JP2000321442A - 光部品 - Google Patents
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- G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
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- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
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- Optical Fibers, Optical Fiber Cores, And Optical Fiber Bundles (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 光損失が小さく構成が簡易で容易に製造する
ことができ所望の温度特性を有する光部品を提供する。 【解決手段】 光部品10は、光ファイバのコア領域1
1にグレーティング12が形成された光ファイバグレー
ティング素子であって、クラッド領域13がシリカガラ
スからなる。コア領域11の光学材料は、ラダー型シリ
コーン樹脂であって、SiOと官能器との配合比率が適
切に調整され、また、メチル基とフェニル基との配合比
率も適切に調整されて、屈折率が所望値とされたもので
ある。そして、光部品10は、全体として所望の熱膨張
係数を有し、所望の温度特性を有する。
ことができ所望の温度特性を有する光部品を提供する。 【解決手段】 光部品10は、光ファイバのコア領域1
1にグレーティング12が形成された光ファイバグレー
ティング素子であって、クラッド領域13がシリカガラ
スからなる。コア領域11の光学材料は、ラダー型シリ
コーン樹脂であって、SiOと官能器との配合比率が適
切に調整され、また、メチル基とフェニル基との配合比
率も適切に調整されて、屈折率が所望値とされたもので
ある。そして、光部品10は、全体として所望の熱膨張
係数を有し、所望の温度特性を有する。
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、所望の特性を有す
るよう調整可能な光学材料を用いた光部品に関するもの
である。
るよう調整可能な光学材料を用いた光部品に関するもの
である。
【0002】
【従来の技術】光導波路等からなる光部品は、温度Tが
変化すると、光路長が変化して、これに因り特性が変化
する、この光路長の変化率は、実効屈折率neqの温度依
存性dneq/dTと熱膨張係数αsubとを加算したもの
である。一般に光部品は使用温度範囲において特性が温
度によらず一定であることが望ましい。このような温度
依存性を消失させるためには、屈折率の温度係数および
熱膨張係数の符号が異なる複数の材料を選定し、これら
複数の材料を用いて光部品を構成することで、光部品の
全体として、
変化すると、光路長が変化して、これに因り特性が変化
する、この光路長の変化率は、実効屈折率neqの温度依
存性dneq/dTと熱膨張係数αsubとを加算したもの
である。一般に光部品は使用温度範囲において特性が温
度によらず一定であることが望ましい。このような温度
依存性を消失させるためには、屈折率の温度係数および
熱膨張係数の符号が異なる複数の材料を選定し、これら
複数の材料を用いて光部品を構成することで、光部品の
全体として、
【0003】
【数1】
【0004】なる式で表されるアサーマル条件を使用温
度範囲で満たす必要がある(例えば、國分泰雄、"光波
回路の温度無依存化技術"、応用物理、Vol.66, No.9, p
p.933-938 (1997) を参照)。
度範囲で満たす必要がある(例えば、國分泰雄、"光波
回路の温度無依存化技術"、応用物理、Vol.66, No.9, p
p.933-938 (1997) を参照)。
【0005】例えば、光ファイバのコア領域にブラッグ
型のグレーティングが形成された光部品である光ファイ
バグレーティング素子の温度依存性消去(温度補償)技
術として、負の熱膨張係数を有する部材(例えば、結晶
化ガラス、液晶ポリマー、バイメタル、ガラス・金属、
等)に光ファイバグレーティング素子を実装する技術が
知られている(例えば、G.W.Yoffe, et al., "Temperat
ure-compensated optical-fiber Bragg gratings", OF
C'95 Technical Digest, WI4 (1995)を参照)。この技
術は、この実装部材により負の熱膨張(−1×10-5/
℃)を光ファイバグレーティング素子に与えることによ
り、光ファイバの主成分であるシリカガラスの屈折率の
正の温度依存性(1×10-5/℃)を打ち消して、これ
により上記(1)式で表されるアサーマル条件を満足させ
るものである。
型のグレーティングが形成された光部品である光ファイ
バグレーティング素子の温度依存性消去(温度補償)技
術として、負の熱膨張係数を有する部材(例えば、結晶
化ガラス、液晶ポリマー、バイメタル、ガラス・金属、
等)に光ファイバグレーティング素子を実装する技術が
知られている(例えば、G.W.Yoffe, et al., "Temperat
ure-compensated optical-fiber Bragg gratings", OF
C'95 Technical Digest, WI4 (1995)を参照)。この技
術は、この実装部材により負の熱膨張(−1×10-5/
℃)を光ファイバグレーティング素子に与えることによ
り、光ファイバの主成分であるシリカガラスの屈折率の
正の温度依存性(1×10-5/℃)を打ち消して、これ
により上記(1)式で表されるアサーマル条件を満足させ
るものである。
【0006】また、有機材料は、屈折率の温度係数が負
であって熱膨張係数が大きな正の値であるものが多いこ
とから、温度依存性消去の原理の上では、温度上昇に因
る電子分極の変化に起因する屈折率の上昇に対して、熱
膨張に因る密度低下に起因する屈折率の低下が大幅に大
きい材料とみなすことができる。一方、シリカガラス等
の無機材料は、屈折率の温度係数が正である。そこで、
光部品において有機材料と無機材料(シリカガラス)と
を組み合わせることにより上記(1)式で表されるアサー
マル条件を満足させる技術が検討されている。
であって熱膨張係数が大きな正の値であるものが多いこ
とから、温度依存性消去の原理の上では、温度上昇に因
る電子分極の変化に起因する屈折率の上昇に対して、熱
膨張に因る密度低下に起因する屈折率の低下が大幅に大
きい材料とみなすことができる。一方、シリカガラス等
の無機材料は、屈折率の温度係数が正である。そこで、
光部品において有機材料と無機材料(シリカガラス)と
を組み合わせることにより上記(1)式で表されるアサー
マル条件を満足させる技術が検討されている。
【0007】例えば、光部品の1種である光導波路にお
いて、コア領域を無機材料(SiO 2-GeO2)とし、
また、クラッド領域の一部を無機材料(SiO2)とし
残部を有機材料(PMMA&TFMA)としたものが知
られている(例えば、米田茂、他、"石英系アサーマル
光導波路の設計"、1997年電子情報通信学会総合大
会、C-3-2、p.187 (1997)を参照)。これは、コア領
域内の光およびクラッド領域に浸み出した光それぞれに
対する屈折率の温度依存性の差を用いて、光部品の全体
の温度依存性消去を図るものである。
いて、コア領域を無機材料(SiO 2-GeO2)とし、
また、クラッド領域の一部を無機材料(SiO2)とし
残部を有機材料(PMMA&TFMA)としたものが知
られている(例えば、米田茂、他、"石英系アサーマル
光導波路の設計"、1997年電子情報通信学会総合大
会、C-3-2、p.187 (1997)を参照)。これは、コア領
域内の光およびクラッド領域に浸み出した光それぞれに
対する屈折率の温度依存性の差を用いて、光部品の全体
の温度依存性消去を図るものである。
【0008】また、同じく光部品の1種であるアレイ導
波路型回折格子(AWG: ArrayedWaveguide Grating)
において、アレイ導波路部の長手方向の光路の殆どを無
機材料(石英系材料)とし、その光路の一部分を有機材
料(シリコーン樹脂)としたものが知られている(例え
ば、Y.Inoue, et al., "Athermal silica-based arraye
d-waveguide grating (AWG) multiplexer", IOOC-ECOC9
7, pp.33-36 (1997)を参照)。これは、光路上の無機材
料および有機材料それぞれにおける温度依存性を互いに
相殺させることで、光部品の全体の温度依存性消去を図
るものである。
波路型回折格子(AWG: ArrayedWaveguide Grating)
において、アレイ導波路部の長手方向の光路の殆どを無
機材料(石英系材料)とし、その光路の一部分を有機材
料(シリコーン樹脂)としたものが知られている(例え
ば、Y.Inoue, et al., "Athermal silica-based arraye
d-waveguide grating (AWG) multiplexer", IOOC-ECOC9
7, pp.33-36 (1997)を参照)。これは、光路上の無機材
料および有機材料それぞれにおける温度依存性を互いに
相殺させることで、光部品の全体の温度依存性消去を図
るものである。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の温度依存性消去技術は以下のような問題点を有して
いる。すなわち、光部品の熱膨張係数と異なる符号の熱
膨張係数を有する部材に該光部品を実装する場合には、
光部品を作成する工程に加えて実装工程が必要となり、
また、その部材を含めた構成が簡易ではない。光部品の
クラッド領域の一部を無機材料とし残部を有機材料とす
る場合には、クラッド領域全体を同一材質とすることが
困難であることから偏波特性を持ち易い。また、光部品
において光伝搬方向について光路の一部分を有機材料に
置き換える場合には、無機材料と有機材料との境界面に
おける反射等により光の損失が大きい。
来の温度依存性消去技術は以下のような問題点を有して
いる。すなわち、光部品の熱膨張係数と異なる符号の熱
膨張係数を有する部材に該光部品を実装する場合には、
光部品を作成する工程に加えて実装工程が必要となり、
また、その部材を含めた構成が簡易ではない。光部品の
クラッド領域の一部を無機材料とし残部を有機材料とす
る場合には、クラッド領域全体を同一材質とすることが
困難であることから偏波特性を持ち易い。また、光部品
において光伝搬方向について光路の一部分を有機材料に
置き換える場合には、無機材料と有機材料との境界面に
おける反射等により光の損失が大きい。
【0010】なお、以上では、温度依存性が無い又は小
さい方が好ましい光部品の温度依存性消去について述べ
た。しかし、温度調整により特性を制御することができ
る機能を有する能動デバイスとして用いられる光部品で
は、逆に温度依存性が大きい方が好ましい場合がある。
この場合にも、上述したような構成と類似の構成が考え
られ、また、上述したような問題点と同様の問題点を有
している。
さい方が好ましい光部品の温度依存性消去について述べ
た。しかし、温度調整により特性を制御することができ
る機能を有する能動デバイスとして用いられる光部品で
は、逆に温度依存性が大きい方が好ましい場合がある。
この場合にも、上述したような構成と類似の構成が考え
られ、また、上述したような問題点と同様の問題点を有
している。
【0011】本発明は、上記問題点を解消する為になさ
れたものであり、光損失が小さく構成が簡易で容易に製
造することができ所望の温度特性を有する光部品を提供
することを目的とする。
れたものであり、光損失が小さく構成が簡易で容易に製
造することができ所望の温度特性を有する光部品を提供
することを目的とする。
【0012】
【課題を解決するための手段】本発明に係る光部品は、
SiO2を主成分とする無機材料が有機材料と化学結合
され又は微粒子状態で混合された光学材料が光導波領域
に用いられていることを特徴とする。また、上記有機材
料はシリコーン樹脂であるのが好適である。また、上記
無機材料と上記有機材料とが化学結合された上記光学材
料はラダー型シリコーン樹脂であるのも好適である。上
記無機材料と上記有機材料との配合比率により、上記光
学材料は所望の屈折率の温度依存性を有する。また、上
記光学材料と他の材料との組み合わせにより、本発明に
係る光部品は、全体として所望の熱膨張係数を有し、所
望の温度特性を有する。したがって、この光部品は、実
装の為の他の部材を設ける必要がないことから、製造が
容易であり、構成が簡易である。また、この光部品は、
光導波領域の光路に沿った方向について均質な光学材料
とすることができるので、光損失が小さい。
SiO2を主成分とする無機材料が有機材料と化学結合
され又は微粒子状態で混合された光学材料が光導波領域
に用いられていることを特徴とする。また、上記有機材
料はシリコーン樹脂であるのが好適である。また、上記
無機材料と上記有機材料とが化学結合された上記光学材
料はラダー型シリコーン樹脂であるのも好適である。上
記無機材料と上記有機材料との配合比率により、上記光
学材料は所望の屈折率の温度依存性を有する。また、上
記光学材料と他の材料との組み合わせにより、本発明に
係る光部品は、全体として所望の熱膨張係数を有し、所
望の温度特性を有する。したがって、この光部品は、実
装の為の他の部材を設ける必要がないことから、製造が
容易であり、構成が簡易である。また、この光部品は、
光導波領域の光路に沿った方向について均質な光学材料
とすることができるので、光損失が小さい。
【0013】
【発明の実施の形態】以下、添付図面を参照して本発明
の実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明にお
いて同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を
省略する。また、以下では、本発明に係る光部品の光導
波領域に好適に用いられる光学材料の2つの実施形態に
ついて初めに説明し、続いて本発明に係る光部品の2つ
の実施形態について説明する。
の実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明にお
いて同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を
省略する。また、以下では、本発明に係る光部品の光導
波領域に好適に用いられる光学材料の2つの実施形態に
ついて初めに説明し、続いて本発明に係る光部品の2つ
の実施形態について説明する。
【0014】(光学材料の第1の実施形態)先ず、本発
明に係る光部品において好適に用いられる光学材料の第
1の実施形態について説明する。本実施形態に係る光学
材料は、SiO2を主成分とする無機材料が微粒子状態
で有機材料と混合されたものであり、無機材料と有機材
料との配合比率に応じて所定の屈折率の温度依存性を有
している。有機材料はシリコーン樹脂であるのが好適で
ある。
明に係る光部品において好適に用いられる光学材料の第
1の実施形態について説明する。本実施形態に係る光学
材料は、SiO2を主成分とする無機材料が微粒子状態
で有機材料と混合されたものであり、無機材料と有機材
料との配合比率に応じて所定の屈折率の温度依存性を有
している。有機材料はシリコーン樹脂であるのが好適で
ある。
【0015】本実施形態における無機材料は、SiO2
を主成分とするものであって粒子径が揃った微粒子であ
る。この無機材料の微粒子の粒子径は、小さいほど好ま
しく、好適には50nm未満であり、更に好適には10
nm未満である。数nm程度の粒子径のSiO2が実際
に入手可能である。本実施形態に係る光学材料は、この
ような無機材料がシリコーン樹脂等の有機材料に混合さ
れている。このような光学材料を通過する光は、無機材
料の微粒子によりレーリー散乱と同様の散乱特性を示
す。しかし、無機材料の粒子径が充分に小さく、且つ、
光が通過する光学材料の光路長が充分に短ければ、この
光学材料における光の散乱損失は許容できる程度であ
る。
を主成分とするものであって粒子径が揃った微粒子であ
る。この無機材料の微粒子の粒子径は、小さいほど好ま
しく、好適には50nm未満であり、更に好適には10
nm未満である。数nm程度の粒子径のSiO2が実際
に入手可能である。本実施形態に係る光学材料は、この
ような無機材料がシリコーン樹脂等の有機材料に混合さ
れている。このような光学材料を通過する光は、無機材
料の微粒子によりレーリー散乱と同様の散乱特性を示
す。しかし、無機材料の粒子径が充分に小さく、且つ、
光が通過する光学材料の光路長が充分に短ければ、この
光学材料における光の散乱損失は許容できる程度であ
る。
【0016】SiO2の屈折率の温度係数は1×10-5
/℃程度であり、シリコーン樹脂の屈折率の温度係数は
−37×10-5/℃程度である。SiO2とシリコーン
樹脂とを適切な配合比率で混合することにより、所望の
屈折率の温度依存性を有する光学材料を実現することが
できる。例えば、屈折率の温度係数が極めて小さい光学
材料を実現するためには、SiO2を97%とし、シリ
コーン樹脂を3%とすることが必要である。ただし、大
量の均質球のSiO2微粒子の間の空間を少量のシリコ
ーン樹脂で埋めることは、実際のところ殆ど不可能であ
る。なお、これまでは熱膨張係数について考慮していな
い。
/℃程度であり、シリコーン樹脂の屈折率の温度係数は
−37×10-5/℃程度である。SiO2とシリコーン
樹脂とを適切な配合比率で混合することにより、所望の
屈折率の温度依存性を有する光学材料を実現することが
できる。例えば、屈折率の温度係数が極めて小さい光学
材料を実現するためには、SiO2を97%とし、シリ
コーン樹脂を3%とすることが必要である。ただし、大
量の均質球のSiO2微粒子の間の空間を少量のシリコ
ーン樹脂で埋めることは、実際のところ殆ど不可能であ
る。なお、これまでは熱膨張係数について考慮していな
い。
【0017】以下では、屈折率の温度係数に加えて熱膨
張係数をも考慮する為に、本実施形態に係る光学材料が
基板上に存在する場合を想定する。図1は、第1の実施
形態に係る光学材料におけるSiO2割合に対して、こ
の光学材料の屈折率の温度係数を打ち消し得る基板の熱
膨張係数αを示したグラフである。ここで上記(1)式で
示されるアサーマル条件を用いた。この図より、熱膨張
係数αの値が正である基板を想定して、例えば、シリコ
ン基板の熱膨張係数の値2.5×10-6/℃を打ち消す
ためには、本実施形態に係る光学材料は、SiO2が7
3%であり、シリコーン樹脂が27%であることが必要
である。また、熱膨張係数αの値が更に大きい例えばパ
イレックスガラス基板(α=3.2×10-6/℃)であ
る場合には、本実施形態に係る光学材料は、無機材料と
有機材料との配合比率がより現実的な値となる。
張係数をも考慮する為に、本実施形態に係る光学材料が
基板上に存在する場合を想定する。図1は、第1の実施
形態に係る光学材料におけるSiO2割合に対して、こ
の光学材料の屈折率の温度係数を打ち消し得る基板の熱
膨張係数αを示したグラフである。ここで上記(1)式で
示されるアサーマル条件を用いた。この図より、熱膨張
係数αの値が正である基板を想定して、例えば、シリコ
ン基板の熱膨張係数の値2.5×10-6/℃を打ち消す
ためには、本実施形態に係る光学材料は、SiO2が7
3%であり、シリコーン樹脂が27%であることが必要
である。また、熱膨張係数αの値が更に大きい例えばパ
イレックスガラス基板(α=3.2×10-6/℃)であ
る場合には、本実施形態に係る光学材料は、無機材料と
有機材料との配合比率がより現実的な値となる。
【0018】なお、本実施形態に係る光学材料が基板上
に存在する場合には、基板との熱膨張差に因り、本実施
形態に係る光学材料において応力歪み屈折率が生じ得
る。しかし、ガラスと比べて有機材料のヤング率が小さ
いことから、本実施形態に係る光学材料も、ヤング率が
小さく、応力歪み屈折率が小さくなる利点を持つ。
に存在する場合には、基板との熱膨張差に因り、本実施
形態に係る光学材料において応力歪み屈折率が生じ得
る。しかし、ガラスと比べて有機材料のヤング率が小さ
いことから、本実施形態に係る光学材料も、ヤング率が
小さく、応力歪み屈折率が小さくなる利点を持つ。
【0019】(光学材料の第2の実施形態)次に、本発
明に係る光部品において好適に用いられる光学材料の第
2の実施形態について説明する。本実施形態に係る光学
材料は、SiO2を主成分とする無機材料が有機材料と
化学結合されたものであり、無機材料と有機材料との配
合比率に応じて所定の屈折率の温度依存性を有してい
る。有機材料はシリコーン樹脂であるのが好適である。
また、特に、この光学材料はラダー型シリコーン樹脂で
あるのが好適である。
明に係る光部品において好適に用いられる光学材料の第
2の実施形態について説明する。本実施形態に係る光学
材料は、SiO2を主成分とする無機材料が有機材料と
化学結合されたものであり、無機材料と有機材料との配
合比率に応じて所定の屈折率の温度依存性を有してい
る。有機材料はシリコーン樹脂であるのが好適である。
また、特に、この光学材料はラダー型シリコーン樹脂で
あるのが好適である。
【0020】ラダー型シリコーン樹脂は、無機材料であ
るSiOマトリックスと有機材料である官能基とが結合
したものである。ここで、官能基は例えばメチル(CH
3)基やフェニル(C6H5)基等である。SiOと官能
器とを適切な配合比率で結合することにより、所望の屈
折率の温度依存性を有する光学材料(ラダー型シリコー
ン樹脂)を実現することができる。SiOの配合比率は
45%〜80%程度の範囲で調整が可能である。
るSiOマトリックスと有機材料である官能基とが結合
したものである。ここで、官能基は例えばメチル(CH
3)基やフェニル(C6H5)基等である。SiOと官能
器とを適切な配合比率で結合することにより、所望の屈
折率の温度依存性を有する光学材料(ラダー型シリコー
ン樹脂)を実現することができる。SiOの配合比率は
45%〜80%程度の範囲で調整が可能である。
【0021】本実施形態に係る光学材料(ラダー型シリ
コーン樹脂)の屈折率は、官能基の種類および配合比率
に応じて調整が可能である。図2は、第2の実施形態に
係る光学材料の屈折率をメチル基とフェニル基との配合
比率に対して示したグラフである。この図より、本実施
形態に係る光学材料の屈折率は、メチル基とフェニル基
との配合比率に対して略直線的に変化している。したが
って、本実施形態に係る光学材料は屈折率分布の制御の
点でも好適である。
コーン樹脂)の屈折率は、官能基の種類および配合比率
に応じて調整が可能である。図2は、第2の実施形態に
係る光学材料の屈折率をメチル基とフェニル基との配合
比率に対して示したグラフである。この図より、本実施
形態に係る光学材料の屈折率は、メチル基とフェニル基
との配合比率に対して略直線的に変化している。したが
って、本実施形態に係る光学材料は屈折率分布の制御の
点でも好適である。
【0022】本実施形態に係る光学材料(ラダー型シリ
コーン樹脂)がシリコン基板上に存在する場合、有機材
料の配合比率を80%程度とすることにより、アサーマ
ル条件を満たすことができる。また、熱膨張係数の値が
更に大きい例えばパイレックスガラス基板である場合に
は、本実施形態に係る光学材料は、SiOの配合比率を
調整することにより、アサーマル条件を満たすことがで
きる。
コーン樹脂)がシリコン基板上に存在する場合、有機材
料の配合比率を80%程度とすることにより、アサーマ
ル条件を満たすことができる。また、熱膨張係数の値が
更に大きい例えばパイレックスガラス基板である場合に
は、本実施形態に係る光学材料は、SiOの配合比率を
調整することにより、アサーマル条件を満たすことがで
きる。
【0023】本実施形態に係る光学材料(ラダー型シリ
コーン樹脂)の熱膨張係数は、13×10-5/℃であっ
て、基板として用いられ得るシリカガラスの熱膨張係数
(5×10-7/℃)の250倍程度と大きな値である。
アサーマル条件を満たすとともに、基板との熱膨張差に
因る応力歪み屈折率を無くすることが重要である。本実
施形態に係る光学材料は、コーティング基材が如何なる
ものであってもよいので、本実施形態に係る光学材料と
基板とからなる光部品の全体の熱膨張係数を容易に所望
値にすることができる。また、後述するように、基板を
対称的に配置する手法もとることができる。
コーン樹脂)の熱膨張係数は、13×10-5/℃であっ
て、基板として用いられ得るシリカガラスの熱膨張係数
(5×10-7/℃)の250倍程度と大きな値である。
アサーマル条件を満たすとともに、基板との熱膨張差に
因る応力歪み屈折率を無くすることが重要である。本実
施形態に係る光学材料は、コーティング基材が如何なる
ものであってもよいので、本実施形態に係る光学材料と
基板とからなる光部品の全体の熱膨張係数を容易に所望
値にすることができる。また、後述するように、基板を
対称的に配置する手法もとることができる。
【0024】本実施形態に係る光学材料(ラダー型シリ
コーン樹脂)からなる層を基板上に形成して光導波路等
の光部品を作成する場合に、反応性イオンエッチング工
程が必要となる。酸素プラズマエッチングによりシリコ
ーン樹脂(Tg=200℃)の加工が可能であり、本実
施形態に係る光学材料も加工が可能である。また、散乱
損失が小さいことが望まれるが、本実施形態に係る光学
材料をクラッドとしたポリマクラッドファイバ(石英ガ
ラスコア)を試作した結果、波長0.85μmで散乱損
失が8dB/kmであり、この光学材料における光の散
乱損失の程度は許容できる程度である。
コーン樹脂)からなる層を基板上に形成して光導波路等
の光部品を作成する場合に、反応性イオンエッチング工
程が必要となる。酸素プラズマエッチングによりシリコ
ーン樹脂(Tg=200℃)の加工が可能であり、本実
施形態に係る光学材料も加工が可能である。また、散乱
損失が小さいことが望まれるが、本実施形態に係る光学
材料をクラッドとしたポリマクラッドファイバ(石英ガ
ラスコア)を試作した結果、波長0.85μmで散乱損
失が8dB/kmであり、この光学材料における光の散
乱損失の程度は許容できる程度である。
【0025】また、一般に光通信で用いられている信号
光の波長帯域を含む波長範囲1.3μm〜1.6μmで
は、本実施形態に係る光学材料に含まれる官能基により
光が吸収損失を受ける。光路長が例えば数cm程度と短
くても、この吸収損失が無視できない場合があり得る。
しかし、ラダー型シリコーン樹脂のCH結合のH部分の
重水素化やフッ素化により、CH結合にかかわる吸収損
失を低減することが可能である。
光の波長帯域を含む波長範囲1.3μm〜1.6μmで
は、本実施形態に係る光学材料に含まれる官能基により
光が吸収損失を受ける。光路長が例えば数cm程度と短
くても、この吸収損失が無視できない場合があり得る。
しかし、ラダー型シリコーン樹脂のCH結合のH部分の
重水素化やフッ素化により、CH結合にかかわる吸収損
失を低減することが可能である。
【0026】(光部品の第1の実施形態)次に、本発明
に係る光部品の第1の実施形態について説明する。図3
は、第1の実施形態に係る光部品(光ファイバグレーテ
ィング素子)の構成を説明する断面図である。この図
は、光軸を含む面で切断したときの断面図を示してい
る。本実施形態に係る光部品10は、光ファイバのコア
領域11にグレーティング12が形成された光ファイバ
グレーティング素子であって、光導波領域であるコア領
域11が上記第2の実施形態に係る光学材料(ラダー型
シリコーン樹脂)からなり、コア領域11の周囲にある
クラッド領域13がシリカガラスからなるものである。
に係る光部品の第1の実施形態について説明する。図3
は、第1の実施形態に係る光部品(光ファイバグレーテ
ィング素子)の構成を説明する断面図である。この図
は、光軸を含む面で切断したときの断面図を示してい
る。本実施形態に係る光部品10は、光ファイバのコア
領域11にグレーティング12が形成された光ファイバ
グレーティング素子であって、光導波領域であるコア領
域11が上記第2の実施形態に係る光学材料(ラダー型
シリコーン樹脂)からなり、コア領域11の周囲にある
クラッド領域13がシリカガラスからなるものである。
【0027】この光部品10は以下のようにして作成さ
れる。図4および図5は、第1の実施形態に係る光部品
(光ファイバグレーティング素子)の作成方法を説明す
る図である。初めに、シリカガラスからなる円柱状母材
13aを用意する(図4(a))。この円柱状母材13
aの中心軸に沿って所定の径の孔を開けて穴開け加工母
材13bとし(図4(b))、この穴開け加工母材13
bをヒータ20により加熱しながら延伸・線引して(図
4(c))、中空ファイバ13cを作成する(図4
(d))。この中空ファイバ13cは、本実施形態に係
る光部品10のクラッド領域13となるべきものであっ
て、例えば、外径が125μmであり、孔径が6μmで
あり、キャピラリー状のものである。
れる。図4および図5は、第1の実施形態に係る光部品
(光ファイバグレーティング素子)の作成方法を説明す
る図である。初めに、シリカガラスからなる円柱状母材
13aを用意する(図4(a))。この円柱状母材13
aの中心軸に沿って所定の径の孔を開けて穴開け加工母
材13bとし(図4(b))、この穴開け加工母材13
bをヒータ20により加熱しながら延伸・線引して(図
4(c))、中空ファイバ13cを作成する(図4
(d))。この中空ファイバ13cは、本実施形態に係
る光部品10のクラッド領域13となるべきものであっ
て、例えば、外径が125μmであり、孔径が6μmで
あり、キャピラリー状のものである。
【0028】このキャピラリー状の中空ファイバ13c
の孔に光学材料11aを毛管現象により注入する(図4
(e))。この光学材料11aは、上記第2の実施形態
に係る光学材料(ラダー型シリコーン樹脂)であり、S
iOと官能器との配合比率が適切に調整され、また、メ
チル基とフェニル基との配合比率も適切に調整されて、
屈折率が所望値とされたものである。そして、孔に光学
材料11aを注入された中空ファイバ13cに対して加
熱硬化処理を施して光ファイバ10aを作成する(図4
(f))。この加熱硬化処理では、例えば温度200℃
で2時間に亘り加熱して光学材料11aを硬化させる。
の孔に光学材料11aを毛管現象により注入する(図4
(e))。この光学材料11aは、上記第2の実施形態
に係る光学材料(ラダー型シリコーン樹脂)であり、S
iOと官能器との配合比率が適切に調整され、また、メ
チル基とフェニル基との配合比率も適切に調整されて、
屈折率が所望値とされたものである。そして、孔に光学
材料11aを注入された中空ファイバ13cに対して加
熱硬化処理を施して光ファイバ10aを作成する(図4
(f))。この加熱硬化処理では、例えば温度200℃
で2時間に亘り加熱して光学材料11aを硬化させる。
【0029】以上のようにして作成された光ファイバ1
0aは、シリカガラスからなる領域がクラッド領域13
となり、硬化された光学材料11aがコア領域11とな
る。そして、位相格子マスク30を介して光ファイバ1
0aに紫外光(UV光)を照射し(図5)、この紫外光
照射に因り光学材料11a中のフェニル基を解離させる
ことで屈折率変調を誘起して、グレーティング12を形
成する。以上のようにして、図3に示すような本実施形
態に係る光部品10が作成される。
0aは、シリカガラスからなる領域がクラッド領域13
となり、硬化された光学材料11aがコア領域11とな
る。そして、位相格子マスク30を介して光ファイバ1
0aに紫外光(UV光)を照射し(図5)、この紫外光
照射に因り光学材料11a中のフェニル基を解離させる
ことで屈折率変調を誘起して、グレーティング12を形
成する。以上のようにして、図3に示すような本実施形
態に係る光部品10が作成される。
【0030】以上の作成方法により実際に作成された光
部品10では、コア領域11の光学材料11aは、Si
Oの配合比率が78%であり、メチル基とフェニル基と
の配合比率が適切に調整されて屈折率が1.47とされ
た。コア領域11の外径(クラッド領域13の内径)は
6μmであり、クラッド領域13に対するコア領域11
の比屈折率差は、RNF法で測定したところ、0.77
%であった。また、形成されたグレーティング12の屈
折率変調周期が0.520μmであり、グレーティング
長が5mmであり、この光部品10はブラッグ型の光フ
ァイバグレーティング素子であった。また、この光部品
10による反射中心波長は1.545μmであり、この
反射中心波長における光の遮断量は40dBであり、実
用上充分なものであった。
部品10では、コア領域11の光学材料11aは、Si
Oの配合比率が78%であり、メチル基とフェニル基と
の配合比率が適切に調整されて屈折率が1.47とされ
た。コア領域11の外径(クラッド領域13の内径)は
6μmであり、クラッド領域13に対するコア領域11
の比屈折率差は、RNF法で測定したところ、0.77
%であった。また、形成されたグレーティング12の屈
折率変調周期が0.520μmであり、グレーティング
長が5mmであり、この光部品10はブラッグ型の光フ
ァイバグレーティング素子であった。また、この光部品
10による反射中心波長は1.545μmであり、この
反射中心波長における光の遮断量は40dBであり、実
用上充分なものであった。
【0031】この光部品10を温度120℃で12時間
に亘り熱処理して熱安定化させた。そして、その後に遮
断特性の温度依存性を評価した。その結果、温度範囲−
20℃〜+80℃における反射中心波長の変化は0.0
1nm程度であった。GeO 2添加コア領域を有するシ
リカガラスファイバにグレーティングが形成された従来
の光ファイバグレーティングにおいては上記温度範囲に
おける反射中心波長の変化が1nm程度であるから、本
実施形態に係る光部品10における反射中心波長の変化
は、従来のものと比べて1/100程度となり、大幅に
低減した。
に亘り熱処理して熱安定化させた。そして、その後に遮
断特性の温度依存性を評価した。その結果、温度範囲−
20℃〜+80℃における反射中心波長の変化は0.0
1nm程度であった。GeO 2添加コア領域を有するシ
リカガラスファイバにグレーティングが形成された従来
の光ファイバグレーティングにおいては上記温度範囲に
おける反射中心波長の変化が1nm程度であるから、本
実施形態に係る光部品10における反射中心波長の変化
は、従来のものと比べて1/100程度となり、大幅に
低減した。
【0032】本実施形態に係る光部品10は、光軸を中
心とした軸対称であるから、応力に起因する偏波依存性
がほぼ解消されており、反射中心波長における偏波依存
性が0.02dB未満であり良好な特性であった。ま
た、本実施形態に係る光部品10は、反射波長以外の波
長において、光損失が0.1dB/cm未満であり、コ
ネクタ接続した場合に接続損失を含めても光損失が0.
3dB/cm未満であった。さらに、本実施形態に係る
光部品10は、温度依存性消去の為に他の部材に実装す
る必要がないことから、実装工程が不要であって製造が
容易であり、構成が簡易である。
心とした軸対称であるから、応力に起因する偏波依存性
がほぼ解消されており、反射中心波長における偏波依存
性が0.02dB未満であり良好な特性であった。ま
た、本実施形態に係る光部品10は、反射波長以外の波
長において、光損失が0.1dB/cm未満であり、コ
ネクタ接続した場合に接続損失を含めても光損失が0.
3dB/cm未満であった。さらに、本実施形態に係る
光部品10は、温度依存性消去の為に他の部材に実装す
る必要がないことから、実装工程が不要であって製造が
容易であり、構成が簡易である。
【0033】(光部品の第2の実施形態)次に、本発明
に係る光部品の第2の実施形態について説明する。図6
は、第2の実施形態に係る光部品(光合分波回路)の構
成を説明する斜視図である。本実施形態に係る光部品4
0は、基板41上にクラッド領域42が形成され、この
クラッド領域42中に光導波領域であるコア領域43A
および43Bが形成され、そして、コア領域43Aおよ
び43Bそれぞれの一部が互いに接近して導波光の結合
すなわち光合分波が生じるようになっている。基板41
はシリカガラスからなる。クラッド領域42ならびにコ
ア領域43Aおよび43Bそれぞれは、上記第2の実施
形態に係る光学材料(ラダー型シリコーン樹脂)からな
り、SiOと官能器との配合比率が適切に調整され、ま
た、メチル基とフェニル基との配合比率も適切に調整さ
れて、屈折率が所望値とされたものである。なお、図6
には代表的な寸法の値の一例も示されている。
に係る光部品の第2の実施形態について説明する。図6
は、第2の実施形態に係る光部品(光合分波回路)の構
成を説明する斜視図である。本実施形態に係る光部品4
0は、基板41上にクラッド領域42が形成され、この
クラッド領域42中に光導波領域であるコア領域43A
および43Bが形成され、そして、コア領域43Aおよ
び43Bそれぞれの一部が互いに接近して導波光の結合
すなわち光合分波が生じるようになっている。基板41
はシリカガラスからなる。クラッド領域42ならびにコ
ア領域43Aおよび43Bそれぞれは、上記第2の実施
形態に係る光学材料(ラダー型シリコーン樹脂)からな
り、SiOと官能器との配合比率が適切に調整され、ま
た、メチル基とフェニル基との配合比率も適切に調整さ
れて、屈折率が所望値とされたものである。なお、図6
には代表的な寸法の値の一例も示されている。
【0034】この光部品40は以下のようにして作成さ
れる。図7は、第2の実施形態に係る光部品(光合分波
回路)の作成方法を説明する図である。初めに、シリカ
ガラスからなる基板41を用意する。そして、この基板
41上に順に、下層のクラッド領域42となるべき光学
材料42aをスピンコーティングし、コア領域43Aま
たは43Bとなるべき光学材料43aをスピンコーティ
ングする。この光学材料42aおよび43aそれぞれ
は、上記第2の実施形態に係る光学材料(ラダー型シリ
コーン樹脂)であり、SiOと官能器との配合比率が適
切に調整され、また、メチル基とフェニル基との配合比
率も適切に調整されて、屈折率が所望値とされたもので
ある。そして、例えば温度200℃で2時間に亘り加熱
して、光学材料42aおよび43aの加熱硬化処理を行
う。
れる。図7は、第2の実施形態に係る光部品(光合分波
回路)の作成方法を説明する図である。初めに、シリカ
ガラスからなる基板41を用意する。そして、この基板
41上に順に、下層のクラッド領域42となるべき光学
材料42aをスピンコーティングし、コア領域43Aま
たは43Bとなるべき光学材料43aをスピンコーティ
ングする。この光学材料42aおよび43aそれぞれ
は、上記第2の実施形態に係る光学材料(ラダー型シリ
コーン樹脂)であり、SiOと官能器との配合比率が適
切に調整され、また、メチル基とフェニル基との配合比
率も適切に調整されて、屈折率が所望値とされたもので
ある。そして、例えば温度200℃で2時間に亘り加熱
して、光学材料42aおよび43aの加熱硬化処理を行
う。
【0035】続いて、光学材料43a上にフォトレジス
ト膜44を形成し、フォトリソグラフィ技術により、マ
スク50を用いて光合分波回路をフォトレジスト膜44
にパターニングする。そして、酸素とC2F6との混合ガ
スを用いてプラズマ60を発生させて反応性イオンエッ
チングを行い、光合分波回路を光学材料43aにパター
ニングする。その後、フォトレジスト膜44を除去す
る。そして、光学材料42aと同一組成の光学材料42
bをスピンコーティングし、例えば温度200℃で2時
間に亘り加熱して光学材料42bの加熱硬化処理を行
う。この光学材料42bは光学材料42aとともにクラ
ッド領域42となるべきものである。
ト膜44を形成し、フォトリソグラフィ技術により、マ
スク50を用いて光合分波回路をフォトレジスト膜44
にパターニングする。そして、酸素とC2F6との混合ガ
スを用いてプラズマ60を発生させて反応性イオンエッ
チングを行い、光合分波回路を光学材料43aにパター
ニングする。その後、フォトレジスト膜44を除去す
る。そして、光学材料42aと同一組成の光学材料42
bをスピンコーティングし、例えば温度200℃で2時
間に亘り加熱して光学材料42bの加熱硬化処理を行
う。この光学材料42bは光学材料42aとともにクラ
ッド領域42となるべきものである。
【0036】さらに、基板41の面に垂直な方向の応力
歪みを低減するために、クラッド42(光学材料42
b)の上にシリカガラス板45を接着する。そして、端
面を切断し研磨して、これを本実施形態に係る光部品
(光合分波回路)40とする。また、さらに、本実施形
態に係る光部品40の光入出力端と、V溝部材46のV
溝部に固定した光ファイバ47の光入出力端とを、光学
接着剤により接着固定する。
歪みを低減するために、クラッド42(光学材料42
b)の上にシリカガラス板45を接着する。そして、端
面を切断し研磨して、これを本実施形態に係る光部品
(光合分波回路)40とする。また、さらに、本実施形
態に係る光部品40の光入出力端と、V溝部材46のV
溝部に固定した光ファイバ47の光入出力端とを、光学
接着剤により接着固定する。
【0037】以上の作成方法により実際に作成された光
部品40では、光学材料42a,42bおよび43aそ
れぞれは、SiOと官能器との配合比率がSiO2基板
41の熱膨張係数に応じて適切に調整され、メチル基と
フェニル基との配合比率が適切に調整された。その結
果、コア領域43Aおよび43Bそれぞれの光学材料4
3aは、屈折率が1.460であって、厚さが7μmで
あった。また、クラッド領域42の光学材料42aおよ
び42bは、屈折率が1.450であって、厚さが20
μmであった。
部品40では、光学材料42a,42bおよび43aそ
れぞれは、SiOと官能器との配合比率がSiO2基板
41の熱膨張係数に応じて適切に調整され、メチル基と
フェニル基との配合比率が適切に調整された。その結
果、コア領域43Aおよび43Bそれぞれの光学材料4
3aは、屈折率が1.460であって、厚さが7μmで
あった。また、クラッド領域42の光学材料42aおよ
び42bは、屈折率が1.450であって、厚さが20
μmであった。
【0038】この光部品40においてコア領域43Aと
コア領域43Bとの間で光合分波が生じる光の波長の間
隔は、20nmであり、比較的に狭いものであった。こ
の光部品40の光合分波特性の温度依存性を評価した結
果、温度範囲−20℃〜+80℃における合分波中心波
長の変化は0.01nm程度であり、従来より知られて
いるSiO2-GeO2コアを用いた光導波路における
1.1nmと比較して極めて小さかった。また、本実施
形態に係る光部品40は、光損失が0.1dB/cm未
満であり、実用上問題がない程度であった。さらに、本
実施形態に係る光部品40は、温度依存性消去の為に他
の材質を複合化する必要がないことから、実装工程が不
要であって製造が容易であり、構成が簡易である。
コア領域43Bとの間で光合分波が生じる光の波長の間
隔は、20nmであり、比較的に狭いものであった。こ
の光部品40の光合分波特性の温度依存性を評価した結
果、温度範囲−20℃〜+80℃における合分波中心波
長の変化は0.01nm程度であり、従来より知られて
いるSiO2-GeO2コアを用いた光導波路における
1.1nmと比較して極めて小さかった。また、本実施
形態に係る光部品40は、光損失が0.1dB/cm未
満であり、実用上問題がない程度であった。さらに、本
実施形態に係る光部品40は、温度依存性消去の為に他
の材質を複合化する必要がないことから、実装工程が不
要であって製造が容易であり、構成が簡易である。
【0039】本発明は、上記実施形態に限定されるもの
ではなく種々の変形が可能である。例えば、上記第1お
よび第2の実施形態に係る光部品それぞれは、上記第2
の実施形態に係る光学材料(SiO2を主成分とする無
機材料と有機材料とが化学結合されたもの)を用いたも
のであったが、上記第1の実施形態に係る光学材料(S
iO2を主成分とする無機材料が微粒子状態で有機材料
と混合されたもの)を用いてもよい。また、有機材料と
しては、シリコーン樹脂に限られるものではなく、他の
ものであってもよい。
ではなく種々の変形が可能である。例えば、上記第1お
よび第2の実施形態に係る光部品それぞれは、上記第2
の実施形態に係る光学材料(SiO2を主成分とする無
機材料と有機材料とが化学結合されたもの)を用いたも
のであったが、上記第1の実施形態に係る光学材料(S
iO2を主成分とする無機材料が微粒子状態で有機材料
と混合されたもの)を用いてもよい。また、有機材料と
しては、シリコーン樹脂に限られるものではなく、他の
ものであってもよい。
【0040】また、本発明に係る光部品は、上記実施形
態で述べた光ファイバグレーティング素子や光合分波回
路に限られるものではなく、他の任意の光部品(例え
ば、AWGや光分岐回路など)であってもよい。また、
上記第1および第2の実施形態に係る光部品それぞれは
温度依存性消去を図ったものであったが、温度調整によ
り特性を制御することができる機能を有する能動デバイ
スとして用いられる光部品(例えば、減衰量が可変の光
減衰器など)では、光部品の特性の温度依存性を逆に大
きし又は所望値とする光学材料を用いるのが好適であ
る。この場合にも、光部品の光導波領域には、SiO2
を主成分とする無機材料が有機材料と適切な配合比率で
化学結合され又は微粒子状態で混合された光学材料が用
いられる。
態で述べた光ファイバグレーティング素子や光合分波回
路に限られるものではなく、他の任意の光部品(例え
ば、AWGや光分岐回路など)であってもよい。また、
上記第1および第2の実施形態に係る光部品それぞれは
温度依存性消去を図ったものであったが、温度調整によ
り特性を制御することができる機能を有する能動デバイ
スとして用いられる光部品(例えば、減衰量が可変の光
減衰器など)では、光部品の特性の温度依存性を逆に大
きし又は所望値とする光学材料を用いるのが好適であ
る。この場合にも、光部品の光導波領域には、SiO2
を主成分とする無機材料が有機材料と適切な配合比率で
化学結合され又は微粒子状態で混合された光学材料が用
いられる。
【0041】
【発明の効果】以上、詳細に説明したとおり、本発明に
係る光部品は、SiO2を主成分とする無機材料が有機
材料と化学結合され又は微粒子状態で混合された光学材
料が光導波領域に用いられている。そして、上記無機材
料と上記有機材料との配合比率により、上記光学材料は
所望の屈折率の温度依存性を有する。また、上記光学材
料と他の材料との組み合わせにより、本発明に係る光部
品は、全体として所望の熱膨張係数を有し、所望の温度
特性を有する。したがって、この光部品は、温度依存性
消去の為に他の部材に実装する必要がないことから、実
装工程が不要であって製造が容易であり、構成が簡易で
ある。また、この光部品は、光導波領域の光路に沿った
方向について均質な光学材料とすることができるので、
光損失が小さい。
係る光部品は、SiO2を主成分とする無機材料が有機
材料と化学結合され又は微粒子状態で混合された光学材
料が光導波領域に用いられている。そして、上記無機材
料と上記有機材料との配合比率により、上記光学材料は
所望の屈折率の温度依存性を有する。また、上記光学材
料と他の材料との組み合わせにより、本発明に係る光部
品は、全体として所望の熱膨張係数を有し、所望の温度
特性を有する。したがって、この光部品は、温度依存性
消去の為に他の部材に実装する必要がないことから、実
装工程が不要であって製造が容易であり、構成が簡易で
ある。また、この光部品は、光導波領域の光路に沿った
方向について均質な光学材料とすることができるので、
光損失が小さい。
【図1】第1の実施形態に係る光学材料におけるSiO
2割合に対して、この光学材料の屈折率の温度係数を打
ち消し得る基板の熱膨張係数αを示したグラフである。
2割合に対して、この光学材料の屈折率の温度係数を打
ち消し得る基板の熱膨張係数αを示したグラフである。
【図2】第2の実施形態に係る光学材料の屈折率をメチ
ル基とフェニル基との配合比率に対して示したグラフで
ある。
ル基とフェニル基との配合比率に対して示したグラフで
ある。
【図3】第1の実施形態に係る光部品(光ファイバグレ
ーティング素子)の構成を説明する断面図である。
ーティング素子)の構成を説明する断面図である。
【図4】第1の実施形態に係る光部品(光ファイバグレ
ーティング素子)の作成方法を説明する図である。
ーティング素子)の作成方法を説明する図である。
【図5】第1の実施形態に係る光部品(光ファイバグレ
ーティング素子)の作成方法を説明する図である。
ーティング素子)の作成方法を説明する図である。
【図6】第2の実施形態に係る光部品(光合分波回路)
の構成を説明する斜視図である。
の構成を説明する斜視図である。
【図7】第2の実施形態に係る光部品(光合分波回路)
の作成方法を説明する図である。
の作成方法を説明する図である。
10…光部品(光ファイバグレーティング素子)、11
…コア領域、12…グレーティング、13…クラッド領
域、40…光部品(光合分波回路)、41…基板、42
…クラッド領域、43A,43B…コア領域。
…コア領域、12…グレーティング、13…クラッド領
域、40…光部品(光合分波回路)、41…基板、42
…クラッド領域、43A,43B…コア領域。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 2H047 KA03 LA12 LA18 MA05 PA02 PA22 PA24 QA04 QA05 2H050 AB04X AB04Y AB46X AC82 AC84 AD00
Claims (3)
- 【請求項1】 SiO2を主成分とする無機材料が有機
材料と化学結合され又は微粒子状態で混合された光学材
料が光導波領域に用いられていることを特徴とする光部
品。 - 【請求項2】 前記有機材料はシリコーン樹脂であるこ
とを特徴とする請求項1記載の光部品。 - 【請求項3】 前記無機材料と前記有機材料とが化学結
合された前記光学材料はラダー型シリコーン樹脂である
ことを特徴とする請求項1記載の光部品。
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