JP2008511860A - 光電子装置の位置合わせ機能を有する光学アセンブリ - Google Patents

Abstract

少なくとも１つの光導波路は、基板上に支持され、その光導波路のコンプライアンスのある要素に形成された複数のキーアパーチャを有する。垂直共振器型面発光レーザー(VCSEL)のような光電子装置は、対応するキーアパーチャと整合して光電子装置を光導波路に対する所定の位置合わせ状態に位置決めする複数の突出部を有する。

Description

連邦政府の委託研究及び開発のもとで行われた発明の権利に関する記述
米国政府は、ＤＡＲＰＡの契約ＭＤＡ９７２−０３−００４に従い、本明細書に開示された特定の発明に対する権利を有することができる。

背景
大規模なコンピュータシステム及びネットワークスイッチ内のチップ間の相互接続に関する帯域幅の要件は、非常に急速に増大し続けている。現在の電気的な相互接続の方式は、電気ケーブルの大規模で大量の平行した束とコネクタサイズに関する物理的な制約、及び／又は電力と速度の考慮事項に起因する電気的な帯域幅の制限に起因したボトルネック（障害）を蒙る。これにより、長距離電気通信リンクに好適な光ファイバの相互接続の利用が拡大している。また、好都合なことに、光ファイバの相互接続を用いて、コンピュータラック又はシェルフをつなぐこともできる。

中央処理装置（ＣＰＵ）のクロックスピードは増加し続けており、集積回路はますます小型化され続けているので、光学的な接続を回路基板アセンブリ上で使用して、増大する帯域幅要件に対処することができる。導電性回路トレースに加えて、別個の光ファイバの代わりに、光導波路が回路基板アセンブリ上で使用されている。バッチ製造方法を用いてポリマー材料を適用してパターニングすることにより、所望の光導波路を形成することができる。従って、光導波路のアレイを回路基板アセンブリ上に形成して、従来の導電性経路を強化することができる。導電性経路と他の電気装置との間の電気接続は一般に、はんだ又は着脱可能なコネクタによってなされており、これらは、適切に機能するために、高度な機械的位置合わせを必要としていない。しかしながら、垂直共振器型面発光レーザー（Vertical Cavity Surface Emitting Laser：ＶＣＳＥＬ）などの光電子装置は、最小限の光学損失で信号伝送の完全性を保証するように、光導波路、又はアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）のような別の光電子装置との精密な位置合わせを必要とする。例えば、光電子装置は一般に、特定の光学設計及び具現化形態に応じて、数μｍ（ミクロン）のオーダーの位置合わせ精度を必要とする。これは、電気的な相互接続に必要とされているものと比べて、格段に高い位置合わせ精度である。従って、光学的な相互接続を高精度で実現しながら、電気的及び光学的な相互接続を同時に実現することができる光学アセンブリが必要とされている。

光学アセンブリ内の様々な材料が異なる熱膨張係数を有するという事実から、電気的及び光学的な相互接続を同時に提供する光学アセンブリ内において対処される必要がある位置合わせ（アライメント）状態の維持問題が発生する。従って、製造温度及び動作温度の全範囲にわたって光電子装置の位置合わせを数μｍ（ミクロン）以内に維持することは困難である。例えば、光学アセンブリの設計が、製造中に高い温度を必要とし、且つその後、周囲温度に冷却される場合には、光電子装置が、その導波路に対して位置合わせ不良の状態になる可能性がある。従って、その光学リンクは、その後の動作中に信号伝達の完全性を達成することができない。更に、コンピュータ又はスイッチキャビネット内の温度は、通常の動作中に時間と共にサイクル動作するので、光電子装置が位置合わせ不良の状態となり、その結果、その意図された機能を正確に実行できない可能性もある。

電気的及び光学的な相互接続を同時に実現できる光学アセンブリは、レンズなどの任意のデリケートなコンポーネントが取り扱い中にかき傷をつけられないように設計されなければならない。更に、該光学アセンブリは、光電子装置のアレイに対応できなくてはならない。

本発明の概要
本発明によれば、光学アセンブリは、基板と、この基板上に支持された少なくとも１つの光導波路とを含む。光導波路は、コンプライアンスのある要素を有し、コンプライアンスのある要素はそこに形成された複数のキーアパーチャを有する。光学アセンブリは、対応するキーアパーチャと整合して、光電子装置を光導波路に対する所定の位置合わせ状態に位置決めする複数の突出部を有する光電子装置を更に含む。

本発明によれば、光学アセンブリは、少なくとも第１の導電性経路を有する第１の基板を含む。少なくとも１つの光導波路は、第１の基板上に支持され、光導波路に形成された複数のキーアパーチャを有する。光学アセンブリは、対応するキーアパーチャと整合して、光電子装置を光導波路に対する所定の位置合わせ状態に位置決めする複数の突出部を有する光電子装置を更に含む。第２の基板が、光電子装置を支持し、少なくとも第２の導電性経路を有する。第１の導電性経路と第２の導電性経路との間の複数の電気接続が、光電子装置を光導波路に対する所定の位置合わせ状態に保持する。

詳細な説明
図１を参照すると、本発明の実施形態によれば、光学アセンブリ１０は、その上面上に形成された導電性経路１４及び１６を有する下部基板１２を含む。また、第１の基板１２の上面上には、光導波路１８も形成される。光導波路１８は、外側クラッディング１８ｂによって取り囲まれている内部コア１８ａ内で伝送される光の全反射を実質的に提供するように選択された屈折率を有する光学的に透過性のポリマー材料から形成される。光導波路１８は、そこに形成された複数のキーアパーチャ２０及び２２を有する。光学アセンブリ１０は、光電子装置２４を更に含み、この光電子装置２４は、それぞれ対応するキーアパーチャ２０及び２２と整合して光電子装置２４を光導波路１８に対する所定の位置合わせ状態に位置決めする複数の突出部２６及び２８を有する。

上部基板３０は、光電子装置２４を支持し、その下面上に形成された導電性経路３２及び３４を有する。導電性経路１４及び１６は、導電性経路３２及び３４に電気接続され、光電子装置２４を光導波路１８に対する所定の位置合わせ状態に保持する。本明細書において使用されている「導電性経路」という用語は、導電性トレースのみならず、これに加えて、導電性パッド、はんだパッド、ピン、及び下部基板１２と上部基板３０との間で電気接続を行うことを可能にする他の適切な導電性構造も含む。

図１の実施形態によれば、光導波路１８の傾斜した反射鏡４０（図２）と光電子装置２４のレンズ４２が数μｍ（ミクロン）の許容誤差で正確に結合されるように、結合するはんだボール接合部３６及び３８を利用して、光電子装置２４を永久的に保持する。これにより、光電子装置２４（図１）が光導波路１８に対して所定の位置合わせ状態に保持された際に、信号伝達の完全性が保証されると共に、光学的な損失が最小限に抑えられる。図２において、鏡４０に向かっている、鏡４０とレンズ４２との間における、及びレンズ４２からの収束するラインは、これらの光学要素に関係のある光路を図的に表している。

光導波路１８（図１）及び導電性経路１４及び１６は、既知のバッチ製造方法を利用して形成される。キーアパーチャ２０及び２２は、スクリーニング方法又は適切なレーザー掘削によって形成されることができ、これらは、光導波路１８を部分的に貫いて延びる凹部、又は導波路１８を完全に貫いて延びる穴とすることができる。下部基板１２は、プリント基板の製造の際に使用されている従来の銅被覆されたガラス繊維の積層板、或いはシリコン、セラミック、又はポリイミドのような任意の他の適切な基板とすることができる。上部基板３０は、シリコン、セラミック又はポリイミドのブロック、集積回路、又は機械的構造体とすることができる。突出部２６及び２８は好適には、テーパーを付けられており、嵌合された際に自己センタリング効果を達成し、ひいては所望の精密な位置合わせを達成するために、キーアパーチャ２０及び２２の最大直径より大きい最大外径を有する。図示された実施形態において、突出部２６及び２８は、丸みをつけられた柱（ポスト）であり、キーアパーチャ２０及び２２は、円筒形の構成を有するが、円錐形の突出部及び円筒形のキーアパーチャのような、多種多様の適切な構成を使用することができる。

光学アセンブリ１０（図１）は、数μｍ（ミクロン）以内までの許容誤差を実現するのに必要な初期位置合わせプロセスを簡単にする。光学アセンブリ１０内の様々な材料の異なる熱膨張にも関わらず、製造中の高い温度及び後続の冷却において、並びに通常動作中に遭遇する温度変化の間に、精密な位置合わせが維持される。

キーアパーチャ２０と２２（図１）、及び突出部２６と２８は、導波路１８及び光電子装置２４と同時に、且つ同じバッチプロセスにおいて製造される。これらの装置上に特殊な形状構成を組み込むことにより、追加部品を取り扱う必要性がない。更に、突出部２６及び２８によって提供される機械的な噛み合いは、キーアパーチャ２０及び２２と同じプロセスで製造され得るので、光電子装置２４の配置精度は非常に高い。類似した方法により、キーアパーチャ２０及び２２も光導波路１８の反射鏡４０（図２）に対して正確に配置される。更に、機械的な位置合わせの形状構成が、導波路１８（図１）及び光電子装置２４自体に配置されるので、はんだボール接合部３６及び３８の位置合わせは、厳格な光学的位置合わせ要件から切り離される。これにより、装置をはんだパッドに整合する複数のマスキング工程によって一般に生じる位置合わせの許容誤差の重畳が取り除かれる。これは、光学アセンブリ１０と同様に、電気接続が、光電子装置２４に対して直接的にではなく、それが装着される上部基板３０に対して行われる場合に、特に重要である。また、これは、光学アセンブリ１０と同様に、導波路１８が、下部基板１２上の導電性経路１４及び１６に対して単に雑に位置合わせされる場合にも、特に重要である。更に、ポリマー光導波路１８のコンプライアンスのある物理的特性は、光電子装置２４の非常に剛性の半導体材料に好都合に適合する。一般に、突出部／アパーチャの接合部が光学コア１８ａに近づけば近づくほど、光電子装置２４と光導波路１８との間における位置合わせは正確になる。

本発明によれば、参照符号２４などの光電子装置上における参照符号２６及び２８などの複数の突出部の製造は、光電子装置２４の光軸を非常に正確に基準とする。対応する参照符号２０及び２２などのキーアパーチャも、その光学結合軸を非常に正確に基準とする、参照符号１８などの光導波路に製造される。突出部２６及び２８にテーパーを付ける、又は丸みを付けて、これらをキーアパーチャ２０及び２２よりもわずかに大きく形成することにより、光電子装置２４を光導波路１８に嵌合した際に、自己センタリング動作が可能になる。これにより、光電子装置２４が、光導波路１８に対するその理想的な位置の状態にされる。いったん突出部２６及び２８が、それぞれのキーアパーチャ２０及び２２内に整合された状態になると、上部基板３０と下部基板１２との間のはんだボール接合部３６及び３８などの導電性接続が冷却されて凝固した際に、光電子装置は、位置合わせされた状態において堅固に保持される。

突出部２６と２８、及びキーアパーチャ２０と２２の嵌合は、はんだボール接合部３６及び３８と共に、局所的な機械的制御を提供し、製品ライフサイクルにおける温度変化にも関わらず、初期位置合わせと、時間の経過に伴う位置合わせ状態の維持の両方を容易にする。最後に、レンズ４２は、突出部２６及び２８の外端部のレベルよりも下に引っ込んでいるので、かき傷から保護される。複数の突出部２６及び２８は、レンズ４２が光電子装置２４の取り扱い中にかき傷から保護されるように、レンズ４２を超えて、光電子装置２４の下面から延びている。

図３を参照すると、本発明による実施形態５０は、ポリマーフィルムのクラッディング５６の形態でコンプライアンスのある要素内に入れられた平行に延在する別個のガラス又はプラスチックの光ファイバ５４のほぼ平坦なアレイを含む光導波路５２を含む。光電子装置５８は、ポリマーのクラッディング５６に形成されたキーアパーチャ（可視状態にはない）と整合するテーパーを付けられた複数の突出部６０を有する。キーアパーチャは、正確な場所におけるポリマーのクラッディング５６の機械的なドリル開け、打ち抜き、又はレーザー掘削によって事前に形成され得る。代案として、キーアパーチャは、剛性の突出部６０をポリマークラッディング５６内に突き刺す際に形成されてもよい。レンズ、鏡、又は他の光学的機能要素（図３には図示されていない）が、光電子装置５８と別個の光ファイバ５４及び／又は他の光導波路（図示せず）との間で光を結合する。単一の基板６２が、光導波路５２又は光電子装置５８のいずれかに装着されて、これを支持する。実施形態５０においては、第２の基板が存在しておらず、従って、一般に、２つの基板上の導電性経路間における任意の電気接続は必要ない。

本発明によるいくつかの例示的な実施形態が説明されたが、当業者であれば、これら実施形態の修正及び改変は容易に行われるであろう。例えば、図４は、構造において光学アセンブリ１０に類似した別の光学アセンブリ１００の平面図である。光学アセンブリ１００は、それぞれがレンズ１０２を有する４８個の光電子装置のほぼ矩形のアレイを組み込む。４つのレンズポスト１０４が、光学アセンブリ１００のそれぞれのコーナーに配置される。以下に限定されないが、発光ダイオード（ＬＥＤ）、ファブリーペロー（ＦＰ）レーザーダイオード、分布帰還型（ＤＦＢ）レーザーダイオード、垂直共振器型面発光レーザー（ＶＣＥＬ）、ＰＩＮフォトダイオード、集積受光器／前置増幅器（Integrated Detector／Preamplifier：ＩＤＰ）、アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）、レーザードライバ用のシリコン集積回路、及び液晶装置を含む様々な光電子装置に対応することができる。はんだボール接合部３６及び３８の代わりに、従来のリフローはんだ接合部、又は導電性エポキシなどの導電性接着剤を使用することもできる。光導波路１８は、下部基板１２の上面上に堆積されたポリマーフィルム１８ａ及び１８ｂの形態で示されているが、ポリマーが充填された溝、別個のプラスチック光ファイバ、又は別個のガラス光ファイバのような他の形態の光導波路を使用することもできる。光学アセンブリにおいては、以下に限定されないが、偏光子及び波長フィルタを含む、反射鏡及びレンズ以外の他の光学的機能要素を利用することができ、精密な位置合わせの利益を受けることができる。従って、本発明者らの発明に与えられる保護は、添付の特許請求の範囲によってのみ制限される。

本発明の光学アセンブリの一実施形態に関する垂直断面図である。 図１の光学アセンブリの光導波路内の反射鏡と光電子装置内のレンズを示す図１の拡大部分図である。 図１及び図２の実施形態の第２の基板を利用していない本発明の光学アセンブリの代替の実施形態の垂直断面図である。 光電子装置のアレイを組み込む本発明の別の実施形態の平面図である。

Claims (21)

1. 基板と、
   前記基板上に支持され、コンプライアンスのある要素を有する少なくとも１つの光導波路であって、前記コンプライアンスのある要素が、その要素に形成された複数のキーアパーチャを有する、少なくとも１つの光導波路と、
   複数の突出部を有する光電子装置とを含み、
   前記複数の突出部が、対応するキーアパーチャと整合して前記光電子装置を前記光導波路に対する所定の位置合わせ状態に位置決めする、光学アセンブリ。
2. 前記光電子装置を支持している第２の基板を更に含む、請求項１に記載の光学アセンブリ。
3. 前記光導波路を支持している前記基板上の少なくとも第１の導電性経路と、前記第２の基板上の少なくとも第２の導電性経路とを更に含む、請求項２に記載の光学アセンブリ。
4. 前記光電子装置を前記光導波路に対する所定の位置合わせ状態に保持する、前記第１の導電性経路と前記第２の導電性経路との間の複数の電気接続を更に含む、請求項３に記載の光学アセンブリ。
5. 前記光導波路の前記コンプライアンスのある要素が、ポリマー材料から形成されており、前記光導波路が、少なくとも１つのガラスコンポーネントを含む、請求項１に記載の光学アセンブリ。
6. 前記突出部が、丸みを付けられている、請求項１に記載の光学アセンブリ。
7. 前記光電子装置が前記光導波路に対する前記所定の位置合わせ状態に保持された際に、最小限の光学的損失で信号伝送の完全性を保証するように、正確に結合される前記光導波路内の第１の光学機能要素と前記光電子装置内の第２の光学機能要素とを更に含む、請求項１に記載の光学アセンブリ。
8. 前記光電子装置が、発光ダイオード（ＬＥＤ）、ファブリーペロー（ＦＰ）レーザーダイオード、分布帰還型（ＤＦＢ）レーザーダイオード、垂直共振器型面発光レーザー（ＶＣＥＬ）、ＰＩＮフォトダイオード、集積受光器／前置増幅器（ＩＤＰ）、アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）、レーザードライバ用のシリコン集積回路、及び液晶装置からなるグループから選択される、請求項１に記載の光学アセンブリ。
9. 前記複数の電気接続が、複数のはんだボール接合部からなる、請求項４に記載の光学アセンブリ。
10. 前記光電子装置が、前記光電子装置の下面上に形成されたレンズを含み、前記複数の突出部は、前記光電子装置の取り扱い中に、前記レンズがかき傷から保護されるように、前記レンズを超えて前記光電子装置の前記下面から延びている、請求項１に記載の光学アセンブリ。
11. 前記第２の基板が、集積回路装置である、請求項２に記載の光学アセンブリ。
12. 前記突出部が、テーパーを付けられている、請求項１に記載の光学アセンブリ。
13. 前記キーアパーチャが、前記光導波路を貫いて延びる穴である、請求項１に記載の光学アセンブリ。
14. 少なくとも第１の導電性経路を有する第１の基板と、
    前記第１の基板上に支持された少なくとも１つの光導波路であって、前記光導波路に形成された複数のキーアパーチャを有する、少なくとも１つの光導波路と、
    複数の突出部を有する光電子装置であって、前記複数の突出部が、対応するキーアパーチャと整合して前記光電子装置を前記光導波路に対する所定の位置合わせ状態に位置決めする、光電子装置と、
    前記光電子装置を支持して、少なくとも第２の導電性経路を有する第２の基板と、
    前記光電子装置を前記光導波路に対する前記所定の位置合わせ状態に保持する、前記第１の導電性経路と前記第２の導電性経路との間の複数の電気接続とを含む、光学アセンブリ。
15. 前記光電子装置が前記光導波路に対する前記所定の位置合わせ状態に保持された際に、最小限の光学的損失で信号伝送の完全性を保証するように、正確に結合される前記光導波路内の第１の光学機能要素と前記光電子装置内の第２の光学機能要素とを更に含む、請求項１４に記載の光学アセンブリ。
16. 前記光電子装置が、発光ダイオード（ＬＥＤ）、ファブリーペロー（ＦＰ）レーザーダイオード、分布帰還型（ＤＦＢ）レーザーダイオード、垂直共振器型面発光レーザー（ＶＣＥＬ）、ＰＩＮフォトダイオード、集積受光器／前置増幅器（ＩＤＰ）、アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）、レーザードライバ用のシリコン集積回路、及び液晶装置からなるグループから選択される、請求項１４に記載の光学アセンブリ。
17. 前記導電性接続手段が、複数のはんだボール接合部からなる、請求項１４に記載の光学アセンブリ。
18. 前記光電子装置が、前記光電子装置の下面上に形成されたレンズを含み、前記複数の突出部は、前記光電子装置の取り扱い中に、前記レンズがかき傷から保護されるように、前記レンズを超えて前記光電子装置の前記下面から延びている、請求項１４に記載の光学アセンブリ。
19. 前記光導波路が、コンプライアンスのある要素を有し、前記キーアパーチャが、前記コンプライアンスのある要素に形成される、請求項１４に記載の光学アセンブリ。
20. 少なくとも第１の導電性経路を有する第１の基板と、
    前記第１の基板上に支持された少なくとも１つの光導波路であって、前記光導波路のコンプライアンスのある要素に形成された複数のキーアパーチャを有し、前記光導波路のコア内に配置された反射鏡を有する、少なくとも１つの光導波路と、
    発光ダイオード（ＬＥＤ）、ファブリーペロー（ＦＰ）レーザーダイオード、分布帰還型（ＤＦＢ）レーザーダイオード、垂直共振器型面発光レーザー（ＶＣＥＬ）、ＰＩＮフォトダイオード、集積受光器／前置増幅器（ＩＤＰ）、アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）、レーザードライバ用のシリコン集積回路、及び液晶装置からなるグループから選択される光電子装置であって、対応するキーアパーチャと整合して前記光電子装置を前記光導波路に対する所定の位置合わせ状態に位置決めする複数の突出部を有し、前記光電子装置の下面上に形成されたレンズを有し、前記光電子装置の取り扱い中に、前記レンズがかき傷から保護されるように、前記突出部が前記レンズを超えて前記光電子装置の前記下面から延びている、光電子装置と、
    前記光電子装置を支持して、少なくとも第２の導電性経路を有する第２の基板と、
    前記反射鏡及びレンズが正確に嵌合されて、最小限の光学的損失で前記コアと前記光電子装置との間の信号伝送の完全性が保証されるように、前記光電子装置を前記光導波路に対する前記所定の位置合わせ状態に保持する、前記第１の導電性経路と前記第２の導電性経路との間の複数の電気接続とを含み、
    前記複数の電気接続が、はんだボール接合部、リフローはんだ接合部、及び導電性エポキシからなるグループから選択される、光学アセンブリ。
21. 少なくとも１つのガラス要素とコンプライアンスのある要素を有する光導波路と、
    複数の突出部を有する光電子装置であって、前記複数の突出部が、前記コンプライアンスのある要素内に延びて、前記光電子装置を前記光導波路に対する所定の位置合わせ状態に位置決めする、光電子装置と、
    前記光電子装置又は前記光導波路に装着された基板とを含む、光学アセンブリ。

Images