JP2008281624A - 光ファイバ実装導波路素子及びその製造方法 - Google Patents

光ファイバ実装導波路素子及びその製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】接続損失が小さく、生産性が高い光ファイバ実装導波路素子及びその製造方法を提供する。
【解決手段】基板上にアンダークラッド層３ｕとコア４とオーバークラッド層３ｏとを形成してなる光ファイバ実装導波路素子１において、ファイバ実装導波路素子１に光ファイバ６を実装するための光ファイバ実装溝２を形成し、光ファイバ実装溝２に臨むオーバークラッド層３ｏの端面を有し、該光ファイバ実装溝側において上記オーバークラッド層３ｏの端面よりも、上記コア４と上記アンダークラッド層３ｕとが突出している。
【選択図】図１

Description

本発明は、接続損失が小さく、生産性が高い光ファイバ実装導波路素子及びその製造方法に関する。
従来より、光ファイバを実装する導波路素子（以下、光ファイバ実装導波路素子という）においては、光ファイバをコアの延長上に案内すると共に、光ファイバを安定的に固定し易いように、光ファイバ溝が設けられる。
光ファイバ実装導波路素子は、光ファイバ実装溝に臨むクラッド及びコアの端面を有する。すなわち、クラッドに段差を設けてその段差の底部を光ファイバ溝の底面とし、この光ファイバ溝に載せて実装した光ファイバの端面がクラッド及びコアの端面に接するようになっている。
特開２００６−１８４７５４号公報 特開２００２−２６７８６０号公報
図４に示されるように、従来の光ファイバ実装導波路素子１０１は、クラッド１０３に周囲を囲まれたコア１０４がクラッド１０３の端面まで形成され、光ファイバ溝１０２に実装された光ファイバ１０５の端面がクラッド１０３の端面に接することで、光ファイバ１０５中のコアと光ファイバ実装導波路素子１０１のコア１０４が光結合する。
しかし、クラッド１０３の端面近傍を拡大して詳しく見ると、図５に示されるように、コア１０４の先端１０４ａは丸みを帯びている。これは、例えば、光ファイバ実装導波路素子１０１がフォトリソグラフィ技術（直接露光）で製造される場合、原料となる導波路基板上にコア１０４とクラッド１０３を所望形状に区画して形成するために、フォトマスクを載せて露光を行うとき、フォトマスクの縁では光の回折が生じるなどして、フォトマスク上では直角エッジになっているマスクパターンが丸くなまって露光される。クラッド１０３の端面はフォトマスクの縁に位置するので、フォトマスク上のコアパターンが直角エッジになっていても、形成されたコア１０４の先端１０４ａは丸みを帯びてしまう。特に、コア径（太さ）が小さい場合には、コア１０４の先端１０４ａに丸みが形成されやすい。
なお、丸みを帯びたコアの先端１０４ａとクラッド１０３の端面１０３ａとの間は、クラッド１０３で埋まる。
図５のように、コア１０４の先端１０４ａが丸みを帯びていると、コアの先端１０４ａの曲面と光ファイバ１０５との間にクラッド１０３が入り込み、コア１０４とクラッド１０３との界面が湾曲してくるので、光が屈折して光路が変わり隣接コアに光が多量に漏れるなどして光のアイソレーションが悪化し、また、接続損失が増大する。
また、コアの先端１０４ａが丸みを帯びてクラッド１０３で覆われていると、光ファイバ１０５との相対位置（端面に沿った方向の位置）により光結合の良好さが大きく変化するので、製造ばらつきによるコア先端部と光ファイバとの相対位置（端面に沿った方向）の変化による損失のばらつきが大きくなり、光ファイバ実装導波路素子の生産性が低下する。
また、特許文献２に示すような光導波路素子においても、上述したようにコア端面が丸くなり、光ファイバとの接続の際に、接続損失が大きくなるという問題がある。また、図６に示されるように、コア６１の光接続端面をクラッド６２の凹内に形成した後に、光接続端面を覆っているクラッド材及び基板を除去することによって、コア６１をクラッド端面より突出させた光導波路を作製する方法であるため、クラッド６２の除去工程中にコア６１が破壊してしまうという問題がある。
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、接続損失が小さく、生産性が高い光ファイバ実装導波路素子及びその製造方法を提供することにある。
上記目的を達成するために本発明の光ファイバ実装導波路素子は、基板上にアンダークラッド層とコアとオーバークラッド層とを形成してなる光ファイバ実装導波路素子において、上記ファイバ実装導波路素子に光ファイバを実装するための光ファイバ実装溝を形成し、上記光ファイバ実装溝に臨むオーバークラッド層の端面を有し、該光ファイバ実装溝側において上記オーバークラッド層の端面よりも、上記コアと上記アンダークラッド層とが突出しているものである。
また、本発明の光ファイバ実装導波路素子は、基板上にアンダークラッド層とコアとオーバークラッド層とを形成してなる光ファイバ実装導波路素子において、上記ファイバ実装導波路素子に光ファイバを実装するための光ファイバ実装溝を形成し、上記光ファイバ実装溝に臨むオーバークラッド層の端面を有し、該光ファイバ実装溝側において上記オーバークラッド層の端面よりも、上記コアが突出し、かつ、上記光ファイバ実装溝の底面までＬ字状に形成されているものである。
上記コアを複数有し、これらのコアが上記オーバークラッド層の端面より外でコア同士が連結されていてもよい。
上記コアを複数有し、これらのコアが上記オーバークラッド層の端面より外で隣接するコアの方向に広がっていてもよい。
上記光ファイバ実装溝に光ファイバが実装され、該光ファイバの端面が上記コアに接し、上記光ファイバの端面と上記オーバークラッド層、コア層及びアンダークラッド層の端面との間に接着剤を充填し、硬化させることにより、上記コアと上記光ファイバとが接続され、上記コアと硬化後の上記接着剤の屈折率の差が±０．００５の範囲内であってもよい。
上記コアと上記接着剤が同材料であってもよい。
また、その製造方法は、基板上にアンダークラッド層とコアとオーバークラッド層とを形成してなる光ファイバ実装導波路素子の製造方法において、上記ファイバ実装導波路素子に光ファイバを実装するための光ファイバ実装溝を形成し、上記光ファイバ実装溝に臨むオーバークラッド層の端面を有し、該光ファイバ実装溝側において上記オーバークラッド層の端面よりも、上記コアと上記アンダークラッド層とが突出するように形成するものである。
また、その製造方法は、基板上にアンダークラッド層とコアとオーバークラッド層とを形成してなる光ファイバ実装導波路素子の製造方法において、上記ファイバ実装導波路素子に光ファイバを実装するための光ファイバ実装溝を形成し、上記光ファイバ実装溝に臨むオーバークラッド層の端面を有し、該光ファイバ実装溝側において上記オーバークラッド層の端面よりも、上記コアが突出し、かつ、上記光ファイバ実装溝の底面までＬ字状に形成されているように形成するものである。
上記コアを複数形成し、これらのコアが上記オーバークラッド層の端面より外でコア同士が連結されているようにしてもよい。
上記コアを複数形成し、これらのコアが上記オーバークラッド層の端面より外で隣接するコアの方向に広がっているようにしてもよい。
上記光ファイバ実装溝に光ファイバを実装し、該光ファイバの端面を上記コアに接するようにし、上記光ファイバの端面と上記オーバークラッド層、コア層及びアンダークラッド層の端面との間に接着剤を充填し、硬化させることにより、上記コアと上記光ファイバとを接続し、上記コアと硬化後の上記接着剤の屈折率の差を±０．００５の範囲内としてもよい。
上記コアと上記接着剤に同材料を用いてもよい。
本発明は次の如き優れた効果を発揮する。
（１）接続損失が小さい。
（２）生産性が高い。
以下、本発明の一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。
図１（ａ）および図１（ｂ）に示されるように、本発明に係る光ファイバ実装導波路素子１は、基板８上にクラッド３であるアンダークラッド層３ｕとコア４とクラッド３であるオーバークラッド層３ｏとを形成してなる光ファイバ実装導波路素子１において、ファイバ実装導波路素子１に光ファイバ６を実装するための光ファイバ実装溝２を形成し、光ファイバ実装溝２に臨むオーバークラッド層３ｏの端面３ａを有し、この光ファイバ実装溝側においてオーバークラッド層３ｏの端面３ａよりも、コア４とアンダークラッド層３ｕとが突出しているものである。
本実施形態の光ファイバ実装導波路素子１は、等ピッチで平行な４つのコア４を有し、各コア間の中心軸の延長線上に光ファイバ固定用くさび７を形成し、光ファイバ実装溝２を形成している。
本実施形態の光ファイバ実装導波路素子１は、オーバークラッド層３ｏの端面３ａより外に出ているコア４ａの直下がアンダークラッド層３ｕとなっている。
光ファイバ実装導波路素子１は、直接露光法で製造される。
図８（ａ）に示されるように、ＵＶ硬化用クラッド材をスピンコーターなどで基板８上に塗布し、所望の部分にアンダークラッド層３ｕが形成されるように、ＵＶ照射を行い、ＵＶ硬化用クラッド材を硬化させる。その後、未露光部分のＵＶ硬化用クラッド材を現像液で除去する。次に、図８（ｂ）に示されるように、アンダークラッド層３ｕ上にコア材を塗布後、直接露光を行い、未露光部分のコア材を現像液で除去してコア４を形成する。さらに、図８（ｃ）に示されるように、コア４上にオーバークラッド層のためのクラッド材料を塗布後、コア４ａを形成するためのマスク１０を設け、直接露光を行う。図８（ｄ）に示されるように、未露光部分を現像液で除去すると、露光部分はオーバークラッド層３ｏとして残る。
この工程により、図１（ｃ）に示すように、光ファイバ実装溝２側においてオーバークラッド層３ｏの端面３ａよりコア４とアンダークラッド層３ｕとが同程度突出するようにコア４とオーバークラッド層３ｏが形成される。
図１（ｂ）に示されるように、光ファイバ実装導波路素子１は、光ファイバ実装溝２に光ファイバ６が実装され、その光ファイバ６の端面がオーバークラッド層３ｏの端面３ａより外に出ているコア４ａ及びアンダークラッド層３ｕの先端に接する。光ファイバの端面とオーバークラッド層３ｏの端面３ａ、コア４ａ及びアンダークラッド層３ｕとの間には、コア４と屈折率が同じ接着剤９が充填される。接着剤９は、充填後に硬化するが、その硬化後にコア４と屈折率が同じであればよい。
以下、本発明の作用効果を述べる。
図１の光ファイバ実装導波路素子１は、光ファイバ実装溝２に光ファイバ６が実装されると、光ファイバの端面がオーバークラッド層３ｏの端面３ａより外に出ているコア４ａの先端に接する。このとき、光ファイバ実装導波路素子１が直接露光法で製造され、オーバークラッド層３ｏの端面３ａより外に出ているコア４ａの先端がフォトマスクの縁に位置することから、コア４ａの先端は、拡大して詳しく見ると従来同様に丸みを帯びる。
しかし、従来と異なり、コア４ａがオーバークラッド層３ｏの端面３ａより外に出ているので、コア４ａの先端の曲面と光ファイバとの間にはクラッドがない。よって、光ファイバの端面とオーバークラッド層３ｏの端面３ａとの間に接着剤９を充填したとき、この接着剤９がコア４ａの先端の曲面と光ファイバとの間に入り込む。
硬化後の接着剤９とコア４の屈折率が同じであるから、コア４と光ファイバ６との接続部において、コア４から導波路素子又は導波路素子からコア４への光が直進する。従って、隣接コアへの光の漏れを防止することができ、光のアイソレーションの悪化及び接続損失が非常に小さくなる。
また、上記構成により、光ファイバとの相対位置による光結合の劣化量が小さい。よって、光ファイバの実装トレランスがよくなり、光ファイバ実装導波路素子の生産性が向上する。
さらにまた、上記実施形態にあっては、オーバークラッド層３ｏの端面３ａより外に出ているコア４ａの直下がアンダークラッド層３ｕとなっている。このアンダークラッド層３ｕは必須ではないが、アンダークラッド層３ｕにより、外に出ているコア４ａの機械的強度が補強される。よって、光ファイバ実装溝２に光ファイバを実装してコア４ａに押し付けたとき、その押し付け圧力に対する耐性が増すので、押し付け圧力の強弱の余裕度が大きくなる。この結果、押し付け圧力の調節を粗くしてもよくなるので、光ファイバ実装導波路素子の生産性が向上する。
本発明の製造方法にあっては、オーバークラッド層３ｏの端面３ａより外に出ているコア４ａを有するコア４を直接的に作製することができるので、その作製プロセス中でのコア破損のおそれがなくなり、光ファイバ実装導波路素子の生産性が向上する。また、クラッド除去工程などの余分なプロセスを必要としないので、低コストで光ファイバ実装導波路素子を製造することができる。
次に、本発明の他の実施形態を説明する。
図２に示されるように、この光ファイバ実装導波路素子では、コア４がオーバークラッド層３ｏの端面３ａより外で横溝２ａの底面（光ファイバ実装溝２の底面２ｂと同一平面）までＬ字状に形成されている。つまり、図１（ｂ）の形態でアンダークラッド層３ｕであった部分がコア４ｂとなっている。
この光ファイバ実装導波路素子の製造方法は、まず、図９（ａ）に示されるように、基板８上にアンダークラッド層３ｕを形成後、図９（ｂ）に示されるように、アンダークラッド層３ｕ及び光ファイバ実装溝２に臨む基板８ａ上にコア材を塗布する。次に、図９（ｃ）に示されるように、コア４，４ａ，４ｂを形成することができるマスク１１を設けて直接露光を行い、未露光部分のコア材を現像液で除去する。そして、図９（ｄ）に示されるように、コア４，４ａ上にオーバークラッド層のためのクラッド材料を塗布後、コア４ａを形成するためのマスク１０を設け、直接露光を行う。図９（ｅ）に示されるように、未露光部分を現像液で除去すると、露光部分はオーバークラッド層３ｏとして残る。
この工程により、図２（ｃ）に示すように、光ファイバ実装溝２側においてオーバークラッド層３ｏの端面３ａよりコア４が突出し、コア４が横溝２ａの底面まで達して、コア４がＬ字状となるようにコア４を形成し、このＬ字状のコア４の一部であるコア４ａがオーバークラッド層３ｏの端面３ａより外に出るようにオーバークラッド層３ｏを形成することができる。
この形態では、オーバークラッド層３ｏの端面３ａより外に出ているコア４ａの直下がコア４ｂとなっているので、外に出ているコア４ａの機械的強度がコア４ｂにより補強される。このため、光ファイバ実装導波路素子の歩留まりが向上する。また、光ファイバの押し付け圧力の強弱の余裕度が大きくなるので、光ファイバ実装導波路素子の生産性が向上する。
また、上記構成により、光ファイバとの相対位置による光結合の劣化量が小さい。よって、光ファイバの実装トレランスがよくなり、光ファイバ実装導波路素子の生産性が向上する。
また、図７に示されるように、コア４の先端部４ｄがオーバークラッド層３ｏの端面３ａよりも外側で、隣接するコア方向（横方向）に広がって広がり部４ｅを形成してもよい。この形態では、コア４の先端である広がり部４ｅが丸みを帯びていても、光ファイバ６と接するコア４の先端部４ｄの面積が大きくなる。そのため、光ファイバ６とコア４を突き合わせ接続するときに、安定的に接続できるので、オーバークラッド層３ｏの端面３ａとコア先端部４ａの境界に過剰な負荷がかかることがなく、機械的強度が補強される。
さらには、図３に示されるように、コア４が複数有り、これらのコア４がオーバークラッド層３ｏの端面３ａより外で横コア４ｃによって隣接するコア４同士が連結されていることが好ましい。
本実施の形態において、光ファイバ６としてＧＩ５０（コア径５０μｍ、光ファイバ径１２５μｍ）を用い、光導波路素子のクラッド３には、アクリル系樹脂（屈折率１．５２）を、コア４にはアクリル系樹脂（屈折率１．５７）を、接着剤９にはエポキシ系樹脂（屈折率１．５７）を用いた。また、アンダークラッド層３ｕの層厚は、４５μｍ、コア４は３５μｍ角、そしてコア４直上からのオーバークラッド層３ｏの層厚は４５μｍとなるよう設計した。
エポキシ系接着剤のほうがアクリル系接着剤よりも接着力が強いため、エポキシ系接着剤のほうが接着剤９として好ましい。また、アクリル系接着剤を接着剤９として用いる場合には、コア４と同じ材料を使用できるので、屈折率の合わせ込みが容易である。しかし、接着剤９の材料は特にこれらに限定されない。接着剤は、使用光波長に対して透明であること、硬化後の屈折率がコア４と同じ、あるいはコア４と硬化後の接着剤９の屈折率の差が±０．００５の範囲内であること、光ファイバ及び光ファイバ実装導波路素子に対して十分な接着力があることが重要である。なぜなら、コア４と硬化後の接着剤９の屈折率の差が±０．００５の範囲内であれば、光ファイバ６との接続損失を少なくすることができるからである。
この形態では、オーバークラッド層３ｏの端面３ａより外に出ているコア４ａが横コア４ｃによって連結されているので、コア４ａの機械的強度がいっそう補強される。このとき、コア４ｃの一部はクラッド３中に入っていても構わない。
オーバークラッド層３ｏの端面３ａより外に出ているコア４ａの突き出し長さは、１０〜５０μｍが好ましい。下限の１０μｍは、直接露光法におけるフォトマスクの位置ずれの許容量であり、これより長く突き出したコア４ａであれば精度よく製造することができる。また、コア４ａの突き出し長さが７０μｍ程度になると、接続損失が増大するが、５０μｍ以下ならば光が光ファイバのコア径以上に広がらないので、接続損失の増大は無視できるほど小さい。
本発明の一実施形態を示す光ファイバ実装導波路素子の図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は光ファイバ実装時の上面図、（ｃ）は（ｂ）のＡ−Ａ断面図である。 本発明の一実施形態を示す光ファイバ実装導波路素子の図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は光ファイバ実装時の上面図、（ｃ）は（ｂ）のＡ−Ａ断面図である。 本発明の他の実施形態を示す光ファイバ実装導波路素子の上面図である。 従来例１の光ファイバ実装導波路素子の上面図である。 図４の部分拡大図である。 従来例２の導波路素子の断面図である。 本発明の他の実施形態を示す光ファイバ実装導波路素子の上面図である。 （ａ）〜（ｄ）は、本発明の製造方法を説明する図である。 （ａ）〜（ｅ）は、本発明の製造方法を説明する図である。
符号の説明
１ 光ファイバ実装導波路素子
２ 光ファイバ実装溝
３ クラッド
４ コア

Claims (12)

  1. 基板上にアンダークラッド層とコアとオーバークラッド層とを形成してなる光ファイバ実装導波路素子において、上記ファイバ実装導波路素子に光ファイバを実装するための光ファイバ実装溝を形成し、上記光ファイバ実装溝に臨むオーバークラッド層の端面を有し、該光ファイバ実装溝側において上記オーバークラッド層の端面よりも、上記コアと上記アンダークラッド層とが突出していることを特徴とする光ファイバ実装導波路素子。
  2. 基板上にアンダークラッド層とコアとオーバークラッド層とを形成してなる光ファイバ実装導波路素子において、上記ファイバ実装導波路素子に光ファイバを実装するための光ファイバ実装溝を形成し、上記光ファイバ実装溝に臨むオーバークラッド層の端面を有し、該光ファイバ実装溝側において上記オーバークラッド層の端面よりも、上記コアが突出し、かつ、上記光ファイバ実装溝の底面までＬ字状に形成されていることを特徴とする光ファイバ実装導波路素子。
  3. 上記コアを複数有し、これらのコアが上記オーバークラッド層の端面より外でコア同士が連結されていることを特徴とする請求項１又は２記載の光ファイバ実装導波路素子。
  4. 上記コアを複数有し、これらのコアが上記オーバークラッド層の端面より外で隣接するコアの方向に広がっていることを特徴とする請求項１又は２記載の光ファイバ実装導波路素子。
  5. 上記光ファイバ実装溝に光ファイバが実装され、該光ファイバの端面が上記コアに接し、上記光ファイバの端面と上記オーバークラッド層、コア層及びアンダークラッド層の端面との間に接着剤を充填し、硬化させることにより、上記コアと上記光ファイバとが接続され、上記コアと硬化後の上記接着剤の屈折率の差が±０．００５の範囲内であることを特徴とする請求項１〜４いずれか記載の光ファイバ実装導波路素子。
  6. 上記コアと上記接着剤が同材料であることを特徴とする請求項５記載の光ファイバ実装導波路素子。
  7. 基板上にアンダークラッド層とコアとオーバークラッド層とを順次形成してなる光ファイバ実装導波路素子の製造方法において、上記ファイバ実装導波路素子に光ファイバを実装するための光ファイバ実装溝を形成し、該光ファイバ実装溝に対向する位置に所定の上記アンダークラッド層及び上記コアを順次形成後、上記光ファイバ実装溝に臨むクラッドの端面を有し、該光ファイバ実装溝側において上記オーバークラッド層の端面よりも、上記コアと上記アンダークラッド層とが突出するようなマスクパターンを形成し、上記アンダークラッド層及び上記コア上にクラッド材を塗布後、露光することにより上記オーバークラッド層を形成することを特徴とする光ファイバ実装導波路素子の製造方法。
  8. 基板上にアンダークラッド層とコアとオーバークラッド層とを順次形成してなる光ファイバ実装導波路素子の製造方法において、上記ファイバ実装導波路素子光ファイバを実装するための光ファイバ実装溝を形成し、該光ファイバ実装溝に対向する位置に所定の上記アンダークラッド層を形成後、上記光ファイバ実装溝側の基板及び上記アンダークラッド層上にコア材を塗布し、直接露光することにより、上記アンダークラッド層から上記光ファイバ実装溝側の上記基板表面までを覆うＬ字状の上記コアを形成し、上記光ファイバ実装溝に臨むオーバークラッド層の端面を有し、該光ファイバ実装溝側において上記オーバークラッド層の端面よりも、上記コアが突出するようなマスクパターンを形成し、上記アンダークラッド層及び上記コア上にクラッド材を塗布後、露光することにより上記オーバークラッド層を形成することを特徴とする光ファイバ実装導波路素子の製造方法。
  9. 上記コアを複数形成し、これらのコアが上記オーバークラッド層の端面より外でコア同士が連結されているようにすることを特徴とする請求項６又は７記載の光ファイバ実装導波路素子の製造方法。
  10. 上記コアを複数形成し、これらのコアが上記オーバークラッド層の端面より外で隣接するコアの方向に広がっているようにすることを特徴とする請求項６又は７記載の光ファイバ実装導波路素子の製造方法。
  11. 上記光ファイバ実装溝に光ファイバを実装し、該光ファイバの端面を上記コアに接するようにし、上記光ファイバの端面と上記オーバークラッド層、コア層及びアンダークラッド層の端面との間に接着剤を充填し、硬化させることにより、上記コアと上記光ファイバとを接続し、上記コアと硬化後の上記接着剤の屈折率の差を±０．００５の範囲内とすることを特徴とする請求項７〜１０いずれか記載の光ファイバ実装導波路素子の製造方法。
  12. 上記コアと上記接着剤に同材料を用いることを特徴とする請求項１１記載の光ファイバ実装導波路素子の製造方法。
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