JP7396272B2 - ポリマー光導波路及び複合光導波路 - Google Patents
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Description
前記ポリマー光導波路は、光の伝播方向に沿って、オーバークラッドが存在せずコアおよび該コアの周辺のアンダークラッドが露出した結合部と、前記コアがアンダークラッドとオーバークラッドとで被覆された光導波部とを有し、
前記ポリマー光導波路は、光の伝播方向に沿って、コア幅が異なる部位を有しており、
コア幅が最も狭い部位aのコア幅をWa(μm)とし、前記部位aのコア高さをHa(μm)とした時、前記Haが1.3μm以上4.5μm以下であり、Ha/Waが1.15以下である、ポリマー光導波路を提供する。
本発明のポリマー光導波路では、シリコン光導波路とのアディアバティック結合を低損失で達成できる。
本発明のポリマー光導波路では、ピッチ変換領域での曲げ損失を低減できる。
本発明のポリマー光導波路では、シングルモード光ファイバとの接続を低損失で達成できる。
光導波部のみを有する光学測定用コアを備えた本発明のポリマー光導波路では、伝播損失測定等の検査を容易に実施できる。
図1は、本発明のポリマー光導波路の一構成例を示した斜視図である。図1に示すポリマー光導波路10は、コア11a,11b、コア11a,11bよりも屈折率が低くコア11a,11bの周囲に存在するアンダークラッド12、およびコア11a,11bよりも屈折率が低くアンダークラッド12とは反対側のコア11a,11b周囲に存在するオーバークラッド13とを備えている。ポリマー光導波路10は、光の伝播方向に沿って、オーバークラッド13が存在せずコア11a,11bおよび該コア11a,11bの周辺のアンダークラッド12が露出した結合部14と、コア11a,11bがアンダークラッド12とオーバークラッド13とで被覆された光導波部15とを有している。
本明細書において、「コア幅」と言った場合、ポリマー光導波路における光の伝播方向に垂直な断面における、ポリマー光導波路の厚み方向と垂直方向でのコアの幅を指す。
本明細書において、「コア高さ」と言った場合、ポリマー光導波路における光の伝播方向に垂直な断面における、ポリマー光導波路の厚み方向でのコアの高さを指す。
図2に示すように、ポリマー光導波路10の光導波部15側(一端側)は、コア11a,11bのコア高さとコア幅とが略同一の四辺形である。
図3に示すように、ポリマー光導波路10の結合部14側(他端側)は、コア11a,11bのコア高さよりもコア幅が長い四辺形である。
図示したポリマー光導波路10は、光導波部15側(一端側)に比べて、結合部14側(他端側)で、コア11a,11bのコア幅が広くなっている。
ポリマー光導波路10は、該部位aにおけるコア幅をWa(μm)とし、コア高さをHa(μm)としたとき、Haが1.3μm以上4.5μm以下であり、Ha/Waが1.15以下である。
図2に示すポリマー光導波路10において、コア11aのコア幅Waa、コア高さHaa、コア11bのコア幅Wab、コア高さHabのいずれも、上記を満たす。
但し、部位aのコア高さHaが大きくなると、後述する手順でポリマー光ファイバを作製する際に、コアの膜剥がれが起こりやすくなる。コアの膜剥がれは、作製されたポリマー光導波路の断線等の問題を生じるため問題となる。そのため、部位aのコア高さHaは、4.5μm以下とする。部位aのコア高さHaは、好ましくは2.2μm以下、より好ましくは2.1μm以下、さらに好ましくは2.0μm以下である。
なお、ポリマー光導波路10は、コア11a,11bのコア高さが、光の伝播方向に沿って基本的には一定である。そのため、部位aのコア高さHa(Haa,Hab)が上記範囲であれば、他の部位のコア高さも上記範囲である。したがって、結合部14側の端面のコア高さも上記範囲である。
上述したように、ポリマー光導波路10は、コア11のコア高さが、光の伝播方向に沿って一定である。一方、部位aはコア11のコア幅が最も狭い部位であるので、部位a以外の部位は、コア11のコア幅がWa以上である。そのため、部位aのHa/Waが上記範囲であれば、他の部位のコア高さと、コア幅との比も上記範囲である。
また、コア幅Waは4.5μm以下が好ましく、4.0μm以下がより好ましく、3.5μm以下がさらに好ましく、3.0μm以下が特に好ましい。
図示したポリマー光導波路10において、結合部14におけるコア11a,11bのコア幅Ws(Wsa,Wsb)が3μm以上であることが、シリコン光導波路と低損失で接続できるため好ましい。結合部14におけるコア11a,11bのコア幅Ws(Wsa,Wsb)は、より好ましくは3.5μm以上、さらに好ましくは4μm以上である。
図示したポリマー光導波路10において、結合部14におけるコア11a,11bのコア幅Ws(Wsa,Wsb)が8μm以下であることが、シリコン光導波路と低損失で接続できるため好ましい。結合部14におけるコア11a,11bのコア幅Ws(Wsa,Wsb)は、より好ましくは7μm以下、さらに好ましくは6μm以下である。
図4に示す複合光導波路20では、シリコン光導波路30と、ポリマー光導波路40とがアディアバティック結合している。図4に示すポリマー光導波路40は、コア41、アンダークラッド42、および、オーバークラッド43を備えている点、ならびに、結合部44と、光導波部45とを有している点は、図1に示したポリマー光導波路10と同様である。図4に示すポリマー光導波路40は、結合部44でシリコン光導波路30とアディアバティック結合している。ポリマー光導波路40の光導波部45は、シングルモード光ファイバ等とのバット結合(正対結合)用のコネクタ50に収容されている。
図6に示すポリマー光導波路40は、光の伝播方向に沿って並列に配置された複数、具体的には8つのコア41を有している。ポリマー光導波路40の光導波部45側(一端側)と、結合部44側(他端側)とで、複数のコア41間のピッチが異なっている。光導波部45側(一端側)においては、ピッチは100~500μmが好ましく、125~250μmがより好ましい。結合部44側(他端側)においては、ピッチは20~200μmが好ましく、30~100μmがより好ましい。そのため、図6に示すポリマー光導波路40は、複数のコア間のピッチを変換するピッチ変換領域46を有している。
該ピッチ変換領域46において、コア41の曲げ半径が大きいとピッチ変換に要する距離が長くなり、ポリマー光導波路40が大きくなる。そのため、コア41の曲げ半径が小さいほうが好ましい。但し、コア41の曲げ半径を小さくすると、曲げ損失が大きくなる。
但し、ピッチ変換領域46におけるコア幅Wpが大きくなると、コア41を伝播する光のモードが乱れるおそれがある。そのため、ピッチ変換領域46におけるコア幅Wpは6μm以下が好ましく、より好ましくは5.5μm以下、さらに好ましくは5.0μm以下である。
但し、ピッチ変換領域46におけるコア41の曲げ半径が小さ過ぎると、ピッチ変換領域46におけるコア幅Wpが上記範囲を満たしていても、コア41の曲げ損失が大きくなる。そのため、ピッチ変換領域46におけるコア41の曲げ半径は6mm以上が好ましく、8mm以上がより好ましい。
なお、光の伝播方向に沿って並列に配置された全てのコアが、上記の曲げ半径を満たしていなくてもよく、一部のコアは曲げ半径が100mm超でもよい。例えば、一部のコアは曲げ半径が200mm以上でもよい。
但し、図7に示すポリマー光導波路60は、複数のコア61a,61b,61cのうち、一部の複数のコア61b,61cが、オーバークラッド63が存在せずコア、および該コアの周辺のアンダークラッド62が露出した結合部62を有しておらず、光導波部65のみを有していてもよい。
これら光導波部のみを有するコア61b,61cは、伝播損失測定等の検査時に用いられる光学測定用のコアである。光学測定用のコア61b,61cを有することで、伝播損失測定等の検査を容易に行うことができる。これら光学測定用のコア61b,61cは、一端側と、他端側とで、複数のコア61b,61c間のピッチが同一であってもよいし、複数のコア61b,61c間のピッチを変換するピッチ変換領域を有していてもよい。
図8の(a)~(e)に示すポリマー光導波路70a~70eは、結合部74a~74e側のアンダークラッド72a~72eのうち、最も外側に配置されたコア71a~71eより外側の部分が打ち抜きにより除去されている。結合部74a~74eに隣接するピッチ変換領域76a~76eのアンダークラッド72a~72e、およびオーバークラッド73a~73eも、最も外側に配置されたコア71a~71eより外側の部分が打ち抜きにより除去されている。これらの形状のポリマー光導波路を使用することにより、シリコンチップのサイズを小さくすることができる。
本発明のポリマー光導波路において、コアの端面形状は図示した四辺形に限定されない。コアの端面形状(ポリマー光導波路の内部では、ポリマー光導波路における光の伝播方向に垂直なコアの断面形状)は、例えば、台形、円形、楕円形であってもよい。また、コアの端面形状が矩形、略正方形、台形等の多角形である場合は、その角が丸みを帯びていてもよい。コアの端面形状が矩形や略正方形以外の場合、部位aにおけるコア幅Wa、コア高さHa、および結合部におけるコア幅Wsは、それぞれ、端面形状におけるコア幅、コア高さの平均値とする。
アンダークラッドおよびオーバークラッドはコアよりも屈折率が低い。アンダークラッドおよびオーバークラッドは、単一の屈折率を有するものであってもよく、コアに対し近位側と遠位側とで屈折率が異なる部位を有していてもよい。この場合、コアに対し遠位側に向けて屈折率が低くなる構成であってもよく、コアに対し遠位側に向けて屈折率が高くなる構成であってもよい。
コアとアンダークラッドとの比屈折率差uは以下のように、コアの屈折率とアンダークラッドの屈折率を用いて求める。
比屈折率差u=(コアの屈折率-アンダークラッドの屈折率)/アンダークラッドの屈折率
コアとオーバークラッドとの比屈折率差oは以下のように、コアの屈折率とオーバークラッドの屈折率を用いて求める。
比屈折率差o=(コアの屈折率-オーバークラッドの屈折率)/オーバークラッドの屈折率
なお、上述するように、コアが内部に屈折率分布を有する場合、あるいは、アンダークラッドやオーバークラッドがコアに対し近位側と遠位側とで屈折率が異なる部位を有する場合は、コアとアンダークラッドとの比屈折率差uおよびコアとオーバークラッドとの比屈折率差oは、コアは平均の屈折率、アンダークラッドとオーバークラッドはコア近傍側の屈折率を用いて求める。
本発明のポリマー光導波路において、アンダークラッドとオーバークラッドとの比屈折率差の絶対値が0.001以下であることが、シングルモード光ファイバとより低損失で接続でき、ピッチ変換領域を有するポリマー光導波路の場合にピッチ変換領域での曲げ損失をより抑制できるため好ましい。アンダークラッドとオーバークラッドとの比屈折率差の絶対値は、好ましくは0.0009以下、より好ましくは0.0008以下、さらに好ましくは0.0006以下である。
本発明のポリマー光導波路における結合部は、シリコン光導波路との接続部位として使用するのに十分な長さを有していることが好ましい。具体的には、ポリマー光導波路の光伝搬方向における結合部の長さは100μm以上であることが好ましく、300μm以上であることが好ましく、500μm以上であることがより好ましく、1000μm以上であることがさらに好ましい。
但し、ポリマー光導波路の光伝搬方向における結合部の長さが長すぎると、シリコン光導波路と接着剤(例えば、エポキシ樹脂)を使って接続する際に、接着剤の吸収により接続損失が大きくなるおそれがある。そのため、ポリマー光導波路の光伝搬方向における結合部の長さは、10000μm以下であることが好ましく、5000μm以下であることがより好ましく、3000μm以下であることがさらに好ましい。
本発明のポリマー光導波路において、コア、アンダークラッド、および、オーバークラッドの構成材料は、ポリマー光導波路としての要求特性を満たす限り特に限定されないが、コアがフッ素を含むポリマーからなることがコアを伝搬する光の損失抑制という点で好ましい。
アンダークラッドと、オーバークラッドの構成材料は同じ材料を用いてもよく、異なる材料を用いてもよい。
本発明のポリマー光導波路の製造方法は特に限定されず、各種方法を用いることができる。具体的には、複製(スタンパ)法、直接露光法、反応性イオンエッチング(RIE)とフォトリソグラフィプロセスを組み合わせる方法、射出成形をもとにした方法、フォトブリーチング法、直接描画法、自己形成法等を用いることができる。
まず、スピンコート法により、基板の上にアンダークラッドの構成材料である硬化性組成物(A)を含有する塗布液を塗布する。続いて、該硬化性組成物(A)を硬化させてアンダークラッドを形成する。
次に、スピンコート法により、アンダークラッドの上にコアの構成材料である硬化性組成物(B)を含有する塗布液を塗布する。続いて、フォトリソグラフィプロセスにより、該硬化性組成物(B)をパターニングし、アンダークラッドの上にコアを形成する。このとき、コアの幅が光の伝搬方向に沿って異なる形状を形成するには、コアの幅が光の伝搬方向に沿って異なる形状のフォトマスクを用いて露光を行った後、現像することによってコアを形成すればよい。また、コアを形成した後、必要に応じてポストベークを行ってもよい。
次に、スピンコート法により、アンダークラッド及びコアの上にオーバークラッドの構成材料である硬化性組成物(C)を含有する塗布液を塗布する。続いて、該硬化性組成物(C)を硬化させてオーバークラッドを形成する。オーバークラッドを形成する際、フォトリソグラフィプロセスにより、オーバークラッドが存在せず、コアおよび該コアの周辺のアンダークラッドが露出した結合部を形成できる。
参考例1,2では、上述の手順でポリマー光導波路を作製して、コア膜剥がれの有無を評価した。但し、参考例1,2のポリマー光導波路は、コアおよびアンダークラッドの全ての部位がオーバークラッドで被覆されており、コア幅がコアの全て部位で同一の構造である。参考例1,2におけるコア幅Wa、コア高さHa、およびHa/Waを以下に示す。
参考例1:
コア幅Wa :2.0μm
コア高さHa:2.0μm
Ha/Wa :1.00
参考例2:
コア幅Wa :1.8μm
コア高さHa:2.5μm
Ha/Wa :1.39
作製したポリマー光導波路を光学顕微鏡で観察したところ、Haが1.3μm以上2.3μm以下を満たし、かつ、Ha/Waが1.15以下の参考例1ではコア膜剥がれは確認されなかったが、Haが1.3μm以上2.3μm以下を満たさず、Ha/Waが1.15超の参考例2ではコア膜剥がれは確認された。
ポリマー光導波路とシリコン光導波路とのアディアバティック接続部における接続損失のシミュレーション解析を行った。評価モデルには、ポリマー光導波路とシリコン光導波路とのアディアバティック接続部、すなわち、ポリマー光導波路の接続部と、シリコン光導波路とのアディアバティック接続部を用いた。なお、シミュレーション解析の都合上、ポリマー光導波路は、アディアバティック接続部に対し他端側に長さが短い光導波部を有する構造とした。
図9は、シミュレーション解析に使用した評価モデルを示した縦断面図であり、図10は、該評価モデルの横断面図である。
図9には、ポリマー光導波路80の結合部84が示されている。そのため、ポリマー光導波路80のコア81とアンダークラッド82のみが示されている。図9に示すシリコン光導波路90は、コア91と、クラッド92とで構成されている。図10に示すように、ポリマー光導波路80の光導波部85は、コア81、アンダークラッド82、および、オーバークラッド83を備えている。
図9では、ポリマー光導波路80のコア81と、シリコン光導波路90のコア91と、が対向した状態で配置され、接着剤100により接合されている。シリコン光導波路90の接着剤100側の表面にはバリア層110が形成されている。
評価モデルにおける個々の構造を以下に示す。
<ポリマー光導波路80>
(コア81)
コア幅Ws (下記表に記載の通り)
コア高さHs(下記表に記載の通り)
屈折率 (下記表に記載の通り)
アディアバティック結合部86の長さ 1750μm
(アンダークラッド82)
厚さ 15μm
長さ 3050μm
屈折率 (下記表に記載の通り)
(オーバークラッド83)
厚さ 15μm
長さ 1000μm
屈折率 (下記表に記載の通り)
<シリコン光導波路90>
(コア91)
幅 ポリマー光導波路80の反対側からポリマー光導波路80の光導波部85にかけて0.35μmから0.07μmに2次関数で狭くなる構成
高さ 0.16μm
屈折率 3.45
アディアバティック結合部93の長さ 1750μm
(クラッド92)
厚さ 15μm
屈折率 1.45
クラッド92のみが存在する領域94の長さ 250μm
<接着剤100>
樹脂厚(ポリマー光導波路80のコア81とシリコン光導波路90のコア91のそれぞれが向かい合う側の面の距離) 0.5μm
屈折率 1.51
シリコン光導波路90とポリマー光導波路80の光導波部85との間の領域101の長さ 50μm
<バリア層110>
厚さ 0.03μm
屈折率 1.989
ポリマー光導波路のピッチ変換領域における曲げ損失のシミュレーション解析を行った。評価モデルには、ポリマー光導波路のピッチ変換領域を疑似的に模擬するため、水平方向に一定の曲率半径で湾曲するコアを1つ有するポリマー光導波路を用いた。
図11は、シミュレーション解析に使用した評価モデルを示した端面図である。図11には、ポリマー光導波路120の疑似ピッチ変換領域として、水平方向に一定の曲率半径で湾曲するコア121がアンダークラッド122とオーバークラッド123とで被覆されたコア湾曲部126が示されている。
評価モデルにおける個々の構造を以下に示す。
<ポリマー光導波路120>
(コア121)
コア幅Wp (下記表に記載の通り)
コア高さHp(下記表に記載の通り)
屈折率 (下記表に記載の通り)
長さ 3000μm
曲率半径R (下記表に記載の通り)
(アンダークラッド122)
厚さ 15μm
長さ 3000μm
屈折率 (下記表に記載の通り)
(オーバークラッド123)
厚さ 15μm
長さ 3000μm
屈折率 (下記表に記載の通り)
ポリマー光導波路とシングルモード光ファイバとの正対(バット)接続部における接続損失のシミュレーション解析を行った。評価モデルには、ポリマー光導波路とシングルモード光ファイバとの正対(バット)接続部、すなわち、ポリマー光導波路の光導波部と、シングルモード光ファイバとの正対(バット)接続部を用いた。
図12は、シミュレーション解析に使用したポリマー光導波路の評価モデルを示した端面図である。図12には、コア131がアンダークラッド132とオーバークラッド133とで被覆された、ポリマー光導波路130の光導波部135が示されている。
<ポリマー光導波路130>
(コア131)
コア幅Wa (下記表に記載の通り)
コア高さHa(下記表に記載の通り)
屈折率 (下記表に記載の通り)
長さ 3000μm
(アンダークラッド132)
厚さ 15μm
長さ 3000μm
屈折率 (下記表に記載の通り)
(オーバークラッド133)
厚さ 15μm
長さ 3000μm
屈折率 (下記表に記載の通り)
<シングルモードファイバ>
コア径 8.4μm
コア屈折率 1.47
クラッド屈折率 1.4652
本出願は、2018年5月18日出願の日本特許出願2018-096373に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。
11a,11b:コア
12:アンダークラッド
13:オーバークラッド
14:結合部
15:光導波部
20:複合光導波路
30:シリコン光導波路
40:ポリマー光導波路
41:コア
42:アンダークラッド
43:オーバークラッド
44:結合部
45:光導波部
46:ピッチ変換領域
50:コネクタ
60:ポリマー光導波路
61a,61b,61c:コア
62:アンダークラッド
63:オーバークラッド
64:結合部
65:光導波部
66:ピッチ変換領域
70a,70b,70c,70d,70e:ポリマー光導波路
71a,71b,71c,71d,71e:コア
72a,72b,72c,72d,72e:アンダークラッド
73a,73b,73c,73d,73e:オーバークラッド
74a,74b,74c,74d,74e:結合部
75a,75b,75c,75d,75e:光導波部
76a,76b,76c,76d,76e:ピッチ変換領域
80:ポリマー光導波路
81:コア
82:アンダークラッド
83:オーバークラッド
84:接続部
85:光導波部
86:アディアバティック結合部
90:シリコン光導波路
91:コア
92: クラッド
93:アディアバティック結合部
94:クラッドのみが存在する領域
100:接着剤
101:シリコン光導波路とポリマー光導波路の光導波部との間の領域
110:バリア層
120:ポリマー光導波路
121:コア
122:アンダークラッド
123:オーバークラッド
126:疑似ピッチ変換領域(コア湾曲部)
130:ポリマー光導波路
131:コア
132:アンダークラッド
133:オーバークラッド
135:光導波部
Claims (9)
- コア、前記コアよりも屈折率が低く前記コアの周囲に存在するアンダークラッド、および前記コアよりも屈折率が低く前記アンダークラッドとは反対側のコア周囲に存在するオーバークラッド、を備え、
光の伝播方向に沿って、オーバークラッドが存在せず、コアおよび該コアの周辺のアンダークラッドが露出した結合部と、前記コアがアンダークラッドとオーバークラッドとで被覆された光導波部とを有する、ポリマー光導波路、および、
前記ポリマー光導波路の前記結合部とアディアバティック結合されたシリコン光導波路を含む、複合光導波路であって、
前記ポリマー光導波路は、光の伝播方向に沿って、コア幅が異なる部位を有しており、
コア幅が最も狭い部位aのコア幅をWa(μm)とし、前記部位aのコア高さをHa(μm)とした時、前記Haが1.3μm以上4.5μm以下であり、Ha/Waが1.15以下であり、
前記部位aが前記光導波部に存在している、複合光導波路。 - 前記Waが1.3μm以上4.5μm以下である、請求項1に記載の複合光導波路。
- 光の伝播方向に沿って並列に配置された複数のコアを有しており、前記ポリマー光導波路の一端側と他端側とで、複数のコア間のピッチが異なっており、前記ポリマー光導波路は、複数のコア間のピッチを変換するピッチ変換領域を有しており、該ピッチ変換領域におけるコア幅をWp(μm)としたとき、Wpが2.2μm以上6μm以下である、請求項1または2に記載の複合光導波路。
- 前記アンダークラッドと前記オーバークラッドとの屈折率差の絶対値が0.001以下である、請求項1~3のいずれか一項に記載の複合光導波路。
- 前記コアと前記アンダークラッドとの比屈折率差u、および、前記コアと前記オーバークラッドとの比屈折率差oが、いずれも、0.006~0.017である、請求項1~4のいずれか一項に記載の複合光導波路。
- 前記結合部におけるコア幅をWs(μm)としたとき、Wsが3μm以上8μm以下である、請求項1~5のいずれか一項に記載の複合光導波路。
- 光の伝播方向に沿って並列に配置された複数のコアを有しており、前記複数のコアの少なくとも一つは、前記結合部を有しておらず、前記光導波部のみを有している、請求項1~6のいずれか一項に記載の複合光導波路。
- 前記コアがフッ素を含むポリマーからなる、請求項1~7のいずれか一項に記載の複合光導波路。
- 前記ポリマー光導波路の前記光導波部を収容するコネクタをさらに含む、請求項1~8のいずれか一項に記載の複合光導波路。
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