TWI778174B - 光波導及其製造方法 - Google Patents

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Abstract

本發明之一面向涉及一種光波導，其特徵在於：具備高折射率之芯形成層、及與前述芯形成層之第一主面相接合的低折射率之第一包覆層；前述芯形成層在其平面方向上具有芯部(A)、側面包覆部(B)及高折射率部(C)，該側面包覆部(B)與芯部(A)之兩側鄰接，且該高折射率部(C)與側面包覆部(B)之另一側鄰接；芯部(A)在平面方向上具有中央區域及GI區域，該GI區域之折射率係自前述中央區域起往芯部(A)與側面包覆部(B)之界面連續降低；且，側面包覆部(B)具有折射率固定之區域。

Description

光波導及其製造方法
本發明涉及一種光波導及其製法、以及使用前述光波導之基板與構件等。
發明背景 為了因應資訊傳輸量爆發性的增長，在電子機器、裝置之殼體內的短距超高速傳輸媒體，受到矚目的並非為了實現正確資訊傳輸而成本增加顯著的銅配線，而是可傳輸數位光訊號之所謂的光波導(亦稱光配線或光傳輸路徑等)。
光波導，係指在所使用之光波長下呈透明，且具有相對較低折射率之包覆材料包圍以相對較高折射率之芯材料所形成的線狀傳輸路徑周圍、或是包圍平面狀傳輸路徑之上下的結構者。光纖為光波導之一種，若從難以使芯之安裝密度呈高密度化的情況來看，為了同時實現高密度化與超高速傳輸，現以對平面進行曝光來進行圖案化而於包覆層內部形成有多個線狀芯或平面狀芯的樹脂製光波導最具優勢(專利文獻1等)。具有線狀芯之光波導有時會稱為脊型光波導((ridge optical waveguide)或通道光波導(channel optical waveguide)，具有平面狀芯之光波導則有時會稱為平板光波導(slab optical waveguide)或平面光波導(planar optical waveguide)。
在此，光波導根據折射率分布，可分成階變折射率(step index)型(SI型)與漸變折射率(graded index)型(GI型)。SI型光波導具備具有固定折射率的芯及具有比該芯更低之固定折射率的包層。另一方面，在GI型光波導中，芯的折射率至包層的折射率係呈連續變化。比起SI型，GI型光波導將光鎖在芯內之效果變高，具有可降低傳輸損失的優點。
就所述折射率呈連續變化的GI型光波導而言，已有報告指出一種具有預定折射率分布的光波導(專利文獻2)。具體上，專利文獻2中揭示了一種光波導，其特徵在於：該光波導具有：芯層，其具備芯部及與該芯部之兩側面鄰接的側面包覆部；及包覆層，其分別積層在該芯層之兩面；前述芯層之橫截面於寬度方向之折射率分布W具有至少2個極小值、至少1個第1極大值及至少2個小於前述第1極大值之第2極大值，並具有該等依第2極大值、極小值、第1極大值、極小值、第2極大值之順序排序的區域；在該區域中，由前述2個極小值以包含前述第1極大值之方式所包夾的區域為前述芯部，從前述各極小值起至前述第2極大值側的區域則為前述側面包覆部；前述各極小值低於前述側面包覆部之平均折射率，且在前述折射率分布全體中折射率呈連續變化；前述光波導於橫截面之厚度方向的折射率分布T具有第3極大值、第1部分及第2部分，該第1部分之折射率係從該第3極大值之位置起往前述包覆層連續降低，而該第2部分係位在比第1部分更靠光波導之兩面側且折射率大致固定；與前述第3極大值及前述第1部分對應之區域為前述芯部，與前述第2部分對應之區域則為前述包覆層。
但，前述專利文獻2記載之光波導的折射率分布，如文獻之圖2所示，第1極大值大於第2極大值，且折射率分布全體呈連續變化，但不存在折射率固定之處。若為所述構成，則芯部便與GI型光波導同樣，所入射之光多數會分布在芯部之中心側，而也會分布到2個極小值。側面包覆部之折射率係從極小值往第2極大值連續增加，因此側面包覆部也會變成GI型光波導，漏到極小值之區域的光很容易即落入第2極大值。同樣地，漏到第2極大值的光也很容易漏到隔壁的芯部，所以無法發揮充分的串音抑制效果。且吾等認為，入射之光徑愈接近芯部之徑長，光愈會直接入射至極小值之區域中，而很容易落入折射率大於極小值的第2極大值，並且光很容易漏至隔壁的芯，而使串音變得明顯。
此外，專利文獻2記載之光波導係將芯形成用組成物與包層形成用組成物予以積層(參照專利文獻2之圖8等)後，對該積層體之一部分照射活性放射線，使其產生折射率差來形成芯圖案。但，以該製作方法很難使未照射之部分硬化。因會在部分樹脂層上形成硬化未進行的部分，故可靠性發生問題之可能性很高。所以，在專利文獻2中記載了一種方法，其為了使未照射部硬化，添加觸媒前驅物及助觸媒來替代聚合引發劑，於照射活性放射線後重複3次不同的加熱條件，使未照射部之硬化進行，來降低芯層之內部應力。然而，以所述方法，可能會使成本上升。
本發明有鑑於上述問題點，其目的在於提供一種具有良好的光訊號之傳輸可靠性且可以低成本製造之光波導及其製造方法。
先前技術文獻 專利文獻 專利文獻1：國際公開第2012/060092號 專利文獻2：國際公開第2012/039393號
發明概要 本發明人等多次努力檢討的結果發現，藉由具有下述構成之光波導可解決上述課題。於是，本發明人等根據該見解，進一步多重研討而完成本發明。
即，本發明一面向之光波導具備高折射率之芯形成層、及與上述芯形成層之第一主面接合的低折射率之第一包覆層。上述芯形成層在其平面方向上具有芯部(A)及與芯部(A)之兩側鄰接之側面包覆部(B)。芯部(A)在平面方向上具有中央區域及GI區域，該GI區域之折射率係自上述中央區域起往芯部(A)與側面包覆部(B)之界面連續降低。側面包覆部(B)具有折射率固定之區域。在此，GI為graded index之縮寫。
又，在本發明之另一面向中，提出上述光波導之製造方法。該製造方法中包含依下述順序進行之步驟： 積層步驟，係將用以形成前述芯形成層之未硬化的透明樹脂薄膜抵接並貼合至前述第一包覆層上； 第一曝光步驟，係對前述積層步驟中所製得之積層體使用遮罩，在相當於芯部(A)及側面包覆部(B)之部位照射活性能量線使經照射之部分半硬化，其中該遮罩具有開口部及於前述開口部之側緣部具20~80%透射率之半色調區域；及 第二曝光步驟，係對前述透明樹脂薄膜整體照射活性能量線，使其進一步硬化。
用以實施發明之形態 以下用圖式等具體說明本發明之實施形態，惟本發明不受該等限定。 [光波導]
如圖1及圖2所示，本實施形態之光波導具有第一包覆層1與芯形成層2。在此，圖1及圖2之上半部分別為光波導之截面圖，下半部則為顯示各上半部之光波導截面圖中虛線部分之折射率分布的圖表。
另，圖式中之代表符號意義如下。 1…第一包覆層 1'…第一包覆層形成用之未硬化的透明樹脂薄膜 2…芯形成層 2'…芯形成層形成用之未硬化的透明樹脂薄膜 3…基板 4…第二包覆層 4'…第二包層形成用之未硬化的透明樹脂薄膜 5…遮罩 11…半色調部 12…開口部 13…非開口部 (芯形成層)
如圖1及圖2所示，本實施形態之芯形成層2在其平面方向上具有高折射率之芯部(A)、側面包覆部(B)及高折射率部(C)，該側面包覆部(B)與芯部(A)之兩側鄰接，且該高折射率部(C)與側面包覆部(B)之另一側鄰接。芯部(A)係用來傳輸光，而高折射率部(C)則是一般不預計用於光傳輸之區域。
在圖1及圖2中，各下半部皆表示芯形成層2之虛線處中的截面之折射率分布，箭頭表示折射率由下向上增加。如該等所示，芯部(A)具有折射率往芯部(A)與側面包覆部(B)之界面連續降低的GI區域(在圖1及圖2中以圓框圈處：GI)，且側面包覆部(B)具有折射率固定之區域。
另，側面包覆部(B)可如圖1下半部所示般僅為折射率固定之區域，惟只要具有折射率固定之區域，亦可如圖2下半部所示在芯部(A)與側面包覆部(B)之間部分存在折射率降低之處。
誠如上述，本實施形態之光波導係芯部(A)具有GI區域即所謂的漸變折射率型(GI型)之光波導，因此將光鎖在芯內之效果優異。此外，側面包覆部(B)具有折射率比芯部(A)更低程度且固定的區域，藉此可更確實地將光鎖在芯內。
接著說明側面包覆部(B)具有折射率比芯部(A)更低程度且固定之區域的優點。首先，在芯部(A)之內部傳導之光，會在芯部(A)與側面包覆部(B))之界面全反射的同時傳播，因此會變成部分光能量亦分布在側面包覆部(B)之區域的狀態。假設，側面包覆部(B)不具有折射率固定之平坦部，使得折射率以極小值開始轉為增加之情況，則分布在側面包覆部(B)之區域的光能量就很容易往折射率增加之區域位移，結果光能量就會從芯部(A)之區域偏離。對此，側面包覆部(B)只要具有平坦部便可避免此情況發生，而輕易地維持其分布，結果可更確實地將光能量鎖在芯部(A)區域。
又，本實施形態之光波導如後述可藉由芯形成層2之曝光處理形成折射率分布(芯圖案)。所以，並不一定需要以往必要不可或缺的顯影步驟。因此，也具備可降低製造成本的優點。
只要芯部(A)具有折射率往芯部(A)與側面包覆部(B)之界面連續降低的GI區域(GI)，且左右GI區域之間的中央區域全體之折射率高於側面包覆部(B)，則折射率之分布狀態即無特別限制。然而，在理想的實施態樣中，如圖1及圖2下半部所示，芯部(A)宜在中央區域具有折射率固定之區域。吾等認為，藉此在芯中央具有更廣的光可通過之區域，而更容易將光鎖在芯內。而且，具有折射率固定之區域，還具備更容易使芯之折射率穩定的優點。並且在與其他光配線或光元件連接時，也具有能更易於對準位置的優勢。
另，關於高折射率部(C)亦同樣地，只要其折射率高於側面包覆部(B)即無特別限定，惟宜如圖1及圖2下半部所示具有折射率固定之區域。吾等認為，藉此能和上述同樣地輕易地將光鎖住。
而且，在更理想之實施態樣中，高折射率部(C)中之折射率固定之區域與芯部(A)中之中央區域內的折射率固定之區域，折射率宜為相同。此處所謂的折射率相同，意指折射率之平均值之差為0.100以下，宜為0.050以下，更宜為0.020以下，最宜為0.010以下。又，上述折射率之平均值之差理想上雖以0最佳，不過可為0.0001以上，且宜為0.0005以上。吾等認為，藉此即可抑制所謂的串音。關於其理由，吾等認為是由於側面包覆部(B)與高折射率部(C)之折射率差變大，且開口數(NA)也變大，因此漏到不用於光傳輸之區域(C)的光也會被鎖在該區域內。藉此，光不易漏到鄰接的芯部，所以可抑制串音之效果也變大。在此，開口數意指當對波導入射具有擴散性之光線時，波導可接收何種程度的廣角之光的尺度，空氣(折射率：1)中的波導係以下式表示。 [數學式1]
Figure 02_image001
此處，θm為可容許之最大廣角(或聚光角)，N1為芯之折射率，N2為包層之折射率。
另，在本實施形態中，「折射率固定」意指如圖1或圖2之折射率分布所示，折射率實質上不變動的平坦狀態。又，折射率實質上不變動係表示譬如1.549~1.553(差為0.004)般，折射率本身之變動低於0.005之意。
另，「折射率連續降低」意指觀察折射率之分布時，其曲線呈平滑變化的模樣。
關於芯部(A)之厚度及寬度亦無特別限定，可適宜根據期望的特性設定。通常，厚度為3~100μm左右(宜為6~80μm)，寬度為3~100μm左右(宜為6~80μm)。
另，芯形成層2之硬化度宜為50%以上。藉此可具有下述優點：位在芯層形成內的芯部(A)側面包覆部(B)、高折射率部(C)之硬化度會變得很接近，從而可圖謀使可能在各部形成製程之過程中產生的內部應力降低及使樹脂硬化物之物性均勻。較適宜的硬化度為70%以上。
又，本說明書中所述之硬化度係以傅立葉轉換紅外光譜光度計(FT-IR)測定環氧基之尖峰，並根據所得尖峰算出。較具體而言，在FT-IR之數據(IR光譜，橫軸：波長，縱軸：吸光度(Abs))中，藉由比較環氧基之尖峰(912cm-1)面積與未硬化之樹脂的環氧基之尖峰面積，算出環氧基之殘留比率，以從該殘留比率對1之補數100%得出的扣除值作為硬化度。作為定量化時之基準，則是以組成穩定之苯環之尖峰(830cm-1 )為基準。 即，本實施形態中所言「硬化度」係以下述式表示： 硬化度(%)=(1-(硬化物之「環氧基尖峰面積/苯環尖峰面積」/未硬化物之「環氧基尖峰面積/苯環尖峰面積」)×100
另，界定面積之基線係將IR光譜圖表中之尖峰左右的2個極小值的點連線而定。
本實施形態之光波導通常為細長的帶狀(或板狀)，係在長邊方向反覆維持如上述之折射率分布(芯圖案)。
在本實施形態中，關於構成芯形成層2之材料，只要是可獲得如上述之折射率分布的硬化性樹脂，即無特別限定。舉例來說，可舉環氧硬化系樹脂、或丙烯酸硬化系樹脂、或氰酸酯硬化系樹脂、或將該等併用之樹脂、或聚矽氧硬化系樹脂等。所舉之例皆可作為構成光波導之構件使用，因此硬化物之透明性必須高。
較具體來說，宜為可行光硬化也同時可行熱硬化之樹脂，譬如可使用環氧硬化系樹脂等。因為其具有耐熱性、耐藥性、電絕緣性優異的優點。
該等中，又尤宜使用摻合有2種以上折射率與黏度有些許互異之樹脂的樹脂。因為，在曝光後之熱處理時，有容易生成折射率分布且容易控制折射率分布等優點。
一般而言，為了使硬化性樹脂硬化，需要硬化劑及/或硬化引發劑(硬化觸媒)，且兩者只要是可實現光波導所必要之硬化物的高透明性之物，即可無限制地使用。
形成本實施形態之光波導時，若從能使製造更簡易的觀點來看，宜將上述之樹脂做成薄膜狀，作為芯層形成用樹脂薄膜來使用。 (包覆層)
如圖1及圖2所示，第一包覆層1係構成位在芯形成層2之一主面(在圖中為下面)的包層。又，視需求設置的第二包覆層係構成位在芯形成層2之第二主面(在圖中為上面)的包層。
第一包覆層1及第二包覆層之厚度無特別限定，通常為3~100μm左右(宜為3~50μm)。
在本實施形態中，關於構成第一包覆層1之材料並無特別限定，可適宜選用在波導光之傳輸波長下的折射率比構成芯部(A)之材料更低的材料。具體上，可舉如環氧系樹脂、丙烯酸系樹脂、聚碳酸酯系樹脂、聚醯亞胺系樹脂等。
較具體來說，宜為可行光硬化也同時可行熱硬化之樹脂，譬如可使用環氧硬化系樹脂等。因為其具有耐熱性、耐藥性、電絕緣性優異的優點。
又，與有意製作折射率分布之芯形成層2不同，第一包覆層1有時會不需要折射率分布，不過在製造本實施形態之光波導的製程中係依序製作各層，因此即使使用多種環氧系樹脂，沒有折射率分布也能製作。所以，有容易調整折射率及調整其他物性的優點。
一般而言，為了使硬化性樹脂硬化，需要硬化劑及/或硬化引發劑(硬化觸媒)，而如同芯形成層2之材料，兩者只要是可實現光波導所必要之硬化物的高透明性之物，即可無限制地使用。
在形成本實施形態之光波導時，若從能使製造更簡易的觀點來看，宜將上述之樹脂做成薄膜狀，作為用以形成包覆層之未硬化的透明樹脂薄膜來使用。
本實施形態之光波導具有第二包覆層時，用以形成第二包覆層之硬化性樹脂材料，只要是在波導光之傳輸波長下之折射率比芯構件料更低的硬化性樹脂材料，即可無特別限制地使用，通常會使用與第一包覆層1之材料相同種類的硬化性樹脂材料。且，上包層之厚度並無特別限定。
在圖1及圖2等中，在基板3上設有光波導，惟此純粹為一例示，在光波導之下亦可積層由PET(聚對苯二甲酸乙二酯)等構成之支持薄膜或銅箔等金屬箔等。
並且，在芯層2或第一包覆層1之露出面亦可設置保護薄膜。
又，本實施形態之光波導之開口數(NA)宜為0.03~0.30，0.08~0.20較佳。
在本實施形態之光波導中，可使入射至芯部(A)之一端部的光在芯部(A)與第一包覆層1之界面及芯部(A)與側面包覆部(B)之界面反射而傳輸之另一端部。
本實施形態之光波導在將光鎖在芯內之效果上非常優異，因此有卓越的光傳輸效率及可靠性。故而適合用在各種電子機器。
吾等認為，根據本實施形態之光波導，可將光充分鎖在芯內，因此可抑制串音。又，在芯形成層2之製造過程中，可藉由曝光處理及視需求進行之熱處理改變折射率分布來形成芯圖案，因此不一定需要顯影步驟，即更可在芯形成層2之全區提升硬化度。故而可圖謀降低光波導之製造成本，同時可製得可靠性高的光波導。 [光波導之製造方法]
製造本實施形態之光波導的方法包含以下步驟。
(1)積層步驟，係將用以形成前述芯形成層之未硬化的透明樹脂薄膜抵接並貼合至第一包覆層。
(2)第一曝光步驟，係對上述積層步驟中所製得之積層體使用遮罩，在相當於芯部(A)及側面包覆部(B)之部位照射活性能量線使經照射之部分半硬化，該遮罩具有開口部及於前述開口部之側緣部具20~80%透射率之半色調區域。
(3)第二曝光步驟，係對前述透明樹脂薄膜整體照射活性能量線，使其進一步硬化。
該等步驟係依所述順序進行。
另，在(2)第一照射步驟與(3)第二照射步驟之間，亦可進行對前述積層體施行熱處理的熱處理步驟。
以下用圖式具體說明製造方法之各步驟。 (形成第一包覆層)
在本實施形態中，針對第一包覆層1之形成方法並無特別限定，舉例來說，可例示圖3所示之步驟。具體上，(a)將用以形成第一包覆層之前驅物的未硬化的透明樹脂薄膜1'抵接在基板3之上，並視需求在減壓下進行加熱加壓予以貼合。(b)對透明樹脂薄膜1’照射紫外線等活性能量線(圖3(b)中以箭頭表示)。(c)利用熱處理使透明樹脂薄膜1'硬化，並將透明樹脂薄膜1'經硬化者作為第一包覆層1。
另，在圖3(b)所示之照射步驟中，曝光條件可因應感光性材料之種類適宜選擇，譬如可選擇使用超高壓水銀燈並將波長365nm之光線以500~2500mJ/cm2 進行曝光的條件等。
又，如圖3(c)所示，從使硬化更確實的觀點來看，使其光硬化後利用熱來進行後硬化也相當有效。後硬化使用之熱處理條件宜為溫度80~160℃左右且時間20~120分鐘左右。然而，並不特別限制在該範圍內，根據感光性材料作最佳化處理的重要性自不待言。
此外，藉由進行遮罩曝光及顯影，亦能使第一包覆層圖案化。屆時，係在圖12所示之步驟中：(a)將未硬化的透明樹脂薄膜1'抵接在基板3，並視需求在減壓下進行加熱加壓使其貼合。(b)使用遮罩，對透明樹脂薄膜1'照射紫外線等活性能量線。(c)利用熱處理使經照射之部分的樹脂硬化。(d)然後，利用顯影去除不要的未硬化部分而獲得期望的第一包覆層1之圖案。 (製作芯形成層)
接下來，根據圖4說明芯形成層2之製作方法之一例。如圖4(a)所示，將作為芯形成層之前驅物的未硬化的透明樹脂薄膜2'抵接在第一包覆層1，並在減壓下進行加熱加壓使其貼合。在此，在將透明樹脂薄膜2'貼附至第一包覆層1之前，亦可利用電漿處理等將第一包覆層1之表面進行表面處理。
然後進行照射步驟，即如圖4(b)所示，使用遮罩5照射活性能量線(箭頭)使經照射之部分的樹脂成分硬化。活性能量線從處置易性等觀點來看，可舉紫外線等。
此時，遮罩5宜使用如圖5所示之半色調遮罩。半色調遮罩具備前述活性能量線之透射率為20~80%之半色調部11、開口部12(透射率：譬如若為玻璃遮罩即為其玻璃之透射率)及透射率0%之非開口部13。半色調部11之透射率較宜為20~50%。半色調部11係位在開口部12之側緣部。
藉由使用具有所述半色調部11之遮罩5，如圖4(b)所示，可於透明樹脂薄膜2’形成照射部、半照射部及未照射部。即，照射後在遮罩5之相當於開口部12之處會形成照射部，在相當於半色調部11之處會形成半照射部，且在相當於非開口部13之處會形成未照射部。
吾等認為之後如圖4(c)所示，藉由進行熱處理，在照射部中低折射率(n)之單體濃度會下降，低折射率單體便會從未照射部往照射部位移，從而產生折射率變化。於是，便如圖4(c)所示，照射部成為硬化部，半照射部成為半硬化部，及未照射部成為未硬化部。藉此，照射部(硬化部)會成為與成為高折射率之芯部(A)相對應的部位，半照射部(半硬化部)會成為與側面包覆部(B)相對應的部位，未照射部(未硬化部)則會成為與高折射率部(C)相對應的部位。又，同時會形成與芯部(A)之GI區域相對應的部分。
產生該折射率變化及折射率分布之機制，吾等以為如下。由於在圖4(b)所示之步驟中照射部之硬化度已大幅進展，因此低折射率單體從半照射部位移至照射部的位移量(位移速度)，會小於低折射率單體從未照射部位移至半照射部的位移量(位移速度)。其結果，從半照射部位移至照射部的低折射率單體尚未抵達照射部之中央區域就在硬化反應中被消耗，而形成折射率往半照射部連續降低的GI區域。另一方面，吾等認為，會有很多量的低折射率單體從未照射部流入半照射部，所以折射率會大幅降低，從而形成低折射率之側面包覆部(B)。此外，從未照射部往半照射部位移的低折射率單體大多係從未照射部中與半照射部鄰接的附近區域提供，較少有來自未照射部之裡邊的位移。所以，未照射部的上述附近區域會變成折射率往未照射部之裡邊連續增加的部分(第二GI區域)。另，由於在未照射部之裡邊區域，低折射率單體很少位移，所以會維持高折射率，幾乎不會產生變化，而成為固定的折射率。
接著，如圖4(d)所示，對透明樹脂薄膜2'(芯形成層2)整體照射活性能量線(箭頭)，使透明樹脂薄膜2'(芯形成層2整體硬化。藉由此步驟，可使芯形成層2之折射率固定，使芯形成層整體硬化。
最後，如圖4(e)所示，再次進行熱處理使前述未照射部也硬化，即可製得本實施形態之光波導。
另，在圖4(b)及圖4(d)所示之照射步驟中，曝光條件可因應感光性材料之種類適宜選擇，譬如可選擇使用超高壓水銀燈並將波長365nm之光線以500~2500mJ/cm2 進行曝光的條件等。
又，如圖4(c)及圖4(e)所示，從使硬化更確實的觀點來看，使其光硬化後利用熱來進行後硬化也相當有效。後硬化使用之熱處理條件宜為溫度80~160℃左右且時間20~120分鐘左右。然而，並不特別限制在該範圍內，根據感光性材料作最佳化處理的重要性自不待言。
在本實施形態之光波導中，芯形成層2之硬化度誠如上述宜為50%以上。
又，亦可視需求在第2次曝光時進行遮罩曝光使其進一步顯影，讓芯形成層2之高折射率部(C)部分圖案化。屆時，如圖13所示，(a)使用遮罩5對芯形成層2之未硬化部分中不要的區域以外照射紫外線等活性能量線，(c)利用熱處理使芯層之必要部分硬化，(d)藉由顯影去除不要的部分，即可獲得期望的圖案。
如以上，在本實施形態中，未照射部的硬化可僅摻合光酸產生劑作為硬化引發劑，而且熱處理僅需樹脂可充分硬化之溫度即可，無須如專利文獻2所示之既有方法般進行複雜的溫度控制。所以，不僅可獲得穩定的性能，同時還無須準備溫度不同的乾燥機，因此由此觀點來看也能效率地以低成本製得具高可靠性的光波導。 (形成第二包覆層)
此外，於芯形成層2之上部形成第二包覆層4時並無特別限定，譬如可使用如圖6所示之步驟。
具體上，(a)將用以形成第二包覆之前驅物的未硬化的透明樹脂薄膜4'抵在芯形成層2之上，並視需求在減壓下進行加熱加壓予以貼合。在此，在將透明樹脂薄膜4'貼附至芯形成層2之前，亦可預先利用電漿處理等將芯形成層2之表面進行表面處理。(b)接下來對透明樹脂薄膜4'照射紫外線等活性能量線(箭頭)，(c)利用熱處理使透明樹脂薄膜4'硬化，來形成第二包覆層4。
另，在圖6(b)所示之照射步驟中，曝光條件可因應感光性材料之種類適宜選擇，譬如可選擇使用超高壓水銀燈並將波長365nm之光線以500~2500mJ/cm2 進行曝光的條件等。
又，如圖6(c)所示，從使硬化更確實的觀點來看，使其光硬化後利用熱來進行後硬化也相當有效。後硬化使用之熱處理條件宜為溫度80~160℃左右且時間20~120分鐘左右。然而，並不特別限制在該範圍內，根據感光性材料作最佳化處理的重要性自不待言。
此外，亦可將第二包覆層4予以圖案化。屆時，如圖7所示，(a)將透明樹脂薄膜4'抵接在芯形成層2之上，並視需求在減壓下進行加熱加壓予以貼合。(b)使用遮罩5對透明樹脂薄膜4'照射紫外線等活性能量線(箭頭)。(c)再利用熱處理使透明樹脂薄膜4'硬化。(d)亦可視需求，利用顯影去除不要的未硬化部分，以形成第二包覆層4。藉由改變前述遮罩5之形狀，可獲得期望的圖案化。
根據上述之構成，無須實施以往必要的顯影步驟，僅以芯形成層2之曝光及熱處理即可使芯層之折射成為期望的分布，故可降低製造成本。又，儘管需要顯影步驟，仍可分別適宜地將第一包覆層、芯形成層2之高折射部(C)、第二包覆層4予以圖案化，因此可製得各種結構的光波導。 [接合體]
本實施形態之光波導當然可以單體作使用，亦可用多個光波導做成接合體來作使用。
屆時，可接合2個以上相同的光波導，亦可與不同於本實施形態之光波導A的光波導(譬如矽光波導等)組合。
具體上，譬如圖8所示，在本實施形態之光波導A中，利用顯影去除第二包覆層4之一部分，使芯形成層2局部露出，便可將矽(Si)光波導B接合至該處。或，可在未附第二包覆層4之狀態下接合矽(Si)光波導。圖9中顯示本實施形態之光波導的俯視圖。如所示，已去除第二包覆層4的部分會露出芯形成層2的上面。
在所述接合體中，如前述必須事先去除第二包覆層4之一部分，或不設第二包覆層4使光波導之芯呈露出之狀態。但，在如上述專利文獻2之製作方法中，已預先積層有未硬化之下包層、芯層、上包層，所以無法製作僅去除上述上包層之一部分的結構。而在本實施形態中，就有可輕易製得如上述之結構的光波導的優勢。 [自動校準結構]
關於如上述將光波導A與矽(Si)光波導B接合時就可輕易定位的結構，吾等提出了如圖14所示之自動校準結構。圖14顯示圖8之點虛線部的截面圖。在本實施形態之光波導之製造方法中，不用將芯形成層2顯影即可作成折射率分布，還可在各層利用適宜顯影予以圖案化，因此可輕易製作所述自動校準結構之光波導。如圖14(b)的結構可利用與圖7相同之步驟將第二包覆層4顯影予以圖案化而獲得；如(c)的結構則可利用與上述圖13相同之步驟，將芯形成層2之第一次曝光之未照射部分的高折射率部(C)之一部分予以顯影除去而獲得。該等結構係不論以如專利文獻1之製造方法或是以如專利文獻2之製造方法都無法做出的複雜結構，但以本實施形態之光波導之製造方法即可輕鬆製得。 [光波導之其他實施形態]
光波導之另一個實施形態，可舉具有第一包覆層1與芯形成層2之光波導，芯形成層2在其平面方向上具有芯部(A)、側面包覆部(B)及高折射率部(C)，該側面包覆部(B)與芯部(A)之兩側鄰接，且該高折射率部(C)與側面包覆部(B)之另一側鄰接；芯部(A)、側面包覆部(B)及高折射率部(C)中折射率呈連續變化，且至少芯部(A)與區域(C)之折射率實質上相同，高折射率部(C)之一部分則有折射率非連續之處。
譬如，於圖10顯示其光波導一例的截面圖。在該例中，於高折射率部(C)之一部分可藉由具有空氣層使折射率成非連續狀態。
藉由所述構成，具有可提升從光波導主面的鉛直方向觀察時的視辨性的優點。譬如，在將之形成為定位用標記時，比起以連續折射率分布的方式形成，可獲得更高精度的定位。又，以空氣層來實現芯形成層2之折射率的非連續部分(在此，未貫通至第一包覆層1)，並進一步將第一包覆層1之對應芯形成層2之空氣層部分的部分亦做成空氣層(有貫通至第一包覆層1)之情況下，具有易從表面進入基底之基板3的優點。譬如，在基板3上形成有電極墊時，可在光波導層存在之狀態下進行零件安裝。
芯形成層2中之各部的折射率如上述，芯部(A)與高折射率部(C)之折射率實質上相同，且該折射率大於(B)側面包覆部(B)之折射率為宜。藉此能如上述抑制串音，故而有利。因為，當有光從芯部(A)漏出時，在光位移至鄰接之芯部之前，會先通過被低折射率之側面包覆部(B)包夾的高折射率部(C)，產生被高折射率部(C)鎖住的效果之故。
以圖11簡單說明製得所述光波導之方法。首先，(a)將第一包覆層1之前驅物的未硬化的透明樹脂薄膜1'抵接在基板3之上，並視需求在減壓下進行加熱加壓予以貼合。接著，(b)使用遮罩5，對透明樹脂薄膜1’照射紫外線等活性能量線(在圖11中以箭頭表示)。(c)利用熱處理使照射部硬化。(d)視需求，利用顯影去除未照射之未硬化的樹脂部分。接下來，(e)將透明樹脂薄膜2'抵接在下包層1與基板3之上，並視需求在減壓下進行加熱加壓予以貼合。然後，(f)使用具有半色調部11之遮罩5，對透明樹脂薄膜2’照射紫外線等活性能量線；(g)利用熱處理而獲得芯圖案。之後，(h)使用遮罩5照射已形成折射率分布的芯形成層2。此時，若不只芯形成層2，還欲製作貫通第一包覆層1與芯形成層2之空氣層時，以與第一包覆層1之缺口圖案相同的區域當作未照射部。接著，(i)進行熱處理使照射部硬化；(j)利用顯影去除不要的樹脂，藉此可製得具有芯形成層2之折射率的非連續部分(僅貫通芯形成層2之孔)及貫通芯形成層2與第一包覆層1之孔的結構。
以下將以實施例更具體說明本發明，惟本發明之範圍不受該等限定。 實施例
首先，說明本實施例中使用之樹脂薄膜的製造方法。 (製造用以形成第一包覆層及第二包覆層的樹脂薄膜)
在玻璃容器內秤量出液態脂肪族環氧樹脂(Daicel化學工業股份有限公司製造之Celloxide 2021P)14質量份、3官能芳香族環氧樹脂(Printec Co.製造之VG3101)23質量份、固體雙酚A型環氧樹脂(Mitsubishi Chemical Co.製造之1006FS)25質量份、固體加氫雙酚A型環氧樹脂(Mitsubishi Chemical Co.製YX8040製)38質量份及光陽離子硬化引發劑(ADEKA CO.製造之SP-170)1質量份之各摻合成分。於該玻璃容器內添加了作為溶劑之2-丁酮與甲苯之混合溶劑。在80℃之回流下攪拌該玻璃容器內之摻合物。如此一來，即可獲得固體成分已全部溶解之清漆。將所得之清漆以聚四氟乙烯(PTFE)製且孔徑1μm的膜濾器過濾，去除固體狀之異物後，進行減壓脫泡。用HIRANO TECSEED CO.,LTD.製造之刮刀式塗佈頭的多功能塗佈機，將依上述方式調製出來的清漆塗佈於PET薄膜(東洋紡績股份有限公司製造之A4100)。使該已塗佈之PET薄膜在125℃下乾燥而做成預定厚度之樹脂層。於該樹脂層上熱層壓定向性聚丙烯薄膜(OPP)作為覆蓋薄膜(脫模薄膜)。如此一來，即獲得包覆層用樹脂薄膜。此時，藉由調整上述塗佈時之厚度(塗佈厚度)，使所得之包覆用樹脂薄膜的厚度成為35μm。 (製造用以形成芯形成層之樹脂薄膜)
就使用之材料，除了使用液態脂肪族環氧樹脂(Daicel化學工業股份有限公司製造之Celloxide 2021P)23質量份、3官能芳香族環氧樹脂(Printec Co.製造之VG3101)21質量份、固體雙酚A型環氧樹脂(三菱化學股份有限公司製造之1006FS)56質量份、光陽離子硬化引發劑(ADEKA CO.製造之SP-170)1質量份及抗氧化劑(ADEKA CO.製造之AO-60)0.3質量份以外，以與上述包覆層用樹脂薄膜同樣方式製出芯形成層用樹脂薄膜。此時，藉由調整塗佈時之厚度(塗佈厚度)，使所得之芯形成層用樹脂薄膜的厚度成為25μm。 (折射率)
用ATAGO CO.,LTD.製造之折射率測定裝置，測定使上述包覆層用樹脂薄膜及上述芯形成層用樹脂薄膜分別硬化後所得之物的折射率。其結果，使包覆層用樹脂薄膜硬化後所得之物(包覆層)的折射率為1.554，使芯形成層用樹脂薄膜硬化後所得之物(芯部)的折射率為1.581。而且，從該等算出之開口數(NA)約0.29。 (製作光波導) (實施例)
首先，利用蝕刻去除玻璃環氧基板(Panasonic Co.製造之R1515W)的兩面銅箔。將該經蝕刻(etch off)者當作基板使用。於該基板表面上，以真空層合機(V-130)將利用上述方法製出之厚度35μm的包覆層用樹脂薄膜予以層合。接著，使用超高壓水銀燈在2J/cm2之條件下對已層合之包覆層用樹脂薄膜照射紫外光。然後剝離包覆層用樹脂薄膜之脫模薄膜。之後，藉由在140℃下進行熱處理，而於基板上形成了包覆層用樹脂薄膜業已硬化之第一包覆層。接著對該第一包覆層施行氧電漿處理後，於其表面上使用真空層合機(V-130)將以上述方法製出之厚度25μm的芯層用樹脂薄膜予以層合。
然後，將玻璃遮罩5載置於芯形成層用樹脂薄膜之表面上，該玻璃遮罩5係如圖15所示，形成有具有寬度25μm、長度100mm之開口部12與距離開口兩側10μm之透射率40%之半色調部11的圖案。之後，以已將照射光調整成略平行光之超高壓水銀燈，在2J/cm2之光量下對芯形成層用樹脂薄膜照射紫外光。然後在140℃下進行熱處理10分鐘，使芯形成層用樹脂薄膜之與開口及半色調部相對應之部分光硬化。接著，使用超高壓水銀燈，在2J/cm2之光量下對芯形成層用樹脂薄膜整體照射紫外光，然後在140℃下進行熱處理10分鐘，使芯形成層用樹脂薄膜整體硬化。如此一來，即可於第一包覆層之上獲得具有芯部與側面包覆部的芯形成層。
接著對芯層施行氧電漿處理後，使用真空層合機(V-130)將用以形成第二包覆層之包覆層用樹脂薄膜予以層合。然後，用超高壓水銀燈在2J/cm2之光量下對上包層用樹脂薄膜照射紫外光後，進行熱處理使其硬化而製得由第一包覆層、具有芯部及側面包覆部之芯形成層及第二包覆層所構成的光波導。
使用PiPhotonics, Inc.製造之定量相位顕微鏡，測定所得光波導之芯形成層的折射率分布。並於圖16顯示實施例之光波導的照片及折射率分布。在圖16中，下半部表示芯形成層2之虛線處中的截面之折射率分布，箭頭由下至上表示折射率增加。如從該折射率分布明示，在比較例中，在側面包覆部(B)不含折射率固定之區域。 (比較例)
除了作為玻璃遮罩5使用了半色調部11之透射率為10%之玻璃遮罩以外，以與實施例同樣方式製造光波導，並測定所得之光波導之芯形成層的折射率分布。比較例之光波導的照片及折射率分布顯示於圖17。在圖17中亦同樣，下半部表示芯形成層2之虛線處中的截面之折射率分布，箭頭由下至上表示折射率增加。 (測定光強度分布)
光強度測定係如圖18所示，使用單模光纖(SMF)作為光之入射側電纜，並使用GI50之光纖(芯徑50μm)作為光接收側電纜來進行。使用850nmVCSEL雷射作為光源，並以功率計測定光強度。
令在無光波導之狀態下將入射側電纜與光接收側電纜連接後所測得之強度為P0(圖18(A))，且令在入射側電纜與光接收側電纜之間設有光波導之狀態下所測得之強度為P1(圖18(B))，以10log (P0/P1)之值來評估光強度。測定光波導之射出側的光強度分布時，入射側電纜係以光波導之位置固定，並藉由掃描光接收側電纜來取得光強度分布。
結果顯示於圖19。 (考察)
從圖19可知，相較於滿足本發明之構成的實施例之光波導，比較例之光波導在區域(C)之光強度較大，並且鄰接之芯部附近的光強度也變大，而沒有充分抑制串音。吾等認為，此乃因區域(B)中無折射率固定的部分，使得折射率從區域(B)往區域(C)連續變化之故。
本申請案係以已於2017年11月9日提申之日本國專利申請案特願2017-216095為基礎，且本申請案包含其內容。
為了闡述本發明，於前述中參照具體例等同時透過實施形態適當且充分說明了本發明，惟應知悉，只要是熟知此項技藝之人士，可輕易地變更及/或改良前述實施形態。因此，熟知此項技藝之人士實施之變更形態或改良形態，只要未脫離申請專利範圍所載請求項的權利範圍，即可解釋為該請求項之權利範圍涵括該變更形態或該改良形態。
產業上之可利用性 本發明在光波導及光電複合配線板之相關技術領域中，具有廣泛的產業上之可利用性。
1‧‧‧第一包覆層 1'‧‧‧第一包覆層形成用之未硬化的透明樹脂薄膜 2‧‧‧芯形成層 2'‧‧‧芯形成層形成用之未硬化的透明樹脂薄膜 3‧‧‧基板 4‧‧‧第二包覆層 4'‧‧‧第二包覆形成用之未硬化的透明樹脂薄膜 5‧‧‧遮罩 11‧‧‧半色調部 12‧‧‧開口部 13‧‧‧非開口部 A‧‧‧光波導(圖8、14) B‧‧‧矽(Si)光波導(圖8、14) GI‧‧‧折射率往芯部與側面包覆部之界面連續降低的區域 (A)‧‧‧芯部 (B)‧‧‧側面包覆部 (C)‧‧‧高折射率部
圖1係顯示本發明一實施形態之光波導構成的截面概略圖。
圖2係顯示本發明之另一實施形態之光波導構成的截面概略圖。
圖3中顯示本實施形態其一之光波導之製造方法中第一包覆層之形成步驟。
圖4中顯示本實施形態其一之光波導之製造方法中芯形成層之製作步驟。
圖5係可在本實施形態之製造方法中使用之半色調遮罩一例的概略圖(俯視)。
圖6中顯示在本實施形態其一之光波導上形成第二包覆層時之製造方法的步驟。
圖7中顯示在本實施形態其一之光波導上形成第二包覆層時，將第二包覆層予以圖案化時的步驟。
圖8係顯示將本實施形態其一之光波導與其他光波導連接時之連接例的截面概略圖。
圖9係顯示將本實施形態其一之光波導與其他光波導連接時之連接例的俯視概略圖。
圖10係顯示本發明之另一實施形態之光波導用構成的截面概略圖。
圖11中顯示用以製造圖10所示之光波導的步驟。
圖12中顯示圖3之第一包覆層之圖案化的變形例。
圖13中顯示圖4之芯形成層之高折射率部(C)之圖案化的變形例。
圖14係顯示如圖8中所示之連接例中自動校準結構之一例的截面概略圖。
圖15係實施例中所使用之半色調遮罩的俯視概略圖。
圖16係顯示實施例之光波導之截面照片與折射率分布的圖表。
圖17係顯示比較例之光波導之截面照片與折射率分布的圖表。
圖18係顯示實施例中所使用之光強度分布之測定方法的概略圖。
圖19係實施例及比較例之光強度分布圖表(實線：實施例，點虛線：比較例)。
1‧‧‧第一包覆層
2‧‧‧芯形成層
GI‧‧‧折射率往芯部與側面包覆部之界面連續降低的區域

Claims (8)

  1. 一種光波導，其特徵在於：具備高折射率之芯形成層、及與前述芯形成層之第一主面接合的低折射率之第一包覆層；前述芯形成層在其平面方向上具有芯部(A)、側面包覆部(B)及高折射率部(C)，該側面包覆部(B)與芯部(A)之兩側鄰接，且該高折射率部(C)與側面包覆部(B)之另一側鄰接；芯部(A)在平面方向上具有中央區域及GI區域，該GI區域之折射率係自前述中央區域起往芯部(A)與側面包覆部(B)之界面連續降低；側面包覆部(B)具有折射率固定之區域；且高折射率部(C)具有折射率固定之區域。
  2. 如請求項1之光波導，其中芯部(A)之中央區域的折射率為固定。
  3. 如請求項1之光波導，其中高折射率部(C)具有第二GI區域，該第二GI區域之折射率係自高折射率部(C)與側面包覆部(B)之界面起往前述折射率固定之區域連續增加。
  4. 如請求項1或3之光波導，其中高折射率部(C)中折射率固定之區域的折射率與芯部(A)之中央區域的折射率相同。
  5. 如請求項1至3中任一項之光波導，其中芯形成層之硬化度以全區域計為50%以上。
  6. 如請求項1至3中任一項之光波導，其中在前述芯形成層之另一主面接合有低折射率之第二包覆層。
  7. 一種光波導之製造方法，係製造如請求項1至6中任一項之光波導，其包含依下述順序進行之步驟：積層步驟，係將用以形成前述芯形成層之未硬化的透明樹脂薄膜抵接並貼合至前述第一包覆層上；第一曝光步驟，係對前述積層步驟中所製得之積層體使用遮罩，在相當於芯部(A)及側面包覆部(B)之部位照射活性能量線使經照射之部分半硬化，其中該遮罩具有開口部及於前述開口部之側緣部具20~80%透射率之半色調區域；及第二曝光步驟，係對前述透明樹脂薄膜整體照射活性能量線，使其進一步硬化。
  8. 如請求項7之光波導之製造方法，其在前述第一曝光步驟與前述第二曝光步驟之間包含對前述積層體進行熱處理的熱處理步驟。
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