KR0179988B1 - 비대칭 광 비임을 가진 디바이스에 광섬유를 결합시키는 집적형 광 패키지 - Google Patents

비대칭 광 비임을 가진 디바이스에 광섬유를 결합시키는 집적형 광 패키지 Download PDF

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바크흐슈리 다요쉬
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죤 제이. 키세인
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Abstract

본 발명에 따른 집적형 광학 패키지는 비대칭 모드 출력을 갖는 광학 소자, 및 큰 모드 영역을 갖는 다른 광학 소자에 상기 광학 소자를 결합하기 위해 상기 광학 소자와 집적된 렌즈를 포함한다. 이러한 결합은 중합체의 연장된 광도파로 에뮬레이팅(polymeric Elongated Waveguide Emulating : PEWE)렌즈에 의해 실현된다. 예시적 실시예에서, 처음의 광학 소자는 변조기이고, 다른 광학 소자는 광섬유이다. 변조기의 면(facet)은 반응성 이온 에칭(reactive ion etching : RIE)에 의해 에칭되고, 이러한 에칭에 의해 PEWE 렌즈가 공통 기판상에 집적될 수 있다. 이런 렌즈는 유전체 클래드층(dielectrlc cladding layer)상의 중합체 막을 사용하여 제조된다. 그 제조는 250㎛ 의 길이에 걸쳐 원형(광섬유)모드(약 6㎛ 직경)에서 반도체 모드(약 1㎛)까지의 매끄러운 단열적 모드 수축을 제공하는 중합체 막의 재용융 및 리플로우 특성에 의존한다. PEWE 렌즈는 0.5 dB의 삽입 손실과 80% 결합 효율을 지닌 결합을 가능하게 하며, 이 렌즈는 임의의 외부 렌즈없이도 광섬유에 버트 결합된다(butt-coupled). 이러한 PEWE 렌즈에 의하면 반도체 레이저, 광 검출기, 광 변조기, 스위칭 및 증폭기에 대해 직접적으로 섬유 버트 결합 효율이 80%, 이상으로 실현될 수 있으며, 그와 동시에 반도체 디바이스, 단일 모드 광섭유의 결합에 통상적으로 요구된 정렬 공차의 크기가 경감된다.

Description

비대칭 광 빔을 가진 디바이스에 광섬유를 결합시키는 집적형 광학 패키지
제1도는 광 디바이스를 광 섬유에 결합시키는 마이크로렌즈를 도시하는 집적형 광학 패키지(integrated optical package)의 사시도.
제2도는 상기 마이크로렌즈의 사시도.
제3도는 상기 마이크로렌즈의 성형 전에 얇은 SiO2층이 있는 화합물 반도체 구조의 일부에 대한 확대된 개략 측면도.
제4도는 다이아몬드형 포토레지스트 영역이 있는 제3도 구조의 평면도.
제5도는 상부 지역 전체에 걸쳐 연속적인 포토레지스트층이 깔려 있는 제4도 구조의 개략 측단면도.
제6도는 제5도에 도시된 포토레지스트층의 가열 및 리플로우(reflow)후에 상기 반도체 구조를 나타낸 개략도.
제7도는 상기 광 디바이스에 인접한 상기 마이크로렌즈의 단부에서 불필요한 포토레지스트층을 제거하기 위해 상기 포토레지스트층의 일정 지역을 일정 각도로 광 노출시키는 것을 나타낸 개략도.
제8도는 상기 불필요한 포토레지스트 영역을 제거하고나서, 중심선(27)을 따라 두개의 인접한 렌즈들을 분리시키기 전의 상태에 있는 마이크로렌즈에 대한 도면.
제9도는 중합체 층의 상면에 있는 리플로우된 포토레지스트층을 이용하는 폴리이미드 마이크로렌즈를 성형하는 중간 단계에 대한 개략도.
제10도는 제9도의 구성에서 재성형된 폴리이미드 마이크로렌즈의 개략도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10 : 집적형 광학 결합 패키지 11 : 반도체 디바이스
12 : 렌즈 13 : 광섬유
14 : 반도체 기판 15 : 하부 클래딩층
16 : 활성층 17 : 상부 클래딩층
10 : 하부 전극 19 : 상부 전극
[기술분야]
본 발명은 타원형 광 빔과 같은 비대칭 광학 모드를 가진 광 디바이스와 이 광 디바이스를 광섬유에 결합시키는 렌즈를 포함하는 집적형 광학 패키지에 관한 것이다.
미래의 통신망 시스템은 장거리 광통신 시스템, 상호 접속 테크놀로지, 2차원 광학 처리, 광학 계산 등을 포함할 것이다. 레이저 및 광검출기(photodetector)등의 반도체 디바이스는 이미 광섬유 통신 시스템의 필수 부품으로 자리잡고 있다. 광섬유와 관련하여, 변조기 및 광학 스위치와 같은 다른 반도체 디바이스도 이러한 통신망 시스템에서 많이 사용된다.
불행하게도, 이와같은 수많은 반도체 디바이스들은 섬유 삽입의 큰 손실때문에 그 이용성이 저조한데, 적어도 부분적으로 이런 손실은 비교적 큰 원통 코어, 즉, 큰 원형 모드 입력(또는 출력)영역을 가진 전형적인 단일 모드 섬유와, 더 작은 모드 출력(또는 입력)영역을 갖는 1:1 보다 큰 편심율을 지닌 반도체 디바이스들과의 기본적인 부정합(mismatch)에 기인한다. 광섬유와 이들 디바이스간의 광학 결합에서 발생하는 손실은 평균 모드 영역의 부정합과 두 모드(원형 대 타원형)의 대칭성의 부정합에서 기인하는 손실들을 포함한다.
종래에, 대칭의 반구형 및 포물선형 마이크로 렌즈들은 펄스 방식 레이저 빔에 의해 광섬유의 단부에 조립되었다. 이는 1990 년 6 월 12 일 H. M. Presby 에게 허여된 미국 특허 제4,932,989 호와 1991 년 4 월 30 일자 H. M. Presby 및 C. A. Edwards 에게 허여된 미국 특허 제5,011,254 호에 개시되어 있다. 이러한 마이크로렌즈들은 대칭 모드 출력을 가진 레이저 등과 같은 디바이스, 즉, 출력 빔 윤곽(output beam profile)이 원형이거나 타원율비가 대략 1:1(즉, 레이저의 출력빔의 발산(divergence)이 레이저 접합면에 대해 평행한 축선과 수직인 축선을 따라 동일하거나 거의 동일한 경우)인 디바이스에 대해 비교적 높은 결합 효율을 나타낸다. 포물선형 마이크로렌즈가 설치된 괌섬유를 사용하면 대칭 모드 출력을 가진 디바이스와 광섬유사이의 결합 효율이 90%이상이 된다. 그러나, 수많은 반도체 디바이스가 나타내는 모드 비대칭성 때문에 양호한 결합 효율을 얻기 위해서는 비대칭 마이크로렌즈를 필요로 한다. 레이저 면(laser facet)에서 나오는 타원형 빔의 타원율비가 약 1:1.5 또는 그 이상도 될 수 있는 레이저들이 많이 있다. 타원형 광빔을 광섬유에 결합하기 위해 대칭 마이크로렌즈를 사용하면, 결합 효율이 상당히 감소하게 된다. 예컨대, 1:2.5 내지 1:3,5 의 적정한 모드 비대칭성을 갖는 레이저 다이오드등의 반도체 디바이스에 대해서, 대칭 마이크로렌즈로 광섬유 결합효율을 50%까지 얻을 수 있으나, 대개는 25 내지 35%가 보통이다. 레이저 출력의 약 절반이 이용되지 않기 때문에, 레이저는 광섬유내에 동일한 결합 전력을 공급하기 위해서 보다 효율적인 결합 장치의 경우보다 더 높은 전류로 가동되어야 한다. 레이저를 더 높은 전류로 가동시키면, 더 많은 열이 소비된다. 예컨대, 결합 효율이 50%인 경우, 레이저의 열 출력 소모는 결합 효율이 100%인 경우보다 4배나 더 커진다. 이런 사실로 인하여 레이저의 장기간 안정성과 신뢰성이 떨어지고, 비냉각식 레이저 다이오드 기술의 발전에 중대한 장애가 된다. 시스템 설계 관점에서, 0.5 내지 1.0dB 미만의 삽입 손실이 요구되는 변조기 및 스위치에서 그 상황은 더욱 심각할 수 있다. 가령, 3dB 더 높은 삽입 손실이 있으면, 신호 대 잡음비는 감소되고 시스템의 복잡성은 증가된다.
비대칭 렌즈를 이용하여 광섬유를 타원형 빔에 결합시키려는 시도는 외부 장착식 원통 렌즈와 쐐기형 섬유 단부면의 형태로 보고된 바 있다. 1979년 응용 광학(Applied Optics) 18권 11호, 1847-1856쪽에 개시된 M. Saruwatari 외의 반도체 레이저 대 단일 모드 섬유 결합기와, 1990년, J. 광파 기술 8권 제9호, 1313-1318쪽에 개시된 V. S. Shah 외의 웨지형 섬유 단면을 이용한 980nm, 광역 레이저 대 단일 모드 섬유의 효율적인 전력 결합을 참조한다. 전자의 경우, 레이저와 광섬유사이에 렌즈와 원통형 봉을 배치하여 결합하고, 후자의 경우에, 광섬유 단부에는 원통형 렌즈에 근사한 웨지형으로 끝나는 확대된 원통형 부분이 마련되어 있다. 후자의 경우에, 타원형 광 빔 출력(또는 입력)을 가진 디바이스와 광섬유간의 최적 결합을 위해, 디바이스의 타원형 빔 출력을 변환하여 원형의 단일 모드 섬유 모드 윤곽에 정합시키거나 그 역으로 해주는 렌즈가 필요하다.
[발명의 개요]
본 발명에 따른 집적형 광학 패키지는 비대칭 모드 출력을 갖는 광학 소자 및, 이 소자와 함께 일체화되어, 큰 모드 영역을 갖는 다른 광학 소자에 결합되는 렌즈를 포함한다. 이러한 결합은 중합체의 연장된 광도파로 에뮬레이팅(polymeric Elongated Waveguide Emulating : PEWE)렌즈를 사용하면 된다. 예시적 실시예에서, 처음의 광학 소자는 변조기이고 다른 광학 소자는 광섬유이다. 변조기의 단면(facet)은 반응성 이온 에칭법(reactive ion etching : RIE)에 의해 에칭되고, 이러한 에칭에 의해 PEWE 렌즈가 보통의 기판 위에 집적될 수 있다. 이런 렌즈는 유전체 클래딩층(dielectric cladding layer)상에 중합체 막을 사용하여 제조된다. 그 제조는 250㎛의 길이에 걸쳐 원형(광섬유)모드(약 6㎛ 직경)로부터 반도체 모드(약 1㎛)까지의 매끄러운 단열 모드 수축을 제공하는 중합체 막의 재응용 및 리플로우 특성에 의존한다. PEWE 렌즈는 0.5dB 의 삽입 손실과 80%, 결합 효율을 지닌 결합을 가능하며, 임의의 외부 렌즈없이도 광섬유에 버트 결합된다(butt-coupled). 이러한 PEWE 렌즈에 의하면 반도체 레이저, 광 검출기, 광 변조기, 스위칭 및 증폭기에 대해 직접적으로 섬유 버트 결합 효율이 80% 이상으로 실현될 수 있으며, 그와 동시에 반도체 디바이스와 단일 모드 광섬유의 결합에 의해 필요한 정렬 공차의 크기가 경감된다.
[상세한 설명]
본 발명은 연장된 광학 렌즈와 일체로 된 타원형 모드 출력을 갖춘 반도체 디바이스를 포함하고 이 디바이스를 원형 모드를 갖는 광섬유에 결합시키는 집적형 광학 패키지를 구체화한 것이다. 패키지 및 이 패키지를 제조하는 공정 단계는 도면과 관련하여 후술한다. 설명을 목적으로 하여, 도면에서의 여러 치수들은 실제 크기로 도시되어 있지 않다.
제1도는 집적형 광결합 패키지(10)의 사시도이다. 패키지(10)는 비대칭 모드의 출력 영역을 갖는 화합물 반도체 디바이스(11)및, 이 반도체 디바이스에 일체로 형성되어 디바이스의 광학 모드 출력(또는 입력)을 광섬유(13)에 결합하는 결합 광학 렌즈(12)를 포함한다. 렌즈(12)는 포토레지스트(photoresist)를 포함하는 유기적 중합체 재료 및 또다른 중합체(polymer)로 구성되어 있다. 반도체 디바이스로부터 광섬유로, 광섬유로부터 반도체 디바이스로 광에너지를 순탄하게 결합시키기 위해서, 렌즈(12)는 연장된 웨지형(wedge-like) 도파로의 형태로 되어 있다. 이 렌즈를 중합체의 연장된 도파로 에뮬레이팅(Polymeric Elongated Waveguide Emulating; PEWE)광학 렌즈라고도 한다.
대표적인 반도체 디바이스(11)는 반도체 기판(14), 하부 클래딩층(15), 활성층(16), 상부 클래딩층(17), 및 하부와 상부의 전극(18 및 19)을 포함한다. 이 디바이스는 당업자들에게 잘 알려진 바와 같이 기판과 하부 클래딩층사이에 위치된 버퍼층, 상부 클래딩층과 상부 전극 사이에 위치된 강하게 도핑된 접촉층(highly doped contact layer), 상부 클래딩층 또는 접촉층위에 위치된 캡핑층(capping layer)등의 층들중 적어도 하나의 층과, 반도체 디바이스의 조성에 따른 기타의 몇가지 층을 더 구비할 수도 있다. 도핑안되거나 약하게 도핑된 전이층(undoped or lightly doped transition layer)은 활성층과 클래딩층간에 용착될 수도 있다. 활성층은 단일층(single layer), 교호하는 다층 구조(alternating multilayer structure), 또는 그 활성층의 양측에서 완만한 경사를 가진 구조일 수도 있다. 이러한 층들은 종래 기술에 잘 공지되어 있으며 디바이스에 따라 변할 수 있다.
광투과성 유전 재료층(20)은 반도체 디바이스의 상부 표면(21), 그 발광(또는 수광)면(22), 및 하부 클래딩층(15)의 표면(23)위에 코팅된다. 유전층의 용착전에, 면(22)의 표면에는 광 반사성 코팅재로 코팅될 수 있다. AgBr 또는 ZnS와 같은 코팅재는 상기 용도에 적합하다. 층(20)의 상부 표면(24)은, 활성층(16)의 하부 경계면과 일직선으로 정렬된다. 렌즈(12)는 층(20)의 상부 표면(24)상에 위치되며. 반도체 디바이스의 면(22)에 접해 있는 재료층(20)부분과 접해 있다. 렌즈(12)의 하부 표면은 층(20)의 상부 표면(24)상에 있으므로, 렌즈의 하부는 마찬가지로 활성층(16)의 하부와 일직선으로 정렬된다. 렌즈를 활성 영역(16) 및 광섬유의 단면에 고정시키기 위해서, 렌즈는 절두형(truncated) 웨지의 형태로 되어 있다. 이 웨지의 좁은 단부(narrower end)는 활성층(16)의 횡단면 영역에 일치하도록 접근하고, 웨지의 넓은 단부(wider end)는 광섬유의 적어도 코어(core)의 단면에 접근한다. 좁은 단부에서의 렌즈의 면은 활성 영역의 단면에 매우 근사하는 비대칭 비율을 갖능 사각형 내지 타원형 횡단면을 갖고 있다. 렌즈의 좁은 단부는 반도체 디바이스(11)의 면(22)에 접촉한다. 넓은 단부에서의 렌즈의 반대측 면은 광섬유의 최소한 코어의 단면에 근접하는 직사각형-원형 또는 타원형 단면을 갖고 있다. 제2도에는 유전층 및 기판없이 렌즈(12)의 사시도를 도시한 것이다. 광섬유(13)는 렌즈에 접하는 것으로 도시되어 있다. 그러나, 이 광섬유는 광학 디바이스(11)의 모든 영역에 관하여, 상대적으로 넓은 모드 영역을 갖는 임의의 다른 광학 소자일수도 있다.
다수의 패키지는 단일 화합물 반도체 웨이퍼상에서 형성되며, 그후, 예컨대 단식 또는 복식 패키지, 또는 병렬의 다수의 단식 또는 복식 패키지로 나뉘어짐으로써 분할된다. 복식 집적형 패키지는, 관련 렌즈를 경유하여 하나의 광섬유로부터 하나의 디바이스로 광 방사선(optical radiation)을 삽입하고 그 광 방사선을 하나의 디바이스로부터 다른 한 디바이스로 전송하며, 관련 렌즈를 경유하여 그 광 방사선을 상기 다른 디바이스로부터 다른 광섬유로 결합할 수 있도록 허용하는 백-투-백 방식(back-to-back fashion)으로, 기판상에 일체로 형성된 두개의 반도체 디바이스(11)를 구비한다.
집적형 광학 패키지의 제조는 플래너 기술에 의해 다수의 다른 층들을 기판 상에 용착함으로써 형성된, 반도체 웨이퍼상의 디바이스의 반도체 구조를 형성하는 것으로부터 시작한다. 이 구조는, 전형적으로 하부 클래딩층과 상부 클래딩층간에 위치된 활성층을 포함하지만, 당업계에 공지된 기타의 층들을 포함할 수도 있다.
수직 면(22)을 노출하여 반도체 구조물의 표면에 적어도 하나의 편평한 트렌치(flat trench)가 에칭된다. 면들간의 각 트렌치의 폭은 렌즈의 소정의 길이의 두배이다. 트렌치들간의 거리는 두 디바이스의 길이를 수용하도록 선택된다. 렌즈들을 형성하기 전에, 에칭된 면을 AgBr 또는 ZnS와 같은 얇은 반사성 코팅재로 코팅한다. 그후, 각 트렌치의 하부, 각 디바이스의 면과 상부 표면은 광 투과성 유전 재료의 박막층으로 코팅된다. 트랜치의 하부에 유전 재료층이 용착될 때에, 트랜치내의 유전 재료층의 상부 표면은 활성층의 하부 경계선에 일직선으로 정렬되게 한다. 이것은 유전층상의 렌즈의 하부 표면과 활성층의 하부 경계의 정렬을 확실하게 한다. 렌즈는 트렌치내에 있는 유전체층(20)의 상부 계면(24)상에, 포토레지스트 및 다른 중합체로부터 선택된, 유기 중합체 재료층을 용착시킴으로써 형성된다. 이 유기 중합체 재료층은 광 전송체이며 광섬유의 코어의 굴절률에 근접한 굴절률을 갖는다. 공정 처리 후의 유기 중합체 재료는, 종단면에서, 넓은 광섬유 정합 단부(mating end)로부터 좁은 디바이스 정합 단부로 그 상부 표면이 기울어진 절두형 웨지형 구조를 갖능다. 유기 재료층의 두께는 렌즈 길이에 비해 얇으므로 렌즈의 상부 표면은 넓은 단부로부터 좁은 단부쪽으로 점차적으로 기울어진다. 양호한 실시예에서는, 렌즈의 상부 표면은 약 250㎛ 길이에 걸쳐 광섬유 단부의 약 6 내지 7㎛로부터 디바이스 단부의 약 1㎛까지 기울어진다. 이후, 유기 중합체 재료는 예컨대 플라즈마 에칭에 의해 측면이 처리되어, 디바이스로부터 광섬유로 또는 광섬유로부터 디바이스로의 복사 에너지 전송에 필요치 않은 유기 중합 재료를 제거한다. 렌즈의 상부 표면은 광섬유에 접한 넓은 밑면과 디바이스에 접한 좁은 밑면을 갖춘 절두형 삼각형 형태이다. 경사도가 낮은 웨지로 인해, 렌즈의 비보호 표면을 통한 방사선의 누출 가능성은 적다. 이러한 가능성까지도 감소시키기 위해, 렌즈의 노출 표면은 누출을 차단할 수 있을 n=1.47 의 굴절률을 갖는 SiO2와 같은 박막층의 유전 재료로 코팅될 수도 있다. 더욱 바람직하게는, 코팅재가 렌즈의 재료보다 낮은 굴절률을 갖추어야 한다.
예시적으로, 본 발명은 반도체 디바이스(11)로서, 예컨데 1:3 의 비율을 갖는 타원형 광학 모드를 갖춘 광 변조기 도파로에 관해서 설명된다. 이 디바이스는 PEWE 렌즈(12)에 의해서 광섬유에 접속되며, 이 PEWE 렌즈(12)는 광섬유의 코어(n=1.49 내지 1.52)의 굴절률에 근접하는 굴절률(n=1.63)을 갖는 포토레지스트로 제조된다. 이러한 구성에 따라서 통상의 정렬 공차의 크기가 경감되면서 80%의 효과적인 광섬유 결합 효율을 얻을 수 있다.
제3도는 화합물 반도체 웨이퍼의 일부를 확대한 도면이며, 이 웨이퍼는 플래너 기술에 의해 웨이퍼상에 성장된 GaAs/AlGaAs 디바이스 구조를 갖는 반도체 기판으로서 기능한다. 이 예시적인 실시예에서는, 디바이스(11)가 변조기이며, 이 변조기는 그 구조에 있어서는 150 ㎛ 두께의 GaAs 기판(14), 1.5㎛ 두께의 Al0.4Ga0.6As 하부 클래딩층(15), 각각의 주기가 10 nm 두께의 GaAs 층 및 10 nm 두께의 Al0.4Ga0.6As 층인 50 주기의 GaAs/AlGaAs 활성 영역(16), 0.3㎛ 두께의 Al0.4Ga0.6As 클래딩층(17), 및 50 nm 두께의 GaAs 클래딩층(25)을 포함한다. 광의 방출은 도면의 평면에 수직인 면(22)의 표면에서 발생한다. 상기 변조기에는 전극(18. 19)가 제공된다.
상기 변조기는 플래너 성장 기술(planar technology deposition)에 의해, 연속적으로 변조기 반도체의 기판(14)으로서 사용될 약 500㎛ 두께의 GaAs 웨이퍼상에 층(15 내지 17 및 25)을 성장시키므로써 제조된다. 상기 성장은 분자빔 에피택시(MBE), 금속 유기 기상 에피택시(MOVPE)(또는 금속 유기 화학 기상 성장(MOCVD)으로 공지됨), 또는 수소화물(hydride)기상 에피택시(VPE)에 의해 실행될 수도 있다. 본 실시예에서, 상기 성장은 MBE에 의해 실행된다. 그후, 코팅된 웨이퍼는 발광면에 평행한 트렌치의 윤곽을 그리기 위해 포토레지스트 마스크로 패터닝된다. 약 500㎛의 각각의 트렌치 폭은 백-투-백 방식으로 각기 약 250㎛ 길이의 두개의 렌즈를 형성하도록 선택된다 그후, 상기 웨이퍼는 윤곽지어진 트렌치 영역 안에서 층(16,17 및 25), 및 약 0.5㎛ 두께의 하부 클래딩 층(15)의 작은 상부 표면을 완전히 제거하도록 SiCl4플라즈마를 사용하여 에칭된다. 이 작은 두께는 상기 에칭된 표면이 도파로 또는 활성 영역(16)의 하부 경계의 막 아래로 약 0.5㎛ 가 되도록 선택된 것이다. 수직 벽은 0.16W/㎠ RF 출력 및 5mTorr 압력을 사용하여 플라즈마로 에칭하므로써 얻어진다. 상기 에칭된 측벽은 트렌치를 한정하기 위해 사용된 포토레지스트 마스크의 에지 윤곽과 마찬가지로 매끄럽다. 그후, 상기 웨이퍼는 150㎠ 로 박막 처리(thinned)되며, 0.5㎛ 두께의 SiO2층(20)은 웨이퍼의 전체, 즉, 캡핑(capping)층(25)의 상부 표면(21), 단면(22)의 표면, 및 하부 클래딩층(15)의 에칭된 표면(23)위에, 플라즈마 강화된 화학 기상 성장(PECVD)에 의해 300℃ 에서 성장된다. 상기 SiO2층은 PEWE 렌즈용의 하부 클래딩층으로서 역할한다. 전극(18 및 19)은 구조의 완성후에 성장시켜도 된다. 대안적으로, 상기 전극들은 SiO2층(20)의 성장후에 성장될 수도 있다. 이것은 층(20)안에 윈도우의 형성을 필요로하며, 그후 이 윈도우를 통해 전극(19)이 성장된다.
7㎛ 두께의 AZ4620포토레지스트층은, 웨이퍼의 SiO2가 코팅된 표면상에 회전에 의해 인가된 후, 연장된 다이아몬드형으로 형성된 포토레지스트 영역(26)(제4도)이, 트렌치내의 에칭된 면간의 중앙에, 면 방향을 나타내는 긴 정점을 갖추는 것으로 패터닝된다. 제4도에서는, 제5도 내지 제8도와 마찬가지로, 상기 트렌치 폭의 1/2 보다 약간 크게, 관련 포토레지스트가 도시된다. 일점쇄선(27)은 트렌치 및 포토레지스트(다이아몬드)영역(26)의 중앙을 나타낸다. 다이아몬드(26)는 중앙 부분에서 10 내지 50㎛의 폭을 가지고, 디바이스간의 트렌치의 폭의 약 1/2 인 약 250㎛ 길이를 갖는다. 이것은 각각의 패키지(10)에 대해 다이아몬드 길이의 1/2(약 125㎛)을 할당한다. 다이아몬드의 다른 치수는 또한 다이아몬드의 폭이 그 정합될 영역의 폭, 예컨대 광섬유 코어(core)의 직경을 초과하는한 사용될 수 있다. 그후, 다이아몬드는 용매를 대부분 증발시키기 위해, 15분동안 120℃ 에서 포스트-베이크(post-baked)된다. 그후, l㎛ 두께의, AZ 4110포토레지스트층(28)이 3,000 내지 5,000 rpm 범위, 즉, 양호하게는 4000 rpm 의 회전 속도로 웨이퍼상에서 회전된다. 두개의 포토레지스트는 유사한 용매 베이스를 갖는다. 한편, 더욱 높은 rpm에서의 AZ 4110의 회전은 부분적으로 다이아몬드 패턴을 훼손시킬 수 있다. 더욱 낮은 rpm 에서의 회전은 포토레지스트의 두께를 보다 얇게 할 수도 있다. 대안적으로, 1㎛ 두께의 포토레지스트는 다이아몬드 패턴을 포함한 전체 표면상에 스프레이될 수 있다. 다른 디바이스를 갖춘 광학 패키지를 제조함에 있어서, 활성층은 두께를 가질 수 있으며, 이로써 디바이스의 모드(mode)출력 영역의 높이(약 1㎛)를 갖는다. 이러한 경우, rpm 은 활성층의 두께와 정합하는 포토레지스트 두께를 얻도록 조정되어야만 한다.
특정 실시예에서 사용된 포토레지스트는 Hoechst Celanese Corp. 의 Electronic Products Div 로부터 상업적으로 취득가능한 것이다. 상기 AZ46202-에토시에틸 아세테이트(111-15-9), 크실렌(1330-20-7), 7-부틸 아세테이트(123-86-41), 크레졸 노보락 수지(9065-82-1)및 디아조나프토기논 설노닉 에스테르(5610-94-6)를 함유한다. AZ4110은(l17520-84-0)으로 식별되는 크레졸 노브락 수지를 제외하 동일한 합성물로 이루어져 있다. 이들 레지스트는 120내지 150℃ 의 온도에서 재용융되어 리플로우될 수 있으며, 광섬유 코어의 굴절률과 비슷한 굴절률을 갖는다. 이 온도 범위는 디바이스가 악영향 받을 수도 있는, 예를들면, 190℃ 미만의 온도이다. 비슷한 특징을 가진 다른 레지스트가 또한 사용될 수도 있다. 예컨대, 상기 레지스트는 시플레이(Shirley)1370및 l195과 같은 상업용 레지스트로 대체될 수 있으며, 상기 두 레지스트는 모두 프로필렌 글리콜 모노에칠 에테르 아세테이트(100-65-6)를 함유한다.
그후, 웨이퍼는 다이아몬드형이 재용융 및 리플로우되어 제6도에 도시된 바와같이 재분포된 포토레지스트형(28)을 형성하도록 120 내지 150℃에서 1시간동안 가열된다. 이 리플로우 처리는 포토레지스트 두께의 매끄러운 단열적 변화를 초래한다. 각각의 다이아몬드형 포토레지스트 영역(26)의 중심에 인접한 다이아몬드 패턴은 대부분 약 6-7㎛ 의 기본 두께(제5도에 도시된 바와같이)를 보유하며, 1㎛ 까지 점진적인 감소가 리플로우된 다이아몬드의 정점에서 관찰된다.
제5도 또는 제6도는 디바이스의 상부 표면과 에칭된 면이 만나는 코너상에서 1㎛ 포토레지스트에 의한 스텝 커버리지를 보여준다. 이 영역에서, 성장된 포토레지스트는 1㎛ 두께의 거의 2 배로 확장된다. 중합체 도파로와 반도체 단면 사이의 이러한 형태의 접합은 바람직하지 않다. 도파로 경계의 경사가 상기 지점에서의 빔 발산에 비해 작은 한, 광학 필드는 단열적 도파로 변화를 따른다. 상기 단면 근처의 포토레지스트층이 소정의 두께의 거의 2 배까지 확장되는 것은, 상기 활성 영역으로부터 발산되는 광학 필드가 상기 포토레지스트 경계가 허용하는 범위까지 확장될 것을 의미한다. 제5도 및 제6도에서, 포토레지스트의 개구와 반도체 도파로 활성 영역(16)의 교차점에서의 부정합으로 인해, 전력의 약 50%가 활성층으로부터 분산되어 얻어진다(즉, 이 지점의 포토레지스트는 약 2㎛ 두께인 것에 비해, 반도체 도파로는 1㎛ 두께이다). 이 문제를 극복하기 위해, 각도 노출 기술(angle exposure technique)이 사용된다. 아르곤 이온 레이저의 출력은 450nm 에서 3mW/㎠의 광학 플럭스를 제공하도록 필터링된다. 샘플은 12 분 동안 빔에 접하는 5도 각도로 위치한다. 입사각에 대한 광학 플럭스와 프레넬 반사의 종속성으로 인해, 상기 에칭된 단면부근의 포토레지스트가 제7도에 도시된 바와같이 우선적으로 노출된다. 상기 광학 필드가 포토레지스트 경계에 부합하기 때문에, 에칭된 단면에서 활성 영역과 접하는 약 1㎛ 두께의 포토레지스트를 보유하도록 노출 및 현상 시간을 정하는 것은 필수적이다. 현상 후, 제8도에 도시된 포토레지스트 윤곽이 얻어진다.
디바이스 및 렌즈는 그후 그들의 최종 구성을 위해 반응성 이온 에칭(RIE)에 의해 측면적으로 정리(trimmed)되며, 웨이퍼는 포토레지스트 경계를 더욱 매끄럽게 하도록 120내지 150℃로 가열된다. 웨이퍼는 중앙선(27)에 따른 다이아몬드 패턴의 중앙부 및 제1도에 도시된 집적형 광학 패키지(10)의 디바이스(변조기) 구조내의 일부 점에서 쪼개어진다.
양호한 실시예에서, 중합체 포토레지스트는 상술된 바와 같은 렌즈용으로 사용된다. 상기 레지스트는 광섬유의 굴절률(nf=1.49-1.52)에 근접한 굴절률 n=1.67을 갖는다. 상기 포토레지스트는 취급, 처리 및 제조의 용이함으로 인해 사용된다. 레지스트 대신에 다른 유기 중합체 재료를 도파로 렌즈 마련시에 사용해도 좋다. 이 목적에 적합한 재료중 하나는 n=1.6 의 굴절률을 가진 폴리이미드이다. 이 폴리이미드의 사용은 제9도 및 제10도를 참조하여 기술된 바와같이 다소 상이한 처리를 필요로 한다.
유전체층(20)까지 포함하도록 처리된 웨이퍼에서 시작하여(제3도), 6-7㎛ 두께의 폴리이미드층(29)은 유전체층(20)상에 용착된다(제9도) .그후, 제4도 내지 제6도를 참조하여 상술된 바와같은 포토레지스트 용착, 패터닝, 및 처리가 폴리이미드층(29)상에서 이루어지며, 결과적으로 포토레지스트 윤곽(30)(제9도)을 형성하게 된다. 이 포토레지스트 윤곽은 단면(22)과 디바이스(11)의 표면(21) 사이의 두꺼운 접합 범주를 제외하고는 제6도에 도시된 것과 유사하다. 그후에, 포토레지스트 및 그 하부의 폴리이미드는 O2플라즈마(약 70nm/min 의 에칭 속도를 가진 3 sccm O2,유량, 100W RF전력, 430V DC바이어스)의 건식 에칭을 받게 된다. 포토레지스트 및 폴리이미드의 에칭 속도가 실제로 동일하므로, 포토레지스트 윤곽(30)은 폴리이미드로 이동되어, 제10도에 도시된 바와 같이, 렌즈 윤곽(31)을 유도한다.
포토레지스트 등의 유기 중합체 재료를 사용하여 형성된 PEWE 렌즈를 사용하므로, 광섬유 대 비대칭 모드 출력을 가진 반도체 도파로간에 80% 결합 효율이 이루어진다. 실시예에서, 반도체 도파로는 변조기 구조이다. 유사한 결합 효율은, 비대칭 모드 출력(또는 입력)영역을 가지는 레이저 다이오드, 광전 변환기, 반도체 광학 스위치 또는 그 이외의 다른 구조물로 실현가능해야 한다. 보다 양호한 열 안정성을 위해, PEWE 렌즈는 폴리이미드막을 포함하는 것이 좋다.
PEWE 렌즈에 의한 광섬유 결합의 개선된 량은 평판 도파로 구조 및 Nd:YAG 레이저의 입사 전력을 사용하여 결정된다. 출력 변조기 단면상의 필드 패턴 부근에서는, 모든 광이 반도체 도파로의 기본 모드에 결합되는 것이 관찰된다. 결합 효율의 개선 정도는, 변조기 도파로의 단면으로부터 방사된 2차 고조파 신호로부터 간접적으로 측정된다. 동일한 Nd:YAG 입사 전력에 대하여, 변조기 단면으로부터 방사된 녹색 광은 PEWE 렌즈가 없는 도파로에 비해 PEWE 렌즈를 포함한 장치에 대해서 훨씬 더 밝다. 큰 결합 효율외에도, 광을 도파로내에 용이하게 결합시키고 그것을 오랜 시간 동안 유지하는 것도 가능하다. 이는 단일 모드 광섬유의 코어와 거의 동일한 치수를 가진 큰 PEWE 입력 개구에 기인한다.
그밖의 장점 및 변경은 당업자에 의해 용이하게 행해질 수 있다. 그러므로, 보다 폭넓은 양상으로 본 발명이 설명되며, 상술된 구체적인 설명, 장치 설명 및 실시예에 제한되지 않는다. 따라서, 첨부된 청구범위에 의해 규정된 바와같은 일반적인 본 발명의 개념의 정신 또는 범위를 벗어나지 않고도 다양한 변경이 행해질 수도 있다.

Claims (13)

  1. 비대칭 모드 영역을 가진 광 디바이스와 원형 모드 영역을 가진 광섬유를 서로 결합시키는 집적형 광학 패키지에 있어서, 비대칭 모드 영역을 가진 광 디바이스 및; 연장된 웨지형 광 도파로를 포함하며, 상기 광 디바이스와 상기 광 도파로는 공통 기판을 가지며, 상기 광 도파로의 한 단부는 상기 광 디바이스의 발광(또는 수광)면에 접하고, 상기 광 도파로의 대향 단부는 광섬유에 광학 결합되고, 상기 발광(또는 수광)면에 접하는 상기 광 도파로의 상기 한 단부의 횡단면은 상기 광 디바이스의 모드 영역의 횡단면에 본질적으로 정합하고, 상기 광 도파로의 상기 대향 단부의 횡단면은 광섬유 코어의 횡단면에 본질적으로 정합하도록 설계되며, 상기 광 도파로는 편평한 유전층 및 이 유전층 상부의 중합체 웨지형 렌즈를 포함하고, 상기 유전층의 상부 표면 및 상기 렌즈의 하부면은 상기 광 디바이스의 활성층의 하부 경계와 일직선으로 정렬되는 집적형 광학 패키지.
  2. 제1항에 있어서, 상기 렌즈는 편평한 하부, 경사진 상부 표면, 및 상기 디바이스의 활성 영역의 횡단면에 정합하는 횡단면에서부터 상기 광섬유 코어의 횡단면에 정합하는 횡단면까지의 렌즈 길이에 걸쳐 점차적으로 변화하는 횡단면을 가지는 집적형 광학 패키지.
  3. 제2항에 있어서, 상기 횡단면은 250㎛ 길이에 걸쳐 6-7㎛ 높이에서 1㎛ 높이까지 변화하는 집적형 광학 패키지.
  4. 제1항에 있어서, 상기 도파로의 상부 평면은, 상기 디바이스의 상기 발광(또는 수광)면에 인접하는 좁은 폭의 절두형 상부 및 광섬유에 접해 있는 넓은 폭의 하부를 구비한 절두형 삼각형 형태인 집적형 광학 패키지.
  5. 제1항에 있어서 상기 유전층은 SiO2인 집적형 광학 패키지.
  6. 제1항에 있어서, 상기 유기 중합체 재료는 광섬유의 굴절률에 근사한 굴절률을 가진 중합체 포토레지스트인 집적형 광학 패키지.
  7. 제1항에 있어서, 상기 유기 중합체 재료는 폴리이미드인 집적형 광학 패키지.
  8. 제5항에 있어서, 상기 디바이스의 상기 발광(또는 수광)면에 반사 방지 코팅이 제공되는 집적형 광학 패키지.
  9. 비대칭 모드 영역을 가진 광학 소자와 더 큰 모드 영역을 가진 다른 광학 소자를 결합시키는 광학 렌즈에 있어서, 도파로의 양단에 단면을 갖는 연장된 웨지형 광 도파로를 구비하며, 상기 도파로의 양단중의 한 단은 상기 비대칭 모드 영역을 가진 상기 광학 소자에 결합될 상기 비대칭 모드 영역과 정합하는 횡단면을 가지고, 다른 한 단은 상기 다른 광학 소자에 결합될 상기 더 큰 모드 영역과 정합하는 다른 횡단면을 가지며, 상기 도파로의 횡단면은 상기 한 단면으로부터 상기 다른 한 단면까지 점진적으로 변화하며, 상기 광 도파로는 편평한 유전층 및 이 유전층의 상부에 유기 중합체 재료의 절두형 웨지 형태 렌즈를 구비하는 광학 렌즈.
  10. 제9항에 있어서, 상기 웨지형 도파로의 상부 평면은, 상기 비대칭 모드 영역을 가진 광학 소자에 인접한 좁은 폭의 절두형 상부 및 넓은 모드 영역을 가진 광학 소자에 접하는 넓은 폭의 하부를 구비한 절두형 삼각형 형태인 광학 렌즈.
  11. 제9항에 있어서, 상기 유전층은 SiO2인 광학 렌즈.
  12. 제9항에 있어서, 상기 다른 광학 소자는 광섬유이며, 상기 유기 중합체 재료는 광섬유의 굴절률에 근사하는 굴절률을 갖는 중합체 포토레지스트인 광학 렌즈.
  13. 제10항에 있어서, 상기 유기 중합체 재료는 폴리이미드인 광학 렌즈.
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