(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
オプトエレクトロニクスデバイスを光ファイバに位置合わせする装置であって、前記光ファイバが配置される溝を有する基板と、前記オプトエレクトロニクスデバイスが装着される受動位置合わせ部材とを有する装置において、
前記受動位置合わせ部材は、前記光ファイバを受容して配置するための溝を有し、
該溝は、前記オプトエレクトロニクスデバイスが装着される前記受動位置合わせ部材の一面に対して直交方向を向き、
前記受動位置合わせ部材は、前記オプトエレクトロニクスデバイスが配置される前記一面上に前記オプトエレクトロニクスデバイス用の位置合わせ部材を一体に有することを特徴とする装置。
【請求項２】
前記受動位置合わせ部材は単結晶材料であることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項３】
前記受動位置合わせ部材の前記溝は、正確に画定される結晶面による側壁を有することを特徴とする請求項１又は２記載の装置。
【請求項４】
前記位置合わせ部材は、台座及びスタンドオフであることを特徴とする請求項１ないし３のうちいずれか１項記載の装置。
【請求項５】
前記位置合わせ部材は、前部及び側部の位置合わせ台座であることを特徴とする請求項１ないし４のうちいずれか１項記載の装置。
【請求項６】
前記位置合わせ部材は、垂直スタンドオフであることを特徴とする請求項１ないし５のうちいずれか１項記載の装置。
【請求項７】
前記受動位置合わせ部材が前記基板のキャビティ内に装着され、
該キャビティは前記基板の前記溝に対して直交方向を向くことを特徴とする請求項１ないし６のうちいずれか１項記載の装置。
【請求項８】
オプトエレクトロニクスデバイスを光ファイバに直線的に位置合わせする受動位置合わせ部材であって、前記光ファイバを配置する溝及び前記オプトエレクトロニクスデバイスを装着する一面を有する受動位置合わせ部材において、
該受動位置合わせ部材は、前記光ファイバを受容して配置するための溝を有し、
該溝は、前記オプトエレクトロニクスデバイスが装着される前記一面に対して直交方向を向き、
前記受動位置合わせ部材は、前記一面上に前記オプトエレクトロニクスデバイス用の位置合わせ部材を一体に有することを特徴とする受動位置合わせ部材。
【発明の詳細な説明】
本願による発明は、能動及び受動光学デバイスの両方を単結晶材料に位置合わせするための直線受動位置合わせ装置に関する。
単結晶材料の使用により、光学デバイスを光ファイバに受動位置合わせして光学接続することが可能になる。能動的なデバイス位置合わせの必要を置き換えるそれらの材料の使用は、低コストの実現、ＦＴＴＨ（ファイバ・トゥー・ザ・ホーム）及びＦＴＴＯ（ファイバ・トゥー・ザ・オフィス）への応用を含む光リンクの大量生産に対する可能性を含む。従って、近年単結晶材料の使用に基づく受動位置合わせ技術の開発に多大な関心、及び開発事業が行われている。単結晶シリコンの結晶の性質は良く知られているので、上の如き使用にはそれらと共通の単結晶シリコンが使用される。シリコンをエッチングして良く制御された結晶面を露出させる技術は1良く知られている。
光通信技術における好ましいデバイスのセットの一つは、面発光型及び面受光型のデバイスである。これにおいて、垂直キャビティ面発光レーザ（ＶＣＳＥＬＳ）、及び頂面に光を受光又は発光する光感知面を有する（ＰＩＮ光ダイオードの如き）光検出器の如きデバイスの使用は、光ファイバにデバイスを位置合わせするために様々な変更を要求する。通常、シリコン光ベンチを使用してデバイスと光ファイバとを位置合わせするために、デバイスをファイバとは相違する面に配置し、反射面によって光が両者間を結合するようにすることが必要とされる。このような技術はある程度の受動位置合わせを可能にすることができる点で利点を有するものの、デバイスを能動的に所定位置に位置合わせして光が反射面によって適当に反射されるようにすることが必要となる。更に、反射面の使用は、各光学面で分散効果により生じる固有の損失を有するので、結合効率を下げてしまう。従って、より効率的なシステムでは、ファイバとデバイスとの直線的結合を可能にするべきである。
デバイスとファイバとを直線状にして結合するために、シリコンウエハ基板技術を使用することは良く知られている。２つの単結晶材料が実装部材として使用され、それらの実装部材の内側には各実装部材の相補的位置に凹部がエッチングして形成されることが知られている。これらの凹部は小球を受容し、デバイスをファイバと結合させるべく実装部材を位置合わせする。従来の例は位置合わせ基準点の他の型の使用を示しているが、この従来例に示される発明には２つの本質的な欠点がある。位置合わせを行う際に、デバイスがファイバに結合されて支持されるために別体の部材を必要とし、光ファイバを支持するために他の部材を必要とする。更に、位置合わせ基準点は、ファイバを支持するウエハ基板とデバイスを支持するウエハボードとの間に置かれる別体の部品となる。
この従来例の説明についての考察から容易に理解されるように、位置合わせ基準点は、位置合わせされるべき追加の部品を要求する追加の工程につながる。更に、この従来例による位置合わせの基準点によれば誤った配置の虞もあり、部材の誤った位置合わせが行われてしまうこともある。従って、光ファイバ及びデバイスが単一の位置合わせ部材に直接取り付けられることを可能にする装置が必要とされる。更に、単一の位置合わせ部材上に一体的に形成される位置合わせ台座及びスタンドオフによって受動位置合わせを可能にする装置が必要とされる。これにより両者間の位置合わせが単純且つ効果的に、製造コストを安価にして行うことができる。
本発明は単純にして、単結晶材料に光ファイバ及びデバイスを位置合わせする基本的に相違する方法に関する。これにおいて、受動位置合わせフレームは、光ファイバを受容し内部に固定するためのエッチングされた面を有する。更に、受動位置合わせフレームの上には、反応性イオンエッチングにより位置合わせ用の台座及びスタンドオフが形成される。台座はデバイスがファイバに結合されるために、それを予備的に正確に配置し固着することを可能にする。デバイス及びファイバは受動的に位置合わせされて結合される。図２に示す好適実施形態によれば、デバイス及びファイバが受動位置合わせフレームに受動的に固着され、フレームはその後本質的に制限されることなしに容易にパッケージされる。他の実施形態によれば、ファイバがまず基板上に位置する溝に固着され、面発光／面受光デバイスは受動位置合わせフレームに固着され、フレームはその後基板上に装着されファイバと受動的に位置合わせされる。受動位置合わせ部材（ＰＡＭ）上に金属配線が形成され、デバイスと外部回路間の電気接続が行われる。
本発明の目的は、光ファイバを面発光又は面受光デバイスに対して同一直線上となるよう受動的に位置合わせすることにある。
本発明の更なる目的は、ファイバ及びデバイスが受動位置合わせ部材に固着されてそれに正確に位置合わせされることで一体のユニットを形成させることにある。
本発明の特徴は、光学デバイスを光ファイバに受動的に位置合わせするために選択的にエッチングされた単結晶材料から形成された単一の受動位置合わせ部材を使用することにある。
本発明の更なる特徴は、正確な位置合わせを実現するための適当な配置が単一の受動位置合わせ部材に一体的に形成される台座によって実現されることである。
本発明の更なる特徴は、選択的にエッチングされた位置合わせ台座が、受動位置合わせ部材に第３の自由度を有するようにして、面発光及び面検知光学デバイスを２つの自由度方向に効果的に位置決め配置させることにある。
受動位置合わせ部材は、同時のプロセス技術により同時に単一のウエハから大量に製造され得ることが利点となる。
本発明は添付図面を参照して例示される。
図１は、光学デバイスを前面に固定し、光ファイバを受動位置合わせ部材（ＰＡＭ）の後面から受容して溝内に固定するＰＡＭの端面図である。
図２は、図１の端面図に示されるＰＡＭの斜視図であり、デバイスをその上に実装して示す図である。
図３及び図４は、本発明の他の実施形態を結合する単一のファイバ／デバイスの斜視図である。
図５は、多数の単一のＰＡＭを製造するために本発明により形成されるウエハの部分端面図である。
図６は、単一の光ファイバの応用のためのＰＡＭ内のファイバの配置を示す図である。
図７は、基板の溝内に実装される単一デバイスのＰＡＭを示す図であり、ファイバがその中に実装されて示される図である。
図８及び図９は、ＰＡＭ及びファイバが基板上に実装され、多数のファイバと多数のデバイスとが結合のためにＰＡＭに実装されて示される単一のＰＡＭの斜視図である。
図１０は、多数のファイバ及び多数のデバイスを有するＰＡＭの端面図である。
図１１は、多数のファイバ及び多数のデバイスを有するＰＡＭを複数形成するために製造されるウエハの部分を示す端面図である。
図１によれば、（外形を示す）光学デバイス１０２及び光ファイバ１１０が配置される受動位置合わせ部材（ＰＡＭ）１０１の端面図である。図１中には更に、前部位置合わせ台座１０３及び側部位置合わせ台座１０４が示されるが、それらはデバイス１０２の正確な位置合わせを可能とする。デバイス１０２は、用途に対応したものであり、ＶＣＳＥＬ、ｐｉｎ光ダイオード、又は焦点合わせ又は波長分割多重のために使用されるホログラムとされ得る。使用される特定のデバイスは面発光又は面受光のデバイスとされる必要がある。最後に電気接続１０７を実現するための金属配線が光学位置合わせ台座１０６とともに示される。最終的に実装された状態での装置は図３及び図４に斜視図にして示される。
本発明の本質は、面発光／面受光デバイス１０２が受動位置合わせ部材の内側端を使用してサブミクロンの精度でファイバに受動的に位置合わせされ得る点にある。図１及び図２には、本発明の好適実施形態が示される。それにおいては、デバイス１０２の位置合わせは、位置合わせ台座１０３、１０４によって行われる。図２に見られるように、デバイス１０２は、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）によりエッチングして、台座を受容する切り欠きを有するように形成される。このようにして、デバイスはＰＡＭ１０１の溝１０８に対して正確に配置される。その後、ファイバ１１０は溝１０８内に置かれて、デバイス１０２はファイバ１１０に受動的に位置合わせされる。デバイスのその後半田リフローによりＰＡＭに固着され、デバイスの半田が発光／受光を妨害する場合には追加的に垂直スタンドオフ１０６が使用される。ファイバが挿入され、デバイス１０２が取り除かれたＰＡＭの構成が図６に示される。
図３及び図４に示される他の実施形態では、光ファイバ１１０はＶ溝（図示せず）に取り付けられて示されるが、Ｖ溝は基板３０２を形成する単結晶材料に対する通常の技術によりエッチングされて形成される。好ましくは、基板はシリコンの（１００）面が使用され、上述のＮｏｒｔｈらによる参考文献に説明されるウエットエッチング技術によりエッチングされて形成される。ＰＡＭ１０１は基板のキャビティ３０３に取り付けられる。このキャビティは、ダイヤモンドの刃による切除により、ファイバ１１０を保持するＶ溝に対して垂直方向に延びるよう基板に形成される。最後に、デバイス１０２と外部電子回路（図示せず）との間の接触を実現するための電気接続が、金属配線１０７を介して金属配線３０４を通して行われる。図６の考察から容易に理解されるように、ファイバ１１０は容易にＰＡＭに位置合わせされる。より明確には、ファイバ１１０は基板のＶ溝に固着される。よってファイバは、溝３０３と所定の関係に正確に配置され、その後ＰＡＭは溝に対して所定の関係に固定され、このときファイバはその溝１０８に載置される。これによりデバイスは、ファイバに受動的に位置合わせされる。デバイス１０２をファイバに接続するよう結合させるために、ファイバ１１０は図３、図４及び図７に示されるようにＶ溝に固着される。固着は、静電ボンディング技術又は半田技術の如き半田付け技術又は他の技術によって行われ得る。最後に、これらのボンディング技術に加えて、商用の接着剤が接着媒体とされ得ること、及び上述のボンディング（又は固着）技術の全てが基板同様にＰＡＭにファイバを固着するために有効であることは、注目すべき重要な点である。シリコン基板は面内に、参照番号３０３で示される、刃で切除された溝を有する。デバイス１０２が実装されるＰＡＭは溝３０３に位置し、ファイバ１１０はその後上述されるようにしてＶ溝１０８を通るように置かれる。これは図６に明確に示される。これによりファイバはデバイス１０２に位置合わせされる。ＰＡＭ１０１はその後溝内に予備半田を提供することにより溝３０３に容易に固着することができる。半田は更に接触領域１０７及び３０４に置かれて、ＰＡＭと溝を介してシリコンウエハ基板との間にリフローを続けて行うことで電気接続を実現可能である。
デバイスを製造する工程が以下に議論される。図５に戻ると、ウエハの選択された領域に適当な寸法のエッチングされたダイアモンド型の多数の孔が示される。個々のＰＡＭはウエハからのダイシング加工により形成される。これによりウエハは好ましくはその頂面に（１１０）面を有する単結晶Ｓｉウエハとされる。この面方向は単に例示となる目的のために選択され、選択される他の様々な面方向が当業者の考慮の範囲にあり、本発明の範囲の中に含まれる。示される構造を実現するために、Ｎｏｒｔｈらの文献に示されるウエットエッチングの方法によってウエハにダイアモンド形の穴がエッチングにより形成される。側部及び前部の台座１０３、１０４のそれぞれはスタンドオフ１０６とともに反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法により形成される。ＲＩＥ技術の詳細は１９９４年のＫｌｕｗｅｒ  Ａｃａｄｅｍｉｃ  Ｐｕｂｌｉｓｈｅｒｓ社発行の「Ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ：Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  ａｎｄ  Ｐｕｂｌｉｓｈｅｒｓ」の第４章第１１３頁乃至第１１９頁に見られるが、その説明は特に参照文献として引用される。製造においては、ＲＩＥによる特徴が第１であり、次にＳｉＮｘのようなマスクによる特徴があるが、それはマスクとして機能するとともにＲＩＥによるエッチングの保護層としても作用する。フォトレジストがそれに提供され、面及び穴５０１がウエットエッチング技術により好ましい結晶面を露出させることにより形成される。最後に金属配線パターン１０７はウエハ上に、好ましくは金の如き導電性金属の真空蒸着法、スパッタリング法又はめっき法により形成される。このとき、デバイス１０２が載置され位置合わせ部材１０３、１０４に受動的に位置合わせされ、その後受動位置合わせダイボンダを使用することによりダイボンディングされる。その後、デバイス１０２を有する個々のＰＡＭ装置はダイアモンド刃を使用することによりウエハからダイシング加工される。
垂直方向に突出するスタンドオフ１０６は、ＶＣＳＥＬが好ましいデバイス１０２であるとき、位置合わせに利用される。このために、通常ファイバは上述の如く基板３０２上の所定位置に置かれ、ＶＣＳＥＬは側部及び前部の台座の使用により、（直交座標系を仮定するとき）Ｘ及びＹ方向に固定される。ＶＣＳＥＬのＺ方向の高さはスタンドオフ１０６によって正確に置かれ、このときＶＣＳＥＬはエピタキシャル層をファイバ１１０側に向けて（、即ちエピ側を下方に向けて）ＰＡＭに固着されるが、スタンドオフは半田がデバイスの発光／受光を妨げないようにできるという本質的な利点を有する。
本発明は単一のファイバを単一の面発光／面受光デバイスに結合する単一のＰＡＭについて示されるが、ＰＡＭがファイバ及びデバイスのアレイの位置合わせに使用される好適実施形態の応用及び製造について説明する。この好適実施形態は図８乃至図１１に示される。図８及び図９はアレイリンクの斜視図及び平面図である。これによれば、ＰＡＭ８０１はその頂面の好ましい（１００）結晶面を有するシリコン基板に切除して形成される溝８０２内に配置されるが、Ｖ溝はファイバ８０５の受容のためにエッチングして形成される。ファイバは、従って面発光／面受光デバイス８０４はアレイに位置合わせさせる。前部及び側部の位置合わせ台座及びスタンドオフの形成、及びＰＡＭのエッチングの工程及び技術は上述の単一のファイバ／ＰＡＭ／デバイスの説明と同様である。ＰＡＭ８０１は図１０に端部が図示されるように、それぞれ前部及び側部の位置合わせ台座９０１、９０２、及び追加のスタンドオフ９０４を有する。金属配線９０５は上述のように形成される。再度集積型の製造によれば、ＰＡＭは図１１に示されるＳｉウエハの（１１０）結晶面に図１１のように形成され、ＰＡＭの製造技術、デバイス８０４の実装、及び個々のＰＡＭアレイの分離は単一のＰＡＭについて説明したのと同様の方法による。図１２及び図１３は、デバイス１２２及びファイバ１２３を図１及び図２に示される単一のデバイス／単一のファイバのＰＡＭについて説明される技術で一体のユニットを形成することによりＰＡＭに装着した多重ファイバ／多重デバイスの構成を示す。
本発明は当業者により容易に理解されるように、受動位置合わせ部材を実現するための材料及びデバイスの変更は当業者の考察の範囲において考えられ得る。例えば、多重デバイス／多重ファイバのＰＡＭはトランシーバとして使用可能であることは本発明の考察の中で明確に理解される。これらのことは本発明の範囲の中にあると理解される。
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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