JP3721923B2 - 光モジュール - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、フッ素を含有する樹脂を用いて光導波路を形成した光モジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、石英系の光導波路に替わって低コスト化が期待できるポリマー系の光導波路を用いた光モジュールの研究開発が活発に行われている。中でも、ポリマー材料としてポリイミドを用いたものは耐熱性や信頼性に優れるためにプロセス適合性や実用性を考える上では有利である。更にフッ素化をすることでＣ−Ｈ結合を低減し、光の伝送損失を低減することが可能となっている。従来例としては、特開平９−２１９２０号公報、特開平１０−２８８７１７号公報、特開平１１−１３３２５４号公報等が挙げられる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
このポリマー系の光導波路では、光通信の波長である１．３〜１．６オｍ領域の伝送損失を低減すべく、損失の原因であるＣ−Ｈ結合を低減するためにフッ素を導入している。通常の光導波路は、下層から下層クラッド、コア層、上層クラッドの構成を取るが、フッ素の導入はコア層だけに限らず、上層・下層クラッドにも用いられる。これは、光がコア層からクラッド側に幾分しみ出し、クラッド側の損失も問題となるからである。
【０００４】
一方、光モジュールに用いられる接着剤や封止剤としては、弾性率が低く応力を抑制でき、更に吸水率も低いことからシリコーン系樹脂が用いられる場合が多い。この場合、シリコーン系樹脂を塗布する前に、光モジュールの光導波路基板や光素子等の表面をクリーニングして、それらとシリコーン系樹脂との接着信頼性を向上させ、それによってモジュールの動作信頼性を安定的に確保していた。例えば、光モジュールに紫外線を照射したり、プラズマを用いたアッシングを行うことでクリーニングしていた。あるいは、光導波路と光ファイバを紫外線硬化型接着剤を用いて接続するが、この場合にも光導波路の表面には紫外線硬化型接着剤を硬化させるための紫外線が照射されていた。
【０００５】
我々は、上記のような光モジュールについて開発・研究を続けているが、これによれば上層クラッド材料がフッ素を重量比で１０％以上含有する樹脂からなるものである場合に、この表面に前記の紫外線を照射したりプラズマを用いたアッシングを施した後に、その表面にシリコーン系樹脂を塗布して硬化させると、シリコーン系樹脂が硬化阻害を受けることが明らかとなった。具体的には、上層クラッド材料がフッ素を１０％以上含有すると、シリコーン系樹脂の硬化作業を行った後に針でシリコーン系樹脂に触って再度離すと糸を引く状態となったり、光モジュールを傾けたりすると、シリコーン系樹脂が流れたりすることが明らかとなった。
【０００６】
本発明の目的は、シリコーン系樹脂の硬化阻害を抑制できる光モジュールを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、上層クラッド層とシリコーン系樹脂との間に、中間層を設けたものである。例えば、金属膜、非金属性の無機物層、フッ素を含有しない樹脂層、フッ素含有量の少ない樹脂層のうちの少なくとも１つを中間層として使用したものである。
【０００８】
より具体的には、例えば、光導波路がフッ素を少なくとも含有する樹脂で構成され、該光導波路上部の少なくとも一部にシリコーン系樹脂が存在する光モジュールにおいて、該光導波路と該シリコーン系樹脂との間に金属膜を設けたものである。
【０００９】
また、前記の金属膜が、Ａｌ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ａｕの中から選ばれる少なくとも一種の金属で構成したものである。
【００１０】
また、光導波路がフッ素を少なくとも含有する樹脂で構成され、該光導波路上部の少なくとも一部にシリコーン系樹脂が存在する光モジュールにおいて、該光導波路と該シリコーン樹脂との間に無機物層を設けたものである。
【００１１】
また、前記無機物層が、Ｓｉ、ＳｉＯ２、ＳｉＮ、ＴａＯ２、Ａｌ２Ｏ３の中から選ばれる少なくとも一種の材料で構成されるものである。
【００１２】
また、光導波路がフッ素を少なくとも含有する樹脂で構成され、該光導波路上部の少なくとも一部にシリコーン系樹脂が存在する光モジュールにおいて、該光導波路と該シリコーン系樹脂との間にフッ素を含有しない樹脂層を設けたものである。
【００１３】
また、光導波路がフッ素を少なくとも含有する樹脂で構成され、該光導波路上部の少なくとも一部にシリコーン系樹脂が存在する光モジュールにおいて、該光導波路と該シリコーン系樹脂との間にフッ素含有率が全重量の５％以下の樹脂層を設けたものである。
【００１４】
また、前記フッ素を少なくとも含有する樹脂がポリイミドであるものである。
【００１５】
また、前記のフッ素を含有しない樹脂層が、下記式（化１）で表される繰り返し単位からなるポリイミドであるものである。
【００１６】
【化１】
【００１７】
（式中Ｒ１は下記（化２）から選ばれる少なくとも一種の４価の有機基であり、Ｒ２は下記（化３）から選ばれる少なくとも一種の２価の有機基である。）
【００１８】
【化２】
【００１９】
【化３】
【００２０】
従来技術において硬化阻害が生じた理由は、フッ素を含有する材料に、紫外線を照射したりプラズマを用いたアッシングを行うと、フッ素が関与する一部の基が活性化した状態で表面に露出するために、シリコーン系樹脂の硬化触媒と相互作用してシリコーン系樹脂が硬化しにくくなったか、あるいは、フッ素を含有する材料では、何らかの作用で表面にシリコーン系樹脂の硬化触媒と相互作用する基が露出しやすくなるためにシリコーン系樹脂が硬化しにくくなったものと推定される。
【００２１】
しかし、上記のようにクラッド層とシリコーン系樹脂との間に中間層を設けることで、これらの相互作用を抑制でき、シリコーン系樹脂を正常に硬化させることができた。すなわち、中間層を設けることで、前述の表面洗浄を行ったとしてもシリコーン系樹脂の硬化阻害を抑制することができた。
【００２２】
ここで、中間層６は、フッ素を１０％以上含有する樹脂以外の個体で、かつ耐熱性が通常行われる信頼性試験の最高温度である８５℃に対して２０００時間程度保証できるものであれば、何でも使用することができる。例えば、金属膜、誘電体、フッ素を含まないか、フッ素含有量が５％以下の樹脂の何れでも使用できるが、これらに限定されるものではない。
【００２３】
また、フッ素を含有しないか若しくはフッ素含有率が全重量の５％以下の樹脂層は、熱硬化型あるいは紫外線硬化型のエポキシ系樹脂やアクリル系樹脂、ポリエーテルイミド系樹脂、ポリサルフォン系樹脂、ポリエーテルサルフォン系樹脂、ポリビニルアセタール系樹脂、ポリアミド系樹脂、ポリアミドイミド系樹脂、ポリエーテルエーテルケトン系樹脂、ポジ形及びネガ形の感光性レジスト材料及びそれらのベースポリマ、ポリイミド系樹脂等、耐熱性が通常行われる信頼性試験の最高温度である８５℃に対して２０００時間程度保証できるものであれば、何でも使用することができる。これらの中で、ポリイミド系の材料は、一般に耐薬品性に優れるために製造プロセスマージンが広く、また、耐熱性と耐候性に優れるために信頼性が高い、等の追加の効果を得ることができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について説明する。
【００２５】
図１に本発明における実施の形態の断面図を示した。
【００２６】
図において、１はシリコン基板、２はＳｉＯ２層（シリコン酸化膜層）、３は下層クラッド、４はコア層、５は上層クラッド、６は中間層、７はシリコーン系樹脂である。下層クラッド３、コア層４および上層クラッド５にはフッ素を含有した材料を用いており、光伝送損失の原因であるＣ−Ｈ結合を低減するように構成した。ここで、コア層４とクラッドとを光導波路とする。また、シリコーン系樹脂７を光モジュールの封止材として使用することで、光モジュールに発生する応力を緩和する構成とした。
【００２７】
表１は、光導波路の下層クラッド３、コア層４、及び上層クラッド５を構成する材料系（ポリイミド）を示す。
【００２８】
【表１】
【００２９】
図１においては、下層クラッド３及び上層クラッド５としては下記式（化１１）で表される繰り返し単位からなる構造のもので、そのＲ１１とＲ１２には表１のＮｏ１１の構成のものを使用した。また、コア層４としては下記式（化１１）で表される繰り返し単位からなる構造のもので、そのＲ１１とＲ１２には表１のＮｏ１２の構成のものを使用した。
【００３０】
【化１１】
【００３１】
次に、図１に示す光モジュールの製造方法について説明する。
【００３２】
まず、厚さ１ｍｍのシリコン基板１上にシリコン熱酸化膜（ＳｉＯ２膜）２を厚さ１μｍに形成した。
【００３３】
次いで、前記式（化１１）で表される表１のＮｏ１１の材料を下層クラッド３として形成し、その上にＮｏ１２の材料をコア層４として形成し、その上にＮｏ１１の材料を上層クラッド５として形成した。これらの材料は、前述の通り、フッ素を含有するポリイミドである。また、各層は、それらの前駆体であるポリアミド酸溶液のワニスをスピンコーティング法等により塗布し、３００℃以上の加熱により形成した。また、コア層４は、加熱の後に、更に所望のパターニングを行った。また、上層クラッド５は、前記コア層４を覆うように塗布して形成した。
【００３４】
次いで、その上に中間層６としてＣｒをスパッタリング法により厚さ０．０５μｍで形成した。
【００３５】
次いで、光導波路上に形成した中間層６を含む光モジュールの表面全体に、低圧水銀灯から放出される紫外線を１０ｍＷ／ｃｍ２（２５４ｎｍで測定）の強度で５分間照射し、表面を洗浄した。
【００３６】
次いで、熱硬化型のシリコーン系樹脂７をその洗浄した表面に塗布し、１００℃以上で加熱した。これによりシリコーン系樹脂７は完全に硬化した。
【００３７】
中間層６を形成しない従来例の場合、シリコーン系樹脂に針で触ると糸を引いた状態となり、シリコーン系樹脂は硬化不良を起こしていた。あるいは、硬化作業を行ったにもかかわらず、シリコーン系樹脂が当初塗布された部分から流れてしまうという問題を生じていた。この場合、樹脂の硬化の程度は殆ど液状であって、樹脂の引張弾性率は０ｋＰａに近い状態であった。しかし、本実施の形態のように中間層６を形成すると、そのシリコーン系樹脂の引張弾性率が、樹脂材料に応じて５０〜１０００ｋＰａとなり、完全に硬化した状態であることを確認できた。
【００３８】
以上のように、シリコーン系樹脂７との接着信頼性を向上させるために紫外線照射等により表面クリーニングを行ったとしても、中間層６はフッ素を含有した樹脂ではないために、シリコーン系樹脂７の硬化を阻害することはなかった。また、下層クラッド３、コア層４、上層クラッド５がフッ素を含有しているとしても、中間層６によりシリコーン系樹脂７と接することはないので、これによってもシリコーン系樹脂７の硬化を阻害することはなかった。
【００３９】
従って、中間層６を用いることで、下層クラッド３、コア層４、上層クラッド５にフッ素を含有する材料を使用したとしても、紫外線照射による表面洗浄を実施してシリコーン樹脂７との接着信頼性を確保することができた。すなわち、紫外線照射によるシリコーン系樹脂の硬化阻害を抑制することができた。なお、ここでは紫外線照射による洗浄の場合について説明したが、プラズマアッシング等他の洗浄を行う場合もフッ素を含有する樹脂がシリコーン樹脂７と接することはないので同様の効果が得られる。
【００４０】
ところで、前述の実施例に於いては、中間層６にＣｒを用いたが、その代わりにＴｉ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｗ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ａｕ等の金属材料を用いた場合でも、Ｓｉ、ＳｉＯ２、ＳｉＮ、ＴａＯ２、Ａｌ２Ｏ３等の非金属性の無機物を用いた場合でも、シリコーン系樹脂７は完全に硬化し、硬化阻害を抑制することができた。あるいは、Ｃｒの代わりにフッ素を含有しない樹脂若しくはフッ素含有率が全重量の５％以下の樹脂、例えば、熱硬化型あるいは紫外線硬化型のエポキシ系樹脂、アクリル系樹脂、ポリエーテルイミド系樹脂、ポリサルフォン系樹脂、ポリエーテルサルフォン系樹脂、ポリビニルアセタール系樹脂、ポリアミド系樹脂、ポリアミドイミド系樹脂、ポリエーテルエーテルケトン系樹脂、ポジ形又はネガ形の感光性レジスト材料やそれらのベースポリマ等を用いた場合であっても、シリコーン系樹脂７は完全に硬化し、硬化阻害を抑制することができた。
【００４１】
また、中間層６としてＣｒの代わりに（化２１）において表２のＮｏ２１〜Ｎｏ２９に記載されたポリイミド系の材料を用いた場合、すなわち（化２１）で表される繰り返し単位からなる構造のものを用いた場合でも、シリコーン系樹脂７は完全に硬化し、硬化阻害を抑制することができた。なお、Ｎｏ２１〜Ｎｏ２９の各材料は、それらの前駆体であるポリアミド酸溶液のワニスをスピンコーティング法等により塗布し、３００℃以上の加熱により厚さ１μｍ〜１０μｍとなるように形成した。
【００４２】
【表２】
【００４３】
【化２１】
【００４４】
（式中のＲ２１とＲ２２はそれぞれ表２に記載されたＲ２１とＲ２２である。）
ところで、中間層６にフッ素を含有していないポリイミド等の樹脂を用いれば、金属膜や無機誘電体膜を形成するための真空成膜設備や、フィルムを貼り付けるためのラミネーターや、射出成形を行うための設備等の特別な設備を必要とせず、樹脂による光導波路部と同一若しくは類似のプロセスを使用でき、設備と工程の面で簡易なプロセスとすることができると言ったメリットがある。
【００４５】
次に、本発明の他の実施の形態を説明する。
【００４６】
図２には、本発明による光伝送モジュールの断面図を示した。図２において、２１はＳｉＯ２層（シリコン酸化膜層）が表面に１μｍ厚さで形成されたシリコン基板、２２は下層クラッド、コア層、上層クラッドの順に形成された光導波路、２３はフッ素を含有しないポリイミドからなる中間層、２４と２５はそれぞれＡｕ−Ｓｎはんだを介してシリコン基板２１に接続されたレーザダイオードとフォトダイオード、２６はこれらを封止するシリコーン系樹脂である。なお、下層クラッド、コア層および上層クラッドには図１と同様の材料を用いている。
【００４７】
図２に示す光モジュールでは、レーザダイオード２４とフォトダイオード２５（もしくは２４）の光素子表面を含むモジュール全体を、紫外線により洗浄した後にシリコーン系樹脂２６を塗布して加熱により硬化させて構成した。
【００４８】
ここでも、中間層２３が存在するためにシリコーン系樹脂２６は完全に硬化し、硬化阻害を抑制することができた。また、光素子表面は紫外線により洗浄されているために光素子表面とシリコーン系樹脂２６との間のミクロな接着も良好となり、動作信頼性を保証することができた。例えば、フォトダイオード２５の暗電流を測定したところ、初期では電圧２Ｖ下で０．８ｎＡであったが、８５℃８５％ＲＨで２０００時間の試験後も０．９ｎＡと低いレベルを保持することができた。
【００４９】
一方、図２に示す光モジュールにおいて中間層２３を設けなかった場合では、上層クラッド全面に直接紫外線が照射されたために、この面にシリコーン系樹脂２６が直接接触してシリコーン系樹脂２６は硬化阻害を受け、初期に塗布した状態から樹脂が全体的に流れて薄くなってしまっていた。シリコーン系樹脂２６は、微量の触媒によって全体が硬化するために、紫外線照射を受けた上層クラッド上に触媒が相互作用によってトラップされてしまうと、上層クラッド上のみならず、塗布したシリコーン系樹脂２６全体が硬化しなくなってしまう。更には、硬化という現象に伴い本来なされるはずの接着がミクロなレベルで不完全となり、シリコーン系樹脂２６と光素子との界面にミクロな凝結水をたたえる空間を作り出してしまい、光素子の動作信頼性を損なう。例えば、フォトダイオード２５の暗電流を測定したところ、初期では電圧２Ｖ下で０．８ｎＡであったが、８５℃８５％ＲＨで２０００時間の試験後では２．５μＡと大きくなり、実用に耐えないレベルとなってしまった。
【００５０】
従って、中間層２３を設けることで、シリコーン系樹脂２６とフォトダイオード２５などの光素子との界面の接着も充分となり、長時間にわたり暗電流を所定レベル以下の値に保つことが可能となった。
【００５１】
図３には、本発明のもう一つの例である光スプリッタモジュールを示した。ここで、３１はシリコン基板、３２は下層クラッド、コア層、上層クラッドの順に形成された図１と同種材料からなる光導波路、３３はフッ素を含有しないポリイミドからなる中間層、３４、３５、３６はガラス、３７と４３は紫外線硬化型接着剤、３８はアルミニウム製のケース、３９はシリコーン系樹脂である。また、図３（１）は光ファイバ４１及び４２がガラス３５及び３６中に納められた形態のもの、図３（２）は光ファイバ４１及び４２を直接シリコン基板上に搭載した形態のものである。何れの場合も、１本の光ファイバ４１から光導波路３２に入射した光が光導波路３２内部で８本に分岐されて８本の光ファイバ４２へと出射されるものである。また、光導波路３２を構成する下層クラッド、コア層および上層クラッドには図１の例と同様の材料を用いた。
【００５２】
本実施の形態においては、光ファイバ４１、４２を光導波路３２へ接着する際に、紫外線硬化型接着剤３７、４３を塗布して紫外線を照射するが、この紫外線は光導波路３２の上の中間層３３にも漏れて照射される。そして、ケース３８にこれらの光スプリッタモジュールを納めてシリコーン系樹脂３９を充填して封止するように構成されるため、シリコーン系樹脂３９の硬化不良を起こす場合があった。
【００５３】
従って、中間層３３を形成することで、シリコーン系樹脂３９は完全に硬化し、硬化阻害を抑制することができる。そのために、これらの光スプリッタモジュールが傾いたり逆さになっても、中のシリコーン系樹脂３９が流れてしまうことはない。なお、ここでシリコーン系樹脂３９は、光スプリッタモジュール全体の耐湿性を向上させる効果の他に、光ファイバ４１や４２に外部から引っ張りや曲げの力が加わっても、これらの力が光ファイバの先端に直接作用しにくい役割を果たしており、更に図３（２）の構成では光ファイバ４１及び４２と光導波路３２との間にシリコーン系樹脂３９が入って光の反射を低減するためのマッチングオイルの役割をも有している。
【００５４】
一方、図３（１）（２）で中間層３３を設けなかった場合では、上層クラッド面に直接紫外線が照射されたために、シリコーン系樹脂３９は硬化阻害を受け硬化不良となった。そのために、シリコーン系樹脂３９は光スプリッタモジュールが傾いたり逆さになると流れてしまう、光スプリッタモジュール全体の耐湿性を向上させる効果が薄れて光ファイバ４１や４２と光導波路３２との光軸が高温高湿試験中にずれやすくなる、光ファイバ４１や４２に外部から引っ張りや曲げの力が加わるとこれらの力が光ファイバの先端に直接作用して光ファイバが折れやすくなる、更に図３（２）の構成では光ファイバ４１及び４２と光導波路３２との間に泡が入って光の反射が増大してしまう、等の不具合を生じていた。そのために、図３（１）（２）の光スプリッタモジュールは、実用に足るものではなかった。
【００５５】
以上説明したように、光導波路がフッ素を少なくとも含有する樹脂で構成され、該光導波路上部の少なくとも一部にシリコーン系樹脂が存在する光モジュールにおいて、該光導波路と該シリコーン系樹脂の間に前記の中間層を設けることにより、シリコーン系樹脂の硬化を阻害すること無く、信頼性の高い光モジュールを提供することができる。
【００５６】
なお、フッ素含有量が１０％以上の場合において硬化不良モードが明らかに発生するが、１０％未満のものに対しても硬化不良などのシリコーン系樹脂との反応現象を未然に防止できることは言うまでもない。
【００５７】
【発明の効果】
本発明によれば、シリコーン系樹脂の硬化阻害を抑制できる光モジュールを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態例である光モジュールの光導波路部分を含む断面図
【図２】本発明の実施の形態例である光伝送モジュールの光導波路部分を含む断面図
【図３】本発明の実施の形態例である光スプリッタモジュールの断面図
【符号の説明】
１…シリコン基板、２…ＳｉＯ２層（シリコン酸化膜層）、３…下層クラッド、４…コア層、５…上層クラッド、６…中間層、７…シリコーン系樹脂、２１…シリコン基板、２２…光導波路、２３…中間層、２４…レーザダイオード（もしくはフォトダイオード）、２５…フォトダイオード、２６…シリコーン系樹脂、３１…シリコン基板、３２…光導波路、３３…中間層、３４〜３６…ガラス、３７、４３…紫外線硬化型接着剤、３８…ケース、３９…シリコーン系樹脂、４１、４２…光ファイバ。
【発明の属する技術分野】
本発明は、フッ素を含有する樹脂を用いて光導波路を形成した光モジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、石英系の光導波路に替わって低コスト化が期待できるポリマー系の光導波路を用いた光モジュールの研究開発が活発に行われている。中でも、ポリマー材料としてポリイミドを用いたものは耐熱性や信頼性に優れるためにプロセス適合性や実用性を考える上では有利である。更にフッ素化をすることでＣ−Ｈ結合を低減し、光の伝送損失を低減することが可能となっている。従来例としては、特開平９−２１９２０号公報、特開平１０−２８８７１７号公報、特開平１１−１３３２５４号公報等が挙げられる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
このポリマー系の光導波路では、光通信の波長である１．３〜１．６オｍ領域の伝送損失を低減すべく、損失の原因であるＣ−Ｈ結合を低減するためにフッ素を導入している。通常の光導波路は、下層から下層クラッド、コア層、上層クラッドの構成を取るが、フッ素の導入はコア層だけに限らず、上層・下層クラッドにも用いられる。これは、光がコア層からクラッド側に幾分しみ出し、クラッド側の損失も問題となるからである。
【０００４】
一方、光モジュールに用いられる接着剤や封止剤としては、弾性率が低く応力を抑制でき、更に吸水率も低いことからシリコーン系樹脂が用いられる場合が多い。この場合、シリコーン系樹脂を塗布する前に、光モジュールの光導波路基板や光素子等の表面をクリーニングして、それらとシリコーン系樹脂との接着信頼性を向上させ、それによってモジュールの動作信頼性を安定的に確保していた。例えば、光モジュールに紫外線を照射したり、プラズマを用いたアッシングを行うことでクリーニングしていた。あるいは、光導波路と光ファイバを紫外線硬化型接着剤を用いて接続するが、この場合にも光導波路の表面には紫外線硬化型接着剤を硬化させるための紫外線が照射されていた。
【０００５】
我々は、上記のような光モジュールについて開発・研究を続けているが、これによれば上層クラッド材料がフッ素を重量比で１０％以上含有する樹脂からなるものである場合に、この表面に前記の紫外線を照射したりプラズマを用いたアッシングを施した後に、その表面にシリコーン系樹脂を塗布して硬化させると、シリコーン系樹脂が硬化阻害を受けることが明らかとなった。具体的には、上層クラッド材料がフッ素を１０％以上含有すると、シリコーン系樹脂の硬化作業を行った後に針でシリコーン系樹脂に触って再度離すと糸を引く状態となったり、光モジュールを傾けたりすると、シリコーン系樹脂が流れたりすることが明らかとなった。
【０００６】
本発明の目的は、シリコーン系樹脂の硬化阻害を抑制できる光モジュールを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、上層クラッド層とシリコーン系樹脂との間に、中間層を設けたものである。例えば、金属膜、非金属性の無機物層、フッ素を含有しない樹脂層、フッ素含有量の少ない樹脂層のうちの少なくとも１つを中間層として使用したものである。
【０００８】
より具体的には、例えば、光導波路がフッ素を少なくとも含有する樹脂で構成され、該光導波路上部の少なくとも一部にシリコーン系樹脂が存在する光モジュールにおいて、該光導波路と該シリコーン系樹脂との間に金属膜を設けたものである。
【０００９】
また、前記の金属膜が、Ａｌ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ａｕの中から選ばれる少なくとも一種の金属で構成したものである。
【００１０】
また、光導波路がフッ素を少なくとも含有する樹脂で構成され、該光導波路上部の少なくとも一部にシリコーン系樹脂が存在する光モジュールにおいて、該光導波路と該シリコーン樹脂との間に無機物層を設けたものである。
【００１１】
また、前記無機物層が、Ｓｉ、ＳｉＯ２、ＳｉＮ、ＴａＯ２、Ａｌ２Ｏ３の中から選ばれる少なくとも一種の材料で構成されるものである。
【００１２】
また、光導波路がフッ素を少なくとも含有する樹脂で構成され、該光導波路上部の少なくとも一部にシリコーン系樹脂が存在する光モジュールにおいて、該光導波路と該シリコーン系樹脂との間にフッ素を含有しない樹脂層を設けたものである。
【００１３】
また、光導波路がフッ素を少なくとも含有する樹脂で構成され、該光導波路上部の少なくとも一部にシリコーン系樹脂が存在する光モジュールにおいて、該光導波路と該シリコーン系樹脂との間にフッ素含有率が全重量の５％以下の樹脂層を設けたものである。
【００１４】
また、前記フッ素を少なくとも含有する樹脂がポリイミドであるものである。
【００１５】
また、前記のフッ素を含有しない樹脂層が、下記式（化１）で表される繰り返し単位からなるポリイミドであるものである。
【００１６】
【化１】
（式中Ｒ１は下記（化２）から選ばれる少なくとも一種の４価の有機基であり、Ｒ２は下記（化３）から選ばれる少なくとも一種の２価の有機基である。）
【００１８】
【化２】
【化３】
従来技術において硬化阻害が生じた理由は、フッ素を含有する材料に、紫外線を照射したりプラズマを用いたアッシングを行うと、フッ素が関与する一部の基が活性化した状態で表面に露出するために、シリコーン系樹脂の硬化触媒と相互作用してシリコーン系樹脂が硬化しにくくなったか、あるいは、フッ素を含有する材料では、何らかの作用で表面にシリコーン系樹脂の硬化触媒と相互作用する基が露出しやすくなるためにシリコーン系樹脂が硬化しにくくなったものと推定される。
【００２１】
しかし、上記のようにクラッド層とシリコーン系樹脂との間に中間層を設けることで、これらの相互作用を抑制でき、シリコーン系樹脂を正常に硬化させることができた。すなわち、中間層を設けることで、前述の表面洗浄を行ったとしてもシリコーン系樹脂の硬化阻害を抑制することができた。
【００２２】
ここで、中間層６は、フッ素を１０％以上含有する樹脂以外の個体で、かつ耐熱性が通常行われる信頼性試験の最高温度である８５℃に対して２０００時間程度保証できるものであれば、何でも使用することができる。例えば、金属膜、誘電体、フッ素を含まないか、フッ素含有量が５％以下の樹脂の何れでも使用できるが、これらに限定されるものではない。
【００２３】
また、フッ素を含有しないか若しくはフッ素含有率が全重量の５％以下の樹脂層は、熱硬化型あるいは紫外線硬化型のエポキシ系樹脂やアクリル系樹脂、ポリエーテルイミド系樹脂、ポリサルフォン系樹脂、ポリエーテルサルフォン系樹脂、ポリビニルアセタール系樹脂、ポリアミド系樹脂、ポリアミドイミド系樹脂、ポリエーテルエーテルケトン系樹脂、ポジ形及びネガ形の感光性レジスト材料及びそれらのベースポリマ、ポリイミド系樹脂等、耐熱性が通常行われる信頼性試験の最高温度である８５℃に対して２０００時間程度保証できるものであれば、何でも使用することができる。これらの中で、ポリイミド系の材料は、一般に耐薬品性に優れるために製造プロセスマージンが広く、また、耐熱性と耐候性に優れるために信頼性が高い、等の追加の効果を得ることができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について説明する。
【００２５】
図１に本発明における実施の形態の断面図を示した。
【００２６】
図において、１はシリコン基板、２はＳｉＯ２層（シリコン酸化膜層）、３は下層クラッド、４はコア層、５は上層クラッド、６は中間層、７はシリコーン系樹脂である。下層クラッド３、コア層４および上層クラッド５にはフッ素を含有した材料を用いており、光伝送損失の原因であるＣ−Ｈ結合を低減するように構成した。ここで、コア層４とクラッドとを光導波路とする。また、シリコーン系樹脂７を光モジュールの封止材として使用することで、光モジュールに発生する応力を緩和する構成とした。
【００２７】
表１は、光導波路の下層クラッド３、コア層４、及び上層クラッド５を構成する材料系（ポリイミド）を示す。
【００２８】
【表１】
図１においては、下層クラッド３及び上層クラッド５としては下記式（化１１）で表される繰り返し単位からなる構造のもので、そのＲ１１とＲ１２には表１のＮｏ１１の構成のものを使用した。また、コア層４としては下記式（化１１）で表される繰り返し単位からなる構造のもので、そのＲ１１とＲ１２には表１のＮｏ１２の構成のものを使用した。
【００３０】
【化１１】
次に、図１に示す光モジュールの製造方法について説明する。
【００３２】
まず、厚さ１ｍｍのシリコン基板１上にシリコン熱酸化膜（ＳｉＯ２膜）２を厚さ１μｍに形成した。
【００３３】
次いで、前記式（化１１）で表される表１のＮｏ１１の材料を下層クラッド３として形成し、その上にＮｏ１２の材料をコア層４として形成し、その上にＮｏ１１の材料を上層クラッド５として形成した。これらの材料は、前述の通り、フッ素を含有するポリイミドである。また、各層は、それらの前駆体であるポリアミド酸溶液のワニスをスピンコーティング法等により塗布し、３００℃以上の加熱により形成した。また、コア層４は、加熱の後に、更に所望のパターニングを行った。また、上層クラッド５は、前記コア層４を覆うように塗布して形成した。
【００３４】
次いで、その上に中間層６としてＣｒをスパッタリング法により厚さ０．０５μｍで形成した。
【００３５】
次いで、光導波路上に形成した中間層６を含む光モジュールの表面全体に、低圧水銀灯から放出される紫外線を１０ｍＷ／ｃｍ２（２５４ｎｍで測定）の強度で５分間照射し、表面を洗浄した。
【００３６】
次いで、熱硬化型のシリコーン系樹脂７をその洗浄した表面に塗布し、１００℃以上で加熱した。これによりシリコーン系樹脂７は完全に硬化した。
【００３７】
中間層６を形成しない従来例の場合、シリコーン系樹脂に針で触ると糸を引いた状態となり、シリコーン系樹脂は硬化不良を起こしていた。あるいは、硬化作業を行ったにもかかわらず、シリコーン系樹脂が当初塗布された部分から流れてしまうという問題を生じていた。この場合、樹脂の硬化の程度は殆ど液状であって、樹脂の引張弾性率は０ｋＰａに近い状態であった。しかし、本実施の形態のように中間層６を形成すると、そのシリコーン系樹脂の引張弾性率が、樹脂材料に応じて５０〜１０００ｋＰａとなり、完全に硬化した状態であることを確認できた。
【００３８】
以上のように、シリコーン系樹脂７との接着信頼性を向上させるために紫外線照射等により表面クリーニングを行ったとしても、中間層６はフッ素を含有した樹脂ではないために、シリコーン系樹脂７の硬化を阻害することはなかった。また、下層クラッド３、コア層４、上層クラッド５がフッ素を含有しているとしても、中間層６によりシリコーン系樹脂７と接することはないので、これによってもシリコーン系樹脂７の硬化を阻害することはなかった。
【００３９】
従って、中間層６を用いることで、下層クラッド３、コア層４、上層クラッド５にフッ素を含有する材料を使用したとしても、紫外線照射による表面洗浄を実施してシリコーン樹脂７との接着信頼性を確保することができた。すなわち、紫外線照射によるシリコーン系樹脂の硬化阻害を抑制することができた。なお、ここでは紫外線照射による洗浄の場合について説明したが、プラズマアッシング等他の洗浄を行う場合もフッ素を含有する樹脂がシリコーン樹脂７と接することはないので同様の効果が得られる。
【００４０】
ところで、前述の実施例に於いては、中間層６にＣｒを用いたが、その代わりにＴｉ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｗ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ａｕ等の金属材料を用いた場合でも、Ｓｉ、ＳｉＯ２、ＳｉＮ、ＴａＯ２、Ａｌ２Ｏ３等の非金属性の無機物を用いた場合でも、シリコーン系樹脂７は完全に硬化し、硬化阻害を抑制することができた。あるいは、Ｃｒの代わりにフッ素を含有しない樹脂若しくはフッ素含有率が全重量の５％以下の樹脂、例えば、熱硬化型あるいは紫外線硬化型のエポキシ系樹脂、アクリル系樹脂、ポリエーテルイミド系樹脂、ポリサルフォン系樹脂、ポリエーテルサルフォン系樹脂、ポリビニルアセタール系樹脂、ポリアミド系樹脂、ポリアミドイミド系樹脂、ポリエーテルエーテルケトン系樹脂、ポジ形又はネガ形の感光性レジスト材料やそれらのベースポリマ等を用いた場合であっても、シリコーン系樹脂７は完全に硬化し、硬化阻害を抑制することができた。
【００４１】
また、中間層６としてＣｒの代わりに（化２１）において表２のＮｏ２１〜Ｎｏ２９に記載されたポリイミド系の材料を用いた場合、すなわち（化２１）で表される繰り返し単位からなる構造のものを用いた場合でも、シリコーン系樹脂７は完全に硬化し、硬化阻害を抑制することができた。なお、Ｎｏ２１〜Ｎｏ２９の各材料は、それらの前駆体であるポリアミド酸溶液のワニスをスピンコーティング法等により塗布し、３００℃以上の加熱により厚さ１μｍ〜１０μｍとなるように形成した。
【００４２】
【表２】
【化２１】
（式中のＲ２１とＲ２２はそれぞれ表２に記載されたＲ２１とＲ２２である。）
ところで、中間層６にフッ素を含有していないポリイミド等の樹脂を用いれば、金属膜や無機誘電体膜を形成するための真空成膜設備や、フィルムを貼り付けるためのラミネーターや、射出成形を行うための設備等の特別な設備を必要とせず、樹脂による光導波路部と同一若しくは類似のプロセスを使用でき、設備と工程の面で簡易なプロセスとすることができると言ったメリットがある。
【００４５】
次に、本発明の他の実施の形態を説明する。
【００４６】
図２には、本発明による光伝送モジュールの断面図を示した。図２において、２１はＳｉＯ２層（シリコン酸化膜層）が表面に１μｍ厚さで形成されたシリコン基板、２２は下層クラッド、コア層、上層クラッドの順に形成された光導波路、２３はフッ素を含有しないポリイミドからなる中間層、２４と２５はそれぞれＡｕ−Ｓｎはんだを介してシリコン基板２１に接続されたレーザダイオードとフォトダイオード、２６はこれらを封止するシリコーン系樹脂である。なお、下層クラッド、コア層および上層クラッドには図１と同様の材料を用いている。
【００４７】
図２に示す光モジュールでは、レーザダイオード２４とフォトダイオード２５（もしくは２４）の光素子表面を含むモジュール全体を、紫外線により洗浄した後にシリコーン系樹脂２６を塗布して加熱により硬化させて構成した。
【００４８】
ここでも、中間層２３が存在するためにシリコーン系樹脂２６は完全に硬化し、硬化阻害を抑制することができた。また、光素子表面は紫外線により洗浄されているために光素子表面とシリコーン系樹脂２６との間のミクロな接着も良好となり、動作信頼性を保証することができた。例えば、フォトダイオード２５の暗電流を測定したところ、初期では電圧２Ｖ下で０．８ｎＡであったが、８５℃８５％ＲＨで２０００時間の試験後も０．９ｎＡと低いレベルを保持することができた。
【００４９】
一方、図２に示す光モジュールにおいて中間層２３を設けなかった場合では、上層クラッド全面に直接紫外線が照射されたために、この面にシリコーン系樹脂２６が直接接触してシリコーン系樹脂２６は硬化阻害を受け、初期に塗布した状態から樹脂が全体的に流れて薄くなってしまっていた。シリコーン系樹脂２６は、微量の触媒によって全体が硬化するために、紫外線照射を受けた上層クラッド上に触媒が相互作用によってトラップされてしまうと、上層クラッド上のみならず、塗布したシリコーン系樹脂２６全体が硬化しなくなってしまう。更には、硬化という現象に伴い本来なされるはずの接着がミクロなレベルで不完全となり、シリコーン系樹脂２６と光素子との界面にミクロな凝結水をたたえる空間を作り出してしまい、光素子の動作信頼性を損なう。例えば、フォトダイオード２５の暗電流を測定したところ、初期では電圧２Ｖ下で０．８ｎＡであったが、８５℃８５％ＲＨで２０００時間の試験後では２．５μＡと大きくなり、実用に耐えないレベルとなってしまった。
【００５０】
従って、中間層２３を設けることで、シリコーン系樹脂２６とフォトダイオード２５などの光素子との界面の接着も充分となり、長時間にわたり暗電流を所定レベル以下の値に保つことが可能となった。
【００５１】
図３には、本発明のもう一つの例である光スプリッタモジュールを示した。ここで、３１はシリコン基板、３２は下層クラッド、コア層、上層クラッドの順に形成された図１と同種材料からなる光導波路、３３はフッ素を含有しないポリイミドからなる中間層、３４、３５、３６はガラス、３７と４３は紫外線硬化型接着剤、３８はアルミニウム製のケース、３９はシリコーン系樹脂である。また、図３（１）は光ファイバ４１及び４２がガラス３５及び３６中に納められた形態のもの、図３（２）は光ファイバ４１及び４２を直接シリコン基板上に搭載した形態のものである。何れの場合も、１本の光ファイバ４１から光導波路３２に入射した光が光導波路３２内部で８本に分岐されて８本の光ファイバ４２へと出射されるものである。また、光導波路３２を構成する下層クラッド、コア層および上層クラッドには図１の例と同様の材料を用いた。
【００５２】
本実施の形態においては、光ファイバ４１、４２を光導波路３２へ接着する際に、紫外線硬化型接着剤３７、４３を塗布して紫外線を照射するが、この紫外線は光導波路３２の上の中間層３３にも漏れて照射される。そして、ケース３８にこれらの光スプリッタモジュールを納めてシリコーン系樹脂３９を充填して封止するように構成されるため、シリコーン系樹脂３９の硬化不良を起こす場合があった。
【００５３】
従って、中間層３３を形成することで、シリコーン系樹脂３９は完全に硬化し、硬化阻害を抑制することができる。そのために、これらの光スプリッタモジュールが傾いたり逆さになっても、中のシリコーン系樹脂３９が流れてしまうことはない。なお、ここでシリコーン系樹脂３９は、光スプリッタモジュール全体の耐湿性を向上させる効果の他に、光ファイバ４１や４２に外部から引っ張りや曲げの力が加わっても、これらの力が光ファイバの先端に直接作用しにくい役割を果たしており、更に図３（２）の構成では光ファイバ４１及び４２と光導波路３２との間にシリコーン系樹脂３９が入って光の反射を低減するためのマッチングオイルの役割をも有している。
【００５４】
一方、図３（１）（２）で中間層３３を設けなかった場合では、上層クラッド面に直接紫外線が照射されたために、シリコーン系樹脂３９は硬化阻害を受け硬化不良となった。そのために、シリコーン系樹脂３９は光スプリッタモジュールが傾いたり逆さになると流れてしまう、光スプリッタモジュール全体の耐湿性を向上させる効果が薄れて光ファイバ４１や４２と光導波路３２との光軸が高温高湿試験中にずれやすくなる、光ファイバ４１や４２に外部から引っ張りや曲げの力が加わるとこれらの力が光ファイバの先端に直接作用して光ファイバが折れやすくなる、更に図３（２）の構成では光ファイバ４１及び４２と光導波路３２との間に泡が入って光の反射が増大してしまう、等の不具合を生じていた。そのために、図３（１）（２）の光スプリッタモジュールは、実用に足るものではなかった。
【００５５】
以上説明したように、光導波路がフッ素を少なくとも含有する樹脂で構成され、該光導波路上部の少なくとも一部にシリコーン系樹脂が存在する光モジュールにおいて、該光導波路と該シリコーン系樹脂の間に前記の中間層を設けることにより、シリコーン系樹脂の硬化を阻害すること無く、信頼性の高い光モジュールを提供することができる。
【００５６】
なお、フッ素含有量が１０％以上の場合において硬化不良モードが明らかに発生するが、１０％未満のものに対しても硬化不良などのシリコーン系樹脂との反応現象を未然に防止できることは言うまでもない。
【００５７】
【発明の効果】
本発明によれば、シリコーン系樹脂の硬化阻害を抑制できる光モジュールを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態例である光モジュールの光導波路部分を含む断面図
【図２】本発明の実施の形態例である光伝送モジュールの光導波路部分を含む断面図
【図３】本発明の実施の形態例である光スプリッタモジュールの断面図
【符号の説明】
１…シリコン基板、２…ＳｉＯ２層（シリコン酸化膜層）、３…下層クラッド、４…コア層、５…上層クラッド、６…中間層、７…シリコーン系樹脂、２１…シリコン基板、２２…光導波路、２３…中間層、２４…レーザダイオード（もしくはフォトダイオード）、２５…フォトダイオード、２６…シリコーン系樹脂、３１…シリコン基板、３２…光導波路、３３…中間層、３４〜３６…ガラス、３７、４３…紫外線硬化型接着剤、３８…ケース、３９…シリコーン系樹脂、４１、４２…光ファイバ。
Claims (8)
- 光導波路がフッ素を少なくとも含有する樹脂で構成され、該光導波路上部の少なくとも一部にシリコーン系樹脂が存在する光モジュールにおいて、該光導波路と該シリコーン系樹脂との間に金属膜を設けたことを特徴とする光モジュール。
- 前記の金属膜が、Ａｌ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ａｕの中から選ばれる少なくとも一種の金属で構成されることを特徴とする請求項１記載の光モジュール。
- 光導波路がフッ素を少なくとも含有する樹脂で構成され、該光導波路上部の少なくとも一部にシリコーン系樹脂が存在する光モジュールにおいて、該光導波路と該シリコーン系樹脂との間に無機物層を設けたことを特徴とする光モジュール。
- 前記無機物層が、Ｓｉ、ＳｉＯ２、ＳｉＮ、ＴａＯ２、Ａｌ２Ｏ３の中から選ばれる少なくとも一種の材料で構成されることを特徴とする請求項３に記載の光モジュール。
- 光導波路がフッ素を少なくとも含有する樹脂で構成され、該光導波路上部の少なくとも一部にシリコーン系樹脂が存在する光モジュールにおいて、該光導波路と該シリコーン系樹脂との間にフッ素を含有しない樹脂層を設けたことを特徴とする光モジュール。
- 光導波路がフッ素を少なくとも含有する樹脂で構成され、該光導波路上部の少なくとも一部にシリコーン系樹脂が存在する光モジュールにおいて、該光導波路と該シリコーン系樹脂との間にフッ素含有率が全重量の５％以下の樹脂層を設けたことを特徴とする光モジュール。
- 前記フッ素を少なくとも含有する樹脂がポリイミドであることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の光モジュール。
- 前記のフッ素を含有しない樹脂層が、下記式（化１）で表される繰り返し単位からなるポリイミドであることを特徴とする請求項７に記載の光モジュール。
（式中Ｒ１は下記（化２）から選ばれる少なくとも一種の４価の有機基であり、Ｒ２は下記（化３）から選ばれる少なくとも一種の２価の有機基である。）
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