JP6101790B2 - 光結合装置および当該装置の製造方法 - Google Patents

Description

発明の分野
本発明は、光結合装置および当該装置の製造方法に関する。特に、本発明は、光ファイバネットワークでの使用に適したものなどの光結合装置の構成および構造に関する。

発明の背景
発光素子または受光素子と光導波路との間で光を結合するためのいくつかのアプローチが知られている。これは、一般に、光ビームの方向を例えば９０度変化させることを含む。残念ながら、これらの技術は、通常、光結合効率が低い。

まず、回折によって光の方向を変化させて入射光の角度を所望の方向に変化させることができるようにするために回折格子が使用されてきた。しかし、回折格子は、特定の光の波長に限定される。また、回折格子を利用する用途では、光源と導波路との間の結合効率が通常低い。結合効率を優れたものにするためには、高価な集積技術を実現する必要がある。

反射によって光の方向を９０度変化させるために４５度ミラーも使用されてきた。しかし、このようなミラーを利用する用途では、光源と導波路との間の結合効率が通常低い。さらに、ミラー角度、位置および面の平坦性の精度が結合効率に影響を及ぼす可能性がある。また、ミラーまたは反射器の位置合わせが問題である。所望の結果を達成するにはミラー角度が非常に重要である。導波路の寸法を小さくすると、例えば導波路の厚みが５０μｍ未満であると、これらの問題は悪化する。

高屈折率プリズムを用いて導波路および入射光における伝搬定数間の位相マッチングを行うためにプリズム結合が使用されてきた。しかし、プリズムは、一般に高価であり、ある程度の位置合わせが光結合に依然として必要である。伝搬方向モードを励起させて光結合を容易にするエバネセント波方法も使用されてきた。しかし、この方法では、例えば５０μｍ未満の非常に薄い導波路が用いられ、通常それほど効率的でない。

効率的かつ許容可能なコストで光を導波路に結合させることができる光結合構造が依然として必要である。

上記の点に鑑みて、本発明の発明者等は、これらの問題のうちのいくつかに対処できる光結合器を以前より提案してきた。これは、ＰＣＴ出願番号第ＰＣＴ／ＳＧ２０１１／０００３１７号に記載されており、当該ＰＣＴ出願番号第ＰＣＴ／ＳＧ２０１１／０００３１７号は、本願の優先日時点では未公開であったが、その開示内容は全文が本明細書に援用される。

ＰＣＴ／ＳＧ２０１１／００３１７号の光結合器は、光を１つ以上の導波路に伝えるように配置された結合スポットを有している。１つのこのような光結合器が図１に断面図で示されている。図１は、当該図の両側に延びる２つの細長い導波路コア１を示す。導波路コア１は、クラッド層２の上方にある。導波路コア同士の間には、ナノサイズの粒子が埋め込まれたポリマーマトリックスからなる結合スポット４がある。「ナノ粒子」という用語は、本文献では、１ミクロン未満の最大直径を有する粒子（すなわち、サブミクロン粒子）を指すために用いられている。望ましくは、全ての粒子がサブミクロン範囲の直径を有している。なお、光結合器は、結合スポット４と接触するさらなる導波路コアを含んでいてもよく、当該さらなる導波路コアは、当該図の平面にないので図１には図示されていない。これらは、当該図の平面から外の方向に結合スポット４から離れるように延びている。

結合スポット４の上面は、中央アパーチャを含む第１の反射ミラー５（断面図に図示）を担持している。入射光１１（図では下向きに伝搬するように図示）は、第１の反射ミラー５におけるアパーチャを通って結合スポット４に入ることができる。結合スポット４において、結合スポット内のナノ粒子によって光が周囲の導波路コア１に散乱される。結合された光を導波路コア内に閉じ込めるために、クラッド層２は、導波路コア材料よりも屈折率が低くなっている。クラッド層２と結合スポット４との間には後方反射ミラー６があり、非散乱光または前方散乱光を後方反射ミラー６から反射させることができ、その過程で、ナノ粒子によって散乱させて周囲の導波路１に結合させる別の機会を有することができる。第１の反射ミラー５は、光が結合スポットから上向きに出て行くことを抑制する。なお、結合スポット４およびそのミラー５，６は、光共振器として機能する。

図１の配置は、上記の公然知られたシステムに優る重要な利点、特に光を導波路コア１に結合する効率が高く、位置合わせ許容差が低いという利点を提供する。

このような光結合器を作製するための１つの便利な方法（ＰＣＴ／ＳＧ２０１１／０００３１７号にははっきりとは記載されていない）が図２に示されている。図３は、この方法のステップを示す。出発点は、図２（ａ）に示される基板３である。この上に、ステップ２１（図３に図示）において、図２（ｂ）に示されるように、５μｍなどの所望の厚みのクラッド層２を堆積させる。ステップ２２において、図２（ｃ）に示されるように、クラッド層２の上に後方反射ミラー６を堆積させる。次いで、ステップ２３において、図２（ｄ）に示されるように、導波路コア１同士の間であって後方反射ミラー６の部分の上に空隙を残して、導波路コア１を堆積させる。次いで、図２（ｅ）に示されるように、ステップ２４において、散乱素子を含む液体ポリマーを当該空隙に供給し、硬化させて、結合スポット４を形成する。硬化後、図２（ｆ）に示されるように、結合スポット４の上に第１の反射ミラー５を形成する。これは、ステップ２５においてフォトリソグラフィ技術（フォトレジストの層を堆積させ、パターニングされたフォトマスクを介して紫外線（ＵＶ）光をフォトレジストにあてることによって層の選択された部分を除去し、次いで現像ステップにおいて、紫外線にさらされたフォトレジストの部分を除去する）を用いて、パターニングされたフォトレジスト構造を形成し、ステップ２６において、パターニングされたフォトレジスト構造の上に金属層を堆積させて、パターニングされたフォトレジスト構造およびその上の金属層の部分を除去するリフトオフプロセスを実施することによって、なされる。

しかし、本発明の発明者等は、ポリマーの特定の配合では、液体ポリマーを硬化させた結果、構造が図２（ｅ）に示されるようなものではなく図４（ａ）に示されるようなものになることに気付いた。すなわち、ポリマーは、硬化時に収縮を示し得る。この場合、結合スポット４の高さが導波路と均一に同じ高さにならず、結合スポットの上面が不均一になる。図４（ｂ）〜図４（ｆ）は、第１の反射ミラー５を形成するステップ中のこの結果を示す。上記のように、このプロセスは、図４（ｂ）に示されるように図４（ａ）の構造の上にフォトレジストの層１３１を堆積させ、図４（ｃ）に示されるようにフォトマスク１３３を介してその一部を紫外線光にさらすことを含む。次いで、紫外線にさらされたフォトレジストの部分を除去する現像段階がある。これにより、フォトレジスト１３１がパターニングされる。

これに続いて、図４（ｄ）に示されるように、（例えば、蒸発、スパッタリングまたは化学蒸着（chemical-vapor deposition：ＣＶＤ）によって）表面を金属原子１３５でコーティングして、図４（ｅ）に示される構造を生成する。次いで、第１の反射ミラー５を含む図４（ｆ）に示される構造を残して、フォトレジスト１３１を除去する。第１の反射ミラー５は、フォトレジスト１３１の上に堆積されなかった金属原子１３５からなっている。図４（ｆ）に示されるように、第１の反射ミラー５は平坦ではない。当該配置全体は、寸法上の不正確さにさらされる恐れがある。特に、この技術は、非常に優れた忠実度でアパーチャパターンを再生することができない。

発明の概要
本発明は、新規で有用な光結合装置および当該装置の作製方法を提供することを目的としている。

本発明は、ＰＣＴ／ＳＧ２０１１／０００３１７号の原理を基礎としている。大まかに言うと、本発明は、結合スポットが透明な基板の上に形成され、使用時に光が透明な基板を通って結合スポットに入ることを提案している。したがって、硬化時に不均一になる恐れがある結合スポットの面は、光が結合スポットに入る面とは反対側の面である。これにより、いかなる不均一さもその重要性が減少する。この上下逆さの構成により、硬化時の結合スポット材料の収縮の影響を軽減する作製方法が可能になる。

ＰＣＴ／ＳＧ２０１１／０００３１７号にあるように、結合スポットは、アパーチャを含む第１の反射ミラーと後方反射ミラーとの間にはさまれている。しかし、図１に示される配置とは異なって、第１の反射ミラーは、透明な基板の方を向いた結合スポットの面にある。結合スポットが作製される前に第１の反射ミラーが作製され、これにより、結合スポット材料が硬化されるときのアパーチャのいかなる変化も最小化され、さらには排除される。

また、ＰＣＴ／ＳＧ２０１１／０００３１７号にあるように、光結合装置は、クラッド層を含んでいる。このクラッド層は、透明な層の上であって、結合スポットの下に形成されている（すなわち、結合スポットは、透明な層の上にあるが、透明な層とは接触しておらず、結合スポットは、少なくともクラッド層の分だけ透明な層から間隔があいている）。

好ましくは、クラッド層と透明な層との間に第２の反射ミラーが設けられており、そのアパーチャは、第１の反射ミラーにおけるアパーチャと位置合わせされている。これにより、迷光が最小化され、そのため光媒体におけるデータの送信中の信号対雑音比が向上する。第２の反射ミラーは、２つの目的を果たす。第１に、アパーチャのサイズは、結合スポットから反射された迷光の入射角を制御する働きをし、これにより透明な基板内の迷光の内部反射を最小化するようにアパーチャを構成することができる。第２に、第２の反射ミラーは、反射されるたびに迷光の一部を吸収することによって、透明な基板内で伝搬するいかなる迷光も消散させる働きをする。

本発明の利点は、添付の図面とともに読まれると、本発明の実施例の以下の説明からより容易に解明されることができる。

ＰＣＴ／ＳＧ２０１１／０００３１７号からの光結合装置を示す図である。 図１に示される装置を製造する１つの方法のステップを示す図であり、図２（ａ）〜図２（ｆ）からなっている。 図４のプロセスのフロー図である。 図２および図３のプロセスの起こり得る問題点を示す図であり、図４（ａ）〜図４（ｆ）からなっている。 第１および第２の反射ミラーを有する本発明の第１の実施例の断面図である。 第２の反射ミラーを持たない本発明の第２の実施例、および、結合スポットから反射された迷光が第２の実施例において取り得る可能な経路の断面図である。 図５の実施例の上面図である。 図５の実施例の中央部の拡大上面図である。 結合スポットから反射された迷光が図５の実施例において取り得る可能な経路を示す図である。 図５の実施例において結合スポットから反射された迷光の最大入射角をいかに計算できるかを示す図である。 図５の実施例におけるクラッドモードの関数としての伝搬損失を示すグラフである。 図５の実施例における透明な基板の屈折率の関数としての必要なクラッド層の最小厚みの関係を示すグラフである。 図５の実施例において透明な基板に沿って伝搬する迷光の強度を第２の反射ミラーによっていかに減少させ得るかを示す図である。 迷光の入射角を図５の実施例の第１および第２の反射ミラーのアパーチャによっていかに制御し得るかを示す図である。 図６の実施例を作製するためのプロセスのステップを示す図であり、図１５（ａ）〜図１５（ｇ）からなっている。 図１５のプロセスのフロー図である。 図５の実施例を作製するためのプロセスのステップを示す図であり、図１７（ａ）〜図１７（ｇ）からなっている。 図１７のプロセスのフロー図である。

実施例の詳細な説明
ここで、図５を参照して、本発明の実施例について説明する。参照数字には、図１および図２における意味と同じ意味が与えられている。当該実施例は、上にクラッド層２が形成されている透明な基板１３を含む光結合装置である。クラッド層２の上に結合スポット４が形成されている。結合スポット４は、導波路コア材料で作られた複数の導波路コア１と同一平面上にある。導波路コア１は、導波路平面にある。図１では導波路コア１は２つだけ見ることができるが、以下で説明するように、この実施例は他の導波路コアを含んでおり、当該他の導波路コアは、図の平面にないので図示されていない。「光」という用語は、本文献では、４００ｎｍ〜１６００ｎｍの範囲のいかなる波長の１つ以上の成分も有する電磁放射を意味するように用いられている。

入射光２１は、入射光２１が横断する透明な基板１３の下面を通って光結合装置に入る。透明な基板１３は、実質的な干渉および吸収なしに所望の波長の光を通過させることができる。次いで、光は、クラッド層２を横断し、下から結合スポット４に入る。結合スポットは、散乱中心として機能するために、入射光２１の周波数の光を透過するポリマーマトリックスと、ナノ粒子とを含んでいる。より具体的には、ポリマーマトリックスおよび透明な基板は、ａ／λ＜１（ａは平均粒径である）であるように少なくとも１つの波長λを透過する。

結合スポット４において、光は、ナノ粒子によって周囲の導波路コア１に散乱される。好ましくは、入射光２１は、導波路平面に垂直である。なぜなら、これにより、散乱光の径方向強度分布をより優れたものにすることができるからである。結合された光を導波路コア内に閉じ込めるために、クラッド層２は、導波路コア材料よりも屈折率が低くなっている。クラッド層２と結合スポット４との間には第１の反射ミラー５があり、後方散乱光を第１の反射ミラー５から反射させることができ、その過程で、ナノ散乱体によって散乱させて周囲の導波路コア１に結合させる別の機会を有することができる。第１の反射ミラーにおけるアパーチャは、入射光２１を結合スポット４に入れる。後方反射ミラー６は、後方散乱光または反射光を結合スポット４内に閉じ込める機能と類似の機能を果たす。また、クラッド層２と透明な基板との間には第２の反射ミラー７がある。この第２の反射ミラー７の目的は、迷光の伝搬を減少させることである。また、第２の反射ミラー７のアパーチャは、結合スポット４から漏れる光が透明な基板１３に入ることができる角度の範囲を制御する。以下で説明するように、これにより、透明な基板１３に戻るように反射される光の割合を最小化することができる。

図１の配置とは対照的に、図５の上下逆さの設計は、硬化によって引起される第１の反射ミラー５におけるアパーチャの寸法精度の問題を心配する必要なく、結合スポット４の作成プロセスを容易にする。

図６は、第２の反射ミラーを持たないという点で第１の実施例とは異なっている本発明の第２の実施例を示す。第２の実施例は、第１の反射ミラー５が結合スポット４の下面にあるために、硬化プロセスによって損なわれることがないという利点を第１の実施例と共有する。

しかし、両方の実施例では、結合スポット４に入った光のうちのいくらかがアパーチャを通って透明な基板１３に戻るように反射される恐れがあるという危険がある。これは、図６の実施例ではより深刻である。なぜなら、透明な基板１３は、迷光３０２が導波路コア１、クラッド２および透明な基板１３の層の間を行ったり来たり移動することができるようにする「クラッドモード」をクラッド層２および導波路コア１とともにサポートし得るからである。これにより、データ処理中の信号対雑音比が低くなり得る。なぜなら、この「クラッドモード」内に伝搬する迷光が、導波路コア１チャネルの端部に位置決めされた検出器におけるセンサ読取りに影響を及ぼし得るからである。一方、図５の実施例では、第２の反射層は、光が透明な基板１３からチャネルに再び入ることができないことを意味している。さらに、クラッド層２に入った光は、第１および第２の反射ミラー５，７によりすぐに消散されてしまう。

図７は、図５の実施例であるが、光結合装置の上から見た実施例を示す（図６の実施例は、この方向からほとんど同じように見える）。１２個の導波路コア１があり、全て導波路平面にあることが分かる。導波路コア１は、後方反射ミラー６によって隠されている結合スポット４の周囲に径方向に配置されている。導波路コア１によって被覆されていないクラッド層２の部分は、導波路コア１同士の間の間隙を通して見ることができる。

図８は、本発明の同一実施例の近接上面図である。径方向に配置された導波路コア１およびクラッド層２に加えて、後方反射ミラー６の外縁６１も見ることができる。ダッシュ記号は、第１の反射ミラー５の外縁５１、結合スポット４の外縁４１、第２の反射ミラー７におけるアパーチャの輪郭７１、および第１の反射ミラー５におけるアパーチャの輪郭５２の位置を示している。結合スポット４は、中心軸を有する円筒体であり、その外縁４１は円形である。なお、アパーチャ５２，７１ならびに第１および後方反射ミラー５１，６１は、円形であり、結合スポット４の中心軸に同軸に位置合わせされている。

図９は、同一実施例（すなわち、図５の実施例）の断面図である。特に、図９は、結合スポット４に向けられた入射光２１がいかに１つ以上の散乱事象を受けて、願わくば導波路コア１のうちの１つに結合され得るかを示している。第１の反射ミラー５は、さらなる散乱事象のために、散乱光のうちのいくらかを結合スポット４に戻るように反射させることができる。図９は、結合スポット４から透明な基板１３に反射された迷光６０２を第２の反射ミラー７のアパーチャによっていかに制御し得るかも示しており、その結果、迷光６０２は、もっぱら透明な基板１３を出て、「クラッドモード」ではクラッド層２に沿って伝搬せず、雑音のある読取りを引起す。

光結合装置の寸法の計算
図１０は、図９と類似しているが、いくつかのパラメータの定義を示している。当該パラメータは、結合スポットを出て依然として透明な基板に入り得る迷光の最大入射角を計算する際に以下で用いられる。さらには、これは、クラッド層２の厚みに対する好適な最小限度を設定するために用いられる。

迷光を減少させるために、アパーチャを有する第２の反射ミラーは以下のように設計され得る。

初めに、図１０に示される記号の定義は、以下の通りである：
ν_ｍｉｎ：第１の反射ミラー５におけるアパーチャ５２からアパーチャ７１を通って散乱される光の最小入射角
ν_ｉｎｃ：アパーチャ５２を通ってクラッド／基板界面に散乱される光の最大入射角
ｒ_ａｐ：「散乱アパーチャ」（すなわち、アパーチャ５２）の半径
ｒ_ｓｈ：「後方散乱アパーチャシールド」（すなわち、アパーチャ７１）の半径
ｔ_ｃｌａｄ：クラッド層２の厚み
ｎ_ｃｌａｄ：クラッド層２の屈折率
ｎ_ｓｂ：透明な基板１３の屈折率
ν_ｒ：クラッド／基板界面における屈折角
ν_ｐｒ：基板における誘導波の伝搬角度。

図１０の幾何学的形状から、以下のように書くことができる。

次に、屈折光に対してクラッド／基板界面においてスネルの法則を適用して、以下が求められる。

したがって、空気／基板／金属導波路の伝搬角度は、以下の通りである。

導波路の理論から、導波モードの伝搬角度は、モードの有効屈折率（ｎ_ｅｆｆ）の関数として以下のように書くことができる。

空気／基板／金属導波路における導波モードの遮断有効屈折率は、導波路における導波モードの伝搬損失に対して妥当なしきい値を設けることによって求めることができる。金属クラッド導波路が消散的な性質をもつので、導波モードは全て、導波路構造の一部として金属層５，７が存在しているために、伝搬損失を被る。

α_ｔｈが、全てのモードがアパーチャ構造によって阻止されるべきである、以下に示されるｎ番目の導波モードのしきい伝搬損失（ｄＢ／ｃｍ）であるとする。伝搬損失は、導波モードの有効屈折率の虚数部に関連しており、以下のように示される。

ここで、λ_０は、真空での光の波長である。そして、モード屈折率の対応する実数部は、上記の数式（Ａ）を満たすべきであり、以下のように書き換えることができる。

ここで、上記の式から、下方クラッドの正確な厚みを以下のように求めることができる。

上記の式において、ｎ_ｅｆｆ ^ｎは、それ自体が基板の厚みおよび屈折率の関数である。この式により、α_ｔｈの予め選択された値を下回る伝搬損失を有する全ての伝搬モードを第２の反射ミラーのアパーチャが阻止できるように特定の屈折率でクラッド層に必要な最小厚みがもたらされる。したがって、この数式（Ｃ）は、クラッド層、透明な基板の幾何学的形状寸法および光学特性ならびに第２の反射ミラーのアパーチャ直径を設計するのに必要なさまざまな値を提供し得る定義式である。

例えば、クラッド層の厚みを計算するために、取るべきステップは以下の通りであろう：
（１）所望の波長における基板、下方クラッドおよびコア層の屈折率を測定し、基板の厚みを測定する
（２）第１のアパーチャの半径：ｒ_ａｐを設定する
（３）第２のアパーチャの半径：ｒ_ｓｈの下方しきい値を設定する
（４）金属−基板−空気導波路の全ての伝搬モードを計算する
（５）金属−基板−空気導波路において伝搬することになるモードの伝搬損失のしきい値（α_ｔｈ）を設定する
（６）しきい伝搬損失に対応する伝搬モードの有効屈折率の値（ｎ_ｅｆｆ ^ｎ）を得る
（７）式（Ｃ）から下方クラッドの厚み（ｔ_ｃｌａｄ）のしきい値を計算する
（８）ｔ_ｃｌａｄよりも大きな値を有するクラッドの好適な厚みを選択する。

一例として、図１１におけるグラフを考える。ここでは、透明な基板およびクラッド層の屈折率を、ｎ_ｓｂ＝１．７３およびｎ_ｃｌａｄ＝１．５１にそれぞれ設定した。反射ミラーの材料としては、金が選択され、動作の波長は６５０ｎｍに設定される。さらに、第１の反射ミラーのアパーチャ直径を１２５μｍに設定し、クラッド層の厚みを５０μｍに設定する。空気／ＰＥＮ／金導波路構造の固有モードについて解いた後、導波路の全ての導波モードの複素屈折率を計算することができる。結果として生じるグラフが図１１として示されている。したがって、４ｄＢ／ｃｍのしきい伝搬損失を選択すると、最低導波伝搬モードでは、導波モードの有効屈折率（実数部）は１．５００９１４であり、その伝搬角度は２９．８度である。数式（Ｂ）に代入すると、ｒ_ｓｈ＝３３０μｍの値が得られる。

図１２は、それぞれ第１の反射ミラーのアパーチャ直径が２５０μｍであり第２の反射ミラーのアパーチャ直径が５００μｍである場合の、透明な基板の屈折率の関数としての必要なクラッド層の最小厚みの関係を示す。また、基板１３の厚みは２００μｍであると想定され、基板、第２のアパーチャ層および空気によって形成される金属クラッド導波路のしきい伝搬損失は、４ｄＢ／ｃｍであると想定された。金属材料は、金であると想定された。

図１２を作図する一方で、妥当な位置合わせ許容差でパターニングされ得るように第２の反射ミラーのアパーチャの半径が選択される。用いられる製造機器のタイプによっては、第１の反射ミラーのアパーチャの半径の任意の妥当な倍数で十分間に合う。上記の例では、非常に緩和されたフォトリソグラフィ位置合わせ許容差を考慮して、妥当な倍数として２の倍数を選択した。

図１２から、特定のクラッド層および透明な基板の屈折率の組合わせでは明確な遮断点があることが分かる。この状態は、金属−基板−空気導波路における伝搬モードの有効屈折率がクラッド層の屈折率以上である場合に生じる。これらのモードを励起するためには、迷光が９０度の入射角で第２の反射ミラーのアパーチャに入らなければならず、これは事実上物理的に不可能である。したがって、この状態は、非常に有用であり得る。なぜなら、クラッド層のほとんどいかなる厚みも、金属−基板−空気伝搬モードの予め規定されたしきい伝搬損失未満の伝搬損失を有する伝搬モードを阻止することになるからである。クラッド層の厚みは十分であるはずであり、そのため、導波路コアおよび透明な基板において伝搬する光の間にパワーの結合はない。例えば、動作の波長が６５０ｎｍである場合には、２〜５μｍの厚みで十分である。

図１３は、クラッド層２が薄い場合にはどうなるかということの一例を示す。迷光１０２は、透明な基板を通って伝搬することが可能であり得る。しかし、領域１０３では、迷光は、光周波数における金属の吸収特性による伝搬光の消散である金属クラッド効果のために、第２の反射ミラーによって消散される。

図１３の例では、以下の仕様が用いられた。すなわち、透明なプラスチック基板（厚み（ｔ_ｓｂ）＝２００μｍ、屈折率（ｎ_ｓｂ）＝１．７３）、導波路クラッド（ｔ_ｃｌａｄ＝５０μｍ、ｎ_ｃｌａｄ＝１．５１）、導波路コア（ｔ_ｃｏｒｅ＝５０μｍ、ｎ_ｃｏｒｅ＝１．５９）、光結合スポット材料（ｒ_{ｃｏｕｐｌｅ}＝０．５ｍｍ、ｎ_{ｃｏｕｐｌｅ}＝１．４９）、散乱中心材料（ｒ_ｎｐ＝３５ｎｍ、ｎ_ｎｐ＝２．４９）、アパーチャ（ｒ_ａｐ＝０．１２５ｍｍ）を有する第１の反射ミラー（ｒ_ｍｌ＝０．７５ｍｍ）、アパーチャ（ｒ_ｓｈ＝０．３５ｍｍ）を有する第２の反射ミラー（透明なプラスチック基板の全表面を被覆）である。なお、導波路コアは、クラッド層よりも高い屈折率を有し、透明な基板は、空気（外部環境）よりも高い屈折率を有している。

図１４は、クラッド層２が厚い場合にはどうなるかということの一例を示す。迷光は、透明な基板から出るが、チャネルに沿って伝搬することはない。基本的に、後方散乱された迷光は、迷光が導波路コア内を進む光と同じ方向に伝搬しているように「クラッドモード」を作成すると考えられ得る。やはり、迷光の強度を減少させるための手段がなければ、クラッドモードにより迷光が増加すると、信号対雑音比が高くなることに注目されたい。ここでは、第２の反射ミラーのアパーチャを制御することによって、透明な基板まで横断する迷光の入射角を制御することができる。迷光の入射角が、透明な基板のクラッドモードを維持するために必要な臨界角よりも小さい場合には、迷光のうちのいくらかまたは全てが領域１１２において光線１１３として透明な基板を出るが、伝搬はしない。さらに、クラッド層または透明な基板内で伝搬するいかなる迷光も、金属クラッド効果のために、第２の反射ミラーによって消散される。

図１４の例では、以下の仕様が用いられた。すなわち、透明なプラスチック基板（ｔ_ｓｂ＝２００μｍ、ｎ_ｓｂ＝１．４９）、導波路クラッド（ｔ_ｃｌａｄ＝５００μｍ、ｎ_ｃｌａｄ＝１．５４）、導波路コア（ｔ_ｃｏｒｅ＝５０μｍ、ｎ_ｃｏｒｅ＝１．５９）、光結合スポット材料（ｒ_{ｃｏｕｐｌｅ}＝０．５ｍｍ、ｎ_{ｃｏｕｐｌｅ}＝１．４９）、散乱中心材料（ｒ_ｎｐ＝３５ｎｍ、ｎ_ｎｐ＝２．４９）、アパーチャ（ｒ_ａｐ＝１２５μｍ）を有する第１の反射ミラー（ｒ_ｍｌ＝０．５ｍｍ）、アパーチャ（ｒ_ｓｈ＝３００μｍ）を有する第２の反射ミラー（透明なプラスチック基板の全表面を被覆）である。

図１５は、図６の実施例を生成するためのプロセスステップを示す。フロー図が図１６に示されている。当該プロセスは、図１５（ａ）に示されるようなベースとしての透明な基板１３から開始する。（図１６の）ステップ３１において、図１５（ｂ）に示されるように、スピンコーティングまたはバーコーティングによって透明な基板１３の上にクラッド層２材料を堆積させて、例えば５μｍの厚みの層を形成する。

ステップ３２において、フォトリソグラフィプロセス、スパッタリングまたは金属リフトオフ技術などの従来の技術によって、導波路クラッド層２の上に、アパーチャを有する第１の反射ミラー５を形成する。クラッド層２が平坦であるので、第１の反射ミラー５のアパーチャの寸法精度が維持される。結果が図１５（ｃ）に示されている。

次に、ステップ３３において、スピンコーティングおよびフォトリソグラフィなどの従来の技術によって、導波路クラッド層２の上に導波路コア１材料を堆積させる。図１５（ｄ）に示されるように、導波路コア１材料は、光結合スポット４材料が供給されることになる空隙を有するように形成される。

次に、ステップ３４において、結合スポット４材料が空隙に供給され、硬化される。図１５（ｅ）に示されるように、結合スポット４材料は、硬化時に収縮する。

最後に、ステップ３５において、重合された光結合スポット４の上面上に後方反射ミラー６を形成する。これは、図１５（ｆ）に示されるように、シャドーマスク１５４を介した（蒸発、スパッタリングまたは化学蒸着（ＣＶＤ）によって形成される）金属原子１３５の打ち込みなどのいくつかの方法によってなされ得る。光結合スポット４の上面はでこぼこであるが、後方反射ミラー６の厳密な寸法整合性を維持する必要はない。完成した製品が図１５（ｇ）に示されている。

図１７は、図５の実施例を生成するためのプロセスステップを示す。フロー図が図１８に示されている。当該プロセスは、図１７（ａ）に示されるようなベースとしての透明な基板１３から開始する。

図１５および図１６の方法とは異なって、図１７および図１８の方法は、フォトレジスト堆積およびそれに続く紫外線光照射などの標準的なフォトリソグラフィ技術を用いて、図１７（ｂ）に示されるように、透明な基板１３の表面上に第２のミラー反射器７をパターニングする（図１８における）最初のステップ８１を有している。次いで、これに続いて、金属リフトオフプロセスなどの標準的な金属パターニング技術を実施する。

ステップ８２において、図１７（ｃ）に示されるように、スピンコーティングまたはバーコーティングによって透明な基板１３の上にクラッド層２材料を堆積させて、例えば５μｍの厚みの層を形成する。

ステップ８３において、フォトリソグラフィプロセス、スパッタリングまたは金属リフトオフ技術などの従来の技術によって、導波路クラッド層２の上に、アパーチャを有する第１の反射ミラー５を形成する。クラッド層２が平坦であるので、第１の反射ミラー５のアパーチャの寸法精度が維持される。結果が図１７（ｄ）に示されている。

次に、ステップ８４において、スピンコーティングおよびフォトリソグラフィなどの従来の技術によって、導波路クラッド層２の上に導波路コア１材料を堆積させる。図１７（ｅ）に示されるように、導波路コア１材料は、光結合スポット４材料が供給されることになる空隙を有するように形成される。

次に、ステップ８５において、結合スポット４材料が空隙に供給され、硬化される。図１７（ｆ）に示されるように、結合スポット４材料は、硬化時に収縮する。

最後に、後方反射ミラー６を形成する。図１６に関連して上記したように、これは、いくつかの方法でなされ得る。図１８の方法では、それは、フォトレジストのパターニングされた層を形成するステップ８６、および、フォトレジストの上に金属層を形成し、次いで除去するステップ８７においてなされる。やはり、光結合スポット４の上面はでこぼこであるが、後方反射ミラー６の厳密な寸法整合性を維持する必要はない。完成した製品が図１７（ｇ）に示されている。

材料選択
本発明における結合スポット４は、ポリマーマトリックスと、ミー散乱を引起すようにナノサイズの粒子であり得る散乱中心とを備えている。ポリマーマトリックスは、所望の波長において十分に透過性がある限り、いかなる材料も含み得る。結合スポット４の散乱効率は、粒径、ポリマーマトリックス（媒体）との屈折率差、および光の波長に依存する。ナノ粒子は、いかなる材料で作られてもよいが、ポリマーマトリックスと粒子との屈折率差が大きいことが好ましい。例えば、粒径が直径１００ｎｍであり、ポリマーマトリックスの屈折率（ｎ_{ｃｏｕｐｌｅ}）が１．４８８である場合には、各粒子の屈折率（ｎ_ｎｐ）は、可視波長範囲全体について１％以上の光散乱効率を達成するために、１．８８８以上である必要がある。

第１の反射ミラー５および後方反射ミラー６の材料は、金属であってもよい。理想的には、ミラーの反射率は、可能な限り高くあるべきであり、例えば光の所望の波長において５０％よりも高くあるべきである。

第２の反射ミラー７の材料は、いかなる光吸収材料であってもよい。代替的に、第２の反射ミラー７の材料は、金属クラッド効果を提供するために金属であってもよい。

他の考慮すべき事項
結合手段としてポリマーマトリックス内で散乱中心を用いることには、さまざまな利点がある。一例として、導波路厚みが１００μｍ未満であれば、結合スポットの直径は１ｍｍであり得る。このように、光源と導波路との位置合わせ許容差を緩和することができる。単純な突合せ結合された光源は、１００μｍの厚みの導波路との位置合わせの問題を有し得るが、１ｍｍの結合スポットにより、光源を容易に位置合わせすることができる。例えば、５０μｍの導波路を有し、５０μｍのコア直径の光ファイバを利用して光導波路を励起する場合、信号対雑音比が増加し過ぎることなく妥当な結合効率を達成するためには、＋／−２５μｍ未満の位置精度が必要であり得る。

変形例
本発明の２つの実施例についてのみ詳細に説明したが、熟練した読者に明らかであるように、本発明の範囲内で多くの変形例が可能である。例えば、他の実施例では、複数の導波路コア１は、単一のスラブ導波路コアと置き換えられてもよい。これは、後に結合スポットを形成する材料を受けるための空隙を含むことを除いて、実質的に均一な層として導波路クラッド層の上に堆積される導波路材料の本体である。すなわち、最終製品において、スラブ導波路コアは、結合スポットを取囲み、透明な基板の面に平行な全ての方向に結合スポットから離れるように延びている。

Claims (18)

1. ある平面に延びる１つ以上の導波路コアと、
   前記平面に配置され、ナノ粒子を有する散乱中心を含む結合スポットと、
   前記平面に平行であり、前記１つ以上の導波路コアに沿って位置決めされたクラッド層と、
   前記平面に平行であり、前記クラッド層に沿って位置決めされた透明な基板と、
   前記結合スポット上であって、前記結合スポットの、前記透明な基板とは反対側に配置された後方反射ミラーとを備える光結合装置であって、
   光が前記透明な基板を横断すると、光のうちの少なくともいくらかが前記クラッド層を横断して前記結合スポットに入り、前記散乱中心が散乱によって光のうちの少なくとも一部を前記１つ以上の導波路コアに結合し、
   前記クラッド層と前記透明な基板との間に第２の反射ミラーをさらに備え、前記第２の反射ミラーは、光が前記透明な基板を横断して前記クラッド層に入ることを可能にするためのアパーチャを有する、光結合装置。
2. 前記結合スポットと前記クラッド層との間に配置された第１の反射ミラーをさらに備え、前記第１の反射ミラーは、光が前記クラッド層を横断して前記結合スポットに入ることを可能にするためのアパーチャを有する、請求項１に記載の光結合装置。
3. 前記結合スポットは、ポリマーマトリックスを含む、請求項１または請求項２に記載の光結合装置。
4. 前記ポリマーマトリックスは、ａ／λ＜１（ａは、前記散乱中心を構成する粒子の平均粒径である）であるように少なくとも１つの波長λを透過するポリマーを含む、請求項３に記載の光結合装置。
5. 前記クラッド層の厚みは、以下の数式に従って構成され、
   
   
   ここで、ｔ_ｃｌａｄは、前記クラッド層の厚みを表わし、
   ｎ_ｓｂは、前記透明な基板の屈折率を表わし、
   ｒ_ｓｈは、前記第２の反射ミラーにおける前記アパーチャの半径を表わし、
   ｎ_ｃｌａｄは、前記クラッド層の屈折率を表わし、
   ｒ_ａｐは、前記第１の反射ミラーにおける前記アパーチャの半径を表わし、
   ｎ_ｅｆｆ ^ｎは、以下の数式に従った前記基板の厚みおよび屈折率の関数であり、
   
   ｎは、正の整数であり、
   θ_ｉｎｃは、前記第１の反射ミラーの前記アパーチャを出た迷光が前記第２の反射ミラーの前記アパーチャに入り得る最大可能入射角を表わす、請求項２に従属する場合の請求項４に記載の光結合装置。
6. 前記結合スポットの周囲に配置された複数の前記導波路コアがあり、前記導波路コアは、細長く、前記結合スポットから離れるようにそれぞれの方向に延びている、請求項１から５のいずれか１項に記載の光結合装置。
7. 光結合装置を作製するための方法であって、
   透明な基板の上にクラッド層を形成するステップと、
   前記クラッド層の上に１つ以上の導波路コアを形成するステップとを備え、前記１つ以上の導波路コアは、ある平面に延び、前記方法はさらに、
   前記クラッド層の上に結合スポットを形成するステップを備え、前記結合スポットは、前記平面に配置され、ナノ粒子を有する散乱中心を含み、前記方法はさらに、
   前記結合スポットの上に後方反射ミラーを形成するステップを備え、
   前記散乱中心は、前記透明な基板およびクラッド層を横断して前記結合スポットに入る光を前記１つ以上の導波路コアに散乱させるように動作し、
   前記クラッド層を形成する前記ステップの前に、前記透明な基板の上に第２の反射ミラーを形成するステップをさらに備え、前記第２の反射ミラーは、光が前記透明な基板を横断して前記クラッド層に入ることを可能にするためのアパーチャを有する、方法。
8. 前記１つ以上の導波路コアを形成する前記ステップの前に、前記クラッド層の上に第１の反射ミラーを形成するステップをさらに備え、前記第１の反射ミラーは、光が前記クラッド層を横断して前記結合スポットに入ることを可能にするアパーチャを有する、請求項７に記載の方法。
9. １つ以上の導波路コアを形成する前記ステップにおいて、複数の前記導波路コアが形成され、前記導波路コア同士の間に空隙が規定され、
   前記結合スポットを形成する前記ステップは、前記導波路コアを形成する前記ステップの後に行われ、材料を前記空隙に堆積させるステップを備える、請求項７または請求項８に記載の方法。
10. 前記クラッド層は、少なくとも約５μｍの厚みを有する、請求項７から９のいずれか１項に記載の方法。
11. 前記クラッド層は、スピンコーティング技術によって形成される、請求項７から１０のいずれか１項に記載の光結合構造を作製するための方法。
12. 前記クラッド層は、バーコーティング技術によって形成される、請求項７から１０のいずれか１項に記載の光結合構造を作製するための方法。
13. 前記導波路コアは、スピンコーティング技術によって形成される、請求項７から１２のいずれか１項に記載の光結合構造を作製するための方法。
14. 前記導波路コアは、フォトリソグラフィ技術によって形成される、請求項７から１２のいずれか１項に記載の光結合構造を作製するための方法。
15. 前記第１の反射ミラーは、フォトリソグラフィ技術およびそれに続く金属パターニング技術を用いて形成される、請求項８または請求項８に従属する場合の請求項７から１４のいずれか１項に記載の光結合構造を作製するための方法。
16. 前記金属パターニング技術は、金属リフトオフプロセスである、請求項１５に記載の光結合構造を作製するための方法。
17. 前記第１の反射ミラーは、シャドーマスク堆積技術を用いて形成される、請求項８または請求項８に従属する場合の請求項７から１４のいずれか１項に記載の光結合構造を作製するための方法。
18. 前記第２の反射ミラーは、シャドーマスク堆積技術を用いて形成される、請求項７または請求項７に従属する場合の請求項９から１７のいずれか１項に記載の光結合構造を作製するための方法。