JPH10227931A

JPH10227931A - 導波路型光デバイス

Info

Publication number: JPH10227931A
Application number: JP4287497A
Authority: JP
Inventors: Toru Maruno; 透丸野; Junya Kobayashi; 潤也小林; Nobutake Koshiyoubu; 信建小勝負; Toru Matsuura; 松浦　　徹; Shigekuni Sasaki; 重邦佐々木
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1997-02-13
Filing date: 1997-02-13
Publication date: 1998-08-25

Abstract

(57)【要約】【課題】耐熱性、耐水耐湿性、光透過性に優れ、かつ
経済性、汎用性を改善した高分子導波路型光デバイスを
提供する。【解決手段】方向性結合器を含む導波路型光デバイス
において、該方向性結合器のコア及び／又はクラッドの
材料が、分子鎖中に炭素−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
高分子材料であるペルフルオロ有機高分子材料を主構成
要素として形成されている導波路型光デバイス。該デバ
イスは方向性結合器を２個以上組合せて作製したマッハ
ツェンダー干渉計を含んでいてもよい。また、通電加熱
を行うための抵抗体薄膜からなる熱光学位相シフタを有
していてもよい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、分子鎖中に炭素−
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であるペルフル
オロ有機高分子材料を用いて形成した導波路型光デバイ
スに関する。

【０００２】

【従来の技術】光通信システムの高度化、経済化に向け
て、様々な光部品の研究開発が進められている。中で
も、光導波路は高密度光配線、導波路型光デバイス実現
への基本技術として注目されている。一般に、光導波路
材料に対しては、導波路作製の容易性、屈折率の制御
性、耐熱性、耐水耐湿性等が要求される。現在、光導波
路材料としては石英が最もよく利用されており、石英製
光導波路は波長１．３μｍで０．１ｄＢ／ｃｍ以下の低
光損失を示す。しかしながら、製造プロセスが複雑、大
面積化が困難などの問題点を有し、経済性、汎用性に優
れる導波路型光デバイスを得にくい。一方、高分子光導
波路はスピンコート法による成膜プロセスを利用できる
ため、石英系光導波路と比較して、作製プロセスが簡単
で、大面積化も容易である。更に高分子材料は石英に比
べて１０倍以上大きな熱光学（ＴＯ）効果（屈折率の温
度依存性）を持つ場合が多く、ＴＯ効果を利用した導波
路型光デバイスへの応用が特に有望である。例えば、ポ
リメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）は屈折率の温度依
存性が、−１．０×１０^-4／℃と石英の１×１０^-5／℃
以下に比べて１０倍以上大きいため、ＰＭＭＡ光導波路
をマッハツェンダー型ＴＯスイッチへ応用した場合に
は、スイッチング電力は石英系光導波路に比べて１／１
００程度に大きく低減されることが知られている〔ヒダ
（Hida) ほか、ＩＥＥＥフォトニクステクノロジー
レターズ（IEEE Photonics Technology Letters)、第
５巻、第７８２頁（１９９３）〕。しかしながら、ＰＭ
ＭＡは熱変形温度が１００℃程度と低いため〔井出文雄
著、“オプトエレクトロニクスと高分子”、第２８頁、
共立出版（１９９５）〕、動作時の加熱・冷却の繰り返
しによってスイッチング特性が劣化する。このため、Ｐ
ＭＭＡはＴＯ効果を利用した導波路型光デバイス形成に
適しているとはいえない。また、ＰＭＭＡは吸水率が約
２％と大きく、屈折率が環境湿度によって大きく変化す
る。例えば、光部品の最も基本的な要素である方向性結
合器をＰＭＭＡを用いて形成した場合には、設置環境に
よって出射光の分岐比は大きく変化してしまう。更に
は、ＰＭＭＡは１．５５μｍ帯の吸収が大きいため〔吉
村ら、“平面型ポリマ光波回路”、電子情報通信学会春
期大会予稿集、ＳＣ−８−３，５−３１９（１９９
４）〕、この波長帯での光通信用部品には使用できない
という欠点もある。このように、導波路型光デバイスの
材料としては、耐熱性、耐水耐湿性、長波長での光透過
性の優れた高分子材料が必要となる。

【０００３】耐熱性の優れた高分子材料としてはポリイ
ミドがよく知られており、半導体部品の層間絶縁膜、フ
レキシブル配線基板などに用いられている。しかしなが
ら、通常のポリイミドは吸湿性が大きいだけでなく、光
通信波長帯である近赤外域（１．３μｍ、１．５５μ
ｍ）の光透過性に劣る。そこで、ポリイミドの耐熱性を
保持しつつ光学応用可能な材料として、フッ素置換基を
導入したフッ素化ポリイミドが提案されている。フッ素
化ポリイミドは、近赤外域で透明であること（特開平３
−７２５２８号）、耐水耐湿性に優れていることが既に
明らかにされている。更に、このフッ素化ポリイミドを
共重合体として用い共重合比を制御することにより容易
に屈折率を変えられること（特開平４−８７３４号）
と、この屈折率制御を利用したフッ素化ポリイミド光導
波路の形成法（特開平４−２３５５０５号、同４−２３
５５０６号）も示されている。フッ素化ポリイミドにつ
いても吸湿率は０．２〜０．７％とＰＭＭＡ等に比べて
小さいものの、方向性結合器特性やマッハツェンダー干
渉計の特性に対する水分の影響が無視できないという欠
点がある。特に、これらの材料でＴＯスイッチを作製し
た場合、通電加熱することにより水分の吸脱着が起こる
ため屈折率が大きく変化し、ＴＯ効果による屈折率変化
を上回ってしまうことがある。このため、環境湿度によ
って動作特性が大きく変化し、実用に耐える物が得にく
いという欠点もあった。耐熱性、耐水耐湿性、長波長で
の光透過性の優れる高分子材料を用いたもう一つの導波
路作製の例としては、ペルフルオロ有機高分子材料を用
いた光導波路（特開平４−１９０２０２号）がある。リ
ッジ型導波路の１．３μｍ帯の導波路損失として０．１
ｄＢ／ｃｍ以下が実現されており、６０℃温水中に１週
間浸漬後も特性変化のないことが確認されている。しか
しながら、これまでにペルフルオロ有機高分子材料の方
向性結合器を含む導波路型デバイスへの適用例は無い。
更に、ペルフルオロ有機高分子材料の熱光学効果は未検
討であるため、熱光学効果を利用した適用例もない。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、耐熱
性、耐水耐湿性、光透過性に優れる高分子導波路型光デ
バイスを提供し、その結果として導波路型光デバイスの
経済性、汎用性を改善することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明を概説すれば、本
発明は、分子鎖中に炭素−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
高分子材料であるペルフルオロ有機高分子材料を用いた
導波路型光デバイスに関する発明であって、第１の発明
の導波路型光デバイスは、コア及びクラッドのいずれ
か、又は両方がペルフルオロ有機高分子材料を主構成要
素として形成された方向性結合器を含むことを特徴とし
ている。第２の発明の導波路型光デバイスは、第１の発
明の方向性結合器を２個以上組合せて作製したマッハツ
ェンダー干渉計を含むことを特徴とする。第３の発明の
導波路型光デバイスは、第１の発明の導波路型光デバイ
スが、通電加熱を行うための抵抗体薄膜からなる熱光学
位相シフタを有することを特徴とする。第４の発明の導
波路型光デバイスは、第１〜第３の発明の導波路型光デ
バイスにおけるペルフルオロ有機高分子材料が、下記構
造式（化１）：

【０００６】

【化１】

【０００７】及び下記構造式（化２）：

【０００８】

【化２】

【０００９】からなる共重合体であることを特徴とす
る。更に、第５の発明の導波路型光デバイスは、第１〜
第３の発明の導波路型光デバイスにおけるペルフルオロ
有機高分子材料が、下記構造式（化３）：

【００１０】

【化３】

【００１１】及び／又は下記構造式（化４）：

【００１２】

【化４】

【００１３】（ただし、ｎはいずれも１又は２）で表さ
れる繰り返し単位を有することを特徴とする。

【００１４】前記の観点から検討を進めた結果、本発明
者らは、分子鎖中に炭素−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
高分子材料であるペルフルオロ有機高分子材料が、方向
性結合器を含む導波路型光デバイス作製に必要な加工性
を有することを明らかにした。その結果、作製したデバ
イスが波長１．３μｍ及び１．５５μｍの近赤外域で低
損失で、耐熱性、耐水耐湿性にも優れること、屈折率の
温度依存性を示す熱光学定数が他の高分子材料（１０^-4
／℃以上）と同等で石英よりも十分大きいこと、を見出
し本発明を完成するに至った。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明を具体的に説明す
る。本発明に適用できるクラッド、コア材料について説
明する。導波路型光デバイスが安定した性能を発揮する
ためには、前述したように、１）導波路材料が近赤外
域、特に波長１．３μｍ及び１．５５μｍ付近で透明で
あること、２）クラッド、コア材料が低吸湿・低吸水で
屈折率の環境湿度依存性が小さいこと、が望まれる。更
に、熱光学効果を利用した導波路型光デバイスの場合に
は、クラッド、コア材料の熱光学定数と耐熱性もまた重
要となる。

【００１６】式（化１）で表される化合物と、式（化
２）で表される化合物との共重合体（共重合比、３５：
６５モル比）の吸収スペクトルをＰＭＭＡと比較して図
１に示す。図１において、実線が当該共重合体、破線が
ＰＭＭＡのそれぞれ吸収スペクトルを示す。

【００１７】図１に示すように、ペルフルオロ有機高分
子材料は、従来のＣ−Ｈ結合を含む有機化合物では除く
ことができなかった波長１．１μｍ、１．４μｍ、１．
６５μｍ付近のＣ−Ｈ結合の振動の倍音吸収を持たない
ため、０．６〜１．７μｍの全域で高い透明性を有す
る。また、前述の共重合体や、式（化３）でｎ＝１の繰
り返し構造を持つ化合物、式（化４）でｎ＝２の繰り返
し構造を持つ化合物は、そのフィルム試料をＡＳＴＭ
Ｄ５７０の方法で測定した吸水率が０．０１％以下であ
ることからもわかるように、ペルフルオロ有機高分子材
料は通常のＰＭＭＡの１／１００以下、フッ素化ポリイ
ミドに対しても１／２０以下の小さな吸水率を有する。
このため、ペルフルオロ有機高分子を用いて作製した方
向性結合器は環境湿度によらず一定の特性を示し、環境
湿度依存性が優れた導波路型光デバイスを作製できる。
特に、従来の高分子材料では吸湿により波長１．４μｍ
のＯ−Ｈ結合の振動の倍音吸収が増加して、１．３μｍ
及び１．５５μｍの光損失増加が観測されたのに対し
て、本発明のペルフルオロ有機高分子を用いた導波路型
光デバイスでは、高湿度条件においても損失変動は小さ
な値であった。更に、ペルフルオロ有機高分子材料で作
製したマッハツェンダー型熱光学効果スイッチは、スイ
ッチング電力が石英系光導波路に比べて１／１００程度
となり、ＰＭＭＡの場合と同程度の大きな熱光学効果を
有していた。また、スイッチング特性の湿度依存性も観
測されず、安定した特性を実現できた。

【００１８】本発明に用いるペルフルオロ有機高分子材
料としては、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。中でも、プラスチックの分子構造におけ
る対称性を無くし非晶性を高めることによって配向複屈
折に伴う光の散乱を抑える観点から、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
クが好適に使用できる。

【００１９】以下、本発明の光導波路デバイスについて
より詳細に説明する。本発明の光導波路デバイスのう
ち、方向性結合器、及びマッハツェンダー干渉計の一般
的な作製工程を図２に示す。最初に、基板１上に下部ク
ラッド層２を形成する。次に、下部クラッド層２上へ、
下部クラッド層２よりも屈折率の大きなコア層３を形成
する。次に、コア層３上へフォトリソグラフ法によって
方向性結合器又はマッハツェンダー干渉計のマスクパタ
ーン４を形成する。マスクパターン４が形成されたコア
層３に対して、ＲＩＥ法を用いてエッチングを行い方向
性結合器のコアパターン５を形成する。マスクを除去し
た後、方向性結合器のコアパターン５上に上部クラッド
層６を形成する。このような方法によって、ペルフルオ
ロ有機高分子光導波路による方向性結合器（図３）、及
びマッハツェンダー干渉計（図４）が形成される。すな
わち、図３及び図４は、それぞれの模式図である。

【００２０】方向性結合器は導波路型光デバイスを構成
する要素の中で、最も重要、かつ基本的なものの一つで
ある。単体では出射光を任意の比率で分岐させる光部品
として用いられ、その分岐比は相互作用長を変えること
により制御できる。また、マッハツェンダー干渉計は導
波路型光デバイスを構成する基本光回路であり、位相シ
フタとの組合せにより種々の光部品として利用できる。
本発明においては、導波路材料として用いたペルフルオ
ロ有機高分子材料の耐熱性、耐水耐湿性、光損失特性が
優れることを利用して高温条件や高温高湿条件で長時間
使用しても特性変化の小さい方向性結合器及びマッハツ
ェンダー干渉計を容易に作製できるようになり、方向性
結合器及びマッハツェンダー干渉計を有する導波路型光
デバイスの耐環境性、経済性、汎用性が大幅に向上し
た。

【００２１】図５は、ペルフルオロ有機高分子光導波路
を用いて形成したマッハツェンダー干渉計と、抵抗体薄
膜による加熱用電極からなるＴＯスイッチの作製工程を
示す図である。図２と同様の方法で作製したマッハツェ
ンダー干渉計の上部クラッド層６上に金属膜７を形成す
る。次にこの金属膜７上へフォトリソグラフ法により加
熱用電極（熱光学位相シフタ）のマスクパターン８を形
成した後、金属膜７のエッチングを行い加熱用電極９を
形成する。このような方法によって、ペルフルオロ有機
高分子光導波路によるマッハツェンダー型ＴＯスイッチ
（図６、模式図）が形成される。本発明においては、光
導波路材料に耐熱性、耐水耐湿性の優れたペルフルオロ
有機高分子を用いているため、耐環境性、長期安定性に
優れ、石英系ＴＯスイッチよりも低電力、かつ高速でス
イッチングするペルフルオロ有機高分子ＴＯスイッチが
容易に形成できるようになった。また、他の高分子材料
で作製したＴＯスイッチに比べて、湿気や水分の侵入を
防止する封止等の措置を施さない状態でも広い湿度条件
下でほぼ一定の動作特性を示すこともわかった。その結
果、高分子ＴＯスイッチの耐環境性、経済性、汎用性を
大幅に向上させることができた。なお、本発明では、任
意の基板材料を用いることができるが、熱伝導率の大き
なＡｌ、Ａｌ合金、ステンレス、銅、等の基板材料を用
いた方がスイッチング速度は早くなる。また、抵抗体薄
膜形成用の材料としては、Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｌ、金、銀、
銅、白金、酸化スズ、酸化インジウム、酸化インジウム
スズ、及びこれらの混合物が使用できる。またこれらの
薄膜の積層膜であっても良い。

【００２２】なお、上記に示した導波路型光デバイスの
作製工程においては、クラッド材料の上にコア材料をス
ピンコートするとき、及びコア材料の上にクラッド材料
をスピンコートするとき等に、先に塗布してあった材料
が溶解して後から塗布する材料と混じり合うインターミ
キシングが発生する可能性がある。本発明では、コアや
クラッドと共通溶媒を持たない材料を使用して薄膜のイ
ンターミキシング防止層を設けても良いことはいうまで
もない。この防止層の材料は、無機材料、有機材料のど
ちらでもよく、無機材料としてはＳｉＯ₂やＭｇＦ₂、
ＣａＦ₂等が、また有機材料としてはペルフルオロ有機
高分子のほかにポリイミド、シリコン高分子等が使用で
きる。作製方法は、抵抗加熱、電子ビーム加熱、スパッ
タリング等の各種真空蒸着法のほか、スピンオングラス
法、スピンコート法が利用可能である。

【００２３】

【実施例】以下、図面を用いて本発明を更に具体的に説
明するが、本発明はこれら実施例に限定されない。なお
本実施例では、基板にセラミックやシリコン、金属膜に
Ｔｉ、金を用いているが、他の材料を用いても良いこと
はいうまでもない。

【００２４】実施例１式（化１）の構造であるテトラフルオロエチレンと、式
（化２）の構造であるビス−２，２−トリフルオロメチ
ル−４，５−ジフルオロ−１，３−ジオキソール（ＰＰ
Ｄ）との共重合体のうち、ＰＰＤの共重合比が８３ｍｏ
ｌ％の高分子をフッ素系の有機溶媒（ Fluorinert ＦＣ
−７５、３Ｍ社製）に濃度が２％となるように溶解し
た。溶液をセラミック基板上にスピンコートして、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て、膜厚１５μ
ｍ、波長０．５９μｍでの屈折率が１．２９の下部クラ
ッド層２を作製した。次に、ＰＰＤの共重合比が４０ｍ
ｏｌ％の高分子をフッ素系の有機溶媒（ Fluorinert Ｆ
Ｃ−７５、３Ｍ社製）に濃度が１０％となるように溶解
し、溶液をセラミック基板上にスピンコートして、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て、膜厚７μｍ、
波長０．５９μｍでの屈折率が１．３２のコア層３を作
製した。この試料全面にエッチング用マスクとしてチタ
ンを電子線加熱法で蒸着した。次いでポジ型レジストの
塗布、プリベーク、露光、現像、ポストベークを行い、
チタンをウェットエッチングによりパターニングして方
向性結合器のマスクパターン４を作製した。更にこのチ
タンをマスクとして、ビス−２，２−トリフルオロメチ
ル−４，５−ジフルオロ−１，３−ジオキソール（ＰＰ
Ｄ）と、テトラフルオロエチレンとの共重合体のフィル
ムをドライエッチングによりパターニングし、コアパタ
ーン５を作製した。残ったチタンをウェットエッチング
により除去し、最後に下部クラッドを作製したのと同様
の方法で厚さ５μｍの上部クラッド６を作製した。この
ような方法により、コア幅７μｍ、コア高さ７μｍの埋
込型導波路で形成した図３の構造の方向性結合器を得
た。コアとクラッドの間の屈折率差Δは波長１．３μｍ
で約０．２５％であった。この方向性結合器は、相互作
用長を適当に選ぶことにより、波長１．３μｍの時、Ｔ
Ｅ偏光及びＴＭ偏光共に結合率９７％以上、接続損失を
含む挿入損失２ｄＢ、３ｄＢカップラーの過剰損失０．
２ｄＢと優れた光学特性を示した。更に、波長１．２μ
ｍ〜１．６５μｍの全波長域において、ＴＥ偏光及びＴ
Ｍ偏光共に結合率９５％以上、接続損失を含む挿入損失
２．３ｄＢ、３ｄＢのカップラーの過剰損失０．３ｄＢ
以下の方向性結合器を得た。作製した方向性結合器は１
００℃熱処理後、及び水中、高温高湿（８５℃、８５％
ＲＨ）雰囲気中やアセトン中に浸漬後も初期と同等の特
性を有しており、耐環境性、長期安定性に優れたもので
あった。この結果、式（化１）と式（化２）の共重合体
のペルフルオロ高分子を使用することにより、方向性結
合器を有する導波路型光デバイスの耐環境性、経済性、
汎用性は大幅に向上した。

【００２５】実施例２実施例１においてコア層３として用いたペルフルオロ高
分子〔ビス−２，２−トリフルオロメチル−４，５−ジ
フルオロ−１，３−ジオキソール（ＰＰＤ）とテトラフ
ルオロエチレンとの共重合体〕の代りに、式（化３）で
ｎ＝１の繰り返し構造を持つポリペルフルオロアリルビ
ニルエーテル（波長０．５９μｍでの薄膜の屈折率は
１．３４）を、またコア層作製用のスピンコート溶媒と
してフッ素系の有機溶媒（ Fluorinert ＦＣ−７５、３
Ｍ社製）の代りにペルフルオロ有機溶媒（ＣＴ−solv
１８０、旭硝子社製）を、基板としてセラミック板の代
りにＳｉウエハーを使用して実施例１と同様にコア幅７
μｍ、コア高さ７μｍの埋込型導波路で形成した図３の
構造の方向性結合器を得た。コアとクラッドの間の屈折
率差Δは波長１．３μｍで約０．３５％であった。この
方向性結合器は、波長１．３μｍの時、ＴＥ偏光及びＴ
Ｍ偏光共に結合率９７％以上、接続損失を含む挿入損失
２ｄＢ、３ｄＢカップラーの過剰損失０．２ｄＢと優れ
た光学特性を示した。更に、波長１．２μｍ〜１．６５
μｍの全波長域において、ＴＥ偏光及びＴＭ偏光共に結
合率９５％以上、接続損失を含む挿入損失２．３ｄＢ以
下、３ｄＢのカップラーの過剰損失０．３ｄＢ以下の方
向性結合器を得た。作製した方向性結合器は１００℃熱
処理後、及び水中、高温高湿（８５℃、８５％ＲＨ）雰
囲気中やアセトン中に浸漬後も初期と同等の特性を有し
ており、耐環境性、長期安定性に優れたものであった。
この結果、式（化３）でｎ＝１の繰り返し構造を持つポ
リペルフルオロアリルビニルエーテルを使用することに
より、方向性結合器を有する導波路型光デバイスの耐環
境性、経済性、汎用性は大幅に向上した。

【００２６】実施例３実施例１のマスクパターン４を、３ｄＢカプラーを２個
連結した構造のマッハツェンダー干渉計に変更し、実施
例１と同様の操作を行うことにより、コア幅７μｍ、コ
ア高さ７μｍの埋込型導波路で形成した図４の構造のマ
ッハツェンダー干渉計を得た。このマッハツェンダー干
渉計に波長１．３μｍの光をアーム１から入力したとこ
ろ、光出力はアーム４でのみ観測された。このときの挿
入損失は結合損失込みで２．５ｄＢと小さな値を示し
た。作製したマッハツェンダー干渉計は１００℃熱処理
後、及び水中、高温高湿（８５℃、８５％ＲＨ）雰囲気
中やアセトン中に浸漬後も初期と同等の特性を有してお
り、耐環境性、長期安定性に優れたものであった。ま
た、環境湿度が１３〜９０％ＲＨの範囲でほぼ同等の特
性を示し、従来の高分子導波路で問題であった分岐比の
動作湿度依存性も解消された。更に、波長１．２μｍ〜
１．６５μｍで３ｄＢカップラーを使用することにより
全波長域において１．３μｍの場合と同様の結果を得る
ことが可能であった。この結果、式（化１）と式（化
２）との共重合体のペルフルオロ高分子を使用すること
により、マッハツェンダー干渉計を有する導波路型光デ
バイスの耐環境性、経済性、汎用性は大幅に向上した。

【００２７】実施例４実施例２のマスクパターン４を、３ｄＢカプラーを２個
連結した構造のマッハツェンダー干渉計に変更し、実施
例２と同様の操作を行うことにより、コア幅７μｍ、コ
ア高さ７μｍの埋込型導波路で形成した図４の構造のマ
ッハツェンダー干渉計を得た。このマッハツェンダー干
渉計に波長１．３μｍの光をアーム１から入力したとこ
ろ、光出力はアーム４でのみ観測された。このときの挿
入損失は結合損失込みで２．６ｄＢと小さな値を示し
た。作製したマッハツェンダー干渉計は１００℃熱処理
後、及び水中、高温高湿（８５℃、８５％ＲＨ）雰囲気
中やアセトン中に浸漬後も初期と同等の特性を有してお
り、耐環境性、長期安定性に優れたものであった。ま
た、環境湿度が１３〜９０％ＲＨの範囲でほぼ同等の特
性を示し、従来の高分子導波路で問題であった分岐比の
動作湿度依存性も解消された。更に、波長１．２μｍ〜
１．６５μｍで３ｄＢカップラーを使用することにより
全波長域において１．３μｍの場合と同様の結果を得る
ことが可能であった。この結果、式（化３）でｎ＝１の
繰り返し構造を持つポリペルフルオロアリルビニルエー
テルを使用することにより、マッハツェンダー干渉計を
有する導波路型光デバイスの耐環境性、経済性、汎用性
は大幅に向上した。

【００２８】実施例５実施例３で作製したマッハツェンダー干渉計の上部クラ
ッド層６の上に加熱用電極（熱光学位相シフタ）とする
Ｔｉ金属膜７をスパッタ蒸着により形成した。このＴｉ
金属膜７へフォトレジストをスピンコートした後、電極
のマスクパターン８をフォトリソグラフ法によってレジ
ストに転写させた。最後に、フォトレジストをマスクと
し、Ｔｉのエッチングを行い電極９を形成した。このよ
うな方法によって形成したペルフルオロ有機高分子光導
波路によるマッハツェンダー型ＴＯスイッチ（図６）の
特性測定を行った結果、スイッチング時間は４ｍＳ、ス
イッチング電力は８ｍＷで、このときの透過ポートの挿
入損失は接続損失込みで２．５ｄＢ、スイッチングの消
光比は２５ｄＢであった。式（化１）と式（化２）との
共重合体のペルフルオロ高分子が有する大きな熱光学定
数の効果によりスイッチング電力は石英製の１／５０以
下であり、作製したペルフルオロ有機高分子ＴＯスイッ
チが低電力、高速光スイッチとして動作することがわか
った。また、作製したＴＯスイッチは１００℃熱処理
後、及び水中、高温高湿（８５℃、８５％ＲＨ）雰囲気
中やアセトン中に浸漬後も初期と同等の特性を有してお
り、耐環境性、長期安定性に優れたものであった。更
に、環境湿度が１３〜９０％ＲＨの範囲でほぼ同等の特
性を示し、従来の高分子導波路で問題であったスイッチ
ングの消光比の動作湿度依存性も解消された。この結
果、式（化１）と式（化２）との共重合体のペルフルオ
ロ高分子を使用することにより、高分子ＴＯスイッチの
耐環境性、経済性、汎用性を大幅に向上させることがで
きた。

【００２９】実施例６実施例４で作製したマッハツェンダー干渉計の上部クラ
ッド層６の上に加熱用電極（熱光学位相シフタ）とする
Ｔｉと金の２層金属膜７をスパッタ蒸着により形成し
た。この金属膜７へフォトレジストをスピンコートした
後、電極のマスクパターン８をフォトリソグラフ法によ
ってレジストに転写させた。最後に、フォトレジストを
マスクとし、Ｔｉのエッチングを行い電極９を形成し
た。このような方法によって形成したポリペルフルオロ
アリルビニルエーテル光導波路によるマッハツェンダー
型ＴＯスイッチ（図６）の特性測定を行った結果、スイ
ッチング時間は５ｍＳ、スイッチング電力は７ｍＷで、
このときの透過ポートの挿入損失は接続損失込みで２．
６ｄＢ、スイッチングの消光比は２５ｄＢであった。式
（化３）でｎ＝１の繰り返し構造を持つポリペルフルオ
ロアリルビニルエーテルが有する大きな熱光学定数の効
果によりスイッチング電力は石英製の１／５０以下であ
り、作製したペルフルオロ有機高分子ＴＯスイッチが低
電力、高速光スイッチとして動作することがわかった。
また、作製したＴＯスイッチは１００℃熱処理後、及び
水中、高温高湿（８５℃、８５％ＲＨ）雰囲気中やアセ
トン中に浸漬後も初期と同等の特性を有しており、耐環
境性、長期安定性に優れたものであった。更に、環境湿
度が１３〜９０％ＲＨの範囲でほぼ同等の特性を示し、
従来の高分子導波路で問題であったスイッチングの消光
比の動作湿度依存性も解消された。この結果、式（化
３）でｎ＝１の繰り返し構造を持つポリペルフルオロア
リルビニルエーテルを使用することにより、高分子ＴＯ
スイッチの耐環境性、経済性、汎用性を大幅に向上させ
ることができた。

【００３０】実施例７実施例６で使用した、式（化３）でｎ＝１の繰り返し構
造を持つポリペルフルオロアリルビニルエーテルの代り
に、式（化３）でｎ＝２の繰り返し構造を持つポリペル
フルオロアリルビニルエーテル、式（化４）でｎ＝１の
繰り返し構造を持つポリペルフルオロアリルビニルエー
テル、及び式（化４）でｎ＝２の繰り返し構造を持つポ
リペルフルオロアリルビニルエーテルを用いて実施例６
と同様の操作を行い、ポリペルフルオロアリルビニルエ
ーテル光導波路によるマッハツェンダー型ＴＯスイッチ
を作製した。その特性測定を行った結果、スイッチング
時間、スイッチング電力、透過ポートの挿入損失、スイ
ッチングの消光比共に実施例６で作製したスイッチの±
１０％の範囲でほぼ同等の値を示した。また、１００℃
熱処理後、及び水中、高温高湿（８５℃、８５％ＲＨ）
雰囲気中やアセトン中に浸漬後も初期と同等の特性を有
しており、耐環境性、長期安定性に優れたものであっ
た。更に、環境湿度が１３〜９０％ＲＨの範囲でほぼ同
等の特性を示し、従来の高分子導波路で問題であったス
イッチングの消光比の動作湿度依存性も解消された。こ
の結果、式（化３）でｎ＝２の繰り返し構造を持つポリ
ペルフルオロアリルビニルエーテルや、式（化４）でｎ
＝１の繰り返し構造を持つポリペルフルオロアリルビニ
ルエーテル、及び式（化４）でｎ＝２の繰り返し構造を
持つポリペルフルオロアリルビニルエーテルを使用する
ことによっても、高分子ＴＯスイッチの耐環境性、経済
性、汎用性を大幅に向上させることができた。

【００３１】比較例１コア材料としてＰＭＭＡ、クラッド材料として部分フッ
素化ＰＭＭＡを使用し、実施例３と同様な方法でマッハ
ツェンダー干渉計を作製した。このマッハツェンダー干
渉計に波長１．３μｍの光をアーム１から入力したとこ
ろ、環境湿度５０％の時に光出力はアーム４でのみ観測
された。このときの挿入損失は結合損失込みで２．３ｄ
Ｂと小さな値を示した。しかし、ＣＨ結合の倍音吸収ピ
ークがある１．１、１．４、１．６μｍ帯では１０ｄＢ
以上の大きな挿入損失を示した。作製したマッハツェン
ダー干渉計は１００℃熱処理後、及び水中、高温高湿
（８５℃、８５％ＲＨ）雰囲気中やアセトン中に浸漬後
は挿入損失が５ｄＢ以上に増加し、耐環境性、長期安定
性が劣っていることがわかった。また、環境湿度が１３
〜９０％ＲＨの範囲でアーム４の出力が徐々に減少しア
ーム３の出力が増加した。この結果、ＰＭＭＡをコア材
料とするマッハツェンダー干渉計では耐環境性、経済
性、汎用性が劣っている。

【００３２】比較例２コア材料としてＰＭＭＡ、クラッド材料として部分フッ
素化ＰＭＭＡを使用し、実施例５と同様な方法でマッハ
ツェンダー干渉計型ＴＯスイッチを作製した。このマッ
ハツェンダー型ＴＯスイッチ（図６）の特性測定を行っ
た結果、スイッチング時間は５ｍＳ、スイッチング電力
は８ｍＷで、このときの透過ポートの挿入損失は接続損
失込みで２．５ｄＢ、スイッチングの消光比は２５ｄＢ
であった。作製したＴＯスイッチを１００℃熱処理後、
及び水中、高温高湿（８５℃、８５％ＲＨ）雰囲気中や
アセトン中に浸漬後に特性を測定したところ、挿入損失
が５ｄＢ以上に増加し、耐環境性、長期安定性が劣って
いた。また、環境湿度を１３〜９０％ＲＨの範囲で変化
させたところ、同一の動作条件でスイッチングの消光比
が最悪で５ｄＢまで低下し、光スイッチとして不十分な
動作特性となる。この結果、ＰＭＭＡをコア材料とする
マッハツェンダー干渉計型ＴＯスイッチでは耐環境性、
経済性、汎用性が劣っている。

【００３３】

【発明の効果】本発明によれば、導波路材料として使用
したペルフルオロ有機高分子の耐熱性、耐水耐湿性、高
光透過性の特徴により、耐熱性、耐水耐湿性、光損失特
性に優れる高分子導波路型光デバイスを提供できる。ま
た、その結果として経済性、汎用性に優れる導波路型光
デバイスが製造できるようになった。

【図面の簡単な説明】

【図１】ペルフルオロ高分子とＰＭＭＡの吸収スペクト
ルを示す図である。

【図２】方向性結合器及びマッハツェンダー干渉計の作
製工程を示す図である。

【図３】方向性結合器の模式図である。

【図４】マッハツェンダー干渉計の模式図である。

【図５】フッ素化ポリイミドによるＴＯスイッチの作製
工程を示す図である。

【図６】フッ素化ポリイミドＴＯスイッチの模式図であ
る。

【符号の説明】１：基板、２：下部クラッド層、３：コア層、４：マス
クパターン、５：コアパターン、６：上部クラッド層、
７：金属膜、８：電極のマスクパターン、９：電極

フロントページの続き (72)発明者松浦徹東京都新宿区西新宿三丁目19番２号日本電信電話株式会社内 (72)発明者佐々木重邦東京都新宿区西新宿三丁目19番２号日本電信電話株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】方向性結合器を含む導波路型光デバイス
において、該方向性結合器のコア及びクラッドのいずれ
か、若しくは両方の材料が、分子鎖中に炭素−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であるペルフルオロ有機
高分子材料を主構成要素として形成されていることを特
徴とする導波路型光デバイス。
【請求項２】方向性結合器を２個以上組合せて作製し
たマッハツェンダー干渉計を含むことを特徴とする請求
項１に記載の導波路型光デバイス。
【請求項３】通電加熱を行うための抵抗体薄膜からな
る熱光学位相シフタを有することを特徴とする請求項１
に記載の導波路型光デバイス。
【請求項４】該ペルフルオロ有機高分子材料が、下記
構造式（化１）：【化１】及び下記構造式（化２）：【化２】からなる共重合体であることを特徴とする請求項１〜３
のいずれか１項に記載の導波路型光デバイス。
【請求項５】該ペルフルオロ有機高分子材料が、下記
構造式（化３）：【化３】及び／又は下記構造式（化４）：【化４】（ただし、ｎはいずれも１又は２）で表される繰り返し
単位を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか
１項に記載の導波路型光デバイス。