JP2004184957A

JP2004184957A - 光ファイバ付き光導波路

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Publication number: JP2004184957A
Application number: JP2002382875A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Tsugita; 浩次田; Masafumi Okuno; 雅史奥野; Akira Watabe; 明渡部
Original assignee: Optoquest Co Ltd
Current assignee: Optoquest Co Ltd
Priority date: 2002-12-03
Filing date: 2002-12-03
Publication date: 2004-07-02

Abstract

【課題】一般家庭までの光通信環境の普及を考える際、安価なプラスチックを使用した光部品の開発が望まれている。しかし、たとえばプラスチック光導波路であっても、その光入出力部分は、従来の接続技術で製造されているため、接続コネクタ等が必要であり、結果として、大幅なコストダウンが出来ないとされてきた。
【解決手段】光導波路が形成される光軸上の端部に端面を加工した光ファイバを固定し、光硬化型の樹脂を光ファイバ端面が十分浸るまで基板上に流し込む。その後、基板の裏から紫外線等を照射し、光導波路の形成と光ファイバの固定とが同時に完了されることで、光ファイバ付き光導波路が一体形成でき、接続部の光損失や製造コストの課題を解決した。
【選択図】図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
近年、光通信関連技術の技術革新は目覚ましく、高速で高密度の情報が伝送できるようになってきた。しかし、その一方で、各家庭まで光情報を配信するためのインフラが不十分であることが指摘され始めている。その主な理由は、幹線系の構築で使われたデバイスをそのまま使用すると、コスト的なバランスが悪く、家庭レベルの使用を想定したシステムのコストダウンが出来ないからである。
【０００２】
本発明はポリマーを使った光通信デバイスに関連するコストダウンを実現するための生産技術に関する技術開発であり、現在の社会的な需要を満たすために有用である。
【０００３】
【従来の技術】
これまで、光通信技術が指向する方向は、長距離伝送を行うために低損失、高速通信を行うために大容量、基幹通信経路を構成するために高信頼性、等が技術開発の中心であり、一般家庭向けなどを目的とした、低コスト化対策や、現場作業の取り扱いやすさなどを目的とした開発は後回しにされてきた。非特許文献１にはそのあたりの経緯がよくまとめられている。
【非特許文献１】高分子学会編、高分子化学と光物理学のキャッチボール、第６講（２００１）
【０００４】
しかし、すでに現在の状況では、長距離通信系の光化はほぼ完了しており、今後はメトロ系と呼ばれる市中への展開、さらには各家庭への展開を残すばかりとなっている。
【０００５】
これまでに開発された光通信関連技術は、信頼性と安定性を重視するあまり、そのままでは、家庭向け光配信を前提とした基準においては、部品コストと接続コストが高価なままである。部品コストは量産化等の通常手段によりいくらか低下させることは可能であるが、根本的にガラス系や光学結晶などの材料を使う限り自ずと限界がある。非特許文献２にはその例が見られる。
【非特許文献２】各務学、渡辺修（豊田中央研究所）
豊田中央研究所Ｒ＆ＤレポートＶｏｌ．３４
Ｎｏ．１３１−３９（１９９９）
【０００６】
しかし、このような高価な材料が使われてきた背景には、シングルモード伝送が前提となっている。たとえば、最も分かりやすい部分を取り上げて説明すれば、シングルモードをコネクタ接続するには、光ファイバのコア径５μｍ同士を結合することになり、この部分の部品材料には温度特性が安定したセラミック材料などが要求されてきた。
【０００７】
各家庭にまで光通信が導入されるためには、安全であることはもとより、部品コストを低下するのみならず、現場での接続が容易に、例えばＡＣコンセントを抜き差しするように、極めて容易に取扱出来ることなどが望まれる。
【０００８】
そのためには、材料コスト、加工コストとともに量産効果が期待できるプラスチックを光部品製造に導入することが必要であり、特許文献１、２にその傾向が見られる。また、安易に接続しても許容できる結合損失範囲内に収めるための光コネクタ部分の新たな設計も必要であろう。
【特許文献１】特願平１１−６０６７１
【特許文献２】特願２０００−２５３６０６
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
光通信部品は、光伝送のための光ファイバ、接続のための光コネクタ、合波や分波に必要な光導波路、光スイッチに代表されるような制御のための機能性デバイスなどに分類できる。
【００１０】
そして、この分類に対して、さらに伝送する光の状態がシングルモードとマルチモードが規定されており、シングルモードを伝送する光部品とマルチモードを伝送する光部品では、精度や信頼性、コストなどの要求仕様が全く異なってくる。
【００１１】
たとえば、多くの情報を伝送でき、制御性の高いシングルモードは、幹線系の光通信システムとして構築され、現在全世界的に稼働している。
【００１２】
一方、幹線系ほどの情報量を必要としない家庭内通信システムでは、幹線系で必要とされた高度の信頼性などよりもコストが重要な課題となっている。
【００１３】
シングルモードを前提とした従来の光通信部品製造においては、ガラスや結晶などの材料を使っているため、製造時の加工手段には切断、研磨、コーティング等の加工技術しかなかったため、コストダウンは容易ではなく、また、プラスチックが導入出来る部分も限られていた。
【００１４】
マルチモードの使用を前提にすることにより、上記の光部品の様々の部分にプラスチックを導入することが容易となり、したがって、家庭レベルの使用を前提にした低価格の光部品を製造することが可能となる。
【００１５】
各家庭にまで光通信が導入されるためは、光通信システム全体の大幅なコストダウンが必要となる。そのためには、接続のための光コネクタ、合波や分波に必要な光導波路、光スイッチに代表されるような制御のための機能性デバイスなどの製造において、様々な加工手段を有するプラスチック材料の導入を前提として、新しい技術を開発する必要がある。
【００１６】
（１）従来、光導波路はフォトリソグラフやエッチングなどの技術で作られることが多い、材料にプラスチックを導入しても、現状ではこの手法が使われている。プラスチックを用いた場合には、もう少しプラスチックの特性を活かした、生産技術が望まれる。
【００１７】
そこで光導波路のコストダウンを実現するために、光導波路材料として、プラスチックを使用し、かつ、製造技術として印刷技術を用いることで低価格光導波路を実現する。このとき、光導波路の断面形状（スクエア性が不足する）など光学特性に対するシルクスクリーンメッシュの影響が生じるなど、印刷技術を導入することによる基本的な課題がある。
【００１８】
（２）光導波路は光通信ネットワークを構築する際、光の合波や分岐において重要な役割を果している。第２の課題は、この光導波路と光導波路の外との接続（結合）方法とそれに関わる接続コストである。
【００１９】
光導波路と外部の素子、たとえばプラスチック光ファイバ、と接続する際それぞれの端面を直接密着させる方法、あるいは、結合レンズを配置する方法などの手法が使われている。
【００２０】
接続損失をできるだけ少なくするためには、光導波路と外部素子との間に従来のようにコリメートレンズを設置すればよいが、それを行うとコストアップの問題が発生してしまう。
【００２１】
そこで、コストを発生させないことを前提とした、光導波路の入出力に関わる外部接続方式の開発が、印刷技術の導入と同時に重要な課題となる。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
（１）印刷技術、特にシルク印刷技術を用いて光導波路を製造する際、直接光導波路をベース板に印刷すると、シルクのメッシュパターンの光導波路端部への転写が問題となる。
【００２３】
そこで、先ず、必要とする光導波路パターンを描いたマスクパターンを、ベース板の裏面に印刷する。次に、ベース板の表面に光導波路を形成するために光導波路パターンを十分に覆うだけの面積に渡って、紫外線硬化樹脂を印刷で塗布する。その後、裏面のマスク越しに紫外線を照射し、表面に印刷により塗布した紫外線硬化樹脂を、目的のパターン部分だけ硬化させる。
【００２４】
この手法により、シルクメッシュが直接光導波路に触れることが無くなり光学特性のよい光導波路を形成できる。
【００２５】
（２）プラスチックには加工方法として従来の光部品製造手法にはない多様な加工方法が存在していることを活かし、光導波路と外部接続のためのプラスチック光ファイバを一体形成する。
【００２６】
あらかじめ適切な長さに切断し、端面を加工したプラスチック光ファイバを光導波路が形成される予定の、前記紫外線硬化樹脂の中に、適切な位置決めを行って、浸しておく。その後、裏から紫外線を照射すると、光導波路部分の樹脂が硬化すると共にプラスチック光ファイバの固定も同時に完了し、光導波路とプラスチック光ファイバが連続的に接続した形を形成できる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、説明に用いる各図は本発明を理解できる程度に各構成成分の寸法、形状、配置関係などを概略的に示してある。
【００２８】
そして本発明の説明の都合上、部分的に拡大率を変えて図示する場合もあり、本発明の説明に用いる図は、必ずしも実施の形態などの実物や記述と相似形でない場合もある。
【００２９】
また、各図において、同様な構成成分については同一の番号を付けて示し、重複する説明を省略することもある。
【００３０】
図１から図８を使い、本発明である光ファイバ付き光導波路の製造方法を説明する。何れも、光ファイバの中心線で切断した断面図となっている。
【００３１】
【実施例１】
図１は光導波路を形成する基板となる透明基板と光導波路に接合する光ファイバを示している。符号１は光導波路を形成する光硬化樹脂の屈折率より低くなるように選択された樹脂基板であり、符号２はあらかじめ端面研磨あるいは第２の実施の形態に示す方法などの前処理がなされた光ファイバである。
【００３２】
【実施例２】
図２に、符号３で示すように未硬化の光硬化樹脂を、光ファイバ２の端面が液内部に十分浸るようにかぶせた状態をしめす。
【００３３】
【実施例３】
図３に光導波路を形成するための光照射の状態を示す。符号４は、基板１の裏面に、あらかじめ印刷などの手法で作られた、光導波路のマスクパターンである。符号５は、光硬化樹脂を硬化させるための、たとえば、紫外線光源からの光を示す。符号６は、光ファイバ２の間に形成された光導波路である。光導波路６の厚さは、光ファイバ２の直径に合うように、光照射時間及び／またはエネルギーを調整することで制御できる。光導波路６の線幅は、基板１の裏面に印刷するマスクパターンに描かれた、光を透過する部分の線幅で制御することができる。
【００３４】
たとえば、具体的な厚さと線幅は、プラスチック光ファイバの規格に合わせると、コア径に一致させる場合は、９８０μｍ、４８０μｍ、２４０μｍである。また、クラッドを含めた外径に一致させる場合は、１ｍｍ、０．５ｍｍ、０．２５ｍｍとなる。
【００３５】
他方、プラスチッククラッド光ファイバのコア径に一致させる場合は、２００μｍとなり、また、同様に、クラッドまで含めた外径に一致させる場合は、０．２３ｍｍとなる。
【００３６】
光導波路６を適切な厚さまで光硬化させた後、未硬化の光硬化樹脂３は、適切な洗浄液を用いることにより、容易に除去することができる。
【００３７】
【実施例４】
図４に光ファイバ付き光導波路の完成形を示す。符号７は、光導波路６の屈折率より低い屈折率の樹脂をコートしたものであり、クラッド層として機能する。符号８は、光ファイバ２の機械的強度を補強するための固定具である。
【００３８】
例えば、プラスチック光ファイバのコア（１．４９２）、クラッド（１．３９）の屈折率と整合するようにするには、クラッド層７の屈折率は１．３９となる。
【００３９】
【実施例５】
図５は、上記の製造過程において、あらかじめ用意する光ファイバ２の先端の形状を説明する図である。あらかじめ用意する光ファイバ２は、先端を切断し、その後、研磨しただけでも図１から図４に示すような製造過程に使用することができる。
【００４０】
しかし、図５に示すように、符号９で示すような樹脂を先端に、たとえば、光透過性を有する液状の高分子材料にその先端を浸し、その後、光照射などの方法で硬化させたものを付加することにより、光硬化樹脂３との屈折率整合が容易となり、基板１、光ファイバ２、光硬化樹脂３の、材料選択の幅が広くなる。
【００４１】
【実施例６】
さらに、図６に示すように、光ファイバ先端に付加する樹脂の形状をレンズ状にすることにより、光収束機能を付加することができ、光ファイバ部と光導波路部の開口数（ＮＡ）整合を行うことができる。
【００４２】
【実施例７】
図７に示すように、光ファイバ２の先端に、符号１１で示すように、蒸着による光学薄膜を付加することにより、端面の反射損を防ぐ構造とすることも可能である。
【００４３】
【発明の効果】
このような手法により、「入出力光ファイバ付きの光導波路」を製造することができ、結合レンズが不要となる点、さらに、接続コネクタを必要としない点など、コストダウンにつながる効果がある。
【００４４】
また、光ファイバと光ファイバとを可能なかぎり接近させた入出力ポートを形成できるので、接続コネクタの寸法に制限されることの無い小型の光導波路を製造することが可能となり、総合的なコストダウンを実現できる。
【００４５】
さらに、この技術は、光導波路の端面切断の問題や、光ファイバと光導波路を突き当てる際の損失の問題などを全て解決し、低価格光通信部品の製造技術に対して有用である。
【００４６】
本発明は以上の点に鑑みてなされたものであり、本発明の主な目的は、
【請求項１】を提供することにある。
【図面の簡単な説明】
【図１】光ファイバ付き光導波路の製造の初期段階を説明した例
【図２】光ファイバの端面が完全に浸るまで、樹脂を流延した例
【図３】基板の裏面より光を照射した状態の例
【図４】形成した光導波路にクラッド層を形成した例
【図５】光ファイバ先端状態の例
【図６】光ファイバ先端に光学薄膜を形成した例
【図７】光ファイバ先端にレンズ状の樹脂を形成した例
【図８】２分岐型光ファイバ付き光導波路の例
【符号の説明】
１ベース基板
２光ファイバ
３光硬化樹脂
４光導波路を形成するためのパターン印刷
５樹脂を硬化させる光
６硬化した樹脂であり、光導波路部分
７クラッド層
８固定具
９屈折率整合のための樹脂
１０レンズ状に形成した先端付加樹脂
１１蒸着により形成した光学薄膜
１２光ファイバと光導波路の一体形成された結合部

Claims

光入出力用の光ファイバが光導波路基板に固定された光ファイバ付き光導波路であって、光の入出力に用いる光ファイバ相互間に存在する光導波路ならびに光導波路と光ファイバとの接合部が連続的かつ切れ目無く、一体構造として同時に製造されることを特徴とする、光ファイバ付き光導波路。
請求項１に記載の光ファイバ付き光導波路において、光透過性を有する液状の高分子材料が光照射により硬化することを利用して、１本以上の光ファイバを含めて一体成形することを特徴とする、請求項１記載の光ファイバ付き光導波路。
請求項１または２に記載の光ファイバ付き光導波路において、成形すべき光導波路の形状をあらかじめ書き込んだ光学的なマスクを通した光照射により光透過性を有する液状の高分子材料が硬化することを利用して、１本以上の光ファイバを含めて一体成形することを特徴とする請求項１または２記載の光ファイバ付き光導波路。
請求項１〜３のいずれか１項に記載の光ファイバ付き光導波路において、光透過性を有する液状の高分子材料のなかに光ファイバ端面全体が液中に含まれるように、光ファイバを安定的に固定しておくことで、光照射による光導波路形成と同時に光ファイバ端面と光導波路端面が隙間無く密着し連続的に形成できることを特徴とする請求項１〜３記載の光ファイバ付き光導波路。
請求項１〜４のいずれか１項に記載された光導波路において、前記光導波路を形成するための基板の表側または裏側に、前記光学的マスクを印刷により形成すること特徴とする請求項１〜４記載の光ファイバ付き光導波路。
請求項５に記載の光ファイバ付き光導波路において、光導波路を形成する基板が光透過性を有することを特徴とする請求項５記載の光ファイバ付き光導波路。
請求項１〜６のいずれか１項に記載された光導波路において、前記光導波路を形成するための基板の裏側に、シート状の光学的マスクを密着させた後、マスクを通した光照射により光導波路を基板表面に形成したこと特徴とする請求項１〜６記載の光ファイバ付き光導波路。
請求項１〜７にいずれか１項に記載の光導波路において、コーティングにより前処理された端面を有する光ファイバを使用したことを特徴とする請求項１〜７記載の光ファイバ付き光導波路。
請求項８に記載の光ファイバ付き光導波路において、光ファイバ端面のコーティングが蒸着技術を用いて行われた薄膜であることを特徴とする請求項８記載の光ファイバ付き光導波路。
請求項９に記載の光ファイバ付き光導波路において、光ファイバ端面のコーティングが光透過性高分子により形成された板状あるいは、レンズ状の膜であることを特徴とする請求項９記載の光ファイバ付き光導波路。
請求項１〜１０のいずれか１項に記載の光ファイバ付き光導波路において、前記光導波路の形成材料がアクリル系樹脂、あるいはエポキシ系樹脂の硬化後も光透過性を有する液状の高分子材料であることを特徴とする請求項１〜１０記載の光ファイバ付き光導波路。
請求項１〜１１のいずれか１項に記載の光ファイバ付き光導波路において、前記光導波路の線幅が、１ミリメートル以下の光ファイバの直径規格に合致させた線幅であることを特徴とする請求項１〜１１記載の光ファイバ付き光導波路。
請求項１〜１２のいずれか１項に記載の光ファイバ付き光導波路において、前記光導波路として形成する樹脂の屈折率と、前記光ファイバのコア材料の屈折率とを、一致させ、かつ、前記光ファイバのクラッド材料の屈折率と前記光導波路の表面にコーティングする樹脂の屈折率とを、一致させたことを特徴とする請求項１〜１２記載の光ファイバ付き光導波路。
請求項１〜１３のいずれか１項に記載の光ファイバ付き光導波路において、前記光導波路のコア径と、前記光ファイバのコア径とを、
一致させたことを特徴とする請求項１〜１３記載の光ファイバ付き光導波路。