JP2005099514A - 光導波路の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 光損失の少ない光導波路を、簡易なプロセスで作製することができる光導波路の製造方法を提供することにある。
【解決手段】 ガラス基板からなる下部クラッド材１の上面側に、樹脂からなる中間クラッド層２を形成する工程と、中間クラッド層２に、光の伝搬方向に延びる断面略矩形の空孔部２ａを設ける工程と、空孔部２ａに光重合開始剤及び熱重合開始剤の少なくともいずれかを含有し、屈折率が下部クラッド材１及び中間クラッド層２よりも大きい熱・紫外線硬化樹脂７を充填すると共に、充溢して中間クラッド層２の上面側を当該熱・紫外線硬化樹脂７で被覆する工程と、前記熱・紫外線硬化樹脂７を、下部クラッド材１と屈折率が略同一のガラス基板からなる上部クラッド材３に接合させた状態で硬化させることにより、コア部４及び接着層５を一体に形成する工程と、を有する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光通信分野、光情報処理分野において使用される光デバイスを構成する光導波路の製造方法に関するものである。

従来の光導波路の製造方法としては、図５に示すように、石英ガラス基板からなる下部クラッド材１の上面側に、凹型の溝２０を形成し、この溝２０内に下部クラッド材１及び上部クラッド材３の屈折率よりも高い屈折率を持つ紫外線硬化樹脂を接着剤３０として充填し、上部クラッド材３と貼り合わせて、溝２０内の接着剤３０にて光伝搬領域となるコア部４を形成している。（特許文献１）
このような製造方法にあっては、フォトリソグラフィー法及びイオンエッチング法によりガラス基板（下部クラッド材１）に溝２０を形成するため、溝２０形成に時間がかかり、特に溝部が数十μｍ以上の比較的深い溝を形成する場合にはその傾向が顕著となる。

そのため、図６に示すように、第１の低屈折率樹脂あるいは第１の低屈折率ガラスで形成された下部クラッド材１上に、コア部４となる高屈折率の熱・紫外線硬化樹脂７を所定厚さ塗布した後、フォトマスク８を用いた紫外線露光により、光導波路のコア部４を形成し、次いで熱により未硬化の部分を硬化し、側面のクラッド部３０を形成する。更に、高屈折率樹脂４０をコーティングし、第２の低屈折率ガラスを貼り合わせて上部クラッド材３を形成する製造方法が知られており、このような製造方法にあっては、ガラス基板（下部クラッド材１）に直接加工して溝を形成することがないため、より簡易にコア部４を形成することができる。（特許文献２）
ところで、コア部４に入射した光は屈折率の小さいクラッド材との反射を繰り返しながら伝搬するが、クラッド材に光が染み出して光損失が発生するという問題があり、上記のような製造方法で得られる光導波路の場合は、コア部４と上部クラッド材３が光吸収損失の大きい高屈折率樹脂４０を介して接着されているため、光損失が大きくなるという問題がある。
特開平６−８８９１４号公報 特開２００２−７１９８７号公報

本発明は、このような点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、光損失の少ない光導波路を、簡易なプロセスで作製することができる光導波路の製造方法を提供することにある。

上記した課題を解決するために、本発明の請求項１に係る光導波路の製造方法は、ガラス基板からなる下部クラッド材の上面側に、樹脂からなる中間クラッド層を形成する工程と、中間クラッド層に、光の伝搬方向に延びる断面略矩形の空孔部を設ける工程と、空孔部に光重合開始剤及び熱重合開始剤の少なくともいずれかを含有し、屈折率が下部クラッド材及び中間クラッド層よりも大きい熱・紫外線硬化樹脂を充填すると共に、充溢して中間クラッド層の上面側を当該熱・紫外線硬化樹脂で被覆する工程と、前記熱・紫外線硬化樹脂を、下部クラッド材と屈折率が略同一のガラス基板からなる上部クラッド材に接合させた状態で硬化させることにより、コア部及び接着層を一体に形成する工程と、を有することを特徴とする。

本発明の請求項２に係る光導波路の製造方法は、前記中間クラッド層を形成する工程及び空孔部を設ける工程が、下部クラッド材の上面側に未硬化の光重合開始剤を含有する樹脂層を形成した後、当該樹脂層に導波路パターンが形成されたマスクを装着して光照射して硬化させ、その後未硬化部分を化学的に除去して中間クラッド層及び空孔部を形成するものであることを特徴とする。

本発明の請求項３に係る光導波路の製造方法は、前記中間クラッド層を形成する工程及び空孔部を設ける工程が、下部クラッド材の上面側に未硬化の樹脂層を形成した後、転写面に導波路パターンが形成された金型を上面側から押圧して未硬化の樹脂層内に挿入させ、転写面を下部クラッド材の上面側に接触させた状態で樹脂層を硬化させ、その後、金型を開放するものであることを特徴とする。

本発明の請求項４に係る光導波路の製造方法は、前記中間クラッド層を形成する工程及び空孔部を設ける工程が、下部クラッド材の上面側に熱可塑性樹脂からなる樹脂層を形成した後、当該樹脂層を加熱して軟化させた状態で転写面に導波路パターンが形成された金型を上面側から押圧して樹脂層内に挿入させ、転写面を下部クラッド材の上面側に接触させた状態で樹脂層を冷却して硬化させ、その後、金型を開放するものであることを特徴とする。

本発明の請求項１に係る光導波路の製造方法によると、中間クラッド層が樹脂からなるので、機械的・化学的な加工性が良好となり、ガラス基板に比べてコア部を充填するための空孔部の形成が容易になる。また、コア部及び接着層を一体に形成することにより、コア部の形成と、コア部及び中間クラッド層と上部クラッド材の接合を同時に行なうことができ、光導波路の製造工程を短縮することができる。

請求項２に係る光導波路の製造方法によると、上述した請求項１の効果に加えて、空孔部の形成は、下部クラッド材の上面側に形成された未硬化の光重合開始剤を含有する樹脂層に、導波路パターンが形成されたマスクを装着した状態で光照射して硬化するものであるので、マスクに微細加工を施すのが容易であり、微細加工を施したマスクを用いれば、コア部が微細形状の導波路パターンを容易に得ることができる。また、現像等により樹脂層の未硬化部分を化学的に除去して空孔部を形成するため、空孔部の形成プロセスが簡略化される。

請求項３に係る光導波路の製造方法によると、上述した請求項１の効果に加えて、転写面に導波路パターンが形成された金型を上面側から押圧して未硬化の樹脂層内に挿入させ、転写面を下部クラッド材の上面側に接触させた状態で未硬化の樹脂層を硬化させた後、金型を解放して中間クラッド層及び空孔部を形成しているので、空孔部形成のために樹脂層を除去する必要がない。そのため、硬化した樹脂層を加工して空孔部を形成する場合に比べて、空孔部の寸法精度が確保しやすく、コア部形状の寸法精度が向上する。その結果、散乱による損失を減少することができ、導波路損失を低減することができる。

この請求項４に係る光導波路の製造方法によると、上述した請求項１の効果に加えて、下部クラッド材の上面側に形成しているの樹脂層が熱可塑性樹脂であるため、樹脂層を加熱して軟化させた状態で転写面に導波路パターンが形成された金型を上面側から押圧して樹脂層内に挿入させ、転写面を下部クラッド材の上面側に接触させた状態で樹脂層を冷却して硬化させ、その後、金型を開放することで中間クラッド層及び空孔部が得られるため、熱硬化性樹脂を用いた場合に比べて硬化の時間が短縮され、その結果、光導波路の製造プロセスが短縮される。

本発明を図に示す実施形態に基づいて詳細に説明する。
（実施形態１）
本発明の第１の実施形態における光導波路の製造方法の工程図を図１に示す。同図において、１は下部クラッド材、２は中間クラッド層、２ａは空孔部、３は上部クラッド材、４はコア部、５は接着層、６は樹脂層、７は熱・紫外線硬化樹脂、８はフォトマスク、９は紫外線である。

図１（ａ）に示すように、石英ガラスのようなガラス板からなる下部クラッド材１の上面側に、光重合開始剤を含む紫外線硬化樹脂をスピンコート等により、厚さ５〜７０μｍ程度に均一にコーティングして、樹脂層６を形成する。光重合開始剤を含む紫外線硬化樹脂は、屈折率が下部クラッド材１と略同一の材料（屈折率：１．４５〜１．６０）である（メタ）アクリル系のモノマー樹脂が好適に用いられる。

次に図１（ｂ）に示すように、所定の微細な導波路パターンがエッチングされたフォトマスク８を、樹脂層６上に設置し、フォトマスク８の上面側から紫外線９を照射する。その結果、図１（ｃ）に示すように、フォトマスク８で被覆された箇所以外は硬化して、中間クラッド層２が形成される。このようにして樹脂からなる中間クラッド層を設けるのは、上部クラッド３及び下部クラッド１間にコア部を充填するためのスペース（本発明では空孔部２ａ）を設けるに際して、ガラス基板よりも樹脂の方が機械的及び化学的に加工性が良好であり、ガラス基板に比べてコア部を充填するためのスペースの形成が容易になるからである。

その後、図１（ｄ）に示すように、下部クラッド材１を、エタノール及びメチルエチルケトンの混合溶液からなる現像液で浸漬して、フォトマスク８で被覆されていた樹脂層６の未硬化の箇所を化学的に除去して空孔部２ａを形成する。未硬化の樹脂層６は底面側まで完全に除去され、空孔部２ａの底面から下部クラッド材１が露出している。この空孔部２ａは、断面略矩形であって、光の伝搬方向に延出されるよう形成されている。

次に図１（ｅ）に示すように、空孔部２ａに、光重合開始剤を含有する熱・紫外線硬化樹脂７を注入して充填させ、更に注入して充溢させることにより、図１（ｆ）に示すように中間クラッド層２の上面側を熱・紫外線硬化樹脂７で被覆する。

次に図１（ｇ）に示すように、中間クラッド層２の上面側を被覆した熱・紫外線硬化樹脂７に、上面側から下部クラッド材１と屈折率が略同一のガラス基板からなる上部クラッド材３を接合させる。図１（ｈ）に示すように、中間層２と上部クラッド３とに介在される熱・紫外線硬化樹脂７の厚さが０．０５〜１．５μｍとなるよう、上部クラッド材３を押圧して、その状態で下部クラッド材１の下面側から紫外線９を照射する。紫外線９は、ガラス板である下部クラッド材１を透過し、熱・紫外線硬化樹脂７に達する。また、熱・紫外線硬化樹脂７に熱重合開始剤が含有されている場合には、紫外線９に代えて熱を照射してもよく、紫外線硬化樹脂７に光重合開始剤及び熱重合開始剤の両方が含有されている場合には、紫外線９および熱の両方を照射してもよい。

図１（ｉ）に示すように、含有する光重合開始剤及び熱重合開始剤の効果により、紫外線９が照射された熱・紫外線硬化樹脂７は硬化して、空孔部２ａに充填したものからはコア部４が形成され、上部クラッド３と中間クラッド層２の間に介在するものからは両者を接着させるための接着層５が形成される。このようにコア部４及び接着層５を一体に形成することにより、コア部４の形成と、コア部４及び中間クラッド層２と上部クラッド材の接合を同時に行なうことができ、光導波路の製造工程を短縮することができる。得られた光導波路は、下部クラッド材１及び上部クラッド材３が、光損失の小さいガラス基板からなり、コア部４がこの下部クラッド材１及び上部クラッド材２の何れにも直接接合する構成となるため、光の染み出しを低減することができ、光損失の少ない光導波路を得ることができる。
（実施形態２）
本発明の第２の実施形態における光導波路の製造方法の工程図を図２に示す。同図において、１は下部クラッド材、２は中間クラッド層、２ａは空孔部、６は樹脂層、９は紫外線、１０は金型である。

本実施形態は、下部クラッド材１の上面側に光重合開始剤を含む紫外線硬化樹脂からなる未硬化の樹脂層６を形成した後、導波路パターンを表面に転写した金型１０を上面側から押圧して樹脂層６内に挿入させ、転写面を下部クラッド材の上面側に接触させた状態で樹脂層６を硬化させて、中間クラッド層２および空孔部２ａを形成することに特徴を有しており、その他の工程については実施形態１と同一であるので、説明を省略する。

図２（ａ）に示すように、下部クラッド材１の上面側に形成された樹脂層６（図１（ａ）の説明参照）内に、上面側から金型１０で押圧して挿入させる。金型１０は、樹脂層６と対向する面である押圧面に所定の微細な導波路パターン１０ａが形成されている。

図２（ｂ）に示すように、導波路パターン１０ａが下部クラッド材１の上面側に到達するまで、未硬化の樹脂層６内に挿入させた金型１０を押圧して、この状態で樹脂層６を硬化させて中間クラッド層２を形成する。中間クラッド層２の形成は、下部クラッド１の下面側から紫外線９を照射する。紫外線９は、ガラス板である下部クラッド材１を透過し、樹脂層６に達する。含有する光重合開始剤の効果により、紫外線９が照射された樹脂層６は硬化して、中間クラッド材２が形成される。

なお、本実施形態では、樹脂層６として光重合開始剤を含む紫外線硬化樹脂も用いたが、これに限定されるものではなく、これに代えて、熱重合開始剤もしくは光重合開始剤及び熱重合開始剤の何れもが含有された熱硬化樹脂もしくは熱・紫外線硬化樹脂を用いてもよい。これらの場合は、紫外線９照射による樹脂層６の硬化に代えて、熱により樹脂層６を硬化して中間クラッド層２を形成することができる。

次に、図２（ｃ）に示すように、中間クラッド層２の形成後、金型１０の押圧を解除して離型することにより空孔部２ａが形成される。このように空孔部２ａを形成することで、空孔部２ａを設けるために中間クラッド層２を機械的に加工して一部を除去したり、中間クラッド層２や未硬化の樹脂層６を化学的に除去する必要がなくなる。そのため、機械的・化学的に加工して空孔部２ａを形成する場合に比べて、空孔部２ａの寸法精度が確保しやすく、その結果コア部形状の寸法精度が向上する。なお、以下の工程については、上述の図１（ｅ）以降の工程と共通するため説明を省略する。
（実施形態３）
本発明の第３の実施形態における光導波路の製造方法の工程図を図３に示す。同図において、１は下部クラッド材、２は中間クラッド層、２ａは空孔部、１０は金型、１１は熱可塑性樹脂層である。

本実施形態は、下部クラッド材１の上面側に熱可塑性樹脂からなる樹脂層１１を形成した後、当該樹脂層１１を加熱して軟化させた状態で導波路パターンを表面に転写した金型１０を上面側から押圧し、その後冷却して樹脂層１１を硬化させて、中間クラッド層２および空孔部２ａを形成することに特徴を有しており、その他の工程については実施形態１と同一であるので、説明を省略する。

図３（ａ）に示すように、石英ガラスのようなガラス板からなる下部クラッド材１の上面側に、熱可塑性樹脂をキャスト法等により、厚さ５〜７０μｍ程度に均一にコーティングして、熱可塑性樹脂層１１を形成する。熱可塑性樹脂は、硬化後の屈折率が下部クラッド材１と略同一の材料（屈折率：１．４５〜１．６０）であるＰＭＭＡやＰＣ等の熱可塑性樹脂が好適に用いられる。

次に、図３（ｂ）に示すように、熱可塑性樹脂層１１を溶融開始温度以上に加熱して軟化状態で、上面側から金型１０で押圧して熱可塑性樹脂層１１内に挿入させる。金型１０は、熱可塑性樹脂層１１と対向する面である押圧面に所定の微細な導波路パターン１０ａが形成されている。

次に、図３（ｃ）に示すように、導波路パターン１０ａが下部クラッド材１の上面側に到達するまで、熱可塑性樹脂層１１内に挿入した金型１０を押圧し、この状態で熱可塑性樹脂層１１の加熱を停止して、空冷もしくは水冷等により熱可塑性樹脂層１１を硬化させて中間クラッド層２を形成する。

次に、図３（ｄ）に示すように、中間クラッド層２の形成後、金型１０の押圧を解除して離型することにより空孔部２ａが形成される。このように空孔部２ａを形成することで、上記実施形態２の場合と同様に、機械的・化学的な加工による空孔部２ａを形成が不要となり、空孔部２ａの寸法精度が確保しやすく、その結果コア部形状の寸法精度が向上する上に、下部クラッド材１の上面側に熱可塑性樹脂層１１を形成しているため、加熱及び冷却により、熱可塑性樹脂層１１の軟化及び硬化が迅速かつ簡易に行なうことができる。そのため、熱硬化性樹脂等を用いた場合に比べて中間クラッド層２及び空孔部２ａの製造プロセスが短縮される。なお、以下の工程については、実施形態１に記載の図１（ｅ）以降の工程と共通するため説明を省略する。
（実施形態４）
本発明の第４の実施形態における光導波路の製造方法の工程図を図４に示す。同図において、１は下部クラッド材、２は中間クラッド層、２ａは空孔部、８はフォトマスク、１２はエッチングマスク層である。

本実施形態は、フォトリソグラフィーにより、中間クラッド層２および空孔部２ａを形成することに特徴を有しており、その他の工程については実施形態１と同一であるので、説明を省略する。

図４（ａ）に示すように、石英ガラスのようなガラス板からなる下部クラッド材１の上面側に、（メタ）アクリル系樹脂のような熱（光）硬化性樹脂をスピンコート等により、厚さ５〜７０μｍ程度に均一にコーティング後、硬化させて中間クラッド層２を形成する。また、熱可塑性樹脂を用いる場合には、キャスト法により中間クラッド層２を形成することができる。中間クラッド材２としては、屈折率が下部クラッド材１と略同一の材料（屈折率：１．４５〜１．６０）であるものが好ましく、熱（光）硬化性樹脂としては（メタ）アクリル系樹脂が、熱可塑性樹脂としてはＰＭＭＡやＰＣが好適に用いられる。

次に、図４（ｂ）に示すように、中間クラッド層２上にエッチングマスク層１２を形成し、フォトリソグラフィーによりコアパターン１２ａを形成する。エッチングマスク層１２の材料としては、有機フォトレジスタや金属が好適に用いられる。

次に、図４（ｃ）に示すように、中間クラッド層２のエッチングマスク層１２で被覆されていない部分を、反応性イオンエッチングにより除去する。エッチングマスク層１２で被覆されていない部分は、完全に除去されて、底面から下部クラッド材１の上面側が露出する空孔部２ａが形成される。この空孔部は、コアパターン１２ａの形状に対応して形成されるため、得られた空孔部２ａも、光の伝搬方向に延出されるようなパターンが形成されている。このようなフォトリソグラフィーを用いて空孔部２ａを設けているので、微細かつ寸法精度の良い空孔部を得ることができ、その結果、損失の少ないコア部を形成することができる。

次に、図４（ｄ）に示すように、エッチングマスク層１２を除去する。その結果、図４（ｅ）に示すように、中間クラッド層２の上面側が露出された状態となり、上述の図１（ｅ）以降の工程を行なうことによって導波路を得ることができる。

本発明の第１の実施形態における光導波路の製造工程を示す説明図である。 本発明の第２の実施形態における光導波路の製造工程を示す説明図である。 本発明の第３の実施形態における光導波路の製造工程を示す説明図である。 本発明の第４の実施形態における光導波路の製造工程を示す説明図である。 従来例を示す概略図である。 図５とは別の従来例を示す概略図である。

符号の説明

１ 下部クラッド材
２ 中間クラッド層
２ａ 空孔部
３ 上部クラッド材
４ コア部
５ 接着層
６ 樹脂層
７ 熱・紫外線硬化樹脂
８ フォトマスク
９ 紫外線
１０ 金型
１１ 熱可塑性樹脂層
１２ エッチングマスク層

Claims (4)

1. ガラス基板からなる下部クラッド材の上面側に、樹脂からなる中間クラッド層を形成する工程と、
   中間クラッド層に、光の伝搬方向に延びる断面略矩形の空孔部を設ける工程と、
   空孔部に光重合開始剤及び熱重合開始剤の少なくともいずれかを含有し、屈折率が下部クラッド材及び中間クラッド層よりも大きい熱・紫外線硬化樹脂を充填すると共に、充溢して中間クラッド層の上面側を当該熱・紫外線硬化樹脂で被覆する工程と、
   前記熱・紫外線硬化樹脂を、下部クラッド材と屈折率が略同一のガラス基板からなる上部クラッド材に接合させた状態で硬化させることにより、コア部及び接着層を一体に形成する工程と、
   を有することを特徴とする光導波路の製造方法。
2. 前記中間クラッド層を形成する工程及び空孔部を設ける工程は、下部クラッド材の上面側に光重合開始剤を含有する未硬化の樹脂層を形成した後、当該樹脂層に導波路パターンが形成されたマスクを装着して光照射して硬化させ、その後未硬化部分を化学的に除去して中間クラッド層及び空孔部を形成するものであることを特徴とする請求項１に記載の光導波路の製造方法。
3. 前記中間クラッド層を形成する工程及び空孔部を設ける工程は、下部クラッド材の上面側に未硬化の樹脂層を形成した後、転写面に導波路パターンが形成された金型を上面側から押圧して未硬化の樹脂層内に挿入させ、転写面を下部クラッド材の上面側に接触させた状態で樹脂層を硬化させ、その後、金型を開放するものであることを特徴とする請求項１に記載の光導波路の製造方法。
4. 前記中間クラッド層を形成する工程及び空孔部を設ける工程は、下部クラッド材の上面側に熱可塑性樹脂からなる樹脂層を形成した後、当該樹脂層を加熱して軟化させた状態で転写面に導波路パターンが形成された金型を上面側から押圧して樹脂層内に挿入させ、転写面を下部クラッド材の上面側に接触させた状態で樹脂層を冷却して硬化させ、その後、金型を開放するものであることを特徴とする請求項１に記載の光導波路の製造方法。

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