JP3057161B2

JP3057161B2 - 有機光導波路

Info

Publication number: JP3057161B2
Application number: JP29237789A
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: 2000-06-26
Anticipated expiration: 2015-06-26
Also published as: JPH03154007A

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
波路の改良に関する。

より詳細には、本発明は、光導波路材料として特定の
熱硬化型シリコーン樹脂及び該樹脂と相溶性の高い特定
の有機モノマーとを組合せたので、クラッド（コア）中
の構造不整に基づく散乱が少なくて伝送損失も低い光導
波路を提供する。

また、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段階処理で上記両材料を別々
に硬化できる、光導波路の新規な製造方法を提供する。

（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揮散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、一般に炭素系の有機高分子材料を光導波路の材
料に使用した場合に、0.63〜0.85μｍの比較的に短波長
の光源に対しては0.2dB/cm以下という低損失が達成され
ているが、現在、長距離通信で主に使用されている1.
3、1.55μｍという長波長の光に対しては、Ｃ−Ｈ結合
の赤外吸収に起因する損失増が大きく、適用が困難であ
った。

本発明の目的は、1.3μｍ以上の長波長の光に対して
も、光伝送損失が小さい有機光導波路を提供するもので
ある。

（課題を解決するための手段）本発明者は、上記種々の課題について検討した結果、
（イ）光導波路材料として未硬化の特定の熱硬化型シリ
コーン樹脂及び該樹脂と相溶性が高く且つ該樹脂と異な
る屈折率を有する特定の有機モノマーとを組み合わせた
光導波路材料を用いることにより、溶液状の両材料を用いるので両材料の混合が容易であ
り、クラッド（コア）中の構造不整に基づく散乱が少な
くて伝送損失も低い、特に長波長側での低損失化が要求
される光回路への使用に有用な光導波路を提供でき、ま
た、（ロ）該光導波路材料の組合せを用いることにより、光
導波路を構成する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、ま
た、始めに光照射で該有機モノマーのみを重合し、次に加
熱処理で未硬化の該シリコーン樹脂の硬化と残留未反応
の該有機モノマーの揮散除去と言う２段階処理により、該シリコーン樹脂の未硬化の状態で未反応の有機モノ
マーの除去ができて完全な除去が可能となることを見出
し、本発明を完成するに至った。

即ち、本発明は；（ｉ）シリコン基板上にシリコーン樹脂からなる下
部クラッド層を形成する第１工程、（ii）該下部クラッ
ド層上に未硬化の熱硬化型シリコーン樹脂と該樹脂と屈
折率が異なる有機モノマーと光重合開始剤との混合物を
塗布する第２工程、（iii）所望の導波路パターンを有
するフオトマスクを介して光を照射して該未硬化の熱硬
化型シリコーン樹脂に混合した該有機モノマーを所望の
導波路パターンに合わせて重合する第３工程、（iv）該
下部クラッド層上に塗布された該未硬化シリコーン樹脂
を加熱して硬化する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、前記加熱処理が150〜200℃である点に特徴を有す
る。

また、（ｉ）請求項１又は２記載の製造方法により製造さ
れるものあり、且つ（ii）該熱硬化型シリコーン樹脂がポリオルガノシル
セスキオキサンを主成分とするラダー型シリコーン樹脂
であり、（ｂ）前記該有機モノマーが下記一般式；〔式中、R₁はＨまたはCH₃であり、R₂は、C_nH_2n+1（ただ
し、１≦ｎ≦12である）またはである。〕で表される化合物又はスチレンであるコア−クラッド構
造を有する有機光導波路を提供する。

以下、本発明を更に具体的に説明する。

本発明の有機光導波路を図面に基づいて説明する。

第１図は、本発明の一具体例である。

１は基板（通常、SiもしくはSiO₂）であり、２はシリ
コーン樹脂による薄膜層であり、３はシリコーン樹脂中
に光重合した有機モノマーがドープされているコア部で
あり、４は上下方向の光の洩れを防ぐためのクラッド層
である。

また、第２図は、クラッドとなる部分に有機モノマー
をドープした例である。

５はシリコーン樹脂中に光重合した有機モノマーがド
ープされているクラッド部であり、６はシリコーン樹脂
によるコア部である。

〔１〕光導波路の製造（ｉ）次に、上記コア−クラッド構造を有する光導波路
を製造するには、一般的な有機光導波路の製造法を参考
にして特定の２段階処理法に従って作製される。

その具体的な製造例を示すと、以下のようになる。

即ち、基板１上に、シリコーン樹脂を塗布し硬化
してクラッド層４を形成し、次に、その上にクラッド層
４上に未硬化の熱硬化型シリコーン樹脂（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又は５を塗
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、所望の導波路パターンを有するフオトマス
クを介して重合性混合物の上から光、とくに紫外線を照
射する。

なお、上記フオトマスクは、（ａ）有機モノマーの屈
折率が熱硬化型シリコーン樹脂より高い場合はコア部３
のみに紫外線が透過され、（ｂ）有機モノマーの屈折率
が熱硬化型シリコーン樹脂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させて（上部）クラッド部
（層）を形成して、有機光導波路を作製する。

従って、第１図は前記（ａ）の場合であって、重合性
混合物はコア部となり、一方、第２図は前記（ｂ）の場
合であって、重合性混合物はクラッド部となる。

この光照射の結果、露光した領域では前記未硬化
の熱硬化型シリコーン樹脂に混合した有機モノマーが重
合し、未硬化の熱硬化型シリコーン樹脂内で分散した状
態で定着される。

その後、その光導波路全体を加熱処理することによ
り、前記未硬化の熱硬化型シリコーン樹脂の硬化が進行
し、熱的、力学的に安定な（強固な構造の）光導波路が
形成される。

同時に、未反応の有機モノマーは加熱により全て揮散
してしまうために、有機モノマーが重合した部分との間
に屈折率差が生じ、未露光領域にクラッド部またはコア
部が形成される。

使用できる加熱処理温度としては150〜200℃が一般的
である。

最後に、必要に応じて、更にその上にクラッド層
４を塗布し乾燥して、光導波路が完成する。

〔II〕光導波路の構成材（ｉ）熱硬化型シリコーン樹脂本発明に適用できる熱硬化型シリコーン樹脂として
は、任意の熱硬化型シリコーン樹脂を使用できるが、例
えば、ポリオルガノジメチルシロキサンを主成分とする
熱硬化型シリコーン樹脂、シロキサン骨格の末端にアク
リロイル基の付加したシリコーンアクリレート樹脂、ポ
リオルガノシルセスキオキサンを主成分とするラダー型
シリコーン樹脂等を挙げることができる。

使用できるラダー型シリコーン樹脂としては、一般
式：で表されるものが有利に使用できる。

（ii）有機モノマー本発明に使用する有機モノマーとしては、光導波路を
構成する熱硬化型シリコーン樹脂の透明性を阻害しない
群から選ばれ且つ前記材料との相溶性が高く、構造不整
に基づく散乱が小さく、伝送損失が低下するものを用い
るのが好ましい。

例えば、熱硬化型シリコーン樹脂としてラダー型シリ
コーン樹脂を使用した場合には、メタクリル基或いはア
クリル基を持ったモノマー、代表的には、下記一般式：〔式中、R₁はＨまたはCH₃であり、R₂は、C_nH_2n+1（ただ
し、１≦ｎ≦12である）またはである。〕で表されるモノマーが最も相溶性が良い。

また、コア部にドープするモノマーとしては、直鎖型
炭化水素のアクリレート又はメタクリレート；ベンジル
アクリレート、ベンジルメタクリレートが優れている。

使用する直鎖型炭化水素系のモノマーのうち、余り炭
素鎖が長すぎると、相溶性の低下、及びＣ−Ｈ結合に基
づく赤外吸収の増大が生じるので、一般的には、炭素の
数は12以下が望ましい。

また、上記アクリル系モノマーに次いで相溶性の良い
モノマーとしては、スチレンなどが挙げられる。

（iii）光重合開始剤本発明に使用する光重合開始剤としてはとくに制限さ
れないが、代表的には、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などの開裂
型開始剤、あるいはベンゾフェノン、アセトフェノンな
どの水素引き抜き型開始剤を挙げることができる。

（iv）特徴前述の通りに、本発明においては、光導波路を構成
する高分子材料として熱硬化型シリコーン樹脂を用いた
ので、従来使用されている透明性の高い代表的な炭素系
高分子であるポリメチルメタクリレート（PMMA）のＣ−
Ｈ結合の赤外吸収波長が短波長側にあるのに比較して、
該シリコーン樹脂のそれが長波長側にあるため、長波長
の光の伝送損失を大幅に低減することが出来る。

本発明においては、前記熱硬化型シリコーン樹脂の
選択と共に、前記有機モノマーとして、このような相溶
性の高いものの選択に、特に、ラダー型シリコーン樹脂
を使用した場合には、メタクリル基或いはアクリル基を
持ったモノマーを選択する点にも特徴がある。

（作用）従来、透明性の高い代表的な炭素系高分子であるポ
リメチルメタクリレート（PMMA）は、光導波路とした時
に、第３図に示すように600nmよりも長波長の領域では
急激に伝送損失が増大する。

この主な原因はＣ−Ｈ結合の伸縮振動の吸収波長が3.
4μｍという比較的に短波長側にあるため、その倍振動
の1.7μｍ、３倍振動の1.13μｍといった吸収が近赤外
域で存在するからである。

本発明においては、炭素系高分子を使用した有機光導
波路のこのような欠点を解消するために、熱硬化型シリ
コーン樹脂を有機光導波路材料に適用する点に特徴があ
る。

この熱硬化型シリコーン樹脂は、前記炭素系高分子と
比較してＣ−Ｈ結合の数は極端に少ない。また、Ｃ−Ｈ
結合に対応するものとして、Si−Ｈ結合は多く存在する
が、このSi−Ｈ結合の吸収波長は約4.6μｍと、Ｃ−Ｈ
結合に比較して遙かに長波長側にあるため、３倍振動の
吸収値でも1.65μｍ程度であって、現在通信系などで使
用されている最も長波長帯の1.55μｍよりも長波長側に
ある。

従って、1.3〜1.55μｍの領域で大幅に伝送損失を低
減することが出来る。

また、Ｃ−Ｈ結合の赤外吸収以外に、高分子の透明
性を損なう要因としては、レーリー散乱、構造不整に基
づく散乱などの散乱による損失悪化が考えられる。

この中で、レーリー散乱による損失増は、高分子の体
積弾性率が大きく、かつ屈折率が小さいほど小さくな
る。

熱硬化型シリコーン樹脂がこの要因を満たしており、
特に、ポリオルガノシルセスキオキサンを主成分とする
ラダー型シリコーン樹脂が伝送損失が最も小さくて好ま
しい。

後者の構造不整に基づく散乱の要因としては、コア
またはクラッド部にドープする光重合性モノマーと前記
高分子材料との相溶性が重要であり、この相溶性が高い
モノマー程散乱が小さく、伝送損失も低下する。

（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１〜４及び比較例１） SiOの基板上に、ラダー型シリコーン樹脂（ｎ＝1.4
0）からなる厚さ10μｍのクラッド層をコーチングし加
熱硬化させ、次いで、第１表に示される各成分、即ち、
未硬化のラダー型シリコーン樹脂、光重合性モノマー、
光重合開始剤、溶剤からなる導波路材料液を厚さ10μｍ
にスピンコートによってコーチングする。

フオトマスクを使用してコア部のみ紫外線（300〜400
nm）を照射し、コア部のモノマーを重合させてコアを形
成し、次いで、180℃で１時間加熱処理して前記ラダー
型シリコーン樹脂を硬化・定着させると共に、未反応の
モノマーを揮散・除去する。

最後に上部クラッド層として厚さ10μｍのラダー型シ
リコーン樹脂（ｎ＝1.40）をスピンコートで形成し、第
１図に示すような構造の有機光導波路を作製した。

その導波路の伝送損失を測定し、第１表にまとめた。

以上のように、本実施例に従って作製した有機導波路
は、特に長波長側において、優れた伝送特性を示すこと
が判った。

（発明の効果）以上述べたように、本発明の光導波路は、その構成材
料として熱硬化型シリコーン樹脂を用いているので、と
くに1.3μｍ以上の長波長域で低損失の導波路を作製す
る上で有用である。

また、該樹脂中にドープするモノマーとして該樹脂と
相溶性の高いものを用いたので、クラッド（コア）中の
構造不整に基づく散乱が少なく、損失も低下する。

従って、本発明の光導波路は、特に長波長側での低損
失化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、本発明の光導波路の構造についてのＩ具体例
を示す模式図である。第２図は、クラッドとなる部分にモノマーをドープし
た、本発明の他の具体例を示す模式図である。第３図は、高分子材料として、PMMAを用いた従来の光導
波路における赤外吸収による伝送損失値を示すグラフで
ある。 1:基板 2:薄膜３、5:重合性混合物 4:クラッド層 6:コア部

───────────────────────────────────────────────────── 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) 特開平１−138509（ＪＰ，Ａ) 特開昭61−240207（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G02B 6/12 - 6/122

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】（ｉ）シリコン基板上にシリコーン樹脂か
らなる下部クラッド層を形成する第１工程、（ii）該下
部クラッド層上に未硬化の熱硬化型シリコーン樹脂と該
樹脂と屈折率が異なる有機モノマーと光重合開始剤との
混合物を塗布する第２工程、（iii）所望の導波路パタ
ーンを有するフオトマスクを介して光を照射して該未硬
化の熱硬化型シリコーン樹脂に混合した該有機モノマー
を所望の導波路パターンに合わせて重合する第３工程、
（iv）該下部クラッド層上に塗布された該未硬化シリコ
ーン樹脂を加熱処理して硬化する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】前記加熱処理が150〜200℃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】（ｉ）請求項１又は２記載の製造方法によ
り製造されるものであり、且つ（ii）該熱硬化型シリコーン樹脂がポリオルガノシルセ
スキオキサンを主成分とするラダー型シリコーン樹脂で
あり、（ｂ）前記該有機モノマーが下記一般式；〔式中、R₁はＨまたはCH₃であり、R₂は、C_nH_2n+1（ただ
し、１≦ｎ≦12である）またはである。〕で表される化合物又はスチレンであることを特徴とする
コア−クラッド構造を有する有機光導波路。