JPH1123871A

JPH1123871A - 高分子光導波路

Info

Publication number: JPH1123871A
Application number: JP9196394A
Authority: JP
Inventors: Akira Tomaru; 暁都丸; Takashi Kurihara; 栗原　　隆; Saburo Imamura; 三郎今村
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1997-07-08
Filing date: 1997-07-08
Publication date: 1999-01-29

Abstract

(57)【要約】【課題】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し、かつ低コ
ストで大量生産の可能な高分子光導波路を提供する。【解決手段】一般式（化１）で表されるエステルとメ
チルメタクリレートとの共重合体を、コア及び／又はク
ラッドに用いる高分子光導波路。【化１】（式中、Ｒ₁はアルキル基、アルケニル基又はアラルキ
ル基、Ｒ₂は置換基を有していてもよい鎖状又は環状
の、アルキル基若しくはアルコキシ基、ニトロ基又はハ
ロゲン、Ｒ₃及びＲ₄は水素又はメチル基、ｍ＝０〜３
の整数、ｎ＝０〜２０の整数）

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、分岐・合流あ
るいは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、光合分岐回路、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、電子部
品等を１つのチップに集積可能であること、等にある。
既に光ファイバを用いた光通信システムが実用になって
いるが、伝送媒体としての光ファイバについては完成さ
れているものの、その周辺の光部品、特に光導波路デバ
イスについてはまだ十分でなく完成度を上げる検討が数
多くなされている。従来、こうした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、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ガラス等の無機ガラ
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。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、第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、従来からの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、耐熱性を考慮した従来のポ
リイミド光導波路は、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
発明の第１の発明は、下記一般式（化１）：

【０００５】

【化１】

【０００６】（式中、Ｒ₁はアルキル基、アルケニル基
又はアラルキル基を表し、Ｒ₂は置換基を有していても
よい直鎖、分岐又は環状のアルキル基、置換基を有して
いてもよい直鎖、分岐又は環状のアルコキシ基、ニトロ
基あるいはハロゲンを表し、Ｒ₃及びＲ₄はそれぞれ独
立に水素又はメチル基を表し、ｍは０〜３の整数を表
し、ｎは０〜２０の整数を表す）で表される（メタ）ア
クリル酸エステルと、メチルメタクリレートとを共重合
させて得られるポリマーを、光学コア及び／あるいは光
学クラッドとして用いることを特徴とする高分子光導波
路に関する。また本発明の第２の発明は、上記第１の発
明の高分子光導波路がシングルモード条件を満たすもの
であることを特徴とする高分子シングルモード光導波路
に関する。更に、本発明の第３の発明は、前記第１の発
明の高分子光導波路がマルチモード条件を満たすもので
あることを特徴とする高分子マルチモード光導波路に関
する。

【０００７】本発明者らは、本発明に用いるポリ（メ
タ）アクリル酸エステル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、この（メタ）アクリル酸エステルを構成
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
どを指す。また、複屈折率解消は、上述の分子内効果に
加え、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
以下に抑止することに成功した。以上、説明したよう
に、本発明のポリ（メタ）アクリル酸エステルを用いた
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。以下は、本発明のポリ（メタ）アクリル酸エステル
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、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（メタ）アクリル酸エステルは、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。

【０００９】本発明に従って、実際に該ポリ（メタ）ア
クリル酸エステル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（メタ）アクリル酸エステルを準備しな
ければならない。屈折率の調整は、コア用ポリ（メタ）
アクリル酸エステルに対して、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（メタ）アクリ
ル酸エステル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の比屈折率差１％程度が一般的な
ので同様の比屈折率差とするのが望ましい。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（メタ）アクリル酸エステルを用意した後、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。

【００１０】まず、スピンコート法によりクラッド用ポ
リ（メタ）アクリル酸エステル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（メタ）ア
クリル酸エステルを塗布する。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だてとしては、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
差に変化が生じたり、更には下層の膜にひび割れが生じ
ることがあるため、光導波路としての所望の機能の発現
が困難となるので、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。

【００１１】本発明のポリ（メタ）アクリル酸エステル
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（メタ）アクリル酸エステルを使
用する。ただし、加熱成形温度が、本発明のコア用ポリ
（メタ）アクリル酸エステル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（メタ）アクリル酸エス
テルより低く、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出しはそれほ
ど多くないので極限透明性及び光学等方性は、コア用ポ
リ（メタ）アクリル酸エステルより劣っていても差支え
ない。まず、クラッド用市販ポリ（メタ）アクリル酸エ
ステル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、レプリカを作製する。
このレプリカの溝部に、コア用ポリ（メタ）アクリル酸
エステルを注入しコア部を形成する。最後にクラッド用
市販ポリ（メタ）アクリル酸エステルフィルムを加熱圧
着して、埋め込み光導波路を形成する。

【００１２】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。

【００１３】

【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。

【００１４】実施例１一般式（化１）において、ｎ及びｍが０、基Ｒ₁及びＲ
₄がメチル基であるメタクリル酸エステル（ｘ）を、メ
チルメタクリレート（ｙ）と共重合させて得られるポリ
メタクリル酸エステル（ｘ＝３０％、ｙ＝７０％、平均
分子量：５２０００、１．３μｍ帯での屈折率：１．５
１５９）をコアとし、上記と同一のメタクリル酸エステ
ル（ｘ）をメチルメタクリレート（ｙ）と共重合させて
得られるポリメタクリル酸エステル（ｘ＝２０％、ｙ＝
８０％、平均分子量：６４０００、１．３μｍ帯での屈
折率：１．５１００）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
ラッドのクロロベンゼ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
アのクロロベンゼン／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
構造を確認したところ、エッチングはほぼ垂直に実現し
ており、高さ８μｍ、幅５μｍから１０μｍ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
ド用クロロベンゼン／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。

【００１５】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８
μｍ×８μｍの光導波路を選び、伝搬損失を測定したと
ころ、波長１．３μｍで０．２ｄＢ／ｃｍ、１．５５μ
ｍ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℃／９０％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。

【００１６】実施例２実施例１で用いたと同一のメタクリル酸エステル（ｘ）
とメチルメタクリレート（ｙ）からなるポリメタクリル
酸エステル（ｘ＝３０％、ｙ＝７０％、平均分子量：５
２０００、８５０ｎｍ帯での屈折率：１．５２６６）を
コアとし、上記と同一のメタクリル酸エステル（ｘ）と
メチルメタクリレート（ｙ）からなるポリメタクリル酸
エステル（ｘ＝１０％、ｙ＝９０％、平均分子量：５６
０００、８５０ｎｍ帯での屈折率：１．５０７０）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８５
０ｎｍ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路特有の
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。

【００１７】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
販のポリアクリル酸エステルを用いた。平滑基板にポリ
アクリル酸エステルをスピンコートし、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、レプリカを作製した。この
レプリカの溝部に、コア用ポリメタクリル酸エステルを
注入しコア部を形成した。最後にクラッド用ポリアクリ
ル酸エステル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
５ｃｍ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路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℃／９
０％ＲＨの条件下においても１箇月以上変動しなかっ
た。

【００１８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明のポリ（メ
タ）アクリル酸エステル光導波路は、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はアルキル基、アルケニル基又はアラルキ
ル基を表し、Ｒ₂は置換基を有していてもよい直鎖、分
岐又は環状のアルキル基、置換基を有していてもよい直
鎖、分岐又は環状のアルコキシ基、ニトロ基あるいはハ
ロゲンを表し、Ｒ₃及びＲ₄はそれぞれ独立に水素又は
メチル基を表し、ｍは０〜３の整数を表し、ｎは０〜２
０の整数を表す）で表される（メタ）アクリル酸エステ
ルと、メチルメタクリレートとを共重合させて得られる
ポリマーを、光学コア及び／あるいは光学クラッドとし
て用いることを特徴とする高分子光導波路。
【請求項２】請求項１に記載の高分子光導波路がシン
グルモード条件を満たすものであることを特徴とする高
分子シングルモード光導波路。
【請求項３】請求項１に記載の高分子光導波路がマル
チモード条件を満たすものであることを特徴とする高分
子マルチモード光導波路。