JP3818153B2

JP3818153B2 - 光導波路装置

Info

Publication number: JP3818153B2
Application number: JP2002004803A
Authority: JP
Inventors: 成留安田; 裕佳里寺川; 速美細川
Original assignee: Omron Corp
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 2002-01-11
Filing date: 2002-01-11
Publication date: 2006-09-06
Anticipated expiration: 2022-01-11
Also published as: JP2003207661A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ファクシミリ、コピー機、スキャナ等の原稿読み取り装置や、光通信装置、あるいはＣＤディスク等における光学系に用いられる光導波路装置に関する。特に、光導波路内を伝搬する光を光導波路内に閉じ込めるための空気クラッド層を有する光導波路装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、光導波路装置において、光導波路を伝搬する光の光路を大きく変化させる場合、空気の屈折率が小さいことを利用して、光導波路の屈曲部分の近辺に空気クラッド層（空気部）を設け、この空気クラッド層による全反射を利用して光の伝搬方向を曲げると共に屈曲部分における光の漏れを防止することは、一般的に知られている。
【０００３】
このような空気クラッド層を光導波路の曲げ部分の近辺に設けた光導波路装置としては、例えば特開平４−７５０８号公報に示されたものがある。
【０００４】
図１は特開平４−７５０８号公報に開示された光導波路装置の製造方法を説明するための各製造工程における斜視図である。以下、図１（ａ）〜（ｄ）を参照して当該製造工程を説明する。
【０００５】
図１（ａ）に示す工程では、反射型光曲げ導波路を形成するために積層構造の光導波路用基板１０を準備する。この光導波路用基板１０は気相成長法などにより製造される。この光導波路用基板１０は、基板本体１１、下部クラッド層１２、光導波層１３、上部クラッド層１４、キャップ層１５を順次積層状態に堆積することにより形成される。下部クラッド層１２および上部クラッド層１４は、光導波層１３内に光を閉じ込めるための層であり、光導波層１３は光を伝搬させるための層である。
【０００６】
図１（ｂ）に示す工程では、スピンコーティング法などを用いてフォトレジストをキャップ層１５の全面に塗布し、フォトリソグラフィ技術により、三角形状に開口されたエッチング窓２０ａを有する反射ミラー用レジストパターン２０を形成する。次に、この反射ミラー用レジストパターン２０をマスクにしてドライエッチングすることによってキャップ層１５から下部クラッド層１２までエッチングし、三角形状をした凹部（空気クラッド層２１）を形成する。その後、ガスプラズマや剥離液等を用いて不要になった反射ミラー用レジストパターン２０を除去する。
【０００７】
図１（ｃ）に示す工程では、キャップ層１５の全面にフォトレジストを塗布し、フォトリソグラフィ技術を用いて該フォトレジストを露光および現像し、空気クラッド層２１の縁で折れ曲がったストライブ形状の光導波路用レジストパターン２２を形成する。この光導波路用レジストパターン２２の形成時に、空気クラッド層２１の内面は光導波路用レジストパターン２２と同じフォトレジストからなるレジスト膜２２ａによって覆っておく。
【０００８】
この光導波路用レジストパターン２２及びレジスト膜２２ａをマスクにして図１（ｃ）において斜線を施した領域２２ｂをドライエッチングすることにより、上部クラッド層１４の中程までエッチングし、キャップ層１５および上部クラッド層１４によって断面凸状のストリップ装荷型の構造を有する光導波路２３を形成する。この際、空気クラッド層２１内はレジスト膜２２ａで覆われているため、エッチングされない。その後、ガラスプラズマや剥離液等を用いて不要になった光導波路用のレジストパターン２２およびレジスト膜２２ａを剥離すれば、図１（ｄ）に示すような光導波路２３が得られ、光導波路２３の屈曲部外面２４は空気クラッド層２１及びその上の空気と接触することになる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の製造方法のようにフォトリソグラフィを用いた半導体プロセス技術によって積層して光導波路装置を製造した場合、エッチングによって空気クラッド層や光導波路を形成しているため、光導波路の屈曲部外面（空気クラッド層やその上の空気との界面）に表面荒れが生じる。即ち、上記のような製造方法では、光導波路の側面の一部がエッチングによって荒れることになる。このため、光導波路を伝搬する光が屈曲部外面に達すると、その光は屈曲部外面で拡散反射したり、散乱して光導波路の外に漏れたりしてしまい、光導波路装置の光導波特性が悪くなり、光伝搬効率が低下するという問題があった。また、上記のような製造方法では、多層成膜技術や半導体プロセス技術により製造するので、製造プロセスが複雑であった。
【００１０】
【発明の開示】
本発明は、上記の従来例の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、光閉じ込め効果の高い空気クラッド層を基板内部に製作することができる光導波路装置を提供することにある。
【００１１】
本発明にかかる光導波路装置は、樹脂成形された基板と、該基板の一方主面に形成された溝にコア材料を充填して形成された光導波路とを備えた光導波路装置であって、前記基板の成形時に、前記基板の一方主面に溝が設けられると共に当該溝の端面がその先端に向かうにつれて溝の深さが次第に小さくなるように形成され、前記基板の他方主面において前記溝の端面に対向する箇所に前記溝との間に前記基板の一部を介在させて空気クラッド層が凹設され、前記溝に充填された前記光導波路の端面に対向している前記クラッド層の面が、前記光導波路を伝搬してきた光を反射させて前記基板の前記一方主面側へ向かわせるように傾斜した面に形成され、前記基板の前記空気クラッド層を挟んで前記光導波路と反対側の部分が、前記溝の底部分における前記基板の厚みよりも大きな厚みを有していることを特徴としている。また、本発明の実施態様にあっては、前記空気クラッド層の前記光導波路の端面に対向している面で反射された光が出射される側の主面に、前記光導波路と光学結合するように光学素子が配置されており、前記光学素子は、前記基板の前記厚みの大きな部分と前記基板の前記光導波路と同じ側の部分との両側に跨るように配置されていることを特徴としている。従って、受光素子などを含む光導波路装置等の実装面積を小さくできる。また、本発明の光導波路装置は、成形法によって製造することができるので、製造工程が少なく、量産に適し、製造コストを安価にすることが可能になる。
【００１３】
本発明の別な実施態様にあっては、前記光導波路の端面と前記空気クラッド層の間に前記基板の一部が薄板状に存在していることを特徴としている。さらに、前記光導波路の端面と前記空気クラッド層の間の前記基板の一部の厚みは一定であることが望ましい。このため、空気クラッド層を基板内に形成した後、基板の溝内にコア材料を充填して光導波路を形成する際、コア材料が溝から空気クラッド層に流れ出て光導波路が成形不良となったり、光導波路の縁に成形バリが発生するのを防ぐことができる。つまり、基板内に空気クラッド層を有する光導波路装置を成形法により製作することが可能になる。
【００１７】
本発明のさらに別な実施態様にあっては、前記光導波路の端面が傾斜している。
【００１８】
【発明の実施の形態】
（第１の実施形態）
図２（ａ）は本発明の第１の実施形態による光導波路装置Ａの概略構成を示す平面図である。図２（ｂ）は図２（ａ）における光導波路装置ＡをＸ１−Ｘ１線に沿って切断した断面図である。この光導波路装置Ａは、主として、比較的屈折率の高い透明樹脂から成るクラッド基板１と光を閉じ込めて伝搬させる光導波路３とから構成されている。
【００１９】
クラッド基板１は射出成形等の成形法によって成形されており、クラッド基板１の表面にはＬ状に屈曲した溝２が成形され、溝２の屈曲箇所の外隅側には、平面視で直角三角形状をした凹部（空気クラッド層４）が成形されている。溝２内には、基板材料である透明樹脂よりも屈折率の高い透明樹脂をコア材料として充填して光導波路３を形成している。よって、光導波路３はＬ状に屈曲しており、この屈曲面３ａの外隅近傍で空気クラッド層４がクラッド基板１内に凹設されている。光導波路３の屈曲面３ａは、光導波路３の光軸方向に対して略４５度の角度で斜めに形成されており、光導波路３と空気クラッド層４との間には、クラッド基板１の一部が薄板状になって介在している。なお、光導波路３の屈曲面３ａと空気クラッド層４の間の樹脂（空気クラッド層４の一部）厚みは、クラッド基板１の成形時や溝２にコア材料を充填する際に破損しない限度で薄い方が好ましい。
【００２０】
この光導波路装置Ａにおいては、例えば光ファイバ５から出射されて光導波路３内に入った光は、光導波路３とクラッド基板１（あるいは、上面の空気）との界面で全反射を繰り返しながら光導波路３内を伝搬し、屈曲面３ａで全反射された光は伝搬方向を大きく（ほぼ９０°）変えられる。しかし、光導波路３の屈曲面３ａには、小さな入射角で光が入射することがあり、その場合には図２（ａ）に示すように、屈曲面３ａからクラッド基板１へ光が漏れることがある。その場合、光導波路３の屈曲面３ａから漏れた光は、クラッド基板１と空気クラッド層４との界面４ａに達する。光導波路３とクラッド基板１との屈折率差はあまり大きくとれないが、クラッド基板１と空気の屈折率差は大きくできるので、屈曲面３ａを通過した光も空気クラッド層４とクラッド基板１との界面４ａでは全反射され易くなっており、空気クラッド層４の界面４ａで全反射された光は再び屈曲面３ａを通過して光導波路３内に戻る。しかも、空気クラッド層４の全反射に利用する界面４ａを斜めに（特に、４５度の角度に）傾けておくことにより光の伝搬方向を約９０°曲げることができ、光の伝搬方向を大きく変化させることができる。よって、このような光導波路装置Ａによれば、光を光導波路３内に閉じ込めつつ効率よく光の伝搬方向を変えることができる。
【００２１】
本発明の光導波路装置Ａによれば、空気クラッド層４はクラッド基板１の成形時に同時に射出成形されているので、空気クラッド層４である基板凹部の内面の仕上げ精度（平滑度）は金型の表面仕上げ精度をそのまま反映することになり、表面仕上げ精度の高い金型を用いることで空気クラッド層４の表面、特に光導波路３から漏れた光を全反射させる界面４ａの表面荒れを極めて小さくすることができ、空気クラッド層４の表面における光の散乱や拡散を小さくでき、光導波路３内を伝搬する光の減衰を抑制できる。したがって、光導波路装置Ａの光導波特性が良くなり、光伝搬効率が高まる。
【００２２】
また、金型を用いて射出成形によりクラッド基板１や空気クラッド層４、溝２を同時に成形できるので、光導波路装置の製造プロセスを簡略化でき、光導波路装置Ａの量産性を高めることができる。
【００２３】
また、この実施形態による光導波路装置Ａでは、光導波路３と空気クラッド層４との間にクラッド基板１が介在しているので、溝２にコア材料を充填して光導波路３を形成する際にコア材料が空気クラッド層４へ流出するのを防止でき、光導波路装置Ａの製造が容易になる。
【００２４】
（第２の実施形態）
図３（ａ）は本発明の第２の実施形態による光導波路装置Ｂの概略構成を示す平面図である。図３（ｂ）は図３（ａ）における光導波路装置ＢをＸ２−Ｘ２線に沿って切断した断面図である。この実施形態における光導波路装置Ｂでも、光導波路３の屈曲面３ａと対向する位置に、クラッド基板１の一部を介して空気クラッド層４を形成している。しかし、図２に示した光導波路装置Ａでは、平面視において空気クラッド層４の全周がクラッド基板１によって囲まれていたのに対し、この光導波路装置Ｂでは空気クラッド層４と屈曲面３ａとの間にはクラッド基板１が存在しているが他の辺では、図３（ｂ）に示すように空気クラッド層４の周囲は開放されている。
【００２５】
第１の実施形態のように空気クラッド層４の全周囲が囲まれている場合、クラッド基板１の成形時に空気クラッド層４を形成するための金型部分が空気クラッド層４内にはまり込んで全周をクラッド基板１で囲まれるので当該金型部分と空気クラッド層４との分離が困難になる。これに対し、この実施形態では、空気クラッド層４を成形するための金型部分がクラッド基板１で囲まれて空気クラッド層４内にはまり込むことがないので、成形後のクラッド基板１を金型から容易に取り外すことができる。なお、第１の実施形態において、クラッド基板１を金型から容易に取り外せるようにするためには、空気クラッド層４の外周面のうち屈曲面３ａと対向している面以外の面にテーパーを施しておいてもよい。
【００２６】
（第３の実施形態）
図４（ａ）は本発明の第３の実施形態による光導波路装置Ｃの概略構成を示す平面図である。図４（ｂ）は図４（ａ）における光導波路装置ＣをＸ３−Ｘ３線に沿って切断した断面図である。この実施形態に示すように、空気クラッド層４はスリット状の溝によって形成してもよい。
【００２７】
（第４の実施形態）
図５（ａ）は本発明の第４の実施形態による光導波路装置Ｄの概略構成を示す平面図である。図５（ｂ）は図５（ａ）における光導波路装置ＤをＸ４−Ｘ４線に沿って切断した断面図である。この実施形態では、光導波路３の一部を円弧状に湾曲させており、それに応じて空気クラッド層４とクラッド基板１との界面４ａも円弧状に屈曲させている。
【００２８】
この光導波路装置Ｄにおいても、光導波路３内を伝搬する光は、光導波路３とクラッド基板１（あるいは、上面の空気）との界面で全反射を繰り返しながら光導波路３内を伝搬し、屈曲面３ａで全反射された光は伝搬方向を大きく（ほぼ９０°）変えられる。また、屈曲面３ａからクラッド基板１へ光が漏れた場合には、光導波路３の屈曲面３ａから漏れた光は、クラッド基板１と空気クラッド層４との界面４ａに達する。そして、空気クラッド層４の界面４ａで全反射された光は再び屈曲面３ａを通過して光導波路３内に戻る。
【００２９】
このように光導波路３を湾曲させる場合、その曲率が大きいと光が漏れ易くなるが、この実施形態のように湾曲部分の外側に空気クラッド層４を設けることによって光の漏れを小さくでき、光の導波効率を高めることができる。
【００３０】
（第５の実施形態）
図６（ａ）（ｂ）は本発明の第５の実施形態による光導波路装置Ｅの概略構成を示す斜視図及び断面図である。この実施形態では、クラッド基板１に形成された光導波路３の左右両側面及び下面を覆うようにして、クラッド基板１を隔てて、クラッド基板１にスリット状ないし溝状の空気クラッド層４が形成されている。また、光導波路３の上面では、空気（大気）が空気クラッド層の働きをしている。従って、４面の空気クラッド層により高い光閉じ込め効果をもって光導波路３内に光を閉じ込めることができる。
【００３１】
このように本発明は、直線状の光導波路３の場合にも用いることができるものであり、また、スリット状の空気クラッド層４を用いることによって空気クラッド層４の占有面積を小さくでき、光導波路装置Ｅを小型化することができる。
【００３２】
（第６の実施形態）
図７（ａ）は本発明の第６の実施形態による光導波路装置Ｆの概略構成を示す平面図である。図７（ｂ）は図７（ａ）における光導波路装置ＦをＸ５−Ｘ５線に沿って切断した断面図である。この実施形態にあっては、クラッド基板１の上面に溝２を形成し、その溝２内にコア材料を充填して光導波路３を形成してあり、光導波路３の先端は斜めに傾斜させられている。一方、クラッド基板１の裏面では、光導波路３の先端に対向する位置において、断面が直角三角形状をした空気クラッド層４が凹設されており、空気クラッド層４と光導波路３との間には薄板状にクラッド基板１が介在している。
【００３３】
しかして、この光導波路装置Ｆによれば、光導波路３内を伝搬してきた光は、光導波路３の先端面でクラッド基板１を透過して空気クラッド層４との界面４ａに達し、当該界面４ａで全反射されて上方へ出射される。よって、このような光導波路装置Ｆによれば、図８に示すように、クラッド基板１の上面に受光素子６などを配置することができ、受光素子６等を含めた光導波路装置Ｆの実装面積を小さくすることができる。
【００３４】
【発明の効果】
本発明の光導波路装置にあっては、光導波路に隣接する箇所に空気クラッド層となる凹部が形成されているので、光導波路から出て空気クラッド層の界面に達した光は空気クラッド層の界面で全反射して再び光導波路内に戻され、光の閉じ込め効果が高くなる。しかも、本発明にあっては、空気クラッド層を基板成形時に同時に成形しているので、空気クラッド層の界面における樹脂表面の仕上げ精度は、金型のキャビティ内の表面仕上げ精度がそのまま反映することになり、平滑に仕上げることができる。よって、空気クラッド層の界面における散乱や乱反射を抑制することができ、光導波路装置の光導波特性や光伝搬効率を向上させることができる。また、本発明の光導波路装置は、成形法によって製造することができるので、製造工程が少なく、量産に適し、製造コストを安価にすることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】特開平４−７５０８号公報に開示された製造方法を説明するための各製造工程における光導波路装置の斜視図である。
【図２】（ａ）は本発明の第１の実施形態による光導波路装置の概略構成を示す平面図であり、（ｂ）は（ａ）における光導波路装置をＸ１−Ｘ１線に沿って切断した断面図である。
【図３】（ａ）は本発明の第２の実施形態による光導波路装置の概略構成を示す平面図であり、（ｂ）は（ａ）における光導波路装置をＸ２−Ｘ２線に沿って切断した断面図である。
【図４】（ａ）は本発明の第３の実施形態による光導波路装置の概略構成を示す平面図であり、（ｂ）は（ａ）における光導波路装置をＸ３−Ｘ３線に沿って切断した断面図である。
【図５】（ａ）は本発明の第４の実施形態による光導波路装置の概略構成を示す平面図であり、（ｂ）は（ａ）における光導波路装置をＸ４−Ｘ４線に沿って切断した断面図である。
【図６】（ａ）は本発明の第５の実施形態による光導波路装置の概略構成を示す平面図であり、（ｂ）は（ａ）における光導波路装置の断面図である。
【図７】（ａ）は本発明の第６の実施形態による光導波路装置の概略構成を示す平面図であり、（ｂ）は（ａ）における光導波路装置をＸ５−Ｘ５線に沿って切断した断面図である。
【図８】同上の光導波路装置に受光素子を実装した様子を示す断面図である。
【符号の説明】
１基板
２溝
３光導波路
３ａ屈曲面
４空気クラッド層
４ａ反射面

Claims

樹脂成形された基板と、該基板の一方主面に形成された溝にコア材料を充填して形成された光導波路とを備えた光導波路装置であって、
前記基板の成形時に、前記基板の一方主面に溝が設けられると共に当該溝の端面がその先端に向かうにつれて溝の深さが次第に小さくなるように形成され、前記基板の他方主面において前記溝の端面に対向する箇所に前記溝との間に前記基板の一部を介在させて空気クラッド層が凹設され、
前記溝に充填された前記光導波路の端面に対向している前記クラッド層の面が、前記光導波路を伝搬してきた光を反射させて前記基板の前記一方主面側へ向かわせるように傾斜した面に形成され、
前記基板の前記空気クラッド層を挟んで前記光導波路と反対側の部分が、前記溝の底部分における前記基板の厚みよりも大きな厚みを有していることを特徴とする光導波路装置。
前記空気クラッド層の前記光導波路の端面に対向している面で反射された光が出射される側の主面に、前記光導波路と光学結合するように光学素子が配置されており、
前記光学素子は、前記基板の前記厚みの大きな部分と前記基板の前記光導波路と同じ側の部分との両側に跨るように配置されていることを特徴とする、請求項１に記載の光導波路装置。
前記光導波路の端面が、傾斜していることを特徴とする、請求項１に記載の光導波路装置。
前記光導波路の端面と前記空気クラッド層の間に前記基板の一部が薄板状に存在していることを特徴とする、請求項１に記載の光導波路装置。
前記光導波路の端面と前記空気クラッド層の間の前記基板の一部の厚みが一定であることを特徴とする、請求項１に記載の光導波路装置。