通信用発光装置及びその製造方法並びに通信システム
【課題】通信光を光ファイバ端面に集光させることが可能な構成を備えた通信用発光装置とこの通信用発光装置を用いた通信システムを提供すると共に、前記通信用発光装置を、複雑な工程を要することなく、容易かつ安価に製造する方法を提供する。
【解決手段】光ファイバ２の端部側面をフィルムで覆うことで長手方向に延びた筒状の空洞部の中に第一樹脂を滴下し、光ファイバ２の長手方向を軸として該光ファイバ２を回転し、第一樹脂に略半球状の凹面を形成しながら当該第一樹脂を硬化して上面に凹部をなす第一領域１１を形成する。次に、第一領域１１の中に、第一樹脂より屈折率が高い第二樹脂を滴下し、硬化して下面に凸部をなす第二領域１２を形成する。そして、フィルムの除去後、レンズ部３を構成する第二領域１２の上に、透明導電膜からなる陽極１３、発光層１４、陰極１５を順に重ねて構成するＥＬ素子部４を形成し、通信用発光装置１とする。
【解決手段】光ファイバ２の端部側面をフィルムで覆うことで長手方向に延びた筒状の空洞部の中に第一樹脂を滴下し、光ファイバ２の長手方向を軸として該光ファイバ２を回転し、第一樹脂に略半球状の凹面を形成しながら当該第一樹脂を硬化して上面に凹部をなす第一領域１１を形成する。次に、第一領域１１の中に、第一樹脂より屈折率が高い第二樹脂を滴下し、硬化して下面に凸部をなす第二領域１２を形成する。そして、フィルムの除去後、レンズ部３を構成する第二領域１２の上に、透明導電膜からなる陽極１３、発光層１４、陰極１５を順に重ねて構成するＥＬ素子部４を形成し、通信用発光装置１とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、通信用発光装置及びその製造方法並びに通信システムに係る。より詳細には、光ファイバ端部にレンズ部とＥＬ（エレクトロルミネッセンス）素子部とを配してなる、通信用発光装置及びその製造方法、並びにこの通信用発光装置を用いた通信システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
光通信システムで用いられる光源としては、たとえば半導体レーザがある。半導体レーザは、単一モードの光を出射できる点で通信用途として好ましいが、多数回にわたる結晶成長が必要であり、製造が容易でない。そのため、半導体レーザは高価なものとなっている。
また、半導体レーザでは、発光材料が限定されるため、発光波長も限定される。ところが、通信システムで用いられる光ファイバなどの光導波路材料は、石英ガラスやポリイミドなど多種多様であり、それぞれの材料で、もっとも透過率の良い波長で通信することが望ましく、ある程度任意の波長で発光できる通信用発光装置が望まれている。
【０００３】
そこで、安価で、多様な波長で発光できる通信用発光装置として、有機ＥＬ（エレクトロルミネッセンス）素子を用いた発光装置が検討されている。
有機ＥＬ素子が通信用途として十分な機能を有していることは、たとえば、光導波路の一端に形成された４５度全反射マイクロミラーの上に有機ＥＬ素子を形成し、青、緑、黄、赤の４波長での有機ＥＬ素子の応答特性の評価を行った結果から明らかである（非特許文献１参照）。
また、有機ＥＬ素子を用いた発光装置としては、コア層およびクラッド層とを備える光ファイバの端面に、前記コア層および前記クラッド層の少なくとも一方と連続的に有機ＥＬ素子部を設けた通信用の発光装置に関する発明が説明されている（特許文献１参照）。
【０００４】
しかしながら、有機ＥＬは面発光素子であり、出射角度は半導体レーザと比較して大きい。そのため、有機ＥＬ素子と光ファイバ端面とを密着させたとしても、有機ＥＬ素子から発した光の大部分は、光ファイバ中を伝搬することなく外部に放射されてしまう。したがって、有機ＥＬ素子から光ファイバ端面に通信光を導入する際は、レンズを用いて集光させることが望ましい。
ところが従来の技術において、あらかじめレンズを作製し、それを有機ＥＬ素子と光ファイバ端面の間に実装することで作製する通信用発光装置では、光ファイバ端面に、レンズと有機ＥＬ素子とを精度良く位置合わせをした後、固定しなければならず、複雑な工程が必要になってしまう。そのため、安価な通信用発光装置をつくることは困難であった。
【特許文献１】特開２０００−２００６７９号公報
【非特許文献１】信化技報、２００４年 Vol.１０４，No.１３６，ｐ．４１−４６「有機ＥＬとポリマー導波路によるフレキシブルデバイス」（大森裕、日野有一、高橋和也、梶井博武）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、通信光を光ファイバ端面に集光させることが可能な構成を備えた通信用発光装置とこの通信用発光装置を用いた通信システムを提供することを目的とする。
また、本発明は、光ファイバ端面にレンズとＥＬ素子とが精度良く備えられた通信用発光装置を、複雑な工程を要することなく、容易かつ安価に製造することができる方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の請求項１に係る通信用発光装置は、光ファイバの端面にレンズ部とＥＬ素子部を順に重ねて配置してなる通信用発光装置であって、前記レンズ部は、前記光ファイバと同じ外径を有する円筒形をなしており、略半球状の界面により区分される、前記光ファイバ側に位置して該界面において凹部をなす第一領域と前記ＥＬ素子部側に位置して該界面において凸部をなす第二領域とから構成され、前記第二領域が前記第一領域より高い屈折率をもつことを特徴とする。
【０００７】
本発明の請求項２に係る通信用発光装置は、請求項１において、前記ＥＬ素子部は、前記レンズ部側に透明導電膜からなる陽極を配し、さらに該陽極の上に単層膜又は積層膜からなる発光層と、陰極とを順に重ねた構成であることを特徴とする。
【０００８】
本発明の請求項３に係る通信用発光装置は、請求項１又は２において、前記光ファイバは、コア・クラッド構造を有することを特徴とする。
【０００９】
本発明の請求項４に係る通信用発光装置は、請求項１乃至３のいずれか１項において、前記光ファイバは、石英ガラス、ポリエチレンメタクリエート、メチルメタアクリレートから選択された材料であることを特徴とする。
【００１０】
本発明の請求項５に係る通信用発光装置は、請求項１乃至４のいずれか１項において、前記第一領域は、フッ素元素を含む硬化型樹脂からなることを特徴とする。
【００１１】
本発明の請求項６に係る通信用発光装置は、請求項１乃至５のいずれか１項において、前記第一領域は、屈折率が１．３〜１．４であることを特徴とする。
【００１２】
本発明の請求項７に係る通信用発光装置は、請求項１乃至６のいずれか１項において、前記第二領域は、屈折率が１．４〜１．７であることを特徴とする。
【００１３】
本発明の請求項８に係る通信用発光装置は、請求項１乃至７のいずれか１項において、前記レンズ部は、前記光ファイバと前記ＥＬ素子部の間の光結合効率を制御する機能をもつことを特徴とする。
【００１４】
本発明の請求項９に係る通信用発光装置は、請求項８において、光信号の伝送速度が１〜３００Ｍｂｐｓの範囲で使用されることを特徴とする。
【００１５】
本発明の請求項１０に係る通信用発光装置の製造方法は、光ファイバの端部側面をフィルムで覆って長手方向に筒状の空洞部を形成する工程と、前記空洞部の中に第一樹脂を滴下し、前記光ファイバの長手方向を軸として当該光ファイバを回転させ、前記第一樹脂に略半球状の凹面を形成しながら当該第一樹脂を硬化させて上面に凹部をなす第一領域を形成する工程と、前記第一領域の中に、前記第一樹脂より屈折率が高い第二樹脂を滴下し、硬化させて下面に凸部をなす第二領域を形成する工程と、前記フィルムを取り除いた後、レンズ部を構成する前記第二領域の上に、透明導電膜からなる陽極、単層膜又は積層膜からなる発光層と、陰極とを順に重ねて構成するＥＬ素子部を形成する工程と、を少なくとも有することを特徴とする。
【００１６】
本発明の請求項１１に係る通信システムは、光ファイバの端面にレンズ部とＥＬ素子部を順に重ねて配置してなる通信用発光装置であって、前記レンズ部は、前記光ファイバと同じ外径を有する円筒形をなしており、略半球状の界面により区分される、前記光ファイバ側に位置して該界面において凹部をなす第一領域と前記ＥＬ素子部側に位置して該界面において凸部をなす第二領域とから構成され、前記第二領域が前記第一領域より高い屈折率をもつ通信用発光装置を用いたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の通信用発光装置は、光ファイバの端面に配置してなる、当該光ファイバと同じ外径を有する円筒形をなすレンズ部が、略半球状の凸面からなる界面により区分される、前記光ファイバ側に位置する凹部をなす第一領域と前記ＥＬ素子部側に位置する凸部をなす第二領域とから構成され、前記第二領域が前記第一領域より高い屈折率をもつので、通信光を光ファイバ端面に集光させることが可能となり、光ファイバの端面へ入射する光量を増加させることができる。ゆえに、光ファイバとＥＬ素子部の間の光結合効率を高くする（増大させる）ことができる。しかも、本発明の通信用発光装置は、前記レンズ部が光ファイバの端面に連続して配置されているので、光軸合わせが不要である。
【００１８】
また、本発明の通信用発光装置の製造方法は、光ファイバの端部側面をフィルムで覆って長手方向に筒状の空洞部を形成し、当該空洞部の中に第一樹脂を滴下し、前記光ファイバの長手方向を軸として当該光ファイバを回転させ、前記第一樹脂に略半球状の凹面を形成しながら当該第一樹脂を硬化させて上面に凹部をなす第一領域と、前記第一領域の中に、前記第一樹脂より屈折率が高い第二樹脂を滴下し、硬化させて下面に凸部をなす第二領域とを形成し、さらに、前記フィルムを取り除いた後、レンズ部を構成する前記第二領域の上に、透明導電膜からなる陽極、単層膜又は積層膜からなる発光層と、陰極とを順に重ねて構成するＥＬ素子部を形成するので、光配線としての光ファイバ端面に、レンズとＥＬ素子とを精度良く位置合わせをした後、固定しなければならないといった複雑でコスト増につながる工程を要することなく、前記光配線の端面に、凹部をなす第一領域と凸部をなす第二領域とから構成されるレンズ部と、ＥＬ素子部とを備えた通信用発光素子を、精度良く、容易かつ安価に作製することができる。
【００１９】
さらに、本発明の通信システムは、上記通信用発光装置を用いているので、光ファイバとＥＬ素子部との結合効率を調整し、効率良く安定して光信号の伝搬を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の一実施形態について、図面に基づき詳細に説明する。
図１及び図２は、共に本実施形態の通信用発光装置を示す断面図である。
まず、図１及び図２に示すとおり、本実施形態における通信用発光装置１（１Ａ，１Ｂ）は、光ファイバ２と、当該光ファイバ２の端面２ａに重ねて配置されたレンズ部３と、当該レンズ部３の端面３ａに順に重ねて配置されたＥＬ素子部４（４Ａ，４Ｂ）から構成される。
【００２１】
光ファイバ２は、光信号を伝搬する通信用ケーブルである。光ファイバ２の材質としては特に制限は無いが、たとえば石英ガラスやポリエチレンメタクリエート、メチルメタアクリレート等から形成されているものを使用することができる。
また、光の伝送特性を向上させるために、中心部のコアと、その周囲を覆うクラッドの二重構造から構成される、コア・クラッド構造を有する光ファイバを用いることもできる。この場合、クラッドはコアに比べて屈折率の低い材料で構成される。たとえば石英ガラスからなる光ファイバでは、コア部分にＧｅ等の元素を添加してコア部分の屈折率高めることで、相対的にクラッドを構成する石英ガラスの屈折率を低くすることができる。光ファイバ２は、光信号の伝送速度が１〜３００Ｍｂｐｓの範囲で使用される。
また、ポリエチレンメタクリエートからなるプラスチック光ファイバでは、ポリエチレンメタクリエートより屈折率の低いフッ化ビニリデン、パーフルオロメタクリレート等の材料をクラッドに用いる。
【００２２】
レンズ部３は、前記光ファイバ２と同じ外径を有する円筒形をなしている。また、レンズ部３は、略半球状の界面３０により区分される、前記光ファイバ２側に位置して該界面３０において凹部をなす第一領域１１と、前記ＥＬ素子部４側に位置して該界面３０において凸部をなす第二領域１２とから構成される。そして、レンズ部３は、第二領域１２が第一領域１１より高い屈折率をもつ。
これによりレンズ部３は、ＥＬ素子部４から出射した光信号を前記第二領域３２にて効率良く集光して光ファイバ２端面へ入射する光量を増加させ、ＥＬ素子部４と光ファイバ２との光結合効率を向上させることを可能とする。
【００２３】
ＥＬ素子部４（４Ａ，４Ｂ）は、電流を流すことによって発光する光半導体である。ＥＬ素子には、有機ＥＬ素子と無機ＥＬ素子があり、有機ＥＬ素子は直流で動作し、かつ無機ＥＬ素子に比べると低電圧で駆動するので、工業的に有利である。
ＥＬ素子部４（４Ａ，４Ｂ）は、レンズ部３の第二領域１２側から順に、透明電極（陽極）１３、発光層１４、陰極１５という構成になっている。
透明電極１３は、高導電性と高透過性からＩＴＯ（スズ添加酸化インジウム）、ＩＺＯ（亜鉛添加酸化インジウム）、ＡＺＯ（アルミニウム添加酸化亜鉛）などの材料を用いることができる。
透明電極１３の製造方法としては特に制限はされないが、スパッタ法、インクジェット法、スピンコート法などを用いることができる。インクジェット法、スピンコート法では、透明電極材料の微粒子をバインダーに分散し、塗布後に加熱して脱脂することで透明電極１３を形成することができる。また、たとえばＩＴＯ膜を形成する場合、塩化インジウムと塩化スズのエタノール溶液を塗布し、加熱することでも透明電極１３を形成することができる。この透明電極１３は、優れた導電性および透過性を兼ね備える厚さ、すなわち、１５０ｎｍ〜３００ｎｍ程度の薄膜が好ましい形態である。
【００２４】
発光層１４は、少なくとも所定波長の発光を生じる単層膜を含み、単層膜または積層膜のいずれにより構成されていても良い。したがって、発光層１４が単層膜から構成される場合は、図１に示すように、ＥＬ素子部４Ａは、透明電極（陽極）１３、発光層１４、陰極１５という構成になっている。一方、発光層１４が積層膜から構成される場合は、図２に示すように、Ｌ素子部４Ｂは、透明電極（陽極）１３、正孔輸送層２１、発光層１４、電子輸送層２２、陰極１５という構成になっている。
【００２５】
発光層１４に用いる具体的な材料は、特に制限されることはない。たとえば、電子情報通信学会論文誌Ｃ、２００２年 Ｖｏｌ．Ｊ８５−Ｃ，Ｎｏ．１２，ｐ．１０９７−１１０２、「有機ＥＬ素子による光リンク用電気−光変換素子への応用」（梶井博武、種田貴之、塚川貴久、金子昌充、大森裕）に示されるように、発光層１４が３層膜からなる有機ＥＬ素子部では、正孔輸送層２１にα−ＮＰＤを、有機発光層１４にルブレンをドーピングしたアルミニウムキノリン錯体と、電子輸送層２２にアルミニウムキノリン錯体を用いることができる。この場合、波長が５６０ｎｍの発光を得ることができる。また、発光層１４が２層膜からなる有機ＥＬ素子部では、正孔輸送層２１にα−ＮＰＤを、有機発光層２２にアルミニウムキノリン錯体を用いることができる。この場合、波長が５２０ｎｍの発光を得ることができる。
【００２６】
また、発光層１４は、必要に応じて、キャリア輸送層、キャリア注入層を設けることにより、有機ＥＬ素子部４の発光効率を向上させたり、発光波長をコントロールしたりすることができる。
【００２７】
この発光層１４の製造方法は特に制限されないが、一般的な発光層を製造する方法である、真空蒸着法、スパッタ法、インクジェット法、スピンコート法などを用いることができる。特に、この中でスピンコート法を用いれば、後述するように、光ファイバ２の端面２ａに第一樹脂７を滴下し、遠心力によって前記第一樹脂７に略半球状の凹面部３１を形成しながら当該第一樹脂７を硬化して第一領域１１を形成する工程、形成された前記第一領域１１の凹面部３１の中に、当該第一樹脂７より屈折率が高い第二樹脂８を滴下し、硬化して第二領域１２を形成する工程と連続で、前記第二領域１２の上に、有機ＥＬ素子部４を形成する工程も実施することができ、工業的に有利である。また、インクジェット法を用いれば、材料の利用効率が高く、工業的に有利である。また、スピンコート法やインクジェット法といったウェットプロセスを用いる場合は、高価な真空プロセスが不必要になるため、工業的に有利である。
【００２８】
陰極１５には、マグネシウム、カルシウム、銀、アルミニウム、リチウム、セシウム、またはこれらの金属の合金を用いることができる。
陰極１５を形成する製造方法は特に制限されないが、蒸着法、スパッタ法を用いることで、発光層１４への接着性、導電性に優れる電極を形成することができる。
【００２９】
さらに、図示例のように、必要に応じて前記陰極１５の上に、ガスバリア層１６を設けても良い。また、必要に応じて、前記第二領域１２と前記透明電極１３との間に、ガスバリア層を設けても良い。一般に有機材料は、酸素と水と結合して分解してしまうため、酸素と水が有機ＥＬ素子部の劣化の原因となっている。ガスバリア層１６を設けることで、有機ＥＬ素子部の信頼性を向上させることができる。
【００３０】
次に、本実施形態で示す通信用発光装置１の製造方法の一例について、図３乃至図８を参照しながら説明する。
まず、図３に示すように、平坦な端面２ａをもつ光ファイバ２を準備する。図３は、通信用発光装置１で用いる光ファイバ２を示す（Ａ）平面図と、（Ｂ）この平面図に示すＩ−Ｉ線断面図である。
次に、図４に示
すように、光ファイバ２の端部側面をフィルム５で覆って長手方向に筒状の空洞部６を形成する。図４は、光ファイバ２の端部をフィルム５で覆った状態を示す（Ａ）平面図と、（Ｂ）この平面図に示すＩＩ−ＩＩ線断面図である。筒状の空洞部６は、光ファイバ２の端部側面にフィルム５を筒状に巻き付けるたり、予め筒状に形成されたフィルム（キャップ）５を光ファイバ２の端部に取り付けたりすることにより形成できる。
【００３１】
次いで、図５に示すように、前記光ファイバ２の端部に形成された筒状の空洞部６の中に硬化型の第一樹脂７を滴下する。図５は、光ファイバ２の端部側面をフィルム５で覆って形成した空洞部６の中に第一樹脂７を滴下した状態を示す断面図である。ここで、硬化型の第一樹脂７には、有機ＥＬ素子部４から発光波長での透過率が高く、後の工程でレンズ部３を構成する第二樹脂８よりも屈折率の低い材料を用いる必要があり、たとえばフッ化ビニリデン、パーフルオロメタクリレートに代表される、フッ素元素を含むフッ素系樹脂を用いることができる。第一樹脂７の屈折率は、たとえば１．３〜１．５が好適であり、屈折率をこの範囲とすることにより、良好なレンズ特性とともに、第一樹脂と第二樹脂との界面の機械的強度（接着力）を両立できるので望ましい。
また、第一樹脂７の硬化方法は、特に制限されない。たとえば熱をかけることで硬化する熱硬化性樹脂や、紫外線を照射することで硬化するＵＶ硬化樹脂、空気中の水分と反応して硬化するタイプの硬化型樹脂を用いることができる。
【００３２】
引き続き、図６に示すように、光ファイバ２の長手方向を軸として当該光ファイバ２を回転させ、前記筒状の空洞部６の中に滴下された第一樹脂７に遠心力を働かせ、当該第一樹脂７が中心部より外側へ片寄って上面に略半球状の凹面部３１を形成するように回転を保持する。図６は、光ファイバ２を、その長手方向を軸として回転する状態を示す断面図である。ここで、前記光ファイバ２の端部に形成された筒状の空洞部６は、第一樹脂７が光ファイバ２の端部から流れ落ちないように保持する役割を果たしている。
そして、このように回転した状態で前記第一樹脂７を硬化し、上面に凹部をなす第一領域１１を形成する。第一樹脂７の硬化は、たとえばＵＶ硬化型樹脂を用いた場合であれば、上部から所定の強度の紫外光を照射し、表面を半球状の凹面状に硬化する。
また、光ファイバ２を回転させ、第一樹脂７の表面を遠心力で凹面状に保持する際、光ファイバ２の回転数を制御することで、凹面部３１の形状をコントロールし、レンズ形状を変えることができる。ゆえに、上述した第一領域１１と、後述する第二領域１２とによって構成されるレンズ部３は、有機ＥＬ素子部４と光ファイバ２との光結合効率を制御する機能をもつ。有機ＥＬ素子部４と光ファイバ２との光結合効率としては、例えば、直径５００ｍｍの光ファイバの場合、約５０％〜９０％の範囲が好ましい。
【００３３】
次に、図７に示すように、形成された半球状の凹面部３１の中に、前記第一樹脂７より屈折率の高い硬化型の第二樹脂８を滴下し、静置状態で当該第二樹脂８を硬化させることで、下面に凸部をなす第二領域１２を形成する。図７は、第一樹脂７により形成された第一領域１１の凹面部３１の中に第二樹脂８を滴下し、硬化する状態を示す断面図である。滴下した第二樹脂８は、先に硬化させた第一樹脂７からなる第一領域１１の凹面部３１に沿って、凸面部３２を形成する。ここで、第二樹脂８は、有機ＥＬ素子部４から発光波長での透過率が高く、第一樹脂７よりも屈折率の高い材料を用いる必要があり、たとえばポリエチレンメタクリエート、メチルメタアクリレート、ポリイミド等のフッ素系樹脂を用いることができる。第二樹脂８の屈折率は、たとえば１．４〜１．７であることが望ましい。
また、第二樹脂８の硬化方法は、特に制限されない。たとえば熱をかけることで硬化する熱硬化性樹脂や、紫外線を照射することで硬化するＵＶ硬化樹脂、空気中の水分と反応して硬化するタイプの硬化型樹脂を用いることができる。
【００３４】
第二樹脂８が硬化した後、図８に示すように、光ファイバ２の端部を覆った筒状のフィルム５を除去する。図８は、第二樹脂８が硬化した後、フィルム５を除去した状態を示す断面図である。これにより、第一領域１１と第二領域１２とによってレンズ部３が構成される。この際、第二領域１２の凸面部３２は、光ファイバ２の端面２ａと直に接しておらず、第一領域１１を介して光ファイバ２の端面２ａと接している。また、第二領域１２の上面（すなわち、有機ＥＬ素子部４が形成される）側には、光ファイバ２と同じ外径を有する円筒状の領域を有している。
なお、フィルム５の除去後、必要に応じて、第二樹脂８からなる第二領域１２の表面１２ａを研磨しても良い。
【００３５】
その後、前記レンズ部３を構成する第二領域１２の上に、直接、透明導電膜からなる陽極１３、単層膜又は積層膜からなる発光層１４、陰極１５を順に重ねて構成する有機ＥＬ素子部４を形成することにより、図１に示すような通信用発光装置１Ａもしくは図２に示すような通信用発光装置１Ｂとする。
以上によって、光ファイバ２の端面２ａに、レンズ部３と、有機ＥＬ素子部４を備えた通信用発光素子１を、精度良く、安価に作製することができる。
【実施例】
【００３６】
次に、実施例として、本発明の実施形態に係る通信用発光装置を作製し、有機ＥＬ素子部とプラスチックファイバとの光結合効率を評価した。ここでいう光結合効率とは、有機ＥＬ素子部から出射した全光量のうち、プラスチックファイバへの入射光量、すなわち、プラスチックファイバ内に入射され、実際に導波していく光量の割合（％）をさす。
【００３７】
まず、コア部がポリエチレンメタクリエートであり、クラッド部がパーフルオロメタクリレートからなる、コア・クラッド構造を有する直径５００μｍのプラスチックファイバを準備した。次いで、このプラスチックファイバの両端面を、＃３０００、＃７５００、＃１５０００の粗さの回転式研磨盤を順次用いてそれぞれ研磨した。研磨後のプラスチックファイバの長さは、２００ｍｍであった。そして、このプラスチックファイバの片方の先端をフィルムで覆い、当該プラスチックファイバの長手方向に筒状の空洞部を形成した。
【００３８】
次に、フィルムにより形成された空洞部の中に、パーフルオロメタクリレートを主成分とするＵＶ硬化型樹脂を、ディスペンサーを用いて滴下した。そして、このプラスチックファイバを、当該プラスチックファイバの長手方向を軸として６０ｒｐｍで回転させ、遠心力によってＵＶ硬化型樹脂の表面に半球状の凹部を形成し、この状態を保持しながら上部から水銀ランプにより紫外線を照射してＵＶ硬化型樹脂を硬化させ、上面に凹部をなす第一領域を形成した。
【００３９】
次いで、硬化した第一領域の上に、ポリイミドを主成分としたＵＶ硬化型樹脂を、ディスペンサーを用いて滴下した。そして、十分に静止状態で放置した後、上部から水銀ランプにより紫外線を照射してＵＶ硬化型樹脂を硬化させ、下面に凸部をなす第二領域を形成した。この際、第二領域の凸部は、光ファイバの端面と直に接しておらず、第一領域を介して光ファイバの端面と接している。また、第二領域の上面（すなわち、有機ＥＬ素子部が形成される）側には、光ファイバと同じ外径を有する円筒状の領域を有している。
【００４０】
そして、第二領域が硬化した後、プラスチックファイバの片方の先端を覆ったフィルムを取り除き、第二領域の表面を、粗さ（番手）が＃３０００〜＃１５０００の回転式研磨盤を用いて鏡面研磨した。研磨後、前記第一領域と前記第二領域とからなるレンズ部を光学顕微鏡で観察したところ、図９に示すように、第一領域１１の高さが５００μｍであり、第二領域１２の上面側の円筒状の領域の高さ（厚さ）が１００μｍであり、第一領域１１と第二領域１２の界面３０が放物線状（略半球状）であった。
【００４１】
次に、上記レンズ部の上に、透明導電膜からなる陽極、有機発光層、を順に重ねて構成するＥＬ素子部を形成した。陽極は、研磨した第二領域の上面に、スパッタ法でＩＴＯ膜を１５０μｍの厚さになるように成膜して形成した。有機発光層は、膜厚５０ｎｍのα−ＮＰＤと、膜厚３０ｎｍのアルミニウムキノリン錯体を蒸着法で成膜して形成した。陰極としてのマグネシウム電極は、スパッタ法で膜厚３００ｎｍに形成した。
以上の工程で、プラスチックファイバの端面に、レンズ部と有機ＥＬ素子部を備えた通信用発光装置を作製した。
【００４２】
次に、作製した通信用発光装置のプラスチックファイバ部が曲がらないように、平坦な台の上に配置し、有機ＥＬ素子部を発光させ、有機ＥＬ素子部とプラスチックファイバとの光結合効率を評価した。有機ＥＬ素子部から出射する全光量は、厚さ１００μｍのポリイミド基板上に、本実施例と同じ構造の有機ＥＬ素子部を同じ製造方法で作製し、直流電流９．８ｍＡで発光させ、積分球とフォトダイオードを用いて測定した値を全光量とした。また、本実施例で作製した通信用発光装置の有機ＥＬ素子部を形成していない、もう一方の端部にフォトダイオードを設置し、直流電流９．８ｍＡで発光させた時にフォトダイオードで検出される光量から、光がプラスチックファイバを導波する際の減衰量を差し引いた値を、プラスチックファイバへの入射光量とした。
【００４３】
本実施例では、プラスチックファイバの直径に対して、十分に大きな受光面積をもつフォトダイオードを用いたので、ラスチックファイバから出射した光がフォトダイオードに結合する効率は、１００％とした。
検討の結果、有機ＥＬ素子部に直流電流９．８ｍＡを印加して発光させた際の有機ＥＬ素子部とプラスチックファイバとの光結合効率は７２％であり、非常に高効率で結合させることができた。
【００４４】
また、比較例として、プラスチックファイバの端面に、有機ＥＬ素子部を備えた通信用発光装置を作製し、上記実施例と同様に、有機ＥＬ素子部とプラスチックファイバとの光結合効率を評価した。
まず、コア部がポリエチレンメタクリエートであり、クラッド部がパーフルオロメタクリレートからなる、コア・クラッド構造を有する直径５００μｍのプラスチックファイバを準備した。次いで、このプラスチックファイバの両端面を、＃３０００、＃７５００、＃１５０００の粗さの回転式研磨盤を順次用いてそれぞれ研磨した。研磨後のプラスチックファイバの長さは、２００ｍｍであった。そして、このプラスチックファイバの片方の先端をフィルムで覆い、当該プラスチックファイバの長手方向に筒状の空洞部を形成した。
【００４５】
次に、フィルムにより形成された空洞部の中に、ポリイミドを主成分としたＵＶ硬化型樹脂を、ディスペンサーを用いて滴下した。そして、十分に静止状態で放置した後、上部から水銀ランプにより紫外線を照射して当該樹脂を硬化させた。この樹脂が硬化した後、プラスチックファイバの片方の先端を覆ったフィルムを取り除き、その表面を、粗さ（番手）が＃３０００〜＃１５０００の回転式研磨盤を用いて鏡面研磨した。研磨後、プラスチックファイバの端部を光学顕微鏡で観察したところ、図１０に示すように、樹脂部５３の高さ（厚さ）が１００μｍであった。
【００４６】
次に、上記樹脂部の上に、上記実施例と同様の有機ＥＬ素子部を形成した。有機ＥＬ素子部は、研磨した樹脂部の上面に、スパッタ法でＩＴＯ膜を１５０μｍの厚さになるように成膜して陽極を形成し、また、膜厚５０ｎｍのα−ＮＰＤと、膜厚３０ｎｍのアルミニウムキノリン錯体を蒸着法で成膜して有機発光層を形成し、陰極としてマグネシウム電極をスパッタ法で作製した。
以上の工程で、プラスチックファイバの端面に、有機ＥＬ素子部を備えた通信用発光装置を作製した。
【００４７】
次に、作製した通信用発光装置のプラスチックファイバ部が曲がらないように、平坦な台の上に配置し、有機ＥＬ素子部を発光させ、有機ＥＬ素子部とプラスチックファイバとの光結合効率を、上記実施例と同様の方法で評価した。
その結果、有機ＥＬ素子部に直流電流９．８ｍＡを印加して発光させた際の有機ＥＬ素子部とプラスチックファイバとの光結合効率は２４％であり、高い結合効率を得ることができなかった。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明に係る通信用発光装置の第一実施形態を示す断面図である。
【図２】本発明に係る通信用発光装置の第二実施形態を示す断面図である。
【図３】本発明に係る通信用発光装置を製造する第一工程を説明する図である。
【図４】本発明に係る通信用発光装置を製造する第二工程を説明する図である。
【図５】本発明に係る通信用発光装置を製造する第三工程を説明する図である。
【図６】本発明に係る通信用発光装置を製造する第四工程を説明する図である。
【図７】本発明に係る通信用発光装置を製造する第五工程を説明する図である。
【図８】本発明に係る通信用発光装置を製造する第六工程を説明する図である。
【図９】実施例に係るプラスチックファイバの端部を示す拡大断面図である。
【図１０】比較例に係るプラスチックファイバの端部を示す拡大断面図である。
【符号の説明】
【００４９】
１（１Ａ，１Ｂ） 通信用発光装置、２ 光ファイバ、２ａ 光ファイバの端面、３ レンズ部、３ａ レンズ部の端面、４（４Ａ，４Ｂ） ＥＬ素子部（有機ＥＬ素子部）、５ フィルム、６ 空洞部、７ 第一樹脂、８ 第二樹脂、１１ 第一領域、１２ 第二領域、１３ 透明導電膜（陽極）、１４ 発光層、１５ 陰極、１６ ガスバリア層、２１ 正孔輸送層、２２ 電子輸送層、３０ 界面、３１ 凹面部、３２ 凸面部。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、通信用発光装置及びその製造方法並びに通信システムに係る。より詳細には、光ファイバ端部にレンズ部とＥＬ（エレクトロルミネッセンス）素子部とを配してなる、通信用発光装置及びその製造方法、並びにこの通信用発光装置を用いた通信システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
光通信システムで用いられる光源としては、たとえば半導体レーザがある。半導体レーザは、単一モードの光を出射できる点で通信用途として好ましいが、多数回にわたる結晶成長が必要であり、製造が容易でない。そのため、半導体レーザは高価なものとなっている。
また、半導体レーザでは、発光材料が限定されるため、発光波長も限定される。ところが、通信システムで用いられる光ファイバなどの光導波路材料は、石英ガラスやポリイミドなど多種多様であり、それぞれの材料で、もっとも透過率の良い波長で通信することが望ましく、ある程度任意の波長で発光できる通信用発光装置が望まれている。
【０００３】
そこで、安価で、多様な波長で発光できる通信用発光装置として、有機ＥＬ（エレクトロルミネッセンス）素子を用いた発光装置が検討されている。
有機ＥＬ素子が通信用途として十分な機能を有していることは、たとえば、光導波路の一端に形成された４５度全反射マイクロミラーの上に有機ＥＬ素子を形成し、青、緑、黄、赤の４波長での有機ＥＬ素子の応答特性の評価を行った結果から明らかである（非特許文献１参照）。
また、有機ＥＬ素子を用いた発光装置としては、コア層およびクラッド層とを備える光ファイバの端面に、前記コア層および前記クラッド層の少なくとも一方と連続的に有機ＥＬ素子部を設けた通信用の発光装置に関する発明が説明されている（特許文献１参照）。
【０００４】
しかしながら、有機ＥＬは面発光素子であり、出射角度は半導体レーザと比較して大きい。そのため、有機ＥＬ素子と光ファイバ端面とを密着させたとしても、有機ＥＬ素子から発した光の大部分は、光ファイバ中を伝搬することなく外部に放射されてしまう。したがって、有機ＥＬ素子から光ファイバ端面に通信光を導入する際は、レンズを用いて集光させることが望ましい。
ところが従来の技術において、あらかじめレンズを作製し、それを有機ＥＬ素子と光ファイバ端面の間に実装することで作製する通信用発光装置では、光ファイバ端面に、レンズと有機ＥＬ素子とを精度良く位置合わせをした後、固定しなければならず、複雑な工程が必要になってしまう。そのため、安価な通信用発光装置をつくることは困難であった。
【特許文献１】特開２０００−２００６７９号公報
【非特許文献１】信化技報、２００４年 Vol.１０４，No.１３６，ｐ．４１−４６「有機ＥＬとポリマー導波路によるフレキシブルデバイス」（大森裕、日野有一、高橋和也、梶井博武）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、通信光を光ファイバ端面に集光させることが可能な構成を備えた通信用発光装置とこの通信用発光装置を用いた通信システムを提供することを目的とする。
また、本発明は、光ファイバ端面にレンズとＥＬ素子とが精度良く備えられた通信用発光装置を、複雑な工程を要することなく、容易かつ安価に製造することができる方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の請求項１に係る通信用発光装置は、光ファイバの端面にレンズ部とＥＬ素子部を順に重ねて配置してなる通信用発光装置であって、前記レンズ部は、前記光ファイバと同じ外径を有する円筒形をなしており、略半球状の界面により区分される、前記光ファイバ側に位置して該界面において凹部をなす第一領域と前記ＥＬ素子部側に位置して該界面において凸部をなす第二領域とから構成され、前記第二領域が前記第一領域より高い屈折率をもつことを特徴とする。
【０００７】
本発明の請求項２に係る通信用発光装置は、請求項１において、前記ＥＬ素子部は、前記レンズ部側に透明導電膜からなる陽極を配し、さらに該陽極の上に単層膜又は積層膜からなる発光層と、陰極とを順に重ねた構成であることを特徴とする。
【０００８】
本発明の請求項３に係る通信用発光装置は、請求項１又は２において、前記光ファイバは、コア・クラッド構造を有することを特徴とする。
【０００９】
本発明の請求項４に係る通信用発光装置は、請求項１乃至３のいずれか１項において、前記光ファイバは、石英ガラス、ポリエチレンメタクリエート、メチルメタアクリレートから選択された材料であることを特徴とする。
【００１０】
本発明の請求項５に係る通信用発光装置は、請求項１乃至４のいずれか１項において、前記第一領域は、フッ素元素を含む硬化型樹脂からなることを特徴とする。
【００１１】
本発明の請求項６に係る通信用発光装置は、請求項１乃至５のいずれか１項において、前記第一領域は、屈折率が１．３〜１．４であることを特徴とする。
【００１２】
本発明の請求項７に係る通信用発光装置は、請求項１乃至６のいずれか１項において、前記第二領域は、屈折率が１．４〜１．７であることを特徴とする。
【００１３】
本発明の請求項８に係る通信用発光装置は、請求項１乃至７のいずれか１項において、前記レンズ部は、前記光ファイバと前記ＥＬ素子部の間の光結合効率を制御する機能をもつことを特徴とする。
【００１４】
本発明の請求項９に係る通信用発光装置は、請求項８において、光信号の伝送速度が１〜３００Ｍｂｐｓの範囲で使用されることを特徴とする。
【００１５】
本発明の請求項１０に係る通信用発光装置の製造方法は、光ファイバの端部側面をフィルムで覆って長手方向に筒状の空洞部を形成する工程と、前記空洞部の中に第一樹脂を滴下し、前記光ファイバの長手方向を軸として当該光ファイバを回転させ、前記第一樹脂に略半球状の凹面を形成しながら当該第一樹脂を硬化させて上面に凹部をなす第一領域を形成する工程と、前記第一領域の中に、前記第一樹脂より屈折率が高い第二樹脂を滴下し、硬化させて下面に凸部をなす第二領域を形成する工程と、前記フィルムを取り除いた後、レンズ部を構成する前記第二領域の上に、透明導電膜からなる陽極、単層膜又は積層膜からなる発光層と、陰極とを順に重ねて構成するＥＬ素子部を形成する工程と、を少なくとも有することを特徴とする。
【００１６】
本発明の請求項１１に係る通信システムは、光ファイバの端面にレンズ部とＥＬ素子部を順に重ねて配置してなる通信用発光装置であって、前記レンズ部は、前記光ファイバと同じ外径を有する円筒形をなしており、略半球状の界面により区分される、前記光ファイバ側に位置して該界面において凹部をなす第一領域と前記ＥＬ素子部側に位置して該界面において凸部をなす第二領域とから構成され、前記第二領域が前記第一領域より高い屈折率をもつ通信用発光装置を用いたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の通信用発光装置は、光ファイバの端面に配置してなる、当該光ファイバと同じ外径を有する円筒形をなすレンズ部が、略半球状の凸面からなる界面により区分される、前記光ファイバ側に位置する凹部をなす第一領域と前記ＥＬ素子部側に位置する凸部をなす第二領域とから構成され、前記第二領域が前記第一領域より高い屈折率をもつので、通信光を光ファイバ端面に集光させることが可能となり、光ファイバの端面へ入射する光量を増加させることができる。ゆえに、光ファイバとＥＬ素子部の間の光結合効率を高くする（増大させる）ことができる。しかも、本発明の通信用発光装置は、前記レンズ部が光ファイバの端面に連続して配置されているので、光軸合わせが不要である。
【００１８】
また、本発明の通信用発光装置の製造方法は、光ファイバの端部側面をフィルムで覆って長手方向に筒状の空洞部を形成し、当該空洞部の中に第一樹脂を滴下し、前記光ファイバの長手方向を軸として当該光ファイバを回転させ、前記第一樹脂に略半球状の凹面を形成しながら当該第一樹脂を硬化させて上面に凹部をなす第一領域と、前記第一領域の中に、前記第一樹脂より屈折率が高い第二樹脂を滴下し、硬化させて下面に凸部をなす第二領域とを形成し、さらに、前記フィルムを取り除いた後、レンズ部を構成する前記第二領域の上に、透明導電膜からなる陽極、単層膜又は積層膜からなる発光層と、陰極とを順に重ねて構成するＥＬ素子部を形成するので、光配線としての光ファイバ端面に、レンズとＥＬ素子とを精度良く位置合わせをした後、固定しなければならないといった複雑でコスト増につながる工程を要することなく、前記光配線の端面に、凹部をなす第一領域と凸部をなす第二領域とから構成されるレンズ部と、ＥＬ素子部とを備えた通信用発光素子を、精度良く、容易かつ安価に作製することができる。
【００１９】
さらに、本発明の通信システムは、上記通信用発光装置を用いているので、光ファイバとＥＬ素子部との結合効率を調整し、効率良く安定して光信号の伝搬を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の一実施形態について、図面に基づき詳細に説明する。
図１及び図２は、共に本実施形態の通信用発光装置を示す断面図である。
まず、図１及び図２に示すとおり、本実施形態における通信用発光装置１（１Ａ，１Ｂ）は、光ファイバ２と、当該光ファイバ２の端面２ａに重ねて配置されたレンズ部３と、当該レンズ部３の端面３ａに順に重ねて配置されたＥＬ素子部４（４Ａ，４Ｂ）から構成される。
【００２１】
光ファイバ２は、光信号を伝搬する通信用ケーブルである。光ファイバ２の材質としては特に制限は無いが、たとえば石英ガラスやポリエチレンメタクリエート、メチルメタアクリレート等から形成されているものを使用することができる。
また、光の伝送特性を向上させるために、中心部のコアと、その周囲を覆うクラッドの二重構造から構成される、コア・クラッド構造を有する光ファイバを用いることもできる。この場合、クラッドはコアに比べて屈折率の低い材料で構成される。たとえば石英ガラスからなる光ファイバでは、コア部分にＧｅ等の元素を添加してコア部分の屈折率高めることで、相対的にクラッドを構成する石英ガラスの屈折率を低くすることができる。光ファイバ２は、光信号の伝送速度が１〜３００Ｍｂｐｓの範囲で使用される。
また、ポリエチレンメタクリエートからなるプラスチック光ファイバでは、ポリエチレンメタクリエートより屈折率の低いフッ化ビニリデン、パーフルオロメタクリレート等の材料をクラッドに用いる。
【００２２】
レンズ部３は、前記光ファイバ２と同じ外径を有する円筒形をなしている。また、レンズ部３は、略半球状の界面３０により区分される、前記光ファイバ２側に位置して該界面３０において凹部をなす第一領域１１と、前記ＥＬ素子部４側に位置して該界面３０において凸部をなす第二領域１２とから構成される。そして、レンズ部３は、第二領域１２が第一領域１１より高い屈折率をもつ。
これによりレンズ部３は、ＥＬ素子部４から出射した光信号を前記第二領域３２にて効率良く集光して光ファイバ２端面へ入射する光量を増加させ、ＥＬ素子部４と光ファイバ２との光結合効率を向上させることを可能とする。
【００２３】
ＥＬ素子部４（４Ａ，４Ｂ）は、電流を流すことによって発光する光半導体である。ＥＬ素子には、有機ＥＬ素子と無機ＥＬ素子があり、有機ＥＬ素子は直流で動作し、かつ無機ＥＬ素子に比べると低電圧で駆動するので、工業的に有利である。
ＥＬ素子部４（４Ａ，４Ｂ）は、レンズ部３の第二領域１２側から順に、透明電極（陽極）１３、発光層１４、陰極１５という構成になっている。
透明電極１３は、高導電性と高透過性からＩＴＯ（スズ添加酸化インジウム）、ＩＺＯ（亜鉛添加酸化インジウム）、ＡＺＯ（アルミニウム添加酸化亜鉛）などの材料を用いることができる。
透明電極１３の製造方法としては特に制限はされないが、スパッタ法、インクジェット法、スピンコート法などを用いることができる。インクジェット法、スピンコート法では、透明電極材料の微粒子をバインダーに分散し、塗布後に加熱して脱脂することで透明電極１３を形成することができる。また、たとえばＩＴＯ膜を形成する場合、塩化インジウムと塩化スズのエタノール溶液を塗布し、加熱することでも透明電極１３を形成することができる。この透明電極１３は、優れた導電性および透過性を兼ね備える厚さ、すなわち、１５０ｎｍ〜３００ｎｍ程度の薄膜が好ましい形態である。
【００２４】
発光層１４は、少なくとも所定波長の発光を生じる単層膜を含み、単層膜または積層膜のいずれにより構成されていても良い。したがって、発光層１４が単層膜から構成される場合は、図１に示すように、ＥＬ素子部４Ａは、透明電極（陽極）１３、発光層１４、陰極１５という構成になっている。一方、発光層１４が積層膜から構成される場合は、図２に示すように、Ｌ素子部４Ｂは、透明電極（陽極）１３、正孔輸送層２１、発光層１４、電子輸送層２２、陰極１５という構成になっている。
【００２５】
発光層１４に用いる具体的な材料は、特に制限されることはない。たとえば、電子情報通信学会論文誌Ｃ、２００２年 Ｖｏｌ．Ｊ８５−Ｃ，Ｎｏ．１２，ｐ．１０９７−１１０２、「有機ＥＬ素子による光リンク用電気−光変換素子への応用」（梶井博武、種田貴之、塚川貴久、金子昌充、大森裕）に示されるように、発光層１４が３層膜からなる有機ＥＬ素子部では、正孔輸送層２１にα−ＮＰＤを、有機発光層１４にルブレンをドーピングしたアルミニウムキノリン錯体と、電子輸送層２２にアルミニウムキノリン錯体を用いることができる。この場合、波長が５６０ｎｍの発光を得ることができる。また、発光層１４が２層膜からなる有機ＥＬ素子部では、正孔輸送層２１にα−ＮＰＤを、有機発光層２２にアルミニウムキノリン錯体を用いることができる。この場合、波長が５２０ｎｍの発光を得ることができる。
【００２６】
また、発光層１４は、必要に応じて、キャリア輸送層、キャリア注入層を設けることにより、有機ＥＬ素子部４の発光効率を向上させたり、発光波長をコントロールしたりすることができる。
【００２７】
この発光層１４の製造方法は特に制限されないが、一般的な発光層を製造する方法である、真空蒸着法、スパッタ法、インクジェット法、スピンコート法などを用いることができる。特に、この中でスピンコート法を用いれば、後述するように、光ファイバ２の端面２ａに第一樹脂７を滴下し、遠心力によって前記第一樹脂７に略半球状の凹面部３１を形成しながら当該第一樹脂７を硬化して第一領域１１を形成する工程、形成された前記第一領域１１の凹面部３１の中に、当該第一樹脂７より屈折率が高い第二樹脂８を滴下し、硬化して第二領域１２を形成する工程と連続で、前記第二領域１２の上に、有機ＥＬ素子部４を形成する工程も実施することができ、工業的に有利である。また、インクジェット法を用いれば、材料の利用効率が高く、工業的に有利である。また、スピンコート法やインクジェット法といったウェットプロセスを用いる場合は、高価な真空プロセスが不必要になるため、工業的に有利である。
【００２８】
陰極１５には、マグネシウム、カルシウム、銀、アルミニウム、リチウム、セシウム、またはこれらの金属の合金を用いることができる。
陰極１５を形成する製造方法は特に制限されないが、蒸着法、スパッタ法を用いることで、発光層１４への接着性、導電性に優れる電極を形成することができる。
【００２９】
さらに、図示例のように、必要に応じて前記陰極１５の上に、ガスバリア層１６を設けても良い。また、必要に応じて、前記第二領域１２と前記透明電極１３との間に、ガスバリア層を設けても良い。一般に有機材料は、酸素と水と結合して分解してしまうため、酸素と水が有機ＥＬ素子部の劣化の原因となっている。ガスバリア層１６を設けることで、有機ＥＬ素子部の信頼性を向上させることができる。
【００３０】
次に、本実施形態で示す通信用発光装置１の製造方法の一例について、図３乃至図８を参照しながら説明する。
まず、図３に示すように、平坦な端面２ａをもつ光ファイバ２を準備する。図３は、通信用発光装置１で用いる光ファイバ２を示す（Ａ）平面図と、（Ｂ）この平面図に示すＩ−Ｉ線断面図である。
次に、図４に示
すように、光ファイバ２の端部側面をフィルム５で覆って長手方向に筒状の空洞部６を形成する。図４は、光ファイバ２の端部をフィルム５で覆った状態を示す（Ａ）平面図と、（Ｂ）この平面図に示すＩＩ−ＩＩ線断面図である。筒状の空洞部６は、光ファイバ２の端部側面にフィルム５を筒状に巻き付けるたり、予め筒状に形成されたフィルム（キャップ）５を光ファイバ２の端部に取り付けたりすることにより形成できる。
【００３１】
次いで、図５に示すように、前記光ファイバ２の端部に形成された筒状の空洞部６の中に硬化型の第一樹脂７を滴下する。図５は、光ファイバ２の端部側面をフィルム５で覆って形成した空洞部６の中に第一樹脂７を滴下した状態を示す断面図である。ここで、硬化型の第一樹脂７には、有機ＥＬ素子部４から発光波長での透過率が高く、後の工程でレンズ部３を構成する第二樹脂８よりも屈折率の低い材料を用いる必要があり、たとえばフッ化ビニリデン、パーフルオロメタクリレートに代表される、フッ素元素を含むフッ素系樹脂を用いることができる。第一樹脂７の屈折率は、たとえば１．３〜１．５が好適であり、屈折率をこの範囲とすることにより、良好なレンズ特性とともに、第一樹脂と第二樹脂との界面の機械的強度（接着力）を両立できるので望ましい。
また、第一樹脂７の硬化方法は、特に制限されない。たとえば熱をかけることで硬化する熱硬化性樹脂や、紫外線を照射することで硬化するＵＶ硬化樹脂、空気中の水分と反応して硬化するタイプの硬化型樹脂を用いることができる。
【００３２】
引き続き、図６に示すように、光ファイバ２の長手方向を軸として当該光ファイバ２を回転させ、前記筒状の空洞部６の中に滴下された第一樹脂７に遠心力を働かせ、当該第一樹脂７が中心部より外側へ片寄って上面に略半球状の凹面部３１を形成するように回転を保持する。図６は、光ファイバ２を、その長手方向を軸として回転する状態を示す断面図である。ここで、前記光ファイバ２の端部に形成された筒状の空洞部６は、第一樹脂７が光ファイバ２の端部から流れ落ちないように保持する役割を果たしている。
そして、このように回転した状態で前記第一樹脂７を硬化し、上面に凹部をなす第一領域１１を形成する。第一樹脂７の硬化は、たとえばＵＶ硬化型樹脂を用いた場合であれば、上部から所定の強度の紫外光を照射し、表面を半球状の凹面状に硬化する。
また、光ファイバ２を回転させ、第一樹脂７の表面を遠心力で凹面状に保持する際、光ファイバ２の回転数を制御することで、凹面部３１の形状をコントロールし、レンズ形状を変えることができる。ゆえに、上述した第一領域１１と、後述する第二領域１２とによって構成されるレンズ部３は、有機ＥＬ素子部４と光ファイバ２との光結合効率を制御する機能をもつ。有機ＥＬ素子部４と光ファイバ２との光結合効率としては、例えば、直径５００ｍｍの光ファイバの場合、約５０％〜９０％の範囲が好ましい。
【００３３】
次に、図７に示すように、形成された半球状の凹面部３１の中に、前記第一樹脂７より屈折率の高い硬化型の第二樹脂８を滴下し、静置状態で当該第二樹脂８を硬化させることで、下面に凸部をなす第二領域１２を形成する。図７は、第一樹脂７により形成された第一領域１１の凹面部３１の中に第二樹脂８を滴下し、硬化する状態を示す断面図である。滴下した第二樹脂８は、先に硬化させた第一樹脂７からなる第一領域１１の凹面部３１に沿って、凸面部３２を形成する。ここで、第二樹脂８は、有機ＥＬ素子部４から発光波長での透過率が高く、第一樹脂７よりも屈折率の高い材料を用いる必要があり、たとえばポリエチレンメタクリエート、メチルメタアクリレート、ポリイミド等のフッ素系樹脂を用いることができる。第二樹脂８の屈折率は、たとえば１．４〜１．７であることが望ましい。
また、第二樹脂８の硬化方法は、特に制限されない。たとえば熱をかけることで硬化する熱硬化性樹脂や、紫外線を照射することで硬化するＵＶ硬化樹脂、空気中の水分と反応して硬化するタイプの硬化型樹脂を用いることができる。
【００３４】
第二樹脂８が硬化した後、図８に示すように、光ファイバ２の端部を覆った筒状のフィルム５を除去する。図８は、第二樹脂８が硬化した後、フィルム５を除去した状態を示す断面図である。これにより、第一領域１１と第二領域１２とによってレンズ部３が構成される。この際、第二領域１２の凸面部３２は、光ファイバ２の端面２ａと直に接しておらず、第一領域１１を介して光ファイバ２の端面２ａと接している。また、第二領域１２の上面（すなわち、有機ＥＬ素子部４が形成される）側には、光ファイバ２と同じ外径を有する円筒状の領域を有している。
なお、フィルム５の除去後、必要に応じて、第二樹脂８からなる第二領域１２の表面１２ａを研磨しても良い。
【００３５】
その後、前記レンズ部３を構成する第二領域１２の上に、直接、透明導電膜からなる陽極１３、単層膜又は積層膜からなる発光層１４、陰極１５を順に重ねて構成する有機ＥＬ素子部４を形成することにより、図１に示すような通信用発光装置１Ａもしくは図２に示すような通信用発光装置１Ｂとする。
以上によって、光ファイバ２の端面２ａに、レンズ部３と、有機ＥＬ素子部４を備えた通信用発光素子１を、精度良く、安価に作製することができる。
【実施例】
【００３６】
次に、実施例として、本発明の実施形態に係る通信用発光装置を作製し、有機ＥＬ素子部とプラスチックファイバとの光結合効率を評価した。ここでいう光結合効率とは、有機ＥＬ素子部から出射した全光量のうち、プラスチックファイバへの入射光量、すなわち、プラスチックファイバ内に入射され、実際に導波していく光量の割合（％）をさす。
【００３７】
まず、コア部がポリエチレンメタクリエートであり、クラッド部がパーフルオロメタクリレートからなる、コア・クラッド構造を有する直径５００μｍのプラスチックファイバを準備した。次いで、このプラスチックファイバの両端面を、＃３０００、＃７５００、＃１５０００の粗さの回転式研磨盤を順次用いてそれぞれ研磨した。研磨後のプラスチックファイバの長さは、２００ｍｍであった。そして、このプラスチックファイバの片方の先端をフィルムで覆い、当該プラスチックファイバの長手方向に筒状の空洞部を形成した。
【００３８】
次に、フィルムにより形成された空洞部の中に、パーフルオロメタクリレートを主成分とするＵＶ硬化型樹脂を、ディスペンサーを用いて滴下した。そして、このプラスチックファイバを、当該プラスチックファイバの長手方向を軸として６０ｒｐｍで回転させ、遠心力によってＵＶ硬化型樹脂の表面に半球状の凹部を形成し、この状態を保持しながら上部から水銀ランプにより紫外線を照射してＵＶ硬化型樹脂を硬化させ、上面に凹部をなす第一領域を形成した。
【００３９】
次いで、硬化した第一領域の上に、ポリイミドを主成分としたＵＶ硬化型樹脂を、ディスペンサーを用いて滴下した。そして、十分に静止状態で放置した後、上部から水銀ランプにより紫外線を照射してＵＶ硬化型樹脂を硬化させ、下面に凸部をなす第二領域を形成した。この際、第二領域の凸部は、光ファイバの端面と直に接しておらず、第一領域を介して光ファイバの端面と接している。また、第二領域の上面（すなわち、有機ＥＬ素子部が形成される）側には、光ファイバと同じ外径を有する円筒状の領域を有している。
【００４０】
そして、第二領域が硬化した後、プラスチックファイバの片方の先端を覆ったフィルムを取り除き、第二領域の表面を、粗さ（番手）が＃３０００〜＃１５０００の回転式研磨盤を用いて鏡面研磨した。研磨後、前記第一領域と前記第二領域とからなるレンズ部を光学顕微鏡で観察したところ、図９に示すように、第一領域１１の高さが５００μｍであり、第二領域１２の上面側の円筒状の領域の高さ（厚さ）が１００μｍであり、第一領域１１と第二領域１２の界面３０が放物線状（略半球状）であった。
【００４１】
次に、上記レンズ部の上に、透明導電膜からなる陽極、有機発光層、を順に重ねて構成するＥＬ素子部を形成した。陽極は、研磨した第二領域の上面に、スパッタ法でＩＴＯ膜を１５０μｍの厚さになるように成膜して形成した。有機発光層は、膜厚５０ｎｍのα−ＮＰＤと、膜厚３０ｎｍのアルミニウムキノリン錯体を蒸着法で成膜して形成した。陰極としてのマグネシウム電極は、スパッタ法で膜厚３００ｎｍに形成した。
以上の工程で、プラスチックファイバの端面に、レンズ部と有機ＥＬ素子部を備えた通信用発光装置を作製した。
【００４２】
次に、作製した通信用発光装置のプラスチックファイバ部が曲がらないように、平坦な台の上に配置し、有機ＥＬ素子部を発光させ、有機ＥＬ素子部とプラスチックファイバとの光結合効率を評価した。有機ＥＬ素子部から出射する全光量は、厚さ１００μｍのポリイミド基板上に、本実施例と同じ構造の有機ＥＬ素子部を同じ製造方法で作製し、直流電流９．８ｍＡで発光させ、積分球とフォトダイオードを用いて測定した値を全光量とした。また、本実施例で作製した通信用発光装置の有機ＥＬ素子部を形成していない、もう一方の端部にフォトダイオードを設置し、直流電流９．８ｍＡで発光させた時にフォトダイオードで検出される光量から、光がプラスチックファイバを導波する際の減衰量を差し引いた値を、プラスチックファイバへの入射光量とした。
【００４３】
本実施例では、プラスチックファイバの直径に対して、十分に大きな受光面積をもつフォトダイオードを用いたので、ラスチックファイバから出射した光がフォトダイオードに結合する効率は、１００％とした。
検討の結果、有機ＥＬ素子部に直流電流９．８ｍＡを印加して発光させた際の有機ＥＬ素子部とプラスチックファイバとの光結合効率は７２％であり、非常に高効率で結合させることができた。
【００４４】
また、比較例として、プラスチックファイバの端面に、有機ＥＬ素子部を備えた通信用発光装置を作製し、上記実施例と同様に、有機ＥＬ素子部とプラスチックファイバとの光結合効率を評価した。
まず、コア部がポリエチレンメタクリエートであり、クラッド部がパーフルオロメタクリレートからなる、コア・クラッド構造を有する直径５００μｍのプラスチックファイバを準備した。次いで、このプラスチックファイバの両端面を、＃３０００、＃７５００、＃１５０００の粗さの回転式研磨盤を順次用いてそれぞれ研磨した。研磨後のプラスチックファイバの長さは、２００ｍｍであった。そして、このプラスチックファイバの片方の先端をフィルムで覆い、当該プラスチックファイバの長手方向に筒状の空洞部を形成した。
【００４５】
次に、フィルムにより形成された空洞部の中に、ポリイミドを主成分としたＵＶ硬化型樹脂を、ディスペンサーを用いて滴下した。そして、十分に静止状態で放置した後、上部から水銀ランプにより紫外線を照射して当該樹脂を硬化させた。この樹脂が硬化した後、プラスチックファイバの片方の先端を覆ったフィルムを取り除き、その表面を、粗さ（番手）が＃３０００〜＃１５０００の回転式研磨盤を用いて鏡面研磨した。研磨後、プラスチックファイバの端部を光学顕微鏡で観察したところ、図１０に示すように、樹脂部５３の高さ（厚さ）が１００μｍであった。
【００４６】
次に、上記樹脂部の上に、上記実施例と同様の有機ＥＬ素子部を形成した。有機ＥＬ素子部は、研磨した樹脂部の上面に、スパッタ法でＩＴＯ膜を１５０μｍの厚さになるように成膜して陽極を形成し、また、膜厚５０ｎｍのα−ＮＰＤと、膜厚３０ｎｍのアルミニウムキノリン錯体を蒸着法で成膜して有機発光層を形成し、陰極としてマグネシウム電極をスパッタ法で作製した。
以上の工程で、プラスチックファイバの端面に、有機ＥＬ素子部を備えた通信用発光装置を作製した。
【００４７】
次に、作製した通信用発光装置のプラスチックファイバ部が曲がらないように、平坦な台の上に配置し、有機ＥＬ素子部を発光させ、有機ＥＬ素子部とプラスチックファイバとの光結合効率を、上記実施例と同様の方法で評価した。
その結果、有機ＥＬ素子部に直流電流９．８ｍＡを印加して発光させた際の有機ＥＬ素子部とプラスチックファイバとの光結合効率は２４％であり、高い結合効率を得ることができなかった。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明に係る通信用発光装置の第一実施形態を示す断面図である。
【図２】本発明に係る通信用発光装置の第二実施形態を示す断面図である。
【図３】本発明に係る通信用発光装置を製造する第一工程を説明する図である。
【図４】本発明に係る通信用発光装置を製造する第二工程を説明する図である。
【図５】本発明に係る通信用発光装置を製造する第三工程を説明する図である。
【図６】本発明に係る通信用発光装置を製造する第四工程を説明する図である。
【図７】本発明に係る通信用発光装置を製造する第五工程を説明する図である。
【図８】本発明に係る通信用発光装置を製造する第六工程を説明する図である。
【図９】実施例に係るプラスチックファイバの端部を示す拡大断面図である。
【図１０】比較例に係るプラスチックファイバの端部を示す拡大断面図である。
【符号の説明】
【００４９】
１（１Ａ，１Ｂ） 通信用発光装置、２ 光ファイバ、２ａ 光ファイバの端面、３ レンズ部、３ａ レンズ部の端面、４（４Ａ，４Ｂ） ＥＬ素子部（有機ＥＬ素子部）、５ フィルム、６ 空洞部、７ 第一樹脂、８ 第二樹脂、１１ 第一領域、１２ 第二領域、１３ 透明導電膜（陽極）、１４ 発光層、１５ 陰極、１６ ガスバリア層、２１ 正孔輸送層、２２ 電子輸送層、３０ 界面、３１ 凹面部、３２ 凸面部。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ファイバの端面にレンズ部とＥＬ素子部を順に重ねて配置してなる通信用発光装置であって、
前記レンズ部は、前記光ファイバと同じ外径を有する円筒形をなしており、略半球状の界面により区分される、前記光ファイバ側に位置して該界面において凹部をなす第一領域と前記ＥＬ素子部側に位置して該界面において凸部をなす第二領域とから構成され、前記第二領域が前記第一領域より高い屈折率をもつことを特徴とする通信用発光装置。
【請求項２】
前記ＥＬ素子部は、前記レンズ部側に透明導電膜からなる陽極を配し、さらに該陽極の上に単層膜又は積層膜からなる発光層と、陰極とを順に重ねた構成であることを特徴とする請求項１に記載の通信用発光装置。
【請求項３】
前記光ファイバは、コア・クラッド構造を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の通信用発光装置。
【請求項４】
前記光ファイバは、石英ガラス、ポリエチレンメタクリエート、メチルメタアクリレートから選択される材料であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の通信用発光装置。
【請求項５】
前記第一領域は、フッ素元素を含む硬化型樹脂からなることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の通信用発光装置。
【請求項６】
前記第一領域は、屈折率が１．３〜１．４であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の通信用発光装置。
【請求項７】
前記第二領域は、屈折率が１．４〜１．７であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の通信用発光装置。
【請求項８】
前記レンズ部は、前記光ファイバと前記ＥＬ素子部の間の光結合効率を制御する機能をもつことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の通信用発光装置。
【請求項９】
光信号の伝送速度が１〜３００Ｍｂｐｓの範囲で使用されることを特徴とする請求項８に記載の通信用発光装置。
【請求項１０】
光ファイバの端部側面をフィルムで覆って長手方向に筒状の空洞部を形成する工程と、
前記空洞部の中に第一樹脂を滴下し、前記光ファイバの長手方向を軸として当該光ファイバを回転させ、前記第一樹脂に略半球状の凹面を形成しながら当該第一樹脂を硬化させて上面に凹部をなす第一領域を形成する工程と、
前記第一領域の中に、前記第一樹脂より屈折率が高い第二樹脂を滴下し、硬化させて下面に凸部をなす第二領域を形成する工程と、
前記フィルムを取り除いた後、レンズ部を構成する前記第二領域の上に、透明導電膜からなる陽極、単層膜又は積層膜からなる発光層と、陰極とを順に重ねて構成するＥＬ素子部を形成する工程と、
を少なくとも有することを特徴とする通信用発光装置の製造方法。
【請求項１１】
光ファイバの端面にレンズ部とＥＬ素子部を順に重ねて配置してなる通信用発光装置であって、前記レンズ部は、前記光ファイバと同じ外径を有する円筒形をなしており、略半球状の界面により区分される、前記光ファイバ側に位置して該界面において凹部をなす第一領域と前記ＥＬ素子部側に位置して該界面において凸部をなす第二領域とから構成され、前記第二領域が前記第一領域より高い屈折率をもつ通信用発光装置を用いたことを特徴とする通信システム。
【請求項１】
光ファイバの端面にレンズ部とＥＬ素子部を順に重ねて配置してなる通信用発光装置であって、
前記レンズ部は、前記光ファイバと同じ外径を有する円筒形をなしており、略半球状の界面により区分される、前記光ファイバ側に位置して該界面において凹部をなす第一領域と前記ＥＬ素子部側に位置して該界面において凸部をなす第二領域とから構成され、前記第二領域が前記第一領域より高い屈折率をもつことを特徴とする通信用発光装置。
【請求項２】
前記ＥＬ素子部は、前記レンズ部側に透明導電膜からなる陽極を配し、さらに該陽極の上に単層膜又は積層膜からなる発光層と、陰極とを順に重ねた構成であることを特徴とする請求項１に記載の通信用発光装置。
【請求項３】
前記光ファイバは、コア・クラッド構造を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の通信用発光装置。
【請求項４】
前記光ファイバは、石英ガラス、ポリエチレンメタクリエート、メチルメタアクリレートから選択される材料であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の通信用発光装置。
【請求項５】
前記第一領域は、フッ素元素を含む硬化型樹脂からなることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の通信用発光装置。
【請求項６】
前記第一領域は、屈折率が１．３〜１．４であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の通信用発光装置。
【請求項７】
前記第二領域は、屈折率が１．４〜１．７であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の通信用発光装置。
【請求項８】
前記レンズ部は、前記光ファイバと前記ＥＬ素子部の間の光結合効率を制御する機能をもつことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の通信用発光装置。
【請求項９】
光信号の伝送速度が１〜３００Ｍｂｐｓの範囲で使用されることを特徴とする請求項８に記載の通信用発光装置。
【請求項１０】
光ファイバの端部側面をフィルムで覆って長手方向に筒状の空洞部を形成する工程と、
前記空洞部の中に第一樹脂を滴下し、前記光ファイバの長手方向を軸として当該光ファイバを回転させ、前記第一樹脂に略半球状の凹面を形成しながら当該第一樹脂を硬化させて上面に凹部をなす第一領域を形成する工程と、
前記第一領域の中に、前記第一樹脂より屈折率が高い第二樹脂を滴下し、硬化させて下面に凸部をなす第二領域を形成する工程と、
前記フィルムを取り除いた後、レンズ部を構成する前記第二領域の上に、透明導電膜からなる陽極、単層膜又は積層膜からなる発光層と、陰極とを順に重ねて構成するＥＬ素子部を形成する工程と、
を少なくとも有することを特徴とする通信用発光装置の製造方法。
【請求項１１】
光ファイバの端面にレンズ部とＥＬ素子部を順に重ねて配置してなる通信用発光装置であって、前記レンズ部は、前記光ファイバと同じ外径を有する円筒形をなしており、略半球状の界面により区分される、前記光ファイバ側に位置して該界面において凹部をなす第一領域と前記ＥＬ素子部側に位置して該界面において凸部をなす第二領域とから構成され、前記第二領域が前記第一領域より高い屈折率をもつ通信用発光装置を用いたことを特徴とする通信システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２００７−１２７９３４（Ｐ２００７−１２７９３４Ａ）
【公開日】平成１９年５月２４日（２００７．５．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−３２２０６２（Ｐ２００５−３２２０６２）
【出願日】平成１７年１１月７日（２００５．１１．７）
【出願人】（０００００５１８６）株式会社フジクラ (4,463)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年５月２４日（２００７．５．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年１１月７日（２００５．１１．７）
【出願人】（０００００５１８６）株式会社フジクラ (4,463)
【Ｆターム（参考）】
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