JPS626202A - 薄膜導波路及びその製法 - Google Patents

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】 （産業上の利用分野） 本発明は、有機高分子材料で形成された光伝搬損失が極
めて少ない薄膜導波路及びその製法に関する。

（従来の技術） 光学的に研磨され喪石英ガラス基板上にアクリル系樹脂
の薄い導波路層をスピンコード法により付与しな低損失
の導波路は公知である（例えばオプティカル・アンド・
クオンタム・エレクトロニクス第７巻第４４３〜４４６
頁、　１９７５年）０一方、ポリメチルメタクリレート
（ＰＭＭＡ）基板トニトロセルロースの薄い導波路層と
からなる導波路も公知である（例えばアプライド・フィ
ジックス・レターズ、第２９巻第５号第３０３〜３０４
頁１９７６年９月１日）。

（発明が解決しようとする問題点） 前者の導波路は製造方法がスピンコード法であり簡便で
めるばかりか、ｆｃとえば０．１３　ｄＢ／−と非常に
低いという利点を有する。しかるに材料のコストが高い
。一方、後者の導波路は材料のコストは低いが光伝搬損
失が大きいという欠点を有する。

また、日本国特開昭５９−１５１１０７号公報の゛もの
では、基板を高分子化合物で形成し、この基板上に有機
化合物１＋け高分子化合物で構成された光導波路が提案
されているが、光伝搬損失が大きいという欠点があつな
。

本発明者らの研究によれば通常用いられるプラスチック
ス基板の上に通常用いられる光導波路用の媒体である有
機高分子材料をスピンコード法により付与し、導波路を
作製すると、いかに注意深く作製しても光伝送損失が低
減できないことが確認され念。

光導波路用の有機高分子材料、たとえば、ポリカーボネ
ート（ｐｃ）、ポリスチレン（ＰＳ　ｔ）、　ＰＭＭＡ
。

ポリスルホン（ＰＳ、Ｆ’）等の透明プラスチックは一
般に溶解度パラメータが近く、ジクロロメタン、クロロ
ホルム等のハロゲン化炭化水素によく溶解し、テトラヒ
ドロ７ラン（ＴＨＦ）、ベンゼン等の炭化水素にも溶解
する。そこで、これらの溶媒に高分子材料を溶解し、光
学的に研磨さｎ＊ガラス基板にコーティングすると、コ
ーティングされた薄膜の均一性はよ＜　ｌ　ｄＢ／ｃｍ
以下の伝搬損失の薄膜光導波路は容易に作製できる。し
かし、ハロゲン化炭化水素を溶媒として、透明プラスチ
ックをグラスチック基板（ＰＣ，ＰＭＭＡ等）にコーテ
ィングするといくら注意深く作成しても光伝送損失の低
い優れた光導波路は作れず、伝搬損失が２０ｄＢ／ｃｒ
ｎ以上となり、光導波路として使用できない。

本発明の第１の目的は安価な有機高分子材料からなる薄
膜導波路を提供することである。

本発明の第２の目的は極めて低損失な導波路を提供する
ことでおる。

本発明の第、３の目的は耐久性のある導波路を提供する
ことである。

そして１本発明の別の目的はかかる導波路の製造法を提
供することである。

本発明に従えば１女価なプラスチック材料により構成さ
れた光導波路ではめるが、極めて低い伝送損失の優れｆ
ｃ導波路が提供できる。そして、従来のガラス基板のも
のに比べて重量を半分以下にすることができ、さらに、
ガラス基板では研摩を必豐とし、任意の形状に加工する
ことが困難であったが１本発明では基板も光導波路層も
合成樹脂であるので、形状加工は非常に容易でメジ、非
常にコストの低廉な光導波路が得られる。

（問題点を解決するための手段） 有機高分子材料からなる基板及び有機高分子材料からな
る導波路層から形成される導波路において、該層間に導
波路層を構成する媒体より屈折率の小さい媒体から構成
され、且つ、それぞれの媒体の溶剤溶解性が異なること
を特徴とする、少なくとも１層以上の中間層を設けるこ
とにより、上　　　□記の問題点が解決されることが見
い田され念。

即ち、本発明は、 １）（Ａ）　　透明な有機高分子材料（ａ）からなる導
波路層、 （Ｂ）　　該高分子材料（ａ）とは溶剤溶解性が異なり
、且つ、該高分子材料（ａ）よりは屈折率の低い有機高
分子材料（ｂ）からなる少なくとも１層以上の中間層、 ０　上記高分子材料（ｂ）とは異なる有機高分子材料（
Ｃ）からな９、上記導波路層及び中間層を支持するため
の基板、 から構成嘔れることを特徴とする薄膜導波路ならびに支
持するために十分な厚みと強度を有する有機高分子材料
（ｃ）からなる基板上に該高分子材料とは異なる溶媒溶
解性を有する高分子材料（ｂ）を溶解した溶液を塗布、
乾燥して中間層を形成し、次いで、屈折率が上記高分子
材料（ｂ）よりは高く、且つ透明な高分子材料（ａ）を
、上記中間層を実質的に溶解することのない溶媒に溶解
した溶液を塗布乾燥して導波路層を構成させることを特
徴とする薄膜導波路の製法でるる。

本発明において使用でれる基板としては、支持するため
に十分な厚みと強度を有する有機高分子材料であれば何
でも使用可能であるが、発明の目的からすれば安価な材
料であることが好ましい。

それらの材料（ｃ）としては例えばポリメチルメタクリ
レート、ポリカーボネート、ポリエステル、ナイロン、
ポリエチレン、ポリスルホン、ポリスチレンなどが例示
できる。用いられる材料の種類は使用目的及び中間層の
材料との関係で適宜選択される。

本発明において用いられる光導波路層を形成する有機高
分子材料（ａ）としては光導波路層用として使用される
に十分な透明性を有すれば従来公知の材料がそのまま使
用できる。それらの材料（ｊＬ）を例示すると、ポリメ
チルメタクリレート、ポリシクロへキシルメタクリレー
ト等のアクリレート系樹脂、ポリカーボネート、ポリス
チレン、ポリα−メチルスチレン等のスチレン系重合体
、ポリスルホン、ポリウレタンなどが例示される。用い
られる材料（ｃ）の選択は使用目的及び中間層との関係
で適宜選択される。

本発明において中間層の導入及び該中間層を構成する材
料（ｂ）の選択は最も重要である。該有機高分子材料（
ｂ）として次の性質を有することが必須である。

■　導波路層を形成する高分子材料（ａ）とは溶剤溶解
性が異なる材料であること。

■　該高分子材料（ａ）よｐは屈折率が低いこと。

■　基板とは異なる有機高分子材料より形成されている
こと。

本発明者らの研究によれば、溶剤溶解性の異なる材料を
積層することにより光伝送損失の低減を飛躍的に改良す
ることが認められた。本発明において溶剤溶解性が異な
るとは中間層を形成させた後に光導波路層を形成させる
際に中間層の表面を溶解や膨潤等の実質的な変化をさせ
ることなく光導波路用高分子材料の溶液を塗布すること
ができればよいことを意味する。

一般にこの現象はポリマー・ハンドブック（第２版）に
より定義された溶解度パラメーターによ／ｒｒＩ）２以
上、特に好ましくは３．ＯＸ　１０−３（Ｊ／ｎ？　）
２以上離れている。

本発明に従えば中間層を設けることにより単に市販され
ている有機高分子材料よりなる基板（支持（ａ）表面の
凹凸を平滑化するのみならず、本質的に光導波路層を積
層した場合の光導波路層界面における凹凸を低減するこ
とができる。従って、有機高分子材料からなる光導波路
としては飛躍的に伝送損失の低減が可能となる。

該中間層としては、上記の目的が達成できるものであれ
ば制限はない。従って該層は単層でも２層以上の積層構
造であってもよい。２層以上の積層構造は単層構造よシ
もよシ高い性能が要求される場合に用いられる。例えば
、該層間の接着性の向上を目的とする場合に用いると好
適である。

該中間層を形成する材料（ｂ）としては上述の性質を有
するものであれば特に限定はないが、一般に比較的透明
な樹脂が選択てれる。それらを例示するト酢酸セルロー
ス、ニトロセル四−ス、ホリビ（ｂ）の選択は上述のこ
とを考慮して使用目的及び基板又は導波路層の材質との
関係で任意に選択される。

以下、本発明の構成例及び製造例を詳しく図面を参照し
つつ説明する。

第１図は中間層２が単層の例であり、第２図は中間層２
ａ、２ｂが複層の例でろる。

これらの例では基板３にはポリメチルメタクリレート又
はポリカーボネートのような安価な厚みｌｓ＋ｓ＋〜３
０ｍのプラスチック板が用いられている。

基板３はその材料のガラス転移点（Ｔｇ）付近の温度で
ベーキング処理した方が好ましいがしなくてもよい。第
１図において中間層２には酢酸セルロース、ニトロセル
ロース、ポリビニルアルコールなどのような材料が選択
される。それらは光導波路層として最も良く使用される
透明な高分子材料をほとんど溶解しない溶媒、例えば水
、アルコール、ジメチルホルムアミド又はアセトンのよ
うなカルボニル化合物に良く溶解する。中間層２がポリ
ビニルアルコールの場合のように基板３との密着性の問
題がある場合には、第２図のようにさらに第２の例えば
ポリウレタンからなる中間層２ｂをコーティングし、そ
の上に第１の中間層２ａをコートすることにより解決さ
れる。これらの中間層２ａ、２ｂの厚みは通常０．５〜
２．０１１ｍである。これらの中間層２ａ、２ｂの厚み
は、場合によっては０．０１〜１０μｍのものを使用す
ることもめる。

つづいて、通常の方法によって、中間層２．２ａ、２ｂ
より屈折率の大きい高分子化合物を光導波路層１として
、該高分子化合物を溶解しない溶媒に溶解した溶液を用
い光学的に研磨されたガラス基板にコーティングする際
と同条件でコーティングすればｌｄＢ／ｃｒＩｔ以下の
導波損失の光導波路が容易に得られる。光導波路層１の
厚みは通常０．２〜５，０μｍであるがこれより範囲が
多くても、例えば０．１〜１０μｍでも使用可能である
。

本発明において、上述の中間層２及び光導波路層１を付
与する方法は限定されない。流延法、バーコード法など
が例示されるが均一な薄層を得るにはスピンコード法が
簡便で且つ厚みを均一に制御し易いのでよい。

本発明の光導波路は特にシングルモードの薄膜導波路と
して使用する場合に好適に用いられる。

また、本発明の光導波路は従来の導波路と全く同様に公
知の加工法により加工し、各種光デバイス　　　□とし
て利用することができる。

また必要に応じて本発明の光導波路は任意の上層を付与
することができる。該上層を付与する場合は、光導波路
層を実質的に溶解することのない溶媒に溶解した高分子
化合物の溶液を塗布、乾燥することがよい。上記上層を
クラッド層として利用する場合は、光導波路に用いたよ
り低い屈折率を有する高分子化合物を採用すべきである
。

（実施例） 以下に実施例を挙げて本発明をさらに詳細に説明する。

実施例１ 基板ψとして厚さ２ｔｔｍのポリメチルメタクリレート
板を用い、インプロパツールで洗浄後１１０℃で１時間
ベーキングし、放冷した。中間層２として溶解度パラメ
ーター２２．　Ｏｘ　１０−３（Ｊ／ｎ？）２のニトロ
セルロースをインプロパノ−ルージメチルホルムアミド
の混合溶媒に溶解した溶液をスピンコーテイング後乾燥
した。この際の中間層２の膜厚は、０．１３１μｍであ
った。次いでクロロホルムに溶解り した溶解度パラメーター１９．５　Ｘ　１０−３（Ｊ／
ｒｒり２　　のポリカーボネート溶液をスピンコーテイ
ング後乾燥して厚さ０．８１３μｍの光導波路層−を得
た。

得られた光導波路は各層の密着性が良好であった。６２
３８人のＨｅ　−Ｎｅ　レーザ光を用いてＴＥ波で測定
したところ、導波モードはシングルモードでめり、また
光伝搬損失は０．３　ｄＢ／ｃｒｎ以下と極めて良好で
あった。

基板３、中間層２及び導波路層１を種々変更した以外は
実施例１に準じて種々の多層、溝造の４波路を作製した
。結果を実施例１と併せて表１に示した。

ｊス下余白　　　　　１ （注）材料の略号及び屈折量〔（）内〕ＰＣ：ポリカー
ボネート　　　（１，５８５）ＮＣ：ニトロセルロース
　　　（１，５２）ＰＭＭＡ　　：　ポリメチルメタク
リレート（１，４９）ＣＡ　　：酢酸セルロース　　　
　（１，４８）Ｐ普−ＭＳ：ボリα−メチルスチレン（
１，５９）ＰＣＨＭＡ：　　ポリシクロへキシルメタク
リレート　（１，５０５））’ＶＡ　　：　ポリビニル
アルコール　（１，５３）ＰＳＦ　　：　ポリスルホン
　　　　　（１，６３）ＦＭ　　　：　テトラフルオロ
ブテルメタクリレニトーメチルメタクリレート共重合体
（１，４２９）光学研磨ガラス　　　（１，５１５） パイレックスガラス　（１，４７） 使用溶媒の略号 ＣＨＱ！３　：　　クロロホルム ＤＭＦ　　：　ジメチルホルムアミド 実施例９ 実施例７で得られた導波路に、更に中間層２に用い之と
同じ酢酸セルロースをジメチルホルムアミドに溶解した
溶液舎スピンコード法によＶ塗布、乾燥し、厚さ０．０
８ｔ・ｍのクラッド層を設けた０導波路層１の導波モー
ドは実施例７と同じＴＥ波で測定したところシングルモ
ードでアク、また伝搬損失は０．２６Ｂ／ｃｍと良好で
めった。

実施例１０ 実施例１と同じ基板３を用い、イソプロパツールで洗浄
後、１１０℃で１時間ベーキングし放冷した。次いで、
中間層２ｂとしてジメチルホルムアミドに溶解した溶解
反パラメータ２２．ＯＸ　１０−３（Ｊ／ｒｆｌ’　）
２のポリウレタン溶液をスピンコードし乾燥さぜた。膜
厚は１．２μｍｆめった。次に、中間層２ａとして水に
倒解した溶解度パラメータ２５．８　Ｘし １０−３（Ｊ／ｌｎ”）２のポリビニルアルコールを同
様にスピンコードし乾燥させた。その厚さは、０．４６
２μｍであった。該中間層２ａ、２ｂの付与された基板
３にり占ロホルムに溶解したポリカーボネート（溶解度
パラメーター　９．５　Ｘ　１０−３（Ｊ／ｒ？）２）
溶液をスピンコードし乾燥させることにより膜厚０．６
７３μｍの光導波路層１を形成させた。

得られた光導波路は各層の密着性が良好でるり、導波モ
ードは実施例１と同じ′ｒＥ波で測定したところシング
ルモードであり、また伝搬損失は０．８ｄＢＺσと良好
であった。

実施例１１ 導波路層用高分子材料としてポリカーボネートに替えて
溶解度パラメータ１８．５　Ｘ　１０−３（Ｊ／ｒＩＩ
）２のポリα−メチルスチレンを用いる以外は実施例１
０に準じて光導波路を作製し念。

得られた光導波路は各層の密着性が良好であり、導波モ
ードは実施例１と同じＴＥ波で測定したところシングル
モードでメジ、また光伝搬損失は０．８ｄＢＺ口と良好
であった。

実施例１２ 実施例１１において基板をＰＭＭＡからＰＣに替えて行
つ九が、実施例１１と同様に密着性及び光伝搬損失に優
れていた。

実施例１３ 実施例２で得られた光導波路上に、屈折率１．５２のニ
トロセルロースをジメチルホルムアミドに溶解した溶液
をスピンコードし乾燥させた。このときの厚さは０．０
５μｍでめった。次にこの上に紫外線硬化型ホトレジス
ト全豹０．１μｍにスピンコードし、これにＨｅ−Ｃｄ
レーザーによる干渉露光法によって露光し、０．５μｍ
のラインアンドスペースのパターンを形成後、イオンビ
ーム照射により、ニトロセルロースをエツチングし、導
波路層上にグレーティングが形成された光導波路が得ら
れた。

実施例１４ 実施例１と同じ基板３を用い、イソプロパツールで洗浄
後１１０℃で１時間ベーキングし放冷した。次いで、中
間層２Ｃとしてジメチルホルミアミドに溶解した溶解度
パラメータ２４．５　Ｘ　１０−３（Ｊ／♂）２の酢酸
セルロース溶液をスピンコードし乾燥させた。この層の
膜厚は０．１３μｍでめった。

次に、トルエンに溶解させた溶解度パラメータ１９、２
　Ｘ　１０＝（Ｊ／ｒｒｆ　）２のポリシクロへキシル
メタこのときの膜厚は１．４μｍであった。次に、この
第１の光導波路層１の上にジメチルホルムアミドに溶解
した酢酸セルロースをスピンコー）　Ｌ乾燥さぜ、３μ
ｍの厚さの上部クラッド層４をつけた。さらにこの上に
ト・ルエンに溶解したポリシクロへキシルメタクリレー
トを第１の光導波路層１と同じように第２の光導波路層
１ａとしてスピンコードし、ベーキングすることにより
１．４μｍの厚さにコートし、第３図のような第１、第
２の２つの光導波路層１％１＆ｆｔもつ光導波路を作成
した。また、この際の光伝搬損失は、第１、第２０光導
波路とともに０．２ｄＢ／ｍであった。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第３図は本発明に従がう光導波路の断面模式図
である。図中１及び１．ａは高分子導波路層、２．２ａ
、２ｂは中間層そして３は基板、４は上部クラッド層を
示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）（Ａ）透明な有機高分子材料（ａ）からなる導波路
   層 （Ｂ）該高分子材料（ａ）とは溶剤溶解性が異なり且つ
   、該高分子材料（ａ）よりは屈折率の低い有機高分子材
   料（ｂ）からなる少なくとも１層以上の中間層 （Ｃ）上記導波路層及び中間層を支持するための上記高
   分子材料（ｂ）とは異なる有機高分子材料（ｃ）からな
   る基板 から構成されることを特徴とする薄膜導波路。 ２）高分子材料（ａ）と高分子材料（ｂ）との溶解度パ
   ラメーターの差が２．０×１０＾−＾３（Ｊ／ｍ＾３）
   ＾１＾／＾２以上である特許請求の範囲第１項記載の導
   波路。 ３）該中間層が接着性を増大させるための層と表面を平
   滑にするための層の積層構造をしている特許請求の範囲
   第１項記載の導波路。 ４）支持するために十分な厚みと強度を有する有機高分
   子材料（ｃ）からなる基板上に該高分子材料（ｃ）とは
   異なる溶媒溶解性を有する高分子材料（ｂ）を溶解した
   溶液を塗布、乾燥して中間層を形成し、次いで、屈折率
   が上記高分子材料（ｂ）よりは高く、且つ、透明な高分
   子材料（ａ）を、上記中間層を実質的に溶解することの
   ない溶媒に溶解した溶液を塗布乾燥して、導波路層を形
   成させることを特徴とする薄膜導波路の製法。