JP2006064988A - 光導波路板 - Google Patents

Abstract

【課題】 基板１０とクラッド層５との熱膨張率の差により発生するクラッド層５内のクラックの発生を防止させ得る光導波路板１５を提供する。
【解決手段】 コア１が埋設された樹脂材料で構成されるクラッド層５が無機材質よりなる基板１０の表面に形成されてなる光導波路板１５において、樹脂材料で構成されるクラッド層５と無機材質よりなる基板１０との間にクラッド層５を構成する樹脂材料よりも小さい弾性率を備えた応力緩和層２０を介設する。
【選択図】図１

Description

本願発明は、主に光通信用機器に用いられる光導波路板に関し、特に光を所望の方向に導波するためのコア及びクラッド層が樹脂材料で構成された光導波路板に関する。

従来から、特開平０８−３２７８４４号公報に示される如く、光導波路板は主に光通信用機器に用いられ、その構造としてはパターン形成されたコアを埋設したクラッド層が基板の表面に形成された構造を成しており、かつコア及びクラッド層が樹脂材料で構成されている光導波路板が知られている。この種の光導波路板の製造方法としては、基板の表面に光透過性の高い樹脂液を塗布・硬化する工程を繰り返すことにより、コア及びクラッド層を積層形成している。

しかしながら、クラッド層全体の厚みが１００μｍ以下と非常に薄いものであるので、基板としては一般に表面粗さ・うねりが小さいシリコンまたはガラス等の無機材質の基板が用いられている。一方、コア及びクラッド層に用いられている樹脂材料は、光透過性が高く、かつどの部位でも一様な屈折率を示す材質のものを用いることが必要であるため、フィラー等の熱膨張率を小さく、かつ機械的強度を向上させるための添加物を混入させることが困難である。そのため、クラッド層として用いる材料は熱膨張率が大きく、かつ機械的強度が低いものを用いることとなる。特開平０８−３２７８４４号公報に示すような樹脂材料では、成形時の収縮率が低く、金型に対して転写性良くクラッド層を成形可能であるが、依然として無機材質よりなる基板とクラッド層との間の熱膨張率に大きな差があり、そのため環境温度の差が大きい場所での使用においては、クラッド層内にクラックが発生し易いという問題があった。
特開平０８−３２７８４４号公報

本願発明は、上記背景技術に鑑みて発明されたものであり、その課題は、基板とクラッド層との熱膨張率の差により発生するクラッド層内のクラックの発生を防止させ得る光導波路板を提供することである。

上記課題を解決するために、本願発明は、コアが埋設された樹脂材料で構成されるクラッド層が無機材質よりなる基板の表面に形成されてなる光導波路板において、クラッド層と基板との間にクラッド層を構成する樹脂材料よりも小さい弾性率を備えた応力緩和層を介設したことを特徴とする光導波路板。

本願発明の光導波路板においては、クラッド層と基板との間にクラッド層を構成する樹脂材料よりも小さい弾性率を備えた応力緩和層を介設したことにより、基板とクラッド層との間の応力緩和層がクラッド層内に発生する基板とクラッド層との熱膨張率の差による熱応力を低減し、クラッド層内に熱応力によるクラックが発生するのを防止することができる。

図１は、本願発明の請求項１から４の全てに対応した実施形態の光導波路板１５に光ファイバが接合された光導波路モジュール３０を示している。また、図２は、上記実施形態の光導波路板１５の製造方法を示している。この実施形態で用いる光導波路板１５は、コア１が埋設された樹脂材料で構成されるクラッド層５が無機材質よりなる基板１０の表面に形成されてなる光導波路板１５において、クラッド層５と基板１０との間にクラッド層５を構成する樹脂材料よりも小さい弾性率を備えた応力緩和層２０を介設している。

又、この実施形態の光導波路板１５は、前記クラッド層５の表面に無機材質よりなる上板２５を配してなる光導波路板１５であって、クラッド層５と上板２５との間に更に応力緩和層２０を介設している。

又、この実施形態の光導波路板１５は、応力緩和層２０が、クラッド層５を構成する樹脂材料よりも小さい屈折率を備えている。

以下、この実施形態の光導波路板１５を、より具体的に説明する。この光導波路板１５は、相対する両側の端面に各々入力側光ファイバ３５と出力側光ファイバ４０とを接着剤等を用いて接合して光通信用機器に用いられるものであり、図１に示す如く、Ｙ分岐パターンのコア１をクラッド層５の内部に２個備えて、入力側光ファイバ３５の内部を導波した光を出力側光ファイバ４０に分波して導波させる２（入力）×４（出力）タイプの光スプリッタである。この光導波路板１５は、無機材質よりなる基板１０の表面に応力緩和層２０を介してコア１が埋設されたクラッド層５が形成されており、更にその表面に応力緩和層２０を介して無機材質よりなる上板２５が接合されいる。そして、この実施形態の光導波路板１５の概略寸法は、約２０ｍｍ（縦）×５ｍｍ（横）×１ｍｍ（厚み）である。この実施形態の光導波路板１５の主要部である基板１０、応力緩和層２０、コア１、クラッド層５、上板２５に関して以下に説明する。

基板１０および上板２５は、クラッド層５が一定の厚みで形成しやすいように、または外力を受けた際にクラッド層５に伝わる応力を一様なものとできるように、両方の板とも平板形状を成しており、寸法は約２０ｍｍ（縦）×５ｍｍ（横）×０．５ｍｍ（厚み）である。また、構成する材質としては熱膨張率が約８．０×１０−６／℃である無機材質のシリコンを両方の板とも使用している。

クラッド層５は、基板１０の表面全域に亘って厚み約３０μｍで形成されており、材質としてはガラス繊維等のフィラーが混入されていない光透過性の高いアクリル系の樹脂材料が用いられている。また、コア１は、クラッド層５に埋設されて、Ｙ分岐パターンを備えるように形成されており、光導波方向と垂直な切断面が約□８μｍの形状となっている。更に、このときのコア１を構成する材質は、クラッド層５を構成する材質よりも約０．００５だけ屈折率の高い材質のものが用いられ、ここではクラッド層５と同様に光透過性が高いアクリル系の樹脂材料が用いられている。このときのクラッド層５に用いられている樹脂材料の熱膨張率は約１００×１０−６／℃であり、上記基板１０に用いられているシリコンと比較すると非常に大きな熱膨張率となっている。また、クラッド層５の縦弾性率は１．２７ＧＰａである。

応力緩和層２０は、基板１０とクラッド層５との間及び上板２５とクラッド層５との間に介設されており、両方とも厚みが約５μｍでクラッド層５の全面に亘って形成されている。また、材質としてはクラッド層５を形成している材質よりも弾性率を小さくするために、クラッド層５を構成しているアクリル系樹脂材料の反応基を少なく合成した樹脂材料が用いられている。さらに、この応力緩和層２０に用いられている樹脂材料は、クラッド層５に用いられている樹脂材料よりも屈折率が低く、コア１の内部を導波している光を引き寄せることがなく、光損失の増加を防止している。なお、この樹脂材料の縦弾性率・屈折率は各々０．０４ＧＰａ、１．４９０である。また、このとき中間層の厚みは、応力緩和層２０を介設することにより熱応力によるクラックの発生を防止しつつ、図４に示すような導波路板の製造途中および製造終了後の搬送途中において外力７０の負荷によるクラッド層５の変形を確実に防止するためには、好適には０．５μｍ〜１０μｍ以下とすることが好ましい。

図２は、上記実施形態の光導波路板１５の製造方法を示しており、以下に具体的に説明する。まずシリコンよりなる基板１０の上に弾性率の低い樹脂であるアクリル系樹脂材料の樹脂液を所定量だけ塗布した後、基板１０を回転させて不要な樹脂液を除去するスピンコート法やヘラで樹脂液を均一にならすスキージング方法等の液面制御方法を用いて、樹脂液面を平滑化し、その後基板１０の表面上の樹脂液に熱負荷をかけて硬化させて、基板１０とクラッド層５との間に介設する応力緩和層２０を形成する（図２（ａ）参照）。そして、クラッド層５との密着力を確保するために、その表面に応力緩和層２０が形成された基板１０を真空チャンバ４５の中に投入し，応力緩和層２０の表面にプラズマ５０を照射する（図２（ｂ）参照）。硬化後クラッド層５となるアクリル系樹脂材料の樹脂液を中間層の上に所定量塗布し、応力緩和層２０を形成する際に行ったのと同様の方法を用いて、その樹脂液を平滑化する（図２（ｃ）参照）。次に、所望のコア１のパターンと同じパターン形状の凸部６０を備えた金型５５を平滑化された樹脂液に押し付けた後、熱を負荷することにより樹脂液を硬化させて、この金型５５の凸部６０が転写された凹部パターンを備えたクラッド層５の下部を形成する（（図２（ｄ）参照）。このとき用いる金型５５の凸部６０の形状を、好適には図３（ａ）に示すようにクラッド層５の下部表面に形成された凹部断面形状の立ち面角度θを５〜２０°の範囲とすることにより、コア１と光ファイバとの断面形状の違いから生じる結合損失を最小限に抑えつつ、図３（ｂ）に示すようなクラッド層５が弾性率の低い応力緩和層２０を介して基板１０に接合されていることによる離型時のクラック６５の発生を確実に防止することができる。

更に、クラッド層５の下部の表面に、硬化後コア１となるアクリル系樹脂材料の樹脂液を塗布して、基板１０とクラッド層５との間に介設する応力緩和層２０を形成する際に行ったのと同様の方法を用いて、その樹脂液を平滑化する。その際には、クラッド層５の下部の表面に形成された凹部内を全体が樹脂液で満たしつつ、それ以外のクラッド層５の下部表面には樹脂液ができるだけ残留しないようにスピンコート時の回転数またはヘラの高さを調整することが重要である。その後、クラッド層５の下部の凹部内にある樹脂液に熱を負荷することにより、硬化させてコア１を形成する（（図２（ｅ）参照）。続いて、クラッド層５の下部を形成したときと同様の方法を用いて、クラッド層５全体を形成する（（図２（ｆ）参照）。その後、基板１０の上に形成されたクラッド層５の表面に、基板１０とクラッド層５との間に介設する応力緩和層２０を形成したときと同様の方法を用いて、クラッド層５と上板２５との間に介設する応力緩和層２０を形成する（（図２（ｇ）参照）。最後に、シリコンよりなる上板２５がクラッド層５の表面全体を覆うように上板２５の位置決めを行った後、クラッド層５と上板２５を熱圧着して本実施形態の光導波路板１５は製造される。（（図２（ｈ）参照）
以上の構成を備えることにより、クラッド層５と基板１０との間にクラッド層５を構成する樹脂材料よりも小さい弾性率を備えた応力緩和層２０が介設されているので、基板１０とクラッド層５との間の応力緩和層２０がクラッド層５内に発生する基板１０とクラッド層５との熱膨張率の差による熱応力を低減し、クラッド層５内に熱応力によるクラックが発生するのを防止することができる。

又、クラッド層５の表面に無機材質よりなる上板２５を配してなる光導波路板１５であって、クラッド層５と上板２５との間に更に応力緩和層２０が介設されているので、クラッド層５の裏面のみに応力緩和層２０・基板１０が配されているときと比較すると、環境温度の変化によって生じる熱応力の主応力成分が厚み方向に均一に内在することとなり、この主応力成分の部位によるバラツキから生じるせん断応力を小さくすることができ、クラッド層５内に熱応力によるクラックが発生するのを防止することができる。

又、応力緩和層２０が、クラッド層５を構成する樹脂材料よりも小さい屈折率を備えた材質より構成されているので、コア１の内部を導波している光を応力緩和層２０に引き寄せることがなく、光損失の増加を防止している。

又、応力緩和層２０の厚みが、０．５μｍ以上でかつ１０μｍ以下であるので、導波路板の製造途中および製造終了後の搬送途中における外力７０が負荷された時にクラッド層５の変形を確実に防止できる。

本願発明の実施形態に係る光導波路板に光ファイバを接合した光導波路モジュールの（ａ）Ｂ−Ｂ断面図（ｂ）Ａ−Ａ断面図。 本願発明の実施形態に係る光導波路板の製造工程図。 本願発明の実施形態に係る光導波路板の製造時の拡大図。 本願発明の実施形態に係る光導波路板の製造時の拡大図。

符号の説明

１ コア
５ クラッド層
１０ 基板
１５ 光導波路板
２０ 応力緩和層
２５ 上板
３０ 光導波路モジュール
３５ 入力側光ファイバ
４０ 出力側光ファイバ
４５ 真空チャンバ
５０ プラズマ
５５ 金型
６０ 凸部
６５ クラック
７０ 外力

Claims (4)

1. コアが埋設された樹脂材料で構成されるクラッド層が無機材質よりなる基板の表面に形成されてなる光導波路板において、クラッド層と基板との間にクラッド層を構成する樹脂材料よりも小さい弾性率を備えた応力緩和層を介設したことを特徴とする光導波路板。
2. 前記クラッド層の表面に無機材質よりなる上板を配してなる光導波路板であって、クラッド層と上板との間に更に応力緩和層を介設したことを特徴とする請求項１に記載の光導波路板。
3. 前記応力緩和層が、クラッド層を構成する樹脂材料よりも小さい屈折率を備えた材質よりなることを特徴とする請求項１または２に記載の光導波路板。
4. 前記応力緩和層の厚みが、０．５μｍ以上でかつ１０μｍ以下であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の光導波路板。

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