(57)【要約】【課題】  光源からの光を効率良く集光することのできる光導波路、及びこの光導波路を用いた光情報処理装置を提供すること。【解決手段】  光入射面５ｂ、５ｃ及び５ｄ側から光出射面６ｂ、６ｃ及び６ｄ側に向かって幅が狭くなるコア層３ｂ、３ｃ及び３ｄを有する第１の光導波路７ｂと、光入射面５ａ側から光出射面６ａ側に向かって幅が狭くなっていて所定サイズの出射光を得るためのコア層３ａを有する第２の光導波路７ａとからなり、光導波路７ｂの光出射面６ｂ、６ｃ及び６ｄと光導波路７ａの光入射面５ａとが対向し、光導波路７ｂがＬＥＤ９Ｒ、９Ｇ及び９Ｂ側に配置され、ＬＥＤ９Ｒ、９Ｇ及び９Ｂからの光の入射面積が光導波路７ａの光入射面５ａの幅方向及び厚み方向に拡大されており、光導波路７ｂの光出射面６ｂ、６ｃ及び６ｄが光導波路７ａの光入射面５ａと同一厚み領域又はこれよりも小さい厚み領域内に存在していることを特徴とする光導波路。【選択図】          図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
コア層とクラッド層との接合体からなる光導波路において、
光入射面側から光出射面側に向かって少なくとも幅が狭くなるコア層を有する第１光  導波路と、光入射面側から光出射面側に向かって少なくとも幅が狭くなっていて所定サ  イズの出射光を得るためのコア層を有する第２光導波路とからなり、
前記第１光導波路の光出射面と前記第２光導波路の光入射面とが対向し、
前記第１光導波路が光源側に配置され、この光源からの光の入射面積が前記第２光導  波路の前記光入射面の幅方向及び／又は厚み方向に拡大されており、
前記第１光導波路の前記光出射面が前記第２光導波路の前記光入射面と同一厚み領域  又はこれよりも小さい厚み領域内に存在している
ことを特徴とする光導波路。
【請求項２】
前記第１光導波路の前記コア層の前記光出射面と、前記第２光導波路の前記コア層の前記光入射面とが、互いに交差して配置されている、請求項１に記載の光導波路。
【請求項３】
前記第１光導波路の前記コア層が複数層、前記第２光導波路の前記光入射面の幅方向に積層され、前記第１光導波路の前記光出射面が前記第２光導波路の前記光入射面の幅方向に複数に分割されている、請求項２に記載の光導波路。
【請求項４】
前記第１光導波路の前記コア層の前記光入射面が前記第２光導波路の前記光入射面の幅方向に拡大されている、請求項２又は３に記載の光導波路。
【請求項５】
前記第１光導波路及び第２光導波路の前記コア層の少なくとも一方において、前記コア層の幅が前記光出射面に向かって狭くなるように前記コア層の幅方向端面が直線的に傾斜している、請求項１に記載の光導波路。
【請求項６】
前記光源が前記第１光導波路の前記光入射面の幅方向に少なくとも１つ配置される、請求項１に記載の光導波路。
【請求項７】
前記第１光導波路の前記コア層の前記光入射面が、複数の前記光源からの光を同時に入射する、請求項１に記載の光導波路。
【請求項８】
前記第１光導波路の前記コア層の少なくとも光入射部が、前記光源の個数に応じて分割されている、請求項１に記載の光導波路。
【請求項９】
前記第１光導波路及び前記第２光導波路の少なくとも一方において、下部クラッド層上に前記コア層が形成されている、請求項１に記載の光導波路。
【請求項１０】
前記コア層上から前記下部クラッド層上にかけて上部クラッド層が形成されている、請求項９に記載の光導波路。
【請求項１１】
前記第１及び第２光導波路によって発光ダイオード又はレーザ光を集光する、請求項１に記載の光導波路。
【請求項１２】
請求項１〜１１のいずれか１項に記載した光導波路と、この光導波路に信号光を入射する光源と、前記光導波路からの出射光を受光する受光手段とを有する光情報処理装置。
【請求項１３】
前記出射光を走査手段で走査して投影するディスプレイとして構成した、請求項１２に記載の光情報処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コア層とクラッド層との接合体からなり、光源モジュール、光インターコネクション、光通信等に好適な光導波路及びディスプレイ等の光情報処理装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
これまで、電子機器内のボード間又はボード内のチップ間など、比較的短距離間の情報伝達は、主に電気信号により行われてきたが、集積回路の性能を向上させるためには、信号の高速化や信号配線の高密度化が必要となる。しかし、電気信号配線においては、配線の時定数による信号遅延やノイズの発生等の問題から、電気信号の高速化や電気信号配線の高密度化が困難である。
【０００３】
こうした問題を解決する光配線（光インターコネクッション）が注目されている。光配線は、電子機器間、電子機器内のボード間又はボード内のチップ間など、種々の個所に適用可能であり、例えば、チップ間のような短距離間の信号の伝送には、チップが搭載されている基板上に光導波路を形成し、信号変調されたレーザ光等の伝送路とした光伝送、通信システムを構築することができる。
【０００４】
他方、光導波路をディスプレイの光源モジュールとして用いることも知られている。例えば、映像ソフト、ゲーム、コンピュータ画面、映画等を自分だけのデイ画面で楽しめるヘッドマウントディスプレイ（Head Mounted Display）の開発が成されており、サングラスのように掛けるだけで、臨場感あふれる映像をいつでもどこでも気軽に体感できるパーソナルなディスプレイがある（米国特許第５，４６７，１０４号公報参照）。
【０００５】
このヘッドマウントディスプレイの光源には、赤色、緑色、青色の発光ダイオード（ＬＥＤ）が使われているがＬＥＤ光はコヒーレント性が無く、放射角が広く、集光して３色を合波することが難しい。そこで、３種のＬＥＤ光を光導波路に通して合波し、均一な白色光を作り出す技術が知られている（日経エレクトロニクス２００３．３．３１号，ｐ１２７）。
【０００６】
また、図２２に示すような光導波路５８も知られている（後述の特許文献１参照）。
【０００７】
この光導波路５８は、図２２（ａ）及び（ｂ）に示すように、半導体基板又は誘電体基板からなる所定厚さのＩｎＰ基板５１上に、例えば、厚さ０．５μｍのＩｎＰからなる下部クラッド層５２が形成され、この上に、入射面５５側での幅が５０μｍ、出射面５６側の幅が２μｍであって直線状傾斜面５７を有するＩｎＧａＡｓからなるコア層５３が形成されている。
【０００８】
そして、下部クラッド層５２及びコア層５３を覆うようにして、例えば、厚さ１μｍのＩｎＰからなる上部クラッド層が形成され、光導波路５８が構成されている。
【０００９】
そして、図２２（ｃ）に示すように、この光導波路５８の下部クラッド層５２上の入射側に、例えば、光源としてのレーザ５９（何色でもよい）を配置し、このレーザ５９から発する光ビームを入射面５５からコア層５３内に入射すると、光ビームはコア層５３の幅の変化に伴ってその広がりが狭くなるように変化して集光した後に、出射面５６から外部に出射する。
【００１０】
【特許文献１】特開平５−１７３０３６号公報（第２頁右欄１７行〜第３頁左欄８行、図１ｄ、図１ｅ）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかし、図２３に示した従来例では、コア層３が幅方向（水平方向）及び厚さ方向（垂直方向）に台形状を有する光導波路５８は、コア層５３の幅方向に入射する光を集光することは可能であるが、コア層５３の厚み方向に集光効率を上げることは困難である。また、コア層５３と同様の厚さを必要とするスポット径の厚さにした場合には充分なコア層５３としての厚みが得られず、光導波路５８への光結合効率が悪い問題がある。つまり、従来の光導波路形状では、導波路であるコア層５３への光結合効率を高くし、かつ、出射光のスポット径である出射面５６の面積を任意の大きさに制御することは極めて困難である。
【００１２】
本発明は、上記のような状況に鑑みてなされたものであって、その目的は、光源からの光を効率良く集光することのできる光導波路、及びこの光導波路を用いた光情報処理装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
即ち、本発明は、コア層とクラッド層との接合体からなる光導波路において、
光入射面側から光出射面側に向かって少なくとも幅が狭くなるコア層を有する第１光  導波路と、光入射面側から光出射面側に向かって少なくとも幅が狭くなっていて所定サ  イズの出射光を得るためのコア層を有する第２光導波路とからなり、
前記第１光導波路の光出射面と前記第２光導波路の光入射面とが対向し、
前記第１光導波路が光源側に配置され、この光源からの光の入射面積が前記第２光導  波路の前記光入射面の幅方向及び／又は厚み方向に拡大されており、
前記第１光導波路の前記光出射面が前記第２光導波路の前記光入射面と同一厚み領域  又はこれよりも小さい厚み領域内に存在している
ことを特徴とする光導波路に係るものである。
【００１４】
本発明は又、上記の光導波路と、この光導波路に信号光を入射する光源と、前記光導波路からの出射光を受光する受光手段とを有する光情報処理装置に係るものである。
【発明の効果】
【００１５】
本発明による光導波路は、光入射面側から光出射面側に向かって少なくとも幅が狭くなるコア層を有する第１光導波路と、光入射面側から光出射面側に向かって少なくとも幅が狭くなっていて所定サイズの出射光を得るためのコア層を有する第２光導波路とからなり、また、前記第１光導波路において光源からの光の入射面積が前記第２光導波路の前記光入射面の幅方向及び／又は厚み方向（望ましくは幅方向及び厚み方向の双方）に拡大されているために、前記光源からの光を十分に効率良く前記第１光導波路の前記光入射面に入射させることができる。また、前記第１光導波路の前記光出射面が前記第２光導波路の前記光入射面と同一厚み領域又はこれよりも小さい厚み領域内に存在しているために、前記第１光導波路の前記光入射面から前記コア層層に入射しかつ集光された集光光を、前記第２光導波路の前記コア層層の前記光入射面に十分に入射させることができる。
【００１６】
このように第１光導波路の入射面積が大きいことから、光源との位置合わせ時のトレランスが大きく、簡便なパッシブアライメントが可能である。また、前記第１の光導波路端面に沿って複数の光源を配置することにより、これら複数の光源からの信号を効率良く集光することができる。
【００１７】
また、上記の光導波路に、この光導波路に信号光を入射する光源と、前記光導波路からの出射光を受光する受光手段とを設けることにより、光量が多くて所望のスポットサイズの出射光を用いて光情報処理装置を構成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明においては、前記第１光導波路の前記コア層の前記光出射面から出射した出射光を、前記第２光導波路の前記コア層の前記光入射面に十分に入射させるために、前記第１光導波路の前記コア層の前記光出射面と、前記第２光導波路の前記コア層の前記光入射面とが、互いに交差して配置されているのが望ましい。
【００１９】
また、前記第１光導波路の前記コア層に前記光源からの光を十分に入射するために、前記第１光導波路の前記コア層が複数層、前記第２光導波路の前記光入射面の幅方向に積層して入射面の面積を増加させるのが望ましく、前記第２光導波路の前記コア層に前記第１光導波路からの出射光を十分に入射させるために、前記第１光導波路の前記光出射面が前記第２光導波路の前記光入射面の幅方向に複数に分割されているのが望ましい。
【００２０】
また、光源からの光を十分に入射させるために、前記第１光導波路の前記コア層の前記光入射面が前記第２光導波路の前記光入射面の幅方向に拡大されているのが望ましい。
【００２１】
また、前記第１光導波路及び第２光導波路に入射する入射光を直線的な傾斜面において前記コア層の内部に効果的に反射させ、この反射光を前記光出射面に集光するために、前記第１光導波路及び第２光導波路の前記コア層の少なくとも一方において、前記コア層の幅が前記光出射面に向かって狭くなるように前記コア層の幅方向端面が直線的に傾斜しているのが望ましい。
【００２２】
また、前記光源が前記第１光導波路の前記光入射面の幅方向に少なくとも１つ配置してもよいし、前記第１光導波路の前記コア層の前記光入射面が、複数の前記光源からの光を同時に入射するようにしてもよい。
【００２３】
また、前記第１光導波路の前記コア層の少なくとも光入射部が、前記光源の個数に応じて分割されていてよい。
【００２４】
また、前記第１光導波路及び前記第２光導波路の少なくとも一方において、下部クラッド層上に前記コア層が形成されるのが望ましい。
【００２５】
この場合、前記コア層上から前記下部クラッド層上にかけて上部クラッド層が形成されていてもよい。
【００２６】
また、前記第１及び第２光導波路によって発光ダイオード又はレーザ光等の光源からの光を集光することができる。
【００２７】
また、前記コア層が光硬化性樹脂によって形成されるのがよい。これは、光（特に紫外線）照射によって露光パターンに対応したコア層にパターン化することが容易となり、またクラッド層の構成材料としても有利なためである。こうした光硬化性樹脂としては、特開２０００−３５６７２０号公報に記載されたオキセタン樹脂等の高分子有機材料が挙げられる。このような高分子有機材料は、３９０ｎｍ以下の波長の可能可視光を９０パーセント以上透過するものがよい。なお、コア材やクラッド材は、光硬化性樹脂以外にも、無機系材料を用いてもよい。
【００２８】
また、光導波路材料として、下記のオキセタン環を有するオキセタン化合物からなる上記したオキセタン樹脂、又は下記のオキシラン環を有するオキシラン化合物からなるポリシランが使用可能であるが、これらの光硬化（重合）のために連鎖反応による重合を開始させ得るカチオン重合開始剤を含む組成物が用いられるのがよい。
【００２９】
【化１】
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【００３０】
そして、本発明は、光導波路で効率良く所定の光束に集光されて出射し、或いは光導波路に効率良く入射した後に出射した信号光を走査手段で走査して投影するように構成したディスプレイや、上記信号光を次段回路の受光素子（光配線やフォトディテクタ等）に入射させるように構成した光通信等の光情報処理に有効に用いることができる。
【００３１】
次に、本発明の好ましい実施の形態を図面参照下に具体的に説明する。
【００３２】
第１の実施の形態
本実施の形態による光導波路は、図１〜図４に示すように、所望のスポット径の光を出射する光導波路（第２の光導波路）７ａの光源側に、光導波路７ａに対応する位置に直交して光導波路（第１の光導波路）７ｂが配置された構造からなっている。
【００３３】
第１光導波路である光導波路７ｂの構造については、所定厚さの基板１ｂ上に所定厚さの下部クラッド層２ｂが形成され、この下部クラッド層２ｂ上に第１のコア層３ｂが形成されている。このコア層３ｂは、所定厚さで光導波路７ｂの正面幅と同じ幅を有する入射面５ｂと、これとは反対面に後述する光導波路７ａのコア層３ａの入射面５ａに対応する幅領域にある出射面６ｂとを有していて、この入射面５ｂから出射面６ｂに向かって光進行方向に沿って幅が直線的に狭くなる直線状傾斜面８ｂを有する台形状をなしている。このコア層３ｂを覆うようにして、所定厚さの上部クラッド層４ｂが形成されている。
【００３４】
そして、上部クラッド層４ｂ上にコア層３ｂと同形状のコア層３ｃが所定厚さに形成され、このコア層３ｃを覆うようにして所定厚さの上部クラッド層４ｃが形成され、この上部クラッド層４ｃ上にコア層３ｃと同形状のコア層３ｄが所定厚さに形成され、更にこのコア層３ｄを覆うようにして、所定厚さの上部クラッド層４ｄが形成され、全体として３層のコア層３ｂ、３ｃ、３ｄが、第２光導波路である光導波路７ａの幅方向に積層され、光源からの光の入射量を増やすと共に、光導波路７ａへの光入射を効果的に行えるように構成されている。
【００３５】
なお、この構造においては、基板１ｂ上に屈折率のそれぞれ異なる高分子材料を順次積層し、パターニングされた各コア層と各クラッド層との積層体が形成される。各コア層の屈折率は各クラッド層の屈折率よりも大きいものとする。
【００３６】
また、第２光導波路である光導波路７ａの構造については、所定厚さの基板１ａ上に所定厚さの下部クラッド層２ａが形成され、この下部クラッド層２ａ上にコア層３ａが形成されている。コア層３ａは、所定厚さで光導波路７ａの正面幅と同じ幅を有する入射面５ａと、この正面の反対面に位置した所定厚さ及び幅の出射面６ａとを有し、入射面５ａから出射面６ａに向かって光進行方向に沿って幅が直線的に狭くなる直線状傾斜面８ａを有する台形状をなしている。このコア層３ａを覆うようにして、所定厚さの上部クラッド層４ａが形成されている。
【００３７】
このように構成された２種類の光導波路７ｂ及び７ａを光源側から順次配し、かつ互いに直交するように位置合わせし、前者の光出射面と後者の光入射面とを接合して、例えば紫外線硬化樹脂等の接着剤により接合する。ここで、光源に近い光導波路７ｂにおいては各コア層が図面垂直方向に位置するものとし、光源から遠い光導波路７ａにおいてはコア層３ａが図面水平方向に位置するものとする。また、光導波路７ｂの各出射面が、図中斜線で示すように、光導波路７ａの入射面５ａと同一幅又はその幅内の領域に存在しており、コア層３ｂ、３ｃ及び３ｄの各光出射面６ｂ、６ｃ、６ｄの厚さが、光導波路７ａのコア層３ａの入射面５ａの厚さと同じか又は小さくなっている。
【００３８】
次に、図２（ｂ）に示すように、光源である赤色用発光ダイオード９Ｒ（ＬＥＤ（Ｒ））、緑色用発光ダイオード９Ｇ（ＬＥＤ（Ｇ））、青色用発光ダイオード９Ｂ（ＬＥＤ（Ｂ））を光導波路７ｂの図面垂直方向に配し、各光源からの光を光導波路７ｂの入射面５ｂ、５ｃ及び５ｄからコア層３ｂ、３ｃ及び３ｄにそれぞれ入射させる。このように入射させると、後述するように各入射光は台形状の各コア層の直線状傾斜面８ｂによって効果的に反射され、コア層からクラッド層への漏れ光が減少し、各コア層の内部に光を全反射させ易くなり、各コア層の各出射面に向かってコア層幅方向に導波光を集光させることができる。
【００３９】
光導波路７ｂが上記のように構成されているので、複数の光源９Ｒ、９Ｇ、９Ｂを拡大された光入射面に十分に入射させることができると共に、これらの光源を光入射面に対して比較的自由に配置でき、位置合せのトレランスが大きくなる。
【００４０】
この光導波路７ｂの各出射面から図面縦方向にコリメートされて出射された光は、次段の光導波路７ａの入射面５ａからコア層３ａ内に入射し、この入射した光は、後述するように直線状傾斜面８ａによってコア層３ａの内部に効果的に全反射され、コア層からクラッド層への漏れ光が減少し、コア層３ａ内を導びかれる光を出射面６ａに向かってコア層幅方向にコリメートし、所望のスポットサイズに集光し、出射面６ａから出射することができる。
【００４１】
このようにして、最終的には、光導波路の図面横方向及び縦方向（コア層幅方向及び厚み方向）に所望のスポット径、及び十分な光量で集光して出射することができる。
【００４２】
なお、図２（ｃ）に示すように、光導波路７ｂ及び７ａを光源側から正面図として観察した場合には、光源９Ｇ、９Ｒ、９Ｂが図面縦方向に並置されており、これらの各光源に対して長い各コア層が、図面横方向に各上部クラッド層を介して１つおきに複数配置されているために、各光源からの光を各コア層３ｂ、３ｃ、３ｄへ効率良く入射し、各コア層内で導びかれた光が各出射面６ｂ、６ｃ、６ｄから光導波路７ａの共通のコア層３ａへ入射面５ａから確実にしかも増加した光量で入射させることができる。この入射を確実に行うには、各出射面６ｂ、６ｃ及び６ｄに対応する各入射光領域が、入射面５ａの厚さ方向にはみ出さないのが望ましい。
【００４３】
また、図４（ｅ）には、光導波路７ｂ及び７ａを光導波路の光出射側からみた背面図を示す。光導波路７ａのコア層３ａ内で集光された光が、出射面６ａを通して十分な光量、所望のスポットサイズで出射されることが理解されよう。
【００４４】
図５（ａ）は光導波路７ｂの斜視図、図５（ｂ）は光導波路７ｂの平面図、図６（ｃ）は光導波路７ｂの正面図、及び図６（ｄ）は光導波路７ｂの背面図を示す。
【００４５】
図７に示すように、下部クラッド層２ｂ上に直線状傾斜面８ｂを有するコア層３ｂを形成した後に、これと同様の方法で複数の各コア層を複数の各上部クラッド層で挟むことにより、任意数のコア層を有する光導波路７ｂを自在に形成することができる。
【００４６】
また、図８（ａ）は光導波路７ａの斜視図、図８（ｂ）は光導波路７ａの平面図、図９（ｃ）は光導波路７ａの正面図、及び図９（ｄ）は光導波路７ａの背面図を示す。
【００４７】
次に、図１０〜図１１について、上記の光導波と７ａ、７ｂの作製方法を光導波路７ｂについて図５のＡ−Ａ’線断面で説明する。この作製工程は光導波路７ａの作製工程にも適用するものとし、いずれも特開２０００−３５６７２０公報に記載された方法に準じて行う。
【００４８】
まず、図１０（ａ）に示す例えばシリコンからなる所定厚さの基板１ｂ上に、図１０（ｂ）に示すように、有機材料からなる下部クラッド材１２ｂを硬化後の厚さが例えば３０μｍ程度となるように塗布し、下部クラッド材１２ｂの層を形成する。
【００４９】
この下部クラッド材１２ｂの材質として、光硬化性樹脂が好ましく、例えば、オキセタン樹脂、ポリシラン及びカチオン重合開始前からなる光硬化性樹脂組成物を用い、これを塗布後に加熱処理する。
【００５０】
次に、図１０（ｃ）に示すように、下部クラッド材１２ｂに対して、例えば、超高圧水銀ランプを用いて、紫外線ＵＶを全面的に照射することにより、有機材料からなる下部クラッド材１２ｂを硬化させる。
【００５１】
これにより、図１０（ｄ）に示すように、屈折率が１．５１程度の下部クラッド層２ｂが形成される。なお、下部クラッド材１２ｂを完全に硬化させると、屈折率は例えば０．０２５程度大きくなる。
【００５２】
次に、図１０（ｅ）に示すように、下部クラッド層２ｂ上に、例えば、上記と同様の光硬化性樹脂組成物を塗布してコア材１３ｂの層を形成する。
【００５３】
次に、図１１（ｆ）に示すように、上記したコア層パターンに相当する開口を有するフォトマスク１４を介してコア材１３ｂに対し紫外線を選択的に照射する。
【００５４】
これにより、図１１（ｇ）に示すように、フォトマスク１４の開口に対応する部分では、コア材１３ｂが硬化してコア層３ａを上記したパターンに形成する。
【００５５】
次に、図１１（ｈ）に示すように、紫外線が照射されなかった未硬化状態のコア材１３ｂを溶解除去する。これにより、例えば、平面形状が台形であり、屈折率が１．５６程度のコア層３ｂを形成することができる。
【００５６】
最後に、図１１（ｉ）に示すように、下部クラッド層２ｂの露出面及びコア層３ｂ上に、例えば、下部クラッド層２ｂの形成方法と同様の方法により上部クラッド層４ｂを形成する。
【００５７】
こうした作製工程によって、下部クラッド層２ｂ上にコア層３ｂを形成することができ、また工程を繰り返すことによって、光導波路７ｂを作製することができる。
【００５８】
次に、図１２について、上述した光導波路７ｂへの光入射と光導波状況を説明する。
【００５９】
図１２（ａ）は、光導波路７ｂのうち、例えばコア層３ｂについて各ＬＥＤ９Ｒ、９Ｇ、９Ｂからの光を同時に入射し、出射面６ｂから出射する状態を示している。この時に、入射面５ｂの幅をＡ（μｍ）、出射面６ｂの幅をＢ（μｍ）、及び入射面５ｂから出射面６ｂまでの距離をｄ（ｍｍ）とする。そして、コア層３ｂの幅を直線状傾斜面８ｂによって光入射面から光出射面へと直線的に小さくしている。この直線状傾斜面８ｂによってコア層とクラッド層との界面での全反射が向上し、コア層内での光導波を効率良く行える。
【００６０】
図１２（ｂ）には、入射面５ｂから出射面までの長さｄ（ｍｍ）と光損失（ｄＢ）との相関特性を示す。これによれば、出射面の幅Ｂを５０μｍに固定し、光導波路７ｂの許容光損失をグラフ中に破線で示す２ｄＢ以下と設定した場合に、入射面の幅Ａを２００μｍとした条件ａでは、光損失が２ｄＢ以下になるには、入射面５ｂから出射面６ｂまでの長さｄの下限は約０．７ｍｍとなり、また、入射面の幅Ａを３００μｍとした条件ｂでは、光損失が２ｄＢ以下になるには、入射面５ｂから出射面６ｂまでの長さｄの下限は約１．５ｍｍとなる。同様に、入射面の幅Ａを条件ｃ、ｄ、ｅのように広げていくと、光損失が２ｄＢ以下になるには、入射面５ｂから出射面６ｂまでの長さｄの下限は約３．０ｍｍ、約６．８ｍｍ、約１５．０ｍｍと大きくなる傾向がある。
【００６１】
この結果から、出射面６ｂの幅Ｂを一定にしたとき、入射面５ｂの幅Ａを狭くして直線状傾斜面８ｂの傾斜角を小さくすれば、光損失を２ｄＢ以下に抑え、かつ、入射面５ｂから出射面６ｂまでの長さｄを比較的短くすることができる。従って、直線状傾斜面８ｂによる光導波効率を確実に向上させるには、上記の幅Ａを規定することが望ましいことが分る。このことは、上記した光導波路７ｂのコア層３ｂ等の各コア層のみならず、光導波路７ａのコア層３ａについても同様である。
【００６２】
これに対し、図１３（ａ）に示す光導波路７ｃでは、それぞれが曲線状傾斜面１６からなる３種類のコア部分２８ｅ、２８ｆ及び２８ｇにコア層を分け、これらの光入射面５ｅ、５ｆ及び５ｇ側にそれぞれ光源である９Ｒ、９Ｇ及び９Ｂを配置し、光出射面６ｅの前位にてコア部分２８ｅ及び２８ｇをそれぞれコア部分２８ｆに合流させ、共通コア部分１５を通して出射面６ｅに光を導びいて出射する構造としている。ここで、出射面６ｅの幅を５０μｍと固定し、隣接するコア部分間のピッチをＰ（μｍ）、及び入射面５ｅ、５ｆ及び５ｇから出射面６ｅまでの距離をｄ（ｍｍ）とすると、図１３（ｂ）に示すように、入射面５ｅ、５ｆ及び５ｇから出射面までの長さｄ（ｍｍ）と、光損失（ｄＢ）との相関特性は図１３（ｂ）にようになる。
【００６３】
これによれば、光導波路７ｃの許容光損失を破線で示す２ｄＢ以下と設定した場合に、隣接するコア部分間のピッチＰを２００μｍとする条件ａでは、入射面５ｅ、５ｆ及び５ｇから出射面６ｅまでの長さｄは約６ｍｍ以上必要であり、同様に隣接するコア部分間ピッチＰを４００μｍ、６００μｍとすれば、入射面５ｅ、５ｆ及び５ｇから出射面６ｅまでの長さｄは約２０ｍｍ以上、約６０ｍｍ以上必要となる。
【００６４】
この結果から、隣接するコア部分間のピッチＰを狭くしてコア部分２８ｅ及び２８ｇの曲線状傾斜面１６の傾斜角を緩やかとしても、光損失を２ｄＢ以下に抑えるには上記の長さｄを約６ｍｍ以上と大きくする必要がある。これは、コア部分２８ｅ及び２８ｇの曲線状傾斜面１６の傾斜角がなおも急であるためにそこでのコア層からクラッド層への光漏出を十分に抑制できないため、上記の長さｄを大きくしないと、曲線状傾斜面１６の傾斜面を緩やかにして上記の光漏出を減らすことができないからである。
【００６５】
これに対し、図１２に示した光導波路７ｂの場合、コア層３ｂの傾斜面８ｂを直線状としているため、その傾斜角（即ち、入射面の幅Ａ）をコントロールしさえすれば、コア層とクラッド層との界面での全反射が増え、コア層内での光導波効率が向上し、かつ光導波路長ｄも小さくすることができる。なお、図１３の光導波路７ｃでは、光入射面が狭いため、各光源を対応する入射面に配置する自由度が小さく、かつ光入射量のロスも大きいが、図１２の光導波路７ｂでは、各光源に共通の入射面を幅Ａに亘って形成しているので、光源の配置を容易に行え、入射光量も増加する。
【００６６】
次に、図１（ａ）に示したように光導波路７ｂと７ａとを直交させた光導波路構造においては、各色の信号光の強度やカラーバランスを制御することによって、光導波路７ａの出射面６ａから出射する出射光は所望のスポットサイズ及び十分な光量の信号光として、次段の例えばスクリーンに投影され、フルカラーの画像の再生が可能なディスプレイを得ることができる。
【００６７】
図１４は、こうしたディスプレイをヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）２０に適用した例を示すものであって、図１（ａ）に示した光導波路７ｂ及び７ａの組み合せ構造を単位画素相当として、紙面垂直方向に多数個ライン状に配し、赤色光源９Ｒ、緑色光源９Ｇ及び青色光源９Ｂからの各色の光を各単位画素毎に合波し、光導波路７ａからのビーム径の絞られた出射光２５を走査板（scanned image plane）２１に通した後、この走査板２１と光学的に共役関係にある人間の眼球１８の網膜１７上に光学レンズ１９等によって焦点（スポット）を結ばせるように構成している。
【００６８】
この結像点は１ライン分、網膜１７上に形成されるが、これは走査板２１によって網膜１７上でラインとは直交する方向に走査されることによって、臨場感あふれる映像をパーソナルに体感することができる。
【００６９】
なお、このヘッドマウントディスプレイ２０は、サングラスのように装着した状態でプロジェクタやカメラ、コンピュータ、ゲーム機などに組み込むことにより、コンパクトな映像装置を提供することができる。
【００７０】
本実施の形態によれば、光入射面５ｂ、５ｃ及び５ｄ側から光出射面６ｂ、６ｃ及び６ｄ側に向かって幅が狭くなるコア層３ｂ、３ｃ及び３ｄを有する光導波路７ｂと、光入射面５ａ側から光出射面６ａ側に向かって幅が狭くなっていて所定サイズの出射光を得るためのコア層３ａを有する光導波路７ａとの組み合せによって光導波路を構成しているために、光導波路７ｂへは各光入射面５ｂ、５ｃ及び５ｄに光源９Ｒ、９Ｇ、９Ｂの光が十分な量入射してから光導波路７ａの光入射面６ａに入射し、更にその光出射面６ａから所望のサイズに絞られた十分な光量の出射光が得られる。この場合、各光導波路７ｂ、７ａにおいて、各コア層３ｂ、３ｃ及び３ｄ、３ａに入射する入射光は、各コア層の直線状傾斜面８ｂ、８ａの存在によって各コア層の内部に向かって全反射し易いために、光量損失が少なくなり、各コア層の各光出射面６ｂ、６ｃ及び６ｄ、６ａに向かって入射光を効率良く集光し、出射面６ａから十分な光量で任意のスポット径にコリメートされた出射光を得ることができる。
【００７１】
また、光源９Ｒ、９Ｇ及び９Ｂからの光が入射する光導波路７ｂの入射面が、光導波路７ａの光入射面５ａの幅方向及び厚み方向に拡大されている（即ち、光導波路７ｂの入射面積が拡大されている）ために、各光源９Ｒ、９Ｇ及び９Ｂからの光は低損失下で光導波路７ｂの光入射面５ｂ、５ｃ及び５ｄに入射させることができると共に、光導波路７ｂに対する各光源９Ｒ、９Ｇ、９Ｂの位置合せを行い易く、そのトレランスが大きくなる。また、光導波路７ｂの光出射面６ｂ、６ｃ及び６ｄが光導波路７ａの光入射面５ａと同一厚み領域又はこれよりも小さい厚み領域内に存在しているために、光導波路７ｂの光入射面５ｂ、５ｃ及び５ｄからコア層３ｂ、３ｃ及び３ｄに入射して集光された光を、光導波路７ａのコア層３ａの光入射面５ａに十分に入射させることができる。
【００７２】
第２の実施の形態
本実施の形態による光導波路は、図１５〜図１６に示すように、その正面において所定幅で３分割された各入射面を有するコア層３ｈ、３ｉ、３ｊを有し、かつ、これらのコア層はそれぞれ３分割されていて各分割コア層が共通の出射面６ｈの手前で合流して一体化する構造を有する光導波路７ｅであり、上述の光導波路７ａの光源側に配置する以外は、上述の第１の実施の形態と同様である。
【００７３】
光導波路７ｅの構造については、図１５（ａ）及び（ｂ）に示すように、所定厚さの基板１ｂ上に所定厚さの下部クラッド層２ｂが形成され、この下部クラッド層２ｂ上に、３分割されたコア層５ｈが形成されており、これらの各分割コア部２８ｈは、光導波路７ｅの光源側において所定厚さで所定幅に３箇所設けられた入射面５ｈと、これとは反対面に位置して上述した光導波路７ａのコア層３ａの入射面５ａに対応する幅の出射面６ｆとを有している。そして、各分割コア部２８ｈは、各入射面５ｈから共通の出射面６ｆに向かって幅が直線的に狭くなっており、かつこの３分割された各コア部２８ｈは出射面６ｆの手前の共通コア層２７ｈで合流する構造となっている。
【００７４】
このコア層３ｈを覆う所定厚さの上部クラッド層４ｅが形成され、これと同様にこの上部クラッド層４ｅ上にコア層３ｈと同形状のコア層３ｉが形成され、このコア層３ｉを覆う所定厚さの上部クラッド層４ｆ上にコア層３ｉと同形状のコア層３ｊが所定厚さに形成され、更に、このコア層３ｊを覆う所定厚さの上部クラッド層４ｇが形成されている。各コア層３ｈ、３ｉ、３ｊはいずれも、同一パターン形状のコア部２８ｈ、２８ｉ、２８ｊを有し、これらが積層されていて、各入射面５ｈ、５ｉ、５ｊからの入射光が共通の出射面６ｆ、６ｇ、６ｈから出射される。
【００７５】
図１５（ｂ）に示すように、光源９Ｒからの光を図１５（ａ）において左列の上下３段の入射面５ｈ、５ｉ及び５ｊに共通に入射させ、これらからコア層３ｈ、３ｉ及び３ｊにそれぞれ入射させる。同様に、光源９Ｇからの光を図１５（ａ）において中央列の入射面５ｈ、５ｉ及び５ｊからコア層３ｈ、３ｉ及び３ｊにそれぞれ入射させ、また、光源９Ｂからの光を図１５（ａ）において右列の入射面５ｈ、５ｉ及び５ｊからコア層３ｈ、３ｉ及び３ｊにそれぞれ入射させる。
【００７６】
このようにコア層３ｈ、３ｉ及び３ｊのそれぞれの入射面に光を入射させると、各入射光は各コア層の各コア部２８ｈ、２８ｉ及び２８ｊを通過して各コア層の直線状傾斜面８ｂで全反射されつつ、上述の第１の実施の形態で述べたと同様にして効率良く、十分な量で各出射面６ｆ、６ｇ及び６ｈに向かって図１の縦方向に光をコリメートして出射させることができる。
【００７７】
このようにして光導波路７ｅの各出射面６ｆ、６ｇ及び６ｈからのコリメートされた出射光は、次段の直交配置された光導波路７ａの入射面５ａからコア層３ａ内に入射し、上述したと同様に幅方向にコリメートされた所望のスポットサイズの出射光が得られる。
【００７８】
図１６（ｃ）は、上述の光導波路７ｅを光源側から観察した正面図であり、図示省略するが、光源９Ｒは、コア層３ｈ、３ｉ及び３ｊの左列の入射面５ｈ、５ｉ及び５ｊに対応する位置に配置され、光源９Ｇは、コア層３ｈ、３ｉ及び３ｊの中央列の入射面５ｈ、５ｉ及び５ｊに対応する位置に配置され、光源９Ｂは、コア層３ｈ、３ｉ及び３ｊの右列の入射面５ｈ、５ｉ及び５ｊに対応して配置される。
【００７９】
図１６（ｄ）は、光導波路７ｅの光出射側の背面図を示し、コア層３ｈ、３ｉ及び３ｊ内で集光された光が出射面６ｆ、６ｇ及び６ｈを通して出射される。
【００８０】
本実施の形態においても、各光源からの光を主として３段に積層された入射面から効率良く各コア層内に入射させることができる。この際、各光源毎に各段のコア層が分割されているので、各色の光を独立して各コア層に入射させることができる。また、各光源を対応した位置にそれぞれ配置するのが容易であることは勿論である。
【００８１】
その他、本実施の形態においては、上述の第１の実施の形態で述べたのと同様の作用及び効果が得られる。
【００８２】
第３の実施の形態
本実施の形態では、図１７〜図１８に示すように、光導波路７ｇのコア層が単層であってその厚さを大きくしていること以外は、上述の第１の実施の形態と同様である。
【００８３】
即ち、この光導波路７ｇの構造は、図５に示した光導波路７ｂの各コア層３ｂ、３ｃ、３ｄを一体にして単一のコア層３ｋとし（従って、クラッド層４ｂ、４ｃを除去し）、クラッド層４ｈで覆ったものである。図１７（ａ）に示すように、光導波路７ｇは、所定厚さの基板１ｂ上に所定厚さの下部クラッド層２ｂが形成され、この下部クラッド層２ｂ上に形成されたコア層３ｋは、上述の各コア層の厚さよりもずっと厚くて光導波路７ｇの正面幅と同じ幅を有する入射面５ｋと、これとは反対面に位置し、上述した光導波路７ａのコア層３ａの入射面５ａに対応する幅で所定厚さの出射面６ｉとを有している。コア層３ｋは、この入射面５ｋから出射面６ｉに向かって幅が直線的に狭くなる直線状傾斜面８ｂを有する台形状に形成されている。
【００８４】
図１８（ｂ）には、この光導波路７ｇの平面図を光源９Ｒ、９Ｇ、９Ｂと共に示し、図１８（ｃ）には、光導波路７ｇの光源側からの正面図を示す。各光源９Ｒ、９Ｇ及び９Ｂは、光導波路７ｇの入射面５ｋに対して図１７の横方向に所定間隔で並置される。
【００８５】
図１８（ｄ）には、光導波路７ｇの背面図を示し、光導波路７ｇのコア層３ｋ内で集光された光が出射面６ｉを通して出射される。
【００８６】
この光導波路７ｇは、図１に示した光導波路７ａと直交して組み合され、上述したと同様に光導波に用いることができる。
【００８７】
これに代えて、図１９に示すように、光源側に光導波路７ｇを破線のように配し、この出射面６ｉに接合した入射面５１を有する光導波路７ｈを組み合わせることができる。例えば、光導波路７ｈのコア層３１については、光導波路７ｇの厚さ方向に長い出射面６ｉの形状に応じて、光導波路７ｇの入射面５ｋと同形状の入射面５ｌを備えている。そして、その幅方向及び奥行き方向の形状は光導波路７ｇのコア層３ｋと同様であるが、厚さが出射面６ｊに向かって薄くなっている。ここで、光導波路７ｇと７ｈとは直交して配置されておらず、互いに平行に配置することができる。
【００８８】
この場合、光導波路７ｇのコア層３ｋ内で集光された光が出射面６ｉを通して出射されてから、光導波路７ｈの入射面５ｌを通してコア層３ｌ内に入射し、光導波路７ｈの幅方向及び厚み方向にある直線状傾斜面８ｈで全反射されつつ出射面６ｊに集光され、出射面６ｊから出射される。
【００８９】
図２０は、光導波路７ｈの作製に用い得る成形型を示す。
【００９０】
この成形に際しては、下型２４に、下部クラッド層２ａを予め設けた基板１ａを配し、上型２２との間にコア層３ｌに相当する成形空間３１Ａを形成し、この成形空間にコア材を注入し、硬化させることによって、所定形状のコア層３ｌを下部クラッド層２ａ上に形成することができる。
【００９１】
本実施の形態によれば、上述の第１の実施の形態と比べて、光源側の光導波路７ｇの光入射面５ｋがより拡大されているために、光源からの光を一層効率良く光導波路７ｇ内に入射させることができる。
【００９２】
その他、本実施の形態においては、上述の第１の実施の形態で述べたのと同様の作用及び効果が得られる。
【００９３】
第４の実施の形態
本実施の形態は、図２１に示すように、上述の第１の実施の形態における光導波路７ａから上部クラッド層４ａを除去した構造の光導波路７ｉを用いる以外は、上述の第１の実施の形態と同様である。
【００９４】
この光導波路７ｉにおいては、図１に示した光導波路７ｂからの入射光が光導波路７ｉのコア層３ａ内に入射面５ａを通して入射すると、コア層３ａから上部クラッド層への漏れ光が存在しなくなるため、光出射面は図２１（ｃ）のような形状パターンの集光面となり、主としてコア層３ａから十分な光量で出射光が得られる。
【００９５】
その他、本実施の形態においては、上述の第１の実施の形態で述べたのと同様の作用及び効果が得られる。
【００９６】
以上に説明した実施の形態は、本発明の技術的思想に基づいて種々に変形が可能である。
【００９７】
例えば、上述した光導波路の構成材料や層構成も様々に変化させてよい。例えば、ニオブ酸リチウム等の無機系の材料を用い、これをＣＶＤ（化学的気相成長法）によって基板上にコア材として成膜し、レジストマスクを用いて所定パターンにエッチングすることによって、上述したコア層と同等のコア層を形成することができる。また、台形状のコア層と同様の形状に下部クラッド層及び上部クラッド層等を形成してもよい。特に光導波路７ｂにおけるコアの積層数は、集光性を向上させるには２以上であればよいが、２０以下とするのが実用面からみて望ましい。
【００９８】
また、複数の光導波路を用いて構成した場合におけるそれぞれの光導波路の交差方向は直交方向に限られることはない等、配置等を様々に変化させてよい。また、光導波路を接続する場合に、屈折率の制御された光学材料を介して接着してもよいが、この場合は接続部からの光の漏れを防止するのがよい。
【００９９】
また、光導波路のコア形状は、直線状傾斜面を幅方向端面に有するタイプのみならず、曲線状傾斜面を幅方向端面に有するコア層としてもよい。コア層の作製は、図２０に示した如き成形型による成形で行ってもよい。
【０１００】
また、上述した光導波路を含む光学系の構成は適宜変更してよく、例えば、走査手段としてマイクロミラーデバイスやポリゴンミラー等を採用してよいし、投影をスクリーン上に行ってもよい。
【０１０１】
なお、本発明は、ＬＥＤ又はレーザを用いた光導波路を光源とするディスプレイをはじめ、例えば、レーザを用いた光導波路からの信号光を次段回路の受光素子（光配線やフォトディテクタ等）に入射させる光通信等の如き種々の光情報処理に広く適用可能である。
【産業上の利用可能性】
【０１０２】
本発明は、光導波路で効率良く所定の光束に集光されて出射し、或いは光導波路に効率良く入射した後に出射した信号光を走査手段で走査して投影するように構成したディスプレイや、上記信号光を次段回路の受光素子（光配線やフォトディテクタ等）に入射させるように構成した光通信等の光情報処理に有効に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【０１０３】
【図１】本発明の第１の実施の形態による第１及び第２の光導波路の組み合せからなる光導波路の斜視図（ａ）である。
【図２】同、光導波路の平面図（ｂ）及びその正面図（ｂ）である。
【図３】同、コア層の斜視図（ｄ）である。
【図４】同、光導波路の背面図（ｅ）である。
【図５】同、第１の光導波路の斜視図（ａ）及びその平面図（ｂ）である。
【図６】同、第２の光導波路の正面図（ｃ）及びその背面図（ｄ）である。
【図７】同、コア層を複数積層した第２の光導波路の概略分解斜視図である。
【図８】同、第２の光導波路の斜視図（ａ）及びその平面図（ｂ）である。
【図９】同、第２の光導波路の正面図（ｃ）及びその背面図（ｄ）である。
【図１０】同、光導波路の作製工程を順次示す断面図である。
【図１１】同、光導波路の作製工程を順次示す断面図である。
【図１２】同、光導波路の平面図（ａ）、及び光損失とコア層の入射面幅との関係を示すグラフ（ｂ）である。
【図１３】同、別の光導波路の平面図（ａ）、及び光損失とコア層間ピッチとの関係を示すグラフ（ｂ）である。
【図１４】同、ヘッドマウントディスプレイの概略模式図である。
【図１５】本発明の第２の実施の形態による第１の光導波路の斜視図（ａ）及びその平面図（ｂ）である。
【図１６】同、第１の光導波路の正面図（ａ）及びその背面図（ｂ）である。
【図１７】本発明の第３の実施の形態による第１の光導波路の斜視図（ａ）及びその平面図（ｂ）である。
【図１８】同、第１の光導波路の正面図（ａ）及びその背面図（ｂ）である。
【図１９】同、他の例による光導波路のコア層の斜視図である。
【図２０】同、光導波路のコア層の作製に用いる成形型の断面図である。
【図２１】本発明の第４の実施の形態による第２の光導波路の斜視図（ａ）、その正面図（ｂ）及びその背面図（ｃ）である。
【図２２】従来例による光導波路の斜視図（ａ）、その断面図（ｂ）及びその側面図（ｃ）である。
【符号の説明】
【０１０４】
１ａ、１ｂ…基板、２ａ、２ｂ…下部クラッド層、
３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅ、３ｆ、３ｇ、３ｈ、３ｉ、３ｊ、３ｋ、３ｌ…コア層、
４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、４ｅ、４ｆ、４ｇ、４ｈ、４ｉ…上部クラッド層、
５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、５ｅ、５ｆ、５ｇ、５ｈ、５ｉ、５ｊ、５ｋ、５ｌ…入射面、
６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ、６ｅ、６ｆ、６ｇ、６ｈ、６ｉ、６ｊ…出射面、
７ａ、７ｈ、７ｉ…第２の光導波路、
７ｂ、７ｃ、７ｄ、７ｅ、７ｆ、７ｇ、７ｈ、７ｉ…第１の光導波路、
８ａ、８ｂ…直線状傾斜面、９Ｒ、９Ｇ、９Ｂ…光源、１７…網膜、１８…眼球、
１９…光学レンズ、２０…ヘッドマウントディスプレイ、２１…走査板、２３…上型、
２４…下型、２５…出射光、２７ｈ、２７ｉ、２７ｊ…共通コア層、
２８ｈ、２８ｉ、２８ｊ…コア部分
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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