JP6052815B2 - 導波路用のコネクタおよびアライメント方法 - Google Patents

Description

本発明は、光情報伝送技術に関し、より詳細には、半導体素子に対して光情報を相互伝送するためのコネクタおよび光導波路のアライメント方法に関する。

近年、コンピュータといった情報処理装置の情報処理能力は高められてきている。しかしながら、処理するべき情報の量および種類が増大するにつれて、情報処理装置にはますます処理能力の改善が求められている。光通信は、情報伝送容量が高く、また寄生容量などの影響を考慮することがなく高密度実装が期待できる。このため、電子情報を光情報に変換して、情報伝送を行うシリコンフォトニクス・デバイスが提案されている。

シリコンフォトニクス・デバイスは、デバイス間の情報伝送を、光ファイバ、平面導波路などの導波路を使用して行う。これまで、光導波路を使用した半導体素子は種々提案されており、例えば、米国特許第８，５３４，９２７号明細書（特許文献１）には、支持体上に配置された柔軟なクラッド層と、クラッド層上に配置されたシングルモード導波路とを備え、ウェハと、光ファイバとの結合を可能とするコネクタが記載されている。また、米国特許第８，５４５，１０８号明細書（特許文献２）には、ウェハに対してボディ部分を接着することで半導体デバイスと、シングルモード光ファイバを結合する点が記載されている。

さらに、特開２００７−２７２１５９号公報（特許文献３）には、光導波路がフェルール本体の一部に当接される位置合わせ用コアを備えることが記載されている。また、特開２００８−０８９８７９号公報（特許文献４）には、位置決め部を、オーバークラッドを形成する薄膜をパターニングして形成する点が記載されている。さらに特開２００５−２９２３７９号公報（特許文献５）には、光導波路を支持体に対して凹凸嵌合によって位置固定する点が記載されている。

以上の先行技術文献は、いずれも半導体ウェハに対してシングルモード光ファイバを結合させるための技術を記載する。一方、シリコンフォトニクス・デバイスに対して光信号を伝送しようとする場合には、シリコンフォトニクス・デバイスから入出力する光信号を、光配線を提供するシングルモード・ファイバ束または導波路束に結合させる必要が生じる。図６には、シリコンフォトニクス・デバイスと、シングルモード光ファイバ束との間の、従来の光学的結合を提供するための配置を示す。

図６に示すように、シリコンフォトニクス・デバイス６１０の出力側は、シリコンフォトニクス・デバイスの出力側に形成された結合領域を介して、アディアバティック・オプティカル・カップリング機構６２０により、半導体ウェハと、平面導波路との間に光結合が提供される。導波路束は、ポリマー・リボン６３０が光結合される。このポリマー・リボン６３０の反対側の端部は、コネクタ６４０に保持またはポリマー・リボン６３０と一体として形成されている。コネクタ６４０は、ポリマー・リボン６３０を保持して、シリコンフォトニクス・デバイスの光出力ポートに光結合させている。

図７には、シリコンフォトニクス・デバイス６１０の光出力部の断面構造を示す。図７に示すように、シリコンフォトニクス・デバイス６１０の光出力部は、シリコン導波路７１０により形成されていて、適切なカップリング要素（不図示）を介してポリマー・リボン７２０に形成された導波路７３０との間で光信号の結合が行われる。シリコン導波路７１０は、周知の成膜およびフォトリソグラフィー技術を使用してシリコン・ウェハ上に形成される。

カップリング要素は、シリコンフォトニクス・デバイス６１０、または外部デバイスからの光信号を、光導波路７３０およびシリコンフォトニクス・デバイス６１０の間で相互結合させている。

図７に示すように、ポリマー・リボン７２０の両端部には、アライメント用の突条７４０が形成されている。またシリコンフォトニクス・デバイス６１０の突条７４０に対応する位置には、ノッチ７６０が形成されていて、シングルモード光導波路７３０と、シリコン導波路７１０とが位置決めされている。

上述したようにシリコン・ウェハ上に光導波路を位置決めする技術は、これまで各種報告されているものの、シリコンフォトニクス・デバイス間で光情報を伝送するため、精度良く光導波路を支持するコネクタに関する検討は十分なものとは言えなかった。コネクタは、多くの場合、ポリマー材料から形成される。また、ポリマー・リボンもある程度柔軟性を持つポリマー材料から形成される。ポリマー材料は、熱硬化性樹脂などを使用しても無機材料に比較して、厚さ、幅などの寸法精度は十分ではない。

また、ポリマー・リボン７２０に複数の導波路を並設する場合、これらの導波路をコネクタに対して、精度良く位置決めすることが必要となる。すなわち、ポリマー・リボンを精度良くシリコンフォトニクス・デバイスにアライメントすることを可能とするコネクタおよびアライメント方法が必要とされていた。

米国特許第８，５３４，９２７号明細書 米国特許第８，５４５，１０８号明細書 特開２００７−２７２１５９号公報 特開２００８−０８９８７９号公報 特開２００５−２９２３７９号公報

本発明は、上述した従来技術に鑑みてなされたものであり、本発明は、シリコンフォトニクス・デバイスといった半導体素子に対して光導波路を十分なレベルでアライメントすることができるコネクタおよびアライメント方法を提供することを目的とする。

本発明のコネクタは、横並びに形成された導波路を配置する凹部を備えたコネクタ部材を備える。このコネクタ部材は、横並びに形成された複数の導波路を挟んでコネクタ部材の反対側に配置されるバックアップ部材により固定されて、導波路をコネクタに相対して固定する。

凹部には、導波路に対して千鳥状に配置され、コネクタに対して導波路を位置決めするための複数の突条が形成されている。この突条は、突条に対して千鳥状にとなる位置に配置された導波路の間に挿入されて導波路を支持する。

導波路は、ポリマー・リボンに形成されており、突条は、ポリマー・リボン上で光導波路を構成するためのオーバークラッド層が形成されていない面をストップ面とすることになる。上述した突条と、オーバークラッド層の形成されていないストップ面との交互接触により、ポリマー・リボンを前記凹部の幅方向にわたって高さ方向に位置決めすることができる。

さらにコネクタ部材は、ポリマー・リボンに形成された突条と当接して前記ポリマー・リボンを横方向に位置決めするテーパ付突条を両端部に備え、導波路は、光導波路とすることができる。

本実施形態のコネクタ１００の概略的な分解斜視図。 本実施形態のコネクタ１００を構成するコネクタ部材１０１を、図１の矢線Ａから見た場合の上面図（図２（ａ））および矢線Ｂの方向から見た場合の側面図（図２（ｂ））。 本実施形態のポリマー・リボン１０２の構成を示す部分拡大図。 本実施形態のコネクタ部材１０１に対してポリマー・リボン１０２を配置した態様４００を示す図。 バックアップ部材１０３が圧入されて、本実施形態のコネクタ１００が形成された態様５００を示す図。 シリコンフォトニクス・デバイスと、光導波路との間の従来の光学的結合を提供するためのカップラの配置を示す斜視図。 従来のシリコンフォトニクス・デバイス６１０の光出力部の断面構造を示す図。

１００ ：コネクタ
１０１ ：コネクタ部材
１０１ａ ：凹部
１０２ ：リボン
１０３ ：バックアップ部材
１０４ ：アパーチャ
１０５ ：突条
１０６ ：突条
１０６ａ ：頂面
１０７ ：リボン当接部
１１０ ：ベース部
１１０ａ ：ストップ面
１１１ ：光導波路
１１２ ：突条
１１３ ：第２クラッド
１１４ ：コア

以下、本発明を実施形態によって説明するが、本発明は、後述する実施形態に限定されるものではない。図１は、本実施形態のコネクタ１００の概略的な分解斜視図である。本実施形態のコネクタ１００は、光ファイバなどを結合するためのＭＴ(Mechanical Transfer)コネクタと互換性のある形状を有している。コネクタ１００は、概ね、コネクタ部材１０１、ポリマー・リボン１０２およびコネクタ部材１０１にポリマー・リボン１０２を固定するためのバックアップ部材１０３として構成されている。

コネクタ部材１０１は、ポリマー・リボン１０２を収容し、固定するための凹部１０１ａが形成されている。コネクタ部材１０１の凹部１０１ａの両側壁には、コネクタ１００をシリコンフォトニクス・デバイス(図示せず）に接続させるためのネジといった固定部材を挿通するアパーチャ１０４が形成されている。アパーチャ１０４に固定部材を挿通し、シリコンフォトニクス・デバイスが収容された筐体にコネクタ１００を固定することで、ポリマー・リボン１０２の先端がシリコンフォトニクス・デバイスのシリコン導波路に結合される。また、図１に示すように、ポリマー・リボン１０２が配置される凹部１０１ａのポリマー・リボン１０２に向いた側には、ポリマー・リボン１０２をコネクタ１００に対して位置決めする複数の突条１０６が形成されている。

ポリマー・リボン１０２は、内部に複数のシングルモード導波機能を有する光導波路が形成されており、紙面左手側から入射する光信号を、紙面右手側に配置されるシリコンフォトニクス・デバイスへと入射させる。ポリマー・リボン１０２を形成する材料に特に限定はなく、光学的特性の良好な、熱硬化性または熱可塑性のプラスチック材料を使用することができる。ポリマー・リボン１０２中に形成される光導波路は、クラッドおよびコアを備え、周知の成膜技術およびフォトリソグラフィー技術を使用して形成することができる。

また本実施形態では、ポリマー・リボン１０２に形成される複数の光導波路は、オーバークラッド層がポリマー・リボン１０２上に形成されることにより、ポリマー・リボン１０２の面から間隔を持って突出した構成とされている。さらにポリマー・リボン１０２の光導波路は、コネクタ部材１０１の凹部１０１ａに形成される突条１０６に対して千鳥状となる位置に形成されている。ポリマー・リボン１０２は、ある程度柔軟に形成されているので、ポリマー・リボン１０２に保持または一体化して並設された光導波路は、コネクタ１００の幅内で高い精度で位置決めされる必要がある。

バックアップ部材１０３は、コネクタ部材１０１と同一または異なるポリマー材料から形成されている。バックアップ部材１０３は、コネクタ部材１０１の凹部１０１ａと、バックアップ部材１０３との間にポリマー・リボン１０２を挟み込んで、ポリマー・リボン１０２を固定する。コネクタ１００に対してポリマー・リボン１０２が固定された場合、突条１０６の頂面と、ポリマー・リボン１０２のストップ面とが当接する。この当接により、横並びに形成された導波路は、シリコンフォトニクス・デバイスの光入力ポートに少なくとも±２．０μｍ程度の精度でアライメント可能とされる。

コネクタ部材１０１、バックアップ部材１０３は、精密射出成形を使用して形成されており、適切な熱硬化性樹脂およびフィラーを含む複合材料から形成することができる。また、ポリマー・リボン１０２は、周知の成膜技術およびフォトリソグラフィー技術を使用して形成することができる。

コネクタ１００は、コネクタ部材１０１の凹部１０１ａにポリマー・リボン１０２を配置し、その上方からバックアップ部材１０３を矢線Ａの方向に挿入し、押圧して、適切な接着剤などを使用して固定することで、形成される。このとき本実施形態では、ポリマー・リボン１０２のトップ面が、凹部１０１ａに形成された突条１０６の頂面により支持されて固定される。このため、ポリマー・リボン１０２は、コネクタ１００に対して、シングルモード導波性の光導波路を高精度に左右方向および高さ方向に支持するように固定される。

図２は、本実施形態のコネクタ１００を構成するコネクタ部材１０１を、図１の矢線Ａから見た場合の上面図（図２（ａ））および矢線Ｂの方向から見た時の側面図（図２（ｂ））を示す。コネクタ部材１０１のポリマー・リボン当接部１０７には、ポリマー・リボン１０２を支持するための複数の突条１０５、１０６が形成されている。突条１０５は、ポリマー・リボン当接部１０７の両端部に形成されていて、ポリマー・リボン１０２を紙面左右方向（Ｘ方向）にアライメントする。

また、突条１０６は、ポリマー・リボン１０２の光導波路が形成される領域に配置されており、光導波路の形成されていない部分に対応して形成されている。この突条１０６は、その頂部が平坦に形成されていて、ポリマー・リボン１０２のストップ面と当接して、Ｘ方向に並設された光導波路をＺ方向に位置決めする機能を提供する。

特定の実施形態に関連して各部の寸法を説明すると、コネクタ１００は、Ｘ方向に６．３４〜６．４８ｍｍの大きさを有し、突条１０６は、概ね１００μｍであり、その間隔は、概ね２５０μｍとされている。また、光導波路も概ね２５０μｍの間隔で、平面導波路の形状として形成されている。さらに突条１０６の高さは、数１０μｍ、平面導波路の厚さも、数１０μｍとされている。本実施形態では、各部の寸法は、特に限定は無く、特定の目的および規格に適合する用に、適宜設定可能である。

図３は、本実施形態のポリマー・リボン１０２の構成を示す部分拡大図である。ポリマー・リボン１０２は、説明する実施形態では、クラッド層の機能を提供する。ポリマー・リボン１０２は、ベース部１１０と、位置決め用の突条１１２と、ベース部１１０の主要部に形成された光導波路（平面導波路）１１１とを含んで構成されている。図３では一部分を拡大して示しているが、図３に示したと同様の構造が、コネクタ部材１０１の図示しない反対側の端部にまで延びた構造とされる。

光導波路は、説明する実施形態において、ベース部１１０がクラッドとして機能し、ベース部１１０上に形成された第２クラッド１１３内にコア１１４が、ベース部１１０に隣接して配置された構成を備えている。ベース部１１０の領域と、コア１１４と、第２クラッド１１３とが１つの光導波路１１１を提供する。突条１１２の頂面と、第２クラッド１１３の頂面は、同一のレベルとすることもできるし、Ｚ方向のアライメントに悪影響を与えない範囲で、異なるレベルとすることもできる。

図４は、本実施形態のコネクタ部材１０１に対してポリマー・リボン１０２を配置した態様４００を示す図である。なお、図４では説明のため、ポリマー・リボン１０２と、コネクタ部材１０１との間に間隙が残された状態を示している。ポリマー・リボン１０２に形成された光導波路１１１は、コネクタ部材１０１の一定の間隔を置いて形成された突条１０６に対して千鳥状に形成されている。そして、突条１０６もまた、光導波路１１１の間に延びるように、千鳥状に形成されている。

ポリマー・リボン１０２が、バックアップ部材１０３により凹部内側へと押圧されると、ベース部１１０の導波路間の面として定義されるストップ面１１０ａが、突条１０６の頂面１０６ａと当接して保持される。この当接は、図４で示すように、コネクタ部材１０１の凹部１０１ａにわたって発生する。このため、光導波路１１１は、コネクタ部材１０１の幅方向にわたって、高さ方向（Ｚ方向）に精度良く位置決めされる。

突条１０５は、ベース部１１０から延びた突条１１２の内側端に当接して、ポリマー・リボン１０２をＸ方向に位置決めする。なお、位置決めが確実に行われるように、突条１０５は、両側面が傾斜したテーパ面とされていて、その断面形状が、コネクタ部材１０１から延びる断面台形の形状とされている。突条１０５は、そのテーパが形成された外側面が突条１１２の内側面に当接することで、コネクタ部材１０１に対するポリマー・リボン１０２の左右方向の位置決めを可能としている。

本構成により、固定用のネジ部材によりアパーチャ１０４を通してシリコンフォトニクス・デバイスに位置決めされた場合に、シリコンフォトニクス・デバイスの光結合部に対し、光導波路１１１は、ポリマー・リボン１０２の幅方向にわたって、概ね±２．０μｍ以下、より好ましくは±１μｍ程度の精度でアライメントできる。

図５は、バックアップ部材１０３が圧入されて、本実施形態のコネクタ１００が形成された態様５００を示す。図４に示すようにコネクタ部材１０１に対してポリマー・リボン１０２を配置した後、バックアップ部材１０３をポリマー・リボン当接部１０７に配置する。その後、熱硬化性、光硬化性、常温硬化性の接着剤を付着させたバックアップ部材１０３を矢線Ｃの方向から圧入する。バックアップ部材１０３の圧入に伴って、コネクタ部材１０１とポリマー・リボン１０２との間の間隙が減少して行く。

最終的には突条１０６の頂面１０６ａが、ポリマー・リボン１０２のベース部１１０の導波路が形成されていない面であるストップ面１１０ａに当接した時点で圧入を終了させる。圧入の終了は、印加する圧力をモニタすることでも良いし、突条１０６の頂面１０６ａが、ポリマー・リボン１０２のストップ面１１０ａに当接するまでのワークの移動ストロークをモニタすることでも良く、これまで知られた如何なる装置および方法でも使用することができる。

圧入終了後、接着剤により固定されるまで加圧を継続し、コネクタ１００におけるポリマー・リボン１０２のアライメントを終了させる。本実施形態では、クラッドとしても機能するポリマー・リボン１０２の光導波路の形成されていない面をＺ方向のアライメントのために利用することにより、精度良くＸ方向およびＺ方向にポリマー・リボン１０２をアライメントすることが可能となる。これと同時に本実施形態では、導波路１１１の凹部１０１ａの底面からの高さを均一化させることが可能となる。

以上説明したように、本発明は、シリコンフォトニクス・デバイスといった半導体素子に対して光導波路を精度良くアライメントすることができるコネクタおよびアライメント方法を提供することができる。

これまで本発明を図面に示した実施形態をもって説明してきたが、本発明は図面に示した実施形態に限定されるものではなく、他の実施形態、追加、変更、削除など、当業者が想到することができる範囲内で変更することができ、いずれの態様においても本発明の作用・効果を奏する限り、本発明の範囲に含まれるものである。

Claims (6)

1. 半導体素子に光信号を結合させるためのコネクタであって、前記コネクタは、
   ポリマー・リボンに横並びに形成された導波路に隣接して配置される凹部を備えたコネクタ部材と、
   前記横並びに形成された複数の導波路を挟んで前記コネクタ部材の反対側に配置されるバックアップ部材と
   を含み、
   前記凹部は、前記導波路のない位置に交互に配置され、前記コネクタに対して前記導波路を位置決めするため前記ポリマー・リボンのオーバークラッド層が形成されていない面に当接する平坦な頂部を有する複数の突条を備え、前記複数の突条は、前記頂部に向かって幅が狭くなる傾斜の台形形状の複数の第１の突条と、前記ポリマー・リボンの当接部の両端に形成され前記ポリマー・リボンをその幅方向にアライメントするため前記台形形状よりもゆるい傾斜を有する台形形状の第２の突条とからなる、コネクタ。
2. 前記突条は、前記ポリマー・リボン上において前記導波路のオーバークラッド層が形成されていない面をストップ面として前記ポリマー・リボンを前記凹部の幅方向にわたって高さ方向に位置決めする、請求項１に記載のコネクタ。
3. 前記導波路は、光導波路である、請求項１に記載のコネクタ。
4. 半導体素子に対して光信号を結合させるためのアライメント方法であって、
   ポリマー・リボンに横並びに形成された導波路に隣接して配置される凹部を備えたコネクタ部材を配置するステップと、
   前記凹部に横並びに形成された導波路を配置するステップと、
   前記導波路を挟んで前記コネクタ部材の反対側にバックアップ部材を配置するステップと、
   前記バックアップ部材と、前記コネクタ部材との間の距離を減少させることによって、 前記凹部に形成され、かつ前記導波路のない位置に交互に配置され、前記コネクタに対して前記導波路を位置決めするため前記ポリマー・リボンのオーバークラッド層が形成されていない面に当接する平坦な頂部を有する複数の突条を備え、前記複数の突条は、前記頂部に向かって幅が狭くなる傾斜の台形形状の複数の第１の突条と、前記ポリマー・リボンの当接部の両端に形成され前記ポリマー・リボンをその幅方向にアライメントするため前記台形形状よりもゆるい傾斜を有する台形形状の第２の突条とにより前記導波路を支持するステップとを含む、アライメント方法。
5. 前記導波路を支持するステップは、前記複数の第１および第２の突条の平坦な頂部を、前記導波路の間に嵌入させ、前記距離を、前記頂部が前記ポリマー・リボン上において前記導波路のオーバークラッド層が形成されていない面に当接するように減少させるステップを含む、請求項４に記載のアライメント方法。
6. 前記導波路は、光導波路である、請求項４に記載のアライメント方法。