(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
３次元構造体の製作工程において、第１の光硬化性樹脂による３次元光造形工程に引き続き、第２の光硬化性樹脂による３次元光造形工程を行い、少なくとも２種類以上の光硬化性樹脂の複合した立体的な構造体の製作を行い、
前記第１の光硬化性樹脂が相対的に屈折率の高い光硬化性樹脂であり、前記第２の光硬化性樹脂が相対的に屈折率の低い光硬化性樹脂であり、前記第１の光硬化性樹脂による３次元光造形工程によって光導波路のコア部分の形成を行い、前記第２の光硬化性樹脂による３次元光造形工程によってクラッド領域を形成する３次元形状形成法において、
前記第１の光硬化性樹脂による３次元光造形の工程において、３次元形状保持のための支持部分を前記第１の光硬化性樹脂の３次元構造体と同時に形成し、
前記３次元形状保持のための支持部分が、前記コア部分を伝搬する光の波長に対して細く形成され、前記支持部分への光の漏れが低く抑えられていることを特徴とする３次元構造体の製作方法。
【請求項２】
前記コア部分と前記支持部分との接続部の形状を面取りがたの形状とすることによって、散乱光を低く抑えることを特徴とする請求項１記載の３次元構造体の製作方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、マイクロ化学分析用部品や光通信用部品の中の光導波路部品などを製作するための３次元構造体の製作方法および３次元構造体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、マイクロ化学分析用部品や光通信用部品光導波路部品の製作には、薄膜形成法による光導波路形成技術やイオン交換法による光導波路形成技術が用いられてきた。例えば、薄膜形成法では、高分子材料の薄膜や気相法で堆積した石英等の薄膜の２次元的なエッチングプロセスが用いられている。また、イオン交換法では、基板のガラスの所定の領域に溶融塩を接触させることでイオン交換を行い屈折率を変化させるものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記の光導波路部品形成法においては、基本的に２次元的な構造の光導波路の形成しかできないため、光導波路部品と他の光学部品を接続する構造の形成や光導波路部品に機能を持たせることには限界があった。
【０００４】
また、３次元的な構造を形成する方法として知られる光造形法を用いて、フォトニック結晶を製作し、光学部品を製作しようという試みはなされているが、屈折率の異なる材料を用いた光導波路を製作する方法については、確立されていない。
【０００５】
このようなことから、本発明では、複合した立体的な構造体の製作法および複合した立体的な構造物を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
このため、本発明では、３次元構造体である光導波路の部品の製作工程において、第１の光硬化性樹脂による３次元光造形工程に引き続き第２の光硬化性樹脂による３次元光造形工程を行い、少なくとも２種類以上の光硬化性樹脂の複合した立体的な構造体の製作を行う方法を考案した。すなわち、相対的に屈折率の高い光硬化性樹脂である第１の光硬化性樹脂による３次元光造形工程に引き続き、相対的に屈折率の低い光硬化性樹脂である第二の光硬化性樹脂による３次元光造形工程を行い、相対的に屈折率の高い光硬化性樹脂による３次元光造形工程によって光導波路のコア部分の形成を行い、前記の相対的に屈折率の低い光硬化性樹脂による３次元光造形工程によってクラッド領域を形成して、立体的な光導波路部品の製作を行うようにした。さらに、屈折率の高い光硬化性樹脂による３次元光造形の工程において、３次元形状保持のための支持部分を相対的に屈折率の高い光硬化性樹脂の３次元構造体と同時に形成し、初めの相対的に屈折率の高い光硬化性樹脂による３次元光造形工程によって形成されたコア形状が保持されるようにした。また、３次元形状保持のための支持部分が、コアを伝搬する光の波長に対して細く形成することで、支持部分への光の漏れを低く抑える、さらに、コア部分と支持部分との接続部の形状を面取りがたの形状とすることで、散乱光を低く抑えるようにした。
【０００７】
一方、相対的に屈折率の低い光硬化性樹脂による３次元光造形工程中において、クラッド部分の一部が形成され、不要になった３次元形状保持のための支持部分をコア部分から分離することによって、支持部分が光の伝搬に与える影響を減らすこともできる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例について、図面を参照して説明する。
【０００９】
図１は、本発明の３次元構造体の製作方法の一つの概念を示した図である。図１（ａ）では、第１の光硬化性樹脂の原料液１０１が、容器１０２中に保持されており、レンズ１０３で集光された光１０４の焦点部分１１０において、光重合反応が進行し、硬化物１０５が形成される。この焦点部分を移動させたり、強度を変化させることで、図１（ｂ）のように目的とする形状の硬化物１０６を硬化物の支持部分１０７とともに形成することができる。続いて、図１（ｃ）に示すように、容器内を第１の光硬化性樹脂に換えて第２の光硬化性樹脂の原料液１０８を満たし、図１（ｄ）に示すように、外部から光を集光して照射することで、再び光重合反応を進行させ、第２の光硬化性物質の硬化物１０９を形成させて行く。このようにして、図１（ｅ）に示すような２種類の光硬化性樹脂の複合した立体的な構造体の製作を行うことができる。
【００１０】
ここで、第１の光硬化性樹脂が相対的に屈折率の高い光硬化性樹脂であり、前記第２の光硬化性樹が相対的に屈折率の低い光硬化性樹脂とすることによって、第１の光硬化性樹脂による３次元光造形工程によって光導波路のコア部分の形成を行い、第２の光硬化性樹脂による３次元光造形工程によってクラッド領域を形成して、立体的な光導波路部品の製作を行うことができる。
【００１１】
また、３次元形状保持のために同時に形成した支持部分をコアを伝搬する光の波長に対して細く形成することで、支持部分への光の漏れを低く抑えることができる。さらに、図２に示すように、図２（ａ）のようなコア部分１２１と支柱部分１２２の接続の構造に対し、図２（ｂ）のように、接続部の形状を面取りがたの形状１２３とすることによって、図２（ａ）のエッジ部１２４での散乱の効果を押さえることができる。
【００１２】
図３は、本発明の３次元構造体の製作方法のバリエーションを示した図である。図３（ａ）では、第１の光硬化性樹脂の原料液体１０１が、容器１０２中に保持されており、レンズ１０３で集光された光１０４の焦点部分１１０において、光重合反応が進行し、硬化物１０５が形成される。この焦点部分を移動させたり、強度を変化させることで、図３（ｂ）のように目的とする形状の硬化物１０６を硬化物の支持部分１０７および外側のフレーム２０１とともに形成することができる。続いて、図３（ｃ）に示すように、第１の光硬化性樹脂でできた３次元構造物の中間形成物を上下反転させるなどして、光造形装置の光軸の向きに対する配置を変更するとともに、容器内を第１の光硬化性樹脂に換えて第２の光硬化性樹脂の原料液１０８を第１の光硬化性樹脂の硬化物の一部分がひたるところまで満たす。この後、図３（ｄ）に示すように、外部から光を集光して照射することで、再び光重合反応を進行させ、第２の光硬化性物質の硬化物１０９を形成させて行く。ある程度、第２の光硬化性樹脂の硬化物を形成させた段階で、図３（ｅ）に示すように、レンズ２１１で集光されたレーザー光２１２を照射することで、支柱部分の一部を除去することができる。これによって、コアを伝搬する光のロスや散乱を一層抑えることができる。中間形成物の向きを光軸に対して変化させることによって、第１の光硬化性樹脂の形成物が次の処理で光を遮ることを防いだり、支持体の位置を逆転することで、第２の硬化物で、第１の硬化物の一部が固定された後でも、支柱部分を露出させておくことができる。
続いて、図３（ｆ）に示すように、容器内を第２の光硬化性樹脂１０８を満たし、外部から光を集光して照射することで、再び光重合反応を進行させ、第２の光硬化性物質の硬化物１０９を形成させて行き、図３（ｇ）に示すような２種類の光硬化性樹脂の複合した立体的な構造体の製作を行うことができる。
一方、第１の光硬化樹脂の硬化工程において、光の入射方向を図３（ａ）とは反対に、下方向から照射するなどして、中間形成物を反転させることはせずに、図３（ｃ）に示すような第１の光硬化樹脂の硬化物を形成することもできる。
【００１３】
本発明で、光重合に用いる光源としては、可視光領域および紫外光領域の光を発生できるアルゴンイオンレーザー、ヘリウムカドミウムレーザー等を用いることができる。さらに、２光子吸収を利用する場合には、チタンサファイヤレーザー等を用いることができる。
また、支柱の一部を除去するための光源としては、エキシマレーザーを用いることができ、また、高出力のアルゴンイオンレーザーを用いることもできる。照射する光は、レンズで広い角度から絞りこまれるため、焦点付近のみで硬化反応が進行し、多少さえぎる部分があっても、角度を広くとることによって、影響を少なくすることができる。
【００１４】
本発明で使用する光硬化性樹脂としては、エポキシ系光硬化性樹脂、ウレタンアクリレート系エポキシ樹脂などを用いることができるが、特にエポキシ樹脂では、フッ素系エポキシ樹脂は屈折率が標準的なエポキシ樹脂に比べて低くなり、逆にイオウを含有するエポキシ樹脂の屈折率は高くなることが知られている。
【００１５】
本発明では、２種類の光硬化性樹脂を用いる例を示したが、さらに複数の種類の光硬化性樹脂を組み合わせることも可能である。
【００１６】
次に、本発明の３次元構造体の製作方法を利用した３次元構造体の例を示す。
【００１７】
図４は、光導波路を利用した分析モジュールの構造を示したものである。この分析モジュールでは、第１の光硬化樹脂材料である相対的に屈折率の高い光硬化性樹脂によってコア部４０１が形成され、周囲を第２の光硬化性樹脂である相対的に屈折率の低い光硬化性樹脂４０２によって形成することで、導波路の機能としてはクラッドとしての機能を持たせ、分析モジュールの構造としては、流路４０３を形成している。この分析モジュールの流路に試料液を流し、参照光４０４をコア部に入射し、出力光４０５の強度や波長成分の変化を検出することで、流路内にコア部が露出することで変化した参照光の変化を検出し、試料液の分析を行うことができる。第２の光硬化性樹脂によって、光導入部４１１や光取り出し部４１２にコネクタ形状を形成することもできる。
【００１８】
図５は、光導波路を利用した光学部品の作製例としてスターカプラの構造を示したものである。図５において、第１ポート５０１から第２ポート５０２から第８ポート５０８の７つのポートに対して、第１の光硬化樹脂材料である相対的に屈折率の高い光硬化性樹脂によって７つに分岐したコア部５５１が形成されており、この周囲に第２の光硬化性樹脂である相対的に屈折率の低い光硬化性樹脂５５２が形成されている。図５の例では、第１ポート５０１に入射した光を他の７つのポートに均等に分割することができる。ここでさらに、８つのポートを相互に２８本のコア部で結ぶことによって、双方向の８ポートカプラを構成することもできる。
【００１９】
図６は、光導波路を利用した光学部品の作製例として、光切り換え器の構造を示したものである。図６（ａ）において、第１の光硬化樹脂材料である相対的に屈折率の高い光硬化性樹脂によって、２つのコア部６０１が第１のブロック６１１に形成されており、同様に２つのコア部６０２が第２のブロック６１２に形成されている。第１のブロックと第２のブロックは、ベース６１３によって一体になっている。コア部６０１は、ファイバー部６０３の内部を通って、もう一方のコア部６０２に近接できる位置まで達しており、支柱６１４によって支持された回転子６１５を回転させることによって、コア端面どうしを近接させることができる。回転子を１８０度回転させることで、２つのコアどうしの接続関係の組み合わせを換えることができる。このコア部以外の材料は、第２の光硬化性樹脂である相対的に屈折率の低い光硬化性樹脂によって形成される。このような光学部品を構成することで、２ｘ２の光スイッチを実現することができる。
【００２０】
さらに、図６（ｂ、ｃ）は、この光スイッチを組み合わせることで、４ｘ４の光スイッチを構成する例を示している。図６（ｂ）は、外観を示したもので、６つの２ｘ２スイッチモジュール６２１と２つの導波路モジュール６２２で構成されている。このスイッチ構造は、本発明の方法によって、一体に形成することが可能である。図６（ｃ）では、４ｘ４スイッチの構造を示したもので、２ｘ２スイッチ部分６３１と導波路モジュール部分６３２におけるコア部６３３の接続の関係を示している。
【００２１】
【発明の効果】
以上のように、本発明によって、複雑な３次元構造の光導波路部品を提供できるようになるとともに、複雑な３次元構造の光導波路部品を簡単なプロセスで製作できるようになり、光導波路部品製作時間の短縮が可能になった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の３次元構造体の製作方法を示す図
【図２】本発明のコア部分と支柱部分の接続の構造を示す図
【図３】本発明の３次元構造体の製作方法を示す図
【図４】本発明の３次元構造体の製作方法で製作した光導波路を利用した分析モジュールの構造を示す図
【図５】本発明の３次元構造体の製作方法で製作した光導波路を利用した光学部品の作製例を示す図
【図６】本発明の３次元構造体の製作方法で製作した光導波路を利用した光学部品の作製例を示す図
【符号の説明】
１０１  第１の光硬化性樹脂の原料液
１０２  容器
１０３  レンズ
１０４  集光された光
１０５  第１の光硬化性樹脂の硬化物
１０６  第１の光硬化性樹脂の目的とする形状の硬化物
１０７  支持部分
１０８  第２の光硬化性樹脂の原料液
１０９  第２の光硬化性物質の硬化物
１１０  焦点部分
１２１  コア部分
１２２  支柱部分
１２３  面取りがたの形状
１２４  エッジ部
２０１  フレーム
２１１  レンズ
２１２  集光されたレーザー光
４０１  コア部
４０２  相対的に屈折率の低い光硬化性樹脂
４０３  流路
４０４  参照光
４０５  出力光
４１１  光導入部
４１２  光取り出し部
５０１  第１ポート
５０２  第２ポート
〜
５０８  第８ポート
５５１  分岐したコア部５５１
５５２  相対的に屈折率の低い光硬化性樹脂
６０１  コア部
６０２  コア部
６０３  ファイバー部
６１１  第１ブロック
６１２  第２ブロック
６１３  ベース
６１４  支柱
６１５  回転子
６２１  ２ｘ２スイッチモジュール
６２２  導波路モジュール
６３１  ２ｘ２スイッチモジュール部分
６３２  導波路モジュール部分
６３３  コア部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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