JP3628039B2

JP3628039B2 - 光結合素子およびその製造方法

Info

Publication number: JP3628039B2
Application number: JP13386594A
Authority: JP
Inventors: マイケル・エス・レビー; クリストファー・ケイ・ワイ・チュン; シュン−ミーン・クオ; ディビス・エイチ・ハートマン
Original assignee: Motorola Inc
Current assignee: Motorola Solutions Inc
Priority date: 1993-06-07
Filing date: 1994-05-25
Publication date: 2005-03-09
Anticipated expiration: 2020-03-09
Also published as: US5337397A; JPH0713050A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、一般的に光学素子の製造に関し、特に光導波管のコア領域を有するレンズ装置の製造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
本願は、１９９２年５月２８日に出願された、「ＭＯＬＤＥＤＷＡＶＥＧＵＩＤＥＡＮＤＭＥＴＨＯＤＯＦＭＡＫＩＮＧＳＡＭＥ」と題された、係属中の米国出願連番第０７／８８９，３３５に関連がある。
【０００３】
発光素子を導波管のコア領域に結合することは、現在のところ困難な作業であり、典型的に手作業による方法または半自動化された方法のいずれかによって行われている。一般的に手作業による方法も半自動化された方法も複雑で非効率的であり、大規模な大量生産には相応しいものではない。
【０００４】
発光素子を導波管のコア領域に結合することに伴う主要な問題は、発光素子の作用部分を導波管のコア領域と整合させることである。更に、発光素子の作用部分は、一般的に、作用部分からの光が導波管のコア領に入射するように、垂直なだけでなく、導波管のコア領域の表面によって描かれる領域の中にあることが必要とされるので、発光素子の作用部分と導波管のコア領域との間には、非常に厳しい整合許容度が要求されることを指摘すべきであろう。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来技術では、光学素子と導波管のコア領域との結合は、典型的に、活性化された発光素子を導波管のコア領域に注意深く手作業で整合する、アクティブ整合（ａｃｔｉｖｅａｌｉｇｎｍｅｎｔ）と一般的に呼ばれている方法で行い、次に発光素子を導波管のコア領域に固着または接着する。しかしながら、手作業で発光素子と導波管のコア領域とを整合する場合、過度に労働集約的である、コストがかかる、整合の精度が低くなる潜在性がある等、多くの問題が生じる。更に、整合不良が余りにひどいと、不適合な製品が製造され、それによってコストが増大し、製造能力が減少することになる。
【０００６】
従来技術による光学素子を導波管に接続する方法には厳しい制約があることが、容易に分かる。また、従来技術による製造方法、または光学素子と導波管との間の相互接続は、複雑で高価なだけでなく、大規模大量生産には適していない。
【０００７】
したがって、光学素子を光導波管のコア領域に相互接続するための、費用効率が高く簡単な方法が非常に望まれている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
端的に述べると、発光素子を光導波管のコア領域に結合するための方法が提供される。端部を有するコア領域とクラッディング領域とを有する光導波管が形成される。前記クラッディング領域は前記コア領域端部を包囲すると共に、その上にレンズ装置を有する表面を形成する。前記コア領域の端部の位置付けは、レンズ装置から導波管のコア領域端部までが選択された長さとなるように行なわれる。作用部分を有する発光素子が、該作用部分を前記レンズ装置に向けるように、前記クラッディング領域の表面に取り付けられ、前記発光素子の作用部分からの光を集光し、前記コア領域の端部に合焦する。
【０００９】
本発明の利点の１つは、発光素子の作用部分と導波管のコア領域との間の整合許容度を緩和することである。
【００１０】
本発明の別の利点は、より生産性が高いプロセスを提供することである。
【００１１】
【実施例】
図１は、光結合素子１００の拡大した簡略部分断面図である。図１は、導波管即ち光導波管１０１、発光素子１０３、空間１０５、導電路１１２、および導電バンプ１１３を通る、図２の矢印１−１で示された部分の断面図であることは、理解されよう。また、図１は断面図であり、導波管１０１および発光素子１０３は双方とも図面の外側にも延びていることも理解されよう。加えて、発光素子１０３は単一の発光素子として示されているが、発光素子１０３は発光素子のアレイでもよいことも理解されよう。本発明では、素子およびプロセスの組み合わせは、整合許容度を緩和し、発光素子１０３の作用部分１０４の導波管１０１のコア領域１０７への正確で効率的な相互接続即ち結合を実現するためのものとして、記載される。
【００１２】
一般的に、導波管１０１は、１９９２年５月２８日に出願された、「ＭＯＬＤＥＤＷＡＶＥＧＵＩＤＥＡＮＤＭＥＴＨＯＤＯＦＭＡＫＩＮＧＳＡＭＥ」と題された、係属中の米国出願連番第０７／８８９，３３５号の技術を利用して作成される。
【００１３】
端的に言うと、導波管１０１には、端部１１４が表面１１６を形成し、クラッディング領域１０８によって包囲されたコア領域１０７が形成される。更に、クラッディング領域１０８は表面１１９を規定し、この表面上或いはその中にレンズ装置１０２を配置することができる。一般的に、導波管１０１は、成形、フライス加工等の適切な方法のいずれかで作成される。しかしながら、本発明の好適実施例では、導波管は成形によって作成され、それによってコア領域１０７をクラッディング領域１０８の表面１１９に対して正確でしかも精度高く配向することを保証する。
【００１４】
典型的に、コア領域１０７とクラッディング領域１０８の双方は、各々ｎ_３およびｎ_２で示された屈折率を有する、硬質で光学的に透明なポリマで作られている。コア領域１０７の屈折率は、クラッディング領域１０８の屈折率より少なくとも０．０１高く、こうすることによって導波管１０１のコア領域１０７に効果的かつ効率的に光を通過させる、即ち光を案内するのである。加えて、クラッディング領域１０８を作るのに用いられる硬質で光学的に透明なポリマは、シリコーン、シリケート等のような添加物を含むことができ、これによって強度、熱サイクル、長期間安定性等のような構造特性を改良できることも理解されよう。しかしながら、これら添加物の追加は、レンズ装置１０２のパラメータが重大な影響を受けないように選択し、クラッディング領域１０８に混合する必要があることも理解されよう。
【００１５】
レンズ装置１０２は、凹レンズ、凸レンズ、二元レンズ（ｂｉｎａｒｙｌｅｎｓ）、回折格子等のような、適切なレンズ装置のいずれかとすることができる。更に、レンズ装置１０２は、成形（ｍｏｌｄｉｎｇ）、フライス加工等のような適切な方法のいずれかで作られる。しかしながら、本発明の好適実施例では、レンズ装置は、コア領域１０７およびクラッディング領域１０８と共に成形されることにより、コア領域１０７の表面１１６に対するレンズ装置１０２の高精度で正確な位置決めを保証している。
【００１６】
発光素子１０３は、矢印１０９で示される光を、作用部分１０４から空間１０５を通って導波管１０１のコア領域１０７に向かって射出する光伝送器である。発光素子１０３は、発光ダイオード（ＬＥＤ）、垂直空洞表面発光レーザ（ｖｅｒｔｉｃａｌｃａｖｉｔｙｓｕｒｆａｃｅｅｍｉｔｔｉｎｇｌａｓｅｒ）（ＶＣＳＥＬ）等のような、適切な発光素子のいずれかとすることができる。しかしながら、本発明の特定実施例では、発光素子１０３にＶＣＳＥＬを用い、作用部分１０４から導波管１０１のコア領域１０７に光を射出する。
【００１７】
一般的に、発光素子１０３は別個に作成され、その後手作業、半自動、全自動のようないずれかの適切な方法で、電気的および機械的に導波管１０１に接合される。本発明の好適実施例では、発光素子１０３は、ロボット・アーム（図示せず）のような自動システムを用いて、導波管１０１に接合される。しかしながら、レンズ装置１０２を用いて発光素子１０３の作用部分１０４からの光１０９を合焦しかつ方向付けしているので、発光素子１０３の作用部分１０４のコア領域１０７に対する整合許容度が緩和されるため、さほど精度が高く高価なロボット・アームは用いられない。こうして、光結合素子１００を全体的に製造しやすくすると共にコストを低減することができる。
【００１８】
発光素子１０３の作用部分１０４を刺激する電気信号が、導電路１１２を通って送出される。導電路１１２は、当技術で公知の適切な方法のいずれかによって作られる。次に、電気信号は導電バンプ１１３を通じて発光素子１０３に供給される。導電バンプ１１３は、はんだバンプ、金バンプ、導電性エポキシ・バンプ等のような当技術で公知の適切な方法のいずれかによって作られる。しかしながら、本発明の好適実施例では、金バンプを用いて導電路１１２と発光素子１０３との間に、確実な機械的かつ電気的接続が形成されている。
【００１９】
次にレンズ装置１０２および関連する光学領域をより具体的に検討する。本発明の好適実施例では、レンズ装置１０２は凹レンズであり、レンズ表面１１７上のあらゆるところからの光をコア領域１０７の表面１１６に向けて回折することにより、作用部分１０４がある距離１２４だけずれて整合されても、作用部分１０４から投射される光１０９がコア領域１０７に入射できるようになっている。
【００２０】
例えば、コア領域１０７、クラッディング領域１０８、および空間１０５の屈折率が既知であり、距離１１８が選択されている場合、レンズ装置１０２の表面１１７を描くする半径１２０は次にあげる１組の式を解くことによって決定される。
【００２１】
まず、円弧１２１，１２３，１２２でそれぞれ表されるように、角度Θ_Ｘを角度Θ_２Ｂおよび角度Θ_１の和に等しく設定すると、次の数式で表される。
【００２２】
【数１】

【００２３】
次の式を用いることによって、受光角（ａｃｃｅｐｔａｎｃｅａｎｇｌｅ）即ちΘ_２Ｂが、端部１１４の表面１１６について決定される。
【００２４】
【数２】

【００２５】
コア領域１０７とクラッディング領域１０８の屈折率は公知の材料定数（ｍａｔｅｒｉａｌｃｏｎｓｔａｎｔ）であり、それぞれｎ_３およびｎ_２で識別される。Θ_２Ｂについて解くと、端部１１４に対する受光角が決定され、円弧１２３で表される。作用部分１０４からの光１０９は、表面１１６に対して直角な方向から円弧１２５で示した計算された角度Θ_２Ｂで、コア領域１０７に受光可能であることが理解されよう。また、円弧１２３および円弧１２５で表わされた角度は相補的な角度であり、したがって円弧１２３および円弧１２５で表わされた角度は等しいことも理解されよう。しかしながら、受光角Θ_２Ｂは端部１１４の表面１１６の周囲（図示せず）に沿って延在しているので円錐（図示せず）が形成され、この円錐によって光１０９をコア領域１０７によって取り込むことができ、そしてコア領域１０７によって案内されることも理解されよう。
【００２６】
第２に、Θ_１は、以下の式を用いて決定即ち計算される。
【００２７】
【数３】

【００２８】
クラッディング領域１０８と空間１０５の屈折率は、公知の材料定数であり、それぞれｎ_２およびｎ_１として識別されている。Θ_２Ｂは先に決定されている。コア領域１０７、クラッディング領域１０８の公知の屈折率および計算値Θ_２Ｂを代入することによって、上記式を用いて、Θ_１が決定即ち計算される。加えて、空間１０５には、空気、プラスチック、エポキシ等のような種々の物質を充填可能であることも理解されよう。更に、空間１０５に充填する各物質は屈折率を有することも理解されよう。例えば、空気の屈折率は１．０であり、エポキシの屈折率は約１．５６である。
【００２９】
第３に、一旦Θ_１およびΘ_２Ｂが決定されたなら、距離１２４（式では_Ｘで表される）が、次の式で決定される。
【００３０】
【数４】

【００３１】
上記式でｄで表されている幅１２８は、表面１１６を横切る距離である。上記式でｈで表されている選択された距離１１８は、クラッディング領域１０８とコア領域１０７の表面１１６との間の距離である。距離１１８の選択は任意に行われる。しかしながら、本発明の好適実施例では、選択された距離１１８は、２．０ミル（ｍｉｌｌｓ）から２０．０ミルの範囲である。先に決定即ち計算した値と距離１１８とを上記式に代入し、上記式でｘで表されている、表面１１６の中点１２６からレンズ装置１０２の角部１２７まで延在する距離１２４を求める。
【００３２】
第４に、半径１２０はここでは次の式を用いて決定することができる。
【００３３】
【数５】

【００３４】
ｘおよびΘ_１の双方は、先に述べた式によって、既に決定即ち計算されている。先に計算された値、即ちｘおよびΘ_１を上記式に代入することによって、半径１２０である値ｒが決定される。半径１２０は、レンズ装置１０２の表面１１７を決定する円弧を規定する。本発明を先に示した式と共に利用することによって、表面１１７を有するレンズ装置が形成され、発光素子１０３の整合許容度を緩和することができ、これによって生産性が向上するとともに、発光素子１０３をコア領域１０７に配置しやすくすることができる。更に、発光素子１０３の作用部分１０４とコア領域１０７との間の整合許容度を緩和することによって、光結合素子を製造するコストが大幅に低下されると共に、光結合素子１００の品質が向上することになる。
【００３５】
更に、コア領域１０７の表面１１６は、レンズ装置１０２に対して、次の式によって表わされる範囲の距離１１１で、クラッディング領域１０８内に形成することができる。
【００３６】
【数６】

【００３７】
表面１１６を形成することができる距離１１１の範囲は、上記式ではΔで表されている。幅１２８は、上記式ではｄで表されている。受光角即ちΘ_２Ｈは既に計算されている。既知の値および先に決定即ち計算した値を代入することによって、距離１１１即ち表面１１６を形成可能な距離の範囲が決定される。例示のためのみに示すと、ｎ_１，ｎ_２，ｎ_３をそれぞれ１．５６，１．５２，１．５６、そして選択された距離１１８を１０．０ミルとし、更にコア領域１０７は２ミルの幅１２８を有するとすると、半径１２０は次のように決定される。
【００３８】
まず、次の式を用い、既知の値を代入することによって、Θ_２Ｂを決定する。
【００３９】
【数７】

その結果Θ_２Ｂは１３．３５度となる。
【００４０】
第２に、次の式を用い、既知の値を代入することによって、Θ_１を決定する。
【００４１】
【数８】

その結果、Θ_１は７６．９９度となる。
【００４２】
第３に、次の式を用い、既知の値を代入することによって、式ではｘで表されている距離１２４を計算する。
【００４３】
【数９】

その結果、距離１２４は３．３７ミルとなる。
【００４４】
第４に、半径１２０は、以下の式を用い、既知の値を代入することによって、決定即ち計算することができる。半径１２０は以下の式ではｒで表されている。
【００４５】
【数１０】

その結果、半径１２０は３．４６となる。
【００４６】
幅１２８が２．０ミルのコア領域１０７では、整合許容度は、全体で６．７４ミル、即ちコア領域１０７の各側において３．３７ミルに増加され、コア領域１０７の各側において、約３倍整合許容度は緩和された。
【００４７】
第５に、以下の式に既知の値を代入することによって、Δで表される距離１１１の範囲を決定する。
【００４８】
【数１１】

その結果、Δ即ち距離１１１の範囲は、８．４３ミルとなる。
【００４９】
図２は、相互接続基板２０１上に取り付けられた種々の光結合素子を用いた光学モデュールの一部を高倍率に拡大した斜視図である。同様の機能あるいは同一機能を有する同様の構造は、図１に示したものと同じ元の番号を保持していることは理解されよう。本発明では、導波管１０１が、相互接続基板２０１上の標準電子素子（図示せず）に電気的に結合されており、集積回路、コンデンサ等のような標準電子素子を発光素子１０３または発光素子アレイ２０３に合体させている。
【００５０】
本発明では、導波管１０１に単体の発光素子１０３または発光素子アレイ２０３を取り付けることができる。しかしながら、光検出器のような他の光学素子（図示せず）を発光素子１０３，２０３と併せて用い、導波管１０１が光伝送および光受信の双方を可能とするようにもできることは理解されよう。図２に示すように、発光素子１０３が部分的に除去されているので、図１に示したのと同様な図を見ることができる。図２に見られるように、発光素子１０３の作用部分１０４はレンズ装置１０２上に位置決めされて取り付けられており、こうすれば導波管１０１のレンズ装置１０２との整合許容度を緩和することができるという一例が図示されている。
【００５１】
加えて、導電路１１２は、埋め込み型導電路２０４に例示されているように、導波管１０１内に組み込み可能、即ち埋め込み可能であることも指摘すべきであろう。
【００５２】
導電路１１２または埋め込み型導電路２０４間の電気的な相互接続は、ワイヤ・ボンディング、タブ・ボンディング等のような、適切な方法のいずれかによって行われる。しかしながら、本発明の好適実施例では、ワイヤ・ボンド２０９に例示される導電路ワイヤ・ボンディングを用いて、導電路１１２をボンディング・パッド２０６に相互接続し、更にボンディング・パッド２０６が標準電子素子と相互接続されていることが理解されよう。代替案として、本発明の別の実施例では、埋め込み型導電路２０４は、タブ・ボンディング、はんだ接合等のような適切な方法のいずれかによって、ボンディング・パッド２０７に接合されている。しかしながら、埋め込み型導電路２０４を用いている本発明の好適実施例では、自動化されたはんだ接合を用いて、埋め込み型導電路２０４を標準電子素子に相互接続する。
【００５３】
また、ボンディング・パッド２０６，２０７の双方は、リード・フレーム部材２０８に図示されているように、リード・フレームに直接結合可能であることも、理解されよう。更に、１つのリード・フレーム部材のみが図示されているが、複数のリード・フレーム部材を用いて、光学モデュール２００を他の標準電子素子と相互接続可能であることも理解されよう。
【００５４】
加えて、光学モデュール２００をオーバー・モールド或いはパッケージ封入することにより、光学モデュール２００を内蔵するパッケージ型製品（図示せず）を形成することもできることも理解されよう。
【００５５】
以上、新規な光結合素子およびその製造方法について説明したことが認められよう。前記光結合素子は、レンズ・システムをクラッディング層に組み込むことによって、整合許容度を緩和し、その結果高い費用効率での製造を可能とした。加えて、前記光結合素子の製造方法は、生産性の高いプロセスで標準電子構成物を光学素子との組み込みを可能にするものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】光結合素子の一部を高倍率に拡大した断面図。
【図２】相互接続基板上に取り付けられた光結合素子の一部を高倍率に拡大した斜視図。
【符号の説明】
１００光結合素子
１０１光導波管
１０２レンズ装置
１０３発光素子
１０４作用部分
１０５空間
１０７コア領域
１０８クラッディング領域
１１２導電路
１１３導電バンプ
１１４端部

Claims

発光素子を光導波管のコア領域に結合する方法であって：
端部（１１４）を有するコア領域（１０７）と、端部表面（１１６）を形成する前記コア領域（１０７）の前記端部（１１４）を包含するクラッディング領域（１０８）とを有する光導波管（１０１）を形成すると共に、前記クラッディング領域に前記コア領域の端部表面（１１６）に対向しかつ凹レンズ装置（１０２）を有する対向面（１１９）を形成し、前記凹レンズ装置（１０２）から前記コア領域（１０７）の端部（１１４）までが選択された距離（１１８）となるように、前記コア領域（１０７）の端部（１１４）を位置付けるステップ；および
作用部分（１０４）を有する発光素子（１０３）を前記光導波管の前記クラッディング領域（１０８）の前記対向面（１１９）上に取り付け、前記作用部分（１０４）から前記コア領域（１０７）の端部（１１４）への光（１０９）を集光および合焦するように、前記発光素子（１０３）の作用部分（１０４）を前記凹レンズ装置（１０２）上で方向付けるステップ；
を具備することを特徴とする方法。
端部（１１４）を有するコア領域（１０７）と、端部表面（１１６）を形成する前記コア領域（１０７）の前記端部（１１４）を包含するクラッディング領域（１０８）と、前記クラッディング領域に形成され前記コア領域の端部表面（１１６）に対向する対向面（１１９）とを有する成形型光導波管（１０１）であって、前記クラッディング領域（１０８）は前記対向面（１１９）に凹レンズ装置（１０２）を形成するよう成形され、前記コア領域（１０７）の端部（１１４）は、前記凹レンズ装置（１０２）から所定距離（１１８）となるように位置付けられている、前記成形型光導波管；
前記成形型光導波管（１０１）の表面上に形成された複数の導電路（１１２）；および
前記成形型光導波管（１０１）の前記コア領域の端部表面（１１６）に対向する前記対向面上に取り付けられた作用部分（１０４）を有し、該作用部分（１０４）を前記凹レンズ装置（１０２）に動作可能に結合する発光素子（１０３）；
を具備することを特徴とする光結合素子。
発光素子を導波管のコア領域と整合するために、プロセス寛容度（latitude）を改善する方法であって：
端部（１１４）を有するコア領域（１０７）と、端部表面（１１６）を形成する前記コア領域（１０７）の前記端部（１１４）を包含するクラッディング領域（１０８）とを有する光導波管（１０１）を形成し、かつ前記クラッディング領域に前記コア領域の端部表面に対向する対向面（１１９）を形成し、前記コア領域（１０７）の端部（１１４）を前記クラッディング領域の対向面（１１９）から選択された距離（１１８）に位置付けるステップ；および
前記クラッディング領域（１０８）の前記対向面（１１９）に凹レンズ装置（１０２）を形成し、前記凹レンズ装置（１０２）から前記コア領域（１０７）の端部（１１４）への光（１０９）を、受光角範囲内に方向付けることによって、前記凹レンズ装置（１０２）を前記コア領域（１０７）の端部（１１４）に動作可能に結合するステップ；
を具備することを特徴とする方法。