JP2015531892A - 光結合および光電子変換のための方法および装置 - Google Patents

Abstract

光ファイバ内で伝搬する光信号を電気出力信号に変換するための方法であって、対向する平坦な表面を有し、光ファイバの屈折率より実質的に高い屈折率を有する材料から形成される光インターフェースを提供するステップと、インターフェースの対向する平坦な表面のうちの第１の表面を、光ファイバの出力端に隣接して配置し、光検出器をインターフェースの対向する平坦な表面のうちの第２の表面に隣接して配置するステップとを含み、これにより、光信号が光検出器に結合され、光検出器によって電気出力信号に変換される。

Description

この発明は、光通信の分野に関し、より詳細には、光インターコネクトと結合して使用するための光結合技法および機器に関する。

本願と同じ譲受人に譲渡された特許文献１は、高速光通信のための光インターコネクトを開示している。この公開に記載されているように、開示されているインターコネクトは、第１の位置と第２の位置の間で通信リンクを確立する際に使用するために適用され、第１の位置は通信されることになる入力データを受信する電気ドライバ回路を有し、第２の位置はその入力データを表す出力データを生成するための電気受信機回路を有する。この方法は、以下のステップ、すなわち、第１の位置にあり、傾斜電荷発光デバイスによって生成される光が入力データの関数であるようにドライバ回路と結合された傾斜電荷発光デバイスを提供するステップと、第１の位置と第２の位置との間に光ファイバを提供するステップと、傾斜電荷発光デバイスからの光を光ファイバ内に結合するステップと、第２の位置で、光ファイバとおよび受信機回路と結合された光検出器を提供するステップとを含み、それにより、入力データを表す電気信号が受信機回路から出力される。

そのような光インターコネクトシステムの受信機回路では、光ファイバケーブルの出力端からの光信号を、光信号を電気信号に変換する光ディテクタ、典型的には半導体光検出器内に結合することが必要である。当然ながら、この結合を高い効率で、すなわち、光ファイバの出力端を離れる光の最小限の損失で実施することは有利である。しかし、この技術の問題は、高効率結合の達成が受信機サブアセンブリのコストを実質的に増大することであり、これは、通信応用例における広範な使用に適している比較的安価な光インターコネクトを達成しようと努めるとき受け入れられない。

効率的な光結合技法を実装しようと試みるとき含まれるいくつかのコスト成分がある。最初に、光ファイバと光検出器能動エリアの相対サイズ（典型的には直径）が十分一致せず、異なるタイプの光インターコネクトについて変わることに注目することができる。１つのそのようなコスト成分は、光結合要素それ自体、たとえばファイバから出力された光を光検出器能動領域内に集束するためのレンズのコストである。コストの別の成分は、位置決め、位置合わせ、および光結合構成要素を定位置で固定することを含むアセンブリプロセス、およびアセンブリの最終的な光結合効率を損なうことなしにそれを行うことに関する。

従来技術の手法の例が、図１および図２に示されている。これらの図のどちらも、コア１０５およびクラッディング１０８を備える光ファイバの出力端が取り付けられているレセプタクル１２０を示す。レンズ要素１９０は、ファイバから出力された光を集束する。図１では、光は、基板１８２上の光検出器１８０の裏側で集束される。図２では、光は、基板１８２上の光検出器１８０の表側で集束される。（光検出器電気出力は、別々に示されていない。）図のように、従来技術は、ファイバから放出される光を光検出器上に結合するために比較的大きな１または複数のレンズの使用を含む可能性がある。これらのレンズは、通常、ファイバのものと同様の屈折率を有するプラスチックから構築される。デバイスの分離とレンズの焦点距離を一致させるために、アセンブリ中に精度が必要とされる。さらに、正確に湾曲した表面を構築するのが困難であることが、レンズのより高いコストの一因になる。

記載されている従来技術の手法の欠点および限界に対処することが、とりわけ本発明の目的である。

米国特許出願公開第２０１１／０１５０４８７号明細書

Ｒ．Ｆｉｓｈｅｒ ｅｔ ａｌ．，Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ Ｄｅｓｉｇｎ，ＭｃＧｒａｗ Ｈｉｌｌ，２００８

本発明は、光結合および光電子変換のための改善された方法および装置を提供する。

出願人は、使いやすい平坦な光インターフェースを使用するという簡潔な技法が、屈折集束効果を提供することができ、高い光結合効率の目的を達成することができ、一方、普及した安価な通信応用例に適している光インターコネクトに理想的である、複雑でないアセンブリ、および低コストの目的をも満たすことを発見した。

本発明の一形態によれば、光ファイバ（すなわち、本明細書では、典型的なクラッドファイバのためのファイバコア）内で伝搬する光信号を電気出力信号に変換するための方法であって、以下のステップ、すなわち、対向する平坦な表面を有し、前記光ファイバの屈折率より実質的に高い屈折率を有する材料から形成される光インターフェースを提供するステップと、前記インターフェースの対向する平坦な表面のうちの第１の表面を、前記光ファイバの出力端に隣接して配置し、光検出器を前記インターフェースの対向する平坦な表面のうちの第２の表面に隣接して配置するステップとを含み、それにより、前記光信号が前記光検出器に結合され、前記光検出器によって電気出力信号に変換される方法が説明される。

本発明のこの形態の一実施形態では、前記光インターフェースを提供する前記ステップは、光ファイバの屈折率より少なくとも２０パーセント高い屈折率を有する材料から形成されたインターフェースを提供するステップを含む。この実施形態の好ましい形態では、前記光ファイバは約１．５の屈折率を有し、前記光インターフェースを提供する前記ステップは、約３．１の屈折率を有する材料から形成された光透過性インターフェースを提供するステップを含む。この実施形態では、光インターフェースは、ＩｎＰから形成される。代替の材料の例は、限定することなしにＳｉ、ＧａＡｓ、ＧａＮ、ＧａＰ、およびＺｎＳｅを含む。また、この実施形態では、前記光ファイバの出力端と前記インターフェースの前記対向する平坦な表面のうちの第１の表面との間に、反射防止層が提供される。また、この実施形態では、光検出器を前記インターフェースの対向する平坦な表面のうちの第２の表面に隣接して配置する前記ステップは、半導体光検出器を前記インターフェースの前記対向する平坦な表面のうちの前記第２の表面上に堆積するステップを含む。また、光検出器は、たとえば前記表面の前記第２の表面上に接着される。

本発明の他の形態によれば、光ファイバ内で伝搬する光信号を受信し、前記光信号を電気出力信号に変換するための光受信機サブシステムであって、対向する平坦な表面を有し、前記光ファイバの屈折率より実質的に高い屈折率を有する材料から形成される光インターフェースと、前記光ファイバの出力端に隣接して配置される前記インターフェースの対向する平坦な表面のうちの第１の表面と、前記インターフェースの対向する平坦な表面のうちの第２の表面に隣接する光検出器とを備え、それにより、前記光信号が前記光検出器に結合され、前記光検出器によって電気出力信号に変換される光受信機サブシステムが説明される。

本発明の他の特徴および利点は、添付の図面と併せ読めば、以下の詳細な説明からより容易に明らかになる。

従来のレンズ、インターフェースを使用する従来技術のファイバ光受信機アセンブリの動作を示す図である。 従来のレンズ、インターフェースを使用する従来技術のファイバ光受信機アセンブリの動作を示す図である。 本発明の一実施形態による高屈折率差インターフェース（ＨＤＩＩ）を有する、本発明の方法の一実施形態を実施する際に使用することができるファイバから検出器への結合機構を断面図で示す図である。ＨＤＩＩの平坦な表面は、光放出および光検出のそれぞれの軸のセルフアライメントを可能にする。 光学Ｚｅｍａｘソフトウェアを使用する図３の構造のシミュレーションの図である。ＡＲコーティングが使用されなかったとき約８８％の結合効率が達成された。結合効率は、光ファイバに結合されたＨＤＩＩ表面に適切なＡＲコーティングが適用されたとき９９％に改善された。 図３および図４の例について、ＮＡ０．３を有する直径６２．５μｍファイバから光検出器内への、検出器能動エリアの関数としての光結合効率のグラフであり、前記エリアは直径４５μｍから８５μｍに変化が与えられる。グラフ化されたシミュレーション結果は、光検出器能動エリアがファイバ導波路のコアエリアより実質的に小さい、すなわち約４０％小さい（約４９μｍ能動領域直径対６２．５μｍコア直径）ときでさえ、８０％を超える結合効率が達成されることを示す。 １３．３５μＷの光パワーを放出する６２．５μｍコア直径のファイバを有する図４および図５の例に関して、左側の縦列にリストされた光検出器能動エリアのそれぞれについて、光検出器内に結合される電力をマイクロワットで中央の縦列にリストする表である。右側の縦列は、光検出器内に結合される電力のパーセンテージをリストする。 ファイバが高屈折率差インターフェース（ＨＤＩＩ）の反射防止（ＡＲ）コートされた表面に機械的に押し付けられる本発明の一実施形態の図である。これは、約５μｍの空隙をもたらす。機械的な方法の使用は、硬化を含む追加のアセンブリステップを必要とするエポキシの使用に比べたとき、アセンブリの複雑さを低減することによってコストを削減する。 ＨＤＩＩが光検出器の前側に、電気的および光学的に結合される他の実施形態の部分分解図である。 ＨＤＩＩが光検出器の前側に、電気的および光学的に結合される他の実施形態の図である。

光媒体の屈折率ｎは、光など放射が媒体を通っていかに伝搬するか表す無次元数である。屈折率はｎ＝ｃ／ｖとして定義され、ただし、ｃは真空内での光の速さであり、ｖは媒体内での光の速さである。光波が１つの屈折率ｎ１の媒体から第２の屈折率ｎ２の別の媒体に入ったとき、スネルの屈折の法則およびフレネルの反射の法則によって説明される２つの光学現象が経験される。

スネルの法則によれば、
ｎ₁ｓｉｎθ₁＝ｎ₂ｓｉｎθ₂
光波がｎ１の屈折率を有する媒体を横断し、（表面法線に対する）θ₁の伝搬角が、第２の屈折率ｎ₂の別の媒体に入ったとき、得られる伝搬角θ₂は、上記の式で与えられる。

たとえば、θ₁＝１７．４５°、ｎ₁＝１、およびｎ₂＝３．１の場合、媒体２における得られる伝搬角は、５．５５°である。したがって、比較的高屈折率の領域は、光波の伝搬角を（発散を小さく、または収束を小さく）低減するために使用できる。

また、フレネルの法則によれば、屈折率ｎ１およびθ₁の伝搬角を有する媒体内を伝搬する光波が第２の屈折率ｎ₂の別の媒体に入ったとき、光波の一部は反射される。フレネル反射を著しく低減するために、表面を適切な反射防止（ＡＲ）コーティングでコートすることができる。

本発明の一実施形態の特徴によれば、平坦な高屈折率差インターフェース（ＨＤＩＩ）が一方の側で光導波路（光ファイバ）に結合され、他方の側は、光検出器に結合される。光検出器は、導波路コア領域のエリアより著しく小さく（最大４０％小さい）、または大きくすることができる能動領域エリアを有する。また、ＨＤＩＩの平坦な表面は、導波路放出軸と光検出器検出軸との間で傾斜軸のセルフアライメントを可能にすることによってアセンブリプロセスを単純化する。

図３の実施形態の例では、レセプタクル１２０内に取り付けられたファイバ光ケーブルの出力端が示されている。ファイバ光導波路は、従来、クラッディング１０８内にコア１０５を備える。コア１０５は、約１．５の屈折率と、６２．５μｍのコア直径と、０．３の開口数（ＮＡ）とを有し、透明なエポキシ材料１３０（ｎ約１．５、約５μｍの厚さ）を使用して、３．１の屈折率を有する厚さ１５０μｍのＩｎＰ ＨＤＩＩ１４０の１つの表面に結合される。ＨＤＩＩの反対側の表面は、この例では８５μｍの能動エリア直径を有する厚さ２μｍの光検出器１５０の裏側に結合される。光検出器は、知られている有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）によってなど、ＨＤＩＩ１３０上に堆積させることができる。あるいは、光検出器は、ＨＤＩＩに接着することができる。ＨＤＩＩの平坦な表面は、光放出および光検出のそれぞれの軸のセルフアライメントを可能にする。

この例についての光結合効率が、ＺＥＭＡＸ光学ソフトウェアを使用し、シミュレーションを実施して決定された（たとえば、非特許文献１参照）。ファイバから光検出器の能動エリアへの約８８％の光結合効率が達成され、大部分の損失は、ファイバとＨＤＩＩとの屈折率の差に関連するフレネル損失に起因する。光ファイバに結合されるＩｎＰ ＨＤＩＩの表面に適切な反射防止コーティングが適用されたとき、結合効率は約９９％にさらに改善される。ＺＥＭＡＸソフトウェアを使用する構造シミュレーションの結果が図４に示されている。

図５は、図１および図２の例について、ＮＡ０．３を有する直径６２．５μｍファイバから光検出器内への、検出器能動エリアの関数としての光結合効率のグラフであり、エリアは、直径４５μｍから８５μｍに変化が与えられる。グラフ化されたシミュレーション結果は、光検出器能動エリアがファイバ導波路のコアエリアより実質的に小さい、すなわち約４０％小さい（約４９μｍ能動領域直径対６２．５μｍコア直径）ときでさえ、８０％を超える結合効率が達成されることを示す。

１３．３５μＷの光パワーを放出する６２．５μｍコア直径のファイバを有する同じ例について、図６の表は、左側の縦列にリストされた光検出器能動エリアのそれぞれについて、光検出器内に結合される電力をマイクロワットで中央の縦列にリストする。右側の縦列は、光検出器内に結合される電力のパーセンテージをリストする。

図７は、ファイバが高屈折率差インターフェース（ＨＤＩＩ）１４０の反射防止（ＡＲ）コートされた表面に機械的に押し付けられる一実施形態を示す。これは、約５μｍの空隙（１４１で示されている）をもたらす。空気は、１の屈折率を有する。機械的な方法（図示されていないハウジングを含むことができる）の使用は、硬化を含む追加のアセンブリステップを必要とするエポキシの使用に比べたとき、アセンブリの複雑さを低減することによってコストを削減する。ＺＥＭＡＸソフトウェアを使用するシミュレーションは、約９４．５％の結合効率が依然として達成されることを示す。結合効率は、適切なＡＲコーティングをファイバの表面上に適用することによって、さらに９９％に改善することができる。

図８Ａおよび図８Ｂに示されている他の実施形態では、ＨＤＩＩが光検出器の前側に電気的および光学的に結合される。適切な反射防止コーティングがＨＤＩＩの両側および光検出器の前側に適用される。パターン化されたメタライゼーション（別々に示されていない）は、光検出器（出力は別々に示されていない）に電気的に結合するためにＨＤＩＩの上部に堆積することができ、および他の構成要素を一体化するために使用することができる。図８Ａおよび図８Ｂでわかるように、この実施形態では、光検出器１５０が基板１５５上に、堆積されるまたは取り付けられる。基板がＤＨＩＩに結合されるとき、光検出器とＨＤＩＩの間の（接着材料内の）凹部内の空隙１７５は、空気として残す、またはエポキシで充填することができる。

Claims (18)

1. 光ファイバ内で伝搬する光信号を電気出力信号に変換するための方法であって、
   対向する平坦な表面を有し、前記光ファイバの屈折率より実質的に高い前記屈折率を有する光透過性材料から形成される光インターフェースを提供するステップと、
   前記インターフェースの前記対向する平坦な表面のうちの第１の表面を、前記光ファイバの出力端に隣接して配置し、光検出器を前記インターフェースの前記対向する平坦な表面のうちの第２の表面に隣接して配置するステップと
   を備え、これにより、前記光信号が前記光検出器に結合され、前記光検出器によって電気出力信号に変換されることを特徴とする方法。
2. 前記光インターフェースを提供する前記ステップは、前記光ファイバの屈折率より少なくとも２０パーセント高い前記屈折率を有する材料から形成されたインターフェースを提供するステップを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記光インターフェースを提供する前記ステップは、約３．１の屈折率を有する材料から形成されたインターフェースを提供するステップを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. 前記光ファイバは、約１．５の屈折率を有するコアを有し、前記光インターフェースを提供する前記ステップは、約３．１の屈折率を有する材料から形成されたインターフェースを提供するステップを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
5. 前記光インターフェースを提供する前記ステップは、ＩｎＰから形成されたインターフェースを提供するステップを含むことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の方法。
6. 前記光ファイバの前記出力端と前記インターフェースの前記対向する平坦な表面のうちの前記第１の表面との間に、反射防止層を提供するステップをさらに備えたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の方法。
7. 前記光インターフェースを、約１．５の屈折率を有するエポキシで前記ファイバに固定するステップをさらに備えたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の方法。
8. 設定された光インターフェースを前記光ファイバに機械的に押し付けるステップをさらに備えたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の方法。
9. 光検出器を前記インターフェースの前記対向する平坦な表面のうちの第２の表面に隣接して配置するステップは、半導体光検出器を前記インターフェースの前記対向する表面のうちの前記第２の表面上に堆積するステップを含むことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の方法。
10. 光検出器を前記インターフェースの前記対向する平坦な表面のうちの第２の表面に隣接して配置するステップは、半導体光検出器を前記インターフェースの前記対向する表面のうちの前記第２の表面上に接着するステップを含むことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の方法。
11. 前記光インターフェースの前記対向する表面のうちの前記第２の表面上にメタライゼーションパターンを提供するステップと、前記光検出器を前記メタライゼーションパターンと電気的に結合するステップとをさらに備えたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の方法。
12. 光ファイバ内で伝搬する光信号を受信し、前記光信号を電気出力信号に変換するための光受信機サブシステムであって、
    対向する平坦な表面を有し、前記光ファイバの屈折率より実質的に高い前記屈折率を有する光透過性材料から形成される光インターフェースと、
    前記光ファイバの出力端に隣接して配置される前記インターフェースの前記対向する平坦な表面のうちの第１の表面と、
    前記インターフェースの前記対向する平坦な表面のうちの第２の表面に隣接する光検出器と
    を備え、これにより、前記光信号が前記光検出器に結合され、および前記光検出器によって電気出力信号に変換されることを特徴とする受信機サブシステム。
13. 前記光インターフェースは、前記光ファイバの屈折率より少なくとも２０パーセント高い前記屈折率を有する材料から形成されることを特徴とする請求項１２に記載の受信機サブシステム。
14. 前記光インターフェースは、約３．１の屈折率を有する材料を含むことを特徴とする請求項１２に記載の受信機サブシステム。
15. 前記光ファイバは、約１．５の屈折率を有するコアを有し、前記光インターフェースは、約３．１の屈折率を有する材料から形成されることを特徴とする請求項１２に記載の受信機サブシステム。
16. 前記光インターフェースは、ＩｎＰから形成されることを特徴とする請求項１２乃至１５のいずれかに記載の受信機サブシステム。
17. 前記インターフェースの前記対向する表面と前記光検出器の前記表面との間に反射防止層をさらに備えることを特徴とする請求項１２乃至１５のいずれかに記載の受信機サブシステム。
18. 前記光検出器は、前記インターフェースの前記対向する表面のうちの前記第２の表面上に堆積されることを特徴とする請求項１２乃至１５のいずれかに記載の受信機サブシステム。