JP2009103876A - 光導波路 - Google Patents

Abstract

【課題】クラッド部の材料使用量と生産性を犠牲にすることなく、幅方向の屈曲が抑制され、スライド機構に適した光導波路を提供すること。
【解決手段】クラッド部１４及びクラッド部１４に埋設された導波路コア１２を備えた光導波路本体１６と、光導波路本体１６（クラッド部１４）の周囲を被覆し包囲する被覆部１８と、を有する光導波路フィルム１０において、被覆部１８は、導波路コア１２の光の伝播方向に対して直交する方向に沿った断面形状が、クラッド部１４の断面形状よりも高いアスペクト比を有して配設させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、光導波路に関するものである。

近年、コンピュータの処理能力の向上に伴い、コンピュータや各種装置間の電気配線がシステム全体の性能を制限する「配線ボトルネック」という問題が生じている。機器内や機器間等の比較的近距離の信号伝送を光によって行う光インターコネクションは、電気配線のようにインピーダンスによる信号遅延がないことや配線間干渉が生じないことから、この配線ボトルネックを解消する有力な手段として注目されている。

多数の受益者がインフラコストを負担する光通信分野と比較して、個人用途の電子機器装置の光化を目指す光インターコネクションでは経済的な光部品が要求される。高分子光導波路は材料コストと製造コストの観点から石英系光導波路と比較して優れており、光インターコネクションを実現するキーデバイスとして期待されている。

経済性の観点の他、光導波路はその柔軟性も大きな魅力となる。ノート型パソコンや折り畳み型携帯電話のヒンジに代表される稼働部の光配線への適用可能性から、電気配線に用いられるフレキシブルプリント基板のような、ねじれや折り曲げに対する追従性を有するフレキシブルタイプの高分子光導波路が検討されている（特許文献１参照）。

また、特許文献２では、クラッド層間の界面における剥離が生じにくいフィルム光導波路をインクジェット方式のプリンタの印字ヘッド部のようなスライド機構を有する電子機器装置に用いることによる、電子機器装置の耐久性の向上が提案されている。

光導波路をスライド機構に適用する場合、面内方向への変形による捩れ等の屈曲異常を抑制する為に高いアスペクト比の光導波路断面構造が要求される。
特開２００３−２０７６５９公報 ＷＯ２００６／００１４４７公報

ところで、電子機器に適用される光導波路は、光によるデータ伝送は高速化が容易な為、電気による伝送と比較して信号線の数は少なくてよく、結果として光導波路断面のアスペクト比は小さくなる傾向にある。光導波路のアスペクト比が小さくなると、光導波路の幅方向に屈曲してしまい、スライド機構を有する電子機器装置に装着した際、スライド機構が機能され難くなる。また、クラッド部の幅を拡張することで高アスペクト比の断面形状を得ることは可能であるが、光学特性と屈曲性を有する高価な材料の使用量が増加し、また、１プロセス当たりの生産量は低下する為にコスト高となってしまう。

そこで、本発明の課題は、クラッド部の材料使用量と生産性を犠牲にすることなく、幅方向の屈曲が抑制され、スライド機構に適した光導波路を提供することにある。

上記課題は、以下の手段により解決される。即ち、
請求項１に係る発明は、
光が伝播する導波路コアと、
前記導波路コアを包囲し、前記導波路コアよりも屈折率が低いクラッド部と、
前記クラッド部を包囲して被覆する被覆部と、
を有し、
前記導波路コアの光の伝播方向に対して直交する方向に沿った前記被覆部の断面形状が、前記クラッド部の断面形状よりも高いアスペクト比を有することを特徴とする光導波路である。

請求項２に係る発明は、
前記被覆部が、シリコーン樹脂を含んで構成されることを特徴とする請求項１に記載の光導波路である。

請求項３に係る発明は、
前記シリコーン樹脂が、難燃性のシリコーン樹脂であることを特徴とする請求項２に記載の光導波路である。

請求項１に係る発明によれば、クラッド部の材料使用量と生産性を犠牲にすることなく、幅方向の屈曲が抑制され、スライド機構に適した光導波路を提供することができる。

請求項２に係る発明によれば、被覆されるクラッドや導波路コアとの線膨張係数の違いによる内部応力に起因する歪みが抑制され、広い温度範囲でゴム弾性を示すことから光導波路の柔軟性が阻害され難くなる。

請求項３に係る発明よれば、簡易且つ低コストで光導波路に難燃性が付与される。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しつつ説明する。なお、実質的に同一の機能・作用を有する部材には、全図面を通じて同じ符合を付与し、重複する説明は省略することがある。

図１は、実施形態に係る光導波路フィルムを示す概略構成図であり、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）はＡ−Ａ断面図を示す。

本実施形態に係る光導波路フィルム１０は、図１に示すように、例えば、長尺状の光導波路であり、クラッド部１４と、クラッド部１４に埋設された導波路コア１２と、を備えた光導波路本体１６を有している。そして、光導波路本体１６（クラッド部１４）の周囲を被覆し、包囲する被覆部１８を有している。

そして、被覆部１８は、導波路コア１２の光の伝播方向に対して直交する方向に沿った断面形状が、クラッド部１４の断面形状よりも高いアスペクト比を有して配設されている。即ち、光導波路フィルム１０をその長手方向に対して直交方向に沿って切断したとき、被覆部１８の断面形状がクラッド部１４の断面形状よりも高いアスペクト比を有している。

ここで、アスペクト比とは、光導波路フィルム１０の幅方向の長さを、厚み方向の長さで割った比を示す。具体的には、図１（Ｂ）に示すように、被覆部１８の幅をＲ１１、厚みをＲ１２としたとき、被覆部１８のアスペクト比は「幅Ｒ１１／厚みＲ１２」で示される。一方、クラッド部１４の幅をＲ２１、厚みをＲ２２としたとき、クラッド部１４のアスペクト比は、「幅Ｒ２１／厚みＲ２２」で示される。なお、ここで言う、被覆部１８、クラッド部１４の幅、厚みは、いずれも埋設部材も含めた全体の長さを示す。

そして、上述のように、光導波路フィルム１０は、被覆部１８のアスペクト比「幅Ｒ１１／厚みＲ１２」がクラッド部１４のアスペクト比「幅Ｒ２１／厚みＲ２２」よりも高く構成されている。

被覆部１８のアスペクト比は、５以上５０以下（望ましくは１０以上３０以下）であることがよい。一方、クラッド部１４のアスペクト比は、０．５以上１０以下（望ましくは１以上５以下）であることがよい。

次に、各部材について説明する。
導波路コア１２は、同一平面上であって光導波路フィルム１０の幅方向に互いに伝播光が並進するように並列に配列して複数配設されている。なお、本実施形態では、２本の導波路コア１２が配列されている。一方、クラッド部１４は、導波路コア１２よりも屈折率が低い材料で構成され、導波路コア１２の周囲を取り囲んで配設されている。これら、導波路コア１２とクラッド部１４とは、屈折率の差が設定できる材料であれば同種でも異種の材料により構成してもよい。当該材料としては、例えば、ポリオレフィン樹脂、アクリル系樹脂、エポキシ系樹脂、ポリイミド系樹脂等が用いられる。

また、被覆部１８は、導波路コア１２と直接接しないことから、光学的に透明である必要はない。被覆部１８を構成する材料としては、シリコーン樹脂が望ましい。シリコーン樹脂としては、硬化型のシリコーン樹脂が用いられ、例えば、室温硬化型のシリコーン樹脂、紫外線硬化型のシリコーン樹脂が挙げられる。これらの中でも、紫外線硬化型のシリコーン樹脂が好適である。

また、シリコーン樹脂は、難燃性のシリコーン樹脂であることがよい。樹脂の難燃性はＵＬ規格に基づくＵＬ９４燃焼性試験により評価される。難燃性樹脂のＵＬ９４試験は、幅１３．０ｍｍ、長さ１２５ｍｍ、厚みは認定を受けたい最小厚さの短冊状試験片を用いて行い、垂直燃焼試験又は水平燃焼試験によりガスバーナーの炎を当てて試験片の燃焼の程度を調べる公知の燃焼試験であって、このＵＬ９４に基づく一般的な材料の難燃性の等級としては、難燃性の高いものから順に５ＶＡ、５ＶＢ、Ｖ−０、Ｖ−１、Ｖ−２、そしてＨＢがある。本実施形態の難燃性のシリコーン樹脂は、このＵＬ９４試験による難燃性がＨＢ以上であり、好ましくはＶ−２以上、更に好ましくは、Ｖ−０以上である。

難燃性のシリコーン樹脂として具体的には、例えば、難燃性フィラー（充填材：例えば、白金化合物、酸化チタン、酸化鉄、カーボン、金属炭酸塩等）を含む、脱アセトン型のシリコーン樹脂などが挙げられる。当該難燃性フィラーを含む脱アセトン型のシリコーン樹脂は、自己消火性も付与される。

また、シリコーン樹脂の引張強度は、光導波路フィルム１０の幅方向への屈曲（変形）の拘束効果から２ＭＰａ以上とすることが望ましく、また、光導波路フィルム１０の屈曲に対する追従性から２０ＭＰａ以下とすることが望ましい。ここで引張強度はＡＳＴＭ Ｄ４１２によって規定される値である。

上記構成の本実施形態に係る光導波路フィルム１０は、その長手方向長さが、例えば、５ｃｍ以上４０ｃｍ以下（望ましくは１０ｃｍ以上３０ｃｍ以下）であることがよく、概ね３０ｃｍ程度であることがよい。

また、本実施形態に係る光導波路フィルム１０の作製方法は、剛直な基板を持たないフレキシブル（柔軟）な光導波路フィルム１０が作製可能な手法であれば制限なく利用することができる。具体的には、例えば、層状のコア層の両面が２つクラッド層で挟持されて積層された３層構造のフィルムを準備し、当該フィルムのコア層と一方のクラッド層とをダイシングソーによって部分的に切削除去することにより導波路コア１２を形成し、クラッド層と同じ高分子樹脂で光導波路コアを覆うことにより、直線状の導波路コア１２がクラッド部１４に包囲された構造の光導波路本体１６が作製される。そして、光導波路本体１６を、鋳型による成形方法等により光導波路本体１６（クラッド部１４）の周囲を被って被覆部１８を形成する。被覆部１８の形成方法は、上記手法に限定されるものではない。また、被覆部１８は、光導波路本体１６単体に形成するだけではなく、当該光導波路本体１６が受発光素子などの光素子と結合されたモジュールの状態で全体を被って形成されていてもよい。

以上説明した本実施形態に係る光導波路フィルム１０は、被覆部１８のアスペクト比がクラッド部１４のアスペクト比よりも高く構成させることで、クラッド部１４を幅方向に拡張せずに被覆部１８により光導波路フィルム１０が幅方向に拡張された構造となる。このため、クラッド部の材料使用量と生産性を犠牲にすることなく、幅方向の屈曲が抑制される。結果、スライド機構に適した光導波路フィルム１０（フレキシブル光導波路）となる。

ここで、電子機器等のスライド機構における光導波路フィルム１０の理想的な屈曲状態は、図２（Ａ）に示すように、光導波路フィルム１０の厚み方向のみに屈曲し、また、屈曲部に内接する仮想円柱の中心軸として定義される屈曲軸（図中一点斜線）はスライド方向（図中矢印）に対し垂直である。図２（Ａ）においては、光導波路フィルム１０は、一端が電子機器本体（図示せず）、他端が移動部材２０（例えばインクジェット記録ヘッド）と連結され、移動部材２０が支持部材２２により支持され、シャフト２４の軸方向に沿って移動、即ちスライドするスライド機構が示されている。そして、図２（Ｂ）に示すように、移動部材２０がスライドすると、光導波路フィルム１０の屈曲部もスライド方向にずれることで、移動部材２０が光導波路フィルム１０と連結された状態でスライドされる。

しかし、自重やその他の外力で幅方向についても屈曲すると、特に、光の伝播方向に垂直な面で切り取った断面形状の厚みと幅の比が小さい所謂低アスペクト比の状態では幅方向への変形量が無視できないレベルで屈曲してしまい、図３に示すような屈曲異常が頻繁に発生する。屈曲異常が発生した場合、機器内で他の部品と接触や、光導波路フィルム１０の屈曲部への過剰な応力集中により破損し、スライド機構のみならず電子機器自体の動作不良の原因となる。

一方、本実施形態に係る光導波路フィルム１０では、上記構成とすることで、幅方向の屈曲が抑制される。結果、スライド機構に適した光導波路フィルム１０（フレキシブル光導波路）となる。特に、光導波路フィルム１０は、その他、上記説明した他の特性を満たすと、より効果的に幅方向の屈曲が抑制される。

また、本実施形態に係る光導波路フィルム１０では、被覆部１８をシリコーン樹脂を含んで構成させることで、被覆されるクラッドや導波路コアとの線膨張係数の違いによる内部応力に起因する歪みが抑制され、広い温度範囲でゴム弾性を示すことから光導波路の柔軟性が阻害され難くなる。また、クラッド部１４や導波路コア１２の構成材料に比べシリコーン樹脂は低廉であることから、クラッド部１４ではなく上記被覆部１８により光導波路フィルム１０の幅方向を拡張することで、より低コスト化が実現される。

また、シリコーン樹脂として難燃性のシリコン樹脂を用い、これで、クラッド部１４及び導波路コア１２で構成される光導波路本体１６を覆うことで、簡易且つ低コストで光導波路に難燃性が付与される。結果、難燃性が要求される電子機器の部品として好適に適用される。

以下、本発明を、実施例を挙げてさらに具体的に説明する。ただし、これら各実施例は、本発明を制限するものではない。

（実施例１）
厚さ５０μｍのエポキシ系樹脂層（コア層：屈折率１．６０）の両面が厚さ１０μｍと厚さ２０μｍのエポキシ系樹脂（クラッド層：屈折率１．５５）で覆われた、長さ１２５ｍｍ、幅３０ｍｍの３層構造の高分子フィルムを準備した。

次に、一方の厚さ２０μｍのエポキシ系樹脂層を設置面（下面）にして、高分子フィルムをダイシングソーに設置し、厚さ１００μｍのブレードを取り付けたダイシングソーを用いて高分子フィルムの最下面（設置面）より１０μｍの位置が切削深さとなり、幅５０μｍの光導波路コアが高分子フィルム幅方向に２５０μｍピッチで整列するように、厚さ１０μｍのエポキシ系樹脂層側から厚さ５０μｍのエポキシ系樹脂層を切削して切削溝を形成した。このようにして導波路コアを形成した。

次に、１０μｍエポキシ系樹脂層側に形成された切削溝に光導波路コアを覆うようにエポキシ系紫外線硬化樹脂（屈折率１．５５）を塗布・充填し、紫外線露光により硬化させた。

次に、ダイシングソーによって外形を整形し、長さ１２０ｍｍ、幅０．４ｍｍ、厚さ８０μｍの２チャンネル光導波路本体を作製した。

次に、難燃性シリコーン樹脂として、信越化学工業社製の１液型の縮合硬化型シリコーン樹脂を用意した。
−実施例１で用いた難燃性シリコーン樹脂の特性−
・未硬化時における粘度 ：２０Ｐａ・ｓ
・引っ張り強度 ：４．０ＭＰａ
・環状ジメチル型の結合量がＤ３（３量体）〜Ｄ２０（２０量体）である低分子シロキサンの含有量 ：３００ｐｐｍ未満
・難燃性フィラーの種類 ：酸化シリコン及び酸化チタン
・上記難燃性フィラーの総含有量 ：５０重量％
・ＵＬ−９４試験による難燃性 ：Ｖ−０

次に、幅２ｍｍ、深さ２００μｍの溝が形成された一辺が１５０ｍｍのテフロン(登録商標)板上を用意し、溝中に１００μｍの厚さで、この難燃性シリコーン樹脂を、塗布ロボット（武蔵エンジニアリング社製、ＦＡＤ３２０Ｓ）を用いて塗布し、次に上記２チャンネル光導波路を溝中に塗布されたシリコーン樹脂上に設置した。次に、さらに、２チャンネル光導波路本体を覆うように同様の装置を用いてシリコーン樹脂を塗布した。

次に、室温（２５度）で１０分放置して、シリコーン樹脂を硬化させ、テフロン(登録商標)板の溝よりシリコーン樹脂と共に光導波路本体を取り出し、幅２ｍｍ、厚さ２００μｍの被覆部の中央に２チャンネル光導波路本体が埋設された被覆付フレキシブル光導波路フィルムを得た。

得られた被覆付フレキシブル光導波路フィルムにおける被覆部の断面形状のアスペクト比（幅２ｍｍ／厚み２００μｍ）は１０、クラッド部の断面形状のアスペクト比（幅０．４ｍｍ／厚み８０μｍ）は５であり、被覆部の断面形状が、クラッド部の断面形状よりも高いアスペクト比を有していた。

得られた被覆付フレキシブル光導波路フィルムについて、ＩＰＣ屈曲試験（ＩＰＣ規格ＴＭ−６５０）を屈曲半径Ｒ＝１．５ｍｍ、屈曲速度１２０ｃｐｍ、ストローク３０ｍｍの条件で実施したところ、１０万回の屈曲後に未破断であり、良好な屈曲耐性を示した。

また、得られた被覆付フレキシブル光導波路フィルムについて、試験片幅が規格(１３．０±０．５ｍｍ)を逸脱しているが、ＵＬ規格に基づく難燃性評価を行い、ＵＬ９４ＨＢに適合する結果が得られた。

（比較例１）
実施例１と同様の方法により、長さ１２０ｍｍ、幅０．４ｍｍ、厚さ８０μｍの２チャンネル光導波路本体を作製した。これをフレキシブル光導波路フィルムとした。

次に、得られたフレキシブル光導波路フィルムについて、ＩＰＣ屈曲試験（ＩＰＣ規格ＴＭ−６５０）を屈曲半径Ｒ＝１．５ｍｍ、屈曲速度１２０ｃｐｍ、ストローク３０ｍｍの条件で実施したところ、光導波路は捻りを伴う異常な屈曲状態となり、およそ２０００回で破断する不良な結果となった。

（比較例２）
被覆部の断面形状のアスペクト比を３（幅０．９ｍｍ／厚み３００μｍ）とする他は実施例１と同様の方法により、長さ１２０ｍｍ、幅０．４ｍｍ、厚さ８０μｍの２チャンネル光導波路本体とする難燃性シリコーン樹脂被覆付のフレキシブル光導波路を作製した。
次に、得られたフレキシブル光導波路フィルムについて、ＩＰＣ屈曲試験（ＩＰＣ規格ＴＭ−６５０）を屈曲半径Ｒ＝１．５ｍｍ、屈曲速度１２０ｃｐｍ、ストローク３０ｍｍの条件で実施したところ、光導波路は捻りを伴う異常な屈曲状態となり、およそ３５００回で破断する不良な結果となった。

実施形態に係る光導波路フィルムを示す概略構成図である。 実施形態に係る光導波路フィルムをスライド機構に適用した様子を示す模式図である。 光導波路フィルムの屈曲異常が発生した様子を示す模式図である。

符号の説明

１０ 光導波路フィルム
１２ 導波路コア
１４ クラッド
１６ 光導波路本体
１８ 被覆部
２０ 移動部材
２２ 支持部材
２４ シャフト

Claims (3)

1. 光が伝播する導波路コアと、
   前記導波路コアを包囲し、前記導波路コアよりも屈折率が低いクラッド部と、
   前記クラッド部を包囲して被覆する被覆部と、
   を有し、
   前記導波路コアの光の伝播方向に対して直交する方向に沿った前記被覆部の断面形状が、前記クラッド部の断面形状よりも高いアスペクト比を有することを特徴とする光導波路。
2. 前記被覆部が、シリコーン樹脂を含んで構成されることを特徴とする請求項１に記載の光導波路。
3. 前記シリコーン樹脂が、難燃性のシリコーン樹脂であることを特徴とする請求項２に記載の光導波路。

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