CN1790071A - 聚合物光波导及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种耐热冲击性、温度特性优异的聚合物光波导，其由衬底(2)、在衬底(2)上形成的缓冲层(3)、在缓冲层(3)上形成的聚合物波导本体(4)构成，其中，缓冲层(3)由吸收衬底(2)与聚合物波导本体(4)的热膨胀差的材料形成。

Description

聚合物光波导及其制造方法
技术领域
本发明涉及带缓冲层的聚合物光波导及其制造方法。
背景技术
近年来，与使用玻璃的玻璃光波导相比，使用在容易加工、制作成本低等方面优异的聚合物的光波导正被研究和开发。
作为在衬底上形成的波导本体材料，提出有丙烯酸(参照特开平10-170739号公报)、环氧(参照特开2002-286953号公报)、聚酰亚胺(参照特开2003-215364号公报)等各种材料，但是，这些材料在高温高湿状态下可能出现伴随吸湿的折射率或损耗的变化这种耐热性和耐湿性变差的问题。
另外，在使用温度范围内，如果波导本体存在玻璃化转移温度，则在高于或等于玻璃化转移温度的温度，折射率将进一步发生较大变化等可能会对聚合物光波导的光学特性带来不良影响。因此，作为波导本体材料，一般使用玻璃化转移温度高的材料。
另一方面，在玻璃光波导中，为了缓和温度变化时蓄积在玻璃光波导中的热应力而使其不相关于温度，有一种是具备线膨胀系数在衬底与波导本体中间的应力缓冲用包层(参照特开2004-126399号公报)。
此外，也有一种方法是，在衬底背面形成由金属构成的应力产生膜，用该应力产生膜预先将衬底弯曲，然后在衬底表面形成波导本体，来制造没有残留内部应力的聚合物光波导(参照特开2002-189138号公报)。
发明内容
但是，使用玻璃化转移温度高的材料的聚合物光波导，是在衬底上直接形成波导本体，因此如果进行热冲击试验(例如在-40～85℃的温度范围内，使环境温度反复上升与下降的试验)，则存在波导本体从衬底剥离或波导本体产生龟裂这样的问题。
另外，使用这样的聚合物光波导制成的光合波器，输出光量会因环境温度变化而变化。
另一方面，特开2004-126399号公报的包层，在衬底与波导本体的线膨胀系数差小的情况下是有效的。但是，聚合物光波导的情况，波导本体的线膨胀系数比一般的Si片或石英玻璃衬底大得多，所以衬底与波导本体的线膨胀系数差大。
因此，特开2004-126399号公报的包层，即使直接用于聚合物光波导，也不能得到充分的缓冲效果，而若想得到充分的缓冲效果，厚度就得非常厚。再者，特开2004-126399号公报的包层为玻璃，因此与树脂相比，加工困难，而且制作成本也高。
从而，本发明的目的在于廉价地提供耐热冲击性、温度特性优异的聚合物光波导及其制造方法。
本发明是为了达到上述目的而创造的，权利要求1的发明是一种聚合物光波导，其由衬底、在衬底上形成的缓冲层、在缓冲层上形成的聚合物波导本体构成，其中，上述缓冲层是由吸收上述衬底与上述聚合物波导本体的热膨胀差的材料形成。
权利要求2的发明是权利要求1所述的聚合物光波导，其中，上述衬底由Si或者石英玻璃构成，上述聚合物波导本体是由线膨胀系数与上述衬底不同的聚合物形成。
权利要求3的发明是权利要求2所述的聚合物光波导，其中，上述聚合物波导本体是由紫外线固化性丙烯酸类、氟化丙烯酸类、环氧类、感光性聚酰亚胺类的聚合物形成。
权利要求4的发明是权利要求1所述的聚合物光波导，其中，上述缓冲层在10～60℃的温度范围内具有玻璃化转移温度，而且橡胶态的弹性模量小于或等于5×107Pa。
权利要求5的发明是权利要求4所述的聚合物光波导，其中，上述缓冲层是由具有交联结构的树脂或橡胶形成。
权利要求6的发明是权利要求5所述的聚合物光波导，其中，上述缓冲层是由紫外线固化性丙烯酸类、丙烯酸类、环氧类、氨基甲酸乙酯类、氟类的树脂或硅橡胶、或者由这些树脂组合而成的树脂形成。
权利要求7的发明是权利要求4所述的聚合物光波导，其中，上述缓冲层的厚度是10～100μm。
权利要求8的发明是一种聚合物光波导的制造方法，其由准备衬底的第一工序、在衬底上形成缓冲层的第二工序、在缓冲层上形成聚合物波导本体的第三工序构成，其中，在第二工序形成的缓冲层是使用吸收上述衬底与上述聚合物波导本体的热膨胀差的材料形成。
权利要求9的发明是权利要求8所述的聚合物光波导的制造方法，其中，在第一工序中准备的衬底是使用由Si或者石英玻璃构成的衬底、在第三工序中形成的聚合物波导本体是使用线膨胀系数与上述衬底不同的聚合物形成。
权利要求10的发明是权利要求8所述的聚合物光波导的制造方法，其中，第二工序包括在衬底上涂布液态且未固化的树脂，并使该树脂固化而形成上述缓冲层的工序。
权利要求11的发明是权利要求8所述的聚合物光波导的制造方法，其中，第一工序包括在衬底上形成上述缓冲层之前在衬底上涂布硅烷偶联剂的工序。
按照本发明，发挥能够廉价地提供耐热冲击性、温度特性优异的聚合物光波导这样的优异效果。
附图说明
图1是表示本发明适宜的实施方式的聚合物光波导的断面图。
图2是表示缓冲层的温度与弹性模量关系的一例的图。
图3(a)～图3(f)是表示本发明适宜的实施方式的聚合物光波导制造工序的一例的断面图。
图4(a)～图4(c)是表示形成缓冲层的方法的一例的断面图。
图5(a)和图5(b)是表示形成芯的方法的一例的断面图。
图6是使用图1所示聚合物光波导的光合波器的平面图。
图中，1为聚合物光波导；2为衬底；3为缓冲层；4为聚合物波导本体；5为下包层；6为芯；7为上包层。
具体实施方式
以下，根据附图来说明本发明适宜的实施方式。
图1是表示本发明适宜的实施方式的聚合物光波导的断面图。
如图1所示，有关本实施方式的聚合物光波导1是由衬底2、在衬底上形成的缓冲层3、在缓冲层3上形成的聚合物波导本体4构成的带缓冲层的聚合物光波导。
作为衬底2使用如由Si或者石英玻璃等无机材料构成的物质。本实施方式中作为衬底2使用厚度为400μm的Si片(Si衬底)。
聚合物波导本体4是由线膨胀系数与衬底2不同的聚合物形成。该聚合物波导本体4是由下包层(下部包层)5、在该下包层5上形成的芯6、覆盖下包层5的上部和芯6的上包层(上部包层)7构成。
本实施方式中作为聚合物使用属于UV(紫外线)固化性丙烯酸类(交联型)且玻璃化转移温度Tg为120℃的具有交联结构的聚合物。使用具有交联结构的聚合物是因为，耐溶剂性和耐热性高。芯6的折射率高于下包层5和上包层7的折射率。
本实施方式中，下包层5的厚度为20μm、横截面为矩形的芯6的直径为60μm(芯宽w：60μm、芯高h6：60μm)、芯6的表面至上包层7的表面的厚度h7为20μm。并且，波导的尺寸没有特别的限制，可以自由地设计。
作为聚合物可以使用如氟化丙烯酸类、环氧类、感光性聚酰亚胺类等聚合物。
缓冲层(膜)3是由吸收因衬底2与聚合物波导本体4的热膨胀差而产生的应力的材料形成。换句话说，缓冲层3是缓和(减低)因衬底2与聚合物波导本体4的线膨胀系数互不相同而温度变化时在衬底2与聚合物波导本体4之间产生的热应力的物质。
作为缓冲层3，弹性模量小的材料是合适的。进一步，作为缓冲层3，在聚合物光波导1的使用温度范围或者是热冲击试验的温度范围-50～100℃时，发挥吸收衬底2与聚合物波导本体4间的热膨胀差的效果的材料是合适的。
更详细地说，缓冲层3优选在10～60℃的温度范围内具有玻璃化转移温度Tg，且橡胶态的弹性模量E小于或等于5×107Pa。
所谓橡胶态是指分子不易活动、并且当拉伸或挤压时分子发生流动而能够伸缩的柔软的固体状态。相对于此，所谓玻璃态是指分子无序且未发生结晶(非晶态)、即使挤压分子也不大流动的硬的固体状态。橡胶态与玻璃态的边界点的温度即为玻璃化转移温度Tg。
如上所述限定缓冲层3的玻璃化转移温度Tg和弹性模量E，是根据以下的理由。
将缓冲层3的温度T(℃)与弹性模量E(Pa)的关系的一例示于图2。图2中用对数刻度表示弹性模量E。如图2所示，橡胶态与玻璃态比较，弹性模量E以数量级单位变小(急剧变小)，缓冲层变得柔软，因而作为缓冲层的效果大。因此，由于在聚合物光波导的使用温度范围内具有玻璃化转移温度Tg，所以能够期待作为缓冲层的效果，但是如果小于或等于聚合物光波导的使用温度上限60℃时没有玻璃化转移温度，其效果就小。
另一方面，认为作为缓冲层的橡胶态的范围广的一方，其热应力的产生减小，但是如果玻璃化转移温度不到10℃，则过于柔软而产生切割困难的问题。
再者，如果橡胶态的弹性模量E超过5×107Pa，橡胶态时的弹性模量E的减少就不充分，缓冲层变硬，因此作为缓冲层的效果将变小。
另外，缓冲层3也出于高温时不发生流动的目的，由交联型材料如具有交联结构的树脂形成。
缓冲层3的厚度可以是10～100μm。这是因为如果不到10μm，就不会发挥作为缓冲层的效果，如果超过100μm，无法使用后述的旋涂法形成均匀的层。在本实施方式中，缓冲层3的厚度为15μm。
在本实施方式中，作为缓冲层3使用由属于UV固化性丙烯酸类(交联型)且玻璃化转移温度为30℃的具有交联结构的树脂形成的物质。使用UV固化性的树脂是因为固化快、且容易形成缓冲层3。
作为缓冲层3，也可以使用由丙烯酸类、环氧类、氨基甲酸乙酯类、氟类等具有交联结构的树脂或硅橡胶或者由这些树脂(丙烯酸类+氟类、环氧类+氟类)组合而成的树脂形成的物质。
关于聚合物波导本体4的剥离，缓冲层3的粘接性也是重要的，作为缓冲层3，需要选择与衬底2及聚合物波导本体4的粘接性优异的材料。作为组合材料的一例，使用氟类的聚合物制作聚合物波导本体4时，考虑粘接性，使用氟类树脂形成缓冲层3。
另外，作为缓冲层3，因为有互混(相互混合)的问题，所以优选使用不溶解或渗入到制作缓冲层3后涂布的包层材料(固化后成为下包层5)等中的材料。
接着，说明聚合物光波导1的制造方法。
首先，准备衬底2(图3(a)：第一工序)，在该衬底2上形成缓冲层3(图3(b)：第二工序)。这里，使用图4(a)～图4(c)说明在衬底2上形成缓冲层3的方法的一例。
首先，在衬底2上形成缓冲层3之前，在衬底2上涂布硅烷偶联剂c，进行衬底2的表面处理(图4(a))。准备衬底2的第一工序包括该图4(a)的工序。
在已表面处理的衬底2上，使用旋涂法涂布液态未固化的具有交联结构的树脂r，然后使涂布的树脂r固化(图4(b))。
本实施方式中使用了UV固化性的树脂r，因此在涂布液态树脂r后，从上方对树脂r照射紫外线L，使涂布的树脂r固化，而形成缓冲层3(图4(c))。在衬底2上形成缓冲层3的第二工序包括这些图4(b)、图4(c)的工序。
树脂r，以单体或者含有低聚物的状态涂布到衬底2上，因而残留未反应基团，因此进行固化(聚合物化，或者树脂化)时，容易与硅烷偶联剂c粘上。由此，树脂r与硅烷偶联剂c容易化学结合，因而衬底2与树脂r的粘接性提高，缓冲层3不易从衬底2剥离。
衬底2与树脂r的粘接性好的情况，也可以省略图4(a)的涂布硅烷偶联剂c的工序。
接着，回到图3，使用直接曝光法形成图1所示的芯6。形成缓冲层3后，在该缓冲层3上形成下包层5(图3(c))，在该下包层5上涂布芯材料26(图3(d))。
涂布芯材料26后，在芯材料26上方，配置形成有与芯6相同形状的图案的掩膜21，从该掩膜21的上方对芯材料26照射紫外线L(图3(e))。然后，用芯显像液刻蚀去除未照射到紫外线L的芯材料26。照射到紫外线L的芯材料26发生固化，因而不会被芯显像液刻蚀而成为芯6。本实施方式中作为芯显像液使用丙酮。
作为芯显像液，也可以使用如乙酸丁酯、乙酸乙酯、甲基乙基酮、甲基异丁基酮、丙二醇单甲醚、丙二醇、甲苯、二甲苯等。
形成芯6后，以覆盖下包层5的上部和芯6的状态形成上包层7，来形成聚合物波导本体4。在缓冲层3上形成聚合物波导本体4的第三工序是这些图3(c)～图3(f)的工序。若再进行切割等加工成给定形状，就得到图1所示带有缓冲层的聚合物光波导1(图3(f))。
对于制成的聚合物光波导1，进行在-40℃～85℃的温度范围反复1000次使环境温度上升与下降的热冲击(热循环)试验。其结果，聚合物波导本体4没有剥离，聚合物光波导1的损耗也没有增加。
对本实施方式的作用进行说明。
聚合物光波导1，聚合物波导本体4的线膨胀系数与衬底2相比非常大。通常，由无机材料构成的衬底2的线膨胀系数小于或等于20ppm/℃(×10-6/℃)，例如一般的玻璃衬底是10ppm/℃，石英玻璃衬底是0.5ppm/℃，Si衬底是3ppm/℃。还有，由有机材料构成的聚合物波导本体4的线膨胀系数一般是50～200ppm/℃。
因此，如果环境温度变高，聚合物波导本体4倾向于较大的伸长，而衬底2却倾向于不怎么伸长，从而衬底2与聚合物波导本体4之间产生热膨胀差。如果环境温度变低，聚合物波导本体4倾向于较大的收缩，而衬底2却倾向于不怎么收缩，从而同样在衬底2与聚合物波导本体4之间产生热膨胀差(此时也称为热收缩差)。
聚合物光波导1是预先在衬底2与聚合物波导本体4之间设置了柔软的缓冲层3，因此即使衬底2与聚合物波导本体4的线膨胀系数差大，也由于缓冲层3能够吸收由两者的热膨胀差产生的应力而变小。即能够缓和温度变化时在衬底2与聚合物波导本体4之间产生的热应力，使得衬底2与聚合物波导本体4之间难以施加有热应力。
因此，聚合物光波导1，即使进行热冲击试验，也不会发生聚合物波导本体4从衬底2剥离或聚合物波导本体4产生龟裂等现象，耐热冲击性优异。
进而，聚合物光波导1，即使环境温度发生变化，聚合物波导本体4也不易蓄积应变，因此能够减少损耗增加等光学特性的变化，温度特性优异。
另外，按照本实施方式的制造方法，通过在衬底2上涂布液态且未固化的树脂r，并使该树脂r固化，能够用短时间容易地形成缓冲层3。用于形成缓冲层3的材料是树脂r，因而容易操作，与玻璃相比，容易加工且制作成本也低廉。从而，能够廉价地制造带缓冲层的聚合物光波导1。
上述实施方式中虽然说明了使用直接曝光法形成芯6的例子，但也可以使用金属模具或者RIE(反应性离子刻蚀)形成芯6。
使用金属模具的情况，是在图3(a)～图3(c)的工序后，如图5(a)所示，在下包层5上配置具有与芯6相同形状的图案的注入沟槽52的对紫外线透明的金属模具51，在注入沟槽52中注入芯材料26。然后，如图5(b)所示，从金属模具51的上方对芯材料26上照射紫外线L，使已注入的芯材料26固化，而形成芯6。衬底2、缓冲层3、下包层5对紫外线透明的情况，也可以从衬底2的底面侧对芯材料26照射紫外线。
另外，作为图1的聚合物光波导1的变种例，也可以是在衬底上顺次形成缓冲层、芯、上包层的聚合物光波导。即也可以通过对缓冲层追加下包层的功能，而省略下包层。此时，作为缓冲层，使用由对传送芯的光透明的树脂形成的物质。
下面，说明使用聚合物光波导1的光器件的一例。
如图6所示，光合波器61是使用图1的聚合物光波导1制成，是由四个输入波导62、三个Y形连接部63、一个输出波导64构成图1中芯6的四输入一输出型聚合物光波导。输出各不相同波段的光信号的LD(半导体激光器)65分别与各输入波导62光结合。光纤66与输出波导64连接。
该光合波器61中，从各LD65输入到各输入波导62的四个光信号由三个Y形连接部63合波，四个光信号成为波分复用的一个光信号从输出波导64输出，传送到光纤66。
如上所述，使用以往的聚合物光波导制成的光合波器，在衬底上直接形成波导本体，由于衬底与波导本体的线膨胀系数不同，因此波导本体就会因环境温度的变化而蓄积应变，存在输出光量随之变化的问题。另外，同样的理由，还对PDL(偏振相关损耗)增加等光学特性带来影响。
相对于此，光合波器61则可以通过图1的缓冲层3来缓和温度变化时产生的热应力，因此能够减少伴随环境温度的变化的输出光量的变化，也能够减少PDL增加等光学特性的变化。
聚合物光波导1不限于上述的光合波器，也可以用作如VOA(光可变衰减器)、光耦合器、CWDM(粗波分复用)方式的AWG(阵列波导光栅)等光器件。聚合物光波导1可以是单模，也可以是多模。

Claims (11)

1.一种聚合物光波导，其由衬底、在衬底上形成的缓冲层、在缓冲层上形成的聚合物波导本体构成，其中，上述缓冲层由吸收上述衬底与上述聚合物波导本体的热膨胀差的材料形成。
2.根据权利要求1所述的聚合物光波导，其中，上述衬底由Si或者石英玻璃构成，上述聚合物波导本体由线膨胀系数与上述衬底不同的聚合物形成。
3.根据权利要求2所述的聚合物光波导，其中，上述聚合物波导本体由紫外线固化性丙烯酸类、氟化丙烯酸类、环氧类、感光性聚酰亚胺类的聚合物形成。
4.根据权利要求1所述的聚合物光波导，其中，上述缓冲层在10～60℃的温度范围内具有玻璃化转移温度，而且橡胶态的弹性模量小于或等于5×107Pa。
5.根据权利要求4所述的聚合物光波导，其中，上述缓冲层由具有交联结构的树脂或橡胶形成。
6.根据权利要求5所述的聚合物光波导，其中，上述缓冲层由紫外线固化性丙烯酸类、丙烯酸类、环氧类、氨基甲酸乙酯类、氟类的树脂或硅橡胶或者由这些树脂组合而成的树脂形成。
7.根据权利要求4所述的聚合物光波导，其中，上述缓冲层的厚度是10～100μm。
8.一种聚合物光波导的制造方法，其由准备衬底的第一工序、在衬底上形成缓冲层的第二工序、在缓冲层上形成聚合物波导本体的第三工序构成，其中，在第二工序中形成的缓冲层使用吸收上述衬底与上述聚合物波导本体的热膨胀差的材料形成。
9.根据权利要求8所述的聚合物光波导的制造方法，其中，在第一工序中准备的衬底使用由Si或者石英玻璃构成的物质、在第三工序中形成的聚合物波导本体使用线膨胀系数与上述衬底不同的聚合物形成。
10.根据权利要求8所述的聚合物光波导的制造方法，其中，第二工序包括在衬底上涂布液态且未固化的树脂，并使该树脂固化而形成上述缓冲层的工序。
11.根据权利要求8所述的聚合物光波导的制造方法，其中，第一工序包括在衬底上形成上述缓冲层之前在衬底上涂布硅烷偶联剂的工序。
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