JP2005189646A - 光導波路 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の目的は、上記の問題を回避すべく、光の漏洩を抑えて簡便にコア高さを大きくとれる光導波路を提案することにある。
【解決手段】下部クラッド層、下部クラッド層に形成された溝部に埋め込まれたコア、および上部クラッド層を備えた光導波路であって、溝の両側壁の上端部に上方に向いた角状突起が下部クラッド層の一部として形成されている光導波路である。また下部クラッド層、クラッド層内に形成された溝部に埋め込まれたコア、および上部クラッド層を備えた光導波路であって、コアの両側ににコアに沿った溝がコア上端部から４０μｍ以下の距離を離間して設けられている光導波路である。
【選択図】 図２

Description

本発明は高分子光導波路に関し、特に光集積回路、光インターコネクション用光学部品、光電気混載板等を製造する方法に関する。

光部品、あるいは光ファイバの基材としては、光伝搬損失が小さく、伝送帯域が広いという特徴を有する石英ガラスや多成分ガラス等の無機系の材料が広く使用されているが、最近では高分子系の材料も開発され、無機系材料に比べて加工性や価格の点で優れていることから、光導波路用材料として注目されている。例えば、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、あるいは、ポリスチレンのような透明性に優れた高分子をコアとし、そのコア材料よりも屈折率の低い高分子をクラッド材料としたコア−クラッド構造からなる平板型光導波路が作製されている（特許文献１）。これに対して耐熱性の高い透明性高分子であるポリイミドを用い低損失の平板型光導波路が実現されている（特許文献２）。

安価な光導波路の作製方法の一つとして成形法がある。まず、コアパターンとなる溝を成形する。次に、その溝にコアとなる材料を埋め込み、さらにコアの上から上部クラッドを形成する方法である。このようにフォトリソグラフィとドライエッチングを使わないため、低コストで量産性に優れた方法である。

しかしながら、コアを埋め込む工程において、特に溶剤を多く含む樹脂を用いる場合、熱処理後溶剤が蒸発することによりコアの形状が凹んでしまい、コアの高さが低くなってしまう。これでは、他の光学素子との光結合において、より精密な位置合わせなどが必要となる。コアの高さを大きくするためにコアを厚めにコートしてしまうと、余分なコア層が厚く存在してしまい光の漏洩をもたらしてしまう。
特開平３−１８８４０２号 特開平２−１１０５００号

本発明の目的は、上記の問題を回避すべく、光の漏洩を抑えて簡便にコア高さを大きくとれる光導波路を提案することにある。

本発明者は、鋭意検討した結果、光の漏洩を防ぐための構造をクラッドに施すことにより、前記課題を解決することを見出し、本発明を完成させた。すなわち本発明は、下部クラッド層、下部クラッド層に形成された溝部に埋め込まれたコア、および上部クラッド層を備えた光導波路であって、溝の両側壁の上端部に上方に向いた角状突起が下部クラッド層の一部として形成されていることを特徴とする光導波路である。

また本発明は、下部クラッド層、クラッド層内に形成された溝部に埋め込まれたコア、および上部クラッド層を備えた光導波路であって、コアの両側ににコアに沿った溝がコア上端部から４０μｍ以下の距離を離間して設けられていることを特徴とする光導波路である。

本発明により、製造時にコアの両側に形成されるコア材からなる層への光漏洩を防ぐことができる。すなわちコアとその両側のコア材からなる層の間にクラッド材からなる角状突起を設けることで、光漏洩の障壁となる。またコアの上端部から４０μｍ以下に離間した溝を設けることにより、余剰なコア材が溝に吸収されコアの両端部のコア材はごく薄くなり、同様に光漏洩の障壁となる。

以下、本発明を詳細に説明する。ここでは、ポリイミド光導波路を例に挙げて説明するが、光導波路の材料としてポリイミド以外の光学用材料の樹脂を用いてももちろん可能である。

所望のコアパターンが形成されている転写型を用意する。転写型としては、シリコンウェハ、石英ガラス板、ニッケルスタンパ、ポリイミドなど様々なものを用いることが出来る。次に転写型上にポリイミドの前駆体であるポリアミド酸溶液を塗布し、加熱イミド化処理をする。その後、ポリイミドフィルムを転写型から引き剥がす、あるいは、フッ酸水溶液や蒸留水に浸漬させることによって剥離する。従来成形される溝形状は図５(a)に示すような構造であった。図５(b)においてクラッド１の溝部に埋め込むように、コア２となるポリイミドの前駆体であるポリアミド酸溶液を塗布し、加熱イミド化させる。続いてその上から上部クラッド３を塗布し、熱処理する。このようにして、図５(b)に示すような光導波路が作製される。この際コア材はコアとなる溝だけでなく溝以外の上面部４にも塗布されてしまう。従来は光の漏洩を防ぐために、上面部のコア材の厚みｄ１が１μｍ以下となる条件で塗布していた。そうすると、特に溶剤を多く含む樹脂をコアとして用いる場合、コア２の高さｄ２は小さくなってしまっていた。

本発明では、コアの溝が図１(a)に示すような角形状１１が成形できるように転写型を加工しておく。例えば、シリコンウェハなどの基板上にポリイミドが成膜されたものを転写型とした場合、コアを埋め込む溝に相当するストライプ状の突起をポリイミドに形成するために、ポリイミドをエッチング加工する。ポリイミドにストライプ形状のマスク材を形成し、その後酸素プラズマによる反応性イオンエッチングを行うと、ストライプ状の突起の付け根に断面が角形状の窪みが自然に形成されることを見出した。角形状の窪みが形成される理由は、表面張力などのポリイミド層に働く引張応力によるものと推測した。このポリイミド表面に酸化シリコン膜などの犠牲層を設けたものを転写型とし、その上に下部クラッド層となる層を形成して、転写型から剥離することにより下部クラッド層が得られる。このときに図1に断面を示すように下部クラッド１２には溝の側壁の最上部に上方に向いた角状突起１１が形成されている。この角状突起は溝の方向に沿って延伸している。実際に成形した下部クラッド層となるフィルムの断面写真を図３に示す。実際に角形状が形成されていることが分かる。

次に図２において、下部クラッドである成形フィルムの上から溝部に埋め込むように、コア１３となるポリイミドの前駆体であるポリアミド酸溶液を塗布し、加熱イミド化させる。さらにその上から上部クラッド１４を塗布、形成する。このようにして図２に示すような光導波路が作製できる。コア材を塗布するときに、コア材は溝部だけでなく、下部クラッド層の上面全体に付着するが、角状突起上のコア材の厚さは極めて薄くなる。角状突起がないと溝内を導波する光が溝外のコア材にも染み出してしまうが、クラッド層の一部である角状突起により光の溝部への閉じ込めが十分に行われる。ちなみに溝外のコア材の厚さｄ₃が１０μｍの場合でも、角状突起の先端１６のコア材の厚さは１μｍ以下にすることが出来る。一般にコアの厚さを十分確保しようとすると、溝外へはみ出したコア材の厚さも厚くなる。角状突起がないと溝外のコア材が厚いほど光の染み出しも多くなるが、角状突起により光の染み出しを抑えられるので、コア１３の厚さｄ₄を導波に十分な厚さにできる。

また本発明では、角形状の突起の代わりに図４(a)に示すようなコア用の溝２０の両側に近接して、余剰なコア材を溜めるためのダミー溝２１を成形したクラッドフィルム２２を用いてもコア高さの向上は可能である。図４(b)においてコア用の溝とダミー溝が形成されて下部クラッド層となる成形クラッドフィルム２２の上から溝部に埋め込むように、コア２３となるポリイミドの前駆体であるポリアミド酸溶液を塗布し、加熱イミド化させる。さらにその上から上部クラッド２４を塗布、形成する。このようにして図４(b)に示すように、余分なコア材はダミー溝２１にたまり、これに近接するコアを形成する溝の両側に残るコア材の厚さは薄くなる。例えば、溝外のコア材の厚さｄ₆を７μｍの成膜条件でコアを塗布、熱処理したとしても、コア用溝とダミー溝の間２６のコア材の厚さは１μｍ以下にすることができる。ここでコアとダミー溝の離間距離（コア用溝とダミー溝の間２６の幅）は４０μｍ以下が好ましく２０μｍ以下がより好ましい。下限値は漏洩の許容値や加工プロセスによる限界を考慮して定まる。

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高分子の溶液を用いることにより数限りない本発明の高分子光導波路が得ら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。

（実施例１）
転写型の作成のために、まず３インチシリコンウェハ上にポリイミドを成膜する。シリコンウエハ上のポリイミドを公知のフォトリソグラフィと反応性イオンエッチングによりコアパターンに対応したリッジパターンに加工した。このとき、光導波路パターンは２５０μｍ周期のアレイ状の直線とした。コア用溝深さに対応するリッジ高さは４０μｍとした。このとき、リッジの両側の付け根には深さ約１０μｍのくさび状の窪みが形成されていた。この転写型の表面にスパッタにより、後に下部クラッドのポリイミドフィルムを剥離させるための酸化シリコン薄膜を約２０ｎｍ堆積させた。次に、この上に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）から形成されるフッ素化ポリアミド酸溶液をスピンコートし、加熱イミド化させた。

次に、転写型ごとフッ酸水溶液に浸漬することによりフッ素化ポリイミドを転写型から剥離した。このとき、図３（ｂ）に示すような角状突起が形成された。次に６ＦＤＡと４, ４' −オキシジアニリン（ＯＤＡ）および６ＦＤＡ／ＴＦＤＢからなる共重合ポリイミドを、スピンコートしその後熱処理した。このとき、平面部で約１０μｍとなるような成膜条件で塗布、熱処理した。角形状の上部のコア厚は約０．５μｍであった。このとき、溝内のコア高さは３０μｍであった。最後に、コア層の上から６ＦＤＡ／ＴＦＤＢからなる上部クラッド層を形成した。このようにして、フィルム光導波路を作製した。光ファイバにて直接光導波路へ波長８５０ｎｍの光を挿入したところ、隣接したコアへの光の漏洩は観測されなかった。

（実施例２）
３インチシリコンウェハ上にドライエッチングによりコアに対応するリッジパターンを形成した。リッジ幅は５０μｍ、高さは４０μｍとした。一つのコアに対して両側に同様のリッジを形成しておいた。このとき、コア対応するリッジと両側のリッジ間の距離ｄ₅（図４(a)）は１５μｍとした。次に、この上に６ＦＤＡ／ＴＦＤＢから形成されるフッ素化ポリイミド酸溶液をスピンコートし、加熱イミド化させた。次に、フッ素化ポリイミドを転写型から蒸留水に浸漬することにより剥離した。

次に６ＦＤＡ／ＯＤＡおよび６ＦＤＡ／ＴＦＤＢからなる共重合ポリイミドを成形した溝にスピンコートと熱処理により埋め込んだ。このとき、平面部での厚さが約７μｍとなる成膜条件で塗布、熱処理した。溝と溝の間のコア厚は約０．８μｍであった。このとき、コア高さは、２７μｍであった。最後に、コア層の上から６ＦＤＡ／ＴＦＤＢからなるクラッド層を形成する。このようにして、フィルム光導波路を作製した。光ファイバを用いて直接光導波路へ波長８５０ｎｍの光を挿入したところ、１５μｍギャップで隣接し形成したダミー溝部への光の漏洩は観測されなかった。

（比較例）
３インチシリコンウェハの表面をマスクを用いてドライエッチングすることによりコアパターンに対応するリッジパターンを形成した。リッジ幅は５０μｍ、高さは４０μｍとした。実施例２とは異なり、隣接して溝は形成せず、２５０μｍ周期にアレイパターンとした。次に、この上に６ＦＤＡ／ＴＦＤＢから形成されるフッ素化ポリイミド酸溶液をスピンコートし、加熱イミド化させて下部クラッド層とした。次に、フッ素化ポリイミドからなる下部クラッド層を転写型から蒸留水に浸漬することにより剥離した。次に６ＦＤＡ／ＯＤＡおよび６ＦＤＡ／ＴＦＤＢからなる共重合ポリイミドを成形した溝にスピンコートと熱処理により埋め込んだ。このとき、平面部での厚さが約２μｍの成膜条件で塗布、熱処理した。このとき、コア高さは、１７μｍであった。最後に、コア層の上から６ＦＤＡ／ＴＦＤＢからなる上部クラッド層を形成した。このようにして、フィルム光導波路を作製した。光ファイバを用いて直接光導波路へ波長８５０ｎｍの光を挿入したところ、２５０μｍ離れた隣のコアへの光の漏洩が観測された。

形状を確認したところ下部クラッド層のコア用溝の両端には角上突起は形成されておらず、またシリコンウエハの該当箇所にもくさび状窪みは形成されてなかった。

本発明によるクラッド断面の１例を示す図。 図１の溝成形クラッドを用いて作製した光導波路の断面形状の一例を示す図 本発明の角形状が形成されている溝の断面写真。 本発明の隣接溝が形成されている構造の一例を示す図。 従来成形されていた溝の断面形状の一例を示す図。

符号の説明

１：クラッド、２：コア、３：上部クラッド、４：上面部、
５：コア高さ、１１：角状突起、１２：クラッド、１３：コア、
１４：上部クラッド、 ２０：コア用の溝、 ２１：ダミー溝、
２２：クラッドフィルム、 ２３：コア、 ２４：上部クラッド、
２５：溝外のコア材、 ２６コア用溝とダミー溝の間

Claims (2)

1. 下部クラッド層、下部クラッド層に形成された溝部に埋め込まれたコア、および上部クラッド層を備えた光導波路であって、溝の両側壁の上端部に上方に向いた角状突起が下部クラッド層の一部として形成されていることを特徴とする光導波路。
2. 下部クラッド層、クラッド層内に形成された溝部に埋め込まれたコア、および上部クラッド層を備えた光導波路であって、コアの両側ににコアに沿った溝がコア上端部から４０μｍ以下の距離を離間して設けられていることを特徴とする光導波路。
   

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