JPH04190202A - ペルフルオロ有機高分子材料を用いた光導波路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は光導波路、特に光電子集積回路（ＯＥＩＣ）に
おける回路部品として使用可能なプラスチック光導波路
に関する。

〔従来の技術〕

有機高分子材料（プラスチック）は、無機系の材料に比
べて軽量であり、耐衝撃性、加工性に優れ、取扱いが容
易であるなどの特長を有しているため、これまでも光フ
ァイバーや光ディスフ周基板、光学用レンズなど様々な
光学用途に用いられてきた。中でもポリメチルメタクリ
レート（ＰＭＭＡ）やポリスチレン（ＰＳ）のように可
視域（波長−〇、４〜０．８μｍ）での透明性の高いも
のがプラスチック光学材料として主に用いられてきた。

一方、石英系低損失光ファイバーの開発による光通信シ
ステムの実用化に伴い、種々の光通信用部品の開発が望
まれている。またこれらの光部品を高密度に実装する光
配線技術、特に光導波路技術の確立が望まれている。

プラスチックを０ＥＴＣにおける光導波路など、近赤外
域（０，８〜２．０μｍ）での光学材料として用いる場
合、無機系の材料と比較してまず問題となるのは大きな
光損失である。プラスチックにおける損失原因には大き
く分けて光の散乱と光の吸収の２つがあるが、光通信に
用いられる波長が今後、長波長域へ移る（０．８５μｍ
から１．３μｍ〜１．６５μｍへ）に従って、後者の原
因つまり分子構造に本質的な振動吸収による損失が支配
的となり、プラスチックの導光特性に大きな制約をもた
らすものと考えられている。特にＰＭＭＡやＰＳに代表
される従来のプラスチックは可視域において高い導光特
性を示すものの、近赤外域では大きな光透過損失（１ｄ
Ｂ／　ｃｍ以上）を引起こす。これは分子鎮内のアルキ
ル基やフェニル基の炭素−水素結合（Ｃ−Ｈ結合）の高
調波がこの波長域に存在するためであるが、（、Ｈ結合
の基本振動が元々低波長側にありそれらの高調波の吸収
強度が次数が高くなっても減衰しにくいことが、大きな
光損失の主たる原因となっている。このＣ−Ｈ結合に起
因する高調波吸収を小さくし、かつ吸収波長をより長波
長側ヘシフトさせるために、分子鎮内の水素を重水素（
Ｄ）あるいはフッ素（Ｆ）で置換することが提案されて
おり、ＰＭＭＡやＰＳ中の水素を重水素あるいはフッ素
で置換した材料について既に検討がなされている〔例え
ば戒能俊邦、アプライド　フィジクス　レターズ（Ａｐ
ｐｌ、　Ｐｈｙｓ、　Ｌｅｔｔ、　）第４８巻、第７５
７頁（１９８６年）参照〕。これまでの研究によりこれ
らのプラスチックは、近赤外域において良好な導光特性
を示すことが明らかにされており、例えばＰＳのフッ素
化と重水素化によって０、０４　ｄＢ／　ｃｍ以下の低
損失化が達成されている。

プラスチックを○ＥＩＣの光導波路に適用するに当って
次に問題となるのは吸湿性である。

プラスチックは無機材料に比べて吸湿性の高いものが多
く、また吸着された水分は近赤外域に大きな吸収ピーク
をもつため、光導波路に用いるプラスチックは吸湿性の
低いものでなくてはならない。上述のように近赤外域に
おける導光特性は重水素置換によって大きく改善される
が、材料の化学的性質にはほとんど影響を与えないため
、例えば重水素化ＰＭＭＡの導光特性は経時的な吸湿に
よって大きく悪化してしまう〔例えばＴ、カイノウ　（
Ｔ、にａｉｎｏ）、了ブライド　オプティックス（Ａｐ
ｐｌ、　Ｏｐｔ、　）第２４巻、第４１９２頁（１９８
５年）参照〕。

〔発明が解決しようとする課題〕

すなわちプラスチックを近赤外域での０ＥＩＣ用光導波
路に適用すに当っては、Ｃ−Ｈ結合の存在に基づく大き
な光損失と吸湿による光損失の時間的増大という問題が
あった。本発明はこのような現状にかんがみてなされた
ものであり、その目的は近赤外域において光損失が非常
に少なく、吸湿性の低いプラスチック先導波路を提供す
ることにある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明を概説すれば、本発明はペルフルオロ有機高分子
材料を用いた光導波路に関する発明であって、分子構造
中に炭素−炭素一重結合と炭素−酸素一重結合からなる
環状構造を有し、かつ炭素と一価元素の化学結合として
炭素−フッ素結合のみを含む非晶質有機高分子材料を主
構成要素とすることを特徴とする。

本発明はペルフルオロ有機高分子材料を用いた先導波路
に関する発明であって、分子構造中に炭素と一価元素の
化学結合として炭素−フッ素結合のみを含む非晶質プラ
スチックを光導波路のコア層、クラッド層のいずれか又
は両方に用いることを特徴とする。

本発明者らは、種々の既存のプラスチック光学材料につ
いて、その赤外域、近赤外域の吸収スペクトルを測定し
、近赤外域での光損失値を算出すると共に、その原因に
ついて鋭意検討した。その結果、近赤外域で大きな光損
失を引起こす原因の第一は、アルキル基やフェニル環等
におけるＣ−Ｈ結合の伸縮振動の高調波吸収、及びＣ−
Ｈ結合の伸縮振動の高調波と変角振動の結合音による吸
収であることが明らかとなった。

またフッ素原子は高いはっ水性をもっているため、一定
以上のフッ素を含有するプラスチックは非常に低い吸湿
率を示すことが知られている。そこで分子構造中の水素
をフッ素に置換することにより吸湿率を下げ、近赤外域
における導光特性の経時的な変化を非常に低く抑えるこ
とができると考えられる。

すなわち、アルキル基等の炭素に結合するすべての１価
元素をフッ素とすることによって、最大の光損失原因で
あるＣ−Ｈ結合に基づく振動吸収と吸湿による導光特性
の経時変化の双方を解決することができる。

更に、プラスチックの分子構造における対称性を無くし
、非品性の高いものとすることによって配向複屈折に伴
う光の散乱を抑えることができる。本発明者らは、種々
のペルフルオロプラスチックについてその結晶性の程度
を検討した結果、高分子の主鎖構造中に環状エーテル構
造、つまり炭素−炭素一重結合と炭素−酸素一重結合か
らなる環状構造を有するプラスチックが特に高い非品性
を示し、複屈折性が非常に低いことを見出した。

ただし、本発明の光導波路に用いる含フツ素プラスチッ
クとしては、分子内にＣ−Ｈ結合を持たず炭素と一価元
素の化学結合として炭素−フッ素結合のみを含む非晶質
プラスチックであればどのようなものでも使用すること
ができる。

以下、本発明のプラスチック先導波路についてより詳細
に説明する。

本発明の光導波路の構造は、一般に製造されているすべ
ての先導波路と同じでよく、例えばファイバー型、平面
型、リッジ型、レンズ型、埋め込み型等が可能である。

実施例で示したりッジ型の製造方法については、特願平
２−１１０５００号明細書に記載されている。また比較
例で示したポリイミドの製造法は特願平１−２０１１７
０号明細書に記載されている。

本発明で使用する非晶質有機高分子材料の例としては、
下記構造式Ｉ又は■： で表される繰返し単位を有する有機高分子材料が挙げら
れる。

〔実施例〕

以下、本発明を実施例により更に具体的に説明するが、
本発明はこれら実施例に限定されない。

なお下記側中、光導波路の光透過損失の波長依存性（ス
ペクトル）は白色光源を用いたスペクトルアナライザー
により測定し、またλ−１，３μｍにおける光透過損失
値はプリズムを介してフィルムに入射した光を再度プリ
ズムで取出す方法により算出した。

実施例１ 式Ｉの繰返し構造をもつポリベルフルオロアリルビニル
エーテルをペルフルオロ有ｍ　溶剤（ＣＴ−ｓｏｌｖ　
　１８０　、旭硝子社製）に濃度が１０％となるように
溶解し、シリコン板上にスピンコードして、窒素雰囲気
下４０℃で１時間、１００℃で１時間、１８０℃で１時
間加熱し、溶媒を完全に除去した。

この試料全面にエツチング用マスクとしてアルミニウム
を蒸着した。次いでポジ型レジストの塗布、ブリベータ
、露光、現像、ポストベークを行い、アルミニウムをウ
ェットエツチングによりパターンニングした。更にこの
アルミニウムをマスクとして、ポリペルフルオロアリル
ビニルエーテルのフィルムをドライエツチングによりパ
ターンニングした。最後に残ったアルミニウムマスクを
ウェットエツチングにより除去し、幅５０μｍ１高さ１
０μｍ１長さ５　ｃｍのりッジ型光導波路を得た。この
光導波路の光透過損失の波長依存性を０．８μｍ〜１．
７μｍの範囲で測定したところ、第１図に示すとおりす
べての波長域において光を吸収するピークは現れなかっ
た。なお、第１図において、横軸は波長（μｍ）、縦軸
は吸光度を示す。

また１、３μｍにおける光透過損失率は０．１　ｄＢ／
ｃｍ以下であり、光通信に使われる予定の１．３．１．
５５．１．６５の３波長帯すべてにおいて十分に低い光
損失値を示している。またこのポリペルフルオロアリル
ビニルエーテルのフィルムを６０℃の水中に１週間浸漬
した後の重量変化は観測されず、このフィルムから作製
した光導波路の光透過損失の波長依存性にも全く変化が
見られなかった。

実施例２ 実施例１におけるポリペルフルオロアリルビニルエーテ
ルの代りに、式Ｈの繰返し構造をもつペルフルオロ高分
子（ビス−２，２−）リフルオロメチル−４，５−ジフ
ルオロ−１，３−ジオキソールとテトラフルオロエチレ
ンとの共重合体）を用いて、実施例１と同様に幅５０μ
ｍ、高さ１０μｍ、長さ５　ｃｍのりッジ型光導波路を
得た。

この光導波路の光透過損失の波長依存性を０．８μｍ〜
１．７μｍの範囲で測定したところ、実施例１と同様す
べての波長域において光を吸収するピークは現われなか
った。またこのフィルムを６０℃の水中に１週間浸漬し
た後の重量変化は観測されず、このフィルムから作製し
た光導波路の光透過損失の波長依存性にも全く変化が見
られなかった。

比較例１ 以下の構造をもつポリカーボネート をジメチルアセトアミドに濃度が１０％となるように溶
解し、シリコン板上にスピンコードした。次いで窒素雰
囲気下７０℃で３時間加熱し、溶媒を完全に除去しフィ
ルムを得た。このフィルムに対し実施例１と同様の方法
で幅５０μｍ。

高さ１０μｍ１長さ３ｃＩ１１のりッジ型光導波路を作
製し、光透過損失の波長依存性を０．８μｍ〜１．７μ
ｍの範囲で測定した。その結果を、第２図に波長（μｍ
、横軸）と吸光度（縦軸）との関係のグラフとして示す
。

また１、３μｍにおける光透過損失率は０．４ｄＢ／ｃ
ｍであった。この材料は既に可視光域での光学材料とし
て使用されているものであるが、第２図に示すように１
．１〜１．２．１．４．１．６５μｍの各波長において
それぞれＣ−Ｈ結合の伸縮振動の高調波、Ｃ−Ｈ結合の
伸縮振動高調波とＣ−Ｈ結合変角振動の結合音が現れて
いる。

将来、光通信に使用される予定の１．６５μｍ帯はＣ−
Ｈ結合の２次高調波吸収に完全に重なっており、また１
、３μｍ、１．５５μｍ帯は光損失が比較的少ない「窓
」に位置しているものの、上記の大きな振動吸収のすそ
がかかっているため、光損失値が十分小さいとは言えな
い。

比較例２ ２．２−　（３，４−ジカルボキシフェニル）−ヘキサ
フルオロプロパンニ無水物と２．２′−ビス（トリフル
オロメチル）−４，４’　−ジアミノビフェニルから合
成されるポリアミド酸（７）Ｎ−メチル−２−ピロリド
ン溶液をシリコン板上にスピンコードし、窒素雰囲気下
７０℃で２時間、１６０℃で１時間、２５０℃で３０分
間、更に３５０℃で１時間加熱して完全にイミド化を行
い、以下の構造で示されるポリイミドのフィルムを得た
。

このポリイミドフィルムに対し、実施例１と同様の方法
で幅５０μｍ、高さ１０μｍ、長さ５　ｃｍのりッジ型
光導波路を作製し、０．８μｍ〜１．７μｍにおいて測
定した吸収スペクトルを、第３図に波長（μｍ、横軸）
と吸光度（縦軸）との関係のグラフとして示す。

また１、３μｍにおける光透過損失率は０．３ｄＢ／ｃ
ｍであった。この材料は従来のポリイミドに比べて近赤
外域での光透過率が高いポリイミドであり、光学材料と
して有望であるが、第３図に示すように１．１．１．４
．１．６５μｍの各波長においてそれぞれＣ−Ｈ結合の
伸縮振動の高調波、Ｃ−Ｈ結合の伸縮振動高調波とＣ−
Ｈ結合変角振動の結合音、そしてフィルム中にわずかに
含まれた水分に起因する酸素−水素結合（Ｏ−Ｈ結合）
の高調波が現れている。特に１．６５μｍ帯はＣ−Ｈ結
合の２次高調波吸収に重なっており、この波長域におけ
る光損失値は５　ｄＢ／ｃｍ程度とかなり大きい。

〔発明の効果〕

以上、詳細に説明したように、分子構造中の炭素と一価
元素の化学結合として炭素−フッ素結合のみを含む非晶
質プラスチックを用いて作製した光導波路は、近赤外域
に光の吸収ピークが存在せず、また非常に低い吸湿率を
有している。本発明によれば、近赤外域の光透過性と耐
吸湿性に共に優れた新規の光導波路が提供される。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の光導波路の１例、第２図及び第３図は
従来例の光導波路における、それぞれ光透過損失の波長
依存性を示すグラフである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、分子構造中に炭素−炭素一重結合と炭素−酸素一重
   結合からなる環状構造を有し、かつ炭素と一価元素の化
   学結合として炭素−フッ素結合のみを含む非晶質有機高
   分子材料を主構成要素とすることを特徴とするペルフル
   オロ有機高分子材料を用いた光導波路。 ２、下記構造式 I ： ▲数式、化学式、表等があります▼〔 I 〕 で表される繰返し単位を有する有機高分子材料を主構成
   要素とすることを特徴とする請求項１に記載のペルフル
   オロ有機高分子材料を用いた光導波路。 ３、下記構造式II： ▲数式、化学式、表等があります▼〔II〕 で表される繰返し単位を有する有機高分子材料を主構成
   要素とすることを特徴とする請求項１に記載のペルフル
   オロ有機高分子材料を用いた光導波路。