特許 7633171 フォトニック集積回路用のマイクロミラー光学ベンチを備えた取外し可能なエッジカプラ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2025-02-10

(45)【発行日】2025-02-19

(54)【発明の名称】フォトニック集積回路用のマイクロミラー光学ベンチを備えた取外し可能なエッジカプラ

(51)【国際特許分類】

   G02B 6/30 20060101AFI20250212BHJP

   G02B 6/42 20060101ALI20250212BHJP

   G02B 6/32 20060101ALI20250212BHJP

【ＦＩ】

G02B6/30

G02B6/42

G02B6/32

【請求項の数】 19

(21)【出願番号】P 2021547652

(86)(22)【出願日】2019-10-23

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2022-01-20

(86)【国際出願番号】 US2019057742

(87)【国際公開番号】W WO2020086777

(87)【国際公開日】2020-04-30

【審査請求日】2022-10-21

(31)【優先権主張番号】62/749,618

(32)【優先日】2018-10-23

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(31)【優先権主張番号】62/749,616

(32)【優先日】2018-10-23

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

【前置審査】

(73)【特許権者】

【識別番号】516183185

【氏名又は名称】センコー アドバンスド コンポーネンツ インコーポレイテッド

(74)【代理人】

【識別番号】100139723

【弁理士】

【氏名又は名称】樋口 洋

(74)【代理人】

【識別番号】100116540

【弁理士】

【氏名又は名称】河野 香

(72)【発明者】

【氏名】チェン，ヤン

(72)【発明者】

【氏名】ヴァランス，ロバート ライアン

【審査官】奥村 政人

(56)【参考文献】

【文献】米国特許出願公開第２００６／０２５１３５７（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特表２０１８－５０９６５５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１７－５１６１５２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－２５７４３９（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１８／０１２８９９２（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１７／０００３４５３（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０２Ｂ ６／１２－ ６／１４

Ｇ０２Ｂ ６／２６－ ６／２７

Ｇ０２Ｂ ６／３０－ ６／３４

Ｇ０２Ｂ ６／４２－ ６／４３

ＪＳＴＰｌｕｓ（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）

ＪＳＴ７５８０（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）

ＪＳＴＣｈｉｎａ（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

支持体；
前記支持体の上面に取り付けられたフォトニック集積回路（ＰＩＣ）チップであって、該ＰＩＣチップのエッジに光をルーティングして前記ＰＩＣチップの外部に該ＰＩＣチップの光学インターフェースを提供する光学要素を含む、ＰＩＣチップ；
マイクロミラー光学ベンチを含むエッジカプラ
を含む、フォトニック装置であって、
前記マイクロミラー光学ベンチが、
ベース；
前記ベース上に規定されたミラーの第１のアレイであって、各ミラーが、前記上面に実質的に平行な平面内の第１の方向に沿った第１の光路と前記平面の外側の第２の方向に沿った第２の光路との間で光を回転させる構造反射表面プロファイルを含み、前記ベースが、それぞれが前記第１の光路に沿ったその長手軸で光ファイバのセクションを受容する溝のアレイを含み、第１の端部は前記第１の光路に沿って対応するミラーと光学的にアラインメントされ、第２の端部は前記ＰＩＣチップ内の対応する光学要素と光学的にアラインメントされ、前記ベース内の溝は、前記ＰＩＣチップのエッジに面する前記エッジカプラの前記ベースのエッジにおいて終端する、ミラーの第１のアレイ；および
外部光ファイバアレイの光ファイバコネクタへの取外し可能な結合のための、前記ベース上の受動的アラインメント構造
を含み、
前記エッジカプラが、前記ベースのエッジを前記ＰＩＣチップのエッジに対向させて前記支持体上に支持され、前記エッジカプラが、前記ＰＩＣチップに関してアラインメントされて、前記ミラーの第１のアレイが前記ＰＩＣチップの前記光学要素と光学的にアラインメントされ、前記第１の光路が、前記ミラーの第１のアレイ内のミラーと前記ＰＩＣチップ内の対応する光学要素との間であり、前記ＰＩＣチップ内の光学要素が、前記エッジカプラの溝内の前記光ファイバのセクションの対応する第２の端部に前記ＰＩＣチップの光学インターフェースを提供する、
ことを特徴とする、フォトニック装置。

【請求項2】

各ミラーが、前記ＰＩＣチップの対応する光学要素に面する露出した反射自由側を有する前記ベースの露出した自由表面であり、前記露出した反射自由側は、光が前記ＰＩＣチップ内の対応する光学要素に出入りするよう方向付けられる構造反射表面プロファイルを含む、ことを特徴とする、請求項１に記載のフォトニック装置。

【請求項3】

前記構造反射表面プロファイルが、以下のプロファイル：（ａ）楕円体、（ｂ）軸外放物線、または（ｃ）他の自由形状光学表面の１つを含むことを特徴とする、請求項１または２に記載のフォトニック装置。

【請求項4】

前記ベースが、金属材料で作製され、前記ミラーの第１のアレイが、可鍛性金属材料にスタンピングを施すことにより前記ベース上に規定されることを特徴とする、請求項１～３のいずれか一項に記載のフォトニック装置。

【請求項5】

前記光ファイバのセクションが、前記エッジカプラの前記ベースのエッジを超えて伸長する拡張セクションを含み、該拡張セクションは、前記ＰＩＣチップの前記エッジにおいて溝に受容され、前記拡張セクションの拡張端は、前記ＰＩＣチップ内の対応する光学要素と光学的にアラインメントされる前記第２の端部に対応することを特徴とする、請求項４に記載のフォトニック装置。

【請求項6】

各溝が、前記第１の光路に沿ってそれぞれの溝で受容された光ファイバのセクションと光学的にアラインメントされた屈折率分布型（ＧＲＩＮ）レンズをさらに受容し、該ＧＲＩＮレンズが、前記ＰＩＣチップ内の対応する光学要素から光ファイバの前記セクションの前記第２の端部に光を集光する、または、光ファイバの前記セクションの前記第２の端部から前記ＰＩＣチップ内の前記対応する光学要素に光を発散させることを特徴とする、請求項４または５に記載のフォトニック装置。

【請求項7】

前記ベースが、金属で作製され、前記溝および前記ミラーの第１のアレイが、可鍛性金属材料にスタンピングを施すことにより前記ベース上に一体的に規定されることを特徴とする、請求項４～６のいずれか一項に記載のフォトニック装置。

【請求項8】

前記エッジカプラが、前記ミラーの第１のアレイと前記ＰＩＣチップの前記光学要素との間に任意の光学要素を伴わない自由空間エッジカプラであることを特徴とする、請求項１～４のいずれか一項に記載のフォトニック装置。

【請求項9】

光ファイバアレイをさらに含み、該光ファイバアレイが、前記エッジカプラの前記ミラーの第１のアレイと光学的にアラインメントされた光ファイバのアレイのそれぞれの端部を終端および支持する前記光ファイバコネクタを含み、該光ファイバコネクタが、前記第２の光路に沿って前記第２の方向に光を入力／出力し、前記光ファイバコネクタが前記エッジカプラに結合された状態で、前記光ファイバのアレイと前記ＰＩＣチップの前記光学要素との間の光が、前記エッジカプラ内の前記ミラーの第１のアレイを介して、前記第１の光路および前記第２の光路によって規定される光路をたどり、前記ミラーの前記構造反射表面プロファイルが、前記ＰＩＣチップからの光を再整形して、前記光ファイバコネクタ内の前記光ファイバのアレイのモードフィールドに一致するように構成されることを特徴とする、請求項１～８のいずれか一項に記載のフォトニック装置。

【請求項10】

前記光ファイバコネクタが、前記第２の光路に沿って前記第２の方向に光を入力／出力するように前記光ファイバのアレイを支持する構造を含み、前記光ファイバコネクタが前記エッジカプラに結合された状態で、前記光ファイバのアレイと前記ＰＩＣチップの前記光学要素との間の光が、前記エッジカプラ内の前記ミラーの第１のアレイを介して、前記第１の光路および前記第２の光路によって規定される光路をたどることを特徴とする、請求項９に記載のフォトニック装置。

【請求項11】

前記光ファイバコネクタが、ミラーの第２のアレイを含む光学ベンチをさらに含み、前記ミラーの第２のアレイ内の各ミラーが、前記第１の方向に平行な第３の方向に沿った第３の光路と前記第２の方向に沿った前記第２の光路との間で光を回転させる構造反射表面プロファイルを含み、それによって、前記第２の光路に沿って前記第２の方向に光を入力／出力し、前記光ファイバコネクタが前記エッジカプラに結合された状態で、前記光ファイバのアレイと前記ＰＩＣチップの前記光学要素との間の光が、前記エッジカプラ内の前記ミラーの第１のアレイおよび前記光ファイバコネクタ内の前記ミラーの第２のアレイを介して、前記第１の光路、前記第２の光路および前記第３の光路によって規定される光路をたどることを特徴とする、請求項１０に記載のフォトニック装置。

【請求項12】

前記光ファイバコネクタが、前記エッジカプラ上の前記受動的アラインメント構造に相補的な受動的アラインメント構造を含み、前記光ファイバコネクタが、該光ファイバコネクタおよび前記エッジカプラ上の前記相補的な受動的アラインメント構造に基づいて受動的アラインメントによって前記エッジカプラに取外し可能に結合され、前記エッジカプラを介して前記光ファイバのアレイを前記ＰＩＣチップの前記光学要素に光学的に結合することを特徴とする、請求項９～１１のいずれか一項に記載のフォトニック装置。

【請求項13】

前記エッジカプラ上の前記受動的アラインメント構造が、アラインメントピン、アラインメントピンホールおよび表面特徴の少なくとも１つを含み、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を提供することを特徴とする、請求項１２に記載のフォトニック装置。

【請求項14】

前記光ファイバコネクタ上の前記受動的アラインメント構造が、アラインメントピンホール、アラインメントピンおよび表面特徴の少なくとも１つを含み、前記エッジカプラの前記対応する受動的アラインメント構造に相補的な、キネマティック結合、準キネマティック結合、および弾性平均結合を提供することを特徴とする、請求項１３に記載のフォトニック装置。

【請求項15】

前記支持体を支持するプリント回路基板（ＰＣＢ）をさらに含むことを特徴とする、請求項１～１４のいずれか一項に記載のフォトニック装置。

【請求項16】

前記支持体が、インターポーザおよび集積回路のいずれかであることを特徴とする、請求項１５に記載のフォトニック装置。

【請求項17】

前記ミラーの第１のアレイが、前記エッジカプラと前記ＰＩＣチップの前記光学要素との間の光に基づく能動的アラインメントによって、前記ＰＩＣチップの前記光学要素と光学的にアラインメントされて配置されることを特徴とする、請求項１～１６のいずれか一項に記載のフォトニック装置。

【請求項18】

前記ミラーの第１のアレイが、前記ＰＩＣチップの前記エッジへの前記エッジカプラの受動的アラインメントによって、前記ＰＩＣチップの前記光学要素と光学的にアラインメントされて配置されることを特徴とする、請求項１～１６のいずれか一項に記載のフォトニック装置。

【請求項19】

前記エッジカプラがさらに、前記ミラーの第１のアレイを覆うガラスカバーを含み、該ガラスカバーおよび前記ＰＩＣチップの前記エッジ近くの上面に基準が提供され、前記エッジカプラが、前記基準を光学的にアラインメントすることにより前記ＰＩＣチップに受動的にアラインメントされることを特徴とする、請求項１８に記載のフォトニック装置。

【発明の詳細な説明】

【関連出願との相互参照】

【0001】

本願は、（ａ）２０１８年１０月２３日出願の米国仮特許出願第６２／７４９６１６号、および（ｂ）２０１８年１０月２３日出願の米国仮特許出願第６２／７４９６１８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。

【技術分野】

【0002】

本発明は、フォトニック集積回路（photonic integrated circuit；ＰＩＣ）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、ＰＩＣデバイスに対する光ファイバの光接続に関する。

【背景技術】

【0003】

フォトニック集積回路（photonic integrated circuit；ＰＩＣ）または光集積回路は、動作の基礎として電流ではなく光を用いるエマージング技術の一部である。ＰＩＣデバイスは、複数（少なくとも２つ）のフォトニック機能を統合し、したがって、電子集積回路に類似する。上記の２つの主な違いは、フォトニック集積回路は、通常は可視スペクトルまたは近赤外の８５０ｎｍ～１６５０ｎｍにおける光学波長に与えられる情報信号のための機能を提供することである。

【0004】

ＰＩＣは、遠距離通信、計測、および信号処理の分野において様々な用途に使用される。ＰＩＣデバイス（フォトニックチップパッケージの形態で）は通常、光導波路を用いて、様々のオンチップ（on-chip）素子、例えば、導波路、オプティカルスイッチ、カプラ、ルータ、スプリッタ、マルチプレクサ／デマルチプレクサ、モジュレータ、増幅器、波長変換器、光－電気（Ｏ/Ｅ）および電気－光（Ｅ/Ｏ）信号変換器（例えば、フォトダイオード、レーザ）等を、実装および／または相互接続する。ＰＩＣデバイス中の導波路は通常、導波路のコアとクラッディングとの間の屈折率コントラストにより光をガイドするオンチップソリッド導光体である。

【0005】

ＰＩＣデバイスはしばしば、光通信の組織化ネットワークの形態で、他のＰＩＣデバイスへの光接続を有することが必要とされる。接続距離は、チップ間接続の場合の数ミリメートルから、最大で長距離用途の場合の数キロメートルまでの範囲でありうる。低損失光ファイバによって長距離に亘って非常に高いデータ転送速度（＞２５Ｇｂｐｓ）で光ファイバ内を光が通過できるので、光ファイバは、有効な接続方法を提供できる。適切な動作のために、ＰＩＣデバイスは、外部光ファイバと１つまたは複数のオンチップ導波路との間で光を効率よく接続する必要がある。ＰＩＣデバイスにおいて回路動作の基礎として光を用いる利点は、高速信号伝達のためのエネルギー費が、電子チップのものよりも実質的に低いということである。したがって、この利点を維持する、ＰＩＣデバイスと光ファイバのような他の光学デバイスとの間の有効な接続が、ＰＩＣの重要な態様である。

【0006】

ほとんどのＰＩＣデバイスは、通常は１マイクロメートル未満の、光ファイバとＰＩＣとの間の厳しいアラインメント許容誤差を必要とするシングルモードの光接続を必要とする。オンチップシングルモード導波路へおよびオンチップシングルモード導波路から外部光ファイバへの有効な光学結合は、シングルモード導波路と光ファイバ内の導光コアとの間のサイズの不一致により困難である。例えば、通常のシリカ光ファイバの寸法は、ＰＩＣ上の通常の導波路より約４０倍大きい。このサイズの不一致により、シングルモード導波路と光ファイバとが直接結合されると、導波路および光ファイバのそれぞれのモードが有効に結合せず、許容できない挿入損失（例えば、＞２０ｄＢ）が生じうる。

【0007】

現行技術水準は、ポリマーコネクタ要素を用いて厳しいアラインメント許容誤差を達成しようとするが、ポリマーにはいくつかの根本的な不利点がある。第１に、ポリマーは伸縮自在であり、外部の印加された負荷の下で容易に変形する。第２に、ポリマーは寸法安定性ではなく、特にコンピューティングおよびネットワーキングハードウェアで見られるような高温にさらされるとサイズおよび形状を変え得る。第３に、ポリマーの熱膨張率（ＣＴＥ）は、ＰＩＣデバイスで通常使用される物質のＣＴＥよりもはるかに大きい。したがって、温度サイクルによって、光ファイバとＰＩＣデバイス上の光学要素との間にアラインメントずれが生じる。場合によっては、ポリマーは、ＰＩＣデバイスをプリント回路基板上にはんだ付けする間に用いられる処理温度に耐えることができない。

【0008】

光ファイバをＰＩＣデバイス（またはＰＩＣチップパッケージ）に結合する１つのアプローチは、光ファイバアレイをＰＩＣチップのエッジに取り付けることである。従来、光ファイバアレイは、能動的なアラインメントアプローチを用いてＰＩＣチップ上の光学要素とアラインメントされ、このアプローチにおいて、光ファイバアレイの位置および配向は、光ファイバとＰＩＣとの間で伝達される光の量が最大となるまで機械的に調整される。接続は一旦行われると恒久的であり、接続の完全性を破壊したりＰＩＣチップへ光ファイバを再び取り付ける希望なしに、取り外し、分離しまたは着脱することができない。言い換えれば、光ファイバは、ＰＩＣデバイスに取外し可能に取り付けることができず、ファイバ接続および分離は、破壊的であり可逆的でない（すなわち、再接続可能でない）。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

必要とされるのは、ファイバアレイ中の光ファイバおよびオンチップ光学要素のモードサイズを互いに近くして有効な結合を達成する機構、および、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、光ファイバの入力／出力をＰＩＣデバイスに光学的に結合するための改善されたアプローチである。

【課題を解決するための手段】

【0010】

本発明は、光ファイバアレイとフォトニック集積回路（ＰＩＣ）デバイス（例えば、ＰＩＣチップパッケージ）との間に取外し可能／分離可能かつ再接続可能なエッジカプラを提供することによって、従来技術の欠点を克服する。エッジカプラは、ＰＩＣ内の接触する光学要素（例えば、導波路）と光学的にアラインメントされて、ＰＩＣのエッジに取り付けられている。本発明のエッジカプラは、ミラーアレイを有するマイクロミラー光学ベンチ（ＭＯＢ）、およびそれと光学的にアラインメントされたファイバアレイの取外し可能な再接続を可能とするように構成および構造化されたベースを含む。

【0011】

ある態様において、本発明は、マイクロミラー光学ベンチを含むエッジカプラを提供し、マイクロミラー光学ベンチは、ベンチまたはベース（例えば、シリコン、ガラス、または、コバール、インバー、アルミニウム、ステンレス鋼などの可鍛性金属で作製される）、ベース上に規定されたミラーの第１のアレイ、および、外部光ファイバアレイの光ファイバコネクタへの取外し可能な結合のためのベース上の受動的アラインメント構造を含み、各ミラーは、上面に実質的に平行な平面内の第１の（水平）方向に沿った第１の光路と当該平面の外側の第２の（垂直）方向に沿った第２の光路との間で、光を回転させる構造反射表面プロファイルを含む。各ミラーは、入射光を曲げ、反射し、かつ／または再整形する。ＰＩＣチップのエッジにエッジカプラが取り付けられ、光ファイバアレイとＰＩＣチップとの間に取外し可能な結合を提供する。より詳細には、取外し可能な結合は、光ファイバアレイの光ファイバコネクタとエッジカプラとの間の分離可能かつ再接続可能な接続であり、エッジカプラは、光ファイバコネクタが、取り外されかつ光学的にアラインメントされてエッジカプラに再接続するために取り付けられることを可能とするよう構成および構造化される。

【0012】

一実施形態では、フォトニック装置は、支持体（例えば、インターポーザまたはＣＭＯＳチップのような集積回路（ＩＣ））；支持体の上面に取り付けられたＰＩＣチップを含み、ＰＩＣチップは、ＰＩＣチップのエッジに光をルーティングしてＰＩＣチップの外部に光学インターフェースを提供する光学要素（例えば、導波路）を含み、エッジカプラは、ＰＩＣチップに関してアラインメントされて支持体上に支持されてミラーの第１のアレイがＰＩＣチップの光学要素と光学的にアラインメントされ、エッジカプラの第１の光路は、ミラーの第１のアレイ内のミラーとＰＩＣチップ内の対応する光学要素との間である。

【0013】

一実施形態では、各ミラーは、ＰＩＣチップの対応する光学要素に面する露出した反射自由側を有するベースの露出した自由表面（すなわち、空気に露出した表面、または光学ベンチのベースの本体の内部ではない表面）であり、露出した反射自由側は、光がＰＩＣチップ内の対応する光学要素に出入りするよう方向付けられる構造反射表面プロファイルを含む。構造反射表面プロファイルは、以下の幾何学的プロファイルの１つを含み得る：（ａ）楕円体、（ｂ）軸外放物線、または（ｃ）他の自由形状。ミラーは、可鍛性金属材料にスタンピングを施すことによりベース上に規定されうる。

【0014】

一実施形態では、エッジカプラは、ミラーの第１のアレイとＰＩＣチップのエッジにおける光学要素との間に任意の光学要素（例えば、光ファイバ）を持たないフリースペースエッジカプラである。別の実施形態では、エッジカプラベースは、それぞれが第１の光路に沿ったその長手軸で光ファイバのセクションを受容する溝のアレイを含み、その端部の一方は第１の光路に沿って対応するミラーと光学的にアラインメントされ、反対側の端部はＰＩＣチップ内の対応する光学要素と光学的にアラインメントされ、ベース内の溝は、ＰＩＣチップのエッジに面するエッジカプラのベースのエッジにおいて終端する。一実施形態では、光ファイバのセクションは、エッジカプラのベースのエッジで実質的に終端する、またはエッジカプラのベースのエッジからわずかに突出するまたは引っ込む。別の実施形態では、光ファイバのセクションは、エッジカプラのベースのエッジを超えて伸長する拡張セクションを含み、拡張セクションは、ＰＩＣチップのエッジにおいて溝に受容され、拡張セクションの拡張端は、ＰＩＣチップ内の対応する光学要素と光学的にアラインメントされる。

【0015】

さらなる実施形態では、各溝は、第１の光路に沿ってそれぞれの溝で受容された光ファイバのセクションの第２の端部と光学的にアラインメントされた屈折率分布型（ＧＲＩＮ）レンズをさらに受容し、ＧＲＩＮレンズは、ＰＩＣチップ内の対応する光学要素から光ファイバのセクションの第２の端部に光を集光する、または、光ファイバのセクションの第２の端部からＰＩＣチップ内の対応する光学要素に光を発散させる。

【0016】

溝を備えたエッジカプラの実施形態では、溝およびミラーの第１のアレイは、可鍛性金属材料の単一のモノリシックブロック（例えば、ストック金属材料または金属ブランク）をスタンピングすることによって、ベース上に一体的に規定され、反射表面および光ファイバアラインメント溝を一体的かつ同時に形成しうる。

【0017】

光ファイバアレイは、エッジカプラのミラーの第１のアレイと光学的にアラインメントされた光ファイバの端部を終端および支持する光ファイバコネクタを含み、光ファイバコネクタは、第２の光路に沿って第２の方向に光を入力／出力し、光ファイバコネクタがエッジカプラに結合された状態で、光ファイバアレイとＰＩＣチップの光学要素との間の光は、エッジカプラ内のミラーの第１のアレイを介して、第１の光路および第２の光路によって規定される光路をたどる。ミラーの構造反射表面プロファイルは、ＰＩＣチップからの光を再整形して、光ファイバコネクタ内の光ファイバのモードフィールドに一致するように構成される。

【0018】

一実施形態では、光ファイバコネクタは、第２の（垂直）光路に沿って第２の方向に光を入力／出力するように光ファイバを支持する構造を含み、光ファイバコネクタがエッジカプラに結合された状態で、光ファイバアレイとＰＩＣチップの光学要素との間の光は、エッジカプラ内のミラーの第１のアレイを介して、第１の光路および第２の光路によって規定される光路をたどる。光ファイバコネクタは、光ファイバフェルールコネクタの形をとることができ、光ファイバを内部で垂直に、ＰＩＣチップの上面に対して垂直方向に、保持する。別の実施形態では、光ファイバコネクタは、ミラーの第２のアレイを含む光学ベンチを含んでもよく、ミラーの第２のアレイ中の各ミラーは、第１の（水平）方向に平行な第３の（水平）方向に沿った第３の光路と第２の（垂直）方向に沿った第２の光路との間で光を回転させる構造反射表面プロファイルを含み、それによって、第２の光路に沿って第２の（垂直）方向に光を入力／出力する。この実施形態において、光ファイバコネクタがエッジカプラに結合された状態で、光ファイバアレイとＰＩＣチップの光学要素との間の光は、エッジカプラ内のミラーの第１のアレイおよび光ファイバコネクタ内のミラーの第２のアレイを介して、第１の光路、第２の光路および第３の光路によって規定される光路をたどる。

【0019】

光ファイバコネクタは、エッジカプラ上の受動的アラインメント構造に相補的な受動的アラインメント構造を含み、光ファイバコネクタは、光ファイバコネクタおよびエッジカプラ上の相補的な受動的アラインメント構造に基づいて受動的アラインメントによってエッジカプラに取外し可能に結合され、エッジカプラを介して光ファイバアレイをＰＩＣチップの光学要素に光学的に結合する。一実施形態では、エッジカプラ上の受動的アラインメント構造は、アラインメントピン、アラインメントピンホールおよび表面特徴の少なくとも１つを含んでもよく、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を提供する。光ファイバコネクタ上の相補的な受動的アラインメント構造は、アラインメントピンホール、アラインメントピンおよび表面特徴の少なくとも１つを含み、エッジカプラの対応する受動的アラインメント構造に相補的な、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を提供する。

【0020】

ＰＩＣチップの支持体は、プリント回路基板（ＰＣＢ）上で支持され得るインターポーザまたは集積回路であり得る。ミラーの第１のアレイは、エッジカプラとＰＩＣチップの光学要素との間の光に基づく能動的アラインメントによって、または、ガラスカバーおよびＰＩＣチップのエッジ近くの上面に提供された基準（fiducials）に基づくＰＩＣチップのエッジへのエッジカプラの受動的アラインメントによって、ＰＩＣチップの光学要素と光学的にアラインメントされて配置されてもよく、エッジカプラは、基準を光学的にアラインメントすることによりＰＩＣチップに受動的にアラインメントされる。

【0021】

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、類似の参照文字および／または参照番号は、同様または類似の部分を指している。

【図面の簡単な説明】

【0022】

【図1A】本発明の１つの実施形態に従うエッジカプラを示す図

【図1B】本発明の１つの実施形態に従うＰＩＣへのエッジカプラの取付けの概略図

【図1C】本発明の１つの実施形態に従うＰＩＣのエッジカプラへの光ファイバアレイの取外し可能な結合を示す図

【図1D】本発明の１つの実施形態に従うＰＩＣへのエッジカプラの取付けの概略図

【図2A】本発明の１つの実施形態に従う光ファイバアレイを示す図

【図2B】本発明の１つの実施形態に従う光ファイバアレイの光学コネクタを示す図

【図3A】本発明の別の実施形態に従うエッジカプラを示す図

【図3B】本発明の別の実施形態に従うＰＩＣチップのエッジへのエッジカプラの配置を示す図

【図3C】本発明の別の実施形態に従うＰＩＣのエッジカプラへの光ファイバアレイの取外し可能な結合を示す図

【図3D】本発明の別の実施形態に従うＰＩＣへのエッジカプラの取付けの概略図

【図4A】本発明のさらなる実施形態に従うエッジカプラを示す図

【図4B】本発明のさらなる実施形態に従うＰＩＣへのエッジカプラの取付けの概略図

【図4C】本発明のさらなる実施形態に従うＰＩＣへのエッジカプラの取付けの概略図

【図4D】本発明のさらなる実施形態に従うＰＩＣのエッジカプラへの光ファイバアレイの取外し可能な結合を示す図

【図4E】本発明のさらなる実施形態に従うＰＩＣチップのエッジへのエッジカプラの配置の概略断面図

【図5A】本発明のさらに別の実施形態に従うエッジカプラを示す図

【図5B】本発明の別の実施形態に従うＰＩＣのエッジカプラへの光ファイバアレイの取外し可能な結合を示す図

【図6A】本発明のさらに別の実施形態に従うエッジカプラを示す図

【図6B】本発明のさらに別の実施形態に従うＰＩＣのエッジカプラへの光ファイバアレイの取外し可能な結合を示す図

【図7A】本発明の実施形態に従う屈折率分布型（ＧＲＩＮ）レンズを有するエッジカプラを示す図

【図7B】光ファイバの端部へ光を集光するＧＲＩＮレンズを概略的に示す図

【発明を実施するための形態】

【0023】

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。

【0024】

本発明は、光ファイバアレイとフォトニック集積回路（ＰＩＣ）デバイス（例えば、ＰＩＣチップパッケージ）との間に取外し可能／分離可能かつ再接続可能なエッジカプラを提供することにより、従来技術の欠点を克服する。エッジカプラは、ＰＩＣチップのエッジに取り付けられ、ＰＩＣチップ内のインターフェースする光学要素（例えば、導波路）と光学的にアラインメントされる。本発明のエッジカプラは、ミラーアレイを有するマイクロミラー光学ベンチ（ＭＯＢ）、および、それと光学的にアラインメントされたファイバアレイの取外し可能な再接続を可能にするように構成および構造化されたベースを含む。

【0025】

図１Ａ～１Ｄは、本発明の一実施形態による、エッジカプラ、ＰＩＣチップへのその結合、および光ファイバアレイへの取外し可能な結合を示す。

【0026】

図１Ａ～１Ｄを参照すると、エッジカプラＥは、マイクロミラー光学ベンチ（ＭＯＢ）を含み、マイクロミラー光学ベンチは、ベンチまたはベースＢ（例えば、シリコン、ガラス、コバール、インバー、アルミニウム、ステンレス鋼などの可鍛性金属で作製される）を含み、ミラーＭの第１のアレイがベース上に規定される。透明なガラス、石英、またはサファイアプレートＧは、ベンチＢ上の露出面を覆う。一実施形態では、エッジカプラＥは、ミラー表面ＭとガラスプレートＧとの間において屈折率整合エポキシで満たされてもよい。各ミラーＭは、上面に実質的に平行な平面内の第１の（水平）方向に沿った第１の光路Ｌ１と当該平面の外側の第２の（垂直）方向に沿った第２の光路Ｌ２との間で、光を（例えば、９０度だけ）回転させる構造反射表面プロファイル、および、外部の光ファイバアレイＦＡ（図２Ａ、２Ｂに関して以下により詳細に説明される）の光ファイバコネクタへの取外し可能な結合のためのベースＢ上の受動的アラインメント構造Ａを含む。

【0027】

図１Ｄは、光路Ｌ１に沿ってＰＩＣチップＰの光学要素Ｗと光学的にアラインメントされたミラーＭの概略断面図である。アセンブリは、ベースＢのエッジとＰＩＣチップＰの対向エッジとの間に意図的なギャップを設けるように作製できる。この場合、ギャップは、ＰＩＣチップＰ上の光ファイバのコアおよび導波路と同様の光学屈折率を持つ材料で充填されてもよい。例示的な材料は、市販のＥＭＩ／ＵＭエポキシモデル３５５３などの屈折率整合エポキシである。あるいは、アセンブリは、ギャップなしで構築することができ、その場合、ビームは、導波管とミラーとの間の空気を通過する。

【0028】

エッジカプラＥは、ＰＩＣチップＰのエッジに光学的に結合されて、光ファイバアレイＦＡとＰＩＣチップＰとの間に取外し可能な結合を提供する。より具体的には、取外し可能な結合は、光ファイバアレイＦＡの光ファイバコネクタＣとエッジカプラＣとの間の分離可能かつ再接続可能な接続であり、エッジカプラＥは、光ファイバコネクタＣが取り外されかつエッジカプラＥに光学的にアラインメントされて再接続するために取外し可能に取り付けられることができるように構成および構造化される。

【0029】

図１Ｂは、支持体Ｓ（例えば、インターポーザまたはＣＭＯＳチップなどの集積回路（ＩＣ））を含むフォトニック装置ＰＡを示している。ＰＩＣチップＰは、支持体Ｓの上面に取り付けられ、ここで、ＰＩＣチップＰは、内部光学要素Ｗ（例えば、導波路；図１Ｂに点線で概略的に示されている）を含み、これは、ＰＩＣチップＰのエッジに光をルーティングして、ＰＩＣチップＰの外部への光学インターフェースを提供する。エッジカプラＥは、ＰＩＣチップＰに関してアラインメントを達成した後（以下に詳述するように能動的または受動的に）支持体上に固体され（例えば、はんだ付け、エポキシ、またはレーザ溶接により）、ミラーＭの第１のアレイはＰＩＣチップの光学要素Ｗと光学的にアラインメントされ、エッジカプラＥの第１の光路Ｌ１は、ミラーの第１のアレイ内のミラーＭとＰＩＣチップＰ内の対応する光学要素Ｗとの間である。

【0030】

ミラーＭの第１のアレイは、エッジカプラＥとＰＩＣチップＰの光学要素Ｗとの間に送られる光に基づく能動的アラインメント（図示せず）によって、ＰＩＣチップＰの光学要素Ｗと光学的にアラインメントされて配置することができる。図１Ａおよび１Ｂに示される実施形態において、エッジカプラＥ内のミラーＭおよびＰＩＣチップ内の光学要素Ｗの光学的アラインメントは、エッジカプラＥのベースＢのエッジを超えるガラスカバーＧの伸長部分およびＰＩＣチップＰのエッジ近くの上面の上に提供される基準Ｘに基づく、ＰＩＣチップＰのエッジへのエッジカプラＥの受動的アラインメントによって達成される。エッジカプラＥは、ガラス／石英／サファイアカバーＧおよびＰＩＣチップＰの上面の上の基準Ｘを光学的にアラインメントすることにより、ＰＩＣチップＰに受動的にアラインメントされる。

【0031】

一実施形態では、各ミラーＭは、ベースＢの露出した自由表面（すなわち、空気に露出した表面、または光学ベンチのベースの本体の内部ではない表面）であり、ＰＩＣチップＰの対応する光学要素Ｗに面する露出した反射自由側を有し、露出した反射自由側は、光がＰＩＣチップＰ内の対応する光学要素Ｗに出入りするよう方向付けられる構造反射表面プロファイルを含む。各ミラーＭは、入射光を曲げ、反射し、および／または再整形する。構造反射表面プロファイルの構成および形状（例えば、曲率）に応じて、ミラーＭは、入射光ビームを、コリメート、拡張、または集光しうる。例えば、構造反射表面プロファイルは、以下の幾何学的形状／プロファイルのうちの１つを含み得る：（ａ）楕円体、（ｂ）軸外放物線、または（ｃ）他の自由形状光学表面。例えば、ミラー表面は、光パワーを提供するために、次のいずれかの表面幾何学的曲率関数を個別に、または重ね合わせて有してもよい：楕円体または双曲線円錐焦点、さまざまな数の偶数または奇数の非球面項を持つトロイダル非球面、さまざまな数の偶数または奇数項を持つＸ－Ｙ非球面曲線、さまざまな次数のゼルニケ多項式、およびこれらの関数に含まれるより単純な表面のさまざまなファミリ。表面はまた、任意の平面またはベクトルに沿って対称性のない自由形状の表面であってもよい。

【0032】

本明細書に記載のすべての実施形態において、構造反射表面は、平坦、凹面または凸面、またはそれらの組み合わせであるように構成されて、複合反射表面を構成しうる。一実施形態では、構造反射表面は、滑らかな（研磨仕上げに似た仕上げを有する）鏡面を有する。代わりに、反射型のテクスチャ表面でもよい。構造反射表面は、均一な表面特性、または表面に亘って滑らかさおよび／またはテクスチャの程度が変化するような変動表面特性、あるいは、構造反射表面を構成する滑らかかつテクスチャ加工の表面の様々な領域の組み合わせを有してもよい。構造反射表面は、以下の同等の光学要素のうちの少なくとも１つに対応する表面プロファイルおよび／または光学特性を有し得る：ミラー、集束レンズ、発散レンズ、回折格子、または前述の組み合わせ。構造反射表面は、異なる同等の光学要素に対応する複数の領域（例えば、発散している環状領域に囲まれた集束している中央領域）を規定する複合プロファイルを有し得る。一実施形態では、構造反射表面は、表面を通して光を透過しない不透明な材料上に規定される。

【0033】

ミラーＭは、可鍛性金属材料をスタンピングすることによってベースＢ上に規定され得る。工具鋼または炭化タングステン工具でスタンピング可能なさまざまの可鍛性金属は、ミラーの本体を構成することができ、任意の３００または４００シリーズのステンレス鋼、コバールの任意の組成、任意の沈殿または固溶硬化金属、およびＡｇ、Ａｌ、Ａｕ、Ｃｕの任意の合金を含む。１３１０ｎｍを超える長波長では、アルミニウムは反射率が高く（＞９８％）、スタンピングによって経済的に成形される。ミラーを構成する金属の部分の反射表面は、上記の金属のいずれか、または、スパッタリング、蒸着、またはめっきプロセスによって適用される反射率の高い金属の任意のコーティングであり得る。

【0034】

本願と同様に本願の譲受人に譲渡された、米国特許第７，３４３，７７０号明細書は、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号明細書に開示されているようなエッジカプラの構造（上述の光学ベンチＢのための構造、並びに以下に論じる構造を含む）を生成するため、そのような新規なスタンピングシステムを実装することができる。これらのスタンピング処理は、最終的な表面特徴（他の規定された表面特徴形状と精密なアラインメントが取られる所望の幾何学形状を有する反射表面を含む）を、厳しい（すなわち小さな）許容誤差で形成するために、可鍛性バルク金属材料（例えば、金属ブランクまたはストック）をスタンピングする処理を包含する。本願と同様に本願の譲受人に譲渡された、米国特許出願公開第２０１６／００１６２１８号明細書は、異種の金属材料の主要部分と補助部分とを有するベースを含む、複合構造をさらに開示している。ベースおよび補助部分は、スタンピングにより成形される。補助部分がスタンピング形成されると、補助部分はベースとインターロックし、それと同時に補助部分上に所望の構造特徴形状（たとえば、構造反射面や、光ファイバのアラインメントのための特徴形状等）を形成する。このアプローチにより、比較的重要性の低い構造特徴形状は、比較的大きな許容誤差を維持する少ない労力により、ベースのバルク上に成形され得る一方、補助部分上に存在するより重要性の高い構造特徴形状は、より小さな許容誤差で寸法、幾何学形状および／または仕上げ状態を規定するさらなる考察をもって、より精密に成形される。補助部分は、異なる構造特徴形状をスタンピング形成するための異なる特性を伴う２つの異種の金属材料の、さらなる複合構造を含むものとされてもよい。このスタンピング形成のアプローチは、それより前の米国特許第７３４３７７０号明細書における、スタンピングに供されるバルク材料が均質材料（例えば、コバールやアルミニウム等の、金属のストリップ）であるスタンピング形成のアプローチに対し、改良をもたらすものである。スタンピング処理は、単一の均質材料から構造特徴形状を生成する。したがって、異なる複数の特徴形状がその材料の特性を共有することとなり、その特性は、１つ以上の特徴形状にとって最適な特性ではないかもしれない。例えば、アラインメントのための特徴形状をスタンピング形成するのに適した特性を有する材料は、光信号の損失を低減するのに最適な光反射効率を有する反射性の表面特徴形状をスタンピング形成するのに適した特性を、有していないかもしれない。本明細書に記載されるように、開示された複合構造を採用して、エッジカプラ（例えば、図３Ａ、４Ａおよび５Ａおよび６Ａにおける）および光学ベンチを有する光ファイバコネクタ（例えば図２Ｂ）を生成しうる。

【0035】

図２Ａおよび２Ｂを参照すると、光ファイバアレイＦＡは、エッジカプラＥのミラーＭの第１のアレイと光学的にアラインメントされた光ファイバＯＦのアレイ／バンドルの端部を終端および支持する光ファイバコネクタＣを備え、光ファイバコネクタＣは、第２の光路Ｌ２に沿って第２の方向に光を入力／出力する。光ファイバコネクタＣがエッジカプラＥに結合された状態で、光ファイバアレイＦＡとＰＩＣチップＰの光学要素Ｗとの間の光は、エッジカプラＥ内のミラーＭの第１のアレイを介して、少なくとも第１の光路Ｌ１および第２の光路Ｌ２を含む光路をたどる。透明なガラス、石英、またはサファイアプレートＧＧが、ベンチＢＢ上の露出したミラー表面ＭＭを覆う。一実施形態では、コネクタＣは、ミラー表面ＭＭとガラスプレートＧＧとの間で屈折率整合エポキシを充填され得る。ファイバアレイＦＡのもう一方の端部には、コネクタＣＣ（例えば、ＭＴフェルールコネクタなどのフェルールコネクタ）が提供される。ファイバアレイＦＡは、光ファイバジャンパケーブルとして機能しうる。

【0036】

さらに、図２Ｂの実施形態では、光ファイバコネクタＣは、ミラーＭＭの第２のアレイと光ファイバＯＦの端部セクションを保持するための溝Ｖとを含むベースＢＢを有する光学ベンチを含み、ミラーの第２のアレイ内の各ミラーＭＭは、第１の（水平）方向の第１の光路Ｌ１に平行な第３の（水平）方向に沿った第２の光路Ｌ３と第２の（垂直）方向に沿った第２の光路Ｌ２との間で光を回転させる構造反射表面プロファイルを含み、それによって、第２の光路Ｌ２に沿って第２の（垂直）方向に光を入力／出力する。この実施形態において、図１Ｃに示されるように光学ファイバコネクタＣがエッジカプラＥに結合された状態で、光ファイバアレイＦＡとＰＩＣチップＰの光学要素Ｗとの間の光は、エッジカプラＥ内のミラーＭの第１のアレイおよび光ファイバコネクタＣ内のミラーＭＭの第２のアレイを介して、第１の光路Ｌ１、第２の光路Ｌ２および第３の光路Ｌ３の組合せによって通常規定される光路をたどる。

【0037】

コネクタＣのベースＢＢ上の表面特徴（ミラーＭＭおよび溝Ｖ）は、以下に詳述する図３ＡのエッジカプラＥ１内のベースＢ１表面特徴の形成と関連して論じられるのと同様の方法で、スタンピングにより形成されうる。

【0038】

ミラーＭおよび／またはミラーＭＭの構造反射表面プロファイルは、ＰＩＣチップＰからの光ビームを再整形して、光ファイバコネクタＣ内の光ファイバのモードフィールドにより厳密に一致するモードフィールドを生成するように構成され得る。さらに、エッジカプラＥ内のミラーＭは、ＰＩＣチップＰ内の光学要素Ｗからの光ビームを拡張またはコリメートし、コネクタＣ内のミラーＭＭに出力するための反射表面プロファイルを備えて構成されてもよく、コネクタＣ内のミラーＭＭは、エッジカプラ内のミラーＭからの光ビームを、コネクタＣ内の光学ベンチのベースＢＢ上に溝Ｖ内に保持された光ファイバＯＦの先端／端面のコアに集光するための反射表面プロファイルを備えて構成されてもよい。この拡張されたビーム結合構成によって、ミラーＭと拡張型ビーム光ファイバコネクタＣに保持された光ファイバとの間の光学アラインメント許容誤差の要求が低減される。

【0039】

あるいは、図６Ａおよび６Ｂに示されるように、図２Ｂに示されるような光学ベンチを備えるコネクタを有する光ファイバアレイＦＡではなく、光学ベンチを伴わないフェルールコネクタＦＣ（図示せず；例えば、ＭＴＰおよびＭＰＯファイバ－光学コネクタ内で使用されるようなＭＴフェルール）を有する光ファイバアレイＦＡ２が、エッジカプラＥへの結合のための露出したむき出しの端面を備えた光ファイバを保持するために使用される。この実施形態では、ミラーＭの構造反射表面プロファイルは、ＰＩＣチップＰからの光ビームを再整形して、ＰＩＣチップＰからの光ビームを、光ファイバフェルールコネクタＦＣ内に保持された光ファイバの露出した先端／端面のコアに直接集束させるように構成することができる。図６Ａおよび６Ｂに示される実施形態において、図２Ｂに示されるような光ファイバアレイＦＡ内の光ファイバコネクタＣではなく、光ファイバコネクタＦＣが、光ファイバを支持して、第２の（垂直）光路Ｌ２に沿って第２の方向に光を入力／出力する構造を備え、光ファイバコネクタＦＣはエッジカプラＥに取外し可能に結合された状態で、光ファイバアレイＦＡとＰＩＣチップＰの光学要素Ｗとの間の光は、エッジカプラＥ内のミラーＭの第１のアレイを介して第１の光路Ｌ１および第２の光路Ｌ２のみによって規定される光路をたどる。

【0040】

光ファイバコネクタＦＣは、光ファイバフェルールコネクタ（例えば、ＭＴフェルール）の形態でもよく、これは、垂直に、ＰＩＣチップＰの上面に直角の方向で、内部に光ファイバを保持する。この実施形態において、フェルールコネクタＦＣ内の光ファイバＯＦの先端は、エッジカプラＥのガラスプレートＧと物理的に接触する。

【0041】

フェルールコネクタＦＣが光学ベンチを伴わない拡張型ビームタイプである場合、ミラーＭの構造反射表面プロファイルは、ＰＩＣチップＰからの光ビームを再整形し、ミラーＭと拡張型ビーム光ファイバコネクタＦＣ内に保持される光ファイバとの間の光学アラインメント許容誤差要件を低減するように構成することができる。この実施形態では、フェルールコネクタＦＣ内の光ファイバＯＦの先端は、エッジカプラＥのガラス板Ｇと物理的に接触する必要はないが、接触してもよい。この実施形態では、エッジカプラＥのベースＢは、フェルールコネクタＦＣ上の相補的なアラインメントピンＡを収容するために、アラインメントピンＡの代わりにアラインメントホールＡＡを備える。

【0042】

エッジカプラ内のミラーＭおよび／または光ファイバコネクタＣ内のミラーＭＭの反射表面プロファイルの様々な設計または修正を行って、所望のビーム形状／構成を得ることができる。

【0043】

図１Ｂおよび２Ｂにおいて、光ファイバコネクタＣは、エッジカプラＥ上の受動的アラインメント構造Ａに相補的な受動的アラインメント構造ＡＡを含み、光ファイバコネクタＣは、光ファイバコネクタＣおよびエッジカプラＥ上の相補的な受動的アラインメント構造ＡおよびＡＡに基づく受動的アラインメントによってエッジカプラに取外し可能に結合され、図１Ｃに示されるように、エッジカプラＥを介して光ファイバアレイＦＡをＰＩＣチップＰの光学要素Ｗと光学的に結合する。一実施形態では、エッジカプラＥ上の受動的アラインメント構造Ａは、アラインメントピン、アラインメントピンホールおよび表面特徴（図示せず）の少なくとも１つを含んでもよく、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を提供する。光ファイバコネクタ上の相補的な受動的アラインメント構造ＡＡは、相補的なアラインメントピンホール、アラインメントピンおよび表面特徴（図示せず）の少なくとも１つを含んでもよく、エッジカプラの対応する受動的アラインメント構造に相補的な、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を提供する。本願と同様に本願の譲受人に譲渡された、米国特許出願公開第２０１６／０１６１６８６号明細書は、キネマティック結合、準キネマティック結合、および弾性平均結合の例を含む取外し可能な光学コネクタ結合を開示する。

【0044】

図１Ａ～１Ｃの実施形態では、エッジカプラＥは、ミラーＭの第１のアレイとＰＩＣチップＰのエッジにある光学要素Ｗとの間に任意の光学要素（例えば、光ファイバセクション）を伴わない自由空間エッジカプラである。

【0045】

図３Ａ～３Ｄに示される別の実施形態では、エッジカプラＥ１内の光学ベンチのベースＢ１は、それぞれが光ファイバＦのセクション（短いファイバスタブの形態で）をその長手軸が第１の光路Ｌ１に沿った状態で受容する、ミラーＭ１のアレイおよび溝ＶＩのアレイを有するベースＢ１を含む。ファイバスタブＦの一端は、第１の光路Ｌ１に沿って対応するミラーＭ１に対向しかつ光学的にアラインメントされ、別の端部は、ＰＩＣチップ内の対応する光学要素Ｗに対向しかつ光学的にアラインメントされ、ベースＢ１内の溝ＶＩは、ＰＩＣチップＰのエッジに対向するエッジカプラＥ１のベースＢ１のエッジで終端する。一実施形態では、光ファイバＦのセクションは、エッジカプラＥ１のベースＢ１のエッジで実質的に終端し、光ファイバＦの端面は、エッジカプラＥのベースＢ１のエッジからわずかに突出または引っ込んでもよい。ガラス、石英、またはサファイアプレートＧ１は、エッジカプラＥ１のベースＢ１上の露出ミラーＭ１を覆う（かつ、以下に説明するように、受動的な基準アラインメントのためにベースＢ１のエッジから伸長する）。一実施形態では、エッジカプラＥ１は、ミラー表面Ｍ１とガラスプレートＧとの間で屈折率整合エポキシを充填され得る。

【0046】

図３Ｄは、ファイバスタブＦおよびＰＩＣチップＰの光学要素Ｗを含む溝の概略断面図である。ファイバスタブＦは、ベースＢ１のエッジで研磨され（および／または、図示されないがガラスカバーで覆われ）、ＰＩＣチップＰ内の光学要素Ｗに対してファイバアレイのように機能する。アセンブリは、ベースＢ１のエッジとＰＩＣチップＰの対向するエッジとの間に意図的なギャップを設けるように作製できる。この場合、ギャップは、ＰＩＣチップＰ上の光ファイバのコアおよび導波路と同様の光屈折率を有する材料で充填されてもよい。例示的な材料は、市販のＥＭＩ／ＵＭエポキシモデル３５５３などの屈折率整合エポキシである。あるいは、アセンブリは、ギャップなしで構築することができ、その場合、ビームは、導波管とミラーとの間の空気を通過する。

【0047】

この実施形態では、各ファイバスタブＦは、それぞれの光学要素ＷとミラーＭ１との間の光学フィルタとして機能する。光学要素ＷからミラーＭ１への光ビームのモードフィールドは一致しない可能性がある。各ファイバスタブＦは、ミラーＭ１のために光ビームのモードフィールドを補正および／または調整することによって再整形し、それによって、光ビームをミラーＭ１での既知の条件に標準化する。したがって、ミラーＭ１は、そのような既知の条件に基づいて設計することができ、したがって、ＰＩＣチップＰ内の光学要素Ｗからの直接の光ビームに基づく非標準条件が直面していた問題が回避される。

【0048】

相対的に、図１Ａ～１Ｄの前述の実施形態は、ミラーＭのプロファイルをＰＩＣチップＰ内のインターフェースする光学要素Ｗに一致させるために、ＰＩＣチップＰのモードフィールドおよび他の光学特性の認識を必要とする。

【0049】

さらなる実施形態では、ファイバスタブは、ＰＩＣチップＰからミラーＭ１への光ビームの偏光を制限するために、偏光維持光ファイバのものであり得る。

【0050】

図３Ａの実施形態では、ファイバスタブＦは、それぞれ２ｍｍの長さを有してもよく、同じ方向に沿ったベースの全長は約３～４ｍｍである。

【0051】

この実施形態では、開いた溝Ｖ１は、光ファイバスタブＦのむき出しのセクションを保持し（クラッドが露出し、保護バッファおよびジャケット層がない）、構造反射表面を備えたミラーＭ１は、ベースＢ１のより大きな平面に対してある角度で広く傾斜した平面を有し、図１Ａの前述の実施形態に関して論じられるような構造反射表面プロファイルを有する。開いた溝ＶＩは、第１の光路Ｌ１に沿ってミラーＭ１に対してアラインメントされたファイバスタブＦの端部セクションを受容するようサイズ決めされ、かつこれを正確に位置付けるように配置される。対応するミラーＭ１に対向する各ファイバスタブＦの端面は、対応するミラーＭに対して所定の距離に維持される。

【0052】

ある実施形態では、ベースＢ１上の表面特徴（ミラー／構造反射表面Ｍ１および光ファイバアラインメント溝Ｖ１）は、ストック材料（例えば、金属ブランクまたはストリップ）の精密スタンピングによって一体的／同時に形成することができ、これにより、許容誤差、製造性、使用容易性、機能性および信頼性を改善しながら、コネクタコンポーネントを大量または少量で経済的に製造することができる。ミラーＭ１、および溝Ｖ１を同じ単一の最終スタンピング操作で同時に形成することにより、同じワークピース／パーツ上でのアラインメントを必要とするすべての特徴の寸法関係を、最終スタンピング工程で維持することができる。光学ベンチのベースＢ１上にすべての特徴を形成するための１回の打撃のパンチによるパンチング操作の代わりに、ベースＢ１上に特定の特徴を漸進的に予備成形するために複数の打撃が実施されることが考えられてもよく、最終的なストライクにより、ミラーＭ１および設計光路Ｌ１に沿ったそれぞれの構成要素／構造の適切なアラインメントを確保する（または確保するのに重要な役割を果たす）ファイバアラインメント溝Ｖ１を含む光学ベンチのベースＢ１上のさまざまな構造化された特徴の最終的な寸法、幾何形状および／または仕上げが同時に規定される。

【0053】

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は、光データ伝送に関連して使用される光学ベンチを有する様々な独自の光結合／接続デバイスを開発した。本発明は、より具体的には、従来の光結合デバイスで実施されていたスタンピングミラーを含むスタンピング光学ベンチの同様の概念を採用しながら、ＰＩＣのための取外し可能／再接続可能なエッジカプラを対象とする。

【0054】

例えば、本願と同様に本願の譲受人に譲渡された、米国特許出願公開第２０１３／０３２２８１８号明細書は、光データ信号をルーティングするためのスタンピング形成された構造表面を有する光結合デバイス、特に、ベース；ベース上に規定された構造表面であって、入射光を再整形および／または反射する表面プロファイルを有する構造表面；および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を備えるものとして構成され、それにより、構造表面と光学要素との間において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。さらに、スタンピング複合構造に関して上述された他の開示で論じされたプロセスは、エッジカプラＥ１のベースＢ１上に表面特徴（ミラーＭ１および溝Ｖ１）を形成するために採用してもよい。

【0055】

エッジカプラＥ１は、能動的なアラインメントによってＰＩＣチップＰのエッジに光学的にアラインメントされる。エッジカプラＥ１は、所望の光学的アラインメントを達成すると、はんだ付けまたはエポキシによって支持体Ｓ上の所定の位置に固定される。あるいは、図１Ａ～１Ｄの先の実施形態に関して上述されるように、ＰＩＣチップＰの上部に提供される基準の相補的パターンと光学的にアラインメントされる基準のパターンを備えた拡張ガラスプレートを使用して、受動的なアラインメントを達成することができる。

【0056】

先の実施形態のように、外部光ファイバアレイＦＡ（図３Ｃを参照）のコネクタＣへの取外し可能な結合のために、同様の受動的アラインメント構造ＡをエッジカプラＥ１上に提供してもよい。

【0057】

図５Ａおよび５Ｂに示される実施形態では、図３Ｃのような光ファイバアレイＦＡ内の光ファイバコネクタＣではなく、光ファイバコネクタＦＣ１は、第２の（垂直）光路Ｌ２に沿って第２の方向に光を入力／出力するように光ファイバを支持する構造を備え、光ファイバコネクタＦＣ１がエッジカプラＥ１に取外し可能に結合された状態で、光ファイバアレイＦＡ１とＰＩＣチップＰの光素子Ｗとの間の光は、エッジカプラＥ１内のミラーＭ１の第１のアレイを介して第１の光路Ｌ１および第２の光路Ｌ２のみによって規定される光路をたどる。光ファイバコネクタＦＣ１は、光ファイバフェルールコネクタ（例えば、ＭＴフェルール）の形態でもよく、これは、垂直に、ＰＩＣチップＰの上面に直角の方向で、内部に光ファイバを保持する。この実施形態において、フェルールコネクタＦＣ１内の光ファイバＯＦの先端は、エッジカプラＥ１のガラスプレートＧと物理的に接触する。図示される実施形態では、エッジカプラＥ１のベースＢ１は、フェルールコネクタＦＣ１上の相補的なアラインメントピンＡを収容するために、アラインメントピンＡの代わりにアラインメントホールＡＡを備える。

【0058】

フェルールコネクタＦＣ１が光学ベンチを伴わない拡張型ビームタイプである場合、ミラーＭ１の構造反射表面プロファイルは、ＰＩＣチップＰからの光ビームを再整形し、ミラーＭ１と拡張型ビーム光ファイバコネクタＦＣ１内に保持される光ファイバとの間の光学アラインメント許容誤差要件を低減するように構成することができる。この実施形態では、フェルールコネクタＦＣ１内の光ファイバＯＦの先端は、エッジカプラＥ１のガラス板Ｇと物理的に接触する必要はないが、接触してもよい。

【0059】

図４Ａ～４Ｅは、図３Ａ～３Ｄの実施形態のバリエーションを示している。この実施形態では、エッジカプラＥ２の光学ベンチのベースＢ１は、先の実施形態のベースＢ１と構造が類似している。この実施形態の違いは、光ファイバＦ１（ファイバスタブ）の各セクションが、ベースＢ１のエッジを超えて伸長する拡張セクションＸＦを含み、拡張セクションＸＦが、ＰＩＣチップＰ１のエッジに設けられたアラインメント溝ＰＶに受容されることである。溝ＰＶは、ＰＩＣチップＰ内の光学要素Ｗに光学的にアラインメントされている。したがって、各拡張セクションＸＦの拡張端部は、ＰＩＣチップＰ１内の対応する光学要素Ｗと光学的にアラインメントされている。アラインメント溝ＰＶがファイバスタブＦ１の拡張セクションＸＦを受動的にアラインメントする場合、エッジアダプタＥ２をＰＩＣチップＣに別個にアラインメントする必要はないであろう。この実施形態では、ＰＩＣチップＰのエッジに設けられた溝ＰＶに拡張セクションＸＦをクランピングするために、ホルダプレートＨが設けられている。

【0060】

図４Ｅは、ＰＩＣチップＰ１の光学要素ＷとアラインメントされたファイバスタブＦ１を含む溝の概略断面図である。ファイバスタブＦ１は、端部が研磨されて、ＰＩＣチップＰ１の光学要素Ｗに対してファイバアレイのように機能する。

【0061】

先の実施形態のように、外部光ファイバアレイＦＡのコネクタＣへの取外し可能な結合のために、同様の受動的アラインメント構造ＡをエッジカプラＥ２上に提供してもよい。

【0062】

図７Ａおよび７Ｂは、図３Ａ～３Ｄの実施形態の別のバリエーションである。このさらなる実施形態では、エッジカプラＥ３の光学ベンチのベースＢ１は、先の実施形態におけるベースＢ１と構造が類似している。この実施形態の違いは、各溝Ｖ１が、第１の光路Ｌ１に沿った光ファイバＦ２（ファイバスタブ）のセクションの一端と光学的にアラインメントされた勾配屈折率（ＧＲＩＮ）レンズＧＲを受容することである。当該技術分野でよく知られているように、ＧＲＩＮレンズは、材料の屈折率の勾配によって光学効果を生み出す。段階的な屈折率変化を使用して、平面を有するレンズ、または従来の球面レンズに典型的な収差を持たないレンズを製造することができる。ＧＲＩＮレンズは、球面、軸方向、または半径方向の屈折勾配を有しうる。この実施形態では、ＧＲＩＮレンズＧＲは、ＰＩＣチップＰ内の対応する光学要素ＷからファイバスタブＦ２の端部のコアに光を集光するか、または、ファイバスタブＦ２の端部からＰＩＣチップＰ内の対応する光学要素Ｗに光を発散させる。ＧＲＩＮレンズＧＲは、レンズ材料の屈折率の段階的変化によって焦点を合わせる。ＧＲＩＮレンズＧＲは、スペーサＳＰ（空気または物理的な）によってファイバスタブＦ２と分離されてもよい。この実施形態では、ミラーＭ１は、ストレートファイバスタブＦおよびＦ１ではなくファイバスタブＦ２およびＧＲＩＮレンズＧＲの組合せを考慮して、エッジカプラＥおよびＥ２の先の実施形態と比較して、類似または異なる幾何学形状／形状を有し得る。

【0063】

上述のすべての実施形態について、第１の光路Ｌ１、第２の光路Ｌ２および第３の光路Ｌ３は、双方向性である。

【0064】

溝およびミラーを備えたエッジカプラＥ１、Ｅ２およびＥ３の実施形態では、上述のプロセスを使用して、溝およびミラーアレイは、可鍛性金属材料の単一のモノリシックブロック（例えば、ストック金属材料または金属ブランク）をスタンピングすることによって、エッジカプラのベース上に一体的に規定され、反射表面および光ファイバアラインメント溝を一体的かつ同時に形成しうる。

【0065】

ＰＩＣチップの支持体は、プリント回路基板（ＰＣＢ）上で支持され得るインターポーザまたは集積回路であり得る。

【0066】

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。
他の実施形態
１． 支持体；
前記支持体の上面に取り付けられたフォトニック集積回路（ＰＩＣ）チップであって、該ＰＩＣチップのエッジに光をルーティングして前記ＰＩＣチップの外部に光学インターフェースを提供する光学要素を含む、ＰＩＣチップ；
マイクロミラー光学ベンチを含むエッジカプラ
を含む、フォトニック装置であって、
前記マイクロミラー光学ベンチが、
ベース；
前記ベース上に規定されたミラーの第１のアレイであって、各ミラーが、前記上面に実質的に平行な平面内の第１の方向に沿った第１の光路と前記平面の外側の第２の方向に沿った第２の光路との間で光を回転させる構造反射表面プロファイルを含む、ミラーの第１のアレイ；および
外部光ファイバアレイの光ファイバコネクタへの取外し可能な結合のための、前記ベース上の受動的アラインメント構造
を含み、
前記エッジカプラが、前記フォトニックチップに関してアラインメントされて前記支持体上に支持されて前記ミラーの第１のアレイが前記ＰＩＣチップの前記光学要素と光学的にアラインメントされ、前記第１の光路が、前記ミラーの第１のアレイ内のミラーと前記ＰＩＣチップ内の対応する光学要素との間である、
ことを特徴とする、フォトニック装置。
２． 各ミラーが、前記ＰＩＣチップの対応する光学要素に面する露出した反射自由側を有する前記ベースの露出した自由表面であり、前記露出した反射自由側は、光が前記ＰＩＣチップ内の対応する光学要素に出入りするよう方向付けられる構造反射表面プロファイルを含む、ことを特徴とする、実施形態１に記載のフォトニック装置。
３． 前記構造反射表面プロファイルが、以下のプロファイル：（ａ）楕円体、（ｂ）軸外放物線、または（ｃ）他の自由形状光学表面の１つを含むことを特徴とする、実施形態１または２に記載のフォトニック装置。
４． 前記ベースが、金属材料で作製され、前記ミラーの第１のアレイが、可鍛性金属材料にスタンピングを施すことにより前記ベース上に規定されることを特徴とする、実施形態１～３のいずれかに記載のフォトニック装置。
５． 前記ベースが、それぞれが前記第１の光路に沿ったその長手軸で光ファイバのセクションを受容する溝のアレイを含み、第１の端部は前記第１の光路に沿って対応するミラーと光学的にアラインメントされ、第２の端部は前記ＰＩＣチップ内の対応する光学要素と光学的にアラインメントされ、前記ベース内の溝は、前記ＰＩＣチップのエッジに面する前記エッジカプラの前記ベースのエッジにおいて終端することを特徴とする、実施形態１～４のいずれかに記載のフォトニック装置。
６． 前記光ファイバのセクションが、前記エッジカプラの前記ベースのエッジを超えて伸長する拡張セクションを含み、該拡張セクションは、前記ＰＩＣチップの前記エッジにおいて溝に受容され、前記拡張セクションの拡張端は、前記ＰＩＣチップ内の対応する光学要素と光学的にアラインメントされる前記第２の端部に対応することを特徴とする、実施形態５に記載のフォトニック装置。
７． 各溝が、前記第１の光路に沿ってそれぞれの溝で受容された光ファイバのセクションと光学的にアラインメントされた屈折率分布型（ＧＲＩＮ）レンズをさらに受容し、該ＧＲＩＮレンズが、前記ＰＩＣチップ内の対応する光学要素から光ファイバの前記セクションの前記第２の端部に光を集光する、または、光ファイバの前記セクションの前記第２の端部から前記ＰＩＣチップ内の前記対応する光学要素に光を発散させることを特徴とする、実施形態５または６に記載のフォトニック装置。
８． 前記ベースが、金属で作製され、前記溝および前記ミラーの第１のアレイが、可鍛性金属材料にスタンピングを施すことにより前記ベース上に一体的に規定されることを特徴とする、実施形態５～７のいずれかに記載のフォトニック装置。
９． 前記エッジカプラが、前記ミラーの第１のアレイと前記ＰＩＣチップの前記エッジにある前記光学要素との間に任意の光学要素を伴わない自由空間エッジカプラであることを特徴とする、実施形態１～４のいずれかに記載のフォトニック装置。
１０． 前記光ファイバアレイをさらに含み、該光ファイバアレイが、前記エッジカプラの前記ミラーの第１のアレイと光学的にアラインメントされた前記光ファイバの前記端部を終端および支持する光ファイバコネクタを含み、該光ファイバコネクタが、前記第２の光路に沿って前記第２の方向に光を入力／出力し、前記光ファイバコネクタが前記エッジカプラに結合された状態で、前記光ファイバアレイと前記ＰＩＣチップの前記光学要素との間の光が、前記エッジカプラ内の前記ミラーの第１のアレイを介して、前記第１の光路および前記第２の光路によって規定される光路をたどり、前記ミラーの前記構造反射表面プロファイルが、前記ＰＩＣチップからの光を再整形して、前記光ファイバコネクタ内の前記光ファイバのモードフィールドに一致するように構成されることを特徴とする、実施形態１～９のいずれかに記載のフォトニック装置。
１１． 前記光ファイバコネクタが、前記第２の光路に沿って前記第２の方向に光を入力／出力するように前記光ファイバを支持する構造を含み、前記光ファイバコネクタが前記エッジカプラに結合された状態で、前記光ファイバアレイと前記ＰＩＣチップの前記光学要素との間の光が、前記エッジカプラ内の前記ミラーの第１のアレイを介して、前記第１の光路および前記第２の光路によって規定される光路をたどることを特徴とする、実施形態１０に記載のフォトニック装置。
１２． 前記光ファイバコネクタが、ミラーの第２のアレイを含む光学ベンチをさらに含み、前記ミラーの第２のアレイ内の各ミラーが、前記第１の方向に平行な第３の方向に沿った第３の光路と前記第２の方向に沿った前記第２の光路との間で光を回転させる構造反射表面プロファイルを含み、それによって、前記第２の光路に沿って前記第２の方向に光を入力／出力し、前記光ファイバコネクタが前記エッジカプラに結合された状態で、前記光ファイバアレイと前記ＰＩＣチップの前記光学要素との間の光が、前記エッジカプラ内の前記ミラーの第１のアレイおよび前記光ファイバコネクタ内の前記ミラーの第２のアレイを介して、前記第１の光路、前記第２の光路および前記第３の光路によって規定される光路をたどることを特徴とする、実施形態１１に記載のフォトニック装置。
１３． 前記光ファイバコネクタが、前記エッジカプラ上の前記受動的アラインメント構造に相補的な受動的アラインメント構造を含み、前記光ファイバコネクタが、該光ファイバコネクタおよび前記エッジカプラ上の前記相補的な受動的アラインメント構造に基づいて受動的アラインメントによって前記エッジカプラに取外し可能に結合され、前記エッジカプラを介して前記光ファイバアレイを前記ＰＩＣチップの前記光学要素に光学的に結合することを特徴とする、実施形態１０～１２のいずれかに記載のフォトニック装置。
１４． 前記エッジカプラ上の前記受動的アラインメント構造が、アラインメントピン、アラインメントピンホールおよび表面特徴の少なくとも１つを含み、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を提供することを特徴とする、実施形態１３に記載のフォトニック装置。
１５． 前記光ファイバコネクタ上の前記受動的アラインメント構造が、アラインメントピンホール、アラインメントピンおよび表面特徴の少なくとも１つを含み、前記エッジカプラの前記対応する受動的アラインメント構造に相補的な、キネマティック結合、準キネマティック結合、および弾性平均結合を提供することを特徴とする、実施形態１４に記載のフォトニック装置。
１６． 前記支持体を支持するプリント回路基板（ＰＣＢ）をさらに含むことを特徴とする、実施形態１～１５のいずれかに記載のフォトニック装置。
１７． 前記支持体が、インターポーザおよび集積回路のいずれかであることを特徴とする、実施形態１６に記載のフォトニック装置。
１８． 前記ミラーの第１のアレイが、前記エッジカプラと前記ＰＩＣチップの前記光学要素との間の光に基づく能動的アラインメントによって、前記ＰＩＣチップの前記光学要素と光学的にアラインメントされて配置されることを特徴とする、実施形態１～１７のいずれかに記載のフォトニック装置。
１９． 前記ミラーの第１のアレイが、前記ＰＩＣチップの前記エッジへの前記エッジカプラの受動的アラインメントによって、前記ＰＩＣチップの前記光学要素と光学的にアラインメントされて配置されることを特徴とする、実施形態１～１７のいずれかに記載のフォトニック装置。
２０． 前記エッジカプラがさらに、前記ミラーの第１のアレイを覆うガラスカバーを含み、該ガラスカバーおよび前記ＰＩＣチップの前記エッジ近くの上面に基準が提供され、前記エッジカプラが、前記基準を光学的にアラインメントすることにより前記ＰＩＣチップに受動的にアラインメントされることを特徴とする、実施形態１９に記載のフォトニック装置。

【図1A】

【図1B】

【図1C】

【図1D】

【図2A】

【図2B】

【図3A】

【図3B】

【図3C】

【図3D】

【図4A】

【図4B】

【図4C】

【図4D】

【図4E】

【図5A】

【図5B】

【図6A】

【図6B】

【図7A】

【図7B】