JP2002522815A - 光学パッケージの製造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 光学パッケージの製造方法について述べると、光ファイバーの露出部（１０）に、予め設定した湾曲を故意に与える。光ファイバーの露出部長と、これが支持される位置（Ｐ２）と光学装置（４）上の固定点（Ｐ１）との間の距離との関係は、光ファイバーにおいて誘発される歪を考慮して決定する。本方法に従って設計された光学パッケージもまた開示される。

Description

【発明の詳細な説明】

（技術分野) 本発明は、光学パッケージの製造方法に関し、詳細には、光ファイバーが一体
化された光学装置に固定される種類のものに関する。 （背景技術） 本発明は、（限定されるものではないが）特に、光導波路が一体形成されたシ
リコンオンインシュレータウェーハを含んで構成される一体型光電子装置のパッ
ケージに関連する。これらの導波路は、シリコン自体の表面に形成される。一体
化された光学装置は、ウェーハ表面に固定された電子的な又は光電子的な構成要
素を含むことも可能である。光ファイバーは、一体化された光学装置上への及び
そこからの光のためのコンジットとして機能する。それは、パッケージ内部にお
いて入口部フェルールにより支持され、ここから一体化された光学装置上の固定
点まで延伸する。信頼性のある光電子装置の設計には、光ファイバーの端部取付
具に対して、パッケージ温度の変化の間に過度な力が働かないこと、及び光ファ
イバーが過度な歪レベルに達しないことが要求される。 本発明は、上記課題を達成する製造方法を提供することを目的とする。 （発明の開示） 従って、本発明によれば、光ファイバーが、支持位置と、一体化された光学装
置上の固定点との間を剥き出しの状態で延伸し、この光ファイバーの露出部長（
Ｌ）と、支持位置と固定点との間の相互垂直軸上の距離（Δｈ）との関係が、光
ファイバーにおいて誘発される歪を考慮して設定されることにより、アセンブリ
では、前記光ファイバーの露出部に所定の湾曲が形成される光学パッケージの製
造方法が提供される。 パッケージは、一体化される光学装置を保持する部分と、光ファイバーが支持
位置において支持される入口部とを有するケーシングを含んで構成される。ケー
シングが初めに製造される場合には、本方法は、一体化される光学装置上の固定
点と支持位置との間の、ケーシングに固有な垂直オフセット（Δｈ）を決定する
ステップを含んで構成される。それから、要求される光ファイバーの露出部長（
Ｌ）が、誘発される歪に関する制約を考慮して算出される。 開示される形態によれば、本方法は、所定長の光ファイバーを支持要素に貫通
挿入することにより、光ファイバー構造体を組み立てることと、該所定長の光フ
ァイバーを要求の露出部長（Ｌ）に切断することと、該光ファイバー構造体を、
一体化された光学装置を保持したケーシングに収容することと、光ファイバーを
固定点に固定することと、を含んで構成される。支持要素は、ここでは、フェル
ールと呼ばれ、好ましい形態では、例えば、本出願人の先行出願である英国特許
出願第９８１４６４３．４号に開示されるように、光ファイバーが貫通して延伸
するセラミックインサートを収容する金属製の外部ケーシングを含んで構成され
る。 熱膨張及び／又は組立誤差により、実際には、小さな長手方向変位が発生した
ときであっても、Ｒを最小湾曲半径として、最大誘発歪εｍａｘが０．３％以下
に保たれるパッケージの設計が可能であることが分かっている。 εｍａｘ＝（ｒ／Ｒ）×１００ これを達成するための１つの方法は、好ましい形態との関連でより詳細に説明
される、経験則を基に決定された設計による歪εｄｅｓによる設計技術を利用す
ることである。ここで述べられる近い寸法のパッケージについてこれを達成する
ための他の方法は、Ｌ／√（Δｈ）が１００×√（３ｒ／１０）〜１００×√（
３ｒ）の範囲内にあることである。ここで、ｒは、光ファイバーの半径である。
この式は、実際面では、光電子パッケージでの露出部長Ｌ及び距離Δｈ間の関係
についてのロバストな規準となることが分かっている。 光ファイバーは、光ファイバー構造体をケーシングに挿入し、光ファイバーの
自由端をケーシング内に保持された、一体化された光学装置の真上に位置させた
後に、その光ファイバーの自由端を下方に向けて、該一体化された光学装置上の
固定点にある溝に押し込むことにより、一体化された光学装置に固定することが
できる。光ファイバーは、エポキシ樹脂により固定点に固定することができる。
これにより、組立を容易化し、かつ、固定点前の光ファイバー先端部において下
向きの力を発生する、いわゆる正方向Ｓ字湾曲が形成される。 一体化された光学装置は、セラミックウェーハなどの基礎要素上で、ケーシン
グ内に配置することが可能である。 ここで述べられる特定の形態によれば、光ファイバーが端部固定点の間に垂直
オフセットΔｈを有して強固に組み立てられることにより、光ファイバーが公知
ジオメトリーの緩やかな正方向Ｓ字湾曲形状をなす設計方法が開示される。Ｓ字
湾曲の重大な局面は、垂直オフセットからの曲げ運動により光ファイバーに誘発
された小さな付加的歪にもかかわらず、端部固定点に働く圧縮力又は引張力が、
ほぼ一定に、かつ、既知のレベルに保たれることである。このことは、端部の固
定が、特に一体化された光学装置への固定が、接着面を形成するのに利用される
限定された表面領域により比較的弱くなることがあるので、重要である。さらに
、予期される歪は、短期破壊が生じるレベルより低く、好ましくは、０．３％以
下に予め設定することが可能である。 本発明をより理解するために、及び同方法がいかに実現されるのかを示すため
に、ここで、添付の図面が例示として参照される。 （発明を実施するための最良の形態） 図１は、例えばＫＯＶＡＲ（Ｎｉ／Ｆｅ／Ｃｏ）又はその他の素材を材料とし
た、気密性の高いケーシング２を含んで構成される光学パッケージを示している
。ケーシング２は、セラミックウェーハ６上の一体化される光学装置４を受ける
ためのボウル状部分２ａを有する。ケーシング２は、管状の入口部２ｂをも有す
る。図示しないが、最終的な形態では、パッケージ全体が気密にシールされるよ
うに、パッケージは蓋を含んで構成される。入口部２ｂは、光ファイバー１０が
貫通して延伸する中央部ボアを有するセラミックインサートを保持した、例えば
ブラス製の、金属外部ケーシングを含んで構成されるフェルール８を保持してい
る。光ファイバーは、光ファイバーケーブル１２の一部を形成している。光ファ
イバーケーブル１２は、光学クラッディングにより包囲された中心の光学コアと
、多数の保護外部層とを有する。光ファイバー１０は、保護外部層が除去されて
いる。フェルール８は、気密にシールされた構造を提供しており、一端において
光ファイバーケーブル１２が挿入され、多端から光ファイバー１０が突出してい
る。図１において符号１０が記された太線は、最終パッケージにおいて採られる
形態の光ファイバーを示している。図示のごとく、これは、緩やかなＳ字湾曲の
形態である。図１の点線は、後に詳述する組立時における光ファイバー１０を示
している。一体化された光学装置４の表面には、多数のシリコン導波路が一体に
形成されている。さらに、光ファイバー１０の端部がその固定点近傍に配置され
る、微小加工されたＶ字溝１４を有する。 図２は、Ｓ字湾曲の重要な構成要素をより詳細に表している。距離Δｈは、一
体化された光学装置に対する光ファイバーの固定点Ｐ１と、光ファイバー１０が
フェルール８を出るポイントである支持位置Ｐ２との間の垂直オフセットを表し
ている。垂直オフセットΔｈは、組立時において、フェルール８から離れた光フ
ァイバー１０の端部が、一体化された光学装置４上まで下方に向けて押されなけ
ればならないように、フェルール８の中心軸が、一体化された光学装置４の上側
表面から垂直方向に変位されることにより、形成される。従って、垂直オフセッ
トΔｈは、理論的には、ケーシング２のパラメータにより決定されることが分か
る。 他の重要な寸法は、光ファイバー１０の露出部長Ｌであり、これは、固定点Ｐ
１と支持位置Ｐ２との間の長さである。ここで規定されるように、長さＬは、Ｐ
１及びＰ２間の水平方向距離である。実用面の問題として、光ファイバーの実際
の長さＬ’は、オフセットΔｈが長さＬに比べて非常に小さいから、水平方向距
離Ｌに非常に近似する。 図３は、一体化された光学装置における固定位置を、より詳細に示している。
光ファイバー１０は、Ｖ字溝１４内に押し込まれており、エポキシ樹脂１６によ
り、そこに固定されている。図３では、光ファイバー１０が、例えば（本出願人
の先行する英国特許第２３１３６７６Ｂ号に開示されているような）時計製造業
者の受け石といったセラミックディスク１８を貫通している状態が示されている
が、これも、一体化された光学装置の側部に固定されている。これは、光ファイ
バーを剥がす力に対する抵抗力を提供する。 以下に、図１に示したパッケージの製造方法を説明する。 ケーシング２は、図１に示される形態を有しており、特に、ボウル状収容部２
ａと、入口部２ｂとが設けられている。この収容部２ａは、一体化される光学回
路４を支持するセラミックウェーハ６を収容し、かつ、入口部２ｂの水平方向中
心軸までに特定距離Δｈを形成するのに充分な深さがある。セラミックウェーハ
６及び一体化された光学装置４は、ケーシング２内に配置し及び固定する。 光ファイバー構造体は、光ファイバーケーブルから外側の保護膜を除去して、
光ファイバーの露出部１０を設けることにより準備する。これを、フェルール８
を構成する金属チューブ内に保持したセラミックインサートに貫通挿入する。最
終パッケージにおいて要求される光ファイバー１０の長さＬ’は、ここで更に説
明されるようにして算出する。組立後にフェルール８から延伸する光ファイバー
１０の実際の長さは、要求される露出部長Ｌ’に切り詰める。光ファイバーの自
由端は、セラミックディスク１８に通す。その後、光ファイバー１０が入口部２
ｂの軸に沿って延伸し、かつ、収容部２ａに突き出るように、フェルール８をケ
ーシングの入口部２ｂに挿入する。この時点で、光ファイバー１０は、図１の点
線で示すようなプロファイルを有し、その自由端は、一体化された光学回路の固
定点上方に位置する。その後、光ファイバーを、Ｖ字溝１４に向けて下方に押し
込み、エポキシ樹脂で接着することにより、そこに固定する。この方法では、正
方向Ｓ字湾曲が、光ファイバーに故意に形成される。 光ファイバーの応力及び歪パラメータは、Ｓ字湾曲の形状と、使用時において
予期される変位とにより決定される。長手方向の変位に影響する最重要項目は、
ケーシング２に使用される金属及びフェルール８に使用される金属の熱膨張係数
であるから、設計プロセスにおいては、これらを考慮する必要がある。実際には
、歪パラメータが妥当に考慮されていれば、小さな変位についても手当てされる
ことが実証されている。 ここで、光ファイバーの最大引張歪の算出処理について、図４を参照して説明
する。図４において、実線は、固定点Ｐ１及びＰ２間の水平方向距離Ｌを表して
おり、これは、光ファイバー１０の長さＬ’に近似する。Δｈは、既に述べたよ
うな垂直オフセットを表している。Δｚは、組立時における固定誤差と、熱膨張
及び熱収縮の影響とにより生じる光ファイバーの軸方向距離を表している。光フ
ァイバーを引張状態にする長さＬの延長量は、ここでは、Δｚについての正の値
として示され、また、光ファイバーを圧縮状態にする短縮量は、負の値として示
される。θは、固定点Ｐ２におけるフェルールの角度変位を表している。つまり
、製造時において、フェルールは、パッケージの入口部２ｂの長手方向軸に真っ
直ぐに沿って、角度変位がゼロで配置されるのが望ましいが、時として、製造時
における誤差が、フェルールの軸からの小さな角度変位を形成するのである。こ
れを、図４において、角度θで表している。軸方向変位Δｚは、使用時における
熱収縮又は熱膨張による見込みの変位だけでなく、製造時における固定点Ｐ２の
配置作業で起こり得る誤差をも表している。実際には、Ｓ字湾曲の形状は、Δｚ
又はθを明白には考慮せずに設計することが可能である。実際の場面での殆どに
おいてθがゼロとなるか又はゼロ近傍となることを示す平行固定点が概ね達成さ
れるように、パッケージを組み立てることができる。また、歪パラメータを下記
のごとく適切に取り扱ったならば、通常の条件下では、Δｚについて充分な許容
範囲が提供されることが分かっている。歪パラメータに基づくＳ字湾曲形状につ
いての正確な分析では、水平方向変位の見込みの影響についても考慮される。こ
のことは、後により詳細に説明する。 ここで、設計技術について概説する。最終パッケージでのＳ字湾曲は、図２に
示されるような、いわゆる正方向Ｓ字湾曲であることが重要である。これを達成
するためには、まず、光ファイバーの形状を確実に正方向Ｓ字湾曲とするのに充
分に大きな垂直オフセットΔｈを選択する。そして、垂直オフセットΔｈを実現
する適切なケーシングが選択されるように、セラミックウェーハ６の厚みと、光
学装置４を実現する半導体ウェーハの厚みとを考慮する。 ここで、光ファイバーの長さＬ’は、次式に従って算出することが可能である
。

【数２】 なお、ｒは光ファイバーの半径であり、Ｅはヤング率であり、また、σｄｅｓ
は、水平方向変位Δｚ又は角度変位θがない場合の光ファイバーの設計目標応力
である。 この式の基礎を構成する、曲げ状態での光ファイバーの相互接続における応力
及び歪の解析についての詳細な説明は、表題“Predicted curvatures and stre-
sses in a fibre optic interconnect subject to bending ”（E. Suhir著、J-
ournal of Lightwave Technology、第４０巻、第２号、１９９６年２月）に見出
すことができる。 設計応力σｄｅｓは、次式に従って算出することができる。 σｄｅｓ＝Ｅ×εｄｅｓ なお、Ｅは光ファイバーのヤング率であり、また、εｄｅｓは、小さな水平方
向変位及び角度変位を含む通常の条件下において最大歪が０．３％以下となるよ
うに、歪について経験的に設定した値である。本発明者は、ここで開示される寸
法のパッケージについて、εｄｅｓを、０．０１％〜０．１％に、好ましくは、
０．０２％〜０．０５％に設定した。 光ファイバーに適度な信頼性及び寿命を持たせるためには、最大歪εｍａｘが
０．３％を超えることを許容すべきではない。 以上に説明した設計技術に基づく応力及び歪特性を決定するために、ＡＬＧＯ
Ｒ, Inc.からの汎用モデリングプログラムを利用して、Ｓ字湾曲をモデリングし
た有限要素モデルを走らせた。 −０．０４〜０．０２ミクロンのΔｚの変位を、０．００５ミクロン毎に、１
秒間に渡ってモデリングした。このモデルは、各変位値Δｚによる光ファイバー
の軸力Ｔと、最大曲げモーメントＭｍａｘとついての対応値を出力する。これら
の値から、光ファイバーの全最大引張歪を、割合として算出する。 その結果を、図５のグラフに示す。図５は、光ファイバーにおける最大引張歪
に対する、−０．０４ミクロンから０．０２ミクロンまでの変位Δｚのプロット
である。グラフには、全部で６種類のプロットがある。菱形、四角形及び三角形
のプロットは、長さＬ＝１０ｍｍの場合を、それぞれの角度誤差θ＝０°、０．
５°及び１°で示している。記号×（クロス）、＊（アスタリスク）及び○（サ
ークル）は、長さＬ＝１５．５ｍｍの場合を、ここでも各角度誤差θを０°、０
．５°及び１°として示している。 図５のプロットについての他のパラメータは、半径ｒ＝０．０６２５ｍｍ、ヤ
ング率Ｅ＝７３０００、オフセットΔｈ＝０．２５ｍｍである。 従って、上記の範囲内で適切な設計歪を選択することにより、光ファイバーの
最大歪を０．３％以下とすることが可能であるので、製品の寿命に影響を与える
ことなく、広い範囲の水平方向変位Δｚに適応することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 光学パッケージの部分断面図である。

【図２】 Ｓ字湾曲の概略図である。

【図３】 一体化された光学装置の光ファイバーのための固定点の拡大図である。

【図４】 設計プロセスのためのＳ字湾曲に関するパラメータを示す。

【図５】 異なるＳ字湾曲形状についての歪−変位線図である。

【手続補正書】特許協力条約第３４条補正の翻訳文提出書

【提出日】平成１２年８月１７日（２０００．８．１７）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】特許請求の範囲

【補正方法】変更

【補正内容】

【特許請求の範囲】

【数１】

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ， ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，Ｋ Ｅ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，Ｅ Ａ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ， ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，Ｇ Ｅ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ， ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，Ｍ Ｎ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ， ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＡ，Ｚ Ｗ Ｆターム(参考） 2H037 BA02 BA11 BA24 DA04 DA12 DA17 DA37

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光学パッケージの製造方法であって、 支持位置と一体化された光学装置上の固定点との間に、光ファイバーの露出部
   を延伸させ、 前記光ファイバーの露出部長（Ｌ’）と、前記支持位置及び固定点の間の相互
   垂直軸上の距離（Δｈ）との関係を、光ファイバーにおいて誘発される歪に基づ
   いて設定することにより、アセンブリでは、前記光ファイバーの露出部に、所定
   の湾曲を形成することを特徴とする光学パッケージの製造方法。
2. 【請求項２】 一体化される光学装置及び光ファイバーを保持すべく設計したケーシングにお
   いて前記距離（Δｈ）を設定した後、要求される光ファイバーの露出部長（Ｌ’
   ）を算出することを特徴とする請求項１に記載の光学パッケージの製造方法。
3. 【請求項３】 所定長の光ファイバーを支持要素に貫通挿入することにより、光ファイバー構
   造体を組み立てることと、 該所定長の光ファイバーを要求の露出部長（Ｌ’）に切断することと、 該光ファイバー構造体を、前記一体化された光学装置を保持したケーシングに
   収容することと、 該光ファイバーを前記固定点に固定することと、 を含んで構成されることを特徴とする請求項１に記載の光学パッケージの製造
   方法。
4. 【請求項４】 前記光ファイバーの半径をｒとし、ヤング率をＥとし、また、長手方向に関し
   て角度変位又は水平方向変位がない場合の設計目標応力をσｄｅｓとして、前記
   露出部長が、次式により算出されることを特徴とする請求項２又は３に記載の光
   学パッケージの製造方法。 【数１】
5. 【請求項５】 前記設計目標応力σｄｅｓが、εｄｅｓが０．０１％〜０．１％の範囲内にあ
   る場合に、次式により算出されることを特徴とする請求項４に記載の光学パッケ
   ージの製造方法。 σｄｅｓ＝Ｅ×εｄｅｓ
6. 【請求項６】 εｄｅｓが０．０２％〜０．０５％の範囲内にあることを特徴とする請求項５
   に記載の光学パッケージの製造方法。
7. 【請求項７】 前記光ファイバーの露出部長（Ｌ’）と前記距離（Δｈ）との関係であるＬ／
   √（Δｈ）が、前記光ファイバーの半径をｒとして、１００×√（３ｒ／１０）
   〜１００×√（３ｒ）の範囲内にあることを特徴とする請求項１〜３のいずれか
   １つに記載の光学パッケージの製造方法。
8. 【請求項８】 前記光ファイバーを、接着剤で接着することにより前記固定点に固定すること
   を特徴とする請求項３〜７のいずれか１つに記載の光学パッケージの製造方法。
9. 【請求項９】 前記光ファイバーを前記固定点での固定前にディスクに通し、該ディスクを前
   記一体化された光学装置に固定することを特徴とする請求項３〜８のいずれか１
   つに記載の光学パッケージの製造方法。
10. 【請求項１０】 前記光ファイバーを、前記一体化された光学装置上の前記固定点における溝に
    向けて、下方に押し込むことを特徴とする請求項３〜９のいずれか１つに記載の
    光学パッケージの製造方法。
11. 【請求項１１】 一体化される光学装置を、基礎要素への固定により前記ケーシングに配置する
    ことを特徴とする請求項２〜１０のいずれか１つに記載の光学パッケージの製造
    方法。
12. 【請求項１２】 前記誘発される歪を０．３％より小さく設計することを特徴とする請求項１〜
    １１のいずれか１つに記載の光学パッケージの製造方法。
13. 【請求項１３】 添付の図面を参照して、ここで実質的に開示される光学パッケージの製造方法
    。