(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光導波路の製造方法であって、
未硬化の光硬化性樹脂に光ファイバを接続し、前記光硬化性樹脂を硬化しうる波長の硬化光を、前記光ファイバにおける高次モードで導入して光硬化性樹脂に照射し、
直線部と、該直線部に連接する分岐部と、分岐部からの２本以上の分岐とから成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。
【請求項２】
前記光硬化性樹脂は、前記硬化光の照射前においてゲル状であることを特徴とする請求項１に記載の光導波路の製造方法。
【請求項３】
前記硬化光を、前記高次モードと、より低次のモードとの混在で導入することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の光導波路の製造方法。
【請求項４】
前記低次のモードはＬＰ01モードであって、前記高次モードとＬＰ01モードの光強度比を調整することにより前記直線部の長さを調整することを特徴とする請求項３に記載の光導波路の製造方法。
【請求項５】
前記硬化光の光強度を調整することにより前記直線部の長さを調整することを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の光導波路の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光導波路及び製造方法に関する。本発明は、光硬化性樹脂をいわゆる自己形成的に光硬化させて、光導波路のコア部を形成するものである。
【背景技術】
【０００２】
光集積回路、通信用光モジュールにおいて、光合波／光分波器は必須のデバイスであり、従来より様々な構成及び製造方法が提案されている。例えば以下のような例が知られている。
【特許文献１】特開２００５−１５７０９１号公報
【特許文献２】特開２００５−１８９３８５号公報
【特許文献３】特開２００３−２０７６６９号公報
【特許文献４】特許３５００９６２号公報
【非特許文献１】Appl. Opt., vol. 40, No. 32, pp. 5860-5871 (2001)
【０００３】
特許文献１及び２には、フォトリソグラフィによる分岐導波路を形成する技術が開示されている。これらの技術は感光性の高分子材料を用いて、フォトリソグラフィなどの露光技術により分岐パターンを作製するものである。特許文献３には、溝内で樹脂を硬化させて光導波路形成法を得る技術が開示されている。この技術はスタンピング、エンボス、インプリントなど型に溝加工された導波路の分岐パターン中で樹脂を硬化させて作製する方法である。特許文献４は本願発明者によるもので、自己形成導波路の成長方向に予めハーフミラーを挿入し導波路を分岐させる製造方法を開示している。ここで「自己形成」とは、硬化光により光硬化性樹脂を硬化させた際に、未硬化部分との屈折率差により硬化部分が硬化光を閉じ込めるコアとなり、コアがその先端方向に成長するごとく光導波路が形成されるものを言う。詳細は、本願発明者による他の特許文献等にも詳しい。非特許文献１には、光ファイバ端面を鉛直上向きに保持し、当該端面に光硬化性樹脂を滴下して、光ファイバ他端からＬＰ11、ＬＰ21モードを励振することにより、自己形成光導波路が形成され、モード次数に応じて複数個のピーク様に形成できることが報告されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１及び２に記載の技術では、フォトリソグラフィに関する一連の工程を用いるので、フォトマスクが必須となる。具体的には、マスクパターンを露光工程によりレジストなどに転写時、および、エッチング工程において分岐部の鈍りが生じる。実際の通信デバイスとして使用する際は、この分岐鈍りでの散乱損失によりデバイス性能を低下させる。また、フォトリソグラフィは工程数が多く、プロセスコストがかさむ上に、ウェハプロセスなので、チップの切り出し(ダイシング)や端面研磨、光ファイバとの接続など、実装コストの上昇が問題となる。
【０００５】
特許文献３に記載の技術では、型に施された導波路パターンの溝の形状がそのまま転写されるため、分岐部の形状として極めて鋭利なものが必要となるが、鋭利な形状は型の寿命を短くするため、コストの上昇に繋がる。また、溝の精度を高くしても、転写後の樹脂の収縮により分岐鈍りが生じてしまう。更に、特許文献１及び２の技術と同様に、導波路端面の切断、端面研磨、光ファイバとの接続など煩雑な実装工程が必要となる。
【０００６】
特許文献４に記載の技術では、特許文献１乃至３のような、切断、研磨、光ファイバとの接続に関する問題点は解消される。しかし、ハーフミラー挿入による分岐では３分岐以上が難しく、挿入物の位置決め精度や部品コストの上昇が問題となる。また、シングルモードなどの微細な導波路においては、導波路径が10μｍ程度と小さいために、コア挿入物であるハーフミラーの厚みも同程度にしなければ挿入物内での光波の広がりにより損失が大きくなる。
【０００７】
非特許文献１の技術は、光ファイバ端面上に極めて微小な複数の突起物が形成できることを示しているのみで、その適用範囲は極めて限られたものであり、「分岐導波路」として使用し得るものとは言えない。また、光ファイバ端面上から直接に分岐導波路が得られたとしても、急峻な構造変化に起因する損失が大きくなるといった問題がある。
【０００８】
本発明者らは、特許文献４ののち、自己形成光導波路を検討する中で、極めて特徴的な分岐導波路を形成可能なことを発見し、本発明を完成した。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
請求項１に係る発明は、光導波路の製造方法であって、未硬化の光硬化性樹脂に光ファイバを接続し、光硬化性樹脂を硬化しうる波長の硬化光を、光ファイバにおける高次モードで導入して光硬化性樹脂に照射し、直線部と、直線部の端部に接続する分岐部と、分岐部からの２本以上の分岐とから成るコアを形成することを特徴とする。直線状とは光路方向に屈曲が無いことを言い、必ずしも「円柱状」である必要はない。例えば断面が多角形であったり、更にその頂角が丸みを帯びていたり、円、楕円、更には製造工程の都合から半円、半楕円となったりしたものをも包含する。これは以下も同様である。尚、ＬＰ表記における「高次モード」とは、遮断周波数の無いＬＰ01モード以外のモードを言うものである。請求項２に係る発明は、光硬化性樹脂は、硬化光の照射前においてゲル状であることを特徴とする。
【００１１】
請求項３に係る発明は、硬化光を、高次モードと、より低次のモードとの混在で導入することを特徴とする。請求項４に係る発明は、低次のモードはＬＰ01モードであって、高次モードとＬＰ01モードの光強度比を調整することにより直線部の長さを調整することを特徴とする。
【００１２】
請求項５に係る発明は、硬化光の光強度を調整することにより直線部の長さを調整することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
下記に示す通り、直線状の光導波路と、分岐部分と、対称性の良い分岐路とを、光硬化性樹脂を自己形成的に硬化させることにより簡易に形成できることを見出した。本発明の光導波路は、光ファイバ端面を未硬化（硬化が完了していないことを意味する）の光硬化性樹脂に挿入して硬化光を照射する際、当該光ファイバにおいていわゆる高次モード（ＬＰ01でないモード）を励起することで達成できる。直線状の光導波路の長さは、硬化光の強度や、硬化光を当該高次モードと例えばＬＰ01のような低次モードの混在としてその混在比により調整可能である。また、光硬化性樹脂としてゲル状のものを用いると、その取扱いが容易である。
【００１４】
高次モードを光ファイバ端面から光硬化性樹脂に照射した際、光硬化性樹脂硬化物が直線状の光導波路と、分岐部分と、対称性の良い分岐路となる理由については、以下の様に考えている。良く知られているように、光ファイバのＬＰ01モードにおいては、出射光の光強度は中央にピークを有する「単峰」となる。光ファイバのＬＰ11モードにおいては光ファイバのコア中心線に対して対称な「双峰」となり、ＬＰ21モードにおいては光ファイバのコア中心線を囲む対称な「４つの峰」となる。このように、光強度の面からは、光ファイバのＬＰ01モードで光硬化性樹脂を硬化させると１本の円柱状のコアが、ＬＰ11モードでは２本の円柱状のコアが、ＬＰ21モードでは４本の円柱状のコアが期待できる。
【００１５】
しかし、本発明者らが確認したところ、例えばＬＰ11モードで光硬化性樹脂を自己形成的に硬化させると、その光ファイバ近傍ではコアは１本の円柱状となることがわかった。一方、１００乃至５００μｍ先において希望する「２分岐」が確かに形成されることが実証された。分岐点をどこに形成するかについては上述の通り硬化光の光強度等により調整可能である。分岐点が調整可能なことから、光ファイバ近傍では漏れ光や散乱光により光重合が促進されて、２本のコアを形成するのみでなく、それらが束ねられるように２本のコア間の重合が促進されて１本化することが観察される。或いは未硬化の樹脂が硬化不可能なまま取り込まれてコア内部に屈折率の不連続部分が形成される等の理由により、当該２本のコアを束ねる効果が小さくなった先では２本のコアが若干の分岐角度を有して、対称的に分岐するとも理解できる。分岐が生ずる他の理由としては、コア先端における硬化光の強度ピークの位置が、コア中心線よりも外側に移動している可能性も考えられる。この場合は「２つのコア」間が広くなるので、１つに束ねる効果が小さくなる。ＬＰmlモード（但しｍとｌは自然数）であれば最大２ｍｌ個の分岐が可能となるものと考えられる。尚、光硬化性樹脂が硬化した各分岐に更に高次モードを励起できれば、多段階の分岐も可能となる。
【００１６】
光導波路のコアにまず直線部が形成されることで、分岐部乃至分岐におけるモードミスマッチによる伝送損失を抑制することが可能となる。光導波路のコアの直線部の長さは、光導波路のコア径乃至は導入するための例えば光ファイバのコア径の５倍程度あれば、当該伝送損失の抑制に十分である。例えば直径１０μｍシングルモード光ファイバ端面からコア（光導波路）を形成する場合には、直線部は５０μｍ以上あれば良い。
【００１７】
本発明の分岐を有する光導波路は、公衆回線、ＣＡＴＶ、構内ＬＡＮその他において、一本の光ファイバで伝送される信号を複数に分配するための光分岐デバイスとして利用可能である。また、マッハツェンダー干渉型の光変調器や光センサにおけるシングルモード光導波路による分岐回路としても有用である。本発明はその形成プロセスが極めて簡易であり、光分岐デバイスを安価に提供することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明に用いる光ファイバは、所望の通信波長においてシングルモードとなる場合であっても、光硬化性樹脂の硬化波長に対してはマルチモードとなることが必要である。即ち、硬化波長に対してシングルモードでは高次モードを励起できず、分岐が形成できないからである。
【００１９】
高次モードを励起させる方法は、レーザ光をレンズその他のデバイスで集光し、光ファイバ端面に導入する角度や位置を変化させると良い。或いは位相マスクを用いることで、容易に所望の高次モードを励起させることが可能である。高次モードが励起されていること、或いは当該高次モードの光強度の複数のピークを所望の位置関係にあわせるには、光ファイバの出射端における近視野像を観察すると良い。
【００２０】
本発明に用いる光硬化性樹脂は、設計により任意のものを用いることができる。光硬化性樹脂は、重合方式がラジカル重合のものを用いても、カチオン重合のものを用いても、アニオン重合その他の重合方式のものを用いても良い。同じ重合方式であれば任意の複数の光硬化性樹脂を混合させても良く、また、本発明者らが既に公開している技術である、異なる重合方式の２つの光硬化性樹脂を混合して、一方のみを硬化させる方法を用いても良い。
【００２１】
１つの重合方式のみを用いる場合は、コア形成後に未硬化の光硬化性樹脂を除去してクラッド材を別途充填しても良く、或いは未硬化の光硬化性樹脂に、より低屈折率の樹脂材その他の材料を混合又は含浸させたのち、硬化させてクラッドを形成しても良い。
【００２２】
２つの重合方式の光硬化性樹脂を混合する場合としては、特開２００４−１４９５７９号公報や特開２００５−０６２３６４号公報その他に記載された樹脂と硬化方法を用いることができる。その他、任意の光硬化性樹脂を用いて良い。当然、各重合方式に対応する重合開始剤を任意に選択することができる。硬化波長も任意に選択でき、その光源もレーザに限らず、任意に選択できる。
【実施例１】
【００２３】
図１は本発明の具体的な第１の実施例を示すものであり、光導波路の製造方法の工程図である。図１．Ａのように、光ファイバ１を用意し、図示しないレーザ光源からレンズ３によりレーザ光２を集光して光ファイバ１の入射端１０に導く。光ファイバ１の出射端１１における近視野像を観察し、所定のモード光が出射されることを確認する。
【００２４】
本実施例においては、光ファイバ１として直径９．５μｍ、開口数０．１４（波長１３１０ｎｍにおいて）の駿河精機製Ｖ５０−ＳＭ１３００を用いた。この光ファイバ１は波長１．３μｍ以上においてシングルモードとなる。また、レーザ光源はアルゴンレーザを用い波長４８８ｎｍを硬化波長とした。ただし、光硬化性樹脂を硬化可能な他の波長を有する光源も用いることもできる。光ファイバ１は波長４８８ｎｍを導くことでＬＰ01、ＬＰ11、ＬＰ21モードが出射端１１から出射されることを近視野像で確認した。尚、本実施例ではＬＰ11モードが出射端１１から出射されるようにし、「双峰」型の光強度のピークが、水平方向に並ぶように配置した。
【００２５】
次に図１．Ｂ（これのみ側面図）のように、スライドグラス４にゲル状の光硬化性樹脂５を被膜したものを用意し、光ファイバ１の出射端１１をゲル状の光硬化性樹脂５に接続した。この際、光ファイバ１の出射端１１のコアが、ゲル状の光硬化性樹脂５に接する様にし、レーザ光の漏れを最小限とした。ゲル状の光硬化性樹脂５を被膜したスライドグラス４は水平方向に配置された。
【００２６】
光硬化性樹脂としては、ラジカル重合性材料として、トリメチロールプロパントリアクリレート（東亞合成（株）製、品番Ｍ−３０９）にラジカル光重合開始剤を配合したものを用いた。このラジカル重合性材料の硬化物の屈折率は１．５０３２（波長１３１０ｎｍにおいて）である。更に、カチオン重合性材料として、ビス（３−エチル−３−オキセタニル）メチルエーテル（東亞合成（株）製、品番ＯＸＴ−２２１）を１重量部、及び３，４−エポキシシクロヘキシルメチル−３，４−エポキシシクロヘキシルカルボキシレート（ユニオンカーバイド製、品番ＵＶＲ−６１１０）を９重量部を混合し、これにカチオン光重合開始剤を配合したものを用いた。カチオン重合性材料の硬化物の屈折率は１．４８０６（波長１３１０ｎｍにおいて）である。光導波路の作製には、これらのラジカル重合性材料とカチオン重合性材料を、配合比９０：１０とした混合物を用いた。この光硬化性樹脂混合物をスライドガラス４上に塗布したのち、この膜に紫外線ランプ（主波長２５４ｎｍ）を用いて、紫外線を６０ｍＪ／ｃｍ2を照射し、光重合させてゲル状の光硬化性樹脂５とした。ゲル状の光硬化性樹脂５の膜厚は約０．５ｍｍであった。
【００２７】
次に、図１．Ｃのように、光ファイバ１の出射端１１からＬＰ11モードのレーザ光を出射させると、１本の直線状の硬化物６１が形成されていく。これは、時間と共に図１．Ｄのように、光ファイバ１の出射端１１から距離Ｌの位置に分岐部６２が形成され、２本の円柱状の硬化物６３ａ及び６３ｂとなって成長が続いた。このように形成された硬化物（光導波路）の写真を図２に示す。２本の円柱状の硬化物６３ａ及び６３ｂは直線状の分岐で、それらの成す角度は約４度であった。このように硬化物６１、６２、６３ａ及び６３ｂから成る光導波路６０を形成した。
【００２８】
光ファイバ１の出射端１１からの光出力を１５、２５、３５ｍＷと変えると、光ファイバ１の出射端１１から分岐部６２までの距離Ｌ（硬化物６３ａ及び６３ｂが互いに接する点までの距離）は、図３の黒丸印のようになった。硬化光の光出力が大きくなるほど直線部６１の長さが長くなることが理解できる。
【実施例２】
【００２９】
光ファイバ１と、レンズ３の位置関係を調整して、光ファイバ１の出射端１１から、ＬＰ11モードとＬＰ01モードとが、光強度の比が４：１となるようにして、実施例１と同様に光導波路６０を形成した。光ファイバ１の出射端１１からの光出力を１５、２５ｍＷと変えると、光ファイバ１の出射端１１から分岐部６２までの距離Ｌ（硬化物６３ａ及び６３ｂが互いに接する点までの距離）は、図３の白四角印のようになった。ＬＰ01モードは光強度分布が「単峰」型であり、ＬＰ11モードは「双峰」型である。よって、「双峰」型のＬＰ11モードを「単峰」型のＬＰ01モードと混在させて硬化光とすることで、「双峰」型のＬＰ11モードのみの硬化光の場合よりも、２つのコアに分岐するまでの距離が長くなったと理解できる。
【００３０】
〔比較例〕
光ファイバ１と、レンズ３の位置関係を調整して、光ファイバ１の出射端１１からＬＰ01モードのみが出射されるようにした。分岐は生ぜず、円柱状の光導波路である硬化物６１のみが形成された。
【実施例３】
【００３１】
光硬化性樹脂として、ラジカル重合型光硬化性樹脂（変性アクリレート、ロックタイト製品番３５８、硬化後の波長５８９ｎｍに対する屈折率１．５１１）を用いた。この光硬化性樹脂を基板（スライドガラス）上に成膜し、紫外線を約２０〜５０ｍＪ／ｃｍ2照射し、光重合させてゲル状の膜（膜厚約０．３ｍｍ）とした。これをゲル状の光硬化性樹脂５として用いたほかは、実施例１と同様に硬化物６１、６２、６３ａ及び６３ｂから成る光導波路６０を形成した。
【００３２】
各実施例において用いた光ファイバは一般的なシングルモード光ファイバであるがマルチモードファイバや他のファイバであっても出射端におけるモード分布の安定性が維持できる光学系を用いれば問題ない。一般的なシングルモード光ファイバの場合、伝送中に偏波面が回転し、分岐方向が３６０度揺らぐ不安定さがある。これを回避するために偏波面保存ファイバを用いるとより安定した分岐導波路が形成できる。
【００３３】
また、本実施例では、一般的なアクリレートモノマーを主成分とする光硬化性樹脂を用いたが、これに限定されるものではない。光の照射強度に応じて重合反応速度が異なる一般的な材料であれば、ラジカル重合反応型である各種アクリレートやカチオン重合反応型であるエポキシやオキセタン系、または、それらの混合液でも同様の結果が得られる。
【００３４】
前記低屈折率の光硬化性樹脂を含浸させる方法としては、スプレイのほか、ディップやスピンコーティングなど手段は問わない。含浸させる低屈折率の光硬化性樹脂としては、膜として用いている材料への相溶性もしくは含浸性に優れているものであれば、材料を問わない。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の光導波路の製造方法の工程図。
【図２】本発明に係る光導波路（光硬化性樹脂硬化物）の写真。
【図３】実施例１及び２における、光強度とファイバ端から分岐点までの距離の関係を示すグラフ図。
【符号の説明】
【００３６】
１：光ファイバ
１０：入射端
１１：出射端
２：レーザ光
３：レンズ
４：スライドグラス
５：ゲル状の光硬化性樹脂
６１：硬化物、直線部
６２：硬化物、分岐部
６３ａ、６３ｂ：硬化物、分岐
【図１】
0004496319.tif 000002
【図２】
0004496319.tif 000003
【図３】
0004496319.tif 000004