JP2007505355A - 導波路形成方法及びそれで形成された導波路 - Google Patents

Abstract

１つの導波路（１１６）形成方法は、メチルメタクリレート、テトラフルオロプロピルメタクリレート及びエポキシモノマーを含む光画成可能なコポリマー材料（１４）を堆積させ、コポリマー材料に対して光学素子（１０、１２）を固定し、少なくとも一方の光学素子及びコポリマー材料を通して他方の光学素子に向けて光を送り、未硬化モノマーを揮発させることを含んでなる。別の導波路（１１６）形成方法は、光学表面（１１、１３）をそれぞれに有する光学素子（１１０、１１２）を相互に固定し、十分な表面張力を有するコポリマーブロブ（１１４）を光学表面上に配置して湾曲面を有するコポリマーブロブを生み出し、各々の光学素子を通して湾曲面及び他方の光学素子に向けて光を送り、未硬化モノマーを揮発させることを含んでなる。光路形成方法は、光学表面（７１、７７）をそれぞれに有する光学素子（７０、７６）を相互に固定し、一方の光学素子から他方の光学素子に光を最適に導くように位置合せされるまで鏡（７８）を並進及び回転させ、位置合せされた鏡をその位置に確保することを含んでなる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、一般的にはオプトエレクトロニック集積用の導波路（光路）の位置合せ及び自己形成に関する。

大抵のオプトエレクトロニックデバイスでは、ある位置から別の位置へ光を導くために光学的位置合せが使用されるが、これには通例１マイクロメートル又は数分の１マイクロメートル程度の厳密な位置決め精度が要求される。通例、かかる位置決めは複雑で多大の費用や労力を要する操作である。

通常のピック・アンド・プレイス機械は、通例、数マイクロメートルまでのかなりの精度でチップ又はファイバーの位置決めを行う。次いで、精密位置制御及び監視技術を用いて積極的な自由空間位置合せが行われる。かかる位置合せ操作では、高精度並進ステージ、マイクロレンズ、並びに精密ファイバー及びチップホルダーのような複数の部材が必要となる。

受動プレーナー導波路を製造するためには、基本的に３種の通常法が存在している。リッジ導波路法では、基板上にクラッド層及びコア層を堆積させた後、エッチング又はホトパターニングでコア層をパターン化してコア材料のリッジを生み出す。次いで、上部クラッディング層を設置することで導波路が完成する。トレンチ導波路では、最初に基板上にクラッド層を堆積させ、次いでエッチング、現像又はエンボシングでパターン化してトレンチを得る。トレンチをコア材料で満たすが、表面全体にわたって同種の薄い層が残っていてもよい。この場合にも、上部クラッド層を設置することで構造が完成する。「拡散」プレーナー導波路は、基板上に下部クラッド層及びコア材料を塗布し、ＵＶ露光で導波路を画成し、その上に上部クラッド層を堆積させることで形成される。非露光コア及び周囲のクラッド層から露光コア領域中に反応体の拡散が起こり、その屈折率を変化させて導波路を形成する。リッジ及びトレンチ法の欠点には、エッチングを使用すると粗雑な導波路エッジが生じて大きな光透過率低下をもたらす可能性があること、及びコア材料とクラッド材料との間に屈折率勾配を生み出すのが困難であることがある。拡散導波路に関する潜在的な欠点には、コアとクラッド層との間における低い屈折率コントラスト、及びこの種の構造を形成するための材料選択の幅が小さいことがある。

平面内位置合せの考慮に加え、若干の電気光学用途では、幾何学的制約及び他の固有要件を満たすために光路の急激な変化（例えば、直角方向の変化）が必要となる。通例、底部から到達する光路は上向きに方向が転換される。この作業はマルチモード導波路については比較的簡単であって、導波路の直線部分の終端に４５度の表面を機械加工すればよい。しかし、シングルモード導波路については、かかる直角方向の結合は幾何学的及び機械的制約のために困難となる。例えば、導波路は通例、マルチモードについての約１５〜約５０マイクロメートルの太さ範囲から、シングルモードについての約２〜約６マイクロメートルまで変化する。好適な解決策を見出すために多くのアプローチが検討中であるが、そのいずれもが、４５度の斜面を形成するために太さ数マイクロメートルにすぎないシングルモード導波路の表面をいかに修正すべきかのような共通の問題を抱えている。さらに、受光側の光ファイバー又は何らかの他の入出力構造に対してこのような非常に厳しい許容差の範囲内でいかに位置合せするかという問題も残っている。

したがって、光学的位置合せのための一層簡単な技術が得られれば望ましいであろう。
米国特許第３８０９７３２号明細書 米国特許第４１９１４４６号明細書 米国特許第６０８１６３２号明細書 米国特許第６１９１２２４号明細書 英国特許出願公開第２２７２３０６号明細書 ドイツ特許出願公開第３５４３５５８号明細書 欧州特許出願公開第０６８９０６７号明細書 Ｆ． Ｇｉｌｌｏｔ， ｅｔ ａｌ．， "Ｃｈｒｏｍａｔｏｐｈｏｒｅ Ｄｏｐｅｄ Ｐｈｏｔｏｐｏｌｙｍｅｒｓ ｆｏｒ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ"， Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇ ｏｆ ＳＰＩＥ， Ｖｏｌ． ４７９８ （２００２）， ｐｐ．５３−５９ Ｃ． Ｃａｒｒｅ， ｅｔ ａｔｌ．， "Ｎｅｗ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｆｏｒ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｐｈｏｔｏｐｏｌｙｍｅｒｓ"， Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇ ｏｆ ＳＰＩＥ， Ｖｏｌ． ４９２４ （２００２）， ｐｐ．１０６−１１３ Ｎａｏｈｉｒｏ Ｈｉｒｏｓｅ ｅｔ ａｌ．， "Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｏｌｄｅｒ Ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ Ｓｅｌｆ−Ｗｒｉｔｔｅｎ Ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ ｉｎ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｄｅｖｉｃｅｓ Ｃｏｕｐｌｉｎｇ"， Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ， ｐｐ．２６８−２７５， ２００２

簡潔に言えば、本発明の一実施形態に従えば、導波路を形成する方法は、メチルメタクリレート、テトラフルオロプロピルメタクリレート及びエポキシモノマーを含む光画成可能なコポリマー材料を基板上に堆積させ、光学素子を光画成可能なコポリマー材料に対して固定し、少なくとも一方の光学素子及び光画成可能なコポリマー材料を通して他方の光学素子に向けて光を送り、光画成可能なコポリマー材料から未硬化モノマーを揮発させて導波路を形成することを含んでなる。

本発明の別の実施形態に従えば、導波路を形成して使用する方法は、光画成可能なコポリマー材料を基板上に堆積させ、少なくとも一方の光学素子がスプリッターを含む光学素子を光画成可能なコポリマー材料に対して固定し、少なくとも一方の光学素子及び光画成可能なコポリマー材料を通して他方の光学素子に向けて光を送ると共に、光を送ることが少なくとも一方の光学素子からスプリッターの第一の光路を通して光を供給することを含み、光画成可能なコポリマー材料から未硬化モノマーを揮発させて導波路を形成し、スプリッターの第二の光路を通して光信号を送信することで導波路を使用することを含んでなる。

本発明の別の実施形態に従えば、導波路を形成する方法は、光学表面をそれぞれに有する光学素子を相互に固定し、光学表面に対して十分な表面張力を示す光画成可能なコポリマー材料からなるブロブを光学素子の光学表面の少なくとも一部分上に配置して湾曲面を有するブロブを生み出し、湾曲面に対する一方の光学素子からの入射角がブロブとそれを取り巻く空気との間の屈折率差で決定される全反射条件より大きくなるようにしながら、各々の光学素子及びブロブを通して湾曲面及び他方の光学素子に向けて光を送り、ブロブから未硬化モノマーを揮発させて導波路を形成することを含んでなる。

本発明の別の実施形態に従えば、導波路を形成する方法は、光学表面をそれぞれに有する光学素子を相互に固定し、一方の光学素子から他方の光学素子に光を導くように鏡を位置合せし、光学表面と鏡との間に光画成可能なコポリマー材料を配置し、少なくとも一方の光学素子を通して他方の光学素子に向けて光を送り、光画成可能なコポリマー材料から未硬化モノマーを揮発させて導波路を形成することを含んでなる。

本発明の別の実施形態に従えば、光路を形成する方法は、光学表面をそれぞれに有する光学素子を相互に固定し、一方の光学素子から他方の光学素子に光を最適に導くように位置合せされるまで鏡を並進及び回転させ、位置合せされた鏡をその位置に確保することを含んでなる。

本発明の別の実施形態に従えば、導波路は相互に固定された光学素子の光学表面上に配置されたブロブを含んでいて、ブロブは光学表面に対して十分な表面張力を有することで湾曲面を形成する予備硬化コポリマー材料からなり、ブロブのコア部分はブロブの他の部分より高い屈折率を有する材料からなっていて光学表面間に反射光路を形成する。

本発明の別の実施形態に従えば、導波路は、相互に固定された光学素子であって、光学表面をそれぞれに有する光学素子、一方の光学素子から他方の光学素子に光を導くように位置合せされた鏡、及び光学表面と鏡との間に配置された光画成可能なコポリマー材料であって、光画成可能なコポリマー材料のコア部分が光画成可能なコポリマー材料の他の部分より高い屈折率を有する材料からなっていて光学表面間に反射光路を形成する光画成可能なコポリマー材料を含んでなる。

本発明の別の実施形態に従えば、光路は、相互に固定された光学素子であって、光学表面をそれぞれに有する光学素子、及びファイバー上に配置され、一方の光学素子から他方の光学素子に光を最適に導くように位置合せされた鏡を含んでなる。

本発明の上記その他の特徴、態様及び利点は、添付の図面を参照しながら以下の詳しい説明を読んだ場合に一層よく理解されよう。図面全体を通じ、類似の部分は同じ符号で表されている。

図面の簡単な説明
図１は、本発明の一実施形態に係る導波路の上面図である。

図２は、図１の導波路の側面図である。

図３は、本発明の別の実施形態に係る導波路の上面図である。

図４は、図３の導波路の側面図である。

図５は、本発明の別の実施形態に係る形成途中の導波路の斜視図である。

図６は、図５の形成済み導波路の斜視図である。

図７は、本発明の他の実施形態に係る形成途中の導波路の斜視図である。

図８は、図７の形成済み導波路の斜視図である。

図９は、本発明の別の実施形態に係る導波路結合装置の斜視図である。

図１０は、図９の導波路結合装置の上面図である。

図１１は、本発明の別の実施形態に係る導波路の上面図である。

図１２は、本発明の別の実施形態に係る導波路の上面図である。

図１３は、本発明の別の実施形態に係る導波路の側面図である。

図１４は、本発明の別の実施形態に係る光路形成装置の斜視図である。

図１５は、図１４の光路形成装置の別の斜視図である。

図１は本発明の一実施形態に係る導波路１６の上面図であり、図２は図１の導波路の側面図である。図１〜２の実施形態では、導波路１６の形成方法は、メチルメタクリレート、テトラフルオロプロピルメタクリレート及びエポキシモノマーを含む光画成可能なコポリマー材料１４を基板１８上に堆積させ、光画成可能なコポリマー材料に対して光学素子１０及び１２を固定し、少なくとも一方の光学素子及び光画成可能なコポリマー材料を通して他方の光学素子に向けて光を送り、光画成可能なコポリマー材料から未硬化モノマーを揮発させて導波路を形成することを含んでなる。さらに特定の実施形態では、光は各々の光学素子及び光画成可能なコポリマー材料を通して他方の光学素子に向けて送られる。

本明細書中で使用する「固定」とは、導波路の形成及び以後の導波路使用のために使用するのと同じ位置に光学素子を互いに機械的に配置することを意味する。また、本明細書中で使用する「他方の光学素子に向けて」は、直接に相手に向かうこと、又は図１２及び１３の若干の実施例に示されるように反射方向が相手に向かうことを意味する。本明細書中で使用する「上に」は例示目的のためのものであり、導波路を特定の方位で使用することを要求せず、光画成可能なコポリマー材料が基板に直接接触している実施形態と共に、光画成可能なコポリマー層と基板との間に中間層が存在する実施形態も包含する。「揮発」は、通例、モノマーの拡散を包含する。

光学素子の固定は、堆積後又は堆積前に行うことができる。堆積前に固定を行う場合には、堆積は通例、光学素子の間に光画成可能なコポリマー材料を堆積させることからなる。

図３は本発明の別の実施形態に係る導波路１６の上面図であり、図４は図３の導波路の側面図である。この実施形態は、光学素子が異なる点を除けば図１〜２の実施形態と同様である。光学素子は、通例、（充填コア又は中空コアを含み得る）導波路１０（図１〜２）、ファイバー１２、発光素子２０（図３〜４）、光検出素子（図１〜４に示さず）及びこれらの組合せからなる群から選択される。

図２に示すように、ファイバー及び導波路を使用する場合には、ファイバー１２は導波路１０の厚さより大きい直径を有するのが通例である。このような状況では、斜面１９を有する基板１８を用意するのが有用である。かかる斜面は、発光素子２０がファイバー１２より細いものとして示されている図４の実施形態でも有用である。図４にはまた、例示目的のため、例えば通常の高密度相互接続技術で作製できる、電気導体２４を含む相互接続アセンブリ２２も示されている。

一実施形態では、本方法はさらに、テトラフルオロプロピルメタクリレート、メチルメタクリレート、シクロヘキサノン、連鎖移動剤及び過酸化ベンゾイルを混合し、得られた混合物のガス抜き、加熱及び冷却を行い、アニソール及びエポキシモノマーを添加混合することで光画成可能なコポリマー材料を用意することも含む。

図１〜４の実施形態の材料の自己形成特性により、積極的な位置合せを行わなくても２つのポートを相互接続する導波路を形成できる。光学素子からの光路が出会う場所付近における屈折率の増大は、導波路を通しての光の集中をさらに容易にする。この実施形態は、結合を確実にするための機械部品が不要なために通常の機械的破損の可能性が少ないので丈夫である。自己形成された導波路は、平滑で低損失で整合した光学的相互接続用の移行をもたらし、パッケージング中に起こるオプトエレクロニックデバイス間のマルチマイクロメートルの位置ずれ（横方向、軸方向及び角方向の位置ずれを含む）を補償し得る。これらの実施形態は、揮発がシングルモードの導波路の形成を可能にするので有利である。

さらに具体的な実施形態では、光学素子から送られる光は、例えば（融解石英ファイバー中での紫外線損失のため）約３００ナノメートルから（室内光中での劣化のため）約５００ナノメートルまでの範囲内の波長を有する。さらに、光学素子から送られる光は、通例は光画成可能なコポリマー材料に損害を与えないように選択される。例えば、光の強さは光画成可能なコポリマー材料の揮発のための限界条件をわずかに超えるように調節するのが有益である。さらに、光を送る行為及び未硬化モノマーを揮発させる行為を順次に２回以上実施し、引き続いて実施するたびに導波路の延長が生じるのが有益である。さらに具体的な実施形態では、光を送る時間は約２０〜約５０秒の範囲内にあり、光を送らない介在時間は約２〜約５分の範囲内にある。介在時間は、揮発過程を最適化すると共に完了させるように選択できる。

一実施例の実験構成は次の通りである。即ち、約３４５〜約３６５ナノメートルの範囲内の多重線紫外光源、４組の５秒間露光及びそれに続く６５℃で５分間の拡散、５０マイクロメートルのコアを有するマルチモードの紫外線グレードファイバー、並びに１６６マイクロメートルの導波路長さ及び５０マイクロメートルの幅が使用される。別の実施例の実験構成では、約３４５〜約３６５ナノメートルの範囲内の多重線紫外光源、４組の２０秒間露光及びそれに続く６５℃で５分間の拡散、５０マイクロメートルのコアを有するマルチモードの紫外線グレードファイバー、並びに１６１マイクロメートルの導波路長さ及び５０マイクロメートルの幅が使用される。

「自己形成型」導波路にとってはアクリル樹脂／エポキシ樹脂ブレンドが特に有利であることが判明した。これは、露光領域（即ち、ファイバーから光が出てくる部位）に導波路を形成でき、それによって導波路を延長できるからである。導波路構造の光パターニング用としてポリマー／モノマーブレンドを評価したが、これはエポキシ樹脂と共にアクリルコポリマーを含んでいた。ポリマーとの相溶性を有することが判明し、減圧蒸留で精製でき、高い蒸気圧を有し、商業的に入手できる光触媒を用いて紫外線硬化させ得るという理由で、（Ｖａｎｔｉｃｏ Ｉｎｃ．（ブルースター、米国ニューヨーク州）から入手できる）ＣＹ１７９脂環式ジエポキシ樹脂を使用した。アクリルポリマーとブレンドする場合、ＣＹ１７９はポリ（メチルメタクリレート）（ＰＭＭＡ）との相溶性を有することが判明したが、２種の材料についての屈折率差はあまり大きくない。そこで、この評価のためにメチルメタクリレートとテトラフルオロプロピルメタクリレートとのコポリマーを合成した。このコポリマーの屈折率は、エポキシ樹脂の屈折率より実質的に低い。したがって、エポキシ樹脂を硬化させる放射で露光した領域は、露光しない領域（そこではエポキシ樹脂が蒸発する）より高い屈折率を有する。

アクリルポリマーに関しては、実質的な数の光硬化可能な相溶性アクリルモノマー（及びポリアクリレート）も利用できる。しかし、アクリレートの光硬化は不活性環境中で実施するのが通例であり、それを行うためのパターニング装置は容易に入手できない。容易に入手できる標準的な光パターニング装置を別にすれば、エポキシ樹脂の光硬化のためには特殊な条件は不要である。

実施例１
以下の実施例は、元来は（「固定した」光学素子とは異なり）外部光源からのパターニングを用いて実施したものであるが、確認された材料に対して光が及ぼす効果を例示している。

約７５ｗｔ％のポリ（メチルメタクリレート）及び２５ｗｔ％のポリ（テトラフルオロプロピルメタクリレート）を含むアクリルコポリマー組成物を製造した。真空下で密封できるガラス容器内に、１９グラムのテトラフルオロプロピルメタクリレート、５６グラムのメチルメタクリレート及び９３グラムのシクロヘキサノンを蒸留した。この容器内に、０．１５グラムのＮ−ドデカンチオール（ポリマー系の安定化にも役立つ連鎖移動剤）及び０．１９グラムの過酸化ベンゾイルも添加した。この混合物をガス抜きし、真空下で密封し、混合しながら７５℃で約２４時間加熱し、さらに８０℃で２４時間加熱した。冷却後、５５グラムのアニソールを添加することで、シクロヘキサノン−アニソール混合溶媒中に３３．５％の固形分として存在する、約７５％のポリ（メチルメタクリレート）及び２５％のポリ（テトラフルオロプロピルメタクリレート）からなる粘稠で無色透明のアクリレートコポリマーを得た。このブレンド３５グラム中に、さらに１０．７グラムのアニソール、５グラムのＣＹ１７９エポキシモノマー、０．１５グラムの（Ｃｉｂａ Ｓｐｅｃｉａｌｔｙ Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ社（ターリータウン、米国ニューヨーク州）から入手できる）Ｉｒｇａｎｏｘ １０１０酸化防止剤、及び０．１３グラムの（Ｄｏｗ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｃｏ．（ミッドランド、米国ミシガン州）から入手できる）Ｃｙｒａｃｕｒｅ ＵＶＩ−６９７６ＵＶ触媒を添加した。得られた重合性複合物は、約７０重量％のアクリレートポリマー及び３０重量％のエポキシモノマーを含んでいた。スピンコート法により、ガラス基板上に重合性複合物の厚さ５マイクロメートルのフィルムを形成し、ＵＶ線でパターン化した。得られた複合ポリマー材料のフィルムの地形のＤｅｋｔａｋ測定によれば、ＵＶ露光領域でのフィルム厚さは３．７マイクロメートルであり、非露光領域でのフィルム厚さは２．６マイクロメートルであることがわかった。露光領域に関する屈折率は、非露光領域で測定した屈折率より約１．４％高かった。

アクリル樹脂／エポキシ樹脂複合物に関する導波路では、通例、比較的低い屈折率を有する架橋クラッディングが要求される。この材料は、光パターン化層で使用するアクリルコポリマーを相溶性の低屈折率ジアクリレートであるブチレングリコールジアクリレートとブレンドしたものからなる約５０／５０ｗｔ％固形分溶液を、（Ｃｉｂａ Ｓｐｅｃｉａｌｔｙ Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ社（ターリータウン、米国ニューヨーク州）から入手できる）Ｃｉｂａ Ｉｒｇａｃｕｒｅ ９０７及び１８４アクリル光硬化触媒並びにＩｒｇａｎｏｘ １０１０と調合することで得た。スピンキャストフィルムを、溶媒を確実に除去するために７０℃で短時間ベークし、次いでフィルムをＵＶで露光するための合成シリカ窓を有するＮ_２チャンバー内に封入した。Ｋａｒｌ Ｓｕｓｓコンタクトプリンターを用いる１分間の露光が、フィルムを硬化させると共に以後に設置する層からの侵入を防止するのに十分であった。硬化フィルムの屈折率は１．４４未満であり、クラッディング層として好適であった。

図５は本発明の別の実施形態に係る形成途中のリッジ導波路の斜視図であり、図６は図５の形成済みリッジ導波路３１６の斜視図である。一実施形態では、リッジ導波路３１６を形成する方法は、（一実施形態では反対側の表面上に配置された下部クラッディング層３８を有する）基板３６上に第一のコア層４０を堆積させて硬化させることを含み、基板上に光画成可能なコポリマー材料を堆積させる行為は、第一のコア層上に第二のコア層４２を堆積させることを含む。さらに具体的な態様では、第一のコア層４０は下部クラッディング層３８より高い屈折率を有し、完全に硬化している（即ち、存在するモノマーの約９０％以上が重合済み又は揮発済みであることを意味する）。第二のコア層４２は（書込み後までは完全に硬化しない）自己形成可能な材料からなると共に、（必ずしも必要ではないが）第一のコア層４０と同じ材料からなり得る。通例、自己形成（自己書込み）は、第二のコア層４２に対して（要素４４及び４６として示される）２つの光学素子を固定し、各素子に向けて光を送ることで起こる。自己形成後、余分の材料を除去すればリッジ導波路３１６を形成できる。

図７は本発明の他の実施形態に係る形成途中のストリップ装荷導波路の斜視図であり、図８は図７の形成済み装荷導波路４１６及び５１６の斜視図である。装荷導波路を形成するための一方法は、（一実施形態では反対側の表面上に配置された下部クラッディング層１３８を有する）基板１３６上にコア層４１を堆積させて硬化させることを含み、基板上に光画成可能なコポリマー材料を堆積させることは、コア層４１上にクラッディング層５０を堆積させることを含む。この実施形態では、クラッディング層５０は、導波路５１６については光学素子１４４及び２４４からの光による自己形成のために使用され、導波路４１６については光学素子２４４及び２４６からの光による自己形成のために使用される。導波路４１６の例では、余分の材料を除去してストリップ装荷導波路用のクラッディング５２を残した一方、導波路５１６の例では、クラッディング５４の周囲に余分の材料５６を残してある。いすれにせよ、得られる装荷導波路では、光エネルギーは主として下方のコア層で閉じ込められて導かれる。

リッジ導波路及び装荷導波路に関しては、光エネルギーの大部分は下部コア層中を導かれる。したがって、かかる導波路の性能は、側壁の粗さ又は自己形成中に生じることのある何らかの欠陥に対する感受性が低い。

自己形成技術は、マルチオプトエレクトロニックチップのパッケージ及び集積のために有用であり得る。図９は本発明の別の実施形態に係る導波路結合装置の斜視図であり、図１０は図９の導波路結合装置の上面図である。一実施形態では、光学素子は光子モジュール６４からなり、基板２１８上に固定されている。この実施形態では、光画成可能なコポリマー材料を堆積させることは、光子モジュールの光学活性セグメント６５及び６７の間に光画成可能なコポリマー材料を堆積させることを含む。一実施形態では、例えば、各光子モジュールはクラッディング５８、クラッディング５８上に位置する基板６０、及び基板６０上に位置する導波路６２を含んでいる。

個々の光子モジュール６４は、プレーナー又は多層（三次元）導波路構造に基づく固有の機能に適応させ得る。図１０に示した例は、マッハ・ツェンダー干渉計６６及びＹスプリッター６８である。光子モジュール６４は、ソルダーバンプ自動組立又は接着剤で（熱管理下で集積できる）共通の支持基板上に配置されている。硬化前に各チップを十分に試験できるので、良好な総合歩留りを達成できる。

図１１は導波路６１６の上面図である。一実施形態では、導波路６１６を形成して使用する方法は、光画成可能なコポリマー材料１４を基板１８（図２）上に堆積させ、少なくとも一方の光学素子２２０がスプリッター２６を含む光学素子２２０及び１０を光画成可能なコポリマー材料に対して固定し、少なくとも一方の光学素子及び光画成可能なコポリマー材料を通して他方の光学素子に向けて光を送ると共に、光を送ることが少なくとも一方の光学素子からスプリッターの第一の光路２８を通して光を供給することを含み、光画成可能なコポリマー材料から未硬化モノマーを揮発させて導波路を形成し、スプリッターの第二の光路２１を通して光信号を送信することで導波路を使用することを含んでなる。さらに具体的な実施形態では、各々の光学素子及び光画成可能なコポリマー材料を通して他方の光学素子に向けて光が送られる。

図１１の実施形態は、信号損失を最小限に抑えながら複数の波長の組合せを可能にする。導波路６１６の形成後、所望ならば第一の光路を切り離すことができる。スプリッター２１６は特定比率のスプリッターである必要はない。レーザー出力は容易に調整して補償できるので、書込みレーザーの結合効率は重要でない。図１１の実施形態は単独でも使用できるし、或いは上述した特定の材料と組み合わせても使用できる。

さらに具体的な態様では、実施例２に関してさらに詳しく記載される通り、少なくとも一方の光学素子を通して光を送ることは、着込み光源８８を用いてスプリッターの第一の光路を通して光を供給して導波路を露光すること、及び信号光源１８８を用いてスプリッターの第二の光路を通して光を供給することを含む。この態様では、得られる導波路を監視することで信号光の光路が評価される。スプリッター２６はリソグラフィーで画成して信号光源と位置合せできるから、スプリッターの出口に導波路が自己形成された後には、信号光は自己形成された導波路中に効率よく結合される。

実施例２
マルチモード光ファイバーで実証された成果をシングルモード光ファイバーに拡張するための実験構成を開発した。シングルモードの１対２ビームスプリッターの使用により、図１〜４に関して上述した種類のポリマー材料中に一端を埋め込んだシングルモードファイバーに、ＨｅＮｅレーザー（６３２ｎｍ）から信号レーザー光を結合し、アルゴンレーザー（４０７ｎｍ）から書込みレーザー光を結合した。実験中には、視覚補助手段として６３２ｎｍの光を使用した。４０７ｎｍの光を用いることで、ポリマー材料を露光して導波路を生み出した。実験中には、ファイバーのポリマー埋込み端部をカメラで監視した。４０７ｎｍの光の短いパルスを加えることで、ポリマー中に屈折率コントラストが徐々に生じ、それによって光ファイバーのコア領域がポリマー中に延長した。試行錯誤を繰り返すことで、ＨｅＮｅレーザー光を数百マイクロメートルの距離にわたってポリマー中に導いた。

図１２は導波路１１６の上面図である。一実施形態では、導波路１１６を形成する方法は、光学表面１１又は１３をそれぞれに有する光学素子１１０及び１１２を相互に固定し、光学表面に対して十分な表面張力を示す光画成可能なコポリマー材料からなるブロブ１１４を光学素子の光学表面の少なくとも一部分上に（上述の通り、「上に」は直接の接触を要求しない）配置して湾曲面１５を有するブロブを生み出し、湾曲面に対する一方（本明細書中では少なくとも一方を意味する）の光学素子からの入射角がブロブとそれを取り巻く空気との間の屈折率差で決定される全反射条件より大きくなるようにしながら、各々の光学素子及びブロブを通して湾曲面及び他方の光学素子に向けて光を送り、ブロブから未硬化モノマーを揮発させて導波路を形成することを含んでなる。湾曲面１５は、反射を可能にする任意所望の形状を有し得る。該表面は通例はアーチ形であるが、別法として三角形の表面も使用できる。

得られる構造の実施形態では、導波路１１６は、相互に固定された光学素子１１０及び１１２の光学表面１１及び１３上に配置されたブロブ１１４を含んでなる。ブロブは、光学表面に対して十分な表面張力を有することで湾曲面１５を形成する予備硬化コポリマー材料からなる。ブロブのコア部分は、ブロブの他の部分より高い屈折率を有する材料からなっていて光学表面間に反射光路を形成する。さらに具体的な実施形態では、光画成可能なコポリマー材料はメチルメタクリレート、テトラフルオロプロピルメタクリレート及びエポキシモノマーを含む。

光学素子に対するブロブ材料の屈折率の選択及び適当な鏡様形状の選択は、両方の光学素子から到来する光に対するレンズ効果をもたらす。連続した露光により、自己形成導波路が生じて光学素子を相互接続する。例示的な一実施形態では、光学素子に対するブロブの屈折率差は約１．６７〜１になるように選択される。

図１２の実施形態は単独でも使用できるし、或いは上述した特定の材料と組み合わせても使用できる。さらに具体的な実施形態では、ブロブはポリマー結合剤と、揮発中にブロブの非照射領域に拡散するのに十分な量の未硬化モノマーとを含む。さらに一段と具体的な実施形態では、本方法はさらに、十分な揮発及び拡散が起こった後、ブロブをブランケット露光することを含む。ブロブ中の導波路は、通例、（追加の）モノマーが露光された（触媒活性化）領域中に拡散して硬化すると共に、未硬化モノマーがコポリマーブレンドから拡散及び揮発する過程で形成される。任意には、ブロブをブランケット露光し、それにより未硬化モノマーのすべてを重合させてさらなる拡散及び揮発を停止させることで、この過程をいずれかの時点で「凍結」させることができる。ブランケット露光は、収縮を抑制すると共に、導波路と周囲の材料との間の屈折率コントラストを調節するために有利であり得る。

別のさらに具体的な実施形態では、光学素子１１０及び１１２を相互に固定することが、（例示目的のために導波路１１０として示される）一方の光学素子を基板１１８の水平面上に配置すること、及び（例示目的のためにクラッディング３２及びコア３０を有する光ファイバー１１２として示される）他方の光学素子を基板の垂直開口３３内に挿入することを含む。本明細書中で使用する「上に」とは、物理的に接触していること、又は間に中間層を有することを意味する。さらに、（形成後の）使用時における層の方位は重要でない。

別のさらに具体的な実施形態では、揮発後の追加段階として、ブロブの湾曲面の少なくとも一部分上に反射増強層２３を堆積させることが含まれる。この実施形態の一態様では、反射増強層は金属からなる。

別のさらに具体的な実施形態では、ブロブを配置する前の追加段階として、光学表面１１及び１３を処理して表面粗さを調整することが含まれる。「表面粗さを調整する」とは、ブロブ材料の性質に応じて加減することを意味し得る。この実施形態の一態様では、処理することが研磨することを含む。この実施形態の別の態様では、処理することが、ブロブを配置する前にコーティング層１７を設置することを含む。

図１３は導波路２１６の側面図である。一実施形態では、導波路２１６を形成する方法は、光学表面７１又は７７をそれぞれに有する光学素子７０及び７６を相互に固定し、一方の光学素子から他方の光学素子に光を導くように鏡７８を位置合せし、光学表面と鏡との間に光画成可能なコポリマー材料８０を供給し、少なくとも一方の光学素子を通して他方の光学素子に向けて光を送り、光画成可能なコポリマー材料から未硬化モノマーを揮発させて導波路を形成することを含んでなる。

さらに具体的な実施形態では、光を送ることが、各々の光学素子を通して他方の光学素子に向けて光を送ることを含む。このさらに具体的な実施形態の利益は、光学素子の位置合せの精度を低下させ得ることにある。

構造の実施形態では、得られる導波路２１６は、相互に固定された光学素子７０及び７６であって、光学表面７１又は７７をそれぞれに有する光学素子７０及び７６、一方の光学素子から他方の光学素子に光を導くように位置合せされた鏡７８、並びに光学表面と鏡との間に配置された光画成可能なコポリマー材料８０を含んでなる。光画成可能なコポリマー材料のコア部分は、コポリマー材料の他の部分より高い屈折率を有する材料からなっていて光学表面間に反射光路を形成する。さらに具体的な実施形態では、光画成可能なコポリマー材料はメチルメタクリレート、テトラフルオロプロピルメタクリレート及びエポキシモノマーを含む。

図１３の実施形態は単独でも使用できるし、或いは上述した特定の材料と組み合わせても使用できる。さらに、図１３の実施形態は、本発明の別の実施形態に係る光路形成装置の斜視図である図１４及び１５に関してさらに詳しく説明されるように、自己形成導波路の域を超える利益も有する。

一実施形態では、光路を形成する方法は、光学表面７１又は７７（図１３）をそれぞれに有する光学素子７０及び７６（図１４）を相互に固定し、一方の光学素子から他方の光学素子に光を最適に導くように位置合せされるまで鏡７８（図１５）を並進及び回転させ、位置合せされた鏡をその位置に確保することを含んでなる。本明細書中では、「確保する」は固定すると異なる意味で使用される。これは、光路形成後にも鏡が残存する若干の実施形態と、鏡が一時的に配置されるが最終的には除去される他の実施形態とを包括するためである。

得られる構造の実施形態では、光路は、相互に固定された光学素子７０及び７６であって、光学表面７１又は７７（図１３）をそれぞれに有する光学素子７０及び７６、並びにファイバー上に配置され、一方の光学素子から他方の光学素子に光を最適に導くように位置合せされた鏡７８を含んでなる。さらに具体的な実施形態では、コポリマー材料はメチルメタクリレート、テトラフルオロプロピルメタクリレート及びエポキシモノマーを含む。

一実施形態では、一方の光学素子から光を送り、他方の光学素子で検出される光が最大になるように鏡を並進及び回転させる。この場合、入射光の反対側に検出器（図示せず）を配置すれば、位置合せ中に案内用として役立つ。切欠き内での回転、切欠きに沿っての並進、及びこれらの組合せによって光ファイバー用鏡を調整しながら検出器の出力を最大にすることで、最適化を容易に達成できる。

さらに具体的な実施形態では、光学素子を固定することが、光学表面が実質的に直交するように光学素子を固定することを含む。しかし、本発明は直交する実施形態に限定されない。さらに、光は下向きに伝送されるように示されているが、この方位は例示を目的とするものにすぎず、限定的なものではない。

別のさらに具体的な実施形態では、固定することが、（例示目的のために導波路７０として示される）一方の光学素子を（例示目的のため、鏡７８に対する導波路の位置を調整する導波路支持体８４を有するものとして示される）基板７２の水平面上に配置すると共に、（例示目的のために穴又はコア材料７６として示される）他方の光学素子を基板の垂直開口７４（図１３）内に配置することを含む。関連する態様では、本方法はさらに、一実施形態では導波路支持体として機能する誘電体層８４を表面上に含む基板を設けることを含む。誘電体層は少なくとも一端を垂直開口の上方に配置した切欠き８６を有していて、鏡はファイバーのような鏡支持体８２上に配置され、並進させることが切欠きに沿ってファイバーを移動させることを含むと共に回転させることが切欠き内でファイバーを回転させることを含む。さらに具体的な実施形態では、誘電体層は（Ｄｕｐｏｎｔ Ｃｏｍｐａｎｙから入手できる）ＫＡＰＴＯＮ（商標）ポリイミドからなる。

図１３の実施形態の変形例であるさらに一段と具体的な態様では、確保することが、光学表面と鏡との間に光画成可能なコポリマー材料８０を配置することを含む。さらに一段と具体的な態様では、光路は導波路からなり、本方法はさらに、少なくとも一方の光学素子を通して他方の光学素子に向けて光を送り、光画成可能なコポリマー材料から未硬化モノマーを揮発させて導波路を形成することを含む。

別の態様では、確保することが、光学表面と鏡との間に（必ずしも光画成可能でない）光学材料８０を配置し、材料を硬化させ、次いで鏡を除去することを含む。鏡を除去する実施形態では、硬化した光学材料８０上に位置する保護層（図示せず）を設けることが有用である。これは、光路の露出部分を保護すると共に、クラッディング層として作用することで損失を低減させるためである。一実施形態では、光学材料は例えば紫外線硬化性の屈折率整合材料からなる。

以上、本発明の若干の特徴のみを本明細書中に例示して説明してきたが、当業者には数多くの修正及び変更が想起されるであろう。したがって、特許請求の範囲は本発明の真の技術思想に含まれるかかる修正及び変更のすべてを包含するものであることを理解すべきである。

本発明の一実施形態に係る導波路の上面図である。 図１の導波路の側面図である。 本発明の別の実施形態に係る導波路の上面図である。 図３の導波路の側面図である。 本発明の別の実施形態に係る形成途中の導波路の斜視図である。 図５の形成済み導波路の斜視図である。 本発明の他の実施形態に係る形成途中の導波路の斜視図である。 図７の形成済み導波路の斜視図である。 本発明の別の実施形態に係る導波路結合装置の斜視図である。 図９の導波路結合装置の上面図である。 本発明の別の実施形態に係る導波路の上面図である。 本発明の別の実施形態に係る導波路の上面図である。 本発明の別の実施形態に係る導波路の側面図である。 本発明の別の実施形態に係る光路形成装置の斜視図である。 図１４の光路形成装置の別の斜視図である。

符号の説明

１０ 光学素子
１１ 光学表面
１２ 光学素子
１３ 光学表面
１４ 光画成可能なコポリマー材料
１５ 湾曲面
１６ 導波路
１７ コーティング層
１８ 基板
２１ 第二の光路
２３ 反射増強層
２６ スプリッター
２８ 第一の光路
７０ 光学素子
７１ 光学表面
７６ 光学素子
７７ 光学表面
７８ 鏡
８０ 光画成可能なコポリマー材料
１１０ 光学素子
１１２ 光学素子
１１４ ブロブ
１１６ 導波路
２１６ 導波路
２２０ 光学素子
６１６ 導波路

Claims (18)

1. 導波路（１６）を形成する方法であって、
   メチルメタクリレート、テトラフルオロプロピルメタクリレート及びエポキシモノマーを含む光画成可能なコポリマー材料（１４）を基板（１８）上に堆積させ、
   光学素子（１０、１２）を光画成可能なコポリマー材料に対して固定し、
   少なくとも一方の光学素子及び光画成可能なコポリマー材料を通して他方の光学素子に向けて光を送り、
   光画成可能なコポリマー材料から未硬化モノマーを揮発させて導波路を形成する
   ことを含んでなる方法。
2. 光を送ることが、光画成可能なコポリマー材料の揮発のための限界条件をわずかに超えるように光の強さを調節することを含む、請求項１記載の方法。
3. 光を送る行為及び未硬化モノマーを揮発させる行為を順次に２回以上実施し、引き続いて実施するたびに導波路の延長が生じる、請求項２記載の方法。
4. 少なくとも一方の光学素子及び光画成可能なコポリマー材料を通して他方の光学素子に向けて光を送ることが、各々の光学素子及び光画成可能なコポリマー材料を通して他方の光学素子に向けて光を送ることを含む、請求項１記載の方法。
5. 導波路（６１６）を形成して使用する方法であって、
   光画成可能なコポリマー材料（１４）を基板（１８）上に堆積させ、
   少なくとも一方の光学素子（２２０）がスプリッター（２６）を含む光学素子（２２０、１０）を光画成可能なコポリマー材料に対して固定し、
   少なくとも一方の光学素子及び光画成可能なコポリマー材料を通して他方の光学素子に向けて光を送ると共に、光を送ることが少なくとも一方の光学素子からスプリッターの第一の光路（２８）を通して光を供給することを含み、
   光画成可能なコポリマー材料から未硬化モノマーを揮発させて導波路を形成し、
   スプリッターの第二の光路（２１）を通して光信号を送信することで導波路を使用する
   ことを含んでなる方法。
6. 導波路（１１６）を形成する方法であって、
   光学表面（１１、１３）をそれぞれに有する光学素子（１１０、１１２）を相互に固定し、
   光学表面に対して十分な表面張力を示す光画成可能なコポリマー材料からなるブロブ（１１４）を光学素子の光学表面の少なくとも一部分上に配置して湾曲面（１５）を有するブロブを生み出し、
   湾曲面に対する一方の光学素子からの入射角がブロブとそれを取り巻く空気との間の屈折率差で決定される全反射条件より大きくなるようにしながら、各々の光学素子及びブロブを通して湾曲面及び他方の光学素子に向けて光を送り、
   ブロブから未硬化モノマーを揮発させて導波路を形成する
   ことを含んでなる方法。
7. さらに、揮発させた後に、ブロブの湾曲面の少なくとも一部分上に反射増強層（２３）を堆積させることを含む、請求項６記載の方法。
8. さらに、ブロブを配置する前に、光学表面を処理して表面粗さを調整することを含む、請求項６記載の方法。
9. 処理することが研磨することを含む、請求項６記載の方法。
10. 処理することが、ブロブを配置する前にコーティング層（１７）を設置することを含む、請求項６記載の方法。
11. ブロブがメチルメタクリレート、テトラフルオロプロピルメタクリレート及びエポキシモノマーを含む、請求項６記載の方法。
12. 導波路（２１６）を形成する方法であって、
    光学表面（７１、７７）をそれぞれに有する光学素子（７０、７６）を相互に固定し、
    一方の光学素子から他方の光学素子に光を導くように鏡（７８）を位置合せし、
    光学表面と鏡との間に光画成可能なコポリマー材料（８０）を配置し、
    少なくとも一方の光学素子を通して他方の光学素子に向けて光を送り、
    光画成可能なコポリマー材料から未硬化モノマーを揮発させて導波路を形成する
    ことを含んでなる方法。
13. 光路を形成する方法であって、
    光学表面（７１、７７）をそれぞれに有する光学素子（７０、７６）を相互に固定し、
    一方の光学素子から他方の光学素子に光を最適に導くように位置合せされるまで鏡（７８）を並進及び回転させ、
    位置合せされた鏡をその位置に確保する
    ことを含んでなる方法。
14. 光学素子を固定することが、光学表面が実質的に直交するように光学素子を固定することを含み、固定することが、一方の光学素子を基板の水平面上に配置すると共に他方の光学素子を基板の垂直開口内に配置することを含み、表面上に誘電体層を含む基板を設けることをさらに含み、誘電体層が少なくとも一端を垂直開口の上方に配置した切欠きを有しており、鏡がファイバー上に配置され、並進させることが切欠きに沿ってファイバーを移動させることを含むと共に回転させることが切欠き内でファイバーを回転させることを含む、請求項１３記載の方法。
15. 確保することが、光学表面と鏡との間に光学材料（８０）を配置し、材料を硬化させ、次いで光学鏡を除去することを含む、請求項１４記載の方法。
16. 相互に固定された光学素子（１１０、１１２）の光学表面（１１、１３）上に配置されたブロブ（１１４）を含んでなる導波路（１１６）であって、ブロブは光学表面に対して十分な表面張力を有することで湾曲面（１５）を形成する予備硬化コポリマー材料からなり、ブロブのコア部分はブロブの他の部分より高い屈折率を有する材料からなっていて光学表面間に反射光路を形成する、導波路（１１６）。
17. 相互に固定された光学素子（７０、７６）であって、光学表面（７１、７７）をそれぞれに有する光学素子（７０、７６）、
    一方の光学素子から他方の光学素子に光を導くように位置合せされた鏡（７８）、及び
    光学表面と鏡との間に配置された光画成可能なコポリマー材料（８０）であって、光画成可能なコポリマー材料のコア部分が光画成可能なコポリマー材料の他の部分より高い屈折率を有する材料からなっていて光学表面間に反射光路を形成する、光画成可能なコポリマー材料（８０）
    を含んでなる導波路（２１６）。
18. 相互に固定された光学素子（７０、７６）であって、光学表面（７１、７７）をそれぞれに有する光学素子（７０、７６）、及び
    ファイバー上に配置され、一方の光学素子から他方の光学素子に光を最適に導くように位置合せされた鏡（７８）
    を含んでなる光路。

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