JP2005018065A - 光導波路と光学素子の結合構造及びこれを利用した光学系整列方法 - Google Patents

Abstract

【課題】光導波路と光学素子の整列時に従来より精密に整列できる光導波路と光学素子の結合構造を提供する。
【解決手段】第１基板１００と、第１基板に形成されて光信号を伝送する光導波路１１１と、第１基板に光導波路を中心に対称的に形成された光学系整列用ダミ導波路１１２ａ，ｂと、第１基板上に接合された第２基板２００と、光導波路１１１と光学的に連結されるように第２基板の裏面に搭載された光学素子２１０，２２０，２３０と、ダミ導波路に対応するように第２基板の裏面に形成された光学系整列用パターン２６０ａ，ｂとを有し、光学系整列用ダミ導波路と光学系整列用パターンの整列により光導波路と光学素子が光学的に整列することを特徴とする。
【選択図】図３

Description

本発明は光伝送媒体と光学素子の光結合に関するもので、特に光学素子を基板にフリップチップボンディングにより接合して平面光導波路に精密に整列させるための光導波路と光学素子の結合構造及びこれを利用する光学系整列方法に関するものである。

最近、インターネットを通じて伝送されるオーディオ、ビデオ信号などのデータが増加するにしたがって電気信号による従来の通信システムが光信号を利用するようになり、それにより大容量のデータを授受する光通信システムに転換されている。光通信は光ファイバを伝送媒体として光を伝送する通信をいう。通常、光ファイバケーブルでレーザ光線を伝送することにより通信がなされる。

光通信は電気的信号形態の情報を光エネルギー形態に変換して伝送してから、再び電気的信号に復元する方式からなる。光通信のための媒体では、光送信器、光伝送媒体、及び光受信器が必要である。光伝送媒体としては光ファイバと平面光導波路（Planar Light−waveguide Circuit：ＰＬＣ）素子が多く使用され、光送信器としてはレーザダイオード（Laser Diode：ＬＤ）または垂直空胴表面放射レーザ（Vertical Cavity Surface Emitting Laser：ＶＣＳＥＬ）が主に使用され、光受信器としてはフォトダイオード（Photo Diode：ＰＤ）のような半導体光学素子が多く使用される。

一方、最近では小型化と高速化が要求される電子回路の製作にフリップチップボンディング（Flip Chip Bonding）方式が多く利用されている。フリップチップボンディング方式はチップ状態の半導体素子を別にパッケージせず、覆して基板に結合することである。このようなフリップチップボンディング方式により製造された電子回路の場合、セラミックパッケージされた一般的な集積回路より嵩を約１／１０程度に減少できるだけでなく、素子の設計方式が簡単になり、電気的連結線の長さが短くて高速動作に有利な長所を有する。

最近、光送信器及び光受信器の製造方法においてもフリップチップボンディング方式と類似した方式で、チップ状態のレーザダイオード、垂直空胴表面放射レーザ、またはフォトダイオードのような光学素子を基板に位置した光ファイバまたは平面導波路と光学的に連結されるように基板上に直接結合させる方式が多く利用されている。このような光伝送媒体と光送信器及び光受信器の光結合において、その結合効率は光送信器及び光受信器の性能を決定する重要な要因となり、したがって精密な光学系整列が要求される。

図１は、従来技術による平面光導波路と垂直空胴表面放射レーザ（ＶＣＳＥＬ）の整列例を示すものである。

まず、図１の（ａ）に示すように垂直空胴表面放射レーザ１が取り付けられた基板２上にＶ溝（V−groove）３を形成し、基板２をピックアップ（pick−up）するピックアップ装備４にＶ溝３に対応する突出部５を形成する。矢印方向に基板２をピックアップして突出部５がＶ溝３内に位置することにより（図１の（ｂ））、垂直空胴表面放射レーザ１とＶ溝３が一定した位置にあるようにする。ピックアップされた基板２は、ピックアップ装備４に形成されたガイドピン（guiding pin）６をパッケージまたは光基板アセンブリ（Optical Sub−Assembly：ＯＳＡ）７に形成されたガイド孔８に嵌入することで（図１の（ｃ））、ＯＳＡ７の一定の位置に付着されるようにする。

図２は、従来の他の技術による整列例を示すものである。図２の（ａ）はＯＳＡ構造物に形成されたガイド孔１２とチップアセンブリブロック１３のガイドピン１４を受動整列方式により整列する構造を示すもので、図２の（ｂ）は（ａ）のチップアセンブリブロック１３の前面をより明確に示すものである。図面においで、参照番号１５は平面光導波路（ＰＬＣ）を、１６はフェルールをそれぞれ示す。

しかし、上記の従来技術は次のような問題点を有している。

第１に、ピックアップ装備が複雑で嵩が大きく、基板種類別に別途のピックアップ装備が必要である。

第２に、ガイド溝が基板上面にあるので、基板のパターンや実装面積を縮小させて基板サイズを減少するのに障害となる。

第３に、ピックアップされた基板をパッケージやＯＳＡ構造物に装着するためにはガイドピンとガイド孔がそれぞれ基板及びパッケージまたはＯＳＡ構造物に形成されるべきである。すなわち、パッケージやＯＳＡ構造物に必ず精密なガイド孔が必要で、これらによるパッケージやＯＳＡ構造物のサイズが増加するようになる。つまり、ガイド溝を基板上面に形成してガイドピンで、ピックアップしたパッケージやＯＳＡ 構造物を整列させる従来技術はピックアップ装置、基板、パッケージ、ＯＳＡ構造物が複雑になり、嵩も大きくなる。

第４に、機械加工の誤差により送受信器（transceiver）の出力パワー（output power）の幅が広くなって伝送特性の調節が難しくなり、同様に光検出素子に受光される光の量が一定しないので、感度（sensitivity）調節が容易でない。

第５に、主要部品の加工誤差を減少するためには加工費が増加するようになり、つまり製品の価格競争力を低下させるようになる。

したがって本発明の目的は、光導波路と光学素子の光結合のための光学系整列時に整列誤差が数μｍ範囲以内になるように非常に精密に整列できる光導波路と光学素子の結合構造及びこれを利用した光学系整列方法を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明は、第１基板と、この第１基板に形成されて光信号を伝送する少なくとも一つの光導波路と、第１基板に、光導波路を中心に対称的に形成された光学系整列用ダミ導波路と、第１基板上に接合された第２基板と、第１基板の光導波路と光学的に連結されるように第２基板の裏面に搭載された少なくとも一つの光学素子と、第１基板のダミ導波路に対応するように第２基板の裏面に形成された光学系整列用パターンとを含んでおり、光学系整列用ダミ導波路と光学系整列用パターンの整列により光導波路と光学素子が光学的に整列することを特徴とする光導波路と光学素子の結合構造を提供する。

この構造では、第２基板の前面が第１基板上に接合されるものとすることができる。また、光学素子は、活性面が第２基板の裏面を向いており、フリップチップボンディングにより接合することが可能である。この光学素子のフリップチップボンディングのために該光学素子の活性面の縁に形成された金属パッドを含むのがよい。第１基板の光導波路は３分岐構造とすることができ、この場合、３分岐の光導波路とそれぞれ光学的に連結されるように第２基板の裏面に搭載された一つの光検出素子と第１及び第２垂直空胴表面放射レーザとを含んだ構成が可能である。そして、第１及び第２垂直空胴表面放射レーザから放出される特定波長の光を選択的に通過または反射するように第１及び第２垂直空胴表面放射レーザの活性面に対応する第２基板の前面に形成された波長分割多重フィルタをさらに含むこともできる。あるいは、３分岐光導波路とそれぞれ光学的に連結されるように第２基板の裏面に搭載された一つの垂直空胴表面放射レーザと第１及び第２光検出素子とを含んだ構成も可能であり、第１及び第２光検出素子に入射される特定波長の光を選択的に通過または反射するように第１及び第２光検出素子の活性面に対応する第２基板の前面に形成された波長分割多重フィルタをさらに含むことができる。このような波長分割多重フィルタは薄膜コーティング技術による薄膜フィルタが可能である。光学系整列用パターンは金属薄膜または誘電体薄膜とするとよい。

また、本発明によれば、光導波路素子と光学素子との間の光結合のための光学系整列方法において、光導波路素子の基板に光導波路を中心に対称的に光学系整列用ダミ導波路を形成すると共に、前記光学素子が搭載された基板に前記光学素子を中心に対称的に光学系整列用パターンを形成して、これら光学系整列用ダミ導波路と光学系整列用パターンの整列により光学的に整列させることを特徴とする。

本発明は、ＰＬＣ層と光学素子が搭載されるガラス基板上にそれぞれダミ導波路と整列パターンを形成してこれらを整列させることにより、光導波路と光学素子との間の光学系整列を遂行させる。したがって、光導波路と光学素子の光結合のための光学系整列時の整列誤差が数μｍ範囲以内に減少するようになる。また、ガラス基板に光学素子を搭載した後、これをＰＬＣ層とフリップチップボンディングにより接合することにより、ＰＬＣ層と光学素子との間の距離が一定し、結合効率も一定するという長所がある。

以下、本発明の望ましい実施形態を添付の図面を参照して詳細に説明する。図面において、同一の構成要素に対してはできるだけ同一の参照番号及び参照符号を使用して説明する。また本発明において、関連した公知機能または構成に対する具体的な説明が本発明の要旨を不明にすると判断される場合、その詳細な説明は省略する。

図３は本発明の一実施形態による光導波路と光学素子の結合構造を示すもので、本実施形態は光導波路が形成されたＰＬＣ層１１０を含むＯＳＡボディー１００に垂直空胴表面放射レーザとフォトダイオード及び前置増幅器（Trans Impedance Amplifier）が搭載されたガラス基板２００を接合した場合の構成を示す。図面において、参照番号３００はフレキシブル印刷回路基板（flexible printed circuit board）、３０１は信号線をそれぞれ示す。

このＯＳＡボディー１００は、シリコン基板１０１と、ＰＬＣ層１１０と、ダミガラス基板１０２とから構成される。

ＰＬＣ層１１０は、光信号を伝送する光導波路１１１と、ガラス基板２００との接合時に光学系整列のために使用されるダミ導波路１１２ａ、１１２ｂとを含む。

ガラス基板２００には発光素子の垂直空胴表面放射レーザ２１０と、光検出素子のフォトダイオード２２０、２３０が搭載される。また、光検出素子により検出された電流信号を電圧信号に変換する役割を遂行する前置増幅器（Trans Impedance Amplifier：ＴＩＡ）２４０、２５０が搭載される。前置増幅器２４０、２５０はダイボンディングによりガラス基板２００と連結され、ワイヤボンディングによりそれぞれのフォトダイオード２２０、２３０と接続可能である。また、光学系整列用整列パターン２６０ａ、２６０ｂを含む。このとき、ガラス基板２００の代わりに使用しようとする波長が吸収されない基板を使用することもできる。

図４は図３のＡ方向から見た図であって、ＰＬＣ層１１０とガラス基板２００の結合及び整列のためのＳＴＢ（Set−Top−Box）側の構成をより詳細に示すものである。説明していない参照番号２１１、２２１は金属パッド、２１４はワイヤボンディング部分をそれぞれ示す。

図３及び図４を参照すれば、ＰＬＣ層１１０は、３分岐１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃの光導波路１１１と、光導波路１１１を中心としてそれぞれ対称的に形成された光学系整列用ダミ導波路１１２ａ、１１２ｂとを含む。

ガラス基板２００の裏面には無反射コーティング膜（AR coating）２７０が形成され、無反射コーディング膜２７０上に垂直空胴表面放射レーザ２１０と、２つのフォトダイオード２２０、２３０が搭載される。このとき、垂直空胴表面放射レーザ２１０及びフォトダイオード２２０、２３０の活性（active）面がガラス基板２００を向くようにフリップチップボンディングにより接合させる。また、接合が容易なように図５に示すように縁部分に金属パッド２１１、２２１を形成する。図面において、２１２及び２２２はウィンドー、２１３及び２２３は金（Ａｕ）で部分的にパターニングされた部分を示す。

図５は垂直空胴表面放射レーザとフォトダイオードの詳細図面で、図５の（ａ）は垂直空胴表面放射レーザの活性面（前面）を、（ｂ）はフォトダイオードの活性面（前面）を示すものである。図示しないが、垂直空胴表面放射レーザとフォトダイオードはすべて裏面が金（Ａｕ）でメッキされる。

さらに図４を参照すれば、光学系整列用ダミパターン２６０ａ、２６０ｂはフォトダイオード２２０、２３０の両外側に位置し、金属薄膜または誘電体薄膜で形成可能である。光学素子と光導波路との間の光結合は光学系整列用整列パターン２６０ａ、２６０ｂと、ＰＬＣ層１１０に形成されたダミ導波路１１２ａ、１１２ｂを利用して遂行され、次のようである。

ダミ導波路１１２ａ、１１２ｂを通過する光は整列作業の間、光学系整列用整列パターン２６０ａ、２６０ｂと整列される。このような光学系整列後、紫外線（ＵＶ）エポキシ２９０などによりＰＬＣ層１１０とガラス基板２００を接着させる。

波長分割多重フィルタ（WDM filter）２８０はフォトダイオード２２０、２３０の活性面に対応するガラス基板２００の前面（ＰＬＣ層１１０と接合される部分）に形成され、フォトダイオード２２０、２３０に入射される特定波長の光信号を通過または反射し、トリプレクサ（Triplexer）などに適用できる。このとき、波長分割多重フィルタは通常の薄膜工程（thin−film process）を通じて形成することができる。

一方、図６は図３のＡ方向から見た図面であって、ＰＬＣ層１１０とガラス基板２００の結合及び整列のためのＯＮＵ側の構成をより詳細に示すものである。 図６は、ガラス基板に搭載される光学素子の構成及びこれに対応する波長分割多重フィルタを除いてＳＴＢ側構成を示す図４に類似する。したがって、重複記載を避けるために差異点のみについて説明する。

図６を参照すれば、ガラス基板の裏面には一つのフォトダイオード３１０と2つの垂直空胴表面放射 レーザ３２０、３３０が搭載される。同様に、フォトダイオード３１０と、垂直空胴表面放射レーザ３２０、３３０の活性面がガラス基板２００を向くようにフリップチップボンディングにより接合される。

また、波長分割多重フィルタ３８０は、垂直空胴表面放射レーザ３２０、３３０の活性面に対応するガラス基板の前面（ＰＬＣ層１１０と接合される部分）に形成され、垂直空胴表面放射レーザ３２０、３３０に入射される特定波長の光信号を通過または反射し、トリプレクサなどに適用することができる。このとき、波長分割多重フィルタは通常の薄膜工程を通じて形成することができる。

本発明の詳細な説明では具体的な実施形態に関して説明したが、本発明の範囲を外れない限り、多様な変形が可能であるのはもちろんである。したがって、本発明の範囲は説明された実施形態に限って定められてはいけないし、特許請求の範囲だけでなくこの特許請求の範囲と均等なものにより定められるべきである。

従来技術による平面光導波路と垂直空胴表面放射レーザの整列例を示す図。 他の従来技術によるガイド孔とガイドピンを利用した受動整列構造を示す図。 本発明の望ましい実施形態による光導波路と光学素子の結合構造を示す図。 図３のＡ方向から見たＳＴＢ（Set−Top−Box）側の図。 垂直空胴表面放射レーザとフォトダイオードの活性面の詳細図。 図３のＡ方向から見たＯＮＵ（Optical Network Unit）側の図。

Claims (12)

1. 第１基板と、
   前記第１基板に形成されて光信号を伝送する少なくとも一つの光導波路と、
   前記第１基板に、前記光導波路を中心に対称的に形成された光学系整列用ダミ導波路と、
   前記第１基板上に接合された第２基板と、
   前記光導波路と光学的に連結されるように前記第２基板の裏面に搭載された少なくとも一つの光学素子と、
   前記ダミ導波路に対応するように前記第２基板の裏面に形成された光学系整列用パターンとを含んでおり、
   前記光学系整列用ダミ導波路と前記光学系整列用パターンの整列により前記光導波路と前記光学素子が光学的に整列することを特徴とする光導波路と光学素子の結合構造。
2. 第２基板の前面が第１基板上に接合される請求項１記載の光導波路と光学素子の結合構造。
3. 光学素子は、活性面が第２基板の裏面を向いており、フリップチップボンディングにより接合される請求項１または請求項２記載の光導波路と光学素子の結合構造。
4. 光学素子のフリップチップボンディングのために該光学素子の活性面の縁に形成された金属パッドを含む請求項３記載の光導波路と光学素子の結合構造。
5. 光導波路は３分岐構造である請求項１記載の光導波路と光学素子の結合構造。
6. ３分岐の光導波路とそれぞれ光学的に連結されるように第２基板の裏面に搭載された一つの光検出素子と第１及び第２垂直空胴表面放射レーザとを含んで構成される請求項５記載の光導波路と光学素子の結合構造。
7. 第１及び第２垂直空胴表面放射レーザから放出される特定波長の光を選択的に通過または反射するように前記第１及び第２垂直空胴表面放射レーザの活性面に対応する第２基板の前面に形成された波長分割多重フィルタをさらに含む請求項６記載の光導波路と光学素子の結合構造。
8. ３分岐光導波路とそれぞれ光学的に連結されるように第２基板の裏面に搭載された一つの垂直空胴表面放射レーザと第１及び第２光検出素子とを含んで構成される請求項５記載の光導波路と光学素子の結合構造。
9. 第１及び第２光検出素子に入射される特定波長の光を選択的に通過または反射するように前記第１及び第２光検出素子の活性面に対応する第２基板の前面に形成された波長分割多重フィルタをさらに含む請求項８記載の光導波路と光学素子の結合構造。
10. 波長分割多重フィルタは薄膜コーティング技術による薄膜フィルタである請求項７または請求項９記載の光導波路と光学素子の結合構造。
11. 光学系整列用パターンは金属薄膜または誘電体薄膜である請求項１記載の光導波路と光学素子の結合構造。
12. 光導波路素子と光学素子との間の光結合のための光学系整列方法において、
    前記光導波路素子の基板に光導波路を中心に対称的に光学系整列用ダミ導波路を形成すると共に、前記光学素子が搭載された基板に前記光学素子を中心に対称的に光学系整列用パターンを形成して、
    前記光学系整列用ダミ導波路と前記光学系整列用パターンの整列により光学的に整列させることを特徴とする光学系整列方法。

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