JPH08278422A - 反射型光波長板及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 製造と加工が容易で、耐熱性、耐湿性、柔軟
性、機械的強度に優れ、しかも膜厚が薄いために過剰損
失の小さな反射型光波長板を提供する。 【構成】 フィルム面内の屈折率に異方性を有するポリ
イミドフィルムとその片面に密着した金属薄膜の反射膜
により構成される反射型光波長板。フィルム面内の屈折
率に異方性を有するポリイミドフィルムに、真空装置内
で金属薄膜を製膜する反射型光波長板の製造方法。製膜
をスパッタ法により行うことが好適である。また当該金
属薄膜の例としては金薄膜が好適である。 【効果】 導波型光デバイスの高性能化、低価格化と作
製プロセスの効率化に有効である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は反射型光波長板とその製
造方法に関し、特に加工性、耐熱性、経済性に優れ、可
視光のみならず近赤外光に対しても有効であり、柔軟性
を有する反射型光波長板とその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】石英系の光導波路を用いた導波型光デバ
イスは、光損失が少なく実用的な光受動部品として期待
されているが、その実用化に当っての最大の問題として
光導波回路の偏波依存性が指摘されている。これは石英
系の光導波路を用いて光導波回路を作製した場合に、光
導波路の複屈折に起因した信号品質の低下（水平偏波成
分と垂直偏波成分との位相ずれ）として現われてくる。
この原因は、石英系の光導波路を作製する際に１０００
℃を超える高温を使用するためであり、基板であるシリ
コンと石英導波路の熱膨張率差により生じた残留応力に
起因している。この複屈折を排除するため、光路の丁度
中間地点に水晶からなる１／２波長板を挿入することに
より、光信号の出射端での水平偏波成分と垂直偏波成分
の位相ずれを補償する方法が知られている〔高橋浩ほ
か、オプティックス レターズ（Opt.Lett.) 、第１７
巻、第７号、第４９９〜５０１頁（１９９２）〕。この
方法は構成が簡単であり、しかも導波型光デバイスの偏
波依存性解消には極めて効果的である。但し、光波長板
とその挿入溝の部分では導波光が閉じ込められずに放射
してしまい、これが信号強度の減衰を引き起こすという
問題を有している。高橋らは特開平４−２４１３０４号
公報において、水晶の光波長板を用いた場合に光波長板
部分での損失（過剰損失）が４ｄＢにも上ることを明ら
かにしている。そこで本発明者らは、特願平６−３９３
６８号明細書において、テトラカルボン酸又はその誘導
体とジアミンから合成されるポリアミド酸のフィルムに
熱イミド化と一軸延伸を行うことにより、水晶に比べて
大きな複屈折を有するポリイミドフィルムを作製するこ
とができ、このフィルムから作製した光波長板を導波型
光デバイスに組込むことによって、光波長板挿入に伴う
過剰損失を水晶波長板の場合の１／１０以下である０．
３ｄＢまで低減できることを明らかにした。ここに見ら
れる過剰損失の大幅な低減は、ポリイミド波長板の膜厚
が水晶波長板の１／６以下の膜厚であることに起因して
いる。ポリイミド波長板は３００℃以上の耐熱性を持
ち、加工性や経済性の点でも水晶波長板よりも優れてい
る。本発明者らは更に上記明細書において、蒸着やスパ
ッタによりポリイミド波長板の表面に金属、半導体、誘
電体などの薄膜あるいは多層膜を形成することが可能で
あり、これらが反射膜や特定の波長の光を遮断するフィ
ルターとして使用できることを明らかにした。特に図面
の（図１）に示すように、基板上に作製された光導波路
とポリイミド光波長板から構成される導波型光デバイス
において、光導波路の長手方向に対して垂直あるいはや
や傾斜した状態でポリイミド波長板が導波路端面に密着
し、しかもポリイミド波長板の端面に密着しない側に反
射膜が形成されている場合には、光波長板に基づく効果
と光の反射を一つの部品で行うことが可能である。中で
もポリイミド波長板が１／４波長板であり、その光学主
軸が導波路基板に対して４５度の角度をなすように密着
されている場合には、入射光はポリイミド１／４波長板
を透過し、反射膜で反射された後、再び１／４波長板を
透過して出射する。１／４波長板を２度透過するため１
／２波長板を透過したのと同じ効果が得られ、結果とし
て導波光を反射させしかもその偏波方向を９０度回転さ
せる働きをする。このような光部品が導波型光デバイス
の偏波依存性解消に有効であることについても、本発明
者らが上記明細書において明らかにしている。なお、図
１は、ポリイミド１／４波長板とそれに密着した反射膜
を用いた偏波変換器を示す模式図である。図１におい
て、符号１は入力導波路、２は出力導波路、３は導波路
基板、４は１／４光波長板、５は反射膜を意味する。

【０００３】反射型１／２波長板の膜厚は、面内複屈折
（Δｎ）が透過型１／２波長板と等しい場合にはその半
分となるが、導波距離が２倍になることから、反射膜に
おける損失を無視した場合でも原理的には透過型と等し
い過剰損失を示すはずである。すなわち既存の光波長板
材料である水晶を用いて反射型波長板を作製した場合に
もその過剰損失は４ｄＢを上回ることが予想され、一
方、ポリイミドを用いて反射型波長板を作製した場合に
は、過剰損失を水晶波長板の場合の１／１０以下に低減
することが可能となる。一方、本発明者らは前記明細書
の実施例においてポリイミド波長板に誘電体多層膜から
なる反射膜を形成し、これが反射型波長板として有効に
機能することを明らかにしている。しかし、表面や界面
の平滑性に優れ膜質の緻密な誘電体多層膜をポリイミド
上に形成するためには専用のスパッタ装置と高度な薄膜
制御技術が必要なこと、多層膜の形成に長時間かかるこ
と、形成された多層膜は脆弱なためポリイミドが本来持
つ加工性や柔軟性を十分生かすことができないこと、等
の問題もあった。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従来の技術で述べたよ
うに、既存の水晶波長板を用いたのでは、耐熱性、耐湿
性、加工性、機械的強度を合せ持つと共に、過剰損失の
小さな反射型光波長板を作製することは不可能である。
また、薄型のポリイミ光波長板を用いた場合でも、反射
膜として誘電体多層膜を用いた場合には、製造に必要な
装置や技術、経済性、光波長板の加工性、柔軟性に問題
があった。本発明はこれらの問題点を解決し、製造と加
工が容易で、耐熱性、耐湿性、柔軟性、機械的強度に優
れ、しかも膜厚が薄いために過剰損失の小さな反射型光
波長板を提供することを目的としている。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明を概説すれば、本
発明の第１と第２は反射型光波長板に関する発明であっ
て、その第１はフィルム面内の屈折率に異方性を有する
ポリイミドフィルムとその片面に密着した金属薄膜の反
射膜により構成されることを、その第２の該金属薄膜の
反射膜が、金薄膜の反射膜により構成されることを特徴
としている。本発明の第３から第５は、本発明の第１と
第２に示した反射型光波長板の製造方法に関する発明で
あって、その第３はフィルム面内の屈折率に異方性を有
するポリイミドフィルムに真空装置内で金属薄膜を製膜
することを、その第４は、同じく真空装置内でスパッタ
法により金属薄膜を製膜することを、その第５は同じく
スパッタ法により真空装置内で金薄膜を製膜することを
特徴としている。

【０００６】耐熱性、耐湿性、加工性、機械的強度を合
せ持つと共に、過剰損失の小さな反射型光波長板は、ポ
リイミド波長板の片面に反射膜を形成することにより得
ることができる。ポリイミド以外の複屈折性を持つプラ
スチック材料によっても、薄型で過剰損失の小さな光波
長板を作製することは可能であるが、反射膜の形成時に
は光波長板の表面温度が２００〜３００℃まで上昇する
ため、耐熱性に劣る他の複屈折性プラスチックの表面に
は良好な反射膜を形成することはできない。ポリイミド
波長板の製造方法としては、本発明者らが特願平６−３
９３６８号明細書において明らかにしたポリアミド酸の
調製方法、ポリアミド酸フィルムの作製方法、そしてポ
リイミド波長板の製造方法を用いることができる。ポリ
イミド上に形成された後も光波長板としての加工性や柔
軟性を損なわず、しかも誘電体多層膜に比べて膜形成が
容易な反射膜としては金属反射膜が有効である。金属反
射膜の材料としては、金、銀、アルミニウム、ニッケ
ル、チタンなどが知られているが、中でも波長０．６μ
ｍ以上の可視光から波長２．０μｍまでの近赤外光に対
して高い反射特性を示す金反射膜が好適と考えられる。
厚さ０．１μｍの金属反射膜とポリイミドの界面におけ
る吸収損失の計算値（ポリイミドの屈折率を１．６１２
と仮定）は、金、銀、アルミニウム、ニッケル、チタン
についてそれぞれ０．０５、０．０８、０．１６、１．
６０、３．０３ｄＢであり、金反射膜の有効性を示して
いる。金属反射膜の製膜方法としては、抵抗加熱型や電
子ビーム型の蒸着法、直流及び高周波マグネトロン型、
イオンビーム型、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）型
等のスパッタ法、イオンプレーティング法、化学気相堆
積（ＣＶＤ）法、分子ビームエピタキシー（ＭＢＥ）
法、クラスターイオンビーム（ＣＩＢ）法等などが使用
可能である。しかし、蒸着法によって形成される金薄膜
はポリイミドのような有機物やニオブ酸リチウム、酸化
シリコンのような酸化物に対する密着力が弱く、良好な
反射膜の形成が困難である。そこで本発明者らは、蒸着
時の金属クラスターのエネルギー値が高く、通常の蒸着
法に比べて緻密な膜形成が可能なスパッタ法による検討
を行うことにより、十分な密着力と耐久性を持ち、しか
もアルミニウム薄膜に比べて反射特性に優れる金反射膜
がポリイミド波長板上に形成可能であることを見出し
た。

【０００７】

【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、ポリイミドフィルムのリターデーション（Ｒ）は、
波長１．５５μｍのレーザーダイオードを光源とし、２
つのグラントムソンプリズムを偏光子、検光子として平
行ニコル回転法により測定した。ポリイミドフィルムの
膜厚（ｄ）は、近赤外光の吸収スペクトル（波長１．６
〜２．６μｍ）に現れる干渉縞の波長から求めた。

【０００８】実施例１ ピロメリット酸二無水物（ＰＭＤＡ）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）から合成されたポリアミド酸のＮ，Ｎ−
ジメチルアセトアミド溶液を直径４インチのシリコンウ
ェハにスピンコート法により塗布し、７０℃、１時間の
熱処理をしてはく離できる程度に溶媒を蒸発させた。は
く離したフィルムを縦６ｃｍ×横３ｃｍの短冊状に切り
出し、金属枠に縦軸方向だけを固定して、最高温度３５
０℃で熱イミド化を行った。得られたフィルムの中心部
におけるΔｎは０．０５３であった。これを波長１．５
５μｍの１／４波長板（Ｒ＝０．３８８）として使用す
るためには、膜厚が７．３μｍである必要がある。そこ
でポリアミド酸溶液のスピンコートの条件を、熱イミド
化後の膜厚が７．３μｍとなるように変えて、上記の処
理を再度繰り返した。得られたポリイミドフィルムの中
心部におけるＲは０．３９０であった。こうして得られ
たポリイミド１／４波長板をシリコンウェハ上に保持
し、金ターゲットを備えたスパッタ装置に導入し、ター
ゲット面直上に保持しながら、４ｍ Ｔｏｒｒのアルゴ
ン雰囲気中１．５Ｗ／ｃｍ² の放電パワーで厚さ０．１
μｍの金薄膜を形成したところ、フィルムを２ｍｍ以下
の曲率半径で曲げてもはく離せず、布でこすってもはが
れない反射膜が得られた。このフィルムの中央部に、延
伸軸に対して偏波面が４５度傾くように波長１．５５μ
ｍの直線偏光を入射したところ、反射光の偏波面が入射
光に対して９０度回転したことから、このフィルムが反
射型の１／２波長板として使用できることが明らかとな
った。また、反射による損失は０．２ｄＢであった。こ
の反射型光波長板を３５０℃で１時間熱処理し室温まで
戻した後も、光波長板としての特性に変化は見られなか
った。

【０００９】（図１）に示す厚さ１ｍｍのシリコン基板
上に作製された２本のシングルモード導波路から構成さ
れる導波型光回路の導波路端面に、上記の反射型１／４
波長板をその光学主軸が導波路基板に対して４５度をな
し、反射膜の付いていない面が導波路端面に密着するよ
うに接着した。導波路は火炎堆積法と反応性イオンエッ
チングにより作製された石英系の導波路であり、その断
面はシリコン基板上に堆積された厚さ６０μｍのクラッ
ディング層のほぼ中央に、寸法７μｍ×７μｍのコアが
埋設された構造となっている。クラッディングとコアの
比屈折率差は０．７５％である。この導波型光回路の入
力導波路に偏波保存のシングルモード光ファイバを接続
し、導波路基板に対して水平方向の電界をもつ偏光（水
平偏波）を入射したところ、出力導波路からは導波路基
板に対して垂直方向の電界をもつ偏光（垂直偏波）が出
射された。また同様に、垂直偏波を入射したところ、出
力導波路からは水平偏波が出射された。反射型波長板の
接着に伴う過剰損失を測定したところ、０．５ｄＢであ
った。

【００１０】実施例２ 実施例１と同様の方法で得られた膜厚７．３μｍのポリ
イミド１／４波長板をシリコンウェハ上に保持し、これ
を抵抗加熱型の真空蒸着装置（日本電子製ＪＥＥ−４Ｃ
型）に導入し、厚さ０．１μｍのアルミニウム薄膜を形
成したところ、フィルムを２ｍｍ以下の曲率半径で曲げ
てもはく離せず、布でこすってもはがれない反射膜が得
られた。そこでこのフィルムの中央部に、延伸軸に対し
て偏波面が４５度傾くように波長１．５５μｍの直線偏
光を入射したところ、反射光の偏波面が入射光に対して
９０度回転したことから、このフィルムが反射型の１／
２波長板として使用できることが明らかとなった。反射
による損失は０．３ｄＢであった。この反射型光波長板
を３５０℃で１時間熱処理し室温まで戻した後も、光波
長板としての特性に変化は見られなかった。また、この
反射型光波長板を（図１）に示す導波型光回路の端面に
実施例１と同様の方法により接着したところ、入射光の
偏光面が９０度回転し、その過剰損失は０．６ｄＢであ
った。

【００１１】比較例１ 水晶からなる波長１．５５μｍの１／４波長板（厚さ４
６μｍ）を実施例２と同様の抵抗加熱型蒸着装置に導入
し、厚さ０．１μｍの金薄膜を形成したところ、均一な
反射膜は得られたが、布でこすると部分的なはく離が生
じ密着性が不十分であった。そこで同じ装置を用いて厚
さ０．１μｍのアルミニウム薄膜を形成したところ、布
でこすってもはがれない反射膜が得られた。この中央部
に、延伸軸に対して偏波面が４５度傾くように波長１．
５５μｍの直線偏光を入射したところ、反射光の偏波面
が入射光に対して９０度回転したことから、このフィル
ムが反射型の１／２波長板として使用できることが明ら
かとなった。反射による損失は０．３ｄＢであった。し
かしこの反射型波長板を、（図１）に示す導波型光回路
の端面に実施例１と同様の方法により接着したところ、
入射光の偏光面が９０度回転したものの過剰損失は５ｄ
Ｂであり、偏波変換器としては損失値の非常に大きなも
のとなった。

【００１２】比較例２ 実施例１と同様の方法で得られた膜厚７．３μｍのポリ
イミド１／４波長板をシリコンウェハ上に保持し、実施
例２と同様の抵抗加熱型蒸着装置に導入し、厚さ０．１
μｍの金薄膜を形成したところ、均一な反射膜は得られ
たが、布でこすると部分的なはく離が生じ密着性が不十
分であった。また、このフィルムを２ｍｍ以下の曲率半
径で曲げた場合にも、金薄膜の部分的なはく離が見られ
た。このことから一般の蒸着装置では十分な強度と密着
性のある金薄膜をポリイミド上に形成できないことが明
らかとなった。

【００１３】

【発明の効果】本発明によれば、製造が容易で柔軟性が
あり、膜厚が薄いため過剰損失が少なく、しかも３００
℃以上の高い耐熱性を持った反射型の光波長板を提供す
ることができ、主に導波型光デバイスの高性能化、低価
格化と作製プロセスの効率化といった点に寄与すること
ができる。実施例で示したように反射型の光導波回路に
適用することによってその機能、性能を向上させること
ができるばかりでなく、新しい型の導波型光デバイスの
作製にも寄与することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】ポリイミド１／４波長板とそれに密着した反射
膜を用いた偏波変換器を示す模式図である。

【符号の説明】

１：入力導波路、２：出力導波路、３：導波路基板、
４：１／４光波長板、５：反射膜

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 竹中 久貴 東京都千代田区内幸町１丁目１番６号 日 本電信電話株式会社内

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 フィルム面内の屈折率に異方性を有する
   ポリイミドフィルムとその片面に密着した金属薄膜の反
   射膜により構成されることを特徴とする反射型光波長
   板。
2. 【請求項２】 該金属薄膜の反射膜が、金薄膜の反射膜
   により構成されることを特徴とする請求項１に記載の反
   射型光波長板。
3. 【請求項３】 フィルム面内の屈折率に異方性を有する
   ポリイミドフィルムに、真空装置内で金属薄膜を製膜す
   ることを特徴とする反射型光波長板の製造方法。
4. 【請求項４】 真空装置内でスパッタ法により金属薄膜
   を製膜することを特徴とする請求項３に記載の反射型光
   波長板の製造方法。
5. 【請求項５】 該金属薄膜が、金薄膜であることを特徴
   とする請求項４に記載の反射型光波長板の製造方法。