JPH0926514A - 三次元光導波路用薄膜材料およびその作製方法 - Google Patents

三次元光導波路用薄膜材料およびその作製方法

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JPH0926514A
JPH0926514A JP17588295A JP17588295A JPH0926514A JP H0926514 A JPH0926514 A JP H0926514A JP 17588295 A JP17588295 A JP 17588295A JP 17588295 A JP17588295 A JP 17588295A JP H0926514 A JPH0926514 A JP H0926514A
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JP
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optical waveguide
dimensional optical
polydimethylsiloxane
light
thin film
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JP17588295A
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Noriko Yamada
紀子 山田
Shingo Katayama
真吾 片山
Ikuko Yoshinaga
郁子 吉永
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Nippon Steel Corp
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Nippon Steel Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は精度の高い三次元光導波路が簡単な
プロセスで作製可能になる材料および方法を提供する。 【解決手段】 カルボキシル基とオレフィン二重結合の
両方を含む酸で化学修飾した金属アルコキシドと、ポリ
ジメチルシロキサンから構成される無機・有機融合体材
料に、三次元光導波路のパターンを刻んだフォトマスク
を通して光エネルギーを当てる。光の当たった部分の
み、吸収した光エネルギーで無機・有機融合体材料の分
子構造が変化するため、分子の分極率の変化、即ち材料
の屈折率の変化が起きる。 【効果】 無機・有機融合体材料中に、フォトマスクを
利用した光照射という簡単なプロセスで、三次元光導波
路を作製することができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、光情報処理分野に
おいて光回路を作製するための光導波路用材料および三
次元光導波路の作製方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】光導波路用材料としては、ポリカーボネ
ートおよびPMMAなどの有機薄膜、ガラス、ニオブ酸
リチウムおよびタンタル酸リチウムなどの電気光学結晶
などが知られている。有機材料による光導波路は、適当
な基板の上に有機材料を塗布し、100℃前後で熱処理
すればよく、手軽に作製できるが、温度変化に弱く耐熱
性が低いという欠点がある。ガラスや電気光学結晶を用
い光導波路を作製するには、通常、異種の元素をこれら
の材料表面に拡散させて高屈折率の導波層を設けるイオ
ン交換法が用いられる。イオン交換法では元素の熱拡散
を利用するため、高温で処理することが必要であり、光
導波路中に有機分子のように高温では分解してしまう要
素を添加することができない。しかし、もし添加するこ
とが可能となれば、例えば、光導波路が有機フォトクロ
ミック分子を含む領域と交差するようにして、その領域
の光の透過率を変えることによりスイッチ機能を持たせ
るような新しい光素子を作製することができると考えら
れる。
【0003】三次元導波路は、現在、ガラスおよび電気
光学結晶を用い、次のような複雑なプロセスで作製を行
っている。まず、ガラス、あるいは電気光学結晶上に金
属膜を成膜後、レジストをコーティングする。フォトリ
ソグラフィでレジストに穴あけ加工を施した後、レジス
トをマスクにして金属膜にエッチングを施す。次に、エ
ッチングした金属膜をマスクにして、高温でイオン交換
を行う。このような多段階のプロセスを経るため、レジ
ストの穴あけ、金属膜のエッチング時などに、作製誤差
が入りやすい。また、高温で熱処理するためにイオン交
換する元素が横方向にも拡散し、所望の幅の光導波路を
作製するのが難しいという問題もある。
【0004】最近、無機・有機融合体を光導波路用薄膜
材料に適用する研究が進められている。無機・有機融合
体を用いた光導波路は、有機薄膜の光導波路と同様、適
当な基板上に塗布後、必要に応じて熱処理すればよく、
ガラスや電気光学結晶を用いた光導波路に比べ、低温で
簡単に作製できる。さらに、構成要素として無機成分を
含むため、有機薄膜材料に比べて耐熱性や長期安定性に
優れる。
【0005】無機・有機融合体を用いた光導波路の基板
としては安価で入手しやすいガラスを用いることが現実
的である。ガラス基板を用いる場合、ガラスの屈折率は
組成に依存し1.457〜1.512程度であり、光導
波路用薄膜の屈折率は、このガラス基板の屈折率より高
い値を有することが必要である。例えば、S.Motakefet
al., J.Non-Cryst. Solids 178(1994)37 には、ポリジ
メチルシロキサンに金属アルコキシドとしてTEOSと
チタンのイソプロポキシドを加え、チタンのイソプロポ
キソドの量を相対的に増やすことによって屈折率を増加
させる方法が記載されている。このようにゾルの組成を
変えて屈折率を増加させる方法は、平面導波路の作製に
は適しているが、三次元導波路に応用するためには、所
望の三次元導波路の幅で異なる組成のゾルを塗り分ける
ことが必要となるため、その作製はきわめて難しい。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、このような
事情に鑑みなされたもので、精度の高い三次元光導波路
が簡単なプロセスで作製可能になる材料および作製方法
を提供することを目的とするものである。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明者らは、無機・有
機融合体の諸性質を研究した結果、ある種の無機・有機
融合体に光エネルギーを当てると、屈折率が変化するこ
とを知見し、その性質を光導波路作製に利用する発明に
至った。
【0008】即ち、光エネルギーを当てると、ある種の
無機・有機融合体は屈折率が変化する。三次元光導波路
のパターンを刻んだフォトマスクを用い、マスクを通し
て光照射を行うと光の当たった部分のみ光エネルギーを
吸収し、そのエネルギーで材料の分子構造が変化する。
分子構造の変化は、分子の分極率の変化を引き起こし、
屈折率が変化する。このときの光の波長は200nm〜2
0μm、光強度は1mW/cm2 〜100mW/cm2 である。
【0009】このように光エネルギーを利用して屈折率
の変化を起こさせるには、効率よく光エネルギーを吸収
し、分子構造変化を起こす材料を使用しなければならな
い。その具体例として、カルボキシル基とオレフィン二
重結合の両方を含む酸で化学修飾した金属アルコキシド
と、ポリジメチルシロキサンとから構成される無機・有
機融合体が、光導波路用薄膜材料としてあげられる。
【0010】カルボキシル基とオレフィン二重結合の両
方を含む酸で化学修飾された金属アルコキシドは、−C
OOHに代わって−COOMの結合(Mは金属)を有す
る。光導波路用薄膜を構成する分子に含まれる−COO
M、およびC=Cは、紫外線を照射するとそのエネルギ
ーを吸収し、−COOMは結合状態に変化が現れ、C=
C結合は切れる。このような変化は、分子構造自体を変
化させ、分子の分極の大きさが変わり、それに伴って屈
折率も変化する。屈折率変化量としては、0.014以
上が可能であり、光導波路を作製するのに十分である。
金属アルコキシドを構成する金属の種類としてはB,A
l,Si,Ti,Zr,Hf,Nb,Ta,Pb,Ba
などがある。アルコキシドは特に限定しないが、例え
ば、メトキシド、エトキシド、プロポキシド、ブトキシ
ドなどが挙げられる。
【0011】無機・有機融合体中に含まれるポリジメチ
ルシロキサンは、Si−O−Siが鎖状に連なったポリ
マーであり、基板に塗布した無機・有機融合体薄膜が乾
燥するときの収縮を吸収し、クラックの発生を抑制する
ことが可能である。従って、光導波路用薄膜として、良
好な平面平滑性を保つことができる。この目的には、ポ
リジメチルシロキサンの分子量が400〜4000であ
ることが望ましい。また、ポリジメチルシロキサンは主
構成成分がシリコンと酸素であり、石英ガラス同様、約
200nmの紫外線まで透過する。上述の化学修飾された
金属アルコキシドは、ポリジメチルシロキサンとの混合
体中で、紫外線を吸収して構造変化を起こすことが十分
可能である。可視〜赤外の波長においても、ポリジメチ
ルシロキサンは高い透過率を示すので、光導波路用薄膜
の構成成分として優れている。
【0012】このように、カルボキシル基とオレフィン
二重結合の両方を含む酸で化学修飾した金属アルコキシ
ドと、ポリジメチルシロキサンとから構成される無機・
有機融合体は、紫外線照射によって屈折率を変えること
が可能で、しかも光の透過率が高い材料である。従っ
て、本発明による光導波路用薄膜は、たとえばパターニ
ングを施したフォトマスクを通して紫外線を照射するこ
とにより、簡単に三次元導波路を作製することができ
る。
【0013】次に、構成成分の比率について述べる。化
学修飾した金属アルコンキシドとポリジメチルシロキサ
ンのモル比が0.2未満になると、ポリジメチルシロキ
サンによる薄膜収縮時のクラック発生を抑制する効果が
小さくなるため0.2以上であることが望ましい。ま
た、この比が1.0を超えると、化学修飾された金属ア
ルコキシドが、紫外線照射によって屈折率変化を起こす
量が小さくなるため、光の閉じこめ効果も小さくなり、
光導波路特性が劣ることがある。従って、金属アルコン
キシドとポリジメチルシロキサンのモル比は0.2以上
1.0以下の範囲とすることが好ましい。
【0014】また、金属アルコキシドとカルボキシル基
およびオレフィン二重結合の両方を含む酸の比が0.5
未満の時は、紫外線で構造変化する部位の量が相対的に
減るため屈折率変化量が小さくなる。また、この比が
5.0を超えると、金属アルコキシドと反応を起こさな
かった酸が多量に析出するため、光の透過特性が劣るこ
とになる。従って、金属アルコキシドとカルボキシル基
およびオレフィン二重結合の両方を含む酸のモル比は、
0.5以上5.0以下の範囲とすることが好ましい。
【0015】さらに、熱処理については、50〜150
℃で無機・有機融合体薄膜を処理することにより、ポリ
マーの重合、および反応時に生成したアルコール類など
の蒸発が促進され、平面平滑性に優れた膜が短時間で得
られる。
【0016】
【実施例】
(実施例1)エチルアルコール溶媒中に、マレイン酸と
ペンタエトキシタンタルと分子量800のポリジメチル
シロキサンを2.5:1:0.5のモル比で溶かし撹拌
・混合する。こうして得られたゾルをスピンコータでシ
リコン基板上に成膜し、150℃で30分熱処理する。
得られた膜の膜厚は、触針式膜厚計で測定したところ
2.0μmであった。また、屈折率はエリプソメータで
測定し1.68を得た。この膜に波長254nm、強度7
mW/cm2 の紫外線を1.5時間照射したところ、屈折率
は1.64に低下し、0.04という十分な屈折率変化
量を得ることができた。
【0017】(実施例2)エチルアルコール溶媒中に、
オレイン酸とテトラプロポキシチタンと分子量3200
のポリジメチルシロキサンを3:1:0.3のモル比で
溶かし撹拌・混合する。こうして得られたゾルをスピン
コータで石英ガラス基板上に塗布した。70℃で15分
熱処理後、幅4.0μmの光導波路のパターンを刻んだ
フォトマスクを用いて、波長365nm、強度10mWの紫
外線をマスクアライナーで10秒、密着露光したとこ
ろ、幅4.0μmの良好な三次元光導波路を作製するこ
とができた。
【0018】(比較例1)エチルアルコール溶媒中に、
オレイン酸とペンタエトキシタンタルと分子量800の
ポリジメチルシロキサンを2.5:1:0.5のモル比
で溶かし撹拌・混合する。こうして得られたゾルをスピ
ンコータでシリコン基板上に成膜し、150℃で30分
熱処理したが、膜に多数のクラックが入り、クラックの
生じたところから剥離するなど、良好な膜を得ることが
できなかった。
【0019】(比較例2)エチルアルコール溶媒中に、
マレイン酸とテトラプロポキシチタンと分子量3200
のポリジメチルシロキサンを7:1:0.3のモル比で
溶かし撹拌・混合する。こうして得られたゾルをスピン
コータでシリコン基板上に塗布した。しかし、大量のマ
レイン酸が析出するため、膜は白濁し屈折率の評価がで
きなかった。
【0020】
【発明の効果】本発明の材料によれば、低温プロセスに
より高い精度で三次元光導波路を作製することが可能で
ある。さらに、光導波路中に高温プロセスでは添加する
ことのできない有機色素などをドープすることが可能で
あるため、従来の光回路とは違う新しい機能を持った光
素子への展開が期待できる。

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 カルボキシル基とオレフィン二重結合の
    両方を含む酸で化学修飾した金属アルコキシドと、ポリ
    ジメチルシロキサンから構成される無機・有機融合体で
    あることを特徴とする三次元光導波路用材料。
  2. 【請求項2】 化学修飾した金属アルコキシドとポリジ
    メチルシロキサンのモル比が0.2以上1.0以下であ
    り、かつ、カルボキシル基およびオレフィン二重結合の
    両方を含む酸と金属アルコキシドのモル比が0.5以上
    5.0以下の無機・有機融合体であることを特徴とする
    請求項1記載の光導波路用材料。
  3. 【請求項3】 請求項1または2記載の材料を用い、該
    材料を基板に塗布し、乾燥、熱処理を施したことを特徴
    とする光導波路用薄膜。
  4. 【請求項4】 請求項1または2記載の材料を用い、該
    材料を基板に塗布し、乾燥、熱処理を施した後、光エネ
    ルギーを利用し、光を照射した部分のみ材料の屈折率を
    変化させることを特徴とする三次元光導波路の作製方
    法。
  5. 【請求項5】 紫外領域の光を利用することを特徴とす
    る請求項4記載の三次元光導波路の作製方法。
JP17588295A 1995-07-12 1995-07-12 三次元光導波路用薄膜材料およびその作製方法 Pending JPH0926514A (ja)

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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003183399A (ja) * 2001-12-25 2003-07-03 Nippon Electric Glass Co Ltd 無機・有機ハイブリット材料とその製造方法
JP2007017693A (ja) * 2005-07-07 2007-01-25 Sharp Corp 液晶表示装置の製造方法
WO2010024336A1 (ja) * 2008-09-01 2010-03-04 日産化学工業株式会社 光導波路の製造方法

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Effective date: 20041005