JP2005141083A - 光部品用材料およびその製造方法、並びに光部品 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 少なくとも高分子材料からなる母材3に、オシレーター発振のみからなる非増幅パルスレーザー1を集光照射する。このとき、非増幅パルスレーザー1は、少なくともパルス幅が5フェムト秒〜500ピコ秒の範囲内であればよい。これにより、母材3内に他の部位とは屈折率が異なる屈折率変化部位を形成することができるだけでなく、集光点を移動させることで複雑な形状の屈折率変化部位を形成できる。その結果、高品質の光部品用材料を容易かつ低コストで製造することができる。
【選択図】 図1
Description
<光部品用材料>
本発明にかかる光部品用材料とは、例えば光通信等のように、光を用いたシステムに用いられる光部品を製造する際に用いられる素材、または光部品の構成要素となり得る基本的な部品状の材料を指す。特に本発明では、少なくとも高分子材料からなる母材の内部に、直接にパルスレーザー(レーザーパルス)を集光照射することによって、当該母材の内部に屈折率の異なる部位を形成してなる材料を指す。このような光部品用材料は、屈折率の異なる部位により、様々な機能を発揮できるようになっている。それゆえ、本発明にかかる光部品用材料には、それ単独で光部品として用いることが可能なものも含まれる。具体的には、例えば、光導波路、グレーティング(回折格子)、マイクロミラー、レンズ、レンズアレイ、フルネルレンズ、フォトニック結晶等を挙げることができるが、特に限定されるものではない。
本発明にかかる光部品用材料に用いられる材質は、高分子材料(ポリマー材料)であれば特に限定されるものではない。具体的には、例えば、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、ポリスルホン、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、ポリシラン、ポリ塩化ビニル、エポキシ樹脂、セルロース系樹脂、シリコーン樹脂、シアナートエステル樹脂、フッ素系樹脂等を挙げることができる。これらの樹脂(高分子材料)は、通常、単独で用いるが、必要に応じて2種類以上を混合したポリマーアロイとして用いてもよい。
本発明で好適に用いられるポリイミドとしては、次に示す式(1)または式(2)
上記光学特性が優れている高分子材料の一つとして挙げているフッ素系脂肪族環構造含有重合体は、フッ素原子を含有する脂肪族環構造(フッ素系脂肪族環構造)を含有する高分子材料であれば特に限定されるものではない。具体的には、例えば、(1)2以上の重合性二重結合を有するフッ素系単量体を環化重合して生成する重合単位、(2)フッ素系脂肪族環構造を含有する単量体が重合して生成する重合単位から選ばれる少なくとも1種の重合単位を有する重合体を挙げることができる。
上記光学特性が優れている高分子材料の一つとして挙げているシリコーン樹脂としては、シロキサン構造(−SiO−構造)を含む重合体であればよく、具体的には、例えば、ポリシロキサン、変成シリコーン樹脂、アクリルシリコーン樹脂等を挙げることができる。中でも、好ましくはシリル基含有有機樹脂を好ましく用いることができる。このシリル基含有有機樹脂は、(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、および(C)ヒドロシリル化触媒を必須成分としてなる重合反応液を用いて重合することができる。
シリル基含有有機樹脂を挙げることができる。
本発明で用いられる高分子材料の物性は特に限定されるものではないが、ガラス転移温度(Tg)および光損失の少なくとも一方(好ましくは両方)が所定の範囲内となっていることが好ましい。これにより、得られる光部品材料をより優れたものとすることができる。
本発明では、少なくとも上記高分子材料からなっている母材にパルスレーザーを集光照射することによって、光部品用材料を製造するが、この母材の具体的な構成は特に限定されるものではない。
上記の例では、高分子材料とは別にモノマーおよび/またはオリゴマーを含有させて母材としていたが、本発明はこれに限定されるものではなく、同じ理由(得られる光部品用材料の屈折率を増加させるため)で高分子材料の主鎖および/または側鎖に、ラジカル反応性基またはイオン反応性基を含有させてもよい。このとき含有させるラジカル反応性基またはイオン反応性基は、上記と同様に、エポキシ基、オキセタン基、シアン酸エステル基およびマレイミド基から選択される1種以上の官能基であればよい。これら官能基の導入方法は特に限定されるものではなく、例えば、高分子材料を製造する際の原料として、上記官能基を含むモノマーを用いて重合する等の手法を挙げることができる。
母材の作製方法は特に限定されるものではなく、主成分である高分子材料に対して、必要に応じて、上述したモノマーおよび/またはオリゴマー等の副成分を配合し、所定形状に成形すればよい。高分子材料に対して上記モノマーおよび/またはオリゴマーを配合する方法、すなわち母材の作製(調製)方法としては、例えば、後述する実施例(母材作製例1〜4)に示すように、高分子材料の有機溶媒溶液を調製し、これにモノマー・オリゴマーを混合した後に所定の形状に成形する方法等を好適に用いることができるが、特に限定されるものではない。
本発明にかかる光部品用材料の製造方法は、上記母材にパルスレーザーを照射して、当該母材内に他の部位とは屈折率が異なる屈折率変化部位を形成する屈折率変化部位形成工程を含んでおり、この工程では、パルス幅が5フェムト秒〜500ピコ秒の範囲内であり、かつ、オシレーター発振のみからなるパルスレーザー(便宜上、非増幅パルスレーザーと称する)を用いる製造方法である。また、本発明にかかる光部品用材料は、この製造方法により得られるものである。
本発明で用いられる非増幅パルスレーザーとは、パルス幅が5フェムト秒〜500ピコ秒の範囲内であり、かつ、アンプによる増幅を行わず、オシレーター発振のみからなるパルスレーザーを指す。
本発明で用いられる非増幅パルスレーザーの具体的な条件は特に限定されるものではなく、上記範囲内のパルス幅であり、かつ、オシレーター発振のみからなるパルスレーザーであればよい。その他の条件については、製造しようとする光部品材料の種類に応じて適宜設定することができる。例えば、光部品用材料の代表例である光導波路を製造する場合には、母材内に屈折率変化部位を連続して形成する必要がある。そこで、母材に照射する非増幅パルスレーザーの繰返し周波数は大きい値であることが好ましい。
(1)パルス幅が5フェムト秒〜500ピコ秒の範囲内
(2)平均出力が0.01W〜30Wの範囲内
(3)繰返し周波数が10MHz〜300MHzの範囲内
のうち、少なくとも(1)を満たしていればよいが、(1)および(2)、あるいは(1)および(3)を満たしていることが好ましく、(1)、(2)および(3)の条件を全て満たしていることが特に好ましい。
本発明で用いられる非増幅パルスレーザーは、各種光学系を介して母材に照射することができる。通常、オシレーター発振されたパルスレーザーは対物レンズで集光した後に母材内に照射されるので、光学系には少なくとも対物レンズが含まれていればよいが、対物レンズの前段に各種光学素子を組み込んでもよい。このような光学素子としては、アキシコンレンズやシリンドリカルレンズ等の各種レンズを挙げることができる。これらレンズはそれぞれを1枚のみ用いてもよいし、複数枚を併用してもよいし、またそれぞれを組み合わせて用いてもよい。複数枚用いる場合は、焦点距離等の光学特性が異なるものを併用してもよい。
本発明にかかる光部品用材料の製造方法では、前述したように、非増幅パルスレーザーを母材内に集光照射して、当該母材内に他の部位とは屈折率が異なる屈折率変化部位を形成する屈折率変化部位形成工程を含んでおり、このとき用いられる非増幅パルスレーザーは上述したような条件を適宜満たしていればよいが、当該非増幅パルスレーザーを母材に集光照射する際の条件としても特に限定されるものではなく、製造しようとする光部品用材料または光部品の種類によって適宜設定すればよい。もちろん、非増幅パルスレーザーを集光照射する際の好ましい条件は存在する。
上述した各条件も含めて本発明で用いられるパルスレーザー発振装置の一例について、説明すると、例えば、図1に示すような概略構成の装置を例示することができる。
本発明にかかる光部品用材料の製造方法では、その製造過程に上記屈折率変化部位形成工程を含んでいれば良いが、その他の工程を含んでいてもよい。具体的には、例えば、屈折率変化部位形成工程の後に、母材を加熱する加熱工程を挙げることができる。
本発明にかかる光部品用材料は、上記製造方法により得られるものである。すなわち、本発明にかかる光部品用材料は、(I)の項でも述べたように、少なくとも高分子材料からなる母材に、パルス幅が5フェムト秒〜500ピコ秒の範囲内であり、かつ、オシレーター発振のみからなる非増幅パルスレーザーを集光照射することにより、当該母材内に屈折率変化部位を形成してなるものである。
前述したように、光導波路は、光の伝送線路または光の配線板であり、通常は、光の配線板として製造すればよい。そのため、本発明では、非増幅パルスレーザーの集光照射により、母材内に線状のコア層(屈折率変化部位)を2次元的または3次元的に形成して、周囲の屈折率未変化部位をクラッド層とし、母材自体を基板として用いればよい。
本発明にかかる光部品用材料としては、上記光導波路に限定されるものではなく、グレーティング(回折格子)、マイクロミラー、微小レンズやレンズアレイ、フルネルレンズ、またはフォトニック結晶等も挙げることができ、これら光部品用材料も、上記光導波路と同様の方法で製造することが可能である。
本発明を用いて得られる光部品とは、本発明にかかる製造方法を用いて得られる上記光部品用材料を用いてなるものである。このような光部品としては、特に限定されるものではないが、例えば、光通信に用いられる様々な部品(光通信用部品、光通信用光学素子)を挙げることができる。具体的には、例えば、光分岐結合器(光カプラ)、光合波分波器(光合分波器)、光アイソレータ、リングカプラ、光ファイバーアンプ、導波路型素子(導波路型光変調器)等が挙げられる。これら光部品は光部品用材料である上記光導波路等を用いて製造することができる。
以下の実施例で用いた各原料等とその入手先を以下に示す。これら原料等は市販品を必要に応じて精製して使用した。
・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
・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
・4,4’−ビスマレイミドジフェニルメタン:三井化学社製
・ジ[1−エチル(3−オキセタニル)]メチルエーテル:東亜合成社製
・ジメチルアセトアミド:和光純薬社製
・ジメチルホルムアミド:和光純薬社製
・イソプロパノール:和光純薬社製
・β−ピコリン:和光純薬社製
・無水酢酸:和光純薬社製
〔屈折率の測定〕
非増幅パルスレーザーを母材に集光照射したときに、当該集光点(集光照射部)近傍の屈折率の測定は以下の条件の測定法によった。
・屈折率測定法:ビームプロファイル反射率測定法による。
・測定波長:675nm
・ビームスポット径:1μm
・測定装置:高精度膜厚計Opti−Probe2000(サーマウェーブ社製)
〔合成例1:ポリイミドIの合成〕
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)をジメチルホルムアミド(36.9g)に溶解した。次に、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)とをさらに加えて容器を氷冷しながら1時間撹拌した。その後、室温で3時間攪拌して、ポリアミド酸I溶液(固形分15重量%)を得た。
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(1.60g、5mmol)および4,4’−ジアミノジフェニルエーテル(1.00g、5mmol)をジメチルホルムアミド(36.9g)に溶解した。次に、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、10.0mmol)をさらに加えて容器を氷冷しながら1時間撹拌した。その後、室温で3時間攪拌して、ポリアミド酸II溶液(固形分15重量%)を得た。
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(1.60g、5mmol)およびp−フェニレンジアミン(0.54g、5mmol)をジメチルホルムアミド(36.9g)に溶解した。次に、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、10.0mmol)をさらに加えて容器を氷冷しながら1時間撹拌した。その後、室温で3時間攪拌して、ポリアミド酸III溶液(固形分15重量%)を得た。
合成例1で得られたポリイミドIを母材の高分子材料として用いた。すなわち、ポリイミドIを固形分濃度20重量%となるようにジメチルホルムアミドに溶解させてポリイミド溶液とした。この溶液2gに、ラジカル反応性またはイオン反応性を示すモノマーとして4,4’−ビスマレイミドジフェニルメタン0.04gを添加し、均一になるまで攪拌した。
合成例2で得られたポリイミドIIを母材の高分子材料として用いた。すなわち、ポリイミドIIを固形分濃度20重量%となるようにジメチルホルムアミドに溶解させてポリイミド溶液とした。この溶液2gに、ラジカル反応性またはイオン反応性を示すモノマーとして4,4’−ビスマレイミドジフェニルメタン0.2gを添加し、均一になるまで攪拌した。
合成例3で得られたポリイミドIIIを母材の高分子材料として用いた。すなわち、ポリイミドIIIを固形分濃度20重量%となるようにジメチルホルムアミドに溶解させてポリイミド溶液とした。この溶液2gに、ラジカル反応性またはイオン反応性を示すモノマーとして4,4’−ビスマレイミドジフェニルメタン0.2gを添加し、均一になるまで攪拌した。
母材作成例1と同じく合成例1で得られたポリイミドIを母材の高分子材料として用いた。すなわち、ポリイミドIを固形分濃度20重量%となるようにジメチルホルムアミドに溶解させてポリイミド溶液とした。この溶液2gに、ラジカル反応性またはイオン反応性を示すモノマーとしてジ[1−エチル(3−オキセタニル)]メチルエーテル0.2gを添加し、均一になるまで攪拌した。
母材3としてフィルムIを選択し、図2に示すように、非増幅パルスレーザー1を対物レンズ2(40倍、0.75N.A.)で集光して母材3に対して照射した。この非増幅パルスレーザー1は、レーザーダイオード(LD)励起のTi:Al2O3レーザーからなるオシレーターより発振されたものであり、アンプにより増幅されていない。その条件は、パルス幅が150fs、繰返し周波数が82MHz、ピーク波長が802nm、平均出力が400mWとなっている。
母材としてフィルムIIを選択した以外は実施例1と同様にして、フィルムIIに長さ10mmの直線状の屈折率変化部位を形成した。
母材としてフィルムIIIを選択した以外は実施例1と同様にして、フィルムIIIに長さ10mmの直線状の屈折率変化部位を形成した。
母材としてフィルムIVを選択した以外は実施例1と同様にして、フィルムIVに長さ10mmの直線状の屈折率変化部位を形成した。
母材3としてフィルムIを選択し、図4に示すように、非増幅パルスレーザー1を、光学系9を通過させて集光してから母材3に対して照射した。光学系9は、焦点距離100mmのシリンドリカルレンズ7と焦点距離50mmのシリンドリカルレンズ8とを、シリンドリカルレンズ7・8間の距離を147mmになるようにして、実施例1と同じ対物レンズ2(20倍、0.5N.A.)の手前に組み込んだものとした。したがって、上記非増幅パルスレーザー1は、シリンドリカルレンズ7・8を通過した後に対物レンズ2で集光されて母材3(フィルムI)に照射した。
母材としてフィルムIを選択し、実施例1と同様にパルスレーザーを対物レンズで集光して母材(フィルムI)に照射した。このパルスレーザーは、アルゴンレーザ励起のTi:Al2O3からなるオシレーターより発振されたパルスレーザーを増幅して得られたパルスレーザーである。その条件は、パルス幅が150fs、繰返し周波数が200KHz、ピーク波長が802nm、平均出力が200mWとなっており、光学フィルタによって平均出力100mWに減衰させたものである。
2 対物レンズ
3 母材
4 集光点
5 試料台
6 光導波路
7・8 シリンドリカルレンズ
9 光学系
10 オシレーター
11 照射光学系可動部
12 試料台可動部
Claims (18)
- 少なくとも高分子材料からなる母材にパルスレーザーを照射することによって、当該母材内に他の部位とは屈折率が異なる屈折率変化部位を形成することにより得られる光部品用材料において、
パルス幅が5フェムト秒〜500ピコ秒の範囲内であり、かつ、オシレーター発振のみからなる非増幅パルスレーザーを上記母材内に集光照射することにより、上記屈折率変化部位を形成してなることを特徴とする光部品用材料。 - 上記非増幅パルスレーザーは、平均出力が0.01W〜30Wの範囲内、および繰返し周波数が10MHz〜600MHzの範囲内にあるという条件の少なくとも何れかを満たしていることを特徴とする請求項1に記載の光部品用材料の製造方法。
- 上記非増幅パルスレーザーは、母材内に集光照射される前に、シリンドリカルレンズ、対物レンズの順で通過したものであることを特徴とする請求項1または2に記載の光学部品用材料。
- 上記母材に用いられる高分子材料は、ガラス転移温度(Tg)が120℃以上であることを特徴とする請求項1、2または3に記載の光部品用材料。
- 上記高分子材料として、ポリイミド、ポリカーボネート、フッ素系脂肪族環状構造含有重合体、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、ポリシラン、シアン酸エステル樹脂の少なくとも何れかが用いられることを特徴とする請求項1ないし4の何れか1項に記載の光部品用材料。
- 上記高分子材料として、フッ素原子を含有するポリイミドが用いられることを特徴とする請求項5に記載の光部品用材料。
- 上記母材には、ラジカル反応性またはイオン反応性を示すモノマーおよび/またはオリゴマーが含まれていることを特徴とする請求項1ないし6の何れか1項に記載の光部品用材料。
- 上記モノマーおよび/またはオリゴマーは、その構造中に、エポキシ基、オキセタン基、シアン酸エステル基およびマレイミド基から選択される1種以上の官能基が含まれていることを特徴とする請求項7に記載の光部品用材料。
- 上記高分子材料は、その主鎖および/または側鎖に、ラジカル反応性基またはイオン反応性基を含んでいることを特徴とする請求項1ないし8の何れか1項に記載の光部品用材料。
- 上記ラジカル反応性基またはイオン反応性基が、エポキシ基、オキセタン基、シアン酸エステル基およびマレイミド基から選択される1種以上の官能基であることを特徴とする請求項9記載の光部品用材料。
- 上記高分子材料は、その光損失が、600nm〜1600nmの範囲内にある波長の光において3dB/cm以下となっていることを特徴とする請求項1ないし10の何れか1項に記載の光部品用材料。
- 光導波路、グレーティング、マイクロミラー、レンズ、レンズアレイ、フルネルレンズ、フォトニック結晶の少なくとも何れかであることを特徴とする請求項1ないし11の何れか1項に記載の光部品用材料。
- 少なくとも高分子材料からなる母材にパルスレーザーを照射して、当該母材内に他の部位とは屈折率が異なる屈折率変化部位を形成する工程を含む光部品用材料の製造方法において、
上記パルスレーザーとして、パルス幅が5フェムト秒〜500ピコ秒の範囲内であり、かつ、オシレーター発振のみからなる非増幅パルスレーザーを用いることを特徴とする光部品用材料の製造方法。 - 上記工程では、上記非増幅パルスレーザーを母材に集光照射することにより、屈折率の異なるコア層とクラッド層を形成することを特徴とする請求項13に記載の光部品用材料の製造方法。
- 上記工程では、母材内で上記非増幅パルスレーザーの集光照射点を連続的に移動させることを特徴とする請求項13または14に記載の光部品用材料の製造方法。
- 上記非増幅パルスレーザーとしては、平均出力が0.01W〜30Wの範囲内、および繰返し周波数が10MHz〜600MHzの範囲内にあるという条件の少なくとも何れかを満たすパルスレーザーが用いられることを特徴とする請求項13、14または15に記載の光部品用材料の製造方法。
- 上記工程では、上記非増幅パルスレーザーが、1個以上の光学素子からなる光学系を通過してから母材内に集光照射されるとともに、
上記光学系には、非増幅パルスレーザーの出射方向の上流側から、シリンドリカルレンズ、対物レンズの順となるようにこれらレンズが配置されていることを特徴とする請求項13ないし16の何れか1項に記載の光部品用材料の製造方法。 - 請求項1ないし12の何れかに記載の光部品用材料を用いてなる光部品。
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