JP2006243155A - 光導波路およびその製造方法ならびに光学部品の光接続方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 光硬化性樹脂に一方向から光を照射して硬化させ、光導波路を形成して複数の光学部品を光接続するにあたり、光損失および結合損失が実用上充分な程度に低く、さらに光学部品の位置合わせ許容範囲を従来よりも大きし、低コストで光伝送路を形成するのに適した光導波路を提供する。
【解決手段】 基板３上に光ファイバ１を載置し、さらに基板３上に光ファイバ１の光出射面１２ａをも蔽うように光硬化性樹脂２を供給し、光ファイバ１に光硬化性樹脂２が感応する波長を有する光４を照射して光硬化性樹脂２を部分的に硬化させ、テーパ全角２θであるテーパ形状を有するコア５を形成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光導波路およびその製造方法ならびに光学部品の光接続方法に関する。本発明の光導波路は、たとえば、光集積回路、光インターコネクション用光学部品、光電気混載プリント配線基板などにおいて、複数の光学部品の光接続に好適に使用できる。

最近における電子機器の発達および普及は目覚しい進展を見せているが、さらなる高速化および大容量化が要望される現状にあるのも事実である。このような要望に応えるものとして、たとえば、プリント配線基板に光伝送路を実装する技術が提案され、多くの研究がなされている。光伝送路は情報を光に変換して伝達するものであるから、その情報伝達速度が飛躍的に高まるのは明白である。

光伝送路は、通常、面型発光素子および面型受光素子といった光素子、光ファイバなどの光学部品と、複数の光学部品を光接続する光導波路とを含んで構成される。光伝送路においては、光が伝播する際に発生する光損失をできる限り小さくし、情報を正確に伝達することが要求され、そのためには、複数の光学部品および光導波路の光軸を精度良く合せる必要がある。たとえば、プリント配線基板、光集積回路などに実装するには、少なくとも数ミクロンまたはサブミクロンオーダーの位置合わせ精度が必要になる。このような極めて精密な位置合わせ精度は、光伝送路の形成を高コスト化し、光伝送路を普及させる上での解決すべき課題の１つになる。

位置合わせ精度を緩和するには、たとえば、位置ずれした光学部品を位置合わせせずにかつ結合損失を増大させることなく、光接続することが想定される。これを実現する方法として、自己形成光導波路を用いる手法が提案されている（たとえば、非特許文献１参照）。すなわち、非特許文献１によれば、位置ずれ状態にある２つの光ファイバ間に光硬化性樹脂を充填しておき、この２つの光ファイバから該樹脂が感光する波長の光を該樹脂に同時に照射することによって、光導波路を形成する。この技術によれば、３０μｍ程度の光軸ずれがあっても、１ｄＢ程度の結合損失で２つの光ファイバを接続できる。この技術は、光硬化性樹脂の両側から光ファイバを介して光を照射するだけなので、非常に簡便に光接続を実現できる。しかしながら、確かに実験室レベルでは両側から光を照射するのは容易であるが、実際のプリント配線基板などには光配線だけでなく電気配線も実装され、基板上の他の光学部品、電気部品などが障害になって、両側から光を照射するのは困難な場合が多く、現実的ではない。

また、一方の光ファイバのみから光硬化性樹脂に向けて光を照射する場合には、光ファイバが伸張したのと同等であり、位置合わせ許容範囲は自己形成光導波路を用いない場合と同じ数ミクロン以下である。しかしながら、一方向からの光照射は、プリント配線基板などに光伝送路を搭載する上で、現実に採用し得る技術である。また、１つの光伝送路において、信号光が光学部品および／または光導波路の両側から伝播することはほとんどなく、大部分の光伝送路は信号光が一方向のみに伝播する。したがって、光硬化性樹脂を用いる光導波路の形成に際し、一方向からの光照射のみで、位置合わせ許容範囲を従来よりも大きくできる方法が望まれている。

茨木修著「ＡＳＥＴにおける光・電気実装技術の開発」、月刊オプトロニクス、２００４年７月号、第１８２−１８６頁、オプトロニクス社刊

本発明の目的は、光硬化性樹脂に一方向から光を照射して硬化させ、光導波路を形成して複数の光学部品を光接続するにあたり、光損失および結合損失を実用上充分な程度に低くすることができ、さらに光学部品の位置合わせ許容範囲を従来よりも大きくでき、低コストで光伝送路を形成するのに適した光導波路およびその製造方法を提供することである。

本発明者は、上記課題を解決すべく鋭意研究を行った結果、光導波路のコアをテーパ状に形成することにより、複数の光学部品を数ミクロン以下の精確な位置合わせを実施することなく、低光損失および低結合損失で、しかも低コストで光接続できることを見出し、本発明を完成した。

すなわち本発明は、複数の光学部品を光学的に接続するコアを含む光導波路において、コアが、その光軸に対して垂直な断面の面積がその光入射部から出射部に向けて増加し、光軸を含む断面形状がテーパ形状を有するように形成されてなることを特徴とする光導波路である。

さらに本発明の光導波路は、コアが光硬化性樹脂の硬化物により形成されることを特徴とする。

さらに本発明の光導波路は、コア長が０．１ｍｍ以上、２ｍｍ以下でありかつコアのテーパ全角が１°以上であることを特徴とする。

さらに本発明の光導波路は、光学部品が光ファイバおよび／または光素子であることを特徴とする。

また本発明は、複数の光学部品を光学的に接続するコアを含む光導波路の製造方法において、未硬化状態の光硬化性樹脂またはその溶液に、一方向の光を照射して光硬化性樹脂を硬化させて、光軸を含む断面形状がテーパ形状を有するコアを形成することを特徴とする光導波路の製造方法である。

さらに本発明の光導波路の製造方法は、コアの光軸に対して垂直な断面が、コアにおける光入射部から出射部に向けて増加し、光軸を含む断面形状がテーパ形状を有するようにコアを形成することを特徴とする。

さらに本発明の光導波路の製造方法は、一方の光学部品の出射部からもう一方の光学部品の入射部に向けて出射される光の照射強度を調節してテーパ形状のコアを形成することを特徴とする。

また本発明は、複数の光学部品を光学的に接続するコアを含む光学部品の光接続方法において、一方の光学部品の出射部ともう一方の光学部品の入射部との間に未硬化状態の光硬化性樹脂またはその溶液を供給する工程と、一方の光学部品の出射部からもう一方の光学部品の入射部に向けて光を出射し、光硬化性樹脂を硬化させて、光軸を含む断面形状がテーパ形状を有するコアを形成する工程とを含むことを特徴とする光学部品の光接続方法である。

本発明の光導波路は、その形状的な特徴によって、複数の光学部品を光接続する際に、光接続の対象になる光学部品の数ミクロン以下の精確な位置合わせを要求せず、光損失および結合損失を実用上問題ない程度に抑えながら、簡易にかつ低コストで光学部品を接続できる。

また本発明の光導波路は、光硬化性樹脂に対する一方向からの光照射という簡易な方法により形成できる。

図１（ａ）〜（ｄ）は、本発明の実施の第１形態である光導波路の製造方法を説明するための断面図である。

本発明の光導波路の製造方法において、光硬化性樹脂２を硬化させるための光を、光硬化性樹脂２に照射するために、光ファイバ１を用いる。光ファイバ１は、コア１２と、コア１２の周囲に形成されるクラッド１１とを含んで構成される。光ファイバ１としては特に制限されず、この分野で常用されるものをいずれも使用でき、たとえば、コア１２の径が５０μｍであるグレーデッドインデックスマルチモード光ファイバが挙げられる。また、コア１２およびクラッド１１の材質は、図１では合成樹脂として示されるが、それに限定されず、石英ガラスなどのガラス類であってもよい。さらに、クラッド１１を形成せず、コア１２の周囲に存在する空気をクラッドとしてもよい。なお、光ファイバ１に限定されることなく、他の光学部品を用いることもできる。

光硬化性樹脂２としては、この分野で常用されるものをいずれも使用でき、たとえば、アクリル樹脂、メタクリル樹脂、ウレタン樹脂、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、感光性ポリシランなどが挙げられる。さらに、前記の樹脂に限定されず、たとえば、ポリエステル、不飽和ポリエステル、ポリビニルエーテル、ポリ塩化ビニル、ポリカーボネート、ポリアリレート、ポリイミド、フッ素樹脂、酢酸ビニル樹脂、アルキド樹脂、ノボラック樹脂などの合成樹脂に光重合性不飽和基が結合した光硬化性樹脂も使用できる。光重合性不飽和基としては、たとえば、アクリロイル基、メタクリロイル基、ビニル基、スチリル基、アリル基、シンナモイル基、シンナミリデン基、アジド基などが挙げられる。これらの光硬化性樹脂はモノマーまたはオリゴマーの形態で使用し、光照射により硬化させるのが好ましい。このような光硬化性樹脂には、必要に応じて感光剤を添加ができる。感光剤としてはこの分野で常用されるものを使用でき、たとえば、ベンゾフェノン、ベンゾインメチルエーテル、ベンゾインイソプロピルエーテル、ベンジル、キサントン、チオキサントン、アントラキノンなどの芳香族カルボニル化合物、アセトフェノン、プロピオフェノン、α−ヒドロキシイソブチルフェノン、α，α’−ジクロル−４−フェノキシアセトフェノン、１−ヒドロキシ−１−シクロヘキシルアセトフェノン、ジアセチルアセトフェノンなどのアセトフェノン類、ベンゾイルパーオキサイド、ｔ−ブチルパーオキシ−２−エチルヘキサノエート、ｔ−ブチルハイドロパーオキサイド、ジ−ｔ−ブチルジパーオキシイソフタレート、３，３’，４，４’−テトラ（ｔ−ブチルパーオキシカルボニル）ベンゾフェノンなどの有機過酸化物、ジフェニルヨードブロマイド、ジフェニルヨードニウムクロライドなどのジフェニルハロニウム塩、四臭化炭素、クロロホルム、ヨードホルムなどの有機ハロゲン化物、３−フェニル−５−イソオキサゾロン、２，４，６−トリス（トリクロロメチル）−１，３，５−トリアジンベンズアントロンなどの複素環式および多環式化合物、２，２’−アゾ（２，４−ジメチルバレロニトリル）、２，２−アゾビスイソブチロニトリル、１，１’−アゾビス（シクロヘキサン−１−カルボニトリル）、２，２’−アゾビス（２−メチルブチロニトリル）などのアゾ化合物、さらにはスルホニウム塩、オスミニウム塩、ローダミン６Ｇなどが挙げられる。感光剤は１種を使用できまたは２種以上を併用できる。光硬化性樹脂２は、通常、一般の光硬化性樹脂と感光剤とを有機溶媒中にて混合してなる溶液または該溶液から有機溶媒を一部もしくは全部蒸発させた樹脂組成物の形態で用いられる。ここで、有機溶媒としては、光硬化性樹脂および必要に応じて感光剤を溶解または分散し得るものを適宜選択して使用できる。液状の光硬化性樹脂であれば、それに感光剤を添加混合して用いてもよい。光硬化性樹脂２の具体例としては、たとえば、アクリル系光硬化樹脂（アクリル系紫外線硬化樹脂）と、５３２ｎｍの波長を有する光に感応するローダミン６Ｇとを有機溶媒に溶解して溶液を調製し、この溶液から有機溶媒を蒸発させた樹脂組成物が挙げられる。ここで、有機溶媒としては、たとえば、エタノールなどの低級アルコール類が挙げられる。

本発明の光導波路の製造方法においては、図１（ｂ）に示すように、基板３の上に光ファイバ１の出射部側を載置し、さらに基板３上に光硬化性樹脂２を滴下する。光硬化性樹脂２は、光ファイバ１の光出射面１２ａを蔽うように基板３上に滴下される。ここで、基板３としては特に制限されず、たとえば、ガラス板、樹脂板、金属板、シリコン基板などを使用できる。もちろん本発明の製造方法は、基板３を用いずに実施することもできる。

次いで、図１（ｃ）に示すように、光ファイバ１の出射部側に、光硬化性樹脂２に含まれる光硬化性樹脂および／または感光剤が感光し、光硬化性樹脂２が硬化する波長を有するレーザ光４を挿入し、光硬化性樹脂２に向けて照射する。光硬化性樹脂２が、たとえば、アクリル系光硬化性樹脂とローダミン６Ｇとの混合物である場合は、波長５３２ｎｍのグリーンレーザ光が照射される。

さらに図１（ｄ）に示すように、レーザ光４の照射により、コア５が形成される。コア５は、その光軸に対して垂直な断面の面積がその光入射部から出射部に向けて増加し、光軸を含む断面形状がテーパ形状を有するように形成される。換言すれば、光入射側のコア径よりも光出射側のコア径の方が大きいテーパ形状のコア５が形成される。

コア５のテーパ全角は、好ましくは１°以上、さらに好ましくは１°以上、２０°以下、より好ましくは、１°以上１２°以下である。本明細書において、テーパ全角とは、テーパ角θの２倍の値である。ここで、テーパ角θとは、コア５の光軸を含む垂直（鉛直）方向の断面を構成する輪郭線６と、コア５の光軸の平行移動線７とがなす角である。テーパ全角が１°未満では、コア５の輪郭線６が光軸に平行な直線になり、光学部品の位置合わせ精度を緩和することができなくなる。コア５の形状およびテーパ全角は、光ファイバ１の開口数、光の照射強度などに影響を受ける。たとえば、光ファイバ１の開口数が一定の場合には、光の照射強度は大きい方が望ましい。一般に、照射強度が弱いと、自己集光効果によってテーパ形状は形成されず、コア５は直方体形状になる。したがって、照射強度は光硬化性樹脂２に含まれる光硬化性樹脂の種類、感光剤の種類および添加量などに応じて適宜選択される。コア５が直方体形状にならない光照射強度を予め実験により決定しておくのがよい。

光硬化性樹脂２として、たとえば、アクリル系光硬化樹脂に濃度１００ｐｐｍ程度でローダミン６Ｇを添加してなる光硬化性樹脂組成物を用いる場合は、照射強度５ｍＷ以下ではコア５は直方体形状になるので、５ｍＷよりも大きい照射強度の光を照射すると、テーパ全角が１°以上であるコア５が形成される。

コア５のコア長は、好ましくは０．１ｍｍ以上、２ｍｍ以下である。０．１ｍｍ未満では、光ファイバ１などの光学部品からの出射光を利用するため、コア５の形状がテーパ形状になり難い。一方、２ｍｍを超えるとコア５に曲がり部分を生じ、その部分での光損失が大きくなる可能性がある。

図２（ａ）は、本発明の光学部品の接続方法により形成される光伝送路１０の構成を模式的に示す断面図である。図２（ｂ）は、図２（ａ）に示す光伝送路１０の外観を示す斜視図である。

光伝送路１０は、光ファイバ１，２１と、光ファイバ１，２１を光接続するコア２２を含む光導波路２４とを含んで構成される。

光ファイバ１，２１は同じコア径（５０μｍ）を有し、光ファイバ１の出射面１２ａと光ファイバ２１の入射面２１ａとが対向するようにかつたとえば０．５ｍｍの間隔を開けて基板３上に載置される。

コア２２は、光硬化性樹脂の光照射による硬化物からなり、コア２２における入射部から出射部に向けて、コア径（光軸に垂直な方向の断面径）が連続的に大きくなるテーパ形状を有し、そのテーパ全角は１°以上である。すなわち、コア２２においては、光ファイバ１との接触面でのコア径は光ファイバ１のコア１２のコア径とほぼ同じであるが、光ファイバ２１に近づくほどそのコア径は大きくなり、光ファイバ２１との接触面でのコア径は光ファイバ２１の径とほぼ同じになる。したがって、光ファイバ１，２１に１０〜２０μｍ程度のずれがあっても、本発明のようなテーパ状のコア２２を形成すれば、位置合わせを行うことなく、光ファイバ１，２１のコア間を確実に光接続することができる。たとえば、コア２２のコア径が大きい光ファイバ２１側から信号伝播光２３を挿入し、コア径が小さい光ファイバ１側で受光すると、直線または直方体の光導波路と比較して位置合わせ許容範囲を大きく出来る。

なお、コア２２におけるコア長は、前述のように０．１ｍｍ以上、２ｍｍ以下とするのが好ましい。ここでコア長とは、コア２２における光ファイバ１の出射面１２ａとの接触面から光ファイバ２１の出射面２１ａとの接触面までの光軸の長さを意味する。

以下に実施例および比較例を挙げて本発明を具体的に説明する。なお、分子構造の異なる種々の高分子の溶液を用いることにより数限りない本発明の高分子光導波路が得られることは明らかではない。したがって、本発明はこれらの実施例のみに限定されるものではない。

（実施例１）
アクリル系紫外線硬化樹脂（商品名：ＭＨ７６２３、三菱レーヨン（株）製）１ｇと、エタノール０．１ｇにローダミン６Ｇを０．１ｍｇ溶解した溶液を混合し、混合物からエタノールを蒸発させ、光導波路作成用樹脂組成物を調製した。

一方、スライドガラス上に、２本のグレーデッドインデックスマルチモード光ファイバ（コア径５０μｍ）を、一方の出射面ともう一方の入射面とが対向するようにかつ０．５ｍｍの間隔を空けて載置した。このとき、両者の光軸をアクティブアライメントによって事前に合せておいた。２つの光ファイバ間の空間に、光導波路作成用樹脂組成物２ｇを滴下し、一方の光ファイバに波長５３２ｎｍのグリーンレーザ光を挿入し、該光ファイバの出射端における光量（照射強度）が１６ｍＷになるように調整し、光導波路作成用樹脂に１０秒間照射したところ、２本の光ファイバ間がコアを含む光導波路によって光接続された。

コアにおけるグリーンレーザ光入射側のコア径は４３μｍ、出射側のコア径は８１μｍであった。またコアのテーパ全角は約４°であった。コアの出射側に接続される光ファイバに波長８５０ｎｍのレーザ光を０．５ｍＷ挿入し、光損失を測定したところ、２ｄＢであった。なお、この場合は空気がクラッドになり、光導波路は前記のコアと空気（クラッド）とを含むことになる。

次に、図２（ｂ）に示す光伝送路１０において、コア２２と、コア２２のコア径が大きくなる側の光ファイバ２１とを、予め光ファイバ２１側に離型剤を塗布してコア２２を光ファイバ２１の端面からずれるようにしておき、光ファイバ２１の光軸を予め図２の＋Ｘ軸方向または−Ｘ軸方向に５μｍずつずらし、±３０μｍまで上記と同様にして光導波路２２を形成し、結合損失を測定した。その結果、結合損失が３ｄＢとなる位置ズレは±１６μｍであった。

（実施例２）
２本の光ファイバにおける一方を、両ファイバを結ぶ軸から図２（ｂ）に示す＋Ｘ軸方向に１０μｍずらして設置する以外は、実施例１と同様にして、２本の光ファイバ間を、コアを含む光導波路によって光接続した。コアにおけるグリーンレーザ光入射側のコア径は４３μｍ、出射側のコア径は８１μｍであった。またコアのテーパ全角は約４°であった。

次に、未硬化樹脂を綿棒で吸い取った後、コアよりも屈折率の低いアクリル系紫外線硬化樹脂を充填し、紫外線を照射して硬化させ、クラッド形成した。コアの出射側に接続される光ファイバに波長８５０ｎｍのレーザ光を０．５ｍＷ挿入し、光損失を測定したところ、２．５ｄＢであった。このように、２つの光ファイバを結ぶ軸から１０μｍずれても、光損失が２．５ｄＢという低い値に留まることが分かった。

（比較例１）
光量を１ｍＷおよび照射時間を２０秒とする以外は、実施例１と同様にして、２本の光ファイバ間を、コアを含む光導波路によって光接続した。コアにおけるグリーンレーザ光入射側および出射側のコア径はともに４３μｍであった。また実施例１と同様にして結合損失を測定したところ、２ｄＢであった。

次に、図２（ｂ）に示す光伝送路１０において、コア２２と、コア２２のコア径が大きくなる側の光ファイバ２１とを、予め光ファイバ２１側に離型剤を塗布してコア２２を光ファイバ２１の端面からずれるようにしておき、光ファイバ２１の光軸を予め図２の＋Ｘ軸方向または−Ｘ軸方向に５μｍずつずらし、±３０μｍまで上記と同様にして光導波路２２を形成し、結合損失測定を行った。その結果、結合損失が３ｄＢとなる位置ズレは±７μｍであった。

以上の結果から、本発明のテーパ状光導波路を用いることにより、位置ズレ許容範囲が±９μｍ拡大したことが判る。

図１（ａ）〜（ｄ）は、本発明の実施の第１形態である光導波路の製造方法を説明するための断面図である。 図２（ａ）は、本発明の光学部品の接続方法により形成される光伝送路１０の構成を模式的に示す断面図である。図２（ｂ）は、図２（ａ）に示す光伝送路の外観を示す斜視図である。

符号の説明

１，２１ 光ファイバ
２ 光硬化性樹脂
３ 基板
４ レーザ光
５，１２，２２ コア
６ 輪郭線
７ 光軸平行移動線
１０ 光伝送路
１１ クラッド
１２ａ 出射面
２１ａ 入射面
２３ 信号伝播光
２４ 光導波路

Claims (8)

1. 複数の光学部品を光学的に接続するコアを含む光導波路において、
   コアは、その光軸に対して垂直な断面の面積がその光入射部から出射部に向けて増加し、光軸を含む断面形状がテーパ形状を有するように形成されてなることを特徴とする光導波路。
2. コアが光硬化性樹脂の硬化物により形成されることを特徴とする請求項１記載の光導波路。
3. コア長が０．１ｍｍ以上、２ｍｍ以下でありかつコアのテーパ全角が１°以上であることを特徴とする請求項１または２記載の光導波路。
4. 光学部品が光ファイバおよび／または光素子であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の光導波路。
5. 複数の光学部品を光学的に接続するコアを含む光導波路の製造方法において、
   未硬化状態の光硬化性樹脂またはその溶液に、一方向の光を照射して光硬化性樹脂を硬化させて、光軸を含む断面形状がテーパ形状を有するコアを形成することを特徴とする光導波路の製造方法。
6. コアの光軸に対して垂直な断面が、コアにおける光入射部から出射部に向けて増加し、光軸を含む断面形状がテーパ形状を有するようにコアを形成することを特徴とする請求項５記載の光導波路の製造方法。
7. 一方の光学部品の出射部からもう一方の光学部品の入射部に向けて出射される光の照射強度を調節してテーパ形状のコアを形成することを特徴とする請求項５または６記載の光導波路の製造方法。
8. 複数の光学部品を光学的に接続するコアを含む光学部品の光接続方法において、
   一方の光学部品の出射部ともう一方の光学部品の入射部との間に未硬化状態の光硬化性樹脂またはその溶液を供給する工程と、
   一方の光学部品の出射部からもう一方の光学部品の入射部に向けて光を出射し、光硬化性樹脂を硬化させて、光軸を含む断面形状がテーパ形状を有するコアを形成する工程とを含むことを特徴とする光学部品の光接続方法。

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