(57)【要約】【目的】高速のスイッチング応答を可能にし、さらにはデバイスを構成する高分子材料の熱による劣化を小さくした高分子を用いた導波路型光スイッチングデバイスを提供することである。【構成】赤外線ビーム照射側第一層目の上部クラッド層４の表面に、強いヒートシンク作用を持つ赤外線透過固体材料３を接触させながら、外部の赤外線光源１より赤外線ビーム２をクラッド樹脂面に向けて赤外線透過材料を透して照射すると、赤外線ビーム照射中、クラッド樹脂表層での強い赤外吸収により発生した熱の一部が、赤外線透過固体材料に放出される。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高分子を用いた導波路型光スイッチのスイッチング用加熱源として外部から照射される赤外線を用いることを特徴とする高分子導波路型光スイッチデバイス。
【請求項２】
赤外線が照射される側の素子面に、前記高分子よりも熱伝導が高くかつ赤外線を透過する赤外線透過固体材料からなる層が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の高分子導波路型光スイッチデバイス。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信用途の高分子を用いた光スイッチ、およびこの光スイッチを備えた光変調器などの光学部品及び、光集積回路に関する。
【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。
【０００３】
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／℃以下と比べて１０倍以上大きいため、ＰＭＭＡ光導波路をマッハツエンダー型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１／１００程度に大きく低減されることが知られている［Ｈｉｄａほか、ＩＥＥＥ　Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｌｅｔｔｅｒｓ、第５巻、第７８２項（１９９３）］。しかしながら、ＰＭＭＡ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項、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ＰＭＭＡ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。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、１．５５μｍ）の光透過性に劣る。
【０００４】
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で透明であること（特開平３−７２５２８号）、耐水耐湿性に優れることが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４−２３５５０６号）も示されている。しかし、このような高分子を用いた光スイッチの動作方式としては金属薄膜ヒーターによる直接加熱が用いられているために、ヒータの熱容量や、ヒータからコア部への熱伝導などが律則になり応答速度がミリ秒程度が限界であった。特にこうした光スイッチを集積化した場合多くの電力を要するのみでなく熱干渉によりクロストークを生じてしまうといった問題点もあるのが現状である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
そこで本発明の目的は、より高速のスイッチング応答を可能にし、さらにはデバイスを構成する高分子材料の熱による劣化を小さくした高分子を用いた導波路型光スイッチングデバイスを提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、鋭意検討した結果、導波路型光デバイス上で赤外線レーザーを用いることにより、前記課題を解決することを見出し本発明を完成させた。
【０００７】
すなわち本発明は、高分子を用いた導波路型光スイッチのスイッチング用加熱源として外部から照射される赤外線を用いることを特徴とする高分子導波路型光スイッチデバイスである。
【０００８】
本発明において赤外線が照射される側の素子面に、前記高分子よりも熱伝導が高くかつ赤外線を透過する赤外線透過固体材料からなる層が形成されていることが好ましい。これにより放熱効果が得られ熱劣化を防ぐとともに、さらなる高速スイッチが可能となる。
【０００９】
【作用】
一般に均質な樹脂材料は、赤外線ビームの照射によりＬａｍｂｅｒｔ−Ｂｅｅｒの法則に従い赤外線の浸透深さ（吸収係数の逆数であり、赤外線ビーム照射強度が自然対数の底の逆数倍まで減衰する深さ）に応じて、表面及び内部で赤外線ビームを吸収し発熱する作用をもつ。従って、赤外線ビームを樹脂表面に向けて非接触で直接照射した場合、樹脂表面は熱伝導性が樹脂より低い空気層と接触していること、及び前述のＬａｍｂｅｒｔ−Ｂｅｅｒの法則から、単位厚さ当たりの赤外線吸収による自己発熱は、樹脂内部より樹脂表層で大きくなるため、赤外線ビーム照射中に樹脂の極表層部分が極短時間で高温となる。
【００１０】
一方、樹脂からなる光導波路の場合は、クラッド層を構成するクラッド樹脂内部のコア部の温度上昇は、該樹脂表面での赤外吸収に伴う発熱と赤外線ビーム照射側の樹脂表層からの熱伝導による放熱により決まるが、赤外線ビームの照射により、クラッド樹脂表面近傍温度をスイッチングに必要な温度まで高めようとすると、必然として赤外線ビーム照射側の上部クラッド樹脂の表層温度が下部クラッドの温度を上回ることとなる。そのため、赤外線ビームを非接触で直接照射した場合、赤外線ビーム照射中にクラッド樹脂表層で顕著な収縮、破れ、焼欄、熱分解などの熱損傷により、表面性状が悪化したり、コア部の冷却にも時間がかかってしまう。
【００１１】
そこで図１に示したように、赤外線ビーム照射側第一層目の上部クラッド層４の表面に、強いヒートシンク作用を持つ赤外線透過固体材料３を接触させながら、外部の赤外線光源１より赤外線ビーム２をクラッド樹脂面に向けて赤外線透過材料を透して照射すると、赤外線ビーム照射中、クラッド樹脂表層での強い赤外吸収により発生した熱の一部が赤外線透過固体材料を通して外部に放出される。さらにクラッド樹脂は熱伝導性が低いため、図４に例示するように、赤外線ビーム照射方向に沿って温度分布カーブ８のようになり、赤外線透過固体材料と接触するクラッド樹脂表面の温度は相対的に冷え、浸透した赤外線エネルギーにより、その内部でより高温となった領域を発現し得る。
前述したように赤外線透過材料がない場合の温度分布カーブ９は、クラッド樹脂表層が最高温度となる。したがって、赤外線透過固体材料がない場合、照射条件によってはクラッド表層部の熱損傷が生じやすくかつ冷却時間が長くなってしまう場合がある。
【００１２】
また、本発明で提案する赤外線レーザーによる光局所的温度制御法を用いると、表面に熱伝導の高い赤外線透過材料を用いて赤外線を照射すると放熱がしやすくなり、厚さ方向でコア部の温度が最も高くなるような温度分布が作られ、かつ光は波路内に吸収され急速に発熱する。また放熱効果も高くなるので冷却速度も速くなる。導波路表面からの熱伝達を伴わないので極めて早い応答が期待できる。導波路の吸収係数、または最適なレーザー波長を選択することにより発熱部分に選択性をもたすことが可能である。例えば表面部分でなく埋めこまれた導波路直上で発熱ピークが一致するように設計することも可能である。またコア部のみに照射レーザー波長に対して吸収係数の高い色素等を分散させることにより低光強度、高速のスイッチングも可能になる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明を図を用いて説明する。図１の断面図に示すように赤外線ビーム照射側より順に、赤外線透過固体材料３、高分子からなる上部クラッド層４、高分子コア層５、下部クラッド層６、及び基板７を重ねている。上下クラッド層やコア層を構成する高分子光導波路材料としてはポリカーボネート、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリスチレン、ＵＶ硬化エポキシ樹脂、ベンゾシクロブテン、ポリイミド、シリコーンなどが用いられる。
【００１４】
また高分子光導波路型光スイッチデバイスの例として、図２に示すようにマッハツエンダー干渉計ＴＯスイッチ、または図３に示すＹ分岐型ＴＯスイッチとして構成される。これらの高分子光導波路型光スイッチデバイスの作成法は半導体作成の際に用いられるフォトリソ・ドライエッチング法がよく用いられる。スイッチングの原理としてはマッハツエンダー干渉計ＴＯスイッチでは加熱によるアーム間の屈折率変化による位相差によりスイッチングを行い、Ｙ分岐型ＴＯスイッチでは加熱による屈折率変化による全反射により、スイッチングを行っている。本願発明では赤外線ビームを赤外線透過固体材料３を備えた光導波路に向けて照射することにより加熱し、屈折率を変化させることによりスイッチングを行っている。そのため、通常の熱伝導とは異なった加熱方式を用いてスイッチオンさせるため、高速応答が可能になる。その際、該高分子光導波路の表層で生じる強い赤外吸収に伴う温度上昇を、赤外線透過固体材料側への強い熱拡散によって抑えつつ、内部に高温域を作り出すことを特徴としている。本発明の特色は赤外線ビーム照射側に強いヒートシンク作用を持つ赤外線透過固体材料を接触させたことにより、導波路のコア層近傍のみに焦点加熱を可能にし、かつスイッチオフ時の放熱速度を速くし、高速なオフ動作を可能にしたことにある。
【００１５】
なお赤外線透過固体材料がない場合でもスイッチオン時の応答は早いが、スイッチオフ時は熱伝導の法則に従うため高速スイッチングは難しくなる。また、赤外線ビーム照射側に赤外線透過固体材料がない状態ではコア層近傍のみを効率良く焦点加熱することは難しく、かつ導波路表層の急速な温度上昇によって、顕著な収縮、破れ、焼け若しくは熱分解が生じる場合がある。
【００１６】
赤外線光源としては、赤外線ランプ、若しくは赤外線レーザーのどちらを用いてもよく、赤外線ランプの種類としては、波長が０．７μｍ以上の赤外線ビームを発生するハロゲンランプ、若しくはキセノンランプ、一方、赤外線レーザーの種類としては前記の波長範囲内の赤外線ビームを発生する固体レーザー、半導体レーザー、気体レーザー、色素レーザー、及び化学レーザーのいずれを用いても良い。より具体的には、固体レーザーの場合、光源波長が０．９４μｍから１．４μｍの範囲にあるＮｄがドープされたＹＡＧレーザー（以下、Ｎｄ：ＹＡＧレーザーと称する）、及び半導体レーザーの場合、光源波長が０．８μｍから０．９６μｍの範囲にあるＡｌＧａＡｓレーザーが上げられる。これらのＮｄ：ＹＡＧレーザー及び半導体レーザーは該レーザーからの赤外線ビーム照射により容易に発熱する高分子と組み合わせて用いる。該高分子はポリカーボネート、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリスチレン、ＵＶ硬化エポキシ樹脂、ベンゾシクロブテン、ポリイミド、シリコーンなどが用いられる。
また透明度の高い樹脂を用いる場合は、固体レーザーの１つであるＨｏ、Ｅｒ、若しくはＴｍをドープしたＹＡＧレーザー（以下、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ：ＹＡＧレーザーと仮称する）、もう一つは気体レーザーの一つで光源波長が９．６μｍ若しくは１０．６μｍの炭酸ガスレーザーを用いるのが好ましい。特に、後者の炭酸ガスレーザーは全ての樹脂に対して強い加熱作用を持つ上に、本願赤外線光源として最適である。本願発明の赤外線光源としては、前記に例示した赤外線ランプ及び赤外線レーザーに限らず、波長が前記の０．７μｍ以上１０００μｍ以下の範囲にある赤外線ビームを発生するものであり、かつ照射により使用する樹脂をスイッチング温度まで十分に加熱し得る波長と出力を発生するものであればよい。
【００１７】
本願発明の赤外線透過固体材料は赤外線ビームを透過させること、及び樹脂表層での強い赤外吸収により発生した熱の一部を効率良く吸収し得る強いヒートシンク作用によって、赤外線ビーム照射側の樹脂表層の過熱を抑え、コア部に対する急速な加熱冷却を可能にする。また、これらは繰り返し連続使用によっても容易に除熱可能な蓄熱性が低い性質を持つことが好ましい。このため、材質上は使用する光源波長に対して高い透過性をもつことはもちろんのこと、高い熱伝導性、機械的強度及び耐熱性を備えていることが望ましい。　この赤外線透過固体材料の熱伝導は５Ｗ／ｍ・Ｋ以上が好ましく、１５Ｗ／ｍ・Ｋ以上がより好ましい。
【００１８】
こうした赤外線透過固体材料は、赤外結晶材料、若しくは赤外ガラス材料から広く選択できる。ここで、赤外結晶材料及び赤外ガラス材料とは、それぞれ、該赤外線透過固体材料の中で、結晶性無機材料及び非晶性無機材料であるものを意味する。赤外ガラス材料としては、石英（ＳｉＯ２）を主成分とする石英系ガラス材料、ゲルマニア（ＧｅＯ２）を主成分とするゲルマネート系ガラス材料、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）を主成分とするアルミネート系ガラス材料の酸化物系ガラス材料の他に、硫化物系ガラス材料、及びカルコゲナイドガラス材料、及びベリリア、マグネシア、シリコン、ＧａＡｓが上げられる。赤外結晶材料及び赤外ガラス材料の厚さの適正な範囲の目安としては、圧縮力に対する耐圧性、赤外線透過率、及びヒートシンクとしての放熱作用を考慮して、０．０１ｍｍ以上１００ｍｍ以下の範囲から選ばれる。
【００１９】
これら赤外線透過固体材料は、使用する光源波長によって異なり、具体的には波長が０．７μｍ以上の赤外線ビームを発生するハロゲンランプ及びキセノンランプ、光源波長が０．８μｍから０．９６μｍの範囲にある半導体レーザー、及び光源波長が０．９４μｍから１．４μｍの範囲にあるＮｄ：ＹＡＧレーザー、及び光源波長が１．９μｍから２．９４μｍの範囲にあるＨｏ、Ｅｒ、Ｔｍ：ＹＡＧレーザーの場合、透明アルミナ（Ａｌ２Ｏ３、熱伝導度＝３６Ｗ／ｍ・Ｋ）、透明ベリリア（ＢｅＯ、熱伝導度＝４８Ｗ／ｍ・Ｋ）、透明マグネシア（ＭｇＯ、熱伝導度＝４８Ｗ／ｍ・Ｋ）、及び透明石英（ＳｉＯ２、熱伝導度＝１から１０Ｗ／ｍ・Ｋ）から選ばれる酸化物系の赤外結晶材料を用いるのがよい。この中でも、透明アルミナ、透明ベリリア、及び透明マグネシアが、熱伝導性も高く優れているためより好ましい。
【００２０】
一方、炭酸ガスレーザーを用いる場合、ＺｎＳｅ（セレン化亜鉛、熱伝導度＝１９Ｗ／ｍ・Ｋ）、ＺｎＳ（硫化亜鉛、熱伝導度＝２７Ｗ／ｍ・Ｋ）、Ｓｉ（シリコン、熱伝導度＝１５０Ｗ／ｍ・Ｋ）、ＧａＡｓ（砒素化ガリウム、熱伝導度＝５４Ｗ／ｍ・Ｋ）などの赤外結晶材料が上げられる。
【００２１】
【発明の効果】
以上の詳細な説明のとおり、本願発明によれば、高分子を用いた導波路型光デバイスにおいて、従来の外部熱源を用いた熱伝導による加熱方法とは異なった赤外線レーザによる加熱方式を用いることにより、より高速応答を可能にするためにスイッチングさせる導波路型光デバイスを提供することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わる炭酸ガスレーザーを加熱装置に用いた高分子光導波路デバイスの概略断面図である。
【図２】本発明に係わるマッハツエンダー型ＴＯスイッチの模式図である。
【図３】本発明に係わるＹ分岐型ＴＯスイッチの模式図である。
【図４】本発明に係わる高分子光導波路デバイスでの温度分布例の模式図である。
【符号の説明】
１　　赤外線光源、　　２　　赤外線ビーム、　　３　　赤外線透過固体材料
４　　　上部クラッド層、　５　高分子コア層、　　　６　下部クラッド層
７　基板、　　　　　　　８　温度分布カーブ
９　赤外線透過固体材料がない場合の温度分布カーブ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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