JPS6115403B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、厚膜を用いた集積光結合装置に関
する。

集積光回路は、光通信装置あるいは光情報処理
装置の小型化、堅牢化に必要な装置である。

光通信装置ではレーザー、光フアイバ、光検出
器に加えて、光偏向変調器、光スイツチ等の光制
御素子や、光分岐素子、光分波器の如き受動光素
子が必要とされている。これらの光制御素子や、
受動光素子を実現させる為に、最近光学的に透明
な物質の表面に周囲よりも屈折率を高めて成る二
次元もしくは三次元光ガイドを用いた集積光回路
が開発されている。これらの集積光回路は、複数
個の光制御素子や受動光素子を二次元もしくは三
次元光ガイドで連結して単一の基板上に組み込む
事が出来るため、光装置が小型化、堅牢化すると
いう利点を有する。更に、これらの集積光回路
は、主として従来のIC技術及びこれに関連する
微細加工技術によつて製造し得る為、バツテ処理
が可能であり、低価格化が可能であるという利点
を有する。

ところで、上記集積光回路を光通信装置もしく
は光情報処理装置に使用する場合、しばしば、光
フアイバー等の外部光伝送体、もしくは半導体レ
ーザー等の外部光源との効率良い結合方法が望ま
れていた。

従来知られている集積光回路と外部光との代表
的な結合構造としては、光ガイド表面に設けたグ
レーテイングカプラー及び高屈折率のガラス又は
単結晶をプリズム状に加工して光ガイド表面に圧
接して用いるプリズムカプラーが挙げられる。グ
レーテイングカプラーは、光ガイド表面に凹凸の
溝を形成するだけで得られるため構造が簡単であ
るという利点を有する。反面、不要の高次回折光
が現われる為結合効率が減少するという欠点があ
る。又プリズムカプラーはグレーテイングカプラ
ーに比べて理論上の結合効率は大きいという利点
を有する反面光ガイドの表面に、これと別の固体
であるプリズムを圧接する為構造が複雑で集積化
に適さないという欠点がある。両者はともに広が
りが比較的少く太い平行ビームを、主として二次
元（平面）光ガイドに注入する時に適する。これ
に対し光フアイバーの端面から出射される様な細
くて広がりを有するビームを前記両カプラーを用
いて三次元光ガイドに注入する場合前記両カプラ
ー自身が光ビームを三次元的に閉じ込める構造を
持たない為、効率良く光ビームを三次元光ガイド
に導く事が困難となる。

光フアイバーと三次元光ガイドを結合させる場
合に両光伝送体の断面寸法が類似している時は、
三次元光ガイドの滑らかに研摩された出射端面と
光フアイバーの出射端面とを出来るだけ近接せし
める直接端面結合の方法が比較的簡便である。し
かし乍ら、三次元光ガイド及び光フアイバーの少
なくとも一方の断面寸法が微小となると、直接端
面結合方法は軸合わせが困難となつたり、結合効
率が低下したりして好ましくない。

ところで、溶融石英基板にイオン注入を施して
得られる光ガイドは、光ガイド部の屈折率増加量
（△ｎ）及び光ガイドの厚みを高精度に制御でき
ると云う利点を有する。この為イオン注入光ガイ
ドは微細な三次元光ガイド化が容易であり集積光
回路に適する光ガイドである。かかるイオン注入
光ガイドの厚みは、注入イオンの加速エネルギー
によつて決まるが通常１〜２ミクロンである。こ
れに対ししばしば用いられる光フアイバーのコア
径は数10ミクロンである。従つてイオン注入法で
得た三次元光ガイドと光フアイバーとを直接端面
結合方法により結合すると、両光伝送体の断面寸
法の著しい違いにより結合効率が大幅に低下す
る。加えて、結合効率を最大にするための両光伝
送体の光学軸合わせ作業には多大の困難が伴う。

この様に、三次元光ガイド、特に厚みの薄い光
ガイドと光フアイバーとを結合する従来の結合装
置には欠点が多かつた。

本発明の目的は、従来の欠点を除去した新しい
構造の集積光結合装置を提供することにある。

本発明は光学的に透明な基板の表面近傍に形成
された二次元もしくは三次元埋め込み型光ガイド
と、この光ガイドの上部表面に存在して光ガイド
の屈折率よりも大きい屈折率を有する所望の形状
の厚膜光カプラーと、この厚膜カプラーの延長線
上に溝を有する光フアイバー保持用厚膜支持体と
を具備する事を特徴とする集積光結合装置であつ
て、光フアイバーからの光を容易に光ガイドへ結
合できる。

次に図面を用いて本発明の詳細を説明する。

第１図は、本発明の第１の実施例の概略図であ
る。同図において、溶融石英基板１１の表面近傍
にヘリウムイオン（He⁺）の注入により周囲より
も屈折率が増大した光ガイド１２が形成されてい
る。光ガイド１２は、その屈折率分布が表面から
約0.8ミクロンの深さの位置に最大値を有する、
所謂埋め込み型光ガイドとなつている。更に光ガ
イド１２は、幅が約80ミクロンの三次元光ガイド
である。かかる構造は、具体的に約160KeVの単
一加速エネルギーでHe⁺注入を選択的に行う事に
よつて実現される。光ガイド１２の上部表面に、
アクリル樹脂に光増感剤が添加された高分子材料
を用いた厚膜カプラー１３が形成されている。ま
た厚膜カプラー１３と同一基板上にこれと同一材
料を用いて光フアイバー支持用の厚膜支持体１
４，１５が形成されている。支持体１４と１５の
溝に光フアイバー１６がはめ込まれている。

第２図ａ，ｂは、各々第１図のAA′及びBB′に
おける切断個所の断面図である。本実施例では、
コア径１７及びクラツド外径１８がそれぞれ60ミ
クロン及び150ミクロンの光フアイバーを用いて
いる。又、光フアイバーの外径より僅かに小さく
選定されている為、装填後、光フアイバーは基板
に良好に固定されている。更に、厚膜カプラー１
３及び埋め込み光ガイド１２の幅は、光フアイバ
ーのコア径よりもやや大きく80ミクロンに選ばれ
且つ、これらの中心線は光フアイバーの光軸の延
長線上に合わせて配置されている。この厚膜から
成る厚膜から成るカプラー１３及び支持体１４，
１５はいづれも厚み約100ミクロンのものを選ん
でいる。これらの厚膜カプラー１３及び支持体１
４，１５の製造方法を以下に略記する。溶剤が除
去された市販の乾式ネガテイブフオトレジストで
ある高分子フイルムをラミネータによつて基板１
１に熱圧着する。しかる後紫外線露光、現像によ
る通常のフオトエツチング技術で光ガイド１２の
パターンに沿つた厚膜カプラー１３及び支持体１
４，１５を成形する。最後に再度紫外線露光を行
つた後乾燥して硬化する。

第３図は第１図に示した本発明実施例の動作原
理を説明する構造断面図である。溶融石英基板１
１の表面近傍に前述の方法によつて形成された埋
め込み光ガイド１２は、低屈折率層２１を挾んで
厚膜カプラー１３と接している。厚膜カプラー１
３、低屈折率層２１、光ガイド１２、基板１１の
屈折率を各々ηｃ、ηｇ、ηｗ、ηｓとすると、
これらの間には ηｃ＞ηｗ＞ηｇηｓ の関係が成立する。この為光フアイバー１６のコ
ア１７から出射された光ビーム２２は厚膜カプラ
ー１３の端面２３を透過して内部に入射される
と、入射光１９は低屈折率層２１を介して光ガイ
ド１２中を伝搬モード光２０に徐々に変換され、
所謂分布結合を起こす。この事は従来のプリズム
カプラーを用いた光ガイド伝搬光の注入と同様の
原理によるものである。而して従来のプリズムカ
プラーはガラス又は単結晶体をプリズム状に成形
してこれを光ガイド部に圧接もしは接着して用い
られたものであり、この場合プリズムと基板表面
との空気間隙層もしくは、接着層が本発明の表面
低屈折率層２１に対応する。かかる空気間隙層又
は接着層の厚みは、しばしばプリズム設置条件に
よつて変動するため、実用性に欠けるものであつ
た。これに対し本発明における低屈折率層２１の
厚みはイオン注入条件で決まり、良好に制御され
得る。

第４図は、本発明の第２の実施例における部分
断面図である。同図において基板４１、埋め込み
光ガイド４２および厚膜カプラー４３、光フアイ
バー４４は第１図に示した第１の実施例と同様で
ある。而して第１の実施例では第３図に示す厚膜
カプラー１３の製造に斜め露光によるフオトエツ
チング技術を用いたため同図に示す如く傾斜端面
２３が得られた。これにより光フアイバー出射光
２２は厚膜カプラー１３の内部で斜め入射光１９
に変換されていた。これに対し本実施例では、厚
膜カプラー４３はフオトエツチング工程において
基板に対し垂直な露光法を採用して製造されてい
るためその側壁５０は基板に対しほゞ垂直に形成
されている。この為、厚膜カプラー内部での入射
ビーム４７に所定の傾斜角を持たせる手段とし
て、傾斜端面４５を有する接続用光フアイバー４
９が主光フアイバー４４と厚膜カプラー４３の間
に挿入されている。

第５図は、第４図に示した第２実施例の構造概
略図である。傾斜端面を有する接続用光フアイバ
ー４９及び主光フアイバー４４は、厚膜カプラー
保持用厚膜支持体５２，５３で挾まれている。こ
の場合、傾斜端面４５を有する接続用光フアイバ
ー４９は、厚膜支持体５２，５３の間隙に装填す
る際に傾斜端面４５の方位が回転ずれを起こす事
を防止する為に側面５１が垂直に削除されてい
る。

第６図ａ及びｂはそれぞれ第５図に示すAA′及
びBB′の切断部断面図である。本実施例の場合、
AA′及びBB′の両部分における厚膜支持体の溝幅
は、それぞれ主光フアイバー４４及び接続用光フ
アイバー４９の幅より僅かに小さく選定されてい
るため、これらの光フアイバーは装填後基板に良
好に固定されている。

次に本発明の利点を述べる。厚膜カプラー１３
及び４３と、光フアイバー保持用厚膜支持体１
４，１５，５２及び５３は同一の光重合性フイル
ムを用いて同一のフオトエツチング工程で得られ
る。この為、厚膜カプラーの中心軸及び光フアイ
バー支持体の溝の中心軸は、高精度に配置可能で
ある。従つて、かかる支持体によつて固定された
光フアイバーから出射された光ビームは、横方向
への光軸ずれをおこすことなく厚膜カプラー及び
埋め込み光ガイドに導入されるので、光フアイバ
ーと光ガイドの結合作業が容易となる。この事が
本発明の第１の利点である。本発明の第２の利点
は、前述の如く、厚膜カプラー及び厚膜支持体の
製造がバツチ処理可能である為集積化に適し、従
つて得られた装置が低価格化可能となる点にあ
る。

尚、本発明の実施例では、埋め込み型光ガイド
としてイオン注入法によるものを用いたが、本発
明の適用範囲はこれのみに限定されるものではな
く例えば、熱拡散法等の方法によつて得られた埋
め込み型光ガイドの場合にも本発明は適用され
る。又本発明実施例では、厚膜カプラー及び光フ
アイバー保持用厚膜支持体としてアクリル樹脂成
分を主体とした高分子フイルム材料を使用した
が、他の光重合材料を用いても本発明は適用でき
る事は言うまでもない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例の斜視図、第２図
はａ，ｂはそれぞれ第１図のAA′，BB′断面図、
第３図は第１図の動作原理を説明するための構造
断面図、第４図は本発明の第２実施例の断面図、
第５図は第４図に示した第２実施例の斜視図、第
６図はａ，ｂはそれぞれ第５図のAA′，BB′断面
図である。 図において、１１，４１……溶融石英、１２，
４２……埋め込み型光ガイド、１３，４３……厚
膜カプラー、１４，１５，５２，５３……厚膜支
持体、１６，４４，４９……光フアイバー、２１
……低屈折率層である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 光学的に透明な基板の表面近傍に形成された
   二次元もしくは三次元埋め込み型光ガイドと、該
   光ガイドの上部表面に存在して、該光ガイドの屈
   折率よりも大きい屈折率を有する所望の光重合材
   料から成る形状の厚膜光カプラーと、該厚膜カプ
   ラーの延長線上に溝を有し、光重合材料から成る
   光フアイバー保持用厚膜支持体とを具備すること
   を特徴とする集積光結合装置。