JP4071175B2 - Method for producing polyimide optical element - Google Patents
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Description
本発明は、ポリイミド光学素子の製造方法に関し、詳しくは、ポリイミドから形成される、光導波路、回折格子、波長フィルタなどの光学素子の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a polyimide optical element, and more particularly to a method for manufacturing an optical element such as an optical waveguide, a diffraction grating, and a wavelength filter formed from polyimide.
光導波路、回折格子、波長フィルタなどの光学素子、特に、光通信デバイスとして用いられる光導波路においては、従来より、石英などのガラスから形成されるものが、よく知られている。 2. Description of the Related Art Conventionally, optical elements such as optical waveguides, diffraction gratings, and wavelength filters, particularly optical waveguides used as optical communication devices, are well known that are formed from glass such as quartz.
しかるに、近年、WDM通信をはじめとする光ファイバ網の構築には、各種の光通信デバイスを、低コストで量産する必要があり、そのため、光導波路を有機材料から形成すること、とりわけ、はんだリフローなどで要求される耐熱性に優れるポリイミドから形成することが検討されている。 However, in recent years, it has been necessary to mass-produce various optical communication devices at low cost for the construction of optical fiber networks including WDM communication. Therefore, it is necessary to form optical waveguides from organic materials, especially solder reflow. For example, it has been studied to form from a polyimide having excellent heat resistance required.
例えば、パルスレーザ光を有機材料からなる母相の内部に集光し、母相内部で集光点を相対移動させ、連続した屈折率変化領域からなるコア領域を母相の内部に形成する光導波路の製造方法が提案されており(例えば、特許文献1参照。)、この提案では、液状のフッ素化ポリイミドを乾燥および硬化させることにより母相を形成し、この母相をXYZステージに載置して、パルスレーザ光を母相内部に集光させながら、XYZステージを移動制御することにより、集光点の軌跡に沿って屈折率が他の領域の屈折率より高くなる屈折率変化領域を連続的に形成することが検討されている。
しかし、上記の方法によって、ポリイミドからなる母相に、屈折率変化領域を形成すると、その屈折率変化領域において一旦変化した屈折率が、経時的に元の屈折率に戻り、光導波路が消失するという不具合を生じる。 However, when the refractive index change region is formed in the matrix made of polyimide by the above method, the refractive index once changed in the refractive index change region returns to the original refractive index with time, and the optical waveguide disappears. This causes a malfunction.
本発明の目的は、耐熱性に優れるポリイミドから形成しても、安定した屈折率変化領域を形成することができ、光伝搬損失を低減することのできる、ポリイミド光学素子の製造方法を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a method for producing a polyimide optical element, which can form a stable refractive index change region and can reduce light propagation loss even when formed from polyimide having excellent heat resistance. It is in.
上記目的を達成するため、本発明のポリイミド光学素子の製造方法は、ポリイミド前駆体皮膜を用意する工程、前記ポリイミド前駆体皮膜の内部にパルスレーザ光を集光させ、その集光点を前記ポリイミド前駆体皮膜の内部で連続または不連続に移動させることにより、屈折率が変化した屈折率変化領域を形成する工程、前記屈折率変化領域が形成された前記ポリイミド前駆体皮膜をイミド化する工程を含んでいることを特徴としている。 In order to achieve the above object, a method for producing a polyimide optical element according to the present invention includes a step of preparing a polyimide precursor film, condensing a pulsed laser beam inside the polyimide precursor film, and a condensing point of the polyimide optical element. A step of forming a refractive index changing region having a changed refractive index by moving continuously or discontinuously inside the precursor coating, and a step of imidizing the polyimide precursor coating in which the refractive index changing region is formed. It is characterized by including.
また、本発明では、前記パルスレーザ光のパルス幅が、10−12秒以下であることが好適である。 In the present invention, it is preferable that the pulse width of the pulse laser beam is 10 −12 seconds or less.
また、本発明では、前記ポリイミド前駆体皮膜の厚み10μmにおける光透過率が、前記パルスレーザ光の波長において95%以上であり、かつ、前記パルスレーザ光の波長の1/Nの波長(Nは、2、3、4から選ばれる整数)において50%以下であることが好適である。 Further, in the present invention, the light transmittance at a thickness of 10 μm of the polyimide precursor film is 95% or more at the wavelength of the pulse laser beam, and a wavelength 1 / N (N is the wavelength of the pulse laser beam) And an integer selected from 2, 3, 4) is preferably 50% or less.
また、本発明では、前記ポリイミド前駆体皮膜が、イミド化促進剤を含んでいることが好適である。 In the present invention, it is preferable that the polyimide precursor film contains an imidization accelerator.
本発明のポリイミド光学素子の製造方法によると、まず、ポリイミド前駆体皮膜にパルスレーザ光の集光点の移動により、屈折率変化領域を形成した後、次いで、そのポリイミド前駆体皮膜をイミド化させることにより、ポリイミドを形成する。そのため、屈折率変化領域において、一旦変化した屈折率が、経時的に元の屈折率に戻りにくく、その結果、安定した屈折率変化領域を形成することができ、光伝搬損失を低減することのできる、ポリイミド光学素子を製造することができる。 According to the method for producing a polyimide optical element of the present invention, first, a refractive index changing region is formed on a polyimide precursor film by moving a condensing point of a pulse laser beam, and then the polyimide precursor film is imidized. Thus, polyimide is formed. For this reason, the refractive index once changed in the refractive index changing region is unlikely to return to the original refractive index with time, and as a result, a stable refractive index changing region can be formed and light propagation loss can be reduced. A polyimide optical element can be manufactured.
本発明のポリイミド光学素子の製造方法では、まず、ポリイミド前駆体皮膜を用意する。ポリイミド前駆体皮膜は、例えば、ポリイミド前駆体の溶液を調製し、この溶液を成膜した後に乾燥させることにより、得ることができる。 In the method for producing a polyimide optical element of the present invention, first, a polyimide precursor film is prepared. The polyimide precursor film can be obtained, for example, by preparing a polyimide precursor solution, forming the solution into a film, and drying the solution.
ポリイミド前駆体の溶液は、少なくともポリイミド前駆体および溶媒を含んでいる。 The polyimide precursor solution contains at least a polyimide precursor and a solvent.
ポリイミド前駆体は、ポリアミド酸であって、有機テトラカルボン酸二無水物と、ジアミンとを反応させることによって得ることができる。 The polyimide precursor is a polyamic acid and can be obtained by reacting an organic tetracarboxylic dianhydride with a diamine.
有機テトラカルボン酸二無水物としては、例えば、ピロメリット酸二無水物、3,3',4,4'−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物、2,2−ビス(2,3−ジカルボキシフェニル)プロパン二無水物、2,2−ビス(3,4−ジカルボキシフェニル)プロパン二無水物、3,3',4,4'−ベンゾフェノンテトラカルボン酸二無水物、ビス(3,4−ジカルボキシフェニル)エーテル二無水物、ビス(3,4−ジカルボキシフェニル)スルホン酸二無水物などが挙げられる。 Examples of the organic tetracarboxylic dianhydride include pyromellitic dianhydride, 3,3 ′, 4,4′-biphenyltetracarboxylic dianhydride, and 2,2-bis (2,3-dicarboxyphenyl). ) Propane dianhydride, 2,2-bis (3,4-dicarboxyphenyl) propane dianhydride, 3,3 ′, 4,4′-benzophenonetetracarboxylic dianhydride, bis (3,4-di Carboxyphenyl) ether dianhydride, bis (3,4-dicarboxyphenyl) sulfonic acid dianhydride and the like.
好ましくは、例えば、2,2−ビス(2,3−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、2,2−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、4,4−ビス(3,4−ジカルボキシトリフルオロフェノキシ)テトラフルオロベンゼン二無水物、1,4−ビス(3,4−ジカルボキシトリフルオロフェノキシ)テトラフルオロベンゼン二無水物、(トリフルオロメチル)ピロメリット酸二無水物、ジ(トリフルオロメチル)ピロメリット酸二無水物、ジ(ヘプタフルオロプロピル)ピロメリット酸二無水物など、分子内にフッ素原子を含有するフッ素置換テトラカルボン酸二無水物などが挙げられる。 Preferably, for example, 2,2-bis (2,3-dicarboxyphenyl) hexafluoropropane dianhydride, 2,2-bis (3,4-dicarboxyphenyl) hexafluoropropane dianhydride, 4,4 -Bis (3,4-dicarboxytrifluorophenoxy) tetrafluorobenzene dianhydride, 1,4-bis (3,4-dicarboxytrifluorophenoxy) tetrafluorobenzene dianhydride, (trifluoromethyl) pyromellit Fluorine-substituted tetracarboxylic dianhydrides containing fluorine atoms in the molecule, such as acid dianhydride, di (trifluoromethyl) pyromellitic dianhydride, di (heptafluoropropyl) pyromellitic dianhydride Can be mentioned.
これら有機テトラカルボン酸二無水物は、単独で用いてもよいし、2種以上を併用してもよい。 These organic tetracarboxylic dianhydrides may be used alone or in combination of two or more.
また、ジアミンとしては、例えば、m−フェニレンジアミン、p−フェニレンジアミン、3,4'−ジアミノジフェニルエーテル、4,4'−ジアミノジフェニルエーテル、4,4'−ジアミノジフェニルスルホン、3,3'−ジアミノジフェニルスルホン、2,2−ビス(4−アミノフェノキシフェニル)プロパン、1,3−ビス(4−アミノフェノキシ)ベンゼン、1,4−ビス(4−アミノフェノキシ)ベンゼン、2,4−ジアミノトルエン、2,6−ジアミノトルエン、4,4'−ジアミノジフェニルメタン、4,4'−ジアミノ−2,2'−ジメチルビフェニルなどが挙げられる。 Examples of the diamine include m-phenylenediamine, p-phenylenediamine, 3,4'-diaminodiphenyl ether, 4,4'-diaminodiphenyl ether, 4,4'-diaminodiphenyl sulfone, and 3,3'-diaminodiphenyl. Sulfone, 2,2-bis (4-aminophenoxyphenyl) propane, 1,3-bis (4-aminophenoxy) benzene, 1,4-bis (4-aminophenoxy) benzene, 2,4-diaminotoluene, 2 , 6-diaminotoluene, 4,4′-diaminodiphenylmethane, 4,4′-diamino-2,2′-dimethylbiphenyl, and the like.
好ましくは、例えば、2,2'−ビス(トリフルオロメトキシ)−4,4’−ジアミノビフェニル(TFMOB)、3,3’−ジアミノ−5,5’−ビス(トリフルオロメチル)ビフェニル、2,2−ビス(4−アミノフェニル)ヘキサフルオロプロパン(BAAF)、2,2−ビス〔4−(4−アミノフェノキシ)フェニル〕ヘキサフルオロプロパン(HFBAPP)、2,2’−ビス(トリフルオロメチル)−4,4’−ジアミノビフェニル(TFMB)、2,2−ビス(3−アミノ−4−ヒドロキシフェニル)ヘキサフルオロプロパン(BIS−AP−AF)、2,2−ビス(3−アミノ−4−メチルフェニル)ヘキサフルオロプロパン(BIS−AT−AF)、2,2’−ジフルオロベンジジン(FBZ)、4,4’−ビス(アミノオクタフルオロ)ビフェニル、3,5−ジアミノベンゾトリフルオライド、1,3−ジアミノ−2,4,5,6−テトラフルオロベンゼン、2,2’−ビス(トリフルオロメチル)ベンジジン(BTFB)など、分子内にフッ素原子を含有するフッ素置換ジアミンなどが挙げられる。 Preferably, for example, 2,2′-bis (trifluoromethoxy) -4,4′-diaminobiphenyl (TFMOB), 3,3′-diamino-5,5′-bis (trifluoromethyl) biphenyl, 2, 2-bis (4-aminophenyl) hexafluoropropane (BAAF), 2,2-bis [4- (4-aminophenoxy) phenyl] hexafluoropropane (HFBAPP), 2,2′-bis (trifluoromethyl) -4,4'-diaminobiphenyl (TFMB), 2,2-bis (3-amino-4-hydroxyphenyl) hexafluoropropane (BIS-AP-AF), 2,2-bis (3-amino-4- Methylphenyl) hexafluoropropane (BIS-AT-AF), 2,2′-difluorobenzidine (FBZ), 4,4′-bis (aminothio) Intramolecular such as Kutafluoro) biphenyl, 3,5-diaminobenzotrifluoride, 1,3-diamino-2,4,5,6-tetrafluorobenzene, 2,2′-bis (trifluoromethyl) benzidine (BTFB) And fluorine-substituted diamines containing fluorine atoms.
これらジアミンは、単独で用いてもよいし、2種以上を併用してもよい。 These diamines may be used alone or in combination of two or more.
そして、ポリイミド前駆体は、有機テトラカルボン酸二無水物およびジアミンを、常法に従って反応させることにより、得ることができる。すなわち、例えば、有機テトラカルボン酸二無水物とジアミンとを、ほぼ等モルとなる割合で、不活性ガス雰囲気下、反応溶媒中において、250℃以下の温度、好ましくは、室温(25℃)〜80℃の範囲で、5〜20時間程度攪拌することによって、ポリイミド前駆体を粘性のある溶液として得ることができる。 And a polyimide precursor can be obtained by making organic tetracarboxylic dianhydride and diamine react according to a conventional method. That is, for example, an organic tetracarboxylic dianhydride and a diamine are mixed at a ratio of approximately equimolar in an inert gas atmosphere in a reaction solvent at a temperature of 250 ° C. or lower, preferably from room temperature (25 ° C.) to The polyimide precursor can be obtained as a viscous solution by stirring for about 5 to 20 hours in the range of 80 ° C.
反応溶媒としては、有機テトラカルボン酸二無水物およびジアミンを溶解させるとともに、得られるポリイミド前駆体を溶解し得るものであれば、特に限定されないが、例えば、N−メチル−2−ピロリドン、N,N−ジメチルアセトアミド、N,N−ジエチルアセトアミド、ジメチルスルホキシドなどの極性溶媒が挙げられる。これら極性溶媒は、単独で、または、2種以上の混合溶媒として用いることもできる。 The reaction solvent is not particularly limited as long as it dissolves the organic tetracarboxylic dianhydride and diamine and can dissolve the resulting polyimide precursor. For example, N-methyl-2-pyrrolidone, N, Examples include polar solvents such as N-dimethylacetamide, N, N-diethylacetamide, and dimethyl sulfoxide. These polar solvents can be used alone or as a mixed solvent of two or more.
このようにして得られるポリイミド前駆体は、例えば、その重量平均分子量が、5000〜500000程度、好ましくは、10000〜150000程度であって、反応溶媒中に、例えば、1〜50重量%、好ましくは、5〜30重量%の割合(固形分濃度)の溶液として調製される。 The polyimide precursor thus obtained has a weight average molecular weight of, for example, about 5,000 to 500,000, preferably about 10,000 to 150,000, and is, for example, 1 to 50% by weight in the reaction solvent, preferably 5 to 30% by weight (solid content concentration).
また、このポリイミド前駆体の溶液には、必要により、イミド化促進剤を配合することができる。イミド化促進剤を配合することによって、ポリイミド前駆体のイミド化を促進させることができ、ポリイミド光学素子の光伝搬損失を低減させることができる。 Moreover, an imidation promoter can be mix | blended with the solution of this polyimide precursor as needed. By blending an imidization accelerator, imidization of the polyimide precursor can be promoted, and light propagation loss of the polyimide optical element can be reduced.
イミド化促進剤としては、例えば、ポリエチレングリコール、ポリエチレングリコールモノメチルエーテル、ポリエチレングリコールジメチルエーテル、ポリプロピレングリコール、ポリプロピレングリコールモノメチルエーテルおよびポリプロピレングリコールジメチルエーテルなどが挙げられる。これらイミド化促進剤は、単独で用いてもよいし、2種以上を併用してもよい。また、このようなイミド化促進剤を用いれば、ポリイミド前駆体のイミド化(硬化)において、残存溶媒とともに揮散させることができるので、最終的に得られるポリイミド皮膜中での残存を低減でき、透明性などの光学用途に要求される樹脂特性が阻害されることを防止することができる。 Examples of the imidization accelerator include polyethylene glycol, polyethylene glycol monomethyl ether, polyethylene glycol dimethyl ether, polypropylene glycol, polypropylene glycol monomethyl ether, and polypropylene glycol dimethyl ether. These imidation accelerators may be used independently and may use 2 or more types together. Further, if such an imidization accelerator is used, it can be volatilized together with the residual solvent in imidization (curing) of the polyimide precursor, so that the residual in the finally obtained polyimide film can be reduced and transparent. It can prevent that the resin characteristic requested | required for optical uses, such as property, is inhibited.
また、イミド化促進剤は、その重量平均分子量が、通常、100〜2000、さらには、200〜1000の範囲にあるものが、好ましく用いられる。 In addition, as the imidization accelerator, those having a weight average molecular weight in the range of usually 100 to 2000, and further 200 to 1000 are preferably used.
イミド化促進剤の配合割合は、ポリイミド前駆体100重量部に対して、例えば、5〜50重量部、好ましくは、10〜40重量部の範囲である。 The mixing ratio of the imidization accelerator is, for example, in the range of 5 to 50 parts by weight, preferably 10 to 40 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the polyimide precursor.
また、このポリイミド前駆体の溶液には、必要により、感光剤を配合することができる。感光剤を配合することによって、パルスレーザ光の集光点において、屈折率の変化を大きくすることができる。 Moreover, a photosensitive agent can be mix | blended with the solution of this polyimide precursor as needed. By blending the photosensitizer, the change in the refractive index can be increased at the condensing point of the pulse laser beam.
感光剤としては、例えば、下記一般式(1)で示される1,4−ジヒドロピリジン誘導体が、好ましく用いられる。 As the photosensitizer, for example, a 1,4-dihydropyridine derivative represented by the following general formula (1) is preferably used.
上記式(1)中、Arで示されるオルソ位にニトロ基を有する芳香族基として、好ましくは、o−ニトロフェニル基が挙げられ、また、R1、R2、R3、R4およびR5で示される炭素数1、2または3のアルキル基として、好ましくは、メチル基(C1)、エチル基(C2)、n−プロピル基(C3)、i−プロピル基(C3)が挙げられる。
In the above formula (1), the aromatic group having a nitro group at the ortho position represented by Ar is preferably an o-nitrophenyl group, and carbons represented by R1, R2, R3, R4 and R5. As the alkyl group of
このような1,4−ジヒドロピリジン誘導体は、より具体例には、例えば、1−エチル−3,5−ジメトキシカルボニル−4−(2−ニトロフェニル)−1,4−ジヒドロピリジン、1−メチル−3,5−ジメトキシカルボニル−4−(2−ニトロフェニル)−1,4−ジヒドロピリジン、1−プロピル−3,5−ジメトキシカルボニル−4−(2−ニトロフェニル)−1,4−ジヒドロピリジン、1−プロピル−3,5−ジエトキシカルボニル−4−(2−ニトロフェニル)−1,4−ジヒドロピリジンが挙げられる。 More specifically, such 1,4-dihydropyridine derivatives include, for example, 1-ethyl-3,5-dimethoxycarbonyl-4- (2-nitrophenyl) -1,4-dihydropyridine, 1-methyl-3. , 5-Dimethoxycarbonyl-4- (2-nitrophenyl) -1,4-dihydropyridine, 1-propyl-3,5-dimethoxycarbonyl-4- (2-nitrophenyl) -1,4-dihydropyridine, 1-propyl -3,5-diethoxycarbonyl-4- (2-nitrophenyl) -1,4-dihydropyridine.
感光剤の配合割合は、例えば、ポリイミド前駆体100重量部に対して、0.5重量部以上、10重量部未満の範囲である。 The blending ratio of the photosensitive agent is, for example, in the range of 0.5 parts by weight or more and less than 10 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the polyimide precursor.
次いで、この方法では、上記により得られたポリイミド前駆体の溶液を成膜した後に乾燥させることにより、ポリイミド前駆体皮膜を得る。 Next, in this method, a polyimide precursor film is obtained by forming a film of the polyimide precursor solution obtained above and then drying it.
ポリイミド前駆体の溶液の成膜は、特に限定されず、例えば、スピンコート法、キャスティング法など公知の成膜方法を用いることができる。 The film formation of the polyimide precursor solution is not particularly limited, and for example, a known film formation method such as a spin coating method or a casting method can be used.
例えば、基板上に、ポリイミド前駆体の溶液を、上記の成膜方法により塗布し、乾燥させることにより、ポリイミド前駆体皮膜を得ることができる。 For example, a polyimide precursor film can be obtained by applying a polyimide precursor solution on the substrate by the film forming method described above and drying the solution.
基板は、特に限定されず、例えば、ガラス基板、シリコンウエハ、金属膜、プラスチックフィルム、フレキシブル回路基板などが用いられる。 A board | substrate is not specifically limited, For example, a glass substrate, a silicon wafer, a metal film, a plastic film, a flexible circuit board etc. are used.
このようにして得られるポリイミド前駆体皮膜の厚みは、特に限定されないが、屈折率変化領域の形成を容易化する観点から、例えば、3〜2000μm、好ましくは、10〜100μmである。 Although the thickness of the polyimide precursor film | membrane obtained in this way is not specifically limited, From a viewpoint of facilitating formation of a refractive index change area | region, it is 3-2000 micrometers, Preferably, it is 10-100 micrometers.
また、ポリイミド前駆体皮膜の厚み10μmにおける光透過率が、次に述べるパルスレーザ光の波長において95%以上であり、かつ、パルスレーザ光の波長の1/Nの波長(Nは、2、3、4から選ばれる整数)において50%以下であることが好ましい。 Further, the light transmittance at a thickness of 10 μm of the polyimide precursor film is 95% or more at the wavelength of the pulse laser beam described below, and the wavelength of 1 / N of the wavelength of the pulse laser beam (N is 2, 3 or more). And an integer selected from 4) is preferably 50% or less.
本発明のポリイミド光学素子の製造方法では、後述するように、ポリイミド前駆体皮膜の内部に、パルスレーザ光を集光させるが、そのような多光子吸収過程を経由した加工において、光吸収が過度に大きいと、集光点での照射エネルギーが不足して、ポリイミド前駆体皮膜の内部へ直接加工することが困難となる。 In the method for producing a polyimide optical element of the present invention, as will be described later, pulse laser light is condensed inside the polyimide precursor film. However, in the processing via such a multiphoton absorption process, light absorption is excessive. If it is too large, the irradiation energy at the condensing point is insufficient, and it becomes difficult to process directly into the polyimide precursor film.
なお、N個の光子が同時に吸収される場合、波長は1/Nとなり、1/Nの波長では、光吸収の大きい方が好ましい。 When N photons are absorbed at the same time, the wavelength is 1 / N, and it is preferable that the light absorption is larger at the wavelength of 1 / N.
そして、本発明のポリイミド光学素子の製造方法では、次いで、ポリイミド前駆体皮膜の内部にパルスレーザ光を集光させ、その集光点をポリイミド前駆体皮膜の内部で連続または不連続に移動させることにより、屈折率が連続または不連続に変化した屈折率変化領域を形成する。 And in the manufacturing method of the polyimide optical element of this invention, a pulse laser beam is then condensed inside the polyimide precursor film, and the condensing point is moved continuously or discontinuously inside the polyimide precursor film. Thus, a refractive index change region in which the refractive index is changed continuously or discontinuously is formed.
ポリイミド前駆体皮膜の内部にパルスレーザ光を集光させ、その集光点をポリイミド前駆体皮膜の内部で連続または不連続に移動させるには、例えば、図1に示す装置が用いられる。 For example, an apparatus shown in FIG. 1 is used to focus pulse laser light inside the polyimide precursor film and move the focused point continuously or discontinuously inside the polyimide precursor film.
すなわち、図1において、この装置は、パルスレーザ光を発光する光源1と、反射鏡2と、集光レンズ3と、XYZステージ4とを備えている。
That is, in FIG. 1, the apparatus includes a light source 1 that emits pulsed laser light, a reflecting
光源1は、チタン・サファイア結晶を媒体とするレーザ、色素レーザを再生・増幅して得られるパルスレーザなどが用いられる。 As the light source 1, a laser using a titanium / sapphire crystal as a medium, a pulse laser obtained by reproducing / amplifying a dye laser, or the like is used.
パルス幅は、10−12秒以下、好ましくは、10−12〜10−15秒であることが好ましい。パルス幅が10−12秒を超えると、レーザ光の集光点以外の屈折率が変化する場合がある。また、波長は、可視光領域の400nmから1.2μmであることが好ましい。また、繰り返し周波数は、特に限定されないが、通常、1Hz〜80MHzであることが好ましい。また、パルスレーザ光の照射エネルギーは、適宜選択できるが、通常、0.01nJ/pulse〜500mJ/pulse、好ましくは、10nJ/pulse〜100mJ/pulse、さらに好ましくは、0.01〜100μJ/pulseである。 The pulse width is 10 −12 seconds or less, preferably 10 −12 to 10 −15 seconds. When the pulse width exceeds 10 −12 seconds, the refractive index other than the condensing point of the laser light may change. The wavelength is preferably 400 nm to 1.2 μm in the visible light region. Moreover, although a repetition frequency is not specifically limited, Usually, it is preferable that they are 1 Hz-80 MHz. The irradiation energy of the pulse laser beam can be selected as appropriate, but is usually 0.01 nJ / pulse to 500 mJ / pulse, preferably 10 nJ / pulse to 100 mJ / pulse, and more preferably 0.01 to 100 μJ / pulse. is there.
反射鏡2は、光源1から照射されたパルスレーザ光を、集光レンズ3に向かうように、反射させる。
The reflecting
集光レンズ3は、反射鏡2によって反射されたパルスレーザ光を、XYZステージ4上に載置されたポリイミド前駆体皮膜5の内部に集光させる。なお、集光レンズ3の倍率は、例えば、2.5〜150倍、さらには、10〜50倍であることが好ましい。
The condensing
XYZステージ4は、その上にポリイミド前駆体皮膜5を載置して、矢印で示す、X方向、Y方向およびZ方向において3次元的に移動する。
The
そして、この方法では、XYZステージ4上に、例えば、ポリイミド前駆体5が形成された基板6を載置して、光源1から、パルスレーザ光を連続または不連続に発光させて、そのパルスレーザ光を反射鏡2を介して集光レンズ3に照射し、その集光レンズ3から、ポリイミド前駆体皮膜5の内部に集光させる。ポリイミド前駆体皮膜5の内部では、パルスレーザ光の集光点Pにおいて構造変化を生じ、集光点Pでの屈折率が、その他の部分の屈折率よりも高くなる。
In this method, for example, a
そして、このようなパルスレーザ光の照射とともに、XYZステージ4を3次元的に移動させる。すると、パルスレーザ光の集光点Pが、ポリイミド前駆体皮膜5の内部において相対的に移動するので、その集光点Pの移動軌跡に沿って、その他の部分よりも屈折率が高くなる連続または不連続な領域として、屈折率変化領域Sが3次元的に形成される。
Then, the
なお、このようにして形成される屈折率変化領域Sの大きさ、形状、屈折率変化の程度などは、パルスレーザ光の照射時間、焦点位置の移動方向やその速度、パルス幅の大きさ、照射エネルギーの大きさ、あるいは、集光レンズ3の開口数や倍率などにより、適宜調整することができる。
Note that the size, shape, and degree of refractive index change of the refractive index changing region S formed in this way are the irradiation time of the pulse laser beam, the moving direction and speed of the focal position, the size of the pulse width, It can be adjusted as appropriate depending on the magnitude of the irradiation energy or the numerical aperture or magnification of the
そして、本発明のポリイミド光学素子の製造方法では、その後、パルスレーザ光により屈折率変化領域が形成されたポリイミド前駆体皮膜をイミド化する。イミド化は、熱風循環、輻射加熱、誘導加熱などの公知の方法により、加熱して硬化させる。また、皮膜の着色を防止すべく、真空中あるいは不活性ガス雰囲気下にてイミド化することが好ましい。これによって、ポリイミド前駆体皮膜がイミド化され、屈折率変化領域が3次元的に連続または不連続で形成されたポリイミド皮膜を得ることができる。 And in the manufacturing method of the polyimide optical element of this invention, the polyimide precursor film | membrane in which the refractive index change area | region was formed by pulse laser beam is imidized after that. The imidization is cured by heating by a known method such as hot air circulation, radiant heating, induction heating or the like. Further, it is preferable to imidize in a vacuum or in an inert gas atmosphere in order to prevent the coating from being colored. Thereby, the polyimide precursor film is imidized, and a polyimide film in which the refractive index change region is formed three-dimensionally continuously or discontinuously can be obtained.
このような方法によれば、ポリイミド前駆体皮膜の内部に屈折率変化領域を3次元的に連続または不連続で形成した後に、これをイミド化させてポリイミド皮膜を得るので、屈折率変化領域において、一旦変化した屈折率が、経時的に元の屈折率に戻りにくく、その結果、安定した屈折率変化領域を形成することができ、光伝搬損失を低減することのできる、ポリイミド光学素子を製造することができる。 According to such a method, after the refractive index change region is formed three-dimensionally continuously or discontinuously in the polyimide precursor film, this is imidized to obtain a polyimide film. , Manufacturing a polyimide optical element that once changed the refractive index is less likely to return to the original refractive index over time, and as a result, a stable refractive index change region can be formed and light propagation loss can be reduced. can do.
このようにして得られるポリイミド光学素子は、ポリイミド皮膜の内部において、屈折率変化領域の屈折率が、その他の領域の屈折率よりも高くなるので、この屈折率変化領域が、通常、コア層となる光学素子として、広く用いることができる。 In the polyimide optical element thus obtained, the refractive index of the refractive index changing region is higher than the refractive index of the other region inside the polyimide film. It can be widely used as an optical element.
より具体的には、光学素子として、例えば、光導波路、回折格子、波長フィルタなどに用いることができ、さらに具体的には、例えば、光スイッチング部品、光分合波部品、波長変換フィルタ、光アイソレータ、光サーキュレータ、光コネクタ、光外部変調器などに用いることができる。 More specifically, as an optical element, it can be used for, for example, an optical waveguide, a diffraction grating, a wavelength filter, etc. More specifically, for example, an optical switching component, an optical multiplexing / demultiplexing component, a wavelength conversion filter, an optical It can be used for an isolator, an optical circulator, an optical connector, an optical external modulator, and the like.
以下に実施例および比較例を示し、本発明をより具体的に説明するが、本発明は、何ら実施例および比較例に限定されるものではない。 Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples and comparative examples. However, the present invention is not limited to the examples and comparative examples.
実施例1
2,2’−ビス(トリフルオロメチル)−4,4’−ジアミノビフェニル(TFMB)16.0g(0.05モル)をN,N−ジメチルアセトアミド(DMAc)152.8gに溶解させた。攪拌しながら、この溶液に2,2−ビス(3,4−ジカルボキシフェニル)へキサフルオロプロパン二無水物(6FDA)22.2g(0.05モル)を加えた後、室温で24時間攪拌して反応させた。さらに、重量平均分子量500のポリエチレングリコールジメチルエーテル11.5g(ポリアミド前駆体の30重量部)を加えて、ポリイミド前駆体の溶液を調製した。
Example 1
16.0 g (0.05 mol) of 2,2′-bis (trifluoromethyl) -4,4′-diaminobiphenyl (TFMB) was dissolved in 152.8 g of N, N-dimethylacetamide (DMAc). While stirring, 22.2 g (0.05 mol) of 2,2-bis (3,4-dicarboxyphenyl) hexafluoropropane dianhydride (6FDA) was added to this solution and then stirred at room temperature for 24 hours. And reacted. Furthermore, 11.5 g of polyethylene glycol dimethyl ether having a weight average molecular weight of 500 (30 parts by weight of the polyamide precursor) was added to prepare a polyimide precursor solution.
そして、ポリイミド前駆体の溶液を、厚み1.0mmの合成石英ガラスからなる基板上にスピンコート法にて塗布し、90℃で約15分間乾燥させて、その基板上に乾燥後の厚み30μmのポリイミド前駆体皮膜を形成した。 Then, the polyimide precursor solution was applied onto a substrate made of synthetic quartz glass having a thickness of 1.0 mm by spin coating, dried at 90 ° C. for about 15 minutes, and dried to a thickness of 30 μm on the substrate. A polyimide precursor film was formed.
このポリイミド前駆体皮膜を、XYZステージ上に載置し、このポリイミド前駆体皮膜の内部の深さ10μmに、波長780nm、パルス幅150フェムト秒、繰り返し周波数1kHzのチタン・サファイア・フェムト秒パルスレーザ装置を用いて、照射エネルギー0.15μJ/pulse、対物レンズの倍率10倍の照射条件で、パルスレーザ光を連続的に照射すると同時に、照射方向に対して垂直な方向に、ポリイミド前駆体皮膜を移動速度約100μm/秒で移動させ、図2に概略的に示すように、その移動方向に連続する長さ20mmの屈折率変化領域S1を形成した。 This polyimide precursor film is placed on an XYZ stage, and a titanium / sapphire / femtosecond pulse laser device having a wavelength of 780 nm, a pulse width of 150 femtoseconds, and a repetition frequency of 1 kHz at a depth of 10 μm inside the polyimide precursor film. Is used to continuously irradiate pulsed laser light under irradiation conditions of irradiation energy of 0.15 μJ / pulse and objective lens magnification of 10 times, and simultaneously move the polyimide precursor film in a direction perpendicular to the irradiation direction. As shown schematically in FIG. 2, a refractive index changing region S1 having a length of 20 mm continuous in the moving direction was formed by moving at a speed of about 100 μm / second.
その後、真空雰囲気下、360℃で2時間加熱し、イミド化を完結させて、ポリイミド皮膜中に、20mm長さの屈折率変化領域からなる光導波路を形成した。 Then, it heated at 360 degreeC for 2 hours in a vacuum atmosphere, imidation was completed, and the optical waveguide which consists of a refractive index change area | region of 20 mm length was formed in the polyimide membrane | film | coat.
この光導波路の両端から、1mmの部位をダイシング装置によって切断し、端面加工した後、波長1550nmの光を、シングルモードファイバを通して光導波路に入射させることにより、光導波路内を光が伝搬することを確認した。 After cutting a 1 mm portion from both ends of this optical waveguide with a dicing device and processing the end face, light is propagated in the optical waveguide by allowing light having a wavelength of 1550 nm to enter the optical waveguide through a single mode fiber. confirmed.
実施例2
実施例1で調製したポリイミド前駆体皮膜を、XYZステージ上に載置し、実施例1と同じパルスレーザー装置により同じ照射条件で、パルスレーザ光を不連続的に照射すると同時に、照射方向に対して垂直な方向に、ポリイミド前駆体皮膜を移動速度約100μm/秒で移動させ、図3に概略的に示すように、ライン幅5μm、ライン間隔5μm、ライン本数50本、ライン長3mmの屈折率変化領域S2を形成した。
Example 2
The polyimide precursor film prepared in Example 1 was placed on an XYZ stage, and pulsed laser light was discontinuously irradiated under the same irradiation conditions by the same pulse laser apparatus as in Example 1, and at the same time with respect to the irradiation direction. In the vertical direction, the polyimide precursor film is moved at a moving speed of about 100 μm / sec. As shown schematically in FIG. 3, the refractive index is 5 μm, the line spacing is 5 μm, the number of lines is 50, and the line length is 3 mm. A change region S2 was formed.
その後、真空雰囲気下、360℃で2時間加熱し、イミド化を完結させて、ポリイミド皮膜中に、上記した50本のラインの屈折率変化領域からなる回折格子を形成した。 Thereafter, heating was performed at 360 ° C. for 2 hours in a vacuum atmosphere to complete imidization, and a diffraction grating composed of the above-described 50-line refractive index changing regions was formed in the polyimide film.
この回折格子に、633nmのHe−Ne色レーザーを照射し、回折光が出ることを確認した。 This diffraction grating was irradiated with a 633 nm He—Ne color laser, and it was confirmed that diffracted light was emitted.
比較例1
実施例1と同様にしてポリイミド前駆体の溶液を調製し、厚み1.0mmの合成石英ガラスからなる基板上にスピンコート法にて塗布し、90℃で約15分間乾燥させて、その基板上に乾燥後の厚み30μmのポリイミド前駆体皮膜を形成した。
Comparative Example 1
A solution of a polyimide precursor was prepared in the same manner as in Example 1, applied to a substrate made of synthetic quartz glass having a thickness of 1.0 mm by spin coating, and dried at 90 ° C. for about 15 minutes. A polyimide precursor film having a thickness of 30 μm after drying was formed.
その後、真空雰囲気下、360℃で2時間加熱し、イミド化を完結させてポリイミド皮膜を得た。次いで、実施例1と同様の操作により、20mm長さの屈折率変化領域からなる光導波路を形成した。 Then, it heated at 360 degreeC for 2 hours in the vacuum atmosphere, and imidation was completed, and the polyimide membrane | film | coat was obtained. Next, an optical waveguide composed of a refractive index change region having a length of 20 mm was formed by the same operation as in Example 1.
この光導波路の両端から、1mmの部位をダイシング装置によって切断し、端面加工した後、波長1550nmの光を、シングルモードファイバを通して光導波路に入射させたところ、初期は光が光導波路内を伝搬したが、室温で90日放置後には、光は光導波路内を伝搬しなかった。 After cutting a 1 mm portion from both ends of this optical waveguide with a dicing device and processing the end face, light having a wavelength of 1550 nm was made incident on the optical waveguide through a single mode fiber. Initially, the light propagated in the optical waveguide. However, after leaving at room temperature for 90 days, light did not propagate in the optical waveguide.
比較例2
実施例1と同様にしてポリイミド前駆体溶液を調製し、厚み1.0mmの合成石英ガラスからなる基板上にスピンコート法にて塗布し、90℃で約15分間乾燥させて、その基板上に乾燥後の厚み30μmのポリイミド前駆体皮膜を形成した。
Comparative Example 2
A polyimide precursor solution was prepared in the same manner as in Example 1, applied to a substrate made of synthetic quartz glass having a thickness of 1.0 mm by spin coating, and dried at 90 ° C. for about 15 minutes. A polyimide precursor film having a thickness of 30 μm after drying was formed.
その後、真空雰囲気下、360℃で2時間加熱し、イミド化を完結させてポリイミド皮膜を得た。次いで、実施例2と同様の操作により、50本のラインの屈折率変化領域からなる回折格子を形成した。 Then, it heated at 360 degreeC for 2 hours in the vacuum atmosphere, and imidation was completed, and the polyimide membrane | film | coat was obtained. Next, a diffraction grating composed of 50 line refractive index changing regions was formed by the same operation as in Example 2.
この回折格子に、633nmのHe−Ne色レーザーを照射したところ、初期は回折光が発生したが、室温で90日放置後には、回折光は発生しなかった。 When this diffractive grating was irradiated with a 633 nm He—Ne color laser, initially diffracted light was generated, but after standing at room temperature for 90 days, no diffracted light was generated.
1 光源
2 反射鏡
3 集光レンズ
4 XYZステージ
5 ポリイミド前駆体皮膜
6 基板
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
Claims (4)
前記ポリイミド前駆体皮膜の内部にパルスレーザ光を集光させ、その集光点を前記ポリイミド前駆体皮膜の内部で連続または不連続に移動させることにより、屈折率が変化した屈折率変化領域を形成する工程、
前記屈折率変化領域が形成された前記ポリイミド前駆体皮膜をイミド化する工程
を含んでいることを特徴とする、ポリイミド光学素子の製造方法。 Preparing a polyimide precursor film;
Condensing the pulsed laser beam inside the polyimide precursor film and moving the condensing point continuously or discontinuously inside the polyimide precursor film forms a refractive index change region where the refractive index has changed. The process of
A method for producing a polyimide optical element, comprising a step of imidizing the polyimide precursor film in which the refractive index changing region is formed.
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