CN101034188A - 制备光学波导的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供用于制备光学波导的方法，其包括：在底包层上布置至少一个用于形成光程偏转面的元件；在底包层上形成感光树脂层，从而至少部分地覆盖用于形成光程偏转面的元件；使感光树脂层曝光，然后显影，由此形成至少一层芯层；以及在底包层上形成外包层，从而覆盖所述至少一层芯层。

Description

制备光学波导的方法
技术领域
本发明涉及制备光学波导的方法。更具体地，本发明涉及用于偏转光程的光学波导的制备方法。
背景技术
在光学器件相互光学连接的光学波导中，用于光程偏转的光学波导(optical waveguide for optical-path deflection)用作电光混合电路板等中的光程偏转装置。
已经提出了制备所述光程偏转装置的方法，其包括例如以下方法，其中使用具有带斜面的尖端的刀片进行切割，同时将刀片垂直施加在光学波导上，由此在光学波导中形成用作微镜(micromirror)的倾斜端面(参见例如专利文献1)。
专利文献1：JP-A-10-300961
但是，在专利文献1所述的方法中，沿与光程长度方向垂直的方向直线地形成用作相互平行布置的每个光程的微镜的倾斜端面，因为使用具有带斜面的尖端的刀片切割是在与光学波导垂直地施加刀片同时进行的。也就是说，在每个光程中，在光程长度方向上的相同位置上形成用于光程偏转的微镜。因此常规方法具有以下缺点：它不能用于根据各光程，在光程长度方向上的不同位置处形成微镜。
发明内容
本发明的一个目的是提供制备光学波导的方法，通过该方法能够根据每个光程，在光程长度方向上的任何位置处形成用于光程偏转的反光层。
本发明的其他目的和效果将会由以下描述变得显而易见。
为了实现所述目的，本发明提供用于制备光学波导的方法，其包括：
在底包层上布置至少一个用于形成光程偏转面的元件；
在底包层上形成感光树脂层，从而至少部分地覆盖用于形成光程偏转面的元件；
使感光树脂层曝光，然后显影，由此形成至少一层芯层(core layer)；以及
在底包层上形成外包层，从而覆盖所述至少一层芯层。
本发明的方法优选进一步包括以下步骤：在形成感光树脂层之后和形成芯层之前，除去用于形成光程偏转面的元件。该方法优选进一步包括以下步骤：在除去用于形成光程偏转面的元件之后，在与用于形成光程偏转面的元件接触过的感光树脂层的端面上形成反光层。
在本发明的另一个优选实施方案中，用于形成光程偏转面的元件具有反光层，所述反光层形成在将与感光树脂层接触的所述元件的表面上。
在本发明的用于制备光学波导的方法中，可以根据用作透光用的光程的各芯层，在芯层长度方向的任何所需位置上在底包层上布置用于形成光程偏转面的元件。因此，可以根据各芯层，在芯层长度方向的任何所需位置上形成用于偏转各芯层的光程的反光层。结果，根据本发明的用于制备光学波导的方法，可以制备包括两个或多个芯层的光学波导，在所述光学波导中芯层的光程均可以独立地在任何所需位置上发生偏转。也就是说，可以制备具有高自由度的光程偏转的光学波导。
附图说明
图1(a)-(h)示出用于制备光学波导的本发明方法的一个实施方案的步骤：(a)示出制备底包层的步骤；(b)示出在底包层上布置用于形成光程偏转面的元件的步骤；(c)示出在底包层上形成感光树脂层从而部分地覆盖用于形成光程偏转面的元件的步骤；(d)示出除去用于形成光程偏转面的元件的步骤；(e)示出在感光树脂层的各端面上形成反光层的步骤；(f)示出使感光树脂层曝光的步骤；(g)示出显影感光树脂层以形成芯层的步骤；以及(h)示出在底包层上形成外包层从而覆盖芯层的步骤。
图2是通过图1所述的光学波导制备方法而制备的光学波导的平面图。
图3(a)-(d)示出用于制备光学波导的本发明方法的另一个实施方案的步骤：(a)示出制备底包层的步骤；(b)示出在底包层上布置用于形成光程偏转面的元件的步骤，其中所述元件均具有反光层；(c)示出在底包层上形成感光树脂层从而覆盖用于形成光程偏转面的元件的步骤；以及(d)示出在底包层上形成外包层从而覆盖芯层和用于形成光程偏转面的元件的步骤。
附图中使用的附图标记分别表示以下含义：
2：底包层
3：用于形成光程偏转面的元件
4：芯层
5：感光树脂层
7：外包层
8：感光树脂层的端面
9：反光层
10：斜面
11：光学波导
具体实施方式
图1示出用于制备光学波导的本发明方法的一个实施方案的步骤。在该方法中，首先制备底包层2。
制备底包层2，例如通过将其形成在衬底1上，如图1(a)所示。
衬底1不受特别限制。例如，使用包括硅晶片、蓝色平板玻璃、合成石英、玻璃-环氧树脂、聚酰亚胺树脂等的衬底(平板)。
用于形成底包层2的材料不受特别限制。但是，从透明度的角度，所述材料包括，例如，聚酰亚胺树脂、聚酰胺树脂、有机硅树脂、环氧树脂、由上述任何树脂获得的氟化或氘化树脂、芴衍生物树脂等。这些树脂优选以含有光敏剂的感光树脂的形式使用。优选使用感光聚酰亚胺树脂(原料：感光聚酰胺酸树脂或感光氟化聚酰胺酸树脂)或感光芴衍生物树脂(原料：感光芴衍生物)。
例如可以通过以下方法在衬底1上形成底包层2，所述方法包括制备上述任何树脂的清漆(树脂溶液)，通过例如流延或旋涂将清漆施加在衬底1上，然后干燥清漆，以及任选加热涂层。底包层2的厚度优选为5-100μm。在使用感光树脂的情况下，在施加清漆和干燥后曝光，且根据需要对曝光的涂层膜进行显影。
然后，在该方法中，在底包层2上布置用于形成光程偏转面的元件3，如图1(b)所示。
用于形成光程偏转面的元件3均包括棱镜。例如，使用由合成石英制成的棱镜或由硼硅酸盐玻璃(BK-7)制成的棱镜。更具体地，将被使用的用于形成光程偏转面的各元件3例如是通过沿相对的正方形面中的相应对角线延伸的平面切割四角棱柱(square prism)而获得的三角棱镜，所述四角棱柱由合成石英或硼硅酸盐玻璃(BK-7)制成且边长为30μm-1cm。斜面10是通过切割形成的平面，其具有光滑表面。
如图2所示，根据下面步骤中将要形成的芯层4，将用于形成光程偏转面的元件3布置在各个位置。也就是说，元件3被布置在应当发生光程偏转的位置；这些位置在芯层4的长度方向上是相同或不同的且在垂直于芯层4的长度方向的宽度方向上相互分离。布置用于形成光程偏转面的各元件3，使其斜面10与厚度方向(芯层4的厚度方向，其是图1中的顶部至底部方向；以下相同)倾斜(例如，偏离45度)。
例如通过以下方法布置用于形成光程偏转面的各元件3，所述方法包括通过加热软化底包层2的表面，然后将用于形成光程偏转面的元件3压力粘结并固定在该表面上。可以合适地确定加热温度和时间。
然后，在该方法中，在底包层2上形成用于形成芯层4的感光树脂层5，从而部分地覆盖用于形成光程偏转面的元件3，如图1(c)所示。
感光树脂层5不受特别限制，只要其提供具有折射率大于底包层2和外包层7的折射率的芯层4即可，底包层2和外包层7将在后面给予描述。可用的感光树脂的实例包括上述的那些树脂，即，感光聚酰亚胺树脂、感光聚酰胺树脂、感光有机硅树脂、感光环氧树脂、由上述树脂获得的感光氟化或氘化树脂，以及感光芴衍生物树脂。优选使用感光聚酰亚胺树脂或感光芴衍生物树脂。
可以通过以下方法在底包层2上形成感光树脂层5，所述方法包括制备用于感光树脂层5的清漆(树脂溶液)，通过例如流延或旋涂将清漆施加在底包层2上，以至于至少用于形成光程偏转面的各元件3的斜面10被部分覆盖。然后干燥施加的清漆。
然后，在该方法中，除去用于形成光程偏转面的元件3，如图1(d)所示。例如可以通过以下方法除去用于形成光程偏转面的元件3，所述方法包括加热底包层2和感光树脂层5，从而软化这些层的表面(各层和用于形成光程偏转面的各元件3之间的界面)并且沿与感光树脂层5的端面8相对的方向向上拉出用于形成光程偏转面的各元件3，所述树脂层5与斜面10接触。
然后，在该方法中，在与用于形成光程偏转面的各元件3的斜面10接触过的感光树脂层5的端面8上形成反光层9，如图1(e)所示。反光层9例如包括多层介电膜或金属膜，且可以通过真空沉积技术(例如溅射)而形成。反光层9的厚度例如为50-200nm。
在感光树脂层5的各端面8上形成反光层9，使其与厚度方向倾斜(例如，偏离45度)。形成各反光层9，从而具有不引起光散射的光滑表面。
然后，在该方法中布置光掩模6。在感光树脂层5上被图案化以具有例如阴像(negative image)的情况下，布置光掩模6，使得相应于芯层4的部分透光且其他部分不透光，如图1(f)所示。然后，经由该光掩模6对感光树脂层5曝光。曝光方法不受特别限制，可以使用已知的曝光技术，例如硬接触曝光技术(hard contact exposure technique)，其中使感光树脂层5与光掩模6直接接触；邻近曝光技术(proximity exposure technique)，其中感光树脂层5和光掩模6相互间隔很小的间隙；或者投影曝光技术(projection exposuretechnique)。
然后根据需要进行曝光后加热。之后，在该方法中，显影已经曝光的感光树脂层5，如图1(g)所示，然后任选进行加热。由此，形成芯层4。
感光树脂层5的显影不受特别限制。通过已知的显影技术例如喷雾法或浸渍法，使用已知的显影液对层5进行显影。该显影除去感光树脂层5中的未曝光部分。而后，根据树脂的种类，在合适温度下加热感光树脂层5。顺便提及，通过显影除去在用于形成光程偏转面的元件3的一侧上形成的感光树脂层5作为未曝光区域，其中所述一侧与具有端面8的感光树脂层5相对，因为将在各端面8上形成的反光层9导致的光程偏转从而造成该区域不透光。
在感光树脂层5上被图案化以具有阳像(positive image)的情况下，布置光掩模6，使相应于芯层4的部分不透光且其他部分透光，尽管未在图中示出。之后，通过该掩模6曝光感光树脂层5，然后显影，然后根据需要进行加热。
这样，如图2所示，形成在长度方向上相互平行延伸且在宽度方向上相互间隔的芯层4，作为透光的光程。各芯层4的宽度例如为5-100μm，且芯层4之间的间隔例如为5-100μm。各芯层4的厚度例如为5-100μm。而且，形成芯层4，使其相互具有不同的位置，在所述位置处发生光程偏转(即，形成反光层的位置)。
在该方法中，在底包层2上形成外包层7，从而覆盖芯层4，如图1(h)所示，由此获得光学波导11。
为了形成外包层7，可以使用与用于底包层2的树脂相同的树脂。底包层2和外包层7可以由相同树脂或不同树脂形成。
例如可以通过以下方法在底包层2上形成外包层7，所述方法包括制备上述任何树脂的清漆(树脂溶液)且通过例如流延或旋涂将该清漆施加在底包层2上，从而覆盖芯层4和反光层9，干燥，并任选进行加热。外包层7的厚度优选为5-100μm。
之后，根据需要通过冲切成合适的外形而加工得到的结构体。
当以上述方式制备光学波导11时，对于各芯层4，可以在芯层4长度方向的任何所需位置上，在底包层2上布置用于形成光程偏转面的元件3。因此，对于各芯层4，可以在芯层4长度方向的任何所需位置上形成用于偏转芯层4的光程的反光层9。结果，可以制备以下光学波导11，其中芯层4的光程均可以独立地在任何所需位置发生偏转且所述光学波导11具有高自由度的光程偏转。
此外，上述方法适用于以下情况：用于形成光程偏转面的元件3均比芯层4大，因为在感光树脂层5的各端面8上形成反光层9之前除去用于形成光程偏转面的元件3。
在将要使用的用于形成光程偏转面的元件3相对于将要形成的芯层4不那么大的情况下(例如在元件3可以被外包层7覆盖的情况下)，可以使用以下方法。事先在用于形成光程偏转面的各元件3的斜面10上形成反光层9。在底包层2上布置用于形成光程偏转面的这些元件3之后，不除去它们而是将它们嵌入芯层4和外包层7中。图3示出本发明的用于制备光学波导方法的另一个实施方案的步骤，其表示通过这种方法制备光学波导11的方法。在图3中，使用相同的附图标记表示与如上所示相同的元件。这里省略对其的解释。
在图3所示的方法中，首先通过与上述相同的方法在衬底1上形成底包层2，从而制备底包层2，如图3(a)所示。
接着，如图3(b)所示，通过与上述相同的方法在底包层2上布置用于形成光程偏转面的元件3。
将被使用的用于形成光程偏转面的元件3例如都是通过沿相对的正方形面中的相应对角线延伸的平面切割四角棱柱而获得的三角棱镜，所述四角棱柱由合成石英或硼硅酸盐玻璃(BK-7)制成且边长为30μm-1cm。这些用于形成光程偏转面的元件3均具有事先在斜面10上形成的反光层9。
反光层9可以包括例如通过真空沉积技术(例如溅射)等在截断三角棱镜(triangular cut prism)的斜面10上形成的多层介电膜或金属膜，如上述的反光层9，斜面10是通过切割而形成的面。反光层9的厚度例如为50-200nm。
然后，在该方法中，通过与上述相同的技术在底包层2上形成芯层4，从而覆盖用于形成光程偏转面的元件3，如图3(c)所示。各芯层4的厚度例如为30-100μm。
在该方法中，没有除去用于形成光程偏转面的元件3，且通过与上述相同的方法在底包层2上形成覆盖芯层4的外包层7以及用于形成光程偏转面的元件3，同时按照被布置的形式保持元件3，如图3(d)所示。这样，获得光学波导11。外包层7的厚度优选为20-200μm。
对于各芯层4，使用该方法也可以在芯层4长度方向的任何所需位置处，在底包层2上布置用于形成光程偏转面的元件3。因此，对于各芯层4，可以在芯层4长度方向的任何所需位置上形成用于偏转芯层4的光程的反光层9。结果，可以制备以下光学波导11，其中芯层4的光程均可以独立地在任何所需位置发生偏转且所述光学波导11具有高自由度的光程偏转。
在上述解释中，用于形成光程偏转面的元件3均是通过沿相对的正方形面中的相应对角线延伸的平面切割四角棱柱而获得的三角棱镜。但是，用于形成光程偏转面的元件3的形状不受特别限制，根据在各芯层4中将要发生光程偏转的角度，元件3可以具有合适的形状。
实施例
下面参考以下实施例更加详细地解释本发明，但是不应理解为本发明限于以下实施例。
制备清漆
根据表1中的配方，使用环己酮作为溶剂混合/溶解各成分，以制备芴衍生物清漆A和芴衍生物清漆B。通过固化所述清漆分别得到的固化树脂在633nm波长处测得的折射率也如表1所示。
  表1                                  (重量份)
  清漆   A   B
  芴衍生物1*1   83   67
  芴衍生物2*2   -   33
  稀释剂*3   17   -
  光酸产生剂(photo-acid generator)*4   1   1
  固化树脂的折射率(测量波长，633nm)   1.585   1.615
*1：双苯氧基乙醇芴二缩水甘油醚
*2：双酚芴二缩水甘油醚
*3：3，4-环氧基环己烯基甲基3’，4’-环氧环己烯羧酸酯(Celoxide 2021P，DaicelChemical Industries，Ltd.生产)
*4：50％的4，4-双[(二(β-羟基乙氧基)苯基亚磺酰基)二苯硫醚双六氟锑酸盐(4，4-bis[(di(β-hydroxyethoxy)phenylsulfinio)phenyl sulfide bishexafluoroantimonate)的碳酸亚丙酯溶液
实施例1
通过旋涂将芴衍生物清漆A施加在1mm厚的衬底上，该衬底由玻璃-环氧树脂制成且具有10cm×10cm的平板形状。在100℃下干燥施加的清漆达15分钟，形成感光树脂层。使用曝光剂量为2,000mJ/cm2的紫外光辐射整个感光树脂层。然后，在100℃下加热树脂层达20分钟，从而形成厚度为20μm的底包层(参见图1(a))。
接着，通过沿相对的正方形面中的相应对角线延伸的平面切割由合成石英制成的边长为1cm的各立方体，由所述立方体形成三角棱镜。在底包层的合适位置上布置十个作为用于形成光程偏转面的元件的这种棱镜。之后，在100℃下加热底包层30秒，然后冷却至室温，以固定用于形成光程偏转面的元件(参见图1(b))。
然后通过旋涂将芴衍生物清漆B施加在底包层上，从而部分地覆盖用于形成光程偏转面的元件。在100℃下干燥施加的清漆达30分钟，以形成感光树脂层(参见图1(c))。
然后，在100℃下加热底包层和感光树脂层达10秒，且从感光树脂层中拉出用于形成光程偏转面的元件(参见图1(d))。然后通过在与用于形成光程偏转面的元件的斜面接触过的感光树脂层的各端面上溅射，形成厚度为100nm的包括多层介电膜的反光层(参见图1(e))。在感光树脂层的各端面上形成该反光层，从而偏离厚度方向45度。
通过接触曝光法，使用光掩模以2,000mJ/cm2的曝光剂量辐射感光树脂，在所述光掩模中已经绘制出宽度为50μm的线型光程图案(参见图1(f))。而且，在100℃下进行曝光后加热达60分钟。之后，通过浸渍法使用乙腈类显影液对感光树脂进行显影，然后在100℃下加热10分钟以除去渗入感光树脂中的乙腈，由此形成厚度为50μm的芯层(参见图1(g))。这样，形成沿长度方向相互平行延伸的十个芯层，且它们在宽度方向上相互间隔。形成的这十个芯层在发生光程偏转的位置(即，已经形成反光层的位置)上相互不同。
之后，通过旋涂将芴衍生物清漆A施加在底包层上，从而覆盖芯层和反光层。在100℃下干燥施加的清漆达20分钟，以形成感光树脂层。使用曝光剂量为3,000mJ/cm2的紫外光辐射整个感光树脂层。之后，在100℃下加热树脂层达30分钟从而形成厚度为80μm的外包层(参见图1(h))。
最后，使用模切机(522型，Disco Corp.生产)切割得到的结构体，在与反光层相对的结构体的长度方向侧上形成芯层的端面。结果，形成用于光线进入的进入端面。
波长为850nm的光通过进入端面进入十个芯层，测定由于各反光层引起的反射损失。结果，发现每个反光层的反射损失为1.0dB。
实施例2
通过旋涂将芴衍生物清漆A施加在1mm厚的衬底上，该衬底由玻璃-环氧树脂制成且具有10cm×10cm的平板形状。在100℃下干燥施加的清漆达15分钟，形成感光树脂层。使用曝光剂量为2,000mJ/cm2的紫外光辐射整个感光树脂层。然后，在100℃下加热树脂层达20分钟，从而形成厚度为20μm的底包层(参见图3(a))。
接着，通过沿相对的正方形面中的相应对角线延伸的平面切割由合成石英制成的边长为80μm的各立方体，由所述立方体形成三角棱镜。通过在作为用于形成光程偏转面的元件的各棱镜的斜面上溅射，形成包含多层介电膜的厚度为100nm的反光层。
在底包层的合适位置上布置十个用于形成光程偏转面的这种元件。之后，在100℃下加热底包层30秒，然后冷却至室温，以固定用于形成光程偏转面的元件(参见图3(b))。
然后通过旋涂将芴衍生物清漆B施加在底包层上，从而覆盖用于形成光程偏转面的元件。在100℃下干燥施加的清漆达30分钟，以形成感光树脂层。然后，通过接触曝光法，使用光掩模以2,000mJ/cm2的曝光剂量辐射感光树脂，在所述光掩模中已经绘制出宽度为50μm的线型光程图案。
而且，在100℃下进行曝光后加热达60分钟。之后，通过浸渍法使用乙腈类显影液对感光树脂进行显影，然后在100℃下加热10分钟以除去渗入感光树脂中的乙腈，由此形成厚度为50μm的芯层(参见图3(c))。这样，形成沿长度方向相互平行延伸的十个芯层，且它们在宽度方向上相互间隔。形成的这十个芯层在发生光程偏转的位置(即，已经形成反光层的位置)上相互不同。
之后，通过旋涂将芴衍生物清漆A施加在底包层上，从而覆盖芯层和反光层。在100℃下干燥施加的清漆达20分钟，以形成感光树脂层。使用曝光剂量为3,000mJ/cm2的紫外光辐射整个感光树脂层。之后，在100℃下加热树脂层达30分钟从而形成厚度为80μm的外包层(参见图3(d))。
最后，使用模切机(522型，Disco Corp.生产)切割得到的结构体，在与反光层相对的结构体的长度方向侧上形成芯层的端面。结果，形成用于光线进入的进入端面。
波长为850nm的光通过进入端面进入十个芯层，测定由于各反光层引起的反射损失。结果，发现每个反光层的反射损失为1.0dB。
尽管已经参考具体实施方案详细描述了本发明，但是在不背离本发明的精神和范围的情况下对其进行各种变化和改进对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的。
本申请基于2005年3月9日提交的日本专利申请No.2005-066003，其内容通过引用并入本文。

Claims (4)

1.制备光学波导的方法，其包括：
在底包层上布置至少一个用于形成光程偏转面的元件；
在底包层上形成感光树脂层，从而至少部分地覆盖所述用于形成光程偏转面的元件；
使感光树脂层曝光，然后显影，由此形成至少一层芯层；以及
在底包层上形成外包层，从而覆盖所述至少一层芯层。
2.权利要求1的制备光学波导的方法，其进一步包括在形成感光树脂层之后和形成芯层之前除去用于形成光程偏转面的元件。
3.权利要求2的制备光学波导的方法，其进一步包括在除去用于形成光程偏转面的元件之后，在与用于形成光程偏转面的元件接触过的感光树脂层的端面上形成反光层。
4.权利要求1的制备光学波导的方法，其中用于形成光程偏转面的元件具有反光层，所述反光层形成在将与感光树脂层接触的所述元件的表面上。
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