(57)【要約】リソグラフィー的に形成され、および低伝搬損失を有するポリマー材料を用いるシングルモード光導波路。該光導波路は基板（２）、基板の表面上に配置され、屈折率ｎbを有するポリマー性バッファ層（４）、クラッド層の表面上に直接的に配置され、屈折率ｎcを有するパターニングされ、光透過性であるコア層（８）、およびコアの上部表面、コアの側壁およびバッファ層の露出部分の上の屈折率ｎoを有する上部クラッド層（１０）と有し、ｎb＜ｎo＜ｎcかつΔｎ＝ｎc−ｎoである。
2004534262.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に製作されるシングルモード光導波路であって、該基板は表面を画定し、該シングルモード光導波路は、
該基板の表面上に配置されるポリマー性バッファ層であって、該ポリマー性バッファ層は表面を画定し、および屈折率ｎbを有するポリマー性バッファ層と；
該バッファ層の表面上に直接的に配置されるパターニングされ光透過性であるコア層であって、該パターニングされ光透過性であるコア層は表面および一対の側壁を画定し、該パターニングされ光透過性であるコア層は屈折率ｎcを有するパターニングされ光透過性であるコア層と；
該コアの上面、該コアの側壁および該バッファ層上に配置される上部クラッド層であって、該上部クラッド層は、ｎb＜ｎo＜ｎcかつΔｎ＝ｎc−ｎoであるような屈折率ｎoを有し、ここでΔｎの値が光通信波長におけるシングルモード導波路を生じさせる上部クラッド層と
を含むことを特徴とするシングルモード光導波路。
【請求項２】
該コアが断面幅および断面高さを有し、および該コアの断面幅および断面高さはΔｎの値とともに、１３００ｎｍより長波長である全ての光通信波長において該導波路がシングルモードであるように選択されることを特徴とする請求項１に記載のシングルモード光導波路。
【請求項３】
該コアが断面幅および断面高さを有し、および該コアの断面幅および断面高さはΔｎの値とともに、１５２０ｎｍより長波長である全ての光通信波長において該導波路がシングルモードであるように選択されることを特徴とする請求項１に記載のシングルモード光導波路。
【請求項４】
該パターニングされ光透過性であるコア層の屈折率ｎcおよび該ポリマー性バッファ層の屈折率ｎbの差が少なくともΔｎの１．５倍であることを特徴とする請求項１に記載のシングルモード光導波路。
【請求項５】
ｎcおよびｎbの差が少なくともΔｎの２倍であることを特徴とする請求項１に記載のシングルモード光導波路。
【請求項６】
ｎcおよびｎbの差が少なくともΔｎの３倍であることを特徴とする請求項１に記載のシングルモード光導波路。
【請求項７】
該ポリマー性バッファ層の厚さは少なくとも約３μｍであることを特徴とする請求項１に記載のシングルモード光導波路。
【請求項８】
Δｎは約０．００３１から約０．０７９までの範囲内で変動することを特徴とする請求項１に記載のシングルモード光導波路。
【請求項９】
該パターニングされ光透過性であるコア層が、それぞれ約２μｍから約１０μｍまでの範囲内で変動する断面幅および高さを有することを特徴とする請求項１に記載のシングルモード光導波路。
【請求項１０】
該パターニングされ光透過性であるコア層が、それぞれ約２μｍから約１０μｍまでの範囲内で変動する断面幅および高さを有し、該断面幅は該高さの約２倍以下であり、および該高さは該断面幅の約２倍以下であることを特徴とする請求項１に記載のシングルモード光導波路。
【請求項１１】
該パターニングされ光透過性であるコア層が、それぞれ約６μｍから約８μｍまでの範囲内で変動する断面幅および高さを有することを特徴とする請求項１に記載のシングルモード光導波路。
【請求項１２】
該パターニングされ光透過性であるコア層が、断面幅および断面高さを有し、該断面幅は該断面高さとほぼ等しく、および該断面幅および該断面高さは約２μｍ、約４μｍ、約５μｍ、約６μｍ、約７μｍ、約８μｍおよび約１０μｍからなる群からそれぞれ選択されることを特徴とする請求項１に記載のシングルモード光導波路。
【請求項１３】
該パターニングされ光透過性であるコア層が、高さおよび幅を有し、および該パターニングされ光透過性であるコア層は、該幅および該高さのそれぞれにおいてシングルモードであることを特徴とする請求項１に記載のシングルモード光導波路。
【請求項１４】
該パターニングされ光透過性であるコア層の一対の側壁のそれぞれと、該上部クラッド層との間の側部界面領域であって、屈折率ｎsを有する側部界面領域をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のシングルモード光導波路。
【請求項１５】
該パターニングされ光透過性であるコア層が床部を画定し、該シングルモード光導波路が、
該パターニングされ光透過性であるコア層の床部と、該ポリマー性バッファ層との間の床部界面領域であって、屈折率ｎfを有する床部界面領域
をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のシングルモード光導波路。
【請求項１６】
該パターニングされ光透過性であるコア層が床部を画定し、該シングルモード光導波路が、
該パターニングされ光透過性であるコア層の一対の側壁のそれぞれと該上部クラッド層との間の側部界面領域であって、屈折率ｎsを有する側部界面領域と；
該パターニングされ光透過性であるコア層の床部と、該ポリマー性バッファ層との間の床部界面領域であって、屈折率ｎfを有する床部界面領域と
をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のシングルモード光導波路。
【請求項１７】
ｎsはｎfとほぼ等しいことを特徴とする請求項１６に記載のシングルモード光導波路。
【請求項１８】
該パターニングされ光透過性であるコア層の一対の側壁のそれぞれと、該ポリマー性バッファ層との間の側部界面領域であって、該パターニングされ光透過性であるコア層の一対の側壁の隣接する１つに最も近い該側部界面領域の部分における約ｎcから、該上部クラッド層に最も近い該側部界面領域の部分における約ｎoまで減少する、傾斜した屈折率ｎsを有する側部界面領域
をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のシングルモード光導波路。
【請求項１９】
該パターニングされ光透過性であるコア層が床部を画定し、該シングルモード光導波路が、
該パターニングされ光透過性であるコア層の床部と、該ポリマー性バッファ層との間の側部界面領域であって、該パターニングされ光透過性であるコア層の床部に最も近い該床部界面領域の部分における約ｎcから、該ポリマー性バッファ層に最も近い該床部界面領域の部分における約ｎuまで減少する、傾斜した屈折率ｎfを有する床部界面領域
をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のシングルモード光導波路。
【請求項２０】
該パターニングされ光透過性であるコア層が床部を画定し、該シングルモード光導波路が、
該パターニングされ光透過性であるコア層の一対の側壁のそれぞれと、該上部クラッド層との間の側部界面領域であって、該パターニングされ光透過性であるコア層の一対の側壁の隣接する１つに最も近い該側部界面領域の部分における約ｎcから、該上部クラッド層に最も近い該側部界面領域の部分における約ｎoまで減少する、傾斜した屈折率ｎsを有する側部界面領域と；
該パターニングされ光透過性であるコア層の床部と、該ポリマー性バッファ層との間の側部界面領域であって、該パターニングされ光透過性であるコア層の床部に最も近い該床部界面領域の部分における約ｎcから、該ポリマー性バッファ層に最も近い該床部界面領域の部分における約ｎuまで減少する、傾斜した屈折率ｎfを有する床部界面領域と
をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のシングルモード光導波路。
【請求項２１】
該傾斜した屈折率ｎsは該傾斜した屈折率ｎｆとほぼ整合することを特徴とする請求項２０に記載のシングルモード光導波路。
【請求項２２】
請求項１に記載の導波路と；
該上部クラッド層の上部表面上に配置されるヒータと
を含むことを特徴とするミクロ光電子装置。
【請求項２３】
請求項１に記載の導波路と；
該ポリマー性バッファ層、該パターニングされ光透過性であるコア層または該上部クラッド層の少なくとも１つの中にパターニングされた表面レリーフ回折格子または体積回折格子と
を含むことを特徴とするミクロ光電子装置。
【請求項２４】
基板上にシングルモード光導波路を形成するための方法であって、該基板は表面を画定し、
該基板の表面上にポリマー性バッファ層を堆積させる工程であって、該ポリマー性バッファ層は表面を画定し、および屈折率ｎbを有する工程と；
いかなる中間層を用いることもなしに、該バッファ層の表面上に直接的にパターニングされ光透過性であるコア層を堆積させる工程であって、該パターニングされ光透過性であるコア層は上部表面および一対の側壁を画定し、該パターニングされ光透過性であるコア層は屈折率ｎcを有する工程と；
該コアの上部表面、該コアの側壁および該バッファ層の一部の上に、上部クラッド層を堆積させる工程であって、該上部クラッド層は、ｎb＜ｎo＜ｎcかつΔｎ＝ｎc−ｎoであるような屈折率ｎoを有する工程と
を含むことを特徴とする基板上にシングルモード光導波路を形成するための方法。
【請求項２５】
基板上にシングルモード光導波路を形成するための方法であって、該基板は表面を画定し、
該基板の表面上にポリマー性バッファ層を堆積させる工程であって、該ポリマー性バッファ層は表面を画定し、および屈折率ｎbを有する工程と；
いかなる中間層を用いることもなしに、該バッファ層の表面上に直接的にコア層を堆積させる工程であって、該コア層は屈折率ｎcを有する光透過性材料から製作される工程と；
該コア層をパターニングして、上部表面および一対の側壁を画定し、該バッファ層の一部を露出させる工程と；
該コアの上面、該コアの側壁および該バッファ層の露出された部分の上に、上部クラッド層を堆積させる工程であって、該上部クラッド層は、ｎb＜ｎo＜ｎcかつΔｎ＝ｎc−ｎoであり、ここでΔｎの値は光通信波長におけるシングルモード光導波路を製造するような屈折率ｎoを有する工程と
を含むことを特徴とする基板上にシングルモード光導波路を形成するための方法。
【請求項２６】
基板上にシングルモード光導波路を形成するための方法であって、該基板は表面を画定し、
該基板の表面上にポリマー性バッファ層を堆積させる工程であって、該ポリマー性バッファ層は表面を画定し、および屈折率ｎbを有する工程と；
いかなる中間層を用いることもなしに、該バッファ層の表面上に直接的に感光性コア層を堆積させる工程であって、該感光性コア層は上部表面を画定し、該感光性コア層は屈折率ｎcを有する工程と；
化学線に対して、該光透過性コア層を暴露する工程と；
該感光性コア層を現像して該感光性コア層の非画像区域を除去し、かつ該感光性コア層の画像区域を除去せず、そのようにして、該ポリマー性バッファ層上に一つの側壁を有するパターニングされ光透過性である光導波路コアを形成し、該ポリマー性バッファ層の暴露された部分を部分的に露わにする工程と；
該パターニングされ光透過性である光導波路コアの上部表面、該パターニングされ光透過性である光導波路コアの一対の側壁および該バッファ層の露出された部分の上に、上部クラッド層を堆積させる工程であって、該上部クラッド層は、ｎb＜ｎo＜ｎcかつΔｎ＝ｎc−ｎoである屈折率ｎoを有する工程と
を含むことを特徴とする基板上に光導波路を形成するための方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、平面型すなわち「一体型」の光導波路に関し、および特に、有機およびポリマー材料を用いてリソグラフィーにより形成されたシングルモードの光導波路に関する。
【背景技術】
【０００２】
多層光導波路構造は、光ファイバー通信システム内の光信号をルーティングおよび制御するのに用いられる一体型の光回路を構築するのに用いられる。光通信システムにおいて、メッセージは、レーザおよび発光ダイオードのような源を用いて生成される搬送波によって赤外光学波長において送信される。これらの光通信システムは興味深いものである。なぜなら、それら光通信システムは、銅線または同軸ケーブルを用いる電子的通信システムに優るいくつかの利点を提供するからである。それらは、電子的システムよりもメッセージを高速に送信する能力と同様に、非常に多くの数の通信チャネルを有する。
【０００３】
本発明は、光送信可能な光導波路装置の形成に関連する。光導波路の動作は、光に透明であるコア媒質がより低い屈折率を有する別のクラッド媒質に囲まれるか、または別の方法で結合されるときに、コア媒質の軸に沿って導入される光が周囲にあるクラッド媒質との境界において高度に屈折され、そのようにして光導波効果を発生させるという事実に基づく。
【０００４】
光回路または光ファイバーネットワークを通して光信号を輸送するポリマー光導波路および他の光装置を製造することが可能である。光導波路装置を形成するために用いられる１つの方法は、標準的なフォトリソグラフィープロセスの適用を伴う。フォトポリマーは、光用途において特に関心が有るものである。なぜなら、それらフォトポリマーは、当該技術においてよく知られているフォトリソグラフィー技術を用いてパターニングできるからである。また、フォトポリマーは、より単純でより費用効果的である製造プロセスの可能性を提供する。リソグラフィープロセスを用いて、基板の上に載置された光感受性のフォトポリマー含有層中にパターンを画定する。この層は、それ自身として、同一のポリマー材料または異なる屈折率を有する別個のポリマー材料からなるいくつかの層から構成され、コア、上部クラッドおよび下部クラッド層または構造を形成してもよい。
【０００５】
多くの既知のフォトポリマーの中で、それらの光学的透明性、低い複屈折性および広い範囲のモノマーの容易な入手可能性の理由から、アクリレート材料が光導波路に適当であることが認識されてきている。
【０００６】
平面状ポリマー導波路は、典型的には、正確な屈折率を有する光学的損失の少ない材料の層を含む。段階的屈折率(step index)導波路構造および傾斜屈折率(gradient index)導波路構造の両方が、当該技術において知られている。平面状ポリマーおよびガラス導波路に関して、異なる屈折率を有する材料の連続的コーティングにより、段階的屈折率構造が最も容易に実現される。典型的には、コアは、その上部クラッドよりも０．５％〜２％高い屈折率を有する。この屈折率差の大きさ（Δｎ）を設定して、平面状導波路の性能を最適化するか、あるいは平面状装置から光ファイバーへの移行が行われる際に光のモードを整合させる。
【０００７】
実際、大抵の平面状導波路構造は、シリコン基板に対してバッファ層を付着させ、次に下部クラッドをバッファに付着させ、引き続いてコア層の付着およびパターニングが行われ、そして最後に上部クラッドの付着を引き続いて行われる配置を有する。いくつかの場合において、バッファ層を下部クラッドとして使用することができる。
【０００８】
これらの多数の層が最適化されていない場合、いくつかの問題点が発生し得る。これらは、基板による光の吸収に起因する光学的損失；高度の偏波依存損失（ＰＤＬ）；（同調またはスイッチングのために）加熱が実施される場合、温度の上昇が、クラッドおよび／または基板と相互作用できるコアから少なくとも部分的に光を押し出すように屈折率を変化させて、損失およびＰＤＬをもたらす恐れがある種々の所望されない相互作用を生じさせること；および導波路が回折格子を包含する場合、二次反射または反射される信号の波長の所望されない広帯域化が観察される恐れがあることを含む。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は基板上に形成されるシングルモード光導波路を提供し、該基板は表面を画定し、該シングルモード光導波路は該基板の表面上に配置されるポリマー性のバッファ層を有し、該バッファ層は表面を画定し、かつ屈折率ｎbを有する。パターニングされ光透過性のコア層が、バッファ層の表面上に直接的に配置され、該パターニングされ光透過性のコア層は、上部表面および一対の側壁を画定し、かつ該パターニングされ光透過性のコア層は、屈折率ｎcを有する。上部クラッド層が、コアの上部表面、コアの一対の側壁およびバッファ層に接して配置され、かつｎb＜ｎo＜ｎcかつΔｎ＝ｎc−ｎoであるような屈折率ｎoを有し、ここでΔｎの値が光通信波長におけるシングルモード導波路を生じさせる。
【００１０】
また、本発明は、基板上にシングルモード光導波路を形成するための方法を提供し、該基板は表面を画定し、該方法は、該基板の表面上にポリマー性のバッファ層を堆積させる工程を含み、該バッファ層は表面を画定し、かつ屈折率ｎbを有する。次に、パターニングされ光透過性のコア層を、いかなる中間層を用いることもなしに、バッファ層の表面上に直接的に堆積させ、該パターニングされ光透過性のコア層は、上部表面および一対の側壁を画定し、かつ該パターニングされ光透過性のコア層は、屈折率ｎcを有する。次に、上部クラッド層を、該パターニングされ光透過性のコア層の上部表面、該パターニングされ光透過性のコア層の側壁およびバッファ層の一部の上に堆積させ、上部クラッド層はｎb＜ｎo＜ｎcかつΔｎ＝ｎc−ｎoであるような屈折率ｎoを有する。
【００１１】
さらに、本発明は、基板上にシングルモード光導波路を形成するための方法を提供し、該基板は表面を画定し、該方法は、該基板の表面上にポリマー性のバッファ層を堆積させる工程を含み、該バッファ層は、屈折率ｎbを有するポリマー材料から作製され、該バッファ層は表面を画定する。次に、中間層を使うことなしにバッファ層の表面上に直接的にコア層を堆積させ、該コア層は、屈折率ｎcを有する光透過性材料から作製される。次に、コア層のパターニングを行い、上部表面および一対の側壁を有するコアを画定し、およびバッファ層の一部を露出させる。次に、コア層の上部表面、コア層の側壁およびバッファ層の露出部分の上に上部クラッド層を堆積させ、上部クラッド層はｎb＜ｎo＜ｎcかつΔｎ＝ｎc−ｎoであるような屈折率ｎoを有し、ここでΔｎの値が。光通信波長におけるシングルモード導波路を生じさせる。
【００１２】
さらに、本発明は、基板上に光導波路を形成するための方法を提供し、該基板は表面を画定し、該方法は、該基板の表面上にポリマー性のバッファ層を堆積させる工程を含み、該バッファ層は表面を画定し、かつ屈折率ｎbを有する。次に、いかなる中間層を用いることもなしに、ポリマー性のバッファ層の表面上に感光性コア層を直接的に堆積させ、該感光性コア層は上部表面を画定し、該感光性コア層は屈折率ｎcを有する。次に、化学線に対して感光性層を暴露し、感光性コア層を現像し、感光性コア層の非画像区域を除去し、かつ感光性コア層の画像区域を除去せず、そのようにしてポリマー性のバッファ層の上の一対の側壁を有するパターニングされ光透過性の光導波路コア層を形成し、かつポリマー性のバッファ層の露出部分を部分的に露わにし；そして、パターニングされ光透過性の光導波路コア層の上部表面、パターニングされ光透過性の光導波路コア層の側壁、およびポリマー性のバッファ層の露出部分上に上部クラッド層を堆積させ、上部クラッド層はｎb＜ｎo＜ｎcかつΔｎ＝ｎc−ｎoであるような屈折率ｎoを有する。
【００１３】
本発明は、上記の問題点を解決するために、コアを非対称的にクラッディングすることを伴う。典型的には、クラッドはコアの周囲に均一に形成される。下部クラッドの底面にクラッドより低い屈折率のバッファを追加することにより、前述の基板による光吸収に起因する損失の問題点を解決する。本発明によれば、下部クラッドが除去される場合に、前述の問題点のそれぞれが解決される。コアの屈折率よりも遥かに低い屈折率を有するバッファの使用は、いくつかの利点を有する。バッファは、コアモードの尾部を基板中に延在させないようにし、それによって光を基板中に漏れさせないようにする。バッファは光を基板中に漏れさせないようにし、それによって、ＴＭ分極光がＴＥ分極光よりも著しく大きな損失をこうむる恐れがある偏波依存損失（ＰＤＬ）の主原因を排除する。バッファは、加熱が実施されるときさえも、光を基板中へと漏れさせないようにするのに充分に低い屈折率を有する。下部クラッド層を用いずに実質的に非光ロッキング性(non-photolocking)のバッファを用いる場合、コアが放射線に対する暴露によってパターニングされる際に、コア導波路の下の第２の導波路の形成を回避することができる。導波路が回折格子を包含し、かつ下部クラッドを用いない場合、下部クラッド中の導波に起因する二次反射が回避される。導波路が回折格子を包含し、かつ下部クラッドを用いない場合、回折格子がホログラフィー的に刻み込まれる際に、バッファはその中に刻み込まれる回折格子を有するのにちょうど充分に光ロック(photolock)し、クラッドのモードに対するカップリングによる光の損失を回避することを可能にする。この場合において、術語「ホログラフィー的に刻み込まれる」とは、屈折率の周期的変化により、導波路を含む材料の体積中に生成される回折格子を意味する。そのような回折格子は、導波路のコアまたはクラッドのいずれかの表面の微細構成の周期的変化により生成される表面輪郭の回折格子とは対照をなす。両方の場合において、その効果は、導波路中の光の伝搬方向に沿った有効屈折率の周期的変化を生じさせる。
【００１４】
加えて、コアの高さに起因し、典型的には、上部クラッドはその上に隆起部を有し、該隆起部は極めて大きい可能性がある。これは、ポリマーの高分子量および粘度に起因してそれらポリマーを溶媒溶液からスピンキャストしなければならないポリマー導波路において発生する可能性がある。また、上部クラッドの化学気相成長がコアの頂部に均一な層を付着させるシリカ導波路においても発生する可能性がある。加えてポリマーまたはガラス導波路のコアの反応性イオンエッチングは、粗い側壁によって引き起こされる光の散乱に起因する高い伝搬損失をもたらす恐れがある。導波路を、基板上で塗布および硬化が可能である光重合性光学材料を用いて作製することができる。典型的には、該材料は、妥当な屈折率を提供するためにブレンドされるモノマー成分およびオリゴマー成分の混合物を含む。混合物は、典型的には０．５〜２％のコアおよびクラッド間のΔｎを提供するようにブレンドされる。これら硬化性混合物のフォトリソグラフィーにおいて、典型的には、下部クラッド層中に、段階的屈折率に代わって屈折率の傾斜を有する導波領域が形成される恐れがある。また、コアの側面および上部において、段階的屈折率に代わって屈折率の傾斜が見出される領域が形成される。コアを取り囲む領域における傾斜屈折率の形成は、異種の化学成分の移動、特にコア層からクラッド層中に移動するモノマー成分の移動に起因する。コアの直下にある領域において、コアの形成中にモノマーがさらに反応して、下部クラッド層内に所望されない導波領域が形成される。下部クラッド層がコア層とほぼ同一の厚さを有する際に、下部クラッド層の全厚さを貫通する導波層が形成され得る。極端な場合において、それはコア自身と同等の強度で導波し、そして光が基板表面に到達させる。本発明の基板は遠距離通信に重要である光波長を吸収するので、基板に到達する伝搬光のいずれの部分も吸収にさらされる。基板による光の吸収は、伝搬信号の光強度の重度の所望されない偏波依存損失をもたらす。これらの事項を解決するための努力が当該技術においてなされてきている。１つの可能な解決策は、厚い下部クラッド層を用い、基板からコアを隔離して、この望ましくない効果を防止する。これは所望される程度まで問題点を解決するが、しかし実用的でないほど厚い下部クラッド層の使用を必要とする。別の解決策は、コアより２％以上低い屈折率を有するバッファ層を利用することを含み、ここでバッファ層は下部クラッドの下に位置する。モノマーの拡散が下部クラッドを深く貫き、かつわずかにバッファ層中へと起こった場合でさえ、バッファ中の導波は大いに抑制され、シリコンによる大部分の光吸収を排除する。しかし、下部クラッドは依然として光を導波することができ、残存する偏波効果を有するマルチモード導波路が依然としてもたらされる可能性がある。
【００１５】
光学要素をリソグラフィー的に形成する１つの方法は、重合時に導波路材料を形成することができるアクリル性光活性組成物を用いる。しかし、この方法は、最高の動作温度を提供するために、可能な限り高いガラス転移温度を有するポリマーを用いることを要求する。別の方法は、少なくとも１００℃のＴｇを有するアクリル樹脂のような光重合性組成物を用いて、導波路を製造する。前述の導波路は、望ましくない高い光損失の難点を有する。
【００１６】
適用波長における低吸収損失および低散乱損失を有し、モード制御および開口数制御のために精密に制御可能な屈折率を有するポリマー材料から光学装置を製造することが望ましい。精密な屈折率の制御は、モードおよび開口数の制御を可能とし、そして断面寸法および開口数の両方がシングルモードファイバに整合するシングルモード導波路の製作を可能にする。コアおよびクラッド材料が２つ以上の混和性のモノマーから構成される場合、導波路のそれぞれの層の屈折率は、選択された一対の高屈折率モノマーおよび低屈折率モノマーを混合することにより、精密に調整することが可能である。この性質を用い、導波路のモードを正確に制御すること、および断面寸法および開口数の両方において市販のシングルモードファイバと整合する大サイズのシングルモード導波路を製作することができる。
【００１７】
本発明において、基板に対してバッファ、コアおよび上部クラッドのみが付着される平面状導波路構造が形成される。基板上にバッファ層が形成され、硬化される。バッファ層の上面の上にコア層が付着される。コアの付着および硬化中に、低分子量で高屈折率の材料の拡散が起こり、バッファ層の屈折率が上昇する。バッファを貫いて傾斜した屈折率が形成される。その際、バッファ領域内への距離につれて、傾斜した屈折率は急激に減少する。しかし、コア、クラッドおよびバッファは、全てのバッファの屈折率に関して光学的マルチモード挙動を無効にするように選択される。加えて、コアの両方の側面および上面を被覆する上部クラッドが付着される。高屈折率モノマーの同様の拡散が起こり、それによってコア周囲の傾斜した屈折率を保証する。本発明によれば、透明(clear)なシングルモード性能を、円形コアのシングルモードファイバーとの改善されたモード整合に起因する例外的に低いカップリング損失と組み合わせることができる。
【００１８】
本発明において記載される構成要素は、基板上面の３つの層のみ、屈折率ｎbのバッファ層；屈折率ｎcのコア層；屈折率ｎoの上部クラッド層で形成され、ｎb＜ｎo＜ｎcである。本発明において、多層の光集積回路部品を、その上面を屈折率ｎo＜ｎcを有する上部クラッド層により、その底面において屈折率ｎb＜ｎcを有するバッファ層によって取り囲まれる、屈折率ｎcを有するコアを用いて製作することができ、低い光学損失、低い偏波依存損失、加熱による光強度低下のないこと、コア導波路の下の二次導波路のないこと、体積回折格子の存在において二次反射のないことおよびクラッドモードの損失がないこと（または非常に少ないこと）を実現することを可能にする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明は、シングルモード光導波路、および光導波路を形成するためのプロセスを提供する。本発明の導波路は、基板２；基板２の表面上のポリマー性バッファ層４；バッファ層４の直上の光透過性シングルモードポリマーコア８のパターン；およびコア８の上表面、コア８の側壁９、およびバッファ層４の一部の上のポリマー性上部クラッド層１０を含む。本発明の重要な特徴は、コア８が屈折率ｎcを有し、屈折率ｎcは上部クラッド層１０の屈折率ｎoより大きく、そして屈折率ｎoはバッファ層４の屈折率ｎbより大きいこと、すなわち、ｎb＜ｎo＜ｎcであり、Δｎ＝ｎc−ｎoであることである。通常、ｎcとバッファの屈折率ｎbとの差は、Δｎの少なくとも約１．５倍である。
【００２０】
図１を参照すると、本発明にしたがう導波路の概略図が示されている。最初に基板２の表面上にポリマー性バッファ層４が堆積される。基板２は、その上に導波路が固定される任意の材料であってもよく、該材料は、シリコン、シリコン酸化物、ガリウム砒素、シリコン窒化物、ガラス、石英、プラスチック、セラミック、結晶性材料などを含む。基板２は、他の装置、たとえば溝のような形状的特徴または電気回路またはレーザダイオードのような電気光学装置を含んでもよく、含まなくてもよい。
【００２１】
本発明の基板２は、遠距離通信に重要な光学波長において吸収性である可能性があるので、基板２に到達する伝搬光のいずれの部分も吸収にさらされる。基板２による光の吸収は、伝搬する信号からの光強度の望ましくない偏波依存損失をもたらす。中間にあるバッファ層４の目的は、基板２中への光の貫通を制限し、および有意の量の光が基板２に到達することを防止することである。バッファが所望されるように機能するために、その屈折率はコア８の屈折率よりも著しく低いことが必要である。スピンコーティング、ディップコーティング、スロットコーティング、ロールコーティング、ドクターブレーディング、液体キャスティングなどのような、当該技術において知られている多くの異なる方法によって、ポリマー性バッファ層４を付着してもよい。バッファ層４は、アクリレート化合物のような光重合性化合物を含んでもよい。有用なアクリレート化合物は、以下に記載される。光重合性材料の層が基板２の表面上に堆積されたならば、化学線に対する全面露光によって少なくとも部分的に重合される。通常、バッファ層４は約３μｍから約５００μｍまでの厚さを有する。約５μｍから約１００μｍまで、および特に約１０μｍから約３０μｍまでの厚さが適当である。
【００２２】
引き続いて付着されるポリマー層との間の接着を促進し、およびいくつかの場合においては界面における屈折率の傾斜を制御する手段として、モノマーの相互浸透および層の間の共有結合の生成を促進するために、前述のバッファ層４を含む最初に付着される層を、意図的に、相当に硬化不足(under-cured)の状態にすることができる。
【００２３】
バッファ層４を堆積させ部分的に重合させた後に、バッファ層４の表面上にコア８を形成する。１つの実施形態において、コア８は、バッファ層４の表面上に、光透過性でシングルモードの感光性コア層を堆積させることにより形成される。スピンコーティング、ディップコーティング、スロットコーティング、ロールコーティング、ドクターブレーディング、液体キャスティングなどのようなよく知られている方法によって、コアの光重合性組成物の層が堆積される。次に、化学線に対して感光性コア層を画像様に暴露し、そして現像し、それによってコア層の非画像区域を除去し、かつコア層の画像区域を除去しない。そのプロセスは、以下により詳細に記載される。該層を現像した後に、パターニングされ光透過性のコア８がバッファ層４の上に形成され、およびバッファ層４の一部が部分的に露わにされる。この作成段階におけるコア８の構造は、一般的に直立リブと記載される。
【００２４】
本発明の別の実施形態において、コア層８は、バッファ層４の表面上に光透過性でポリマー性のコア層材料のパターンを堆積させることによって形成される。コアのパターンはよく知られているパターン状堆積の付加的方法を用いて製造されてもよいし、反応性イオンエッチングのような他の減少的方法を用いて製造されてもよい。いずれの実施形態においても、コア８の断面幅は、その断面高さとほぼ等しい。通常、コア層８は、それぞれ約２μｍから約１０μｍまでの範囲で変動する断面幅および断面高さを有し、より適当には、コアはそれぞれ約５．５μｍから約８μｍまでの範囲内で変動する断面幅および断面高さを有する。また、コア８の幅はコアの高さの約２倍以下であり、かつ該高さは該幅の約２倍以下であることが通常である。さらに、通常、コア８は、その幅および高さのそれぞれにおいてシングルモードであり、およびほぼ同一の高さおよび幅を有する。導波路の通常の大きさは、互いに等しくてもよい高さおよび幅を有し、両方ともに約２μｍ、約４μｍ、約５μｍ、約６μｍ、約７μｍ、約８μｍ、約９μｍ、または約１０μｍである、コアを含む。また、コア８の幅はコアの高さの約２倍以下であり、かつ該高さは該幅の約２倍以下であることが通常である。標準的シングルモードガラスファイバー（たとえば、Corning Incorporatedにより販売されるSMF-28）に対するカップリング損失を最小限にするために、６×６μｍと８×８μｍとの間のコア断面の寸法を用いてもよい。コアが、Δｎの値とともに、約１３００ｎｍより長波長、望ましくは約１５２０ｎｍより長波長の全ての光通信波長に関して導波路がシングルモードであるように選択される断面幅および断面高さを有することが好ましい。コア層８の材料は、以下に詳細に記載される重合性アクリレート材料を含む。
【００２５】
コア８が形成される後に、コア８の上部表面上に、コア８の側壁９上に、およびバッファ層４の露わにされた部分の上に、上部クラッド層１０が堆積される。また、前述の技術によって光重合性上部クラッド層１０を付着させて、そして次に化学線に対して全面暴露してもよい。上部クラッド層１０は、印加される光をコア８中に保持することができる任意の材料であることができ、および以下に詳細に記載される重合性アクリレート化合物を含んでもよい。１つの実施形態において、上部クラッド層１０は、通常約３から約２０μｍ、より通常には約５から約２０μｍ、より適当には約８から約１５μｍの、コア８の上面から測定される厚さを有する。
【００２６】
導波路は、光重合性光学材料を用いて形成される。該光重合性光学材料は、それぞれの層において所望される屈折率を提供するためにブレンドされるモノマー成分およびオリゴマー成分の混合物を含む。それぞれの層の具体的な屈折率は、導波路の性能に著しい効果を有する。コア８、バッファ４および上部クラッド１０のそれぞれにおいて用いられる光重合性化合物を選択する際には、コア８が屈折率ｎcを有し、屈折率ｎcは上部クラッド層の屈折率ｎoより大きく、Δｎ＝ｎc−ｎoであり、ｎcとバッファの屈折率ｎbとの差は、少なくともΔｎの約１．５倍であることが重要である。より通常には、ｎcとｎbとの差は、少なくともΔｎの約２倍である。最も適当には、ｎcとｎbとの差は、少なくともΔｎの約３倍である。本発明の１つの実施形態において、Δｎは約０．００３１から約０．０７９までの範囲内で変動する。
【００２７】
本発明の通常の実施において、製造される導波性構造はシングルモードである。導波路がシングルモードであることを保証することは、導波路の物理的な断面の大きさおよび形状とΔｎの値との特定の関係を維持することを必然的に伴う。一般的に、導波路の寸法を固定値に保持する場合、導波路がシングルモードであるべき場合に越えることができないΔｎの最大（カットオフ）値が存在する。同様に、Δｎの値を固定値に保持する場合に、導波路がシングルモードであるべき場合に越えることができない導波路の最大断面寸法が存在する。例示として、以下の表は、正方形断面を有する導波路の一般的ケースに関して、大きさとΔｎの許容される最大値との関係を表す。最後に、導波路のカップリング効率を最大限とし、屈曲時の光伝搬損失を最小限にするために、一般的に、カットオフ値とほぼ等しいがそれを越えないΔｎの値を用いることが望ましい。
【００２８】
【表１】
2004534262.tif 000003
【００２９】
コア８の屈折率ｎcは、一般に約１．３３から約１．７まで、またはより通常には約１．４から約１．５５までの範囲内である。上部クラッドは、一般に約１．３から約１．６５まで、またはより通常には約１．３５から約１．５５までの範囲内の屈折率ｎoを有する。コア材料および上部クラッド層よりも低い屈折率ｎbを有するバッファ層４を製造する化合物を選択するように選択することが重要である。バッファ層４は、通常は約１．３から約１．５５まで、またはより適当には約１．３から約１．４までの範囲内の屈折率ｎoを有する。これらの屈折率の測定値は、１５５０ｎｍにおいて測定される。
【００３０】
これら混合物のフォトリソグラフィーにおいて、コア８のモノマー成分がバッファ層４中に移動することは一般的であり、コア８の床部１１とバッファ層４との間に床部界面領域１４を形成し、床部界面領域１４は屈折率ｎfを有し、コア８の側壁９と上部クラッド層１０との間の側部界面領域１２、側部界面領域１２は屈折率ｎsを有する。これらの界面領域１２および１４は、図１中に見出すことができる。これらの界面領域１２および１４は、段階的屈折率よりも傾斜屈折率を有する。コア８、上部クラッド１０およびバッファ４のモノマーがそれらそれぞれの領域の外へと拡散し、それらの境界において混合できることにより、界面領域１２および１４が形成される。引き続く化学線に対する暴露の結果として、コアおよび次に上部クラッドが硬化される際に、これらの領域の混合は恒久的に固定される。コア８、上部クラッド１０およびバッファ４のモノマーの相互拡散の程度は、その温度におけるバッファ４、上部クラッド１０およびコア８の硬化の程度、および用いられるモノマーの拡散性、および最終工程において完全な導波路構造が固く硬化される前の、未硬化層または部分的に硬化された層の間の接触の時間に依存する。コア８の底部および側部においてモノマーの相互拡散が最大である。なぜなら、これらの領域は、中間製作工程の間中、典型的にはそれほど硬化されていないからである。この低い程度の硬化は、コア−バッファ界面の場合には、コア８およびバッファ４の間の結合を促進させる要望によって引き起こされ、コアの側部の場合には、マスクベースのリソグラフィーにおける回折効果によって引き起こされる端部における硬化線量の減少により、またはレーザ直接書込み製作技術においてはビーム断面の強度の変化によってひきおこされる。
【００３１】
図２から分かるように、理想的性能を有する理想的導波路が示されている。理想的には、周囲の理想的上部コア１８へのコア成分の拡散がなく、基板２中に光が吸収されることなく、光は理想的コア１６を通して送信される。しかしながら、実際には、慣用の従来技術の導波路は、上部クラッド２４がコア２２の高さに起因する隆起を有する、図３中に示されるものにより近く見える。この隆起は望ましいものではなく、かつ不利である。図４および図５もまた、従来技術の不利な導波路を示す。図４は、下部クラッド２８中に形成されている高屈折率の導波領域３２を有する導波路を示す。導波領域３２は、下部クラッドを貫いて、相当量の光が漏れかつ吸収される恐れがある基板２まで延在している。図５は、導波領域３２が基板に到達するのを防止する努力として、下部クラッド２８の下に低屈折率のバッファ層３４を有する導波路を示す。導波光が依然としてコア２６の下にある領域３２へと漏れるので、この種の導波路は、導波路におけるモードの形状と慣用のファイバにおけるモードの形状との劣悪な整合により、高いカップリング損失を有する。本発明は従来技術の問題点を減少させ、下部クラッド層を排除することおよび本明細書中に記載される屈折率を有するバッファ層を使用することによって、これらの導波領域によって引き起こされる損失を限界内に留める。
【００３２】
一般的に、側部界面１２は、床部界面１４の屈折率ｎfとほぼ等しい屈折率ｎsを有する。本発明の１つの実施形態において、ｎsは漸減する屈折率であり、側部界面領域のコアの側壁９に最も近い部分のほぼｎcから、側部界面領域１２の上部クラッド層１０に最も近い部分のほぼｎoまで減少する。本発明の別の実施形態において、ｎfは漸減する屈折率であり、床部界面領域１４のコア８の床部１１に最も近い部分のほぼｎcから、床部界面領域１４のバッファ層４に最も近い部分のほぼｎbまで減少する。また、漸減する屈折率ｎsは、漸減する屈折率ｎfとほぼ同一、すなわちほぼ調和させることが望ましい。これは、横方向の媒質の単位長さ当たりの屈折率の変化、および同一の開始値および停止値を意味する。
【００３３】
バッファ層４，上部クラッド層１０およびコア８のそれぞれを形成するのに用いられる組成物は、それぞれ光重合性化合物および光開始剤を含んでもよい。光重合性化合物は、付加重合可能であり、非ガス状（標準大気圧において３０℃より高い沸騰温度）であり、少なくとも１つの末端エチレン性不飽和基を含むエチレン性不飽和化合物であり、フリーラジカルによって開始される連鎖成長付加重合によって高分子量のポリマーを形成することができるモノマー、オリゴマーまたはポリマーであってもよい。そのような化合物は当該技術においてよく知られている。それらは、形成される重合された要素が前述のような望ましい屈折率を有するように選択される。具体的に選択される組成物重合物の屈折率の測定は、当業者によって容易に決定される。
【００３４】
多官能性アクリレートモノマーが適当である。多官能性アクリレートの一般化された構造を以下に示す。
【００３５】
【化１】
2004534262.tif 000004
【００３６】
コアに関して、ｍは１から約６までの範囲内で変動してもよく、Ｒ2はＨまたはＣＨ3であり、およびＲ1は脂肪族、芳香族または脂肪族と芳香族が混合された有機分子セグメントの連結部である。好適には、Ｒ1は、アルキレン、アルキレンオキシド、アリーレンオキシド、脂肪族ポリエーテルまたはポリエステル部分であり、およびＲ2は好ましくはＨである。フィルムの耐溶媒性および高コントラストのリソグラフィーを保証するため、架橋されるポリマー、したがって、多官能性アクリレートモノマー（ｍ≧２）が適当である。また、柔軟で低ガラス転移温度（Ｔｇ）のポリマーを用いることにより、最終の導波装置の応力に誘起される散乱光学損失を減少させることが望ましい。架橋されたポリマーのガラス転移温度（Ｔｇ）は、架橋密度および架橋点の間の結合部（リンケージ）の構造に依存することが、当該技術において知られている。また、低い架橋密度および柔軟な結合部（リンケージ）の両方が低いＴｇに必要であることが知られている。低い架橋密度を保証するために、１≦ｍ≦３、理想的にはｍ＝２を有するモノマーおよび２つのエチレン性不飽和官能基の間の長い結合（リンケージ）セグメントが有用である。本発明に関して、長い結合（リンケージ）セグメントとは、少なくとも４炭素原子以上および適当には６以上の平均分子鎖長を有するものである。適当な柔軟な結合（リンケージ）構造は、約３炭素原子より長い鎖長を有するアルキレン類、ポリ（エチレンオキシド）、ポリ（プロピレンオキシド）、エトキシル化されたビスフェノールＡ、ポリエーテル、チオエーテル、脂肪族および芳香族炭化水素、エーテル、エステル、およびポリシロキサンなどを含む。これらは任意選択的に、重合性化合物の光重合する能力を損なわず、目的の光波長（たとえば、遠距離通信用の１．３１および１．５１μｍの波長）において過度の損失を付加しない側基で置換されていてもよい。適当な置換基は、非制限的に、アルキル、アリール、アルコキシおよびスルホキシド基などを含む。熱分解および変色に対する高い抵抗性を確実にするために、熱的に安定な分子構造のＲ1が適当である。そのようなＲ1セグメントは、芳香族ウレタンおよびアミド基のような熱的影響を受けやすい部分を持つべきではない。低い複屈折を保証するために、低い応力光学係数および光学分極率を有するＲ1結合部（リンケージ）が通常である。
【００３７】
上部クラッド層に関して、アクリレートは前述と同様であるが、エチレン性不飽和官能基の間の平均分子鎖長は、約６炭素原子以上、通常８以上、およびより適当には１２以上であってもよい。適当な柔軟性結合部（リンケージ）構造は、６炭素原子より長い鎖長を有するアルキレン、ポリ（エチレンオキシド）、ポリ（プロピレンオキシド）およびエトキシル化されたビスフェノールＡを含む。
【００３８】
本発明の実施形態において、バッファ４，コア層８および上部クラッド層１０のそれぞれの材料は、同様に、アクリル酸の重合性エステルおよび部分エステル、および２〜３０炭素原子を含む芳香族および脂肪族ポリオールの重合性エステルおよび部分エステルを含む。同様に、ポリアルキレングリコール類の部分エステルおよびエステルも適当である。例は、エチレングリコールジアクリレート、ジエチレングリコールジアクリレート、トリエチレングリコールジアクリレート、テトラエチレングリコールジアクリレート、２００から２０００までの範囲内の平均分子量を有するポリエチレングリコールジアクリレート類およびポリプロピレングリコールジアクリレート類、プロピレングリコールジアクリレート、ジプロピレングリコールジアクリレート、ヘキサンジオールジアクリレートおよびブタンジオールジアクリレートのような（Ｃ2〜Ｃ40）アルカンジオールジアクリレート類、トリプロピレングリコールジアクリレート、トリメチロールプロパントリアクリレート、５００〜１５００までの範囲内の平均分子量を有するエトキシル化されたトリメチロールプロパントリアクリレート類、ペンタエリスリトールジアクリレート、ペンタエリスリトールトリアクリレート、ペンタエリスリトールテトラアクリレート、ジペンタエリスリトールジアクリレート、ジペンタエリスリトールトリアクリレート、ジペンタエリスリトールテトラアクリレート、ジペンタエリスリトールペンタアクリレート、ジペンタエリスリトールヘキサアクリレート、トリペンタエリスリトールオクタアクリレート、ソルビトールトリアクリレート、ソルビトールテトラアクリレート、ソルビトールペンタアクリレート、ソルビトールヘキサアクリレート、オリゴエステルアクリレート類、グリセロールジ−およびトリアクリレート、１，４−シクロヘキサンジアクリレート、１００〜１５００までの平均分子量を有するポリエチレングリコールのビスアクリレート類、および前述の化合物の混合物である。多官能性アクリレートオリゴマーは、アクリル化されたエポキシ、アクリル化されたポリウレタンおよびアクリル化されたポリエステルを含むが、それらに限定されるものではない。光重合性化合物はアリールアクリレートを含む。そのようなアリールアクリレートモノマーの例示は、アリールジアクリレート、トリアクリレートおよびテトラアクリレートを含み、たとえば、ベンゼン、ナフタレン、ビスフェノールＡ、ビフェニレン、メタンビフェニレン、トリフルオロメタンビフェニレン、フェノキシフェニレンなどをベースとするジアクリレート類、トリアクリレート類およびテトラアクリレート類である。アリールアクリレートモノマーは、多官能性アリールアクリレートであってもよく、より通常にはアリールアクリレートモノマーは、ビスフェノール−Ａの構造をベースとするジアクリレート類、トリアクリレート類およびテトラアクリレート類である。通常のアリールアクリレートモノマーは、エトキシル化されたビスフェノール−Ａジアクリレート、プロポキシル化されたビスフェノール−Ａジアクリレートおよびエトキシル化されたヘキサフルオロビスフェノール−Ａジアクリレートのようなアルコキシル化されたビスフェノール−Ａジアクリレートである。選択されるアリールアクリレートモノマーは、エトキシル化されたビスフェノール−Ａジアクリレートである。望ましい重合性成分は、構造（Ｉ）を有するモノマーである。
【００３９】
【化２】
2004534262.tif 000005
【００４０】
１つの実施形態において、コアに関してｎは約１０以下であり、通常約４以下であり、およびより適当には約２以下である。１つの実施形態において、クラッド層に関して、ｎは約２以上であり、通常約４以上であり、およびより適当には約１０以上である。同様に有用なものは、当該技術においてよく知られているアクリレート含有コポリマーである。実施形態において、クラッド層は、前述のエトキシル化されたビスフェノール−Ａジアクリレート構造（Ｉ）（式中、１≦ｎ≦２０、通常４≦ｎ≦１５、およびより適当には８≦ｎ≦１２）を有する重合性成分を含む。
【００４１】
重合性組成物は、多官能性フッ素化（メタ）アクリレート類、特に、以下の構造に基づくものであってもよい。
【００４２】
【化３】
2004534262.tif 000006
【００４３】
（式中、ＹはＨまたはＤであり；ＸはＨ、Ｄ、Ｆ、ＣｌまたはＣＨ3であり、およびｎは２から４までの整数であり、
【００４４】
【化４】
2004534262.tif 000007
【００４５】
（式中ｋ、ｍ、ｎおよびｐは整数である））。
【００４６】
これらの材料は、１５５０ｎｍにおいて０．１７ｄＢ／ｃｍほどの少なさの伝搬損失を有する導波路を製造する。これらの材料のガラス転移温度（Ｔｇ）は、熱光学装置の動作温度以下であるように簡単に選択できる。これらの材料の低Ｔｇバージョンは、回折格子に補助される測定において無視できる複屈折を有すること、および大きな屈折率の温度微分値を有することが示されており、それはパワー効率の高い熱光学装置（光学スイッチおよびチューナブル回折格子のようなもの）の製作を可能にする。有用なフッ素化（メタ）アクリレート類は、たとえば、以下に示される反応により、Ausimont S.p.A (Milan, ITALY)から商業的に入手可能な、ポリオールFluorolink（登録商標）Tから作製されるテトラアクリレートF60TAを含む。
【００４７】
【化５】
2004534262.tif 000008
【００４８】
他の多官能アクリレート類は、Akzo Chemicals B.V. (Amersfoort, Netherlands)製のC6DIACRY：
CH2=CHCO2CH2(CF2)4CH2O2CCH=CH2
3M Company (Saint Paul, Minnesota)製のL-12043：
CH2=CHCO2CH2CF(CF3)O(CF2)4O[CF(CF3)CF2O]pCF(CF3)CH2O2CCH=CH2
3M Company製のL-9367：
CH2=CHCO2CH2(CF2CF2O)m(CF2O)nCF2CH2O2CCH=CH2
を含む。
【００４９】
バッファ、上部クラッドおよびコアのそれぞれが構造的に類似の組成物で構成されていてもよいが、バッファおよび上部クラッドのそれぞれがコアの屈折率よりも低い屈折率を有するために、それらは、個々の用途に関して異なる化学組成を有さなければならない。たとえば、バッファ層の組成物はクラッド層と類似のＴｇ特性を有してもよいが、同一の組成である必要はない。光重合性材料および加工条件は、重合されたバッファのＴｇが約６０℃以下、通常約４０℃以下およびより適当には約２５℃以下からの範囲で変動するように選択される。
【００５０】
光導波路コアに用いられる光重合性化合物が、重合の後に約８０℃以下および適当には約５０℃以下のガラス転移温度を有するコアを製造することが本発明の特徴である。導波路クラッド層に用いられる光重合性化合物が、重合の後に約６０℃以下、通常約４０℃以下およびより適当には約２５℃以下のガラス転移温度を有するクラッド層を製造することが本発明の特徴である。重合性成分の特徴付けおよび選択により、当業者は、特定のＴｇを容易に得ることができる。これは、重合性成分の分子量、不飽和部位の数および架橋密度のような要因に依存する。単一の重合された成分がそれ自身として要求されるＴｇを有するか、あるいは所望されるＴｇを有する重合性モノマー、オリゴマーおよび／またはポリマーをブレンドすることにより重合性成分を調整してもよい。また、重合が実施される際の暴露時間および温度を変化させることによってＴｇを制御してもよい。
【００５１】
それぞれの光重合性組成物全体中に、充分な化学線に対する暴露時に光重合するのに充分な量において、光重合性化合物が存在する。組成物中の光重合性化合物の量は広範に変化し得るが、光透過性装置の光透過性要素としての使用のためのフォトポリマーの調製における使用のための光重合性組成物に通常用いられる量を用いてもよい。光重合性化合物の量は、一般的に組成物の約３５質量％から約９９．９質量％までの量において用いられる。光重合性化合物は、全組成物の重量に基づいて、通常約８０質量％から約９９．５質量％まで、およびより適当には約９５〜９９％の量において、全組成物中に存在する。
【００５２】
それぞれの感光性組成物は、光分解的にフリーラジカルを生成する少なくとも１つのフリーラジカル生成光開始剤をさらに含む。通常、光開始剤は、化学線によって活性化されるフリーラジカル生成付加重合開始剤であり、室温付近（たとえば約２０℃から約８０℃まで）では熱的に不活性である。アクリレートを光重合することが知られている任意の光開始剤を用いることができる。光開始剤は、当該技術において知られているキノキサリン化合物、ビシナルポリケトアルドニル化合物、α−カルボニル類；アシロインエーテル類；トリアリールイミダゾール二量体類；α−炭化水素置換芳香族アシロイン類；多核キノン類およびｓ−トリアジン類を非排他的に含む。
【００５３】
適当な光開始剤は、ベンゾフェノン、アクリル化されたベンゾフェノン、２−エチルアントラキノン、フェナントラキノン、２−tert−ブチルアントラキノン、１，２−ベンゾアントラキノン、２，３−ベンゾアントラキノン、２，３−ジクロロナフトキノン、ベンジルジメチルケタールのような芳香族ケトン類、および他の芳香族ケトン類（たとえば、ベンゾイン、ベンゾインメチルエーテル、ベンゾインエチルエーテル、ベンゾインイソブチルエーテルおよびベンゾインフェニルエーテルのようなベンゾインエーテル類、メチルベンゾイン、エチルベンゾイン、および他のベンゾイン類）を含む。光開始剤は、１−ヒドロキシシクロヘキシルフェニルケトン（Irgacure（登録商標）184）、ベンゾイン、ベンゾインエチルエーテル、ベンゾインイソプロピルエーテル、ベンゾフェノン、ベンゾジメチルケタール（Irgacure 651）、２，２−ジエチルオキシアセトフェノン、E. Merck (Darmstadt, Germany)製の２−ヒドロキシ−２−メチル−１−フェニルプロパン−１−オン（Darocur（登録商標）1173）；１−［４−（２−ヒドロキシエトキシ）フェニル］−２−ヒドロキシ−２−メチルプロパン−１−オン（Darocur（登録商標）2959）、２−メチル−１−［（４−メチルチオ）フェニル］−２−モルホリノプロパン−１−オン（Irgacure（登録商標）907）、２−ベンジル−２−ジメチルアミノ−１−（４−モルホリノフェニル）−ブタン−１−オン（Irgacure（登録商標）369）、ポリ｛１−［４−（１−メチルビニル）フェニル］−２−ヒドロキシ−２−メチル−プロパン−１−オン｝（Esacure KIP）、Great Lake Fine Chemicals Limited (London, England)製の［４−（４−メチルフェニルチオ）フェニル］フェニルメタノン（Quantacure（登録商標）BMS）およびジ−カンファーキノンを含む。最も適当な光開始剤は、照射時に黄色化する傾向を持たないものである。そのような光開始剤は、ベンゾジメチルケタール（Irgacure（登録商標）651）、２−ヒドロキシ−２−メチル−１−フェニルプロパン−１−オン（Darocur（登録商標）1173）、１−ヒドロキシシクロヘキシルフェニルケトン（Irgacure（登録商標）184）、および１−［４−（２−ヒドロキシエトキシ）フェニル］−２−ヒドロキシ−２−メチルプロパン−１−オン（Darocur（登録商標）2959）を含む。Fluorolink（登録商標）-TおよびC6DIACRYLは混和性であり、ＵＶ硬化のために慣用の光開始剤を用いることができる。材料L-12043およびL-9367のようなより高度にフッ素化された多官能性アクリレートに関しては、フッ素化された光開始剤を使用してもよい。
【００５４】
それぞれの光重合性組成物中に、フリーラジカルを生成する光開始剤は、充分な化学線に対する暴露時に光重合性化合物の光重合を実施できるのに充分な量で存在する。光開始剤は、通常総組成物の約０．０１質量％から約１０質量％までの量で、またはより通常には０．１％から６％までの量で、およびより適当には組成物の総重量に基づいて約０．５質量％から約４質量％までの量で存在する。
【００５５】
また、感光性組成物の目的および最終用途に依存して、感光性組成物に対して他の添加剤を添加してもよい。これらの例は、溶媒、酸化防止剤、光安定剤、体積増量剤、シリカ、チタニア、ガラス球などのような充填剤（特に、ナノスケールの状況においては、すなわち約１００ｎｍ未満の粒度を有する）、染料、フリーラジカル捕捉剤、コントラスト向上剤、ニトロン類およびＵＶ吸収剤を含む。酸化防止剤は、Ciba-Geigy corporation Corporation (Tarrytown New York)製のIrganox（登録商標）１０１０を含むフェノール類および特にヒンダードフェノール類；スルフィド類；有機ホウ素化合物；有機リン化合物；Ciba-GeigyからIrganox（登録商標）1098の商標の下で入手可能なＮ，Ｎ’−ヘキサメチレンビス（３，５−ジ−tert−ブチル−４−ヒドロキシヒドロシンナムアミド）のような化合物を含む。光安定剤およびより詳細にはヒンダードアミン光安定剤は、Cytec Industries (Wilmington, Delaware)から商標「Cyasorb（登録商標）UV-3346」の下で入手可能な、ポリ［（６−モルホリノ−ｓ−トリアジン−２，４−ジイル）［（２，２，６，６−テトラメチル−４−ピペリジル）イミノ］−ヘキサメチレン［（２，２，６，６−テトラメチル−４−ピペリジル）イミノ］を含むが、それに限定されるものではない。体積膨張化合物は、Beiley'sモノマーとして知られるらせん状モノマー類のような材料を含む。染料の例は、メチレングリーン、メチレンブルーなどを含む。適当なフリーラジカル捕捉剤は、酸素、ヒンダードアミン光安定剤、ヒンダードフェノール類、２，２，６，６−テトラメチル−１−ピペリジニルオキシフリーラジカル(TEMPO)などを含む。適当なコントラスト向上剤は、ニトロン類のような他のフリーラジカル捕捉剤を含む。ＵＶ吸収剤は、ベンゾトリアゾール、ヒドロキシベンゾフェノンなどを含む。これらの添加剤は、組成物の総重量に基づいて、約０％から約６％まで、および通常は約０．１％から約１％までの量で含有される。全組成物の全ての成分は、互いに混合状態にあり、および最も適当には実質的に均一な混合状態にある。
【００５６】
バッファ層４の上にコア感光性材料が薄膜または厚膜として形成されたならば、コア層の輪郭を描くために、膜に対し化学線を導く。すなわち、コアの位置および寸法を、コア層の表面上の化学線のパターンによって決定する。線のパターンは、所望されるパターンにおいて光重合性組成物を重合させるように、および膜の他の領域を未反応のままにするように選択されなければならない。本発明のフォトポリマーは、光重合性組成物を必要な波長および強度を有する化学線に必要な持続時間にわたって暴露することによって、慣用的に調製される。本明細書において用いられる際に、「化学線」は、電子ビーム、イオンまたは中性子ビームまたはＸ線に加えて、スペクトルの可視、紫外または赤外領域の光であると定義される。化学線は、非コヒーレント光の形態であってもよいし、レーザからの光のようにコヒーレント光の形態であってもよい。化学線の源、および暴露手順、時間、波長および強度は、所望される重合度、フォトポリマーの屈折率および当業者に知られる他の要因に依存して広範に変化し得る。そのような慣用的な光重合プロセスおよびそれらの動作パラメータは当該技術においてよく知られている。
【００５７】
化学線源および該化学線の波長は広範に変化してもよく、および任意の慣用の波長および源を使用することができる。１つの実施形態において、比較的短い波長（すなわち高エネルギー）の放射線を用いて光化学的励起を実施して、加工の前に通常遭遇する放射（たとえば、室内光）に対する暴露が光重合性材料を時期尚早に重合させないようにする。したがって、紫外光（３００〜４００ｎｍの波長）に対する暴露が便利である。同様に、深紫外光（１９０〜３００ｎｍの波長）による暴露が有用である。慣用の源は、加工のための所望の波長を選択するのに適切な光学フィルターを取り付けられた水銀−キセノンアーク灯である。同様に、本発明の実施に関して、短波長のコヒーレント放射線が有用である。３５０ｎｍ付近のいくつかの波長においてＵＶモードで動作するアルゴンイオンレーザが望ましい。また、２５７ｎｍ付近の出力を有する周波数を２倍化したアルゴンイオンレーザが高度に望ましい。あるいはまた、加工は、レーザのような化学線の高出力源により開始される多フォトンプロセスを用いることもできる。また、電子ビーム硬化の使用により、光開始剤を用いることなしに前述のフッ素化されたモノマーを硬化させることもできる。電子ビーム励起またはイオンビーム励起を用いてもよい。暴露時間は、通常、数秒から約１０分まで変化する。温度は、通常、約１０℃から約６０℃までの範囲内で変動する。しかし、室温がより適当である。加えて、ペルオキシドまたは他の熱開始剤の使用により、これらの材料を熱的に硬化させることもできる。
【００５８】
化学線の空間的輪郭（すなわち、光重合性材料の層のどこにあたるか）の制御は、慣用の方法によって実現することができる。たとえば、１つの慣用的方法において、所望されるコアパターンを担持するマスクが、化学線源と光重合性組成物の膜との間に配置される。マスクは、透明領域および不透明領域を有し、膜表面の所望される領域のみに放射線があたることを可能にする。薄膜のマスクを用いる暴露は当該技術においてよく知られており、膜にコアパターンを印刷するための接触技術、近接技術および投影技術を含んでもよい。空間的制御の別の慣用の方法は、レーザまたは電子ビームの指向性ビームまたは合焦されたビームを含む化学線源を使用することである。そのようなビームは、光重合性材料の膜表面の小さい区域のみと交差する。所望されるコアのパターンは、空間中でビームを走査するか、あるいは交差点が静止しているビームに対して相対的に変化するように基板を移動させることにより、この小さい交差点を膜表面を巡って移動させることにより実現される。ビーム源を用いるこれらの種類の暴露は、直接書込み方法として当該技術において知られている。導波路コアの正確な断面形状およびコアの側部に形成される傾斜した屈折率の領域の幅および程度は、直接書込み製作法およびマスク暴露製作法の両方において、光源のコリメーションの程度に影響される。所望される結果に依存して、コリメーションの程度は広範に変化し得る。一般的に、導波路コア構造の精細度のために比較的高度にコリメートされた源を使用することが適当である。１０度未満の角度以内のコリメーションが有用である。
【００５９】
コア層の光重合性組成物を重合させてコア層の予め決定されたパターンを形成した後に、次にパターンを現像して非画像区域を除去し、予め決定されたパターンを残す。たとえば照射されてない組成物を溶媒で洗い流すことのような、任意の慣用の現像方法を用いることができる。そのような溶媒は、アルコールおよびケトンのような極性溶媒を含む。有用な溶媒は、アセトン、メタノール、プロパノール、テトラヒドロフランおよび酢酸エチルを含み、および高度にフッ素化されたモノマーに関しては、Ausimontから商標「Galden（登録商標）」の下で販売されるもののようなフルオロエーテル溶媒が適当である。
【００６０】
バッファおよびクラッド層は完全に硬化させる必要はなく、部分的に重合させる必要があるのみである。部分的に重合させるとは重合後にいくらかのアクリレート基が存在すること、すなわち全てのアクリレートが飽和炭化水素に変換されるのではないことを意味する。これはアクリレート基の数の０％超、通常約１０％超、および最も適当には約２５％超のアクリレート基が未反応のままであることを意味する。未反応基の数の上限は、モノマーのゲル化点に依存し、それは同様に官能性（モノマー当たりのアクリレート基の数）に依存する。官能性が整数ｆに等しい場合、未反応基の上限はゲル化を起こすのに充分であり、かつ近似的には（１−１／ｆ）×１００％なる関係によって与えられる。例示として、テトラアクリレートモノマーに関して残存する未反応基の数は７５％未満であり、およびジアクリレートモノマーに関する残存する未反応基の数は５０％未満である。次に続く層の付着に先立つ層の部分的重合は、それらの界面においてそれら層が混合するのを許す。この混合は、それら層間の接着力を向上させ、いくつかの場合において界面における屈折率の傾斜を制御するのに用いることができる。
【００６１】
それぞれの層が付着され、およい任意選択的にパターニングされるかまたは表面または体積回折格子などを刻み込まれた後に、残存する未重合アクリレートを、それらが実質的に完全に重合するように、化学線に対するブランケット暴露すなわち全体的な暴露によるハードキュアリングにかけられる。回折格子１３を図７に示す。最終硬化工程のための硬化線量（表面の単位正方形当たりの全放射線エネルギー）は典型的には、先行する製作工程中にそれぞれの層を部分的に硬化させるのに用いた線量の約１０倍から約５００倍までである。最も適当には、最終硬化線量は、この中間の線量の約１００倍である。この方法において、層は早期の製作工程中にそれらの界面において混合され、そして所望される比率において混合されて、層および全装置の屈折率を精密に調製し、および共有結合により層間の良好な接着を保証することができる。最終的に、所望される構造は最終硬化工程において固定され、さらなる構造の進化が起こらないようにされる。平面状ポリマー光導波路を作成するためには、種々のコアおよびクラッド層の屈折率を精密に制御する必要がある。これは、個々の塗布層に用いられるモノマーの構造を適応させて所望の屈折率を実現することによって、実現することができる。実際には、異なる屈折率を有するいくつかの混和性モノマーを混合して、必要とされる所望の屈折率を得ることがより簡単である。また、強度に反射性の回折格子が必要とされる場合、コア中および任意選択的にクラッド中において２つ以上のモノマーを用いることが適当である。
【００６２】
提示したリソグラフィー的方法を用いて平面状導波路を作成することに加えて、反応性イオンエッチングにより、ミクロ複製(microreplication)により、直接レーザ書込みにより、あるいはレーザアブレーションにより導波路コアを作成することも同様に可能である。
【００６３】
材料の柔軟性は、所望される機械的強靱性を有する装置の製造を可能にする。また、非常に高い温度または非常に低い温度に装置がさらされるときにおいてさえ、ひび割れが回避される。材料の良好な接着は、高温および高湿度のようないくつかの厳しい環境における層間剥離のない、種々の基板上の強靱な装置の製作を可能にする。装置製作技術の半導体産業の操作との互換性は、ハイブリッド光電子回路の開発を可能にする。
【００６４】
本発明の導波路は、多くの慣用の断面形状（円形、多角形、正方形、長方形、台形および上部および側部において放物線またはガウス曲線にしたがい、およびバッファと接する底面において平坦であるような曲線的形状のようなもの）の任意のものを有してもよい。特に有用である本発明の態様は、熱光学装置に対する適用である。これらの装置は、大抵の材料の屈折率が温度の関数であるという事実を用いて機能する。ポリマー類に関して、温度に関する屈折率の変化（ｄｎ／ｄＴ）は負であり、かつ大抵の無機材料に比較して大きい。具体的に意図される装置は、光学スイッチおよび回折格子に基づくチューナブルフィルターを含む。ポリマー積重物の上部表面上、すなわち上部クラッド層の上または上方のヒータを用いることは一般的な手法である。装置は、典型的には、ポリマーに比較して高い熱伝導率を有する材料で構成される基板（たとえばシリコンウェーハ）上に組み立てられる。したがって、ヒータに対する電力の印加は、頂部にあるポリマー層がその下にあるポリマー層よりも熱い熱傾斜を確立する。図６に、上部クラッド上に取り付けられたヒータ１１を示す。ｄｎ／ｄＴ値が負であるので、ポリマー積重物の頂部における屈折率は、底部の屈折率よりも小さくなる。この屈折率の傾斜は、この傾斜にさらされる導波路中を伝搬する光を、基板に向かって下方向に押し出す傾向を有する。スイッチおよびチューナブル回折格子のような装置において、そのような光の下方向への変位は望ましくはない。スイッチの場合、望ましい変位は横方向であり、および回折格子の場合には望ましい変位はない。本発明の導波路の構造は、下方向への光（モード）の移動を制限するように機能する。これは、低屈折率のバッファが導波路のコアに非常に接近させるという事実によって確立される。バッファの影響は（ｎc−ｎb＞１．５×Δｎという条件で）、モードが基板に向かって下方向に押される傾向を克服する。本発明の改良された導波路形状は、スイッチおよび波長チューナブル回折格子のような装置に、より低い損失およびより少ない偏波依存性をもたらす。
【００６５】
以下の非制限的実施例を用いて、本発明を例示する。
【実施例１】
【００６６】
シリコンウェーハを清浄にし、そして次にシラン処理して、アクリレート調合物に対する接着力を与える。処理されたウェーハを、光開始剤を伴う７５：２５質量％のフッ素化ジアクリレート／フッ素化テトラアクリレートを含むバッファ材料の層でスピンコートする。次に、化学線に対する全面暴露により、バッファ層を部分的に硬化させる。次に、バッファ層を、光開始剤がブレンドされる９２：８質量％のフッ素化テトラアクリレート／８個のフッ素原子を有するフルオロアルキルアクリレートを含むコア材料の層でスピンコートする。この材料は、バッファ層よりも高い屈折率を有するように選択された。コア層の厚さは、導波路の所望される高さに依存し、典型的にはシングルモード導波路に関して５〜９μｍの範囲内で変動する。次に、マスクを通して、コア材料をＵＶ光に暴露する。コアの暴露線量を調整して、コアの所望される幅および周囲のクラッドの所望される接着の程度を実現する。次に、暴露されなかった材料を、溶媒により現像除去する。次に、コアを、光開始剤をブレンドされたフッ素化テトラアクリレートを含む上部クラッド材料の層でスピンコートする。次に、最終線量により上部クラッド層を硬化させ、それは全ての層を貫通し、そして下にある層に加えて最上層の硬化を完了させる。
【実施例２】
【００６７】
２５質量％のフッ素化テトラアクリレートF60TAと、７５質量％のフッ素化ジアクリレートL-9367とを含む混合物を、２質量％のフッ素化された光開始剤とブレンドして、均一な溶液を形成する。次に、この溶液をシリコン基板上にスピンコートし、約１５ｍＷ／ｃｍ2の放射照度の高圧水銀−キセノンランプの下で硬化させて、厚さ１０μｍのバッファを形成した。バッファは１．３１３の屈折率を有する。９２質量％のフッ素化テトラアクリレートF60TA、７質量％のフッ素化ジアクリレート「C6DIACRY」を含むコア混合物を１質量％の光開始剤Darocure（登録商標）1173とブレンドして、均一な溶液を形成する。次に、コア溶液をバッファ層上に塗布した。光マスクを通して、水銀−キセノンランプに暴露し、現像して、１．３３６の屈折率を有する厚さ６μｍのコアを形成した。
【００６８】
９９質量％のフッ素化テトラアクリレートF60TAおよび１質量％の光開始剤Darocure（登録商標）1173を含む上部クラッド組成物をブレンドして均一な溶液を形成した。次に、この溶液をコア上にスピンコートし、水銀灯の下で硬化させ、１．３２９の屈折率を有する厚さ１２μｍの上部クラッドを形成した。
【００６９】
本発明を具体的に示し、かつ適当な実施形態を参照して記載したが、本発明の真意および範囲を逸脱することなしに種々の変形および修飾を行うことができることは、当業者によって容易に理解されるであろう。請求の範囲が、開示される実施形態、上記において議論したそれらの代替物およびそれらの全ての等価物に及ぶと解釈されることを意図する。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】基板上のバッファ層、バッファ層の直上のコア層、ならびにコア層の上部表面、コア層の側壁およびバッファ層の上の上部クラッド層を有し、側部界面領域がコアの側壁と上部クラッドとの間にあり、上部界面領域がコアの上面とクラッドとの間にあり、床部界面領域がコアの床面とバッファ層との間にあるポリマー導波路の概略図である。
【図２】理想的な段階的屈折率構造を有する導波路の概略図である。
【図３】通常の段階的屈折率構造を有する先行技術の導波路の概略図である。
【図４】下部クラッド、および下部クラッド中の導波領域を含むコアの周囲の傾斜した屈折率の領域を有する、フォトポリマーから作製される先行技術の導波路の概略図である。
【図５】下部クラッド、下部クラッド中の導波領域、コアの側部および上部の傾斜した屈折率、および下部クラッドの真下に低屈折率のバッファを有する先行技術の導波路の概略図である。
【図６】上部クラッドに取り付けられたヒータを有する導波路の断面図である。
【図７】導波路に回折格子が刻み込まれている基板上の導波路の平面図である。
【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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【図７】
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【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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