JP2002350664A

JP2002350664A - 光導波路、光配線板、電気・光混載回路基板及び光導波路の製造方法

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Publication number: JP2002350664A
Application number: JP2001159102A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Yagyu; 博之柳生; Chomei Matsushima; 朝明松嶋
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2001-05-28
Filing date: 2001-05-28
Publication date: 2002-12-04
Anticipated expiration: 2021-05-28
Also published as: JP4284889B2

Abstract

(57)【要約】【課題】ビーム直接描画法によって母材内部で複雑な
三次元状のコア領域が容易に形成され、三次元光導波回
路の形成に適し、更に母材材料として従来のガラスや紫
外線硬化性樹脂以外のものを使用することにより成形
性、取扱性を向上すると共に製造時の作業環境の制約を
低減することができる光導波路を提供する。【解決手段】母材５に光波又は電磁波を集束させて照
射することにより、この集束照射領域でこの母材５の屈
折率が変化されてコア領域１０が形成され、かつこのコ
ア領域１０が連続して形成された光導波路に関する。光
波又は電磁波として短パルスレーザ光６が用いられ、母
材５がフッ素を構成元素に含む高分子材料からなる。

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、光通信部品や光配線板等において
は、光信号伝送部分に一般に低損失の光ファイバや石英
ガラス基板上に形成された光導波路が用いられていた。

【０００３】光ファイバは主に光信号を低損失で長距離
を伝送させる目的で用いられ、また光導波路は合分波機
能や電気工学効果を利用した光スイッチなど様々な光デ
バイスを作製する際に利用される。また両者の中間的存
在として、例えば通信機器間（いわゆるボード間）を光
接続するために、通常光ファイバが用いられるが、この
光ファイバを複数本まとめてシート法に埋め込み成形し
た光ファイバ配線板なども用いられつつある。

【０００４】前記の光導波路の製造には、一般的にフォ
トリソグラフィーと呼ばれる写真製版技法が用いられ
る。その一例を図６に示す。

【０００５】図示の例では、まず基板１１が準備される
（図６（ａ））。基板１１上に下部クラッド層１２ａを
スピンコート法等の方法で形成する（図６（ｂ））。更
に下部クラッド層１２ａ上に、クラッド層材料よりも高
い屈折率を有するコア層１３をスピンコート法等の方法
で形成する（図６（ｃ））。次にコア層１３をパターニ
ングして導波路とするためにレジスト膜１４をスピンコ
ート法等の方法で形成する（図６（ｄ））。このレジス
ト膜１４を導波路パターンが描画されたマスクを用いて
露光し、現像することによって所望のパターン形状を有
するレジスト膜１４を残存させる（図６（ｅ））。次
に、反応性イオンエッチング等の方法で、パターニング
されたレジスト膜１４で保護されたコア層１３の領域を
残してコア層１３がパターニングされる（図６
（ｆ））。そして不要になったレジスト膜１４を除去し
（図６（ｇ））、最後に上部クラッド層１２ｂを形成す
る（図６（ｈ））。尚、図６は、光の伝播方向に対して
垂直な面での光導波路の断面図を示している。

【０００６】このように形成される光導波路では、光は
上下クラッド層１２ａ，１２ｂで囲まれるコア層１３内
を伝播する。

【０００７】このようにフォトリソグラフィー法では、
マスクによる写真製版法を用いているため、一括大量生
産に適しており、よって生産品を安価に提供できるとい
う利点があるが、光導波路を形成するために多くの工程
を経る必要があるという欠点がある。

【０００８】一方、一般的ではないが、工程数が多い上
記のようなフォトリソグラフィー法の欠点を克服するた
めの手法として、光波、Ｘ線、電子線等の電磁波を細い
ビーム状にして母材に照射するビーム直接描画法があ
る。この場合、母材は照射される電磁波によって屈折率
変化が誘起されるものに限られる。この典型的な例とし
ては、紫外線で硬化する高分子材料からなる母材に紫外
線を照射するものがある。このとき母材表面の紫外線が
照射された領域が化学変化を起こして、屈折率変化が誘
起されるものである。また紫外線を集光しながら母材内
部に照射することで、集光点近傍のみで紫外線エネルギ
ー密度が大きくなるなるようにし、この結果、母材内部
に最も大きい屈折率変化が生じるようにして、母材内部
にコア層を形成することもできる（例えば特開昭４６−
３３４２号公報等）。

【０００９】また、Ｘ線や電子線などの高エネルギーの
電磁波によって母材の特定の原子結合に直接作用して屈
折率変化をもたらし、この電磁波が照射された表面に光
信号の導波路を形成する方法も開示されている（例えば
特開平６−５１１４６号公報、特開平７−９２３３８号
公報等）。

【００１０】また、同様にビーム直接描画法に分類され
るものとしては、近年一般的に利用されるようになって
きた極短パルスレーザー光を母材内部に集光させ、この
集光点近傍で非線形光学効果を誘起して屈折率変化を誘
起し、光導波路を形成する方法も開示されている（例え
ば特開平９−３１１２３７号公報、特開平１１−２３１
１５１号公報等）。

【００１１】これらのビーム直接描画法では、母材表面
もしくは母材内部に直接コア領域を形成していくことが
できるため、工程数が少ない、形状の自由度が高い、更
には母材の任意の内部（深さ）にコア領域が形成できる
ため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できる、等の長所があるが、反
面、一括生産性に劣り、このため前述のフォトリソグラ
フィー法とは相補的に利用されると考えられる。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】上記のような従来技術
のうち、フォトリソグラフィー法にて製造される光導波
路に関しては、前述の通り、一括生産性に優れるが、工
程数が多く、またコア領域を積層成形することが困難で
あるといった問題点が存在する。

【００１３】一方、ビーム直接描画法で製造される光導
波路に関しては、紫外線硬化などの化学反応を利用した
手法については、材料が紫外線硬化性物質に制限され、
また紫外線の存在する環境では製造できないため紫外線
暗室が必要となるなどの問題点がある。またＸ線や電子
線などの高エネルギーの電磁波を用いる方法では、母材
の表面にしかコア領域を形成できなかった。

【００１４】また短パルスレーザを用いて三次元光導波
路を作製する方法では、使用可能な母材の材料としてガ
ラス（例えば特開平９−３１１２３７号公報、特開平１
１−２３１１５１号公報等）及び紫外線硬化性樹脂（例
えばＪ．Ｈ．ＳｔｒｉｃｋｅｙらＯｐｔ．Ｌｅｔｔ．
第１６巻ｐ．１７８０〜（１９９１年）、Ｍ．Ｐ．Ｊ
ｏｓｈｉらＡｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．第７４巻
ｐ．１７０（１９９９年）等）に限られ、ガラスを用い
る場合には成形性や取扱性に問題があり、また紫外線硬
化性樹脂を用いる場合には上述のように紫外線の存在す
る環境では製造できないため紫外線暗室が必要となるな
どの問題点があって、広く利用されるには至っていな
い。

【００１５】本発明は上記の点に鑑みて為されたもので
あり、ビーム直接描画法によって母材内部で複雑な三次
元状のコア領域が容易に形成され、三次元光導波回路の
形成に適し、更に母材材料として従来のガラスや紫外線
硬化性樹脂以外のものを使用することにより成形性、取
扱性を向上すると共に製造時の作業環境の制約を低減す
ることができる光導波路、この光導波路からなる光配線
板及び電気・光混載回路基板、並びに光導波路の製造方
法を提供することを目的とするものである。

【００１６】

【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、母材５に光波又は電磁波を集束させて照射
することにより、この集束照射領域でこの母材５の屈折
率が変化されてコア領域１０が形成され、かつこのコア
領域１０が連続して形成された光導波路において、光波
又は電磁波として短パルスレーザ光６が用いられ、母材
５がフッ素を構成元素に含む高分子材料からなることを
特徴とするものである。

【００１７】また請求項２の発明は、請求項１におい
て、母材５が、フッ素を含むオレフィンを重合して得ら
れる高分子材料と、高分子材料を溶媒に溶解された状態
から溶媒を揮発させて成形されたもののうちの、いずれ
かであることを特徴とするものである。

【００１８】また請求項３の発明は、請求項１又は２に
おいて、母材５が、集束照射領域に照射される短パルス
レーザ光６の波長域に光吸収を有さず、かつその波長の
半波長域及び１／３波長域に光吸収を有さないか、ある
いは短パルスレーザ光６の波長域から紫外線域まで光吸
収を有さないものであることを特徴とするものである。

【００１９】また請求項４の発明は、請求項１乃至３の
いずれかにおいて、コア領域１０を母材５内部に並列に
複数設けて成ることを特徴とするものである。

【００２０】また請求項５の発明は、請求項１乃至３の
いずれかにおいて、コア領域１０を、母材５内部に三次
元的に設けて成ることを特徴とするものである。

【００２１】また本発明の請求項６に係る光配線板は、
請求項１乃至５のいずれかに記載の光導波路にて構成さ
れていることを特徴とするものである。

【００２２】また本発明の請求項７に係る電気・光混載
回路基板は、請求項１乃至５のいずれかに記載の光導波
路にて構成されていることを特徴とするものである。

【００２３】また本発明の請求項８に係る光導波路の製
造方法は、フッ素を構成元素に含む高分子材料からなる
母材５を可動台上に固定し、この母材５に向けて集光レ
ンズを通過させた短パルスレーザ光６を母材５中の任意
の箇所に集光点が配置されるように照射し、可動台もし
くは短パルスレーザ光６の照射位置及び集光レンズの配
置位置を移動させることにより母材５内部における集光
点の配置位置を一定速度で移動させて、母材５内部に連
続したコア領域１０を形成することを特徴とするもので
ある。

【００２４】また請求項９の発明は、請求項８におい
て、基板上にフッ素を含むオレフィンを塗布した後、重
合反応を進行させて基板上にフッ素を構成元素に含む高
分子材料の塗膜からなる母材５を形成する工程と、フッ
素を構成元素に含む高分子材料の溶媒溶解物から溶媒を
揮発させて母材５を形成する工程のうちの、いずれかの
工程を有することを特徴とするものである。

【００２５】また請求項１０の発明は、請求項８又は９
において、母材５が、母材５に照射される短パルスレー
ザ光６の波長域に光吸収を有さず、かつその波長の半波
長域及び１／３波長域に光吸収を有さないか、あるいは
短パルスレーザ光６の波長域から紫外線域まで光吸収を
有さないものであることを特徴とするものである。

【００２６】また請求項１１の発明は、請求項８乃至１
０のいずれかにおいて、短パルスレーザ光６として、パ
ルス幅が１０^-12秒よりも短いものを用いることを特徴
とするものである。

【００２７】また請求項１２の発明は、請求項８乃至１
１のいずれかにおいて、母材５中の集光点における短パ
ルスレーザ光６の強度密度を１０¹²〜１０¹⁴Ｗ／ｃｍ²
となるようにすることを特徴とするものである。

【００２８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を、図
１を示して説明する。

【００２９】母材５はフッ素を構成元素に含む高分子材
料からなる成形体にて構成される。このとき母材５はフ
ッ素を含むオレフィンを重合して形成される合成樹脂の
成形体にて構成することができ、この場合は任意の基板
上にフッ素を含むオレフィンを塗布した後、加熱するな
どして重合反応を進行させることにより、基板上にフッ
素を構成元素に含む高分子材料の塗膜からなる母材５を
形成することができる。

【００３０】このようにして形成された母材５に、短パ
ルスレーザ光６を集光レンズを通過させた後に照射する
ことにより短パルスレーザ光６を母材５の内部に集光し
て、短パルスレーザ光６の集束照射領域（集光点８）近
傍において母材５に屈折率変化領域を形成し、この集光
点８を母材５に対して相対移動させることにより母材５
内部に連続した屈折率変化領域を形成して、この屈折率
変化領域にてコア領域１０を構成する。すなわち、短パ
ルスレーザ光６が集光された部分の屈折率が変化してコ
ア領域１０が形成され、母材５のコア領域１０以外の領
域がクラッドを構成し、コア領域１０中における光の伝
達が可能となるものである。

【００３１】このような集光点８における屈折率変化領
域（コア領域１０）の形成は、極度にエネルギー密度が
高められた短パルスレーザ光６の照射に特有の多光子吸
収という現象を利用した、母材５内部での局所的屈折率
変化誘起によるものである。このような屈折率変化誘起
が生じる母材５材料は従来はごく限られたものであった
が、本発明では、多光子吸収による屈折率変化誘起が生
じる材料として、新たにフッ素を構成元素に含む高分子
材料を見出したものである。

【００３２】この高分子材料中におけるフッ素原子の役
割は未だ明確には解明されていないが、一般にフッ素を
構成元素に含む高分子においては、炭素原子とフッ素原
子との間に非常に強固な結合を有し、また炭素原子間の
結合もフッ素原子の影響により強化された構造をもって
いるため、より安定した結合状態が存在するとしても結
合状態が遷移せずに保持される。そして多光子吸収の作
用によって一旦フッ素原子と炭素原子との間の結合や、
フッ素によって強化された炭素原子間の結合が解離する
と、解離前とは異なるより安定した結合状態で炭素−フ
ッ素間結合や炭素間結合が形成され、この結合状態が強
固に保持されることとなる。このようにフッ素を構成元
素に含む高分子においては多光子吸収によって分子構造
の変化が生じやすくなり、この分子構造が変化した部分
では電子構造に大きな変化が生じて、これが大きな屈折
率変化を誘起するものと推測される。

【００３３】また、このようにフッ素を構成元素として
含有することにより、母材５が全体として強固な構造を
有することとなり、短パルスレーザ光６の照射による母
材５の熱損傷に対する耐性が向上して、より安定で効果
的な屈折率変化の誘起を行うことができる。

【００３４】ここで、母材５を構成する高分子材料の物
性と、短パルスレーザ光６の波長との関係としては、母
材５が短パルスレーザ光６の波長域に光吸収を有さず、
かつその波長の半波長域及び１／３波長域に光吸収を有
さないようにすることが好ましい。母材５に短パルスレ
ーザ光６の波長での吸収や、低次の多光子吸収領域であ
る２光子（半波長域）、３光子（１／３波長域）に光吸
収を有する場合には、この光吸収は欠陥準位や色中心な
どと呼ばれる熱吸収領域によるものであることが多く、
このような光吸収が生じる場合には、多光子吸収の過程
において高次の多光子吸収によって原子間の結合の解離
が生じる前に、低次の多光子吸収によって短パルスレー
ザ光６のエネルギーが熱に変換され、母材５に熱損傷が
発生するおそれがある。すなわち、母材５が短パルスレ
ーザ光６の波長域に光吸収を有さず、かつその波長の半
波長域及び１／３波長域に光吸収を有さない場合には、
熱損傷が生じることなく、４光子や５光子等の高次の多
光子吸収によって原子間の結合の解離を発生させること
ができ、より安定で効果的な屈折率変化の誘起を行うこ
とができる。

【００３５】また、このような熱吸収領域は紫外線領域
を超える領域、即ち波長２００ｎｍを超える波長域で発
生し、紫外線領域以下の領域での光吸収は光エネルギー
から熱エネルギーへの変換を伴わない吸収となるので、
母材５が短パルスレーザ光６の波長の半波長域及び１／
３波長域に光吸収を有する場合であっても、その波長域
が波長２００ｎｍ以下の紫外線領域以下の領域であれ
ば、低次の光吸収による熱損傷は生じないものである。
すなわち、母材５が短パルスレーザ光６の波長域に光吸
収を有さず、短パルスレーザ光６の波長域から紫外線領
域（波長２００ｎｍ）までの間に光吸収を有さない場合
には、熱損傷が生じることなく、より安定で効果的な屈
折率変化の誘起を行うことができる。

【００３６】ここで、母材５が光吸収を有さない状態と
いうのは、理想的には光吸収が０、即ち透過率１００％
の状態であるが、母材５の表面の凹凸や湾曲等の性状や
母材５の厚み等の影響により、微量の光吸収の発生は避
けがたい。しかし、短パルスレーザ光６の波長域におけ
る透過率が８５〜１００％であれば母材５が短パルスレ
ーザ光６の波長域において光吸収を有さないとすること
ができ、より好ましくは短パルスレーザ光６の波長域に
おける透過率が９０〜１００％であると、より確実に熱
損傷の発生を防止することができ、更に安定で効果的な
屈折率変化の誘起を行うことができる。また、短パルス
レーザ光６の波長の半波長域及び１／３波長域におい
て、短パルスレーザ光６の波長域における透過率に対し
て２０％以上の透過率の減少が生じない場合には、短パ
ルスレーザ光６の波長の半波長域及び１／３波長域にお
いて光吸収を有さないとすることができ、あるいは短パ
ルスレーザ光６の波長域から紫外線域までの各波長域に
おいて、短パルスレーザ光６の波長域における透過率に
対して２０％以上の透過率の減少が生じない場合には短
パルスレーザ光６の波長域から紫外線域まで光吸収を有
さないとすることができるものであり、この場合に安定
で効果的な屈折率変化の誘起を行うことができるもので
ある。

【００３７】また、短パルスレーザ光６としては、その
パルス幅が１０^-12秒以下のものを用いることが好まし
い。このパルス幅よりも長いパルス幅のパルスレーザ光
を用いると、母材５中においてレーザ光からエネルギー
を得て高エネルギー状態にある電子が熱を放出して緩和
してしまう過程が起こり易くなって多光子吸収が起こり
にくくなり、母材５に熱損傷が生じると共に安定で効果
的な屈折率変化の誘起を行うことが困難となるおそれが
ある。この短パルスレーザ光６のパルス幅の下限は特に
制限はされないが、実用上の下限は１０^-15秒である。

【００３８】また、短パルスレーザ４のエネルギーの強
度密度は、母材５中の短パルスレーザ４の集光点８にお
いて、１０¹²〜１０¹⁴Ｗ／ｃｍ²となるようにすること
が好ましい。エネルギーの強度密度がこの範囲に満たな
いと多光子吸収を起こすための十分なエネルギーが得ら
れにくくなり、またエネルギーの強度密度がこの範囲を
超えるとエネルギーの熱変換が生じやすくなって母材５
の熱損傷が発生しやすくなる。

【００３９】具体的な母材５の材料と短パルスレーザ４
との組み合わせは、後述する実施例において示す。

【００４０】図１は、本発明における光導波路の製造方
法の一形態を示すものである。

【００４１】母材５は上記のようにフッ素を含むオレフ
ィンを重合して形成される合成樹脂の成形体にて構成さ
れているものであり、基板１上にフッ素を含むオレフィ
ンを塗布した後、加熱することにより重合反応を進行さ
せて、約１００μｍ程度の薄膜状に形成される。

【００４２】この母材５が形成が配置された基板１はス
テージ９上に固定される。このステージ９は３軸方向
（ＸＹＺ方向）に連続一定速度で移動可能に形成されて
いる可動台である。

【００４３】そして、この母材５に向けて、短パルスレ
ーザ光６を照射する。このとき短パルスレーザ光６は、
光源と母材５との間に集光レンズ７を配置することによ
り、集光レンズ７を通過した後に母材５に照射するもの
とし、このとき、集光レンズ７にて集光された短パルス
レーザ光６の集光点８は、母材５内部の任意の所定箇所
に配置されるようにする。

【００４４】この短パルスレーザ光６の集光点８では、
短パルスレーザ光６のエネルギーの強度密度が十分に高
められて、多光子吸収が生じることとなり、屈折率変化
が誘起される。この状態でステージ９を一方向に移動さ
せると、集光点８は母材５内部において母材５に対して
相対的に移動し、母材５内における集光点８の軌跡にお
いて屈折率変化が誘起されて、連続したコア領域１０が
形成されるものである。

【００４５】ここで、上記の説明では母材５内における
集光点８の移動を、ステージ９を移動させて集光点８に
対して母材５を移動させることにより行っているが、短
パルスレーザ光６及び集光レンズ７を移動させることに
より母材５に対して集光点８を移動させても良い。

【００４６】また、母材５内における集光点８の移動幅
は、集光レンズ７の作動距離等の装置構成によって制限
されるが、ステージ９の水平面方向だけでなく、短パル
スレーザ光６の光軸方向、即ちステージ９に対して垂直
な方向にも移動させることができ、母材５内において集
光点８を任意の方向に移動させて、種々の形状を有する
コア領域１０を形成することができるものである。

【００４７】例えば、複数のコア領域１０を並列に形成
すると、例えば光導波路を信号伝送用途に使用すること
により大量の情報を光信号にて一方向に伝送することが
できる。

【００４８】また、母材５内には一方向のコア領域１０
のみを形成するだけでなく、母材５の横方向、縦方向、
厚み方向、斜め方向などの、任意の種々の方向のコア領
域１０を複数形成することもでき、またコア領域１０を
一平面上のみに形成するだけでなく、母材５内における
複数層の領域にそれぞれ形成して複数のコア領域１０が
母材５内で積層して形成されるようにするなど、コア領
域１０を母材５内部における任意の箇所に形成すること
ができる。このようにコア領域１０を母材５内に三次元
的に形成すると、光信号を任意の複数方向に伝送する複
数のコア領域１０が母材５内に高密度に設けられた光導
波路を形成することができる。

【００４９】上記のような本発明の光導波路は、光信号
を伝送するための光配線板として形成すると、例えば通
信機器間（ボード間）を光接続するために利用すること
ができる。このように光配線板を形成するにあたって
は、母材５中に複数のコア領域１０を並列に形成すると
大量の情報を光信号にて一方向に伝送することができ
る。またコア領域１０は母材５内に任意の形状に形成す
ることができるため、曲線状の軌跡を有するコア領域１
０を形成することにより、限られたスペース内において
任意の方向に光信号を伝送する光回路基板を形成するこ
ともできる。

【００５０】また、光導波路は、電気配線が形成された
配線板と積層一体化することにより、電気・光混載回路
基板を構成することができる。この電気・光混載回路基
板は、光素子と電気素子とを搭載することによって、電
気的処理と光信号処理とが併用される装置をコンパクト
に構成することができ、特にコア領域１０が母材５内に
三次元的に設けられた光導波路を用いると、高集積の電
気・光混載回路基板を構成することができる。

【００５１】このような電気・光混載回路基板は、例え
ば上記の図１に示す光導波路の製造工程において、基板
１として銅ポリイミド配線板に回路形成を施して電気配
線を形成するなどした配線板を用いるなどして製造する
ことができ、この場合は基板である配線板に光導波路が
積層成形された電気・光混載回路基板を得ることができ
る。

【００５２】

【実施例】（実施例１）フッ素を構成元素に含む高分子
材料としては、デュポン株式会社製の全フッ素アモルフ
ァス高分子テフロンＡＦ（商品名、以下「テフロンＡ
Ｆ」という）を用いた。このテフロンＡＦは下記構造式
（ａ）を有する高分子化合物であり、式中のｘ及びｙの
値はｘ／ｙ＝６５／３５〜７０／３０の範囲となってい
る。

【００５３】

【化１】

【００５４】本実施例では、まずデュポン株式会社から
販売されているテフロンＡＦの溶剤溶解物を、周囲に側
壁を立設したガラス基板上に深さ１〜２ｍｍになるよう
に流し込み、このガラス基板をホットプレート上で空気
雰囲気下、７０℃で１０時間加熱し、更に約３℃／分の
昇温速度で１１２℃まで昇温してから、１１２℃に維持
した状態で３時間加熱し、更に約３℃／分の昇温速度で
１６５℃まで昇温した後、１６５℃に維持した状態で１
０分間加熱することによって、溶剤を揮発させ、厚み約
１００μｍの母材５を形成した。

【００５５】この母材５をガラス基板から剥離させた
後、別の清浄なガラス製の基板１上に粘着テープにて固
定し、基板１をステージ９上にセットすることにより母
材５を基体１を介してステージ９上に配置した。

【００５６】次に、連続発振のアルゴンレーザにて励起
されたモードロックＴｉ：サファイアレーザを短パルス
レーザ光６の光源として、波長８００ｎｍ、パルス幅１
５０ｆｓ（フェムト秒）、繰り返し周波数２０ｋＨｚ、
パルス強度６００ｋＷ／パルスの短パルスレーザ光６を
母材５に向けて照射した。このとき光源と母材５との間
には集光レンズ７として２０倍の光学顕微鏡用対物レン
ズを配置して、母材５内部に直径約２μｍの集光点８を
形成したものであり、このときの集光点８における短パ
ルスレーザ光６のエネルギーの強度密度は約２×１０¹³
Ｗ／ｃｍとなった。

【００５７】この状態で、ステージ９を一方向に１００
００μｍ／ｓの速度で移動させて、母材５内部にコア領
域１０を形成し、光導波路１を得た。

【００５８】このように形成された光導波路１の、コア
領域１０の軌跡と直交する断面における屈折率変化を、
顕微楕円偏光解析法により測定した結果を図２に示す。
この結果によれば、コア領域１０の径は約２μｍに形成
され、屈折率変化はその中心部において最大となって、
母材５のコア領域１０が形成されてない領域（クラッ
ド）に比べて、屈折率が約０．０３大きくなっており、
コア領域１０における屈折率の分布はこの中心部から周
囲に向かうに従って屈折率が徐々に減少する、いわゆる
ＧＩ（ＧｒａｄｅｄＩｎｄｅｘ）型分布をしている。
この中心部における屈折率は、屈折率変化前の屈折率
（１．３１４）に対して約２％の上昇率で増大している
ものである。

【００５９】また、このように形成された光導波路に
は、熱損傷に起因する空隙の発生などの異常はみられ
ず、熱損傷が起こっていないものであり、本実施例にお
いて、短パルスレーザ光６の集光点８でのエネルギーの
強度密度を上記の条件よりも増大させると、光導波路中
に若干の熱損傷が生じて空隙が形成された。またステー
ジ９の移動速度をあまりにも遅くした場合は、熱の蓄積
に起因すると推定される母材５の溶解が発生した。この
ステージ９の移動速度、すなわち母材５中における集光
点８の移動速度の、母材５が溶解しない範囲の下限値
は、レーザ光強度、繰り返し周波数、集光状態等の条件
の変化によって変動するものであって特定の値を提示す
ることはできないが、実施例１の条件においては、移動
速度が１００μｍ／ｓ以上であると、母材５の溶解が生
じないものであった。

【００６０】（実施例２）フッ素を構成元素に含む高分
子材料としては、旭硝子株式会社製の全フッ素化アモル
ファス高分子サイトップ（商品名、以下「サイトップ」
という）を用いた。このサイトップは下記構造式（ｂ）
を有する高分子化合物であり、式中のｘは０又は１、ｙ
は０又は１、ｚは０、１又は２であり、ｎの値は５００
００〜１０００００の範囲である。

【００６１】

【化２】

【００６２】本実施例では、まず旭硝子株式会社から販
売されているサイトップの溶剤溶解物を、周囲に側壁を
立設したガラス基板上に深さ１〜２ｍｍになるように流
し込み、このガラス基板まず真空容器内に封入して減圧
脱泡した後、ホットプレート上で空気雰囲気下、約０．
７℃／分の昇温速度で２００℃まで昇温してから、２０
０℃に維持した状態で１時間加熱することにより溶剤を
揮発させ、厚み約１００μｍの母材５を形成した。

【００６３】この母材５をガラス基板から剥離させた
後、別の清浄なガラス製の基板１上に粘着テープにて固
定し、基板１をステージ９上にセットすることにより母
材５を基体１を介してステージ９上に配置した。

【００６４】次に、この母材５に対して、実施例１と同
様の条件で短パルスレーザ光６を照射したところ、実施
例１の場合と同様に、屈折率が変化したコア領域１０が
形成されて、光導波路が得られた。

【００６５】（比較例）フッ素化したエポキシ樹脂（三
井化学株式会社製；「テクモアＶＧ３１０１」）５０重
量部と、硬化剤（セントラル硝子株式会社製；「ＢＩＳ
−ＡＦ」）３２．２重量部と、両者の反応を促進させる
ための触媒（トリフェニルホスフィン）０．７２重量部
と、溶剤であるメチルエチルケトン１０重量部とを混合
した後、周囲に側壁を立設したガラス基板上に深さ３ｍ
ｍになるように流し込み、このガラス基板をホットプレ
ート上で空気雰囲気下、９０℃で１時間加熱した後、１
５０℃で３時間加熱し、更に２２０℃で３時間加熱する
ことにより、厚み約２ｍｍの母材５を形成した。

【００６６】この母材５をガラス基板から剥離させた
後、別の清浄なガラス製の基板１上に粘着テープにて固
定し、基板１をステージ９上にセットすることにより母
材５を基体１を介してステージ９上に配置した。

【００６７】次に、この母材５に対して、実施例１と同
様の条件で短パルスレーザ光６を照射したところ、コア
領域１０の形成は確認されず、内部に微細な空隙が形成
された。

【００６８】また、短パルスレーザ光６のエネルギーの
強度密度を徐々に下げていっても、空隙が形成されなく
なるだけで、コア領域１０が形成されなかった。

【００６９】（ラマン分光分析）屈折率変化が何に起因
するものかを調査するために、実施例１における母材５
に対して、短パルスレーザ光６の照射前後において顕微
ラマン分光分析を行い、得られたラマンスペクトルを比
較した。この結果を図３に示す。図中のＡは、短パルス
レーザ光６の照射前におけるスペクトル、Ｂは短パルス
レーザ光６の照射後におけるスペクトル、Ｃは両スペク
トルの差分をそれぞれ示すものである。また図中にはス
ペクトルのピークに、ピークの起源となる分子基及びそ
の振動モード（ν：伸縮振動、δ：変角振動）を付して
いるが、これらは確定されたものではなく、文献（Ｓ．
Ｅｌｔａｙｅｂら、Ｊ．ＲａｍｍａｎＳｐｅｃ. 第
２７巻、ｐ．１１１〜１２６（１９９６年））を参考に
比定されたものである。

【００７０】この結果によれば、短パルスレーザ光６の
照射によって、νＣ−Ｃ及びδＣＦ ₂においてピークの
減少がみられた。またδＣＦ₃のピークについてはピー
ク強度自体には大きな変化はないものの、ややブロード
ニングすると共に若干高周波側へシフトしており、差分
Ｃによって短パルスレーザ光６の照射後の変化が確認さ
れる。また、短パルスレーザ光６の照射後には、新たに
νＣ＝Ｏに起因すると推定されるピークも出現してい
る。

【００７１】このような結果により、母材５には、短パ
ルスレーザ光６の照射によって、高分子内の結合状態の
変化が生じ、これが大きな屈折率の変化を誘起している
と考えられる。

【００７２】（光吸収スペクトル測定）実施例１，２及
び比較例にて用いられた各母材５につき、光吸収スペク
トルを測定し、各波長領域での光の透過率を調査した。
実施例１，２の結果を図４（ａ）（ｂ）に、比較例の結
果を図５にそれぞれ示す。

【００７３】図示の結果によれば、図４（ａ）に示され
る実施例１での母材５、及び図４（ｂ）に示される実施
例２での母材５では、短パルスレーザ光６の波長領域で
ある８００ｎｍでの透過率が９０％以上であって、光吸
収が生じておらず、またこの８００ｎｍの波長領域から
紫外線領域である２００ｎｍの領域に亘る各波長領域で
は、短パルスレーザ光６の波長領域における透過率より
も２０％以上の透過率の減少は生じなかったものであ
り、短パルスレーザ光６の波長領域の半波長領域である
４００ｎｍの領域や、１／３波長領域である２６７ｎｍ
の領域における透過率の減少は、２０％を超えるもので
はなかった。

【００７４】それに対して、図５に示される比較例での
母材５では、短パルスレーザ光６の波長領域である８０
０ｎｍでの透過率が８０％近くになって、光吸収が生じ
ており、またより短波長領域となるに従って透過率が急
激に減少し、短パルスレーザ光６の波長領域の半波長領
域である４００ｎｍの領域や、１／３波長領域である２
６７ｎｍの領域における透過率は非常に低いものとなっ
た。

【００７５】以上の結果により、実施例１，２のように
母材５が短パルスレーザ光６の波長域に光吸収を有さ
ず、かつその波長の半波長域及び１／３波長域に光吸収
を有さないか、あるいは短パルスレーザ光６の波長域か
ら紫外線域まで光吸収を有さないものであれば、多光子
吸収の作用によって屈折率変化が誘起されてコア領域１
０が良好に形成されると共に熱損傷が生じなくなり、比
較例のように母材５が短パルスレーザ光６の波長域に光
吸収を有し、また波長の半波長域や１／３波長域、ある
いは短パルスレーザ光６の波長域から紫外線域まで光吸
収が生る場合には低次の光子吸収により熱変換が生じ、
コア領域１０が形成されにくくなると共に熱損傷が生じ
やすくなることが推論される。

【００７６】

【発明の効果】本発明の請求項１に係る光導波路は、母
材に光波又は電磁波を集束させて照射することにより、
この集束照射領域でこの母材の屈折率が変化されてコア
領域が形成され、かつこのコア領域が連続して形成され
た光導波路において、光波又は電磁波として短パルスレ
ーザ光が用いられ、母材がフッ素を構成元素に含む高分
子材料からなるため、ビーム直接描画法によって母材内
部で複雑な三次元状のコア領域が容易に形成され、三次
元光導波回路の形成に適し、更に母材材料としてフッ素
を構成元素に含む高分子材料を用いていることから、成
形性、取扱性を向上すると共に製造時に紫外線暗室が必
要とされるなどといった製造環境の制約がないものであ
る。

【００７７】また請求項２の発明は、請求項１におい
て、母材が、フッ素を含むオレフィンを重合して得られ
る高分子材料と、高分子材料を溶媒に溶解された状態か
ら溶媒を揮発させて成形されたもののうちの、いずれか
であるため、母材成形時の成形性が高く、薄膜状のもの
から厚肉状のものまで任意形状に容易に成形することが
できるものである。

【００７８】また請求項３の発明は、請求項１又は２に
おいて、母材が、集束照射領域に照射される短パルスレ
ーザ光の波長域に光吸収を有さず、かつその波長の半波
長域及び１／３波長域に光吸収を有さないか、あるいは
短パルスレーザ光の波長域から紫外線域まで光吸収を有
さないものであるため、コア領域形成時に短パルスレー
ザ光のエネルギーの熱変換が生じにくくなり、光導波路
内に熱損傷が生じることなく、より安定で効果的な屈折
率変化が誘起されたコア領域が形成されるものである。

【００７９】また請求項４の発明は、請求項１乃至３の
いずれかにおいて、コア領域を母材内部に並列に複数設
けるため、光導波路を信号伝送用途に使用することによ
り大量の情報を光信号にて一方向に伝送することができ
るものである。

【００８０】また請求項５の発明は、請求項１乃至３の
いずれかにおいて、コア領域を、母材内部に三次元的に
設けるため、光信号を任意の複数方向に伝送する複数の
コア領域を高密度に形成することができるものである。

【００８１】また本発明の請求項６に係る光配線板は、
請求項１乃至５のいずれかに記載の光導波路にて構成さ
れているため、通信機器間等の装置間を光接続するため
に利用することができるものである。

【００８２】また本発明の請求項７に係る電気・光混載
回路基板は、請求項１乃至５のいずれかに記載の光導波
路にて構成されているため、電気的処理と光信号処理と
が併用される装置をコンパクトに構成することができる
ものである。

【００８３】また本発明の請求項８に係る光導波路の製
造方法は、フッ素を構成元素に含む高分子材料からなる
母材を可動台上に固定し、この母材に向けて集光レンズ
を通過させた短パルスレーザ光を母材中の任意の箇所に
集光点が配置されるように照射し、可動台もしくは短パ
ルスレーザ光の照射位置及び集光レンズの配置位置を移
動させることにより母材内部における集光点の配置位置
を一定速度で移動させて、母材内部に連続したコア領域
を形成するため、ビーム直接描画法によって母材内部に
複雑な三次元状のコア領域を容易に形成することができ
て、三次元光導波回路の形成に適し、更に母材材料とし
てフッ素を構成元素に含む高分子材料を用いていること
から、成形性、取扱性を向上すると共に製造時に紫外線
暗室が必要とされるなどといった製造環境の制約がない
ものである。

【００８４】また請求項９の発明は、請求項８におい
て、基板上にフッ素を含むオレフィンを塗布した後、重
合反応を進行させて基板上にフッ素を構成元素に含む高
分子材料の塗膜からなる母材を形成する工程と、フッ素
を構成元素に含む高分子材料の溶媒溶解物から溶媒を揮
発させて母材を形成する工程のうちの、いずれかの工程
を有するため、母材の成形性が高く、薄膜状のものから
厚肉状のものまで任意形状の光導波路を容易に成形する
ことができるものである。

【００８５】また請求項１０の発明は、請求項８又は９
において、母材が、母材に照射される短パルスレーザ光
の波長域に光吸収を有さず、かつその波長の半波長域及
び１／３波長域に光吸収を有さないか、あるいは短パル
スレーザ光の波長域から紫外線域まで光吸収を有さない
ものであるため、コア領域形成時に短パルスレーザ光の
エネルギーの熱変換が生じにくくなり、光導波路内に熱
損傷が生じることなく、より安定で効果的な屈折率変化
が誘起されたコア領域を形成することができるものであ
る。

【００８６】また請求項１１の発明は、請求項８乃至１
０のいずれかにおいて、短パルスレーザ光として、パル
ス幅が１０^-12秒よりも短いものを用いるため、コア領
域形成時に短パルスレーザ光のエネルギーの熱変換が生
じにくくなり、光導波路内に熱損傷が生じることなく、
より安定で効果的な屈折率変化が誘起されたコア領域を
形成することができるものである。

【００８７】また請求項１２の発明は、請求項８乃至１
１のいずれかにおいて、母材中の集光点における短パル
スレーザ光の強度密度を１０¹²〜１０¹⁴Ｗ／ｃｍ²とな
るようにするため、コア領域形成時に短パルスレーザ光
のエネルギーの熱変換が生じにくくなると共に屈折率変
化の誘起が安定して生じ、より安定で効果的な屈折率変
化が誘起されたコア領域を形成することができるもので
ある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態の一例を示す概念図であ
る。

【図２】実施例１の光導波路の断面の屈折率変化を顕微
楕円偏光解析法に測定した結果を示すグラフである。

【図３】実施例１における短パルスレーザ光照射前の母
材と、短パルスレーザ光照射後の母材に対して、ラマン
分光測定を行った結果を示すグラフであり、Ａは短パル
スレーザ光照射前の母材のスペクトル、Ｂは短パルスレ
ーザ光の照射後の母材のスペクトル、Ｃのは両スペクト
ルの差分である。

【図４】（ａ）は実施例１、（ｂ）は実施例２におけ
る各母材の、光透過スペクトルの測定結果を示すグラフ
である。

【図５】比較例における母材の、光透過スペクトルの
測定結果を示すグラフである。

【図６】（ａ）乃至（ｈ）は、フォトリソグラフィー
法による従来の光導波路の各製造工程を示す断面図であ
る。

【符号の説明】

５母材６短パルスレーザ光８集光点１０コア領域

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 2H047 KA04 KB09 PA02 PA03 PA11 PA22 PA28 QA05 TA43 4E068 DA00 DB07 5E338 AA00 BB75 CC10 EE60

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】母材に光波又は電磁波を集束させて照射
することにより、この集束照射領域でこの母材の屈折率
が変化されてコア領域が形成され、かつこのコア領域が
連続して形成された光導波路において、光波又は電磁波
として短パルスレーザ光が用いられ、母材がフッ素を構
成元素に含む高分子材料からなることを特徴とする光導
波路。
【請求項２】母材が、フッ素を含むオレフィンを重合
して得られる高分子材料と、高分子材料を溶媒に溶解さ
れた状態から溶媒を揮発させて成形されたもののうち
の、いずれかであ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】母材が、集束照射領域に照射される短パ
ルスレーザ光の波長域に光吸収を有さず、かつその波長
の半波長域及び１／３波長域に光吸収を有さないか、あ
るいは短パルスレーザ光の波長域から紫外線域まで光吸
収を有さないものであることを特徴とする請求項１又は
２に記載の光導波路。
【請求項４】コア領域を母材内部に並列に複数設けて
成ることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載
の光導波路。
【請求項５】コア領域を、母材内部に三次元的に設け
て成ることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記
載の光導波路。
【請求項６】請求項１乃至５のいずれかに記載の光導
波路にて構成されていることを特徴とする光配線板。
【請求項７】請求項１乃至５のいずれかに記載の光導
波路にて構成されていることを特徴とする電気・光混載
回路基板。
【請求項８】フッ素を構成元素に含む高分子材料から
なる母材を可動台上に固定し、この母材に向けて集光レ
ンズを通過させた短パルスレーザ光を母材中の任意の箇
所に集光点が配置されるように照射し、可動台もしくは
短パルスレーザ光の照射位置及び集光レンズの配置位置
を移動させることにより母材内部における集光点の配置
位置を一定速度で移動させて、母材内部に連続したコア
領域を形成することを特徴とする光導波路の製造方法。
【請求項９】基板上にフッ素を含むオレフィンを塗布
した後、重合反応を進行させて基板上にフッ素を構成元
素に含む高分子材料の塗膜からなる母材を形成する工程
と、フッ素を構成元素に含む高分子材料の溶媒溶解物か
ら溶媒を揮発させて母材を形成する工程のうちの、いず
れかの工程を有することを特徴とする請求項８に記載の
光導波路の製造方法。
【請求項１０】母材が、母材に照射される短パルスレ
ーザ光の波長域に光吸収を有さず、かつその波長の半波
長域及び１／３波長域に光吸収を有さないか、あるいは
短パルスレーザ光の波長域から紫外線域まで光吸収を有
さないものであることを特徴とする請求項８又は９に記
載の光導波路の製造方法。
【請求項１１】短パルスレーザ光として、パルス幅が
１０^-12秒よりも短いものを用いることを特徴とする請
求項８乃至９のいずれかに記載の光導波路の製造方法。
【請求項１２】母材中の集光点における短パルスレー
ザ光の強度密度を１０¹²〜１０¹⁴Ｗ／ｃｍ²となるよう
にすることを特徴とする請求項８乃至１１のいずれかに
記載の光導波路の製造方法。