JP2005510756A - 電気光学構成部品用パッケージ - Google Patents

Abstract

上面を有するヘッダ（１０８）を含み、上面を貫通して上に延びる複数の導電性ピン（１１６）と、光学装置（１０２）と、チューナブル光学フィルタ（１００）とを含む光電子デバイス。光学装置およびチューナブル光学フィルタは、ヘッダの上面上に装着されていて、ヘッダの上面上を延びる垂直スタック内に配置されていて、チューナブル光学フィルタは、複数の導電性ピンに電気的に接続している。上記デバイスは、さらに、ヘッダに取り付けられ、ヘッダと一緒に光学装置およびチューナブル光学フィルタを含む密封された内部を形成しているキャップ（１１０）を含む。キャップは、その内部に形成されているウィンドウ（１０６）を含む頂面を有し、ウィンドウは、チューナブル光学フィルタおよび光学装置と整合している。用途としては、３ポート集配マルチプレクサ等がある。

Description

米国特許法第１１９条（ｅ）項（１）により、本出願は、２００１年１１月２８日出願の「他の能動構成部品と結合しているチューナブルフィルタ用パッケージ」という名称の前の米国仮特許出願第６０／３３５，１７８号、および２００２年７月９日出願の「光学および光電子デバイス用の低コスト気密封止型マルチポート・パッケージ」という名称の米国仮特許出願第６０／３９４，５００号の利益を主張する。

本発明は、概して、熱光学チューナブル薄膜フィルタおよび他の能動および受動光学装置を含む光学構成部品用パッケージに関する。

最近、一連の新しいデバイス、すなわち、熱光学チューナブル薄膜フィルタが開発された。アモルファス半導体材料から形成されたこれらデバイスは、従来はアモルファスシリコンの望ましくない特性と見なされていた、その大きな熱光学係数を利用する。これらデバイスの性能は多くの場合、従来の固定フィルタの目的であった熱光学的可変性を最低限度まで低減しようという試みではなく、薄膜干渉構造の熱光学的可変性を最大にしようとする試みに基づく。

図１は、熱光学チューナブル薄膜フィルタの基本デバイス構造である。図の特定の構造は、単一空洞ファブリ・ペロー型フィルタ１０である。この構造は、光学干渉設計に組み込まれているヒータ・フィルム１２、およびスペーサ空洞１６により分離されている一組の薄膜ミラー１４（ａ），１４（ｂ）から形成されたファブリ・ペロー空洞を含む。この例の場合には、ヒータ・フィルム１２は、ＺｎＯまたはポリシリコンから形成されるので、導電性であると同時に１５００ｎｍの波長に対して光学的に透明である。薄膜ミラー１４（ａ），１４（ｂ）は、１／４波長の相違を有する高屈折率膜および低屈折率膜の組である。これら２つの材料は、ａ−Ｓｉ：Ｈ（ｎ＝３．６７）、及び非化学量論的なＳｉＮｘ（ｎ＝１．７７）である。ａ−Ｓｉ：ＨとＳｉＮｘとの間の屈折率のコントラストが大きいために、必要なミラーの組の数は比較的少なくてすむ。組の数が４つでも、設計波長のところでの反射率はＲ＝９８．５％になり、組の数が５つの場合には、Ｒ＝９９．６％になる。空洞１６は、アモルファスシリコンの１／２波長の整数倍、通常、２〜４倍である。

非晶質薄膜は、スパッタリングなどの種々の物理蒸着技術、またはプラズマ化学蒸着（ＰＥＣＶＤ）を含む化学蒸着技術により堆積することができる。ＰＥＣＶＤは、特に柔軟で均質な薄膜形成方法であり、プラズマ電力、全ガス圧、水素分圧、ガス比、流速、および基板温度などの基本堆積パラメータの制御を、膜の密度および化学量論比を有意に変更するために使用することができる。膜密度および化学量論比は、屈折率、吸光率、および熱光学係数に影響を与える。さらに、ａ−Ｓｉ（アモルファスシリコン）フィルムの水素添加を、ダングリング・ボンドを埋めるために使用することができ、それにより欠陥密度が低減し、欠陥密度が低減すると赤外線の吸光率が低減する。プラズマに基づく技術であるＰＥＣＶＤは、大きく異なる屈折率を有したアモルファスシリコンとアモルファス窒化シリコンなどの、いくつかの光学的に異なっているが、プロセス互換性を有する材料を、密度が高く柔軟な膜によって容易に形成するために必要なプロセス可変性を有している。材料の切り替えは、真空状態を維持したままガス混合物を制御することにより行うことができる。

図２は、熱光学チューナブル薄膜フィルタにより達成することができる結果を示す。こ
の場合、フィルタは、６つのミラー・サイクルおよび４次スペーサ（４つの１／２波長）を使用する単一空洞構成であった。−３ｄＢでの幅は、３８８ｎｍの自由スペクトル領域の場合、０．０８５ｎｍであり、結果は、約Ｆ＝４，５００であった。

図３は、達成可能な熱的調整を示す。この構成は、誘電体ミラー（イオンスパッタリングにより堆積した、５酸化タンタル高屈折率層および二酸化シリコン低屈折率層で、Ｒ＝９８．５％ミラー反射率）を含むアモルファスシリコンスペーサを使用した。この構造は、２５℃〜２２９℃の温度でオーブン内で加熱された。調整は、約１５ｎｍ、すなわち、ｄλ／ｄＴ＝０．０８ｎｍ／Ｋであった。

最後に、図４は、スペーサ用であるだけでなく、ミラー高屈折率層用でもあるアモルファスシリコンにより、すべてのＰＥＣＶＤフィルムでチューナブルフィルタを構成する利点を示す。４周期ミラーを含むこのフィルタは、ヒータをフィルムスタックから独立した場合と比較すると、遥かに高い局所フィルム温度を達成することができるフィルムスタックの内部を加熱するための導電性のＺｎＯ層を内蔵していた。この例の場合の調整範囲は、３７ｎｍであった。

これらの新しい構造のさらなる詳細については、２００２年６月１７日出願の「屈折率チューナブル薄膜干渉コーティング」という名称の米国特許出願第１０／１７４，５０３号、および２００２年８月２日出願の「チューナブル光学機器」という名称の米国特許出願第１０／２１１，９７０号を参照されたい。これら米国特許出願は、引用によって本明細書の記載に援用する。

一般に一実施態様において、本発明は光電子デバイスに関する。光電子デバイスは、上面をしたヘッダと、上面を貫通して上に延びる複数の導電性ピンと、光学装置と、チューナブル光学フィルタと、ヘッダに取り付けられるとともに光学装置およびチューナブル光学フィルタを収容している密封内部をヘッダと共に形成しているキャップとを有する。光学装置およびチューナブル光学フィルタは、ヘッダの上面上に装着されるとともにヘッダの上面よりも上方へ延伸する垂直スタック内に配置されている。チューナブル光学フィルタは、導電性ピンに電気接続される。キャップは、その頂面内に形成されて、垂直方向に積み重ねたチューナブル光学フィルタおよび光学装置と位置合わせされたウィンドウを備える頂面を有する。

他の実施形態の場合には一般に、光電子デバイスは上面を有するヘッダを備え、上面を貫通して上方に延びる複数の導電性ピンを備える。光学装置は、主要な面がヘッダ上面にほぼ平行なヘッダの頂面上に支持されている。キャップはヘッダに取り付けられるとともに、光学装置を含む密封された内部をヘッダと共に形成している。キャップは、内部に第１のウィンドウが形成されている頂面を有し、ヘッダはその内部に第２のウィンドウを備える。

他の実施形態は、下記の特徴の中の１つ以上を備える。ヘッダおよびキャップは、トランジスタ・アウトライン（ＴＯ）パッケージである。チューナブル光学フィルタは、熱光学チューナブル薄膜フィルタである。光学装置は、エミッタ（ＬＥＤ）または検出器である。光電子デバイスは、また、ヘッダの頂面上に装着されていて、光学装置が装着される第１の面およびチューナブル光学フィルタが装着される第２の面を形成している孤立構造を含む。ヘッダ上のキャップは、気密型密封内部を形成し、ファイバ・コリメータまたは他の光ファイバを保持するカラーを含むことができる。光電子デバイスは、また、その一方の面上に形成されているフィルタを含み、その対向面上に装着されている光学装置を備えている基板を含む。

本発明の種々の実施形態は、下記の利点の中の１つ以上を有する。これらの実施形態は、低コストで小型のパッケージを提供する。これらの実施形態は、導波路効果に依存しないで、波長フィルタリングを行うために、自由空間内で視準されたビームを処理する「自由空間」チューナブルフィルタを提供する。パッケージングは、確立された規格化エンクロージャ（例えば、ＴＯパッケージ）を適宜変更して使用することができる。その場合、パッケージング・アプローチは、確立された組立技術および広い範囲で使用することができる低コストのエンクロージャを利用することができる。そのため、カスタム・パッケージング設計を使用する場合と比較すると、組立コストおよび材料コストを劇的に低減し得る。さらに、電気的フィードスルーおよび光が通過する１つまたはそれ以上の透明なウィンドウを有する密封型パッケージ（そうしたい場合には、気密封止型）を容易に形成するのに適している。さらに、光ファイバ用のフィードスルーを使用しなくてすむので、パッケージングのコストも劇的に低減し、システム全体の信頼性が向上する。

本明細書に開示するタイプの気密型パッケージは、光通信システムの厳しい信頼性要件のために、光学構成部品にとって望ましいものである。現在の気密型マルチポート光学装置パッケージング技術は、バタフライ、ミニデュアル・インライン、およびカスタム設計の無数の機械加工アルミニウム・パッケージを含む。気密状態を維持するために、貫通光学系のために使用する大部分のパッケージは、継ぎ目を密封するためにレーザ溶接を使用するが、このレーザ溶接は生産が複雑であり生産コストも高い。多くの場合、このタイプの最も簡単なパッケージ１個は２０．００ドル以上するし、もっと複雑なパッケージの場合には、数百ドル近いコストになる場合もある。

本発明の１つまたはそれ以上の実施形態の詳細を添付の図面に示し、以下に説明する。図面を見て、説明および特許請求の範囲を読めば、本発明の他の機能、目的および利点を理解することができるだろう。

いくつかの図面内の類似の符号は類似の素子を示す。
図５Ａを参照すると、一連の実施形態では、自由空間光ビームが通過することができる光学アクセス・ウィンドウ１０６を備えたパッケージ１０４内に、「スタック・アップ」した形態で、１つ以上の受動および／または能動の、光学／光電子構成部品１０２と、自由空間チューナブル光学フィルタ構成部品１００とをパッケージングする。パッケージ１０４は、キャップ１１０がその上に装着され、および密封された内部空洞を形成しているヘッダ１０８を有する。孤立素子１１２は、ヘッダ１０８に取付けられていて、複数の電気用ピン１１６が、チューナブルフィルタ構成部品１００およびパッケージ１０４内の他の光電子構成部品と電気的接続ができるようにするために、ヘッダ１０８を通して上に突き出ている。孤立素子１１２は、ヘッダ１０８の上部装着面にほぼ平行に、フィルタ構成部品１００の主要面が配置されている状態で、チューナブルフィルタ構成部品１００およびオプトエレクトロニクス１０２を、垂直に配置されたスタック内に保持している。動作中、光ファイバ１２１からの光ビーム１２０は、ウィンドウ１０６を通してパッケージ１０４の内部に入り、そこでチューナブルフィルタ構成部品１００を通過する。チューナブルフィルタ構成部品１００の反対側から出たフィルタリングされたビームは、次にオプトエレクトロニクス１０２に入射する。

孤立素子１１２は、セラミック（例えば、アルミナまたは窒化アルミニウム）などの電気絶縁材料から形成される。この素子は、オプトエレクトロニクス１０２（例えば、ＰＩＮ検出器またはＬＥＤエミッタ）の上の、固定され良好に制御された距離のところに、チューナブルフィルタ１００を吊り下げている。さらに、導電性トレース（または接触パッド）１２５および１２７は、接触および相互接続のために、この孤立素子上に形成することができる。上記実施形態の場合には、フィルタ構成部品１００は、その下向き面内に形
成されているチューナブル薄膜フィルタ素子１０１を有する基板１０３を含む。これは、基板面上に形成されている金属トレースへの電気接続を容易にするために、デバイスをさっと反転し、孤立素子上に装着するフリップ・チップ装着の一例である。

パッシブ位置合わせガイドまたは基準マークを使用して、チューナブルフィルタおよび光電子構成部品は、ｘ−ｙ面内で正確に位置合わせすることができる。この場合、自由空間素子の典型的な要件は、１０ミクロン程度であり、ｚ軸に沿って正確に設置することができる。標準チップ装着装置により行うことができ、また自動化ライン上でおそらく大量に行うことができるこのような組立は、通常、多重素子光通信アセンブリのために使用される「シリコン・マイクロ・ベンチ」タイプの組立と比較すると、劇的にコスト・パフォーマンスがよい。さらに、このような組立は、機械的にかなり柔軟性が高い。何故なら、すべての構成部品が、水平面上に垂直方向を向いている素子として配置されるのではなく、孤立面またはパッケージ面上に平らに配置されるからである。

再び図５Ａを参照すると、その先端に位置する一体に形成されているカラー１７２を含むカバー１７０は、パッケージ１０４のキャップ１１０上に置かれる。カバー１７０は、カラー１７２内に、光ファイバ１２１（その端部のところに視準光学系または焦点光学系を含むことができる）を保持し、それをパッケージ１０４内のウィンドウ１０１に正しく整合する。視準光学系は、ＧＲＩＮ（分布屈折率型レンズ）または球状レンズを含む種々の形をとることができる。同様に、焦点光学系も種々の形をとることができる。

別の方法としては、図５Ｂに示すように、その内部に一体に形成されているカラー１１９を含む修正したキャップ１１０’を設置することができる。光ファイバ１２１はカラー１１９内に密封され、パッケージへのウィンドウとしての働きをする。そのため図５Ａに示すような別のカバーを設置する必要がなくなる。

図６を参照すると、使用することができる、通常入手可能なパッケージは、ヘッダ２０８上に装着されている丸い金属缶２１０（図７Ａ参照）を含むＴＯ（「トランジスタ・アウトライン」）スタイルのパッケージである。ヘッダ２０８は、そこを通して延び、はんだガラスにより開口部内に気密状態に密封される複数の一体型導電性ピン（「脚」）２１６を有する。これらの導電性ピンは、内部のオプトエレクトロニクスおよび関連素子に電気的にアドレスまたは接触する方法を提供する。完全に組み立てた場合、ピンは、囲まれたオプトエレクトロニクス上の対応する金属パッドにワイヤにより接続する。

図６の実施形態の光電子構成部品は、図５のものと同じものである。さらに、ヘッダ２０８上には、熱光学チューナブル薄膜フィルタの動作中、パッケージの温度を監視するのを助けるために使用される温度センサ（例えば、サーミスタ）が装着される。

図７Ａ〜Ｃを参照すると、ＴＯパッケージは、ファブリ・ペロー・フィルタのような、デバイス面に対して垂直な入射光を必要とする光学装置に特に適している。缶２１０は、その頂面内にいくつかの異なる設計の中の１つであってもよい、ウィンドウを設けることにより修正することができる。例えば、缶としては球状レンズ２０６（ａ）を使用することができるし（図７Ａ参照）、単一検出器用に使用するタイプの平らなウィンドウ２０６（ｂ）を使用することもできるし（図７Ｂ参照）、内蔵レンズ２０６（ｃ）を使用することもできる（図７Ｃ参照）。このようなパッケージ内の材料のコストは１ドル以下であり、この業界で広く使用されているファイバ・フィードスルーを含む「バタフライ」タイプのパッケージよりも劇的に安くなる。さらに、このようなパッケージの組立て、ワイヤ・ボンデング、および密封用の手動または自動装置は容易に入手することができ、比較的コストが安い。

図７Ｄを参照すると、使用することができるもう１つの通常入手可能なパッケージの一例としては、リニア・ディテクタ・アレイ用に使用するタイプの頂部ウィンドウ３０６を含む、デュアル・インライン・パッケージ３００がある。デュアル・インライン・パッケージも、すでに説明したように、光電子素子が垂直に積み重ねられる平らな面を形成するヘッダを含む。ピン３１６は、ヘッダの底面から外に延びていて、密封型パッケージ内の光電子デバイスに電子的に接続することができる手段を提供する。ウィンドウ３０６は、光ビームが、囲まれた光電子デバイスに届くことができるパッケージの頂部内に透明な領域を形成する。

（マルチポート・パッケージ）
図８Ａ，８Ｂは、上記設計のもう１つの変形例である。これは、２ポートＴＯパッケージ用の一般的な構成であり、内蔵フィードスルーを含み、このフィードスルーにより、光信号はパッケージの内部の光電子回路を通過することができる。

この例の場合、変形ＴＯパッケージは、すでに説明したパッケージのように、ヘッダ５０８上に密封されている金属キャップ５１０を含む。ヘッダ５０８内には、ヘッダを貫通して上に延びる複数の導電性ピン５１６が位置する。キャップ５１０の頂部には、その周辺がキャップの金属に密封されているウィンドウ５０６が位置する。内部に形成されている金属フェルール５３０は、キャップ５１０の本体から上方に延びていて、ウィンドウ５０６を囲む。フェルール５３０は、スリーブ５４２内に囲まれている光ファイバ５４０を保持する。球形レンズ５４４は、光ファイバ５４０の端部に取付けられていて、ウィンドウ５０６に隣接している。球形レンズ５４４は、変形ＴＯパッケージに入る前に光ファイバからの光を視準する。ヘッダ５０８は、この貫通孔の頂端部のところにウィンドウ５２９を備えるその中央部に形成されていて、ヘッダ５０８の上面内に形成されている凹部内に密封されている貫通孔５４６を含む。フェルール５３１は、ヘッダ５０８の底部から下方に向かって延びていて、貫通孔５４６と整合している。フェルール５３１は、スリーブ５４１内に囲まれているもう１つの光ファイバ５３５を保持する。球形レンズ５４３は、ウィンドウ５２９に隣接している光ファイバの頂部に取付けられる。

このような配置により、その縦方向に沿ってパッケージの中心を通る光路が形成される。光電子デバイス５５０の多数の異なる組合わせの中の任意の１つの組合わせを、パッケージ内および光路内のヘッダ上に装着することができる。

図９に示す３ポート構成の一例は、光学集配マルチプレクサ（ｏｐｔｉｃａｌ ａｄｄ／ｄｒｏｐ ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒ）６００である。この構成は、ヘッダ６０８上に装着されていて、ヘッダの上面に対して小さな角度（例えば、５度未満）で傾いている熱光学チューナブル薄膜フィルタ６０１含む。二重ファイバ・コリメータ６２０（例えば、ＧＲＩＮレンズ）は、二重ファイバ・コリメータの一方の端部に接続している２本の光ファイバ６１２および６１４を含むキャップ６１０の頂部から延びているフェルール６３０内に位置する。光ファイバ６１２は入力チャネルであり、光ファイバ６１４は出力チャネルである。パッケージの他方の端部のところには、図８Ａのデバイスのところで説明したのと類似の貫通孔と整合している第３の光ファイバ６１９が位置する。熱光学チューナブル薄膜フィルタ６０１および二重ファイバ・コリメータ６２０は相互に整合していて、そのため光ファイバ６１２からの入力光ビーム６０３は、その表面に対して直角よりも若干小さい角度でチューナブル光学フィルタ６０１上に入射する。

入力光ビーム６０３は、それぞれが異なる波長を有する多数の異なるチャネルを表す。チューナブル薄膜フィルタ６０１の特徴は、複数の波長のうちの選択可能な１つの波長をファイバ６１９上に通過させることである。狭い透過通過帯域の外側に位置する残りのチャネル（すなわち波長）は、チューナブル薄膜フィルタ６０１から反射して、反射ビーム
６０５として二重ファイバ・コリメータ６２０の方向に戻る。チューナブル薄膜フィルタ６０１およびコリメータ６２０の相対整合により、反射した波長はコリメータ６２０に入り、出力ファイバ６１４の方向を向く。透過ビーム６０７は光ファイバ６１９内に入る。この動作モードの場合、デバイスは削除マルチプレクサ（ｄｒｏｐ ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒ）としての働きをする。すなわち、デバイスは入力光信号の複数のチャネルの中から選択した１つのチャネルを除去または削除する。

別の方法としては、適当な波長の光信号が、ファイバ６２１を通して入ってきた場合には、デバイスは光学的追加マルチプレクサ（ａｄｄ ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒ）として機能する。すなわち、デバイスはマルチチャネル信号にデバイスを通過する新しいチャネルを追加する。

図１５を参照すると、もう１つのマルチポート構成は、もっと効率的なパッケージ設計ができるように、マルチポート入力およびマルチポート出力光学系並びに追加／削除光学系を使用する。この構成は、シングル６プラス・ポート設計で、２つのまたはそれ以上の３ポート・パッケージの機能を実行する。このことは、スペースの面からいっても消費電力の面からいっても望ましいことである。追加および削除プロセスの両方が、この１つのアセンブリ内で行われる。追加サイクルおよび削除サイクルのために異なる入射角を使用することができ、さらにフィルタ面上の同じ位置を使用する。これにより、そうでない場合には起こる透過および反射信号の両方を劣化させる干渉効果を避けることができる。追加／削除、追加／追加または削除／削除構成は、このパッケージ構成により達成することができる。その場合、入出力装置だけにより影響を受けるだけである。

本発明の実施形態は、２つのＧＲＩＮレンズ１０００および１００２（または他の同等の光学素子）を含む。レンズ１０００に接続している光ファイバは４本あり、レンズの入力面を横切って対称に配置されている。周知のように、レンズの中心軸から変位している光ビームは、中心軸からの光ファイバの変位により決まるある角度でレンズの他方の端部から出てくる。この原理は下記の方法で有利に使用される。

レンズ１０００には、４本の光ファイバ１０１０、１０１１、１０１２および１０１３が接続していて、レンズの中心軸を中心にして対称に直線的に配置されている。すなわち、光ファイバ１０１０および１０１３は、外側の２本のファイバであり、それぞれがレンズ１０００の軸から等距離のところに位置していて、光ファイバ１０１１および１０１２は、内側の２本のファイバであり、同様にレンズの中心軸から等距離のところに位置している。光ファイバ１０１０は、多重チャネル光入力信号をレンズ１０００に供給し、レンズ１０００はこの信号をその法線方向に対して角度Θで、チューナブルフィルタ１００４に配信する。チューナブルフィルタ１００４は、レンズ１００２を通して、入力信号のチャネルの中の選択可能な１つのチャネルを通過させ、レンズ１００２は、それをレンズ１００２の面上の適当な位置に設置されている削除ファイバ１０１６に供給する。残りの入力信号は、チューナブルフィルタ１００４から反射し、レンズ１０００を通して光ファイバ１０１３に戻る。光ファイバ１０１３は、その受信した信号を光ファイバ１０１１の位置のレンズ１０００に返送するために光ファイバ１０１１に接続している。この返送された光信号は、チューナブルフィルタ１００４に返送されるが、今回はその法線方向に対する角度はもっと小さい。返送された光信号がチューナブルフィルタに達すると、選択したチャネルはすでに除去されているので、そのすべてはレンズ１０００に反射され、レンズ１０００は反射信号を出力光ファイバ１０１２に配信する。

削除したチャネルの周波数で追加信号（ＡＤＤ ｓｉｇｎａｌ）を運ぶ入力ファイバ１０１４は、フィルタ１００４が透過した場合、出力ファイバ１０１２に配信される反射信号と結合するように、チューナブルフィルタ１００４の裏面にある角度で光信号を供給す
る。

（他の実施例）
種々の用途の場合、小型パッケージ内に、チューナブルフィルタ、光学系および他の能動デバイスの種々の組合わせを必要とする。図１０Ａ〜Ｄは、チューナブルフィルタと他の能動オプトエレクトロニクスの可能な組合わせのうちの４つの一般的な組合わせを示す。しかし、これらは例示としてのものであって、組合わせはこれらに限定されない。

図１０Ａの組合わせは、入力光学系、チューナブルフィルタ７０２、および検出器７０４を含む。コリメータを含むことができる入力光学系７００は、複数の波長からなる光信号をチューナブルフィルタ７０２に配信するが、このチューナブルフィルタは、光信号の複数の波長の中の選択可能な１つの波長を検出器７０４に送ることができる。このシステムの典型的な用途としては、スペクトル電源監視および単チャネル検出または監視等がある。スペクトル電源監視の場合には、チューナブルフィルタ７０４は動作して、当該波長の範囲を前後に走査し、検出器７０４は光信号内のいくつかの波長の電力を測定する。単チャネル検出または監視の場合には、チューナブルフィルタ７０２は、１つの波長に調整し、検出器７０４はその帯域内の信号を監視する（「チューナブル検出器」または「チューナブル受信機」）。いずれの場合でも、システムは、通常、拒否した波長を出力光学系に返送するようには設計されない。

図１０Ｂの組合わせは、入力光学系７１０、チューナブルフィルタ７１２、検出器７１４および出力光学系７１６を含む。このようなシステムの典型的な用途は、チューナブルフィルタ７１２が、１つのチャネルを検出器７１４に通過させ、チューナブルフィルタ７１２が拒否した波長が、コリメータのような出力光学系７１６に反射する「光学的削除」である。このような構成は、各位置が、検出する通信チャネル（すなわち、波長）を動的に選択することができる柔軟な通信ネットワークで有用である。

図１０Ｃの組合わせは、広帯域光源またはエミッタ７２０、チューナブルフィルタ７２２、および出力光学系７２６を含む。発光ダイオード（ＬＥＤ）のような広帯域光源７２０は、チューナブル狭帯域光源を生成するためにチューナブルフィルタ７２２と一緒に使用される。チューナブルフィルタ７２２が、上記のような熱光学チューナブル薄膜フィルタである場合には、測定アプリケーション用の低コストのチューナブル光源または低コストの光ネットワークを生成することができる。

図１０Ｄの組合わせは、入力光学系７３０、チューナブルフィルタ７３２、エミッタ７３４および出力光学系７３６を含む。エミッタ７３４としては、広帯域固定エミッタ、またはチューナブルフィルタにより光学ストリーム内に「追加」されるチューナブル垂直空洞面放射レーザのようなチューナブル狭帯域エミッタを使用することができる。この場合、チューナブルフィルタ７３２は、反射（「貫通」）波長と同じ経路に沿って新しい波長を受け入れる。このようなシステムは、ネットワーク内で波長を動的に追加し、削除するために、図１０Ｂのシステムと一緒に動作することができるし、または必要な任意の波長に設定することができる「万能スペア」送信機として使用することができる。

類似のシステムを必要とする広範囲の用途がある。このような用途においては、チューナブルフィルタの他に能動光学素子は、検出器、エミッタ、または光を測定し、処理するための他の光学素子である。本明細書に記載するパッケージングのアイデアを使用すれば、低コストで小型のこのようなシステムを組立てることができ、その広範囲な適用を実際に行うことができる。

（ビーム整合）
反射減衰量は、入射波の振幅に対する反射波の振幅の比率である。いくつかの光学的用途の場合には、この反射減衰量は、−ｄＢで測定され、ある構成部品の場合には、反射電力は、光ファイバを通して後方に対して行われる構成部品のすべての面からの全反射であると定義される。実際には、すべての光システムは、安定のためにＲＬの量を制限する。

反射減衰量（ＲＬ）仕様で製造される光学アセンブリは、構成部品の面と光源との間の入射角が計算した角度になるように、構成部品およびアセンブリの両方で通常設計され、許容される。この角度は顧客の仕様に適合するように、十分高いＲＬを供給するように計算される。しかし、大部分の光学構成部品の性能は、角度の関数として劣化するので（主として偏光に依存して）、機械的公差の合計をカバーするために必要なバッファの量と必要なデバイスの性能との間で折り合いをつけなければならない。デバイスとツールの両方の精度のレベルは、高価すぎて実行不可能であり、設計したり、保守したり、製造するにはあまりに難しすぎる。

構成部品上の厳しい公差を指定するこのプロセスの代案が、所望の整合を行うためにコストが高く面倒な倒置／傾斜作業を使用してきた。この場合、性能要件が満たされ、次に構成部品がその位置に固定されるまで、自動化装置が光源に対して構成部品を倒置し、傾斜し、回転している間にＲＬが能動的に監視される。しかし、このプロセスは、非常に高価な高精度の自動装置を必要とする。

市販のツールにより実施することができ、遥かに安価な必要なＲＬパラメータを達成する新しい整合方法について、図１１および図１２ＡおよびＢを参照しながら説明する。また、この新しい方法は、監視したＲＬを最適化するために、光源の向きが変わる能動的な整合プロセスである。この方法は、本明細書に記載する部材のような、公差が厳しくない部材に対して使用される。しかしこの方法は、任意の軸方向に整合しているシステムにも適用することができる。

図１１を参照すると、改善された整合手順を実施するように設計されているパッケージング構造は、ヘッダ８０４に取付けられているキャップ８０１を備える変形ＴＯパッケージ８００を含む。ヘッダ８０４上には、チューナブル薄膜光学フィルタ８０６（または入力ファイバの整合が行われる光学装置）が装着されている。上記実施形態の場合には、チューナブルフィルタ８０６は、ヘッダ８０４の下に位置する頂面に対し小さな角度（Φ）で装着されている（または別な言い方をすれば、その法線がパッケージの縦軸８３０に対して小さな角度（Φ）を形成するように装着されている）。光ファイバ８１８およびコリメータ８１５を保持しているスリーブ・アセンブリ８１０は、パッケージのキャップ８０２上をスライドするように、ゆるく取付けられていて、それによりファイバをキャップの頂部のウィンドウにほぼ整合する。スリーブ・アセンブリ８１０がキャップに固定されるまで（例えば、スリーブの側面内にエポキシ樹脂またはネジにより）、スリーブ・アセンブリ８１０は、パッケージの縦軸８３０を中心にしてキャップ上で回転することができる。スリーブが正しい方向を向くと、カバー８２０はスリーブ上をスライドし、スリーブをカバーする。

スリーブ・アセンブリ８１０は、その回転軸（また、図のパッケージの場合には、キャップ／パッケージの縦軸である）に対して小さな角度（Ω）で、ファイバおよびコリメータを保持する。図１２ＡおよびＢに示すように、キャップ８０２上に取り付けた状態で、その回転軸を中心にしてスリーブ・アセンブリ８１０を回転することにより、光ビームと光学構成部品の面の法線との間の角度は、Φ−ΩからΦ＋Ωすべての角度を通してスイープする。例えば、コリメータおよび構成部品の法線が相互に平行であるが（すなわち、Φ＝Ωであるが）、回転軸から２度ずれている場合には、この方法により入射角を０〜４度の範囲で変えることができる。この角度の違いは、設計による場合もあるし、組立／製造
による場合もある。

構成部品の回転運動中、光ファイバへの入力および光ファイバからの出力を能動的に監視することにより、１０分の数ｄＢ内で所望の高い反射減衰量を達成することができ、必要な入射角より高いことによる劣化を最低限度に低減することができる。

スリーブがキャップにゆるく取付けられている場合には、ＸＹ整合ステップも行うことができ、このステップ中、デバイスの性能の関数としてその最適な位置を発見するために、スリーブはヘッダの面に平行な面内を移動する。同様に、コリメータからのビームに対して、すべての光線が平行に近いと思われる「くびれた部分」が存在するので、ここが能動光学構成部品の面を設置する理想の場所である。しかし、ビームの低い分岐の見地からいうと、この公差は非常にルーズである。すなわち、フィルタの性能とＲＬの両方は、通常、Ｚ位置により全然影響を受けない。それ故、この次元（すなわち、Ｚ軸）内の整合は、光学構成部品に対してコリメータのＺ位置を設定するスリーブ内の簡単な機械的ストップにより十分に達成することができる。

全整合手順は、測定したＲＬを監視しながらの下記の一連のステップを含む。最初に、Ｚ方向で粗調整が行われる。次に、スリーブを回転することによりＲＬが最適化される。次に、ＸＹ面内で整合することにより、デバイスの性能がさらに最適化される。最後に、Ｚ方向でさらに微調整が行われる。

（積重ねビルドアップ法）
すでに説明したように、本発明の上記実施形態の中のいくつかのものの利点は、製造の際にＺ軸ビルドアップ法を使用することができることである。Ｚ軸ビルドアップ法はコストが安く、（１）ｚ軸に沿って構成部品間に間隔を設け、構成部品をｘ−ｙ面上で整合するために使用するセラミックのような多重レベル（例えば、段付き）孤立構成部品、（２）受動基板および／または他の光電子素子が形成される基板上への光学／光電子および他のチップのフリップ・チップ装着、（３）これら基板の受動整合による、基板／孤立構成部品上の構成部品の予備装着およびパッケージ内への組立、（４）パッケージ内の電気ピン上への基板または構成部品の直接装着を含むが、これらに限定されない。

（使用する組立ガイド）
図１３Ａ〜Ｃに示すように、組立の精度および必要とする努力を最低限度に低減するために、いくつかのパターン形成法を使用することができる。例えば、最初に、図１３Ａを参照すると、マスクまたはアパーチャ９００を、１つの構成部品（例えば、チューナブルフィルタ９０２）上にパターン化し、次に、他の構成部品（例えば、検出器９０４）を、受動整合公差に見合うかなり広い能動エリア９０６を有するように設計することができる。さらに、図１３Ｂを参照すると、おそらくＳＭＴ機械により解釈される光学整合ガイドの助けを借りて、高い整合精度を達成するために、標準化表面実装技術（ＳＭＴ）組立法および機械を使用することができる。この場合、例えば、その前面上に形成されているチューナブル薄膜光学フィルタ９２４を有する基板９２２の裏面上に検出器またはエミッタ・チップ９２０をフリップ・チップ装着することができる。検出器またはエミッタ・チップ９２０への整合および接触を容易にするために、基板９２２の裏面上に形成されているフォトリソグラフィにより形成されている整合ガイド９２６および接点９２８を設けることができる。別の方法としては、個々の光学／光電子構成部品を整合するために、基板または光学系上で中間マスクを使用することができる。また、図１３Ｃに示すように、ハイブリッド構造を形成することもできる。例えば、他の回路またはコネクタ９５０（駆動回路または読取回路など）を保持している基板またはボード９４０に、基板９４０（例えば、基板９４０の一方の側面上にフリップ・チップ装着されるチューナブル光学フィルタ・チップ９４４、および基板９４０の他の側面上にフリップ・チップ装着される検出器、ま
たはエミッタ・チップ９４６）の両方の側面上に装着される構成部品間で光通信を行うことができるようにするために、光学貫通孔９４２を設けることができる。

さらに、従来のエレクトロニクス方法（例えば、ＳＭＴ）に基づく構成部品の大量組立を、分離およびパッケージングを行う前に、「シート」内に光電子アセンブリを形成するために使用することができる。図１４ＡおよびＢは、このような組立プロセスの一例である。この場合、検出器素子９８０およびサーミスタ素子９８２は、チューナブル薄膜フィルタ基板９８４の裏面上に装着される。数百または数千のこのようなサブアセンブリを自動的に組み立てることができ、薄膜フィルタ・ウェハがダイシングされ、結果として得られるサブアセンブリをパッケージングする前に、はんだリフロー（または、ワイヤ・ボンド）プロセスを適用することができる。

図１４Ｂは、このようなアセンブリを形成するための１つの方法である。基板９８４は、検出器素子９８０、サーミスタ素子９８２、チューナブルフィルタ素子９８８、およびできれば他の構成部品を収容できるようにパターン化され、次にダイシングされる。次に、基板のいくつかの部材が、パターン化された金属トレースを含む孤立素子を形成するために積み重ねられる。

（使用する光学系）
上記パッケージングと一緒に使用することができる光学構成は、（１）入力光信号、出力光信号、または入力および出力光信号の両方、（２）視準されたまたは焦点を結んでいるビーム、しかし、好適には、チューナブルフィルタの場合には、視準されたビームが好ましい、（３）外部光学系だけの使用、外部および内部光学系の組合わせ、または内部パッケージ内蔵光学系だけの使用、（４）外部光学系上で、パッケージへの透明なウィンドウ上で、または反射防止コーティング、高反射コーティング、または選択的波長フィルタリングのための基板のような内部素子上で使用する受動光学コーティング：（５）パッケージの外部で使用される単一または二重ファイバ・コリメータ、パッケージ自身に内蔵されているレンズ、またはパッケージ内部の構成部品のスタック内で使用されるマイクロ光学素子のような光学素子を含むが、これらに限定されない。

（アパーチャ・プレート）
熱光学チューナブル薄膜フィルタを使用する実施形態においては、チューナブル薄膜フィルタの発熱素子は、通常、少なくとも２つの理由から、できるだけ小さく作らなければならない。第１の理由は、ヒータが小さければ小さいほど、デバイスの速度が速くなるからである。何故なら、加熱および冷却する熱質量が小さいからである。第２の理由は、デバイスを低電力で動作させることができるからである。何故なら、チューナブル素子の温度は、電力密度に比例するからである。所与の必要な最大温度、すなわち、所与の必要な電力密度に対して、ヒータが小さければ小さいほど、必要な入力電力は少なくてすむ。

しかし、発熱素子を小さくした場合の欠点は、発熱素子を自由空間、視準したビームと光学的に整合するのが難しくなることである。チューナブルフィルタを透過したすべての光は、デバイスの加熱された部分を通る。フィルタの加熱されていない部分を透過するすべての光、またはデバイスのフィルタリングしていない部分を透過するすべての光は、不必要な波長を含んでいて、所望の信号に不必要なノイズを加える。

非常に低コストのパッケージングを実現するには、整合を容易に行うことができ、受動的に整合を行うことができ、できれば自動的に整合を行うことができなければならない。これを達成する１つのアプローチは、デバイス内に、すべての光がチューナブルフィルタの加熱した部分を除いて、デバイスのすべての部分を通って透過するのを阻止するために、１つの層を内蔵させる方法である。その最も簡単な形の場合、この層は、図１３Ａに示
すように、発熱素子と整合している小さなアパーチャを含む金属層９０７である。この場合、視準されたビームのある部分が、アパーチャに必ず入射するのに十分なものでありさえすればよい。視準されたビームの残りの部分は、ヒータの外側に入射しても重大な影響はない。何故なら、この光は反射され、透過しないからである。それ故、アパーチャを含む光阻止層（アパーチャ層）を使用すれば、ヒータを比較的小さくすることができる。また、アパーチャは、ヒータ・エリアと比較して小さいものでなければならない。そうすることにより、確実に発熱素子の縁部の近くの温度の不均一を最低限度に低減することができ、結果としてピークはもっと狭くなる。

アパーチャ層は必要な量の光を拒否するための十分な反射率を有するように十分厚いものでなければならない。しかし、あまり厚すぎると、あまりに多くの熱を伝導により逃がしてしまうために、フィルムスタックに不必要な応力を加えおよび／またはデバイスに有害な熱特性を与える恐れがある。アパーチャ層があまり多くの熱を伝導により逃がさない場合には、アパーチャ内の温度の分布が不均一になり、所与の温度に達するのにヒータがより多くの入力電力を必要とすることになる。また、アパーチャ層は、デバイスを調整するために必要なおそらく高温に耐えることができるものでなければならない。この目的のために使用することができるいくつかの普通の金属としては、Ａｌ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｒ、ＷおよびＴｉ等がある。理想的には、材料は、当該波長（例えば、１５５０ｎｍ）のところに高いｋ値を有し、高い融点温度を有することが好ましい。何故なら、金属は、通常、その溶融温度、低い熱伝導および低い熱質量の一部（すなわち、密度×比熱）で軟化し、クリープするからである。それ故、アパーチャ層は、あまり多くの熱を伝導により逃がしてはならない。非金属材料もアパーチャ層用に使用できることに留意されたい。

（自由空間フィルタ）
上記実施形態で使用することができるチューナブルフィルタのタイプは、透過または反射のために、視準することができる光のビームを受け入れ、特定の波長またはいくつかの組の波長をフィルタリングする「自由空間」フィルタである。これらのフィルタは、「自由空間」フィルタと呼ばれる。何故なら、上記光ビームを光ファイバのような導波路から抽出し、導波路に導入する入力および出力光学系を除いて、フィルタリング対象の光ビームは案内されないからである。多くのこのようなチューナブル光学フィルタ・デバイスは当業者であれば周知のものである。これらは下記のものを含むが、これらに限定されない。

・性能、コスト、信頼性の点で大きな利点を有し、このパッケージング・フォーマットに非常によく適している上記熱光学チューナブル薄膜フィルタを含むチューナブル薄膜フィルタ。

・調整のために、または調整のためにではなく移動する２つまたはそれ以上の誘電体ミラーを使用する、微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）をベースとするファブリ・ペロー・フィルタ。このフィルタは、従来のシリコンをベースとするＭＥＭＳ、およびポリマ・フィルムまたは他の材料をベースとするこれらデバイスを含む。

・ｚ軸に沿って伝搬する光用のフィルタを生成するために（または特定の波長または一組の波長を軸から離れる方向に変位させるために）、面内パターンが使用されるホログラフィックまたは回折格子導波路結合フィルタ。

・圧電薄膜をベースとする圧電ファブリ・ペロー。
既存のまたは開発中の多くの他の自由空間フィルタは、本発明のパッケージング・アプローチから利益を受けている。

その詳細な実施形態により本発明を説明してきたが、上記説明は、本発明を説明するためのものであって、特許請求の範囲に記載する本発明の範囲を制限するためのものではないことを理解されたい。それ故、他の態様、利点および変形は特許請求の範囲内に含まれる。

熱光学チューナブル薄膜フィルタの基本デバイス構造。 単一空洞を有する熱光学チューナブル薄膜フィルタの結果を示すフィルタ透過特性のグラフ。 熱光学スペーサおよび誘電体ミラーを含むフィルタの調整範囲を示すフィルタ透過特性の複数のグラフ。 ａ−Ｓｉ：Ｈ高屈折率層およびスペーサ、ＳｉＮｘ低屈折率層および４つの周期ミラーを含むすべてのＰＥＣＶＤフィルタの調整範囲を示すフィルタ透過特性の複数のグラフ。 一実施形態のコア素子を示す断面図。 パッケージ上のキャップ用の別の設計を示す断面図。 ＴＯパッケージの実施形態の別例を示す斜視図。 缶の頂部内にいくつかのタイプのウィンドウを含むＴＯパッケージの別例を示す斜視図。 缶の頂部内にいくつかのタイプのウィンドウを含むＴＯパッケージの別例を示す斜視図。 缶の頂部内にいくつかのタイプのウィンドウを含むＴＯパッケージの別例を示す斜視図。 デュアル・インライン・パッケージの実施形態を示す斜視図。 それぞれ頂部および底部に軸方向に整合している入力および出力ポートを含むマルチポートの実施形態を示す断面図。 それぞれ頂部および底部に軸方向に整合している入力および出力ポートを含むマルチポートの実施形態を示す斜視図。 光学集配マルチプレクサである３ポート・デバイスを示す斜視図。 光学集配マルチプレクサである３ポート・デバイスを示す断面図。 光学構成部品構成の４つの一般的な分類を示す概念図。 光学構成部品構成の４つの一般的な分類を示す概念図。 光学構成部品構成の４つの一般的な分類を示す概念図。 光学構成部品構成の４つの一般的な分類を示す概念図。 ファイバ／コリメータを光電子構成部品を含むパッケージ上に整合するアプローチの分解図。 反射減衰量を最適化するための整合手順を示す概念図。 反射減衰量を最適化するための整合手順を示す概念図。 使用可能な別の組立技術を示す斜視図。 使用可能な別の組立技術を示す斜視図。 使用可能な別の組立技術を示す斜視図。 １つの基板上に複数のダイを形成するための技術を示す概念図。 １つの基板上に複数のダイを形成するための技術を示す概念図。 マルチポートのさらなる実施形態を示す概念図。

Claims (19)

1. 上面を有し、前記上面を貫通して上方へ延伸する複数の導電性ピンを含むヘッダと、
   光学装置と、
   チューナブル光学フィルタと、前記光学装置および前記チューナブル光学フィルタは前記ヘッダの上面上に装着されるとともに、前記ヘッダの上面より上方に延伸している垂直スタック内に配置されていることと、前記チューナブル光学フィルタは一組の前記複数の導電性ピンに電気接続されていることと、
   前記ヘッダに取り付けられ、前記光学装置および前記チューナブル光学フィルタを収容する密封内部を前記ヘッダと共に形成しているキャップと、前記キャップはウィンドウが内部に形成されている頂面を有することと、前記ウィンドウは前記チューナブル光学フィルタおよび前記光学装置と位置合わせされていることとを備える光電子デバイス。
2. 前記ヘッダおよびキャップはトランジスタ・アウトライン（ＴＯ）パッケージである請求項１に記載の光電子デバイス。
3. 前記チューナブル光学フィルタは熱光学チューナブル薄膜フィルタである請求項１に記載の光電子デバイス。
4. 前記光学装置がエミッタ（ＬＥＤ）である、請求項１に記載の光電子デバイス。
5. 前記光学装置が検出器である、請求項１に記載の光電子デバイス。
6. 前記ヘッダの頂面上に装着されている孤立構造体をさらに備え、前記孤立構造体は前記光学装置が装着されている第１の表面と、前記チューナブル光学フィルタが装着されている第２の表面を形成している、請求項１に記載の光電子デバイス。
7. 前記ヘッダ上のキャップが気密状態に密封された内部を形成している請求項１に記載の光電子デバイス。
8. 前記キャップは光学系を結合しているファイバを保持しているカラーを備える請求項１に記載の光電子デバイス。
9. その１つの表面に形成されている前記フィルタと、その対向表面に装着されている前記光学装置とを有した基板をさらに備える、請求項１に記載の光電子デバイス。
10. 上面を有し、前記上面を貫通して上方に延伸している複数の導電性ピンを含むヘッダと、
    主要表面が前記ヘッダの上面にほぼ平行な状態で前記ヘッダの頂面に支持されていて、一組の前記複数の導電性ピンに電気接続されている光学装置と、
    前記ヘッダに取り付けられるとともに、前記光学装置を収容する密封内部を前記ヘッダと共に形成しているキャップとを備え、前記キャップは内部に第１のウィンドウが形成されている頂面を有し、前記ヘッダは内部に第２のウィンドウが形成されている光電子デバイス。
11. 前記ヘッダおよびキャップはトランジスタ・アウトライン（ＴＯ）パッケージである請求項１０に記載の光電子デバイス。
12. 前記チューナブル光学フィルタは熱光学チューナブル薄膜フィルタである請求項１０に記載の光電子デバイス。
13. 前記光学装置がエミッタ（ＬＥＤ）である請求項１０に記載の光電子デバイス。
14. 前記光学装置が検出器である請求項１０に記載の光電子デバイス。
15. 前記ヘッダの頂面上に装着されている孤立構造体をさらに備え、前記孤立構造は前記光学装置が装着されている第１の表面と、前記チューナブル光学フィルタが装着されている第２の表面を形成している、請求項１０に記載の光電子デバイス。
16. 前記ヘッダ上のキャップは気密状態に密封された内部を形成している請求項１０に記載の光電子デバイス。
17. 前記キャップはファイバ・コリメータを保持しているカラーを備え、前記ウィンドウがレンズである請求項１０に記載の光電子デバイス。
18. その１つの表面に形成されている前記フィルタと、その対向表面に装着されている前記光学装置とを有した基板をさらに備える、請求項１０に記載の光電子デバイス。
19. 前記キャップが、その頂面から上に延びていて、光学供給装置を保持するための孔部を形成しているフェルールを有する、請求項１０に記載の光電子デバイス。

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