JPH08327842A

JPH08327842A - 光導波路

Info

Publication number: JPH08327842A
Application number: JP13061495A
Authority: JP
Inventors: Akira Tomaru; 暁都丸; Saburo Imamura; 三郎今村; Makoto Hikita; 真疋田; Naoki Oba; 直樹大庭
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1995-05-29
Filing date: 1995-05-29
Publication date: 1996-12-13

Abstract

(57)【要約】【目的】安価でしかも高性能な導波路型光素子、特に
単一モード用の光導波路で、他の光部品と光結合する
際、繁雑な位置合わせ等の作業が不要となるＶ溝等と一
体化して作製され得る光導波路を提供することを目的と
する。【構成】光導波路は、コアと、該コアを囲み該コアよ
りも低屈折率のクラッドとを少なくとも有し、前記クラ
ッドは、エポキシ環、不飽和基、シロキサン結合を有す
るモノマあるいはオリゴマと重合開始剤との混合物を光
硬化または熱硬化したものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光通信分野、光情報処
理分野において使用される光デバイスを構成する導波路
型光学素子等における光導波路に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、この種の導波路型光学素子
は、材料としては石英ガラス、誘電体結晶ＬｉＮｂＯ₃
等を用い、その作製法としてはＬＳＩプロセスでよく用
いられるフォトリソグラフィ、ドライエッチングプロセ
スの組み合せにより微細加工を施し、高性能な導波路型
光素子を作製していた（例えば文献河内正夫Ｏｐｔ
ｉｃａｌａｎｄＱｕａｎｔｕｍＥｌｅｃｔｒｏｎ
ｉｃｓ２２巻３９１ページ（１９９０年））。

【０００３】しかし、このような方法では、製造プロセ
スが繁雑なこと、作製装置が高価なことから、大量生産
には適していないこと、あるいは安価に素子を作製でき
ないという欠点があった。

【０００４】また、素子を作製しても、その後、光ファ
イバ等の他の光部品との光結合に精密な調整が必要なた
め、大量生産には適していないという問題もある。

【０００５】一方、より安価な材料、高分子材料を用い
て導波路素子を作製することも行われているが（文献
今村他ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓ２
７巻１３４２ページ（１９９１年））、ガラス導波路と
同様な導波路作製法では基板１枚ごとに同じパターニン
グ工程を繰り返す必要があることや、エッチング装置が
高価なこと等のため、材料的には安価であっても素子作
製ではガラス導波路と同様なコストがかかり安価とはな
らないという欠点がある。

【０００６】また、先の作製法と同様に素子を作製して
も、その後、光ファイバ等の他の光部品との光結合に精
密な調整が必要なため、大量生産には適していないとい
う問題もある。

【０００７】従来の作製法における欠点を解消する目的
で、金型の転写による射出成形等の大量生産に適した高
分子成形法により高分子導波路を作製する方法も提案さ
れている。この作製法によれば、従来よりもプロセスコ
ストを下げ、あるいは光結合の繁雑さを避けることは可
能である。しかし、数μｍオーダの加工精度が必要な単
一モード導波路の作製に上記作製法を適用する場合に
は、十分な光学特性を有する導波路が実現できない欠点
があった。これは主に成形時に用いる金型寸法と成形後
高分子（以下、高分子成形体という）の転写寸法が大き
く異なることに起因すると考えられる。

【０００８】また、この成形法によりＳｉ基板にＶ溝加
工を基にして作製した金型を用いて、光結合を容易にす
るＶ溝を高分子導波路と一体化して作製する方法も提案
されている。この作製法によれば、光ファイバとの結合
を簡便にして導波路素子に係るコストを下げることは可
能である。しかし、特に単一モード導波路と単一モード
光ファイバとの結合では数μｍオーダ以下の位置合わせ
精度が必要なため、十分に低い結合損失を有する導波路
は作製できない欠点があった。これも主に成形時に用い
る金型寸法と高分子成形体との転写寸法が大きく異なる
ことに起因すると考えられる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上記欠点を解
決するためになされたもので、その目的とするところは
安価でしかも高性能な導波路型光素子、特に単一モード
用の光導波路であって、他の光部品と光結合する際、繁
雑な位置合わせ等の作業が不要となるＶ溝等と一体化し
て作製され得る光導波路を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明において上記課題
を解決するための要因について簡単に説明する。

【００１１】（１）素子を作製する導波路作製プロセス
においては大規模な装置を用いず、大量生産に適した加
工法を用いること、（２）材料的にコストが低く、加工
が容易な高分子材料をクラッドとして用いること、
（３）コアとしては加工が容易でしかも光学的に低損失
な高分子材料を用いること、（４）導波路を作製する
際、光ファイバ等の他の光部品との位置合わせを考慮し
た金型を用い、作製後の光結合のための作業をできるだ
け簡略化すること等が挙げられる。

【００１２】本発明の光導波路では、安価な材料である
高分子材料を用い、大量生産に適した加工法である金型
のパターンを転写する成形加工により導波路を作製する
ことを基本としている。この際の問題は成形時に用いる
金型寸法と高分子成形体との転写寸法差が大きいという
点にある。これは例えば射出成形等では高分子を成形す
るのに高温下で非常に大きな圧力をかけ成形し、その後
室温まで冷却するといった方法をとっているため、ガラ
ス等に比較すると熱膨張係数が１桁以上大きな高分子材
料では成形時に用いる金型寸法と高分子成形体との転写
寸法差を小さくすることは困難であることが多い。

【００１３】そこで、上記目的を達成するために、請求
項１記載の発明は、コアと、該コアを囲み該コアよりも
低屈折率のクラッドとを少なくとも有する光導波路にお
いて、前記クラッドは、エポキシ環を有するモノマある
いはオリゴマと重合開始剤との混合物を光硬化または熱
硬化したものであることを特徴とする。

【００１４】請求項２記載の発明は、コアと、該コアを
囲み該コアよりも低屈折率のクラッドとを少なくとも有
する光導波路において、前記クラッドは、不飽和基を有
するモノマあるいはオリゴマと重合開始剤との混合物を
光硬化または熱硬化したものであることを特徴とする。

【００１５】請求項３記載の発明は、コアと、該コアを
囲み該コアよりも低屈折率のクラッドとを少なくとも有
する光導波路において、前記クラッドは、シロキサン結
合を有するモノマあるいはオリゴマと重合開始剤との混
合物を光硬化または熱硬化したものであることを特徴と
する。

【００１６】請求項４記載の発明は、請求項１〜３のい
ずれかの項に記載の光導波路において、前記コアが下記
式（Ｉ）

【００１７】

【化３】

【００１８】に示す化学構造を有する材料からなるもの
であることを特徴とする。

【００１９】請求項５記載の発明は、請求項１〜３のい
ずれかの項に記載の光導波路において、前記コアが下記
式（II）または（III ）

【００２０】

【化４】

【００２１】［式中、Ｒ₁ ，Ｒ₂ は同一または異なり、
Ｃ_n Ｙ_2n-1（Ｙは水素、重水素もしくはハロゲン、ｎは
５以上の正の整数を表す）で表されるアルキル基、重水
素化アルキル基またはハロゲン化アルキル基、あるいは
Ｃ₆ Ｙ₅ （Ｙは水素、重水素もしくはハロゲンを表す）
で表されるフェニル基、重水素化フェニル基またはハロ
ゲン化フェニル基で表される］繰り返し単位を有するポ
リシロキサン、あるいは式（II）または（III ）で表さ
れる繰り返し単位の共重合体であるポリシロキサン、お
よびこれらの混合物からなる群より選択されたポリマで
あることを特徴とする。

【００２２】

【作用】本発明の光導波路では、光あるいは熱により硬
化し、大きな圧力をかけなくても簡単に金型の転写レプ
リカが得られるタイプの高分子材料を用い、構造もエポ
キシ環、不飽和基、シリコーン等を有し硬化収縮が少な
い構造としている。また、材料に熱をかける場合でもそ
れほど高温を必要としない。これにより、成形時に用い
る金型寸法と高分子成形体との転写寸法差をできるだけ
小さくすることができる。コアに用いる高分子材料とし
ては重水素化ＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレート）あ
るいはシリコーン材料を用いるため、近赤外域で低損失
等の高性能な導波特性が得られる。

【００２３】さらに、本発明では用いる金型の構造を工
夫することにより導波路と光ファイバをのせるためのＶ
溝等を一体で簡単に作製することができるため導波路と
光ファイバとの光結合が精度よく簡便にできる。

【００２４】

【実施例】以下、図１（ａ）〜（ｅ）を参照して本発明
の光導波路を作製する方法の一例を概略説明する。

【００２５】図１の（ａ）に示すように、所望の形状に
加工された基板１上にスピンコート、ディッピング等の
手段により塗布層２を設ける。この塗布層２を形成する
材料としては、室温で流動性を示し、かつ、後述の例え
ば光照射等により硬化し、しかも硬化収縮の比較的小さ
い性質を有するモノマあるいはオリゴマを用いることが
できる。

【００２６】次に、（ｂ）に示すように、塗布層２の上
に、所望の形状の長尺凸部３ａを有する成形用の型３を
被せる。この型３は、本実施例では上記塗布層２を硬化
させるのに利用される波長光（紫外線）を少なくとも透
過する材料から形成されている。この型３の上方から上
記透過波長の光４を照射して塗布層２を硬化させ、型３
の樹脂レプリカである硬化膜５ａを形成する。この硬化
膜５ａは、目的の光導波路の下部クラッドとなる。な
お、塗布層２の硬化を、光照射に代えて所定温度での加
熱硬化により行ってもよい。

【００２７】次に、型３を除去すると、硬化膜５ａの上
部には型３の長尺凸部３ａも対応した形状、寸法の溝が
露出する。（ｃ）に示すように、この溝内に上記硬化膜
５ａの屈折率よりも高い屈折率を有する高分子材料溶液
６を流し込む。

【００２８】次に、（ｄ）に示すように、樹脂レプリカ
のうち、上記溝から硬化膜５ａ上にはみ出した余剰部分
がある場合には、溶媒乾燥後、余剰部分７をドライエッ
チング等により除去し、上記溝内にコア８を作製する。
なお、余剰部分７の除去には、ドライエッチングに代え
て、研磨加工、ブレード、あるいはウエットエッチング
等の技術を用いることができる。

【００２９】次に、（ｅ）に示すように、硬化膜５ａお
よびコア８上に上記硬化膜５ａと同様の材料を塗布し、
光硬化させて上部クラッドとなる硬化膜５ｂを形成し、
コア８と、下部クラッド５ａおよび上部クラッド５ｂを
含むクラッド５とからなる導波路素子９を得る。

【００３０】以下、具体的な例を挙げて本発明を詳細に
説明する。

【００３１】（実施例１）図２の（ａ）〜（ｇ）を参照
して本発明の光導波路を作製する方法の一例を説明す
る。

【００３２】まず、（ａ）に示すように、基板２１を用
意し、この上にスピンコート法により下記式（IV）に示
す化学構造を有するエポキシ系ＵＶモノマ（粘度１００
０ｃｐ）を塗布し、塗布層２２を形成した。

【００３３】

【化５】

【００３４】一方、（ｂ）に示すように、幅７μｍ、高
さ７μｍ、長さ５０ｍｍの凸部２４ａを有するガラス性
の金型２４を用意し、これを（ｃ）に示すように塗布層
２２上に被せ、金型２４を介してＵＶ光源２５を用いて
露光し、塗布層２２を光硬化させ、目的の光導波路の下
部クラッド２３ａを得た（ｎ＝１．４７、波長１．３１
μｍ）。この際、塗布層２２を構成するＵＶ樹脂は金型
形状に沿って硬化し、金型２４の凸部２４ａに対応した
形状の溝が形成される。

【００３５】次に、（ｄ）に示すように、コアとなる高
分子材料溶液２６（構造は下記の式（Ｉ）参照、屈折率
ｎ＝１．４８、波長１．３１μｍ）を溝内に流し込ん
だ。

【００３６】

【化６】

【００３７】次に、（ｅ）に示すように、高分子溶液２
６の溶媒を９０℃で３０分乾燥後、酸素ガスによるドラ
イエッチング２７で、上記溝からはみ出した余剰部分２
８を除去した。この操作により、（ｆ）に示すように、
溝内のみに幅７μｍ、高さ７μｍのコア２９を作製でき
た（ｎ＝１．４８、波長１．３１μｍ）。

【００３８】次に、（ｇ）に示すように、コア２９およ
び下部クラッド２３ａの上に、再びエポキシ系ＵＶモノ
マを塗布し、硬化させて上部クラッド２３ｂを形成して
導波路２００を作製した。ＬＤ光源（波長１．３１μ
ｍ）を用いて導波路損失を測定したところ、導波路損失
は０．１ｄＢ／ｃｍであった。

【００３９】（実施例２）クラッド材料の主成分として
下記式（Va）または（Vb）に示す化学構造の不飽和基を
有するモノマを用い、かつ、実施例１と同一のコア材料
を用いた以外は、実施例１と同様の操作により、目的の
光導波路（クラッド屈折率ｎ＝１．４７、コア屈折率ｎ
＝１．４８、コア幅７μｍ、高さ７μｍ）を作製したと
ころ、導波路損失は０．１ｄＢ／ｃｍであった。

【００４０】

【化７】

【００４１】（実施例３）クラッド材料の主成分として
下記式（VIa ），（VIb ），（VIc ）に示す化学構造の
シロキサン結合を有するオリゴマを用い、かつ、コア材
料として下記式（II），（III ）に示す化学構造の材料
を用いた以外は、実施例１と同様の操作により目的の光
導波路（クラッド屈折率ｎ＝１．５２、コア屈折率ｎ＝
１．５３、コア幅７μｍ、高さ７μｍ）を作製したとこ
ろ、導波路損失は０．１ｄＢ／ｃｍ（波長１．３μ
ｍ）、０．５ｄＢ／ｃｍ（波長１．５５μｍ）であっ
た。

【００４２】

【化８】

【００４３】（実施例４〜６）表１に示した材料をコア
成分およびクラッド成分として用いた以外は、実施例１
と同様な操作により目的の光導波路を作製し、その導波
路損失値を測定し、表１に示した。

【００４４】

【表１】

【００４５】（実施例７）図３の（ａ）〜（ｉ）を参照
して本発明の光導波路のうち、Ｖ溝付の導波路を作製す
る方法の一例を説明する。

【００４６】まず、（ａ）に示すように、基板３０を用
意し、この上にエポキシ系ＵＶモノマを流し、塗布層３
１を形成した。

【００４７】一方、（ｂ）に示すようなガラス金型３２
を用意した。このガラス金型３２は、その下側に断面Ｖ
字形状の凸部３３（開き角６０度、高さ１５０μｍ、幅
１７０μｍ、長さ２０ｍｍ）と、この凸部３３に連続し
て形成された断面矩形状の凸部３４（高さ１０μｍ、幅
１０μｍ、長さ４０ｍｍ）を有するものである。

【００４８】次に、（ｃ）に示すように、ガラス金型３
２を塗布層３１上に被せ、ガラス金型３２を介してＵＶ
光源３５で露光し、塗布層３１を光硬化させ、下部クラ
ッドとしての硬化膜３６（ｎ＝１．４７、波長１．３１
μｍ）を形成した。この際、塗布層３１は金型形状に沿
って硬化し、（ｄ）に示すように、ガラス金型３２の凸
部３３に対応するＶ溝部（開き角６０度、高さ１５０μ
ｍ、長さ２０ｍｍ）３７、凸部３４に対応する細溝部
（深さ１０μｍ、幅１０μｍ、長さ４０ｍｍ）３８が硬
化膜３６の表面上に形成された。これらＶ溝部３７と細
溝部３８とは連通して形成されている。

【００４９】次に、（ｅ）に示すように、硬化膜３６上
の細溝部３８に上述の式（I ）に示す化学構造を有する
コア高分子材料溶液３９を流し込んだ。この際、予めＶ
溝部３７には、金型３２のＶ字形状凸部と同様の形状を
持つ金型３００を挿入しておいた。これは、細溝部３８
と連通したＶ溝部３７にコア高分子材料溶液３９が入ら
ぬようにするためである。

【００５０】次に、（ｆ）に示すように、コア高分子材
料溶液３９の溶媒乾燥後、細溝部３８からはみ出した余
剰部分３０１をドライエッチングにより除去した。この
操作により、（ｇ）に示すように、コア部分のうち、余
剰部分３０１が除去され、Ｖ溝部３７に対して位置合わ
せされた細溝部３８内にコア３０２（幅１０μｍ、高さ
１０μｍ）を形成した。

【００５１】次に、（ｈ）に示すように、コア３０２お
よび下部クラッドとしての硬化膜３６の上に、再びエポ
キシ系ＵＶモノマを被せ、光硬化して上部クラッド３０
３を作製し、目的のＶ溝付導波路３０４を作製した。で
きた導波路３０４の外観を（図３（ｉ））に示す。この
Ｖ溝部３７に光ファイバを固定し、ＬＤ光源（波長１．
３１μｍ）を用いて導波路損失を測定したところ、ファ
イバとの接続損失は０．２ｄＢ、導波路損失は０．１ｄ
Ｂ／ｃｍであった。

【００５２】上記各実施例では、光硬化剤を用いて本発
明の光導波路の作製例を示したが、熱により重合させて
もよく、その場合は重合開始剤の種類を変えることによ
り同様な作製が行える。また、実施例７において光ファ
イバを挿入する溝形状としてＶ溝を用いたが、光ファイ
バが挿入できる形状であればＶ溝でなくても構わない。

【００５３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
クラッドを硬化収縮の少ない特定の材料で形成したの
で、成形硬化後の寸法と金型寸法との転写寸法差を極め
て小さくすることができるため、導波路損失の小さな高
性能光導波路を得ることができる。

【００５４】また、光ファイバ等を固定するための溝を
一体に形成した溝付導波路では、導波路と溝とを精度よ
く形成できるので、溝に固定した光ファイバ等と光導波
路とを簡便に低損失で光結合できる効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）〜（ｅ）は、それぞれ本発明の光導波路
の一実施例を作製する場合の各工程を示す断面図であ
る。

【図２】（ａ）〜（ｇ）は、それぞれ本発明の光導波路
の他の実施例を作製する場合の各工程を示す図であっ
て、（ａ）は断面図であり、（ｂ）〜（ｇ）は斜視図で
ある。

【図３】（ａ）〜（ｉ）は、それぞれ本発明の光導波路
のさらに他の実施例（Ｖ溝付導波路）を作製する場合の
各工程を示す図であって、（ａ）および（ｃ）〜（ｅ）
は断面図であり、（ｂ）および（ｆ）〜（ｉ）は斜視図
である。

【符号の説明】

１所望の形状に加工された基板２室温で流動性を示すモノマあるいはオリゴマからな
る塗布層３所望の形状を有する型４光照射あるいは加熱５クラッド５ａ下部クラッド（硬化膜）５ｂ上部クラッド（硬化膜）６クラッドより屈折率が高い高分子材料溶液７溝部からはみ出した余剰部分８コア９コアクラッドからなる導波路素子２１基板２２エポキシ系ＵＶモノマからなる塗布層２３導波路のクラッド２３ａ下部クラッド２３ｂ上部クラッド２４ガラス性金型２４ａ凸部２５ＵＶ光源２６コアとなる高分子材料の溶液２７酸素ガスによるドライエッチング２８余剰部分２９コア３０基板３１エポキシ系ＵＶモノマからなる塗布層３２ガラス金型３３Ｖ字形状凸部３４細溝部３５ＵＶ光源３６下部クラッド（硬化膜）３７Ｖ溝部３８細溝部３９コア高分子材料溶液２００導波路３００Ｖ字形状凸部を持つ金型３０１余剰部分３０２コア３０３上部クラッド３０４Ｖ溝付導波路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者大庭直樹東京都千代田区内幸町１丁目１番６号日本電信電話株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】コアと、該コアを囲み該コアよりも低屈
折率のクラッドとを少なくとも有する光導波路におい
て、前記クラッドは、エポキシ環を有するモノマあるいはオ
リゴマと重合開始剤との混合物を光硬化または熱硬化し
たものであることを特徴とする光導波路。
【請求項２】コアと、該コアを囲み該コアよりも低屈
折率のクラッドとを少なくとも有する光導波路におい
て、前記クラッドは、不飽和基を有するモノマあるいはオリ
ゴマと重合開始剤との混合物を光硬化または熱硬化した
ものであることを特徴とする光導波路。
【請求項３】コアと、該コアを囲み該コアよりも低屈
折率のクラッドとを少なくとも有する光導波路におい
て、前記クラッドは、シロキサン結合を有するモノマあるい
はオリゴマと重合開始剤との混合物を光硬化または熱硬
化したものであることを特徴とする光導波路。
【請求項４】前記コアが下記式（Ｉ）【化１】に示す化学構造を有する材料からなるものであることを
特徴とする請求項１〜３のいずれかの項に記載の光導波
路。
【請求項５】前記コアが下記式（II）または（III ）【化２】［式中、Ｒ₁ ，Ｒ₂ は同一または異なり、Ｃ_n Ｙ
_2n-1（Ｙは水素、重水素もしくはハロゲン、ｎは５以上
の正の整数を表す）で表されるアルキル基、重水素化ア
ルキル基またはハロゲン化アルキル基、あるいはＣ₆ Ｙ
₅ （Ｙは水素、重水素もしくはハロゲンを表す）で表さ
れるフェニル基、重水素化フェニル基またはハロゲン化
フェニル基で表される］繰り返し単位を有するポリシロ
キサン、あるいは式（II）または（III ）で表される繰
り返し単位の共重合体であるポリシロキサン、およびこ
れらの混合物からなる群より選択されたポリマであるこ
とを特徴とする請求項１〜３のいずれかの項に記載の光
導波路。