JP2006259009A

JP2006259009A - 光導波路フィルムおよび電子機器

Info

Publication number: JP2006259009A
Application number: JP2005074092A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiro Yamada; 一博山田; Takashi Shioda; 剛史塩田; Kazuto Fujita; 和人藤田
Original assignee: Mitsui Chemicals Inc
Current assignee: Mitsui Chemicals Inc
Priority date: 2005-03-15
Filing date: 2005-03-15
Publication date: 2006-09-28

Abstract

【課題】柔軟性を持った高分子光導波路、特に、ヒンジ部に巻かれて使用される光導波路において、複雑な設計や屈折率調整を必要とせずに、ヒンジ部で巻かれるさいに光損失が大きくならない光導波路フィルムおよびそれを備えた電子機器を提供することを目的とする
【解決手段】高分子材料を含むコアとクラッド層を備えた光導波路フィルムであり、コアの延伸方向が第１箇所において角度αで、第２箇所において角度βでいずれもフィルム面内で互いに逆方向に折れ曲がっており、角度αおよびβがいずれも、1０°〜８０°の範囲にあることを特徴とする光導波路フィルムである。
【選択図】図１

Description

本発明は高分子光導波路フィルムおよびそれを備えた電子機器に関し、特に光導波路フィルムを電子機器の稼動部を跨いで接続するための光導波路フィルムの形状に関する。

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。一方、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フィルム状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フィルム状光導波路が実現されている（特許文献２）。また、これら高分子材料でつくられた光導波路は、柔軟であるため、半導体レーザーや石英製光ファイバーなどと、端面を傷つけることなく、接触して低損失に接続することなどが期待されている（特許文献３）。

更に、これら高分子系の光導波路は柔軟性があるため、電気回路にて用いられているフレキシブル電気回路基板に似た応用も期待されている。例えば、携帯電話などにおいてフレキシブル電気回路基板を蝶番（ヒンジ）で結合された２つの部位間を跨いで配置する場合、ヒンジ部では、ヒンジの太さに応じた曲率半径でフレキシブル電気回路基板を屈曲性を持たせつつ軸または空洞に巻いて、その上から曲率半径よりやや大きい防護カバー等をかぶせる。光導波路においても、同様にフレキシブルな光導波路を曲率半径を持たせてヒンジに巻くことが考えられる。
特開平０３-１８８４０２号公報特開平０４−９８０７号公報特開２００２−３１８３１８号公報

光導波路をヒンジに巻くと電気回路とは異なり、光損失が大きくなることがある。光導波路の光損失を増大させないためには、コアとクラッドの屈折率差に応じて曲率半径が制限される。この曲率半径を小さく巻いたり曲げたりした場合は、基板が亀裂なく保持できたとしても、光伝送ロスが増大してしまい特性を発揮できない不具合が生じる。

従って、機器の小型化のために、伝送回路を小さな曲率で曲げたり巻いたりするような場合は、光伝送ロスを小さくするためそれにみあった屈折率差をもたせる必要があるが、材料の制約上現実的ではない。本発明は、上記問題を回避すべく、柔軟性を持った高分子光導波路、特に、ヒンジ部に巻かれて使用される光導波路において、複雑な設計や屈折率調整を必要とせずに、ヒンジ部で巻かれるさいに光損失が大きくならない光導波路フィルムおよびそれを備えた電子機器を提供することを目的とする。

本発明は、鋭意検討した結果、光導波路フィルムが平面クランク形状のコアを持ち、クランク形状の２つの折れ曲り部分の間の光導波路を螺旋に巻くことにより、収納寸法に影響する機械的曲率を小さくしつつ、光学的曲率半径を大きくとる構成がなしうることを見出して、前期課題を解決し、本発明を完成させた。

すなわち、本発明は高分子材料を含むコアとクラッド層を備えた光導波路フィルムであり、コアの延伸方向が第１箇所において角度αで、第２箇所において角度βでいずれもフィルム面内で互いに逆方向に折れ曲がっており、角度αおよび角度βがいずれも1０°〜８０°の範囲にある光導波路フィルムである。

このとき第１箇所および第２箇所の折れ曲がり部の曲率半径は４ｍｍ以上であることが好ましい。または、第１箇所および第２箇所の折れ曲がり部に曲率を設ける代わりに、光路変換するためのミラーを備えていることも好ましい実施態様である。

また本発明は、２つの部位が蝶番によって互いに開閉可能なように連結されている電子機器であって、一方の部位から他方の部位へ光信号を送信するために前述の光導波路フィルムが両部位に接続されており、第１箇所および第２箇所の間のコアが蝶番の位置で螺旋軸に対して50°以下になるように螺旋状に巻かれている電子機器である。
これにより、光導波路フィルムが曲げられていても光導波路フィルムの巻き部で形作られる円筒形の機械的曲率を小さくしつつ、光学的曲率半径を大きくできるので、機器の小型化に寄与しつつ巻き部での光損失の増大を抑えることができる。ここで光学的曲率半径とは、螺旋状に巻かれたコアの延伸方向での曲率半径とする。

図１(a)には光導波路フィルム中のコア10が螺旋形に巻かれている様子を示す。光導波路の折れ曲り部である第１箇所と第２箇所の間の傾斜部３のコアが前記ヒンジの位置で螺旋軸に対して角度γが50°以下となるように螺旋状に巻かれている。図１(b)には光導波路フィルムを巻く前のコアの様子を示す。光導波路フィルムを巻く前に折れ曲り部である第１箇所と第２箇所の間の傾斜部３のコアの方向が螺旋軸に対してγになるように位置あわせしてから巻けばよい。

マルチモード光導波路において、曲がり導波路の曲率半径と損失の関係を実験的に求めた。図２に、コアとクラッドの屈折率差が１％の場合の曲がり導波路の光学損失を示す。これによると、曲率半径が４ｍｍまでは損失１ｄＢ程度に収まっているが、それ以下では急激に損失が増大する。従って、小型化のために曲率半径を小さくしようとする場合、形状などを工夫しなければならない。一般的に損失を増やさず曲率半径を小さくするには、屈折率差を大きくすればよいが、使用できる材料系が著しく限定される。通常用いられる高分子光導波路ではコアとクラッドの屈折率差は１％程度である。折れ曲り部の曲率半径の最大値は実用的に２０ｍｍである。

また、図３には光導波路を螺旋状に巻いた時の螺旋ピッチと光導波路の光学的曲率半径の関係を示す。図３によると半径が２ｍｍの筒に、螺旋のピッチａを２２ｍｍ以上にとれば光学的曲率半径が４ｍｍ以上になることを示す。従って、図２において示された屈折率差δｎが1％の材料系でも、螺旋ピッチをある程度にすれば曲げによる光伝播ロスが大きく発生することなく使用できることがわかる。

このように光導波路フィルムを螺旋状に巻くことによって光学的曲率半径を大きくすることができ、光損失の増大を抑制することができる。図４に示すように光導波路フィルムの螺旋に巻かれる部分とこれをはさむ両側の部分のコアパターン１の成す角度をそれぞれ角度α、角度βとすると、αとβは絶対値で10°〜80°の角度で折り曲げておくことにより、螺旋状に巻いても光導波路が占める幅が拡がることを抑制でき、光導波路フィルムを用いる機器の小型化に寄与することができる。

このような光導波路フィルムにおいてコアの延伸方向を折り曲げるためには、コアパターンを４ｍｍ以上の曲率をもって折れ曲る形状にすることが好ましい。別の方法としては、コアパターンは曲率をつけずに屈曲させ、その屈曲部にミラーを形成することも可能である。図５(ａ)においてコアの折れ曲り部である、コアの直線部２と直線状の傾斜部３の交点、および傾斜部３と直線部４の交点にレーザを照射して穴をあける。折れ曲り部を拡大した図５(ｂ)に示すように、矩形状パターンのマスクを通してレーザを照射することにより、コア１0の一部にかかる矩形の穴７が形成される。この穴のコア断面が空気とコアの界面でありミラー面８となる。光はこのミラー面で反射され急峻な光路変換が可能になる。コアの切断面を高反射率の材料で被覆したり、あるいは穴をクラッドよりも低屈折の材料で埋めてもよい。ここで、前記レーザー照射によるミラーは光導波路面に対して垂直かつコアに接するか、一部コアを削るように形成されていることが好ましい。また、ミラー面は平面であることが好ましいが、曲面であってもよい。

これらの光導波路フィルムは、光導波路だけが形成されたものでもよいし、電気配線が形成されていてもよい。また電子機器のヒンジ部で巻かれる光導波路フィルムの螺旋の内側には軸棒があってもよいし、軸棒がなく空洞でもよい。

本発明により、光配線の折り曲げを要する箇所にこの光導波路フィルムを用いても光損失の増大を防ぐことができる。光回路実装の特にヒンジ部の設計自由度が著しく増す。そして光配線を要する電子機器の小型化に寄与することができる。

以下、本発明を詳細に説明する。ここでは、ポリイミド光導波路を例に挙げて説明するが、光導波路の材料としてポリイミド以外の光学用材料の樹脂を用いて、形成することももちろん可能である。また本発明の光導波路が形成された光導波路フィルムの表面や内部に電気回路や他の光回路が形成されていてもよい。まず、シリコンウェハ上にポリイミドからなる下部クラッド層を形成する。その上に一部がコアとなるポリイミド層とレジスト層を順次形成する。

次に、図４に示す平面クランク状のコアパターン１の描いてあるマスクパターンを用いて露光することにより、マスクとなるレジストパターンが形成される。図では３本のコアが描かれているが、１本でも構わない。このレジストパターンをマスクとして酸素プラズマで一部がコアとなる層をドライエッチングする。次に、マスクのレジストを剥離液で除去する。

次にその上にポリイミドからなる上部クラッド層を形成する。そして多層の形成されたシリコンウエハごとフッ酸水溶液に浸漬させ、シリコンウェハから光導波路となる多層を剥離する。こうして光導波路が形成されたフィルム状光導波路が得られる。

これを例えば操作部位とディスプレイ部位がヒンジで結合されて互いに開閉可能な携帯電話器内の信号伝送に用いる場合、光導波路フィルムは操作部位とディスプレイ部をヒンジ部を跨って配置される。この時光導波路フィルムの屈曲部はヒンジ部にかからないようにし、図１(ａ)に示すように傾斜部３が螺旋状にヒンジに巻かれる。

本発明の光導波路はクラッド層、コア層とも樹脂からなることが好ましく、なかでもポリイミド樹脂、またはエポキシ樹脂からなることが特に好ましい。

直線部２と傾斜部３とのなす角度α、および傾斜部３と直線部４とのなす角度βは互いに逆方向でそれぞれが10°〜80°の範囲にあることが好ましく、より好ましくは 40°〜70°であるが、ヒンジ径や螺旋のピッチに影響するヒンジの長さによって適宜決められる。αとβを等しくして、かつα＋γ＝90とすると、ヒンジをはさんだ光導波路フィルムがヒンジの長さ方向に拡がらないので好ましい。実用的なヒンジ部の最大収納直径は６ｍｍ程度と考えられる。この収納部に、屈折率差１％程度の光導波路フィルムをらせん状に巻いて過剰な損失を発生しないようにするために、折れ曲り部の間のコアをらせん状に巻いた時、らせん軸とコアの角度γが50°以下であることが好ましい。

（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上下のクラッド層として、６ＦＤＡと４, ４' -オキシジアニリン（ＯＤＡ）から形成されるポリイミドを上下のクラッド層に挟まれたコア層とする。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り下部クラッド層上のコアをパターニングし、その後上部クラッド層を形成してフィルム状光導波路を形成する。その後、この光導波路が形成されたシリコンウエハを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、フィルム状光導波路を作製した。光導波路フィルムの厚みは８０μｍで幅は２ｍｍとした。

この光導波路フィルムは図４に示すようなパターンであり、直線部は互いに平行であり、中心間の距離は３０ｍｍである。６０度の角度（α,β）をなす傾斜部３で結ばれ、折れ曲り部は曲率半径５ｍｍである。全長は約１３０ｍｍとなる。

この光導波路フィルムを直径４ｍｍの丸棒に傾斜部３の箇所で１回転分巻きつけた。この時、図１におけるらせん軸とコアの角度γはほぼ30°となっていた。入出力部の導波路は間隔がほぼ25ｍｍで平行であった。この時の螺旋のピッチａは22ｍｍであった。また、この状態で、光導波路フィルムの入力端からレーザー光を入射したら、出射端から受光できた。伝送効率はほぼ30％であった。

(比較例)
長さ120ｍｍの直線の光導波路を実施例１同様にして作成した。この直線導波路のほぼ中央を、直径４ｍｍの丸棒に１回転分巻きつけた。この時のピッチａは２ｍｍであった。この一端からレーザー光を導入し、他端で受光した。この場合の伝送効率はほぼ10％でしかなかった。この時のらせん軸とコアの角度γは約８０度であった。

（実施例２）
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上下のクラッド層として、６ＦＤＡと４, ４' -オキシジアニリン（ＯＤＡ）から形成されるポリイミドを上下のクラッド層に挟まれたコア層とする。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り下部クラッド層上のコアをパターニングしその後上部クラッド層を形成してフィルム状光導波路を形成する。ここで長さ方向が互いに平行な複数のコア層が形成されておりマルチアレイの光導波路となっている。その後、この光導波路が形成されたシリコンウエハを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、フィルム状光導波路を作製した。光導波路フィルムの厚みは８０μｍで幅は３ｍｍとした。

フィルム状光導波路の折れ曲り部にエキシマレーザを照射して穴あけを行った。このとき、図５に示すように形成された穴のコアを横切るミラー面８は、それぞれのコアに対して等角の角度に設定している。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。折れ曲り部の角度はα＝60°、β＝60°とした。

さらに、ミラーを形成した光導波路フィルムの入力端からレーザー光を入射したところ、出力端から光出力を観測できた。この状態から、ミラー間の傾斜部を直径４ｍｍの丸棒に螺旋状に巻いて、コアとらせん軸の角度γをほぼ２５°にした。3／4巻きして出力端を入力端に対して９０度にしても、光出力が観測できた。さらに、１巻きして１８０度に角度をましても驚くことに光出力が観測できた。

本発明の光導波路フィルムは、光集積回路、光インターコネクション用光学部品、光電気混載板等の特に柔軟性が求められる稼動部や段差のある部分に応用できる。

本発明の光導波路を螺旋状に巻く様子を示す図。光損失と曲率半径の関係を示す図。螺旋ピッチとコアの曲率半径の関係を示す図。本発明の光導波路フィルムの１例を示す図。本発明の光導波路フィルムの別の例を示す図。

符号の説明

１：コアパターン、２：直線部
３：傾斜部、４：直線部
７：貫通穴、８：ミラー面、１０：コア

Claims

高分子材料を含むコアとクラッド層を備えた光導波路フィルムであり、コアの延伸方向が第１箇所において角度αで、第２箇所において角度βでフィルム面内で互いに逆方向に折れ曲がっており、角度αおよび角度βがいずれも1０°〜８０°の範囲にあることを特徴とする光導波路フィルム。
第１個所および第２箇所の折れ曲がり部の曲率が４ｍｍ以上である請求項１に記載の光導波路フィルム。
第１個所および第２箇所の折れ曲がり部に、光路変換するためのミラーを備えていることを特徴とする請求項１記載の光導波路フィルム。
２つの部位が蝶番によって互いに開閉可能なように連結されている電子機器であって、一方の部位から他方の部位へ光信号を送信するために請求項１乃至請求項３記載の光導波路フィルムが両部位に接続されており、第１箇所および第２箇所の間のコアが蝶番の位置で螺旋軸に対して50°以下になるように螺旋状に巻かれていることを特徴とする電子機器。