JP4743749B2 - 低熱膨張性光導波路フィルム - Google Patents
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- Optical Integrated Circuits (AREA)
Description
前記透明基板と積層したクラッド内に埋め込まれたコアが形成されてなることが好ましい。
前記セルロース繊維はアセチル化および/またはメタクロイル化されていることが好ましい
前記マトリクス材料は結晶化度が10%以下、かつ、ガラス転移温度が110℃以上の合成樹脂であることが好ましい。
前記繊維強化複合材料の曲げ強度が30MPa以上であることが好ましい。
前記繊維強化複合材料の比重が1.0〜2.5であることが好ましい。
すなわち、透明基板の優れた光透過性により、コア内の光を、透明基板を透過させ、取り出し、あるいは反対に透明基板を透過させた光をコアに入射させる際、透明基板内に高い光透過率で光を透過させることができ、透明基板を透過することによる光量の減衰を抑えることができる。
また、透明基板の低熱膨張性により、透明基板の面方向の熱膨張を抑制することができ、温度変化に伴う光結合位置の位置ずれを防止して、光信号を確実に送受信することができるようになる。
ここで、光波長帯としては、LDやLEDなどの固体レーザ、さらには色素レーザやガスレーザなどを光源として用いることが可能であるため、可視光域および近赤外光域の350nm〜2μmでの使用が可能である。
可視光域の光波長を利用する場合には、380nm〜780nmにおける光透過性が優れた材料を利用することが望ましい。
また、光ファイバ通信、長距離通信、データ通信などとの波長の整合をとる場合には、750nm〜1.7μmの光波長における光透過性が高い材料の方が望ましい。
特に、近距離データの光通信などとの整合をとる場合には、780nm付近および820nm〜860nmの光波長域を使用することが、石英系光ファイバ通信、長距離光通信などとの整合をとる場合には、1.3μm付近と1.55μm付近の波長帯を使用することが望ましい。
平均繊維径が200nmを超えると、可視光の波長に近づき、マトリクス材料との界面で可視光の屈折が生じ易くなり、この繊維強化複合材料からなる透明基板を低熱膨張性光導波路フィルムの基板として適用し難くなる。一方、平均繊維径が4nm未満の繊維は製造が困難である。本発明で用いられる繊維として好適な後述のバクテリアセルロースの単繊維径は4nm程度である。
第一の方法では、まず、ココナッツミルク培養液に、アセトバクターキシリナム(Acetobacter xylinum)FF−88などの酢酸菌を植菌し、30℃にて、5日間、静置培養して、一次培養液を得る。次いで、得られた一次培養液のゲル分を取り除いた後、液体部分を、再びココナッツミルク培養液に5重量%の割合で加え、30℃にて、10日間、静置培養して、二次培養液を得る。この二次培養液には、約1重量%のセルロース繊維が含まれている。
まず、培養液に寒天を加えて調製した寒天培地上に、菌培養中の培養液を少量撒き、1週間ほど放置してコロニーを形成させる。それぞれのコロニーを観察して、比較的セルロースをよく産生するようなコロニーを寒天培地から取り出し、取り出したコロニーを新しい培養液に投入し、培養する。
化学修飾としては、エーテル化、エステル化、イソシアネート化などによって、アセチル基、メタクリロイル基、プロパノイル基、ブタノイル基、iso−ブタノイル基、ノナノイル基、デカノイル基、ウンデカノイル基、ドデカノイル基、ミリストイル基、パルミトイル基、ステアロイル基、ピパロイル基、2−メタクリロイルオキシエチルイソシアノイル基、メチル基、エチル基、プロピル基、iso−プロピル基、ブチル基、tert−ブチル基、ペンチル基、ヘキシル基、ヘプチル基、オクチル基、ノニル基、デシル基、ウンデシル基、ドデシル基、ミリスチル基、パルミチル基、ステアリル基などを付加させることなどが挙げられる。化学修飾の方法としては、例えば、BCシート、あるいは、Nano MFCシートを無水酢酸中に浸漬して加熱し、アセチル化する方法が挙げられる。このように、BCシート、あるいは、Nano MFCシートをアセチル化することにより、光線透過率を低下させることなく、これらのシートの吸水性の低下、耐熱性の向上を図ることができる。
無機高分子としては、ガラス、シリケート材料、チタネート材料などのセラミックスなどが挙げられ、これらは例えばアルコラートの脱水縮合反応により形成されるものである。
(メタ)アクリロニトリルとしては、アクリロニトリルまたはメタクリロニトリルが挙げられる。
(メタ)アクリル酸エステルとしては、(メタ)アクリル酸アルキルエステル、シクロアルキル基を有する(メタ)アクリル酸系単量体、(メタ)アクリル酸アルコキシアルキルエステルなどが挙げられる。
(メタ)アクリル酸アルコキシアルキルエステルとしては、(メタ)アクリル酸2−メトキシエチル、(メタ)アクリル酸2−エトキシエチル、(メタ)アクリル酸2−ブトキシエチルなどが挙げられる。
芳香族ポリエステルとしては、エチレングリコール、プロピレングリコール、1,4−ブタンジオールなどの後述するジオール類とテレフタル酸などの芳香族ジカルボン酸との共重合体が挙げられる。
不飽和ポリエステルとしては、後述するジオール類、無水マレイン酸などの不飽和ジカルボン酸、および、必要に応じてスチレンなどのビニル単量体との共重合体が挙げられる。
ジイソシアネート類としては、ジシクロへキシルメタンジイソシアネート、1,6−ヘキサメチレンジイソシアネート、イソホロンジイソシアネート、1,3−シクロヘキシレンジイソシアネート、1,4−シクロへキシレンジイソシアネート、2,4−トリレンジイソシアネート、2,6−トリレンジイソシアネート、4,4’−ジフェニルメタンジイソシアネート、2,4’−ジフェニルメタンジイソシアネート、2,2’−ジフェニルメタンジイソシアネートなどが挙げられる。
ポリアルキレンオキシドとしては、エチレンオキシド、プロピレンオキシドなどの単独重合体または共重合体が挙げられる。
エポキシ樹脂としては、エチレングリコールなどの多価アルコールとエピクロロヒドリンとからなる脂肪族系エポキシ樹脂、ビスフェノールAとエピクロロヒドリンとからなる脂肪族系エポキシ樹脂などが挙げられる。
マトリックス材料のガラス転移温度が110℃未満では、例えば、繊維強化複合材料が沸騰水に接触した場合に変形するなど、透明部品、光学部品などとしての用途において、耐久性に問題が発生する。なお、ガラス転移温度は示差走査熱量測定法(DSC法)による測定により求められる。
すなわち、含浸用液状物が流動状のマトリクス材料の場合は、架橋反応、鎖延長反応などによって硬化させる。
含浸用液状物が流動状のマトリクス材料の原料の場合は、重合反応、架橋反応、鎖延長反応などによって硬化させる。
含浸用液状物がマトリクス材料の原料を流動化させた流動化物の場合は、冷却などと、重合反応、架橋反応、鎖延長反応などとの組合せによって硬化させる。
含浸用液状物がマトリクス材料の原料の溶液の場合は、溶液中の溶媒の除去などと、重合反応、架橋反応、鎖延長反応などとの組合せによって硬化させる。
上記の蒸発除去には、常圧下における蒸発除去だけでなく、減圧下における蒸発除去も含まれる。
なお、図2(a)〜図2(g)において、符号1は透明基板、2はコア、3はクラッドを示し、Lは光信号を示す。また、図2(a)〜図2(g)は、低熱膨張性光導波路フィルムの光の進行方向に沿う概略断面であるが、この図において、光信号の進行方向を示すために、断面を示すハッチングは省略してある。
この低熱膨張性光導波路フィルム10Fは、例えば、図1(c)に示す低熱膨張性光導波路フィルム10Cの光の進行方向の先端に、半導体基板切削用に利用されているダイシングソーのブレード先端を斜めに加工した切削ブレードにより45°の傾斜面10fを形成することにより得られる。
この低熱膨張性光導波路フィルム10Gは、例えば、図1(c)に示す低熱膨張性光導波路フィルム10Cの光の進行方向の先端に、上記の切削ブレードにより傾斜角度θ°の傾斜面10gを形成することにより得られる。
この低熱膨張性光導波路フィルム10Gは、例えば、図1(c)に示す低熱膨張性光導波路フィルム10Cの光の進行方向の中央部に、上記の切削ブレードによりV字溝10hを形成することにより得られる。あるいは、低熱膨張性光導波路フィルム10Cのクラッド3の上にレジスト膜を形成し、次いで、このレジスト膜にグレイマスク、もしくは、多段階(複数回)の露光により低熱膨張性光導波路フィルム10Cの光の進行方向の中央部にV字溝を形成し、反応性イオンエッチングなどのドライエッチング法により、低熱膨張性光導波路フィルム10Cの光の進行方向の中央部にV字溝10hを形成することにより得られる。
この低熱膨張性光導波路フィルム10Iは、例えば、図1(c)に示す低熱膨張性光導波路フィルム10Cの光の進行方向の中央部に、上記の切削ブレードによりV字溝10iを形成することにより得られる。
この低熱膨張性光導波路フィルム10Jは、例えば、図1(e)に示す低熱膨張性光導波路フィルム10Eの光の進行方向の先端に、上記の切削ブレードにより45°の傾斜面10jを形成することにより得られる。
図2(g)に示す低熱膨張性光導波路フィルム10Lは、コア2の表面に周期的な凹凸のグレーティング部分2bを形成したものである。これらの低熱膨張性光導波路フィルム10Kおよび低熱膨張性光導波路フィルム10Lは、コア2の実効屈折率をN、放射される側の媒体の屈折率をn、コア2の伝播光の波数をk、グレーティングの周期をΛ、qを整数(0、±0、±1、±2、±3、・・・)としたときに、下記の式(1)を満たす整数qがある場合には、下記の式(2)で表される角度θに光入出力されるものである。
本発明の低熱膨張性光導波路フィルムの製造方法としては、ドライエッチング法、直接露光法、型押し法の3つの方法が挙げられる。
まず、図4(a)に示すように、下部クラッド層をなす透明基板1の一方の面1aに、紫外線硬化型樹脂を塗布した後、この紫外線硬化型樹脂を硬化させてコア層2Cを形成する。
まず、図5(a)に示すように、下部クラッド層をなす透明基板1の一方の面1aに、スピンコート法によりコアを形成する紫外線硬化型樹脂5を塗布する。
まず、図6(a)あるいは図6(b)に示すように、下部クラッド層をなす透明基板1に、所定のコアの形状をなす凹部を形成する。
まず、図7(a)に示すように、未硬化の紫外線硬化型樹脂からなるマトリックス材料8がセルロース9に含浸されてなるセルロースシート11を複数枚積層し、所定のコアの形状をなす凸部7aが設けられた型7と、ガラス板12との間に配置する。
まず、図8(a)に示すように、下部クラッド層をなす透明基板1の一方の面1aに、紫外線硬化型樹脂を塗布した後、この紫外線硬化型樹脂を硬化させてコア2を形成する。
まず、図9(a)に示すように、下部クラッド層をなす透明基板1の一方の面1aに、紫外線硬化型樹脂を塗布した後、この紫外線硬化型樹脂を硬化させてコア2を形成する。
「低熱膨張性光導波路フィルムの作製」
アクリル樹脂を含浸させたセルロースフィルムを、所定の間隔で、所定のコア形状をなす凸部が設けられた金型上に三枚重ねてガラス基板により押圧成形し、紫外(UV)光を照射して、反応硬化させ、110℃にて20分間、乾燥窒素雰囲気中、イナートオーブンで加熱、ポストキュアすることにより、表面に光導波路のコア形状の凹部が形成された板状フィルム(下部クラッド層)を得た。アクリル樹脂としては、TCDDMA(希釈なし、紫外線硬化タイプ、ガラス転移温度(Tg)=270℃、屈折率(nD)=1.531、三菱化学社製)を使用した。
次いで、この板状フィルムの上に、スピンコート法によりコア材料となるエポキシ樹脂を塗布し、紫外(UV)光を照射して反応硬化させ、110℃にて20分間、乾燥窒素雰囲気中、イナートオーブンで加熱することにより、コア層を形成した。このエポキシ樹脂としては、C2839(紫外線硬化タイプ、屈折率(nD)=1.547(クラッドとの比屈折率差(Δ):約1.0%)、NTTアドバンステクノロジ社製)を使用した。
次いで、上記コア層および板状フィルムの表面に、スピンコート法により、上記のアクリル樹脂(TCDDMA)を塗布し、上記下部クラッド層およびコア層と同様に、紫外光を照射して硬化、ポストキュアすることにより、上部クラッド層を形成し、埋め込み型の低熱膨張性光導波路フィルムを得た。
以上により得られた実施例の低熱膨張性光導波路フィルムの断面観察、線熱膨張係数、挿入損失の各評価項目について、次の方法を用いて評価した。
(1)断面観察
得られた低熱膨張性光導波路フィルムの断面形状を評価し、67μm×53μmの方形状の埋め込み型の光導波路が作製出来ていることを確認できた。低熱膨張性光導波路フィルムの断面写真を図10(a)に、低熱膨張性光導波路フィルムのコア部分の拡大写真を図10(b)に示す。
ASTM D 696に規定されている測定方法に準拠して、低熱膨張性光導波路フィルムの線熱膨張係数を測定した。
使用装置:TMA/SS6100、セイコーインスツルメンツ社製
測定温度範囲:室温(25℃)〜160℃
昇温速度:5℃/min
雰囲気:N2中
荷重:3g
試料形状:4mm×25mmのフィルム
試料長:15mm
測定回数:3回
結果を図11に示す。
光源と入射ファイバ間にモードスクランブラを介して得られた低熱膨張性光導波路フィルムに光を入射させ、この低熱膨張性光導波路フィルムから出射される光をコア径200μmのファイバで受光して、光の挿入損失を測定した。
光源(光波長632.8nm光源):LD LIGHT SOURCE KLHS−635、Kette社製
光源(光波長857.3nm光源):HP−81551MM LIGHTWAVE MULTIMETER 8153A、HEWLETT PACKARD社製
光パワーメータ:HP−81530A LIGHTWAVE MULTIMETER 8153A、HEWLETT PACKARD社製
入射ファイバ:コア径50μmのGIファイバ
受光ファイバ:コア径200μmのPCFファイバ
試料長:32.0mm
また、波長0.85μmの光を入射した場合に、低熱膨張性光導波路フィルムから光が出射される様子を撮影した写真を図12に示す。
また、図11の結果から、実施例の低熱膨張性光導波路フィルムは、線熱膨張係数が25℃〜160℃において、約20ppm[1/℃]であることが確認できた。
また、実施例の低熱膨張性光導波路フィルムは、試料長32.0mmにおいて、光波長632.8nmにて光の挿入損失6.4dB、光波長857.3nmにて光の挿入損失5.1dBであった。なお、ここでは、光の挿入損失には、光導波路フィルム端部での光の結合損失が含まれている。
さらに、図12の写真から、実施例の低熱膨張性光導波路フィルムは、波長0.85μmの光を入射した場合に、光がコア内に閉じこめられ、光導波路を光伝播していることが確認された。
Claims (12)
- バクテリアおよび該バクテリアから産生され、該バクテリアに連なるセルロースを含む産生物をアルカリ処理してバクテリアを溶解除去した、平均繊維径が4〜200nmの離解処理されていない三次元交差構造体をなしているバクテリアセルロースであって、嵩密度1.2kg/m3 であり、JIS P 8117に規定されている方法に従って測定した透気度が厚み40μmにおいて10000sec/100cc以上であるシート状のバクテリアセルロースに、マトリクス材料からなる含浸用液状物を含浸させてなる繊維強化複合材料からなる透明基板と、該透明基板上に形成されたコアとを有する低熱膨張性光導波路フィルムであって、
前記繊維強化複合材料は、50μm厚換算において波長350nm〜2μmの光線透過率が60%以上であることを特徴とする低熱膨張性光導波路フィルム。 - 前記透明基板の一方の面にコアが直接形成されてなることを特徴とする請求項1に記載の低熱膨張性光導波路フィルム。
- 前記透明基板と積層したクラッド内に埋め込まれたコアが形成されてなることを特徴とする請求項1に記載の低熱膨張性光導波路フィルム。
- 前記セルロース繊維は化学修飾および/または物理修飾されたものであることを特徴とする請求項1ないし3のいずれか1項に記載の低熱膨張性光導波路フィルム。
- 前記セルロース繊維はアセチル化および/またはメタクロイル化されていることを特徴とする請求項4に記載の低熱膨張性光導波路フィルム。
- 前記繊維強化複合材料における前記繊維の含有率が10重量%以上であることを特徴とする請求項1に記載の低熱膨張性光導波路フィルム。
- 前記マトリクス材料は有機高分子、無機高分子、または有機高分子と無機高分子とのハイブリッド高分子であることを特徴とする請求項1に記載の低熱膨張性光導波路フィルム。
- 前記マトリクス材料は合成高分子であることを特徴とする請求項1に記載の低熱膨張性光導波路フィルム。
- 前記マトリクス材料は結晶化度が10%以下、かつ、ガラス転移温度が110℃以上の合成樹脂であることを特徴とする請求項1に記載の低熱膨張性光導波路フィルム。
- 前記繊維強化複合材料の線熱膨張係数が0.05×10−5〜5×10−5K−1であることを特徴とする請求項1に記載の低熱膨張性光導波路フィルム。
- 前記繊維強化複合材料の曲げ強度が30MPa以上であることを特徴とする請求項1に記載の低熱膨張性光導波路フィルム。
- 前記繊維強化複合材料の比重が1.0〜2.5であることを特徴とする請求項1に記載の低熱膨張性光導波路フィルム。
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