JP2021182113A - 光プローブ、光プローブアレイ、光プローブカードおよび光プローブの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】伝搬モードがシングルモードであり、かつ光デバイスを効率的に測定できる光プローブ、光プローブアレイ、光プローブカードおよび光プローブの製造方法を提供する。【解決手段】光プローブ１０は、伝搬モードがシングルモードである光導波路が連続するように連結した第１領域１１と第２領域１２を備える。光デバイス２０に対面する先端面１００に連続する第１領域１１は、先端面１００で最大であるモードフィールド径が第１領域１１と第２領域１２との領域境界１３に向かって次第に狭くなる領域を含む。先端面１００は曲面であり、先端面１００の曲率半径は、先端面１００から入射した光信号Ｌの進行方向が光導波路の中心軸方向に対して平行に近づくように設定されている。【選択図】図１

Description

本発明は、光デバイスの測定に使用する光プローブ、光プローブアレイ、光プローブカードおよび光プローブの製造方法に関する。

シリコンフォトニクス技術を用いて、入出力信号が光信号である光デバイスがウェハに形成される。ウェハに形成した状態の光デバイスの特性を測定するために、光プローブが用いられる。この場合、測定対象の光デバイスと光プローブの間を伝搬する光信号の損失を低減するために、光デバイスと光プローブについて位置合わせやモードフィールドの整合を行う。

米国特許出願公開第２００６／０００８２２６Ａ１号明細書 特開昭６２−３１１３６号公報

光信号がシングルモードで伝搬する場合、光デバイスの光信号端子のサイズや、光プローブのコア径およびモードフィールド径は、数μｍオーダーである。このため、光デバイスの光信号端子と光プローブの先端面の位置合わせにおける誤差の許容度は低く、光デバイスと光プローブを正確に位置合わせすることが難しい。その結果、光デバイスの測定において、位置合わせに時間を要することによる測定時間の長大化や、不正確な位置合わせに起因する接続損失の増大が生じる。このように、光信号がシングルモードで伝搬する場合に、光デバイスを効率的に測定できないという問題があった。

上記問題点に鑑み、本発明は、伝搬モードがシングルモードであり、かつ光デバイスを効率的に測定できる光プローブ、光プローブアレイ、光プローブカードおよび光プローブの製造方法を提供することを目的とする。

本発明の一態様によれば、伝搬モードがシングルモードである光導波路が連続するように連結した第１領域と第２領域を備える光プローブが提供される。光デバイスに対面する先端面に連続する第１領域は、先端面で最大であるモードフィールド径が第１領域と第２領域との領域境界に向かって次第に狭くなる領域を含む。先端面は曲面であり、先端面の曲率半径は、先端面から入射した光信号の進行方向が光導波路の中心軸方向に対して平行に近づくように設定されている。

本発明によれば、伝搬モードがシングルモードであり、かつ光デバイスを効率的に測定できる光プローブ、光プローブアレイ、光プローブカードおよび光プローブの製造方法を提供できる。

第１の実施形態に係る光プローブの構成を示す模式的な断面図である。 第１の実施形態に係る光プローブの先端面での屈折角を説明するための模式図である。 最大作動距離を説明するための模式図である。 光プローブの先端面の曲率半径と開口数の関係を示すグラフである。 光プローブの先端面の曲率半径と光信号のスポット半径の関係を示すグラフである。 位置偏差と接続損失の関係を示すグラフである。 光プローブの先端面の曲率半径とスポット長の関係を示すグラフである。 第１の実施形態に係る光プローブの製造方法を説明するための模式図である（その１）。 第１の実施形態に係る光プローブの製造方法を説明するための模式図である（その２）。 第１の実施形態に係る光プローブアレイの構成を示す模式図である。 光デバイスの光導波路の例を示す模式的な平面図である。 比較例の光ファイバの構成を示す模式図である。 第１の実施形態に係る光プローブを用いた測定システムの構成を示す模式図である。 第１の実施形態の変形例に係る測定システムの構成を示す模式図である。 第２の実施形態に係る光プローブの構成を示す模式図である。 その他の実施形態に係る光プローブの構成を示す模式図である。

次に、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであることに留意すべきである。また、以下に示す実施形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の実施形態は、構成部品の構造、配置などを下記のものに特定するものでない。この発明の実施形態は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。

（第１の実施形態）
第１の実施形態に係る光プローブ１０は、光デバイス２０との間で光信号を送受信する。以下では、光デバイス２０が出射して光プローブ１０に入射した光信号Ｌが、光プローブ１０の光導波路を伝搬する場合を説明する。図１は、光デバイス２０に対面して光信号Ｌが通過する先端面１００を含む光プローブ１０の端部を示す。

図１で、光プローブ１０の光導波路の中心軸Ｃ１０をＺ軸方向とし、Ｚ軸方向に垂直な平面をＸＹ平面とする。また、図１の紙面の左右方向をＸ軸方向、紙面に垂直な方向をＹ軸方向とする。以下において、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向およびＺ軸方向を総称して「ＸＹＺ軸方向」とも称する。

光プローブ１０は、光ファイバや、光ファイバとレンズを組み合わせた構成などを採用可能である。光プローブ１０は、伝搬モードがシングルモードである光導波路を有する。光プローブ１０の光導波路は、コア部１０１の外周にクラッド部１０２を配置した構成である。図１に示したクラッド径Ｄｒは、クラッド部１０２を含めた光プローブ１０の外径である。

光プローブ１０の先端面１００は、光デバイス２０の光信号Ｌを出射する光信号端子（図示略）と光学的に接続する。先端面１００は、曲率半径Ｒの凸曲面である。曲率半径Ｒの詳細については後述する。光プローブ１０は、先端面１００に連続する第１領域１１と、第１領域１１よりコア径が狭い第２領域１２を連続又は連結した構造である。ここでは第１領域１１の光導波路と第２領域１２の光導波路は連続する。第１領域１１は、先端面１００から光プローブ１０の光導波路の中心軸Ｃ１０の延伸方向（以下、「中心軸方向」とも称する。）に沿った光プローブ１０の一定の範囲である。

光プローブ１０の先端面１００におけるモードフィールド径は、「第１ＭＦ径Ｃｅ」である。第１領域１１は、先端面１００で最大であるモードフィールド径が第１領域１１と第２領域１２との領域境界１３に向かってテーパー状に次第に狭くなる領域を含む。領域境界１３において、第１領域１１のモードフィールド径と第２領域１２のモードフィールド径が一致する。第２領域１２のモードフィールド径は、中心軸方向に沿って一定である。第２領域１２のモードフィールド径は、「第２ＭＦ径Ｃｄ」である。

光デバイス２０から出射された放射角２αの光信号Ｌは、先端面１００の入射点Ｑに入射する。光信号Ｌは、入射点Ｑにおける中心半角ωとして、曲率半径方向と屈折角（β＋ω）をなして入射点Ｑを通過する。角βは、図２に示すように、先端面１００を通過した光信号Ｌの進行方向と中心軸方向とのなす角である。

光プローブ１０は、光デバイス２０からＺ軸方向に沿って作動距離ＷＤだけ離間して配置されている。作動距離ＷＤは、光デバイス２０が出射した光信号Ｌを光プローブ１０が受光できる範囲に設定する。言い換えると、先端面１００において光信号Ｌの入射範囲が光導波路の内側となるように、作動距離ＷＤを設定する。

図３に、光プローブ１０と光デバイス２０の間の距離が、設定し得る最大の作動距離（以下、「最大作動距離ＷＤｍ」と称する。）である状態を示す。最大作動距離ＷＤｍにおける光信号Ｌの最大の放射角を２αｍとする。したがって、先端面１００の開口数ＮＡはｓｉｎ（αｍ）である。

光プローブ１０の先端面１００の曲率半径Ｒは、先端面１００から入射した光信号Ｌの進行方向が、光プローブ１０の光導波路の中心軸方向に対して平行に近づくように設定される。以下に、先端面１００の曲率半径Ｒについて説明する。

先端面１００に入射した光信号Ｌは、屈折角（β＋ω）で屈折する。スネルの法則から、光信号Ｌが先端面１００に入射する入射点Ｑにおけるコア部１０１の屈折率ｎｒを用いて、以下の式（１）の関係式が成立する：

ｓｉｎ（αｍ＋ω）＝ｎｒ×ｓｉｎ（β＋ω） ・・・（１）

式（１）から、以下の式（２）が得られる：

αｍ＝ｓｉｎ^-1（ｎｒ×ｓｉｎ（β＋ω）｝−ω ・・・（２）

ただし、

ＮＡ＝ｓｉｎ（αｍ） ・・・（３）

である。

コア部１０１の屈折率ｎｒとクラッド部１０２の屈折率ｎｄがほぼ等しいとして、以下の式（４）が得られる：

β＝ｓｉｎ^-1｛ｓｉｎ（α０）／ｎｒ｝ ・・・（４）

式（４）で、ｓｉｎ（α０）は先端面１００が平坦と仮定した場合の先端面１００の開口数である。

以下の式（５）の関係式を満たすことにより、先端面１００から入射した光信号Ｌの進行方向が中心軸方向に対して平行に近づく：

ω＝ｓｉｎ^-1（Ｃｅ／Ｒ） ・・・（５）

したがって、光プローブ１０の先端面１００の曲率半径Ｒは、以下の式（６）の関係式を満たすように設定される：

Ｒ＝Ｃｅ／ｓｉｎ（ω） ・・・（６）

最大作動距離ＷＤｍは、ＷＤｍ＝Ｃｅ／ｔａｎ（αｍ）の関係式で表される。したがって、作動距離ＷＤは、以下の式（７）の関係式を満たす：

ＷＤ≦Ｃｅ／ｔａｎ（αｍ） ・・・（７）

なお、曲率半径Ｒと光プローブ１０のクラッド径Ｄｒは、以下の式（８）の関係式を満たす：

Ｒ≧Ｄｒ／２ ・・・（８）

式（８）の関係式を満たすことにより、光プローブ１０を伝搬する光信号Ｌが光プローブ１０の側面から外部に漏出することを防止できる。

図４に、光プローブ１０の第１ＭＦ径Ｃｅが２０μｍ、３０μｍ、４０μｍである場合それぞれの、先端面１００の曲率半径Ｒと開口数ＮＡの関係を示す。図４に示すように、曲率半径Ｒが小さいほど、開口数ＮＡが大きい。また、第１ＭＦ径Ｃｅが大きいほど、開口数ＮＡが大きい。例えば、先端面１００の開口数ＮＡを０．２にするには、曲率半径Ｒを以下のように設定する。第１ＭＦ径Ｃｅが２０μｍの場合は、曲率半径Ｒを３０μｍ程度に設定する。第１ＭＦ径Ｃｅが３０μｍの場合は、曲率半径Ｒを４０μｍ程度に設定する。第１ＭＦ径Ｃｅが４０μｍの場合は、曲率半径Ｒを５５μｍ程度に設定する。

図５に、光プローブ１０の先端面１００の曲率半径Ｒと、先端面１００を通過した光信号Ｌのスポット半径ω０の関係を示す。図５に示すように、先端面１００の曲率半径Ｒが小さいほど、スポット半径ω０が小さい。また、光プローブ１０の第１ＭＦ径Ｃｅが２０μｍ、３０μｍ、４０μｍである場合に、第１ＭＦ径Ｃｅが大きいほどスポット半径ω０は小さい。光デバイス２０と光プローブ１０を効率よく光学的に接続するには、スポット径を光信号端子のサイズと同程度にする。したがって、例えば光デバイス２０の光信号端子のサイズが４μｍの場合は、スポット半径ω０を２μｍにする。その場合、第１ＭＦ径Ｃｅが３０μｍの場合は曲率半径Ｒを３０μｍ程度に設定し、第１ＭＦ径Ｃｅが４０μｍの場合は曲率半径Ｒを４５μｍ程度に設定する。

図６に、第１ＭＦ径Ｃｅが２０μｍ、３０μｍ、４０μｍである場合それぞれの、光プローブ１０の中心軸Ｃ１０と光信号Ｌの光軸Ｃ２０とのＸ軸方向又はＹ軸方向の位置偏差Ｄと、光信号Ｌの接続損失Ｓの関係を示す。なお、図６のＣｄ＝１０μｍのグラフは、モードフィールド径が１０μｍで一定のシングルモードファイバでの接続損失である。ここで、先端面１００の開口数ＮＡは０．１７、作動距離ＷＤは２５μｍである。

図６に示すように、第１ＭＦ径Ｃｅが大きいほど、位置偏差Ｄに対する接続損失Ｓの変動が小さい。図６から、接続損失Ｓの変動を０．１ｄＢ以内に抑える位置偏差Ｄの範囲は、以下のとおりである。第１ＭＦ径Ｃｅが２０μｍの場合は、２．５（μｍ）≧Ｄ≧―２．５μｍ。第１ＭＦ径Ｃｅが３０μｍの場合は、３．５μｍ≧Ｄ≧―３．５μｍ。第１ＭＦ径Ｃｅが４０μｍの場合は、５．０μｍ≧Ｄ≧―５．０μｍ。

光プローブ１０を複数配列して構成する光プローブアレイでは、光プローブ１０の光プローブアレイに配置したそれぞれの位置に誤差が生じる。このため、位置偏差に対する接続損失の変動が小さい光プローブ１０を光プローブアレイに使用することにより、光プローブアレイを用いた光デバイス２０の測定における接続損失の変動を小さくできる。したがって、第１ＭＦ径Ｃｅが大きい光プローブ１０を光プローブアレイに使用することにより、位置偏差Ｄに依存する接続損失Ｓの変動を小さくできる。例えば、第１ＭＦ径Ｃｅが３０μｍ〜４０μｍの光プローブ１０を使用して、光プローブアレイを構成してもよい。

また、作動距離ＷＤを調整することにより、接続損失Ｓの変動を低減する位置偏差Ｄの範囲の広さを変更できる。すなわち、作動距離ＷＤを短くするほど、例えば接続損失Ｓの変動を０．１ｄＢ以内に低減する位置偏差Ｄの範囲を広くできる。

図７に、光プローブ１０の先端面１００の曲率半径Ｒと、スポット半径ω０が一定である中心軸方向の範囲の長さ（以下、「スポット長Ｈ」と称する。）の関係を示す。スポット長Ｈの２倍が、光信号Ｌの焦点深度である。図７に示すように、曲率半径Ｒが大きいほどスポット長Ｈが長い。また、第１ＭＦ径Ｃｅが大きいほどスポット長Ｈが短い。

例えば、光デバイス２０の光信号端子のサイズが４μｍである場合に、スポット半径ω０を２μｍとする。図５から、第１ＭＦ径Ｃｅが３０μｍの場合にスポット半径ω０を２μｍとするには、曲率半径Ｒは３０μｍである。その場合、図７からスポット長Ｈが５μｍであるから、焦点深度は１０μｍである。したがって、Ｚ軸方向に沿って作動距離が１０μｍ程度変動しても、接続損失はほとんど変化しない。このように、式（６）の関係式を満たす光プローブ１０によれば、Ｚ軸方向の位置偏差に対する許容度を大きくできる。

ところで、光プローブ１０の中心軸Ｃ１０と光信号Ｌの光軸Ｃ２０が平行でなく、中心軸Ｃ１０と光軸Ｃ２０が交差する場合がある。このときの中心軸Ｃ１０と光軸Ｃ２０がなす角を、以下において「チルト角」と称する。チルト角に起因する先端面１００での光信号Ｌの入射角の角度ズレを、以下において「回転偏差」とも称する。チルト角の発生により、光プローブ１０を伝搬する光信号Ｌの特性の変動（以下、「入射変動」と称する。）が生じることも考えられる。

しかし、光プローブ１０では、先端面１００を通過した光信号Ｌの進行方向は中心軸方向に対して平行に近づく。このため、チルト角の発生に起因する入射変動は抑制されて、光信号Ｌを光プローブ１０に安定して入射させることができる。つまり、光プローブ１０は、回転偏差に対する許容度が大きい。したがって、光プローブ１０によれば、中心軸Ｃ１０と光軸Ｃ２０が平行でない場合にも光信号Ｌの接続損失を抑制できる。

以上に説明したように、第１の実施形態に係る光プローブ１０は、モードフィールド径を拡大した第１領域１１を有することにより、Ｘ軸方向およびＹ軸方向の位置偏差に対する許容度が向上する。また、先端面１００が式（６）の関係式を満たす曲面であるため、先端面１００に入射した光信号Ｌの進行方向が、光プローブ１０の中心軸Ｃ１０に対して平行に近づく。このため、光プローブ１０では、作動距離ＷＤが所定の距離から変動した場合の損失変動が低減する。つまり、Ｚ軸方向の位置偏差に対する許容度が向上する。更に、光プローブ１０では、チルト角に起因する回転偏差に対する許容度が大きい。

したがって、光プローブ１０によれば、ＸＹＺ軸方向の位置偏差および回転偏差に対する許容度が向上する。このため、光プローブ１０と光デバイス２０の位置合わせに要する時間を短縮でき、場合によっては精密な位置合わせが不要になる。そして、光プローブ１０を用いた測定によって、光デバイス２０が出射する光信号Ｌの特性を安定して精度よく測定できる。したがって、光信号Ｌの伝搬モードがシングルモードである光プローブ１０を用いて、光デバイス２０を効率的に測定できる。

図８Ａ〜図８Ｂを参照して、光プローブ１０の製造方法を説明する。なお、以下に述べる製造方法は一例であり、この変形例を含めて、これ以外の種々の製造方法により光プローブ１０を製造できることはもちろんである。

まず、一方の端部から中心軸方向に沿ってモードフィールド径がテーパー状に次第に狭くなる光ファイバを準備する。例えば、コア部１０１とクラッド部１０２により構成された光導波路を有する光ファイバに、図８Ａに示すように第１領域１１を形成する。第１領域１１の形成方法は、コア部１０１を局所的に加熱する方法などを採用可能である。例えば、クラッド径Ｄｒ、モードフィールド径が第２ＭＦ径Ｃｄであるシングルモードファイバの一方の端部を、１２００〜１４００℃程度に加熱する。この加熱工程により、コア部１０１内に存在する屈折率を増大する添加物が拡散し、コア部１０１が半径方向に拡大する。これにより、先端面のモードフィールド径が第１ＭＦ径Ｃｅである第１領域１１が形成される。拡散する添加物は、例えばゲルマニウム（Ｇｅ）などである。

次いで、固定ジグなどにより固定した第１領域１１の端部を端面研磨機や精密研削機などを用いて円錐形状に研磨する。これにより、図８Ａに破線で示す円錐形状領域１１０を形成する。

その後、円錐形頂部を軸にして円錐形状領域１１０の表面を、放電加工による加熱成形、精密研削加工等により凸曲面に加工し、図８Ｂに示すように先端面１００を形成する。このとき、図８Ｂに示すように、中心軸Ｃ１０を中心とした径Ｌｃの範囲を曲面に加工し、曲面に加工した範囲の外側の外縁領域１０３をテーパー状としてもよい。

円錐形状領域１１０の表面を凸曲面に加工する上記の工程において、先端面１００の曲率半径Ｒが式（６）の関係式を満たすように先端面１００を形成する。これにより、先端面１００から入射した光信号Ｌの進行方向が、光プローブ１０の光導波路の中心軸方向に対して平行に近づく。以上により、光プローブ１０が製造される。

円錐形状領域１１０の表面を曲面に加工する工程には、例えば、高周波放電や炭酸ガス（ＣＯ₂）レーザを用いた加熱溶融による方法、研磨機による精密研磨による方法などを採用可能である。また、研磨加工の後、加熱溶融して円錐形状領域１１０の表面を曲面に加工してもよい。研磨加工の後に加熱溶融する方法により、研磨加工による面粗さが改善され、先端面１００での光信号Ｌの表面分散による接続損失が低減する。

例えば、第１領域１１のコア径を２５μｍ程度、第１ＭＦ径Ｃｅを３０μｍ程度にしてもよい。第２領域１２のコア径を８μｍ程度、第２ＭＦ径Ｃｄを１０μｍ程度にしてもよい。

複数本の光プローブ１０を配列した構成の光プローブアレイを光デバイス２０の測定に使用することにより、複数の光信号端子を同時に光プローブ１０とそれぞれ位置合わせできる。このため、光プローブアレイを使用することにより、光デバイス２０の特性を短時間で測定できる。つまり、光プローブアレイによって光プローブ１０と光信号端子を多芯接続することにより、光プローブ１０を１本ずつ光信号端子と位置合わせする測定方法と比べて、位置合わせに要する時間を大幅に短縮できる。

複数本の光プローブ１０を配列して光プローブアレイを構成する場合には、光プローブアレイに配置した光プローブ１０の位置に誤差が生じる可能性がある。しかし、光プローブ１０は、ＸＹＺ軸方向の位置偏差および回転偏差に対する許容度が大きい。このため、光プローブ１０で構成した光プローブアレイによれば、光プローブ１０と光デバイス２０の相対的な位置が変動したり中心軸Ｃ１０と光軸Ｃ２０がチルト角をなして交差したりしても、光信号Ｌの入射変動を低減できる。したがって、光プローブ１０で構成する光プローブアレイを用いて、ウェハに多数個が形成された光デバイス２０の光信号端子のそれぞれと光プローブ１０とを、入射変動を低減した範囲で容易に位置合わせできる。

つまり、光プローブ１０で構成する光プローブアレイを用いた測定によれば、複数の光デバイス２０を同時に位置合わせして測定することによって測定時間を短縮し、かつ接続損失を低減できる。その結果、光デバイス２０の測定評価が容易にでき、歩留まり改善から生産性が向上する。

図９Ａに、光プローブ１０で構成した光プローブアレイの例を示す。図９Ａでは４本の光プローブ１０を配列した光プローブアレイ１５を示したが、光プローブアレイを構成する光プローブ１０の本数は４本に限られない。

図９Ａに示した光デバイス２０は、それぞれ入出射端が回折格子からなる光信号端子２１を等間隔で配置した構成である。光プローブ１０の先端面１００から出射された光入力信号は、光プローブ１０の先端面１００から作動距離ＷＤだけ離れた光信号端子２１に入射する。光信号端子２１に入射した光入力信号は、入出射端の回折格子により偏向されて、光デバイス２０に形成された光導波路（図示略）内を伝搬する。そして、光入力信号は、光デバイス２０の内部に配置された受光素子、光スイッチ、変調素子などの機能部品に伝搬する。例えば図９Ｂに示すように、光信号端子２１から光デバイス２０の機能部品に光信号を伝搬する光導波路２２は、モードフィールド径が徐々に細くなるテーパー状である。

一方、光デバイス２０の光信号端子２１の回折格子から偏向して出射された光出力信号は、光プローブ１０の先端面１００に入射する。光プローブ１０の内部を伝搬した光出力信号は、光電変換部５０に入射する。光電変換部５０は、光出力信号を電気信号に変換し、増幅する。

光プローブアレイ１５を構成する光プローブ１０は、先端面１００のモードフィールド径が拡大され、かつ先端面１００が曲率半径Ｒの曲面である。このため、光プローブ１０と光信号端子２１との間でＸＹＺ軸方向の位置偏差が生じたり回転偏差が生じたりしても、損失変動が小さい。このため、光プローブアレイ１５を用いて、安定した高精度な測定と短時間処理が可能である。なお、損失変動を所定の許容範囲に抑制する許容偏差は、作動距離ＷＤの設定により調整できる。ＷＤ≦ＷＤｍ＝Ｃｅ/ｔａｎ（αｍ）の関係式を満たす範囲における作動距離ＷＤの設定により、許容偏差を増大させることができる。

なお、図９Ａでは光プローブ１０を一列に配列した構成の光プローブアレイ１５の例を示したが、光プローブアレイ１５が他の構成であってもよい。例えば、光プローブアレイ１５が、Ｘ軸方向とＹ軸方向のそれぞれに光プローブ１０を配列した、光プローブ１０をアレイ状に複数整列配置した構成であってもよい。

光プローブ１０を用いる測定に対して、先端面でモードフィールド径を拡大していない図１０に示すような比較例のシングルモードファイバの光ファイバ１０ａを用いて光デバイス２０を測定する場合は、以下のような問題が生じる。光ファイバ１０ａは、円錐形状に成型した端部から中心軸方向に沿ってモードフィールド径は一定である。光ファイバ１０ａを用いた光デバイス２０の測定では、ＸＹＺ軸方向それぞれの位置調整および各軸の回転微調整の６自由度でのサブミクロンオーダーの精密制御により、光ファイバ１０ａと光デバイス２０の位置合わせをする必要がある。したがって、光ファイバ１０ａを配列して光プローブアレイを構成した場合、光ファイバ１０ａとそれぞれ精密な位置合わせをして複数の光デバイス２０を同時に測定することは困難である。このため、ウェハに多数個を形成した光デバイス２０の測定に光ファイバ１０ａを用いた場合は、時間と手間がかかる。したがって、光ファイバ１０ａを用いた光デバイス２０の評価測定は、生産性が悪く量産化に向けた対応が困難である。

一方、光プローブ１０は、ＸＹＺ軸方向の位置合わせ、及びチルト角の調整のためのＸ軸やＹ軸を中心とする回転による位置合わせにおける誤差の許容度が大きい。このため、光プローブ１０を光プローブアレイに使用した場合に、光プローブアレイと光デバイス２０の位置合わせが、簡素化により短時間で可能であり、かつ損失変動を低減できる。

光プローブ１０を用いた測定システムの構成例を図１１に示す。図１１に示した測定システムは、光プローブ１０を保持する光プローブヘッド４０を備える。光プローブヘッド４０は、複数の光プローブ１０をアレイ状に配置した光プローブアレイ１５を保持する。つまり、図示を省略するが、Ｘ軸方向と同様にＹ軸方向に沿っても、光プローブアレイ１５に光プローブ１０が等間隔で配置されている。

図１１に示した測定システムは、ステージ６０に搭載したウェハ２００にアレイ状に形成した複数の光デバイス２０の測定に使用される。光プローブアレイ１５に配置した光プローブ１０の位置は、ウェハ２００に形成した光デバイス２０の位置に対応する。

光プローブヘッド４０は、光プローブ駆動装置４５の制御によってＺ軸方向に移動する。これにより、光プローブ１０の先端面１００と光デバイス２０とのＺ軸方向に沿った距離の微調整が可能である。光プローブヘッド４０と光デバイス２０とのＸ軸方向およびＹ軸方向の位置合わせは、ステージ駆動装置６１によってステージ６０を移動することにより可能である。更に、ステージ駆動装置６１によってＺ軸方向を中心軸としてステージ６０を回転させることにより、Ｚ軸方向を中心軸とする回転方向（以下、「Ｚ軸回転方向」と称する。）について、光プローブ１０に対して光デバイス２０の位置を調整できる。なお、ステージ６０の位置を固定し、光プローブヘッド４０をＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向の各方向に移動させてもよい。

上記のようにして、図１１に示した測定システムによる光プローブ１０と光デバイス２０の位置合わせが可能である。なお、光プローブヘッド４０の位置を固定し、ステージ６０をＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向、Ｚ軸又はＸ軸、Ｙ軸の回転方向に動かす方法も可能である。このように、光プローブ１０と光デバイス２０の位置合わせに、様々な調整方法を採用できる。

光プローブ１０と光デバイス２０の位置合わせの後、図１１に示した測定システムを介して光信号を伝搬させ、光デバイス２０を測定する。例えば、光デバイス２０が出射した光信号Ｌを光プローブ１０が受光する。

光プローブ１０は、光電変換モジュール５１および電気接続端子５２を有する光電変換部５０に接続する。光デバイス２０が出射した光信号Ｌは、光プローブ１０を介して、光プローブ１０と光学的に接続する光電変換モジュール５１に伝搬する。光電変換モジュール５１は、光信号Ｌを電気信号に変換し、変換した電気信号を電気接続端子５２に出力する。電気接続端子５２は、図示を省略するテスタと電気的に接続する。光電変換部５０は、光信号Ｌを光電変換した電気信号を、電気接続端子５２を介してテスタに送信する。

光電変換モジュール５１には、光信号Ｌを光検出器などにより電気信号に変換するタイプや、回折格子型デバイスにより光信号Ｌを分光し、その回折角方向により波長変動を検出するタイプなどを使用する。測定用途により、光電変換モジュール５１のタイプを使い分ける。また、光電変換モジュール５１の手前から光信号Ｌを分岐して、複数の種類の測定を同時に行うこともできる。光電変換部５０を用いて光プローブ１０の出力を光プローブヘッド４０の近傍で光電変換することにより、測定システムの簡素化、測定時間の高速化、測定値の繰り返し再現性の向上を実現できる。このように、光プローブ１０および光プローブ１０を保持する光プローブヘッド４０を備える光プローブカード４１を用いて、光デバイス２０の測定が可能である。

＜変形例＞
電気信号と光信号が伝搬する光デバイス２０の特性をウェハ状態で測定するために、図１２に示すように、光プローブ１０を電気信号が伝搬する電気プローブ３０と組み合わせて使用してもよい。電気プローブ３０は、例えば、カンチレバータイプ、垂直ニードルタイプ、垂直スプリングタイプなどである。電気プローブ３０は、電気プローブヘッド３１が保持する。

例えば、一つの光デバイス２０について、光プローブ１０と電気プローブ３０の対を含む一つのプローブユニットを構成する。プローブユニットは、ウェハ２００に形成した光デバイス２０の位置に対応して配置する。なお、図１２では、一つのプローブユニットを構成する光プローブ１０と電気プローブ３０の本数が１本ずつである場合を例示的に示した。プローブユニットに含まれる光プローブ１０と電気プローブ３０の本数は、光デバイス２０の構成や測定内容に応じて設定する。

図１２に示した例では、複合プローブカード４２を用いて光デバイス２０を測定する。複合プローブカード４２は、光プローブ１０、光プローブヘッド４０、電気プローブ３０、および電気プローブヘッド３１を有する。例えば以下のようにして、プローブユニットを用いて光デバイス２０を測定する。図示を省略したテスタが出力した電気信号が、電気プローブ３０を介して光デバイス２０の電気信号端子に印加される。そして、光デバイス２０の光信号端子から出射する光信号Ｌを光プローブ１０が受光する。複数のプローブユニットを有する複合プローブカード４２を用いることにより、光プローブ１０と光デバイス２０の光信号端子を多芯接続し、１回の位置合わせで複数の光デバイス２０の特性を測定できる。また、逆に、光プローブ１０から出射した光信号を光デバイス２０の入射端に入射し、光デバイス２０で光信号を光電変換し、光電変換された電気信号を電気プローブ３０を介して測定することもできる。これらにより、光デバイス２０の測定の効率が向上する。

複合プローブカード４２を用いる光デバイス２０の測定においても、光プローブ１０を使用することにより、ＸＹＺ軸方向の位置偏差および回転偏差に対する許容度が大きい。このため、複合プローブカード４２を用いる測定によれば、複数の光デバイス２０がそれぞれ出射する光信号Ｌについて安定した入出力特性を得られる。また、テスタと光デバイス２０の間で光信号と電気信号の両方を送受信することにより、光デバイス２０の受光特性やスイッチング特性、発振特性なども測定できる。

（第２の実施形態）
第２の実施形態に係る光プローブ１０は、図１３に示すように、第１領域１１が、先端面１００に連続する先端部１１１と、第２領域１２に連結する連結部１１２とを接合した構成を有する。先端部１１１と連結部１１２の中心軸Ｃ１０は一致する。先端部１１１のモードフィールド径は第１ＭＦ径Ｃｅで一定である。連結部１１２のモードフィールド径は、先端部１１１と連結部１１２が接合する接合面で先端部１１１のモードフィールド径以下である。かつ、連結部１１２は、先端部１１１との接合面から光導波路の中心軸方向に沿ってモードフィールド径が次第に狭くなる領域を有する。

例えば、先端部１１１に、先端面１００として第１の先端面を曲率半径Ｒの曲面に加工したグレーデッドインデックス型（ＧＩ型）光ファイバを使用する。そして、先端部１１１の第２の先端面と、連結部１１２のコア部１０１を拡大した先端面を融着接続する。連結部１１２に、例えば光ファイバを使用する。

先端部１１１の中心軸方向に沿った長さＴは、先端面１００から入射した光信号Ｌが、中心軸方向と平行に先端部１１１と連結部１１２の接合面を通過するように設定する。

例えば、先端部１１１にＧＩ型光ファイバを用いた場合、先端部１１１の長さＴを光信号Ｌが最も入射できるピッチ長に設定する。ピッチ長はレンズ内光路長の１周期（２π）に相当する。仮にピッチ長Ｐを０．２５ピッチとすると、Ｔ＝２πＰ/√Ａ（√Ａ:ＧＩ型光ファイバの屈折率分布定数）である。これにより、光信号Ｌは、先端部１１１を中心軸方向とほぼ平行に進行した後、中心軸方向と平行な平行光として先端部１１１と連結部１１２の接合面に入射する。

第２の実施形態の係る光プローブ１０によれば、先端面１００を有するＧＩ型光ファイバとコア部１０１を拡大した光ファイバを接合した構成により、作動距離ＷＤを長くして、先端面１００での光信号Ｌの入射範囲を広げることができる。他は、第２の実施形態は第１の実施形態と同様であり、重複した記載を省略する。

（その他の実施形態）
上記のように本発明は実施形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。

例えば、上記では光プローブ１０にシングルモードファイバを使用する例を説明したが、光プローブ１０に使用する光ファイバはシングルモードファイバに限定されない。例えば、偏波面保存ファイバや分散シフトファイバ、フォトニック結晶ファイバなどを光プローブ１０に使用してもよい。更に、光プローブ１０が、基板内にコア部を形成した光導波路構造であってもよい。基板内又は基板上に光導波路と微細な電気配線パターンを形成した光プローブ１０による多芯の光プローブアレイと、光プローブアレイと同様の電気プローブアレイにより、光電変換部も集積化して構成できる。このようにして、測定システム全体を小型集積化すること、また、ウェハ２００の光デバイス２０に対して光プローブ１０、電気プローブ３０を基板により一体に構成することができる。このため、位置調整をなくす、又は削減する小型測定構造に向け有効である。

また、図１４に示すように、クラッド部１０２の表面を樹脂膜１２０で被覆してもよい。光プローブ１０の外側を樹脂膜１２０で被覆することにより、光プローブ１０の機械的強度が向上する。更に、光プローブ１０の外側を樹脂膜１２０で被覆することで、水分が光プローブ１０内に浸入、吸収されることを防止する。このため、水分の浸入による光プローブ１０の材質劣化を防止し、接続損失の増大が防止できる。樹脂膜１２０は、例えば膜厚が数μｍのポリイミド膜などである。

このように、本発明はここでは記載していない様々な実施形態などを含むことはもちろんである。

１０…光プローブ
１１…第１領域
１２…第２領域
１５…光プローブアレイ
２０…光デバイス
３０…電気プローブ
４０…光プローブヘッド
４１…光プローブカード
１００…先端面
１０１…コア部
１０２…クラッド部
１１１…先端部
１１２…連結部
１２０…樹脂膜
２００…ウェハ

Claims (11)

1. 光デバイスとの間で光信号を送受信する光プローブであって、
   伝搬モードがシングルモードである光導波路がコア部および前記コア部の外周に配置されたクラッド部により構成され、前記光導波路が連続するように連結した第１領域と第２領域を備え、
   前記光デバイスに対面する先端面に連続する前記第１領域は、前記先端面で最大であるモードフィールド径が前記第１領域と前記第２領域との領域境界に向かって次第に狭くなる領域を含み、
   前記先端面は曲面であり、前記先端面の曲率半径は、前記先端面から入射した前記光信号の進行方向が前記光導波路の中心軸方向に対して平行に近づくように設定されている
   ことを特徴とする光プローブ。
2. 前記先端面の曲率半径Ｒ、前記先端面の開口数ＮＡ、前記先端面のモードフィールド径である第１ＭＦ径Ｃｅ、前記先端面に入射する前記光信号の放射角２αｍ、前記光信号が前記先端面に入射する入射点における前記コア部の屈折率ｎｒ、前記先端面の前記入射点における中心半角ω、前記入射点における前記光信号の屈折角（ω＋β）、前記先端面が平坦と仮定した場合の前記先端面の開口数ｓｉｎ（α０）が、
   Ｒ＝Ｃｅ／ｓｉｎ（ω）
   ＮＡ＝ｓｉｎ（αｍ）
   αｍ＝ｓｉｎ^-1｛ｎｒ×ｓｉｎ（ω＋β）｝−ω
   β＝ｓｉｎ^-1｛ｓｉｎ（α０）／ｎｒ｝
   の関係式を満たすことを特徴とする請求項１に記載の光プローブ。
3. 前記領域境界において、前記第１領域のモードフィールド径と前記第２領域のモードフィールド径が一致することを特徴とする請求項１又は２に記載の光プローブ。
4. 前記光デバイスと前記先端面との作動距離ＷＤ、前記先端面のモードフィールド径である第１ＭＦ径Ｃｅ、前記先端面に入射する前記光信号の放射角２αｍが、ＷＤ≦Ｃｅ／ｔａｎ（αｍ）の関係式を満たすことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光プローブ。
5. 前記先端面の曲率半径Ｒと光プローブのクラッド径Ｄｒが、Ｒ≧Ｄｒ／２の関係式を満たすことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光プローブ。
6. 前記クラッド部の表面が樹脂膜により被覆されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光プローブ。
7. 前記第１領域が、前記先端面に連続する先端部と前記第２領域に連結する連結部とを接合した構成を有し、
   前記先端部のモードフィールド径は一定であり、
   前記連結部のモードフィールド径は、前記先端部と接合する接合面で前記先端部のモードフィールド径以下であり、かつ、前記連結部は、前記接合面から前記中心軸方向に沿ってモードフィールド径が次第に狭くなる領域を有し、
   前記先端部の前記中心軸方向に沿った長さは、前記先端面から入射した前記光信号が前記中心軸方向と平行に前記接合面を通過するように設定されている
   ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の光プローブ。
8. 請求項１乃至７のいずれかに記載の光プローブを複数配列して構成したことを特徴とする光プローブアレイ。
9. 請求項１乃至７のいずれか１項に記載の光プローブと、
   前記光プローブを保持する光プローブヘッドと
   を備えることを特徴とする光プローブカード。
10. 伝搬モードがシングルモードである光導波路をコア部および前記コア部の外周に配置されたクラッド部により構成した光プローブの製造方法であって、
    一方の端部から中心軸方向に沿ってモードフィールド径が次第に狭くなる領域を有する光ファイバを準備する工程と、
    前記一方の端部を円錐形状に研磨して円錐形状領域を形成する工程と、
    円錐形頂部を軸にして前記円錐形状領域の先端面を凸曲面に加工する工程と
    を含み、
    前記先端面の曲率半径を、前記先端面に入射した光信号の進行方向が前記光導波路の中心軸方向に対して平行に近づくように設定することを特徴とする光プローブの製造方法。
11. 前記先端面の曲率半径Ｒ、前記先端面の開口数ＮＡ、前記先端面のモードフィールド径である第１ＭＦ径Ｃｅ、前記先端面に入射する前記光信号の放射角２αｍ、前記光信号が前記先端面に入射する入射点における前記コア部の屈折率ｎｒ、前記先端面の前記入射点における中心半角ω、前記入射点における前記光信号の屈折角（ω＋β）、前記先端面が平坦と仮定した場合の前記先端面の開口数ｓｉｎ（α０）が、
    Ｒ＝Ｃｅ／ｓｉｎ（ω）
    ＮＡ＝ｓｉｎ（αｍ）
    αｍ＝ｓｉｎ^-1｛ｎｒ×ｓｉｎ（ω＋β）｝−ω
    β＝ｓｉｎ^-1｛ｓｉｎ（α０）／ｎｒ｝
    の関係式を満たすことを特徴とする請求項１０に記載の光プローブの製造方法。
    

Images