專利名稱：環(huán)烯烴共聚物光通訊元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明有關(guān)于一種光通訊元件，特別有關(guān)一種由環(huán)烯烴共聚物構(gòu)成的全高分子光通訊元件。
背景技術(shù)：
隨著近年來(lái)光通訊產(chǎn)業(yè)不斷地蓬勃發(fā)展，光通訊元件中合適材料的選擇、元件及模塊的設(shè)計(jì)部成為各公司推出的產(chǎn)品是否具有競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵要素，其中在光通訊元件的材料選用方面，傳統(tǒng)的玻璃材料雖然有優(yōu)良的光學(xué)特性，但由于易碎及不易加工等缺點(diǎn)，使其漸被新興的高分子材料所取代。高分子材料具有耐沖擊強(qiáng)度高及加工成型性佳的優(yōu)點(diǎn)，能以壓出或射出成型的方式制作，可幫助大量生產(chǎn)、降低成本，故其重要性與日俱增。
作為光通訊方面應(yīng)用的高分子材料，若具有高透明度、低雙折光性、低色散(dispersion)、高尺寸安定性、機(jī)械性質(zhì)優(yōu)良、耐熱性與耐久性佳、容易加工以及成本低的特點(diǎn)，那么將是極為理想的光學(xué)材料。然而目前市面上找不出這種理想材料，比較著名的商業(yè)化光學(xué)高分子如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)以及CR-39樹(shù)脂各有其優(yōu)缺點(diǎn)。例如PMMA的透明度高，雙折光性低且加工容易，但其耐熱性及防水性不佳；PC的透明度高、耐沖擊強(qiáng)度高、耐熱性佳、加工性良好，但其雙折光性偏高；CR-39(主要成份為diethylene glycol diallyl carbonate)為熱固性樹(shù)脂，固化后的CR-39可耐到高于100℃的溫度，硬度高，還適合于研磨加工，在某些應(yīng)用領(lǐng)域有其特色，但不適于射出成型加工。
為了符合更嚴(yán)苛的需求，近年來(lái)已有許多廠商致力于新材料的開(kāi)發(fā)。其中，環(huán)烯烴共聚物(cycloolefin copolymer，COC)便是一種新世代的光學(xué)高分子材料。典型的環(huán)烯烴共聚物如日本三井化學(xué)公司(Mitsui Chemicals，Inc.)的APEL、日本合成橡膠公司(JSR)的ARTON、日本Zeon公司的ZEONEX等。
COC材料與其他光學(xué)高分子材料如PMMA、PC、PS相較下，其最大的特點(diǎn)為構(gòu)成原料簡(jiǎn)單，主要利用乙烯(ethylene)、單烯類(mono-olefin)或多烯類(poly-olefin)，且成品具高透明性，低吸水性，并具有非常優(yōu)異的物理及機(jī)械特性。
雖然COC材料在光通訊領(lǐng)域具有相當(dāng)大的應(yīng)用潛力，目前COC材料在光通訊方面應(yīng)用仍屬罕見(jiàn)。美國(guó)專利U55637400中揭示COC在光波導(dǎo)方面的應(yīng)用，該專利在光波導(dǎo)元件中采用COC以確保低粘度及低光傳輸損耗，然而此處光波導(dǎo)仍限于光纖型組件。
在選擇光通訊元件的材料時(shí)，不適合的材料可能帶來(lái)缺陷，如目前光通訊元件的材質(zhì)多由多種材料互相搭配，容易形成不相容界面，而此不相容界面容易造成傳輸信號(hào)的損失，如利用不同材質(zhì)構(gòu)成的光波導(dǎo)的核心部及包覆層之間，可能形成不相容界面，而適用材質(zhì)的掌握不易，因此在光通訊元件的制作方面面臨問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的為擴(kuò)展COC材料在光通訊方面的應(yīng)用，且利用由同質(zhì)材料構(gòu)成的全高分子光通訊元件(all polymeric opticai component)，消除界面不相容問(wèn)題而造成的傳輸信號(hào)的損失。
本發(fā)明的另一目的為提供一COC光通訊元件，利用相同材質(zhì)構(gòu)成元件中的不同部分，并可系統(tǒng)化的歸納出由不同組成、不同比例合成出的COC與其折射率的關(guān)系，在元件的一部分材質(zhì)決定同時(shí)，亦可同時(shí)決定出元件的另一部分材質(zhì)的合成配方。通過(guò)這個(gè)系統(tǒng)化配方的建立，加上高分子材料加工容易的優(yōu)點(diǎn)，有利于大量生產(chǎn)且能適應(yīng)不同規(guī)格的需求。
本發(fā)明可通過(guò)如下措施來(lái)實(shí)現(xiàn)本發(fā)明提供一種環(huán)烯烴共聚物(COC)光通訊元件，包括一核心區(qū)用以傳輸光，其材質(zhì)為一官能化的茂金屬觸媒-環(huán)烯烴共聚物(f-mCOC)，具有一折射率n1；以及一包覆層形成于上述核心區(qū)周圍，其材質(zhì)為一茂金屬觸媒-環(huán)烯烴共聚物mCOC(metallocene-COC)材料，具有一折射率n2，n2小于n1，且上述核心區(qū)與該包覆層共同組成一同材質(zhì)的光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。
上述f-mCOC可為在茂金屬觸媒催化下，由乙烯、冰片烯(norbornene)、具活性點(diǎn)的第三單體聚合而得。上述具活性點(diǎn)的第三單體可為4-甲基-苯乙烯、5-乙烯基-2-冰片烯或亞乙基-冰片烯(5-ethylidene-norbornene)。
上述的茂金屬觸媒-環(huán)烯烴共聚物材料為在茂金屬觸媒催化下，乙烯和冰片烯的聚合產(chǎn)物。
上述包覆層的mCOC材料的折射率n2較佳介于1.5200到1.5400之間；f-mCOC的折射率n1則依多模(multi-mode，MM)元件或單模(single-mode，SM)元件實(shí)際需求而定。該官能化茂金屬觸媒-環(huán)烯烴共聚物的折射率n1為1.5215～1.5631。
上述光通訊元件還包括U型凹槽(U-groove)及封裝組合機(jī)構(gòu)(packagingmechanics)。U型凹槽是為被動(dòng)式對(duì)準(zhǔn)裝置(passive alignment)。
上述光通訊元件可為一多模元件，且該核心區(qū)與該包覆層的折射率差Δn(＝n1-n2)為0.8％至1.5％，較佳為1.0％至1.2％；本發(fā)明的光通訊元件也可為一單模元件，且該核心區(qū)與該包覆層的折射率差Δn(＝n1-n2)介于0.1到0.84％之間，較佳為0.3％至0.35％間。
本發(fā)明提供的COC光通訊元件，其核心區(qū)與包覆層的折射率n1與n2可利用控制核心區(qū)與包覆層的組成成分加以調(diào)整。
所述的封裝組合機(jī)構(gòu)為一微鏡片或一微鏡片陣列。
所述的官能化的茂金屬觸媒-環(huán)烯烴共聚物與該茂金屬觸媒-環(huán)烯烴共聚物材料對(duì)可見(jiàn)光的穿透率大于90％。
本發(fā)明相比現(xiàn)有技術(shù)具有如下優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明的光通訊元件由同質(zhì)的COC材料構(gòu)成，可避免訊號(hào)在不同質(zhì)界面?zhèn)鬟f時(shí)引發(fā)的損失；而應(yīng)用COC材質(zhì)制作光通訊元件，具有優(yōu)異光學(xué)性質(zhì)及良好加工特性，且利用調(diào)整核心區(qū)與包覆層的組成成分、合成硬化條件等等，可控制核心區(qū)與包覆層的折射率n1與n2，以符合光通訊元件各種規(guī)格的應(yīng)用。


圖1為本發(fā)明COC光通訊元件的結(jié)構(gòu)；圖2為實(shí)施例1中的材料折射率隨光波長(zhǎng)變化情形；圖3為構(gòu)成本發(fā)明光通訊元件的材料經(jīng)UV-Vis-IR光譜測(cè)定結(jié)果；圖4為實(shí)施例1中的f-mCOC材料的折射率與其中的PMS含量的關(guān)系；圖5為實(shí)施例2中的f-mCOC材料折射率與其中EHN重量百分含量的關(guān)系；以及圖6為實(shí)施例2的f-mCOC材料固化前、后的折射率與其中EHN重量百分含量的關(guān)系。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1首先制備COC光通訊元件的材料。主要材料分成核心區(qū)材料(core sectionmaterial)及包覆層材料(cladding material)二部分。核心區(qū)材料乃在特有的茂金屬觸媒作用下，讓乙烯、冰片烯和具活性點(diǎn)的第三單體聚合，形成官能化的f-mCOC材料，本實(shí)施例1中具活性點(diǎn)的第三單體采用4-甲基-苯乙烯(PMS)形成f-mCOC材料YLC-099，YLC-087，YLC-116，YLC-105等，其各組分的重量百分比(wt％)見(jiàn)表2。包覆層材料可利用自行合成的mCOC材料，如利用乙烯與冰片烯合成的mCOC材料或一般商業(yè)化mCOC材料如TOPAS 5013。而在包覆層材料選定后，可彈性地依實(shí)際需求合成核心區(qū)的官能化的f-mCOC材料，以共同組成光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。
接著制作COC光通訊元件。本實(shí)施例元件的結(jié)構(gòu)如圖1所示，含光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的f-mCOC核心區(qū)1、光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的mCOC包覆層2、被動(dòng)式U型凹槽及封裝組合機(jī)構(gòu)3，其中封裝組合機(jī)構(gòu)為如一微鏡片及微鏡片陣列，而虛線部分指光波導(dǎo)的中心，U型凹槽為被動(dòng)式對(duì)準(zhǔn)裝置。另外材料的折射率差異依實(shí)際需求而定，f-mCOC核心區(qū)1具有一折射率n1；mCOC包覆層的具有一折射率n2；如為多模光波導(dǎo)時(shí)，f-mCOC核心區(qū)1與mCOC包覆層2折射率差Δn(＝n1-n2)Δn為1％；單模光波導(dǎo)時(shí)，Δn為0.3％～0.5％。
本實(shí)施例元件的制作主要利用常見(jiàn)的光通訊元件制作過(guò)程，并應(yīng)用射出成形法、同時(shí)參考美國(guó)專利案US5311604所述方法加以制作，主要依據(jù)下列步驟步驟1利用準(zhǔn)分子雷射LIGA制程制作金屬母模。
步驟2利用電鑄翻拍方式制作以母模為基礎(chǔ)的模具，此模具包含光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的包覆層區(qū)2、被動(dòng)式U型凹槽區(qū)及封裝組合機(jī)構(gòu)區(qū)3。
步驟3利用微小射出成型系統(tǒng)(micro-injection molding system)，將mCOC材料在適當(dāng)成形條件下射出至上述模具內(nèi)，以制作元件的上蓋4、下蓋5，亦即上、下包覆層。
步驟4利用微小涂布成形方式，將f-mCOC填滿光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的核心區(qū)1，此步驟可利用光學(xué)顯微鏡及微量精確控制的點(diǎn)膠系統(tǒng)加以輔助。
步驟5進(jìn)行封裝組合程序，此步驟可依實(shí)際需求在封裝組合機(jī)構(gòu)內(nèi)及上、下蓋接觸面適度加點(diǎn)封膠如OA61或OA68而達(dá)成封裝效果。
以上述方法合成的核心區(qū)f-mCOC材料及包覆層mCOC材料具有如圖2及圖3所示的特性，其中圖2為實(shí)施例1中的材料折射率隨光波長(zhǎng)變化情形，依據(jù)此結(jié)果可得表1在特定光波長(zhǎng)下核心區(qū)f-mCOC材料和包覆層mCOC材料的折射率以及二者間的差值。
表1 f-mCOC材料和mCOC材料的折射率及折射率差值隨光波長(zhǎng)關(guān)系

表2 構(gòu)成f-mCOC材料的主要組成

圖3為構(gòu)成本發(fā)明光通訊元件的材料經(jīng)UV-Vis-IR光譜測(cè)定結(jié)果，其顯示不同的光波長(zhǎng)對(duì)不同材料的穿透率變化情形。明顯地，核心區(qū)f-mCOC材料及包覆層mCOC材料于光源波長(zhǎng)λ＝400-1600微米的直接穿透率皆達(dá)90％以上，適合應(yīng)用于光通訊產(chǎn)業(yè)。
本發(fā)明的光通訊元件的折射率具有可調(diào)控性。由于核心區(qū)材料乃在特有的茂金屬觸媒作用下，讓乙烯、冰片烯、具活性點(diǎn)的第三單體聚合，形成官能化的f-mCOC材料，而利用調(diào)整乙烯、冰片烯、具活性點(diǎn)的第三單體的組成，可獲得具有不同折射率的幾種核心區(qū)材料。故在制作光通訊元件時(shí)，可依提供的包覆層材料，由已知的包覆層材料折射率及合適的折射率差異來(lái)決定核心區(qū)材料所需折射率數(shù)值，再依此數(shù)值決定乙烯、冰片烯與具活性點(diǎn)的第三單體的組成，以合成出適當(dāng)?shù)暮诵膮^(qū)材料。例如圖4所示，當(dāng)使用的包覆層mCOC材料其折射率為1.5310(在632.8nm光波長(zhǎng)下)時(shí)，可借由不同組成的調(diào)變，如PMS在f-mCOC材料中的重量百分比，來(lái)合成出具有所需折射率數(shù)值的核心區(qū)f-mCOC材料。
實(shí)施例2核心區(qū)材料f-mCOC也可利用可光硬化的材料合成，本實(shí)施例2中使用環(huán)氧樹(shù)脂-己基-雙環(huán)[2.2.1]庚烷(epoxy-hexyl-norbomane(EHN))和雙酚A二縮水甘油酯(bisphenol A diglycidyl ether(BADE))合成f-mCOC材料，并以不同組成合成出具有不同折射率的核心區(qū)材料。
當(dāng)使用的包覆層mCOC材料其折射率為1.5310(在632.8nm光波長(zhǎng)下)時(shí)，可借由不同組成的調(diào)變，如改變f-mCOC材料中的EHN含量，來(lái)合成出具有所需折射率數(shù)值的核心區(qū)f-mCOC材料。圖5顯示實(shí)施例2中的f-mCOC材料的折射率與其中EHN重量百分含量的關(guān)系；圖6顯示實(shí)施例2中的f-mCOC材料固化前、后的折射率與EHN含量的關(guān)系。整合上述關(guān)系可對(duì)應(yīng)核心區(qū)f-mCOC材料所需光學(xué)特性而迅速制作核心區(qū)f-COC材料。
由上述實(shí)施例，亦可看出本發(fā)明的COC光通訊元件，因其利用相同材質(zhì)構(gòu)成元件中的不同部分，因而可借由系統(tǒng)化的歸納由不同組成、不同比例合成出的COC的折射率的關(guān)系后，在決定元件的一部分材質(zhì)同時(shí)，也可同時(shí)決定出元件的另一部分材質(zhì)的合成配方。通過(guò)此系統(tǒng)化配方的建立，加上高分子材料加工容易的優(yōu)點(diǎn)，有利于大量生產(chǎn)且能適應(yīng)不同規(guī)格的需求。
權(quán)利要求
1.一種環(huán)烯烴共聚物光通訊元件，其特征在于，它包括一核心區(qū)，用以傳輸光，其材質(zhì)為官能化的茂金屬觸媒-環(huán)烯烴共聚物，具有一折射率n1；以及一包覆層，形成于該核心區(qū)周圍，其材質(zhì)為茂金屬觸媒-環(huán)烯烴共聚物，具有一折射率n2，其中n2小于n1，且上述核心區(qū)與該包覆層共同組成一同材質(zhì)的光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。
2.如權(quán)利要求1所述的環(huán)烯烴共聚物光通訊元件，其特征在于，所述的官能化的茂金屬觸媒-環(huán)烯烴共聚物，為在茂金屬觸媒催化下，由乙烯、冰片烯、具活性點(diǎn)的第三單體的聚合產(chǎn)物。
3.如權(quán)利要求2所述的高分子光通訊元件，其特征在于，所述的具活性點(diǎn)的第三單體為4-甲基-苯乙烯、5-乙烯基-2-冰片烯或亞乙基-冰片烯。
4.如權(quán)利要求1所述的環(huán)烯烴共聚物光通訊元件，其特征在于，所述的包覆層的茂金屬觸媒-環(huán)烯烴共聚物材料的折射率n2為介于1.5200到1.5400之間；官能化茂金屬觸媒-環(huán)烯烴共聚物的折射率n1則依多模元件或單模元件實(shí)際需求而定；該官能化茂金屬觸媒-環(huán)烯烴共聚物的折射率n1介于1.5215到1.5631之間。
5.如權(quán)利要求1所述的環(huán)烯烴共聚物光通訊元件，其特征在于，所述的茂金屬觸媒-環(huán)烯烴共聚物材料為在茂金屬觸媒催化下乙烯和冰片烯的聚合產(chǎn)物。
6.如權(quán)利要求1所述的環(huán)烯烴共聚物光通訊元件，其特征在于，該光通訊元件為一多模元件，且該核心區(qū)與該包覆層的折射率差值n1-n2為0.8％至1.5％。
7.如權(quán)利要求6所述的環(huán)烯烴共聚物光通訊元件，其特征在于，該核心區(qū)與該包覆層的折射率差值n1-n2為1.0％～1.2％。
8.如權(quán)利要求1所述的環(huán)烯烴共聚物光通訊元件，其特征在于，該光通訊元件為一單模元件，且該核心區(qū)與該包覆層的折射率差值n1-n2介于0.1％到0.84％之間。
9.如權(quán)利要求8所述的環(huán)烯烴共聚物光通訊元件，其特征在于，該核心區(qū)與該包覆層的折射率差值n1-n2為0.3％～0.35％。
10.如權(quán)利要求1所述的環(huán)烯烴共聚物光通訊元件，其特征在于，上述折射率n1與n2通過(guò)控制該核心區(qū)與包覆層的材質(zhì)的組成成分加以調(diào)控。
11.如權(quán)利要求1所述的環(huán)烯烴共聚物光通訊元件，其特征在于，所述的光通訊元件還包括U型凹槽及封裝組合機(jī)構(gòu)。
12.如權(quán)利要求11所述的環(huán)烯烴共聚物光通訊元件，其特征在于，所述的U型凹槽是被動(dòng)式對(duì)準(zhǔn)裝置。
13.如權(quán)利要求11所述的環(huán)烯烴共聚物光通訊元件，其特征在于，所述的封裝組合機(jī)構(gòu)為一微鏡片或一微鏡片陣列。
14.如權(quán)利要求1所述的環(huán)烯烴共聚物光通訊元件，其特征在于，所述的官能化茂金屬觸媒-環(huán)烯烴共聚物與該茂金屬觸媒-環(huán)烯烴共聚物材料對(duì)可見(jiàn)光的穿透率大于90％。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種環(huán)烯烴共聚物(COC)光通訊元件，包括一核心區(qū)用以傳輸光，其材質(zhì)為一官能化的茂金屬觸媒－環(huán)烯烴共聚物(f－mCOC)，具有一折射率n
文檔編號(hào)C08F232/00GK1534902SQ0310772
公開(kāi)日2004年10月6日 申請(qǐng)日期2003年4月2日 優(yōu)先權(quán)日2003年4月2日
發(fā)明者黃招財(cái), 施希弦, 吳建宗, 蘇忠杰, 楊豐瑜, 陳重裕 申請(qǐng)人:財(cái)團(tuán)法人工業(yè)技術(shù)研究院