(57)【要約】      （修正有）【課題】近赤外域、特に波長１．５５μｍ帯ならびに１．６５μｍ帯において光透過損失の極めて少ない導波路型光デバイスの提供。【解決手段】コアおよびクラッドを含む埋め込み型光導波路からなる導波路型光デバイスにおいて、コアまたはクラッドが下記一般式（Ａ）2005037841.tif 000036（式中、Ｘは四価の有機基を表し、Ｚは塩素、臭素またはヨウ素原子を表し、ｐは０〜３の整数であり、ｑは１〜４の整数であり、ｐ＋ｑは４である）の構造を含むフッ素化ポリイミドまたはフッ素化コポリイミドから構成され、および直線、曲線、分岐、交差およびスラブからなる群から選択される少なくとも１つの構造を有することを特徴とする導波路型光デバイス。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
コアおよびクラッドを含む埋め込み型光導波路からなる導波路型光デバイスにおいて、前記コアまたは前記クラッドが下記一般式（Ａ）
【化１】
2005037841.tif 000025
（式中、Ｘは四価の有機基を表し、Ｚは塩素、臭素またはヨウ素原子を表し、ｐは０〜３の整数であり、ｑは１〜４の整数であり、ｐ＋ｑは４である）
の構造を含むフッ素化ポリイミドまたはフッ素化コポリイミドから構成され、および直線、曲線、分岐、交差およびスラブからなる群から選択される少なくとも１つの構造を有することを特徴とする導波路型光デバイス。
【請求項２】
コアおよびクラッドを含む埋め込み型光導波路からなる導波路型光デバイスにおいて、前記コアまたは前記クラッドが下記一般式（Ｂ）
【化２】
2005037841.tif 000026
［式中、Ｘ’は２価の有機基を表し、ＺおよびＺ’はそれぞれ独立して塩素、臭素またはヨウ素原子を表し、ｐおよびｐ’はそれぞれ独立して０〜３の整数であり、ｑおよびｑ’はそれぞれ独立して０〜３の整数であり、ｐ＋ｑおよびｐ’＋ｑ’は３であり、Ｘは、
【化３】
2005037841.tif 000027
（式中、Ｚ１およびＺ２は、それぞれ独立して塩素、臭素またはヨウ素原子を表し、ｒおよびｒ’はそれぞれ独立して０〜３の整数であり、ｓおよびｓ’はそれぞれ独立して１〜４の整数であり、ｒ＋ｓおよびｒ’＋ｓ’は４である）表される２価の有機基を表す］
の構造を含むフッ素化ポリイミドまたはフッ素化コポリイミドから構成され、および直線、曲線、分岐、交差およびスラブからなる群から選択される少なくとも１つの構造を有することを特徴とする導波路型光デバイス。
【請求項３】
コアおよびクラッドを含む埋め込み型光導波路からなる導波路型光デバイスにおいて、前記コアまたは前記クラッドが下記式（Ｉ）
【化４】
2005037841.tif 000028
で表される塩フッ素化ポリイミドあるいはその共重合体から構成され、前記コアと前記クラッドとの屈折率差が０．２〜１．５％であり、および直線、曲線、分岐、交差およびスラブからなる群から選択される少なくとも１つの構造を有することを特徴とする導波路型光デバイス。
【請求項４】
コアおよびクラッドを含む埋め込み型光導波路からなる導波路型光デバイスにおいて、前記コアまたは前記クラッドが下記式（II）
【化５】
2005037841.tif 000029
で表される塩フッ素化ポリイミドあるいはその共重合体から構成され、前記コアと前記クラッドとの屈折率差が０．２〜１．５％であり、および直線、曲線、分岐、交差およびスラブからなる群から選択される少なくとも１つの構造を有することを特徴とする導波路型光デバイス。
【請求項５】
コアおよびクラッドを含む埋め込み型光導波路からなる導波路型光デバイスにおいて、前記コアまたは前記クラッドが下記式（III）
【化６】
2005037841.tif 000030
で表される全フッ素化ポリイミドあるいはその共重合体から構成され、前記コアと前記クラッドとの屈折率差が０．２〜１．５％であり、および直線、曲線、分岐、交差およびスラブからなる群から選択される少なくとも１つの構造を有することを特徴とする導波路型光デバイス。
【請求項６】
コアおよびクラッドを含む埋め込み型光導波路からなる導波路型光デバイスにおいて、前記コアまたは前記クラッドが下記式（IV）
【化７】
2005037841.tif 000031
で表される塩フッ素化コポリイミドから構成され、前記コアと前記クラッドとの屈折率差が０．２〜１．５％であり、および直線、曲線、分岐、交差およびスラブからなる群から選択される少なくとも１つの構造を有することを特徴とする導波路型光デバイス。
【請求項７】
コアおよびクラッドを含む埋め込み型光導波路からなる導波路型光デバイスにおいて、前記コアまたは前記クラッドが下記式（Ｖ）
【化８】
2005037841.tif 000032
で表される塩フッ素化コポリイミドから構成され、前記コアと前記クラッドとの屈折率差が０．２〜１．５％であり、および直線、曲線、分岐、交差およびスラブからなる群から選択される少なくとも１つの構造を有することを特徴とする導波路型光デバイス。
【請求項８】
コアおよびクラッドを含む埋め込み型光導波路からなる導波路型光デバイスにおいて、前記クラッドが化学式（III）
【化９】
2005037841.tif 000033
で表される全フッ素化ポリイミドから構成され、前記コアが化学式（Ｉ）
【化１０】
2005037841.tif 000034
で表される塩フッ素化ポリイミド、または式（IV）
【化１１】
2005037841.tif 000035
で表される塩フッ素化コポリイミドから構成され、前記コアと前記クラッドとの屈折率差が０．２〜１．５％であり、および直線、曲線、分岐、交差およびスラブからなる群から選択される少なくとも１つの構造を有することを特徴とする導波路型光デバイス。
【請求項９】
該導波路型光デバイスが、少なくとも１つのＹ分岐導波路からなる１×Ｎ（Ｎは２以上の整数である）あるいはＮ×Ｍ（ＮおよびＭは１以上の整数である）スプリッタであることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の導波路型光デバイス。
【請求項１０】
該導波路型光デバイスが、方向性結合器、あるいは複数の方向性結合器からなるマッハツェンダー干渉計を含むことを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の導波路型光デバイス。
【請求項１１】
該導波路型光デバイスがアレイ導波路回折格子型合分波器であることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の導波路型光デバイス。
【請求項１２】
前記クラッド上の前記コアに対応する位置に、通電加熱を行うための抵抗体薄膜からなるヒータをさらに含むことを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の導波路型光デバイス。
【請求項１３】
該導波路型光デバイスが、少なくとも１つのＹ分岐導波路からなる１×Ｎ（Ｎは２以上の整数である）あるいはＮ×Ｍ（ＮおよびＭは１以上の整数である）スプリッタ、方向性結合器、および複数の方向性結合器からなるマッハツェンダー干渉計からなる群から選択される構造を含み、光スイッチとして機能することを特徴とする請求項１２に記載の導波路型光デバイス。
【請求項１４】
該導波路型光デバイスがアレイ導波路回折格子型合分波器であり、該導波路型光デバイスを透過する光の波長を制御する機能を有することを特徴とする請求項１２に記載の導波路型光デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、近赤外領域で光損失の少ない導波路型光デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
光通信システムの高度化に向けて、導波路型光デバイスの研究開発が盛んに進められている。なかでも、光導波路は高密度光配線、導波路型光デバイス実現ヘの基本技術として注目されている。光通信システムにおいて利用される光は主に近赤外領域の光であり、波長１．３μｍ帯ならびに１．５５μｍ帯が主流である。最近においては、さらに長波長の波長帯での利用が検討されており、前述の２つの波長帯に加えて、１．６５μｍ帯の利用も進みつつある。
【０００３】
一般的に、光導波路には、作製の容易性、低損失性、耐熱性等さまざまな条件が要求される。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、その光導波路は波長１．３μｍおよび１．５５μｍで０．１ｄＢ／ｃｍ以下の低光損失を示す。また、１．６５μｍにおいても同様の低損失性を示す。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、汎用性に優れた波導波路型光デバイスは得にくい。
【０００４】
一方、ポリマー光導波路はスピンコ―ト法を用いて４００℃以下の温度で形成できるため、石英系光導波路と比較して製造設備費用が低価格になる。また、作製が容易であるため製造プロセスが短縮できることにより製造費用も低価格になる。さら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ＴＯ効果を利用した導波路光デバイスへの応用が特に有望である。
【０００５】
一般的に、ポリマー材料を近赤外域（０．８〜２．５μｍ）での適用を目的とした光導波路に用いる場合、石英系の材料と比較してまず問題となるのは大きな光損失である。ポリマーにおける損失原因には大きく分けて光の散乱と光の吸収の２つがあるが、光通信に用いられる波長の広帯域化が進行するにつれ、後者の原因による損失が支配的となる。つまり、分子構造に本質的な振動吸収による損失が支配的となり、ポリマー光学材料の光導波特性（特に１．３μｍ〜１．６μｍ帯）に大きな制約をもたらすことになる。特にポリメチルメタアクリレート（ＰＭＭＡ）やポリスチレン（ＰＳ）のように、分子鎖内に炭素−水素結合（Ｃ−Ｈ結合）を有するものは、高調波の吸収強度が減衰しにくいこともあって、近赤外域において大きな光損失を示す。このＣ−Ｈ結合に起因する高調波を小さくし、かつ長波長側ヘシフトさせるために、分子鎖内の水素を重水素（Ｄ）あるいはフッ索（Ｆ）で置換することが試みられており、ＰＭＭＡやＰＳ中の水素を重水素あるいはフッ素で置換した材料による導波路作製がこれまでに行われている。しかし、これらのポリマー光学材料は、例えば基板上での光電子集積回路（ＯＥＩＣ）作製に必要な耐熱性（たとえば、２６０℃における安定性）を持たないため、光電子集積回路等に適用するには工程上の種々の工夫が必要である。
【０００６】
一方、ポリイミドは種々の有機ポリマーの中でも優れた耐熱性を有するため、航空宇宙分野から電子通信分野まで幅広く使われている。ポリイミドにフッ素を導入して光透過性を向上させ、これを光導波路とすることが試みられており（特許文献１参照）、実際に光導波路や導波路型光デバイスの作製も行われている（ＮＴＴアドバンステクノロジ株式会社、日本電信電話株式会社、日本航空電子工業株式会社、株式会社日立製作所、株式会社フジクラ等）。しかし、これまでに検討されたポリイミド光導波路は、分子鎖中にフェニル基のＣ−Ｈ結合を有するため、Ｃ−Ｈ結合の伸縮振動の高調波あるいはＣ−Ｈ結合の仲縮振動の高調波と変角振動の結合音が表われ、近赤外域にはなお大きな吸収損失が存在している。特に、ＦＴＴＨの実用化に向けて重要となる波長１．６５μｍには、Ｃ−Ｈ結合の伸縮振動吸収が存在し、これまで検討されてきたポリイミド光導波路は、１．６５μｍ帯で用いる導波路型光デバイス応用には適さない。そのため、高分子導波路デバイスにおいて、１．６５μｍ帯でも使用可能なデバイスは存在しなかった。これら状況のために、また低価格な光通信システムの普及のために、低価格で耐熱性があり、かつ１．６５μｍ帯でも使用できる高分子導波路型光デバイスの開発が望まれていた。
【０００７】
【特許文献１】特開平４−９８０７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
すなわち近赤外域を透過波長帯とした導波路型光デバイスを構成する材料として用いるポリイミド材料には、Ｃ−Ｈ結合の存在に基づく大きな光損失という問題があった。本発明はこのような現状に鑑みてなされたものであり、その目的は近赤外域、特に波長１．５５μｍ帯ならびに１．６５μｍ帯において光透過損失の極めて少ない導波路型光デバイスを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者等は、上記知見にもとづき、塩フッ素化ポリイミド（全部の水素を塩素またはフッ素により置換したポリイミド）あるいは全フッ素化ポリイミドの少なくとも１つを構成要素とする導波路デバイスを作製し、導波路材料とデバイス特性の関係を把握することにより本発明の完成に至った。
【００１０】
本発明の第１の発明の導波路型光デバイスは、コアおよびクラッドを含む埋め込み型光導波路からなる導波路型光デバイスにおいて、前記コアまたは前記クラッドが下記一般式（Ａ）
【００１１】
【化１】
2005037841.tif 000002
【００１２】
（式中、Ｘは四価の有機基を表し、Ｚは塩素、臭素またはヨウ素原子を表し、ｐは０〜３の整数であり、ｑは１〜４の整数であり、ｐ＋ｑは４である）
の構造を含むフッ素化ポリイミドまたはフッ素化コポリイミドから構成され、および直線、曲線、分岐、交差およびスラブからなる群から選択される少なくとも１つの構造を有することを特徴とする。
【００１３】
本発明の第２の発明の導波路型光デバイスは、コアおよびクラッドを含む埋め込み型光導波路からなる導波路型光デバイスにおいて、前記コアまたは前記クラッドが下記一般式（Ｂ）
【００１４】
【化２】
2005037841.tif 000003
【００１５】
［式中、Ｘ’は２価の有機基を表し、ＺおよびＺ’はそれぞれ独立して塩素、臭素またはヨウ素原子を表し、ｐおよびｐ’はそれぞれ独立して０〜３の整数であり、ｑおよびｑ’はそれぞれ独立して０〜３の整数であり、ｐ＋ｑおよびｐ’＋ｑ’は３であり、Ｘは、
【００１６】
【化３】
2005037841.tif 000004
【００１７】
（式中、Ｚ１およびＺ２は、それぞれ独立して塩素、臭素またはヨウ素原子を表し、ｒおよびｒ’はそれぞれ独立して０〜３の整数であり、ｓおよびｓ’はそれぞれ独立して１〜４の整数であり、ｒ＋ｓおよびｒ’＋ｓ’は４である）表される２価の有機基を表す］
の構造を含むフッ素化ポリイミドまたはフッ素化コポリイミドから構成され、および直線、曲線、分岐、交差およびスラブからなる群から選択される少なくとも１つの構造を有することを特徴とする。
【００１８】
本発明の第３の発明の導波路型光デバイスは、コアおよびクラッドを含む埋め込み型光導波路からなる導波路型光デバイスにおいて、前記コアまたは前記クラッドが下記式（Ｉ）
【００１９】
【化４】
2005037841.tif 000005
【００２０】
で表される塩フッ素化ポリイミドあるいはその共重合体から構成され、前記コアと前記クラッドとの屈折率差が０．２〜１．５％であり、および直線、曲線、分岐、交差およびスラブからなる群から選択される少なくとも１つの構造を有することを特徴とする。
【００２１】
本発明の第４の発明の導波路型光デバイスは、コアおよびクラッドを含む埋め込み型光導波路からなる導波路型光デバイスにおいて、前記コアまたは前記クラッドが下記式（II）
【００２２】
【化５】
2005037841.tif 000006
【００２３】
で表される塩フッ素化ポリイミドあるいはその共重合体から構成され、前記コアと前記クラッドとの屈折率差が０．２〜１．５％であり、および直線、曲線、分岐、交差およびスラブからなる群から選択される少なくとも１つの構造を有することを特徴とする。
【００２４】
本発明の第５の発明の導波路型光デバイスは、コアおよびクラッドを含む埋め込み型光導波路からなる導波路型光デバイスにおいて、前記コアまたは前記クラッドが下記式（III）
【００２５】
【化６】
2005037841.tif 000007
【００２６】
で表される全フッ素化ポリイミドあるいはその共重合体から構成され、前記コアと前記クラッドとの屈折率差が０．２〜１．５％であり、および直線、曲線、分岐、交差およびスラブからなる群から選択される少なくとも１つの構造を有することを特徴とする。
【００２７】
本発明の第６の発明の導波路型光デバイスは、コアおよびクラッドを含む埋め込み型光導波路からなる導波路型光デバイスにおいて、前記コアまたは前記クラッドが下記式（IV）
【００２８】
【化７】
2005037841.tif 000008
【００２９】
で表される塩フッ素化コポリイミドから構成され、前記コアと前記クラッドとの屈折率差が０．２〜１．５％であり、および直線、曲線、分岐、交差およびスラブからなる群から選択される少なくとも１つの構造を有することを特徴とする導波路型光デバイス。
【００３０】
本発明の第７の発明の導波路型光デバイスは、コアおよびクラッドを含む埋め込み型光導波路からなる導波路型光デバイスにおいて、前記コアまたは前記クラッドが下記式（Ｖ）
【００３１】
【化８】
2005037841.tif 000009
【００３２】
で表される塩フッ素化コポリイミドから構成され、前記コアと前記クラッドとの屈折率差が０．２〜１．５％であり、および直線、曲線、分岐、交差およびスラブからなる群から選択される少なくとも１つの構造を有することを特徴とする導波路型光デバイス。
【００３３】
本発明の第８の発明の導波路型光デバイスは、コアおよびクラッドを含む埋め込み型光導波路からなる導波路型光デバイスにおいて、前記クラッドが化学式（III）
【００３４】
【化９】
2005037841.tif 000010
【００３５】
で表される全フッ素化ポリイミドから構成され、前記コアが化学式（Ｉ）
【００３６】
【化１０】
2005037841.tif 000011
【００３７】
で表される塩フッ素化ポリイミド、または式（IV）
【００３８】
【化１１】
2005037841.tif 000012
【００３９】
で表される塩フッ素化コポリイミドと全フッ素化ポリイミドとの共重合体から構成され、前記コアと前記クラッドとの屈折率差が０．２〜１．５％であり、および直線、曲線、分岐、交差およびスラブからなる群から選択される少なくとも１つの構造を有することを特徴とする。
【００４０】
本発明の第９の発明の導波路型光デバイスは、少なくとも１つのＹ分岐導波路からなる１×Ｎ（Ｎは２以上の整数である）あるいはＮ×Ｍ（ＮおよびＭは１以上の整数である）スプリッタであることを特徴とする本発明の第１〜第８の発明の導波路型光デバイスである。
【００４１】
本発明の第１０の発明の導波路型光デバイスは、方向性結合器、あるいは複数の方向性結合器からなるマッハツェンダー干渉計を含むことを特徴とする本発明の第１〜第８の発明の導波路型光デバイスである。
【００４２】
本発明の第１１の発明の導波路型光デバイスは、アレイ導波路回折格子型合分波器であることを特徴とする本発明の第１〜第８の発明の導波路型光デバイスである。
【００４３】
本発明の第１２の発明の導波路型光デバイスは、通電加熱を行うための抵抗体薄膜からなる熱光学位相シフタあるいはヒータをさらに含むことを特徴とする本発明の第１〜第９の発明の導波路型光デバイスである。
【００４４】
本発明の第１３の発明の導波路型光デバイスは、少なくとも１つのＹ分岐導波路からなる１×Ｎ（Ｎは２以上の整数である）あるいはＮ×Ｍ（ＮおよびＭは１以上の整数である）スプリッタ、方向性結合器、および複数の方向性結合器からなるマッハツェンダー干渉計からなる群から選択される構造を含み、光スイッチとして機能することを特徴とする本発明の第１２の発明の導波路型光デバイスである。
【００４５】
本発明の第１４の発明の導波路型光デバイスは、アレイ導波路回折格子型合分波器であり、該導波路型光デバイスを透過する光の波長を制御する機能を有することを特徴とする本発明の第１２の発明の導波路型光デバイスである。
【発明の効果】
【００４６】
本発明によれば、塩フッ素化ポリイミドまたは全フッ素化ポリイミドを用いて高分子導波路を形成することにより、近赤外領域、特に波長１．５５μｍ帯ならびに１．６５μｍ帯において低損失であり、かつ耐熱性に優れた導波路型光デバイスを初めて提供できる。また、これらの結果として、光通信における使用波長領域の拡大に対応できる、すなわち波長１．６５μｍでの使用も可能とする、経済性、汎用性に優れる導波路型光デバイスが製造できるようになった。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４７】
本発明者らは、塩フッ素化ポリイミドあるいは全フッ素化ポリイミド材料を用いることにより、近赤外領域での透明性および耐熱性の両方に優れている導波路材料が得られる可能性を見出した。具体的には、種々の分子構造を有する塩フッ素化ポリイミドならびに全フッ素化ポリイミド材料を合成し、屈折率制御性および光損失など導波路特性を評価した。
【００４８】
本発明の光導波路のコアまたはクラッドの材料として好ましいフッ素化ポリイミドは、以下の一般式（Ａ）または式（Ｂ）の化合物である。
【００４９】
【化１２】
2005037841.tif 000013
【００５０】
式中、Ｘは四価の有機基を表し、Ｚは塩素、臭素またはヨウ素原子を表し、ｐは０〜３の整数であり、ｑは１〜４の整数であり、ｐ＋ｑは４である；
【００５１】
【化１３】
2005037841.tif 000014
【００５２】
式中、Ｘ’は２価の有機基を表し、ＺおよびＺ’はそれぞれ独立して塩素、臭素またはヨウ素原子を表し、ｐおよびｐ’はそれぞれ独立して０〜３の整数であり、ｑおよびｑ’はそれぞれ独立して０〜３の整数であり、ｐ＋ｑおよびｐ’＋ｑ’は３であり、Ｘは、以下の式のいずれかで表される２価の有機基を表す；
【００５３】
【化１４】
2005037841.tif 000015
【００５４】
式中、Ｚ１およびＺ２は、それぞれ独立して塩素、臭素またはヨウ素原子を表し、ｒおよびｒ’はそれぞれ独立して０〜３の整数であり、ｓおよびｓ’はそれぞれ独立して１〜４の整数であり、ｒ＋ｓおよびｒ’＋ｓ’は４である。
【００５５】
上記フッ素化ポリイミドの中でも、本発明の光導波路のコアまたはクラッドの材料として好ましい塩フッ素化ポリイミドは、以下の式（Ｉ）および式（II）の化合物である。
【００５６】
【化１５】
2005037841.tif 000016
【００５７】
上記フッ素化ポリイミドの中でも、本発明の光導波路のコアまたはクラッドの材料として好ましい全フッ素化ポリイミドは、以下の式（III）の化合物である。
【００５８】
【化１６】
2005037841.tif 000017
【００５９】
あるいはまた、本発明の光導波路のコアまたはクラッドの材料として、式（Ｉ）〜式（III）の化合物の共重合体を用いてもよい。好ましい共重合体は、式（Ｉ）と式（III）の構造を有するコポリイミド（IV）、および式（II）と式（III）の構造を有するコポリイミド（Ｖ）である。
【００６０】
【化１７】
2005037841.tif 000018
【００６１】
本発明のより望ましい光導波路は、クラッドを式（III）の全フッ素化ポリイミドから構成し、コアを式（Ｉ）の塩フッ素化ポリイミドまたは式（IV）の塩フッ素化コポリイミドから構成したものである。
【００６２】
本発明の塩フッ素化ポリイミドおよび全フッ素化ポリイミドは、分子内にＣ−Ｈ結合を持たないため、光通信に用いられる１．３μｍ帯、１．５５μｍ帯、および１．６５μｍ帯における光吸収を持たず、光損失の少ない光導波路を作製する上で好適な材料である。
【００６３】
本発明では全フッ素化ポリイミドのフッ素を他のハロゲンに変えることにより、屈折率差の制御範囲を広くできる。これによって、曲線を有する導波路を作製するのに充分な光学特性を有する材料が得られ、低損失の導波路型光デバイスを作製することができる。
【００６４】
本発明の塩フッ素化ポリイミドおよび全フッ素化ポリイミドは、当該技術において通常知られている任意の方法で形成することができる。たとえば、適切な溶媒中でテトラカルボン酸の二無水物を当量のジアミンと反応させ、ポリアミド酸溶液を形成し、該溶液を基板上に塗布し、その後に加熱してポリイミド化を行うことが可能である。用いることができる溶媒は、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド（ＤＭＦ）、Ｎ，Ｎ−ジメチルアセトアミド（ＤＭＡｃ）、γ−ブチロラクトンなどを含む。ポリアミド酸溶液の塗布は、スピンコート法、ディップコート法、ロールコート法、ナイフコート法、キャスト法などの当該技術において知られている任意の方法を用いて実施することができる。
【００６５】
ポリイミド化のための加熱には、通常、２５０℃〜４００℃、好ましくは３００℃〜３８０℃の範囲内の温度が用いられる。また、コポリイミドを形成する場合には、テトラカルボン酸の二無水物の混合物、および／またはジアミンの混合物を用い、該二無水物の総モル数と該ジアミンの総モル数を適切な範囲に制御すればよい。
【００６６】
上記のように形成したポリイミドの層を、ＲＩＥなどのドライエッチングを用いて所望の形状のコアまたはクラッドを形成してもよい。あるいはまた、金型などを用いてあらかじめポリアミド酸溶液を所望の部分のみに塗布して、所望の形状のコアまたはクラッドを形成してもよい。さらに、スタンパ法、直接描画法のような高分子導波路作製方法として当該技術において知られている任意の技術を用いて、所望の形状のコアおよびクラッドを形成して、光導波路を得ることができる。
【００６７】
一般に、近赤外領域の波長を利用した光通信においてはシングルモード（ＳＭ）導波路デバイスが使用される。ＳＭ導波路においては、導波路のコア層はクラッド層よりも高い屈折率を必要とし、その屈折率差Δｎ［（コア層屈折率−クラッド層屈折率）／（コア層屈折率）］として、０．２〜１．５％程度を必要とする。したがって、導波路材料としては、少なくとも屈折率が異なる２種類以上の材料が必要である。前述の本発明のポリイミド材料の場合は、式（III）の塩フッ素化ポリイミドをクラッドに用い、式（II）の塩フッ素化ポリイミドをコアに用いるとΔｎ＝１．５％が得られる。
【００６８】
また、導波路のコア層ならびにクラッド層は後述するように積層された構造になっている。したがって、導波路材料としては、導波路作製過程、特にコア／クラッド積層過程において、インターミキシングなどによりコア／クラッド界面が乱れないような材料特牲を有することが望まれる。本発明の埋め込み型光導波路は、下部クラッド層、コア層、上部クラッド層を順次形成することにより形成される。それら各層を前述の方法において形成すると、加熱してポリイミド化した材料は不溶不融化し、その上に塗布されるポリアミド酸溶液にはもはや溶解しないので、本発明のポリイミド材料は、インターミキシング等によってコア／クラッド界面が乱れることはない。
【００６９】
複数の塩フッ素化ポリイミドならびに全フッ素化ポリイミド導波路材料を用いて、各種の導波路デバイスを作製した。一般に導波路デバイスは、その構造の一部に直線、曲線、分岐、交差などの構造を有する。そして、直線導波路において優れた光損失特性を示した導波路材料が、必ずしも優れたデバイス特性を与えるとは限らない。たとえば、直線導波路で優れた光損失を示す導波路材料であっても、曲線部を含む導波路では曲線部で光放散があり、大きな光損失を示すことはしばしば観察されることである。したがって、実際に導波路デバイスを作製し、その特性を評価し、その結果にもとづき、コアおよびクラッドの屈折率等の材料特性、ならびに導波路作製工程を調整・改善することが実用的な導波路デバイスを開発する上で極めて重要である。本発明のポリイミド導波路材料の場合には、材料中に含まれるフッ素および塩素の量を制御することにより、屈折率差の制御範囲を広くすることができ、それによって、各種の構造を有する導波路デバイスに最適の屈折率差を有するコアおよびクラッド材料を形成することができる。
【００７０】
本発明においては、高分子材料中で最も高い耐熱性を有するポリイミドを、導波路型光デバイスを構成する光導波路のコア層もしくはクラッド層のいずれか、あるいはそれら両方に用いることを特徴とする。ポリイミドの耐熱温度は３００℃以上であり、電子材料として重要な特性であるハンダ耐熱性は十分に保持している。さらにスピンコート法により、容易に大面積導波路が作製できるという利点を持ち、導波路の低価格化が可能である。またポリイミド導波路の作製温度は通常４００℃以下であるため、石英基板、シリコン基板以外にポリイミドなどすでに電気配線基板として使用されている汎用の基板上にも作製できるという利点を有している。
【実施例】
【００７１】
以下、図面を用いて本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されない。なお、本実施例では基板にシリコンを用いているが、他の材料を用いてもよいことはいうまでもない。例えば、基板材料としてはＡｌやステンレス等の金属、ポリイミド等の耐熱性高分子、インジウムリン、ガリウム砒素、窒化ガリウム等の半導体、硝子等の無機物を用いることができる。
【００７２】
（実施例１）
本実施例においては、図１に示す方法に基づいて、図２に示す１×８スプリッタを形成した。最初に、シリコン基板１１１上に下記構造式
【００７３】
【化１８】
2005037841.tif 000019
【００７４】
で示されるポリアミド酸の１５質量％ＤＭＡｃ溶液をスピンコートした後、オーブン中３５０℃で１時間加熱しイミド化を行い、式（III）で示される全フッ素化ポリイミドからなる下部クラッド層１１２を形成した。次に、下部クラッド層上に下記構造式
【００７５】
【化１９】
2005037841.tif 000020
【００７６】
で示されるポリアミド酸の１５質量％ＤＭＡｃ溶液をスピンコートした後、オーブン中３５０℃で１時間加熱しイミド化を行い、式（Ｉ）で示されるポリイミドからなるコア層１１３を形成した。加熱イミド化の後に、コア層は８μｍの膜厚を有した。次に、コア層１１３上ヘフォトレジストをスピンコートした後、Ｙ分岐型導波路７個からなる１×８スプリッタのＣｒマスクパターンをフォトリソグラフ法によってレジストに転写させた。次に、フォトレジストの現像を行う事により、コア層１１３上ヘ１×８スプリッタのマスクパターン１１４を形成した。マスクパターン１１４が形成されたコア層１１３に対して、ＲＩＥ法を用いてエッチングを行い、１×８スプリッタのコアパターン１１５を形成した。次にコアパターン１１５、下部クラッド層１１２上に、下部クラッド層１１２と同じポリイミドの前駆体であるポリアミド酸のＤＭＡｃ１５ｗｔ％溶液をスピンコートし、オーブン中３５０℃で１時間加熱しイミド化を行い、下部クラッド層と同じ屈折率を持つ上部クラッド層を形成した。このような方法によって、フッ素化ポリイミドによる１×８スプリッタ１１７が形成された。コア−クラッド屈折率差は、１．５％であった。
【００７７】
作製した１×８スプリッタ１１７の光学特性を測定した。波長１．５５μｍの光２０２を入力ポート２０３から入射したところ、光は８個のポートに分岐し、それぞれの出力ポート２０４から出射された、この挿入損失をＬＤとパワーメータを用いて測定した結果、波長１．５５μｍで１０．４ｄＢ以下であり、従来の部分フッ素化化ポリイミド光導波路を用いて作製した１×８スプリッタの値より小さくなった。さらに、従来の部分フッ素化ポリイミド光導波路では損失の大きかった、波長１．６５μｍでの挿入損失も１０．４ｄＢ以下であり、実用化が可能な１×８スプリッタが作製できた。すなわち、従来の部分フッ素化ポリイミド光導波路を用いて作製した１×８スプリッタ（比較例１）の値よりも小さくなった。
【００７８】
本実施例では、Ｙ分岐導波路７個を用いた１×８スプリッタを例としたが、Ｙ分岐導波路の個数が異なる１×２、１×４、……１×Ｎ（Ｎは１以上の整数）スプリッタとしても、あるいは、Ｎ個の入力ポートを設け、導波路が交差構造を有するＮ×Ｍ（ＮおよびＭは１以上の整数）スプリッタとしても効果が同じなことは言うまでもない。
【００７９】
（比較例１）
クラッド材料として式（VI）の構造の部分フッ素化ポリイミドを用い、コア材料として式（VII）
【００８０】
【化２０】
2005037841.tif 000021
【００８１】
の構造の部分フッ素化ポリイミドを用いたことを除いて、実施例１と同様の方法で１×８スプリッタを作製した。コア−クラッド屈折率差は、０．７％であった。実施例１と同様の方法で光学特性を測定したところ１．５５μｍにおける挿入損失は１２ｄＢ以上であった。１．６５μｍにおける挿入損失は３０ｄＢ以上であった。
【００８２】
（実施例２）
クラッド材料として下式（VI）
【００８３】
【化２１】
2005037841.tif 000022
【００８４】
の構造のポリイミドを用い、コア材料として式（IV）の塩フッ素化コポリイミドを用いたことを除いて、実施例１と同様の方法で１×８スプリッタを作製した。コア−クラッド屈折率差は、０．７％であった。得られた１×８スプリッタの光学特性を、実施例１と同様の方法で測定したところ、１．５５μｍおよび１．６５μｍの光の両方に関して、挿入損失は全てのポートにおいて１０．０ｄＢ以下であり、従来の部分フッ素化ポリイミド光導波路を用いて作製した１×８スプリッタ（比較例１）の値よりも小さくなった。
【００８５】
（実施例３）
コア材料として式（II）の構造の塩フッ素化ポリイミドを用いたことを除いて、実施例１と同様の方法で１×８スプリッタを作製した。コア−クラッド屈折率差は、１．５％であった。得られた１×８スプリッタの光学特性を、実施例１と同様の方法で測定したところ、１．５５μｍおよび１．６５μｍの光の両方に関して、挿入損失は全てのポートにおいて１０．０ｄＢ以下であり、従来の部分フッ素化ポリイミド光導波路を用いて作製した１×８スプリッタ（比較例１）の値よりも小さくなった。
【００８６】
（実施例４）
クラッド材料として式（IV）の構造の塩フッ素化コポリイミドを用い、コア材料として式（Ｖ）の塩フッ素化コポリイミドを用いたことを除いて、実施例１と同様の方法で１×８スプリッタを作製した。コア−クラッド屈折率差は、０．８％であった。得られた１×８スプリッタの光学特性を、実施例１と同様の方法で測定したところ、１．５５μｍおよび１．６５μｍの光の両方に関して、挿入損失は全てのポートにおいて１０．０ｄＢ以下であり、従来の部分フッ素化ポリイミド光導波路を用いて作製した１×８スプリッタ（比較例１）の値よりも小さくなった。
【００８７】
（実施例５）
１×８スプリッタのＣｒマスクパターンに代えて、方向性結合器のＣｒマスクパターンを用いたことを除いて、実施例１と同様のプロセスを用いて、図３に示す方向性結合器を作製した。入力ポート３０１から光を入力し、出力ポート３０２、３０３からの出射光を測定した。波長１．５５μｍの光に関して、得られた方向性結合器は、９９％以上の結合率（出力ポート３０３における光強度／出力ポート３０２における光強度）および１．５ｄＢの挿入損失（接続損失を含む）を示し、優れた光学特性を有した。また、波長１．６５μｍの光に関しても、９９％以上の結合率および１．５ｄＢの挿入損失（接続損失を含む）を示し、本実施例の方向性結合器は優れた特性を有するものである。
これらの特性は、従来の部分フッ素化ポリイミド光導波路を用いて得られる方向性結合器よりも優れたものであった。
【００８８】
本実施例では、方向性結合器の結果を示したが、図４に示すような、複数の方向性結合器を組み合わせたマッハツェンダー干渉計（（ａ）：対称型、（ｂ）：非対称型）とした場合でも、効果は全く同じであることは言うまでもない。
【００８９】
（実施例６）
本実施例においては、図５に示すアレイ導波路回折格子型合分波器５０５を形成した。アレイ導波路回折格子型合分波器５０５は、複数の入力導波路５０１、複数の出力導波路５０２、２つのスラブ導波路５０３、および複数の異なる光路長を有する導波路からなるアレイ導波路５０４を具備する。複数の入力導波路５０１のそれぞれに入力された光は、入力側のスラブ導波路５０３においてビーム径が拡大し、アレイ導波路５０４の複数の導波路に入射する（明瞭性を維持するために、図５においては、中央の入力導波路５０１から入力された光のビーム径の拡大のみを示した）。アレイ導波路５０４に入力した光は、異なる光路長を有する複数の導波路を通るので、出力側のスラブ導波路５０３において干渉を起こし、複数の出力導波路５０２のそれぞれには、それぞれに対応した波長成分の光が出力される（明瞭性を維持するために、図５においては、中央および両端の出力導波路５０２から出力される光のみを示した）。
【００９０】
最初に、シリコン基板上に下記構造式（IV'）
【００９１】
【化２２】
2005037841.tif 000023
【００９２】
で示されるポリアミド酸の１５質量％ＤＭＡｃ溶液をスピンコートした後、オーブン中３５０℃で１時間加熱しイミド化を行い、式（IV）で示される全フッ素化ポリイミドからなる下部クラッド層を形成した。次に、下部クラッド層上に下記構造式
【００９３】
【化２３】
2005037841.tif 000024
【００９４】
で示されるポリアミド酸の１５質量％ＤＭＡｃ溶液をスピンコートした後、オーブン中３５０℃で１時間加熱しイミド化を行い、式（Ｖ）で示されるポリイミドからなるコア層を形成した。加熱イミド化の後に、コア層は８μｍの膜厚を有した。次に、コア層上ヘフォトレジストをスピンコートした後、アレイ導波路回折格子型合分波器のＣｒマスクパターンをフォトリソグラフ法によってレジストに転写させた。次に、フォトレジストの現像を行う事により、コア層上ヘアレイ導波路回折格子型合分波器のマスクパターンを形成した。マスクパターンが形成されたコア層に対して、ＲＩＥ法を用いてエッチングを行い、入力導波路５０１、出力導波路５０２、スラブ導波路５０３およびアレイ導波路５０４のコアパターンを形成した。次にコアパターンおよび下部クラッド層上に、下部クラッド層１１２と同じポリイミドの前駆体であるポリアミド酸のＤＭＡｃ１５ｗｔ％溶液をスピンコートし、オーブン中３５０℃で１時間加熱しイミド化を行い、下部クラッド層と同じ屈折率を持つ上部クラッド層を形成した。このような方法によって、フッ素化ポリイミドによるアレイ導波路回折格子型合分波器が形成された。コア−クラッド屈折率差は、０．８％であった。
【００９５】
波長１．５５μｍの光に対するこのアレイ導波路回折格子型合分波器の挿入損失は５ｄＢ以下であり、従来の部分フッ素化ポリイミド光導波路を用いて作製したアレイ導波路回折格子型合分波器の値より小さくなった。
【００９６】
なお、本実施例では、１つの入力導波路に光を入射させ、複数の出力導波路から波長の異なる光出力を得る、いわゆる１×Ｎ型のアレイ導波路回折格子型合分波器について説明したが、複数の入力導波路に光を入射させる、いわゆるＮ×Ｍ型のアレイ導波路回折格子型合分波器についても、全く同じ効果を奏することはいうまでもない（ここで、ＮおよびＭは１以上の整数である）。
【００９７】
（実施例７）
本実施例においては、図６に示すＹ分岐型熱工学（ＴＯ）スイッチの作製工程に基づいて、図７に示すＹ分岐型Ｔ０スイッチを作製した。基板６０１、クラッド６０２およびコア６０３を有する１×８スプリッタ６１１を、実施例１と同様の方法で作製した。クラッド６０２上に加熱用電極とするＴｉ金属膜６０４をスパッタにより形成した。このＴｉ金属膜へフォトレジストをスピンコートした後、加熱用電極のマスクパターンをフォトリソグラフ法によってフォトレジストに転写させて、レジストパターン６０５を形成した。レジストパターン６０５は、スプリッタ６１１の各Ｙ分岐部に相当する位置に配置した。最後に、レジストパターン６０５をマスクとしＴｉ金属膜６０４のエッチングを行い、抵抗体薄膜である加熱用電極６０６を形成し、レジストパターン６０５を除去した。このような方法により、本発明のフッ素化ポリイミド光導波路によるＹ分岐型ＴＯスイッチを作製した。なお、本実施例においてはＴｉを用いたが、抵抗体薄膜として使用でき、パターニングが可能であることが当該技術において知られている、Ａｌ、Ｃｒなどの金属、ニッケルクロムのような合金、あるいはセラミックスなどの材料を用いて加熱用電極６０６を形成することが可能である。
【００９８】
図７に示すＹ分岐型ＴＯスイッチは、ヒータ加熱のない場合にはスプリッタとして機能し、加熱用電極７０２に対して電流を印加することにより対応する部分のポリイミドを加熱してその屈折率を変化させ、光の界分布を制御して伝搬光を目的の出力ポートに結合させ、複数の出力ポートを出力する光の強度を制御することが可能となる。したがって、複数の加熱用電極のいずれに電流を流すかによって、入力ポート７０１から入射する光を、複数の出力ポート７０３のいずれから出力するかを制御することが可能となる。
【００９９】
このスイッチの特性測定を行った結果、スイッチング時間は４ｍｓ、スイッチング電力は１００ｍＷであった。本発明のフッ素化ポリイミドが有する石英の１０倍以上の大きな熱光学定数の効果により、スイッチング電力は石英製の１／１０以下であり、本実施例のＴＯスイッチが低電力かつ高速の光スイッチとして動作することがわかった。加えて、波長１．５５μｍにおけるスイッチング時の挿入損失は１．２ｄＢであり、従来の部分フッ素化ポリイミド光導波路を用いて作製したＹ分岐型Ｔ０スイッチ（比較例２）の値より小さくなった。さらに、波長１．６５μｍでの挿入損失も１．２ｄＢであり、従来の部分フッ素化ポリイミド光導波路を用いて作製したＹ分岐型Ｔ０スイッチでは適用困難な波長の光もスイッチングが可能になった。
【０１００】
また、本実施例では、Ｙ分岐導波路７個を用いた１×８ＴＯスイッチを例としたが、Ｙ分岐導波路の個数が異なる１×２、１×４、……１×Ｎ（Ｎは２以上の整数）スプリッタとしても、あるいは、Ｎ個の入力ポートを設け、導波路が交差構造を有するＮ×Ｍ（ＮおよびＭは１以上の整数）ＴＯスイッチとしても効果が同じなことは言うまでもない。
【０１０１】
（比較例２）
クラッド材料として式（VI）の構造の部分フッ素化ポリイミドを用い、コア材料として式（VII）の構造の部分フッ素化ポリイミドを用いたことを除いて、実施例６と同様の方法でＹ分岐型ＴＯスイッチを作製した。コア−クラッド屈折率差は、０．７％であった。実施例６と同様の方法で光学特牲を測定したところ、波長１．６５μｍにおけるスイッチング時の挿入損失は３０ｄＢ以上であった。また、１．６５μｍにおける挿入損失は３０ｄＢ以上であった。
【０１０２】
（実施例８）
マスクパターンを対称型マッハツェンダー干渉計に相当するものに変更したことを除いて、実施例５と同様の方法でマッハツェンダー干渉計を作製した。レジストパターンを変更したことを除いて実施例７と同様の方法を用いて、クラッド上にＴｉ加熱用電極を作製し、マッハツェンダー干渉計ＴＯスイッチを作製した。加熱用電極は、マッハツェンダー干渉計の２つの光路の一方のコアに相当する位置に作製した。本実施例のマッハツェンダー干渉計ＴＯスイッチは、加熱用電極に対して電流を流すことによって、対応する部分のポリイミドを加熱してその屈折率すなわち光路長を変化させ、伝搬光の位相をシフトさせて、出口側カップラにおける干渉状態を制御して出力ポートを切り替えている。
【０１０３】
このスイッチの特性測定を行った結果、スイッチング電力は１０ｍＷであった。このスイッチング電力は石英製の１／１００以下であり、作製したＴＯスイッチが低電力かつ高速の光スイッチとして動作することがわかった。波長１．５５μｍにおけるスイッチング時の挿入損失は１．２ｄＢであり、従来の部分フッ素化ポリイミド光導波路を用いて作製したマッハツェンダー干渉計ＴＯスイッチの値より小さくなった。
【０１０４】
（実施例９）
実施例６と同様の方法で作製したアレイ導波路回折格子型合分波器上へ、レジストパターンを変更したことを除いて実施例７と同様の方法でＴｉ加熱用電極を作製し、波長可変型アレイ導波路回折格子型合分波器を作製した。加熱用電極は、アレイ導波路５０４を覆う位置に一体で形成した。この加熱用電極に電流を流すことにより、アレイ導波路を構成するポリイミドを加熱してその屈折率すなわち光路長を変化させ、透過波長を制御することが可能となる。
【０１０５】
この波長可変型アレイ導波路回折格子型合分波器の特性測定を行った結果、このアレイ導波路回折格子型合分波器は、波長１．５５μｍの光に対する挿入損失は５ｄＢ以下であり、従来の部分フッ素化ポリイミド光導波路を用いて作製した波長可変型アレイ導波路回折格子型合分波器の値より小さくなった。また、この波長可変型アレイ導波路回折格子型合分波器は、アレイ導波路部分を１００℃に加熱した際に、中心波長のシフト量が１０ｎｍ以上の大きな値を示した。これは、石英よりも１０倍以上大きい、本発明のフッ素化ポリイミドの熱光学定数に起因するものである。
【図面の簡単な説明】
【０１０６】
【図１】フッ素化ポリイミドによる１×８スプリッタの作製工程を示す図である。
【図２】１×Ｎスプリッタの模式図である。
【図３】方向性結合器の模式図である。
【図４】マッハツェンダー干渉計の模式図であり、（ａ）は対称型マッハツェンダー干渉計を示し、（ｂ）は非対称型マッハツェンダー干渉計を示す図である。
【図５】アレイ導波路回折格子型合分波器の模式図である。
【図６】分岐型ＴＯスイッチの模式図である。
【図７】分岐型ＴＯスイッチの作製工程を示す図である。
【符号の説明】
【０１０７】
１１１  シリコン基板
１１２  下部クラッド層
１１３  コア層
１１４、６０５  マスクパターン
１１５  コアパターン
１１６  上部クラッド層
１１７、２０１、６１１  １×８スプリッタ
２０２  入射光
２０３、３０１、５０１，７０１  入力ポート
２０４、３０２、３０３、５０２，７０３  出力ポート
４０１  方向性結合器
５０３  スラブ導波路
５０４  アレイ導波路
５０５  アレイ導波路型回折格子合分波器
６０１  基板
６０２  クラッド
６０３  コア
６０４  金属膜
６０５  レジストパターン
６０６、７０２  加熱用電極
【図１】
2005037841.tif 000037
【図２】
2005037841.tif 000038
【図３】
2005037841.tif 000039
【図４】
2005037841.tif 000040
【図５】
2005037841.tif 000041
【図６】
2005037841.tif 000042
【図７】
2005037841.tif 000043