JPH1152152A

JPH1152152A - 高分子光導波路

Info

Publication number: JPH1152152A
Application number: JP22445797A
Authority: JP
Inventors: Takashi Kurihara; 栗原　　隆; Saburo Imamura; 三郎今村; Akira Tomaru; 暁都丸
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1997-08-07
Filing date: 1997-08-07
Publication date: 1999-02-26

Abstract

(57)【要約】【課題】従来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同時に満足し、かつ広範な屈
折率制御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）：−Ａ−ＮＨ−ＣＯ−Ｒ
−ＣＯ−ＮＨ−〔式中Ａは式（化２）：【化２】（ＸはＦ又はＣ１〜３のＦ化アルキル基、ｎは１〜４、
ｉは０〜３の整数）、Ｒは置換基を有することあるフェ
ニレン環、ナフタレン環、フェニレン環が２以上連結し
た基を示す〕で表されるポリアミド、又はその共重合体
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、石
英等の無機ガラス材料を用いる場合に比べて、成膜に際
して高温の熱処理工程を含まないことから、プラスチッ
ク基板などの高温処理に適さない基板上にも光導波路を
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、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、現状で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）で表される繰
り返し構造単位を必須成分とするポリアミド、又はその
共重合体を光学コア及び／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。

【０００５】

【化１】

【０００６】〔式中、Ａは下記一般式（化２）で表され
る２価の基：

【０００７】

【化２】

【０００８】｛式中、Ｘは、フッ素、又は炭素数１〜３
のフッ素化アルキル基を示し、Ｘは同種でも異種でもよ
く、ｎは１〜４の整数であり、ｉは０〜３の整数を示
す｝、Ｒは下記一般式（ａ）、（ｂ）又は（ｃ）で示さ
れる、下記一般式（化３）で表される２価の基：

【０００９】

【化３】

【００１０】（式中、Ｗはハロゲン、炭素数１〜３のア
ルキル基、炭素数１〜３のアルコキシ基、あるいは水素
の一部又は全部がハロゲンで置換されたハロゲン化アル
キル基又はハロゲン化アルコキシ基を示し、Ｗは同種で
も異種でもよく、ｑは０〜４の整数であり、ｓは０〜３
の整数であり、Ｖは直接結合、−ＣＯ−、−Ｓ−、−Ｏ
−、−ＳＯ₂−、−ＣＨ₂−、−Ｃ（ＣＨ₃）₂−、−
Ｃ（ＣＦ₃）₂−、あるいは一般式（ｄ）、（ｅ）、
（ｆ）又は（ｇ）で示される、下記一般式（化４）で表
される２価の基：

【００１１】

【化４】

【００１２】＜式中、Ｇはハロゲン、炭素数１〜３のア
ルキル基、炭素数１〜３のアルコキシ基、あるいは水素
の一部又は全部がハロゲンで置換されたハロゲン化アル
キル基又はハロゲン化アルコキシ基を示し、Ｇは同種で
も異種でもよく、ｒは０〜４の整数であり、Ｌは直接結
合、−ＣＯ−、−Ｓ−又は−Ｏ−で表される２価の基を
示し、Ｚは直接結合、−ＣＯ−、−Ｓ−、−Ｏ−、−Ｓ
Ｏ₂−、−ＣＨ₂−、−Ｃ（ＣＨ₃）₂−又は−Ｃ（Ｃ
Ｆ₃）₂−で表される２価の基を示す＞を示す）を示
す〕また、本発明の第２の発明は、繰り返し構造単位が式
（化５）あるいは式（化６）で表される２種のポリアミ
ド、あるいは、式（化５）と式（化６）を必須の繰り返
し構造単位として含むポリアミド共重合体の中から、光
学コアと光学クラッドの組合せが得られることを特徴と
する第１の発明の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。

【００１３】

【化５】

【００１４】

【化６】

【００１５】更に、本発明の第３の発明は、繰り返し構
造単位が式（化７）及び式（化８）で表される２種のポ
リアミドを必須の繰り返し構造単位として含むポリアミ
ド共重合体を光学コアあるいは光学クラッドとすること
を特徴とする第１の発明の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。

【００１６】

【化７】

【００１７】

【化８】

【００１８】本発明者らは、一般式（化２）で表される
置換フェニレンジオキシ環を含有してなるポリアミドが
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、一般式（化
２）の置換フェニレンジオキシ環は対称性の低い置換構
造と屈曲性に富む２つのエーテル結合の存在により、共
に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を見出し
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、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、複屈折
率は、上述した分子鎖の程好い屈曲性や分子間スタッキ
ング抑制効果によって従来のポリアミドに比べ十分に低
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。更に、本発
明の光導波路材料であるポリアミドにおいて多数の炭素
−水素結合が炭素−フッ素結合に置き換えられることに
より主要な光通信波長である１．５５μｍ帯に存在する
炭素−水素結合振動の高調波成分を激減することがで
き、従来になく低損失な光導波路が可能となった。以
上、説明したように、本発明のポリアミドを用いた光導
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、更に１．５５μｍ波長帯においても従来になく低
損失な光導波が実現することを見出し、本発明に至っ
た。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、本発明を具体的に説明す
る。すなわち、本発明は、一般式（化１）で表される繰
り返し構造単位を必須成分とするポリアミド又はその共
重合体を光学コア及び／あるい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
波路である。

【００２０】以下は、本発明のポリアミド光導波路の作
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、クロロベ
ンゼン、ジクロロベンゼン、Ｎ−メチルピロリドン、ジ
メチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、ｍ−クレ
ゾール等が挙げられる。該ポリアミドは、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。本発
明に従って、実際に該ポリアミド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種のポリアミドを準備しなければ
ならない。屈折率は、一般式（化２）で表される置換フ
ェニレンジオキシ環のフッ素含有率の違いにより制御可
能である。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
ド用ポリアミドを用意した後、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。

【００２１】まず、スピンコート法によりクラッド用ポ
リアミド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アミドを塗布する。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、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。

【００２２】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。

【００２３】

【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。

【００２４】実施例１

【００２５】

【化５】

【００２６】

【化９】

【００２７】繰り返し構造単位式（化５）からなるポリ
アミドを光学コア、繰り返し構造単位式（化５）と式
（化９）の比が１：１であるポリアミドを光学クラッド
とするシングルモードのポリアミ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Ｎ−メチル
ピロリド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１
８μｍの下層クラッド膜を得た。次に、コアのトリクロ
ロエタン／Ｎ−メチルピロリドン／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１０μ
ｍ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タン／Ｎ−メチルピロ
リドン／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１．３μｍで０．３ｄＢ／ｃｍ、１．５５
μｍで０．５ｄＢ／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１５０℃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。

【００２８】実施例２繰り返し構造単位式（化５）からなるポリアミドを光学
コア、繰り返し構造単位式（化５）と式（化９）の比が
１：５であるポリアミドを光学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×４
０μｍ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、０．３ｄＢ／ｃｍであった。更に、この導波路
の損失は１５０℃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。

【００２９】実施例３繰り返し構造単位式（化７）と式（化８）の比が２：９
８であるポリアミド共重合体を光学クラッドとし、繰り
返し構造単位式（化８）からなるポリアミドを光学コア
とするシングルモード光導波路を実施例１に準じて作製
し、コア口径が８μｍ×８μｍ、長さが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。伝搬損失
を測定したところ、波長１．３μｍで０．２ｄＢ／ｃ
ｍ、１．５５μｍで０．３ｄＢ／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１３０
℃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。

【００３０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明のポリアミ
ド光導波路は、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）で表される繰り返し
構造単位を必須成分とするポリアミド、又はその共重合
体を光学コア及び／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。【化１】〔式中、Ａは下記一般式（化２）で表される２価の基：【化２】｛式中、Ｘは、フッ素、又は炭素数１〜３のフッ素化ア
ルキル基を示し、Ｘは同種でも異種でもよく、ｎは１〜
４の整数であり、ｉは０〜３の整数を示す｝、Ｒは下記
一般式（ａ）、（ｂ）又は（ｃ）で示される、下記一般
式（化３）で表される２価の基：【化３】（式中、Ｗはハロゲン、炭素数１〜３のアルキル基、炭
素数１〜３のアルコキシ基、あるいは水素の一部又は全
部がハロゲンで置換されたハロゲン化アルキル基又はハ
ロゲン化アルコキシ基を示し、Ｗは同種でも異種でもよ
く、ｑは０〜４の整数であり、ｓは０〜３の整数であ
り、Ｖは直接結合、−ＣＯ−、−Ｓ−、−Ｏ−、−ＳＯ
₂−、−ＣＨ₂−、−Ｃ（ＣＨ₃）₂−、−Ｃ（Ｃ
Ｆ₃）₂−、あるいは一般式（ｄ）、（ｅ）、（ｆ）又
は（ｇ）で示される、下記一般式（化４）で表される２
価の基：【化４】＜式中、Ｇはハロゲン、炭素数１〜３のアルキル基、炭
素数１〜３のアルコキシ基、あるいは水素の一部又は全
部がハロゲンで置換されたハロゲン化アルキル基又はハ
ロゲン化アルコキシ基を示し、Ｇは同種でも異種でもよ
く、ｒは０〜４の整数であり、Ｌは直接結合、−ＣＯ
−、−Ｓ−又は−Ｏ−で表される２価の基を示し、Ｚは
直接結合、−ＣＯ−、−Ｓ−、−Ｏ−、−ＳＯ₂−、−
ＣＨ₂−、−Ｃ（ＣＨ₃）₂−又は−Ｃ（ＣＦ₃）₂−
で表される２価の基を示す＞を示す）を示す〕
【請求項２】繰り返し構造単位が式（化５）あるいは
式（化６）で表される２種のポリアミド、あるいは、式
（化５）と式（化６）を必須の繰り返し構造単位として
含むポリアミド共重合体の中から、光学コアと光学クラ
ッドの組合せが得られることを特徴とする請求項１記載
の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。【化５】【化６】
【請求項３】繰り返し構造単位が式（化７）及び式
（化８）で表される２種のポリアミドを必須の繰り返し
構造単位として含むポリアミド共重合体を光学コアある
いは光学クラッドとすることを特徴とする請求項１記載
の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。【化７】【化８】