JP2005241812A - フィルタ付き光導波路 - Google Patents

Abstract

【課題】誘電体多層膜フィルタを光路内に有する樹脂光導波路において、温度変化、高温下における保存により分波特性、損失への影響が少ない、低損失で高品質な信頼性を兼ね備えた光導波路を提供する。
【解決手段】誘電体多層膜フィルタを光路内に有する樹脂光導波路において、フィルタを挟む光導波路および光導波路基板を共に樹脂材料にて構成し、光導波路の樹脂材料と光導波路基板の樹脂材料の熱膨張率差が２０ｐｐｍ／Ｋ以下であること。
【選択図】図１

Description

本発明は、光信号の合分波に使用される誘電体多層膜フィルタを有する低損失で高品質な樹脂光導波路に関するものである。

光通信において、光導波路中の伝搬光の波長成分や偏光成分を選択分離したり、あるいは不要な波長の光や偏光成分を除去するには、誘電体多層膜フィルタが用いられている。誘電体多層膜フィルタの設置方法としては、光導波路パターンを形成後、光導波路を横断する溝を設けて、その溝に誘電体多層膜フィルタを挿入し、接着剤で固定する方法が採られている。

また、光導波路デバイスの普及には低価格化と量産化が要望されており、樹脂製光導波路がその有力な候補として開発されている。 光導波路用の樹脂材料としては、フッ素化ポリイミド樹脂、全フッ素化ポリイミド樹脂、フッ素化アクリル樹脂、重水素化ポリシロキサン樹脂、フッ素化エポキシ樹脂、全フッ素化脂環式樹脂、シリコーン樹脂等が用いられ、近赤外の光通信波長帯域である１．３〜１．５ミクロン帯での透明性を確保するために、Ｃ−Ｈ結合をＣ−Ｄ結合やＣ−Ｆ結合に置換した樹脂材料が用いられている。なかでも、フッ素化ポリイミド樹脂は近赤外領域での透過特性がすぐれており、そのうえ、最も耐熱性が高く、強度も確保できるところから、樹脂光導波路材料としては最も適している。

従来、上述の光導波路用の樹脂材料を用いた誘電体多層膜フィルタを光路内に有する光導波路の作製においては、光導波路基板にはシリコンなど無機材料が使用されてきた。（特許文献１参照）
しかしながら、光導波路用の材料が樹脂であり、光導波路基板が無機材料という組み合わせにて作製した誘電体多層膜フィルタを光路内に有する光導波路は、温度変化、高温下における保存により分波特性、光損失が悪化・変動し、さらには接合部にクラックが発生するという問題が発生し、長期信頼性に欠け、実用に供することができないという問題があった。
また、基板材料にシリコンやポリイミドを使用することが記載されたものもある（特許文献２）が、熱膨張率に関する記載もポリイミド基板を使用する優位性に関する記載はなかった。
特開平１１−２９５５３９号公報 特開２００２−２４３６９０号公報

本発明は、誘電体多層膜フィルタを光路内に有する樹脂光導波路において、温度変化、高温下における保存により分波特性、損失への影響が少ない、低損失で高品質な信頼性を兼ね備えた光導波路を提供することを課題とする。

誘電体多層膜フィルタを光路内に有する樹脂光導波路において、フィルタを挟む光導波路および光導波路基板を共に樹脂にて構成することにより、温度変化、高温下における保存により分波特性、損失への影響が少ない、低損失で高品質な信頼性を兼ね備えた樹脂導波路を製造できる。光導波路基板材料にはフッ素化ポリイミド樹脂、全フッ素化ポリイミド樹脂、重水素化ポリシロキサン樹脂、フッ素化エポキシ樹脂、シリコーン樹脂などが使用できる。

以下、本発明について詳述する。

光導波路用基板にシリコン、石英ガラスなどの無機材料を使用し、光導波路用材料に樹脂を使用して作製した誘電体多層膜フィルタを光路内に有する光導波路は、温度変化、高温下における保存により分波特性、光損失が悪化・変動し、さらには接合部にクラックが発生するという問題が発生し、長期信頼性に欠け、実用に供することができないという問題があった。この原因は光導波路基板であるシリコン、石英ガラス等の基板の熱膨張率と光導波路材料の樹脂の熱膨張率との差が大きく、温度変化、高温下での保存により応力が発生し、接着材で固定している誘電体多層膜フィルタにもこの応力が波及し、誘電体多層膜フィルタの本来の特性が反映されていないために生じていると考えられる。

樹脂導波路を実用に供するためには、信頼性の観点から、Telcordia規格の温度サイクル試験（−４０℃〜８５℃の範囲）等で特性変化が小さいこと、生じないことが好ましい。

発明者らはこの温度変化、高温下における保存により分波特性、光損失の悪化・変動を防ぐ方法を検討した結果、光導波路用の材料が樹脂であり、誘電体多層膜フィルタを光路内に有する樹脂光導波路においては光導波路基板には樹脂製のものを使用すること、すなわち、光導波路材料、光導波路基板を共に樹脂にて構成することにより、温度変化、高温下における保存により分波特性、光損失の悪化・変動を防ぐことが可能になることを見出したものである。

光導波路基板の樹脂材料としては、フッ素化ポリイミド樹脂、全フッ素化ポリイミド樹脂、重水素化ポリシロキサン樹脂、フッ素化エポキシ樹脂、シリコーン樹脂などが挙げられるが、中でも、フッ素化ポリイミド、全フッ素化ポリイミド樹脂がより好ましい。これは３００℃以上のガラス転移温度を持ち高い熱安定性を有すること、熱膨張率の制御が容易であり、樹脂導波路材の熱膨張率との整合化ができるためであり、さらには、通信波長帯域である近赤外領域での透過特性がすぐれており、この基板上に作製した光導波路の光損失も小さくなるためである。

シリコンおよび石英ガラスの熱膨張率は約１〜５ｐｐｍ／Ｋであり、これに対して、上述の光導波路用樹脂材料の熱膨張率は約６０〜８０ｐｐｍ／Ｋである。従来光導波路作製で用いられていたこれらの部材の熱膨張率差は約５５ｐｐｍ以上と非常に大きく、この部材の組み合わせで作製した光導波路は温度変化、高温下における保存により分波特性、光損失の悪化・変動を起こしやすかったと考えられる。

本発明は、光導波路の樹脂材料と光導波路基板の樹脂材料の熱膨張率を近似化することが重要であるが、両者の熱膨張率の差としては２０ｐｐｍ／Ｋ以下であって、より好ましくは１０ｐｐｍ／Ｋ以下である。２１ｐｐｍ／Ｋ以上では熱膨張率差が大きく、温度変化により分波特性、光損失の悪化・変動を起こし、不適当である。本発明で述べている熱膨張率とは、樹脂材料の場合には温度範囲が３０℃からガラス転移温度までの平均線膨張率のことであり、無機材料の場合には温度範囲が３０℃から３００℃までの平均線膨張率のことである。
以下、実施例により本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

〔実施例１〕
４インチのフッ素化ポリイミド基板を使用し、樹脂光導波路と誘電体多層膜フィルタから構成されるＷＤＭ（Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）素子を制作する。基板は厚さ０．５ｍｍ、直径１００ｍｍであり、熱膨張係数は８０ｐｐｍ／Ｋである。

光導波路に用いた樹脂はフッ素化ポリイミドであり、熱膨張係数は７０ｐｐｍ／Ｋ以上で８０ｐｐｍ／Ｋ以下である。この基板に、クラッド用のフッ素化ポリアミド酸ワニスをスピンコーティング装置により塗布した後、不活性雰囲気に保持したオーブンを用いて焼成して下部クラッド層を１５ミクロン成膜し、次にコア用フッ素化ポリアミド酸ワニスをスピンコーティング装置により塗布した後、不活性雰囲気に保持したオーブンを用いて焼成し、コア層を７ミクロン成膜した。使用したコア層は屈折率が（１．５１）であり、コア−クラッドの比屈折率差は０．３３％とした。このコア層上にマスク層としてシリコンをマグネトロンスパッタにより０．５ミクロン成膜した。このマスク層上にはさらにレジスト層を成膜し、ＷＤＭのコアパターンをフォトマスクを用い、アライナによって露光し、パターニングされたレジスト層を形成した。

次にレジスト層に保護されていないマスク層のシリコンをＲＩＥ装置を用いて、ＣＦ_４ガスを流入させながらエッチングした。引き続いてＯ_２ガスを流入させてマスク層のシリコンに保護されていないコア層部分をエッチングにより除去し、次に、基板をフッ酸を含有する剥離液に浸漬し、マスク層を除去した。さらに下部クラッドと同種のフッ素化ポリイミド樹脂をスピンコーティング装置により塗布した後、不活性雰囲気に保持したオーブンを用いて焼成して、厚さ１８ミクロンの上部クラッド層を形成した。ＷＤＭのチップのサイズは幅４ｍｍ×長さ１０ｍｍである。コアのサイズは７×７μｍである。ダイサーによりフィルタ挿入のための溝をＹ分岐部分に作製し、ＵＶ硬化型接着剤を用いてフィルタを固定した。

図１に作製したＷＤＭの概略を示す。導波路１より入力された光波長１．４９μｍの光は誘電体多層膜フィルタ４を透過し、導波路３に出力される。また、導波路１より入力された光波長１．３μｍの光は誘電体多層膜フィルタ４により反射され、導波路２に出力される。

作製したＷＤＭの光学特性評価は恒温恒湿器（エスペック製）を使用した温度サイクル試験（−４０℃〜８５℃、５００サイクル実施）前後において測定は２２℃で実施した。

測定結果を表１に示す。

本例では、温度サイクルにおいても光特性の悪化、変動は小さく、実用に供せる良好な光学特性を示した。また、温度サイクル５００回後においても誘電体多層膜フィルタを接着剤で固定している溝部分にクラックの発生は認められなかった。
＜比較例１＞
実施例１と同様な方法で、４インチシリコン基板上に樹脂光導波路と誘電体多層膜フィルタから構成されるＷＤＭ（Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）素子を作製した。

実施例１と同様に温度サイクル試験（−４０℃〜８５℃、５００サイクル実施）前後において作製したＷＤＭの光学特性を測定した。

測定結果を表２に示す。

本例では、温度変化サイクルにおいて光特性の悪化、変動は大きく、実用に供せる良好な光学特性を示さなかった。また、温度サイクル５００回後において、誘電体多層膜フィルタを接着剤で固定している溝部分にクラックの発生が認められた。

図１は、実施例におけるＷＤＭの概略図である。

符号の説明

１、２、３ 光導波路
４ 多層膜フィルタ

Claims (4)

1. 誘電体多層膜フィルタを光路内に有する光導波路において、フィルタを挟む光導波路および光導波路基板がともに樹脂から構成され、光導波路の樹脂材料と光導波路基板の樹脂材料の熱膨張率差が２０ｐｐｍ／Ｋ以下であることを特徴とする光導波路。
2. 光導波路用樹脂および光導波路基板用樹脂が共にフッ素化ポリイミド樹脂であることを特徴とする、請求項１に記載の光導波路。
3. 光導波路用樹脂基板の材料がフッ素化ポリイミド樹脂、全フッ素化ポリイミド樹脂、重水素化ポリシロキサン樹脂、フッ素化エポキシ樹脂、シリコーン樹脂のいずれかであることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載した光導波路。
4. 請求項１、請求項２、請求項３のいずれかに記載の光導波路を含む光デバイス。