JP2006259727A - 低価格、高精度の複数ポイントの光学部品の取り付け法 - Google Patents

Abstract

【課題】個々の部品の高精度な相互配置を達成することは困難であった。
【解決手段】第１の光学部品を、基板に結合された第２の光学部品に対し正確に位置合わせするための方法である。第１の光学部品を基板に取り付けるために、多数の結合要素の少なくとも１つが変形される。第２の光学部品に対する第１の光学部品の光学結合の品質が決定される。第１の光学部品を基板に結合する好きな木とも１つの変形される結合要素は、微小操作され、第１の光学部品が第２の光学部品に対し正確に位置合わせされ、そして光学結合の品質が改善される。
【選択図】図１

Description

この発明は一般に、複数の光学部品に互いに正確に装着するための方法に関し、特に、光学部品を結合する多くの結合要素の少なくとも一つで、微小の操作により、第１の光学部品を第２の光学部品に位置合わせする方法に関する。

いずれの光学系でも、個々の部品の高精度な相互配置を達成することの重要性はよく知られている。現代の光通信システムで使用される部品のミニチュアの寸法は、達成することおよび維持することの双方で困難な正確な位置合わせを果たす。例えば、レーザ送信機の構造で重要な１つの関心事は、レーザダイオードからの光出力を光ファイバへ効率的に結合することである。効率的な結合を入手するために、ファイバ端は好ましく正確にレーザの放射エリアに整列される。また、レーザダイオードと光ファイバの間のレンズ、変調器または光学絶縁体などの追加的な光学部品の正確な位置合わせが望まれるかもしれない。そのような位置合わせが達成されると、デバイスの寿命のある間にわたって、必要な位置合わせを持続するのを可能にする方法により、ファイバは適所に固定される。

通常、ファイバで結合したダイオードレーザは、金属蝶のパッケージ中にパッケージされ、それは金メッキされたものでもよく、そして、そのファイバは、エポキシ、レーザ溶接、または半田取り付け技術の一つを用いて、継ぎ手を用いて、または用いずにレーザに対して位置合わせして保持される。エポキシ付属は、低価格だが、高精度の取り付けに対して過度の熱膨張がある。その上、それは、経年および温度のサイクル変化から、ガス放出および、位置合わせのシフト変化のために、長期にわたって信頼できないかもしれない。レーザ溶接の技術は、信頼できるが、継ぎ手で接合されたファイバの溶接取り付けを許容するために、ファイバおよび特別に設計されたマウントかクリップの高価な継ぎ手を使用する。そのマウント/クリップは、高価でかつ大きく、時間がたつにつれて、クリープ現象が生じる。半田取り付けの技術は、他方、信頼でき、かつ安価であるが、費用であり、当業者に長らく使用されてきた。しかしながら、現存の半田取り付け技術は、統合加熱装置、および/または、半田のリフロー用に使用される熱を隔離するために、特別に構成されたプラットホームを使用する傾向がある。これらの熱管理の手段は、高価であり、かつ/または、異常に大きい。

ファイバが適切に半田付けされる締め具取付け箇所は、効果的に機能するために特別の材料特性を持つ。締め具取付け位置の材料は好ましくは、運転時にパッケージが加熱された時、または、環境の影響のために、低熱伝導率(例えば50W/m-K以下)および実質的にファイバ整列を維持するのに十分に低い熱膨張係数を持つ。望まれる正確な熱膨張の特性は、レーザが装着される材料、ファイバのマウントおよびレーザのサブマウントの厚さ、および／または運転の間に期待される温度特性を含む多くのパラメータに依存するかもしれない。ファイバ装着材料も半田付けされるか、または、半田付け可能な材料でメッキされることもできる。半田付けの処理の間、ファイバーマウントは、温度勾配と材料差による特異な膨張から生じる重大な圧力を被るかもしれない。したがって、ファイバーマウントは好ましくは、破壊を回避するために、高い張力(例えば 25kpsi以上) を持つ。
U.S. 特許出願 No. 10/858,894

しかしながら、ファイバが溶融状態の半田によって示された、乱れた流れおよび毛細血管力により半田付けされるとき、光学部品とファイバの間の配置を維持するのは難しい。前処理の半田調整の他の方法は、高価で複雑なツール(例えば、グリッパ)および高い精度直線的または回転式のステージの望ましくない追加を含むかもしれない。Singhその他による継続中の U.S. 特許出願 No. 10/858,894 の「NON-MECHANICAL ADJUSTMENT OF AN OPTICAL FIBER TO AN OPTICAL OUTPUT 」は、少なくとも必要な位置に向かって垂直にファイバを調整することによって光ファイバを隣接している光学ソースに並べる方法によるこれらの問題を指摘している。そのため、Singh その他による発明は、光ファイバを保持するのに使用される半田の局所化された反-圧力を加えることで一方向だけに光学部品を動かすことによる整列を教示する。

多くの光学部品の光学結合で必要な位置合わせ精度を達成するために、光学部品は２または３軸に沿って正確に位置合わせされることが必要であるかもしれない。これらの光学部品の付属品に対し、多方向の位置合わせを実行する方法が必要である。

これおよび他の要求、およびその目的の観点に迎合するために、この発明は、第１の光学部品を、基板と結合される第２の光学部品に正確に位置合わせするための例示的な方法で具体化される。この方法は、第１の光学部品を基板に結合する多数の少なくとも一つで、微小操作により、第１の光学部品を第２の光学部品に位置合わせすることを含む。

代わりに、この発明は、第１の光学部品が基板に結合された第２の光学部品に正確に位置合わせされるように、第１の光学部品を基板に取り付けるための方法で具体化される。その例示的な方法は、第１の光学部品を第２の光学部品に位置合わせし、そして、第１の光学部品が基板に係合される位置にて、多数の取り付け箇所を選択することを含む。結合要素は、それぞれの取り付け開所に位置する。複数の結合要素は、変形される結合要素が第１の光学部品を基板に取り付けるように、変形される。変形される多数の結合要素が設定された時、第２の光学部品への第１の光学部品の光学カ結合品質が決定される。変形される結合要素の少なくとも１つは、第１の光学部品を第２の光学部品に再位置合わせして、光学結合品質を改善するために微小の操作がされる。この微小操作は、圧力の再配分、結晶粒界の再溶解または再配置などの多くのプロセスを含むかもしれない。

この発明はまた、例示的な光学アセンブリで具体化され、それは、基板、少なくとも１つの微小操作された結合要素を含む多くの結合要素、結合要素によって基板に結合された第１の光学部品、および、基板に結合された第２の光学部品を含む。微小操作された一つ以上の結合要素を使用することで、予定された光学結合品質を獲得するために第１の光学部品は、第２の光学部品に位置合わせされる。

以上の説明および以下の詳細な記述は、例示的なものであり、この発明を限定するものでないことが理解されよう。

この発明によれば、第１の光学部品が第２の光学部品に対して正確に位置合わせされる。

この発明は、添付図面に関して読まれると、以下の詳述から特に理解されるであろう。一般的な習慣により、様々な図面にて縮尺で比例しないことが強調される。これに反して、様々な特徴の寸法は、任意に拡大されるか、または明確化のために縮尺される。 図面に含まれているのは、以下の図１〜８の図面である。

[発明の詳細な説明]
図１はこの発明の例示的な実施例を示す。図１に示されるように、光学アセンブリ１００はレーザダイオード１１０を含む。この第１の光学部品は、平面導波路構造１２０の平面導波路１５０と位置合わせされてもよい。レーザダイオード１１０と平面導波路構造１２０は第１の光学部品と第２の光学部品として図１で示されるが、これらの選択は、単に説明に例示であって限定されない。また、例示的な光学アセンブリ１００、レーザダイオード１１０を基板に取り付けるために基板１３０および多くの結合要素１４０を含む。

図２は別の例示的な光学アセンブリの正面から眺めた図を示す。図２で示されるように、第１の光学部品２１０は、金属化層２５０に取り付けられ、それは、多くの結合要素240により、基板２３０のトップ面に形成されてもよい。第１の光学部品２１０は、予め定められた光学結合品質のしきい値に、第２の光学部品２２０に位置合わせした後に、第１の光学部品２１０と金属化層２５０の間のエリア２６０は、一杯的な材料（図示せず）で満たされてもよい。エリア２６０をふさぐか、ふさがないという決定は、基板上に金属化層２５０を置くか、または金属化層２５０を置かないという決定に依存しない。

図３は、第１の光学部品がレンズ３１０に結合された別の例示的な光学アセンブリ３００を示す。この第１の光学部品は、光ファイバ３３０、つまり第２の光学部品に位置合わせされてもよい。また、この例示的な光学アセンブリは、第１の光学部品を基板に取り付けるために、基板３４０と結合要素３５０を含む。

図４は、この発明に基づき、第１の光学部品が第２の光学部品に正確に位置合わせされるように、第１の光学部品を基板上に取り付けるための例示的な方法を示すフローチャートである。ステップ４００では、第１の光学部品は、最初、第２の光学部品に位置合わせされる。この位置合わせの精度のレベルは、使用した位置合わせシステムのタイプおよびユーザにより所望される結合品質に依存して変化するかも知れないことが熟考される。例えば、初期の位置合わせは、第２の光学部品に第１の光学部品を単に粗く位置合わせするものであってもよい簡易型の整列であるかもしれない。代わりに、初期の位置合わせは、複数の軸に沿って第１の光学部品をサブの微小精度に位置合わせするかもしれないより正確な位置合わせであるかもしれない。様々な位置決定装置(機械的または圧電性の移動ステージのごとき)が、第１の光学部品を位置決めするために使用されてもよい。

その位置合わせの間に獲得された結合品質は、第１の光学部品および第２の光学部品を視覚システムの光学カメラを用いて受動的にモニターすることによって、または、能動的に高い正確な干渉計の技術によって決定されてもよい。また、その位置合わせのプロセスは、第１の光学部品と第２の光学部品の間の光学結合の品質をアクティブにモニターすることを含むかもしれない。アクティブと受動のモニター技術の組み合わせが必要な初期の位置合わせを達成するために使用されてもよいことに気付く。第１の光学部品と第２の光学部品の間の光学結合品質のこのモニターは、第１と第２の光学部品の予定された相対的な位置決めか、予定された光学カップリングの品質を達成するために、または、それらの光学結合の品質を最大にするために使用されてもよい。

ステップ４０２では、第１の光学部品を基板に結合するために、ユーザは、多数の取り付けポイントの位置を選択する。取り付けポイントの位置および、取り付けポイントの個数は、位置合わせされる光学部品に依存する。第１の光学部品を基板に取り付けるために、取り付けポイントの位置は、第１の光学部品のいずれかの側に沿ったいずれのポイントであってもよく、また、基板の表面上のいずれの位置であってもよいことが熟考される。ステップ４０２で取り付けポイントの位置および取り付けポイントの個数が選択された後、ステップ４０４にて、結合要素は、多数の取り付けポイントの位置のそれぞれに置かれる。結合要素は、光学部品を装着するために使用される多くの異なった材料で作られてもよく、その材料は所望の熱および機械的性質を持つことが熟考される。熱的および機械的な性質が、第１の光学部品のタイプに依存して変わるかもしれないことに気付く。これらの材料は、半田、熱で回復するエポキシ、紫外線(UV)回復のエポキシ、および空気回復のエポキシを含むかもしれない。模範的な半田による粗造りの製品は、好ましくはいずれかの半田合金から形成されてもよく、その半田合金は、スズ半田、金ベースの半田、インジウムベースの半田/ガリウムベースの半田、ビスマスベースの半田、カドミウムベースの半田、または無鉛の半田のような所望の熱的および機械的な性質を持つ。

例えば、図１で示されるように、結合要素１４０はレーザダイオード１１０の少なくとも一つの側に沿って複数の位置に置かれるかもしれない。これらの模範的な結合要素は、好ましくは、レーザダイオード１１０の最大運転温度より高いが、レーザダイオードの破壊しきい値より低い融点を持つ。レーザダイオード１１０が重要な温度の変動幅の上で操作されることが予期されるなら、変形される結合要素１４０に対して、比較的低い熱膨張係数が望ましいかもしれない。さらに、結合要素は、光学部品の間で位置合わせを維持するために、十分な剛性を持つことが望ましい。

図２と３で示されるように、結合要素は、取り付けられるべき光学部品の対向する側に望ましくは配置されてもよい。結合要素は、熱的および／または電気的導電性および、半田粗製品が用いられるなら、基板への第１の光学部品の取り付けに助力を改善するために、図２に示されるように、基板のトップ表面上の金属化層２５０上に配置できる。その金属化層は、金、銀、アルミニウム、銅、チタニウム、タングステン、またはニッケルの少なくとも１つを含むかもしれない。

結合要素がそれらの必要な位置に配置された後、ステップ４０６にて、その結合要素は、第１の光学部品を基板に取り付けるために変形される。結合要素が変形される方法は、結合要素が形成される材料に依存する。結合要素は、結合要素へのエネルギーを適用することによって、変形されてもよい。例えば、半田粗製品の場合、そのエネルギーは、半田が硬化した時に第１の光学部品が基板に取りつ付けられるように、半田粗製品を溶かすために適用されるかもしれない。エポキシの結合要素の場合には、そのカップリング要素は、適用される時、プラスチックまたは液体の状態にある。熱エネルギーは、熱で回復されるエポキシ結合要素を、回復(つまり硬化)するために適用され、第１の光学部品を基板に取り付ける。同様に、UV回復のエポキシ結合要素は、その結合要素を回復して、第１の光学部品を基板に取り付けるためにUV 光が照射されてもよい。

空気回復のエポキシ結合要素は、回復のために適用されるエネルギーは必要はないかもしれない。それらが硬化されるまでセットされ、その結果、第１の光学部品を基板に取り付けることができる。

結合要素を変形するのに使用されるエネルギー量は、結合要素と光学装置のタイプに依存する。光学装置の動作温度より高い融点またはやきなましポイントがあり、かつ、光学装置の破壊温度または溶融点より低い融点の半田を選択することは望ましい。エポキシ結合要素が使用されるなら、光学装置の動作温度より高い融点および／またはガラスの変化ポイントで、かつ、光学装置の破壊しきい値または融点より低い融点のエポキシを選択するのが望ましい。半田に対する焼きなましに似たプロセスは、以下、図７Ａ、７Ｂを参照して述べるように、それのガラス変化点温度で、またはその近傍温度でエポキシに起きる。好ましくは、装置の特性を退化させる熱に影響されやすいかもしれないので、光学部品近傍のエリアが可能な限り少ない熱で加熱される。しかしながら、これは、いくらかの熱を逃がすことになるかもしれないので、より多くのエネルギーが結合要素の部分を溶かすのに必要であるかもしれないが、そのように過度の加熱の損失は、変形プロセスの制御を困難にする。

ステップ４０８では、第１と第２の光学部品の間の光学結合品質が決定される。光学結合品質の予めの取り付けの決定に関して上で述べたように、予めの取り付けの光学結合の品質は、能動または受動のモニター技術を用いて決定されてもよい。結合要素の変形で引き起こされた基板への第１の光学部品の取り付けは、硬化プロセスの間に、結合要素が硬化または収縮する時に、第１の光学部品を僅かに移動させる。第１の光学部品はこの動きによって第２の光学部品に対してわずかに位置合わせのミスが起こるかもしれず、それは、光学部品の間で光学結合品質の低下につながるかもしれない。さらに、それらの変形による結合要素の変形および/又は収縮は、第１の光学部品に印加される応力をもたらすかもしれない。結果として起こる応力が十分に大きいなら、それは光学装置における性能の変化を引き起こすかもしれない。例えば、図１を参照すると、レーザダイオード１１０への応力は、材料の禁止帯またはレーザの空洞長のいずれかを変えることにより、レーザ出力のピーク帯域幅に影響するかもしれない。さらに、時間がたつにつれて、この応力によって、レーザダイオード１１０または基板１３０が変形される結合要素から離脱するようになるかもしれない。

光学部品の間の光学結合品質を改良するために、および/または、結合要素が変形することによってもたらされた応力を減少させるために、ステップ４１０で、少なくとも一つの変形される結合要素は微小操作される。結合要素に対する選択的な微小操作は、第１の光学部品の小さい移動を許容するかもしれず、その結果、第１および第２の光学部品の再位置合わせおよび、両者間の光学結合品質を改善するのに役立つ。結合要素が第１の光学部品の周りの様々な位置に配置されるので、それぞれの結合要素の応力は、第１の光学部品を異なった方向で引っ張る。したがって、結合要素の選択的な微小操作は、第１の光学要素への応力を減じ、また、光学装置の性能を改善する一方、ユーザに第１の光学部品を三次元で移動することを許可し、また、第１と第２の光学要素を正確に位置合わせするために用いられてもよい。選択的な微小操作はまた、ユーザに第１の光学部品を回転させることを許容する。

また、光学部品の微小操作は、外部の力と共に光学部品に一方向に付勢することを含むかもしれない。光学部品の必要な移動方向が既知の時、ユーザは、光学部品に付勢することを選ぶかもしれない。特に、ユーザは、より大きい移動のために光学部品に付勢することを選ぶかもしれない。しかしながら、光学部品を付勢することは、より小さいか、より大きい移動に使用されるかもしれないことが熟考される。

光学結合品質が最大にされるまで、微小操作のプロセスが継続される。それとは別に、光学結合の品質のしきい値が決定されてもよい。光学結合の品質のしきい値は、予め決定されてもよく、または、ステップ４００にて、第１および第２の光学部品の初期の位置合わせの間に決定された光学結合品質から決定されてもよい。

上で説明したように、精度の複数のレベルおよび複数の位置合わせシステムは、ユーザによる第１と第２の光学部品の初期の位置合わせに導入されてもよい。例えば、初期の位置合わせは、第１と第２の光学部品の粗い位置合わせを含むかもしれない。この場合、ステップ４１Ｏの微小操作のプロセスの間に達成されるべきである光学結合品質は、予め決定されてもよい。図１を参照して、光学結合品質をモニターするのにアクティブな技術を使用するなら、ユーザは、例えば１mWのレーザから必要な出力パワーを選択するかもしれない。必要な光学結合の品質のしきい値は、１mWの出力パワーをもたらすべきである。光学結合品質をモニターするのに受動の技術を使用するなら、ユーザは２個の光学部品の相対的な位置に基づき、光学結合のしきい値を選択するかもしれない。

代わりに、ユーザは、光学結合の品質しきい値を決定するのに、ステップ４００における初期の位置合わせを使用するかもしれない。例えば、再び図１を参照すると、アクティブな光学的品質モニター技術を使用して、より正確な初期の位置合わせは、１.３mWのレーザからの測定出力パワーの結果に従ってもよい。ユーザは、光学結合の品質しきい値を決定するために、初期の位置合わせの間に達成されたこの出力パワーを使用するかもしれない。ユーザが初期の位置合わせで持っている確信によって、ユーザは、例えば、1.25mW、1.3mW、または更には1.35mWの出力パワーを達成するために、光学結合の品質しきい値を設定してもよい。

図５は、この発明に従ったこの模範的な具体化のある部分をより詳しく示したフローチャートである。ステップ５００は、第１と第２の光学部品を位置合わせし、そして、上で説明したように第１の光学部品を基板に取り付けるステップを要約している。

ステップ５０２では、ユーザは、第１と第２の光学部品を位置合わせして光学結合の品質を改善するため、少なくとも一つの変形される結合要素を微小操作するための方法を選択する。例えば、ユーザは、変形される結合要素を部分的に溶かすことにより(ステップ５０６)、変更される結合要素を微小操作するために決定してもよい。図６Ａは最初に、第１の光学部品６００を金属化層６０６に取り付けるために変形される結合要素６０４を例証し、その金属化層６０６は、結合要素を基板に固定するのに役立たせるために、および／または、第１の光学部品６００と基板６０２との間の熱導電性を改善するために、基板６０２のトップ表面に形成されている。

図６Ｂは、例示的に微小操作された、変形される結合要素６０８を示す。微小操作された、変形される結合要素６０８は、図６Ｂにおける部分６１０で示したように、結合要素の一部を部分的に溶融することにより、変形される結合要素６０８から形成されてもよい。第１の光学部品６００のこの小さい移動は、第１の光学要素を基板に取り付けるために係合要素が硬化された時にその結合要素の変形、および/または、収縮でもたらされた応力を解放するかもしれない。部分６１０を溶解するために用いた方法に依存して、部分６１０が溶解した時の持続時間を制御することにより軽減される応力の量を制御することが可能である。この応力の部分を解放するために結合要素の１つ以上の部分を選択的に溶解することにより、第１の光学部品６００は、光学結合の品質を改善するために、三次元で移動されてもよい。

溶解した部分６１０は、冷えて硬化した時に、収縮し、結合要素、基板および第１の光学部品に新たな応力をもたらすことに気付く。更に、第１の光学部品６００における応力の量は、変形される結合要素６０８への応力を再割り当てする、この例示的な部分溶解技術を用いることにより低減されてもよい。これは、溶解した部分６１０が硬化する時にもたらされた新たな応力の量がその部分の大きさに比例するからである。変形される結合要素の部分６１０がより小さいと、その部分の硬化が引き起こす、光学部品への応力はより少ない。したがって、溶解した部分６１０が再度硬化した時にもたらされる新たな応力は、第１の光学部品の運動で解放される応力の量より通常少ない。

上で議論したように、様々なエポキシは、一つ以上の結合カップリング要素として選ばれてもよい。エポキシには、通常、半田付けより低熱伝導率がある。したがって、熱は、エポキシでは半田のように早く熱が逃げないので、より少ないパワーで、エポキシ結合を部分的に溶かすことが必要であるかもしれない。代わりに、より低い熱伝導率のエポキシは、溶解されるべき部分６１０のより正確な制御を許容するかもしれない。しかしながら、動作中に、より低い熱伝導率のエポキシ結合要素は、光学部品を加熱させ、それの特性に影響を及ぼすことに注目される。

図６Ａと６Ｂで例証された模範的な微小操作方法では、部分６１０の材料は、この材料を完全に溶解するよりむしろプラスチックになるまで加熱されるかもしれないことが熟考される。

図８を参照すると、ユーザは、溶解する変形される結合要素８１０の多くの異なった箇所を選択するかもしれない。好ましく、ユーザは、部分８０４の箇所に似た箇所を選択するかもしれない。この模範的な箇所は、その部分を溶かすのに使用された熱が、基板８０２を通じて急速に伝わらないように、基板から十分に遠くに離れて移動され、かつ、光学部品の熱的破壊の恐れを減じるため光学部品８００から十分に隔てられる。ユーザが部分９０６の箇所に部分を選択するなら、慎重に熱の印加を制御するのが望ましいか、または第１の光学部品が溶解プロセスの間に破損することが望ましい。ユーザが部分８０６の位置に似た箇所を選択するなら、熱は基板を通じて特に急速に追い出されるかもしれず、その結果、変形される結合要素８１０のその部分を溶解するためにより多くの熱が必要になり、そのことは、プロセス制御問題、および/または、コストの上昇をもたらすかもしれない。しかしながら、この模範的な微小操作のプロセスで使用された熱が基板802を通して適用されるなら、部分８０６は、溶解されるべきであるボリュームであることに注意される。

図５を再度参照すると、ユーザは、代わりに、ステップ５０４の焼きなましのようなプロセスにより変形される結合要素を微小操作することを選択するかもしれない。図７Ａと７Ｂは、焼きなましのようなプロセスが模範的な変形される半田粗製品に実行された後と、実行される前のそれぞれを示す側断面図である。これらの図は、半田で形成された結合要素に対する焼きなましのようなプロセスを述べるために用いられたが、模範的なエポキシ結合要素で同様のプロセスが起こるかもしれないことに気付く。

焼きなましのようなプロセスの前に、変形される半田の粗製品７００内の粒子７０２は、同じサイズの個数である。これらの予備の焼き鈍しの粒子は、半田の急冷のために比較的わずかであって、非常に多いかもしれない。エネルギーは半田材料を加熱するために適用されてもよく、金属かクリスタルを焼きなましに似た変化を半田に引き起こさせる。この変化はまた、粒子の形とサイズをも変えるかもしれない半田材料内に結晶粒界の再配分を含むかもしれない。しばしば、結晶粒界のこの再配分は、より大きい粒径をもたらす。この焼き鈍しに似たプロセスの後、図７Ｂに示されるように、結晶粒界は再割り当てされ、熱処理前の粒界が焼き鈍しされて、半田の粗製品が変形される。予備の焼き鈍し粒子７０２は、より大きい熱処理前の粒子７０４になるかもしれない。これらのより大きい粒子としての半田材料の再編成は、焼き鈍しされた、変形される結合要素７０６の微細な変形により、光学装置での応力の減少をもたらすかもしれない。また、この形の変化は、第１の光学部品の微動を引き起こすかもしれない。また、他方の変形される結合要素の応力は、光学部品の移動で減少するかもしれない。

焼きなまされて、変形される結合要素の表面上の粒子のモニタリングが望まれるなら、走査型トンネル顕微鏡(STM)か原子間力顕微鏡(AFM)は、そのような粒子を測定するために使用されてもよい。同様に、焼き鈍しされて、変形される結合要素の表面上の粒子のサイズを測定するために他の材料検査装置が使用されてもよいことが熟考される。本発明者は、この模範的な焼き鈍しに似たプロセスがAu-Sn半田で特にうまく機能すると決定している。

模範的な微小操作のプロセスが選ばれてもよいが、部品のより大きい移動が望まれる時は、望ましくは、焼き鈍しに似たプロセスが要素のより小さい移動に対して選択され、そして、部分的な溶解プロセスが選択されてもよい。例えば、ユーザは、第１の光学部品を1μm、またはそれ以下のわずかな距離を動かすのに焼き鈍しに似たプロセスを使用することを選択してもよいが、第１の光学部品のより長い数ミクロンの移動のために、少なくとも一つの変形される結合要素を部分的に溶融することを選択してもよい。

様々な方法が、微小操作プロセスで使用される熱を印加するために使用されてもよい。例えば、ユーザは、レーザパルス加熱により、変更される結合要素を微小操作してもよい。この模範的な方法は、位置および、微小操作される結合要素の部分に対して、非常に正確な制御を提供するかもしれない。パルス化二酸化炭素レーザ、パルス化アルゴンレーザ、パルス化チタニウムサファイアレーザ、パルス化ソリッドステートのレーザ、パルス化ファイバーレーザ、またはパルス化エキシマ・レーザのごとき、パルス化レーザ源からの少なくとも１パルスのレーザ光線は、変形される結合要素を照射するのに使用されてもよい。パルス化レーザの多くのパラメータは、変形される結合要素の材料および、使用される微小操作のプロセスに依存してもよいが、ある場合には、変形される結合要素でのレーザ光パルスの放射に、変形される結合要素の材料の除去のしきい値以下のフルエンス(量の単位)影響を持つことが望ましい。およそ4Wからおよそ40Wの範囲の出力パワーをもつレーザ、および、およそ10μsからおよそ10 msの範囲のパルス幅が、Au-Sn半田による結合要素を微小操作するのにうまく機能することか見出されているが、パワーヘの他の範囲および／または、パルス幅が、スポットサイズや結合要素材料のようなファクタに依存して用いられてもよい。短いパルス長は、変形プロセスに対してより多くの制御をユーザに許可することに気付く。すなわち、これらのより短いパルスは、結合要素をより少ない合計のエネルギーでほー変形させるために、より高いパワーレベルを提供するかもしれない。したがって、そのようなパルスの使用は、微小操作のプロセスの間、熱で光学部品を破損して、後で光学装置の性能に影響する可能性を低減させるかもしれない。

ユーザが変形される粗製品を微小操作するためにユーザが選択する例示的な方法は、は抵抗加熱法である。結合要素の抵抗加熱法は、電流を、図２で示された金属化層２５０などのように、基板のトップ表面に形成された金属化層に印加することによって実行されてもよい。代わりに、結合要素は、抵抗加熱法で直接加熱されてもよく、すなわち、電流を変形される結合要素に直接に流すことにより直接加熱されてもよい。レーザパルス加熱の使用は、潜在的に光学部品を破損するかもしれない静電気放電の機会を小さくするかもしれない。しかしながら、また、抵抗加熱法は、装置を接触していることよりも、電流を印加するためのプローブの使用のために、静電気放電の機会を低減する。電気的に絶縁するエポキシ結合要素は、半田の粗製品または導電性エポキシ結合要素よりも、静電気放電のより少ない機会を提供するが、電気的に絶縁するエポキシ結合要素には、直接の抵抗加熱法は実用的ではない。また、パルス化レーザ加熱の技術の使用は、微小操作されるべき結合要素の一部の、より正確な制御を提供するかもしれないが、直接の抵抗加熱法の技術の使用は、結合要素の、より均等な加熱を提供し、焼き鈍しに似たプロセスの間に望ましくなることに注目される。

再度図５を参照すると、ステップ５０８で、ユーザは、少なくとも一つの変形される結合要素が微小操作される時に、第１の光学部品の移動をモニターしてもよい。そのモニターは、ステップ５１２での第１の光学部品の移動を受動的にモニターすることを含んでもよい。この受動のモニターは、精度の高い干渉技術を使用すること、または、視角システムによる光学カメラで第１と第２の光学部品の移動をモニターすることを含む。そのモニター動作は、ステップ５１０にて、第１および第２の光学部品間の光学結合の品質をモニターすることにより、第１の光学部品の移動をアクティブにモニターすることを含んでもよい。ユーザの願望に従って、正確な複数のレベルおよび複数のモニターシステムが実行されることが熟考される。

上で説明したように、光学結合の品質しきい値は、複数のファクタに基づき、複数の法で決定されてもよい。ユーザが、光学部品の移動を、アクティブ(ステップ５１０)か受動(ステップ５１２)でステップ５０８にてモニターした時、ユーザはステップ５１４にて、所望の光学結合の品質しきい値に達したかを決定してもよい。

必要な光学結合の品質しきい値に達したなら、ステップ５１８で、ユーザは、第１の光学部品と基板との間のギャップに充填材料を満たすことを選択してもよい。結合要素は、第１の光学要素の位置決め(および、その結果、光学結合品質)を維持するために十分な機械的な安定性を持つが、所望の動作温度を維持するために、十分な量の熱伝送を与えないことが望ましい。したがって、充填材料は、第１の光学装置と基板の間の熱伝達を増加させるように加えられてもよい。その充填材料は好ましくは熱伝導性の材料である。一般には、充填材料の主要な機能ではないが、その充填材料は、光学装置のさらなるどんな移動も防ぐのに役立ててもよい。図５の模範的な微小操作は、ステップ５２０にて完了する。

光学結合の品質しきい値に達しないことがステップ５１４で見出されたなら、ユーザは、ステップ５１６にて、別の変形される結合要素を微小操作することにより、または、予め微小操作された、移動される結合要素を更に微小操作することにより、微小操作のプロセスを継続する。また、ユーザは、継続的な微小操作が光学結合の品質しきい値に達しそうにないか、または、継続の前に、付勢力を適用するのが望ましいかを決心するかもしれない。継続した微小操作で光学結合の品質のしきい値に達しなくなることをユーザが決定したなら、ユーザは、第１の光学部品を再取り付けするために、ステップ５００でプロセス全体を開始する。ユーザが微小操作のプロセスを続行するなら、ユーザは再びステップ５０２で、変形される結合要素を微小操作するための方法を選択する。ユーザは、以前に使用された同じ微小操作の方法を選択する必要はない。

この発明は、特定の具体化に関連してここに図示され説明されたが、本発明は、示した詳細で限定れることは意図されない。むしろ、クレームの等価な範囲および趣旨から、この発明から逸脱することなく、様々な変更が可能である。特に、この発明の例示的な実施例の一つを用いて、単一の光学装置内の一つ以上の光学部品が正確に位置合わせされることを熟考される。

この発明の例示的な具体化に基づき、第１の光学部品としてのレーザダイオードおよび第２の光学部品としての導波路を含む例示的な光学アセンブリを例証する斜視図である。 この発明に従った別の例示的な光学アセンブリの正面図である。 この発明の例示的な具体化に基づき、レンズホルダーに結合されたレンズおよび第２の光学部品としての光ファイバを含む例示的な光学アセンブリを例証する斜視図である。 この発明の１実施例に基づき、第１の光学部品が第２の光学部品に正確に位置合わせされるように、第１の光学部品を基板上に取り付けるための例示的な方法を示すフローチャートである。 図４の例示的な方法の例示的な特徴を示す詳細なフローチャートである。 変形される結合要素により、基板に取り付けられた第１の光学部品を示す平面図である。 この発明の１実施例に基づき、例示的な部分溶融のプロセスが変形される結合要素に実行された後の図６Ａの第１の光学部品および変形される結合要素を示す正面図である。 変形される半田の切り取り側面図であり、この発明の１つの具体化に従って、焼きなましに似たプロセスを、変形される半田の粗造りに行う前を示す。 変形される半田の切り取り側面図であり、この発明の１つの具体化に従って、焼きなましに似たプロセスを、変形される半田の粗造りに行った後を示す。 この発明の例示的な具体化を説明するために役に立つ、基板に取り付けられた第１の光学部品の斜視図である。

符号の説明

１００：光学アセンブリ
１１０：レーザダイオード
１２０：平面導波路構造
１３０：基板
１４０：結合要素
１５０：平面導波路
２５０：金属化層
３１０：レンズ
３３０：光ファイバ

Claims (22)

1. 第１の光学部品を、基板と結合される第２の光学部品に正確に位置合わせし、第１の光学部品は多数の結合要素により、基板に結合される方法であり、
   (a) 第１の光学部品を第２の光学部品に位置合わせするため、多数の結合要素の少なくとも一つを微小操作するステップと、
   (b) 多数の結合要素の少なくとも一つが微小操作される時に、第１の光学部品の移動をモニターするステップと、
   (c) 光学結合の品質しきい値が達成されるまで、(a)および(b)のステップを繰り返すステップとを備える方法。
2. ステップ(a)は、多数の結合要素の少なくとも一つに対し、少なくとも一つの焼き鈍しプロセスを、または、部分的に溶解するステップを実行することにより、多数の結合要素の少なくとも一つを微小操作することを含む請求項１記載の方法。
3. ステップ(a)は、レーザパルス加熱により、多数の結合要素の少なくとも一つを微小操作することを含む請求項１記載の方法。
4. レーザパルス加熱により、多数の結合要素の少なくとも一つを微小操作することは、多数の結合要素の少なくとも一つに、多数の結合要素の少なくとも一つの溶解しきい値未満のフルエンスを持つレーザ光を照射することを含む請求項３記載の方法。
5. レーザパルス加熱により、多数の結合要素の少なくとも一つを微小操作することは、多数の結合要素の少なくとも一つに、およそ10μsからおよそ10msの範囲のパルス波長の少なくとも一つのレーザ光パルスを照射することを含む請求項３記載の方法。
6. ステップ(a)は、多数の結合要素の少なくとも一つを抵抗加熱することにより、多数の結合要素の少なくとも一つを微小操作することを含む請求項１記載の方法。
7. 抵抗加熱により、多数の結合要素の少なくとも一つを微小操作することは、基板のトップ表面に形成された金属化層の少なくとも一つに、または多数の結合要素の少なくとも一つに電流を印加することを含む請求項６記載の方法。
8. ステップ(b)は、
   高精度の干渉技術を用いて第１の光学部品の移動をモニターすること、
   視覚システムによる光学カメラで第１の光学部品の移動をモニターすること、
   第１の光学部品と第２の光学部品との間の光学結合の品質をアクティブにモニターすることの少なくとも一つを含む請求項１記載の方法。
9. ステップ(a)は、第１の光学部品に付勢力を印加することを含む請求項１記載の方法。
10. 第１の光学部品が、基板に結合された第２の光学部品に対して正確に位置合わせされるように、第１の光学部品を基板上に取り付けるための方法であり、
    (a) 第１の光学部品を第２の光学部品に対して位置合わせするステップと、
    (b) 第１の光学部品を基板に結合する、多数の取り付けポイントの位置を選択するステップと、
    (c) 多数の取り付けポイントの位置の各々に結合要素を配置するステップと、
    (d) 第１の光学部品を基板に取り付けるために、多数の結合要素を変形するステップと、
    (e) 多数の変形される結合要素でもって、第２の光学部品に対する第１の光学部品の光学結合の品質を決定するステップと、
    (f) 第１の光学部品を第２の光学部品に対して位置合わせし、そして、光学結合の品質を改善するために、多数の変形される結合要素の少なくとも一つを微小操作するステップとを備える方法。
11. ステップ(f)は、多数の結合要素の少なくとも一つに対し、少なくとも一つの焼き鈍しに似たプロセスを実行することにより、または、部分的に溶解することにより、多数の変形される結合要素の少なくとも一つを微小操作することを含む請求項１０記載の方法。
12. (g) 第１の光学部品と基板との間のエリアに充填材を充填するステップを更に備える請求項１０記載の方法。
13. ステップ(a)は、
    高精度の干渉技術を用いて、第１の光学部品および第２光学部品を位置合わせするステップ、
    視覚システムによる光学カメラで、第１の光学部品と第２の光学部品を位置合わせするステップ、または、
    第１の光学部品と第２の光学部品をアクティブに位置合わせするステップの少なくとも一つを含む請求項１０記載の方法。
14. 基板と、
    少なくとも１つの微小操作された結合要素を含む多くの結合要素と、
    結合要素によって基板に結合された第１の光学部品と、および、
    基板に結合された第２の光学部品とを備え、
    複数の光学要素の微小操作される結合要素を使用することで、予定された光学結合品質を獲得するために第１の光学部品は、第２の光学部品に正確に位置合わせされる光学アセンブリ。
15. 第１の光学部品と基板との間のエリアに充填材を更に備える請求項１４記載の光学アセンブリ。
16. 基板は、基板のトップ表面上に金属化層を含み、そして多数の結合要素が金属化層に結合される請求項１４記載の光学アセンブリ。
17. 金属化層は、金、銀、アルミニウム、銅、チタニウム、タングステンまたはニッケルの少なくとも一つを含む請求項１６記載の光学アセンブリ。
18. 多数の結合要素は、鉛スズ半田、金ベースの半田、インジゥムベースの半田、ガリウムベースの半田、ビスマスベースの半田、カドニウムベースの半田、無鉛半田、熱回復のエポキシ、空気回復のエポキシまたは紫外線回復のエポキシの少なくとも一つから形成される請求項１４記載の光学アセンブリ。
19. 第１の光学部品は、レーザダイオード、半導体光増幅器、可変光減衰器、電気吸収変調器、Mach-Zehnder干渉計、光学送信機、光学トランスポンダー、平面波長ガイド構造、ブラッグ格子構造、光子結晶構造、レンズ、光絶縁器、電光スイッチ、Pockels セル、Kerr セル、液晶デバイス、偏光要素、高調波発生クリスタル、光学ファイバーアセンブリ、モノシリック集積光学チップ、または光検出器の少なくとも一つを含み、そして
    第２の光学部品は、レーザダイオード、半導体光増幅器、可変光減衰器、電気吸収変調器、Mach-Zehnder干渉計、光学送信機、光学トランスポンダー、平面波長ガイド構造、ブラッグ格子構造、光子結晶構造、レンズ、光絶縁器、電光スイッチ、Pockels セル、Kerr セル、液晶デバイス、偏光要素、高調波発生クリスタル、光学ファイバーアセンブリ、モノシリック集積光学チップ、または光検出器の少なくとも一つを含む請求項１４記載の光学アセンブリ。
20. 基板は、ガラス層、シリコン層、ゲルマニウム層、アルミナ層、サファイア層、III/V半導体材料層、酸化層、金属層、エポキシ層、セラミック層、またはサーメット層の少なくとも一つを含む請求項１４記載の光学アセンブリ。
21. 少なくとも一つの微小操作される結合要素の粒子の粒界が再配列される請求項１４記載の光学アセンブリ。
22. 少なくとも一つの微小操作される結合要素の粒子の粒界の再配列は、少なくとも１つの粒子のサイズを変化させる請求項２１記載の光学アセンブリ。
    

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