JP2005084227A - 光導波路及び光情報処理装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】 光源からの入射効率及び入射光の集光効率が高い、低コストの光導波路及び光情報処理装置を提供すること。
【解決手段】 コア層３の光入射部５を光出射部７の幅よりも拡大された幅に形成し、この光入射部５の少なくとも側面６を反射面とし、光入射部５の端部を放物線形に形成し、光入射部５の下面に接してＬＥＤ１３を配置することにより、ＬＥＤ１３からの光信号の光入射部５への入射効率を高め、光入射部５の側面６で高効率にて反射させ、入射光の集光効率を高める。
【選択図】 図１

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ディスプレイ等の光情報処理装置に関するものである。
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。
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。
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、図２０に示すように、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）。
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、均一な白色光を作り出す技術が知られている（後記の非特許文献１参照）。
図２１は、米Lumileds Lighting,LLC, が開発したＬＥＤ及び光導波路を使ったモジュールの構造例であり、図２１（ａ）は概略断面図、図２１（ｂ）はその斜視図である。
図２１に示すように、バックライトモジュール８０は、プリント基板８１上に実装されたＲＧＢ３種類のＬＥＤモジュール８２、光導波路８３、２個の反射ミラー８４ａ、８４ｂ、導光板８５で構成され、ＬＥＤモジュール８２は９ｍｍ間隔で直線状に実装されている。ＬＥＤモジュール８２から放射されたＲＧＢそれぞれのＬＥＤ光８６は、反射ミラー８４ａ、８４ｂによる光反射と光導波路８３内での反射によって混ざり合い、ほぼ均一な白色光になり、これを導光板８５を介して液晶パネルの背面に照射する。
また、図２２に斜視図で示すように、光入射部側よりも光出射部側の径を直線的に縮小した光導波路も知られている（後記の特許文献１参照）。
この光導波路は、基板１７上に下部クラッド２、コア層３及び仮想線で示した上部クラッド４をこの順に積層したものであるが、図示の如く、コア層３が、その光入射部１８の面積よりも光出射部１９の側の幅及び高さ寸法が縮小された構造になっており、入射光はカーブすることなく、ほぼ直線状に導波されて出射する。
また、出射光をビーム光として出射するものとしては、例えば図２３のような三分岐型光導波路が知られている。図２３（ａ）はその概略図、図２３（ｂ）は図２３（ａ）のｂ−ｂ線断面図である。
この光導波路は、コア層を３種類の赤色光用コア２６Ｒ、緑色光用コア２６Ｇ及び青色光用コア２６Ｂに分け、これらの光入射面側にそれぞれＬＥＤからなる赤色光源２７Ｒ、緑色光源２７Ｇ及び青色光源２７Ｂを配置し、かつ直線状の緑色光用コア２６Ｇに合流させ、共通コア２６の先端から各色の信号光２８Ｒ、２８Ｇ及び２８Ｂを合波して出射光２９をビーム光にして出射する。
また、例えば図２４に示すように、光源をコア層の下方に配置した光導波路も知られている。図２４は要部の概略断面図である。
この光導波路は、下部クラッド２と上部クラッド４（例えば１４μｍ厚）との間に入射側から出射側にかけて同一幅のコア層３（例えば３０μｍ厚）が設けられ、図示の如く、光入射側２３の端部に４５°の傾斜面を形成し、光源のＬＥＤ１３が光入射側２３の下方に配置されている。
日経エレクトロニクス２００３．３．３１号，Ｐ１２７ 特開平５−１７３０３６号公報（第２頁特許請求の範囲、第３頁第３欄３行目〜４行目及び図１（ｄ））
しかしながら、図２１に示したバックライトモジュール８０は、ＬＥＤ８２からの光信号８６をミラー８４ａ、８４ｂを用いて光導波路８３に結合させており、光導波路とミラーが別部品で構成されるため、実装時にはそれぞれの位置調整が必要となり、生産性が悪い。また、ＬＥＤ８２と光導波路８３は高さ方向で分離されているため、薄型集積化にも不向きである。また、集光したＬＥＤ光を任意のスポット径に変換することはできない。
また、図２２に示した光導波路は、図２３の場合のようなカーブがなく直線状の導波路ではあるが、光源の配置に自由度がなく、入射面に沿った光源の配置となるため、入射ロスを伴う。
また、図２３に示した光導波路は、入射光をこれとは反対側の出射部から取り出すことはできるが、ＬＥＤの配置に自由度がなく、図示のように入射面での直線状の配置に限定されるため、上記と同様に入射ロスを伴うと共に、赤色信号光２８Ｒ及び青色信号光２８Ｂが導波過程において、赤色光用コア２６Ｒと青色光用コア２６Ｂのカーブにおいて、破線で示すようにコア層を突き抜けて漏れ光２９ａを生じるため、集光効率が低く高出力化には不向きである。
また、図２４に示した光導波路は、光源（ＬＥＤ）１３が入射側端部のコア層３の下に配置されていることにより、上記した図２２及び図２３の場合よりは光の入射量は多いものの、信号光１４の入射領域がコア層３の狭い幅内に限られ、しかもＬＥＤの放射角度が広いため、入射側２３の傾斜面で反射する割合が少なく、傾斜面以外の入射光はロス光となるため、集光効率は良くない。
本発明は、上述したような問題を解決するためになされたものであって、その目的は光源からの光の入射効率及び入射光の集光効率の高い、低コストの光導波路及び光情報処理装置を提供することにある。
即ち、本発明は、コア層とクラッド層との接合体からなる光導波路において、
前記コア層の光入射部が前記コア層の光出射部よりも拡大された幅に形成され、
前記コア層の前記光入射部の少なくとも側面が反射面として、前記光入射部への入射 光を前記光出射部側へ反射する形状に形成され、
前記光入射部の前記側面以外の面に、光源が接触若しくは対向状態で配置されている
ことを特徴とする、光導波路（以下、本発明の光導波路と称する。）に係るものである。
また、本発明は、上記した本発明の光導波路と、この光導波路のコア層に光を入射させる光入射手段と、前記コア層からの出射光を受け入れる受光手段とによって構成された光情報処理装置（以下、本発明の光情報処理装置と称する。）に係るものである。
本発明の光導波路によれば、光入射部が光出射部よりも拡大された幅に形成され、光入射部の少なくとも側面が反射面として光入射部への入射光を光出射部側へ反射する形状に形成されているので、光入射部の側面の面積が大きいことに加え、少なくともこの側面が反射面であることにより、コア層の光入射部への入射光の光量が増え、かつ少なくとも側面での反射も増えることになる。このため、光出射部方向への導波効率が高められ、入射光を効率的に集光できる。
しかも、光源が光入射部の側面以外の面に接触若しくは対向状態に配置されているので、光源の配置が容易になると同時に、多少の位置ずれがあっても、光源からの入射光の入射効率が向上するため、光源の配置のトレランスが大きく、しかも光入射部の幅が広いために入射光の光量が増加し、入射した光量を上記反射面によって光出射部側へ高効率にて導波して集光し、出射できる。
また、本発明の光情報処理装置によれば、上述した優れた効果を奏する本発明の光導波路と、この光導波路のコア層に光を入射させる光入射手段と、このコア層からの出射光を受け入れる受光手段とによって構成されるので、光通信やディスプレイ等の光情報処理装置として好適に用いることができる。
上記した本発明の光導波路及び光情報処理装置においては、前記光入射部の前記側面が平面的にみて放物線形、半円形又は多角形に形成されていることが、入射光の集光効率を高める点で望ましく、更に、前記光入射部の少なくとも側面が光反射性金属膜で覆われていることが入射光の反射効率を高める点で望ましい。
そして、前記光出射部が少なくとも２個設けられ、これらの光出射部を形成する各コア層が前記光出射部側で合流されて共通の光出射部を形成していることが望ましく、これにより、異なる波長帯の光信号を前記コア層に集光して合波することが望ましい。
更に、前記コア層下のクラッド層内に前記光源が一体化され、この光源の発光部が前記光入射部に接していることが、光源の位置合せが一層正確かつ容易となり、そのトレランスを一層大きくし、かつ光導波路の薄型化と共に入射効率を高める点で望ましい。
この場合、前記コア層の幅が、前記光入射部から前記光出射部側へ直線的に小さくなっていることが、入射光を前記コア層の少なくとも側面で反射してこの反射光を光出射部側へ導びき易いと共に、出射光を所望のスポット径に形成し易い点で望ましい。
上記のように光導波路を形成することにより、前記光源として発光ダイオード等を用いて、その出射光が走査手段を介して投影されるように構成されたディスプレイを好適に作製することができる。
次に、本発明を実施するための最良の形態を図面参照下で具体的に説明する。
実施の形態１
図１及び図２は本実施の形態の光導波路１０の概略図を示し、図１（ａ）は図１（ｂ）のａ−ａ線断面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のｂ−ｂ線断面図である。また、図２は図１と同様な断面を示し、入射光の反射と反射光の導波過程を示す図である。
図１に示すように、この光導波路１０は、基板１上の下部クラッド２と上部クラッド４との間に三分岐型のコア層３が配され、光源としてのＬＥＤ１３がこのコア層３の光入射部５の下面に発光面を接して、下部クラッド２に一体に設けられている。従って、コア層３は光出射部７側の共通コア２６の端面のみが外部に露出すると共に、外部に露出しない光入射部５が光出射部７側のコア層３よりも拡大された幅に形成され、この端部が放物線形に形成されている。このようにＬＥＤ１３がコア層の光入射部５に接して設けられているため、光源の位置合せが確実かつ容易となり、入射効率を高めることができる。この場合、光源の幅とコア層３の拡大幅との比は、１：２〜１：３が好ましい。
そしてＬＥＤ１３としては図１（ａ）に示すように、赤色光源２７Ｒ、緑色光源２７Ｇ、青色光源２７Ｂが配され、これらのＬＥＤ１３から放射された信号光は図２に示すように、各光入射部５の側面６で反射し、それぞれの色用コア（２６Ｒ、２６Ｇ、２６Ｂ）内において、反射光１５が例えば矢印で示すようにコア層３内で全反射しながら光出射部７へ導びかれて合流し、効率良く所定の光束に集光されて光出射部７から出射される。
しかも図１（ａ）及び図２（ａ）に示すように、光入射部５の幅が拡大されているため、この側面６の面積が大きく、そしてこの側面６が反射面として形成され、更にこの端部が入射光を反射し易い放物線形に形成されているので、入射光の光量が増えると共に、側面６での光出射部７側への反射量が増える。
従って、ＬＥＤ１３から放射された信号光のコア層３への入射効率が高く、入射光を効率良く反射して光出射部７側へ導波することができると共に、屈折率の高いコア層３へ入射した光はコア層３内に閉じ込められ、屈折率の低い下部クラッド層２及び上部クラッド層４へ漏れ出難い。なお、本実施の形態における各部の屈折率は、コア層３がｎ＝1.53、上下のクラッド層２、４がｎ＝1.51、基板１がｎ＝3.5である。後述する他の実施の形態及び変形例も同様である。
本実施の形態によれば、コア層３の光入射部５が光出射部７よりも拡大された幅に形成され、光入射部５の側面６が反射面として、光入射部５へのＬＥＤ１３からの入射光を光出射部７側へ反射し易い放物線形に形成されているので、光入射部５の側面６の面積が大きいことに加え、この側面６が反射面であることによりコア層の光入射部５へ入射する入射光の光量が増え、かつ少なくとも側面６での反射も増えるようになる。
このため、入射光の光出射部７の方向への導波効率が高められ、入射光を高効率にて出射できると共に、ＬＥＤ１３が光入射部５の下面に接触して配置されているので、光導波路の薄型化を図れると共に、光源の配置が容易であると同時に、多少の位置ずれがあっても、ＬＥＤ１３からの入射光の入射効率が高く、しかも光入射部５の幅が広いため入射光の光量が増加し、入射した光を側面６を含めてクラッド層との界面で反射して光出射部７側へ効率良く導波して集光し、出射することができる。そして、コア層の形状によって、出射光を任意のスポット径に形成することもできる。
実施の形態２
図３及び図４は本実施の形態の光導波路１０Ａの概略図を示し、図３（ａ）は図３（ｂ）のａ−ａ線断面図、図３（ｂ）は図３（ａ）のｂ−ｂ線断面図である。また、図４は図３と同様な断面を示し、入射光の反射と反射光の導波過程を示す図である。
図３に示すように、この光導波路１０Ａは、基板１上の下部クラッド２と上部クラッド４との間において、共通の光出射部７に対して直線状の３方向に分岐したコア層３が配され、光源としてのＬＥＤ１３がこのコア層３の光入射部５の下面に発光面を接して、下部クラッド２に一体に設けられている。従って、実施の形態１と同様にコア層３は光出射部７側の共通コア２６の端面のみが外部に露出すると共に、外部に露出しない光入射部５が光出射部７側のコア層３よりも拡大された幅に形成され、この端部が放物線形に形成されており、かつ光出射部７に向って幅が直線的に小さくなっている。このようにＬＥＤ１３がコア層３の光入射部５に接して設けられているため、光源の位置合せが確実かつ容易となり、入射効率を高めることができる。この場合、光源の幅とコア層３の拡大幅との比は１：２〜１：３が好ましい。
そしてＬＥＤ１３は図３（ａ）に示すように、実施の形態１と同様の赤色光源２７Ｒ、緑色光源２７Ｇ、青色光源２７Ｂが配され、これらのＬＥＤ１３から放射された信号光は図４に示すように、各光入射部５の側面６で反射し、反射光１５が例えば矢印で示すようにコア層３内で全反射しながら、光出射部７に向って幅が直線的に小さくなったそれぞれの色用コア（２６Ｒ、２６Ｇ、２６Ｂ）に導びかれて合流するので、実施の形態１よりも更に効率良く所定の光束に集光され、光出射部７から出射される。
しかも、図３（ａ）及び図４（ａ）に示すように、実施の形態１と同様に光入射部５の幅が拡大されているため、この側面６の面積が大きく形成され、更に、この側面６が反射面となり、光入射部の端部が入射光を反射し易い放物線形に形成されているため、入射光の光量が増えると共に、側面６での反射量が増える。従って、ＬＥＤ１３から放射された信号光のコア層３への入射効率が高く、入射光を効率良く反射することができる。
本実施の形態によれば、コア層３の光入射部５が光出射部７よりも拡大された幅に形成され、光入射部５の側面６が反射面として、光入射部５へのＬＥＤ１３からの入射光を光出射側７へ反射し易い放物線形に形成されているので、光入射部５の側面６の面積が大きいことに加え、この側面が反射面であることにより、入射光の光出射部７の方向への導波効率が高められ、入射光を高効率にて出射できる。
また、ＬＥＤ１３が光入射部５の下面に接触して配置されているので、実施の形態１と同様に光源の位置合せが容易となると同時に、多少の位置ずれがあっても、ＬＥＤ１３からの入射光の入射効率が高く、しかも光入射部５の幅が広いため入射光の光量が増加し、入射した光量を側面６で反射して光出射部７側へ効率良く導波して集光し、出射することができる。更に、各コア層３が共通の光出射部７に対して直線状に配されている（即ち、コア幅が光出射側へ直線的に小さくなっている）ので、後述の図６の説明から明らかなように、コアからクラッドへの漏れ光が減少し、導波効率が向上し、かつ導波路長も小さくできる。その他、上述の実施の形態１と同様の作用及び効果が得られる。
図５及び図６は、各種の光導波路に関するデータを示すグラフである。
図５は、例えば従来例（図２２）に示したように、３種類の光源を光導波路に対向して設けた三分岐型光導波路に関するものである。このタイプの光導波路は光源をコア層３の入射端側に配置せざるを得ないので、微小なコア層３の入射端面への光源の光量の入射率は低い。また、一旦入射した光量が光出射部から出射する割合は配置する光源のピッチＷによって制約を受ける。
即ち、このような三分岐型光導波路においては、外側のコア層はカーブの部分で漏れるロス光が生じる。そして、光源のピッチＷが大きいほど、カーブが大きくなり漏れ率が高く、出射効率が低下する。しかし、ピッチＷが小さいほど、カーブが小さいために漏れ率が低く、出射効率が向上する。従って、ピッチＷが大きいほど出射率の低下を制御するために導波路の長さｄを大きくする必要が生じる。
しかし、一旦入射した光量は上記のようなロスを伴っても、そのロスは２ｄＢ以下にするのが好ましい。図５はこのような条件下で、一旦入射した光量のロスを２ｄＢ以下にするための光源ピッチＷと導波路長ｄとの関係を示している。
図５によれば、ピッチＷを例えば４００μｍにした場合、光損失を２ｄＢ以下に抑えるためには、導波路長は２ｃｍ以上としなければならない。
これに対し、図６は、３種類の各光源に共通に光入射部を設け、コア幅を光出射部側へ直線的に小さくした光導波路に関するものである。
但し、この場合は、一旦入射した光量のロスを２ｄＢ以下とするには、Ｏｕｔの幅Ｗ2は一定としてＩｎの幅Ｗ1を変化させたとき、例えば幅Ｗ2＝４００μｍとすれば、光導波路長ｄを約３ｍｍとすればよいことが分る。即ち、図５における導波路長に比べてはるかに小さくなり、光導波路を小型化できることになる。これは、光導波路の側面が直線的に幅狭となるように変化していて、クラッド材との界面での漏れがなくなるからである。従って、こうしたコア幅形状のコア層を少なくとも一部分に採用した上記した実施の形態１及び２は、光導波路の長さを短くしても光量のロスを低く抑えることができる。
上記した実施の形態１及び２の光導波路は、次に示す図７〜図８によるプロセスで作製することができる。しかし、図７〜図８は要部（即ち、図１又は図３における光入射部５から、その幅が縮小する領域）のみを簡略図示する。
上記した各実施の形態の光導波路は、コア層３に入射した信号光を導波する役割を果たし、上下クラッド２、４はコア層３内に信号光を閉じ込める役割を果たす。このためコア層３は高い屈折率（ｎ＝1.53）を持つ材料を用い、上下クラッド２、４はコア層３より低い屈折率（ｎ＝1.51）の材料を用い、基板には屈折率（ｎ＝3.5）のシリコン基板を用いる。
そして、コア層３及びクラッド層２、４が光硬化性樹脂からなるのがよい。これにより、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。なお、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。
光導波路材料としては、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）のための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を用いられるのがよい。
Figure 2005084227
まず、図７（ａ）に示すように、シリコン基板１上に、光源としてのＬＥＤ１３を配置する。これにより光源位置が一定化する。以下の図７、図８において左側の図は概略断面図、右側の図は平面図を示す。
次いで、図７（ｂ）に示すように、下部クラッド層２を例えば硬化後に厚さ３０μｍ程度となるように塗布により形成する。この材料としては上記したオキセタン樹脂の中から屈折率がコア層よりは低い（ｎ＝1.51）材料を選んで用いる。
次いで、図７（ｃ）に示すように、コア層の材料３Ａとして上記したオキセタン樹脂を硬化後の厚さが４０μｍ程度となるように塗布する。この材料としてはオキセタン樹脂の中から屈折率がクラッド層よりも高い（ｎ＝1.53）材料を選んで用いる。
次いで、図８（ｄ）に示すように、平面図におけるコア層の形状の開口部３６ａを有するマスク３６をかけ、紫外線ＵＶを全面に照射することにより、開口部３６ａ下のコア材料３Ａを硬化する。この際使用するマスク３６の開口部３６ａは、既述したように光入射部５となる領域が拡大された幅の形状と、端部が放物線形に形成され、光出射側７ａが所定のスポットサイズとなるように形成されている。
次いで、図８（ｅ）に示すように、マスク３６を除去すれば、マスクの開口部３６ａと同じ形状のコア層３を形成することができ、ＬＥＤ１３からの信号光の入射効率の高い光入射部５と、端部が放物線形に形成され、反射面となる側面６を有するコア層３が形成される。
次いで図８（ｆ）に示すように、コア層３を含む上面の全面に、下部クラッド層２と同じ材料を用いて下部クラッドと同様の厚さに塗布し硬化させることにより、例えば図１に示した実施の形態１の光導波路１０を形成することができ、また、図８（ｄ）におけるマスク３６の開口部３６ａの形状を変えることにより、例えば図３に示した実施の形態２の光導波路１０Ａを形成することができる。
上記したように、各実施の形態の光導波路は、ＬＥＤ１３を実装した基板１上に屈折率の異なる高分子材料を順次積層して下部クラッド層２、コア層３及びクラッド層４を形成する。そしてコア層３は、ＬＥＤ１３を取り巻くようなパターンのマスク３６を用いて形成し、拡大された幅に光入射部５を形成することにより、ＬＥＤ１３からの信号光の入射効率を高めると共に、その側面６によって入射光が反射されるので、光出射部側７ａのコア層のサイズを調整することにより、導波された光を任意のスポットサイズの出射光を作り出すことができ、このような高性能の光導波路を低コストで作製することができる。
以下、上記した各実施の形態に共通の変形例を図９〜図１９について説明する（但し、これらの図はすべて図７〜図８に示した部分を示している）。
まず、図９〜図１１は、上記した実施の形態における光入射部の端部の放物線形を他の形状に変えた例である。なお、各図において下の図は（ａ）図のｂ−ｂ線断面図を示す。
即ち、図９に示すように、光入射部５の端部を半円形に形成してもよい。この形状も上記した作製プロセスにおいて、図８（ｄ）のマスク３６を変えることにより容易に形成でき、光入射部５が上記した実施の形態と同様に拡大された幅であり、光入射部の形状以外は各実施の形態と同様であるので、半円形の光入射部５の全側面６で反射する入射光が効率良く光出射部側７ａへ導びかれ、上記した各実施の形態に準ずる集光効率を得ることができる。
また、図１０に示すように、端部を三角形に形成してもよい。この場合も上記した作製プロセスにおいて、図８（ｄ）のマスク３６を変えることにより容易に形成でき、光入射部５の形状は異なるが、光源からの入射光が３辺の反射面によって効果的に反射されて光出射部側７ａに導びかれる。また、光入射部５の幅も拡大されており、その他は各実施の形態と同様であるので、各実施の形態に準ずる集光効率を得ることができる。
また、図１１に示すように、端部を六角形に形成してもよい。この場合も上記した作製プロセスにおいて、図８（ｄ）のマスク３６を変えることにより容易に形成でき、光入射部５の形状が異なるが、光源からの入射光が６辺の反射面によって効果的に反射されて光出射部側７ａに導びかれる。また光入射部５の幅も拡大されており、その他は各実施の形態と同様であるので、各実施の形態に準ずる集光効率を得ることができる。
上記した多角形は、図１０の三角形、図１１の六角形以外の多角形であってよい。
次に、上記した各実施の形態の光導波路は、図１２〜図１８に示すように、光入射部５の側面、上面又は下面に光反射性の金属からなる反射鏡を設けることができる。
図１２は、端部が放物線形の光入射部５の側面６と上面９ａに反射鏡８を形成するプロセスを簡略して示す図であり、既述した作製プロセスにおいて形成することができる。
まず、図１２（ａ）は、記述したプロセスの図８（ｅ）に対応する図であり、次に図１２（ｂ）に示すように、光入射部５の側面６とその上面９ａに反射鏡（反射膜）８を形成する。この反射鏡８は上記のように光反射性の金属を例えばスパッタにより被着させてよい。
次いで、図１２（ｃ）に示すように、図８（ｆ）と同様の方法によって上部クラッド４を形成することにより、更に反射効率の良好な光導波路を形成することができる。そしてこの構造の反射鏡８は、図９に示した半円形の光入射部及び図１０、図１１に示した多角形の光入射部にも適用できる。
反射鏡８の材料としては、Ａｕ、Ａｌ、Ｔｉなどのメタルをパターン形成して設けることにより、入射光の光出射部側７ａへの反射率を十二分に高めると共に、コア外部への光の漏れも抑制することができるので、上述の実施の形態１及び２と比べて光導波路の集光効率が更に向上する。
図１３〜図１５は、反射鏡８を光入射部５の側面６のみに設けた例（但し、半円形の例は図示省略）であり、各図において、下の図は（ａ）図のｂ−ｂ線断面図を示す。
即ち、図１３は光入射部５の端部が放物線形のもの、図１４は端部が六角形のもの、図１５は端部が三角形のものを示している。これにより、いずれも側面６に反射鏡８を設けることにより、上述の実施の形態１及び２と比べて入射光の反射効率が向上し、既述した図１〜図１１の例よりも集光効率の高い光導波路を形成することができる。そしてこれらは既述した作製プロセスにおいて容易に形成できる。
図１６〜図１８は、反射鏡８を光入射部５の側面６及びその上面９ａと下面９ｂとに設けた例（但し、半円形の例は図示省略）であり、各図において、下の図は（ａ）図のｂ−ｂ線断面図である。
即ち、図１６は光入射部５の端部が放物線形のもの、図１７は端部が六角形のもの、図１８は端部が三角形のものを示している。これにより、いずれも側面６、上面９ａ及び下面９ｂに反射鏡８を設けることにより、上記した図１３、図１４、図１５の例の場合よりも、更に入射光の反射光率が向上し、集光効率が更に高い光導波路を形成することができる。そのような構造の反射鏡８は既述した作製プロセスにおいて容易に形成できる。
図１９は、上部クラッド層を省略した変形例であり、図１９（ａ）は概略断面図、図１９（ｂ）は図１９（ａ）のｂ−ｂ線断面図、図１９（ｃ）は図１９（ｂ）のｃ−ｃ線断面図を示す。
この構造により、コア３の上方では上部クラッド層による漏れ光の光導波をなくせることになり、光導波路からの出射光を主にコア層３から得ることができるため、出射光のスポット径をコア層３の断面に対応した小さなサイズとすることができる。図１９は光入射部５の端部が放物線形のもので示したが、これ以外の既述した他の形状の端部を有する光入射部形状のものにも適用でき、この構造により作製プロセスが簡素化されるため、更にコスト低減に寄与することができる。
上述した如く、各実施の形態の光導波路は、ＬＥＤ１３から出射された光を効率よく集光して、導波路に光結合するものであり、コア層３の光入射部５にＬＥＤ１３を一体化させることにより、位置ずれなどのトレランスは大きく、また、全体を薄型に実装することができる。更に、コア端部を放物線形状などに形成することにより、ＬＥＤ光を効率良く集光することができると共に、導波路形状を調製することにより、集光したＬＥＤ光を導波させ、任意のスポット径にして出射することができる。
このようにして実施の形態１又は実施の形態２のような光導波路を形成し、コア層を３種類の赤色光用コア２６Ｒ、緑色光用コア２６Ｇ及び青色光用コア２６Ｂに分け、これらの光入射部５の下面に接してそれぞれＬＥＤからなる赤色光源２７Ｒ、緑色光源２７Ｇ及び青色光源２７Ｂを配置し、かつ直線状の緑色光用コア２６Ｇの前位にて赤色光用コア２６Ｒ及び青色光用コア２６Ｂをそれぞれ緑色光用コア２６Ｇに合流させ、共通コア２６の端部を形成する。これによって、各色の信号光２８Ｒ、２８Ｇ及び２８Ｂを合波し、共通コア２６の端部で所望のビーム径に集光して出射させることができる。
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２９（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。
こうしたディスプレイを図２０に示すようにヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）３０に適用することにより、図１又は図３に示した構造の光導波路は、この光導波路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、各光導波路からのビーム径の絞られた出射光２９を走査板（scanned image plane）３１に通した後、この走査板３１と光学的に共役関係にある人間の眼球３２の網膜３３上に光学レンズ３４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３３上に形成されるが、これは走査板３１によって網膜３３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。
このようなディスプレイでは、一般に、光源のＬＥＤ２７Ｒ、２７Ｇ、２７Ｂの発光光はコヒーレント性がなく、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、上記した実施の形態のようにＬＥＤからの光を光導波路のコアに導入して所望のビーム径に集光して出射できるため、この光導波路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。
なお、このヘッドマウントディスプレイ３０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。
上記した各実施の形態や各変形例は、本発明の技術的思想に基づいて種々に変形が可能である。
例えば、実施の形態の光導波路の構成材料や層構成も様々に変化させてよく、実施の形態と同等の効果を発揮できる別の材料を用いてよい。
また、光入射部５の形状及び光源の配置は実施の形態以外であってもよく、例えば、光源がコア層の光入射部に対して非接触（即ち、ＬＥＤの発光面がコア層と下部クラッド層との界面より離れている。）であってもよい。また、ＬＥＤ１３を光入射部５の上面側に配置し、上方から入射するようにしてもよい。また、光入射部５の端部形状は例えば半楕円形でもよい。
また、ヘッドマウントディスプレイにおける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。
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。
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、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。
本発明の実施の形態１による光導波路の概略断面図である。 同、実施の形態の光導波路内における導波状態を示す図である。 本発明の実施の形態２による光導波路の概略断面図である。 同、実施の形態の光導波路内における導波状態を示す図である。 三分岐型光導波路における光源ピッチと導波路長さの関係を示すグラフである。 前方縮小型光導波路における入射面幅と導波路長さの関係を示すグラフである。 実施の形態の光導波路作製のプロセスを示す図である。 実施の形態の光導波路作製のプロセスを示す図である。 実施の形態の光導波路の変形例を示す図である。 実施の形態の光導波路の変形例を示す図である。 実施の形態の光導波路の変形例を示す図である。 実施の形態の変形例の光導波路の作製プロセスを示す図である。 実施の形態の光導波路の変形例を示す図である。 実施の形態の光導波路の変形例を示す図である。 実施の形態の光導波路の変形例を示す図である。 実施の形態の光導波路の変形例を示す図である。 実施の形態の光導波路の変形例を示す図である。 実施の形態の光導波路の変形例を示す図である。 実施の形態の光導波路の変形例を示す図である。 実施の形態の光導波路を適用したディスプレイの一例を示す模式図である。 従来例による光導波路の一例を示す図である。 従来例による光導波路の一例を示す図である。 従来例による光導波路の一例を示す図である。 従来例による光導波路の一例を示す図である。
符号の説明
１…基板、２…下部クラッド、３…コア層、３Ａ…コア材、４…上部クラッド、
５…光入射部、６…側面、７…光出射部、７ａ…光出射部側、８…反射鏡、９ａ…上面、
９ｂ…下面、１０、１０Ａ…光導波路、１３…ＬＥＤ、１４…光信号、１５…反射光、
１７…基板、１８…入射面、１９…出射面、２３…入射側、２４…出射側、
２６…共通コア、２７Ｒ…赤色光源、２７Ｇ…緑色光源、２７Ｂ…青色光源、
２９…出射光、２９ａ…漏れ光、３０…ヘッドマウントディスプレイ、３１…走査板、
３２…眼球、３３…網膜、３４…光学レンズ、３６…マスク、３６ａ…開口部、
ＵＶ…紫外線

Claims (10)

  1. コア層とクラッド層との接合体からなる光導波路において、
    前記コア層の光入射部が前記コア層の光出射部よりも拡大された幅に形成され、
    前記コア層の前記光入射部の少なくとも側面が反射面として、前記光入射部への入射 光を前記光出射部側へ反射する形状に形成され、
    前記光入射部の前記側面以外の面に、光源が接触若しくは対向状態で配置されている
    ことを特徴とする、光導波路。
  2. 前記光入射部の前記側面が平面的にみて放物線形、半円形又は多角形に形成されている、請求項１に記載した光導波路。
  3. 前記光入射部の少なくとも側面が光反射性金属膜で覆われている、請求項１に記載した光導波路。
  4. 前記光出射部が少なくとも２個設けられ、これらの光出射部を形成する各コア層が前記光出射部側で合流されて共通の光出射部を形成している、請求項１に記載した光導波路。
  5. 異なる波長帯の光信号が前記コア層に集光されて合波される、請求項４に記載した光導波路。
  6. 前記コア層下のクラッド層内に前記光源が一体化され、この光源の発光部が前記光入射部に接している、請求項１に記載した光導波路。
  7. 前記コア層の幅が、前記光入射部から前記光出射部側へ直線的に小さくなっている、請求項１に記載した光導波路。
  8. 前記光源が発光ダイオードである、請求項１に記載した光導波路。
  9. 請求項１〜８のいずれか１項に記載した光導波路と、この光導波路のコア層に光を入射させる光入射手段と、前記コア層からの出射光を受け入れる受光手段とによって構成された光情報処理装置。
  10. 前記出射光が走査手段を介して投影されるように構成されたディスプレイである、請求項９に記載した光情報処理装置。
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