(57)【要約】      （修正有）【課題】ＥＯポリマーを用いた光デバイスのコア層のポーリングが適正に実施され、クラッド層へのクラックの発生を抑制した光デバイスを提供する。【解決手段】コア層の上下にクラッド層を配置し、該コア層がＥＯポリマーで構成された光デバイスにおいて、加熱し電界を印加することで、ドナー、アクセプターを配向させるポーリング処理を行い、該クラッド層は、反応性イオン液体を含有する組成で重合したポリマーを用いることを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
コア層の上下にクラッド層を配置し、該コア層がＥＯポリマーで構成された光デバイスにおいて、
該クラッド層は、反応性イオン液体を含有する組成で重合したポリマーを用いることを特徴とする光デバイス。
【請求項２】
請求項１に記載の光デバイスにおいて、該反応性イオン液体は、基本骨格樹脂と重合可能な反応基を有している材料であることを特徴とする光デバイス。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の光デバイスにおいて、該反応性イオン液体は、化学式１で示される材料であることを特徴とする光デバイス。
ただし、アニオンＸ−は、［Ｎ（ＳＯ２ＣＦ３）２］−、［ＰＦ６］−、［ＢＦ４］−、Ｃｌ−、Ｂｒ−のいずれかである。また、Ｒ、Ｒ’、Ｒ”、Ｒ'''は、同一またはそれぞれが異なる、水素原子、炭素数が１〜１０のアルキル基である。
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【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかに記載の光デバイスにおいて、コア層とクラッド層との間には、該反応性イオン液体に含まれるイオンの移動を遮蔽するブロック層が設けられていることを特徴とする光デバイス。
【請求項５】
請求項４に記載の光デバイスにおいて、該ブロック層は、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３のいずれかで形成されていることを特徴とする光デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光デバイスに関し、特に、コア層の上下にクラッド層を配置し、該コア層が有機電気光学高分子（以下、「ＥＯポリマー」と言う。）で構成された光デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＥＯポリマーを用いた光デバイスが、次世代の光通信を担う素子として期待されている（特許文献１又は２参照）。
【０００３】
ＥＯポリマーに用いる高分子材料としては例えば、ポリメチルメタクリレートなどのアクリル系樹脂、ポリカーボネート系樹脂、エポキシ系樹脂、ポリイミド系樹脂、シリコーン系樹脂、ポリスチレン系樹脂、ポリアミド系樹脂、ポリエステル系樹脂、フェノール系樹脂、ポリキノリン系樹脂、ポリキノキサリン系樹脂、ポリベンゾオキサゾール系樹脂、ポリベンゾチアゾール系樹脂、ポリベンゾイミダゾール系樹脂などが挙げられる。（以下、「基本骨格樹脂」と言う。）
【０００４】
非線形光学有機化合物（以下、「ＥＯ色素」）は、公知のものであれば特に限定されないが、１分子中に、電子供与性を有する原子団（以下、「ドナー」と言う。）と、電子吸引性を有する原子団（以下、「アクセプター」と言う。）との両方を有しており、ドナーとアクセプターの間に、π電子共役系の原子団を配している構造を有した分子が望ましい。このような分子としては、具体的には、Ｄｉｓｐｅｒｓｅ  Ｒｅｄ類、Ｄｉｓｐｅｒｓｅ  Ｏｒａｎｇｅ類、スチルベン化合物などが挙げられる。
【０００５】
ＥＯポリマーは、前記のＥＯ色素を高分子材料への添加、または高分子材料の側鎖または主鎖への化学結合により、高分子材料に導入したものを言う。このＥＯポリマーは、ドナー、アクセプターを配向させるポーリング処理を経ることで、無機材料に比べて大きな２次非線形光学効果を示す。また、ＥＯ色素内の導電性の高いπ電子共役系を電子が移動することによって、光学特性が変化することから高速動作が可能となる。
【０００６】
光デバイスの光導波路は、一般に、高屈折率のコア層を低屈折率のクラッド層で囲む構造で形成する。ＥＯポリマー材料を用いた光デバイスの場合、コア層は、リブ型の構造とし、上下をクラッド層とすることが公知の構造となっている。図１は、従来のＥＯポリマーをコアに配置した光導波路構造の一例を示す断面図である。
【０００７】
図１のような構造を有する光導波路は、例えば、次のように形成される。下部クラッド層をスピンコートで形成した後、ドライエッチング等によりトレンチを形成する。その後、ＥＯポリマーを有機溶剤に溶解した液をスピンコートで形成することで、ＥＯポリマーによるコア層が、下向きに突出したリブ部を持って形成される。その上に、上部クラッド層をコーティングする。光導波路は、図１の上下反転したリブ型形状に限らず、矩形状のコア層を、下部クラッド層と上部クラッド層で取り囲むように配置する構成や下部クラッドを加工せずＥＯポリマーをリブ分のみ残してエッチングすることで得られるリブ型にする構成も可能である。
【０００８】
ＥＯポリマーを用いた光デバイスにおいては、形成したＥＯポリマー層に対し、加熱しながら電圧を印加するポーリング処理を行う。加熱によってポリマーを軟化し、ＥＯポリマー層に電界を印加することで、ポリマーに含有して大きな分極率を持つＥＯ色素を配向させる。電界を維持したまま冷却することでポリマーが固化し、ＥＯ色素を固定し、配向状態を維持することが可能となる。
【０００９】
ポーリング効率を向上させるためには、ＥＯポリマー層に効率よく強電界をかける必要がある。電界印加時に各層の電気抵抗を各層の電気抵抗の総和で割った割合に応じて、印加される電界が決まることから、クラッド層の電気抵抗を低下させる工夫が必要となる。ＥＯポリマーは、導電性のπ電子共役系構造を有するＥＯ色素を基本骨格樹脂に添加することで、基本骨格樹脂よりも抵抗値が低下することが一般的である。
【００１０】
このため、従来のクラッド層は、無処理の基本骨格樹脂を用いることができず、樹脂内にヒドロキシル基を持つ材料などが使われてきた。具体的には、アルコキシドアクリレートとアルコキシシラン及び重合開始剤を混合した塗布液を用い、塗布、乾燥後にＵＶ照射、加熱することで共重合した有機無機ハイブリッド樹脂が用いられてきた。
【００１１】
しかしながら、この有機無機ハイブリッド樹脂は、ポーリング時の加熱で、膜内に残留していた未反応重合開始剤が反応したり、アルコキシシランの加水分解反応促進のための触媒などが残留しており、その残渣成分や加水分解で生じたアルコールや脱水縮合により生じた水が、配合時に導入した重合開始剤に起因する末端基が熱分解するなどの複数のガスが発生する。このガスによりクラッド層上に設置したポーリング電極とクラッド界面で剥離が起こり、浮遊状態となった部分は均一にポーリングされないという問題があった。
【００１２】
また、ポーリングの際の加熱を、１５０℃以上にした場合において、ＥＯポリマーの線膨張係数は正の係数であるため膨張するが、従来のクラッドでは、脱水重合などにより熱収縮するため、著しい応力によりクラックが発生するという問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特表２０１５−５０１９４５号公報
【特許文献２】特開２００７−２５３７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明が解決しようとする課題は、上述したような問題を解決し、コア層のポーリングが適正に実施され、クラッド層へのクラックの発生を抑制した光デバイスを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記課題を解決するため、本発明の光デバイスは、以下の技術的特徴を有する。
（１）  コア層の上下にクラッド層を配置し、該コア層がＥＯポリマーで構成された光デバイスにおいて、該クラッド層は、反応性イオン液体を含有する組成で重合したポリマーを用いることを特徴とする。
【００１６】
（２）  上記（１）に記載の光デバイスにおいて、該反応性イオン液体は、基本骨格樹脂と重合可能な反応基を有している材料であることを特徴とする。
【００１７】
（３）  上記（１）又は（２）に記載の光デバイスにおいて、該反応性イオン液体は、化学式１で示される材料であることを特徴とする。
ただし、アニオンＸ−は、［Ｎ（ＳＯ２ＣＦ３）２］−、［ＰＦ６］−、［ＢＦ４］−、Ｃｌ−、Ｂｒ−のいずれかである。また、Ｒ、Ｒ’、Ｒ”、Ｒ'''は、同一またはそれぞれが異なる、水素原子、炭素数が１〜１０のアルキル基である。
【００１８】
【化１】
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【００１９】
（４）  上記（１）乃至（３）のいずれかに記載の光デバイスにおいて、コア層とクラッド層との間には、該反応性イオン液体に含まれるイオンの移動を遮蔽するブロック層が設けられていることを特徴とする。
【００２０】
（５）  上記（４）に記載の光デバイスにおいて、該ブロック層は、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３のいずれかで形成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２１】
本発明は、コア層の上下にクラッド層を配置し、該コア層がＥＯポリマーで構成された光デバイスにおいて、該クラッド層は、反応性イオン液体を含有する組成で重合したポリマーを用いるため、従来のようなカチオンラジカル重合ではなく、Ｃｏ錯体を用いた重合反応となり、重合開始剤の残留も無い。このため、ポーリング電極がクラッド層との界面で剥離したり、クラッド層にクラックが発生することが抑制される。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】従来の光デバイスの概要を示す断面図である。
【図２】本発明の光デバイスの一例を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明の光デバイスについて、好適例を用いて詳細に説明する。
本発明の光デバイスは、図１に示すように、コア層の上下にクラッド層を配置し、該コア層がＥＯポリマーで構成された光デバイスにおいて、該クラッド層は、反応性イオン液体を含有する組成で重合したポリマーを用いることを特徴とする。
【００２４】
ＥＯポリマーとしては、基本骨格樹脂としてＰＭＭＡを用い、ＥＯ分子としてＤｉｓｐｅｒｓｅ  Ｒｅｄ１を基本骨格樹脂の側鎖に重合したＰＭＭＡ−ＤＲ１が好適に使用可能である。また、ＥＯポリマーのガラス転移点Ｔｇを高くすることで耐熱性を向上させることができる。この場合、基本骨格樹脂の側鎖にアダマンチル基などのかご型分子を付与することや主骨格樹脂を網目構造にすることによってＴｇを高くすることができる。
【００２５】
本発明の光デバイスの特徴は、クラッド層に使用する材料が、従来のような、アルコキシドアクリレートとアルコキシシラン及び重合開始剤を混合した塗布液のように、カチオンラジカル重合ではないことである。具体的には、反応性イオン液体を用いた、Ｃｏ錯体による重合反応である。このため、クラッド層に重合開始剤が残留することが無い。
【００２６】
クラッド層は、化学式１に示すような反応性イオン液体とアクリル樹脂の重合体を用いる。反応性イオン液体は、基本骨格樹脂と重合可能な反応基を有している材料である。
【００２７】
【化２】
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【００２８】
化学式１のアニオンＸ−は、［Ｎ（ＳＯ２ＣＦ３）２］−、［ＰＦ６］−、［ＢＦ４］−、Ｃｌ−、Ｂｒ−のいずれかである。特に、クラッド層内でのアニオンの拡散は、コア層のＥＯポリマーへのアニオンの侵入の原因となる。このため、嵩が高い［Ｎ（ＳＯ２ＣＦ３）２］−は拡散が抑制されるため、より好ましい。
【００２９】
化学式１のＲ、Ｒ’、Ｒ”、Ｒ'''は、同一またはそれぞれが異なる、水素原子、炭素数が１〜１０のアルキル基である。より好ましくは、Ｒ、Ｒ’、Ｒ”は、水素原子、Ｒ'''は、水素原子またはメチル基である。
【００３０】
さらに、クラッド層中のアニオンがコア層に侵入するのを抑制するため、図２に示すように、コア層とクラッド層との間には、該反応性イオン液体に含まれるイオンの移動を遮蔽するブロック層が設けることが、好ましい。
【００３１】
上記ブロック層としては、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３のいずれかが好適に使用することが可能である。
【００３２】
以下に説明する方法で、４種のクラッドを作成し、特性を評価する試験を行った。
（実施例１）
共栄化学工業社製反応型イオン液体ＩＬ−ＭＡ２を１．５ｗｔ％、日本合成化学社製ＵＶ−１７００Ｂを２８．５ｗｔ％、ＢＡＳＦ社製 ＩＲＧＡＣＵＲＥ １２７を１．５ｗｔ％、メタノールを１５ｗｔ％、メチルイソブチルケトン１５ｗｔ％、ブチルカルビトールを３ｗｔ％、ノルマルブタノールを３５．５ｗｔ％配合した混合液を調合した。スピンコーティングにより塗布し、１００℃でホットプレートで乾燥後、３００ＷのＵＶ照射機で１分間紫外線を照射し硬化させ、クラッド層を形成した。このクラッド層を単体で測定した結果、室温における体積抵抗は４×１０１３Ωｃｍであり、１２０℃、１５０℃、１８０℃での体積抵抗は、それぞれ３×１０１３Ωｃｍ、２×１０１３Ωｃｍ、１×１０１３Ωｃｍであった。
【００３３】
（実施例２）
共栄化学工業社製反応型イオン液体ＩＬ−ＭＡ２を６ｗｔ％、日本合成化学社製ＵＶ−１７００Ｂを２４ｗｔ％にした以外は実施例１と同様に配合した。この混合液で作成したクラッド層を単体で測定した結果、室温における体積抵抗は２×１０１３Ωｃｍであり、１２０℃、１５０℃、１８０℃での体積抵抗は、それぞれ１×１０１３Ωｃｍ、５×１０１２Ωｃｍ、３×１０１２Ωｃｍであった。
【００３４】
（比較例１）
反応型イオン液体を入れず、日本合成化学社製ＵＶ−１７００Ｂを３０ｗｔ％にした以外は、実施例１と同様に配合した。この混合液で作成したクラッド層を単体で測定した結果、室温における体積抵抗は１×１０１5Ωｃｍであり、１２０℃、１５０℃、１８０℃での体積抵抗は、それぞれ８×１０１4Ωｃｍ、６×１０１４Ωｃｍ、４×１０１４Ωｃｍであった。
【００３５】
（比較例２）
信越化学工業株式会社製アクリルシランＫＢＭ−５０３を２０ｗｔ％、関東化学社製テトラメチルシランを１０ｗｔ％、ＢＡＳＦ社製 ＩＲＧＡＣＵＲＥ １２７を１．５ｗｔ％、メタノールを１５ｗｔ％、メチルイソブチルケトン１５ｗｔ％、ブチルカルビトールを３ｗｔ％、ノルマルブタノールを３５．５ｗｔ％配合した混合液を調合し、６０℃で１時間撹拌した。この混合液で作成したクラッド層を単体で測定した結果、室温における体積抵抗は１×１０１4Ωｃｍであり、１２０℃、１５０℃、１８０℃での体積抵抗は、それぞれ３×１０１３Ωｃｍ、２×１０１３Ωｃｍ、１×１０１３Ωｃｍであった。
【００３６】
（試験方法）
真空蒸着により金電極（下部電極）を形成したシリコン基板に各クラッド材料を用いて下部クラッドを成膜し、ガラス転移点温度が１２０℃、１５０℃、１８０℃と異なるＥＯポリマーを塗布乾燥後、上部クラッドをそれぞれの材料で下部クラッド同様に積層成膜した。その積層膜基板の一部に下部電極同様に金電極を設け、それ以外の部分は金電極を載せていない試験片を作製した。
【００３７】
表１に、各種試験片について、表面クラック、電極剥離、ポーリングについて、特性を評価した結果を示す。
ＥＯポリマーそれぞれのガラス転移点と同じ温度まで上昇させ、その表面および金電極の剥離状況に関し評価をした。表面にクラックがある場合は４インチウェハ当たり１０本以上を×とし、５０本以上またはクラックがＥＯポリマー層まで達している状態を×××で表している。電極剥離がある場合、４インチウェハに１０か所以上を×とし、かつ導波路パターンの不良率が１０％以上あった場合×××で示している。
【００３８】
【表１】
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【００３９】
ポーリング処理の評価は、以下の方法で光デバイスを作製し、評価を行った。
Ｓｉ基板に下部電極を成膜し、下部クラッドとして上記クラッド層を形成。導波路となる溝をフォトリソグラフィおよびドライエッチングにより形成した。その後、ＥＯポリマー溶液をスピンコートにより塗布し、乾燥させることでＥＯポリマー層を形成した。その後、上部クラッド層を下部クラッド層同様に形成し、その上に電極を設け、ＥＯポリマーのガラス転移点温度付近まで上昇させ、直流高電圧を印加することでポーリング処理を行った。その後、ポーリング電極を加工し、信号電極を形成し、光デバイスを作製した。ポーリングの効果に関して、ポーリング後の光変調強度があるものを○としないものを×としている。△は不均一にポーリングされていることを示している。
【００４０】
表１に示すように、反応型イオン液体を用いたクラッドについては、表面クラック、電極剥離、ポーリングについて、不具合が生じないことが確認された。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
以上説明したように、本発明によれば、コア層のポーリングが適正に実施され、クラッド層へのクラックの発生を抑制した光デバイスを提供することができる。
【図１】
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【図２】
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