【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信用途の高分子を用いた光スイッチ、光変調器などの光学部品及び、光集積回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光通信システムの高度化、経済化に向けて、様々な光部品の研究開発が進められている。中でも、光導波路は高密度光配線、導波路型光デバイス実現への基本技術として注目されている。一般に、光導波路材料に対しては、導波路作製の容易性、屈折率の制御性、耐熱性、耐水耐湿性等が要求される。現在、光導波路材料としては石英が最もよく利用されており、石英製光導波路は波長１．３μｍで０．１ｄＢ／ｃｍ以下の低光損失を示す。しかしながら、製造プロセスが複雑、大面積化が困難などの問題点を有し、経済性、汎用性に優れる導波路型光デバイスを得にくい。一方、高分子光導波路はスピンコート法による成膜プロセスを利用できるため、石英系光導波路と比較して、作製プロセスが簡単で、大面積化も容易である。更に高分子材料は石英に比べて１０倍以上大きな熱光学（ＴＯ）効果（屈折率の温度依存性）を持つ場合が多く、ＴＯ効果を利用した導波路型光デバイスへの応用が特に有望である。
【０００３】
例えば、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）は屈折率の温度依存性が、−１．０×１０−４／℃と石英の１×１０−５／℃以下と比べて１０倍以上大きいため、ＰＭＭＡ光導波路をマッハツエンダー型ＴＯスイッチへ応用した場合には、スイッチング電力は石英系光導波路に比べて１／１００程度に大きく低減されることが知られている［ヒダ（Ｈｉｄａ）ほか、ＩＥＥＥフォトニクス テクノロジー レターズ（ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｌｅｔｔｅｒｓ）、第５巻、第７８２項（１９９３）］。しかしながら、ＰＭＭＡは熱変形温度が１００℃程度と低いため［井出文雄著、”オプトエレクトロニクスと高分子“、第２８項、共立出版（１９９５）］、動作時の加熱・冷却の繰り返しによってスイッチング特性が劣化する。このためＰＭＭＡはＴＯ効果を利用した導波路型光デバイス形成に適しているとはいえない。
【０００４】
また、ＰＭＭＡは吸水率が約２％と大きく、屈折率が環境湿度によって大きく変化する。例えば、光部品の最も基本的な要素である方向性結合器をＰＭＭＡを用いて形成した場合には、設置環境によって出射光の分岐比は大きく変化してしまう。このように、導波路型光デバイスとしては耐熱性、耐水耐湿性を回避できるようなデバイス設計及び高分子材料が必要である。
【０００５】
耐熱性の優れた高分子材料としてはポリイミドがよく知られており、半導体部品の層間絶縁膜、フレキシブル配線基板などに用いられている。しかしながら、通常のポリイミドは吸湿性が大きいだけでなく、光通信波長帯である近赤外域（１．３μｍ、１．５５μｍ）の光透過性に劣る。そこで、ポリイミドの耐熱性を保持しつつ光学応用可能な材料として、フッ素置換基を導入したフッ素化ポリイミドが提案されている。フッ素化ポリイミドは近赤外で透明であること（特開平３−７２５２８号）、耐水耐湿性に優れることが明らかにされている。更に、このフッ素化ポリイミドを共重合体として用い共重合比を制御することにより容易に屈折率を変えられること（特開平４−８７３４号）と、この屈折率制御を利用したフッ素化ポリイミド光導波路の形成法（特開平４−２３５５０５号、同４−２３５５０６号）も示されている。
【０００６】
しかし、このようなフッ素化ポリイミドについても、ＴＥモード、ＴＭモードにおいて偏光特性が異なり複屈折が生じるという問題点がある。このような問題はポリイミドの化学構造中の芳香族環が配向しやすいため起こると考えられており、フッ素化ポリイミドと同様の熱膨張係数を有するポリイミド基板を用いることにより解消すると言われている（特許文献１：特開平９−１５６０８号）。
【０００７】
また、そのようなポリイミド基板の作製法に対しても、特開２０００−１９８８４２号、特開２０００−１９８８４３号、特開２０００−１９８８４４号、特開２０００−１９１７８４号において記述されている。また、特許文献２（特開平９−２１９２０号）には偏波方向に対する光導波特性の相関が小さい、ポリイミド光導波路の記述もある。しかし、フッ素化ポリイミドを用いたマッハツエンダー型光スイッチのような導波路型光デバイスにおいて偏光依存性を改善するような改善方法、及び改善方法を有したＴＯスイッチのような導波路型光デバイス装置を可能にした作成例はない。
【０００８】
【特許文献１】特開平９−１５６０８号公報
【０００９】
【特許文献２】特開平９−２１９２０号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
そこで本発明の目的はフッ素化ポリイミドを用いたマッハツエンダー型光スイッチの消光比特性を改善する導波路型光デバイスを提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、導波路の偏光依存性に伴い、マッハツエンダー干渉計などを用いた光スイッチ等のＴＯスイッチを作製した場合、偏光によりスイッチ特性が変化し消費電力が変化することで、消光比が悪化するということを見出した。
【００１２】
さらに本発明者らは、鋭意検討した結果、マッハツエンダー型ＴＯ光スイッチ基板にポリイミド基板を用いることと、あるいは基板をなくしフィルム状態を考案することにより、前記課題を解決することを見出し本発明を完成させた。
【００１３】
すなわち本発明は、マッハツエンダー型ポリイミド光スイッチを構成する光導波路およびそれを支持する基板がポリイミドからなり、光出力の偏光依存性がないことを特徴とする導波路型光デバイスである。
【００１４】
また本発明は、マッハツエンダー型光スイッチを構成する光導波路およびクラッド部がポリイミドからなるフィルム状に形成され、光出力の偏光依存性がないことを特徴とする導波路型光デバイスである。
【００１５】
光出力の偏光依存性がないとは、加熱するための投入電力（スイッチング電力）に対するＴＭ波とＴＥ波の出力の変動周期の比：Ｔ（ＴＥ）／Ｔ（ＴＭ）が０．９５〜１．０の範囲にあることをいう。さらにはＴ（ＴＥ）／Ｔ（ＴＭ）が０．９９〜１．０の範囲にあることが好ましい。
【００１６】
以下、本発明を具体的に説明する。まず、ポリイミド基板を用いたマッハツエンダー型ＴＯ光スイッチ回路について説明する。本発明に適用できるポリイミド基板にはガラス転移温度が３００℃以上で、かつ熱膨張係数が６０ｐｐｍ以上のすべてのポリイミドが使用できる。例えば、以下に示すテトラカルボン酸またはその誘導体とジアミンから製造されるポリイミド、ポリイミド共重合体、ポリイミド混合物でガラス転移温度が３００℃以上で、かつ熱膨張係数が６０ｐｐｍ以上のすべてのポリイミドが挙げられる。
【００１７】
本発明の導波路型光デバイス回路のうち、方向性結合器、及びマッハツエンダー干渉計の一般的な作製工程を図３に示す。最初にポリイミド基板１上に下部クラッド層２を形成する。次に下部クラッド層２上へ下部クラッド層２よりも屈折率の大きなコア層３を形成する。次に、コア層３にフォトリソグラフィー法によって方向性結合器、ＭＭＩ（Ｍｕｌｔｉｍｏｄｅ Ｉｎｔｅｒｆｅｒａｎｃｅ）またはマッハツエンダー干渉計のマスクパターン４を形成する。マスクパターン４を形成されたコア層３対して、ＲＩＥ法を用いてエッチングを行い方向性結合器のコアパターン５に上部クラッド層６を形成する。このような方法によってフッ素化ポリイミド導波路による方向性結合器（図４（ａ））、及びＭＭＩ（Ｍｕｌｔｉｍｏｄｅ Ｉｎｔｅｒｆｅｒａｎｃｅ）（図４（ｂ））及びマッハツエンダー干渉計（図５）が形成される。すなわち、図４及び図５は、それぞれの模式図である。
【００１８】
方向性結合器は導波路型光デバイスを構成する要素の中で、最も重要、かつ基本的なものの１つである。単体では出射光を任意の比率で分岐させる光部品として用いられ、その分岐比は相互作用長を変えることにより制御できる。
【００１９】
また、マッハツエンダー干渉計は導波路型光デバイスを構成する基本光回路であり、位相シフタとの組み合わせにより種々の光部品として利用できる。上部クラッド層６上に、リフトオフ法により加熱用電極（熱光学位相シフタ）のパターン９を形成する。このような方法によってポリイミド基板を用いたフッ素化ポリイミド光導波路によるマッハツエンダー型ＴＯスイッチ（図１、模式図）が形成される。なお、本発明では、任意の基板材料を用いることができるが、熱伝導率の大きなＡｌ、Ａｌ合金、ステンレス、銅、等の基板材料を用いることによって導波路型光デバイスを容易に加熱できるようになる。また、抵抗体薄膜形成用の材料としては、Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｌ、金、銀、銅、白金、酸化スズ、及びこれらの混合物が使用できる。またこれらの薄膜の積層体であってもよい。
【００２０】
次にフィルム状マッハツエンダー型光スイッチ回路について説明する。本発明の導波路型光デバイス回路は先ほど述べたポリイミド基板上への作製法をシリコンウエハ上で行ったのち、フッ酸に浸漬し、シリコン基板を剥離することによっても作成できるが、成形方法により作製が可能なため、方向性結合器、及びマッハツエンダー干渉計の作製工程を図２に示す。マッハツエンダー型ＴＯスイッチのマスクパターンを形成したシリコンウエハ１上のポリイミド金型１０の転写型にＳｉＯｘの膜１１を蒸着により積層したのち、下部クラッド層となる樹脂層１２を形成する。熱硬化後、フッ酸溶液１３に浸漬することでＳｉＯｘ膜１１をエッチングし、剥離することで下部クラッド層１２を形成した。この次にコア層１４をスピンコート後、熱硬化させることにより作製し、コア層１４上にスピンコートし、同様に加熱イミド化させ、上部クラッド層１５を形成した。上部クラッド層６上に、リフトオフ法により加熱用電極（熱光学位相シフタ）のパターン１８を形成する。このようにしてフィルム状マッハツエンダー型ポリイミド光スイッチ回路が作製できる。
【００２１】
なお、スイッチングのための加熱用抵抗体薄膜形成用の材料としては、Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｌ、金、銀、銅、白金、酸化スズ、及びこれらの混合物が使用できる。またこれらの薄膜の積層体であってもよい。
【００２２】
【発明の実施の形態】
引き続いて、いくつかの実施例を用いて本発明を更に詳しく説明する。なお、分子構造の異なる種々のポリイミドを基板材料に用いても、例えば、以下に示すテトラカルボン酸またはその誘導体とジアミンから製造されるポリイミド、ポリイミド共重合体、ポリイミド混合物でガラス転移温度が３００℃以上で、かつ熱膨張係数が６０ｐｐｍ以上であればマッハツエンダー型ＴＯ光スイッチの偏光依存性が改善されることは明らかである。したがって、本発明はこれらの実施例のみに限定されるものではない。
【００２３】
（実施例１）
２，２−ビス（３，４−ジカルボキシフェニル）ヘキサフルオロプロパン二無水物（６ＦＤＡ）と２，２−ビス（トリフルオロメチル）−４， ４’ −ジアミノビフェニル（ＴＦＤＢ）の１５ｗｔ％ポリアミド酸溶液をポリイミド基板上にスピンコートした後、オーブン中３８０℃で加熱イミド化を行い下部クラッド層となるポリイミド基板１を形成した。次にコア材料となる６ＦＤＡと４， ４’ −オキシジアニリン（ＯＤＡ）の１５ｗｔ％ポリアミド酸溶液を下部クラッド層６上にスピンコートし、同様に加熱イミド化させコア層７を形成した。コア層７上へフォトレジストをスピンコートした後、マッハツエンダー干渉型光回路のＣｒマスクパターンをフォトリソグラフ法によってレジストに転写させた。次にフォトレジストの現像を行うことにより、コア層７上にマッハツエンダー型ＴＯスイッチのマスクパターン８を形成した。マスクパターン８が形成されたコア層７に対して、ＲＩＥ法を用いてエッチングを行いマッハツエンダー干渉型光回路のコアパターン９を形成した。
【００２４】
次にマッハツエンダー干渉型光回路のコアパターン９上に、下部クラッド６と同じ（６ＦＤＡ／ＴＦＤＢ）：（６ＦＤＡ・４，４−ＯＤＡ）の１５ｗｔ％ポリアミド酸溶液をコア層７上にスピンコートし、同様に加熱イミド化させ、上部クラッド層１０を形成した。上部クラッド層１０にリフトオフ用レジスト１１を厚み約２．０μｍになるようにスピンコートし、９０℃で約３０分でプリベーク後、露光機により約１１０ｍＪ／ｃｍ２紫外光を照射し、現像することにより、上部クラッド層１０直上に線幅約４０μｍのネガ型状の加熱用電極（熱光学位相シフタ）のレジストマスクを形成する。次に酸素ガスプラズマによって、約１μｍエッチングを行い、表面の粗化及び凹型形状を形成する。
【００２５】
次に抵抗加熱真空蒸着機を用いて約０．１μｍ、クロム膜１２を表面に堆積する。つぎにリフトオフ用の溶媒を用いてレジストを除去し、加熱用電極以外のクロム膜を除去する。この際にレジストが除去しづらい場合には超音波洗浄機を用いる場合もある。このようにして線幅４０μｍの加熱用電極（熱光学位相シフタ）付きマッハツエンダー型ＴＯスイッチが得られた。
得られたポリイミド基板上のマッハツエンダー型ＴＯスイッチの偏光依存性について偏波面保持ファイバーを用いて測定した。結果を図８に示す。その結果ＴＥモート゛、ＴＭモート゛においてもスイッチ特性において周期の違いはほとんど見られず、偏光依存性は大幅に低減していることがわかる。
また、このマッハツエンダー型ＴＯスイッチについて消光比特性を評価した結果を図９に示す。測定は偏波面保持ファイハ゛ーを回転させ、様々な角度において図８に示したスイッチ特性の最大値、最小値から消光比を求めた。０°においてはＴＥモート゛時、９０°においてはＴＭモート゛時を表す。その他はそれらが混ざった状態である。その結果、どの偏波においても消光比は２０ｄＢ以上あることがわかり、消光比が改善していることがわかる。この時、電力に対する光出力の変動周期の比Ｔ（ＴＥ）／Ｔ（ＴＭ）は０．９８４であった。
【００２６】
（実施例２）
マッハツエンダー型ＴＯスイッチのマスクパターンを形成したポリイミド金型１０の転写型にＳｉＯｘ１１の膜を蒸着により積層したのち、２，２−ビス（３，４−ジカルボキシフェニル）ヘキサフルオロプロパン二無水物（６ＦＤＡ）と２，２−ビス（トリフルオロメチル）−４， ４’ −ジアミノビフェニル（ＴＦＤＢ）の１５ｗｔ％ポリアミド酸溶液を転写型上にスピンコートした後、オーブン中３８０℃で加熱イミド化を行い硬化させた。硬化後、フッ酸溶液１３に浸漬することでＳｉＯｘ膜をエッチングし、剥離することで下部クラッド層１２を形成した。
【００２７】
この次にコア材料となる６ＦＤＡと４， ４’ −オキシジアニリン（ＯＤＡ）の１５ｗｔ％ポリアミド酸溶液を下部クラッド層上にスピンコートし、同様に加熱イミド化させコア層１４を形成した。次に下部クラッド１２と同じ（６ＦＤＡ／ＴＦＤＢ）：（６ＦＤＡ・４，４−ＯＤＡ）の１５ｗｔ％ポリアミド酸溶液をコア層１４上にスピンコートし、同様に加熱イミド化させ、上部クラッド層１５を形成した。上部クラッド層１５にリフトオフ用レジスト１１を厚み約２．０μｍになるようにスピンコートし、９０℃で約３０分でプリベーク後、露光機により約１１０ｍＪ／ｃｍ２紫外光を照射し、現像することにより、上部クラッド層１５直上に線幅約４０μｍのネガ型状の加熱用電極（熱光学位相シフタ）のレジストマスク１６を形成する。次に酸素ガスプラズマによって、約１μｍエッチングを行い、表面の粗化及び凹型形状を形成する。次に抵抗加熱真空蒸着機を用いて約０．１μｍ、クロム膜１７を表面に堆積する。つぎにリフトオフ用の溶媒を用いてレジストを除去し、加熱用電極以外のクロム膜を除去する。この際にレジストが除去しづらい場合には超音波洗浄機を用いる場合もある。このようにして線幅４０μｍの加熱用電極（熱光学位相シフタ）付きマッハツエンダー型ＴＯスイッチ回路が得られた。
得られたフィルム状マッハツエンダー型ＴＯスイッチの非加熱時の偏光依存性について偏波面保持ファイバーを用いて測定した。なお測定の際フィルム状態では放熱等問題がでるため、放熱板としてペルチェ状にマッチングオイルを塗り、貼りつけることでスイッチ特性を評価した。結果を図６に示す。その結果ＴＥモート゛、ＴＭモート゛においてもスイッチ特性において周期の違いはほとんど見られず、偏光依存性は大幅に低減していることがわかる。また、このマッハツエンダー型ＴＯスイッチについて消光比特性を評価した結果を図７に示す。測定は偏波面保持ファイハ゛ーを回転させ、様々な角度において図８に示したスイッチ特性の最大値、最小値から消光比を求めた。その結果どの偏波においても１５ｄＢ以上あることがわかり、消光比が改善していることがわかる。この時、電力に対する光出力の変動周期の比Ｔ（ＴＥ）／Ｔ（ＴＭ）は０．９８０であった。
【００２８】
（比較例１）
２，２−ビス（３，４−ジカルボキシフェニル）ヘキサフルオロプロパン二無水物（６ＦＤＡ）と２，２−ビス（トリフルオロメチル）−４， ４’ −ジアミノビフェニル（ＴＦＤＢ）の１５ｗｔ％ポリアミド酸溶液をシリコンウエハ上にスピンコートした後、オーブン中３８０℃で加熱イミド化を行い下部クラッド層２を形成した。なおシリコンウエハ上は前処理としてフッ酸処理を約３０秒した後、ＯＰＩカプラをスピンコートしたのち、加熱硬化させ、接着層として形成している。次にコア材料となる６ＦＤＡと４， ４’ −オキシジアニリン（ＯＤＡ）の１５ｗｔ％ポリアミド酸溶液を下部クラッド層６上にスピンコートし、同様に加熱イミド化させコア層３を形成した。コア層３上へフォトレジスト４をスピンコートした後、マッハツエンダー干渉型光回路のＣｒマスクパターンをフォトリソグラフ法によってレジストに転写させた。次にフォトレジストの現像を行うことにより、コア層３上にマッハツエンダー型ＴＯスイッチのマスクパターンを形成した。マスクパターン４が形成されたコア層３に対して、ＲＩＥ法を用いてエッチングを行いマッハツエンダー干渉型光回路のコアパターン５を形成した。
【００２９】
次にマッハツエンダー干渉型光回路のコアパターン５上に、下部クラッド２と同じ（６ＦＤＡ／ＴＦＤＢ）：（６ＦＤＡ・４，４−ＯＤＡ）の１５ｗｔ％ポリアミド酸溶液をコア層５上にスピンコートし、同様に加熱イミド化させ、上部クラッド層６を形成した。上部クラッド層６にリフトオフ用レジスト７を厚み約２．０μｍになるようにスピンコートし、９０℃で約３０分でプリベーク後、露光機により約１１０ｍＪ／ｃｍ２紫外光を照射し、現像することにより、上部クラッド層６直上に線幅約４０μｍのネガ型状の加熱用電極（熱光学位相シフタ）のレジストマスクを形成する。次に酸素ガスプラズマによって、約１μｍエッチングを行い、表面の粗化及び凹型形状を形成する。次に抵抗加熱真空蒸着機を用いて約０．１μｍ、クロム膜８を表面に堆積する。つぎにリフトオフ用の溶媒を用いてレジストを除去し、加熱用電極以外のクロム膜を除去する。この際にレジストが除去しづらい場合には超音波洗浄機を用いる場合もある。このようにして線幅４０μｍの加熱用電極（熱光学位相シフタ）付きマッハツエンダー型ＴＯスイッチが得られた。
【００３０】
得られたマッハツエンダー型ＴＯスイッチの加熱時の偏光依存性について偏波面保持ファイバーを用いて測定した。結果を図１０に示す。偏光をＴＥモードに合わせた際とＴＭモードに合わせた際では電力と光出力の関係に大きな違いが出る。偏光依存性は約９ｄＢ大きいことがわかった。また、図１１に示すようにこのマッハツエンダー型ＴＯスイッチについて消光比特性を評価した結果、偏光により消光比に差が現れ、ＴＥモードに合わせた際には約１５ｄＢの消光比が得られるが、ＴＥモード、ＴＭモードが混ざった状態では消光比が約６ｄＢと小さく、９ｄＢも変化することがわかり、偏光依存性が大きいことがわかった。この時、電力に対する光出力の変動周期の比Ｔ（ＴＥ）／Ｔ（ＴＭ）は０．６９であった。
【００３１】
【発明の効果】
以上、説明したように本発明によって方向性結合器またはＭＭＩ（Ｍｕｌｔｉｍｏｄｅ Ｉｎｔｅｒｆｅｒａｎｃｅ）を含む導波路型光デバイスにおいて、ポリイミド基板を用いることと、フィルム状態にすることで偏光依存性が解消し、以前と比べて高消光比を得ることができ、安定した導波路型光デバイスが作製できるようになった。
【図面の簡単な説明】
【図１】フッ素化ポリイミドＴＯスイッチの模式図である。（ａ）方向性結合器を利用したもの（ｂ） ＭＭＩ（Ｍｕｌｔｉｍｏｄｅ Ｉｎｔｅｒｆｅｒａｎｃｅ）を利用したものである。
【図２】成形を用いたフッ素化ポリイミドによるＴＯスイッチの作製工程を示す図である。
【図３】フッ素化ポリイミドによるＴＯスイッチの作製工程を示す図である。
【図４】（ａ）方向性結合器（ｂ） ＭＭＩ（Ｍｕｌｔｉｍｏｄｅ Ｉｎｔｅｒｆｅｒａｎｃｅ）の模式図である。
【図５】（ａ）方向性結合器（ｂ） ＭＭＩ（Ｍｕｌｔｉｍｏｄｅ Ｉｎｔｅｒｆｅｒａｎｃｅ）を用いたマッハツエンダー干渉計の模式図である。
【図６】フィルム状に作製したマッハツエンダー型ＴＯ光スイッチにおけるＴＥモード、ＴＭモード時におけるスイッチ特性を示したグラフである。
【図７】フィルム状に作製したマッハツエンダー型ＴＯ光スイッチにおける偏光による消光比特性を示したグラフである。
【図８】ポリイミド基板上に作製したマッハツエンダー型ＴＯ光スイッチにおけるＴＥモード、ＴＭモード時におけるスイッチ特性を示したグラフである。
【図９】ポリイミド基板上に作製したマッハツエンダー型ＴＯ光スイッチにおける偏光による消光比特性を示したグラフである。
【図１０】シリコンウエハ基板上に作製したマッハツエンダー型ＴＯ光スイッチにおけるＴＥモード、ＴＭモード時におけるスイッチ特性を示したグラフである。
【図１１】シリコンウエハ基板上に作製したマッハツエンダー型ＴＯ光スイッチにおける偏光による消光比特性を示したグラフである。
【符号の説明】
１：ポリイミド基板、２：下部クラッド層、３：コア層、４：マスクパターン、
５：コアパターン、６：上部クラッド層、７：リフトオフ用レジスト、８：金属膜、
９：電極 、１０：ポリイミド金型、１１：ＳｉＯｘ膜、１２：下部クラッド層、
１３：フッ酸水溶液、１４：コア層、１５：上部クラッド層、１６：リフトオフ用レジスト、
１７：金属膜、１８：電極[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to optical components such as optical switches and optical modulators using polymers for optical communication applications, and optical integrated circuits.
[0002]
[Prior art]
Research and development of various optical components are being promoted for the advancement and economicalization of optical communication systems. Above all, optical waveguides are attracting attention as a basic technology for realizing high-density optical wiring and waveguide-type optical devices. In general, optical waveguide materials are required to have easy waveguide fabrication, refractive index controllability, heat resistance, water resistance, moisture resistance, and the like. At present, quartz is most often used as an optical waveguide material, and a quartz optical waveguide exhibits a low optical loss of 0.1 dB / cm or less at a wavelength of 1.3 μm. However, there are problems such as a complicated manufacturing process and difficulty in increasing the area, and it is difficult to obtain a waveguide-type optical device that is excellent in economy and versatility. On the other hand, since a polymer optical waveguide can use a film forming process by a spin coating method, the manufacturing process is simpler and the area can be easily increased as compared with a quartz optical waveguide. Furthermore, polymer materials often have a thermo-optic (TO) effect (temperature dependence of refractive index) that is at least 10 times greater than quartz, and application to waveguide type optical devices utilizing the TO effect is particularly promising. is there.
[0003]
For example, polymethyl methacrylate (PMMA) has a temperature dependence of the refractive index of at least −1.0 × 10 −4 / ° C., which is at least 10 times greater than that of quartz at 1 × 10 −5 / ° C. or less. Is applied to a Mach-Zehnder type TO switch, it is known that the switching power is greatly reduced to about 1/100 as compared with the silica-based optical waveguide [Hida, et al., IEEE Photonics Technology Letters. (IEEE Photonics Technology Letters), Vol. 5, Section 782 (1993)]. However, since PMMA has a low heat distortion temperature of about 100 ° C. [Fumio Ide, “Optoelectronics and Polymers”, Item 28, Kyoritsu Shuppan (1995)], the switching characteristics are repeated by repeated heating and cooling during operation. to degrade. Therefore, PMMA cannot be said to be suitable for forming a waveguide type optical device utilizing the TO effect.
[0004]
Further, PMMA has a large water absorption of about 2%, and the refractive index varies greatly depending on the environmental humidity. For example, when the directional coupler, which is the most basic element of the optical component, is formed using PMMA, the branching ratio of the emitted light greatly changes depending on the installation environment. As described above, a device design and a polymer material that can avoid heat resistance, water resistance, and moisture resistance are required for the waveguide type optical device.
[0005]
Polyimide is well known as a polymer material having excellent heat resistance, and is used for interlayer insulating films of semiconductor components, flexible wiring boards, and the like. However, ordinary polyimide has not only high hygroscopicity but also poor light transmittance in the near infrared region (1.3 μm, 1.55 μm) which is an optical communication wavelength band. Therefore, a fluorinated polyimide into which a fluorine substituent has been introduced has been proposed as a material which can be applied to the optics while maintaining the heat resistance of the polyimide. It has been clarified that the fluorinated polyimide is transparent in the near infrared (JP-A-3-72528) and is excellent in water resistance and moisture resistance. Further, the refractive index can be easily changed by controlling the copolymerization ratio by using the fluorinated polyimide as a copolymer (Japanese Patent Laid-Open No. 4-8734), and a fluorinated polyimide optical waveguide utilizing this refractive index control. (JP-A-4-235505 and JP-A-235506) are also disclosed.
[0006]
However, such a fluorinated polyimide also has a problem that the polarization characteristics are different between the TE mode and the TM mode, and birefringence occurs. It is considered that such a problem occurs because the aromatic ring in the chemical structure of the polyimide is easily oriented, and it is said that the problem is solved by using a polyimide substrate having a thermal expansion coefficient similar to that of the fluorinated polyimide ( Patent Document 1: JP-A-9-15608).
[0007]
Also, a method for manufacturing such a polyimide substrate is described in JP-A-2000-198842, JP-A-2000-198843, JP-A-2000-198844, and JP-A-2000-191784. Patent Document 2 (Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-21920) also describes a polyimide optical waveguide having a small correlation of the optical waveguide characteristic with respect to the polarization direction. However, a waveguide type optical device such as a Mach-Zehnder type optical switch using fluorinated polyimide has an improved method for improving the polarization dependency, and a waveguide type optical device such as a TO switch having the improved method. There is no creation example that enabled the device.
[0008]
[Patent Document 1] Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-15608
[Patent Document 2] Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-21920
[Problems to be solved by the invention]
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a waveguide type optical device which improves the extinction ratio characteristics of a Mach-Zehnder type optical switch using fluorinated polyimide.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
The present inventors have produced a TO switch such as an optical switch using a Mach-Zehnder interferometer or the like due to the polarization dependence of a waveguide. It has been found that the extinction ratio deteriorates.
[0012]
Furthermore, the present inventors have conducted intensive studies, and as a result, have found that the above problem can be solved by using a polyimide substrate for the Mach-Zehnder TO optical switch substrate or devising a film state by eliminating the substrate. Was completed.
[0013]
That is, the present invention is a waveguide type optical device characterized in that the optical waveguide constituting the Mach-Zehnder type polyimide optical switch and the substrate supporting the same are made of polyimide, and the optical output has no polarization dependence.
[0014]
Further, the present invention is a waveguide type optical device, wherein an optical waveguide and a clad part constituting a Mach-Zehnder type optical switch are formed in a film shape made of polyimide, and there is no polarization dependency of an optical output.
[0015]
The absence of the polarization dependence of the optical output means that the ratio of the fluctuation period of the output of the TM wave and the output of the TE wave to the input power (switching power) for heating: T (TE) / T (TM) is 0.95 to 1 2.0. Further, it is preferable that T (TE) / T (TM) is in the range of 0.99 to 1.0.
[0016]
Hereinafter, the present invention will be described specifically. First, a Mach-Zehnder TO optical switch circuit using a polyimide substrate will be described. All polyimides having a glass transition temperature of 300 ° C. or more and a thermal expansion coefficient of 60 ppm or more can be used for the polyimide substrate applicable to the present invention. For example, polyimides prepared from the following tetracarboxylic acids or derivatives thereof and diamines, polyimide copolymers, all polyimides having a glass transition temperature of 300 ° C. or higher in a polyimide mixture, and a thermal expansion coefficient of 60 ppm or higher. .
[0017]
FIG. 3 shows general manufacturing steps of a directional coupler and a Mach-Zehnder interferometer among the waveguide type optical device circuits of the present invention. First, a lower cladding layer 2 is formed on a polyimide substrate 1. Next, a core layer 3 having a higher refractive index than the lower cladding layer 2 is formed on the lower cladding layer 2. Next, a mask pattern 4 of a directional coupler, an MMI (Multimode Interference) or a Mach-Zehnder interferometer is formed on the core layer 3 by photolithography. The core layer 3 on which the mask pattern 4 has been formed is etched by RIE to form an upper cladding layer 6 on the core pattern 5 of the directional coupler. By such a method, a directional coupler (FIG. 4A) using a fluorinated polyimide waveguide, an MMI (Multimode Interference) (FIG. 4B), and a Mach-Zehnder interferometer (FIG. 5) are formed. . That is, FIG. 4 and FIG. 5 are each schematic diagrams.
[0018]
The directional coupler is one of the most important and basic elements constituting the waveguide type optical device. A single element is used as an optical component that branches outgoing light at an arbitrary ratio, and the branching ratio can be controlled by changing the interaction length.
[0019]
A Mach-Zehnder interferometer is a basic optical circuit that constitutes a waveguide type optical device, and can be used as various optical components in combination with a phase shifter. A heating electrode (thermo-optical phase shifter) pattern 9 is formed on the upper cladding layer 6 by a lift-off method. By such a method, a Mach-Zehnder TO switch (FIG. 1, schematic diagram) using a fluorinated polyimide optical waveguide using a polyimide substrate is formed. In the present invention, any substrate material can be used. However, by using a substrate material such as Al, Al alloy, stainless steel, and copper having high thermal conductivity, the waveguide type optical device can be easily heated. become. In addition, as a material for forming a resistor thin film, Ti, Cr, Al, gold, silver, copper, platinum, tin oxide, and a mixture thereof can be used. Further, a laminate of these thin films may be used.
[0020]
Next, a film-form Mach-Zehnder type optical switch circuit will be described. The waveguide type optical device circuit of the present invention can also be prepared by performing the above-described method of manufacturing on a polyimide substrate on a silicon wafer, then immersing the substrate in hydrofluoric acid, and peeling off the silicon substrate. Since fabrication is possible, a fabrication process of the directional coupler and the Mach-Zehnder interferometer is shown in FIG. After lamination by vapor deposition film 11 of SiO x on the transfer type polyimide mold 10 on the silicon wafer 1 having a mask pattern of a Mach-Zehnder type TO switch, to form a resin layer 12 serving as the lower cladding layer. After thermal curing, etching the SiO x film 11 by immersing in hydrofluoric acid solution 13, to form a lower cladding layer 12 by peeling. Next, the core layer 14 was formed by spin-coating and then thermosetting, spin-coated on the core layer 14, and heated and imidized similarly to form the upper clad layer 15. A heating electrode (thermo-optical phase shifter) pattern 18 is formed on the upper cladding layer 6 by a lift-off method. Thus, a film-shaped Mach-Zehnder type polyimide optical switch circuit can be manufactured.
[0021]
As a material for forming a heating resistor thin film for switching, Ti, Cr, Al, gold, silver, copper, platinum, tin oxide, and a mixture thereof can be used. Further, a laminate of these thin films may be used.
[0022]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Subsequently, the present invention will be described in more detail with reference to several examples. In addition, even if various polyimides having different molecular structures are used for the substrate material, for example, a polyimide produced from a tetracarboxylic acid or a derivative thereof and a diamine shown below, a polyimide copolymer, and a polyimide mixture having a glass transition temperature of 300 ° C. As described above, when the coefficient of thermal expansion is 60 ppm or more, it is clear that the polarization dependence of the Mach-Ender TO optical switch is improved. Therefore, the present invention is not limited to only these examples.
[0023]
(Example 1)
15 wt% polyamic acid of 2,2-bis (3,4-dicarboxyphenyl) hexafluoropropane dianhydride (6FDA) and 2,2-bis (trifluoromethyl) -4,4′-diaminobiphenyl (TFDB) After the solution was spin-coated on a polyimide substrate, the solution was heated and imidized at 380 ° C. in an oven to form a polyimide substrate 1 serving as a lower cladding layer. Next, a 6 wt% polyamic acid solution of 6FDA and 4,4′-oxydianiline (ODA) as a core material was spin-coated on the lower cladding layer 6, and similarly heated and imidized to form a core layer 7. After spin-coating a photoresist on the core layer 7, a Cr mask pattern of the Mach-Zehnder interference type optical circuit was transferred to the resist by a photolithographic method. Next, a mask pattern 8 of the Mach-Zehnder TO switch was formed on the core layer 7 by developing the photoresist. The core layer 7 on which the mask pattern 8 was formed was etched by RIE to form a core pattern 9 of a Mach-Zehnder interference optical circuit.
[0024]
Next, the same (6FDA / TFDB) :( 6FDA / 4,4-ODA) 15 wt% polyamic acid solution as the lower cladding 6 is spin-coated on the core pattern 9 of the Mach-Zehnder interference type optical circuit. Then, it was similarly heated and imidized to form the upper clad layer 10. The upper cladding layer 10 is spin-coated with a lift-off resist 11 to a thickness of about 2.0 μm, pre-baked at 90 ° C. for about 30 minutes, and irradiated with about 110 mJ / cm 2 ultraviolet light by an exposure machine for development. Thereby, a resist mask of a negative heating electrode (thermo-optic phase shifter) having a line width of about 40 μm is formed directly on the upper cladding layer 10. Next, etching is performed by oxygen gas plasma at about 1 μm to form a roughened surface and a concave shape.
[0025]
Next, a chromium film 12 is deposited on the surface to a thickness of about 0.1 μm using a resistance heating vacuum evaporation machine. Next, the resist is removed using a solvent for lift-off, and the chromium film other than the heating electrode is removed. At this time, if it is difficult to remove the resist, an ultrasonic cleaner may be used. Thus, a Mach-Zehnder TO switch with a heating electrode (thermo-optic phase shifter) having a line width of 40 μm was obtained.
The polarization dependence of the Mach-Zehnder TO switch on the obtained polyimide substrate was measured using a polarization maintaining fiber. FIG. 8 shows the results. As a result, even in the TE mode and the TM mode, there is hardly any difference in the period in the switch characteristics, and it can be seen that the polarization dependence is greatly reduced.
FIG. 9 shows the results of evaluating the extinction ratio characteristics of this Mach-Zehnder TO switch. In the measurement, the polarization maintaining fiber was rotated, and the extinction ratio was determined from the maximum and minimum values of the switch characteristics shown in FIG. 8 at various angles. 0 ° indicates TE mote time, and 90 ° indicates TM mote time. Others are in a mixed state. As a result, it can be seen that the extinction ratio is 20 dB or more for any polarization, and that the extinction ratio is improved. At this time, the ratio T (TE) / T (TM) of the fluctuation period of the optical output to the power was 0.984.
[0026]
(Example 2)
After lamination by vapor deposition film of SiO x 11 to the transfer type Mach-Zehnder type TO polyimide die 10 forming a mask pattern of the switch, 2,2-bis (3,4-carboxyphenyl) hexafluoropropane two After spin-coating a 15 wt% polyamic acid solution of anhydride (6FDA) and 2,2-bis (trifluoromethyl) -4,4′-diaminobiphenyl (TFDB) on a transfer mold, the solution is heated at 380 ° C. in an oven. And cured. After curing, etching the SiO x film by immersing in hydrofluoric acid solution 13, to form a lower cladding layer 12 by peeling.
[0027]
Next, a 15 wt% polyamic acid solution of 6FDA and 4,4′-oxydianiline (ODA) as a core material was spin-coated on the lower cladding layer, and similarly heated and imidized to form a core layer 14. Next, a 15 wt% polyamic acid solution of the same (6FDA / TFDB) :( 6FDA / 4,4-ODA) as that of the lower clad 12 is spin-coated on the core layer 14 and is similarly heated and imidized to form the upper clad layer 15. Formed. The upper clad layer 15 is spin-coated with a lift-off resist 11 to a thickness of about 2.0 μm, pre-baked at 90 ° C. for about 30 minutes, and irradiated with about 110 mJ / cm 2 ultraviolet light by an exposure machine for development. Thereby, a resist mask 16 of a negative heating electrode (thermo-optic phase shifter) having a line width of about 40 μm is formed directly on the upper cladding layer 15. Next, etching is performed by oxygen gas plasma at about 1 μm to form a roughened surface and a concave shape. Next, a chromium film 17 is deposited on the surface to a thickness of about 0.1 μm using a resistance heating vacuum evaporation machine. Next, the resist is removed using a solvent for lift-off, and the chromium film other than the heating electrode is removed. At this time, if it is difficult to remove the resist, an ultrasonic cleaner may be used. Thus, a Mach-Zehnder TO switch circuit with a heating electrode (thermo-optic phase shifter) having a line width of 40 μm was obtained.
The polarization dependence of the obtained film-shaped Mach-Zehnder TO switch when not heated was measured using a polarization maintaining fiber. At the time of the measurement, since a problem such as heat radiation occurs in the film state, the matching oil was applied and applied in a Peltier shape as a heat radiating plate, and the switch characteristics were evaluated. FIG. 6 shows the results. As a result, even in the TE mode and the TM mode, there is hardly any difference in the period in the switch characteristics, and it can be seen that the polarization dependence is greatly reduced. FIG. 7 shows the results of evaluating the extinction ratio characteristics of this Mach-Zehnder TO switch. In the measurement, the polarization maintaining fiber was rotated, and the extinction ratio was determined from the maximum and minimum values of the switch characteristics shown in FIG. 8 at various angles. As a result, it can be seen that there is 15 dB or more for any polarization, and that the extinction ratio is improved. At this time, the ratio T (TE) / T (TM) of the fluctuation period of the optical output to the electric power was 0.980.
[0028]
(Comparative Example 1)
15 wt% polyamic acid of 2,2-bis (3,4-dicarboxyphenyl) hexafluoropropane dianhydride (6FDA) and 2,2-bis (trifluoromethyl) -4,4′-diaminobiphenyl (TFDB) After the solution was spin-coated on a silicon wafer, the solution was heated and imidized at 380 ° C. in an oven to form a lower cladding layer 2. After a hydrofluoric acid treatment is performed for about 30 seconds as a pretreatment on the silicon wafer, an OPI coupler is spin-coated, and then heat-cured to form an adhesive layer. Next, a 6 wt% polyamic acid solution of 6FDA and 4,4′-oxydianiline (ODA) as a core material was spin-coated on the lower cladding layer 6, and similarly heated and imidized to form a core layer 3. After spin-coating the photoresist 4 on the core layer 3, the Cr mask pattern of the Mach-Zehnder interference type optical circuit was transferred to the resist by photolithography. Next, a mask pattern of a Mach-Zehnder TO switch was formed on the core layer 3 by developing the photoresist. The core layer 3 on which the mask pattern 4 was formed was etched using RIE to form a core pattern 5 of a Mach-Zehnder interference optical circuit.
[0029]
Next, the same (6FDA / TFDB) :( 6FDA / 4,4-ODA) 15 wt% polyamic acid solution as the lower clad 2 was spin-coated on the core pattern 5 of the Mach-Zehnder interference type optical circuit. Then, it was similarly heated and imidized to form the upper cladding layer 6. The upper clad layer 6 is spin-coated with a lift-off resist 7 to a thickness of about 2.0 μm, prebaked at 90 ° C. for about 30 minutes, and irradiated with about 110 mJ / cm 2 ultraviolet light by an exposure machine for development. Thus, a resist mask for a negative heating electrode (thermo-optical phase shifter) having a line width of about 40 μm is formed directly on the upper cladding layer 6. Next, etching is performed by oxygen gas plasma at about 1 μm to form a roughened surface and a concave shape. Next, a chromium film 8 of about 0.1 μm is deposited on the surface using a resistance heating vacuum evaporation machine. Next, the resist is removed using a solvent for lift-off, and the chromium film other than the heating electrode is removed. At this time, if it is difficult to remove the resist, an ultrasonic cleaner may be used. Thus, a Mach-Zehnder TO switch with a heating electrode (thermo-optic phase shifter) having a line width of 40 μm was obtained.
[0030]
The polarization dependence during heating of the obtained Mach-Zehnder TO switch was measured using a polarization maintaining fiber. The results are shown in FIG. When the polarization is adjusted to the TE mode and when the polarization is adjusted to the TM mode, there is a great difference in the relationship between the power and the optical output. The polarization dependence was found to be about 9 dB greater. As shown in FIG. 11, as a result of evaluating the extinction ratio characteristics of this Mach-Zehnder TO switch, a difference appears in the extinction ratio due to polarization, and an extinction ratio of about 15 dB can be obtained when the switch is adjusted to the TE mode. , TE mode, and TM mode are mixed, the extinction ratio is as small as about 6 dB, and changes as much as 9 dB, indicating that the polarization dependence is large. At this time, the ratio T (TE) / T (TM) of the fluctuation period of the optical output to the power was 0.69.
[0031]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, in the waveguide type optical device including the directional coupler or the MMI (Multimode Interference), the polarization dependency is eliminated by using the polyimide substrate and forming the film state. As a result, a higher extinction ratio can be obtained, and a stable waveguide-type optical device can be manufactured.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic view of a fluorinated polyimide TO switch. (A) Using a directional coupler (b) Using an MMI (Multimode Interference).
FIG. 2 is a view showing a process of manufacturing a TO switch using fluorinated polyimide by molding.
FIG. 3 is a view showing a process for manufacturing a TO switch using fluorinated polyimide.
4A is a schematic diagram of a directional coupler, and FIG. 4B is a schematic diagram of an MMI (Multimode Interference).
5A is a schematic diagram of a Mach-Zehnder interferometer using a directional coupler (b) and an MMI (Multimode Interference). FIG.
FIG. 6 is a graph showing switch characteristics in a TE mode and a TM mode in a Mach-Zehnder TO optical switch manufactured in a film shape.
FIG. 7 is a graph showing extinction ratio characteristics due to polarization in a Mach-Zehnder TO optical switch manufactured in a film shape.
FIG. 8 is a graph showing switch characteristics in a TE mode and a TM mode of a Mach-Zehnder TO optical switch manufactured on a polyimide substrate.
FIG. 9 is a graph showing extinction ratio characteristics due to polarization in a Mach-Zehnder TO optical switch manufactured on a polyimide substrate.
FIG. 10 is a graph showing switch characteristics of a Mach-Ender TO optical switch manufactured on a silicon wafer substrate in a TE mode and a TM mode.
FIG. 11 is a graph showing extinction ratio characteristics due to polarized light in a Mach-Zehnder TO optical switch manufactured on a silicon wafer substrate.
[Explanation of symbols]
1: polyimide substrate, 2: lower cladding layer, 3: core layer, 4: mask pattern,
5: core pattern, 6: upper cladding layer, 7: resist for lift-off, 8: metal film,
9: electrode, 10: polyimide mold, 11: SiO x film, 12: lower cladding layer,
13: hydrofluoric acid aqueous solution, 14: core layer, 15: upper clad layer, 16: lift-off resist,
17: metal film, 18: electrode
