(57)【要約】  【課題】  光導波路のコア部の下方あるいは上方のクラッド部が薄い場合にも、基板や金属層への光の染み出しによる伝搬損失が生じないようにした光導波路基板を得る。  【解決手段】  基板１上に、クラッド部３，５とその内部のコア部４とからなる光導波路６と、コア部４の下方のクラッド部３と基板１との間、およびコア部４の上方のクラッド部５の表面の少なくとも一方に配置されたエアロゾルシリカ層２または２’とが形成されている光導波路基板である。低屈折率のエアロゾルシリカ層２，２’によって光導波路６内の伝搬光の閉じ込めを強くすることができ、すなわちモードフィールドのクラッド部３，５の外への染み出しを小さくすることができるので、コア部４の下方あるいは上方のクラッド部３，５が薄い場合にも、コア部４の下方の基板１や上方に形成した金属層７への光の染み出しによる伝搬損失の発生を抑制することができる。【選択図】  図１
2005202232.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に、クラッド部とその内部のコア部とからなる光導波路と、前記コア部の下方の前記クラッド部と前記基板との間、および前記コア部の上方の前記クラッド部の表面の少なくとも一方に配置されたエアロゾルシリカ層とが形成されていることを特徴とする光導波路基板。
【請求項２】
前記エアロゾルシリカ層は、シリコンアルコキシドを含有するウェットゲル層を超臨界乾燥処理して形成されたものであることを特徴とする請求項１記載の光導波路基板。
【請求項３】
前記光導波路は、シロキサンポリマから成ることを特徴とする請求項１または請求項２記載の光導波路基板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光通信システム用の光送受信モジュール等に使用される低伝搬損失な光導波路を有する光導波路基板に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、光ファイバを使用した光通信システムにおいて、基板上に、光信号を伝送するための光導波路と、光信号を受信するための受光素子と、光信号を発信するための発光素子と、これら受光素子，発光素子の駆動や信号の処理を行なうための回路素子と、外部と信号をやり取りするための光ファイバ等とが配置された光導波路基板を使用した光送受信モジュールが用いられている。
【０００３】
こうした光導波路基板においては、光導波路と受光素子，発光素子あるいは光ファイバとの光学的な結合を行なうため、光導波路と受光素子，発光素子あるいは光ファイバとの相対的な位置を精密に合わせる必要がある。特に、シングルモード光導波路と発光素子あるいはシングルモード光ファイバとを光結合させる場合、結合損失を小さくするには光軸ずれを数μｍ以下に抑える必要がある。従って、光導波路を形成した同じ基板上に搭載した端面発光型半導体等の光素子と光導波路とを光結合させる光送受信モジュールを製作しようとした場合には、光導波路のコア部の基板表面からの高さと基板に搭載した光素子の光軸の基板表面からの高さとが合うようにするため、光導波路のコア部下方のクラッド層の厚さ，コア部の厚さ，光素子の発光部の位置，光素子を搭載するために基板上に形成した電極の厚さ，半田の高さ等を適切に設計している。
【０００４】
また、このような光導波路基板に使用される光導波路としては、より高い生産性や低コスト化の要求から、樹脂系材料を用いた光導波路を使用することが望まれている。これに対して本発明者らは特願2002−253006号において、光導波路に用いる樹脂系材料の一つとして、光透過性や耐熱性に優れており、光導波路の製作における加工性にも優れており、耐クラック性に優れ温度サイクル試験等に対する信頼性にも優れたシロキサンポリマ被膜を得ることができるシロキサンポリマ被膜形成用塗液組成物およびそれにより形成したシロキサンポリマ被膜を用いた光導波路を提案した。
【特許文献１】特開2002−246383号公報
【特許文献２】特開平２−266525号公報
【特許文献３】特開平２−35729号公報
【特許文献４】特開2000−294809号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、基板上にクラッド部とその内部のコア部とからなる光導波路を形成した従来の光導波路基板において、コア部の下方のクラッド部が薄く伝搬光のモードフィールドが基板に染み出しているような場合には、伝搬光が基板側へ放射したり、基板で吸収されたりするため、伝搬損失が大きくなるという問題点があった。これは、コア部の下方のクラッド部の厚さは、光導波路の伝搬特性を考慮するだけではなく、同一基板上で光素子と光結合させた光モジュールを作製する場合には、光素子との光軸を合わせることも考慮する必要があり、安易にコア部の下方のクラッド部を厚くできないという事情によるものである。
【０００６】
例えば、光導波路と、光導波路を形成した同じ基板上に設置した端面発光型半導体光素子とを光接続した光モジュールを製作しようとした場合であれば、光導波路のコア部と端面発光型半導体光素子との光軸を合わせるため、端面発光型半導体光素子の発光部の基板からの高さに光導波路のコア部を合わせる必要があるが、その場合には、コア部の高さはコア部の下方のクラッド部の厚さで調整されることとなる。端面発光型半導体光素子を基板上に設置した場合の基板からの発光部の高さは、設置のための半田等の接合材の厚さや端面発光型半導体光素子の発光部の位置にもよるが、おおよそ１〜10μｍ程度である。一方、シングルモード光導波路の場合には、基板の影響が無視できる程度のコア部下方のクラッド部の厚さとしては、６〜10μｍ程度以上は必要であり、クラッド部の厚さの決定に必ずしも十分な自由度があるとは言えない。
【０００７】
また、従来の光導波路基板においては、クラッド部を厚くすると、膜応力のために剥がれやクラックが発生しやすくなる等の問題点もあった。
【０００８】
さらに、光導波路の上に金属配線や光素子を設置するためのパッド等の金属層を形成した場合においても、コア部の上方のクラッド部の厚さが薄く伝搬光のモードフィールドが金属層に染み出しているような場合には、伝搬光が金属層側へ放射したり、金属層で吸収されたりするため、伝搬損失が大きくなるという問題点もあった。
【０００９】
本発明は以上のような従来の技術における問題点を解決すべく案出されたものであり、その目的は、コア部の下方、あるいは上方のクラッド部が薄い場合にも、基板や金属層への光の染み出しによる伝搬損失が生じないようにした光導波路基板を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の光導波路基板は、基板上に、クラッド部とその内部のコア部とからなる光導波路と、前記コア部の下方の前記クラッド部と前記基板との間、および前記コア部の上方の前記クラッド部の表面の少なくとも一方に配置されたエアロゾルシリカ層とが形成されていることを特徴とするものである。
【００１１】
また、本発明の光導波路基板は、上記構成において、前記エアロゾルシリカ層が、シリコンアルコキシドを含有するウェットゲル層を超臨界乾燥処理して形成されたものであることを特徴とするものである。
【００１２】
また、本発明の光導波路基板は、上記各構成において、前記光導波路が、シロキサンポリマから成ることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の光導波路基板によれば、基板上に、クラッド部とその内部のコア部とからなる光導波路と、前記コア部の下方の前記クラッド部と前記基板との間、および前記コア部の上方の前記クラッド部の表面の少なくとも一方に配置されたエアロゾルシリカ層とが形成されていることにより、低屈折率のエアロゾルシリカ層によって光導波路内の伝搬光の閉じ込めが強くなり、すなわちモードフィールドのクラッド部の外への染み出しを小さくすることができる。従って、コア部の下方あるいは上方のクラッド部が薄い場合にも、そのクラッド部と基板との間あるいはクラッド部の表面にエアロゾルシリカ層を配置したことによって、コア部の下方の基板や上方に形成した金属層への光の染み出しによる伝搬損失の発生を抑制することができる。
【００１４】
エアロゾルシリカ層は空孔率が高く、空孔率の増加に伴い屈折率が小さくなるので、屈折率を容易に1.2程度と小さくすることができる。これに対して、光導波路に通常用いられる光学材料の屈折率は、シリカ系のもので1.44程度、ポリマ系では最も小さいフッ素系で1.3程度である。従って、本発明におけるエアロゾルシリカ層はほとんど全ての材料の光導波路に対して有効である。なお、光導波路のクラッド層との屈折率差が大きいほどモードフィールドのクラッド部の外への染み出しを小さくする効果が大きいものとなり、エアロゾルシリカ層の厚さを薄くすることができる。
【００１５】
また、本発明の光導波路基板によれば、エアロゾルシリカ層がシリコンアルコキシドを含有するウェットゲル層を超臨界乾燥処理して形成されたものである場合には、多孔性構造からなるウェットゲルが乾燥する際の表面張力の発生を抑えて多孔性構造を破壊することなく乾燥することができるので、空孔率が高く、従って屈折率が小さいエアロゾルシリカ層を容易に得ることができる。さらに、空孔が小さい場合でも超臨界乾燥によって空孔中の有機溶媒を除去することができ、また、シリコンアルコキシドを加水分解してウェットゲルとする際の種々の条件（例えば、加水分解させるための触媒の種類，反応温度，反応速度等）や、超臨界乾燥の条件によって空孔のサイズを変えることができることから、空孔のサイズを伝搬光の波長に比べて十分小さいものとすることができるため、伝搬光が空孔で散乱されることによる透過率の低下が無視できるようなエアロゾルシリカ層を得ることができる。
【００１６】
さらに、本発明の光導波路基板は、光導波路がシロキサンポリマから成るものであれば、クラッド部のシロキサンポリマがシロキサン結合を形成することによりエアロゾルシリカ層と良好な密着性が得られるものとなる。また、シロキサンポリマの屈折率は1.44程度であり、エアロゾルシリカ層の屈折率と十分大きな差となるので、モードフィールドのクラッド部の外への染み出しを効果的に小さくすることができる。また、シロキサンポリマを用いた場合には、光導波路を容易に低温プロセスで作製することができるので、低膜応力で低複屈折な光導波路を形成することができる。
【００１７】
特に、光導波路を形成するシロキサンポリマがシラノール基を含有するシロキサンポリマ被膜形成用塗液組成物を用いてシラノール基同士を脱水重合させることによって得られるシロキサンポリマであるときには、予めポリマ化されたシロキサンポリマ被膜形成用塗液組成物を脱水重合によって架橋させてさらに高分子化するので、被膜形成の際に大きな体積収縮を伴うことなく、耐熱性，強靭性に優れたシロキサン骨格を有するシロキサンポリマ被膜を得ることができ、この被膜を用いて、耐クラック性，耐熱性，耐湿性に優れた光導波路を作製することができる。また、膜応力が小さいので、空孔率の高いエアロゾルシリカ層の上に光導波路を形成した場合にも、エアロゾルシリカ層の多孔質構造を有効に保つことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の光導波路基板を図面を参照しつつ詳細に説明する。
【００１９】
図１は本発明の光導波路基板の実施の形態の一例を示す断面図である。図１において、１は基板、２および２’はエアロゾルシリカ層、３は光導波路６の下部クラッド層であり、４は光導波路６のコア部、５は光導波路６の上部クラッド層である。また、７は金属層である。下部クラッド層３および上部クラッド層５により光導波路６のクラッド部が構成され、下部クラッド層３，コア部４，上部クラッド層５により光導波路６が構成される。なお、エアロゾルシリカ層２，２’は、コア部４の下方のクラッド部である下部クラッド層３と基板１との間、およびコア部４の上方のクラッド部である上部クラッド層５の表面の少なくとも一方に形成されているものである。
【００２０】
金属層７は、光導波路６の上に金属配線や光素子を設置するためのパッド等となる金属層であり、必要に応じて形成されるものである。
【００２１】
エアロゾルシリカ層２，２’を形成する方法としては、シリコンアルコキシドを有機溶媒に溶解させた溶液をスプレー法，スピンコート法，ディップコート法，ロールコート法，インクジェット法，スクリーン印刷法等によって基板１上あるいは上部クラッド層５上に塗布する。次に、アンモニア等の触媒と水とが混在した蒸気下で加水分解および脱水重合させることによりゲル化してウェットゲル層とする。加水分解および脱水重合させる際の触媒としては、アンモニア，水酸化ナトリウム等のアルカリ触媒や塩酸，硝酸，リン酸等の酸触媒を用いればよいが、酸触媒を用いた場合には比較的重合度の低い直鎖状の重合体が得られるのに対し、アルカリ触媒では比較的重合度の高い３次元的な重合体が得られ多孔質のエアロゲルを得るために適当なウェットゲルとなり好適である。
【００２２】
ウェットゲル層を形成した後、乾燥させることによって多孔質性のエアロゾルシリカ層２，２’が得られる。その際、超臨界乾燥処理を行なって乾燥させれば、湿潤したウェットゲル層の構造を破壊することなく乾燥させることができ、空孔率の高い、すなわち屈折率の小さいエアロゲルシリカ層２，２’を得ることができる。
【００２３】
ここで、超臨界乾燥について説明する。
【００２４】
超臨界流体の機能物質には三態と称される気相（気体），液相（液体），固相（固体）の３つの存在状態がある。物質の相状態を、温度を横軸に、圧力を縦軸にとって表した状態図は、気相と液相との境界を示す蒸気圧曲線と、気相と固相との境界を示す昇華曲線と、固相と液相との境界を示す溶解曲線とからなる。これら３つの相が重なったところが三重点である。この三重点から蒸気圧曲線が高温側に延びると気相と液相が共存する限界である臨界点に達する。この臨界点では気相と液相の密度が等しくなり、気液共存状態の界面が消失する。臨界点以上では気相，液相の区別がないため超臨界流体と呼ばれるものとなる。超臨界流体とは、この臨界温度以上で高密度に圧縮された流体である。溶媒分子の拡散力が支配的である点においては気体と類似しているが、分子の凝集力の影響が無視できない点においては液体と類似しているため、種々の物質を溶解する性質を有している。しかも、温度や圧力により密度を連続的に変化させることができるため、理想気体の状態から液体に匹敵する大きさまで密度を任意に調整することができる。特に、臨界点近傍ではわずかな温度変化および圧力変化で密度の調整が可能である。そして、超臨界流体は、液体に比べ非常に高い浸潤性を有し、微細な構造にも容易に浸透する特徴がある。また、臨界状態から直接気相に転移するように乾燥させることで、気体と液体の界面が存在しないようにして毛管力が働かないようにして、微細構造を破壊することなく乾燥することができる。また、微細構造から特定物質の抽出，除去をするために利用することができる。超臨界乾燥とは、このような超臨界流体を用いて超臨界状態を利用して乾燥することである。これには、溶媒を超臨界状態にした後に乾燥させる方法と、超臨界状態にした超臨界流体で溶媒を置換した後に乾燥させる方法がある。超臨界乾燥を行なう際の超臨界流体としては、二酸化炭素，エタノール，メタノール，プロパノール，ブタノール，メタン，エタン，プロパン，水，アンモニア，メタン，エタン，エチレン，フルオロメタン等を用いることができる。中でも、二酸化炭素は臨界点が温度31.1℃，圧力7.38ＭＰａと比較的低温，低圧であり、容易に超臨界乾燥処理が可能である。
【００２５】
超臨界乾燥を利用して乾燥するには、例えば、ウェットゲル層を形成した後の基板１を超臨界点が比較的低いエタノール中に浸漬させてウェットゲル層内の水を全てエタノールで置換し、このまま高圧容器内に保持して、二酸化炭素の超臨界流体を流通させる。この場合、エタノールと二酸化炭素との二相状態となるが、十分臨界点以上となるような条件、例えば、温度80℃，圧力16ＭＰａの条件で処理する。超臨界二酸化炭素とエタノールとは互いに相溶するので，超臨界二酸化炭素を連続的に流通させることでウェットゲル層内のエタノールをほぼ完全に抽出除去することができる。従って、ウェットゲル層内のアンモニアを含んだ水をエタノールで置換することによってアンモニアの除去を行ない、次に超臨界二酸化炭素でエタノールをほぼ完全に除去することができ、空孔率の高い、すなわち屈折率の小さいエアロゾルシリカ層２，２’を得ることができる。
【００２６】
シリコンアルコキシドとしては、テトラメトキシシランやテトラエトキシシランを用いればよい。金属アルコキシドや金属塩化物の溶媒に用いる有機溶媒としては、アルコール，エーテル，グリコール，アミン等の、金属アルコキシドや金属塩化物が可溶で、混合溶液の粘度調整が容易に行なえるようなものを用いればよい。また、ポリエチレングリコールモノメチルエーテル，ポリ酢酸ビニル，ヒドロキシプロピルセルロース等の高分子を添加した場合には、粘度の調整がより容易になるとともに、厚膜のウェットゲル層を得やすくなる。さらに、加水分解反応や脱水重合反応を促進するための酸触媒やアルカリ触媒、水、基板への濡れ性を良くするための界面活性剤等を加えてもよい。
【００２７】
エアロゾルシリカ層２，２’を形成する際の諸条件を変えることによって、エアロゾルシリカ層２，２’の空孔率は0.95程度までのものが得られる。空孔が無い通常のシリカ層の場合から空孔率が0.95程度の範囲で、エアロゾルシリカ層２，２’の相対密度として１から0.07程度までのものが得られる。相対密度に対するエアロゲルシリカ層の屈折率および破壊応力の例を図２に線図で示す。
【００２８】
図２において、横軸はバルク状シリカを基準としたエアロゲルシリカ層の相対密度（単位：任意単位）を、縦軸は左側が屈折率を、右側が破壊応力（単位：ＭＰａ）を表し、実線はエアロゲルシリカ層の屈折率を示し、破線はエアロゲルシリカ層の破壊応力を示す。図２に示す例から分かるように、相対密度が0.2以下になると急激にエアロゲルシリカ層の破壊応力が小さくなる。エアロゲルシリカ層２，２’の相対密度は小さい方が屈折率が小さくなり、染み出し光が下部クラッド層３から基板１へ、あるいは上部クラッド層５の表面から外部へ放射することによる伝搬損失を低減するという作用効果が良好になるが、その一方で破壊応力も小さくなり、作製プロセス中に多孔質構造が破壊されてしまうことがあるという問題点がある。そのため、実際の使用に際してはエアロゾルシリカ層２，２’の多孔質構造が破壊されないように、エアロゾルシリカ層２，２’の上に形成する光導波路６や金属層７の膜応力よりもエアロゾルシリカ層２，２’の破壊応力が大きいものを用いるようにする。
【００２９】
例えば、光導波路６として膜応力が30ＭＰa程度のフッ素化ポリイミドを用いる場合には、エアロゾルシリカ層２，２’には相対密度が0.6以上のものを用いるのがよい。この場合、エアロゲルシリカ層２，２’の屈折率は1.3程度となるが、1.53程度の屈折率であるフッ素化ポリイミドとの屈折率差が十分大きいので、染み出し光が基板１へ、あるいは上部クラッド層５から外部へ放射することによる伝搬損失を低減するバッファ層として十分な作用効果が得られる。また、後述のシロキサンポリマから成る光導波路６を形成する場合には、10ＭＰａ程度の低応力での形成が可能であるので、エアロゾルシリカ層２，２’には相対密度が0.4程度のものを用いることができる。この場合、エアロゲルシリカ層２，２’の屈折率は1.2程度となるが、1.44程度の屈折率であるシロキサンポリマとの屈折率差は十分大きいので、この場合においても染み出し光が基板１へ、あるいは上部クラッド層５から外部へ放射することによる伝搬損失を低減するという作用効果を十分得ることができる。
【００３０】
本発明の光導波路基板の下部クラッド層３，コア部４および上部クラッド層５を形成する材料としては、光導波路材料としてよく用いられるシリカ，シロキサンポリマ，ポリイミド，フッ素化ポリマ，アクリル系ポリマ，エポキシ系ポリマ，ベンゾシクロブテン等を用いる。シリカを用いる場合には、火炎堆積法等の成膜方法を用いた場合には高熱処理が必要であり、それによりエアロゾルシリカ層２，２’も溶融して多孔質構造が失われてしまうため、スパッタ法や化学気相成長（ＣＶＤ）法等の低温成膜が可能な方法を用いる必要がある。一方、ポリマであれば、低温で簡易に光導波路６の形成が可能である。中でも、アルコキシシランに水を反応させて加水分解し、さらに加熱または常温での放置により部分的に脱水縮合させることにより高分子量化させたシロキサンポリマは、低損失で高信頼性の光導波路６を形成することができるので好適である。
【００３１】
本発明に好適に使用されるアルコキシシランは次の一般式で表わされるものである。
【００３２】
ＲｍＳｉ（ＯＲ’）４−ｍ
ただし、Ｒ，Ｒ’は、それぞれ水素，アルキル基，アリール基，アルケニル基およびそれらの置換体を表わし、同一もしくは異なっていてもよい。また、ｍは０〜３の整数である。
【００３３】
本発明において光導波路６を形成するのに用いるシロキサンポリマの被膜形成方法は、このアルコキシシランを加水分解し縮合させることによって得られるシロキサンポリマを含有するシロキサンポリマ被膜形成用塗液組成物を用いることが好ましく、それにより、シロキサンポリマを合成する際の材料や種々の合成条件によってシロキサンポリマの側鎖や重合度を比較的容易に所望のものにすることができるので、シロキサンポリマの側鎖や重合度の違いによるシロキサンポリマ被膜の耐湿性，耐クラック性，機械特性，透光性等において適正なものを得ることができる。
【００３４】
Ｒは、例えば、水素，メチル基，エチル基，プロピル基等のアルキル基，フェニル基等のアリール基，ビニル基等のアルケニル基，β−（３，４−エポキシシクロヘキシル）エチル基，γ−メタクリロキシプロピル基，γ−グリシドキシプロピル基，γ−クロロプロピル基，γ−メルカプトプロピル基，γ−アミノプロピル基，Ｎ−フェニル−γ−アミノプロピル基，Ｎ−β（アミノエチル）γ−アミノプロピル基，トリフロオロメチル基，３，３，３−トリフルオロプロピル基等の置換アルキル基等が挙げられる。これらの中から１種を、あるいは２種以上を組み合わせて用いることができる。この選択により、得られるシロキサンポリマ被膜の特性を調整することが可能である。特に、被膜の強靭性向上の点からは、Ｒとしては、アルコキシ基を除く、反応性基を有するものであるのが望ましい。このようなＲは、例えば、ビニル基，γ−メタクリロキシプロピル基，γ−グリシドキシプロピル基である。これらを用いることにより、得られるシロキサンポリマ被膜には、シロキサン骨格のみでなくこれら反応基による架橋形成による骨格形成が行なわれるので、被膜の強靭性を向上させることができる。
【００３５】
Ｒ’は、例えば、水素，メチル基，エチル基，ｎ−プロピル基，ｉ−プロピル基ｎ−ブチル基，ｓｅｃ−ブチル基，ｔ−ブチル基等のアルキル基，フェニル基等のアリール基，アセチル基，β−メトキシエトキシ基等の置換アルキル基等が挙げられる。
【００３６】
これらのアルコキシシランの具体例としては、テトラヒドロキシシラン，テトラメトキシシラン，テトラエトキシシラン，メチルトリメトキシシラン，メチルトリエトキシシラン，フェニルトリメトキシシラン，フェニルトリエトキシシラン，ビニルトリメトキシシラン，ビニルトリエトキシシラン，γ−メタクリロキシプロピルトリメトキシシラン，γ−メタクリロキシプロピルトリエトキシシラン，γ−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン，γ−グリシドキシプロピルトリエトキシシラン，ジメチルジメトキシシラン，ジメチルジエトキシシラン，ジフェニルジメトキシシラン，ジフェニルジエトキシシラン，γ−メタクリロキシプロピルメチルジエトキシシラン，γ−グリシドキシプロピルメチルジエトキシシラン，トリフルオロメチルトリメトキシシラン，トリフルオロメチルトリエトキシシランを挙げることができる。これらのアルコキシシランは単独で、または２種以上を混合して用いることができる。これらはシロキサン骨格を形成するとともにその側鎖基となり、シロキサンポリマの耐湿性，耐クラック性，機械特性，透光性等の諸特性に影響するものとなるので、所望の特性に応じてこれらを選択すればよい。
【００３７】
これらのアルコキシシランの加水分解および縮合反応は無溶媒で行なってもよいが、通常は有機溶媒中で行なわれる。例えば、メタノール，エタノール，プロパノール，ブタノール，３−メチル−３−メトキシブタノール等のアルコール類，エチレングリコール，プロピレングリコール等のグリコール類，エチレングリコールモノメチエーテル，プロピレングリコールモノメチルエーテル，プロピレングリコールモノブチルエーテル，ジエチルエーテル等のエーテル類，メチルイソブチルケトン，ジイソブチルケトン等のケトン類，ジメチルホルムアミド，ジメチルアセトアミド等のアミド類，エチルアセテート，エチルセロソルブアセテート，３−メチル−３−メトキシブチルアセテート等のアセテート類，トルエン，キシレン，ヘキサン，シクロヘキサン等の芳香族あるいは脂肪族炭化水素のほか、Ｎ−メチル−２−ピロリドン，γ−ブチロラクトン，ジメチルスルホキシドを挙げることができる。
【００３８】
本発明のシロキサンポリマ被膜形成方法においては、これらの溶媒は必ずしも除去される必要はなく、最終的に得られる塗液の溶剤を兼用することができる。従って、得られる塗液の塗布性向上の点からは、沸点100〜300℃の液体を用いることが好ましい。
【００３９】
溶媒の量は任意に選択可能であるが、アルコキシシラン１質量部に対して、0.1〜10質量部の範囲で用いるのが好ましい。
【００４０】
加水分解および部分縮合反応をさせるために用いる水としてはイオン交換水が好ましく、その量は、アルコキシシラン１モルに対して、１〜４倍モルの範囲で用いるのが好ましい。
【００４１】
また、加水分解および縮合反応をさせるために、必要に応じて触媒を用いることができる。用いる触媒としては、塩酸，硫酸，酢酸，トリフルオロ酢酸，リン酸，硼酸，ｐ−トルエンスルホン酸，イオン交換樹脂等の酸触媒，トリエチルアミン，ジエチルアミン，トリエタノールアミン，ジエタノールアミン，水酸化ナトリウム，水酸化カリウム等の塩基触媒が挙げられるが、得られる被膜の強靭性向上の点からは酸触媒を用いることが好ましい。
【００４２】
この触媒の量は、アルコキシシラン１質量部に対して、0.001〜0.1質量部の範囲で用いるのが好ましい。0.1質量部を超えると、塗液の保存安定性、および塗液の塗布後の平坦性が損なわれる傾向がある。また、0.001質量部より少ない場合では、低重合度ポリマしか得られず塗布性が損なわれる傾向がある。
【００４３】
加水分解および部分縮合の反応温度は、通常は凝固点から沸点の範囲で選択されるが、沸点以上の温度で、副生する低沸点アルコールおよび水を留去させながら反応を進行させることが、塗布性および保存安定性の点から好ましい。また、反応温度は、通常は凝固点から沸点の範囲で選択される。なお、反応雰囲気は、窒素雰囲気下とするのが好ましい。
【００４４】
本発明のシロキサンポリマ被膜形成方法によりシロキサンポリマを合成する際には、アルコキシシランを全て一度に混合した後に全体的に加水分解反応させたり、それぞれのアルコキシシランを部分的に加水分解させた後にそれらを混合して加水分解を進めたりする等、種々の異なった反応の方法を採用することによって、また反応時間，反応温度等を変えることによって、種々の分子量を有するシロキサンポリマを得ることができる。そして、本発明のシロキサンポリマの分子量分散（Ｍｗ／Ｍｎ）としては、重量平均分子量が10万未満で、かつ重量平均分子量（Ｍｗ）に対する数平均分子量（Ｍｎ）の比、つまり分子量分散（Ｍｗ／Ｍｎ）が25以下である場合には、得られるシロキサンポリマ被膜が十分な強靱性を持ち、耐クラック性に優れたものとなる。ここで、分子量測定はゲルパーミエーションクロマトグラフィにより行ない、ウォーターズ社製Model−510を用いた。測定条件としては、カラムとして昭和電工（株）製ＫＦ−804Ｌ，ＫＦ−803，ＫＦ−802の３本直列つなぎを使用し、カラム温度は40℃とし、溶媒としてテトラヒドロフランを用い、流速は0.8ｍｌ／分とし、また、分子量基準として単分散ポリスチレンを用いた。より好適な分子量分散（Ｍｗ／Ｍｎ）の範囲としては22以下であることが、さらにより好適な範囲としては15から20であることが望ましい。なお、分子量測定は測定条件で大きく変化することに留意すべきである。
【００４５】
本発明で用いるシロキサンポリマ被膜形成用塗液組成物においては、本発明のシロキサンポリマを、有機溶媒、好ましくは沸点100℃以上の有機溶剤を溶剤として用いた溶液状態で用いる。溶剤には、シロキサンポリマを合成した際の反応溶媒をそのまま溶剤として用いることもできる。また、必要に応じて、反応後に塗布性向上等のために溶剤置換を行なうことや、濃度調整のために溶剤の添加あるいは除去を行なうことも可能である。このときの溶剤としては、シロキサンポリマの合成に用いることができる溶媒として前述した溶剤を単独で、あるいは２種以上を混合して用いることができる。
【００４６】
さらに、本発明で用いるシロキサンポリマ被膜形成用塗液組成物には、必要に応じて、膜硬化剤，粘度調整剤，界面活性剤，安定化剤，着色剤，ガラス質形成剤等を添加することができる。
【００４７】
本発明のシロキサンポリマ被膜形成方法により基板上に形成したシロキサンポリマ被膜を得る際のシロキサンポリマ被膜形成用塗液組成物を塗布する方法としては、本発明で用いるシロキサンポリマ被膜形成用塗液組成物をスピンコート，ディッピングコート，スプレーコート，スクリーン印刷等の公知の方法によって、基板上に塗布し、乾燥すればよい。乾燥は、オーブンやホットプレートを用いて50〜150℃の範囲で30秒〜30分間行なえばよい。乾燥後の膜厚は、１〜20μｍとするのが好ましい。その後、この塗液組成物による膜を加熱硬化する。加熱硬化は、オーブンやホットプレートを用いて150〜300℃の範囲で、より好ましくは150℃〜220℃の範囲で10分〜４時間行なうのが好ましい。また、加熱硬化は窒素雰囲気中で行なうことが好ましい。一度の被膜形成で膜厚が20μｍを超えるような場合には、シロキサンポリマ被膜にしわやクラックが生じたり、急激な溶媒の蒸発により被膜の表面が荒れたりすることがあるので、20μｍを超えるような場合には数回に分けて積層形成するのがよい。
【００４８】
本発明のシロキサンポリマ被膜形成方法により形成されたシロキサンポリマ被膜は、被膜形成時の体積収縮が小さいため、表面平坦化性に優れたものである。例えば、幅が10μｍで高さが10μｍの凸構造を有する基板の表面に厚さ15μｍのシロキサンポリマ被膜を形成した場合には、被膜の表面の段差は0.3μｍ以下となり、優れた表面平坦化性を示すものである。
【００４９】
次に、本発明のシロキサンポリマ被膜形成方法によるシロキサンポリマ被膜を用いた光導波路の作製方法を説明する。
【００５０】
まず、本発明のシロキサンポリマ被膜形成方法で用いるシロキサンポリマ被膜形成用塗液組成物を基板１上に塗布した後、加熱処理を行なってシロキサンポリマ被膜から成る下部クラッド層３を形成する。
【００５１】
次に、コア部４となるコア層を積層形成する。このコア層としては、本発明のシロキサンポリマ被膜形成方法で用いるシロキサンポリマ被膜形成用塗液組成物に金属アルコキシド、例えばテトラｎブトキシチタンを適量混合した溶液を下部クラッド層３の上に塗布した後、加熱処理を行なって得られる、金属を含有したシロキサンポリマ被膜を用いればよい。これによれば、シロキサンポリマ中の金属含有量の制御によって、クラッド部３，５とコア部４との間で所望の屈折率差を有する光導波路６を容易に作製することができる。本発明の光導波路６を形成するのに好適なシロキサンポリマ被膜形成方法で用いるシロキサンポリマ被膜形成用塗液組成物に混合する金属アルコキシドの量としては、所望の屈折率となるような混合量を予め実験等により把握しておき、製作すべき光導波路６の屈折率構造に応じて所望の屈折率となるように混合量を決定すればよい。
【００５２】
例えば、テトラｎブトキシチタンをシロキサンポリマ被膜形成用塗液組成物に混合して用いる場合には、シロキサンポリマ固形分に対するテトラｎブトキシチタンの質量比を0.065〜0.65の範囲にとれば屈折率が0.2％〜２％程度増加するので、コア部４とクラッド部３，５との屈折率差が0.2％〜２％である通常の光導波路６を作製するのに使用できる。
【００５３】
次に、フォトリソグラフィやＲＩＥ（Reactive Ion Etching）等の周知の薄膜微細加工技術を用いてコア層に対して加工を施し、所定の形状でコア部４を形成する。その後、下部クラッド層３の形成と同様にして、シロキサンポリマ被膜による上部クラッド層５をコア部４が形成された表面上に形成する。
【００５４】
コア部４の高さ，幅，屈折率、下部クラッド層３および上部クラッド層５の厚さ，屈折率は、所望の光導波路特性が得られるように周知の光導波路理論やシミュレーションや実験等から決定すればよい。
【００５５】
本発明の光導波路基板において光導波路６を形成する基板１は、光導波路６が形成される支持基板として使用されるものであり、光集積回路基板や光電子混在基板等の光信号を扱う基板として使用される種々の基板、例えばシリコン基板やアルミナ基板，ポリイミド基板，ガラスセラミック基板，多層セラミック基板，薄膜多層セラミック基板，プラスチック電気配線基板等が使用できる。
【００５６】
なお、下部クラッド層３および上部クラッド層５に用いるシロキサンポリマにも上記と同様の金属を含有させてもよい。
【００５７】
また、コア部４およびクラッド部３，５の屈折率を制御するには、金属を添加する他に、例えばシロキサンポリマの組成を変化させて屈折率を制御してもよい。
【００５８】
次に、本発明の光導波路６を形成するのに好適なシロキサンポリマ被膜形成方法の第２の工程で用いる酸溶液の酸としては、塩酸，リン酸，硫酸，トリフルオロ酢酸，硼酸，ｐ−トルエンスルホン酸，酢酸，クエン酸等の有機酸等を用いればよい。また、酸溶液の溶媒としては、水やアルコール等の前述のシロキサンポリマ被膜形成用塗液組成物に含むことができる有機溶媒を用いればよい。また、酸溶液の濃度としては、処理の効果を実際に確認して適当な条件を決定すればよいが、１体積％〜30体積％の範囲のものが適当である。
【００５９】
また、酸溶液に浸漬する時間としては、酸の種類，溶液の濃度，シロキサンポリマ被膜の厚さや溶液の温度，処理の効果等から適当な時間を決定すればよいが、30分〜24時間程度の浸漬時間が適当である。30分よりも短い場合には、十分な効果が得られないことがある。また、24時間以上の浸漬は未実施であるが、24時間までは被膜にクラックやしわが入る等の弊害は確認されていないものの、長時間の処理は生産性を下げることになるので避けるべきであろう。
【００６０】
また、シロキサンポリマを用いて本発明の光導波路基板における光導波路６を製作する場合は、下部クラッド層３，コア部４および上部クラッド層５を形成する都度、前述のシロキサンポリマ被膜形成方法における第２の工程の酸溶液浸漬処理を行なってもよいし、酸溶液浸漬処理を各層の形成毎に行なわずに、上部クラッド層５を形成した後に一度だけ酸溶液浸漬処理を行なってもよい。
【００６１】
シロキサンポリマ以外の材料を用いた光導波路６を作製する場合にも、シロキサンポリマの場合と同様に、下部クラッド層３，コア部４，上部クラッド層５の成膜と、フォトリソグラフィやエッチング等によるコア部４の加工とを行なえばよい。
【００６２】
本発明におけるエアロゾルシリカ層２，２’の厚さとしては、ビーム伝搬法や有限要素法等の光導波路解析手法や実験等によって、モードフィールドの下部クラッド層３の下方や上部クラッド層５の上方へ染み出した光がコア部４の下方の基板１や上方に形成した金属層７で吸収や放射されることによる伝搬損失が十分小さくなるように、光導波路６の下部クラッド層３，コア部４，上部クラッド層５の厚さ，屈折率、およびエアロゾルシリカ層２，２’の厚さ，屈折率を、先述の破壊応力を考慮しつつ適当な範囲に決定すればよい。
【００６３】
図３は本発明の光導波路基板におけるエアロゾルシリカ層２，２’の屈折率と厚さとの適当な関係を示す線図である。シリコン基板１上にエアロゾルシリカ層２を形成し、さらにその上にシロキサンポリマ光導波路６を形成した場合において、染み出し光が基板１へ放射することによる伝搬損失が0.1ｄＢ／ｃｍ以下となるようなエアロゾルシリカ層２の厚さを、ビーム伝搬法によるシミュレーションを行なって求めたものである。シロキサンポリマ光導波路６は屈折率が1.441の下部クラッド層３および上部クラッド層５と、屈折率が1.4468のコア部４とからなるものとした。下部クラッド層３の厚さとして、５μｍの場合と、下部クラッド層３がない場合とを想定した。屈折率が1.441の下部クラッド層３のみで伝搬損失を0.1ｄＢ／ｃｍ以下に抑えるためには、８μｍ（図３中の下部クラッド層３の厚さが５μｍで、屈折率が1.441のエアロゾルシリカ層２の厚さが３μｍであるとき）の厚さが必要であるのに対して、屈折率が1.2のエアロゾルシリカ層２を0.6μｍの厚さで形成すれば、下部クラッド層３がない（下部クラッド層３の厚さが０μｍ）の場合でも伝搬損失を0.1ｄＢ／ｃｍ以下に抑えることができ、コア部４の下方の下部クラッド層３の厚さを低減できることが分かる。
【実施例１】
【００６４】
次に、本発明の光導波路基板の具体例を、シロキサンポリマから成る光導波路を作製した例について説明する。
【００６５】
アルコキシシランとして、メチルトリメトキシシラン７モル／ジメチルジメトキシシラン３モル／フェニルトリメトキシシラン２モルと、溶媒としてプロピレングリコールモノメチルエーテル1.5ｋｇ、触媒として塩酸0.1モル、水33モルを原料として、混合し、加水分解させて、シロキサンポリマを合成した。途中、130℃のオイルバスで加熱し、低沸点物を留出させながら反応させた。得られた溶液に対しプロピレングリコールモノメチルエーテルを用いて、シロキサンポリマ固形分濃度を35質量％に調整したシロキサンポリマ被膜形成用塗液を得た。このシロキサンポリマは質量平均分子量（Ｍｗ）が約55400、分子量分散（Ｍｗ／Ｍｎ）が17.3であった。ここで、分子量測定はゲルパーミエーションにより行ない、ウォーターズ社製Ｍｏｄｅｌ−510を用いた。測定条件としては、カラムとして昭和電工（株）製ＫＦ−804Ｌ，ＫＦ−803，ＫＦ−802の３本直列つなぎ、カラム温度40℃、溶媒としてテトラヒドロフラン、流速0.8ｍｌ／分、また、分子量基準として単分散ポリスチレンを用いた。
【００６６】
一方、テトラメトキシシランとポリエチレングリコールとエタノールとを適当な粘度が得られるように混合した溶液をシリコン基板表面にスピンコート法により塗布した。次いで、この基板をアンモニア水蒸気で満たされた容器内で放置して加水分解および脱水重合反応によるゲル化を行ない、ウェットゲル層を形成した。その後，基板をエタノール中に浸漬させてウェットゲル層内の水を全てエタノールで置換した。このエタノールに浸漬させた状態の薄膜を、温度80℃，圧力16ＭＰａの条件下の高圧容器内で二酸化炭素の超臨界流体を流通させて湿潤ゲル膜内のエタノールを完全に抽出除去した後、乾燥して、厚さ0.5μｍのエアロゾルシリカ層を有する基板を作製した。このエアロゾルシリカ層の波長1.3μｍの光に対する屈折率は1.24であった。
【００６７】
次に、この塗液をこのエアロゾルシリカ層を形成したシリコン基板上にスピンコート法により塗布し、100℃／30分の加熱処理と、続いて窒素雰囲気中で200℃／４時間の加熱処理とを行ない、厚さ約５μｍのシロキサンポリマ被膜から成る下部クラッド層を形成した。次に、シロキサンポリマ被膜形成用塗液組成物にシロキサンポリマ固形分に対する質量比として0.16のテトラｎブトキシチタンを混合した溶液を同基板にスピンコータで塗布し、120℃／30分の加熱処理と、続いて窒素雰囲気中で200℃／４時間の加熱処理とを行ない、厚さ６μｍのシロキサンポリマ被膜から成るコア層を形成した。
【００６８】
次に、スパッタリング法によって厚さ0.3μｍのＡｌ膜を形成し、フォトリソグラフィおよびエッチング処理を行なって、コア部の元パターンとなる幅約６μｍのストライプ状のＡｌパターンを形成した。次に、このＡｌパターンをマスクとしてコア層に対してＣＦ４ガスによるＲＩＥ加工を施し、断面形状が約６μｍ角のコア部を形成した。次いで、Ａｌパターンをアルカリ水溶液で除去した後、下部クラッド層を形成したのと同じシロキサンポリマ被膜形成用塗液組成物をスピンコータで塗布し、100℃／30分の加熱処理と、続いて窒素雰囲気中で200℃／４時間の加熱処理とを行ない、コア部上方の厚さが５μｍとなるようなシロキサンポリマ被膜から成る上部クラッド層を被覆形成して本発明の光導波路基板を得た。このクラッド部およびコア部の波長1.3μｍの光に対する屈折率は、それぞれ1.4468および1.441であった。
【００６９】
この光導波路基板を用いて、波長1.3μｍのレーザ光を用いて光導波路の伝搬損失を測定したところ、0.2ｄＢ／ｃｍであった。これは、下部クラッド層を10μｍとして同様に作製した光導波路の伝搬損失と同程度のものであった。
【実施例２】
【００７０】
次に、本発明の光導波路基板の別の具体例を、シロキサンポリマから成る光導波路を作製した例について説明する。
【００７１】
実施例１で使用したのと同じシロキサンポリマ用の塗液を、同じく実施例１と同様にしてエアロゾルシリカ層を形成したシリコン基板上にスピンコート法により塗布し、100℃／30分の加熱処理と、続いて窒素雰囲気中で200℃／４時間の加熱処理とを行ない、厚さ約５μｍのシロキサンポリマ被膜から成る下部クラッド層を形成した。次に、シロキサンポリマ被膜形成用塗液組成物にシロキサンポリマ固形分に対する質量比として0.16のテトラｎブトキシチタンを混合した溶液を同基板にスピンコータで塗布し、120℃／30分の加熱処理と、続いて窒素雰囲気中で200℃／４時間の加熱処理とを行ない、厚さ６μｍのシロキサンポリマ被膜から成るコア層を形成した。
【００７２】
次に、スパッタリング法によって厚さ0.3μｍのＡｌ膜を形成し、フォトリソグラフィおよびエッチング処理を行なって、コア部の元パターンとなる幅約６μｍのストライプ状のＡｌパターンを形成した。次に、このＡｌパターンをマスクとしてコア層に対してＣＦ４ガスによるＲＩＥ加工を施し、断面形状が約６μｍ角のコア部を形成した。次いで、Ａｌパターンをアルカリ水溶液で除去した後、下部クラッド層を形成したのと同じシロキサンポリマ被膜形成用塗液組成物をスピンコータで塗布し、100℃／30分の加熱処理と、続いて窒素雰囲気中で200℃／４時間の加熱処理とを行ない、コア部上方の厚さが５μｍとなるようなシロキサンポリマ被膜から成る上部クラッド層を被覆形成した。クラッド部およびコア部の波長1.3μｍの光に対する屈折率は、それぞれ1.4468および1.441であった。
【００７３】
次に、上部クラッド層の上に、テトラメトキシシランとポリエチレングリコールとエタノールとを適当な粘度が得られるように混合した溶液をシリコン基板表面にスピンコート法により塗布した。次いで、この基板をアンモニア水蒸気で満たされた容器内で放置して加水分解および脱水重合反応によるゲル化を行ないウェットゲル層を形成した。その後、基板をエタノール中に浸漬させてウェットゲル層内の水を全てエタノールで置換した。このエタノールに浸漬させた状態の薄膜を、温度80℃，圧力16ＭＰａの条件下の高圧容器内で二酸化炭素の超臨界流体を流通させて湿潤ゲル膜内のエタノールを完全に抽出除去した後、乾燥して、厚さが0.5μｍであり、波長1.3μｍの光に対する屈折率が1.24のエアロゾルシリカ層を形成した。
【００７４】
さらに、このエアロゾルシリカ層の表面に電子ビーム蒸着法を用いて厚さ0.03μｍのクロム層と厚さ0.2μｍの金層とを順次積層した。
【００７５】
この光導波路基板を用いて、波長1.3μｍのレーザ光を用いて光導波路の伝搬損失を測定したところ、0.2ｄＢ／ｃｍであった。
(比較例１)
【００７６】
次に、比較例として、エアロゾルシリカ層を形成しない場合の光導波路基板を作製した。ここでは、シリコン基板表面に実施例１と同様の光導波路を形成した。
【００７７】
この光導波路基板を用いて、波長1.3μｍのレーザ光を用いて光導波路の伝搬損失を測定したところ、２ｄＢ／ｃｍであった。
(比較例２)
【００７８】
次に、比較例として、エアロゾルシリカ層を形成しない場合の光導波路基板を作製した。ここでは、シリコン基板表面に実施例２と同様の光導波路を形成した。
【００７９】
この光導波路基板を用いて、波長1.3μｍのレーザ光を用いて光導波路の伝搬損失を測定したところ、３ｄＢ／ｃｍであった。
【００８０】
なお、本発明は以上の実施の形態の例に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えることは何ら差し支えない。例えば、エアロゾルシリカ層は、コア部の下方のクラッド部と基板との間、およびコア部の上方のクラッド部の表面の少なくとも一方に、伝搬損失を低減させたい部位に配置されていれば、必ずしも全てのコア部の下方あるいは上方になくてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００８１】
【図１】本発明の光導波路基板の実施の形態の一例を示す断面図である。
【図２】本発明の光導波路基板に用いられるエアロゲルシリカ層の相対密度に対する屈折率および破壊応力の例を示す線図である。
【図３】本発明の光導波路基板に用いられるエアロゾルシリカ層の屈折率と膜厚との適当な関係を示す線図である。
【符号の説明】
【００８２】
１・・・基板
２，２’・・・エアロゾルシリカ層
３・・・下部クラッド層（クラッド部）
４・・・コア部
５・・・上部クラッド層（クラッド部）
６・・・光導波路
７・・・金属層
【図１】
2005202232.tif 000003
【図２】
2005202232.tif 000004
【図３】
2005202232.tif 000005