JP4721672B2 - 光インターコネクト装置 - Google Patents

Description

本発明は、光ファイバ技術に関し、特に光源からの光を光ファイバに結合するか、または光を光ファイバから離して検知器に結合するデバイスに関する。

ＬＥＤは、比較的安価であるために短距離光ファイバシステムに広く使用されているが、比較的低速度の用途、たとえば１００〜３００ＭＨｚの最高帯域幅での使用に限られている。光ファイバシステムに使用されているレーザダイオードの３種類の主なタイプは、ファブリーペロー（ＦＰ）レーザダイオード、分散フィードバック（ＤＦＢ）レーザダイオードおよび垂直キャビティ表面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）である。光ファイバシステムに使用される３種類の主なタイプの検知器は、ＰＩＮフォトダイオード、集積検知器／前置増幅器（ＩＤＰ）、およびアバランシェフォトダイオード（ＡＤＰ）であるが、ＰＩＮフォトダイオードは最も広く使用されている検知器である。

図１は、エッジエミッタ法を使用する従来の並列光ファイバインターコネクト装置１０を示す。この装置は、セラミックサブマウント１４に実装されて、光ファイバの１×４アレイ１６と対向する４つの面(facet,ファセット)に配置される端面放射型レーザダイオードの１×４アレイ１２を備えている。セラミックサブマウント１４は、シリコンブロック１８上に支持されている。一般に、Ｘ軸およびＹ軸の両方に沿って、５μｍの範囲内における整列が要求される。光ファイバ１６は、もう１つのシリコン支持ブロック２２の上面にエッチングされて、上方が開放されているＶ形溝２０内に並列して載置されている。ブロック２２の高さ、ブロック２２と相対的なＶ形溝２０の位置、およびＶ形溝２０内における光ファイバ１６は、一般に非常に正確である。一般に、正確ではない点は、サブマウント１４とシリコンブロック１８との間、およびシリコンブロック１８と溝２０との間の隙間、並びに以下のパッケージ（図示しない）である。２本の軸を整列させるため、各部分は、高いコストをかけて高度に精密に製造するか、または多数の軸を能動的（デバイス上で）もしくは受動的（基準を使用して）に整列させる必要があり、これもコスト高となっている。

本発明により、一方ではエミッタまたは検知器、他方では光ファイバとの間における、信号損失を最小限にするために必要な整列を単純化する低コストの光インターコネクト装置を提供する。

本発明による実施態様の単一チャネル形態では、光ファイバシステムのための光インターコネクト装置は、適切な光透過性材料から製造されたペネトレータを備え、このペネトレータは、光電子デバイスに光学的に結合されて、プラスチック光ファイバ内に挿入され、光を光ファイバと光電子デバイスとの間で転送するように構成されている。

本発明によるもう１つの実施態様の多重チャネル形態では、光ファイバシステムのための光インターコネクト装置は、各々が光透過性の適切な材料から製造された複数のペネトレータであって、複数の光電子デバイスの対応する１つに光学的に結合されて、複数のプラスチック光ファイバの並列アレイの対応するプラスチック光ファイバの長さに沿って光を光ファイバと対応する光電子デバイスとの間で転送するように構成されたペネトレータを備えている。

本発明によると、光ファイバシステム内に光インターコネクト装置を形成する方法を提供する。この方法は、光電子デバイスを形成するステップと、プラスチック光ファイバを形成するステップとを含む。適切な光透過性材料から製造されるペネトレータは、光をペネトレータと光電子デバイスとの間で転送することを可能にするように、光電子デバイスと相対的に配置されている。ペネトレータは、光を光ファイバと光電子デバイスとの間でペネトレータを通って転送することを可能にするように、プラスチック光ファイバの長さに沿って光ファイバの側壁を通して挿入されている。

以下に記載する低コストの光インターコネクト装置は、従来のガラス光ファイバ（ＧＯＦ）に代わるプラスチック光ファイバ（ＰＯＦ）に使用するように意図されている。近年の進歩によって、短距離から中距離の伝送経路に使用するのに魅力的な著しい性能を有するプラスチック光ファイバが製造されている。たとえば、比較的高帯域では、アクリル補強層で包囲された過フッ素化ポリマーで製造される低コストのグレーデッドインデックス光ファイバが使用されている。こうした光ファイバは、１００ｍの長さ全体にわたって、１ｋｍ当たり１２ｄＢという低い損失で、毎秒１１ギガビットを超える伝送速度が実証されている。

プラスチック光ファイバは、一般に、ガラス光ファイバに比べて直径が非常に大きい。たとえば、プラスチック光ファイバは、２００〜３００μｍのクラッド直径および１２０〜１８０μｍのコア直径を有している。外側の保護ジャケットは、一般に、直径５００〜１０００μｍである。このように直径が比較的大きいため、データの伝送は、プラスチック光ファイバの端部が破損するかまたは汚れた場合、またはファイバの軸がわずかに偏心している場合にも可能である。したがって、プラスチック光ファイバの光接続は、ガラス光ファイバを接続するために使用する対応物(counterparts)よりも単純かつ安価に行うことができる。プラスチック光ファイバは非常に強力で、比較的容易に屈曲する。レーザまたはその他の鋭利な手段(sharp implement)は、プラスチック光ファイバを切断して、同様に切断されたプラスチック光ファイバと嵌合可能で、この接合部を通過する光のたとえば約３ｄＢの損失を導入する平坦な端部またはファセットを生成するために使用することができる。プラスチック光ファイバの端部は、加熱して軟化させてから鏡面に押し当てると、プラスチック光ファイバの架設をガラス光ファイバよりもはるかに単純にすることができる。プラスチック光ファイバは、一般に、半径２５μｍまで屈曲させた場合でも、損失は比較的少ない。したがって、プラスチック光ファイバは、家庭またはオフィスにおいてコンピュータと通信機器とを接続する場合に、壁部およびその他の堅固な領域に架設するのに良く適している。

本発明によると、プラスチック光ファイバは、あまり厳密な整列を必要としない。プラスチック光ファイバは、特にプラスチック光ファイバを加熱して軟化させた時に、容易に穿孔(突き通す、pierced)することができ、以下で詳細に述べるように、光電子デバイスに結合されるペネトレータ(penetrator)を挿入することが可能になる。ガラス光ファイバは、周囲温度で非常に硬質であり、プラスチック光ファイバを穿孔するという点で、異物を使って容易に穿孔することはできない。ガラス光ファイバは、軟化させるためには非常に高温まで加熱する必要があり、その後導入されるペネトレータが破損するか、および／またはペネトレータに結合される光変換デバイスも破損するであろう。ガラス光ファイバの軟化は、その低損失の伝送能力を損なう可能性がある。

図２および図３は、低コストの単一チャネル光インターコネクト装置３０であって、光電子デバイス３４に光学的に結合された一般に角錐または円錐状のペネトレータ３２を備え、プラスチック光ファイバ３６を穿孔して、光をプラスチック光ファイバ３６と光電子デバイス３４との間で伝送するように構成された光インターコネクト装置３０を示す。光インターコネクト装置３０と先行技術の光インターコネクト装置との間の重要な相違は、光インターコネクト装置３０は、光電子デバイス３４を光ファイバ３６の端面またはファセット３８ではなく光ファイバ３６に沿って結合(couple)する点である。この方法は、Ｙ軸に沿って正確に整列する必要を効果的になくし、低コストの受動整列法を可能にする。

光電子デバイス３４は、プラスチック光ファイバ３６に使用するのに最適なタイプのエミッタまたは光検知器で良い。したがって、「光電子デバイス」という用語は、ＬＥＤ、ファブリー−ペロー（ＦＰ）レーザダイオード、分散フィードバック（ＤＦＢ）レーザダイオード、垂直キャビティ表面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）、ＰＩＮ光ダイオード、集積検知器／前置増幅器（ＬＤＰ）、およびアバランシェフォトダイオード（ＡＤＰ）を含んでおり、かつこれらに限定されない。図２および図３に示す光インターコネクト装置３０の光電子デバイス３４は、上面発光垂直キャビティ表面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）である。ペネトレータ３２は、ＶＣＳＥＬの出力表面の上面に直接配置され、光ファイバ３６に貫通するのみならず、ＶＣＳＥＬと光ファイバ３６とを光学的に結合する機能も果たしている。ペネトレータ３２は、光電子デバイス３４の基板に直接エッチングすることもできる。図３に矢印で示すように、光電子デバイス（ＶＣＳＥＬ）３４の出力表面からの光は、ペネトレータ３２の傾斜側壁上のコーティング４０から反射し、光ファイバ３６内に射出されている。コーティング４０は、金などの適切な材料によって製造することができる。コーティング４０は必ずしも必要ではなく、その代わり、ペネトレータ３２は、全内部反射(total internal reflection)のみによって、必要な光結合を生成するように製造することができる。光電子デバイス３４が検知器である場合、反対の作用が生じ、光ファイバ３６からの光は、光電子デバイス３４の活性面に送られて電気信号に変換されている。ペネトレータ３２は、別法によると、光電子デバイス３４からの光を光ファイバ３６に結合するのを促進する材料で被覆された少なくとも１個の壁部を有している。

ペネトレータ３２（図２および図３）は、光ファイバ３６への結合を促進し、ＶＣＳＥＬ３４内への後方反射をなくすために、特別に調整した側壁角度またはコーティングを有している。ペネトレータ３２は、プラスチックまたはガラスなどの光透過性の適切な材料を用いて製造することができる。ペネトレータ３２は、底面照明または底面発光光電子デバイスの基板内にエッチングされている。ペネトレータ３２は、ＶＣＳＥＬ３４からペネトレータ３２を通って光ファイバ３６に至る光の伝送を不利に損なわないように、適切な接着剤、または２個のデバイスを確実に接続するその他の適切な方法により光電子デバイス３４に結合されている。ペネトレータ３２は、ペネトレータ３２を周囲温度のプラスチック光ファイバ３６に適切な深さまで押し入れることにより、好ましくは光ファイバ３６を完全に貫通せずに、プラスチック光ファイバ３６を穿孔するのに十分に鋭利に形成されている。好ましい実施態様では、ペネトレータ３２は光ファイバ３６の直径の少なくとも半分まで延在するようになっている。別法によると、プラスチック光ファイバ３６は、プラスチック光ファイバ３６を軟化させ、挿入過程を容易にして促進するのに十分な、周囲温度を超える予め決められた温度まで加熱される。ペネトレータ３２もプラスチック材料から製造する場合、ペネトレータ３２を軟化させないように注意するべきであり、そのため、プラスチック光ファイバ３６を別個に加熱するか、および／または融点が非常に高いプラスチック材料からペネトレータ３２を製造する。別法によると、ペネトレータ３２は、挿入過程を容易にして促進するために加熱する場合がある。

単一チャネル光インターコネクト装置３０は、装置を安定させるために、適切なゲル、ポッティング化合物(potting compound)またはその他の材料をカプセル化することができる。このカプセル化層は、図２に点線４２で大まかに示されている。カプセル化層４２は、光電子デバイス３４とペネトレータ３２との間の結合層としてのみ機能するか、またはこれらの２つの構成要素および結合された光ファイバ３６上にも延在して、適切な整列の維持を促進し、光インターコネクト装置３０内の破損またはその他の不具合の原因になりそうな応力を吸収することができる。カプセル化層４２は、図２および図３に示す構造全体を包囲し、気密に封止して、低コストの堅牢なパッケージを形成することができる。

図４は、複数チャネルの並列光ファイバインターコネクト装置５０であって、シリコンブロック５４上に支持された共通のセラミック基板またはダイ５２に取り付けられたＶＣＳＥＬ（図示しない）の１×４アレイを備えるインターコネクト装置５０を示す。共通のセラミック基板またはダイ５２は省略して、ＶＣＳＥＬアレイをシリコンもしくはＧａＡｓ基板または熱電冷却機に直接実装することができる。シリコン基板は、集積回路でも良い。想像線で示す４つのペネトレータ５６は、対応する１個のＶＣＳＥＬ上にそれぞれ実装される。各々のペネトレータ５６は、プラスチック光ファイバ５８の１×４アレイの対応する１本のプラスチック光ファイバを穿孔している。光ファイバ５８は、もう１つのシリコン支持ブロック６２の上面にエッチングされた上方に開放するＶ形溝６０内に横に並べて配置され並列に延在している。光ファイバ５８は、さもなければ高温でペネトレータ５６上に圧迫されている。Ｘ軸に沿って許容可能な公差は、図１に示す従来の方法より大きい。図４に示す複数チャネルの並列光ファイバインターコネクト装置５０では、Ｙ軸に沿って正確に整列する必要性はなくなる。詳細には、シリコン支持ブロック５４と相対的なダイ５２の高さ、および／またはシリコン支持ブロック６２と相対的なシリコン支持ブロック５４の高さを調節するための高価な能動整列ステップが不要になる。インターコネクト装置５０の選択した部分、または完全な外側は、耐衝撃性、気密性などを改善するために適切な材料（図示しない）中にカプセル化(封入、encapsulate)することができる。並列光インターコネクト装置５０と図１に示す先行技術の並列光インターコネクト装置との重要な相違は、光インターコネクト装置５０の場合、光インターコネクト装置５０の端面またはファセット６４を通してではなく、光ファイバ５８に沿って光電子デバイスを結合する点である。この方法は、Ｙ軸に沿った正確な整列という必要条件を効果的になくし、低コストの受動整列法を可能にする。図２および図３の単一チャネル光インターコネクト装置３０と同様、図４の複数チャネル光ファイバインターコネクト装置５０のペネトレータ５６の形状は変えることができ、コーティングを塗布して、組立ての容易さ、および／または光ファイバ５８と、セラミックサブマウント５２に取り付けられた光電子デバイスとの間の光伝送効率を改善することができる。

単一チャネル光インターコネクト装置３０に関する図２および図３を参照すると、光ファイバシステム内に光インターコネクト装置を提供する方法は、光電子デバイス３４を提供するステップと、プラスチック光ファイバ３６を提供するステップとを何れかの順序で含む。適切な光透過性材料から製造されたペネトレータ３２は、光をペネトレータ３２と光電子デバイス３４との間で転送することを可能にするように、光電子デバイス３４に対して配置する。やはり、最初の２つのステップに対するこのステップの順序は重要ではない。本発明の基本的な方法の最終的なステップにより、ペネトレータ３２は、光を光ファイバ３６と光電子デバイス３４との間においてペネトレータ３２を通して転送することを可能にするように、光ファイバ３６の側壁を通り、プラスチック光ファイバ３６の長さに沿って配置されている。挿入ステップでは、Ｘおよび／またはＹ軸に沿って最低限の様々な整列を行うことができるが、光ファイバ３６の長手方向軸に沿った実際の整列は不要である。光インターコネクト装置３０の全部または一部をカプセル化する任意のステップは、どの段階でも実施することができる。ペネトレータ３２は、プラスチック光ファイバ３６内に挿入してから、光電子デバイス３４に隣接して配置することができる。本願の発明人は、同様に、複数チャネル光インターコネクト装置５０を提供する類似の方法を発明した。

光ファイバシステム用の低コストの光インターコネクト装置の本発明によるいくつかの実施態様を説明したが、プラスチック光ファイバおよび光電子デバイスを相互接続する方法、その改良および変更は、当業者には容易に考えられるであろう。たとえば、ペネトレータ３２は、その鋭利さにより、変更されていないプラスチック光ファイバ３６を穿孔するか、または、刃、レーザまたはその他の適切な切断手段によりプラスチックファイバ内に以前に形成したスライスまたはその他の物理的な差込口に単に挿入することができる。後者の方法では、ペネトレータ３２は、プラスチックファイバ３６をスライスする器具ではないため、鋭利または先端が尖った構成を有する必要はない。その他の実施例では、ペネトレータ５６は、光電子デバイスに物理的に結合する必要はなく、その他の構造で支持して、光電子デバイスに隣接して配置することができる。したがって、本発明による実施態様に与えられる保護は、以下の請求の範囲のみに従って制限されるべきである。

従来（先行技術）の並列光ファイバインターコネクト装置を示す拡大略部分斜視図である。 本発明による低コスト光インターコネクト装置の単一チャネル実施態様を示す拡大略端面図である。 図２の光インターコネクト装置の側立面図である。 本発明による低コストの並列光ファイバインターコネクト装置の多重チャネル実施態様を示す拡大略部分斜視図である。

符号の説明

３０ 光インターコネクト装置
３２ ペネトレータ
３４ 光電子デバイス
３６ 光ファイバ
４０ コーティング
４２ カプセル化層

Claims (8)

1. 上面発光垂直キャビティ表面発光レーザと、底面発光垂直キャビティ表面発光レーザとで成る群から選択される光電子デバイスと、
   前記光電子デバイスの基板内にエッチングされた光透過性材料からなり、光ファイバの長さに沿って挿入されて前記光ファイバと前記光電子デバイスとを光学的に結合して、それらの間で光を伝送するように構成されるペネトレータと、
   を備えている光ファイバシステム用の光インターコネクト装置。
2. 前記ペネトレータが角錐形に形成されている、請求項１に記載のインターコネクト装置。
3. 前記ペネトレータが円錐形に形成されている、請求項１に記載のインターコネクト装置。
4. 前記ペネトレータは、前記光電子デバイスへの光の後方反射を最低限に抑制するように角度調整した少なくとも１個の壁部を備えている、請求項１に記載のインターコネクト装置。
5. 前記ペネトレータが、前記光電子デバイスから前記光ファイバへの光の結合を促進する材料で被覆された少なくとも１つの壁部を備えている、請求項１に記載のインターコネクト装置。
6. 前記光電子デバイスを前記光ファイバに光学的に結合するために、前記ペネトレータにより前記光ファイバを穿孔した、請求項１に記載のインターコネクト装置。
7. 前記光電子デバイス、ペネトレータおよび／または光ファイバを少なくとも部分的に包囲するカプセル化層をさらに備えている、請求項６に記載のインターコネクト装置。
8. 前記光ファイバがプラスチック光ファイバであり、前記ペネトレータが、前記プラスチック光ファイバの直径を少なくとも半分横断して挿入され、前記プラスチック光ファイバの長さに沿って配置されている、請求項１に記載のインターコネクト装置。

Images