低コストで高精度の光導波路を作製することができる。

本発明の有機高分子組成物及び光導波路並びに光導波路の製造方法を実施するための最良の形態について説明する。
なお、この形態は、発明の趣旨をより良く理解させるために具体的に説明するものであり、特に指定のない限り、本発明を限定するものではない。

「有機高分子組成物」
本発明の有機高分子組成物は、有機高分子と、この有機高分子の屈折率を調整するための光透過性微粒子とを含有してなる有機高分子組成物であり、この光透過性微粒子の平均粒径が２０ｎｍ以下の有機高分子組成物である。
ここで、平均粒径とは、光透過性微粒子を水、メチルエチルケトン、トルエン、プロピレングリコールモノメチルエーテル等の各種溶媒に分散した分散液における平均粒径のことであり、動的光散乱法により測定したものである。

有機高分子としては、光導波路のコア部を伝搬する光に対して高い透過率を有するものであればよく、特に限定されることはないが、可視光線、紫外線等の電磁波に対して感光性を有する感光性樹脂が好ましく、特に、紫外線に対して感光性を有する感光性樹脂が好ましい。
このような感光性樹脂としては、例えば、ポリメチルメタクリレート等のアクリル系樹脂、エポキシ系樹脂、ポリイミド系樹脂、シリコーン系樹脂、ポリスチレン系樹脂、ポリアミド系樹脂、ポリエステル系樹脂、フェノール系樹脂、ポリキノリン系樹脂、ポリキノキサリン系樹脂、ポリベンゾオキサゾール系樹脂、ポリベンゾチアゾール系樹脂、ポリベンゾイミダゾール系樹脂等が挙げられる。

光透過性微粒子としては、屈折率が基材となる有機高分子より高い屈折率を有するもので、その平均粒径が２０ｎｍ以下、より好ましくは１０ｎｍ以下の微粒子から適宜選択して使用することができる。
ここで、光透過性微粒子の平均粒径を２０ｎｍ以下とした理由は、この光透過性微粒子の平均粒径と、有機高分子組成物の塗膜をパターニングする際のパターン再現性との間に相関性があるために、光透過性微粒子の平均粒径を２０ｎｍ以下とすることで、パターニングに用いられる紫外線等の散乱に起因するパターン鈍りをフォトマスクの線幅精度以下に抑えることが可能になり、したがって、光導波路をより高精度で形成することが可能になるからである。

この光透過性微粒子としては、微粒子を構成する材料のエネルギー帯におけるエネルギーギャップＥｇが３．２ｅＶ以上であるものであればよく、特に限定されるものではないが、基材となる上記の有機高分子より高い屈折率を有する微粒子から適宜選択して使用することができる。
ここで、光透過性微粒子のエネルギーギャップＥｇを３．２ｅＶ以上とした理由は、上記の有機高分子組成物の塗膜を紫外線（ＵＶ）によりパターニングして光導波路を形成する際に、この有機高分子組成物における紫外線の透過性を高め、パターン精度の良い光導波路を形成することが可能になるからである。

この光透過性微粒子としては、化学的安定性等を考慮すれば、酸化物または窒化物の微粒子が好ましく、例えば、ジルコニア（ＺｒＯ_２）、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ_３）、チタン酸カルシウム（ＣａＴｉＯ_３）、タンタル酸カリウム（ＫＴａＯ_３）、窒化ガリウム（ＧａＮ）の群から選択された１種または２種以上からなる微粒子が好ましい。
特に、ジルコニア（ＺｒＯ_２）は、エネルギーギャップＥｇが５．０ｅＶと極めて高く、また、酸化物としては高い屈折率（２．１７）を有するので、好適である。

次に、光透過性微粒子の平均粒径を２０ｎｍ以下とした理由を、吸収端が可視光領域に無いジルコニア（ＺｒＯ_２）微粒子を例にとり説明する。
図１は、ジルコニア（ＺｒＯ_２）微粒子の平均粒径の違いによる可視光透過率を示す図である。
ここでは、ジルコニア微粒子として、分散液とした場合の平均分散粒径が９ｎｍ及び４０ｎｍの２種類のものを用い、各ジルコニア微粒子をトルエン中に０．８ｖ／ｖ％の濃度で分散した２種類のジルコニア微粒子分散液を作製し、これらのジルコニア微粒子分散液を光路長が１０ｍｍとなるように調整された石英セルにそれぞれ封入した後、波長４００ｎｍ〜８００ｎｍにおける透過スペクトルを測定した。
図中、実線（−）は平均分散粒径が９ｎｍの分散液の透過スペクトルを示し、また、破線（…）は平均分散粒径が４０ｎｍの分散液の透過スペクトルを示している。

図１から明らかなように、ジルコニア微粒子の平均分散粒径が９ｎｍでは、可視光領域における光透過率が９３％であるのに対し、平均分散粒径が４０ｎｍでは、可視光領域における光透過率が６％であり、両者には可視光領域における透過率に明瞭な差が生じている。
この光透過率の差は、ジルコニア微粒子によるレイリー散乱の大きさの違いと見なすことができるので、ジルコニア微粒子の平均分散粒径、すなわち光透過性微粒子の平均粒径を２０ｎｍ以下とすることで、光の散乱損失を低減することができることが明らかになった。

「光導波路」
図２は、本発明の一実施形態の光導波路を示す断面図であり、図において、１は基板、２は基板１上に形成された本実施形態の有機高分子組成物に含まれる有機高分子と同一組成の有機高分子を硬化してなる下部クラッド層（クラッド部）、３は下部クラッド層２上に形成された本実施形態の有機高分子組成物を硬化してなるストライプ状のコア部、４は下部クラッド層２と同一組成の有機高分子を硬化してなる上部クラッド層である。

基板１としては、乾燥または熱処理の際の温度に耐え得る基板であればよく、ガラス基板、透光性のセラミックス基板、シリコン基板等が好適に用いられる。
なお、熱処理温度が２００℃〜２５０℃程度の場合、熱変形等が生じないのであれば、耐熱性プラスチック基板も用いることができる。

この光導波路は、次のようにして作製することができる。
基板１上に、本実施形態の有機高分子組成物に含まれる有機高分子と同一組成の有機高分子を塗布して塗膜を形成し、この塗膜を加熱・硬化して下部クラッド層２とする。
次いで、この下部クラッド層２上に本実施形態の有機高分子組成物を塗布して塗膜を形成し、この塗膜をフォトリソグラフィ等を用いてコアの形状にパターニングし、このコアの形状の塗膜を加熱・硬化し、所定の形状の光導波路領域であるコア部３とする。

このパターニングの際に、光導波路領域の化学反応を進行させる。
この化学反応としては、上記の有機高分子を紫外線に対して感光性を有する感光性樹脂とし、パターニングの際に塗膜の光導波路領域に紫外線を照射し、この光導波路領域の感光性樹脂の架橋反応を進行させることが好ましい。
次いで、このコア部３及び下部クラッド層２上に、本発明の有機高分子組成物に含まれる有機高分子と同一組成の有機高分子を塗布して塗膜を形成し、この塗膜を加熱・硬化して上部クラッド層４とする。

上記の塗布方法としては、スプレーコート法、バーコート法、スピンコート法、ディップコート法、スクリーン印刷法、ロールコート法、メニスカスコート法、グラビア印刷法、インクジェット法、スリップダイコート法等、塗布液を基板の表面に塗布する通常のウエットコート法を用いることができる。これらの内、スプレーコート法、バーコート法、スピンコート法は、短時間で薄膜を形成することができるので、特に好ましい塗布法である。

加熱・硬化の雰囲気は、有機高分子の化学反応を進行させる必要があることから、大気中が好ましい。
加熱・硬化の温度及び時間は、有機高分子の化学反応を進行させ硬化させるに充分な温度であることが好ましく、例えば、７５℃以上、５分〜３０分が好ましい。

以下、実施例及び比較例により本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例によって限定されるものではない。
「実施例」
光透過性微粒子として、５．０ｅＶと極めて高いエネルギーギャップＥｇを有し、酸化物としては２．１７という高屈折率を有する平均粒径１０ｎｍのジルコニア微粒子を用い、また、有機ポリマー（有機高分子）として、可視光領域での透過性に優れたポジ型の感光性アクリル樹脂前駆体を用い、これらジルコニア微粒子及び感光性アクリル樹脂前駆体を、ジルコニア微粒子の感光性アクリル樹脂前駆体に対する含有率が０．７ｖ／ｖ％となるようにメチルエチルケトン（ＭＥＫ）中に分散させ、有機ポリマー組成物を作製した。

次いで、基板上に、上記の有機ポリマー組成物に含まれる感光性アクリル樹脂前駆体と同じ組成のアクリル樹脂前駆体をスピンコート法により塗布し、その後、加熱・硬化させ、下部クラッド層を形成した。
次いで、この下部クラッド層上に、上記の有機ポリマー組成物をスピンコート法により塗布し、８０℃にて５分間プリベークさせて塗膜とし、この塗膜にコア径が１０μｍの直線導波路形成用フォトマスクを用いて紫外線照射を行うことにより、所定の光導波路パターンを転写し、その後現像を行った。
次いで、大気中、８０℃にて３０分間加熱し、有機ポリマー組成物を完全に硬化させ、コア径が１０μｍのストライプ状のコア部を形成した。このコア部の幅を１０点測定した結果、平均で９．８μｍであった。

次いで、このコア部及び下部クラッド層上に、上記のアクリル樹脂前駆体をスピンコート法により塗布し、その後、加熱・硬化させ、上部クラッド層を形成し、３次元埋込型光導波路を作製した。
この３次元埋込型光導波路の波長１．３μｍにおける光伝播損失を測定した結果、０．０２ｄＢ／ｃｍであった。

「比較例１」
実施例にてジルコニア微粒子の平均粒径を４０ｎｍとした以外は、実施例に準じて３次元埋込型光導波路を作製した。
この３次元埋込型光導波路の現像・硬化後のコア部の幅を１０点測定した結果、平均で９．４μｍであった。
また、この３次元埋込型光導波路の波長１．３μｍにおける光伝播損失を測定した結果、０．３ｄＢ／ｃｍであった。

「比較例２」
実施例にてジルコニア微粒子を平均粒径が１０ｎｍの酸化チタン微粒子とした以外は、実施例に準じて３次元埋込型光導波路を作製した。
この３次元埋込型光導波路の現像・硬化後のコア部の幅を１０点測定した結果、平均で９．２μｍであった。
また、この３次元埋込型光導波路の波長１．３μｍにおける光伝播損失を測定した結果、０．０３ｄＢ／ｃｍであった。

本発明の有機高分子組成物は、有機高分子と、この有機高分子の屈折率を調整するための平均粒径が２０ｎｍ以下の光透過性微粒子とを含有したことにより、光導波路のコア部とクラッド部の熱的特性及び複屈折性を一致させるとともに、光の散乱損失を低くし、屈折率の制御を容易としたものであるから、３次元埋込型光導波路等の光導波路はもちろんのこと、マッハツェンダ型光導波路、光カプラ、スラブ型導波路、光ファイバ等の光デバイスにおいても、その効果は大である。

ジルコニア微粒子の平均粒径の違いによる可視光透過率を示す図である。 本発明の一実施形態の光導波路を示す断面図である。

符号の説明

１ 基板
２ 下部クラッド層
３ コア部
４ 上部クラッド層

Claims (6)

1. 光導波路のコア部を形成するのに用いられ、有機高分子と、この有機高分子の屈折率を調整するための光透過性微粒子とを含有してなる有機高分子組成物であって、
   前記光透過性微粒子を溶媒に分散した分散液における平均分散粒径は２０ｎｍ以下であり、
   前記有機高分子は感光性樹脂であり、前記光透過性微粒子のエネルギー帯におけるエネルギーギャップＥｇは３．２ｅＶ以上であることを特徴とする有機高分子組成物。
2. 前記光透過性微粒子は、ジルコニア、チタン酸バリウム、チタン酸カルシウム、タンタル酸カリウム、窒化ガリウムの群から選択された１種または２種以上からなる微粒子であることを特徴とする請求項１記載の有機高分子組成物。
3. 請求項１または２記載の有機高分子組成物を硬化してなるコア部と、前記有機高分子組成物に含まれる有機高分子と同一組成の有機高分子を硬化してなるクラッド部とを備えてなることを特徴とする光導波路。
4. クラッド部上に請求項１または２記載の有機高分子組成物を塗布して塗膜を形成し、次いで、この塗膜をパターニングして所定の形状の光導波路領域とすると共に該光導波路領域の化学反応を進行させ、次いで、この光導波路領域を硬化し、コア部とすることを特徴とする光導波路の製造方法。
5. 前記有機高分子を紫外線に対して感光性を有する感光性樹脂とし、
   前記パターニングの際に、前記塗膜の光導波路領域に紫外線を照射し、この光導波路領域の感光性樹脂の架橋反応を進行させることを特徴とする請求項４記載の光導波路の製造方法。
6. 前記クラッド部は、請求項１または２記載の有機高分子組成物に含まれる有機高分子と同一組成の有機高分子を硬化してなることを特徴とする請求項４または５記載の光導波路の製造方法。

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