JP2006284926A - 光導波路を備えた電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】コアとクラッドの比屈折率差の小さい光導波路であっても曲げた時の過剰光損失を小さくできる光導波路を備えた電子機器を提供することにある。
【解決手段】コアとクラッドとを有する光導波路フィルムを備えた電子機器であり、コアには光導波路フィルム面と平行な第１面にコアの長さ方向に伸びる窪みが形成されており、光導波路フィルムの一部がコアの前記第１面が曲げの内側を向いて曲げられていることを特徴とする電子機器である。
【選択図】 なし

Description

本発明は高分子光導波路を用いた電子機器に関し、電子機器の中で光導波路を曲げても光損失が小さくなる構造に関する。

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が、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平板型光導波路が作製されている。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平板型光導波路が実現されている（特許文献１）。

フィルム状高分子光導波路の用途の一つとして、携帯電話などの電子機器において開閉可能な二つの機構部間の信号伝送に用いることが考えられる。その際にフィルム状高分子光導波路は、二つの機構部を連結する蝶番（ヒンジ）部を跨ぐことになり、ヒンジ部で螺旋状に巻かれたりフィルム面が曲げられたりすることが考えられる。近年電子機器の高速伝送が要求されかつ小型化のために、このヒンジ部において2mm程度に小さい曲げ半径で曲げる必要がでてくる。このような高屈曲では電気配線の場合はノイズが発生し、画像の画質が劣化してしまうなどの問題が顕在化されてきている。フレキシブルな光導波路の場合もヒンジ部に屈曲して収めるためには、例えば半径２ｍｍで光導波路を曲げる場合、曲げによる過剰光損失を、例えば1dB未満にするためには、光導波路のコアとクラッドの比屈折率差を２％程度まで小さくする必要がある。ヒンジの形状によっては屈曲させているとき、瞬間的に曲げ半径２ｍｍ以下になる場合もあり、このようなときには屈折率差は２％以上求められる。

一般的によく用いられる多モード光導波路の比屈折率差は１％から１．５％である。２％以上にするためには、コアあるいはクラッド材を変更する必要がある。高分子光導波路の場合、共重合により屈折率を調整する手法がよく用いられる。材料によっては、このような高い屈折率差が実現できない場合がある。光導波路が長い場合、高すぎる屈折率差の場合、モード分散が起きてしまい、伝送信号波形が歪むなどの問題もあることから、なるべく小さい屈折率差が求められている。以上のことから、過剰光損失が大きくならない範囲で出来る限り小さい屈折率差でかつ、瞬間的な曲げに対して光損失増加のマージンがとれる光導波路が求められていた。
特開平０４−９８０７ 号

本発明の目的は、上記の課題を回避すべく、コアとクラッドの比屈折率差がたとえ小さい光導波路でも、曲げた時の過剰光損失を小さくできる光導波路を備えた電子機器を提供することにある。

本発明者は、鋭意検討した結果、曲り部の光導波路の少なくとも曲り方向と垂直方向のコアサイズを小さくすることにより、曲がり過剰光損失を低減でき、前記課題を解決することを見出し、本発明を完成させた。すなわち本発明は、コアとクラッドとを有する光導波路フィルムを備えた電子機器であり、コアには光導波路フィルム面と平行な第１面にコアの長さ方向に伸びる窪みが形成されており、光導波路フィルムの一部がコアの前記第１面が曲げの内側を向いて曲げられている電子機器である。

この窪み深さが５μｍ〜５０μｍ、該光導波路フィルムの一部が曲げ半径５ｍｍ以下で曲げられていることが好ましい。

コアの窪んだ面が内側になるように光導波路フィルムをヒンジに巻くことによって、巻くときの曲率を小さくしても光損失の増加が抑制でき、光導波路フィルムをヒンジで巻いて用いたり、あるいはある曲率で折り曲げて用いる電子機器の小型化と、光導波路での伝送損失の増大抑制を両立することができる。

以下、図を用いて詳細に説明する。ここでは、光導波路層として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樹脂を用いることももちろん可能である。また、本発明に用いられる光導波路フィルムは、光導波路単体だけでなく、光導波路層と電気配線板層とが積層している光電気混載基板や、光導波路フィルムに直接電気配線が施されている場合も含む。

図１にはフィルム状の光導波路１を円筒状部材２に巻きつけている。このとき、円筒状部材の半径を光導波路フィルムの曲げ半径とする。このフィルム状導波路のコア断面を図２に示した。コアを埋め込むクラッドの溝深さに相当する最大高さ１２から最小高さ１１を減じたのが、窪み深さすなわち窪み量１３となる。

曲がり部分以外、特に光入出力部は光結合を考えてコアサイズは大きくしても構わない。図３に本発明の光導波路の作製の一例を示す。シリコンウェハ２１上にクラッド２２となるポリイミドを塗布し、加熱イミド化により形成する(図３(a))。次に、レジスト２３を塗布し、フォトリソグラフィによりコアパターンを形成する（図３(b)）。次に、酸素プラズマのドライエッチングによりレジスト２３をマスクにして溝２４を形成する（図３(c)）。この溝パターンがコアパターンとなる。次に、形成した溝に、コア２５となるポリイミドを埋め込む（図３(d)）。このとき、スピンコートなどの手法が用いることができる。スピンコートなどに用いるポリイミドの前駆体であるポリアミド酸溶液はＮ，Ｎ−ジメチルアセトアミド（ＤＭＡｃ）などの溶媒が８０％以上含まれている。そのため、コア断面は図３(d)のように窪んだ形になる。この時に溝以外にもコア材料が薄く形成され、除去をしない限り最終プロセスまで残るが特に問題はない。コア埋め込み後、その上にクラッド２６となるポリイミドを塗布、加熱イミド化により形成する（図３(e)）。最後に、硬化したポリイミドフィルムをシリコン基板ごとフッ酸水溶液に浸漬しポリイミド光導波路をシリコンウェハから剥離し、フィルム状光導波路が得られる（図３(f)）。

このコア層表面の窪み具合は、コア材料となる溶液を塗布する時の溶媒の濃度で調整することができる。

本発明の電子機器に用いる光導波路のコアの断面形状や寸法は、導波路全長にわたって均一でよい。しかし伝送効率を高めるなどの理由で、光導波導波路のうち巻かれる部分とそうでない部分の窪み量を変える場合は、次の方法を用いればよい。

ひとつの方法は、コア幅を変えることである。コアの窪み量はコア幅にも依存する。例えば、コアとなる溝深さを４０μｍとし、コア幅が４０μｍおよび８０μｍとなる二種類の溝に１５重量％のポリアミド酸溶液を埋め込むようにスピンコートし加熱イミド化した。コアの窪み量は、コア幅４０μｍでは１２μｍ、コア幅８０μｍでは２２μｍとなる。このように、同じ条件でコーティングしたとしても、コア幅を変えることにより、窪み量を変えることができる。図４に示すように光導波路を軸に巻く箇所３１のコア幅３２を大きくすることにより、軸に巻く箇所以外のコアよりも大きな窪みを持った断面形状が得られる。

コア幅を同じにして、コアの窪み量を変化させる方法を説明する。コアとなるポリイミドの前駆体であるポリアミド酸溶液をスピンコートなどで埋め込んだ後、薄くしたい箇所に平面の出た棒状の治具などをコア材に接触させ、転写させる。その後、加熱イミド化する。これにより、接触させた箇所のコアに窪みを持たせることができる。

別の方法として、コア幅を同じにしてコアの前駆体溶液を塗布する時の塗布条件を変えることでも窪み量を変えることができる。塗布条件によりコアの両側に塗布されるコア材の厚さが厚くなる場合は、両側のコア材をエッチングなどにより除去あるいは薄くすればよい。

（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クラッドとして、６ＦＤＡとＴＦＤＢおよび６ＦＤＡと４, ４' −オキシジアニリン（ＯＤＡ）の共重合ポリアミド酸溶液から形成されるポリイミドをコアとして、フォトリソグラフィとドライエッチング技術により埋め込み型光導波路フィルムを作製した。まず、クラッドに溝を形成した。この溝の幅は４０μｍ、深さは５０μｍとした。次に、この溝に埋め込むようにコアとなる共重合ポリアミド酸溶液を埋め込んだ。コア幅４０μｍ、最小高さは３０μｍとなった。このとき、溝深さに相当する最大コア高さ５０μｍに対して、２０μｍの窪みが生じていた。コアとクラッドの比屈折率差は約１％とした。次に、コア断面が窪んだ側を内側に屈曲させて、過剰光損失を測定した。光導波路を直径４ｍｍの棒に一回転巻きつけて、そのときの光損失を測定し、巻きつける前の光損失との差を過剰光損失として算出した。測定結果として、波長850nmの光に対して過剰光損失は0.3dBとなった。光損失を測定するとき、受光側の受光径は100μmとし、曲げによりコアからクラッドに漏洩した光はほとんど測定値に影響を与えないことは事前に確認しておいた。

(実験例１）
実施例１と同様にコア断面の窪み量が20μｍの光導波路フィルムを作成した。これをコア断面が窪んだ側を内側にして、それぞれを半径が５ｍｍ、４ｍｍ、３ｍｍ、２ｍｍ、１ｍｍの棒に一回転まきつけて巻きつける前後の光損失の差である過剰光損失を測定したところ、図５のプロット（○）のようになった。

(実験例２)
実施例１と同様にコア断面の窪み量が１μｍの光導波路フィルムを作成した。これをコア断面が窪んだ側を内側にして、それぞれを半径が５ｍｍ、４ｍｍ、３ｍｍ、２ｍｍ、の棒に一回転まきつけて巻きつける前後の光損失の差である過剰光損失を測定したところ、図５のプロット（△）のようになった。

（実験例３）
次に比屈折率差1％、曲げ半径2mmとしたときコア幅は同じで、窪み量を0から30μｍまで変えて過剰光損失のデータを図６に示した。窪み量が5μｍ以下の場合、過剰光損失が1dBを大きく超えてしまったが、窪みが5μｍ以上にした場合、1dB以下に抑えることができた。さらに、10μｍ以上にすることにより、曲げ半径2mmにおいても、比屈折率差1%の光導波路に対して、確実に1dB以下平均で0.5dB以下に抑えられることが出来、曲げによる過剰光損失を生じさせない光導波路になっていることを確認した。

（実験例４）
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クラッドとして、６ＦＤＡとＴＦＤＢおよび６ＦＤＡと４, ４' −オキシジアニリン（ＯＤＡ）の共重合ポリアミド酸溶液から形成されるポリイミドをコアとして、フォトリソグラフィとドライエッチング技術により埋め込み型光導波路フィルムを作製した。まず、クラッドに溝を形成した。この溝の幅は４０μｍ、深さは３０μｍとした。次に、この溝に埋め込むようにコアとなる共重合ポリアミド酸溶液を埋め込んだ。コアを２０μｍの条件でコートしておき、酸素プラズマのドライエッチングによって、過剰なコア層をドライエッチングした。コア幅４０μｍ、高さは３０μｍとなった。このとき、最大コア高さ３０μｍに対して、３μｍの窪みが生じていた。
次に、コア断面が窪んだ側を内側に屈曲させて、過剰光損失を測定した。光導波路を直径４ｍｍの棒に一回転巻きつけて、そのときの光損失を測定し、巻きつける前の光損失との差を過剰光損失として算出した。測定結果として、波長850nmの光に対して過剰光損失は5.5dBとなった。

（比較例１）
実施例１と同様に光導波路フィルムを作製した。
実施例1とは異なり、コア断面が窪んだ側を外側に屈曲させて、過剰光損失を測定した。光導波路を直径４ｍｍの棒に一回転巻きつけて、そのときの光損失を測定し、巻きつける前の光損失との差を過剰光損失をして算出した。測定結果として、波長850nmの光に対して過剰光損失は5.2dBとなった。

本発明の光導波路フィルムを備えた電子機器は、記録、演算、通信、娯楽など多くの分野で利用できる。

光導波路を円筒に巻きつけたときの一例を示す図 本発明に用いる光導波路の断面の一例を示す図 本発明に用いる光導波路の作製方法の一例を示す図 コア幅を変動させた本発明の光導波路および各コア幅の断面形状の一例を示す図 光導波路の過剰光損失と曲げ半径の関係を示す図 光導波路のコアの窪み量と過剰光損失の関係を示す図

符号の説明

１：光導波路、２：円筒状部材、 １１：最小高さ、
１２：最大高さ、１３：窪み量、２１：シリコンウェハ、
２２：クラッド、２３：レジスト、２４：溝、２５：コア、
２６：クラッド、３１：巻く箇所、３２：コア幅

Claims (2)

1. コアとクラッドとを有する光導波路フィルムを備えた電子機器であり、コアには光導波路フィルム面と平行な第１面にコアの長さ方向に伸びる窪みが形成されており、光導波路フィルムの一部がコアの前記第１面が曲げの内側を向いて曲げられていることを特徴とする電子機器。
2. 前記窪み深さが５μｍ〜５０μｍ、該光導波路フィルムの一部が曲げ半径５ｍｍ以下で曲げられている請求項１に記載の電子機器。

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