JP2003315580A - ポリマー光導波路及びこれを用いた光波長フィルタ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 熱膨張が少ないポリマー光導波路及びこれを
用いた温度依存性の小さい光波長フィルタを実現するこ
と。 【解決手段】 コア層１１と、該コア層１１を包み込む
クラッド層１２，１３とを有するポリマー光導波路の外
側に、接着層１６，１７を介して熱膨張係数が前記クラ
ッド層１２，１３と逆符号である熱膨張低減用の第２ク
ラッド層１４，１５を設けることにより、光導波路全体
としての熱膨張係数を小さくし、これによって熱膨張が
少ないポリマー光導波路を実現する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、熱膨張が少ないポ
リマー光導波路及びこれを用いた波長特性の温度依存性
が小さい光波長フィルタに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】ガラスやポリマーを材料にした光導波路
は、光通信システムの発展に伴ってその重要性を増して
いる。特に、波長分割多重方式（ＷＤＭ）のシステムで
使われるアレイ導波路格子（ＡＷＧ）フィルタや、光ネ
ットワークユニット（ＯＮＵ）に使われる光送受信モジ
ュール等に向けた光導波路の需要が高まっている。ま
た、交換機や計算機の内部にも光を使った並列光伝送シ
ステムの適用が検討されている。

【０００３】これら光導波路部品への需要が高まるにつ
れて、その低価格化への要求も高まっている。光導波路
の低価格化を目指して、材料にポリマーを採用するのは
有力な方策である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところが、一般に、ポ
リマーは耐熱性が低く、半田溶融温度で使えるポリマー
材料は限られている。また、ポリマー材料の熱膨張係数
は数十ｐｐｍ／℃のオーダー、即ち半導体や金属材料の
熱膨張係数の１０倍近い値であり、これらとの整合性が
良くない。

【０００５】特に、波長フィルタ等の光路長差等を利用
した光回路をポリマー材料で構成したポリマー光回路で
は、熱膨張係数が大きいため、屈折率の温度依存性が大
きく、光路長の温度依存性が大きくなる。これは、波長
フィルタの透過波長特性が温度によって変化するという
ことを意味する。このため、ポリマーからなる波長フィ
ルタは温度依存性が大きいという欠点があった。

【０００６】従来のポリマー光導波路の例を具体的に示
す。

【０００７】シリコン基板上に下記化学式１に示すポリ
イミドからなるクラッド層と、下記化学式１に示すポリ
イミド６部に対し下記化学式２に示すポリイミド４部の
割合のポリイミド共重合体からなるコア層とよりなる埋
込形光導波路でアレイ導波路格子形の光波長フィルタを
作製した。なお、前記ポリイミド共重合体の割合を表す
「部」は、各モノマーのモル数の割合を表している。

【０００８】シリコン基板から剥離した後、切断し、ペ
ルチェ式温度制御装置を備えた試料台に固定し、透過波
長特性及びその温度依存性を判定した。その結果、この
構成のポリイミド光導波路形光波長フィルタの透過ピー
ク波長の温度依存性は、−０．１５ｎｍ／℃であった。
石英ガラスで作製した場合の温度依存性は、約０．０１
ｎｍ／℃といわれているから、その１０倍以上もの大き
な値である。

【０００９】

【化１】

【００１０】

【化２】

【００１１】本発明の目的は、上述した諸課題を解決
し、熱膨張が少ないポリマー光導波路及びこれを用いた
波長特性の温度依存性が小さい光波長フィルタを提供す
ることにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、本発明では、コア層と、該コア層を包み込むクラッ
ド層とを有するポリマー光導波路に、前記クラッド層を
挟み込む熱膨張低減用の第２クラッド層の対を付加す
る。そして、前記第２クラッド層には、熱膨張係数が前
記クラッド層と逆符号となるポリマー材料を選択する。

【００１３】第２クラッド層用の材料として、該第２ク
ラッド層とコア層及びクラッド層との間で各々の熱膨張
係数の符号が正負逆であり、かつ熱膨張係数と厚みとヤ
ング率の積が略等しい絶対値となるポリマー、あるいは
ポリマー光導波路全体としての熱膨張係数が該ポリマー
光導波路と接する部材の熱膨張係数と等しくなるポリマ
ーを用いる。なお、必要に応じてクラッド層と第２クラ
ッド層との間に接着層を設ける。

【００１４】本発明によれば、クラッド層の外側に逆符
号の熱膨張係数を有する第２クラッド層を設けることに
より、ポリマー光導波路全体の熱膨張係数を低く抑えら
れる。

【００１５】一般に、積層体の熱膨張係数は、各構成要
素の熱膨張係数を、その厚みとヤング率の積で加重平均
した値で近似できる。従って、本発明のポリマー光導波
路において、第２クラッド層の熱膨張係数とその厚みと
そのヤング率の積が、コア層の熱膨張係数とその厚みと
そのヤング率の積と、クラッド層の熱膨張係数とその厚
みとそのヤング率の積との和に等しい絶対値となるよう
に設計すれば、全体の熱膨張係数は計算上、零になる。

【００１６】上記議論は、面内方向の熱膨張係数に限ら
れ、積層体の厚み方向ではむしろ大きくなることも考え
られる。しかしながら、この考えに基づけば、本発明の
ポリマー光導波路の熱膨張係数を、該ポリマー光導波路
が接続される周辺部材の熱膨張係数に少なくとも面内方
向で一致させることができるのは明らかである。面内方
向で熱膨張係数が一致すれば、周辺部材との接続の強度
・信頼性が向上する。

【００１７】上述した熱膨張係数の小さなポリマー光導
波路で光波長フィルタを構成した場合に、その透過ピー
ク波長の温度依存性が小さくなることを、アレイ導波路
格子（ＡＷＧ）を例にとって説明する。

【００１８】ＡＷＧを使った波長フィルタは、その透過
ピーク波長λが、 λ＝ｎｅ・Ｌ／ｍ ……（１） で表される。ここで、ｎｅは導波路の実効屈折率、Ｌは
各導波路の長さの差、ｍは干渉次数であり、ｎｅ・Ｌは
光路長差である。

【００１９】式１を温度Ｔで微分すると、 ｄλ／ｄＴ＝ λ・（１／ｎｅ・ｄｎｅ／ｄＴ＋α） ……（２） が得られる。ここで、α＝１／Ｌ・ｄＬ／ｄＴと置い
た。αは線膨張係数である。

【００２０】式２から、ＡＷＧの透過ピーク波長の温度
依存性を小さくするためには、導波路の実効屈折率の温
度依存係数と線膨張係数の和を小さくすれば良いことが
分かる。

【００２１】一方、ポリマーの屈折率ｎに関しては、ロ
ーレンツ・ローレンツの式 （ｎ²−１）／（ｎ²＋２）＝Ｒ／Ｖ ……（３） が成立することが知られている。但し、Ｒは原子屈折の
和、Ｖは分子容である。

【００２２】式３を変形すると、 ｎ²＝３Ｖ／（Ｖ−Ｒ）−２ ……（４） が得られる。

【００２３】原子屈折の和Ｒの温度依存性は小さいこと
が知られているので、式４を温度で微分して整理する
と、屈折率の温度依存性に関係する式５、即ち １／ｎ・ｄｎ／ｄＴ＝−３Ｒ／｛２・（Ｖ＋２Ｒ）・（Ｖ−Ｒ）｝ ・ｄＶ／ｄＴ ……（５） が得られる。ここで、原子屈折の和Ｒの温度依存性ｄＲ
／ｄＴ＝０と置いた。分子容Ｖは、長さＬの３乗の次元
を持つから、Ｖ＝Ｌ³とすると、 ｄＶ／ｄＴ＝３Ｖ・（１／Ｌ・ｄＬ／ｄＴ）＝３Ｖ・α ……（６） と書ける。

【００２４】式６を式５に代入すると、 １／ｎ・ｄｎ／ｄＴ＝−９ＶＲ／｛２・（Ｖ＋２Ｒ）・（Ｖ−Ｒ）｝・α ……（７） が得られる。

【００２５】即ち、屈折率の温度依存性は、線膨張係数
に比例すると考えられる。また、ＶとＲ、及びＶ−Ｒは
正の値であるから、線膨張係数αが大きいほど、屈折率
の温度依存性は負に大きいことが分かる。さらに、線膨
張係数αが零であれば、屈折率の温度依存性も零になる
ことが期待できる。

【００２６】式７に現れる屈折率温度依存性１／ｎ・ｄ
ｎ／ｄＴは材料の特性であり、式２に現れる導波路の実
効屈折率の温度依存性１／ｎｅ・ｄｎｅ／ｄＴと完全に
一致するものではないが、１／ｎ・ｄｎ／ｄＴが極めて
小さい場合は１／ｎｅ・ｄｎｅ／ｄＴも同様に小さいと
考えられる。

【００２７】即ち、ＡＷＧにおいて、透過ピーク波長の
温度依存性を零にするためには、導波路の実効屈折率の
温度依存係数と線膨張係数の和を零にすれば良い。ポリ
マーでは両者は逆符号であるが、ほとんどの場合、前者
が大きく、透過ピーク波長の温度依存性は負に大きいこ
とが知られている。一方、ローレンツ・ローレンツの式
から導かれる式７に基づいて線膨張係数を小さくするこ
とで屈折率の温度依存性も小さくし、ひいてはＡＷＧ透
過ピーク波長の温度依存性を小さくすることができると
期待できる。

【００２８】なお、クラッド層と第２クラッド層はその
熱膨張係数が大きく異なることから、剥離する場合があ
る。この場合、各層間に接着性を高める接着層を設ける
ことで、層間の剥離を防ぐことができる。接着層として
は、接着性の高いポリマーを形成してもいいし、界面を
粗化するなどにより、接着性を高めた層を形成しても良
い。

【００２９】フッ素化ポリイミドあるいはそれらの共重
合体は、高い耐熱性と光導波路としての透明性を維持し
たまま、上記の低熱膨張特性を実現する材料である。ま
た、一部のフッ素化ポリイミドは負の熱膨張係数を有し
ており、本発明に好適に使用できる。

【００３０】

【発明の実施の形態】［実施の形態１］図１、図２は本
発明のポリマー光導波路の第１の実施の形態を示すもの
で、図中、１は基板、１１はコア層、１２，１３はクラ
ッド層、１４，１５は第２クラッド層、１６，１７は接
着層である。

【００３１】シリコンウェーハ等の基板１上にポリイミ
ド用カップリング剤を塗布し、３００℃に３０分間保っ
て界面接着層（図示せず）を形成し、その上に、下記化
学式３で示されるポリイミドの前駆体を塗布し、加熱焼
成して５０μｍ厚の下部第２クラッド層１４を形成す
る。下部第２クラッド層１４の上に、前記化学式２で示
されるポリイミドの前駆体を塗布し、加熱焼成して厚み
が０．１μｍ以下の接着層１６を形成する。接着層１６
の上に、前記化学式１で示されるポリイミドの前駆体を
塗布し、加熱焼成し、１３μｍ厚の下部クラッド層１２
を形成する。

【００３２】下部クラッド層１２の上に、前記化学式１
で示すポリイミド６部に対し前記化学式２で示すポリイ
ミド４部の割合からなるポリイミド共重合体の前駆体を
塗布し、加熱焼成して１０μｍ厚のコア層１１を形成す
る。コア層１１は、必要に応じてフォトレジスト、反応
性イオンエッチングの手法によりリッジ構造あるいは平
面構造に加工される。ここで、用いたフォトマスクはＡ
ＷＧを形成するものであった。

【００３３】加工したコア層１１の上に、前記化学式１
で示されるポリイミドの前駆体を塗布し、加熱焼成して
１７μｍ厚の上部クラッド層１３を形成する。上部クラ
ッド層１３の上に、前記化学式２で示されるポリイミド
の前駆体を塗布し、加熱焼成して厚みが０．１μｍ以下
の接着層１７を形成する。接着層１７の上に、下記化学
式３で示されるポリイミドの前駆体を塗布し、加熱焼成
して５０μｍ厚の上部第２クラッド層１５を形成する。

【００３４】

【化３】

【００３５】用いた材料の熱膨張係数とヤング率を下記
表１に示す。コアに用いた共重合体の特性は、化学式１
で示されるポリイミド及び化学式２で示されるポリイミ
ドの特性と同じである。

【００３６】本実施の形態において、第２クラッド層の
熱膨張係数とその厚みとそのヤング率の積は、−８×５
０×２×４４１＝−０．３５（Ｋｇｆ／℃・ｍｍ）であ
り、コア層の熱膨張係数とその厚みとそのヤング率の積
と、クラッド層の熱膨張係数とその厚みとそのヤング率
の積との和６７×（１３＋１７＋１０／５）×１６４＝
０．３５（Ｋｇｆ／℃・ｍｍ）と、逆符号で絶対値が等
しい。

【００３７】ここで、コア層の厚みはコアの存在比が約
０．２であることを考慮して１０／５＝２μｍ相当とし
て計算し、また、接着層１６，１７についてはその厚み
を０．１μｍ以下と極めて薄く形成したので、その影響
を無視して計算した。即ち、本実施の形態の光導波路は
熱膨張係数が零になることを目標に作製した。

【００３８】作製した光導波路を基板１から剥離する
と、図２に示すようなフィルム光導波路１０が得られ
る。このフィルム光導波路１０において、ＴＭＡ（熱機
械分析）法により線熱膨張係数を測定したところ、３０
℃から３００℃で平均＋１ｐｐｍ／℃と極めて小さい値
であった。

【００３９】なお、剥離し易くなるが、クラッド層と第
２クラッド層との間の接着層を省略して、図３に示すよ
うなフィルム光導波路１０’として構成することもでき
る。

【００４０】

【表１】

【００４１】［実施の形態２］第１の実施の形態で作製
したフィルム光導波路をダイシングソーを使って所定の
位置で切断し、図４に示すようなフィルム光導波路ＡＷ
Ｇ１００として光導波特性を測定した。作製したＡＷＧ
は、光波長１．５５μｍ帯で分波特性を示し、そのフリ
ースペクトラルレンジはフォトマスクの設計通り、１
２．２ｎｍであった。また、出力ポート間の波長間隔も
同様に０．８ｎｍであった。また、透過損失は従来のポ
リイミド光導波路ＡＷＧと同等であった。なお、図４
中、１１１はアレイ導波路、１１２，１１３はスラブ導
波路、１１４は入射導波路、１１５は出射導波路であ
る。

【００４２】試料を温度制御装置に固定し、０．１℃の
精度で温度を変えながら分波特性を測定し、その温度依
存性を評価した。その結果、波長フィルタとしての透過
ピーク波長の温度依存性は、−０．０８ｎｍ／℃であっ
た。即ち、従来のポリイミド光導波路形光波長フィルタ
の透過ピーク波長の温度依存性−０．１５ｎｍ／℃の半
分程度の小さい値であった。

【００４３】［実施の形態３］第１の実施の形態と同様
の条件で作製したポリマー光導波路に１２５μｍ間隔で
直径３６μｍの金属電極２５個を蒸着法で形成し、同様
の金属電極を有するシリコンチップと該ポリマー光導波
路を半田バンプで接続した。用いた半田は金とスズの共
晶半田であった。

【００４４】半田バンプで接続した試料の接続強度を測
定するために、剪断強度試験を行ったところ、バンプ１
個あたり約５ｇｆの値であった。これは約５Ｋｇｆ／ｍ
ｍ²に相当し、ほぼシリコン同士を接続した場合の値と
同等である。なお、従来のポリイミド光導波路に同様に
シリコンチップの接続を試みたが、熱膨張係数の不一致
により接続はできなかった。

【００４５】

【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、コア
層とそれを囲むクラッド層からなるポリマー光導波路の
外側に、低熱膨張率の材料からなる第２クラッド層を設
け、第２クラッド層に用いる材料を、ポリマー光導波路
の熱膨張係数と逆符号の熱膨張係数の材料とすることよ
り、ポリマー光導波路全体としての熱膨張を少なくす
る、あるいは零にするという効果を奏する。そして、こ
れらのポリマー光導波路を光波長フィルタに適用すれ
ば、光波長フィルタの温度依存性を小さくする効果を奏
する。

【００４６】なお、この第２クラッド層の材料に、化学
式３に示されるポリイミドを用いてその膜厚を制御する
ことにより、ポリマー光導波路全体としての熱膨張係数
を光学用途でほぼ全ての周辺部材に一致させることがで
き、従って熱膨張率の差による歪み、反り、位置ずれな
どを抑制することができる。これにより光導波路の接続
の性能が向上するのみならず、信頼性も大きく向上する
という利点がある。また、第２クラッド層には光が導波
しないため、光導波路の損失を増大させることなく熱膨
張係数を制御できるという利点も大きい。

【００４７】これらの特徴により、熱膨張係数が逆符号
の第２クラッド層を設けたポリマー光導波路は、光実装
などの分野で実装精度と信頼性の向上をもたらし、ひい
てはその経済化に大きく貢献すると期待される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のポリマー光導波路の第１の実施の形態
を示す断面図

【図２】図１のポリマー光導波路を基板から剥離してフ
ィルム光導波路とした場合のようすを示す断面図

【図３】本発明のポリマー光導波路の第１の実施の形態
の変形例を示す図２と同様な断面図

【図４】本発明のポリマー光導波路の第２の実施の形態
を示す斜視図

【符号の説明】

１：基板、１０，１０’：フィルム光導波路、１１：コ
ア層、１２，１３：クラッド層、１４，１５：第２クラ
ッド層、１６，１７：接着層、１００：フィルム光導波
路ＡＷＧ、１１１：アレイ導波路、１１２，１１３：ス
ラブ導波路、１１４：入射光導波路、１１５：出射光導
波路。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 コア層と、該コア層を包み込むクラッド
   層とを有するポリマー光導波路において、 前記クラッド層を挟み込む熱膨張低減用の第２クラッド
   層の対を有し、該第２クラッド層の熱膨張係数が前記ク
   ラッド層と逆符号であることを特徴とするポリマー光導
   波路。
2. 【請求項２】 前記第２クラッド層の熱膨張係数とその
   厚みとそのヤング率の積の絶対値が、前記コア層の熱膨
   張係数とその厚みとそのヤング率の積と、前記クラッド
   層の熱膨張係数とその厚みとそのヤング率の積との和の
   絶対値に等しいことを特徴とする請求項１に記載のポリ
   マー光導波路。
3. 【請求項３】 前記クラッド層と前記第２クラッド層と
   の間に接着層があることを特徴とする請求項１または２
   に記載のポリマー光導波路。
4. 【請求項４】 請求項１乃至３のいずれかに記載のポリ
   マー光導波路を用いて構成したことを特徴とする光波長
   フィルタ。