JP2958995B2

JP2958995B2 - 有機光導波路

Info

Publication number: JP2958995B2
Application number: JP29237689A
Authority: JP
Inventors: 俊史細谷; 毅野中; 裕男松田; 勇仁小林; 宏平小林
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1989-11-13
Filing date: 1989-11-13
Publication date: 1999-10-06
Anticipated expiration: 2014-10-06
Also published as: JPH03154006A

Description

【発明の詳細な説明】（発明の属する技術分野）本発明は、光導波路材料として有機材料を用いた光導
波路の製造方法の改良に関する。

より詳細には、本発明は、高屈折率部分と低屈折率部
分（クラッド−コア部分）を１回のコーティングで製造
でき、且つ光照射と加熱処理との２段階処理で特定の有
機モノマーと熱硬化型有機高分子との両材料を別々に硬
化できる、光導波路の新規な製造方法に関する。

（従来の技術）現在、光通信や光情報処理の分野において、低損失
化、集積化および軽量化を実現するために、各光機能素
子間を光導波路で配線する技術が重要となって来てい
る。

従来、このような光導波路の材料として、石英ガラ
ス、半導体、LiNbO₃、有機材料等が検討されている。

これらの中で、有機材料による光導波路は、その製造
工程に真空プロセスや熱拡散等の複雑な工程を必要とせ
ず、よって最も簡単に製造できると言う利点がある。

中でも、ポリカーボネートやメタクリル酸メチルとメ
タクリル酸グリシジルの共重合体を用いて、伝送損失0.
2dB/cmという低損失な光導波路が得られている。

また、有機光導波路におけるコアの作製方法として
は、「Polymer Optical Circuits for Multimode Optic
al Fiber」T.Kurokawa et al.Applied Optics Vol.19,N
o.18 p3124（1980）に記載されるように、有機高分子中
に、該高分子と屈折率の異なる光重合性モノマーをドー
プし、モノマーの屈折率が高分子よりも高い時はコアと
なる部分に、低い時はクラッドとなる部分に、夫々光、
特に紫外線を照射し、モノマーを重合・定着させた後、
未反応のモノマーを加熱処理によって除去することによ
り、屈折率分布を形成し、所望のコアを得る手法が広く
知られている。

（発明が解決しようとする課題）従来、この種の有機光導波路では、使用する高分子材
料は、例えば特開平1-134311号公報に記載されるよう
に、ポリカーボネートやポリメチルメタクリレート（PM
MA）が主に使用されてきたが、これらの材料は全て架橋
をしていない熱可塑性樹脂であるため耐熱性に弱く、熱
履歴を受けると、経時的にコアが変形し、伝送特性の悪
化を引き起こす等の問題があった。

本発明の目的は、耐熱性に優れた信頼性の高い有機光
導波路の製造法を提供するものである。

（課題を解決するための手段）本発明者は、上記種々の課題を検討した結果、光重合
の際に硬化しない未硬化の熱硬化型有機高分子中に屈折
率調整用有機モノマーを予め配合することにより、高屈
折率部分と低屈折率部分（クラッド−コア部分）を１回
のコーティングで製造でき、且つ光照射と加熱処理との
２段階処理で該両材料を別々に硬化できることを見出
し、本発明を完成するに至った。

即ち、本発明は；（ｉ）基板上に下部クラッド層を形成する第１工程、
（ii）屈折率分布を形成するための有機モノマーと該有
機モノマーを重合させる光重合開始剤を混合した該有機
モノマーと屈折率が異なり且つ該有機モノマーの光重合
の際に硬化しない未硬化の熱硬化型有機高分子との重合
性混合物を該下部クラッド層上に塗布する第２工程、
（iii）所望の導波路パターンを有するホオトマスクを
介して光を照射して該有機モノマーを所望の導波路パタ
ーンに従って重合する第３工程、（iv）その後、未硬化
の熱硬化型有機高分子を加熱処理して硬化させると共に
未反応の該有機モノマーを揮散させ除去する第４工程を
含むコア−クラッド構造を有する有機光導波路の製造方
法を提供する。また、前記加熱処理温度が150〜200℃であって、前記有機モ
ノマーの沸点が150℃以下である点に特徴を有する。ま
た、前記加熱処理時に合わせて減圧を施す点に特徴を有す
る。

以下、本発明を更に具体的に説明する。

〔Ｉ〕有機光導波路の製造本発明の有機光導波路は、基本的には以下の方法によ
り製造される。

第１図に基づいてその製造工程の１具体例を説明す
る。

まず、第１−１図に示されるように、基板（通常、
SiもしくはSiO₂）１上に、屈折率がコアよりも低いクラ
ッド材料２を塗布し、乾燥して下部クラッド（層）を形
成する。

次に、未硬化の熱硬化型有機高分子（溶液）と有機モ
ノマーと光重合開始剤との重合性混合物３を前記下部ク
ラッド層２の上に塗布する。この時に、該重合性混合物
の粘度の調節のために、必要に応じて適当な溶媒、好ま
しくはアセトンなどのような有機溶媒を該混合物に加え
ても良い。

次に、第１−２図に示されるように、所望の導波路パ
ターンを有すフォトマスク４を重合性混合物３の塗布層
の上に近接して配置し、その上から光、とくに紫外線を
照射する。

なお、フォトマスク４は、（ａ）有機モノマーの屈折
率が前記有機高分子より高い場合はコア部のみに紫外線
が透過され、（ｂ）有機モノマーの屈折率が前記有機高
分子より低い場合はコア部のみ紫外線が遮断されるよう
に構成して、有機光導波路を作製する。

ここで、第１図は、前記（ａ）有機モノマーの屈折率
が有機高分子より高い場合の１例である。

この紫外線照射の結果、第１−３図に示されるよう
に、露光した領域５では有機モノマーが重合し、未硬化
の前記有機高分子内で定着される。

その後、その光導波路全体を加熱処理することによ
り、未硬化の前記有機高分子の硬化が進行し、熱的、力
学的に安定な光導波路が形成される。同時に未反応の有
機モノマーは全て揮散してしまうために、有機モノマー
が重合した部分（この例では、コア部５）との間に屈折
率差が生じ、未露光領域に（上部）クラッド部６が形成
される。

最後に、第１−４図に示されるように、必要に応じて
更に、その上にクラッド層７を塗布し乾燥して、光導波
路が完成する。

以上の通り、本発明においては、光導波路を製造する
のに用いる有機高分子が熱硬化型であるために、光照射
後の加熱処理時に架橋が進行し、全体として強固な構造
となる。

従って、従来の非硬化型の高分子、例えばポリカーボ
ネートやポリメチルメタクリレートのような熱可塑性樹
脂を使用した光導波路の製造方法に比較して、得られた
光導波路が高分子の熱的な運動による流動が生じず、加
熱してもコアが変形しない点で、本発明の光導波路の製
造方法は極めて優れている。

〔II〕さらに、本発明の有機光導波路の製造方法の他の
実施の態様を説明する。

前記〔Ｉ〕の基本的な有機光導波路の製造方法の中
で、項の未硬化の高分子の加熱処理段階において、第
２図に示されるように、減圧下で、通常には10^-1atm以
下で全体を加熱処理する。

この場合、露光しなかった領域６の未反応モノマーは
全て揮散し、同時に前記高分子の熱硬化が進行して、そ
の結果熱的に安定な光導波路が形成されるのである。

即ち、未硬化の熱硬化型有機高分子は、加熱処理にお
いて、有機モノマーの揮散速度に比較して該有機高分子
の硬化速度が速すぎると、該有機高分子中に有機モノマ
ーが取り込まれてしまい、最悪の場合に露光部分との屈
折率差が生じなくなってしまう。

従って、本発明においては、加熱処理時に減圧雰囲気
中に被処理物を置くことにより有機モノマーの揮散速度
を高めた点に極めて大きな意義がある。

その場合に、通常の有機モノマーでは、減圧条件は一
般に0.05〜0.5atmにある。即ち、0.05atm以下のあまり
に圧力が低いと急激に有機モノマーが揮散するために、
光導波路表面に気泡が発生してしまい、また、0.5atm以
上のように圧力が高すぎると所望の効果が得られない。

従って、最適の減圧は、有機モノマーの種類によって
も変更されうるが、例えば、大気圧下の沸点210℃のベ
ンジルアクリレートの場合、150℃の加熱条件では0.1at
m程度が最適である。また、これよりも沸点が低い有機
モノマーの場合や、加熱温度が高い場合は最適圧力は上
昇することになる。

さらに、加熱温度が高くなると、有機モノマーの揮散
速度も上がるが、該有機高分子の硬化速度も上がるため
に、一般にモノマーの取り込み防止効果は少ない。

従って、通常の熱硬化型有機高分子では、その加熱処
理温度は、150〜200℃が一般的である。

また、以上の理由から、有機モノマーの沸点は当然な
がら低いほど望ましく、特に、通常の熱硬化型有機高分
子の加熱処理温度の下限、150℃以下に沸点を持つモノ
マーの使用が好ましい。

即ち、沸点が低いので減圧効果が高く、本発明の減圧
処理によって有機モノマーの取り込みをほぼ完全に防ぐ
ことが出来る。

〔III〕有機光導波路の構成次に、本発明の有機光導波路の構成を具体的に説明す
る。

本発明に使用する光導波路を構成する有機高分子材料
は、本質的に有機熱硬化型高分子である。

前記〔Ｉ〕に説明したように、本発明においては、光
導波路を構成する有機高分子が熱硬化型であるために、
光照射では硬化せずに光照射後の加熱処理時に架橋が進
行し、全体として強固な構造となる。

従って、従来の非硬化型の高分子、例えばポリカーボ
ネートやポリメチルメタクリレートのような熱可塑性樹
脂を使用した光導波路に比して、高分子の熱的な運動に
よる流動が生じず、加熱してもコアが変形しない点で、
本発明の光導波路は極めて優れている。

但し、前記熱硬化型有機高分子を使用した時の加熱処
理においては、未反応の有機モノマーの揮散と該有機高
分子の熱硬化とが同時に進行するために、有機モノマー
の種類や加熱条件を最適に設定しないと、有機高分子の
硬化時に有機モノマーが該高分子と反応して取り込まれ
てしまい、揮散しない危険性がある。

このような危険性を回避する最も有効な手段として
は、使用する有機モノマーの末端反応基と該高分子の末
端反応基とが反応しない異なる組合せとなるように選
び、且つ有機高分子の熱硬化の進行時に有機モノマーと
反応できないようにしておく方法の採用が好ましい。

即ち、前記熱硬化型有機高分子としては、光導波路材
料の１つである有機モノマーと実質的に反応しないタイ
プのものを用いることが必要であり、光重合するラジカ
ル重合型は使用できない。

例えば、イオン重合型、縮重合型を挙げることができ
る。イオン重合型としては、熱硬化型エポキシ樹脂が一
般的であるが、エポキシアクリレート樹脂のように光重
合するものは使用できない。

縮重合型としては、水酸基とカルボキシル基を含有し
たアルキッド樹脂、アルデヒドとの縮重合によるフェノ
ール樹脂、メラミン樹脂等が挙げられる。

また、有機モノマーは、本質的に光重合性のものであ
ることを要する。従って、光重合反応として最も一般的
なラジカル重合タイプであることが必要である。

ラジカル重合タイプのモノマーの末端反応基として
は、ビニル基、アクリロイル基、メタクリロイル基等が
挙げられる。

また、そのような有機モノマーの光重合を開始させる
光重合開始剤としては、代表的には開裂型或いは水素引
抜き型が挙げられる。

その開裂型光重合開始剤には、ベンジルジメチルケタ
ール、１−ヒドロキシシクロヘキシルフェニルケトン、
２−ヒドロキシ−メチル−１−フェニル−プロパン−１
−オンなどが使用でき、また、水素引抜き型光重合開始
剤には、ベンゾフェノン、アセトフェノンなどが使用で
きる。

（実施例）以下に、実施例により本発明を具体的に説明するが、
これらは本発明の範囲を制限しない。

（実施例１、参考例１及び比較例１）前記〔１〕における基本的な光導波路の製造法である
第１図に示される製造工程に従って、第１表に例示され
た各成分を含む重合混合物を用いて、本発明に基づく有
機光導波路（実施例）と従来型の有機光導波路（比較
例）とを夫々作製した。

850nmの光源を用いて、初期の伝送損失と80℃、120℃
で24時間劣化させた後の伝送損失を比較して、その結果
を第１表にまとめた。

上表より、熱硬化型の有機高分子を使用することによ
り、有機光導波路の耐熱性が大きく向上することが明ら
かとなる。

（参考例２、比較例２〜３）前記実施例、参考例（比較例）と同様の操作で行う
が、ただし、加熱処理時に第２図に示すように減圧をも
同時に行って作製した本発明に基づく有機光導波路（参
考例）と従来の減圧を行わないで作製した有機光導波路
（比較例）について、それぞれ850nmの光源を用いて、
初期及び120℃で24時間劣化後の伝送損失を比較して、
その結果を第２表にまとめた。

上表より、減圧下で加熱を行うことにより、常圧で加
熱処理するよりも初期の伝送特性を低くすることができ
ることが明らかである。

この理由は減圧処理によって未反応モノマーの揮散速
度を増大させることができ、未反応モノマーと高分子が
反応する割合が低くなり、クラッド中の構造不整が減少
したためと考えられる。

（発明の効果）本発明の光導波路は、その構成材料として熱硬化型有
機高分子を用いているので、耐熱性、低損失化に優れて
いる。

また、該高分子中にドープする有機モノマーとして、
該高分子と反応しないラジカル重合型のものを用いるの
で、クラッド中の構造不整がなく低損失化に優れてい
る。

さらに、未硬化の該熱硬化型有機高分子の加熱処理と
同時に減圧を施したので、未反応モノマーの残存するこ
とが殆どなく、低損失化に優れた光導波路が得られる。

従って、本発明の光導波路は、耐熱性と低損失化とが
要求される光回路への使用に極めて有用である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の光導波路を製造するための製造工程
を示す模式図である。即ち、第１−１図は、クラッド層２を形成した基板１上
に重合性混合物３を塗布した状態を示す略図である。第１−２図は、フォトマスク４を介して紫外線を照射し
た状態を示す概略図である。第１−３図は、この紫外線照射の結果生成した露光領域
（コア部）５と未露光領域（クラッド部）６に加熱処理
を施して安定な光導波路とした状態を示す概略図であ
る。第１−４図は、さらに必要に応じてその表面にクラット
層７を形成した状態を示す概略図である。第２図は、第１−３図において、加熱処理と同時に減圧
処理を施した、本発明による光導波路の製造方法の他の
実施態様を示す概略図である。 1:基板 2:クラッド 3:重合混合物 4:フォトマスク 5:露光領域 6:未露光領域 7:クラッド層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者小林勇仁神奈川県横浜市栄区田谷町１番地住友電気工業株式会社横浜製作所内 (72)発明者小林宏平神奈川県横浜市栄区田谷町１番地住友電気工業株式会社横浜製作所内 (56)参考文献特開昭59−15203（ＪＰ，Ａ) 特開昭61−240207（ＪＰ，Ａ) 特開平１−138509（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G02B 6/12

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】（ｉ）基板上に下部クラッド層を形成する
第１工程、（ii）屈折率分布を形成するための有機モノ
マーと該有機モノマーを重合させる光重合開始剤を混合
した該有機モノマーと屈折率が異なり且つ該有機モノマ
ーの光重合の際に硬化しない未硬化の熱硬化型有機高分
子（但し、熱硬化型シリコーン樹脂は除く）との重合性
混合物を該下部クラッド層上に塗布する第２工程、（ii
i）所望の導波路パターンを有するホオトマスクを介し
て光を照射して該有機モノマーを所望の導波路パターン
に従って重合する第３工程、（iv）その後、未硬化の熱
硬化型有機高分子を加熱処理して硬化させると共に未反
応の該有機モノマーを揮散させ除去する第４工程を含む
ことを特徴とするコア−クラッド構造を有する有機光導
波路の製造方法。
【請求項２】前記加熱処理温度が150〜200℃であって、
前記有機モノマーの沸点が150℃以下であることを特徴
とする請求項１記載の有機光導波路の製造方法。
【請求項３】前記加熱処理時に合わせて減圧を施すこと
を特徴とする請求項１記載の有機光導波路の製造方法。