JP2012517028A - マイクロ機構により整列された光学アセンブリ - Google Patents

Abstract

レンズ組み合わせにより光波長に合焦される放射物を放出するレーザー源の組み合わせを含む光学アセンブリが提供される。光導波路及びレーザー源は共通キャリヤに恒久的に装着され、レンズの少なくとも１つが、前記共通キャリアの一体部分を成すホルダにして、初期において自由動作するホルダに装着される。マイクロテクニカル技術を使用してレンズ及びホルダ位置を調整し、次いでホルダを一体のヒータを用いてハンダで然るべき位置に恒久的に固定する。

Description

本発明は、一般に光ファイバ通信に関し、詳しくは、レーザー源を光ファイバ及びその他タイプの導波路に整合させるために使用する光実装技術に関する。

長距離電気的リンクはこの数十年の間に概ね光ファイバ通信に取って代わられた。より最近では光リンクはサーバーをスイッチ（通信装置）に、またデータセンターに接続するために短距離で使用されている。将来的には、データレートの増大及び光ファイバのコスト低下に伴い、それら光ファイバがコンピュータ内に取り込まれることが予測される。

光ファイバは、そのパッケージングやアライメントのプロセスが電気的配線におけるそれより相当困難である点で問題がある。光ファイバには、帯域幅がずっと広くしかも距離によるシグナル劣化が少ない利点がある。１０Gb/sのデータレートでシグナルを１００〜３００m以上の距離を送るには一般にシングルモードファイバが必要であり、その代表的なモードサイズは約８ミクロンである。レーザー源のモードサイズは代表的には数ミクロンに過ぎない。従って、中間光学系を通してのレーザーとファイバとの間のアライメントは一般に非常に高精度化されるべきであり、代表的には１０分の１ミクロンのオーダーの許容差が要求される。シングルモードファイバの大きな利点の一つは、多数の波長を同時結合させることで、シングルファイバを介した平行リンクが得られることである。かくして、各々が１０Gb/sの１０のチャネルを使用すれば、１本のシングルモードファイバを通して１００Gb/sのシグナルを数キロメートル送信可能となる。

別法として、距離が１００mあるいはそれ未満のオーダーである場合は、マルチモードファイバ及びマルチモード面発光レーザーが使用されることもある。この場合、ファイバ内のコアサイズは約５０umとずっと大きく、許容差は実施的にかなり緩和され得る。然し乍ら、異なるモードではファイバ移動速度が異なるためにそのリーチは限定されるため多数の波長の同時送信はより困難となる。

要求帯域が拡幅するに従い、シングルモード及びマルチモード双方のファイバリンクにおける平行度が増大する。シングルモードシステムでは同じファイバに波長を追加することで容易に平行チャネルを入手できる。マルチモードシステムでは一般に追加したファイバがファイバリボンを形成する。平行型ファイバリボンは言うまでもなく極めて高価であり、内側に２４本のファイバを持つコネクタは、アライメント許容差の緩和されたマルチモードファイバを使用する場合でさえもその製造は困難である。

業界ではシングルモードシステムにおけるアライメント許容差を緩和する様々な技法について相当の研究が成されている。しかし、何れも、特に多数のソースを同じファイバに結合する場合は特に効果的なものではない。この場合は同一パッケージにおいて多数のシングルモードアライメントが生じるのである。

アライメント許容差を若干緩和させる最も簡単な方法は、レーザーをより大きい光学的モードで製作することである。最も一般的に使用される技法は、レーザーの出力位置に光学的モードを拡大させるテーパセクションを持たせることである。これにより、レーザーモードは光ファイバまたは波長モードと略同サイズとなり、アライメント許容差は約４分の１ミクロンから約１ミクロンに増大する。この技法の欠点は、レーザーまたは半導体ソースの製造がより複雑化してコスト上昇を招くことである。レーザーの性能も若干犠牲となる。更には、レーザーの光学モードを若干大きくしても劇的なレーザー効果は生じない。１ミクロンのアライメント許容差は４分の１ミクロンよりは良いものの、低コストパッケージ技術には尚、適さない。

他の技法は、レーザーのファセットをエッチングして石英利用型のパッシブ導波路を追加することである。レーザー源内のパッシブ導波路とＰＬＣ内の導波路とにおける実行屈折率が合致され、且つ若干テーパ付けされ、結合パワーの全てが理論上レーザー源から下方のシングルモード導波路内に移行可能とされる。これによりダイボンディングプロセスの許容差が約５ミクロンに緩和され、標準のパッケージング及びダイボンディング機器を使用可能となる。この技法の問題はレーザーチップがひどく複雑化することである。ファセットをエッチング処理し、エピタキシャル及びリソグラフ法を介してパッシブ導波路を半導体導波路に整列させる必要がある。この種のレーザーは高度にカスタマイズされ、レーザー導波路と、このレーザー導波路に隣り合わせて形成したパッシブ導波路との間の光学的ロスの発生が避け難い。

アクティブではなくむしろパッシブなアライメントを伴うＭＥＭＳもまた、レーザー及び導波路の整合に使用されている。アライメントは、制御ループがアライメントを維持する状態下にＭＥＭＳミラーを用いて実施する。然し乍ら、作動中にフィードバックループを維持する必要上、作動中はパッケージ外側の高電圧制御エレクトロニクスをアクティブ化しておく必要がある。

ＭＥＭＳアクティブアライメント法の、アレイのスイッチ及びアライメントのための幾つかの提案がなされている。可動の導波路を有するもの（Ｅ．Ｏｌｌｉｅｒ，“１＼×８Ｍｉｃｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｗｉｔｃｈｅｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｍｏｖｉｎｇ Ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ，”ｉｎ Ｐｒｏｃ． ２０００ ＩＥＥＥ／ＬＥＯＳ Ｉｎｔ．Ｃｏｎｆ． Ｏｐｔ． ＭＥＭＳ ｋａｕａｉ，ＨＩ， Ａｕｇ ２０００，ｐｐ．３９−４０）、ねじれミラーを有するもの（ＭＥＭＳ ｏｐｔｉｃａｌ ｓｗｉｔｃｈｅｓ， Ｔｚｅ−Ｗｅｉ Ｙｅｏｗ； Ｌａｗ， Ｋ．Ｌ．Ｅ．；Ｇｏｌｄｅｎｂｅｒｇ，Ａ．Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ Ｍａｇａｚｉｎｅ，ＩＥＥＥ Ｖｏｌｕｍｅ ３９， Ｉｓｓｕｅ １１，Ｎｏｖ ２００１ Ｐａｇｅ（ｓ）：１５８−１６３）、そしてｘ−ｙステージ上のレンズを有するもの（ＭＥＭＳ ｐａｃｋａｇｉｎｇ ｆｏｒ ｍｉｃｒｏ ｍｉｒｒｏｒ ｓｗｉｔｃｈｅｓ， Ｌｏｎｇ−Ｓｕｎ Ｈｕａｎｇ； Ｓｈｉ−Ｓｈｅｎｇ Ｌｅｅ， Ｍｏｔａｍｅｄｉ，Ｅ．；Ｗｕ， Ｍ．Ｃ．； Ｋｉｍ， Ｃ．−Ｊ． Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ ＆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，１９９８． ４８ｔｈ ＩＥＥＥ Ｖｏｌｕｍｅ， Ｉｓｓｕｅ， ２５−２８ Ｍａｙ １９９８ Ｐａｇｅ（ｓ）： ５９２−５９７）がある。然し乍らこれら全ての方策は複雑であり且つ例えばＰＬＣへの適用が困難である。

Ｅ．Ｏｌｌｉｅｒ，"１＼×８Ｍｉｃｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｗｉｔｃｈｅｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｍｏｖｉｎｇ Ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ，"ｉｎ Ｐｒｏｃ． ２０００ ＩＥＥＥ／ＬＥＯＳ Ｉｎｔ．Ｃｏｎｆ． Ｏｐｔ． ＭＥＭＳ ｋａｕａｉ，ＨＩ， Ａｕｇ ２０００，ｐｐ．３９−４０ ＭＥＭＳ ｏｐｔｉｃａｌ ｓｗｉｔｃｈｅｓ， Ｔｚｅ−Ｗｅｉ Ｙｅｏｗ； Ｌａｗ， Ｋ．Ｌ．Ｅ．；Ｇｏｌｄｅｎｂｅｒｇ，Ａ．Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ Ｍａｇａｚｉｎｅ，ＩＥＥＥ Ｖｏｌｕｍｅ ３９， Ｉｓｓｕｅ １１，Ｎｏｖ ２００１ Ｐａｇｅ（ｓ）：１５８−１６３ ＭＥＭＳ ｐａｃｋａｇｉｎｇ ｆｏｒ ｍｉｃｒｏ ｍｉｒｒｏｒ ｓｗｉｔｃｈｅｓ， Ｌｏｎｇ−Ｓｕｎ Ｈｕａｎｇ； Ｓｈｉ−Ｓｈｅｎｇ Ｌｅｅ， Ｍｏｔａｍｅｄｉ，Ｅ．；Ｗｕ， Ｍ．Ｃ．； Ｋｉｍ， Ｃ．−Ｊ． Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ ＆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，１９９８． ４８ｔｈ ＩＥＥＥ Ｖｏｌｕｍｅ， Ｉｓｓｕｅ， ２５−２８ Ｍａｙ １９９８ Ｐａｇｅ（ｓ）： ５９２−５９７

従来問題を解決するマイクロ機構により整列された光学アセンブリ等を提供することである。

本発明のある様相において、波長の異なる多数のレーザー、該異なる波長を単一導波路内に結合させ得る平面光回路、その全てをサブマウント上にマウントしたマイクロ機構手段を用いてその少なくとも初期において位置調整可能なレンズセット、を含む構造であって、
前記レーザー及び平面光回路が前記サブマウント上に半田付けされ、
レンズホルダがサブマウントの一体部分とされ且つ初期において調整自在とされる構造が提供される。
前記構造において、レンズホルダはレバー上に配置され、かくしてレンズセットの位置調整に使用される動作が縮小される。
前記構造において、前記サブマウントは一体化したヒーターによりリフローされ得る予備付着ハンダ部分を含み、当該ハンダはレンズの位置をロックダウンさせ得る。

前記構造において、サブマウント上にアクチュエータが該サブマウントの一体部分として形成され、前記アクチュエータは外部の機械的動作無しにレンズを移動させて前記結合を最適化する。
本発明のある様相によれば、少なくとも１つのレーザー、１つの出力導波路、マイクロレンズ、を含む構造が提供され、前記マイクロレンズは、結合の最適化後に電子機械的手段により移動されてロックダウンされる。
本発明のある様相によれば、波長の異なる多数のレーザー、異なる波長を単一導波路内に結合させ得る平面光回路、ビームをコリメート及びフォーカシングするレンズセット、マイクロミラーセットにして、その偏向が前記ビーム位置及び導波路内へのビームのフォーカシングを調整し得るマイクロミラーセット、を含む構造が提供される。
前記構造において、前記平面光回路の頂部にレーザーがマウントされ、該レーザーが、前記調節自在のマイクロミラー上にマイクロレンズを通して光ビームを放出する。

本発明の１様相によれば、マイクロ機構により整列された光学アセンブリであって、基体上の第１導波路と、前記基体上の第２導波路と、第１導波路の光を第２導波路内にフォーカシングするレンズと、レンズを保持するレバーにして、その少なくとも１つの先端位置を前記基体に関して固定したレバーと、を含み、該レバーが、該レバーが移動すると少なくとも第１導波路の光の光軸以外の方向でのレンズの移動が縮小されるような位置で前記レンズを保持し、前記レバーが、レンズを第１導波路の光を第２導波路内に合焦させるべくレンズを位置決めするよう可動である光学アセンブリが提供される。

本発明の１様相によれば、前記光学アセンブリにおいて、基体上の更に他の複数の第１導波路と、前記基体上の更に他の複数の第２導波路と、更に他の複数のレンズにして、前記更に他の第１導波路の相当する１つの光を前記更に他の第２導波路の相当する１つ内にフォーカシングするためのレンズと、更に他の複数のレバーにして、前記更に他の複数のレンズの相当する１つを保持し、前記基体に関して固定した少なくとも１つの位置を有し、前記更に他の各レバーが移動すると、相当する前記レンズの、少なくとも前記更に他の第１導波路の相当する１つの光の光軸以外の方向での移動が縮小されるレバーと、が更に含まれる。

本発明の１様相によれば、光学装置であって、光を提供する構成を有する第１光コンポーネントと、光を受ける構成を有する第２光コンポーネントと、第１光コンポーネント及び第２光コンポーネント間の光通路内の第３光コンポーネントにして、第１光コンポーネント及び第３光コンポーネント間の光通路により確定される軸と実質的に平行な軸に沿った長さを有するアーム上に取り付けた第３光コンポーネントとを含む光学装置が提供される。

本発明の１様相によれば、整列した光学アセンブリの作製方法であって、レンズを保持するレバーを操作して前記レンズを第１導波路からの光を第２導波路内に合焦させるよう位置決めすること、を含み、前記第１導波路及び第２導波路が基体に物理的に結合され、前記レバーが前記基体に関して位置固定した支点を有し、該レバーが、前記レンズの、光の光軸以外の移動を縮小する方法が提供される。

本発明の１様相によれば、整列された光学アセンブリの作製方法であって、レンズを保持するレバーを移動して前記レンズを、第１導波路からの光を第２導波路内に合焦させるよう位置決めすること、を含み、前記第１導波路及び第２導波路が基体に物理的に結合され、前記レバーが前記基体に関する固定位置を有し、該レバーが、前記第１導波路からレンズへの光の光軸と実質的に平行な長さを有し、前記レバーの固定位置及びレンズとが第１導波路からの光を第２導波路内にフォーカシングさせる方法が提供される。

本発明の１様相によれば、マイクロ機構により整列された光学装置であって、基体に結合した第１導波路と、前記基体に結合した第２導波路と、第１導波路からの光を第２導波路内にフォーカシングするレンズにして、前記光が、前記基体の平坦ベースと実質的に平行な光軸を有するレンズと、レンズを保持するホルダにして、前記基体に物理的に結合したホルダと、該ホルダに少なくとも部分的に結合した少なくとも１つの電気賦活性のアクチュエータにして、前記ホルダ位置を有効固定する手段の適用無しに少なくとも１方向に移動せしめるアクチュエータと、前記ホルダ位置を有効固定する手段と、を含む光学装置が提供される。

本発明の１様相によれば、光学アセンブリの整列方法であって、基体に物理的に結合した第１導波路から光を提供すること、電気シグナルをアクチュエータに提供して第１導波路からの光を第２導波路内に合焦させるようレンズを移動させること、を含み、前記レンズが第１導波路上に物理的に結合したホルダ上に配置され、前記アクチュエータが前記ホルダに物理的且つ固定状態に結合され、前記レンズが第１導波路からの光を第３導波路内にフォーカシングしたことを決定すること、前記ホルダの位置を固定すること、を含む方法が提供される。

本発明の１様相によれば、整列された光学装置であって、基体に物理的に結合した入力導波路と、前記基体に物理的に結合した出力導波路と、入力導波路からの光を出力導波路内に合焦させるレンズと、レンズを保持するアームにして、入力導波路から出力導波路への直線通路により画定される軸と実質的に平行な長手方向長さを有し、前記基体に関して位置固定されたアームと、を含む光学装置が提供される。

本発明の１様相によれば、整列された光学装置であって、基体に物理的に結合した入力導波路と、前記基体に物理的に結合した出力導波路と、入力導波路からの光を出力導波路内に合焦させるレンズと、レンズを保持するアームにして、入力導波路から出力導波路への直線通路により画定される軸と実質的に平行な長手方向長さを有するアームと、該アームの位置を前記基体に関して固定する手段と、を含む光学装置が提供される。

本発明の１様相によれば、光学装置であって、入力導波路と、出力導波路と、ホルダ内に取り付けた凸状ミラーにして、入力導波路からの光を出力導波路内に反射させるべく、該凸状ミラー位置を有効固定する手段の適用無しに可動の凸状ミラーと、該凸状ミラーに物理的に結合したアームにして、凸状ミラーから遠位側の可動の自由端を有するアームと、前記凸状ミラー位置を有効且つ恒久的に固定する手段と、を含む光学装置が提供される。

本発明の１様相によれば、光学装置であって、基体に物理的に結合した複数の入力導波路と、前記基体に物理的に結合した複数の出力導波路と、ホルダ内に取り付けた複数のレンズにして、前記入力導波路の相当する１つからの光を前記出力導波路の相当する１つ内に合焦させる複数のレンズと、前記ホルダに物理的に結合した複数のアームにして、前記基体に関する該アーム位置を有効且つ恒久的に固定する手段の適用無しに、前記入力導波路の相当の相当する各々からの光を、相当する出力導波路の相当する１つ内に合焦させるよう可動の複数のアームと、前記基体に関する該複数のアーム位置を有効且つ恒久的に固定する手段と、を含む光学装置が提供される。

図１は、微小調節自在ステージ上のボールレンズを用いる、４つの入力導波路を備える平面光回路（ＰＬＣ）に結合した４つのレーザーの例示図である。 図２Ａ、２Ｂは、各々異なる波長を単一導波路内で多重化させるシリコンオンインシュレータＰＬＣ及びＰＬＣの１例における透過率対波長のチャート図である。 図３は、分布フィードバックレーザーの概略図である。 図４Ａは、例えばクラスＩレバーによるレンズの動作の縮尺の略例示図である。 図４Ｂは、例えばクラスＩＩレバーによるレンズの動作の縮尺の略例示図である。 図４Ｃは、ハンドル／レンズホルダ／バネアセンブリの例示図である。 図５は、共振周波数及び歪みを、直径２５０ｕｍ及び５００ｕｍの各ボールレンズに関する変動するバネパラメータの関数として示すプロット図である。 図６は、種々のレンズ直径での、カスタムアスフェリックと比較した場合のシリコンボールレンズの結合効率の例示図である。 図７は、１００ｕｍ及び３００ｕｍのボールレンズの横方向不整合の関数としての結合効率の種々の例を示す例示図である。 図８Ａ及び図８Ｂはシリコン光学ブレッドボードの例示図であり、図８Ａは本来のシリコン−オン−インシュレータの断面を、図８Ｂは完全に処理されたブレッドボードを夫々示す。 図９は、レンズ、ＰＬＣ、レーザーダイオードを配置した状態における図８のブレッドボードの例示図である。 図１０Ａ及び１０Ｂは、ハンダを予備付着させ、該ハンダを溶融させてマイクロレバーアームを整列位置に錠止した場合の断面図であり、図１０Ａはアライメント及びハンダ付け以前の、図１０Ｂはアライメント及びハンダ付け完了後の断面を夫々示す。 図１１は、ハンドルの直線偏倚の関数としての、導波路内への結合パワーの依存性を示す例示図である。 図１２は、出力導波路に結合され、該出力導波路を異なる位置にずらした場合の結合パワーを示す図であり、ＭＥＭＳを起動させるた場合に結合パワーが完全に回収される状況が例示される。 図１３は、２つのバネを備えるレバー構造を示す例示図であり、当該構造により横方向及び垂直方向のみならず長手方向の許容差が緩和され、仮にハンドルを押し込むまたは伸張するとレンズが前記２つのバネのスチフネス比に比例して移動する。 図１４は、マイクロレンズのアライメント用の３軸ステージの例示図であり、一体型ヒーターを備えるシェブロンが光軸に沿ってレンズを押すと二重アーム熱アクチュエータがレンズを横方向に移動させ、他方、アーム下方の静電容量式パッドが前記レンズを静電気的に上下動作させる。 図１５は、４つのマイクロレンズかまたは４つの個別のレンズのアレイと共に使用するレンズホルダの例示図である。 図１６Ａは４つの一体化した導波路を備えるＰＬＣに代えて４本のファイバを使用する本発明の実施例の例示図であり、図１６Ｂはファイバ及び該ファイバを保持する溝の断面図である。 図１７は、アライメントロッドに結合した単独の球状ミラーと、４つの球状ミラーのアレイを組み立て状態で示す斜視図である。 図１８Ａ及び１８Ｂは、レーザーダイオードの拡開するビームを再合焦させてＰＬＣの入力導波路内に戻すために使用する湾曲ミラーの側面図（１８Ａ）と、上面図（１８Ｂ）との例示図である。 図１９は、レーザーからの光をＰＬＣ内に結合させるためのボールレンズ及び湾曲ミラーの組み合わせ状況を示す例示図である。本図ではアイソレータを２つの端部間に配置し得る。 図２０は、４つのレーザーと、各ビームを単一のファイバ内に多重化させるための４つの調節自在の凸状ミラーと、１つの薄フィルムフィルタとの組み合わせの例示図である。 図２１Ａ及び２１Ｂは、本用途における高い結合効率を提供し得るアスフェリックレンズのシリコン内部ディメンションの例示図であり、当該インセットでは結合損失はポジショニングエラーの関数として示される。 図２２は、本発明に従う光学装置の配列方法のフローチャート図である。

本発明の各様相において、光学系を結合最適化のために移動させるサブマウントに一体化した調節自在要素が使用される。アライメントが完了または受容可能となった場合、各パーツはマイクロヒーターを用いて然るべき位置に恒久的にハンダ付けされる。
図１には本発明の各様相に従う、レーザー／ＰＬＣの結合部分が示される。全アセンブリは、ハイブリッドインテグレーション用に好適に調製したシリコンブレッドボードまたはプラットフォーム１０上にマウントされる。多数の周波数を１つの導波路内に結合させるＰＬＣマルチプレクサ２０が前記シリコンブレッドボード上にマウントされる。当該装置はシリコン−オン−インシュレータ（ＳＯＩ）内に形成したエッチング処理した格子に、またはシリカ−オン−シリコン技法で形成したシリカアレイ導波路回折格子（ＡＷＧ）に基づくものであり得る。何れにせよ、例示した如く４つ等の複数の入力導波路３０がチップの一方側位置に、また他方側位置には出力用の単一の導波路が配置され得る。

シリコンブレッドボード１０上には４つのレーザー６０もまたハンダ付けされる。各レーザーは波長が異なり、当該波長はＰＬＣの入力導波路の波長に合致されるのが好ましい。各レーザーから拡散する光は代表的にはその半値全幅が水平方向で２０°、垂直方向では３０°であり、ボールレンズ５０によりＰＬＣ３０の入力導波路内に再合焦される。ボールレンズ５０はイメージを拡大し且つ遠視野をＰＬＣ入力導波路のずっと小さい自然発散（代表的には１５°×１５°）に合致させるために、ＰＬＣよりはむしろレーザーに接近配置させることが好ましい点に留意されたい。

各ボールレンズ５０はシリコンブレッドボード材料を銅箔除去したホルダ内に嵌合される。当該ホルダは初期において全３次元において自由移動する。ホルダの１端位置には全３軸において操作可能なハンドル９０が配置される。ホルダの他端はシリコンブレッドボード１０に固定され、移動不可能である。ボールレンズとホルダの固定端との間には、ジグザグ型の薄いシリコンで作製され、かくして若干引き伸ばし及び上下折り曲げ可能なバネまたは屈曲体（ｆｌｅｘｕｒｅ）４０が配置される。ハンドル９０を上下に操作するとホルダ上のレンズも上下動作する。バネ／レンズ／ホルダからなるアセンブリ全体がレバーを構成し、レンズはピボット点にずっと接近して配置される。これにより、ハンドルの大きな動作がレンズのより小さい動作を生じさせる機械的縮小が生じる。

ｘ及びｙ方向（上下及び左右）でのシステムの光学的アライメントが一般に重要であることから、縮小は両軸で生じる。然し乍ら、z軸または光軸ディメンションではアライメント許容差はずっと緩和されるため縮小は不要である。この場合はバネ４０が若干量伸張または圧縮される。
ハンドル８５上には小型のメタリゼーション（ｍｅｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ）パッドが、ホルダ８０の何れかの側部には２つの肉厚ハンダ付着物が、夫々配置される。２カ所のハンダ付着部分間のメタリゼーション８７（図１０Ａに示す）により電気的接点が形成され、各ハンダパッド間に電流を印加すると局所加熱が生じてハンダがハンドルを固定する位置に流動する。レーザー、ＰＬＣ及びレンズをステージ上に取り付けた後、レーザーを賦活させ、ホルダ９０を調整してＰＬＣへの光結合を最大化させる。受容可能で且つ好ましくは最適な光結合状態下に、ハンダパッドに電流を印加し、かくしてハンダをホルダが然るべく固定される位置に流動させる。ＰＬＣの光出力を判定することにより光結合を評価し得、前記判定は例えば、光パワーメーターその他装置を利用して測定し得る。アセンブリの遠位端位置にハンダパッドを設ける実質的利益は、ハンダ冷却時に生じ得る機械的な動きが縮小され、システム状の出力結合の減少が最小化することである。一般に、ハンダを溶融させる電流はハンダがホルダを然るべく固定する位置に流動した後に除去され、または十分な熱をハンダに付加して溶融させる。ハンダは接着材として作用する。種々の実施例において、他の接着材を用いてホルダを然るべく固定し得、またはレーザー溶接あるいはその他手段を使用できる。

システムの整列後、高速ドライバＩＣ７０をアセンブリ上部に取り付け得るが、ある実施例では高速ドライバＩＣをシステムアライメントに先立ち取り付け得る。チップはレーザー及びシリコンブレッドボードにワイヤボンディングされ得る。高速ドライバＩＣ７０とレーザー６０との間の距離を短く維持することで良好なシグナルインテグリティが維持され、また恐らくは５０Ωマッチングレジスタの使用が回避され得る。

シリコンブレッドボード上には、チップ周囲から高速ドライバＩＣ及びレーザーへの低速及び高速の両シグナルを取得する電気的相互接続９５も設けられる。ＰＬＣの出力は、図示されないが、恐らくは別のレンズ及びアイソレータを通してファイバに結合される。次いでアセンブリ全体が蓋掛けされ、構造は密封される。チップ９８の周囲の肉厚の絶縁体が、蓋による電線短絡を防止すると共に、高速ドライバＩＣの使用下にレバーアームの動作空間をも許容する。

図２Ａには、前記一体化のために市販入手可能で且つ好適なＰＬＣチップが示される。当該チップ自体は番号２００で示され、そのスペクトル特性が図２Ｂに示される。先に説明した如く、４つの入力導波路３０と単一の出力導波路２１０とが含まれる。
図３には、本用途に適する分布フィードバックレーザー（ＤＦＢ）が示される。ＤＦＢレーザーは一般入手可能である。レーザーチップはインジウムリン（ＩｎＰ）基体３６０上に形成される。光自体は高屈折率ＩｎＧａＡｓＰ導波路コア３３０内で生成される。電流は頂部接点３２０に供給され、アクティブストライプを通過する以外の全ての場所で中間層３５０により阻止される。これらのレーザーは、その波長が回折格子ピッチにより正確に決定される明確なシングルモードスペクトルを有する。本発明ではそれら各レーザーは適宜の波長を有することが好ましい。図３に示されるように、ＤＦＢは端面発光レーザーである。

本発明の各様相において、レンズ動作は当該レンズをその上に配置するレバーにより縮小される。図４ＡにはクラスＩレバーが略示され、レバー用の支点として作用する固定点４１０を有している。前記レバーの一方側にレンズ５０が取り付けられ、外側のアクチュエータまたはレバーの、ハンドル９０を設け得る他方側上の一体アクチュエータの何れかによりレバーに動作が付与される。レンズと支点との間の距離が前記ハンドルから支点までの距離未満である場合に物理的縮小が生じる。レンズ５０はソース導波路４５０から光を受け、当該光を出力導波路３０内に合焦させる。ある実装例ではソース導波路はＤＦＢレーザーにより提供され、出力導波路はＰＬＣにより提供される。レンズによる利益は、当該レンズがモードのサイズを有効変換し得、かくして結合効率が良好化することである。図４Ａ及び図４Ｂでは入力導波路は出力導波路よりも小さく示され、従ってレンズはイメージをモードに合致させるべく拡大するために出力導波路より入力導波路により接近している。レバーのホルダ側を図で矢印４６０で示す如く上昇させると、レンズは図で矢印４７０で示す如く降下する。当該構成上の利益は、レンズの動作がレバーによって縮小され、かくして動作４７０が動作４６０よりもずっと小さくなり、より正確なアライメントを入手可能となることである。クラスＩレバーの場合、レンズはハンドルの動作方向とは逆に動作する。

図４ＢにはクラスＩＩレバーを用いた同一コンセプトが示され、支点または固定点４１０が、図１の装置の場合と同様に、ハンドルとは反対側でレバーの端部位置に配置されている。この場合、動作４６０はやはり縮小されるがその動作方向は同一となる。
図４Ｃには本発明用に有益なバネ、ホルダ、ハンドル、のアセンブリの１実施例の詳細が示される。図４Ｃの実施例はそのコンセプトにおいて、アセンブリの第１端４１０を然るべく実質的に固定し、アセンブリの第１端がアンカー点または支点である状態ではクラスＩＩレバーとその作用は同じである。前記第１端は固定され且つシリコンブレッドボードに結合される。バネまたは屈曲体４０はアセンブリの上下左右の屈曲及び伸張の格納力を許容または増大させる。レンズ自体は、エッチドリング４３０を有するホルダセクション４２０内に嵌入される。アセンブリは、アンカー点４１０からレンズのホルダセクション４２０までの距離よりも実質的に長いレバーアーム４４０を有することが好ましい。これにより、前記ホルダセクション内でのレンズの機械的動作が縮小され得る。レバーの他方側に接近して、溶融したハンダに接着すしてレバーを然るべく固定するメタリゼーションパッド８５が設けられる。ハンドル９０は前記第１端とは反対側の第２端位置に配置され、レンズの位置決め、またはレンズ位置を最適化するアクチュエータと合致させるために使用され得る。

バネは、好ましくは、当該バネが過度の歪みを受けずにｘ、ｙ、ｚの各軸方向に十分移動し得るよう十分弱く設計されるべきである。同様に、好ましくはバネはアセンブリの共振周波数を低くせず且つショック及び振動に感応するに十分な硬さを有するべきである。バネはシリコンを薄く、狭幅に、またはバネセクションを長くすることで弱く作製し得る。同様に、バネは前記ディメンションを逆にすることで堅く作製し得る。ほぼ全ての質量はボールレンズ内にあり、アセンブリの共振周波数はバネ定数とレンズ質量とが分かれば算出可能である。同様に、シリコン上の歪みはレンズの平衡からの偏倚により算出し得る。レンズの最大偏倚はレーザー及びＰＬＣのダイボンディングの精度により判定する。図５にはレンズの最大偏倚を、半主導ダイボンダを使用して達成し得る３ミクロンと仮定した、直径２５０ｕｍ及び５００ｕｍのボールレンズに関する前記算出結果が示される。ｙ軸上にはアセンブリの共振周波数が、ｘ軸上にはシリコン内の最大相対歪みが、夫々プロットされる。本設計上好ましくは、外部のショック及び振動に無感応な高い共振周波数を有するべきである。代表的には８００Ｈｚまでの共振周波数に関してはＴｅｌｃｏｒｄｉａ Ｓｔａｎｄａｒｄｓを問題なく使用できる。従って、ｙ軸上の設計点を前記値以上とすることが好ましい。ｘ軸に関し、シリコンのヤング率を降伏応力で除算すると、シリコンは完全破断以前に理論的に４％伸張し得ることが分かる。かくして、バネのｘ軸の設計点はこの相対歪み値以下であることが好ましい。図５に示される如く、バネは、デザイン上の制限以外の全ての点では相当自由に設計される。レンズが小型化するに従い、デザイン上のマージンは増大する。

ボールレンズもまた、好ましくは光結合のために設計されるべきである。最適設計がレーザーモードをＰＬＣ導波路モードに合致させる。ボールレンズはアセンブリを低コスト化及び容易化するオーダー上、本用途には理想的であるが、ガラス非球面と比較して球面収差が増大する問題がある。図６には、十分小型の光学系を使用した場合に前記問題が比較的少なくなることが示される。一般に、収差は光学系のディメンションを低減させると減少する。図６のｘ軸はレンズ直径を表し、ｙ軸は算出した結合効率を表す。通常のガラス非球面の場合、レンズ表面の最適結合を、各モードの楕円率のミスマッチによる唯一の制限下に９０％以上に設計し得る。然し乍ら、シリコンから作製したボールレンズは球面収差が大きく、直径１ｍｍの場合の結合効率は３５％に過ぎない。しかし、光学系のサイズを低減させるとボールレンズの結合効率及び非球面はずっと小さくなる。小型のボールレンズのアライメント許容差は大型の光学系におけるそれよりも若干厳しいが妥当な範囲のものである。図７には１００ミクロン及び３００ミクロンの各ボールレンズに関するアライメント許容差の算出値が示される。図７に示すように、より小型の光学系の結合効率が良好であるが、何れの場合も、０．５ｄＢの結合パワー低下に対する許容差は約０．１５ミクロンと類似している。

図８Ａ及び図８Ｂには図１に示す如き装置の、リソグラフ法を用いる処理ステップに関するものである。記号Ａで示すところの、最終的に光学的ブレッドボードとなる出発材料は、種々の市販供給源から入手可能なシリコン−オン−インシュレータの生ウェハである。基体８３０はｎタイプシリコンであり、本例では二酸化ケイ素の１ミクロン厚層８２０と、１５ミクロン厚のｐ＋タイプのトップシリコン層８１０とが含まれる。バネ及びハンドルはこのトップシリコン層から形成される。
前記ウェハを軽く酸化させた後、金属化して高速トレース９５を構成する。次いで、キャップをチップにシールする部分で前記高速トレースを覆い且つドライバＩＣ９８のマウントのための基礎をも形成する、比較的肉厚（〜２０ｕｍ）の絶縁体層をウェハ上に形成する。次いで前記トップシリコン層をエッチングし、ＳｉＯ₂層で停止させてバネ及びハンドルの周囲にキャビティを形成する。次いで、酸化物の下方のシリコンにＫＯＨ溶液でアンダーカットをエッチングし、かくしてバネ及びハンドルを分離させる。ＫＯＨは選択性を有し、ｐ＋をドープしたトップシリコン層は食刻しないことを銘記されたい。酸化物で素早く最終エッチング処理を施し、各機械的コンポーネント下方の残余の酸化物を除去する。最後に、ハンダを付着させた後に別のメタリゼーション層を被着させ、レバーアーム上にハンダ構造及びメタリゼーションを形成する。角度蒸着法を使用してメタリゼーションをレバーアーム下方の溝内に形成し得る。

光学的ブレッドボードを完成した後、４つのレーザーダイオードを約＜±５ｕｍの機械的許容差でアセンブリ内にハンダ付けする。次いで、ボールレンズを、例えばハンダまたは高温エポキシの何れかを使用してホルダに固定する。最後に、ＰＬＣを入力導波路との粗いアライメント下に装着し、図９に示す如き構造とする。
図１０Ａ及び１０Ｂにはメタリゼーションの周囲の一方のアームの断面図が、図１０Ａではハンダプロセス前、図１０Ｂにはアライメント後において夫々示される。アセンブリの能動的整列が、図１０Ａに示すハンダ形態下に開始される。各レーザーが起動され、レバー端部上のハンドルが、ＰＬＣ内への結合を最適化するべく調節される。アライメント用のフィードバックは、外部ファイバに結合した光パワーメーターまたは積分球、または、ＰＬＣ自体に搭載されて導波路内の光をモニターするオンボード型光検出器を用いることで入手され得る。受け入れ可能な、または好ましい最適なアライメントが実現された後、可動アームの各側上のメタリゼーションパッド間に電流が通過される。これによりハンダが溶融して前記キャビティ及びアーム周囲内に流動し、アームを図１０Ｂに示す如く然るべくシールまたは錠止する。

アライメント達成後にレバー位置を固定するその他方法には種々のものがある。例えば、ハンダを電気的に溶融させてアームを固定するのではなくむしろ、従来レーザーソルダリングとして参照され得るものの如くレーザーでハンダを加熱し得る。熱、ＵＶ光、あるいはその組み合わせの何れかにより硬化し得るエポキシを使用しても良い。レバーの両サイド上にハンダを設けるのではなくむしろ、一方側にソルダボールを単独で設け、溶融したソルダボール内にレバーを押し付けて当該部分を整列させ得る。最後に、シリコンを直接レーザー溶接してアームを然るべく固定し得る。
アームを固定した後ドライバＩＣを装着し、パッケージをワイヤボンディングし、標準的方法論を使用して出力をファイバに結合させ、キャップを被せてパッケージをシールする。

先に説明したレバーの使用はアライメント許容差を緩和させる上で極めて有益である。本発明に従う様相における装置が形成され、アライメント許容差がレバー端部の移動に関して測定される。図１１にはその実験結果が示される。図でｙ軸はＰＬＣに結合された光パワーを、ｘ軸はレバーの移動を夫々表す。種々の曲線は異なる軸での移動に相当する。点線で示す曲線１１１０は、レンズ自身がｘまたはｙ軸方向（ｚ軸を最適軸としての）に移動した場合の導波路内に結合される光パワーを表す。図１１に示すように、結合される光パワーは直線移動と共に急速に低下するため、光軸の外側でのアライメントは極めて正確であることが好ましい。この曲線は光ファイバアライメントにおいて要求される通常の許容差を表す。然し乍ら、レバーの場合はこのアライメント許容差は大幅に緩和される。曲線１１２０及び１１３０は、レバーを用いてｘ軸（水平）及びｙ軸（垂直）のアライメントを実施した場合の結合パワーを表す。図１１に示す如く、許容差はオリジナルの曲線１１１０と比較して大幅に緩和されている。この特定構造ではｚ軸での縮小は発生せず、曲線１１４０がレンズの長手方向偏倚に対する結合パワーの感度を表す。当該感度は焦点深度が深いことにより比較的緩和されるため、焦点深度を長くする必要は無く、また当該曲線は従来のアライメント技法に適用され、その１つが本明細書に提示される。ある実施例ではレーザーやＰＬＣ等のパーツは標準工具を使用して、緩和された位置決め許容差の下にブレッドボード上にハンダ付けされる。これらパーツをハンダ付けした後、各レバーを移動させて光ビームを整列させ、各レバーを最適位置に固定する。図１１に示す緩和された許容差により各レバーを粗く動作させ得、レバー固定に際しての少量のずれによる結合パワーへの影響は無視可能となる。然し乍ら、この技法を用いるとレンズを相当量偏倚させ得ることから、基本的許容差は図１１に示すよりずっと大きい。レンズを移動させる能力により、各パーツをかなり大きい許容差の下に初期配置させ得る。図１２には、ＰＬＣの位置決めにおける許容差に類似する、出力導波路を最適位置から水平方向に移動させ、アライメントを再最適化するべくＭＥＭＳをスキャンした場合の測定データが示される。図でｙ軸は出力導波路内への相対結合パワーを表す。出力導波路位置は±１２ミクロン移動可能であり、許容差を相殺するべくＭＥＭＳを再最適化し得ることを理解されよう。

先に説明した如く、上述したレバーは水平（ｘ）及び垂直（ｙ）方向の許容差を縮小させ得るが、長手（z）方向のそれは縮小しない。この点は、長手方向許容差は通常比較的大きいことから重要問題ではない。然し乍ら、ｚ方向での許容差緩和のために簡単な改変をも加え得る。この改変構成は図１３に略示される。当該構成は、レンズホルダ４２０の他方側上に追加の可撓性要素またはばね１３１０を追加する点を除き、先に説明した構成と非常に類似している。好ましくはバネ１３１０は、曲げ方向において抵抗性を有すべきであるが、長手方向における抵抗性は相当に弱くすべきである。ハンドル９０を押し込むに従い、バネ１３１０及び４０が共に圧縮される。２つのバネのスチフネスが等しいとレンズホルダ４２０はアンカー点４１０方向にハンドル９０の移動距離の半分移動し、従って、縮小係数は２となる。バネ３１０がバネ４０より９倍弱い場合は縮小係数は１０倍となる。

ある実施例では、レバーを移動させるアクチュエータが、レバー自体を含むブレッドボード上に直接形成される。コム、サーマル、静電、の各方式のものを含む様々の周知のアクチュエータが存在する。これらアクチュエータはレンズホルダ周囲に形成されてレバーを３軸全てにおいて移動させ得、またある実施例ではレバーを然るべく錠止するために使用され、またはハンダまたはエポキシ等の接着剤がレバーを然るべく固定する状態下に、レバーを保持し得る。次いで光学的ブレッドボードを完全に組み立てて自動較正プロセスに通し、当該プロセスにおいてオンチップアクチュエータを使用して種々の調節自在のコンポーネントが整列され、次いで固定され得る。これにより当該部分の製造が簡易化される。
図１４にはビルトイン型アクチュエータを備える構成例が示される。この場合、レンズホルダ４２０はシェブロン１４００に結合される。シェブロンは、その何れかの端部上にワイヤボンディング１４１０を、また表面１４２０上には薄厚のメタルトレースを含む装置表面上に形成した絶縁性メタリゼーションを含む。例えばレンズホルダは、シェブロンの、パッド１４１６を設ける両端位置でブレッドボードに結合または接続し得る。薄厚のメタルトレースは、ニクロムまたは、比較的抵抗性を有し且つ通過電流により加熱され得る別の材料から形成し得る。前記メタリゼーションはｐ＋シリコンから絶縁されるため、シェブロンには熱的おいてのみに結合される。電流通過及びシェブロンの加熱に伴い、シリコンは少量膨張する。この熱膨張がシェブロンのジオメトリにより拡大され、レンズホルダを図で左側に移動させる。

シェブロンはｐ＋材料から作製されるためやはり導電性を有し、各端部上には２つの追加的パッド１４３０を有する。これらパッドはシリコン中に合金化され、それらの間の通過電流がシリコン部分自体の内部を流れるようになる。アクチュエータはシェブロン１４４０内に中央セクションを有し、当該中央セクションが、ｎタイプインプラントを有し且つ一方のパッドから他方のパッドへの直通電流に対するバリヤを構成する。かくして、電流は頂部のパッドからレンズホルダ４２０を通過し、肉厚のレバーアーム４４０を通過し、次いで薄肉のレバーアーム１４５０を通して戻り、シェブロンを降下して下方にボンディングされたパッドへと流れる。前記薄肉のレバーアーム１４５０の電気抵抗が高いことから、当該薄肉のレバーアームは加温され、肉厚のレバーアームと比較して若干膨張する。これにより、２本のアームは図で矢印１４６０で示す上方に屈曲する。

レンズを光学的ブレッドボード方向に（図１１上で）降下させる第３アクチュエータは静電式のものである。アクチュエータ１４７０の下方に配置したパッドに負の電圧を印加することにより、当該アクチュエータは下方に静電的に偏倚され、かくしてレンズをその他のディメンションにおいて調節する。ある実施例では、アクチュエータ端部位置の“ハンドル”９０が、強い下方力を発生させるための広いエリヤを提供し得る。
図１４の実施例では各アクチュエータは１つの軸を、しかし１方向のみにおいて移動する。この場合、ブレッドボードのディメンションは、当業者には既知の如く可動範囲の半分で公称アライメントを入手し得るようなものとなる。かくして、アクチュエータへの電流を減少または増大すれば両方向での誤差が相殺され得る。アクチュエータが方向を逆転させ得る場合は当該アクチュエータを可動範囲の半分動作させる必要はない。

上述した３つのアクチュエータによりレンズを最適化した後、アクチュエータを先に説明したと同じ態様で然るべき位置にハンダ付けまたはそうでなければ固定させ得る。アクチュエータをハンダ付けした後、当該アクチュエータ用の電気的駆動体を取り外し、アクチュエータを然るべく配置する。アクチュエータが後退する際に幾分かの残留応力が生じ得るが、アクチュエータはハンダによって然るべき位置にしっかりと保持されるはずである。あるいは、レンズホルダからアクチュエータを取り外し、ハンダ内での変形やクリープを排除したい場合があり得る。図１４ではレンズホルダ１４８０に対する狭幅の接続部分を使用してアクチュエータを分離させ得る。あるいはレンズホルダをカウンターフォースバネで押し返し得る。レンズホルダを電気的動作により押し出させ、カウンターフォースバネを押圧させる。かくして、固定状態のアクチュエータを引き込んでもレンズホルダは静止したままとなる。

チャネル数が増えると一体アレイは個別のコンポーネントを使用する場合よりも簡易化され得る。例えば、単一のレーザーチップは多数のレーザー要素を収納し得、各レーザー要素は異なる波長で動作する設計とされる。同様に、マイクロレンズアレイは各要素間に正確な間隔を持たせる状態下に作製され得る。かくして、３つの要素全部、即ち、レーザーアレイ、マイクロレンズアレイ、ＰＬＣ入力導波路アレイ、の全てがマッチングされる。この場合、全てのマイクロレンズアレイはワンステップで整合され得る。図１５には、ある実施例におけるバネの自由端の周囲でブレッドボードに結合させるための、個別のレンズ用の配置位置を有する単一のレンズホルダが示される。あるいは、リソグラフにより画定されたレンズアレイをレンズホルダ上に取り付け得る。各レンズ間隔の調整が不要であることから、４つの個別のハンドル及び４本のバネではなくむしろ、２つのハンドル１５１０及び１５２０と、２本のバネ１５３０、１５４０のみを設け得る。この場合、２つのハンドルを一方または他方に押すと、全アセンブリが一緒に移動する。然し乍ら、各ハンドルを異なる方向に押して全アセンブリ構造を傾斜させることも可能である。

ＰＬＣが不要、またはパッケージ外側にファイバを結合済みの用途も存在する。これらの場合、ビームは多数のファイバ内に直接結合される。ある実施例ではＰＬＣに代えてリボンを構成する４本のファイバが使用される。図１６には当該実施例が示される。ＰＬＣは４本のファイバ１６１０で置き換えられている。シリコンブレッドボードの利点の１つは、各ファイバを正しい位置に案内するためのｖ字溝あるいはその他の整合構造をブレッドボード内に形成し得る点である。図１６には、異方性エッチングによるｖ字溝がファイバを保持する状況を示す拡大図も示される。当該ｖ字溝のメカニズムは斯界に周知のものである。所望であれば、ファイバ、及びその他の、各光通路における二重レンズ等をコリメートする以前にアイソレータを配置し、次いでビームを再合焦させることができる。

以上の議論は可動のマイクロレンズまたはボールレンズを用いてのアライメント最適化を主題とするものである。然し乍ら、それらレンズに代えて湾曲ミラーを使用できる。湾曲ミラーを、標準的な湾曲ミラー同様、合焦されたビームを操作してアライメントを最適化するべく静電的に移動させ得、あるいは手動回転させ得る。湾曲ミラーを図１７に示す如く、ピンの端部位置で切り抜き加工し得る。各ミラー表面１７１０をビームを反射及び合焦させるべく湾曲させる。湾曲ミラーを、例えば当該湾曲ミラーから遠位の端部から操作し得るロッド１７２０上に取り付ける。湾曲ミラーを含むピンを、回転して角度を変化し得るようにホルダ１７３０内に取り付ける。各ミラーのアレイ１７４０は容易に形成し得、各ピンの角度はレバー１７５０の端部を移動させることで個別調節される。各ピンの後部位置に長いロッド１７２０を設けることで、先に説明したジオメトリにおいて実現されたと同一の縮小効果が再度入手されることを銘記されたい。アライメント後に湾曲ミラーを然るべく固定する類似方法を使用できる。

図１８には光学的設計が示される。レーザー出力は湾曲ミラーで単純反射され、ＰＬＣの入力導波路上で再合焦される。各レーザーはＰＬＣの上部に取り付け得る。
ボールレンズ及び湾曲ミラーの組み合わせもまた使用可能である。この場合、結合効率はより高くなり、コンポーネント配置上の余裕が大きくなる。例えば、図１９に略示されるように、表面実装形アイソレータ１９１０をボールレンズと球面ミラーとの間に配置し得る。表面実装形アイソレータは、仮に十分な大きさの孔を有する場合は４つ全てのビームを収受可能である。この場合、ボールレンズ５０はレーザーダイオードからのビームをコリメートし、湾曲ミラー１５１０がビームをＰＬＣ上に再合焦させる。ＰＬＣが適正方向に角度付けしたファセット１９２０を有する場合は結合が改善され得る。

図１９に示す構成ではその他コンポーネント用の入手可能空間が増大する。当該構成では例えば、ある波長を通すが他の波長は反射する薄膜フィルタを用いて全ての波長を相互多重化させ得る。これによりＰＬＣが不要化され、出力導波路に直結可能となる。当該構造は図２０に示される。４つのレーザーダイオード６０が光ビームを放出し、各ビームがボールレンズ５０によりコリメートされる。これら４つのコリメートされたビームは次いで３枚の薄膜フィルタ２０１０を通過し、その際にレーザーから直接衝突するビームを除き反射される。次いで各ビームは球面ミラーで反射され、結局は光ファイバ２０２０内に合焦される。パッケージ全体は凹型ミラーに結合したレバーを動作させることでやはり整合させ得る。

簡略化上、光学系は、レンズであれミラーであれ、一般に球形のものとして説明される。先に説明した如く、非球面は低収差を有するので結合効率を高め得ることは言うまでもない。本用途上はリソグラフ的にウェハ上に形成した平凸型シリコンレンズが極めて好都合である。当該レンズは市販入手可能であり、一般にフォトレジストまたはポリマーを、当該フォトレジスト形状をシリコンに移行させるドライエッチングステップ後に前記シリコン上にリフローイングさせて形成する。次いでレンズの前後の各面上に反射防止コーティングを施し、単独またはアレイ状の何れかに切断する。前記レンズをシリコン−オン−インシュレータウェハ上で形成し、次いで釈放させて極小レンズに形成することもある。図２１Ａにはそれらレンズが示され、図２１Ｂにはこれらレンズを使用しての、レーザーからＰＬＣへの結合の計算チャートが示される。

ある実施例では、ここで議論する如き装置に関する入力導波路から出力導波路内への光パワーを最適化するためには、先ず前記光の幾分かを出力導波路内で検出する。ビームが良好に合焦されるとそのスポットは極めて小さいためｘ及びｙ軸の各方向位置が最適化されていないと出力導波路内の結合光の検出が困難化され得る。ここで、ｘ及びｙ軸の各方向は相互に直交し、z軸方向が光の光軸に沿った方向とする。然し乍ら、例えば仮に、入力導波路及び出力導波路間のレンズのz軸方向での長さ位置が最適位置から遠いとビームの合焦度度は極めて低くなり、従って、光の少なくとも幾分かが出力導波路内で検出されることになる。かくして、ある実施例ではレンズを、先ず光軸に沿って出力導波路方向またはソース導波路方向の何れかの、そのほぼ最大位置にまで移動させる。次いで、導波路内の結合パワーを測定し、当該測定値を“Ａ”として記録する。レンズを光方向に直交する軸であるｘ軸方向において最適化させる。当該最適化は、レンズを正のｘ軸方向に少量移動させ、光を測定し、次いで負の方向に少量移動させ、光を測定することで実施し得る。何れかのポイント位置での光パワーがセンターポイント位置でのそれより大きい場合は当該新規ポイント位置をセンターポイントに設定してプロセスを反復する。当該サイクルをセンターポイントが最大結合パワーを有するポイントである確信が得られるまで継続する。次いで本プロセスを、光の進行方向に直交する他の軸であるｙ軸について、次いで、光の長手方向または進行方向であるz軸について正確に同一の方法で反復する。３軸全てについて整列させた後、結合パワーを再計測してこれを元の記録値Ａと比較する。結合パワーが増大している場合は全プロセスを反復する。他方、ｘ、ｙ、ｚの各軸についてのアライメントによる結合パワーの増大が生じない場合は最大結合パワーであることが保証され得るので、レンズをエポキシで固定し、またはレバーを基体にハンダ付けする。

ある用途では結合パワーがターゲット仕様以上に変調され得ることから、最大結合パワーが所望されないことがあり得る。更に、パワーは、レーザーからの反応を遅延させ得ることからレーザー電流減少による低減が実施されない場合がある。その場合、あるいはそうでない場合であっても、最適化後にレンズをz軸方向の最適位置から離間移動させ、出力導波路の結合パワーが所望値に達するまで結合パワーをその最大量から徐々に低下させ得る。

図２２にはソース導波路から出力に結合されるパワーを最適化するべく使用し得る制御ループ例のフローチャートが示される。図２２のプロセスは、光パワー判定用の回路と、例えばここで説明する如き光学装置のアクチュエータとに電子的に接続したコントローラまたは回路を用いて実施し得る。

ブロック２２１においてレンズを、出力導波路に最も近いz軸として考慮されるところの光軸に沿った位置に移動させるが、ある実施例ではレンズを出力導波路から最も遠い光軸に沿った位置に移動させ、本プロセスではｘ、ｙ、ｚの各軸における移動後の位置を前記各軸におけるセンターポイントとする。ブロック２２１５において、出力導波路に結合した光パワーの初期表示を決定する。
ブロック２２２０においてレンズを、光軸と直交する、ｘ軸として考慮される第１方向に短距離移動した位置と、逆方向での相当位置とに移動させ、両位置での出力導波路に結合する光パワーの示度を判定する。ある実施例ではｘ軸に沿った短距離は０．１ミクロンのオーダーのものであり得、ある実施例では約０．１ミクロン、他の実施例では０．１ミクロンであり得る。ブロック２２２５において、測定したパワーが、力導波路に結合された光パワーの初期示度以上であるか否かを判定する。仮に初期示度以上であれば、プロセスのブロック２２３０において当該位置を最大パワーのｘ軸センター位置に設定し、プロセスをブロック２２２０に戻す。そうでない場合はプロセスをブロック２２３５に進める。

本プロセスではブロック２２３５において、レンズを、光軸とｘ軸とに直交する、ｙ軸に沿った方向と考慮される第２方向に短距離移動した位置と、逆方向での相当位置とに移動させ、両位置での出力導波路に結合する光パワーの示度を判定する。ある実施例では前記ｙ軸に沿って短距離移動した位置はｘ軸に関して議論された如きものである。ブロック２２４０において、測定したパワーが出力導波路に結合された光パワーの初期示度以上であるか否かを判定する。仮にそうであればプロセスはブロック２２４５において当該位置を最大パワーのｙ軸センター位置に設定し、プロセスをブロック２２３５に戻す。そうでない場合はプロセスをブロック２２５０に進める。

ブロック２２５０においてレンズ位置をｚ軸方向に短距離移動させ、また可能であれば、逆方向で当該移動位置に相当する位置に移動させ、両位置での出力導波路に結合する光パワーの示度を判定する。ある実施例では前記ｚ軸に沿って短距離移動した位置はｘ軸に関して議論された短距離の５倍である。ブロック２２５５において、本プロセスでは測定されたパワーが、出力導波路に結合された光パワーの初期示度以上であるか否かを判定する。仮にそうであればプロセスはブロック２２６０において当該位置を最大パワーのｚ軸センター位置に設定し、プロセスをブロック２２５０に戻す。そうでない場合はプロセスをブロック２２７０に進める。

ブロック２２６５において、出力導波路に結合された光パワーの示度を判定するが、ブロック２２５０から測定されたパワーを使用できる。ブロック２２７０において、本プロセスでは当該ブロック２２７０において判定した光パワーがブロック２２１５において判定した光パワーよりも、ある実施例においては大きいか否かを、また他の実施例では実質的に大きいか否かを夫々判定する。仮にそうであればプロセスはブロック２２６５において、出力導波路に結合された光パワーの初期示度を、ブロック２２６５において判定された光パワーに設定し、プロセスをブロック２２２０に戻す。そうでない場合は、大抵の実施例においてレンズを保持するアームまたはレバー位置を固定してレンズ位置を固定し、次いでプロセスを戻す。
以上、本発明を実施例を参照して説明したが、本発明の内で種々の変更をなし得ることを理解されたい。

１０ シリコンブレッドボード
２０ ＰＬＣマルチプレクサ
３０ 入力導波路
４０ バネ
５０ ボールレンズ
６０ レーザー
６０ レーザーダイオード
８０ ホルダ
８５ メタリゼーションパッド
８７ メタリゼーション
９０ ハンドル
９５ 電気的相互接続
９８ チップ
２００ 番号
２１０ 出力導波路
２２１ ブロック
３１０ バネ
３２０ 頂部接点
３５０ 中間層
４１０ 第１端
４２０ レンズホルダ
４３０ エッチドリング
４４０ レバーアーム
４５０ ソース導波路
８３０ 基体

Claims (51)

1. マイクロ機構により整列された光学アセンブリであって、
   基体上の第１導波路と、
   前記基体上の第２導波路と、
   第１導波路の光を第２導波路内に合焦させるレンズと、
   レンズを保持するレバーにして、前記基体に関して固定した少なくとも１つの部位を有し、レバーを動作させると、少なくとも第１導波路の光の光軸以外の方向におけるレンズの動作が縮小されるようレンズをある位置に保持し、レンズを第１導波路の光を第２導波路内に合焦させるべく可動のレバーと、
   を含む光学アセンブリ。
2. 前記第１導波路の光がレーザー光である請求項１の光学アセンブリ。
3. 前記第１導波路が端面発光レーザーの少なくとも一部である請求項２の光学アセンブリ。
4. 前記レバーが前記基体に関して固定した少なくとも１つの部位とレンズ位置との間の屈曲体を含む請求項１の光学アセンブリ。
5. 前記レバーが実質的に光軸に沿って伸延する請求項１の光学アセンブリ。
6. 前記基体に関して固定した少なくとも１つの部位がレバーの第１端を含む請求項５の光学アセンブリ。
7. 前記レバーが自由端である第２端を有し、前記レンズが前記第１端よりも第２端により接近して位置決めされる請求項６の光学アセンブリ。
8. 前記レバーの第１端が前記第１導波路と第２導波路との間に配置される請求項７の光学アセンブリ。
9. 前記レバーが前記基体と一体化される請求項１の光学アセンブリ。
10. 前記基体がシリコン材料を含む請求項９の光学アセンブリ。
11. 前記レバーが、前記基体に関して固定した少なくとも１つの部位から前記レンズ位置までの距離より遠い位置に更に他の屈曲体を含む請求項５の光学アセンブリ。
12. 前記レバーの一部の周囲に接着材を更に含む請求項７の光学アセンブリ。
13. 前記接着剤が前記レバーの第１端よりも第２端により接近して位置決めされる請求項１２の光学アセンブリ。
14. 前記基体上の更に他の複数の第１導波路と、
    前記基体上の更に他の複数の第２導波路と、
    更に他の複数のレンズにして、前記更に他の第１導波路の相当する１つの光を前記更に他の第２導波路の相当する１つ内にフォーカシングするためのレンズと、
    更に他の複数のレバーにして、前記更に他の複数のレンズの相当する１つを保持し、前記基体に関して固定した少なくとも１つの位置を有し、前記更に他の各レバーが移動すると、相当する前記レンズの、少なくとも前記更に他の第１導波路の相当する１つの光の光軸以外の方向での移動が縮小されるレバーと、
    を更に含む請求項１の光学アセンブリ。
15. 光学装置であって、
    光を提供する構成を有する第１光コンポーネントと、
    光を受ける構成を有する第２光コンポーネントと、
    前記第１光コンポーネントと第２光コンポーネントとの間の光通路内の第３光コンポーネントにして、第１光コンポーネントと該第３光コンポーネントとの間の光通路により確定される軸と実質的に平行な軸に沿った長さを有するアーム上に取り付けた第３光コンポーネントと、を含む光学装置。
16. 前記第１光コンポーネントが前記第３光コンポーネントの一方側に配置され、前記第２光コンポーネントが前記第３光コンポーネントの他方側に配置され、前記アームが、前記第３光コンポーネントの対向する側部上に支点を有するレバーを形成する請求項１５の光学装置。
17. 前記第１光コンポーネントがレーザーであり、前記第３光コンポーネントがレンズである請求項１５の光学装置。
18. 前記第３光コンポーネントが凸レンズである請求項１５の光学装置。
19. 前記アームが、前記支点と第３光コンポーネントとの間のバネを含む請求項１８の光学装置。
20. 前記アームが、第３光コンポーネントと、該第３光コンポーネントの一方側上のアーム端との間に更に他のバネを含む請求項１９の光学装置。
21. 整列した光学アセンブリの作製方法であって、
    レンズを保持するレバーを操作して前記レンズを第１導波路からの光を第２導波路内に合焦させるよう位置決めすること、
    を含み、
    前記第１導波路及び第２導波路が基体に物理的に結合され、前記レバーが前記基体に関して位置固定した支点を有し、該レバーが、前記レンズの、光の光軸以外の移動を縮小する方法。
22. 前記レバーの位置を固定することを更に含む請求項２１の方法。
23. 前記レンズを位置決めすることが、前記レバーの、支点以外の一部を基体に関して然るべく接着することを含む請求項２２の方法。
24. 前記レバーの一部を基体に接着することが、レバーを、第２導波路からレンズよりも遠位位置で光の光軸に沿って位置決めすることを含む請求項２３の方法。
25. 前記レバーの一部を基体に接着することが、レバーの一部を前記支点から遠位位置で基体にハンダ付けすることを含む請求項２３の方法。
26. 前記レバーと基体とが同一材料から一体形成される請求項２１の方法。
27. 整列された光学アセンブリの作製方法であって、
    レンズを保持するレバーを移動して前記レンズを、第１導波路からの光を第２導波路内に合焦させるよう位置決めすること、
    を含み、
    前記第１導波路及び第２導波路が基体に物理的に結合され、前記レバーが前記基体に関する固定位置を有し、該レバーが、前記第１導波路からレンズへの光の光軸と実質的に平行な長さを有し、前記レバーの固定位置及びレンズとが第１導波路からの光を第２導波路内にフォーカシングさせる方法。
28. マイクロ機構により整列された光学装置であって、
    基体に結合した第１導波路と、
    前記基体に結合した第２導波路と、
    第１導波路からの光を第２導波路内にフォーカシングするレンズにして、前記光が、前記基体の平坦ベースと実質的に平行な光軸を有するレンズと、
    該レンズを保持するホルダにして、前記基体に物理的に結合したホルダと、
    該ホルダに少なくとも部分的に結合した少なくとも１つの電気賦活性のアクチュエータにして、前記ホルダ位置を有効固定する手段の適用無しに少なくとも１方向に移動せしめるアクチュエータと、
    前記ホルダ位置を有効固定する手段と、
    を含む光学装置。
29. 前記ホルダが前記レバーにより前記基体に物理的に結合される請求項２８の光学装置。
30. 前記アクチュエータの少なくとも一部が前記レバーにより前記ホルダに物理的に結合される請求項２９の光学装置。
31. 前記アクチュエータが熱的装置である請求項２８の光学装置。
32. 前記アクチュエータが静電装置である請求項３１の光学装置。
33. 前記ホルダを有効固定する手段が接着材を含む請求項２８の光学装置。
34. 前記ホルダに物理的に結合したバネにして、アクチュエータにより生じるホルダの移動に対向するバネを更に含む請求項２８の光学装置。
35. 光学アセンブリの整列方法であって、
    基体に物理的に結合した第１導波路から光を提供すること、
    電気シグナルをアクチュエータに提供して第１導波路からの光を第２導波路内に合焦させるようレンズを移動させること、
    を含み、
    前記レンズが、第１導波路上に物理的に結合したホルダ上に配置され、前記アクチュエータが前記ホルダに物理的且つ固定状態に結合され、前記レンズが第１導波路からの光を第３導波路内にフォーカシングしたことを決定すること、前記ホルダの位置を固定すること、
    を含む方法。
36. 前記レンズが第１導波路からの光を第３導波路内にフォーカシングしたことを決定することが、レンズが、第２導波路への結合された光パワーが最適化されるよう第１導波路からの光を第２導波路内にフォーかシングしたか否かを決定することを含む請求項３５の方法。
37. 前記レンズが第１導波路からの光を第３導波路内にフォーカシングしたことを決定することが、レンズが、第２導波路への所望の結合された光パワーを入手するよう第１導波路からの光を第２導波路内にフォーかシングしたか否かを決定することを含む請求項３５の方法。
38. 整列された光学装置であって、
    基体に物理的に結合した入力導波路と、
    前記基体に物理的に結合した出力導波路と、
    入力導波路からの光を出力導波路内に合焦させるレンズと、
    該レンズを保持するアームにして、入力導波路から出力導波路への直線通路により画定される軸と実質的に平行な長手方向長さを有し、前記基体に関して位置固定されたアームと、
    を含む光学装置。
39. 前記アームが前記基体の材料から一体形成され、前記アームが、前記基体に物理的に結合した第１端と、基体に接着した第２位置とを有する請求項３８の光学装置。
40. 前記第２位置を基体に接着する接着材を更に含む請求項３９の光学装置。
41. 前記レンズが、アームの第１端から遠位のアーム部分よりも前記第１端により接近した位置でアームにより保持される請求項３９の光学装置。
42. 整列された光学装置であって、
    基体に物理的に結合した入力導波路と、
    前記基体に物理的に結合した出力導波路と、
    入力導波路からの光を出力導波路内に合焦させるレンズと、
    該レンズを保持するアームにして、入力導波路から出力導波路への直線通路により画定される軸と実質的に平行な長手方向長さを有するアームと、
    該アームの位置を前記基体に関して固定する手段と、
    を含む光学装置。
43. 前記基体に物理的に結合した複数の更に他の入力導波路と、
    前記基体に物理的に結合した複数の更に他の出力導波路と、
    更に他の複数のレンズにして、前記更に他の入力導波路の相当する１つの光を前記更に他の出力導波路の相当する１つ内にフォーカシングするためのレンズと、
    更に他の複数のアームにして、前記更に他の複数のレンズの相当する１つを保持し、前記更に他の入力導波路の相当する１つから前記更に他の出力導波路の相当する１つへの直線通路により画定される軸に実質的に平行な長手方向長さを有し、
    前記更に他のアームの位置を前記基体に関して固定する手段と、
    を更に含む請求項４２の光学装置。
44. 光学装置であって、
    入力導波路と、
    出力導波路と、
    ホルダ内に取り付けた凸状ミラーにして、入力導波路からの光を出力導波路内に反射させるべく、該凸状ミラー位置を有効固定する手段の適用無しに可動の凸状ミラーと、
    該凸状ミラーに物理的に結合したアームにして、凸状ミラーから遠位側の可動の自由端を有するアームと、
    前記凸状ミラー位置を有効且つ恒久的に固定する手段と、
    を含む光学装置。
45. 複数の更に他の入力導波路と、
    複数の更に他の出力導波路と、
    複数の更に他のミラーにして、各々が複数の更に他のホルダの相当する１つにおいて可動取り付けされ、各々が前記更に他の入力導波路の相当する１つからの光を前記更に他の出力導波路の相当する１つ内に反射させるべく可動のミラーと、
    複数の更に他のアームにして、前記複数の更に他のミラーの相当する１つに物理的に結合され、各々が前記複数の更に他のミラーの相当する１つから遠位位置の自由端を有するアームと、
    を更に含む請求項４４の光学装置。
46. 前記入力導波路及び前記複数の更に他の入力導波路からの光をコリメートするレンズにして、前記入力導波路及び前記更に他の入力導波路と、前記ミラー及び前記複数の更に他のミラーとの間の光通路内に配置したレンズを更に含む請求項４５の光学装置。
47. 前記レンズとミラー及び複数の更に他のミラーとの間の光通路内の光アイソレータを更に含む請求項４６の光学装置。
48. 入力導波路及び複数の更に他の入力導波路と、ミラー及び複数の更に他のミラーとの間の光通路内に波長選択性の複数のフィルタを更に含む請求項４５の光学装置。
49. 光学装置であって、
    基体に物理的に結合した複数の入力導波路と、
    前記基体に物理的に結合した複数の出力導波路と、
    ホルダ内に取り付けた複数のレンズにして、前記入力導波路の相当する１つからの光を前記出力導波路の相当する１つ内に合焦させる複数のレンズと、
    前記ホルダに物理的に結合した複数のアームにして、前記基体に関する該アーム位置を有効且つ恒久的に固定する手段の適用無しに、前記入力導波路の相当の相当する各々からの光を、相当する出力導波路の相当する１つ内に合焦させるよう可動の複数のアームと、
    前記基体に関する該複数のアーム位置を有効且つ恒久的に固定する手段と、
    を含む光学装置。
50. 前記複数の入力導波路が共通チップ上に配置される請求項４９の光学装置。
51. 複数のレンズがマイクロレンズアレイを形成する更に含む請求項４９の光学装置。

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