JP4513005B2

JP4513005B2 - フレキシブル光導波路の製造方法

Info

Publication number: JP4513005B2
Application number: JP2004346021A
Authority: JP
Inventors: 敦之高橋; 宏増田; 亨高橋; 宏河添
Original assignee: Hitachi Chemical Co Ltd; Showa Denko Materials Co Ltd; Resonac Corp
Current assignee: Resonac Corp
Priority date: 2004-11-30
Filing date: 2004-11-30
Publication date: 2010-07-28
Anticipated expiration: 2024-11-30
Also published as: JP2006154417A

Description

本発明は、フレキシブル光導波路及びその製造方法並びに製造装置に関し、特にコアとなる透明細線材を所定の位置に並べクラッドとなる透明フィルムによって挟んだフレキシブル光導波路とその製造方法及び製造装置に関する。

フレキシブル光導波路に関して、特許文献１には、高分子フィルム光導波路が作製可能なことが示されている。高分子フィルムは、シリコン等の基板上に高分子の溶液等をスピンコートし、ベークすることにより下部クラッド層を形成し、同様の方法によりコア層を形成した後、Ｓｉ含有レジスト等でマスクパターンを形成し、ドライエッチングによってコアパターンを形成後、下部クラッド層を形成した方法と同様の方法により上部クラッド層を形成する。そして、最後に基板から光導波路はがすことによってフィルム化した光導波路を作製している。特にはがしやすくするために基板として熱酸化したＳｉ基板を用い、導波路形成後フッ酸に浸漬することにより剥離する方法を示している。

特開平７−２３９４２２号公報

前記フィルム化した光導波路では下部クラッド、コア、上部クラッドの各層をスピンコート、ベークによって形成しているため、この方法では各層の形成に時間がかかるとともに各層を順番に形成する必要が有り全体の製造時間が数１０時間を要している。また、Ｓｉを基板に用いていることから数ｃｍから１０数ｃｍのサイズの光導波路を大量に製造するには向かない。また、上記の製造方法には、ドライエッチング工程を有しており、コア層が厚いマルチモード光導波路を作製するためには、非常に長い時間ドライエッチングを行う必要がある。
本発明はコアサイズの大きなマルチモードフレキシブル光導波路を安価に大量に製造可能な構造と製造方法を提供することにある。

本発明は、[１] コアとなる断面形状が角を持たない円形もしくは円形に近い形状の透明細線材を複数本並べて透明細線材より屈折率の小さい下層透明クラッドフィルムと透明細線材より屈折率の小さい上層透明クラッドフィルムによって上記透明細線材を挟み加熱プレスし、透明細線材が透明樹脂からなる透明クラッド材によって覆われた構造とすることを特徴とするフレキシブル光導波路の製造方法に関する。
また、本発明は、[２] 下層透明クラッドフィルム上にコアとなる透明細線材を下層透明クラッドフィルムの長手方向に所定の間隔で複数本並べ上層透明クラッドフィルムを重ね合わせて挟み、透明細線材が透明樹脂からなる透明クラッド材によって覆われた構造となる工程を含むフレキシブル光導波路の製造方法に関する。
また、本発明は、[３] 上記[１]または上記[２]において透明細線材を下層透明クラッドフィルムと上層透明クラッドフィルムによって挟む前に、透明細線材と下層透明クラッドフィルムと上層透明クラッドフィルムの少なくともいずれかに表面処理を行うことを特徴とするフレキシブル光導波路の製造方法に関する。
また、本発明は、[４] 上記［３］において表面処理が、コロナ放電処理、プラズマ放電処理、溶剤塗布処理、ＵＶ照射処理のいずれか又はこれらの組合せであることを特徴とするフレキシブル光導波路の製造方法に関する。

本発明のフレキシブル光導波路によれば、コアは円形もしくは円形に近い形をしており、コアをクラッド内に形成する際捻れを考慮する必要がない。また、角が無いことからコアとクラッド界面に生じる応力を緩和することが出来る。応力の集中は耐屈曲性を低下させる要因となり、本発明の構造とすることにより耐屈曲性を向上させることが出来る。また、本発明のフレキシブル光導波路によれば、コアとなる透明細線材を並べて透明細線材より屈折率の小さいクラッド材で透明細線材を覆うという構造によりフレキシブル光導波路を形成出来る。そのためコアサイズの大きいマルチモード光導波路でもドライエッチング工程を必要としないため、短時間で光導波路を製造することが出来る。例えば、従来方法によるＳｉウエハ上にマルチモード光導波路を製造する場合には、下部クラッド、コア、上部クラッドを順番にウエハ上に形成し、しかも、それぞれを形成するための各工程に要する時間が少なくとも２〜５時間のため、光導波路の剥離、カッティングを含めると製品が完成するまでに１週間以上要していた。一方、本発明を用いると、下部クラッド、コア、上部クラッドとなる部材はそれぞれ別に製造したものを用いることが出来、これらの部材を投入してから最初の製品が出来上がるまで、１〜２分間で済む。また、下部クラッド、コア、上部クラッドとなる部材を装置内で形成する場合でも樹脂の硬化に時間がかかるのみで、それ以外の工程にはほとんど時間を要しないことから、材料投入から完成まで数時間で終了する。従来方法では工程毎に装置が必要なのに対し、本発明の製造装置１台でフレキシブル光導波路を製造することが可能になる。また、光導波路を作製する際にＳｉ基板を用いないため、最も大きなＳｉのウエハサイズ３００ｍｍより大きなフィルムサイズにすることにより数ｃｍから１０数ｃｍのサイズ、必要により更に長さの長い光導波路でも大量に安価に製造することが可能である。

以下、本発明を適用したフレキシブル光導波路とその製造方法及び製造装置の実施例について図を用いて説明する。本発明の第１の実施形態であるフレキシブル光導波路を上から見た図と断面構造を図１に示した。図１には光が通るコアとなる透明細線材１を透明クラッド材２で覆った構造になっている。図１では、コアの断面は円形となっているが、真円である必要はない。コア材とクラッド材は光学的に透明であることが求められ、特に光の通るコア材は光の損失が小さい材料であることが求められる。コアとクラッドの屈折率差は大きい方が光導波路を曲げた際の損失を抑えることが出来ることから、コア材としては、ポリカーボネート樹脂、ポリスチレン樹脂、非晶質ポリオレフィン樹脂、アクリル樹脂、シリコーン樹脂、ポリアミド樹脂、フッ素樹脂、ポリイミド樹脂等が挙げられる。また、クラッド材としては、前記コア材に加えて、ポリウレタン樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、更にはエラストマ樹脂が挙げられる。前記のように、コアとクラッドの屈折率差は大きいほうが光導波路を曲げた際の損失を抑えることが出来ることから、１％以上、好ましくは２％以上、更に好ましくは５％以上である。具体的には、１〜２５％であることが求められ、より好ましくは２〜２５％、更に５〜２５％であることが好ましい。ここで、屈折率の測定はプリズムカプラを用いて行った。
透明細線材がプラスチックである場合、透明クラッド材の弾性率が２ＧＰａ以下であることが好ましい。光導波路がフレキシブルに曲がるためにはコア材及びクラッド材の両方の弾性率が２ＧＰａ以下（使用状態の温度、０〜３０℃）と小さいことが求められ、特にクラッド材の弾性率は０．０５から２ＧＰａであることが好ましく、０．０５〜１ＧＰａがより好ましく、０．０５〜５００ＭＰａが最も好ましい。これらの弾性率はＩＳＯ１７８に示されている３点曲げ法により求めた。ここでの弾性率は、曲げ弾性率の値であり、２ＧＰａ以下とすることにより、広く使用されているポリイミド樹脂製のフレキシブルプリント板より弾性率が小さくなり、フレキシブルプリント板からの移行を容易にすることができる。さらに曲げ弾性率を小さくすることにより、クラッド厚さの設計裕度が広がるとともに、屈曲させた際の導波路内部の応力が減少し、剥れ等に対する信頼性が向上する。
また、図１には示してないが、保護、情報表示用等のために図１で示したフレキシブル光導波路の上面及び下面のいずれか又は両面を別の材料で覆った構造とすることが好ましい。覆う材料としては難燃性や高耐湿な特性を持つ樹脂や、金属薄膜や、それらを複合させたものが挙げられる。具体的にはポリ塩化ビニル樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリエステルエラストマ、シリコーンゴム、フッ素樹脂、オレフィン系エラストマ、サントプレーン、ポリウレタン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミド樹脂の他、これらの樹脂とＡｌ等の金属薄膜を重ねたものが例示できる。本実施例では、フレキシブル光導波路の面を覆う材料として０．１ｍｍ厚みのポリ塩化ビニルフィルムを用いた。図１に示したように、透明細線材１を複数本設け、隣接する透明細線材は、平行となることが好ましい。

図２に本発明の第２の実施形態であるフレキシブル光導波路を上から見た図と断面構造を示した。本発明ではコアとなる透明細線材１が曲線状態で複数本並んで配置されている。断面形状は図１と同様に光が通るコアとなる透明細線材１を上部透明クラッド材と下部透明クラッド材で挟んだ構造になっている。コアの断面は円形となっているが、真円である必要はない。また、断面が四角形であってもよい。また、コア材、クラッド材は上記の第１の実施形態と同様の材料が選べる。また、図２には示してないが、図２で示したフレキシブル光導波路の上面及び下面のいずれか又は両面を覆った構造とすることが好ましい。覆う材料としては上記と同様難燃性や高耐湿な特性を持つ樹脂や金属薄膜、それらを複合させたものが挙げられる。

図３に本発明の第３の実施形態であるフレキシブル光導波路の実施例を示した。光導波路の両端部には発光素子や受光素子等の光素子が実装されたり、光ファイバ等が実装される。その際、光導波路のコアと光素子、光ファイバは精度良く位置合せして実装することが求められる。そこで図３に示したようにコアの位置を特定するための合せマークをフレキシブル光導波路に形成することが好ましい。この合せマークは、コアの位置に対して相対的に定まった位置に形成されることが好ましい。本実施例では、合せマークは、レーザを用いて形成し、光導波路を精度良く所定の形状に加工するため前記合せマークを使用し、この合わせマークを光学的に認識させフレキシブル光導波路を所定の形状に切断し製品としてのフレキシブル光導波路を得た。前記のように合わせマークはスキャン式のＹＡＧレーザマーカーを用いて形成した。

本発明を用いた第１の実施の形態であるフレキシブル光導波路の製造方法を図４に示した。離型処理を施したＰＥＴフィルム上に離型処理した金属枠(大きさ；外寸法１１０×１５ｍｍ、内寸法１００×１０ｍｍ、厚み０．１５ｍｍ)を載せ（ａ）、その枠上にコアとなる細径透明材（直径；５０μｍ，ナイロン製）を張った状態で固定する（ｂ）。細径透明材は図４には２本を例示したが１本でも複数本でも良い。更に離型処理した金属枠を載せた後（ｃ）、枠内にクラッドとなる透明樹脂を流し込み樹脂を硬化させる（ｄ）。次に枠を外し（ｅ）、決められた形に切ることで光導波路を完成した（ｆ）。クラッドとなる透明樹脂はこの場合液状であり、熱またはＵＶ光によって硬化する。具体的にはコアとなる透明細線材としてナイロンを用い、クラッド材として熱硬化シリコーンゴムを用いた。熱硬化は９０℃の温度で１時間加熱することにより完了した。コア材とクラッド材の密着性を向上させるためコア材に対し表面処理を行う場合がある。本実施例では表面処理としてコロナ放電を用いた。コロナ放電処理は印加電圧を１２ｋＶとし、コア材表面に対して行った。その他、表面処理としてプラズマ放電処理、溶剤塗布処理、ＵＶ照射処理などを用いても良い。また、透明細線材３のピッチは本発明の光導波路と組み合わせる光素子のピッチに合わせ２５０μｍとした。

本発明を用いたフレキシブル光導波路の第２の製造方法を図５に示した。離型処理を施したＰＥＴフィルム上に離型処理した金属枠を載せ（ａ）、その中に下部クラッド材となる透明樹脂を流し込み樹脂を硬化させる（ｂ）。その下部クラッド上にコアとなる細径透明材を載せる（ｃ）。更に離型処理した金属枠を載せた後（ｄ）、枠内にクラッドとなる透明樹脂を流し込み樹脂を硬化させる（ｅ）。次に枠を外し（ｆ）、決められた形に切ることで光導波路が完成した（ｇ）。クラッドとなる透明樹脂は、この場合液状であり、熱またはＵＶ光によって硬化する。具体的にはコアとなる透明細線材としてナイロンを用い、クラッド材として熱硬化シリコーンゴムを用いた。熱硬化は９０℃の温度で１時間加熱することにより完了した。

また、図６には、本発明を用いたフレキシブル光導波路の製造装置の一例を示した。図６の上段には製造装置を上から見た装置構成図、図６の下段には製造装置を横から見た装置構成図を示した。本装置を用いることにより、例えば図３に示したフレキシブル光導波路を製造することができる。本装置においては、透明下部クラッドフィルム２２が巻かれたロールと透明上部クラッドフィルム２３が巻かれたロールが回転しながらコアとなる透明細線材１を挟むように送り出し、所定の温度に設定されたローラ４によってラミネートされ、ロール５に巻き取られていく。本装置ではコアとなる透明細線材１が４本並ぶように構成されており、透明細線材１が所定のピッチで並ぶようにコア位置調整ガイド６が取り付けてあり、コア位置読み取り装置７で読み取ったコア位置情報を元にコア位置調整ガイド６で調整を行うことができる。また、コア位置調整用に粗合せコア位置調整ガイド９と張力調整ガイド１０も組み合わせている。巻かれている透明細線材１の位置に合わせ、粗合せコア位置調整ガイド９は僅かに傾いて設置されている。また、合せマーク形成用にコア位置アライメントマーク形成レーザ８が組み込まれ、コア位置読み取り機７の情報を元にコア位置から所定の距離は離れたところにマークを形成する。形成するマークは直線パターンのほか、十字マークも形成することが出来る。

本発明による第１の実施形態に係わるフレキシブル光導波路の構造を示す図。本発明による第２の実施形態に係わるフレキシブル光導波路の構造を示す図。本発明による第３の実施形態に係わるフレキシブル光導波路の構造を示す図。本発明によるフレキシブル光導波路の第１の製造方法を示す図。本発明によるフレキシブル光導波路の第２の製造装置を示す図本発明によるフレキシブル光導波路の製造装置を示す図。

符号の説明

１コアとなる透明細線材
２クラッド
３透明細線材
４ラミネート用ローラ
５ロール（導波路フィルム）
６コア位置調整ガイド（高精度位置合せ）
７コア位置読み取り装置
８コア位置アライメントマーク書き込み用レーザ
９コア位置調整ガイド（粗合せ）
１０張力調整ガイド
１１合わせマーク
２２下部クラッドフィルム
２３上部クラッドフィルム

Claims

コアとなる断面形状が角を持たない円形もしくは円形に近い形状の透明細線材を複数本並べて透明細線材より屈折率の小さい下層透明クラッドフィルムと透明細線材より屈折率の小さい上層透明クラッドフィルムによって上記透明細線材を挟み加熱プレスし、透明細線材が透明樹脂からなる透明クラッド材によって覆われた構造とすることを特徴とするフレキシブル光導波路の製造方法。
下層透明クラッドフィルム上にコアとなる断面形状が角を持たない円形もしくは円形に近い形状の透明細線材を下層透明クラッドフィルムの長手方向に所定の間隔で複数本並べ上層透明クラッドフィルムを重ね合わせて挟み、透明細線材が透明樹脂からなる透明クラッド材によって覆われた構造となる工程を含むフレキシブル光導波路の製造方法。
請求項１または請求項２において透明細線材を下層透明クラッドフィルムと上層透明クラッドフィルムによって挟む前に透明細線材、下層透明クラッドフィルム及び上層透明クラッドフィルムの少なくともいずれかに表面処理を行うことを特徴とするフレキシブル光導波路の製造方法。
請求項３において表面処理が、コロナ放電処理、プラズマ放電処理、溶剤塗布処理、ＵＶ処理のいずれか又は組合せであることを特徴とするフレキシブル光導波路の製造方法。