TWI502234B - 光波導的製法 - Google Patents

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Description

光波導的製法 發明領域
本發明涉及一種在光通信、光資訊處理、位置感測器、其他的一般光學領域中廣泛採用的光波導的製法
 發明背景
光波導通常構成為在下包層的表面上將作為光通路的芯形成為規定圖案，以包覆該芯的狀態形成上包層。其中，在將上述上包層的端部做成透鏡部等、將上包層形成為目標形狀的情況下，使用成形模具形成上包層，該成形模具形成有具有與該目標形狀對應的模面的凹部(例如參照專利文獻1)。
即，在上述上包層的形成材料是感光性樹脂的情況下，作為上述成形模具，鑒於需要使紫外線等照射光線透射的必要性，採用具有透光性的石英製的材料。在該石英製的成形模具的下表面，形成有具有與上述上包層的形狀對應的模面的凹部。而且，在下包層的表面上形成芯之後，在上述成形模具的凹部內適當地定位上述芯的狀態下，使該成形模具的下表面密接於下包層的表面。接著，對由上述凹部的模面、下包層的表面和芯的表面所圍成的成形空間中注入作為上包層的形成材料的感光性樹脂之後，透過上述成形模具曝光紫外線等照射光線，使上述感光性樹脂固化。其後，進行脫模，得到由上述下包層、芯和上包層構成的光波導。
在將石英製的成形模具做成目標形狀時，係製作構成該成形模具的多個構成片，利用接合用樹脂將其等接合起來。其理由如下。即，在切削加工石英製的塊材的情況下，從塊材的中段開始該切削加工，或者在途中停止該切削加工時，塊材會裂開。因此，對於石英製塊材的切削加工而言，需要將石英製塊材從其一端切削加工至其另一端。因此，係進行製作多個將石英製的塊材從其一端切削加工至其另一端而成的石英製的構成片，再利用接合用樹脂將其等接合而做成目標形狀。
先行技術文獻 專利文獻
專利文獻1：日本特開第2008-281654號公報
但是，接合多個構成片而成的成形模具會因其接合時的錯位等導致尺寸精度變差。一但使用尺寸精度較差的成形模具形成上包層，芯與上包層的位置關係會變得不當。其結果，例如從芯的前端出射的光在上包層端部的透鏡部未適當地集中，而以擴散的狀態從該透鏡部出射。因此，接受該光之側的受光強度(光傳播特性)則降低。
本發明即是鑒於這樣的情況而成，其目的在於提供一種將尺寸精度優良的具有透光性的成形模具用於形成上包層的光波導的製法。
為了達到上述目的，本發明的光波導的製法包括下述步驟：在下包層的表面上將芯形成圖案；使用成形模具以包覆上述芯的狀態形成上包層，該成形模具形成有具有與上包層的形狀相應的模面的凹部；該光波導的製法的特徵在於，上述成形模具是藉由下述方式得到的透光性樹脂製的成形模具，即，將與上包層相同形狀的模具構件設置在用於形成成形模具的容器內，對該容器內填充透光性樹脂並使透光性樹脂固化後，從上述容器取出固化樹脂，使上述模具構件自固化樹脂脫離，從而形成上述成形模具；用於形成上述上包層的上述凹部由上述模具構件的脫離痕跡構成；上述上包層的形成步驟包括下述步驟：對上述成形模具的凹部內填充用於形成上包層的感光性樹脂，且在將上述芯浸入該感光性樹脂內的狀態下，透過上述成形模具對上述感光性樹脂曝光而使感光性樹脂固化。
即，在作為上包層形成用的成形模具的形成材料，使用透光性樹脂時，能夠使用與上包層相同形狀的模具構件來進行模具成形，藉由該模具成形，能夠得到一體製作的上述成形模具。由於該成形模具如上所述地一體製作，因此，尺寸精度優良。
在本發明的光波導的製法中，藉由使用與上包層相同形狀的模具構件來將上包層形成用的成形模具進行模具成形，從而能夠一體地製作透光性樹脂作為形成材料。因此，能夠使該成形模具的尺寸精度優良。另外，在上述成形模具的製作過程中，能夠將上述模具構件的脫離痕跡形成為用於形成上包層的凹部。接著，能夠藉由如下的方式形成上包層，即，對上述成形模具的凹部內填充用於形成上包層的感光性樹脂，且在將在下包層的表面形成圖案的芯浸入該感光性樹脂內的狀態下，透過上述成形模具對上述感光性樹脂進行曝光使其固化。如此，由於使用上述尺寸精度優良的上述成形模具來形成上包層，因此，在上包層的形成步驟中，能夠將上述芯相對於成形模具的凹部正確地定位。
特別是，在上述成形模具的凹部的與上包層的包覆上述芯前端部的部分對應的模面部分形成為透鏡曲面的情況下，能夠得到將上包層的包覆芯前端部的部分形成為透鏡部的光波導。藉由如此構成，能夠利用上述上包層的透鏡部的折射作用將從芯的前端部出射的光以經抑制發散的狀態從光波導出射。另外，能夠利用上述透鏡部的折射作用將從上述上包層的透鏡部表面入射的光以集中會聚的狀態入射到芯的前端部。即，得到的上述光波導的光傳播特性優良。
另外，在作為上述成形模具的形成材料的透光性樹脂含有聚矽氧(silicone)樹脂的情況下，能夠使上述成形模具的尺寸精度更加優良，從而能夠得到光傳播特性更加優良的光波導。
圖式簡單說明
第1(a)～(c)圖是示意性地表示在本發明的光波導製法的一實施方式中採用的用於形成上包層的成形模具的製法的說明圖。
第2(a)～(d)圖是示意性地表示使用上述成形模具的光波導的製法的說明圖。
第3圖是示意性地表示利用上述製法得到的光波導的截面圖。
 用以實施發明之形態
接著，基於附圖詳細說明本發明的實施方式。
在本發明的光波導製法的一實施方式中，在形成上包層3(參照第2圖(d))時，使用將透光性樹脂作為形成材料而利用模具成形一體地製作的成形模具20。由於該成形模具20如上所述地利用模具成形一體地製作，因此，其尺寸精度優良，而且由於是樹脂製的，因此與以往石英製者不同，其並不脆，而具有耐壓性。製作如此的成形模具20，使用該成形模具20形成上包層3的方式是本發明的較大特徵。另外，在該實施方式中，在上述成形模具20(參照第2(c)圖)的上表面形成有兩個凹部21，該凹部21具有與上述上包層3的形狀對應的模面，各凹部21的一端部分(在第2(c)圖中為左端部分)形成為透鏡曲面21a。
詳細說明上述成形模具20的製法。
首先，如第1(a)圖所示，以朝台構件41的上表面突出的狀態製成與上包層3(參照第3圖)的相同形狀的模具構件40。上述模具構件40的製作是藉由使用刀具切削板狀的構件來進行的。另外，作為上述模具構件40的形成材料，能夠列舉出鋁、不銹鋼、鐵等。其中，從加工性的方面考慮，以鋁為佳。
接著，如第1(b)圖所示，將包含上述模具構件40和台構件41的構造體設置在用於形成成形模具的容器30內。此時，較佳地，如圖所示地以使上述模具構件40為上側、台構件41為下側的狀態將構造體設置在上述容器30的底部。較佳地，在上述容器30的內表面、上述模具構件40和台構件41的表面塗敷脫模劑。
接著，如圖所示，對上述容器30內填充液狀的透光性樹脂20A，直到浸泡上述模具構件40整體為止。作為該透光性樹脂20A，能夠列舉出例如矽氧烷樹脂、丙烯酸樹脂、環氧樹脂等，其等能夠單獨使用或能夠合併兩種以上使用。其中，從能夠使成形模具的尺寸精度更加優良的方面考慮，較佳含有聚矽氧樹脂。
然後，使上述透光性樹脂20A固化。該固化能因應透光性樹脂20A的種類而在常溫下、加熱狀態下或者利用其等的組合進行。
之後，將上述固化的透光性樹脂與上述模具構件40和台構件41一同從上述容器30內取出。然後，使包含上述模具構件40和台構件41的構造體自經固化的透光性樹脂脫離。上述模具構件40的脫離痕跡成為具有與上包層3(參照第2(d)圖)的形狀對應的模面的凹部21(參照第1(c)圖)。另外，將上述固化的透光性樹脂中的與台構件41的周側部分對應的部分(不需要的部分)切除。如此，得到第1(c)圖(與第1(b)圖上下相反地圖示)所示的透光性樹脂製的上述成形模具20。另外，在該成形模具20中，從透光性、強度等方面考慮，上述凹部21的底面和成形模具20的下表面之間的部分的厚度T較佳設定在0.5～5.0mm的範圍內。
接著，詳細說明光波導的製法。
首先，準備在形成下包層1時所使用的平板狀的基座10(參照第2(a)圖)。作為該基座10的形成材料，能夠列舉出例如金屬、樹脂、玻璃、石英、有機矽等。其中，以不銹鋼(SUS)製基板為佳。其原因在於，不銹鋼製基板對於熱的耐伸縮性優良，在上述光波導的製造過程中，能夠將各種尺寸大致維持為設計值之故。另外，基座10的厚度例如設定在20μm(薄膜狀)～5mm(板狀)的範圍內。
接著，如第2(a)圖所示，在上述基座10的表面形成下包層1。作為該下包層1的形成材料，能夠列舉出熱固化樹脂或感光性樹脂。在使用上述熱固化樹脂的情況下，使該熱固化樹脂溶解在溶劑中來調製清漆，將該清漆塗布在基座10的表面上後，藉由對其加熱，從而形成為下包層1。另一方面，在使用上述感光性樹脂的情況下，使該感光性樹脂溶解在溶劑中來調製清漆，將該清漆塗布在基座10的表面上後，藉由使用紫外線等照射光線對其曝光，從而形成下包層1。下包層1的厚度設定在例如5～50μm的範圍內。
接著，如第2(b)圖所示，利用光蝕刻法在上述下包層1的表面上形成規定圖案的芯2。作為該芯2的形成材料，較佳使用圖案成形性優良的感光性樹脂。作為該感光性樹脂，例如，能夠列舉出丙烯酸類紫外線固化樹脂、環氧類紫外線固化樹脂、矽氧烷類紫外線固化樹脂、降冰片烯類紫外線固化樹脂、聚醯亞胺類紫外線固化樹脂等，此等樹脂能夠單獨使用或能夠兩種以上合併使用。另外，芯2的截面形狀例如為圖案成形性優良的梯形或長方形。芯2的寬度設定在例如10～500μm的範圍內。芯2的厚度(高度)設定在例如30～100μm的範圍內。
另外，作為上述芯2的形成材料，使用折射率高於上述下包層1及下述上包層3(參照第3圖)的形成材料的折射率、在所傳輸的光的波長下透明性高的材料。對於上述折射率的調整，能夠藉由使導入到作為上述下包層1、芯2、上包層3的各個形成材料的樹脂中的有機基的種類及含量的至少一者發生改變來適當增加或減少折射率。例如，能夠藉由將環狀芳香族類的基(苯基等)導入樹脂分子中，或者增加該芳香族類基在樹脂分子中的含量來增大折射率。另一方面，能夠藉由將直鏈或環狀脂肪族類的基(甲基、降冰片烯基等)導入樹脂分子中，或者增加該脂肪族類基在樹脂分子中的含量來減小折射率。
然後，如第2(c)圖所示，對在上述步驟中製作的上述上包層形成用的成形模具20的凹部21中填充作為上包層3(參照第2(d)圖)的形成材料的液狀的感光性樹脂3A。
接著，如第2(d)圖所示，在作為上述上包層3的形成材料的感光性樹脂3A內浸入在上述下包層1的表面形成圖案的芯2的狀態下，將該芯2相對於成形模具20的凹部21定位，並將上述下包層1按壓於上述成形模具20。此時的按壓荷重被設定在例如49～980N的範圍內。在此，由於上述模具成形的尺寸精度優良，因此，能夠準確地將芯2相對於上述成形模具20的凹部21定位。而且，由於上述成形模具20為樹脂製，因此具有耐壓性。因此，能夠如上所述地將下包層1按壓密接於成形模具20，從而能夠防止形成飛邊。
接著，藉由使紫外線等照射光線透過上述成形模具20照射到上述感光性樹脂3A上，將該感光性樹脂3A曝光。藉此，上述感光性樹脂3A固化，形成其一端部分形成為透鏡部3a的上包層3。該上包層3的厚度(距下包層1表面的厚度)被設定在例如25～1500μm的範圍內。
然後，將上述上包層3與上述基座10、下包層1和芯2一同自上述成形模具20脫模，如第3圖(與第2(d)圖上下相反地圖示)所示，得到形成在基座10表面的由下包層1、芯2和上包層3構成的光波導。在本實施方式中，形成有兩個光波導，在使用光波導時分別切出。
另外，在上述上包層3脫模之前或脫模後，根據需要進行加熱處理。另外，根據需要自下包層1剝離上述基座10。
上述光波導裝置例如藉由將光波導形成為L字板狀，從而能夠用作為檢測手指等在觸控面板上的觸控位置的檢測手段(位置感測器)。即，在上述L字板狀的光波導中，將多個芯2從上述L字板狀的角部向內側端緣部形成為以等間隔並列狀態延伸的圖案。製作兩個如此的L字板狀的光波導。然後，在一個光波導的角部的外側光耦合發光元件，在另一個光波導的角部的外側光耦合受光元件。而且，在沿觸控面板的四邊形的顯示器的畫面周緣部設置此等光波導時，能夠用作檢測手指等在觸控面板上的觸控位置的檢測手段。
另外，在上述實施方式中，將上包層的一端部分形成為透鏡部，但是也可以與其他部分同樣地形成為平面狀。
接著，與比較例一併說明實施例。但是，本發明並不限定於實施例。
實施例 (下包層的形成材料)
藉由混合具有脂環骨架的環氧樹脂(ADEKA公司製造、EP4080E)100重量份、光酸產生劑(SAN-APRO公司製造、CPI-200K)2重量份、紫外線吸收劑(Ciba JAPAN公司製造、TINUVIN479)5重量份，來調製下包層的形成材料。
(芯的形成材料)
藉由將包含芴骨架的環氧樹脂(大阪Gas Chemicals公司製造、OGSOL EG)40重量份、包含芴骨架的環氧樹脂(Nagase ChemteX公司製造、EX-1040)30重量份、1,3,3-三{4-[2-(3-氧雜環丁基)]丁氧基苯基}丁烷30重量份、光酸產生劑(SAN-APRO公司製造、CPI-200K)1重量份溶解於乳酸乙基中，來調製芯的形成材料。
(上包層的形成材料)
藉由混合具有脂環骨架的環氧樹脂(ADEKA公司製造、EP4080E)100重量份、光酸產生劑(SAN-APRO公司製造、CPI-200K)2重量份，來調製上包層的形成材料。
(上包層形成用的成形模具的製作)
首先，藉由使刀具旋轉來切削鋁板，以向台構件的上表面突出的狀態製作與上包層相同形狀的模具構件。
接著，在使上述模具構件為上側、台構件為下側的狀態下，將包括該模具構件和台構件的構造體設置在用於形成成形模具的容器的底部。另外，在進行該設置之前，在上述容器的內表面、上述模具構件和台構件的表面塗敷脫模劑。
接著，對上述容器內填充透光性樹脂(信越化學工業公司製造、聚二甲基矽氧烷SIM-260)，使從上述模具構件的上端面到上述透光性樹脂的液面的深度為1mm。然後，在常溫(25℃)下放置5天之後，藉由進行150℃×30分鐘的加熱處理，從而使上述透光性樹脂固化。
之後，在將上述固化的透光性樹脂與上述模具構件和台構件一同從上述容器取出後，使上述模具構件和台構件脫離，並切除不需要的部分。如此，得到了由透光性樹脂構成的上包層形成用成形模具。在該成形模具中，上包層形成用的凹部的一端部分形成為側截面形狀為大致1/4圓弧狀的透鏡曲面(曲率半徑1.4mm)。另外，上包層形成用的凹部的底面與成形模具的下表面之間的部分的厚度為1mm。
(光波導的製造)
首先，在不銹鋼製基座(厚度50μm)的表面上，利用塗膜器塗布上述下包層的形成材料。接著，藉由進行1500mJ/cm2 的紫外線照射的曝光後，進行80℃×5分鐘的加熱處理，從而形成厚度20μm的下包層(波長830nm下的折射率=1.510)。
接著，在上述下包層的表面上，利用塗膜器塗布上述芯的形成材料之後，進行100℃×5分鐘的加熱處理，形成感光性樹脂層。接著，隔著形成有與芯的圖案相同形狀的開口圖案的光罩(間隙100μm)進行2500mJ/cm2 的紫外線照射的曝光，之後，進行100℃×10分鐘的加熱處理。接著，藉由使用γ-丁內酯水溶液顯影，溶解去除未曝光部分後，進行120℃×5分鐘的加熱處理，從而將寬20μm、高50μm的截面長方形的芯(波長830nm下的折射率=1.592)形成為圖案。
然後，將上述上包層形成用的成形模具設置在載物台上，對該成形模具的凹部中填充上述上包層的形成材料。
接著，在上述上包層的形成材料內浸入在上述下包層的表面形成圖案的芯的狀態下，將上述芯相對於成形模具的凹部定位，將上述下包層按壓於上述成形模具(按壓荷重196N)。
接著，藉由上述成形模具進行5000mJ/cm2 的紫外線照射的曝光，從而形成一端部分形成為透鏡部(側截面形狀為大致1/4圓弧狀的凸透鏡部(曲率半徑1.4mm))的、距芯的頂面的厚度為950μm的上包層(波長830nm下的折射率=1.510)。
然後，將上述上包層與上述不銹鋼製基座、下包層和芯一同自上述成形模具脫模，得到形成在不銹鋼製基座表面上的、由下包層、芯和上包層構成的光波導。
(比較例)
比較例與實施例的差別在於，作為上包層形成用的成形模具使用石英製者。該石英製的成形模具藉由製作多個石英製的構成片並利用接合用樹脂將其等接合起來而製作，該等構成片是藉由將石英製的塊材從其一端切削加工至其另一端而成的。另外，上述石英製的成形模具在施加較大荷重時會開裂，因此，將該下包層對於石英製的成形模具的按壓荷重設定為48N。除此以外與上述實施例同樣地製造光波導。
(受光強度的測定)
將上述實施例及比較例的光波導各自製作兩個，在一個光波導的另一端部(未形成透鏡部的端部)光耦合發光元件(Optwell公司製造、VCSEL)，在另一個光波導的另一端部光耦合受光元件(TAOS公司製造、CMOS線性感測器陣列)。然後，將這兩個光波導夾著座標輸入區域(對角尺寸76.2mm)地以使透鏡部相對的方式配置。在該狀態下，從上述發光元件出射強度5.0mW的光，測定上述受光元件處的受光強度。結果，受光強度在使用實施例的光波導的情況下為0.8mW，在使用比較例的光波導的情況下為0.2mW。
由上述結果可知，實施例的光波導的光傳播特性優於比較例的光波導的光傳播特性。
產業上之可利用性
本發明的光波導的製法能夠用於光通信、光資訊處理、手指等在觸控面板上的觸控位置的檢測手段(位置感測器)等所採用的光波導的製造。
1．．．下包層
2．．．芯
3．．．上包層
3A．．．感光性樹脂
10．．．基座
20．．．成形模具
20A．．．透光性樹脂
21．．．凹部
21a．．．透鏡曲面
30．．．容器
40．．．模具構件
41．．．台構件
T．．．厚度
第1(a)～(c)圖是示意性地表示在本發明的光波導製法的一實施方式中採用的用於形成上包層的成形模具的製法的說明圖。
第2(a)～(d)圖是示意性地表示使用上述成形模具進行的光波導的製法的說明圖。
第3圖是示意性地表示利用上述製法得到的光波導的截面圖。
20．．．成形模具
20A．．．透光性樹脂
21．．．凹部
21a．．．透鏡曲面
30．．．容器
40．．．模具構件
41．．．台構件
T．．．厚度

Claims (3)

  1. 一種光波導的製法，係包括下述步驟者：在下包層的表面上將芯形成圖案；使用成形模具以包覆上述芯的狀態形成上包層，該成形模具形成有具有與上包層的形狀相對應的模面的凹部；該光波導的製法的特徵在於，上述成形模具是藉由下述方式得到的透光性樹脂製的成形模具，即，將與上包層相同形狀的模具構件設置在用於形成成形模具的容器內，對該容器內填充透光性樹脂並使透光性樹脂固化後，從上述容器取出固化樹脂，使上述模具構件自固化樹脂脫離，從而形成上述成形模具；用於形成上述上包層的上述凹部由上述模具構件的脫離痕跡構成；上述上包層的形成步驟包括下述步驟：將上述成型模具之凹部朝向上設置，對上述成形模具的凹部內填充用於形成上包層的感光性樹脂，之後，再將上述芯浸入該感光性樹脂內，並透過上述成形模具對上述感光性樹脂曝光而使感光性樹脂固化。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的光波導的製法，其中，上述成形模具的凹部的與上包層的包覆上述芯前端部的部分對應的模面部分形成為透鏡曲面。
  3. 如申請專利範圍第1或2項所述的光波導的製法，其 中，作為上述成形模具的形成材料的透光性樹脂含有聚矽氧(silicone)樹脂。
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