JPWO2010024336A1 - 光導波路の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】低コストで容易に製造することができ、高Δｎを有する光導波路の作製方法、特に高Δｎ光導波路同士を接続することができるような、自己形成光導波路及びその製造方法を提供すること。【解決手段】下記の（Ａ）工程及び（Ｂ）工程を含む光導波路の製造方法。（Ａ）工程：下側クラッド部上に、チタン原子とケイ素原子を含む酸化物前駆物質を含有する塗布液を用いて塗膜を形成する工程、（Ｂ）工程：加熱下に前記塗膜に放射線を照射し、これにより放射線照射された屈折率のより高いコア域と、コア域より屈折率のより低い放射線未照射のクラッド域とからなるコア／クラッド層を形成する工程。【選択図】図２

Description

本発明は、コアの屈折率とクラッドの屈折率との差の大きい光導波路の製造方法に関する。さらには自己形成光導波路及びその製造方法に関する。

近年、通信や信号伝達に対する高速化、高容量化の要求がますます大きくなり、機器内配線においても電気に代わって光による信号伝達の重要性が高まっている。信号光は光ファイバや光導波路を通して伝送されるが、これら光導波路同士を接続する方法として自己形成光導波路の技術が盛んに検討されている。

自己形成光導波路のなかで主に検討されているものは、感光性を有する樹脂液に浸漬した光導波路からの出射光により、光導波路の先端に自己形成的に製造される光導波路である。
例えば、比較的高屈折率な光硬化樹脂液に光ファイバからの出射光を照射し、光ファイバ先端に軸状に硬化物を得てコアとする。次に、未硬化樹脂液を除去し、コアよりも屈折率の低い光硬化樹脂液で包埋して全体を硬化させ、クラッドとする光導波路とその製造方法が報告されている（特許文献１参照）。このような製造方法は未硬化樹脂液の除去時にコアが支持されていないため、光ファイバと自己形成光導波路のコアとの軸ずれが起こりやすいという課題がある。またこのような方法は製造工程が煩雑であり、生産性が低いという課題もある。

そこで、未硬化樹脂液の除去を必要としない自己形成光導波路の作製方法も検討されている。例えば、硬化開始点と屈折率の異なる２種類の光硬化性樹脂溶液を混合しておき、光ファイバからの出射光により樹脂溶液中の高屈折率成分のみを選択的に硬化させてコアとする。このときコアの周囲には上述の２種類の光硬化性樹脂溶液の混合溶液が残存しているので、２種類の光硬化性樹脂溶液を同時に硬化させることで、コア部より屈折率の低いクラッド部を作成する光伝送路の製造方法が報告されている（特許文献２参照）。

また光硬化樹脂液の屈折率の違いに着目するのではなく、化合物の光構造変化を利用しして光導波路を自己形成させる製造方法も検討されている。例えば、１，４−ジヒドロピリジン誘導体を含有した樹脂に光ファイバからの出射光を照射し、コアとなる部分の１，４−ジヒドロピリジン誘導体のみを構造変化させる。続いて構造変化していない１，４−ジヒドロピリジン誘導体を樹脂から選択的に除去することで、コア部分にのみ構造変化した１，４−ジヒドロピリジン誘導体の存在比率が高まり、それにより屈折率分布が形成された光導波路の製造方法が報告されている（特許文献３参照）。

これら従来の自己形成導波路の製造技術において対象とする用途として、光ファイバ同士の接続が想定されている。このため、従来の自己形成光導波路のコアとクラッドとの比屈折率差（Δｎ）は光ファイバと同程度の０．１〜０．５％に設計されていることが多い。また、一般的に樹脂化合物はその化学的性質から高Δｎにすることが非常に困難であり、界面密着性や熱物性などを考慮すると自己形成導波路の製造において実施可能なΔｎはせいぜい４％程度が上限となっている。

近年、機器内の光配線は益々高集積化されており、そのため微細なコアにおいても光を閉じ込めて低損失で伝搬可能な光導波路の開発が進められている。一般に、コアとクラッドとの比屈折率差（Δｎ）を大きくするほど、コアへの光の閉じ込めが強くなり、許容されるコア同士の間隔が小さくなることが知られている。そこで高Δｎを有する光導波路の製造方法が盛んに検討されている（特許文献４、５参照）。

特開２００６−２４３１５５号公報 特開２０００−３４７０４３号公報 特開２００４−２４６３３５号公報 特開２００６−２９３０８８号公報 特開２００３−１５６６４２号公報

前述したように、高Δｎを有する光導波路の製造方法が提案される中、より容易な光導波路の製造方法、さらには、このような高Δｎ光導波路同士を接続することができるような、これまで以上に高いΔｎを有する自己形成導波路の製造方法が求められることとなった。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、低コストで容易に製造することができ、高Δｎを有する光導波路の作製方法、特に自己形成光導波路及びその製造方法を提供することを目的としている。

本発明者らは、上記目的を達成するため、鋭意検討を重ねた結果、チタン原子とケイ素原子を含む酸化物前駆物質を含有する液（塗布液）を用いて塗膜を形成するか、或いは、該液を接続又は構造形成すべき空間に保持させ又は充填し、特に加熱下で該塗膜或いは前記酸化物質を含有する液が保持又は充填された液部分に、放射線を照射することにより、放射線の照射域の屈折率と未照射域（又は低放射線照射域）の屈折率に大きな差が生ずることを見出し、光導波路のコア部（放射線照射域）とクラッド部（未照射域又は低放射線照射域）を容易に形成できることを見出し、本発明を完成させた。

すなわち、第１観点として、下記の（Ａ）工程及び（Ｂ）工程を含む光導波路の製造方法。
（Ａ）工程：下側クラッド部上に、チタン原子とケイ素原子を含む酸化物前駆物質を含有する液を用いて塗膜を形成する又は該液を接続若しくは構造形成すべき空間に保持させ若しくは充填する工程、
（Ｂ）工程：加熱下に前記塗膜又は保持若しくは充填された液部分に放射線を照射し、これにより放射線照射された屈折率のより高いコア域と、コア域より屈折率のより低い放射線未照射又は低放射線照射のクラッド域とからなるコア／クラッド層を形成する工程。
第２観点として、下記の（Ａ）工程及び（Ｂ）工程を含む第１観点に光導波路の製造方法。
（Ａ）工程：下側クラッド部上に、チタン原子とケイ素原子を含む酸化物前駆物質を含有する塗布液を用いて塗膜を形成する工程、
（Ｂ）工程：加熱下に前記塗膜に放射線を照射し、これにより放射線照射された屈折率のより高いコア域と、コア域より屈折率のより低い放射線未照射のクラッド域とからなるコア／クラッド層を形成する工程。
第３観点として、前記（Ｂ）工程において、放射線の照射方向が、光導波路の光が伝搬する方向である、第２観点記載の光導波路の製造方法。
第４観点として、前記（Ｂ）工程において、放射線がレーザー光線である、第２観点又は第３観点記載の光導波路の製造方法。
第５観点として、前記塗膜全体にわたってチタン原子とケイ素原子のモル比が一定となるように、（Ａ）工程において均一に塗膜を形成する、第２観点乃至第４観点のうち何れか一項に記載の光導波路の製造方法。
第６観点として、前記（Ａ）工程において、チタン原子とケイ素原子のモル比が、チタン原子（モル）：ケイ素原子（モル）＝５：９５乃至９５：５である塗布液を使用する、第２観点乃至第５観点のうち何れか一項に記載の光導波路の製造方法。
第７観点として、さらに、（Ｃ）工程：前記コア／クラッド層の上に上側クラッド部を形成する工程、を含む、第２観点乃至第６観点のうち何れか一項に記載の光導波路の製造方法。
第８観点として、前記（Ｃ）工程において前記上側クラッド部を、前記（Ａ）工程に記載のチタン原子とケイ素原子を含む酸化物前駆物質を含有する塗布液を用いて形成する、第７観点記載の光導波路の製造方法。
第９観点として、前記（Ｃ）工程が、前記（Ａ）工程に記載のチタン原子とケイ素原子を含む酸化物前駆物質を含有する塗布液を前記コア／クラッド層上に塗布し、続いて、２５℃乃至２５０℃で加熱処理することにより、前記コア／クラッド層の上に上側クラッド部を形成する工程である、第７観点又は第８観点に記載の光導波路の製造方法。
第１０観点として、前記塗膜が、アルコキシチタン及びアルコキシシランの重縮合物を含有する塗布液から形成される、第２観点乃至第９観点のうちのいずれか一項に記載の光導波路の製造方法。
第１１観点として、下記の（Ａ）工程及び（Ｂ）工程を含む第１観点に記載の光導波路の製造方法。
（Ａ）工程：チタン原子とケイ素原子を含む酸化物前駆物質を含有する液を、接続又は構造形成すべき空間に保持させ又は充填する工程、
（Ｂ）工程：保持又は充填された液部分に、加熱下、放射線を照射し、これにより放射線照射された屈折率のより高いコア域と、コア域より屈折率のより低い放射線未照射又は低放射線照射のクラッド域とからなるコア／クラッド層を形成する工程。

本発明によれば、チタン原子とケイ素原子を含む酸化物前駆物質を含有する塗布液を用いて形成した塗膜、或いは前記酸化物質を含有する液が保持又は充填された液部分に、加熱下で放射線を照射するだけで、放射線照射域を光導波路のコア域、未照射域（又は低放射線照射域）を光導波路のクラッド域とすることができる。すなわち、従来の光導波路の製造において必要とされた現像処理等を必要としないため操作が平易である。

また本発明の製造方法によれば、コア／クラッド層におけるコア域とクラッド域を同一の材料で作製できる。
すなわち、従来、材料物性の差異によりコア域とクラッド域の界面で発生していた密着性や耐熱性などの問題が、本発明の製造方法により低減されることが期待できる。

そして本発明の製造方法によると、コア域の屈折率とクラッド域の屈折率との差が大きい光導波路を低コストで容易に製造することができる。そのため、光閉じ込め効果の大きい光導波路を容易に製造することができ、光デバイスの小型化に有用である。

さらに、本発明によれば、上記のような特徴を有する自己形成光導波路を容易に製造することが可能である。

図１は反射型自己組織化光波網（Ｒ−ＳＯＬＮＥＴ）の原理を示すモデル図である。 図２は、紫外線照射（２２５０ｍＪ／ｃｍ²、７５０ｍＪ／ｃｍ²）及び紫外線未照射の塗膜における、４００ｎｍ乃至１６００ｎｍの波長における屈折率の変化を示す図である。 図３は実施例１で作製した自己形成光導波路における、上側クラッド部側から見た光導波路の観察図である。 図４は実施例２で作製した自己形成光導波路における、上側クラッド部側から見た光導波路の観察図である。 図５は実施例３で作製した自己形成光導波路における、上側クラッド部側から見た光導波路の観察図である。 図６は本発明の光導波路の別の形態を示す図であり、光導波路２の二つの端面の間に酸化物前駆物質を含有する液１が保持されたもの（図６（ａ））、基板１上に設置された光導波路２同士を接続するように酸化物前駆物質を含有する液１が充填されたもの（図６（ｂ））、並びに光導波路２と光源４とを接続するように酸化物前駆物質を含有する液１が充填されたもの（図６（ｃ））を示す図である。

以下、本発明を詳細に説明する。
本発明は光導波路の製造方法であって、詳細には、（Ａ）工程：下側クラッド部上に、チタン原子とケイ素原子を含む酸化物前駆物質（以下、特定前駆物質ともいう）を含有する液を用いて塗膜を形成する又は該液を接続若しくは構造形成すべき空間に保持させ若しくは充填する工程、及び（Ｂ）工程：加熱下に前記塗膜又は保持若しくは充填された液部分に放射線を照射し、これにより放射線照射された屈折率のより高いコア域と、コア域より屈折率のより低い放射線未照射又は低放射線照射域のクラッド域とからなるコア／クラッド層を形成する工程、からなる製造方法である。
なお以降、主として前記チタン原子とケイ素原子を含む酸化物前駆物質を含有する塗布液を用いて塗膜を形成し、該塗膜に加熱下で放射線を照射することによる、光導波路の製造方法について説明する。

ここで本発明は、コア域における屈折率が、クラッド域と比べて比較的高いことが一つの特徴となっている。これは、コア／クラッド層を特定前駆物質を含有する塗布液、具体的にはアルコキシチタン及びアルコキシシランの重縮合物を含有する塗布液より得られる塗膜を、加熱下で放射線照射することにより得られる特徴である。
好ましい特定前駆物質は、後述のようにアルコキシチタン及びアルコキシシランとを加水分解・縮合して得られるものであり、即ち主として金属アルコキシドの重縮合物を意味する。アルコキシチタンは加水分解を受けやすいため、通常は、安定化剤（β−ジケトン類やグリコール類等）によって安定化させた状態で前記の反応を行なう。この特定前駆物質を含有する塗布液から得られる塗膜を乾燥した後に、加熱下で紫外線を照射すると、紫外線照射域において、アルコキシチタンの安定化に用いた安定化剤の脱離が活性化され、脱離すると同時に塗膜に加えられている熱により特定前駆物質の縮合・重合が進行する。他方、紫外線未照射域においては、紫外線照射域に比べて、特定前駆物質の縮合・重合が進行し難い。このようなことが、紫外線未照射域に比べて、紫外線照射域の屈折率を高くすることになるものと考えられる。
このようにして、本発明は平易な製造方法で、高い屈折率差を誘起することが可能となると考えられる。

前記（Ｂ）工程において、放射線の波長は０．００１ｎｍ乃至６００ｎｍ、好ましくは２００ｎｍ乃至５００ｎｍである。さらに好ましくは２５０ｎｍ乃至４１０ｎｍである。また、加熱温度は２５℃乃至２５０℃の範囲で行うことが好ましい。
上記（Ｂ）工程における放射線波長が６００ｎｍより長い場合、エネルギーが不十分であり、コア域となる放射線照射域でのアルコキシチタンの加水分解・縮合が十分に進行せず、当該区域の屈折率が上昇しない場合がある。放射線波長が０．００１ｎｍより短い場合、エネルギーが過剰であり、作製される自己形成光導波路の制御が困難となる。
また加熱処理が過剰であった場合、クラッド域となる放射線未照射域において、過剰な加水分解・縮合の抑制のために安定化剤により保護されていたアルコキシチタンにおいても、安定化剤が脱離することとなり、加水分解・縮合が進行することで、屈折率が上昇する。
すなわち、加熱処理が不十分、又は過剰のいずれの場合においても、コア域とクラッド域の屈折率差が小さくなるため、放射線波長、熱処理温度及び熱処理時間を適宜選択することが望ましい。

また、コア域とクラッド域間で、高い屈折率差を得るためには、塗膜並びにコア／クラッド層に含まれるチタン原子とケイ素原子のモル比が５：９５乃至９５：５であることが望ましい。好ましくはチタン原子とケイ素原子のモル比が５０：５０乃至９５：５、より好ましくは７０：３０乃至９５：５である。

［塗膜形成に用いる塗布液］
本発明において、紫外線照射・加熱処理によりコア／クラッド層を形成することとなる塗膜は、特定前駆物質を含有する塗布液から形成される。
該塗布液は、材料の調製が容易であり、また塗膜の作製にあたり従来の塗布方法を用いることができることから、前述したようにアルコキシチタン及びアルコキシシラン、そして後述する溶媒等を用いて調製することが好ましい。

〈アルコキシチタン〉
上記アルコキシチタンとしては、下記式（１）で表される化合物が挙げられる。
Ｔｉ（ＯＲ¹）₄ ・・・（１）
（式中、Ｒ¹は炭素原子数１乃至６のアルキル基を表す）。
上記式（１）の具体例としては、テトラメトキシチタン、テトラエトキシチタン、テトライソプロポキシチタン、テトラ−ｎ−プロポキシチタン、テトラ−ｎ−ブトキシチタン、テトライソブトキシチタン、テトラ−ｔ−ブトキシチタン、テトラペントキシチタン等が挙げられる。
これらの中で、テトラエトキシチタン、テトライソプロポキシチタン、又はテトラ−ｎ−ブトキシチタンを用いることが好ましい。

なお、通常、アルコキシチタンを用いる場合、過度の加水分解・縮合の進行を抑えるために、β−ジケトン類やグリコール類等の安定化剤によって溶媒和された形態で用いる。
ここで用いられる上記安定化剤の具体例としては、アセチルアセトン、メチルアセチルアセトン、エチルアセチルアセトン、ジエチルアセチルアセトンなどのβ−ジケトン類、エチレングリコール、プロピレングリコール、エチレングリコールジメチルエーテルなどのグリコール類等が挙げられる。

〈アルコキシシラン〉
前記アルコキシシランとしては、下記式（２）で表される化合物が挙げられる。
（Ｒ²）_nＳｉ（ＯＲ³）_4-n （２）
（式中、Ｒ²は炭素原子数１乃至６のアルキル基、炭素原子数１乃至６アルケニル基、アリール基を表し、Ｒ³は炭素原子数１乃至６のアルキル基を表し、ｎは０乃至２の整数を表す。）
上記式（２）の具体例としては、テトラアルコキシシラン類、トリアルコキシシラン類及びジアルコキシシラン類等が挙げられる。
以下にアルコキシシランの具体例を示すが、これらに限定されるものではない。

テトラアルコキシシラン類としては、テトラメトキシシラン、テトラエトキシシラン、テトラプロポキシシラン及びテトラブトキシシラン等が挙げられる。好ましくは、テトラメトキシシラン、テトラエトキシシランが挙げられる。

トリアルコキシシラン類としては、メチルトリメトキシシラン、メチルトリエトキシシラン、エチルトリメトキシシラン、エチルトリエトキシシラン、プロピルトリメトキシシラン、プロピルトリエトキシシラン、ブチルトリメトキシシラン、ブチルトリエトキシシラン、ペンチルトリメトキシシラン、ペンチルトリエトキシシラン、ヘキシルトリメトキシシラン、ヘキシルトリエトキシシラン、ヘプチルトリメトキシシラン、ヘプチルトリエトキシシラン、オクチルトリメトキシシラン、オクチルトリエトキシシラン、ステアリリルトリメトキシシラン、ステアリリルトリエトキシシラン、ビニルトリメトキシシラン、ビニルトリエトキシシラン、３−クロロプロピルトリメトキシシラン、３−クロロプロピルトリエトキシシラン、３−ヒドロキシプロピルトリメトキシシラン、３−ヒドロキシプロピルトリエトキシシラン、３−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、３−グリシドキシトリエトキシシラン、３−メタクリルオキシトリメトキシシラン、３−メタクリルオキシトリエトキシシラン、フェニルトリメトキシシラン、フェニルトリエトキシシラン、トリフルオロプロピルトリメトキシシラン及びトリフルオロプロピルトリエトキシシラン等が挙げられる。好ましくは、メチルトリメトキシシラン、メチルトリエトキシシランビニルトリメトキシシラン、ビニルトリエトキシシラン、３−ヒドロキシプロピルトリメトキシシラン、３−ヒドロキシプロピルトリエトキシシラン、３−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、３−グリシドキシトリエトキシシラン、３−メタクリルオキシトリメトキシシラン、３−メタクリルオキシトリエトキシシラン、フェニルトリメトキシシラン、フェニルトリエトキシシラン、トリフルオロプロピルトリメトキシシラン及びトリフルオロプロピルトリエトキシシランが挙げられる。

ジアルコキシシラン類としては、ジメチルジメトキシシラン、ジメチルジエトキシシラン等のジアルコキシシラン類等が挙げられる。

またこれらアルコキシシランは、上述の単量体の形態だけでなく、メチルシリケートおよびエチルシリケート等の縮合体の形態で用いることもできる。

〈アルコキシチタンとアルコキシシランの配合割合〉
上述の塗布液に用いるアルコキシチタンとアルコキシシランの配合割合は、モル比でアルコキシチタン：アルコキシシラン＝５：９５乃至９５：５であることが好ましい。より好ましくは、モル比でアルコキシチタン：アルコキシシラン＝５０：５０乃至９５：５、最も好ましくは７０：３０乃至９５：５である。
また上述のアルコキシチタン及びアルコキシシラン等の金属アルコキシドは、必要に応じて適宜選択して用いることができ、複数種を併用することもできる。

〈塗布液に使用する溶媒〉
前記塗布液において、アルコキシチタンとアルコキシシランと共に用いる溶媒は、金属アルコキシド及び／又はその縮合物を溶解するものであれば特に限定されない。
例えば、メタノール、エタノール、プロパノール、ブタノール等のアルコール類、アセトン、メチルエチルケトン等のケトン類、ベンゼン、トルエン、キシレン等の芳香族炭化水素類、エチレングリコール、プロピレングリコール、ヘキシレングリコール等のグリコール類、エチルセロソルブ、ブチルセロソルブ、エチルカルビトール、ブチルカルビトール、ジエチルセロソルブ、ジエチルカルビトール等のグリコールエーテル類、Ｎ−メチルピロリドン、ジメチルフォルムアミド等が挙げられる。
これら溶媒は１種単独で、或いは２種以上を混合して用いてもよい。

〈その他触媒など〉
前述のアルコキシチタンなどの遷移金属アルコキシド化合物は、光に対して硬化性を有するが、さらに光硬化性を促進させるための触媒として、金属硝酸塩を遷移金属アルコキシドに対してモル比で０．００５乃至２の範囲で加えることが望ましい。
金属硝酸塩としては、例えば周期律表の、ＩＩａ族、ＩＩＩａ族、ＩＶａ族、Ｖａ族、ＩＩＩｂ族、ＩＶｂ族、Ｖｂ族、ＶＩＩｂ族及びＶＩＩＩ族の金属からなる群より選択される少なくとも１種の金属の硝酸塩が挙げられる。
好ましくは、バリウム、マグネシウム、アルミニウム、インジウム、ナマリ、ビスマス、イットリウム、セリウム、ニオビウム、タンタル、クロミウム、モリブデン、タングステン、マンガン、鉄、コバルト、パラジウム、銅及びカドミウムの硝酸塩が挙げられる。
特に好ましくは、アルミニウム、インジュウム、ビスマス、イットリウム、セリウム、クロミウム、タングステン、マンガン、鉄、コバルト、銅及びカドミウムが挙げられる。
これら金属硝酸塩は、前述の溶媒に溶解する限りにおいては特にその種類は限定されず、必要に応じて適宜選択して用いることができる。その際、１種単独で又は複数種を併用することもできる。

〈塗布液の調製方法〉
塗布液調製に用いられる前記金属アルコキシド（アルコキシチタン、アルコキシシラン）は加水分解性である。このため、塗布液の調製過程で、溶媒中で金属アルコキシドの加水分解・縮合反応が起こることなる。
従って、調製された塗布液中において、金属アルコキシドは、一部又は全部が加水分解し、縮合反応が起こっていてもよい。すなわち、本発明の塗布液には、アルコキシチタン及びアルコキシシランの重縮合物が存在することとなる。ここでアルコキシチタン及びアルコキシシランの重縮合物には、アルコキシチタンの重縮合物、アルコキシシランの重縮合物などの各種重縮合物が含まれていてもよい。
前記加水分解・縮合反応は、系内に添加される水の量でも調整できる。

塗布液の調製にあたり、前記金属アルコキシド（アルコキシチタン、アルコキシシラン）と溶媒等の添加順序は特に限定されない。
一般にはアルコキシチタンと溶媒をあらかじめ混合した溶液に、水や触媒等の成分を添加する方法がよく用いられる。ここでアルコキシシランは、アルコキシチタンと同時に溶媒と混合してもよいし、後から添加してもよい。その際、アルコキシシランは、あらかじめ溶媒で希釈したものであってもよい。

また、アルコキシチタンの加水分解を抑制する目的で、予めアルコキシチタンと溶媒の混合溶液を冷却して塗布液の調製を行ってもよい。或いは、塗布液の調製を冷却下で行ってもよいし、調製後に冷却してもよい。
水及び触媒は、混合して添加してもよいし、別々に添加してもよい。通常、水及び触媒は溶媒で希釈した溶液として添加することが一般的である。ここで用いられる触媒は塩酸、硫酸、硝酸、酢酸、ギ酸、シュウ酸、リン酸、マレイン酸等の酸やアンモニア等のアルカリ等が挙げられる。

さらに、金属アルコキシドの加水分解・縮合反応速度を調整する目的で、金属アルコキシドと溶媒の混合溶液を加熱することもできる。加熱温度及び加熱時間は適宜選択できる。また、金属アルコキシドと溶媒の混合溶液の加熱途中に、水及び触媒を添加することも可能である。

〈その他成分〉
また、本発明の効果を損なわない限りにおいて、必要に応じて無機微粒子、界面活性剤、レベリング剤等のその他の成分を本発明の塗布液に添加することも可能である。

〈光導波路の形成方法〉
本発明の光導波路は、下側クラッド部と、該下側クラッド部の上面側に形成され、屈折率のより高いコア域と、コア域のそれより屈折率のより低いクラッド域とからなるコア／クラッド層を含みて構成され、所望により、該コア／クラッド層上にさらに上側クラッド部が形成されてなる。

本発明の光導波路は主として基板上に形成され、ここで用いられる基板としては、シリコンウェーハ、ガラス製、セラミックス製、金属製及びプラスチック製基板等が挙げられ、その形状は、板又はフィルム等が挙げられる。
入手が容易であるため市販品を用いることが好ましく、シリコンウェーハやガラスウェーハ、またプリント配線板用の複合材料基板などを好適に用いることができる。
またプラスチック製基板としては、ポリカーボネート、ポリ（メタ）アクリレート、ポリエーテルサルホン、ポリアクリレート、ポリウレタン、ポリスルホン、ポリエーテル、ポリエーテルケトン、ポリオレフィン、ポリエチレンテレフタレート、ポリアクリロニトリル、トリアセチルセルロース、ジアセチルセルロース、ポリイミド、アセテートブチレートセルロース等の基板を挙げることができる。

前述の下側クラッド部はコア／クラッド層のコア域を伝搬する光に対して十分透明性を有するものであることが望ましい。また光の伝搬の観点から、下側クラッド部の屈折率は、コア／クラッド層のクラッド域の屈折率と同程度であることが望ましい。
さらに、コア／クラッド層との物理的性質の差異を少なくし、コア／クラッド層との密着性等を好適なものとするためには、下側クラッド部も、コア／クラッド層と同様にチタン原子とケイ素原子を含有する材料から製造することが効果的である。
また、下側クラッド部の屈折率がコア／クラッド層のクラッド域の屈折率より低いと、光のトンネリングを抑制できるので好ましい。但し、ＳｉＯ₂の場合は２，０００ｎｍ程度又はそれ以上の膜厚があれば充分である。
このような下側クラッド部には、金属アルコキシド（例えばアルコキシシラン）の加水分解物及び／又はその縮合物を含有する塗布液から得られる硬化膜を用いることができる。又、ガラス、透明性の高いセラミックスやプラスチック基板で代用してもよい。

コア／クラッド層は前述したように、材料調製の容易さや従来方法が使用可能であるといった観点から、前述のアルコキシチタン及びアルコキシシランの重縮合物を含有する塗布液を用いて下側クラッド部上に塗布して塗膜を形成し、その塗膜に加熱下で紫外線照射を照射することにより作製するのが好ましい。

前記塗布液の塗布方法は、ディッピング法、スピンコート法、フレキソ印刷法、刷毛塗り法、ロールコート法、スプレー法等通常使用される塗布法を使用することができる。なお塗布液は、塗布前に、フィルター等を用いて濾過することが一般的である。
なお本発明においては、前記塗布液を用いて形成された塗膜の形態だけでなく、前記塗布液と同一成分である前記チタン原子とケイ素原子を含む酸化物前駆物質を含有する液を、接続又は構造形成すべき空間に保持させるか又は充填し、保持又は充填された液部分の形態をなし、該液部分をその後の加熱下で紫外線照射し、これにより放射線照射された屈折率のより高いコア域と、コア域より屈折率のより低い放射線未照射又は低放射線照射のクラッド域とからなるコア／クラッド層を形成することもできる。
ここで、接続すべき空間に保持させる態様には、例えば図６（ａ）に示すように、光導波路２の二つの端面の間に酸化物前駆物質を含有する液１を表面張力により保持させた状態が挙げられる。また、構造形成すべき空間に充填する態様には、例えば、図６（ｂ）又は図６（ｃ）に示すように、基板１上（又は基板内部であってもよい）に設置された光導波路２同士、又は光導波路２と光源４とを接続又は結合して目的の構造が形成されるように、前記酸化物前駆物質を含有する液１を充填した状態が挙げられる。前記酸化物前駆物質を含有する液１を保持又は充填させるには、例えば前記液を接続又は構造形成すべき空間に滴下すればよい。なお、保持又は充填された液部分を形成する際、前記液１が光導波路２の一部を覆っていても良い。

このようにして下側クラッド部の上に形成された塗膜を、放射線照射前に、例えば２５℃から２２０℃の温度で乾燥させる。
２５℃より高温で乾燥させる（熱処理する）方法としては特に限定されるものではないが、適切な雰囲気下、即ち大気、窒素等の不活性ガス、真空中等で、ホットプレートやオーブンを用いて行う方法を例示することができる。乾燥温度は、塗膜中の残存溶媒を少なくするという観点から４０℃以上が好ましく、より好ましくは１２０℃以上で実施される。
また、乾燥に要する時間は３０秒間以上であればよいが、１０分間以下で十分である。
乾燥（熱処理）は２段階以上の温度変化をつけてもよい。段階的に乾燥（熱処理）を実施することで塗膜の均一性をより高めることができる。

１回の塗布により得られる塗膜は、その膜厚が１００ｎｍ乃至４００ｎｍ以下であることが好ましい。これは、塗膜の膜厚が４００ｎｍを超えると、塗布後の熱処理（溶媒乾燥）や、その後の放射線照射工程に行う熱処理などによって、コア／クラッド層にクラックが発生することがあるためである。
なお、一度の塗布・加熱処理により所望の厚さの塗膜が得られない場合は、塗布・加熱処理の工程を所望の膜厚となるまで繰り返せばよい。

次に、完成した塗膜に、加熱下で放射線を照射する。
該塗膜に照射する放射線としては、レーザー光源、水銀ランプ、メタルハライドランプ、キセノンランプ、エキシマランプ等からの放射線（紫外線等）が挙げられる。放射線の照射量により、製造されるコアの屈折率と長さを制御することができる。通常、照射量は数千乃至数万ｍＪ／ｃｍ²が適当である。

これらの放射線は前述の安定化剤を脱離させる作用を有しており、加熱下で放射線を照射することにより、安定化剤の脱離に続いて直ちに縮合反応が生じ、該照射域の屈折率が増加してコアが形成される。

放射線の中でも、波長２５４ｎｍ付近の波長の短い紫外線はエネルギーが大きく、安定化剤の脱離を促進させる効果が高いため、より少ない照射量でコア域となる部分の屈折率を上昇させることができ、好ましい。さらにエネルギーの大きな放射線として、電子線等を用いることも有効である。
放射線の波長および、加熱温度により、製造するコアの幅や長さといった形状をコントロールすることが可能である。

上記塗膜に加熱下で、フォトマスクを通して放射線を照射する、もしくはレーザー光を走査することで、任意な形状を有する光導波路を上記塗膜中に作製することが可能である。具体的には、直線導波路や曲り導波路、また導波路レンズや導波路プリズムなどの作製が可能である。また上記塗膜に斜め方向から放射線を照射することで、上記塗膜中に４５°ミラーを作製することも可能である。このような４５°ミラーは、上記塗膜中の光導波路と、ＶＣＳＥＬなどの光源、フォトディテクタや縦型光導波路とを接続するのに有効である。照射角度の調整により、４５°ミラーのみならず、他の角度のミラーを作製することもできる。
さらには、上記塗膜中に既に形成された光導波路を通して、もしくは上記塗膜の端面近傍に設置された光導波路を通して、放射線を照射することにより、該光導波路のコアと軸ずれのない自己形成光導波路を上記塗膜中に作製することが可能である。また光源から光導波路を通さず、上記塗膜の端面に直接、放射光を照射することで、光源と軸ずれのない自己形成光導波路を上記塗膜中に作製することが可能である。このとき、上記塗膜の端面近傍に設置された光導波路もしくは光源は、上記塗膜と接触していてもよいが、空気や屈折率整合液などの媒体を挟んでいてもよい。
ここで放射線照射に使用する光導波路に特に制限はなく、一般的なものを用いることができる。ただし、上記製造工程から該光導波路が紫外線などの放射光を良好に塗膜に伝搬し、かつ放射光によって該光導波路自身が変質しないことが望ましい。

翻ってみれば、放射線照射に使用する光導波路を変質させにくい放射光を使用すること、例えば波長４００ｎｍ以上の可視光はエネルギーが小さく光導波路の変質を抑えられるため好適である。
こうした理由から、波長４００ｎｍ以上の可視光を用い、自己形成導波路を作製したい部分の塗膜を局所的に加熱しながら、光導波路を通じて放射線照射をすることで、該光導波路を変質させることなく自己形成光導波路を製造することが可能となる。

図１（１−１〜１−３）に、反射型自己組織化光波網（Ｒ−ＳＯＬＮＥＴ）の原理を示す。Ｒ−ＳＯＬＮＥＴとは、反射光が呼び水となって、自己組織化光波網が誘導される現象である。放射線（この場合は書き込み光）を反射するような反射体（図中では、書き込み光は反射し、信号光は透過するような波長フィルタ）を配置し、放射線を照射すると、放射線と反射放射線が重なり（１−１）、その部分の屈折率が増加してセルフフォーカスが生じる（１−２）。その結果、自己組織化光波網が反射体に引き寄せられ、光軸がずれている導波路同士が自動的に接続される（１−３）（Tetsuzo Yoshimura and Hiroshi Kaburagi, "Self-Organization of Optical Waveguides between Misaligned Devices Induced by Write-Beam Reflection", Applied Physics Express, 1 (2008) pp.062007参照）。
すなわち、本発明により一般的な自己形成光導波路だけでなく、Ｒ−ＳＯＬＮＥＴも作製することが可能である。
また、コア／クラッド層を含む層を基板から分離し、フィルム状にして使用することも可能である。この場合、半導体チップや配線基板などに貼り付け、集積化することが容易になる。さらに、光回路の３次元化にも有効となる。

放射線を照射するときの加熱温度は、前述したように２５℃乃至２５０℃、好ましくは１２０℃乃至２５０℃の温度である。加熱処理により、金属アルコキシドの加水分解・縮合を促進し、コア／クラッド層を完成させる。加熱処理に要する時間は、通常５乃至６０分、１０分程度であればよい。低い加熱温度を選択する場合は、加熱時間を長くすることで安定したコア／クラッド層が得られやすい。

このようにして作製されたコア／クラッド層は、空気を上側クラッド部とみなすことにより、このままでも光導波路として使用可能である。しかしながら、コア／クラッド層の汚染および、それにより生じる伝搬特性の変化を防ぐために、一般に樹脂などを用いて上側クラッド部形成し、コア／クラッド層を被覆する。

上側クラッド部には、前述の下側クラッド部と同じく、コア／クラッド層のクラッド域と同程度の屈折率や物理的性質を有することが望ましい。例えば、コア／クラッド層作製用の塗布液を用いて塗膜を作製し、その全面を放射線照射せずに熱処理のみを実施すれば、コア／クラッド層のクラッド域と同じ組成から成る上側クラッド部を作製することができる。この場合はコア／クラッド層と上側クラッド部に同じ塗布液を用いることができるので、材料の種類を少なくすることができ好ましい。

以下、実施例を示して本発明を具体的に説明するが、本発明は下記の実施例に制限されるものではない。

［製造例１：塗布液の調製］
３００ｍｌフラスコに純水１．２ｇ、硝酸アルミニウム九水和物５．３ｇを仕込み、攪拌して均一な溶液を得た。この溶液に溶媒としてエチレングリコール６．９ｇ、プロピレングリコール（別名：１，２−プロパンジオール）４．９ｇ、ブチルセロソルブ（別名：１−メトキシ−２−エタノール）１８．６ｇを加え、室温で１０分間攪拌した。その後、テトラエトキシシラン２．９ｇを添加し、室温で３０分間攪拌して、溶液１を得た。
別の１００ｍｌフラスコにテトライソプロポキシチタン１５．８ｇ、安定化剤としてプロピレングリコール４４．３ｇを仕込み、室温にて３０分攪拌した。その後この溶液を、先の溶液１に添加し、室温で３０分間攪拌して、光導波路製造用の塗布液１を得た。

〈屈折率の評価〉
前述の塗布液１をガラス基板上にスピンコート法を用いて塗布した後、ホットプレート上にて２００℃で加熱処理することで塗布膜中の溶媒を除去し、膜厚２４０ｎｍの塗膜を形成した。
この塗膜を２００℃で加熱した状態で、メタルハライドランプ（浜松ホトニクス（株）製、ＬＣ−８）により、波長３６５ｎｍにおける光強度５ｍＷ／ｃｍ²の紫外線を７５０ｍＪ／ｃｍ²照射した。同様の手順で波長３６５ｎｍにおける光強度５ｍＷ／ｃｍ²の紫外線を２２５０ｍＪ／ｃｍ²照射した塗膜、そして紫外線未照射の塗膜を、前記基板上に夫々形成した。
これら計３種の塗膜を、エリプソメーター（Ｊ．Ａ．Ｗｏｏｌｌａｍ社製、Ｍ−２０００ＶＩ）を用いて、４００ｎｍ乃至１６００ｎｍの波長における屈折率を測定した。なお、６５０ｎｍ、８５０ｎｍ、１３１０ｎｍ及び１５５０ｎｍの波長の屈折率の測定結果を表１に、４００ｎｍ乃至１６００ｎｍの波長における屈折率の変化を図２に示す。

［実施例１］
厚さ２０００ｎｍのＳｉＯ₂膜付きのＳｉウェーハ上に、前記製造例１で作製した塗布液１を、スピンコート法を用いて塗布した。ここでＳｉＯ₂膜は下側クラッド部として用いた。続いて該Ｓｉウェーハをホットプレート上に移し、８０℃にて３分間、２００℃にて１５分間、順に加熱処理することで塗布膜中の溶媒を除去し、塗膜を形成した。

上記Ｓｉウェーハをホットプレート上にて下記の様々な温度にて加熱した状態で、塗膜の端面からシングルモードファイバーを通して、光強度０．５ｍＷ／ｃｍ²の波長４０５ｎｍのレーザー光を１分間照射し、自己形成光導波路を作製した。続く加熱は行わなかった。また上側クラッド部は作製せず、空気のままとした。
この自己形成光導波路を、光導波路の上側クラッド部側（空気層側）より顕微鏡にて観察した。結果を図３（Ａ）〜（Ｄ）に示す。レーザー光照射時の塗膜温度は、次の通りである。
（Ａ）：塗膜温度 ５０℃
（Ｂ）：塗膜温度 １００℃
（Ｃ）：塗膜温度 １５０℃
（Ｄ）：塗膜温度 ２００℃

［実施例２］
実施例１と同様の手順で塗膜を形成したＳｉウェーハを、加熱光学ステージ上にて１００℃で加熱した状態で、塗膜の端面からシングルモードファイバーを通して、下記の様々な光強度、照射時間で波長４０５ｎｍのレーザー光を照射し、自己形成光導波路を作製した。続いて、２００℃のホットプレート上で１５分間加熱処理を行い、コアとクラッドとの比屈折率差を増大させた。ここで上側クラッド部は作製せず、空気のままとした。
この自己形成光導波路を、光導波路の上側クラッド部側（空気層側）より顕微鏡にて観察した。結果を図４（Ａ）〜（Ｅ）に示す。レーザー光照射時の放射光の光強度と照射時間は、それぞれ次の通りである（（ ）内は照射量を表す）。
（Ａ）：光強度 １．１ｍＷ／ｃｍ²、２時間（７９２０ｍＪ／ｃｍ²）
（Ｂ）：光強度 ４５．０ｍＷ／ｃｍ²、１分間（２７４０ｍＪ／ｃｍ²）
（Ｃ）：光強度 ４５．０ｍＷ／ｃｍ²、５分間（１３５００ｍＪ／ｃｍ²）
（Ｄ）：光強度 ４１２．０ｍＷ／ｃｍ²、１分間（２４７２０ｍＪ／ｃｍ²）
（Ｅ）：光強度 ４１２．０ｍＷ／ｃｍ²、５分間（１２３６００ｍＪ／ｃｍ²）

［実施例３］
実施例１と同様の手順でＳｉウェーハ上に塗膜を形成し、続いて塗膜の一部分を削り取ることで欠陥を作製した。その欠陥に銀ペーストを挿入し、反射体となる銀ペーストの塊を塗膜中に作製した。
このＳｉウェーハを、加熱光学ステージ上にて２００℃で加熱した状態で、塗膜の端面からシングルモードファイバーを通して、光強度０．５ｍＷ／ｃｍ²、照射時間５０秒間、照射量２．５ｍＪ／ｃｍ²、で波長４０５ｎｍのレーザー光を照射することでＲ−ＳＯＬＮＥＴを作製した。ここで上側クラッド部は作製せず、空気のままとした。
このＲ−ＳＯＬＮＥＴを、光導波路の上側クラッド部側（空気層側）より顕微鏡にて観察した。結果を図５に示す。

［評価結果］
図２並びに表１に特に示すように、紫外線を２２５０ｍＪ／ｃｍ²照射した塗膜と紫外線未照射（０ｍＪ／ｃｍ²）の塗膜の屈折率差（Δｎ）は、いずれの波長においても１０．０％以上であるとする結果が得られた。
すなわち、本発明により作製した光導波路は、通信波長と呼ばれる１３１０ｎｍ、１５５０ｎｍおよび、インタコネクトへの利用が検討されている８５０ｎｍの全てを含む、幅広い波長範囲において、従来の樹脂化合物を用いた光導波路と比べて大きな屈折率差を得ることが確認された。
このような高Δｎを有する強閉じ込め光導波路は、光ファイバなどのΔｎが比較的低い光導波路同士の接続にも使用可能であるが、特に、高Δｎを有するチップ内光配線の配線層間接続においてその特性を発揮することができる。接続に必要な自己形成光導波路の長さは、チップ内光配線では、現行のチップ内電気配線のグローバル配線厚さ（約３００ｎｍ）に相当すると考えられる。従って、実施例に示されたように、本発明により作成した光導波路は十分な長さを有しており、実用可能であると言える。

また図３及び図４の光導波路の観察結果から、加熱下での放射線照射によってコア域とクラッド域との屈折率差による反射率の差が生じ、自己形成光導波路が形成される様子が、明確に確認できる。
図３に示すように、放射線の波長と光強度および照射時間を固定して、加熱温度を変化させると、加熱温度が高くなるにつれて製造される自己形成光導波路の長さが長くなる。また高温の方がコア域とクラッド域とのコントラストが明瞭になる。これは加熱により放射線照射域での反応が進行し、屈折率差が増大するためである。

さらに図４の光導波路の観察結果から、放射線の光強度および照射時間を制御することで、製造される自己形成光導波路の形状がコントロール可能であることが明確に確認出来る。すなわち、図４（Ａ）〜（Ｄ）に示されたテーパー形状は、自己形成されたコアにより光ファイバからの放射光が収束されたため生じるものであり、自己形成光導波路の典型的な形状といえる。

また図５の光導波路の観察結果から、シングルモードファイバーと反射体（銀ペースト）との間に屈曲した自己形成光導波路が形成され、その光導波路をレーザー光が伝搬している様子が明確に確認できる。すなわち、実施例３にて製造された自己形成光導波路は、幅の狭い強閉じ込め光導波路となっていることが確認された。

本発明の製造方法によれば、光閉じ込め効果の大きい自己形成光導波路を容易に製造することができる。このような光導波路は、光ファイバ通信の基地局や、加入者宅におけるルーターやスプリッタなどの光通信デバイスを小型化するのに有効である。またコンピューターの中央演算処理装置やメモリー、プリント配線基板など、高密度配線が必要とされる用途にも有効である。

１・・・酸化物前駆物質を含有する液
２・・・光導波路
３・・・基板
４・・・光源

Claims (11)

1. 下記の（Ａ）工程及び（Ｂ）工程を含む光導波路の製造方法。
   （Ａ）工程：下側クラッド部上に、チタン原子とケイ素原子を含む酸化物前駆物質を含有する液を用いて塗膜を形成する又は該液を接続若しくは構造形成すべき空間に保持させ若しくは充填する工程、
   （Ｂ）工程：加熱下に前記塗膜又は保持若しくは充填された液部分に放射線を照射し、これにより放射線照射された屈折率のより高いコア域と、コア域より屈折率のより低い放射線未照射又は低放射線照射域のクラッド域とからなるコア／クラッド層を形成する工程。
2. 下記の（Ａ）工程及び（Ｂ）工程を含む請求項１記載の光導波路の製造方法。
   （Ａ）工程：下側クラッド部上に、チタン原子とケイ素原子を含む酸化物前駆物質を含有する塗布液を用いて塗膜を形成する工程、
   （Ｂ）工程：加熱下に前記塗膜に放射線を照射し、これにより放射線照射された屈折率のより高いコア域と、コア域より屈折率のより低い放射線未照射のクラッド域とからなるコア／クラッド層を形成する工程。
3. 前記（Ｂ）工程において、放射線の照射方向が、光導波路の光が伝搬する方向である、請求項２記載の光導波路の製造方法。
4. 前記（Ｂ）工程において、放射線がレーザー光線である、請求項２又は請求項３記載の光導波路の製造方法。
5. 前記塗膜全体にわたってチタン原子とケイ素原子のモル比が一定となるように、（Ａ）工程において均一に塗膜を形成する、請求項２乃至請求項４のうち何れか一項に記載の光導波路の製造方法。
6. 前記（Ａ）工程において、チタン原子とケイ素原子のモル比が、チタン原子（モル）：ケイ素原子（モル）＝５：９５乃至９５：５である塗布液を使用する、請求項２乃至請求項５のうち何れか一項に記載の光導波路の製造方法。
7. さらに、（Ｃ）工程：前記コア／クラッド層の上に上側クラッド部を形成する工程、を含む、請求項２乃至請求項６のうち何れか一項に記載の光導波路の製造方法。
8. 前記（Ｃ）工程において前記上側クラッド部を、前記（Ａ）工程に記載のチタン原子とケイ素原子を含む酸化物前駆物質を含有する塗布液を用いて形成する、請求項７記載の光導波路の製造方法。
9. 前記（Ｃ）工程が、前記（Ａ）工程に記載のチタン原子とケイ素原子を含む酸化物前駆物質を含有する塗布液を前記コア／クラッド層上に塗布し、続いて、２５℃乃至２５０℃で加熱処理することにより、前記コア／クラッド層の上に上側クラッド部を形成する工程である、請求項７又は請求項８に記載の光導波路の製造方法。
10. 前記塗膜が、アルコキシチタン及びアルコキシシランの重縮合物を含有する塗布液から形成される、請求項２乃至請求項９のうちのいずれか一項に記載の光導波路の製造方法。
11. 下記の（Ａ）工程及び（Ｂ）工程を含む請求項１記載の光導波路の製造方法。
    （Ａ）工程：チタン原子とケイ素原子を含む酸化物前駆物質を含有する液を、接続又は構造形成すべき空間に保持させ又は充填する工程、
    （Ｂ）工程：保持又は充填された液部分に、加熱下、放射線を照射し、これにより放射線照射された屈折率のより高いコア域と、コア域より屈折率のより低い放射線未照射又は低放射線照射のクラッド域とからなるコア／クラッド層を形成する工程。