JPH10170737A

JPH10170737A - 高分子光導波路

Info

Publication number: JPH10170737A
Application number: JP8351794A
Authority: JP
Inventors: Takashi Kurihara; 栗原　　隆; Akira Tomaru; 暁都丸; Saburo Imamura; 三郎今村
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1996-12-12
Filing date: 1996-12-12
Publication date: 1998-06-26

Abstract

(57)【要約】【課題】透明性・耐熱性を満足した上で、加工性と光
学等方性をも同時に満足する高分子光導波路を提供す
る。【解決手段】一般式（化１）：【化１】（各Ｒ₁は同一又は異なり、水素又はメチル基、ｍ及び
ｎは０〜１０の整数、ただしｍ＋ｎ≠０）で表される化
合物のラセミ混合物から誘導される構造単位を含有して
なるポリカーボネートを光学コア及び／又は光学クラッ
ドとして用いるシングルモードあるいはマルチモードの
高分子光導波路。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高分子材料を用い
た光導波路に関するものであり、光通信、光情報処理、
微小光学あるいはその他の一般光学の分野で広く用いら
れる種々の光導波路、光導波路デバイス、光集積回路又
は光配線板に利用できる。

【０００２】

【従来の技術】光導波路は、基板の表面若しくは基板表
面直下に、周囲よりわずかに屈折率の高い部分を作るこ
とにより光を閉じ込め、光の合波・分波やスイッチング
などを行う特殊な光部品である。具体的には、通信や光
情報処理の分野で有用な光合分波回路、周波数フィル
タ、光スイッチ又は光インターコネクション部品等が挙
げられる。光導波路デバイスの特長は、基本的には１本
１本の光ファイバを加工して作る光ファイバ部品と比較
して、精密に設計された導波回路を基に高機能をコンパ
クトに実現できること、量産が可能であること、多種類
の光導波路を１つのチップに集積可能であること等にあ
る。光導波路の開発の歴史を簡単に振り返ると、光導波
路デバイスは光ファイバ通信システムへの導入を想定し
て発達してきたといえる。光ファイバ通信の初期に当る
１９７０年代には、マルチモードファイバに対応したマ
ルチモード光導波路の研究が主であったが、１９８０年
代になると、シングルモードファイバを使った光通信シ
ステムが主流となったため、ここへの導入に合せてシン
グルモード光導波路の研究開発が活発化した。シングル
モード光導波路の利点は、導波光制御が容易であるこ
と、デバイスの小型化に有利であること、光パワー密度
が大きいこと、高速動作に適すること等である。一方、
マルチメディアの急速な立ち上りによって、高度なコン
ピュータ通信ばかりでなくオフィスや家庭にも光による
高速信号の配信の気運が高まる中、低コストの光部品と
してマルチモード光導波路部品が注目され始めている。
マルチモード光導波路はシングルモード光導波路に比べ
量産に適していることと接続等の取り扱いが格段に容易
なことに利点がある。従来、光導波路材料としては、透
明性に優れ光学異方性の小さい無機ガラスが主に用いら
れてきた。しかしながら、無機ガラスは、重く破損しや
すいこと、生産コストが高いこと等の問題を有してお
り、最近では、無機ガラスの代りに、可視域で極めて透
明であり通信波長でも１．３μｍ、１．５５μｍに窓の
ある透明性高分子を使って、光導波路部品を製造しよう
という動きが活発化してきている。高分子材料はスピン
コート法やディップ法等による薄膜形成が容易であり、
大面積の光導波路を作製するのに適している。また、成
膜に際して高温での熱処理工程を含まないことから石英
等の無機ガラス材料を用いる場合に比べて、プラスチッ
ク基板などの高温での熱処理が困難な基板の上にも光導
波路を作製できるという利点がある。更に、高分子の柔
軟性や強じん性を活かした基板フリーの光導波路フィル
ムの作製も可能である。また、製造が基本的に低温プロ
セスであること、金型を用いた量産など複製化への展開
が容易であること等により、ガラス系や半導体系の光導
波路に比べて低コスト化に対するポテンシャルが高い。
こうしたことから、光通信の分野で用いられる光集積回
路や、光情報処理の分野で用いられる光配線板等の光導
波路部品を、高分子光学材料を用いて大量・安価に製造
できることが期待されている。光導波路用高分子として
は、ポリメチルメタクリレートやポリイミドなど各種の
透明性高分子が提案され精力的に光導波路化の研究開発
が進められている。これら高分子光導波路の一部は、既
に、ファイバ部品に対しては圧倒的にコンパクトな、ま
た、ガラス系光導波路部品に対してはより低価格な代替
部品として実用化され始めている。高分子光導波路の開
発動向については、高分子１９９４年４月号２７１頁な
どに詳しい。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】高分子光導波路が満た
すべき課題、すなわち、加工性・光学特性（透明性・光
学等方性）・耐熱性のうち、市場ニーズを考慮すると、
最も優先すべき透明性に次いで重要な特性は、耐熱性で
ある。しかし、例えば代表的な耐熱性光導波路であるポ
リイミド光導波路は、芳香族主鎖の剛直性故に、分子鎖
に柔軟性がなく必要十分な導波路加工性を与えない。更
に、ポリイミド光導波路は、芳香族基の配向に起因する
複屈折のため偏波依存性を有することとなり、入射光の
強度が一定であったとしても偏波面の変動によりその出
力特性が変動してしまい実際に光導波路として用いる場
合には極端に用途が限られてしまうという問題があっ
た。このように、耐熱性を考慮した高分子光導波路は、
剛直な芳香族鎖故に、光導波路として必須の加工性及び
光学等方性が十分に得られないという大きな問題を有し
ていた。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、透明性・耐熱性を満足した上
で、従来は耐熱性の実現と両立することが困難であった
加工性と光学等方性をも同時に満足する高分子光導波路
を提供することにある。

【０００４】

【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、下記構造式（化１）：

【０００５】

【化１】

【０００６】（式中、Ｒ₁はそれぞれ独立に水素、又は
メチル基を表す。ｍ及びｎは、それぞれ独立に０〜１０
の整数であるが、ｍ＋ｎが０であることはない）で表さ
れる不斉スピロ環含有ジヒドロキシ化合物のラセミ混合
物から誘導される構造単位を含有してなるポリカーボネ
ートを光学コア及び／又は光学クラッドとして用いるこ
とを特徴とするシングルモードあるいはマルチモードの
高分子光導波路に関する。

【０００７】本発明者らは、不斉スピロ環含有ジヒドロ
キシ化合物から誘導される構造単位を含有してなるポリ
カーボネートが可視域から近赤外域にわたって光学的に
極めて透明であると共に十分な耐熱性を有しており、高
分子光導波路材料として有用であることを見出した。更
に、不斉スピロ環含有ジオキシユニットを構成する２つ
のベンゼン環が互いに直交する構造であることにより、
分子鎖の剛直性や分子間のスタッキングが抑制され、光
導波路作製に十分な加工性が得られること、また、ベン
ゼン環直交構造により複屈折率が分子レベルで解消され
ることも同時に見出した。ここでいう光導波路作製に十
分な加工性とは、積層化に際してインターミキシングを
回避できること、スピンコート法等の簡便な方法で容易
に厚膜化できドライエッチングによるシングルモード光
導波路の作製が容易に行えること、金型加工によるマル
チモード光導波路の作製が容易に行えることなどをさ
す。また、複屈折率解消は、上述の分子内効果に加え、
ラセミ体を重合することによってバルクレベルで更に促
進された。その結果、耐熱性確保のために芳香環分率が
非常に高いにもかかわらず、膜の複屈折は１×１０^-4レ
ベルまでに低減され、当該材料を用いて作製した光導波
路の偏波依存性を許容値以下に抑制することに成功し
た。以上、説明したように、不斉スピロ環含有ジヒドロ
キシ化合物から誘導される構造単位を含有してなるポリ
カーボネートを用いた光導波路において、これまで耐熱
性の実現に伴って達成が困難となっていた導波路加工性
や光学等方性も同時に満たされることを見出し、本発明
に至った。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下、本発明を具体的に説明す
る。前記構造式（化１）で表される化合物の中では、特
に、下記構造式（化２）、（化３）、（化４）で示され
る構造単位からなるポリカーボネートを代表例として挙
げることができる。

【０００９】

【化２】

【００１０】

【化３】

【００１１】

【化４】

【００１２】（式中、ｘ：ｙは、各ユニットの存在割合
を示す。ｘ、ｙが共に０であることはない）

【００１３】以下は、本発明のポリカーボネート光導波
路の作製工程を詳細に説明するものである。膜形成には
スピンコート法が最も一般的である。この際に用いられ
る溶媒としては、トリクロロエタン、クロロホルム等の
塩素系脂肪族類、クロロベンゼン、トルエン、キシレン
等の芳香族類、メチルエチルケトン、メチルイソブチル
ケトン、メチルイソアミルケトン等のケトン類、酢酸エ
チル、酢酸ブチル、乳酸エチル等のエステル類、２−エ
トキシエタノール、２−ブトキシエタノール等のセロソ
ルブ類、酢酸２−エトキシエチル、酢酸２−ブトキシエ
チル等のセロソルブアセテート類、ジブチルエーテル、
エチレングリコールジメチルエーテル、エチレングリコ
ールジエチルエーテル、ジエチレングリコールジメチル
エーテル、ジエチレングリコールジエチルエーテル等の
エーテル類、テトラヒドロフラン、Ｎ−メチルピロリド
ン、γ−ブチロラクトン等の複素環類等が挙げられる。
該ポリカーボネートは、溶媒の種類の選択と溶液濃度の
調整により、薄膜の形成工程に対応した適当な粘性、重
ね塗り特性を得ることができる。

【００１４】本発明に従って、実際に該ポリカーボネー
トを用いて光導波路を作製する場合は、まず、光導波路
に要求される導波モード条件に応じて屈折率調整を行う
必要がある。すなわち、コア材及びクラッド材として精
密に制御された屈折率差を有する少なくとも２種のポリ
カーボネートを準備しなければならない。屈折率の調整
は、不斉スピロ系芳香環成分が大部分を占めるコア用ポ
リカーボネートに対して、脂肪族成分あるいは部分フッ
素化成分を多く含むクラッド用ポリカーボネートを調製
することによって実現する。比屈折率差の大きさは導波
すべき光のモードとコアの寸法に応じて決定されるが、
一般的には０．１％〜５％の範囲である。例えば、シン
グルモード光ファイバと導波光のモード径を合せる場
合、コア部の形状は８μｍ角の正方形、比屈折率差は
０．３％であることが望ましい。また、４０μｍ角程度
のマルチモード光導波路の場合、マルチモード光ファイ
バとのモード径を合せるには、比屈折率差１％程度が一
般的である。このようにして、所望の比屈折率差に調整
されたコア用／クラッド用ポリカーボネートを用意した
後、図１に模式的に示されるようなチャネル型の埋め込
み光導波路を作製するには、以下のような手順によるの
が一般的である。なお、図１は、高分子光導波路の断面
構造の概略を含む模式図である。図１において、符号１
はコア、２はクラッドを意味する。まず、スピンコート
法によりクラッド用ポリカーボネート溶液から基板にク
ラッド膜を作製する。次いで、この上にコア用ポリカー
ボネートを塗布する。このような積層工程においてイン
ターミキシングを防止する手立てとしては、下層を加熱
キュアすることによって上層用溶剤に対する対溶剤性を
確保する方法と、上層には、より溶解性の劣る溶剤を用
いる方法、更にその両者を併用する方法がある。本発明
においては、３つ目の方法を用いている。インターミキ
シングが発生した場合、導波路形状が設計寸法より小さ
くなったり、コアとクラッドとの間の屈折率差に変化が
生じ、光導波路としての所望の機能の発現が困難となる
ため、このようなインターミキシング防止の工程は決し
て省略してはならない。次に、コア層の上にエッチング
マスクとなる層を形成し、フォトリソグラフィー等によ
り導波路パターンに加工する。エッチングマスクの材料
としては、有機フォトレジスト又は金属等が用いられ
る。次に、エッチングマスク越しにコア層を反応性イオ
ンエッチングすることにより所望の導波路パターンを形
成することができる。この方法は、特に、シングルモー
ド光導波路の作製に有効であり、作製時間を十分確保で
きる場合にはマルチモード光導波路の作製にも有効であ
る。

【００１５】本発明のポリカーボネート光導波路は、以
上説明したようなフォトリソグラフィーと反応性イオン
エッチングを利用する方法のほかに、フォトロッキング
法や金型法を利用して作製することもできる。ここで
は、金型法によるマルチモード光導波路の作製について
説明する。マルチモード光導波路のクラッド用としては
市販ポリカーボネートを使用する。ただし、加熱成形温
度が、本発明のコア用ポリカーボネートに比し十分に高
いことが条件である。屈折率はコア用ポリカーボネート
より低く、コアに対する比屈折率差が１％程度であるこ
とが望ましい。クラッドへの光のしみだしは無視できる
ので極限透明性及び光学等方性は、コア用ポリカーボネ
ートより劣っても差支えない。まず、クラッド用市販ポ
リカーボネート膜に凸形状を有する金型を押し付け凹形
状に加熱成形後、徐冷して金型を離型し、ポリカーボネ
ートレプリカを作製する。このレプリカの溝部に、コア
用ポリカーボネート膜を注入しコア部を形成する。最後
にクラッド用市販ポリカーボネートフィルムを加熱圧着
して、埋め込み光導波路を形成する。

【００１６】以上、説明した特徴を有しかつ説明した方
法により作製された光導波路は、加工性・光学特性（透
明性・光学等方性）・耐熱性をすべて満足する理想的な
高分子光導波路である。

【００１７】

【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。

【００１８】実施例１構造式（化２）で表される不斉スピロ環含有ポリカーボ
ネート（平均分子量：５２０００、１．３μｍ帯での屈
折率：１．５４６８）をコアとし、構造式（化４）で表
される不斉スピロ環含有ポリカーボネート（ｘ＝３０
％、ｙ＝７０％、平均分子量：６４０００、１．３μｍ
帯での屈折率：１．５４２１）をクラッドとするシング
ルモード光導波路は下記のようにして作製した。必要量
の下層クラッドのトリクロロエチレン溶液をシリコン基
板に滴下し、スピンコート法により薄膜化した。これを
加熱乾燥キュアし、厚さ１８μｍの下層クラッド膜を得
た。次に、コアのトリクロロエチレン／イソプロピルア
ルコール混合溶液を下層クラッド膜上に滴下し滴下と同
時にスピンコート法により塗膜した。この際、下層クラ
ッド膜とコア膜との間にインターミキシングは全く見ら
れなかった。これを加熱乾燥キュア後の膜厚は、設定通
り８μｍとなった。次に、フォトリソグラフィーによ
り、幅７μｍから１μｍ置きに１１μｍまでの直線状マ
スクパターンを形成した。次いで、反応性イオンエッチ
ングにより、マスクパターン以外のコア層をエッチング
し、コアリッジを形成した。この一部を取り出し、電子
顕微鏡で断面形状構造を確認してところ、エッチングは
ほぼ垂直に実現しており、高さ８μｍ、幅５μｍから１
０μｍのコアリッジが形成されていることを確認した。
このように作製したコアリッジをもう一度加熱乾燥キュ
ア後、上部クラッド用トリクロロエチレン／イソプロピ
ルアルコール混合溶液を塗布した。これを乾燥して、埋
め込み型チャネル構造からなる光導波路を形成した。こ
のようにして作製した光導波路の両端をダイシングソー
で切り落とし、長さ５ｃｍの直線光導波路を得た。断面
を光透過モードで顕微鏡観察したところ、コアのみが明
るく光ることを確認した。コア径が８μｍ×８μｍの光
導波路を選び、伝搬損失を測定したところ、波長１．３
μｍで０．２ｄＢ／ｃｍ、１．５５μｍで０．６ｄＢ／
ｃｍであった。両通信波長において、ＴＥモードとＴＭ
モードの損失差（偏波依存損失）は非常に小さかった。
また導波は完全なシングルモードであった。更に、この
導波路の損失は１００℃においても、また、７５℃／９
０％ＲＨの条件下においても１箇月以上変動しなかっ
た。更に、方向性結合器用マスクパターンを用い上記直
線導波路と同様な工程で作製した方向性結合器におい
て、ＴＥモードとＴＭモードでの結合長がほぼ一致する
ことを確認し、光導波路として使用した場合にも複屈折
率はないか非常に小さいことが明らかになった。また、
コアとして構造式（化４）のポリカーボネート、クラッ
ドとして構造式（化３）のポリカーボネートを用いて作
製した光導波路も、上記と同等の光透過特性、偏波無依
存性を示した。

【００１９】実施例２構造式（化２）で表される不斉スピロ環含有ポリカーボ
ネート（平均分子量：５２０００、８５０ｎｍ帯での屈
折率：１．５５３０）をコアとし、構造式（化３）で表
される不斉スピロ環含有ポリカーボネート（平均分子
量：５６０００、８５０ｎｍ帯での屈折率：１．５４０
０）をクラッドとするマルチモード光導波路は下記のよ
うにして作製した。プロセスは実施例１と同様にフォト
リソグラフィーと反応性イオンエッチングを用いた。た
だしコア口径が、４０μｍ×４０μｍとなるようにし
た。長さ５ｃｍのマルチモード直線光導波路について、
波長８５０ｎｍの光透過モードでニアフィールドパター
ンを観察したところ、コア部分のみがマルチモード導波
特有のパターンで明るく光ることを確認した。更に、こ
の波長での光伝搬損失を測定したところ、０．２ｄＢ／
ｃｍであった。更に、この導波路の損失は１２０℃にお
いても、また、７５℃／９０％ＲＨの条件下においても
１箇月以上変動しなかった。

【００２０】実施例３実施例２において得られたようなマルチモード光導波路
は、以下に具体的に示す金型法によって、更に簡便に量
産することができた。ただし、クラッド材としては、市
販のビスフェノールＺ系ポリカーボネートを用いた。平
滑基板にビスフェノールＺ系ポリカーボネートをスピン
コートし、厚さ６０μｍの厚膜を得た。ここに、凸状金
型（凸部の高さ４０μｍ、幅４０μｍ、長さ６ｃｍ）を
圧力をかけながら加熱成形後、徐冷して金型を離型し、
ポリカーボネートレプリカを作製した。このレプリカの
溝部に、コア用ポリカーボネート膜を注入しコア部を形
成した。最後にクラッド用ビスフェノールＺ系ポリカー
ボネートフィルムを加熱圧着して、埋め込み光導波路を
形成した。この光導波路をダイシングソーによって５ｃ
ｍの長さに切り出し、波長８５０ｎｍの光透過モードで
ニアフィールドパターンを観察したところ、コア部分の
みがマルチモード導波特有のパターンで明るく光ること
を確認した。更に、この波長での光伝搬損失を測定した
ところ、０．２ｄＢ／ｃｍであった。更に、この導波路
の損失は１２０℃においても、また、７５℃／９０％Ｒ
Ｈの条件下においても１箇月以上変動しなかった。

【００２１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の不斉スピ
ロ環含有ポリカーボネート光導波路は、加工性・光学特
性（透明性・光学等方性）・耐熱性をすべて満足する理
想的な高分子光導波路である。また、本発明で説明した
光導波路の作製方法を用いれば、所望の光導波路を低コ
ストで大量に生産することが可能である。したがって、
本発明は、光通信、光情報処理、微小光学あるいはその
他の一般光学の分野で用いられる種々の光導波路デバイ
ス（光スイッチ、光フィルタなど）、光集積回路、又
は、光配線板等に広く適用できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】高分子光導波路の断面構造の概略を含む模式図
である。

【符号の説明】

１：コア、２：クラッド

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】下記一般式（化１）：【化１】（式中、Ｒ₁はそれぞれ独立に水素、又はメチル基を表
す。ｍ及びｎは、それぞれ独立に０〜１０の整数である
が、ｍ＋ｎが０であることはない）で表される不斉スピ
ロ環含有ジヒドロキシ化合物のラセミ混合物から誘導さ
れる構造単位を含有してなるポリカーボネートを光学コ
ア及び／又は光学クラッドとして用いることを特徴とす
るシングルモードあるいはマルチモードの高分子光導波
路。
【請求項２】下記構造式（化２）：【化２】で表される不斉スピロ環を含む構造を繰り返し単位とす
るポリカーボネートを光学コア及び／又は光学クラッド
として用いることを特徴とするシングルモードあるいは
マルチモードの高分子光導波路。
【請求項３】下記構造式（化３）：【化３】で表される不斉スピロ環を含む構造を繰り返し単位とす
るポリカーボネートを光学コア及び／又は光学クラッド
として用いることを特徴とするシングルモードあるいは
マルチモードの高分子光導波路。
【請求項４】下記構造式（化４）：【化４】（式中、ｘ：ｙは、各ユニットの存在割合を示す。ｘ、
ｙが共に０であることはない）で表される不斉スピロ環
を含む構造を繰り返し単位とするポリカーボネートを光
学コア及び／又は光学クラッドとして用いることを特徴
とするシングルモードあるいはマルチモードの高分子光
導波路。