JP3731754B2 - 構成要素に導波管を結合するための方法および装置 - Google Patents

Description

発明の分野
本発明は光ファイバを光チップに結合させるような導波管を光発生あるいは光検出構成要素に結合させるための方法および装置に関する。
従来技術の説明
電気通信用に予定されている光構成要素は高価である。光構成要素を作るコストのかなりの部分は光チップ光放射あるいは光検出構成要素と光ファイバ即ち導波管との間に設置されるカップリングに起因し得るものである。「構成要素の整合」についての基準に関しては極めて高い機械的要求がありこれに関する必要な精度は１／１０００ｍｍ程度である。進歩した装架方法および特殊合金で作られた素子を備えている高精度機構はこの要求に合致する必要がありこのことは価格に影響する。
精密機械化基体キャリアのような薄いシリコン板を用いることにより作り方を簡単にすることができる。シリコンは整合目的に用いることができる精密機械化構造体を作り出すユニークな可能性を与える多くの利点を有する。キャリアは平行に処理することができそれとともに多くの「キャリアチップ」が１つのシリコン板から得ることを可能にしこのことは低い製造コストをもたらし得る。シリコンはまた極めて有効な電気的および熱的特性を有し、これら電気的および熱的特性は光チップの機能的装架を達成するのに必要なことである。最後に電極パターン化および電気結合技術のようなシリコン処理に関しては豊富な経験がある。
光チップ−導波管整合問題を解決するための適宜の幾何学的形状のものに関しては多くの概念および提案が提唱されていた。これら概念および提案の多くはシリコンに設けられたいわゆるＶ溝を利用して光ファイバを所望の場所に位置決めしている。異方性のエッチング方法はＶ溝の極めて優れた寸法制御を生じさせておりＶ形態の壁により画成された角度はシリコンにおける結晶面により画成されている。［１００］がシリコン板の垂直ベクトルに関する結晶の向き即ち配向を示している［１００］シリコンについて、壁角度α＝ａｒｃｓｉｎ√２／３=５４．７度を有する適宜のＶ溝を得ることは可能である。この角度も溝の端部のところで得られる。溝の端部を金属化することにより、Ｖ溝に置かれた光ファイバからの光は光検出器に反射され得る。逆に光放射構成要素からの光を光ファイバに導くことができる。
光チップの装架はそれ自身技術である。何故なら該チップは同時に光学的、電気的、機械的そして熱的に接続されているからである。整合はいくつかの異なるやり方で達成することができる。最も一般的な方法は半田での自己整合、機械的逆圧による受動的整合あるいは当接面あるいはピックアンドプレース法である。
第１の方法は金属半田に現れる表面張力を利用している。光チップおよびキャリアの双方に適切に画成された隣接したそして半田がぬれうる表面の助けで、溶けた半田における表面張力は光チップをキャリア上の所望の位置にもたらすことができる。温度が下がるにつれて半田は固化し光チップをそれの正しい位置に貼付する。
第２の方法はキャリア上の精密機械化逆圧面あるいは当接面によって光チップを所望の位置に位置決めすることに基づいている。これらの面はキャリアに沈積された二酸化ケイ素から作られその後パターン化されて角部を形成し、その角部に光チップが嵌合する。導波管に関する角部の位置決めおよびそれの外側の幾何学形状に関する光チップの活性面の位置決めの優れた制御は優れた整合が達成されるのを可能にしている。
この後者の方法はキャリアおよび光チップ上の整合マークを利用している。これらの整合マークは構成要素が非常な正確度で共通した協同システムにおいて方位を正しくあわせるのを可能にしている。その後に該構成要素を組み立てるために、該構成要素が所定の態様でその共通した協同システム内で移動するのを可能としている高級な機械式プロセスが必要とされる。３つの方法全てはマイクロメータ範囲での取り付け精度を必要としている。これらの方法の周辺にある詳細はそれらの存在が以下に記載する概念の適宜性に対する前提条件であるがこの明細書では説明しない。
発明の要約
表面放射あるいは表面検出構成要素を用いる場合直角をなす幾何学形状を得るために、また低減された光学的走行経路および正確な光ファイバの固定を得るために、４５度の角度で傾斜している反射面は光伝導コアと光チップの活性面との間に配備されていた。光伝導コアは光ファイバを斜めに切ることにより反射面に近接して位置するようにされ、またＶ溝と平坦なカバーとの間にそれとともに嵌合するようにもされていてファイバを正確に固定している。前述した解決策は基本的には幾何学形状の性質の問題に関しているが、いわゆる光学的マイクロ構造技術における光構成要素の配設と同様に空間信号伝達性能および製造コストに関して以前の周知の技術に比較して重要な利点を提供する。
【図面の簡単な説明】
図１Ａは周知技術に従ったＶ形状の溝を有する光ファイバシリコンキャリアを上から示している。
図１Ｂは周知技術に従って溝に置かれた光チップと光ファイバシリコンキャリアとを上から示している。
図１Ｃは光伝導性のコアを有し且つ周知技術に従ってＶ溝に置かれた光ファイバの断面図である。
図１Ｄは図１Ｂに従った光チップに対する光ファイバの接続部の側面図である。
図２Ａは本発明に従った活性面を有する光チップ、溝およびカバー手段を備えた光ファイバ接続部のためのシリコンキャリアの側面図である。
図２Ｂは本発明によるカバー手段と溝との間のＤ−ファイバの断面図である。
図２Ｃは光ファイバシリコンキャリアを上から示しかつ本発明による光チップ溝およびカバー手段を示している。
好適実施例の説明
図１Ａから図１Ｄは従前の周知技術による光チップのカップリングを示している。シリコンであってもかまわないキャリア材料２はＶ溝３を備えていた。図１Ａ参照。溝内には光ファイバ４が置かれ、光チップ１は光ファイバの自由端を覆って置かれていた。図１Ｂ参照。断面でみる場合、Ｖ溝３内に置かれている光ファイバ４の部分は溝およびキャリア材料の外側に位置している。図１Ｃ参照。
図１Ｄに示されているように、光の方向はキャリア材料上の鏡５における反射に続いてほぼ１１０度を介して変えられる。従って、この事実はチップ／検出器１の正確な位置決めを達成するためには考慮しなければならない。他方、このことは光放射構成要素には十分でない。何故ならファイバの開口数（合格角度）は過渡に斜めに入射する光の角度が例えば単一モードファイバに結合されるのを許さないからである。従って、４５度の鏡に基づいた直角をなす幾何学形状が望ましい。このことは「代表的な」［１００］シリコンの代わりに「斜めにのこぎりでひかれた」［１００］シリコンブロックを用いることにより達成することができる。実際、かかるいわゆるウエハはシリコンブロックを斜めに、より具体的には９．７度の角度でのこぎりで切ることにより得られる。さてこのことが正しく行われた場合、先に５４．７度で傾けられていた鏡は４５（５４．７〜９．７）度で傾けられる。図１Ｄから明らかな特徴は、光波長が光伝導性のコア６と活性検出器表面との間で比較的長いということであり、このことはカップリング効率に対する障害の影響を有することがある。このことは部分的に光学ファイバの下方部８が鏡の壁に接触して光をまず第１に鏡に伝えるためであり、また部分的に検出器に到達するため次に１つのファイバ半径に対応する長さの経路に沿って光が通らねばならないからである。
光ファイバ９と光チップ１１の活性面１０との間の距離は「垂直」壁１４を有するキャリア材料１３上の鏡１２を「切り取る」ことにより距離の第１の部分を減少させることで低減させることができる。図２Ａ参照。便利なことには、このことはのこぎりで切ることにより達成される。鏡１２の下方部は別個の超小型電子チップに用いられているものと同じ技術で完全にのこぎりで切られ、垂直壁１４は溝の底部１５で始まっていてもよく、また光ファイバ９上にファイバコア１６の下で直ちに終端している。ファイバコアと鏡上の反射点１７との間の距離は約１０マイクロメーターに制限されていてもよい。垂直壁１４もそれとともに光ファイバ当接面として作用してファイバの装架を容易にしていてもよい。
距離の第２の部分は外径が通常のものよりも小さいファイバを用いることにより減少させることができ、このことは直径が１２５マイクロメーターよりも小さいことを意味している。ファイバを取り扱うのは尚可能である必要があるので、外径即ち外形寸法は６０〜８０マイクロメーターよりも小さくなくともよい。それ故コア１６およびアクティブ面１０の間の合計波長は約７０〜９０マイクロメーターよりも僅かに長い。
前記距離を更に短くする趣旨で、ファイバ９はいわゆるＤ−ファイバの態様で面取りされている。図２Ｂ参照。原則としてはＤ−ファイバはＤ字形断面を備えているが代表的な単一モードファイバであり、コア１６は平坦な側部１８に密接して置かれている。この特定のファイバ形状はコアからある適宜の距離のところでその長さに沿って当初のファイバ材料を構成するプレホーム、例えば「ガラスロッド」をのこぎりで切ることにより得られる。ファイバは該ファイバを据える際プレホームの複数部分を保持する。このことは、平坦な側とコアの中心との間の距離が１０マイクロメーターよりも少ない非常に短いファイバを作るのを可能にしている。Ｄ−ファイバの平坦な側部１８が上方に面している状態で該Ｄ−ファイバをＶ形状の溝９に取り付けることにより、合計波長即ちファイバから光りチップまでを２０マイクロメーターよりも小さく保持することができる。
図１Ａから図１Ｄで自明でない何かは光ファイバを溝の壁に当接させて維持した状態でＶ溝に光ファイバを置く際に経験される困難性である。光ファイバはＶ溝に最も通常には接着されている。しかしながら、接着剤はファイバを所定の位置から外すよう持ち上げようとする傾向があり、所望の取付け精度に負の効果をもたらしてしまう。従って、接着プロセス中ファイバを適所に保持するために副手段を用いることが望ましい。１つのかかる副手段はシリコンキャリア１３のようなキャリア材料の頂部に固着されたカバー手段即ち蓋２０の形態を有していてもよく、Ｖ溝１９およびカバー手段２０が三角形の毛細管２１を有する空間を共に形成し、この空間では光ファイバは正確に嵌合しかつそれ故接着プロセス中位置を変えることができないようになっている。図２Ｂ参照。図２Ｃはカバー手段１９により適所に固定されかつ光チップ１１に結合されたファイバ９を上から図示している。
カバー手段２０は陽極ボンディング（結合）により好都合に提供してもよい。陽極ボンドはシリコンあるいは透明ガラスで作ることができる基体キャリアおよびカバー手段を一緒に置き、該組立体を加熱し電位を適用することによりなされる。可動イオンは静電気力が原子スケールで耐久性のある接合部を作り出すのに寄与する結合部を横切って高い磁界強さを作り出している。結合部の強さは強い接着剤による結合部に匹敵するものである。接合はいわゆるウエハレベルでなされるのが好ましく、その後別個のキャリアが該ウエハからのこぎりで切ることができる。キャリア／カバー組立体は該カバーのいくつかの部品がのこぎりで切られて適宜の光チップ取付け面を与えるのを可能にするように形状決めされている。三角形の毛細管２１およびＤ−ファイバ９の組み合わせは特に適している。何故なら、そうでなければ正しく位置決めされる際Ｄ−ファイバはＶ溝の毛細管に嵌合するだけであるから該Ｄ−ファイバはそれの平坦な側部を上にして確実に貼り付けられるのが困難であるからである。
上述した解決策は正確に貼付された光学的にミクロな構造体を提供し短い光波長を有しかつシリコンキャリアに取り付けられた光放射あるいは光検出光チップに取り付けるのに特に適している。

Claims (6)

1. 光ファイバ（９）を光放射あるいは光検出構成要素（１１）に結合するための装置であって、該装置が光ファイバ用Ｖ溝（１９）と光伝達用の傾斜反射面（１２）とが形成されたキャリア基体（１３）を包含し、前記傾斜反射面（１２）が前記光ファイバ（９）の前方で前記光放射あるいは光検出構成要素（１１）の下に配設されている、光ファイバ（９）を光放射あるいは光検出構成要素（１１）に結合するための装置において、
   前記傾斜反射面（１２）が前記光ファイバ（９）のコア（１６）より下方の垂直壁面（１４）によって中断されており、
   前記垂直壁面（１４）が前記傾斜反射面（１２）の近く及び前記傾斜反射面（１２）より下方に配置されていて、
   前記光ファイバ（９）が前記光ファイバ用Ｖ溝（１９）内に装架される時、前記垂直壁面（１４）が前記光ファイバの当接手段を提供しており、
   前記光ファイバ（９）がその側面が面取りされたＤ−ファイバであり、前記Ｄ−ファイバ（９）が前記光放射あるいは光検出構成要素（１１）に結合される際、前記Ｄ−ファイバ（９）の面取りされた面が前記光放射あるいは光検出構成要素（１１）の活性面（１０）を有している面に直接対向配置されていて、
   前記Ｄ−ファイバ（９）が自身の長手方向軸線と直角な端面であって、前記垂直壁面（１４）と当接する端面を有していることを特徴とする装置。
2. 請求項１に記載の装置において、溝底部（１５）が前記Ｖ溝（１９）と前記傾斜反射面（１２）との間に配設されていることを特徴とする装置。
3. 請求項１又は２に記載の装置において、カバー手段（２０）が該カバー手段（２０）と前記キャリア基体（１３）の前記Ｖ溝（１９）の間に前記Ｄ−ファイバ（９）を固定していることを特徴とする装置。
4. 請求項１から３のいずれか一項に記載の装置において、前記傾斜反射面（１２）が前記Ｄ−ファイバ（９）の前方で４５度の角度に傾斜していることを特徴とする装置。
5. 光放射あるいは光検出構成要素に光ファイバを結合する方法であって、キャリア基体（１３）には光ファイバ（９）用Ｖ溝（１９）と光伝達用の傾斜反射面（１２）とが形成されていて、前記傾斜反射面（１２）が前記光ファイバ（９）の前方で前記光放射あるいは光検出構成要素（１１）の下に配設されている、光放射あるいは光検出構成要素に光ファイバを結合する方法において、
   前記傾斜反射面（１２）によって中断された垂直壁面（１４）を前記傾斜反射面（１２）の近く及び前記傾斜反射面（１２）より下方に、さらに、前記光ファイバ（９）のコア（１６）より下方に配置し、
   前記光ファイバ（９）がその側面が面取りされた非円形のＤ字形断面を有したＤ−ファイバであって、自身の長手方向軸線に直角な端面を有した光ファイバ（９）を提供し、
   前記Ｄ−ファイバ（９）の面取りされた面が前記光放射あるいは光検出構成要素（１１）の活性面（１０）を有した面に直接対向し、前記端面が前記垂直壁面（１４）に当接するように前記Ｄ−ファイバ（９）を配置し
   それにより、前記コア（１６）から前記傾斜反射面（１２）を通り前記活性面（１０）への光路が短縮されることを特徴とする方法。
6. 請求項５に記載の方法において、前記Ｄ−ファイバ（９）をカバー手段（２０）の助けによって前記Ｖ溝（１９）内の適所に保持することをさらに有することを特徴とする方法。

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