JP2004233982A - 光導波路部品およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】 現状、光導波路と光ファイバとを一体基板を用いて調芯する際には、機械加工などによる溝の加工が必要であり、量産性や経済性に問題がある。
【解決手段】 第1の屈折率を有する光透過性の基板11と、前記基板の主面に形成された、前記第1の屈折率よりも大きい第2の屈折率を有する高屈折率の材料35が充填されている、光導波路のための光導波路用溝12と、前記基板の前記主面に、その一端が光導波路用溝の一端と所定の間隙をおいて形成され、光ファイバを前記基板上に配置し、前記光導波路と前記光ファイバを光学的に接続するための光ファイバ配列溝13と、光導波路用溝と、前記所定の間隙の少なくとも一部とを覆って前記基板上に配置されている第2の基板36とを備えた。
【選択図】 図1
【解決手段】 第1の屈折率を有する光透過性の基板11と、前記基板の主面に形成された、前記第1の屈折率よりも大きい第2の屈折率を有する高屈折率の材料35が充填されている、光導波路のための光導波路用溝12と、前記基板の前記主面に、その一端が光導波路用溝の一端と所定の間隙をおいて形成され、光ファイバを前記基板上に配置し、前記光導波路と前記光ファイバを光学的に接続するための光ファイバ配列溝13と、光導波路用溝と、前記所定の間隙の少なくとも一部とを覆って前記基板上に配置されている第2の基板36とを備えた。
【選択図】 図1
Description
本発明は主として光通信などに用いられる光導波路部品およびその製造方法に関する。
近年、公衆通信やコンピュ−タネットワ−ク等では高速化、高機能化を目的として、広帯域性をもつ光通信を利用し、波長多重伝送や双方向伝送の機能を付加した光通信システムが浸透しつつある。
光通信分野において、高度な光信号処理を行うために、各種機能を持つ光集積回路の研究が盛んに行われている。光集積回路は光導波路を基本要素としているが、光導波路は屈折率の高いコア領域を相対的に屈折率の低いクラッド層で覆うことによってコア領域に光を閉じこめて伝搬させるものであり、コアをパターン化して配列することで、多種の機能を実現している。
光導波路の製造方法としては、コア・クラッド膜形成方法として火炎堆積法を用い、コアパターン形成法として反応性イオンエッチング法を用いるものが代表的である。コア・クラッドの形成方法としては、火炎堆積法以外にCVD法、真空蒸着法、スパッタ法等も提案されている。
特に石英系光導波路は低損失性、物理的・化学的安定性、光ファイバとの整合性など数々のメリットを有しており、代表的な受動光導波路となっている。
また、光導波路と光ファイバとの接続を効率よく行うために、光導波路と光ファイバ配列溝を同一基板上に形成しているものもある(例えば、特許文献1参照)。
特開昭63−115113号公報(例えば第2頁、第1図)
しかしながら、このような光導波路においてはコスト面、性能面で次のような課題を有していた。
光ファイバと光導波路間の光損失を抑制するには、シングルモードの場合は±1μm以下の位置調整、組立、固定が必要となる。また、光ファイバ配列溝の作製についてもシリコン基板の選択ウエットエッチングや各種基板の研削加工法が用いられており、それぞれ量産性や溝形状の再現性に乏しい欠点を有していた。
さらに、図12に示すように基板81に光導波路82および光ファイバ配列溝83を作製して用いる場合、光導波路82を製造するには、基板81に光導波路82に対応する溝を成形し、光ファイバ配列溝83を形成するとともに、機械加工などによる光ファイバ配列溝83と、光導波路82との境界を横切るように、溝89の加工を行う必要がある。これは、溝に光導波路のコア部となる樹脂を充填したときに、光ファイバ配列溝83と対向する側の端面を精度良く露出させる必要があるからである。なお、溝89の加工は、光導波路82に対応する溝にコアとなる樹脂を充填した後に切削加工するようにしてもよいし、光ファイバ配列溝83および光導波路82に対応する溝の成型と同時に行ってもよい。ただしこのときは、コアとなる樹脂を充填するときに、溝89に対応する仮型を填めておき、端面から樹脂が漏れないようにしておく必要がある。
従って現状、光導波路については、この光導波路の端面仕上げのための加工が煩雑となり、大量生産には不向きで低コスト化が困難であるという課題を有していた。
本発明は従来の光導波路部品が有する上述した課題を鑑み、性能、量産性、低コスト性を兼ね備えた光導波路部品を提案することを目的とするものである。
上記の目的を達成するために、第1の本発明は、第1の屈折率を有する光透過性の第1の基板と、
前記第1の基板の主面に形成された、前記第1の屈折率よりも大きい第2の屈折率を有する材料が充填されている、光導波路のための第1の溝と、
前記第1の基板の前記主面に、その一端が前記第1の溝の一端と所定の間隙をおいて形成され、光学端末を前記第1の基板上に配置し、前記光導波路と前記光学端末を光学的に接続するための第2の溝と、
前記第1の溝と、前記所定の間隙の少なくとも一部とを覆って前記第1の基板上に配置されている、前記第2の屈折率より低い屈折率を有する第2の基板とを備えた光導波路部品である。
前記第1の基板の主面に形成された、前記第1の屈折率よりも大きい第2の屈折率を有する材料が充填されている、光導波路のための第1の溝と、
前記第1の基板の前記主面に、その一端が前記第1の溝の一端と所定の間隙をおいて形成され、光学端末を前記第1の基板上に配置し、前記光導波路と前記光学端末を光学的に接続するための第2の溝と、
前記第1の溝と、前記所定の間隙の少なくとも一部とを覆って前記第1の基板上に配置されている、前記第2の屈折率より低い屈折率を有する第2の基板とを備えた光導波路部品である。
また、第2の本発明は、前記所定の間隙の大きさは、前記光導波路と前記光学端末の結合効率が、実質上無視できる程度である、第1の本発明の光導波路部品である。
また、第3の本発明は、前記所定の間隙の大きさの値をdとし、前記第1の基板の屈折率をn1とし、前記光導波路のスポットサイズをω1とし、前記光学端末のスポットサイズをω2とし、前記光導波路および前記光学端末を導波する導波光の波長をdとし、前記光導波路と前記光学端末の結合効率をηとした場合、
また、第4の本発明は、前記所定の間隙の大きさは、前記結合効率が実質上0.3dB以下となるような大きさである、第1から3のいずれかの本発明の光導波路部品である。
また、第5の本発明は、前記第1の溝の前記一端の端面は、前記光導波路の光軸に対して傾斜している、第1の本発明の光導波路部品である。
また、第6の本発明は、前記第1の溝の前記一端の端面は、前記第2の溝の前記一端の端面から見て凸状に湾曲している第1または第2の本発明の光導波路部品である。
また、第7の本発明は、前記所定の間隙の大きさの値をdとし、前記第1の基板の屈折率をn2とし、前記光導波路のスポットサイズをω1とし、前記光学端末のスポットサイズをω2とし、前記光導波路および前記光学端末を導波する導波光の波長をdとし、前記凸状の彎曲の曲率半径をRとし、前記光導波路と前記光学端末の結合効率をηとした場合、
また、第8の本発明は、前記所定の間隔の大きさは実質上52μm以下である、第7の本発明の光導波路部品である。
また、第9の本発明は、前記曲率半径は5より大きく15より小さい、第8の本発明の光導波路部品である。
また、第10の本発明は、前記第1の溝の他方の端部に光半導体素子が実装されている、第1から10のいずれかの本発明の光導波路部品である。
また、第11の本発明は、第1から10のいずれかの本発明の光導波路部品を備えた光デバイスである。
また、第12の本発明は、第1の屈折率を有する光透過性の第1の基板の主面上に、第1の溝を形成する工程と、
前記第1の基板の前記主面に、その一端が前記第1の溝の一端と所定の間隙をおくように第2の溝を形成する工程と、
前記第1の溝に、前記第1の屈折率よりも大きい第2の屈折率を有する材料を充填し光導波路を形成する工程と、
前記第1の溝と、前記所定の間隙の少なくとも一部とを覆って前記第1の基板上に、前記第2の屈折率より低い屈折率を有する第2の基板を配置する工程とを備えた、光導波路部品の製造方法である。
前記第1の基板の前記主面に、その一端が前記第1の溝の一端と所定の間隙をおくように第2の溝を形成する工程と、
前記第1の溝に、前記第1の屈折率よりも大きい第2の屈折率を有する材料を充填し光導波路を形成する工程と、
前記第1の溝と、前記所定の間隙の少なくとも一部とを覆って前記第1の基板上に、前記第2の屈折率より低い屈折率を有する第2の基板を配置する工程とを備えた、光導波路部品の製造方法である。
また、第13の本発明は、前記第1の溝を形成する工程および前記第2の溝を形成する工程を、金型を使用した一括成型により行う、第12の本発明の光導波路部品の製造方法である。
以上、述べたように本発明は、光導波路部品の製造工程を削減して低コストで大量生産することが容易にできるものである。
以下、添付の図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。なお、図面で同一番号を付した部品は同一のものを示す。
(実施の形態1)
図1〜図10は、本発明の光導波路部品の第1の実施の形態を示し、これにより、本発明の実施の形態による光導波路部品およびその製造方法を説明する。
図1〜図10は、本発明の光導波路部品の第1の実施の形態を示し、これにより、本発明の実施の形態による光導波路部品およびその製造方法を説明する。
まず、図1のようにガラスもしくは透明樹脂よりなる基板11の表面に、図2に示す金型24を用いた成形により光導波路用溝12および光ファイバ配列溝13を一括形成する。金型24上の光導波路に対応する部分241と光ファイバ配列溝に対応する部分240に間隔dを設けることにより、金型24の加工が容易になる。また図1のように基板11の一部を介して光導波路用溝12および光ファイバ配列溝13を形成することができる。このとき、金型24において、部分240の端部240aは、ドライエッチング等で精度良く成型することができるため、転写によって成型された光導波路用溝12において、光ファイバ配列溝13と対向する端部12aは、光導波路として十分な精度を持つ端面を有することになる。
次に図3のように光導波路用溝12の形成面に高屈折率の材料35として紫外線硬化樹脂を塗布して溝内に充填し、その後、第2の基板36を貼り合わせる。紫外線を照射することで溝内の紫外線硬化樹脂は硬化される。紫外線硬化樹脂として基板31および第2の基板36よりも高い屈折率を有するものを用いることにより、溝内の紫外線硬化樹脂は光導波路コアとして機能する。なお、光導波路用溝12および光ファイバ配列溝13との間に基板31の一部を間隔dを介していることにより、第2の基板36貼り合わせ時の寸法精度が、この間隔d分だけ緩和される。もちろん第2の基板36の光導波路用溝12方向の長さは、高屈折率の材料35の長さおよび間隔dと同一の精度であってもよい。第2の基板36は、少なくとも光導波路用溝12に高屈折率の材料35が外部に露出しないよう完全に覆ってしまえるように配置する必要がある。
さらに図4のように光ファイバ配列溝13に光ファイバ47を配置することによって、完成した光導波路と光ファイバ47との高精度の位置決めを容易にすることが可能となる。
次に、図5を参照して、光導波路用溝12と光ファイバ配列溝13との間隔と、結合効率との関係を説明する。
図5は、光ファイバ配列溝13に光ファイバ47を載置した状態を示す平面図である。このとき、前記第1の基板の屈折率をn1とし、高屈折率の材料35、第2の基板36および光導波路用溝12により形成される光導波路50のスポットサイズをω1とし、光ファイバ47のスポットサイズをω2とし、光導波路50および光ファイバ47を導波する導波光の波長をλとし、光導波路50および光ファイバ47の結合効率をηとした場合、間隔dを含めたこれら各パラメータの間には、
上記(数1)に示すように、本実施の形態においては、基板の屈折率、導波光の波長は、技術常識に参照して、ある程度一定範囲に定まるので、結合効率ηは主に間隔dを調整して設定すると考えてよい。第1の基板の屈折率n1=1.49、導波光の波長λ=1310nm、光導波路50のスポットサイズω1=5μm、光ファイバ47のスポットサイズω2=4.75μmに固定し、結合効率ηを間隔dの関数とした場合のグラフを図6に示す。
図に示すように、結合効率ηは間隔dが大きくなると急激に劣化するが、間隔dが小さくなると劣化の程度は減少する。例えば、間隔dが45μmの場合、結合効率は0.3dB程度を確保でき、間隔dとしてはこれ以下の値をとることが望ましい。
なお、光導波路用溝12および光ファイバ配列溝13については、本実施の形態で述べたように成形で形成するのが生産上望ましいが、これに限るものでなく、必要に応じてエッチングや機械加工により形成しても構わない。
また、光ファイバ配列溝13については断面V字形状を例に挙げて説明したが、これに限るものではなく、断面形状は台形や長方形や半円形状であってもよく、光ファイバと接触する位置の精度が確保されていればよい。
また、光ファイバ配列溝13については断面V字形状を例に挙げて説明したが、これに限るものではなく、断面形状は台形や長方形や半円形状であってもよく、光ファイバと接触する位置の精度が確保されていればよい。
なお、本実施の形態では、高屈折率の材料35として紫外線硬化樹脂を充填して光導波路を形成したが、これに限るものではなく、高屈折率の材料としては熱硬化樹脂やポリイミドなどを用いても良い。クラッド層についてもスピンコーティングにより形成しても構わない。
なお、本実施の形態においては、1本の直線の導波路を例に挙げて説明したが、これに限るものではなく、一般に使用されている光導波路パターンすべてに応用することができ、光波の曲がり、分岐、結合の制御もできる。
なお、本実施の形態においては、光導波路の片側にのみ光ファイバを配置したが、これに限るものではなく、光導波路の両側に配置してもよい。このとき、光導波路用溝は、その両端が基板11内に形成されることになり、それぞれの両端が、光ファイバ配列溝のそれぞれの一端と対向するように配置される。
また図7のように、その端面52aが、光導波路の光軸に対して斜めに加工された光導波路用溝52としてもよく、これにより反射戻り光を抑制することが可能となる。このとき間隔dは斜面を形成した端面の中心を基準にとるようにする。
また図8のように、その端面62aが、特に光ファイバ配列溝13側から見て凸状に彎曲している光導波路用溝62とすることにより、光導波路端面62aからの出射光の拡がりを抑制し、光ファイバとの結合効率を向上することができる。これにより光導波路からの出射光を効率よく光ファイバに接続することが可能となる。なお、凸状の彎曲形状は、円柱の曲面のような形状でも良いし、凸レンズ状の形状でも良い。
ここで、図9を参照して、光導波路用溝12と光ファイバ配列溝13との間隔と、結合効率との関係を説明する。
図9は、光ファイバ配列溝13に光ファイバ47を載置した状態を示す平面図である。このとき、前記第1の基板の屈折率をn1とし、高屈折率の材料35と同等の材料、第2の基板36および光導波路用溝62により形成される光導波路90のスポットサイズをω1とし、光ファイバ47のスポットサイズをω2とし、光導波路および光ファイバ47を導波する導波光の波長をλとし、光導波路90および光ファイバ47の結合効率をηとした場合、間隔dおよび端面62aの曲率半径Rを含めたこれら各パラメータの間には、
図5の例と同様、本実施の形態においては、基板の屈折率、導波光の波長は、技術常識に参照して、ある程度一定範囲に定まるので、結合効率ηは主に間隔dおよび端面62aの曲率半径Rによって調整できると考えてよい。第1の基板の屈折率n1=1.49、導波光の波長λ=1310nm、光導波路90のスポットサイズω1=5μm、光ファイバ47のスポットサイズω2=4.75μmに固定し、結合効率ηを間隔d、曲率半径Rの関数とした場合のグラフを図10に示す。曲率半径R=5,10,15の3通りの曲線を示した。
図10に示すように、結合効率ηは間隔dが大きくなると急激に劣化するが、端面62aの曲率のため、間隔dがある程度より小さくなると再び劣化する。すなわち最適な結合効率ηは、端面64aがレンズとして機能したときの焦点距離と間隔dとが一致したときに求められ、ηをd、Rの関数としたときの最小値として与えられる点が、図5の例と異なる。図5の例の場合と同様、最適な結合効率ηを0.3dB以下と定めると、間隔dを実質上52μm以下に調整することで、どのような曲率半径でも好適な結果が得られることがわかる。
一方、曲率半径Rを小さく取ると、間隔dを上記より大きくとっても、良好な結合効率を得ることができる。R=10としたとき、間隔dは約55μmに、またR=5としたとき、間隔dは実質上58μmまでそれぞれ大きく取ることができる。
また、最適な結合効率ηとして実質上0に近い値域が得られるのは、曲率半径R=5のとき間隔d=実質上16〜20μm、曲率半径R=10のとき間隔d=実質上5〜15μm、曲率半径R=15のとき間隔d=実質上5〜10μmであって、理想的にはこれらの値で端面64aおよび間隔dを設定することが望ましい。
(実施の形態2)
図11に本発明の光導波路部品の第2の実施の形態を示し、これにより、本発明の実施の形態による光導波路部品およびその製造方法を説明する。
図11に本発明の光導波路部品の第2の実施の形態を示し、これにより、本発明の実施の形態による光導波路部品およびその製造方法を説明する。
まず、ガラスもしくは透明樹脂よりなる基板71の表面に、金型(図示せず)を用いた成形により光導波路用溝72および光ファイバ配列溝73および光半導体素子搭載部78を一括形成する。
次に光導波路用溝72形成面に高屈折率の材料75として紫外線硬化樹脂を塗布して溝内に充填し、その後、第2の基板76を貼り合わせる。紫外線を照射することで溝内の紫外線硬化樹脂は硬化される。紫外線硬化樹脂として基板71および第2の基板76よりも高い屈折率を有するものを用いることにより、溝内の紫外線硬化樹脂は光導波路コアとして機能する。以上の動作は実施の形態1と同様である。
さらに基板71の光半導体素子搭載部78に光半導体素子79を配置することによって、容易に光導波路と光ファイバおよび光半導体素子との高精度の位置決めをすることが可能となる。
なお、光導波路および光ファイバ配列溝および光半導体素子搭載部については、本実施の形態で述べたように成形で形成するのが生産上望ましいが、これに限るものでなく、必要に応じてエッチングや機械加工により形成しても構わない。
また、光ファイバ配列溝についてはV字形状を例に挙げて説明したが、これに限るものではなく、台形や長方形や半円形状であってもよく、光ファイバと接触する位置の精度が確保されていればよい。
なお、本実施の形態では、高屈折率の材料として紫外線硬化樹脂を充填して光導波路を形成したが、これに限るものではなく、高屈折率の材料としては熱硬化樹脂やポリイミドなどを用いても良い。クラッド層についてもスピンコーティングにより形成しても構わない。
なお、本実施の形態においては、1本の直線の導波路を例に挙げて説明したが、これに限るものではなく、一般に使用されている光導波路パターンすべてに応用することができ、光波の曲がり、分岐、結合の制御もできる。
なお、基板としてガラスを用いることにより、基板の高周波特性を向上させ、低損失の伝送を行うことが可能となり、また、信頼性の確保も容易になる。
また、本発明は、上述した光導波路部品を備えた光デバイスとしても良く、そのようなデバイスとしては、光トランシーバ、光メディアコンバータ等が上げられる。
また、上記の説明において、基板11および71は本発明の第1の基板に相当し、光導波路用溝12、62および72は本発明の第1の溝に相当し、光ファイバ配列溝13および73は本発明の第2の溝に相当し、光導波路用溝12,62、72、第2の基板36,76および高屈折率の材料35,75から構成される光導波路50,90は本発明の光導波路に相当し、第2の基板36および76は本発明の第2の基板に相当し、高屈折率の材料35および75は本発明の第2の屈折率を有する材料に相当する。また、基板11および71における間隔dの部分は、本発明の所定の間隙に相当する。
また、光ファイバ47は本発明の光学端末に相当するが、光学端末の他の例としては、フェルール等であってもよい。
本発明にかかる光導波路部品およびその製造方法は、光導波路部品の製造工程を削減して低コストで大量生産することが容易にできる効果を有し、光通信などに用いられる光導波路部品等として有用である。
11、71、81 基板
12、72 光導波路用溝
82 光導波路
13、73 光ファイバ配列溝
24 金型
35、75 高屈折率の材料
36、76 第2の基板
47 光ファイバ
78 光半導体素子搭載部
79 光半導体素子
89 溝
12、72 光導波路用溝
82 光導波路
13、73 光ファイバ配列溝
24 金型
35、75 高屈折率の材料
36、76 第2の基板
47 光ファイバ
78 光半導体素子搭載部
79 光半導体素子
89 溝
Claims (13)
- 第1の屈折率を有する光透過性の第1の基板と、
前記第1の基板の主面に形成された、前記第1の屈折率よりも高い第2の屈折率を有する材料が充填されている、光導波路のための第1の溝と、
前記第1の基板の前記主面に、その一端が前記第1の溝の一端と所定の間隙をおいて形成され、光学端末を前記第1の基板上に配置し、前記光導波路と前記光学端末を光学的に接続するための第2の溝と、
前記第1の溝と、前記所定の間隙の少なくとも一部とを覆って前記第1の基板上に配置されている、前記第2の屈折率より低い屈折率を有する第2の基板とを備えた光導波路部品。 - 前記所定の間隙の大きさは、前記光導波路と前記光学端末の結合効率が、実質上無視できる程度である、請求項1に記載の光導波路部品。
- 前記所定の間隙の大きさは、前記結合効率が実質上0.3dB以下となるような大きさである、請求項1から3のいずれかに記載の光導波路部品。
- 前記第1の溝の前記一端の端面は、前記光導波路の光軸に対して傾斜している、請求項1に記載の光導波路部品。
- 前記第1の溝の前記一端の端面は、前記第2の溝の前記一端の端面から見て凸状に湾曲している請求項1または2に記載の光導波路部品。
- 前記所定の間隔の大きさは実質上52μm以下である、請求項7に記載の光導波路部品。
- 前記曲率半径は実質的に5より大きく15より小さい、請求項8に記載の光導波路部品。
- 前記第1の溝の他方の端部に光半導体素子が実装されている、請求項1から9のいずれかに記載の光導波路部品。
- 請求項1から10のいずれかに記載の光導波路部品を備えた光デバイス。
- 第1の屈折率を有する光透過性の第1の基板の主面上に、第1の溝を形成する工程と、
前記第1の基板の前記主面に、その一端が前記第1の溝の一端と所定の間隙をおくように第2の溝を形成する工程と、
前記第1の溝に、前記第1の屈折率よりも高い第2の屈折率を有する材料を充填し光導波路を形成する工程と、
前記第1の溝と、前記所定の間隙の少なくとも一部とを覆って前記第1の基板上に、前記第2の屈折率より低い屈折率を有する第2の基板を配置する工程とを備えた、光導波路部品の製造方法。 - 前記第1の溝を形成する工程および前記第2の溝を形成する工程を、金型を使用した一括成型により行う、請求項12に記載の光導波路部品の製造方法。
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