JPS63125904A - 高分子光導波路及びその製造方法 - 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〕 本発明は高分子光導波路及びその製造方法に関し、特に
プラスチック光ファイバなどの大口径の光ファイバの分
岐・結合に用い、しかも微細パターンを形成するのに好
適な高分子光ｍ波路及びその製造方法に関する。

〔従来の技術〕

光ファイバの分岐・結合を容易に行うために光導波路は
極めて有用であり、その中でも高分子光導波路は加工性
が良いことや取り扱い易さの点から汎用性が期待されて
いる。しかし、これらの高分子先導波路は微細パターン
を形成するために主に紫外線などの光照射によって製造
している。この場合、導波路径は最大数１００μｍに限
定されるため、ガラス光ファイバの分岐・結合に用いら
れるにすぎない。一方、プラスチック光フアイバ用の光
導波路としては、最も簡便なものとして高屈折率のプラ
スチック材料で導波路コアを作成した後、低屈折率材料
に埋め込む方法がある。しかし、この方法では導波路径
を数龍まで形成することが可能であるが、成形時の変形
や収縮のために微細パターンの形成は極めて難かしい。

この問題を解決するために、透明なゲル基板の上に微細
パターンを有するマスクを形成し、高屈折率または低屈
折率の単量体を内部・外部拡散して屈折率分布を有する
光導波路を製造することが行われている。

屈折率分布形成において微細パターンを維持するために
はマスクとゲル基板との密着性が特に問題となるが、こ
の点を改善するための方法が特開昭５９−６９７０６号
や特開昭５９−２０４８０３号に提案されている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記従来技術は導波路パターンとしてゲル基板の表面領
域に硬化部および未硬化部を形成したり、または基板と
一体の突出部または尖鋭な凹み部を設けることを行って
いるが、これらの方法では第４図の（ｂｌに示すように
ゲル基板と異なる屈折率を有する単量体を基板の一方向
だけから除去または含浸して屈折率分布を形成するため
に、第４図の（ｃｌのように、基板の変形が生じ易く微
細パターンが形成しづらいという問題があった。さらに
、基板の表面に形成した硬化部と未硬化部による導波路
パターンの寸法または基板と一体の突出部や凹み部によ
る導波路パターンの寸法は実際に形成される基板内のｍ
波路部の寸法と異なるため、導波路の製造工程を制御す
ることが難しいという問題もあった。

本発明の目的は光導波路のために必要な微細パターンを
維持しながら、導波路径を数ｍｍまで容易に形成できる
高分子光導波路およびその製造方法を提供することにあ
る。

〔問題点を解決するための手段〕

本願第１の発明は、（ａｌ透明合成樹脂基板の中央部に
、基板よりも屈折率が高く、かつ屈折率分布を有する先
導波路部を有し、（ｂｌ前記透明基板の両面または周辺
に密着又は一体化された前記基板よりも低い屈折率を有
する透明な合成樹脂板または合成樹脂膜を有することを
特徴とする高分子光導波路である。

また本願第２の発明は第１の発明の高分子光導波路の製
造方法であり、 （ａｌ屈折率がＮｌの重合体Ｐ、を生成する１種または
２種以上の単量体Ｍ、を一部重合させて、透明なゲル状
の合成樹脂基板を形成する工程、（ｂ）この透明ゲル基
板の表面および内部に光導波路パターンマスクを形成さ
せる工程、 （ｃ）前記光導波路パターンを形成した透明ゲル基板の
少なくとも両側から屈折率Ｎ、より低屈折率Ｎ２の重合
体Ｐ２を生成する１種または２種以上の単量体Ｍ２を内
部へ拡散・浸透させ濃度勾配を形成させる工程、 （ｄ）前記単量体Ｍ２を内部拡散・浸透して濃度勾配を
形成した透明ゲル基板を前記単量体Ｍ２中にて、単量体
Ｍ、とＭ２の重合を完結させるか、または前記透明ゲル
基板よりも低層性率の透明な合成樹脂膜または合成樹脂
板を基板の両面又は周辺に密着させたまま単量体Ｍ、と
Ｍ２の重合を完結させる工程、 を有することを特徴とする。

本発明における透明なゲル状合成樹脂基板を製造するた
めの１種または２種以上の単量体ＭＩとしては、重合し
た時に高屈折率の透明な綱状重合体となるものであれば
いずれも使用可能であり、少なくとも１種類の単量体と
して１分子内に２個以上の二重結合を有する化合物を用
いることができる。この例としてはジアリルフタレート
、ジアリルイソフタレート、ジアリルテレフタレート等
のジアリルエステル；フタル酸ジビニル、イソフタル酸
ジビニル、テレフタル酸ジビニル等のビニルエステル等
がある。また、ジエチレングリコールビスアリルカーボ
ネートやジエチレングリコールジメタクリレートなどの
低屈折率の多官能性単量体にベンジルメタクリレート、
フェニルメタクリレートやスチレンなどの高屈折率の単
官能性単量体を混合して用いることもできる。さらに、
イオン架橋による網状重合体を形成しうる単量体を使用
してもよい。このようなイオン架橋を形成できる単量体
としては例えば特願昭５９−３６０５３号の含金属透明
単量体などがある。以上の単量体の中で光照射によって
導波路パターンの形成を行う場合、短時間にシャープに
パターン化できる利点から含金属透明単量体が特に好ま
しい。

本発明では、前記の単量体Ｍ１を一部重合させて透明な
ゲル状の基板を作製する。この基板の厚みは製造される
導波路の形状によって選ばれるが、１０龍以上の厚さで
は含浸工程が制御しづらくなるので、その値以下である
ことが好ましい。この重合体は重合が未完の状態であり
、流動性を失った透明なゲルとなっている。

本発明において、導波路パターンを透明ゲル基板の表面
および内部まで形成する方法としては赤外線などの熱線
による局所加熱や紫外線、電子線、Ｘ線、レーザなどの
光照射による方法など種々のものが考えられるが、微細
パターンを形成しやすいこと、取り扱いが容易であるこ
となどの理由から第１図に示すようにマスクをゲル基板
上に置き、光照射を行うことによってゲル基板の内部に
まで選択的に重合反応を進めた部分とそうでない部分を
形成する方法が適当である。なお、透明なゲル基板が厚
い場合、紫外線などの光照射では透過距離に限界がある
ため、その場合は基板の両面にマスクをあてて両面から
光照射することも可能である。また、必要であれば、単
量体Ｍ、および／または単量体Ｍ２に、熱重合開始剤だ
けでな（、光重合開始剤、光増感剤などを添加して、選
択的な重合反応をより効果的に行わせることもできる。

本発明において、透明なゲル基板中に光導波路を形成す
るには、光導波路パターンを形成した透明ゲル基板の少
なくとも両側から、低屈折率の重合体を生成する単量体
を含浸して濃度勾配によって屈折率分布を形成するとい
う手段をとる。屈折率分布を形成する他の方法としては
、未反応の高屈折率の単量体を外部へ抽出・拡散する方
法やゲル基板の中に低屈折率の単量体をあらかじめ含浸
させた後、外部へ一部除去する方法などがあるが、この
場合、基板が厚くなると中心部分の単量体の除去が制御
できなくなり、所望の屈折率分布を形成することが困難
になる。そのため、本発明では屈折率分布形成が最も容
易な低屈折率単量体の含浸方法を採用する。

ここで使用する低屈折率の単量体Ｍ２としては、重合し
た時に、線形重合体となるものであっても網状重合体と
なるものであっても良いが、前記単量体Ｍ１と共重合し
て透明な重合体を与えるものが好ましい。その例として
、通常のアクリル酸エステル、メタクリル酸エステルあ
るいはアクリル酸、メタクリル酸などがあり、これらの
１種類または２種以上が用いられる。

本発明では、前記の単量体Ｍ２をゲル状の基板に室温ま
たは加温下で含浸・浸透させる。加温下で含浸を行う場
合、含浸速度が速（なるため光導波路の形成を手早く行
うことができるが、ゲル状基板の硬化も促進されるため
、その温度としては８０℃以下が望ましい。なお、本発
明で製造される光導波路部分の屈折率分布は第３図の（
ａｌに示すような完全な放物線状の曲線を有する必要は
なく、第３図の（ｂ）に示すような中心部分に高屈折率
の平垣な部分があり、その周辺部分が屈折率分布を有す
るような曲線でも十分機能を発揮することができる。そ
のため、光導波路形状に応じて、含浸条件を適当に選ぶ
ことができる。

このようにして単量体Ｍ２の濃度勾配を形成した透明ゲ
ル基板は、単量体Ｍ、と単量体Ｍ２の重合を完結させる
際に含浸用の低屈折率単量体であるＭ２の揮散ならびに
基板の変形を防ぐために、！−ｆｆ１体Ｍ２中体重２中
完結させるか、あるいは基板両面または周辺に低屈折率
の透明合成樹脂板または合成樹脂膜を密着させて重合を
完結させる。

さらに、ここで用いられる透明合成樹脂板又は合成樹脂
膜は光導波路端面の切削・研磨を容易にするための補強
板の役目もすることができる。本発明では、前記基板の
両面または周辺に密着させる合成樹脂板または合成樹脂
膜としては導波路のクラッド効果を補強するためにも前
記基板よりも低屈折率の材料であることが必要である。

このような樹脂板又は樹脂膜としては、低屈折率のアク
リル板、ポリジエチレングリコールビスアリルカーボネ
ート板、フッ素化したアクリルエステルまたはメタクリ
ルエステルの重合体から作製された薄板、フィルムまた
は他の低屈折率の共重合体からなる薄板、フィルム等が
ある。低屈折率のプラスチック板またはフィルムを基板
と密着させるには種々の方法があるが、例えばバネ式の
クリップで機械的に圧着して、そのまま熱重合かまたは
光重合すれば未反応単量体の重合とともに前記のプラス
チック板またはフィルムが透明基板と接着する。この時
、均等に圧力が加わるようにプラスチックの上下面にガ
ラス板、金属板または他のプラスチック板を新たに挿入
して圧着してもよい。ここで使用されるガラス板、金属
板またはプラスチック板は単量体Ｍ１とＭ２の重合完結
後、とり除くことも可能であるが、密着したまま用いる
ことももちろん可能である。

〔作　用〕

本発明において、透明なゲル基板に光導波路パターンを
基板両面の表面だけではなく、内部にまで形成すること
は、低屈折率の単量体を基板の両面から内部へ均等に含
浸・拡散することができるために基板の両面における濃
度分布の偏りから生じる歪や応力の発生を防ぐ。それに
よって、ゲル基板の変形が生じにくくなり導波路パター
ンが精度良く維持できる。また、本発明では透明ゲル基
板の両側から低屈折率の単量体を含浸・拡散させるため
、光導波路部が透明ゲル基板のほぼ中央部に円形もしく
は円形に近い形で形成されることになる。そのため、含
浸・拡散後のゲル基板において、未反応単量体の重合を
完結する工程の際に、共重合反応性比の違いや重合収縮
などによる基板の変形または光導波路部の形状の狂いを
小さくすることができる。さらに、本発明では光導波路
のクラッドに相当する低屈折率部を上下左右同時に形成
することもできるため、新たにクラッド部を形成すると
いった後工程が不必要になる。

本発明において、導波路パターンをゲル基板の内部まで
形成することは、実際に作製する導波路径をマスクパタ
ーン径とほぼ同じ寸法で製造することができるという利
点もある。

〔実施例〕

以下、本発明を実施例および図により説明する。

実施例１ この実施例１の方法を第１図に示す。アクリル酸０．１
２１８モル、ケイ皮酸０．０６５６モルをベンゼン７〇
−に溶解し、水酸化バリウム１水和塩（Ｂａ　（ＯＨ）
　ｚ・＋１２０）０．０４２３モルを室温中で徐々に反
応させた。この組成物が５０重量部（以下部と略す）と
なるようにビニルトルエン２５部、グリシジルヌククリ
レート２５部を加えた後、反応副生物である水とベンゼ
ンを減圧留去して含金属透明単量体を得た。この単量体
１００部にシミリスチルパーオキシジカーボネート０．
２部およびベンゾインエチルエーテル０．５部を溶解し
、シリコン離型したガラス板に注入して、６０°Ｃ１時
間放置して４０Ｘ２０Ｘ２龍の透明ゲル基板を作製した
。このゲル基板の上に、ガラス基板に幅１龍、長さ４０
■■の部分２木を残して、後の部分をすべてクロム蒸着
した第１図の２のマスクをのせ、高圧水銀灯を用いて３
分間紫外線露光を行った。この紫外線照射部分はゲル基
板の内部まで重合が進行しているのが目視で判定できた
。その後、０．２部のシミリスチルパーオキシジカーボ
ネートを含むグリシジルメタクリレート７５部、アクリ
ル酸２５部の溶液に前記の透明基板を浸漬し、室温で２
時間放置してから、透明基板をとり出し厚さ２鳳ｌのポ
リジエチレングリコールビスアリルカ−ボネート 龍のガラス板を介してバネ式クリップで圧着固定した。

そして、この基板を７０℃３時間、８０℃３時間で加熱
硬化した後、ガラス板をとりはずしてサンドインチ構造
の透明な板を得た（第１図の（ｅ））。

得られた透明な板の端面を切削、研磨したところ、透明
基板の中央部に紫外線の照射部分に応じて約１１■径の
ほぼ円形の２本の光導波路が存在することがわかった。

この断面を１ｍｌの厚さに切り出して、干渉顕微鏡（ツ
アイス社製インターフアコ）で最大屈折率差を測定した
ところ０．０２３であった。また導波路の屈折率分布は
第３図の（ａ）とほぼ同じ曲線を有していた。さらにこ
の先導波路の光損失は、ｌｉｅ−Ｎｅレーザ光で０．２
ｄＢ／ｃｍであった。

以上のことにより、この透明な板は第１図に示すような
光導波路を形成しているのがわかる。

実施例２ この実施例２の方法は第１図に示す方法と同じである。

アクリル酸０．　１２１８モル、ケイ皮Ｍ０．０６５６
モルをベンゼン７０艷に溶解し、水酸化バリウム１水和
塩（Ｂａ（ＯＨ）ｚ　・ＨｚＯ）０．０４２３モルを室
温中で徐々に反応させた。この組成物が５０部となるよ
うにクロルスチレン２５部、グリシジルメタクリレート
２５部を加えた後、水とベンゼンを減圧留去して含金属
透明単量体を得た。この単量体１００部にシミリスチル
パーオキシジカーボネート０．２部、ベンゾインエチル
エーテル０．５部およびｎ−ドデシルメルカプタン０．
１部を溶解し、実施例１と同様の方法で４ＱＸ２ＱＸ２
ｍの透明ゲル基板を作成した。このゲル基板の上に、実
施例１と同様のガラスマスクをのせ、高圧水銀灯を用い
て５分間紫外線露光を行った。この基板において、紫外
線照射部分は内部までパターン通り重合が進行している
のが確認できた。その後、０．２部のシミリスチルパー
オキシジカーボネートを含むグリシジルメタクリレート
４２部、アクリル酸１６部、トリフロロエチルメタクリ
レート４２部の溶液に前記の透明基板を浸漬し、室温で
５時間放置してから、透明基板をとり出し、厚さ２＋ａ
＋ｉのポリメチルメタクリレート板とさらにその外側に
厚さ３龍のガラス板を介してバネ式クリップで圧着固定
した。そして、この基板を７０°Ｃ３時間、８０℃３時
間で加熱硬化した後、ガラス板をとりはずしてサンドイ
ンチ構造の板を得た。

実施例１と同様に端面を切削、研磨し、最大屈折率差と
光損失を求めた。得られた透明な板の中央部に約１嘗璽
のほぼ円形の２本の光導波路が存在し、最大屈折率差は
０．０４７であった。また、導波路の屈折率分布は第３
図のｔｂ）と同じ曲線を示した。

さらに、この光導波路の光損失は、Ｈｅ　−　Ｎｅレー
ザ光で０．３４ｄＢ／ｃｍであった・ 実施例３ この実施例３の方法を第２図に示す。実施例１で得られ
た透明ゲル基板の上に、第２図の（ａ）に示すようなガ
ラスマスクをのせ、高圧水銀灯を用いて３分間紫外線露
光を行った。ここで用いたガラスマスクとは、ガラス基
板に幅１ｍｍ，長さ４０重−の部分２本と周辺部分幅１
龍を残して、後の部分をすべてクロム蒸着したものであ
る。

その後、０．３部のシミリスチルパーオキシジカーボネ
ートを含むグリシジルメタクリレート４０部、アクリル
酸５部、２−ヒドロキシエチルメタクリレート５５部の
溶液に前記の透明基板を浸漬し、室温で２時間放置して
から、そのままの状態で６０℃３時間、８０℃２時間放
置した。前記のゲル基板は低屈折率の単量体と共に完全
に硬化していたので、光導波路の端面部分を切り出し、
研磨を行ったところ、透明基板の中央部に約１朋径のほ
ぼ円形の２本の光導波路が存在することがわかった（第
２図の（ｄ））。この光導波路の最大屈折率差は０．０
２１であり、光損失はＩｌｅ−Ｎｅレーザ光で０．３１
ｄＢ／ｃｍであった。

実施例４ この実施例４の方法は第２図に示す方法と同じである。

ジアリルイソフタレート　１００部にラウロイルパーオ
キサイド３部及びベンゾインエチルエーテル１部を溶解
し、シリコン離型したガラス板に注入して、７０°Ｃで
５時間放置して４０Ｘ２０Ｘ２龍の透明ゲル基板を作製
した。このゲル基板の上に、実施例３と同様のガラスマ
スクをのせ、高圧水銀灯を用いて３０分間紫外線露光を
行った。その後、ラウロイルパーオキサイド２部を含む
トリフロロエチルメタクリレート中に前記の透明基板を
浸漬し、４０°Ｃで３時間放置してから、そのままの状
態で７０°Ｃ６時間、９０°Ｃ２時間に放置した。ジア
リルイソフタレートのゲル基板はトリフロロエチルメタ
クリレートと共に完全に硬化していたので、光導波路の
端面部分を切り出し、研磨を行ったところ、透明基板の
中央部に約１龍径の２本の光導波路が存在することがわ
かった。ただし、この光導波路の断面は円形というより
も逆三角形の形状を示した。この断面を１ｆｌの厚さに
切り出して、最大屈折率差を測定したところ、０．０５
１であった。

さらに、この光導波路の光損失は、Ｈｅ　−Ｎｅのレー
ザ光で１．２ｄＢ／ｃｍであった。

〔発明の効果〕

本発明によれば、光導波路のための微細パターンを維持
しながら、導波路径を数龍まで容易に形成できる高分子
光導波路を得ることが可能となる。

そのため、プラスチック光ファイバなどの大口径の光フ
ァイバの分岐・結合がより容易に行なえることから、光
通信や光情報処理分野の光学部品として有用性が極めて
高い。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は本発明により製造される高分子光導
波路と製造方法の実施例を示す断面図であり、第３図は
本発明により製造される高分子光導波路部の屈折率分布
の形状を示す図であり第４図は従来の方法を示す断面図
である。 １・・・透明なゲル基板、２・・・マスク、３・・・選
択的な重合部分、４・・・含浸用の低屈折率単量体、５
・・・低屈折率の透明プラスチック板、６・・・ガラス
板、７・・・先導波路部分、８・・・低屈折率の透明な
重合体。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、（ａ）透明合成樹脂基板の中央部に、基板よりも屈
   折率が高く、かつ屈折率分布を有する光導波路部を有し
   、（ｂ）前記透明基板の両面または周辺に密着又は一体
   化された前記基板よりも低い屈折率を有する透明な合成
   樹脂板または合成樹脂膜を有することを特徴とする高分
   子光導波路。 ２、基板となる透明合成樹脂が金属イオンを含む透明合
   成樹脂であることを特徴とする特許請求の範囲第１項記
   載の高分子光導波路。 ３、（ａ）屈折率がＮ＿１の重合体Ｐ＿１を生成する１
   種または２種以上の単量体Ｍ＿１を一部重合させて、透
   明なゲル状の合成樹脂基板を形成する工程、（ｂ）この
   透明ゲル基板の表面および内部に光導波路パターンマス
   クを形成させる工程、 （ｃ）前記光導波路パターンを形成した透明ゲル基板の
   少なくとも両側から屈折率Ｎ＿１より低屈折率Ｎ＿２の
   重合体Ｐ＿２を生成する１種または２種以上の単量体Ｍ
   ＿２を内部へ拡散・浸透させ濃度勾配を形成させる工程
   、 （ｄ）前記単量体Ｍ＿２を内部拡散・浸透して濃度勾配
   を形成した透明ゲル基板を前記単量体Ｍ＿２中にて、単
   量体Ｍ＿１とＭ＿２の重合を完結させるか、または前記
   透明ゲル基板よりも低屈折率の透明な合成樹脂膜または
   合成樹脂板を基板の両面又は周辺に密着させたまま単量
   体Ｍ＿１とＭ＿２の重合を完結させる工程、 を有することを特徴とする高分子光導波路の製造方法。 ４、透明ゲル基板の表面および内部に光導波路パターン
   マスクを形成する工程において、光導波路パターンを、
   光照射によって前記透明ゲル基板の内部にまで選択的に
   重合反応を進めた部分とそうでない部分で形成すること
   を特徴とする特許請求の範囲第３項記載の高分子光導波
   路の製造方法。 ５、基板となる透明合成樹脂が金属イオンを含む透明合
   成樹脂であることを特徴とする特許請求の範囲第３項記
   載の高分子光導波路の製造方法。