WO2017164042A1 - 複合光導波路 - Google Patents

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WO2017164042A1
WO2017164042A1 PCT/JP2017/010424 JP2017010424W WO2017164042A1 WO 2017164042 A1 WO2017164042 A1 WO 2017164042A1 JP 2017010424 W JP2017010424 W JP 2017010424W WO 2017164042 A1 WO2017164042 A1 WO 2017164042A1
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optical waveguide
core
adhesive
silicon
polymer
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利久 岡田
盛輝 大原
武信　省太郎
聡子 野間
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旭硝子株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a composite optical waveguide in which a polymer optical waveguide (POW) and a silicon (Si) optical waveguide are adiabatically coupled.
  • PW polymer optical waveguide
  • Si silicon
  • Rigid or flexible multimode and single mode polymer optical waveguides formed on printed circuit boards are popular.
  • the principle of the polymer optical waveguide is that the core is an optical waveguide by a combination of a core and a clad, which is a combination of a plurality of polymers having different refractive indexes.
  • a silicon optical waveguide in which an optical waveguide is formed on a silicon chip is also widespread (see Patent Document 1). Both the polymer optical waveguide and the silicon optical waveguide are formed in an array in a form in which a plurality of waveguides are aligned in parallel along one direction in order to obtain a plurality of waveguide channels.
  • each core cross section becomes considerably small, and since the core cross section size and numerical aperture differ greatly from each other, direct coupling itself becomes difficult.
  • an adiabatic coupling that captures and communicates the light leaked in the optical axis direction along the array (hereinafter also referred to as evanescent light) over a predetermined distance in the optical axis direction can be expected as an alternative method. Therefore, a composite optical waveguide in which a polymer optical waveguide and a silicon optical waveguide are adiabatically coupled has recently attracted attention (see Patent Documents 1 and 2).
  • the present invention aims to improve the reliability of an adiabatic coupling site in a composite optical waveguide in which a polymer optical waveguide and a silicon optical waveguide are adiabatically coupled in order to solve the above-described problems of the prior art.
  • the present invention provides a composite optical waveguide in which a polymer optical waveguide and a silicon optical waveguide are adiabatically coupled, and the core of the polymer optical waveguide and the core of the silicon optical waveguide are provided.
  • the polymer optical waveguide and the silicon optical waveguide are formed by an adhesive layer formed by using a photo-curing adhesive having a glass transition point Tg after curing at 125 ° C. or higher at the adiabatic bonding sites arranged opposite to each other.
  • the adiabatic coupling site has a region in which a distance t between the core of the polymer optical waveguide and the silicon optical waveguide is 1.5 ⁇ m or less (1) I will provide a.
  • the present invention is a composite optical waveguide in which a polymer optical waveguide and a silicon optical waveguide are adiabatically coupled, and the core of the polymer optical waveguide and the core of the silicon optical waveguide are arranged to face each other.
  • a photo-curing adhesive having a glass transition point Tg after curing of 125 ° C. or more and a light transmittance of 1.3 ⁇ m at a thickness of 0.1 mm after curing of 80% or more is used.
  • the polymer optical waveguide and the silicon optical waveguide are coupled by the adhesive layer formed in this manner, and the adiabatic coupling site has an interval t of 1 between the core of the polymer optical waveguide and the silicon optical waveguide.
  • a composite optical waveguide (2) having a region of .5 ⁇ m or less.
  • the present invention is a composite optical waveguide in which a polymer optical waveguide and a silicon optical waveguide are adiabatically coupled, and the core of the polymer optical waveguide and the core of the silicon optical waveguide are arranged to face each other.
  • Tg after curing is 125 ° C.
  • the refractive index of the clad of the polymer optical waveguide is n1
  • the refractive index of the adhesive after curing is nA, ⁇ 0.015
  • the polymer optical waveguide and the silicon optical waveguide are bonded by an adhesive layer formed using a photocurable adhesive satisfying ⁇ n1-nA ⁇ 0.05, and the adiabatic bonding site is A composite optical waveguide (3) having a region in which the distance t between the core of the polymer optical waveguide and the silicon optical waveguide is 1.5 ⁇ m or less To provide.
  • the photocurable adhesive preferably has a mass loss of 6% or less before and after being kept at 150 ° C. for 100 hours in the air after photocuring. .
  • the photocurable adhesive preferably has a mass increase of 1% or less before and after being immersed in water for 24 hours after photocuring.
  • the photocurable adhesive preferably has an average coefficient of thermal expansion at 25 to 100 ° C. of less than 130 ⁇ 10 ⁇ 6 / ° C.
  • the core and clad of the polymer optical waveguide are preferably made of a resin containing fluorine.
  • the photocurable adhesive contains a fluorine-based material.
  • a polymer optical waveguide and a silicon optical waveguide are bonded using a photocurable adhesive having a glass transition point Tg after photocuring of 125 ° C. or higher. And a region where the distance t between the silicon optical waveguide and the silicon optical waveguide is 1.5 ⁇ m or less, the adhesive layer and the adherend (consisting of the polymer optical waveguide and the silicon optical waveguide) are peeled off during the heat cycle test. The reliability of the adiatic binding site is improved.
  • the photocurable adhesive used for forming the adhesive layer has a light transmittance of 0.1% after light curing at a wavelength of 1.3 ⁇ m of 80% or more, or ⁇ 0.015 ⁇ n1-nA ⁇ . Since 0.05 is satisfied, transmission loss of light propagating through the composite optical waveguide is small.
  • FIG. 1 is a perspective view showing one structural example of the composite optical waveguide of the present invention.
  • FIG. 2 is a side view of the composite optical waveguide 10 of FIG. 3 is a cross-sectional view of the composite optical waveguide 10 of FIG. 1 at an adiabatic coupling site.
  • FIG. 4 is a partially enlarged view of FIG.
  • FIG. 5 is a partial longitudinal sectional view around the adiabatic coupling site of the composite optical waveguide 10 of FIG.
  • FIG. 6 is a diagram of a test sample used in the adhesion test of the example.
  • FIG. 1 is a perspective view showing one structural example of the composite optical waveguide of the present invention.
  • FIG. 2 is a side view of the composite optical waveguide 10 of FIG. 3 is a cross-sectional view of the composite optical waveguide 10 of FIG. 1 at an adiabatic coupling site.
  • the polymer optical waveguide 20 and the silicon optical waveguide 30 are adiabatically coupled.
  • the other end side is accommodated in a connector 40 for connection with an adiabatic coupling site.
  • FIG. 4 is a partially enlarged view of FIG. 3, showing the positional relationship between the core 22 of the polymer optical waveguide 20 and the silicon optical waveguide 30 at the adiabatic coupling site.
  • the portions other than the cores 22 and 32 are the clads 21 and 31.
  • the core 22 of the polymer optical waveguide 20 and the core 32 of the silicon optical waveguide 30 are arranged facing each other and bonded by the adhesive layer 50 at the adiabatic coupling site.
  • a barrier layer 60 is formed on the surface of the silicon optical waveguide 30 on the adhesive layer 50 side in order to suppress diffusion of alkali metal ions such as sodium.
  • the thickness of the barrier layer 60 is, for example, 0.01 to 0.5 ⁇ m.
  • Si 3 N 4 can be used as a constituent material of the barrier layer 60.
  • FIG. 5 is a partial longitudinal sectional view of the adiabatic coupling portion 70 of the composite optical waveguide 10 of FIG. 1, and shows the state of light propagation in the adiabatic coupling portion 70.
  • adiabatic coupling evanescent light is captured and communicated over a predetermined distance in the optical axis direction. Therefore, in the adiabatic coupling site, the core 22 of the polymer optical waveguide 20 and the core 32 of the silicon optical waveguide 30 are arranged to face each other as shown in FIG. The clad on the side facing the core 32 of 30 is not provided, and the core 22 is exposed.
  • the polymer optical waveguide 20 has a positioning projection 24 and the silicon optical waveguide 30 has Are each provided with a positioning recess 34.
  • the thickness of the adhesive layer should be 10 ⁇ m or more.
  • the stress thermal strain
  • the constituent material of the adhesive layer and the constituent material of the fiber or optical waveguide. This is because a thickness of 10 ⁇ m or more is required for the adhesive layer itself to relax.
  • the adiabatic coupling site 70 of the composite optical waveguide 10 of the present invention has a region where the distance t between the core 22 of the polymer optical waveguide 20 and the silicon optical waveguide 30 is 1.5 ⁇ m or less.
  • the interval t between the core 22 of the polymer optical waveguide 20 and the silicon optical waveguide 30 may or may not be uniform.
  • the distance t between the core 22 and the silicon optical waveguide 30 is not uniform, for example, in a structure in which the distance on the a side in FIG.
  • the interval t between the core 22 and the silicon optical waveguide 30 is not uniform, the interval t is 1 in 50% or more of the region where the core 22 of the polymer optical waveguide 20 and the core 32 of the silicon optical waveguide 30 face each other. It is preferable that it is 5 ⁇ m or less. When the interval t is 1.5 ⁇ m or less in the region of 50% or more, the light propagation efficiency is high, and the occurrence of peeling can be suppressed.
  • the region where the interval t is 1.5 ⁇ m or less is preferably 70% or more, more preferably 80% or more, still more preferably 90% or more, and particularly preferably the interval t is 1.5 ⁇ m or less in all regions.
  • the interval t between the core 22 of the polymer optical waveguide 20 and the silicon optical waveguide 30 is more preferably 1.3 ⁇ m or less, still more preferably 1.0 ⁇ m or less, and most preferably 0.8 ⁇ m or less.
  • the composite optical waveguide 10 of the present invention has a region in which the distance t between the core 22 of the polymer optical waveguide 20 corresponding to the thickness of the adhesive layer and the silicon optical waveguide 30 is 1.5 ⁇ m or less, it is in the case of direct coupling Such stress relaxation by the adhesive layer cannot be expected. Therefore, we examined the physical properties of the photo-curing adhesive used to form the adhesive layer by using an approach that does not generate stress at the adhesive interface, and found the physical properties and threshold values required to improve the reliability of the adiabatic binding site. The present invention has been reached.
  • a photo-curing adhesive having a low glass transition point Tg after photo-curing in a situation where the thickness of the adhesive layer has to be reduced.
  • it is effective to utilize the property of rapidly softening when the temperature of the photocurable adhesive exceeds the glass transition point Tg after photocuring, This is because even if the thickness of the adhesive layer is thin, it is considered that stress relaxation is facilitated.
  • the temperature at the time of use of the optical waveguide composite may be higher than the glass transition point Tg after photocuring of the photocurable adhesive.
  • light having a low glass transition point Tg after photocuring is used.
  • a heat cycle test was performed to confirm that the composite optical waveguide can be stably used in an actual usage environment, and it is preferable that the glass transition point of the photocurable adhesive used for forming the adhesive layer is higher. It became clear.
  • the composite optical waveguide becomes high temperature during the heat cycle test, the photo-curable adhesive has a large change in the thermal expansion coefficient at the glass transition point Tg after photo-curing.
  • the volume change of the (adhesive layer) is further increased, whereby stress is generated between the adhesive layer and the polymer optical waveguide and the silicon optical waveguide, which are adherends, so that peeling easily occurs.
  • the thermal expansion coefficient of the photocurable adhesive is remarkably increased during the heat cycle test. There is nothing. As a result, the increase / decrease in the volume of the adhesive layer during the heat cycle test is reduced, and the stress at the adhesive interface is reduced. As a result, interface peeling between the adhesive layer and the adherend can be prevented.
  • the glass transition point Tg after photocuring is higher than the upper limit temperature of the heat cycle test to form the adhesive layer of the composite optical waveguide.
  • the upper limit temperature of the heat cycle test ( ⁇ 50 ° C. to 125 ° C.) in Examples described later is 125 ° C. Therefore, in the present invention, a photocurable adhesive having a glass transition point Tg after photocuring of 125 ° C. or higher is used to form the adhesive layer of the composite optical waveguide.
  • the photocurable adhesive in this specification is an adhesive that is cured by light irradiation, and corresponds to an ultraviolet curable adhesive and an electron beam irradiation adhesive.
  • the reason why the heat cycle test at ⁇ 50 to 125 ° C. was performed in the examples described later is as described below.
  • the standard of Telcordia generally used in the communication world refers to -40 ° C to 85 ° C, and it is used for applications that require high reliability such as supercomputers and high-end servers.
  • the test is conducted at -50 ° C to 125 ° C with the margins for both the upper and lower limits.
  • a photocurable adhesive having a glass transition point Tg after photocuring of 125 ° C. or higher for forming the adhesive layer of the composite optical waveguide, and light having a glass transition point Tg of 135 ° C. or higher. It is more preferable to use a curable adhesive, and it is still more preferable that it is 140 degreeC or more.
  • the photocurable adhesive used for forming the adhesive layer transmits the light propagating through the composite optical waveguide.
  • a light transmissive adhesive having a light transmittance of 1.3 ⁇ m at a thickness of 0.1 mm after photocuring and having a wavelength of 1.3 ⁇ m is used to form the adhesive layer of the composite optical waveguide. This is because the transmission loss when the light propagating through the composite optical waveguide passes through the adhesive layer is extremely low.
  • the adhesive layer of the composite optical waveguide it is preferable to use a photocurable adhesive having a light transmittance of 1.3 ⁇ m at a thickness of 0.1 mm after photocuring and having a wavelength of 85% or more, 90% It is more preferable to use the above light-transmitting adhesive.
  • the constituent materials of both are selected so that the refractive index of the cladding is lower than the refractive index of the core.
  • the core 22 of the polymer optical waveguide 20 is exposed at the adiabatic coupling site, and the adhesive layer 50 exists around the core 22.
  • photocuring used for forming the adhesive layer 50 so that the refractive index of the adhesive layer 50 is approximately the same as the refractive index of the cladding of the polymer optical waveguide 20. It is preferable to select a mold adhesive.
  • the refractive index of the clad of the polymer optical waveguide 20 is n1
  • the refractive index nA after photocuring of the photocurable adhesive used for forming the adhesive layer 50 satisfies the following formula (1). It is preferable because the propagation loss of light in the composite optical waveguide 10 is suppressed. -0.015 ⁇ n1-nA ⁇ 0.05 (1)
  • n1-nA is larger than the above range, the light confinement effect of the cladding is too great, and the amount of light that can propagate between the polymer optical waveguide 20 and the silicon optical waveguide 30 is small due to a decrease in the evanescent light. As a result, propagation loss increases.
  • the refractive index range of the adhesive after photocuring is clear from this simulation that there is not a preferred range at equal intervals up and down, but a lower range is narrow. It was.
  • the refractive index nA after photocuring of the photocurable adhesive used for forming the adhesive layer 50 satisfies the following formula (2). -0.013 ⁇ n1-nA ⁇ 0.03 (2) More preferably, -0.01 ⁇ n1-nA ⁇ 0.02, and most preferably -0.005 ⁇ n1-nA ⁇ 0.015.
  • the composite optical waveguide of the present invention may be mounted on an electronic circuit board and used as an electronic composite board.
  • the polymer optical waveguide 20 and the silicon optical waveguide 30 are adiabatically bonded by the adhesive layer 50 and then mounted on the electronic circuit board.
  • a high temperature process is performed. May be.
  • a high-temperature process of 260 ° C. for several times may be performed a plurality of times as a general reflow process using lead-free solder.
  • development of low-temperature lead-free solder that can be mounted at around 160 ° C. has been progressing.
  • the photo-curing adhesive used for forming the adhesive layer 50 has a mass loss of 6% before and after being kept at 150 ° C. for 100 hours in the air after photo-curing. Or less, more preferably 4% or less, still more preferably 2% or less.
  • the composite optical waveguide of the present invention may be exposed to a high-temperature and high-humidity environment during use depending on the application. In this case, it is required that the adhesive layer does not peel even when exposed to a high temperature and high humidity environment.
  • a high temperature and high humidity test at 85 ° C. and 85% RH is used as an index.
  • the amount of increase in mass before and after the photocured adhesive is immersed in water for 24 hours is 1% or less. In this case, even in a high-temperature and high-humidity test at 85 ° C.
  • the composite optical waveguide of the present invention has a mass increase amount of 0.5% or less before and after the photocured adhesive is immersed in water for 24 hours as a photocurable adhesive used for forming the adhesive layer. Is more preferable, and it is further more preferable that it is 0.3% or less.
  • the thermal expansion coefficient of the photocurable adhesive used for forming the adhesive layer is close to the thermal expansion coefficient of the constituent material of the polymer optical waveguide or the silicon optical waveguide.
  • the stress generated at the interface between the adhesive layer and the polymer optical waveguide or the silicon optical waveguide is reduced, and as a result, peeling is less likely to occur.
  • the constituent material of the polymer optical waveguide has an average coefficient of thermal expansion at about 25 to 100 ° C. of about 80 ⁇ 10 ⁇ 6 / ° C., and the coefficient of thermal expansion of Si is about 3 ⁇ 10 ⁇ 6 / ° C.
  • the photocurable adhesive used for forming the adhesive layer preferably has an average coefficient of thermal expansion at 25 to 100 ° C. of less than 130 ⁇ 10 ⁇ 6 / ° C., and less than 110 ⁇ 10 ⁇ 6 / ° C. More preferably, it is more preferably less than 100 ⁇ 10 ⁇ 6 / ° C.
  • the photocurable adhesive used for forming the adhesive layer is not particularly limited as long as the above physical properties are satisfied. Specific examples include an epoxy photocurable adhesive, a fluorine-containing epoxy photocurable adhesive, a silicone photocurable adhesive, an acrylic photocurable adhesive, a fluorine-containing acrylic photocurable adhesive, There are urethane acrylate photocurable adhesives, epoxy acrylate photocurable adhesives, and the like. Among these, a fluorine-containing epoxy-based photocurable adhesive is preferable for reasons such as transparency, heat resistance, and low curing shrinkage. In addition, when the constituent material of the polymer optical waveguide contains fluorine, it is preferable that the photocurable adhesive used for forming the adhesive layer also contains fluorine because the adhesion between the two is improved.
  • the composite optical waveguide of the present invention will be further described.
  • the silicon optical waveguide 30 is formed by forming a core / cladding structure comprising a Si core 32 and a SiO 2 cladding 31 on a silicon chip.
  • a plurality of cores 32 are arranged in parallel along one direction and are formed in an array.
  • the configuration of the silicon optical waveguide is not limited to this.
  • the barrier layer 60 is formed on the surface of the silicon optical waveguide 30 on the adhesive layer 50 side, the barrier layer 60 has an arbitrary configuration, and the barrier layer 60 may not be formed.
  • the polymer optical waveguide 20 is formed by a core 22 and a clad 21 disposed around the core 22.
  • the core 22 and the clad 21 of the polymer optical waveguide 20 are both composed of a polymer (resin material), but the constituent materials of both are selected so that the refractive index of the clad 21 is lower than the refractive index of the core 22.
  • a polymer resin material
  • the constituent materials of both are selected so that the refractive index of the clad 21 is lower than the refractive index of the core 22.
  • the constituent materials of the core 22 and the clad 21 of the polymer optical waveguide 20 are preferably made of a resin containing fluorine. This is because in the long wavelength region (especially around the C band and the O band used for communication), the CF coupling can suppress light absorption more than the CH coupling.
  • the core 22 has a rectangular cross-sectional shape, but is not limited thereto, and may be, for example, a trapezoid, a circle, or an ellipse.
  • the corners may be rounded.
  • the size of the core 22 in the polymer optical waveguide 20 is not particularly limited, and can be appropriately designed in consideration of the coupling efficiency with the light source or the light receiving element.
  • the coupling efficiency depends on the core diameter and the numerical aperture (NA).
  • NA numerical aperture
  • the size of the core 22 (when the cross-sectional shape of the core 22 is rectangular like the core 22 shown in FIG. 3, the width and height of the rectangle) considers the coupling efficiency with the core 32 of the silicon optical waveguide 30. 1 to 10 ⁇ m, preferably 1.5 to 8 ⁇ m, more preferably 2 to 7 ⁇ m.
  • Examples 1 and 2 are examples, and examples 3, 4, 5, and 6 are comparative examples.
  • the test sample includes a sample (a) 200 simulating a polymer optical waveguide and a sample (b) 300 simulating a silicon optical waveguide.
  • a sample (a) 200 simulating a polymer optical waveguide has a portion 220 simulating a core and a convex portion 240 for positioning.
  • a sample (b) 300 simulating a silicon waveguide has a positioning recess 340.
  • a silicon wafer was ground with a dicing saw to prepare a sample (b) 300 having a positioning recess 340.
  • the positioning convex portion 240 of the sample (a) 200 has a width that can be inserted into the positioning concave portion 340 of the sample (b) 300.
  • the height of the convex portion 240 and the height of the portion 220 of the sample (a) 200 are such that when the convex portion 240 is inserted into the concave portion 340, the portion 220 and the sample facing the portion (b) ) A gap of 1.5 ⁇ m or less is generated between the surface 300 and the surface 300.
  • the positioning convex portion 240 of the sample (a) 200 is inserted into the concave portion 340.
  • the adhesive was cured by irradiating with UV light at an irradiation intensity of 3 to 18 J / cm 2 to form an adhesive layer having a thickness of 1.5 ⁇ m or less. Thereafter, annealing was performed at a lower temperature (1 hour at 60 ° C. or 80 ° C.), and further annealing was performed at 160 ° C. for 1 hour, and the following test samples were produced.
  • the photocurable adhesive described in the following table was used.
  • the glass transition point Tg is a value after photocuring of the adhesive.
  • the glass transition point Tg is measured according to the input compensation differential scanning calorimetry described in JIS K7121.
  • the heating rate is 20 ° C. per minute, and the ambient atmosphere of the test piece is nitrogen (50 ml per minute).
  • the light transmittance at a wavelength of 1.3 ⁇ m of the fluorine-containing epoxy-based photocurable adhesive satisfies a transmittance of 80% or more at a thickness of 0.1 mm. Therefore, in all of Examples 1 to 6, the transmission loss when the propagating light passes through the adhesive layer in the case of the composite optical waveguide is extremely low.
  • the amount of mass decrease in the table is the amount of mass decrease before and after holding the photocured adhesive at 150 ° C. for 100 hours, and the amount of mass increase is the photocured adhesive (the thickness of the test piece is 1 mm).
  • Examples 1 and 2 using a photo-curing adhesive having a Tg after photo-curing of 125 ° C. or higher showed good results in the heat cycle test.
  • the average coefficient of thermal expansion of the photocurable adhesive is Since it is close to the average thermal expansion coefficient of the material (about 80 ⁇ 10 ⁇ 6 / ° C.) and the average thermal expansion coefficient of Si (about 3 ⁇ 10 ⁇ 6 / ° C.), the adhesive layer and the polymer light The stress generated at the interface with the waveguide is reduced, and as a result, peeling does not easily occur.
  • the average coefficient of thermal expansion is measured according to JIS K7197. The heating rate is 5 ° C. per minute and the ambient atmosphere of the test piece is nitrogen (50 ml per minute).
  • the results of the low-temperature process test were good in Examples 1 to 5 using a photo-curing adhesive having a mass increase of 6% or less before and after being kept at 150 ° C. for 100 hours in the air after photo-curing.
  • the results of the high-temperature and high-humidity test were good in Examples 1 and 6 in which the amount of mass increase before and after being immersed in water for 24 hours after photocuring was 1% or less.
  • the structure (size and refractive index) of the polymer optical waveguide 20 and the silicon optical waveguide 30 is the RSsoft CAD manufactured by RSSoft Design Group Co., Ltd. for the composite optical waveguide 10 having the structure shown in FIGS.
  • the light propagation was simulated using BeamProp (finite difference beam propagation method) manufactured by RSSoft Design Group, which is a simulation engine.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view when the resin optical waveguide and the silicon (Si) optical waveguide are coupled in an adiabatic manner
  • FIG. 5 is a side view.
  • Example 7 to 24 Of Examples 7 to 24, Examples 7 to 14, Examples 16 to 23 are examples, and Examples 15 and 24 are comparative examples.
  • the structure (size and refractive index) of the polymer optical waveguide 20 and the silicon optical waveguide 30 was defined by RSSoft CAD as shown below.
  • the length of the adiabatic coupling portion 70 arranged with the core 22 of the polymer optical waveguide 20 and the core 32 of the silicon optical waveguide 30 facing each other and joined by the adhesive layer 50 is 1750 ⁇ m, and the wavelength is 1.3 ⁇ m.
  • the connection loss at was determined by calculation with BeamProp. The results are shown in Tables 3 to 5 below.
  • the refractive index difference (n1 ⁇ nA) in the table is the difference between the refractive index n1 of the clad 22 of the polymer optical waveguide 20 and the refractive index nA after photocuring of the photocurable adhesive used for forming the adhesive layer 50. It is a difference in refractive index, and the interval t is the interval t between the core 22 of the polymer optical waveguide 20 and the silicon optical waveguide 30.
  • the difference (n1 ⁇ nA) between the refractive index n1 of the cladding of the polymer optical waveguide and the refractive index nA of the adhesive after photocuring is ⁇ 0.015 to 0. .05
  • the polymer optical waveguide and the silicon waveguide can be connected with a loss of 1.5 dB or less.
  • Comparative Example 24 when the difference (n1 ⁇ nA) between the refractive index n1 of the clad of the polymer optical waveguide and the refractive index nA of the adhesive after photocuring is ⁇ 0.02, the connection loss is large exceeding 4 dB. Value.
  • the distance t between the core of the polymer waveguide and the silicon waveguide is less than 1.5 ⁇ m, the polymer optical waveguide and the silicon waveguide can be connected with 1.5 dB or less. I understand.

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Abstract

ポリマー光導波路と、シリコン光導波路とがアディアバティック結合された複合光導波路であって、前記ポリマー光導波路のコアと、前記シリコン光導波路のコアとが対向して配置されたアディアバティック結合部位において、硬化後のガラス転移点Ｔｇが１２５℃以上である光硬化型接着剤を用いて形成された接着層により、前記ポリマー光導波路と、前記シリコン光導波路とが結合されており、前記アディアバティック結合部位は、前記ポリマー光導波路のコアと、前記シリコン光導波路との間隔ｔが１．５μｍ以下の領域を有することを特徴とする複合光導波路。

Description

複合光導波路
　本発明は、ポリマー光導波路（ＰＯＷ）と、シリコン（Ｓｉ）光導波路と、をアディアバティック結合（Ａｄｉａｂａｔｉｃ　Ｃｏｕｐｌｉｎｇ）させた複合光導波路に関する。
　プリント基板上に形成されたリジッドな、あるいはポリマー製ベースフィルム上に形成されたフレキシブルな、マルチモードおよびシングルモードのポリマー光導波路が普及している。ポリマー光導波路の原理は、屈折率の異なる複数のポリマーの組合せである、コアとクラッドとの組合せによって、コアを光導波路とするものである。
　一方で、シリコンチップ上に光導波路を形成したシリコン光導波路も普及している（特許文献１参照）。
　ポリマー光導波路、および、シリコン光導波路の何れについても、複数の導波路チャネルを得るために、一方向に沿って複数の導波路が平行に揃った形式で、アレイ状に形成される。
　ポリマー光導波路と、シリコン光導波路と、の間で光を伝播させる試みがなされているが、ミクロのレベルで光を効率的に伝播させる結合を実現しようとすると、高精度な位置決めが必要となってくる。
　マルチモードの光導波路であれば、光導波路同士、あるいは、光導波路とマルチモード光ファイバとの間の結合において、コア断面のサイズが大きく、また互いのコア断面サイズや開口数が同程度であるため、相互に接触することになる断面同士において、断面同士の突合せの位置決め精度さえ保証されれば、損失が許容可能なレベルでの実現が可能である。
　実際、いわゆる正対結合（Ｂｕｔｔ　Ｃｏｕｐｌｉｎｇ）によって実現されている。
　しかし、シングルモードの光導波路とシリコン光導波路との結合においては、各々のコア断面がかなり小さくなってしまい、また互いのコア断面サイズや開口数が大きく異なるため、正対結合自体が困難となってくる。
　この点、アレイに沿った光軸方向での染み出し光（以下、エバネッセン光ともいう。）を、光軸方向の所定距離にわたって捉えて連絡させるという、アディアバティック結合が代替手法として期待できる。
　そのため、ポリマー光導波路と、シリコン光導波路と、をアディアバティック結合させた複合光導波路が最近注目を集めている（特許文献１、２参照）。
日本国特開２０１４－８１５８６号公報 米国特許第８７２４９３７号明細書
　ポリマー光導波路とシリコン光導波路と、を正対結合させる際には光硬化型接着剤を用いて両者を結合させている。アディアバティック結合の場合も光硬化型接着剤を用いて両者を結合させることになる。
　しかし、アディアバティック結合を行う際に、ポリマー光導波路と、シリコン光導波路と、をどうやって信頼性の高い方法で接合させるかについては、これまであまり議論されてこなかった。本願発明者らはこの点について鋭意検討した。その結果、現在主流である正対結合では信頼性の高い結合を実現できていた光硬化型接着剤をアディアバティック結合に用いた場合、信頼性試験の際に剥離が発生することがあることが明らかになった。
　本発明は、上記した従来技術の問題点を解決するため、ポリマー光導波路と、シリコン光導波路と、がアディアバティック結合された複合光導波路におけるアディアバティック結合部位の信頼性の向上を目的とする。
　上記した目的を達成するため、本発明は、ポリマー光導波路と、シリコン光導波路とがアディアバティック結合された複合光導波路であって、前記ポリマー光導波路のコアと、前記シリコン光導波路のコアとが対向して配置されたアディアバティック結合部位において、硬化後のガラス転移点Ｔｇが１２５℃以上である光硬化型接着剤を用いて形成された接着層により、前記ポリマー光導波路と、前記シリコン光導波路とが結合されており、前記アディアバティック結合部位は、前記ポリマー光導波路のコアと、前記シリコン光導波路との間隔ｔが１．５μｍ以下の領域を有することを特徴とする複合光導波路（１）を提供する。
　また、本発明は、ポリマー光導波路と、シリコン光導波路とがアディアバティック結合された複合光導波路であって、前記ポリマー光導波路のコアと、前記シリコン光導波路のコアとが対向して配置されたアディアバティック結合部位において、硬化後のガラス転移点Ｔｇが１２５℃以上、かつ、硬化後の０．１ｍｍ厚みでの波長１．３μｍの光の透過率が８０％以上の光硬化型接着剤を用いて形成された接着層により、前記ポリマー光導波路と、前記シリコン光導波路とが結合されており、前記アディアバティック結合部位は、前記ポリマー光導波路のコアと、前記シリコン光導波路との間隔ｔが１．５μｍ以下の領域を有することを特徴とする複合光導波路（２）を提供する。
　さらに、本発明は、ポリマー光導波路と、シリコン光導波路とがアディアバティック結合された複合光導波路であって、前記ポリマー光導波路のコアと、前記シリコン光導波路のコアとが対向して配置されたアディアバティック結合部位において、硬化後のガラス転移点Ｔｇが１２５℃以上、かつ、前記ポリマー光導波路のクラッドの屈折率をｎ１、硬化後の接着剤の屈折率をｎＡとするとき、－０．０１５＜ｎ１－ｎＡ＜０．０５を満たす光硬化型接着剤を用いて形成された接着層により、前記ポリマー光導波路と、前記シリコン光導波路とが結合されており、前記アディアバティック結合部位は、前記ポリマー光導波路のコアと、前記シリコン光導波路との間隔ｔが１．５μｍ以下の領域を有することを特徴とする複合光導波路（３）を提供する。
　本発明の複合光導波路（１）～（３）において、前記光硬化型接着剤が、光硬化後に大気中で１５０℃１００時間保持した前後での質量減少量が６％以下であることが好ましい。
　本発明の複合光導波路（１）～（３）において、前記光硬化型接着剤は、光硬化後に水に２４時間浸漬させた前後での質量増加量が１％以下であることが好ましい。
　本発明の複合光導波路（１）～（３）において、前記光硬化型接着剤は、２５～１００℃における平均熱膨張率が１３０×１０-6／℃未満であることが好ましい。
　本発明の複合光導波路（１）～（３）において、前記ポリマー光導波路のコアおよびクラッドが、フッ素を含有する樹脂からなることが好ましい。
　この場合、前記光硬化型接着剤が、フッ素系材料を含有していることが好ましい。
　本発明の複合光導波路は、ポリマー光導波路と、シリコン光導波路とが、光硬化後のガラス転移点Ｔｇが１２５℃以上の光硬化型接着剤を用いて結合されており、ポリマー光導波路のコアと、シリコン光導波路との間隔ｔが１．５μｍ以下の領域を有するため、ヒートサイクル試験の際に、接着層と被着体（ポリマー光導波路およびシリコン光導波路で構成されたもの）とが剥離するおそれがなく、アディアティック結合部位の信頼性が向上している。
　また、接着層の形成に用いる光硬化型接着剤は、光硬化後の０．１ｍｍ厚みでの波長１．３μｍの光の透過率が８０％以上、または、－０．０１５＜ｎ１－ｎＡ＜０．０５を満たすため、複合光導波路を伝播する光の伝達損失が少ない。
図１は、本発明の複合光導波路の一構成例を示した斜視図である。 図２は、図１の複合光導波路１０の側面図である。 図３は、図１の複合光導波路１０のアディアバティック結合部位における横断面図である。 図４は、図３の部分拡大図である。 図５は、図１の複合光導波路１０のアディアバティック結合部位周辺の部分縦断面図である。 図６は、実施例の接着試験に用いた試験サンプルの図である。
　以下、図面を参照して本発明を説明する。
　図１は、本発明の複合光導波路の一構成例を示した斜視図である。図２は、図１の複合光導波路１０の側面図である。図３は、図１の複合光導波路１０のアディアバティック結合部位における横断面図である。
　図１～３に示す複合光導波路１０では、ポリマー光導波路２０と、シリコン光導波路３０とがアディアバティック結合されている。図１、２に示すポリマー光導波路２０において、アディアバティック結合部位に対し他端側は接続用のコネクタ４０に収容されている。図３に示すポリマー光導波路２０、シリコン光導波路３０において、コア２２、３２以外の部位がクラッドである。
　図４は、図３の部分拡大図であり、アディアバティック結合部位における、ポリマー光導波路２０のコア２２と、シリコン光導波路３０の位置関係が示されている。図４に示すポリマー光導波路２０、シリコン光導波路３０において、コア２２、３２以外の部位がクラッド２１，３１である。
　図４に示すように、アディアバティック結合部位では、ポリマー光導波路２０のコア２２と、シリコン光導波路３０のコア３２と、が対向した状態で配置され、接着層５０により接合されている。ここで、シリコン光導波路３０の接着層５０側の表面には、ナトリウム等のアルカリ金属イオンの拡散を抑制するためにバリア層６０が形成されている。バリア層６０の厚みは、例えば０．０１～０．５μｍである。バリア層６０の構成材料には、例えば、Ｓｉ3Ｎ4を用いることができる。
　図５は、図１の複合光導波路１０のアディアバティック結合部位７０の部分縦断面図であり、アディアバティック結合部位７０におけるエバネッセン光の伝播（ｌｉｇｈｔ　ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ）の様子が示されている。
　アディアバティック結合では、エバネッセン光を、光軸方向の所定距離にわたって捉えて連絡させる。そのため、アディアバティック結合部位では、ポリマー光導波路２０のコア２２と、シリコン光導波路３０のコア３２とが、図５に示すように対向して配置されるが、ポリマー光導波路２０は、シリコン光導波路３０のコア３２と対向する側のクラッドが設けられておらず、コア２２が露出している。また、ポリマー光導波路２０のコア２２と、シリコン光導波路３０のコア３２と、が適切な位置関係になるように配置させるため、ポリマー光導波路２０には位置決め用凸部２４、シリコン光導波路３０には位置決め用凹部３４がそれぞれ設けられている。
　正対結合の場合、接着層の厚みが薄いと、高温や高湿の環境下で、結合損失の増大、最悪の場合は界面での剥離が起きることから、接着層の厚みを１０μｍ以上にする必要があった (例えば特許第４８９６２３１号明細書等)。
　これは、接着層の構成材料と、ファイバや光導波路の構成材料と、の間に生じる熱膨張率差等が原因となって発生する応力(熱歪み)が原因であり、この発生した応力を接着層自身が緩和するためには１０μｍ以上の厚みが必要とされるためである。
　アディアバティック結合の場合、エバネッセン光を利用するため、接着層の厚みを大きくすると、光の伝達効率が著しく低下する。
　そのため、本発明の複合光導波路１０のアディアバティック結合部位７０は、ポリマー光導波路２０のコア２２と、シリコン光導波路３０との間隔ｔが１．５μｍ以下の領域を有するものとする。本発明の接着層５０の厚みの形態としては、ポリマー光導波路２０のコア２２と、シリコン光導波路３０との間隔ｔが均一であってもよく、均一でなくてもよい。コア２２とシリコン光導波路３０との間隔ｔが均一ではないとは、例えば、図５のａ側の間隔が狭く、ｂ側の間隔が広くなる構造である。コア２２とシリコン光導波路３０との間隔ｔが均一ではない場合、ポリマー光導波路２０のコア２２と、シリコン光導波路３０のコア３２とが対向している領域の５０％以上は、間隔ｔが１．５μｍ以下であることが好ましい。５０％以上の領域において間隔ｔが１．５μｍ以下であることにより、光の伝搬効率が高く、剥離の発生を抑制できる。間隔ｔが１．５μｍ以下の領域は、７０％以上が好ましく、８０％以上がより好ましく、９０％以上がさらに好ましく、全ての領域で間隔ｔが１．５μｍ以下であることが特に好ましい。なお、ポリマー光導波路２０のコア２２と、シリコン光導波路３０と、の間隔ｔはより好ましくは１．３μｍ以下、さらに好ましくは１．０μｍ以下、最も好ましくは０．８μｍ以下である。
　本発明の複合光導波路１０は、接着層の厚みに相当するポリマー光導波路２０のコア２２と、シリコン光導波路３０と、の間隔ｔが１．５μｍ以下の領域を有するため、正対結合の場合のような、接着層による応力緩和は期待できない。そこで、接着界面に応力を発生させないというアプローチで、接着層の形成に用いる光硬化型接着剤の物性を検討し、アディアバティック結合部位の信頼性を向上させるのに必要な物性とその閾値を見出し本発明に至った。
　従来の技術常識によれば、接着層の厚みを薄くせざるを得ないという状況下では、光硬化後のガラス転移点Ｔｇが低い光硬化型接着剤を用いるのが好ましいと考えられていた。これは、接着層の内部で応力を緩和させるためには、光硬化型接着剤の温度が光硬化後のガラス転移点Ｔｇを超えると急激に軟かくなる性質を利用することが有効であり、接着層の厚みが薄い場合でも応力緩和がしやすくなると考えられるからである。この場合、光導波路複合体の使用時温度が光硬化型接着剤の光硬化後のガラス転移点Ｔｇよりも高い状況とすればよく、そのためには、光硬化後のガラス転移点Ｔｇが低い光硬化型接着剤を用いるのが好ましいことになる。
　しかしながら、今回の一連の検討の結果、接着層の厚みに相当するポリマー光導波路２０のコア２２と、シリコン光導波路３０と、の間隔ｔが１．５μｍ以下という非常に小さい場合、光硬化後のガラス転移点Ｔｇが高い光硬化型接着剤を使用しても剥離が起こらないという結果を得ることができた。また、アディアバティックカップリング結合の信頼性を高めるという観点からすると、むしろ光硬化型接着剤の光硬化後のガラス転移点Ｔｇが高い方がこの結合方式に適しているということが明らかとなった。
　複合光導波路が実使用環境を想定して安定して継続使用できることを確かめるために、ヒートサイクル試験を行ったところ、接着層の形成に用いる光硬化型接着剤のガラス転移点が高い方が好ましいことが明らかになった。
　ヒートサイクル試験中に複合光導波路が高温になった際、光硬化後のガラス転移点Ｔｇを境に光硬化型接着剤の熱膨張率が大きく変化することに起因して、光硬化型接着剤（接着層）の体積変化がより増加し、それにより接着層と、被接着体であるポリマー光導波路およびシリコン光導波路との間で応力が発生することで剥離が起きやすくなる。
　ヒートサイクル試験の最高温度よりも光硬化後のガラス転移点Ｔｇが高い光硬化型接着剤を使用することにより、ヒートサイクル試験の実施時において、光硬化型接着剤の熱膨張係数が著しく大きくなることがない。その結果、ヒートサイクル試験実施時における接着層の体積の増減が小さくなり、接着界面の応力が小さくなる。結果として接着層と被着体との界面剥離が防止できる。
　以上のことから、アディアバティック結合部位の信頼性を向上させるため、本発明では、複合光導波路の接着層を形成するのに、ヒートサイクル試験の上限温度よりも光硬化後のガラス転移点Ｔｇが高い光硬化型接着剤を用いる。後述する実施例におけるヒートサイクル試験(－５０℃～１２５℃)の上限温度は１２５℃である。そのため、本発明では、複合光導波路の接着層を形成するのに、光硬化後のガラス転移点Ｔｇが１２５℃以上の光硬化型接着剤を用いる。本明細書における光硬化型接着剤とは、光照射により硬化する接着剤であり、紫外線硬化型接着剤、電子線照射型接着剤がこれに該当する。
　また、後述する実施例で、－５０～１２５℃のヒートサイクル試験を実施した理由は以下に記載する通りである。
　ヒートサイクル試験の試験条件については、通信の世界で一般的に用いられるテルコーディアの規格は－４０℃～８５℃を参考とし、スーパーコンピューターやハイエンドサーバー等の高信頼性が求められる用途で使用されることを想定し、上限・下限ともマージンを見て―５０℃～１２５℃で試験を実施している。
　本発明では、複合光導波路の接着層を形成するのに、光硬化後のガラス転移点Ｔｇが１２５℃以上の光硬化型接着剤を用いることが好ましく、ガラス転移点Ｔｇが１３５℃以上の光硬化型接着剤を用いることがより好ましく、１４０℃以上であることが更に好ましい。
　上述したように、アディアバティック結合では、エバネッセン光を、光軸方向の所定距離にわたって捉えて連絡させるため、接着層の形成に用いる光硬化型接着剤は、複合光導波路を伝播する光を透過することが求められる。本発明では、複合光導波路の接着層を形成するのに、光硬化後の０．１ｍｍ厚みでの波長１．３μｍの光の透過率が８０％以上の光透過型接着剤を用いる。その理由は、複合光導波路を伝播する光が接着層を通過する際の伝達損失がきわめて低くなるためである。
　複合光導波路の接着層を形成するのに、光硬化後の０．１ｍｍ厚みでの波長１．３μｍの光の透過率が、８５％以上の光硬化型接着剤を用いることが好ましく、９０％以上の光透過型接着剤を用いることがより好ましい。
　ポリマー光導波路では、コア内で光を伝播させるため、クラッドの屈折率がコアの屈折率よりも低くなるように両者の構成材料が選択されている。
　図４及び図５に示すように、アディアバティック結合部位では、ポリマー光導波路２０のコア２２が露出しており、コア２２の周囲には接着層５０が存在している。
　複合光導波路１０における光の伝播損失を抑制するためには、接着層５０の屈折率が、ポリマー光導波路２０のクラッドの屈折率と同程度になるように、接着層５０の形成に用いる光硬化型接着剤を選択することが好ましい。具体的には、ポリマー光導波路２０のクラッドの屈折率をｎ１とするとき、接着層５０の形成に用いる光硬化型接着剤の光硬化後の屈折率ｎＡが下記式（１）を満たすことが、複合光導波路１０における光の伝播損失が抑制されるため好ましい。
　－０．０１５＜ｎ１－ｎＡ＜０．０５　　　　　　　　　　（１）
　ｎ１－ｎＡが上記の範囲より大きい場合は、クラッドの光の閉じ込め効果が大きすぎるため、エバネッセン光が少なくなることによりポリマー光導波路２０とシリコン光導波路３０との間の伝搬できる光の量が少なくなり、結果として伝搬損失が大きくなる。一方、ｎ１－ｎＡが上記の範囲より小さい場合は、ポリマー光導波路２０に伝搬した後の光の閉じ込めが弱いために、伝搬損失の悪化や隣にあるコアとのクロストーク等の問題が生じる可能性がある。上記の式から分かるように、光硬化後の接着剤の適正な屈折率範囲としては、上下に等間隔で好ましい範囲があるわけではなく下側の範囲が狭いことが今回のシミュレーションから明らかになった。
　本発明の複合光導波路１０において、接着層５０の形成に用いる光硬化型接着剤の光硬化後の屈折率ｎＡが下記式（２）を満たすことがより好ましい。
　－０．０１３＜ｎ１－ｎＡ＜０．０３　　　　　　　　　　（２）
　さらに好ましくは－０．０１＜ｎ１―ｎＡ＜０．０２、もっとも好ましくは－０．００５＜ｎ１－ｎＡ＜０．０１５である。
　本発明の複合光導波路は、電子回路基板に実装して電子複合基板として使用する場合がある。この場合、ポリマー光導波路２０と、シリコン光導波路３０と、を接着層５０によりアディアバティック結合させた後、電子回路基板に実装することになるが、電子回路基板に実装した後、高温プロセスが実施されることがある。たとえば、電子回路基板に半導体チップやデバイスを実装する際に、一般的な鉛フリーはんだを用いたリフロープロセスとして、２６０℃数分の高温プロセスが複数回実施されることがある。また近年、１６０℃前後で実装可能な低温鉛フリーはんだの開発が進んでいる。こういった実装工程を見据えて、信頼性試験としては１６０℃１時間の熱処理（低温プロセス）と、２６０℃熱処理（リフロープロセス）を実施した。
　今回の一連の検討の結果、接着層の形成に用いる光硬化型接着剤の材料物性として、加熱時の質量減少が少ない方が、これら高温プロセス実施時における剥離が発生しにくいということが明らかになった。
　加熱時の質量減少は、光硬化型接着剤を硬化した際に残った未架橋成分や重合度の小さい樹脂成分等の低温揮発成分、架橋後のポリマーの高温耐性が低い部位、等が高温プロセス中に揮散することによって発生する。加熱時の質量減少が大きい光硬化型接着剤では、これらの樹脂成分が揮散する際に起こる体積収縮がより大きいため、接着層と、被接着体であるポリマー光導波路およびシリコン光導波路との間に応力が発生し、剥離などの問題を起こす要因となる。これに対し、加熱時の質量減少が小さい光硬化型接着剤では、高温プロセス実施時における体積収縮が小さいため、アディアバティック結合部位の信頼性が向上する。
　上記の観点からは、本発明の複合光導波路１０は、接着層５０の形成に用いる光硬化型接着剤が、光硬化後に大気中で１５０℃１００時間保持した前後での質量減少量が６％以下であることが好ましく、４％以下であることがより好ましく、２％以下が更に好ましい。
　本発明の複合光導波路は、その用途によっては、使用時に高温高湿環境に晒される場合がある。この場合、高温高湿環境に晒された場合でも接着層が剥離しないことが求められる。この点について、本発明では、８５℃８５％ＲＨでの高温高湿試験を指標とする。
　今回の一連の検討の結果、接着層の形成に用いる光硬化型接着剤の材料物性として、光硬化後の接着剤を水に２４時間浸漬させた前後での質量増加量が１％以下である場合、８５℃８５％ＲＨでの高温高湿試験でも、接着層と、被接着体であるポリマー光導波路およびシリコン光導波路被接着材料との界面において剥離が発生しないことが明らかになった。
　８５℃８５％ＲＨでの高温高湿試験においては吸水により光硬化型接着剤（接着層）の体積が膨張することで、接着層と、被接着体であるポリマー光導波路およびシリコン光導波路との間で応力が発生することで剥離が起きやすくなる。これに対し、光硬化後の光硬化型接着剤を水に２４時間浸漬させた前後での質量増加量が１．０％以下であれば、光硬化後の光硬化型接着剤の吸水率が十分に小さいため、８５℃８５％ＲＨでの高温高湿試験中に発生する体積変化が小さくなり、結果として剥離が起きにくくなる。
　接着層の厚みが１０μｍ以上の正対結合の場合、ポリマー光導波路とシリコン光導波路との結合に用いる光硬化型接着剤の吸水率について特に言及されておらず、比較的吸水率が高いアクリル系接着剤についても、テルコーディア規格（高温高湿）対応とされているが、接着層の厚みに相当するポリマー光導波路２０のコア２２と、シリコン光導波路３０と、の間隔ｔが１．５μｍ以下と非常に薄いアディアバティック結合の場合、接着層内部で応力を緩和できないため、求められる吸水率の特性は上述したようにより厳しくなる。
　本発明の複合光導波路は、接着層の形成に用いる光硬化型接着剤として、光硬化後の接着剤を水に２４時間浸漬させた前後での質量増加量が０．５％以下であることがより好ましく、０．３％以下であることがさらに好ましい。
　本発明の複合光導波路は、接着層の形成に用いる光硬化型接着剤の熱膨張率と、ポリマー光導波路やシリコン光導波路の構成材料の熱膨張率と、が近いことが、ヒートサイクル試験実施時において、接着層と、ポリマー光導波路若しくはシリコン光導波路と、の界面で発生する応力が軽減され、結果的に剥離が起こりにくくなるため好ましい。ポリマー光導波路の構成材料は、２５～１００℃における平均熱膨張率が、８０×１０-6／℃程度であり、Ｓｉの熱膨張率は３×１０-6／℃程度である。これに対し、接着層の形成に用いる光硬化型接着剤は、２５～１００℃における平均熱膨張率が１３０×１０-6／℃未満であることが好ましく、１１０×１０-6／℃未満であることがより好ましく、１００×１０-6／℃未満であることが更に好ましい。
　接着層の形成に用いる光硬化型接着剤は、上記の物性を満たす限り特に限定されない。具体例を挙げると、エポキシ系光硬化型接着剤、フッ素含有エポキシ系光硬化型接着剤、シリコーン系光硬化型接着剤、アクリル系光硬化型接着剤、フッ素含有アクリル系光硬化型接着剤、ウレタンアクリレート系光硬化型接着剤、エポキシアクリレート系光硬化型接着剤などがある。これらの中でも、フッ素含有エポキシ系光硬化型接着剤が、透明性、耐熱性、低硬化収縮率等の理由から好ましい。
　また、ポリマー光導波路の構成材料がフッ素を含有する場合、接着層の形成に用いる光硬化型接着剤もフッ素を含有することが、両者の密着性が向上するため好ましい。
　本発明の複合光導波路についてさらに記載する。
（シリコン光導波路）
　シリコン光導波路３０は、シリコンチップ上に、Ｓｉのコア３２と、ＳｉＯ2のクラッド３１からなるコア・クラッド構造を形成したものである。図示したシリコン光導波路３０では、一方向に沿って複数のコア３２が平行に揃った形式で、アレイ状に形成されている。但し、シリコン光導波路の構成はこれに限定されるものではない。例えば、シリコン光導波路３０の接着層５０側の表面にはバリア層６０が形成されているが、バリア層６０は任意の構成であり、バリア層６０が形成されていなくてもよい。
（ポリマー光導波路）
　ポリマー光導波路２０は、コア２２とその周囲に配されたクラッド２１とによって形成されている。ポリマー光導波路２０のコア２２およびクラッド２１は、いずれもその構成材料がポリマー（樹脂材料）であるが、クラッド２１の屈折率がコア２２の屈折率よりも低くなるように両者の構成材料が選択されている。シリコン光導波路３０のコア３２を光が伝搬するには、シリコンのバンドギャップである１．１μｍよりも波長の長い赤外光の光を用いる必要があるが、その領域で複合光導波路１０を伝播する光の伝送損失を抑制するためには、ポリマー光導波路２０のコア２２およびクラッド２１の構成材料は、フッ素を含有する樹脂にすることが好ましい。これは長波長領域(特に通信で用いられるＣバンド帯周辺、Ｏバンド帯周辺）ではＣ－Ｈ結合よりもＣ－Ｆ結合の方が光の吸収を抑制できるためである。
　図３に示すポリマー光導波路２０では、コア２２の断面形状が矩形であるが、これに限られず、例えば台形、円形、楕円形であってもよい。コアの断面形状が多角形である場合は、その角が丸みを帯びていてもよい。
　ポリマー光導波路２０におけるコア２２のサイズは特に限定されず、光源または受光素子との結合効率等を考慮して適宜設計できる。結合効率はコア径と開口数（ＮＡ）とに依存する。例えばコア２２のサイズ（図３に示すコア２２のように、コア２２の断面形状が矩形の場合は、該矩形の幅および高さ）は、シリコン光導波路３０のコア３２との結合効率を考えると１～１０μｍであることが好ましく、１．５～８μｍであることがより好ましく、２～７μｍであることがさらに好ましい。
　以下に実施例を用いて本発明をさらに詳しく説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。なお、例１、２が実施例、例３、４、５、６が比較例である。
　本実施例では、図６に示す試験サンプルを用いて接着試験を実施した。試験サンプルは、ポリマー光導波路を模擬したサンプル（ａ）２００と、シリコン光導波路を模擬したサンプル（ｂ）３００とで構成される。ポリマー光導波路を模擬したサンプル（ａ）２００は、コアを模擬した部位２２０と、位置決め用の凸部２４０とを有している。シリコン導波路を模擬したサンプル（ｂ）３００は、位置決め用凹部３４０を有している。
　シリコンウェハをダイシングソーで研削して、位置決め用凹部３４０を有するサンプル（ｂ）３００を作製した。サンプル（ａ）２００の位置決め用の凸部２４０は、サンプル（ｂ）３００の位置決め用凹部３４０に挿入可能な幅である。該凸部２４０の高さ、および、サンプル（ａ）２００の部位２２０の高さは、該凸部２４０を該凹部３４０に挿入した際に、該部位２２０と、当該部位に対向するサンプル（ｂ）３００の面との間に１．５μｍ以下のギャップが生じる構成である。
　サンプル（ｂ）３００の位置決め用凹部３４０を有する側の面に下記表に記載の光硬化型接着剤を塗布した後、サンプル（ａ）２００の位置決め用の凸部２４０を該凹部３４０に挿入する。余分な接着剤を除去した後、ＵＶ光を照射強度３～１８Ｊ／ｃｍ2で照射して接着剤を硬化させて厚み１．５μｍ以下の接着層を形成した。その後、より低温でアニール（６０℃または８０℃で１時間）し、さらに１６０℃で１時間アニールを実施して、以下の試験用のサンプルを作製した。
　下記表に記載の光硬化型接着剤を使用した。
　なお、下記表中、ガラス転移点Ｔｇは、接着剤の光硬化後の値である。ガラス転移点Ｔｇは、ＪＩＳ　Ｋ７１２１に記載されている入力補償示差走査熱量測定に従い行う。昇温速度は毎分２０℃、試験片の周辺雰囲気は窒素（毎分５０ｍｌ）とする。また、フッ素含有エポキシ系光硬化型接着剤の波長１．３μｍの光透過率は０．１ｍｍ厚みにおいていずれも透過率８０％以上を満たす。したがって、例１～６は、いずれも、複合光導波路とした場合に伝播する光が接着層を通過する際の伝達損失がきわめて低い。
　また、表中の質量減少量は、光硬化後の接着剤を１５０℃で１００時間保持した前後の質量減少量であり、質量増加量は光硬化後の接着剤（試験片の厚みは１ｍｍ）を２３℃の水に２４時間浸漬した前後での質量増加量であり、ＪＩＳ　Ｋ７２０９に従い行う。
（低温プロセス試験）
　１６０℃で１時間熱処理し、接着界面での剥離の有無を目視により確認し、以下の基準で評価した。
○：接着界面での剥離が確認されなかった。
×：接着界面で剥離が確認された。
（リフロープロセス試験）
　２６０℃で３０秒間熱処理し、接着界面での剥離の有無を目視により確認し、以下の基準で評価した。
○：接着界面での剥離が確認されなかった。
△：接着界面で一部剥離が確認された。
×：接着界面で剥離が確認された。
　なお、低温プロセス試験、および、リフロープロセス試験は、いずれか一方の評価結果が○であればよい。
（ヒートサイクル試験）
　最高温度（＋１２５℃）および最低温度（－５０℃）を各々３０分キープするようにヒートサイクルを２０サイクル実施し、接着界面での剥離の有無を確認し、以下の基準で評価した。
○：接着界面での剥離が確認されなかった。
△：接着界面で一部剥離が確認された。
（高温高湿試験）
　８５℃８５％ＲＨで９０時間熱処理し、接着界面での剥離の有無を目視により確認し、以下の基準で評価した。
○：接着界面での剥離が確認されなかった。
△：接着界面で一部剥離が確認された。
　結果を下記表に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
 　光硬化後のＴｇが１２５℃未満の光硬化型接着剤を使用した例３、４、５、６では、ヒートサイクル試験中に試験サンプルの温度が光硬化後のガラス転移点Ｔｇを超えるため、光硬化型接着剤（接着層）の体積が急激に増加し、それにより接着層と、被接着体であるポリマー光導波路およびシリコン光導波路との間で応力が発生することで剥離が発生した。
　これに対し、光硬化後のＴｇが１２５℃以上の光硬化型接着剤を使用した例１、２は、いずれもヒートサイクル試験の結果が良好であった。
　２５～１００℃における平均熱膨張率が１３０×１０-6／℃未満の光硬化型接着剤を使用した例１～２は、光硬化型接着剤の平均熱膨張係数が、ポリマー光導波路の構成材料の平均熱膨張率（８０×１０-6／℃程度）およびＳｉの平均熱膨張係数（３×１０-6／℃程度）と近いため、ヒートサイクル試験実施時において、接着層と、ポリマー光導波路と、の界面で発生する応力が軽減され、結果的に剥離が起こりにくくなっている。平均熱膨張率の測定は、ＪＩＳ　Ｋ７１９７に従い行う。昇温速度は毎分５℃、試験片の周辺雰囲気は窒素（毎分５０ｍｌ）とする。
　光硬化後に大気中で１５０℃１００時間保持した前後での質量増加量が６％以下の光硬化型接着剤を使用した例１～例５は低温プロセス試験の結果が良好であった。
　光硬化後に水に２４時間浸漬させた前後での質量増加量が１％以下の例１、例６は高温高湿試験の結果が良好であった。
　以下に示す実施例では、図４、５に示す構造の複合光導波路１０について、ポリマー光導波路２０と、シリコン光導波路３０の構造（サイズと屈折率）をＲＳｏｆｔ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｇｒｏｕｐ株式会社製のＲＳｏｆｔ　ＣＡＤで定義し、シミュレーション・エンジンであるＲＳｏｆｔ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｇｒｏｕｐ株式会社製のＢｅａｍＰｒｏｐ（有限差分ビーム伝搬法）で光伝搬のシミュレーションを行った。図４は、樹脂光導波路と、シリコン（Ｓｉ）光導波路をアディアバティク結合した場合の断面図、図５は側面図である。
（例７～例２４）
　例７～２４のうち、例７～１４、例１６～２３が実施例、例１５、２４が比較例である。
　ポリマー光導波路２０とシリコン光導波路３０の構造（サイズと屈折率）を、以下に示すように、ＲＳｏｆｔ　ＣＡＤにより定義した。
（ポリマー光導波路２０）
　コア２２
　　コアサイズ　幅６．０μｍ、厚み２．０μｍ
　　屈折率　１．５２６
　クラッド２１
　　厚み　１５μｍ
　　屈折率　１．５１３
（シリコン光導波路３０）
　コア３２
　　コアサイズ　幅０．３８μｍ（ａ端）～０．１１μｍ（ｂ端）
　　ａ端からｂ端に従って線形に幅が変化
　　厚み０．１８μｍ
　　屈折率　３．５
　クラッド３１
　　厚み　１５μｍ
　　屈折率　１．４５
（バリア層６０）
　　厚み　０．０３μｍ
　　屈折率　１．９８９
　ポリマー光導波路２０のコア２２と、シリコン光導波路３０のコア３２とが対向した状態で配置され、接着層５０により接合されているアディアバティク結合部位７０の長さを１７５０μｍとして、波長１．３μｍにおける接続損失をＢｅａｍＰｒｏｐで計算により求めた。結果を下記表３～５に示す。なお、表中の屈折率差（ｎ１－ｎＡ）は、ポリマー光導波路２０のクラッド２２の屈折率ｎ１と、接着層５０の形成に用いる光硬化型接着剤の光硬化後の屈折率ｎＡとの屈折率差であり、間隔ｔはポリマー光導波路２０のコア２２と、シリコン光導波路３０との間隔ｔである。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000005
　実施例７～１４、実施例１６～２３に示す通り、ポリマー光導波路のクラッドの屈折率ｎ１と光硬化後の接着剤の屈折率ｎＡとの差（ｎ１－ｎＡ）が－０．０１５～０．０５であれば、ポリマー光導波路とシリコン導波路とを１．５ｄＢ以下の損失で接続が可能である。一方で比較例２４に示す通り、ポリマー光導波路のクラッドの屈折率ｎ１と光硬化後の接着剤の屈折率ｎＡとの差（ｎ１－ｎＡ）が－０．０２では接続損失が４ｄＢを超える大きな値となる。また、実施例に示す通りにポリマー導波路のコアとシリコン導波路との間隔ｔが１．５μｍ未満であれば、ポリマー光導波路とシリコン導波路とを１．５ｄＢ以下で接続が可能であることが分かる。
　本発明を詳細にまた特定の実施態様を参照して説明したが、本発明の精神と範囲を逸脱することなく様々な変更や修正を加えることができることは当業者にとって明らかである。本出願は２０１６年３月２３日出願の日本特許出願（特願２０１６－５８９０７）に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。
１０：複合光導波路
２０，２００：ポリマー光導波路
２１：ポリマー光導波路のクラッド
２２，２２０：ポリマー光導波路のコア
２４，２４０：位置決め用凸部
３０，３００：シリコン光導波路
３１：シリコン導波路のクラッド
３２：シリコン導波路のコア
３４，３４０：位置決め用凹部
４０：コネクタ
５０：接着層
６０：バリア層
７０：アディアバティック結合部位

Claims (8)

  1. 　ポリマー光導波路と、シリコン光導波路とがアディアバティック結合された複合光導波路であって、前記ポリマー光導波路のコアと、前記シリコン光導波路のコアとが対向して配置されたアディアバティック結合部位において、硬化後のガラス転移点Ｔｇが１２５℃以上である光硬化型接着剤を用いて形成された接着層により、前記ポリマー光導波路と、前記シリコン光導波路とが結合されており、前記アディアバティック結合部位は、前記ポリマー光導波路のコアと、前記シリコン光導波路との間隔ｔが１．５μｍ以下の領域を有することを特徴とする複合光導波路。
  2. 　ポリマー光導波路と、シリコン光導波路とがアディアバティック結合された複合光導波路であって、前記ポリマー光導波路のコアと、前記シリコン光導波路のコアとが対向して配置されたアディアバティック結合部位において、硬化後のガラス転移点Ｔｇが１２５℃以上、かつ、硬化後の０．１ｍｍ厚みでの波長１．３μｍの光の透過率が８０％以上の光硬化型接着剤を用いて形成された接着層により、前記ポリマー光導波路と、前記シリコン光導波路とが結合されており、前記アディアバティック結合部位は、前記ポリマー光導波路のコアと、前記シリコン光導波路との間隔ｔが１．５μｍ以下の領域を有することを特徴とする複合光導波路。
  3. 　ポリマー光導波路と、シリコン光導波路とがアディアバティック結合された複合光導波路であって、前記ポリマー光導波路のコアと、前記シリコン光導波路のコアとが対向して配置されたアディアバティック結合部位において、硬化後のガラス転移点Ｔｇが１２５℃以上、かつ、前記ポリマー光導波路のクラッドの屈折率をｎ１、硬化後の接着剤の屈折率をｎＡとするとき、－０．０１５＜ｎ１－ｎＡ＜０．０５を満たす光硬化型接着剤を用いて形成された接着層により、前記ポリマー光導波路と、前記シリコン光導波路とが結合されており、前記アディアバティック結合部位は、前記ポリマー光導波路のコアと、前記シリコン光導波路との間隔ｔが１．５μｍ以下の領域を有することを特徴とする複合光導波路。
  4. 　前記光硬化型接着剤が、光硬化後に大気中で１５０℃１００時間保持した前後での質量減少量が６％以下である、請求項１～３のいずれかに記載の複合光導波路。
  5. 　前記光硬化型接着剤が、光硬化後に水に２４時間浸漬させた前後での質量増加量が１．０％以下である、請求項１～４のいずれかに記載の複合光導波路。
  6. 　前記光硬化型接着剤は、２５～１００℃における平均熱膨張率が１３０×１０-6／℃未満であるである、請求項１～５のいずれかに記載の複合光導波路。
  7. 　前記ポリマー光導波路（ＰＯＷ）がフッ素を含有する樹脂からなる、請求項１～６のいずれかに記載の複合光導波路。
  8. 　前記光硬化型接着剤が、フッ素系材料を含有する、請求項７に記載の複合光導波路。
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