(57)【要約】  外部光源と外部受信器とを用い、光信号が、光学サブアセンブリ上に設けられたアラインメント用の反射表面特徴形状を介して、光電子デバイスの受動的な導波路を通過するようになすことにより、光学サブアセンブリと光電子デバイスとの光学アラインメントが実現される。光学サブアセンブリには、光源からのアラインメント信号を、導波路の入力部にある格子結合器に向けて指向させる、第１のアラインメント用反射表面と、アラインメント信号が導波路を通って入力部から出力部へと伝搬された後に、導波路の出力部にある格子結合器から向けられたアラインメント信号を受信器に向けて指向させる、第２のアラインメント用反射表面とが設けられている。光学サブアセンブリと光電子デバイスとの間の相対位置を調整し、第２のアラインメント用反射表面から反射されたアラインメント信号の最大の光パワーを検出することにより、光学サブアセンブリと光電子デバイスとの最良の光学アラインメントの位置を決定することができる。
2019512736.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光電子デバイスであって、当該光電子デバイスは、当該光電子デバイスの能動領域の外部に光学アラインメント用導波路を有し、該アラインメント用導波路は、入力用のアラインメント用格子結合器と、出力用のアラインメント用格子結合器とを含む、光電子デバイス、および
第１のアラインメント用反射表面と第２のアラインメント用反射表面とを有する本体を含む光学サブアセンブリであって、前記第１のアラインメント用反射表面は、アラインメント光信号の外部光源にアクセス可能なように構成されており、前記第１のアラインメント用反射表面は、前記アラインメント光信号を前記入力用のアラインメント用格子結合器に向けて反射し、前記出力用のアラインメント用格子結合器は、同一の前記アラインメント光信号を前記第２のアラインメント用反射表面へと指向させ、前記第２のアラインメント用反射表面は、前記アラインメント光信号の外部の光受信器にアクセス可能とされている、光学サブアセンブリ、
を備えていることを特徴とする、光電子構造。
【請求項２】
前記第１のアラインメント用反射表面および前記第２のアラインメント用反射表面が、それぞれ、前記本体のための可鍛性金属にスタンピングを施すことにより形成されたものであることを特徴とする、請求項１に記載の光電子構造。
【請求項３】
前記光学サブアセンブリが、光学ベンチサブアセンブリと基礎部とを含み、前記第１のアラインメント用反射表面および前記第２のアラインメント用反射表面が、前記基礎部上に規定されていることを特徴とする、請求項１に記載の光電子構造。
【請求項４】
前記基礎部は、前記光源からの光学アラインメント信号を前記光電子デバイス上の前記導波路の入力部へと指向させる、アラインメント用反射表面の第１の対と、前記アラインメント信号が前記導波路を通って前記入力部から出力部へと伝搬させられた後に、前記導波路の前記出力部から向かってくる前記アラインメント信号を、前記光受信器に向けて反射する、アラインメント用反射表面の第２の対とを含むことを特徴とする、請求項３に記載の光電子構造。
【請求項５】
前記基礎部と前記光学ベンチサブアセンブリとが、受動的アラインメントにより取外し可能に結合されていることを特徴とする、請求項４に記載の光電子構造。
【請求項６】
光電子デバイスに対して光学サブアセンブリを光学的にアラインメントする方法であって、前記光電子デバイスは、該光電子デバイスの能動領域の外部に光学アラインメント用導波路を有し、前記アラインメント用導波路は、入力用のアラインメント用格子結合器と、出力用のアラインメント用格子結合器とを含み、前記光学サブアセンブリは、第１のアラインメント用反射表面と第２のアラインメント用反射表面とを有する本体を含み、前記第１のアラインメント用反射表面は、アラインメント光信号の外部光源にアクセス可能なように構成されており、前記第１のアラインメント用反射表面は、前記アラインメント光信号を前記入力用のアラインメント用格子結合器に向けて反射し、前記出力用のアラインメント用格子結合器は、同一の前記アラインメント光信号を前記第２のアラインメント用反射表面へと指向させ、前記第２のアラインメント用反射表面は、前記アラインメント光信号の外部の光受信器にアクセス可能とされている、方法において、
前記光学サブアセンブリと前記光電子デバイスとの間の相対位置を調整する工程、および
最良の光学アラインメントの位置を決定するために、前記第２のアラインメント用反射表面から反射された前記アラインメント信号の光パワーを検出する工程、
を含むことを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【関連出願との相互参照】
【０００１】
本願は、
（ａ）２０１６年３月１５日出願の米国仮特許出願第６２／３０８８１７号、および
（ｂ）２０１６年３月１５日出願の米国仮特許出願第６２／３０８８１８号、
に基づく優先権を主張するものである。これらの出願は、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。以下で言及するすべての刊行物も、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。
【技術分野】
【０００２】
本発明は、光電子デバイス（たとえば、フォトニック集積回路（photonic integrated circuit；ＰＩＣ）、レーザアレイ、フォトダイオードアレイ等）の入力および出力に光を結合する技術に関するものであり、特に、光電子デバイスに対する光学サブアセンブリ（たとえば、光学ベンチ、光ファイバサブアセンブリ等）の光接続に関するものである。
【背景技術】
【０００３】
光電子デバイスは、光を供給、検出および／または制御し、光信号と電気信号との間で変換を行うための、複数の光学要素および電子要素を含み得る。たとえば、トランシーバ（Ｘｃｖｒ）は、ハウジング内において回路と組み合わされた送信器（Ｔｘ）と受信器（Ｒｘ）との両方を備える、光電子モジュールである。送信器は光源（たとえばＶＣＳＥＬまたはＤＦＢレーザ）を含み、受信器は光センサ（たとえばフォトダイオード）を含む。これまで、トランシーバの回路構成は、プリント回路基板上にはんだ付けされていた。そのようなトランシーバは、一般的に、（気密型または非気密型の）パッケージの底部を形成する基板を有し、レーザやフォトダイオード等の光電子デバイスは、その基板上にはんだ付けされる。光ファイバは、パッケージの外面に接続されるか、フィードスルー部を用いてパッケージの壁を貫通するように供給される（たとえば特許文献１参照；本願と同様に本願の譲受人／出願人に譲渡され、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）。
【０００４】
光電子デバイスは、シリコンフォトニクスの形態で実装され得る。シリコンフォトニクスの商業的および軍事的応用例は、急速に出現してきている。たとえば、デジタルネットワーキングならびにスーパーコンピュータ計算のための光相互接続、ＲＡＤＡＲ（ファイバ上のＲＦ）、光イメージング、レーザ測距や生物学的センシングや環境ならびにガスセンシング等のセンシング、および他の多くの応用例が挙げられる。これらの応用例は、電子要素とフォトニック要素とを一緒にパッケージングすることを必要とし、また、光ファイバケーブルに光接続すること、もしくは、レンズ、フィルタ、アイソレータ等の受動光デバイスを含めることを、必要とすることが多い。
【０００５】
シリコンフォトニック集積回路（ＳｉＰＩＣ）および相補型金属酸化物半導体（ＣＭＯＳ）回路のウェハ・スケールでの生産効率にも関わらず、光学要素、特に光ファイバコネクタの組込みおよびパッケージングは、依然として、信頼性の低い労働集約型のプロセスのままであり、これは、ウェハ・スケールでは行われず、後方のライン終点で行われ、そこでのプロセスの失敗は、高価なスクラップを生み出してしまう結果となる。これは、光学アセンブリは、位置およびアラインメントについての許容誤差が厳しく、これらのアラインメントの許容誤差は、製造プロセス中、およびその後のあらゆる環境条件（防衛関連の応用例では極めて厳しい条件となり得る）中において、保持されなくてはならないためである。
【０００６】
スケールメリットが、電子−フォトニックパッケージング産業を、図１に示すような、別個の半導体製造工場主体、パッケージング主体、および製品組立主体を含む、サプライチェーンモデルへと後押ししている。各主体は、特化した大量生産設備を提供する。半導体製造工場は、最先端のＣＭＯＳ技術を用いて、電子ＩＣを製作する。光デバイスはトランジスタよりもずっと大きいため、しばしば、別個の半導体製造工場が、従来型のリソグラフィプロセスを用いて、フォトニックＩＣを製作する。半導体製造工場は、ウェハ・トゥ・ウェハまたはチップ・トゥ・ウェハ技術を用いて、ＩＣを集約して、ＩＣスタックを生成し得る。その後、ＩＣアセンブリは、通常、シリコンもしくはガラス製のインターポーザおよび／または電子基板上にそれらのＩＣをパッケージングする、別個の施設へと出荷される。商業的な応用例ではボールグリッドアレイを有する有機基板が一般的であるが、防衛関連の応用例では、依然として、気密パッケージ内でセラミック基板が用いられることが多い。電子アセンブリは、その後、製品組立中において電子−フォトニックモジュールを別のプリント回路基板上に集積する、別の施設へと出荷される。この施設は、通常、光ファイバケーブルを取り付け、電子−光学性能のテストの責任を負う。何らかの欠陥が発見された場合は、高価なフォトニックデバイスまたは光ファイバケーブルを修理／再生／交換する責任を負う。
【０００７】
このサプライチェーンは、光ファイバコネクタとケーブル構成とを必要とする低コストかつ大量生産のフォトニック製品の場合には、問題がある。半導体製造工場は、クリーンルーム設備や高精度の自動機器の設備が整っているが、ケーブルはパッケージング段階においてプリント回路基板のアセンブリと干渉するので、半導体製造工場の段階は、プロセス中において、光ファイバケーブルを取り付ける段階としては早すぎる。残念ながら、高精度の技術および設備を利用できる可能性は、パッケージング施設においては低くなり、製品組立施設においてはさらに低くなる。多くの場合、パッケージング業者および製品組立業者における光学アラインメントおよび光学テストの経験は、あったとしても極めて少ない。このことは、中央基板型の電子−光学トランシーバを用いてネットワークスイッチを製造してきたネットワークスイッチの製造業者にとっては、極度の難点とされてきた。なぜならば、かかる製造は、クリーンルームでの組立方法、および、光ファイバケーブルならびにコネクタのテストを含む多くの電子−光学診断を必要としたためである。結果として、スイッチ製造業者は、光接続の問題のために低い歩留まり率に苦しみ、このことは、生産コストを大幅に増大させる。
【０００８】
本発明の譲受人であるナノプレシジョン プロダクツ インコーポレイテッド（nanoPrecision Products, Inc.；ｎＰＰ）は、光データ送信に関連して使用される光学ベンチを有する光結合／光接続デバイスにつき、独占権のある様々なデバイスを開発した。ｎＰＰは、超高精度のスタンピング処理を用いて、金属製の光学ベンチ（metallic optical bench；ＭＯＢ）を製造する能力を示した。この製造技術は、±２５０ｎｍまで低められた寸法許容誤差を有するマイクロスケール特徴形状を伴うＭＯＢを、少量（数百個／月）から大量（数百万個／週）生産する。これにより、単一モード光ファイバケーブルにおける高い結合効率、または光ファイバをフォトニックチップに接続する際の高い結合効率のための、サブミクロン許容誤差を必要とする光ファイバコネクタ要素を、スタンピング形成することが可能となる。たとえば、特許文献２は、スタンピング形成された構造表面を有するＭＯＢを含む、光データ信号をルーティングするための光結合デバイス、とりわけ、ベースと、ベース上に規定された構造表面であって、入射光を再整形、折返しおよび／または反射する１つ以上の表面プロファイル（たとえば非球面マイクロミラー）を有する構造表面と、ベース上に規定されたアラインメント構造であって、ベース上において１つ以上の光学要素を構造表面とのアラインメントが取られた状態に配置することを容易となす表面特徴形状を有するものとして構成され、それにより、構造表面と１つ以上の光学要素との間において１つ以上の規定された光路に沿って光が伝達されるようになすアラインメント構造とを備え、構造表面とアラインメント構造とが、ベースの可鍛性材料にスタンピングを施すことによりベース上に一体的に規定されている、光データ信号をルーティングするための光結合デバイスを開示している。
【０００９】
適切な動作のためには、プリント回路基板上に支持された光電子デバイスは、光を、外部の光ファイバに効率よく結合する必要がある。ほとんどの光電子デバイス（たとえばＰＩＣ）は、光ファイバとデバイスとの間において厳しいアラインメント許容誤差（典型的には１μｍ未満）を要求する、単一モード光接続を必要とする。この光接続は、典型的には、ＰＩＣとコネクタ内のファイバとの間で伝達される光パワーをモニタリングしながら、光ファイバコネクタを動かすことにより行われる。このような能動的な光学アラインメント手順は、比較的複雑かつ低スループットの作業を包含する。現行技術水準の能動的な光学アラインメント手順は、一般的な電子機器および組立プロセスの利用を排除しているので、高コストの作業であり、かつ／または、多くのＰＩＣにおいて必要とされる単一モード用途には適さないことが多い。能動的な光学アラインメント手順を用いて多数の光ファイバについてＰＩＣ上の要素との光学アラインメントを確立しなくてはならず、それら光ファイバとＰＩＣとの間で伝達される光パワー量が最大となるまで、個別の光ファイバの位置および配向を機械的に調整しなくてはならない場合には、よりいっそう困難となるため、問題はより深刻となる。
【００１０】
さらにこの点に関し、ＰＩＣは、能動的なアラインメント工程の間、エネルギー供給されなくてはならない。レーザがＰＩＣに取り付けられている場合には、能動的な光学アラインメントのために、レーザがエネルギー供給されなくてはならない。このことは、光ファイバコネクタのアラインメントが可能となる前に、まずレーザがＰＩＣに組み込まれ、レーザに電力が供給されることを必要とする。これに代えて、コネクタ内の光ファイバを通って光信号が送られる場合にも、ＰＩＣが電力供給その他のエネルギー供給を受けること、および／または、光信号から光パワーの読取値を供給して、アラインメントが確立された際に最大値を特定するように、ＰＩＣがアクティブ化されることが必要とされる。すなわち、これまでは、能動的な光学アラインメント工程のために、ＰＩＣへの電気接続が必要であった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１３／０２９４７３２号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第２０１３／０３２２８１８号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
必要とされるのは、光電子デバイスに電気接続を提供する必要なしに、光電子デバイス（たとえばＰＩＣ）に対して、光学サブアセンブリ（たとえばＭＯＢ）の光学アラインメントを確立するための改善されたアプローチであって、スループット、許容誤差、製造性、使用容易性、機能性および信頼性をより低いコストで改善するアプローチである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、光電子デバイスへの電気的接続を必要とせずに、光電子デバイス（たとえばＰＩＣ）に対する光学サブアセンブリ（たとえばＭＯＢを含む光学サブアセンブリ）の光学アラインメントを確立するための、アラインメント用特徴形状を提供することにより、従来技術の欠点を克服する。本発明に係る光学アラインメント方式は、スループット、許容誤差、製造性、使用容易性、機能性および信頼性を、より低いコストで改善する。
【００１４】
本発明に関し、光学アラインメントは、光電子デバイスと光学サブアセンブリとの間の光信号の減衰を最小化して許容可能な誤差範囲内に収めるように、光電子デバイスに対して光学サブアセンブリを相対配置して、光学サブアセンブリのそれぞれの光学要素または構成要素の光軸を、光電子デバイスの対応する光学要素または構成要素の光軸と整列させる作業を包含する。
【００１５】
本発明によれば、光電子デバイスには、光学アラインメントのための能動的構成要素（たとえば、レーザ、フォトダイオード等）は付与されない。光学サブアセンブリと光電子デバイスとの光学アラインメントは、光電子デバイスの外部の光受信器および光源を用いて実現される。本発明の光学アラインメント用特徴形状および方法は、光源により供給される光学アラインメント信号であって、光学サブアセンブリ上に設けられた光学アラインメント用特徴形状と光電子デバイスとの間で伝達される光学アラインメント信号の光パワーのフィードバックを、光受信器を用いて測定することにより、光学サブアセンブリと光電子デバイスとの間のサブミクロンの光学アラインメントを実現する。
【００１６】
１つの実施形態では、受動的な導波路の形態のアラインメント用特徴形状が、光電子デバイス内に設けられ、光学サブアセンブリと光電子デバイスとの間の光学アラインメントを決定するにあたり、光学サブアセンブリ上のアラインメント用特徴形状に対する上記の導波路の位置が頼りとされる。
【００１７】
１つの実施形態では、受動的な導波路は、光電子デバイスの能動領域の外部に配される。本発明に関し、光電子デバイスの能動領域とは、光電子デバイスの通常の能動的動作中における光学サブアセンブリと光電子デバイスとの間の光データ信号送信のために、光路が規定されている領域である。
【００１８】
１つの実施形態では、光学サブアセンブリには、第１のアラインメント用反射表面と第２のアラインメント用反射表面とを含む、アラインメント用特徴形状が設けられており、ここで、第１のアラインメント用反射表面は、光源からの光学アラインメント信号を、光電子デバイス上の導波路の入力部に向けて指向させる（すなわち、折り返す、再整形するおよび／または集光する）ものであり、第２のアラインメント用反射表面は、アラインメント信号が導波路を通って入力部から出力部へと伝搬された後に、導波路の出力部から向けられたアラインメント信号を光受信器に向けて指向させる（すなわち、折り返す、再整形するおよび／またはコリメートする）ものである。光学サブアセンブリと光電子デバイスとの間の相対位置を調整し、第２のアラインメント用反射表面から反射されたアラインメント信号の光パワーを検出することにより、光学サブアセンブリと光電子デバイスとの最適なの光学アラインメントの位置を決定することができる（たとえば、検出された最大の光パワーによって、すなわち光信号の減衰が最小である点において）。
【００１９】
１つの実施形態では、導波路の入力部および出力部は、各々１つの格子結合器を含み、ここで、第１の格子結合器は、光学サブアセンブリの第１のアラインメント用反射表面からアラインメント信号を受け取るものであり、第２の格子結合器は、光学サブアセンブリの第２のアラインメント用反射表面へとアラインメント信号を出力するものである。
【００２０】
１つの実施形態では、光源および光受信器は、光学サブアセンブリの外部に付与される。
【００２１】
１つの実施形態では、光学サブアセンブリは光学ベンチサブアセンブリを含み、この光学ベンチサブアセンブリは、光電子デバイスの通常の能動的動作中において光学ベンチサブアセンブリと光電子デバイスとの間で動作データ信号を指向させるために、その光学ベンチサブアセンブリ上に規定された光データ用反射表面を有している。１つの実施形態では、光学ベンチサブアセンブリは、１つ以上の光ファイバをデータ用反射表面に対する光学アラインメントが確立された状態で支持する（すなわち、それぞれの光ファイバの光軸が、対応するデータ用反射表面の光軸と整列させられた状態で、１つ以上の光ファイバを支持する）、光ファイバサブアセンブリ（optical fiber subassembly；ＯＦＳＡ）の形態をとる。
【００２２】
１つの実施形態では、第１のアラインメント用反射表面および第２のアラインメント用反射表面は、それぞれ、可鍛性金属にスタンピングを施すことにより形成される。
【００２３】
１つの実施形態では、光学サブアセンブリはさらに、光学アラインメント用特徴形状を有する別個のアラインメント構造を含む。アラインメント構造はアラインメント基礎部を含み、そのアラインメント基礎部は、光学ベンチサブアセンブリを、基礎部に対して物理的に整列させられた状態で支持する。基礎部は、本発明のアラインメント方式に従って、光電子デバイスに対して光学的にアラインメントされ、それにより、基礎部上に支持された光学ベンチサブアセンブリが、光電子デバイスに対して光学的にアラインメントされる。１つの実施形態では、前述の実施形態に類似のアラインメント用反射表面を含むアラインメント用特徴形状が、基礎部に設けられる。別の１つの実施形態では、光源からの光学アラインメント信号を光電子デバイス上の導波路の入力部へと指向させる、アラインメント用反射表面の第１の対と、アラインメント信号が導波路を通って入力部から出力部へと伝搬させられた後に、導波路の出力部から向かってくるアラインメント信号を、光受信器に向けて反射する、アラインメント用反射表面の第２の対とを含む、アラインメント用特徴形状が、基礎部に付与される。基礎部と光電子デバイスとの間の相対配置を調整し、アラインメント用反射表面の第２の対から反射されるアラインメント信号の光パワーを検出することにより、基礎部と光電子デバイスとの間の最良の光学アラインメントを決定することができる（たとえば、検出された最大光パワーにおいて）。
【００２４】
１つの実施形態では、光電子デバイスに対する基礎部の光学アラインメントが確立された後に、基礎部に対するアラインメントが確立された状態となるような光学ベンチアセンブリの基礎部への再接続のために、光学ベンチアセンブリの取外し可能な取付けが可能であるよう構築および構成された、再接続可能または取外し可能な接続により、光学ベンチサブアセンブリと基礎部とが結合されてもよい。基礎部は、光電子デバイスに対して恒久的に取り付けられてもよい。基礎部と光学ベンチサブアセンブリとの間のアラインメントは、受動的なキネマティック結合、準キネマティック結合、または弾性平均結合によって実現されてもよい。受動的アラインメント結合は、光電子デバイスに対する光学アラインメントが確立された基礎部を介して、光学ベンチサブアセンブリが光電子デバイスに取外し可能に結合されることを可能とする。コネクタは、光学アラインメントを犠牲にすることなく、基礎部から取り外され、基礎部に再度取り付けられることが可能である。したがって、基礎部は、本発明に従う光学アラインメントによって回路基板に取り付けられることができ、さらに回路基板上への集積作業が完了した後に、光ファイバケーブルを伴う光学ベンチサブアセンブリが、回路基板に接続され得る。結果として、光ファイバケーブルは、回路基板の組立作業中においては介入してこない。
【００２５】
本発明は、ピック・アンド・プレース機構を用いて約１μｍの位置決め精度で実装することのできる、光電子デバイスに対する光学サブアセンブリの光学アラインメント方法を提供する。これは、単一モードの光接続のためには十分である。
【００２６】
好ましい使用態様に加え、本発明の特性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。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】電子−フォトニックパッケージング業界におけるサプライチェーンモデルを表した概略フロー図
【図２Ａ】本発明の１つの実施形態に従う光学ベンチサブアセンブリを含む光学サブアセンブリの斜視図
【図２Ｂ】図２Ａの光学サブアセンブリの分解図
【図３Ａ】図２Ａの光学サブアセンブリの斜視図
【図３Ｂ】図２Ａの光学サブアセンブリの上面図
【図３Ｃ】図２Ａの光学サブアセンブリの斜視図であって、データ光信号およびアラインメント光信号の信号経路を示した図
【図４Ａ】光電子デバイス上における光学サブアセンブリの配置を示した側面図
【図４Ｂ】図４Ａ中の４Ｂ−４Ｂ線に沿った断面図
【図５Ａ】図４Ａの光電子デバイスの上面図であって、本発明の１つの実施形態に従う格子結合器および導波路のレイアウトを概略的に示した図
【図５Ｂ】ＶＣＳＥＬチップの上面図であって、本発明の１つの実施形態に従う電子−光学要素および導波路のレイアウトを概略的に示した図
【図６Ａ】本発明の１つの実施形態に従う光学サブアセンブリであって、回路基板上に支持された光電子デバイス上に取り付けられた光学サブアセンブリを示した斜視図
【図６Ｂ】図６Ａの光学サブアセンブリの分解図
【図７Ａ】光電子デバイスに取り付けられた光学サブアセンブリの、固定クリップが除去された状態の斜視図
【図７Ｂ】図７Ａの状態の光学サブアセンブリの端面図
【図７Ｃ】図７Ａの状態の光学サブアセンブリの上面図
【図７Ｄ】図７Ａの状態の光学サブアセンブリの側面図
【図７Ｅ】図７Ｃ中の７Ｅ−７Ｅ線に沿った断面図
【図８】図７Ａに示した光電子デバイスの上面図であって、本発明の１つの実施形態に従う、アラインメント用格子結合器を含む格子結合器および導波路の配置を概略的に示した図
【図９Ａ】本発明の１つの実施形態に従う図６Ａに示した光学サブアセンブリのアラインメント基礎部であって、光学アラインメントのために光電子デバイス上に配置されたアラインメント基礎部の斜視図
【図９Ｂ】図９Ａのアラインメント基礎部の分解図
【図９Ｃ】図９Ａのアラインメント基礎部の上面図
【図９Ｄ】図９Ｃ中の９Ｄ−９Ｄ線に沿った断面図
【図１０】図６Ａの光学サブアセンブリの光学ベンチサブアセンブリの斜視図
【図１１Ａ】光電子デバイスおよび光学サブアセンブリのアラインメント基礎部を受容するように作製された回路基板を示した図
【図１１Ｂ】光学アラインメントが確立された後の光電子デバイスおよび光学サブアセンブリのアラインメント基礎部の配置を示した図
【発明を実施するための形態】
【００２８】
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。
【００２９】
本発明は、光電子デバイスへの電気的接続を必要とせずに、光電子デバイス（たとえばＰＩＣ）に対する光学サブアセンブリ（たとえばＭＯＢを含む光学サブアセンブリ）の光学アラインメントを確立するための、アラインメント用特徴形状および方法を提供することにより、従来技術の欠点を克服する。本発明に係る光学アラインメント構造および方法は、スループット、許容誤差、製造性、使用容易性、機能性および信頼性を、より低いコストで改善する。
【００３０】
本発明に関し、光学アラインメントは、光電子デバイスと光学サブアセンブリとの間の光信号の減衰を最小化して許容可能な誤差範囲内に収めるように、光電子デバイスに対して光学サブアセンブリを相対配置して、光学サブアセンブリのそれぞれの光学要素および／または構成要素の光軸を、光電子デバイスの対応する光学要素および／または構成要素の光軸と整列させる作業を包含する。
【００３１】
本発明によれば、光電子デバイスには、光学アラインメントのための能動的構成要素（たとえば、レーザ、フォトダイオード等）は付与されない。光学サブアセンブリと光電子デバイスとの光学アラインメントは、光電子デバイスの外部の光受信器および光源を用いて実現される。本発明の光学アラインメント方式は、光源により供給される光学アラインメント信号であって、光学サブアセンブリ上に設けられた光学アラインメント用特徴形状と光電子デバイスとの間で伝達される光学アラインメント信号の光パワーのフィードバックを、光受信器を用いて測定することにより、光学サブアセンブリと光電子デバイスとの間のサブミクロンの光学アラインメントを実現する。
【００３２】
非限定的な例として、以下、光電子デバイスが、フォトニック集積回路（photonic integrated circuit；ＰＩＣ）、たとえばシリコンＰＩＣ（ＳｉＰＩＣ）の形態であり、光学サブアセンブリ（optical subassembly；ＯＳＡ）が、光ファイバサブアセンブリ（optical fiber subassembly；ＯＦＳＡ）の形態である例との関連で、本発明を説明する。しかしながら、他のタイプの光電子デバイス（たとえば、ＰＩＣ内に実装されたものでなくてもよい、レーザ、フォトダイオード、送信器、受信器および／またはトランシーバ等の個別デバイス）や、他のタイプの光学サブアセンブリ（たとえば、光ファイバを伴うものであっても伴わないものであってもよい他の光学要素または構成要素であって、レンズ、フィルタ、レーザ、フォトダイオード等の光学要素または構成要素を有する、光学サブアセンブリ）も、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、本明細書で開示される光学アラインメント構造および方法を実装することができる。
【００３３】
１つの実施形態では、光学サブアセンブリは光学ベンチサブアセンブリを含み、この光学ベンチサブアセンブリは、光電子デバイスの通常の能動的動作中において光学ベンチサブアセンブリと光電子デバイスとの間で動作データ信号を指向させるために、その光学ベンチサブアセンブリ上に規定された光データ用反射表面を有している。図解する実施形態では、ＯＳＡは、１つ以上の光ファイバをデータ用反射表面に対する光学アラインメントが確立された状態で支持する（すなわち、それぞれの光ファイバの光軸が、対応するデータ用反射表面の光軸と整列させられた状態で、１つ以上の光ファイバを支持する）、ＯＦＳＡの形態をとる。
【００３４】
図２Ａから３Ｃに図示された実施形態を参照すると、ＯＳＡ  ２０は、より具体的にはＯＦＳＡの形態である光学ベンチサブアセンブリを含んでいる。ＯＳＡ  ２０は、ベース２１と、ベース２１内部の空間２９内に支持されるコア２２とを備えている。コア２２は、光ファイバケーブル３３に含まれる光ファイバ３０の端部３１（すなわち、保護バッファおよびジャケット層３２が存在せず、クラッドが露出された裸ファイバ部分）を固定して保持するための、複数の溝２３を規定している。コア２２はまた、横一列に配置された複数のデータ用反射表面２６（たとえば凹形状の非球面マイクロミラー表面）も規定しており、溝２３内に保持された光ファイバ３０の端部３１とデータ用反射表面２６との光学アラインメントが確立されるように、それらデータ用反射表面２６の各々は、対応する溝２３に対して整列させられている。ベース２１ならびにコア２２と類似の構造、およびその形成プロセスについては、米国特許出願公開第２０１６／００１６２１８号明細書（本願と同様に本願の譲受人に譲渡され、その内容が参照により本明細書に完全に組み込まれている）に詳細に開示されている。この米国特許出願公開第２０１６／００１６２１８号明細書には、構造化された特徴形状を有する異種材料の複合構造を形成して、スタンピング形成された非球面マイクロミラーのアレイに対して光学アラインメントが確立された状態で光ファイバを保持する開放溝を形成するための、スタンピング手法が開示されており、上記の構造化された特徴形状は、コアのためのより可鍛性の高い材料（たとえばアルミニウム）にスタンピング形成されるマイクロスケールの特徴形状を含む。コアの材料がベース内に配されている状態でコアの特徴形状をスタンピング形成する結果として、コアがリベットのような態様でベースに取り付けられる。本発明は、この米国特許出願公開第２０１６／００１６２１８号明細書に開示された概念を活用したものである。
【００３５】
溝２３は、たとえば機械的嵌込みまたは締まり嵌め（あるいは押込み）による、ファイバ部分３１（保護バッファおよびジャケット層が存在せず、クラッドが露出された裸ファイバ部分）のクランピングによって、ファイバ部分３１を固定して保持するように構成されている。締まり嵌めは、ファイバ部分３１が正しい位置にクランピングされることを確保し、その結果、データ用反射表面２６に対するファイバ部分３１の位置および配向が、溝２３の位置および長手方向軸によって設定される。クランピングのための開放溝構造に関するさらなる詳細は、米国特許第８，９６１，０３４号（本願と同様に本願の譲受人に譲渡され、その内容が参照により本明細書に完全に組み込まれている）に教示されている。本発明は、この米国特許第８，９６１，０３４号に開示された概念を活用したものである。
【００３６】
図示した実施形態に示されているように、光ファイバケーブル３３に対する保護を提供するために、ケーブル張力緩和部材２７が、ＯＳＡ  ２０上に設けられている。これに加えて、ファイバ部分３１が溝２３から緩んでくる危険性を減らすために、溝２３を覆うようにカバー２８が設けられている。カバー２８は、図４Ａおよび４Ｂにおいてより明確に示されているように、スペーサとしても機能する。
【００３７】
ＯＳＡ  ２０のコア２２上には、第１のアラインメント用反射表面２４および第２のアラインメント用反射表面２５を含む、アラインメント用特徴形状が設けられている。図示した実施形態では、第１のアラインメント用反射表面２４および第２のアラインメント用反射表面２５は、データ用反射表面２６の列の両端を超えた個所において、コア２２の両側のノッチ（３４’、３５’）内に配置されている。概説すると、第１のアラインメント用反射表面２４は、外部光源（たとえばレーザ；図示せず）からの光学アラインメント信号１０を、ＰＩＣ  １００（さらなる説明は、図４Ａ、４Ｂおよび５中の格子結合器を参照して後述する）に向けて指向させ（たとえば、折返し、再整形および／または集光によって）、第２のアラインメント用反射表面２５は、ＰＩＣ  １００（さらなる説明は、図４Ａ、４Ｂおよび５中の格子結合器を参照して後述する）からの同一のアラインメント信号１０を、外部の光受信器（たとえばフォトダイオード；図示せず）に向けて指向させる（たとえば、折返し、再整形および／またはコリメートによって）。第１のアラインメント用反射表面２４および第２のアラインメント用反射表面２５は、いずれの光ファイバ溝とも整列させられていない。本発明によれば、これらの反射表面２４および２５は、専ら光学アラインメントの目的のために用いられ、ＰＩＣ  １００の通常の能動的動作中においてデータ光信号を指向させるためには用いられない。以下においてさらに説明するように、ＯＳＡ  ２０とＰＩＣ  １００との相対位置を調整し、第２のアラインメント用反射表面２５から反射されるアラインメント信号１０の光パワーを検出することによって、ＯＳＡと光電子デバイスとの間の最良の光学アラインメントの位置を特定することができる（たとえば、検出された最大光パワーの位置、すなわち光信号の減衰が最も低い位置において）。
【００３８】
図示した実施形態では、アラインメントのための光源および光受信器は、ＯＳＡ  ２０の外部に付与される。外部光源からのアラインメント光信号１０が、ベース２１を通過してコア２２上の反射表面２４に入射すること、および、アラインメント光信号１０が、アラインメント用反射表面２５において方向転換され、ベース２１を通過して外部の受信器に向かうことを可能とするために、ベース２１には、間隙が設けられるべきである。図示した実施形態では、入射するアラインメント光信号１０のため、コア２２の側方にあるノッチ３４’と合致するベース２１の側方位置に、開口、ノッチまたは切抜部３４が設けられており、また、アラインメント用反射表面２５からの方向転換されたアラインメント光信号１０のため、コア２２の側方にあるノッチ３５’と合致するベース２１の側方位置に、開口、ノッチまたは切抜部３５が設けられている。
【００３９】
１つの実施形態では、厳しい許容誤差を満たすように、データ用反射表面２６に対する第１のアラインメント用反射表面２４および第２のアラインメント用反射表面２５の相対位置を、単一のスタンピング動作により高精度で規定するために、第１のアラインメント用反射表面２４および第２のアラインメント用反射表面２５と、データ用反射表面２６とが、コア２２の可鍛性金属にスタンピングを施すことにより、一緒に形成される。
【００４０】
米国特許第７，３４３，７７０号（本願と同様に本願の譲受人に譲渡され、その内容が参照により本明細書に完全に組み込まれている）は、許容誤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。その米国特許第７，３４３，７７０号に開示されているような構造を生成するため、かかる独創的なスタンピングシステムは、様々なスタンピングプロセス内に実装することが可能である。開示されたスタンピングプロセスは、他の規定された表面特徴形状とのアラインメントが高精度で確立された所望の幾何学形状を有する反射表面を含む最終的な表面特徴形状を、厳しい（小さい）許容誤差で形成するため、バルク材料（たとえば金属ブランク）にスタンピングを施す作業を包含する。本発明は、この米国特許第７，３４３，７７０号に開示された概念を活用したものである。
【００４１】
本発明によれば、反射表面および溝は、±５００ｎｍより良好な水準で精確な寸法とされる。これは、単一モード光ファイバ接続について、所望の光学アラインメント許容誤差および０．５ｄＢ未満の低い挿入損失（８９％を超える結合効率）を実現するのに十分な水準であり、さらには、０．３５ｄＢもの低い挿入損失（９３％の結合効率）を実現することすらできる。
【００４２】
１つの実施形態では、受動的な導波路の形態のアラインメント用特徴形状が、光電子デバイス内に設けられ、光学サブアセンブリと光電子デバイスとの間の光学アラインメントを決定するにあたり、光学サブアセンブリ上のアラインメント用特徴形状に対する上記の導波路の位置が頼りとされる。図示した実施形態では、導波路の入力部および出力部は、各々１つの格子結合器を含み、ここで、第１の格子結合器１０４は、ＯＳＡ  ２０の第１のアラインメント用反射表面２４からアラインメント信号１０を受け取るものであり、第２の格子結合器１０５は、ＯＳＡ  ２０の第２のアラインメント用反射表面２５へとアラインメント信号１０を出力するものである。
【００４３】
図５Ａは、本発明の１つの実施形態に従う、ＰＩＣ  １００の上面における格子結合器および導波路のレイアウトを概略的に示した上面図である。具体的には、アラインメント用導波路１０２には、そのアラインメント用導波路１０２の入力ポートにおいてアラインメント用格子結合器１０４が設けられ、また、そのアラインメント用導波路１０２の出力ポートにおいてアラインメント用格子結合器１０５が設けられている。アラインメント用格子結合器１０４および１０５は、ＰＩＣ  １００とＯＳＡ  ２０との光学アラインメントのためのアラインメント光信号１０を結合するものであり、これについては、以下でより詳細に説明する（図４Ｂも参照）。アラインメント用導波路１０２は、入力ポートにある格子結合器１０４と出力ポートにある格子結合器との間において、光信号を送信する。これに加えて、ＰＩＣ  １００上には、データ用格子結合器１１０と、光学要素、光学部品および／またはフォトニック回路１０８（たとえば、図５においては集合的かつ模式的に図示されている、レーザ、フォトダイオード等）へと繋がる対応のデータ用導波路１１２とが存在する。導波路１０２および１１２は、受動的な光導波路であり、それら導波路内を通して光信号をルーティングする。データ用格子結合器１１０は、ＰＩＣ  １００の通常の能動的動作中において、ＰＩＣとＯＳＡとの間で光データ信号を結合し、それにより、各データ用格子結合器１１０は、ＯＳＡ  ２０内のデータ用反射表面２６／光ファイバ部分３１に対応することとなる。アラインメント用格子結合器１０４ならびに１０５、データ用格子結合器１１０、アラインメント用導波路１０２、およびデータ用導波路１１２は、たとえばそれらの特徴形状をＰＩＣ  １００の表面上にリソグラフィによりパターン形成することにより、ＰＩＣ  １００上に形成することができる。
【００４４】
全般的に、ＰＩＣとＯＳＡ（とりわけＯＦＳＡを含むＯＳＡ）との間の光結合については、米国特許出願公開第２０１６／０３７７８２１号明細書（本願と同様に本願の譲受人に譲渡され、その内容が参照により本明細書に完全に組み込まれている）で記述されている。その米国特許出願公開第２０１６／０３７７８２１号明細書に開示されているように、ＯＦＳＡ内の非球面凹型ミラーが、光ファイバアレイに入射するまたは光ファイバアレイから出射する光を、ＰＩＣの表面上にある回折格子結合器内へと折返し、再整形および／または集光し、それにより、光ファイバの軸を、ＰＩＣの表面に対して小角度または平行に配向し、かつＰＩＣの表面に近い位置まで下ろした配置となすことが可能とされる。ミラーはさらに、平坦に磨かれた光ファイバからの光を再整形し、角度をなすように磨かれた光ファイバのモードフィールドと似たようなモードフィールドを生成して、角度をなすように磨かれた光ファイバと協働するよう設計された既存の格子結合器の設計角度に合致させるよう、構成される。光コネクタ中のミラーおよび光ファイバのアラインメント構造は、精密スタンピングにより一体的／同時に形成される。本発明は、この米国特許出願公開第２０１６／０３７７８２１号明細書に開示された概念を活用したものである。
【００４５】
１つの実施形態では、アラインメント用導波路１０２は、ＰＩＣ  １００の能動領域１０６の外部に配される。本発明に関し、光電子デバイスの能動領域１０６とは、ＰＩＣの通常の能動的動作中における光学サブアセンブリとＰＩＣとの間の光データ信号送信のために、光路が規定されている領域である。図５に図示した実施形態では、入力格子結合器１０４および出力格子結合器１０５は、データ用格子結合器１１０の列の一方の側に沿って延在するアラインメント用導波路１０２の、両端に配置されている。
【００４６】
図４Ａおよび４Ｂは、本発明に従う光学アラインメントについて、ＰＩＣ  １００上へのＯＳＡ  ２０の配置を示している。図３Ｃは、図２Ａ中のＯＳＡ  ２０の斜視図であって、データ光信号とアラインメント光信号との信号経路を示した図である。図４Ｂを参照すると、アラインメント光信号１０の光路１１が示されている。外部光源からのアラインメント光信号１０は、非球面状かつ凹型のアラインメント用反射表面２４上に入射し、そのアラインメント用反射表面２４が、光信号１０を折返し、再整形および／または集光して、アラインメント用導波路１０２の入力ポートに配された格子結合器１０４上に入射するようになす。この実施形態では、アラインメント光信号１０は、ベース２１の側面を通って入射する。アラインメント光信号１０は、アラインメント用導波路１０２を通って伝搬し、アラインメント用導波路１０２の出力ポートに配された格子結合器１０５を介して出て行く。非球面状かつ凹型のアラインメント用反射表面２５は、アラインメント光信号１０を折返し、再整形および／またはコリメートして、外部の受信器へと伝達されるようになす。この実施形態では、アラインメント信号１０は、ベース２１の反対側の側面を通って出て行く。アラインメント用反射表面２５からのアラインメント光信号１０のパワーレベルをモニタリングすることにより、最良の光学アラインメントは、パワーメータのパワーレベル読取値が最大になる点で実現される。光学アラインメントが実現された後、ＯＳＡ  ２０とＰＩＣとの相対位置を固定するために、エポキシまたははんだを用いてＯＳＡ  ２０がＰＩＣ  １００に取り付けられる。光学アラインメントの確立後は、ＰＩＣ  １００上のデータ用格子結合器１１０も、ＯＳＡ  ２０内の対応するデータ用反射ミラー２６との光学アラインメントが確立された状態になる。本発明によれば、ＯＳＡ  ２０とＰＩＣ  １００との光学アラインメントを実現するに際し、ファイバ部分３１、データ用反射表面２６および格子結合器１１０を通る光信号を用いた、能動的なアラインメントは必要とされない。
【００４７】
アラインメント光信号１０は、ＯＳＡ  ２０とＰＩＣ  １００との光学アラインメントのための専用の信号であることが理解できよう。そのようなアラインメント光信号１０は、光学アラインメント工程が完了した後、ＰＩＣ  １００の通常の能動的動作中においては存在しない。
【００４８】
実用形態では、ＰＩＣ  １００に対してＯＳＡ  ２０を併進移動および配向できるステージ上において、ピック・アンド・プレース型のグリッパ機構が、ＯＳＡ  ２０を保持する。光ファイバケーブルが、外部光源（たとえばレーザ）から、グリッパの本体へと延びる。グリッパは、光ファイバケーブルの先端とアラインメント用反射表面２４との間の、光学アラインメントを提供する。第２の光ファイバケーブルが、グリッパから受信器（たとえば、パワーメータに接続されたフォトダイオード）へと延び、グリッパは、この光ファイバケーブルとアラインメント用反射表面２５との間のアラインメントを確保する。これら２つの光ファイバケーブルは、グリッパが新たなＯＳＡをピックアップする度に、その新たなＯＳＡがそれら光ファイバケーブルの入射端面および出射端面に対して自動的にアラインメントされるような態様で、グリッパ内に取り付けられる。光ファイバケーブルの端面に入射／光ファイバケーブルの端面から出射する光を集光するために、グリッパ内にレンズが付加されてもよい。ピック・アンド・プレース型のグリッパは、本発明に従って動作するように修正された現行技術水準のグリッパ機構を用いて構成することができるため、かかるピック・アンド・プレース型のグリッパの構成については、ここではさらなる説明はしない。こうして、本発明は、ピック・アンド・プレース機構を用いて約１μｍの位置決め精度で実装することのできる、光電子デバイスに対する光学サブアセンブリの光学アラインメント方法を提供する。これは、単一モードの光接続のためには十分である。
【００４９】
本発明によれば、少なくとも以下の利点が得られる。
ａ．アラインメント工程中において使用されるレーザおよびパワーメータは、ピック・アンド・プレース型のグリッパ内に集積することができるため、アラインメント工程中において、フォトニック回路にエネルギー供給する必要はない。
ｂ．データ用光ファイバケーブル（上記で説明した実施形態では３３）内の光ファイバは、アラインメント工程のためには必要とされないため、そのケーブル内のすべての光ファイバを、光データの入力／出力のために利用することができる。
ｃ．光データの入力／出力のためのデータ用反射表面（２６）と、光学アラインメントのためのアラインメント用反射表面（２４、２５）とは、単一モードの許容誤差を達成するためにスタンピング処理で同時形成することのできる、表面特徴形状である。
ｄ．ＯＳＡの光学ベンチサブアセンブリには、取付けにより追加される追加の別個の構成要素は何ら存在しない。
ｅ．光ファイバケーブルの終端処理中において、追加の組立工程は何ら必要とされない。
【００５０】
ＰＩＣ上のデータ用格子結合器１１０に代えて、垂直キャビティ型の面発光レーザおよびフォトダイオードを含む、他の面発光あるいは面受光型のフォトニックデバイスと共にも、本発明を用いることができる。このことは、１×４のＶＣＳＥＬ（Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser；垂直キャビティ面発光レーザ）アレイ１３０の場合について、一例として図５Ｂに図解されている。類似のアラインメント用格子結合器１０４’ならびに１０５’およびアラインメント用導波路１０２’が、ここでもＶＣＳＥＬチップの表面上にリソグラフィによりパターン形成されてよく、その後、光学サブアセンブリの、ＶＣＳＥＬアレイ１３０の発光領域に対する光学アラインメントが確立され得る。フォトダイオードアレイ（図示せず）についても、類似のアプローチを用いることができる。
【００５１】
図８から１１は、本発明のさらなる実施形態を図解している。光学アラインメントの独創的概念は、前述の実施形態における概念と類似である。具体的には、外部光源により供給され、光電子デバイスおよび光学サブアセンブリ上に付与された光学アラインメント用特徴形状同士の間で送信された光学アラインメント信号の、光パワーのフィードバックを測定することによる、光学サブアセンブリと光電子デバイスとの間の光学アラインメントという概念である。この実施形態では、光学サブアセンブリはさらに、光学ベンチサブアセンブリと組み合わされる、光学アラインメント用特徴形状を有する別個のアラインメント構造を含む。アラインメント構造はアラインメント基礎部を含み、そのアラインメント基礎部は、光学ベンチサブアセンブリを、基礎部に対して物理的に整列させられた状態で支持する。基礎部は、本発明のアラインメント方式に従って、光電子デバイスに対して光学的にアラインメントされ、それにより、基礎部上に支持された光学ベンチサブアセンブリが、光電子デバイスに対して光学的にアラインメントされる。１つの実施形態では、前述の実施形態に類似のアラインメント用反射表面を含むアラインメント用特徴形状が、基礎部に設けられる。別の１つの実施形態では、光源からの光学アラインメント信号を光電子デバイス上の導波路の入力部へと指向させる、アラインメント用反射表面の第１の対と、アラインメント信号が導波路を通って入力部から出力部へと伝搬させられた後に、導波路の出力部から向かってくるアラインメント信号を、光受信器に向けて反射する、アラインメント用反射表面の第２の対とを含む、アラインメント用特徴形状が、基礎部に付与される。基礎部と光電子デバイスとの間の相対配置を調整し、アラインメント用反射表面の第２の対から反射されるアラインメント信号の光パワーを検出することにより、基礎部と光電子デバイスとの間の最良の光学アラインメントを決定することができる（たとえば、検出された最大光パワーにおいて）。
【００５２】
図６Ａから７Ｅを参照すると、図６Ａから６Ｂは、ボールグリッドアレイ（ball-grid array；ＢＧＡ）を有する回路基板３３３上に支持されたＰＩＣ  １０１上に取り付けられた、本発明の１つの実施形態に係るＯＳＡ  ３２０を示しており、図６Ｂはその分解図を示している。図７Ａから７Ｅは、固定クリップ３３４が除去された状態で、１０１に取り付けられたＯＳＡ  ３２０を様々に見た図である。図示されているように、光電子モジュール３３５は、回路基板３３３上に取り付けられている。回路基板３３３は、クリップ３３４をアンカー留めするための、アンカー３３６を支持している。
【００５３】
この図示した実施形態では、ＯＳＡ  ３２０は、ＯＦＳＡ  ５２０の形態の光学ベンチサブアセンブリと、ＯＦＳＡ  ５２０が取り付けられるアラインメント基礎部４２０とを含んでいる。この実施形態におけるＯＳＡ  ３２０の基礎部４２０は、ＰＩＣ  １０１に対する基礎部４２０の（したがってＯＳＡ  ３２０の）光学アラインメントを確立するための、アラインメント用特徴形状（具体的にはアラインメント用反射表面）を提供する。以下でさらに説明するように、ＯＦＳＡ  ５２０は、ＰＩＣ  １０１に対する基礎部４２０の光学アラインメントが達成され固定された後に、基礎部４２０上に取り付けられ得る。
【００５４】
図１０に示された実施形態を参照すると、ＯＦＳＡ  ５２０は、前述の実施形態におけるＯＳＡ  ２０に類似の「リベット」構造を有しており、ベース３２１と、ベース３２１内部の空間３２９内に支持されるコア３２２とを備えている。コア３２２は、光ファイバケーブル３３に含まれる光ファイバ３０の端部３１（すなわち、保護バッファおよびジャケット層３２が存在せず、クラッドが露出された裸ファイバ部分）を固定して保持するための、複数の溝３２３を規定している。説明を簡潔にするため、光ファイバ構成要素は図１０には図示されていないが、上述した実施形態に関連する他の図を参照することができる。コア３２２はまた、横一列に配置された複数のデータ用反射表面３２６（たとえば凹形状の非球面マイクロミラー表面）も規定しており、溝３２３内に保持された光ファイバ３０の端部３１とデータ用反射表面３２６との光学アラインメントが確立されるように、それらデータ用反射表面３２６の各々は、対応する溝３２３に対して整列させられている。ベース３２１ならびにコア３２２と類似の構造、およびその形成プロセスについては、米国特許出願公開第２０１６／００１６２１８号明細書（本願と同様に本願の譲受人に譲渡され、その内容が参照により本明細書に完全に組み込まれている）に詳細に開示されている。この米国特許出願公開第２０１６／００１６２１８号明細書には、構造化された特徴形状を有する異種材料の複合構造を形成して、スタンピング形成された非球面マイクロミラーのアレイに対して光学アラインメントが確立された状態で光ファイバを保持する開放溝を形成するための、スタンピング手法が開示されており、上記の構造化された特徴形状は、コアのためのより可鍛性の高い材料（たとえばアルミニウム）にスタンピング形成されるマイクロスケールの特徴形状を含む。コアの材料がベース内に配されている状態でコアの特徴形状をスタンピング形成する結果として、コアがリベットのような態様でベースに取り付けられる。本発明は、この米国特許出願公開第２０１６／００１６２１８号明細書に開示された概念を活用したものである。
【００５５】
溝３２３は、たとえば機械的嵌込みまたは締まり嵌め（あるいは押込み）による、ファイバ部分３１（保護バッファおよびジャケット層が存在せず、クラッドが露出された裸ファイバ部分）のクランピングによって、ファイバ部分３１を固定して保持するように構成されている。締まり嵌めは、ファイバ部分３１が正しい位置にクランピングされることを確保し、その結果、データ用反射表面３２６に対するファイバ部分３１の位置および配向が、溝３２３の位置および長手方向軸によって設定される。クランピングのための開放溝構造に関するさらなる詳細は、米国特許第８，９６１，０３４号（本願と同様に本願の譲受人に譲渡され、その内容が参照により本明細書に完全に組み込まれている）に教示されている。本発明は、この米国特許第８，９６１，０３４号に開示された概念を活用したものである。
【００５６】
図１０に示されるように、データ用反射表面３２６と同じ側の表面３９９には、取外し可能な受動的アラインメント結合（以下で後述する）のための、表面テクスチャが付与されている。
【００５７】
図８は、本発明の１つの実施形態に従う、ＰＩＣ  １０１の上面における格子結合器および導波路のレイアウトを概略的に示した上面図である。前述の実施形態と同様に、アラインメント用導波路１１０２には、そのアラインメント用導波路１１０２の入力ポートにおいてアラインメント用格子結合器１１０４が設けられ、また、そのアラインメント用導波路１１０２の出力ポートにおいてアラインメント用格子結合器１１０５が設けられている。アラインメント用格子結合器１１０４および１１０５は、ＰＩＣ  １０１と（基礎部４２０を介しての）ＯＳＡ  ３２０との光学アラインメントのための、アラインメント光信号１０を結合するものである。アラインメント用導波路１１０２は、入力ポートにある格子結合器１１０４と出力ポートにある格子結合器との間において、光信号を送信する。これに加えて、ＰＩＣ  １０１上には、データ用格子結合器１１０と、光学要素、光学部品および／またはフォトニック回路１０８（たとえば、図５においては集合的かつ模式的に図示されている、レーザ、フォトダイオード等）へと繋がる対応のデータ用導波路１１２とが存在する。導波路１１０２および１１２は、受動的な光導波路であり、それら導波路内を通して光信号をルーティングする。データ用格子結合器１１０は、ＰＩＣ  １０１の通常の能動的動作中において、ＰＩＣ  １０１とＯＳＡ  ３２０との間で光データ信号を結合し、それにより、各データ用格子結合器１１０は、ＯＳＡ  ３２０内のデータ用反射表面３２６／光ファイバ部分３１に対応することとなる。アラインメント用格子結合器１１０４ならびに１１０５、データ用格子結合器１１０、アラインメント用導波路１１０２、およびデータ用導波路１１２は、たとえばそれらの特徴形状をＰＩＣ  １０１の表面上にリソグラフィによりパターン形成することにより、ＰＩＣ上に形成することができる。
【００５８】
図示した実施形態では、アラインメント用導波路１１０２は、ＰＩＣ  １００の能動領域１０６の外部に配される。この実施形態では、入力側のアラインメント用格子結合器１１０４および出力側のアラインメント用格子結合器１１０５は、データ用格子結合器１１０の列の一方の側に概ね沿って延在するアラインメント用導波路１１０２の、両端に配置されている。前述の実施形態とは異なり、アラインメント用導波路１１０２の両端は、格子結合器１１０の列の方へ向かって曲がっており、アラインメント用格子結合器１１０４および１１０５が、格子結合器１１０の列と概ね同列となるように構成されている。いずれにしても、アラインメント用格子結合器１１０４および１１０５は、能動領域１０６の外部にある。この変更レイアウトの幾何学配置は、ＯＦＳＡ  ５２０上のデータ用反射表面に対する、基礎部４２０上のアラインメント用反射表面の相対位置に対応するものであり、本発明の独創的概念に影響を与えるものではない。
【００５９】
図面に示されているように、基礎部４２０は、単一かつ一体型のＵ字型ブロックとして構成されており、薄肉の中央部４２１の両側に２つの肉厚部３２４が存在し、これによりＯＦＳＡ  ５２０を受容するための空間４２２が規定されている（図７Ａ参照）。ＯＦＳＡ  ５２０とＰＩＣ  １０１との間のデータ光信号の通過を可能とするために、中央部４２１には開口が設けられている。中央部４２１の上面には、ＯＦＳＡ  ５２０への取外し可能な受動的アラインメント結合（以下で後述する）のための、表面テクスチャが付与されている。
【００６０】
図には示されていないが、ＯＳＡ  ３２０の基礎部４２０には、前述の実施形態においてコア２２上に付与されていたのと類似のアラインメント用反射表面を含む、アラインメント用特徴形状が付与されてもよい（すなわち、（ＯＦＳＡのコアに代えて）基礎部４２０上に、第１および第２のアラインメント用反射表面を付与し、外部からのアラインメント信号１０を、基礎部４２０の側面から入って第１のアラインメント用反射表面に入射し、ＰＩＣ  １０１上のアラインメント用格子結合器１１０４の方向へと方向転換されるように供給し、さらに格子結合器１１０５から出力された同一のアラインメント信号が、第２のアラインメント用反射表面により方向転換され、基礎部４２０の反対側から出射するようになす）。
【００６１】
図９Ａから９Ｄは、ＯＳＡ  ３２０に対して垂直に入射するアラインメント光信号１０を受容する、変更形態に係る光学アラインメント用特徴形状を図示している。具体的には、この実施形態では、アラインメント用反射表面の第１の相補対とアラインメント用反射表面の第２の相補対とを含むアラインメント用特徴形状が、基礎部４２０に付与されている。アラインメント用反射表面の第１の相補対は、光源からの光学アラインメント信号を、光電子デバイス上の導波路の入力部へと指向させる。アラインメント用反射表面の第２の相補対は、導波路の入力部から出力部へと伝搬された後に導波路の出力部から指向させられて出てきたアラインメント信号を、光受信器に向けて反射させる。基礎部と光電子デバイスとの相対位置を調整し、アラインメント用反射表面の第２の対から反射されるアラインメント信号の光パワーを検出することによって、基礎部と光電子デバイスとの間の最良の光学アラインメントを決定することができる（たとえば、検出された最大光パワーの位置において）。アラインメント用反射表面の第１の対および第２の対は、図９Ｂおよび９Ｄにより分かりやすく示されている。
【００６２】
アラインメント用反射表面の第１の対３２４は、基礎部４２０の部分４２４に付与されており、アラインメント用反射表面の第２の対３２５は、基礎部４２０の部分４２５に付与されている。第１の対３２４は、アラインメント用反射表面１３２４ａおよび１３２４ｂを含んでおり、第２の対３２５は、アラインメント用反射表面１３２５ａおよび１３２５ｂを含んでいる。アラインメント用反射表面１３２４ａおよび１３２５ａは、平坦な反射表面であってもよく、アラインメント用反射表面１３２４ｂおよび１３２５ｂは、凹型の非球面反射表面であってもよい。いずれにしても、各対の中において、対をなすアラインメント用反射表面の幾何学形状は、入射する外部のアラインメント光信号１０が、垂直な光路をもって対応する格子結合器１１０４上へと整形、折返しおよび／または集光され、格子結合器１１０５からのアラインメント光信号１０が、垂直な光路をもって対応する外部のパワーメータ上へと整形、折返しおよび／またはコリメートされるように、マッチングされた幾何学形状とされる。
【００６３】
図示されるように、各対の中のアラインメント用反射表面は、各対に対する入射光路と出射光路とを概ね平行となすべく、アラインメント光信号を２回折り返してジグザグ形状の光路４１１（図７Ｅおよび９Ｄ）を辿らせるように構成されている。図７Ｅおよび９Ｄに示されているように、アラインメント用反射表面１３２４ａは、入射するアラインメント光信号１０を折り返し、アラインメント光信号１０をアラインメント用反射表面１３２４ｂに向けて方向転換し、そのアラインメント用反射表面１３２４ｂは、アラインメント光信号１０を折り返し、ＰＩＣ  １０１上の格子結合器１１０４に向けて方向転換する。アラインメント用反射表面１３２４ａ、１３２４ｂ、１３２５ａ、１３２５ｂは、米国特許出願公開第２０１６／００１６２１８号明細書（本願と同様に本願の譲受人に譲渡され、その内容が参照により本明細書に完全に組み込まれている）に詳しく開示されているようなスタンピングに対する「リベット」アプローチを用いて、部分４２４および４２５内において異種のコア材料にスタンピングを施すことにより形成されてもよい。このことは、上述の実施形態においてＯＳＡ  ２０のベース２１内でコア２２をスタンピング形成したのと、類似している。適切なダイおよびパンチの組を用いることにより、両方の対における２つのアラインメント用反射表面（すなわち４つのアラインメント用反射表面すべて）が、２つのアラインメント用反射表面の基礎部４２０に対する相対位置を精確に規定するように、最終的なスタンピング作業で同時にスタンピング形成され得る。図示されるように、リベット１４２４ａはアラインメント用反射表面１３２４ａを規定し、リベット１４２４ｂはアラインメント用反射表面１３２４ｂを規定し、リベット１４２５ａはアラインメント用反射表面１３２５ａを規定し、リベット１４２５ｂはアラインメント用反射表面１３２５ｂを規定している。
【００６４】
図７Ｅおよび９Ｄは、本発明に従う光学アラインメントについて、ＰＩＣ  １０１上における基礎部４２０の配置を図示している。アラインメント光信号１０の光路４１１が示されている。図７Ｅおよび９Ｄに示されているように、アラインメント用反射表面１３２４ａは、垂直入射するアラインメント光信号１０を折り返し、アラインメント光信号１０をアラインメント用反射表面１３２４ｂに向けて方向転換し、そのアラインメント用反射表面１３２４ｂは、アラインメント光信号１０を折り返し、ＰＩＣ  １０１上の格子結合器１１０４に向けて方向転換する。この実施形態では、アラインメント光信号１０は、基礎部４２０の上面から、基礎部４２０を通るように入射する。図７Ｂおよび７Ｃも参照すると、アラインメント光信号１０は、ＰＩＣ  １０１上のアラインメント用導波路１１０２を通って伝搬し、アラインメント用導波路１０２の出力ポートにある格子結合器１１０５を介して出て行く。アラインメント用反射表面１３２５ｂは、アラインメント光信号１０を折返し、再整形および／またはコリメートして、アラインメント用反射表面１３２５ａに向けて方向転換されるようになし、さらに外部の受信器に向けて基礎部に対して垂直に方向転換されるようになす。この実施形態では、アラインメント信号１０は、基礎部４２０に入射するアラインメント信号１０に対して平行となるよう、基礎部４２０から垂直に出て行く。光学アラインメント信号１０の光路４１１の三次元的な斜視図については、図７Ａも参照されたい。アラインメント用反射表面１３２５ａからのアラインメント光信号１０のパワーレベルをモニタリングすることにより、最良の光学アラインメントは、パワーメータのパワーレベル読取値が最大になる点で実現される。光学アラインメントが実現された後、基礎部４２０とＰＩＣ  １０１との相対位置を固定するために、エポキシまたははんだを用いて基礎部４２０がＰＩＣ  １０１に取り付けられる。
【００６５】
１つの実施形態では、ＰＩＣ  １０１に対する基礎部４２０の光学アラインメントが確立された後に、基礎部４２０に対するアラインメントが確立された状態となるようなＯＦＳＡ  ５２０の基礎部４２０への再接続のために、ＯＦＳＡ  ５２０の取外し可能な取付けが可能であるよう構築および構成された、再接続可能または取外し可能な接続により、ＯＦＳＡ  ５２０と基礎部４２０とが結合されてもよい。基礎部４２０は、ＰＩＣ  １０１に対して恒久的に取り付けられてもよいが、その場合でも、ＯＦＳＡ  ５２０は依然として取外し可能とされる。基礎部４２０とＯＦＳＡ（すなわち光学ベンチサブアセンブリ）との間のアラインメントは、受動的なキネマティック結合、準キネマティック結合、または弾性平均結合によって実現されてもよい。図９Ｂおよび９Ｄに図示した実施形態では、ＯＦＳＡ  ５２０と基礎部４２０の部分４２１との対向する表面上に付与されている表面テクスチャ３９９および４９９により、取外し可能な受動的アラインメント結合が実現されている。受動的アラインメント結合は、光電子デバイスに対する光学アラインメントが確立された基礎部４２０を介して、ＯＦＳＡ  ５２０が光電子デバイスに取外し可能に結合されることを可能とする。ＯＦＳＡ  ５２０は、光学アラインメントを犠牲にすることなく、基礎部４２０から取り外され、基礎部４２０に再度取り付けられることが可能である。したがって、基礎部４２０は、本発明に従う光学アラインメントによって回路基板３３３上のＰＩＣ  １０１に取り付けられることができ、さらに回路基板３３３上への集積作業が完了した後に、光ファイバケーブル３３を伴う光学ベンチサブアセンブリ（たとえばＯＦＳＡ  ５２０）が、回路基板３３３に動作可能に接続され得る。結果として、光ファイバケーブル３３は、回路基板３３３の組立作業中においては介入してこない。上記で述べた受動的アラインメントを伴う取外し可能な接続、およびその利点については、米国特許出願公開第２０１６／０１６１６８６号明細書（本願と同様に本願の譲受人に譲渡され、その内容が参照により本明細書に完全に組み込まれている）に詳細に記述されている。本発明は、この米国特許出願公開第２０１６／０１６１６８６号明細書に開示された概念を活用したものである。
【００６６】
クリップ３３４は、取外し可能なＯＦＳＡ  ５２０を基礎部４２０に固定する手段を提供するが、回路基板３３３に取り付けられたアンカー３３６上にクランピングして留まっている。
【００６７】
光学アラインメント工程後は、ＰＩＣ  １０１上のデータ用格子結合器１１０は、ＯＦＳＡ  ５２０内の対応するデータ用反射ミラー３２６との光学アラインメントが確立された状態になる。前述の実施形態と同様、本発明によれば、基礎部４２０（したがってＯＳＡ  ３２０）とＰＩＣ  １０１との光学アラインメントを実現するに際し、ファイバ部分３１、データ用反射表面３２６および格子結合器１１０を通る光信号を用いた、能動的なアラインメントは必要とされない。
【００６８】
アラインメント光信号１０は、ＯＳＡ  ３２０の基礎部４２０とＰＩＣ  １０１との、光学アラインメントのための専用の信号であることが理解できよう。そのようなアラインメント光信号１０は、光学アラインメント工程が完了した後、ＰＩＣ  １０１の通常の能動的動作中においては存在しない。
【００６９】
前述の実施形態と同様、実用形態では、ＰＩＣ  １０１に対して基礎部４２０を併進移動および配向できるステージ上において、ピック・アンド・プレース型のグリッパ機構が、基礎部４２０を保持する。光ファイバケーブルが、外部光源（たとえばレーザ）から、グリッパの本体へと延びる。グリッパは、光ファイバケーブルの先端とアラインメント用反射表面１３２４ａとの間の、光学アラインメントを提供する。第２の光ファイバケーブルが、グリッパから受信器（たとえば、パワーメータに接続されたフォトダイオード）へと延び、グリッパは、この光ファイバケーブルとアラインメント用反射表面１３２５ａとの間のアラインメントを確保する。これら２つの光ファイバケーブルは、グリッパが新たな基礎部４２０をピックアップする度に、その新たな基礎部４２０がそれら光ファイバケーブルの入射端面および出射端面に対して自動的にアラインメントされるような態様で、グリッパ内に取り付けられる。光ファイバケーブルの端面に入射／光ファイバケーブルの端面から出射する光を集光するために、グリッパ内にレンズが付加されてもよい。ピック・アンド・プレース型のグリッパは、本発明に従って動作するように修正された現行技術水準のグリッパ機構を用いて構成することができるため、かかるピック・アンド・プレース型のグリッパの構成については、ここではさらなる説明はしない。
【００７０】
図１１Ａおよび１１Ｂを参照すると、光学アラインメントおよび取付けが完了した基礎部４２０とＰＩＣ  １０１とが、回路基板３３３上に配置される。ＯＦＳＡ  ５２０の取付準備が整った図１１Ｂに示すような構造を得るため、回路基板３３３には、たとえば（図１１Ａに示すような）電子光学モジュール３３５等が集積されている。より具体的には、図１に示したサプライチェーンモデルのフローを参照すると、半導体製造工場施設において、ピック・アンド・プレース機構が、基礎部４２０を、ＰＩＣ  １０１に対して整列させられた状態に配置する。基礎部４２０は、一例として、ＰＩＣ  １０１にはんだ付けされる。これが、パッケージング施設に出荷され、そのパッケージング施設で、より精度の低いピック・アンド・プレース機構が、基礎部４２０が取り付けられた状態のＰＩＣ  １０１の、回路基板３３３上への配置および取付けを行う。追加の構成要素が、回路基板上に予備集積または集積されてもよい。その後、ＰＩＣ  １０１および基礎部４２０を伴う回路基板３３３が、製品組立施設に出荷され、その製品組立施設での製品組立中において、上記で説明した受動的アラインメント用の特徴形状を用いて、ＯＦＳＡ  ５２０が基礎部に取り付けられる。こうして、本発明は、ピック・アンド・プレース機構を用いて約１μｍの位置決め精度で実装することのできる、光電子デバイスに対する光学サブアセンブリの光学アラインメント方法を提供する。これは、単一モードの光接続のためには十分である。
【００７１】
本実施形態は、前述の実施形態の利点のほとんどを共有する。とりわけ、本実施形態は、少なくとも以下の利点を実現する。
ａ．アラインメント工程中において使用されるレーザおよびパワーメータは、ピック・アンド・プレース型のグリッパ内に集積することができるため、アラインメント工程中において、フォトニック回路にエネルギー供給する必要はない。
ｂ．データ用光ファイバケーブル（３３）内の光ファイバは、アラインメント工程のためには必要とされないため、そのケーブル内のすべての光ファイバを、光データの入力／出力のために利用することができる。
ｃ．光データの入力／出力のためのデータ用反射表面（３２６）と、光学アラインメントのためのアラインメント用反射表面対（１３２４ａ、１３２４ｂ、１３２５ａおよび１３２５ｂ）とは、単一モードの許容誤差を達成するためにスタンピング処理で同時形成することのできる、表面特徴形状である。
ｄ．ＰＩＣ  １０１に対する基礎部４２０の光学アラインメントを確立することにより、基礎部４２０に対しＯＦＳＡ  ５２０の取外し可能な結合を用いても、ＯＳＡ  ３２０全体は、光学アラインメントが確立された状態を維持できる。
ｅ．光ファイバケーブルの終端処理中において、追加の組立工程は何ら必要とされない。
【００７２】
前述の実施形態に関しては、ＰＩＣ  １０１は、図５Ｂに一例を図解したような垂直キャビティ型の面発光レーザおよびフォトダイオードを含む、他の面発光あるいは面受光型のフォトニックデバイスに置き換えられてもよい。
【００７３】
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。
【符号の説明】
【００７４】
１０              アラインメント光信号
１１、４１１      アラインメント光信号の光路
２０、３２０      光学サブアセンブリ
２１、３２１      ベース
２２、３２２      コア
２３              溝
２４、２５        アラインメント用反射表面
２６、３２６      データ用反射表面
３０              光ファイバ
３４、３５        切抜部
１００、１０１    フォトニック集積回路（光電子デバイス）
１０２、１０２’、１１０２    アラインメント用導波路
１０４、１０４’、１０５、１０５’    アラインメント用格子結合器
１０６            能動領域
１０８            フォトニック回路
１１０            データ用格子結合器
１１２            データ用導波路
１３０            ＶＣＳＥＬアレイ
３３３            回路基板
３９９、４９９    表面テクスチャ
４２０            アラインメント基礎部
５２０            光学ベンチサブアセンブリ
１１０４、１１０５    アラインメント用格子結合器
１３２４ａ、１３２４ｂ、１３２５ａ、１３２５ｂ    アラインメント用反射表面
１４２４ａ、１４２４ｂ、１４２５ａ、１４２５ｂ    リベット
【図１】
2019512736.tif 000003
【図２Ａ】
2019512736.tif 000004
【図２Ｂ】
2019512736.tif 000005
【図３Ａ】
2019512736.tif 000006
【図３Ｂ】
2019512736.tif 000007
【図３Ｃ】
2019512736.tif 000008
【図４Ａ】
2019512736.tif 000009
【図４Ｂ】
2019512736.tif 000010
【図５Ａ】
2019512736.tif 000011
【図５Ｂ】
2019512736.tif 000012
【図６Ａ】
2019512736.tif 000013
【図６Ｂ】
2019512736.tif 000014
【図７Ａ】
2019512736.tif 000015
【図７Ｂ】
2019512736.tif 000016
【図７Ｃ】
2019512736.tif 000017
【図７Ｄ】
2019512736.tif 000018
【図７Ｅ】
2019512736.tif 000019
【図８】
2019512736.tif 000020
【図９Ａ】
2019512736.tif 000021
【図９Ｂ】
2019512736.tif 000022
【図９Ｃ】
2019512736.tif 000023
【図９Ｄ】
2019512736.tif 000024
【図１０】
2019512736.tif 000025
【図１１Ａ】
2019512736.tif 000026
【図１１Ｂ】
2019512736.tif 000027
【国際調査報告】
2019512736.tif 000028
2019512736.tif 000029
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