JP2003506987A - シリコンオンインシュレータ光導波路を用いたコネクタ型光トランシーバー - Google Patents
シリコンオンインシュレータ光導波路を用いたコネクタ型光トランシーバーInfo
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Abstract
Description
トランシーバーに関し、特に、着脱式コネクタを備え、シリコンオンインシュレ
ータ光導波路を用いて光信号を送受信する光トランシーバーに関する。
交換、及び、大きな割合で拡大し続けると期待されているインターネット通信は
、高速データ送受信への要求を増大させている。その結果、ファイバ光通信線(
以後、光ファイバと呼ぶ)を用いた超高速データ通信ネットワークの結合が活発
に推し進められている。
バ、光信号を電気信号に変換し逆に電気信号を光に変換する光トランシーバーモ
ジュール、及び、信号を分配、増幅、変調する機能の素子とにより構成される。
このうち、光通信システムの構築において大事な役割を果たす素子は光トランシ
ーバーモジュールである。しかし、前記光トランシーバーモジュールは極めて高
価なので、光通信網を低廉に拡大するのに費用面において制約になっている。光
トランシーバーモジュールの低価格化を達成するのに障害となる根本的な理由中
の一つは、光ファイバとレーザーダイオードを1ミクロン以下の精度に整列する
のに伴う技術的な難しさと、これを量産化するのに必要な設備に大規模の投資を
必要とするからである。特に、レーザーダイオードと光ファイバを整列するパッ
ケージ工程が光トランシーバーモジュールの全体製造コストの80%以上を占め
る。
を用いることにより達成される。それらの方法は、アクティブアラインメント(a
ctive alignment)とパッシブアラインメント(passive alignment)である。
に入射されるレーザーダイオード光の量が最大となることによって決定される。
そして、レーザーダイオードと光ファイバは、その決定された結合場所において
、レーザー溶接機またはエポキシ粘着剤を用いた接着により固定される。
結合位置は、レーザーダイオードを駆動せずに決定される。パッシブアライメン
ト方法は、画像処理装置でレーザーダイオードと光ファイバの各位置を認識する
ことによって、または、溶融金属が適度な表面張力を示す現象を用いたフリップ
チップボンディング(flip-chip bonding)によって実現され得る。また、フォト
リソグラフィ(photolithography)を用いてシリコンベンチ(silicon bench)を3
次元形態に微細加工して、それぞれ異なる機能を有する光素子を同一ベンチ上に
集積化させるという他の方法も提案されている。近年では、処理時間が短くコス
トが低いために、アクティブアライメント方法よりも、そのようなパッシブアラ
イメント方法が利用されることが増えている。
す。図1に示すように、この光トランシーバーモジュールは、MT-RJ(Mechan
ically Transferable Reinforced Jacket)として知られているコネクタ1を使用
している。外部連結端子(図示しない)はコネクタに設けられている2本のガイ
ドピン15によってガイドされて、コネクタ1に連結される。その結果、コネク
タ1を通過して延長された光ファイバ2により確立された光経路は、外部連結端
子と正確な位置に配置される。
てレーザーダイオードとフォトダイオードよりなる光素子をシリコンベンチ3に
整列した後、光ファイバ2を微細加工されたV字形溝を有するシリコンベンチ3
に整列して接合する方法で製造されており、光ファイバ2の断面は光結合損失を
阻止するために鏡面に研磨されるべきである。
イバ2は、外径が125ミクロンで取扱いが難しい。また切断した断面を鏡面に
研磨するのは高コストである。そして、2本の光ファイバを別々にシリコンベン
チ3に接合しなければならない。このような正確さの要求は高コストを伴って、
トランシーバーモジュールの大量生産の障害となっている。
カ光導波路を用いるPLC(Planar Lightwave Circuit)方式を使用することが提
案されている。PLC方式は、PLC基板上に光素子を配置し整列するための構
造を有するシリカPLC基板を微細加工するために、フレーム加水分解沈澱(Fra
me Hydrolysis Deposition)方式を用いる。しかし、このフレーム加水分解沈澱
方式が高コストであるため、コストダウンには相当な制限がある。
法の製造工程では、多数個の他の機能を有する素子、すなわちレーザーダイオー
ド、モニターフォトダイオード、フォトダイオード、SOI光導波路などを一つ
のシリコンベンチ上に同時に接合することが困難という問題点がある。そして、
溶融金属の表面張力を用いて素子を整列するフリップチップボンディング技術は
ハンダの溶融時酸化阻止機能が添付されていない場合、溶融金属表面が酸化され
るため、結局表面張力が低下され位置制御機能を失う。従って、ハンダの溶融時
酸化阻止機能を備えるために高価な装備費用が必要となり、結局光トランシーバ
ーモジュールの低価格化が難しいという問題点となる。
波接合を施して数十ミクロンの位置精度で簡易接合した後、一括的に金属接合す
る方法が提案されたことがあるが、これは超音波接合に時間がかかり、また超音
波接合工程において半導体素子が機械的な衝撃により損傷しやすいという問題点
がある。
低廉に製造することのできるコネクタ型光トランシーバーを提供するところにあ
る。
タ型光トランシーバーを提供するところにある。
シュレータ光導波路を使用して製造された光トランシーバーを提供するところに
ある。
用される部品の数の削減及び製造工程の簡単化を達成する光トランシーバーを提
供することにある。
コネクタを使用することなく、前述した目的の各々を実現する光トランシーバー
を提供することにある。
、複数の光素子と、シリコン基板と、その上面に光導波路部が備えられたシリコ
ン単結晶層と、前記シリコン基板と前記単結晶層との間に形成され前記光導波路
部を通過する光が拡散するのを防ぐシリカ薄膜層を含むシリコンオンインシュレ
ータ(SOI)光導波路と、その上面に前記複数の光素子及び前記光導波路を載置
するU字形凹部が形成され、光経路をなすよう整列されたシリコンベンチとを有
する。
って縦方向に延伸し、光トランシーバーに連結される外部連結端子を案内するガ
イドピンを受容するV字溝を有する。
結晶層の上面に一体的に突出され形成された、光信号を通過させる縦長の突出部
を有する。
れる外部連結端子に連結するためのガイドピンを受容するV字溝を具備するよう
な構成である。
光トランシーバーモジュールは、光経路を構成するために、従来のトランシーバ
ーモジュールで用いられていた光ファイバやシリカ光導波路の代わりに、SOI
光導波路を用いる。
化カリウム(KOH)エッチング溶液を使用して精密に加工したシリコンベンチ6
を含む。シリコンベンチ6の上面には、中央に、例えば光導波路7、レーザーダ
イオード8、及び、フォトダイオード9及び10等の種々の光素子を各々が搭載
されるU字形の凹部が具備されている。微細通路6a及び6bが、U字形の凹部
に隣接して形成され、これにより、トランシーバーモジュールの光経路がそれに
沿って延伸され、連続した経路が形成される。2本のガイド溝61は、各々、シ
リコンベンチ61の上面のシリコンベンチ6の両側に形成される。2本のガイド
ピン(図6及び図7に示す)は、各々ガイド溝61に受け入れられる。ガイドピ
ン17の作用によって、光トランシーバーモジュールは、外部連結端子に容易に
着脱される。
示している。微細加工されたU字形凹部7aは光導波路7を収容する。前記のU
字形凹部7aは、底と前記の底を囲む傾斜する側壁を形成する台形の端面を形成
する。この傾斜面は54.7度に形成するのが望ましい。典型的には、U字形凹
部7aは、深さ30ミクロン、底の幅950ミクロン、長さ1500ミクロンに
微細加工される。前記SOI光導波路7は、前記U字形凹部7aに数十ミクロン
の精度を有するピックアンドプレース(pick & place)装備を用いて容易にして
正確に載置できる。このような動作と台形の端面によって、SOI光導波路7は
シリコンベンチ6の上に自動整列できる。すなわち、SOI光導波路7が図4の
点線で示したようにU字形凹部7aに不正確に受け入れられても、光導波路は、
U字形凹部の傾斜した側壁に従って実線で示したように正確な位置に移動される
。同様な方法で、発光源であるレーザーダイオード8と、該レーザーダイオード
8の強度を調節する機能を果たすモニターフォトダイオード10と、受光機能を
有するフォトダイオード9等をそれぞれその対応するU字形凹部7aに容易に整
列させ得る。
ォトリソグラフィ(Photolithography)を用いてパターンを加工され、水酸化カリ
ウム(KOH)エッチング溶液で温度と時間を調節して加工された後、非接触3次
元測定器を使用して最終にその大きさを調節されて形成される。
マルチ量子ウェル(strained multi-quantum well)構造を有する素子であって、
有機金属化学気相蒸着(Metal Organic Chemical Vapor Deposition、MOCVD
)装置を用いて薄膜成長し、その外郭の大きさを硫酸と塩酸溶液を混合した溶液
でエッチングした後切断して精度0.5ミクロンに制御したものである。前記モ
ニターフォトダイオード10とフォトダイオード9は、通常の切断方法であるス
クライビングエンドブレーキング(scoring and breaking)法を使用して5ミク
ロンほどの精度で加工する。
光導波路7はSiーGe素子の基板として使用されるSOIウェーハを用いて加
工することが望ましい。図3に示したように前記光導波路7はシリコン基板71
と前記シリコン基板上のシリカ薄膜層72、及び前記シリカ薄膜層72上のシリ
コン単結晶層73を含む。一対の接合部74と一対の光導波路部75は前記のシ
リコン単結晶層73の上に形成される。前記シリコン基板71とシリコン単結晶
層73の間に配置したシリコン薄膜層72は、望ましく0.2ミクロンほどの厚
さを有するように形成され、光導波路部75に導波された光がシリコン基板71
に拡散されることを防ぐよう作用する。前記接合部74と光導波路部75は前記
シリコン単結晶層73上に、フォトリソグラフィ及び水酸化カリウム(KOH)エ
ッチング工程を経て形成する。前記光導波路部75は、レーザーダイオード9、
フォトダイオード10を連結端子13と光結合させるもので、光が転送される主
な光経路として機能する。
路部75と同様な方法で加工されるが、各接合部74の上面にはクロムと金を約
0.6ミクロンの厚さに蒸着させる。光導波路部75と空気層との屈折率の差は
極めて大きいため、光導波路部75の上部を再びクラッド層に被覆する必要はな
い。最終的に加工されたSOI光導波路7は、幅950ミクロン、長さ1500
ミクロンの大きさを有し、光送受信のための二つの光導波路部75の間隔は外部
連結端子13の光ファイバ間の間隔である750ミクロンに製造することが望ま
しい。
して固定させる。図4に示したように、シリコンベンチ6の上に蒸着させたAu
-Sn合金層よりなるハンダ12を、溶融温度280度以上に昇温及び冷却する
ことにより金属接合を行う。レーザーダイオード8を含んだ他の光素子も前記S
OI光導波路7と同一の方法で整列した後、一括的に金属接合工程を施す。従っ
て、別の酸化阻止機能なしで、窒素雰囲気下で一括的にハンダの溶融点以上に昇
温、冷却を行うだけで金属接合を施すことができるので、結局、光送受信モジュ
ールの集積化及び低価格化を達成することができる。
リコンベンチ6に自動整列させた後金属接合を用いて接合させれば、温度変化に
よる熱衝撃を阻止することができ、量産時においても光ファイバより取り扱いし
易く、シリカ導波路より低価格であり、微細加工されたシリコンベンチ6を用い
て集積化を図れる。
aling)が難しいが、SOI光導波路7は平板状を有するので、シーリングが容易
である。そして、このようなSOI光導波路7は、光スイッチ、波長多重モジュ
ール、マルチチップ(multi-chip)モジュールなどが集積化されたモジュールの製
造にも応用できる。
リコンベンチ6に直接にガイドピンを装着できるようV字形溝を加工する方法を
使用して部品を節減し、工程を単純化し、光結合損失を最小化した。
に示している。レーザーダイオード8は電気信号を光信号に変換して光を出力し
、レーザーダイオード8から出力された光はSOI光導波路7に入射され、SO
I光導波路7を出てきた光は再び外部連結端子13の光ファイバ14に集束され
る。連結端子13の中心には直径125ミクロンの光ファイバ14が固定されて
いる。また、レーザーダイオード8の裏部分から出力された光はシリコンベンチ
6のAu蒸着された層から反射されモニターフォトダイオード10に集束される
。モニターフォトダイオード10は、この光を電気信号に変換して、レーザーダ
イオード8の動作を制御し、光の強度を調節するよう動作する。前記光素子は微
細シリコンベンチ6の上に集積化、小型化される。
及び不純物と分離するために微細加工されたシリコンカバー11を用いて覆う構
造を示す。図6に示したようにシリコンカバー11はこの中央部にU字形凹部1
1aが形成され、これはシリコンベンチ6の上に載置されたSOI光導波路7を
覆う。また、シリコンカバー11は、前記U字形凹部11aの両側に形成された
V字形溝11b、11b’を有し、これらはシリコンベンチ6の上に載置された
ガイドピン17を覆う。前記シリコンカバー11は、シリコンベンチ6に熱硬化
性エポキシ樹脂16で接合される。シリコンベンチ6のガイドピン溝61に整列
されたガイドピン17は、光トランシーバーモジュールと外部連結端子13の結
合を案内する。ガイドピン17は、常にシリコンベンチ6に固定されるため、光
トランシーバーモジュールと外部連結端子13の間の堅固な結合が維持できる。
また、外部連結端子13はプラスチック材料で造られるため、シリコンベンチ6
は接触或いは細かい衝突により損傷することがない。
用155Mbps級光トランシーバーモジュールを示している。着脱された状態
の連結端子13と共に、内部に光素子が自動整列され光結合された状態のシリコ
ンベンチ6とシリコンカバー11を示しており、ガイドピン17は外部連結端子
13と連結される。連結端子13をガイドピン17を通してシリコンベンチ6に
連結させることにより簡単に連結でき、この時の光結合損失は通常2dB以下で
ある。 本発明に係る光トランシーバーモジュールのレーザーダイオードと最終に連結
された外部光ファイバとの光結合損失は、約11dB程度である。
整列することができ、集積化、小型化、底価格化を図った光トランシーバーモジ
ュールの製造が可能である。 以上、実施例を挙げて本発明について説明したが、本発明は前述した実施例に
限らず、本発明の技術思想及び技術範囲内で各種の変形及び改良が可能であり、
本発明に係る効果は光通信分野において多様に変形利用され得る。
る代り、平板形のシリコンオンインシュレータ光導波路を使用するもので、その
製造コストが低廉であり、かつ容易に製造工程を自動化することができる効果を
奏でる。
rable Reinforced Jacket)コネクタを固着する代り、シリコンベンチにV字形溝
を形成して直接にガイドピンを装着することにより部品を節減し、光トランシー
バーモジュールの製造工程を単純化する効果がある。
斜視図である。
コネクタ型光トランシーバーモジュールの分解斜視図である。
ータ光導波路の自動整列の原理を示す断面図である。
V-V線に沿った断面図である。
子への連結を示す斜視図である。
Claims (8)
- 【請求項1】 複数の光素子と、 シリコン基板と、その上面に光導波路部が備えられたシリコン単結晶層と、前
記シリコン基板と前記単結晶層との間に形成され前記光導波路部を通過する光が
拡散するのを防ぐシリカ薄膜層を含むシリコンオンインシュレータ(SOI)光導
波路と、 その上面に前記複数の光素子及び前記光導波路を載置するU字形凹部が形成さ
れ、光経路をなすよう整列されたシリコンベンチと を有するコネクタ型光トランシーバー。 - 【請求項2】 前記シリコンベンチは、光トランシーバーに連結される外部連結端子を案内す
るガイドピンを受容するための、縦方向に延伸されたV字溝を有する 請求項1に記載の光トランシーバー。 - 【請求項3】 前記それぞれの光導波路部は、前記シリコン単結晶層の上面に一体的に突出さ
れ形成された、送受信される光信号を通過させる縦長の突出部を有する 請求項1または2に記載の光トランシーバー。 - 【請求項4】 前記シリコンオンインシュレータ光導波路は、導波路の外部に前記シリコン単
結晶層から一体的に突出された縦長の接合部であって、前記シリコンオンインシ
ュレータ光導波路を前記シリコンベンチに接合するもので、金属でコーティング
されている接合部 を有する請求項3に記載のコネクタ型光トランシーバー。 - 【請求項5】 前記複数の光素子及び前記SOI光導波路は、シリコンベンチの上に蒸着させ
たハンダ層をハンダ層の溶融温度以上に加熱し、溶融したハンダ層を冷却するこ
とにより、同時に前記シリコンベンチに金属接合される 請求項4に記載の光トランシーバー。 - 【請求項6】 前記ハンダ層はAu-Sn合金層を含む 請求項5に記載の光トランシーバー。
- 【請求項7】 記複数の光素子と前記SOI光導波路を覆うシリコンカバー をさらに有する請求項1または2に記載の光トランシーバー。
- 【請求項8】 前記シリコンカバーは、熱硬化性エポキシ樹脂を用いてシリコンベンチと接合
される 請求項7に記載の光トランシーバー。
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