JPS62502290A - 光結合構成に関する改良 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 光結合構成に関する改良 本発明は、光学装置（例えば、発光ダイオードや、レーザ等の光発生装置、ホト ダイオードやホトトランジスタ等の光応答装置あるいは光変調装置）の有効面ま たは動作面に対して光ファイバを正確に光学的位置合ゎせをするための光結合構 成に関するものである。

本発明は、光学装置（例えば、光発生装置または光応答装置）と光ファイバの間 の光結合構成を提−供するものであって、この装置においては、基板上の正確な 位置に前記光学装置が取り付けられ、いわゆるＧＲＩＮ型ロッ上ロッドレンズが 前記基板上の前記光学装置の有効面に対して正確に光学的整列されるように基板 が形成され、前記ＧＲＩＮ型ロッ上ロッドレンズまたはこれに結合された他のＧ ＲＩＮ型ロッ上ロッドレンズ端に光ファイバが光学的整列状態で結合される。

本発明を実施する場合、光学装置を取り付ける基板に比較的深い円筒形凹部を設 け、その凹部内にＧＲＩＮ型ロンドレンズの端部を受容することができる。そし て、ＧＲＩＮその端部を基板の円筒形凹部内で固定し、締め部材を金属的または その他の方法で基板に接着、固定することが好ましい。

シリコンなど多くの基板材料の場合、基板の比較的深い凹所は、その基板材料に 応じた周知のエツチング技術（例えば、ホトエツチング、スパッタエツチング、 反応イオンエツチング、化学的エツチング）を利用して形成することができる。

ＧＲＩＮ型ロッ上ロッドレンズ位置に対して正確に位置決めされるように光学装 置を基板に取り付けるため、光学装置上に正確に位置決めされた金屈溶看パッド の配列またはパターンを設け、これらのパッドが、基板上の対応位置に設けられ た各パッドに接着されるように構成する。

光学装置を基板に接着するため、基板、光学装置の一方または双方の金属溶着パ ッドを半田で被覆し、いわゆる半田再流式自己整列法（ｓｏｌｄｅｒ　ｒｅｆｌ ｏｗ　ｓｅａ−ａｌｉｇｎｉｎｇｔｅｃ’ｈｎｉｑｕｅｓ）を用いて実際に光学 装置を基板に接着する。

基板および光学装置に金属溶着パッドを形成する方法と半田再流法については先 出願である特許出願番号（８４０８８７７）に詳しく記述されている。半田再流 式自己整列法を利用することにより、基板に対する光学装置の位置決めのための 費用の掛かる手動整列法は必要がなくなる。

基板材料としてはシリコンが適している。その理由は、シリコンは適正な価格で 容易に入手可能であり、また、熱伝導性が良いため、基板を放熱板として機能さ せることができるからである。さらに、シリコンに関する処理技術（例えば、エ ツチング、ドーピング、金属蒸着等）は周知のものが多く、また、既存の半導体 技術を利用することにより、例えば、上述のように基板上に設けられた発光ダイ オードを駆動するための駆動用トランジスタを基板上に集積することができる。

本発明は、基板に設けられた光学装置と光ファイバの光学的整列を、大ｍ生産に 適するように高度に制御された反復可能なプロセスで実現可能にするものである 。

以下に付図を用いて本発明の詳細な説明する。

第１図は本発明による光結合構成の部分的横方向断面、第２図は第１図の光結合 構成の一部を形成する基板および関連光学装置の拡大断面図、 第３図は第２図の説明用光学装置の裏面図、第４図は第２図の説明基板の平面図 、 第５図は基板上に形成された金属パッドと母線を介して複数の基板と関連光学装 置を相互接続した状態を示す図、 第６ａ図および第６ｂ図は本発明による光結合構成で使用される相異なるＯラド レンズ構成を示す図、第７図は、第１図示の光結合構成を実用的な光結合装置取 り付は及び内部接続配置に実施したときの部分的断面図、 第８図は、第７図示のそれとは別の実用的な光結合装置取り付は及び内部接続配 置に、第１図の光結合構成を組み入れた場合の部分的横圧面断面である。

第１図には、発光ダイオードやホトダイオード１ａを実装した光学装置１の光学 的有効面領域に対して光ファイバ２を正確に光学的整列させるための光結合構成 が示されている。

本発明によれば、光学装Ｎ１は基板３に接着されるが、この基板は光放射に対し てほぼ透明な長方形基板が好ましく、また、前述の理由から、シリコン基板を使 用すれば有利である。また、シリコンの基板８は、光ファイバ２からこの基板を 介して光学装置１に送出される光に１．３１１Ｐまで透明であるが、その反面、 屈折率が大きいため３．５、著しい反射損が生じる。しかし、後述のように、基 板３を反射防止材料で被覆することにより、この反射損を実質的の軽減すること が可能である。基板３と光ファイバ２はグレーデッドインデックス（ＧＲＩＮま たはＧＩ）型ロツドレ゛ンズ４によって光学的に結合されている。光学装置１の 有効表面領域に対してＧＲＩＮ型Ｏツド４の左端を正確に光学的整列させるため には、ＧＲＩＮ型ロッ上ロッドレンズ４る、基板上の光学装置１の設置位置を正 確に設定しておく必要がある。本発明によれば、第２図に見られるように、ＧＲ ＩＮ型ロンドレンズ４を締め部材５で包囲することによって光学装置の正確な相 対的位置決めが行われる。この締め部材５は金属性が好ましく、その端部は、基 板３の表面における光学装置１から離れた位置に設けられた比較的深い円筒状凹 部６（５０ｖＩ以下）の中に受容される。この締め部（４５の端部は、エポキシ 等の接着剤や溶接によって位置１２に固定すれば、気密封止することが可能であ る。この凹部６は、周知のエツチング技術を用いることによって、光学装置の固 定位置との間で高精度の位置関係をもって形成される。この場合、スパッタエツ チングまたは反応イオンエツチイング技術が利用される。その理由は、これらの エツチング技術が、明確な垂直形状または近似的垂直形状の凹部を持つ基板を制 作するのに特に適しているからである。

このようにして、基板と締め部材５がＧＲＩＮ型ロッドレンズ４と光学装置１の 正確な相対位置を決める役割を果たし、両者の光軸７が正確に光学的に整列せし められる（すなわち光軸が一致する）。ＧＲＩＮ型ロッドレンズ４と同径の管状 案内構造８の中にファイバを締りばめし、さらに、管状案内構造８を覆うように 締め部材５を延長するか、または、管状案内構造８を締め部材５に固定する相互 結合用の円筒状ｒｇ４構造を設けることによって、光ファイバ２をＧＲＩＮ型ロ ッドレンズ４の光軸に整列させること、ができる。

第、２１図′に示すように、光学装置１の下］側表面に、エツチング等ｉによっ て一体形マイク心レンズ９を形成することができ・る。ＧＲＩＮ型ロッドレンズ 自体は光学要素として不十分で壱るため、ここで、ＬＥＤ用マイクロレンズの必 展゛性に述べる。なお、その他の実施例では、基板３にマイクロレンズを形成す るとか、光学装置と基板の、Ｂ【マイクロレンズを設けることも可能である。

前述のように、光学装置１のシリコンは比較１的屈′ｆｒ畢が高いので、反射損 を防ぐために基板表面上の位置１０．１１に反射防止被膜が施される。

第３図および第４図は、いわゆる半田再流式自己整列法を用いて光学装置１を基 板３に金属的に接合する方法を示している。第３図に見られるように、光学装置 １の下側表面には４個の円形の金属溶着用バッド１３が設けられている。マイク ロレンズ９の光軸と一致する光学装置１の光軸に対する上記バッドの位置は、ホ トリソグラフィック・エツチング手法によって正確に決定され、光学装置の下側 表面に施された合成被膜から４個の半田付は用金属バッド１３以外の部分が同手 法によって取り除かれる。光学装置゛１を接着するための基板３の表面には、第 ４図に示すような金属領域１４．１５が設けられる。

これら金属領域は、基板３に光学装置１を接着した時に両者を電気的に接続する ものであって、上記のような周知のエツチング手法によって正確な位置に正確な 寸法で形成することができる。基板３に光学装＠１を接着するために、金属領域 １４上の正確に位置決めされた所に半田材１６が配置される。各半田材１６に割 り当てられた位置決め手段によって光学装置１の金属溶着バッド１３を保持しな がら半田を溶かせば、基板３に対する光学装置１０半田付、けが行われる。この ようにすれば、溶けた半田・の表面張力により、光学装置１を最終的に基板に対 して正性に整１列させることができ、そのために手動操作は必要、と：しな、い 。第４図に示されるように、金属領域１４には窓１７が設けられており、こ・の 窓を；通して光゛学装′ａ１と基板３の間における光放射の伝達が可能゛にな・ る、。

なお、基Ｉｆｉ３の裏側にエツチングされた凹部６に対する、金属領域１４．１ ５や半田材１６の正確な位置は両面エツチングマスク合わせＷＡｍを用いて行な うことができる。

上記説明においては、１個の基板上に１個の光学＠置を製作、接着する場合に限 って述べたが、実際には（例えば、直径７６．２ｒａ（３インチ）のウェハから ３履×３Ｎの基板チップを取るとすれば）、１枚のシリコンウェハから何百個か の基板が同時に作られる。そこで、まず、自動ダイ位置決め装置を使用して基板 アレー上で複数の光学装置チップを位置決めし、同時半田再流法によって各基板 への半田付けを行なう。その後、それぞれの光学装置を備えた基板をアレーから 切り離すことにより、個別の光学装置／基板ユニットが得られる。

第５図は、複数の光学装置／基板ユニット１７がリード線１９（例えば、ホトエ ツチングによるリード線）を介してバス１８に接続された状態を示している。各 ユニットへの接続が終わると、それらのユニットはＧＲＩＮ型ロッドレンズ４を 受容するそれぞれの精密締め部材５（第１図、第２図参照）に接着される。精密 凹部６の中心帖に対する光学装置１の光学的整列は、各基板３にエツチングされ た凹部６によって行なわれ、その整列精度は、締め部材外径の許容誤差（±５ミ クロン以下）と、基板゛裏゛側の半田材に対する凹部の許容誤差（±３ミクロン 以下）によって決まる。

このＧＲＩＮ型ロッドレンズ槙成には第６ａ図に示すような全ピッチ型ロッドレ ンズを使用することができる。参照番号２０で表わされる全ピッチ型ロッドレン ズは、ビームの横変位がゼロであるので、半ピツチ型ロッドレンズより好ましい 。しかし、第６ｂ図に示すように分離したレンズ２１．２２含んだ１／４ピツチ 型ロンドレンズ構成は、拡張ビーム結合構成用として使用することがで第７図に おいて、光学装置／基板ユニットとＧＲＩＮ型ロッドレンズ／締め部材構造を偏 えた、本発明による光結合構成は、ねじ付き管状取り付は構造２４を用いてフラ ンジ付き支持構造２３に取り付けられている。基板３の前記金属領域と取り付は 表面の間の総合接続は１個以上の電気接続リード線２５を用いて行なうことがで きる。

光学装置１は図のように適切な？ｉ！！ｍ材２６に上２６封止してもよい。本発 明の光結合構成として、もう一つの取り付は構成が第８図に示されている。この 構成において、ＧＲＩＮ型ロッドレンズを保持する締め部材５は、取り付は構造 ２８の中でブツシュ２７によって保持され、位置２９において気密封止されてい る。基板３に対する電気接続は、セラミック基板３１に接続されたリード線３ｏ を介して行なわれる。このセラミック基板上に、関連の厚膜・薄膜ハイブリッド 回路または集積日路を形成することも可能である。

前述のように、シリコン基板や、その他、ＩｎＰ等の半導体基板を使用すれば、 発光ダイオード光学装置用の駆動トランジスタを基板に実装することができるの で、光学装置を直接駆動して寄生インダクタンスを最低に保つことができる。す なわち、ホトダイオード光学装置の利得が、低レベルの光電流に低レベルの接続 容量で加えられる。このような奇生インダクタンス、奇生容量を最小化すること は、光学リンク内のデータ亭が増加するにしたがって非常に重要になる。

以上に述べた実施例説明から明らかなように、本発明は、この種の装＠製造に現 在使用されている費用の掛かる多くの手法を避けて、高度にａｉ制御された反復 可能な光結合装置の大量生産を実現するものである。

上述の特定実施例では光応答性あるいは発光性の光学装置を内蔵しているが、他 の形式の光学装置（例えば、振動鏡等、の光変調器）による代替が可能なことは 明かである。

Ｆｔｃ、　５ ｈａ、６（ａ）。

ＦＩＧ、６（ｂ）。

ＦＩＧ、Ｚ 国際調交報告 ＡＮＮＥＸＴｏ’Ｌ−、ＥＩｈＴＥＲＮＡＴＩＯＮＡＬＳ＝Ａｉ’ｌＣＨ！ＩＬ ＥＰＯ：’ＩＴＯＮＩＮＴＥＲＮＡＴＩＯＮＡＬ　ＡＰ：’ＬＩＣＡＴＩＯＮ　 Ｎｏ、　ＰＣＴ／にＢ　８６１００：Ｌ６６　（ＳＡ　１２７１７）ＣＢ−Ａ− ２０８６０７４０６１０５／８２　Ｎｏｎｅ

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. １．光学装置と光フアイバの間の結合構成において、基板上の正確な位置に前記 光学装置が取り付けられ、いわゆるＧＲＩＮ型ロツドレンズの一端が前記基板上 の前記光学装置の有効面に対して正確に光学的に整列されるように基板が形成さ れていることを特徴とし、前記ＧＲＩＮ型ロツドレンズの他端またはこれに結合 された他のＧＲＩＮ型ロツドレンズの対応端に光フアイバが光学的整列状態で光 学的に結合されていることを特徴とする光結合構成。
2. ２．請求の範囲第１項において、光学装置が発光装置または光応答装置を有する ことを特徴とする光結合構成。
3. ３．請求の範囲第１項において、光学装置を取り付ける基板に、ＧＲＩＮ型ロツ ドレンズの端部を受容するための比較的深い円筒形凹部がもうけられていること を特徴とする光結合構成。
4. ４．請求の範囲第３項において、ＧＲＩＮ型ロツドレンズが締め部材で包囲され 、その締め部材の端部が基板の円筒形凹部内で固定されることを特徴とする光結 合構成。
5. ５．請求の範囲第４項において、締め部材が金属的またはその他の方法で基板に 接着、固定されていることを特徴とする光結合構成。
6. ６．請求の範囲第１項において、光学装置上に正確に位置決め配列された金属溶 着用パツドと、基板上に設けられた対応位置のパツドを接着することにより、光 学装置とＧＲＩＮ型ロツドレンズの端部の間に正確な相対位置関係が得られるこ とを特徴とする光結合構成。
7. ７．請求の範囲第６項において、実際に光学装置を基板に接着する際に半田再流 法の使用を容易にするため、基板上のパツド、光学装置上のパツドの一方または 双方に半田被覆または半田材を施すことを特徴とする光結合構成。
8. ８．請求の範囲第１項において、基板がシリコンで形成されることを特徴とする 結合構成。
9. ９．請求の範囲第４項において、光学装置、基板、関連のＧＲＩＮ型ロツドレン ズおよび締め部材がねじ付き管状取り付け構造によつてフランジ付き支持構造に 取リ付けられ、基板ヘの電気接続とともに適切な物質で封止されることを特徴と する結合構成。