WO2004106998A1 - ポリマー光導波路及び光学装置 - Google Patents

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WO2004106998A1
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optical
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cladding layer
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Kentarou Tamaki
Hideaki Takase
Yuuichi Eriyama
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Jsr Corporation
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    • G02B6/1221—Basic optical elements, e.g. light-guiding paths made from organic materials

Definitions

  • the present invention relates to an optical device, and more particularly, to preventing deterioration of optical characteristics in long-term reliability of an optical device comprising a polymer optical waveguide.
  • the present invention relates to a polymer optical waveguide in which at least a part of an upper cladding layer, which is a component of the optical waveguide, is covered with a cover member. More specifically, the book
  • the present invention relates to a polymer optical waveguide in which an upper cladding layer and the cover member are bonded with a radiation curable resin, and an optical device having the polymer optical waveguide.
  • optical waveguides are attracting attention as optical transmission media due to the demand for large-capacity and high-speed information processing in optical communication systems and computers.
  • Optical waveguides used for such purposes have good optical characteristics such as transmission loss and polarization dependence, and their performance is stable for a long time without affecting the external environment. It is desired to produce optical waveguides of minute and complicated shapes with low energy, in a short time, and with few processes without causing environmental pollution.
  • a silica-based waveguide As a conventional optical waveguide, a silica-based waveguide is typical, but its manufacture requires a long time treatment at a high temperature to deposit a quartz film. Due to the necessity of special equipment because of including the step of using a resist and the step of etching using a highly dangerous gas, the manufacturing time can be increased even if many complicated processes and special equipment are used. It takes a long time and the yield is low. In order to improve productivity such as shortening the optical waveguide manufacturing time, reducing the number of processes, and improving the yield, these liquid curable compositions were used as core and cladding materials. In recent years, several polymer optical waveguides using the same have been proposed (Japanese Unexamined Patent Application Publication Nos. H06-1099336, H10-2504140, and JP2000-1). See Japanese Patent Application Publication No. 80643).
  • polymer optical waveguides are more cost-effective than conventional silica-based optical waveguides due to simplification of the process and shortening of the fabrication time, but polymer materials are more hygroscopic than inorganic materials.
  • the problem was that the characteristics were poor. It is known that if moisture is absorbed from the outside air through the upper cladding layer, the transmission characteristics of the optical waveguide will be adversely affected.
  • the present invention provides a polymer optical waveguide comprising: a lower clad layer, a core layer, and an upper clad layer provided on a substrate; and a cover member covering at least a part of the upper clad layer. Prevents moisture absorption through layers, suppresses changes in properties due to moisture absorption of materials and deterioration of adhesion to substrates even under severe environmental conditions, ensuring sufficient reliability without deteriorating optical characteristics before and after reliability tests
  • An object of the present invention is to provide a polymer optical waveguide capable of obtaining stable transmission characteristics.
  • the optical device includes, as substrates, inorganic materials such as glass and quartz; semiconductors and metal materials such as silicon, gallium arsenide, aluminum and titanium; polymer materials such as polyimides and polyamides; Alternatively, using a composite material of these materials, an optical waveguide, optical multiplexer, optical demultiplexer, optical multiplexer / demultiplexer, optical diffractor, optical amplifier, optical attenuator, optical interference Device, optical filter, optical switch, wavelength converter, light-emitting element, light-receiving element, or a combination of these.
  • a semiconductor device such as a light emitting diode or a photo diode or a metal film such as an electrode may be formed on these substrates. Further, oxidation may be performed on the substrates to protect the substrates and control the refractive index of the substrates. Coatings such as silicon, silicon nitride, aluminum oxide, aluminum nitride, and tantalum oxide may be formed.
  • the present invention is as follows.
  • a polymer optical waveguide having a lower cladding layer, a core layer, and an upper cladding layer provided on a substrate, and a cover member that covers at least a part of the upper cladding layer.
  • An optical device having the optical waveguide according to any one of (1) to (3) According to the present invention, even under severe environmental conditions, it is possible to suppress a change in characteristics due to moisture absorption of a material and a decrease in adhesion to a substrate, and to ensure sufficient reliability without deteriorating optical characteristics before and after a reliability test.
  • An optical waveguide and an optical device with good workability can be provided.
  • the polymer waveguide according to the present invention refers to an optical waveguide in which a lower clad layer, a core layer, and an upper clad layer are formed of a resin such as a cured product of a radiation-curable composition or a thermosetting composition.
  • the radiation-curable composition for forming the core layer and the clad layer of the polymer optical waveguide of the present invention is not particularly limited.
  • the radiation-curable composition is photosensitive because of its optical characteristics and direct exposure capability.
  • a radiation-curable composition containing a polysiloxane is exemplified.
  • the radiation-curable composition of the present invention may be a radiation-curable composition mainly composed of a photosensitive acryl monomer or a photosensitive epoxy monomer, in addition to the polysiloxane composition.
  • the core layer / cladding layer of the present invention may be formed of a resin such as fluorinated polyimide, polymethyl methacrylate resin, polycarbonate or the like in addition to the cured product of the radiation-curable composition. Good.
  • the material of the cover member in the present invention is not particularly limited as long as it is a material having low moisture permeability, but a sheet such as quartz glass is preferred from the viewpoint of a low coefficient of linear expansion and strength.
  • the adhesive for bonding the upper cladding layer and the cover member in the present invention is not particularly limited, but a radiation-curable adhesive is preferred in terms of productivity and room-temperature curability.
  • the radiation-curable adhesive is not particularly limited, but is preferably an acryl-based, epoxy-based, or silicone-based adhesive.
  • Specific commercial products of such radiation-curable adhesives include NOA 60 -NOA 65 -NOA 81 (manufactured by NORLAND), OG114-4-OG146 (EPO — TEK), ThreeBond 3160 ⁇ ThreeBond 3170B (ThreeBond), AT3925M ⁇ AT9575M (NTT Advanced Technology) ), ELC 2 7 10-ELC 2 5 0 C 1 ear Recto Light).
  • the composition for forming the optical waveguide for forming the cladding layer constituting the optical waveguide may be the radiation-curable composition containing the polysiloxane component and the photosensitive compound described above. You may use the composition of nature.
  • the relationship between the refractive indices of each part finally obtained satisfies the conditions required for the optical waveguide, for example, It can be selected so that the core diameter is 5 to 10 ⁇ m and the relative refractive index difference is 0.2 to 0.6 ° / 0 .
  • the type of the hydrolyzable silane compound which is a raw material of the siloxane component, it is possible to obtain a radiation-curable composition for forming an optical waveguide from which cured films having different refractive indices can be obtained. Then, using two or three kinds of radiation-curable compositions for forming an optical waveguide having an appropriate difference in refractive index, a radiation-curable composition for forming an optical waveguide that gives a cured film having the highest refractive index is used. Is preferably used as the core composition, and the other composition is preferably used as the lower layer composition and the upper layer composition.
  • composition for the cladding layer may be the same composition for forming an optical waveguide, and usually the same composition is economically advantageous and facilitates production management. Is more preferable.
  • the viscosity when preparing the composition for forming an optical waveguide for a clad, it is preferable to set the viscosity to a value within the range of 100 to 100, OOO cps (25 ° C). A value within the range of 0 0 to 8, OOO cps (25 ° C) is preferable to the force S, and a value within the range of 300 to 3 0,000 c ⁇ s (25 ° C) To do Is more preferred.
  • the viscosity of the composition for forming an optical waveguide can be appropriately adjusted depending on the amount of the reactive diluent or the organic solvent.
  • the structure of the optical waveguide in the present invention is not particularly limited.
  • the optical waveguide having a cross section of the structure shown in FIG. 1 is formed through the steps shown in FIG. That is, the lower cladding layer 13, the core portion 15, and the upper cladding layer 17 (not shown) were all coated with a composition for forming an optical waveguide for forming those layers. Thereafter, it is preferable to form by heat curing or light curing.
  • the lower cladding layer, the core portion, and the upper cladding layer were each replaced with a lower layer composition, a core composition, which is a composition for forming an optical waveguide capable of obtaining a cured product having a different refractive index after curing.
  • a core composition which is a composition for forming an optical waveguide capable of obtaining a cured product having a different refractive index after curing. The description is made assuming that the composition is formed from a composition and a composition for an upper layer.
  • the coating method is not particularly limited as long as the surface of the cured film is uniform, and methods such as spin coating, spraying, roll coating, and ink jetting can be used.
  • the spin coating method employed as an industrial coating technique is preferred. Spin coating is performed in the range of 0 ° C to 100 ° C in the range of 10 to 100 rotations in 1 to 60 seconds with a rotation time of 1 minute to uniformly apply the liquid composition to the substrate. It consists of a process and a second process of forming a constant film thickness by high-speed rotation.
  • the second step is dominant, and conditions corresponding to the viscosity of the curable liquid composition are selected.
  • the curable liquid composition has a viscosity of 100 to 300 cps, it is preferably performed in 500 to 500 rotations Z minutes in 30 to 100 seconds, and the viscosity is 3 In the case of 00 0 to 100 0 cps, it is performed in 60 to 300 seconds for 100 to 800 rotations Z minutes.
  • a substrate 12 having a flat surface is prepared.
  • the heating temperature used for forming the core layer and the cladding layer is not particularly limited, but is usually in the range of 50 ° C. to 300 ° C. for 1 minute to 24 hours.
  • the light is not particularly limited, but usually, light in the ultraviolet to visible region of 200 to 450 nm, preferably light containing ultraviolet light with a wavelength of 365 nm is used.
  • the illuminance on the 2 0 0 ⁇ 4 5 0 nm 1 ⁇ : L 0 0 0 mW / cm 2, 0 irradiation amount 0. 0 1 ⁇ 5 0 0m j Z cm 2, preferably from 0.1 to 1 0 0 Exposure is performed by irradiating to 0 mj / cm 2 .
  • visible light ultraviolet light, infrared light, X-ray, ⁇ -ray, / 3-ray, ⁇ -ray, electron beam, etc.
  • a wavelength containing ultraviolet light preferably from 200 to 400 nm, particularly preferably 365 nm, is preferred.
  • a lamp light source that simultaneously irradiates a large area such as a high-pressure mercury lamp, a low-pressure mercury lamp, a metal halide lamp, an excimer lamp, a pulsed laser, a continuous-wave laser light source, or one of the two light sources Therefore, convergent light can be used using a mirror, a lens, or an optical fiber.
  • convergent light can be used using a mirror, a lens, or an optical fiber.
  • the shape of the optical waveguide can be exposed by moving the convergent light or the irradiation target.
  • a light source having a high ultraviolet intensity of 365 nm is preferable.
  • a high-pressure mercury lamp is preferable as a lamp light source
  • an argon laser is preferable as a laser light source.
  • the step of forming the lower cladding layer 13 it is preferable to irradiate the entire surface of the thin film with light and to cure the entire thin film.
  • the film made of the composition for the lower cladding layer is pre-betaed at 50 to 200 ° C. after the application.
  • the application method in the lower clad layer forming step and the improvement of the rheological properties are applicable to the core part forming step and the upper clad layer forming step described later.
  • post beta a heat treatment
  • This heating condition is a force that varies depending on the composition of the composition for forming an optical waveguide, the type of additive, and the like. Generally, 30 to 400 ° C., preferably 50 to 300 ° C., for example, 5 minutes to The heating condition may be 72 hours.
  • the amount of light, the type of light, the irradiating device, and the like in the lower clad layer forming step are described in the core part forming step described below and the upper clad layer forming step. The same applies to the formation process.
  • a core composition is applied onto the lower cladding layer 13 and dried or further prebaked to form a core thin film 14.
  • the upper surface of the core thin film 14 is irradiated with light 16 according to a predetermined pattern, for example, through a photomask 19 having a predetermined line pattern. It is preferred to do so.
  • the core portion 15 composed of the puttered cured film can be formed.
  • the irradiation of the light 16 to the core thin film 14 for forming the core portion 15 is performed according to a photomask 19 having a predetermined pattern, and then the unexposed portion is developed with a developing solution. The uncured, unnecessary portions are removed, thereby forming the core portion 15.
  • the method of irradiating light according to a predetermined pattern as described above is not limited to a method using a photomask including a light transmitting portion and a non-transmitting portion, and examples thereof include the following methods a to c. .
  • b A method of using a light guide member formed by bundling a large number of optical fibers and irradiating light through the optical fibers corresponding to a predetermined pattern on the light guide member.
  • c A method of irradiating the composition while scanning with laser light or convergent light obtained by a converging optical system such as a lens or a mirror. After the exposure, heat treatment (hereinafter referred to as
  • the heating conditions vary depending on the composition of the composition for forming an optical waveguide, the type of additives, and the like, but are usually 30 to 200 ° C, preferably 50 to 150 ° C.
  • the core portion can be formed into a semicircular shape simply by leaving the coating film composed of the optical waveguide forming composition at room temperature for 1 to 10 hours before exposure. Therefore, if it is desired to obtain a semicircular core portion, it is preferable to leave at room temperature for several hours before exposure.
  • the thin film that has been subjected to pattern exposure in accordance with a predetermined pattern in this manner and that has been selectively cured can be developed using the difference in solubility between the cured portion and the uncured portion. Therefore, the core portion can be formed by removing the uncured portion and leaving the cured portion after pattern exposure.
  • the developing solution may be a basic substance such as sodium hydroxide, ammonia, ethylamine, getylamine, tetramethylammonium hydroxide, tetraethylammonium hydroxide, cholesterol, water, and methanol.
  • a solution diluted with a solvent such as Ethanol, Ethanore, Propylene Glyconole Monomethinoleate, and Acetone can be used.
  • the concentration of the basic substance in the developer is usually in the range of 0.05 to 25% by weight, preferably in the range of 0.1 to 3.0% by weight.
  • the developing time is usually 30 to 600 seconds, and a known method such as a liquid pouring method, a dive method, or a shower developing method can be used as the developing method.
  • an organic solvent is used as the developer, air dry it. If an organic solvent is used as the developer, air dry it. If an alkaline aqueous solution is used, wash it with running water for 30 to 90 seconds, for example, and air dry it with compressed air or compressed nitrogen. To remove moisture on the surface This leaves a patterned coating.
  • a post-beta treatment is performed by a heating device such as a hot plate or an oven at a temperature of, for example, 30 to 400 ° C. for 5 to 600 minutes, and the cured core is hardened. A portion will be formed.
  • the acid diffusion controlling agent is added to both the core and the cladding layers, the content of the acid diffusion controlling agent is preferably set so that the concentration of the core layer is high, but the cladding layer is patterned. If not necessary, it can be used without adding an acid diffusion controller to the cladding layer.
  • the pattern accuracy of the core portion can be further improved, while the composition for the lower cladding layer and the composition for the upper cladding layer can obtain excellent storage stability and It can be sufficiently cured with a relatively small amount of light irradiation.
  • an upper layer composition is applied to the surface of the lower cladding layer 13 on which the core portion 15 is formed, and dried or prebaked to form an upper layer thin film.
  • the upper cladding layer 17 can be formed by irradiating the upper thin film with light to cure the thin film as shown in FIG.
  • the upper clad layer obtained by light irradiation is preferably further subjected to the above-mentioned boost beta as necessary.
  • boost beta an upper cladding layer having excellent hardness and heat resistance can be obtained.
  • the produced optical waveguide substrate is fixed on a spin coater, an adhesive is dropped on the upper clad of the optical waveguide, a cover member is placed, and the cover member is fixed with a jig so that the position of the cover member does not shift. Subsequently, the entire optical waveguide substrate is rotated in the same procedure as in the spin coating method. By controlling the rotation speed and the rotation time, a cover member-sealed optical waveguide substrate having a uniform adhesive layer can be obtained.
  • the upper class Although the whole or a part of the pad material can be covered with the cover member, it is preferable to cover the entire surface with the cover member.
  • a silicon wafer was used as a base material.
  • the optical waveguide was formed according to the procedure described above.
  • PJ520 produced by JSR Corporation
  • PJ504 (as the radiation-curable composition for the core layer). JSR Corporation) was used.
  • the cladding layer was formed by thermosetting.
  • the clad layer was cured by light curing.
  • a linear optical waveguide pattern was formed by exposure using a mask.
  • the lower cladding layer thickness is 15 / zm
  • the core layer thickness is 8 ⁇
  • the width is 8111
  • the length is 6cm
  • the space between cores is 20m
  • the upper cladding layer thickness is 15 / zm. Xm was carried out.
  • the composition of the single-mode optical waveguide was designed so that the refractive index of the core layer was 1.03 times higher than that of the cladding layer.
  • an optical waveguide substrate for an optical device a linear optical waveguide having a core of 8; ⁇ 8 ⁇ m square fabricated on a 4-inch silicon wafer was prepared. Subsequently, various adhesives were fixed on this substrate using a glass plate with a thickness of 100 ⁇ m, and samples with an optical waveguide length of 10 mm were fabricated by dicing.
  • the same sample was left in an environment of constant temperature and humidity (85 ° C, relative humidity of 85%) for 200 hours, and then the input loss of the linear optical waveguide was measured. Then, the amount of change in import loss before and after the constant temperature / humidity treatment was measured.
  • X is for the change in input loss of IdB or more
  • ⁇ is for the change within IdB.

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Abstract

　本発明のポリマー光導波路は、基板上に設けられた下部クラッド層、コア層及び上部クラッド層と、該上部クラッド層の少なくとも一部を覆うカバー部材とを有する。上部クラッド層とカバー部材は、放射線硬化型接着剤により固着されている。カバー部材は、石英又はガラスからなる。このポリマー光導波路は、上部クラッド層を介した吸湿を防止することができ、厳しい環境条件下でも材料の吸湿による特性変化や、基板との密着性の低下を抑制することができ、しかも、信頼性試験の前後で光学特性が劣化せず、十分な信頼性を確保することができるものであり、安定した伝送特性を有する。

Description

ポリマー光導波路及び光学装置
技術分野
本発明は光学装置に関し、 さらに詳しくは、 ポリマー光導波路からなる 光学装置の長期信頼性における光学特性劣化を防ぐことを特徴とする。
明
本発明は、 光導波路の構成要素である上部クラッ ド層の少なく とも一部 がカバー部材で被覆されたポリマー光導波路に関する。 より詳細には、 該 書
上部クラッ ド層と該カバー部材が放射線硬化性樹脂により接着されたポリ マー光導波路、 及び該ポリマー光導波路を有する光学装置に関する。
背景技術
マルチメディァ時代を迎え、 光通信システムやコンピュータにおける情 報処理の大容量化および高速化の要求から、 光の伝送媒体として光導波路 が注目されている。 このような目的で使用される光導波路は、 伝送損失、 偏波依存性などの光学特性が良好なことに加え、 その性能が外部環境に影 響せず長期に安定していること、 また、 微細かつ複雑な形状の光導波路を 環境汚染することなく、 低エネルギー、 短時間、 少ない工程で歩留まりよ く製造することが望まれている。
従来の光導波路としては、 石英系導波路が代表的であつたが、 その製造 には、 石英膜を堆積する為に高温で長時間の処理が必要であり、 導波路の パターン形成には光レジストを用いる工程と危険性の高いガスを用いてェ ツチングする工程が含まれることから特殊な装置が必要である等の事情に より、 多数の複雑な工程と特殊な装置を用いても製造時間が長くかかり、 かつ歩留まりも低いなどの問題を有している。 これらの問題に対して、 光導波路の製造時間の短縮、 工程数の削減、 歩 留まりの向上などの生産性の向上を目的に、 コア部とクラッド部の材料と して液状の硬化性組成物を用いるポリマー光導波路が近年幾つか提案され ている （特開平 0 6— 1 0 9 9 3 6号公報、 特開平 1 0— 2 5 4 1 4 0号 公報、 特開 2 0 0 0— 1 8 0 6 4 3号公報を参照）。
しかし、 ポリマー光導波路は、 従来の石英系光導波路と比較して工程の 簡略化や作製時間の短縮化などからコス トメリ ツ トが大きい反面、 ポリマ 一材料は無機材料に比較すると吸湿性等関して特性が悪いことが問題であ つた。 上部クラッ ド層を介して外気から吸湿すると、 光導波路の伝送特性 にも悪影響があることが知られている。
一方、 石英系光導波路に関しては、 クラッド層の一部に光学フィルタを 固定した樹脂製接着剤の吸湿を防止するため、 該接着個所を石英板等によ り封止する技術が知られているが、 ポリマー光導波路のクラッド層自体に よる吸湿性を充分防止できるものではなかった （特開平 9一 6 1 5 1 5 1 号公報、 特開平 1 1一 5 2 1 5 0号公報を参照）。 発明の開示
以上述べた従来技術の課題を解決することを目的に鋭意検討した結果、 本願発明者らは、 本発明に示すポリマー光導波路の発明を完成するに至つ た。 すなわち、 本発明は、 基板上に設けられた下部クラッド層、 コア層及 び上部クラッド層と、 該上部クラッド層の少なく とも一部を覆うカバー部 材とを有するポリマー光導波路により、 該上部クラッド層を介した吸湿を 防止し、 厳しい環境条件下でも材料の吸湿による特性変化、 基板との密着 性低下を抑制し、 信頼性試験前後での光学特性劣化をせず十分な信頼性が 確保できる安定した伝送特性を得ることのできるポリマー光導波路を提供 するものである。 なお、 本発明における光学装置とは、 基板として、 ガラス、 石英等の無 機材料、 シリ コン、 ガリウムヒ素、 アルミニウム、 チタン等の半導体や金 属材料、 ポリイミ ド、 ポリアミ ド等の高分子材料、 または、 これらの材料 を複合化した材料を用いて、 これらの基板上に、 光導波路、 光合波器、 光 分波器、 光合分波器、 光回折器、 光増幅器、 光減衰器、 光干渉器、 光フィ ルター、 光スィッチ、 波長変換器、 発光素子、 受光素子あるいは、 これら が複合されたものを指す。 また、 これら基板上には発光ダイオード、 フォ トダイォード等の半導体装置や電極等の金属膜が形成されることもあり、 さらには、 基板の保護や基板の屈折率制御のために、 基板上に酸化シリコ ン、 窒化シリコン、 酸化アルミニウム、 窒化アルミニウム、 酸化タンタル 等の被膜が形成されることもある。
本発明は、 以下のとおりである。
( 1 ) 基板上に設けられた下部クラッ ド層、 コア層及び上部クラッ ド層 と、 該上部クラッド層の少なく とも一部を覆うカバー部材とを有するポリ マー光導波路。
( 2 ) 前記上部クラッ ド層と前記カバー部材とが、 放射線硬化型接着剤 により固着されたものである上記 （ 1 ) のポリマー光導波路。
( 3 ) 前記カバー部材が、 石英又はガラスからなることを特徴とする上 記 （ 1 ) 又は （2 ) のポリマー光導波路。
( 4 ) 上記 （ 1 ) 〜 （ 3 ) のいずれかの光導波路を有する光学装置。 本発明によれば、 厳しい環境条件下でも材料の吸湿による特性変化、 基 板との密着性低下を抑制し、 信頼性試験前後での光学特性劣化をせず十分 な信頼性が確保できるとともに、 作業性も良好な光導波路及び光学装置を 提供することができる。 発明を実施するための最良の形態 以下に、 本発明の実施形態を具体的に説明する。 本発明にいうポリマー 導波路とは、 下部クラッド層、 コア層及び上部クラッド層が放射線硬化性 組成物、 熱硬化性組成物の硬化物等の樹脂により形成された光導波路をい う。 本発明のポリマー光導波路のコア層ゃクラッ ド層を形成する放射線硬 化性組成物は特に限定されるものではないが、 例えば、 光学特性及び、 直 接露光が可能である点から、 感光性ポリシロキサンを含有する放射線硬化 性組成物が挙げられる。 シロキサン系ポリマーにより光導波路のコア部お よびクラッ ド部を形成すると、 シロキサン結合を主骨格に持つことによる 優れた耐熱性を有するポリマー光導波路が得られる。 また、 本発明の放射 線硬化性組成物としてはポリシロキサン系組成物以外にも、 感光性アタリ ルモノマーや感光性エポキシモノマーを主体とする放射線硬化性組成物で もよい。 また、 本発明のコア層ゃクラッ ド層は、 これらの放射線硬化性組 成物の硬化物以外にも、 フッ素化ポリイミ ド、 ポリメチルメタタリレート 樹脂、 ポリカーボネート等の樹脂で形成されていてもよい。
本発明におけるカバー部材の材質は、 透湿性の低い材料であれば特に限 定されるものではないが、 低線膨張率および、 強度等の観点から石英ゃガ ラス等のシートが好ましい。
本発明における上部クラッ ド層とカバー部材を接着する接着剤としては、 特に限定されないが、 生産性、 室温硬化性の点で放射線硬化型接着剤が好 ましい。 放射線硬化型接着剤としては、 特に限定されるものではないが、 アタ リル系 · エポキシ系、 シリ コーン系等のものであることが好ましい。 このような放射線硬化型接着剤の具体例な市販品としては、 NOA 6 0 - NOA 6 5 - NOA 8 1 (NOR L AN D社製）、 OG 1 1 4-4 - OG 1 4 6 (E P O— T E K社製）、 ス リ一ボンド 3 1 6 0 ■ス リ一ボンド 3 1 7 0 B (スリーボンド社製）、 AT 3 9 2 5 M■ AT 9 5 7 5 M (NTTアド バンステクノロジ社製）、 E L C 2 7 1 0 - E L C 2 5 0 0 C 1 e a r (ェ レク ト口ライ ト社製） 等を挙げることができる。
[光導波路の形成]
光導波路形成時の実施形態であり、 光硬化による光導波路の製造を例に 取って説明する。
1. 光導波路形成用放射線硬化性組成物の調製
光導波路を構成するクラッド層を形成するための光導波路形成用の組成 物は、 前述したポリシロキサン成分と感光性化合物を含む放射線硬化性組 成物を用いてもよく、 また、 熱、 光硬化性の組成物を用いても良い。
調製された下層用組成物、 コア用組成物および上層用組成物としては、 それぞれ、 最終的に得られる各部の屈折率の関係が、 光導波路に要求され る条件を満足するように、 例えば、 コア径が 5〜 1 0 μ mで比屈折率差が 0. 2〜0. 6 °/0となるように選ぶことができる。
シロキサン成分の原料である加水分解性シラン化合物の種類等を適宜選 択することにより、 異なる屈折率を有する硬化膜が得られる光導波路形成 用放射線硬化性樹成物とすることができる。 そして、 屈折率の差が適宜の 大きさとなるような二種または三種の光導波路形成用放射線硬化性組成物 を用い、 最も高い屈折率の硬化膜を与える光導波路形成用放射線硬化性組 成物をコア用組成物とし、 他の組成物を下層用組成物おょぴ上層用組成物 として用いることが好ましい。
ただし、 クラッ ド層用組成物とは同一の光導波路形成用組成物であって もよく、 通常は同一の組成物であることが、 経済的に有利であり、 製造管 理も容易となることからより好ましい。
また、 クラッ ド用光導波路形成用組成物を調製する際に、 その粘度を、 1 0 0〜 1 0， O O O c p s ( 2 5 °C) の範囲内の値とすることが好まし く、 1 0 0〜 8 , O O O c p s ( 2 5 °C) の範囲内の値とすること力 Sより 好ましく、 3 0 0 ~ 3， 0 0 0 c Ό s ( 2 5 °C) の範囲内の値とすること がさらに好ましい。
この理由は、 各光導波路形成用組成物の粘度がこれらの範囲外の値とな ると、 取り扱いが困難になったり、 均一な塗膜を形成することが困難とな る場合があるためである。
なお、 光導波路形成用組成物の粘度は、 反応性希釈剤や有機溶媒の配合 量によって、 適宜調整することができる。
2 . 形成方法
以下に、 本発明の放射線硬化性組成物を使用した湿式リ ソグラフィ一法 による光導波路の製造工程を、 いわゆるチャンネル型光導波路の例を用い て説明する。 ただし、 本発明における光導波路の構造は、 特に限定される ものではない。
断面が図 1の構造を有する光導波路は、 図 2に示すような工程を経て形 成される。 すなわち、 下部クラッ ド層 1 3、 コア部分 1 5および上部クラ ッド層 1 7 (図示せず。） を、 いずれも、 それらの層を形成するための光導 波路形成用組成物を塗工したのち、 熱硬化もしくは光硬化することにより 形成することが好ましい。
なお、 以下の形成例では、 下部クラッド層、 コア部分および上部クラッ ド層を、 それぞれ硬化後において屈折率が異なる硬化物が得られる光導波 路形成用組成物である下層用組成物、 コア用組成物、 および上層用組成物 から形成することを想定して、 説明する。
本発明の光導波路中の下部クラッド層、 コア層、 上部クラッド層を形成 する硬化性組成物を塗布する方法について説明する。 塗布方法は硬化膜の 表面が均一であれば特に制限を受けなく、 スピンコート法、 スプレー法、 ロールコート法、 ィンクジェッ ト法などの方法を用いることができるが、 この中では半導体業界で高精度の工業的塗布技術として採用されているス ビンコ一ト法が好ましい。 スピンコートの条件は 0°C〜 1 0 0°Cの範囲で 1 0〜 1 0 0 0回転 Z分 で 1〜 6 0秒で実施される液状組成物を基板に均一に塗布する第 1の工程 と高速回転により一定膜厚を形成する第 2の工程からなる。 表面粗さを制 御する為には第 2の工程が支配的であり、 また、 硬化性の液状組成物の粘 度に対応した条件が選定される。 硬化性の液状組成物の粘度が 1 0 0〜 3 0 0 0 c p sの場合、 好ましくは、 5 0 0〜 5 0 0 0回転 Z分で 3 0〜 1 0 0秒で実施され、 粘度が 3 00 0~ 1 0 0 0 0 c p sの場合、 1 0 0 0 〜 8 0 0 0回転 Z分で 6 0 ~ 3 0 0秒で実施される。
①基板の準備
まず、 図 2 ( a ) に示すように、 平坦な表面を有する基板 1 2を用意す る。
②下部クラッド層の形成工程
用意した基板 1 2の表面に、下部クラッド層 1 3を形成する工程である。 具体的には、 図 2 (b) に示すように、 基板 1 2の表面に、 下層用組成物 を塗布し、 乾燥またはプリべークさせて下層用薄膜を形成する。 そして、 この下層用薄膜を加熱もしくは、 光を照射することにより硬化させて、 下 部クラッド層 1 3を形成することができる。
コア層及ぴクラッド層の形成に用いる加熱温度は特に制限されないが通 常 5 0°C〜 3 0 0°Cの範囲で 1分〜 2 4時間で実施される。 また、 光は、 特に制限されるものでは無いが、 通常 2 0 0〜4 5 0 nmの紫外〜可視領 域の光、 好ましくは波長 3 6 5 n mの紫外線を含む光が用いられる。 2 0 0〜 4 5 0 n mでの照度は 1〜 ： L 0 0 0 mW/ c m2, 照射量が 0. 0 1 〜 5 0 0 0m j Z c m2、 好ましくは 0. 1〜 1 0 0 0m j / c m2なるよ うに照射して、 露光される。
ここに、 照射される放射線の種類としては、 可視光、 紫外線、 赤外線、 X線、 α線、 /3線、 γ線、 電子線等を用いることができるが、 光源の工業 的な汎用性から特に紫外線、 好ましくは 2 0 0〜4 0 0 n m、 特に好まし くは 3 6 5 n mの紫外線を含む波長が好ましい。 そして、 照射装置として は、 例えば、 高圧水銀ランプ、 低圧水銀ランプ、 メタルハライ ドランプ、 エキシマランプなどの広い面積を同時に照射するランプ光源、 パルス、 連 続発光のレーザー光源、 及び、 両者のいずれかの光源から、 ミラー、 レン ズ、 光ファイバ一を用いて収束光を用いることができる。 収束光を用いて 光導波路を形成する場合、 収束光もしくは被照射体を移動させることによ り光導波路の形状に露光することができる。 これらの光源の中で 3 6 5 η mの紫外線強度の高い光源が好ましく、 例えば、 ランプ光源としては高圧 水銀ランプ、 レーザー光源としてはアルゴンレーザーが好ましい。 なお、 下部クラッド層 1 3の形成工程では、 薄膜の全面に光を照射し、 その全体 を硬化することが好ましい。'
また、 塗布組成物のレオロジー特性を塗布方法に適切に対応したものと するために、 表面張力低下剤以外の添加剤を必要に応じて配合することが できる。 また、 下部クラッド層用組成物からなる膜は、 塗布後、 5 0〜2 0 0 °Cでプリベータすることが好ましい。
なお、 下部クラッド層の形成工程における塗布方法や、 レオロジー特性 の改良等については、 後述するコア部分の形成工程や、 上部クラッド層の 形成工程においてもあてはまる内容である。
また、 露光後に、 塗膜全面が十分硬化するように、 さらに加熱処理 （以 下、 「ポス トベータ」 という。） を行うことが好ましい。 この加熱条件は、 光導波路形成用組成物の配合組成、添加剤の種類等により変わる力 通常、 3 0〜 4 0 0 °C、 好ましくは 5 0〜 3 0 0 °Cで、 例えば 5分間〜 7 2時間 の加熱条件とすれば良い。
なお、 下部クラッド層の形成工程における光の照射量、 種類、 およぴ照 射装置等については、 後述するコア部分の形成工程や、 上部クラッド層の 形成工程においてもあてはまる内容である。
③コア部分の形成
次に、 この下部クラッド層 1 3上に、 図 2 ( c ) に示すように、 コア用 組成物を塗布し、 乾燥またはさらにプリべークさせてコア用薄膜 1 4を形 成する。
その後、 図 2 ( d ) に示すように、 コア用薄膜 1 4の上面に対して、 所 定のパターンに従って、 例えば所定のラィンパターンを有するフォトマス ク 1 9を介して光 1 6の照射を行うことが好ましい。
これにより、 光が照射された箇所のみが硬化するので、 それ以外の未硬 化の部分を現像除去することにより、 図 2 ( e ) に示すように、 下部クラ ッド層 1 3上に、 パターユングされた硬化膜よりなるコア部分 1 5を形成 することができる。
また、 コア部分 1 5を形成するためのコア用薄膜 1 4に対する光 1 6の 照射は、 所定のパターンを有するフォトマスク 1 9に従って行われた後、 現像液により未露光部分を現像することにより、 未硬化の不要な部分が除 去され、 これによつてコア部分 1 5が形成される。
このように所定のパターンに従って光の照射を行う方法としては、 光の 透過部と非透過部とからなるフォトマスクを用いる方法に限られず、 例え ば、 以下に示す a〜 cの方法が挙げられる。
a . 液晶表示装置と同様の原理を利用した、 所定のパターンに従って光透 過領域と不透過領域とよりなるマスク像を電気光学的に形成する手段を利 用する方法。
b . 多数の光ファイバ一を束ねてなる導光部材を用い、 この導光部材にお ける所定のパターンに対応する光ファイバ一を介して光を照射する方法。 c . レーザ光、 あるいはレンズ、 ミラー等の集光性光学系により得られる 収束光を走査させながら組成物に照射する方法。 なお、 露光後、 露光部分の硬化を促進させるために、 加熱処理 （以下、
「P E B」 という。） を行うことが好ましい。 その加熱条件は、 光導波路形 成用組成物の配合組成、 添加剤の種類等により変わるが、 通常、 3 0〜 2 0 0 °C、 好ましくは 5 0〜 1 5 0 °Cである。
一方、 露光前に、 光導波路形成用組成物からなる塗膜を、 室温条件に、 1〜 1 0時間放置するだけで、 コア部分の形状を半円形とすることができ る。 したがって、 半円形のコア部分を得たい場合には、 このよ うに露光前 に、 室温条件に、 数時間放置することが好ましい。
このようにして所定のパターンに従ってパターン露光し、 選択的に硬化 させた薄膜に対しては、 硬化部分と未硬化部分との溶解性の差異を利用し て、 現像処理することができる。 したがって、 パターン露光後、 未硬化部 分を除去するとともに、 '硬化部分を残存させることにより、 結果として、 コア部分を形成することができる。
ここで、 現像液としては、 水酸化ナトリウム、 アンモニア、 ェチルアミ ン、 ジェチルァミン、 テトラメチルァンモユウムヒ ドロキシド、 テトラエ チルアンモニゥムヒ ドロキシド、 コ リ ン、 などの塩基性物質と水、 メ タノ ール、 エタノーノレ、 プロピレングリ コーノレモノメチノレエーテノレ、 アセ トン などの溶媒で希釈された溶液を用いることができる。
また、 現像液中の塩基性物質の濃度を、 通常 0 . 0 5〜 2 5重量％、 好 ましくは 0 . 1 ~ 3 . 0重量％の範囲内の値とすることが好ましい。
また、 現像時間は、 通常 3 0〜 6 0 0秒間であり、 また現像方法は液盛 り法、 デイツビング法、 シャワー現像法などの公知の方法を採用すること ができる。
現像液として有機溶媒を用いた場合はそのまま風乾することにより、 ま た、 アルカ リ水溶液を用いた場合には流水洗浄を、 例えば 3 0〜 9 0秒間 行い、 圧縮空気や圧縮窒素等で風乾させることによって表面上の水分を除 去することにより、 パターン状被膜が形成される。
次いで、 パターユング部をさらに硬化させるために、 ホッ トプレートや オーブンなどの加熱装置により、 例えば 3 0〜 4 0 0 °Cの温度で 5〜 6 0 0分間ポス トベータ処理し、硬化されたコア部分が形成されることになる。 また、 酸拡散制御剤をコア、 クラッ ドの両層に添加する場合、 酸拡散制 御剤の含有量はコア層の濃度が高いように設定することが好ましいが、 ク ラッ ド層をパターニングする必要のない場合はクラッ ド層に酸拡散制御剤 を添加しないで用いることができる。
このように構成することにより、 コア部分のパターン精度をより向上さ せることができる一方、 下部クラッ ド層用組成物や上部クラッ ド層用組成 物では、優れた保存安定性が得られると ともに、比較的少ない光照射量で、 十分に硬化させることができる。
④上部クラッ ド層の形成
次いで、 コア部分 1 5が形成された下部クラッ ド層 1 3の表面に、 上層 用組成物を塗布し、 乾燥またはプリべークさせて上層用薄膜を形成する。 この上層用薄膜に対し、 光を照射して硬化させることにより、 図 1に示し たように上部クラッ ド層 1 7を形成することができる。
また、 光の照射によって得られる上部クラッ ド層は、 必要に応じて、 さ らに上述したボス トベータすることが好ましい。 ボス トベータすることに より、 硬度および耐熱性に優れた上部クラッ ド層を得ることができる。
⑤カバー部材の接着
作製した光導波路基板をスビンコ一ター上に固定し、 光導波路の上部ク ラッ ド上に接着剤を滴下し、 カバー部材を置き、 カバー部材の位置がずれ ないよう治具で固定する。 続いて、 スピンコート法と同様の手順で光導波 路基板ごと回転させる。 回転速度と回転時間を制御することで、 均一な接 着剤層を有するカバー部材封止光導波路基板が得られる。 なお、 上部クラ ッド材の全面または一部をカバー部材で被覆することができるが、 全面を カバー部材で被覆することが好ましい。 以下、 実施例により本発明を説明する。
以下の実施例においては基材としてシリ コンウェハーを用いた。 光導波 路の形成手順については前述した手順に従い実施した。 本実施例において は下部クラッド層及び上部クラッド層用の放射線硬化性組成物として P J 5 0 2 5 ( J S R (株） 製） を、 コア層用の放射線硬化性組成物として P J 5 0 2 4 ( J S R (株） 製） を用いた。 表 1の実施例一 1においては、 クラッド層を熱硬化により形成した。 それ以外の実施例ならびに比較例で は光硬化によりクラッド層を硬化した。 コア層はマスクを用いた露光によ り直線光導波路パターンを形成した。 下部クラッ ド層の厚みは 1 5 /z m、 コァ層の厚みは 8 μ ι 、 幅は 8 111、 長さ 6 c m、 コア間のスペースは 2 0 m、 上部クラッ ド層の厚みは 1 5 /X mになるように実施した。 また、 シングルモード光導波路の設計としてコア層の屈折率がクラッド層の屈折 率の 1 . 0 0 3倍高めになるように組成を設計した。
評価
[光学特性の測定試料]
光学装置用の光導波路基板として 4インチシリコンウェハに作製した 8 ;ζ ηι Χ 8 ί m角のコアを有する直線光導波路を用意した。続いて、 この基板 上に各種の接着剤と 100 μ m厚のガラス板を用いて固着し、 ダイシングに より、 光導波路長を 10mmとするサンプルを作製した。
[冷熱衝撃試験による光学特性変化]
初期値の挿入損失を測定後、 同一サンプルを一 4 0 °C 3 0分放置後に 8 5 °C 3 0分放置するヒートサイクルで 5 0 0サイクル冷熱処理した後に、 直線光導波路の挿入損失を測定し、 冷熱処理前後における挿入損失の変化 量を測定した。 揷入損失の変化量が IdB以上のものは X、 IdB以内のも のは〇とした。
[恒温恒湿試験による光学特性変化]
初期値の揷入損失を測定後、 同一サンプルを恒温恒湿 （ 8 5°C、 相対湿 度 8 5 %) の環境に 2 0 0 0時間放置した後に、 直線光導波路の揷入損失 を測定し、 恒温恒湿処理前後における揷入損失の変化量を測定した。 揷入 損失の変化量が IdB以上のものは X、 IdB以内のものは〇とした。
[表 1 ] 光学特性
力ノ ー 冷熱衝撃試験 恒 ¾恒湿試験
翻種
部材 初期 試験 初期
判定 判定 後 値 後
UVアタ リル系 1.0 1.5 〇 1.1 1.8 〇 ガラス
UVエポキシ系 0.9 1.2 o 1.0 1.4 〇
UVシリ コン系 1.0 1.4 〇 0.9 1.5 〇 ァミンーエポキシ二液型 1.0 1.8 〇 1.2 1.8 〇 厚
熱硬化エポキシ 1.1 1,4 〇 1.0 1.6 〇 なし なし 1.2 16.5 X 1.1 8.9 X

Claims

請 求 の 範 囲
1 . 基板上に設けられた下部クラッ ド層、コア層及び上部クラッ ド層と、 該上部クラッ ド層の少なく とも一部を覆うカバー部材とを有するポリマー 光導波路。
2 . 前記上部クラッ ド層と前記カバー部材とが、 放射線硬化型接着剤に より固着されたものである請求の範囲第 1項に記载のポリマー光導波路。
3 . 前記カバー部材が、 石英又はガラスからなることを特徴とする請求 の範囲第 1項又は第 2項に記載のポリマー光導波路。
4 . 請求の範囲第 1項〜第 3項のいずれかに記載の光導波路を有する光 学装置。
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