JP2004233982A - 光導波路部品およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 現状、光導波路と光ファイバとを一体基板を用いて調芯する際には、機械加工などによる溝の加工が必要であり、量産性や経済性に問題がある。
【解決手段】 第１の屈折率を有する光透過性の基板１１と、前記基板の主面に形成された、前記第１の屈折率よりも大きい第２の屈折率を有する高屈折率の材料３５が充填されている、光導波路のための光導波路用溝１２と、前記基板の前記主面に、その一端が光導波路用溝の一端と所定の間隙をおいて形成され、光ファイバを前記基板上に配置し、前記光導波路と前記光ファイバを光学的に接続するための光ファイバ配列溝１３と、光導波路用溝と、前記所定の間隙の少なくとも一部とを覆って前記基板上に配置されている第２の基板３６とを備えた。
【選択図】 図１

Description

本発明は主として光通信などに用いられる光導波路部品およびその製造方法に関する。

近年、公衆通信やコンピュ−タネットワ−ク等では高速化、高機能化を目的として、広帯域性をもつ光通信を利用し、波長多重伝送や双方向伝送の機能を付加した光通信システムが浸透しつつある。

光通信分野において、高度な光信号処理を行うために、各種機能を持つ光集積回路の研究が盛んに行われている。光集積回路は光導波路を基本要素としているが、光導波路は屈折率の高いコア領域を相対的に屈折率の低いクラッド層で覆うことによってコア領域に光を閉じこめて伝搬させるものであり、コアをパターン化して配列することで、多種の機能を実現している。

光導波路の製造方法としては、コア・クラッド膜形成方法として火炎堆積法を用い、コアパターン形成法として反応性イオンエッチング法を用いるものが代表的である。コア・クラッドの形成方法としては、火炎堆積法以外にＣＶＤ法、真空蒸着法、スパッタ法等も提案されている。

特に石英系光導波路は低損失性、物理的・化学的安定性、光ファイバとの整合性など数々のメリットを有しており、代表的な受動光導波路となっている。

また、光導波路と光ファイバとの接続を効率よく行うために、光導波路と光ファイバ配列溝を同一基板上に形成しているものもある（例えば、特許文献１参照）。
特開昭６３−１１５１１３号公報（例えば第２頁、第１図）

しかしながら、このような光導波路においてはコスト面、性能面で次のような課題を有していた。

光ファイバと光導波路間の光損失を抑制するには、シングルモードの場合は±１μｍ以下の位置調整、組立、固定が必要となる。また、光ファイバ配列溝の作製についてもシリコン基板の選択ウエットエッチングや各種基板の研削加工法が用いられており、それぞれ量産性や溝形状の再現性に乏しい欠点を有していた。

さらに、図１２に示すように基板８１に光導波路８２および光ファイバ配列溝８３を作製して用いる場合、光導波路８２を製造するには、基板８１に光導波路８２に対応する溝を成形し、光ファイバ配列溝８３を形成するとともに、機械加工などによる光ファイバ配列溝８３と、光導波路８２との境界を横切るように、溝８９の加工を行う必要がある。これは、溝に光導波路のコア部となる樹脂を充填したときに、光ファイバ配列溝８３と対向する側の端面を精度良く露出させる必要があるからである。なお、溝８９の加工は、光導波路８２に対応する溝にコアとなる樹脂を充填した後に切削加工するようにしてもよいし、光ファイバ配列溝８３および光導波路８２に対応する溝の成型と同時に行ってもよい。ただしこのときは、コアとなる樹脂を充填するときに、溝８９に対応する仮型を填めておき、端面から樹脂が漏れないようにしておく必要がある。

従って現状、光導波路については、この光導波路の端面仕上げのための加工が煩雑となり、大量生産には不向きで低コスト化が困難であるという課題を有していた。

本発明は従来の光導波路部品が有する上述した課題を鑑み、性能、量産性、低コスト性を兼ね備えた光導波路部品を提案することを目的とするものである。

上記の目的を達成するために、第１の本発明は、第１の屈折率を有する光透過性の第１の基板と、
前記第１の基板の主面に形成された、前記第１の屈折率よりも大きい第２の屈折率を有する材料が充填されている、光導波路のための第１の溝と、
前記第１の基板の前記主面に、その一端が前記第１の溝の一端と所定の間隙をおいて形成され、光学端末を前記第１の基板上に配置し、前記光導波路と前記光学端末を光学的に接続するための第２の溝と、
前記第１の溝と、前記所定の間隙の少なくとも一部とを覆って前記第１の基板上に配置されている、前記第２の屈折率より低い屈折率を有する第２の基板とを備えた光導波路部品である。

また、第２の本発明は、前記所定の間隙の大きさは、前記光導波路と前記光学端末の結合効率が、実質上無視できる程度である、第１の本発明の光導波路部品である。

また、第３の本発明は、前記所定の間隙の大きさの値をｄとし、前記第１の基板の屈折率をｎ１とし、前記光導波路のスポットサイズをω１とし、前記光学端末のスポットサイズをω２とし、前記光導波路および前記光学端末を導波する導波光の波長をｄとし、前記光導波路と前記光学端末の結合効率をηとした場合、

の関係がある第１または第２の本発明の光導波路部品である。

また、第４の本発明は、前記所定の間隙の大きさは、前記結合効率が実質上０．３ｄＢ以下となるような大きさである、第１から３のいずれかの本発明の光導波路部品である。

また、第５の本発明は、前記第１の溝の前記一端の端面は、前記光導波路の光軸に対して傾斜している、第１の本発明の光導波路部品である。

また、第６の本発明は、前記第１の溝の前記一端の端面は、前記第２の溝の前記一端の端面から見て凸状に湾曲している第１または第２の本発明の光導波路部品である。

また、第７の本発明は、前記所定の間隙の大きさの値をｄとし、前記第１の基板の屈折率をｎ２とし、前記光導波路のスポットサイズをω１とし、前記光学端末のスポットサイズをω２とし、前記光導波路および前記光学端末を導波する導波光の波長をｄとし、前記凸状の彎曲の曲率半径をＲとし、前記光導波路と前記光学端末の結合効率をηとした場合、

の関係がある、第４の本発明の光導波路部品である。

また、第８の本発明は、前記所定の間隔の大きさは実質上５２μｍ以下である、第７の本発明の光導波路部品である。

また、第９の本発明は、前記曲率半径は５より大きく１５より小さい、第８の本発明の光導波路部品である。

また、第１０の本発明は、前記第１の溝の他方の端部に光半導体素子が実装されている、第１から１０のいずれかの本発明の光導波路部品である。

また、第１１の本発明は、第１から１０のいずれかの本発明の光導波路部品を備えた光デバイスである。

また、第１２の本発明は、第１の屈折率を有する光透過性の第１の基板の主面上に、第１の溝を形成する工程と、
前記第１の基板の前記主面に、その一端が前記第１の溝の一端と所定の間隙をおくように第２の溝を形成する工程と、
前記第１の溝に、前記第１の屈折率よりも大きい第２の屈折率を有する材料を充填し光導波路を形成する工程と、
前記第１の溝と、前記所定の間隙の少なくとも一部とを覆って前記第１の基板上に、前記第２の屈折率より低い屈折率を有する第２の基板を配置する工程とを備えた、光導波路部品の製造方法である。

また、第１３の本発明は、前記第１の溝を形成する工程および前記第２の溝を形成する工程を、金型を使用した一括成型により行う、第１２の本発明の光導波路部品の製造方法である。

以上、述べたように本発明は、光導波路部品の製造工程を削減して低コストで大量生産することが容易にできるものである。

以下、添付の図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。なお、図面で同一番号を付した部品は同一のものを示す。

（実施の形態１）
図１〜図１０は、本発明の光導波路部品の第１の実施の形態を示し、これにより、本発明の実施の形態による光導波路部品およびその製造方法を説明する。

まず、図１のようにガラスもしくは透明樹脂よりなる基板１１の表面に、図２に示す金型２４を用いた成形により光導波路用溝１２および光ファイバ配列溝１３を一括形成する。金型２４上の光導波路に対応する部分２４１と光ファイバ配列溝に対応する部分２４０に間隔ｄを設けることにより、金型２４の加工が容易になる。また図１のように基板１１の一部を介して光導波路用溝１２および光ファイバ配列溝１３を形成することができる。このとき、金型２４において、部分２４０の端部２４０ａは、ドライエッチング等で精度良く成型することができるため、転写によって成型された光導波路用溝１２において、光ファイバ配列溝１３と対向する端部１２ａは、光導波路として十分な精度を持つ端面を有することになる。

次に図３のように光導波路用溝１２の形成面に高屈折率の材料３５として紫外線硬化樹脂を塗布して溝内に充填し、その後、第２の基板３６を貼り合わせる。紫外線を照射することで溝内の紫外線硬化樹脂は硬化される。紫外線硬化樹脂として基板３１および第２の基板３６よりも高い屈折率を有するものを用いることにより、溝内の紫外線硬化樹脂は光導波路コアとして機能する。なお、光導波路用溝１２および光ファイバ配列溝１３との間に基板３１の一部を間隔ｄを介していることにより、第２の基板３６貼り合わせ時の寸法精度が、この間隔ｄ分だけ緩和される。もちろん第２の基板３６の光導波路用溝１２方向の長さは、高屈折率の材料３５の長さおよび間隔ｄと同一の精度であってもよい。第２の基板３６は、少なくとも光導波路用溝１２に高屈折率の材料３５が外部に露出しないよう完全に覆ってしまえるように配置する必要がある。

さらに図４のように光ファイバ配列溝１３に光ファイバ４７を配置することによって、完成した光導波路と光ファイバ４７との高精度の位置決めを容易にすることが可能となる。

次に、図５を参照して、光導波路用溝１２と光ファイバ配列溝１３との間隔と、結合効率との関係を説明する。

図５は、光ファイバ配列溝１３に光ファイバ４７を載置した状態を示す平面図である。このとき、前記第１の基板の屈折率をｎ１とし、高屈折率の材料３５、第２の基板３６および光導波路用溝１２により形成される光導波路５０のスポットサイズをω１とし、光ファイバ４７のスポットサイズをω２とし、光導波路５０および光ファイバ４７を導波する導波光の波長をλとし、光導波路５０および光ファイバ４７の結合効率をηとした場合、間隔ｄを含めたこれら各パラメータの間には、

の関係がある。ここでスポットサイズとは、光ファイバ４７，および光導波路５０内の光のパワーがｅ^−２となる半径である。

上記（数１）に示すように、本実施の形態においては、基板の屈折率、導波光の波長は、技術常識に参照して、ある程度一定範囲に定まるので、結合効率ηは主に間隔ｄを調整して設定すると考えてよい。第１の基板の屈折率ｎ１＝１．４９、導波光の波長λ＝１３１０ｎｍ、光導波路５０のスポットサイズω１＝５μｍ、光ファイバ４７のスポットサイズω２＝４．７５μｍに固定し、結合効率ηを間隔ｄの関数とした場合のグラフを図６に示す。

図に示すように、結合効率ηは間隔ｄが大きくなると急激に劣化するが、間隔ｄが小さくなると劣化の程度は減少する。例えば、間隔ｄが４５μｍの場合、結合効率は０．３ｄＢ程度を確保でき、間隔ｄとしてはこれ以下の値をとることが望ましい。

なお、光導波路用溝１２および光ファイバ配列溝１３については、本実施の形態で述べたように成形で形成するのが生産上望ましいが、これに限るものでなく、必要に応じてエッチングや機械加工により形成しても構わない。
また、光ファイバ配列溝１３については断面Ｖ字形状を例に挙げて説明したが、これに限るものではなく、断面形状は台形や長方形や半円形状であってもよく、光ファイバと接触する位置の精度が確保されていればよい。

なお、本実施の形態では、高屈折率の材料３５として紫外線硬化樹脂を充填して光導波路を形成したが、これに限るものではなく、高屈折率の材料としては熱硬化樹脂やポリイミドなどを用いても良い。クラッド層についてもスピンコーティングにより形成しても構わない。

なお、本実施の形態においては、１本の直線の導波路を例に挙げて説明したが、これに限るものではなく、一般に使用されている光導波路パターンすべてに応用することができ、光波の曲がり、分岐、結合の制御もできる。

なお、本実施の形態においては、光導波路の片側にのみ光ファイバを配置したが、これに限るものではなく、光導波路の両側に配置してもよい。このとき、光導波路用溝は、その両端が基板１１内に形成されることになり、それぞれの両端が、光ファイバ配列溝のそれぞれの一端と対向するように配置される。

また図７のように、その端面５２ａが、光導波路の光軸に対して斜めに加工された光導波路用溝５２としてもよく、これにより反射戻り光を抑制することが可能となる。このとき間隔ｄは斜面を形成した端面の中心を基準にとるようにする。

また図８のように、その端面６２ａが、特に光ファイバ配列溝１３側から見て凸状に彎曲している光導波路用溝６２とすることにより、光導波路端面６２ａからの出射光の拡がりを抑制し、光ファイバとの結合効率を向上することができる。これにより光導波路からの出射光を効率よく光ファイバに接続することが可能となる。なお、凸状の彎曲形状は、円柱の曲面のような形状でも良いし、凸レンズ状の形状でも良い。

ここで、図９を参照して、光導波路用溝１２と光ファイバ配列溝１３との間隔と、結合効率との関係を説明する。

図９は、光ファイバ配列溝１３に光ファイバ４７を載置した状態を示す平面図である。このとき、前記第１の基板の屈折率をｎ１とし、高屈折率の材料３５と同等の材料、第２の基板３６および光導波路用溝６２により形成される光導波路９０のスポットサイズをω１とし、光ファイバ４７のスポットサイズをω２とし、光導波路および光ファイバ４７を導波する導波光の波長をλとし、光導波路９０および光ファイバ４７の結合効率をηとした場合、間隔ｄおよび端面６２ａの曲率半径Ｒを含めたこれら各パラメータの間には、

、ただし

の関係がある。ここでスポットサイズの意味は、図５の場合と同様であり、またｄ０は焦点位置までの距離を意味し、ω０は焦点位置でのビーム径を意味する。

図５の例と同様、本実施の形態においては、基板の屈折率、導波光の波長は、技術常識に参照して、ある程度一定範囲に定まるので、結合効率ηは主に間隔ｄおよび端面６２ａの曲率半径Ｒによって調整できると考えてよい。第１の基板の屈折率ｎ１＝１．４９、導波光の波長λ＝１３１０ｎｍ、光導波路９０のスポットサイズω１＝５μｍ、光ファイバ４７のスポットサイズω２＝４．７５μｍに固定し、結合効率ηを間隔ｄ、曲率半径Ｒの関数とした場合のグラフを図１０に示す。曲率半径Ｒ＝５，１０，１５の３通りの曲線を示した。

図１０に示すように、結合効率ηは間隔ｄが大きくなると急激に劣化するが、端面６２ａの曲率のため、間隔ｄがある程度より小さくなると再び劣化する。すなわち最適な結合効率ηは、端面６４ａがレンズとして機能したときの焦点距離と間隔ｄとが一致したときに求められ、ηをｄ、Ｒの関数としたときの最小値として与えられる点が、図５の例と異なる。図５の例の場合と同様、最適な結合効率ηを０．３ｄＢ以下と定めると、間隔ｄを実質上５２μｍ以下に調整することで、どのような曲率半径でも好適な結果が得られることがわかる。

一方、曲率半径Ｒを小さく取ると、間隔ｄを上記より大きくとっても、良好な結合効率を得ることができる。Ｒ＝１０としたとき、間隔ｄは約５５μｍに、またＲ＝５としたとき、間隔ｄは実質上５８μｍまでそれぞれ大きく取ることができる。

また、最適な結合効率ηとして実質上０に近い値域が得られるのは、曲率半径Ｒ＝５のとき間隔ｄ＝実質上１６〜２０μｍ、曲率半径Ｒ＝１０のとき間隔ｄ＝実質上５〜１５μｍ、曲率半径Ｒ＝１５のとき間隔ｄ＝実質上５〜１０μｍであって、理想的にはこれらの値で端面６４ａおよび間隔ｄを設定することが望ましい。

（実施の形態２）
図１１に本発明の光導波路部品の第２の実施の形態を示し、これにより、本発明の実施の形態による光導波路部品およびその製造方法を説明する。

まず、ガラスもしくは透明樹脂よりなる基板７１の表面に、金型（図示せず）を用いた成形により光導波路用溝７２および光ファイバ配列溝７３および光半導体素子搭載部７８を一括形成する。

次に光導波路用溝７２形成面に高屈折率の材料７５として紫外線硬化樹脂を塗布して溝内に充填し、その後、第２の基板７６を貼り合わせる。紫外線を照射することで溝内の紫外線硬化樹脂は硬化される。紫外線硬化樹脂として基板７１および第２の基板７６よりも高い屈折率を有するものを用いることにより、溝内の紫外線硬化樹脂は光導波路コアとして機能する。以上の動作は実施の形態１と同様である。

さらに基板７１の光半導体素子搭載部７８に光半導体素子７９を配置することによって、容易に光導波路と光ファイバおよび光半導体素子との高精度の位置決めをすることが可能となる。

なお、光導波路および光ファイバ配列溝および光半導体素子搭載部については、本実施の形態で述べたように成形で形成するのが生産上望ましいが、これに限るものでなく、必要に応じてエッチングや機械加工により形成しても構わない。

また、光ファイバ配列溝についてはＶ字形状を例に挙げて説明したが、これに限るものではなく、台形や長方形や半円形状であってもよく、光ファイバと接触する位置の精度が確保されていればよい。

なお、本実施の形態では、高屈折率の材料として紫外線硬化樹脂を充填して光導波路を形成したが、これに限るものではなく、高屈折率の材料としては熱硬化樹脂やポリイミドなどを用いても良い。クラッド層についてもスピンコーティングにより形成しても構わない。

なお、本実施の形態においては、１本の直線の導波路を例に挙げて説明したが、これに限るものではなく、一般に使用されている光導波路パターンすべてに応用することができ、光波の曲がり、分岐、結合の制御もできる。

なお、基板としてガラスを用いることにより、基板の高周波特性を向上させ、低損失の伝送を行うことが可能となり、また、信頼性の確保も容易になる。

また、本発明は、上述した光導波路部品を備えた光デバイスとしても良く、そのようなデバイスとしては、光トランシーバ、光メディアコンバータ等が上げられる。

また、上記の説明において、基板１１および７１は本発明の第１の基板に相当し、光導波路用溝１２、６２および７２は本発明の第１の溝に相当し、光ファイバ配列溝１３および７３は本発明の第２の溝に相当し、光導波路用溝１２，６２、７２、第２の基板３６，７６および高屈折率の材料３５，７５から構成される光導波路５０，９０は本発明の光導波路に相当し、第２の基板３６および７６は本発明の第２の基板に相当し、高屈折率の材料３５および７５は本発明の第２の屈折率を有する材料に相当する。また、基板１１および７１における間隔ｄの部分は、本発明の所定の間隙に相当する。

また、光ファイバ４７は本発明の光学端末に相当するが、光学端末の他の例としては、フェルール等であってもよい。

本発明にかかる光導波路部品およびその製造方法は、光導波路部品の製造工程を削減して低コストで大量生産することが容易にできる効果を有し、光通信などに用いられる光導波路部品等として有用である。

本発明の実施の形態１における光導波路部品を示す図 本発明の実施の形態１における金型を示す図 本発明の実施の形態１における光導波路部品を示す図 本発明の実施の形態１における光ファイバ配列を示す図 本発明の実施の形態１における光導波路部品の平面図 本発明の実施の形態１における光導波路部品の好適条件を説明するための図 本発明の実施の形態１における光導波路部品を示す図 本発明の実施の形態１における光導波路部品を示す図 本発明の実施の形態１における光導波路部品の平面図 本発明の実施の形態１における光導波路部品の好適条件を説明するための図 本発明の実施の形態２における光導波路部品を示す図 従来の光導波路部品を示す図

符号の説明

１１、７１、８１ 基板
１２、７２ 光導波路用溝
８２ 光導波路
１３、７３ 光ファイバ配列溝
２４ 金型
３５、７５ 高屈折率の材料
３６、７６ 第２の基板
４７ 光ファイバ
７８ 光半導体素子搭載部
７９ 光半導体素子
８９ 溝

Claims (13)

1. 第１の屈折率を有する光透過性の第１の基板と、
   前記第１の基板の主面に形成された、前記第１の屈折率よりも高い第２の屈折率を有する材料が充填されている、光導波路のための第１の溝と、
   前記第１の基板の前記主面に、その一端が前記第１の溝の一端と所定の間隙をおいて形成され、光学端末を前記第１の基板上に配置し、前記光導波路と前記光学端末を光学的に接続するための第２の溝と、
   前記第１の溝と、前記所定の間隙の少なくとも一部とを覆って前記第１の基板上に配置されている、前記第２の屈折率より低い屈折率を有する第２の基板とを備えた光導波路部品。
2. 前記所定の間隙の大きさは、前記光導波路と前記光学端末の結合効率が、実質上無視できる程度である、請求項１に記載の光導波路部品。
3. 前記所定の間隙の大きさの値をｄとし、前記第１の基板の屈折率をｎ１とし、前記光導波路のスポットサイズをω１とし、前記光学端末のスポットサイズをω２とし、前記光導波路および前記光学端末を導波する導波光の波長をλとし、前記光導波路と前記光学端末の結合効率をηとした場合、
   

   

   の関係がある請求項１または２に記載の光導波路部品。
4. 前記所定の間隙の大きさは、前記結合効率が実質上０．３ｄＢ以下となるような大きさである、請求項１から３のいずれかに記載の光導波路部品。
5. 前記第１の溝の前記一端の端面は、前記光導波路の光軸に対して傾斜している、請求項１に記載の光導波路部品。
6. 前記第１の溝の前記一端の端面は、前記第２の溝の前記一端の端面から見て凸状に湾曲している請求項１または２に記載の光導波路部品。
7. 前記所定の間隙の大きさの値をｄとし、前記第１の基板の屈折率をｎ２とし、前記光導波路のスポットサイズをω１とし、前記光学端末のスポットサイズをω２とし、前記光導波路および前記光学端末を導波する導波光の波長をλとし、前記凸状の彎曲の曲率半径をＲとし、前記光導波路と前記光学端末の結合効率をηとした場合、
   

   

   

   

   の関係がある、請求項４に記載の光導波路部品。
8. 前記所定の間隔の大きさは実質上５２μｍ以下である、請求項７に記載の光導波路部品。
9. 前記曲率半径は実質的に５より大きく１５より小さい、請求項８に記載の光導波路部品。
10. 前記第１の溝の他方の端部に光半導体素子が実装されている、請求項１から９のいずれかに記載の光導波路部品。
11. 請求項１から１０のいずれかに記載の光導波路部品を備えた光デバイス。
12. 第１の屈折率を有する光透過性の第１の基板の主面上に、第１の溝を形成する工程と、
    前記第１の基板の前記主面に、その一端が前記第１の溝の一端と所定の間隙をおくように第２の溝を形成する工程と、
    前記第１の溝に、前記第１の屈折率よりも高い第２の屈折率を有する材料を充填し光導波路を形成する工程と、
    前記第１の溝と、前記所定の間隙の少なくとも一部とを覆って前記第１の基板上に、前記第２の屈折率より低い屈折率を有する第２の基板を配置する工程とを備えた、光導波路部品の製造方法。
13. 前記第１の溝を形成する工程および前記第２の溝を形成する工程を、金型を使用した一括成型により行う、請求項１２に記載の光導波路部品の製造方法。

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