DE60118474T2

DE60118474T2 - Optisches Element und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE60118474T2
Application number: DE60118474T
Authority: DE
Inventors: Mikihiro Kadoma-shi Shimada; Tsuguhiro Katano-shi Korenaga; Masanori Katano-shi Iida; Hiroyuki Tennoji-ku Osaka-shi Asakura
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2000-08-23
Filing date: 2001-08-22
Publication date: 2006-09-07
Anticipated expiration: 2021-08-23
Also published as: US20020025134A1; EP1182472A3; DE60118474D1; EP1182472A2; EP1182472B1; US6826344B2; US20050063660A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein optisches Element, das die Funktionen der Streuung, Abzweigung, Filterung und dergleichen hat und hauptsächlich in optischen Übertragungen verwendet wird.
Aus der Druckschrift US-A-5 675 691 ist ein planarer Wellenleiter bekannt, der aus einer Wellenleitungsschicht hohen Brechungsindex' besteht, die auf einem Substrat angeordnet ist, wobei die Schicht eine periodische Modulation des Brechungsindex' hat und ein UV-härtendes Harz als Wellenleitungsschichtmaterial verwendet wird.
Die Druckschrift JP-A-58113903 beschreibt einen Kanal in einem planaren Substrat, der mit einem Material gefüllt ist, das einen größeren Brechungsindex als das Substrat hat, wobei der Brechungsindex in einem Teil des Materials im Wesentlichen periodisch in Richtung der Lichtausbreitung variiert.
Die Druckschrift GB-A-2 133 900 zeigt einen planaren Wellenleiter, der aus einer Wellenleiterschicht mit hohem Brechungsindex besteht, die auf dem Substrat angeordnet ist, wobei der Brechungsindex der Schicht im Wesentlichen kontinuierlich monoton in einer Richtung im Wesentlichen senkrecht zur Wellenausbreitungsrichtung zunimmt oder abnimmt.
Die Druckschrift JP-A1-02168206 beschreibt einen Brechungsindex-Verteilungskoppler. Der Brechungsindex des Wellenleiters nimmt allmählich ab, die Einengung des geleiteten Lichts ist abgeschwächt, und die Lichtausbreitung im Wellenleiter ändert sich in der Verteilung des ausgebreiteten elektrischen Feldes.
Diese Druckschriften zeigen keinen zweidimensional kontinuierlich monoton zunehmenden/abnehmenden Brechungsindex.
Die Druckschrift US-A-5 909 529 beschreibt die GRIN, die ein zweidimensionales Filmmaterial mit einer kontinuierlich monoton zunehmenden/abnehmenden Brechungsindexmodulation vorstellt, wobei eine der Brechungsindexmodulationsrichtungen senkrecht zur Substratoberfläche ist.
Die Druckschrift US-A-5 157 746 zeigt eine GRIN-inse, in der ein Brechungsindex zweidimensional verteilt ist. Die Linse wird durch Aufeinanderstapeln zweier GRIN-Linsen in Lichtausbreitungsrichtung gebildet (siehe dort 1, 7, 8), wobei jede der beiden Linsen ein eindimensionales Füllmaterial mit kontinuierlich monoton zunehmender/abnehmender Brechungsindexmodulation hat, wobei die Brechungsindexmodulationsrichtung der zweiten Linse senkrecht zur Substratoberfläche ist.
In öffentlichen Telefon- und Rechnernetzen der letzten Zeit werden breitbandige optische Übertragungen in großem Umfang eingesetzt, um die Geschwindigkeit und Leistung zu verbessern. Weiterhin breiten sich optische Übertragungssysteme in großem Umfang aus, die eine Wellenlängenteilungsmultiplexier- und Interaktiv- (Zweiwege-) Sendung verwenden.
In der optischen Übertragungsindustrie werden gegenwärtig zahlreiche optische integrierte Schaltungen, die unterschiedliche Funktionen haben, zur Anwendung bei komplizierter optischer Signalverarbeitung entwickelt. Ein wesentliches Element bei optischen integrierten Schaltungen ist ein Lichtwellenleiter. Der Lichtwellenleiter ist eine Vorrichtung, in der ein Kernbereich mit höherem Brechungsindex von einer Deckschicht mit niedrigerem Brechungsindex umgeben ist, wodurch Licht im Kernbereich eingeschlossen bleibt und sich durch ihn fortpflanzt. Im Lichtwellenleiter werden zahlreiche Funktionen der Beugung, Abzweigung, Filterung und dergleichen durch Anordnen eines Kernmusters ausgeführt. Insbesondere haben Lichtwellenleiter aus Quarz zahlreiche Vorteile niedrigen Leistungsverlustes, physikalischer und chemischer Stabilität und guter Anpassung mit optischen Fasern und werden als typische passive Lichtwellenleiter verwendet.
In einem typischen Verfahren zur Herstellung von Lichtwellenleitern wird eine Flammensedimentationstechnik für die Kern/Umhüllungsfilmausbildung verwendet, während eine reaktive Ionenätztechnik für die Kernmusterausbildung verwendet wird. Für die Kern/Umhüllungsfilmausbildung sind andere als die Flammensedimentationstechnik vorgeschlagene Techniken eine CVD-Technik, eine Vakuumabscheidungstechnik, eine Besprühungstechnik und dergleichen.
Dennoch gab es bei solchen optischen Modulen die folgenden Probleme hinsichtlich Kosten und Produktivität.
Obgleich viele Verfahren vorgeschlagen werden, gibt es gegenwärtig keine Herstellungsverfahren für Lichtwellenleiter, die ausreichende Leistung, Massenproduktivität und niedrige Kosten ermöglichen. Der Grund ist, dass jedes Verfahren der Filmbildung Vorteile und Nachteile hat. Beispielsweise erhält man bei der Flammensedimentationstechnik und der CVD-Technik einen Kern hoher Qualität. Die Flammensedimentationstechnik erfordert jedoch ein mehrmaliges Anlassen mit hoher Temperatur auf 1000°C oder mehr über etwa zehn Stunden. Andererseits hat die CVD-Technik Nachteile, wie etwa eine geringere Filmbildungsfläche bei der Massenproduktion. Weiterhin ergeben die Elektronenstrahl- (Vakuum-) Abscheidungstechnik und die Sprühtechnik Filme mit niedrigem Leistungsverlust. Jedoch verursacht die geringe Filmbildungsgeschwindigkeit dieser Technik ein Kostenproblem, weil im Allgemeinen eine Filmdicke von 10 μm bis zu einigen 10 μm beim Herstellungsprozess von Lichtwellenleitern notwendig ist.
11 ist ein Diagramm, das ein Beispiel eines bekannten Verfahrens zur Herstellung eines optischen Elements zeigt.
Zunächst wird Quarzmaterial 114, das als ein Kern dienen soll, auf einem Substrat 111 durch Flammensedimentationstechnik abgeschieden (11(a)). Das Quarzmaterial 114 hat einen Brechungsindex, der höher ist, als der des Substrats 111, wodurch das Material als ein Lichtwellenleiter wirkt. Als nächstes wird ein Photoresist 118 auf das Quarzmaterial 114 aufgebracht (11(b)), und dann werden ein Brennvorgang, ein Belichtungsvorgang unter einer Photomaske eines gewünschten Musters und ein Entwicklungsprozess ausgeführt. Das Photoresist 118 wird dann gemustert (11(c)).
Dann wird das Quarzmaterial 114 zusammen mit dem Substrat 111 einem Ätzprozess unterworfen, wodurch es gemustert wird. Dabei dient das Photoresist 118 als eine Maske, was zur Folge hat, dass das Quarzmaterial 114 ein gewünschtes Muster erhält (11(d)). Anschließend wird das Photoresist 118 der Maske entfernt (11(e)). In gleicher Weise wird Photoresist auf den gemusterten Abschnitt aufgebracht, erfährt dann einen Belichtungsprozess unter einer Photomaske, die ein periodisches Muster hat, einen Entwicklungsprozess und einen Ätzprozess. Dann werden periodische Rillen in dem gemusterten Abschnitt ausgebildet, und somit wird ein gewünschtes optisches Element erhalten (11(f)).
In Anbetracht der oben erwähnten Probleme beim konventionellen Verfahren zur Herstellung optischer Elemente ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein optisches Element anzugeben, das ausreichende Leistung aufweist und eine Massenproduktion bei niedrigen Kosten ermöglicht und das kompakt ist und sowohl eine selektive Strahlextraktion als auch eine selektive Strahltrennung ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale von Anspruch 1 gelöst.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist ein Diagramm, das ein optisches Element zeigt, das nicht Gegenstand der Erfindung ist, jedoch zum Verständnis der Erfindung hilfreich ist.
2 ist ein Diagramm, das die Funktion eines Beugungsgitters vom Lichtwellenleitertyp zeigt, das nicht Gegenstand der Erfindung, jedoch zum Verständnis der Erfindung hilfreich ist.
3 ist ein Diagramm, das ein optisches Element gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt.
4 ist ein Diagramm, das ein optisches Element zeigt, das nicht Gegenstand der Erfindung, jedoch zum Verständnis der Erfindung hilfreich ist.
5 ist ein Diagramm, das ein optisches Element zeigt, das nicht Gegenstand der Erfindung, jedoch zum Verständnis der Erfindung hilfreich ist.
6 ist ein Diagramm, das ein optisches Element zeigt, das nicht Gegenstand der Erfindung, jedoch zum Verständnis der Erfindung hilfreich ist.
7 ist ein Diagramm, das ein Verfahren zum Herstellen eines optischen Elements zeigt, das nicht Gegenstand der Erfindung, jedoch zum Verständnis der Erfindung hilfreich ist.
8 ist ein Diagramm, das ein Verfahren zum Herstellen eines optischen Elements zeigt, das nicht Gegenstand der Erfindung, jedoch zum Verständnis der Erfindung hilfreich ist.
9 ist ein Diagramm, das ein Verfahren zum Herstellen eines optischen Elements gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt.
10 ist ein Diagramm, das ein Verfahren zum Herstellen eines optischen Elements zeigt, das nicht Gegenstand der Erfindung, jedoch zum Verständnis der Erfindung hilfreich ist.
11 ist ein Diagramm, das das bekannte Verfahren zum Herstellen eines optischen Elements zeigt.

11, 21, 31, 41, 51, 61, 71, 81, 91, 101, 111: Substrat
12, 22, 42: Kanal für Lichtwellenleiter
14, 24, 34, 44, 54, 64, 74, 84, 94, 104: Harz
15: Phasenmaske
43: Vorsprungs- und Vertiefungsabschnitt
55: Temperaturregelelement
66: Elektrode
93: Lichtabschirmplatte
107: Lichtleitfaser
114: Quarzmaterial
118: Photoresist

Die Beispiele und Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche Teile in allen Zeichnungen.
1 ist ein Diagramm, das ein optisches Element gemäß einem ersten Beispiel zeigt, das nicht Gegenstand der Erfindung, jedoch zum Verständnis der Erfindung hilfreich ist.
Zunächst wird, wie in 1 gezeigt, ein Kanal 12 für einen Lichtwellenleiter in der Oberfläche eines Substrats 11 ausgebildet, das aus Glas oder einem transparenten Harz besteht, in einem eine Form (nicht gezeigt) verwendenden Prozess.
Ein unter Ultraviolett-Bestrahlung (nachfolgend als UV-Bestrahlung bezeichnet) härtendes Harz 14 wird auf die ausgebildete Kanaloberfläche für den Lichtwellenleiter aufgebracht, wodurch der Kanal gefüllt wird. Anschließend wird das unter UV-Bestrahlung härtende Harz 14 im Kanal durch UV-Bestrahlung gehärtet. Das unter UV-Betrahlung härtende Harz 14 hat einen Brechungsindex, der größer als der des Substrats 11 ist, wodurch das unter UV-Bestrahlung härtende Harz 14 im Kanal als ein Lichtwellenleiterkern wirkt.
Der Brechungsindex des unter UV-Bestrahlung härtenden Harzes variiert nach der Bestrahlung innerhalb des Bereiches von 0,001 je nach Menge des Bestrahlungslichtes. Wenn dementsprechend Licht einer periodischen Intensitätsverteilung auf das unter UV-Bestrahlung härtende Harz 14 im Kanal eingestrahlt wird, wird eine periodische Verteilung des Brechungsindex' in dem unter UV-Bestrahlung härtenden Harz 14 ausgebildet (1(a)). Bei der Bestrahlung wird eine Phasenmaskentechnik verwendet, in der ein periodisches Muster durch das Interfe renzphänomen von Licht ausgebildet wird (1(b)). Hier sei angemerkt, dass das unter UV-Bestrahlung härtende Harz durch Polymerisationsreaktion gehärtet wird, die durch die UV-Bestrahlung ausgelöst wird, und dass eine Differenz in der Menge eingestrahlten Lichts eine Differenz im Ausmaß der Reaktion und daher eine Differenz im Brechungsindex hervorruft.
Die periodische Verteilung des Brechungsindex' führt zu einem Beugungsgitter vom Lichtwellenleitertyp. Wenn die Periode der Brechungsindexvariation auf 1 μm oder weniger eingestellt ist, dann wird, wie in 2(a) gezeigt, Licht einer speziellen Wellenlänge in die Richtung entgegengesetzt zur Einfallsrichtung reflektiert. Hier ist die spezielle Wellenlänge durch den Brechungsindex und die Periode der Brechungsindexvariation bestimmt. Wenn die Periode der Brechungsindexvariation auf wenige 10 μm bis wenige 100 μm eingestellt ist, wird, wie in 2(b) gezeigt, Licht einer speziellen Wellenlänge aus dem Kern hinaus gelassen, wodurch sich ein Verlust ergibt. Dementsprechend dienen beide Elemente der 2(a) und 2(b) als Filter. Auch im Falle von 2(b) ist die spezielle Wellenlänge durch den Brechungsindex und die Periode der Brechungsindexvariation bestimmt.
Im vorliegenden Beispiel ist als Material der Kanäle für die Lichtwellenleiterkerne ein unter UV-Bestrahlung härtendes Harz verwendet worden. Das zu verwendende Material ist jedoch nicht hierauf beschränkt, es kann auch ein thermofixierendes Harz sein. Dabei variiert die Temperatur beim Härten Teil um Teil. Weiterhin ist beim vorliegenden Beispiel eine Phasenmaskentechnik bei der Lichteinstrahlung verwendet worden. Das Verfahren ist jedoch nicht hierauf beschränkt, und es kann auch eine Interferenzbelichtungstechnik eingesetzt werden. Weiterhin kann eine Photomaske mit periodisch variierender Durchlässigkeit verwendet werden. Weiterhin kann eine Abtastung durch Laserlichtbestrahlung oder Elektronenstrahlbestrahlung verwendet werden.
Weiterhin ist im vorliegenden Beispiel eine periodische Verteilung des Brechungsindex' verwendet worden. Die verwendete Verteilung ist jedoch nicht hierauf beschränkt, und der Brechungsindex kann teilweise nicht-periodisch variieren. Unter dem Gesichtspunkt der Produktivität wird der Kanal für den Lichtwellenleiter vorzugsweise durch einen Spritzprozess ausgebildet, wie oben bei der vorliegenden Ausführungsform beschrieben. Das zu verwendende Verfahren ist jedoch nicht hierauf beschränkt, und der Kanal kann, falls notwendig, durch einen Ätzvorgang erstellt werden.
3 ist ein Diagramm, das ein optisches Element gemäß der Erfindung zeigt.
Wie in 3(a) gezeigt, wird ein unter UV-Bestrahlung härtendes Harz 34 auf die Oberfläche eines Substrats 31 aufgebracht, das aus Glas oder einem transparenten Harz besteht, um dadurch einen Film zu bilden. Das unter UV-Bestrahlung härtende Harz 34 hat einen Brechungsindex, der größer als der des Substrats 31 ist, wodurch das unter UV-Bestrahlung härtende Harz 34 im Film als ein Lichtwellenleiterkern wirkt.
Dann wird das unter UV-Bestrahlung härtende Harz 34 im Film mit Licht bestrahlt. Dabei wird eine Lichtabschirmplatte nacheinander so bewegt, dass der mit Licht bestrahlte Bereich auf dem unter UV-Bestrahlung härtenden Harz sich nacheinander ändert. Dementsprechend variiert die Einstrahllichtmenge Teil um Teil auf dem unter UV-Bestrahlung härtenden Harz. Als Ergebnis hat das Harz nach Aushärtung eine im Wesentlichen monoton zunehmende Verteilung des Brechungsindex'. Wenn die Bewegungsgeschwindigkeit der Lichtabschirmplatte eingestellt wird, erhält man eine Brechungsindexverteilung nach Wunsch.
3(b) zeigt den Fall, in dem Licht einfällt, das aus zwei bestimmten Wellenlängen λ1 und λ2 besteht. Der Brechungsindex ist so verteilt, dass er in Richtung der Lichtausbreitung im Wesentlichen monoton abnimmt. Das Licht breitet sich durch den Teil aus, der einen größeren Unterschied im Brechungsindex zwischen dem Substrat und dem Harz hat. Wenn sich das Licht weiter durch den Lichtwellenleiter ausbreitet, nimmt die Differenz im Brechungsindex dennoch ab, wodurch die Wellenleiterbedingung unbefriedigend wird. Dabei wird Licht abgegeben. Da der Abgabezustand von der Wellenlänge des Lichts abhängt, variiert der Ort der Abgabe in Abhängigkeit von der Wellenlänge. Wenn eine Lichtleitfaser an der Stelle der Abgabe für Licht jeder Wellenlänge angeordnet ist, wird Licht einer gewünschten Wellenlänge selektiv extrahiert.
Wenn, wie in 3(c) gezeigt, außerdem der Brechungsindex weiter so verteilt ist, dass er in einer zur Lichtausbreitungsrichtung im Wesentlichen senkrechten Richtung monoton zunimmt, ändert sich die Lichtausbreitungsrichtung. Dementsprechend wird die Wellenlängentrennung während der Ausbreitung ausgeführt. Wenn eine Lichtleitfaser in der geeigneten Position am Ende des Films, von dem das Licht jeder Wellenlänge abgegeben wird, angeordnet ist, wird Licht einer gewünschten Wellenlänge selektiv extrahiert. In 3(c) ist der Brechungsindex so verteilt worden, dass er im Wesentlichen sowohl in Lichtausbreitungsrichtung (oder entgegengesetzt zur Lichtausbreitungsrichtung) und in einer zur Lichtausbreitungsrichtung im Wesentlichen senkrechten Richtung monoton zunimmt. Jedoch kann, wie in 3(d) gezeigt, der Brechungsindex so verteilt sein, dass er monoton im Wesentlichen nur in einer Richtung senkrecht zur Lichtausbreitungsrichtung zunimmt.
Unter dem Gesichtspunkt der Produktivität wird die Verteilung des Brechungsindex' vorzugsweise durch einen Lichteinstrahlungsprozess unter Verwendung einer Lichtabschirmplatte ausgeführt, wie oben in der vorliegenden Ausführungsform beschrieben wurde. Das zu verwendende Verfahren ist jedoch nicht hierauf beschränkt, und eine Maske, die eine kontinuierliche Durchlässigkeit aufweist, kann für die Verteilungsausbildung verwendet werden, falls notwendig.
Weiterhin ist bei der vorliegenden Ausführungsform ein Film auf einem Substrat abgeschieden worden. Der Film kann jedoch durch Harz gebildet sein, das zwischen zwei Substrate eingefüllt ist. Das heißt, ähnlich der ersten Ausführungsform kann ein unter UV-Bestrahlung härtendes Harz in einen Kanal für einen Lichtwellenleiter in einem Substrat eingefüllt sein, das den Kanal für den Lichtwellenleiter hat. Die Menge auf das Harz eingestrahlten Lichts kann dann so gesteuert werden, dass die Verteilung des Brechungsindex' in der Richtung des Kanals für den Lichtwellenleiter im Wesentlichen monoton zunimmt oder abnimmt, und schließlich wird ein weiteres Substrat darauf angebracht.
Weiterhin variiert bei der vorliegenden Ausführungsform die Verteilung des Brechungsindex' (im Wesentlichen monoton zunehmend oder abnehmend) über den gesamten Bereich eines Films in einer Richtung. Ein Teil mit konstantem Brechungsindex und ein Teil mit einer diskreten Änderung im Brechungsindex können jedoch vorhanden sein. Weiterhin ist bei der vorliegenden Erfindung eine Lichtleitfaser an der Stelle der Lichtabgabe angeordnet. Es kann jedoch ein Lichtempfangselement, wie eine Photodiode, verwendet werden.
4 ist ein Diagramm, das ein optisches Element gemäß einem Beispiel zeigt, das nicht der Erfindung entspricht, jedoch zum Verständnis der Erfindung hilfreich ist.
Zunächst wird in einem Prozess unter Verwendung einer Form (nicht gezeigt) ein Kanal 42 für einen Lichtwellenleiter in der Oberfläche eines Substrats 41 ausgebildet, das aus Glas oder einem transparenten Harz besteht, während ein Vorsprungs- und Vertiefungsabschnitt 43 an der Bodenfläche des Kanals für den Lichtwellenleiter ausgebildet wird. Dann wird ein unter UV-Bestrahlung härtendes Harz 44 in den Kanal 42 für den Lichtwellenleiter eingebracht, um dadurch den Kanal zu füllen. Anschließend wird das unter UV-Bestrahlung härtende Harz 44 im Kanal durch UV-Bestrahlung gehärtet. Das unter UV-Bestrahlung härtende Harz 44 hat einen Brechungsindex, der größer ist als der des Substrats 41, wodurch das unter UV-Bestrahlung härtende Harz im Kanal als ein Lichtwellenleiterkern wirkt.
Da die Tiefe des Kerns in Abhängigkeit von dem Vorsprungs- und Vertiefungsabschnitt 43 variiert, variiert der äquivalente Brechungsindex des unter UV-Bestrahlung härtenden Harzes 44 periodisch, wodurch ein Beugungsgitter von Lichtwellenleitertyp realisiert wird. Durch Einstellung der Periode des Vorsprungs- und Vertiefungsabschnitts 43 wirkt dieses optische Element als ein Beugungsgitter vom Lichtwellenleitertyp entweder vom Reflektionstyp oder vom Langperiodentyp, wie oben im Beispiel von 1 beschrieben.
Im vorliegenden Beispiel ist als Material des Kanals für den Lichtwellenleiterkern ein unter UV-Bestrahlung härtendes Harz verwendet worden. Das zu verwendende Material ist jedoch nicht hierauf beschränkt und kann auch ein thermofixierendes Harz sein. Weiterhin werden unter dem Gesichtspunkt der Produktivität der Kanal für den Lichtwellenleiter und der Vorsprungs- und Vertiefungsabschnitt vorzugsweise durch einen Spritzvorgang ausgebildet, wie oben beschrieben. Das zu verwendende Verfahren ist jedoch nicht hierauf beschränkt, und die oben beschriebene Struktur kann durch einen Ätzvorgang erstellt werden, wenn notwendig. Weiterhin kann ein anderes planares Substrat als obere Abdeckung aufgebracht werden.
Weiterhin ist ein Kanal für einen Lichtwellenleiter in einem Substrat vorgesehen worden, und ein Vorsprungs- und Vertiefungsabschnitt ist auf der Bodenfläche des Kanals für den Lichtwellenleiter vorgesehen worden. Statt den Kanal für den Lichtwellenleiter vorzusehen, kann jedoch ein Vorsprungs- und Vertiefungsabschnitt auf der Substratoberfläche in Richtung der Lichtausbreitung ausgebildet werden. Ein unter UV-Bestrahlung härtendes Harz kann dann darauf angeordnet werden, und UV-Strahlen können auf einen Teil in Richtung der Lichtausbreitung eingestrahlt werden. Dementsprechend kann ein optisches Element erhalten werden. Dieses optische Element hat den gleichen Effekt, wie das von 4.
Weiter ist ein Vorsprungs- und Vertiefungsabschnitt in einem Kanal für einen Lichtwellenleiter in einem Substrat oder auf der Oberfläche eines Substrats in Richtung der Lichtausbreitung ausgebildet worden. Ein Vorsprungs- und Vertiefungsabschnitt kann jedoch in dem Kanal für den Lichtwellenleiter in dem Substrat oder auf der Oberfläche des Substrats sowohl in Richtung der Lichtausbreitung als auch in einer zur Lichtausbreitungsrichtung wesentlichen senkrechten Richtung oder nur in einer Lichtausbreitungsrichtung im Wesentlichen senkrechten Richtung ausgebildet werden.
5 ist ein Diagramm, das ein optisches Element zeigt, das nicht der Erfindung entspricht, jedoch zum Verständnis der Erfindung hilfreich ist.
Wie in 5(a) gezeigt, wird unter UV-Bestrahlung härtendes Harz 54 auf die Oberfläche eines Substrats 51 aufgebracht, das aus Glas oder transparentem Harz besteht, um dadurch einen Film zu bilden. Das unter UV-Bestrahlung härtende Harz 54 hat einen Brechungsindex, der größer als der des Substrats 51 ist, wodurch das unter UV-Bestrahlung härtende Harz 54 in dem Film als optischer Wellenleiterkern wirkt.
Dann wird das Harz 54, das durch UV-Bestrahlung härtbar ist, zur Härtung mit UV-Strahlen bestrahlt. Dabei wird ein Teil 540 des Films mit den UV-Strahlen mit variierender Intensität bestrahlt, wodurch ein Teil 540 ausgebildet wird, der einen Brechungsindex hat, der größer als der des anderen Teils ist. Dementsprechend wird Licht innerhalb des Teils 540 mit dem Brechungsindex, der höher als der des umgebenden Teils ist, eingeschlossen, wodurch der Teil als ein dreidimensionaler Lichtwellenleiter wirkt.
Schließlich werden Temperaturregelelemente 55 auf dem Teil 540 mit dem höheren Brechungsindex auf dem Film angeordnet. In Verwendung des optischen Elements wird das unter UV-Bestrahlung härtende Harz 540, das als Lichtwellenleiter dient, durch die Temperaturregelelemente 55 aufgeheizt. Dementsprechend variiert die Temperatur des unter UV-Bestrahlung härtenden Harzes 540, und daher variiert der Brechungsindex des Harzes. Wenn ein Temperaturregelelement 55 auf dem Lichtwellenleiter sich aufheizt, variiert der Brechungsindex des unter diesem liegenden Teils des Lichtwellenleiters. Dementsprechend arbeitet in Abhängigkeit vom Ein- und Ausschalten der Temperaturregelelemente 55 das optische Element als ein optischer Schalter oder ein optischer Ablenker.
Das optische Element gemäß dem vorliegenden Beispiel ist für den Fall eines Lichtwellenleiters beschrieben worden, der eine lineare Gestalt hat. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht hierauf beschränkt, und sie ist auf jeden Fall eines Lichtwellenleitermusters anwendbar, wie es allgemein verwendet wird. Weiter, wenn die Temperatur periodisch geändert ist, arbeitet das optische Element als Beugungsgitter.
In diesem Falle sind die Temperaturregelelemente 55 auf dem unter UV-Bestrahlung härtenden Harz 540 angeordnet worden, das einen unterschiedlichen Brechungsindex hat. Wie jedoch in 5(b) gezeigt, wird selbst im Falle, dass die Temperaturregelelemente 55 auf einem unter UV-Bestrahlung härtenden Harz 54 mit gleichförmigem Brechungsindex angeordnet sind und ein Temperaturregelelement 55 das unter UV-Bestrahlung härtende Harz 54 aufheizt, ein Teil eines unterschiedlichen Brechungsindex' innerhalb des unter UV-Bestrahlung härtendes Harzes 54 ausgebildet.
In dem vorliegenden Beispiel hat ein Temperaturregelelement 55 das unter UV-Bestrahlung härtende Harz 54 aufgeheizt, wodurch ein Teil mit einem unterschiedlichen Brechungsindex innerhalb des unter UV-Bestrahlung härtenden Harzes 54 ausgebildet worden ist. Dabei sind solche Teile, die einen anderen Brechungsindex haben, nicht darauf beschränkt, nur in Richtung der Lichtausbreitung erzeugt zu werden, sondern können auch sowohl in Lichtausbreitungsrichtung als auch in einer zur Lichtausbreitungsrichtung im Wesentlichen senkrechten Richtung erzeugt werden, und sie können nur in einer zur Lichtausbreitungsrichtung im Wesentlichen senkrechten Richtung erzeugt werden.
6 ist ein Diagramm, das ein optisches Element zeigt, das nicht der Erfindung entspricht, jedoch zum Verständnis der Erfindung hilfreich ist.
Wie in 6(a) gezeigt, wird ein unter UV-Bestrahlung härtendes Harz 64 auf die Oberfläche eines Substrats 61 aufgebracht, das aus Glas oder einem transparenten Harz besteht, um dadurch einen Film zu bilden. Das unter UV-Bestrahlung härtende Harz 64 hat einen Brechungsindex, der größer als der des Substrats 61 ist, wodurch das unter UV-Bestrahlung härtende Harz 64 in dem Film als ein Lichtwellenleiterkern wirkt.
Dann wird das unter UV-Bestrahlung härtende Harz 64 durch UV-Bestrahlung gehärtet. Dabei wird ein Teil 640 des Films mit UV-Strahlen variierender Intensität bestrahlt, um dadurch einen Teil 640 auszubilden, der einen Brechungsindex hat, der höher als der des anderen Teils ist. Dementsprechend wird Licht innerhalb des Teils 640 eingeschlossen, der einen höheren Brechungsindex als der des umgebenden Teils hat, wodurch der Teil als ein dreidimensionaler Lichtwellenleiter wirkt.
Schließlich werden Elektroden 66 auf dem Teil 640 mit höherem Brechungsindex auf dem Film angeordnet. In Verwendung des optischen Elements gemäß diesem Beispiel wird ein elektrisches Feld auf das unter UV-Bestrahlung härtende Harz 640 aufgebracht, das als Lichtwellenleiter dient, indem eine Spannung an die Elektroden 66 angelegt wird. Wenn das auf das unter UV-Bestrahlung härtende Harz 640 angelegte elektrische Feld verändert wird, ändert sich der Brechungsindex des Harzes. Wegen der Varianz im Brechungsindex des Films wirkt das optische Element gemäß der vorliegenden Ausführungsform als solches als ein optischer Modulator oder ein optischer Schalter vom Lichtwellenleitertyp.
Eine zu den Elektroden 66 entgegengesetzte Elektrode kann an der Grenzfläche zwischen dem Substrat 61 und dem Harz 64 vorgesehen sein oder auf der Fläche des Substrats 61, die der Fläche gegenüberliegt, auf der das Harz 64 angeordnet ist.
Das optische Element ist für den Fall eines Lichtwellenleiters beschrieben worden, der eine lineare Gestalt hat. Das vorliegende Beispiel ist jedoch nicht hierauf beschränkt, es ist auf jeden Fall eines Lichtwellenleitermusters anwendbar, wie es allgemein verwendet wird. Weiterhin kann ein Abzweig- und ein Richtkoppler verwendet werden. Weiterhin sind Elektroden auf dem Lichtwellenleiter angeordnet worden. Das vorliegende Beispiel ist jedoch nicht hierauf beschränkt, und die Elektroden können auf beiden Seiten des Lichtwellenleiters angeordnet sein. Die Elektroden können Mikrostripleitungen oder koplanare Leitungen sein.
Im vorliegenden Beispiel sind Elektroden 66 auf dem unter UV-Bestrahlung härtenden Harz 640 unterschiedlichen Brechungsindex' angeordnet worden. Wie in 6(b) gezeigt, wird jedoch selbst im Falle, dass Elektroden 66 auf dem unter UV-Bestrahlung härtenden Harz 64 gleichförmigen Brechungsindex' angeordnet sind und eine Elektrode 66 ein elektrisches Feld an das unter UV-Bestrahlung härtende Harz 64 anlegt, ein Teil eines unterschiedlichen Brechungsindex' innerhalb des unter UV-Bestrahlung härtenden Harzes 64 ausgebildet.
Eine Elektrode 66 legt ein elektrisches Feld an das unter UV-Bestrahlung härtende Harz 64 an, wodurch ein Teil, der einen unterschiedlichen Brechungsindex hat, innerhalb des UV-Bestrahlung härtenden Harzes 64 ausgebildet worden ist. Dabei sind solche Teile, die einen unterschiedlichen Brechungsindex haben, nicht darauf beschränkt, nur in Lichtausbreitungsrichtung erzeugt zu werden, sondern sie können sowohl in Lichtausbreitungsrichtung als auch in einer zur Lichtausbreitungsrichtung im Wesentlichen senkrechten Richtung erzeugt werden, und sie können nur in einer zur Lichtausbreitungsrichtung senkrechten Richtung erzeugt werden.
7 ist ein Diagramm, das ein Verfahren zum Herstellen eines Elements zeigt, das nicht der Erfindung entspricht, doch zum Verständnis der Erfindung hilfreich ist.
Zunächst wird ein unter UV-Bestrahlung härtendes Harz 74 auf die Oberfläche eines Substrats 71 aus Glas oder einem transparenten Harz aufgebracht, um dadurch einen Film zu bilden. Das unter UV-Bestrahlung härtende Harz 74 hat einen Brechungsindex, der größer als der des Substrats 71 ist, wodurch das unter UV-Bestrahlung härtende Harz 74 in dem Film als Lichtwellenleiterkern wirkt.
Dann wird das unter UV-Bestrahlung härtende Harz 74 durch UV-Bestrahlung gehärtet. Der Brechungsindex des unter UV-Bestrahlung härtenden Harzes nach dem Härten variiert innerhalb des Bereiches von 0,001 in Abhängigkeit von der eingestrahlten Lichtmenge. Wenn ein Teil des Films mit UV-Strahlen variierender Intensität bestrahlt wird, härtet das unter UV-Be strahlung härtende Harz 74 dementsprechend, und dabei wird ein Teil 740, der einen Brechungsindex hat, der größer als der des anderen Teils ist, ausgebildet. Dementsprechend wird Licht in den Teil 740 eingeschlossen, der einen Brechungsindex hat, der größer als der des umgebenden Teils ist, wodurch der Teil als ein dreidimensionaler Lichtwellenleiter wirkt.
Das vorliegende Beispiel ist für den Fall eines Lichtwellenleiters linearer Gestalt beschrieben worden. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht hierauf beschränkt, und sie ist auf jeden Fall eines Lichtwellenleitermusters anwendbar, wie es allgemein verwendet wird. Weiterhin kann die Ablenkung, Abzweigung und Kopplung von Lichtwellen beeinflusst werden. Weiterhin kann ein weiteres planares Substrat als eine obere Abdeckung aufgebracht werden.
8 ist ein Diagramm, das ein Verfahren zum Herstellen eines optischen Elements zeigt, das nicht der vorliegenden Erfindung entspricht, jedoch zum Verständnis der Erfindung hilfreich ist.
Der Unterschied des vorliegenden Beispiels gegenüber dem vorangehenden Beispiel besteht darin, dass die UV-Strahlen, die auf das unter UV-Bestrahlung hartende Harz 84 eingestrahlt wird, eine periodische Intensitätsverteilung haben. Dementsprechend ist das vorliegende Beispiel in anderen Punkten das gleiche, wie die sechste Ausführungsform, soweit nicht anders erwähnt. Das unter UV-Bestrahlung härtende Harz 84 wird mit UV-Strahlen einer periodischen Intensitätsverteilung bestrahlt, wodurch die Menge des auf die Oberfläche des unter UV-Bestrahlung härtenden Harzes 84 eingestrahlten Lichts periodisch variiert. Dementsprechend wird in dem unter UV-Bestrahlung härtenden Harz 84 eine periodische Verteilung des Brechungsindex' ausgebildet.
Die periodische Verteilung des Brechungsindex' erzeugt ein Beugungsgitter vom Lichtwellenleitertyp. Bei der Lichteinstrahlung kann eine Phasenmaskentechnik und eine Interferenzbelichtungstechnik verwendet werden. Ferner kann eine Photomaske mit periodisch variierender Durchlässigkeit verwendet werden. Weiterhin kann Abtastung durch Laserlichtbestrahlung oder Elektronenstrahlbestrahlung verwendet werden.
9 ist ein Diagramm, das ein Verfahren zum Herstellen eines optischen Elements gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt.
Zunächst wird ein unter UV-Bestrahlung härtendes Harz 84 auf die Oberfläche eines Substrats 91 aufgebracht, das aus Glas oder einem transparenten Harz besteht, um dadurch einen Film zu bilden. Das unter UV-Bestrahlung härtende Harz 94 hat einen Brechungsindex, der größer als der des Substrats 91 ist, wodurch das unter UV-Bestrahlung härtende Harz 94 in dem Film als ein Lichtwellenleiterkern wirkt.
Dann wird das unter UV-Bestrahlung härtende Harz 94 durch UV-Bestrahlung gehärtet. Dabei wird eine Lichtabschirmplatte 93 zwischen das unter UV-Bestrahlung härtende Harz und eine Lichtquelle eingefügt. Die Lichtabschirmplatte 93, die im Wesentlichen parallel zu dem Substrat 91 gehalten wird, wird nacheinander so bewegt, dass der mit Licht bestrahlte Bereich auf dem unter UV-Bestrahlung härtenden Harz 94 sich nacheinander ändert. Dementsprechend variiert die Menge der Lichteinstrahlung auf das unter UV-Bestrahlung härtende Harz 94 im Wesentlichen monoton abnehmend. Als Ergebnis wird eine kontinuierliche Verteilung des Brechungsindex' ausgebildet.
Wenn die Bewegungsgeschwindigkeit der Lichtabschirmplatte eingestellt wird, lässt sich eine beliebige Verteilung des Brechungsindex' erhalten.
In der vorliegenden Erfindung ist eine einzige Lichtabschirmplatte verwendet worden. Es können jedoch mehrere Lichtabschirmplatten verwendet werden, um eine Brechungsindexverteilung auszubilden, die sich kontinuierlich in mehreren Richtungen ändert. Weiterhin sind bei der vorliegenden Ausführungsform die Lichtabschirmplatte 93 und daher der Bestrahlungsbereich bewegt worden, wodurch die Einstrahlmenge geändert worden ist. Bei der UV-Bestrahlung kann jedoch eine Maske, die eine kontinuierlich variierende Durchlässigkeit hat, verwendet werden. Weiterhin ist bei der vorliegenden Erfindung die Einstrahlmenge kontinuierlich variiert worden. Jedoch können ein Teil einer konstanten Einstrahlmenge und ein Teil einer diskreten Änderung in der Einstrahlmenge vorhanden sein.
10 ist ein Diagramm, das ein Verfahren um Herstellen eines optischen Elements zeigt, das nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung, jedoch zum Verständnis der Erfindung hilfreich ist.
Zunächst, wie in 10 gezeigt, wird ein Ende einer Lichtleitfaser 107 auf die Oberfläche eines Substrats 101 aufgebracht, das aus Glas oder einem transparenten Harz besteht. Dann wird ein unter UV-Bestrahlung härtendes Harz darauf aufgebracht. Anschließend wird das unter UV-Bestrahlung härtende Harz 104 durch UV-Bestrahlung gehärtet, wodurch die Lichtleitfaser 107 auf dem Substrat 101 fixiert wird. Das unter UV-Bestrahlung härtende Harz 104 hat einen Brechungsindex, der größer als der des Substrats 101 ist, wodurch das unter UV-Bestrahlung härtende Harz 104 als ein Lichtwellenleiterkern wirkt.
Der Brechungsindex des unter UV-Bestrahlung härtenden Harzes variiert nach dem Härten in Abhängigkeit von der eingestrahlten Lichtmenge. Wenn demnach das unter UV-Bestrahlung härtende Harz 104 mit Licht bestrahlt wird, das eine periodische Intensitätsverteilung hat, dann wird in dem unter UV-Bestrahlung härtenden Harz 104 eine periodische Verteilung des Brechungsindex' erzeugt. Diese periodische Verteilung des Brechungsindex' erzeugt ein Beugungsgitter. Dementsprechend erhält man ein optisches Element und gleichzeitig eine damit verbundene Lichtleitfaser.
Beim vorliegenden Beispiel ist ein unter UV-Bestrahlung härtendes Harz als Material des Kanals für den Lichtwellenleiterkern verwendet worden. Das zu verwendende Material ist jedoch nicht hierauf beschränkt und kann auch ein thermofixierendes Harz sein. Weiterhin ist eine Lichtleitfaser als ein weiteres optisches Element verwendet worden. Das optische Element ist jedoch nicht hierauf beschränkt und kann ein Wellenlängenfilter, ein Isolator, ein Spiegel, eine Linse und dergleichen sein. Weiterhin ist ein Beugungsgitter ausgebildet worden. Das vorliegende Beispiel ist jedoch nicht hierauf beschränkt, und es kann ein gewöhnlicher Lichtwellenleiter ausgebildet werden. Weiterhin können optische und elektrische Bauelemente, wie Lichtabgabeelemente, Lichtaufnahmeelemente, Elektrodenverdrahtung und Halbleitervorrichtungen gemeinsam ausgebildet werden.
Wie oben beschrieben, gibt die vorliegende Erfindung ein optisches Element und ein Verfahren zum Herstellen desselben an, wodurch eine Massenproduktion optischer Elemente, wie Lichtwellenleiter, bei geringen Kosten möglich wird.

Claims

Optisches Element, das umfasst: ein Substrat (31, 41) und einen Film aus einem Material (34, 44), das einen Brechungsindex hat, der höher ist als der des Substrats (31, 41), und das auf der Oberfläche des Substrats als Lichtwellenleiter angeordnet ist; wobei der Brechungsindex in einem Teil des Materials (34, 44) kontinuierlich monoton variiert und in der Richtung der Lichtausbreitung entlang der Oberfläche des Substrats (31, 41) zunimmt oder abnimmt; und der Brechungsindex in dem Teil des Materials (34, 44) kontinuierlich monoton variiert und in der Richtung entlang der Oberfläche des Substrats (31, 41) sowie im Wesentlichen senkrecht zu der Richtung der Lichtausbreitung zunimmt oder abnimmt.
Optisches Element nach Anspruch 1, wobei das Material aus Glasmaterial oder Harz besteht.
Optisches Element nach Anspruch 2, wobei das Material Harz ist und der Teil des Harzes, dessen Brechungsindex variiert, unter Nutzung der lichthärtenden oder wärmehärtenden Eigenschaft des Harzes ausgebildet wird.