(57)【要約】 【課題】  本発明の目的は、上記の問題を回避すべく、簡便にかつ高効率で光結合するための光導波路およ光学部品等同士を接続する方法を提案することにある。【解決手段】 このテーパ光導波路１１の大きいコア径側を直接面型発光素子などに結合し、小さいコア径側を光ファイバ１３や光導波路と結合することにより位置合わせ許容度の大きい光結合が簡単に実現できる。また本発明は、複数の光学部品を光導波路を介して接続する際に、入射側のコア断面が第１の光学部品の出射口断面よりも大きく、出射側のコア断面が出射光を受ける第２の光学部品の受光口断面よりも小さくなるようにコアがテーパ状になっている光導波路を用いる光学部品の接続方法である。【選択図】      図２
2005257789.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を導波するコアが、光の入射側のコア断面が出射側のコア断面よりも大きくなるようにテーパ状になっていることを特徴とする光導波路。
【請求項２】
コアの光軸に対して斜めに形成された反射面がコアの端面に形成された請求項１に記載の光導波路。
【請求項３】
前記テーパ状のコアがレーザ加工により形成された請求項１または２に記載の光導波路。
【請求項４】
複数の光学部品を光導波路を介して接続する際に、入射側のコア断面が第１の光学部品の出射口断面よりも大きく、出射側のコア断面が出射光を受ける第２の光学部品の受光口断面よりも小さくなるようにコアがテーパ状になっている光導波路を用いることを特徴とする光学部品の接続方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は高分子光導波路に関し、特に光集積回路、光インターコネクション用光学部品、光電気混載板等に用いられる光導波路および光学部品を接続する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
光部品、あるいは光ファイバの基材としては、光伝搬損失が小さく、伝送帯域が広いという特徴を有する石英ガラスや多成分ガラス等の無機系の材料が広く使用されているが、最近では高分子系の材料も開発され、無機系材料に比べて加工性や価格の点で優れていることから、光導波路用材料として注目されている。例えば、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、あるいは、ポリスチレンのような透明性に優れた高分子をコアとし、そのコア材料よりも屈折率の低い高分子をクラッド材料としたコア−クラッド構造からなる平板型光導波路が作製されている（特許文献１）。これに対して耐熱性の高い透明性高分子であるポリイミドを用い低損失の平板型光導波路が実現されている（特許文献２）。
【０００３】
低コスト化などの要求から光インターコネクション分野において、面発光型レーザ（ＶＣＳＥＬ）や面型受光素子が搭載されようとしている。ＶＣＳＥＬの出射口径および受光素子の受光径はそれぞれ１０ミクロン、１００ミクロン程度である。例えば、６２．５ミクロンのコア径の光ファイバで光結合しようとすると、ＶＣＳＥＬ側で±約２５ミクロン、受光素子側で±約２０ミクロンとなる。従来一般に用いられている実装装置でもはんだ実装精度は±５０ミクロンである。よって、位置合わせ精度は二倍以上緩和させる必要がある。
【０００４】
一方、基板に対して垂直方向に出射するレーザ光を基板に対して水平な光導波路に入射するとき、約９０°の光路変換が必要となる。高分子光導波路では、ダイシングソーによって約４５°に切削し、９０°光路変換を可能にしている（特許文献３）。しかしながら、この場合、光路変換のときに光は発散してしまい、ＶＣＳＥＬからの光が光導波路のコアに、あるいは、光導波路からの光が受光素子の受光部に入らない割合が増えてしまう可能性がある。データ通信速さが１ギガビット毎秒を越え、さらに高速になると、受光素子の受光径は１００、８０、６０μｍと小さくなる傾向にある。このとき、光の発散は深刻な問題となる。これを解決するために、別途、光路変換部の上面にレンズなどを形成することが考えられるが、加工コストやレンズの実装コストなどが問題となる。これら光学素子はミクロンオーダの位置精度で実装されなければならない。市販されている実装装置の位置合わせ精度ではこれをクリアするのは困難である。
【特許文献１】特開平３−１８８４０２号公報
【特許文献２】特開平２−１１０５００号公報
【特許文献３】特開平１０−３００９６１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は、上記の問題を回避すべく、簡便にかつ高効率で光結合するための光導波路およ光学部品等同士を接続する方法を提案することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明者は、鋭意検討した結果、テーパ状光導波路を用いることにより、前記課題を解決することを見出し、本発明を完成させた。
すなわち本発明は、光を導波するコアが、光の入射側のコア断面が出射側のコア断面よりも大きくなるようにテーパ状になっている光導波路である。
これにより入射側あるいは出射側にある光学部品と光導波路との位置合わせ誤差の許容度が大きくなる。
【０００７】
また本発明は、複数の光学部品を光導波路を介して接続する際に、入射側のコア断面が第１の光学部品の出射口断面よりも大きく、出射側のコア断面が出射光を受ける第２の光学部品の受光口断面よりも小さくなるようにコアがテーパ状になっている光導波路を用いることを特徴とする光学部品の接続方法である。
【０００８】
ここで光学部品とは、発光素子、受光素子、光ファイバや光導波路、あるいは光スイッチ、波長変換、光偏向などの機能を有する光学素子など光が内部に導光するものをすべて含む。
【発明の効果】
【０００９】
本発明による光導波路および接続方法を用いることにより、位置あわせ誤差の許容範囲が大きくなり、従来の実装装置を用いても結合効率が高くかつ簡便に光結合が行える。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明のテーパ光導波路の作製方法を図１を用いて詳細に説明する。１ｍｍ厚のポリイミド基板１を用意する。そこへ上からエキシマなどのレーザ光２を照射し、複数の貫通穴３を形成する。このとき、穴径は下に行くにしたがって小さくなる。例えば上面は径が０．１ｍｍ、下面は径が０．０４ｍｍのように深さ方向にテーパの穴が形成される。次に貫通穴に基板よりも屈折率の高いポリイミドの前駆体であるポリアミド酸溶液４を埋め込み、熱処理する。その後、ダイシングソーなどによって、適切な形に切り出す。このようにして、複数のコアが形成されたテーパ状ポリイミド光導波路が作成できる。これにより光導波導波路の両端のうち断面の大きい側にそれよりも断面の小さな光を入射させ、断面の小さい側にそれよりも断面の大きな開口部をもつ光学部品に向けて光を出射させることができる。
【００１１】
図２(a)に示したように、このテーパ光導波路１１の大きいコア径側を直接面型発光素子などに結合し、小さいコア径側を光ファイバ１３や光導波路と結合することにより位置合わせ許容度の大きい光結合が簡単に実現できる。図２(b)に断面で示すように複数の発光部を持つ面型発光素子１２は基板１４に形成されている。コア用の貫通穴をあけるのと同時に、面型発光素子１２が形成されている基板１４に設けておいたマーカ１５との位置合わせのためのガイド穴１６を形成しておくことにより位置合わせは容易にできる。また図３に示すように、光ファイバ１９が接続されたＭＴコネクタなどのガイド１７と整合した穴１８をテーパ状光導波路１１のテーパ状穴を形成するときに同時に形成しておくことにより、テーパ光導波路と面型発光素子との接続やテーパ光導波路とＭＴコネクタなどの付いた光ファイバ１９との接続において、ガイドピン（図示せず）をこの穴に差し込むことで位置合わせが容易にできる。
【００１２】
また光導波路の端面をコアの光軸に対して傾斜させ、その端面を反射面とすることにより、位置合わせの誤差許容度はさらに大きくなる。図４に示したように、このテーパ状コア２１の大きいコア径側を４５度にダイシングソーなどで切削することにより、切削面が反射面となって面型発光素子用の光路変換部品が得られる。面型発光素子２３からの光は光軸２２に沿って矢印の方向に伝搬する。このとき、テーパ形状のためコア径は大きくかつ反射面が傾斜して広くなっているので、面型発光素子２３と導波路素子の位置あわせ精度は大幅に緩和でき誤差許容度が大きくなる。一方、テーパ状コア２４のコア径の小さい側を４５度にダイシングソーなどで切削させることにより、面型受光素子２６へ９０度光路変換できる。光軸２５の通り矢印の方向に光は伝搬する。このとき、コア径を受光径よりも小さくしておくことにより、面型受光素子２６との位置合わせ精度は大幅に緩和できる。
【００１３】
はんだ耐熱を有しているポリイミドなどのはんだ耐熱材料を用いた場合、あらかじめこのテーパ光導波路を電子回路基板上に設置しておいてから、受発光素子を実装しても構わない。素子のはんだ実装精度で十分高効率光結合が可能である。当然のことながら、面型受発光素子に対してだけではなく、それらの代わりに光ファイバや光導波路から出射された光を９０度光路変換することも可能である。
【００１４】
図５に示したように、テーパ状コア３１の片端に４５度面を形成し、もう一端は光ファイバ３３や別の光導波路と接続することも可能である。図５(a)は４５度端面で入射光を受けて光ファイバ３３に導く場合、図５(b)は光ファイバ３３からの光を受けて、４５度端面で光路変換する場合を示した。
【００１５】
次に本発明による光導波路を光ファイバーの先端に取付ける例、さらに光ファイバーと受光素子または発光素子をテーパ形状のコアを有する光導波路を介して接続する例を説明する。図６に光導波路の製造工程を示す。まず、厚み2mmの基板４１（図６(a)）にエキシマレーザ（図示せず）でファイバガイド用の穴４２を形成した。このとき、穴は貫通させず1mm程度の深さで止めた（図６(b)）。ガイド用の穴４２もテーパ形状になるため、テーパの小さい側（底面）の径を127μmになるような条件で加工した。次にその穴の中心付近に光導波路用の貫通穴を形成した。光導波路を受光素子と結合するためには、ガイド用の穴側からエキシマレーザを照射して貫通穴を形成する。こうして図６(c)のようにガイド用の穴側の径が反対側の径よりも大きくなるようなテーパ形状となる貫通穴４３が形成される。導波路となる貫通穴に基板よりも屈折率の高い樹脂４４を埋め込むことによってガイド穴付テーパ光導波路４５が作成できた（図６(d)）。光導波路を発光素子と結合するためには、ガイド用の穴とは反対側からエキシマレーザを照射して発光素子側の径が光ファイバー側の径よりも大きくなるようなテーパ形状となる貫通孔を形成すればよい。
【００１６】
この光導波路の光ファイバーが取付けれた面と反対の面に発光素子または受光素子を取付ける。このさいに、屈折率の高い樹脂を光導波路と光ファイバ、および、光導波路と受発光素子間の接着剤として用いることもできる。ガイド用の穴もテーパ形状になっているために、ファイバを差し込むと、自動的に中心に光ファイバの位置あわせが可能となる。このとき受光素子の場合は光ファイバー側の貫通穴の径が大きく、また発光素子の場合は光ファイバー側の貫通穴の径が小さくなるようにテーパ形状になっているので、光ファイバー、貫通穴、受発光素子の互いの中心誤差の許容度が大きくなる。
【００１７】
図７は、作成した図６(d)に示す光導波路４５を適当な大きさに切り出し、さらに底面を４５度の傾斜で切り出したものをカップラ４６とし、これに光ファイバ３３をガイド用の穴に差込み、面型発光素子２３からの光を導光する様子を示したものである。
【実施例】
【００１８】
以下、本発明を詳細に説明する。ここでは、ポリイミド光導波路を例に挙げて説明するが、光導波路の材料としてポリイミド以外の光学用材料の樹脂を用いることももちろん可能である。
【００１９】
厚さ１ｍｍのポリイミド基板を用意した。これは２，２−ビス（３，４−ジカルボキシフェニル）ヘキサフルオロプロパン二無水物（６ＦＤＡ）と２，２−ビス（トリフルオロメチル）−４, ４' −ジアミノビフェニル（ＴＦＤＢ）からなるポリイミドとした。この基板がクラッドとなる。基板の上から、直径０．１ｍｍの貫通穴を形成する条件で、エキシマレーザを照射させた。縮小光学系・マスク投影方式のＫｒＦエキシマレーザ加工装置を用いた。照射条件は、照射エネルギー０.４ｍＪ/パルス、繰り返し周波数２００パルス／秒で約１５秒間とした。そのとき、基板上面の穴径は約０．１１ｍｍで、下面の穴径は約０．０４ｍｍであった。その後、この状態で上から、６ＦＤＡと４, ４' −オキシジアニリン（ＯＤＡ）から誘導されるポリイミドの前駆体であるポリアミド酸溶液をディスペンサーによって注入した。比屈折率差は約３％であった。次に、基板ごとオーブンに入れ、３４０℃／１時間の熱処理を行った。熱処理後、穴を中心として、基板を０．５ｍｍ×１ｍｍにダイシングソーによって切り出した。切り出した個片を穴が横になるように倒し、コア径の大きい側をダイシングソーによって４５度面になるように切削した。このようにして、４５度微小ミラーが形成されたテーパ光導波路が形成できた。このとき、光導波路と面型発光素子との位置ずれ許容は約±０．０５ｍｍであった。
【産業上の利用可能性】
【００２０】
本発明による光導波路は光集積回路、光インターコネクション用光学部品、光電気混載板等に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明のテーパ光導波路の作製方法の一例を示す図。
【図２】本発明のテーパ光導波路を用いた光結合の一例を示す図。
【図３】本発明の光導波路とコネクタを接続した図。
【図４】本発明のテーパ光導波路を用いた光路変換の一例を示す図。
【図５】本発明のテーパ光導波路を用いた光路変換の一例を示す図。
【図６】光導波路の作成プロセスを示す図。
【図７】本発明の光路変換機能付テーパ光導波路を用いた光結合の一例を示す図。
【符号の説明】
【００２２】
１：ポリイミド基板、  ２：レーザ光、  ３：貫通穴、
４：ポリアミド酸溶液、１１：テーパ状光導波路、１２：面型発光素子、
１３：光ファイバ、  １４：基板、
１５：マーカ、  １６：ガイド穴、  １７：ガイド、  １８：穴、
１９：光ファイバ、  ２１：テーパ状コア、  ２２：光軸、
２３：面型発光素子、  ２４：テーパ状コア、  ２５：光軸、
２６：面型受光素子、  ３１：テーパ状コア、  ３３：光ファイバー
４１：基板、          ４２：ガイド用の穴、  ４３：貫通穴
４４：樹脂、          ４５：光導波路、      ４６：カップラ
【図１】
2005257789.tif 000003
【図２】
2005257789.tif 000004
【図３】
2005257789.tif 000005
【図４】
2005257789.tif 000006
【図５】
2005257789.tif 000007
【図６】
2005257789.tif 000008
【図７】
2005257789.tif 000009