JP7035719B2 - 光デバイス及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、光デバイス及びその製造方法に関し、特に、基板上に、下部電極層、下部クラッド層、コア層、上部クラッド層、及び上部電極層が順次積層された構成を備え、該コア層が有機電気光学高分子（以下、「ＥＯポリマー」と言う。）で形成された光デバイス及びその製造方法に関する。

近年、ＥＯポリマーを用いた光デバイスが、次世代の光通信を担う素子として期待されている（特許文献１又は２参照）。

ＥＯポリマーに用いる高分子材料としては例えば、ポリメチルメタクリレートなどのアクリル系樹脂、ポリカーボネート系樹脂、エポキシ系樹脂、ポリイミド系樹脂、シリコーン系樹脂、ポリスチレン系樹脂、ポリアミド系樹脂、ポリエステル系樹脂、フェノール系樹脂、ポリキノリン系樹脂、ポリキノキサリン系樹脂、ポリベンゾオキサゾール系樹脂、ポリベンゾチアゾール系樹脂、ポリベンゾイミダゾール系樹脂などが挙げられる。（以下、「基本骨格樹脂」と言う。）

非線形光学有機化合物（以下、「ＥＯ色素」）は、公知のものであれば特に限定されないが、１分子中に、電子供与性を有する原子団（以下、「ドナー」と言う。）と、電子吸引性を有する原子団（以下、「アクセプター」と言う。）との両方を有しており、ドナーとアクセプターの間に、π電子共役系の原子団を配している構造を有した分子が望ましい。このような分子としては、具体的には、Ｄｉｓｐｅｒｓｅ Ｒｅｄ類、Ｄｉｓｐｅｒｓｅ Ｏｒａｎｇｅ類、スチルベン化合物などが挙げられる。

ＥＯポリマーは、前記のＥＯ色素を高分子材料への添加、または高分子材料の側鎖または主鎖への化学結合により、高分子材料に導入したものを言う。このＥＯポリマーは、ドナー、アクセプターを配向させるポーリング処理を経ることで、無機材料に比べて大きな２次非線形光学効果を示す。また、ＥＯ色素内の導電性の高いπ電子共役系を電子が移動することによって、光学特性が変化することから高速動作が可能となる。

一般に、ＥＯポリマー材料を用いた光デバイスでは、図１に示すように、基板１上に、下部電極層２、下部クラッド層３、コア層４、上部クラッド層５、及び上部電極層６が順次積層された構成を備えている。ＥＯポリマーは、コア層４に使用され、光導波路４０を形成している。

図１のような構造を有する光導波路は、例えば、次のように形成される。下部クラッド層をスピンコートで形成した後、ドライエッチング等によりトレンチを形成する。その後、ＥＯポリマーを有機溶剤に溶解した液をスピンコート等で塗布し、乾燥することで、ＥＯポリマーによるコア層が、下向きに突出したリブ部を持って形成される。その上に、上部クラッド層をコーティングする。光導波路は、図１のリブ型形状に限らず、矩形状のコア層を、下部クラッド層と上部クラッド層で取り囲むように配置する構成や下部クラッドを加工せずＥＯポリマーをリブ分のみ残してエッチングすることで得られるリブ型にする構成も可能である。

ＥＯポリマーを用いた光デバイスにおいては、形成したＥＯポリマー層に対し、加熱しながら電圧を印加するポーリング処理（分極処理）を行う。加熱によってポリマーを軟化し、ＥＯポリマー層に電界を印加することで、ポリマーに含有して大きな分極率を持つＥＯ色素を配向させる。電界を維持した状態のまま冷却することでポリマーが固化し、ＥＯ色素を固定し、配向状態を維持することが可能となる。

また、ＥＯポリマーを用いた光デバイスで、マッハツェンダー型干渉計を含む光変調器を作製する際には、二股に分かれた２つの分岐導波路の少なくとも一方について、ポーリング処理を行うことで、光変調器を作製することが可能である。しかしながら、ＥＯポリマーを用いた光変調器では、２つの分岐導波路のＥＯ色素の分極方向を、互いに逆方向になるようにポーリング処理を行い、２つの分岐導波路に信号電極を用いて同一信号が印加する、所謂、プッシュプル型の光変調器を実現できる。しかも、この光変調器では、正負の電源がいらず、低電圧駆動することが可能となるため、光変調器としての利便性も高い。

プッシュプル型の光変調器や弾性表面波（ＳＡＷ）を用いた音響光学変調素子などのように、光導波路の分極方向が局所的に異なる光デバイスを作製するには、図１に示す光デバイスでポーリング処理を行う際には、光導波路４０の下側にある下部電極層２を共通電極として、上部電極層６に正負の高電位を印加するポーリングを行う必要がある。

しかしながら、このポーリング処理の方法では、上部電極層６には、電極間が数十μｍ～数１００μｍ程度と狭小な電極間に、１μｍ当たり数十～数百Ｖの電界が印加される。このため、ポーリング処理時に以下のような不具合生じる。
（１）電位を印加した際に、電極間がショートし、製品の製造歩留まりが悪化する。
（２）ポーリング処理時の加熱（１５０℃～２５０℃程度）により、上部電極層６を搭載している部分と搭載していない部分とでは、熱膨張抑制効果が異なるため、上部クラッド層５やコア層４に歪みが発生し、光導波路の光損失が増大する。

特表２０１５－５０１９４５号公報 特開２００７－２５３７０号公報

本発明が解決しようとする課題は、上述したような問題を解決し、光導波路のＥＯ色素の分極方向が局所的に異なる光デバイスであっても、製造の歩留まりが良く、光導波路の光損失が抑制された光デバイス及びその製造方法を提供することである。

上記課題を解決するため、本発明の光デバイスは、以下の技術的特徴を有する。
（１） 基板上に、下部電極層、下部クラッド層、コア層、上部クラッド層、及び上部電極層が順次積層された構成を備え、該コア層がＥＯポリマーで形成された光デバイスの製造方法において、該下部電極層は、該コア層のポーリング位置に対応した、少なくとも分離した複数の電極を備え、該上部クラッド層の上側に設けられた共通電極は、該コア層に形成される光導波路の全体を覆うように配置されており、該コア層を加熱しながら電圧を印加するポーリング処理する際には、前記複数の電極と、前記複数の電極に対応し、該共通電極とを利用して、該コア層のポーリング処理をする方向を選択的に異なる方向に設定することを特徴とする。

（２） 上記（１）に記載の光デバイスの製造方法において、該上部電極層は、該共通電極を除去した後に形成されることを特徴とする。

（３） 上記（１）に記載の光デバイスの製造方法において、該上部電極層は、該共通電極を選択的に除去して形成することを特徴とする。

（４） 上記（１）乃至（３）に記載の光デバイスの製造方法で製造された光デバイスである。

（５） 基板上に、下部電極層、下部クラッド層、コア層、上部クラッド層、及び上部電極層が順次積層された構成を備え、該コア層がＥＯポリマーで形成された光デバイスにおいて、該下部電極層は、該コア層のポーリング位置に対応した、少なくとも分離した複数の電極を備え、該上部クラッド層上に上部電極層を形成する前に、該上部クラッド層の上側に設けられた共通電極は、該コア層に形成される光導波路の全体を覆うように配置されており、該コア層のポーリング処理された方向は、前記複数の電極に対応して、選択的に異なる方向に設定されていることを特徴とする。

本発明は、基板上に、下部電極層、下部クラッド層、コア層、上部クラッド層、及び上部電極層が順次積層された構成を備え、該コア層がＥＯポリマーで形成された光デバイスの製造方法において、該下部電極層は、該コア層のポーリング位置に対応した、少なくとも分離した複数の電極を備え、該コア層をポーリング処理する際には、前記複数の電極と、前記複数の電極に対応し、該上部クラッド層の上側に設けられた共通電極とを利用して、該コア層のポーリング処理をする方向を選択的に異なる方向に設定するため、複数の電極が下部クラッド層で被覆されるため、仮に電極間の距離が狭い場合でも、電極間がショートし難くなる。その結果、光デバイスの製造の歩留まりが低下することが抑制される。

また、ポーリング処理の際にコア層や上部クラッド層の上側に配置される電極が共通電極であるため、下部電極層の複数の電極よりも広い面積で構成することが可能となる。このため、コア層の上側、特に光導波路の上側で電極を搭載していない部分を極力少なくすることも可能となり、電極の有無による熱膨張抑制効果の差が発生し難くなる。これにより、光導波路の光損失の増大も抑制することができる。

従来の光デバイスの概要を示す断面図である。 本発明の光デバイスにおける下部電極層の形状を説明する平面図である。 本発明の光デバイスの製造プロセス（ポーリング処理）に使用する共通電極を説明する平面図である。 本発明の光デバイスの製造プロセス（ポーリング処理）を説明する図であり、図２及び図３の一点鎖線Ａ－Ａ’における断面図である。 本発明の光デバイスにおける上部電極層の形状を説明する平面図である。 図２及び図５の一点鎖線Ａ－Ａ’における断面図である。

以下、本発明の光デバイス及びその製造方法について、好適例を用いて詳細に説明する。
本発明の光デバイスの製造方法は、図２乃至４に示すように、基板１上に、下部電極層（２０，２１）、下部クラッド層３、コア層４、上部クラッド層５、及び上部電極層が順次積層された構成を備え、該コア層がＥＯポリマーで形成された光デバイスの製造方法において、該下部電極層は、該コア層のポーリング位置に対応した、少なくとも分離した複数の電極（２０，２１）を備え、該コア層をポーリング処理する際には、前記複数の電極と、前記複数の電極に対応し、該上部クラッド層５の上側に設けられた共通電極７とを利用して、該コア層のポーリング処理をする方向を選択的に異なる方向に設定することを特徴とする。

図２は、基板１上に下部電極層（２０，２１）を配置した様子を示す平面図である。また、図３は、上部クラッド層５の上に共通電極７を配置した様子を示す平面図である。図２及び図３においては、参考までに光導波路４０の配置位置を点線で表示している。さらに、図４は、図２及び図３の一点鎖線Ａ－Ａ’における断面図である。

基板１としては、下部電極やコア層やクラッド層を支持できる機械的強度があるものであれば、種々のものが使用できるが、好ましくは、下部電極やクラッド層との線膨張係数の差が少ない材料が好ましい。例えば、ガラス基板、シリコン基板、アクリル基板、ポリカーボネート基板、ポリイミド基板などが使用可能である。

コア層を形成するＥＯポリマーとしては、基本骨格樹脂としてＰＭＭＡを用い、ＥＯ分子としてＤｉｓｐｅｒｓｅ Ｒｅｄ１を基本骨格樹脂の側鎖に重合したＰＭＭＡ－ＤＲ１が好適に使用可能である。また、ＥＯポリマーのガラス転移点Ｔｇを高くすることで耐熱性を向上させることができる。この場合、基本骨格樹脂の側鎖にアダマンチル基などのかご型分子を付与することや主骨格樹脂を網目構造にすることによってＴｇを高くすることができる。

上部又は下部クラッド層に使用する材料としては、無処理の基本骨格樹脂を用いることができず、樹脂内にヒドロキシル基を持つ材料などが使われてきた。具体的には、アルコキシドアクリレートとアルコキシシラン及び重合開始剤を混合した塗布液を用い、塗布、乾燥後にＵＶ照射、加熱することで共重合した有機無機ハイブリッド樹脂が用いられてきた。

上部又は下部電極層、あるいは共通電極に使用する材料としては、Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｕ、Ｃｕなどが挙げられ、基板との密着を得るために、二種類以上の材料を用いることも一般的に行われている。この場合においては、上部又は下部電極をパターニングする必要があるため、エッチングが可能な材料が好適に使用可能である。

本発明の光デバイスの製造方法の特徴は、（ａ）下部電極層は、コア層のポーリング位置に対応した、少なくとも分離した複数の電極（２０，２１）を備えることである。そして、（ｂ）コア層をポーリング処理する際には、前記複数の電極と、前記複数の電極に対応し、上部クラッド層５の上側に設けられた共通電極７とを利用して、該コア層のポーリング処理を行うことである。

上記（ａ）のように、下部電極層内の電極（２０，２１）を分割し、電極間には下部クラッド層３の誘電体層が配置されるため、電極（２０，２１）との間に大きな電位差が生じても、電極間が容易にショートすることが抑制される。

また、上記（ｂ）のように、ＥＯポリマーで形成したコア層４と上部クラッド層５の上側には、下部電極層の複数の電極（２０，２１）に対応する一つの共通電極７を用いることが可能となるため、当該共通電極を光導波路４０全体を覆うように配置することが可能となる。これにより、光導波路４０の上側には一様な電極が配置されることとなり、電極の有無による光導波路への歪の発生が抑制される。

図２は、コア層４で形成される光導波路４０の配置位置を点線で表示し、その上に下部電極層（２０，２１）の電極パターンを重ね合わせて表示した平面図である。下部電極層の電極（２０，２１）は、光導波路４０と重なる部分に配置されると共に、印加電圧が同じ部分と異なる部分とでは、電極が分離して配置されている。図２は、１つのメイン・マッハツェンダー型光導波路の分岐導波路に２つのサブ・マッハツェンダー型光導波路を組み込んだネスト型光導波路が示されている。中央の上下方向に４つある分岐導波路の内、中央付近の２つの分岐導波路は、電極２０で同じ電圧が印加され、最も上段にある分岐導波路と最も下段にある分岐導波路は、電極２１などで、他の異なる電圧が印加される。

下部電極層は、ポーリング処理後、電極パターンをそのまま利用することも可能であるが、下部クラッド層から露出した電極部分を相互に接続したり、外部回路で電気的に接続することで、光デバイスの信号電極に対する対向電極として使用することも可能である。

また、ポーリング処理した後は、図３の共通電極７を除去し、図５及び図６のように、新たに上部電極層（信号電極）６０及び６１を設けることができる。また、図３の共通電極７を選択的に除去し、上部クラッド層上に残した共通電極７の一部を、図５及び図６の上部電極層（信号電極）６０及び６１、あるいはその一部として用いることも可能である。図６は、図５の一点鎖線Ａ－Ａ’における光デバイスの断面図を示す図である。

上述した光デバイスの製造方法を用いて製造される光デバイスは、図６に示すように、基板１上に、下部電極層、下部クラッド層３、コア層４、上部クラッド層５、及び上部電極層６が順次積層された構成を備え、該コア層４がＥＯポリマーで形成された光デバイスとなる。特に、下部電極層は、コア層のポーリング位置に対応した、少なくとも分離した複数の電極（２０，２１）を備え、該コア層のポーリング処理された方向は、前記複数の電極に対応して、選択的に異なる方向に設定されている光デバイスとなる。

以上説明したように、本発明によれば、光導波路のＥＯ色素の分極方向が局所的に異なる光デバイスであっても、製造の歩留まりが良く、光導波路の光損失が抑制された光デバイス及びその製造方法を提供することができる。

１ 基板
２，２０，２１ 下部電極層
３ 下部クラッド層
４ コア層
４０ 光導波路（コア層）
５ 上部クラッド層
６，６０，６１ 上部電極層
７ 共通電極

Claims (5)

1. 基板上に、下部電極層、下部クラッド層、コア層、上部クラッド層、及び上部電極層が順次積層された構成を備え、該コア層がＥＯポリマーで形成された光デバイスの製造方法において、
   該下部電極層は、該コア層のポーリング位置に対応した、少なくとも分離した複数の電極を備え、
   該上部クラッド層の上側に設けられた共通電極は、該コア層に形成される光導波路の全体を覆うように配置されており、
   該コア層を加熱しながら電圧を印加するポーリング処理する際には、前記複数の電極と、前記複数の電極に対応し、該共通電極とを利用して、該コア層のポーリング処理をする方向を選択的に異なる方向に設定することを特徴とする光デバイスの製造方法。
2. 請求項１に記載の光デバイスの製造方法において、
   該上部電極層は、該共通電極を除去した後に形成されることを特徴とする光デバイスの製造方法。
3. 請求項１に記載の光デバイスの製造方法において、
   該上部電極層は、該共通電極を選択的に除去して形成することを特徴とする光デバイスの製造方法。
4. 請求項１乃至３に記載の光デバイスの製造方法で製造された光デバイス。
5. 基板上に、下部電極層、下部クラッド層、コア層、上部クラッド層、及び上部電極層が順次積層された構成を備え、該コア層がＥＯポリマーで形成された光デバイスにおいて、
   該下部電極層は、該コア層のポーリング位置に対応した、少なくとも分離した複数の電極を備え、
   該上部クラッド層上に上部電極層を形成する前に、該上部クラッド層の上側に設けられた共通電極は、該コア層に形成される光導波路の全体を覆うように配置されており、
   該コア層のポーリング処理された方向は、前記複数の電極に対応して、選択的に異なる方向に設定されていることを特徴とする光デバイス。

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