JPH03288103A

JPH03288103A - プラスチック光導波路

Info

Publication number: JPH03288103A
Application number: JP8959790A
Authority: JP
Inventors: Kazunori Miura; 和則三浦; Ippei Sawaki; 一平佐脇; Yasuyuki Todokoro; 泰之外處; Motoaki Tani; 元昭谷; Yasuo Yamagishi; 康男山岸
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1990-04-04
Filing date: 1990-04-04
Publication date: 1991-12-18

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔概要〕プラスチック光導波路に関し、小さなスポットサイズのレーザ光を低損失で結合伝送し
、かつ、耐熱性の大きなプラスチック光導波路を実現す
ることを目的とし、有機化合物重合体を母材とし、前記母材に混合した光重
合性化合物を光重合させることによって作製する光導波
路において、前記母材の有機化合物重合体、とくに、架
橋性置換基を有する有機化合物重合体を少なくとも含む
有機化合物重合体に混合する光重合性化合物が少なくと
もカルバゾール環を有する光重合性化合物を含むことを
特徴としてプラスチック光導波路を構成する。

〔産業上の利用分野〕

本発明は小さなスポットサイズのレーザ光を低損失で結
合伝送するプラスチック光導波路の構成に関する。

近年、光ファイバやレーザ光源の進歩・発達に伴い、光
通信をはじめ光技術を応用した各種のシステム、デバイ
スが実用化され広く利用されるようになった。

とくに、光通信で使用される発光あるいは受光素子（光
素子）その他の光素子の小形化が進むにしたがい、基板
上に光ＩＣ技術や光ファイバに適合するように形成され
た光導波路の開発が強（求められている。

〔従来の技術〕

第６図は従来のプラスチック先導波路の例を示す斜視図
である。図中、■は基板で、たとえば、光学研磨したＳ
ｉ基板、２゛は母材クラッド層で、たとえば、ポリメチ
ルメタクリレート（ＰＭＭＡ）をメチルメタクリレート
（ＭＭＡ）モノマに溶かし、スピンコードしたのち、９
０８Ｃ９３０分間加熱乾燥したものである。

２０′　はクラッド層、３２′は先導波路で、これらを
形成するには、たとえば、前記母材クラッド層２゛を形
成したのち、スチレンモノマにポリメチルメタクリレー
ト（ＰＭＭＡ）を溶解して、同じく、スピンコード法で
塗布したのち、７０°Ｃ１４５分間加熱乾燥して光導波
路材料膜を形成する。次いで、前記光導波路材料膜の光
導波路形成領域に所要の露光マスクを用いて所定量の紫
外線を照射し、光導波路材料膜の中のスチレンモノマを
光重合させる。それから、室温のエチルアルコール中に
１分程度浸漬し主として非露光領域の未反応スチレンモ
ノマを溶解除去したのち加熱乾燥する。

したがって、光導波路材料膜の非露光領域はスチレンモ
ノマが抜けたＰＭＭＡ、すなわち、母材クラッド層２゛
と殆ど同じ素材から構成されたクラッド層２０゛　　と
なり屈折率は共に１．４９であり、一方、露光領域では
スチレンモノマが光重合の結果、アルコールに溶けない
ポリスチレンがＰＭＭＡに均一に混合、または、共重合
した領域を形成し、たとえば、屈折率は１．５１が得ら
れるので、レーザ光が閉じ込められて光導波路３２“が
形成される。

〔発明が解決しようとした課題〕

しかし、上記従来のプラスチック光導波路は屈折率１．
４９のＰＭＭＡをブラッドとし、屈折率１．５９のポリ
スチレンが混合されたＰＭＭＡがコアを形成している。

ポリスチレンの原料であるスチレンモノマは室温で液体
であり、このスチレンモノマにＰＭＭＡを溶かして基板
上に膜を形成し露光処理などのプロセスを行っていくに
は、その膜の硬化条件などから光導波路層へのポリスチ
レン混合量は２０％程度が限度で、その場合光導波路３
２゛　自体の屈折率は１．５１程度に止まりクラッド層
と光導波路との屈折率差は高々０．０２である。また、
スチレンの含有量は膜の硬化条件によってばらつくので
、屈折率差の制御がむつかしく再現性も悪い。

一方、波長０．８３μｍの半導体レーザのスポットサイ
ズは、たとえば、約１．５Ｘ４μｍで、このサイズの光
を効率的に伝送させるには屈折率差として０．０４程度
以上が必要であり、このため従来のプラスチック先導波
路ではｌｄＢ程度の結合損失が生じていた。

さらに、ＰＭＭＡもポリスチレンも共に軟化点が１００
°Ｃ前後であり、実用的に使用温度は７０°Ｃ程度に限
定されるなどの問題があり、その解決が必要であった。

〔課題を解決するための手段〕

上記の課題は、有機化合物重合体を母材とし、前記母材
に混合した光重合性化合物を光重合させることによって
作製する光導波路において、前記母材に混合する光重合
性化合物が少なくともカルバゾール環を有する光重合性
化合物を含むことを特徴としたプラスチック光導波路に
より解決することができる。さらに、前記母材と光重合
性化合物の混合物に光重合促進材を添加して光重合反応
を促進させて製造効率を高めることができる。また、前
記母材が架橋性置換基を有する有機化合物重合体を少な
くとも含むように構成した耐熱性の高いプラスチック光
導波路により一層効果を高めることが可能となる。

〔作用〕

光導波路膜の作製プロセスなどの制約から、光重合性化
合物の混合量が制限される場合、光導波路のコア部とク
ラッド部の屈折率差は混合する光重合性化合物の屈折率
が大きいほど大きな値が得られる。また、本発明のよう
に光重合性化合物。

たとえば、ビニルカルバゾールは室温で固体であるので
混合量に余り制限がなく、混合量を増やすことにより屈
折率差を大きくすることができる。

たとえば、従来例のポリスチレンの屈折率はｌ。

５９であるのに対して、本発明のビニルカルバゾールは
重合したとき屈折率１．６８を有する。しかも、スチレ
ンモノマが室温で液体であり多量に混合するとべとつい
てその後の処理が困難になるのに対して、ビニルカルバ
ゾールは室温で固体であるので混合量を大きくすること
ができ屈折率差はより大きなものとなり、小さなスポッ
トサイズのレーザ光でも効率よく結合し伝送させること
が可能となるのである。

さらに、架橋性置換基を有する有機化合物重合体は、一
般に耐熱性が高く、かつ、混合物の光重合体と相互に結
合し合って、高温においても光重合体の拡散を防ぎ安定
な屈折率分布が得られるのである。

〔実施例〕

第１図は屈折率と混合材比率の関係を示す図で、縦軸に
屈折率、横軸に混合材比率をとっである。

図中、■の実線は本発明のプラスチック光導波路材料の
一例であり、母材としてセルフロアセテートに溶解した
耐熱性アクリル系ポリマ（たとえば、日本合成ゴム株式
会社製のオプトマー、竹内：電子材料、　ＰＲＩ−８，
１９８８年１２月号参照）を用いた。

それに混合材としてビニルカルバゾールモノマ（Ｃ＋□
Ｈ８Ｎ−ＣＨ：ＣＨ２）を加え、さらに、たとえば、フ
ェニルケトン系の光重合促進材を２ｘ添加したものを、
Ｓｉ基板上に厚さ３μｍになるようにスピンコードし、
６０°Ｃ９３０分間プリベーク（加熱・乾燥）した。な
お、ビニルカルバゾールモノマの混合量は母材に対して
Ｏ〜７０重量Ｘ重量臼で変えたものを用意した。

次いで、上記のごとく形成された光導波路材料膜に１３
ｍＪ／ｓ／ｃｍ２の紫外線（波長３６５ｎｍ）を６０分
間照射してビニルカルバゾールモノマを光重合させて、
ポリビニルカルバゾール（ＰＶＣｚ）を生成させたあと
、未反応のビニルカルバゾールモノマを室温のエチルア
ルコール中に浸漬して溶解除去し、１５０８Ｃ１３０分
間ポストベーク（加熱・乾燥・硬化）を行った。

屈折率の測定は、前記ポストベーク後の膜にプリズムを
載置し、０．８３μｍのレーザ光を入射させ入射角を変
化させながら、反射光強度を測定する。

いわゆる、プリズム結合法（Ｒ，Ｕｌｒｉｃｈ、　Ｒ，
Ｔｏｒｇｅ　；Ａｐｐ、　、　Ｏｐｔ、　、　ｖｏｌ、
　１２．　ｐｐ、　２９０１−２９０８．１９７３参照
）により行った。

図かられかるように、混合量ゼロ、すなわち、母材のみ
のときの屈折率１．４９から、混合量７０％の１．６４
まではマ直線的に増加しており、屈折率差（Δｎ）は０
．１以上の値まで取ることができ、しかも、この混合範
囲で膜自体も良好であり光導波路材料として充分使用可
能なものが得られた。

なお、■の破線は従来のポリスチレン光導波路膜の場合
を参考値として示したものて、母材のＰＭＭＡをスチレ
ンモノマ（液体）に溶解したたちのをＳｉ基板上にスピ
ンコードして、プリベーク→紫外線露光→未反応モノマ
除去→ポストベークしたものを同様に屈折率測定した結
果である。すなわち、この場合にはＰＭＭＡ自体の屈折
率は、たまたま、前記実施例の母材の場合と同じ１．４
９で、混合比が約２０％のときに１．５１と増加するが
、それ以上の混合比にすることは膜の乾燥、露光処理上
不可能のためにデータが得られなかった。したがって、
Δｎは０．０２程度が従来例の実用上の限界であること
がわかる。

第２図は屈折率と露光時間の関係を示す図（そのｌ）で
、縦軸に屈折率を、横軸に露光時「を取っである。　図
中、■〜■の実線が本発明の実施例であり、母材の耐熱
性のアクリル系ポリマへのビニールカルバゾールモノマ
の混合比率を３０％に固定し、光重合促進材、たとえば
、ヒドロキシ・シクロヘキシル・フェニルケトンを■は
０．■は１％。

■は２％■は５％添加した場合のデータで、試料の作成
と屈折率の測定は前記第１図で説明したものに準じてい
る。

図かられかるように、光重合促進材の量が多いほど光重
合反応が促進されるが、２％以上ではその差は余り大き
くない。また、露光時間が長くなるほど光重合反応が進
むが５０〜６０分で飽和気味になる。この特性曲線を使
えば露光時間を適当に選んで重合反応を停止し、未反応
モノマを溶解除去することにより屈折率の制御を行うこ
ともできる。

なお、破線の■は従来のポリスチレン光導波路膜の場合
を参考値として示したもので、母材のＰＭＭＡをスチレ
ンモノマ（液体）に溶解したたちのをＳｉ基板上にスピ
ンコードしてポリスチレンの混合量を２０％にしたちの
＼データで、本発明の実施例に比較して屈折率差Δｎを
大きく取ることができない。

第３図は本発明の実施例方法を示す図で、主な工程を順
を追って説明する。

工程（１）：平板な基板、たとえば、Ｓｉ基板のごとき
基板１の上に、セルフロアセテートに溶解した母材の耐
熱性のアクリル系ポリマ（たとえば、日本合成ゴム株式
会社製のオプトマー）を適当な粘度に調節したのち厚さ
３μｍになるようにスピンコードし、１５０°Ｃ１３０
分間プリベーク（加熱・乾燥・硬化）して母材クラッド
層２を形成する（光導波路の下部クラッド層となる）。

工程（２）：上記処理基板の母材クラッド層２の上に、
耐熱性アクリル系ポリマからなる母材にビニルカルバゾ
ールモノマを３０％混合した光導波路材料膜３を形成す
る。必要により光重合促進材を添加してもよい。具体的
には前記第１図で説明した方法によって形成すればよい
。

工程（３）上記処理基板の光導波路材料膜３の先導波路
形成領域３１の部分に紫外線を照射する。たとえば、光
導波路形成領域３１の部分を開けた露光用のマスク４を
載置して所定量の波長３６５ｎｍの紫外線を所定時間照
射し、光導波路形成領域３１の光導波路材料膜３中のビ
ニルカルバソールモノマを重合させてＰＶＣｚにする。

このとき、必要により光導波路材料膜３の非導波路領域
に紫外線を照射し、ビニルカルバゾールモノマの一部を
重合させて水平方向の屈折率差を制御してもよい。

工程（４）：前記処理基板をモノマ除去液５．たとえば
、容器６に満たした室温のイソプロピルアルコールの中
に１分径度浸漬して前記光導波路材料膜３中の未反応の
ビニルカルバゾールモノマを溶解除去したのち、１５０
°Ｃ９３０分間ポストベークしてアクリルを硬化させれ
ば、本発明になるプラスチック光導波路３２が形成され
る。

第４図は本発明の光導波路の実施例を示す斜視図である
。２は母材クラッド層で硬化したアクリル系ポリマなの
で前記のごとく屈折率は１．４９である。また、２０の
クラット層は非露光領域で未反応のビニルカルバゾール
モノマが全て溶解除去されており、実質的には前記母材
クラッド層２と同質の素材からなるので屈折率は同じ＜
１．４９である。

一方、３２は硬化されたアクリルポリマの中にＰＶＣｚ
が混合された高屈折率層で、たとえば、混合比３０％の
場合、屈折率は１．５４となり、したがって、屈折率差
Δｎは０．０５が得られ、波長０．８３μｍのレーザ光
のスポットサイズが１．５μｍの場合でも、スポットサ
イズの違いによる損失を除去することができ、結合損失
は０．５ｄＢと従来のものに比較して大巾に低減された
。

さらに、母材クラッド層２．クラッド層２０．光導波路
３のいずれも耐熱温度が１６０°Ｃ以上なので、上記実
施例の光導波路を１２０°Ｃ，１５０Ｈの高温放置試験
を行ったところ、伝送損失、透過光ビームのニアフィー
ルド・パターンとも変化がなく、前記従来例の耐熱温度
７０〜８０８Ｃに比較して、極めて優れた耐熱性を有す
ることがわかった。こ＼で用いたアクリル系ポリマは１
５０〜１８０℃で硬化するとガラス転移点が存在しなく
なり、また、硬化前には溶解したセルフロアセテートな
どの有機溶剤にも溶解しなくなることから、硬化によっ
て架橋反応が進行しているものと考えられる。

なお、上記実施例では光導波路材料膜３と基板１との間
に母材クラッド層２を設けであるが、透明基板を用いる
ような場合にはこれを省略して光導波路を構成してもよ
い。

また、光導波路層の上にクラッド層をさらに形成して埋
め込み型構成にしてもよく、さらに、上下クラッド層に
ビニールカルバゾールを混合して垂直方向の屈折率差を
制御するようにしてもよい。

光重合促進材もケトン系だけとは限らず透明で加熱によ
り除去できる過酸化物系の化合物を用いてもよく、さら
に、基板ｌとしてはＳｉ基板とは限らず、平面度がよく
、かつ、平滑な表面を持つものであれば他の素材であっ
てもよい。

次に、本発明の他の実施例について説明する。

母材として架橋性のポリメタクリル系であるメチルメタ
クリレート（ＭＭＡ）とグリシジルメタクリレ−４（Ｇ
ＭＡ）との共重合体を用い、混合材として前記実施例の
場合と同様にビニルカルバゾールを用いても全く同様の
効果を有するプラスチック光導波路を作製することがで
きる。ＭＭＡとＧＭＡとの共重合体は１７０°Ｃ以上の
温度でＧＭＡのエポキシ基の反応を利用して架橋させ得
ることが知られている（山下他、電子材料、　ｐ７９．
１９７９年ＩＯ月号）。

第５図は屈折率と露光時間の関係を示す図（その２）で
ある。ＭＭＡとＧＭＡとの共重合体へのビニルカルバゾ
ールモノマの混合比率を３０％とし、前記第２図で説明
した方法に準じて紫外線露光して光重合させ同様に屈折
率の測定を行ったものであり、屈折率の絶対値は異なる
が前記実施例と同様の傾向が得られ露光量により屈折率
の制御を行うことが可能である。

なお、母材として架橋性のポリメタクリル系であるメチ
ルメタクリレート（ＭＭＡ）とグリシジルメタクリレー
ト（ＧＭＡ）との共重合体を用いて、具体的にプラスチ
ック光導波路を作製するには第３図で前記の実施例につ
いて詳細に説明した工程に準じて行えばよい。たたし、
ＭＭＡとＧＭＡの溶剤としては１．４−ジオキサンを使
用し、プリベークは６０°Ｃで、ポストベークは１７０
８Ｃで行い、また、未反応のビニルカルバゾールモノマ
の溶解除去にはエチルアルコールを使用するなどの点が
異なるだけである。本実施例の光導波路を１２０’ｃ、
　２００Ｈの高温放置試験を行ったところ、伝送損失、
透過光ビームのニアフィールド・パターンとも変化がな
く、前記実施例の場合と同様に極めて優れた耐熱性を有
することがわかった。

以上述べた実施例は数例を示したもので、本発明の趣旨
に添うものである限り、使用する素材や構成など適宜好
ましいもの、あるいはその組み合わせを用いてよいこと
は言うまでもない。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、母材と混合材の
両方とも耐熱性が大きい素材を使用し。

しかも、屈折率が大きい混合材を多量に混合することが
できるので、プラスチック光導波路のコアとクラッドの
屈折率差を大巾に拡大することができ、したがって、半
導体レーザのような小さなスポットサイズをもつ光素子
との結合損失を大巾に低減することが可能となるだけで
なく、耐熱性の向上により高温環境下での使用が可能と
なり、プラスチック光導波路の性能・品質の向上に寄与
するところが極めて大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は屈折率と混合材比率の関係を示す図、第２図は
屈折率と露光時間の関係を示す図（そのｌ）、第３図は本発明の実施例方広を示す図、第４図は本発明
の光導波路の実施例を示す斜視図、第５図は屈折率と露光時間の関係を示す図（その２）、第６図は従来のプラスチック光導波路の例を示す斜視図
である。図において、ｌは基板、２は母材クラッド層、３は先導波路材料膜、４はマスク、５はモノマ除去液、２０はクラッド層、３１は光導波路形成領域、３２は先導波路である。思忰第６図露光時間（、？）

Claims

【特許請求の範囲】

（１）有機化合物重合体を母材とし、前記母材に混合し
た光重合性化合物を光重合させることによって作製する
光導波路において、前記母材に混合する光重合性化合物が少なくともカルバ
ゾール環を有する光重合性化合物を含むことを特徴とし
たプラスチック光導波路。
（２）前記母材と光重合性化合物の混合物に光重合促進
材を添加することを特徴とした請求項（１）記載のプラ
スチック光導波路。
（３）前記母材が架橋性置換基を有する有機化合物重合
体を少なくとも含むことを特徴とした請求項（１）また
は（２）記載のプラスチック光導波路。