JP2004029798A

JP2004029798A - 整合装置

Info

Publication number: JP2004029798A
Application number: JP2003167755A
Authority: JP
Inventors: John C Brock; ジョン・シー・ブロック; Dean Tran; ディーン・トラン; Edward A Rezek; エドワード・エイ・レゼック; Christian L Marquez; クリスチャン・エル・マルケス; Michelle M Hazard; ミッシェル・エム・ハザード
Original assignee: Northrop Grumman Corp
Current assignee: Northrop Grumman Corp
Priority date: 2002-06-13
Filing date: 2003-06-12
Publication date: 2004-01-29
Also published as: US6965714B2; US20030231828A1; EP1376178A2; EP1376178A3

Abstract

【課題】組み立ての必要性を排除し、信頼性及び精度を改善する光学整合装置を提供する。
【解決手段】本発明は面内光学装置間でエネルギを正確に整合させ、有効に結合するための光学的な一体的整合装置（１２）に関する。半導体基体（１４）はエッチングされて、光ファイバ（１６）のための溝（２４）及び切断されたファイバから光検出器（２０）へ光信号を通過させるレンズ（４０）を形成させる。エッチングされた半導体基体は表面発光装置から切断されたファイバへ光信号を通過させるためにも使用することができる。光ファイバの端部はファイバからレンズを通して又はその逆に光信号を導くような角度で切断される。レンズは光信号を標的上に合焦させる。
【選択図】　　　　図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般に、面内光学装置間で光エネルギを結合するためのモノリシック的に集積された整合装置を組み込んだフォトニクスパッケージ、及び、これを製造する方法に関する。詳細には、本発明は一体のファイバ溝、レンズ開口及びモノリシック非球面レンズを有する光学結合及び整合装置を組み込んだフォトニクスパッケージに関する。
【０００２】
【従来の技術】
光通信装置におけるデータはしばしばレシーバ、トランスポンダ、トランシーバ等の如きフォトニクス装置内で終端する光ファイバを通る光信号の形で伝達される。データは、例えばフォトニクスダイス上へ導かれる光ビームとして光ファイバから投射され、ダイスにおいて、データは光検出器により受け取られ、対応する無線周波数（ＲＦ）電気信号に変換される。しかし、ファイバ及び光検出器を近接させた場合又は光信号を合焦させるためにレンズを使用できる場合に整合及び発散の双方の問題を最小化できるときでも、データはファイバと光検出器との間の不適正な整合又は光発散のため容易に失われることがある。一般に、このような光学結合装置はその使用が増大しており、そのため、マイクロ光学結合装置のための簡単な組み立て工程の要求の重要性が増大している。
【０００３】
現在、フォトニクス装置のパッケージング（複数要素を１つのユニット即ちパッケージにまとめること）に対する２つの大まかな対処法がある。第１の方法では、光ファイバが光検出器に対して垂直に整合され；第２の方法では、光ファイバが光検出器に対して面内（即ち平行）にある。光がファイバから光検出器上へ直接投射されるような第１の構成においては、光検出器及びファイバは３つの相互に垂直な面（（ｘ−ｙ）、（ｘ−ｚ）、（ｙ−ｚ））内で光学的に整合しなければならず、これは組み立て工程を複雑にする。更に、このような構成は高周波数のデータ移送にとっては問題となることがある。その理由は、一層長いワイヤ結合及び伝達ラインを必要とし、これが高周波数作動において装置の性能を減少させるからである。この設計形状はまた、ＲＦ信号出力に対して光入力を垂直にさせることとなり、これはモジュール内に一層大きな空間を必要とさせる。このような性能及び寸法の結果はこの対処法を商業的に一層望ましくないものにし、容認できなくはないとしても、これは、実質上共面のファイバ入力及びＲＦ出力を有することが有利な多くの応用にとっての賛成できない対処法である。
【０００４】
ファイバが光検出器の表面に対して平行であるような第２の構成においては、光検出器に当たるようにファイバからの光信号を再指向しなければならない。この形式の整合装置における光信号を再指向させる１つの既知の方法はファイバの軸線に垂直な方向へ光信号をミラーを介し反射させることである。しかし、この方法にはいくつかの問題がある。別個のミラー（整合に必要な付加的な素子）を使用すると、ファイバと光検出器との間に間接的な接続が生じ、整合中に困難を生じさせ、一層精確な構成が必要なためコストが上昇し、信頼性を減少させる。更に、光信号をミラー上へ次いで光検出器へ正確に導くためには、光ファイバホルダはレンズを組み込まねばならない。それ故、中間のミラーを排除することにはある商業上の利点がある。
光ファイバからの光信号をファイバの軸線に垂直に再指向させる別の方法は、ファイバ内の信号が軸線にほぼ垂直な方向へ偏向されるような角度でファイバの終端部を切断することを含む。次いで、ファイバから出る信号が信号を整合させ、合焦させるためにレンズを通過するように、ファイバが位置決めされる。このデザインは従来の装置よりも改善を与えるが、高周波数光信号が極めて小さい光検出器を必要とするので、光分散を最小化し、光検出器の応答性を最大化するために、光ファイバは光検出器に極めて接近させねばならない。更に、３つの素子、即ちファイバ、レンズ及び光検出器は信頼ある結合を保証するために互いに関して正確に位置決めしなければならず、これを達成するのは困難である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述の各形状においては、フォトニックパッケージは光ファイバ、光検出器、ミラー、レンズ、及びその上で素子を組み立てる基体即ちマイクロベンチを含むいくつかの独立に製造されたマイクロ光学素子や、これらの素子を接続するための接着材料を有し、これらすべてはしばしば互いに組み立てられるが、これは効率的ではない。自動組み立てを使用できるが、必要な整合精度を達成できない。従って、光ファイバに対して平行な方位で光検出器を光学的に整合させるための簡単な構成が要求される。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、マイクロ光学装置のための改善されたフォトニクスパッケージに関し、このパッケージは第１及び第２の光学装置間で光信号を導くための組立体を有し、一方の光学装置はこのような信号の源であり、他方の光学装置は光検出器である。信号は光ファイバ及び光学カップラ即ち整合装置を通過し、ファイバとフォトニクスダイスとを光学的に結合する。１つの実施の形態においては、光源は光を光ファイバ内へ導き、この光はカップラによりダイス上の光検出器へ導かれる。代わりに、フォトニクスパッケージはダイス上の光トランスミッタから光学カップラを介して光ファイバへ光を伝達するために使用することができる。
【０００７】
一層詳細には、本発明の好ましい実施の形態において、本発明のフォトニクスパッケージは普通のエッチング処理により基体からモノリシックカップラ即ち整合装置を最初に製造することによって形成される。整合装置はその頂面上の一体のファイバ溝と、一体の非球面レンズと、その底表面上に位置し、フォトニックダイスを受け入れ、これを球面レンズの下方で位置決めする一体の窪んだレシーバ部分とを組み込んでいる。本発明の１つの形においては、ダイスはファイバ溝内に位置する光ファイバを介して整合装置内へ導かれる光信号を受け取るように位置する光検出器区域を有する。溝及びファイバは球面レンズの表面に対してほぼ平行であり（即ち、これらは「面内」にあり）、光ファイバの終端はレンズの上方に位置するように溝から十分に延びる。本発明のこの第１の形においては、ファイバの端部はファイバ内で軸方向に伝播する光信号を、ファイバから、ファイバの軸線に実質上垂直な方向へ再指向させるような角度で切断される。切断されたファイバは研磨することができ、高反射（ＨＲ）コーティングを付加することができる。４５度の切断角度を有する光ファイバの製造及びＶ字状の溝内でのこのようなファイバの位置は米国特許第５，３２４，９５４号明細書に示されている。本発明のこの形によれば、ファイバからの光信号は非球面レンズを通してこのレンズにより導かれ、精確に位置決めされたフォトニックダイス上の光検出器区域により受け取られる。本発明の第２の形においては、フォトニックダイスはファイバの傾斜した終端により光信号を光ファイバ内へ導くための垂直空洞表面発光レーザーダイオード（ＶＣＳＥＬ）又は表面発光ダイオード（ＳＬＥＤ）の如き光エミッタを組み込むことができる。整合装置の種々の素子の一体化は整合が容易で極めて小さな光学コネクタを提供し、複雑さを減少させ、製造コストを減少させる。
【０００８】
本発明の好ましい形によれば、非球面レンズを含むモノリシック整合装置は１）基体をフォトリソグラフィー的にパターン化するためのフォトレジスト材料で基体をコーティングし、２）基体の頂表面上にファイバ溝を形成するように及び非球面レンズの頂表面を形成するように標準の半導体エッチング処理を使用して、パターンを通して基体をエッチングし、３）基体を裏返し、フォトリソグラフィーのためのフォトレジスト材料で底表面をコーティングし、４）基体の底表面上にくぼみを形成するために及び非球面レンズの底表面を形成するために標準の半導体エッチング処理を使用して、基体の底表面をエッチングし、５）レンズの入力及び出力表面を反射防止性（ＡＲ）にするような材料のフィルム又は薄いフィルムで出来上がった非球面レンズの両側をコーティングすることにより、基体ウエファー内で製造される。好ましいエッチング処理は米国特許第５，８５３，８６０号明細書に示されたものと同様である。
【０００９】
整合装置を製造する最終工程は、はんだのようなもので、基体ブロックのファイバ溝及び底部を金属化することである。その後、ファイバの傾斜した表面の光学軸線がレンズの光学軸線に整合するように、傾斜した終端を有する光ファイバを溝内で固定し、ダイス上の光検出器区域又は表面発光活性区域がレンズの光学軸線従ってファイバの光学信号軸線に整合するように、フォトニックダイスをくぼみ内で位置決めする。モノリシック整合装置は自動組み立て手順のために光ファイバ、レンズ、及び光検出器又は表面発光装置及びレンズ自体の正確で信頼ある整合を保証する。
【００１０】
総合的に言えば、マイクロ光学装置のためのモノリシックでコンパクトで簡単な光学結合装置はいくつかの利点を有する。例えば、整合装置のすべての素子を単一の工程で同じ材料から構成することにより、組み立てコストを下げ、組み立て中の整合問題を減少させ、素子間の等しくない熱膨張により従来の装置内で生じていた問題を克服する。さらに、複雑な結合及び整合機構を排除することができ、素子の数及び装置を製造する方法の複雑さを減少させる。モノリシック構造体はまたファイバ、レンズ及び光検出器光エミッタの一層の近接を許容し、これが、一層精確な整合、整合に必要な時間の短縮及び光学電子装置の一層有効な梱包を許容する。パッケージの組み立ては自動化することができ、一層の量産及び一層の生産性を与える。
【００１１】
要約すると、本発明に係るフォトニクスパッケージを組み込んだモノリシックマイクロ光学装置は光通信応用に関連する種々の問題を有効に解決し、商業的に有利な製品を提供することにより従来技術に改良を加える。装置は手動組み立ての必要性を排除し、従来の装置を簡略化することにより信頼性及び精度を改善する。
【００１２】
【実施の形態】
ここで、本発明の一層詳細な説明に戻ると、図１、２、３には、標準の半導体エッチング処理により基体１４から製造された半導体モノリシック光学カップラ即ち整合装置１２を含むフォトニクス（光学通信用）パッケージ１０を示す。この処理は、後述するような、整合装置１２にとって必要な特定の特徴の形成を許容する。
【００１３】
一層詳細には、例えば光信号を対応する電気信号に変換する又は逆に電気信号を光信号に変換するための通信又はデータネットワーク応用に使用できるフォトニクスパッケージ１０は整合装置１２と、整合装置により支持された光ファイバ１６と、１つの実施の形態では光検出器とすることのできる光学的に活性の区域２０を含むフォトニックダイス１８とを有する。別の実施の形態においては、代わりに、区域２０はＶＣＳＥＬ又はＳＬＥＤの如き光エミッタとすることができる。整合装置１２は普通の半導体製造技術を使用して基体１４から（後述するように〕作られるモノリシック構造体である。基体はその頂表面をエッチングされて、ほぼＶ字状又はＵ字状の横断面とすることのできるファイバ溝２４と、レンズ開口２６と、開口２６内の頂部レンズ表面２８とを形成する。その後、基体の底表面がエッチングされて、レシーバ区分３２を形成し、この区分は、好ましい実施の形態においては、第１の即ち水平な表面３４と、基体の底部に棚即ち肩部を形成する第２の即ち垂直な表面３６とを有するＬ字状の溝即ちくぼみの形をとることができる。表面３４は更にエッチングされて、底部レンズ表面３８を形成する。整合装置を製造するためのエッチング処理中、普通のフォトリソグラフィー工程を使用して、頂部及び底部のレンズ表面２８、３８を自動整合させ、基体内に、レンズ軸線４２に沿って開口２６内でセンタリングされた非球面レンズ４０を作る。
【００１４】
レシーバ区分３２はフォトニックダイス１８を受け入れ、光エミッタ又は光検出器とすることのできるその光学的に活性の区域２０がレンズ軸線４２に整合して位置決めされるようにフォトニックダイスを位置決めするために、エッチング処理中に精確に形状づけられ、位置決めされる。図面は光学カップラ又は整合装置１２から離れたダイス１８と共に、Ｌ字状の横断面としてレシーバ区分を示すが、レシーバ区分は好ましくはレンズ４０と光学整合させてダイス１８をぴったり受け入れ、固定するのに必要なように形状づけられることを理解されたい。
【００１５】
好ましくは、基体の頂表面内の溝２４はＶ字状の横断面形状であるが、ほぼＵ字状とすることができる。溝のベース４４はレンズの軸線４２に整合し、それを延長させるとこの軸線と交差する。光ファイバ１６を溝２４内に配置したとき、溝のＶ又はＵ字形状がカップラ内の光ファイバの長手軸線４６と精確に整合し、その軸線４６をレンズ軸線４２と交差させる。ファイバ１６の終端部４８は切断され、研磨され、金属又は他の酸化物材料でＨＲコーティングされる。切断部はファイバの軸線４６に関して傾斜し、光ファイバ内を伝播してファイバを出る光信号を、ファイバの軸線に関して垂直に整合するビーム５４として導く傾斜した端表面５０を形成する。切断部は好ましくはファイバの軸線に対して４５度の角度であるが、３５ないし５４度の角度を使用することができる。ファイバ１６の端部４８は、表面５０の中心即ち軸心がレンズの軸線４２に整合するように、開口２６内で位置決めされ、ファイバは、表面５０がレンズ４０を通すように軸線４２に沿ってビーム５４を導くように、回転される。レンズ４０は光検出器区域２０を含むフォトニックダイス１８上へビーム５４を合焦する。光学的に活性の区域２０が表面発光装置である場合は、区域２０からの光がレンズの軸線４２に沿ってファイバ１６内へ導かれることを理解されたい。
【００１６】
本発明のカップラを用いると、単に、端表面５０の中心がレンズ４０の中心線４２に整合するように、溝２４内でファイバ１６を長手方向で位置決めし、そして、出力光ビーム５４がレンズの中心へ導かれることを保証する位置へファイバを回転させることにより、光学的に活性の区域２０に対するファイバ１６の如き光学装置の精確で信頼ある整合が容易に達成される。図２に示すように、ビーム５４は発散して信号強度を弱化させる傾向を有するが、好ましい実施の形態では非球面レンズであるモノリシック的に一体に作られたレンズ４０が光を集中させ、整合及び信号強度特性を改善する。図３は、ファイバの端部５０がレンズ開口２６内に位置し、中心線４２上でセンタリングされているような、ファイバ溝２４内でのファイバ１６の整合を一層明確に示す。カップラ／整合装置１２へ光を供給するための適当な光源（図示せず）は、直接的に又は適当な導波路又は付加的な光ファイバを介してファイバ１６に結合された、ダイオードレーザー、フォトダイオード等の如きレーザー源とすることができる。
【００１７】
本発明のモノリシック光学整合装置１２を得るための典型的な方法は上述の米国特許第５，８５３，９６０号明細書に記載されている。一般に、及び、本発明の好ましい形に従えば、モノリシック非球面レンズは図４−６に示す方法により基体ウエファー内で製造される。この方法は、基体上にパターン６２をフォトリソグラフィー的に形成するためのフォトレジスト材料６０で基体１４の頂表面５８をコーティングする工程を含む。基体は標準の半導体エッチング処理を使用してエッチング（矢印６４）され、ファイバ溝２４、開口２６及び球面レンズ４０の頂表面２８を形成する（図４）。基体１４は裏返され（図５）、底表面３０がフォトリソグラフィーのためのフォトレジスト材料６６でコーティングされる。基体は標準の半導体エッチング処理を使用して再度エッチング（矢印６８）され、基体表面３０上のくぼみ３２及び球面レンズ４０の第２の表面３８を形成する。出来上がった球面レンズ４０はその両面を反射防止（ＡＲ）材料でコーティングされる（図６の矢印７０）。最終工程はファイバ溝及び基体ブロックの底部を例えばはんだで金属化し、光ファイバをカップラに容易に締結できるようにする工程を含む。基体１４は優先エッチングを許容するユニークな結晶面を有するグループＩＩＩ―Ｖ半導体の如き任意の高屈折率半導体とすることができ、そして更に、例えば、ヒ化ガリウム、ヒ化インジウム、リン化ガリウム又はケイ素（Ｓｉ）とすることができる。好ましい実施の形態においては、ウエファーはリン化インジウム（ＩｎＰ）からなる。商業的な遠距離通信に使用される波長の場合は、ケイ素ウエファーが好ましくは使用され、これに続いて、エッチングの後に焼成処理を行い、ＡＲコーティング前にレンズ表面を平滑にする。
【００１８】
好ましい実施の形態について本発明を説明したが、本発明から逸脱することなく種々の変形及び修正が可能であることを理解されたい。従って、例えば、基体は図示のほぼ矩形形状以外の種々の形状をとることができ、フォトニクスパッケージ及び整合装置は一体レンズ上でファイバを整合させ、固定するためのある他の機構を使用することができる。更に、半導体基体ウエファー上に形成されるレンズの形式はマスクパターンにより規定されるような非球面、半球面、半円筒、ガウス円筒、バイナリ、フレネル、屈折性又は回折性とすることができる。カップラのための光源は導波路装置、ダイオードレーザー、光ファイバ、フォトダイオード又は光学集積回路とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に従って製造された整合装置を含むフォトニクスパッケージの斜視図である。
【図２】図１のフォトニクスパッケージの２−２線における横断面図である。
【図３】図１のフォトニクスパッケージの頂平面図である。
【図４】図１の装置を製造するための製造工程を示す図である。
【図５】図１の装置を製造するための製造工程を示す図である。
【図６】図１の装置を製造するための製造工程を示す図である。
【符号の説明】
１０　フォトニクスパッケージ
１２　整合装置
１４　基体
１６　光ファイバ
１８　フォトニックダイス
２０　光学活性区域
２４　ファイバ溝
２６　レンズ開口
３２　くぼみ
４０　レンズ
４２　レンズ軸線
４６　ファイバ軸線
４８　ファイバ終端
５２　光信号

Claims

第１及び第２の光学装置間で光を結合するフォトニクスパッケージのための一体の整合装置において、
基体と；
上記基体の第１の側にエッチング加工され、第１の光学装置を受け入れるための溝と；
上記基体にエッチング加工され、上記溝に整合した軸線を有し、当該基体の上記第１の側上の上記第１の光学装置と該基体の第２の側との間で上記軸線を含む光学経路に沿って光信号を通過させることができるように位置する一体化したレンズと；
上記基体の上記第２の側内に位置し、上記光学経路内に第２の光学装置を位置決めするためのくぼみと；
を有することを特徴とする整合装置。
上記第１の光学装置が光源から上記第２の光学装置へ光を伝播する光ファイバであり、当該第２の光学装置が光検出器を含むことを特徴とする請求項１に記載の整合装置。
上記第１の光学装置が上記第２の光学装置から光を受け取る光ファイバであり、当該第２の光学装置が発光装置であることを特徴とする請求項１に記載の整合装置。
上記基体がケイ素材料で構成されることを特徴とする請求項１に記載の整合装置。
上記基体がＩＩＩ―Ｖ半導体材料で構成されることを特徴とする請求項１に記載の整合装置。
上記基体がリン化インジウムで構成されることを特徴とする請求項５に記載の整合装置。
上記基体の上記第１の側内に形成されたレンズ開口を更に有し、上記一体化したレンズが上記開口内で当該基体から一体的に形成され、当該レンズが非球面レンズであり、該基体を通って当該開口から該基体の上記第２の側上の上記くぼみへ延びるその光学軸線を有することを特徴とする請求項１に記載の整合装置。
上記基体の上記第２の側上の上記くぼみが、光学装置を組み込んだフォトニクスダイスを受け取り、上記光学装置を上記光学経路に整合させるように、形状づけられることを特徴とする請求項１に記載の整合装置。
上記第１の光学装置が、上記溝内に位置する光ファイバであり、上記ファイバが長手方向の軸線と、終端における傾斜表面とを有し、上記傾斜表面及び上記長手方向の軸線が上記光学軸線と交差しており、当該ファイバの当該傾斜表面が、該ファイバと上記光検出器との間で光信号を導くために、該ファイバの当該長手方向の軸線に関して及び当該光学軸線に関して約３５°ないし約５４°の角度をなすことを特徴とする請求項２に記載の整合装置。
上記第１の光学装置が、上記溝内に位置する光ファイバであり、上記ファイバが長手方向の軸線と、終端における傾斜表面とを有し、上記傾斜表面及び上記長手方向の軸線が上記光学軸線と交差しており、当該ファイバの当該傾斜表面が、該ファイバと上記発光装置との間で光信号を導くために、該ファイバの当該長手方向の軸線に関して及び当該光学軸線に関して約３５°ないし約５４°の角度をなすことを特徴とする請求項３に記載の整合装置。