(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
フッ素樹脂とシロキサン樹脂とを混合した均一な有機系材料である混合樹脂から成るクラッド部の中に、フッ素樹脂とシロキサン樹脂とを混合した均一な有機系材料である混合樹脂から成り、前記クラッド部より屈折率が大きいコア部が形成されていることを特徴とする光導波路。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光通信モジュール等に用いられる光導波路に関し、より詳細には、高い光透過性を有するとともに高温環境下での軟化や延びが小さく、光導波路およびそれを用いた光回路の形状が良好に保たれ、変形や割れによる光の伝搬損失の増加や特性の劣化がない、有機系材料を用いた光導波路に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、光導波路としては、例えば石英ガラス基板やシリコン基板上に火炎堆積法により成膜したシリカ膜を利用して三次元形状のクラッドおよびコア部を形成したシリカ系光導波路や、ニオブ酸リチウム単結晶基板をクラッド部とし、この基板上にＴｉを熱拡散して三次元導波路形状にコア部を形成した光導波路等がある。
【０００３】
しかしながら、これらの光導波路では作製時に1000℃以上の高温の熱処理が必要であるため、光導波路の作製の容易さの観点から、作製時に高温処理が必要なこれら従来のシリカ系光導波路等に代えて、低温形成が可能な有機系材料を用いた光導波路を利用することが検討されている。
【０００４】
この有機系光導波路に利用される有機系材料としては、例えばＰＭＭＡ（ポリメチルメタアクリレート）樹脂やポリカーボネート樹脂・ポリイミド樹脂・シロキサン樹脂・ＢＣＢ（ベンゾシクロブテン）樹脂・フッ素樹脂等が検討されている。
【０００５】
これら有機系樹脂材料を用いた光導波路のうち、ＰＭＭＡ・ポリカーボネート・ポリイミド・シロキサン・ＢＣＢ等のＣＨ基を有する有機系材料を用いたものは、光通信システムで用いられる近赤外光域の一つである波長1.55μｍ帯がＣＨ基の振動吸収帯に位置することから、波長1.55μｍ帯での伝搬損失が大きいものとなるという問題点がある。
【０００６】
これに対し、フッ素樹脂はそのような光吸収の原因となるＣＨ基を有していないため、フッ素樹脂を用いれば低損失な光導波路を作製することができる。
【０００７】
なお、これら有機系光導波路の作製方法としては、シリコン基板やガラス基板上に下部クラッド層を形成し、次に下部クラッド層よりも大きい屈折率を持つコア層を形成し、このコア層をＲＩＥ（Reactive Ion Etching：反応性イオンエッチング）等の薄膜微細加工技術により加工してコア部を形成した後、コア部よりも小さい屈折率を有する上部クラッド層を被覆して三次元形状の光導波路を形成することが行なわれている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述のフッ素樹脂は、樹脂のＴｇ（ガラス転移温度）ならびに軟化温度が100 〜120 ℃と低いものであった。また、そのような温度範囲における軟化による樹脂の延び量・膨張率が大きいものであった。
【０００９】
そのような従来のフッ素樹脂の具体例として、環化フッ化エチレン樹脂についての温度に対する延び量の評価結果の例を図４に線図で示す。図４において、横軸は測定温度（単位：℃）を、縦軸はＴＭＡ（Thermo-Mechanical Analysis：熱機械分析）延び量（単位：％）を表す。そして、同図中の特性曲線Ｂが従来のフッ素樹脂のＴＭＡ延び量の測定結果を示している。
【００１０】
この結果より、このフッ素樹脂ではガラス転移温度Ｔｇが約108 ℃であり、それ以上の温度ではＴＭＡ延び量が急激に大きくなって樹脂に大きな延びが発生していることが分かる。
【００１１】
このため、有機系光導波路の作製工程においては、コア部のＲＩＥ加工工程やＲＩＥ加工の際のレジストマスクとする金属膜の形成工程・コア部に上部クラッド層を被覆する工程で樹脂材料が100 ℃〜250 ℃程度に加熱されることから、そのような高温時に、フッ素樹脂に凹凸・ひずみ・割れ等が発生してしまうという問題点があった。
【００１２】
そのため、フッ素樹脂はＣＨ基を有していないため光通信システムで用いられる近赤外光に対して優れた透過性を有していても、光導波路作製時で生じた凹凸・ひずみ・割れ等により光が散乱されることとなり、光導波路において大きな伝搬損失を生じてしまうという問題点があった。
【００１３】
また、光方向性結合器のように２つのコア部が数μｍ程度に近接した構造を持つような光回路を作製しようとした場合にはサブミクロン以下の作製精度が要求されるが、フッ素樹脂では作製時の加熱によるコア部の軟化や延びにより必要な精度で光導波路を作製できず、所望の特性を実現することが困難であるという問題点があった。
【００１４】
本発明は上記従来技術の問題点に鑑みて案出されたものであり、その目的は、光透過性に優れ、しかも作製時の加熱による軟化や延びが小さく光導波路の形状が良好に保たれ、変形や割れによる光の伝搬損失の増加や特性の劣化がない有機系の光導波路を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明の光導波路は、フッ素樹脂とシロキサン樹脂とを混合した均一な有機系材料である混合樹脂から成るクラッド部の中に、フッ素樹脂とシロキサン樹脂とを混合した均一な有機系材料である混合樹脂から成り、前記クラッド部より屈折率が大きいコア部が形成されていることを特徴とするものである。
【００１６】
本発明の光導波路によれば、フッ素樹脂とシロキサン樹脂とを混合した有機系材料である混合樹脂を用いることから、フッ素樹脂はＣＨ基を有していないため光通信システムで用いられる近赤外光域の一つである波長1.55μｍ帯に対しても優れた透過性を得ることができ、しかも、シロキサン樹脂はシロキサン結合（−Ｓｉ−Ｏ−）を主骨格に持ち優れた熱的安定性を有するため、光透過性に優れるとともに、光導波路の作製時に樹脂材料が加熱されることがあっても光導波路に凹凸・ひずみ・割れ等が発生することがなく、コア部の形状を良好に維持でき、変形や割れによる光の伝搬損失の増加や特性の劣化がない有機系の光導波路を得ることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の光導波路について図面を参照しつつ説明する。
【００１８】
図１は本発明の光導波路の実施の形態の一例を示す断面図である。図１において、１は光導波路を形成するための基板、２は光導波路の下部クラッド層、３は光導波路のコア部、４は下部クラッド層２およびコア部３を被覆した光導波路の上部クラッド層であり、コア部３は下部クラッド層２と上部クラッド層４とから成るクラッド部の中に形成されている。
【００１９】
基板１は光導波路の支持基板として機能するものであり、光集積回路基板や光電子混在基板等の光信号を扱う基板として使用される種々の基板、例えばシリコン基板やアルミナセラミックス基板・ガラスセラミックス基板・多層セラミック配線基板・プラスチック電気配線基板等が使用できる。
【００２０】
下部クラッド層２はフッ素樹脂とシロキサン樹脂との混合樹脂から成り、フッ素樹脂とシロキサン樹脂とを所定の割合で混合した後、基板１にスピンコート法等により所定厚みに塗布してキュアすることにより形成する。
【００２１】
コア部３はフッ素樹脂とシロキサン樹脂との混合樹脂から成り、光導波路のコア部分として機能するために下部クラッド層２および上部クラッド層４より屈折率が大きいものである。このコア部３は、フッ素樹脂とシロキサン樹脂とを所定の割合で混合した後、基板１にスピンコート法等により所定厚みに塗布してキュアすることにより所定厚みの樹脂層を形成した後、フォトリソグラフィやＲＩＥなどの周知の薄膜微細加工技術を用いて所定の形状・寸法で形成する。
【００２２】
上部クラッド層４は、コア部３を形成した後に、フッ素樹脂とシロキサン樹脂とを所定の割合で混合した後、スピンコート法等により所定厚みに塗布してキュアすることにより形成する。
【００２３】
本発明の光導波路を形成する樹脂材料としてフッ素樹脂を用いるのは、ＣＨ基を有していないため光通信システムで用いられる近赤外光域の一つである波長1.55μｍ帯の光に対しても優れた透過性を有しており、伝送距離が長く複雑な光回路を形成することに有利であることによる。また、光導波路材料として最も認知されている石英ガラスに比べてドライエッチング加工が容易であり、サブミクロン以下という高い精度が要求されるコア部３の微細加工が容易であることによる。また、光電子混在回路においては電子部品と光部品との高密度集積実装が望まれるために電気配線と光回路との積層が必要となるが、フッ素樹脂層の形成は100 ℃〜300 ℃程度の処理温度で行なえるため、下地となる基板１に与えるダメージが小さく、電気配線基板上にも積層形成することができることによる。
【００２４】
一方、フッ素樹脂と混合する樹脂としてシロキサン樹脂を用いるのは、シロキサン結合を骨格としていることから優れた熱的安定性を有しており、フッ素樹脂と混合することにより混合樹脂のガラス転移点Ｔｇを高め、軟化温度を高めるとともに、加熱時の軟化による樹脂の延び量を小さく抑えることができることによる。また、シロキサン樹脂は主成分がシロキサン結合であり官能基のＣＨが少量であるため、ＣＨ基を有していないフッ素樹脂に比べれば光通信システムで用いられる近赤外光域の一つである波長1.55μｍ帯の光の透過性は劣るものの、良好に使用できる程度の光透過性を有している。さらに、シロキサン樹脂層の形成は150 〜300 ℃程度の処理温度で行なえるため、下地となる基板１に与えるダメージが小さく、種々の電気配線基板上にも積層形成することができる。しかも、これらのシロキサン樹脂の特性により、フッ素樹脂と混合した場合にもフッ素樹脂の光透過性や低温成膜性を大きく損なわないことによる。
【００２５】
本発明の光導波路の下部クラッド層２・コア部３・上部クラッド層４として使用し得るフッ素樹脂としては、例えば、環化ポリフッ化エチレン樹脂・ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）・ポリクロロトリフルオロエチレン（ＰＣＴＦＥ）・テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）・ポリビリニデンフルオロライド（ＰＶＤＦ）・ポリビニルフルオライド（ＰＶＦ）・テトラフルオロエチレン−エチレン共重合体・クロロトリフルオロエチレン−エチレン共重合体・テトラフルオロエチレン−パーフルオロビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）等を挙げることができる。中でも、環化ポリフッ化エチレン・ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）およびテトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）は、シロキサン樹脂との調合が容易である点で望ましいものとなる。なお、これらフッ素樹脂は１種のみに限って使用すべきものではなく、数種の樹脂を併用してよいことは言うまでもない。
【００２６】
一方、本発明の光導波路の下部クラッド層２・コア部３・上部クラッド層４として使用し得るシロキサン樹脂としては、ポリマーの骨格にシロキサンが含まれている樹脂であればよく、例えばポリフェニルシルセスキオキサン・ポリジフェニルシルセスキオキサン・ポリメチルフェニルシルセスキオキサン・ラダー型シリコーン樹脂等を使用することができる。
【００２７】
なお、シロキサン樹脂とともにポリシランを併用することもできる。このようなポリシランとしては、例えば、ポリビニルトリメチルシラン・ポリジハロシラン・ポリトリハロシラン・ポリテトラハロシラン等がある。これらのポリシランは−Ｓｉ−Ｓｉ−を骨格としており、優れた耐熱性を有している。
【００２８】
なお、これらシロキサン樹脂やポリシランも１種のみに限って使用すべきものではなく、数種の樹脂を併用してよいことは言うまでもない。
【００２９】
また、これらシロキサン樹脂やポリシランのシリコン原子の一部を他の３価あるいは４価の金属原子で置換したものも使用できる。この場合には、置換金属原子の量により樹脂の屈折率を所望の値にすることができるので有用である。
【００３０】
そして、フッ素樹脂とシロキサン樹脂とを混合する重量比は、８：２〜４：６すなわちフッ素樹脂80重量％：シロキサン樹脂20重量％〜フッ素樹脂40重量％：シロキサン樹脂60重量％の範囲が望ましい。フッ素樹脂が80重量％を超えシロキサン樹脂が20重量％未満となると、下部クラッド層２・コア部３・上部クラッド層４を形成する混合樹脂のガラス転移温度Ｔｇおよび軟化温度の有効な上昇が見られず、軟化による樹脂の延び量も小さく抑えることができなくなる傾向がある。これに対し、フッ素樹脂が60重量％未満となりシロキサン樹脂が40重量％を超えると、下部クラッド層２・コア部３・上部クラッド層４を形成する混合樹脂のガラス転移温度Ｔｇおよび軟化温度のより効果的な上昇が見られ、軟化による樹脂の延び量もより小さく抑えることができるので好適である。
【００３１】
他方、フッ素樹脂が40重量％未満となりシロキサン樹脂が60重量％を超えると、混合樹脂の調合時に固形分が析出しやすくなって、混合樹脂による均一な層が得られなくなる傾向がある。このような層で光導波路を作製した場合には、析出した固形分により光が散乱されて伝搬損失となったり、散乱光が迷光となって隣接する光導波路間でクロストークが発生したりするので望ましくない。
【００３２】
また、光通信システムで用いられる近赤外光域の一つである波長1.55μｍ帯におけるフッ素樹脂の光吸収損失は0.01ｄＢ／ｃｍ以下であり、シロキサン樹脂の光吸収損失は２ｄＢ／ｃｍ程度であるが、フッ素樹脂が50重量％を超えシロキサン樹脂が50重量％未満程度の場合には、混合樹脂における光吸収損失を１ｄＢ／ｃｍ以下に抑えることができ、低損失な光導波路を作製できるという点で好適である。
【００３３】
さらに、フッ素樹脂とシロキサン樹脂との混合樹脂によれば、フッ素樹脂とシロキサン樹脂との混合比率を上記範囲内で変えることによって混合樹脂の屈折率を変化させることができるので、コア部３とクラッド部（下部クラッド層２・上部クラッド層４）との屈折率の制御が必要な光導波路を作製する上でも有効に利用できるものである。
【００３４】
なお、このような混合樹脂に対して、従来の樹脂材料と同様に種々の金属原子、例えばＴｉ・Ｇｅ・Ａｌ・Ｚｒ・Ｐ・Ｅｒ・Ｐｒ等を添加量を制御して、例えば混合樹脂の全重量に対して０〜10重量％程度添加することによって、その混合樹脂の屈折率をさらに変化させて精度よく制御することができる。
【００３５】
【実施例】
次に、本発明の光導波路について具体例を説明する。
【００３６】
フッ素樹脂として屈折率が1.31の環化ポリフッ化エチレンを用い、シロキサン樹脂として屈折率が1.49のポリフェニルシルセスキオサンを用いて、ポリフェニルシルセスキオサンの重量比が０重量％・15重量％・20重量％・40重量％・60重量％・65重量％および100 重量％となるように両者を混合し、それぞれシリコン基板上にスピンコーティングし、300 ℃で熱処理することにより、各組成の混合樹脂からなる膜を得た。
【００３７】
これらの膜について、近赤外線光を膜に入射し透過光強度を光パワーメータで測定することにより透過光の透過損失を評価したところ、図２に示すような結果を得た。
【００３８】
図２は上記フッ素樹脂とシロキサン樹脂との混合樹脂におけるシロキサン樹脂の重量比率（重量％）に対する透過損失の変化を示す線図であり、横軸はシロキサン樹脂比率（重量％）を、縦軸は波長1.55μｍの光に対する透過損失（ｄＢ／ｃｍ）を表し、黒い四角で示した点は各組成での透過損失の測定値を、特性曲線はその変化の様子を示している。
【００３９】
図２の結果より分かるように、シロキサン樹脂の重量比率が60重量％以下の場合には透過損失が1.2 ｄＢ／ｃｍ程度以下と低く、特に50重量％程度以下の場合には透過損失が１ｄＢ／ｃｍ以下と低いものであり、良好な光透過性を示す結果が得られた。
【００４０】
このうち、シロキサン樹脂の重量比率が20重量％のものでは、透過損失は0.4 ｄＢ／ｃｍ以下となって非常に低く良好であった。一方、ＴＭＡ評価においてはガラス転移点Ｔｇにはほとんど変化が見られなかったが、図４の特性曲線Ｂで示した従来の樹脂に比べて軟化の変化は穏やかになるという効果が見られた。この材料を用いて実際に光導波路を作製した場合、若干のしわが発生したものの従来の材料を用いた場合に比べてその程度は小さく、短伝搬長や単純な光回路形成に使用できる程度のものであった。
【００４１】
なお、シロキサン樹脂の重量比率が０重量％のものでは、透過損失はほぼ０ｄＢ／ｃｍとなって極めて低く良好であったが、ガラス転移点Ｔｇおよび延び量の点で不十分なものであり、下部クラッド層の形成・コア部となるコア層の形成およびコア層の加工によるコア部の形成・上部クラッド層の形成など光導波路を作製する工程において、変形や割れ等が発生した。
【００４２】
また、シロキサン樹脂の重量比率が15重量％のものでは、透過損失は0.3 ｄＢ／ｃｍ程度以下となって非常に低く良好であったが、ＴＭＡ評価においてガラス転移点Ｔｇおよび延び量の点で有効な改善が見られず不十分なものであった。
【００４３】
他方、シロキサン樹脂の重量比率が65重量％のものでは、樹脂の混合時に固形分が析出するために、その混合樹脂を用いて膜を形成した場合には組成が不均一で表面粗さが大きな膜となり、光導波路形成に望ましい膜とはいえないものであった。
【００４４】
また、これらの膜について、プリズムカップラを用いた屈折率測定装置を用いて屈折率を測定したところ、図３に示すような結果を得た。図３は上記フッ素樹脂とシロキサン樹脂との混合樹脂におけるシロキサン樹脂の重量比率（重量％）に対する屈折率の変化を示す線図であり、横軸はシロキサン樹脂比率（重量％）を、縦軸は波長1.55μｍの光に対する屈折率を表し、黒い四角で示した点は各組成での屈折率の測定値を、特性曲線はその変化の様子示している。
【００４５】
図３より分かるように、フッ素樹脂とシロキサン樹脂との混合樹脂においてシロキサン樹脂の重量比率を変えることにより混合樹脂の屈折率をほぼ一定の変化率で変化させることができ、光導波路の作製に必要なコア部とクラッド部の屈折率の制御が容易に精度よくできることが示される結果であった。
【００４６】
次に、シリコン基板上にシロキサン樹脂比率が40重量％の混合樹脂膜をスピンコート法により形成した試料について、ＴＭＡ評価を行なった。その結果を図４に特性曲線Ａで示す。
【００４７】
図４に示すように、この混合樹脂膜は、ガラス転移温度Ｔｇについては約120 ℃であり、特性曲線Ｂで示した従来のフッ素樹脂膜に比べて約10℃の向上を示した。また、軟化温度については300 ℃までの評価では急激な軟化を示す温度は見られず、110 ℃で急激な軟化を示す従来のフッ素樹脂膜から改善されている結果であった。さらに図４の結果より、ＴＭＡ延び量については300 ℃においても14％程度であり、十分に減少できていることが分かる。
【００４８】
また、シロキサン樹脂比率が40重量％の混合樹脂を下部クラッド層および上部クラッド層に用い、シロキサン樹脂比率が45重量％の混合樹脂をコア部に用いて、５〜50μｍの種々の幅および高さのコア部を有する光導波路を作製したところ、いずれも良好な形状を示し、良好な結果であった。この内、コア部の幅および高さが８μｍの光導波路について波長1.55μｍの光に対する伝搬損失を測定したところ約0.8 ｄＢ／ｃｍであり、シロキサン樹脂だけを用いた光導波路では２ｄＢ／ｃｍを超える損失であったのに対して、低損失で良好な結果であった。
【００４９】
以上のように、本発明によれば、光透過性に優れ、しかも作製時の加熱による軟化や延びが小さく形状が良好に保たれ、変形や割れにより光の伝搬損失の増加や特性の劣化がない有機系の光導波路を作製できることが確認できた。
【００５０】
なお、本発明は以上の例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更・改良を加えることは何ら差し支えない。
【００５１】
例えば、下部クラッド層とコア部とにフッ素樹脂とシロキサン樹脂との混合樹脂を用い、下部クラッド層に設けた溝の中にコア部を形成した構成として、これらの熱特性を改善すれば、それらを覆う上部クラッド層にはシロキサン樹脂が混合されていない従来のフッ素樹脂を用いてもよい。
【００５２】
また、シロキサン樹脂として部分的に水素原子がフッ素原子で置換されたフッ素化シロキサン樹脂や、水素原子が重水素原子で置換された重水素化シロキサン樹脂を用いてもよい。
【００５３】
【発明の効果】
以上のように、本発明の光導波路によれば、フッ素樹脂とシロキサン樹脂とを混合した均一な有機系材料である混合樹脂から成るクラッド部の中に、フッ素樹脂とシロキサン樹脂とを混合した均一な有機系材料である混合樹脂から成り、クラッド部より屈折率が大きいコア部を形成した有機系材料による有機系の光導波路であることから、フッ素樹脂はＣＨ基を有していないため光通信システムで用いられる近赤外光域の一つである波長1.55μｍ帯の光に対しても優れた透過性を得ることができ、しかも、シロキサン樹脂はシロキサン結合（−Ｓｉ−Ｏ−）を主骨格に持ち優れた熱的安定性を有するため、光導波路の作製時に加熱されることがあっても凹凸・ひずみ・割れ等が発生することがなく、コア部の形状を良好に維持でき、変形や割れによる光の伝搬損失の増加や特性の劣化がない有機系の光導波路を作製することができる。
【００５４】
以上により、本発明によれば、光透過性に優れ、しかも作製時の加熱による軟化や延びが小さく光導波路の形状が良好に保たれ、変形や割れによる光の伝搬損失の増加や特性の劣化がない有機系の光導波路を提供することができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光導波路の実施の形態の一例を示す断面図である。
【図２】本発明の光導波路に用いる混合樹脂におけるシロキサン樹脂比率に対する透過損失の変化を示す線図である。
【図３】本発明の光導波路に用いる混合樹脂におけるシロキサン樹脂比率に対する屈折率の変化を示す線図である。
【図４】本発明の光導波路に用いる混合樹脂および従来のフッ素樹脂の温度に対するＴＭＡ延び量の変化を示す線図である。
【符号の説明】
１・・・基板
２・・・下部クラッド層（クラッド部）
３・・・コア部
４・・・上部クラッド層（クラッド部）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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