JP2005250480A - 光結合システム - Google Patents

Abstract

【課題】光学系の位置あわせにおいて容易に位置あわせをすることができるように、許容範囲を緩和したコンポーネントを提供すること。
【解決手段】光送信機１１は、ソース・アセンブリ１３とファイバ・レセプタクル１５との間の許容範囲を緩和させ、受動的な位置あわせを容易にする。ソース・アセンブリ１３は、光源１７およびレンズ１９を含む。レンズ１９は、フォトリソグラフィック・プロセスによって形成された精度の良い支持構造を用いて、光源１７からある固定距離を離して保持される。ファイバ・レセプタクル１５は、光学要素２１を含む。ファイバ・レセプタクル１５は、光学要素２１からある固定距離を隔てて光ファイバ２３を保持する。レンズ１９は、光源からの光を視準された光２０にする。光学素子２１は、視準された光２０を光ファイバ２３の開口部に集束させる。
【選択図】図２

Description

本発明は、光源から光ファイバへ光を送るための光結合システムに関する。

光ファイバ・システムにおいて、光源は、光ファイバを通ってデータを伝送する光パルスを放出する。結合効率を最大にするには、光源と光ファイバの正確な位置あわせをしなければならない。結合効率は、光源によって送り出された光が、光ファイバによって実際に受光される量の測度である。

光源と光ファイバとの位置あわせ(alignment)を実現するために用いられる方法の１つに
、能動的な位置あわせが知られている。能動的な位置あわせの場合、光源は、その開口と光ファイバの受光端の位置あわせができている間、オンになる。光源と光ファイバの受光端は、光検出器によって光ファイバの送光端が監視されている間に調整される。光検出器は、光ファイバを通る光の量を測定する。受光量が最大になると、光源と光ファイバの光学アライメントがとれたことになり、その時点で、光ファイバと光源が適正位置に固定される。

能動的な位置あわせは、時間がかかり、従って、高コストになる。従って、光源をオンしたり、あるいは、光検出器を利用することなく、アセンブリ時に位置あわせをすることが可能なコンポーネントを製作するのが望ましい。こうしたプロセスは、受動プロセスとして知られている。

受動的な位置あわせには、それ自体の欠点がある。光源の開口部および光ファイバが極めて小さく、レンズの焦点距離によって、各コンポーネントの位置に対してそれ自体の厳格な要件が課せられる。例えば、図１には、従来技術による光学系５１が示されている。この従来技術による光学系５１には、光源５３、結合光学素子５５、および光ファイバ５７が含まれている。従来の光送信器の場合、結合光学素子５５は、第１のレンズ表面５９と第２のレンズ表面６１を備えた単一のユニットである。第１のレンズ表面５９の焦点距離がＦ１である。第２のレンズ表面６１の焦点距離がＦ２である。結合光学素子５５は、光源５３からの光を受光し、光ファイバ５７に集束させる。これを実施するには、光源５３の光軸と第１のレンズ表面５９の光軸との位置あわせができていなければならず、第２のレンズ表面６１と光ファイバ５７の光軸との位置あわせができていなければならない。さらに、光源５３は、第１のレンズ表面５９から距離Ｆ１の位置になければならない。最後に、光ファイバ５７も、第２のレンズ表面６１から距離Ｆ２の位置になければならない。

従来技術による光学系５１の要件では、受動的な位置あわせをするとき、ほんのわずかな許容差も無視するわけにはいかない。従って、各コンポーネントの測定、位置決め、および配置を慎重に行い、光源からの光を光ファイバの目標開口部に正確に集束させるため、高価な精密計器が必要になる。

従って、本発明の目的は、より容易に受動的な位置あわせをすることができるように、許容差を大きくしたコンポーネントが得られるようにすることにある。

望ましい実施態様の場合、本発明は受動的な位置あわせを容易にするため、許容範囲を緩和した光送信器を提供する。光送信器には、光源アセンブリとファイバ・レセプタクルが含まれている。光源アセンブリには、光源とレンズが含まれている。レンズは、一般にフォトリソグラフィック・プロセスによって形成された精密支持構造を用いて、光源からある固定距離だけ離して保持されている。ファイバ・レセプタクルには、光学素子が含まれている。ファイバ・レセプタクルは、光学素子からある固定距離だけ離して光ファイバを保持するようになっている。レンズは、光源からの光を平行にされた光の形態になるように視準する。光学素子は、視準光を光ファイバの開口に集束させる。

この構成によって、光源アセンブリとレセプタクルとの間の許容範囲が緩和される。視準ビームによって、光源アセンブリとファイバ・レセプタクルとの位置あわせ不良のかなりの範囲にわたって、安定した結合効率が得られるようになる。

本発明のもう１つの実施態様では、光受信器の受動アライメントに関する許容範囲が緩和される。光受信器には、ファイバ・レセプタクルおよび検出器アセンブリが含まれている。ファイバ・レセプタクルには、光学素子が含まれている。ファイバ・レセプタクルは、光学素子からある固定距離だけ離して光ファイバを保持するようになっている。光学素子は、光ファイバからの光を視準された光の形態になるようにほぼ視準する。検出器アセンブリには、レンズと光検出器が含まれている。レンズは、一般にフォトリソグラフィック・プロセスによって形成された精密な支持構造を用いて、光検出器からある固定距離だけ離して保持されている。レンズは、視準光を光検出器に集束させる。

本発明のその他の特徴および利点並びに、本発明の望ましい実施態様の構造および動作については、添付の典型的な図面に関連して詳細に後述することにする。図面において、同様の参照番号は、同じ構成要素か、または、機能的に同様の構成要素を表わしている。

図２には、本発明の教示に従って製作された望ましい実施態様の高レベルの図が示されている。光送信器１１には、光源アセンブリ１３とファイバ・レセプタクル１５が含まれている。光源アセンブリ１３には、光源１７とレンズ１９が含まれている。レンズ１９の焦点距離はＦ１である。レンズ１９は、単一コンポーネントとして示されているが、もちろん、複数レンズまたは複数のレンズ系を利用することも可能である。レンズ１９は、さらに詳細に後述する精密支持構造を利用して、光源１７から距離Ｆ１だけ離して固定され、光源１７が第１のレンズ１９の焦点に配置される。光源１７から放射された光は、レンズ１９によってほぼ視準され、視準光２０になる。用途によっては、最適なシステム性能を実現するため、視準光２０が完全な視準状態からわずかに逸れるようにすることが可能な場合もある。

ファイバ・レセプタクル１５には、光学素子２１が含まれている。ファイバ・レセプタクル１５は、光ファイバ２３との結合に適している。光学素子２１は、光源からの視準光２０を光ファイバ２３の開口に集束させる集束表面２２を備えている。光学素子２１の焦点距離はＦ２である。光学素子２１は単一コンポーネントとして示されているが、もちろん、複数光学素子または光学素子システムを利用することも可能である。光学素子２１は、ファイバ・レセプタクル１５によって、光ファイバ２３から距離Ｆ２だけ離して固定され、光ファイバ２３が光学素子２１の焦点に配置される。

光源アセンブリ１３およびファイバ・レセプタクル１５は、光の伝搬軸と一致するＺ軸上において位置あわせがされる。Ｘ軸およびＹ軸によって、Ｚ軸に垂直な平面が形成される。

本発明によれば、光源アセンブリ１３自体内で位置あわせを強化することによって、光源アセンブリ１３とファイバ・レセプタクル１５との許容範囲が緩和される。一般には、フォトリソグラフィック・プロセスによって形成された支持構造を用いて、レンズ１９を位置決めすることによって、光源１７と光源アセンブリ１３内のレンズ１９の焦点とのアライメントが正確にとられる。ファイバ・レセプタクル１５は、光ファイバ２３と光学素子２１の焦点の位置あわせするようにも設計されている。レンズ１９および光学素子２１の焦点距離に関する距離が既に固定されているので、Ｚ軸に沿った光源アセンブリ１３とファイバ・レセプタクル１５との間の距離は重要ではない。

光源アセンブリ１３とファイバ・レセプタクル１５との間の許容範囲は、光源アセンブリ１３とファイバ・レセプタクル１５との間における光を視準することによって、さらに緩和される。光が視準される（視準光２０になる）ので、ＸＹ平面内における光源アセンブリ１３とファイバ・レセプタクル１５との位置あわせは、同様に重要ではない。位置あわせがわずかにずれても、少量の光だけしか失われない。

図３Ａおよび図３Ｂには、光源システム１３の望ましい実施態様が示されている。図３Ａは、平面図であり、図３Ｂは、図３ＡのラインＢ−Ｂ’に沿って描かれた断面図である。望ましい実施態様の光源は、垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）２６であるが、端面発光ダイオードおよび他のレーザのような他の光源を利用することも可能である。ＶＣＳＥＬ２６は、標準のＶＣＳＥＬ製造技法を利用してＶＣＳＥＬ基板２７上に形成される。ＶＣＳＥＬ基板２７は、任意の適合する半導体材料から形成される。スタンドオフ３１によって、ボール・レンズ３３（図３Ａには示されていない）がＶＣＳＥＬ２６の発光面の前に支持される。スタンドオフ３１は、標準のフォトリソグラフィック材料および方法を利用してＶＣＳＥＬ基板２７上に形成される。スタンドオフ３１の形成およびボール・レンズ３３の取り付けについては、「ＶＣＳＥＬ ｗｉｔｈ Ｉｎｇｅｇｒａｔｅｄ Ｌｅｎｓ」と題する、２００４年３月５日提出の米国出願番号１０／７９４，２５２の米国特許出願明細書に記載されている。ＶＣＳＥＬ２６の開口がボール・レンズ３３の焦点に位置するように、スタンドオフ３１はボール・レンズ３３を位置決めする。ボール・レンズは、球面の形状とすることが可能である。ＶＣＳＥＬ２６は、ボール・レンズ３３の焦点に位置決めされるので、ＶＣＳＥＬ２６から放出されて、ボール・レンズ３３を通過する光は、視準光２０として出てくる。

フォトリソグラフィ法の精密な特性により、スタンドオフ３１は、ＸＹ平面内並びにＺ方向における正確な位置決めを実現するため、厳格な許容差範囲内で製作することが可能である。例えば、現在のフォトリソグラフィ法の正確度は、２〜３マイクロメートル内である。結果として、ＶＣＳＥＬ２６とボール・レンズ３３の焦点との精密な位置あわせをすることが可能になる。実際の使用実施態様の場合、標準的なフォトリソグラフィック・プロセスを利用して、ＶＣＳＥＬ２６の表面にポリイミドを堆積させ、ポリイミドにエッチングを施して、リング形状にし、ボール・レンズ３３を支持するためのスタンドオフ３１が形成される。スタンドオフ３１は、リング形状に制限されるわけではない。ボール・レンズ３３の支持には、多種多様な形状が許容される。さらに、多種多様な他の材料および方法が利用可能であり、これらを用いて、スタンドオフ３１を形成することが可能である。

図４には、ファイバ・レセプタクル１５の望ましい実施態様が断面図で例示されている。ファイバ・レセプタクル１５には、光学素子２１が含まれている。光学素子２１は、一般に、光レンズの機能性を備えたコンポーネント（レンズ表面３５のような）である。光学素子２１は、プラスチック、ガラス、または、他の任意の適合材料から形成される。ファイバ・レセプタクル１５は、比較的厳しい許容範囲で、光ファイバ２３上にファイバ・コネクタ２２を保持するように機械的対処が施されている。ＦＣ、ＳＣ、ＳＴ、ＬＣ、ＭＴ−ＲＪ、およびＭＴＰコネクタのような、そのどれもが利用に適するであろう、多種の標準ファイバ・コネクタが存在する。機械的対処には、ファイバ・コネクタ２２を留めるか、または、ファイバ・コネクタ２２に結合する、ファイバ・レセプタクル１５のインタロック機構があり得る。光ファイバ２３は、ファイバ・コネクタ２２とファイバ・レセプタクル１５の結合時に、光ファイバ２３の開口部がレンズ表面３５の焦点に位置するように、レンズ表面３５からある固定距離をあけて保持される。レンズ表面３５を通過する視準光２０は、光ファイバ２３に集束させられる。ファイバ・レセプタクル１５は、直線光路に沿った光の伝搬のため、直線状の本体を備えるように示されているが、光２０を所望の方向に曲げるため、１つ以上の転向部および反射表面を備えたファイバ・レセプタクル１５の製造が可能である。ファイバは、ピグテール（pigtail:光ファイバのリード線）・トランシーバ設計におけるように、アセンブリ・プロセス中に接着剤で光源に直接取り付けることも可能である。

図５には、図で示された光源アセンブリ１３の代替実施態様が例示されている。ここで、レンズ７１は、スタンドオフ３１によってＶＣＳＥＬ２６の上に吊り下げられてる。レンズ７１は、回折または屈折レンズとすることが可能である。やはり、スタンドオフ３１は、フォトリソグラフィ技法を用いて形成されるので、ＶＣＳＥＬ２６がレンズ７１の焦点位置につき、光源からの光が視準されるように、レンズ７１を極めて正確に位置決めすることが可能である。スタンドオフ３１およびレンズ７１の形成については、「ＶＣＳＥＬ ｗｉｔｈ Ｉｎｇｅｇｒａｔｅｄ Ｌｅｎｓ」と題する、２００４年３月５日提出の米国出願番号１０／７９４，２５２の米国特許出願明細書に記載されている。

図６には、図で示された光源アセンブリ１３のもう１つの代替実施態様が例示されている。ここに示すＶＣＳＥＬは、ヘッダ２９にフリップ・チップ・ボンディングすることが可能な底面発光ＶＣＳＥＬである。ヘッダ２９は、プリント回路基板または別の半導体基板とすることが可能である。ヘッダ２９には、ＶＣＳＥＬの駆動装置のような補助回路要素を含むことが可能である。この実施態様の場合、レンズ８１がＶＣＳＥＬ基板２９上に直接形成されるので、スタンドオフまたは支持構造は不要である。レンズ８１は、フォトリソグラフィック・プロセスを利用して形成される。一般に、基板２９の表面にフォトポリマ層が堆積させられる。フォトポリマにエッチングを施して、所望の形状のレンズ８１が形成される。レンズ８１は、追加エッチング・プロセスを実施して、ＶＣＳＥＬ２７自体にレンズ形状のエッチングを施すことによって、基板材料から直接形成することも可能である。

図７には、図で示された光学系における光受信器９０のもう１つの代替実施態様が例示されている。光受信器９０には、ファイバ・レセプタクル９１と検出器アセンブリ９３が含まれている。ファイバ・レセプタクル９１には、一般に、レンズ表面９９のような、光レンズの機能性を備えたコンポーネントである光学素子９７が含まれている。レンズ表面９９の焦点距離はＦ３である。光学素子９７は、プラスチック、ガラス、または、他の任意の適合する光学グレードの材料から形成される。ファイバ・レセプタクル９１は、光伝搬のため直線光路を備えるように示されているが、光２０を所望の方向に曲げるため、１つ以上の転向部および反射表面を備えたファイバ・レセプタクル９１の製造も可能である。

ファイバ・レセプタクル９１は、比較的厳しい許容差で、光ファイバ９５上にファイバ・コネクタ９４を保持するように機械的対処が施されている。機械的対処には、ファイバ・コネクタ９４を留めるか、または、ファイバ・コネクタ９４に結合する、ファイバ・レセプタクル９１のインタロック機構があり得る。光ファイバ９５は、光ファイバ９５の開口部がレンズ表面９９の焦点に位置するように、レンズ表面９９から固定距離Ｆ３をあけて保持される。光ファイバ９５から放出される光は、レンズ表面９９によって視準され、視準光１０３となる。

検出器アセンブリ９３には、光検出器１０５およびレンズ１０７が含まれている。レンズ１０７の焦点距離はＦ４である。レンズ１０７は、光検出器１０５から距離Ｆ４だけ離して固定され、光源１０５がレンズ１０７の焦点位置につくようになっている。レンズ１０７は、フォトリソグラフィック・プロセスによって正確に位置決めされる。レンズ１０７を通過する視準光１０３は、光検出器１０５に集束させられる。

ＶＣＳＥＬ２７を光検出器１０５に置き換えることによって、図３、図５、または、図６に示す光源アセンブリの任意の１つを検出器アセンブリ９３として利用することが可能である。光検出器１０５は、フォトダイオード、フォトレジスタ、または、入射光に応答する他の任意のデバイスとすることが可能である。検出器アセンブリ９３によって、高速応用例が可能になる。というのも、この応用例の場合、ほぼ直径１０〜３０マイクロメートル程度といったように、検出器１０５の活性領域を極めて小さくすることができるためである。

本発明の開示の実施態様は、並列光学応用例にも容易に適応可能である。並列送信器の代替実施態様の場合、光源アセンブリには、光アレイを生じる光源アレイと、光源アレイ上に配置されて、光アレイを視準するレンズ・アレイが含まれている。ファイバ・レセプタクルには、視準光アレイを受光するための光学素子アレイが含まれている。光源アレイは、全て、単一チップ上に形成することが可能であるが、チップが大きくなると、欠陥を有する確率が高くなるので、この結果、製造歩留まりが低下する。製造歩留まりは、光源を後で実装されてアレイをなす個別のチップに分けることによって向上する。

先行技術による従来の設計では、光源アレイとレンズ・アレイのアライメントをとるのが困難であるため、並列光源には、厳しい許容範囲を課せられた。本発明では、各光源毎に、それ自体の一体化レンズを個別に形成することが可能であり、従って、光源アレイとレンズ・アレイとの位置あわせなしで済ますことができるので、これらの許容範囲が緩和される。

並列受信器の代替実施態様では、ファイバ・レセプタクルには、光ファイバ・アレイからの光アレイを視準するための光学素子アレイが含まれている。検出器アセンブリには、光検出器アレイと、光検出器アレイの上に配置されて、視準光アレイを受光し、集束させるレンズ・アレイが含まれている。光検出器アレイは、単一チップ上に形成することもできるし、あるいは、光検出器を個別のチップに分け、後で、アレイをなすように実装することも可能である。

本発明は、特定の望ましい実施態様に関連して詳述してきたが、本発明と関連する通常の技術者には明らかなように、付属の請求項の精神および範囲を逸脱することなく、さまざまな修正および改善を施すことが可能である。

先行技術による光学系を示す図。 本発明の教示に従って製作された望ましい実施態様の高レベルの図。 光源アセンブリを示す図。 光源アセンブリを示す図。 ファイバ・レセプタクルおよびファイバ・コネクタを示す図。 光源アセンブリの代替実施態様を示す図。 光源アセンブリの代替実施態様を示す図。 光受信器を示す図。

Claims (14)

1. 半導体材料を含む基板と、
   前記基板内に形成された光源と、
   前記基板上に形成された支持構造と、
   前記支持構造に取り付けられた、前記光源からの光を視準された光の形態にするためのレンズとを備え、該レンズは前記支持構造によって前記光源から第１の距離だけあけて固定され、
   前記視準された光を受光して、集束させるように配置された光学素子と、
   を備える光結合システム。
2. 前記光学素子および光ファイバを第２の距離だけあけて保持し、前記光学素子によって、前記視準された光を前記光ファイバの開口部に集束させるようになっているファイバ・レセプタクルをさらに備える、請求項１に記載の光結合システム。
3. 前記支持構造はレンズを支持するためのスタンドオフを含む、請求項２に記載の光結合システム。
4. 前記レンズがボール・レンズである、請求項３に記載の光結合システム。
5. 前記光学素子はレンズ表面を含む、請求項４に記載の光結合システム。
6. 半導体材料を含む基板と、
   前記基板内に形成された光源と、
   前記基板上であって前記光源の上方に形成され、前記光源からの光を視準された光にするレンズと、
   前記レンズからの視準された光を受光して、該視準された光を集束させるように配置された光学素子と、
   を備える光結合システム。
7. 前記光学素子が前記視準された光を前記光ファイバの開口部に集束させるように、前記光学素子および前記光ファイバをある固定距離だけあけて保持するファイバ・レセプタクルをさらに備える、請求項６に記載の光結合システム。
8. 前記光学素子はレンズ表面を含み、該レンズ表面がある焦点距離を有する請求項７に記載の光結合システム。
9. 前記固定距離が前記レンズ表面の焦点距離に等しい、請求項８に記載の光結合システム。
10. 光源からの光を視準された光の形態にする光学素子と、
    半導体材料を含む基板と、
    前記基板内に形成された光検出器と、
    前記基板上に作られた支持構造と、
    前記光学素子からの前記視準された光を受光し、前記視準された光を前記光検出器に集束させるために前記支持構造に取り付けられたレンズとを備え、該レンズが前記支持構造によって前記光検出器から第１の距離だけあけて固定されている、光結合システム。
11. 前記光源が光ファイバの開口部である、請求項１０に記載の光結合システム。
12. 前記光学素子が前記光ファイバからの光を視準するように、前記光学素子および前記光ファイバを第２の距離だけあけて保持するファイバ・レセプタクルをさらに備える、請求項１１に記載の光結合システム。
13. 前記支持構造は前記レンズを支持するためのスタンドオフを含む、請求項１２に記載の光結合システム。
14. 前記レンズはボール・レンズを含む、請求項１３に記載の光結合システム。
    

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