JP2008536187A - 有機−無機ハイブリッド材料を利用したフレキシブルフィルム光導波路及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

柔軟性を有するフィルム形態のフレキシブルフィルム光導波路であって、有機−無機ハイブリッド材料で構成される上部クラッド層及び下部クラッド層と、上部クラッド層及び下部クラッド層との間に形成され、屈折率が上部クラッド層及び下部クラッド層の屈折率より高い有機−無機ハイブリッド材料で形成されるコア層とを備えるフレキシブルフィルム光導波路が開示される。また、そのようなフレキシブルフィルム光導波路の製造方法も提供される。

Description

本発明は、フレキシブルフィルム光導波路及びその製造方法に関する。より詳細には、屈折率が可変な有機−無機ハイブリッド材料をコア層及びクラッド層の材料として利用し、基板上に光導波路を形成した後、基板を除去することにより屈折度が高く曲げ損失の少ない、温度特性に優れたフレキシブルフィルム光導波路及びその製造方法に関する。

光通信とコンピューターチップの処理速度を持続的に向上させるためには、チップ間、または、基板間の電気配線を利用する現在の電気的接続を、光配線を利用する光接続に転換させることが非常に重要な問題として認識されている。そして、このような光接続を実現するために屈折自在なフレキシブルフィルム光導波路を光配線に使用することに対して注目が集まっており、それについての研究が現在綿密に行われている。

このようなフレキシブルフィルム光導波路を作製する方法として、ポリマーを利用する方法が既に知られている。これに関して、米国特許第6,091,874号明細書はポリアミドとポリイミド材料を使用してフォトリソグラフィー法によってフレキシブルフィルム光導波路を作製する方法を開示している。また、米国特許第6,496,624号明細書及びIEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, 5[5], pp 1237-1242(1999)には、d-PMMAポリマー材料を利用してフォトリソグラフィー法によってフレキシブルフィルム光導波路を作製する方法が報告されている。上記文献で報告されたフレキシブルフィルム光導波路の作製方法では、先ず、基板上に下部クラッド層を形成した後、この下部クラッド層の上部にコア層を形成する。次いで、コア層上部にフォトレジスト層を形成した後、これを露光及び現像してフォトレジストパターンを形成する。得られたフォトレジストパターンを用いて、コア層はエッチング、パターニングされる。その後、パターニングされたコア層上に上部クラッド層を形成することによって完成された光導波路は、最後に基板から分離される。しかし、ポリマー材料を使用しフォトリソグラフィー法によって作製された従来のフレキシブル光導波路は、プロセスが複雑でかつ工程が複数であるために信頼性が低く、製造コストが高いことに加えて、ポリマー材料の低い熱的安定性のために大量生産が難しい。

また、米国特許第6,144,795号明細書には、ゾル−ゲル・有機−無機ハイブリッド材料を用いてマイクロエンボス法とスタンピング法とによってシリコン基板上にシングルモードの光導波路を形成させる方法が開示されている。しかし、米国特許第6,144,795号明細書ではゾル−ゲル・有機−無機ハイブリッド材料を使用するため、光導波路が形成される基板はシリコン基板に限られるという不具合がある。さらにゾル−ゲル・有機−無機ハイブリッド材料の使用は耐熱性の低下につながるとともに、色分散および光損失が大きくなるため、大きいコア層を有するマルチモードの光導波路を作製するときに問題が多く、シングル及びマルチモードのフレキシブルフィルム光導波路の作製には適さない。

米国特許第6,091,874号明細書 米国特許第6,496,624号明細書 米国特許第6,144,795号明細書 IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, 5[5], pp 1237-1242(1999)

本発明は上記の問題を解決するためになされた発明であって、その目的は、光特性、透明性、柔軟性、強度、耐熱性及び熱安定性において優れ、屈折率が可変な光導波路を提供することである。
本発明の他の目的は、上述した特性を有する光導波路を有機−無機ハイブリッド材料を用いて、シンプルかつ容易に製造する方法を提供することである。

上記の目的を達成するために、本発明は柔軟性を有するフィルム形態のフレキシブルフィルム光導波路であって、有機−無機ハイブリッド材料で構成される上部クラッド層及び下部クラッド層と、上部クラッド層及び下部クラッド層との間に形成され、屈折率が上部クラッド層及び下部クラッド層の屈折率より高い有機−無機ハイブリッド材料で形成されるコア層を有するフレキシブルフィルム光導波路を提供する。
本発明のフレキシブルフィルム光導波路において、有機−無機ハイブリッド材料は、酸素原子の結合によって形成された網目構造を有する材料、または材料中のシリコンへの架橋または網目修飾が可能な有機単量体の結合によって形成された網目構造を有する材料であることが好ましい。

本発明のフレキシブルフィルム光導波路は、曲げ損失が1dB／cm以下であることが好ましい。
本発明のフレキシブルフィルム光導波路において、有機−無機ハイブリッド材料は、下記式１の化合物と式２の化合物又は／及び式３の化合物が縮合反応して得られるポリマー材料であることが好ましい。

[式１]
R^１R^２Si（OH）₂
[式２]
R³ _aR⁴ _bM（OR⁵）_（c-a-b）
[式３]
（OR⁶）_nSi-（X-R⁷）_m（n＋m＝4）

式１から式３において、R^１、R^２、R^３、R^４は、それぞれ、アルキル基、ケトン基、アクリル基、メタクリル基、アリル基、アルコキシ基、芳香族基、ハロゲン基、アミノ基、メルカプト基、エーテル基、エステル基、スルホン基、ニトロ基、ヒドロキシ基、シクロブテン基、カルボニル基、カルボキシル基、アルキド基、ウレタン基、ビニル基、ニトリル基、水素又はエポキシ基の中で選択される官能基を有する1種または2種以上の直鎖状、分枝状または環状のC_1〜12炭化水素基である。R⁶は、炭素数が1〜10である直鎖状または分枝状のアルキル基または水素原子である。Ｘは、炭素数が3〜6である炭素鎖である。R^７は、ビニル基、グリシドキシ基、メタアクリル基を包含するか炭素数が4〜8である炭素鎖内にフッ素原子が置換されたフッ化炭素である。nは1〜4の自然数、mは0〜3の整数、aとbは0〜3の整数、cは3〜6の整数、Mはシリコンまたは金属、R⁵はアルキル基、アルコキシ基、ケトン基、芳香族基を1種または2種以上有する直鎖状、分枝状または環状のC_1〜12炭化水素基である。

本発明のフレキシブルフィルム光導波路において、有機−無機ハイブリッド材料は、シリコンに置換された有機基によって架橋が可能な有機単量体を含む同種または異種の化合物にフリーラジカルまたは有機重合開始剤を添加するか、金属アルコキシドまたはアミン基を利用して開環反応させて重合されて作製されることが好ましい。
また、本発明は、基板上に有機−無機ハイブリッド材料で構成される下部クラッド層を形成するステップと、下部クラッド層を形成する有機−無機ハイブリッド材料より屈折率の高い有機−無機ハイブリッド材料で形成されるコア層を、モールドを利用してエンボス法またはスタンピング法によって下部クラッド層上に形成するステップと、コア層を硬化しモールドを除去するステップと、有機−無機ハイブリッド材料で形成される上部クラッド層をコア層上に形成するステップと、基板を除去するステップとを含むフレキシブルフィルム光導波路の製造方法を提供する。
また、本発明は、有機−無機ハイブリッド材料で形成されるクラッド層を基板上に形成するステップと、クラッド層に所定のパターンで光を照射することによってクラッド層の屈折率より高い屈折率を有するコア層を形成するステップと、基板を除去するステップとを含むフレキシブルフィルム光導波路の製造方法を提供する。

本発明の製造方法において、基板は金属、シリコン、金属酸化物、及び有機ポリマーの中から選択される材料からなることが好ましい。
本発明の製造方法は、基板に離型剤を塗布するステップまたは基板に疎水性を付与するための表面処理を行うステップをさらに含むことが好ましい。
本発明の製造方法において、モールドは、平板型またはロール型であることが好ましい。
本発明の製造方法は、熱または紫外線を用いて光導波路を硬化するステップをさらに含むことが好ましい。

本発明によれば、フレキシブルフィルム光導波路及びその製造方法が提供される。導波路損失が低く、屈折自在な状態での曲げ損失が低く、高温においても高い安定性を有するフレキシブルフィルム光導波路が作製可能である。さらに、製造方法がシンプルで、フレキシブルフィルム光導波路を低コストで大量生産することができる。本発明のフレキシブルフィルム光導波路は、光通信素子及び光接続素子に適用可能である。

以下、本発明の内容を詳細に説明する。
本発明は、従来の平面光導波路がなし得なかった光接続を達成することのできるフレキシブルフィルム光導波路を提供する。このフレキシブルフィルム光導波路は、狭い空間における光配線または様々な角度に屈折することを求められる光接続に適用可能であることを特徴としている。このようなフレキシブルフィルム光導波路において、導波路自体が有する低い導波路損失だけでなく自由屈折のときの曲げ損失が非常に重要視される。本発明においては、コア層とクラッド層との間の屈折率の差を増加させることにより、急激な屈折の場合においても低い曲げ損失を確保することができる。

また、フレキシブルフィルム光導波路は、適度な柔軟性及び強度を有しなければならない。即ちこの目的のために、本発明においては、一般的なポリマー材料のような柔軟性があるとともにポリマー材料より高い強度を有する有機−無機ハイブリッド材料が使用される。
本発明において、有機−無機ハイブリッド材料は、下記式１の化合物と式２の化合物又は／及び式３の化合物間の縮合反応を通じて製造される。即ち、本発明の有機−無機ハイブリッド材料は、下記式１のシランジオールと、式２又は／及び式３で示される化合物とを反応させて得られるオリゴマーを熱硬化または光硬化してポリマータイプのハイブリッド材料として作製される。

[式１]
R^１R^２Si（OH）₂
[式２]
R³ _aR⁴ _bM（OR⁵）_（c-a-b）
[式３]
（OR⁶）_nSi-（X-R⁷）_m（n＋m＝4）

上記式１〜３において、R^１、R^２、R^３、R^４は、それぞれ、アルキル基、ケトン基、アクリル基、メタクリル基、アリル基、アルコキシ基、芳香族基、ハロゲン基、アミノ基、メルカプト基、エーテル基、エステル基、スルホン基、ニトロ基、ヒドロキシ基、シクロブテン基、カルボニル基、カルボキシル基、アルキド基、ウレタン基、ビニル基、ニトリル基、水素又はエポキシ基の中で選択される官能基を有する1種または2種以上の直鎖状、分枝状または環状のC_1〜12の炭化水素基である。Aとbはそれぞれ0〜3の整数、cは3〜6の整数、Mはシリコンまたは金属、R⁵はアルキル基、アルコキシ基、ケトン基、芳香族基の中で選択される官能基を有する1種または2種以上の直鎖状、分枝状または環状のC_1〜12の炭化水素基である。さらに、R⁶は、炭素数が1〜10である直鎖状または分枝状のアルキル基または水素原子である。Xは、炭素数が3〜6である炭素鎖である。R⁷は、ビニル基、グリシドキシ基、またはメタアクリル基を包含するか、炭素数が4〜8である炭素鎖内にフッ素原子が置換されたフッ化炭素である。nは1〜4の自然数、mは0〜3間の整数である。

式１に属する化合物には、例えば、ジフェニルシランジオール、ジイソブチルシランジオールなどがあり、式１に包含される全ての材料は、単独で、または２種以上を混合して使用することができる。
式２に包含される具体的な材料には、例えば、3−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、3−グリシドキシプロピルトリエトキシシラン、3−グリシドキシプロピルメチルジメトキシシラン、3−グリシドキシプロピルメチルジエトキシシラン、3−グリシドキシプロピルトリス（メトキシエトキシ）シラン、2−（3,4−エポキシシクロヘキシル）エチルトリメトキシシラン、2−（3,4−エポキシシクロヘキシル）エチルトリエトキシシラン、3−グリシドキシプロピルフェニルジエトキシシラン、メチルトリメトキシシラン、メチルトリエトキシシラン、メチルトリプロポキシシラン、プロピルエチルトリメトキシシラン、エチルトリエトキシシラン、ビニルトリメトキシシラン、ビニルトリエトキシシラン、ビニルトリプロポキシシラン、ジメチルジメトキシシラン、ジメチルジエトキシシラン、ビニルメチルジメトキシシラン、ビニルメチルジエトキシシラン、フェニルトリメトキシシラン、ジフェニルエトキシビニルシラン、テトラメトキシシラン、テトラエトキシシラン、テトラプロポキシシラン、テトラブトキシシラン、テトラフェノキシシラン、テトラアセトキシシラン、N−（3−アクリルオキシ−2−ヒドロキシプロピル）−3−アミノプロピルトリエトキシシラン、N−（3−アクリルオキシ−2−ヒドロキシプロピル）−3−アミノプロピルトリメトキシシラン、N−（3−アクリルオキシ−2−ヒドロキシプロピル）−3−アミノプロピルトリプロポキシシラン、3−アクリルオキシプロピルジメチルメトキシシラン、3−アクリルオキシプロピルジメチルエトキシシラン、3−アクリルオキシプロピルジメチルプロポキシシラン、3−アクリルオキシプロピルメチルビス（トリメチルシロキシ）シラン、3−アクリルオキシプロピルトリメトキシシラン、3−アクリルオキシプロピルトリエトキシシラン、3−アクリルオキシプロピルトリプロポキシシラン、3−（メト）アクリルオキシプロピルトリメトキシシラン、3−（メト）アクリルオキシプロピルトリエトキシシラン、3−（メト）アクリルオキシプロピルトリプロポキシシラン、N−（2−アミノエチル−3−アミノプロピル）トリメトキシシラン、N−（2−アミノエチル−3−アミノプロピル）トリエトキシシラン、3−アミノプロピルトリメトキシシラン、3−アミノプロピルトリエトキシシラン、クロロプロピルトリメトキシシラン、クロロプロピルトリエトキシシラン、トリメトキシシリルプロピルジエチレントリアミンなどのアルコキシシランか、アルミニウムトリエトキシド、アルミニウムトリプロポキシド、アルミニウムトリブトキシド、チタニウムテトラエトキシド、チタニウムテトラプロポキシド、チタニウムテトラブトキシド、ジルコニウムテトラエトキシド、ジルコニウムテトラプロポキシド、ジルコニウムテトラブトキシド、ティンテトラエトキシド、ティンテトラプロポキシド、ティンテトラブトキシドなどの金属アルコキシド、または金属アルコキシドと、−ジケトン、または−ケトエステルとの錯化合物などがある。

式３に該当する化合物には、例えば、ヘプタデカフルオロデシルトリメトキシシラン、トリフルオロプロピルトリメトキシシラン、ペルフルオロオクチルトリエトキシシランなどがある。
同様に式２と式３に属する全ての材料は、単独で、または２種以上を混合して使用することができる。
また、本発明による有機−無機ハイブリッド材料は、式２または式３で示される化合物のうち、シリコンに置換された有機基によって架橋することのできる有機単量体を含む同種または異種の化合物を使用する場合、フリーラジカルまたは有機重合開始剤を反応物に添加するか、金属アルコキシドまたはアミン基を利用して開環反応させることによって重合して得られる。
有機重合反応は、フリーラジカル、またはカチオンまたはアニオン熱、または光有機重合開始剤を添加して実行させることができる。この場合、二分子体の形成によって重合を開始する熱化学または光化学単量体の例を挙げると、アルミニウムアルコキシド、ジルコニウムアルコキシド、チタニウムアルコキシド、１−メチルイミダゾル、イミダゾル系列、ボロントリフルオライドジエチルエーテル、ベンゾイルペルオキシド、2,2’−アゾビスイソブチロニトリルなどの単量体から選択される少なくとも１種以上の単量体がある。しかし、上記の例は、本発明に使用することのできる材料の一例として挙げたにすぎず、この例に限定されない。

本発明に使用できる有機−無機ハイブリッド材料は、縮合方法によって製造することができ、添加される有機材料の種類に従って最終材料の構造と特性を変化させることができる。有機−無機ハイブリッド材料の有機材料は、酸素原子によって形成された網目構造内において、架橋剤（network former）と修飾剤（network modifier）の役割を果たす。例えば、フェニル基またはアミン基のような有機単量体、または、無機網目構造（inorganic network）と結合することができない有機材料は、有機−無機ハイブリッド材料内において修飾剤の役割をなす。もし、添加された有機材料がグリシドキシ基、メタアクリル基、またはビニル基のような有機材料である場合、他の有機単量体または無機網目構造物内の他の有機材料と結合することによって新たな結合を形成する架橋剤の役割を果すことができる。

本発明に使用される有機−無機ハイブリッド材料は液相の状態で製造されるため、無機網目構造物と有機材料との比率をその初期濃度によって調節することができるため、有機−無機ハイブリッド材料の初期濃度を容易に調節することができる。例えば、テトラメトキシシランとフェニルトリメトキシシランを出発材料として使用するとき、テトラメトキシシランの量が多いほど最終生産物に無機網目構造物が多くなる。一方、フェニルトリメトキシシランの量が多いほど有機材料の量が多くなる。このように出発材料の種類および量によって有機材料に対する無機網目構造物の比率のみならず、最終生成物の屈折率や熱光学係数を調節することができる。特に、熱光学係数は、有機−無機ハイブリッド材料内の有機材料の量が増加するほど負の方向に増加する。

本発明による有機−無機ハイブリッド材料は、出発材料の選択によって熱光学係数を調節することができる。出発材料中の有機材料が修飾剤の役割を果たす場合、一般的に有機材料の分子量が多いほど熱光学係数は負の方向に増加する。例えば修飾された有機物がメチル基よりエチル基である場合に熱光学係数はより大きな負の値を示す。
また、本発明による有機−無機ハイブリッド材料が有機重合反応の可能な有機材料を含む場合、適当な開始剤を添加した後、熱または紫外線などの光の照射によって、有機基等の間に重合反応または架橋反応が生じて熱光学係数を調節することができる。このような有機物の重合反応または架橋反応は、有機−無機ハイブリッド材料の有機網目構造の度合いを増大させ、熱光学係数は正の方向に増加する。

本発明においては、有機−無機ハイブリッド材料は液相の状態で製造されるため、特殊な物性を有する無機材料または有機材料を容易かつ均等に添加することができる。添加される無機材料または有機材料の有する特性によって熱光学係数を調節するだけでなく、付加的な物性を付与することもできる。例えば、アルミニウムアルコキシド、ゲルマニウムアルコキシド、またはジルコニウムアルコキシドを添加する場合、熱光学係数は正の方向に増加し、屈折率、強度、感光性も高めることができる。そして、フッ素原子が置換されたシランまたは有機単量体を添加する場合、熱光学係数は負の方向に大幅に増加し、光導波の損失と屈折率を減少させることができる。また、有機−無機ハイブリッド材料内にシリカ、べーマイト、アルミナ、またはジルコニアなどの金属酸化物の粒子を水またはアルコールなどの溶媒に分散して添加させる場合、有機−無機ハイブリッド材料の熱光学係数は正の方向に増加して屈折率とともに強度も高めることができる。

本発明による有機−無機ハイブリッド材料は液相の状態で製造されるので粘度を容易に変化させることができるため、スピンコーティング法、ディップコーティング法、バーコーティング法などのように、比較的容易なコーティング法によって膜を形成することができる。又、粘度の変化によってコーティング膜の厚さを調節することができ均一なコーティング膜を形成することができる。このようなコーティング膜を使用して屈折率の高いコア部と、そのコア部を囲む屈折率の低いクラッド部を形成し、コア部とクラッド部の熱光学係数が異なるフレキシブルフィルム光導波路を作製することができる。結局、このような光導波路を用いることによって導波される光の特性を制御することのできる熱光学素子を作製することができる。

また、光を照射すると、有機−無機ハイブリッド材料を構成するオリゴシロキサンと有機単量体の分子修飾が生じることがあり、光照射前と光照射後で分子量、形状、濃度及び化学ポテンシャル（Chemical potential）に差異が生じる。これにより、硬く硬化した光及び熱硬化性有機−無機ハイブリッド材料からモールドを除去するとき、モールドに有機−無機ハイブリッド材料が付着されていない状態でフレキシブルフィルム光導波路を容易に分離することができる。

以下、本発明によるフレキシブルフィルム光導波路の製造工程を図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、有機−無機ハイブリッド材料を使用した本発明の第１態様及び第２態様におけるフレキシブルフィルム光導波路の製造工程を示す。
本発明による第１態様のフレキシブルフィルム光導波路は、先ずフレキシブル基板２上にコアより屈折率の低い有機−無機ハイブリッド材料で構成される下部クラッド層４を形成する。次いで、下部クラッド層４より屈折率が高く、コアになる有機−無機ハイブリッド材料３を下部クラッド層４上に塗布した後、モールド１ですり込みし硬化させることにより、コア５を下部クラッド層４上に形成する（マイクロエンボス法）。

一方、本発明の第２態様のフレキシブルフィルム光導波路は、下部クラッド層４より屈折率が高く、コアとなる有機−無機ハイブリッド材料３をモールド１のパターン形成部に充填させた後、これを下部クラッド層４に接合させて硬化させることにより、コア５を下部クラッド層４上に形成する（スタンピング法）。
本発明で使用されるフレキシブル基板は特に限定されるものではなく、金属、シリコン、金属酸化物、及び有機ポリマー材料から選択される材料を含むことができる。

モールド１には、有機ポリマー材料、例えば、重合可能のＰＤＭＳ系ポリマー材料が使用されるか、シリコン、石英など多様な材料が使用される。また、モールドの形態についても、平板型だけでなくロール型に作成することによって、ロールを用いるマイクロエンボス法及びスタンピング法に適したものとすることができる。
また、フレキシブルポリマー基板２と下部クラッド層４は、従来公知の方法によって形成することができる。例えば、均一な厚さを有する膜を形成するためにスピンコーティング法が利用される。ここで下部クラッド層４はスピンコーティングされた後、硬化されることになるが、溶液をコーティングする前にコーティング面を入念に洗浄する必要がある。このような洗浄工程は、膜の質に悪影響を及ぼす塵やその他の外部からの不純物を除去するために有効な工程である。また、最終的にフレキシブルポリマー基板２の除去を容易にするために、基板の表面を疎水性にする材料によって予め処理しておくことが好ましい。このような材料としては、ＨＭＤＳ（1,1,1,3,3,3−ヘキサメチルジシラザン）を例に挙げることができる。

下部クラッド層４用の材料としてはコアより低い屈折率を有し、好ましくは、光または熱硬化性の有機−無機ハイブリッド材料であって、フッ化炭素基を含有し屈折率が1.46〜1.52である材料が利用される。
下部クラッド層４上に配置したモールド１に向けて特定波長を有する光を照射し、モールド１に充填された有機−無機ハイブリッド材料を硬化する。この場合、光の照射量は、有機−無機ハイブリッド材料に含有された感光性開始剤による光重合を可能とする最少の量で足りる。
硬化工程が終了した後、モールド１を下部クラッド層４から除去することによって、平滑な表面を有するコア層を得ることができる。硬化工程に使用される光は、紫外線に該当する波長領域を有する。また、コアの形状は、光導波路の特定の形状に対応する曲げ形状（curved shape）にも作製することができる。コアは、下部クラッド層４より屈折率が高く（略1.53）、光または熱硬化性の有機−無機ハイブリッド材料によって形成される。

コア５をマイクロエンボス法またはスタンピング法によって形成した後、上部クラッド層６が形成される。上部クラッド層６は、下部クラッド層４と同様にスピンコーティング法によって形成することができる。上部クラッド層６は、下部クラッド層４と同じ材料で形成することができる。また、コア５がシングルモードまたはマルチモードの光導波路に適したサイズを有することがあるため、上部クラッド層６は多様な厚さで一度に塗布されなければならない。上部クラッド層６が下部クラッド層４と同一の材料で形成される場合、上部クラッド層６は1.46〜1.52の屈折率を有することになるため、コアとクラッド層の屈折率の差は2〜5％の範囲となり、これによって曲げ損失が1dB／cm以下、つまり曲げ損失が殆ど存在しない状態のフレキシブルフィルム光導波路を得ることができる。

最終的に、フレキシブルポリマー基板２は、その上に形成されたフレキシブルフィルム光導波路から除去される。ここで、前述の通りフレキシブルポリマー基板の表面を予め疎水性にする表面処理しておくことによって、本発明によるフレキシブルフィルム光導波路は非常に容易に分離することができる。

図２は、本発明による第３及び第４態様のフレキシブルフィルム光導波路の製造工程図を示す。
先ず、本発明の第３態様において、重合が可能な有機官能基を有する有機−無機ハイブリッド材料に感光性開始剤がドープされた透明な感光性材料をフレキシブル基板１１上に塗布する。このとき、フレキシブル基板１１とクラッド層１２は、通常の方法、例えば、均一な厚さを有する膜を形成するのに用いられるスピンコーティング法を利用して形成される。

次いで、クラッド層１２上に所定のパターンを有するマスク１３を配置し、特定波長を有する光（紫外線）１４を照射してパターニング工程を実施する。光を照射するステップにおいて、所望の光導波路パターンは、ドープされた光開始剤が反応し始める波長を有する光を使用して形成されるが、一般的には、紫外線の波長領域が利用される。また、様々な形状の導波路を形成することができる。このときの光照射に使用できる光源は、単純な光源だけでなく電子、イオン、または中性子などが使用される。なお、いずれかの出発材料に対しては、大きな空間分解能を得るには粒子の照射が有効である場合がある。
コアを形成した後、スピンコーティング法をさらに実施して均一な厚さとし、必要な場合には上部クラッド層（図示せず）を形成する。

本発明の第４態様によれば、マスク１３の代わりにレーザー１５を利用して、感光性の有機−無機ハイブリッド材料間にコアパターンを形成するパターニング工程を実施することができる。
本発明のフレキシブルフィルム光導波路は、少なくとも６ヶ月間、常温下で安定であるとともに光特性の変化は極僅かであった。
また、このようにして作製されたフレキシブルフィルム光導波路は、多様な光通信素子及び光接続素子に有効に適用することができる。光接続素子への適用として、フレキシブルフィルム光導波路を、コンピュータを含む電子部品の回路基板と回路基板との間、または、無線携帯電話及びノートブックコンピュータのディスプレイウィンドウと入力部との間に使用される光接続素子として用いることができる。

以下、本発明の内容を実施例を通じて、より詳細に説明する。ただし、以下の実施例は本発明の内容を説明するために提示されるだけであり、本発明の権利範囲がこれらの実施例に限定されないことはいうまでもない。

まず、コアレジン用として、3−メタクリルオキシプロピルトリメトキシシラン（Aldrich社製）13.78gと、ジフェニルシランジオール（Fluka社製）12.00gを混合した後、シロキサン反応を促進させる触媒として水酸化ナトリウム0.01gを添加した。次いで、80℃で6時間攪拌してメタクリル−フェニル−シリカ有機−無機ハイブリッド材料を作製した。他方、クラッドレジン用として、3−メタクリルオキシプロピルトリメトキシシラン（Aldrich社製）13.78gとジフェニルシランジオール（Fluka社製）12.00g、さらに、ヘプタデシルフルオロデシルトリメトキシシラン（Toshiba社製）5.20gを混合した後、シロキサンを形成するための反応を促進させる触媒として水酸化ナトリウム0.01gを添加した後、80℃で6時間攪拌してメタクリル−フェニル−フッ化炭素−シリカハイブリッド材料を作製した。

得られたコアレジンとクラッドレジンそれぞれに対して、重合のための熱及び感光性開始剤である有機単量体としてのBDKをアルコキシドの合計量に対して1mol％添加した後、有機単量体が完全に溶解されるまでさらに攪拌して溶液を調製した。調製されたクラッド溶液をPETフレキシブルポリマーフィルム上にスピンコーターを利用して塗布した後、図１に示したマイクロエンボス法及びスタンピング法を利用してフレキシブルフィルム光導波路を作製した。

［実験例１］曲げ損失の測定
図３は、実施例１で作製されたフレキシブルフィルム光導波路の屈折実験の結果を示す。実験では180度の曲げを適用して曲げ半径を漸次減少させることによって発生する曲げ損失を測定した。フレキシブルフィルム光導波路のコアとクラッド層の屈折率の差が2％であるとき、曲げ半径によって変わる、曲げの前および180度曲げの後の曲げ損失を測定した。その結果を表１に示す。表１に示すように、曲げ半径が2mmまで減少したときでさえも、曲げ損失が生じないことを確認することができた。

［実験例２］導波損失の測定
実施例１で作製したフレキシブルフィルム光導波路の、距離によって変化する導波路損失を測定した。実験のために、フレキシブル光導波路を異なる長さに切断して微細研磨した。その断面の光学写真を図４に示す。測定された光導波路の損失は、長さによって変わるが、約0.25dB／cm以下であることを確認することができた。

［実験例３］屈折率の変化
実施例１におけるコアレジンとしてのメタクリル−フェニル−シリカ有機−無機ハイブリッド材料と、クラッドレジンとしてのメタクリル−フェニル−フッ化炭素−シリカ有機−無機ハイブリッド材料との間の屈折率の差を変化させた。屈折率の差が最大となったとき、フレキシブルフィルム光導波路の曲げ損失を最小とすることができた。実験のために、クラッドレジン調製用に用いられるヘプタデシルフルオロデシルトリメトキシシラン前駆体の量を変化させた。表２に示すように、コアとクラッドの屈折率の差が2〜5％の範囲で変化することが確認できた。

［実験例４］光損失の測定
実施例１で作製されたフレキシブルフィルム光導波路をオーブンに入れて、温度を−20℃から80℃まで変化させた場合のフレキシブルフィルム光導波路に表れる光損失の変化を測定した。その結果を図５に示す。図５に示すように、温度を100℃の範囲にわたって変化させたとしても、各測定温度における光損失の差は2dB以下であり、光損失の変化が極めて微少であることを確認することができた。

上述のように、本発明は、有機−無機ハイブリッド材料を使用してフレキシブルフィルム光導波路及びその製造方法を提供する。
本発明によると、導波路損失が少なく、屈折自在な状態における曲げ損失が小さく、高温においても安定なフレキシブルフィルム光導波路を作製することができる。また、製造方法がシンプルでかつ低コストでフレキシブルフィルム光導波路を大量生産することができる。本発明のフレキシブルフィルム光導波路は、光通信素子や光接続素子に適用することができる。
本発明を説明するために本発明の望ましい態様を示したが、添付の特許請求の範囲において開示された発明の趣旨を逸脱しない範囲で、当業者が適宜、様々な変更、追加、置換を行うことができることはいうまでもない。

マイクロエンボス法及びスタンピング法を用いて本発明に係るフレキシブルフィルム光導波路を作製する工程を示す図である。 光照射により本発明に係るフレキシブルフィルム光導波路を作製する工程を示す図である。 本発明の製造方法を用いて作製されたフレキシブルフィルム光導波路の曲げ状態を示す写真である。 本発明の製造方法を用いて作製されたフレキシブルフィルム光導波路の研磨された断面の光学顕微鏡写真である。 本発明によるフレキシブルフィルム光導波路の温度による光損失の変化を示すグラフである。

符号の説明

１・・・モールド、２・・・基板、３・・・有機−無機ハイブリッド材料、４・・・下部クラッド層、５・・・コア、６・・・上部クラッド層、１１・・・基板、１２・・・クラッド層、１３・・・マスク、１４・・・光（紫外線）、１５・・・レーザー

Claims (16)

1. 柔軟性を有するフィルム形態のフレキシブルフィルム光導波路であって、
   有機−無機ハイブリッド材料で構成される上部クラッド層及び下部クラッド層と、
   前記上部クラッド層及び前記下部クラッド層との間に形成され、屈折率が前記上部クラッド層及び前記下部クラッド層の屈折率より高い有機−無機ハイブリッド材料で形成されるコア層とを備えるフレキシブルフィルム光導波路。
2. 前記有機−無機ハイブリッド材料は、酸素原子の結合によって形成された網目構造を有するポリマー材料、または材料中のシリコンへの架橋または網目修飾が可能な有機単量体の結合によって形成された網目構造を有するポリマー材料であることを特徴とする請求項１に記載のフレキシブルフィルム光導波路。
3. 曲げ損失が1dB／cm以下であることを特徴とする請求項１に記載のフレキシブルフィルム光導波路。
4. 前記有機−無機ハイブリッド材料は、下記式１の化合物と式２の化合物又は／及び式３の化合物が縮合反応して得られるポリマー材料でなることを特徴とする請求項１に記載のフレキシブルフィルム光導波路。
   [式１]
   R^１R^２Si（OH）₂
   [式２]
   R³ _aR⁴ _bM（OR⁵）_（c-a-b）
   [式３]
   （OR⁶）_nSi-（X-R⁷）_m（n＋m＝4）
   （前記式１〜式３において、R^１、R^２、R^３、R^４は、それぞれ、アルキル基、ケトン基、アクリル基、メタクリル基、アリル基、アルコキシ基、芳香族基、ハロゲン基、アミノ基、メルカプト基、エーテル基、エステル基、スルホン基、ニトロ基、ヒドロキシ基、シクロブテン基、カルボニル基、カルボキシル基、アルキド基、ウレタン基、ビニル基、ニトリル基、水素又はエポキシ基の中で選択される官能基を有する1種または2種以上の直鎖状、分枝状または環状のC_1〜12の炭化水素基であり、前記R⁶は、炭素数が1〜10である直鎖状または分枝状のアルキル基または水素原子である。Xは、炭素数が3〜6である炭素鎖である。R^７は、ビニル基、グリシドキシ基、またはメタアクリル基を包含するか炭素数が4〜8である炭素鎖内にフッ素原子が置換されたフッ化炭素である。nは1〜4の自然数、mは0〜3間の整数、aとbは0〜3の整数、cは3〜6の整数、Mはシリコンまたは金属、R⁵はアルキル基、アルコキシ基、ケトン基、芳香族基を単独または2種以上有する直鎖状、分枝状または環状のC_1〜12の炭化水素基である。）
5. 前記有機−無機ハイブリッド材料は、シリコンに置換された有機基によって架橋が可能な有機単量体を含む同種または異種の化合物にフリーラジカルまたは有機重合開始剤を添加するか、金属アルコキシドまたはアミン基を利用して開環反応させて重合されたことを特徴とする請求項４に記載のフレキシブルフィルム光導波路。
6. 基板上に有機−無機ハイブリッド材料で構成される下部クラッド層を形成するステップと、
   前記下部クラッド層を形成する前記有機−無機ハイブリッド材料より屈折率の高い有機−無機ハイブリッド材料で形成されるコア層を、モールドを利用してエンボス法またはスタンピング法によって前記下部クラッド層上に形成するステップと、
   前記コア層を硬化させた後、前記モールドを除去するステップと、
   前記コア層上に上部クラッド層を形成するステップと、
   前記基板を除去するステップと、を含むフレキシブルフィルム光導波路の製造方法。
7. 有機−無機ハイブリッド材料で形成されるクラッド層を基板上に形成するステップと、
   前記クラッド層に所定のパターンで光を照射することによって前記クラッド層の屈折率より高い屈折率を有するコア層を形成するステップと、
   前記基板を除去するステップを含むフレキシブルフィルム光導波路の製造方法。
8. 前記コア層の上に有機−無機ハイブリッド材料で形成される上部クラッド層を形成するステップをさらに含むことを特徴とする請求項７に記載のフレキシブルフィルム光導波路の製造方法。
9. 前記基板は、金属、シリコン、金属酸化物、及び有機ポリマーの中から選択される材料からなることを特徴とする請求項６または７に記載の製造方法。
10. 前記基板に離型剤を塗布するステップまたは前記基板に疎水性を付与するための表面処理を行うステップをさらに含むことを特徴とする請求項６または７に記載の製造方法。
11. 前記モールドは、平板型またはロール型であることを特徴とする請求項６に記載の製造方法。
12. 前記光導波路を熱または紫外線を用いて硬化するステップをさらに含むことを特徴とする請求項６または７に記載の製造方法。
13. 請求項１の光導波路を包含する光通信素子。
14. 請求項１の光導波路を包含する光接続素子。
15. 前記光導波路は、コンピューターを含む電子部品の回路基板と回路基板との間に接続されることを特徴とする請求項１４に記載の光接続素子。
16. 前記光導波路は、無線携帯電話及びノートブックコンピュータのディスプレイウィンドウと入力部との間に接続されることを特徴とする請求項１４に記載の光接続素子。

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