JP2000503130A - 構成要素に導波管を結合するための方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 電気通信用に予定されている光構成要素は高い正確度で生産されかつ取り付ける必要がある。何故なら取り付けられる際光チップのような構成要素は同時に光学的に電気的に機械的にそして熱的に結合する必要があるからである。表面放射あるいは表面検出構成要素を用いる場合直角に曲げられた幾何学形状を得るために、また低減された光学走行経路並びに光ファイバの正確な固定を得るために、４５度の角度で傾斜している反射面１２が光伝導コア１６と光チップの活性面１０との間に配設され、また該光伝導コアは光ファイバ９を斜めに切りそしてＶ溝にファイバを嵌合させかつ平坦なカバー手段２０により該ファイバを該溝に正確に固定することにより反射面近くに位置させた。前述した解決策は概ね幾何学形状の性質の問題に関しているが該解決策は空間信号伝送性能および製造コストの要求に関する従来周知の技術に比較していわゆる光ミクロ構造体における光構成要素の構成において重要な利点を提供することができる。

Description

【発明の詳細な説明】 構成要素に導波管を結合するための方法および装置 発明の分野 本発明は光ファイバを光チップに結合させるような導波管を光発生あるいは光 検出構成要素に結合させるための方法および装置に関する。 従来技術の説明 電気通信用に予定されている光構成要素は高価である。光構成要素を作るコス トのかなりの部分は光チップ光放射あるいは光検出構成要素と光ファイバ即ち導 波管との間に設置されるカップリングに起因し得るものである。「構成要素の整 合」についての基準に関しては極めて高い機械的要求がありこれに関する必要な 精度は１／１０００ｍｍ程度である。進歩した装架方法および特殊合金で作られ た素子を備えている高精度機構はこの要求に合致する必要がありこのことは価格 に影響する。 精密機械化基体キャリアのような薄いシリコン板を用いることにより作り方を 簡単にすることができる。シリコンは整合目的に用いることができる精密機械化 構造体を作り出すユニークな可能性を与える多くの利点を有する。キャリアは平 行に処理することができそれとともに多くの「キャリアチップ」が１つのシリコ ン板から得ることを可能にしこのことは低い製造コストをもたらし得る。シリコ ンはまた極めて有効な電気的および熱的特性を有し、これら電気的および熱的特 性は光チップの機能的装架を達成するのに必要なことである。最後に電極パター ン化および電気結合技術のようなシリコン処理に関しては豊富な経験がある。 光チップ−導波管整合問題を解決するための適宜の幾何学的形状のものに関し ては多くの概念および提案が提唱されていた。これら概念および提案の多くはシ リコンに設けられたいわゆるＶ溝を利用して光ファイバを所望の場所に位置決め している。異方性のエッチング方法はＶ溝の極めて優れた寸法制御を生じさせて おりＶ形態の壁により画成された角度はシリコンにおける結晶面により画成され ている。［１００］がシリコン板の垂直ベクトルに関する結晶の向き即ち配向を 示している［１００］シリコンについて、壁角度α＝ａｒｃｓｉｎ√２／３=５ ４.７度を有する適宜のＶ溝を得ることは可能である。この角度も溝の端部のと ころで得られる。溝の端部を金属化することにより、Ｖ溝に置かれた光ファイバ からの光は光検出器に反射され得る。逆に光放射構成要素からの光を光ファイバ に導くことができる。 光チップの装架はそれ自身技術である。何故なら該チップは同時に光学的、電 気的、機械的そして熱的に接続されているからである。整合はいくつかの異なる やり方で達成することができる。最も一般的な方法は半田での自己整合、機械的 逆圧による受動的整合あるいは当接面あるいはピックアンドプレース法である。 第１の方法は金属半田に現れる表面張力を利用している。光チップおよびキャ リアの双方に適切に画成された隣接したそして半田がぬれうる表面の助けで、溶 けた半田における表面張力は光チップをキャリア上の所望の位置にもたらすこと ができる。温度が下がるつれて半田は固化し光チップをそれの正しい位置に貼付 する。 第２の方法はキャリア上の精密機械化逆圧面あるいは当接面によって光チップ を所望の位置に位置決めすることに基づいている。これらの面はキャリアに沈積 された二酸化ケイ素から作られその後パターン化されて角部を形成し、その角部 に光チップが嵌合する。導波管に関する角部の位置決めおよびそれの外側の幾何 学形状に関する光チップの活性面の位置決めの優れた制御は優れた整合が達成さ れるのを可能にしている。 この後者の方法はキャリアおよび光チップ上の整合マークを利用している。こ れらの整合マークは構成要素が非常な正確度で共通した協同システムにおいて方 位を正しくあわせるのを可能にしている。その後に該構成要素を組み立てるため に、該構成要素が所定の態様でその共通した協同システム内で移動するのを可能 としている高級な機械式プロセスが必要とされる。３つの方法全てはマイクロメ ータ範囲での取り付け精度を必要としている。これらの方法の周辺にある詳細は それらの存在が以下に記載する概念の適宜性に対する前提条件であるがこの明細 書では説明しない。 発明の要約 表面放射あるいは表面検出構成要素を用いる場合直角をなす幾何学形状を得る ために、また低減された光学的走行経路および正確な光ファイバの固定を得るた めに、４５度の角度で傾斜している反射面は光伝導コアと光チップの活性面との 間に配備されていた。光伝導コアは光ファイバを斜めに切ることにより反射面に 近接して位置するようにされ、またＶ溝と平坦なカバーとの間にそれとともに嵌 合するようにもされていてファイバを正確に固定している。前述した解決策は基 本的には幾何学形状の性質の問題に関しているが、いわゆる光学的マイクロ構造 技術における光構成要素の配設と同様に空間信号伝達性能および製造コストに関 して以前の周知の技術に比較して重要な利点を提供する。 図面の簡単な説明 図１Ａは周知技術に従ったＶ形状の溝を有する光ファイバシリコンキャリアを 上から示している。 図１Ｂは周知技術に従って溝に置かれた光チップと光ファイバシリコンキャリ アとを上から示している。 図１Ｃは光伝導性のコアを有し且つ周知技術に従ってＶ溝に置かれた光ファイ バの断面図である。 図１Ｄは図１Ｂに従った光チップに対する光ファイバの接続部の側面図である 。 図２Ａは本発明に従った活性面を有する光チップ、溝およびカバー手段を備え た光ファイバ接続部のためのシリコンキャリアの側面図である。 図２Ｂは本発明によるカバー手段と溝との間のＤ−ファイバの断面図である。 図２Ｃは光ファイバシリコンキャリアを上から示しかつ本発明による光チップ 溝およびカバー手段を示している。 好適実施例の説明 図１Ａから図１Ｄは従前の周知技術による光チップのカップリングを示してい る。シリコンであってもかまわないキャリア材料２はＶ溝３を備えていた。図１ Ａ参照。溝内には光ファイバ４が置かれ、光チップ１は光ファイバの自由端を覆 って置かれていた。図１Ｂ参照。断面でみる場合、Ｖ溝３内に置かれている光フ ァイバ４の部分は溝およびキャリア材料の外側に位置している。図１Ｃ参照。 図１Ｄに示されているように、光の方向はキャリア材料上の鏡５における反射 に続いてほぼ１１０度を介して変えられる。従って、この事実はチップ／検出器 １の正確な位置決めを達成するためには考慮しなければならない。他方、このこ とは光放射構成要素には十分でない。何故ならファイバの開口数（合格角度）は 過渡に斜めに入射する光の角度が例えば単一モードファイバに結合されるのを許 さないからである。従って、４５度の鏡に基づいた直角をなす幾何学形状が望ま しい。このことは「代表的な」［１００］シリコンの代わりに「斜めにのこぎり でひかれた」［１００］シリコンブロックを用いることにより達成することがで きる。実際、かかるいわゆるウエハはシリコンブロックを斜めに、より具体的に は９．７度の角度でのこぎりで切ることにより得られる。さてこのことが正しく 行われた場合、先に５４．７度で傾けられていた鏡は４５（５４．７〜９．７） 度で傾けられる。図１Ｄから明らかな特徴は、光波長が光伝導性のコア６と活性 検出器表面との間で比較的長いということであり、このことはカップリング効率 に対する障害の影響を有することがある。このことは部分的に光学ファイバの下 方部８が鏡の壁に接触して光をまず第１に鏡に伝えるためであり、また部分的に 検出器に到達するため次に１つのファイバ半径に対応する長さの経路に沿って光 が通らねばならないからである。 光ファイバ９と光チップ１１の活性面１０との間の距離は「垂直」壁１４を有 するキャリア材料１３上の鏡１２を「切り取る」ことにより距離の第１の部分を 減少させることで低減させることができる。図２Ａ参照。便利なことには、この ことはのこぎりで切ることにより達成される。鏡１２の下方部は別個の超小型電 子チップに用いられているものと同じ技術で完全にのこぎりで切られ、垂直壁１ ４は溝の底部１５で始まっていてもよく、また光ファイバ９上のファイバコア１ ６の下で直ちに終端している。ファイバコアと鏡上の反射点１７との間の距離は 約１０マイクロメーターに制限されていてもよい。垂直壁１４もそれとともに光 ファイバ当接面として作用してファイバの装架を容易にしていてもよい。 距離の第２の部分は外径が通常のものよりも小さいファイバを用いることによ り減少させることができ、このことは直径が１２５マイクロメーターよりも小さ いことを意味している。ファイバを取り扱うのは尚可能である必要があるので、 外径即ち外形寸法は６０〜８０マイクロメーターよりも小さくなくともよい。そ れ故コア１６およびアクティブ面１０の間の合計波長は約７０〜９０マイクロメ ーターよりも僅かに長い。 前記距離を更に短くする趣旨で、ファイバ９はいわゆるＤ−ファイバの態様で 斜めに切られていた。図２Ｂ参照。原則としてはＤ−ファイバはＤ字形断面を備 えているが代表的な単一モードファイバであり、コア１６は当初の円形ファイバ の平坦な側部１８に密接して置かれている。この特定のファイバ形状はコアから ある適宜の距離のところでその長さに沿って当初のファイバ材料を構成するパフ ォーム（perform）、例えば「ガラスロッド」をのこぎりで切ることにより得ら れる。ファイバは該ファイバを据える際プレホームの複数部分を保持する。この ことは、平坦な側とコアの中心との間の距離が１０マイクロメーターよりも少な い非常に短いファイバを作るのを可能にしている。Ｄ−ファイバの平坦な側部１ ８が上方に面している状態で該Ｄ−ファイバをＶ形状の溝９に取り付けることに より、合計波長即ちファイバから光りチップまでを２０マイクロメーターよりも 小さく保持することができる。 図１Ａから図１Ｄで自明でない何かは光ファイバを溝の壁に当接させて維持し た状態でＶ溝に光ファイバを置く際に経験される困難性である。光ファイバはＶ 溝に最も通常には接着されている。しかしながら、接着剤はファイバを所定の位 置から外すよう持ち上げようとする傾向があり、所望の取付け精度に負の効果を もたらしてしまう。従って、接着プロセス中ファイバを適所に保持するために副 手段を用いることが望ましい。１つのかかる副手段はシリコンキャリア１３のよ うなキャリア材料の頂部に固着されたカバー手段即ち蓋２０の形態を有していて もよく、Ｖ溝１９およびカバー手段２０が三角形の毛細管２１を有する空間を共 に形成し、この空間では光ファイバは正確に嵌合しかつそれ故接着プロセス中位 置を変えることができないようになっている。図２Ｂ参照。図２Ｃはカバー手段 １９により適所に固定されかつ光チップ１１に結合されたファイバ９を上から図 示している。 カバー手段２０は陽極ボンディング（結合）により好都合に提供してもよい。 陽極ボンドはシリコンあるいは透明ガラスで作ることができる基体キャリアおよ びカバー手段を一緒に置き、該組立体を加熱し電位を適用することによりなされ る。可動イオンは静電気力が原子スケールで耐久性のある接合部を作り出すのに 寄与する結合部を横切って高い磁界強さを作り出している。結合部の強さは強い 接着剤による結合部に匹敵するものである。接合はいわゆるウエハレベルでなさ れるのが好ましく、その後別個のキャリアが該ウエハからのこぎりで切ることが できる。キャリア／カバー組立体は該カバーのいくつかの部品がのこぎりで切ら れて適宜の光チップ取付け面を与えるのを可能にするように形状決めされている 。三角形の毛細管２１およびＤ−ファイバ９の組み合わせは特に適している。何 故なら、そうでなければ正しく位置決めされる際Ｄ−ファイバはＶ溝の毛細管に 嵌合するだけであるから該Ｄ−ファイバはそれの平坦な側部を上にして確実に貼 り付けられるのが困難であるからである。 上述した解決策は正確に貼付された光学的にミクロな構造体を提供し短い光波 長を有しかつシリコンキャリアに取り付けられた光放射あるいは光検出光チップ に取り付けるのに特に適している。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，Ｌ Ｕ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ， ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，Ｓ Ｚ，ＵＧ)，ＵＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ， ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，Ｇ Ｅ，ＨＵ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ， ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，Ｐ Ｌ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ (72)発明者 エルダースティグ，ハカン スウェーデン国 エス―161 41 ブロム マ，ノッケビイ トルグ 12 (72)発明者 リンドグレン，ステファン スウェーデン国 エス―187 54 タビイ, ゲルベーゲン 15 (72)発明者 ステイエル，オッド スウェーデン国 エス―161 31 ブロム マ，タックヤルンスベーゲン 14

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．短い走行経路の光チップに光ファイバを結合するような光放射あるいは光検 出構成要素に導波管を結合する方法において、前記導波管と前記構成要素との間 に反射面を配設すること、該導波管を斜めに切ってＤ−ファイバを提供し、該導 波管を前記構成要素に結合する際該構成要素の活性面の比較的近くに該導波管の コアを位置させることを特徴とする方法。 ２．請求項１に記載の方法において、前記導波管を斜めに切ってＤ−ファイバを 提供することは該導波管をＶ溝の適所に固定させるようなカバー手段により該斜 めに切られた該Ｖ溝に接して保持されるのを可能にすることを特徴とする方法。 ３．光ファイバを光チップに結合するような導波管を光放射あるいは光検出構成 要素に結合するための装置において、前記導波管（９）の前方で前記構成要素（ １１）の下に４５度の傾斜で反射面（１２）が配設され、またＤ−ファイバを提 供するように前記導波管（９）が斜めに切られ、該導波管のコア（１６）が該導 波管を前記構成要素に結合する際該構成要素の活性面（１０）に比較的近接して 位置していることを特徴とする装置。 ４．請求項３に記載の装置において、前記斜めに切られた導波管（９）をカバー 手段（２０）とキャリア基体（１３）のＶ溝（１９）との間に固定するよう機能 する該カバー手段（２０）を特徴とする装置。 ５．請求項３に記載の装置において、前記Ｖ溝（１９）と前記反射面（１２）と の間に配設された溝底部（１５）を有する溝を特徴とする装置。 ６．請求項５に記載の装置において、前記反射面（１２）は前記導波管コア（１ ６）の下の壁面（１４）によって中断されていることを特徴とする装置。 ７．請求項６に記載の装置において、前記反射面（１２）の下で隣接した前記壁 面（１４）は前記溝の一部分、また前記導波管（９）を装架する際導波管当接手 段を形成していることを特徴とする装置。