(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
３層の高分子材料からなる光導波路であって、
前記高分子材料がポリイミド、ポリカーボネート、エポキシ樹脂、シアン酸エステル樹脂の何れかであり、
上層および下層の屈折率は中間層の屈折率より低くなっているとともに、
パルス幅が５００ｐ秒以下であって、且つ、集光点におけるピークパワー強度が１０３Ｗ／ｃｍ２以上であるレーザ光を、前記中間層のコアを形成させたい部分の両側に集光照射することにより、該集光点の軌跡に、屈折率が低下している屈折率変化領域が連続的に形成されており、
上層、下層および前記屈折率変化領域がクラッド層を、レーザ光を集光照射した間の部分がコアを形成してなることを特徴とする光導波路。
【請求項２】
高分子材料がポリイミドまたはシアン酸エステル樹脂である請求項１に記載の光導波路。
【請求項３】
高分子材料がフッ素を含有するポリイミドである請求項１または２に記載の光導波路。
【請求項４】
上層および下層の屈折率が中間層の屈折率より低くなっている３層の高分子材料であって、前記高分子材料がポリイミド、ポリカーボネート、エポキシ樹脂、シアン酸エステル樹脂の何れかであるものの中間層に、該中間層のコアを形成させたい部分の両側に集光点が走査されるように、パルス幅が５００ｐ秒以下であって、且つ、集光点におけるピークパワー強度が１０３Ｗ／ｃｍ２以上であるレーザ光を集光照射することにより、該集光点の軌跡に、屈折率が低下している屈折率変化領域を連続的に形成して、該屈折率変化領域と上層および下層とでクラッド層を形成することを特徴とする光導波路の作製方法。
【請求項５】
前記レーザ光の繰返し周波数が１０ＫＨｚ以上である請求項４に記載の光導波路の作製方法。
【請求項６】
前記レーザ光の集光照射を、高分子材料の内部で集光点を相対移動させることによって行い、連続したコア層を形成する請求項４または５に記載の光導波路の作製方法。
【請求項７】
レーザ光の集光点に対し高分子材料を連続的に移動させる請求項４または５に記載の光導波路の作製方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、レーザ照射によって３層構造の高分子材料の内部に屈折率変化領域が連続して形成される光導波路の作製方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年急速に関心の高まりつつある光通信において重要な光部品としては、光分岐結合器（光カプラ）、光合分波器、光アイソレータ、光ファイバーアンプ等があるが、最近では導波路型素子が有望視されている。現在のところ最も高性能で信頼性の高い受動型光導波路素子はガラス導波路であるが、製造工程に１０００℃以上の高温のプロセスを含む等、加工性に問題がある。そこで、レーザ光の集光照射により屈折率が変化した部分がガラス材料の内部に連続して形成されている光導波路が特開平９−３１１２３７に開示されているがガラスに導波路を作製するためフレキシビリティーが無かったり、割れやすい等の問題がある。そこで、ポリマー材料を用いて光導波路を作製するための検討が数多くなされている。
【０００３】
このなかでも、近赤外領域（１．２〜１．６μｍ）での光損失が小さい点、また、高耐熱性、低吸湿性等の優れた性質を備えている点で、含フッ素ポリイミド樹脂が光導波路用材料として脚光を浴びており、該含フッ素ポリイミド樹脂を用いた製造方法が種々提案されている（例えば、特開平２−２８１０３７号公報、特開平４−８７３４号公報、特開平４−９８０７号公報、特開平５−１６４９２９号公報および特開平６−５１１４６号公報等）。しかしながら、これらの方法では、何れも、導波路パターンのレリーフ構造を作製するのに、例えばポリイミド樹脂層の上に感光性樹脂でパターンを形成し、ＲＩＥ（リアクティブイオンエッチング）等でエッチングし、余分な感光性樹脂を剥離するという複雑な手法を用いている。このため、光導波路を作製するプロセスのステップ数が多くなり、製造コストや歩留りに悪影響を及ぼすという問題点を有している。
【０００４】
またレーザーの照射により高分子材料に光導波路を形成する方法としては特開平09-318831にはフォトポリマーを使用したレーザーによる光導波路作製が開示されている。しかしこの方法は光の照射により重合度が上昇して屈折率が変化するフォトポリマーを使用している為ポリマーに汎用性がない。また、ここで使用されるレーザーは、重合度を上昇させる程度のものが使用されるので、高分子材料に照射して屈折率を変化させることは困難である。一方、高分子にエキシマーレーザーなどを当てた場合、アブレーションとよばれる高分子の分解除去による加工法が特開平05-185269などに示されているが、当加工方法では屈折率を変化させて光導波路を作製することは困難である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
以上の従来技術の問題点を解決すべく、高分子材料に光導波路を簡便に作製する製造方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明にかかる光導波路は、その目的を達成するため、３層の高分子材料からなる光導波路であって、前記高分子材料がポリイミド、ポリカーボネート、エポキシ樹脂、シアン酸エステル樹脂の何れかであり、上層および下層の屈折率は中間層の屈折率より低くなっているとともに、パルス幅が５００ｐ秒以下であって、且つ、集光点におけるピークパワー強度が１０３Ｗ／ｃｍ２以上であるレーザ光を、前記中間層のコアを形成させたい部分の両側に集光照射することにより、該集光点の軌跡に、屈折率が低下している屈折率変化領域が連続的に形成されており、上層、下層および前記屈折率変化領域がクラッド層を、レーザ光を集光照射した間の部分がコアを形成してなることを特徴としている。
また、本発明にかかる光導波路において、前記高分子材料は、ポリイミドまたはシアン酸エステル樹脂であることがより好ましい。また、上記高分子材料が、ポリイミドである場合、該高分子材料はフッ素を含有するポリイミドであることが特に好ましい。
本発明にかかる光導波路の作製方法は、その目的を達成するため、上層および下層の屈折率が中間層の屈折率より低くなっている３層の高分子材料であって、前記高分子材料がポリイミド、ポリカーボネート、エポキシ樹脂、シアン酸エステル樹脂の何れかであるものの中間層に、該中間層のコアを形成させたい部分の両側に集光点が走査されるように、パルス幅が５００ｐ秒以下であって、且つ、集光点におけるピークパワー強度が１０３Ｗ／ｃｍ２以上であるレーザ光を集光照射することにより、該集光点の軌跡に、屈折率が低下している屈折率変化領域を連続的に形成して、該屈折率変化領域と上層および下層とでクラッド層を形成することを特徴としている。
また、本発明にかかる光導波路の作製方法において、前記レーザ光の繰返し周波数は１０ＫＨｚ以上であることがより好ましい。
また、本発明にかかる光導波路の作製方法において、前記レーザ光の集光照射は、高分子材料の内部で集光点を相対移動させることによって行い、連続したコア層を形成することによって行ってもよいし、レーザ光の集光点に対し高分子材料を連続的に移動させることによって行ってもよい。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明の光導波路は、３層構造の高分子材料の中間層にレーザ光を集光照射することにより、屈折率の異なる領域を形成し、光導波路を容易に作成することが可能である。すなわち、中間層にレーザー光を照射し、屈折率を上層および下層に近づけることでクラッドを形成することが可能であり、例えば、光を通過させたい部分、すなわちコアを形成させたい部分の両側に光を照射し、上層および下層の屈折率に近づければ、目的とする光導波路が容易に作成できる。
【０００８】
本発明に使用されうる、高分子材料に照射されるレーザー光としては、屈折率変化をもたらすことができるレーザー光であれば特に限定されないが、光導波路として必要な、屈折率が変化した領域、すなわちコア層として機能しうる領域が連続して形成されるためには、エネルギーの高いレーザー光であることが好ましい。
【０００９】
このようなレーザー光としては、パルス幅が５００ｐ秒以下のレーザー光が好ましく、さらには１ｐ秒以下、さらには５００ｆｔ秒以下が好ましい。５００ｐ秒よりパルス幅が広い場合は所望の屈折率変化をともなわない場合がある。
【００１０】
レーザーのパルス幅を狭くすることで高いピーク出力が得られると、例えば１０ＫＨｚ 以上の繰返し周波数をもつパルスレーザにおいても、高分子材料にレーザ光の集光点で屈折率が変化する現象を確認した。この条件下では、高分子の固有吸収波長以外の波長をもつパルスレーザであっても、同様に集光点において高分子の光誘起屈折率を変化させる現象が発生する。
【００１１】
また、集光点におけるピークパワー強度は、１０3 Ｗ ／ｃｍ 2 以 上であることが好ましい。高分子の固有吸収波長に一致する波長をもつパルスレーザであっても、吸収が弱く、例えば集光点における１０3 Ｗ ／ｃｍ 2 以 上のピークパワー強度が確保されると光誘起屈折率変化が生じる。好ましくは１０5Ｗ ／ｃｍ 2 以 上である。屈折率が変化する現象は、発生メカニズムが不明であるが、光導波路の作製に有効に利用される。また、繰返し周期が速いことから、高分子材料を連続的に走査することにより、集光部分の軌跡に連続的な屈折率変化領域を形成できる。
【００１２】
滑らかな導波路構造を形成させる上では、パルス間隔を狭く、つまり繰返し周期を速くし、第１パルスと第２パルスが可能な限り同時に照射される必要がある。このことから、本発明ではパルスレーザの繰返し周波数を好ましくは１０ＫＨｚ，より好ましくは１００ＫＨｚ以上に設定する。繰返し周波数が小さいとレーザ光が離散的に照射され、導波路の形成に必要な連続的な屈折率変化が得られない。なお、高分子材料又はレーザ光の集光点の走査速度を遅くすることにより、高分子材料に対して連続的にレーザ光を照射できる。しかし、この場合は第１パルス照射後に一定の時間をおいて第２パルスが重なった状態で照射されるため、第１パルスで形成された屈折率変化が第２パルスにより再変化を起こし、十分な屈折率変化が得られない。上限は、繰返し周波数が無限大の限りなく連続レーザに近いものである。しかし、繰返し周波数を大きくすると、一般に１パルス当りのエネルギーが弱くなる。そのため、実際には高分子材料が屈折率変化を起こす閾値と、使用するレーザの出力によって繰返し周波数の上限が設定される。光導波路のコア径は、中間層の厚みおよび、照射する間隔、照射するパルスレーザのパワーや集光スポット径を変えることにより制御可能である。レーザーを照射した間の部分がコアになるため、（コア部分は未照射部分）照射間隔が一定の場合、パルスレーザのパワー又は集光スポット径が大きくなるほど、コアは小さくなる。
【００１３】
レーザー照射による屈折率の変化率は０．２％〜３％が好ましく、０．３％〜２％の変化率がより好ましい。屈折率変化が０．２％より小さい場合未照射部分との屈折率差が小さすぎ光導波路として機能しない場合がある。３％以上の屈折率変化は高分子にクラックが生じる場合がある。
【００１４】
上層と下層の屈折率と中間層の屈折率差は０．２％以上が好ましく、０．３％以上の屈折率差が好ましい。屈折率変化が０．２％より小さい場合未照射部分との屈折率差が小さすぎ光導波路として機能しない場合がある。またレーザー照射による屈折率変化とあわせておくと、光損失の関係から好ましい。
通常は上層と下部層は中間層より屈折率を低くしておく。すなわち、中間層にレーザーを照射して、光を照射した部分と上層および下部層がクラッド層を、中間層の光を照射しない部分がコア層を形成するので、上層と下部層の屈折率が中間層より低くないと光導波路として機能しない場合がある。
上層および下部層と、中間層との屈折率差をつける方法としては、材料高分子の共重合比を変えて所望の屈折率にすること、屈折率の違う高分子を２種以上混合し所望の屈折率とすること、そもそも屈折率の異なる高分子を使用すること等がある。
【００１５】
高分子材料へのレーザ光の照射は、集光点に対し高分子材料を連続的に移動させる方法、高分子材料の内部でレーザ光の集光点を連続的に移動させる方法により行うことが好ましい。
【００１６】
材料となる高分子材料の例は、ポリイミド、ポリマレイミド、ポリアリレート、ポリカーボネート、ポリウレタン、ポリスルフィド、ポリスルフォン、ポリアミド、ポリイミン、ポリ尿素、ポリシラン、ポリシラザン、ポリベンゾオキサゾール、ポリオキサジアゾール、ポリベンゾチアゾール、ポリベンズイミダゾール、ポリスチレン、ポリアクリル酸、ポリアクリル酸エステル、ポリメタクリル酸、ポリメタクリル酸エステル、ポリアクリルアミド、ポリメタクリルアミド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエステル、ポリシロキサン、ポリノルボルネン、ポリ塩化ビニル、エポキシ樹脂、セルロース系樹脂、シリコン系樹脂、シアン酸エステル樹脂、フッ素系樹脂があげられる。
【００１７】
光学特性が優れているものとしてポリイミド、ポリカーボネート、シアン酸エステル樹脂、フッ素系樹脂特には官能基含有フッ素系脂肪族環構造含有重合体、エポキシ樹脂、ポリシロキサン、シリコーン樹脂が好ましい。シリコン樹脂として好ましくは（Ａ）ＳｉＨ基と反応性を有する炭素−炭素二重結合を１分子中に少なくとも２個含有する有機系骨格からなる有機化合物、（Ｂ）１分子中に少なくとも２個のＳｉＨ基を含有するケイ素化合物、（Ｃ）ヒドロシリル化触媒、を必須成分としてなる有機系シリコーン樹脂である。
【００１８】
特にポリイミドは耐熱性の点で好ましく、フッ素を含有している事が光学的特性、吸湿性の点で好ましい。中でも２，２−ビス（３，４−ジカルボキシフェニル）ヘキサフルオロプロパン二無水物およびピロメリット酸二無水物を縮合した構造を持つものや、２，２′−ビス（トリフルオロメチル）−４，４′−ジアミノビフェニルを縮合した構造を持つものが吸湿性、光学特性の点で好ましい。
【００１９】
また、シアン酸エステル樹脂もその耐熱性の点で好ましく、フッ素を導入した場合、吸湿特性、光学特性の点で好ましい。
【００２０】
材料となる高分子のガラス点移転（Ｔｇ）は１２０℃以上が好ましく、１５０℃以上がより好ましい。Ｔｇが１２０℃より低い場合はアブレーションがおこりやすく光導波路を形成しにくい場合がある。また、長期の安定性に欠ける場合がある。
【００２１】
材料となる高分子は波長が６００ｎｍ〜１６００ｎｍでのいづれかでの光損失が１ｄＢ／ｃｍ以下である事が好ましい。１ｄＢ／ｃｍより大きい場合、光導波路として損失が大きく使用に耐えない場合があり、またレーザー光の波長範囲で吸収があることは、アブレーションが起こりやすくこの点でも好ましく無い。
【００２２】
３層構造の高分子材料はどのように作製しても良い。たとえばポリイミドの場合、基板の上に、下部層をスピンコート、浸漬法、スプレー法、スクリーン印刷法等によって塗布する。
【００２３】
加熱は１５０℃〜５００℃の間で実施するのが好ましい。１５０℃未満である場合イミド化しない場合があり、５００℃より高いの場合劣化する場合がある。また段階的に温度を上げて加熱することが、機械的強度が向上する場合が多く好ましい。この時の加熱時間は、０．１〜１０時間とすることが好ましい。また加熱の雰囲気は窒素、ヘリウム、アルゴン等の不活性ガス下であるか、真空下がのぞましい。
【００２４】
同様にして、中間層、上部層を形成する。
【００２５】
膜厚には特に制限はないが、光導波路の設計によるが点から、中間層は４〜１５０μｍであることが好ましく、６〜１００μｍであることがより好ましい。又、必要により上記三層以外の層を形成してもかまわない。例えば、下部層の下に接着層をもうけたり、上層の上に保護層をもうけたりする。
【００２６】
用いる基板は板上、フィルム状などを問わない。材料はシリコンウエハー、金属基板、セラミック基板、高分子基板等である。高分子基板の材質はポリイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、ポリエーテルイミド樹脂、ポリアミド樹脂、ポリエステル樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリケトン系樹脂、ポリスルホン系樹脂、ポリフェニレンエーテル樹脂、ポリオレフィン樹脂、ポリスチレン樹脂、ポリフェニレンスルフィド樹脂、フッ素樹脂、ポリアリレート樹脂、液晶ポリマー樹脂、エポキシ樹脂、シアナート樹脂等が挙げられる。耐熱性の点や光導波路材料との接着性の点からポリイミド樹脂、エポキシ樹脂、シアナート樹脂が好ましい。また基材をもちいないで３層の材料を作成しても良いし、基材に作成後、はがしてフィルム状にしても良い。
【００２７】
【実施例】
使用原料は市販品を必要により精製し使用した。各原料の入手先を示す。２，２′−ビス（トリフルオロメチル）−４，４′−ジアミノビフェニル（セントラルガラス社製）、ジメチルアセトアミド（和光純薬社製）、ピロメリット酸二無水物（和光純薬社製）、２，２−ビス（３，４−ジカルボキシフェニル）ヘキサフルオロプロパン酸二無水物（クラリアントジャパン社製）、ジメチルアセトアミド（和光純薬社製）
屈折率はサンプル断面をビームプロファイル反射測定方法にてOPTI-Probe2000（サーマウェーブ社）にてビームスポット１μｍにて測定した。
（溶液（Ｉ）の作製）
窒素雰囲気下の容器中で２，２′−ビス（トリフルオロメチル）−４，４′−ジアミノビフェニル（３．２０ｇ、１０ｍｍｏｌ）をジメチルアセトアミド（２２．９ｇ）に溶解した後、２，２−ビス（３，４−ジカルボキシフェニル）ヘキサフルオロプロパン二無水物（４．４４ｇ、１０ｍｍｏｌ）を加え容器を氷冷しながら５時間撹拌した。次に室温まで上げてさらに５時間攪拌しポリアミド酸溶液（Ｉ）（固形分２５重量％、）を得た。
（溶液（ＩＩ）の作製）
窒素雰囲気下の容器中で２，２′−ビス（トリフルオロメチル）−４，４′−ジアミノビフェニル（３．２０ｇ、１０ｍｍｏｌ）をジメチルアセトアミド（３６．９ｇ）に溶解した後、２，２−ビス（３，４−ジカルボキシフェニル）ヘキサフルオロプロパン二無水物（２．２２ｇ、５．０ｍｍｏｌ）とピロメリット酸二無水物（１．０９ｇ、５．０ｍｍｏｌ）を加え容器を氷冷しながら５時間撹拌した。次に室温まで上げてさらに５時間攪拌しポリアミド酸溶液（ＩＩ）（固形分１５重量％）を得た
（第１層（下層）の作製）
この溶液（Ｉ）をガラス基板上にスピンコーターにて塗布し、窒素下で１００℃で１０分、次に１５０℃で１０分、次に２００℃で１０分、次に２５０℃で１０分、次に３００℃で１０分、次に３５０℃で１０分、次に４００℃で１０分間加熱したところポリイミドの厚みは１５０μｍとなった。
（第２層（中間層）の作製）
次に、溶液（ＩＩ）をスピンコーターにて塗布し、窒素下で１００℃で１０分、次に１５０℃で１０分、次に２００℃で１０分、次に２５０℃で１０分、次に３００℃で１０分、次に３５０℃で１０分、次に４００℃で１０分間加熱したところポリイミドの総厚みは１６０μｍとなった。（第２層（中間層）の厚みは１０μｍ）
（第３層（上層）の作製）
次に、溶液（Ｉ）をスピンコーターにて塗布し、窒素下で１００℃で１０分、次に１５０℃で１０分、次に２００℃で１０分、次に２５０℃で１０分、次に３００℃で１０分、次に３５０℃で１０分、次に４００℃で１０分間加熱したところポリイミドの総厚みは３１０μｍとなった。（第３層（上層）の厚みは１５０μｍ）得られた３層フィルムをガラス板からはがし、ポリイミド試料（Ｉ）とした。
（レーザーの照射）
ポリイミド試料（Ｉ)に  図１ に示すようにパルスレーザ光１をレンズ２で集光して照射した。パルスレーザ光１としては、アルゴンレーザ励起のＴｉ：Ａｌ2Ｏ3レーザから発振されたパルス幅１２０フェムト秒，繰返し周波数２００ＫＨｚ，波長８００ｎｍ ，平均出力２００ｍＷ のレーザを光学フィルターによって平均出力５ｍＷにおとして使用した。パルスレーザ光１をレンズ２で集光し、ポリイミドの第２層の内部に集光点４が生じるように照射させると、集光点４の屈折率が低下した。そこで、試料台を連続的に直線移動し、図２に示すようにポリイミド試料３の内部に直線状の屈折率が低い領域を形成した。この直線領域から２０μｍ横に先ほどの直線と平行して同様に試料台を連続的に直線移動し、ポリイミド試料３の内部に直線状の屈折率が低い領域を形成した。このときの試料の簡易断面図を図３に示す。
【００２８】
断面の屈折率を測定した結果、図３において７．第１層（上層）および９．第３層（下層）は１．５２３であり６．レーザー光照射部分の屈折率は１．５５０であり１０．コア部分の屈折率は１．５７１となり１０．コア部分がまわりに比べて屈折率が高く光導波路となっていることがわかった。
【００２９】
また手で曲げると屈曲するためガラス材料では無理な多様な形態を取る事が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、ポリイミド試料にパルスレーザ光を照射する際の簡易断面図である。
【図２】図２は、ポリイミド内部に作製した直線光導波路の斜視図である。
【図３】図３は、ポリイミド試料にレーザー光をあてる前の断面図とあてた後の断面図である。
【符号の説明】
１ ：パルスレーザー光
２ ：集光レンズ
３ ：ポリイミド試料
４ ：集光点
５：試料台
６：光導波路
７：第１層
８：第２層
９：第３層
１０：コア部分
【図１】
0003914803.tif 000002
【図２】
0003914803.tif 000003
【図３】
0003914803.tif 000004