JPH0860136A - 光学材料及びその製造方法 - Google Patents

光学材料及びその製造方法

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JPH0860136A
JPH0860136A JP6196590A JP19659094A JPH0860136A JP H0860136 A JPH0860136 A JP H0860136A JP 6196590 A JP6196590 A JP 6196590A JP 19659094 A JP19659094 A JP 19659094A JP H0860136 A JPH0860136 A JP H0860136A
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JP
Japan
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optical
optical material
chemical bond
glassy solid
formula
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JP6196590A
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English (en)
Inventor
Kenzo Susa
憲三 須佐
Koichi Takei
康一 武井
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Resonac Corp
Original Assignee
Hitachi Chemical Co Ltd
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【目的】耐水性、耐磨耗性に優れ、加工温度も低い光学
材料を提供する。 【構成】メチルトリメトキシシランを主原料とするアル
キルシリケートワニスをシャーレに深さ約2mmになる
ように充填し、室温で約1週間放置し、ガラス状固体を
得た。この固体はおおむねガラス状であるが、約8Åの
弱い周期性を持った構造を有しており、約300〜25
0nmで透明で、 【化1】 に対応する化学結合が50%以上を占めおり、屈折率は
波長5893Åで1.441であった。このガラス状固
体は、紫外、可視、近赤外の波長領域で光学材料として
利用することができる。 【効果】シリカ系の材料に比べて飛躍的に低い温度で光
学系デバイスの実現を可能にし、かつ有機高分子材料に
比べて耐磨耗性、耐水性、耐薬品性、光透過性に優れた
光学素子デバイスの実現が可能とる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、光学材料及びその製造
方法に関する。
【0002】
【従来の技術】従来、オプトエレクトロニクス等の分野
で応用されているレンズ、プリズム、光導波路、光ファ
イバあるいはその他の光部品、光集積回路等にはシリカ
ガラスを中心とする無機材料と、有機高分子材料が主に
使用されてきた。シリカガラスは広い波長領域で透明で
あり、かつ化学的に安定な材料であるため、光学部品と
しての用途が期待される。その1例として電子情報通信
学会全国大会(昭和62年)講演予稿集p.4−124
に石英系光導波路を用いたチップ間光配線回路が提案さ
れている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、石英系
材料は融点が高いため、加工温度が高く、そのため、半
導体素子を作製する前に形成しておく必要があり、逆に
半導体素子形成後は導波路の形成は不可能であった。一
方、高分子材料は加工温度が低い利点があるものの、耐
水性や耐磨耗性に乏しいという欠点がある。また、高分
子材料では近赤外及び近赤外より長波長領域で光透過性
が悪くなるという欠点もある。本発明は、耐水性や耐磨
耗性に優れ、かつ加工温度も石英に比べて著しく低く、
紫外、可視、近赤外領域でも光透過性の良好な特性を有
する光学材料及びその製造方法を提供するものである。
【0004】
【課題を解決するための手段】本発明の光学材料は、紫
外、可視、近赤外の波長領域で光透明性を有することを
特徴としており、その構造はX線的に約8Åの弱い周期
性を有し、かつ少なくとも−O−M−R(Mは金属元
素、Rは有機基)で表される化学結合を有することを特
徴とするガラス状の固体から成る。また、このような光
学材料は、好ましくは一般式Rn ・M・(OR’)
m (ただし、Mは金属元素、Rは有機基、R’はアルキ
ル基、n、mは1以上3以下の整数、n+mは金属元素
Mの価数と同じ)で表される有機金属アルコキシドを主
原料とし、これを乾燥する工程または基板上に塗布する
工程を含むことを特徴とする方法により製造される。し
かし、本発明の光学材料を製造するためには、本発明の
方法には限定されない。すなわち、本発明の光学材料の
持つ構造や光学特性を与えるものであればいかなるもの
も採用しうる。
【0005】本発明において、金属元素MとしてはSi
が最も適しているが、Ge、Ti、Ta、Zr、Al、
P、B等も有効である。これらは主に本光学材料の屈折
率を調整・制御する目的で用いられ、通常、Siのもの
に添加する形で使用される。一般に屈折率の異なる材料
を用いることにより、レンズ機能、光導波機能を付与で
きることが知られているが、本発明の材料を組み合わせ
ることにより、容易に所望の光学的機能を付与すること
ができる。有機基Rとしては、メチル基、エチル基、プ
ロピル基、ブチル基及びこれらの構造異性体から成るア
ルキル基が好ましいが、感光性、偏光性等種々の光学的
機能を付与する目的から、これらのアルキル基の一部も
しくは全部を光学的機能性の高い官能基と置換すること
もできる。アルキル基R’としては、メチル基、エチル
基、プロピル基、ブチル基及びこれらの構造異性体が好
ましい。
【0006】本発明の光学材料は、半導体、化合物半導
体、各種の単結晶、ガラス、セラミックス、配線板、回
路板、プラスチック等の多様な基板上に、膜状もしくは
線状に形成され、種種の用途に使用される。すなわち、
光導波路形の分岐・結合器、方向性結合器スターカプラ
ー、分岐・合波器、さらに導波路レンズ、プリズム、光
スイッチ、偏光器、四分の一波長板、二分の一波長板、
ブラグ反射器、光ディスクピックアップ、位置センサ等
々の光デバイス素子への応用が極めて多く、かつ容易で
ある。また、このような光導波路に対応する場合、利用
する半導体等のレーザ光波長(0.6μm帯、0.8μ
m帯、1.2μm帯、1.3μm帯1.5μm帯)で光
吸収が小さいことが要求される。そのためには、本光学
材料中の不純物として残留しやすい−OH基を少なくす
る必要がある。しかしながら、光ファイバ等に比較し
て、これらの光デバイスでは伝送距離が短いため、十数
パーセントのオーダーでも許容される。例えば、適当な
基板に形成された膜に垂直な方向に光を透過させる場合
は、許容範囲が広がる。
【0007】本発明の光学材料は、耐薬品性や耐磨耗性
に優れているため、オプトエレクトニクス分野のみなら
ず、眼鏡、保護めがね等光透過性の要求される一般消費
材にも適用される。特に、プラスチック成形品のハード
コーティング膜として有効である。また、各種ディスプ
レー装置の表示板(ブラウン管、各種フラットディスプ
レー)等のコーティング膜にも適している。さらに、光
ディスクや光磁気ディスク等の光の入反射面のコーティ
ング膜、各種太陽電池の反射防止膜や、保護膜等にも適
用できる。
【0008】本発明の光学材料を製造する場合に使用さ
れる有機金属アルコキシドには単量体のみでなく、重縮
合物も含まれ、さらに、原料液中にはシリカ微粒子が含
まれる場合もある。本発明の塗布工程には、加熱工程が
続くことが一般的であり、これにより、塗布された原料
液は、アルコキシドの加水分解反応とこれに続いて起こ
る脱水縮合反応で硬化膜を形成する。このような一連の
硬化膜形成工程はゾルゲル法と呼ばれるが、このような
反応過程では、反応に関与するのは、アルコキシ基(−
OR’)のみで有機基(−R)は硬化膜中に残る。この
ようにして形成された膜は、M−O結合の無機成分と有
機基の有機成分とから成る有機・無機複合高分子である
と言える。
【0009】本発明の光学材料の製造で用いる原料液中
には有機金属アルコキシドの他に、水分、溶媒、触媒等
が含まれている。溶媒にはメタノール、エタノール等の
低数の一価アルコールが一般に用いられるが、分子量の
大きい直鎖のアルキル基は、イソプロピルアルコールの
ような極性の小さい溶媒が好ましい。触媒には一般には
酸やアルカリを用いるが、場合によっては有機金属触媒
も加えることができる。
【0010】本発明の光学材料は、理想的には−O−M
−Rのみの結合から成る三次元ネットワークを形成す
る。しかしながら、製造条件によっては、原料のM−O
−Rや、加水分解反応で生じるM−O−H等の結合が残
留する。しかしながら、これらの残留物は、用途によっ
て許容できるものである。
【0011】
【実施例】
実施例1 メチルトリメトキシシラン(CH3 ・Si(OCH3
3 )を主原料とするアルキルシリケートワニス(TSB
社製商品名、X−70M)を直径50mmのシャーレに
深さ約2mmになるように充填し、室温で約1週間放置
し、ガラス状固体を得た。ガラス状固体は初期のサイズ
より僅かに収縮し、シャーレから剥離した。このガラス
状固体をCuターゲットを用いた粉末X線回折法によ
り、構造を調べたところ、図1に示すとおり、ブラグ角
2θで約11°を中心とするブロードなピーク、さらに
2θ=22°近傍にも極めてブロードなピークが見られ
たが、特に結晶相の存在は認められなかった。従って、
この固体はおおむねガラス状であるが、約8Åあるいは
その半分の約4Åの弱い周期性を持った構造を有してい
ると言える。次に、このガラス状固体を用いて、光透過
率の測定を行った。その結果を図2に示す。この結果か
ら、このガラス状固体は約300〜250nmまでおお
むね透明であることが判明した。さらにNMR法により
結合状態について調べたところ、
【化1】 に対応する化学結合が、50%以上を占めていることが
判明した。次にベッケ法により本ガラス状固体の屈折率
を測定したところ、波長5893Åで1.441であっ
た。以上により、本ガラス状固体は、紫外、可視、近赤
外の波長領域で光学材料として利用することができるこ
とがわかる。
【0012】実施例2 次に光導波路形の方向性結合器への応用例を示す。図3
にその工程断面図を示す。シリコン単結晶基板上にバッ
ファー層1として実施例1と同じ原料をスピンコート法
で(最大回転数500rpm)で塗布した後、60℃で
30分乾燥後、100℃で1時間、120℃で1時間、
150℃で3時間加熱した。昇温速度は1℃/分であ
り、冷却は乾燥器中自然放冷とした。次にコア層2とし
て、クラッド層またはバッファ層に対して屈折率で0.
25%高くなるように、同じ原料にメチルトリエチルチ
タンを添加した原料を用いて、同様にスピンコートし
た。この時の加熱処理後の厚みは8μmであった。さら
にこの上にバッファ層と同じ原料を用いて同様のプロセ
スで上記のグラッド層3を形成した(図3(a))。次
いで、リソグラッドとエッチングにより導波路パターン
を形成した(図3(b))。最後にクラッディングとし
て同じアルキルシリカ膜を形成し、光導波路を形成した
(図3(c))。このようにして作製された導波路形の
方向性結合器は、1.3μm帯の半導体レーザ波長で単
一モードの動作を行い、100%の結合長は約3mmで
あり、損失は0.3dBであった。また、導波路として
の伝搬損失は0.1dB/cm以下であった。また、こ
のようにして得られた厚膜の硬度は、鉛筆硬度で9Hで
あり、従来の有機高分子膜に比べて著しく硬かった。さ
らに、市販の濃塩酸350ml/lの強酸水溶液やpH
12.5、液晶70℃のアルカリ水溶液に約30分浸漬
しても異常はなかった。また、アルコール類やケトン類
にも全く侵れなかった。また、これらの硬化膜のX線回
析パターンは、図1に類似したブロードな回析線を与え
るものであった。
【0013】
【発明の効果】本発明による光学材料を用いることによ
り、これまでのシリカ系の材料に比べて、飛躍的に低い
温度で光学系デバイスの実現を可能にし、かつ有機高分
子材料に比べて、耐磨耗性、耐水性、耐薬品性、光透過
性に優れた光学素子デバイスの実現が可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の光学材料の粉末X線回折図である。
【図2】本発明の光学材料の光透過特性を示すグラフで
ある。
【図3】光導波路の製造工程の1例を示す断面図であ
る。
【符号の説明】
1 バッファー層(クラッド層) 2 コア層 3 クラッド層 4 シリコン単結晶基板 5 クラッドガラス
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 G02B 6/00 391 6/12

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】少なくともO−M−R(ただし、Mは金属
    元素、Rは有機基)の化学結合を含み、約8Åの弱い周
    期性の構造を有するガラス状固体から成り、かつ紫外、
    可視、近赤外の波長領域で実質的に光透過性を示す波長
    領域を有することを特徴とする光学材料。
  2. 【請求項2】Rn ・M・(OR’)m (ただし、Mは金
    属元素、Rは有機基、R’はアルキル基、n、mは1以
    上3以下の整数)で表される有機金属アルコキシドを主
    原料とし、これを乾燥工程または基板上に塗布する工程
    を含む工程により製造することを特徴とする請求項1記
    載の光学材料の製造方法。
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