光波导的制作方法

专利名称：光波导的制作方法
技术领域：
本发明涉及能在光互联器、光调制器、光集成电路、光开关、分配器、光收发模块等中使用的光波导和使用该光波导的光通信用器件。
背景技术：
近年，因特网的宽带化不断进展，为了普及FTTH等的访问，光通信用器件的大幅度的低成本是必要的。作为光通信用器件，把光变换为电信号的光收发模块在光通信用机器的终端中使用。为了实现该光收发模块的小型化和低成本化，提出以有机高分子材料形成模块内的零件即光波导的方法(宫寺信生，光波导用聚合物材料，光联合，p13、2，(1999))。
例如，在衬底上形成下部包层，在该下部包层上形成由有机高分子材料构成的光传播层。该光传播层使用光刻，通过RIE或UV照射形成图案，除去不要的部分。在这样形成的光传播层之上形成上部包层。很多时候，下部包层和上部包层都由有机高分子材料形成。
可是，当由有机无机复合体、树脂材料等在固化时伴随着体积收缩的材料形成光波导的上部包层时，在形成上部包层时，伴随着体积收缩，所以在下部包层中，容易发生破裂或剥离等问题。

发明内容
本发明的目的在于提供能有效防止下部包层和上部包层中的破裂或剥离的发生的光波导的新构造和使用该光波导的光通信用器件。
本发明的光波导具有成为光传播区的芯层、覆盖该芯层周围的上部包层和下部包层，上部包层伴随着体积的收缩而形成，其特征在于在上部包层和下部包层挨着的区域的至少一部分中，在上部包层和下部包层之间，设置缓和伴随着上部包层的体积收缩而产生的应力的应力缓和层。
根据本发明，通过在上部包层和下部包层之间设置应力缓和层，能通过应力缓和层缓和上部包层的形成时的体积收缩引起的应力。因此，在下部包层和上部包层中，能有效防止破裂和剥离等的发生。
本发明的应力缓和层希望由比上部包层的材料的储存弹性模量小的材料形成。一般，如果对高分子材料提供正弦变化的应力，则变形成为相同频率、相位只滞后δ的正弦波形。储存弹性模量是1周期中存储、完全恢复的能量的尺度，能通过动态粘弹性测定装置测定。
当上部包层由有机无机复合体形成时，应力缓和层的储存弹性模量希望在30℃，为100000kgf/cm2以下，更希望为50000kgf/cm2以下。此外，应力缓和层也能由有机无机复合体形成。应力缓和层的储存弹性模量的下限值并未特别限定，但是一般在30℃为10000kgf/m2以上。须指出的是，以下，储存弹性模量都为30℃的储存弹性模量。
在本发明中，芯层和/或下部包层可以由有机无机复合体形成。
在本发明中，有机无机复合体例如能由有机聚合物和金属醇盐形成。此外，有机无机复合体可以由至少一种金属醇盐形成。这时，希望由至少两种金属醇盐形成。
在所述有机无机复合体中，通过适当调整有机聚合物和金属醇盐的组合或至少两种金属醇盐的组合，能调整最终形成的有机无机复合体的折射率。
作为金属醇盐，可以使用具有通过光或热聚合的聚合性基团的金属醇盐。这时，希望组合具有通过光或热聚合的聚合性基团的金属醇盐和不具有该聚合性基团的金属醇盐来使用。作为所述聚合性基团，能列举异丁烯酰氧基、丙烯酰氧基、乙烯基、苯乙烯基等。
当使用具有聚合性基团的金属醇盐时，希望通过光或热，使金属醇盐的聚合性基团聚合。
作为金属醇盐，能列举出Si、Ti、Zr、Al、Nb、Sn、Zn等的醇盐。特别希望使用Si、Ti或Zr的醇盐。因此，希望使用烷氧基硅烷、烷氧基钛、烷氧基锆，特别希望使用烷氧基硅烷。
作为烷氧基硅烷，能列举出四乙氧基硅烷、四甲氧基硅烷、四正丙氧基硅烷、四异丙氧基硅烷、四正丁氧基硅烷、四异丁氧基硅烷、苯基三乙氧基硅烷(PhTES)、苯基三甲氧基硅烷(PhTMS)、二苯基二乙氧基硅烷、二苯基二甲氧基硅烷等。
作为具有所述聚合性基团的烷氧基硅烷，能列举出3-异丁烯酰氧基丙基三乙氧基硅烷(MPTES)、3-异丁烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷(MPTMS)、3-异丁烯酰氧基丙基甲基二甲氧基硅烷、3-丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷、p-苯乙烯基三乙氧基硅烷、p-苯乙烯基三甲氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷、乙烯基三乙氧基硅烷。
作为烷氧基钛可以举出异丙氧基钛、丁氧基钛等。作为烷氧基锆可以举出异丙氧基锆、丁氧基锆等。作为烷氧基铌可以举出五乙氧基铌等。
作为金属醇盐，能使用上述的材料，但是一般，能使用由表达式M(OR)n、R’M(OR)n-1以及R’2M(OR)n-2(这里，M是金属，n为2、3、4或5，R和R’表示有机基)表示的金属醇盐。作为有机基，能列举出烷基、芳基、具有所述聚合性基团的有机基等。作为M，如上所述，能列举出Si、Ti、Zr、Al、Nb、Sn、Zn等。须指出的是，作为烷基，希望为碳数1～5的烷基。
由有机聚合物和金属醇盐形成有机无机复合体时的有机聚合物，如果是能与金属醇盐形成有机无机复合体的，就不特别限定。作为有机聚合物，例如能列举具有羰基的高分子聚合物、具有苯环的高分子聚合物、具有萘环的高分子聚合物。
作为有机聚合物的具体例，能列举聚乙烯吡咯烷酮、聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚酰胺、聚酰亚胺、聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、环氧树脂、酚醛树脂、丙烯酸树脂、尿素树脂、三聚氰胺甲醛树脂等。从形成光学透明性优异的有机无机复合体的观点出发，希望使用聚乙烯吡咯烷酮、聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、环氧树脂以及它们的混合物。
在本发明中，能使用用于形成各层的溶液，在形成各层的条件下制作用于测定储存弹性模量的样品，关于该样品通过测定储存弹性模量，求出由有机无机复合体形成应力缓和层、上部包层和其他层时的各层的储存弹性模量。
在涂敷原料溶液后，把它加热干燥，形成有机无机复合体。当使用具有聚合性基团的金属醇盐时，根据需要，通过加热或光照射进行聚合，使之固化。
在本发明中，下部包层可以是具有比芯层的折射率低的衬底。
此外，在本发明中，下部包层可以形成在衬底之上。此外，在上部包层之上可以设置上部衬底。
在本发明中，可以通过层叠多层，形成上部包层。这时，多层可以是由相同材料形成的层。即上部包层是分多次涂敷形成的。通过分多次涂敷，能防止由于上部包层形成时的收缩，在上部包层中产生破裂，或上部包层剥离。
此外，在本发明中，当芯层的厚度为H，应力缓和层的厚度为t时，应力缓和层的厚度t希望为满足0.05μm≤t≤0.25H的范围内。如果应力缓和层的厚度比0.05μm薄，则有时无法充分取得减少破裂或剥离的发生的本发明效果。此外，如果应力缓和层的厚度比0.25H大，则产生来自应力缓和层的光的泄漏时，其程度有可能增大。应力缓和层的更希望的厚度为0.1μm≤t≤10μm。
在本发明中，应力缓和层希望由具有不高于芯层材料的折射率(即相等或低的折射率)的材料形成。特别是通过由具有比芯层材料的折射率低的折射率的材料形成，能有效防止来自应力缓和层的光的泄漏。
此外，在本发明中，可以由与芯层相同的材料形成应力缓和层。通过由与芯层相同的材料形成应力缓和层，能在形成芯层的同时形成应力缓和层，能简化制造步骤。这时，应力缓和层与芯层一体化形成。
可是，如果由与芯层相同的材料形成应力缓和层，光就有可能从应力缓和层向外部泄漏。这时，在芯层附近的应力缓和层中形成分离芯层和应力缓和层的沟，在该沟中填充具有比应力缓和层材料的折射率低的折射率的材料。通过形成这样的沟，能从芯层分离应力缓和层，所以能防止来自应力缓和层的光的泄漏。
所述沟可以形成在下部包层中。也可以形成为通过下部包层，到达衬底。这样，形成沟，使其到达下部包层，再到达衬底，通过在沟内填充与各层的密接性良好的材料，能提高各层间的密接性。
作为填充所述沟内的材料，希望使用与上部包层相同的材料，但是当使用与上部包层相同的材料时，在形成上部包层时，能用该材料填充沟内，同时形成。
当在上部包层之上设置上部衬底时，所述沟可以形成在上部衬底和上部包层中。
此外，作为防止来自应力缓和层的光的泄漏的方法，也可以在应力缓和层和上部包层的界面上形成凹凸。作为这样的凹凸，能例示相当于表面粗糙度Rmax0.02～10μm范围的凹凸。
通过在应力缓和层和上部包层以及下部包层的至少一方的界面上形成凹凸，当照射紫外线，把上部包层或芯层固化时，能以高精度使光固化时的紫外线照射量一定。即由光固化性树脂形成光波导的上部包层或芯层时，树脂根据固化时的紫外线照射量，折射率变化，所以有必要以高精度控制紫外线照射量。使上部包层固化时照射的紫外线的一部分也侵入下部包层，由下部包层的相反一侧的界面反射紫外线，再到达上部包层，有助于上部包层的紫外线固化。这样反射的紫外线的强度受到下部包层的折射率、厚度偏差等的影响而产生偏差，所以在上部包层或芯层的折射率中产生偏差。
通过在应力缓和层和上部包层以及下部包层的至少一方的界面上形成凹凸，能用该凹凸部分反射为了使上部包层或芯层固化而照射的紫外线，能使紫外线不到达下部包层。因此，能以良好的再现性、高精度控制使上部包层或芯层固化时的紫外线照射量，能减少上部包层和芯层中的折射率的偏差。
为了所述目的而在应力缓和层的界面上形成的凹凸形状，只要是能使光固化中使用的波长400nm以下的紫外线散射，就不作特别限定，但是作为表面粗糙度Rmax，希望为0.05～10μm的范围。此外，作为凹凸形状，能列举图28所示的带状的、图29所示的岛状的、图30所示的随机形成的岛状的。
此外，来自应力缓和层的光泄漏变为杂散光，作为减轻噪声发生等的不良影响的方法，可以使应力缓和层包含光吸收或散乱成分。作为光吸收或散乱成分能列举碳粒子、TiO2、ZrO2等氧化物、TiN、ZrN等氮化物。
在本发明中，光入射和/或出射的芯层的端面，希望通过由透明材料构成的保护层覆盖。通过这样的保护层的形成，能防止水分向芯层内的侵入或污染物质的附着等。
保护层希望由不高于芯层的折射率的材料形成。一般，界面上的折射率差越大，反射引起的损失越大。因此，通过形成这样的保护层，能减少光入射芯层时的反射引起的损失。
保护层希望由与上部包层相同的材料形成。通过由与上部包层相同的材料形成保护层，能在形成上部包层的同时形成保护层，能与上部包层一体化形成保护层。
在本发明中，芯层的角部希望为带圆形的形状。通过使角部为带圆形的形状，能在形成芯层时防止芯层的角部缺损。
本发明的光通信用器件的特征在于把所述本发明的光波导作为光信号的发送和/或接收的介质使用。


图1是表示本发明一实施例的光波导的剖视图。
图2是表示本发明其他实施例的光波导的剖视图。
图3是表示本发明其他实施例的光波导的剖视图。
图4是表示本发明其他实施例的光波导的剖视图。
图5是本发明的芯层的截面形状例的图。
图6是表示图3所示的实施例的制造步骤的图。
图7是表示图3所示的实施例的制造步骤的图。
图8是表示图3所示的实施例的制造步骤的图。
图9是表示本发明其他实施例的光波导的剖视图。
图10是表示图9所示的实施例的制造步骤的图。
图11是表示本发明其他实施例的光波导的剖视图。
图12是表示图11所示的实施例的制造步骤的图。
图13是表示图11所示的实施例的制造步骤的图。
图14是表示本发明其他实施例的光波导的剖视图。
图15是表示图14所示的实施例的制造步骤的图。
图16是表示本发明其他实施例的光波导的剖视图。
图17是表示图16所示的实施例的制造步骤的图。
图18是表示进行本发明实施例的光波导的光传播试验的装置的模式图。
图19是表示本发明其他实施例的光波导的侧剖视图。
图20是表示本发明其他实施例的光波导的侧剖视图。
图21是表示本发明其他实施例的光波导的剖视图。
图22是表示本发明其他实施例的光波导的剖视图。
图23是表示本发明其他实施例的光波导的剖视图。
图24是表示本发明其他实施例的光波导的剖视图。
图25是表示本发明其他实施例的光波导的剖视图。
图26是表示本发明其他实施例的光波导的剖视图。
图27是表示使用光收发模块的光传输系统的立体图。
图28是表示在应力缓和层与上部包层或下部包层的界面上形成的凹凸形状的一例的立体图。
图29是表示在应力缓和层与上部包层或下部包层的界面上形成的凹凸形状的其他例子的立体图。
图30是表示在应力缓和层与上部包层或下部包层的界面上形成的凹凸形状的其他例子的立体图。
图31是表示本发明其他实施例的光波导的剖视图。
图32是表示制造图31所示的实施例的光波导的步骤的图。
图33是表示制造图31所示的实施例的光波导的步骤的图。
图34是表示本发明其他实施例的光波导的剖视图。
图35是表示本发明其他实施例的光波导的剖视图。
具体实施例方式
下面，根据实施例说明本发明，但是本发明并不局限于以下的实施例，在不变更其主旨的范围中，能适当变更实施。
图1是表示本发明一实施例的光波导的剖视图。如图1所示，在衬底1上形成下部包层2。在下部包层2的中心部之上形成成为光传播区的芯层3。在芯层3之上设置上部包层4。下部包层2和上部包层4由具有比芯层3低的折射率的材料形成。芯层3通过上部包层4和下部包层2覆盖其周围，使能在其内部传输光。
在未设置芯层3的区域中，在上部包层4和下部包层2之间设置应力缓和层5。应力缓和层5由比上部包层4的材料的储存弹性模量小的材料形成。因此，形成上部包层4时产生的上部包层4的体积收缩引起的应力能通过应力缓和层5缓和。因此，能有效防止下部包层2的破裂或剥离的发生以及上部包层4的破裂或剥离的发生。
应力缓和层5的厚度希望为0.05μm以上，芯层3的厚度的1/4以下。更希望为0.1μm～10μm的范围内。
在本实施例中，下部包层2、芯层3、上部包层4和应力缓和层5都希望由有机无机复合体形成。衬底1由玻璃衬底形成。
图2是表示本发明其他实施例的光波导的剖视图。在图2所示的实施例中，衬底具有比芯层3还低的折射率，衬底构成下部包层2。作为能作为这样的下部包层2而使用的衬底，例如能列举石英、十层玻璃、派热克斯玻璃等(商标名称)。
图3是表示本发明其他实施例的光波导的剖视图。在本实施例中，应力缓和层5由与芯层3相同的材料形成。因此，应力缓和层5与芯层3一体形成。
应力缓和层5由比上部包层的材料的储存弹性模量还小的材料形成。可是，由与芯层3相同的材料形成，所以折射率与芯层3相同。
在本实施例中，由与芯层3相同的材料形成应力缓和层5，所以在形成芯层3时，能同时形成应力缓和层5。因此，能简化制造步骤。可是，因为由与芯层3相同的材料形成，所以折射率相同，在芯层3中传播的光有可能从应力缓和层5泄漏到外部。这样的光的泄漏能由后面描述的方法抑制。
图4是表示本发明其他实施例的光波导的剖视图。在图4所示的实施例中，下部包层2由衬底形成。关于其他，与图3所示的实施例同样。
图5是表示本发明的芯层的截面形状例的图。图5(a)～图5(d)所示的芯层3具有没有角部的形状、角部带圆形的形状。因此，当形成芯层时，难以产生缺口等。
图6和图7是表示图3所示的实施例的制造步骤的图。
如图6(a)所示，在玻璃衬底1之上形成由有机无机复合体构成的下部包层2。
接着，如图6(b)所示，在下部包层2之上形成由有机无机复合体构成的芯层3。作为芯层3的有机无机复合体，形成具有热塑性的有机无机复合体。这样的具有热塑性的有机无机复合体例如能由含有热塑性树脂和金属醇盐的溶液形成。把芯层3加热，成为软化的状态，接着如图6(c)所示，在软化的芯层3之上按下模具10。在模具10中形成有凹部10a，与该凹部10a的形状匹配，形成芯层3。此外，在凹部10a的周边部分形成应力缓和层5。须指出的是，在本实施例中，模具10由玻璃形成。
接着，如图7(d)所示，取下模具10，如图7(e)所示，在芯层3和应力缓和层5之上形成由有机无机复合体构成的上部包层4。
图8是表示切断按以上制作的光波导的端部的状态的侧视图。如图8所示，通过切片锯11切断光波导的端部，能使良好的端面露出。
图9是表示本发明其他实施例的光波导的剖视图。图9所示的实施例与图1所示的实施例同样，在衬底1上形成下部包层2，应力缓和层5由与芯层3不同的材料形成。
图10是表示图9所示的实施例的制造步骤的剖视图。
如图10(a)所示，在衬底1上形成下部包层2。接着，如图10(b)所示，在下部包层2上形成芯层3。在下部包层2的整个面上形成芯层3后，使用光刻和蚀刻，如图10(b)所示构图，形成芯层3。
接着，如图10(c)所示，在芯层3上设置掩模12，在芯层以外的部分形成应力缓和层5。除去掩模12后，在应力缓和层5和芯层3上形成上部包层，能形成图9所示的光波导。
图11是表示本发明其他实施例的光波导的剖视图。在图11所示的实施例中，在下部包层2上形成凹部2a，在该凹部2a内形成芯层3。此外，由与芯层3相同的材料形成应力缓和层5。
图12和图13是表示图11所示的实施例的制造步骤的图。
如图12(a)所示，在衬底1上形成下部包层2。下部包层2由具有热塑性的有机无机复合体形成。把下部包层2加热软化，把具有向下方突出的凸部13a的模具13按在软化状态的下部包层2上。
如图12(b)所示，通过模具13的凸部13a，在下部包层2中形成凹部2a。
接着，如图13(c)所示，取下模具13，如图13(d)所示，在下部包层2上形成芯层3。嵌入凹部2a形成芯层3，并且在其周边区域形成应力缓和层5。
接着，通过在应力缓和层5和芯层3上形成上部包层，能制造图11所示的实施例的光波导。
以下的实施例中使用的用于形成各层的溶液如下所述。
把3-异丁烯酰氧基丙基三乙氧基硅烷(MPTES)13.2g、乙醇16.8g、盐酸(2N)1.6g、苯基三乙氧基硅烷(PhTES)2.4g混合，在30℃放置45小时，制作溶液A。该溶液A在形成下部包层和上部包层时使用。
把PhTES39.6g、盐酸(0.05N)5.9g、N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)53.6g混合，在30℃放置19小时。把该溶液19.1g和在NMP82.5g中溶解聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)17.5g的溶液10.9g混合30分钟，制作溶液B。使用该溶液B形成芯层和(由与芯层相同的材料形成时的)应力缓和层。
混合PhTES39.6g、盐酸(0.05N)5.9g、NMP53.6g混合，在30℃放置19小时，制作溶液。把该溶液3.3g和在NMP82.5g中溶解PMMA17.5g的溶液16.7g混合30分钟，制作溶液C。使用该溶液C，形成应力缓和层。
由所述溶液A、B和C制作的有机无机复合体的折射率和储存弹性模量如下所述。
溶液A折射率约1.50、储存弹性模量约27000kgf/cm2；
溶液B折射率约1.54、储存弹性模量约22000kgf/cm2；溶液C折射率约1.50、储存弹性模量约20000kgf/cm2。
<实施例1>
按如下制作图3所示的实施例的光波导。
如图6(a)所示，在由直径76mm、厚度1mm的玻璃构成的衬底1上旋转涂敷溶液A，涂敷后，使用加热炉，在180℃加热20分钟，使涂膜固化，形成厚度约5μm的下部包层2。通过所述加热，使MPTES的异丁烯酰氧基聚合。
接着，如图6(b)所示，在下部包层2上滴下溶液B，通过在120℃干燥5小时，除去溶剂，形成厚度约50μm的芯层3。
接着，把芯层3加热到140℃，使其软化后，如图6(c)所示，按下玻璃制的模具10，把模具10的形状复制到芯层3上。模具10的凹部10a的宽度为100μm，深度为40μm，角部的曲率半径为10μm。
如上所述，同时形成芯层3和应力缓和层5。应力缓和层5的厚度约为10μm。此外，芯层3的厚度约50μm。
接着，如图7(d)所示，取下模具10后，如图7(e)所示，形成上部包层4(从应力缓和层5的上表面到上部包层4的上表面的厚度约60μm)。把溶液A在120℃加热20分钟，除去溶剂(乙醇)，成为粘度高的溶液后，把它向芯层3和应力缓和层5之上滴下后，用中心波长365nm、强度200mW/cm2(距离10mm)的紫外线照射装置，照射约30分钟紫外线，使其固化，形成上部包层4。
须指出的是，在形成上部包层4时，分2次形成。即首先涂敷形成上部包层4所必要的量的一半，照射紫外线后，在其上涂敷剩下的一半溶液，照射紫外线，固化。通过这样分多次形成上部包层，能防止在上部包层中产生破裂或剥离等。须指出的是，在以下的实施例中，同样分2次形成上部包层。
须指出的是，在下部包层2和上部包层4的有机无机复合体中，MPTES的异丁烯酰氧基聚合。在下部包层2中，通过热聚合，在上部包层4中，通过紫外线照射聚合。
之所以通过紫外线照射使上部包层4固化是因为如果为了聚合而加热，芯层3和应力缓和层5具有热塑性，所以有可能变形。因此，为了避免芯层3和应力缓和层5由于热而变形，所以通过紫外线照射使上部包层4固化。
为了评价基于应力缓和层的应力缓和效果，在玻璃衬底上使用溶液A形成下部包层(厚度约5μm)，在其上使用溶液B形成应力缓和层(厚度约10μm)，在其上使用溶液A形成上部包层(厚度约60μm)，制造样品。制作50个该样品，在光学显微镜下进行观察的结果确认了在3个样品中，上部包层和下部包层的剥离。
而为了比较，制作在衬底上形成下部包层和上部包层的样品。在该样品中，在上部包层和下部包层之间不形成应力缓和层。制作50个这样的样品，用光学显微镜观察，在11个样品中，确认了上部包层和下部包层的剥离。
从以上结果可知，通过在上部包层和下部包层之间设置应力缓和层，能缓和上部包层形成时的应力，能防止破裂或剥离。
与所述同样，制作50个在上部包层和下部包层之间形成应力缓和层的样品，在23℃的水中把这些样品浸渍24小时。结果在5个样品中，确认了上部包层和下部包层的剥离。而与所述同样，制作不设置应力缓和层的比较样品50个，进行同样的耐水性试验的结果是在20个样品中，确认了上部包层和下部包层的剥离。
因此，通过在上部包层和下部包层之间设置应力缓和层，能提高耐水性。
<实施例2>
制作图9所示的实施例的光波导。
如图10(a)所示，在直径76mm、厚度1mm的玻璃衬底1上，使用溶液A进行旋转涂敷，使用加热炉，在180℃加热20分钟，形成厚度约2μm的下部包层2。
接着，在下部包层2上滴下涂敷溶液B，在120℃干燥5小时，除去溶剂，形成厚度约50μm的芯层3。通过光刻法或蚀刻法对该芯层3进行布图，形成图10(b)所示的形状的芯层3。
接着，如图10(c)所示，在芯层3上配置掩模12，滴下涂敷溶液C，在120℃干燥5小时，形成厚度约10μm的应力缓和层5。
去除掩模12后，与所述实施例1同样，除去熔液A的溶剂，滴下粘性提高的溶液，然后，在约30分钟中照射紫外线，形成上部包层4(厚度约60μm)。
与所述实施例1同样，制作50个在衬底上按顺序形成下部包层、应力缓和层、上部包层的样品。须指出的是，这里，应力缓和层由溶液C形成。与实施例1同样，在光学显微镜下进行观察的结果确认了在2个样品中，上部包层和下部包层的剥离。
关于与所述同样的50个样品，与所述实施例1同样进行耐水性试验的结果是在17个样品中观察到剥离。
从以上结果可知，与实施例1同样，在本实施例中，通过设置应力缓和层，能缓和形成上部包层时的应力，能抑制剥离的发生。此外，耐水性也得到改善。
<实施例3>
制作图11所示的实施例的光波导。
如图12(a)所示，在直径76mm、厚度1mm的玻璃衬底1上滴下溶液A，一边按下玻璃制的模具13，一边使用加热炉，在180℃加热20分钟，使下部包层2固化形成。在模具13中形成有凸部13a，凸部13a的宽度100μm，高度40μm，角部的曲率半径为10μm。
如图13(c)所示，通过取下模具13，形成具有凹部2a的下部包层2。下部包层2的厚度约70μm。
接着，在下部包层2上滴下溶液B，通过在120℃干燥5小时，使溶剂蒸发，固化。据此，在凹部2a内形成芯层3，在其周围形成应力缓和层5。
接着，在其上滴下溶液A，通过照射30分钟紫外线，使其固化，形成上部包层4(厚度约30μm)。
<实施例4>
图14是表示本发明其他实施例的光波导的剖视图。在本实施例中，在应力缓和层5和上部包层4的界面5a中形成凹凸。通过形成这样的凹凸5a，能防止来自芯层4的光通过应力缓和层5泄漏到外部。凹凸5a是相当于表面粗糙度Rmax约1μm的凹凸。
如图15(a)所示，与实施例1同样，在衬底1上形成下部包层2和芯层3。如图15(b)所示，把在相当于应力缓和层的区域中形成凹凸14a，并且在相当于芯层的区域中形成凹部14b的模具14按在芯层3上。凹凸14a形成相当于表面粗糙度Rmax约1μm的凹凸，该凹凸复制到应力缓和层5的表面上。
如图15(c)所示，通过去掉模具14，成为在应力缓和层5的表面形成凹凸5a的状态。接着，与实施例1同样，通过形成上部包层，取得图14所示的光波导。
使用图18所示的装置评价制作的光波导的光泄漏。在图18所示的装置中，设置芯直径约7μm的光纤，在其一方端面导入波长650nm的激光18，在另一方端面配置光波导的芯层3。入射芯层3的一方端面的激光通过芯层3内，从另一方端面出射到屏幕17。通过从箭头的方向观察出射到屏幕17的光的点，能观察光泄漏的状态。结果，在本实施例的光波导时，观察到与芯层3对应的强烈的光点。而使用实施例1的光波导时，在光点周围观察到弱光。因此，可知实施例1中，光从应力缓和层泄漏。
在本实施例中，泄漏到应力缓和层的光通过应力缓和层和上部包层的界面的凹凸，散射到光波导的上方，所以不到达屏幕。
<实施例5>
图16是表示本发明其他实施例的光波导的剖视图。在本实施例中，在应力缓和层5的上部包层4一侧的界面含有作为光吸收成分的碳粒子6。
图17是表示图16所示的实施例的制造步骤的图。如图17(a)所示，在与应力缓和层对应的部分即模具15的顶端面15b之上附着碳粒子6，如图17(b)所示，把该模具15按在芯层3上。据此，在应力缓和层5中配置碳粒子6。此外，在与模具15的凹部15a对应的区域中形成芯层3。
如图17(c)所示，通过去掉模具15，成为在应力缓和层5的表面含有碳粒子6的状态。接着，通过在芯层3和应力缓和层5上形成上部包层4，制造图16所示的实施例的光波导。
在本实施例中，作为碳粒子6，使用平均粒径约1μm的碳粉。
与实施例4同样，使用图18的装置，关于本实施例的光波导，评价光泄漏，结果在屏幕上观察到强烈的光点，与实施例4同样，确认防止了来自应力缓和层的光泄漏。这被认为是由于应力缓和层中含有的碳粒子，泄漏出应力缓和层的光被散射或被吸收，据此，不到达屏幕。
<实施例6>
除了使应力缓和层的厚度变化为0.02μm、0.05μm、0.1μm、0.3μm、10μm以外，与实施例1同样制作光波导。分别制造50个光波导的样品，使用光学显微镜观察的结果是在应力缓和层厚度为0.02μm的样品中，在18个样品中观察到上部包层和下部包层的剥离，在0.05μm的样品中，在10个样品中观察到上部包层和下部包层的剥离，在0.1μm的样品中，在4个样品中观察到上部包层和下部包层的剥离，在0.3μm的样品中，在3个样品中观察到上部包层和下部包层的剥离，在10μm的样品中，在3个样品中观察到上部包层和下部包层的剥离。
从所述结果可知，作为应力缓和层的厚度，希望为0.05μm以上，更希望为0.1μm以上。
此外，当芯层的高度为40μm时，如果应力缓和层的厚度为10μm以上，则光在距离20mm的芯层中传播时，50％以上的光在应力缓和层中传播、泄漏。同样，当芯层的高度为80μm时，如果应力缓和层的厚度为20μm以上，则50％以上的光泄漏。
因此，如果芯层的高度位H，则应力缓和层的厚度t希望为0.05μm≤t≤0.25H的范围内，更希望为0.1μm≤t≤10μm的范围。
<实施例7>
图19是表示本发明其他实施例的光波导的侧剖视图。如图19所示，在芯层3的光入射和/或出射的端面3a上设置保护层7。保护层7由与上部包层4相同的材料形成。因此，保护层7与上部包层4一体形成。
图20与图19所示的实施例同样，在芯层3的端面3a上设置保护层7。在图20所示的实施例中，该保护层7也设置在衬底1的下方。
在图19和图20所示的实施例中，保护层7的厚度约50μm。通过用保护层7覆盖端面3a，光输出约增加3％。
通过形成保护层7，能防止水分向芯层的侵入和污染物质的附着等，据此，光输出特性提高。
<实施例8>
图21是表示本发明其他实施例的光波导的剖视图。在图21所示的实施例中，在芯层3附近的应力缓和层5中形成分离芯层3和应力缓和层5的沟8。在沟8内填充与上部包层4相同的材料。因此，在沟8内填充着具有比应力缓和层5的折射率低的材料。因此，在芯层3内传播的光由沟8内的材料反射。因此，能防止光从应力缓和层5泄漏。
与实施例1同样，在形成芯层3和应力缓和层5后，使用切片锯形成沟8。在形成沟8后，与实施例1同样，形成上部包层4，在沟8内填充与上部包层4相同的材料。
须指出的是，在本实施例中，希望分多次形成上部包层4。例如，涂敷给定量的一半的溶液A，照射紫外线，使其固化，填充沟8后，涂敷剩下一半溶液A，照射紫外线，使其固化形成。须指出的是，在以下的
<实施例9>
图22是表示本发明其他实施例的光波导的剖视图。
本实施例是在图11所示的实施例中，在芯层3附近的应力缓和层5中形成分离芯层3和应力缓和层5的沟8，在该沟8中填充与上部包层4相同的材料。与实施例8同样，通过形成这样的沟8，能防止来自芯层3的光的泄漏。
在形成芯层3和应力缓和层5后，使用切片锯，能形成沟8。在形成沟8后，通过形成上部包层4，能在沟8内填充与上部包层4相同的材料。
<实施例10>
图23是表示本发明其他实施例的光波导的剖视图。
本实施例是在图21所示的实施例8中，在上部包层4上设置上部衬底9。作为上部衬底9，能使用玻璃衬底。其他与图21所示的实施例8同样。
<实施例11>
本实施例是在图22所示的实施例9中，在上部包层4之上设置上部衬底9的实施例。其他与实施例9同样。
<实施例12>
图25是表示本发明其他实施例的光波导的剖视图。
在本实施例中，沟8也形成在上部包层4和上部衬底9上。在沟8内填充有与上部包层4相同的材料19。
在本实施例中，在上部包层4之上设置上部衬底9，然后，使用切片锯形成沟8，可以在形成的沟8内通过填充与上部包层4相同的材料19而形成。
在本实施例中，与所述实施例同样，能防止来自芯层3的光的泄漏。
<实施例13>
图26是表示本发明其他实施例的光波导的剖视图。
在本实施例中，在上部包层4和上部衬底9中也形成沟8。与图25所示的实施例12同样，在上部包层4之上设置上部衬底9后，使用切片锯形成沟8，在该沟8内通过填充与上部包层4相同的材料19形成。
在本实施例中，通过形成沟8，能防止来自芯层3的光的泄漏。
在所述实施例8～13中，例示了把与上部包层4相同的材料作为填充到沟8内的材料，但是本发明并不局限于此，如果是具有比应力缓和层5材料还低的折射率的材料，就可以使用其它材料。
在所述各实施例中，在通过加热使芯层软化的状态下，按下模具成形，但是本发明并不局限于此。例如，涂敷具有粘性的液体，在其上按下模具的状态下，通过紫外线照射等，使其固化，把芯层形成给定形状。例如，调配把MPTMS3.6g、乙醇16.8g、盐酸(2N)1.6g、PhTES11.7g混合的溶液，把该溶液在30℃放置45小时后，在120℃加热20分钟，除去溶剂，成为粘性高的液体，使用该液体，如上所述，在按住模具的状态下，照射紫外线，成形为给定形状。
此外，在所述实施例中，由有机无机复合体形成光波导的各层，但是可以是由有机无机复合体形成这些层内的任意一个的光波导，也可以由有机无机复合体以外的材料形成。
<实施例14>
图27是表示使用作为本发明的光通信用器件的光收发模块的光传输系统的立体图。在光纤26的两端连接有光收发模块20和23。在光收发模块20和23上分别设置由实施例1的光波导形成的Y分支光波导27和28。在Y分支光波导27和28的顶端连接光纤26的端部，在Y分支光波导27和28的分支端分别连接激光二极管21和24以及光电二极管22和25。作为光纤26，使用芯直径50μm的玻璃制多模光纤。
从光收发模块20的激光二极管21入射100kHz的脉冲波，结果从光收发模块23的激光二极管25能再现脉冲波。此外，来自激光二极管24的信号也能由光电二极管22接收。因此，确认为能作为光收发模块起作用。
在以下的实施例15～19中，说明为了使上部包层等进行光固化时照射的紫外线不到达下部包层，在应力缓和层和包层的界面形成凹凸的实施例。
<实施例15> 把3-异丁烯酰氧基丙基三乙氧基硅烷(MPTES)5.5ml、苯基三甲氧基硅烷(PhTMS)5.8ml、包含作为反应催化剂的盐酸的水溶液(浓度2N的盐酸)1.65ml、乙醇20.5ml混合后，通过放置24小时，把MPTES和PhTMS水解，缩聚。把取得的缩聚物液4ml取到玻璃器皿中，作为聚合引发剂，溶解10mg 1-羟基环己基苯酮后，在100℃加热，蒸发除去乙醇，取得约1g的粘性液体。在该1g的粘性液体中混合三甲基乙氧基硅烷3ml、三氟醋酸酐0.8ml，放置24小时后，通过在100℃加热干燥，蒸发除去过剩的三甲基乙氧基硅烷和三氟醋酸酐，制作溶液D。使用该溶液D，形成芯层和应力缓和层。
除了所述PhTMS的量为4.5ml以外，与所述芯层(应力缓和层)的形成用溶液同样，制作溶液E。使用该溶液E，形成上部包层和下部包层。
从所述溶液D和E制作的有机无机复合体的折射率和储存弹性模量如下所述。
溶液D折射率1.519、储存弹性模量约27000kgf/cm2溶液E折射率1.515、储存弹性模量约28000kgf/cm2图31是表示本实施例的光波导的剖视图。如图31所示，在应力缓和层5和上部包层4的界面形成凹凸5a。通过形成这样的凹凸5a，由应力缓和层5自身吸收紫外线，能使紫外线不到达下部包层2。因此，能以良好的再现性、高精度设定使上部包层4或芯层3光固化时的紫外线照射量。
凹凸5a是图28所示的带状的凹凸，具有以间隔0.5μm排列半径0.3μm的半圆柱的形状。须指出的是，该凹凸5a相当于表面粗糙度Rmax0.3μm。
图32和图33是用于说明制造图31所示的实施例的光波导的步骤的剖视图。
首先，如图32(a)所示，在玻璃衬底1上滴下溶液E，一边按下硅胶制的模具13，一边使用具有365nm的中心波长的强度100mW的紫外线灯，照射30分钟紫外线，使其固化，形成下部包层2。在模具13中形成有凸部13a，凸部13a的宽度为7μm，高度为7μm。因此，由凸部13a形成的芯层在光通信频带1300nm或1550nm中，成为所谓的单模光波导。
接着，如图32(b)所示，把溶液D流入下部包层2的沟部分，如图33(c)所示，一边按下硅胶制的模具14，一边使用具有365nm的中心波长的紫外线灯，照射30分钟紫外线，使其固化，形成芯层3和应力缓和层5。应力缓和层5的平均厚度为0.5μm。在模具14中，如图32(b)所示，形成与应力缓和层的凹凸5a对应的凹凸14a。
接着，如图33(d)所示，取下模具14，在芯层3和应力缓和层5上滴下溶液E，在其上放置上部玻璃衬底9，在该状态下，使用具有365nm的中心波长的紫外线灯，照射30分钟紫外线，使其固化，形成上部包层4。
如上所述，制作50个图31所示的实施例的光波导的样品，测定上部包层的折射率。除去上部玻璃衬底后，使用棱镜耦合器测定上部包层的折射率。结果上部包层的折射率的偏差为±0.007％。
作为比较，除了在应力缓和层的表面不形成凹凸以外，与所述实施例同样，制作50个光波导的样品，测定上部包层的折射率。结果，在比较样品中，上部包层的折射率的偏差为±0.015％。
从以上可知，通过在应力缓和层的表面形成凹凸，能以高精度控制上部包层的折射率。
<实施例16>
与所述实施例15同样，制造图34所示的构造的光波导。在图34所示的实施例中，在下部包层2和应力缓和层5的界面形成凹凸5b。该凹凸5b是与所述实施例15同样的形状。通过在图32(a)所示的模具13的对应部位形成凹凸形状，在下部包层2的表面能形成该凹凸5b。在本实施例中，与所述实施例15同样，能控制上部包层4的折射率。
<实施例17>
与所述实施例15以及实施例16同样，制作图35所示的光波导。在图35所示的实施例中，在应力缓和层5和上部包层4的界面形成凹凸5a，在应力缓和层5和下部包层2的界面形成凹凸5b。这样，通过在双方的界面形成凹凸，进一步改善上部包层4的折射率的偏差，能降低到±0.006％。
<实施例18>
除了使在应力缓和层中形成的凹凸形状为图29所示的岛状以外，与实施例15同样，形成光波导。凹凸的岛的大小为宽度0.3μm，深度0.5μm，高度0.5μm，与相邻的岛的间隔各为0.5μm。该凹凸相当于表面粗糙度Rmax0.5μm。
在本实施例中，能使上部包层的折射率的偏差降低到±0.006％。
<实施例19>
除了使在应力缓和层中形成的凹凸形状为图30所示的岛状以外，与实施例15同样，形成光波导。一个岛的大小为宽度0.3μm，深度0.3μm，高度0.5μm，岛分散的密度设定为岛的表面积占应力缓和层的表面积的约40％。该凹凸相当于表面粗糙度Rmax0.5μm。
在本实施例中，能使上部包层的折射率的偏差降低到±0.007％。
<实施例20>
(芯层(应力缓和层)形成用熔液)3-异丁烯酰氧基丙基三乙氧基硅烷(MPTES)4.0ml、二苯基二乙氧基硅烷(DphDMS)3.3ml、含有作为反应催化剂的盐酸的水溶液(浓度2N的盐酸)1.18ml以及乙醇15ml混合后，放置24小时，把MPTES和DphDMS水解，缩聚。把取得的缩聚物液4ml取到玻璃器皿中，作为聚合引发剂，溶解10mg 1-羟基环己基苯酮后，在100℃加热，蒸发除去乙醇，取得约1g的粘性液体。在该1g的粘性液体中混合三甲基乙氧基硅烷3ml、三氟醋酸酐0.8ml，放置24小时后，通过在100℃加热干燥，蒸发除去过剩的三甲基乙氧基硅烷和三氟醋酸酐，制作溶液F。使用该溶液F，形成芯层和应力缓和层。
(包层形成用熔液)除了所述DphDMS的量为2.5ml以外，与所述芯层(应力缓和层)的形成用溶液同样，制作溶液G。使用该溶液G，形成上部包层和下部包层。
从所述溶液F和G制作的有机无机复合体的折射率和储存弹性模量如下所述。
溶液D折射率1.547、储存弹性模量约25000kgf/cm2溶液E折射率1.542、储存弹性模量约26000kgf/cm2除了作为芯层(应力缓和层)形成用熔液以及包层形成用熔液使用上述熔液之外，其余的与实施例19相同制作光波导。
在本实施例中可以将上部包层的折射率的偏差降低至±0.007％。
根据本发明，能通过应力缓和层缓和伴随着上部包层形成时的体积收缩的应力，所以能有效防止下部包层和上部包层的破裂和剥离的发生。
权利要求
1.一种光波导，具有成为光传播区的芯层、覆盖该芯层周围的上部包层和下部包层，上部包层伴随着体积的收缩而形成，其特征在于在所述上部包层和所述下部包层挨着的区域的至少一部分中，在所述上部包层和所述下部包层之间，设置对伴随着所述上部包层的体积收缩而产生的应力进行缓和的应力缓和层。
2.根据权利要求1所述的光波导，其特征在于所述上部包层由有机无机复合体形成。
3.根据权利要求1所述的光波导，其特征在于所述应力缓和层由储存弹性模量比所述上部包层的材料的储存弹性模量小的材料形成。
4.根据权利要求3所述的光波导，其特征在于所述应力缓和层的储存弹性模量在30℃为100000kgf/cm2以下。
5.根据权利要求1所述的光波导，其特征在于所述应力缓和层由有机无机复合体形成。
6.根据权利要求1所述的光波导，其特征在于所述芯层和/或所述下部包层由有机无机复合体形成。
7.根据权利要求2所述的光波导，其特征在于所述有机无机复合体由有机聚合物和金属醇盐形成。
8.根据权利要求2所述的光波导，其特征在于所述有机无机复合体至少由一种金属醇盐形成。
9.根据权利要求1所述的光波导，其特征在于所述下部包层是衬底。
10.根据权利要求1所述的光波导，其特征在于所述下部包层形成在衬底上。
11.根据权利要求1所述的光波导，其特征在于在所述上部包层上设置上部衬底。
12.根据权利要求1所述的光波导，其特征在于通过层叠多层，形成所述上部包层。
13.根据权利要求1所述的光波导，其特征在于如果所述芯层的厚度为H，所述应力缓和层的厚度为t，则所述应力缓和层的厚度t在满足0.05μm≤t≤0.25H的范围内。
14.根据权利要求1所述的光波导，其特征在于所述应力缓和层由折射率不高于所述芯层材料的折射率的材料形成。
15.根据权利要求1所述的光波导，其特征在于由与所述芯层相同的材料形成所述应力缓和层。
16.根据权利要求15所述的光波导，其特征在于所述应力缓和层与所述芯层一体化形成。
17.根据权利要求15所述的光波导，其特征在于在所述芯层附近的所述应力缓和层中形成分离芯层和应力缓和层的沟，在该沟中填充具有比应力缓和层材料的折射率低的折射率的材料。
18.根据权利要求17所述的光波导，其特征在于所述沟也形成在所述下部包层中。
19.根据权利要求18所述的光波导，其特征在于形成所述沟，使其通过所述下部包层，到达所述衬底。
20.根据权利要求17所述的光波导，其特征在于在所述上部包层之上设置所述上部衬底，该沟也形成在所述上部衬底和所述上部包层中。
21.根据权利要求1所述的光波导，其特征在于在所述应力缓和层和所述上部包层及所述下部包层中的至少一方的界面上形成凹凸。
22.根据权利要求1所述的光波导，其特征在于在所述应力缓和层中含有光吸收和/或散射成分。
23.根据权利要求22所述的光波导，其特征在于所述光吸收和/或散射成分是碳粒子。
24.根据权利要求1所述的光波导，其特征在于光入射和/或出射的所述芯层的端面，通过由透明材料构成的保护层覆盖。
25.根据权利要求1所述的光波导，其特征在于所述芯层的角部是带圆形的形状。
26.一种光通信用器件，其特征在于把权利要求1所述的光波导作为用于光信号的发送和/或接收的介质使用。
全文摘要
一种光波导，具有成为光传播区的芯层、覆盖该芯层周围的上部包层和下部包层，上部包层伴随着体积的收缩而形成，其特征在于在上部包层和下部包层挨着的区域的至少一部分中，在上部包层和下部包层之间，设置由比上部包层的储存弹性模量还小的材料构成的应力缓和层。
文档编号G02B6/138GK1530673SQ20041003964
公开日2004年9月22日 申请日期2004年3月12日 优先权日2003年3月12日
发明者藏本庆一, 伊豆博昭, 松本光晴, 中川洋平, 平野均, 林伸彦, 平, 昭, 晴 申请人:三洋电机株式会社