JP4423668B2 - 光導波路 - Google Patents

Description

本発明は、光ファイバーを結合するため光学デバイスである光導波路に関する。光ファイバーを結合するため光学デバイスは、一般に、光ファイバーの結合において、過剰損失、伝搬損失、結合損失が発生するが、本発明は、このうち結合損失すなわち断面が円形の光ファイバーを断面矩形の導波路基板に結合する際の結合損失が少ない光導波路に関する。

従来、図７に示すように、断面が円形の光ファイバー２００の端部を、断面が矩形の角柱形導波路基板２０２に結合する場合、設計的には、両者の中心位置を一致させる。その場合の損失は、横軸に入力ずれ量（μｍ）、縦軸に損失量（ｄＢ）をとった図９の三角点を結ぶグラフ２０４で示すように、波長６６０ｎｍの場合に、両者の中心位置に一致したとき、ほぼ０ｄＢであるが、入力がずれた場合、二次関数にように損失が急激に増大する。波長が７８０ｎｍについて示す図１０についても、三角点を結ぶグラフ２１０で示すように、ほぼ同一の傾向である。

従来、断面が円形の光ファイバーの端部を、断面が矩形の導波路基板に結合する場合の両者の位置ずれに対応した損失の急激な増大を避けるために、図８に示すように、漏斗形あるいはテーパー形と言われるものが使用されている。このテーパー形導波路基板の損失量は、図９及び図１０に四角点を結ぶグラフ２２０、２２２で示すように、入力位置ずれが零の場合は２．０００ｄＢ弱の損失があるが、入力位置ずれに対応する損失量は、約１１．５μｍを超えると角柱形導波路基板より小さくなる。

従来の光導波路結合用の光導波路の上述した問題に鑑みてなされたものであって、光ファイバーを結合するため光学デバイスの結合損失が小さい、特に光ファイバーと導波路基板の位置ずれが一定範囲内で大きくなっても、光損失が一定範囲内の小さな値である光学デバイスを提供することを目的とする。

本発明は、コアとクラッドからなり、入力端部が入力光導波路部から入力を受け、出力端部が出力光導波路部へ出力する光導波路であって、前記コアの厚さが一定で、幅が少なくとも２段の段階状であり、入力側のコアの幅が出力側より大きいことを特徴とする光導波路である。

本発明は、前記入力光導波路部及び前記出力光導波路部が、シングルモード光導波路部であることを特徴とする。
本発明はまた、前記入力光導波路部の中心が、前記光導波路の入力端部の幅方向中心と一致していないことを特徴とする。

本発明はまた、前記出力光導波路部の中心が、前記光導波路の出力端部の幅方向中心と一致していることを特徴とする。

本発明はまた、コアとクラッドからなり、入力端部が入力光導波路から入力を受け、出力端部が出力光導波路へ出力する光導波路であって、前記コアの厚さが一定で、幅が少なくとも２段の段階状であり、入力側のコアの幅が出力側より大きく、
前記入力側端部が直線マルチモード光導波路部で、前記出力側端部がシングルモード光導波路部であり、前記入力側端部の直線マルチモード光導波路部の中心線と、前記出力側端部のシングルモード光導波路部の中心線が一致していることを特徴とする光導波路である。

本発明によれば、光ファイバーを結合するため光学デバイスの結合損失が小さい、特に光ファイバーと導波路基板の位置ずれが一定範囲内で大きくなっても、光損失が一定範囲内の小さな値である光導波路を構成することができる。

（第１実施例）
本発明の第１実施例の第１光導波路１は、波長７８０ｎｍの光束を使用するものであって、図１に示すように、厚さ３μｍ、幅１１μｍ、長さ５００μｍの第１光導波路部１０と、厚さ３μｍ、幅５μｍ、長さ６３μｍの第２光導波路部２６、及び厚さ３μｍ、幅３μｍ、長さ１００μｍの第３光導波路部３０を想定してシュミレーションを行った。第１光導波路部１０は、材質フッ素化ポリイミド、屈折率１．５２７４であり、クラッドは、材質フッ素化ポリイミド、屈折率１．５２２７である。

第１実施例の第１光導波路１における光導波の状況のシュミレーションは、各位置における光量を等高線式に表示した図２に示すように、第１光導波路部１０の入力側端面部１２の幅方向中心から幅方向に２．５μｍずれた位置に、直径３μｍの光ファイバー２０から波長７８０ｎｍの光束を入射させた。２４は、第１光導波路部１０出力側端面部である。

その時の第１光導波路部１０における光量分布は、図２に示すように、第１光導波路部１０の入力側端面部１２から１８０μｍ入った位置において、入力側端面部１２の幅方向中心から幅方向に１．８μｍずれた位置に、光量極大領域が形成されている。従って、光導波路の第１段を形成する第１光導波路部コア１０は、長さ１８０μｍとすべきである。

第２光導波路部２６における光量分布は、各位置における光量を等高線式に表示した図３に示すように、第２光導波路部２６の入力側端面部２８の幅方向中心から幅方向に１．８μｍずれた位置に、光束を入射させた。第２光導波路部２６の入力側端面部２８から６３μｍ入った位置において、入力側端面部２４の幅方向中心から幅方向の中心付近に、光量極大領域が形成されている。従って、光導波路の第２段を形成する第２光導波路部２６は、長さ６３μｍとすべきである。

なお、図３において、第２光導波路部２６の入力側端面部２８の左側に直線的に延びる光量極大領域は、第２光導波路部２６の入力側端面部２４の幅方向中心から幅方向に１．８μｍずれた位置に光束を入射させるための幅３μｍの実験用光導波路（図示せず）である。

図１に示すように、第２光導波路部２６の出力端面部４０のほぼ中心と、幅３μｍの第３光導波路部３０の中心とを一致させる。このように構成することによって、第１光導波路部１０の入力側端面部２４の幅方向中心から幅方向に２．５μｍずれた位置に入射した光束は、非常に少ない損失で第３光導波路部３０に光束の伝播を行うことができる。

波長６６０ｎｍに関し、入力ずれ量（μｍ）、縦軸に損失量（ｄＢ）をとった図９において、第１実施例の光導波路に関するの光導波路を結合するため光学デバイスの結合損失、すなわち光ファイバーと導波路基板の位置ずれと、光損失の関係を、ひし形点を結ぶグラフ２３０で示す。位置ずれが零の場合は、損失が３．５ｄＢと大きいが、位置ずれが４μｍを超えても損失が大きくならないことが判る。

（第２実施例）
本発明の第２実施例の第１光導波路１０１は、波長６６０ｎｍの光束を使用するものであって、図４に示すように、厚さ３μｍ、幅１１μｍ、長さ５５０μｍの第１光導波路部１１０と、厚さ３μｍ、幅５μｍ、長さ６７μｍの第２光導波路部１２６、及び厚さ３μｍ、幅３μｍ、長さ１００μｍの第３光導波路部１３０を想定してシュミレーションを行った。第１光導波路部１０１は、材質フッ素化ポリイミド、屈折率１．５２７４であり、クラッドは、材質フッ素化ポリイミド、屈折率１．５２２７である。

第２実施例の第１光導波路１０１における光導波の状況のシュミレーションは、各位置における光量を等高線式に表示した図５に示すように、第２光導波路部１２６入力側端面部１１２の幅方向中心から幅方向に２．５μｍずれた位置に、光ファイバーから波長６６０ｎｍの光束を入射させた。１２４は、第１光導波路部１１０出力側端面部である。

その時の第１光導波路部１１０における光量分布は、図４に示すように、第１光導波路部コア１１０の入力側端面部１１２から１８０μｍ入った位置において、入力側端面部１１２の幅方向中心から幅方向に１．９μｍずれた位置に、光量極大領域が形成されている。従って、光導波路の第１段を形成する第１光導波路部コア１１０は、長さ１８０μｍとすべきである。

第２光導波路部１２６における光量分布は、各位置における光量を等高線式に表示した図６に示すように、第２光導波路部１１２の入力側端面部１２４の幅方向中心から幅方向に１．９μｍずれた位置に、光束を入射させた。第２光導波路部１２０の入力側端面部１２４から６７μｍ入った位置において、入力側端面部１２４の幅方向の中心付近に、光量極大領域が形成されている。従って、光導波路の第２段を形成する第２光導波路部１２０は、長さ２３０μｍとする。

なお、図６において、第２光導波路部１２０の入力側端面部１２４の左側に直線的に延びる光量極大領域は、第２光導波路部１２０の入力側端面部１２４の幅方向中心から幅方向に１．９μｍずれた位置に光束を入射させるための幅３μｍの実験用光導波路１２０である。

第２光導波路部１２０の出力端面部１２４のほぼ中心から、図４に示すように、幅３μｍの第３光導波路部１３０の中心に入射する。このように構成することによって、第１光導波路部１１０の入力側端面部１２４の幅方向中心から幅方向に２．５μｍずれた位置に入射した光束は、非常に少ない損失で光束の伝播を行うことができる。

（第３実施例）
第１実施例及び第２実施例においては、第１光導波路部１０、１１０により中心ずれして入射した光束を射出面においてより中心軸に近づけ、さらに第２光導波路部２６、１２６により入射面において中心ずれした入射した光束を射出面においてほぼ中心軸上から射出し、すなわち２段階で光束を射出面の中心軸上付近から射出していた。しかしこの段数には限定がなく、１段、あるいは３段以上であってもよい。

本発明の光導波路のコア材料、クラッド材料としてはガラスや半導体材料等の無機材料、樹脂等の有機材料など様々なものが挙げられるが、樹脂等のポリマーがドライエッチング等により短時間で加工しやすいため好ましい。このようなポリマーとしてはいずれのものも使用できるが、具体例としては、ポリイミド系樹脂（例、ポリイミド樹脂、ポリ（イミド・イソインドロキナゾリンジオンイミド）樹脂、ポリエーテルイミド樹脂、ポリエーテルケトン樹脂、ポリエステルイミド樹脂等）、シリコーン系樹脂、アクリル系樹脂、ポリスチレン系樹脂、ポリカーボネート系樹脂、ポリアミド系樹脂、ポリエステル系樹脂、フェノール系樹脂、ポリキノリン系樹脂、ポリキノキサリン系樹脂、ポリベンゾオキサゾール系樹脂、ポリベンゾチアゾール系樹脂、ポリベンゾイミダゾール系樹脂、及びフォトブリーチング用樹脂（例、特開２００１−２９６４３８号公報記載のポリシラン、ニトロン化合物を有するシリコーン樹脂、ＤＭＡＰＮ｛（４−Ｎ，Ｎ−ジメチルアミノフェニル）−Ｎ−フェニルニトロン｝を含有するポリメタクリル酸メチル、ダイポリマー（dye polymer）、ニトロン化合物を含有するポリイミド樹脂あるいはエポキシ樹脂、特開２０００−６６０５１号公報記載の加水分解性シラン化合物等）が挙げられる。上記樹脂はフッ素原子を有しているものであってもよい。ポリマーとして好ましいものとしては、ガラス転移温度（Ｔｇ）が高く、耐熱性に優れることからポリイミド樹脂が挙げられ、その中でも透過率、屈折率特性からフッ素を含むポリイミド系樹脂が特に好ましい。

フッ素を含むポリイミド系樹脂としては、フッ素を含むポリイミド樹脂、フッ素を含むポリ（イミド・イソインドロキナゾリンジオンイミド）樹脂、フッ素を含むポリエーテルイミド樹脂、フッ素を含むポリアミドイミド樹脂などが挙げられる。

上記フッ素を含むポリイミド系樹脂の前駆体溶液は、Ｎ−メチル−２−ピロリドン，Ｎ，Ｎ−ジメチルアセトアミド、γ−ブチロラクトン、ジメチルスルホキシドなどの極性溶媒中で、テトラカルボン酸二無水物とジアミンを反応させることにより得られる。フッ素は、テトラカルボン酸二無水物とジアミンの両者に含まれていても良いし、いずれか一方にのみ含まれていてもよい。
また、上記フッ素を含まないポリイミド系樹脂の前駆体溶液は、Ｎ−メチル−２−ピロリドン，Ｎ，Ｎ−ジメチルアセトアミド、γ−ブチロラクトン、ジメチルスルホキシドなどの極性溶媒中で、フッ素を含まないテトラカルボン酸二無水物とフッ素を含まないジアミンを反応させることにより得られる。

フッ素を含む酸二無水物の例としては、（トリフルオロメチル）ピロメリット酸二無水物、ジ（トリフルオロメチル）ピロメリット酸二無水物、ジ（ヘプタフルオロプロピル）ピロメリット酸二無水物、ペンタフルオロエチルピロメリット酸二無水物、ビス｛３，５−ジ（トリフルオロメチル）フェノキシ｝ピロメリット酸二無水物、２，２−ビス（３，４−ジカルボキシフェニル）ヘキサフルオロプロパン二無水物、５，５′−ビス（トリフルオロメチル）−３，３′，４，４′−テトラカルボキシビフェニル二無水物、２，２′，５，５′−テトラキス（トリフルオロメチル）−３，３′，４，４′−テトラカルボキシビフェニル二無水物、５，５′−ビス（トリフルオロメチル）−３，３′，４，４′−テトラカルボキシジフェニルエーテル二無水物、５，５′−ビス（トリフルオロメチル）−３，３′，４，４′−テトラカルボキシベンゾフェノン二無水物、ビス｛（トリフルオロメチル）ジカルボキシフェノキシ｝ベンゼン二無水物、ビス｛（トリフルオロメチル）ジカルボキシフェノキシ｝（トリフルオロメチル）ベンゼン二無水物、ビス（ジカルボキシフェノキシ）（トリフルオロメチル）ベンゼン二無水物、ビス（ジカルボキシフェノキシ）ビス（トリフルオロメチル）ベンゼン二無水物、ビス（ジカルボキシフェノキシ）テトラキス（トリフルオロメチル）ベンゼン二無水物、２，２−ビス｛（４−（３，４−ジカルボキシフェノキシ）フェニル｝ヘキサフルオロプロパン二無水物、ビス｛（トリフルオロメチル）ジカルボキシフェノキシ｝ビフェニル二無水物、ビス｛（トリフルオロメチル）ジカルボキシフェノキシ｝ビス（トリフルオロメチル）ビフェニル二無水物、ビス｛（トリフルオロメチル）ジカルボキシフェノキシ｝ジフェニルエーテル二無水物、ビス（ジカルボキシフェノキシ）ビス（トリフルオロメチル）ビフェニル二無水物などが挙げられる。

フッ素を含むジアミンとしては、例えば、４−（１Ｈ，１Ｈ，１１Ｈ−エイコサフルオロウンデカノキシ）−１，３−ジアミノベンゼン、４−（１Ｈ，１Ｈ−パ−フルオロ−１−ブタノキシ）−１，３−ジアミノベンゼン、４−（１Ｈ，１Ｈ−パーフルオロ−１−ヘプタノキシ）−１，３−ジアミノベンゼン、４−（１Ｈ，１Ｈ−パーフルオロ−１−オクタノキシ）−１，３−ジアミノベンゼン、４−ペンタフルオロフェノキシ−１，３−ジアミノベンゼン、４−（２，３，５，６−テトラフルオロフェノキシ）−１，３−ジアミノベンゼン、４−（４−フルオロフェノキシ）−１，３−ジアミノベンゼン、４−（１Ｈ，１Ｈ，２Ｈ，２Ｈ−パーフルオロ−１−ヘキサノキシ）−１，３−ジアミノベンゼン、４−（１Ｈ，１Ｈ，２Ｈ，２Ｈ−パーフルオロ−１−ドデカノキシ）−１，３−ジアミノベンゼン、２，５−ジアミノベンゾトリフルオライド、ビス（トリフルオロメチル）フェニレンジアミン、ジアミノテトラ（トリフルオロメチル）ベンゼン、ジアミノ（ペンタフルオロエチル）ベンゼン、２，５−ジアミノ（パーフルオロヘキシル）ベンゼン、２，５−ジアミノ（パーフルオロブチル）ベンゼン、２，２′−ビス（トリフルオロメチル）−４，４′−ジアミノビフェニル、３，３′−ビス（トリフルオロメチル）−４，４′−ジアミノビフェニル、オクタフルオロベンジジン、４，４′−ジアミノジフェニルエーテル、２，２−ビス（ｐ−アミノフェニル）ヘキサフルオロプロパン、１，３−ビス（アニリノ）ヘキサフルオロプロパン、１，４−ビス（アニリノ）オクタフルオロブタン、１，５−ビス（アニリノ）デカフルオロペンタン、１，７−ビス（アニリノ）テトラデカフルオロヘプタン、２，２′−ビス（トリフルオロメチル）−４，４′−ジアミノジフェニルエーテル、３，３′−ビス（トリフルオロメチル）−４，４′−ジアミノジフェニルエーテル、３，３′，５，５′−テトラキス（トリフルオロメチル）−４，４′−ジアミノジフェニルエーテル、３，３′−ビス（トリフルオロメチル）−４，４′−ジアミノベンゾフェノン、４，４′−ジアミノ−ｐ−テルフェニル、１，４−ビス（ｐ−アミノフェニル）ベンゼン、ｐ−ビス（４−アミノ−２−トリフルオロメチルフェノキシ）ベンゼン、ビス（アミノフェノキシ）ビス（トリフルオロメチル）ベンゼン、ビス（アミノフェノキシ）テトラキス（トリフルオロメチル）ベンゼン、２，２−ビス｛４−（４−アミノフェノキシ）フェニル｝ヘキサフルオロプロパン、２，２−ビス｛４−（３−アミノフェノキシ）フェニル｝ヘキサフルオロプロパン、２，２−ビス｛４−（２−アミノフェノキシ）フェニル｝ヘキサフルオロプロパン、２，２−ビス｛４−（４−アミノフェノキシ）−３，５−ジメチルフェニル｝ヘキサフルオロプロパン、２，２−ビス｛４−（４−アミノフェノキシ）−３，５−ジトリフルオロメチルフェニル｝ヘキサフルオロプロパン、４，４′−ビス（４−アミノ−２−トリフルオロメチルフェノキシ）ビフェニル、４，４′−ビス（４−アミノ−３−トリフルオロメチルフェノキシ）ビフェニル、４，４′−ビス（４−アミノ−２−トリフルオロメチルフェノキシ）ジフェニルスルホン、４，４′−ビス（３−アミノ−５−トリフルオロメチルフェノキシ）ジフェニルスルホン、２，２−ビス｛４−（４−アミノ−３−トリフルオロメチルフェノキシ）フェニル｝ヘキサフルオロプロパン、ビス｛（トリフルオロメチル）アミノフェノキシ｝ビフェニル、ビス〔｛（トリフルオロメチル）アミノフェノキシ｝フェニル〕ヘキサフルオロプロパン、ビス｛２−〔（アミノフェノキシ）フェニル〕ヘキサフルオロイソプロピル｝ベンゼンなどが挙げられる。

上記のテトラカルボン酸二無水物およびジアミンは二種以上を併用してもよい。ポリイミド系樹脂の前駆体溶液として、感光性を有するものを使用することもできる。
ポリイミド系樹脂前駆体溶液は、スピナあるいは印刷などによる方法により基板表面上に塗布され、最終温度２００〜４００℃で熱処理し硬化されてポリイミド系樹脂被膜とされる。

本発明の第１実施例の光導波路の平面図である。 本発明の第１実施例の光導波路の第１光導波路部の光量分布図である。 本発明の第１実施例の光導波路の第２光導波路部の光量分布図である。 本発明の第２実施例の光導波路の平面図である。 本発明の第２実施例の光導波路の第１光導波路部の光量分布図である。 本発明の第２実施例の光導波路の第２光導波路部の光量分布図である。 従来の光導波路結合の説明図である。 従来の他の光導波路結合の説明図である。 波長６６０についての入力ずれ量（μｍ）と損失量（ｄＢ）との関係を示すグラフである。 波長７８０についての入力ずれ量（μｍ）と損失量（ｄＢ）との関係を示すグラフである。

符号の説明

１ 第１光導波路
１０ 第１光導波路部
２４ 入力側端面部
２６ 第２光導波路部
２８ 出力側端面部
３０ 第３光導波路部
４０ 出力側端面部

Claims (6)

1. 入力光導波路部と、出力光導波路部と、前記出力光導波路部とともに導波路基板に形成された光導波路部とを有し、前記光導波路部は、コアとクラッドからなり、前記光導波路部の入力端部が前記入力光導波路部から入力を受け、前記光導波路部の出力端部が前記出力光導波路部へ出力する光導波路であって、
   前記入力光導波路部が、光ファイバーであり、この光ファイバーの中心が、前記光導波路部の入力端部の幅方向中心と一致しておらず、
   前記出力光導波路部の中心が、前記光導波路部の出力端部の幅方向中心と一致しており、
   前記光導波路部のコアは、その厚さが一定で、幅が異なる少なくとも２段の段階状であり、幅の異なる前記光導波路部の各段は、幅方向中心が一致しており、入力側の段の幅が出力側の段の幅よりも大きく、
   幅の異なる前記光導波路部の最終段以外の各段において、その入射面にその幅方向に中心ずれして入射した光束が、その出射面において、前記入射面の中心ずれ量よりも小さな中心ずれ量だけ幅方向中心からずれた位置に光量極大領域を形成するように、入射面から出射面までの長さが設定され、
   幅の異なる前記光導波路部の最終段において、その入射面においてその幅方向に中心ずれして入射した光束が、その出射面において、ほぼ幅方向中心から出射されることを特徴とする光導波路。
2. 前記光ファイバーが、シングルモード光ファイバーであることを特徴とする請求項１に記載の光導波路。
3. 前記光ファイバーのコアの直径と前記出力光導波路部のコアの幅とが同一であることを特徴とする請求項１に記載の光導波路。
4. 幅の異なる前記光導波路部の最初の段が直線マルチモード光導波路部で構成され、幅の異なる前記光導波路部の最終段がシングルモード光導波路部で構成されることを特徴とする請求項１に記載の光導波路。
5. 前記光導波路部のコアは、２段の段階状であり、厚さが３μｍであり、入力側の段の幅が１１μｍであり、出力側の段の幅が５μｍであり、波長７８０ｎｍを使用するために、入力側の段の長さが５００μｍであり、出力側の段の長さが６３μｍであることを特徴とする請求項１に記載の光導波路。
6. 前記光導波路部のコアは、２段の段階状であり、厚さが３μｍであり、入力側の段の幅が１１μｍであり、出力側の段の幅が５μｍであり、波長６６０ｎｍを使用するために、入力側の段の長さが５５０μｍであり、出力側の段の長さが６７μｍであることを特徴とする請求項１に記載の光導波路。

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