(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光硬化性樹脂中に微小径の光束を照射し硬化させることで屈折率の上昇した硬化樹脂部を連続形成する際、前記微小径の光束が前記硬化樹脂部に閉じ込められることにより前記光束の通過方向に略一定径とした前記硬化樹脂部を有する自己形成光導波路の製造方法において、
該自己形成光導波路が、予め設計された終点領域に到達するよう、予め設計された形成領域から外れた場合に前記微小径の光束が全反射により屈折するよう低屈折率構造物を前記予め設計された形成領域を囲んで配設することを特徴とする自己形成光導波路の製造方法。
【請求項２】
前記終点領域が円状の領域であり、前記低屈折率構造物が前記円状の領域を上面とする円錐台の側面の内壁を形成することを特徴とする請求項１に記載の自己形成光導波路の製造方法。
【請求項３】
前記終点領域を半径ａの円状とし、該半径ａの円の中心から終点領域に垂直に距離ｂの位置からは少なくとも前記自己形成光導波路が直進するよう設計されているものとし、前記円錐台の高さをＬｍ、略一定径の硬化樹脂部の屈折率をｎ１、低屈折率構造部の屈折率をｎｍとしたときに、前記円錐台の側壁の傾斜角θｍが次の式を充たすことを特徴とする請求項２に記載の自己形成光導波路の製造方法。
【数１】
0003560152.tif 000019
【請求項４】
前記低屈折率構造物が、長軸を回転軸とした回転楕円体面の一部を形成し、前記終点領域が、前記回転楕円体の回転軸を長軸とする楕円断面の一方の焦点を含み、他の焦点が、その位置からは少なくとも前記自己形成光導波路が直進するよう設計されていることを特徴とする請求項１に記載の自己形成光導波路の製造方法。
【請求項５】
空間に座標軸を取り、前記終点領域が点（０，ｂ／２，０）を中心とするｙ軸に垂直な半径ａの円盤状とし、点（０，−ｂ／２，０）の位置からは少なくとも前記自己形成光導波路が直進するよう設計されているものとし、略一定径の硬化樹脂部の屈折率をｎ１、低屈折率構造物の屈折率をｎｍとしたときに、前記回転楕円体面が、ｙ軸を長軸とする次の楕円
【数２】
0003560152.tif 000020
をｙ軸を回転軸として回転させたものであり、且つ低屈折率構造物の上記楕円上の点で次の式が成立することを特徴とする請求項４に記載の自己形成光導波路の製造方法。
【数３】
0003560152.tif 000021
【請求項６】
光硬化性樹脂中に微小径の光束を照射し硬化させることで屈折率の上昇した硬化樹脂部を連続形成する際、前記微小径の光束が前記硬化樹脂部に閉じ込められることにより前記光束の通過方向に略一定径とした前記硬化樹脂部を有する自己形成光導波路の製造方法において、
該自己形成光導波路が、予め設計された終点領域に到達するよう、予め設計された形成領域から外れた場合に前記微小径の光束が屈折するよう反射構造物を前記予め設計された形成領域を囲んで配設することを特徴とする自己形成光導波路の製造方法。
【請求項７】
前記終点領域が円状の領域であり、前記反射構造物が前記円状の領域を上面とする円錐台の側面の内壁を形成することを特徴とする請求項６に記載の自己形成光導波路の製造方法。
【請求項８】
前記終点領域ａを半径ａの円状とし、該半径ａの円の中心から終点領域に垂直に距離ｂの位置からは少なくとも前記自己形成光導波路が直進するよう設計されているものとし、前記円錐台の高さをＬｍとしたときに、前記円錐台の側壁の傾斜角θｍが次の式を充たすことを特徴とする請求項７に記載の自己形成光導波路の製造方法。
【数４】
0003560152.tif 000022
【請求項９】
前記反射構造物が、長軸を回転軸とした回転楕円体面の一部を形成し、前記終点領域が、前記回転楕円体の回転軸を長軸とする楕円断面の一方の焦点を含み、他の焦点が、その位置からは少なくとも前記自己形成光導波路が直進するよう設計されていることを特徴とする請求項６に記載の自己形成光導波路の製造方法。
【請求項１０】
空間に座標軸を取り、前記終点領域が点（０，ｂ／２，０）を中心とするｙ軸に垂直な半径ａの円盤状とし、点（０，−ｂ／２，０）の位置からは少なくとも前記自己形成光導波路が直進するよう設計されているものとし、前記回転楕円体面が、ｙ軸を長軸とする次の楕円
【数５】
0003560152.tif 000023
をｙ軸を回転軸として回転させたものであることを特徴とする請求項９に記載の自己形成光導波路の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信における安価で低損失な光インタ−コネクション、光分波器あるいは合波器に適用可能な自己形成光導波路の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、光ファイバ通信において、光ファイバと光電変換素子（半導体レーザー、発光ダイオード、フォトダイオード、アバランシェフォトダイオード）を効率良く結合するために光導波路デバイスを利用してハイブリッド集積を行う光インターコネクション技術が注目されている。例えば特開平２０００−２７５４５７号公報記載のハイブリッド型導波路モジュールがある。これは光ファイバと光電変換素子とを光学的に結合するための光導波路回路が施された部材と、複数の光電変換素子と、光ファイバを基台上で高精度にハイブリッド集積する方式である。
【０００３】
一方、本願発明者らにより、特開平２０００−３４７０４３号公報記載の自己形成光導波路が開発されている。これは、光硬化性樹脂に微小径の光束を照射することで屈折率の高い硬化樹脂部が順次形成され、それがそのまま光導波路として使用できるものである。
【０００４】
図８に上記公報記載の光導波路の製造方法の概略を示す。光ファイバ９１、２つの異なる重合型により光重合する光硬化性樹脂９２１、９２２の混合液（光硬化性液状樹脂組成物）９２、透明容器９３を用意し、図８の（ａ）のように、樹脂Ａ９２１及び樹脂Ｂ９２２を混合して混合液９２を調製し、透明容器９３に充填する。次に光ファイバ９１の先端面９１２を混合液９２に浸し、一定波長の光を光ファイバ９１に供給する。すると、図８の（ｂ）のように、光ファイバ９１の先端面９１２から略円錐台状の硬化した樹脂９２１１が形成され、その後径が一定の略円柱状となって硬化部分９２１１が成長する（図８の（ｃ））。硬化部分９２１１が所望の長さになったところで該波長の光の供給を止め、透明容器９３の全周からより低波長の光（図で９４）を照射し、透明容器９３に残っていた混合液９２を全て硬化させる（図８の（ｄ））。
【０００５】
硬化部分９２１１の屈折率は樹脂Ａの硬化後屈折率に等しく、硬化部分９２３の屈折率は樹脂Ａ、樹脂Ｂの各々の硬化後屈折率の中間に位置する。混合溶液９２のうち樹脂Ａのみ硬化させて屈折率の高い略円柱状の部分の長いコアを形成し、樹脂Ａ、樹脂Ｂをどちらも硬化させて屈折率の低いクラッドを形成することにより、光導波路を形成することができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、特開平２０００−２７５４５７号公報記載のハイブリッド型導波路モジュールでは、サブミクロン単位での位置合わせが必要であり、軸合わせの自由度が高く、困難を極めていた。特に部品点数が多くなると、予め形状の固定されたもの同士の接続であると軸ずれが積算されてしまう上に、形状誤差のある部品があるとモジュール全体に影響を及ぼし、歩留まり低下を引き起こす。また、これらはモジュール１個ずつアライメントを行わなければならず、組み立てコストも非常に大きなものとなっていた。
【０００７】
また、本願発明者らによる特開平２０００−３４７０４３号公報記載のものでは、光導波路は自己形成されるものの、配置された光学部品の精度が自己形成される光導波路の位置を決めることとなり、配置された光学部品の精度が悪ければ、光導波路が所望の位置に形成されず、例えば配置された光電変換素子に光導波路が到達しない可能性があった。即ち図９の（ａ）に示すように、光ファイバ９１の先端が微妙に角度がずれると光電変換素子９５（所望の終点領域）に光導波路９２１１が到達しない。また、図９の（ｂ）に示すように、ハーフミラー９６１、９６２、反射ミラー９６３を配設して分岐点及び屈曲点を設けようとしても、これらのミラー９６１、９６２、９６３のアライメントが正確ででないと、光電変換素子９５ａ、９５ｂ、９５ｃ（所望の終点領域）に光導波路９２１１ａ、９２１１ｂ、９２１１ｃが到達しない。
【０００８】
本発明は上記の課題を解決するために成されたものであり、その目的は、自己形成光導波路の製造において、光導波路が形成される方向が所望の方向からずれた場合でも所望の終点領域に光導波路が形成されるようにすることである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、請求項１に記載の手段によれば、光硬化性樹脂中に微小径の光束を照射し硬化させることで屈折率の上昇した硬化樹脂部を連続形成する際、微小径の光束が硬化樹脂部に閉じ込められることにより光束の通過方向に略一定径とした硬化樹脂部を有する自己形成光導波路の製造方法において、該自己形成光導波路が、予め設計された終点領域に到達するよう、予め設計された形成領域から外れた場合に微小径の光束が全反射により屈折するよう低屈折率構造物を予め設計された形成領域を囲んで配設することを特徴とする。
【００１０】
また、請求項２に記載の手段によれば、請求項１に記載の自己形成光導波路の製造方法において、終点領域が円状の領域であり、低屈折率構造物が円状の領域を上面とする円錐台の側面の内壁を形成することを特徴とする。
【００１１】
また、請求項３に記載の手段によれば、請求項２に記載の自己形成光導波路の製造方法において、終点領域を半径ａの円状とし、該半径ａの円の中心から終点領域に垂直に距離ｂの位置からは少なくとも自己形成光導波路が直進するよう設計されているものとし、円錐台の高さをＬ、略一定径の硬化樹脂部の屈折率をｎ１、低屈折率構造部の屈折率をｎｍとしたときに、円錐台の側壁の傾斜角θｍが次の式を充たすことを特徴とする。
【数６】
0003560152.tif 000002
【００１２】
また、請求項４に記載の手段によれば、請求項１に記載の自己形成光導波路の製造方法において、低屈折率構造物が、長軸を回転軸とした回転楕円体面の一部を形成し、終点領域が、回転楕円体の回転軸を長軸とする楕円断面の一方の焦点を含み、他の焦点が、その位置からは少なくとも自己形成光導波路が直進するよう設計されていることを特徴とする。
【００１３】
また、請求項５に記載の手段によれば、請求項４に記載の自己形成光導波路の製造方法において、空間に座標軸を取り、終点領域が点（０，ｂ／２，０）を中心とするｙ軸に垂直な半径ａの円盤状とし、点（０，−ｂ／２，０）の位置からは少なくとも自己形成光導波路が直進するよう設計されているものとし、略一定径の硬化樹脂部の屈折率をｎ１、低屈折率構造物の屈折率をｎｍとしたときに、前記回転楕円体面が、ｙ軸を長軸とする次の楕円
【数７】
0003560152.tif 000003
をｙ軸を回転軸として回転させたものであり、且つ低屈折率構造物の上記楕円上の点で次の式が成立することを特徴とする。
【数８】
0003560152.tif 000004
【００１４】
また、請求項６に記載の手段によれば、光硬化性樹脂中に微小径の光束を照射し硬化させることで屈折率の上昇した硬化樹脂部を連続形成する際、微小径の光束が硬化樹脂部に閉じ込められることにより光束の通過方向に略一定径とした硬化樹脂部を有する自己形成光導波路の製造方法において、該自己形成光導波路が、予め設計された終点領域に到達するよう、予め設計された形成領域から外れた場合に微小径の光束が反射により屈折するよう例えば金属膜などによる反射構造物を予め設計された形成領域を囲んで配設することを特徴とする。
【００１５】
また、請求項７に記載の手段によれば、請求項６に記載の自己形成光導波路の製造方法において、終点領域が円状の領域であり、反射構造物が円状の領域を上面とする円錐台の側面の内壁を形成することを特徴とする。
【００１６】
また、請求項８に記載の手段によれば、請求項７に記載の自己形成光導波路の製造方法において、終点領域ａを半径ａの円状とし、該半径ａの円の中心から終点領域に垂直に距離ｂの位置からは少なくとも自己形成光導波路が直進するよう設計されているものとし、円錐台の高さをＬとしたときに、円錐台の側壁の傾斜角θｍが次の式を充たすことを特徴とする。
【数９】
0003560152.tif 000005
【００１７】
また、請求項９に記載の手段によれば、請求項６に記載の自己形成光導波路の製造方法において、反射構造物が、長軸を回転軸とした回転楕円体面の一部を形成し、終点領域が、回転楕円体の回転軸を長軸とする楕円断面の一方の焦点を含み、他の焦点が、その位置からは少なくとも自己形成光導波路が直進するよう設計されていることを特徴とする。
【００１８】
また、請求項１０に記載の手段によれば、請求項９に記載の自己形成光導波路の製造方法において、空間に座標軸を取り、終点領域が点（０，ｂ／２，０）を中心とするｙ軸に垂直な半径ａの円盤状とし、点（０，−ｂ／２，０）の位置からは少なくとも前記自己形成光導波路が直進するよう設計されているものとし、前記回転楕円体面が、ｙ軸を長軸とする次の楕円
【数１０】
0003560152.tif 000006
をｙ軸を回転軸として回転させたものであることを特徴とする。
【００１９】
【作用及び発明の効果】
本発明者らの特開平２０００−３４７０４３号公報記載の技術は、自己形成導波路が光の進行方向に沿って自動的に成長していくものである。このとき、光の進行方向が予め設計された終点領域に向かっていなくても、光の反射を利用してその進行方向を終点領域に向かうよう修正する構造物を、予め設計された自己形成導波路の形成領域を囲んで配設することで、進行方向を該終点領域に変更させることができる。このとき、構造物が光導波路の屈折率より低いか、又はいかなる角度からも反射するよう鏡面を形成すれば目的が達成される（請求項１、請求項６）。そのような構造物は、終点領域を上面とする円錐台状にすると容易である（請求項２、請求項７）。
【００２０】
また、その位置からは少なくとも自己形成導波路が直進するよう設計された点、即ちその位置からは設計上、反射、収束又は分散することのない点と、終点領域の中心とを２焦点とする楕円を、長軸を軸として回転させた回転楕円体面を用いれば、前者の点（第１の焦点）から進む光は回転楕円体面で反射し後者の点（第２の焦点）に向かうので、理想的な構造物とすることができる（請求項４、請求項９）。
【００２１】
以下、実施例の欄にて、請求項３、請求項５、請求項８及び請求項１０の条件を有する構造体の作用効果を示す。
【００２２】
【発明の実施の形態】
図１の（ａ）は本願を適用した光モジュールの構成を示す断面図である。尚、斜線を施していない部分も空隙ではない。Ｓで示した部分が本願発明に係る構造体であり、拡大図を図１の（ｂ）に示す。屈折率ｎｍの透明容器３に構造体Ｓを設け、ハーフミラー６１、６２、反射ミラー６３を設けて特開平２０００−３４７０４３号公報記載のように光ファイバ１から光照射で混合樹脂溶液から光伝送路２１１を形成し、分岐２１１ａ、２１１ｂ、及び２１１ｃを形成する。この際、分岐２１１ａ、２１１ｂ、及び２１１ｃが所望の光電変換素子５ａ、５ｂ、５ｃに到達するよう、各々計３箇所に構造体Ｓを設けておく。
【００２３】
図２の（ａ）のように、予め設計された方角（２本の点線の領域）からずれて光導波路ＷＧ（硬化樹脂部）が成長しても、図２の（ｂ）のように、構造体部分で反射されれば、その後の光導波路ＷＧ（硬化樹脂部）が成長する方向は図２の（ｃ）の通り、予め設計された方角側（２本の点線の領域）に修正されることとなる。構造体部分で反射されるためには、例えば金属膜を形成してミラーとする他、構造体の構成材料の屈折率ｎｍを光導波路ＷＧの屈折率ｎ１より小さくし、且つ入射角度が全反射条件を充たすよう壁面の傾斜を構成すれば良い。
【００２４】
〔第１の構造体例（請求項３）〕
構造体の構成材料の屈折率ｎｍを光導波路ＷＧの屈折率ｎ１より小さくし、且つ入射角度が全反射条件を充たすよう壁面の傾斜を構成する場合として、終点領域が半径ａの円状で、その中心Ｏ’から円に垂直に距離ｂの点Ｏから光が入射するよう設計されており、構造体が終点領域を上面とする円錐台の側面を壁面とする場合を考える（図３）。円錐台の高さをＬｍ、設計された入射光方向と壁面の成す角をθｍとする。
【００２５】
今、円錐台底面の周上の点Ｐに、点Ｏから光が入射することを考える。ＯＯ’とＯＰとの成す角をθ１とすると、円錐台壁面とＯＰの成す角はθ１＋θｍである。点Ｐの線分ＯＯ’との距離を２通りに表してこれらを等しいとおくと、次のとおりである。
【数１１】
0003560152.tif 000007
【００２６】
一方、ＯＰを通る光が屈折率ｎ１の光導波路を通った場合、屈折率ｎｍの構造体の点Ｐで全反射するための条件は、次のとおりである。
【数１２】
0003560152.tif 000008
【００２７】
これらから次の式が成立する。
【数１３】
0003560152.tif 000009
【００２８】
これを解くと、次の不等式となる。
【数１４】
0003560152.tif 000010
【００２９】
側壁の傾斜角θｍは、次の式を充たすことで、全反射条件を充たす。
【数１５】
0003560152.tif 000011
【００３０】
円錐台底面の周上の点Ｐ以外の円錐台側壁の点に点Ｏから入射した場合、その入射角が点Ｐにおける入射角より小さいことは明らかである。よって、上記数１５が成立することで、円錐台側壁の任意の点において、全反射条件を満たす（請求項３）。
【００３１】
図４に、数１５の左辺（θｍの最大値）を、屈折率比ｎｍ／ｎ１とともにシミュレーションした図を示す。尚、ａ＝０．１５ｍｍ、Ｌｍ＝１ｍｍ、ｂ＝４ｍｍとした。このシミュレーションでは屈折率比ｎｍ／ｎ１が０．９６で、円錐台側壁の傾斜角は１０度以下とする必要がある。また、図５に、ａ＝０．１５ｍｍ、ｂ＝４ｍｍとし、屈折率比ｎｍ／ｎ１を０．９３、０．９５、０．９７と変化させて、Ｌｍと数１５の左辺（θｍの最大値）との関係を示す。
【００３２】
〔第２の構造体例（請求項８）〕
第１の構造体で、円錐台の側壁に金属で反射膜を形成した場合は、次のような条件を設けることができる。即ち、１回だけ反射することで半径ａの終点領域に達するよう条件設定する。
【００３３】
やはり図３において、点Ｏから入射した光が円錐台の底面の円周上の点Ｐに到達し、反射して終点領域の外周上の点Ｑに到達したとする。円錐台底面の周上の点Ｐ以外の円錐台側壁の点に点Ｏから入射した場合、反射角は小さくなるので、２度目の反射を起こすことなく終点領域内に到達することは容易に理解できる。
【００３４】
このような条件を充たすためには、次の関係が成立すれば良い。
【数１６】
0003560152.tif 000012
【００３５】
数１１を用いてこれを展開すると、次のとおりとなる。
【数１７】
0003560152.tif 000013
【００３６】
数１７は１実解を有する。これが正ならば（３Ｌ＞２ｂならば実解は負）、その解がθｍの最大値である。実際θｍの最大値は次のように求められるので、ａ＝０．１５ｍｍ、ｂ＝４ｍｍとし、Ｌｍと数１７の解（θｍの最大値）との関係を図６示す（請求項８）。
【数１８】
0003560152.tif 000014
【００３７】
〔第３の構造体例（請求項１０）〕
点Ｏ（光の発射点）と点Ｏ’（終点領域の中心）を焦点とする楕円を、長軸を中心として回転させた回転楕円体面を有する構造体で、壁面に金属膜を有するものは、点Ｏからの光を悉く点Ｏ’に向け反射する（図７参照）。２つの焦点点Ｏ（光の発射点）と点Ｏ’（終点領域の中心）を直交座標（０，−ｂ／２，０）と（０，ｂ／２，０）とし、点（ａ，ｂ／２，０）を通る楕円（図７参照）は次の式で示される。
【数１９】
0003560152.tif 000015
【００３８】
数１９を充たす楕円をｙ軸で回転させた回転楕円面は、一方の焦点（０，−ｂ／２，０）から回転楕円面に入射する光を反射して他方の焦点（０，ｂ／２，０）（終点領域の中心）に導く（請求項１０）。
【００３９】
〔第４の構造体例（請求項５）〕
第３の構造体の回転楕円体面を有し、第１の構造体のように金属膜を有しない屈折率による全反射条件を求める。数１９の楕円上の座標Ｘ（ｘ，ｙ，０）における接線の角度（ｘ軸の正方向基準、反時計回り）は次のとおりである（図７参照）。
【数２０】
0003560152.tif 000016
【００４０】
また、ベクトルＯＸのｘ軸の正方向と成す角度は次のとおりである。
【数２１】
0003560152.tif 000017
【００４１】
これらから、接線とベクトルＯＸの成す角（反時計回り）が、スネルの法則を充たすようにするためには次のとおりである（請求項５）。
【数２２】
0003560152.tif 000018
【００４２】
以上の実施例では、簡単のため一点からの光路を以て本願発明の構造体を説明したが、本願の自己形成光導波路は一定の径を有しているので、それに応じ、設計すれば良い。即ち、一定の領域からの光束に対し、終点領域に達するよう構造体を設計することは何ら困難なことではない。光の照射点Ｏは、光ファイバ先端面或いはミラーの設計点等、そこから自己形成光導波路が障害無しに光電変換素子等を配置した終点領域に達する着目点とすればよい。
【００４３】
また、上記実施例では円錐台と回転楕円体面を以て本願実施例を説明したが、本願の構造体は任意の多面体状壁面又は任意の曲面から成る壁面にて構成できる。その際、図７からも明らかなように、終点領域から着目点に向かって構造体が広がるのみでなく、狭まる部分を有する曲面また多面体面でも良く、場合によっては全体又は一部が逆円錐台形状でも本願発明を実施できる。また、反射回数は１回に限られず、複数回でも良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は、本願を適用した光伝送路の構造を示す断面図、（ｂ）は構造体Ｓの拡大図。
【図２】本願を適用した自己形成光導波路の成長の様子を示す段階図。
【図３】円錐台の側面を壁面とする第１又は第２構造体の設計図。
【図４】第１の構造体例におけるシミュレーションのグラフ図。
【図５】第１の構造体例における別のシミュレーションのグラフ図。
【図６】第２の構造体例におけるシミュレーションのグラフ図。
【図７】回転楕円体面を壁面とする第３又は第４構造体の設計図。
【図８】従来の特開平２０００−３４７０４３記載の光伝送路の製造方法を示す工程図。
【図９】従来の自己形成導波路が軸ずれを起こした様子を示す断面図。
【符号の説明】
１  光ファイバ
２１１  光導波路
２１１ａ〜ｃ  光導波路の分岐
２３  光導波路より屈折率の低いクラッド部分
３  透明容器
５ａ〜ｃ  光電変換素子
６１、６２  ハーフミラー
６３  反射ミラー
ＷＧ  自己形成光導波路
ａ  円状の終点領域の半径
ｂ  着目点から終点領域中心までの距離
Ｓ  構造体
【図１】
0003560152.tif 000024
【図２】
0003560152.tif 000025
【図３】
0003560152.tif 000026
【図４】
0003560152.tif 000027
【図５】
0003560152.tif 000028
【図６】
0003560152.tif 000029
【図７】
0003560152.tif 000030
【図８】
0003560152.tif 000031
【図９】
0003560152.tif 000032