JPH0611632A - 自動整合光ファイバ・リンク - Google Patents

自動整合光ファイバ・リンク

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JPH0611632A
JPH0611632A JP5405293A JP5405293A JPH0611632A JP H0611632 A JPH0611632 A JP H0611632A JP 5405293 A JP5405293 A JP 5405293A JP 5405293 A JP5405293 A JP 5405293A JP H0611632 A JPH0611632 A JP H0611632A
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fiber
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via hole
alignment
substrate
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JP5405293A
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Armin Blacha
アルミン・ブラカ
Fritz Gfeller
フリッツ・グフェラ
Peter Vettiger
ペーテル・ウェティガ
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Original Assignee
International Business Machines Corp
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Publication date
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    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/42—Coupling light guides with opto-electronic elements
    • G02B6/4201—Packages, e.g. shape, construction, internal or external details
    • G02B6/4219—Mechanical fixtures for holding or positioning the elements relative to each other in the couplings; Alignment methods for the elements, e.g. measuring or observing methods especially used therefor
    • G02B6/4228—Passive alignment, i.e. without a detection of the degree of coupling or the position of the elements
    • G02B6/4232—Passive alignment, i.e. without a detection of the degree of coupling or the position of the elements using the surface tension of fluid solder to align the elements, e.g. solder bump techniques
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    • G02B6/4214—Packages, e.g. shape, construction, internal or external details the coupling comprising intermediate optical elements, e.g. lenses, holograms the intermediate optical element having redirecting reflective means, e.g. mirrors, prisms for deflecting the radiation from horizontal to down- or upward direction toward a device

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Abstract

(57)【要約】 【目的】 光ファイバの光電素子との自動整合リンクを
提供する。 【構成】 整合チップ（７０）と前記基板（６０）の間
に配置されたはんだボール（６６．１、６６．２）を使
用することによって、ファイバ（７１．１、７１．２）
の自動的で正確な整合が達成できる。これらのはんだボ
ール（６６．１、６６．２）を溶融させた場合、これら
の表面張力がアセンブリの整合を自動的に行い、ファイ
バ（７１．１、７１．２）が光電素子（６２．１、６
２．２）に関して充分に画定された位置におかれるよう
になる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は光ファイバ用の自動整合
手法に関する。光ファイバは表面発光または表面受光の
光電集積回路（ＯＥＩＣ）に効率よくリンクされるよう
に整合される。本整合手法は１個の光電回路に対する単
一のファイバの整合、ならびに光電回路のアレイへのフ
ァイバのアレイの整合に適したものである。さらに、自
動整合手法はＩＢＭのフル・ウェハ（ＦＵＷＡ）技術と
も両立するものである。
【０００２】
【従来の技術】能動光電デバイス（レーザ、フォトダイ
オード）、受動導波デバイス（ビーム・スプリッタ、レ
ンズ）及び機能的光導波デバイス（光スイッチ、波長フ
ィルタ）などの光電素子が継続的に発展していることに
伴い、これらの光デバイスの間のリンクに対する要望が
ますます高まっている。光デバイスまたはシステムをリ
ンクするシングル・モードならびにマルチ・モードのフ
ァイバは、光信号に対する完全な伝送媒体となる。光電
回路及びファイバの結合はますます注目を集めている興
味深い分野である。
【０００３】典型的な手法はエッジ発光レーザ・ダイオ
ードやファイバなどの光電デバイスの間の光リンクを提
供する。これらの手法はシリコン（Ｓｉ）であることが
好ましい基板にエッチングされた溝に光ファイバを整合
させることに基づいている。この基板をエッジ発光デバ
イスに結合するか、あるいはこの基板の頂部にエッジ発
光デバイスを固定することにより、発光された光がファ
イバに結合される。周知のさまざまな手法の概要が下記
の文献に記載されている。
【０００４】−"Permanent Attachment of Single-mode
Fiber Arrays to Waveguides", E. J. Murphy et al.,
Journal of Lightwave Technology, Vol. Lt-3, No.
4, August 1985, pp. 795 - 798;
【０００５】−"Self-Adjusted Permanent Attachment
of Fibers to GaAs Waveguide Components", H. Kaufma
nn et al., Electonics Letters, Vol. 22, No. 12, Ju
ne 1986, pp. 642 - 644;
【０００６】−"Passive Coupling of InGaAsP/InP Las
er Array and Singlemode Fibers Using Silicon Wafer
board", C. A. Armiento et al., Electronics Letter
s, Vol.27, No. 12, June 1991, pp. 1109 - 1111
【０００７】これらの手法は表面発光または表面受光光
電デバイスに対するファイバの整合には適していない。
特に、高集積度光電回路の分野においては、基板の表面
に直角で、複数のデバイスの個別なファイバ・リンクと
の高密度パッケージングを可能とする光リンクを提供す
ることがますます重要になっている。以下で引用する文
献に記載されているように、光電デバイスに対するファ
イバの直角リンクを提供するいくつかの手法が、当分野
において周知である。
【０００８】"Silicon Photodetector Structure for D
irect Coupling of Optical Fibersto Integrated Circ
uits" R. W. Ade et al, IEEE Transactions on Electr
onDevices, Vol. ED-34, No. 6, June 1987, pp. 1283
- 1288 という文献は集積光ファイバ・カップラ（ＩＦ
ＯＣ）を有するシリコン・フォトデテクタに関する。こ
の光ファイバ・カップラは主として、該フォトデテクタ
の最上層にエッチングされた孔からなっており、テーパ
端部を有するシングルモード光ファイバをこの孔に挿入
できるようになっている。ファイバの端部ファセット位
置はテーパ端部の直径ならびに孔の直径及び深さによっ
て画定される。前記ファイバを介して供給される光は、
小さなエア・ギャップを介して結合される。
【０００９】テーパ端部を有するシングルモード・ファ
イバと表面受光ｐ−ｎ接合ダイオードの間にリンクをも
たらす他の結合手法は、"Efficient Coupling of Optic
al Fiber to Silicon Photodiode", O. Baltuch et a
l., IEEE Electron Device Letters, Vol. 10, No. 6,
June 1989, pp. 255 - 256 という文献に記載されてい
る。ダイオードはシリコン基板にモノリシック状に集積
され、その頂面は接点金属皮膜及びスピンオン・ガラス
（ＳＯＧ）の厚い層によってカバーされている。孔がＳ
ＯＧ層を通してエッチングされ、金属皮膜がダイオード
に対する窓を提供している。シングルモード・ファイバ
はそのテーパ端部を前記孔に挿入することによって前記
ダイオードと整合されている。
【００１０】図１に示すように、シリコン基板１０に形
成されている光電ＧａＡｓデバイス１２からなる疑似モ
ノリシック光電回路が、米国特許第４８９０８９５号明
細書に開示されている。この基板１０はこの主面１６に
直角な溝１４を有しており、該溝１４に挿入された光フ
ァイバ１５がＧａＡｓデバイス１２に直角に整合するよ
うになっている。ボール・レンズ１３がファイバ端部と
ＧａＡｓデバイス１２の間に設置され、カップリング効
率を改善している。さらに、シリコン・デバイス１１シ
リコン基板１０にモノリシック状に集積することができ
る。この米国特許は表面受光ＧａＡｓデテクタ１２及び
直交溝１４、詳細にいえば、、ピラミッド状の溝を有す
るシリコン基板１０を示しているので、本発明に関して
もっとも近い先行技術となっている。
【００１１】この米国特許がシリコン基板に成長させた
ＩＩＩ−ＶまたはＩＩ−ＶＩデバイスを光電的に相互接
続するためのシステムに関するものであることは明かで
ある。光電的に相互接続されるデバイス１２まで延びて
いる溝１４を、基板１０の背面１６にエッチングするこ
とによって、ファイバ１５は基板１０に集積されたそれ
ぞれのデバイス１２に整合される。エッチング・ステッ
プは上記の特許明細書に記載されており、以下バックエ
ッチングと呼ぶ。シリコン基板１０をバックエッチング
する前に、レジスト・マスクを形成する必要があるが、
基板の頂部にあるデバイスを画定するフォトリソグラフ
・ステップの他にこれはそれぞれのフォトリソグラフ・
マスクのきわめて精密な整合を含むフォトリソグラフ・
ステップが必要である。溝をエッチングして、相互接続
されるデバイスの底部を露出することによって、典型的
なエッチング損傷が生じ、光電回路全体の信頼性及び品
質が低下する。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】本発明の主な目的は、
光ファイバと、基板の主面に直角に光を反射、発光、ま
たは受光するデバイスとの間に自動整合リンクを提供す
ることである。
【００１３】本発明の他の目的は、複数の光ファイバ
と、基板の主面に直角に光を反射、発光、または受光す
る複数のデバイスとの間に自動整合リンクを提供するこ
とである。
【００１４】本発明のさらに他の目的は、光ファイバの
アレイと、基板の主面に直角に光を反射、発光、または
受光するデバイスのアレイとの間に自動整合リンクを提
供することである。
【００１５】本発明の他の目的は、整合方法を提供する
ことである。
【００１６】
【課題を解決するための手段】これはファイバが事前整
合される精密に画定されたサイズのバイア・ホールを有
する整合チップを提供することによって達成される。こ
の整合チップを表面反射、発光、受光素子とともに基板
にはんだ付けすることによって、ファイバがこれらの素
子に自動的に整合される。ファイバをさらにファイバ・
ファルールに固定してから、整合チップのホールに挿入
することができる。
【００１７】
【実施例】光ファイバは遠隔通信、遠隔電力制御、測定
機器及び医療用途に好ましい伝送媒体である。主たる用
途である長距離伝送の他に、光ファイバは多くの短距離
用途にも使用されている。マルチモード（ＭＭ）ファイ
バ及びシングルモード（ＳＭ）ファイバという２つのグ
ループのファイバが、今日の光電システムに主に用いら
れている。
【００１８】典型的なマルチモード・ファイバ及びシン
グルモード・ファイバは数層の保護シリンダ状層に覆わ
れたコアからなっている。図２に示すマルチモード・フ
ァイバ２０及び図３に示すシングルモード・ファイバ３
０は多目的コーティングによって埋め込まれたガラス・
コアからなっている。通常は紫外線硬化アクリルまたは
シリコン製であるこのコーティングは防湿シールドとし
て、またファイバ製造の初期段階における機械的保護と
して役立つ。単一ファイバ素子の強度をさらに改善する
ために、通常、２次バッファがこのコーティング上に押
し出し成形される。このバッファは図２及び図３に示す
ような密着チューブ構造であっても、緩着チューブ構造
であってもよい。必要とされる屈折率プロファイルによ
っては、図３に示すように、コアをさらに１層または複
数層のクラッド層によってカバーする。
【００１９】図２に示すようなマルチモード・ファイバ
２０はコーティング層２２によって包まれ、さらに外部
チューブ２１によって保護されているガラス・コア２３
を有している。マルチモード・ファイバの典型的な寸法
は外径が１２５μｍで、コア直径が５０±３μｍであ
る。コアの非真円度及び外径の公差は通常、±３μｍで
ある。マルチモード・ファイバはシングルモード・ファ
イバと比較して、損失が大きく、帯域幅が大幅に低いの
で、ローカル・エリア・ネットワーク（ＬＡＮ）、デー
タ・リンク、ならびに低コストのスプライス及び接続に
重点がおかれているその他の構内用途に主として使用さ
れている。
【００２０】図３に示すようなシングルモード・ファイ
バ３０は、ドープされたクラッド層３３に埋め込まれた
コア３４に光波が閉じ込められるように設計されてい
る。このクラッド層３３は特定の波長の伝送に適した屈
折率プロファイルをもたらす。クラッド層３３はコーテ
ィング層３２に包まれており、内部構造全体はチューブ
３１によってカバーされている。従来使用されているシ
ングルモード・ファイバの寸法は外径が１２５μｍで、
公差が±２μｍであり、コア直径が８μｍである。シン
グルモード・ファイバは伝送及びスプライス損失が低
く、分散特性が適しており、マクロ曲げ損失及びミクロ
曲げ損失が低いことを特徴としている。ＭＭ及びＳＭフ
ァイバの詳細については、Photonics Spectra Magazine
の発行元であるLaurin Publishing Co., Inc., PO BOX
1146 Department A0-89, Pittsfiel MA 01202-9985, US
A 発行の"The Photonics Design and Application Hand
book",Book 3, 35th edition, 1989, pp H104 - H109を
参照されたい。
【００２１】本発明は光ファイバを適切なバイア・ホー
ルを備えた整合チップに事前整合してから、発光または
受光素子が配置される基板に整合チップを載置したとき
に、光ファイバが効率よくこの整合チップに結合できる
という考え方に基づいている。溶融はんだボールの表面
張力によって、整合チップと基板という両部品が完璧な
位置に自動的におかれるはんだ付け技法を用いた場合、
ファイバに対する整合チップの位置は基板に関して正確
に画定される。
【００２２】いくつかの例示的な整合チップを図４ない
し図９に示す。図４及び図５に、平面端部を有するファ
イバ４０を示す。平面端部ファイバ４０はこれを各種の
バイア・ホールに挿入して事前整合させることができ
る。２種類のバイア・ホール４２及び４４が図４及び図
５に示されている。図４には、断面円形の円錐形バイア
・ホール４２が示されており、これは、たとえば、基板
４１にドリルで設けられている。外径がホールの頂部直
径よりも小さいシリンダ状ファイバ４０を挿入すると、
その位置はホール及びファイバのサイズ及び形状によっ
て、再現可能に画定される。バイア・ホールを精密に作
成することができればできるほど、このホールに挿入さ
れるファイバの位置がますます良好に画定できる。基板
４３に形成された２次断面を有するピラミッド状のバイ
ア・ホール４４も、図５に示すように、整合手段として
役立つ。
【００２３】テーパ端部を有するファイバ５０の整合の
ための各種のバイア・ホールを図６ないし図９に示す。
基板５１にエッチングされたシリンダ状バイア・ホール
５２、及び基板５３にエッチングされた２次断面を有す
るバイア・ホール５４が図８及び図９に示されており、
基板５５に形成された断面円形の円錐形バイア・ホール
５６及び基板５７に形成された２次断面を有するピラミ
ッド状バイア・ホール５８が示されている。バイア・ホ
ールの各種のその他の設計が考えられるが、その内のい
くつかを図４ないし図９に示した。
【００２４】マイクロレンズ付き端部を有するファイバ
及び外部付加レンズを有するファイバには、正確な事前
整合をもたらすために特別に合わせたバイア・ホールが
必要である。各種のマイクロレンズを有するさまざまな
ファイバが当分野で周知であり、その内のいくつかを以
下に列挙する。
【００２５】−"Microlenses on the End of Single-Mo
de Optical Fibers for Laser Applications", K. S. L
ee et al., Applied Optics, Vol. 24, No. 19, Octobe
r 1985, pp. 3134 - 3139;
【００２６】−"Efficient Coupling of Laser Diodes
to Tapered Monomode Fibers withHigh-Index End", G.
D. Khoe et al., Electronics Letters, Vol. 19, No.
6,March 1983, pp. 205 - 207;
【００２７】−"Efficient Coupling form Semiconduct
or Lasers into Single-Mode Fibers with Tapered Hem
ispherical Ends", H. Kuwahara et al., Applied Opti
cs,Vol. 19, No. 15, August 1980, pp. 2578 - 2583;
【００２８】−"Shape Analysis and Coupling Loss of
Microlenses on Single-Mode Fiber Tips", B. Hiller
ich, Applied Optics, Vol. 27, No. 15, August 1988,
pp.3102 - 3106;
【００２９】−"Comparison of Efficient and Feedbac
k Characteristics of Techniquesfor Coupling Semico
nductor Lasers to Single-Mode Fiber", G. Wenke et
al., Applied Optics, Vol. 22, No. 23, December 198
3, pp. 3837 - 3844;
【００３０】−"Self-Aligned Flat-Pack Fiber-Photod
iode Coupling", B. Hillerich etal., Electronics Le
tters, Vol. 24, No. 15, July 1988, pp. 918 - 119。
【００３１】素子が形成または配置される基板の主面に
直角に光を反射または発光する各種の光電素子が当分野
で周知である。基板の面に直角に光を受光するその他の
光電素子が周知である。これらの素子はすべて以下にお
いて、表面発光素子及び表面受光素子と呼ぶ。
【００３２】各種の表面発光レーザ・ダイオードは以下
の文献に記載されている。
【００３３】−"Room Temperature Continuous Wave La
sing Characteristics of GaAs Vertical Cavity Surfa
ce-Emitting Laser", F. Koyama et al., Applied Phys
icsLetters, Vol. 55, No. 3, July 1989, pp. 221 - 2
22;
【００３４】−"Room-Temperature Continuous-Wave Ve
rtical-Cavity Single-Quantum-Well Microlaser Diode
s", Y. H. Lee et al., Electronics Letters, Vol. 2
5, No. 20, September 1989, pp. 1377 - 1378、Y. H.
Leeの共著者の何人かによる詳細なフォロアップ文献"Mi
crolasers", J. L. Jewell et al., Scientific Americ
an, November 1991, pp. 56 - 62あり。
【００３５】−"Use of Implant Isolation for Fabric
ation of Vertical Cavity Surface-Emitting Laser Di
odes", K. Tai et al., Electronics Letters, Vol. 2
5, No. 24, November 1989, pp. 1644 - 1645;
【００３６】−"Room Temperature Continuous-Wave Ve
rtical-Cavity Surface-Emitting GaAs Injection Lase
r", K. Tai et al., Applied Physics Letters, Vol. 5
5, No. 24, December 1989, pp. 2473 - 2475;
【００３７】−InGaAsP(1.3 μm)/Inp Vertical-Cavity
Surface-Emitting Laser Grown byMetalorganic Vapor
Phase Epitaxy", L. Yang et al., Applied Physics L
etters, Vol. 56, No. 10, March 1990, pp. 889 - 89
0;
【００３８】−"Vertical-Cavity Surface-Emitting In
GaAs/GaAs Lasers with Planar Lateral Definition",
M. Orenstein et al., Applied Physics Letters, Vol.
56,No. 24, June 1990, pp. 2384 - 2386;
【００３９】−"90% Coupling of Top Surface Emittin
g GaAs/AlGaAs Quantum Well LaserOutput into 8 μm
Diameter Core Silica Fiber", K. Tai et al., Electr
onics Letters, Vol. 26, No. 19, September 1990, p
p. 1628 - 1629。
【００４０】典型的な発光ダイオード及びフォトデテク
タを一方の光源として、また他方で光デテクタとして用
いることができる。表面受光フォトデテクタは前述の文
献、"Silicon Photodetector Structure for Direct Co
upling of Optical Fibers to Integrated Circuits"
R. W. Ade et al., IEEE Transactions on Electron De
vices, Vol. ED-34, No. 6, June 1987, pp. 1283 - 12
88 に記載されている。表面受光p-n接合フォトダイオー
ドは、"Efficient Coupling of Optical Fiberto Silic
on Photodiode", O. Baltuch et al., IEEE Electron D
evice Letters,Vol. 10, No. 6, June 1989, pp. 255 -
256という文献に報告されている。
【００４１】これらの能動光電素子の他に、集束格子カ
ップラ、ビーム・スプリッタ、プリズム及び鏡を用い
て、光を回路から直角に反射したり、あるいは直角に到
達する光を回路に結合することができる。これらの光学
素子のいくつかは"Optical Integrated Circuits", H.
Nishihara et al., McGraw-Hill Electro-Optical Engi
neering Series, McGraw-Hill Book Company, 1987とい
う書物、及び以下の文献に記載されている。
【００４２】−"Vertically Emitting Laser with Inte
grated Non-Absorbing Mirror Deflector", IBM Techni
cal Disclosure Bulletin, August 1989, Vol. 32, No
3B,pp. 498 - 499;
【００４３】−"Beveled Waveguides for Flip Chip Op
to-Electronic Receivers", IBM Technical Disclosure
Bulletin, December 1990, Vol. 33, No 7, pp. 194 -
196;
【００４４】−Three-Dimensional Optical Waveguide
Splitter", IBM Technical Disclosure Bulletin, Vol.
34, No. 5, October 1991, pp. 46 - 48。
【００４５】本発明の第１実施例を図１０及び図１１に
関連して説明する。この実施例ではファイバをほぼ平行
にしてから、整合チップのそれぞれのバイア・ホールに
挿入する必要がある。なお、テーパ付きファイバ端部の
角度を正確に再現し、バイア・ホールに挿入されるファ
イバの位置を充分に画定することができるかどうかは、
当分野では知られていない。複数のエッジ発光レーザ・
ダイオード６１．１−６１．３が集積される光電回路を
図１０に示す。これらのダイオード６１．ｎは端部ファ
セット・ミラー６２．１−６２．３に、ダイオードから
発光された光がビーム６３で示すように回路６０から直
角に反射されるように結合される。発光ダイオード６
１．ｎは薄い接点金属皮膜６４．１−６４．３によって
カバーされており、これらの皮膜ははんだ湿潤金属パッ
ド６５．１−６５．３との電気的な相互接続をもたら
す。正確に画定された容積のはんだボールをこれらのパ
ッド６５．ｎ上においてから、はんだ湿潤パッド７５．
１及び７５．２を回路６０に対応させて、整合チップ７
０を載置する。
【００４６】前記光電回路６０に載置され、接着される
整合チップ７０からなるアセンブリの断面を図１１に示
す。本図からわかるように、ファイバ・コア７４．１、
７４．２を備えた２本のファイバ７１．１及び７１．２
が、前記整合チップ７０にエッチングされたシリンダ状
バイア・ホール７２．１、７２．２に、はんだ、エポキ
シ、またはスピン・オン・グラス（ＳＯＧ）７３を使用
して固定されている。ファイバ７１．ｎの付いた整合チ
ップ７０はホール構造を加熱し、はんだボール６６．ｎ
を溶融させることによって、表面発光レーザ／ミラー構
成に自動的に整合される。溶融はんだボール６６．ｎの
表面張力は、整合チップ７０を回路６０に関して移動す
ることによって、アセンブリの総エネルギーを最小のも
のとするように作用する。冷却時に、アセンブリの正確
な整合が達成され、精度はM. J.Wale他の下記の文献に
記載されているように、湿潤パッド６５．ｎ及び７５．
ｎのフォトリソグラフィ的な画定及びはんだボール６
５．ｎの容量制御によって決定される。このはんだ接続
技法の詳細は以下の文献で報告されている。
【００４７】−"Self-Aligned Controlled Collapse Ch
ip Connect (SAC4)", L. Pfeifferet al., Journal of
the Electrochemical Society: Solid-State Science a
ndTechnology, Vol. 134, No. 11, November 1987, pp.
2940 - 2941
【００４８】−"High-Reliability Flip-Chip GaInAs/I
nP pin Photodiode", O. Wada et al., Electronics Le
tters, Vol. 26, No. 18, August 1990, pp. 1484 - 14
86;
【００４９】−"Self-Aligned Flip-Chip Assembly of
Photonic Devices with Electricaland Optical Connec
tions", M. J. Wale et al., IEEE Transactions on Co
mponents, Hybrids, and Manufacturing Technology, V
ol. 13, No. 4, December 1990, pp. 780 - 786;
【００５０】−"Flip-Chip Solder Bond Mounting of L
aser Diodes", C. Egde et al., Electronics Letters,
Vol. 27, No. 6, March 1991, pp. 499 - 501。
【００５１】発光素子とファイバの間の結合効率は主と
して、以下のようないくつかの制限条件によって決定さ
れる。すなわち、 （１）ファイバの外径の精度 （２）クラッドに対するファイバ・コアのオフセット （３）ファイバの焦点の精度 （４）バイア・ホールの直径の精度 （５）整合チップの厚さの精度 （６）はんだの厚さの精度 （７）湿潤パッドの厚さの精度 （８）これらのパッドの位置の精度 （９）レーザの位置の精度 （１０）ミラーの精度
【００５２】これらの条件は使用されている材料、なら
びにそれぞれの素子の製造に用いられるプロセスによっ
て大幅に左右される。最大値よりも１−２ｄＢ低い結合
効率を上記の実施例によって達成できるが、制限パラメ
ータのいくつかは"Self-Aligned Flip-Chip Assembly o
f Photonic Devices with Electrical and Optical Con
nections", M. J. Wale et al., IEEE Transactions on
Components, Hybrids, and Manufacturing Technolog
y, Vol. 13, No. 4, December 1990, pp. 780 -786とい
う文献で報告されている。
【００５３】本発明の光電リンク及び製造公差の効率に
関する詳細な推定値が、本発明の第２実施例に関連して
与えられる。この実施例の断面図を図１２に示す。ボー
ル・マイクロレンズを備えたシングル・モード・ファイ
バ８３はこれが事前整合されているファイバ・ファルー
ル８０のバイア・ホール８６に配置される。ファイバ・
ファルール８０はシリコン整合チップ８１にはんだ付け
され、ファイバの先端がバイア・ホール８７に挿入され
るようになっている。このアセンブリは少なくとも１つ
の光電表面発光デバイス（図示せず）とともに基板８２
に載置される。第１実施例に関してすでに説明したよう
に、整合チップ８１ははんだ付け技法を使用して基板８
２に正確に接着される。下記の表１に、第２実施例の寸
法をリストし、それぞれの公差及び精度に関する詳細を
示す。
【表１】
【００５４】この表からわかり、また"Efficient Coupl
ing from Semiconductor Lasers into Single-Mode Fib
ers with Tapered Hemispherical Ends", H. Kuwahara
et al., Applied Optics, Vol. 19, No. 15, August 19
80, pp. 2578 - 2583 という文献に記載されているよう
に、最大結合効率よりも１ｄＢ低い結合損失を確保する
ために、レーザ軸の位置はレーザ接合に平行な方向で３
μｍ以内で、またこの接合に直角の方向で１．３μｍで
なければならない。ファイバとレーザの間の間隔は最適
位置（２０μｍ以下）から±８．５μｍ以内で、１ｄＢ
未満の結合損失を可能とするものでなければならない。
この最大変位はボール接続整合によって達成できるもの
であり、リソグラフィ的な精度（レーザ軸及び整合チッ
プのバイア・ホールに関するはんだ湿潤パッドの位置）
は、１μｍ未満であると考えられる。
【００５５】レーザ開口及びマイクロレンズの最適距離
は上述のH. Kuwahara他の文献の図４及び５に示すよう
に、１ｄＢ未満の結合損失に対して、約２０μｍ±８．
５μｍでなければならない。この距離は主として、リフ
ローしたはんだボール８４．ｎの厚さによって決定され
る。このはんだボールの最大公差は"Self-Aligned Flip
-Chip Assembly of Photonic Devices with Electrical
and Optical Connections", M. J. Wale et al., IEEE
Transactions on Components, Hybrids, andManufactu
ring Technology, Vol. 13, No. 4, December 1990, p
p. 780 - 786という文献で報告されているように０．８
μｍである。さらに、約１６±２μｍというエッチ・ウ
ェル８８の厚さ、３２ないし５０μｍのマイクロレンズ
の直径Ｄb、ならびに約２７±２μｍというエッチ・ウ
ェル８８の直径Ｄ^aが全体的な距離を決定する。得られ
るレーザ／ファイバの分離は２０±８μｍであると推定
される。第２実施例に関連して与えられたパラメータは
最適化されたものである。この実施例を改変する場合に
は、さらに計算が必要となる。
【００５６】ファイバ・ファルール８０と整合チップ８
１の間の公差は重要ではなく、ファイバ８３を整合チッ
プ８１のバイア・ホール８６に引っかかることなく挿入
できるようにするのに役立つものである。整合公差は約
±１５μｍであり、これはたとえば図１２に示したよう
なはんだボール技法によって達成できる。H. Kuwahara
他の文献に記載されているような±３度という角度整合
を何の問題もなく達成することができる。本実施例のフ
ァイバ・ファルールによって、±１度よりもよい角度整
合が可能となり、ファルールの厚さｈfが１ｍｍとな
り、バイア・ホール軸に関するファイバ軸のズレが±１
５μｍ以内のものとなる。
【００５７】他のマイクロレンズを備えた、あるいはこ
れを備えないファイバを用いることによって、第２実施
例を改変することができる。整合チップの構造及びファ
イバ・ファルールも改変することができる。
【００５８】以下で説明する第３の実施例を図１３及び
図１４に示す。このアセンブリは半球形マイクロレンズ
９３を有するシングルモード・ファイバ９２を担持して
いるＳｉ整合チップ９０を含んでいる。この整合チップ
９０は表面受光素子（図示せず）が配置される光電チッ
プ９１に接続されている。バイア・ホールの上面図を図
１４に示す。これらの図面からわかるように、整合チッ
プ９０は必要なエッチング・ステップが１つだけのピラ
ミッド状のバイア・ホール９４を有している。２次断面
のこのピラミッド状コーンは、"Self-Aligned Controll
ed Collapse Chip Connect (SAC4)", L. Pfeiffer et a
l., Journal of Electrochemical Society: Solid-Stat
e Science and Technology, Vol. 134, No. 11, Novemb
er 1987,pp. 2940 - 2941という文献に記載されてい
る。（１１１）Ｓｉ面に対応した５４，７７度の側壁を
有するピラミッド状ホール９４は、側方向ファイバの整
合に応じて正方形のホール１００の底部９６までファイ
バ９２を導くのに役立つ。ファイバと光電素子の間の距
離は主として、リフローされたはんだボール９５の厚さ
によって決定される。バイア・ホール９４のエッチング
前に整合チップ９０の表面９７に形成されるリソグラフ
ィ的に画定されるエッチング・マスクは、Ｓｉ整合チッ
プ９０の所定の厚さに対応し、約２４×２４μｍの正方
形のホール１００をもたらしている。はんだ湿潤パッド
のリソグラフィは底部９６で正方形のホール１００に関
して整合している。このパッドの側方公差は０±１μｍ
である。
【００５９】第４の実施例は本発明をフル・ウェハに実
施したもので、光電ウェハ１１０上に配置された複数の
光電素子が、これらのファイバを含んでいる整合チップ
１１１を前記ウェハ１１０に接着してから、ホール・ア
センブリ１１２をへき開、ソーイング、またはレーザ・
アブレーションすることによって素子を分離することに
よってファイバに整合させられる。この基本的な概念を
図１５に示す。光電素子を備えたウェハ１１０、すなわ
ちフル・ウェハ（ＦＵＷＡ）技法によって作成されたＧ
ａＡｓレーザ・ウェハはウェア整合マーク１１３を有し
ているので、エッチングされた整合ウィンドウ１１４を
有するＳｉ整合ウェハ１１１をウェハ１１０上に載置で
きる。フル・ウェハ技法は"Full Wafer Technology - A
New Approach to Large-Scale Laser Fabrication and
Integration", P. Vettiger etal., IEEE Journal of
Quantum Electronics, Vol. 27, 1991という文献で報告
されている。このフル・ウェハ手法の利点は複数のファ
イバを１回で整合させることによって、各種の費用のか
さむ整合ステップを削減することである。
【００６０】整合マーク及び対応する整合ウィンドウは
ウェハ１１０及び１１１の両方を事前整合できるように
設計されている。ウェハ１１０、１１１は実施例１ない
し３に関連して説明したようにはんだ接着技法を使用し
て接着される。互いに接着されるこれらのウェハは次い
で、レーザ・セルと呼ばれる小さい部分１１５に分割さ
れる。これらのセル１１５はレーザ・アブレーション、
エッチングまたはへき開によって隣接するセルから分離
される。整合ウェハ１１１は適切な断面を有するエッチ
ングされたバイア・ホールを含んでいる。レーザ・セル
１１５の分離後にファイバがこれらのバイア・ホールに
挿入されるが、相補的なレーザ・セル１１６上の発光ま
たは受光素子に関するこれらの位置は上述の寸法及び対
応する公差によって決定される。
【００６１】レーザ・セル１１５は相補的なレーザ・セ
ル１１６とともにセル・アセンブリ１１７を形成する。
【００６２】ホールの２ウェハ・サンドイッチ１１２の
１つのセルの詳細を、図１６及び図１７に示す。これら
の図面からわかるように、整合ウェハ１１１のセルであ
る相補的な整合セル１２０は、テーパ端部を備えた光フ
ァイバ１２２の事前整合のためのバイア・ホール１２
１、ならびにボンディング・ワイヤ１２３のための接点
ウィンドウとして働くシリンダ状バイア・ホール１２４
を有している。ファイバ１２２の端部は基板１３０に形
成されたレーザ・ダイオード１２５に、導波管構造１２
６及び４５度のミラー１２７を介して効率よく結合され
る。レーザ１２５によって発光され、ファイバ１２２に
結合される光のビーム１２８は矢印で示されている。レ
ーザ１２５を部分的にカバーし、接点パッドを有してい
るレーザ１２５の金属皮膜１２９は、ボンディング・ワ
イヤ１２３と接触している。アセンブリ１１２のセル１
２０及び１３０の両方は、溶融したはんだ接着部１３
１．１−１３１．３を使用して固定されており、これら
の相対位置は他の実施例に関連して述べたようにアセン
ブリの寸法及び公差によって画定される。
【００６３】はんだ接着部を熱伝達ブリッジとしてさら
に用いて、基板上に配置した能動素子の効率のよい冷却
を行うことができるし、あるいはアセンブリの両方の部
品の間の電気的ブリッジとして使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】米国特許第４８９０８９５号（先行技術）に開
示されているファイバ・リンクの略断面図である。
【図２】マルチモード・ファイバの略断面図である。
【図３】シングルモード・ファイバの略断面図である。
【図４】断面円形の円錐形バイア・ホールを有する適切
な整合チップを備えた平面端部ファイバの略断面図であ
る。
【図５】２次断面のピラミッド状バイア・ホールを有す
る適切な整合チップを備えた平面端部ファイバの略断面
図である。
【図６】シリンダ状バイア・ホールを有する適切な整合
チップを備えたテーパ端部ファイバの略断面図である。
【図７】２次断面のバイア・ホールを有する適切な整合
チップを備えたテーパ端部ファイバの略断面図である。
【図８】断面円形の円錐形バイア・ホールを有する適切
な整合チップを備えたテーパ端部ファイバの略断面図で
ある。
【図９】２次断面のピラミッド状バイア・ホールを有す
る適切な整合チップを備えたテーパ端部ファイバの略断
面図である。
【図１０】本発明の第１の実施例による光電回路の略斜
視図である。
【図１１】本発明の第１の実施例による整合構造の略断
面図である。
【図１２】本発明の第２の実施例による整合構造の略断
面図である。
【図１３】本発明の第３の実施例による整合構造の略断
面図である。
【図１４】図１３に示す整合構造のバイア・ホールの略
上面図である。
【図１５】本発明の第４の実施例の基本概念を示す図で
ある。
【図１６】本発明の第４の実施例による整合構造の略断
面図である。
【図１７】本発明の第４の実施例による整合構造の略上
面図である。
【符号の説明】
６０ 光電回路 ６１．ｎ 発光ダイオード ６４．ｎ 接点金属皮膜 ６５．ｎ 金属パッド ７０ 整合チップ ７１．ｎ ファイバ ７２．ｎ バイア・ホール ７４．ｎ ファイバ・コア ８０ ファイバ・ファルール ８１ シリコン整合チップ ８２ 基板 ８３ シングルモード・ファイバ ８７ バイア・ホール
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 フリッツ・グフェラ スイス国、シー・エイチ8803ロイシュリコ ン、バーンホーフストラッセ78 (72)発明者 ペーテル・ウェティガ スイス国、シー・エイチ8135ラングナウ・ アム・アルビス、ランクモーストラッセ33

Claims (13)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】基板（６０）上に配置された発光または受
    光光素子（６２．ｎ）に結合される光ファイバ（７１．
    ｎ）を整合させるための整合構造において、前記ファイ
    バ（７１．ｎ）が整合チップ（７０）のバイア・ホール
    （７２．ｎ）内に配置され、この整合チップ（７０）が
    少なくとも１カ所のはんだ接着（６６．ｎ）を使用して
    前記基板（６０）に接着されることを特徴とする整合構
    造。
  2. 【請求項２】前記整合チップ（７０）に関する前記ファ
    イバ（７１．ｎ）の位置が、該ファイバ（７１．ｎ）を
    前記バイア・ホール（７２．ｎ）に挿入し、かつ該ファ
    イバ（７１．ｎ）を前記バイア・ホール（７２．ｎ）に
    できるだけ深く押し込むことによって画定されるよう
    に、前記バイア・ホール（７２．ｎ）及び前記ファイバ
    （７１．ｎ）の端部が形成されていることを特徴とする
    請求項１記載の整合構造。
  3. 【請求項３】前記バイア・ホール（４２、４４）が直径
    または対角線が一方向に向かって減少する円形断面また
    は正方形断面を有しており、前記ファイバがシリンダ状
    ファイバ（４０）であることを特徴とする請求項２記載
    の整合構造。
  4. 【請求項４】前記シリンダ状ファイバがテーパ端部を有
    するシリンダ状ファイバ（５０）であることを特徴とす
    る請求項３記載の整合構造。
  5. 【請求項５】前記整合チップ（１２０）がボンディング
    ・ワイヤ（１２３）のための接点ウィンドウとして働く
    少なくとも１つのバイア・ホール（１２４）をさらに含
    んでいる前記請求項のいずれかに記載の整合構造。
  6. 【請求項６】前記整合チップ（７０）が一定直径を有す
    る少なくとも１つのシリンダ状バイア・ホール（７２．
    ｎ）を含んでおり、前記基板（６０）上に配置されたエ
    ッジ発光レーザ・ダイオード（６１．ｎ）が発光する光
    のビーム（６３）がミラー（６２．ｎ）を介して前記フ
    ァイバ（７１．ｎ）のコア（７４．ｎ）に結合されるよ
    うに、テーパ端部を有するファイバ（７１．ｎ）が配置
    されていることを特徴とする請求項４記載の整合構造。
  7. 【請求項７】前記ファイバ（８３）がシリンダ状バイア
    ・ホール（８６）を有するファイバ・ファルール（８
    ０）に事前整合され、該ファイバ・ファルール（８０）
    が少なくとも１カ所のはんだ接着（８５．ｎ）によって
    前記整合チップ（８１）に接着されていることを特徴と
    する請求項４記載の整合構造。
  8. 【請求項８】前記整合チップ（８１）が一定直径Ｄaの
    シリンダ状上部及び一定直径Ｄ’aの下部を備えたバイ
    ア・ホール（８７）（Ｄa＞Ｄ’a）を有していることを
    特徴とする請求項７記載の整合構造。
  9. 【請求項９】前記ファイバ（８３）がテーパ端部及びボ
    ール・マイクロレンズを備えたシングルモード・ファイ
    バであることを特徴とする請求項７記載の整合構造。
  10. 【請求項１０】前記整合チップ（９０）がピラミッド状
    バイア・ホール（９４）がエッチングされ、５４，７４
    度の角度を有する４つの側壁を有しているシリコン（Ｓ
    ｉ）であることを特徴とする請求項３または４記載の整
    合構造。
  11. 【請求項１１】基板（８２）上に形成された発光または
    受光素子に結合される光ファイバ（８３）の整合方法に
    おいて、 前記ファイバ（８３）を整合チップ（８１）のバイア・
    ホール（８７）に挿入することによって該ファイバを事
    前整合し、 光学セメント、ガラス、エポキシ、またははんだを使用
    して、前記ファイバ（８３）を前記バイア・ホール（８
    ７）に固定し、 前記整合チップ（８１）を前記基板（８２）上に載置
    し、 前記整合チップ（８１）を前記基板（８２）上で大まか
    に整合し、前記基板（８２）上のはんだ湿潤パッドが前
    記整合チップ（８１）上の対応するはんだ湿潤パッドと
    対向して配置され、間に配置されたはんだボール（８
    ４．ｎ）が対応するパッドの間の接点を提供するように
    し、 前記はんだボール（８４．ｎ）を加熱して、溶融させ、 溶融はんだ接着部を冷却して、整合チップ（８１）及び
    基板（８２）が溶融したはんだボール（８４．ｎ）の表
    面張力によって正確に整合されるようにすることを特徴
    とする前記整合方法。
  12. 【請求項１２】各々が発光もしくは受光素子（１２５−
    １２７）を構成するセル（１１５）を含むウェハ（１１
    ０）に複数の光ファイバ（１２２）を整合させる方法に
    おいて、 バイア・ホール（１２１）を有する整合ウェハ（１１
    １）を前記ウェハ（１１０）上に載置し、 前記ウェハ及び整合ウェハ（１１０、１１１）上の整合
    マーク（１１３、１１４）によって前記２つのウェハを
    大まかに整合させ、かくバイア・ホール（１２１）がそ
    れぞれの発光または受光素子（１２５−１２７）と事前
    整合され、前記ウェハ（１１０）上のはんだ湿潤パッド
    が前記整合ウェハ（１１１）上の対応するはんだ湿潤パ
    ッドと対向して配置され、間に配置されたはんだボール
    （１３１．ｎ）が対応するパッド間の接点をもたらすよ
    うにし、 前記はんだボール（１３１．ｎ）を加熱して、溶融さ
    せ、 溶融はんだボール（１３１．ｎ）を冷却して、前記整合
    ウェハ（１１１）と前記ウェハ（１１０）が溶融はんだ
    ボール（１３１．ｎ）の表面張力によって自動的に整合
    されるようにし、 ウェハ・アセンブリ（１１２）のセル（１１５、１１
    ７）をレーザ・アブレーション、エッチングまたはへき
    開によって分離し、 前記ファイバ（１２２）の各々を前記整合ウェハ（１１
    １、１２０）の前記バイア・ホール（１２１）の１つに
    挿入することによって、これらのファイバを整合させ、 光学セメント、ガラス、エポキシ、またははんだを使用
    して、前記ファイバ（１１２）を前記バイア・ホール
    （１２１）に固定することを特徴とする前記整合方法。
  13. 【請求項１３】各ファイバ（８３）をファイバ・ファル
    ール（８０）のバイア・ホール（８６）に挿入してか
    ら、該ファイバを整合チップ（８１）のバイア・ホール
    （８７）に挿入して、ファイバ（８３）のジャミングを
    防止することを特徴とする請求項１１または１２記載の
    方法。
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