JPH0922035A - 導波路型光変調素子とその製法 - Google Patents

導波路型光変調素子とその製法

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JPH0922035A
JPH0922035A JP16878895A JP16878895A JPH0922035A JP H0922035 A JPH0922035 A JP H0922035A JP 16878895 A JP16878895 A JP 16878895A JP 16878895 A JP16878895 A JP 16878895A JP H0922035 A JPH0922035 A JP H0922035A
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JP
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polymer material
core
optical
waveguide
electro
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JP16878895A
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English (en)
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Masakazu Sagawa
雅一 佐川
Yoshihito Inaba
良仁 伊名波
Masato Isogai
正人 磯貝
Atsushi Tsunoda
角田  敦
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Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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  • Macromolecular Compounds Obtained By Forming Nitrogen-Containing Linkages In General (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【構成】基板1上に、有機材料からなるコア4と、該コ
ア4を挾持するようその上下に形成されたクラッド層
3,5を有し、前記コア4および上下クラッド層3,5
に電界を印加する一対の電極2,6を備えた導波路型光
変調素子であって、前記コアに接する上部クラッド層6
の少なくとも電界の及ぶ部分が、電気光学効果を有する
高分子材料により構成されていることを特徴とする導波
路型光変調素子。 【効果】ポリイミドをベースとした非線形光学高分子材
料を電気光学素子に適用することが可能となり、優れた
耐熱性、低損失、高性能指数の光スイッチが実現でき
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、光通信等に用いられる
光の強度、位相を制御する導波路型光変調素子に関する
ものである。
【0002】
【従来の技術】高速,大容量通信では、高速な応答性能
をもつ光スイッチの開発が求められている。従来この分
野では、LiNbO3を中心とした強誘電体結晶や、G
aAsを中心とした化合物半導体が主にその材料を担っ
ていた。そして、広帯域化の流れは現在まで10GHz
に及び、次世代の40GHzに対応する光スイッチの研
究開発が盛んに行われている。
【0003】しかし、これらの材料ではその適用限界が
見え始めている。即ち、電気情報通信学会誌:Vol.7
6 No.12 1306頁(1993)に報告されてい
るように、強誘電体結晶ではその高い誘電率が、光とマ
イクロ波との速度不整合をもたらし、動作帯域を制限し
ている。
【0004】また一方、化合物半導体では、上述の問題
に加え光の伝搬損失が大きいため、光アンプを導入して
いるが、これが動作帯域の制限となっている。
【0005】上記に対し、有機材料をベースとした導波
路型光変調素子が、その低誘電率を活かした広帯域動作
に適していると云う報告がなされ注目されている。例え
ば、Applied Physics Letters,Vol.60 No.
13 1538頁(1992)に開示されているTeng
の行った実験では、動作帯域は優に40GHzに及び測
定器の限界に達している。しかしこれらの系では、電場
配向処理により非線形光学特性が付与されているため、
経時的な構造緩和により、その配向特性が徐々に失われ
ると云う問題があった。
【0006】これを解決するには、ガラス転移温度が十
分に高い剛直な高分子材料が有効と考えられ、Materia
ls Research Society Symposium Proceedings,
Vol.328,511頁(1994)にある様に、ポリ
イミドがその候補に挙がっている。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】非線形高分子として、
ポリイミドをベース材に適用するには幾つかの課題があ
る。
【0008】ポリイミドは通常、前躯体であるポリアッ
ミク酸ワニスからスピンコート等により薄膜が作られ
る。このワニスに非線形光学分子を分散あるいは共重合
させたものを用い、これをコロナポーリング等の電場配
向処理を行いながら、熱イミド化を行って非線形光学高
分子が作られてきた。しかし、この方法では、次のよう
な問題が指摘されてきた。
【0009】 イミド化の際に起こる高分子鎖の大幅
な構造転移が、電場配向している分子の方向を撹乱し、
また、同時に発生する水分子の存在が膜の絶縁性を劣化
させ、膜にかかる実効電界を弱めるため、十分な非線形
光学特性を発現できない。
【0010】 一般に、非線形光学分子(基)が大き
な光吸収を示すため、ここを通過する光の伝搬損失が大
幅に増加する。
【0011】 通常のクラッド/コア/クラッドの3
層構造光導波路を形成しようとすると、上層クラッドの
熱イミド化の過程で、下層コア部の分子配向が大幅に失
われてしまう。逆にこれを回避するため、積層化してか
らイミド化を行おうとすると、ポリアミック酸には耐溶
剤性がないため積層化の過程で相溶してしまう。
【0012】本発明の目的は、上記課題を解決し、非線
系光学高分子材料を用いた導波路型光変調素子の提供に
ある。
【0013】
【課題を解決するための手段】前記課題を解決する本発
明の要旨は次のとおりである。
【0014】〔1〕 基板上に、有機材料からなるコア
と、該コアを挾持するようその上下に形成されたクラッ
ド層を有し、前記コアおよび上下クラッド層に電界を印
加する一対の電極を備えた導波路型光変調素子であっ
て、前記コアに接する上部クラッド層の少なくとも電界
の及ぶ部分が、電気光学効果を有する高分子材料により
構成されていることを特徴とする導波路型光変調素子。
【0015】〔2〕 前記電界光学効果を有する高分子
材料が、非線形光学分子を分散または化学的に導入した
ポリイミド系の非線形光学高分子材料からなり、該非線
形光学高分子材料のガラス転移点温度が190℃以上で
ある。
【0016】〔3〕 基板上に、有機材料からなるコア
と、該コアを挾持するよう上下に形成されたをクラッド
層を有し、前記コアおよび上下クラッド層に電界を印加
する一対の電極を備えた光導波路の製法において、前記
上部クラッド層が、電気光学効果を有する高分子材料の
溶液をコートして形成することを特徴とする導波路型光
変調素子の製法。
【0017】〔4〕 前記電気光学効果を有する高分子
材料溶液の溶剤の沸点が、前記高分子材料のガラス転移
温度より低いものである。
【0018】〔5〕 前記上部クラッド層を、前記高分
子材料溶液の溶剤の沸点以上で、かつ、前記高分子材料
のガラス転移点以上の温度で、直流電場を印加、また
は、コロナ放電下でポーリング(電場配向)処理する。
【0019】シリコンウエハなどの平坦性のよい基板上
に、アルミニウム等の導電層を真空蒸着して下部電極を
形成する。この上に下部クラッド層となるポリイミド等
の高ガラス転移点温度の高分子薄膜を形成する。このと
き十分な熱処理により重合,燒結を完全に行うよう留意
する。
【0020】この上に下部クラッド層よりも高い屈折率
の高分子材料でコア層を形成する。このときも十分熱処
理して重合,燒結を完全に行うよう留意する。次いで、
ホトリソグラフィとO2を主体としたドライエッチング
によりパターニングして所望の導波路構造を構成する。
【0021】上記のコア層の上に設ける上部クラッド層
としては、材料に非線形光学分子を分散、あるいは、側
鎖,主鎖へ非線形光学特性を発現する修飾基を導入した
高分子材料を用いる。こうした高分子材料としては熱可
塑性高分子材料が望ましい。
【0022】こうして得た導波路型光変調素子は、その
寿命が10年以上のものが得られるよう、Chemical
Reviews,Vol.94 No.1 31頁(1994)に
開示されているガラス転移温度が、使用温度の上限80
℃+マージン110℃、即ち、190℃以上の非線形高
分子材料を選択する。この高分子材料を高沸点溶媒に溶
かしてスピンコートにより薄膜化し、クラッド層とす
る。
【0023】さらに全体を上記溶媒の沸点付近まで昇温
し、残留溶媒を取り除いた後、上記高分子材料のガラス
転移点以上に温度を上げ、コロナ放電により電場配向を
施し、非線形光学特性の活性化を図る。なお、この電場
配向処理は、上部電極形成後に高温下で直流電圧を印加
して行ってもよい。
【0024】上記の上部クラッド層の上に、真空蒸着に
より金属薄膜を形成し、ホトリソグラフィとドライエッ
チングによりパターニングして、所望の上部電極を形成
することにより本発明の導波路型光変調素子が得られ
る。
【0025】下部電極を接地し、上部電極への印加電圧
を変化させることにより、伝搬する光の位相を制御する
ことができる。
【0026】
【作用】
(1) 下部クラッド層およびコアには、完全に重合,
燒結された高分子材料を用いたことにより、安定した光
学特性が得られる。また、化学的,機械的に非常に堅固
なポリイミド系の高分子材料を用いることにより、上部
クラッド層等の後の作製工程の影響を受けない。
【0027】(2) 高分子材料からなるコアは、非線
形光学修飾基や非線形光学分子を含まないため、光散乱
や吸収を抑制することができる。
【0028】(3) 非線形光学高分子材料からなる上
部クラッド層を最後に形成するため、熱処理による配向
緩和が回避できる。
【0029】(4)クラッド層に堅固なネットワークを
有する非線形光学高分子材料を用いることにより、配向
緩和寿命の長い(10年以上)電気光学素子が得られ
る。
【0030】
【実施例】
〔実施例 1〕図1に示すように、基板として平坦性の
優れたシリコン基板1を用いた。まず、シリコン基板1
上にアルミニウムを電子線蒸着により堆積し、接地用の
下部電極2を形成した。
【0031】この上にポリイミドワニス(日立化成工業
製:OPI−2005)をスピンコートし、350℃,
1時間加熱処理を行なってイミド化し、膜厚10μmの
下部クラッド層3を形成した。
【0032】この上に下部クラッド層3よりも屈折率が
僅かに(約0.3%程度)大きいポリイミド(日立化成
工業製:OPI−1905)を用い、上記と同様にして
膜厚8μmのコア層を形成し、ホトリソグラフィとO2
を主体とした異方性ドライエッチンッグ(RIE)によ
りパターニングすることで、幅8μmのチャネル導波路
(コア)4を形成した。このときコア膜厚とチャネル幅
は伝搬モードがシングルモードになるよう設定した。
【0033】得られたチャネル導波路(コア)4上に、
熱可塑性ポリイミドワニス〔三井東圧化学製:TPIに
非線形光学分子としてDR1(Disperse Red 1)
を5重量%添加した〕をスピンコートし、100℃,1
時間加熱することにより上部クラッド層5を形成した。
これをコロナポーリングにより直流電場(100V/μ
m)を印加しながら加熱(200℃)することで、電場
配向処理(ポーリング処理)を行った。
【0034】この上にアルミニウムを電子線蒸着により
0.5μm堆積し、ホトリソグラフィとハロゲン系ガス
(CCl4またはBCl4)のRIEにより、信号電圧印
加用の上部電極4をパターン形成した。最後にウエハを
ダイサーによりチップ状に切り分け、端面を研磨して図
1および図2の模式図に示すような導波路型光変調素子
を得た。
【0035】伝搬損失,電気光学定数,πシフト電圧,
配向緩和寿命等の各種光学特性の評価では、開口係数の
大きな接眼レンズを用いてチャネル導波路(コア)4と
の入出力を行って測定した。
【0036】本素子の伝搬損失は、0.5dB/cmと
従来構造の2.0dB/cmに比べ低い損失であった。
電気光学定数もr33=5pm/vと、従来色素を分散し
たPMMA(Poly−Methyl Methacrylate)材の導波
路型光変調素子と同じ値を確保することができた。
【0037】また、配向緩和寿命は、ポリイミド系材料
特有の安定性を示し、室温で約10年の寿命(アレニウ
スプロット法による)を約束できるものであることを確
認した。
【0038】〔実施例 2〕実施例1と同様にして、図
3の模式斜視図に示すような方向性結合器(光スイッ
チ)を作製した。
【0039】印加電圧ゼロでは入力光7はそのまま出射
されるが、印加電圧5Vでは隣のコアに移り、出力光
7'が出射された。これにより光の経路の切り替えが可
能となる。
【0040】〔実施例 3〕実施例1と同様にして、マ
ッハツエンダ(Mach−Zehnder)型光変調器10に、
CW発振の半導体レーザ8と半導体レーザ駆動回路9と
を組み合わせ、図4に示す光信号発生装置を構成した。
レーザより得られた連続光源は、上記光変調器10と信
号発生装置11とにより変調され多端より出力光7’が
出射された。この場合、変調帯域は20GHz以上であ
った。
【0041】〔実施例 4〕実施例3の信号発生装置と
実施例2の方向性結合器を組み合わせて、図5に示すよ
うな1×8の光信号分配装置16を構築した。光信号派
生装置13で発生された光信号は入力用光ファイバ14
により方向性結合器16に入力され、経路切り替えコン
トローラ17によりその経路が指定され、出力用光ファ
イバ群15の任意の1本に信号を送ることができた。
【0042】
【発明の効果】本発明により、ポリイミドをベースとし
た非線形光学高分子材料を電気光学素子に適用すること
が可能となり、優れた配向緩和寿命、低損失、高性能指
数を兼ね備えた光スイッチ(変調器)が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本実施例の代表的な3層光導波路構造を有する
光位相変調素子の模式断面図である。
【図2】本実施例の電気光学高分子を用いて作製したマ
ッハツエンダ型光変調器の模式斜視図である。
【図3】本実施例の電気光学高分子を用いて作製した方
向性結合器の模式斜視図である。
【図4】本実施例の電気光学高分子を用いて作製したマ
ッハツエンダ型光変調器を利用した光信号発生装置の構
成図である。
【図5】本実施例の電気光学高分子を用いて作製したマ
ッハツエンダ型光変調器と方向性結合器を利用した光信
号分配装置の構成図である。
【符号の説明】
1…シリコン基板、2…下部電極、3…下部クラッド
層、4…チャネル導波路(コア)、5…上部クラッド層
(非線形光学高分子層)、6…上部電極、6'…バイア
ス印加用上部電極、7…入力光、7'…出力光、8…半
導体レーザ、9…半導体レーザ駆動回路、10…マッハ
ツエンダ型光変調器、11…信号発生装置、13…光信
号発生装置、14…入力用光ファイバ、15…出力用光
ファイバ群、16…光信号分配装置、17…経路切り替
えコントローラ。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 角田 敦 茨城県日立市大みか町七丁目1番1号 株 式会社日立製作所日立研究所内

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 基板上に、有機材料からなるコアと、該
    コアを挾持するようその上下に形成されたクラッド層を
    有し、前記コアおよび上下クラッド層に電界を印加する
    一対の電極を備えた導波路型光変調素子であって、前記
    コアに接する上部クラッド層の少なくとも電界の及ぶ部
    分が、電気光学効果を有する高分子材料により構成され
    ていることを特徴とする導波路型光変調素子。
  2. 【請求項2】 前記電界光学効果を有する高分子材料
    が、非線形光学分子を分散または化学的に導入したポリ
    イミド系の非線形光学高分子材料からなり、該非線形光
    学高分子材料のガラス転移点温度が190℃以上である
    請求項1に記載の導波路型光変調素子。
  3. 【請求項3】 基板上に、有機材料からなるコアと、該
    コアを挾持するよう上下に形成されたをクラッド層を有
    し、前記コアおよび上下クラッド層に電界を印加する一
    対の電極を備えた光導波路の製法において、前記上部ク
    ラッド層が、電気光学効果を有する高分子材料の溶液を
    コートして形成することを特徴とする導波路型光変調素
    子の製法。
  4. 【請求項4】 前記電気光学効果を有する高分子材料が
    ポリイミド系高分子材料でそのガラス転移点温度が19
    0℃以上である請求項3に記載の導波路型光変調素子の
    製法。
  5. 【請求項5】 前記電気光学効果を有する高分子材料溶
    液の溶剤の沸点が、前記高分子材料のガラス転移温度よ
    り低いものである請求項3に記載の導波路型光変調素子
    の製法。
  6. 【請求項6】 前記上部クラッド層を、前記高分子材料
    溶液の溶剤の沸点以上で、かつ、前記高分子材料のガラ
    ス転移点以上の温度で、直流電場を印加、または、コロ
    ナ放電下でポーリング(電場配向)処理する請求項3に
    記載の導波路型光変調素子の製法。
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