JP2007523378A - 光電モジュールの製作システムおよび方法 - Google Patents

Abstract

光電混成モジュール（１００）を製作するシステムおよび方法。光電混成モジュール（１００）は、光電部品、電子部品（１１０）、少なくとも１つの光導波路（１２０）が埋め込まれている平面光波回路（ＰＬＣ）を備えることができる。光電部品は、マイクロ曲折ミラー（１６０）を介してエネルギーを伝送または受取することができ、一方、電子部品は、電気信号を増幅し、光電部品に送信することができる。平面光波回路は、通例、平面光波回路内に埋め込むことができる複数の光導波路によって、光電信号通信の経路を設けることができる。

Description

本発明は、光電モジュールの製作システムおよび方法に関する。

光通信システムは、所望の場所間における信号の伝搬を可能にするように構成することができる。信号は、通信システムの一部を経由し、光経路に沿って伝搬することができる。例えば、光ファイバ通信システムのようなかかる通信システムにおいては、通例、光電モジュールを用いることができる。この光電モジュールは、光素子、電気コンポーネント、光導波路、および電気回路を組み合わせて、所望のエネルギー転送機能を実現することができる。

光ファイバは、例えば、波長分割多重（ＷＤＭ：wavelength division multiplexing）光通信システムのような光通信システムにおいて、通例、光信号を誘導するために用いることができる。数種類の光信号を誘導するための多重経路光ファイバを製造するには、技術的な限界がある。現在、平面光導波路回路（ＰＬＣ：planar light waveguide circuit）が数個の光ユニットを光導波路と組み合わせて、例えば、ＷＤＭのような光通信システムの一部として用いられている。ＰＬＣを組み込んだ通信システムでは、能動デバイスおよび光導波路が別個の実体として存在する場合がある。

光電モジュールを製作するシステムおよび方法を提供すること。

発明と見なされる主題は、特許請求の範囲において特定的に指摘され、明確に請求されている。しかしながら、本発明は、有機的構造および動作方法の双方に関して、その目的、特徴および利点と共に、以下の詳細な説明を参照し、添付図面と共に読解することによって、最良に理解することができる。

図の簡略化および明確化のために、図に示す要素は、必ずしも同じ拡縮率で描かれている訳ではないことは認められよう。例えば、要素の一部は、明確化のために、その寸法が他の要素に対して誇張されている場合もある。更に、適切と見なされる場合には、対応する要素または類似の要素を示すために、図面間で参照番号を繰り返すこともある。

以下の詳細な説明では、本発明の一通りの理解が得られるようにするために、多数の具体的な詳細について明記する。しかしながら、本発明は、これら具体的な詳細以外でも実施可能であることは、当業者には理解されよう。一方、周知の方法、手順、および構成要素については、本発明を曖昧にしないために、詳細には説明されていない。

導波路を埋め込むこと、かつ数個の光電部品および導電路のための支持基板として機能することの双方のためには、例えば、ガラスのような透明基板を用いることが望ましい場合がある。光電部品は、例えば、光ダイオード(optical diode) 、フォトダイオード、レーザ・ダイオード、または同様の部品を含むことができる。このような透明基板は、導波路と光電部品との間で直接的な光結合を行うことを可能にする。図１を参照する。光ファイバ通信システムは、通例、光電混成モジュール１００を含むことができ、光電混成モジュール１００は、通例、プリント回路ボード（ＰＣＢ：printed circuit board ）１０５，１０６上に実装することができる。光電混成モジュール１００の一実施形態では、光電部品１１０、電子部品１１５、少なくとも１つの埋め込み導波路１２０、例えば、ガラス支持体１２５のような、透光性支持体、および光ファイバ・プラグ１３０を含むことができる。光電部品１１０は、送信器または受信器として機能することができる。電子部品１１５は、通例、電気信号を増幅し、例えば、光電部品１１０のような、外部部品に電気信号を転送することができる。平面光波回路（ＰＬＣ：planar lightwave circuit）１３５は、例えば、導波路１２０を作成するためにガラス基板においてイオン交換を生ずるために用いられる技法、または基板１３５内に埋め込まれた光電信号通信路を設けることができる他の同様の技法というような、数種類の導波路製造技術を用いて実現することができる。プリント回路ボードは、例えば、外面１０６または内面１０５のような、光電混成モジュール１００，２００に含まれる複数の表面のうちのいくつかに含ませることができる。導波路１２０は、例えば、基板１３５に沿った光ビームのような光電信号通信を伝搬するために、単一モードまたはマルチモード導波路とすることができる。光導波路は、例えば、光パワー分割、波長多重化、および波長多重分離というような、光学機能を含むことができる。導波路を漸減すれば、光電部品１１０と導波路１２０との間の接続を改良することができる。ガラス支持体１３５は、通例、導波路１２０を封入することができる。また、光電混成モジュール１００，２００は、外部光ファイバへの直接的で容易な接続のために、光ファイバ・プラグ１３０を含むこともできる。別の実施形態では、外部光ファイバは、永続的光接続のための接合または同様の方法によって、光電混成モジュール１００，２００の光入力または出力に永続的に接続することもできる。

電子部品１１５は、光電部品１１０への電気エネルギー及び光電部品１１０からの電気エネルギーを伝えることができる。光電部品１１０は、例えば、フォトダイオード、レーザ・ダイオード、または同様の部品とすることができる。例えば、バス構造（図示せず）のような電気相互接続部がＰＣＢ１４０に接触し、通例、導波路支持ガラス１３５の表面上に導通ビア１４５を配置することができる。このような電気相互接続部は、ＲＦ性能の改良を可能にするために、共面またはストリップ・ライン導体の形態とするとよい。導通線を短縮すると、ＲＦ性能を更に改良することができる。電気相互接続部は、電力を電子部品１１５に供給することができる。光電部品１１０および電子部品１１５は、ヒート・シンク封入部１５０内に金属キャップ１５５によって密閉することができる。

次に、図２を参照する。本発明の好適な実施形態では、光電部品１１０（図１）は、例えば、レーザ・ダイオード２０５、フォトダイオード２１０、半導体デバイス（図示せず）、または同様の光電部品を含むことができる。フォトダイオード２１０は、例えば、電子部品１１５に結合し、埋め込んだ曲折マイクロミラー１６０を介して、導波路１２０の経路に取り付けることができる。また、レーザ・ダイオード２０５は、例えば、別の埋め込んだ曲折マイクロミラー１６０を介して導波路１２０経路に取り付けることができる。曲折マイクロミラー１６０は、例えば、レーザ・ダイオード２０５のような光電部品１１０と導波路１２０との間でエネルギー転送を誘導するように、計画的に配置するとよい。マイクロミラー１６０は、例えば、全反射（ＴＩＲ：Total Internal Reflection ）現象を生ずるガラス内の溝、または光を反射する金属被覆表面等とすることができる。例えば、レーザ・ダイオード２０５は、通例、光エネルギーを曲折マイクロミラー１６０を介して導波路１２０内に伝送することができ、一方、フォトダイオード２１０は、例えば、曲折マイクロミラー１６０を介して導波路１２０からの光エネルギーを受信することができる。レーザ・ダイオード２０５は、電気インターフェース２１５から電気エネルギーを受信し、電気エネルギーを光エネルギーに変換することができる。例えば、フォトダイオード２１０のような光検出器は、導波路１２０から光エネルギーを受信し、この光エネルギーを電気信号に変換することができる。電気信号は、電気インターフェース２１５によって受信し、少なくとも別の電気回路１０５，１０６に送信することができる。電気回路１０５，１０６は、光電混成モジュール１００，２００を構成するいくつかの表面上に配置することができる。電気回路は、例えば、ディジタルまたはアナログ増幅器のような、電気部品を含むことができる。電気部品は、光電混成モジュール１００，２００内に埋め込んでもよい。

導波路ガラス支持体１３５は、通例、複数のイオン交換導波路１２０または同様の任意の埋め込み導波路、電気回路および相互接続部、ならびに曲折マイクロミラー１６０のような複数のビーム・フォルダ(beam folder) を含むことができる。光電部品１１０は、通例、別個の実体と見なされる。２つの別個の実体、光電部品１１０および導波路ガラス支持体１３５を機械的に互いに密接に固着することができるので、そのパッケージングのための位置決めは比較的容易であり、その接合精度により、通例、光学性能全体の改良をもたらすことができる。導波路ガラス支持体１３５および光電部品１１０は、通例、接着材によって取り付ける、即ち、接合することができる。接着材は、通例、支持体１３５の材料と同様の透光特性を有することにより、光電部品１１０と導波路１２０との間に整合性の良い光路を確実に形成しつつ、その経路における自由空間ギャップの存在を最少に抑え、更に完全に排除することもできる。光電部品１１０による光エネルギーの出射や受入は、影響を受けることがないままである。何故なら、自由空間またはインピーダンス変化が光路に沿って存在し得ないからである。このため、レンズのような複雑な光学的整合の配慮や、光電部品１１０を導波路１２０に対する安定かつ一定の位置決めを確保するための機械的固着の配慮を不要とすることができる。光電部品１１０の導波路上への接着実装は、ベア・チップ実装としても知られているかもしれない。ベア・チップ実装は、通例、パッケージ実装によって可能なよりも、小型軽量で、光学的に精度が高く、機械的に耐久性が高い光電混成モジュール１００，２００の設計開発を可能にすることができる。

光電混成モジュール１００，２００の更に別の使用によって、１つ以上の集積回路、光電混成モジュール１００，２００、または光電部品間の電気的および光学的結合を可能にすることができ、プリント回路ボード（ＰＣＢ：printed circuit board ）１０５，１０６は、電気接続部に加えて、複数の導波路構造を含むことができる。このような光電混成モジュール１００，２００は、基板１３５上にフリップ・チップ実装した光素子、基板１３５内に形成され光電部品１１０に光学的に接続された光導波路１２０、および通例基板１３５と光電部品１１０との間のギャップを充填することができる接着材を含むことができる。光電部品１１０は、はんだバンプ技術を用いて集積回路にフリップ・チップ接合することができ、一方集積回路はボール・グリッド・アレイ（ＢＧＡ：Ball Grid Array ）パッケージにフリップ・チップ接合することができる。ＢＧＡパッケージは、例えば、はんだリフロー技術を用いて、ＰＣＢ１３５に接合することができる。光電部品１１０は、光導波路１２０への光学的結合をし易くするために、レンズを取り付けてあるとよい。

本発明の好適な実施形態によれば、電子部品１１５を付加的に光導波路１２０の表面に実装することができる。光電部品１１０および電子部品１１５は、樹脂によって完全に封止することができる。光電部品１１０および電子部品１１５は光導波路ガラス支持体１３５の表面上に実装されているので、素子間の相互接続部を短縮することができる。相互接続部は、単一層とすることにより、相互接続部の形成を容易にすることができる。光電混成モジュール１００，２００は、光電部品１１０および電子部品１１５の樹脂封止（図示せず）のために強化されていると言える。更に、光電モジュール１００，２００は、光電部品１１０および電子部品１１５の混成的組み合わせを有しつつ、同時にコストを下げることにより、その集積度を高めることができる。

更に、樹脂は光遮断特性を有するとよい。電子素子１１５は、そこに光が入射した場合、誤動作を生ずる虞れがある。したがって、光の入射に関する異常な電子的動作は、電子素子１１５をこのような樹脂で封止することによって防止することができる。電子素子１１５は、例えば、フォトダイオード２１０のような光電部品１１０を駆動する能力を有することができる。これによって、光モジュール１００，２００に対する集積度を高めることが可能となる。光電部品１１０および当該光電部品１１０を駆動または制御することができる電子素子１１５の二重実装により、光電混成モジュール１００，２００は、例えば、空間使用度を高めつつ価格低下を達成するというように、価値を高めることができる。

本発明の一実施形態によれば、回路２２０は、導波路基板１３５のガラス表面上に直接積層することによって、電子素子１１５を実装する必要性をなくすこともできる。異なる部品間における接続の信頼性を考慮する必要性をなくすことができる。集積回路部品間の接続を排除し、相互接続インピーダンスおよびノイズ特性を向上させつつ、時間遅延を最少に抑えることができる。本発明のこの実施形態は、更に、最少コストを達成／維持しつつ、光電混成モジュール１００，２００上における集積度を高めることもできる。

本発明の一部の実施形態にしたがって、光電混成モジュール１００，２００を製造するための、図３に示すような方法は、電気回路１０５，１０６を含む導波路ガラス・ウェハを作成すること（ブロック３００）を含むことができる。導波路ガラス・ウェハの製作は、平面光波回路（ＰＬＣ：Planar Lightwave Circuit）ガラス層１３５内においてイオン交換技術を用いて導波路１２０を作成し、ＰＬＣガラス層１３５上に電線１０５および接点をプリントし、例えば４５度でスロットをダイシング(dicing)し、何らかの実施形態にしたがってスロットに金属を被覆することから成るとするとよい。支持ガラス・ウェハ１２５は、光電部品１１０および電子部品を内部に収容するための空洞をダイシングし、ビア１４５を作成し、導電性材料をビアに被覆し、ウェハの両面に電線および接点をプリントする（ブロック３０５）ことによって生産することができる。ビア１４５は、例えば、ドライまたはウェット・エッチングのような、種々のエッチング技法によって作成することができる。次いで、支持ガラス・ウェハ１２５を導波路（ＰＬＣ）ガラス・ウェハ１３５に取り付けることによって、光電モジュール１００，２００を作成する（ブロック３１０）ことができる。図４を参照すると、二重バー・ダイシング(double bar dicing) ４０５上における複数の光電モジュール１００，２００の部分的ウェハ・マップ４００が図示されている。複数の光電モジュール１００，２００の光ファイバ終点１３０を露出させる二重バー４０５を作成するために、光ファイバ・コネクタ側１３０でウェハをダイシングするとよい。二重バー４０５のチップ・レベルのダイシングに先だって、光ファイバ検査機器を光ファイバ終点１３０に接続し、光電混成モジュール１００，２００の歩留まりを検査することもできる。通例、光ファイバ・コネクタ側１３０は、例えば、８度の角度に研磨するとよい。ピッグ・テール・ファイバ(pig tail fiber)を１つまたは複数の導波路１２０の終端に取り付けるとよい。本発明の一部の実施形態の製造を完了するには、例えば、フォトダイオード、レーザ・ダイオード、または光電混成モジュール１００，２００と同様の部品というような光電部品１１０を取り付ける（ブロック３１５）ことを含めばよい。光電部品１１０の、光電混成モジュール１００，２００に埋め込まれている導波路１２０との整合を確保するために、能動整合ビーム(active alignment beam) が必要となる場合もある。光電部品１１０は、通例、熱伝導性ポリマで封入することができる。二重バーをダイシングして、別個の光電混成モジュール１００，２００を作成することができる。

以上、本発明のある種の特徴についてここで例示し説明したが、現時点では多くの修正、代替、変更、および等価も当業者には想起されよう。したがって、添付した特許請求の範囲は、本発明の真の主旨に該当するこのような修正や変更全てを包含するものとすることは理解されよう。

本発明の一部の実施形態による光電混成モジュールの側断面の模式図。 本発明の一部の実施形態による光電混成モジュールを上面から見た模式図。 本発明の一部の実施形態による光電混成モジュールの製造方法を示すフローチャート。 本発明の一部の実施形態による複数の光電モジュールの部分的ウェハ・マップの模式図。

Claims (16)

1. 混成モジュールであって、
   エネルギーを伝送または受取する光電部品と、
   電気信号を増幅し、外部部品に送信する電子部品と、
   光電信号通信の経路を設ける平面光波回路と、
   前記平面光波回路内に埋め込まれており、前記光電信号通信を伝搬させる少なくとも１つの光導波路と、
   を備える混成モジュール。
2. 請求項１に記載のシステムであって、更に、光ファイバ・プラグまたはコネクタを備えるシステム。
3. 請求項１に記載のシステムであって、更に、前記光電部品と前記少なくとも１つの光導波路との間におけるエネルギー転送を誘導するための埋め込み曲折マイクロミラーを備えるシステム。
4. 請求項１に記載のシステムにおいて、前記導波路は漸減部を含む、システム。
5. 請求項１に記載のシステムにおいて、前記光電部品および前記電子部品は、ヒート・シンク被包内に密封されている、システム。
6. 請求項５に記載のシステムにおいて、前記ヒート・シンク被包は、メタル・キャップを含む、システム。
7. 請求項５に記載のシステムにおいて、前記光電部品が前記電子部品に結合されている、システム。
8. 請求項５に記載のシステムにおいて、前記光電部品は、前記埋め込み曲折マイクロミラーを介して前記複数の導波路に結合されている、システム。
9. 請求項５に記載のシステムにおいて、前記光電部品は、弱い信号を増幅するための電流増幅器を含む、システム。
10. 方法であって、
    導波路ガラス・ウェハを製作すること、
    支持ガラス・ウェハを生産すること、
    前記支持ガラス・ウェハを前記導波路支持ガラスに取り付けることによって、光チップを作成すること、
    光電部品を前記光チップに取り付けることによって、光電モジュールを作成すること、
    を備える方法。
11. 請求項１０に記載の方法において、前記導波路ガラス・ウェハを製作することは、更に、
    イオン交換技術を用いて、平面光波回路内に複数の導波路を作成すること、
    前記平面光波回路層上に、電線および接点をプリントすること、
    前記平面光波回路層内においてスロットをダイシングすること、
    前記平面光波回路層内の前記スロットを金属で充填すること、
    を備える方法。
12. 請求項１０に記載の方法において、前記支持ガラスを生産することは、更に、
    複数のビアを作成すること、
    導電性材料で前記ビアを被覆すること、
    前記導波路ガラス・ウェハの両面において、電線および接点をプリントすること、
    を含む、方法。
13. 請求項１２に記載の方法において、前記複数のビアを作成することは、ウェットまたはドライ・エッチングを含む、方法。
14. 請求項１０に記載の方法において、前記光チップを作成することは、更に、
    光ファイバ・コネクタ側において前記導波路ガラス・ウェハをダイシングして、二重バーを作成すること、
    前記光ファイバ・コネクタ面を研磨すること、
    前記複数の導波路の終端に、ピッグ・テール・ファイバを取り付けること、
    を含む、方法。
15. 請求項１０に記載の方法において、前記光電部品を前記光チップに取り付けることは、能動整合ビームを使用することを含む、方法。
16. 請求項１０に記載の方法において、前記光電モジュールを作成することは、更に、
    前記光電部品および電子部品を熱伝導性ポリマで封入すること、
    前記二重バーをダイシングして、前記光電モジュールを別個に作成すること、
    を含む、方法。

Images