JP4809353B2 - マイクロマシン構造体に気密パッケージされた光学モジュール - Google Patents

マイクロマシン構造体に気密パッケージされた光学モジュール Download PDF

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Description

本発明は、集積光電子コンポーネントを有する光学モジュール及びこの種のモジュールを組み込む光学アセンブリに関するものである。光学モジュールは、放射された光ビームを平行にするためのレンズまたはその焦点を合わせるためのレンズ及び放射された光ビームを別の光学モジュールに整合させるためのミラーを含んでいてもよい。光学モジュールは、1つまたはそれ以上の光学、光電子及び電子コンポーネントを含むことができる。
本発明は、光導波管を含む光学アセンブリへ光ビームを結合させるための方法に関するものでもある。
半導体または集積電子回路と異なり光電子コンポーネントのパッケージは、水分がパッケージに入り込むのを防止するための気密性だけでなく、最大の光結合効率を得るための光学コンポーネントの正確な整合も必要とする。従来のTO(トランジスタアウトライン)テクノロジーは、正確な整合及び気密性の両方を得る可能性を制限するので、光電子設計者にとって困難な問題があった。
本出願は、2004年9月13日に提出された米国仮特許出願第60/609,285号からの優先権を主張する。前記仮出願の開示は参照により本出願に組み込まれる。
本発明の1つの態様に従えば、光学モジュールは、光電子コンポーネント、レンズ及びミラーを含み、これら全てがマイクロハウジングの中に気密的に統合される。マイクロハウジングは、光学コンポーネントを格納するための蓋とベースを含む。蓋は光電子コンポーネントによって発せられる光の波長に対して透過性であり、ベースはシリコンまたはその他の適切な材料から作ることができる。
1つの実施形態において、出射光線の方向をミラーへ向けるために、レンズはベースに取り付けられる。別の実施形態において、レンズを蓋と統合するかまたはベースの内部として形成することができる。レンズは、ボールレンズ、平凸レンズ、円柱グラディエントレンズ、グレーデッドインデックス(GRIN)レンズ及びその他の回折光学要素(DOE)を含むことができるが、これらに限定されない。
別の態様に従えば、光電子コンポーネント、レンズ及びミラーが取り付けられている光学モジュールを有するマイクロハウジングは、マイクロハウジングが適切な整合を容易にするためのカットアウト領域を有する球形ホルダに取り付けられる。マイクロハウジングをホルダに固定するために接着剤またはその他の取付け手段を用いることができる。球形ホルダの中心点と、位置決め公差のために生じる光学モジュール内における光学的不整合を補正するためにマイクロハウジングを回転させる際の軸となる点とは、一致することができる(誤差限界内で)。
別の態様において、光電子コンポーネントが光導波管を含む光学アセンブリに光学的に結合されている光学モジュールを提供するための方法が開示される。この方法は、光電子コンポーネントとレンズとの間の横オフセットがレンズの光軸上の固定点の周りでレンズから出る光ビームを傾斜させるように、光電子コンポーネントの前にレンズを位置づけるステップを含む。この方法は、固定点の周りで回転する光学アセンブリを用いて光導波管の中へビームを集束させるステップを含むことができる。
一部の実施形態において、以下の特徴のうちの1以上が存在する。コリメータまたは焦点ボールレンズまたは予め決められた屈折率を有するその他の光学要素を使用することができる。レンズの特性は、放射光線をほぼ平行のまたは集束されたビームに変換しながらレンズを光電子コンポーネント付近に配置できるようなものとすることができる。
ミラーは、光ビームの方向を予め決められた方向に向けるために傾斜面を持つことができ、出射光線の方向をレンズの出口で別の光学モジュールまたは光導波管へ定めるための反射面として作用するために、ミラーをシリコン、ガラス、誘電層スタックまたは金属層など反射材料でコーティングすることができる。傾斜面は、標準的なエッチング、成形または研磨技法を用いて形成することができる。
別の実施形態において、ミラーとして作用するために(100)結晶面に対して例えば9.74°の角度で、ベースを形成するウェハをカットすることによって、45°の側壁を有する穴をベースにエッチングすることができる。同様に、他の平面角を有するミラーを得ることもできる。
さらに別の実施形態において、予め決められた角度で傾斜しかつミラーとして機能できる少なくとも1枚の金属化側壁を有する穴を持つように、ガラスウェハを成形することができる。
関連態様において、光学モジュールを納めるマイクロハウジングを保持するホルダを、光ファイバを含むアセンブリに機械的に挿入することができる。このアセンブリは、ハウジング及び光学コンポーネントの中でも特にフェルールスリーブによってハウジング内に配置される光ファイバ用のコネクタレセプタクルを含む。
一部の実施形態は、以下の特徴のうち1以上を含むことができる。光アイソレータ、波長ロッカーとして作用する波長フィルタ、光ビームに対して傾斜角度で取り付けられる狭帯域波長フィルタまたは光ビームを光電子コンポーネントへ反射して戻すためのパーシャルミラーを、光電子コンポーネントから出るビーム経路の中へ挿入することができる。オプションとして、光ビームのコリメートを精密化するためにビーム経路に第二のレンズを含めることができる。
様々な実施形態において、以下の利点の1以上を持つことができる。コリメータレンズの受動整合及び光学モジュールに関連する位置決め公差のため、光学モジュールから出る平行ビームをレセプタクル軸に対して相対的に傾斜させることができる。複雑さ、時間の消費及び能動ファイバ整合技法に関連するコストを小さくするために、ホルダを調整することによって透過中生じるビーム不整合を補正するようにホルダがハウジングに組み立てられる。
本発明の1つまたはそれ以上の実施態様の詳細は添付図面及び以下の説明に示されている。本発明のその他の特徴及び利点は、発明を実施するための最良の形態及び図面、及び特許請求の範囲から明らかであろう。
以下の説明において、本発明の様々な実施形態が説明される。実施形態は本発明の一部の態様または全ての態様に関して実施することができることは、当業者には明らかであろう。説明のために、実施態様を十分に理解できるようにするために特定の数、材料及び形態が示される。しかし、特定の細部を含まずに実施形態を実施できることも当業者には明らかであろう。また、本発明の理解を容易にするために周知の特徴は省略または単純化される。
以下、気密的に実現される光電子コンポーネントに基づくコスト効率の良いトランスミッタ光学サブアセンブリ(TOSA)モジュールを可能にする単純化された整合及び光結合技法について説明する。以下に説明するとおり、コリメータレンズの受動整合が、気密パッケージ及びレセプタクルの能動整合の両方と組み合わされて、光電子コンポーネントの出力と光導波管との間の光結合効率を改良する。
光電子コンポーネントの性能は、どの程度出力ビームを光導波管に結合できるかによって決まる。この結合効率は、通常、整合配置における僅かな変化にも耐性がなく、悪化する。
一般に、光導波管への光電子コンポーネントの出力の結合は、基本導波モードの変換への光電子コンポーネントの出力の結合に単純化することができる。両方のレンズの間の光軸に対して垂直の平面にあるレセプタクル内部のレンズを通じてこれを行うことができる。この点で、両方のビームは実質的に平行であり、大きな例えば100ミクロンのウェストを有する。これは、また、単レンズ形態にも応用される。すなわち、低損失、整合耐性結合を得るために、光電子コンポーネントの出力を光導波管の変換基本モードにモード一致させなければならない。光ビーム経路に配置される光学コンポーネントの製造に関連する幾何公差によって、相互に対して対応するモードが傾斜し、その結果、結合効率が低くなる。これは図1C−1Dにおいて示されており、この図において、それぞれ4.6ミクロン(例えば単一モード光ファイバに対応する)及び50ミクロン(例えば平行ビームを代表する)のビームウェストを有する2つのガウスモードの間の結合効率が示されている。図に示される通り、相対モードオフセット度は、結合効率に反比例する。言い換えると、マッチしているモードの傾斜度が増大すると、単一モード光ファイバと平行ビームの間の結合効率は低下する。グラフはモード重なり積分の解析解に基づいている。モード重なり積分は、傾斜またはオフセットに伴う二次元ガウスフィールド分布を用いて、任意(複素)フィールド間の干渉性結合を説明する数学関数である。
これに対して、本発明において開示される球形レセプタクル整合技術は、ファイバとレンズとの間の境界の湾曲面に沿ってファイバ−レンズ・アセンブリの位置を調整することによって、角度不整合を最小限に抑えるために最適の空間フィールド重なりを犠牲にできるようにする。
次に図1Aを参照すると、この図は、光電子コンポーネント101、光電子コンポーネント101の出力に配置されるレンズ103、レンズ103の出口に配置される45°ミラー105、出射光線の出力を監視する出力モニタ107、及びベース111に取り付けられる各種光学コンポーネントを電気的に接続するためのビア113を含む光学モジュール100を示している。図1Aの実施形態において、光電子コンポーネント101、レンズ103及び45°ミラー105は、光学コンポーネントを密閉するための蓋115及びベース111を有するマイクロハウジングの中に気密的に統合される。マイクロハウジングは、シリコンなどの材料(ただし、これに限定されない)またはその他の適切な材料から作ることができる。出射光線を平行にするまたはその焦点を合わせるレンズ103の受動整合を機械的に支持するために、任意に、例えば標準的な乾式または湿式エッチング法を用いて、成形溝109をマイクロハウジングにエッチングすることができる。受動整合においては、光学モジュールを別の光学アセンブリに接続するためのガイドとして、V字形溝またはその他の成形溝を使用する方法を採用することもできる。レンズ103の位置を固定するために、成形溝109の代わりに、設計、製造及び性能基準を満たす適切な金属構造を採用することもできる。その代わりに、成形溝またはその他の機械的支持を必要とせずに、パターン認識システムを用いてレンズ103を位置決めすることができる。
図1Bは、図1Aの光学モジュール内部の光学コンポーネントの全体的構成を示している。図1Bに示される通り、レンズ103は、光電子コンポーネント101の前で受動的に整合される。光電子コンポーネントは、光受容要素例えばフォトダイオードおよび/または発光要素例えばエッジ発光レーザーを含むことができる。1つの態様において、光学モジュールは、第一のシリコンダイを含み、第一のシリコンダイは、コプレーナ・マイクロビアを納めるためのエッチングされた溝及び接着剤を用いて予め決められた屈折率を有するボールレンズが中に接着されるV字形溝を有する。レンズ103及び蓋115を通る平行ビームの方向定めは、第二のマイクロマシン加工されたシリコンダイの45°平面によって行うことができる。第二のシリコンダイは約9.74°の角度にカットされ、第一のダイに接着される。その前面が主にレンズ103の直径によって決定される幅を有する平行ビームまたは集束ビームを生じるように、光電子コンポーネント101をベース111にはんだ付けすると有利である。
上記の形態においてはボールレンズが採用されるが、レンズの特性上、放射光線を実質的に平行なビームに変換するように光電子コンポーネント付近にレンズを配備できる限り、可能であればシリコンから作られる平凸レンズ、円柱グレーデッドインデックス(GRIN)レンズまたは回折光学要素を使用することもできる。
この実施形態において、ボールレンズ103はガラスまたはその他の透明基質から作ることができ、反射を最小限に抑えるために適切な材料で被覆することができる。一般に、ボールレンズの湾曲境界における光の入射は方向を変え、透過光の焦点長さはレンズの屈折率に依存する。この実施形態においてボールレンズを使用することの1つの利点は、収差に関連する平行光の位相面歪みの可能性を最小限に抑えながら、ボールレンズを出射光線の中心軸の周りに完全に配置することができることである。この種のレンズを使用することのもう1つの利点は、出射光線中心軸に対して相対的なレンズの不整合を、この中心軸に対して相対的に平行光を傾斜させることによって補正することができることである。従って、例えば100ミクロンの範囲の幅を有する平行ビームが光学モジュールから出て光ファイバのコネクタレセプタクルの中へ入るとき、ボールレンズ(普通の石英ガラスまたはBK7レンズであってよい)は平行ビームがその後最適の結合効率で光ファイバの中に集束することができるようにする。平凸レンズを採用するための方法は、Nicholas Jordache他著の「直接変調及び電界吸収型レーザーと共存する高結合効率光学設計」(A Highly Coupling Efficiency Optical Design Compatible With Direct Modulated and Electroabsorptive Lasers)(2005 Electronic Components and Technology Conference)において開示されており、この開示は、参照によりその全体が本出願に組み込まれる。
この実施形態に従えば、ミラー105は約45°の角度で傾斜する傾斜面を有する別個のコンポーネントとしてシリコンベース111に配備される。図には45°ミラーが示されているが、ボールレンズ103から出て別の光学モジュールまたは光導波管の中へ通常90°(すなわち、通常レンズに垂直)の角度で入る出射光線の方向を定めるための反射面として作用するために、シリコン、ガラス、誘電層スタックまたはその他の金属層など反射材で被覆されている光学コンポーネントを使用することができる。傾斜面またはミラー105は全体として、標準的エッチング、成形または研磨方法を用いることによって形成することができる。
また、45°ミラー105の代わりに、ベース111に45°側壁を持つ穴をエッチングすることができる。水酸化カリウム(KOH)などエッチング液を用いて、穴の側壁の一方の側面をその表面に対して45°の角度を持つように形成することができる。蓋115を通り抜ける光ビームの方向定めを容易にするために、ミラーとして作用するように傾斜側壁を金属化することができる。もう1つ可能な方法は、45°の角度で傾斜する少なくとも1つの金属化側壁を持つ穴を持つように、ガラスウェハーを成形することである。
マイクロハウジングの内外において、電気光学コンポーネントを取り付けるためのベースとして機能するまたはその上にワイヤボンドがパターン化されるダイパッドを、標準的成膜法及び露光法を用いて製造することができる。外部電気信号をマイクロハウジングへ送るための電送線路を形成することもできる。このような電気信号が高周波(RF)信号である場合、例えばコプレーナラインの形のRF信号導波管を形成するように電送線路を配列することができる。1つの態様においては、異なる金属または合金を用いてダイパッドの各セクションを形成することによって、各セクションが様々な電気抵抗を持つことができるようにして、光電子コンポーネントへのRF信号導波管の接続を抵抗に関して導波管のインピーダンスに合わせることができる。電送線路の抵抗セクションの上方であっても、コイルまたはキャパシタなど付加的な別個の電子コンポーネントをシリコンベースに取り付けることができる。また、パッケージの電線の適切なレイアウトによってコイルを形成することもできる。これによって、バイアス回路などの機能を組み込むことが可能になる。このようなコイルに関するさらなる詳細は2003年11月3日に提出された関連米国特許出願第10/699,981号において開示されている。この開示は参照によってその全体が本出願に組み込まれる。
気密ビアを通じて電送線路をマイクロハウジングの中に通すことができる。微小穴をエッチングし、フィードスルー金属化プロセスを用いてこれを密閉することによって、これが可能になる。密閉されたスルーホール接続を形成するために各種の技法を用いることができる。この種の技法の1つは、第一の半導体層と第二の半導体層との間に挟まれる実質的なエッチング抵抗性層(etch-resistant layer)を含む多層構造を使用する。第一及び第二の半導体層は、例えば窒化珪素、酸化窒化珪素または二酸化珪素を含むグループから選択される材料を含むことができる。スルーホールは、両面エッチングプロセスを用いて形成することができる。両面エッチングプロセスでは、エッチング抵抗性層を露出させてスルーホールの場所を形成するまで第一及び第二の半導体層が連続的にエッチングされる。その後エッチング層の一部を取り除くことによってスルーホールを形成することができる。その後、例えばスルーホール接続のベースとして電気めっきフィードスルー金属化プロセスを用いて、スルーホールを密閉することができる。フィードスルー金属化は拡散障壁を含むこともでき、シーリング材は非貴金属を含むがこれに限定されない。この種のフィードスルー金属化法のさらなる詳細は関連米国特許第6,818,464号において開示されており、この開示は参照によりその全体が本出願に組み込まれる。
また、図2に示される通り、シリコンベース211の下部の表面に光学モジュール200の電線213を形成することができ、シリコンベース211の上部の下方にこれを通して伸ばすことができる。この実施形態において、ボールレンズ203を保持するための溝209を除いてシリコンベース211の表面は実質的に平らなので、電線213用のパターンを構成することは簡単である。
シリコンベース211の上部と下部との間でガラスフリットを用いて、密閉を行うことができる。例えば、シリコンベース211の上部の裏側またはシリコンベース211の下部の前面にリング状にガラスフリット構造をデポジットさせることができる。1つの態様において、気密プロセスは、ガラスフリットをペーストとしてプリントするステップを含み、シリコンベースの上部と下部が相互に押し付けられて予め決められた温度に加熱されるとき、ガラスフリットが金属線間に形成されたギャップを密封することができる。ダイシングプロセスを用いて電送線路213の端部の上方のシリコンベースの上部部分を取り除くことによって、または電送線路の端を接触させるシリコンベース211の上部に追加の穴をエッチングすることによって、電送線路の端部へのアクセスを作ることができる。
図1Aを再び参照すると、上述の通り光電子コンポーネント101、レンズ103、45°ミラー及びその他の電気光学コンポーネントがシリコンベース111に取り付けられた後に、シリコンベース111の上面に蓋115を配置することによって光学モジュール100は密閉される。図には示されていないが、蓋115は蓋の上面からスルーホールを通じて蓋115の底部まで通じる電流路となるフィードスルー金属化部を含むことができることが容易に判るだろう。フィードスルー金属化部は、ベース111の表面にはんだ付けされたビア113によってベース111に取り付けられる各種の電気光学コンポーネントを電気的に接続する機能を果たす。
図4の実施形態において、レンズを配置する前にベースに光電子コンポーネント401をはんだ付けすることができる。図4に示すように、シリコン平凸レンズが採用される場合、片面の中心にある深さを持つ凹部402を形成することができ、組み立て順序を逆にすることができる。すなわち、ベース411に光電子コンポーネント401を取り付ける前にレンズ403が接着される。この実施形態に凹部を組み込むことによって、レーザーをレンズにより近づけることができる。凹部402は光電子コンポーネント401の面がレンズと接触するのを防止する機能を果たすこともできる。これが接触すると両方の光学コンポーネントを損傷する可能性がある。
図1Aに示す蓋115は、ベース111に取り付けられる電気光学コンポーネントを納めるためのキャビティを含む。図3に示すように、異なる態様において、45°ミラー305がベース311の内部の一部として組み込まれる場合、45°ミラーを納めるキャビティを有するウェハをベース311に取付け、その後蓋315で光学モジュール300を密封することによって、電気光学コンポーネントをベース311に取り付けることができる。その代わりに、図4に示される通り、ベース411の上面に取り付けられる蓋415の一部として45°ミラーを組み込むことができ、その後光学モジュール400が密閉される。加工、製造または組み立てステップ中図1−4に示される蓋を取り付けることができるが、光学モジュールを納めるマイクロハウジングを完成させるための最後のステップとして蓋をベースにはんだ付けすると有利であり、こうして、各種の電気光学コンポーネントは適切に整合し、位置決められる。
一部の実施形態においては、図5に示される通り、適切な整合を容易にするように光学モジュールを納めるマイクロハウジングを固定するために、カットアウト領域501を有する球形ホルダ503上に、図1から4までに説明した光学モジュールを組み立てることができる。マイクロハウジングを球形ホルダ503に固定するために、接着剤またはその他の取付け手段を使用することができる。球形ホルダ503の中心点と、光学的不整合を補正するためにマイクロハウジングを回転させる際の軸となる点とは、許容誤差例えば約20ミクロンの範囲内で一致する。図6A−6Cは球形ホルダ503及び光学モジュールを納めるマイクロハウジングの上面図及び側面断面図を示している。
図7A−7Cに示される通り、最終取付けステップにおいて、光ファイバ705を含むアセンブリ701に球形ホルダ702を機械的に挿入することができる。アセンブリ701は、ハウジング709と、フェルールスリーブ707によってハウジング709内に配置される光ファイバ705用のコネクタレセプタクルとを含む。上述の通り、ボールレンズまたはグレーデッドインデックスレンズを含む(ただし、これに限定されない)レンズ703は、ハウジング709内において光ファイバ705と受け取った光ビームを光ファイバ705の中へ集束させるための光学モジュールを納めるホルダとの間に配置することができる。
コリメータレンズの受動整合及び光学モジュールに関連する位置決め公差のため、光学モジュールから出る平行ビームは、レセプタクル軸に対して傾斜させることができる。能動ファイバ整合技法に関連する複雑さ、時間の消費及びコストを減少するために、球形ホルダ702は、球形ホルダ702を回転させることによって幾何公差のせいで生じるビームの不整合を補正できるように、ハウジング709に組み立てられる。例えば、レーザ軸対レンズ軸の横変位が5μmとすると、2°の角度で球形ホルダに対して相対的にハウジングを回転させることによって不整合を補正することができる。
光学モジュール内部で平行レーザービームを操作することは、波長ロッカー、光アイソレータまたは位相変調器など他の光学コンポーネントをモジュール内でビーム経路に組み込むことができると言う利点を有する。これは、従来のTOパッケージテクノロジーを用いては可能ではない。本発明の光学モジュールは、表面実装テクノロジーに非常に適し、さらに、熱に関係する動作を改良するために、金属ヒートシンクを備えることもできる。
以上の実施形態においては、光電子コンポーネントの出力のファイバ結合のために光電子コンポーネント、レンズ及びミラーしかビーム経路に挿入されないが、一緒にパッケージされるまたは光学モジュールとは別個にパッケージされる他の中間電気光学コンポーネントを含むこともできることが判るだろう。例えば、図8に示すように、全体的構造が望みの用途及び設計と両立する限り、光アイソレータ、波長ロッカーとして作用する波長フィルタ、光ビームに対して斜めの角度で取り付けられる狭帯域波長フィルタまたは光電子コンポーネントへ光ビームを反射して戻すパーシャルミラーをxで示される位置に配置することができる。
一般的に、本発明は説明された部によって限定されないことが当業者には判るだろう。本発明は、特許請求の範囲及びその精神の範囲内で修正及び変更を含むことができる。従って、説明は本発明を限定するものとしてではなく例示として見なされるべきである。他の実施形態も特許請求の範囲内に含まれる。
各種図面における同様の参照記号は同様の要素を指し示す。
第一の実施形態に従ったマイクロハウジングによって包まれる光学コンポーネントのアセンブリを示している。 図1Aの光学モジュール内の光学コンポーネントの全体的構成を示している。 2つのガウスモードの間の結合効率を示すグラフである。 2つのガウスモードの間の結合効率を示すグラフである。 第二の実施形態に従ったマイクロハウジングによって包まれる光学モジュールのアセンブリを示している。 第三の実施形態に従ったマイクロハウジングによって包まれる光学モジュールのアセンブリを示している。 第四の実施形態に従ったマイクロハウジングによって包まれる光学モジュールのアセンブリを示している。 球形ホルダに取り付けられる図1のマイクロハウジングの上面及び側面を示している。 球形ホルダに取り付けられる光学モジュールの側面断面図を示している。 球形ホルダに取り付けられる光学モジュールの上面図を示している。 球形ホルダに取り付けられる光学モジュールの側面断面図を示している。 ビーム経路に配置される第二のレンズ及び付加的な光学コンポーネントを含むアセンブリに取り付けられる球形ホルダの側面断面図を示している。 ビーム経路に配置される第二のレンズ及び付加的な光学コンポーネントを含むアセンブリに取り付けられる球形ホルダの側面断面図を示している。 ビーム経路に配置される第二のレンズ及び付加的な光学コンポーネントを含むアセンブリに取り付けられる球形ホルダの側面断面図を示している。 ビーム経路に配置されるレンズ及び付加的な光学コンポーネントを含むアセンブリに取り付けられる球形ホルダの側面断面図を示している。

Claims (4)

  1. 光電子コンポーネントから発せられるビームを光導波管の中に整合するビーム整合方法であって、前記光電子コンポーネント、レンズおよびミラーがその中に気密的に統合されて含まれるマイクロハウジングを有する球形ホルダを、前記光導波管を含むアセンブリに対して、前記球形ホルダから発せられる前記ビームが前記光導波管の中に入射するように回転させることを含む、方法。
  2. 前記光電子コンポーネントがエッジ発光レーザを含む、請求項1に記載の方法。
  3. 前記光導波管が光ファイバを含む、請求項1に記載の方法。
  4. 前記球形ホルダから発せられる前記ビームは、レンズにより前記光導波管の中に収束する、請求項1に記載の方法。
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