JP2002014246A

JP2002014246A - 光導波路及びその製造方法

Info

Publication number: JP2002014246A
Application number: JP2000193507A
Authority: JP
Inventors: Chomei Matsushima; 朝明松嶋; Kiyotaka Komori; 清孝古森; Hiroyuki Yagyu; 博之柳生; Kazuyuki Hirao; 一之平尾
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2000-06-27
Filing date: 2000-06-27
Publication date: 2002-01-18

Abstract

(57)【要約】【課題】パワー強度の強いレーザー光を照射すること
により材料そのものの改質を行い、その結果、屈折率を
変化させることにより複雑な三次元状のコア領域が容易
に形成される光導波路を提供する。【解決手段】有機材料からなる母相２の内部に、レー
ザー光４の照射により屈折率が変化されたコア領域７が
連続して形成されて成る。円形の断面をもち複雑な形状
を有する三次元状のコア領域７を容易に形成することが
できる。有機材料を母相２として軽量化を図ると共に製
造コストを低減することができる。製造工程においてコ
ア領域７を形成した後、このコア領域７を固定化するよ
うな煩雑な工程が不要となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、有機材料の内部に
屈折率変化領域からなるコア領域が連続的に形成され、
光通信用部品はもとよりメタル配線に代わる光配線板お
よび光・電気混載配線板にも応用できる光導波路及びそ
の製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、光通信等において使用される光導
波路は、ＬｉＮｂＯ₃やＬｉＴａＯ₃に代表される酸化物
単結晶材料やガラスなどの無機材料からなるものが用い
られてきた。

【０００３】さらに最近は、有機材料を用いた光導波路
も作製されている。この有機材料を用いた光導波路の作
製方法の代表例を以下に示す。

【０００４】下部クラッド層となる有機材料をディッピ
ングやスピンコート等の方法で基板の上に形成し、その
後コア領域となる前記クラッド材料より屈折率の高い有
機材料を形成する。この屈折率の高い材料を通常の半導
体プロセスで用いられるフォトリソグラフィによりパタ
ーニングする。次に反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）
法により所望のサイズのコア領域を形成する。最後にコ
ア領域の上に下部クラッド層と同じ有機材料を用いコア
領域を囲むように形成し上部クラッド層とするものであ
る。

【０００５】また、電子ビームを照射して有機材料にコ
ア領域を形成する方法もある（例えば特開平７−９２３
３８号公報に開示）。これは上述した方法と同じように
下部クラッド層を形成した後、下部クラッド層とは異な
る有機材料を下部クラッド層の上に形成する。次に、こ
の有機材料に電子ビームを照射することにより屈折率を
高める。次に、所望のパターンになるように電子ビーム
をスキャンし電子ビームの照射部をコア領域とする。最
後にコア領域の上部に下部クラッド層と同じ有機材料を
形成し、光導波路を作製するものである。

【０００６】これらの従来方法では、基板表面付近の面
内にしかコア領域が形成できず、三次元光導波路は形成
できない。一方、三次元光導波路を形成する方法として
は、例えば特開平９−３１１２３７号公報に開示されて
いる。この方法ではガラス内部に１０⁵Ｗ／ｃｍ²以上の
ピークパワー強度、繰り返し周波数１０ｋＨｚ以上のパ
ルスレーザー光をガラス内部に集光して、その集光点を
相対的に移動することにより、ガラス内部に屈折率が高
い領域を設け、これをコア領域とする。この方法では集
光点を三次元的に移動させることによりガラス内部に簡
単に任意形状の三次元状のコア領域を形成して三次元光
導波路を作製することが可能である。

【０００７】また、有機材料についての三次元光導波路
作製方法は、特開平６−３３７３２０号公報に開示され
ているように、感光性材料において、光照射により集光
点の感光材料のみ屈折率を変化させることにより三次元
光導波路を作製するものである。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上述したよう
に、反応性イオンエッチングや電子ビーム照射による光
導波路作製方法においては、下部クラッド層、コア領域
および上部クラッド層をそれぞれ別々に形成する必要が
あって、工程が複雑となり、生産性が悪いものであっ
た。また、コア領域の形状は上記反応性イオンエッチン
グ法や電子ビーム照射法を用いる限り、円形の断面をも
つコア領域の形成は困難であった。更にコア領域の形成
においてはプロセス上の制約から平面的にしかパターニ
ングすることができず、コア領域は平面内にしか作製で
きないものであった。このため光導波路回路として用い
る時に制限を受け、複雑な回路は形成できず、またコア
領域の高密度化も望めないものであった。

【０００９】一方、特開平６−３３７３２０号公報で開
示された感光性材料による三次元光導波路作製方法にお
いては、光導波路に適した材料は感光性材料であること
が必要である。また、非感光部も含めＵＶ光や自然光ま
たは加熱などの方法で感光性材料全体を重合させて固定
化することが必要であり、工程が複雑なものであった。

【００１０】本発明は上記の点に鑑みて為されたもので
あり、パワー強度の強いレーザー光を照射することによ
り材料そのものの改質を行い、その結果、屈折率を変化
させることにより複雑な三次元状のコア領域が容易に形
成される光導波路及びこの光導波路の製造方法を提供す
ることを目的とするものである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明の請求項１に係る
光導波路は、有機材料からなる母相２の内部に、レーザ
ー光４の照射により屈折率が変化されたコア領域７が連
続して形成されて成ることを特徴とするものである。

【００１２】また請求項２に係る発明は、請求項１の構
成に加えて、ポリエチレンテレフタレート、ポリアセタ
ール、ポリカーボネート、ポリフルオロカーボネート、
ポリアミド、ポリイミド、シリコーン、ポリフェニレン
オキサイド、ポリスルホン、ポリフェニレンスルフィ
ド、ポリブチレンテレフタレート、ポリアリレート、ポ
リアミドイミド、ポリエーテルスルホン、ポリアリレー
ト、ポリエーテルケトン、ポリエーテルイミド、ポリメ
チルメタクリレート、ポリアクリレート、クロスリンク
ドアクリレート、ポリシロキサン、ノルボルネン、エポ
キシ樹脂、フェノキシ樹脂、トリアセチルセルロース、
又はこれらのフッ素変性物、あるいはこれらの色素含有
物のうちの少なくとも１種類以上の有機材料にて母相２
を形成して成ることを特徴とするものである。

【００１３】本発明の請求項３に係る光導波路の製造方
法は、光誘起屈折率変化を起こすエネルギー量をもつレ
ーザー光４を有機材料からなる母相２の内部に集光し、
母相２内部で集光点６を相対移動させ、連続した屈折率
変化領域からなるコア領域７を母相２の内部に形成する
ことを特徴とするものである。

【００１４】また請求項４に係る発明は、請求項３の構
成に加えて、母相２内の集光点におけるピークパワー強
度が１０²Ｗ／ｃｍ²以上となるレーザー光４を使用する
ことを特徴とするものである。

【００１５】また請求項５に係る発明は、請求項３又は
４の構成に加えて、繰り返し周波数１ｋＨｚ以上のパル
スレーザー光４を使用することを特徴とするものであ
る。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を、図
１，２を示して説明する。

【００１７】母相２は有機材料からなる成形体にて構成
される。有機材料全般を使用することができ、感光性材
料も使用することができるが、本発明においては感光性
材料を除く有機材料をも適用することができる。この有
機材料としては、例えばポリエチレンテレフタレート、
ポリアセタール、ポリカーボネート、ポリフルオロカー
ボネート、ポリアミド、ポリイミド、シリコーン、ポリ
フェニレンオキサイド、ポリスルホン、ポリフェニレン
スルフィド、ポリブチレンテレフタレート、ポリアリレ
ート、ポリアミドイミド、ポリエーテルスルホン、ポリ
アリレート、ポリエーテルケトン、ポリエーテルイミ
ド、ポリメチルメタクリレート、ポリアクリレート、ク
ロスリンクドアクリレート、ポリシロキサン、ノルボル
ネン、エポキシ樹脂、フェノキシ樹脂、トリアセチルセ
ルロース、又はこれらのフッ素変性物、あるいはこれら
の色素含有物のうちの少なくとも１種類以上の有機材料
を使用することができる。

【００１８】母相２は、上記のような有機材料を硬化成
形することにより得られる。このようにして形成された
母相２に、光誘起屈折率変化を起こすエネルギー量をも
つレーザー光４を照射すると共に、このレーザー光４を
母相２の内部に集光し、更にこのレーザー光４の集光点
６を母相２に対して相対移動させることにより、母相２
内部に連続した屈折率変化領域を形成し、この屈折率変
化領域にてコア領域７を構成する。すなわち、レーザー
光４が集光された部分の屈折率が変化してコア領域７が
形成され、母相２のコア領域７以外の領域がクラッドを
構成し、コア領域７中における光の伝達が可能となるも
のである。

【００１９】ここで、光誘起屈折率変化とは、パルスレ
ーザーの照射により屈折率が変化する現象であり、従来
からＰ、Ｃｅ、Ｇｅ等を添加したシリカガラスにおける
例が知られている。この屈折率変化の機構としては、紫
外域に固有吸収をもつ酸素欠損がガラス中に存在し、吸
収波長のレーザー光を照射することによりガラス中の酸
素欠損に一部に構造変化が発生し密度が高くなるためと
説明されている。一方、パルス幅が狭い、いわゆるフェ
ムト秒パルスレーザーにより、種々の材料改質が報告さ
れている。このフェムト秒パルスレーザー照射によりガ
ラス材料中へのコア領域形成が例えば、特開平９−３１
１２３７号公報において開示されている。フェムト秒レ
ーザーによるガラス材料の屈折率変化の機構として、前
述の酸素欠損の構造変化の他に、非常に高密度なプラズ
マの生成により照射点のガラスが高密度化されるといっ
た説明がなされている。現在のところ、屈折率変化の機
構は未だ明らかになっていないが、フェムト秒パルスレ
ーザーはガラス材料中におけるコア領域の作製に有効に
利用されているものである。本発明は、この光誘起屈折
率変化が有機材料においても発現することを見出してな
されたものである。

【００２０】レーザー光４としては、有機材料の種類に
より異なるが、屈折率変化を起こさすためには、１０²
Ｗ／ｃｍ²以上のピークパワー強度を持つことが好まし
い。ピークパワー強度が低すぎると光誘起屈折率変化が
起こらないおそれがある。一方、エネルギーが高すぎる
と、有機材料の分解等が起こり適切な光誘起屈折率変化
を起こすことができなくなるため、ピークパワー強度の
上限は１０⁶Ｗ／ｃｍ²とすることが好ましい。

【００２１】また、通常のパルスレーザー光において
は、パルス幅が広いため、レーザー照射によるエネルギ
ーが母相中の格子系へ熱拡散してしまい、その結果、レ
ーザー集光点近傍の材料も改質されてしまい、所望のサ
イズ以上の領域も材料改質され、集光点の周辺部にクラ
ック等が発生するおそれがある。それに対して、母相２
中の格子系への熱拡散が発生しない程度にパルス幅を狭
くすると、レーザー照射によるエネルギーが母相２中の
電子系に効率よく伝達され、格子系への熱拡散すること
はなくなる。このためレーザー光４の集光点６周辺部の
改質が防止でき、所望の位置のみ光誘起屈折率変化を起
こさせることができる。

【００２２】上記のような熱拡散が発生しないとされる
パルス幅は母相２を構成する材料により異なるが、数百
フェムト秒以下が望ましい。

【００２３】また、レーザー光４の繰り返し周波数が低
いと、充分なエネルギーをレーザー光４の集光点６に与
えることができなくなり、連続した屈折率変化領域を形
成できなくなるおそれがある。連続した屈折率変化領域
を形成して母相２内部にコア領域７を形成するために
は、繰り返し周波数は少なくとも１ｋＨｚ以上、望まし
くは１００ｋＨｚ以上とすることが好ましく、また繰り
返し周波数の上限は、１２０ＭＨｚとすることが好まし
い。

【００２４】以下に本発明の具体的な実施形態の例を示
すが、本発明はその主旨を越えない限り、以下の実施形
態の例に限定されるものではない。

【００２５】（実施形態１）ガラス製の基体１上にスピ
ンコート法により液状のフッ素化ポリイミドを１００μ
ｍの厚みに塗布し、３５０℃で１時間熱処理して硬化さ
せ、母相２を形成する。この基体１をＸＹＺステージ３
の上にセットし、母相２を基体１を介してＸＹＺステー
ジ３上に配置する。ＸＹＺステージ３はコンピュータに
より精密に位置制御され、セットされた基体１を任意の
３軸方向に動かすことができるものである。次に、パル
スレーザー光４を母相２に照射すると共にこのレーザー
光４をレンズ５によって母相２の内部で集光し、それと
同時にＸＹＺステージ３を移動制御して母相２を２００
μｍ／ｓの速度で移動させる。このときレーザー光４の
集光点６は、母相２に対して２００μｍ／ｓの速度で相
対移動する。ここでパルスレーザー光４はアルゴン励起
のＴｉ：Ａｌ₂Ｏ₃レーザーから発振されたパルス幅１５
０フェムト秒、繰り返し周波数２００ｋＨ、ピークパワ
ー強度１００Ｗ／ｃｍ²のものである。

【００２６】これによりレーザー光４の集光点６の軌跡
に沿って、母相の屈折率が他の領域の屈折率より約０．
３％高くなった屈折率変化領域が連続的に形成されて、
コア領域７が形成されることとなる。このとき上記のよ
うに集光点６を母相２に対して相対的に移動させるよう
にしてコア領域７を形成することにより、コア領域７の
形状を任意に制御でき、複雑な三次元状のコア領域７が
容易に形成される。このように形成された光導波路に可
視光を入射すると、コア領域７が形成されている領域の
みが光が伝搬することが確認される。

【００２７】また、このようにして作製したコア領域７
の断面形状は直径約５μｍの円形に形成され、またクラ
ッドとコア領域７間の界面損出が非常に小さく、微細な
コア領域７の形成に適している。

【００２８】尚、本実施形態では液状のフッ素化ポリイ
ミドをガラス製の基体１上にスピンコートした後、硬化
して薄板状にして基体１上に母相２を形成したが、予め
有機材料をシート状又は板状に形成して得られる母相２
を基体１上に接着するか、もしくはシート状又は板状に
形成された母相２を単独の状態でＸＹＺステージ３にセ
ットして、レーザー光４を照射しても、コア領域７を形
成できる。

【００２９】（実施形態２）液状のフッ素化ポリイミド
の代わりにポリメチルメタクリレートを用いた以外は、
実施形態１と同様な方法により、光導波路を作製するこ
とができる。

【００３０】この光導波路に、実施形態１の場合と同様
に可視光を入射すると、コア領域７が形成されている領
域のみが光が伝搬することが確認される。

【００３１】また、このようにして作製したコア領域７
の断面形状は直径約５μｍの円形に形成され、またクラ
ッドとコア領域７間の界面損出が非常に小さく、微細な
コア領域７の形成に適している。

【００３２】（実施形態３）銅ポリイミド配線板に回路
形成を施して電気配線を形成したものにて基体１を構成
し、この基体１上にスピンコート法により、実施形態１
と同様の液状のフッ素化ポリイミドを１００μｍの厚み
に塗布し、実施形態１と同様の条件にて硬化させ、母相
２を形成する。更に、実施形態１と同様の方法にて母相
２にコア領域７を形成する。

【００３３】このようにすると、銅ポリイミド配線板と
光導波路とが積層一体化された光・電気混載配線基板が
得られる。この光・電気混載配線基板は、銅ポリイミド
配線板の電気配線による電気信号伝搬特性及びコア領域
７にて構成される光回路の光伝搬特性が、共に所望の特
性を示すものとなる。

【００３４】

【発明の効果】本発明の請求項１に係る光導波路は、有
機材料からなる母相の内部に、レーザー光の照射により
屈折率が変化されたコア領域が連続して形成されるた
め、円形の断面をもち複雑な形状を有する三次元状のコ
ア領域を容易に形成することができ、また有機材料を母
相として軽量化を図ると共に製造コストを低減すること
ができ、更に製造工程においてコア領域を形成した後、
このコア領域を固定化するような煩雑な工程が不要なも
のである。

【００３５】また請求項２に係る発明は、請求項１の構
成に加えて、ポリエチレンテレフタレート、ポリアセタ
ール、ポリカーボネート、ポリフルオロカーボネート、
ポリアミド、ポリイミド、シリコーン、ポリフェニレン
オキサイド、ポリスルホン、ポリフェニレンスルフィ
ド、ポリブチレンテレフタレート、ポリアリレート、ポ
リアミドイミド、ポリエーテルスルホン、ポリアリレー
ト、ポリエーテルケトン、ポリエーテルイミド、ポリメ
チルメタクリレート、ポリアクリレート、クロスリンク
ドアクリレート、ポリシロキサン、ノルボルネン、エポ
キシ樹脂、フェノキシ樹脂、トリアセチルセルロース、
又はこれらのフッ素変性物、あるいはこれらの色素含有
物のうちの少なくとも１種類以上の有機材料にて母相を
形成するため、レーザー光照射によりコア領域を容易に
形成することができるものである。

【００３６】本発明の請求項３に係る光導波路の製造方
法は、光誘起屈折率変化を起こすエネルギー量をもつレ
ーザー光を有機材料からなる母相の内部に集光し、母相
内部で集光点を相対移動させ、連続した屈折率変化領域
からなるコア領域を母相の内部に形成するため、母相内
に連続的に屈折率変化を誘起して円形の断面を持ち複雑
な形状を有する三次元状のコア領域を容易に形成するこ
とができ、また有機材料を母相として軽量化を図ると共
に製造コストを低減することができ、更に製造工程にお
いてコア領域を形成した後、このコア領域を固定化する
ような煩雑な工程が不要なものである。

【００３７】また請求項４に係る発明は、請求項３の構
成に加えて、母相内の集光点におけるピークパワー強度
が１０²Ｗ／ｃｍ²以上となるレーザー光を使用するた
め、母相中に光誘起屈折率変化を連続的かつ安定して発
現させて、良好なコア領域を形成することができるもの
である。

【００３８】また請求項５に係る発明は、請求項３又は
４の構成に加えて、繰り返し周波数１ｋＨｚ以上のパル
スレーザー光を使用するため、母相中に光誘起屈折率変
化を連続的かつ安定して発現させて、良好なコア領域を
形成することができるものであるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る光導波路の一例を示す斜視図であ
る。

【図２】本発明に係る光導波路の製造工程の一例を示す
概略図である。

【符号の説明】

２母相４レーザー光６集光点７コア領域

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者古森清孝大阪府門真市大字門真1048番地松下電工株式会社内 (72)発明者柳生博之大阪府門真市大字門真1048番地松下電工株式会社内 (72)発明者平尾一之京都市左京区田中下柳町８番地94号Ｆターム(参考） 2H047 KA04 KA12 PA11 PA22 PA28 QA05

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】有機材料からなる母相の内部に、レーザ
ー光の照射により屈折率が変化されたコア領域が連続し
て形成されて成ることを特徴とする光導波路。
【請求項２】ポリエチレンテレフタレート、ポリアセ
タール、ポリカーボネート、ポリフルオロカーボネー
ト、ポリアミド、ポリイミド、シリコーン、ポリフェニ
レンオキサイド、ポリスルホン、ポリフェニレンスルフ
ィド、ポリブチレンテレフタレート、ポリアリレート、
ポリアミドイミド、ポリエーテルスルホン、ポリアリレ
ート、ポリエーテルケトン、ポリエーテルイミド、ポリ
メチルメタクリレート、ポリアクリレート、クロスリン
クドアクリレート、ポリシロキサン、ノルボルネン、エ
ポキシ樹脂、フェノキシ樹脂、トリアセチルセルロー
ス、又はこれらのフッ素変性物、あるいはこれらの色素
含有物のうちの少なくとも１種類以上の有機材料にて母
相を形成して成ることを特徴とする請求項１に記載の光
導波路。
【請求項３】光誘起屈折率変化を起こすエネルギー量
をもつレーザー光を有機材料からなる母相の内部に集光
し、母相内部で集光点を相対移動させ、連続した屈折率
変化領域からなるコア領域を母相の内部に形成すること
を特徴とする光導波路の製造方法。
【請求項４】母相内の集光点におけるピークパワー強
度が１０²Ｗ／ｃｍ²以上となるレーザー光を使用する請
求項３記載の光導波路の製造方法。
【請求項５】繰り返し周波数１ｋＨｚ以上のパルスレ
ーザー光を使用することを特徴とする請求項３又は４に
記載の光導波路の製造方法。