JP2011253095A

JP2011253095A - Ｌ字型光導波路デバイス

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Publication number: JP2011253095A
Application number: JP2010127712A
Authority: JP
Inventors: Akiko Nagafuji; 昭子長藤; Noriyuki Juni; 紀行十二
Original assignee: Nitto Denko Corp
Current assignee: Nitto Denko Corp
Priority date: 2010-06-03
Filing date: 2010-06-03
Publication date: 2011-12-15
Also published as: CN102269841A; TW201144876A; KR20110132964A; US20110297817A1

Abstract

【課題】生産性の高いＩ字型光導波路を組み合わせてＬ字型光導波路を作製し、Ｌ字型光導波路を構成する２本のＩ字型光導波路の、Ｘ方向およびＹ方向の組立精度を高く保ち、光電変換素子が１個で済むようにする。
【解決手段】Ｌ字型光導波路デバイス１０では、一方のＩ字型光導波路１１の結合端部は凹部１５を備え、他方のＩ字型光導波路１２の結合端部は凸部１６を備える。凹部１５と凸部１６がはめ合って凹凸継手１７を形成してＩ字型光導波路１１、１２同士が結合する。凸部１６を備えたＩ字型光導波路１２に属するコア群１８は、光電変換素子１４の近傍でほぼ直角に折れ曲がって、光電変換素子１４に光結合する。
【選択図】図１

Description

本発明は、２本のＩ字型光導波路と光電変換素子を組み合わせて作られたＬ字型光導波路デバイスに関する。

図６に示す口字型光導波路４０が知られている（特許文献１）。口字型光導波路４０を従来例１とする。口字型光導波路４０は、光学式タッチパネルの画面周縁に設置される。図６に示す従来例１の口字型光導波路４０においては、発光側コア群４１と受光側コア群４２が、各光軸が合った状態で、一体的に口字型の枠４３上に形成される。そのため、口字型光導波路４０をタッチパネルの画面周縁に設置する際、発光側コア群４１と受光側コア群４２の光軸を改めて合わせる必要が無い。

しかし、口字型光導波路４０を製造するためには、口字型光導波路４０と同じ面積の金型やガラスマスクが必要である。この金型やガラスマスクは周辺部だけが使用され、内部の大部分は使用されない。口字型光導波路４０のサイズが大きくなるほど、金型やガラスマスクが大型化し、使用されない部分の割合が高くなる。そのため、口字型光導波路４０はサイズが大きくなるほど生産性が低くなる。

これに対して、Ｉ字型光導波路は製造時に、金型やガラスマスクの全面が使用できる。そのため、Ｉ字型光導波路は生産性が高く、サイズが大きくなっても、生産性が低くならない。しかし、タッチパネルの画面周縁に設置する際、複数のＩ字型光導波路を、Ｌ字型あるいは口字型に組み合わせる必要がある。

図７は２本のＩ字型光導波路４４、４５を組み合わせて、Ｌ字型光導波路デバイス４６を作製した一例である（従来例２とする）。Ｉ字型光導波路４４、４５の各短辺に、光電変換素子４７、４８が設置され、それぞれのコア群４９、５０が各光電変換素子４７、４８に光結合する。従来例２のＬ字型光導波路デバイス４６においては、光電変換素子４７、４８が２個必要である。また、従来例２のＬ字型光導波路デバイス４６においては、２本のＩ字型光導波路４４、４５の間に、間隙５１が必要である。さらに、従来例２のＬ字型光導波路デバイス４６においては、２本のＩ字型光導波路４４、４５を直接結合できないため、２本のＩ字型光導波路４４、４５の組立精度が、Ｘ方向およびＹ方向に関して低い。

図８は２本のＩ字型光導波路５２、５３を組み合わせて、Ｌ字型光導波路デバイス５４を作製した別の例である（従来例３とする）。Ｘ方向のＩ字型光導波路５３の短辺を、Ｙ方向のＩ字型光導波路５２の長辺に結合させる。Ｘ方向のＩ字型光導波路５３のコア群５５は、光電変換素子５６の近傍でほぼ直角に折れ曲がって、光電変換素子５６に光結合する。光電変換素子５６は１個でよい。従来例３のＬ字型光導波路デバイス５４においては、Ｘ方向のＩ字型光導波路５３がＹ方向にずれることを防止する手段がない。そのため、２本のＩ字型光導波路５２、５３の組立精度が、Ｙ方向に関して低い。

図９は２本のＩ字型光導波路５７、５８を組み合わせて、Ｌ字型光導波路デバイス５９を作製した、さらに別の例である（従来例４とする）。Ｘ方向のＩ字型光導波路５８の短辺を、Ｙ方向のＩ字型光導波路５７の長辺の切り欠き部６０に結合させる。Ｘ方向のＩ字型光導波路５８のコア群６１は、光電変換素子６２の近傍でほぼ直角に折れ曲がって、光電変換素子６２に光結合する。光電変換素子６２は１個でよい。従来例４のＬ字型光導波路デバイス５９においては、Ｘ方向のＩ字型光導波路５８がＹ方向にずれることを防止する手段がまだ不十分である。そのため、２本のＩ字型光導波路５７、５８の組立精度が、Ｙ方向に関してやや低い。

特開２００８−１８１４１１号公報

従来例１の口字型光導波路４０は、生産性が低い。従来例２のＬ字型光導波路デバイス４６においては、光電変換素子４７、４８が２個必要である。また、２本のＩ字型光導波路４４、４５の間に間隙５１が必要である。更に、組立精度がＸ方向およびＹ方向に関して低い。従来例３のＬ字型光導波路デバイス５４においては、組立精度がＹ方向に関して低い。従来例４のＬ字型光導波路デバイス５９においては、組立精度がＹ方向に関してやや低い。

本発明の目的は次のとおりである。
（１）生産性の高いＩ字型光導波路を組み合わせてＬ字型光導波路を作製する。
（２）Ｌ字型光導波路を構成する２本のＩ字型光導波路の、Ｘ方向およびＹ方向の組立精度を高く保つ。
（３）光電変換素子が１個で済むようにする。

本発明においては、Ｌ字型光導波路に光電変換素子を付加したものを、Ｌ字型光導波路デバイスという。

（１）本発明のＬ字型光導波路デバイスは、２本のＩ字型光導波路の端部同士がほぼ直角に結合されたＬ字型光導波路と、Ｌ字型光導波路に光結合した光電変換素子を備える。一方のＩ字型光導波路の結合端部は凹部を備え、他方のＩ字型光導波路の結合端部は凸部を備える。凹部と凸部がはめ合って凹凸継手を形成する。それにより、Ｉ字型光導波路同士が結合する。凹凸継手は複数設けられてもよい。凸部を備えたＩ字型光導波路に属するコア群は、光電変換素子の近傍でほぼ直角に折れ曲がって、光電変換素子に光結合する。ここで「ほぼ直角」とは、９０°±５°を意味する。
（２）本発明のＬ字型光導波路デバイスにおいては、凹部を備えたＩ字型光導波路の長さが、凸部を備えたＩ字型光導波路の長さよりも長い。
（３）本発明のＬ字型光導波路デバイスにおいては、凹部を備えたＩ字型光導波路に属するコアの数が、凸部を備えたＩ字型光導波路に属するコアの数よりも多い。
（４）本発明のＬ字型光導波路デバイスにおいては、凹部を備えたＩ字型光導波路の光出射面と、凸部を備えたＩ字型光導波路の光出射面が実質的に同一面である。「実質的に同一面」とは、凹部を備えたＩ字型光導波路のコア群と、凸部を備えたＩ字型光導波路のコア群を、１個の光電変換素子に光結合させたとき、それぞれの光結合の効率が、実用上差が無いことを意味する。
（５）本発明のＬ字型光導波路デバイスにおいては、凹部を備えたＩ字型光導波路のコア群と、凸部を備えたＩ字型光導波路のコア群が、１個の光電変換素子に光結合する。
（６）本発明のＬ字型光導波路デバイスにおいては、凹凸継手による結合が、紫外線硬化型接着剤により固定される。

本発明により次の効果が得られる。
（１）生産性の高いＩ字型光導波路を組み合わせてＬ字型光導波路を作製することによって、Ｌ字型光導波路の生産性を高くすることができる。
（２）Ｌ字型光導波路を構成する２本のＩ字型光導波路の、Ｘ方向およびＹ方向の組立精度を高く保つことができる。
（３）光電変換素子が１個で済む。

本発明によれば、２本のＩ字型光導波路の凹凸継手をはめ合うことにより、Ｉ字型光導波路をほぼ直交するように、高精度に組み立てることができる。また、凸部を備えた方のＩ字型光導波路のコア群を、光電変換素子の近傍で直角に折り曲げることにより、光電変換素子が１個で済むようになる。

本発明のＬ字型光導波路デバイスの平面図本発明のＬ字型光導波路デバイスの組立方法を説明する平面図本発明のＬ字型光導波路デバイスの、光電変換素子側から見た側面図本発明のＬ字型光導波路デバイスの別の例の平面図本発明のＬ字型光導波路デバイスを用いた光学式タッチパネルの平面図従来例１の口字型光導波路の平面図従来例２のＬ字型光導波路デバイスの平面図従来例３のＬ字型光導波路デバイスの平面図従来例４のＬ字型光導波路デバイスの平面図

［Ｌ字型光導波路デバイス］
図１に示すように、本発明のＬ字型光導波路デバイス１０は、２本のＩ字型光導波路１１、１２の端部同士がほぼ直角に結合されたＬ字型光導波路１３と、Ｌ字型光導波路１３に光結合した光電変換素子１４を備える。「ほぼ直角」とは、９０°±５°を意味する。

図２に示すように、本発明のＬ字型光導波路デバイス１０において、Ｙ方向のＩ字型光導波路１１の結合端部は凹部１５を備え、Ｘ方向のＩ字型光導波路１２の結合端部は凸部１６を備える。

図１に示すように、凹部１５と凸部１６がはめ合って凹凸継手１７を形成し、Ｉ字型光導波路１１、１２同士が結合される。凸部１６を備えたＩ字型光導波路１２に属するコア群１８は、光電変換素子１４の近傍でほぼ直角に折れ曲がって、光電変換素子１４に光結合する。

「光電変換素子１４の近傍でほぼ直角に折れ曲がって」とは次の意味である。コア群１８は、光電変換素子１４から離れた場所では、凸部１６を備えたＩ字型光導波路１２の長辺にほぼ平行である。しかしコア群１８は、光電変換素子１４の近傍では、凸部１６を備えたＩ字型光導波路１２の長辺にほぼ垂直となる。このようにするのは、凸部１６を備えたＩ字型光導波路１２の長辺に接する光電変換素子１４に、コア群１８を通る光を垂直入射させるためである。なお、ほぼ平行とは、真の平行からのずれが±５°以内であることをいう。また、ほぼ垂直とは、真の垂直からのずれが±５°以内であることをいう。

［Ｌ字型光導波路］
本発明に用いられるＬ字型光導波路１３は、図１に示すように、２本のＩ字型光導波路１１、１２の端部同士をほぼ直角に結合して形成される。一方のＩ字型光導波路１１の結合端部は凹部１５を備え、他方のＩ字型光導波路１２の結合端部は凸部１６を備える。凹部１５と凸部１６がはめ合って凹凸継手１７を形成することにより、２本のＩ字型光導波路１１、１２は結合する。

凹凸継手１７は複数設けられてもよい。図１に示す凹部１５と凸部１６は長方形であるが、凹部１５と凸部１６の形状はこれに限らない。凹部１５と凸部１６の形状は、はめ合いを形成するものならば、多角形でもよいし、曲線形状でもよい。

このようなはめ合い結合を行なうことにより、２本のＩ字型光導波路１１、１２の、Ｘ方向およびＹ方向の組立精度を高く保つことができ、高精度のＬ字型光導波路１３を作製することができる。

図１に示すように、Ｉ字型光導波路１１、１２は、全体として細長い長方形である。Ｉ字型光導波路１１、１２の幅Ｗ１、Ｗ２は、好ましくは１０ｍｍ〜３０ｍｍである。Ｉ字型光導波路１１、１２の長さＬ１、Ｌ２は目的に応じて適宜調整され、例えば５０ｍｍ〜５００ｍｍである。

図３は、Ｌ字型光導波路１３を光電変換素子１４側から見た側面図である。図３に示すように、Ｌ字型光導波路１３を形成するＩ字型光導波路１１、１２は、コア群１８、１９（複数のコア１８ａ、１９ａの集合）と、コア群１８、１９を埋設するクラッド層２０を有する。Ｉ字型光導波路１１、１２の厚みｔ１は、好ましくは１００μｍ〜２，０００μｍである。２本のＩ字型光導波路１１、１２の厚みｔ１は、通常は等しいが、異なっていてもよい。

図３に示すコア群１８、１９は、クラッド層２０より屈折率が高く、近赤外線領域の光に対して透明性の高い材料で形成される。コア群１８、１９を形成する材料は、好ましくはパターニング性に優れた紫外線硬化樹脂である。

各コア１８ａ、１９ａの断面形状は特に制限はないが、パターニング性に優れた台形または長方形が好ましい。各コア１８ａ、１９ａの幅ｔ２は、好ましくは１０μｍ〜５００μｍである。各コア１８ａ、１９ａの高さｔ３は、好ましくは１０μｍ〜１００μｍである。

クラッド層２０は、コア１８ａ、１９ａより屈折率の低い任意の材料から形成される。コア１８ａ、１９ａおよびクラッド層２０を形成する材料の樹脂の屈折率は、樹脂に導入する有機基の種類、あるいは、樹脂内の有機基の含有量によって、適宜高くも低くもできる。コア１８ａ、１９ａおよびクラッド層２０を形成する材料として、例えば、特開２０１０−３２６６１号公報の実施例に記載の材料が使用できる。

図１に示す、凸部１６を備えたＩ字型光導波路１２に属するコア群１８は、光電変換素子１４の近傍でほぼ直角に折れ曲がって、光電変換素子１４に光結合する。凹部１５を備えたＩ字型光導波路１１に属するコア群１９は、光電変換素子１４までほぼ直線状に延びて（途中で曲がっていてもよい）、光電変換素子１４に光結合する。

コア群１８、１９の形状を上述のようにすることにより、図１に示すように、凹部１５を備えたＩ字型光導波路１１の光出射面２１と、凸部１６を備えたＩ字型光導波路１２の光出射面２２を、実質的に同一面にすることができる。これにより、凹部１５を備えたＩ字型光導波路１１のコア群１９と、凸部１６を備えたＩ字型光導波路１２のコア群１８を、１個の光電変換素子１４に光結合させることができる。

本発明のＬ字型光導波路デバイス１０において、凹部１５を備えたＩ字型光導波路１１の長さＬ１は、好ましくは、凸部１６を備えたＩ字型光導波路１２の長さＬ２よりも長い。凹部１５を備えたＩ字型光導波路１１の長さＬ１と、凸部１６を備えたＩ字型光導波路１２の長さＬ２の差（Ｌ１−Ｌ２）は、目的に応じて適宜設定されるが、好ましくは、２０ｍｍ〜２００ｍｍである。

本発明のＬ字型光導波路デバイス１０において、好ましくは、凹部１５を備えたＩ字型光導波路１１に属するコア１９ａの数は、凸部１６を備えたＩ字型光導波路１２に属するコア１８ａの数よりも多い。凹部１５を備えたＩ字型光導波路１１に属するコア１９ａの数は、好ましくは、４０本〜７００本である。凸部１６を備えたＩ字型光導波路１２に属するコア１８ａの数は、好ましくは、３０本〜５００本である。

本発明によれば、従来品より幅Ｗ１、Ｗ２の狭いＬ字型光導波路１３が得られる。幅Ｗ１、Ｗ２について、対角１０．４インチサイズ（縦横比４：３）のＬ字型光導波路１３の場合、次のようになる。

図１に示すように、凸部１６を備えたＩ字型光導波路１２を短辺とした場合、Ｌ字型光導波路１３の最大幅は、凹部１５を備えたＩ字型光導波路１１の幅Ｗ１であり、１４．４ｍｍである。

図４に示すように、凸部１６を備えたＩ字型光導波路１２を長辺とした場合、Ｌ字型光導波路１３の最大幅は、凸部１６を備えたＩ字型光導波路１２の幅Ｗ２であり、１５．０ｍｍである。

従って、凹部１５を備えたＩ字型光導波路１１の長さＬ１を、凸部１６を備えたＩ字型光導波路１２の長さＬ２よりも長くした方が、Ｌ字型光導波路１３の最大幅（Ｗ１またはＷ２）を狭くすることができる。

図１に示す、本発明に用いられるＬ字型光導波路１３の凹凸継手１７の凸部１６の幅Ｗ３は、好ましくは、５ｍｍ〜１５ｍｍである。凹凸継手１７の寸法をこのようにすることにより、各Ｉ字型光導波路１１、１２を強固に結合することができる。

［光電変換素子］
本発明に用いられる光電変換素子１４は、Ｌ字型光導波路１３のコア群１８、１９と光結合し、光信号を電気信号に変換する。光電変換素子１４は、例えば、ＣＭＯＳリニアイメージセンサ、ＣＣＤリニアイメージセンサである。これらの光電変換素子１４は、直線状に配置された複数のフォトダイオード（受光部）を有する。

光結合に際しては、各Ｉ字型光導波路１１、１２のコア群１８、１９を伝播する光が光電変換素子１４に入射したとき、出力電気信号が最大となるように、光電変換素子１４の位置を調整する。その後、光電変換素子１４と各Ｉ字型光導波路１１、１２を、紫外線硬化型接着剤により固定する。

［Ｌ字型光導波路１３の作製］
脂環骨格を含むエポキシ系樹脂からなるアンダークラッド層の表面に、フルオレン骨格を含むエポキシ系樹脂からなるコア群１８を、露光・現像法により形成した。アンダークラッド層の厚みは２０μｍ、屈折率は１．５１である。コア１８ａの高さｔ３は５０μｍ、幅ｔ２は１５μｍ、屈折率は１．５９である。コア１８ａは６２本である。

アンダークラッド層の表面に、コア群１８を埋設するオーバークラッド層を形成した。オーバークラッド層の厚みは１ｍｍ、材料はアンダークラッド層と同じである。

このようにして、凸部１６を備えたＩ字型光導波路１２を作製した。Ｉ字型光導波路１２の寸法は、Ｗ２＝１５ｍｍ、Ｌ２＝１７２ｍｍ、ｔ１＝１，０２０μｍである。

同様にして、アンダークラッド層の表面にコア群１９を形成し、コア群１９を埋設するオーバークラッド層を形成して、凹部１５を備えたＩ字型光導波路１１を作製した。コア１９ａの高さｔ３は５０μｍ、幅ｔ２は１５μｍである。コア１９ａは８２本である。Ｉ字型光導波路１１の寸法は、Ｗ１＝１３ｍｍ、Ｌ１＝２３４ｍｍ、ｔ１＝１，０２０μｍである。

凸部１６を備えたＩ字型光導波路１２と、凹部１５を備えたＩ字型光導波路１１を、凸部１６と凹部１５がはめ合って凹凸継手１７を形成するように結合し、紫外線硬化型接着剤で固定して、Ｌ字型光導波路１３を作製した。

凸部１６を備えたＩ字型光導波路１２の光出射面２２と、凹部１５を備えたＩ字型光導波路１１の光出射面２１は、実質的に同一面である。凸部１６を備えたＩ字型光導波路１２の光出射面２２と、凹部１５を備えたＩ字型光導波路１１の光出射面２１を、光電変換素子１４（浜松ホトニクス社製ＣＭＯＳリニアイメージセンサ）に光結合し、紫外線硬化型接着剤で固定し、Ｌ字型光導波路デバイス１０を作製した。

作製したＬ字型光導波路デバイス１０では、
（１）２つのＩ字型光導波路１１、１２を高精度に組み立てることができ、
（２）高い伝送効率を維持しながら、
（３）２つのＩ字型光導波路１１、１２の出射光を、１つの光電変換素子１４で検出することができる。

本発明のＬ字型光導波路デバイス１０の用途に特に制限はないが、図５に示す光学式タッチパネル３０に好ましく用いられる。光学式タッチパネル３０において、１つのＬ字型光導波路デバイス１０は受光側に用いられ、もう１つのＬ字型光導波路デバイス３１は発光側に用いられる。発光側のＬ字型光導波路デバイス３１においては、光を電気信号に変換する光電変換素子１４の代わりに、電気信号を光に変換する光電変換素子３２が用いられる。

光電変換素子３２を出射した光群は、発光側のＬ字型光導波路３３のコア群３４、３５を通って、座標入力領域３６に出射する。座標入力領域３６を通過した光線群は、受光側のＬ字型光導波路１３に入射し、Ｌ字型光導波路１３のコア群１８、１９を通って、光電変換素子１４に入射する。指やペンで座標入力領域３６の光線群の一部が遮られると、光電変換素子１４に入射する光群の一部が欠落するので、指やペンの座標が検知される。

１０Ｌ字型光導波路デバイス
１１、１２Ｉ字型光導波路
１３Ｌ字型光導波路
１４光電変換素子
１５凹部
１６凸部
１７凹凸継手
１８コア群
１８ａコア
１９コア群
１９ａコア
２０クラッド層
２１、２２光出射面
３０光学式タッチパネル
３１Ｌ字型光導波路デバイス
３２光電変換素子
３３Ｌ字型光導波路
３４、３５コア群
３６座標入力領域
４０口字型光導波路
４１発光側コア群
４２受光側コア群
４３口字型の枠
４４、４５Ｉ字型光導波路
４６Ｌ字型光導波路デバイス
４７、４８光電変換素子
４９、５０コア群
５１間隙
５２、５３Ｉ字型光導波路
５４Ｌ字型光導波路デバイス
５５コア群
５６光電変換素子
５７、５８Ｉ字型光導波路
５９Ｌ字型光導波路デバイス
６０切り欠き部
６１コア群
６２光電変換素子

Claims

２本のＩ字型光導波路の端部同士がほぼ直角に結合されたＬ字型光導波路と、前記Ｌ字型光導波路に光結合した光電変換素子とを備えたＬ字型光導波路デバイスであって、
一方の前記Ｉ字型光導波路の結合端部は凹部を備え、他方の前記Ｉ字型光導波路の結合端部は凸部を備え、
前記凹部と前記凸部がはめ合って凹凸継手を形成することにより、前記Ｉ字型光導波路同士が結合し、
前記凸部を備えたＩ字型光導波路に属するコア群は、前記光電変換素子の近傍でほぼ直角に折れ曲がって、前記光電変換素子に光結合するＬ字型光導波路デバイス。
前記凹部を備えたＩ字型光導波路の長さが、前記凸部を備えたＩ字型光導波路の長さよりも長い、請求項１に記載のＬ字型光導波路デバイス。
前記凹部を備えたＩ字型光導波路に属するコアの数が、前記凸部を備えたＩ字型光導波路に属するコアの数よりも多い、請求項１または２に記載のＬ字型光導波路デバイス。
前記凹部を備えたＩ字型光導波路の光出射面と、前記凸部を備えたＩ字型光導波路の光出射面が実質的に同一面である、請求項１から３のいずれかに記載のＬ字型光導波路デバイス。
前記凹部を備えたＩ字型光導波路のコア群と、前記凸部を備えたＩ字型光導波路のコア群が、１個の前記光電変換素子に光結合する、請求項１から４のいずれかに記載のＬ字型光導波路デバイス。
前記凹凸継手による結合が、紫外線硬化型接着剤により固定される、請求項１から５のいずれかに記載のＬ字型光導波路デバイス。