JP3826740B2 - Laser direct writing waveguide and manufacturing method thereof - Google Patents
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- Optical Integrated Circuits (AREA)
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気・電子機器間の光伝送を行うためのポリマ導波路に係り、特にその伝送路パターンを紫外線レーザビームを用いて形成したレーザ直接描画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】
近年の光インターコネクション技術の発達により、装置間をファイバで並列光伝送する方式が実用段階に入ってきており、この方式としてボード内やＬＳＩチップ間を光信号により並列伝送する方式が本格的に検討されるようになってきた。
【０００３】
この方式を実現するためには、伝送路としてファイバの代りに導波路が用いられるが、この導波路としては従来から多用されているガラス材料を用いた導波路（以下、ガラス導波路という）に代わり、ポリマ材料を用いたもの（以下、ポリマ導波路という）が有力視されている。すなわち、ポリマ導波路は、ガラス導波路に比べ、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からである。
【０００４】
このポリマ導波路の製造方法としては、先ず、種々の基板の上に、有機溶媒に溶けたポリマ溶液を例えばスピンコーティング法や押出しコーティング法等で塗布した後、これを３００℃以下の低温で加熱して膜状のポリマ層を形成する。次に、このポリマ層に対してフォトリソグラフィやエッチングプロセスを用いて断面略矩形状の高屈折率のコア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を被覆して低屈折率のクラッドを形成するようにしたものである。
【０００５】
尚、フォトレジスト膜のパターニング技術の一案として、フォトマスクを用いないでフォトレジスト膜の上に紫外線レーザビームを直接に照射してフォトレジスト膜を所望パターンに露光する方法も開発されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、このようにして得られる従来のポリマ導波路には以下に示すように、実用化の障害となる幾つかの課題が存在している。
【０００７】
1) ：ポリマ導波路の散乱損失のトップデータとして現在までに０．１ｄＢ／ｃｍが報告されているが、この値はガラス導波路に比してまだ損失が大きく、ガラス導波路の代替え候補にはならない。すなわち、従来のポリマ導波路構造及び製造方法では、ガラス導波路並の０．１ｄＢ／ｃｍ以下に低損失化することは難しい。
【０００８】
その理由として先ず考えられるのは、ポリマ導波路の損失の中で、コア側面の荒れによる散乱損失が極めて大きいことがあげられる。この対策として、フォトレジスト膜のパターニング技術にフォトマスクを用いないでフォトレジスト膜の上に紫外線レーザビームを直接に照射してフォトレジスト膜を所望パターンに露光する方法を応用することが考えられる。しかし、この方法ではその後に上記パターンをマスクにしてエッチングしなければならないために、エッチングによる側面荒れが生じてしまい、結果的に低損失化は難しい。
【０００９】
次に考えられる理由としては、ポリマ材料固有の吸収基（ＣＨ基、ＯＨ基）に依存する吸収損失が存在しているためである。この吸収損失を低減する対策としてポリマのフッ素化、あるいは重水素化を図る試みが行なわれているが、耐熱性の劣化、成膜の難しさ等の課題が有り、まだ実用的なものは得られていない。
【００１０】
2) ：得られたポリマ導波路は、その後その表面、あるいは裏面、更には内部に必要な電子部品，電子回路，光部品，光回路等をはんだによってハイブリッド実装されることになる。しかしながら、現状である程度の低損失特性（０．２ｄＢ／ｃｍ程度）が期待できるポリマ導波路にあっては、耐熱性に乏しいため、はんだリフロー温度（Ａｕ／Ｓｎはんだのリフロー温度：＞２８０℃）に耐えることが難しく、また、上記温度で実装・処理されると、導波路に用いているポリマの屈折率が変化してしまい、導波路の光学特性が大幅に変わって使用不可になってしまうことがある。そのため、耐熱特性に優れたポリマ材料を用いた導波路を用いることも考えられるが、係る導波路では損失が大きかったり、偏波依存性があったりして実用上問題が残る。
【００１１】
そこで、本発明は上記課題を解決するために案出されたものであり、その主な目的は、ガラス導波路並の低散乱損失で、かつ優れた光学特性を有する新規なレーザ直接描画導波路及びその製造方法を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明は、従来のようなフォトリソグラフィ、エッチングプロセスを用いないで、低屈折率層で覆われたフォトブリーチングポリマ層に紫外線のパルスレーザビームを集光、照射しながら上記被照射物あるいはパルスレーザビームのいずれかを相対的に移動させてパターニングを行ない、光伝搬層となるコア層及びそれをガイドする側面クラッド層を形成するようにしたものである。その結果、コア層側面の荒れがほとんどない、低散乱損失の導波路を実現することができる。また、コア層とその側面のクラッド層界面を連続的な屈折率分布に形成することができるので、より超低散乱損失で、かつコア層内への光の閉じ込めを良くすることができる。
【００１３】
紫外線レーザビームはビームスポット径を１μｍまで絞り込むことができ、かつコヒーレントな光であるので、非常に高寸法精度のコア層及び側面クラッド層パターンを描画、形成することができる。特に、導波路型方向性結合器のように、二つのコア層間隔が数μｍで結合長Ｌに亘って平行結合した構造を実現する場合には、本発明の方法は有効な実現方法である。上記コア層間隔は狭いほど結合長Ｌを短くすることができるが、従来のエッチングプロセスを用いる方法及び矩形状コア層をクラッド層で埋め込む埋め込み型導波路構造ではその間隔は４μｍ以下にすることは困難であったが、本発明ではコア層間隔を１μｍ程度にまで狭めることができるので、結合長を容易に短くすることができ、小型導波路回路が実現可能となる。また上記導波路型方向性結合器以外に、リング共振器回路、フィルタ回路等の小型化、高性能化も可能となる。
【００１４】
また、このポリマ層を形成するフォトブリーチング用ポリマとして、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、あるいはシリコーン化合物と光酸発生剤を添加したものを用いることにより、３００℃よりも高い温度で熱処理を行なって、無機化を促進させることができるので、ポリマ材料固有の吸収基（ＣＨ基、ＯＨ基）に依存する吸収損失を低減することが出来る。加えて、Ａｕ／Ｓｎ半田リフロー温度（Ａｕ／Ｓｎ半田のリフロー温度：＞２８０℃）に耐えることができるので、導波路表面、あるいは裏面、更には内部に電子部品、電子回路、光部品、光回路等をハイブリッド実装することが可能となる。
【００１５】
さらに上記紫外線レーザビームとして、パルスレーザビームを用いれば照射されたポリマ層の熱的なダメージを受けることなく、低い平均出力レーザビームパワでポリマ層の屈折率を低下させることができる。また連続波に比してパルスにすることにより、瞬間的に高い光強度を持ちながら平均強度が低いので、短時間で厚いポリマ層に対してもその深さ方向に屈折率変化を一様に生じさせることができ、短時間で導波路化を実現させることができる。尚、上記深さ方向の屈折率変化を起こさせる度合いはレーザビームのパワ、被加工物（あるいはレーザビームのどちらか）の移動速度を調節することにより制御することができる。また同じ位置をレーザビームを複数回照射するようにしてもよい。
【００１６】
また、紫外線レーザビームのビームスポット径を調節することにより、コア層及び側部クラッド層の幅を容易に制御することができる。例えば、側部クラッド層の幅を広くするには、レーザビームスポット径を大きくして照射するか、デフォーカス状態で照射することで容易に達成することができる。
【００１７】
また、この紫外線レーザの波長はポリマ層に吸収されてその屈折率変化を起こす波長帯（２５０ｎｍ〜４４５ｎｍの範囲）から選ぶことになるが、望ましくは、最大吸収波長に選ぶのが好ましい。上記最大吸収波長からずれた波長のレーザを用いる場合には、そのずれ分を補うために過剰のパワーを必要とする。
【００１８】
そして、本発明の製造方法はフォトマスクを使用しないので、導波路作成コストを大幅に安くすることができる。特に、光回路パターンの異なった種々の光回路を作成する際のコストを大幅に安く、かつ、短時間に作成できるので、トータルコストパフォーマンスを抜本的に改善することができる。
【００１９】
また、光回路の特性の変更がインラインでモニタしながらレーザビーム照射で出来、またトリミングによる光学特性の改善もできる。さらに屈折率変化を持ったポリマ層は平坦な面を保持しているので、その上に上部クラッド層を形成してもその面も平坦な面を保持できる。その結果、その上面に電子部品、電子回路、光部品、光回路等を高寸法精度で実装することができる。
【００２０】
また、上記紫外線レーザビームの照射されていないコア層の表面、あるいは内部に波長が上記ポリマの吸収波長からはるかにずれた波長の超短パルスレーザビームを集光、照射してそのコア層の屈折率を高屈折率化するようにしても良い。
【００２１】
上記超短パルスレーザビームとして、波長は６００ｎｍ〜１６００ｎｍの範囲から選び、パルス幅として、数千ｆｓ〜数十ｆｓの範囲を選び、パルスの繰り返しを１０Ｈｚ〜２００ＫＨｚの範囲から選ぶ。平均出力は数十ｍｗから数百ｍｗの範囲から選ぶのが好ましい。このようにコア層の屈折率を高くすることはコア層内への光の閉じ込めを一層良くし、かつ、上記超短パルスレーザビーム照射でコア層内の有機物が一層取り除かれて無機化され、かつ高密度で光散乱中心の少ないコア層へ改質することができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の一形態を添付図面を参照しながら詳述する。
【００２３】
図１（１）〜（４）は、本発明に係るレーザ直接描画導波路（以下レーザ導波路と称す）の実施の一形態を示したものであり、図１（１）は、このレーザ導波路の入力（あるいは出力）側断面図、同図（２）は同図（１）のＡ−Ａ断面内屈折率分布、同図（３）は同図（１）のＢ−Ｂ断面内屈折率分布、同図（４）は同図（１）のＢ−Ｂ断面内の構造をそれぞれ示したものである。
【００２４】
図示するように、このレーザ導波路は矩形状をした基板１上に、低屈折率層２が形成され、その低屈折率層２の上にこれより高屈折率のフォトブリーチング用ポリマからなるポリマ層３が形成されると共に、このポリマ層３の上にこれより低屈折率の上部クラッド層４が形成された構造となっている。
【００２５】
この基板１は公知の材料、例えばガラス，セラミックス，プラスチック，半導体，強誘電体あるいはガラスとプラスチックの複合材，さらには上記材料の組み合わせた材料からなっており、また、低屈折率層２及び上部クラッド層４は、例えばＳｉＯ2，ＳｉＯ2にＧｅ，Ｐ，Ｔｉ，Ｂ，Ｚｎ，Ｓｎ，Ｔａ、Ｆ等の屈折率制御用ドーパントを少なくとも一種添加したものや、ポリマ材料あるいは有機と無機の複合材等からなっている。
【００２６】
一方、ポリマ層３は、紫外線レーザビームの照射されていない幅Ｗｃの未照射領域５と、その両側面に沿って紫外線レーザビームを照射されて屈折率の低下した幅Ｗｓの照射領域６，６と、この領域６，６の外側であって紫外線レーザビームの照射されていない領域７，７とからなっており、この中央部の未照射領域５が光伝搬領域となるコア層５を形成すると共に、その両側の照射領域６，６がそれぞれコア層５を挟むように位置する低屈折率の側部クラッド層６，６を形成するようになっている。
【００２７】
このポリマ層３はフォトブリーチング用ポリマから形成されており、そのフォトブリーチング用ポリマとしては、３００℃よりも高い温度で熱処理を行って無機化を促進できる材料、例えば、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、あるいはシリコーン化合物と光酸発生剤を添加したもの、ニトロンを添加したシリコーン化合物等が用いられるようになっており、以下これら各化合物について詳述する。
【００２８】
本発明に適用できるポリシラン化合物としては、直鎖型及び分岐型を用いることができる。分岐型と直鎖型は、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。すなわち、分岐型ポリシランとは、隣接するＳｉ原子と結合している数（結合数）が、３または４であるＳｉ原子を含むポリシランである。これに対して、直鎖型のポリシランは、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。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。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式のもの等が挙げられる。また芳香族炭化水素基の具体例としては、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。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、オクチルオキシ基等が挙げられる。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。
【００２９】
分岐型ポリシランの場合には、隣接するＳｉ原子との結合数が３または４であるＳｉ原子は、分岐型ポリシラン中の全体のＳｉ原子数の２％以上であることがより好ましい。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易いことにより光散乱の原因となり、光透明性が低下し易い。
【００３０】
本発明に用い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。また電解重合法や、金属マグネシウムと金属塩化物を用いた方法でも合成可能である。
【００３１】
分岐型ポリシランの場合には、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が得られる。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Ｓｉ原子との結合数が４であるＳｉ原子源となる。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。
【００３２】
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。オルガノトリハロシラン化合物及びジオルガノ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、上記炭化水素基、アルコキシ基または水素原子が挙げられる。
【００３３】
本発明のポリシラン化合物に添加するシリコーン化合物としては、以下の化学式で示されるものを用いる。
【００３４】
【化１】
ただし、化学式中、Ｒ１からＲ１２は、炭素数１〜１０のハロゲンまた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。
【００３６】
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、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ような脂環式のものが挙げられる。また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。上記の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ない。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また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。またＲ１からＲ１２のうち、少なくとも２つが炭素系１〜８のアルコキシ系であるような、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、架橋材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から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、１００００以下、好ましくは３０００以下のものが好適である。尚、膜中のＣＨ基やＯＨ基による光吸収を低減するために、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、波長依存性の少ない低光損失のポリマ膜を実現可能となり、高性能導波路型光部品及び光デバイス用として幅広い範囲に用途を拡大することが可能となる。
【００３７】
また、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分岐型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って光散乱中心のない均一な構造体や膜を形成することができる。
【００３８】
次に、このポリマ層３の成膜方法，並びにコア層５及び側部クラッド層６，６の具体的な形成方法について説明する。
【００３９】
先ず、上記ポリマ化合物を有機溶媒に溶かしてポリマ溶液とし、その溶液を上記低屈折率層２上へ、スピンコーテイング法や押し出しコーテイング法等を用いて塗布した後、８０℃〜２００℃の温度範囲で２０分〜４０分程度プリベークする。その後、２５０℃〜３００℃の温度範囲で２０分〜６０分程度のポストベークを行ない、ポリマ層３を形成する。尚、上記プリベーク及びポストベークはプログラム式温度制御型電気炉内で昇温、定温保持、昇温、定温保持、降温工程を連続的に行なうようにしても良い。
【００４０】
ここで、本実施例に用いる有機溶媒には、炭素数５〜１２の炭化水素系、ハロゲン化炭化水素系及びエーテル系等である。炭化水素の例としては、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、メトキシベンゼン等を用いることができる。ハロゲン化炭化水素系の例としては、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、クロロベンゼン等を用いることができる。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を用いることができる。またフォトブリーチング用ポリマ材料として、ニトロン化合物を含んだシリコーン化合物用の有機溶媒として、前述したように、ペグミアを用いても良い。上記フォトブリーチング用ポリマ材料には、上記有機溶媒に溶ける材料でなければならない。
【００４１】
次に、上記方法によって作成したポリマ層３に紫外線レーザビームを照射して低屈折率に変化した側面クラッド層６，６を形成する。ここで用いる紫外線レーザとしては、発振波長が８００ｎｍの第３高調波を用いた２６６ｎｍ，３２５ｎｍのＨｅ−Ｃｄレーザ、発振波長が３５５ｎｍのＹＡＧレーザの第３高調波レーザ、発振波長が４００ｎｍの半導体レーザ、発振波長が４４２ｎｍのＨｅ−Ｃｄレーザ等を用いることができる。発振出力は連続波、またはパルス発振のものを用いることができる。
【００４２】
上記ポリマ層３の一例として、分岐度が２０％の分岐状ポリメチルフェニルシラン化合物にシリコーン化合物を５０ｗｔ％添加したポリマを有機溶媒トルエンに溶かしてフォトブリーチング用ポリマ溶液を用い、この溶液を基板１（石英ガラス基板）上の低屈折率層２（ＳｉＯ２層、膜厚約１０μｍ）上に塗布し、１５０℃、２０分のプリベークの後に、２５０℃、３０分のポストベークを行なって厚さ約１０μｍのポリマ層３を得た後、このポリマ層３上に発振波長が４４２ｎｍのＨｅ−Ｃｄレーザ（ポリマ層表面での連続波パワ値：約２ｍｗ）をレーザビームスポット径約１μｍに保持して、基板１を１００μｍ／ｓの速度で移動させながら長さ５０ｍｍの直線部に対して照射した。そして、幅１０μｍの領域に対しては照射位置を少しずつ（１μｍずつ）ずらして約１０回走査して照射し、上記ポリマ層３の屈折率を照射前の値１．６４から１．６２５に低屈折率化させた領域を得ることができた（波長６３２．８ｎｍでの屈折率値）。同様の操作を行ない、低屈折率層も得ることができた。
【００４３】
引き続き他の例として、上記条件の内、基板１の移動速度だけを５０μｍ／ｓに変更して低屈折率化を行なった結果、屈折率は１．６１８に低下し、さらに他の例として、上記条件の内、Ｈｅ−Ｃｄレーザのポリマ層表面での連続波パワを約５ｍｗに上げ、基板１の移動速度だけを５０μｍ／ｓで低屈折率化を行なった結果、屈折率は１．６０８にまで下げることができた。
【００４４】
これらの結果から、レーザビーム照射部でのエネルギーを高くすることによって、低屈折率化を促進させることができることが分かった。またポリシラン化合物の紫外線での最大吸収波長域に近い３２５ｎｍの発振波長を有するＨｅ−Ｃｄレーザを用いればさらに一層の低屈折率化を促進させることができる。
【００４５】
次いで、上記屈折率変化をもたらしたポリマ層３の上に低屈折率層２と同じ層、すなわち、上部クラッド層４を形成して導波路を作成した。尚、上記紫外線レーザビーム照射は、上部クラッド層４を形成した後でポリマ層にレーザビームを集光、照射して行なっても良い。
【００４６】
また、低屈折率層２及び上部クラッド層４については以下のような材料を用いて構成しても良い。すなわち、分岐度が２０％の分岐状ポリメチルフェニルシラン化合物にシリコーン化合物を５０ｗｔ％添加したポリマを有機溶媒トルエンに溶かしてフォトブリーチング用ポリマ溶液を作成し、この溶液に予め紫外線（１５０ｗ水銀キセノンランプからの光を直径２０ｍｍのイメージファイババンドル内を伝搬させて出力させた光を約１０ｃｍ離して照射、その出力は約１２００ｍｗ／ｃｍ２）を１３５分照射することによって屈折率を低下（波長６３２．８ｎｍにおける屈折率を紫外線照射前には１．６４５から１．６２に低下）させ、この溶液を基板１上に塗布し、１５０℃、２０分のプリベークの後に、２５０℃、２０分のポストベークを行なって低屈折率層２用のポリマ層とする方法である。上部クラッド層４も同様の方法で形成する。
【００４７】
上記方法で作成した導波路の屈折率分布は図１（２）及び（３）に示すような特性になった。
【００４８】
図１（１）のＡ−Ａ断面内では、図１（２）に示すように、ほぼステップ型屈折率分布であるが、図１（１）のＢ−Ｂ断面内では、図１（３）に示すように、レーザビーム照射部領域６，６内で屈折率分布を持ち、またレーザビーム照射部６，６と未照射部５の界面で連続的な屈折率変化を持つことが分かった。この連続的な屈折率変化は界面での散乱損失を大幅に低減するのに非常に効果的であり、また、コア層５内への光の閉じ込めを良くする。
【００４９】
図１（４）の導波路構造は長さ５０ｍｍの直線パターンのコア層５及びその側面の側部クラッド層６，６、さらに屈折率の未変化部領域７，７を示したものである。なお、図１（１）において、レーザビーム未照射部７，７にもレーザビームを照射してもよい。ここで側部クラッド層６，６の幅（Ｗｓ）の値は、シングルモード導波路の場合には、少なくとも５μｍよりも大きい値とし、マルチモード導波路の場合には１０μｍよりも大きい値が好ましい。また、コア層５の幅（Ｗｃ）の値は、シングルモード導波路の場合には、少なくとも３μｍよりも大きい値とし、マルチモード導波路の場合には１０μｍよりも大きい値が好ましい。
【００５０】
図１のポリマ導波路（Ｗｃ：８μｍ、Ｗｓ：１５μｍ）の光伝搬損失を波長１５５０ｎｍで評価した結果、０．０９ｄＢ／ｃｍを実現することができた。また上記レーザ直接描画導波路をさらにポストベーク温度を変え、それぞれのポストベーク温度に対する光伝搬損失を測定した結果、ポストベーク温度が３００℃、３５０℃，４００℃と高くなるにしたがって波長１５５０ｎｍでの光伝搬損失が０．０８ｄＢ／ｃｍ，０．０６ｄＢ／ｃｍ，０．０５ｄＢ／ｃｍのように低損失化することができた。
【００５１】
次に、他の例として、ポリシラン化合物の分岐度を２％〜４８％まで変えたポリマ層３を用いた導波路を作成し、その光伝搬損失を評価した結果、分岐度が高くなるほど、長波長帯（１３００ｎｍ帯、１５５０ｎｍ帯）で超低損失値（０．０４ｄＢ／ｃｍ）を実現することができた。
【００５２】
また、さらに他の例として、上記シリコーン化合物を添加したポリシラン化合物に光酸発生剤（融点１９２℃、最大吸収波長１７７ｎｍのパラメトキシスチルトリアジン）を２％から５％添加したポリマ層を用いて図１に示すようなポリマ導波路を検討した。損失は多少増加傾向にあったが、紫外線レーザビーム照射による低屈折率変化領域のパターンの深さ方向の均一性が一層良くなり、より寸法精度の良い矩形状コア層を実現することができた。上記光酸発生剤としては、トリアジン系のものが良いことが分かった。
【００５３】
上部クラッド層４の上には紫外線カット層を設けて長期的にコア層５の屈折率が変化しない様にしてもよい。
【００５４】
次に、本発明に係るレーザ導波路の他の実施の形態を説明する。
【００５５】
先ず、図２は本発明のレーザ導波路の第二の実施の形態を示したものであり、同図（１）は導波路入力（あるいは出力）側の断面図、同図（２）は同図（１）のＡ−Ａ断面図を示す。このレーザ導波路は方向性結合器の例であり、本実施の形態によれば、二つのコア層５，５の結合間隔Ｇを１μｍ程度に実現することができ、これが本発明の方法の特徴の一つでもある。すなわち、紫外線レーザビームのビームスポット径を１μｍにまで小さくすることができることからこのような光回路を実現することができる。上記結合部の結合間隔Ｇを狭めたことで、方向性結合器のサイズを従来の半分近くまで小さくすることが可能になる。
【００５６】
次に、図３は本発明に係るレーザ導波路の第三の実施の形態を示したものであり、同図（１）は導波路入力（あるいは出力）側の断面図、同図（２）は同図（１）のＡ−Ａ断面図を示す。これは、リング型共振器の実施例であり、この場合も結合部Ｇの間隔を狭めることにより、シャープな共振特性を得ることができる。以上のように、極めて狭い結合間隔を有する光回路に広く適用することができる。
【００５７】
また、図４に示すように、コア層５に屈折率の低い薄層８と屈折率の高い薄層９を光の伝搬方向に周期的に形成したグレーチングフィルタのような光回路等にも適用することができる。尚、同図（１）は導波路入力（あるいは出力）側の断面図であり、同図（２）は同図（１）のＡ−Ａ断面図を示す。
【００５８】
また、図１（３）の代りに、図５のような屈折率分布構造にしても良い。この屈折率分布の内、側部クラッド層３ｂ，３ｂの領域の屈折率は紫外線レーザビームの照射量を少し弱くすることにより実現できる。
【００５９】
また、本発明は積層構造型導波路にも適用することができる。すなわち、図６に示すように、まず、第１のポリマ層３Ａの表面に紫外線レーザビームＢをレンズ１０で集光して照射しながら基板１を矢印１２、あるいは１１方向に所望速度で移動させて低屈折率に変化したポリマ層３Ａを形成し、次にレンズ１０を矢印１３方向に移動して第２のポリマ層３Ｂの表面に集光、照射しながら上記と同様に基板１を移動させて低屈折率に変化したポリマ層３Ｂを形成する。このように、それぞれのポリマ層３Ａ，３Ｂの表面か内部にレーザビームＢを集光、照射させながら基板１を移動させることにより低屈折率に変化した領域を形成することができる。また、図６において、ポリマ層３Ａ，３Ｂ内の深さ方向にレーザビームの焦点位置を変えながら、深さ方向の屈折率分布を制御するようにしても良い。
【００６０】
また、本発明は上記実施例に限定されない。すなわち、ポリシラン化合物、シリコーン化合物、トリアジン系化合物、光酸発生剤等は種々のものを適用することができる。例えば、ポリシラン化合物には分岐度が２％以上の分岐状ポリシラン化合物が光透明度の点から好ましい。光酸発生剤にはトリアジン系が好ましく、その中でも長波長での光透明度の高いもの、融点の高いものが好ましい。シリコーン化合物も光透明度の高いもの、融点の高いものなどが好ましい。
【００６１】
図１〜図５のポリマ導波路において、紫外線レーザビームの照射されていない光伝搬層となるコア層５の表面、あるいは内部に波長が上記ポリマの吸収波長からはるかにずれた波長の超短パルスレーザビームを集光、照射して図７に示すようにそのコア層５の屈折率を高屈折率化するようにしても良い。ここで上記超短パルスレーザビームとして、波長は６００ｎｍ〜１６００ｎｍの範囲（好ましくは８００ｎｍの波長）から選び、パルス幅として、数千ｆｓ〜数十ｆｓの範囲から選び、パルスの繰り返しを１０Ｈｚ〜２００ＫＨＺの範囲から選ぶ。平均出力は数十ｍｗ〜数百ｍｗの範囲から選ぶのが好ましい。このようにコア層５の屈折率を高くすることはコア層５内への光の閉じ込めを一層強くし、かつ、上記超短パルレーザビーム照射でコア層５内の有機物が一層取り除かれて無機化され、かつ高密度で光散乱中心の少ない高均質なコア層５へ改質することができる。なお、上記レーザビームのパルス幅を狭くすればするほどそのパルス幅内のエネルギーは非常に高くなり、熱的なダメージを全く受けないで高屈折率化を実現することができる。尚、上記低屈折率化の紫外線レーザと高屈折率化の超短パルスレーザを一つの波長可変レーザでまかなうようにすると、波長、出力、パルス幅等を変えるだけで両方の工程を行なうことも可能となる。
【００６２】
【発明の効果】
以上要するに本発明は、以下に示すような優れた効果を発揮する。
【００６３】
1)本発明は、従来のようなフォトリソグラフィ、エッチングプロセスを用いないで、低屈折率層で覆われたフォトブリーチング用ポリマ層に紫外線レーザビームを集光、照射しながら上記被照射物あるいはレーザビームのいずれかを相対的に移動させてパターニングを行ない、光伝搬層となるコア層及びそれをガイドする側面クラッド層を形成するようにしたものであることから、コア層側面の荒れがほとんどない、低散乱損失の導波路を実現することができる。
【００６４】
2)コア層とその側面のクラッド層との界面を連続的な屈折率分布に形成することができるので、より超低散乱損失で、かつコア層内への光の閉じ込めを良くすることができる。
【００６５】
3)紫外線レーザビームはビームスポット径を１μｍまで絞り込むことができるので、非常に高寸法精度のコア層及び側面クラッド層パターンを描画、形成することができる。特に、導波路型方向性結合器のように、二つのコア幅が数μｍで結合長Ｌに亘って平行結合した構造を実現する場合には、本発明の方法は有効な実現方法である。このコア幅は狭いほど結合長を短くすることができるが、従来のエッチングプロセスを用いる方法及び矩形状コア層をクラッド層で埋め込む埋め込み型導波路構造ではコア幅は４μｍ以下にすることは困難であったが、本発明ではそれを１μｍ程度にまで狭めることができるので、結合長を短くできる。すなわち、小型導波路回路が実現可能となる。また、上記導波路型方向性結合器以外に、リング共振器回路、フィルタ回路等の小型化、高性能化が可能となる。
【００６６】
4)フォトブリーチング用ポリマ層に、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，あるいはシリコーン化合物と光酸発生剤を添加したものを用いることにより、３００℃よりも高い温度で熱処理を行なって無機化を促進させることができるので、ポリマ材料固有の吸収基（ＣＨ基，ＯＨ基）に依存する吸収損失を低減することが出来る。
【００６７】
5)３００℃よりも高い温度で熱処理することにより、より低損失な導波路にできると共に、Ａｕ／Ｓｎ半田リフロー温度（Ａｕ／Ｓｎ半田のリフロー温度：＞２８０℃）に耐えることができるので、導波路表面、あるいは裏面、更には内部に電子部品，電子回路，光部品，光回路等をハイブリッド実装することが可能となる。
【００６８】
6)上記紫外線レーザビームとして、パルスレーザビームを用いれば照射されたポリマ層の熱的なダメージを受けることなく、低い平均出力レーザビームパワでポリマ層の屈折率を低下させることができる。また、連続波に比してパルスにすることにより、瞬間的に高い光強度を持ちながら平均強度が低いので、短時間で厚いポリマ層に対してもその深さ方向に屈折率変化を一様に生じさせることができ、短時間で導波路化を実現させることができる。尚、上記深さ方向の屈折率変化を起こさせる度合いはレーザビームのパワ、被加工物（あるいはレーザビームのどちらか）の移動速度を調節することにより制御することができる。
【００６９】
7)レーザビームのビームスポット径を調節することにより、コア層及び側面クラッド層の幅を容易に制御することができる。
【００７０】
8)また、フォトマスクを使用しないので、導波路作成コストを大幅に安くすることができる。特に、光回路パターンの異なった種々の光回路を作成する際のコストを大幅に安く、かつ、短時間に作成できるので、トータルコストパフォーマンスを抜本的に改善することができる。
【００７１】
9)光回路の特性の変更がインラインでモニタしながらレーザビーム照射で出来、またトリミングによる光学特性の改善もできるので、光部品作成歩留まりを大幅に向上させることができる。
【００７２】
10) 屈折率変化を持ったポリマ層は平坦な面を保持しているので、その上に上部クラッド層を形成してもその面も平坦な面を保持できる。その結果、その上面に電子部品，電子回路，光部品，光回路等を高寸法精度で実装することができる。
【００７３】
11) 積層構造の導波路も容易に作成できるので、より高機能・高集積導波路デバイスが実現可能となる。
【００７４】
12) コア層の屈折率を容易に高くすることができるため、コア層内への光の閉じ込めを一層良くし、かつ、上記超短パルスレーザビーム照射でコア層内の有機物が一層取り除かれて無機化され、かつ高密度で光散乱中心の少ない均質なコア層へ改質することができ、これにより、更なる低損失な導波路を実現することができる。
【００７５】
【図面の簡単な説明】
【図１】（１）は、本発明に係るレーザ直接描画導波路の実施の一形態を示す入力（あるいは出力）側断面図である。（２）は、図１（１）中のＡ−Ａ線断面内屈折率分布図である。（３）は、図１（１）中のＢ−Ｂ線断面内屈折率分布図である。（４）は、図１（１）中のＢ−Ｂ線断面図である。
【図２】（１）は、本発明に係るレーザ直接描画導波路の第二の実施の形態を示す入力（あるいは出力）側断面図である。（２）は、図２（１）中のＡ−Ａ線断面図である。
【図３】（１）は、本発明に係るレーザ直接描画導波路の第三の実施の形態を示す入力（あるいは出力）側断面図である。（２）は、図３（１）中のＡ−Ａ線断面図である。
【図４】（１）は、本発明に係るレーザ直接描画導波路の第四の実施の形態を示す入力（あるいは出力）側断面図である。（２）は、図４（１）中のＡ−Ａ線断面図である。
【図５】本発明に係るレーザ直接描画導波路の屈折率分布図である。
【図６】本発明方法を積層構造型導波路に適用した実施の一形態を示す説明図である。
【図７】本発明に係るレーザ直接描画導波路の屈折率分布図である。
【符号の説明】
１ 基板
２ 低屈折率層
３ ポリマ層
４ 上部クラッド層
５ コア層
６ 側部クラッド層
７ レーザ未照射領域
８ 屈折率の低い薄層
９ 屈折率の高い薄層
10 レンズ
11,12 基板側の移動方向
13 レンズの移動方向
Ｂ 紫外線レーザビーム[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a polymer waveguide for performing optical transmission between electrical and electronic equipment, and more particularly to a laser direct drawing waveguide having a transmission path pattern formed by using an ultraviolet laser beam and a manufacturing method thereof.
[0002]
[Prior art]
With the recent development of optical interconnection technology, parallel optical transmission between devices using fiber has entered the practical stage. As this system, a system for parallel transmission using optical signals between boards and between LSI chips is in earnest. It has come to be considered.
[0003]
In order to realize this method, a waveguide is used in place of a fiber as a transmission line. As this waveguide, a waveguide using a glass material that has been widely used in the past (hereinafter referred to as a glass waveguide) is used. Instead, those using polymer materials (hereinafter referred to as polymer waveguides) are considered promising. In other words, polymer waveguides can be easily produced by a low-temperature process compared to glass waveguides, and therefore, superiority can be expected in terms of cost reduction and large size compared to glass waveguides. is there.
[0004]
As a method of manufacturing this polymer waveguide, first, a polymer solution dissolved in an organic solvent is applied onto various substrates by, for example, a spin coating method or an extrusion coating method, and then heated at a low temperature of 300 ° C. or lower. Thus, a film-like polymer layer is formed. Next, this polymer layer is obtained by using a photolithographic or etching process to obtain a high-refractive index core pattern having a substantially rectangular cross section, and then covering the core pattern with a low-refractive index polymer. A clad having a refractive index is formed.
[0005]
As a proposal of a photoresist film patterning technique, a method has been developed in which a photoresist film is exposed to a desired pattern by directly irradiating the photoresist film with an ultraviolet laser beam without using a photomask.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, the conventional polymer waveguide obtained in this way has several problems that impede practical use as described below.
[0007]
1): 0.1 dB / cm has been reported to date as the top data on scattering loss of polymer waveguides, but this value is still large compared to glass waveguides and is a candidate for replacement of glass waveguides. Must not. That is, with the conventional polymer waveguide structure and manufacturing method, it is difficult to reduce the loss to 0.1 dB / cm or less, which is the same as that of a glass waveguide.
[0008]
A possible reason for this is that the scattering loss due to the roughness of the core side surface is extremely large among the losses of the polymer waveguide. As a countermeasure, it is conceivable to apply a method of exposing the photoresist film to a desired pattern by directly irradiating the photoresist film with an ultraviolet laser beam without using a photomask in the patterning technique of the photoresist film. However, in this method, since etching must be performed using the pattern as a mask after that, side surface roughness due to etching occurs, and as a result, it is difficult to reduce the loss.
[0009]
The next possible reason is that there is an absorption loss depending on the absorption group (CH group, OH group) unique to the polymer material. Attempts have been made to reduce the absorption loss by fluorinating or deuterating polymers, but there are still problems such as deterioration of heat resistance and difficulty in film formation. It is not done.
[0010]
2): The obtained polymer waveguide is then hybrid-mounted by soldering the necessary electronic parts, electronic circuits, optical parts, optical circuits, etc. on the front or back side, and inside. However, in a polymer waveguide that can be expected to have a certain amount of low loss characteristics (approximately 0.2 dB / cm) at present, the heat resistance is poor, so the solder reflow temperature (Au / Sn solder reflow temperature:> 280 ° C.) In addition, when mounted and processed at the above temperature, the refractive index of the polymer used in the waveguide changes, and the optical characteristics of the waveguide change drastically, making it unusable. Sometimes. Therefore, it is conceivable to use a waveguide using a polymer material having excellent heat resistance characteristics, but such a waveguide has a problem in practical use because of a large loss and polarization dependency.
[0011]
Accordingly, the present invention has been devised to solve the above-mentioned problems, and its main purpose is a novel laser direct writing waveguide having a low scattering loss comparable to that of a glass waveguide and having excellent optical characteristics. And a manufacturing method thereof.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-mentioned problems, the present invention eliminates ultraviolet rays on a photobleaching polymer layer covered with a low refractive index layer without using conventional photolithography and etching processes. Pulse While focusing and irradiating the laser beam, pulse Patterning is performed by relatively moving any one of the laser beams to form a core layer serving as a light propagation layer and a side cladding layer for guiding the core layer. As a result, it is possible to realize a waveguide with low scattering loss and almost no roughness on the side surface of the core layer. In addition, since the interface between the core layer and the clad layer on its side surface can be formed in a continuous refractive index profile, it is possible to improve the confinement of light in the core layer with ultra-low scattering loss.
[0013]
Since the ultraviolet laser beam can reduce the beam spot diameter to 1 μm and is coherent, it can draw and form a core layer and side cladding layer pattern with very high dimensional accuracy. In particular, the method of the present invention is an effective method for realizing a structure in which two core layer intervals are several μm and parallel coupling is performed over a coupling length L, such as a waveguide type directional coupler. . The coupling length L can be shortened as the interval between the core layers is narrowed. However, in the method using the conventional etching process and the embedded waveguide structure in which the rectangular core layer is embedded with the cladding layer, the interval is 4 μm or less. Although difficult, in the present invention, the core layer interval can be reduced to about 1 μm, so that the coupling length can be easily shortened, and a small waveguide circuit can be realized. In addition to the waveguide type directional coupler, a ring resonator circuit, a filter circuit, and the like can be reduced in size and performance.
[0014]
In addition, as a polymer for photobleaching for forming this polymer layer, a heat treatment at a temperature higher than 300 ° C. can be performed by using a polysilane compound, a polysilane compound to which a silicone compound or a silicone compound and a photoacid generator are added. Thus, mineralization can be promoted, and therefore absorption loss depending on the absorption group (CH group, OH group) specific to the polymer material can be reduced. In addition, since it can withstand the Au / Sn solder reflow temperature (Au / Sn solder reflow temperature:> 280 ° C.), it is possible to withstand electronic parts, electronic circuits, optical parts, Circuits and the like can be hybrid-mounted.
[0015]
Furthermore, if a pulsed laser beam is used as the ultraviolet laser beam, the refractive index of the polymer layer can be lowered with a low average output laser beam power without being thermally damaged by the irradiated polymer layer. In addition, by making pulses compared to continuous waves, the average intensity is low while instantaneously having high light intensity, so even in a short time even for a thick polymer layer, the refractive index changes uniformly in the depth direction. It can be generated, and a waveguide can be realized in a short time. The degree of the refractive index change in the depth direction can be controlled by adjusting the power of the laser beam and the moving speed of the workpiece (or either of the laser beams). Further, the same position may be irradiated with a laser beam a plurality of times.
[0016]
Further, the width of the core layer and the side cladding layer can be easily controlled by adjusting the beam spot diameter of the ultraviolet laser beam. For example, increasing the width of the side cladding layer can be easily achieved by increasing the laser beam spot diameter or irradiating in a defocused state.
[0017]
The wavelength of the ultraviolet laser is selected from a wavelength band (in the range of 250 nm to 445 nm) that is absorbed by the polymer layer and causes a change in the refractive index, but is preferably selected to be the maximum absorption wavelength. When a laser having a wavelength deviated from the maximum absorption wavelength is used, excessive power is required to compensate for the deviation.
[0018]
And since the manufacturing method of this invention does not use a photomask, the waveguide production cost can be reduced significantly. In particular, the cost for creating various optical circuits with different optical circuit patterns can be greatly reduced and can be created in a short time, so that the total cost performance can be drastically improved.
[0019]
Also, the optical circuit characteristics can be changed by laser beam irradiation while monitoring inline, and the optical characteristics can be improved by trimming. Further, since the polymer layer having a refractive index change has a flat surface, even if an upper cladding layer is formed thereon, the surface can also hold a flat surface. As a result, electronic components, electronic circuits, optical components, optical circuits, etc. can be mounted on the upper surface with high dimensional accuracy.
[0020]
In addition, the surface of the core layer not irradiated with the ultraviolet laser beam or the inside thereof is condensed and irradiated with an ultrashort pulse laser beam having a wavelength far from the absorption wavelength of the polymer to refract the core layer. The refractive index may be increased.
[0021]
As the ultrashort pulse laser beam, the wavelength is selected from the range of 600 nm to 1600 nm, the pulse width is selected from the range of several thousand fs to several tens of fs, and the repetition of the pulse is selected from the range of 10 Hz to 200 KHz. The average output is preferably selected from the range of several tens mw to several hundred mw. Increasing the refractive index of the core layer in this way improves the confinement of light in the core layer, and further improves the ultrashort pulse. The The organic substance in the core layer is further removed and mineralized by laser beam irradiation, and the core layer can be modified to have a high density and a small number of light scattering centers.
[0022]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Next, an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
[0023]
1 (1) to 1 (4) show an embodiment of a laser direct drawing waveguide (hereinafter referred to as a laser waveguide) according to the present invention. FIG. 1 (1) shows this laser guide. FIG. 2B is a cross-sectional view of the waveguide on the input (or output) side, FIG. 2B is a refractive index distribution in the AA cross section of FIG. 1A, and FIG. The rate distribution, FIG. 4 (4), shows the structure in the BB cross section of FIG. 1 (1), respectively.
[0024]
As shown in the figure, this laser waveguide has a low
[0025]
The
[0026]
On the other hand, the
[0027]
This
[0028]
As the polysilane compound applicable to the present invention, a linear type and a branched type can be used. The branched type and the straight type are distinguished by the bonding state of Si atoms contained in the polysilane. That is, the branched polysilane is a polysilane containing Si atoms having 3 or 4 bonds to adjacent Si atoms (number of bonds). On the other hand, in the linear polysilane, the number of bonds between Si atoms and adjacent Si atoms is two. Usually, it is bonded to a hydrocarbon group, an alkoxy group or a hydrogen atom in addition to the Si atom. As such a hydrocarbon group, an aliphatic hydrocarbon group which may be substituted with a halogen having 1 to 10 carbon atoms and an aromatic hydrocarbon group having 6 to 14 carbon atoms are preferable. Specific examples of the aliphatic hydrocarbon group include a chain group such as a methyl group, a propyl group, a butyl group, a hexyl group, an octyl group, a decyl group, a trifluoropropyl group, and a nonafluorohexyl group, a cyclohexyl group, and a methylcyclohexyl group. Examples include alicyclic groups such as groups. Specific examples of the aromatic hydrocarbon group include a phenyl group, a p-tolyl group, a biphenyl group, and an anthracyl group. Examples of the alkoxy group include those having 1 to 8 carbon atoms. Specific examples include methoxy group, ethoxy group, phenoxy group, octyloxy group and the like. Among these, a methyl group and a phenyl group are particularly preferable in view of ease of synthesis.
[0029]
In the case of a branched polysilane, the number of Si atoms having 3 or 4 bonds with adjacent Si atoms is more preferably 2% or more of the total number of Si atoms in the branched polysilane. Less than 2% or linear polysilane has high crystallinity, and microcrystals are easily generated in the film, thereby causing light scattering, and light transparency is likely to be lowered.
[0030]
The polysilane used in the present invention can be produced by a polycondensation reaction by heating a halogenated silane compound to 80 ° C. or higher in an organic solvent such as n-decane or toluene in the presence of an alkali metal such as sodium. . It can also be synthesized by an electrolytic polymerization method or a method using metal magnesium and metal chloride.
[0031]
In the case of a branched polysilane, a halosilane mixture comprising an organotrihalosilane compound, a tetrahalosilane compound, and a diorganodihalosilane compound, wherein the organotrihalosilane compound and the tetrahalosilane compound are 2 mol% or more of the total amount. The target branched polysilane is obtained by polycondensation by heating. Here, the organotrihalosilane compound is a Si atom source having a bond number of 3 with an adjacent Si atom, and one tetrahalosilane compound is an Si atom source having a bond number of 4 with an adjacent Si atom. Become. The network structure can be confirmed by measuring an ultraviolet absorption spectrum or a silicon nuclear magnetic resonance spectrum.
[0032]
It is preferable that the halogen atom which each of the organotrihalosilane compound, the tetrahalosilane compound, and the diorganodihalosilane compound used as the raw material for polysilane has is a chlorine atom. Examples of the substituent other than the halogen atom that the organotrihalosilane compound and the diorganohalosilane compound have include the hydrocarbon group, the alkoxy group, and the hydrogen atom.
[0033]
As the silicone compound added to the polysilane compound of the present invention, those represented by the following chemical formula are used.
[0034]
[Chemical 1]
In the chemical formula, R1 to R12 are an aliphatic hydrocarbon group optionally substituted with a halogen having 1 to 10 carbon atoms or a glycidyloxy group, an aromatic hydrocarbon group having 6 to 12 carbon atoms, or 1 to 1 carbon atoms. A group selected from the group consisting of 8 alkoxy groups, which may be the same or different; a, b, c, and d are integers including 0 and satisfy a + b + c + d ≧ 1.
[0036]
Specific examples of the aliphatic hydrocarbon group possessed by this silicone compound include alicyclic groups such as methyl group, propyl group, butyl group, hexyl group, octyl group, decyl group, trifluoropropyl group, glycidyloxypropyl group, etc. Can be mentioned. Specific examples of the alkoxy group include a methoxy group, an ethoxy group, a phenoxy group, an octyloxy group, and a ter-butoxy group. The types of R1 to R12 and the values of a, b, c, and d are not particularly important as long as they are compatible with polysilane and an organic solvent and the film is transparent. In consideration of compatibility, it is preferable that the polysilane used has the same group as the hydrocarbon group. For example, when a phenylmethyl type polysilane is used, it is preferable to use the same phenylmethyl type or diphenyl type silicone compound. Further, a silicone compound having two or more alkoxy groups in one molecule such that at least two of R1 to R12 are carbon-based 1-8 alkoxy-based materials can be used as a crosslinking material. Examples thereof include methylphenylmethoxysilicone and phenylmethoxysilicone containing 15 to 35% by weight of alkoxy groups. The molecular weight is 10,000 or less, preferably 3000 or less. In order to reduce light absorption due to CH groups or OH groups in the film, if the polysilane compound or silicone compound is deuterated or partially or completely halogenated, particularly fluorinated, the above absorbing group is used. The optical loss due to can be greatly reduced. As a result, it is possible to realize a polymer film with low wavelength loss and low optical loss, and it is possible to expand the application to a wide range for high performance waveguide type optical components and optical devices.
[0037]
In addition, by using a crosslinkable or alkoxy group that is a silicone compound, it can be added uniformly into a branched polysilane compound, and it is easily soluble in an organic solvent such as toluene and is nanometer level. By using the polymer solution, a uniform structure or film having no light scattering center can be formed.
[0038]
Next, a method for forming the
[0039]
First, the polymer compound is dissolved in an organic solvent to form a polymer solution, and the solution is applied onto the low
[0040]
Here, the organic solvent used in this embodiment is a hydrocarbon system having 5 to 12 carbon atoms, a halogenated hydrocarbon system, an ether system, or the like. Examples of the hydrocarbon include pentane, hexane, heptane, cyclohexane, n-decane, n-dodecane, benzene, toluene, xylene, methoxybenzene, and the like. As examples of halogenated hydrocarbons, carbon tetrachloride, chloroform, 1,2-dichloroethane, dichloromethane, chlorobenzene, and the like can be used. Examples of ethers that can be used include diethyl ether, dibutyl ether, tetrahydrofuran and the like. Further, as described above, pegemia may be used as the organic solvent for the silicone compound containing the nitrone compound as the polymer material for photobleaching. The photobleaching polymer material must be a material that is soluble in the organic solvent.
[0041]
Next, the side clad
[0042]
As an example of the
[0043]
As another example, as a result of lowering the refractive index by changing only the moving speed of the
[0044]
From these results, it was found that lowering the refractive index can be promoted by increasing the energy at the laser beam irradiation part. Further, if a He—Cd laser having an oscillation wavelength of 325 nm close to the maximum absorption wavelength region in the ultraviolet of the polysilane compound is used, further reduction in the refractive index can be promoted.
[0045]
Next, the same layer as the low-
[0046]
Further, the low
[0047]
The refractive index distribution of the waveguide produced by the above method has the characteristics shown in FIGS. 1 (2) and (3).
[0048]
In the AA cross section of FIG. 1 (1), as shown in FIG. 1 (2), it is substantially step type refractive index profile, but in the BB cross section of FIG. 1 (1), FIG. ), It was found that there is a refractive index distribution in the laser beam irradiated
[0049]
The waveguide structure shown in FIG. 1 (4) shows a
[0050]
As a result of evaluating the optical propagation loss of the polymer waveguide (Wc: 8 μm, Ws: 15 μm) in FIG. 1 at a wavelength of 1550 nm, 0.09 dB / cm was realized. Moreover, as a result of further changing the post-bake temperature of the laser direct writing waveguide and measuring the light propagation loss with respect to each post-bake temperature, the wavelength at 1550 nm increases as the post-bake temperature increases to 300 ° C., 350 ° C., and 400 ° C. It was possible to reduce the optical propagation loss as 0.08 dB / cm, 0.06 dB / cm, and 0.05 dB / cm.
[0051]
Next, as another example, a waveguide using the
[0052]
As still another example, a polymer layer obtained by adding a photoacid generator (melting point 192 ° C., paramethoxytrizylazine having a maximum absorption wavelength of 177 nm) to 2% to 5% to the polysilane compound to which the silicone compound is added is illustrated. A polymer waveguide as shown in FIG. Although the loss tended to increase somewhat, the uniformity of the pattern in the depth direction of the low-refractive index change region by UV laser beam irradiation was further improved, and a rectangular core layer with higher dimensional accuracy could be realized. . It was found that the photoacid generator is preferably a triazine-based one.
[0053]
An ultraviolet cut layer may be provided on the
[0054]
Next, another embodiment of the laser waveguide according to the present invention will be described.
[0055]
First, FIG. 2 shows a second embodiment of the laser waveguide of the present invention. FIG. 2A is a sectional view on the waveguide input (or output) side, and FIG. AA sectional drawing of figure (1) is shown. This laser waveguide is an example of a directional coupler. According to the present embodiment, the coupling interval G between the two
[0056]
Next, FIG. 3 shows a third embodiment of the laser waveguide according to the present invention. FIG. 3A is a sectional view on the waveguide input (or output) side, and FIG. Shows a cross-sectional view along the line AA in FIG. This is an embodiment of a ring resonator, and in this case as well, a sharp resonance characteristic can be obtained by narrowing the interval between the coupling portions G. As described above, the present invention can be widely applied to optical circuits having extremely narrow coupling intervals.
[0057]
Further, as shown in FIG. 4, it is also applied to an optical circuit such as a grating filter in which a thin layer 8 having a low refractive index and a thin layer 9 having a high refractive index are periodically formed in the light propagation direction on the
[0058]
Further, a refractive index distribution structure as shown in FIG. 5 may be used instead of FIG. Of this refractive index distribution, the refractive index of the region of the side cladding layers 3b and 3b can be realized by slightly reducing the irradiation amount of the ultraviolet laser beam.
[0059]
The present invention can also be applied to a laminated structure type waveguide. That is, as shown in FIG. 6, first, the
[0060]
Further, the present invention is not limited to the above embodiment. That is, various types of polysilane compounds, silicone compounds, triazine compounds, photoacid generators, and the like can be applied. For example, the polysilane compound is preferably a branched polysilane compound having a branching degree of 2% or more from the viewpoint of light transparency. The photoacid generator is preferably a triazine, and among them, those having high light transparency at a long wavelength and those having a high melting point are preferred. A silicone compound having a high light transparency and a high melting point is also preferable.
[0061]
In the polymer waveguide shown in FIGS. 1 to 5, an ultrashort pulse whose wavelength is far from the absorption wavelength of the polymer on the surface or inside of the
[0062]
【The invention's effect】
In short, the present invention exhibits the following excellent effects.
[0063]
1) The present invention does not use conventional photolithography and etching processes, and collects and irradiates an ultraviolet laser beam onto a photobleaching polymer layer covered with a low refractive index layer while irradiating the object or Patterning is performed by relatively moving one of the laser beams to form a core layer that serves as a light propagation layer and a side cladding layer that guides it. A waveguide with low scattering loss can be realized.
[0064]
2) Since the interface between the core layer and the side cladding layer can be formed in a continuous refractive index profile, it is possible to improve light confinement in the core layer with ultra-low scattering loss. .
[0065]
3) Since the ultraviolet laser beam can narrow the beam spot diameter to 1 μm, it is possible to draw and form a core layer and side cladding layer pattern with very high dimensional accuracy. In particular, the method of the present invention is an effective method for realizing a structure in which two core widths are several μm and are coupled in parallel over the coupling length L, such as a waveguide type directional coupler. The narrower the core width, the shorter the coupling length. However, it is difficult to reduce the core width to 4 μm or less in the conventional method using an etching process and a buried waveguide structure in which a rectangular core layer is embedded with a cladding layer. However, in the present invention, it can be narrowed to about 1 μm, so that the coupling length can be shortened. That is, a small waveguide circuit can be realized. In addition to the waveguide type directional coupler, a ring resonator circuit, a filter circuit, and the like can be reduced in size and performance.
[0066]
4) Use a polysilane compound, a polysilane compound with a silicone compound or a silicone compound and a photoacid generator added to the polymer layer for photobleaching, and heat treatment at a temperature higher than 300 ° C. Since it can be promoted, absorption loss depending on the absorption group (CH group, OH group) specific to the polymer material can be reduced.
[0067]
5) By heat-treating at a temperature higher than 300 ° C., it is possible to make a waveguide with a lower loss and withstand the Au / Sn solder reflow temperature (Au / Sn solder reflow temperature:> 280 ° C.) Electronic components, electronic circuits, optical components, optical circuits, and the like can be hybrid-mounted on the front surface or back surface of the waveguide, and further inside.
[0068]
6) If a pulsed laser beam is used as the ultraviolet laser beam, the refractive index of the polymer layer can be lowered with a low average output laser beam power without receiving thermal damage to the irradiated polymer layer. In addition, by making pulses compared to continuous waves, the average intensity is low while instantaneously having high light intensity, so even in a short time, the refractive index change is uniform in the depth direction even for thick polymer layers. Therefore, the waveguide can be realized in a short time. The degree of the refractive index change in the depth direction can be controlled by adjusting the power of the laser beam and the moving speed of the workpiece (or either of the laser beams).
[0069]
7) By adjusting the beam spot diameter of the laser beam, the widths of the core layer and the side cladding layer can be easily controlled.
[0070]
8) In addition, since no photomask is used, the cost of creating a waveguide can be greatly reduced. In particular, the cost for creating various optical circuits with different optical circuit patterns can be greatly reduced and can be created in a short time, so that the total cost performance can be drastically improved.
[0071]
9) The optical circuit characteristics can be changed by laser beam irradiation while monitoring inline, and the optical characteristics can be improved by trimming, so that the optical component production yield can be greatly improved.
[0072]
10) Since the polymer layer having a refractive index change has a flat surface, even if an upper clad layer is formed thereon, the surface can also maintain a flat surface. As a result, electronic parts, electronic circuits, optical parts, optical circuits, etc. can be mounted on the upper surface with high dimensional accuracy.
[0073]
11) Since a waveguide with a laminated structure can be easily created, a more highly functional and highly integrated waveguide device can be realized.
[0074]
12) Since the refractive index of the core layer can be easily increased, light confinement in the core layer is further improved, and The With laser beam irradiation, organic matter in the core layer can be further removed and mineralized, and it can be modified into a homogeneous core layer with high density and less light scattering center. Can be realized.
[0075]
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 (1) is an input (or output) side sectional view showing an embodiment of a laser direct writing waveguide according to the present invention. (2) is a refractive index distribution diagram in the AA line cross section in FIG. 1 (1). (3) is a refractive index distribution diagram in the cross section along the line BB in FIG. 1 (1). (4) is a cross-sectional view taken along line BB in FIG.
FIG. 2A is an input (or output) side sectional view showing a second embodiment of a laser direct writing waveguide according to the present invention. (2) is the sectional view on the AA line in FIG. 2 (1).
FIG. 3 (1) is an input (or output) side sectional view showing a third embodiment of a laser direct writing waveguide according to the present invention. (2) is the sectional view on the AA line in FIG. 3 (1).
FIG. 4A is an input (or output) side sectional view showing a fourth embodiment of a laser direct writing waveguide according to the present invention. (2) is the sectional view on the AA line in FIG. 4 (1).
FIG. 5 is a refractive index distribution diagram of a laser direct writing waveguide according to the present invention.
FIG. 6 is an explanatory view showing an embodiment in which the method of the present invention is applied to a laminated structure type waveguide.
FIG. 7 is a refractive index distribution diagram of a laser direct writing waveguide according to the present invention.
[Explanation of symbols]
1 Substrate
2 Low refractive index layer
3 Polymer layer
4 Upper cladding layer
5 Core layer
6 Side cladding layer
7 Laser unirradiated area
8 Thin layer with low refractive index
9 Thin layer with high refractive index
10 lenses
11,12 Direction of movement on board side
13 Lens movement direction
B Ultraviolet laser beam
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