(57)【要約】本発明の光学アセンブリは、（ａ）平坦上面（１０１ａ）と結晶面角度を有する結晶基板（１０１）と、（ｂ）前記平坦上面に画定され且つ前記基板の縁部（３１５）から接続端部（１０３）へ延在する側壁（１０４）を有する少なくとも１つの溝（１０２）であって、前記溝（１０２）が前記接続端部（１０３）に第１のファセット（１０５）を有し、前記第１のファセット（１０５）が前記平坦上面に対して第１の角度を有し、且つ第１のファセット（１０５）が反射性である少なくとも１つの溝（１０２）と、（ｃ）光軸と前記第１のファセットに光結合される端面を有する光導管（１１０）と、（ｄ）導波路（１３１）と、（ｅ）前記第１のファセットの上方に配置され且つ前記第１のファセットによって反射されるように前記導波路と前記光導管とを光結合するように構成される回折光学部材（ＤＯＥ）（１４０）とを含む。
2015522854.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学アセンブリであって、
平坦上面（１０１ａ）と結晶面角度を有する結晶基板（１０１）と、
前記平坦上面に画定され且つ前記基板の縁部（３１５）から接続端部（１０３）へ延在する側壁１０４を有する少なくとも１つの溝（１０２）であって、前記溝（１０２）が前記接続端部（１０３）に第１のファセット（１０５）を有し、前記第１のファセット（１０５）が前記平坦上面に対して第１の角度を有し、且つ前記第１のファセット（１０５）が反射性である少なくとも１つの溝と、
光軸と前記第１のファセット（１０５）に光結合される端面を有する光導管（１１０）と、
導波路（１３１）と、
前記第１のファセット（１０５）の上方に配置され且つ前記第１のファセット（１０５）によって反射されるように前記導波路と前記光導管とを光結合するように構成される回折光学部材（ＤＯＥ）（１４０）とを備える光学アセンブリ。
【請求項２】
前記第１のファセット（１０５）は、前記基板（１０）を湿式エッチングすることによって生成される請求項１に記載の光学インタポーザ。
【請求項３】
前記第１の角度は前記結晶面角度である請求項２に記載の光学アセンブリ。
【請求項４】
前記基板はシリコンであり、
前記第１の角度は約５４．７°である請求項３に記載の光学アセンブリ。
【請求項５】
前記ＤＯＥ（１４０）と前記第１のファセット（１０５）との間の光ビームは、垂直な第２の角度であり、
前記第２の角度は、平坦面信号に対して非垂直である請求項３に記載の光学アセンブリ。
【請求項６】
前記導波路（１３１）は、光学部品（１３０）に一体化される請求項１に記載の光学アセンブリ。
【請求項７】
前記光学部品（１３０）は、フォトニックス集積回路である請求項６に記載の光学アセンブリ。
【請求項８】
前記光導管（１１０）は、光ファイバである請求項１に記載の光学アセンブリ。
【請求項９】
前記端面は、前記光軸に対して垂直である請求項８に記載の光学アセンブリ。
【請求項１０】
更に、前記導波路（５３１）に光結合された光学部品（５３０）を備え、
前記光学部品は、前記ファイバを前記溝（５０２）内に軸方向に配置するための少なくとも１つのストップを備える請求項９に記載の光学アセンブリ。
【請求項１１】
前記ストップは、前記ファイバが上方へ動くことを防止するために前記第１のファセット（１０５）上に配置された少なくとも１つのピラーを備える請求項１０に記載の光学アセンブリ。
【請求項１２】
更に、前記導波路に光結合された光学部品を備え、前記基板と前記光学部品は、前記光導管のための適切なクリアランスを前記溝に確保するためにある特定の高さの相補的ピラーを備える請求項１に記載の光学アセンブリ。
【請求項１３】
前記クリアランスは約２マイクロメートルであり、
前記溝は、前記平坦面に対して前記光軸の角度不整列を０．５°以下に制限するのに十分に長い請求項１２に記載の光学アセンブリ。
【請求項１４】
前記ピラーは、銅製ピラーである請求項１１に記載の光学アセンブリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、光学インターフェースに関し、より具体的には、光導管と導波路とを光結合するための回折光学部材と組み合わされた光屈曲を有する光学アセンブリに関する。
【背景技術】
【０００２】
デジタルデータ（音声、インターネット及びＩＰ音声データを含む）の伝送のための媒体として光ファイバの使用が、高い信頼性と光伝送システムで利用可能な大きなバンド幅のおかげでますます一般化している。これらのシステムの基本は、光信号を伝受信するための光学サブシステムである。
【０００３】
一般的な光学サブアセンブリは、光電デバイス又はフォトニクス集積回路（ＩＣ）のような光学部品と一体化されたインタポーザを備えている。本明細書で使用されるように、インタポーザは、光学部品、光電部品、及び電気部品のための基板として機能し、光学部品や光電部品や電気部品を光学的又は電気的に相互接続するための相互接続部を提供する。典型的なインタポーザは、ファイバを正確に保持するために１つ以上の溝を有する、例えば、シリコンからなる基板を備えることができる。従来の溝は、光ファイバをその長さ方向に沿って保持する二つの側壁を含むように基板を湿式エッチングによって「Ｖ」の形状に形成される。シリコンのような結晶材料を湿式エッチングすることは、材料の結晶面に沿った予測可能で且つ非常に正確なエッチングとなる。例えば、シリコンは、５４．７°の結晶面を有し、従って、湿式エッチングされた溝の側壁と端部ファセットは、基準表面から５４．７°の正確な角度で形成される。
【０００４】
従来のインタポーザＶ溝の端部ファセットは、それが光学部品や光電部品とＶ溝に保持された光ファイバとの間で光を反射するためのミラーとして使用されることができるように金属でコーティングすることができる。例えば、インタポーザにフリップチップ取付けされた光電光源は、コーン形状の光ビームをＶ溝の端部ファセットミラー上に放射する。Ｖ溝の端部ファセットミラーは、その光をＶ溝に保持された光ファイバの端部を介して反射する。
【０００５】
上で論じたように、湿式エッチングされたＶ溝の端部ファセットの表面は、基準表面から正確に５４．７°の角度である。そのように、光は、基準表面から約−１９．４°で光ファイバを介して溝の端部ファセットから且つＶ溝に保持された光ファイバの長手軸からも反射される。従って、Ｖ溝の端部ファセットミラーを利用して光ファイバの端部を介して光を発射する現在のデバイスは、光の多くが光ファイバの軸から離れるように反射させられて、非最適信号伝送性能となる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
発明者は、光学部品と光ファイバ導管との間で光結合の改良の必要性があることを認識している。特に、発明者は、大量で、経済的な製造技術を使用して準備されることができるインタポーザの必要性を確認している。本発明は、とりわけこの必要性を満たす。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
以下では、本発明の幾つかの態様の基本的理解を提供するために本発明の簡単な概要を提示する。本発明は、回折光学部材（ＤＯＥ）を使用してインタポーザのファセットによって反射されるように、導波路と光導管とを光結合することによって製造性が高い光学アセンブリを提供する。このＤＯＥカプラーは、設定可能性が高く、光を再形成してそれを異なる光学媒体に焦点を合わせることができる。ここで特に重要なことは、楕円形又は長円形のスポット形状を有する光を非垂直な角度で曲がる光からのように再形成し焦点を合わせるＤＯＥの能力である。非垂直な角度で反射される光の焦点を合せ且つ結合する能力は、必ずしも光の伝搬の軸に対して４５°の角度ではない反射ファセットでインタポーザが形成されることができるので有利である。従って、４５°の角度をその基板に機械加工することによってインタポーザ中に光屈曲ファセットを形成することではなくて、代わりに、光屈曲ファセットは、湿式エッチングによって基板の結晶面角度に沿って形成されることができる。湿式エッチングは、インタポーザの大量で、経済的且つ極度に正確な製造を容易にする。
【０００８】
従って、本発明の一態様は、ＤＯＥカプラーを備える光学アセンブリである。一実施形態では、光学アセンブリは、（ａ）平坦上面と結晶面角度を有する結晶基板と、（ｂ）前記平坦上面に画定され且つ前記基板の縁部から接続端部へ延在する側壁を有する少なくとも１つの溝であって、前記溝が前記接続端部に第１のファセットを有し、前記第１のファセットが前記平坦上面に対して第１の角度を有し、且つ第１のファセットが反射性である少なくとも１つの溝と、（ｃ）光軸と前記第１のファセットに光結合される端面を有する光導管と、（ｄ）導波路と、（ｅ）前記第１のファセットの上方に配置され且つ前記第１のファセットによって反射されるように前記導波路と前記光導管とを光結合するように構成される回折光学部材（ＤＯＥ）とを備える。
【０００９】
本発明の他の態様は、上述の光学アセンブリに使用される光学部品である。一実施形態では、光学部品は、（ａ）回折光学部材（ＤＯＥ）と、（ｂ）前記ＤＯＥに光結合される断熱性移行部を有する光導波路であって、前記ＤＯＥは前記インタポーザのミラーファセットを介して拡張導波路をファイバモードサイズと開口数特性を整合する光導管の端部面に画像形成するように構成される少なくとも１本の光導波路とを備える。
【００１０】
本発明の更に他の態様は、上述の光学部品との組合せで使用されるインタポーザである。一実施形態では、インタポーザは、（ａ）平坦上面と結晶面角度を有する結晶基板と、（ｂ）前記平坦上面に画定され且つ前記基板の縁部から接続端部へ延在する側壁を有する少なくとも１つの溝であって、前記溝が前記接続端部に第１のファセットを有し、前記第１のファセットが前記平坦上面に対して第１の角度を有し、且つ第１のファセットが反射性であり、前記溝が光軸と前記第１のファセットと光結合される端面を有する光導管を受容するように構成される少なくとも１つの溝と、（ｃ）前記光学部品上の前記ＤＯＣを前記第１のファセット上に正確に配置するために前記光学部品上にボンディングパッド構成体を正確に整合するように構成されるボンディングパッドとを備える。
【００１１】
本発明は、ここに、添付の図面を参照して例として説明される。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明のサブアセンブリにおけるインタポーザの拡大断面図を示す。
【００１３】
【図２】図１に示されるインタポーザの正面図である。
【００１４】
【図３】図１に示されるインタポーザを使用するサブアセンブリの断面図である。
【００１５】
【図４】図１に示されるインタポーザの基板の平坦上面上のピラー構成物の一実施形態を示す。
【００１６】
【図５】図１に示されるインタポーザの光学部品の底面上のピラー構成物の一実施形態を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
図１と図２を参照すると、本発明のサブアセンブリ１００の一実施形態が示されている。このサブアセンブリ１００は、インタポーザ１５０を備え、このインタポーザ１５０は、平坦上面１０１ａと結晶面角度αを有する結晶基板１０１を備える。少なくとも１つの溝１０２が平坦上面１０１ａに画定されている。その溝１０２は、基板の縁部３１５（図３参照）から接続端部１０３まで延在する側壁１０４を有する。溝は、接続端部１０３に第１のファセット１０５を有する。第１のファセット１０５は、平坦上面に対して第１の角度を有する。第１のファセット１０５は、反射性であり、一実施形態では、鏡面であるべき反射コーティング１０５ａを有する。溝１０２には、光軸１１１と第１のファセット１０５に光結合される端面１１２とを有する光導管１１０が配置される。サブアセンブリは、また、基板１０１の上方に配置される導波路１３１を備える。回折光学部材（ＤＯＥ）は、第１のファセット１０５の上方に配置され、第１のファセットによって反射されるように、導波路と光導管とを光結合するように構成される。これらの部材の各々と選択された代替実施形態は、以下でより詳細に記述される。
【００１８】
インタポーザの主機能は、光ファイバ、光学部品（単数又は複数）及び関連する電気回路類を支持し、整列し、且つ固定するために基板すなわちバックボーンを提供することである。その目的を達成するために、インタポーザは、溝を画定するためにエッチング又は機械加工されることができ且つ熱に関して安定し、半田リフローの適用において典型的な温度まで加熱されるのに適する剛性材料からなるべきである。
【００１９】
製造を容易するために、一実施形態では、基板は、結晶面角度を有する結晶材料からなる。そのような材料は、結晶面角度に沿って湿式エッチングをして、結果として予測でき且つ高精度の溝となることが知られている。また、湿式エッチングは、ウエハスケール上に対して実行されることができ、それによって、単一の同時操作で基板内に全ての溝とファセットを画定できる。一実施形態では、個別のインタポーザの側部さえこの操作で画定される。適切な結晶材料の一例は、シリコンである。
【００２０】
一実施形態では、溝の平行な側壁１０４は、所定位置に光導管を保持する。単一のファイバのアプリケーションがここでは示され且つ記述されるが、本発明は、単一のファイバのアプリケーションに限定されず、ファイバのアレイ、リボンファイバ及び平面導波路に適用できることが理解されるべきである。加えて、一実施形態では、基板は、複数の溝を画定する。必要ではないが、本実施形態では、これらの溝は並列であることが好ましい。とりわけ、並列な溝は共通の第１のファセットを容易にする（以下に記述）。
【００２１】
側壁は、従来のＶ溝の壁であってもよいし、それらは、略Ｕ溝を形成するように平坦上面に対して垂直であってもよい。湿式エッチング又は乾式エッチング又は機械加工は、溝を形成するために使用されるが、湿式エッチングは、それが上述のように、製造を容易にするので、（必須ではないが）一般的に好適である。
【００２２】
本発明の重要な態様は、接続端部１０３にある第１のファセット１０５である。一実施形態では、第１のファセット１０５は、湿式エッチングの結果として、基板の結晶面によって決定される角度αである。例えば、シリコン基板では、従来の湿式エッチングでは、上述され且つ図１に示されるように、５４．７°の壁傾斜を有するＶ溝となる。低コスト、大量製造性とは別に、湿式エッチングは、乾式エッチング技術を使用する時よりも、より速いエッチング速度とより高い精度の端部ファセット角度を提供する。湿式エッチングは、基板の結晶面が、湿式エッチング時に、端部ファセット角度を決定付けるので、装置設定とプロセスに関連する端部ファセット角度に関する製造誤差を回避する。
【００２３】
一実施形態では、個別の第１のファセットは、各溝に対してエッチングされる。或いは、他の一実施形態では、共通の第１のファセットが、接続端部１０３で複数の溝を横切る十字溝をエッチングすることによって形成されることができる。一回の工程で複数の溝１０２を横切る共通の十字溝をエッチングして第１のファセット１０５を画定することによって、スケールの経済性が実現され、且つ異なる第１のファセット間の連続性が確保される。しかしながら、共通の第１のファセットを有するインタポーザは、個別の第１のファセットを有する基板の場合のような溝同士間の光分離度を有さない。
【００２４】
一実施形態では、側壁は、第１のファセットよりも深くエッチングされて段部（図示せず）を画定する。言い換えれば、第１のファセットは、その下側縁部が光軸よりも低いが、溝の底よりも上であるようにエッチングされる。この実施形態は、光導管の端面を段部に当接させることによって溝内に光導管の受動的軸方向整列を容易にする。
【００２５】
一実施形態では、第１のファセットの少なくとも一部は、それがより反射性になるように処理される。一実施形態では、当業界で既知のように、その表面の処理は、それを金属又は他の反射性材料でコーティングし第１のファセットを鏡面にすることを含む。適切な反射材料は、例えば、金、銀、アルミニウム及び誘電体を含む。これらの材料は、蒸発、スパッタリング及び蒸着を含む既知の技術を使用してファセットに堆積される。
【００２６】
インタポーザの重要な整列関係の全てがウエハスケール上に画定されることができるのではないが、ほとんどは、しばしば、極僅かの、又は単一のフォトリソグラフィ工程でもウエハスケール上に画定されることができる。具体的には、ファイバを保持するための溝、光学部品の電気接続及び受動的整列を提供するためのコンタクトパッドやピラーの配置は、単一のマスキング工程で画定されてもよい。加えて、一実施形態では、種々の部品間での光学的相互接続や電気的相互接続は、単一のマスキング工程で画定されてもよい。例えば、光学部品のためのパッドやピラーと電気ドライバ回路のためのパッドを相互接続する種々のトレース、及び電気ドライバ回路と基板貫通バイアとの間のトレースは、単一のマスキング工程で画定されてもよい。一実施形態では、インタポーザの縁部でさえ、同一のマスキング工程で画定される。換言すれば、インタポーザの各ロケータ縁部は、ウエハにエッチングされたダイシング溝の半分である。ウエハは、各ダイシング溝の平らな底部で分割されるのみで基板の結晶面角度によって画定されるロケータ縁部を形成する。この方法は、インタポーザの縁部から溝１０２のような重要な機能部までの距離がしばしば単一の工程で正確に制御され、それによって、誤差の累積を排除し、インタポーザでアセンブリ製造を単純化する。
【００２７】
光導管１１０は、光を伝送するための任意の既知の媒体でよい。図１の実施形態では、光導管１１０は、光ファイバ１１０ａである。光ファイバ１１０ａは、単一モードファイバ、マルチモードファイバ、又は極性維持単一モードファイバでもよい。光ファイバは、長いファイバであってもよく、或いはファイバのより長い長さまでのスプライシングや接続のためピグテールであってもよい。もしファイバがピグテールである場合、より小さな直径のファイバを使用することが有益である。例えば、市場で入手可能な８０マイクロメートルの直径のファイバが使用されてもよい。より小さな直径のファイバを使用することは、より狭い溝のため及び基板表面のより少ないエッチングで他の目的で利用できる基板上面の多くを残すために提供される。加えて、より狭い溝は、第１のファセットを介してファイバの前面とＤＯＥとの間のより短い光路へ移行する。より短い光路は、ビームの拡張がより少なくなり、従って、必要なＤＯＥのサイズを減少することになる。このように、より小さな直径のファイバは、多数の重要な長所を有する。
【００２８】
光ファイバ１１０ａが図１の実施形態に示されているが、任意の光導管が使用されてもよいことが理解されるべきである。適切な光導管は、例えば、個別ファイバ、リボンファイバ及び平面導波路を含む。そのような平面導波路の使用は既知であり、例えば、米国特許出願第１３／０１７，６６８号明細書に記述されている。
【００２９】
端面１１２は、種々の方法で構成されることができる。例えば、図１に示される実施形態では、端面１１２は、光軸１１１に対して垂直である。そのような構成は、直角クリーブが周知の機械的且つレーザクリービング技術を使用して容易に実行されるので、製造を容易にする。加えて、一実施形態では、法線方向端面１１２は、（上述されたように）端面を基板内にエッチングされた段部又は（以下で記述されるように）第２の基板上のストップ（停止部）に当接させることによって、溝１０２内に光導管１１０の軸方向整列を容易にする。或いは、端面１１２は、それが、第１のファセット１０５と物理的に接触し、それによって、空隙を排除するように、第１の角度αでクリーブされることができる。そのような構成は、端面と第１のファセットとの間の物理的接触がフレネル反射損失を減少するものの、より複雑なクリービングを必要とし、ファイバが調整のために回転されるのを防止する。（もし空隙が光軸１１１に対して垂直である端面と共にある場合、屈折率整合ジェルがフレネル反射損失を減少するために使用されることができる。）更に他の実施形態では、幾つかの用途では、追加の光学性能や受動整列のためにファイバ１１０の端面１１２を更にプロファイルすることが望ましい。例えば、側部ファセットは、光結合を向上するために第１の整合ファセットのいずれかの側にファイバ端面が追加されることができる（例えば、米国特許出願第１２／５１０，９５４号を参照）。更に、ビーム１７０とＤＯＥ１４０との干渉を回避する角度にされる上面を有する端面１１２を形成することが望ましい。
【００３０】
光ファイバ１１０ａは、種々の既知の方法で溝に固定されることができる。例えば、光ファイバは、所定位置に金属コーティングされて半田付けされてもよいし、所定位置に接着剤で接着されてもよい。一実施形態では、ＵＶ硬化型光透過性接着剤が光ファイバを溝内に固定するために使用される。一実施形態では、光ファイバ１１０ａは、他のファイバとのスプライシング又は接続を容易にするために自由先端部（図示せず）を有するピグテールである。例えば、光ファイバ１１０ａは光ファイバ回路のファイバに接続されてもよいし、或いは光ファイバ１１０ａは光ファイバ回路からの直接のファイバであってもよい。
【００３１】
本発明の重要な態様は、計算された配光を生成するために干渉と回折によって動作する薄い位相部材である回折光学部材（ＤＯＥ）である。（ＤＯＥは、時には、格子、ホログラフィー光学部材、及びサブ波長回折格子とも呼ばれる。）特に、ＤＯＥ１４０は、第１のファセットによって反射されるように、導波路と光導管とを光結合するように構成され、そうすることで、光導管のモードサイズと開口数特性、及び例えば導波路の断熱性テーパー導波路移行部の使用の結果生ずる任意のモードサイズ変換を含む導波路のモードサイズと特性に整合する。光ビームが光導管の端面からＤＯＥの表面へ拡張するため、及び一実施形態では、光ビームが４５°ではない第１のファセットから反射されることによって長くされるため、ＤＯＥは、導波路に沿って伝搬するようにこのビームの焦点を合わせて再形成するように構成されなければならない。具体的には、第１のファセットがシリコンの結晶面に沿ってエッチングされる実施形態では、第１の角度は、４５°ではなく、むしろ結晶面角度、シリコンの場合、５４．７°である。従って、第１のファセットによって反射された光は、シリコン基板の場合、（平坦面１０１ａに対する垂線に対して）約１９．４°である非垂直法線第２角度βで基板の平面に当り５４．７°の結晶面角度からの反射を補完する。非垂直角度は、ＤＯＥによって再形成され且つ焦点を合されて導波路へ発射されなければならないＤＯＥ上の楕円形又は長円形のスポット形状となる。適切に構成されたＤＯＥは、第１の面によって導波路に反射されるように、ファイバ導管から放射された光を形成し且つ焦点を合わせるのみならず、逆に働き、導波路から放射された光を再形成し第１の面と光学導管へ焦点を合わせる。このような形成や焦点合わせは、上で述べたように、円弧、突条、ピラー等をＤＯＥで使用して干渉と回折を介して達成されることができる。上述のように、光を形成し且つ焦点を合わせて非垂直第２角度に合わせるように構成することは別として、ＤＯＥは、光導管との異なるインターフェースのために構成されるべきである。例えば、一実施形態では、それは、エアパスのために構成され、他の実施形態では、屈折率整合ジェルのために構成される。
【００３２】
ＤＯＥは、少なくともビーム１７０のスポットサイズのサイズの面積を有するべきである。これに関して、スポットサイズはビームが非垂直角度でＤＯＥに入射するので、上述のように、ビームの断面よりも大きいことに留意すべきである。従来のレンズと異なり、ＤＯＥは、任意の位置でＤＯＥ上への逸脱した光の入射角度を計算でき、既知の角度に基づき必要な構造を組み込んで光を形成し且つ焦点を合わせることができるので、期待されたスポットサイズよりも大きくされて周囲に沿う逸脱した光を捕捉する。従って、比較的大きなＤＯＥ表面積が一般的には好適である。例えば、光学部品５３０の底面図である図５に示されるように、ＤＯＥ５４０は、約３５マイクロメートルの幅を有する。
【００３３】
そのようなＤＯＥの用意は既知であり、例えば、ＦＲＥＤＥＲＩＫ  ＶＡＮ  ＬＡＥＲＥ，ＥＴ  ＡＬ．，Ｃｏｍｐａｃｔ  Ｆｏｃｕｓｉｎｇ  Ｇｒａｔｉｎｇ  Ｃｏｕｐｌｅｒｓ  ｆｏｒ  Ｓｉｌｉｃｏｎ−ｏｎ−Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ  Ｉｎｔｅｇｒａｌ  Ｃｉｒｃｕｉｔｓ，ＩＥＥＥ  ＰＨＯＴＯＮＩＣＳ  ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ  ＬＥＴＴＥＲＳ，ＶＯＬ．１９，ＮＯ．２３，（Ｄｅｃ．１，２００７）；ＴＩＮＧＤＩ  ＬＩＡＯ，ＥＴ  ＡＬ．，Ｈｉｇｈ−Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ  Ｆｏｃｕｓｉｎｇ  Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ  Ｇｒａｔｉｎｇ  Ｃｏｕｐｌｅｒ  ｗｉｔｈ  Ｐａｒａｌｌｅｌｏｇｒａｍｉｃ  Ｇｒｏｏｖｅ  Ｐｒｏｆｉｌｅｓ，ＪＯＵＲＮＡＬ  ＯＦ  ＬＩＧＨＷＡＶＥ  ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ，ＶＯＬ．１５，ＮＯ．７（Ｊｕｌｙ  １９９７）；ＬＵＫＡＳ  ＣＨＲＯＳＴＯＷＳＫＩ，  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｇｒａｔｉｎｇｓ：Ｎａｎｏ−ｅｎｇｉｎｅｅｒｅｄ  Ｌｅｎｓｅｓ，ＮＡＴＵＲＥ  ＰＨＯＴＯＮＩＣＳ，ＶＯＬ４（Ｊｕｌｙ  ２０１０）；ＤＡＶＩＤ  ＦＡＴＴＡＬ，ＥＴ  ＡＬ．，Ｆｌａｔ  Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｇｒａｔｉｎｇ  Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒｓ  ｗｉｔｈ  Ｆｏｃｕｓｉｎｇ  Ａｂｉｌｉｔｉｅｓ，ＮＡＴＵＲＥ  ＰＨＯＴＯＮＩＣＳ，ＶＯＬ４（Ｊｕｌｙ  ２０１０）；Ｇ．Ｊ．ＳＷＡＮＳＯＮ，  Ｂｉｎａｒｙ  Ｏｐｔｉｃｓ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ：Ｔｈｅ  Ｔｈｅｏｒｙ  ａｎｄ  Ｄｅｓｉｇｎ  ｏｆ  Ｍｕｌｔｉ−ｌｅｖｅｌ  ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｅｌｅｍｅｎｔｓ；ＬＩＮＣＯＬＮ  ＬＡＢＯＲＡＴＯＲＹ，  ＭＡＳＳＡＣＨＵＳＥＴＴＳ  ＩＮＳＴＩＴＵＴＥ  ＯＦ  ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ，  Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ  Ｒｅｐｏｒｔ  ８５４（１４  Ａｕｇｕｓｔ  １９８９）、及び米国特許第５，６５７，４０７号で述べられており、これらの全ては、参照によってここに組み込まれる。適切なＤＯＥは、例えば、２次元高インデックスコントラストフォーカシングＤＯＥを含む。この開示に照らして当業者は、過度の実験を行うことなく適切なＤＯＥを製造できる。
【００３４】
ＤＯＥ５４０は、断熱性テーパー導波路移行のような既知の技術を使用して導波路５３１に接続される。図１に示されるように、光学部品１３０上の導波路１３１は、他の構成が可能であるが、インタポーザの平坦面１０１ａと実質的に平行である。適切な導波路は、例えば、シリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）ワイヤ、リブ導波路、又は光ファイバも含む。ＤＯＥは、上述のように、光ビーム１７０のスポットサイズと少なくとも同じ大きさの表面積を有し、且つ導波路は、より狭い（例えば、０．５マイクロメートル）傾向があるので、導波路５３１のこの実施形態は、図５に示されるように、断熱性移行部５３２を備える。一般的に、導波路５１３の幅に向かって徐々に先細りになることは、移行部において伝搬損失を最小にするために好適である。
【００３５】
図１の実施形態では、導波路１３１は、光学部品１３０と一体である。しかしながら、導波路は、個別的であり、光学部品から独立してもよいことを理解するべきである。或いは、導波路とＤＯＥは、第２の基板（図示せず）上に配置されてもよい。第２の基板は、例えば、シリコン、ＰＣＢ、フレックス材料、ガラス、及びポリアミドであってもよい。そのような実施形態では、光学部品に関連して以下で記述されるように、整列やインタポーザとの熱的相互接続や電気的相互接続のためのパッドやピラーは、第２の基板とも同様に使用されることができる。これに関して、本発明は、完全に一体化された光学部品無しで実施されることができる。
【００３６】
光学部品１３０は、ファイバに光結合されることができる任意の既知の又は今後開発される特定用途向けフォトニック部品であってもよい。光学部品は、例えば、（ａ）光を発する、検出する、制御する電気デバイス（例えば、光信号を送信又は受信する、光信号を処理する、及び応答信号を伝送するためのＣＭＯＳフォトニックプロセッサのようなフォトニックスプロセッサ、電光メモリ、電光ランダムアクセスメモリ（ＥＯ−ＲＡＭ）又は電光ダイナミックランダムアクセスメモリ（ＥＯ−ＤＲＡＭ）、及び光メモリを管理するための電光論理チップ（ＥＯ−論理チップ）、垂直キャビティ表面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ），ダブルチャネル、プレーナ埋め込みヘテロ構造体（ＤＣ−ＰＢＨ）、埋め込みクレセント（ＢＣ），分配フィードバック（ＤＦＢ）、分配ブラッグ反射器（ＤＢＲ）；表面発光ＬＥＤ（ＳＥＬＥＤ），エッジ発光ＬＥＤ（ＥＬＥＤ）のような発光ダイオード（ＬＥＤ）、スーパー輝度ダイオード（ＳＬＤ）、及びＰＩＮダイオードやアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）のようなフォトダイオード）である電光デバイス（ＯＥＤ）；（ｂ）光エネルギーを他の形態に変換せず且つ状態を変化しない受動部品（例えば、ファイバ、レンズ、アッドフィルタやドロップフィルタ、アレイ状に配置された導波路格子（ＡＷＧｓ）、ＧＲＩＮレンズ、スプリッタやカプラー、平面導波路、又は減衰器）；又は（ｃ）光エネルギーを他の形態に変換しないが、制御信号に応答して状態を変化するハイブリッドデバイス（例えば、スイッチ、ルーター、変調器、減衰器、及び調整可能フィルタ）である。また、光学部品は、単一の個別デバイスでもよいし、又はデバイスのアレイとして組み立てられるか一体化されることができることが理解されるべきである。
【００３７】
一実施形態では、光学部品１３０と基板１０１は、中に光導管１１０を受容すべき誤差が厳密なチャネル１９０を形成するように働き合う。より具体的には、光学部品５３０に接続されたインタポーザ３５０を有する光学サブアセンブリ３００を示す図３を参照する。光学部品は、溝５０２の上方に正確に配置され、導管が溝に挿入されると、光導管３１０の上方に所定のクリアランスを提供する。この所定のクリアランスの大きさに依存して、最小の溝長は、光導管の光軸１１１の角度不整列がある特定の範囲内に維持されることを保証するように決定されることができる。例えば、出願人は、光軸不整列が０．５°未満であることを保証するために２マイクロメートルのクリアランスが約２３０マイクロメートル長である溝を必要とすることを決定した。クリアランスがより小さくなると溝長がより短くなることが必要であるが、クリアランスが小さくなると、光導管３１０をチャネル３９０内へ挿入することの困難さが増すことになる。この開示に照らして、当業者は、最適化されたクリアランスに基づいて最小溝長を決定することができる。
【００３８】
溝の上方への光学部品の正確な配置は、種々の方法で達成されることができる。図１の実施形態では、溝と光学部品との間の間隔は、光学部品と基板上に夫々配置されるピラー１７０，１７１によって制御される。具体的には、図４と図５を参照すると、基板１０１の平坦面１０１ａと光学部品５３０の底面のレイアウトが示されている。（図５における表面は、サブアセンブリ１００中のその位置に関して底面と呼ばれる。しかしながら、周知のように、当業者は、この表面が実際には基板上に「フリップチップ」されるチップの上面であることを認識している。）各レイアウトは、光学部品を支持するため、光学部品を基板に電気的に接続するため、及び光学部品と基板間への熱伝導を促進して光学部品の冷却を助けるためのピラーを描いている。例えば、図４を参照すると、中にエッチングされた複数の溝４０２を有する基板４０１の平坦面４０１ａが示されている。各溝４０２の接続端部４０３に画定された第１のファセット４０５も示されている。ピラー４７１、本実施形態では、銅製ピラーが平坦面４０１ａ上に画定されている。ピラー４７１は、図５に示されるように、光学部品５３０の底側の対応するピラー５７０を有する。
【００３９】
これらのピラーは、光学部品を基板上に正確に配置するのみならず、光学部品を基板と正確に整列するように機能する。すなわち、相補ピラー４７１，５７０との間の半田が、リフロー作業中に光学部品を基板と受動的に整列するために使用されることができる。この結果、光学部品は、ピラー４７１，５７０が、既知のピックアンドプレース技術を使用して大まかに整列状態になるように、基板上に配置される。基板と光学部品との間の整列は、ピラー上の半田の表面張力がピラーを整列させ、それによって基板の溝に対して光学部品を正確に配置するようにアセンブリがリフローされる時に、達成される。このようなメカニズムは、参照によってここに組み込まれる米国特許第７，５１１，２５８号に開示されるものと同様である。或いは、半田リフローではなくて、熱圧縮接合が相補ピラーを直接接合するために使用されてもよい。
【００４０】
光学部品の基板への配置のための光学部品上のピラー５７０に加えて、ピラー５６０（図１のピラー１６０）は、ＤＯＥ５４０の位置に対してファイバ端面を軸方向に配置するために機械的ストップとして使用されることができる。丸い支持ピラー５７０とは異なり、本実施形態のピラー５６０は、直線状縁部と光導管端面１１２が当接する面を提供するように矩形である。より具体的には、図１と図２に戻って参照すると、ピラー１６０は、端面１１２が傾斜された第１のファセット１０５に押し付けられ時に光導管１１０が上方に付勢されるのを防止する。一実施形態では、ピラー５７０と５６０は、製造を容易にするために同じ高さである。ピラーを使用して光導管を第１のファセット上で上昇するのを防止するのではなくて、光導管が動く度合いを制御するためにチャネルが使用されてもよい。より具体的には、一実施形態では、光導管の端面は、上述のように、第１の面と整合するように角度付けられることができる。そのような構成は、端面が溝内に押し込まれる時に、第１のファセットと前面とのカム作用を促進してその端面を上方に移動する。光導管の上方のクリアランスが光学部品の位置によって正確に制御され且つ光導管が光学部品の底に当接する時に端面が第１の面と整合するようにクリーブされるならば、次に、光導管の正確な配置は、ファイバを光学部品の底に当接するまで前方へ押し込むことによって達成されることができ、ファイバの端面が第１のファセットに物理的に接触する。更に他の整列アプローチは、この開示に照らして、当業者には既知である。
【００４１】
他の一実施形態では、半田パッドに代えて又は加えて、インタポーザ上の他の基準が受動整列を容易にするために使用されてもよい。基準は、光学部品の受動整列を提供する任意の構造体又はマーキングでもよい。種々の基準が使用されることができる。例えば、基準は、インタポーザ上に正確に配置されるために、光学部品の縁部が接触する位置決め表面を提供する平坦面から突出する物理的構造体であってもよい。或いは、基準は、例えば、Ｓｕｓｓ  ＭｉｃｒｏＴｅｃ  ｍａｃｈｉｎｅ（例えば、米国特許第７，５１１，２５８号参照）のような市場から入手できる超高精度ダイボンディングマシンを使用してインタポーザ上への光学部品の可視整列を可能とするマーキングであってもよい。加えて、基準とコンタクトパッドの組合せが使用されてもよい。例えば、パッドは、光学部品をインタポーザの隆起基準と接触させるために使用されることができる。更に他の整列技術は、本開示に照らして、当業者には明白である。
【００４２】
他の既知の機能は、本発明のサブアセンブリに組み込まれることができることが理解されるべきである。例えば、一実施形態では、図１に示されるように、基板は、基板貫通バイア（ＴＳＶｓ）と熱バイア１８０を備える。同様に、基板１０１の底部は、従来の技術で既知のように、印刷回路基板又はフレキシブル回路とのインターフェースを介して電気接続を容易にするためのパッドを含んでいてもよい。
【００４３】
ここでの記述に基づいて、本発明の一実施形態は、Ｖ溝端ファセットの結晶面に沿って形成された反射鏡面を有するインタポーザである。インタポーザ基板は、ＤＯＥを有する表面実装フォトニックスＩＣチップを反射鏡面に整列するための手段を提供する。ＤＯＥは、インタポーザのＶ溝に保持される光ファイバ導管への効率的な結合を提供する反射鏡面へ光を伝送し及びそれから受光するように構成される。一実施形態では、インタポーザは、（ａ）平坦上面と結晶面角度を有する結晶基板、（ｂ）前記平坦上面に画定され且つ前記基板の縁部から接続端部へ延在する少なくとも１つの溝であって、前記溝が側壁を有し且つ接続端部に第１のファセットを有し、前記第１のファセットが前記平坦上面に対して第１の角度を有し、前記第１の角度が正確に前記基板の結晶面角度であり且つ第１のファセットが反射性にされる少なくとも１つの溝、（ｃ）前記平坦上面上に形成され且つ前記第１のファセットに対して正確な位置に構成されるインタポーザボンディングパッド、（ｄ）上側再配光層コンタクトパッドへインタポーザボンディングパッドを接合するために前記平坦上面上に形成された再配光層電気相互接続部、（ｅ）上側再配光層コンタクトパッドを後側コンタクトパッドに電気的に相互接続するための任意の基板貫通バイア、及び（ｆ）インタポーザの後側の交互位置で基板貫通バイアを後側コンタクトパッドに接合するために前記基板の前記平坦底面に形成された任意の後側再配光層電気相互接続部を備える。
【００４４】
本発明の他の実施形態は、チップへ及びチップからの光相互接続のための導波路ＤＯＥカプラーへ断熱性移行部によって効率的に結合される少なくとも１つの光導波路を有するフォトニックスＩＣチップである。導波路ＤＯＥカプラーは、インタポーザミラーファセットを介して拡張導波路をファイバ導管端面に画像形成するように設計され、ファイバモードサイズと開口数特性を整合する。また、チップは、ボンディングパッド構成物をインタポーザ上に正確に整合するように構成されるボンディングパッドを有する。ボンディングパッドは、機械的アセンブリとフォトニックＩＣ機能部のインタポーザ機能部への配置を提供し、且つフォトニックスＩＣとインタポーザとの間の電気的且つ熱的な相互接続を提供する。フォトニックスＩＣチップ上の特定のパッドは、機械的ファイバストップを提供するために光ファイバ導管と相互作用をする。機械的ファイバストップロケータパッドの位置は、導波路ＤＯＥカプラーの位置に対してフォトニックスＩＣチップ上に正確に配置されることができる。
【００４５】
更に他の実施形態では、本発明は、組み合わせで、上述されたフォトニックスＩＣが、任意ではあるが、光ファイバ導管及び電気印刷回路基板又はフレックス回路に組み付けられた上述のインタポーザを備えるアセンブリである。フォトニックスＩＣは、フォトニックＩＣ導波路ＤＯＥカプラーに対するインタポーザファセットミラーの正確な位置を構成するために、整合されたボンディングパッドを使用してインタポーザの上面上に取り付けられる。フォトニックＩＣの底面は、ボンディングパッドによって決定される正確な高さでインタポーザの上面から離間される。インタポーザのＶ溝のボンディング高さと配置は、光ファイバ導管の挿入のために設けられるクリアランスの量を決定する。フォトニックＩＣ上の機械的ファイバストップロケータパッドは、挿入中に、ファイバ端がインタポーザのファセットミラーの表面を上昇することを防止するように設計される。ファイバ端面対ミラー対導波路ＤＯＥカプラーの整列配置は、インタポーザフォトニックＩＣサブアセンブリによって決定される。ファイバ導管の角度制御は、挿入クリアランスと挿入距離によって決定される。フォトニックＩＣの縁部から結合位置までの距離は、ファイバ導管の角度整列の制御を提供し且つ導波路からフォトニックＩＣ上の導波路ＤＯＥカプラー配置までの断熱性移行部に対する長さを提供するのに十分である。一実施形態では、サブアセンブリは、（ａ）平坦上面と結晶面角度を有する結晶基板と、（ｂ）前記平坦上面に画定され且つ前記基板の縁部から接続端部へ延在する少なくとも１つの溝であって、前記溝が側壁を有し且つ前記接続端部に第１のファセットを有し、前記第１のファセットが前記平坦上面に対して第１の角度を有し、前記第１の角度が正確に結晶面角度であり且つ第１のファセットが反射性にされる少なくとも１つの溝と、（ｃ）光軸と、前記基板溝と機械的ストップ機能部とフォトニックＩＣの底面と協働して前記第１のファセットと光結合される端部を有する光ファイバ導管と、（ｄ）前記第１のファセットの上方に配置され且つ第２のグループの角度で前記第１のファセットへ光を伝送することやそれから受光するように構成される導波路ＤＯＥカプラーと、第２のグループの角度が基板平坦上面に対して垂直ではないことと、（ｅ）断熱性移行部によって前記導波路ＤＯＥカプラーに光結合される少なくとも１つの導波路を有するフォトニックＩＣ部品と、（ｆ）前記インタポーザの上面又は底面上のインタポーザへ電気的に接続される電気フレックス回路又は印刷回路基板を備える。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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