JP3147313B2 - ダイオードレーザと光ファイバを受動的に調整するための方法及び装置 - Google Patents

ダイオードレーザと光ファイバを受動的に調整するための方法及び装置

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    • Y10S148/00Metal treatment
    • Y10S148/095Laser devices

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、光学部品のパッケージ
ングに関し、更に詳細には、基体上に精密に置かれた機
械的位置決め機構を用いて、ダイオードレーザを光ファ
イバに対して受動的な調整することに関する。
【0002】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】長距離
光通信網は、一般に、単一モード光ファイバと結合する
レーザまたは光検出器のような高性能光電子部品を用い
ている。現在これらの部品は高価であるけれども、それ
らは数千の顧客に分配されているので有効コストは低
い。電話会社が光ファイバ網を直接、家庭に伸ばすと、
経済的な状況は変わる始める。光ファイバを地域環線へ
拡張することは、各々の顧客用のいくつかの光電子、電
子及びファイバ部品を必要とする。この状況は、低コス
トで製造することができる光電子部品を実現することに
関するかなりの要求を強いる。
【0003】すべての光電子(及びほとんどの電子)部
品のコストは、装置自体よりもパッケージングに支配さ
れる。例えば、光ファイバのピグテールとダイオードレ
ーザとを光送信器中で調整しそして結合することが最も
費用のかかるパッケージング工程である。単一送信器に
関するこの操作コストは、レーザの配列が単一モードフ
ァイバの配列と連結する地域環線中の多くの並列な送信
器を使用すること含む用途において増大する。
【0004】電信用途に加えて、低コストの光電子部品
の問題は高速コンピュータ中で光学的相互結合を使用す
ることのような光電子技術の他の用途の経済的な実行可
能性もまた決める。
【0005】ファイバのピグテールにダイオードレーザ
パッケージを結合する通常の方法はやっかいで緊張する
工程である。レーザを、最初に、それが正規の運転条件
にバイアスされることができるようにパッケージにダイ
ボンディング及びワイヤボンディングしなければならな
い。次いでファイバのピグテールの入力端を、ファイバ
の光出力を最適な結合が達成されるまでモニターしつ
つ、レーザ活性領域の前部に機械的に操作する。単一モ
ードファイバ(9μmのコア直径)を、サブミクロンの
精度で、典型的には約2×0.2μmの寸法を有するレ
ーザの放射領域の前部に位置を定めなければならない。
最適な結合が得られると、ファイバが正しい位置に結合
される。この操作は人間との相互作用かあるいはファイ
バをその最適位置に自動的に落ち着かせる高価な装置を
必要とする。さらに、ボンディング材料の動き(例え
ば、エポキシ材料の収縮)によりパッケージへの装着の
際にまたはレーザを実際に使用する際に、ファイバがそ
の最適な位置から動くことになるという不利益がある。
この従来の調整技術は、レーザの配列をファイバ配列へ
結合することに関する必要性が生じるときに、相当複雑
になるであろう。
【0006】レーザの配列に対するファイバの配列の調
整は、多モードファイバ(コア直径50μm)の場合に
ついて、ジャクソン(Jackson) らにより「マルチチャン
ネルレーザ及び検出器配列用の光ファイバ結合方法」(S
PIE Vol.994(1988年))に報告されている。V溝がファ
イバをレーザに対して縦のZ方向に位置づけるために用
いられていたけれども、ファイバを横のX及びY方向に
位置づけるために能動的な調整が要求されていた。本発
明は、すべての能動的な調整操作を除去して、単一モー
ドファイバの受動的な調整に適した正確な調整を提供す
る。
【0007】本発明の一態様に従えば、チップ上に集積
された複数の能動素子を、基板に統合的に接触する複数
の受光素子に対して受動的に整列(調整)させる方法で
あって、2の前部台座構造体及び1の側部台座構造体を
上記基板表面上のそれぞれの位置に形成し、そして上記
チップを、上記能動素子が上記受光素子に光学連絡する
ように、上記2つの前部台座構造体及び上記側部台座構
造体に同時に突き合わせ接触して配置することによっ
て、上記チップを上記基板表面に装着することを含む方
法が提供される。
【0008】本発明の別の態様に従えば、チップ上に集
積した複数の能動素子を基板上に統合的に接触する複数
の受光素子に受動的に整列させるためのパッケージであ
って、上記基板の表面のそれぞれの位置の2の前部台座
構造体及び1の側部台座構造体を含み、それによって、
上記能動素子が上記受光素子と光学連絡するように、上
記チップを上記2の前部台座構造体及び上記側部台座構
造体に同時に突き合わせ接触して配置することによっ
て、上記チップを上記基板表面上に装着する上記パッケ
ージを提供する。
【0009】本発明は、受光素子を発光源に受動的に調
整するための方法及び装置であって、受光素子の能動的
に操作する従来の方法に代わって低コストをもたらす方
法及び装置を開示する。図1に示す特定の具体例では複
数のファイバを有する単一モードファイバ配列が複数の
レーザを有するダイオードレーザ配列に調整されてい
る。調整は、レーザ及びファイバ配列が装着されるミク
ロ機械加工された基板を使用することによって達成され
る。ミクロ機械加工された形状は、各々のレーザ及びフ
ァイバの対が基板上に正確に位置付けられそれによって
それらがお互いに自動的に整列するように設計される。
【0010】図1は、4つのファイバ配列11に結合さ
れた4つの素子レーザ配列チップ10に関する本発明に
従う受動的なレーザ/ファイバ調整操作を図示する。湿
式ケミカルエッチングのようなフォトリソグラフィー技
術を用いて、調整操作の間にファイバの配列11を収容
するためにシリコン基板16中にV溝(図示しない)を
加工する。図1の具体例において基板の例としてシリコ
ンが挙げられるけれども、他の材料もまた用いても良
い。シリコンは、その十分に確立された加工技術によ
り、正確なミクロ機械加工の形状に良好な基板をもたら
す。
【0011】 基板16上の予め決定された位置に加工
された台座12、13及び14は基板上にレーザ配列チ
ップの位置を定めるのに作用する。溝のピッチは、配列
上のレーザ間隔と同等に設計され、Y方向の調整を可能
にする。台座14上に伸びるリップとして図示した交接
溝18はレーザチップに加工される。レーザーチップは
各台座の接触面に突き合わせ接触するようにエピサイド
ダウン装着する(レーザーチップのエピタキシャル成長
層を下側、すなわち基板に近くなるように装着する)
レーザーチップ配列に関するレーザー放射領域の知られ
た位置及び台座の位置は、ファイバをx,y及びz方向
において適当な角度配向にて配置するための溝の位置付
けを可能にして、それゆえ、各レーザー活性領域の中心
線は各ファイバの中心線に対して調整される。金属被覆
15パターンはレーザ配列の各素子を電気的に連絡する
ために用いられる。レーザの基板側は、配列中のすべて
の4つのレーザーに関して通常の接触として用いられ
る。
【0012】X及びY方向のレーザ配列及びファイバ配
列の調整 レーザ配列チップ10を3つの台座12、13及び14
に対して押し付けることによってx及びy方向にて位置
付ける。ここでx方向(ファイバに向かう方向)のレー
ザ配列の位置は台座12及び13によって決められ、一
方、ファイバのコアの中心に対するレーザ活性領域の中
心線の調整(y方向)は台座14によって達成される。
この方向のレーザ配列の位置は、特に、もし、コア直径
が9μmのオーダーにある単一モードファイバが用いら
れるならば、1〜2μm以内に調節して良好な光学的な
結合を得なければならない。この程度の寸法調節を達成
するには、台座14に突き合うレーザチップのふち18
が配列中の最も近いレーザ素子の活性領域から固定され
た距離にあることが必要である。そして、このふちから
の距離は、第1のファイバ受容溝をエッチングするため
のy方向の基準線して働く。V溝の基板16上での配置
は、ファイバのx及びy方向位置を決定する。従来のけ
がきまたはのこ引き法よりもフォトリソグラフィック法
技術を用いてレーザ配列チップのふちを画定することが
できる。
【0013】図2は、図1のレーザ配列構造体の正面の
断面部分を示し、ふち18を有する深い、垂直の壁の交
接溝22により製造され、ふち18は配列中の第1のレ
ーザ21の放射領域23から固定された距離に置かれて
いる。図2にはダブルチャンネル隆起導波管のレーザ形
態が示されているが、チップ配列を他のレーザ構造、例
えば、ストライプ形態及び埋蔵されたヘテロ構造レーザ
により製造することもできる。レーザ配列面上の金属被
覆は、配列中の各々のレーザに関して別々の電極を要す
るが、明瞭化のために図2には示していない。
【0014】レーザバーは、レーザ活性領域23から調
節された距離にある垂直のふち18を残して、交接溝2
2をのこ刃切断させることによって配列に切断される。
交接溝のこの垂直な面が台座14に対して突き当たると
きに、レーザ配列の活性領域は台座14のふちからD+
npの距離(y方向)にある(pはレーザのピッチであ
り、nは4つのレーザ配列の関してn=0、1、2、3
である)。基板は、V溝の中心が、チップのふち18に
突き合う台座表面から等距離D+npにあるように設計
される。これはファイバとレーザ間のy方向の自動的な
調整をもたらす。
【0015】Z方向のレーザ配列及びファイバ配列の調
ファイバとレーザ配列チップ10中の対応するレーザの
z方向の調整は、ファイバコア及びレーザ活性領域を基
板16の表面上で同じ高さに固定することによって達成
される。図3の断面図に示した、V溝中のファイバの位
置は、V溝の幅w及びファイバの直径d(通常のファイ
バは125μm)によって決定される。基板面上のコア
中心の高さhcoreは下記式によって与えられる:
【数1】hcore=d√3/2−w/√2
【0016】 レーザ放射領域を基板面上hcore
等しい調節高に置くことは新規なパッケージング法を必
要する。従来のレーザ装備技術(例えば、共融プリフォ
ームの使用)は鑞の厚さに関して実質的な調整をもたら
さない。これらの鑞技術は、およそ±1μmである要求
された正確さをもってレーザの位置の定めるのに適切で
はない。本発明において、各々のレーザの活性領域の垂
直位置(基板面上)は基板表面に構築された波形のレー
ザ装備パターンを使用することによって調節される。装
着パターンは調節可能な厚さを有する鑞被覆と組み合わ
せて用いられる。レーザチップ表面と活性領域との距離
は成長及び組み立て工程の間に正確に調節することがで
きるので、レーザ配列のエピサイドダウン装着が好まし
い。エピサイドアップ法(レーザーチップのエピタキシ
ャル成長層を上側、すなわち基板から遠ざかるように装
着する方法)は、基板薄化工程が1ミクロン内に調節さ
れる必要があるので、前記寸法の必要な調節を容易にも
たらすことができない。エピサイドダウン装備は熱抵抗
を低下するという付加的な利点を持つ。
【0017】図4(a)に、波形レーザ装着領域の部分
断面図を示す。レーザ配列の二つの素子だけを示す(一
方の素子が台座14に近い)。レーザ装着領域は、隆起
部41を各レーザ素子用に基板に加工してそして各隆起
が側溝42及び43により縁どられることによって製造
される。シリコン隆起部41の高さは、基板表面44よ
り数ミクロン下側にあるように加工される。次いで、調
節された厚さの鑞45(例えばInまたはAuSn)が
隆起部の表面上に基板の表面44よりわずかに上方にあ
るような高さに堆積される。この金属被覆された隆起部
はレーザと電気的に接触しそして基板16上にファイバ
溝の中心(図4aに図示しない)と並列に基板16上に
パターン化される。台座14は第1の接触隆起部41の
中心から距離Dに位置して、図2に示した交接溝のふち
からレーザ配列の第1の活性領域への距離と整合する。
これらの距離の整合及び溝ピッチと活性領域間隔の等価
性は前記のようなレーザ/ファイバのy方向の調整をも
たらす。
【0018】レーザ配列装着操作は、前記の台座を用い
てレーザチップが同時にすべての3つの台座と突き合わ
せ接触するようにレーザ配列をレーザ装備領域に位置付
けることによって始める。レーザ配列チップ上に下向き
に力をかけながら、熱を適用して鑞を溶かす。鑞が溶解
すると、レーザ配列表面は基板表面と接触するようにな
りそして鑞が押し出されて過剰の鑞47及び48がそれ
ぞれ側溝42及び43に流れ出る。この方法で、厚さが
接触隆起部(鑞が堆積される前)の上部と基板表面44
との間の高さの差によって決定される、調節された鑞フ
ィルムが得られる。過剰の鑞を側溝中に封じ込めること
はレーザ配列の種々の素子間に鑞が拡散することも防止
する。この方法により、通常の加工技術を用いて基板表
面より上方のレーザの高さhlaser をサブミクロンの寸
法に調節することができる。従って、レーザとファイバ
のZ方向の調整はhcore=hlaser となるように基板の
加工(及びレーザ成長/加工)を調節することによって
得られる。
【0019】本発明の調整技術は、オプトエレクトロニ
ック部品のパッケージングに対する低コストの方法を提
供することが期待される。能動的な調整操作に費す時間
を減じることは組み立てに関する労働コストを減じ、一
方、パッケージング媒体としてシリコンを使用すること
は、バッチ処理技術を用いることを介して一層低い材料
コストに関する可能性を与える。エポキシのような通常
の材料ではなく、部品の定着に関する機械的な形態(台
座及びV溝)のさらなる利点は、現在使われている部品
の安定性(結合性)が改善されることであり、それは向
上した信頼性に言い換えられる。
【0020】本発明の特定の態様を図1〜4の具体例に
より説明してきたけれども、当業者にとって、本発明の
領域を離れることなく他の改良をなし得ることが明らか
であろう。例えば、多モードファイバを単一モードファ
イバの代わりに用い得る。しかしながら、最大の利点は
一層小さなコアの単一モードファイバを使用することに
よって実現される。なぜなら、ファイバ−レーザの調整
は一層大きな正確性を必要とし、それは本発明によって
達成され得るからである。更に、図1の具体例と同じ
x,y及びz方向の調整を可能にする限り、基板を、V
溝以外の他のファイバを受け入れる導管(conduit) によ
りエッチングし得る。更に、図4a−b中に示した以外
の装着表面が製造され得る。一例として、装着領域は、
基板面上方の知られた高さ(hdielectric)に加工され
た誘電性プラットフォームからなり、そして鑞山を誘電
性のプラットフォーム間にhdielectricをわずかに超え
る高さで堆積する。レーザチップをこの装着領域にしっ
かりと押しつけ、それゆえ、各々のレーザ素子が鑞の隆
起部に鑞付けされてそしてチップ表面は誘電プラットフ
ォーム上に載る。それゆえ、hcore=hlaser +h
dielectricである限り、z方向において適当な調整が存
在する。図1中の台座12及び13はチップの前方にあ
るけれども、それらをまたチップの後方に位置し得る。
しかしながら、前方の配置はチップの寸法をファイバの
軸の位置付けに影響を及ぼすことなく増大する際に柔軟
性を与えるので、前方配置が好ましい。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の具体例に従うレーザ配列のファイバ配
列に対する調整を説明する光学部品パッケージングの斜
視図である。
【図2】図1の具体例におけるレーザ配列の一部分の正
面の図である。
【図3】図1の配列の単一のファイバの拡大断面図であ
り、ファイバ及びファイバが配置される溝の寸法パラメ
ータを示す。
【図4】図4Aはレーザ配列チップが装着される波形の
レーザ装着領域(図示しない)の部分断面図であり、図
4Bは図4Aに示した装着領域への装着後のレーザチッ
プの部分断面図を示す。
【符号の説明】
10 レーザ配列チップ 11 光ファイバ配列 12 前方台座 13 前方台座 14 側方台座 15 金属被覆 16 基板 18 レーザチップのふち 21 レーザ 22 交接溝 23 放射領域 42 側溝 43 側溝 47 鑞 48 鑞
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 マービン・タバスキ 米国マサチューセッツ州ピーボディ、ク リントン・ロード11 (72)発明者 トマス・ダブリュー・フィツジェラルド 米国マサチューセッツ州フラミンガム、 バーバー・ロード64 (72)発明者 ハリー・エフ・ロックウッド 米国マサチューセッツ州ウォバン、ホワ イト・オーク・ロード21 (72)発明者 ポール・オー・ハウグスジャー 米国マサチューセッツ州アクトン、テイ ラー・ロード23 (72)発明者 マーク・エイ・ロースマン 米国マサチューセッツ州アクトン、ソー ロー・ロード19 (72)発明者 ビンセント・ジェイ・バリー 米国マサチューセッツ州フラミンガム、 アンジェラ・ロード12 (72)発明者 マーガレット・ビー・スターン 米国マサチューセッツ州サドベリ、プリ ムトン・ロード177 (56)参考文献 特開 昭63−266407(JP,A) 特開 平1−239895(JP,A) 実開 昭60−48265(JP,U) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01S 5/00 - 5/50 G02B 6/42 - 6/43

Claims (8)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 ファイバの配列をレーザチップとして製
    造された活性領域を有する素子の配列に対して受動的に
    調整する方法であって、上記チップ及びファイバが基板
    に取り付け可能であり、 溝の配列を上記ファイバが位置付け可能な上記基板中に
    形成する工程と、 2の前方台座構造体及び1の側方台座構造体を、それぞ
    れ、上記基板の上面上の予め決めた位置に形成し、ここ
    に各々の台座構造体は接触面を有する工程と、 上記レーザチップの垂直な側壁を画定して交接溝を形成
    し、それによって、上記側壁のふちが上記配列の最も近
    いレーザ素子の活性領域から予め決められた距離にある
    工程と、 上記チップの前方面を上記2の前方台座の接触面に突き
    合わせ且つ上記交接溝の画定された側壁を上記側方台座
    の接触面にき合わせることによって、上記レーザチッ
    プを上記基板上にエピサイドダウン装着して、それによ
    って、各々のファイバがそれぞれの溝内に位置付けられ
    たときに、各々のファイバの中心線がそれぞれの素子の
    活性領域の中心線に調整され、それによって、上記活性
    領域を光学的に上記ファイバに連絡することができる装
    着工程とを含む上記方法。
  2. 【請求項2】 少なくとも一種の受光素子を少なくとも
    一種の能動素子を有する発光チップに対して受動的に調
    整する方法であって、ここに、上記チップ及び受光素子
    が基板上に取り付け可能であり、 2の前方台座構造体及び1の側方台座構造体を、それぞ
    れ、上記基板面上の予め決められた位置に形成し、ここ
    に、各々の台座が接触面を有する工程と、 上記発光チップの垂直な側壁を画定して交接溝を形成
    し、それによって、上記側壁のふちが上記チップの能動
    素子から予め決められた距離にある工程と、 上記基板面に対して基準面を画定する工程と、 上記チップの前方面を上記2の前方台座の接触面に突き
    合わせ且つ上記交接溝の画定された側壁を上記側方台座
    の接触面に突き合わせることによって、上記チップを上
    記基準面にエピサイドダウン装着し、それによって、上
    記能動素子を上記基板面を超える既知の高さに且つ上記
    側壁のふちから既知の横方向の変位に置く工程と、 上記受光素子を、各々の受光素子の中心線がそれぞれの
    能動素子の中心線に対して調整されるように、上記基板
    上で上記台座及び上記能動素子の位置に対して位置付
    け、それによって、上記能動素子を光学的に上記受光素
    子に連絡することができる工程とを合む上記方法。
  3. 【請求項3】 ファイバをチップ上に製造されたレーザ
    に対して受動的に調整する方法であって、上記チップ及
    びファイバが基板に取り付け可能であり、 2の前方台座構造体及び1の側方台座構造体を、それぞ
    れ、上記基板の面上の予め決めた位置に形成し、ここに
    各々の台座構造体は接触面を有する工程と、 上記レーザチップの垂直な側壁を画定して交接溝を形成
    し、それによって、上記側壁のふちがレーザから予め決
    められた距離にある工程と、 上記基板表面に対して基準面を画定する工程と、 上記チップの前方面を上記2の前方台座の接触面に突き
    合わせ且つ上記交接溝の画定された側壁を上記側方台座
    の接触面に突き合わせることによって、上記チップを上
    記基準面にエピサイドダウン装着し、それによって、上
    記レーザが上記基板面を超える既知の高さに且つ上記側
    壁のふちから既知の横方向の変位に位置する工程と、 上記ファイバを、上記ファイバの中心線が上記レーザの
    中心線に対して調整されるように、上記基板上で上記台
    座及び上記レーザの位置に対して位置付けし、それによ
    って、上記レーザを光学的に上記ファイバに連絡するこ
    とができる工程を合む上記受動的な調整方法。
  4. 【請求項4】 少なくとも一種の受光素子を、少なくと
    も一種の活性領域を有する発光チップに対して調整する
    ためのパッケージであって、 基板本体と、 基板表面上のそれぞれ予め決めた位置にあって、各々、
    接触面を有する2の前方台座構造体及び1の側方台座構
    造体と、 上記チップの側部において画定された交接溝を有し、上
    記溝が上記チップの活性領域から予め決められた距離に
    あるふちを持つ垂直な側壁を備える上記チップであっ
    て、 上記チップの前面が2の前方台座の接触面と突き合い且
    つ上記交接溝の側壁が上記側方台座の接触面と突き合う
    ように、上記チップが上記基板面上にエピサイドダウン
    装着されている上記チップと、 上記受光素子を各々の受光素子の中心線が各々の活性領
    域の中心線に調整されるように位置付けることが可能で
    ある上記基板中に画定された溝手段であって、それによ
    って上記活性領域を光学的に上記受光素子と連絡するこ
    とができる上記溝手段とを合む上記パッケージ。
  5. 【請求項5】 少なくとも一種の受光素子を、少なくと
    も一種の能動素子を有する発光チップに対して受動的に
    調整する方法であって、上記チップ及び受光素子が基板
    に取り付け可能であり、 2の前方台座構造体及び1の側方台座構造体を、それぞ
    れ、上記基板の面上のそれぞれの位置に形成し、ここ
    に、各々の台座構造体が接触面を有する工程と、 上記発光チップの垂直な側壁を画定してそこに交接溝を
    形成する工程と、 上記基板表面に対して基準面を画定する工程と、 上記チップの前方面を上記2の前方台座の接触面に突き
    合わせ且つ上記交接溝の画定された側壁を上記側方台座
    の接触面に突き合わせることによって、上記チップを上
    記基準面に装着する工程と、 上記能動素子が光学的に上記受光素子に連絡するように
    上記基板面上の上記受光素子を上記台座及び上記能動素
    子の位置に対して位置付ける工程とを含む上記方法。
  6. 【請求項6】 チップ上に集積した複数の能動素子を基
    板に統合的に接触している複数の受光素子に対して受動
    的に調整する方法であって、 2の前方台座構造体及び1の側方台座構造体を、それぞ
    れ、上記基板の面上のそれぞれの位置に形成する工程
    と、 上記チップを、上記能動素子が光学的に上記受光素子と
    遵絡するように上記2の前方台座構造体及び上記側方台
    座構造体と同時に突き合わせ接触させて配置することに
    よって、上記チップを上記基板上に装着する工程とを含
    む上記方法。
  7. 【請求項7】 少なくとも一種の受光素子を、少なくと
    も一種の能動素子を有する発光チップに対して受動的に
    調整するためのパッケージであって、上記チップ及び受
    光素子が基板に取り付け可能であり、 上記基板面上のそれぞれの位置にあって、各々、接触面
    を有する2の前方台座構造体及び1の側方台座構造体
    と、 ここに上記発光チップが交接溝を形成するための垂直な
    側壁を含み、 上記チップの前方面を2の前方台座の接触面と突き合わ
    せ且つ上記交接溝の画定された側壁を上記側方台座の接
    触面と突き合わせることによって、基準面上に上記基板
    面に対して装着されている上記チップとを合み、 それによって上記能動素子を光学的に上記受光素子と連
    絡することができるように、上記受光素子を上記台座及
    び上記能動素子の位置に対して上記基板面上に位置付け
    が可能である上記パッケージ。
  8. 【請求項8】 チップ上に集積された複数の能動素子を
    基板に統合的に接触している複数の受光素子に対して受
    動的に調整するパッケージであって、 上記基板面上のそれぞれの位置にある2の前方台座構造
    体及び1の側方台座構造体を合み、 それによって、上記チップを、上記能動素子が光学的に
    上記受光素子と連絡するように上記2の前方台座構造体
    及び上記側方構造体に突き合わせ接触させて配置するこ
    とによって、上記チップが上記基板面上に装着される上
    記パッケージ。
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