JP2005507503A - 透明基板内の位置合わせ孔 - Google Patents

Abstract

【課題】１組のコネクタガイドピン（２０）と光学アレイ（１２）とを位置合わせするための方法および装置が提供される。
【解決手段】その方法は、光学アレイの伝送の軸が透明基板（１６）を直に通過するように透明基板（１６）上に光学アレイを配置するステップと、光学アレイの背面上に１組の位置合わせガイドピンを有するヒートシンクを配置するステップであって、ヒートシンクの１組の位置合わせガイドピンは透明基板を貫通して延びる、ヒートシンクを配置するステップと、光学アレイの両側において透明基板を貫通して延びる１組の位置合わせガイドピンを光学アレイの背面上に有するヒートシンクを配置するステップと、ヒートシンクの熱膨張が可能になるように、１組の位置合わせガイドピンが透明基板を貫通して延びる１組の孔を細長くするステップとを含む。
【選択図】図１

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明の分野は、光電式データ伝送システムと、光学部品の位置合わせおよび相互接続とに関連する。
【０００２】
［発明の背景］
光導波路あるいは光学部品を互いに結合する際に、正確に位置合わせすることが重要である。２つの光学部品が光信号を正確に伝達する目的で互いに配置されるとき、２つの境界面の間の接続部は、高い結合効率を達成するために、厳しい公差内に入らなければならない。２つの嵌合する光学部品を接続する際に、必要とされる公差を達成するために、通常案内機構が用いられる。この結果、光結合効率が改善される。
【０００３】
部品を機械的かつ電気的に接続するために、はんだが用いられることが多い。はんだリフロープロセスにおいて、部品が異なる材料から形成される場合には、相互に結合される部品は異なる速度で膨張する可能性がある。この格差のある膨張は部品に望ましくない応力を引き起こすようになり、それはさらに、部品の亀裂、位置合わせ不良あるいは離脱に繋がるようになる。相互に結合される部品間の位置合わせ公差が既にその公差限界に近い場合には、これらの望ましくない結果はさらに悪くなるであろう。機械的な応力は、はんだリフロー手順においてだけでなく、装置の保管および動作温度範囲内でも制御される必要がある。
【０００４】
光学部品上に応力が引き起こされるときでも、光学的な位置合わせが確実に保持されるようにすることが重要である。さらに、光学的な位置合わせは、はんだリフロー後に、光コネクタがアセンブリに取り付けられ、光学装置が機能しているときにも保持されるべきである。必要な光学的位置合わせを達成するために、部品間の配置公差が低いことが必要とされる場合が多い。しかしながら、これらの位置合わせ公差を光学部品間で達成することは困難な可能性が高い。さらに、配置公差を低くすることにより、製造コストが上昇するようになる。
【０００５】
本明細書に記載される発明は、光学部品の異なる膨張率および低い配置公差要件に関する問題を全て解決するための解決策を提供する。本発明は、部品の位置合わせを保持しながら、部品にかかる応力を緩和するための役割を果たす。さらに、光学部品にかかる応力を緩和することにより、これは材料選択の幅を広げ、低価格であるが、望ましくない機械的／光学的特性を従来どおりに有する材料にまで広げることができる。
【０００６】
［図面および好ましい実施形態の説明］
図１は、使用状況にあり、概ね本発明の例示的な実施形態に従った光学サブアセンブリ１０および光コネクタ１４を示す。サブアセンブリ１０内には、光学アレイ１２と、光学アレイ１２が取り付けられる透明基板１６とが含まれる場合がある。光学アレイ１２は、スタッドバンプ、接着剤あるいははんだバンプ（図示せず）のような任意の従来の方法によって基板１６に機械的に取り付けられることができる。
【０００７】
図２は、最初に図１に示されたような光学サブアセンブリ１０および光コネクタ１４の平面図である。図に示されるように、光学アレイ１２は基板１６の第１の表面４２に取り付けられ、アレイ１２からの光信号４０が透明基板を直に通過するようにすることができる。光学アレイ１２には、光送信機、光受信機あるいはその組み合わせを含む、任意の適当な光学素子あるいは光学素子のアレイを用いることができることは理解されよう。光送信機には、垂直キャビティ面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）、発光ダイオード（ＬＥＤ）等のような任意の適当な素子を用いることができる。さらに、フォトダイオード、すなわちＰＩＮダイオード、ＰＮダイオード等のような任意の適当な受光素子を用いることができる。したがって、光学アレイ１２として、送信および受信能力を備える広範な光学能動素子を用いることができる。
【０００８】
光学アレイ１２は、個々の光学能動素子（図示せず）との間で光信号４０を結合するための多数の光ポート２２（図４にさらに詳細に示される）を有することができる。光ポート２２は、光学アレイ１２の光学的にアクティブな表面を画定する。光ポート２２は、光学アレイ１２内の光送信機、光受信機あるいは送信機と受信機との組み合わせに対する光伝送経路４０の起点あるいは終点を提供する（図面は８個の光ポート２２を有する光学アレイ１２を示すが、光学アレイ１２は任意の数の光ポート２２を備えることができる）。
【０００９】
図１および図２に示される透明基板１６は、光学アレイ１２をシグナルプロセッサ（図示せず）に電気的に接続するための複数の電気接点およびトレース２８を含むことができる。電気接点は、従来のフォトリソグラフィエッチング処理によって、あるいは任意の類似のプロセスによって基板１６上に画定されることができる。基板１６は、所望の光学的および構造的特性を有するガラスのような構造を含むことができる。適当な特性を示すことがわかっている材料は、ガラス、プラスチックおよびサファイアを含む。光学素子において一般的に用いられるプラスチックの形態は、カプトン（登録商標）である。透明ではないが、カプトン（登録商標）は、基板内に光信号が通過するための窓を加工する場合の用途に適していることが知られている。本発明は、基板のための先の材料のうちの任意のものを用いることができるが、好ましい材料のうちの１つはガラスである。
【００１０】
またガラスは、フォトニクスパッケージングにおいてより一般的に用いられる金属基板と比べて、半導体素子（たとえば光学アレイ１２）にはるかに近い熱膨張率を有する。これは、温度によって誘発される、パッケージ化された光学素子と外部から結合される光ファイバ３０との間の位置合わせ不良を低減する。以下にさらに詳細に記載されるように、位置合わせ機構１８もミクロンあるいはサブミクロンの精度で基板内に、あるいは基板上に配置されることができる。これは、アレイ１２の光ポート２２と、相補的な位置合わせ構造２４を有する場合もある光ファイバコネクタ１４との位置合わせを大幅に簡略化する（以下にさらに詳細に記載される）。
【００１１】
透明基板１６および光学アレイ１２はその後、図２に示されるように、ガイドピンホルダ２６に取り付けられることができる。基板１６およびアレイ１２はいずれも、適当な接着剤によってガイドピンホルダ２６に取り付けられることができる。接着剤は、部品間の取付けおよび正確な位置合わせを依然として保持しながら、２つの部品間の動きを可能にすべきである。ガイドピンホルダ２６は、適当な構造および熱特性を有する硬質材料を含むことができる。適当な特性を示す材料は、限定はしないが、鋼およびアルミニウムを含む。図面には、ガイドピンホルダ２６の第１の表面５０から突出することができるガイドピン２０が示される。さらに、ガイドピン２０は、第１のガイドピン３２と第２のガイドピン３４とを含むことができる。ガイドピン２０は、ステンレス鋼、あるいは適当な構造および耐摩耗性を有する他の材料から形成されることができる。
【００１２】
ガイドピン２０のためのホルダとして機能することに加えて、ガイドピンホルダ２６は、光学アレイ１２から、およびさらに別のＩＣ（図示せず）から熱を除去するように機能することもできる。したがって、ガイドピンホルダ２６は、適当な熱伝導率を有する硬質材料を含むべきである。
【００１３】
ガイドピンホルダ２６は、前面５０に凹部（図示せず）を有する場合もあり、光学アレイ１２がその空間に収納されるようにすることができる。したがって、光学アレイ１２の背面５２および基板の第１の表面４２はそれぞれ、ピンホルダ２６の凹部および第１の表面５０と合致することができる。
【００１４】
また透明基板１６上には、光学アレイ１２の光ポート２２と光コネクタ１４の複数の光ファイバ３０とを正確に位置合わせすることができる位置合わせ孔１８が示される。本発明の例示的な実施形態では、図面には、光学アレイ１２の両側に２つの位置合わせ孔１８が示される。しかしながら、任意の数の孔１８を用いることができる。さらに、その図面は円形の孔１８を示すが、本発明では、任意の形状あるいはサイズの孔を用いることができる。
【００１５】
本発明の好ましい実施形態では、孔１８は光学アレイ１８の両側に配置され、光学アレイ１２に対して正確に位置決めされることができる。具体的には、その孔は基板内の、アレイ１２の光ポート２２から適当な距離のところに配置されることができる。
【００１６】
位置合わせ孔１８は、レーザアブレーション、化学エッチング、プラズマエッチングあるいは類似のプロセスのような従来の技法を用いて形成されることができる。図３に示されるような本発明の好ましい実施形態では、穴あけ取付具６８を用いるレーザアブレーション技法を用いることができる。穴あけ取付具６８は、パターン認識モジュール７０およびレーザ７２、７４を備えることができる。パターン認識モジュール７０は、対象物のラインを認識し、その対象物のラインにわたって自らを位置決めするように構成されるソフトウエアを含むことができる。
【００１７】
一旦、対象物の認識が行われたなら、パターン認識モジュール７０は、対象物のラインを通過する横断線、ならびに対象物のラインの中心点とを特定するように機能する。その後、パターン認識モジュール７０は、自らの横断線および中心点を、特定された横断線および中心点で位置決めする。レーザ７２、７４は、パターン認識モジュール７０の横断線に沿って正確に位置合わせされることができる。レーザ７２、７４も、パターン認識モジュール７０の中心点の両側の正確な距離に配置される。
【００１８】
パターン認識モジュール７０は、透明基板１６を通してアレイ１２を視認し、１組の位置合わせ対象物を特定するようにプログラミングされることができる。本発明の好ましい実施形態では、光ポート２２を、パターン認識モジュール７０が特定するための位置合わせ対象物として用いることができる。一旦、パターン認識モジュール７０が自らを位置決め対象物（および図に示されるように対象物の両側にあるレーザ７２、７４）と位置合わせしたなら、穴あけ取付具６８はレーザ７２、７４を起動して、ポート２２の同一直線上に孔１８をあける。
【００１９】
穴あけ取付具６８には、精密側方ドライブ機構７６が含まれる場合がある。精密側方ドライブ機構７６は、名目上の位置のいずれかの側に、ポート２２の中心線に沿って所定の距離「ａ」だけ穴あけ装置のうちの一方（たとえば７４）の位置をオフセットするように機能することができる。名目上の位置は、室温におけるピン２０間の距離を定義するものと見なすことができる。距離「ａ」は、ある所定の公差範囲および動作温度限界（たとえば、０℃、１００℃等）におけるピン２０間の距離を定義するものと見なすことができる。
【００２０】
使用時に、穴あけ取付具６８は、アレイ１２に対する名目位置を有し、アレイ１２の両側に１組の穴をあけるために起動されることができる。最初の１組の穴を形成した後に、穴あけ装置７４を動作させたまま、側方ドライブ７６が起動されて、名目位置のいずれかの側に穴あけ装置７４を距離「ａ」だけ動かすことができる。穴あけ装置７４を動作させたまま、側方ドライブ７６を起動することにより、図４に示されるような穴５６を細長くすることができる。
【００２１】
図４は、レーザアブレーションプロセスが完了した後の基板１６および特に位置合わせ孔１８の拡大図を示す。円形の孔５４と長円形の孔５６とが示される。孔の細かい点については、後にさらに詳細に説明されるであろう。
【００２２】
光学サブアセンブリがはんだリフローに入るとき、膨張率が異なることに起因して、サブアセンブリの部品が互いに対してシフトし始める場合がある。部品が同じ材料から形成される場合には、この相対的なシフトは起こらないであろう。たとえば、類似の熱膨張率を有する基板１６およびピンホルダ２６を選択することが望ましい。それにもかかわらず、材料選択の制約によって、概ね同じ膨張率を有するピンホルダ２６および基板１６を選択するのが難しくなる。基板１６に概ね近い熱膨張率を有するピンホルダ２６の材料を選択することは費用対効果がよくないか、大量生産に適していない場合がある。同じように、ピンホルダ２６に概ね近い熱膨張率を有する基板１６は、適当な光学的および構造的特性を持たない場合がある。
【００２３】
好ましいピンホルダ材料は基板よりも速い速度で熱膨張することがわかっている。この理由のために、ピンホルダ２６が基板１６に応力を引き起こすことなく自由に膨張できるように基板１６が構成された場合には、各部品のための材料選択要件を広げることができる。たとえば、図４に示される基板１６は、基板１６に著しい応力を引き起こすことなく、基板１６に対してピンホルダ２６が動くことができるように構成される。図４に示される実施形態において、ガイドピン２０の膨張に起因して基板１６に加えられる応力は無視できるものと見なされることに留意されたい。
【００２４】
図５に示されるように、ピンホルダ２６は「ｘ」および「ｙ」方向、すなわちそれぞれ水平および垂直方向に膨張することができる（基板１６はこの図には示されないが、一連の図面に示される）。ピンホルダ２６がｙ方向に膨張するとき、ガイドピン２０の位置は互いに対してシフトしない（ガイドピン２０が異なるｙ位置において基板内に配置されたなら、それらのピンは他方に対してその方向にシフトすることになったであろう）。ピンホルダ２６が「ｘ」方向に膨張するとき、ガイドピン２０を離隔する距離が増加し、それにより基板１６に応力を引き起こすようになる。
【００２５】
図４に戻ると、円形の孔５４は第１のガイドピン３２よりもわずかに直径を大きくすることができる。第１のガイドピン３４は、円形の孔５４に挿通されることができるが、その孔がｘおよびｙ方向における第１のガイドピン３２の動きを概ね制限するようになる。それにもかかわらず、円形の孔５４は、第１のガイドピン３２の回転運動を可能にする。第２のガイドピン３４は、ｘ方向には自由に移動することができるが、ｙ方向には移動できないように偏心の孔５６に挿通されることができる。その際、偏心の孔５６は、ｚ軸を中心にしたガイドピンホルダ２６の回転運動を制限することができる。
【００２６】
図４には、偏心の孔内に破線の円が示される。この破線の円は、基板１６に挿入されるときの第２のガイドピン３４の名目上の位置を表す（その円はその周囲位置内の挿入されたガイドピンを表しており、ガイドピン位置が熱膨張から変化しているときではないことに留意されたい）。図示される本発明の好ましい実施形態では、偏心の孔５６は、第２のガイドピン３４が孔５６の理論的な中心に配置されるように基板１６内に配置される。
【００２７】
したがって、ガイドピン２０を離隔する距離は、ガイドピンホルダ２６の熱膨張に起因して増加するようになり、ガイドピン２０から基板１６内の孔１８の縁部への力はかからない。ガイドピン２０が基板１６の縁部に力を及ぼすとき、基板がガラスから構成されるときには、基板１６内に亀裂が形成されることがわかっている。さらに、異なる材料から形成される基板に引き起こされる応力によって、基板が変形するか、あるいは歪むようになるであろう。基板１６内に亀裂が生じることによって、取り付けられる部品が構造的に不安定になり、光学的な完全性が失われるようになる。
【００２８】
偏心の孔５６を用いる場合、第２のガイドピン３４は、図４に示されるように、ピンの名目位置のいずれかの方向に「ａ」の距離だけ移動することができる。距離「ａ」は、所定の動作環境下（たとえば、０〜１００℃）で膨張が生じるとき、第２のガイドピン３４が移動する距離よりも少なくとも長くなることに留意されたい。
【００２９】
光学サブアセンブリ１０の動作時（はんだリフロー後）に、光コネクタ１４の第１の表面は基板４４の第２の表面と合致して配置されることができ、図６に示されるように、ガイドピンが光コネクタ１４内の対応する孔に挿入されるようになる。対応する光ファイバ３０に対する光ポート２２の光学的な位置合わせは、基板１６およびコネクタ１４の個々の孔２４、５４、５６が、ピン２０によって設けられる共通の基準点で係合することにより保持される。すなわち、円形の孔５４は自らに対してピンホルダ２６の位置を保持し、一方、ピン２０はアレイ１４に対して光コネクタ１４の位置を保持する。偏心の孔５６は熱膨張を可能にし、ガイドピン３４と孔５６との間のより高い公差変動を可能にする。本発明の好ましい実施形態では、光コネクタ１４には、ＵＳ Ｃｏｎｅｃあるいは日本電子電話によって製造される標準的なＭＴコネクタ（ＵＳ Ｃｏｎｅｃ品番ＭＴＦ−１２ＭＭ７）を用いることができるであろう。
【００３０】
本発明の特定の実施形態が図示され、説明されてきたが、本発明の他の変形形態および変更形態の実施形態、およびその種々の態様が当業者には明らかになること、そして、本発明が説明される特定の実施形態によって制限されないことは理解されたい。それゆえ、本発明と、本明細書に開示され、請求される原理の根底をなす真の精神および範囲内に入る任意のおよび全ての変更形態、変形形態あるいは同等の形態が網羅されることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の例示的な実施形態に基づく光学サブアセンブリおよび光コネクタの分解組立図である。
【図２】図１に示されるような光学サブアセンブリおよび光コネクタの平面図である。
【図３】図１に示される構成要素の別の分解組立図である。
【図４】基板および光学アレイの正面図である。
【図５】オプトエレクトロニクス部品への熱膨張の影響を示す図である。
【図６】光学アレイと光ファイバとを位置合わせする際の光学サブアセンブリおよび光コネクタの別の組立分解図である。

Claims (20)

1. １組のコネクタガイドピンと光学アレイとを位置合わせする方法であって、
   前記光学アレイの伝送の軸が透明基板を直に通過するように該透明基板上に前記光学アレイを配置するステップと、
   前記光学アレイの背面上にヒートシンクを配置するステップであって、前記ヒートシンクの１組の位置合わせガイドピンは前記光学アレイの両側において前記透明基板内に設置される一対の位置合わせ孔を貫通して延びる、ヒートシンクを配置するステップと、
   前記一対の孔のうちの一方の孔を細長くするステップであって、それによって、前記ヒートシンクの熱膨張が可能になる、とを含む１組のコネクタガイドピンと光学アレイとを位置合わせする方法。
2. 光学認識モジュールを用いて前記透明基板を通して前記光学アレイの位置を光学的に認識することをさらに含む請求項１に記載の１組のコネクタガイドピンと光学アレイとを位置合わせする方法。
3. 前記光学アレイの前記認識された位置に基づいて、前記透明基板に対して穴あけ取付具を位置合わせすることをさらに含む請求項２に記載の１組のコネクタガイドピンと光学アレイとを位置合わせする方法。
4. 前記光学アレイの前記認識された位置に設置される前記穴あけ取付具を用いて前記孔をあけることをさらに含む請求項３に記載の１組のコネクタガイドピンと光学アレイとを位置合わせする方法。
5. 前記孔を細長くするステップはさらに、前記光学アレイの１組の光ポートを通過する軸に沿って、名目上のガイドピン位置のいずれかの側において距離ａだけ前記穴あけ取付具の穴あけ装置を移動させることを含む請求項４に記載の１組のコネクタガイドピンと光学アレイとを位置合わせする方法。
6. 前記穴あけ取付具はさらにレーザを含む請求項３に記載の１組のコネクタガイドピンと光学アレイとを位置合わせする方法。
7. 前記穴あけ取付具はさらに化学エッチングプロセスを含む請求項３に記載の１組のコネクタガイドピンと光学アレイとを位置合わせする方法。
8. 前記穴あけ取付具はさらにプラズマエッチングプロセスを含む請求項３に記載の１組のコネクタガイドピンと光学アレイとを位置合わせする方法。
9. １組のコネクタガイドピンと光学アレイとを位置合わせするための装置であって、
   透明基板上に配置される光学アレイであって、該光学アレイの伝送の軸が前記透明基板を直に通過するようになる、光学アレイと、
   前記光学アレイの背面上に配置されるヒートシンクであって、該ヒートシンクの１組の位置合わせガイドピンが、前記光学アレイの両側において前記透明基板内に設置される一対の位置合わせ孔を貫通して延びる、ヒートシンクと、
   前記一対の孔内にある、前記ヒートシンクの熱膨張が可能になるようにするための手段とを備える１組のコネクタガイドピンと光学アレイとを位置合わせするための装置。
10. 光学認識モジュールを用いて、前記透明基板を通して前記光学アレイの位置を光学的に認識するための手段をさらに備える請求項１０に記載の１組のコネクタガイドピンと光学アレイとを位置合わせするための装置。
11. 前記光学アレイの前記認識された位置に基づいて、前記透明基板に対して穴あけ取付具を位置合わせするための手段をさらに備える請求項１０に記載の１組のコネクタガイドピンと光学アレイとを位置合わせするための装置。
12. 前記光学アレイの前記認識された位置に設置される前記穴あけ取付具を用いて、前記孔をあけるための手段をさらに含む請求項１１に記載の１組のコネクタガイドピンと光学アレイとを位置合わせするための装置。
13. 前記孔を細長くするための手段はさらに、前記光学アレイの１組の光ポートを通過する軸に沿って、名目上のガイドピン位置のいずれかの側において距離ａだけ前記穴あけ取付具の穴あけ装置を移動させるための手段を含む請求項１２に記載の１組のコネクタガイドピンと光学アレイとを位置合わせするための装置。
14. 前記穴あけ装置はさらにレーザを含む請求項１１に記載の１組のコネクタガイドピンと光学アレイとを位置合わせするための装置。
15. １組のコネクタガイドピンと光学アレイとを位置合わせするための装置であって、
    透明基板上に配置される光学アレイであって、該光学アレイの伝送の軸が前記透明基板を直に通過するようになる、光学アレイと、
    該光学アレイの背面上に配置されるヒートシンクであって、該ヒートシンクの１組の位置合わせガイドピンが、前記光学アレイの両側において前記透明基板内に設置される一対の位置合わせ孔を貫通して延びる、ヒートシンクと、
    前記ヒートシンクの熱膨張が可能になるように構成される前記一対の孔の細長くされた孔とを備える１組のコネクタガイドピンと光学アレイとを位置合わせするための装置。
16. 前記透明基板を通して前記光学アレイの位置を光学的に認識するように構成される光学認識モジュールをさらに含む請求項１５に記載の１組のコネクタガイドピンと光学アレイとを位置合わせするための装置。
17. 前記光学認識モジュールに接続される穴あけ取付具をさらに含んでおり、前記光学アレイの前記認識された位置に基づいて前記透明基板に対して前記穴あけ取付具を位置合わせするように構成される請求項１６に記載の１組のコネクタガイドピンと光学アレイとを位置合わせするための装置。
18. 前記光学アレイの前記認識された位置に設置される前記穴あけ取付具を用いて、前記孔をあけるように構成される穴あけ装置をさらに備える請求項１７に記載の１組のコネクタガイドピンと光学アレイとを位置合わせするための装置。
19. 前記光学アレイの１組の光ポートを通過する軸に沿って名目上のガイドピン位置のいずれかの側において距離ａだけ前記穴あけ取付具の前記穴あけ装置を移動させるように構成される側方ドライブをさらに備える請求項１８に記載の１組のコネクタガイドピンと光学アレイとを位置合わせするための装置。
20. 前記穴あけ装置はさらにレーザを含む請求項１９に記載の１組のコネクタガイドピンと光学アレイとを位置合わせするための装置。

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