JP3077188B2 - 光導波路の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔従来の技術〕 従来のこの種の光導波路の製造方法として、フォトリ
ソグラフィー法を用いた種々のプラスチック性光導波路
の製造方法が考案されていた。

第１従来例 第５図に第１従来例として選択重合方法を示す。

この方法は、まず屈折率1.59のポリカーボネート51中
にアクリルモノマ52を分散させた溶液をフィルム状に注
型し（第５図（ａ））、次に必要な導波路パターンが描
かれたフォトマスク54を第５図（ａ）で作製したフィル
ム55に密着させて紫外線を照射すると、紫外線が照射さ
れた部分のアクリルモノマ52がポリカーボネート51と重
合し共重合体56を形成する（第５図（ｂ））。次にフィ
ルム55を真空中で加熱し、未反応のアクリルモノマ52を
フィルム55から取り除くと、共重合体部57はポリカーボ
ネート部58に比較して屈折率が低くなり（屈折率1.57
5）、パターン状に形成されているポリカーボネート部5
8のコア（屈折率1.59）に対し、クラッド部（屈折率1.5
75）となる（第５図（ｃ））。最後にフィルム55の表面
を低屈折率材料59で覆うことによってフィルム状のプラ
スチック製導波路60を得るものである。

第２従来例 第６図に第２従来例として成形法を示す。第６図
（ａ）に示すように、この成形法は、まずガラスや金属
材料の平板61上にフォトレジスト62の層を薄くコーティ
ングし、光導波路の平面構造を有したマスク63を介して
前記フォトレジスト62の層を選択的に露光する。つい
で、第６図（ｂ）に示すように、現像剤を用いて露光部
のフォトレジスト62のみを取り除くことにより前記平板
61上にフォトレジスト62によるマスク63のパターンが転
写され、突起部64となる。ついで前記平板61を溶解する
材料を用いて前記平板61を化学エッチング手法により選
択的に溶解し、その後突起部64を取り除く。この工程に
よって、第６図（ｃ）に示すように、前記平板61にはマ
スク63のパターンを準じた溝66が形成され、これが光導
波路のマスター65となる。第６図（ｄ）に示すように、
前記マスター65を用いて低屈折率の透光性プラスチック
材料でクラッド基材70を形成する。

マスター65からクラッド基材70を形成する方法として
は、例えば注型法や射出成形法が挙げられ、この場合前
記マスター65の溝側の面の表面にスパッタ法によりニッ
ケル導電膜を形成し、ニッケル電鋳法によりニッケル層
の厚づけを行う。そして、マスター65をはく離する事に
よってスタンパー67が形成される。前記スタンパー67を
用いて、注型法または射出成形法等の公知の方法によっ
て光導波路のパターンを有する溝部を備えたクラッド基
材70を形成する。第６図（ｅ）に示すように、クラッド
基材70はマスター65の溝側表面と同様な形態を呈する。

次いで第６図（ｆ）に示すように、前記クラッド基材
70の溝部69の一端から高屈折率の透明性プラスチックを
毛細管現象を利用して流入させ、溝部69内に樹脂が十分
に充填された後に硬化させコア71を形成する。そして、
第６図（ｇ）に示すように、前記コア71が形成された面
全体を、低屈折率の透光性プラスチックで均一にコーテ
ィングすることによってクラッド層72を形成し光導波路
80を得る。本製造方法を用いることによればコア71とク
ラッド基材70及びクラッド層72の材料を自由に選択する
ことができるので光導波路80は大きな開口角を得ること
ができる。例えば、コア71の材料として光硬化樹脂であ
るアクリル系樹脂（商品名M210、東亜合成化学社製、屈
折率n₁＝1.54）、クラッド基材70及びクラッド層72の材
料として同様な光硬化樹脂であるアクリル系樹脂（商品
名アロニクスM310、亜鉛合成化学社製、屈折率n₂＝1.4
6）を用いることによってつくられた光導波路80の開口
角は26.5度と大きい。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、この様な従来の光導波路の製造法のう
ち第１従来例である選択重合法によれば、ポリカーボネ
ート部と共重合体部との屈折率差を大きくする事は困難
であり、結果的に前記の材料によって形成される光導波
路60の開口角は12.6度であった。また、本製造法によっ
てつくられた光導波路の伝送損失は0.2dB/cmであった。
即ち、開口角を大きくすることができないという問題点
があった。開口角が大きくとれないということは、すな
わち、光導波路を小さな曲率半径をもって屈曲して構成
することができないという事であり、同時に光導波路に
入射される光ビームの受け入れ角度が小さいので、光導
波路に結合される光ビームの、伝送可能な光量が少いと
いう事を意味する。

これに反して、第２従来例である成形法によれば、開
口角を大きくとることが可能であるが、前記のエッチン
グ工程によって形成された溝内部の壁面つまり光導波路
の壁面の表面荒さが、非常に大きくなり、これによって
つくられた光導波路は、光を伝搬することがほとんどで
きないか、または、大きな伝送損失をもつという問題点
があった。一般に光導波路、レンズ等の光学系の表面荒
さは0.01μｍ以内のオーダーにおさえることが必要であ
る。

本発明は上述した問題点を解決するためになされたも
のであり、光エッチング法によっても、開口角が大き
く、かつ、伝送損失が小さいといった光導波路の製造方
法を提供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

この目的を達成するために、請求項１記載の発明に係
る光導波路の製造方法は、平板上に形成されたフォトレ
ジストからなる突起部の断面形状が略四角形である中間
材料を作成する第１工程と、前記中間材料を加熱して、
前記略四角形突起部の表面を滑らかにせしめ、かつ、断
面形状を略半円形にせしめて光導波路のレジストマスタ
ーを作成する第２工程と、前記レジストマスターの断面
形状が反転され、前記レジストマスターの略半円形突起
部が、略半円形溝部として形成された反転型を作成する
第３工程と、低屈折率の透光性材料からなり、前記反転
型と断面形状が等しく形成された前記略半円形略部を有
するクラッド基材を作成する第４工程と、前記クラッド
基材の略半円形溝部に高屈折率の透光性材料を充填して
コアを作成する第５工程と、を有する。

〔作用〕

請求項１の発明は、先ず、平板上に形成されたフォト
レジストからなる突起部の断面形状が略四角形の中間材
料が作成される。この略四角形突起部の表面は、やや粗
い。前記断面形状が略四角形の突起部を有する平板（中
間材料）を加熱すると、前記突起部は半溶解状態にな
り、材料の表面張力により突起部の表面は滑らかにな
り、かつ、前記突起部の断面形状が略半円形になったレ
ジストマスターが作成される。このレジスターマスター
の反転型を作成する。この反転型と同型の、低屈折率の
透光性材料からなるクラッド基材を作成する。このクラ
ッド基材の略半円形溝部表面は滑らかになる。前記溝部
に高屈折率の透光性材料を充填しコアを形成すると、コ
アの外周は滑らかになり、このコアとクラッド基材とが
密接して交互配置状態になり、光導波路が形成される。

〔実施例〕

以下、本発明を具体化した一実施例を図面を参照して
説明する。第１図（ａ）〜（ｅ）は、本発明に係る光導
波路の製造法のうちレジストマスターを形成するまでの
工程順を示すものである。レジスト塗布工程として、第
１図（ａ）に示すように、まず、シリコンウエハ又はガ
ラスからなる平板21の片側の表面に、スピンコート法に
よって、フォトレジスト22を塗布する。フォトレジスト
22の材料としては、厚膜ポジタイプフォトレジスト（商
品名PMER Ｐ−G7900、東京応化工業社製）を用いる。
スピンコート法は1500rpmで20秒間行う。その後、温度9
0度で10分間プリベーク工程を行うことによって層厚15
μｍのフォトレジスト22の層が形成されるのである。前
記フォトレジスト22を塗布した面の上にさらにスピンコ
ート法によって、フォトレジスト22を重ね塗りする。ス
ピンコート法は1500rpmで20秒間行いその後温度90度で3
0分間プリベーク工程を行うことによって層厚30μｍの
フォトレジスト22の層が形成される。

マスク露光工程として、第１図（ｂ）に示すように、
前記層厚30μｍのフォトレジスト22の層にマスク23を上
乗せしてマスク23を介してフォトレジスト22の層に紫外
線24を照射する。これによりフォトレジスト22の層に
は、選択的に紫外線23が照射される。マスク23の形状と
しては、例えば光導波路アレイを形成するものとしてピ
ッチ60μｍ、開口部27の幅20μｍのラインアンドスペー
スの形状を有するものを用いる。また、紫外線による露
光量は600mj/cm²である。

現像工程として、第１図（ｃ）に示すように、上記マ
スク露光工程を経たフォトレジスト22の層を、現像剤
（商品名Ｐ−5G原液、東京応化工業社製）に、温度25℃
で４分間浸す。これによって前記工程により紫外線24が
照射された部分のフォトレジスト22が選択的に溶解さ
れ、平板21が露出する。

リンス工程として、第１図（ｄ）に示すように、前記
選択的に溶解されたフォトレジスト22を純水で洗い流
す。これによって平板21上にフォトレジスト22の層から
つくられた略台形の断面形状を有した突起部26が形成さ
れる。本突起部26が、前記マスク露光工程（第１図
（ｂ）参照）において、表面荒さ１μｍ程度になること
はまぬがれない。これは、前記マスク露光工程（第１図
（ｂ）参照）においてフォトレジスト22の層に照射され
る紫外線24がフォトレジスト22材料中で材料の不均質性
等の原因が散乱を受けるため、材料中を直進することが
できないことが１つの理由である。

以上に示した光エッチング手段（フォトリソグラフィ
ー手法）に限らず化学エッチング手法により同様な突起
部26を形成するプロセスにおいても、化学反応が材料中
を一方向的に進行することが非常に困難であるため表面
荒さが非常に大きくなってしまうという問題点があっ
た。たとえ異方性エッチング手法と呼ばれる一種の化学
的エッチング手法を用いて同様な突起部26を形成して
も、表面荒さを0.01μｍ以内におさえる事は非常に困難
であった。以上の様な理由により、従来では、前記突起
部26の型をとって成形法により光導波路を製造する際
に、光導波路の壁面の表面荒さが大きいという問題点か
ら、開口角が大きく伝送損失が小さいといった良質の光
導波路を製造することが非常に困難であった。ポストベ
ーク工程として、第１図（ｅ）に示すように、前記リン
ス工程を経た平板21上の突起部26を温度135度で30分加
熱する。これによって突起部26の形状は時間的に見て第
２図（ａ）〜（ｄ）に示される様に刻々と変化し、最終
的には表面荒さ0.01μｍ以内でかつその断面形状が略半
円形となる。これは突起部26の材料に、熱による溶解の
ため、その表面張力によって表面積を小さくする様に力
が働くためである。このため本突起部26は前記のポスト
ベーク工程によって表面荒さ0.01μｍ以内で、かつ、そ
の断面形状が略半円形になるという効果を生じる。

本ポストベーク工程を経た突起部26D及び平板21を、
まとめてレジストマスター30と称する。

以上の工程を経ることによってレジストマスター30が
形成される。

第３図は、本発明に係る光導波路の製造法のうちレジ
スタマスター30からスタンパー40を形成するまでの工程
順を示すものである。

導電膜形成工程として、第３図（ａ）に示すように、
前記レジストマスター30の突起部26Dを有する面上にス
パッタ法によりニッケル導電膜31を膜厚0.1μｍ程度で
形成する。

第１電鋳工程として、第３図（ｂ）に示すように、前
記ニッケル導電膜31が形成されたレジストマスター30
に、電鋳法により、300μｍ程度の第１ニッケル層32を
形成する。第１ニッケル層32には前記ニッケル導電膜31
も含まれる。

メタルマスター形成工程として、第３図（ｃ）に示す
ように、前記第１電鋳工程を経たレジストマスター30及
び第１ニッケル層32より平板21をはく離する。その後、
第１ニッケル層32の溝に残留した突起部26Dをアセトン
又は強アルカリ溶剤中での超音波洗浄法により完全に除
去する。これによってレジストマスター30が完全に第１
ニッケル層32に転写された形となりこれをメタルマスタ
ー33と称する。

離型皮膜形成工程として、第３図（ｄ）に示すよう
に、前記メタルマスター33の溝側の表面に、陽極酸化法
または酸化性溶液中でのディッピング法によってニッケ
ル酸化皮膜34を形成する。これによって前記メタルマス
ター33の溝側表面には離型性をもって皮膜が形成され
る。

第２電鋳工程として、第３図（ｅ）に示すように、前
記ニッケル酸化皮膜34が形成されたメタルマスター33に
電鋳法により300μｍ程度の第２ニッケル層35を形成す
る。

スタンパ形成工程として、第３図（ｆ）に示すよう
に、前記第２電鋳工程を経たメタルマスター33及び第２
ニッケル層35よりメタルマスター33をはく離する。これ
によってメタルマスター33が完全に第２ニッケル層35に
転写された形となりスタンパー40が形成される。このス
タンパー40は、金型36に固定されることにより用いられ
る。

以上の工程を経ることによってレジストマスター30か
らスタンパー40が形成される。従って、スタンパー40の
溝側表面とレジストマスター30の溝側表面（突起部26D
側表面）とは同じ形態を呈する。

第４図（ａ）〜（ｄ）は、本発明に係る光導波路の製
造法のうちスタンパー40から注型法により最終的に光導
波路50を製造するまでの工程順を示すものである。

第４図（ａ）に示すように、クラッド基材形成工程と
して、前記スタンパー40の溝側の平面に200μｍ程度の
微小距離の空隙をもって透明板41を面平行に位置させ
る。次いで、この空隙に低屈折率紫外線硬化樹脂42を充
填する。次いで、前記透明板41を介して紫外線24を照射
し、低屈折率紫外線硬化樹脂42を完全に硬化させる。次
いで、スタンパー40を前記透明板41及び低屈折率紫外線
硬化樹脂42からはく離することによって、溝部43を有し
た、前記透明板41および低屈折率紫外線硬化樹脂42から
成るクラッド基材44が形成される。前記低屈折率紫外線
硬化樹脂42としては、アクリル系樹脂（商品名アロニク
スM310亜鉛合成化学社製、屈折率1.46）を用いた。また
前記透明板41としては近紫外線に対して透明な材料を用
い、例えば、低屈折率紫外線硬化樹脂42との接着性を高
めるためにUV−O₃アッシングプロセスによって表面処理
された硼ケイ酸ガラスが挙げられる。UV−O₃アッシング
プロセスは、シリコン集積回路形成プロセスにおいて広
く利用されているプロセスである。また、透明板41は光
導波路50の補強材としての効果も備える。

第４図（ｂ）に示すように、コア形成工程として、前
記クラッド基材44の溝部43に、その一端から高屈折率紫
外線硬化樹脂45を毛細管現象を利用して注入した。この
時、溝部43内に注入された高屈折率紫外線硬化樹脂45は
その表面張力のため溝部43から溢れることなく溝部43内
のみに充填された。高屈折率紫外線硬化樹脂45が溝部43
内に十分充填された後、紫外線24を照射し、高屈折率紫
外線硬化樹脂45を完全に硬化させてコア46を形成した。
本コア46の断面形状は略半円形となった。もし、前記高
屈折率紫外線硬化樹脂45が酸素雰囲気中（空気中）で硬
化しない性質のものであれば、窒素雰囲気中等の無機酸
素環境で硬化させることが必要である。前記高屈折率紫
外線硬化樹脂45としてはアクリル系樹脂（商品名アニロ
クスM210、亜鉛合成化学社製、屈折率1.54）を用いた。
本樹脂は、酸素雰囲気中（空気中）でも容易に硬化し
た。また、本樹脂の溝部43内に十分に充填させるにはほ
ぼ30分を要した。また、充填後のコア46の表面46aは、
表面張力により、表面荒さ0.01μｍ以内となることが確
められた。

第４図（ｃ）に示すように、クラッド層形成工程とし
て、前記コア形成工程によってコア46が形成されたクラ
ッド基材44のコア46側の平面にクラッド基材形成工程と
同様に200μｍ程度の微小距離の空隙をもって透明板41
を面平行に位置させる。次いで、この空隙に低屈折率紫
外線硬化樹脂42を充填する。次いで、前記透明板41を介
して紫外線を照射し、低屈折率紫外線硬化樹脂42を完全
に硬化させてクラッド層47を形成する。

第４図（ｄ）に示すように、仕上げ工程として、前記
クラッド層形成工程を経たクラッド基材44及びコア46及
びクラッド層47及び透明板41に、切断、研削、研磨等の
手段によって、適切な位置に表面荒さ0.1μｍ以下程度
の端部48を形成し、最終的な光導波路50が形成される。

以上、第１図〜第４図をもって詳述した工程を経るこ
とによって製造された光導波路50は、ピッチ60μｍでコ
ア46の幅が43μｍ、またコア46の断面形状が略半円形で
ある光導波路アレイ構造となる。

また、本光導波路50を、波長λ＝632.8nmのHe−Neレ
ーザ光を用いて評価したところ、開口角が26.5度であ
り、伝送損失が0.1dB/cm以下という非常に良質な光導波
路としての性質を得ることができた。

また、コア46の平面構造として曲率半径2mm以上の屈
曲に対して、前記伝送損失を保ったまま光伝送を行うこ
とができた。

尚、本発明は上述した実施例に限定されるものではな
く、適宜変更を加えることが可能である。例えば、第１
図（ａ）に示したレジスト塗布工程においてシート状の
フォトレジストを熱融着によって平板21に貼り着けるこ
とも可能である。これによってスピンコート法による塗
布よりかなり工程数を省くことができる。

また第１図（ｂ）に示したマスク露光工程において、
マスク23の形状を自由に選ぶことによってわずか数μｍ
幅程度のコア46（第４図参照）を形成したりそれを分
岐、交叉させることも可能である。また、第４図（ａ）
および第４図（ｃ）における透明板41として離形性に優
れたTPX等の樹脂を用いて、最終的に透明板41を光導波
路50からはく離することによって可撓性を有した光導波
路50を製造することも可能である。また、第４図（ａ）
および第４図（ｂ）および第４図（ｃ）における高屈折
率紫外線硬化樹脂45および低屈折率紫外線硬化樹脂42と
しては他にも種々の材料を選ぶことが可能である。この
様な材料の一例としては、高屈折率紫外線硬化樹脂であ
るフッ素系樹脂（商品名Defensa 479−18、大日本イン
キ化学工業社製、屈折率1.53）、また低屈折率紫外線硬
化樹脂であるフッ素系樹脂（商品名Defensa 7710、大
日本インキ化学工業社製、屈折率1.40）等が挙げられ
る。この材料を変えることによって製造される光導波路
50の開口角及び伝送効率を低下させることが可能であ
る。

また、光導波路50を構成する材料として実施例に記載
してある光硬化樹脂のかわりにその他の透光性樹脂を硬
化させる事によっても光導波路50を製造する事も可能で
ある。

また、第４図（ａ）に示したクラッド基材形成工程に
おいて実施例に記載してある注型法のかわりに射出成形
法を用いる事が可能である。これによって、光導波路50
の製造の生産性が向上するという効果がある。

また、第４図（ｂ）のコア形成工程として実施例にあ
る毛細管現象を利用するもののかわりにスピンコート法
によって溝部43に樹脂を充填してもよい。

また、本光導波路50を用いて光伝送路のみでなく光分
配器、光結合器、その他の光回路または光学的集積回路
に応用することも可能である。

また、この様な平板状の構造のみでなく、屈曲したり
重ね合わせたりして立体的な構造をとることも可能であ
る。

〔発明の効果〕

以上詳述したことから明らかなように、本発明に係る
光導波路の製造法によれば、光エッチング法によって
も、開口角が大きく、かつ、伝送損失が小さいといった
光導波路を得ることができるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図から第６図までは本発明を具体化した実施例を示
すもので、 第１図はレジストマスターを形成する工程を示す図、 第２図は突起部の時間的な形状変化を示す図、 第３図はスタンパーを形成する工程を示す図、 第４図は注型法により光導波路を形成する工程を示す
図、 第５図は従来の光導波路の製造方法である選択重合法の
工程を示す図、 第６図は従来の別の製造方法である成形法の工程を示す
図である。 21……平板 22……フォトレジスト 26……突起部 30……レジストマスター 41……透明板 42、45……透光性材料 43……溝部 44……クラッド基材（第１クラッド層） 46……コア 47……クラッド層（第２クラッド層） 50……光導波路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小林 千里 愛知県名古屋市瑞穂区堀田通９丁目35番 地 ブラザー工業株式会社内 (72)発明者 新海 祐次 愛知県名古屋市瑞穂区堀田通９丁目35番 地 ブラザー工業株式会社内 (56)参考文献 特開 昭48−48139（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−149008（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−73302（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−271710（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−191906（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−15805（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G02B 6/12 - 6/14

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】平板上に形成されたフォトレジストからな
   る突起部の断面形状が略四角形である中間材料を作成す
   る第１工程と、 前記中間材料を加熱して、前記略四角形突起部の表面を
   滑らかにせしめ、かつ、断面形状を略半円形にせしめて
   光導波路のレジストマスターを作成する第２工程と、 前記レジストマスターの断面形状が反転され、前記レジ
   ストマスターの略半円形突起部が、略半円形溝部として
   形成された反転型を作成する第３工程と、 低屈折率の透光性材料からなり、前記反転型と断面形状
   が等しく形成された前記略半円形溝部を有するクラッド
   基材を作成する第４工程と、 前記クラッド基材の略半円形溝部に高屈折率の透光性材
   料を充填してコアを形成する第５工程と、 を有することを特徴とする光導波路の製造方法。