JP2000028837A - 光学素子およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 密集して形成される光導波路間のクロストー
クを低減する。 【解決手段】 高分子材料からなるコア４ｐと、これを
包囲する高分子材料からなるクラッド６からなる個々の
光導波路の光入射端および光出射端を除く部位を、光吸
収層８で包囲する。ある光導波路から散乱光が放射され
ても、この光は光吸収層８で吸収されるので、他の光導
波路に結合されることがない。クラッド６はコアの上下
を挟む下部クラッド層３ｐと上部クラッド層５ｐとを一
括的にパターニングすることで形成され、光吸収層８
は、このクラッド６の上下を挟む下部光吸収層２と上部
光吸収層７とにより構成される。伝搬光として近赤外波
長域の半導体レーザ光を想定した場合、コア４ｐとクラ
ッド６は鎖状有機高分子、光吸収層８は環状有機高分子
を主体とする材料によりそれぞれ構成できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は高分子材料からなる
光導波路およびその製造方法に関し、特に高集積化時の
クロストークを低減可能な構造とこれを容易に達成する
技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＩＣ技術やＬＳＩ技術の進歩によりこれ
らの動作速度や集積規模が向上し、マイクロプロセッサ
にの高性能化やメモリ・チップの大容量化が急速に進展
している。このような状況下では、信号配線の高速・高
密度化や電気配線遅延が上記高性能化のネックとなって
いる。この問題を解消し得る技術として、光インターコ
ネクション（光配線）が注目されている。光配線は、機
器装置間、機器装置内のボード間、ボード内のチップ間
等、様々なレベルで適用可能と考えられているが、たと
えばチップ間のように比較的短距離の信号伝送には光導
波路を伝送路とする光伝送通信システムが有効であり、
この光導波路の作成プロセスの確立が急務となってい
る。

【０００３】光導波路に要求される条件としては、透明
性が高く導波損失が少ないこと、屈折率や体積の経時変
化が少ないこと、発光・受光素子のはんだ実装を考慮し
て耐熱性に優れること、が挙げられる。これらの条件を
満たす材料として、従来より石英が知られている。石英
の光学的性能については既に光ファイバーで実証済みで
あり、光導波路を作製した場合にも０．１ｄＢ／ｃｍ以
下の低損失化が達成されている。しかし、石英では光導
波路の作製に長時間を要すること、作製時に８００℃以
上の高温プロセスを要すること、大面積化が困難である
こと、コストが高い等の問題点がある。そこで近年、低
温プロセスによる光導波路の作製が可能な材料として、
ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリイミド等
の高分子材料が提案されている。

【０００４】ここで、高分子材料を用いた光導波路の作
製プロセスについて図７ないし図９を参照しながら説明
する。まず、図７に示されるように、シリコンやガラス
等の材料からなる基板３１上に、たとえばスピンコート
および熱処理により下部クラッド層３２、および該下部
クラッド層３２よりも屈折率の高いコア層３３をこの順
に積層する。次に、図８に示されるように上記コア層３
３をパターニングし、コア３３ｐ（添字ｐはパターニン
グされた層であることを表す。以下同様。）を形成す
る。このパターニングは、たとえば図示されないレジス
ト・パターンをマスクとするドライエッチングにより行
われる。

【０００５】次に、図９に示されるように、たとえばス
ピンコートおよび熱処理により形成される上部クラッド
層３４で、基体の全面を平坦に被覆する。この上部クラ
ッド層３４は下部クラッド層３２と同じ材料からなり、
該下部クラッド層３２と共働してコア３３ｐを取り囲む
クラッド３５を構成するものである。かかる光導波路は
基板に垂直な方向に積層することもできる。図１０には
一例として、図９の基体の上にさらにコア４３ｐ、クラ
ッド４５、コア５３ｐ、クラッド５５を順次積層した３
層構造の光学素子を示した。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、近年の電子
機器においては小型軽量化を図るために、様々な素子を
共通基板上に混載してパッケージ化したＭＣＭ（マルチ
チップ・モジュール）が搭載されるようになっている。
このようなモジュールにおけるＬＳＩ間の信号伝送に光
配線を適用する場合、面積の限られた共通基板上で配線
を引き回す必要から、図１１に示されるように途中でコ
ア３３ｐを屈曲させ、光の進行方向を変える必要が多分
に生ずる。しかし、屈曲部３６においてはたとえば光の
伝搬モードの不整合に起因する散乱が起こり、伝送損失
が生ずる場合がある。複数の光導波路が近接して形成さ
れたマルチチャネル回路では、ある光導波路から漏れた
光が迷光となって光学素子内を伝搬し、他の光導波路に
結合してクロストークの発生原因となったり、自身の光
伝送系に雑音を発生させて誤動作の原因となることがあ
る。

【０００７】また、単純な直線型の光導波路においても
散乱その他の原因による光の放射は少なからず存在し、
たとえば前掲の図１０のように基板に対して垂直な方向
に複数の光導波路が積層されているような場合には、上
下の光導波路間で結合が生ずる可能性がある。そこで本
発明は、高分子材料からなる光導波路を有する光学素子
を高集積化させた場合にも、迷光による誤動作や雑音を
防止可能な構造を有する光学素子と、これを簡便に製造
するための方法を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の光学素子は、上
述の目的を達成するために提案されるものであり、基板
上に形成された個々の光導波路の光入射端および光出射
端を除く部位が光吸収層で包囲された構造を有するもの
である。この光導波路のコア部とクラッド部は、共に高
分子材料からなるものである。かかる光学素子の製造方
法においては、クラッド部はコア部を上下から挟む２層
のクラッド層を一括してパターニングすることにより形
成され、光吸収層はこのクラッド部をさらに上下から２
層で挟むように形成される。したがって、プロセスの順
序としては、基板上に下部光吸収層と、高分子材料から
なる下部クラッド層と、該下部クラッド層よりも高い屈
折率を有する高分子材料からなるコア層とをこの順に積
層し、次にコア層をパターニングして少なくとも１本の
コア部を形成し、次に基体の全面を被覆するごとく、前
記下部クラッド層と等しい屈折率を奏する高分子材料か
らなる上部クラッド層を形成し、次に上部クラッド層と
前記下部クラッド層とを一括的にパターニングすること
により、前記コア部を包囲するクラッド部を形成し、最
後に基体の全面被覆するごとく、上部光吸収層を形成す
る。

【０００９】

【発明の実施の形態】本発明の光学素子の一構成例を図
５に示す。ここでは、基板１上に所定の間隔をもって光
導波路が配列されている。個々の光導波路は、相対的に
高い屈折率を有する高分子材料からなるコア４ｐと、相
対的に低い屈折率を有する高分子材料からなり該コア４
ｐを包囲するクラッド６とからなる。このクラッド６
は、構造上は下部クラッド層３ｐと上部クラッド層５ｐ
とに分けて形成されたものである。上記クラッド６は、
さらに光吸収層８に包囲されている。この光吸収層８
も、構造上は下部光吸収層２と上部光吸収層７とに分け
て形成されたものである。かかる構成においては、隣接
する光導波路はすべて光吸収層８により隔てられている
ので、仮にある光導波路から光が漏れても、この光が同
一平面内の他の光導波路へ結合することを防止できる。

【００１０】本発明の光学素子の他の構成例を図６に示
す。これは、光導波路を基板１に対して垂直な方向に積
層したものである。すなわち、前掲の図５に示した光学
素子の上において、２層目のクラッド１６に包囲された
２層目のコア１４ｐからなる光導波路が２層目の光吸収
層１８に包囲された状態で存在し、さらにその上に３層
目のクラッド２６に包囲された３層目のコア２４ｐから
なる光導波路が３層目の光吸収層２８に包囲された状態
で存在する。２層目のクラッド２６は構造上は下部クラ
ッド層１３ｐと上部クラッド層１５ｐとに分けて形成さ
れたものであり、３層目のクラッド２６も同様に下部ク
ラッド層２３ｐと上部クラッド２５ｐとに分けて形成さ
れたものである。なお、図６では２層目以降の光吸収層
１８，２８が単独層として形成されているが、上下に隣
接する光導波路間の距離をより大きく確保したい場合に
は、下部光吸収層２に相当する層を２層目のクラッド１
６および３層目のクラッド２６の下にそれぞれ挿入して
もよい。かかる構成においては、上下左右に隣接する光
導波路はすべて光吸収層８により隔てらるので、仮にあ
る光導波路から光が漏れても、この光が３次元空間内の
他の光導波路へ結合することを防止できる。

【００１１】本発明で用いられる光吸収層は、光導波路
に伝搬させようとする光の波長に吸収極大を有し、十分
な吸収能を発揮する厚さを有し、かつ光導波路の製造プ
ロセスに熱処理が含まれる場合には、所望の耐熱性を備
えたものであれば、いかなるものであっても構わない。
したがって、たとえば可視光を伝搬される光導波路であ
れば、この可視光を吸収し得る色素や顔料を分散させた
層であっても構わない。ただし、本発明では光導波路を
構成するコア部とクラッド部とがいずれも高分子材料を
用いて構成されるので、低温プロセスによる製造が可能
というメリットを活かすためには、光吸収層も高分子材
料により構成されることがより一層効果的である。

【００１２】しかも実用上重要な光として近赤外波長域
の半導体レーザ光を想定すると、分子構造に起因する電
子吸収スペクトルを考慮して、コア部とクラッド部は鎖
状有機高分子を主体とする高分子材料を用いて構成し、
光吸収層は環状有機高分子を主体とする高分子材料を用
いて構成することが特に好適である。かかる鎖状有機高
分子材料としては、フッ素樹脂、アクリル系樹脂または
エポキシ系樹脂を例示することができ、また環状有機高
分子としてはポリイミド系樹脂を挙げることができる。

【００１３】光吸収層は前述のごとく、下部光吸収層と
上部光吸収層とに分けて形成するが、これら各層はラミ
ネート法、キャスティング法、あるいはスピンコート法
により形成することができる。ラミネート法とは、予め
フィルム状に形成された層を基体の表面に圧接させる方
法であり、基体の表面凹凸がそれほど大きくない場合に
有効である。キャスティング法とは、金型のキャビティ
内に流動化状態の高分子材料を注入した後、硬化させる
方法であるが、専用の金型が必要な上、装置も高価であ
る。これに対し、回転するステージの上に基体を載置
し、その中央部に流動化状態の高分子材料を滴下して遠
心力により基体の表面にこれを均一に広げるスピンコー
ト法は、基体表面の平坦化特性に優れ、しかも使用する
装置が比較的安価であり、本発明において特に有効な方
法である。このスピンコート法は、光吸収層の形成のみ
ならず、下部クラッド層、コア層、および上部クラッド
層の形成に適用してもよい。なお、下部光吸収層と上部
光吸収層とは異なる材料により構成されるものであって
も構わない。

【００１４】スピンコート法により形成された光吸収層
やコア層やクラッド層は、必要に応じて熱、紫外光、Ｘ
線、電子線、イオン・ビーム等のエネルギ線を照射する
ことにより硬化させることができる。各層の硬化方法は
なるべく共通化することが、プロセスの容易化およびか
つ各層の信頼性確保の観点から望ましい。本発明では、
コア層のパターニング、および上部光吸収層を積層する
前のクラッド層のパターニングが行われるが、これらの
パターニングはマスクを介したウェットエッチングやド
ライエッチング、あるいはスパッタエッチングにより行
うことができる。さらに、コア層やクラッド層自身が感
光性を備えている場合には、フォトマスクを介した選択
露光と現像処理を行うことにより、不要部を溶解除去す
るようにしてもよい。

【００１５】

【実施例】以下、本発明の光学素子の製造方法の具体例
について、図１ないし図５を参照しながら説明する。図
１は、基板１上に下部光吸収層２、下部クラッド層３、
およびコア層４を順次積層した状態を示している上記基
板１としてはガラス基板を使用した。下部光吸収層２
は、スピンコート法により形成されたポリイミド系樹脂
の塗膜を熱硬化させて形成され、厚さはたとえば約５０
μｍである。下部クラッド層３は、スピンコート法によ
り形成された紫外線硬化樹脂（屈折率ｎ₂ ＝１．５１）
の塗膜を紫外線照射により硬化させて形成され、厚さは
たとえば約２０μｍである。コア層４は、スピンコート
法により形成された紫外線硬化樹脂（屈折率ｎ₁ ＝１．
５３）の塗膜を紫外線照射により硬化させて形成され、
厚さはたとえば約５０μｍである。

【００１６】次に、図２に示されるように、上記コア層
４をパターニングしてコア４ｐ（添字ｐはパターニング
された層であることを表す。以下同様。）を形成した。
このパターニングは、たとえば図示されないレジスト・
マスクを介したドライエッチングにより行い、コア４ｐ
の幅は約５０μｍ、隣接するコア４ｐ同士の間隔は１５
０μｍとした。上記のコア４ｐの寸法はマルチモード伝
搬を想定したものであるが、シングルモード伝搬用にこ
れより小さい寸法を選択しても、もちろん構わない。次
に、図３に示されるように、基体の全面を上部クラッド
層５で平坦化した。この上部クラッド層５は、先に形成
された下部クラッド層３と同様、スピンコート法により
形成された紫外線硬化樹脂（屈折率ｎ₂ ＝１．５１）の
塗膜を紫外線照射により硬化させて形成されたものであ
り、上部クラッド層５の直上における厚さはたとえば約
２０μｍである。

【００１７】次に、図４に示されるように、上部クラッ
ド層５と下部クラッド層３とを一括的にパターニング
し、コア４ｐを包囲するクラッド６を形成した。このパ
ターニングは、たとえば図示されないレジスト・マスク
を介したドライエッチングまたはダイシングにより行
い、コア４ｐの側面のクラッド６の厚さは約２０μｍ、
隣接するクラッド６同士の間隔は約６０μｍとした。次
に、図５に示されるように、基体の全面を上部光吸収層
７で平坦化した。この上部光吸収層７は、先に形成され
た下部光吸収層２と同様、スピンコート法により形成さ
れたポリイミド系樹脂の塗膜を熱硬化させて形成された
ものであり、該下部光吸収層２と共働してクラッド６を
包囲する光吸収層８を構成する。クラッド６の直上にお
ける上部光吸収層７の厚さは、約５０μｍとした。

【００１８】このようにして作製された光導波路に波長
λ＝８５０ｎｍの半導体レーザ光をコア４ｐの端面方向
から入射させたところ、伝搬損失はおおよそ０．１ｄＢ
／ｃｍであり、チャネル間クロストークも効果的に抑制
することができた。よって、本発明の有効性が確認され
た。

【００１９】以上、本発明の具体例について説明した
が、本発明はこれに何ら限定されるものではない。たと
えば、光学素子を構成する各部の材料，寸法，形状，形
成方法、光導波路の積層数等の細部については適宜変
更、選択、組合せが可能である。

【００２０】

【発明の効果】以上の説明からも明らかなように、本発
明の光学素子は個々の光導波路が光吸収層で包囲される
ため、密集して形成されたり、あるいは屈曲して形成さ
れた光導波路の一部から仮に光が漏れても、この迷光が
他の光導波路に結合されるおそれが著しく低減され、雑
音やクロストークを防止することが可能となる。また、
本発明の光学素子の製造方法は、かかる構造を容易に達
成し得るものであり、特に光吸収層を高分子材料にて構
成する場合には、光学素子の製造プロセス全般の低温化
が可能となる。本発明において迷光による誤動作や雑音
の低減が可能となることは、電子機器の高実装密度化の
間接的支援として重要な意味を持っており、その産業上
の価値は極めて大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の光学素子の製造プロセスについて、基
板上に下部光吸収層、下部クラッド層およびコア層をこ
の順に積層した状態を示す模式的断面図である。

【図２】図１のコア層をパターニングしてコアを形成し
た状態を示す模式的断面図である。

【図３】図２のコアを被覆して上部クラッド層を積層し
た状態を示す模式的断面図である。

【図４】図３の上部クラッド層と下部クラッド層とをパ
ターニングしてコアを包囲するクラッドを形成した状態
を示す模式的断面図である。

【図５】図４のクラッドを被覆して上部光吸収層を積層
した状態を示す模式的断面図である。

【図６】光吸収層に包囲された光導波路が基板に垂直な
方向に積層された状態を示す模式的断面図である。

【図７】従来の光学素子の製造プロセスにおいて、基板
上に下部クラッド層とコア層とをこの順に積層した状態
を示す模式的断面図である。

【図８】図７のコア層をパターニングしてコアを形成し
た状態を示す模式的断面図である。

【図９】図８のコアを被覆して上部クラッド層を積層し
た状態を示す模式的断面図である。

【図１０】光導波路が基板に垂直な方向に積層された状
態を示す模式的断面図である。

【図１１】光導波路の屈曲部において導波損失が発生す
る状態を概念的に示す模式図である。

【符号の説明】

１…基板 ２…下部光吸収層 ３，１３ｐ，２３ｐ…下
部クラッド層 ４…コア層 ４ｐ，１４ｐ，２４ｐ…コ
ア ５，１５ｐ，２５ｐ…上部クラッド層 ６，１６，
２６…クラッド ７…上部光吸収層 ８，１８，２８…
光吸収層

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 高分子材料からなるコア部がこれより屈
   折率の低い高分子材料からなるクラッド部に被覆されて
   なる光導波路を基板上に少なくとも１本有する光学素子
   であって、 前記光導波路の各々の光入射端および光出射端を除く部
   位が光吸収層に包囲されていることを特徴とする光学素
   子。
2. 【請求項２】 前記光吸収層が高分子材料からなること
   を特徴とする請求項１記載の光学素子。
3. 【請求項３】 前記コア部およびクラッド部を構成する
   高分子材料が鎖状有機高分子を主体とし、前記光吸収層
   を構成する高分子材料が環状有機高分子を主体とするこ
   とを特徴とする請求項２記載の光学素子。
4. 【請求項４】 前記鎖状有機高分子材料がフッ素樹脂、
   アクリル系樹脂またはエポキシ系樹脂の少なくともいず
   れかであり、前記環状有機高分子がポリイミド系樹脂で
   あることを特徴とする請求項３記載の光学素子。
5. 【請求項５】 基板上に下部光吸収層と、高分子材料か
   らなる下部クラッド層と、該下部クラッド層よりも高い
   屈折率を有する高分子材料からなるコア層とをこの順に
   積層する第１工程と、 前記コア層をパターニングして少なくとも１本のコア部
   を形成する第２工程と、 基体の全面を被覆するごとく、前記下部クラッド層と等
   しい屈折率を有する高分子材料からなる上部クラッド層
   を形成する第３工程と、 前記上部クラッド層と前記下部クラッド層とを一括的に
   パターニングすることにより、前記コア部を包囲するク
   ラッド部を形成する第４工程と、 基体の全面を被覆するごとく、上部光吸収層を形成する
   第５工程とを有することを特徴とする光学素子の製造方
   法。
6. 【請求項６】 前記下部光吸収層と前記上部光吸収層と
   をスピンコート法により形成することを特徴とする請求
   項５記載の光学素子の製造方法。
7. 【請求項７】 前記下部クラッド層、前記コア層、およ
   び前記上部クラッド層の少なくともいずれかをスピンコ
   ート法により形成することを特徴とする請求項５記載の
   光学素子の製造方法。