JP6992398B2 - How to form an optical connection structure - Google Patents
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本発明は、2つの光デバイスを樹脂による光導波路で接続する光接続構造の形成方法に関する。 The present invention relates to a method for forming an optical connection structure in which two optical devices are connected by an optical waveguide made of resin.
光通信ネットワークの進展に伴い、光通信用デバイスの集積度を向上させ、光デバイスの小型化が強く求められている。光通信用デバイスとして用いられる光回路では、従来、ガラスをコアとする石英ガラス系からなる平面光波回路(Planar Lightwave Circuit;PLC)が広く用いられている。これは、光ファイバとの結合に優れ、材料としての信頼性も高いため、スプリッタ、波長合分波器、光スイッチ、偏波制御素子など光通信用の多種多様な機能素子へ応用されている。 With the development of optical communication networks, there is a strong demand for improving the degree of integration of optical communication devices and reducing the size of optical devices. In an optical circuit used as an optical communication device, a planar lightwave circuit (PLC) made of a quartz glass system having a glass as a core has been widely used. Since it has excellent coupling with optical fibers and is highly reliable as a material, it is applied to a wide variety of functional elements for optical communication such as splitters, wavelength duplexers, optical switches, and polarization control elements. ..
近年では、前述の光回路の小型化に対応するために、コアの屈折率を大きくし、クラッドとの屈折率差を大きくすることで最小曲げ径を小さく設計する高屈折率差の光回路の研究が進んでいる。また、近年では、光の閉じ込めの強いシリコンをコアとしたシリコンフォトニクス技術が進展し、ガラス系よりもより小型な光回路が実現されている。シリコンフォトニクス技術には、電子部品などで一般に用いられているシリコンプロセスが適用できる。 In recent years, in order to cope with the above-mentioned miniaturization of optical circuits, optical circuits with a high refractive index difference are designed to have a small minimum bending diameter by increasing the refractive index of the core and increasing the difference in refractive index from the cladding. Research is progressing. Further, in recent years, silicon photonics technology centered on silicon, which has strong light confinement, has been advanced, and an optical circuit smaller than that of a glass system has been realized. Silicon processes generally used in electronic components and the like can be applied to silicon photonics technology.
また、透明な高分子重合体などの樹脂からなる樹脂光導波路などもよく知られている。また、光変調素子や波長変換素子、増幅素子としては、ニオブ酸リチウム(LiNbO3)などに代表される強誘電体材料をコアとする光回路なども広く利用されている。また、発光素子や受光素子、光変調素子としては、インジウムリン(InP)やガリウムヒ素(GaAs)などに代表されるIII-V族半導体も実用化されており、これらに光の導波機構を有する光回路集積型の発光素子、受光素子、光変調素子なども広く応用がなされている。これら強誘電体系や半導体系の光導波路に関しても、ガラスよりも屈折率が大きいことから、光の閉じ込めが強く、回路の小型化が期待できる。以上をまとめて、単に光デバイスと呼ぶこととする。 Further, a resin optical waveguide made of a resin such as a transparent polymer polymer is also well known. Further, as an optical modulation element, a wavelength conversion element, and an amplification element, an optical circuit having a ferroelectric material as a core, such as lithium niobate (LiNbO 3 ), is widely used. Group III-V semiconductors such as indium phosphide (InP) and gallium arsenide (GaAs) have also been put into practical use as light emitting elements, light receiving elements, and optical modulation elements. Optical circuit integrated light emitting elements, light receiving elements, optical modulation elements, and the like are also widely applied. Since these ferroelectric systems and semiconductor-based optical waveguides also have a higher refractive index than glass, light confinement is strong, and circuit miniaturization can be expected. The above will be collectively referred to as an optical device.
上記のような、光デバイスの小型化に合わせて、光導波路の光入出力部の小型化の需要が増大している。従来、石英ガラス系PLCの光入出力部での光学的な接続(光接続)の例では、光ファイバのクラッド径以下に接続ピッチを小さくできないことから、光回路上で接続ピッチを広げたのちに、光ファイバと光接続することが一般的である。この接続ピッチが制限となり、光入出力部を含めると光デバイス全体が小型化できないという課題がある。このため、光ファイバのクラッド径で制限されるピッチ以下で光接続する技術が求められている。 With the miniaturization of optical devices as described above, the demand for miniaturization of the optical input / output unit of the optical waveguide is increasing. Conventionally, in the example of optical connection (optical connection) in the optical input / output section of a quartz glass-based PLC, the connection pitch cannot be reduced below the clad diameter of the optical fiber, so after widening the connection pitch on the optical circuit, In addition, it is common to make an optical connection with an optical fiber. This connection pitch is limited, and there is a problem that the entire optical device cannot be miniaturized if the optical input / output unit is included. Therefore, there is a demand for a technique for optical connection at a pitch or less limited by the clad diameter of the optical fiber.
一般に、上記光ファイバ間、光ファイバと光デバイスとの間、光デバイス同士の間の光接続においては、光デバイスの光軸に直交する接続端面同士を向かい合う状態に配置し、お互いのコア位置の軸ずれがないよう位置決めして光接続するバッドカップリング技術が知られている。他方、光デバイスの光軸に直交する接続端面から出射した光ビームをレンズなどの空間光学系を介して、集光するなどして、再度光デバイスに接続する空間光学系接続なども広く用いられている。 Generally, in the optical connection between the optical fibers, between the optical fiber and the optical device, and between the optical devices, the connection end faces orthogonal to the optical axis of the optical device are arranged so as to face each other at the core positions of each other. A bad coupling technique is known in which positioning is performed so that there is no axis misalignment and optical connection is performed. On the other hand, a spatial optical system connection that reconnects to an optical device by condensing an optical beam emitted from a connection end face orthogonal to the optical axis of the optical device via a spatial optical system such as a lens is also widely used. ing.
上記のバッドカップリング技術では、必ず光デバイスの光接続面同士を向かい合わせて配置しなければいけないことや、熱膨張係数や導波光のモード径の整合性の観点などから実装上の制約が大きいという課題がある。また、空間光学系結合においても、ビーム径の広がりによる制約や、微小のレンズ、ミラーなどの製造上の制約があり、接続ピッチの小型化や量産性向上に技術限界がある。 In the above-mentioned bad coupling technology, the optical connection surfaces of optical devices must be arranged facing each other, and there are large mounting restrictions from the viewpoint of the consistency of the coefficient of thermal expansion and the mode diameter of waveguide light. There is a problem. Further, even in the spatial optical system coupling, there are restrictions due to the expansion of the beam diameter and restrictions on the manufacture of minute lenses, mirrors, etc., and there are technical limits in reducing the size of the connection pitch and improving mass productivity.
上述した限界を打破する技術として、上記素子間を樹脂光導波路で接続する技術が提案されている。例えば、自己形成光導波路を用いた光接続や、非特許文献1に記載のように2光子吸収を用いたナノレベルの光造形技術により、任意の光立体配線パターンを作製し、樹脂内に光を導波させて前記光ファイバ間、光ファイバと光デバイスとの間、および光デバイス同士の間を光学的に接続(光接続)する方法がある。 As a technique for breaking the above-mentioned limit, a technique for connecting the above-mentioned elements with a resin optical waveguide has been proposed. For example, an arbitrary optical three-dimensional wiring pattern is produced by optical connection using a self-formed optical waveguide or nano-level optical modeling technology using two-photon absorption as described in Non-Patent Document 1, and light is emitted in the resin. There is a method of optically connecting (optical connection) between the optical fibers, between the optical fiber and the optical device, and between the optical devices.
これは、基板上に樹脂の原材料となるレジスト液などを浸漬させ、レーザからの光ビームをレンズなどにより集光させ、前記光ビームの集光部に2光子吸収を誘起させることにより集光部の樹脂のみを硬化させ、更に、このレーザを走査することにより集光部を任意に動かし、結果として、光造形を行う技術であり、光造形型の3次元プリンタとしても知られている。 This is done by immersing a resist solution, which is a raw material for resin, on a substrate, condensing a light beam from a laser with a lens, etc., and inducing two-photon absorption in the condensing part of the light beam. It is a technique of curing only the resin of the above, and further moving the condensing part arbitrarily by scanning this laser, and as a result, performing stereolithography, and is also known as a stereolithography type three-dimensional printer.
特に、2光子吸収を用いた光造形の技術は、よく知られているように、集光サイズが極微小であることから、微小駆動する走査部と組み合わせることにより、ナノレベルの光造形が可能である。 In particular, as is well known, the stereolithography technology using two-photon absorption has a very small condensing size, so it is possible to perform nano-level stereolithography by combining it with a scanning unit that drives minutely. Is.
しかしながら、上述した光造形による光学的な接続は、作製上の特徴から、形成できる配線パターンに制限がある。光造形では、一度空間上に広がった光ビームをレンズにより集光して対象となる樹脂を光硬化させている。この際に、光ビームを遮る物体がある場合は、造形ができない。例えば、造形起点となる基板から造形用レーザまでの方向を高さとすると、高さ方向の像側、あるいは、物体側にレーザ光を遮る構造物がある場合、その付近では光造形物を形成できないという課題がある。 However, the above-mentioned optical connection by stereolithography has a limitation in the wiring pattern that can be formed due to the characteristics in manufacturing. In stereolithography, a light beam once spread in space is focused by a lens to photo-cure the target resin. At this time, if there is an object that blocks the light beam, modeling is not possible. For example, assuming that the direction from the substrate that is the starting point of modeling to the laser for modeling is the height, if there is a structure that blocks the laser beam on the image side or the object side in the height direction, a stereolithographic object cannot be formed in the vicinity. There is a problem.
例えば、図13に示すように、光ファイバ601aと光ファイバ601bとを光接続する場合を考える。光造形では、レンズ602と造形用レーザビーム603による露光系を用い、集光部604の樹脂を硬化させることで、樹脂配線を形成する。ここで、光ファイバ601a,601bは、光を導波するコア611の上下がクラッド612,613に挾まれている。この場合、造形用レーザビーム603の照射側から見て、コア611の位置は、クラッド613よりも深い位置にある。
For example, consider a case where the
このため、端面が相対する光ファイバ601aのコア611と、光ファイバ601bのコア611とを光接続しようとすると、造形用レーザビーム603が上側のクラッド613に遮られる。この結果、光ファイバ601aのコア611および光ファイバ601bのコア611の端面に直接接続する樹脂の配線パターンが形成できない。
Therefore, when an attempt is made to optically connect the
例えば、リブ型光導波路などのように、上側クラッドが空気など、構造物が無い状態、すなわちコアがむき出しになった光デバイスであれば、図14に示すように、光デバイス701aのコア702、および光デバイス701bのコア702の光軸に沿った方向に、樹脂光導波路703が形成できる。例えば、光軸に沿った方向に光造形を行い、コア702の導波方向に沿って這わせるようにして樹脂を硬化させれば、樹脂光導波路703が形成できる。樹脂光導波路703を用いることで、コア702を導波する導波光のしみ出しによるエバネッセント結合により光接続する断熱的な光回路間の樹脂配線が実現できる。
For example, in the case of an optical device such as a rib-type optical waveguide in which the upper clad has no structure such as air, that is, the core is exposed, as shown in FIG. 14, the
しかしながら、この光接続は、コアがむき出しになっている場合に適用可能であり、前述のような埋め込み型の光導波路に対応できない。また、エバネッセント結合による光接続では、端面接続に比べて、光の接続損失が大きいという問題があった。 However, this optical connection is applicable when the core is exposed, and cannot correspond to the above-mentioned embedded optical waveguide. Further, the optical connection by the evanescent coupling has a problem that the optical connection loss is larger than that of the end face connection.
さらに、上記光接続では、光接続の配線形成に求められる精度と、配線パターンの造形サイズの両立に制限があるという問題がある。一般に、上記の光造形においては、露光系あるいは集光部をステージなどで走査しながら造形していく。この、ステージの位置精度は、市販されている高精度なピエゾモータによる駆動の場合、非常に高精度であるが、この精度を担保する可動範囲はサブミリ程度と制限される。このため、2つ以上の光デバイスのコア同士を光接続するうえでは、2つの光デバイス間の光学的な距離を、上記範囲内に収める必要があり、実装上あるいは配線パターンのレイアウト上の制約が大きい。 Further, the above-mentioned optical connection has a problem that there is a limitation in both the accuracy required for the wiring formation of the optical connection and the modeling size of the wiring pattern. Generally, in the above-mentioned stereolithography, the exposure system or the condensing unit is scanned while scanning on a stage or the like. The position accuracy of the stage is extremely high when driven by a commercially available high-precision piezo motor, but the movable range that guarantees this accuracy is limited to about submillimeters. Therefore, in order to optically connect the cores of two or more optical devices, it is necessary to keep the optical distance between the two optical devices within the above range, which limits the mounting or layout of the wiring pattern. Is big.
一方、可動範囲が広いステージを用いると、走査精度誤差が生じ、造形サイズずれ、造形位置ずれなどが生じる。光接続においては、サブミクロン精度の位置決め精度と光配線パターンが求められるため、上述したずれは、大きな接続損失を生むこととなり、光接続の用途に適さない。走査系にガルバノミラーなどを導入するなどにより、上記造形範囲を拡大しながら精度を上げる工夫も可能ではあるが、この場合においても、ピエゾステージなどに比べると精度が落ち、かつ装置が複雑になるなどの欠点がある。 On the other hand, if a stage having a wide movable range is used, a scanning accuracy error occurs, and a model size shift, a model position shift, and the like occur. In the optical connection, the positioning accuracy of the submicron accuracy and the optical wiring pattern are required. Therefore, the above-mentioned deviation causes a large connection loss and is not suitable for the application of the optical connection. It is possible to improve the accuracy while expanding the above-mentioned modeling range by introducing a galvano mirror or the like in the scanning system, but even in this case, the accuracy is lower than that of the piezo stage and the device becomes complicated. There are drawbacks such as.
以上に説明したように、従来、光接続に用いる配線パターンとしては、接続される2以上の光デバイスの位置関係が造形領域に制限され、低接続損失を実現する上では、2つの光デバイス間の位置関係に制約があるという問題があった。 As described above, conventionally, as a wiring pattern used for optical connection, the positional relationship between two or more optical devices to be connected is limited to the modeling area, and in order to realize low connection loss, between the two optical devices. There was a problem that there was a restriction on the positional relationship of.
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、光デバイス間を、互いの位置関係の制約を抑制した状態で、樹脂による光導波路で端面接続できるようにすることを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and to enable end-face connection between optical devices with an optical waveguide made of resin while suppressing restrictions on the positional relationship between the optical devices. With the goal.
光接続構造は、第1光デバイスと、第2光デバイスと、第1光デバイスの光入出力部と第2光デバイスの光入出力部とを光学的に接続する樹脂からなる樹脂コアによる光導波路とを備え、光導波路は変形可能とされ、第1光デバイスと第2光デバイスとの互いの位置関係は変更可能とされている。 The optical connection structure is optical with a resin core made of a resin that optically connects the first optical device, the second optical device, the optical input / output unit of the first optical device, and the optical input / output unit of the second optical device. The optical waveguide is provided with a waveguide, and the optical waveguide is deformable, and the positional relationship between the first optical device and the second optical device can be changed.
光導波路は、曲げ方向に変形可能とされている。 The optical waveguide is deformable in the bending direction.
光導波路は、伸縮方向に変形可能とされている。 The optical waveguide is deformable in the expansion and contraction direction.
上記光接続構造において、光導波路は、らせん状の部分、ミアンダ状の部分、屈曲部分の少なくとも1つを備える。 In the optical connection structure, the optical waveguide includes at least one of a spiral portion, a meander-like portion, and a bent portion.
上記光接続構造において、第1光デバイスと光導波路との接続部分および第2光デバイスと光導波路との接続部分の各々に、接続の機械的な強度を補強する補強部材を備えるようにしてもよい。また、光導波路は、樹脂コアの周囲を覆うクラッドを備えるようにしてもよい。 In the above optical connection structure, each of the connection portion between the first optical device and the optical waveguide and the connection portion between the second optical device and the optical waveguide is provided with a reinforcing member for reinforcing the mechanical strength of the connection. good. Further, the optical waveguide may be provided with a clad that covers the periphery of the resin core.
本発明に係る光接続構造の形成方法は、第1光デバイスの光入出力部の端面および第2光デバイスの光入出力部の端面をそれぞれ第1端面および第2端面とし、第1端面および第2端面を露光のための露光光の照射方向に対して垂直にかつ露光光が照射される側に向けて配置する第1工程と、露光光を照射することにより光硬化樹脂を硬化することで、第1端面から第2端面にかけて光硬化樹脂が光硬化した樹脂コアを形成し、第1端面および第2端面を樹脂コアによる光導波路で光学的に接続する第2工程と、光導波路を変形して第1光デバイスと第2光デバイスとの互いの位置関係を変更する第3工程とを備え、光硬化樹脂は、光硬化により光が透過する樹脂となり、光導波路は変形可能とされている。 In the method for forming an optical connection structure according to the present invention, the end face of the optical input / output section of the first optical device and the end face of the optical input / output section of the second optical device are set as the first end face and the second end face, respectively, and the first end face and the second end face are used. The first step of arranging the second end surface perpendicular to the irradiation direction of the exposure light for exposure and toward the side to be irradiated with the exposure light, and curing the photocurable resin by irradiating the exposure light. Then, the second step of forming a photocured resin core from the first end face to the second end face and optically connecting the first end face and the second end face with an optical waveguide by the resin core, and the optical waveguide. It is provided with a third step of deforming to change the mutual positional relationship between the first optical device and the second optical device. The photocurable resin becomes a resin through which light is transmitted by photocuring, and the optical waveguide is made deformable. ing.
以上説明したように、本発明によれば、第1光デバイスの光入出力部と第2光デバイスの光入出力部とを光学的に接続する樹脂からなる樹脂コアによる光導波路を変形可能としたので、光デバイス間を、互いの位置関係の制約を抑制した状態で、樹脂による光導波路で端面接続できるという優れた効果が得られる。 As described above, according to the present invention, it is possible to deform an optical waveguide using a resin core made of a resin that optically connects an optical input / output unit of a first optical device and an optical input / output unit of a second optical device. Therefore, it is possible to obtain an excellent effect that the optical devices can be connected to each other by the optical waveguide made of resin while suppressing the restriction of the positional relationship with each other.
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[実施の形態1]
はじめに、本発明の実施の形態1における光接続構造について、図1を用いて説明する。この光接続構造は、第1光デバイス101と、第2光デバイス102と、光導波路103とを備える。第1光デバイス101は、例えば、コア105を備える光ファイバである。また、第2光デバイス102は、例えば、コア106と、この周囲のクラッド106aとによる光導波路が基板107の上に形成されている平面光波回路デバイスである。
[Embodiment 1]
First, the optical connection structure according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. This optical connection structure includes a first
なお、光デバイスは、光を伝搬し、また入出力するデバイスであればよい。例えば、光デバイスは、レーザなどの発光素子、フォトダイオードなどの受光素子、光変調器などでもよい。また、光デバイスは、アイソレータ、偏波回転、偏波分離素子、光減衰器などの任意の光機能デバイスであっても当然適用可能である。 The optical device may be any device that propagates light and inputs / outputs light. For example, the optical device may be a light emitting element such as a laser, a light receiving element such as a photodiode, or an optical modulator. Further, the optical device is naturally applicable to any optical functional device such as an isolator, a polarization rotation, a polarization separation element, and an optical attenuator.
光導波路103は、第1光デバイス101の光入出力部101aと、第2光デバイス102の光入出力部102aとを光学的に接続(光接続)する。また、光導波路103は、光が透過する樹脂からなる樹脂コア104より構成され、変形可能とされている。例えば、光導波路103は、曲げ方向に変形可能とされている。また、光導波路103は、伸縮方向に変形可能とされている。なお、実施の形態1では、樹脂コア104の周囲の空気をクラッドとしている。
The
このように構成された実施の形態1における光接続構造では、第1光デバイス101と第2光デバイス102との互いの位置関係が、変更可能とされている。実施の形態1では、製造初期に、第1端面121と第2端面122とが同一の方向に向いていた状態より、第1端面121と第2端面122とが対向する状態に、第1光デバイスと第2光デバイスとの互いの位置関係を変更している。
In the optical connection structure according to the first embodiment configured in this way, the positional relationship between the first
例えば、第1光デバイス101を伝搬してきた光が、光入出力部101aの第1端面121において、光導波路103に入力される。第1端面121において光導波路103に入力された光は、光導波路103を伝搬し、光入出力部102aの第2端面122において、第2光デバイス102に入力される。
For example, the light propagating through the first
また、例えば、第2光デバイス102を伝搬してきた光は、光入出力部102aの第2端面122において、光導波路103に入力される。第2端面122において光導波路103に入力された光は、光導波路103を伝搬し、光入出力部101aの第1端面121において、第1光デバイス101に入力される。
Further, for example, the light propagating through the second
次に、本発明の実施の形態1における光接続構造の形成方法について、図2A、図2B、図2Cを用いて説明する。 Next, the method of forming the optical connection structure according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 2A, 2B, and 2C.
まず、図2Aに示すように、第1光デバイス101の光入出力部101aの第1端面121、および第2光デバイス102の光入出力部102aの第2端面122を、露光のための露光光151が照射される方向に向けて配置する。また、第1端面121および第2端面122は、露光光151が照射される方向(露光光151の光軸152)に対して垂直となるように配置する(第1工程)。この状態で、第1光デバイス101および第2光デバイス102を固定する。例えば、固定治具を用いて機械的に固定する。また、粘着樹脂やワックスなどにより、固定基板に固定するようにしてもよい。なお、露光光151は、レーザなどの光源(不図示)から出射され、レンズなどによる光学系153で集光される。
First, as shown in FIG. 2A, the
次に、図2Bに示すように、露光光151を照射することにより光硬化樹脂を硬化することで、第1端面121から第2端面122にかけて光硬化樹脂が光硬化した樹脂コア104を形成する。光硬化樹脂は、光硬化により光が透過し、加えて変形可能な樹脂となるものを用いる。樹脂は、例えば、弾性体であればよい。また、樹脂は、可塑性を有していてもよい。
Next, as shown in FIG. 2B, the photo-curing resin is cured by irradiating with exposure light 151 to form a
樹脂コア104は、例えば、U字状に形成する。樹脂コア104を形成し、第1端面121および第2端面122を、樹脂コア104による光導波路103で光学的に接続する(第2工程)。この工程において、樹脂を形成するための露光学系の軌道は、3Dプリンタなどで用いられるいずれの技術でもよく、例えば、第1端面と第2端面の各々から樹脂を積み上げるように形成していき、頂点付近でお互いの樹脂を結合させるなどすればよい。
The
次に、第1光デバイス101および第2光デバイス102を固定状態より解放し、光導波路103を変形して、図2Cに示すように、第1光デバイス101と第2光デバイス102との互いの位置関係を所望の状態に変更する(第3工程)。図2Cに示す例では、第1端面121と第2端面122とが同一の方向に向いていた状態より、第1端面121と第2端面122とが対向する状態となるように、第1光デバイス101と第2光デバイス102との互いの位置関係を変更している。
Next, the first
また、第1光デバイス101の光軸と第2光デバイス102の光軸とが一致する状態に、第1光デバイス101と第2光デバイス102とを配置してもよい。この状態は、従来のバッドカップリング技術やレンズなどを用いた光接続と同等の位置関係となる。このように互いの位置関係を変更した後、第1光デバイス101および第2光デバイス102を、を接着剤やはんだ、機械固定などで所定の基盤に固定して実装する。
Further, the first
ここで、上述した第2工程では、第1端面121および第2端面122を、露光光151が照射される方向に向け、かつ、光軸152に対して垂直に配置し、樹脂による光導波路103の形成を実施する。これらにより、2つの光デバイス間を、樹脂による光導波路103で接続する光接続構造を実現している。
Here, in the second step described above, the
上述した樹脂による光導波路103の形成工程(第2工程)において、レーザ(露光)とレンズ(光学系)に対し、光造形の起点となる接続端面(第1端面121、第2端面122)が容易に観察できる。またこの場合、遮蔽物の影響がない。これらのことから、2つの光デバイス間に、高効率かつ微小領域で樹脂光導波路を形成することが可能となる。
In the process of forming the
次に、光造形の方法について、より詳細に説明する。 Next, the method of stereolithography will be described in more detail.
第1の方法としては、まず、紫外線(UV)硬化型の樹脂やSU8などに代表されるフォトレジストの膜を、塗布することで光デバイスの端面に形成する。あるいは、フォトレジストを充填した容器に、光デバイスの端面を浸漬させる。 As a first method, first, a film of a photoresist such as an ultraviolet (UV) curable resin or SU8 is applied to form an end face of an optical device. Alternatively, the end face of the optical device is immersed in a container filled with photoresist.
次に、所定の光学系を介し、光導波路形成用のレーザからのUV光を集光して照射する。この照射位置を走査して、所望とする任意の樹脂光導波路を形成する。UV光が照射されたフォトレジストは、光硬化するので、照射位置を走査することで、走査の軌跡に沿って樹脂が硬化して樹脂光導波路が形成できる。例えば、光源および光学系を、モータあるいはピエゾステージなどを用いて走査させればよい。 Next, UV light from a laser for forming an optical waveguide is condensed and irradiated via a predetermined optical system. This irradiation position is scanned to form any desired resin optical waveguide. Since the photoresist irradiated with UV light is photocured, by scanning the irradiation position, the resin is cured along the scanning trajectory to form a resin optical waveguide. For example, the light source and the optical system may be scanned using a motor, a piezostage, or the like.
第2の方法としては、レーザとして、光硬化する樹脂が硬化する波長よりも長い波長のフェムト秒レーザを用い、光造形を行う方法がある。この方法では、集光することで一定の光強度とされた箇所に、非線形効果により、樹脂が硬化する波長の2光子吸収を発生させる。この2光子吸収が発生する集光箇所を、前述同様に走査することで、樹脂光導波路を形成する。この方法によれば、よく知られているように、高精度、かつ、ナノレベルの光造形を行うことが可能である。 As a second method, as a laser, there is a method of performing stereolithography using a femtosecond laser having a wavelength longer than the wavelength at which the photo-curing resin is cured. In this method, two-photon absorption at a wavelength at which the resin is cured is generated by a non-linear effect at a portion where the light intensity is constant by condensing the light. A resin optical waveguide is formed by scanning the condensing point where the two-photon absorption occurs in the same manner as described above. According to this method, as is well known, it is possible to perform high-precision and nano-level stereolithography.
上述したように、光硬化により造形したのちに、未硬化領域の樹脂を除去すれば、樹脂光導波路が形成できる。なお、ここで、樹脂としては、伝搬距離が微小ではあるが、光デバイスに入出力する光の波長において、透過率が高いことが好ましい。 As described above, a resin optical waveguide can be formed by removing the resin in the uncured region after molding by photocuring. Here, although the propagation distance of the resin is very small, it is preferable that the resin has a high transmittance at the wavelength of the light input / output to / from the optical device.
樹脂光導波路(樹脂コア)は、光を伝搬するサイズ(径)であれば、任意であるが、空気層をクラッド層にシングルモードとして伝搬する径であることが、接続損失の低減と曲げロスの低減の観点から好ましい。このシングルモードの条件は、樹脂の屈折率から計算することが可能である。更に、微小曲げを行う観点から、樹脂コアの径は小さいほど好ましい。上記2点の観点から、樹脂コアの径は、好ましくは30μm以下、より好ましくは10μm以下であると良い。 The resin optical waveguide (resin core) is arbitrary as long as it has a size (diameter) for propagating light, but the diameter at which the air layer propagates to the clad layer as a single mode reduces connection loss and bend loss. It is preferable from the viewpoint of reduction of. The condition of this single mode can be calculated from the refractive index of the resin. Further, from the viewpoint of performing fine bending, it is preferable that the diameter of the resin core is small. From the above two points of view, the diameter of the resin core is preferably 30 μm or less, more preferably 10 μm or less.
ところで、光造形を実施する装置の精度上、第1端面の中心部と第2端面の中心部との距離は、0.3mm以下の状態とするとよい。光造形を行う装置の操作を行うステージの位置精度は、市販されている高精度なピエゾモータによる駆動の場合、非常に高精度であるが、その精度を担保する可動範囲は0.3mm程度である。このため、上述した距離は、装置の位置精度の範囲とした方がよい。この精度保障の可動範囲によって決定される第1端面の中心部と第2端面の中心部との距離により、樹脂コアの折り返し部の曲率を任意に決めることができる。 By the way, in terms of the accuracy of the apparatus for performing stereolithography, the distance between the central portion of the first end surface and the central portion of the second end surface is preferably 0.3 mm or less. The position accuracy of the stage that operates the stereolithography device is extremely high when driven by a commercially available high-precision piezo motor, but the movable range that guarantees that accuracy is about 0.3 mm. .. Therefore, the above-mentioned distance should be within the range of the position accuracy of the device. The curvature of the folded portion of the resin core can be arbitrarily determined by the distance between the central portion of the first end surface and the central portion of the second end surface, which is determined by the movable range of the accuracy guarantee.
ところで、光造形は、図3に示すように、第1端面121および第2端面122が、同一の平面123上に配置された状態で実施するとよい。この構成とすることで、樹脂コア104を形成するための光造形の起点/終点となる第1端面121,第2端面122が、更に容易に観察可能となる。
By the way, as shown in FIG. 3, stereolithography may be performed in a state where the
一般に、光造形の起点/終点は、光学系による焦点位置を、観察により決定する。前述した実施の形態1では、第1端面121と第2端面122とで、焦点位置が異なることになり、焦点位置を各々決定することになる。これに対し、上述したように、第1端面121と第2端面122とを同一の平面123に配置すれば、焦点位置がほぼ同じであり、第1端面と第2端面の各々から樹脂を積み上げながら形成していく場合などにおいては、より容易に樹脂コア104の光造形ができるようになる。
Generally, the starting point / ending point of stereolithography is determined by observing the focal position of the optical system. In the first embodiment described above, the focal position is different between the
第1端面121および第2端面122の位置については、機械的な実装精度で、ほぼ同一の高さとなるように配置すればよい。あるいは、より高精度に第1端面121および第2端面122の位置を決定するために、第1光デバイス101および第2光デバイス102を固定(実装)した後に、ダイシング加工あるいは、研磨加工により、第1端面121および第2端面122の位置が、より高い精度で同一となるように加工してもよい。この後に、前述と同様に、光造形を行うことで、より簡易に樹脂コア104が形成できるようになる。
The positions of the
以上に説明したように、実施の形態1によれば、光導波路103の形成では、第1光デバイス101と第2光デバイス102とを光造形に適した配置関係とし、実装などにおいて所望とする位置関係に第1光デバイス101と第2光デバイス102とを配置させることができる。実施の形態1によれば、光導波路103を形成した後で、第1光デバイス101と第2光デバイス102との配置を決定している。従って、光導波路103が光造形できない位置関係であっても、第1光デバイス101と第2光デバイス102とを配置させることが容易である。このように、実施の形態1によれば、光デバイス間を、互いの位置関係の制約を抑制した状態で、樹脂による光導波路で端面接続できる。
As described above, according to the first embodiment, in the formation of the
[実施の形態2]
次に、本発明の実施の形態2における光接続構造について、図4,図5を参照して説明する。この光接続構造は、第1光デバイス101と、第2光デバイス102と、光導波路103aとを備える。第1光デバイス101は、例えば、コア105を備える光ファイバである。また、第2光デバイス102は、例えば、コア106と、この周囲のクラッド106aとによる光導波路が基板107の上に形成されている平面光波回路デバイスである。
[Embodiment 2]
Next, the optical connection structure according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 4 and 5. This optical connection structure includes a first
光導波路103aは、第1光デバイス101の光入出力部101aと、第2光デバイス102の光入出力部102aとを光学的に接続(光接続)する。また、光導波路103aは、光が透過する樹脂からなる樹脂コア104より構成され、変形可能とされ、第1光デバイス101と第2光デバイス102との互いの位置関係が、変更可能とされている。上述した構成は、前述した実施の形態1と同様である。
The
図4に示す光接続構造は、樹脂コア104の一部にループ構造(らせん状の部分)を備える光導波路103aとしている。このようにループ構造を備えることで、光導波路103aが、より容易に変形可能となる。例えば、光導波路103aを90°屈曲した状態とすることで、図5に示すように、第1端面121と第2端面122の各々が、互いに直交する方向を向くように、第1光デバイスと第2光デバイスとの互いの位置関係が変更できる。また、光導波路103aを、ほぼ直線状態に変形した後、90°屈曲した状態に変形することも可能である。
The optical connection structure shown in FIG. 4 is an
[実施の形態3]
次に、本発明の実施の形態3における光接続構造について、図6を参照して説明する。この光接続構造は、複数の第1光デバイス101と、複数の光導波路(不図示)を備える第2光デバイス102’と、複数の光導波路103とを備える。第1光デバイス101は、前述した実施の形態1と同様の光ファイバであり、基盤201の上に配列されている。
[Embodiment 3]
Next, the optical connection structure according to the third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. This optical connection structure includes a plurality of first
第2光デバイス102’は、例えばシリコン基板上に堆積して形成された石英ガラス薄膜からなる平面光波回路である。また、第2光デバイス102’は、導波機構を有する光導波路デバイスであれば、これに限らない。例えば、基板や光導波路として、石英ガラスの他、有機物からなる樹脂や、Si、シリコンナイトライド(SiN)、ガリウムヒ素(GaAs)、インジウムリン(InP)などの半導体あるいは化合物半導体光導波路、ニオブ酸リチウム(LN)、周期的分極反転ニオブ酸リチウム(PPLN)などの誘電体を用いてもよい。 The second optical device 102'is a planar light wave circuit made of, for example, a quartz glass thin film deposited and formed on a silicon substrate. Further, the second optical device 102'is not limited to this as long as it is an optical waveguide device having a waveguide mechanism. For example, as a substrate or an optical waveguide, in addition to quartz glass, a resin made of an organic substance, a semiconductor such as Si, silicon nitride (SiN), gallium arsenide (GaAs), indium phosphide (InP), or a compound semiconductor optical waveguide, niobic acid Dielectrics such as lithium (LN) and periodic polarization reversal lithium phosphide (PPLN) may be used.
また、第2光デバイス102’は、信号を処理するための各種信号処理光回路や、発光・受光・変調・制御などするための各種光機能素子が集積されていてもよい。光デバイスは、この接続部(接続端面)にその特徴を有するのであって、光デバイスの回路構成や回路の機能によらない。 Further, the second optical device 102'may be integrated with various signal processing optical circuits for processing signals and various optical functional elements for light emission, light reception, modulation, control, and the like. The optical device has its characteristics in this connection portion (connection end face), and does not depend on the circuit configuration or circuit function of the optical device.
実施の形態3では、各第1光デバイス101と、第2光デバイス102’の対応する光導波路との各々が、光導波路103により光接続されている。このように、複数の光導波路を有する光デバイスに対して、各々の光導波路と接続されるような複数の光ファイバアレイを個別に接続したような光接続構造も実現可能である。
In the third embodiment, each of the first
[実施の形態4]
次に、本発明の実施の形態4における光接続構造について、図7,図8を参照して説明する。この光接続構造は、第1光デバイス101と、第2光デバイス102と、光導波路103bとを備える。第1光デバイス101は、例えば、コア105を備える光ファイバである。また、第2光デバイス102は、例えば、コア106と、この周囲のクラッド106aとによる光導波路が基板107の上に形成されている平面光波回路デバイスである。
[Embodiment 4]
Next, the optical connection structure according to the fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 7 and 8. This optical connection structure includes a first
光導波路103bは、第1光デバイス101の光入出力部101aと、第2光デバイス102の光入出力部102aとを光接続する。また、光導波路103bは、光が透過する樹脂からなる樹脂コア104より構成され、変形可能とされ、第1光デバイス101と第2光デバイス102との互いの位置関係が、変更可能とされている。上述した構成は、前述した実施の形態1と同様である。
The
図7に示す光接続構造は、樹脂コア104の一部に螺旋構造131を備える光導波路103bとしている。このように螺旋構造131を備えることで、光導波路103bが、より容易に変形可能となる。また、図7に示すように、光導波路103bの途中に2つの螺旋構造131を設けるようにしてもよく、図8に示すように、光導波路103bの途中に1つの螺旋構造131を設けるようにしてもよい。なお、図7では、第1端面121および第2端面122が、同一の平面123上に配置された状態に、第1光デバイス101と第2光デバイス102とを配置している。また、図8では、第1端面121と第2端面122とが対向する状態に、第1光デバイスと第2光デバイスとを配置している。螺旋構造131を設けることで、光導波路103bが、曲げ方向に加えて伸縮方向に変形可能となる。
The optical connection structure shown in FIG. 7 is an
[実施の形態5]
次に、本発明の実施の形態5における光接続構造について、図9を参照して説明する。この光接続構造は、第1光デバイス101と、第2光デバイス102と、光導波路103cとを備える。第1光デバイス101は、例えば、コア105を備える光ファイバである。また、第2光デバイス102は、例えば、コア106と、この周囲のクラッド106aとによる光導波路が基板107の上に形成されている平面光波回路デバイスである。
[Embodiment 5]
Next, the optical connection structure according to the fifth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. This optical connection structure includes a first
光導波路103cは、第1光デバイス101の光入出力部101aと、第2光デバイス102の光入出力部102aとを光接続する。また、光導波路103cは、光が透過する樹脂からなる樹脂コア104より構成され、変形可能とされ、第1光デバイス101と第2光デバイス102との互いの位置関係が、変更可能とされている。上述した構成は、前述した実施の形態1と同様である。
The
図9に示す光接続構造は、樹脂コア104の一部にミアンダ状の構造を備える光導波路103cとしている。このようにミアンダ構造を備えることで、光導波路103cが、より容易に変形可能となる。ミアンダ構造は、光導波路103cの途中に2つ設けるようにしてもよく、光導波路103cの途中に1つ設けるようにしてもよい。ミアンダ構造を設けることで、光導波路103cが、曲げ方向に加えて伸縮方向に変形可能となる。
The optical connection structure shown in FIG. 9 is an
[実施の形態6]
次に、本発明の実施の形態6における光接続構造について、図10を用いて説明する。この光接続構造は、第1光デバイス101と、第2光デバイス102と、光導波路103とを備える。第1光デバイス101は、例えば、コア105を備える光ファイバである。また、第2光デバイス102は、コア106と、この周囲のクラッド106aとによる光導波路が基板107の上に形成され、この光導波路に活性部および共振器を備えるよく知られた光導波路型レーザ素子である。また、基板107は、レーザ発振波長を安定化するための温調装置109の上に配置されている。
[Embodiment 6]
Next, the optical connection structure according to the sixth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. This optical connection structure includes a first
この場合、基板107は、InP基板やシリコン基板である。このような基板107の上に、結晶成長あるいは貼りあわせられたIII-V族の半導体層からなる分布帰還型(Distributed Feedback:DFB)レーザや、回折格子構造などを集積した分布反射型(Distributed Bragg Reflector:DBR)レーザが設けられている。例えば1.3μm近傍や1.55μm近傍で単一モード発振するInP系の半導体を活性層とした半導体レーザである。
In this case, the
このような半導体レーザによる光導波路型レーザ素子では、電流注入により閾値以上の電流で発振してレーザ光を出力し、第2光デバイス102の光入出力部102aの端面から出射し、光導波路103を伝搬し、第1光デバイス101の光入出力部101aより光ファイバに入射し、他端の光出力部より出力される。なお、第2光デバイス102の半導体レーザには、図示していないが、ワイヤボンディングあるいはフリップチップ接続などにより電源あるいはドライバ回路などが接続されている。
In such an optical waveguide type laser element using a semiconductor laser, the
実施の形態6においても、光導波路103は、第1光デバイス101の光入出力部101aと、第2光デバイス102の光入出力部102aとを光学的に接続(光接続)する。また、光導波路103は、光が透過する樹脂からなる樹脂コア104より構成され、変形可能とされている。例えば、光導波路103は、曲げ方向に変形可能とされている。また、光導波路103は、伸縮方向に変形可能とされている。
Also in the sixth embodiment, the
上述した構成に加え、実施の形態6では、第1光デバイス101と光導波路103との接続部分、および第2光デバイス102と光導波路103との接続部分の各々に、接続の機械的な強度を補強する補強部材108を備える。例えば、光導波路103が弾性体の場合、第1光デバイス101と第2光デバイス102との配置関係を変更するために光導波路103を変形させると、接続部に応力が加わり、破損する場合が発生する。このような破損などを抑制するために、補強部材108を設けて機械的な接続強度を補強する。補強部材108により物理的な径を大きくすることで接続面積を増やし、接続端面との密着力を大きくさせる。このように密着力を大きくすることで、より安定に第1光デバイス101と第2光デバイス102との互いの位置関係を所望の状態に変更できるようになる。
In addition to the above-described configuration, in the sixth embodiment, the mechanical strength of the connection to each of the connection portion between the first
なお、補強部材108は、樹脂コア104からなる光導波路103の母材と同一の材料で、樹脂コア104を形成するときに同時に形成すればよい。また、樹脂コア104を形成した後に、接続端面の根元付近を覆うように異なる樹脂を別途に塗布し、これを硬化するなどして固定して補強部材108としてもよい。また、接続部における樹脂コア104の全周を覆うような構成とせずとも、タワーの補強などのようによく知られるトラス構造を組み合わせ、樹脂コア104を中空につるすように補強してもよい。
The reinforcing
また、図11に示すように、光導波路103が、樹脂コア104の周囲を覆うクラッド110を備えるようにしてもよい。例えば、可塑性を有して樹脂コア104より小さい屈折率の樹脂からクラッド110を構成すればよい。クラッド110を形成することで、樹脂コア104の機械的な強度が補強できるようになる。
Further, as shown in FIG. 11, the
[実施の形態7]
次に、本発明の実施の形態7における光接続構造について、図12を参照して説明する。この光接続構造は、複数の光導波路111を備える第1光デバイス101’と、複数の光導波路111を備える第2光デバイス102’と、複数の光導波路103bとを備える。光導波路103bは、実施の形態4と同様に、一部に螺旋構造を備える。
[Embodiment 7]
Next, the optical connection structure according to the seventh embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. This optical connection structure includes a first optical device 101'with a plurality of
第1光デバイス101’および第2光デバイス102’は、例えばシリコン基板上に堆積して形成された石英ガラス薄膜からなる平面光波回路である。また、第2光デバイス102’は、導波機構を有する光導波路デバイスであれば、これに限らない。例えば、基板や光導波路111として、石英ガラスの他、有機物からなる樹脂や、Si、シリコンナイトライド(SiN)、ガリウムヒ素(GaAs)、インジウムリン(InP)などの半導体あるいは化合物半導体光導波路、ニオブ酸リチウム(LN)、周期的分極反転ニオブ酸リチウム(PPLN)などの誘電体を用いてもよい。
The first optical device 101'and the second optical device 102' are planar light wave circuits made of, for example, a quartz glass thin film deposited and formed on a silicon substrate. Further, the second optical device 102'is not limited to this as long as it is an optical waveguide device having a waveguide mechanism. For example, as a substrate or an
また、第1光デバイス101’および第2光デバイス102’は、信号を処理するための各種信号処理光回路や、発光・受光・変調・制御などするための各種光機能素子が集積されていてもよい。光デバイスは、この接続部(接続端面)にその特徴を有するのであって、光デバイスの回路構成や回路の機能によらない。 Further, in the first optical device 101'and the second optical device 102', various signal processing optical circuits for processing signals and various optical functional elements for light emission, light reception, modulation, control, etc. are integrated. May be good. The optical device has its characteristics in this connection portion (connection end face), and does not depend on the circuit configuration or circuit function of the optical device.
実施の形態7では、第1光デバイス101’と、第2光デバイス102’の対応する光導波路111との各々が、螺旋構造を備える光導波路103bにより光接続されている。このように、複数の光導波路を有する光デバイスに対して、各々の光導波路と接続されるような複数の光ファイバアレイを個別に接続したような光接続構造も実現可能である。
In the seventh embodiment, each of the first optical device 101'and the corresponding
また、実施の形態7によれば、光導波路103bが螺旋構造を備えて変形可能とされているので、各光導波路103bの光導波路長を一定としても、各々複数の光導波路111を備える第1光デバイス101’と第2光デバイス102’との配置関係が、変更可能である。例えば、図12に示すように、各光デバイスの平面を共通とした状態で、第1光デバイス101’の入出力端面と第2光デバイス102’の入出力端面とが、直角となる場合、接続する入出力端の間隔が異なることになる。しかしながら、螺旋構造を備えて変形可能な光導波路103bを用いることで、各光導波路長を一定とすることが可能となり、ポート間のロス差も軽減することが可能となる。
Further, according to the seventh embodiment, since the
以上に説明したように、本発明によれば、第1光デバイスの光入出力部と第2光デバイスの光入出力部とを光学的に接続する樹脂からなる樹脂コアによる光導波路を変形可能としたので、光デバイス間を、互いの位置関係の制約を抑制した状態で、樹脂による光導波路で端面接続できるようになる。 As described above, according to the present invention, it is possible to deform an optical waveguide using a resin core made of a resin that optically connects an optical input / output unit of a first optical device and an optical input / output unit of a second optical device. Therefore, the optical devices can be connected to each other by the optical waveguide made of resin while suppressing the restriction of the positional relationship with each other.
なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。 It should be noted that the present invention is not limited to the embodiments described above, and many modifications and combinations can be carried out by a person having ordinary knowledge in the art within the technical idea of the present invention. That is clear.
101…第1光デバイス、101a…光入出力部、102…第2光デバイス、102a…光入出力部、103…光導波路、104…樹脂コア、105…コア、106…コア、121…第1端面、122…第2端面。 101 ... 1st optical device, 101a ... Optical input / output unit, 102 ... 2nd optical device, 102a ... Optical input / output unit, 103 ... Optical waveguide, 104 ... Resin core, 105 ... Core, 106 ... Core, 121 ... 1st End face, 122 ... Second end face.
Claims (1)
前記露光光を照射することにより光硬化樹脂を硬化することで、前記第1端面から前記第2端面にかけて前記光硬化樹脂が光硬化した樹脂コアを形成し、前記第1端面および前記第2端面を前記樹脂コアによる光導波路で光学的に接続する第2工程と、
前記光導波路を変形して前記第1光デバイスと前記第2光デバイスとの互いの位置関係を変更する第3工程と
を備え、
前記光硬化樹脂は、光硬化により光が透過する樹脂となり、
前記光導波路は変形可能とされている
ことを特徴する光接続構造の形成方法。 The end face of the optical input / output section of the first optical device and the end face of the optical input / output section of the second optical device are defined as the first end face and the second end face, respectively, and the first end face and the second end face are exposed light for exposure. The first step of arranging the light perpendicular to the irradiation direction and toward the side to which the exposure light is irradiated, and
By curing the photocurable resin by irradiating the exposure light, a resin core in which the photocurable resin is photocured is formed from the first end face to the second end face, and the first end face and the second end face are formed. In the second step of optically connecting the resin core with an optical waveguide,
A third step of modifying the optical waveguide to change the mutual positional relationship between the first optical device and the second optical device is provided.
The photo-curing resin becomes a resin through which light is transmitted by photo-curing.
A method for forming an optical connection structure, characterized in that the optical waveguide is deformable.
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