JP2006511828A - 光フィルタ部品を集積形成する方法 - Google Patents

Abstract

本発明は調整可能な波長選択光フィルタに関する。これらのフィルタは、１つの調整可能な波長を中心とする狭い光スペクトル帯域の光を透過させ、且つこの帯域外の波長を遮断する。
更に詳細には、本発明は、透明基板（２）上に複数の光フィルタ部品（１）を形成することにより光フィルタ部品群（１）を集積形成する方法に関するものである。この方法では、更に、複数の部品を透明全体カバー（８）で覆い、各部品（１）に対して光学テストを個々に行ない、種々の部品（１）を互いから分離する。
本発明はまた、上に複数の光フィルタ部品（１）が形成された透明基板（２）と、これらの部品（１）をまとめて覆う透明カバー（８）とを備えた、複数の部品からなるウェハに関する。このウェハは更に、各部品（１）を個々にテストする手段を含む。

Description

本発明は、調整可能な波長選択光フィルタに関し、これらのフィルタは、調整可能な波長を中心とする狭い光スペクトル帯域の光をこれらのフィルタを透過させ、且つこの帯域外の波長を遮断することができる。狭いスペクトル帯域の中心波長の調整は電気手段によって行なう。

「光」という用語は広義の意味を有し、特に以下の記載から分かるように赤外領域のスペクトル帯域を含み、本発明の主要用途は、１．３〜１．６１ミクロンの間の種々の光ファイバ通信帯域の光のフィルタリングである。

これらの１．３〜１．６１ミクロン帯域の利点は、ガラス製の現在の光ファイバが低減衰を示し、従って光信号が非常に長い距離を伝送することができるという事実に見出すことができる。本発明をこのスペクトル帯域に関して以下に説明するが、必要であれば、異なる帯域に調整された材料を使用して本発明を他の帯域でも使用できることを理解されたい。

光ファイバ通信ネットワークにおいては、複数の光ファイバを含むケーブルを使用して幾つかの異なる伝送チャネルを形成することができる。一時的にデータを多重化して同じ目的を達成することも可能である。しかしながら、ネットワークのデータストリーム容量が更に増える場合、現在のトレンドは、複数の光波長を同時に同じ光ファイバを通して伝送するというものであり、この場合、これらの光波長は互いに独立に変調され、且つ各々が１のデータチャネルを定義する。ＩＴＵ（国際電気通信連合）標準６９２は、１００ＧＨｚの光スペクトル帯域幅の隣接チャネルを定義することを提案しており、これらの隣接チャネルはＮ個の隣接正規化光周波数を中心とし、これらの隣接正規化光周波数は、２００テラヘルツ、１９９．９テラヘルツ、１９９．８テラヘルツ、などの値を有し、１．５２ミクロンから最大１．６１ミクロンまでのＮ個の波長に対応する。この帯域幅のチャネルにおいては、光を秒当たり１０〜４０ギガビットで変調することができ、この場合、直ぐ傍の隣接スペクトル帯域のチャネルとの干渉を起こす危険はさほど大きくはならない（ガウス波形の変調パルスを使用してこの変調によって占有される帯域幅を最小化する）。この周波数多重技術は高密度波長多重（ＤＷＤＭ）と呼ばれる。

従って電気通信ネットワークにおいては、問題は、所定のチャネルに対応する光を隣接チャネルの光を妨害することなく収集する機能である。例えば、チャネルｉのデータの送受信に割り当てられたネットワークの伝送ノードで、中心周波数Ｆ_１〜Ｆ_Ｎを変調している光の伝送を妨害することなく光を中心周波数Ｆ_ｉ（波長λ_ｉ）に収集することができることが必要であるが、これらの光周波数は互いに非常に近接している。

これを実現するには、高度な波長選択性を有する光フィルタ部品を形成する必要があり、この場合、光フィルタ部品は、中心光周波数Ｆ_ｉ及び５０ＧＨｚ未満の狭帯域においてこの周波数のいずれかの側に位置する周波数を通過させ、且つ他の帯域を遮断する機能を有する。このようなフィルタの出力では、チャネルｉの光のみが収集され、この光を復調して有用なデータを収集することができる。

ファブリペロー（Ｆａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔ）干渉計の原理で動作するフィルタ部品を製造することが既に提案されており、この場合フィルタ部品は、選択する波長λ_１に対して較正された厚さのエアギャップによって互いに分離される半導体層を堆積させることにより形成される。実際、干渉計は、高反射係数を有する積層構造の誘電体層から成る２つのミラー（ブラッグミラー：Ｂｒａｇｇ ｍｉｒｒｏｒｓ）を備え、これらの誘電体層は光学長ｋλ_ｉ／２（ギャップがエアギャップの場合、これが実際の厚さｋλ_ｉ／２となる）を有する透明ギャップにより分離され、この場合、ｋは干渉フィルタの次数を定義する整数である。リン化インジウム（ＩｎＰ）はこのような構成に良好に適合させることができる、というのは、特に、着目する波長の透過で、屈折率が非常に高く、良好に制御された厚さのエピタキシャル層を堆積することが可能であるからである。

これらの層の厚さ、及びこられの層の間のギャップが非常に良好に制御され、且つ材料が高屈折率を有する場合、このようなフィルタが高度な選択性を示すことが分かっている。

このような構成は非特許文献１に記載されている。マイクロマシン技術を用いて加工されるシリコン及び砒化ガリウムをベースとする合金に他の構成を構築することも提案されている。

これらのフィルタは通常、ウェハ上に形成される。更に正確には、これらのフィルタは、例えばリン化インジウムのような透明基板上に集積して形成される。透過度の考え方は勿論、着目する帯域の波長に適用される。数百個のフィルタを一のウェハ及び同じ基板ウェハの上に形成することができる。

エアギャップにより分離される２つのブラッグミラーによって形成されるフィルタは非常に破損し易い。これらのフィルタの厚さは数ミクロンを超えることがなく、その結果、これらのフィルタを処理するのは非常に曲芸的な作業を必要とする。

本発明の目的は、この問題を、扱いが容易な光フィルタ部品の集積形成方法を提案することによって解決することにある。

このために、本発明は、透明基板上に複数の光フィルタ部品を形成することにより光フィルタ部品群を集積形成する方法であって、更に複数の部品を透明全体カバーで覆い、各部品に対して光学テストを個々に行ない、種々の部品を互いから分離することを特徴とする方法を提供することを課題とする。

本発明の目的はまた、複数の部品からなるウェハを提供することであり、このウェハは、上に複数の光フィルタ部品が形成された透明基板、これらの部品をまとめて覆う透明カバー、各部品を個々にテストする手段を含む。

１の基板及び１の透明カバーを使用することにより、カバー又は基板に、有利にはこれらの両方に、フィルタを光ファイバから直接光学的に調整するためのコリメート手段又は集光手段を集積することが可能となる。従って、いずれのフィルタも、１の同じウェハに形成された複数の部品が分離される前に、光学的にテストすることができる。従って、テストを無事合格した部品のみを保有し、そして他を排除することが可能になる。

複数の部品を分離する操作は、切断することにより、例えばのこ引きによって行なうことができるが、この操作によって部品を損傷させ得る多くの粒子が生成される。部品を分離する前にカバーを設けることにより、ブラッグミラーにより形成される部品の能動部分を保護することができる。
A. Spisser等による論文「Highly Selective 1.55 micrometer InP/airgap micromachined Fabry-Perot filter for optical communications」（Electronics Letters, No. 34(5), 453-454, 1998）

添付の図面を参照する３つの実施形態の詳細な記述を一読することによって、本発明をより一層深く理解することができ、且つ本発明の他の利点が明らかになる。

図１及び２はウェハ上に形成される光フィルタ部品１を示している。この部品は基板２の上に形成される。基板は部品１を搭載する部分のみが図示されている。実際は、非常に多数の部品を一つの同じ基板の上に形成し、これらの部品は、例えば同じであり、且つ基板２上に並べて配置される。部品１の能動部はエアギャップ５によって分離される２つのブラッグミラー３及び４を含む。ミラー３及び４は、基板２にアーム７により取り付けられるバルク部６に接続され、この場合、これらのアームは、例えば図２に示すように４つ設けられる。アーム７はミラー３及び４に一定の柔軟性を付与し、よってエアギャップ５の厚さ、従って部品１を透過する中心波長を調整できるようになる。部品１の能動部は透明カバー８によって覆われる。スペーサ９によりカバー８とミラー４との間に一定の距離が保たれる。カバー８は、部品１の能動部を取り囲む樹脂から成るビード１０によりバルク部６に固定される。樹脂から成るビード１０は、例えば押しつぶすことのできるインジウムのような軟質金属から成るビード１０、又は部品１をその全体に渡って中程度に加熱することによって溶融させた軟ろう合金から成るビード１０と置き換えることができる。フィルタを通過する光線の経路を矢印１１で模式的に示している。この経路はミラー３及び４の平面に直交する。有利には、光処理手段１２をカバー８の上に配置することにより、例えばフィルタにカバー８の外表面１３を通過して入射する光線を集光又はコリメートすることができる。

有利には、部品１は、２つのミラー３及び４を分離するエアギャップ５の厚さを変えることにより調整される。ミラー３及び４は半導体層によって形成することができる。ファブリペロー共振キャビティを画定するエアギャップ５は、互いに対向する２つの半導体層によって区切られ、これらの層の間隔は、形成過程において非常に高精度に決定される。これらの層の各々との電気コンタクトを行なうことにより（これらの層は十分なレベルの導電性を有するか、又は導電材料によってコーティングされる）、ＤＣ電圧を印加することが可能になり、このＤＣ電圧によって対向する層の間に静電気力が生じてこの間隔を制御性良く変化させることができるようになる。電圧を変えることにより、これらの静電気力を変化させ、その結果、部品１の調整を行なうことが可能になる。アーム７は、静電気力に耐え、且つ２つの層を安定な位置に保持するのに十分な硬度を有している。電気コンタクト１４及び１５によってミラー３，４と外部電源（図示せず）との間の電気接続が得られる。

部品１を形成するプロセスでは、複数の部品１をまず基板２の上に形成する。次に、部品１の全てを透明全体カバー８で覆う。次に、これらの部品を分離する前に光学テストを各部品に対して行なう。有利には、部品１の光学テストの間、その調整手段をテストすることができる。更に詳細には、電圧をパッド１４と１５との間に印加し、この電圧を有効範囲内で変化させて部品の調整が許容条件下で行なわれているかどうかがチェックする。

パッド１４と１５との間への電圧印加を可能にするために、部品１を事前に切断してカバー８から部分１６を取り除く（部分１６は点線１７の外に位置する）。従って、パッド１４及び１５には外部からアクセスすることができるようになり、例えば探針により、探針の先端をパッド１４及び１５に接触させるなどして、電圧を印加することができる。

図３は第２の実施形態を示しており、この実施形態では、上述の素子の全てが再度示される。上述の実施形態とは異なり、カバー８は切断せずに基板２を切断し、部品１の調整に必要な電圧をパッド１４及び１５に印加する。基板を介した電圧印加を容易にするために、パッド１４及び１５をそれぞれランド１８及び１９に接続する。これらのランドは、例えばカバー８の内面２０上にフォトエッチング手段を使用して形成する。パッド１４はランド１８に、導電材料から成るコラム２１を介して電気的に接続される。同じ構成をパッド１５に適用し、このパッドはランド１８にコラム２２を介して接続される。

図３にはまた、反射防止コーティング２３，２４及び３０が示されている。有利には、これらのコーティングは部品１を通過する光線の経路に沿って並ぶように形成される。反射防止コーティング２３を光処理手段１２に塗布し、反射防止コーティング２４をカバー８の内面に塗布し、そしてコーティング３０を基板２の面３１に塗布する。面３１はミラー３及び４の搭載側とは反対に位置する。これらの反射防止コーティングは、本発明の実施形態のいずれに対しても採用することができる。

図４は第３の実施形態を示しており、この実施形態でも第１の実施形態において記載した構成要素が再度示されている。この実施形態では、電圧をパッド１４及び１５に印加するためには、切断を必要としない。切断を用いる手法とは異なり、ビア２５及び２６をカバーに形成して部品１の調整に必要な電圧をカバー８の外面１３を通して印加できるようにする。ビア２５及び２６は、ランド１８及び１９と一直線に並ぶ縦方向の穴をドリルでカバー８に開けることにより形成することができる。次に、このようにして形成されたドリル穴を、例えば導電性エポキシ樹脂又はカバー８の材料に適合する金属合金のような導電材料で充填する。ランド２７及び２８も、ビア２５及び２６にそれぞれ面するカバー８の外面１３の上に形成して、例えば探針によって電圧を印加するためのコンタクトの面積を増大させる。

光フィルタ部品１を調整し、この部品を透過する中心波長がＩＴＵ６９２標準に定義される波長の内の一つの波長を中心とするようにする。しかしながら、隣接チャネルをフィルタ部品１で除去するだけでは不十分であることが判明している。カバー８はそれ自体が光処理手段と連動してこの除去動作を改善することができる。詳細には、ＤＷＤＭ周波数多重技術では、１００ＧＨｚ離れたチャネルにおいて秒当たり４０ギガビットのデータレートが必要になる。従って、１のチャネルの中心波長のいずれの側においても５０ＧＨｚ超の周波数を良好に除去できるようにして信号の混合を防止することが必要である。

ファブリペロー干渉計の原理に従って動作するフィルタ、すなわちファブリペローフィルタの応答形はエアリ関数である、すなわち最大透過率の１％での幅に対する最大透過率の中間の値の幅の比が幅に依存しない。従ってこれにより、除去を優先する場合に非常に帯域の狭いフィルタが生成されるか、又は帯域幅を優先する場合には非常に不十分な除去となる。

一般的に、ファブリペローフィルタのような干渉フィルタの透過率は、他の共振キャビティをフィルタに接続することにより改善することができる。透過率曲線はエアリ関数でなくなり、完全な帯域、すなわち中心波長近傍の大きな透過率と、対象範囲外の大きな除去率とが共に達成された帯域に近づく。

更に正確には、フィルタ部品１の調整可能なキャビティ又はエアギャップ５を別のキャビティに接続すると利点が生じる。この場合、別のキャビティの厚さは、波長の関数としてのキャビティの透過率曲線が櫛形になってこの櫛形の高透過率がＩＴＵ６９２標準に定義される周波数と一致するように設定される。キャビティの光学厚さｎｅは次式で与えられる。
ｎｅ＝ｃ／２Δν
この式において、ｃは光速を表わし、ΔνはＩＴＵ６９２標準の２つの隣接周波数の差を表わす。空気中でのこの厚さはほぼ１．５ｍｍになり、８６２μｍの厚さのサファイアか、又は４７５μｍの厚さのリン化インジウム（ＩｎＰ）から成るカバーによって形成される。勿論、他の材料を用いることも可能である。

カバー８と部品１との間の電磁結合を制御することが重要である。これを制御するために、結合手段は１波長以上の精度で部品１に対するカバー８の位置を制御する必要がある。この目的を達成するために、スペーサ９を較正済みボール又はファイバによって形成する。例えば、極めて高い精度のサイズを有し、他に液晶画面の生産に使用されているガラスボールを使用することができる。

スペーサ９は、カバー８又は基板２にエッチングした材料層により形成することもできる。例えば、この層は、ＩｎＰから成る基板２又はカバー８の上に形成されるＩｎＧａＡｓエピ層により形成することができる。この追加層を選択的にエッチングしてスペーサ９を適切な位置に形成する。この追加層をＳｉＯ_２、アルミニウム又は金により形成することも可能であり、この場合、追加層はパッド１４及び１５が提供する機能を果たすことも可能になる。

有利には、複数の部品から成るウェハはカバー８の光学厚さｎｅを調整する手段を含む。これは、カバー８と部品１との間に良好な電磁結合を実現するために、カバー８の光学厚さｎｅを制御することが重要であるからである。これらの調整手段が無いと、カバー８の光学厚さｎｅを１ミクロンの百分の一のオーダーの精度で制御しなければならないことになり、これは現実的ではない。カバー８の光学厚さｎｅはカバーの温度Ｔを調整する手段を使用して調整することができる。更に正確には、ほとんどの材料が、温度Ｔによってその寸法、特に厚さｅを変化させる。更に透明材料は、温度Ｔによってその光学屈折率ｎが変化する。例えばサファイアの場合、これらの変化は、

及び

によって与えられる。更に、

が知られている。この公式をサファイアに適用すると次式が得られる。

この数式例により、カバー８の温度を１度の数十分の一の精度で安定化させることにより、カバー８により形成される光学キャビティを所望の周波数に調整できることが分かる。この精度は、例えば温度センサと組み合わせてペルチェ効果モジュールを用いてモジュールの動作を制御することにより、容易に達成することができる。所望温度が室温よりも高い場合、有利には、ペルチェ効果モジュールを加熱抵抗体に置き換えることができ、この抵抗体はカバー自体の上に配置することができる。

有利には、図４に示す実施形態では、樹脂から成るビード１０はコラム２１及び２２、及び部品１の能動部を取り囲む。従って、コラム２１及び２２、及び部品１の能動部を、例えば窒素のような不活性ガスが充填された不浸透性の膜の内部に閉じ込めることにより、あらゆる外部からの侵食から保護することができる。

第１の実施形態による光フィルタ部品の断面図である。 図１に示す部品の上面図である。 第２の実施形態による部品の断面図である。 第３の実施形態による部品の断面図である。

Claims (15)

1. 透明基板（２）の上に複数の光フィルタ部品（１）を形成することからなる光フィルタ部品群（１）の集積形成方法であって、更に、前記複数の部品を透明全体カバー（８）で覆い、各部品（１）に対して光学テストを個々に行ない、種々の部品（１）を互いから分離することを特徴とする方法。
2. １の部品に対して前記光学テストを行っている間に、前記部品（１）を調整する手段をテストすることを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 前記部品（１）を調整する前記手段をテストするために、前記部品（１）の２つのミラー（３，４）の間に電圧を印加し、前記電圧が前記２つのミラー（３，４）の間に位置する空気層（５）の厚さを変えるように設定されることを特徴とする請求項２記載の方法。
4. 前記カバー（８）の一部（１６）を切断して前記電圧をパッド（１４，１５）に印加し、各パッドは半導体材料から成る前記ミラー（３，４）の内の一つのミラーに接続されることを特徴とする請求項３記載の方法。
5. 前記基板（２）の一部を切断して前記電圧をパッド（１４，１５）に印加し、各パッドは半導体材料から成る前記ミラー（３，４）の内の一つのミラーに接続されることを特徴とする請求項３記載の方法。
6. 複数のビアを前記カバー（８）に設け、これらのビアによって前記電圧をパッド（１４，１５）に印加することが可能になり、各パッドは半導体材料から成る前記ミラー（３，４）の内の一つのミラーに前記カバー（８）の外面（１３）を介して接続されることを特徴とする請求項３記載の方法。
7. 上に複数の光フィルタ部品（１）が形成され透明基板（２）と、これらの部品（１）をまとめて覆う透明カバー（８）とを備えた複数の部品からなるウェハであって、更に各部品（１）を個々にテストする手段を含むことを特徴とするウェハ。
8. 前記カバーは光処理手段（１２）を含むことを特徴とする請求項７記載のウェハ。
9. 前記テスト手段は、前記カバー（８）を貫通し、且つ前記部品（１）に接続されるビア（２５，２６）を含むことを特徴とする請求項７又は８記載のウェハ。
10. 前記透明カバー（８）は、前記部品（１）を通過する光路（１１）の少なくとも近傍に、一定の光学厚さ（ｎｅ）を有し、よって前記部品（１）により調整可能なキャビティを形成することを特徴とする請求項７乃至９のいずれか一項に記載のウェハ。
11. 前記部品（１）に対する前記カバー（８）の位置を決めて前記部品（１）が透過する１波長以上の精度を実現する手段（９）を含むことを特徴とする請求項１０記載のウェハ。
12. 前記カバー（８）の前記位置決め手段（９）が較正済みボールからなることを特徴とする請求項１１記載のウェハ。
13. 前記基板（２）に対する前記カバー（８）の位置を決める手段（９）を含み、前記位置決め手段（９）が前記カバー（８）又は前記基板（２）にエッチングされる１の材料から成る１の層を有することを特徴とする請求項１１記載のウェハ。
14. 前記カバー（８）はカバーの光学厚さ（ｎｅ）を調整する手段を含むことを特徴とする請求項１０乃至１３のいずれか一項に記載のウェハ。
15. 前記カバー（８）の前記光学厚さ（ｎｅ）を調整する前記手段は前記カバー（８）の温度（Ｔ）を調整する手段からなることを特徴とする請求項１４記載のウェハ。

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