(57)【要約】      （修正有）【課題】外部応力、水分浸透、破損による光損失を安定制御する機構を有する光導波路フィルムを提供する。【解決手段】光導波路フィルム１００は、コア１０２と、グラッド１０３とを有する複数の光導波路１０１と、上記光導波路１０１部分を覆う袋状部材１０４と、上記袋状部材１０４内部に充填した粘性物質１０５とからなる。袋状部材１０４の材質は柔軟なポリマ材料であり、粘性物質１０５はその粘性物質１０５の対流により局所的加熱を均一化しやすくするため低粘度であることが望ましい。【選択図】図１
2012083550.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
コアと、
グラッドと
をそれぞれ有する複数の光導波路を平面に配列させたアレイ状の光導波路フィルムにおいて、
前記光導波路部分を覆う袋状構造と、
前記袋状構造内部に充填した粘性物質と
を備えることを特徴とするアレイ状の光導波路フィルム。
【請求項２】
前記粘性物質が、剪断応力が増加することにより粘性が増大するダイラタンシー流体の特性を有する粘性物質であることを特徴とする請求項１に記載のアレイ状の光導波路フィルム。
【請求項３】
前記粘性物質が、吸水率１％以下の疎水性の粘性物質であることを特徴とする請求項１に記載のアレイ状の光導波路フィルム。
【請求項４】
前記粘性物質が、前記光導波路のコアの屈折率と同じ粘性物質であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のアレイ状の光導波路フィルム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光導波路フィルムに係わり、詳しくは、高分子材料を使用したポリマ光導波路フィルムで、特にアレイ状の光導波路コアを有する光導波路フィルムに関する。
【背景技術】
【０００２】
本発明のポリマ光導波路フィルムは、外部から加わる衝撃や機械的曲げにより発生する光透過特性の変動を低減化するという利点を有する。また、本発明のポリマ光導波路フィルムは、外部からの熱や局所的温度差を低減させ、外部より光導波路フィルムに浸透する水蒸気、水分の光導波路部分への影響を低減化させることを可能とするという利点をも有する。
【０００３】
光通信システムや高速信号伝送装置の内部における配線技術として、現在の光通信システム内では、ボード間、ボード内での信号伝送に光ファイバーが使用されている。今後、通信の高速化、大容量化により、光配線を電気のフレキシブルフィルム配線のようにフィルム化し、ボード間や光素子間を接続する光インターコネクションが必要になると考えられている。また、光インターコネクション実装においては、光信号の合分配回路など光配線の枝分かれや単心ファイバー、多心テープファイバーの余長処理のための空間的実装スペースが多く必要となるため光配線の実装密度の効率化が求められており、光導波路フィルムを用いて合分波回路を作製したり、フレキシブルな特性を有する光導波路フィルムを折り曲げるなどして光配線の実装密度を上げる検討がなされている。
【０００４】
従来の光インターコネクション実装における光導波路フィルムは、その機械的に柔軟な特性を利用しているため、フレキシブルな特性を有するものの、その反面、光導波路フィルムに使用されるポリマ材料は、石英系光導波路のような無機材料と比較して、弾性強度が低く、温度、振動、外力などによる歪や応力による機械的変形を起こしやすい。
【０００５】
また、一般にポリマ材料の熱膨張係数は数十ｐｐｍと、石英等無機系の材料の熱膨張係数が数ｐｐｍオーダーであるのと比較すると一桁大きいため、熱や温度差による熱膨張により形状変化を起こしやすい。一般的にポリマ材料は、熱や温度差による密度変化に伴って屈折率が変動するため、局所的温度差により境界面での屈折率が乱れることにより、光導波路のコアとクラッド間の屈折率差による光閉じ込め効果に低減し、光損失を発生させる。
【０００６】
これについて、非特許文献１では、光導波路フィルムの曲げ方向に垂直、もしくは平行に溝を加工することにより、応力緩和がなされて屈曲性が向上する点が触れられているが、これは、フィルム全体の単純曲げによる応力緩和に関するものであり、光導波路フィルム内の局所的な応力緩和には対応できない。
【０００７】
また、更に、非特許文献１では、ダイシングやレーザー加工により光導波路フィルムに空気のクラッド層を形成し、応力緩和性能も有する光導波路フィルムについて触れられているが、この構造では、光信号が伝播する光導波路のコア部分がむき出しになるため、ごみの付着や結露など、光損失の増加要因を排除することができない。
【０００８】
さらに、従来の光信号は、８５０ｎｍ帯、１．３μｍ帯や１．５５μｍ帯といった近赤外光の光波長を利用しているため、Ｃ−Ｈの振動光吸収や、水のＯ−Ｈの振動光吸収の影響を受けやすい。石英等の無機材料を光導波路材料として使用した場合には、元来、Ｃ−Ｈ結合を有する有機材料は混入し難く、水分の吸水率も小さいことから、さほど問題にはならないが、ポリマ材料の場合は、Ｃ−Ｈ結合を有する材料が多く、吸水率も無機材料と比較して大きいことから、非特許文献２に示すように、Ｃ−Ｈ結合を減らすために、Ｃ−Ｄの重水素化やＣ−Ｆのフッ素化を行い、通信光波長帯から光吸収帯をずらしたり、撥水性を付与するため、フッ素化などを行って吸水率の低減を図ることにより、使用光波長帯でのポリマ材料の光吸収損失を低減化させる試みがなされてきているが、どの方法も完全に材料光吸収や水分の影響を除外できるまでには至っていない。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】塩田剛史著「光配線技術のすべて」工業調査会
【非特許文献２】安藤慎治『光波回路への適用を円座したポリイミド光学材料の開発と最近の展開』高分子材料自由討論会予稿集０４，Ｊｕｌｙ，２００４
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
大気中からの水蒸気の光導波路フィルム内への浸透に対しては、これまで水蒸気バリア膜やガスバリア膜について様々な検討がなされており、金属膜やＳｉＮなどの無機薄膜をポリマ光導波路フィルムの周囲にコーティングすることにより実現可能と考えられる。しかし実際には、ガスバリア性を有する金属膜やＳｉＮなどの無機薄膜は、光導波路フィルムに使用されるポリマ材料よりも柔軟性が乏しく、機械的曲げに追従できなくて破断を起こしたり、またポリマ材料の熱膨張係数が、ガスバリア性の金属や無機膜より１桁以上大きいために、温度変化に対して、光導波路フィルムとコーティングしている金属膜や無機膜が破断したり、界面剥離を起こし、長期信頼性が期待できなくなる。
【００１１】
また、光信号が通る光導波路のコア付近に局所的な温度差や局所的な応力が加わると、光導波路フィルムの光透過特性が変動するため、応力外部から加わる衝撃や機械的曲げに対して光透過特性の変動を低減させるためには、単純に光導波路フィルムの周囲にポリマ材料を厚くコーティングして、機械的曲げなどの応力を分散させることが考えられるが、単純に光導波路フィルムのクラッド部分を厚くするなどすると、光導波路フィルムの柔軟性が損なわれることが懸念される。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明者は、上記課題に鑑み、鋭意検討した結果、光導波路フィルムの周囲に袋状、もしくは、多孔質構造を形成し、その内部に粘性物質を封入することにより、大気中の水分の影響を低減化し、かつ、耐衝撃性や機械的曲げ特性を高めつつ、破断などを起こしにくい構造を見出し、本発明を完成するに至った。
【００１３】
従って、本発明の請求項１に記載の光導波路フィルムは、コアと、グラッドとをそれぞれ有する複数の光導波路を平面に配列させたアレイ状の光導波路フィルムにおいて、上記光導波路部分を覆う袋状構造と、上記袋状構造内部に充填した粘性物質とを備えることを特徴とする。
【００１４】
また、本発明の請求項２に記載の光導波路フィルムは、上記粘性物質が、剪断応力が増加することにより粘性が増大するダイラタンシー流体の特性を有する粘性物質であることを特徴とする。
【００１５】
また、本発明の請求項３に記載の光導波路フィルムは、上記粘性物質が、吸水率１％以下の疎水性の粘性物質であることを特徴とする。
【００１６】
また、本発明の請求項４に記載の光導波路フィルムは、上記粘性物質が、上記光導波路のコアの屈折率と同じ粘性物質であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の光導波路フィルムは、袋状の構造とその内部に粘性物質を充填することにより、外部応力、水分浸透、破損による光損失を安定制御する機構を有しているため、吸水率のあまり小さくない光導波路フィルムや十分に水分の浸入を遮断できない封止による実装構造、半導体レーザーなどの熱源の近くに実装される光導波路フィルムのような水分や熱の影響を無視できない部品や実装構造のモジュールに高信頼性を付与する事が可能となり、その産業上の利用価値は極めて大である。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の光導波路フィルム断面構造の模式図である。
【図２】固体が充填された場合の局所的な曲げ変形に対する構造変化の模式図である。
【図３】本発明の光導波路フィルムの粘性物質が充填された場合の局所的な曲げ変形に対する構造変化の模式図である。
【図４】本発明の光導波路フィルムの熱拡散の模式図である。
【図５】本発明の光導波路フィルムの破損時の模式図である。
【図６】本発明の光導波路フィルムの作製工程図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００２０】
図１は、本発明の第１の実施形態による光導波路フィルムの断面形状の模式図を示す。
図１において、アレイ状の光導波路フィルム１００は、コア１０２、クラッド１０３を有する光導波路１０１と、袋状部材１０４と、粘性物質１０５と、支持補強材１０６とを備える。
【００２１】
図１に示す本構造において、粘性物質１０５を保持する袋状部品１０４は、内部の粘性物質１０５を漏れさせない材料で構成されることが望ましく、また、光導波路フィルム１００の特長であるフレキシブル性を残すために、曲げ等が可能な柔軟性を有していることが望まれる。
【００２２】
例えば、袋状部品１０４の材質としては、薄膜状に成型可能で柔軟なポリマ材料であるポリオレフィン系、塩化ビニール系エラストマー、スチレン系エラストマーなどの熱可塑性エラストマー、ポリエチレンテレフタレートやポリイミドなどを使用することができる。また、粘性物質１０５の熱膨張が大きい場合などで、袋状部品１０４に伸縮性を有させたい場合には、アクリルゴム、ニトリルゴム、イソプレンゴム、ウレタンゴム、エチレンプロピレンゴム、エピクロルヒドリンゴム、クロロプレンゴム、シリコンゴム、スチレン・ブタジエンゴム、ブタジエンゴム、フッ素ゴム、ポリイソブチレンを使用することもできる。
【００２３】
さらに、袋状部品１０４は、透明である必要はないため、外部からの赤外線の入射や材料の劣化要因となりうる紫外光の入射、信号光の迷光が光導波路フィルム１００に与える影響を低減させるためには、それらの光波長に対して不透明であることが望ましい。
【００２４】
また、粘性物質１０５としては、袋状部品１０４の内部で流動できる程度の粘度であることが望ましい。具体的な粘度は、袋状部品１０４の内容積や局所的加熱環境下であるかの有無、衝撃が加わる環境下であるかどうかによって選択する必要がある。通常、光導波路フィルム１００の構造が安定しており、急激な応力や衝撃が加わらない環境下では、ゆっくりとした速度の変形時に光導波路フィルム１００に応力が加わりにくくなるとともに、粘性物質１０５の対流により、局所的加熱が均一化しやすくするために、粘性物質１０５は低粘度であることが望ましい。
【００２５】
また、支持補強材１０６は、光導波路フィルム１００の両末端を光素子や光ファイバーに接着固定するためのもので、光導波路の端部に影響がなければセラミックや金属などの不透明材料でもよい。また、光導波路フィルム１００自体の機械的強度で光接続可能であれば、袋状部品１０４と、光導波路フィルム１００を直接接着または融着して固定することも可能である。
【００２６】
図２は、全体が固体状の光導波路フィルム１００に局所的に曲げ応力が加えられた際の形状変化を示す模式図であり、図３は、本発明の粘性物質が充填された光導波路フィルムが曲げられた際の形状変化を示す模式図である。
【００２７】
図２に示すように、光導波路フィルム全体が固体の場合には、局所的な曲げ応力に応じて、光導波路フィルム自体が局所的に曲率半径Ｒに変形させられるが、それに追随して内部の光導波路部分も同様に曲率半径Ｒ１（Ｒ≒Ｒ１）で変形してしまい、光導波路の曲げ半径は非常に小さくなり、光損失が増加する。
【００２８】
これに対して、図３に示すように、本発明の袋状部品内部に流動を起こす粘性物質を充填させた構造であれば、外部からの局所的な曲げ応力が加わって、光導波路フィルム全体が局所的に曲率半径Ｒで変形させられても、光導波路部分は、粘性物質の変形や流動によって光導波路フィルム内で比較的自由に変形でき、光導波路に与えられる曲げ歪は、均一に分散され、曲率半径Ｒ２（Ｒ２＞Ｒ）の大きな曲げ変形にとどまるため、光導波路の光伝播特性に与える影響を低減することができる。
【００２９】
さらに、図４に、本発明の第１の実施形態による光導波路フィルムの一部分に局所的な加熱が行われた場合の熱拡散の模式図を示す。ＬＳＩやＩＣチップなどの電子集積部品や抵抗素子、ＬＤ、ＬＥＤといった発光素子や電源用電子部品など、局所的に過熱する部品が光導波路フィルムの近傍に実装されていた場合、図４に示すように、材料中に直接伝わる伝導熱以外に、粘性物質が対流により、袋状部品内部を流動化することにより、外部熱源からの熱が光導波路フィルム１００に分散され、光導波路１０１が局所的に加熱されて、光導波路１０１の光伝播状態が変化し、光損失が発生する影響を低減化できる。
【００３０】
次に、本発明の第２の実施形態による光導波路フィルムについて説明する。
【００３１】
上述の光導波路フィルム１００が、外部より急激な衝撃を受けたりすると、粘性物質１０５の流動による歪分散の効果が得られるよりも速度の速い変形がおこることが想定され、局所的な応力集中によって光導波路フィルム１００自体が破損することが懸念される。  
【００３２】
このため、第２の実施形態では、剪断応力が増加することにより粘性が増大する非ニュートン流体のダイラタンシー流体を粘性物質１０５として利用することにより、光導波路フィルム１００に粘性物質１０５が流動する速度以上の急速な応力が光導波路フィルム１００に加わった場合、もしくは応力が大きな場合は、粘性物質１０５の粘度が増加し、光導波路フィルム１００の変形を抑制する支持体としての機能を有する。しかし、光導波路フィルム１００に粘性物質１０５が流動する速度と同等かそれ以下の速度で応力が加わる場合や応力が小さな場合には、上述の本発明の第１の実施形態の効果と同様に光導波路フィルム１００に加わる局所的応力は粘性物資の流動により緩和され、光導波路フィルム１００自体に局所的に加わることにより発生する光伝播特性の劣化や破損を予防することが可能となる。
【００３３】
ダイラタンシー流体の特性は、高濃度の粒子を添加した液体の混合物である厚懸濁液によって得られる。例えば、炭酸カルシウム、結晶質シリカ、コロイド状シリカやシリコーン樹脂など高分子材料を微粒子状に成形した、いわゆるフィラーを高濃度にベンゼンなどのような有機溶媒などに分散させた混合物によって得られる。
【００３４】
次に、本発明の第３の実施形態による光導波路フィルムについて説明する。
【００３５】
光導波路フィルム１００中を伝播する光信号は、光波長６３０〜９００ｎｍ、１３００〜１４００ｎｍ、１４５０〜１７００ｎｍなどの通信光波長帯の近赤外光を使用することが多く、上述の通り大気中の水蒸気のＯ−Ｈ基の振動光吸収の影響により光損失が増大する。そのため粘性物質１０５は、吸水率の低い疎水性材料であることが望ましく、実用上、吸水率１％以下であることが望ましい。
【００３６】
このため、本発明の第３の実施形態では、粘性物質１０５として、光導波路部分に浸透する水分もしくは水蒸気の影響を低減化させるため、ヘキサン、ベンゼン、トルエンなどの疎水性有機溶剤や、液状高分子であるシリコーンオイルやフルオロエーテル等を使用する。また、光導波路フィルム１００の変形も僅かで大きな流動性を必要としない場合には、シリコーンゲルやポリイソブチレンなどの変形可能なゲル状物質も使用することもできる。
【００３７】
次に、本発明の第４の実施形態による光導波路フィルムについて説明する。
【００３８】
図５は、本発明において、光導波路フィルムの光導波路コア部分が部分的に裂傷などのダメージを受けた場合を示す模式図である。
【００３９】
図５に示すように、光導波路フィルムが曲げなどの変形により、光信号が伝播する光導波路コア部分にまでおよぶ裂傷１０７が発生した場合、粘性物質１０５の屈折率をコア１０２の屈折率と一致させておくことにより、屈折率が整合され、光導波路コア１０２中を伝播する信号光の伝播特性の劣化を低減することが可能となる。また粘性物質１０５は、信号光波長において光透過性が高いことが望まれる。そのため、上述の通信光波長帯の光吸収を抑えるため、Ｃ−Ｈ結合を非常に多く含む炭化水素系材料は避けることが望ましい。
【００４０】
次に、本発明の光導波路フィルムの作製方法を説明する。
【００４１】
図６は、本発明の光導波路フィルムの作製工程図である。
【００４２】
図６（Ａ）において、Ｓｉ基板などの基板６０１上にクラッド層６０２を形成し、図６（Ｂ）において、その上にコア層６１３を形成し、フォトリソグラフィによりＳｉ含有レジスト６１４を光導波路コア６１３のパターンに形成する。
【００４３】
図６（Ｃ）において、Ｏ2プラズマを使用した反応性イオンエッチングにより、コア層６１３のパターンを加工し、リッジ形状の光導波路コア６１３を形成し、レジスト層６１４を除去する。
【００４４】
図６（Ｄ）において、その上からクラッド層６３５を形成することにより、基板６０１上にポリマ光導波路を形成し、図６（Ｅ）において、基板６０１から剥離することにより、光導波路部分を形成する。
【００４５】
上述の作製工程のうち、図６（Ｂ）、図６（Ｃ）のコア層６１３のパターン加工については、金属やポリフッ化ビニリデンやシリコンゴムなどの材料によって作られた凹凸型によるスタンパ法や、コア層の材料が光硬化性樹脂である場合には、レジスト６１４を使用しなくとも、ネガ・ポジ反転マスクを使用することによって、紫外光の直接露光法によっても、コア層６１３のパターンを形成することができる。
【００４６】
コア層６１３とクラッド層６０２に使用する材料としては、使用する光波長帯において光吸収、光散乱などの光損失が小さく透明で、形状安定性があり、使用環境下で熱分解、着色等の劣化が起こらないことが必要である。例えば、フッ素化ポリメチルメタクリレート、ポリスチレン、ポリカーボネート、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、フッ素化ポリイミドなどを使用することができる。
【００４７】
図６（Ｆ）において、上述の作製工程のうち、図６（Ｅ）の光導波路の両末端部分に、石英ガラス板などの支持補強材６５６を光学接着剤として使用されるエポキシ樹脂などの接着剤や加熱によるポリマ材料の熱融着により接着固定する。この支持補強材６５６は、光導波路フィルムの両末端を光素子や光ファイバーに接着固定するためのもので、光導波路の端部に影響がなければセラミックや金属などの不透明材料でもよい。また、光導波路フィルム自体の機械的強度で光接続可能であれば、袋状の構造物と光導波路フィルムを直接接着または融着して固定することも可能である。
【００４８】
図６（Ｇ）において、上述の粘性物質６７８を覆う袋状部品６６７を光導波路の長さに合わせて切り、上述の図６（Ｆ）の支持補強材６５６の一部とエポキシ樹脂等の接着剤で接着固定し、内部が空洞の袋状構造を作製する。
【００４９】
図６（Ｈ）において、上述の袋状構造の隙間などから注射針などを使用して、本発明の粘性物質６７８を注入し、注入穴をエポキシ樹脂等の接着剤や加熱による融着で接着固定する。その際、熱膨張などによる袋状構造の破裂を防ぐため、アルゴンや窒素ガスなどのガスを封入しても良い。
【００５０】
最後に、図６（Ｈ）の両端を研磨やダイシングソー切断により端面出しすることにより、本発明の光導波路フィルム６７０を得ることができる。
【００５１】
以上のように、本発明の光導波路フィルムによれば、袋状の構造とその内部に粘性物質を充填することにより、外部応力、水分浸透、破損による光損失を安定制御する機構を有しているため、吸水率のあまり小さくない光導波路フィルムや十分に水分の浸入を遮断できない封止による実装構造、半導体レーザーなどの熱源の近くに実装される光導波路フィルムのような水分や熱の影響を無視できない部品や実装構造のモジュールに高信頼性を付与することが可能となり、その産業上の利用価値は極めて大である。
【符号の説明】
【００５２】
１００，３００，４００，５００，６７０  光導波路フィルム
１０１  光導波路
１０２，６１３  コア
１０３，６０２，６３５  クラッド
１０４，６６７  袋状部材
１０５，６７８  粘性物質
１０６，６５６  支持補強材
６０１  基板
６１４  レジストパターン
【図１】
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【図２】
2012083550.tif 000004
【図３】
2012083550.tif 000005
【図４】
2012083550.tif 000006
【図５】
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【図６】
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