JP2005215076A - 樹脂光導波路モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】 フッ素化ポリイミド等の樹脂基板上に形成された樹脂導波路のモジュール化において、温度変化や、高温高湿下での保存環境による、損失への影響が少ない、低損失で高品質な信頼性を兼ね備えた樹脂導波路モジュールを提供することを課題とする。
【解決手段】 樹脂基板上に形成された樹脂導波路と、ファイバアレイとのモジュール化において、ファイバアレイと樹脂基板の熱膨張率とを同等とすることにより、温度変化による損失への影響が少ない、低損失で高品質な信頼性を兼ね備えた樹脂導波路モジュールを作製できる。光導波路用基板材料はフッ素化ポリイミド樹脂、全フッ素化ポリイミド樹脂、重水素化ポリシロキサン樹脂、フッ素化エポキシ樹脂、シリコーン樹脂などが使用できる。
【選択図】 なし

Description

本発明は、低損失で高品質な樹脂光導波路モジュールに関するものである。

情報通信システムの基盤技術として光通信技術が浸透していくにつれて光導波路は、光ネットワーク用キーデバイスとして益々その重要性が高まると同時に、電子回路配線基板等の分野への応用に向けて開発が進められている。光導波路デバイスの普及には低価格化と量産化が要望されており、樹脂製光導波路がその有力な候補として開発されている。 導波路用の樹脂材料としては、フッ素化ポリイミド樹脂、フッ素化アクリル樹脂、重水素化ポリシロキサン樹脂、フッ素化エポキシ樹脂、全フッ素化脂環式樹脂、シリコーン樹脂等が用いられ、近赤外の光通信波長帯域である１．３〜１．５ミクロン帯での透明性を確保するために、Ｃ−Ｈ結合をＣ−Ｄ結合やＣ−Ｆ結合に置換した樹脂材料が用いられている。なかでも、フッ素化ポリイミド樹脂は近赤外領域での透過特性がすぐれており、そのうえ、最も耐熱性が高く、強度も確保できるところから、樹脂光導波路用の材料としては最も適している。

従来、フッ素化ポリイミド樹脂導波路の作製方法としては、シリカガラス材料で作製される光導波路と同様な方法、即ち、シリコン等の基板上に下部クラッド層、コア層を成膜し、フォトリソグラフィと反応性イオンエッチング（ＲＩＥ、Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）の技法によりリッジ型コアパターンを形成し、さらに上部クラッドを形成して導波路を埋め込む方法が一般的に知られている。（特許文献１参照）詳しくはシリコン等の基板上にクラッド用フッ素化ポリアミド酸ワニスをスピンコート法等により成膜し、加熱後その上にコア用フッ素化ポリアミド酸ワニスを同じくスピンコート法等成膜し加熱後フォトリソグラフィと反応性イオンエッチング（ＲＩＥ、Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）の技法によりリッジ型コアパターンを形成し、さらにこの上にクラッド用フッ素化ポリアミド酸ワニスを同じくスピンコート法等により成膜し加熱して、リッジ型導波路が形成される。

しかしながら、このような方法で作製された、樹脂基板を用いた樹脂光導波路チップとファイバアレイとのモジュール化において、石英製ファイバアレイを用いた場合、温度変化、高温高湿下における保存により光損失が悪化・変動し、さらには接合部にクラックが発生するという問題が発生し、長期信頼性に欠け、ファイバアレイとのモジュールとしては実用に供することができないという問題があった。
特開２００２−７１９８９号公報

本発明は、フッ素化ポリイミドなどの樹脂基板上に形成された樹脂導波路のモジュールにおいて、温度変化、高温高湿下における保存により損失への影響が無い、低損失で高品質な信頼性を兼ね備えた樹脂導波路モジュールを提供することを課題とする。

本発明はフッ素化ポリイミドなどの樹脂基板上に形成された樹脂導波路のファイバアレイとのモジュール化において、ファイバアレイの部材の熱膨張率が樹脂基板の熱膨張率と近似したファイバアレイを用いることにより、課題を解決するものである。

また、フッ素化ポリイミド基板上に形成された樹脂導波路と、ファイバアレイとのモジュール化においては、ファイバアレイの部材がフッ素化ポリイミドであるファイバアレイを用い、導波路基板のフッ素化ポリイミドとファイバアレイの部材であるフッ素化ポリイミドの熱膨張率の差が２０ｐｐｍ／Ｋ以下、より好ましくは１０ｐｐｍ／Ｋ以下であるものを使用とすることにより、温度変化、高温高湿下における保存により損失への影響が無い、低損失で高品質な信頼性を兼ね備えた樹脂導波路モジュールを作製することができる。

光導波路用樹脂基板材料としてはフッ素化ポリイミド樹脂、全フッ素化ポリイミド樹脂、重水素化ポリシロキサン樹脂、フッ素化エポキシ樹脂、シリコーン樹脂などが使用できる。

以下、本発明について詳述する。
光導波路用基板としては、量産化のための取り扱いが簡便な樹脂製基板開発されているが、その中でも３００℃以上のガラス転移温度を持ち、さらに高透明性であるフッ素化ポリイミド基板が好適である。このフッ素化ポリイミド基板上に形成された樹脂導波路であって、ファイバアレイとのモジュール化において、既存の石英製ファイバアレイを用いた場合、温度変化、高温高湿下における保存により光損失が悪化・変動し、さらには接合部にクラックが発生という問題が発生し、長期信頼性に欠け、ファイバアレイとのモジュールとしては実用に供することができず、モジュール作製上の問題となっていた。

この原因は導波路基板のフッ素化ポリイミドとファイバアレイの部材である石英の熱膨張率の差による、ファイバアレイと樹脂導波路の光軸ずれ、応力の発生により生じていると考えられる。なお、これまでは実用に供せるフッ素化ポリイミド基板上に形成された樹脂導波路が実現できていなかったため、これを用いたモジュール化の検討はなされておらず、この問題はこれまでは顕在化していなかった新規な問題点であることが判明した。

樹脂導波路を実用に供するためには、信頼性の観点から、Telcordia規格の温度サイクル試験（−４０℃〜８５℃の範囲）、高温高湿試験（８５℃、８５％）等で特性変化が小さいこと、生じないことが好ましい。

発明者らはこの温度変化、高温高湿下における保存により光損失の悪化・変動を防ぐ方法を検討した結果、ファイバアレイの部材がフッ素化ポリイミドであるファイバアレイを用いることにより、温度変化、高温高湿下における保存により光損失の悪化・変動を防ぐことが可能になることを見出したものである。

ファイバアレイの部材にフッ素化ポリイミドを選定した理由としては、３００℃以上のガラス転移温度を持ち高い熱安定性を有すること、樹脂導波路の基材と同じ材料系とすることにより、モジュール化の際の応力低減および回避が可能となり、導波路とアレイとの密着力向上が計れること、熱膨張率の制御が容易であり、樹脂導波路の基材であるフッ素化ポリイミドとの熱膨張率をあわせることができるためである。

ファイバアレイを構成するフッ素化ポリイミドとしては以下のものが挙げられる。フッ素化ポリイミドの製造に使用されるテトラカルボン酸およびその誘導体の具体的な例としては次のようなものがある。ここではテトラカルボン酸としての例を挙げる。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、３，３’，４，４’−テトラカルボキシジフェニルエーテル、３，３’，４，４’−ベンゾフェノンテトラカルボン酸、３，３’，４，４’−テトラカルボキシジフェニルスルホン、ピロメリット酸などがあげられる。これらテトラカルボン酸およびその誘導体を単独で用いても良いし、混合して用いても良い。

ジアミン成分としては、例えば、次のジアミン、または、そのジイソシアネート誘導体等が使用される。２，２’−ビス（トリフルオロメチル）−４，４’−ジアミノビフェニル、２，２−ビス（ｐ−アミノフェニル）ヘキサフルオロプロパン、２，２’−ジメチルベンジジン、３，３’−ジメチルベンジジン、４，４’−オキシジアニリン等が挙げられるが、これらを単独で用いても良いし、混合して用いても良い。
具体的な組成としては、得られるフッ素化ポリイミドの線熱膨張率とガラス転移温度を測定して好適なものを選択する事ができる。

導波路基板のフッ素化ポリイミドの熱膨張率は約６０〜８０ｐｐｍ／Ｋ、これに対して、石英の熱膨張率は約１ｐｐｍ／Ｋであり、熱膨張率の差は６０ｐｐｍ／Ｋ以上と非常に大きく、この部材の組み合わせで作製したモジュールは温度変化により光軸ずれを起こし、温度変化、高温高湿下における保存により光損失の悪化・変動を起こす。

本発明は、導波路基板のフッ素化ポリイミドとファイバアレイの部材であるフッ素化ポリイミドの熱膨張率を近似化することが重要であるが、両者の熱膨張率の差としては２０ｐｐｍ／Ｋ以下であって、より好ましくは１０ｐｐｍ／Ｋ以下である。２１ｐｐｍ／Ｋ以上では熱膨張率の差が大きく、温度変化により光軸ずれを起こし、光損失の悪化・変動を起こし、不適当である。

本発明により、導波路基板、導波路、ファイバアレイの構成部材がすべてフッ素化ポリイミドの低損失で高品質な樹脂光導波路モジュールを作製することができる。 また、他の樹脂基板を使用するときにおいても、導波路基板の樹脂とファイバアレイの部材との熱膨張率を近似化することが、性能が良く品質の安定した光導波路を製造するために好適である。

本発明でいう樹脂光導波路モジュールの例としては、１×８スプリッター、マルチモード干渉型合波器、方向性結合器、アレイ型光導波路格子、ＷＤＭなどが挙げられる。
以下、実施例により本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

〔実施例１〕
４インチのフッ素化ポリイミド基板を使用し樹脂製の１×８スプリッターを製作する。基板は厚さ０．５ｍｍ、直径１００ｍｍであり、熱膨張率は８０ｐｐｍ／Ｋである。

光導波路に用いた樹脂はフッ素化ポリイミドである。この基板に、クラッド用のフッ素化ポリアミド酸ワニスをスピンコーティング装置により塗布した後、不活性雰囲気に保持したオーブンを用いて焼成して下部クラッド層を１５ミクロン成膜し、次にコア用フッ素化ポリアミド酸ワニスをスピンコーティング装置により塗布した後、不活性雰囲気に保持したオーブンを用いて焼成し、コア層を７ミクロン成膜した。使用したコア層は屈折率が（１．５１）であり、コア−クラッドの比屈折率差は０．３３％とした。このコア層上にマスク層としてシリコンをマグネトロンスパッタにより０．５ミクロン成膜した。このマスク層上にはさらにレジスト層を成膜し、１×８スプリッターのパターンをフォトマスクを用い、アライナによって露光し、パターニングされたレジスト層を形成した。

次にレジスト層に保護されていないマスク層のシリコンをＲＩＥ装置を用いて、ＣＦ_４ガスを流入させながらエッチングした。引き続いてＯ_２ガスを流入させてマスク層のシリコンに保護されていないコア層部分をエッチングにより除去し、次に、基板をフッ酸を含有する剥離液に浸漬し、マスク層を除去した。さらに下部クラッドと同種のフッ素化ポリイミド樹脂をスピンコーティング装置により塗布した後、不活性雰囲気に保持したオーブンを用いて焼成して、厚さ１８ミクロンの上部クラッド層を形成した。１×８スプリッターのチップのサイズは幅５ｍｍ×長さ１７ｍｍである。コアのサイズは７×７μｍである。ダイサーにて切り出した１×８スプリッターのチップは、入射側には１芯ファイバーアレイを、出射側には８芯ファイバーアレイをＵＶ硬化型接着剤を用いて接続した。

なお、ファイバーアレイの部材には熱膨張率８０ｐｐｍ／Ｋの導波路基板と同じフッ素化ポリイミド材料のものを使用した。ファイバーアレイのサイズは幅５ｍｍ×長さ１０ｍｍである。接続後のモジュールとして、２２℃での光特性は波長１５５０ｎｍにおいて、損失１０．８ｄＢ、偏波依存損失０．２ｄＢ、各ポートにおける出力偏差は０．４ｄＢであった。

このモジュールを恒温恒湿器（エスペック製）に入れ、７０℃および−４０℃での光特性を評価した。７０℃での損失、偏波依存損失、各ポートにおける出力偏差はそれぞれ、１１．０ｄＢ、０．４ｄＢ、０．５ｄＢであった。また、−４０℃ではそれぞれ１０．７ｄＢ、０．３ｄＢ、０．４ｄＢであった。温度変化においても光特性の悪化、変動は小さく、実用に供せる良好な光学特性を示した。また、−４０℃と７０℃の間の温度サイクル５００回後においてもチップとファイバアレイとの接合部にクラックは認められなかった。
〔比較例１〕
実施例１と同様な方法で１×８スプリッターを作製し、石英製ファイバーアレイを使用しモジュールを作製した。２２℃での光特性は波長１５５０ｎｍにおいて、損失１１．０ｄＢ、偏波依存損失０．３ｄＢ、各ポートにおける出力偏差は０．５ｄＢであった。このモジュールを恒温恒湿器（エスペック製）に入れ、７０℃および−４０℃での光特性を評価した。７０℃での損失、偏波依存損失、各ポートにおける出力偏差はそれぞれ、１２．２ｄＢ、１．０ｄＢ、１．２ｄＢであった。また、−４０℃ではそれぞれ１１．９ｄＢ、０．８ｄＢ、１．２ｄＢであった。温度変化において光特性の悪化、変動は大きく、実用に供せる良好な光学特性を示さなかった。また、−４０℃と７０℃の間の温度サイクル５０回後において、チップとファイバアレイとの接合部にクラックが認められた。

〔実施例２〕
４インチのフッ素化ポリイミド基板を使用し、樹脂光導波路と誘電体多層膜フィルタから構成されるＷＤＭ（Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）素子を制作する。基板は厚さ０．５ｍｍ、直径１００ｍｍであり、熱膨張率は８０ｐｐｍ／Ｋである。

実施例１と同様な方法で光導波路部分を作製し、次にダイサーによりフィルタ挿入のための溝をコアパターンのＹ分岐部分に作製し、ＵＶ硬化型接着剤を用いてフィルタを固定した。ＷＤＭのチップのサイズは幅４ｍｍ×長さ１０ｍｍである。コアのサイズは７×７μｍである。ダイサーにて切り出したＷＤＭのチップは、１芯ファイバーアレイ、および２芯ファイバーアレイをＵＶ硬化型接着剤を用いて接続した。なお、ファイバーアレイの部材には熱膨張率８０ｐｐｍ／Ｋの導波路基板と同じフッ素化ポリイミド材料のものを使用した。

ファイバーアレイのサイズは幅４ｍｍ×長さ１０ｍｍである。接続後のモジュールとして、２２℃での挿入損失は各波長１３１０ｎｍ、１４９０ｎｍおよび１５５０ｎｍにおいてそれぞれ、１．５ｄＢ、１．８ｄＢ、１．４ｄＢであった。このモジュールを恒温恒湿器（エスペック製）に入れ、７０℃および−４０℃での光特性を評価した。７０℃での挿入損失は、各波長１３１０ｎｍ、１４９０ｎｍおよび１５５０ｎｍにおいてそれぞれ、１．８ｄＢ、２．０ｄＢ、１．６ｄＢであった。また、−４０℃ではそれぞれ１．７ｄＢ、２．０ｄＢ、１．７ｄＢであった。温度変化においても光特性の悪化、変動は小さく、実用に供せる良好な光学特性を示した。また、−４０℃と７０℃の間の温度サイクル５００回後においてもチップとファイバーアレイとの接合部にクラックは認められず十分な耐久性が確認できた。

Claims (4)

1. 樹脂基板上に形成された樹脂導波路であって、ファイバアレイとのモジュール化において、ファイバアレイの部材の熱膨張率が樹脂基板の熱膨張率と同等であることを特徴とする樹脂光導波路モジュール。
2. フッ素化ポリイミド基板上に形成された樹脂導波路と、ファイバアレイとのモジュール化において、ファイバアレイの部材がフッ素化ポリイミドであるファイバアレイを用いることを特徴とする請求項１に記載の樹脂光導波路モジュール。
3. 導波路基板のフッ素化ポリイミドとファイバアレイの部材であるフッ素化ポリイミドの熱膨張率の差が２０ｐｐｍ／Ｋ以下、より好ましくは１０ｐｐｍ／Ｋ以下であることを特徴とする、請求項１または請求項２のいずれかに記載の光導波路モジュール。
4. 光導波路用樹脂基板の材料がフッ素化ポリイミド樹脂、全フッ素化ポリイミド樹脂、重水素化ポリシロキサン樹脂、フッ素化エポキシ樹脂、シリコーン樹脂のいずれかであることを特徴とする、請求項１に記載の光導波路モジュール。