JP2023512606A

JP2023512606A - 弾性平均結合

Info

Publication number: JP2023512606A
Application number: JP2022573416A
Authority: JP
Inventors: ライアンヴァランス，ロバート; チェン，ヤン; メンゲシャ，テオドロス
Original assignee: センコーアドバンスドコンポーネンツインコーポレイテッド
Priority date: 2020-02-03
Filing date: 2021-02-03
Publication date: 2023-03-27
Also published as: CN115362402A; EP4100776A1; US20230076055A1; US11808999B2; US20210239920A1; US11500166B2; WO2021158716A1

Abstract

アラインメント特徴部の第１の二次元平面アレイを有する光コネクタとアラインメント特徴部の第２の二次元平面アレイを有する基台との間の受動的光学アラインメント結合が提供される。アレイの一方は、それぞれが直行する縦溝によって互いに分離される切頭された頂部を有する略四角錐形状である離散突起のアレイを画定する直交する縦溝のネットワークであり、他方のアレイは、長手方向の円筒形突起である。円筒形突起は溝内に受容され、円筒形突起の特記表面は溝表面と接触し、離散突起の頂部は円筒形突起によって囲まれる表面に接触する。光コネクタは、基台に取外し可能に取り付けられて着脱可能な結合を画定し、アラインメント特徴部の第１のアレイがアラインメント特徴部の第２のアレイに対して弾性平均結合を画定する。

Description

関連出願との相互参照

本出願は、２０２０年２月３日出願の米国仮特許出願第６２／９６９，５３６号の優先権を主張する。この出願は、参照により、その内容が本明細書に完全に記載されているかのように完全に組み込まれているものとする。以下で言及される全ての刊行物は、参照により、それらの内容が本明細書に完全に記載されているかのように完全に組み込まれているものとする。

本発明は、光電子部品（例えば、フォトニック集積回路（photonic integrated circuit；ＰＩＣ））の入力および出力に光を結合する技術に関し、より詳細には、ＰＩＣに対する光ファイバの光接続に関する。

フォトニック集積回路（ＰＩＣ）または光集積回路は、動作の基礎として電流ではなく光を用いるエマージング技術の一部である。ＰＩＣデバイスは、複数（少なくとも２つ）のフォトニック機能を統合し、したがって、電子集積回路に類似する。上記の２つの主な違いは、フォトニック集積回路は、通常は可視スペクトルまたは近赤外の８５０ｎｍ～１６５０ｎｍにおける光学波長に与えられる情報信号のための機能を提供することである。

ＰＩＣは、遠距離通信、計測、および信号処理の分野において様々な用途に使用される。ＰＩＣデバイス（フォトニックチップパッケージの形態で）は通常、光導波路を用いて、様々のオンチップ（on-chip）素子、例えば、導波路、オプティカルスイッチ、カプラ、ルータ、スプリッタ、マルチプレクサ／デマルチプレクサ、モジュレータ、増幅器、波長変換器、光－電気（Ｏ/Ｅ）および電気－光（Ｅ/Ｏ）信号変換器（例えば、フォトダイオード、レーザ）等を、実装および／または相互接続する。ＰＩＣデバイス中の導波路は通常、導波路のコアとクラッディングとの間の屈折率コントラストにより光をガイドするオンチップソリッド導光体である。

フォトニックネットワーク内の最も高価な部品の１つは、光ファイバコネクタである。適正な動作のために、ＰＩＣは、典型的には、外部光ファイバと１つまたは複数のオンチップ導波路との間で光を効率的に結合する必要がある。ＰＩＣデバイスはしばしば、光通信の組織化ネットワークの形態で、他のＰＩＣデバイスへの光接続を有することが必要とされる。接続距離は、チップ間接続の場合の数ミリメートルから、最大で長距離用途の場合の数キロメートルまでの範囲でありうる。低損失光ファイバによって長距離に亘って非常に高いデータ転送速度（＞２５Ｇｂｐｓ）で光ファイバ内を光が通過できるので、光ファイバは、有効な接続方法を提供できる。適正な動作のために、ＰＩＣデバイスは、外部光ファイバと１つまたは複数のオンチップ導波路との間で光を効率よく結合する必要がある。ＰＩＣデバイスにおいて回路動作の基礎として光を用いる利点は、高速信号伝達のためのエネルギー費が、電子チップのものよりも実質的に低いということである。したがって、この利点を維持する、ＰＩＣデバイスと光ファイバのような他の光学デバイスとの間の有効な結合が、ＰＩＣの重要な態様である。

光ファイバをＰＩＣデバイス（またはＰＩＣチップパッケージ）に結合する１つのアプローチは、光ファイバアレイをＰＩＣチップのエッジに取り付けることである。従来、光ファイバアレイは、能動的なアラインメントアプローチを用いてＰＩＣ上の要素とアラインメントされ、このアプローチにおいて、光ファイバの位置および配向は、ファイバとＰＩＣとの間で伝達される光の量が最大となるまで機械的に調整される。これは、通常はＰＩＣがウエハからダイシングされパッケージ内に実装された後に行われる、時間のかかるプロセスである。これによって、光ファイバの接続は製造プロセスの最後にまわされる。接続は一旦行われると恒久的であり、ＰＩＣへ光ファイバアレイを再び取り付けたいといういかなる要望に対しても、おそらく接続の完全性を破壊することなしに、取り外し、分離しまたは着脱することができない。言い換えれば、光ファイバアレイは、ＰＩＣデバイスに取外し可能に取り付けることができず、ファイバアレイ接続および分離は、破壊的であり可逆的でない（すなわち、再接続可能でない）。

現行技術水準は、ポリマーコネクタ要素を用いて厳しいアラインメント公差を達成しようとするが、ポリマーにはいくつかの根本的な不利点がある。第１に、ポリマーは伸縮自在であり、外部の印加された負荷の下で容易に変形する。第２に、ポリマーは寸法安定性ではなく、特にコンピューティングおよびネットワーキングハードウェアで見られるような高温にさらされるとサイズおよび形状を変え得る。第３に、ポリマーの熱膨張率（ＣＴＥ）は、ＰＩＣデバイスで通常使用される物質のＣＴＥよりもはるかに大きい。したがって、温度サイクルによって、光ファイバとＰＩＣデバイス上の光学素子との間にアラインメントずれが生じる。場合によっては、ポリマーは、ＰＩＣデバイスをプリント回路基板上にはんだ付けする間に用いられる処理温度に耐えることができない。

さらに、個々のＰＩＣをウエハからダイシングする前に光ファイバ接続を作成できれば有利であろう；これはしばしばウエハ－レベルの取付けと称される。集積回路およびＰＩＣの製造業者は、しばしば、サブミクロンのアラインメントが可能な高価な資本設備（例えば、集積回路をテストするためのウエハプローバおよびハンドラ）を有するが、チップをパッケージングする会社は通常、能力の低い機械（典型的には、シングルモードデバイスには適さない数ミクロンのアラインメント公差）を有し、しばしば手動操作を使用する。しかしながら、ダイシング前に光ファイバをＰＩＣに恒久的に取り付けることは非現実的である、なぜならば、光ファイバが絡み合い、ダイシング作業およびパッケージング手順の際に邪魔になり、ＰＩＣがプリント回路基板上にピックアンドプレースされ次いで高温でＰＣＢにはんだ付けされる際に光ファイバを管理することが事実上不可能であるからである。

特許文献１（本出願の譲受人に共通に譲渡され、参照により本明細書に完全に組み込まれる）は、光電子デバイスのための取外し可能な光コネクタを開示している。開示された取外し可能な光コネクタは、弾性平均結合の実施を含み、光ファイバの入力／出力をＰＩＣに光結合させるための改善された手法を提供し、これにより、低コストで、公差、製造性、使いやすさ、機能性および信頼性を改善する。従来技術において知られているように、弾性平均化は、表面結合タイプのサブセットを表し、ここで、改善された精度は、多数の接触表面にわたる誤差の平均化から導出される。キネマティック設計とは対照的に、弾性平均化は、多数の比較的柔軟な部材で固体を著しく過剰に拘束することに基づく。システムに予荷重が加えられると、材料の弾性特性により、固体全体にわたる接触特徴の合計に対して、各々の接触特徴のサイズおよび位置の誤差が平均化される。弾性平均化によって得られる再現性および精度は、決定論的システムほど高くない可能性があるが、弾性平均化設計により、キネマティック結合と比較した場合、より高い剛性およびより低い局所応力が可能となる。良好に設計され予荷重された弾性平均結合では、再現性は、接触点の数の平方根にほぼ反比例する。

ほとんどのＰＩＣデバイスは、通常は１マイクロメートル未満の、光ファイバとＰＩＣとの間の厳しいアラインメント公差を必要とするシングルモード光接続が必要である。オンチップシングルモード導波路へおよびオンチップシングルモード導波路から外部光ファイバへの有効な光結合は、シングルモード導波路と光ファイバ内の導光コアとの間のサイズの不一致により困難である。例えば、通常のシリカ光ファイバの寸法は、ＰＩＣ上の通常の導波路より約４０倍大きい。このサイズの不一致により、シングルモード導波路と光ファイバとが直接結合されると、導波路および光ファイバのそれぞれのモードが有効に結合せず、許容できない挿入損失（例えば、＞２０ｄＢ）が生じうる。

特許文献２（本出願の譲受人に共通に譲渡され、参照により本明細書に完全に組み込まれる）は、ＰＩＣ用のマイクロミラー光学ベンチを有する取外し可能なエッジカプラを開示しており、これは、ファイバアレイ中の光ファイバおよびオンチップ光学素子のモードサイズを互いに近づけ、光ファイバの入力／出力をＰＩＣデバイスに効率的に光結合する機構を提供する。

米国特許出願公開第２０１６／０１６１６８６号明細書米国特許出願公開第２０２０／０１２４７９８号明細書

必要とされるのは、低コストで公差、製造性、使いやすさ、機能性および信頼性をさらに改善する、改良された弾性平均化手法に基づく、コネクタ間の改善された取外し可能な光結合である。

本発明は、高いアラインメント精度を達成する取外し可能／分離可能かつ再接続可能な受動的アラインメント結合／接続を提供することによって、従来技術の欠点を克服する。光コネクタ（例えば、光ファイバを支持する光学ベンチを支持するまたはその一部である）は、基台とアラインメントされた状態で再接続するために、非破壊的で取外し可能に取り付けできるように構成および構造化される。基台は、光電子デバイスの一体部分（例えば、フォトニック集積回路（ＰＩＣ）チップの一部）であってもよく、光電子デバイスに取り付けられた別個の部品であってもよい。

本発明を図示の実施形態に関連して説明する。基台は、光電子デバイス内の電気光学素子（例えば、格子カプラ、導波路など）にアラインメントすることができる。基台は、光電子デバイスに対して恒久的にアラインメントされて、外部光コネクタに対するアラインメント基準を提供する。光コネクタは、光学ベンチ内の光学部品／光学素子を所望の光路に沿って光電子デバイスに正確に光学的にアラインメントする「分離可能」または「取外し可能」または「着脱可能」な動作を介して、基台に取外し可能に取り付けることができる。接続および切断ならびに再接続の各々に対して光学的アラインメントを維持するために、このコネクタは、基台に対して精密かつ正確にアラインメントされる必要がある。本発明によれば、コネクタおよび基台は、２つの本体上の幾何学的特徴から構成される受動的機械的アラインメント、具体的には、弾性平均アラインメントを用いて、互いにアラインメントされる。上記を導入として、本発明を以下に要約することができる。

本発明は、光コネクタおよび基台（例えば、ＰＩＣチップに関連付けられる）のための受動的光学アラインメント結合を対象とする。光コネクタは、光信号を伝送する第１の本体を備える。第１の本体は、第１のベース（光ファイバアレイを支持し得る）を画定し、第１のベースは、第１のベースの第１の表面上に一体的に画定されたアラインメント特徴部の第１の二次元平面アレイによって画定された第１の平面を有する；基台（フォトニック集積回路ＰＩＣに結合され得る）は、光コネクタと光信号を通信する外部光電子デバイスに対するアラインメント基準を提供する第２の本体を備える。第２の本体は、第２のベースを画定し、第２のベースは、第２のベースの第２の表面上に一体的に画定されたアラインメント特徴部の第２の二次元平面アレイによって画定された第２の平面を有する。アラインメント特徴部の第１のアレイおよびアラインメント特徴部の第２のアレイの一方は、直交する長手方向の開口溝の第１のネットワークを備え、アラインメント特徴部の第１のアレイおよびアラインメント特徴部の第２のアレイの他方は、それぞれが第１のベースの第１の表面または第２のベースの第２の表面のうちの対応する１つに平行な長手軸を有する長手方向円筒形突起（各々が、連続的な円筒形突起であってもよく、または円筒形突起の破断チェーンであってもよい）の第２のネットワークを備える。（あるいは、光コネクタおよび基台上のアラインメント特徴部は交換されてもよい。）円筒形突起の第２のネットワークは、円筒形突起の突起表面が縦溝の溝表面と接触した状態で、開口溝の合致する相補的な第１のネットワーク内に受容される。光コネクタは、基台に取外し可能に取り付けられて着脱可能な結合を画定し、アラインメント特徴部の第１のアレイがアラインメント特徴部の第２のアレイに対して弾性平均結合を画定し、それによって、光コネクタを基台にアラインメントする。

一実施形態では、第１のアラインメント特徴部の直交する縦溝の第１のネットワークは、第１のベースの第１の表面上（あるいは第２のベースの第２の表面上）に直交する縦溝によって互いに分離および隔離された離散突起のアレイを画定し、これらはそれぞれ、切頭された頂部（例えば、平坦またはわずかに凸状の湾曲した頂部）を有する略四角錐形状である。離散突起のアレイは、それぞれ、第１のベースの第１の表面および第２のベースの第２の表面のうちの対応する１つに直交する第１の平面に関して対称であり、さらに、第１の平面に直交し第１の表面および第２の表面のうちの対応する１つに直交する第２の平面に関して対称である、***構造を備えてもよい（すなわち、***構造は、光コネクタの第１のベースの第１の表面（あるいは、基台の第２のベースの第２の表面上）に直交する中心軸の周りの２つの直交平面に沿ってそれぞれ対称である。

一実施形態では、円筒形突起の第２のネットワークは、交差する長手方向の円筒形突起のネットワーク（対応するベースの表面上にクロスグリッド構造を形成する）を備え、各々は、一実施形態では、断面において実質的に半円形のプロファイルであり得る。他の凸曲断面（例えば、楕円、放物線、またはゴシックアーチプロファイル）を採用してもよい。

一実施形態では、長手方向の円筒形突起の突起表面は、光コネクタが基台に結合されると、溝表面と線接触して線接触のアレイを画定する。この実施形態では、縦溝はＶ字状溝であり、各離散突起は、溝表面に対応する実質的に平坦な表面を備え、光コネクタが基台に結合されると突起表面との線接触を画定する。別の実施形態では、長手方向の円筒形突起の突起表面は、光コネクタが基台に結合されると、溝表面と点接触して点接触のアレイを画定する。この実施形態では、各離散突起は、溝表面に対応する凸曲面を備え、光コネクタが基台に結合されると突起表面との点接触を画定する。

一実施形態では、離散突起のアレイは、Ｍ×Ｎ個の直交する縦溝を含む交差溝の第１のネットワークに対応する（Ｍ＋１）×（Ｎ＋１）個の離散突起の矩形アレイである。円筒形突起の第２のネットワークは、Ｍ×Ｎ個の直交する長手方向の円筒形突起を含み、Ｍ×Ｎ個の交差する縦溝の第１のネットワークに合致する。約３ｍｍ×３ｍｍの平面面積を有する、光コネクタの第１の表面と基台の第２の表面との間の結合インターフェースについて、光コネクタと基台との間の１マイクロメートル未満の結合精度を達成するために、Ｍは好ましくは３～１０の範囲内であり、Ｎは３～１０の範囲内である。

一実施形態では、縦溝によって画定される離散突起は、光コネクタが基台に結合されると、第１の表面および第２の表面のうちの対応する１つに接触する。さらに、一実施形態では、光コネクタが所定の固有の位置で基台上に着座することを確実にするために、離散突起のアレイは、第１の表面（あるいは第２の表面）の周囲／エッジに沿って位置する***構造を有する複数のガイドキー突起をさらに備え、これらは、周囲／エッジから離れる方向を向く表面（すなわち、光コネクタが基台に結合される際に円筒形突起に接触しない表面）において、周囲／エッジの内側に位置する対称的な離散突起（すなわち、第１の表面および第２の表面のうちの対応する１つに接触する離散突起）の表面プロファイルと比較して、異なる表面プロファイルを有する。例えば、離散突起の１０×５アレイ（すなわち、Ｍ＝９およびＮ＝４）の周囲、例えば、コーナー（１、１）、（１０、１）、（１、５）および（１０、５）における離散突起のいくつかはそれぞれ、アレイの周囲から離れた内部位置における（例えば、（２、２）～（９、２）などにおける）離散突起の表面プロファイルとは異なる表面プロファイルを含んでもよい。コーナー突起の形状は、対向面の４片上の円筒形突起によって囲まれる内部空間に適合しないであろう。コーナー突起は、円筒形突起によって囲まれないため、対向面上のコーナーにおける空間にのみ適合するであろう。したがって、ガイドキーは、結合インターフェースに設けられてアラインメント特徴部の第１のアレイおよびアラインメント特徴部の第２のアレイの嵌合を最初にガイドし、光コネクタを所定の意図された相対位置で基台に結合するために相補的なアラインメント特徴部の相対位置を一意に着座させる。

一実施形態では、第１のベースは、第１の可鍛性金属材料を含み、光コネクタのアラインメント特徴部の第１のアレイは、可鍛性金属材料をスタンピングすることによって第１のベース上に一体的に画定され、第２のベースは、第２の可鍛性材料を含み、アラインメント特徴部の第２のアレイは、第２の可鍛性金属材料をスタンピングすることによってベース上に一体的に画定される。

一実施形態では、光コネクタは、以下を備える第１のマイクロミラー光学ベンチをさらに備える：第１のベース；第１のベース上に画定されたミラーの第１のアレイであって、各ミラーは、第１のベースの第１の表面に実質的に平行な第１の平面内の第１の方向に沿った第１の光路と、第１の平面の外側の第２の方向に沿った第２の光路との間で光を方向転換する構造化反射表面プロファイルを含む、ミラーの第１のアレイ；および、第１のベース上に画定されたファイバ溝のアレイであって、各溝はそれぞれ光ファイバのセクションをその長手軸が第１の光路に沿った状態で受容し、端部は第１の光路に沿った対応するミラーと光学的にアラインメントされる、ファイバ溝のアレイ。一実施形態では、基台は、以下を備える第２のマイクロミラー光学ベンチを備える：第２のベース；および、第２のベース上に画定されたミラーの第２のアレイであって、ミラーの第２のアレイ内の各ミラーは、第２のベースの第２の表面に実質的に平行な第２の平面内の第３の方向に沿った第３の光路と、第２の平面の外側の第４の方向に沿った第４の光路との間で光を方向転換する構造化反射表面プロファイルを含む、ミラーの第２のアレイ。一実施形態では、ミラーの第１のアレイおよびアラインメント特徴部の第１のアレイは、金属ブランクの第１の本体をスタンピングすることによって第１のベース上に同時に画定され、ミラーの第２のアレイおよびアラインメント特徴部の第２のアレイは、金属ブランクの第２の本体をスタンピングすることによって第２のベース上に同時に画定される。基台および光コネクタ上に受動的アラインメント特徴部および／またはマイクロ光学ベンチ（ＭＯＢ）を一体的に／同時に形成するための高精度スタンピングによって、部品を大量にまたは少量で経済的に生産することが可能になると同時に、公差、製造性、使いやすさ、機能性、および信頼性が改善される。基台および／または光学ベンチの部品は、コバール、インバー、ステンレス鋼、アルミニウムなどの延性金属のようなスタンピング可能な材料で作られる。好ましくは、光学ベンチおよび基台はいずれも、温度サイクル中にアラインメントずれが生じず、かつ応力／歪みが発生しないように、近い熱膨張係数（ＣＴＥ）を有する。

一実施形態では、光コネクタの第１のベースは、第１のベースの第１の側に第１の基準面を有し、基台の第２のベースは、第２のベースの第２の側に第２の基準面を有する。第１の基準面および第２の基準面は、アラインメント特徴部の第１のアレイがアラインメント特徴部の第２のアレイに対向した状態で、第２のベースに対して第１のベースをバイアスするコンプライアントクリップによって概ねアラインメントされる。

本発明によれば、光コネクタおよび基台は、光コネクタと基台との間に配置される任意の屈折光学素子なしに自由空間結合を画定し、光の再整形を提供する。さらに、光コネクタと基台との間の取外し可能な弾性平均結合は、任意の相補的なアラインメントピンおよびアラインメントホールを使用せずに画定される。

本発明の弾性平均結合は、フォトニック装置に配備することができる。一実施形態では、フォトニック装置は以下を備える：支持体；支持体の上面に取り付けられた光電子デバイス；および、本発明の弾性平均結合を含む受動的光学アラインメント。基台は、光電子デバイスおよび／または支持体上のいずれかにおいて、光電子デバイスに対して位置決めされ、光電子デバイスが基台に取外し可能／着脱可能に結合された光コネクタと光信号を通信するためのアラインメント位置を画定する。光電子スデバイスは、フォトニック集積回路（ＰＩＣ）チップを備えてもよく、これは、ＰＩＣチップの外部への光学インターフェースとして光学素子を備える。基台は、ＰＩＣチップの光学素子と光学的にアラインメントされている。

一実施形態では、基台は、ＰＩＣチップに対して光学的にアラインメントされて支持体上に支持されたエッジカプラを備える。ＰＩＣチップの光学素子は、光をＰＩＣチップのエッジに導く。エッジカプラは、ＰＩＣチップの光学素子と光学的にアラインメントされたミラーのアレイを備えてもよく、光は、ミラーのアレイ内のミラーとＰＩＣチップ内の対応する光学素子との間の光路に沿って伝送される。

本発明はまた、光コネクタと光電子デバイスとの間に着脱可能な接続を提供するための方法を対象とし、この方法は以下：支持体を提供する工程；光電子デバイスを支持体の上面に取り付ける工程；および、請求項のいずれかに記載の受動的光学アラインメント結合を提供する工程、を含み、基台は、光電子デバイスおよび／または支持体上のいずれかにおいて、光電子デバイスに対して位置決めされ、かつ、基台は、光電子デバイスが基台に取外し可能に結合された光コネクタと光信号を通信するためのアラインメント位置を画定する。

一実施形態では、光コネクタは、まず基台に結合される。光コネクタは、光電子デバイスと光コネクタ（例えば、光コネクタによって支持される光ファイバ）との間の最適な光信号を得るために、光電子デバイス（例えば、ＰＩＣチップまたは光Ｉ／Ｏチップ）に対して基台を位置決めすることによって、光電子デバイスに対して能動的にアラインメントされる。基台の位置は、アラインメントされた位置において光電子デバイスに対して固定される（例えば、インターポーザ、プリント回路基板、サブマウントなどの光電子デバイス用の支持体上に、はんだを使用して基台の位置を留める）。次いで、光コネクタは基台から取り外され、基台は、支持体上のその位置を変更することなく、支持体に恒久的に取り付けられ得る（例えば、はんだをリフローする）。その後、光コネクタは、光コネクタと光電子デバイスとの間の能動的アラインメントによって得られる元の光学的アラインメントを失うことなく、非破壊的に基台に繰り返し接続および切断ならびに再接続することができる。元の能動的アラインメントに従った光学的アラインメントは、接続および切断ならびに再接続ごとに維持され、光コネクタを基台に精密かつ正確にアラインメントする。

一実施形態では、基台は、光電子デバイスまたは光電子デバイス用の支持体の一体部分であってもよい。

好ましい使用態様に加え、本発明の性質および利点のより完全な理解のために、添付の図面と共に読まれる以下の詳細な説明を参照されたい。以下の図面においては、図面全体に亘り、類似の参照番号は、同様または類似の部分を指している。

本発明の一実施形態による、光コネクタおよび基台の受動的アラインメント特徴部を示す図本発明の一実施形態による、光コネクタおよび基台の受動的アラインメント特徴部を示す図本発明の一実施形態による、光コネクタおよび基台の受動的アラインメント特徴部を示す図本発明の一実施形態による、基台に対する光コネクタの弾性平均結合インターフェースを示す図本発明の一実施形態による、基台に対する光コネクタの弾性平均結合インターフェースを示す図本発明の一実施形態による、基台に対する光コネクタの弾性平均結合インターフェースを示す図本発明の一実施形態による、基台に対する光コネクタの弾性平均結合インターフェースを示す図本発明の別の実施形態による、光コネクタおよび基台の受動的アラインメント特徴を示す図本発明の別の実施形態による、光コネクタおよび基台の受動的アラインメント特徴を示す図本発明の別の実施形態による、基台に対する光コネクタの弾性平均結合インターフェースを示す図本発明の別の実施形態による、基台に対する光コネクタの弾性平均結合インターフェースを示す図本発明の別の実施形態による、基台に対する光コネクタの弾性平均結合インターフェースを示す図本発明の別の実施形態による、基台に対する光コネクタの弾性平均結合インターフェースを示す図本発明の別の実施形態による、ガイドキー突起を示す図本発明の一実施形態による、ＰＩＣチップに対するエッジカプラとしての基台の位置決めを示す図本発明の一実施形態による、ＰＩＣチップに対するエッジカプラとしての基台の位置決めを示す図本発明の一実施形態による、基台への光コネクタの接続を示す図本発明の一実施形態による、基台への光コネクタの接続を示す図本発明の一実施形態による、基台への光コネクタの接続を示す図本発明の一実施形態による、後続の取外し可能な接続のために基台の位置を固定するプロセスを示す図本発明の一実施形態による、後続の取外し可能な接続のために基台の位置を固定するプロセスを示す図本発明の一実施形態による、後続の取外し可能な接続のために基台の位置を固定するプロセスを示す図本発明の一実施形態による、後続の取外し可能な接続のために基台の位置を固定するプロセスを示す図

以下、図面を参照しつつ、様々な実施形態を参照しながら本発明を説明する。本発明は、本発明の目的を達成するための最良の態様（ベストモード）に関して説明されているが、当業者であれば、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、これらの教示内容を考慮して複数のバリエーションを実現できることを理解できるであろう。

本発明の弾性平均結合の概念は、光電子デバイスとしてのＰＩＣと、光学ベンチを備え、光学ベンチ内に支持される光学部品（例えば、光ファイバ）の入力／出力端を光電子デバイスに光学的に結合する、光コネクタとの実施例を参照して以下に論じられる。本発明は、他の分野で使用される取外し可能／再接続可能な形態の構造および部品を提供するために適用可能である。

図１Ａ～１Ｃは、本発明の一実施形態による、光コネクタ１０および基台１２の受動的アラインメント特徴部を示す。光コネクタ１０は、光信号を伝送する光ファイバアレイ（点線ＦＡで概略的に示される）を支持する第１の本体Ｂ１を備える。基台１２は、光コネクタ１０内で光ファイバＯＦと光信号を通信する外部光電子デバイス（例えば、図７のＰＩＣチップ１００、または図８のＡＳＩＣチップ（例えば、ＣＰＵ、ＧＰＵ、スイッチＡＳＩＣ）１０２のためのＩ／ＯＰＩＣチップ１０１）に対するアラインメント基準を提供する第２の本体Ｂ２を備える。

コネクタ１０の第１の本体は、光ファイバアレイＦＡを支持する第１のベースＢ１を画定し、この第１のベースＢ１は、第１の平面Ｓ１を有し、これは、第１のベースＢ１の第１の表面Ｓ１上に一体的に画定されたアラインメント特徴部の第１の二次元平面アレイＦ１によって画定される。本実施形態では、コネクタ１０は、光ファイバアレイＦＡを支持してアラインメントするためのマイクロ光学ベンチＯＢを内蔵している。光ファイバアレイＦＡは、保護バッファおよびマトリックス／ジャケット層Ｐによって保護された複数の光ファイバＯＦを有している。コネクタ１０のベースＢ１は、光ファイバＯＦ（保護バッファおよびマトリックス／ジャケット層Ｊがなく露出したクラッドを有する）のむき出しの部分を保持するための開口溝Ｇを備えた、アラインメント構造を含む構造化特徴部と、ベースＢ１のより大きい平面に対してある角度で傾斜した平面を有する、構造化反射面（例えば、８つのミラーＭ１）とを画定する。開口溝Ｇは、第１の光路Ｌ１に沿ってミラーＭの第１のアレイに対してアラインメントされた光ファイバＯＦの端部セクションを受容するようにサイズ決めされ、かつこれを正確に位置づけるように配置される。各光ファイバＯＦの端面（入力／出力端）は、対応するミラーＭ１に対して所定の距離に維持される。図６Ａの実施形態では、透明ガラス、石英、またはサファイアプレートカバーＳＰ１が、光学ベンチＯＢ上の露出面を覆ってミラーＭ１を保護する。一実施形態では、コネクタ１０は、ミラー表面Ｍ１とプレートカバーＳＰ１との間を屈折率整合エポキシで充填されてもよい。

一実施形態では、各ミラーＭ１は、ベースＢ１から離れる方向を向く露出した反射自由側を有する、ベースＢ１の露出した自由表面（すなわち、空気に露出した表面、または光学ベンチのベースの本体の内部ではない表面）である。露出した反射自由側は、光が光ファイバＯＦにおよび基台１２に出入りするよう方向付けられる構造反射表面プロファイルを含む。各ミラーＭ１は、入射光を曲げ、反射し、および／または再整形する。構造反射表面プロファイルの構成および形状（例えば、曲率）に応じて、ミラーＭは、入射光ビームを、コリメート、拡張、または集光しうる。例えば、構造反射表面プロファイルは、以下の幾何学的形状／プロファイルのうちの１つを含み得る：（ａ）楕円体、（ｂ）軸外放物線、または（ｃ）他の自由形状光学表面。例えば、ミラー表面は、光パワーを提供するために、次のいずれかの表面幾何学的曲率関数を個別に、または重ね合わせて有してもよい：楕円体または双曲線円錐焦点、さまざまな数の偶数または奇数の非球面項を持つトロイダル非球面、さまざまな数の偶数または奇数項を持つＸ－Ｙ非球面曲線、さまざまな次数のゼルニケ多項式、およびこれらの関数に含まれるより単純な表面のさまざまなファミリ。表面はまた、任意の平面またはベクトルに沿って対称性のない自由形状の表面であってもよい。ミラーＭは、可鍛性金属材料をスタンピングすることによってベースＢ上に画定され得る。工具鋼または炭化タングステン工具でスタンピング可能なさまざまの可鍛性金属は、ミラーの本体を構成することができ、任意の３００または４００シリーズのステンレス鋼、コバールの任意の組成、任意の沈殿または固溶硬化金属、およびＡｇ、Ａｌ、Ａｕ、Ｃｕの任意の合金を含む。１３１０ｎｍを超える長波長では、アルミニウムは反射率が高く（＞９８％）、スタンピングによって経済的に成形される。ミラーを構成する金属の部分の反射表面は、上記の金属のいずれか、または、スパッタリング、蒸着、またはめっきプロセスによって適用される反射率の高い金属の任意のコーティングであり得る。

本願と同様に本願の譲受人に譲渡された、米国特許第７，３４３，７７０号明細書は、公差の小さい部品を製造するための、新規な精密スタンピングシステムを開示している。それに開示されているようなコネクタ１０および基台１２の構造（上述の光学ベンチＯＢのための構造、ならびに以下に論じる構造を含む）を生成するため、そのような新規なスタンピングシステムを実装することができる。これらのスタンピング処理は、最終的な表面特徴（他の規定された表面特徴部と精密なアラインメントが取られる所望の幾何学形状を有する反射表面を含む）を、厳しい（すなわち小さな）公差で形成するために、可鍛性バルク金属材料（例えば、金属ブランクまたはストック）をスタンピングする処理を包含する。本願と同様に本願の譲受人に譲渡された、米国特許出願公開第２０１６／００１６２１８号明細書は、異種の金属材料の主要部分と補助部分とを有するベースを含む、複合構造をさらに開示している。ベースおよび補助部分は、スタンピングにより成形される。補助部分がスタンピング形成されると、補助部分はベースとインターロックし、それと同時に補助部分上に所望の構造特徴部（たとえば、構造反射面や、光ファイバのアラインメントのための特徴部等）を形成する。このアプローチにより、比較的重要性の低い構造特徴部は、比較的大きな公差を維持する少ない労力により、ベースのバルク上に成形され得る一方、補助部分上に存在するより重要性の高い構造特徴部は、より小さな公差で寸法、幾何学形状および／または仕上げ状態を規定するさらなる考察をもって、より精密に成形される。補助部分は、異なる構造特徴部をスタンピング形成するための異なる特性を伴う２つの異種の金属材料の、さらなる複合構造を含むものとされてもよい。このスタンピング形成のアプローチは、それより前の米国特許第７，３４３，７７０号明細書における、スタンピングに供されるバルク材料が均質材料（例えば、コバールやアルミニウム等の、金属のストリップ）であるスタンピング形成のアプローチに対し、改良をもたらすものである。スタンピング処理は、単一の均質材料から構造特徴部を生成する。したがって、異なる複数の特徴部がその材料の特性を共有することとなり、その特性は、１つ以上の特徴部にとって最適な特性ではないかもしれない。例えば、アラインメント特徴部をスタンピング形成するのに適した特性を有する材料は、光信号の損失を低減するのに最適な光反射効率を有する反射性の表面特徴部をスタンピング形成するのに適した特性を、有していないかもしれない。

光学ベンチＯＢの全体的な機能的構造は、概して、上述した譲受人の以前の特許文献において開示された、光学ベンチのいくつかの実施形態の構造に類似している（すなわち、構造化反射面とアラインメントされたファイバアラインメント溝、および適切な光学アラインメントを助ける追加の特徴部）。先に開示された複合構造およびスタンピング技術は、光学ベンチＯＢ内のミラーＭ１、溝Ｇおよびアラインメント特徴部の第１のアレイＦ１を含むコネクタ１０、およびさらに、ミラーＭ２および以下に説明するアラインメント特徴部の第２のアレイを含む基台１２を生成するために採用し得る。それぞれのアラインメント特徴部Ｆ１およびＦ２は、平面Ｓ１およびＳ２上にそれぞれ形成され、これによって、以下で説明するように、基台１２に対する、したがってＰＩＣチップ１００／チップ１０２またはＩ／Ｏチップ１０１に対するコネクタ１０のアラインメントおよび／または正確な位置決めが容易になる。

光コネクタにおけるミラーＭ１表面および光ファイバアラインメント構造は、ストック材料（例えば、金属ブランクまたはストリップ）の精密スタンピングによって一体的／同時に形成することができ、これにより、公差、製造性、使いやすさ、機能性および信頼性を改善しながら、コネクタ部品を大量または少量で経済的に製造することが可能になる。構造反射面、受動的アラインメント特徴部（以下で論じる）、および光ファイバアラインメント構造を同じ単一の最終スタンピング操作で同時に形成することによって、同じワークピース／パーツ上でのアラインメントを必要とするすべての特徴部の寸法関係を、最終スタンピングステップにおいて維持することができる。光学ベンチ上に全ての特徴部を形成するための単一の打撃のパンチによるパンチング操作の代わりに、光学ベンチ上に特定の特徴部を漸進的に予備成形するために複数の打撃が実施されることが考えられてもよく、最終的な打撃により、設計光路に沿ったそれぞれの部品／構造の適切なアラインメントを確実にする（または確実にするのに重要な役割を果たす）ために必要とされる、ミラー、光ファイバアラインメント構造／溝、以下で論じる受動的アラインメント特徴部などを含む、光学ベンチ上のさまざまな構造化された特徴部の最終的な寸法、幾何形状および／または仕上げが同時に画定される。

本質的に、光コネクタ１０に関して、ベースＢ１は、ミラーＭ１に対して光ファイバＯＦをアラインメントするための光学ベンチＯＢを画定する。ミラーＭをさらに画定する同一の単一構造にファイバ溝Ｇを含むことによって、ミラーＭ１に対する光ファイバＯＦの端部セクションのアラインメントは、別個のパーツまたは構造上に画定される特徴部に基づいてまたは別個の形成ステップに基づいて同様のアラインメントを達成しようとする場合と比較して、最終構造を単一パーツで同時に画定する単一の最終スタンピングによって、比較的小さい公差でより精密に達成することができる。ミラーＭ１および光ファイバアラインメント溝Ｇを、同じ単一の最終スタンピング操作で同時に形成することによって、同じワークピース／パーツ上でアラインメントを必要とする（またはアラインメントを実現する役割を果たす）すべての特徴部／部品の寸法関係を、最終スタンピングステップにおいて維持することができる。さらに、同じトークンによって、アラインメント特徴部の第１のアレイＦ１はまた、同じ単一の最終スタンピング操作でミラーＭ１および溝Ｇと同時に形成されて、全ての特徴部（すなわち、溝Ｇ、ミラーＭ１およびアラインメント特徴部Ｆ１）の寸法関係を維持し、小さな公差で所望のアラインメントを達成することができる。

図１Ａ～図１Ｃに示す実施形態では、コネクタ１０のアラインメント特徴部の第１のアレイＦ１は、直交する長手方向開口溝ＬＧ１および長手方向開口溝ＬＧ２の第１のネットワークを含み、これらはそれぞれ平坦な壁を有するＶ字状溝である。一実施形態では、第１のアラインメント特徴部Ｆ１の直交する縦溝ＬＧ１およびＬＧ２の第１のネットワークは、第１のベースＢ１の第１の表面Ｓ１上に直交する縦溝ＬＧ１およびＬＧ２によって互いに分離および隔離された離散突起Ｐのアレイを画定し、これらはそれぞれ、４つの平坦な傾斜面ＧＳおよび切頭された頂部Ｔ（例えば、平坦またはわずかに凸状の湾曲した頂部）を有する略四角錐形状である。突起Ｐの頂部Ｔは、第１の表面Ｓ１に概ね適合する。各離散突起Ｐ（以下でさらに説明するように、コーナーおよび／またはエッジにおけるものを除いて）は、第１のベースＢ１の第１の表面Ｓ１に直交する第１の平面に関して対称であり、さらに、第１の平面に直交し第１の表面Ｓ１に直交する第２の平面に関して対称である、***構造である（すなわち、***構造はそれぞれ、第１のベースＢ１の第１の表面Ｓ１に直交する中心軸Ａを中心として２つの直交する平面に沿って対称である）。突起Ｐの特徴部は、図１Ｃの拡大図により良く示されている。

米国特許出願公開第２０２０／０１２４７９８号明細書（本出願の譲受人に共通に譲渡され、参照により本明細書に完全に組み込まれる）は、ＰＩＣ用のマイクロミラー光学ベンチを有する取外し可能なエッジカプラを開示しており、これは、ファイバアレイ内の光ファイバおよびオンチップ光学素子のモードサイズを互いに近くしてＰＩＣデバイスへの光ファイバの有効な光結合入出力を達成する機構を提供する。本明細書の基台１２は、エッジカプラと同様の構造を有し、実際には、本明細書に開示される受動的アラインメント特徴部と比較して基台１２上の受動的アラインメント特徴部を除いて、本明細書に先に開示されるエッジカプラと同様に構成することができる。

図１Ａおよび図１Ｂを参照すると、基台１２は、ベースＢ２（例えば、シリコン、ガラス、コバール、インバー、アルミニウム、ステンレス鋼などの可鍛性金属で作製される）を有する本体を備え、ミラーＭ２の第２のアレイがベースＢ２上に画定される。図６Ｂの実施形態では、透明ガラス、石英、またはサファイアプレートカバーＳＰ２が、ベースＢ２上の露出面を覆う。一実施形態では、基台１２は、ミラー表面Ｍ２とプレートカバーＳＰ２との間において屈折率整合エポキシで充填されてもよい。基台１２のベースＢ２上のミラーＭ２の構造は、コネクタ１０のベースＢ１上のミラーＭ１の対応する構造に非常に類似している。それぞれのミラーＭ１およびＭ２の光学ジオメトリは、所望の光路を実現するように選択される。図示の実施形態では、基台１２は、コネクタ１０と比較して光ファイバを含まない。しかしながら、ベースＢ２はさらに、米国特許出願公開第２０２０／０１２４７９８号明細書で開示されるエッジカプラの場合のように、光信号をミラーＢ２との間で通信する導波路として光ファイバの短いセクション（図示せず）を受容する溝を画定してもよい。

基台１２のベースＢ２は、第２のベースＢ２の第２の表面Ｓ２上に一体的に画定されたアラインメント特徴部Ｆ２の第２の二次元平面アレイによって画定された第２の平面Ｓ２を有する。基台１２のアラインメント特徴部Ｆ２の第２のアレイは、それぞれが第２のベースＢ２の第２の表面Ｓ２の対応する１つに平行な長手軸を有する、長手方向円筒形突起（各々が、連続的な円筒形突起、または離散円筒形突起の共通の軸方向における離散円筒形突起の破断チェーンまたは列であり得る）の第２のネットワークを備える。この図示の実施形態では、円筒形突起の第２のネットワークは、交差する長手方向円筒形突起ＬＰ１および長手方向円筒形突起ＬＰ２（図１Ａおよび図１Ｂに示すようにクロスグリッド突出構造を形成する）のネットワークを含み、それぞれが断面において実質的に半円形の断面を有する。他の凸曲断面（例えば、楕円、放物線、またはゴシックアーチプロファイル）を採用してもよい。

図２Ａ～２Ｄは、本発明の一実施形態による、基台に対する光コネクタの弾性平均結合インターフェースを示す。図２Ａは、光ファイバＯＦの長手軸に沿った方向の端部から見た、基台１２上のコネクタ１０の結合の図である。図２Ａは、アラインメント特徴部の第１のアレイと第２のアレイとの間の接触面の拡大図である。図２Ｃおよび図２Ｄ（拡大断面図）は、図２Ａおよび図２Ｃにおける線２Ｃ－２Ｃに沿った断面図を示す。直交する円筒形突起ＬＰ１およびＬＰ２の第２のネットワークは、直交する開口溝ＬＧ１およびＬＧ２の相補的に合致する第１のネットワーク内に受容される。円筒形突起ＬＰ１およびＬＰ２の突起面は、縦溝ＬＧ１およびＬＧ２の溝表面ＧＳに接触する。

図２Ｂに見られるように、縦溝ＬＧ１はそれぞれ、その長手方向に平坦な溝壁面を有するＶ字状溝であり、各離散突起Ｐは、Ｖ字状溝表面に対応する実質的に平坦な傾斜面を含む。Ｖ字状溝ＬＧ１の平坦面および円筒形突起ＬＰ１の凸曲面は、光コネクタ１０が基台１２に結合されると、（図２Ｃおよび図２Ｄに示すように）隣接する円筒形突起ＬＰ２の間に線接触ＬＣを画定する。したがって、交差長手方向円筒形突起ＬＰ１およびＬＰ２のネットワークの突起表面は、それぞれの長手方向において直線面であり、光コネクタ１０が基台１２に結合されると、交差する縦溝ＬＧ１およびＬＧ２のネットワークの平坦面と線接触して、線接触ＬＣのアレイを画定する。複数の線接触は、弾性平均結合に対応し、光コネクタ１０は、取外し可能な結合部を画定するように基台に取外し可能に取り付け可能であり、アラインメント特徴部Ｆ１の第１のアレイがアラインメント特徴部Ｆ２の第２のアレイに対して弾性平均結合を画定し、それによって、光コネクタが基台に対してアラインメントされる。線接触ＬＣを達成するために、円筒形突起ＬＰ１およびＬＰ２はそれぞれ、円筒形突起表面が各離散突起Ｐの平坦面ＧＳとのインターフェースの領域内に存在する限り、基台１２のベースＢ２に平行な軸方向に沿った離散／隔離円筒形突起の破断チェーンであってもよいことに留意されたい。言い換えれば、円筒形突起ＬＰ１およびＬＰ２は、図１Ａおよび図１Ｂに示されるようなクロスグリッド構造を形成するために物理的に交差する必要はない。

図３Ａおよび３Ｂは、本発明の別の実施形態による、光コネクタおよび基台の受動的アラインメント特徴部を図示する。この実施形態では、基台１２は、図１に示す実施形態と同様のままである。コネクタ１０は、概して先の実施形態と同様であり、交差する縦溝ＬＧ１’およびＬＧ２’ならびに離散突起Ｐ’の構造に変更が加えられる。突起部Ｐ’はそれぞれ、略四角錐形状であり、溝表面ＧＳ’および平坦または凸状頂部Ｔに対応する凸曲面ＧＳ’を有する。交差する縦溝ＬＧ１’およびＬＧ２’は、図１の先の実施形態の場合のような平坦な壁面を有するＶ字状溝ではなくなっている。この実施形態では、縦溝ＬＧ１’およびＬＧ２’は、突起Ｐ’に対応する凸面を備えた側壁をそれぞれ有する略Ｖ字状の溝である。特に、突起Ｐ’は、少なくとも縦溝に沿った方向に凸状の傾斜面ＧＳ’を有する。傾斜面ＧＳ’は、高さ方向または傾斜方向あるいはそれらの組合せに湾曲してもよいことに留意されたい。

図４Ａ～図４Ｄは、図３Ａおよび図３Ｂの実施形態による、基台１２への光コネクタ１０の弾性平均結合インターフェースを示す。図４の図は、前述の図２の図に対応し、先の実施形態との比較を提供する。

図４Ｂに見られるように、縦溝ＬＧ１’はそれぞれ、略Ｖ字状の溝であり、各離散突起Ｐ’は、溝表面ＧＳ’に対応する凸状傾斜面ＧＳ’を備える。溝ＬＧ１’の凸面ＧＳ’および円筒形突起ＬＰ１の凸曲面は、光コネクタ１０が基台１２に結合されると、（図４Ｃおよび４Ｄに示されるように）隣接する円筒形突起ＬＰ２の間の点接触ＰＣを画定する。したがって、交差長手方向円筒形突起ＬＰ１およびＬＰ２のネットワークの突起表面は、それぞれの長手方向において直線面であり、光コネクタ１０が基台１２に結合されると、交差する縦溝ＬＧ１’およびＬＧ２’のネットワークの凸面ＧＳ’と点接触して、点接触ＰＣのアレイを画定する。複数の点接触ＰＣは、改良された弾性平均結合に対応し、それにより、光コネクタ１０は、取外し可能な結合部を画定するように基台に取外し可能に取り付け可能であり、アラインメント特徴部Ｆ１の第１のアレイがアラインメント特徴部Ｆ２の第２のアレイに対して弾性平均結合を画定し、それによって、光コネクタが基台に対してアラインメントされる。点接触ＰＣを考慮すると、円筒形突起ＬＰ１およびＬＰ２はそれぞれ、円筒形突起表面が各離散突起ＰＬの凸面ＧＳ’とのインターフェースの領域内に存在する限り、基台のベースＢ２に平行な軸方向に沿った離散／隔離円筒形突起の破断チェーンであってもよいことに留意されたい。言い換えれば、円筒形突起ＬＰ１およびＬＰ２は、図１に示されるようなクロスグリッド構造を形成するために物理的に交差する必要はない。

離散突起のアレイ（Ｐ、Ｐ’）は、Ｍ×Ｎ個の直交する縦溝（ＬＧ１、ＬＧ２；ＬＧ１’およびＬＧ２’）を含む交差溝の第１のネットワークに対応する（Ｍ＋１）×（Ｎ＋１）個の離散突起の矩形アレイである。円筒形突起の第２のネットワークは、Ｍ×Ｎ個の直交する長手方向の円筒形突起ＬＰ１およびＬＰ２を含み、Ｍ×Ｎ個の交差する縦溝の第１のネットワークに合致する。図２および図４に示す両方の実施形態では、例示のみを目的としてＭ＝１０およびＮ＝４である。約３ｍｍ×４ｍｍの平面面積を有する、光コネクタ１０の第１の表面Ｓ１と基台１２の第２の表面Ｓ２との間の結合インターフェースについて、光コネクタと基台との間の１マイクロメートル未満の結合精度を達成するために、Ｍは好ましくは３～１０の範囲内であり、Ｎは３～１０の範囲内である。

図２Ｂの実施形態を参照すると、コネクタ１０上の交差する縦溝ＬＧ１およびＬＧ２のネットワークによって画定される離散突起Ｐは、光コネクタ１０が基台１２に結合されると、基台１２の隣接する円筒形突起ＬＰ１の間の空間内の第２の表面Ｓ２に接触する。同様に、図４Ｂの実施形態では、コネクタ１０上の交差する縦溝ＬＧ１’およびＬＧ２’によって画定される離散突起Ｐ’は、光コネクタ１０が基台１２に結合されると、基台１２の隣接する円筒形突起ＬＰ１の間の空間内の第２の表面Ｓ２に接触する。

一実施形態では、図１Ｃを参照すると、光コネクタ１０が所定の固有の位置で基台１２上に着座することを確実にするために、離散突起Ｐのアレイはさらに、第１の表面Ｓ１の周囲／エッジに沿って位置する***構造を有する複数のガイドキー突起ＧＰを備え、これらは、周囲／エッジから離れる方向を向く表面（すなわち、光コネクタが基台に結合される際に円筒形突起に接触しない表面）において、周囲／エッジの内側に位置する対称的な離散突起（すなわち、基台１２の第２の表面Ｓ２に接触する離散突起）の表面プロファイルと比較して、異なる表面プロファイルを有する。図１Ｃに示されるように、第１の表面Ｓ１の周囲に沿った突起ＧＰはそれぞれ、周囲から離れる方向を向く直線状の壁面Ｗを有する。壁面Ｗを考えると、突起ＧＰの形状は、対向面Ｓ２の４辺上の円筒形突起ＬＰ１およびＬＰ２によって囲まれる内部空間に収まらないであろう。しかしながら、直線状の壁面Ｗはエッジにおいて円筒形突起に囲まれていないため、突起ＧＰは、対向面Ｓ２上のエッジに沿った空間にのみ収まるであろう。

図５は、図３の実施形態において凸状突起表面ＧＳ’に実装され得るガイドキー突起の実施形態を示す。例えば、図示される離散突起Ｐ’の１０×５アレイ（すなわち、Ｍ＝９およびＮ＝４である）の場合、コーナー（１、１）、（１０、１）、（１、５）および（１０、５）における離散突起ＧＰ’はそれぞれ、図示のように、周囲／エッジから離れる方向を向く表面において、アレイの周囲から離れた内部位置における（例えば、（２、２）～（９、２）などにおける）離散突起の表面プロファイルとは異なる表面プロファイルを含んでもよい。コーナー突起ＧＰ’の形状を考えると、これらは、対向面Ｓ２の４辺上の円筒形突起ＬＰ１およびＬＰ２によって囲まれる内部空間に収まらないであろう。コーナー突起ＧＰ’は、コーナーにおいて円筒形突起ＬＰ１およびＬＰ２によって完全に囲まれていないため、対向面Ｓ２上のコーナーにおける空間にのみ収まるであろう。

したがって、ＧＰおよびＧＰ’などのガイドキーを結合インターフェースに設けて、アラインメント特徴部Ｆ１の第１のアレイおよびアラインメント特徴部Ｆ２の第２のアレイをガイドし、相補的なアラインメント特徴部の相対位置を独自に着座させて、光コネクタ１０を所定の意図された相対位置で基台１２に結合することができる。

あるいは、上述の実施形態において開示された縦溝および長手方向円筒形突起アラインメント特徴部は、本発明の範囲および精神から逸脱することなく、光コネクタ１０および基台１２のインターフェース面の間で交換されてもよいことが理解される。

一実施形態では、第１のベースＢ１は、第１の可鍛性金属材料を含み、光コネクタ１０のアラインメント特徴部Ｆ１の第１のアレイは、可鍛性金属材料をスタンピングすることによって第１のベース上に一体的に画定され、第２のベースＢ２は、第２の可鍛性材料を含み、基台のアラインメント特徴部Ｆ２の第２のアレイは、第２の可鍛性金属材料をスタンピングすることによってベース上に一体的に画定される。一実施形態では、ミラーＭ１の第１のアレイおよびアラインメント特徴部Ｆ１の第１のアレイは、金属ブランクの第１の本体をスタンピングすることによって第１のベース上に同時に画定され、ミラーＭ２の第２のアレイおよびアラインメント特徴部Ｆ２の第２のアレイは、金属ブランクの第２の本体をスタンピングすることによって第２のベース上に同時に画定される。基台および光コネクタ上に受動的アラインメント特徴部および／またはマイクロ光学ベンチ（ＭＯＢ）を一体的に／同時に形成するための高精度スタンピングによって、部品を大量にまたは少量で経済的に生産することが可能になると同時に、公差、製造性、使いやすさ、機能性、および信頼性が改善される。基台および／または光学ベンチの部品は、コバール、インバー、ステンレス鋼、アルミニウムなどの延性金属のようなスタンピング可能な材料で作られる。好ましくは、光学ベンチおよび基台はいずれも、温度サイクル中にアラインメントずれが生じず、かつ応力／歪みが発生しないように、近い熱膨張係数（ＣＴＥ）を有する。

図６Ａおよび図６Ｂは、本発明の一実施形態による、ＰＩＣチップ１００に対するエッジカプラとしての基台１２の位置決めを示す。図示されるように、基台１２は、ＰＩＣチップ１００に対して突き当てられるか、または基台のベースＢ２のエッジとＰＩＣチップ１００の対向エッジとの間にギャップを設けて配置され（図７Ｃに示されるように）、カバーＳＰ２は、ＰＩＣチップ１００の上に延在する。この実施形態では、基台１２は、ＰＩＣチップ１００に対して光学的にアラインメントされた状態で支持体Ｓに支持されている。ＰＩＣチップ１００の光学素子は、光をＰＩＣチップ１００のエッジに導く。基台１２は、エッジカプラとして機能する。上記で説明したように、基台１２のミラーＭ２のアレイは、ＰＩＣチップ１００の光学素子と光学的にアラインメントされ、ミラーアレイ内のミラーＭ２とＰＩＣチップ１００内の対応する光学素子との間の光路Ｌ３に沿って光が伝送される。

図６Ａに示す実施形態では、基台１２内のミラーＭ２およびＰＩＣチップ１００内の光学素子の光学的アラインメントは、基台１２のベースＢ２のエッジを越えてカバーＳＰ２の延長セクション上に設けられた基準（fiducials）Ｖ、およびＰＩＣチップ１００のエッジ近くの上面に設けられた基準（図示せず）に基づく、ＰＩＣチップのエッジへのミラーＭ２の受動的アラインメントによって達成される。ギャップは、ＰＩＣチップ１００上の光ファイバのコアおよび導波路と同様の光学屈折率を有する材料で充填されてもよい。カバーＳＰ２上の基準ＶをＰＩＣチップ１００の上面に設けられた基準（図示せず）に光学的にアラインメントすることによって、基台１２がＰＩＣチップ１００に受動的にアラインメントされる。別の実施形態では、基台１２は、ＰＩＣチップ１００またはＰＩＣチップ１００用の支持体Ｓの一体部分であってもよい。

図７Ａ～図７Ｃは、本発明の一実施形態による、基台１２への光コネクタ１０の接続を示す。ＰＩＣチップ１００は、図７Ｂにおいてプリンタ回路基板ＰＣＢ上に支持され得る支持体Ｓ（サブマウント、インターポーザであり得る）上に支持される。光コネクタ１０の第１のベースＢ１は、第１のベースＢ１の少なくとも片側に第１の基準面Ｒ１を有し、基台１２の第２のベースＢ２は、第２のベースＢ２の第２の側に少なくとも第２の基準面Ｒ２を有する。第１の基準面Ｒ１および第２の基準面Ｒ２は、第２のベースＢ２に対して第１のベースＢ１をバイアスするコンプライアントクリップＣによって概ねアラインメントされ、アラインメント特徴部Ｆ１の第１のアレイは、アラインメント特徴部Ｆ２の第２のアレイに対して着座される。図７Ｂにおいて、光ファイバアレイＦＡは、ＰＩＣチップ１００と光信号通信するための柔軟な光接続を提供する光ファイバジャンパケーブルであってもよい。

図７Ｃは、図７Ａの線７Ａ－７Ａに沿った断面図である。ミラーＭ１はそれぞれ、コネクタ１０の第１のベースＢ１の第１の表面Ｓ１に実質的に平行な第１の平面内の第１の方向に沿った第１の光路Ｌ１と、第１の平面の外側の第２の方向に沿った第２の光路Ｌ２との間で、光を方向転換する（例えば、９０度）構造化反射面プロファイルを含む。第１のベースＢ１上に画定されたファイバ溝Ｇのアレイはそれぞれ、第１の光路Ｌ１に沿って対応するミラーＭ１と光学的にアラインメントされた状態で、光ファイバＯＦの端部セクションを支持する。基台の第２のベースＢ２上に画定された第２のミラーアレイＭ２はそれぞれ、第２のベースＢ２の第２の表面Ｓ２に実質的に平行な第２の平面内の第３の方向に沿った第３の光路Ｌ３と、第２の平面の外側の第４の方向に沿った第４の光路Ｌ４との間で、光を方向転換する構造化反射面プロファイルを含む。光路Ｌ３およびＬ４は、図示の構成においてコネクタ１０および基台１２の結合時に一致し、ＰＩＣチップ１００とファイバアレイＦＡ内の光ファイバＯＦとの間に光路が完成する。

ミラーＭ１および／またはミラーＭ２の構造化反射面プロファイルは、ＰＩＣチップ１００からの光ビームを再整形して、コネクタ１０内の光ファイバＯＦのモードフィールドにより厳密に合致するモードフィールドを生成するように構成され得る。さらに、基台１２内のミラーＭ２は、ＰＩＣチップ１００内の光学素子からの光ビームを拡張またはコリメートし、コネクタ１０内のミラーＭ１に出力するための反射面プロファイルを備えて構成されてもよく、コネクタ１０内のミラーＭ１は、基台１２内のミラーＭ２からの光ビームを、コネクタ１０内の光学ベンチのベースＢ１上の溝Ｇ内に保持される光ファイバＯＦの先端／端面のコアに集光するための反射面プロファイルを備えて構成されてもよい。この拡張されたビーム光結合構成によって、ミラーＭ２とコネクタ１０内に保持される光ファイバＯＦとの間の光学アラインメント公差要件が低減される。

図８Ａ～８Ｄは、本発明の一実施形態による、後続の取外し可能な接続のために基台１２の位置を固定するプロセスを示す。この実施形態では、ＡＳＩＣ（例えば、ＣＰＵ、ＧＰＵ、スイッチＡＳＩＣ）チップ１０２とインターフェースするために追加のＩ／Ｏチップ１０１が設けられる。光路は、図７Ｃに示される光路と同様であり、Ｉ／Ｏチップ１０１がＰＩＣチップ１００に取って代わる。まず、図８Ａにおいて、光コネクタ１０が基台１２に結合される。光コネクタ１０は、チップ１０１／チップ１０２と光コネクタ１０によって支持される光ファイバＯＦとの間の最適な光信号を得るために、チップ１０１に対して基台１２を位置決めすることによって、チップ１０１に対して能動的にアラインメントされる。基台１２の位置は、光学的にアラインメントされた位置でチップ１０１に対して固定される（例えば、チップ１０１用の支持体Ｓ（インターポーザ、プリント回路基板、サブマウントなど）上に、はんだを使用して基台１２の位置を留める）。次いで、図８Ｂにおいて、光コネクタ１０は基台１２から取り外される。図８Ｃにおいて、基台１２は、支持体Ｓ上のその位置を変更することなく、支持体Ｓに恒久的に取り付けられ得る（例えば、はんだをリフローする）。その後、図８Ｄにおいて、光コネクタ１０は、非破壊的に、かつ、光コネクタ１０とチップ１０１／チップ１０２との間の能動的アラインメントによって得られる元の光学的アラインメントを失うことなく、基台１２に繰り返し接続および切断ならびに再接続することができる。元の能動的アラインメントに従った光学的アラインメントは、接続および切断ならびに再接続ごとに維持され、光コネクタ１０を基台１２に精密かつ正確にアラインメントする。

以上、好ましい実施形態を参照して、本発明を具体的に示し説明してきたが、当業者であれば、本発明の精神、範囲および教示内容から逸脱することなく、形態および詳細に関し様々な変更が可能であることを理解できるであろう。したがって、ここに開示された発明は単に説明目的のものと捉えられるべきであり、添付の請求項で規定されるとおりにのみ、範囲が限定されるべきである。

Claims

光信号を伝送する第１の本体を備える、光コネクタ、
前記光コネクタと光信号を通信する外部光電子デバイスに対するアラインメント基準を提供する第２の本体を備える、基台
を備える、受動的光学アラインメント結合であって、
前記第１の本体は、第１のベースを画定し、該第１のベースは、該第１のベースの第１の表面上に一体的に画定されたアラインメント特徴部の第１の二次元平面アレイによって画定された第１の平面を有し、
前記第２の本体は、第２のベースを画定し、該第２のベースは、該第２のベースの第２の表面上に一体的に画定されたアラインメント特徴部の第２の二次元平面アレイによって画定された第２の平面を有し、
前記アラインメント特徴部の第１のアレイおよび前記アラインメント特徴部の第２のアレイの一方は、直交する縦溝の第１のネットワークを備え、前記アラインメント特徴部の第１のアレイおよび前記アラインメント特徴部の第２のアレイの他方は、それぞれが前記第１のベースの第１の表面または前記第２のベースの第２の表面のうちの対応する１つに平行な長手軸を有する長手方向円筒形突起の第２のネットワークを備え、
前記円筒形突起の第２のネットワークは、前記円筒形突起の突起表面が前記溝の溝表面と接触した状態で、前記溝の第１のネットワーク内に受容され、かつ
前記光コネクタは、前記基台に取外し可能に取り付けられて着脱可能な結合を画定し、前記アラインメント特徴部の第１のアレイが前記アラインメント特徴部の第２のアレイに対して弾性平均結合を画定し、それによって、前記光コネクタを前記基台にアラインメントする
ことを特徴とする、受動的光学アラインメント結合。
前記第１のアラインメント特徴部の直交する縦溝の第１のネットワークが、前記第１のベースの第１の表面または前記第２のベースの第２の表面の対応する１つ上に直交する縦溝によって互いに分離および隔離された離散突起のアレイを画定し、該離散突起はそれぞれ、切頭された頂部を有する略四角錐形状であることを特徴とする、請求項１に記載の受動的光学アラインメント結合。
前記離散突起のアレイが***構造を備え、該***構造はそれぞれ、前記第１のベースの第１の表面および前記第２のベースの第２の表面のうちの対応する１つに直交する第１の平面に関して対称であり、さらに、前記第１の平面に直交しかつ前記第１の表面および前記第２の表面のうちの対応する１つに直交する第２の平面に対して対称であることを特徴とする、請求項２に記載の受動的光学アラインメント結合。
前記離散突起のアレイがさらに、前記第１の表面および前記第２の表面のうちの対応する１つの周囲／エッジに沿って位置する***構造を有する複数のガイドキー突起を備え、該ガイドキー突起は、前記周囲／エッジから離れる方向を向く表面において、前記周囲／エッジの内側に位置する前記対称的な離散突起の表面プロファイルと比較して、異なる表面プロファイルを有し、それによって、前記アラインメント特徴部の第１および第２のアレイの相対位置を最初にガイドし、前記光コネクタを所定の意図された相対位置で前記基台に結合するために、前記アラインメント特徴部の第１のアレイを有する前記光コネクタおよび前記アラインメント特徴部の第２のアレイを有する前記基台の相対位置を一意に着座させることを特徴とする、請求項３に記載の受動的光学アラインメント結合。
前記離散突起のアレイが、（Ｍ＋１）×（Ｎ＋１）個の離散突起の矩形アレイであり、前記交差溝の第１のネットワークが、Ｍ×Ｎ個の直交する縦溝を含み、かつ、約３ｍｍ×３ｍｍの平面面積を有する前記光コネクタと前記基台との間の結合インターフェースについて、前記光コネクタと前記基台との間の１マイクロメートル未満の結合精度を達成するために、Ｍは好ましくは３～１０の範囲内であり、Ｎは３～１０の範囲内であることを特徴とする、請求項２～４のいずれか一項に記載の受動的光学アラインメント結合。
前記長手方向円筒形突起の突起表面が、前記光コネクタが前記基台に結合されると、前記溝表面と線接触して線接触のアレイを画定し、前記縦溝がＶ字状溝であり、かつ、前記離散突起の各々は、前記溝表面に対応する実質的に平坦な表面を備え、前記光コネクタが前記基台に結合されると前記突起表面との前記線接触を画定することを特徴とする、請求項２～５のいずれか一項に記載の受動的光学アラインメント結合。
前記長手方向円筒形突起の突起表面が、前記光コネクタが前記基台に結合されると、前記溝表面と点接触して点接触のアレイを画定し、かつ、前記離散突起の各々は、前記溝表面に対応する凸曲面を備え、前記光コネクタが前記基台に結合されると前記突起表面との前記点接触を画定することを特徴とする、請求項２～５のいずれか一項に記載の受動的光学アラインメント結合。
前記光コネクタが前記基台に結合されると、前記縦溝によって画定される前記離散突起が、前記第１の表面および前記第２の表面のうちの対応する１つに接触することを特徴とする、請求項２～７のいずれか一項に記載の受動的光学アラインメント結合。
前記円筒形突起の前記第２のネットワークが、交差する長手方向円筒形突起のネットワークを含むことを特徴とする、請求項１～８のいずれか一項に記載の受動的光学アラインメント結合。
前記円筒形突起の第２のネットワークが、Ｍ×Ｎ個の直交する長手方向円筒形突起を含み、前記交差する縦溝の第１のネットワークに合致することを特徴とする、請求項９に記載の受動的光学アラインメント結合。
前記円筒形突起の第２のネットワークがそれぞれ、断面において実質的に半円形であることを特徴とする、請求項１～１０のいずれか一項に記載の受動的光学アラインメント結合。
前記第１のベースが、第１の可鍛性金属材料を含み、前記光コネクタのアラインメント特徴部の第１のアレイが、前記可鍛性金属材料をスタンピングすることによって前記第１のベース上に一体的に画定され、前記第２のベースが、第２の可鍛性材料を含み、前記アラインメント特徴部の第２のアレイが、前記第２の可鍛性金属材料をスタンピングすることによって前記ベース上に一体的に画定されることを特徴とする、請求項１～１１のいずれか一項に記載の受動的光学アラインメント結合。
前記光コネクタが、第１のマイクロミラー光学ベンチを備え、該第１のマイクロミラー光学ベンチは、
前記第１のベース；
前記第１のベース上に画定されたミラーの第１のアレイであって、各ミラーは、前記第１のベースの前記第１の表面に実質的に平行な第１の平面内の第１の方向に沿った第１の光路と、前記第１の平面の外側の第２の方向に沿った第２の光路との間で光を方向転換する構造化反射表面プロファイルを含む、ミラーの第１のアレイ；および
前記第１のベース上に画定されたファイバ溝のアレイであって、各溝はそれぞれ光ファイバのセクションをその長手軸が前記第１の光路に沿った状態で受容し、端部は前記第１の光路に沿った対応するミラーと光学的にアラインメントされる、ファイバ溝のアレイ
を備えることを特徴とする、請求項１～１２のいずれか一項に記載の受動的光学アラインメント結合。
前記基台が、第２のマイクロミラー光学ベンチを備え、該第２のマイクロミラー光学ベンチは、
前記第２のベース；および
前記第２のベース上に画定されたミラーの第２のアレイであって、該ミラーの第２のアレイ内の各ミラーは、前記第２のベースの前記第２の表面に実質的に平行な第２の平面内の第３の方向に沿った第３の光路と、前記第２の平面の外側の第４の方向に沿った第４の光路との間で光を方向転換する構造化反射表面プロファイルを含む、ミラーの第２のアレイ
を備えることを特徴とする、請求項１～１３のいずれか一項に記載の受動的光学アラインメント結合。
前記光コネクタが、前記第１のベース上に画定されたミラーの第１のアレイを備え、前記基台が、前記第２のベース上に画定されたミラーの第２のアレイを備え、前記ミラーの第１のアレイが、前記第１のベース上に前記アラインメント特徴部の第１のアレイと同時に画定され、前記ミラーの第２のアレイが、前記第２のベース上に前記アラインメント特徴部の第２のアレイと同時に画定されることを特徴とする、請求項１～１２のいずれか一項に記載の受動的光学アラインメント結合。
前記光コネクタおよび前記基台が、前記光コネクタと前記基台との間に配置される任意の屈折光学素子なしに自由空間結合を画定することを特徴とする、請求項１～１５のいずれか一項に記載の受動的光学アラインメント結合。
前記光コネクタと前記基台との間の前記取外し可能な結合が、任意の相補的なアラインメントピンおよびアラインメントホールを使用せずに画定されることを特徴とする、請求項１～１６のいずれか一項に記載の受動的光学アラインメント結合。
前記光コネクタの前記第１のベースが、該第１のベースの第１の側に第１の基準面を有し、前記基台の前記第２のベースが、該第２のベースの第２の側に第２の基準面を有し、前記第１の基準面および前記第２の基準面は、前記アラインメント特徴部の第１のアレイが前記アラインメント特徴部の第２のアレイに対向した状態で、前記第２のベースに対して前記第１のベースをバイアスするコンプライアントクリップによって概ねアラインメントされることを特徴とする、請求項１～１７のいずれか一項に記載の受動的光学アラインメント結合。
前記基台が、フォトニック集積回路ＰＩＣに結合され、前記光コネクタの前記第１のベースが、光ファイバアレイを支持することを特徴とする、請求項１～１８のいずれか一項に記載の受動的光学アラインメント結合。
支持体；
前記支持体の上面に取り付けられた光電子デバイス；および
請求項１～１９のいずれか一項に記載の受動的光学アラインメント結合
を備え、
前記基台が、前記光電子デバイスおよび／または前記支持体上のいずれかにおいて、前記光電子デバイスに対して位置決めされ、
前記基台が、前記光電子デバイスが前記基台に取外し可能／着脱可能に結合された前記光コネクタと光信号を通信するためのアラインメント位置を画定する
ことを特徴とする、フォトニック装置。
前記光電子スデバイスが、フォトニック集積回路（ＰＩＣ）チップの外部への光学インターフェースとして光学素子を備えるＰＩＣチップを備え、前記基台が、前記ＰＩＣチップの光学素子と光学的にアラインメントされていることを特徴とする、請求項２０に記載のフォトニック装置。
前記基台が、前記ＰＩＣチップに対して光学的にアラインメントされて前記支持体上に支持されたエッジカプラを備え、前記ＰＩＣチップの前記光学素子が、光を前記ＰＩＣチップのエッジに導き、前記エッジカプラが、前記ＰＩＣチップの前記光学素子と光学的にアラインメントされたミラーのアレイを備え、光が、前記ミラーのアレイ内のミラーと前記ＰＩＣチップ内の対応する光学素子との間の光路に沿って伝送されることを特徴とする、請求項２１に記載のフォトニック装置。
光コネクタと光電子デバイスとの間に接続を提供するための方法であって、
支持体を提供する工程；
前記光電子デバイスを前記支持体の上面に取り付ける工程；および
請求項１～２２のいずれか一項に記載の受動的光学アラインメント結合を提供する工程
を含み、
前記基台が、前記光電子デバイスおよび／または前記支持体上のいずれかにおいて、前記光電子デバイスに対して位置決めされ、
前記基台が、前記光電子デバイスが前記基台に取外し可能に結合された前記光コネクタと光信号を通信するためのアラインメント位置を画定する
ことを特徴とする、方法。