JP5351096B2

JP5351096B2 - 光導波路の製法

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Publication number: JP5351096B2
Application number: JP2010126714A
Authority: JP
Inventors: 龍介内藤
Original assignee: Nitto Denko Corp
Current assignee: Nitto Denko Corp
Priority date: 2010-06-02
Filing date: 2010-06-02
Publication date: 2013-11-27
Anticipated expiration: 2030-06-02
Also published as: JP2011253043A; TWI502234B; CN102269843A; KR20110132523A; US8771562B2; US20110298144A1; CN102269843B; TW201213907A

Description

本発明は、光通信，光情報処理，位置センサ，その他一般光学で広く用いられる光導波路の製法に関するものである。

光導波路は、通常、アンダークラッド層の表面に、光の通路であるコアを所定パターンに形成し、そのコアを被覆した状態で、オーバークラッド層を形成して構成されている。なかでも、上記オーバークラッド層の端部をレンズ部にする等、オーバークラッド層を所望の形状に形成する場合、その所望の形状に対応する型面を有する凹部が形成された成形型を用いてオーバークラッド層を形成する（例えば、特許文献１参照）。

すなわち、上記オーバークラッド層の形成材料が感光性樹脂である場合、上記成形型として、紫外線等の照射線を透過させる必要性から、光透過性のある石英製のものが用いられる。その石英製の成形型の下面には、上記オーバークラッド層の形状に対応する型面を有する凹部が形成されている。そして、アンダークラッド層の表面にコアを形成した後、上記成形型の凹部内に上記コアを適正に位置決めした状態で、その成形型の下面をアンダークラッド層の表面に密着させる。つぎに、上記凹部の型面とアンダークラッド層の表面とコアの表面とで囲まれた成形空間に、オーバークラッド層の形成材料である感光性樹脂を注入した後、上記成形型を透して紫外線等の照射線を露光し、上記感光性樹脂を硬化させる。その後、脱型し、上記アンダークラッド層，コアおよびオーバークラッド層からなる光導波路を得る。

石英製の成形型を所望の形状にする場合、その成形型を構成する複数の構成片を作製し、それらを接合用樹脂で接合することが行われる。それは、以下の理由による。すなわち、石英製のブロック材を切削加工する場合、その切削加工をブロック材の途中から始めたり、途中で止めたりすると、ブロック材が割れる。そのため、石英製のブロック材への切削加工は、一端から他端まで行う必要がある。そこで、石英製のブロック材を一端から他端まで切削加工してなる石英製の構成片を複数作製し、それらを接合用樹脂で接合して所望の形状にすることが行われる。

特開２００８−２８１６５４号公報

しかしながら、複数の構成片を接合した成形型は、その接合の際のずれ等により、寸法精度が悪くなる。寸法精度の悪い成形型を用いてオーバークラッド層を形成すると、コアとオーバークラッド層との位置関係が適正にならない。その結果、例えば、コアの先端から出射した光が、オーバークラッド層の端部のレンズ部で適正に絞られず、拡がった状態で、そのレンズ部から出射される。そのため、その光を受け取る側の受光強度（光伝播特性）が低下する。

本発明は、このような事情に鑑みなされたもので、オーバークラッド層の形成に、寸法精度に優れた、透光性のある成形型を用いる光導波路の製法の提供をその目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明の光導波路の製法は、アンダークラッド層の表面にコアをパターン形成した後、オーバークラッド層の形状に対応する型面を有する凹部が形成されている成形型を用い、上記コアを被覆した状態でオーバークラッド層を形成する工程を有する光導波路の製法であって、上記成形型を、下記（Ａ）の成形型の製法によって製造し、オーバークラッド層の形成を、上記成形型の凹部を上にして、上記成形型の凹部内に、オーバークラッド層形成用の感光性樹脂を充填し、その感光性樹脂内に、上記コアを浸した状態で、上記成形型を透して上記感光性樹脂を露光し硬化させてオーバークラッド層に形成することにより行うという構成をとる。
（Ａ）オーバークラッド層の形状と同一形状の型部材を成形型形成用の容器内に設置し、その容器内に透光性樹脂を充填し硬化させた後、上記容器から取り出し、上記型部材を脱離させて得られた、上記型部材の脱離跡をオーバークラッド層形成用の凹部とする、透光性樹脂製の成形型の製法。

すなわち、オーバークラッド層形成用の成形型の形成材料として、透光性樹脂を用いると、オーバークラッド層の形状と同一形状の型部材を用いて型成形することが可能となり、その型成形により、一体的に作製された上記成形型を得ることができる。この成形型は、上記のように一体的に作製されているため、寸法精度に優れたものとなっている。

本発明の光導波路の製法では、オーバークラッド層形成用の成形型を、透光性樹脂を形成材料とし、オーバークラッド層の形状と同一形状の型部材を用いて型成形することにより、一体的に作製することができる。そのため、その型成形を、寸法精度に優れたものとすることができる。また、上記型成形の作製において、上記型部材の脱離跡を、オーバークラッド層形成用の凹部に形成することができる。そして、オーバークラッド層の形成は、上記成形型の凹部内に、オーバークラッド層形成用の感光性樹脂を充填し、その感光性樹脂内に、アンダークラッド層の表面にパターン形成されたコアを浸した状態で、上記成形型を透して上記感光性樹脂を露光し硬化させることにより行うことができる。このように、オーバークラッド層の形成を、上記寸法精度に優れた上記型成形を用いて行うため、オーバークラッド層の形成工程において、上記コアを成形型の凹部に対して正確に位置決めすることができる。

特に、上記コアの先端部を被覆するオーバークラッド層部分に対応する、上記成形型の凹部の型面部分がレンズ曲面に形成されている場合には、コアの先端部を被覆するオーバークラッド層部分をレンズ部に形成した光導波路を得ることができる。そして、その光導波路では、コアの先端部から出射する光を、上記オーバークラッド層のレンズ部の屈折作用により、発散を抑制した状態で出射することができる。また、上記オーバークラッド層のレンズ部の表面から入射した光を、上記レンズ部の屈折作用により、絞って収束させた状態でコアの先端部に入射させることができる。すなわち、得られた上記光導波路は、光伝播特性に優れたものとなっている。

また、上記成形型の形成材料である透光性樹脂が、シリコーン樹脂を含んでいる場合には、上記成形型を、より寸法精度に優れたものとすることができ、より光伝播特性に優れた光導波路を得ることができる。

（ａ）〜（ｃ）は、本発明の光導波路の製法の一実施の形態において用いられる、オーバークラッド層形成用の成形型の製法を模式的に示す説明図である。（ａ）〜（ｄ）は、上記成形型を用いた光導波路の製法を模式的に示す説明図である。上記製法により得られた光導波路を模式的に示す断面図である。

つぎに、本発明の実施の形態を図面にもとづいて詳しく説明する。

本発明の光導波路の製法の一実施の形態では、オーバークラッド層３〔図２（ｄ）参照〕を形成する際に、透光性樹脂を形成材料として型成形により一体的に作製された成形型２０を用いる。この成形型２０は、上記のように型成形により一体的に作製されているため、寸法精度に優れ、しかも、樹脂製であるため、従来の石英製のものとは異なり、脆くなく、耐圧性のあるものとなっている。このような成形型２０を作製し、その成形型２０を用いてオーバークラッド層３を形成することが、本発明の大きな特徴である。なお、この実施の形態では、上記成形型２０〔図２（ｃ）参照〕は、上面に、上記オーバークラッド層３の形状に対応する型面を有する凹部２１が２個形成されており、各凹部２１の一端部分〔図２（ｃ）では左端部分〕が、レンズ曲面２１ａに形成されている。

上記成形型２０の製法について詳しく説明する。

まず、図１（ａ）に示すように、オーバークラッド層３（図３参照）の形状と同一形状の型部材４０を、台部材４１の上面に突出させた状態で作製する。上記型部材４０の作製は、板状の部材を、刃物を用いて切削することにより行われる。また、上記型部材４０の形成材料としては、アルミニウム，ステンレス，鉄等があげられる。なかでも、加工性の観点から、アルミニウムが好ましい。

ついで、図１（ｂ）に示すように、上記型部材４０を、成形型形成用の容器３０内に設置する。このとき、図示のように、上記型部材４０を上側、台部材４１を下側にした状態で、上記容器３０の底に設置することが好ましい。また、上記容器３０の内面，上記型部材４０および台部材４１の表面に、離型剤を塗布することが好ましい。

つぎに、図示のように、上記型部材４０全体が浸かるまで、上記容器３０内に液状の透光性樹脂２０Ａを充填する。この透光性樹脂２０Ａとしては、例えば、シロキサン樹脂，アクリル樹脂，エポキシ樹脂等があげられ、これらは単独でもしくは２種以上併せて用いられる。なかでも、成形型をより寸法精度に優れたものとすることができる観点から、シリコーン樹脂を含んでいることが好ましい。

そして、上記透光性樹脂２０Ａを硬化させる。この硬化は、透光性樹脂２０Ａの種類に応じて、常温下，加熱下またはその組み合わせにより行われる。

その後、上記硬化した透光性樹脂を、上記型部材４０および台部材４１とともに、上記容器３０から取り出す。そして、上記型部材４０および台部材４１を脱離させる。上記型部材４０の脱離跡は、オーバークラッド層３〔図２（ｄ）参照〕の形状に対応する型面を有する凹部２１〔図１（ｃ）参照〕となる。また、上記硬化した透光性樹脂のうち、台部材４１の周側部分に対応する部分（不要部分）を切除する。このようにして、図１（ｃ）〔図１（ｂ）とは上下を逆に図示している〕に示すような、透光性樹脂製の上記成形型２０を得る。なお、この成形型２０において、上記凹部２１の底面と成形型２０の下面との間の部分の厚みＴは、透光性，強度等の観点から、０．５〜５．０ｍｍの範囲内に設定することが好ましい。

つぎに、光導波路の製法について詳しく説明する。

まず、アンダークラッド層１を形成する際に用いる平板状の基台１０〔図２（ａ）参照〕を準備する。この基台１０の形成材料としては、例えば、金属，樹脂，ガラス，石英，シリコン等があげられる。なかでも、ステンレス（ＳＵＳ）製基板が好ましい。ステンレス製基板は、熱に対する伸縮耐性に優れ、上記光導波路の製造過程において、様々な寸法が設計値に略維持されるからである。また、基台１０の厚みは、例えば、２０μｍ（フィルム状）〜５ｍｍ（板状）の範囲内に設定される。

ついで、図２（ａ）に示すように、上記基台１０の表面に、アンダークラッド層１を形成する。このアンダークラッド層１の形成材料としては、熱硬化性樹脂または感光性樹脂があげられる。上記熱硬化性樹脂を用いる場合は、その熱硬化性樹脂が溶媒に溶解しているワニスを塗布した後、それを加熱することにより、アンダークラッド層１に形成する。一方、上記感光性樹脂を用いる場合は、その感光性樹脂が溶媒に溶解しているワニスを塗布した後、それを紫外線等の照射線で露光することにより、アンダークラッド層１に形成する。アンダークラッド層１の厚みは、例えば、５〜５０μｍの範囲内に設定される。

つぎに、図２（ｂ）に示すように、上記アンダークラッド層１の表面に、フォトリソグラフィ法により所定パターンのコア２を形成する。このコア２の形成材料としては、好ましくは、パターニング性に優れた感光性樹脂が用いられる。その感光性樹脂としては、例えば、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等があげられ、これらは単独でもしくは２種以上併せて用いられる。また、コア２の断面形状は、例えば、パターニング性に優れた台形または長方形である。コア２の幅は、例えば、１０〜５００μｍの範囲内に設定される。コア２の厚み（高さ）は、例えば、３０〜１００μｍの範囲内に設定される。

なお、上記コア２の形成材料としては、上記アンダークラッド層１および下記オーバークラッド層３（図３参照）の形成材料よりも屈折率が高く、伝播する光の波長で透光性が高い材料が用いられる。上記屈折率の調整は、上記アンダークラッド層１，コア２，オーバークラッド層３の各形成材料である樹脂に導入する有機基の種類および含有量の少なくとも一方を変化させることにより、適宜、増加ないし減少させることができる。例えば、環状芳香族性の基（フェニル基等）を樹脂分子中に導入するか、あるいはその芳香族性基の樹脂分子中の含有量を増加させることにより、屈折率を大きくすることができる。他方、直鎖または環状脂肪族性の基（メチル基，ノルボルネン基等）を樹脂分子中に導入するか、あるいはその脂肪族性基の樹脂分子中の含有量を増加させることにより、屈折率を小さくすることができる。

そして、図２（ｃ）に示すように、前記の工程で作製した、上記オーバークラッド層形成用の成形型２０の凹部２１に、オーバークラッド層３〔図２（ｄ）参照〕の形成材料である液状の感光性樹脂３Ａを充填する。

ついで、図２（ｄ）に示すように、上記オーバークラッド層３の形成材料である感光性樹脂３Ａ内に、上記アンダークラッド層１の表面にパターン形成されたコア２を浸した状態で、そのコア２を成形型２０の凹部２１に対して位置決めし、上記アンダークラッド層１を上記成形型２０に押圧する。このときの押圧荷重は、例えば、４９〜９８０Ｎの範囲内に設定される。ここで、上記成形型２０の凹部２１に対するコア２の位置決めは、上記型成形が寸法精度に優れていることから、正確に行うことができる。しかも、上記成形型２０は、樹脂製であることから、耐圧性のあるものとなっている。そのため、上記のようにアンダークラッド層１を成形型２０に押圧して密着させることができ、ばりの形成を防止することができる。

つぎに、紫外線等の照射線を、上記成形型２０を透して上記感光性樹脂３Ａに照射することにより、その感光性樹脂３Ａを露光する。これにより、上記感光性樹脂３Ａが硬化し、一端部分がレンズ部３ａに形成されたオーバークラッド層３が形成される。このオーバークラッド層３の厚み（アンダークラッド層１の表面からの厚み）は、例えば、２５〜１５００μｍの範囲内に設定される。

そして、上記成形型２０から、上記オーバークラッド層３を、上記基台１０，アンダークラッド層１およびコア２と共に脱型し、図３〔図２（ｄ）とは上下を逆に図示している〕に示すように、基台１０の表面に形成された、アンダークラッド層１とコア２とオーバークラッド層３とからなる光導波路を得る。この実施の形態では、２個の光導波路が形成されており、光導波路を使用する際には、個々が切り出される。

なお、上記オーバークラッド層３の脱型前または脱型後に、必要に応じて、加熱処理を行う。また、上記基台１０は、必要に応じて、アンダークラッド層１から剥離される。

上記光導波路は、例えば、Ｌ字板状に形成することにより、タッチパネルにおける指等の触れ位置の検知手段（位置センサ）として用いることができる。すなわち、上記Ｌ字板状の光導波路において、複数のコア２を、上記Ｌ字板状の角部から内側端縁部に、等間隔に並列状態で延びたパターンに形成する。このようなＬ字板状の光導波路を２個作製する。そして、一方の光導波路の角部の外側に、発光素子を光結合し、他方の光導波路の角部の外側に、受光素子を光結合する。そして、それら光導波路を、タッチパネルの四角形のディスプレイの画面周縁部に沿って設置すると、タッチパネルにおける指等の触れ位置の検知手段として用いることができる。

なお、上記実施の形態では、オーバークラッド層の一端部分をレンズ部に形成したが、他端部分と同様に平面状に形成してもよい。

つぎに、実施例について比較例と併せて説明する。但し、本発明は、実施例に限定されるわけではない。

〔アンダークラッド層の形成材料〕
脂環骨格を有するエポキシ樹脂（アデカ社製、ＥＰ４０８０Ｅ）１００重量部、光酸発生剤（サンアプロ社製、ＣＰＩ−２００Ｋ）２重量部、紫外線吸収剤（チバジャパン社製、ＴＩＮＵＶＩＮ４７９）５重量部を混合することにより、アンダークラッド層の形成材料を調製した。

〔コアの形成材料〕
フルオレン骨格を含むエポキシ樹脂（大阪ガスケミカル社製、オグソールＥＧ）４０重量部、フルオレン骨格を含むエポキシ樹脂（ナガセケムテックス社製、ＥＸ−１０４０）３０重量部、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３０重量部、光酸発生剤（サンアプロ社製、ＣＰＩ−２００Ｋ）１重量部を、乳酸エチルに溶解することにより、コアの形成材料を調製した。

〔オーバークラッド層の形成材料〕
脂環骨格を有するエポキシ樹脂（アデカ社製、ＥＰ４０８０Ｅ）１００重量部、光酸発生剤（サンアプロ社製、ＣＰＩ−２００Ｋ）２重量部を混合することにより、オーバークラッド層の形成材料を調製した。

〔オーバークラッド層形成用の成形型の作製〕
まず、アルミニウム板を、刃物を回転させて切削することにより、オーバークラッド層の形状と同一形状の型部材を、台部材の上面に突出させた状態で作製した。

ついで、上記型部材を上側、台部材を下側にした状態で、成形型形成用の容器の底に設置した。なお、その設置に先立って、上記容器の内面，上記型部材および台部材の表面に、離型剤を塗布した。

つぎに、上記容器内に、透光性樹脂（信越化学工業社製、ポリジメチルシロキサンＳＩＭ−２６０）を充填し、上記型部材の上端面から上記透光性樹脂の液面までの深さを１ｍｍにした。そして、常温（２５℃）で５日間放置した後、１５０℃×３０分間の加熱処理を行うことにより、上記透光性樹脂を硬化させた。

その後、上記硬化した透光性樹脂を、上記型部材および台部材とともに、上記容器から取り出した後、上記型部材および台部材を脱離させ、さらに、不要部分を切除した。このようにして、透光性樹脂からなる、オーバークラッド層形成用の成形型を得た。この成形型において、オーバークラッド層形成用の凹部の一端部分は、側断面形状が略１／４円弧状のレンズ曲面（曲率半径１．４ｍｍ）に形成した。また、オーバークラッド層形成用の凹部の底面と成形型の下面との間の部分の厚みは、１ｍｍであった。

〔光導波路の製造〕
まず、ステンレス製基台（厚み５０μｍ）の表面に、上記アンダークラッド層の形成材料をアプリケーターにより塗布した。つづいて、１５００ｍＪ／ｃｍ²の紫外線照射による露光を行った後、８０℃×５分間の加熱処理を行うことにより、厚み２０μｍのアンダークラッド層（波長８３０ｎｍにおける屈折率＝１．５１０）を形成した。

つぎに、上記アンダークラッド層の表面に、上記コアの形成材料をアプリケーターにより塗布した後、１００℃×５分間の加熱処理を行い、感光性樹脂層を形成した。つぎに、コアのパターンと同形状の開口パターンが形成されたフォトマスクを介して（ギャップ１００μｍ）、２５００ｍＪ／ｃｍ²の紫外線照射による露光を行った後、１００℃×１０分間の加熱処理を行った。つぎに、γ−ブチロラクトン水溶液を用いて現像することにより、未露光部分を溶解除去した後、１２０℃×５分間の加熱処理を行うことにより、幅２０μｍ、高さ５０μｍの断面長方形のコア（波長８３０ｎｍにおける屈折率＝１．５９２）をパターン形成した。

そして、上記オーバークラッド層形成用の成形型をステージ上に設置し、その成形型の凹部に、上記オーバークラッド層の形成材料を充填した。

ついで、上記オーバークラッド層の形成材料内に、上記アンダークラッド層の表面にパターン形成されたコアを浸した状態で、上記コアを成形型の凹部に対して位置決めし、上記アンダークラッド層を上記成形型に押圧した（押圧荷重１９６Ｎ）。

つぎに、上記成形型を透して、５０００ｍＪ／ｃｍ²の紫外線照射による露光を行うことにより、一端部分がレンズ部〔側断面形状が略１／４円弧状の凸レンズ部（曲率半径１．４ｍｍ）〕に形成された、コアの頂面からの厚み９５０μｍのオーバークラッド層（波長８３０ｎｍにおける屈折率＝１．５１０）を形成した。

そして、上記成形型から、上記オーバークラッド層を、上記ステンレス製基台，アンダークラッド層およびコアと共に脱型し、ステンレス製基台の表面に形成された、アンダークラッド層とコアとオーバークラッド層とからなる光導波路を得た。

〔比較例〕
上記実施例１において、オーバークラッド層形成用の成形型として、石英製のものを用いた。この石英製の成形型は、石英製のブロック材を一端から他端まで切削加工してなる石英製の構成片を複数作製し、それらを接合用樹脂で接合することにより作製した。また、上記石英製の成形型は、大きな荷重をかけると割れるため、その石英製の成形型へのアンダークラッド層の押圧荷重を４８Ｎに設定した。それ以外は上記実施例１と同様にして光導波路を製造した。

〔受光強度の測定〕
上記実施例および比較例の光導波路をそれぞれ２個ずつ作製し、一方の光導波路の他端部（レンズ部が形成されていない端部）に発光素子（オプトウェル社製、ＶＣＳＥＬ）を光結合し、他方の光導波路の他端部に受光素子（ＴＡＯＳ社製、ＣＭＯＳリニアセンサーアレイ）を光結合した。そして、それら２個の光導波路を、座標入力領域（対角サイズ７６．２ｍｍ）を挟んで、レンズ部が対向するように配置した。この状態で、上記発光素子から強度５．０ｍＷの光を出射し、上記受光素子での受光強度を測定した。その結果、受光強度は、実施例の光導波路を用いた場合は０．８ｍＷ、比較例の光導波路を用いた場合は０．２ｍＷであった。

上記結果から、実施例の光導波路が、比較例の光導波路よりも、光伝播特性に優れていることがわかる。

本発明の光導波路の製法は、光通信，光情報処理，タッチパネルにおける指等の触れ位置の検知手段（位置センサ）等に用いられる光導波路の製造に利用可能である。

２０成形型
２０Ａ透光性樹脂
２１凹部
４０型部材

Claims

アンダークラッド層の表面にコアをパターン形成した後、オーバークラッド層の形状に対応する型面を有する凹部が形成されている成形型を用い、上記コアを被覆した状態でオーバークラッド層を形成する工程を有する光導波路の製法であって、上記成形型を、下記（Ａ）の成形型の製法によって製造し、オーバークラッド層の形成を、上記成形型の凹部を上にして、上記成形型の凹部内に、オーバークラッド層形成用の感光性樹脂を充填し、その感光性樹脂内に、上記コアを浸した状態で、上記成形型を透して上記感光性樹脂を露光し硬化させてオーバークラッド層に形成することにより行うことを特徴とする光導波路の製法。
（Ａ）オーバークラッド層の形状と同一形状の型部材を成形型形成用の容器内に設置し、その容器内に透光性樹脂を充填し硬化させた後、上記容器から取り出し、上記型部材を脱離させて得られた、上記型部材の脱離跡をオーバークラッド層形成用の凹部とする、透光性樹脂製の成形型の製法。
上記コアの先端部を被覆するオーバークラッド層部分に対応する、上記成形型の凹部の型面部分がレンズ曲面に形成されている請求項１記載の光導波路の製法。
上記成形型の形成材料である透光性樹脂が、シリコーン樹脂を含んでいる請求項１または２記載の光導波路の製法。