(57)【要約】  【課題】  光導波路への光の入出力のためにその任意の箇所に形成されるコアの端面に高反射率を有する反射面を備えた光導波路、およびこの光導波路を備えた光電気混載基板を提供することにある。  【解決手段】  第１の樹脂からなるコア２とクラッド１からなる光導波路であって、コアが切断されて形成されたコア端面の表面に、第１の樹脂と屈折率が等しい第２の樹脂層１２が成膜されて反射面を形成し、第２の樹脂層の厚さが０．０５μｍ〜５μｍであることを特徴とする光導波路である。  【選択図】    図３
2006184773.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の樹脂からなるコアとクラッドからなる光導波路であって、コアが切断されて形成されたコア端面の表面に、第１の樹脂と屈折率が等しい第２の樹脂層が成膜されて反射面を形成し、第２の樹脂層の厚さが０．０５μｍ〜５μｍであることを特徴とする光導波路。
【請求項２】
コアと前記反射面で形成される光路を含む面内において、前記コア端面と第２の樹脂の外表面のなす最大角度が２度以下である請求項１に記載の光導波路。
【請求項３】
第２の樹脂の該外表面の平均粗さが伝播波長の１／９以下である請求項１または請求項２に記載の光導波路。
【請求項４】
前記第２の樹脂層の表面に金属膜あるいは誘電体多層膜からなる反射膜が少なくとも１層形成されている請求項１乃至請求項３に記載の光導波路。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４に記載の光導波路を備えたことを特徴とする光電気混載基板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光導波路およびこれを備えた光電気混載基板に関し、特に光集積回路、光インターコネクション用光学部品、光電気混載板等を製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
光部品、あるいは光ファイバの基材としては、光伝搬損失が小さく、伝送帯域が広いという特徴を有する石英ガラスや多成分ガラス等の無機系の材料が広く使用されているが、最近では高分子系の材料も開発され、無機系材料に比べて加工性や価格の点で優れていることから、光導波路用材料として注目されている。例えば、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、あるいは、ポリスチレンのような透明性に優れた高分子をコアとし、そのコア材料よりも屈折率の低い高分子をクラッド材料としたコア−クラッド構造からなる平板型光導波路が作製されている（特許文献１）。これに対して耐熱性の高い透明性高分子であるポリイミドを用い低損失の平板型光導波路が実現されている（特許文献２）。
【０００３】
高分子光導波路の用途の一つとして、光電気混載基板が考えられる。光電気混載基板や光インタコネクション用に用いられる光導波路に対しては、受発光素子として、面型の光素子が用いられる。つまり、光導波路の回路の光軸と光素子の光軸とは９０度異なる。よって、９０度光路変換機能を付与することが必要となる。そのような手法として、ダイシングソーを用いて光導波路端面を４５度に切断する手法がある（特許文献３）。この４５度面を鏡面とし、光は９０度光路変換する。樹脂と空気の屈折率差からこの４５度面は反射鏡となり、光路変換できる。
【０００４】
これらの加工によって得られた反射鏡の反射率は加工面粗さの影響を受ける。つまり、加工面粗さが大きい場合、散乱光が増え、反射率が低くなってしまう。また、反射鏡表面にゴミや汚れが付着した場合、全反射条件を満たさなくなり、反射率が低下してしまう。また、ダイシングソーなどで加工したまま露出した面は、樹脂によっては信頼性という点での懸念がある。そのために、金やアルミニウム、誘電体多層膜などを端面にコーティングし、反射鏡を作ることにより、このような問題を解決することが一般的に行われている。さらに高反射率を得ようとすると、金やアルミニウムなどの金属膜、誘電体多層膜などをコア端面に直接形成したのでは、反射率が思うように上がらないという問題があった。さらに信頼性の点で光導波路との密着性を確保する必要がある。
【特許文献１】特開平３-１８８４０２号
【特許文献２】特開平０４−９８０７
【特許文献３】特開平１０-３００９６１号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は、上記の問題を回避すべく、光導波路への光の入出力のためにその任意の箇所に形成されるコアの端面に高反射率を有する反射面が形成された光導波路、およびこの光導波路を備えた光電気混載基板を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明者は、鋭意検討した結果、光導波路の光の入出射のための傾斜した端面に樹脂膜を形成することによって、反射率を高めることができることを見出し、本発明を完成させた。すなわち本発明は、第１の樹脂からなるコアとクラッドからなる光導波路であって、コアが切断されて形成されたコア端面の表面に、第１の樹脂と屈折率が等しい第２の樹脂層が成膜されて反射面を形成し、第２の樹脂層の厚さが０．０５μｍ〜５μｍであることを特徴とする光導波路である。
【０００７】
ダイシングソーなどによる機械加工だけでなく、レーザを照射して光導波路を構成するコアの一部を切断すると、切断面の表面は面荒れが生じやすい事がわかった。面荒れが生じると光が散乱して反射率が低下する。そこで切断面にコア材と屈折率が等しい第２の樹脂層を形成すると、第２の樹脂層表面の面粗度はコアの切断面よりも小さくなる。反射面は面粗度の改善された第２の樹脂層の外表面となるので、反射率も向上する。さらにそのうえに金属膜や誘電体多層膜を形成することにより、第２の樹脂層と金属膜と誘電体多層膜の界面が反射面となり反射率がより向上する。コア端面は光路の方向に応じてコアの延長方向に対して傾斜するように切断すればよい。例えば４５度傾斜させると９０度の光路変換ができる。
【０００８】
コアと前記反射面で形成される光路を含む面内において、コア端面と第２の樹脂の外表面とのなす最大角度は２度以下が好ましい。これによりコアをレーザや機械加工で切断してコア端面を形成する時に、切断するときの傾斜角をコントロールすることにより、光の反射角を設計値とおり定めることができる。
コア端面を形成するためのコアの切断方法としては、レーザ照射によるレーザ加工、ダイシングソーなどによる機械加工、ドライエッチングなどのエッチング加工などが挙げられる。この中でレーザ加工によるものが好ましい。
【発明の効果】
【０００９】
レーザ加工や機械加工により任意の場所に形成されたコアへの光の入出力用端面に、反射率の高い反射面を形成することができる。高反射で光素子と光導波路間の光路変換および光結合が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明を図を用いて詳細に説明する。ここでは、光回路層としてポリイミド光導波路、電気配線層として銅張ポリイミドフィルムを例に挙げて説明するが、光導波路および電気配線板の材料としてポリイミド以外の樹脂を用いることももちろん可能である。また、光電気混載基板として光導波路層と電気配線板層とが積層している構造だけでなく、光導波路に直接電気配線が施されている場合や、更には、光導波路単体の場合も可能である。
【００１１】
図１に端面を４５度に加工したマルチの光導波路、図２に導波路面内に４５度で穴をあけて４５度端面を加工した光導波路を示す。これらの光導波路は、公知のフォトリソグラフィとドライエッチング技術によって作製した。まず、クラッド１となるポリイミドの前駆体であるポリアミド酸溶液をシリコンウェハなどの基板上にコートする。その後、加熱イミド化する。続いてコア２となるポリイミドの前駆体であるポリアミド酸溶液をシリコンウェハなどの基板上にコートする。その後、加熱イミド化する。フォトリソグラフィと酸素プラズマエッチングによって、コアパターンを形成する。次に、上からクラッド１を覆うことによって、埋め込み型の光導波路を作製する。
【００１２】
図１において、複数のコア２はクラッド１に埋め込まれており、端面はダイシングソーなどによって４５度に切断されて反射面３が形成されている。図２は光導波路のコア２の途中をレーザ照射によって穴４をあけて切断したものである。レーザを４５度傾けて照射することにより、クラッド１およびコア２に４５度傾斜した反射面３を形成している。図２の場合は、反射面は任意の場所、任意のサイズに加工することが可能である。
【００１３】
ダイシング加工したときの加工面の平均粗さＲａは０．１μｍ、エキシマレーザ加工を用いたときの加工面平均粗さＲａは０．２μｍであった。傾斜した端面の平均粗さは、レーザ顕微鏡や共焦点顕微鏡などで測定することができる。それら装置として、例えば、キーエンス社製VK-9500やレーザテック社製HD100DやOPTELICS C130などがある。コア付近の凹凸をスキャニングし、解析ソフトなどを用いて、JIS B0601-1994で定められている平均粗さＲａを算出することができる。測定面が斜面であるために、必要であれば角度補正を行う。
【００１４】
光導波路単体ではなく、光導波路に直接電気配線層が形成されているもの、光導波路と電気配線層が積層されている構造に対しても、このように微小鏡を形成することは可能である。例えば、ポリイミド光導波路を挟む形で、二枚の銅張ポリイミドフィルムを、接着層を用い熱プレスによって積層する。その後、光入出力部にダイシング加工やレーザ加工によって積層体に穴をあけて、コアを切断した断面を微小反射鏡として形成する。
【００１５】
このとき、微小反射鏡面の粗さＲａは、ダイシング加工直後で０．１μｍ、エキシマレーザ加工で０．２μｍであった。波長850nmの光を反射させる場合、この粗さでは散乱損失が問題になる場合がある。散乱損失を低減するためには、粗さを低減する必要がある。そのために、反射端面に樹脂層をコーティングする。光導波路との密着性を高めるためには、例えば光導波路の材料がフッ素化ポリイミドの場合、樹脂層の材料はフッ素を含まないポリイミドやエポキシ樹脂が好ましい。樹脂をコーティングした後の反射角度変化を抑えるために、樹脂層の厚さは均一であることが好ましい。均一さの程度として、コアと前記反射面で形成される光路を含む仮想面内において、前記コア端面と樹脂層の外表面のなす角度が２度以下であることが好ましい。この角度は樹脂層を塗布する前後のコア端面箇所をレーザ顕微鏡で測定してそれぞれの傾斜角を求めて、その差として求めることができる。また厚さの均一性を得るために、樹脂層の厚さは２μm以下、好ましくは1μm以下がさらに好ましい。
【００１６】
これらの条件を満たす樹脂層は、コア端面が傾斜している場合であっても、光導波路に樹脂の前駆体溶液を通常のスピンコーティングで塗布することによりコア端面にも樹脂溶液が塗布され、その後必要により加熱固化することにより得ることができる。
【００１７】
フッ素を含まないポリアミド酸溶液を加熱イミド化後１μｍになる条件で、溶液をスピンコートし、熱処理した。このようにして、反射膜の上に樹脂層が付いた微小反射鏡が形成された。この樹脂を塗布する前後での端面の角度変化は１°以下であった。微小反射鏡への樹脂層のコーティング後の平均粗さＲaは、ダイシング加工した面で０．０３μｍ、エキシマレーザ加工した面で０．０６μｍとなり加工面の平滑化が可能となった。波長８５０ｎｍの光を光導波路に挿入し、エキシマレーザ加工したコア端面の反射鏡の反射率の変化を測定したところ、樹脂層コート前で８２％であったものが、樹脂層コート後で９５％まで向上した。
【００１８】
樹脂層の外表面である反射鏡面の平均粗さは光導波路の伝搬光の１／９以下、好ましくは１／１０にすることが好ましい。例えば、850nmの波長の伝播光に対しては、0.1μm以下、このましくは0.08μm以下となる。これによりより高い反射率が得られる。もう一層反射率を高めるために、この樹脂層の外表面に金属膜または誘電体多層膜をさらに設けてもよい。
【００１９】
図３に、クラッド１とコア２からなる光導波路の加工端面１１に第２の樹脂層１２が形成された光導波路の断面を示す。樹脂層１２の外表面１３が反射面となる。図４にはその後、樹脂層１２の外表面にさらに金属膜あるいは誘電体多層膜２１を形成した光導波路の断面を示す。金属膜あるいは誘電体多層膜として、例えば金をスパッタにより約０．１５μｍ厚コーティングした。このとき、微小反射鏡面の平滑化のための樹脂層１２に金属との密着性の有する樹脂を用いたことにより、金属との密着性の優れた金属反射膜が形成できる。一般に、金と光導波路材料の１つであるフッ素化ポリイミドとの密着性は良くない。フッ素化ポリイミド光導波路に直接金薄膜を蒸着した後、JIS Z 1522に規定されたセロハンテープを金蒸着部に指圧によって圧着し、約10秒後、素早くテープを引き剥がし、目視によって金蒸着膜が剥がれるかどうか確認したところ、金蒸着膜が部分的に剥がれてしまった。しかしながら、樹脂層にフッ素を含まないポリイミドをコートしたところ、同様のテープテストにおいて、剥がれのない良好な反射鏡が形成できた。
【００２０】
この光導波路を各種用途に用いる時に、金属膜や誘電体多層膜などが剥き出しになっていると、ハンドリングなどのときに傷付いてしまう可能性がある。図５は光導波路の加工端面１１に第２の樹脂層１２、金属膜あるいは誘電体多層膜２１、第３の樹脂層３１を順次コートした微小反射鏡付光導波路の断面を示す。第３の樹脂は、金属膜や誘電体多層膜を傷などから保護する。
【００２１】
これらの光導波路を電気プリント配線基板に貼り合わせて光電気混載基板を得ることができる。すなわちプリント配線基板で光の入出力を行う箇所に予め貫通穴をあけておき、端面の加工を行う前の光導波路をプリント配線基板に貼り合わせる。プリント配線基板に予め設けた穴の近傍をねらって基板面に対して約４５°傾けてレーザビームを照射し、基板に新たな穴と光導波路のコアを切断して端面を形成する。そして樹脂をスピンコートして硬化することにより光電気混載基板が得られる。
【００２２】
引き続いて、いくつかの実施例を用いて本発明を更に詳しく説明する。なお、分子構造の異なる種々の高分子を用いることにより数限りない本発明の光電気混載基板および光導波路が得られることは明らかである。したがって、本発明はこれらの実施例のみに限定されるものではない。
【００２３】
（実施例１）
５インチシリコンウェハ上に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（６ＦＤＡ）と２，２−ビス（トリフルオロメチル）−４, ４' −ジアミノビフェニル（ＴＦＤＢ）から形成されるポリイミドをクラッドとして、６ＦＤＡとＴＦＤＢおよび６ＦＤＡと４, ４' −オキシジアニリン（ＯＤＡ）の共重合ポリアミド酸溶液から形成されるポリイミドをコアとして、フォトリソグラフィとドライエッチング技術により埋め込み型光導波路フィルムを作製した。コア高さ２５μｍ、幅４０μｍとした。比屈折率差は１．１％とした。その後、このシリコンウェハ上の光導波路を５ｗｔ％のフッ酸水溶液中に浸漬させ、シリコンウェハから光導波路を剥し、フィルム光導波路を作製した。フッ素化ポリイミド光導波路のフィルム厚は７０μｍであった。この光導波路を長さ５５ｍｍ、幅４０ｍｍにカッターで切断した。その後、光導波路片側端面が４５度に、反対側の端面を垂直になるようダイシングによって切断加工した。このとき、４５度端面の平均粗さは０．１μｍであった。次に、オキシジフタル酸ニ無水物(ODPA)とアミノフェノキシベンゼン(APB)からなるポリイミドである熱可塑性ポリイミド樹脂を加工面にスピンコーティングした。すなわちポリアミド酸溶液を加熱イミド化した後の厚さが１μｍとなる条件でスピンコートして、熱処理した。４５度端面の粗さは、０．０３μｍであった。垂直端面から光ファイバにて波長８５０ｎｍの光を光導波路に挿入し、４５度端面で反射してきた光をレンズと受光素子の組合せで光検出したところ、反射率はコーティング前が８８％であったのに対して、コーティングすることによって、１μｍ厚条件の場合９７％へ向上した。レーザ顕微鏡での測定によると、４５度端面の樹脂コート前後の面の相互の角度は１度以下であった。
【００２４】
（実施例２）
４５度端面にスピンコートする層の厚さを０．５μｍとなる条件にした以外は、実施例１と同じようにしたところ、４５度端面の平均粗さは０．０６μｍであった。そして反射率はコート前の８８％が９５％へ向上した。
【００２５】
（実施例３）
実施例１と同様に、５インチシリコンウェハ上に６ＦＤＡとＴＦＤＢから形成されるポリイミドをクラッドとして、６ＦＤＡとＴＦＤＢおよび６ＦＤＡとＯＤＡの共重合ポリアミド酸溶液から形成されるポリイミドをコアとして、フォトリソグラフィとドライエッチング技術により埋め込み型光導波路フィルムを作製した。コア高さ２５μｍ、幅４０μｍとした。比屈折率差は１．１％とした。その後、このシリコンウェハ上の光導波路を５ｗｔ％のフッ酸水溶液中に浸漬させ、シリコンウェハから光導波路を剥し、フィルム光導波路を作製した。フッ素化ポリイミド光導波路のフィルム厚は７０μｍであった。この光導波路を長さ５５ｍｍ、幅４０ｍｍにカッターで切断した。その後、光導波路片側端面を４５度面に、反対側の端面を垂直にダイシング加工によって切断した。このとき、４５度端面の平均粗さは０．１μｍであった。次に、オキシジフタル酸ニ無水物(ODPA)とアミノフェノキシベンゼン(APB)からなるポリイミドからなる熱可塑性ポリイミド樹脂を加工面にスピンコート法によりコーティングした。すなわちポリアミド酸溶液を加熱イミド化後約１μｍの条件でスピンコートし、熱処理した。４５端面の平均粗さは、０．０３μｍであった。次に、スパッタ装置にて、金を０．１５μｍ厚蒸着した。このとき、端面付近のみスパッタされるように、マスクを施した。反射率は実施例１と同様９７％であった。JIS Z 1522に規定されたセロハンテープを金蒸着部に指圧によって圧着し、約10秒後、素早くテープを引き剥がし、目視によって金蒸着膜が剥がれるかどうか確認したところ、金薄膜は剥がれなかった。
【００２６】
（実施例４）
実施例１と同様にフッ素化ポリイミド光導波路を作製し、ＫｒＦ（波長２４８ｎｍ）エキシマレーザ加工により、導波路一本に対して、一箇所４５度の端面を形成した。導波路のもう一方の端面はダイシング加工によって、垂直に加工した。エキシマレーザの照射条件は、総照射エネルギー０.４Ｊ/パルス、エネルギー密度は1J/(cm2・パルス)、繰り返し周波数２００パルス／秒で２秒間とした。加工面積は、導波路面で２００μｍ平方とした。このとき、４５度端面の平均粗さは０．２μｍであった。次に、オキシジフタル酸ニ無水物(ODPA)とアミノフェノキシベンゼン(APB)からなるポリイミドからなる熱可塑性ポリイミド樹脂を加工面にコーティングした。ポリアミド酸溶液を加熱イミド化後約１μｍの条件でスピンコートし、熱処理した。このとき、斜め加工面の粗さは、０．０６μｍとなった。次に、スパッタ装置にて、金を０．１５μｍ厚コートした。このとき、端面付近のみスパッタされるように、マスクを施した。さらに、オキシジフタル酸ニ無水物(ODPA)とアミノフェノキシベンゼン(APB)からなるポリイミドからなる熱可塑性ポリイミド樹脂を加工面にコーティングした。ポリアミド酸溶液を加熱イミド化後約１μｍの条件でスピンコートし、熱処理した。
【００２７】
垂直端面から光ファイバにて波長８５０ｎｍの光を光導波路へ挿入し、４５度面で反射してきた光をレンズと受光素子の組合せで光検出したところ、反射率はコーティング前が８２％であったのに対して、コーティングすることによって、９５％まで向上した。４５度端面の樹脂コート前後の面相互の角度は１度以下であった。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】光導波路の端面が形成された一例を示す図。
【図２】光導波路の端面が形成された一例を示す図。
【図３】本発明のコア端面に樹脂層が形成されている一例を示す断面図
【図４】本発明のコア端面の樹脂層上にさらに反射層が形成された一例を示す断面図。
【図５】反射層の上に樹脂層を設けた断面図。
【符号の説明】
【００２９】
１：クラッド、    ２：コア、      ３：反射面、  ４：穴
１１：加工端面、  １２：樹脂層、  １３：外表面
２１：金属膜あるいは誘電体多層膜、      ３１：第３の樹脂層
【図１】
2006184773.tif 000003
【図２】
2006184773.tif 000004
【図３】
2006184773.tif 000005
【図４】
2006184773.tif 000006
【図５】
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