JP2018509655A - 一体化された光デバイスを有する光学ベンチサブアセンブリ - Google Patents

Abstract

一体化された光デバイスを含む光学ベンチサブアセンブリ。光学ベンチに対する光デバイスの光学アラインメントは、光電子パッケージアセンブリへの取付前に、光電子パッケージアセンブリの外部において行われ得る。光デバイスは、その光デバイスの光入力／出力と光学ベンチの光出力／入力との光学アラインメントが確立された状態で、光学ベンチのベースに取り付けられる。光学ベンチは、光ファイバのアレイを、構造反射面に対して精密関係で支持する。光デバイスは、光学ベンチに取り付けられるサブマウント上にマウントされる。光デバイスは、光学ベンチに対して、能動的または受動的にアラインメントされ得る。光学アラインメントが確立された後、光デバイスのサブマウントは、光学ベンチのベースに固定的に取り付けられる。光学ベンチサブアセンブリは、密閉型光電子パッケージに密閉態様で取り付けられるべく、密閉型フィードスルーとして密閉封止されるように構成されてもよい。

Description

関連出願との相互参照

本願は、
（１）２０１５年３月２２日出願の米国仮特許出願第６２／１３６６０１号に基づく優先権を主張するものであり、
（２）２０１３年４月１１日出願の米国特許出願第１３／８６１２７３号の一部継続出願であり、その米国特許出願第１３／８６１２７３号は、
（ａ）２０１２年４月１１日出願の米国仮特許出願第６１／６２３０２７号に基づく優先権を主張するものであり、
（ｂ）２０１２年９月１０日出願の米国仮特許出願第６１／６９９１２５号に基づく優先権を主張するものであり、また、
（ｃ）２０１３年３月５日出願の米国特許出願第１３／７８６４４８号の一部継続出願であり、その米国特許出願第１３／７８６４４８号は、２０１２年３月５日に出願された米国仮特許出願第６１／６０６８８５号に基づく優先権を主張するものであり、
（３）２０１５年５月１５日出願の米国特許出願第１４／７１４２１１号の一部継続出願であり、その米国特許出願第１４／７１４２１１号は、
（ａ）２０１４年５月１５日出願の米国仮特許出願第６１／９９４０９４号に基づく優先権を主張するものであり、また
（ｂ）２０１５年４月２３日出願の米国特許出願第１４／６９５００８号の一部継続出願である。
これらの出願は、参照により、それらの内容が本明細書に完全に記載されているかのように、完全に組み込まれているものとする。以下で言及するすべての刊行物も、参照により、それらの内容が本明細書に完全に記載されているかのように、完全に組み込まれているものとする。

本発明は、光学ベンチサブアセンブリに関するものであり、より詳細には、光学ベンチを基礎とする光ファイバサブアセンブリに関するものであり、さらに詳細には、光学ベンチを基礎とする密閉型の光ファイバフィードスルーサブアセンブリに関するものである。

光ファイバ導波路を介して光信号を送信することには多くの利点があり、その用途は多岐に亘る。単純に可視光を遠隔地点に送信するために、単一または複数のファイバ導波路が使用され得る。複雑な電話用またはデータ通信システムは、多数の特定の光信号を送信し得る。データ通信システムは、光ファイバを端部−端部間接続の関係で接続するデバイスを含み、それらのデバイスには、光を供給、検出および／または制御し、光信号と電気信号との間の変換を行う、光学素子および電子部品を含む光電子デバイスまたは光デバイスが含まれる。

たとえば、トランシーバ（Ｘcvr）は、当該技術分野においてパッケージとして知られるモジュールハウジング内部において回路と組み合わされた送信デバイス（Ｔx）および受信デバイス（Ｒx）の両方を含む、光電子モジュールである。パッケージは、その中身を周囲環境から保護するために、密閉封止されていてもよい。送信デバイスは光源（たとえばＶＣＳＥＬまたはＤＦＢレーザ）を含み、受信デバイスは光センサ（たとえばフォトダイオード（ＰＤ））を含む。従来の態様では、トランシーバの回路構成（たとえばレーザドライバやトランスインピーダンス増幅器（ＴＩＡ）等を含む）は、プリント回路ボード上にはんだ留めされている。かかるトランシーバは、一般的に、（密閉型であるか非密閉型であるかにかかわらず）パッケージの底部または床部を形成する基板を有しており、レーザや光ダイオード等の光電子デバイスは、かかる基板上にはんだ留めされている。光ファイバは、密閉型フィードスルーを用いてパッケージの壁を通して引き込まれるかパッケージの外面に接続される（本願と共通に本願譲受人／出願人に譲受され、その内容が本明細書に完全に記載されているかのように完全に組み込まれている、特許文献１参照）。

光ファイバの端部は、ハウジング内に保持されている光電子デバイスに、光結合される。フィードスルー要素が、壁の開口を通るように光ファイバの一部の個所を支持する。腐食媒体や湿気等から構成部品を保護するために、多くの用途において、光電子モジュールのハウジング内に光電子デバイスを密閉封止することが望ましい。光電子モジュールのパッケージが全体として密閉封止されなくてはならないため、光電子モジュールハウジング内部の電子光学部品が高い信頼性で継続的に周囲環境から保護されるよう、フィードスルー要素も密閉封止されなくてはならない。

適切な動作のためには、プリント回路ボード上に支持された光電子デバイスは、外部の光ファイバに高効率で光を結合しなくてはならない。いくつかの光電子デバイスは、単一モードの光接続を必要とし、これは、光ファイバとデバイスとの間で、典型的には１μｍ未満である厳しいアラインメント許容誤差を必要とする。これは、ファイバと光電子デバイスとの間で受け渡される光の量が最大となるまで（１つまたは複数の）光ファイバの位置および向きが機械要素を用いて調節される能動光学アラインメントのアプローチを用いて、複数の光ファイバが複数の光電子デバイスに対して光学的にアラインメントされなくてはならないマルチファイバの用途においては、とりわけ難題である。

図１Ａおよび１Ｂは、密閉型のマルチファイバフィードスルー５０２を有する、密閉封止された光電子パッケージ５００を示しており、このパッケージ５００では、密閉型フィードスルー５０２は、パッケージ５００の床部により支持されているサブマウント５０６上にマウントされた光デバイス５０４に対して、能動的にアラインメントされる。この例では、フィードスルー５０２は、特許文献２（本願と共通に本願譲受人／出願人に譲受され、その内容が本明細書に完全に記載されているかのように完全に組み込まれている）に開示される光結合デバイスに類似している。光デバイス５０４は、たとえばサブマウント５０６およびプリント回路ボード５０８を介してパッケージの床部の上に支持されている、ＶＣＳＥＬアレイおよび／またはＰＤアレイを含むものであってもよい。プリント回路ボード５０８には、他の電子部品および回路が集積されており、パッケージ５００は、いくつかのプリント回路ボードを含むものであってもよい。光デバイス５０４／サブマウント５０６および他の構成部品がパッケージ５００内にアセンブリ化された後に、パッケージ５００のハウジング５０１の側壁上にある鼻部５０により規定される開口５０３を介して、フィードスルー５０２が挿入される。光ファイバケーブル２１の光ファイバ２０のアレイは、フィードスルー５０２により支持され、光デバイスと光ファイバ２０のアレイとの間で所望の光結合効率が達成されるよう、光デバイス５０４に対して能動的にアラインメントされる。このプロセスは、光デバイス５０４および付随の電子回路要素（図示せず）が、予めパッケージ５００内にアセンブリ化されることを必要とする。光デバイス５０４は、光ファイバ２０のアレイへ（から）光信号２２を送受信するようにアクティブ化／エネルギー供給される。基本的には、光ファイバ２０と光デバイス５０４との間で受け渡される信号２２が最大であるときに、光ファイバ２０への（からの）光信号は、光デバイス５０４に対して最適に結合されているといえる。その後、光学アラインメントが確立された状態で、フィードスルー５０２は、ハウジング５０１のパッケージ側壁にある鼻部５０内にはんだ留めされる。

能動アラインメント工程中においては、ＶＣＳＥＬまたはＰＤはエネルギー供給状態とされなくてはならないので、能動光学アラインメントは、比較的複雑かつ低スループットのプロセスであるといえる。集積回路の製造者は、サブミクロン単位のアラインメントが可能である高価な資本設備を有していることも多いが（たとえば、集積回路をテストするウェハ検査者および取扱者）、チップをパッケージする会社は、一般的には、より性能の低い機械（典型的には、単一モードのデバイスにとっては不十分である数ミクロン程度のアラインメント許容誤差）を有するものであり、手動操作を用いることも多い。

現在の技術水準は、パッケージを包含するために高コストとなっており、一般的な電子機器ならびにアセンブリプロセスの利用を排除し、かつ／または単一モードの用途に適さないことが多い。密閉型のフィードスルーサブアセンブリと比較して、パッケージは、（ＩＣ等の高価な回路構成部品を含む）より高価なアセンブリである。能動アラインメントをサポートするためにはパッケージ内に構成部品を予めアセンブリ化することが必要である点、さらに、能動アラインメントおよびはんだ留めのプロセスは全体のパッケージ作製プロセスの終盤においてリスクの高い工程を包含する点に鑑みると、能動アラインメントプロセス中において誘引されたものであり得る欠陥のある構成部品のために能動アラインメントの実現が失敗した場合には、かかる失敗は、既にパッケージ内に包含されている光デバイスその他の構成部品を含めて、パッケージ全体を廃棄しなくてはならない事態に繋がり得る。

加えて、ＶＣＳＥＬおよびＰＤ要素は、アセンブリ化の前の静的状態においてはテストされ得るが、それらの要素を駆動するための電子回路構成と共にパッケージ内にアセンブリ化されるまでは、動作状態でテストされることはできない。したがって、（シミュレーションされた負荷状態下において早期発生の構成要素欠陥を特定するための）ＶＳＣＥＬおよびＰＤ要素の通電テストプロセスは、それらの構成要素をパッケージ内にアセンブリ化した後にしか、行うことができない。このことは、欠陥があるが比較的高価でないＶＣＳＥＬおよびＰＤ要素の結果として、アセンブリ化されているためより高価なモジュールであるパッケージのさらなる廃棄（すなわち、パッケージのより低い生産率）へと繋がる事態をもたらし得る。ＶＣＳＥＬおよびＰＤ要素は、アセンブリ化されたパッケージの比較的多くの件数の欠陥に、寄与していることが知られている。

図１Ｂに示されるような、光デバイスとフィードスルーとの間の光学アラインメントを維持する、比較的大きく準拠性がより高い構造ループ（図１Ｂ中において点線Ｌで表されている）によって、アセンブリ化されたパッケージの廃棄に繋がる別の欠陥態様が生じる。この長い構造ループは、パッケージを意図された設計仕様から外れるものとしてしまう可能性のある熱的−機械的変形により敏感であり、したがって欠陥態様をもたらし得るものである。

米国特許出願公開第２０１３／０２９４７３２号明細書 米国特許出願公開第２０１６／００１６２１８号明細書

必要とされているのは、光学アラインメントが確立された状態で光電子構成部品／光デバイスに光ファイバの入力／出力を結合するための改良された構造であって、スループット、許容誤差、製造性、使用容易性、機能性および信頼性をより低いコストで改善する構造である。

本発明は、光学ベンチに対する光デバイスの光学アラインメントを容易にするための、従来技術の欠点を克服するような改良された構造を提供するものである。本発明は、サブアセンブリ内において光学ベンチに光デバイスを組み合わせ、光学ベンチに対する光デバイスの光結合のアラインメントが、光電子パッケージアセンブリの外部において行われることを可能とするものである。

本発明によれば、光デバイスは、その光デバイスの光入力／出力と光学ベンチの光出力／入力との光学アラインメントが確立された状態で、光学ベンチのベースに取り付けられる。

１つの実施形態では、光学ベンチは、光導波路（たとえば光ファイバ）の形態の光学要素を支持する。１つのより具体的な実施形態では、光学ベンチのベースは、光ファイバの端部部分を精密に支持するために、少なくとも１つの溝の形式のアラインメント構造を規定する。光学素子（たとえばレンズ、プリズム、リフレクタ、ミラー等）が、光ファイバの終端面に対して精密関係で設けられてもよい。１つのさらなる実施形態では、光学素子は構造表面を含み、その構造表面は、平面反射を行うものであってもよいし、凹面反射を行うもの（たとえば非球面鏡面）であってもよい。

１つの実施形態では、光デバイスは、光学ベンチとの光学アラインメントが確立された状態で光学ベンチのベースに取付けられる、サブマウント上にマウントされてもよい。サブマウントには、回路、電気接触パッド、回路構成部品（たとえばＶＣＳＥＬ用のドライバやＰＤ用のＴＩＡ）、および光デバイス１２の動作と関連付けられた他の回路ならびに／もしくは構成要素が、付与されてもよい。

光デバイスは、光学ベンチに対して受動的にアラインメントされ得る（たとえば、ベンチのベースに設けられたアラインメント印（図示せず）に依存して）。あるいは、光学ベンチ内の光導波路と光デバイスとの間で光信号を送ることにより、光デバイスと光学ベンチとが能動的にアラインメントされてもよい。光デバイス（たとえばＶＣＳＥＬおよび／またはＰＤ）は、パッケージ内部の他の構成部品に依存せずに、光学ベンチ内に支持されている光導波路（たとえば光ファイバ）との能動アラインメントを可能とするようにアクティブ化され得る。光学アラインメントが達成された後、光デバイスのサブマウントは、光学ベンチのベースに固定的に取り付けられる。

光学ベンチの精密な幾何学形状および特徴形状を形成するため、光学ベンチのベースは、好ましくは、可鍛性の材料（たとえば金属）をスタンピングすることにより形成される。光学ベンチサブアセンブリは、密閉封止されるように構成され得る。

本発明の別の実施形態では、光学ベンチは、サブマウント上にマウントされた複数の光デバイス（複数のＶＣＳＥＬおよび／または複数のＰＤ）のアレイと共に動作するように、多数の導波路（たとえば多数の光ファイバ）および構造反射面（たとえばミラーアレイ）を支持するように構成される。

本発明は、より大きな光電子パッケージ内にアセンブリ化するのに先立って、光学素子ならびに要素および光デバイスを、予め光学ベンチサブアセンブリ内に精密にアセンブリ化するものである。サブアセンブリは、光電子パッケージの外部で、サブアセンブリレベルにおいて、通電テストを含む機能テストに供され得るので、光電子パッケージ内に取り付けられた光デバイスの早期発生欠陥に起因して発生する、より高価な光電子パッケージの廃棄を減らすことができる。

好ましい使用態様に加え、本発明の特性および利点のより完全な理解のために、添付の図面と共に読まれる以下の詳細な説明を参照されたい。以下の図面においては、図面全体に亘り、類似の参照番号は、同様または類似の部分を指している。

密閉型の光ファイバフィードスルーを含む密閉型の光電子パッケージを示した図 図１Ａの１Ｂ−１Ｂ線に沿った断面図 本発明の１つの実施形態に係る、一体化された光デバイスを含む密閉型フィードスルーの形態の光学ベンチサブアセンブリを示した図 密閉型の光電子パッケージに取り付けられた状態における、図２Ａの２Ｂ−２Ｂ線に沿った断面図 本発明の１つの実施形態に係る、図２の光学ベンチサブアセンブリ内の光学ベンチの拡大図 図３Ａの光学ベンチの組立後の状態を示した図 本発明の別の実施形態に係る、光学ベンチサブアセンブリ内の光学ベンチの拡大図 図４Ａの光学ベンチの組立後の状態を示した図 光学ベンチサブアセンブリ内における光デバイス用のサブマウントの代替実施形態を示した図 密閉型の光電子パッケージの組立手順を示した図であって、光デバイスアセンブリの組立てを説明した図 密閉型の光電子パッケージの組立手順を示した図であって、光デバイスアセンブリの光学ベンチへのアセンブリ化および能動アラインメントを説明した図 密閉型の光電子パッケージの組立手順を示した図であって、密閉型の光電子パッケージの組立てを説明した図 密閉型の光電子パッケージに取り付けられた状態における密閉型フィードスルーを示した図

以下、図面を参照しつつ、様々な実施形態を参照しながら本発明を説明する。本発明は、本発明の目的を達成するための最良の態様（ベストモード）に関して説明されているが、当業者であれば、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、これらの教示内容を考慮して複数のバリエーションを実現できることを理解できるであろう。

本発明は、光学ベンチに対する光デバイスの光学アラインメントを容易にするための、従来技術の欠点を克服するような改良された構造を提供するものである。本発明は、サブアセンブリ内において光学ベンチに光デバイスを組み合わせ、光学ベンチに対する光デバイスの光結合のアラインメントが、光電子パッケージアセンブリの外部において行われることを可能とするものである。

本発明によれば、光デバイスは、その光デバイスの光入力／出力と光学ベンチの光出力／入力との光学アラインメントが確立された状態で、光学ベンチのベースに取り付けられる。本発明の様々な実施形態は、本発明の譲受人であるナノプレシジョン プロダクツ インコーポレイテッドにより開発された独創的なコンセプトのいくつかを組み込んだものであり、それらの独創的なコンセプトには、光データ送信に関連する用途のための光学ベンチのサブアセンブリを含む様々な独占品が含まれ、上記譲受人に共通に譲渡された以下の特許刊行物に開示されるコンセプトが含まれる。係属中の出願に基づく優先権が、本願において主張されている。

たとえば、米国特許出願公開第２０１３／０３２２８１８号明細書は、光信号をルーティングするための光結合装置であって、光データ信号をルーティングするためにスタンピング形成された構造表面を持つ光学ベンチの形態を有する、光結合装置を開示している。その光学ベンチは、構造表面が規定された金属製のベースを含み、構造表面は、入射光を曲げ、反射し、かつ／または再成形する表面形状を有する。ベースはさらにアラインメント構造を規定している。構造表面と光学要素（たとえば光ファイバ）との間の規定された経路に沿って光が伝達されることを可能とするように、このアラインメント構造は、構造表面と光学要素との精密な光学アラインメントが実現されるよう、ベース上において光学要素を精密に位置決めすることを容易にする表面特徴形状と共に構成されており、構造表面とアラインメント構造とは、可鍛性の金属材料をスタンピングして光学ベンチを形成することにより、ベース上に一体的に規定される。

米国特許出願公開第２０１５／０３５５４２０号明細書は、光通信モジュール内で使用される光信号をルーティングするための光結合装置をさらに開示しており、とりわけ、光学ベンチの形態の光結合装置であって、入射光を曲げ、反射し、かつ／または再成形する表面形状を有する構造表面が、金属製のベース上に規定された光結合装置を開示している。ベース上にはアラインメント構造が規定されている。構造表面と光学要素（たとえば光ファイバ）との間の規定された経路に沿って光が伝達されることを可能とするように、このアラインメント構造は、構造表面と光学要素との光学アラインメントが実現されるよう、ベース上において光学要素を位置決めすることを容易にする表面特徴形状と共に構成されている。構造表面とアラインメント構造とは、ベースの可鍛性の金属材料をスタンピングすることにより、ベース上に一体的に規定される。構造表面と光学要素との間の規定された経路に沿って光が伝達されることを可能とするように、このアラインメント構造は、構造表面と光学要素との光学アラインメントが実現されるよう、ベース上において光学要素の受動アラインメントを容易にする。

特許文献１は、一体形成された光学素子を有する密閉型の光ファイバアラインメントアセンブリをさらに開示しており、とりわけ、光ファイバの端部部分を受容する複数の溝を有する金属製のフェルール部分を備えた、光学ベンチを含む密閉型の光ファイバアラインメントアセンブリであって、それら複数の溝が、フェルール部分に対する上記の端部部分の位置および配向を規定するものである密閉型の光ファイバアラインメントアセンブリを開示している。このアセンブリは、光ファイバの入力／出力を光電子モジュール内の光電子デバイスに結合するための、一体形成された光学素子を含んでいる。その光学素子は、構造反射面の形態であってもよい。光ファイバの終端は、この構造反射面に対して規定の距離に配されると共に、構造反射面とのアラインメントが取られている。構造反射面と光ファイバのアラインメント溝とは、可鍛性金属をスタンピングして、それらの特徴形状を金属ベース上に規定することにより形成され得る。

米国特許第９２１３１４８号明細書は、類似の密閉型の光ファイバアラインメントアセンブリをさらに開示しているが、そのアセンブリは、一体形成された構造反射面は含んでいない。

米国特許第７３４３７７０号明細書は、許容誤差の小さい部品を製造するための、新規な精密スタンピングシステムを開示している。かかる独創的なスタンピングシステムは、上記で挙げた特許刊行物に開示されているデバイスを作製するため、様々なスタンピング処理中において実装することができる。これらのスタンピング処理は、最終的な全体の幾何学形状および表面特徴形状の幾何学形状（他の規定された表面特徴形状と精密なアラインメントが取られる所望の幾何学形状を有する反射表面を含む）を、厳しい（すなわち小さな）許容誤差で形成するために、バルク材料（たとえば金属ブランク）をスタンピングする処理を包含する。

特許文献２は、異種の金属材料の主要部分と補助部分とを有するベースを含む、複合構造をさらに開示している。主要部分および補助部分は、スタンピングにより成形される。補助部分がスタンピング形成されると、補助部分はベースとインターロックし、それと同時に補助部分上に所望の構造特徴形状（たとえば、構造反射面や、光ファイバのアラインメントのための特徴形状等）を形成する。このアプローチにより、比較的重要性の低い構造特徴形状は、比較的大きな許容誤差を維持する少ない労力により、ベースのバルク上に成形され得る一方、補助部分上に存在するより重要性の高い構造特徴形状は、より小さな許容誤差で寸法、幾何学形状および／または仕上げ状態を規定するさらなる考察をもって、より精密に成形される。補助部分は、異なる構造特徴形状をスタンピング形成するための異なる特性を伴う２つの異種の金属材料の、さらなる複合構造を含むものとされてもよい。このスタンピング形成のアプローチは、それより前の米国特許第７３４３７７０号明細書における、スタンピングに供されるバルク材料が均質材料（たとえば、コバールやアルミニウム等の、金属のストリップ）であるスタンピング形成のアプローチに対し、改良をもたらすものである。スタンピング処理は、単一の均質材料から構造特徴形状を生成する。したがって、異なる複数の特徴形状がその材料の特性を共有することとなり、その特性は、１つ以上の特徴形状にとって最適な特性ではないかもしれない。たとえば、アラインメントのための特徴形状をスタンピング形成するのに適した特性を有する材料は、光信号の損失を低減するのに最適な光反射効率を有する反射性の表面特徴形状をスタンピング形成するのに適した特性を、有していないかもしれない。

米国特許第８９６１０３４号明細書は、光ファイバコネクタ内で光ファイバを支持するためのフェルールを製造する方法であって、概ねＵ字状の複数の長手方向開放溝を有する本体を形成するために金属ブランクをスタンピングする工程を含み、それら複数の長手方向開放溝の各々は、上記本体の表面上に設けられた長手方向の開口部を有し、各溝は、光ファイバをクランプ留めすることによりその溝内に光ファイバをしっかりと保持するようにサイズ決めされる方法を開示している。光ファイバは、追加のファイバ保持手段を要することなく、フェルールの本体内にしっかりと保持される。

国際公開第２０１４／０１１２８３号は、光ファイバコネクタのためのフェルールであって、従来技術のフェルールおよびコネクタの多くの欠点を克服し、上記のピンなしアラインメントフェルールに対しさらなる改良を提供するフェルールを開示している。光ファイバコネクタは光ファイバフェルールを含み、複数の光ファイバからなるアレイと、別のフェルール内に保持された複数の光ファイバとのアラインメントを、スリーブを用いて実現するため、上記の光ファイバフェルールは、概ね楕円状の断面を有する。

上記の複数の独創的なコンセプトは、参照により本明細書に組み込まれているものとし、以下において、本発明の開示を容易にするために参照される。本発明は、密閉型の光電子パッケージのための密閉型の光ファイバフィードスルーであって、一体化された光デバイスを有する光学ベンチサブアセンブリを含む光ファイバフィードスルーの、例示的な複数の実施形態との関連で開示される。

図２Ａおよび２Ｂは、本発明の１つの実施形態に係る、一体化された光デバイス１２を有する光学ベンチ１１を含む光学ベンチサブアセンブリ１０の形態の、密閉型の光ファイバフィードスルーの１つの実施形態を示している。図示の実施形態では、光デバイス１２は、光学ベンチ１１に取り付けられたサブマウント１４上にマウントされており、その位置は、光学ベンチ１１の光入力／出力とのアラインメントが確立される位置である（図２Ｂ中の光信号２２参照）。

図３Ａおよび３Ｂは、光学ベンチサブアセンブリ１０内の光学ベンチ１１の構造を、より明確に示した図である。この実施形態では、光学ベンチ１１は、上記で引用した本願譲受人の特許文献２に開示される密閉型のマルチファイバアラインメントサブアセンブリに類似している。光学ベンチは、図示の例では光ファイバケーブル２１の複数の光ファイバ２０である、１つ以上の光導波路を支持する。マルチファイバの場合には、光学ベンチ１１のベース１３は、光ファイバ２０を支持する複数の開放溝１６を規定し、光学素子（たとえばレンズ、プリズム、リフレクタ、ミラー等）を規定または支持する。図示の例では、光学素子は、それぞれが１つの光ファイバ２０に対応する複数の構造反射面１７の、アレイを含んでいる。この反射面は、平面反射を行うものであってもよいし、凹面反射（たとえば非球面鏡面）または凸面反射を行うように輪郭形成されたものであってもよい。図示の例では、ベース１３は、ベース１３の残りの部分（すなわち主要部分１３’）の材料とは異種の材料からなる補助部分３０を含む、複合構造を有する。補助部分３０を含むベース１３は、可鍛性の材料からスタンピング形成されて、本体の幾何学形状および所望の表面特徴形状が形成されている。この場合、補助部分は、構造反射面１７および溝１８のアレイを形成するように可鍛性の金属材料をスタンピングすることにより形作られ、一方、ベース１３は、溝１６その他の図示された構造を形成するように、別の可鍛性の金属材料からスタンピング形成される。特許文献２に開示されるように、補助部分１７がスタンピング形成されると、補助部分１７はリベットに類似の態様でベース１３とインターロックし、同時に、補助部分３０上に、構造反射面１７のアレイと、光ファイバ２０の端部部分を支持するための光ファイバアラインメント溝１８とを含む、所望の構造特徴形状を、各反射面１７と対応の光ファイバ２０の終端面（すなわち入力／出力）とが精密な関係に維持されるように形成する。この実施形態では、補助部分１７と主要部分１３’とは、異種の金属材料を用いてスタンピング形成される。

開放溝１６および１８は、米国特許第８９６１０３４号明細書に開示される、追加の固定手段を必要とせずに（たとえばエポキシ等を使用せずに）溝内に光ファイバを固定してクランプ保持するスタンピング形成された開放溝に準拠して、構成および形成されてもよい。図示の実施形態では、構造反射面１７を覆うことなくベース１３をカバーするために、カバー１５が付与されている。カバー１５とベース１３との間のキャビティ１９内にある光ファイバ２０の部分の周囲空間を充填するように、密閉封止用のエポキシ（たとえばガラスエポキシ）が適用され、それにより密閉封止が形成され、光学ベンチ１１が密閉型フィードスルーとされる。この密閉型フィードスルーは、本発明に係る光学ベンチアセンブリ１０を形成するために光学ベンチ１１が同光学ベンチ１１上に一体化された光デバイスを有する点を除き、図１Ａの密閉型フィードスルー５０２と類似の機能で、光電子パッケージと共に用いることができる。類似の密閉型フィードスルー構造のさらなる工夫は、特許文献１に見出すことができる。

図４Ａおよび４Ｂは、光ファイバケーブル２１を除いて図３Ａおよび３Ｂの光学ベンチ１１と類似している、光学ベンチ１１’の別の実施形態を示している。この実施形態では、光学ベンチ１１’は、フェルール３０の形態の取外し可能な接続を付与されている。光ファイバの前方遠端部分が光学ベンチ１１’の内部において溝１６および１８により支持されるようにしつつ、フェルール３０は、光学ベンチ１１’から離れるように延在する光ファイバ２１に代えて、光ファイバ２０の短い部分の後方端部部分を支持する。フェルール３０は、国際公開第２０１４／０１１２８３号に開示されるように、概ね楕円状の断面を有するように構成されてもよい。たとえば、類似のフェルールで終端される光ファイバケーブル（たとえばパッチケーブル）に結合するために、スリーブ（図示せず）が用いられてもよい。この実施形態では、接続している光ファイバが欠陥のあるものとなった場合には、光学ベンチ１１’が永久的または固定的に取り付けられている光電子パッケージ全体を交換する必要なしに、その光ファイバを抜いて交換することができる。

次に、光デバイスに話を移すと、図２Ａおよび２Ｂに図示の実施形態では、光デバイス１２は、サブマウント１４上にマウントされ、光デバイスアセンブリ２３を形成している。サブマウント１４には、回路、電気接触パッド、回路構成部品（たとえばＶＣＳＥＬ用のドライバやＰＤ用のＴＩＡ）、および光デバイス１２の動作と関連付けられた他の回路ならびに／もしくは構成要素が付与されてもよい。

図６Ａから６Ｃは、密閉型の光電子パッケージの組立手順を示している。図６Ａは、光デバイス（送信デバイスまたは受信デバイスまたはトランシーバ）アセンブリの組立てを説明しており、図６Ｂは、光デバイスアセンブリの光学ベンチへのアセンブリ化および能動アラインメントを説明しており、図６Ｃは、密閉型の光電子パッケージの組立てを説明している。

図６Ａを参照すると、光デバイス１２がＶＣＳＥＬ等の送信デバイスである場合には、光デバイス１２は、ドライバチップと共にサブマウント１４上にマウントされる。ＶＣＳＥＬは、サブマウント１４上の回路にワイヤボンディングされてもよい。組立後においてＶＣＳＥＬが光信号を送信するように動作可能かを確かめるために、テストが行われてもよい。光デバイス１２がＰＤ等の受信デバイスである場合には、光デバイス１２は、ＴＩＡチップと共にサブマウント１４上にマウントされる。ＰＤは、サブマウント１４上の回路にワイヤボンディングされてもよい。組立後においてＰＤが光信号を受信して電気信号を出力するように動作可能かを確かめるために、テストが行われてもよい。トランシーバの場合には、上記の手順が組み合わされて、個別の受信機能および送信機能がテストされてもよい。光デバイス１２は、サブマウント１４上にマウントされた複数の受信デバイス、送信デバイスおよび／またはトランシーバを含んでいてもよい。

図６Ｂを参照すると、光デバイスアセンブリのサブマウント１４は、光デバイス１２と光学ベンチ１１との間で光学アラインメントが確立される位置、すなわち、光デバイス１２の入力／出力が光学ベンチ１１の出力／入力に対して光学アラインメントされ、光路２２が光デバイス１２と光ファイバ２０との間で所望の光結合効率を実現するような位置において、光学ベンチ１１のベース１３の対向表面に取り付けられる。図２Ｂに図示の実施形態では、光路２２は、光ファイバ２０の入力／出力端面と、対応の光デバイス１２の出力／入力との間の光路であり、反射面１７（たとえば非球面鏡面）により曲げられかつ再成形されている。図示の実施形態において、より具体的には、光路は、ベース１３の平面から外れる方向に延びていて、この方向はベース１３の平面に対して概ね垂直である。図２Ｂに示されるように、サブマウント１４の平面は、ベース１３の平面に対して平行である。サブマウント１４とベース１３との間に光デバイス１２を収容する空間を設けるために、サブマウント１４とベース１３の対向表面との間のスペーサとして、フレーム３２が付与されている。図示の実施形態では、４本の光ファイバ２０のアレイに対応する、４つの反射表面１７のアレイが存在する。

光デバイス１２は、光学ベンチ１１に対して受動的にアラインメントされ得る（たとえば、ベンチ１１のベースに設けられたアラインメント印（図示せず）に依存して）。あるいは、光学ベンチ１１内の光導波路（すなわち光ファイバ２０）と光デバイス１２との間で光信号を送り、光路内の光信号の強さを計測して、光学アラインメントが確立された状態を示す光結合を特定することにより、光デバイス１２と光学ベンチ１１とが能動的にアラインメントされてもよい。光デバイス１２（たとえばＶＣＳＥＬおよび／またはＰＤ）は、光学ベンチサブアセンブリ１０の取付先である光電子パッケージ内部の他の構成部品に依存する必要なしに、光学ベンチ１１内に支持されている光ファイバとの能動アラインメントを可能とするように、アクティブ化され得る。たとえば、光デバイス１２が送信デバイス（たとえばＶＣＳＥＬ）である場合には、光デバイス１２は、反射面１７に対して、対応の光ファイバ２０の終端面に方向転換されるように光を発するべく、エネルギー供給され得る。送信デバイスと光学ベンチ１１との間の光結合を特定するために、反射面１７を介して対応の光ファイバを通過するように伝搬された光信号の強さが計測される。光デバイス１２が受信デバイス（たとえばＰＤ）である場合には、光信号が、光ファイバを通じて供給され、反射面により対応の受信デバイスへと反射させられる。光ファイバと受信デバイスとの間の光結合の度合いは、受信デバイスの電気出力（受信された光信号の強さに対応する）から特定することができ、それによりアラインメント状態が識別される。能動アラインメントプロセスは、アラインメント点に対して光結合効率が特定される間、サブマウント１４の平面内において、光デバイス１２を反射面１７に対して相対的に動かす手順を含む。能動アラインメントを行うための電気接続を容易にするために、サブマウントのベース１３とは反対側の表面上に、導電パッドが付与される。

所望の光学アラインメントが実現されると、光デバイス１２のサブマウント１４は、たとえばレーザ溶接、はんだ留めまたはエポキシによって、光学ベンチのベースに固定的に取り付けられる。

光学ベンチサブアセンブリ１０の組立後、光学ベンチサブアセンブリ１０は、早期発生欠陥を排除するために通電テストに供されてもよく、さらに機能テストが行われてもよい。

一体化された光デバイス１２を含む光学ベンチサブアセンブリ１０の上記の実施形態は、一体化された光デバイス１２を伴う密閉型のフィードスルーである。

図６Ｃを参照すると、図２Ｂに示されているように、光学ベンチサブアセンブリ１０の組立てが完了された後、光学ベンチサブアセンブリ１０は、（たとえばはんだ留めによって）光電子パッケージ５００’に密閉態様で取り付けられる。光電子パッケージ５００’は、光デバイス１２が、光学ベンチ１１に対して光学アラインメントが確立された状態で光学ベンチサブアセンブリ１０に一体化されている点を除き、図１Ａのパッケージ５００に類似したものであってよい。光電子パッケージ５００’には、様々な構成部品（たとえば、ＩＣ、チップ、サブマウント、回路ボード等）が集積されている。密閉型フィードスルーとしての光学ベンチサブアセンブリ１０が、パッケージ５００’のハウジング５０１’の側壁において、鼻部５０の開口を通じて挿入され、（たとえばはんだ留めによって）密閉封止される。図１Ｂの状況と比較して、パッケージ５００’に対するこのフィードスルーの位置は、そこまで重要ではない。なぜなら、パッケージ５００’内においては、フィードスルーと外部の光デバイスとの間で光学アラインメントが必要とされないからである。図２Ｂに示されるように、サブマウント１４の反対側にある光デバイス１２に接続するために、サブマウント１４の基板を貫通するビアホール３６が付与された状態で、パッケージ５００’内において、サブマウント１４は、プリント回路ボード３９（可撓性のプリント回路ボードであってもよい）にはんだ結合されてもよい。マイクロはんだボール接点を伴うボールグリッドアレイ（ＢＧＡ）が、サブマウント１４上に構成されてもよい。他の電気接続部は、図５の実施形態における光学ベンチサブアセンブリ１０’を包含していてもよく、その図５の実施形態における光学ベンチサブアセンブリ１０’では、サブマウント１４’の側面に付与された巻付け型のトレース３８が、ワイヤボンディングまたは可撓性の回路接続要素３７によって、パッケージ５００’内において回路ボード（図示せず）に電気的に接続される。あるいは、パッケージ５００’内においてサブマウントとプリント回路ボードとの間の電気接続部を実現するために、ばねピン（図示せず）が構成されてもよい。これらの電気接続部は、熱膨張／収縮に起因するエラー運動および応力を吸収し、光学ベンチサブアセンブリの光学ベンチの基板上に一体化された光デバイス間の光学アラインメントに、影響を与えない。

図７は、密閉型の光電子パッケージ５００’に取り付けられた状態における、密閉型フィードスルー／光学ベンチアセンブリ１０を示している。その他の電子および回路構成要素は、図７からは除外されている。密閉型の光電子パッケージ５００’の密閉カバーも、図からは除外されている。

光学ベンチサブアセンブリ１０を密閉型の光電子パッケージ５００’にアセンブリ化した後、パッケージ５００’は、早期発生欠陥を排除するために通電テストに供されてもよく、さらに機能テストが行われてもよい。

本発明は、光学ベンチサブアセンブリをより大きな光電子パッケージ内にアセンブリ化するのに先立って、光学素子ならびに要素および光デバイスを、予め光学ベンチサブアセンブリ内に精密にアセンブリ化するものであるため、光学ベンチサブアセンブリは、光電子パッケージの外部で、サブアセンブリレベルにおいて、通電テストを含む機能テストに供され得る。したがって、パッケージ内部に取り付けられた光デバイスの早期発生欠陥に起因して発生する、より高価なパッケージ（ＩＣ等の高価な回路構成部品を含む）の廃棄を減らすことができる。光学ベンチサブアセンブリのための能動的なアラインメントプロセスは、ずっと容易である。さらに、光学ベンチと光デバイスとの間には、ずっと小さく、よりロバスト性の高い、構造ループが存在する。したがって、本発明によれば、密閉型フィードスルーを包含している光電子パッケージについて、全体として、より高い生産率、より高い信頼性およびより低い製造コストを実現することができる。

以上、好ましい実施形態を参照して、本発明を具体的に示し説明してきたが、当業者であれば、本発明の精神、範囲および教示内容から逸脱することなく、形態および詳細に関し様々な変更が可能であることを理解できるであろう。したがって、ここに開示された発明は単に説明目的のものと捉えられるべきであり、添付の請求項で規定されるとおりにのみ、範囲が限定されるべきである。

１０，１０’ 光学ベンチサブアセンブリ
１１，１１’ 光学ベンチ
１２ 光デバイス
１３ ベース
１４，１４’ サブマウント
１５ カバー
１６ 開放溝
１７ 構造反射面
１８ 溝
１９ キャビティ
２０ 光ファイバ
２１ 光ファイバケーブル
２２ 光信号
２３ 光デバイスアセンブリ
３２ フレーム
３６ ビアホール
３９ プリント回路ボード
５０ 鼻部
５００，５００’ 光電子パッケージ
５０１，５０１’ ハウジング
５０２ フィードスルー

Claims (20)

1. 光信号をルーティングするための光学ベンチサブアセンブリにおいて、
   光学ベンチであって、
   ベース、
   前記ベース上に規定された構造表面であって、入射光を再成形して曲げる表面形状を有する構造表面、
   光学要素、ならびに
   前記ベース上に規定されたアラインメント構造であって、該アラインメント構造は、前記構造表面と前記光学要素との間の規定された光路に沿って光信号が伝達されるように、前記ベース上において前記光学要素を前記構造表面と光学アラインメントが確立された状態に配置するための、表面特徴形状と共に構成されており、前記光路は、前記構造表面から前記ベースの外部へと延在するものである、アラインメント構造、
   を含む光学ベンチ、および
   光デバイスを含む光デバイスアセンブリであって、該光デバイスアセンブリは、前記光デバイスが前記光路に沿って前記構造表面に対して光学アラインメントが確立された状態となるように、前記ベースに取り付けられている、光デバイスアセンブリ、
   を含むことを特徴とする光学ベンチサブアセンブリ。
2. 前記光学要素が光導波路を含むことを特徴とする、請求項１記載の光学ベンチサブアセンブリ。
3. 前記光導波路が、複数の光ファイバのアレイを含み、前記構造表面が、複数の構造反射面のアレイを含むことを特徴とする、請求項２記載の光学ベンチサブアセンブリ。
4. 前記複数の光ファイバの前記アレイの一部分の周囲空間を密閉封止するように、前記ベースに密閉態様で取り付けられたカバーであって、該カバーは、前記構造表面を覆うようには延在せず、それにより、密閉型フィードスルーを提供するカバーを、さらに含むことを特徴とする請求項３記載の光学ベンチサブアセンブリ。
5. 前記光デバイスアセンブリは、前記光デバイスがマウントされるサブマウントを含み、該サブマウントは、前記光デバイスが前記構造表面に対して光学アラインメントが確立された状態となるように、前記光学ベンチの前記ベースに取り付けられるものであることを特徴とする、請求項４記載の光学ベンチサブアセンブリ。
6. 前記光デバイスが、送信デバイス、受信デバイスまたはトランシーバを含むことを特徴とする、請求項５記載の光学ベンチサブアセンブリ。
7. 前記光デバイスが、前記構造表面に対して受動的にアラインメントされていることを特徴とする、請求項６記載の光学ベンチサブアセンブリ。
8. 前記光デバイスが、前記構造表面に対して能動的にアラインメントされていることを特徴とする、請求項６記載の光学ベンチサブアセンブリ。
9. 前記構造表面および前記アラインメント構造が、前記ベースの可鍛性材料にスタンピングを施すことにより、前記ベース上に一体的に規定されていることを特徴とする、請求項１記載の光学ベンチサブアセンブリ。
10. 前記ベースが、
    第１の構造特徴形状を規定した、第１の材料の主要部分、および
    前記第１の材料とは異種の第２の材料の上に、第２の構造特徴形状を規定した、前記第２の材料の補助部分、
    を含み、
    前記補助部分は、前記ベースに構造的に結合されて、それにより、前記第１の構造特徴形状が規定された前記第１の材料の前記主要部分と、前記第２の構造特徴形状が規定された前記第２の材料の前記補助部分とを含む、複合構造が形成されており、前記第１の構造特徴形状および前記第２の構造特徴形状は、光信号をルーティングするための前記光路を規定することを特徴とする、請求項９記載の光学ベンチサブアセンブリ。
11. ハウジング、
    前記ハウジング内部に集積された電子部品、および
    前記ハウジングに密閉態様で取り付けられた、請求項４記載の光学ベンチサブアセンブリ、
    を含むことを特徴とする密閉型光電子パッケージ。
12. 前記光学ベンチサブアセンブリが、前記ハウジングに密閉封止される前に、機能テストに供されていることを特徴とする、請求項１１記載の密閉型光電子パッケージ。
13. 光信号をルーティングするための光学ベンチサブアセンブリを組み立てる方法において、
    光学ベンチであって、
    ベース、
    前記ベース上に規定された構造表面であって、入射光を再成形して曲げる表面形状を有する構造表面、
    光学要素、ならびに
    前記ベース上に規定されたアラインメント構造であって、該アラインメント構造は、前記構造表面と前記光学要素との間の規定された光路に沿って光信号が伝達されるように、前記ベース上において前記光学要素を前記構造表面と光学アラインメントが確立された状態に配置するための、表面特徴形状と共に構成されており、前記光路は、前記構造表面から前記ベースの外部へと延在するものである、アラインメント構造、
    を含む光学ベンチを提供する工程、
    光デバイスを含む光デバイスアセンブリを提供する工程、
    前記光路に沿って、前記光デバイスを前記構造表面に対して光学的にアラインメントする工程、および
    光学的アラインメントが確立された後に、前記光デバイスアセンブリを前記ベースに取り付ける工程、
    を含むことを特徴とする方法。
14. 前記光学要素は、複数の光ファイバのアレイを含み、前記構造表面は、複数の構造反射面のアレイを含み、当該方法は、前記複数の光ファイバの前記アレイの一部分の周囲空間を密閉封止するように、前記ベースに密閉態様で取り付けられるカバーを提供する工程をさらに含み、前記カバーは、前記構造表面を覆うようには延在せず、それにより、密閉型フィードスルーを提供することを特徴とする、請求項１３記載の方法。
15. 前記光デバイスアセンブリは、前記光デバイスがマウントされるサブマウントを含み、該サブマウントは、前記光デバイスが前記構造表面に対して光学アラインメントが確立された状態となるように、前記光学ベンチの前記ベースに取り付けられることを特徴とする、請求項１４記載の方法。
16. 前記光デバイスが、送信デバイス、受信デバイスまたはトランシーバを含むことを特徴とする、請求項１５記載の方法。
17. 前記光デバイスが、前記構造表面に対して能動的に光学アラインメントされることを特徴とする、請求項１６記載の方法。
18. 前記光学ベンチアセンブリが、サブアセンブリレベルにおいて機能テストされ、該機能テストが通電テストを含むことを特徴とする、請求項１７記載の方法。
19. 密閉型光電子パッケージを形成する方法において、
    ハウジングを提供する工程、
    前記ハウジング内部に電子部品を集積する工程、および
    請求項１４記載の方法により組み立てられた前記光学ベンチサブアセンブリを、前記ハウジングに密閉態様で取り付ける工程、
    を含むことを特徴とする方法。
20. 前記光学ベンチサブアセンブリが、前記ハウジングに密閉封止される前に、通電テストを含む機能テストに供されることを特徴とする、請求項１９記載の方法。

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