JP2003014961A

JP2003014961A - 有機質・無機質複合導波路及びその製造方法

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Publication number: JP2003014961A
Application number: JP2001194992A
Authority: JP
Inventors: Katsuyuki Imoto; 克之井本
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 2001-06-27
Filing date: 2001-06-27
Publication date: 2003-01-15
Anticipated expiration: 2021-06-27
Also published as: JP3692973B2

Abstract

(57)【要約】【課題】導波路を簡単に製作できる有機質・無機質複
合導波路及びその製造方法を提供する。【解決手段】基板１０，２０上に、ポリシラン化合物
からなる溶液を塗布し（Ｓ１）、その溶液をベークして
（Ｓ２）ポリマ膜を形成し、そのポリマ膜１２，２２の
表面或いは内部にパルス幅が１０００ｆｓ以下の超短パ
ルスレーザビームを集光し、照射させながらポリマ膜１
２，２２の位置を変位させて高屈折率に変化した光伝搬
層１３，２３のパターンを、ポリマ膜表面或いは内部に
形成（Ｓ３）したものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、大気中において簡
単な方法で作成することができると共に、極低損失特性
を実現することができる有機質・無機質複合導波路及び
その製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】ポリマ材料を用いたポリマ導波路の研究
開発が活発化している。このポリマ導波路は、低温プロ
セスで簡単に作成することができるので、ガラス材料を
用いたガラス導波路に比して、低コスト化、大型サイズ
化の点で優位性が期待できると考えられてきている。す
なわち、種々の基板上に、有機溶剤に溶けたポリマ溶液
をスピンコーティング法、押出しコーティング法等で塗
布し、その後、低温（≦３００℃）で加熱してポリマ膜
とする。ついでフォトリソグラフィやエッチングプロセ
スを用いて略矩形状の高屈折率のコア用ポリマパターン
を得た後に、そのコアパターンを覆うように低屈折率の
ポリマ膜を形成する方法である。

【０００３】またポリマ導波路を大気中において簡単な
方法で作成する方法として、本発明者は先にフォトブリ
ーチング用ポリマ膜をそれより低屈折率の膜の形成され
た基板上に成膜し、ついで所望のコアパターンの描かれ
たフォトマスクを上記フォトブリーチング用ポリマ膜上
において紫外線光を照射し、上記紫外線光の照射された
フォトブリーチング用のポリマ膜の屈折率を低下せしめ
て側面クラッド層とし、紫外線光の照射されなかった領
域は屈折率の低下のないコア層となる。そしてその後に
上記フォトブリーチング用ポリマ膜を覆うようにし低屈
折率のクラッド用ポリマ膜を成膜することによりポリマ
導波路を実現する方法である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前述し
た従来のポリマ導波路には次のような問題がある。

【０００５】(1) ガラス導波路に比して伝送損失が高す
ぎて実用化が難しい。

【０００６】(2) ポリマ材料固有の吸収基（ＣＨ基）に
よる損失を低減することが難しい。これを低減しようと
して、フッ素化すると、材料自身の耐熱性や取扱性が悪
くなると共に、非常に高価なものになってしまう。

【０００７】(3) フォトブリーチングポリマ材料を用い
たポリマ導波路は大気中において簡単な方法で作れると
いう特徴があるが、上記固有吸収による損失を下げるこ
とが難しい。

【０００８】(4) ポリマ材料は、ガラス材料に比べて、
温度変化による屈折率の安定性が悪く、光回路を構成し
ても光特性が変化しやすく実用的な問題点がある。

【０００９】そこで、本発明の目的は、前記した従来の
問題点を解決し、導波路を簡単に製作できる有機質・無
機質複合導波路及びその製造方法を提供することにあ
る。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、ポリシラン化合物からなるポリマ膜の表
面或いは内部にパルス幅が１０００ｆｓ（femto sec ;
１０^-15秒）以下の超短パルスレーザビームを集光して
高屈折率に変化させた光伝搬層のパターンを、ポリマ膜
表面或いは内部に形成したことを特徴とする有機質・無
機質複合導波路である。

【００１１】上記ポリシラン化合物にはシリコーン化合
物が所望配合比で添加されていてもよく、Ｓｉ原子以外
に炭化水素基、アルコキシ基、または水素原子と結合し
ているものを用いてもよい。

【００１２】また、ポリシラン化合物は、その一部また
は全てが重水素化されているものを用いてもよい。

【００１３】さらに、ポリシラン化合物は、その一部ま
たは全部がフッ素化されたものを用いてもよい。

【００１４】上記シリコーン化合物は、架橋性、あるい
はアルコキシ基からなるものを用いてもよい。

【００１５】また、シリコーン化合物は、その一部また
は全部てが重水素化されていてもよい。

【００１６】また、上記シリコーン化合物は、その一部
または全てがフッ素化されていてもよい。

【００１７】上記ポリマ膜は所望のパターン形状の描か
れたフォトマスクを介して紫外線光が照射されて屈折率
の低下した領域と紫外線光が照射されずに屈折率が低下
しなかった高屈折率領域のパターンからなり、超短パル
スレーザービームは、紫外線が照射されなかった高屈折
率領域に集光、照射され、上記ポリマ膜の屈折率よりも
高い屈折率に変化された光伝搬層が形成されるようにし
てもよい。

【００１８】上記ポリマ膜の表面にポリマ膜の屈折率よ
りも低い屈折率のクラッド用ポリマ膜が形成されていて
もよい。

【００１９】また、ポリマ膜は３２０〜４８０℃の範囲
で熱処理されていてもよい。

【００２０】また、ポリマ膜の熱処理は超短パルスレー
ザービームの照射の前か後のどちらかで行われるように
してもよい。

【００２１】また、ポリマ膜は、基板上に形成されてい
てもよい。

【００２２】また、ポリマ膜は、複数層積層されていて
もよい。

【００２３】本発明は、上記有機質・無機質複合導波路
の他に、基板上に有機溶媒に溶かされたポリシラン化合
物の溶液を塗布する工程、その後、１００〜４８０℃の
温度範囲で熱処理して硬化したポリマ膜を得る工程、該
ポリマ膜の表面或いは内部にパルス幅が１０００ｆｓ以
下の超短パルスレーザービームを集光しながら該集光点
と上記基板との位置を相対的に変化させて高屈折率に変
化した光伝搬層のパターンをポリマ膜の表面或いは内部
に形成する工程を有する有機質・無機質複合導波路の製
造方法である。

【００２４】上記有機溶媒に溶かされたポリシラン化合
物の溶液にシリコーン化合物が所望配合比で添加されて
いてもよい。

【００２５】上記熱処理工程を１００〜２５０℃のプリ
ベーク温度範囲に狭くし、その変わりに、光伝搬層のパ
ターンを形成する工程の後に、３２０〜４８０℃の温度
範囲でポストベークする工程を設けてもよい。

【００２６】上記プリベークの工程の他に、所望のパタ
ーン形状の描かれたフォトマスクをポリマ膜の上に置い
て紫外線光を照射し、その紫外線光照射で屈折率の低下
した領域と紫外線光が照射されずに屈折率が低下しなか
ったパターンを形成する工程を設け、その工程の後に該
紫外線光が照射されなかった領域に超短パルスレーザー
ビームを集光、照射しながら該集光点と上記基板との位
置を相対的に変化させて高屈折率に変化した光伝搬層の
パターンを形成する工程、ポストベークの工程を設ける
ようにしてもよい。

【００２７】上記ポストベーク工程を超短パルスレーザ
ービーム照射による光伝搬層のパターンを形成する工程
の前に設けてもよい。

【００２８】上記光伝搬層の形成されたポリマ膜の表面
にそのポリマ膜の屈折率よりも低い屈折率のクラッド用
ポリマを形成する工程を設けてもよい。

【００２９】上記クラッド用ポリマ膜形成工程は、紫外
線光照射によるポリマ膜の屈折率パターンを形成する工
程の後に設けてもよい。

【００３０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好適実施の形態を
添付図面に基づいて詳述する。

【００３１】図１〜図５は、本発明の有機質・無機質複
合導波路の製造方法の実施の形態を示したものである。

【００３２】先ず図１の製造方法から説明する。

【００３３】図１に示すように、基板上へ有機溶媒に溶
けたポリシラン化合物の溶液を塗布する（工程Ｓ１）。

【００３４】ここで、基板としては、ガラス、セラミッ
クス、プラスチックス、半導体、強誘電体結晶の他に、
上記材質を組み合わせてできた基板（例えばガラス充填
プラスチックス、酸化膜付きＳｉ基板等）等を用いるこ
とができる。

【００３５】ポリシラン化合物としては、直鎖型および
分岐型ポリシラン化合物を用いることができる。

【００３６】ここで、分岐型と直鎖型とは、ポリシラン
中に含まれるＳｉ原子の結合状態によって区別される。

【００３７】分岐型とは、隣接するＳｉ原子と結合して
いる数（結合数）が３又は４であるＳｉ原子を含むポリ
シラン化合物である。

【００３８】これに対して、直鎖型は、Ｓｉ原子の隣接
するＳｉ原子との結合数は２である。通常、Ｓｉ原子の
原子価は４であるので、ポリシラン中に存在するＳｉ原
子の中で結合数が３以下のものは、Ｓｉ原子以外に、炭
化水素、アルコキシ基又は水素原子と結合している。こ
のような炭化水素基としては、炭素数１〜１０のハロゲ
ンで置換されていてもよい脂肪族炭化水素基、炭素数６
〜１４の芳香族炭化水素基が好ましい。

【００３９】脂肪族炭化水素基の具体例として、メチル
基、プロピル基、ブチル基、ヘキシル基、オクチル基、
デシル基、トリフルオロプロピル基及びノナフルオロヘ
キシル基等の鎖状のもの、及びシクロヘキシル基、メチ
ルシクロヘキシル基のような脂環状のもの等が挙げられ
る。

【００４０】また芳香族炭化水素基の具体例として、フ
ェニル基、ｐ−トリル基、ビフェニル基及びアントラシ
ル基等が挙げられる。

【００４１】アルコキシ基としては、炭素数１〜８のも
のが挙げられる。具体例としては、メトキシ基、エトキ
シ基、フェノキシ基、オクチルオキシ基などが挙げられ
る。合成の容易さを考慮すると、これらの中でメチル基
及びフェニル基が特に好ましい。

【００４２】分岐型の場合には、隣接するＳｉ原子は、
分岐型ポリシラン中の全体のＳｉ原子数の２％以上であ
ることが好ましい。２％未満のものや直鎖型のポリシラ
ンは結晶性が高く、膜中で微結晶が生成しやすいことに
より散乱の原因となり、透明性が低下する。ただし本発
明の場合には、後述するように上記ポリシラン膜を３５
０〜４５０℃の高温で熱処理することにより無機化さ
せ、かつ、上記膜表面、或いは内部へ超短パルスレーザ
ービームを照射するので、２％未満のものや直鎖型のポ
リシランも適用することができる。

【００４３】なお、上記分岐度の上限値は、有機溶媒に
溶かして可溶性のポリマ溶液を作る上で制限され、その
上限値は５０％程度である。

【００４４】本発明に使用されるポリシランはハロゲン
化シラン化合物をナトリウムのようなアルカリ金属の存
在下、ｎ−デカンやトルエンのような有機溶媒中におい
て８０℃以上に加熱することによる重縮合反応によって
製造することができる。

【００４５】また、電解重合法や、金属マグネシウムと
金属酸化物を用いた方法でも合成可能である。

【００４６】上記分岐型ポリシラン化合物の場合には、
オルガノトリハロシラン化合物、テトラハロシラン化合
物、及びジオルガノジハロシラン化合物からなり、オル
ガノトリハロシラン化合物及びテトラハロシラン化合物
が全体量の２モル％以上であるハロシラン混合物を加熱
して重縮合することにより、目的とする分岐型ポリシラ
ン化合物が得られる。

【００４７】ここで、オルガノトリハロシラン化合物
は、隣接するＳｉ原子との結合数が３であるＳｉ原子源
となり、一方のテトラハロシラン化合物は、隣接するＳ
ｉ原子との結合数が４であるＳｉ原子源となる。

【００４８】なお、ネットワーク構造の確認は、紫外線
吸収スペクトルや珪素の核磁気共鳴スペクトルの測定に
より確認することができる。

【００４９】ポリシランの原料として用いられるオルガ
ノトリハロシラン化合物、テトラハロシラン化合物、及
びジオルガノジハロシラン化合物がそれぞれ有するハロ
ゲン原子は、塩素原子であることが好ましい。

【００５０】オルガノトリハロシラン化合物及びジオル
ガノジハロシラン化合物が有するハロゲン原子以外の置
換基としては、上述の炭化水素基、アルコキシ基又は水
素原子が挙げられる。

【００５１】上記ポリシラン化合物は、有機溶媒に可溶
であり、塗布により透明な膜が成膜できるものであれ
ば、特に限定されない。

【００５２】このような有機溶媒として好ましいもの
は、炭素数５〜１２の炭化水素系、ハロゲン炭化水素
系、エーテル系である。

【００５３】炭化水素系の例としては、ペンタン、ヘキ
サン、ヘプタン、シクロヘキサン、ｎ−デカン、ｎ−ド
デカン、ベンゼン、トルエン、キシレン、メトキシベン
ゼンなどが挙げられる。

【００５４】ハロゲン炭化水素の例としては、四塩化炭
素、クロロホルム、１，２−ジクロロエタン、ジクロロ
メタン、クロロベンゼン等が挙げられる。

【００５５】エーテル系の例としては、ジエチルエーテ
ル、ジブチルエーテル、テトラハイドロフラン等が挙げ
られる。

【００５６】上記有機溶媒に溶けたポリシラン化合物の
溶液の中にはシリコーン化合物を所望配合比で添加して
もよい。すなわち、ポリシラン化合物に対してのシリコ
ーンの配合比は２０〜１３０ｗｔ％の範囲が好ましい。

【００５７】シリコーン化合物の添加量が少ないと、ポ
リマ膜の屈折率は高く、またベーク温度に対する屈折率
の変化量も大きい。シリコーン化合物の添加量が多いほ
ど、ポリマ膜の屈折率は低下するが、４０〜９０ｗｔ％
の範囲ではベーク温度に対する屈折率変化は小さく、シ
リコーン化合物の添加量が９５ｗｔ％よりも多くなる
と、逆にベーク温度に対する屈折率の変化は大きくな
る。

【００５８】またポリマ膜の光透過率はシリコーン化合
物の添加量が多いほど良好になる。

【００５９】ここでシリコーン化合物には化１に示すよ
うなものを用いる。

【００６０】

【化１】

【００６１】ここで、化１中、Ｒ₁ からＲ₁₂は、炭素数
１〜１０のハロゲン又はグリシジルオキシ基で置換され
ていてもよい脂肪族炭化水素基、炭素数６〜１２の芳香
族炭化水素基、炭素数１〜８のアルコキシ基からなる群
から選択される基であり、同一でも異なっていてもよ
い。ａ，ｂ，ｃ及びｄは、０を含む整数であり、ａ＋ｂ
＋ｃ＋ｄ≧１を満たすものである。

【００６２】このシリコーン化合物が有する脂肪族炭化
水素基の具体例としては、メチル基、プロピル基、ブチ
ル基、ヘキシル基、オクチル基、デシル基、トリフルオ
ロプロピル基、グリシジルオキシプロピル基等の鎖状の
もの、及びシクロヘキシル基、メチルシクロヘキシル基
のような脂環式のものが挙げられる。

【００６３】また芳香族炭化水素基の具体例として、フ
ェニル基、ｐ−トリル基、ビスフェニル基が挙げられ
る。

【００６４】さらにアルコキシ基の具体例としては、メ
トキシ基、エトキシ基、フェノキシ基、オクチルオキシ
基、ｔｅｒ−ブトキシ基等が挙げられる。

【００６５】上記Ｒ₁ からＲ₁₂の種類及びａ，ｂ，ｃ，
ｄの値は特に重要ではなく、ポリシラン及び有機溶媒と
相溶し、膜が透明なものであれば特に限定されい。

【００６６】相溶性を考慮した場合には、使用するポリ
シランが有する炭化水素基と同じ基を有していることが
好ましい。例えば、ポリシランとして、フェニルメチル
系のものを使用する場合には、同じフェニルメチル系又
はジフェニル系のシリコーン化合物を使用することが好
ましい。

【００６７】またＲ₁ からＲ₁₂のうち、少なくとも２つ
が炭素数１〜８のアルコキシ基であるような、１分子中
にアルコキシ基を２つ以上有するシリコーン化合物は、
架橋剤として利用可能である。そのようなものとして
は、アルコキシ基を１５〜３５重量％含んだメチルフェ
ニルメトキシシリコーンやフェニルメトキシシリコーン
等を挙げることができる。分子量としては、１０，００
０以下、好ましくは３，０００以下のものが好適であ
る。

【００６８】また上記分岐型ポリシラン化合物の分岐度
を２％以上のものを用いることにより、その分岐度が高
くなるほど、より光透過率を向上させることができる。
それと共に、添加すべきシリコーン化合物の配合比を前
述したように最適範囲に選ぶことにより、屈折率の熱安
定性を大幅に向上させることができる。

【００６９】またＣＨ基やＯＨ基による光吸収損失を低
減するために、ポリシラン化合物やシリコーン化合物に
重水素化、あるいは一部または全てがハロゲン化、特に
フッ素化したものを用いれば、上記吸収基による光損失
を大幅に低減することができる。これにより、波長依存
性の極めて少ない低光伝搬損失のポリマ膜を得ることが
できる。

【００７０】さらに、シリコーン化合物に架橋性、ある
いはアルコキシ基からなるものを用いることによってポ
リシラン化合物の中に均一に添加することができ、しか
もトルエンのような有機溶媒中に容易に可溶してナノメ
ータレベルの超微粒子状溶液となり、上記ポリマ溶液を
用いることにより、光散乱中心のない均一なポリマ膜を
形成することができる。

【００７１】上記図１の塗布工程Ｓ１において、塗布方
法としては、スピンコーティング法、押出しコーティン
グ法等を用いる。

【００７２】次に、塗布工程Ｓ１が終了したならば、基
板に塗布した溶液のプリベーク（１００〜１５０℃、２
０分）、ポストベーク（３２０〜４８０℃、３０分）す
る（工程Ｓ２）。

【００７３】プリベーク温度としては、有機溶媒を蒸
発、気化させる程度の温度、すなわち、１００〜１５０
℃の範囲から選ぶのが好ましい。プリベーク時間は１０
分から４０分程度で十分である。

【００７４】ついで、ポストベークを行う。ここで、ポ
リシラン化合物として、例えば、フェニルメチルポリシ
ランを用いると、通常のポストベーク温度は、側鎖のフ
ェニル基やメチル基が脱離しない温度で、無機化しない
温度、３００℃以下に選ばれる。

【００７５】しかし本発明では、超低損失化を達成する
ためと、超短パルスレーザービーム照射を行うために３
２０〜４８０℃の範囲でポストベークを行い、無機化し
た膜に変える。４８０℃を越えると、膜の表面や内部に
クラックが発生しやすいので、クラックの発生しない温
度、できることならば３２０〜４５０℃の範囲で行う。

【００７６】このような温度でポストベークを行うと、
後述するように、超低損失な膜を得ることができると共
に、緻密化して屈折率も低い値を実現することができ
る。

【００７７】上記ポストベークの時間は１０分以上、１
時間以内が好ましい。

【００７８】なお上記プリベークとポストベークはまと
めて行い、昇温、保温、降温工程を経るようにして行っ
てもよい。

【００７９】次に、図１に示すように、上記ポストベー
ク工程Ｓ２を終えた膜の内部に、超短パルスレーザビー
ムを集光、照射しつつ、基板の位置をＸ方向、Ｙ方向、
あるいはＸ及びＹ方向に所望速度で移動させて、上記膜
の内部に高屈折率に変化した光伝搬層のパターンを形成
する（工程Ｓ３）。

【００８０】ここで上記膜の高屈折率変化は、多光子吸
収に基づく現象によって生ずるものと考えられており、
本発明者の実験によれば、上記レーザービームのパワー
が高いほど、基板の移動速度が遅いほど、またパルス幅
が狭いほど高屈折率化を実現できることがわかった。

【００８１】ただし、図１の工程Ｓ２の段階での膜は、
通常のガラスと比べれば、よりポーラスで軟化点の低い
膜であるので、レーザービームのパワーは高くなくても
よく、またパルス幅も１０００ｆｓから数百ｆｓの範囲
で十分に高屈折率化を実現することができた。

【００８２】なお工程Ｓ３の超短パルスレーザービーム
照射による膜の高屈折率化（照射後の屈折率η_a と照射
前の屈折率η_b との被屈折率差Δ＝｛（η_a −η_b ）／
η_a｝×１００％）は、工程Ｓ２の膜のポストベーク温
度が低いほど、高Δ化が実現できることがわかった。す
なわち、ポストベーク温度が高くなると膜はより無機質
化して屈折率が低下し、このような膜にレーザービーム
を照射すると、照射後の屈折率η_a は、それほど大きく
ならず、逆にポストベーク温度が低いほど（ただし、膜
が無機化する温度範囲で低いほど）、η_a は大きくな
り、高Δ化を実現できることがわかった。なお、この工
程Ｓ２は、レーザービーム照射による熱的効果を利用し
てもよい。例えば、上記超短パルスレーザービームのパ
ルス幅１０００ｆｓよりも広くし、且つレーザービーム
のスポット径を光伝搬層形成時の径程度か、それより大
きくし、また平均パワーも小さくして行い、その後に、
工程Ｓ３を連続的に行ってもよい。すなわち、膜中へ形
成する光伝搬層パターンに沿ってレーザービームによる
加熱工程、及びレーザービームによる高屈折率化した光
伝搬層の形成である。

【００８３】図２は、本発明の有機質・無機質複合導波
路の製造方法の第２の実施の形態を示したものである。

【００８４】本実施の形態で、図１の実施の形態と違う
点は、工程Ｓ１の後、プリベーク（１００〜１５０℃、
２０分）のみを行う工程Ｓ２Ａを行い、次いで、プリベ
ーク膜内部への超短パルスレーザビーム照射による高屈
折率の光伝搬層パターンを形成する工程Ｓ３を行った後
に、ポリシラン膜のポストベーク（３２０〜４８０℃、
３０分）の工程Ｓ２Ｂを行う方法である。

【００８５】この方法の特徴は、プリベーク膜中への超
短パルスレーザービームを集光、照射するので、より高
Δ化を図ることができる点にある。

【００８６】図３は、本発明の有機質・無機質複合導波
路の製造方法の第３の実施の形態を示したものである。

【００８７】本実施の形態では、ポリシラン化合物の溶
液塗布の工程Ｓ１の後、先ずポリシラン化合物の溶液の
プリベーク（１５０℃、２０分）を行った後に、第１の
ポストベーク（２００〜２５０℃の範囲で３０分程度）
の工程Ｓ２Ｃを行う。次いで、工程Ｓ２Ｃの後のポスト
ベークを行った膜上に、所望の光伝搬層パターンの描か
れたフォトマスクを介して紫外線照射し、上記ポストベ
ーキングを行った膜に上記パターンの屈折率変化パター
ンを形成するポリシラン膜のパターニングの工程Ｓ３Ｃ
を行う。すなわち、上記フォトマスクの紫外線透過部を
通った紫外線照射により、屈折率は低下する。その屈折
率の低下の度合いは紫外線の照射エネルギー（照射パワ
ー、照射時間）による。例えば、上記ポリシラン膜を用
いれば０．数％から６％程度の比屈折率差を得ることが
できる。上記フォトマスクの紫外線非透過部、すなわ
ち、光伝搬層パターン部は、屈折率は変化せず、そのま
まである。

【００８８】次に上記膜に対して第２のポストベーク
（３２０〜４８０℃、３０分程度）の工程Ｓ２Ｄを行
う。

【００８９】そして最後に上記紫外線が照射されなかっ
たパターン部の膜内部に超短パルスレーザービームを集
光、照射し、高屈折率に変化した光伝搬層パターンを形
成する工程Ｓ３Ｄを行う。

【００９０】この方法によれば、ポリシラン膜のパター
ニングの工程Ｓ３Ｃの段階で、高Δが得られた段階で、
さらにレーザービーム照射で、さらなる高Δ化を実現す
ることができる。また工程Ｓ３Ｃの段階で、光伝搬層と
なり得るパターンが形成され、光伝搬層パターンを形成
する工程Ｓ３Ｄで、上記パターンに沿ってレーザービー
ムを照射するので、高寸法精度の光伝搬層パターンを形
成することができる。

【００９１】なお、このレーザービーム照射による光伝
搬層の形成は、上記紫外線照射領域の全域か一部の領域
でもよい。

【００９２】図４は、本発明の有機質・無機質複合導波
路の製造方法の第４の実施の形態を示したものである。

【００９３】本実施の形態は、基本的には図３の第３の
実施の形態と工程Ｓ１，Ｓ２Ｃ，Ｓ３Ｃまでは同じであ
る。

【００９４】第３の実施の形態と違う点は、工程Ｓ２Ｄ
と工程Ｓ３Ｄとを入れ換えた点にある。

【００９５】すなわち、フォトマスクを介した紫外線に
よるポリシラン膜のパターニングの工程Ｓ３Ｄの後に、
第２のポストベーキング工程Ｓ２Ｄを行う。

【００９６】このようにすると、図３の方法よりもさら
に高Δ化を実現することができる。

【００９７】その理由は、図３の第３の実施の形態で
は、ポリシラン膜のパターニングの工程Ｓ３Ｃの段階
で、高Δパターンが得られた後に第２のポストベーキン
グ工程Ｓ２Ｄを行うと、上記高Δが少し低下するが、図
４の第４の実施の形態では、高Δパターンを得た後に、
超短パルスレーザビームを照射して光伝搬層パターンを
形成する工程Ｓ３Ｄを行うことで、高Δ化を図れるため
である。そして最後に、第２のポストベーキング工程Ｓ
２Ｄを行うことにより、紫外線の照射された領域の屈折
率が下がるので、結果的にさらに高Δ化を実現すること
ができる。

【００９８】図５は、本発明の有機質・無機質複合導波
路の製造方法の第５の実施の形態を示したものである。

【００９９】図５において、工程Ｓ１，Ｓ２Ｃ，Ｓ３Ｃ
までは、第３及び第４の実施の形態と同じである。

【０１００】紫外線照射によって光の伝搬する高屈折率
のパターン部とその両側面の低屈折率部の上にクラッド
用ポリマ溶液を塗布する工程Ｓ４を設ける。その後、上
記クラッド用ポリマ溶液のプリベーク（１００〜１５０
℃の範囲で２０分程度）、次いでポストベーク（２００
〜２５０℃の範囲で３０分）の工程Ｓ５を行う。最後に
上記紫外線が照射されなかった高屈折率のパターン部の
内部へ超短パルスレーザービームを集光して照射し、高
屈折率に変化した光伝搬層を形成する工程Ｓ３Ｄを行
う。

【０１０１】この方法の特徴は、光伝搬層が上部クラッ
ド層で十分に覆われていることである。これにより、さ
らに低損失の導波路を得ることができる。

【０１０２】次に、超低損失導波路を実現する上で重要
なポストベーク温度とポリマ膜の伝搬損失との関係につ
いて図６により説明する。

【０１０３】図６は本発明に用いるポリマ膜の伝搬損失
とベーク温度との関係を実験したものである。

【０１０４】これは、バイコールガラス基板（厚み０．
５ｍｍ）上に形成したポリマ膜（膜厚：約９μｍ）の伝
搬損失を波長１３００ｎｍと１５５０ｎｍで測定した結
果を示したものである。

【０１０５】横軸のベーク温度は、バイコールガラス基
板（コーニンググラス社製、厚み０．５ｍｍ）上に塗布
したポリマ溶液をプリベーク（１５０℃，２０分）した
後に行うポストベーク（温度ｔ℃、３０分間）の温度ｔ
であり、上記温度ｔを種々変えて作成したポリマ膜の伝
搬損失を縦軸に示している。

【０１０６】上記ポリマ溶液は、トルエン有機溶媒に、
分岐度が２０％のポリメチルフェニルシランと、メチル
フェニルメトキシリコーンを５０％添加したポリマ溶液
である。

【０１０７】図６からわかるように、ポストベーク温度
が高くなるほど、ポリマ膜の伝搬損失を低くすることが
できる。この結果は本発明者が見いだしたものである。
さらに温度を上げれば、低損失化が可能であるが、基板
との熱膨張係数の違いにより、ポリマ膜中に歪みが生じ
てクラックが入り、逆に伝搬損失が増大する。この熱的
効果によるダメージを防ぐために超短パルスレーザービ
ーム照射による高屈折率変化による三次元導波路の作成
と、熱的ダメージをなくして低損失化を達成するように
したものである。

【０１０８】上記ポストベークを行った膜中への超短パ
ルスレーザービームの集光、照射により、Δが１％以上
の高Δ光伝搬層を実現し、また波長１３００ｎｍ、１５
５０ｎｍにおける伝搬損失として、図６の結果よりもさ
らに低く、０．０１ｄＢ／ｃｍ以下の超低損失導波路を
実現することができることがわかった。

【０１０９】なお、上記超短パルスレーザービームとし
て、波長８００ｎｍ、パルス幅２００〜１０００ｆｓ、
パルス繰り返し数十Ｈｚ〜数百ＫＨｚのものを用いた。
また作成した三次元導波路は上記測定波長においてシン
グルモード導波路であった。

【０１１０】図７は本発明に用いるポリマ膜の屈折率、
膜厚のベーキング温度依存性の実験例を示したものであ
る。このポリマ膜は図６で説明したものと同じである。

【０１１１】図７に示すように、ポストベーク温度が高
くなるほど、ポリマ膜の屈折率及び膜厚は低下する。な
お屈折率は波長１３００ｎｍで測定した結果である。

【０１１２】図７のポリマ膜に超短パルスレーザービー
ムを照射すると、照射された部分の膜の屈折率は０．数
％〜１％程度高くなることがわかった。これは多光子吸
収現象によるものと考えられる。この屈折率が高くなる
現象は、図７のベーク温度を高くすることによって屈折
率が低下する現象と相反するものである。

【０１１３】次に本発明の三次元導波路の具体例を図８
〜図１３に示す。

【０１１４】先ず図８は、図１で説明した工程（あるい
は図２で説明した工程）で作ることができる第１の三次
元導波路の断面図を示したものである。

【０１１５】基板１０には、ガラス、プラスチック、セ
ラミック、半導体、強誘電体、あるいはこれらを組み合
わせた材料からなる基板を用いることができる。

【０１１６】特に、ポリマ溶液を基板上に塗布し、低温
でのプリベーク、ポストベークでポリマ膜１２とした後
に、超短パルスレーザビーム照射で高屈折率に変化させ
た光伝搬層１３を形成するので、基板１０には、プラス
チックフィルム、プリント基板等のような低温処理に適
した基板を用いることができ、かつ大気中でのポリマ溶
液の塗布（スピンコーティング，押し出しコーティング
等）で成膜化を行えるので、大面積の基板へ適用できる
という特徴がある。

【０１１７】次に、図９について説明する。

【０１１８】図９（ａ）は第２の三次元導波路の断面
図、図９（ｂ）は、図９（ａ）のＡ−Ａ線断面内におけ
る屈折率分布、図９（ｃ）は、図９（ａ）のＢ−Ｂ線断
面内における屈折率分布を示したものである。

【０１１９】この図９は、図３の第３の実施の形態の工
程あるいは図４の第４の実施の形態の工程を用いて作る
ことができる三次元導波路の断面図を示したもので、基
板２０上に、前述したポリシラン化合物のフォトブリー
チング用ポリマ膜２１、２２Ａ，２２Ｂが形成されてお
り、左右のポリマ膜２２Ａ，２２Ｂは、フォトマスクを
介した紫外線照射によって屈折率が低下した領域であ
り、中央のポリマ膜２１は、紫外線が照射されなかった
領域であり、この領域内に超短パルスレーザービーム照
射によって高屈折率に変化させられた光伝搬層２３が形
成されている。

【０１２０】したがって、光伝搬層２３の屈折率は、最
も高い値η_a となり、またその層内で、レーザービーム
のスポット径内パワー分布に相似したような僅かな屈折
率分布をもっている。

【０１２１】左右のポリシラン膜２２Ａ，２２Ｂの領域
は、紫外線照射によって、低屈折率η_p （η_p ＜η_a ）
になっている。紫外線が照射されなかった中央のポリマ
膜２１の領域は、屈折率η_b （η_p ＜η_b ＜η_a ）にな
っている。

【０１２２】図１０は、第３の三次元導波路の断面を示
したものである。

【０１２３】図１０は、図９で説明した、ポリマ膜２
１，２２Ａ，２２Ｂの上に上部クラッド層２４（屈折率
は、ポリマ膜２２Ａ，２２Ｂのそれと略等しいかそれよ
りも低い値）を設けた構造であり、図５の第５の実施の
形態の工程によって作られたものである。

【０１２４】図１１は、第４の三次元導波路の断面を示
し、この第４の三次元導波路は、図１０の三次元導波路
において、基板２０とポリマ膜２１，２２Ａ，２２Ｂの
間に低屈折率（屈折率は、ポリマ膜２１，２２Ａ、上部
クラッド層２４のそれと等しいかそれよりも低い値）の
層２５を設けた構造の断面図を示したものである。

【０１２５】上記低屈折率の層２５及び上部クラッド層
２４をフォトブリーチング用ポリマ材料、あるいはポリ
マ材料で形成すると全ての層を塗布工程で形成すること
ができること、及び低温で形成することができるといっ
た利点が得られる。

【０１２６】図１２は、第５の三次元導波路の断面を示
したものである。

【０１２７】これは基板２０上に低屈折率の層２５を形
成し、その低屈折率の層２５上に、紫外線を照射したポ
リマ膜２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃ，２２Ｄと、紫外線が照
射されていないパターン部のポリマ膜２１Ａ，２１Ｂ，
２１Ｃを交互に形成し、その紫外線が照射されていない
ポリマ膜２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃ内に、高屈折率変化し
た光伝搬層２３Ａ，２３Ｂ，２３Ｃを形成し、さらにポ
リマ膜２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃ，２２Ａ，２２Ｂ，２２
Ｃ，２２Ｄ上に上部クラッド層２４を形成すると共にそ
のクラッド層２４上に紫外線をカットするための紫外線
カット層２６を形成した例である。

【０１２８】図１３は、第６の三次元導波路の断面を示
したものである。

【０１２９】これは、高屈折率化した光伝搬層を積層構
造にしたものである。

【０１３０】すなわち、基板２０上に低屈折率の層２５
を形成し、その低屈折率の層２５上ポリマ層２２Ｆを形
成し、そのポリマ層２２Ｆ内に光伝搬層２３Ａ，２３
Ｂ，２３Ｃを形成し、上記ポリマ層２２Ｆの上に低屈折
率（屈折率はポリマ層２２Ｆのそれよりも低い値）の中
間層２７を介してポリマ層２２Ｇを設け、このポリマ層
２２Ｇ内に光伝搬層２３Ｄ，２３Ｅを形成し、さらにそ
のポリマ層２２Ｇ上に上部クラッド層２４を形成した積
層構造導波路である。

【０１３１】本発明は上記実施の形態に限定されない。
例えば高屈折率化された光伝搬層はポリマ膜の内部以外
に、ポリマ膜表面に設けてもよい。そしてその表面に低
屈折率のポリマ層を形成してもよい。

【０１３２】高屈折率化された光伝搬層のパターンは、
直線パターン、曲線パターン、およびこれらを組み合わ
せたパターンで構成され、光方向性結合回路、光スター
カプラ、光リング共振回路、光フィルタ、アレイ格子型
グレーティング、Ｙ分岐光回路あるいはこれらを組合せ
た光回路などを構成するようにしてもよい。

【０１３３】ポリマ膜は、ポリシラン化合物、ポリシラ
ン化合物にシリコーン化合物を添加したもの、あるいは
ポリシラン化合物にシリコーン化合物と光酸発生剤（ト
リジアン系、過酸化物等）を添加したものを用いてもよ
い。高屈折率化された光伝搬層は、図１３の構造以外
に、更に多層状に積層されたポリマ層の中に設けられて
いてもよい。またその際は、中間層２７は必ずしも設け
なくてもよい。

【０１３４】図１４に示したように、基板３０上に低屈
折率の層３５を形成し、その低屈折率の層３５上に、第
１の光伝搬層パターンが描かれているフォトマスクを介
して紫外線照射して高屈折率の第１の光伝搬層３２とそ
の側面に低屈折率化された側面クラッド層３１Ａ，３１
Ｂを形成した後に、上記第１の光伝搬層３２に超短パル
スレーザビームを集光、照射してさらに高屈折率の光伝
搬層３３に変え、さらに上部クラッド層３４を形成する
ようにすれば、パターン寸法精度のよい光伝搬層をより
高Δで実現することができる。

【０１３５】

【発明の効果】以上要するに本発明によれば、次のよう
な効果を奏する。（１）ガラス導波路の損失と同程度かそれよりもさらに
低損失を実現することができ、しかも従来のガラス導波
路の製造方法に比して圧倒的に簡単で安価な製造方法で
作ることができる。すなわち、大気中において、塗布工
程と５００℃以下の加熱工程、超短パルスレーザービー
ム照射工程、場合によっては紫外線照射工程の併用で作
製することができる。またプラスチックフィルム、プリ
ント基板等の超大型の基板上に形成することができるの
で高集積化した高機能光回路を構成することができる。
さらに低温工程で作れるので、基板の反りを起こすこと
なく、光学特性の劣化も少ない。（２）ＣＨ基による吸収損失も３２０〜４８０℃の温度
で無機化することにより、また超短パルスレーザービー
ムを照射することにより、ほとんどなくすことができ、
広い波長域にわたって超低損失な三次元型光回路を実現
することができる。（３）温度変化による屈折率の安定性も３２０〜４８０
℃のポストベーク温度でベーキングしてポリシラン膜
（あるいはシリコーンや光酸発生剤を添加したポリシラ
ン膜）を無機化することにより、良好にすることがで
き、さらに超短パルスレーザービーム照射でさらなる無
機化を図り、温度変化に対して屈折率変化が少ない光伝
搬層を実現することができる。（４）三次元導波路をポリマ溶液の塗布からスタート
し、それのポリマ膜化および無機化、レーザービーム照
射による光伝搬層の形成化等を行い、低コストで超低損
失な光回路を実現することができる。（５）フォトブリーチングポリマ層上に第１の光伝搬層
パターンの描かれているフォトマスクを介して紫外線を
照射して高屈折率の第１の光伝搬層パターンを形成した
後に、その第１の光伝搬層パターンに沿って超短パルス
レーザービームを照射することによって、その第１の光
伝搬層をさらに高屈折率化すると共に、パターン寸法精
度のよい第２の光伝搬層を第１の光伝搬層内に形成する
ことができるので、散乱損失の低い超低損失・超小型・
高Δ導波路およびそれを用いた光回路を実現することが
できる。（６）基板として、プリント基板やプラスチックフィル
ム等の耐熱温度の低い基板を用いることができるので、
ＬＳＩやＬ，Ｃ，Ｒ等の電気部品の搭載された基板上に
光配線回路、光信号処理を超低損失で実現することが可
能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態を示す図である。

【図２】本発明の第２の実施の形態を示す図である。

【図３】本発明の第３の実施の形態を示す図である。

【図４】本発明の第４の実施の形態を示す図である。

【図５】本発明の第５の実施の形態を示す図である。

【図６】本発明において、ポリマ膜の伝搬損失とベーキ
ング温度の関係を示す図である。

【図７】本発明において、ポリマ膜の屈折率、膜厚のベ
ーク温度依存性を示す図である。

【図８】本発明の方法で作製された第１の三次元導波路
の断面図である。

【図９】本発明の方法で作製された第２の三次元導波路
の断面とその屈折率を示す図である。

【図１０】本発明の方法で作製された第３の三次元導波
路の断面図である。

【図１１】本発明の方法で作製された第４の三次元導波
路の断面図である。

【図１２】本発明の方法で作製された第５の三次元導波
路の断面図である。

【図１３】本発明の方法で作製された第６の三次元導波
路の断面図である。

【図１４】本発明の方法で作製された第７の三次元導波
路の断面図である。

【符号の説明】

１０，２０，３０基板１２２２ポリマ膜２１ポリマ膜２３光伝搬層

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ポリシラン化合物からなるポリマ膜の表
面或いは内部にパルス幅が１０００ｆｓ以下の超短パル
スレーザビームを集光して高屈折率に変化させた光伝搬
層のパターンを、ポリマ膜表面或いは内部に形成したこ
とを特徴とする有機質・無機質複合導波路。
【請求項２】ポリシラン化合物にはシリコーン化合物
が所望配合比で添加されている請求項１記載の有機質・
無機質複合導波路。
【請求項３】ポリシラン化合物は、Ｓｉ原子以外に炭
化水素基、アルコキシ基、または水素原子と結合してい
るものを用いた請求項１または２記載の有機質・無機質
複合導波路。
【請求項４】ポリシラン化合物は、その一部または全
てが重水素化されているものを用いた請求項１〜３いず
れかに記載の有機質・無機質複合導波路。
【請求項５】ポリシラン化合物は、その一部または全
部がフッ素化されたものを用いた請求項１〜３いずれか
に記載の有機質・無機質複合導波路。
【請求項６】シリコーン化合物は、架橋性、あるいは
アルコキシ基からなるものを用いた請求項２に記載の有
機質・無機質複合導波路。
【請求項７】シリコーン化合物は、その一部または全
てが重水素化されたものを用いた請求項２記載の有機質
・無機質複合導波路。
【請求項８】シリコーン化合物は、その一部または全
てがフッ素化されたものを用いた請求項２に記載の有機
質・無機質複合導波路。
【請求項９】ポリマ膜は所望のパターン形状の描かれ
たフォトマスクを介して紫外線光が照射されて屈折率の
低下した領域と紫外線光が照射されずに屈折率が低下し
なかった高屈折率領域のパターンからなり、超短パルス
レーザービームは、紫外線が照射されなかった高屈折率
領域に集光、照射され、上記ポリマ膜の屈折率よりも高
い屈折率に変化された光伝搬層が形成された請求項１〜
８いずれかに記載の有機質・無機質複合導波路。
【請求項１０】ポリマ膜の表面にポリマ膜の屈折率よ
りも低い屈折率のクラッド用ポリマ膜が形成されている
請求項１〜９いずれかに記載の有機質・無機質複合導波
路。
【請求項１１】ポリマ膜は３２０〜４８０℃の範囲で
熱処理されている請求項１〜１０いずれかに記載の有機
質・無機質複合導波路。
【請求項１２】ポリマ膜の熱処理は超短パルスレーザ
ービームの照射の前か後のどちらかで行われる請求項１
１に記載の有機質・無機質複合導波路。
【請求項１３】ポリマ膜は、基板上に形成されている
請求項１〜１２いずれかに記載の有機質・無機質複合導
波路。
【請求項１４】ポリマ膜は、複数層積層されている請
求項１〜１３いずれかに記載の有機質・無機質複合導波
路。
【請求項１５】基板上に有機溶媒に溶かされたポリシ
ラン化合物の溶液を塗布する工程、その後、１００〜４
８０℃の温度範囲で熱処理して硬化したポリマ膜を得る
工程、該ポリマ膜の表面或いは内部にパルス幅が１００
０ｆｓ以下の超短パルスレーザービームを集光、照射し
ながら該集光点と上記基板との位置を相対的に変化させ
て高屈折率に変化した光伝搬層のパターンをポリマ膜の
表面或いは内部に形成する工程を有する有機質・無機質
複合導波路の製造方法。
【請求項１６】有機溶媒に溶かされたポリシラン化合
物の溶液にシリコーン化合物が所望配合比で添加されて
いる請求項１５記載の有機質・無機質複合導波路の製造
方法。
【請求項１７】熱処理工程を１００〜２５０℃のプリ
ベーク温度範囲に狭くし、その変わりに、光伝搬層のパ
ターンを形成する工程の後に、３２０〜４８０℃の温度
範囲でポストベークする工程を設けた請求項１５記載の
有機質・無機質複合導波路の製造方法。
【請求項１８】プリベークの工程の他に、所望のパタ
ーン形状の描かれたフォトマスクをポリマ膜の上に置い
て紫外線光を照射し、その紫外線光照射で屈折率の低下
した領域と紫外線光が照射されずに屈折率が低下しなか
ったパターンを形成する工程を設け、その工程の後に該
紫外線光が照射されなかった領域に超短パルスレーザー
ビームを集光、照射しながら該集光点と上記基板との位
置を相対的に変化させて高屈折率に変化した光伝搬層の
パターンを形成する工程、ポストベークの工程を設ける
ようにした請求項１７記載の有機質・無機質複合導波路
の製造方法。
【請求項１９】ポストベーク工程を超短パルスレーザ
ービーム照射による光伝搬層のパターンを形成する工程
の前に設けた請求項１８記載の有機質・無機質複合導波
路の製造方法。