JP2005062394A - Optical waveguide and its manufacturing method, and optical information processor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、コアとクラッドとの接合体からなり、光源モジュール、光インターコネクション、光通信等に好適な光導波路及びその製造方法、並びにディスプレイ等の光情報処理装置に関するものである。 The present invention relates to an optical waveguide composed of a joined body of a core and a clad, suitable for a light source module, optical interconnection, optical communication, and the like, a manufacturing method thereof, and an optical information processing apparatus such as a display.
これ迄、電子機器内のボード間又はボード内のチップ間など、比較的短距離間の情報伝達は、主に電気信号により行われてきたが、集積回路の性能を更に向上させるためには、信号の高速化や信号配線の高密度化が必要となる。しかし、電気信号配線においては、配線の時定数による信号遅延や、ノイズ発生等の問題から、電気信号の高速化や電気信号配線の高密度化が困難である。 Until now, information transmission between relatively short distances, such as between boards in electronic equipment or between chips in boards, has been mainly performed by electrical signals, but in order to further improve the performance of integrated circuits, It is necessary to increase the signal speed and the signal wiring density. However, in the electric signal wiring, it is difficult to increase the speed of the electric signal and increase the density of the electric signal wiring due to problems such as signal delay due to the time constant of the wiring and generation of noise.
こうした問題を解決する光配線(光インターコネクション)が注目されている。光配線は、電子機器間、電子機器内のボード間又はボード内のチップ間など、種々の箇所に適用可能であり、例えばチップ間のような短距離間の信号の伝送には、チップが搭載されている基板上に光導波路を形成し、信号変調されたレーザ光等の伝送路とした光伝送・通信システムを構築することができる。 Optical wiring (optical interconnection) that solves these problems is drawing attention. Optical wiring can be applied to various locations such as between electronic devices, between boards in electronic devices, or between chips in a board. For example, chips are mounted for transmission of signals over a short distance such as between chips. It is possible to construct an optical transmission / communication system in which an optical waveguide is formed on a substrate that is used as a transmission path for signal-modulated laser light or the like.
光導波路からの出射光は、その導波路端面の形状やNA(開口数)などにより、放射光の角度が制限されている。このため、所望の光ビーム形状を得るには、微小レンズ等を取り付ける必要があった。また、光導波路の端面を加工してレンズ効果をもたせる技術も知られている。例えば、溶剤にて球面化する手法(後記の特許文献1:特開平10−239538号公報)、有機溶剤に浸透、乾燥させて球面化する手法(後記の特許文献2:特開平11−326689号公報)、感光性樹脂に浸透させる方法(後記の特許文献3:特開平5−107427号公報)、レンズ形成型を押し付けて先端を球面化する手法(後記の特許文献4:特開平8−75935号公報)、先端部を加熱し、軟化させて球面化する手法(後記の特許文献5:特許第3112572号公報)、ファイバ先端に加熱した球状鋳型を押し付ける手法(後記の特許文献6:特開2001−350037号公報)等がある。 The angle of the emitted light from the optical waveguide is limited by the shape of the waveguide end face, NA (numerical aperture), and the like. For this reason, in order to obtain a desired light beam shape, it was necessary to attach a micro lens or the like. In addition, a technique for processing the end face of an optical waveguide to give a lens effect is also known. For example, a method of spheronizing with a solvent (Patent Document 1: Japanese Patent Laid-Open No. 10-239538 described later), a method of spheroidizing by penetrating an organic solvent and drying (Patent Document 2: Japanese Patent Laid-Open No. 11-326689 described later) Gazette), a method of penetrating a photosensitive resin (Patent Document 3: Japanese Patent Laid-Open No. 5-107427 described later), a method of pressing a lens forming die to make the tip spherical (Patent Document 4: Japanese Patent Laid-Open No. 8-75935 described later). No. 3), a method of heating and softening the tip (spherical patent document 5: Japanese Patent No. 312572), and a method of pressing a heated spherical mold on the fiber tip (patent document 6: Japanese Patent Laid-open No. 2001-350037).
他方、光導波路をディスプレイの光源モジュールとして用いることも知られている。例えば、映像ソフト、ゲーム、コンピュータ画面、映画等を自分だけの大画面で楽しめるヘッドマウントディスプレイ(Head Mounted Display ; HMD)の開発がなされており、サングラスのようにかけるだけで、臨場感あふれる映像をいつでもどこでも気軽に体感できるパーソナルなディスプレイがある(米国特許第5,467,104号公報参照)。 On the other hand, it is also known to use an optical waveguide as a light source module of a display. For example, the development of a head mounted display (HMD) that allows you to enjoy video software, games, computer screens, movies, etc. on your own large screen has been developed. There is a personal display that can be easily felt anytime and anywhere (see US Pat. No. 5,467,104).
このヘッドマウントディスプレイの光源には、赤色、緑色、青色の発光ダイオード(LED)が使われているが、LED光はコヒーレント性が無く、放射角が広く、集光して3色を合波することが難しい。そこで、3色のLED光を光導波路に通して合波し、均一な白色等の信号光を作り出す技術が知られている(後記の非特許文献1:日経エレクトロニクス2003.3.31号,P.127)。 Red, green, and blue light emitting diodes (LEDs) are used as the light source for this head mounted display, but the LED light is not coherent, has a wide radiation angle, and is condensed to combine the three colors. It is difficult. Therefore, a technique is known in which three colors of LED light are combined through an optical waveguide to generate signal light such as uniform white (non-patent document 1: Nikkei Electronics 2003.3.31 described later, P 127).
上記した特許文献1〜6のいずれも、光導波路を作製した後に、その端面を後加工してレンズ部を形成しているので、その後加工のばらつきによってレンズ部を精度良く作製することが困難である。 In any of the above-mentioned Patent Documents 1 to 6, since the lens portion is formed by post-processing the end face after the optical waveguide is manufactured, it is difficult to accurately manufacture the lens portion due to variations in processing thereafter. is there.
これを特許文献6を例にとって説明すると、図11(a)に示すように、コア1と、これを被覆するクラッド2との接合体からなる光ファイバ3を形成した後にその端面を切断し、しかる後にその切断面4に加熱した凸球面鋳型5を押し付けるか、或いは端面4を溶剤で溶解する。これによって、図11(b)に示すように、球面状凹構造6を形成する。
Explaining this by taking Patent Document 6 as an example, as shown in FIG. 11A, after forming an
次に、図11(c)に示すように、球面状凹構造6に高屈折率の屈折率整合材7を充填し、硬化させてレンズ部8を形成する。
Next, as shown in FIG. 11 (c), the spherical concave structure 6 is filled with a refractive
このようにして作製されたレンズ部付きの光ファイバを成形した後にその端面を切断し、しかる後にその切断面4に加熱した凸球面鋳型5を押し付けるか、或いは端面4を溶剤で溶解する。これによって、図11(b)に示すように、球面状凹構造6を形成する。 After molding the optical fiber with the lens portion thus produced, its end face is cut, and then the heated convex spherical mold 5 is pressed against the cut face 4, or the end face 4 is dissolved with a solvent. As a result, a spherical concave structure 6 is formed as shown in FIG.
次に、図11(c)に示すように、球面状凹構造6に高屈折率の屈折率整合剤7を充填し、硬化させてレンズ部8を形成する。
Next, as shown in FIG. 11C, the spherical concave structure 6 is filled with a refractive
このようにして作製されたレンズ部付きの光ファイバ3は、理解容易のために断面ハッチングを省略した図11(d)に示すように、例えばLED等の光源9からの信号光10をコア1に入射させ、グラッド2との界面で反射させながら出射側のレンズ部8に導き、ここで所定のビーム径に集束し、得られた出射光11を次段の光学系に導くことができる。なお、上記の特許文献6には、レンズ部8へコア径の小さな光ファイバ(図示せず)からの信号光を集光してコア1に入射させ,レンズ部8とは反射側の端面から出射する例が述べられているが、図11(d)に示したように光ファイバ3を用いることも可能であると考えられる。
The
しかしながら、図11(c)及び(d)に示した光ファイバは、レンズ部8を形成するのに、図11(a)、(b)に示したようにファイバ先端に加熱した凸球面鋳型5を押し付けて球面状凹構造6を形成しているため、鋳型5の押し付け圧力や位置などのばらつきにより、ファイバ先端を精度良く加工することが困難であり、また個々のファイバを後加工するために量産性に乏しい。 However, the optical fiber shown in FIGS. 11C and 11D has the convex spherical mold 5 heated at the tip of the fiber as shown in FIGS. 11A and 11B to form the lens portion 8. Since the spherical concave structure 6 is formed by pressing the fiber tip, it is difficult to accurately process the fiber tip due to variations in the pressing pressure and position of the mold 5, and to post-process individual fibers. Poor mass productivity.
また、上記した特許文献4も特許文献6と同様に、レンズ成形型によって光ファイバ先端を球面化し、また特許文献1〜3や5においても、光ファイバを作製した後に、その端面を溶剤や樹脂等により後加工してレンズ部を形成しているため、上記した特許文献6と同様に、後加工のばらつきによってレンズ部を精度良く形成することが困難である。 Also, in Patent Document 4 described above, the tip of the optical fiber is made spherical by a lens mold as in Patent Document 6, and in Patent Documents 1 to 3 and 5, the end surface is made of a solvent or resin after the optical fiber is manufactured. Since the lens portion is formed by post-processing by, for example, it is difficult to form the lens portion with high accuracy due to variations in post-processing as in the case of Patent Document 6 described above.
更に、上記の非特許文献1による光源モジュールは、白色光を平面にて取り出すことができるが、任意のスポット形状を作り出すことができない。ヘッドマウントディスプレイに適用するには、集光した点光源が要求されるが、平面状の白色光をスポットに変換するためには、複雑な構成からなるレンズ系を光導波路に付け足すこととなる。こうしたレンズ系を含めて光源モジュールを作製するには、高度な技術を必要とし、コストも増大し易い。ゲーム機、パソコンなどのアプリケーションには低コスト化が要求されるので、こうした従来技術は好ましくない。 Further, the light source module according to Non-Patent Document 1 can extract white light in a plane, but cannot create an arbitrary spot shape. In order to apply to a head mounted display, a focused point light source is required, but in order to convert planar white light into a spot, a lens system having a complicated configuration is added to the optical waveguide. In order to manufacture a light source module including such a lens system, advanced technology is required, and the cost is likely to increase. Such a prior art is not preferable because cost reduction is required for applications such as game machines and personal computers.
そこで、本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであって、その目的は、先端に簡便かつ高精度に形成可能なレンズ形状を有する光導波路と、これを容易かつ低コストで製造できる方法、並びに光導波路を用いた光情報処理装置を提供することにある。 Therefore, the present invention has been made in view of such a situation, and an object of the present invention is to manufacture an optical waveguide having a lens shape that can be easily and accurately formed at the tip, and to manufacture this easily and at low cost. And an optical information processing apparatus using an optical waveguide.
即ち、本発明は、コアとクラッドとの接合体からなる光導波路において、光出射側又は/及び光入射側での前記コアの端部がレンズ形状となるように、露光処理を経てコア材がパターン化されていることを特徴とする光導波路に係るものである。 That is, according to the present invention, in an optical waveguide composed of a joined body of a core and a clad, the core material is subjected to an exposure process so that the end of the core on the light emitting side and / or the light incident side has a lens shape. The present invention relates to an optical waveguide characterized by being patterned.
また、本発明は、コアとクラッドとの接合体からなる光導波路の製造方法において、露光処理を経てコア材をパターニングして、光出射側又は/及び光入射側での前記コアの端部をレンズ形状に形成することを特徴とする光導波路の製造方法に係るものである。 Further, the present invention provides a method of manufacturing an optical waveguide comprising a joined body of a core and a clad, wherein the core material is patterned through an exposure process, and the end of the core on the light emitting side and / or the light incident side is formed. The present invention relates to a method for manufacturing an optical waveguide, characterized by being formed into a lens shape.
また、本発明は、本発明の上記光導波路と、この光導波路に信号光を入射する入射手段と、前記光導波路からの出射光を受ける受光手段とを有する光情報処理装置も提供するものである。 The present invention also provides an optical information processing apparatus having the optical waveguide according to the present invention, an incident means for entering signal light into the optical waveguide, and a light receiving means for receiving light emitted from the optical waveguide. is there.
本発明の光導波路とその製造方法によれば、コアの端部がレンズ形状となるように露光処理を経てコア材をパターニングしているので、コア端部のレンズ形状によって、コリメート光や任意のビーム形状の光を効率良く集光して出射させたり、或いは入射光を効率良く集光することができる。 According to the optical waveguide and the manufacturing method thereof of the present invention, the core material is patterned through the exposure process so that the end of the core has a lens shape. Beam-shaped light can be efficiently collected and emitted, or incident light can be efficiently collected.
しかも、従来技術のように光導波路を作製した後に後加工する手法とは異なって、光導波路の作製プロセスにおいて露光処理を用いてレンズ形状を高精度にかつ量産性良く簡便に作製することができる。 Moreover, unlike the conventional technique in which the optical waveguide is manufactured and then post-processed, the lens shape can be easily manufactured with high accuracy and high productivity by using an exposure process in the optical waveguide manufacturing process. .
そして、本発明の光導波路と、この光導波路への信号光の入射手段と、この光導波路からの出射光の受光手段とによって、光導波路で効率良く所定の光束に集光されて出射し、或いは光導波路に効率良く入射した後に出射した信号光を受光手段に入射させて、光情報処理を有効に行うことができる。 And by the optical waveguide of the present invention, the incident means of the signal light to the optical waveguide, and the light receiving means of the emitted light from the optical waveguide, the optical waveguide is efficiently condensed into a predetermined light beam and emitted, Alternatively, it is possible to effectively perform optical information processing by causing the signal light emitted after efficiently entering the optical waveguide to enter the light receiving means.
本発明において、前記レンズ形状を高精度かつ容易に得るには、次の(1)〜(3)のいずれかを行うことが望ましい。
(1)前記コア材を所定パターンに露光し、その非露光部を溶解除去して、凸面又は凹 面からなる前記レンズ形状を端部に有するコアを形成すること。
(2)前記コア材を所定パターンに露光し、その非露光部を、凸面又は凹面からなる前 記レンズ形状を端部に有するコアとし、その露光部をクラッドとして残し、露光部(ク ラッド)の屈折率を非露光のコア材の屈折率よりも低下させること。
(3)露光及び現像処理によりレジストをコア形状にパターン化し、得られたレジスト マスクを用いて前記コア材を所定パターンに溶解又はエッチングして、凸面又は凹面か らなる前記レンズ形状を端部に有するコアを形成すること。
In the present invention, in order to obtain the lens shape with high accuracy and ease, it is desirable to perform any of the following (1) to (3).
(1) The core material is exposed to a predetermined pattern, and the non-exposed portion is dissolved and removed to form a core having the lens shape consisting of a convex surface or a concave surface at an end portion.
(2) The core material is exposed to a predetermined pattern, and the non-exposed portion is a core having the lens shape consisting of a convex surface or a concave surface at the end, the exposed portion is left as a clad, and an exposed portion (cladd) Lower the refractive index of the core material than that of the non-exposed core material.
(3) The resist is patterned into a core shape by exposure and development processing, and the core material is dissolved or etched into a predetermined pattern using the obtained resist mask, and the lens shape consisting of a convex surface or a concave surface is formed at the end. Forming a core having.
また、光導波路の構造としては、下層のクラッド上に、凸面又は凹面からなる前記レンズ形状を端部に有するコアを形成してよいが、このコア上から前記下層のクラッド上にかけて上層のクラッドを形成することができる。但し、光導波路への入射光がコアからクラッドへ漏れ出て出射光の光束が広がったり、光の損失が増えるのを防止する上で、前記上層クラッドを設けないことが望ましい。 In addition, as a structure of the optical waveguide, a core having the lens shape having a convex surface or a concave surface at the end may be formed on the lower clad, but the upper clad is formed on the lower clad from the core. Can be formed. However, in order to prevent light incident on the optical waveguide from leaking from the core to the clad and spreading the luminous flux of the emitted light or increasing light loss, it is desirable not to provide the upper clad.
また、凸面又は凹面からなる前記レンズ形状が存在する前記接合体の端面は、レンズ形状のコア先端部が露出してよいが、このレンズ形状部分を囲むように実質的にクラッドからなる平坦面となっているのがよい。 Further, the end surface of the joined body in which the lens shape formed of a convex surface or a concave surface exists may expose the lens-shaped core tip, but a flat surface substantially made of a clad so as to surround the lens-shaped portion. It is good to be.
また、前記コア材が光硬化性樹脂からなるのがよい。これは、光(特に紫外線)照射によって露光パターンに対応したコアにパターン化することが容易となり、またクラッド材としても有利なためである。こうした光硬化性樹脂としては、特開2000−356720号公報に記載されたオキセタン樹脂等の高分子有機材料が挙げられる。このような高分子有機材料は、390nm以上、850nm以下の波長の可視光を90%以上透過するものがよい。コア材やクラッド材は、光硬化性樹脂以外にも、無機系材料を用いてもよい。 The core material may be made of a photocurable resin. This is because it is easy to pattern the core corresponding to the exposure pattern by irradiation with light (particularly ultraviolet rays), and it is also advantageous as a clad material. Examples of such a photocurable resin include high molecular organic materials such as oxetane resins described in JP 2000-356720 A. Such a polymer organic material preferably transmits 90% or more of visible light having a wavelength of 390 nm or more and 850 nm or less. As the core material and the clad material, an inorganic material may be used in addition to the photocurable resin.
光導波路材料として、下記のオキセタン環を有するオキセタン化合物からなる上記したオキセタン樹脂、又は下記のオキシラン環を有するオキシラン化合物からなるポリシランが使用可能であるが、これらの光硬化(重合)のために連鎖反応による重合を開始させ得るカチオン重合開始剤を含む組成物が用いられるのがよい。 As the optical waveguide material, the above-mentioned oxetane resin composed of an oxetane compound having the following oxetane ring, or polysilane composed of the following oxirane compound having an oxirane ring can be used. A composition containing a cationic polymerization initiator capable of initiating polymerization by reaction is preferably used.
そして、本発明は、光導波路で効率良く所定の光束に集光されて出射し、或いは光導波路に効率良く入射した後に出射した信号光を走査手段で走査して投影するように構成したディスプレイや、上記信号光を次段回路の受光素子(光配線やフォトディテクタ等)に入射させるように構成した光通信等の光情報処理に有効に用いることができる。 Then, the present invention provides a display configured so that a signal beam that is efficiently condensed into a predetermined light flux by an optical waveguide and emitted, or signal light emitted after being efficiently incident on the optical waveguide is scanned and projected by a scanning unit. The signal light can be effectively used for optical information processing such as optical communication configured to make the signal light incident on a light receiving element (such as an optical wiring or a photodetector) of the next stage circuit.
次に、本発明の好ましい実施の形態を図面参照下に詳細に説明する。 Next, a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
第1の実施の形態
図1〜図4は、本発明の第1の実施の形態を示すものである。
First Embodiment FIGS. 1 to 4 show a first embodiment of the present invention.
本実施の形態による光導波路23は、図1及び図2に示すように、屈折率が高いコア21と、屈折率が低い下層クラッド22及び上層クラッド32との接合体が基板20上に設けられた構造からなっていて(これらのコアとクラッドとの比屈折率差は0.1〜4.0%である。)、光導波路先端部分であるコア21の光出射側端部が後述の露光処理によって凸面形状のレンズ部28となっている。このレンズ部28は、コア21の先端部としてその頂部が露出してよいが、上層クラッド32(更には下層クラッド22)によって被覆されていて、光導波路の光出射面24が実質的にクラッドからなる平坦面となっている。
As shown in FIGS. 1 and 2, the optical waveguide 23 according to the present embodiment includes a bonded body of a core 21 having a high refractive index, a lower clad 22 and an upper clad 32 having a low refractive index provided on a
この光導波路23は、具体的には、コア21が厚さ40μm×幅50μmであり、コア21とクラッド22及び32との比屈折率差は1.7%である。
Specifically, in the optical waveguide 23, the
また、これらのコア及びクラッドは、光硬化性樹脂によって形成することができる。例えば特開2000−356720号公報に開示されている高分子有機導波路材料であるオキセタン樹脂(例えばソニーケミカル社製)を使用することが好適である。また、ポリシラン(例えば商品名グラシア、日本ペイント社製)なども使用してよい。コアやクラッドに適した屈折率を有するポリマー系材料がそれぞれに存在するが、これらは上記メーカー等より入手することができる。 Moreover, these cores and clads can be formed of a photocurable resin. For example, it is preferable to use an oxetane resin (for example, manufactured by Sony Chemical Corporation), which is a polymer organic waveguide material disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-356720. Polysilane (for example, trade name Gracia, manufactured by Nippon Paint Co., Ltd.) may also be used. There are polymer materials each having a refractive index suitable for the core and the cladding, and these can be obtained from the above manufacturers.
このように、コア21の先端部に凸面形状のレンズ部(凸レンズ部)28が形成されているので、図1(A)の断面ハッチングを省略した図1(B)に示すように、光導波路23の光入射面25側に配置した光源(例えばLED)29からコア21に入射した信号光30は、上層クラッド32(更には下層クラッド22)との界面で全反射しながらコア21のレンズ部28に到達し、ここで光束が絞られて、所望のビーム径の或いはコリメートされた出射光31が得られる。光源29としては、単色のみならず、R(赤)、G(緑)及びB(青)の三色の各光源が使用可能であり、レンズ部28によって各色又は白色の出射光のビーム形状を制御することができる。
Thus, since the convex lens part (convex lens part) 28 is formed at the tip of the core 21, as shown in FIG. 1B in which the cross-sectional hatching in FIG. The signal light 30 incident on the core 21 from a light source (for example, LED) 29 disposed on the light incident surface 25 side of 23 is totally reflected at the interface with the upper clad 32 (and further the lower clad 22), and the lens portion of the core 21 28, where the luminous flux is narrowed down to obtain a desired beam diameter or collimated
従って、この光導波路23は、コア21の先端部自体をレンズ形状にすることによって、凸レンズをコアの光出射側に対向して別途配置することは不要となり、その位置精度が向上する。 Therefore, in the optical waveguide 23, by making the tip of the core 21 itself into a lens shape, it is not necessary to separately arrange a convex lens facing the light emitting side of the core, and the positional accuracy is improved.
一般に、光源29にLEDを用いる場合には、LEDの発光光はコヒーレント性が無く、放射角が広いため、所望のビーム径に絞るのが困難であるとされるが、本実施の形態のようにLEDからの光を光導波路23のコア21に導入した後にその端部の凸レンズ部28によって所望のビーム径に集光できるため、この光導波路23はいわば点光源として使用可能となる(以下、同様)。
In general, when an LED is used as the light source 29, the emitted light of the LED is not coherent and has a wide radiation angle, so that it is difficult to narrow down to a desired beam diameter. Since the light from the LED is introduced into the
コアにレンズ形状を有する上記の光導波路23の作製プロセスを図3及び図4に示す。ここでは、光導波路材料としてソニーケミカル社製のオキセタン樹脂を用いる場合を例示し、各プロセス段階を断面と平面で示す。 The manufacturing process of the optical waveguide 23 having a lens shape in the core is shown in FIGS. Here, a case where an oxetane resin manufactured by Sony Chemical Co., Ltd. is used as an optical waveguide material is illustrated, and each process step is shown by a cross section and a plane.
まず、図3(a)に示すように、ガラス又はプラスチックス等の基板20上に、下層クラッド材をスピンコートした後に紫外線照射で硬化させ、厚さが例えば30μmの下層クラッド22を形成する。
First, as shown in FIG. 3A, a lower clad material is spin-coated on a
次に、図3(b)に示すように、コア用の屈折率が高い材料21Aをスピンコート法にて例えば40μm厚に塗布した後、図3(c)に示すように、凸面形状40の開口41を有する構造のネガパターンの露光マスク42を介して、例えば10mW/cm2の紫外線43を照射する。
Next, as shown in FIG. 3B, the
次に、図4(d)に示すように、例えばアセトンにて紫外線が照射されていない部分のコア材を除去して、紫外線照射で硬化し、凸レンズ部28を有する光導波路コア21を形成する。
Next, as shown in FIG. 4D, the core material in a portion not irradiated with ultraviolet rays, for example, with acetone is removed and cured by ultraviolet irradiation to form an
次に、図4(e)に示すように、上層クラッド32を塗布して、光導波路23を完成する。 Next, as shown in FIG. 4E, the upper layer clad 32 is applied to complete the optical waveguide 23.
本実施の形態によれば、コア21の端部が凸レンズ形状28となるように、図3(c)に示した露光処理を経てコア材21Aをパターン化しているので、従来のように光導波路を作製した後に後加工する手法とは異なって、光導波路の作製プロセスにおいてコアの凸レンズ形状を高精度にかつ量産性良く簡便に作製することができる。
According to the present embodiment, since the
そして、コア端部の凸レンズ形状28によって、コリメート光や任意のビーム形状の光を効率良く集光して出射させることができるので、光導波路23はいわば点光源として好適なものとなる。
Since the collimated light and the light having an arbitrary beam shape can be efficiently condensed and emitted by the
第2の実施の形態
本実施の形態では、図5(a)に示すように、上述の第1の実施の形態と同様に基板20上に下層クラッド22を形成した後に、コア材料21Aを塗布及び紫外線照射処理によって積層し、更に、通常のフォトリソグラフィ技術によってフォトレジストの塗布、露光及び現像を行い、コアパターンのレジストマスク52をコア材21A上に形成する。
Second Embodiment In the present embodiment, as shown in FIG. 5A, after forming the
次に、図5(b)に示すように、レジストマスク52以外の領域にあるコア材21Aを溶解除去して、端部に凸レンズ部28を有するコア21を形成する。
Next, as shown in FIG. 5B, the
次に、図5(c)に示すように、上層クラッド32を上述した第1の実施の形態と同様にして形成し、光導波路23を完成する。 Next, as shown in FIG. 5C, the upper clad 32 is formed in the same manner as in the first embodiment described above, and the optical waveguide 23 is completed.
本実施の形態によれば、コア21の端部が凸レンズ形状28となるように、図5(a)に示した露光及び現像処理により得られたコアパターンのレジストマスク52を用いてコア材21Aをパターン化しているので、従来のように光導波路を作製した後に後加工するのではなく、光導波路の作製プロセスにおいてコアの凸レンズ形状を高精度にかつ量産性良く簡便に作製することができる。
According to the present embodiment, the
そして、コア端部の凸レンズ形状28によって、コリメート光や任意のビーム形状の光を効率良く集光して出射させることができる。
Then, the
第3の実施の形態
本実施の形態では、図6(a)に示すように、上述の第1の実施の形態と同様に基板20上に下層クラッド22を形成した後に、上述のポリシラン(例えば日本ペイント社製のグラシア)からなるコア材料21Aを塗布によって積層し、更に、通常のフォトリソグラフィ技術によってフォトレジストの塗布、露光及び現像を行うことによって得られたコアパターンの露光マスク62を用いてコア材料21Aを紫外線で露光処理する。
Third Embodiment In the present embodiment, as shown in FIG. 6A, after the lower clad 22 is formed on the
これによって、図6(b)に示すように、コア材21Aのうち露光マスク62以外の露光部分の屈折率を低下させ、端部に凸レンズ部28を有する高屈折率のコア21の周りに密着して低屈折率のクラッド62を形成する。そして、この後に、図6(c)に示すように、必要あれば、上層クラッド32を上述した第1の実施の形態と同様にして形成し、光導波路63を完成する。
As a result, as shown in FIG. 6B, the refractive index of the exposed portion of the
本実施の形態によれば、コア21の端部が凸レンズ形状28となるように、図6(a)に示した露光処理によってコア材21Aを選択的に低屈折率化し、所定パターンのコア21とクラッド62とを形成しているので、従来のように光導波路を作製した後に後加工するのではなく、光導波路の作製プロセスにおいてコアの凸レンズ形状を高精度にかつ量産性良く簡便に作製することができる。しかも、コア材21Aの不要部分を除去するのではなく、コア21の周りに密着してクラッド62として残しているので、この状態でもコア21を十分に保護でき、光導波路として用いることができる。
According to the present embodiment, the
そして、コア端部の凸レンズ形状28によって、コリメート光や任意のビーム形状の光を効率良く集光して出射させることができる。
Then, the
第4の実施の形態
上述の各実施の形態ではコア21の端部に凸レンズ部28を形成したが、本実施の形態では、図7(A)に示すように、光導波路の光入射面25側に凹面形状のレンズ部78を形成し、この凹レンズ部78を囲むように上層クラッド32で被覆して、光導波路73を作製している。
Fourth Embodiment In each of the above-described embodiments, the
このような凹レンズ部78を形成するには、例えば上述の第1の実施の形態において、図3(c)に示したマスク42の開口端部に凹レンズ部78に対応した形状の凹面形状(図示せず)を設け、その後は同様にして紫外線照射、非照射部分の除去、上層クラッドの形成を順次行えばよい。
In order to form such a
本実施の形態によれば、図7(B)に示すように、コア21の凹レンズ部78を光源29の側(光入射面25の側)に配することによって、光源29からの広範囲の信号光30を凹レンズ作用によってコア21中へ効率良く集光することができる。その他、コアの凹レンズ形状を高精度かつ量産性良く簡便に作製できることは、上述の第1の実施の形態と同様である。
According to the present embodiment, as shown in FIG. 7B, by arranging the
上記において、加工していない導波路出射端面における入射角については、コアとクラッドの屈折率差から開口数(NA)が決まる。コアの屈折率n1、クラッドの屈折率n2とすると、NAは
で表せる。このNAが大きいほど、発光素子からの光は光導波路に入りやすい。
In the above description, the numerical aperture (NA) is determined from the difference in refractive index between the core and the clad for the incident angle at the waveguide exit end face that is not processed. Refractive index n 1 of the core, and the refractive index n 2 of the cladding, NA is
It can be expressed as The larger the NA, the easier the light from the light emitting element enters the optical waveguide.
そこで、上記のように、凹レンズ部78を光導波路端面に設けた場合、発光素子からの光は光学的に密な光導波路コアに入射すると屈折する。図7に示すように、凹レンズ部の作用がある光導波路端面は、加工していない光導波路のNAよりも大きなNAを持つ。従って、凹レンズ部の作用によって、発光素子からの受光を光導波路は受けやすくなる。
Therefore, when the
第5の実施の形態
本実施の形態は、図8(A)に示すように、上述の第1の実施の形態におけるコア21の凸レンズ部28と、上述の第4の実施の形態におけるコア21の凹レンズ部78とをそれぞれ光出射面24側及び光入射面25側に形成し、各レンズ部28及び78を囲むように上層クラッド32で被覆して、光導波路83を作製している。
Fifth Embodiment In this embodiment, as shown in FIG. 8A, the
このようなレンズ部28及び78を形成するには、例えば上述の第1の実施の形態において、図3(c)に示したマスク42の開口端部に、凸レンズ部28に対応した形状の凸面形状と、凹レンズ部78に対応した形状の凹面形状とを設け、その後は同様にして紫外線照射、非照射部分の除去、上層クラッドの形成を順次行えばよい。
In order to form
本実施の形態によれば、図8(B)に示すように、コア21の凹レンズ部78を光源29の側(光入射面25の側)に配することによって、光源29からの広範囲の信号光30を凹レンズ作用によってコア21中へ効率良く集光することができると同時に、コア21の凸レンズ部28によってコリメート光や任意のビーム形状の光を効率良く集光して出射させることができる。その他、コアの凸レンズ形状及び凹レンズ形状を高精度かつ量産性良く簡便に作製できることは、上述の第1の実施の形態と同様である。
According to the present embodiment, as shown in FIG. 8B, by arranging the
第6の実施の形態
図9は、第6の実施の形態を示すものであって、上述した第1の形態において上層クラッド32を除去した光導波路93としている。
Sixth Embodiment FIG. 9 shows a sixth embodiment, which is an optical waveguide 93 from which the upper layer clad 32 is removed in the first embodiment described above.
従って、光入射面25から入射した信号光が上層クラッドへ入射したり、コア21から上層クラッドへ漏れ出ることにより、光出射面24からの出射光の光束が見かけ上拡がること(即ち、コア21からの絞られた光束以外の光が出射すること)を防止することができる。その他は、上述した第1の実施の形態と同様の作用効果が得られる。
Accordingly, when the signal light incident from the light incident surface 25 enters the upper clad or leaks from the core 21 to the upper clad, the light flux of the emitted light from the
第7の実施の形態
上述した各実施の形態はいずれも、光導波路はいわば点光源として好適であって、出射光はビーム径の絞られた次段への信号光として好適なものとなる。本実施の形態は、そのような点光源としての光導波路を光情報処理装置、例えばディスプレイに適用した例である。
Seventh Embodiment In each of the above-described embodiments, the optical waveguide is suitable as a point light source, and the emitted light is suitable as signal light to the next stage with a narrowed beam diameter. The present embodiment is an example in which such an optical waveguide as a point light source is applied to an optical information processing apparatus such as a display.
図10(A)に示す光導波路103によれば、コアを3種類の赤色光用コア21R、緑色光用コア21G及び青色光用コア21Bに分け、これらの光入射面25側にそれぞれLEDからなる赤色光源29R、緑色光源29G及び青色光源29Bを配置し、かつ直線状の緑色光用コア21Gの光出射側の端部に上述したと同様の凸レンズ部28を設けると共に、この凸レンズ部28の前位にて赤色光用コア21R及び青色光用コア21Bをそれぞれ緑色光用コア21Gに合流させ、共通コア21を通して凸レンズ部28に導く。これによって、各色の信号光30R、30G及び30Bを合波し、上述したと同様に凸レンズ部28で所望のビーム径に集光して出射させる。
According to the
そして、各色の信号光の強度やカラーバランスを制御することによって、出射光31(R,G,B)は目的とする色情報をもつ信号光として次段の例えばスクリーンへ投影され、フルカラーの画像の再生が可能なディスプレイを得ることができる。 Then, by controlling the intensity and color balance of the signal light of each color, the emitted light 31 (R, G, B) is projected onto the next stage, for example, a screen as signal light having target color information, and a full-color image is obtained. Can be obtained.
図10(B)は、こうしたディスプレイをヘッドマウントディスプレイ(HMD)105に適用した例を示すものであって、図10(A)に示した構造の光導波路103を単位画素相当としてこれらを例えば紙面垂直方向に多数個ライン状に配列し、各光導波路103からのビーム径の絞られた出射光31を走査板(scanned image plane)100に通した後、この走査板と光学的に共役関係にある人間の眼球101の網膜102上に光学レンズ104等によって焦点(スポット)を結ばせるように構成している。この結像点は一ライン分、網膜102上に形成されるが、これは走査板100によって網膜上でラインとは直交する方向に走査されることによって、臨場感あふれる映像をパーソナルに体感することができる。
FIG. 10B shows an example in which such a display is applied to a head mounted display (HMD) 105. The
このようなディスプレイでは、一般に、光源のLED29R、29G、29Bの発光光は、コヒーレント性が無く、放射角が広くて3色を合波するのが困難であるとされるが、本実施の形態のようにLEDからの光を光導波路103のコアに導入した後にその端部の凸レンズ部28によって所望のビーム径に集光できるため、この光導波路103はいわば点光源としてディスプレイに非常に有利となる。
In such a display, in general, the light emitted from the
なお、このヘッドマウントディスプレイ105は、サングラスのように装着した状態でプロジェクタやカメラ、コンピュータ、ゲーム機などに組み込むことにより、コンパクトな映像装置を提供することができる。 The head mounted display 105 can be provided in a compact video apparatus by being incorporated in a projector, a camera, a computer, a game machine or the like while being mounted like sunglasses.
上述した実施の形態は、本発明の技術的思想に基づいて種々に変形することが可能である。 The embodiment described above can be variously modified based on the technical idea of the present invention.
例えば、上述したコアの凸レンズ部28は、光導波路の光出射側だけでなく、光入射側にも設けると、放射角の広い光源からの光を効果的にコアへ入射させることができる。また、凸レンズ部28を含む各レンズ部の形状や種類も様々であってよい。
For example, if the
また、上述した光導波路の構成材料や層構成も様々に変化させてよく、例えば上述した第2の実施の形態においてニオブ酸リチウム等の無機系の材料を用い、これをCVD(化学的気相成長法)によって基板上にコア材として成膜し、レジストマスクを用いて所定パターンにエッチングすることによって、上述したコア21と同等のコアを形成することができる。 In addition, the constituent material and the layer configuration of the optical waveguide described above may be variously changed. For example, in the second embodiment described above, an inorganic material such as lithium niobate is used, and this is formed by CVD (chemical vapor phase). A core equivalent to the core 21 described above can be formed by forming a film on the substrate as a core material by a growth method and etching into a predetermined pattern using a resist mask.
また、上述した光導波路を含む光学系の構成は適宜変更してよく、例えば走査手段としてマイクロミラーデバイスやポリゴンミラー等を採用してよいし、投影をスクリーン上に行ってもよい。 In addition, the configuration of the optical system including the above-described optical waveguide may be changed as appropriate. For example, a micromirror device or a polygon mirror may be employed as a scanning unit, or projection may be performed on a screen.
なお、本発明は、LED又はレーザを用いた光導波路を光源とするディスプレイ等をはじめ、例えばレーザを用いた光導波路からの信号光を次段回路の受光素子(光配線やフォトディテクタ等)に入射させる光通信等の如き種々の光情報処理に広く適用可能である。 In the present invention, for example, a display using an optical waveguide using an LED or a laser as a light source, for example, signal light from the optical waveguide using a laser is incident on a light receiving element (optical wiring, photodetector, etc.) of the next stage circuit. It can be widely applied to various optical information processing such as optical communication.
本発明は、光導波路で効率良く所定の光束に集光されて出射し、或いは光導波路に効率良く入射した後に出射した信号光を走査手段で走査して投影するように構成したディスプレイや、上記信号光を次段回路の受光素子(光配線やフォトディテクタ等)に入射させるように構成した光通信等の光情報処理に有効に用いることができる。 The present invention relates to a display configured to scan and project the signal light emitted after being efficiently condensed into a predetermined light beam and emitted from the optical waveguide, or after being efficiently incident on the optical waveguide, The present invention can be effectively used for optical information processing such as optical communication configured to cause signal light to be incident on a light receiving element (such as an optical wiring or a photodetector) of the next stage circuit.
20…基板、21、21R、21G、21B…コア、21A…コア材、
22…下層クラッド、23、63、73、83、93、103…光導波路、
24…光出射面、25…光入射面、28…凸レンズ部、
29、29R、29G、29B…光源、30、30R、30G、30B…信号光、
31…出射光、32…上層クラッド、42、62…露光マスク、43…紫外線、
52…レジストマスク、62…クラッド、78…凹レンズ部、100…走査板、
102…網膜、104…レンズ、105…ヘッドマウントディスプレイ
20 ... Substrate, 21, 21R, 21G, 21B ... Core, 21A ... Core material,
22 ... lower cladding, 23, 63, 73, 83, 93, 103 ... optical waveguide,
24 ... light exit surface, 25 ... light entrance surface, 28 ... convex lens portion,
29, 29R, 29G, 29B ... light source, 30, 30R, 30G, 30B ... signal light,
31 ... outgoing light, 32 ... upper cladding, 42, 62 ... exposure mask, 43 ... ultraviolet light,
52 ... resist mask, 62 ... cladding, 78 ... concave lens part, 100 ... scanning plate,
102 ... Retina, 104 ... Lens, 105 ... Head mounted display
Claims (18)
The optical information processing apparatus according to claim 17, configured as a display on which the emitted light is projected by being scanned by a scanning unit.
Priority Applications (1)
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JP2003291405A JP2005062394A (en) | 2003-08-11 | 2003-08-11 | Optical waveguide and its manufacturing method, and optical information processor |
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2008261942A (en) * | 2007-04-10 | 2008-10-30 | Sumitomo Electric Ind Ltd | Light source device, projector optical system, and projector |
WO2020196489A1 (en) * | 2019-03-28 | 2020-10-01 | Tdk株式会社 | Integrated optical device |
-
2003
- 2003-08-11 JP JP2003291405A patent/JP2005062394A/en active Pending
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