JP6128498B2 - 精密位置決めシステムおよび方法のための局部加熱により形成されたガラスビーズ***部 - Google Patents

Description

優先権

本出願は、「Glass-Based Micropositioning Systems And Methods」と題する２００７年１０月２９日に出願された米国特許出願第１１／９７８４１１号に優先権を主張するものである。

本発明は、概して、光学部品精密位置決めシステムおよび方法に関し、より詳しくは、導波路のファインピッチアレイの光学チップ導波路アレイへのアライメントに関する。

本発明の第１の態様は、光学部品を精密位置決めするための微小***部を形成する方法である。この方法は、ベース基体を提供し、このベース基体により支持すべき第１の光学部品を提供し、局部加熱され、ベース基体から第１の光学部品を支持するように適用されたときに、局部的に膨張することができるアライメント部品を提供する各工程を有してなる。この方法は、アライメント部品上に微小***部を形成するように、アライメント部品を局部加熱して、このアライメント部品を局部的に膨張させ、微小***部を定着するようにアライメント部品の加熱を停止し、アライメント部品をベース基体に固定し、それによって、ベース基体から第１の光学部品を支持する各工程をさらに含む。

本発明の別の態様は、光学アセンブリにおいて、第１の光学部品と、ベース基体および第２の光学部品の内の少なくとも選ばれた１つと、アライメント部品であって、第１の光学部品を支持し、対応する少なくとも１つの位置におけるアライメント部品の局部加熱のためにアライメント部品の膨張によりその上に形成された少なくとも１つの微小***部を有するアライメント部品とを備えた光学アセンブリであって、第１の光学部品が、ベース基体および第２の光学部品の内の少なくとも選ばれたものから少なくとも１つの微小***部により精密位置決めされるものである光学アセンブリである。

光学部品を精密位置決めするための微小***部を形成する本発明の方法およびその結果得られた光学アセンブリは、電子部品を実装するための既存の表面実装技術のプロセスに適合し、高密度相互接続技術の実施を可能にし、比較的低コストであり、長期の信頼性を提供する。さらに、本発明の利点は、多種多様の部品のタイプと構成で実施され、関連する製造プロセスにおいて融通性を提供し、光学相互接続技術の標準化を可能にし、提案された用途に特にうまく適合している。

本発明の追加の態様、特徴および利点が、以下の詳細な説明に述べられており、その一部は、その節名から当業者には容易に明らかになり、または以下の詳細な説明、特許請求の範囲、並びに添付の図面を含む、ここに記載された本発明を実施することによって認識されるであろう。

先の一般的な説明および以下の詳細な説明の両方は、本発明の実施の形態を提示し、特許請求の範囲に記載された本発明の性質および特徴を理解するための概要または構成を提供することが意図されるのが理解されよう。添付の図面は、本発明をさらに理解するために含まれており、本明細書に包含され、その一部を構成する。これらの図面は、本発明の様々な実施の形態を例示し、説明と共に、本発明の原理と動作を説明する働きをする。

本発明を利用した光学アセンブリの分解された上方からの斜視図 図１の光学アセンブリの上方からの斜視図 図１の光学アセンブリの側面図 図３の線IVA−IVAに沿ってとられた光学アセンブリの断面図 図３の線IVB−IVBに沿ってとられた光学アセンブリの断面図 点線で示された可動支持ステージ上に移設された光学アセンブリの光吸収性アライメント部品の斜視図 放射線ビームが照射されているアライメント部品の底面斜視図 アライメント部品の側面図 本発明を利用した代わりの実施の形態の光学アセンブリの端面図 本発明を利用した別の代わりの実施の形態の光学アセンブリの端面図

ここでの説明の目的で、「上側」、「下側」、「右」、「左」、「後方」、「前方」、「垂直」、「水平」という用語およびそれらの派生語は、図１において方向付けられた本発明に関するものとする。しかしながら、本発明では、そうではないと明白に指定されている場合を除いて、様々な代わりの方向付けおよび工程の順序が想定されることが理解されよう。添付の図面に示され、以下の明細書に記載された特定のデバイスおよびプロセスは、添付の特許請求の範囲に定義された本発明の概念の実施の形態であることも理解されよう。それゆえ、ここに開示された実施の形態に関する特定の寸法および他の物理的特徴は、請求項が別なふうに明白に述べていない限り、制限として考えるべきではない。

本発明は、光学アセンブリ内の光学部品を支持するアライメント部品内に１つ以上の微小***部を形成することに基づく、精密位置決めシステムおよび方法を含む。以下の説明において、光吸収性アライメント部品内に微小***部を形成する様々な方法を最初に記載する。その後、光吸収性アライメント部品内に１つ以上の微小***部を形成することによって、光学部品を精密位置決めする方法の例示の実施の形態の説明を行う。本発明の微小***部精密位置決め方法を用いて形成された光学アセンブリの例示の実施の形態も記載する。

ここに参照するパイレックス（登録商標）は、ニューヨーク州、コーニング所在のコーニング社(Corning, Inc.)の登録商標である。「微小***部」という用語は、以下に記載する方法を用いてＩＲ吸収性ガラス基板に形成されるような、円形島状部、細長いうね(ridge)などの様々な形状を含むものと広く理解されている。「光学部品」という用語は、精密位置決めされることが可能な、光ファイバ、プレーナ導波路基板、レンズ、マイクロレンズ、回折格子、ビームスプリッタなどの任意のタイプの光学部材を意味するものと理解される。同様に、ここに用いられる「光学アセンブリ」という用語は、単独で、または電気部品、電気光学部品、電気機械部品または機械部品などの他のタイプの部品との組合せのいずれであろうと、光学部品を含むシステムまたは構造を含む。「光吸収性基体」という用語は、可視、近赤外および／または赤外波長などの吸収波長で光を吸収する基体を意味するものと理解され、ここで、１つ以上の吸収波長での基体による光の局部吸収により、基体が局部加熱される。

参照番号１０（図１および２）は、本発明を利用した光学アセンブリを指す。図示された実施例において、光学アセンブリは、ベース基体１２、光学基体１４、光導波路１６のアレイ、光学部品１８、およびアライメント部品２０を備えている。ベース基体１２は、ガラス、ＰＣＢ、多層セラミックまたは当該技術分野において公知の他の材料からなる。図示したように、光学基体１４（図３および４）は、複数の光導波路１６を支持し、ボールグリッドアレイ２２により支持されている。複数の光導波路１６が光学基体１４により支持されているものとして示されているが、他の光学および電気光学部品／デバイスを利用してもよいことに留意されたい。さらに、上が下向きに示されているが、上が上向きに示されてもよい。

この実施例において、光学部品１８（図１〜４Ａ）は、光学バンド２６上に配置されたファインピッチの複数の光導波路２４を含むものとして示されている。しかしながら、他の種類の光学部品およびアセンブリが利用され、柔軟基体に組み込まれたシングルモードファイバ、柔軟基体上のファインピッチのプレーナ導波路、ファイバリボンアレイ、個々に実施されかまたは柔軟基体に組み込まれる多芯ファイバなどのアライメント部品により支持されてもよい。

アライメント部品２０は、光吸収性材料、好ましくは、コーニング社から市販されているＩＲ吸収性「パイレックス」ガラスの群などのＩＲ吸収性ガラスからなる。本実施例において、アライメント部品２０は、ガラスに、所定の位置で急激に加熱されたときに密度の劇的な局部的減少を経験させ、その結果、ガラスを膨張させる、金属ドーパント、例えば、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｃｏおよび／またはＶなどの特定のＩＲ吸収種を含む。

本発明のプロセスは一般に、アライメント部品２０をベース基体１２に取り付ける前に、アライメント部品２０の表面に微小アライメント***部２８を形成する工程を含む。図示した実施例において、アライメント部品（図５）は、本体部分３４、下面３６、上面３８、反対の端部４０，４２、および反対の側部４４，４６を備えている。可動支持ステージ４８は、基体１２を支持し、基体の面において平行移動できる。好ましい実施の形態において、アライメント部品２０は、局部領域において光または熱エネルギーを吸収でき、そのエネルギー応答して、局部加熱された領域で急激に膨張または肥大することのできるガラスからなる。

アライメント部品２０（図６）に微小***部を形成する方法は、アライメント部品２０を局部加熱する工程を含む。本実施例において、この方法は、光ビーム５０を、アライメント部品２０の下面３６にこの光ビームにより形成されたビームスポット５２により画成されるアライメント部品２０の局部領域に向ける工程を含む。アライメント部品２０は、基体を局部加熱するように照射される。例示の実施の形態において、光ビーム５０は収束性である。

下面３６のビームスポット５２の位置は、支持ステージ４８を動かすことにより、または光ビーム５０の位置を調節することにより、選択可能である。本実施例において、放射線（例えば、１０．６μｍ）を発するＣＯ₂レーザなど、ＩＲ波長を有する光ビーム５０を生成するレーザが用いられる。あるいは、近赤外波長（８１０ｎｍ）の光ビームを使用してもよく、よって、レーザ生成光ビームの比較的長いレイリー範囲により、ビーム焦点におけるわずかな変動では、ステージの並進中のビームスポット５２のサイズに強く影響しないことが確実になる。別の代わりの実施の形態において、光ビーム５０は、可視波長、ＮＩＲ波長およびＩＲ波長の内の少なくとも１つを含む。例示の実施の形態において、可視波長は約４００ｎｍから約７５０ｎｍに及び、ＮＩＲ波長は約７５０ｎｍから約１１００ｎｍに及び、ＩＲ波長は、約１１００ｎｍから約１６８０ｎｍの範囲の波長を含む。

アライメント部品２０の光ビーム５０からの光の吸収により、アライメント部品２０が局部加熱され、光ビーム５０の強度に比例して、本体部分３４の部分の温度が最初に上昇する。光ビーム５０が、ガウス分布などの円対称の断面強度分布を有する場合、ビームスポット５２は円形となり、基体の膨張は、同様に円形領域に亘り生じる。

光ビーム５０（図７）が本体部分３４により局部的に吸収されたときに、限られた膨張区域５６が生じ、その中で、急激な温度変化により、アライメント部品２０の密度の劇的な減少が生じる。それゆえ、この方法の例示の実施の形態は、光ビーム５０の強度、ビームスポット５２のサイズおよび／または照射期間を調節することによって、膨張区域５６の深さを変更する工程を含む。例示の実施の形態において、膨張区域５６の深さは、上述したように、基体中のＩＲ吸収性材料の濃度を調節することによって、変わるかまたは選択可能にされる。

膨張区域５６は、膨張区域５６を取り囲む本体部分３４の非加熱（したがって、非膨張）領域により抑えられているので、この膨張区域内の基体材料は、上方に変形することによって内部応力を開放せざるを得ず、それによって、微小***部２８を形成する。図示された実施例において、微小***部２８の表面プロファイルは光ビームの強度分布に対応し、微小***部のピークは、最高のビーム強度の位置に対応する。光ビーム５０を、アライメント部品２０の任意の表面上に走査し、様々な形状とサイズの微小***部２８を形成するように特定の位置で停止させてもよい。様々なサイズと形状の***部プロファイルは、光ビームの出力、掃引速度および１つの***部についての***部形成プロセスのコース中の経路を調節することによって形成しても差し支えない。

微小***部２８を形成する方法は、基体の加熱領域を急冷することによって、微小***部を定着させる工程をさらに含む。例示の実施の形態において、このことは、アライメント部品２０の下面３６のＩＲ放射線ビーム５０による照射を停止することによって行われる。

アライメントの微小***部２８の位置と高さは、ベース基体１２の配置表面３０の精密な特徴付け、および光導波路２４、光学バンド２６およびアライメント部品２０の互いに対する相対的なアライメントと位置に基づく。この特徴付けは典型的に、表面取付プロセスのために、ベース基体１２の上の光学基体の導波路アレイの位置における変動に適応する。アライメント部品２０の研磨された下面３６に対するバンドの基体導波路アレイの位置を決定するために、別の特徴付けプロセスが行われる。光学基体の相対位置またはバンドの導波路位置は：調整不良の部材のずれを０．２マイクロメートル未満に特徴付けられる、走査レーザ形状測定；連結領域導波路および特徴構造の単一画像または立体図の画像分析；白色光干渉技法；精密動作システムの取付具に保持された光学基体導波路と別の可動式導波路との間で連結された光出力の能動測定；物理的接触を検出することにより部材のずれを確立するプロービング方法；および導波路の形態で掃引するときの移動式プローブにより暗くされた光の量を測定し、精密ステージ上に取り付けられたプローブを連結領域に通して横断させ、その横断を撮像して、導波路連結領域における多数の校正点を提供することによる導波路位置決定などの、これらの方法の組合せを含む１つ以上の方法を用いて決定できる。

特徴付けプロセスは、ベース基体に取り付ける前に、下側のアライメント用***部が組み込まれた、一連の個々のアライメント部品２０および／または光学基体１４に行ってもよい。このプロセスを用いて、ベース基体１２の上の導波路の中心の高さがある標準化された値に設定され、それによって、アライメント部品２０および／または光学基体１４をアセンブリ時間で必要に応じて組み合わせ、適合させて、複雑な光学部材の組込みのための順応性のあるプラットホームを提供できるように、アライメント用***部の高さが設定される。あるいは、アライメント部品２０上に***部を形成する前に、１つ以上の光学基体１４をベース基体１２に取り付けてもよい。この場合、ベース基体１２上の導波路の中心の高さは、標準化距離とは等しくないであろう。その結果、アライメント用***部は、導波路の中心の高さが、光学基体１４上の導波路の中心の高さに合うように、アライメント部品２０上に形成される。このようにして、アライメント用***部は、予め取り付けられた光学基体１４上での測定のみに基づいて形成されるであろう。あるいは、アライメント部品２０を、上述した特徴付け手段によってどのような調整不良も測定できるように光学基体１４に極めて近接して配置してもよい。さらに、この特徴付け工程の前に、アライメント部品２０の底部に小さなアライメント***部を前もって成形することが望ましいであろう。これらの前もって成形されたアライメント***部は、アライメント部品２０とベース基体１２との間に存在するどのような粒子屑によっても、アライメント部品２０の要求される***部高さの予測において相殺誤謬が生じないことを確実にするための相殺効果として働く。アライメント***部の高さは、これが、正確な導波路のアライメントを行うために要求される***部硬さの推定値に加えられるように、光学基体１４に近接したアライメント部品２０の特徴付けの前に特徴付けられる。

アライメント用***部２８の形成に続いて、アライメント部品２０のアライメント用***部２８の各々がベース基体１２と接触するまで、ベース基体１２の表面３０まで下げられる。追加の横方向と軸方向のバンド導波路とチップ導波路のアライメントのために、アライメント部品２０の側面または前面に追加のアライメント***部（図示せず）を設けてもよい。これらのアライメント***部は、ベース基体に組み込まれた壁、またはベース基体１２上に位置する他の構造により設けられた壁と接触するであろう。アライメント部品２０が、光学部品１８と共に光学基体１４に一旦アライメントされたら、アライメント部品２０は、低収縮のＵＶ硬化性および／または熱硬化性接着剤６２の薄層を用いて、ベース基体１２に取り付けられる。特に、アライメント用***部が配置されていない領域にその接着剤を配置することにより、または十分な下向き荷重圧がアライメント部品２０に印加されたときに、任意の***部／部品接触位置から効果的に取り外されるように十分に低い粘度の接着剤を使用することにより、アライメント部品の高さにおける誤差を最小にすることが望ましい。

一旦、全ての導波路および基準表面の位置が決定されたら、光学部品１８および光学基体の導波路１６をアライメントさせる、アライメント部品２０の底面３６に形成された微小***部２８の高さが計算されるであろう。本実施例において、微小***部２８は、ベース基体１２上のアライメント部品２０のアライメントと取付けの前に形成される。

光学デバイスおよび電気光学デバイス内のアライメント用微小***部の形成に関し、それを含む方法および装置の詳細な説明が、ここに引用する、２００７年８月３０日に発行され、「GLASS-BASED MICROPOSITION SYSTEMS AND METHODS」と題する米国特許出願公開第２００７／０２０１７９７号明細書に述べられていることに留意されたい。

代わりの手法において、微小***部２８は、能動的光学フィードバックおよび／または上述した部材位置特徴付け法のいずれかを用いて、アライメント部品２０上にその場で形成される。この場合、微小***部は、ベース基体１２の透明性に応じて、上面または底面の照射により形成される。その場でのアライメントは、有機接着剤を用いた薄いガラスマイクロアクチュエーションまたは電極形成***部などの非光学的***部形成法を用いて行ってもよい。さらに、図１〜４はアライメント部品２０の底面３６に形成された微小***部２８を示しているが、チップとバンドの光学的相互接続アライメントのために精密機械的変位を導入する他の方法を利用してもよい。例えば、アライメント部品２０が、標的の微小***部の高さと比較して薄い場合、レーザまたは電極ＩＲ照射を用いたアライメント部品２０の上面３８に***部を形成することにより、底面３６に小さなアライメント用微小***部が形成されるかもしれない。

代わりの手法において、アライメント部品２０ａは、１７３７ガラスまたはＳｉウェハーなどのＩＲ透過性基体材料６６を、それより小さい２つのＩＲ吸収性ガラス支持体６８の上部に積み重ねることによって構成しても差し支えない。図１〜４および図８に見られる同様の部品では、後者の参照番号に付けられた添え字の「ａ」を除いて、同様の参照番号を用いたことに留意されたい。支持体６８は、低弾性率接着剤７０を用いて、支持体６８と基体６６との間の界面領域の周囲の少なくとも一部の周りにＩＲ透過性基体材料６６に結合されている。微小***部２８ａは、アライメント部品２０ａの上面がＩＲ放射線により上面から照射されたときに、支持体６８の上面７２に形成される。微小***部２８ａは、基体６６を支持体６８から離れるように押す。レーザにより形成された３つのアライメント用***部２８ａを使用することによって、任意の要求されるチップとバンドの導波路先端／傾斜ｚずれのアライメントを行うことが可能である。

別の実施の形態において、アライメント部品２０ｂ（図９）は、上述したＩＲ透過性および／またはＩＲ吸収性材料が層間に被包されている、複数の積層を備えている。具体的には、アライメント部品２０ｂは、２つのＩＲ吸収性ガラス支持体６８ｂの上にＩＲ透過性基体材料６６ｂを備え、ここで、この基体６６ｂは、その内部に支持体６８ｂが位置されている、上向きに配置された窓７６および下向きに配置された通路７８を有するバンド基体７４の間に積層されている。図８および図９に見られる同様の部品は、後者の参照番号における添え字「ｂ」を除いて、同様の参照番号を使用している。基体７４内の窓７６および通路７８により：ＩＲレーザ放射線が、減衰せずに基体７４を通過でき；レーザ***部が、機械的干渉なく基体７４を貫通でき；微小***部の形成中にレーザ加熱された支持体６８ｂから基体７４が熱的に隔離できる。

光学部品を精密位置決めするための微小***部を形成する本発明の方法およびその結果得られた光学アセンブリは、電子部品を実装するための既存の表面実装技術のプロセスに適合し、高密度相互接続技術の実施を可能にし、比較的低コストであり、長期の信頼性を提供する。さらに、本発明の利点は、多種多様の部品のタイプと構成で実施され、関連する製造プロセスにおいて融通性を提供し、光学相互接続技術の標準化を可能にし、提案された用途に特にうまく適合している。

先に説明において、ここに開示された概念から逸脱せずに、本発明の改変を行ってもよく、そのような改変は、以下の特許請求の範囲にそうではないと明白に述べられていない限り、それらに含まれると考えるべきであることが、当業者により容易に認識されるであろう。

１０ 光学アセンブリ
１２，１２ａ，２１ｂ ベース基体
１４ 光学基体
１６，２４ 光導波路
１８ 光学部品
２０，２０ａ，２０ｂ アライメント部品
２６，２６ａ 光学バンド
６６，６６ｂ ＩＲ透過性基体材料
６８，６８ｂ ＩＲ吸収性ガラス支持体

Claims (4)

1. 第１の光学部品と、
   ベース基体と、
   第２の光学部品と、
   前記第１の光学部品を支持するアライメント部品であって、該アライメント部品への局部加熱による該アライメント部品の膨張により形成された少なくとも１つの微小***部を有するアライメント部品と、
   を備えてなる光学アセンブリであって、
   前記第１の光学部品が、前記ベース基体に対し、前記少なくとも１つの微小***部により、前記ベース基体からの高さ方向において精密位置決めされ、
   前記少なくとも１つの微小***部が、該微小***部の先端部が前記ベース基体に接するように、前記ベース基体の上面と前記アライメント部品の間に位置し、
   前記第１の光学部品を前記第２の光学部品に対して、前記ベース基体からの高さ方向において整合させるように前記少なくとも１つの微小***部が形成されており、
   追加的な微小***部が前記アライメント部品の側面あるいは前面に形成されていることを特徴とする光学アセンブリ。
2. 前記第１の光学部品および前記第２の光学部品がそれぞれ導波路を有し、前記第１の光学部品の導波路の中心の高さが前記第２の光学部品の導波路の中心高さに整合するように前記微小***部が形成されていることを特徴とする請求項１記載の光学アセンブリ。
3. 前記アライメント部品が凹部を有し、前記第１の光学部品の端部が前記凹部に挿入されて支持されていることを特徴とする請求項１または２記載の光学アセンブリ。
4. 前記少なくとも１つの微小***部が、前記アライメント部品の凹部の外周部に形成されていることを特徴とする請求項３記載の光学アセンブリ。

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