(57)【要約】【課題】有機分子層を含む能動素子と光導波路との間の結合効率を高くできる光インターコネクション装置を提供する。【解決手段】高分子で形成されたクラッド部２１と高分子で形成されたコア部２２とを含む光導波路基板２０を備え、光導波路基板２０の上方に配置された、発光素子および受光素子から選ばれる少なくとも１つの能動素子１２ａ〜１２ｄを含み、能動素子１２ａ〜１２ｄは、第１の電極１３ａ〜１３ｄと、第１の電極１３ａ〜１３ｄ上に形成された有機分子層１４ａ〜１４ｄと、有機分子層１４ａ〜１４ｄを挟んで第１の電極１３ａ〜１３ｄと対向するように配置された第２の電極１５ａ〜１５ｄとを含む。そして、能動素子１２ａ〜１２ｄとコア部２２とが光学的に結合しており、第２の電極が凹面鏡として機能する。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高分子で形成されたクラッド部と高分子で形成されたコア部とを含む光導波路基板を備える光インターコネクション装置であって、
前記光導波路基板の上方に配置された、発光素子および受光素子から選ばれる少なくとも１つの能動素子を含み、
前記能動素子は、第１の電極と、前記第１の電極上に形成された有機分子層と、前記有機分子層を挟んで前記第１の電極と対向するように配置された第２の電極とを含み、
前記能動素子と前記コア部とが光学的に結合しており、前記第２の電極が凹面鏡として機能することを特徴とする光インターコネクション装置。
【請求項２】
前記第１の電極と前記第２の電極とが、それぞれ半球面状の形状を有する請求項１に記載の光インターコネクション装置。
【請求項３】
前記クラッド部と前記第１の電極との間に、透光性の材料で形成された半球状の凸部をさらに備え、
前記第１の電極が前記凸部を覆うように形成されており、
前記能動素子と前記コア部とが前記凸部を介して光学的に結合している請求項１または２に記載の光インターコネクション装置。
【請求項４】
前記クラッド部と前記第１の電極との間が空洞である請求項１または２に記載の光インターコネクション装置。
【請求項５】
前記第１の電極が透光性の材料からなる請求項１ないし４のいずれかに記載の光インターコネクション装置。
【請求項６】
前記第２の電極が金属からなる請求項１ないし５のいずれかに記載の光インターコネクション装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高分子で形成されたクラッド部と高分子で形成されたコア部とを含む光導波路基板を備える光インターコネクション装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ＩＴ（Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）革命が急速に進展する中で、情報処理を高速に行うことが可能な光情報処理回路の開発が進められている。光情報処理回路を用いた製品のさらなる小型・軽量化、および取り扱いやすさの向上のためには、可撓性を有する光情報処理回路を実現することが有効である。
【０００３】
このような可撓性を有する光情報処理回路を実現するため、ポリマー光導波路フィルムが提案されている（疋田：「有機光導波路素子」、電子情報通信学会誌，　Ｖｏｌ．８１，　Ｎｏ．１，　ｐｐ．３７−４０，　（１９９８））。しかし、発光素子や受光素子などの能動素子が無機の半導体からなる場合には、能動素子を形成する際に基板を高温に加熱する必要があるため、ポリマー光導波路フィルム上にこれらの能動素子を直接形成することが困難であった。また、これらの能動素子は、光回路上に正確に位置合わせを行う必要があった。
【０００４】
このような問題を解決するため、可撓性を有するポリマー光導波路上に、低温で形成が可能な有機ＥＬ素子を光源とする光集積回路を作製する試みがなされている（Ｙ．　Ｏｈｍｏｒｉ，　Ｍ．　Ｈｉｋｉｔａ，　Ｈ．　Ｋａｊｉｉ，　Ｔ．　Ｔｓｕｋａｇａｗａ，　Ｋ．　Ｙｏｓｈｉｎｏ，　Ｍ．　Ｏｚａｋｉ，　Ａ．　Ｆｕｊｉｉ，　Ｓ．　Ｔｏｍａｒｕ，　”Ｏｒｇａｎｉｃ　ＥＬ　ｄｉｏｄｅ　ｗｉｔｈ　ｗａｖｅｇｕｉｄｅ　ｄｅｖｉｃｅｓ”、Ｓ．　Ｉｍａｍｕｒａ，　Ｈ．　Ｔａｋｅｎａｋａ，　Ｊ．　Ｋｏｂａｙａｓｈｉ，　ａｎｄ　Ｆ．　Ｙａｍａｍｏｔｏ，　”Ｏｒｇａｎｉｃ　ｅｌｅｃｔｒｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｔ　ｄｉｏｄｅｓ　ａｓ　ａ　ｌｉｇｈｔ　ｓｏｕｒｃｅ　ｆｏｒ　ｐｏｌｙｍｅｒｉｃ　ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ：　ｔｏｗａｒｄ　ｏｒｇａｎｉｃ　ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｄｅｖｉｃｅｓ，　Ｔｈｉｎ　Ｓｏｌｉｄ　Ｆｉｌｍｓ，　ｖｏｌ．　３９３，　ｐｐ．２６７−２７２，　（２００１）参照）。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
有機分子層を含む発光素子（有機ＥＬ素子）および受光素子を用いる場合には、これらの能動素子と光導波路との結合効率をできるだけ大きくする必要がある。
【０００６】
このような状況に鑑み、本発明は、有機分子層を含む能動素子と光導波路との間の結合効率を高くできる光インターコネクション装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の光インターコネクション装置は、高分子で形成されたクラッド部と高分子で形成されたコア部とを含む光導波路基板を備える光インターコネクション装置であって、前記光導波路基板の上方に配置された、発光素子および受光素子から選ばれる少なくとも１つの能動素子を含み、前記能動素子は、第１の電極と、前記第１の電極上に形成された有機分子層と、前記有機分子層を挟んで前記第１の電極と対向するように配置された第２の電極とを含み、前記能動素子と前記コア部とが光学的に結合しており、前記第２の電極が凹面鏡として機能することを特徴とする。ここで、第１の電極は、第２の電極よりも光導波路基板側に配置される。
【０００８】
上記光インターコネクション装置では、前記第１の電極と前記第２の電極とが、それぞれ半球面状の形状を有してもよい。なお、本明細書において「半球面状」とは、光学的な機能が半球面と実質的に同等である程度のものをいう。たとえば、「半球面状」とは、多数の平面が半球面状に組み合わされているようなものや、完全な半球面よりも多少大きかったり小さかったりするものや、真球ではない球状のものの半球面も含む。同様に、「半球状」とは、光学的な機能が半球と実質的に同等となる程度のものをいう。たとえば、「半球状」とは、多数の平面が組み合わされて表面が形成されている半球や、完全な半球よりも多少大きかったり小さかったりするものや、真球ではない球状のものの半球も含む。
【０００９】
上記光インターコネクション装置では、前記クラッド部と前記第１の電極との間に、透光性の材料で形成された半球状の凸部をさらに備え、前記第１の電極が前記凸部を覆うように形成されており、前記能動素子と前記コア部とが前記凸部を介して光学的に結合していてもよい。
【００１０】
上記光インターコネクション装置では、前記クラッド部と前記第１の電極との間が空洞であってもよい。
【００１１】
上記光インターコネクション装置では、前記第１の電極が透光性の材料からなるものでもよい。なお、本明細書において「透光性」とは、使用される波長域の光の透過率が高いことを意味する。
【００１２】
上記光インターコネクション装置では、前記第２の電極が金属からなるものでもよい。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。本発明の光インターコネクション装置は、高分子で形成されたクラッド部と高分子で形成されたコア部とを含む光導波路基板と、光導波路基板の上方に配置された、発光素子および受光素子から選ばれる少なくとも１つの能動素子を含む。この能動素子は、第１の電極と、第１の電極上に形成された有機分子層と、有機分子層を挟んで第１の電極と対向するように配置された第２の電極とを含む。そして、上記能動素子とコア部とは光学的に結合しており、第２の電極が凹面鏡として機能する。以下、クラッド部と第１の電極との間に凸部が形成されている場合を実施形態１で説明し、クラッド部と第１の電極との間が空洞である場合を実施形態２で説明する。
【００１４】
（実施形態１）
実施形態１の光インターコネクション装置１０の一部断面図を図１に示す。また、光インターコネクション装置１０のコア部の光軸と能動素子１２ａの中心軸とを含む断面の断面図を図２に示す。なお、図１および図２において、クラッド部２１のハッチングを省略する。
【００１５】
光インターコネクション装置１０は、可撓性を有する光導波路基板２０と、光導波路基板２０の上に形成された凸部１１と、凸部１１の表面を覆うように形成された能動素子１２ａ〜１２ｄ（これらをまとめて能動素子１２という場合がある）とを含む。
【００１６】
光導波路基板２０は、有機高分子（たとえばポリマーなどの樹脂）で形成されたクラッド部２１と、有機高分子（たとえばポリマーなどの樹脂）で形成されたコア部（光導波路）２２とを備える。コア部２２は、クラッド部２１の内部に配置されている。コア部２２に入射した光が拡散しないように、クラッド部２１とコア部２２とは屈折率が異なっており、クラッド部２１の屈折率はコア部２２の屈折率よりも小さくなっている。図２に示すように、コア部２２の端部には、コア部２２と能動素子１２とを光学的に結合するためのミラー２３が形成されている。ミラー２３は、通常、コア部２２の端面を、コア部２２の光軸２２ｃに対して４５°の角度とすることによって形成される。なお、ミラー２３の反射率を高めるため、コア部２２の端面にクラッド部２１とは異なる材料を配置してもよい。クラッド部２１は、たとえばエポキシ樹脂で形成することができる。また、コア部２２は、透光性の材料で形成でき、たとえば重水素化されたメタクリル樹脂で形成することができる。
【００１７】
ミラー２３の上方には、凸部１１が配置されている。この凸部１１は、能動素子１２とコア部２２との光学的な結合効率を向上させるために形成される。凸部１１は、透光性の材料で形成でき、たとえばポリイミド（屈折率は約１．６）で形成することができる。凸部１１の屈折率は、能動素子１２とコア部２２との光学的な結合率がより高くなる値であることが好ましい。同様に、凸部１１の形状は、能動素子１２とコア部２２との光学的な結合率がより高くなる形状であることが好ましく、たとえば半球状とすることができる。
【００１８】
能動素子１２ａ〜１２ｄは、それぞれ、発光素子（有機ＥＬ素子）または受光素子である。これらの能動素子１２は、それぞれ有機分子層を含む。能動素子１２は、凸部１１を介してコア部２２と光学的に結合している。各能動素子１２ａ〜１２ｄは、それぞれ、凸部１１を覆うように形成された半球面状の第１の電極１３ａ〜１３ｄと、有機分子層１４ａ〜１４ｄと、有機分子層を挟んで第１の電極と対向するように配置された半球面状の第２の電極１５ａ〜１５ｄとを備える。
【００１９】
第１の電極１３ａ〜１３ｄは、透光性の導電性材料で形成され、たとえば酸化スズと酸化インジウムとの混合物（Ｉｎｄｉｕｍ　Ｔｉｎ　Ｏｘｉｄｅ）からなる透明導電膜で形成できる。有機分子層１４ａ〜１４ｄは、それが発光素子である場合には、キャリアの注入によって発光する有機分子層を含み、それが受光素子である場合には、光照射によってキャリアを発生させる有機分子層を含む。第２の電極１５ａ〜１５ｄは、たとえばアルミニウムなどの金属で形成できる。第２の電極１５ａ〜１５ｄを金属で形成することによって、第２の電極の凹面鏡としての効果を高めることができる。第１の電極１３ａ〜１３ｄおよび第２の電極１５ａ〜１５ｄは、それぞれ、外部の回路に接続されている。
【００２０】
なお、能動素子１２ａ〜１２ｄは、必要に応じて、電子注入層、電子輸送層、正孔注入層または正孔輸送層などを含んでもよい。可撓性が確保される限り、これらの層のいずれかは、金属などの無機物で形成されてもよい。
【００２１】
光導波路基板２０は、有機高分子を用いた光導波路基板の製造に用いられる一般的な方法で製造できる。たとえば、まず、クラッド部２１の一部を構成する樹脂層とコア部となる樹脂層とを積層し、エッチングによってコア部２２を形成する。その後、コア部２２を覆うようにクラッド部２１となる樹脂を配置して硬化させることによって、コア部２２が埋め込まれた光導波路基板２０が得られる。
【００２２】
凸部１１は、たとえば、材料（たとえばポリイミド）の溶融液または溶液をクラッド部２１上の所定の位置に滴下して硬化させることによって形成できる。第１の電極１３ａ〜１３ｄは、スパッタ法などで形成できる。能動素子の有機分子層１４ａ〜１４ｄは、有機分子線蒸着法などで形成できる。第２の電極１５ａ〜１５ｄは、スパッタ法や蒸着法で形成できる。なお、第１の電極、能動素子および第２の電極を形成する際には、必要に応じてマスクを用いてもよい。
【００２３】
以下、図３（ａ）および（ｂ）を参照して、光インターコネクション装置１０の機能について説明する。たとえば能動素子１２ａが発光素子である場合、能動素子１２ａから発せられた光は、凸部１１に入射する。このとき、半導体レーザなどとは異なり、能動素子１２ａからの発光は指向性が乏しく様々な方向に出射される。能動素子１２ａを光導波路基板２０の平面上に形成した場合、能動素子１２ａから発せられる光のうちコア部２２に入射する光の割合は高くない。しかし、図３（ａ）に示すように、光インターコネクション装置１０では、凸部１１と第１の電極１３ａとの界面、および第２の電極１５ａが凹面鏡として機能するため、能動素子１２ａから発せられた光は高い割合でコア部２２に入射する。また、凸部１１の上に発光素子を形成することによって、１つのコア部に対して面積が広い発光素子を形成することが可能になる。
【００２４】
一方、能動素子１２ａが受光素子である場合には、図３（ｂ）に示すように、コア部２２から発せられた光は、凸部１１を介して能動素子１２ａに入射する。能動素子１２ａを光導波路基板２０の平面上に直接形成した場合、光導波路基板２０と第１の電極１３ａとの界面で反射された光は能動素子１２ａに入射することはない。これに対して、光インターコネクション装置１０では、凸部１１に入射した光は、図３（ｂ）に示すように、反射しても能動素子１２ａに入射しやすい。また、有機分子層で吸収されなかった光は、第２の電極１５ａで反射されて再度有機分子層に入射するため、光信号から電気信号への変換効率が高くなる。この場合も、凸部１１と第１の電極１３ａとの界面、および第２の電極１５ａが凹面鏡として機能する。このように、光インターコネクション装置１０では、能動素子１２とコア部２２との光学的な結合効率を高めることが可能である。
【００２５】
（実施形態２）
実施形態２では、第１の電極とクラッド部との間が空洞である光インターコネクション装置について説明する。実施形態２の光インターコネクション装置４０の一部断面図を図４に示す。なお、光インターコネクション装置４０は、第１の電極とクラッド部との間が空洞であること、および第２の電極が基板上に形成されていることを除いて光インターコネクション装置１０と同様であるため、重複する説明は省略する。
【００２６】
光インターコネクション装置４０は、光導波路基板２０と、光導波路基板２０上方に配置された能動素子１２ａ〜１２ｄと、基板４１（ハッチングは省略する）とを含む。第１の電極１３ａ〜１３ｄとクラッド部２１との間は空洞４２であり、空気などの気体で満たされている。基板４１には、半球面状の凹部４１ａが形成されている。基板４１は、樹脂などで形成できる。
【００２７】
以下、光インターコネクション装置４０の製造方法について説明する。光導波路基板２０は、有機高分子で形成された光導波路基板を製造するための一般的な方法で形成できる。基板４１は、インジェクション成形などによって形成できる。光インターコネクション装置４０では、能動素子の形成方法が光インターコネクション装置１０とは異なる。この装置では、基板４１上に、第２の電極、有機分子層および第１の電極の順で形成することによって能動素子を形成する。これらの各層は、凹部４１ａの表面に形成されるため、半球面状となる。これらの各層の形成方法は実施形態１で説明した方法と同様である。その後、基板４１の第１の電極側をクラッド部２１上に固定することによって図４に示した構造を形成できる。
【００２８】
実施形態２の光インターコネクション装置４０では、第１の電極および第２の電極が凹面鏡として機能する。そのため、光インターコネクション装置１０と同様に、能動素子とコア部との光学的な結合効率を高めることが可能である。
【００２９】
以上、本発明の光インターコネクション装置について説明した。本発明の光インターコネクション装置は、光ファイバーなどを介して外部装置との間で信号の入出力を行う装置であり、光信号と電気信号とを変換する装置である。
【００３０】
【実施例】
以下、本発明の実施可能な例を用いて本発明をさらに詳細に説明する。なお、以下の実施例は本発明の一例であり本発明は以下の実施例に限定されない。
【００３１】
（実施例１）
実施例１では、実施形態１の光インターコネクション装置の一例について、図１および図２を参照しながら説明する。実施例１では、クラッド部２１は紫外線硬化性エポキシ樹脂で形成され、コア部２２は重水素化されたメタクリレート樹脂で形成される。コア部２２は、一辺が０．０５ｍｍの正方形の断面を有する。コア部２２の端面は、コア部２２の光軸２２ｃに対して４５°の角度に成形されており、ミラーとして機能する。凸部と接するクラッド部の表面からコア部までの距離は、１００μｍ〜５００μｍ（好ましくは１００μｍ〜１５０μｍ）とすることができる。
【００３２】
凸部１１は、直径０．５ｍｍの半球状に形成される。凸部１１は、溶融したポリイミドをクラッド部２１上に滴下することによって形成される。
【００３３】
能動素子１２ａ〜１２ｄの第１の電極１３ａ〜１３ｄは、それぞれ酸化インジウムと酸化スズの混合物で形成され、その厚さは０．３μｍである。能動素子１２ａ〜１２ｄの第２の電極１５ａ〜１５ｄは、マグネシウム−銀合金の膜（厚さ：０．２μｍ）で形成できる。
【００３４】
能動素子１２ａ〜１２ｄが発光素子である場合、有機分子層１４ａ〜１４ｄは、第１の電極側から順に正孔輸送層と発光層とを積層することによって形成できる。正孔輸送層には、たとえば４，４’−ｂｉｓ［Ｎ−（１−ｎａｐｈｔｈｙｌ）−Ｎ−ｐｈｅｎｙｌ−ａｍｉｎｏ］−ｂｉｐｈｅｎｙｌ（α−ＮＰＤ）、またはＮ，Ｎ’−ｄｉｐｈｅｎｙｌ−Ｎ，Ｎ’−ｂｉｓ（３−ｍｅｔｈｙｌｐｈｅｎｙｌ）−１，１’−ｂｉｐｈｅｎｙｌ−４，４’−ｄｉａｍｉｎｅ（ＴＰＤ）からなる層を用いることができ、その厚さは１０ｎｍ〜２００ｎｍの範囲とすることができる。発光層には、たとえばキノリノール錯体であるキノリノールアルミ８−ｈｙｄｒｏｘｑｕｉｎｏｌｉｎｅ　ａｌｕｍｉｎｕｍ（Ａｌｑ３）からなる層を用いることができ、その厚さは１０ｎｍ〜２００ｎｍの範囲とすることができる。たとえば、厚さが３０ｎｍのα−ＮＰＤ層を正孔輸送層として用い、厚さ２０ｎｍのＡｌｑ３層を発光層として用いることによって、５１２ｎｍにピークを有する緑色の発光が得られる。
【００３５】
一方、能動素子が受光素子である場合には、有機分子層は、第１の電極側から順に積層された光キャリア発生層とキャリア輸送層とを積層することによって形成できる。光キャリア発生層は、たとえばフッ素化フタロシアニンで形成でき、その厚さは、通常、１０ｎｍ〜１０００ｎｍの範囲である。また、キャリア発生層は、たとえば亜鉛フタロシアニンで形成でき、その厚さは、通常、０．１ｎｍ〜１００ｎｍ（より好ましくは１ｎｍ〜５０ｎｍ）の範囲である。光キャリア発生層の厚さは十分な光キャリアを発生できる膜厚とする必要がある。一方、光キャリア発生層は、移動度の小さい有機分子で形成される場合があり、応答速度を高めるには薄くしてキャリアの走行距離を短くする必要がある。しかしながら、光キャリア発生層を薄くすると、信号として取り出される光キャリアの量が少なくなる。そこで、有機受光素子を高速で動作させるために、光キャリア発生層を薄くするとともに複数の光キャリア発生層を積層してもよい。これによって、有機受光素子を光情報処理回路の受光素子として使用することが可能となる程度に高速化することが可能となる。
【００３６】
上述した第１および第２の電極は、たとえばスパッタ法で形成できる。また、上述した有機分子層は、たとえば有機分子線蒸着法で形成できる。
【００３７】
上述した発光素子を、光導波路基板２０の表面上で１０μｍ以内の位置合わせ精度で形成したところ、結合による損失は−３ｄＢであった。一方、凸部を形成しないで素子を形成したところ、結合による損失は−１５ｄＢと大きかった。このように、凸部を形成することによって結合損失を低減できた。
【００３８】
（実施例２）
実施例２では、実施形態２の光インターコネクション装置の一例について説明する。凹部５１はたとえば直径０．５ｍｍ半球面状とすることができる。空洞部に面するクラッド部の表面からコア部までの距離は、１００μｍ〜５００μｍ（好ましくは、１００μｍ〜１５０μｍ）とすることができる。第２の電極には、マグネシウムと銀との合金からなる層（厚さ０．２μｍ）を用いることができる。能動素子の有機分子層には、８−ヒドロオキシキノリアルミニウムの層（厚さ：０．０３μｍ）とジアミンであるＮ，Ｎ’−ｄｉｐｈｅｎｙｌ−Ｎ，Ｎ’−ｂｉｓ（３−ｍｅｔｈｙｌｐｈｅｎｙｌ）−１，１’−ｂｉｐｈｅｎｙｌ−４，４’−ｄｉａｍｉｎｅ（ＴＰＤ）の層（厚さ：０．０３μｍ）との積層体を用いることができる。凸部を形成しないことを除いて、他の部分は、上述した部材を用いることができる。
【００３９】
以上、本発明の実施の形態について例を挙げて説明したが、本発明は、上記実施の形態に限定されず本発明の技術的思想に基づき他の実施形態に適用することができる。
【００４０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、コア部と能動素子との結合効率が高い光インターコネクション装置が得られる。本発明の光インターコネクション装置は、高分子で形成された基板を用いており、可撓性を有するため、さまざまな応用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光インターコネクション装置の一例の断面図である。
【図２】図１に示した光インターコネクション装置の他の断面図である。
【図３】（ａ）および（ｂ）はそれぞれ図１に示した光インターコネクション装置の機能を示す図である。
【図４】本発明の光インターコネクション装置の他の一例の断面図である。
【符号の説明】
１０、４０　光インターコネクション装置
１１　凸部
１２、１２ａ〜１２ｄ　能動素子
１３ａ〜１３ｄ　第１の電極
１４ａ〜１４ｄ　有機分子層
１５ａ〜１５ｄ　第２の電極
２０　光導波路基板
２１　クラッド部
２２　コア部（光導波路）
２２ｃ　光軸
２３　ミラー
４１　基板
４１ａ　凹部
４２　空洞
【図１】
2004078031.tif 000003
【図２】
2004078031.tif 000004
【図３】
2004078031.tif 000005
【図４】
2004078031.tif 000006