JP5101345B2 - 光導波路装置の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、光通信，光情報処理，その他一般光学で広く用いられる光導波路を基板とともに得る光導波路装置の製造方法に関するものである。

光導波路では、通常、基板上に直接またはアンダークラッド層を介して、光の通路であるコアが所定パターンに形成され、そのコアを覆うように、オーバークラッド層が形成されている。そして、光導波路は、光導波路装置（光導波路デバイス），光集積回路，光配線基板等の光デバイスに組み込まれ、光学素子，光ファイバー等からの光を伝播させる媒体として使用される。その使用の際には、通常、光導波路の光入射端面および光出射端面に、光学素子，光ファイバー等が接合される。そこで、この接合による光の伝播損失（結合損失）を小さくするため、光導波路の光入射端面および光出射端面は、平滑であることが要求される。

上記光導波路の製造方法として、つぎのような方法が提案されている（特許文献１参照）。まず、かなり大きな基板の表面の略全面に、アンダークラッド層を形成し、それの複数の領域にそれぞれコアを形成し、ついで、それら複数のコアを被覆した状態でアンダークラッド層の上面の全体にオーバークラッド層をこの順に形成する。これにより、基板上に、アンダークラッド層，コアおよびオーバークラッド層からなるフィルム体が形成される。そして、上記コアが形成された領域が光導波路の形成予定部となる。これは、本発明においても基本的に同様である。ついで、そのフィルム体から、光導波路形成予定部を１個毎に、上記基板とともに、ブレード（回転刃）でダイシング（切断）する。これにより、切断された基板上に光導波路が形成された光導波路装置を各別に得る。

上記ダイシングは、ブレードで切断面を研磨しながら行われるため、そのダイシングにより形成される光入射端面および光出射端面は、平滑になる。このため、その平滑な光入射端面および光出射端面に光学素子，光ファイバー等を接合させると、その接合部分における結合損失を小さくすることができ、その光導波路を媒体とした光伝播が効率よく行われる。
特開２００６−２３３７５号公報

しかしながら、ダイシングは、回転刃による切断であるため、切断面ごとに行う必要がある。しかも、光導波路は、その用途により、全体の形状が複雑になることが多い。このため、上記光導波路形成予定部が複数形成されているフィルム体から、光導波路形成予定部を１個毎にダイシングするのでは、生産性が低い。

そこで、本発明者は、刃型を用いた打ち抜きによる切断方法を試みた。その結果、生産性は向上するものの、切断面の平滑性は、ダイシングによる断面よりも悪かった。そのため、その切断面での結合損失が大きくなった。

本発明は、このような事情に鑑みなされたもので、切断により形成された光入射端面および光出射端面の平滑性に優れ、かつ、生産性に優れる光導波路装置の製造方法の提供をその目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明の光導波路装置の製造方法は、コアが内部に形成された領域である光導波路の形成予定部を１個ないし複数個備えたフィルム体と、このフィルム体の片面のみに設けられた基板とからなる積層体に対し、刃型を用いた打ち抜きを行い、上記フィルム体の光導波路形成予定部を１個ないし複数個、光導波路形成予定部に対応する基板とともに切断し、光入射端面および光出射端面を備えた光導波路を基板とともに得る光導波路装置の製造方法であって、上記打ち抜き用刃型の刃のうち、少なくとも上記光入射端面および光出射端面を形成するための刃は、刃面の算術平均粗さ（Ｒａ）が０．０２μｍ未満の平刃であり、かつ、上記打ち抜きによる切断が、上記基板側から行われるという構成をとる。

本発明者は、前記打ち抜きによる切断方法に関する試みに基づき、平滑性に優れた光入射端面および光出射端面を備えた光導波路を得るべく、刃型を用いた打ち抜きによる切断方法について研究を重ねた。その過程で、切断面の平滑性は、刃型の刃および切断順序（打ち抜き方向）に依存することを突き止めた。そして、さらに研究を重ねた結果、打ち抜き用刃型の刃が、刃面の算術平均粗さ（Ｒａ）０．０２μｍ未満の平刃であり、その刃型を用いて基板側から打ち抜くようにすると、切断面が平滑になり、得られた光導波路の光入射端面および光出射端面における結合損失を充分に小さくすることができることを見出し、本発明に到達した。

本発明において、得られた光導波路の光入射端面および光出射端面が平滑性に優れたものとなる理由は、明確ではないが、つぎのように推測される。すなわち、打ち抜きを基板側から行うことにより、前記フィルム体の先割れを抑制することができる。さらに、光入射端面および光出射端面を形成する刃の刃面の算術平均粗さ（Ｒａ）を０．０２μｍ未満の平刃とすることにより、打ち抜き時にフィルム体に加わる応力を緩和できる。そして、これら先割れ抑制と応力緩和とが相俟って、光入射端面および光出射端面が平滑性に優れたものとなると考えられる。

本発明の光導波路装置の製造方法は、刃型を用いた打ち抜きにより、光導波路装置を得るため、生産性に優れている。さらに、上記打ち抜き用刃型の刃のうち、光導波路の少なくとも光入射端面および光出射端面を形成するための刃が、刃面の算術平均粗さ（Ｒａ）０．０２μｍ未満の平刃であり、かつ、上記打ち抜きによる切断が、基板側から行われるため、それによって形成される光入射端面および光出射端面は、平滑性に優れたものとなる。

上記光導波路形成予定部を構成するコアおよびクラッド層が、エポキシ樹脂組成物からなる場合には、切断速度を速くしても、切断面を平滑にすることができる。その点で、生産性に優れている。

つぎに、本発明の実施の形態を図面にもとづいて詳しく説明する。

図１は、本発明の光導波路装置の製造方法の一実施の形態を示している。この実施の形態では、光導波路の形成予定部〔コア２２（図４参照）が形成された領域〕２０が１個形成されているフィルム体２と、このフィルム体２の片面のみに設けられた基板１とからなる積層体を、上記基板１側から打ち抜くことにより、打ち抜かれた基板１上に、光入射端面２０ａ，光出射端面２０ｂを備えた平面視クランク状の光導波路Ａ（図５参照）が一体形成された光導波路装置を１個得る方法である。また、この実施の形態では、上記打ち抜きに用いる刃型（クランク形状）の全ての刃３は、刃面３ａの算術平均粗さ（Ｒａ）が０．０２μｍ未満の平刃になっている。

上記刃３としては、例えば、図２（ａ）に示すように、刃先形状が対称で、刃先角度αが４０〜５０°程度のミラー刃（両刃）や、図２（ｂ）に示すように、刃先形状が非対称で、刃先角度αが３０〜６０°程度の片刃等があげられる。片刃を用いる場合は、刃面（傾斜面）３ａ側での切断面が、光導波路側の端面となる。

上記光導波路装置の製造方法の一例について詳しく説明する。

まず、基板１〔図３（ａ）参照〕を準備する。この基板１の形成材料としては、打ち抜き易い観点から、例えば、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ），ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）等の樹脂が好適に用いられる。また、基板１の厚みは、打ち抜き易くする観点から、例えば、２０μｍ〜１ｍｍの範囲内に設定される。

ついで、上記基板１上の所定領域に、アンダークラッド層２１〔図３（ａ）参照〕の形成材料である、感光性樹脂が溶媒に溶解しているワニスを塗布する。このワニスの塗布は、例えば、スピンコート法，ディッピング法，キャスティング法，インジェクション法，インクジェット法等により行われる。そして、必要に応じて、それを５０〜１２０℃×１０〜３０分間の加熱処理により乾燥させる。これにより、アンダークラッド層２１に形成される感光性樹脂層を形成する。上記感光性樹脂としては、例えば、光重合開始剤を含有させたエポキシ樹脂組成物，ポリイミド樹脂組成物等からなるものがあげられる。

つぎに、上記感光性樹脂層を照射線により露光する。上記露光用の照射線としては、例えば、可視光，紫外線，赤外線，Ｘ線，α線，β線，γ線等が用いられる。好適には、紫外線が用いられる。紫外線を用いると、大きなエネルギーを照射して、大きな硬化速度を得ることができ、しかも、照射装置も小型かつ安価であり、生産コストの低減化を図ることができるからである。紫外線の光源としては、例えば、低圧水銀灯，高圧水銀灯，超高圧水銀灯等があげられ、紫外線の照射量は、通常、１０〜１００００ｍＪ／ｃｍ² 、好ましくは、５０〜３０００ｍＪ／ｃｍ² である。

上記露光後、光反応を完結させるために、加熱処理を行う。この加熱処理は、８０〜２５０℃、好ましくは、１００〜２００℃にて、１０秒〜２時間、好ましくは、５分〜１時間の範囲内で行う。これにより、図３（ａ）に示すように、上記感光性樹脂層をアンダークラッド層２１に形成する。アンダークラッド層２１の厚みは、通常、１〜５０μｍの範囲内に設定され、好ましくは、５〜３０μｍの範囲内に設定される。

ついで、上記アンダークラッド層２１の表面に、コア２２〔図３（ｂ）参照〕に形成される感光性樹脂層を形成する。この感光性樹脂層の形成は、図３（ａ）で説明した、アンダークラッド層２１に形成される感光性樹脂層の形成方法と同様、ワニスを用い、それを所定個所に塗布することにより行われる。なお、このコア２２の形成材料は、上記アンダークラッド層２１および後記のオーバークラッド層２３〔図３（ｄ）参照〕の形成材料よりも屈折率が大きい材料が用いられる。この屈折率の調整は、例えば、上記アンダークラッド層２１，コア２２，オーバークラッド層２３の各形成材料の種類の選択や組成比率を調整して行うことができる。

その後、光導波路形成予定部２０〔図３（ｃ）参照〕に対応する上記感光性樹脂層部分の上に、コア２２に対応する開口パターンが形成されているフォトマスクを配置し、このフォトマスクを介して上記感光性樹脂層を照射線により露光した後、加熱処理を行う。この露光および加熱処理は、アンダークラッド層２１の形成方法と同様にして行われる。

つづいて、現像液を用いて現像を行うことにより、図３（ｂ）に示すように、上記感光性樹脂層における未露光部分を溶解させて除去し、アンダークラッド層２１上に残存した感光性樹脂層をコア２２のパターンに形成する。上記現像は、例えば、浸漬法，スプレー法，パドル法等が用いられる。また、現像液としては、例えば、有機系の溶媒，アルカリ系水溶液を含有する有機系の溶媒等が用いられる。このような現像液および現像条件は、感光性樹脂組成物の組成によって、適宜選択される。

上記現像後、コア２２のパターンに形成された残存感光性樹脂層中の現像液を加熱処理により除去する。この加熱処理は、通常、８０〜１２０℃×１０〜３０分間の範囲内で行われる。これにより、上記コア２２のパターンに形成された残存感光性樹脂層を固化し、コア２２に形成する。このコア２２は、光導波路形成予定部２０〔図３（ｃ）参照〕に対応する部分に形成されている。コア２２の厚みは、通常、１０〜１５０μｍの範囲内に設定され、好ましくは、２０〜１００μｍの範囲内に設定される。また、コア３の幅は、通常、８〜５０μｍの範囲内に設定され、好ましくは、１０〜２５μｍの範囲内に設定される。

つぎに、図３（ｃ）に示すように、コア２２を被覆するように、上記アンダークラッド層２１の表面に、オーバークラッド層２３に形成される感光性樹脂層を形成する。この感光性樹脂層の形成は、図３（ａ）で説明した、アンダークラッド層２１に形成される感光性樹脂層の形成方法と同様にして行われる。その後も、アンダークラッド層２１の形成方法と同様に露光，加熱処理等を行い、オーバークラッド層２３に形成する。オーバークラッド層２３の厚み（コア２２の表面からの厚み）は、通常、５〜１００μｍの範囲内に設定され、好ましくは、１０〜８０μｍの範囲内に設定される。

このようにして、基板１上に、光導波路形成予定部２０が形成されているフィルム体２が得られる。このフィルム体２の平面視は、例えば、図４に示すようになり、この例では、先に述べたように、光導波路形成予定部２０がクランク形状になっている。この例の場合、コア２２も上記クランク形状に沿ったクランク形状に形成されている。この光導波路形成予定部２０は、つぎの打ち抜き工程により、上記クランク形状の、長軸方向の一端側（図４では左側）が光入射端面２０ａに形成され、他端側（図４では右側）が光出射端面２０ｂに形成される。図４における符号２０ｃは、クランク形状の側面である。なお、上記フィルム体２におけるコア２２の両端部は、寸法精度の点から、予め、切断面（光入射端面２０ａおよび光出射端面２０ｂ）から少しはみ出すように形成しておくことが好ましい。また、図４では、コア２２を鎖線で示しており、鎖線の太さがコア２２の太さを示している。

すなわち、この実施の形態では、先に説明したように（図１参照）、上記基板１とフィルム体２とからなる積層体の光導波路形成予定部２０を、クランク形状の所定の刃型を用いて、基板１側から打ち抜くことにより、図５に示すような光導波路装置を１個得る。上記所定の刃型は、刃３が、刃面３ａの算術平均粗さ（Ｒａ）０．０２μｍ未満の平刃になっている。

このように上記所定の刃型を用いて積層体の基板１側から打ち抜くことが、本発明の最大の特徴である。このような打ち抜きにより、切断面となる光入射端面２０ａ，光出射端面２０ｂおよび側端面２０ｃが平滑になるとともに、光導波路装置の高生産性を確保することができる。

そして、このようにして得られた光導波路の光入射端面２０ａおよび光出射端面２０ｂに、光学素子，光ファイバー等を接合し、その光導波路を媒体として、光を伝播させると、光入射端面２０ａおよび光出射端面２０ｂが平滑であるため、上記接合による光の伝播損失（結合損失）を小さくすることができる。

なお、上記実施の形態では、打ち抜きに用いる刃型の全ての刃３を、刃面３ａの算術平均粗さ（Ｒａ）０．０２μｍ未満の平刃としたが、光入射端面２０ａおよび光出射端面２０ｂを形成するための刃３を上記所定の刃３とし、それ以外の側端面２０ｃ等を形成するための刃としては、刃面の算術平均粗さ（Ｒａ）が０．０２μｍ以上のトムソン刃等を用いてもよい。

また、上記実施の形態では、フィルム体２に形成されている光導波路形成予定部２０を１個としたが、複数個形成されていてもよい。この場合、上記刃型による打ち抜きは、１個毎行ってもよいし、複数個まとめて行ってもよい。

つぎに、実施例について比較例および参考例と併せて説明する。但し、本発明は、実施例に限定されるわけではない。

〔実施例１〜４，比較例１〜４〕
〔アンダークラッド層およびオーバークラッド層の形成材料〕
ビスフェノキシエタノールフルオレンジグリシジルエーテル３５重量部、脂環式エポキシである３，４−エポキシシクロヘキセニルメチル−３’，４’−エポキシシクロヘキセンカルボキシレート（ダイセル化学社製、セロキサイド２０２１Ｐ）４０重量部、シクロヘキセンオキシド骨格を有する脂環式エポキシ樹脂（ダイセル化学社製、セロキサイド２０８１）２５重量部、４，４’−ビス〔ジ（βヒドロキシエトキシ）フェニルスルフィニオ〕フェニルスルフィド−ビス−ヘキサフルオロアンチモネートの５０％プロピオンカーバイド溶液２重量部を乳酸エチルに溶解することにより、アンダークラッド層およびオーバークラッド層の形成材料を調製した。

〔コアの形成材料〕
ビスフェノキシエタノールフルオレンジグリシジルエーテル７０重量部、１，１，１−トリス｛４−〔２−（３−オキセタニル）〕ブトキシフェニル｝エタン３０重量部、４，４’−ビス〔ジ（βヒドロキシエトキシ）フェニルスルフィニオ〕フェニルスルフィド−ビス−ヘキサフルオロアンチモネートの５０％プロピオンカーバイド溶液１重量部を乳酸エチルに溶解することにより、コアの形成材料を調製した。

〔基板とフィルム体とからなる積層体の作製〕
ＰＥＴフィルム（厚み１８８μｍ）の表面に、上記アンダークラッド層の形成材料をバーコーターを用いて塗布した後、２０００ｍＪ／ｃｍ² の紫外線照射による露光を行った。つづいて、１００℃×１５分間の加熱処理を行うことにより、アンダークラッド層を形成した。このアンダークラッド層の厚みを接触式膜厚計で測定すると１０μｍであった。また、このアンダークラッド層の、波長８３０ｎｍにおける屈折率は、１．５４２であった。

ついで、上記アンダークラッド層の表面に、上記コアの形成材料をバーコーターを用いて塗布した後、１００℃×５分間の乾燥処理を行った。ついで、その上方に、直線状の開口パターン（幅２０μｍ×長さ３．５ｍｍ）が形成された合成石英系のクロムマスク（フォトマスク）を配置した。そして、その上方から、コンタクト露光法にて２５００ｍＪ／ｃｍ² の紫外線照射による露光を行った後、８０℃×１５分間の加熱処理を行った。つぎに、γ−ブチロラクトン９０％水溶液を用いて現像することにより、未露光部分を溶解除去した後、１００℃×３０分間の加熱処理を行うことにより、コアを形成した。コアの断面形状を側長顕微鏡で測定すると、幅２０μｍ×高さ２４μｍの方形であった。また、このコアの、波長８３０ｎｍにおける屈折率は、１．５９４であった。

そして、上記コアを被覆するよう、上記アンダークラッド層の表面に、上記オーバークラッド層の形成材料をバーコーターを用いて塗布した後、１００℃×５分間の乾燥処理を行った。ついで、２０００ｍＪ／ｃｍ² の紫外線照射による露光を行った後、１２０℃×１５分間の加熱処理を行うことにより、オーバークラッド層を形成した。このようにして、光導波路（比屈折率３．３％）となる部分が形成されているフィルム体（厚み１００μｍ）を、上記基板上に積層形成した。

〔光導波路装置の製造〕
上記基板とフィルム体とからなる積層体を、下記の表１に示す刃を備えた刃型を用いて打ち抜き、光導波路装置（長さ３ｃｍ）を得た。ただし、実施例１〜４および比較例２は、上記基板側から打ち抜き、比較例１，３，４は、フィルム体側から打ち抜いた。この打ち抜きによる切断速度は、１分間に８０回切断（ショット）する速度（８０ｓｐｍ）とした。

〔刃面および切断面の算術平均粗さ（Ｒａ）の評価〕
上記刃の刃面および切断面の算術平均粗さ（Ｒａ）は、レーザー顕微鏡（Lasesrtec 社製、１ＬＭ２１Ｈ）を用いて測定し算出した。その測定した部分の面積は、刃面表面の３０μｍ×４０μｍ部分およびコア断面近傍の８０μｍ×８０μｍ部分とした。そして、その結果を下記の表１に併せて表記した。

〔結合損失の算出〕
得られた光導波路装置のコアの一端面（切断面）に、マルチモードファイバ（コア径９μｍ）の先端面を接合した。また、そのマルチモードファイバの後端面に、波長８５０ｎｍのＶＣＳＥＬ（Vertical Cavity Surface Emitting Laser）光源を接続した。そして、そのＶＣＳＥＬ光源からレーザー光を発光させ、コアの他端面（切断面）から出射したレーザー光をレンズで集光しフォトディテクターで検出した。これにより、このときの全伝播損失を算出した。そして、そのうちの光導波路での伝播損失を０．１ｄＢ／ｃｍと仮定したときの、上記接合による伝播損失（結合損失）を算出した。この算出を１０個所のコアの一端面（切断面）について行った。これと同様にして、コアの他端面（切断面）についても１０個所で結合損失を算出した。そして、この合計２０個所での結合損失の平均値および標準偏差を算出し、それらをその光導波路装置での結合損失および標準偏差として下記の表１に併せて表記した。ただし、実施例２，４および比較例１〜４では、コアの端面とマルチモードファイバの先端面との接合の際に、その両者の間にマッチングオイルを使用したが、実施例１，３では、マッチングオイルを使用しなかった。上記マッチングオイルは、両者の隙間を埋め、その隙間による伝播損失を防止するためのものである。

〔参考例１，２〕
なお、参考例１，２として、上記基板とフィルム体とからなる積層体を、フィルム体側からダイシング（回転刃での切断）し、光導波路装置を得た。そして、その光導波路装置について、上記と同様にして、結合損失および標準偏差を算出した。その結果を下記の表１に併せて表記した。ただし、参考例２では、マッチングオイルを使用したが、参考例１では、マッチングオイルを使用しなかった。

表１の結果から、実施例１〜４と比較例１〜４とを比較すると、実施例１〜４のように、打ち抜き用刃型の刃が、刃面の算術平均粗さ（Ｒａ）０．０２μｍ未満の平刃であり、その刃型を用いて基板側から打ち抜くことは、切断面（光入射端面および光出射端面）の平滑性を優れたものにすること、ひいては結合損失を小さくすることにとって有効であるといえる。しかも、その場合、結合損失の標準偏差も小さくなることから、ばらつきも小さくなっていることがわかる。そして、結合損失については、実施例１〜４は、参考例１，２と比較して遜色がないことがわかる。なお、基板とフィルム体とからなる積層体の切断（光導波路装置の製造）に要する時間は、実施例１〜４の方が参考例１，２よりも短かった。

本発明の光導波路装置の製造方法の一実施の形態を模式的に示す説明図である。 （ａ），（ｂ）は、上記光導波路装置の製造方法に用いる打ち抜き用刃型の刃を説明する説明図である。 （ａ）〜（ｃ）は、基板上に、光導波路形成予定部が形成されているフィルム体を作製する方法を模式的に示す説明図である。 上記基板上に形成されたフィルム体を模式的に示す平面図である。 打ち抜かれた上記基板上に光導波路が一体形成された光導波路装置を模式的に示す斜視図である。

符号の説明

１ 基板
２ フィルム体
３ 刃
３ａ 刃面
２０ 光導波路形成予定部
２０ａ 光入射端面
２０ｂ 光出射端面

Claims (3)

1. コアが内部に形成された領域である光導波路の形成予定部を１個ないし複数個備えたフィルム体と、このフィルム体の片面のみに設けられた基板とからなる積層体に対し、刃型を用いた打ち抜きを行い、上記フィルム体の光導波路形成予定部を１個ないし複数個、光導波路形成予定部に対応する基板とともに切断し、光入射端面および光出射端面を備えた光導波路を基板とともに得る光導波路装置の製造方法であって、上記打ち抜き用刃型の刃のうち、少なくとも上記光入射端面および光出射端面を形成するための刃は、刃面の算術平均粗さ（Ｒａ）が０．０２μｍ未満の平刃であり、かつ、上記打ち抜きによる切断が、上記基板側から行われることを特徴とする光導波路装置の製造方法。
2. 上記光導波路形成予定部を構成するクラッド層が、エポキシ樹脂組成物からなる請求項１記載の光導波路装置の製造方法。
3. 上記打ち抜き用刃型の刃が、平面と、この平面と所定の角度をなして傾斜する刃面とからなる刃先形状を有する片刃であり、その片刃の上記傾斜した刃面側での切断面が、光導波路側の端面となる請求項１または２記載の光導波路装置の製造方法。

Images