JP5432070B2 - 光導波路フィルム - Google Patents

Description

本発明は、光導波路フィルムに係わり、詳しくは、高分子材料を用いたポリマ光導波路フィルムで、特に、アレイ状の光導波路コアを有する光導波路フィルムに関する。

本発明のポリマ光導波路フィルムは、外部からの熱や局所的温度差を低減させるとともに、外部より光導波路フィルムに浸透する水蒸気、水分の光導波路部分への影響を低減化させることを可能とするという利点を有する。

光通信システムや高速信号伝送装置の内部における配線技術として、現在の光通信システム内では、ボード間、ボード内での信号伝送に光ファイバーが用いられている。今後、通信の高速化、大容量化により、光配線を電気のフレキシブルフィルム配線のようにフィルム化し、ボード間や光素子間を接続する光インターコネクションが必要となると考えられている。また、光信号の合分配回路等の光配線の機能化や、単心ファイバーや多心のテープファイバーでは必要となる余長処理の空間的実装スペースが取れない場合などの事情もあり、光導波路フィルムを用いて信号伝送を行う光インターコネクション実装が検討されている。

従来の光インターコネクション実装における光導波路フィルムは、その機械的に柔軟な特性を利用しているため、光導波路フィルムに用いられるポリマ材料は、石英系光導波路のような無機材料と比べて弾性強度が低く、温度、振動、外力などによる歪や応力による機械的変形を起こしやすい。

また、一般に、ポリマ材料の熱膨張係数は、数十ｐｐｍと、石英等無機系の材料の熱膨張係数が数ｐｐｍオーダーであるのと比較すると一桁大きいため、熱や温度差による熱膨張により形状変化を起こしやすい。一般的にポリマ材料は、熱や温度差による密度変化に伴って屈折率が変動するため、局所的温度差により境界面での屈折率が乱れることにより、光導波路のコアとクラッド間の屈折率差による光閉じ込め効果を低減し、光損失を発生させる。

さらに、従来の光信号は、８５０ｎｍ帯、１．３μｍ帯や１．５５μｍ帯といった近赤外光の光信号を利用しているため、有機材料のＣ−Ｈの分子振動吸収や、水のＯ−Ｈの分子振動吸収の影響を受けやすい。石英等の無機材料を光導波路材料として用いた場合には、元来、Ｃ−Ｈ結合のような分子振動吸収は少なく、水分の吸水率も小さいことから、さほど問題にはならないが、ポリマ材料の場合は、Ｃ−Ｈ結合を有する材料が多く、吸水率も無機材料と比較して大きいことから、非特許文献１にも示されているようにＣ−Ｈ結合を減らすために、Ｃ−Ｄの重水素化やＣ−Ｆのフッ素化を行い、使用光波長帯から光吸収帯を長波長側にシフトさせ、使用光波長帯でのポリマ材料の光吸収損失を低減化させる試みがなされてきている。

安藤慎治『光波回路への適用を円座したポリイミド光学材料の開発と最近の展開』高分子材料自由討論会予稿集０４，Ｊｕｌｙ，２００４

上述の通り、従来の光導波路フィルムでは、フッ素化などにより材料中への吸水率を低減化する試みがなされているが、例えば高湿度の環境下においては、僅かでも吸水率が残っているため、ポリマ材料中に含まれる水分を完全に除去することは困難である。

また、温度が変化することにより、環境中の水蒸気の飽和蒸気圧も変動するため、光導波路フィルム内に残存してしまう水分量も変動する。

しかしながら、光導波路フィルムの光吸収損失としては、使用しているポリマ材料の光吸収特性だけではなく、上述の通り、水のＯ−Ｈ結合の分子振動吸収の高調波が使用光波長域と重なって光吸収を増大させてしまうため、外部環境からポリマ材料中に浸透する水分の影響によっても光吸収損失が増大する。

また、水分自体の屈折率が、不純物の含有や、結合水のような水素結合の状態によって異なるが、例えば純水の屈折率は、温度２０℃、光波長６５６．３ｎｍで約１．３３であり、一般的なポリマ材料の約１．４〜１．６程度の屈折率と比較して小さいため、光導波路フィルム内に水分を吸収すると、吸収した部分の光導波路のポリマ材料の屈折率が低下し、光導波路の光閉じ込め効果や光導波特性を変化させ、光損失を増大させる。

そのため、外部から光導波路フィルム内に浸透する水分を低減化させるだけでなく、光導波路フィルム内部に留まらせない機構が必要となる。

そこで、本発明は、このような従来の構成が有していた問題を解決しようとするものであり、光導波路フィルムの温度変化および水分の影響による光伝播損失の変動を低減化することを目的とするものである。

本発明者は、上記課題に鑑み鋭意検討した結果、光導波路フィルムに通電により発熱する発熱体を組み込み過熱することにより、光導波路フィルムの温度を室温よりも高温に維持し、飽和蒸気圧を増加させることによって、光導波路フィルム内の水分量を低減させるとともに、光導波路フィルム内全体に均一に加熱してやることにより、アレイ状に配置された各光導波路の光学特性を均一化できることを見出し、本発明を完成するに至った。

上記課題を解決するための手段は、以下の通りである。

（１）第１の発明では、光導波路を平面に配列させたアレイ状光導波路において、光導波路近傍のフィルム全面に、通電により発熱する発熱体層を有することを特徴とする。

図１に、本発明の第１の実施形態に係るアレイ状光導波路フィルム１００の断面の模式図を示す。

上記発熱体層１０３は、通電により発熱する熱源を使用して、光導波路フィルム１００を加熱し、室温よりも高温に安定保持することによって、光導波路フィルム１００の光伝播特性の温度変化ならびに水分の影響を低減する。したがって、複数本の光導波路が存在するアレイ光導波路フィルム１００においては、各光導波路間の光損失が均一であることが望ましいため、加熱を制御して保持する温度もすべて一定であることが望ましい。加えて、光導波路フィルム１００に使用されているポリマ材料は一般的に熱伝導性が低いため、発熱体層１０３は、光導波路の光信号伝播に影響を与えない程度で、具体的には光導波路コア１０２より最低１０ミクロン以上離して、フィルム全体が均一に加熱されるよう配置される事が望ましい。

また、金属などの熱伝導性の高い材料では、局部的に加熱して熱伝導により全体を過熱する方法も可能ではあるが、伝導熱では発熱体の温度分布が起きやすい上に、温度制御を行う上で、温度制御のスピードに遅延が生じやすいため、通電により発熱する発熱体の方が望ましい。

また、電気伝導体の発熱体を利用することにより、電磁環境適合性（ＥＭＣ：Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｃｏｍｐａｔｉｂｉｌｉｔｙ）を光導波路フィルム１００に持たせることも可能となる。

また、あまり高温に保持すると、ポリマ材料のガラス転移温度や変形しやすくなる熱機械温度、または融点に達するため、使用するポリマ材料の耐熱性にも依存するが、その目的として、室温より高温にすることにより、含有する水分の飽和蒸気圧を上げて、ポリマ材料中から解離し、光導波路中に残存させないようにするものである。そのため、水の沸点である１００℃以下であれば良く、具体的には室温（約２０℃）から約８０℃程度の温度範囲にて、室温より高温に保持することにより、本発明は可能となる。具体的な光導波路フィルム１００が保持される温度は、実際の形状、使用環境により異なるが、光導波路フィルム１００に使用されるポリマ材料は、金属などと比較しても一般的に熱伝導性が低いために、発熱体から僅かでも発熱されれば、光導波路フィルム１００自体の断熱効果によって、光導波路フィルム１００の外部よりも高温になり、水分を低減させる効果を有する。さらに、加熱により光導波路フィルム１００全体の温度を一定に保つように、発熱体１０３はできる限り光導波路フィルム１００全面に均一に配置された構造の方が望ましい。

光導波路フィルム１００に使用される材料としては、光信号の使用波長帯にて光透過性を有するポリマ材料であれば良く、光学部品等に利用されるオレフィン系ポリマ、ポリメチルメタクリレート、ポリカーボネート、ポリスチレン、ポリエチレンテレフタレート、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、シリコーン、ポリシラン、フッ素樹脂、フッ素化ポリイミドなどのポリマ材料が使用できる。

発熱体層１０３の材質としては、電気抵抗体であれば発熱を起こすことは可能であるので、金属、セラミックなどの材料が使用できる。しかし、光導波路フィルム１００の柔軟な特性を低減させないため、金属薄膜など柔軟で変形に追随できる材質の方が望ましい。

（２）第２の発明では、上記アレイ状光導波路フィルム２００の発熱体として、光導波路を膜厚方向に両側から挟む配置におき、光導波路層が発熱体層２０３に挟まれたサンドイッチ構造を有することを特徴とする。

図２に、第２の実施形態に係るアレイ状光導波路フィルム２００の断面の模式図を示す。

光導波路フィルム２００に用いられるポリマ材料は一般的に、金属などと比較して熱伝導性が低く、熱絶縁性が大きいので、光導波路フィルム２００の厚みが必要以上に厚いと、光導波路フィルム２００の厚さ方向の通常断面中心付近に形成されるコア２０２部分に十分な熱が伝わらず、水分の低減の効果が落ちる可能性がある。そのため、コア２０２周辺のクラッド層２０１の厚さは、光信号伝播時にコア層２０２からクラッド層２０１に染み出す光の影響が小さくなるクラッド層２０１の厚さ１０ミクロン程度を確保し、できるだけ薄い方が望ましい。

また、光導波路のコア層２０２の片側からだけ加熱した場合、熱伝導性が低いポリマ材料で温度分布が生じやすくなるため、光導波路部分を挟む形で発熱体層をサンドイッチ構造とすることによりポリマ材料中の温度を一定に保つことが可能となる。

さらに、発熱体２０３となる金属膜やセラミック膜などは、一般的に光導波路フィルム２００よりも硬く高強度であるとともに低熱望膨張性であるため、光導波路フィルム２００の支持体となるとともに熱膨張による変形を低減化させるという効果も有する。加えて、サンドイッチ構造にすることにより、光導波路フィルム２００の断面構造は膜厚方向に対称な構造を形成できるため、温度変化に伴う熱膨張によって発生することが懸念されるフィルムの反りや湾曲といった現象を抑制できる効果も有する。

（３）第３の発明では、上記アレイ状光導波路フィルム３００の熱源として、フィルム全体を囲む表面に発熱する発熱体層３０３を有することを特徴とする。

図３に、第３の実施形態に係るアレイ状光導波路フィルム３００の断面の模式図を示す。

第１、第２の発明の特徴に加えて、電気抵抗体となる金属膜やセラミック膜などは、光導波路フィルム３００のコア３０２、クラッド３０１材料に用いられるポリマ材料よりも高密度で水蒸気透過性が小さい。そのため、光導波路フィルム３００の外周表面に発熱体３０３で覆うことにより、最初に発熱体３０３に通電して加熱してやれば、光導波路フィルム３００内の水分が抜けた後、通常の光導波路フィルム３００単体よりも内部に水蒸気を浸透させにくく、水分による影響を低減させることが可能となる。

さらに、光導波路フィルム３００の周囲を発熱体３０３が囲んでいることにより、例えば不透明な金属薄膜を使用した場合などは、光導波路フィルム３００と外部が光学的に遮断されているため、迷光の影響を低減化することができる。

（４）第４の発明では、上記アレイ状光導波路フィルム４００の熱源として、各光導波路コア４０２とクラッド４０１を個別に囲む発熱体層４０３を有することを特徴とする。

図４に、第４の実施形態に係るアレイ状光導波路フィルム４００の断面の模式図を示す。

上記第３の発明のように発熱体である電気抵抗体が光導波路フィルム４００表面に存在する場合、外気や熱放射による光導波路フィルム４００外への熱の拡散が起こるため、通電により発生する熱量全てが、光導波路フィルム４００の温度調整に寄与するのではなく、外部へ熱放射が起こり、加熱の熱効率が低下する。しかし、第４の発明では、発熱体４０３が内部に内包されており、加えてポリマ材料の熱伝導性が低いために、光信号が伝播する各光導波路コア４０２が効率的に加熱され、温度部分布が生じにくいという特徴を有する。

また、アレイ状の光導波路コア４０２間に発熱体層４０３が存在するため、例えば金属薄膜のような光透過性が低い材料を発熱体層４０３に使用することにより、アレイ状光導波路間の光信号のクロストークについても低減できる効果を有する。

本発明の光導波路フィルムは、光導波路フィルムを電気抵抗体の加熱により光損失を安定制御する機構を有しているため、吸水率のあまり小さくない光導波路フィルムや十分に水分の浸入を遮断できない封止による実装構造、半導体レーザーなどの熱源の近くに実装される光導波路フィルムのような水分や熱の影響を無視できない部品や実装構造のモジュールに高信頼性を付与する事が可能となり、その産業上の利用価値は極めて大である。

本発明の第１の実施形態に係る光導波路フィルム１００の断面模式図である。 本発明の第２の実施形態に係る光導波路フィルム２００の断面模式図である。 本発明の第３の実施形態に係る光導波路フィルム３００の断面模式図である。 本発明の第４の実施形態に係る光導波路フィルム４００の断面模式図である。 本発明の第１の実施形態に係る光導波路フィルム５００の製造工程を示す断面図である。 本発明の第２の実施形態に係る光導波路フィルム６００の製造工程を示す断面図である。 本発明の第３の実施形態に係る光導波路フィルム７００の製造工程を示す断面図である。 本発明の第４の実施形態に係る光導波路フィルム８００の製造工程を示す断面図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

（第１の実施の形態）
図５は、本発明の第１の実施形態に係る光導波路フィルム５００の製造工程を示す断面図である。

図５において、光導波路フィルム５００は、平滑な表面を有する基板として鏡面研磨し、ＳｉＯ₂皮膜を形成したＳｉ基板５０１などの基板上に、ポリマ材料の溶融液体や溶液をドクターブレード法やスピンコート法により成形した後、冷却や加熱反応、溶媒乾燥などによって、ポリマ層５０２を作製する。このポリマ層５０２は、光導波路フィルム５００を支持するポリマ材料の層であるので、クラッド層と同じポリマ材料でも構わない。

さらに、図５(ｂ)に示す光導波路フィルム５１０は、その上面に、真空蒸着法やスパッタ法により発熱体層５１３となる金属薄膜層を形成する。セラミック材料の場合には、焼結温度が高温であるため、薄膜上のセラミックヒータを別工程で形成し、耐熱性接着剤等で貼り付ける。

次に、図５（ｃ）において、上記図５（ａ）に示すポリマ層５０２の作製方法と同様に、光導波路フィルム５２０に、ポリマ材料の溶融液体や溶液をドクターブレード法やスピンコート法により成形した後、冷却や加熱反応、溶媒乾燥などによって、光導波路の下部クラッド層５２４を発熱体層５１３の表面に積層形成する。さらに、図５（ｄ）において、光導波路フィルム５３０の表面にコア層５３５をクラッド層５２４と同様に順次積層形成し、光導波路コア５４７のパターンをＳｉ系レジスト５３６のフォトリソグラフィを用いて形成する。次に、図５（ｅ）において、光導波路フィルム５４０に、酸素プラズマを用いた反応性イオンエッチングにより、コア５４７のパターン以外の部分を削り取り、残存したレジスト５３６を除去してリッジ状の光導波路コア層５３５を得る。上記図５（ｄ）〜（ｅ）の工程は、例えば、紫外線硬化樹脂を使用した光導波路フィルム５００の場合には、フォトマスクによる紫外線の直接露光や電子線、紫外光照射と未硬化部分の洗浄除去によっても同様のコア層５３５を作製可能である。

次に、図５（ｆ）において、上記図５（ｃ）のクラッド層５２４の作製方法と同様に、上部クラッド層を積層形成し、クラッド５５８、コア５４７、及びポリマ層５０２を含む光導波路フィルム５５０を得る。

最後に、図５（ｇ）において、基板から剥離することにより、光導波路フィルム５６０を得ることが出来る。また、基板５０１から光導波路フィルム５６０を剥離させやすいように、あらかじめ基板表面に、金属薄膜やＳｉＯ₂膜などの犠牲層を形成しておき、その犠牲層を酸やフッ酸溶液などで溶解させて剥離し易くすることも可能である。

（第２の実施の形態）
図６は、本発明の第２の実施形態に係る光導波路フィルム６００の製造工程を示す断面図である。

製造工程としては、図６（ａ）〜（ｆ）での工程は、上記図５（ａ）〜（ｆ）と同様の工程を用いて作製できる。さらに、図６（ｈ）に示す光導波路フィルム６６０において、その上面に、上記図５（ｂ）、（ａ）の工程と同様に発熱体層６１３とクラッド層６２４を順次積層形成する。

最後に、図６（ｉ）において、基板６０１から剥離することにより、クラッド６５８、コア６４７、及びポリマ層６０２を含む光導波路フィルム６７０を得ることが出来る。

（第３の実施の形態）
図７は、本発明の第３の実施形態に係る光導波路フィルム７００の製造工程を示す断面図である。

製造工程としては、図７（ａ）〜（ｌ）の工程は、図５（ｃ）〜（ｆ）の工程と同様で通常の光導波路フィルムを作製する工程と同様であり、図７（ａ）に示す光導波路フィルム７００において、基板７０１上にクラッド層７０２形成し、図７（ｊ）に示す光導波路フィルム７１０において、次にコア層７１３を形成し、フォトリソグラフィを用いてＳｉ系レジスト７１４のパターン形成を行う。

図７（ｊ）〜（ｋ）のコア７２５形状作製の工程も、上記図５（ｃ）〜（ｅ）と同様の工程によって作製でき、酸素プラズマを用いた反応性イオンエッチングによりコア７２５形状以外の部分をエッチングし、レジスト７１４を剥離して、リッジ形状の光導波路コア７２５を得る。次に、図７（ｌ）に示す光導波路フィルム７３０において、上記図５（ｆ）と同様な工程を用いて、上部クラッド層７３６を形成する。

図７（ｍ）に示す光導波路フィルム７４０において、基板７０１剥離後、図７（ｎ）に示す光導波路フィルム７５０において、真空蒸着法やスパッタ法を用いたり、無電解めっきにより光導波路フィルム７５０表面に発熱体層７５８となる金属薄膜を形成したり、セラミック発熱体を耐熱性接着剤を用いて貼り付けることにより作製できる。

（第４の実施の形態）
図８は、本発明の第４の実施形態に係る光導波路フィルム８００の製造工程を示す断面図である。

図８（ａ）〜（ｆ）までの工程は、上記図５の（ａ）〜（ｆ）までと同様の工程を用いて作製できる。

さらに、図８（ｏ）に示す光導波路フィルム８３０において、光導波路コア８２４間のクラッド８２５部分に、図８（ｂ）の工程で作製した発熱体層８１３まで貫通する切れ込みを作製する。これは、例えば、エンドミルのような機械的切削装置を用いて加工したり、ＹＡＧレーザー等のレーザーアブレーション加工により切削したり、また、エッチング選択比の高い金属マスクや厚膜レジストをフォトリソグラフィ技術を用いて作製し、酸素プラズマによる反応性イオンエッチングによって切削加工を行うことが出来る。さらに、図８（ｐ）において、その上面から、真空蒸着法やスパッタ法、または下部の発熱層を利用した電解めっきや無電解めっき法を用いて、光導波路フィルム８４０のような発熱体層８１３を形成する。さらに、図８（ｑ）に示す光導波路フィルム８５０において、ポリマ層８０２を形成し、さらに、図８（ｒ）において、基板８０１を剥離することによって、光導波路フィルム８６０を得ることが出来る。

１００、２００、３００、４００、５００、５１０、５２０、５３０、５４０、５５０、５６０、６００、６１０、６２０、６３０、６４０、６５０、６６０、６７０、７００、７１０、７２０、７３０、７４０、７５０、８００、８１０、８２０、８３０、８４０、８５０、８６０ 光導波路フィルム
１０１、２０１、３０１、４０１、５５８、６５８、７３７、８２５ クラッド
１０２、２０２、３０２、４０２、５４７、６４７、７３６、８２４ コア
１０３、２０３、３０３、４０３、５１３、６１３、７５８、８１３ 発熱体層
５０１、６０１、７０１、８０１ 基板
５０２、６０２、８０２ ポリマ層
５２４、６２４、７０２ クラッド層
５３５、６３５、７１３ コア層
５３６、６３６、７１４、８３６ レジストパターン

Claims (2)

1. ポリマ材料を用いた光導波路がアレイ状に配列されて構成されている光導波路フィルムであって、
   クラッド層と、
   前記クラッド層内に設けられ前記光導波路を構成するコア層と、
   前記コア層から所定の距離を隔てた位置に配置され、かつ前記クラッド層表面を覆うように形成され、発熱することにより前記光導波路フィルム内の水の飽和蒸気圧が高くなるよう当該光導波路フィルム全体を均一に加熱させる発熱体層と
   を含むことを特徴とする光導波路フィルム。
2. 前記発熱体層は、前記コア層および前記クラッド層を個別に囲むように形成されていることを特徴とする請求項１に記載の光導波路フィルム。

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