JP4436915B2 - 精密なファイバ・アタッチメント - Google Patents

Description

本発明は２００２年１２月１０日に出願された米国特許仮出願第６０／４３２，３３２号の利益を主張し、参照によりその内容全体を援用する。

本発明は、光ファイバの精密なアタッチメントに関する。

マイクロメートルの位置決め精度をともなう光ファイバのアタッチメントは、光学部品業界では非常に重要である。最高速送信機及び受信機の通信部品のパッケージング、並びにファイバからレーザ、変調器、及び他の光学部品へのパッケージングにおいて、位置決め、並びに角度及び回転の精度が良いこと、並びに部品のテルコーディア（Ｔｅｌｃｏｒｄｉａ）規格を通して設定位置を保持できることが、課題でもあり非常に重要でもある。光ファイバ及びフォトダイオードの作用面積がそれぞれ１０μｍ程度の直径だと、ファイバの取付けは１μｍの位置決め公差が標準である。

基本的な２つの調芯方法が利用可能である。パッシブ・アラインメント及びアクティブ・アラインメントである。パッシブ・アラインメントは、光ファイバを挿入する前にすべての光学部品を精密に配置することを含む。これらの部品の１つにファイバ保持器があり、多くの場合シリコンで形成されたＶ字溝の形態である。この保持器も、ファイバを接続するフォトダイオードに対して精密に位置決めされる。（多くの場合、自動ピックアンドプレース機を使用して）すべての部品を取り付けた後、あらかじめ調芯したファイバ保持器内にファイバが配置され、さらに調芯を行う必要なしに、ファイバは定位置に固定される。部品が正しく配置されていれば、ファイバ端部から発せられる光はフォトダイオード上へと向かう。この工程では多くの場合、取付けにエポキシ系接着剤を使用する。このパッシブ・ファイバ・アタッチメント法の欠点は、１０μｍまでの粗い位置決め精度しか提供しないことである。この精度は、より低速の（２．５Ｇｂｓ以下の）受光器にとっては十分であるが、より高速の１０ＧＢ及び４０ＧＢの受光器にとっては不十分である。

検出器の直径を１０μｍ未満まで縮小できる、より高速の受光器には、検出器に対してファイバのアクティブ・アラインメントが望ましい。アクティブ・アラインメントは、検出器の電気出力と光ファイバを保持している位置決めステージの間にフィードバック・ループを導入することによって達成される。アクティブ・アラインメントの応用例では、アセンブリにあらかじめ位置決めしたファイバ保持器はない。その代わり、ファイバはフォトダイオードからの（通常は電流の形態の）検出信号が十分な値に達するまで、いくらかの狭い範囲にわたって自由に動くことができ、次いでファイバは定位置に固定される（取り付けられる）。多くの場合、フィードバック・ループは単に、技術者がフォトダイオードからの電流が最大になるまでＸＹＺ位置決めステージを動かすことに過ぎない。この方法だと、光ファイバをμｍ精度、さらにはサブμｍ精度で調芯することが可能である。

ファイバ・アタッチメントの工程は、制御が容易であり、かつファイバが製品寿命を通して精密に位置決めされたままであることが確実であるものを選択することが望ましい。後者の点は、これらの種類の部品が大きな温度変化並びに衝撃及び振動にさらされるので難問となることがある。エポキシ及び低温溶融半田は、時間経過及び温度変動にわたって数μｍほどずつ変形するので、満足なものとはいえない。これらの理由から、現在の高速受光器及び送信機の精密なファイバの取付けにはわずか数種の方法のみが使用されている。使用されている主な方法は、光ファイバを受光器モジュール内部に設置された台座に半田付けすることと溶接することの組合せを含む。この方法によって必要な位置決め精度がもたらされ、この精度を一連のテルコーディア試験全体にわたって保持することができる。ただし、半田を台座に取り付けやすくするために、ファイバの端部付近をニッケル／金ジャケットで処理（被覆）する必要がある。光ファイバにこの金属処理を行うことによって、ファイバ部品にかなりの費用が追加されることがある。最近までこの経費は避けられないものであると思われていたが、というのも、金属化ファイバが、最終パッケージング工程中にファイバを受信機モジュールに気密封止するためのあらゆる場合において必要とされていたからである。最近では、金属化ファイバの必要をなくし、代わりに低温半田ガラスという新しい材料を使用してファイバをモジュールに気密封止することによって、（パッシブに調芯した）より低速の受光器にかかる製造費用を抑えようとする動きがでてきた。低温半田ガラスはガラスの全特性（すなわち、硬度、耐クリープ性、温度循環性（Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｙｃｌａｂｉｌｉｔｙ）、及び気密性）を有する物質であるが、約３００度で溶融する。気密封止の応用例では、ドーナツ形の半田ガラスのプリフォームを、（ドーナツ穴を通過する）光ファイバとともにコバール（Ｋｏｖａｒ）ファイバ管内に挿入する。モジュールが完全に組み立てられると、多くの場合、誘導型加熱器からコバール・ファイバ管に熱が加えられる。次いでプリフォームが溶融し、ぬれ、緩く嵌合した光ファイバとコバール管内壁の間の容積を封止する。これがガラス金属間の封止であり、これは防湿性である。

本発明は一般に、モジュール自体の内部でのファイバ・アタッチメントのための低温半田ガラスの適用例を対象とする。このファイバ・アタッチメントでは、調芯の公差が厳しい高性能受光器など光電子機器において金属化していないファイバの使用が可能になる。ファイバ・アタッチメントは、ホット・パッド、及び光ファイバをホット・パッドに接続する、又は取り付ける半田ガラスを含む。

ファイバ・アタッチメントは、光ファイバをホット・パッドの上方に位置決めすること、及び、例えば光電子部品に対して光ファイバを調芯することによって形成することができる。次いで光ファイバを持ち上げ、半田ガラスのプリフォームをホット・パッド上に位置決めする。ガラスのプリフォームは、例えばホット・パッドを通して電流を加えることによって溶融する。プリフォームが溶融するとすぐに、光ファイバは溶融した半田ガラス内部に沈下する。次いで電流が取り除かれ、半田ガラスは冷めるにつれて凝固し、光ファイバとホット・パッドの間にアタッチメントを形成する。或いは、半田ガラスは、レーザ又は誘導型加熱器を使用して、半田ガラスを加熱することによって溶融させることもできる。

半田ガラスは、半田シールに替えてその何分の１かの費用でプリフォームとして入手することができ、耐疲労性、耐クリープ性、及び耐侵食性により優れている。

本発明の他の特徴及び利点は、添付の図面、詳細な説明、及び特許請求の範囲から明らかになるであろう。

本発明の実施例によれば、図１Ａ及び１Ｂは、モジュール内部の光電子部品１４に対して光ファイバ１２を支持する、ファイバ・アタッチメント１０を示している。ファイバ・アタッチメント１０を使用して、調芯したファイバをフォトダイオード、レーザ、又はテラヘルツの送受信機、送信機、及び受信機を含む他の光電子デバイスに対して固定することができる。さらに、ファイバ・アタッチメント１０を使用して、１つのファイバの調芯を別の、又は他のどのような光学デバイスに対しても固定することができる。

図２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、及び３を参照すると、ファイバ・アタッチメント１０は加熱要素すなわちホット・パッド１６、及び半田ガラス１８を含む。ホット・パッド１６は、基板２０、基板２０の最上部に配置された抵抗要素すなわち抵抗器２２、抵抗器２２の最上部に配置された誘電体２４、誘電体２４の最上部に配置されたセンター・パッド２６、抵抗器２２の最上部及び誘電体２４の各側に配置された１対のサイド・パッド２８を含む。例えば金錫合金（８０Ａｕ／２０Ｓｎ）など従来の半田による接合でホット・パッド１６をモジュールの床面に半田付けしやすくするように、ホット・パッド１６の底面は、オプションのパッド３２を備えることができる。半田ガラス１８は、図４Ａ及び４Ｂに示すように、最初に矩形のプリフォームとしてセンター・パッド２６の最上部に配置される。

したがって、ホット・パッド１６は、半田ガラス１８を加熱するように抵抗器２２を通して電流を流すことによって温度がもたらされる微細加工の抵抗型加熱器として製造される。そのためセンター・パッド２６はシートの形態になっており、その上部で半田ガラスが溶融するホット・プレートとして働く。加熱されると半田ガラスのプリフォームは溶融し、センター・パッド２６及び光ファイバ１２までがぬれ、図５に示すように光ファイバ１２とホット・パッド１６の間にアタッチメントが形成される。いくつかの実装では、ファイバ１２は、中央導体２６の最上面の上方の約数十μｍの高さｈに、半田ガラス１８によってホット・パッド１６に取り付けられる。或いは、高さｈはｍｍ以上であってもよい。

抵抗器２２の各端部のサイド・パッド２８は、ホット・パッド１６の電気接点である。誘電体２４はサイド・パッド２８をセンター・パッド２６から電気的に絶縁し、センター・パッド２６は抵抗器２２から半田ガラスのプリフォーム１８へ熱を伝導する。サイド・パッド２６への電気接続は、電気的プローブによって、又はモジュールの電気的フィードスルーに接続されたワイヤ・ボンドによって行うことができる。一般には、サイド・パッド２６は、サイド・パッド２６からモジュール壁面上にある端子に、ワイヤ３０によってワイヤ・ボンドされる。このようにして、調芯工程中に外部プローブをモジュールの内側に挿入せずに、モジュールをファイバ調芯固定具内に設置し、通常通り電源を入れることができる。

金で金属化したファイバを取り付けるために使用される鉛錫半田など従来の半田では、半田の溶融温度は２００度の低さになり得ることに留意されたい。この温度では、実際、モジュール内部の部品は温度が上昇するが、依然として正常に動作している。したがって操作者は受信機モジュールが完全に運転可能である間に、ファイバをアクティブに調芯することができる。

一般に、半田グラスのプリフォーム１８は約３００度以上で溶融する。しかし、この温度は、受信機の性能及び調芯を損なうことがある。さらに、ホット・パッド表面から熱が移動することにより、半田ガラスの溶融温度を維持するためにさらに大きな電力が必要となるだけでなく、モジュール及び周辺部品が必要以上に加熱される。したがって基板２０は、ホット・パッド１６の最上面、すなわち抵抗器２２付近で半田ガラスを溶融する必要がある場所により熱を閉じ込めるように働く、オプションの下部切込み３４を備える。下部切込み３４は、余分な基板２０を鋸断することによって形成することができる。ホット・パッド１６に熱を閉じ込める別の方法は、ホット・パッドが跨るモジュールの床面に溝を付けることである。

特別な実装では、基板は、粒子サイズが約４〜７μｍの間であり、表面仕上げが約２０〜３６μｍの間であるアルミニウム（ＡＬ_２Ｏ_３）から製造される。下部切込み３４の深さは基板２０の厚さｔの約半分とすることができる。抵抗器２２は約１００〜１５０オームの抵抗を有するタンタル窒素（ＴａＮ）から製造することができる。誘電体２４は厚さ約２〜３μｍのポリイミドから製造することができる。センター・パッド２６、サイド・パッド２８、及び／又はボトム・パッド３２は、金のパッド、又は他の任意の適切な材料とすることができる。ある実施例では、サイド・パッド２８は長さ約１ｍｍ及び幅約０．５ｍｍであり、センター・パッド２６の各側から約０．２５ｍｍに位置決めされている。センター・パッド２６の縁と基板２０の縁の間には約０．０５ｍｍの間隙ｇがあってもよい。

図１Ａ及び１Ｂに示すように、光ファイバ１２は半田ガラス１８の長手方向長さに対して直角である。或いは、光ファイバ１２を半田ガラス１８のプリフォームの間の部分に配置して、プリフォームが光ファイバ１２の側面にくるようにすることもできる。いくつかの実施例では、ガラスのプリフォームは一部がドーナツ形であり、プリフォームの穴の中にファイバ１２が位置決めされている。

ガラスのプリフォーム１８は、様々なサイズ及び形状に押圧され有機残留物を出さずに焼結されるガラス粉とすることができ、結果として封止工程中のガス発生をなくすことができる。例えば、ガラスのプリフォームは、Ｂｙｆｉｅｌｄ， Ｍａｓｓａｃｈｕｓｅｔｔｓに所在地を置くＤｉｅｍａｔ， Ｉｎｃ．から発売されている（型番ＤＭ２７００ＰＦなどの）プリフォームとすることができる。これらのプリフォームを使用すると、光ファイバ１２の空気中での気密封止を約３２０度の温度で数秒以内に達成することができる。

ここで図６を参照すると、ファイバ１２をホット・パッド１６に結合し、したがってファイバ１２を光電子部品１４に接続する、アタッチメント１０を形成するための工程１００が示されている。ステップ１０１で工程１００を開始した後、ステップ１０２で光ファイバ１２を光学部品１４の上方で位置決めする。例えば、ホット・パッド１６と、部品が入ったモジュール後壁の間の位置で、ピンセットを使用してファイバ１２を保持することができる。ファイバ１２は、マイクロメートルの位置決めピンセット、又は半田付け工程が完了するまでファイバを把持し調芯する他の手段を使用して、保持することができる。半田ガラスは、アクティブに調芯した、又はパッシブに調芯した、どちらのファイバの位置決めの応用例にも使用できる。ファイバをピンセットで保持するのに好ましい位置は、ホット・パッド１６の裏側、すなわちファイバの終端から距離を置いた位置で、ファイバの端部はホット・パッド１６の上で位置決めされている。ホット・パッド１６の裏側でファイバを把持することによって、半田ガラスが凝固しピンセット又は把持手段が解除された後にファイバ端部が動かないことを確実にする。

次に、ステップ１０４でファイバ１２を光学部品１４に対して調芯する。例えば光学部品１４がフォトダイオードである場合、ファイバ１２の調芯をしやすくするために光電流を最大にすることができる。

続いて、ステップ１０６でファイバ１２を最適位置の上方に設定距離ｈだけ持ち上げ、半田ガラスのプリフォーム１８をホット・パッド１６上に配置する。プリフォームが定位置に置かれるとすぐに、ステップ１０８で、サイド・パッド２８に結合したワイヤ接続３０によって抵抗要素２２を通して電流を通すことにより、ホット・パッド１６の温度を上昇させる。

半田ガラスを約３００度で溶融するのに必要な電力量は、基板２０の熱伝導率によるが約２〜３ワットである。抵抗要素２２の抵抗が約１５０オームである場合、半田ガラス１８が柔らかくなり始めてから完全に溶融するまでの電圧は約１８〜２２ボルトの間である。

ガラスのプリフォームの温度が溶融温度に近づくにつれ、半田ガラスのプリフォーム１８は輝き隆起しているように見え始める。電流つまり温度は、半田ガラスがセンター・パッド２６までぬれ始めるまでこの高さに維持される。このとき、電流が通じているのは一般に約１分未満である。ガラスが完全に溶融し、センター・パッド２６までぬれるとすぐに、ステップ１１０でファイバ１２が、あらかじめ定めた調芯位置、及び溶融した半田ガラス内でセンター・パッド２６の最上面から上方の高さｈにまで戻って沈下する。ファイバ１２が半田ガラス１８の温度に到達するにつれて、ファイバ１２もまた、半田ガラス１８までぬれ始める。ホット・パッド１６への電力は、ガラスのプリフォーム１８の溶融温度を持続するためにわずかに増加させることができる。

ステップ１１２でホット・パッド１６への電流を取り除き、半田ガラスは冷めるにつれて再凝固する。ステップ１１４でピンセットなどの位置決め機構を取り除き、ファイバ・アタッチメントが完了する。半田ガラスが冷却中に縮小する場合は、例えばホット・パッドの最上部に直角方向に、ファイバの位置で最初にあらかじめ定めたオフセットを行って縮小を補償することができる。

上述のすべての工程は制御装置又はプログラム可能な電力計にプログラムすることができる。従来の半田とは異なり、半田ガラスは固体から液体へ、また固体に戻る際に急激な温度の変移はない。その代わり、ホット・パッドへの温度が上昇するにつれてガラスは粘性が低くなる。これにより、冷却サイクルが進行する間、ファイバの位置決めでかなりの制御が可能になる。

応用例に応じて、半田ガラス１８はホット・パッド１６上をあらかじめ被覆することができ、ファイバ１２は金の被覆加工とすることも剥き出しのガラスとすることもできる。ホット・パッド１６に取り付けることに加えて、ファイバ１２は、設置されるモジュールへの定着及び気密封止をもたらすように再度結合することもできる。

ホット・パッド１６は、熱を均一に配分するために、絶縁層の上にもうひとつ金の層などの最上伝導層を有することができる。或いは、ホット・パッド１６は２つの電気接点を備える抵抗層として形成し、半田ガラス１８を抵抗部分に直接結合するようにすることもできる。結合したファイバは、照明するデバイスの前方で直接位置決めすることができ、又は勾配屈折率（ＧＲＩＮ）レンズなどのレンズによって調芯することができる。ファイバ１２は、それ自体が先細状であっても終端にレンズを備えてもよい。ファイバ１２は、シングル・モードでもマルチ・モードでもよい。

他の実施例は添付の特許請求の範囲の範囲内である。例えば、半田ガラスはレーザ又は誘導型加熱器を使用して加熱することにより溶融することができる。

本発明による、光電子デバイスのためのファイバ・アタッチメントの斜視図である。 光電子デバイスのためのファイバ・アタッチメントの頂面図である。 ファイバ・アタッチメントのためのホット・パッドの斜視図である。 ホット・パッドの頂面図である。 ホット・パッドの分解図である。 ファイバ・アタッチメントのための半田ガラスのプリフォームの斜視図である。 半田ガラスが溶融する前のファイバ・アタッチメントの頂面図である。 線４Ｂ−４Ｂに沿った図４Ａのファイバ・アタッチメントの側面図である。 図１Ｂの線５−５に沿った、半田ガラスによるホット・パッドへのファイバ・アタッチメントの側面図である。 ファイバを溶解した半田ガラスでホット・パッドに取り付けるための、本発明による一連の工程の流れ図である。

Claims (16)

1. 光ファイバへのアタッチメントを形成する方法であって、
   前記光ファイバを抵抗要素を有するホット・パッドの頂部表面の上方で位置決めするステップと、
   前記光ファイバを前記ホット・パットの頂部表面の上方の高さの最適な位置に調芯するステップと、
   前記最適な位置の上方の特定距離まで前記光ファイバを持ち上げるステップと、
   半田ガラスのプリフォームを前記ホット・パッド上で位置決めするステップと、
   前記半田ガラスのプリフォームを溶融した半田ガラス内に溶融させるステップと、
   前記光ファイバを前記ホット・パッドの頂部表面の上方の高さの前記最適な位置における所定の位置に戻して前記溶融した半田ガラス内に沈下させるステップと、
   前記光ファイバと前記ホット・パッドの間にアタッチメントを形成するように、前記半田ガラスを冷却するステップとを含み、前記ホット・パッドが前記半田ガラスを溶融して該溶融した半田ガラスによって前記光ファイバがぬらされ、前記半田ガラスが冷却した時、前記光ファイバが前記ホット・パッドに取り付けられることを特徴とする方法。
2. 前記光ファイバの動きを制御するために、前記光ファイバをピンセットで把持する、請求項１に記載の方法。
3. 前記溶融させるステップが、前記ホット・パッドを加熱するように前記ホット・パッドの前記抵抗要素を通して電流を通すステップを含む、請求項１に記載の方法。
4. 前記冷却するステップが、前記ホット・パッドの前記抵抗要素への電流を取り除くステップを含む、請求項３に記載の方法。
5. 前記ホット・パッドに加えられた電圧が約１８〜２２ボルトの間である、請求項３に記載の方法。
6. 前記光ファイバを位置決めするステップが、前記ホット・パッドの上の所定の高さに前記光ファイバを位置決めするステップを含む、請求項１に記載の方法。
7. 前記溶融するステップが前記半田ガラスの温度が約３００度を超えるときに起こる、請求項１に記載の方法。
8. 前記溶融するステップが約３２０度で起こる、請求項７に記載の方法。
9. 前記調芯するステップが光電子部品に対して調芯するステップを含む、請求項１に記載の方法。
10. 前記光電子部品がフォトダイオードである、請求項９に記載の方法。
11. 前記調芯するステップが前記フォトダイオードの光電流を最大にするステップを含む、請求項１０に記載の方法。
12. 前記調芯するステップがテラヘルツの送受信機に対して調芯するステップを含む、請求項１に記載の方法。
13. 光ファイバ・アタッチメントであって、
    ホット・パッドと、
    前記パッド上に位置決めされた半田ガラスにして、該半田ガラスは前記光ファイバを前記ホット・パッドに取り付ける、前記半田ガラスとを含み、
    前記ホット・パッドは基板と該基板の頂部に位置決めされた抵抗要素とを含み、
    前記ホット・パッドは更に、
    前記抵抗要素の頂部に位置決めされた誘電体と、
    該誘電体の頂部に位置決めされたセンター・パッドと、
    前記抵抗要素の頂部及び前記誘電体の各側に位置決めされた電気接点としての一対のサイドパッドとを含み、
    前記基板の第１の側部に対向する該基板の第２の側部には前記基板の第１の側部へ熱を導くための下部切込みが備えられていることを特徴とする、光ファイバ・アタッチメント。
14. 前記基板がアルミニウムから製造される、請求項１３に記載のファイバ・アタッチメント。
15. 前記基板の反対側に熱を集中させるように、前記基板の一方の側から熱を取り除き、前記半田ガラスが前記反対側に位置決めされている、請求項１３に記載のファイバ・アタッチメント。
16. 前記一方の側が、前記ホット・パッドが設置されるモジュールの床面のスロットに跨る、請求項１５に記載のファイバ・アタッチメント。

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