KR100393622B1 - 평면 도파로 소자 모듈 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따라 각각 광섬유 실장을 위한 하나 이상의 홈이 표면에 형성된 반도체 재질의 하부 평판과, 상기 광섬유의 고정을 위해 상기 하부 평판과 접착되는 유리 재질의 상부 평판을 구비하는 하나 이상의 광섬유 블럭과; 반도체 기판과, 상기 반도체 기판 상에 적층되며 광경로를 형성하는 코어층 및 상기 코어층을 둘러싸는 클래드층을 구비하는 평면 도파로 소자를 포함하여 구성되는 평면 도파로 소자 모듈은, 상기 각 광섬유 블럭과 평면 도파로 소자의 서로 대향하는 단면들은 각각 무기산화물 재질의 접착 보조층으로 코팅되어 있으며, 상기 서로 대향하는 단면들은 광학용 접착제를 이용하여 서로 접착된다.

Description

평면 도파로 소자 모듈{PLANAR LIGHTWAVE CIRCUIT MODULE}
본 발명은 광소자에 관한 것으로서, 특히 평면 도파로 소자 모듈에 관한 것이다.
개별 광부품의 조립에 비해 소형, 저가격, 저전력소모, 그리고 고속의 특징을 갖는 집적 광학(integrated optics) 기술은 끊임없이 개발되어 왔다. LiNbO3등의 유전체 도파로 및 GaAs, InP 등의 화합물 반도체 도파로의 구성에 따르는 공정 및 가격의 제약으로 인해 활발한 연구활동에 비해 실제 통신분야에 대한 파급효과는 미약한 수준이었다. 근래에 실리콘(silicon) 기판 상에 광섬유와 같은 실리카 재질의 코어층(core layer)을 형성하는 평면 도파로 소자(planar lightwave circuit) 기술 및 발광/수광 소자들에 대한 새로운 접합 기술이 제시되면서 통신 분야에서 광집적 기술의 실용화가 급진전되고 있다. 실제로 커플러(coupler), 빔 스플리터(beam splitter), 파장 분할 다중화(wavelength division multiplexing) 소자 등의 수동 소자들은 주로 광섬유를 이용하여 구현 및 상용화되어 왔다. FTTH(fiber to the home)에서 요구하는 고기능성 소자의 경우, 반도체 집적회로 가공 공정을 이용하는 평면 도파로 소자가 기능뿐 아니라 가격적인 측면에서 우수한 것으로 평가되고 있다. 예를 들어 빔 스플리터의 경우, 1 ×4 까지는 종래의 광섬유형이 유리하나, 분기 수가 그 이상으로 증가하면 평면 도파로 소자가 유리한 것으로 알려져 있다. 평면 도파로 소자의 우수성은 부피가 작고, 양산성이 있으며, 저가격화의 가능성 등으로 요약할 수 있다. 이러한 평면 도파로 소자를 위해 여러 가지의 재료들이 사용될 수 있다. 그 중에, 전송손실, 접착손실, 온도 안정성 등의 측면에서 가장 뛰어난 재료는 실리카(silica)이다.
평면 도파로 소자 모듈은 평면 도파로 소자에 광섬유 블럭(optical fiberblock)을 이용하여 광섬유를 연결한 구조를 가지며, 이러한 평면 도파로 소자 모듈의 제작 과정에서 가장 큰 취약점인 동시에 제조 원가의 절반 정도를 차지하는 부분은 평면 도파로 소자와 광섬유의 접착 과정이다. 통상적으로, 평면 도파로 소자와 광섬유의 접착은 평면 도파로 소자의 코어층과 정합할 수 있도록 하나 이상의 V-홈(V-groove)이 형성되어 있는 광섬유 블럭을 사용한다. 이때, 상기 각 V-홈에는 광섬유가 실장된다. 또한, 이 때 사용되는 광학용 접착제로는, 통상적으로 사용이 간편하고 경화 및 굴절률 조정이 가능하며 요구되는 다양한 성질을 구현할 수 있다는 장점으로 인하여 주로 열 또는 자외선 경화성 접착제가 사용되고 있다.
도 1은 종래에 따른 평면 도파로 소자 모듈의 구성을 나타내는 사시도이다. 도 1에는 평면 도파로 소자(150)와, 하나의 입력측 광섬유(230)가 삽입된 제1 광섬유 블럭(190)과, 네 개의 출력측 광섬유(110)가 삽입된 제2 광섬유 블럭(120)이 도시되어 있다.
상기 평면 도파로 소자(150)는 1×4 빔 스플리터이며, 상기 평면 도파로 소자(150)는 실리콘 재질의 반도체 기판(160)과 상기 반도체 기판(160) 상에 적층되는 실리카 재질의 유리층(170 및 180)(코어층(170) 및 클래드층(180)으로 구성)으로 구성된다. 상기 코어층(170)은 광신호의 전송 경로가 되며, 상기 클래드층(180)은 상기 코어층(170)을 둘러싸서 상기 광신호를 상기 코어층(170) 내에 가두어 두는 기능을 한다. 상기 평면 도파로 소자(150)의 코어층(170)은 하나의 입력단과 네 개의 출력 단을 가지며, 상기 코어층(170)의 입력단은 상기 유리층(170 및 180)의 입력측 단면(또는 상기 평면 도파로 소자(150)의 입력측 단면)에 포함되며, 상기코어층(170)의 출력단들은 상기 유리층(170 및 180)의 출력측 단면(또는 상기 평면 도파로 소자(150)의 출력측 단면)에 포함된다.
상기 제1 광섬유 블럭(190)은 하나의 입력측 V-홈(205)이 그 상부에 형성된 실리콘 재질의 제1 하부 평판(200)과, 상기 제1 하부 평판(200)과 접착된 실리카 재질의 제1 상부 평판(210)으로 구성된다. 이 때, 상기 입력측 V-홈(205)에는 상기 입력측 광섬유(230)가 안착되며, 상기 입력측 광섬유(230)가 고정될 수 있도록 상기 제1 상부 평판(210)과 제1 하부 평판(200)은 접착제를 이용하여 접착된다. 상기 제1 광섬유 블럭(190)의 출력측 단면은 상기 입력측 광섬유(230)와 상기 코어층(170)의 입력단이 정렬된 상태에서 대향하는 상기 평면 도파로 소자(150)의 입력측 단면과 광학용 접착제(220)를 이용하여 접착된다.
상기 제2 광섬유 블럭(120)은 네 개의 출력측 V-홈(135)이 그 상부에 형성된 실리콘 재질의 제2 하부 평판(130)과, 상기 제2 하부 평판(130)과 접착된 실리카 재질의 상부 평판(140)으로 구성된다. 이 때, 상기 각 출력측 V-홈(135)에는 상기 각 출력측 광섬유(110)가 안착되며, 상기 출력측 광섬유들(110)이 고정될 수 있도록 상기 제2 상부 평판(140)과 제2 하부 평판(130)은 접착제를 이용하여 접착된다. 상기 제2 광섬유 블럭(120)의 입력측 단면은 상기 각 출력측 광섬유(110)와 대응하는 상기 코어층(170)의 각 출력단이 정렬된 상태에서 대향하는 상기 평면 도파로 소자(150)의 입력측 단면과 광학용 접착제(미도시)를 이용하여 접착된다.
도 2는 도 1에 도시된 평면 도파로 소자 모듈을 A-A'를 따라 나타낸 부분 단면도이다. 평면 도파로 소자(150)의 입력측 단면과 이에 대향하는 제1 광섬유블럭(210)의 출력측 단면이 광학용 접착제(220)에 의해 접착되어 있으며, 상기 광학용 접착제(220)는 선택에 따라 자외선 경화성 접착제, 열 경화성 접착제 등을 사용할 수 있다. 상기 자외선 경화성 접착제는 액체 상태로 단면들, 즉 상기 평면 도파로 소자(150)의 입력측 단면과 이에 대향하는 상기 제1 광섬유 블럭(210)의 출력측 단면에 도포된 후에 자외선을 조사하여 경화시키며, 상기 열 경화성 접착제는 액체 상태로 단면들, 즉 상기 평면 도파로 소자(150)의 입력측 단면과 이에 대향하는 상기 제1 광섬유 블럭(190)의 출력측 단면에 도포된 후에 가열하여 경화시킨다.
상기 광학용 접착제(220)가 단면들에 접착을 하게되는 메카니즘(mechanism)은 일차적인 화학 결합의 형성 외에 단면과 상기 광학용 접착제(220)에 존재하는 수소, 산소, 질소 등에 의한 이차 화학결합인 수소 결합, 분자간 결합(반데르발스(van der Waals) 결합) 또는 전자쌍을 주고 받는 상호 작용에 의한 강한 결합 등으로 설명된다. 이 때, 상기 유리층(170 및 180)의 입력측 단면과 이에 대향하는 상기 제1 상부 평판(210)의 출력측 단면은 상기 광학용 접착제(220) 내에 존재하는 수소, 산소 등과 수소 결합 등의 비교적 강한 화학 결합을 형성할 수 있으나, 상기 반도체 기판(160)의 입력측 단면과 이에 대향하는 상기 제1 하부 평판(200)의 출력측 단면은 상기 광학용 접착제(220) 내에 존재하는 수소, 산소 등과 수소 결합 등의 강한 화학 결합을 형성할 수 없다는 문제점이 있다.
상술한 바와 같이, 도 1에 도시된 바와 같은 종래의 평면 도파로 소자 모듈은 반도체 기판(160)과 제1 하부 평판(200)의 접착력, 또는 상기 반도체 기판(160)과 제2 하부 평판(130)의 접착력이 취약하여 전체적인 상기 평면 도파로 소자 모듈의 신뢰성이 떨어진다는 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 본 발명의 목적은 평면 도파로 소자와 광섬유 블럭의 접착력을 향상시킴으로써 그 신뢰도를 향상시킬 수 있는 평면 도파로 소자 모듈을 제공함에 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따라 각각 광섬유 실장을 위한 하나 이상의 홈이 표면에 형성된 반도체 재질의 하부 평판과, 상기 광섬유의 고정을 위해 상기 하부 평판과 접착되는 유리 재질의 상부 평판을 구비하는 하나 이상의 광섬유 블럭과; 반도체 기판과, 상기 반도체 기판 상에 적층되며 광경로를 형성하는 코어층 및 상기 코어층을 둘러싸는 클래드층을 구비하는 평면 도파로 소자를 포함하여 구성되는 평면 도파로 소자 모듈은,
상기 각 광섬유 블럭과 평면 도파로 소자의 서로 대향하는 단면들이 각각 무기산화물 재질의 접착 보조층으로 코팅되어 있으며, 상기 서로 대향하는 단면들은 광학용 접착제를 이용하여 서로 접착된다.
도 1은 종래에 따른 평면 도파로 소자 모듈의 구성을 나타내는 사시도,
도 2는 도 1에 도시된 평면 도파로 소자 모듈을 A-A'를 따라 나타낸 부분 단면도,
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 평면 도파로 소자 모듈의 구성을 나타내는 사시도,
도 4는 도 3에 도시된 평면 도파로 소자 모듈을 B-B'를 따라 나타낸 부분 단면도,
도 5는 도 3에 도시된 평면 도파로 소자 모듈을 C-C'를 따라 나타낸 부분 단면도.
이하에서는 첨부도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능, 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하지 않게 하기 위하여 생략한다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 평면 도파로 소자 모듈의 구성을나타내는 사시도이고, 도 4는 도 3에 도시된 평면 도파로 소자 모듈을 B-B'를 따라 나타낸 부분 단면도이며, 도 4는 도 3에 도시된 평면 도파로 소자 모듈을 C-C'를 따라 나타낸 부분 단면도이다. 먼저, 도 3 내지 도 5를 참조하여 상기 평면 도파로 소자 모듈의 구성에 대하여 기술하기로 한다.
상기 평면 도파로 소자 모듈은 평면 도파로 소자(350)와, 하나의 입력측 광섬유(430)가 삽입된 제1 광섬유 블럭(390)과, 네 개의 출력측 광섬유(310)가 삽입된 제2 광섬유 블럭(320)으로 구성된다.
상기 평면 도파로 소자(350)는 1×4 빔 스플리터이며, 상기 평면 도파로 소자(350)는 실리콘 재질의 반도체 기판(360)과, 상기 반도체 기판(360) 상에 적층되는 실리카 재질의 유리층(370 및 380)(코어층(370) 및 클래드층(380))과, 무기산화물 재질의 제1 입력측 접착 보조층(354) 및 제1 출력측 접착 보조층(358)으로 구성된다. 상기 코어층(370)은 광신호의 전송 경로가 되며, 상기 클래드층(380)은 상기 코어층(370)을 둘러싸서 상기 광신호를 상기 코어층(370) 내에 가두어 두는 기능을 한다. 상기 평면 도파로 소자(350)의 코어층(370)은 하나의 입력단과 네 개의 출력단을 가지며, 상기 코어층(370)의 입력단은 상기 유리층(370 및 380)의 입력측 단면에 포함되며, 상기 코어층(370)의 출력단들은 상기 유리층(370 및 380)의 출력측 단면에 포함된다. 상기 제1 입력측 접착 보조층(354)은 상기 평면 도파로 소자(350)의 입력측 단면(상기 반도체 기판(360)의 입력측 단면과 유리층(370 및 380)의 입력측 단면으로 구성됨) 상에 균일하게 도포되며, 상기 제1 출력측 접착 보조층(354)은 상기 평면 도파로 소자(350)의 출력측 단면(상기 반도체 기판(360)의 출력측 단면과 상기 유리층(370 및 380)의 출력측 단면으로 구성됨) 상에 균일하게 도포된다.
상기 제1 광섬유 블럭(390)은 하나의 입력측 V-홈(405)이 그 상부에 형성된 실리콘 재질의 제1 하부 평판(400)과, 상기 제1 하부 평판(400)과 접착된 실리카 재질의 제1 상부 평판(410)과, 무기산화물 재질의 제2 출력측 접착 보조층(395)으로 구성된다. 이 때, 상기 입력측 V-홈(405)에는 상기 입력측 광섬유(430)가 안착되며, 상기 입력측 광섬유(430)가 고정될 수 있도록 상기 제1 상부 평판(410)과 제1 하부 평판(400)은 접착제를 이용하여 접착된다. 상기 제1 광섬유 블럭(390)의 출력측 단면은 상기 입력측 광섬유(430)와 상기 코어층(370)의 입력단이 정렬된 상태에서 대향하는 상기 평면 도파로 소자(350)의 입력측 단면과 광학용 접착제(420)를 이용하여 접착된다. 또한, 상기 제2 출력측 접착 보조층(395)은 상기 제1 광섬유 블럭(390)의 출력측 단면(상기 제1 상부 평판(410)의 출력측 단면과 상기 제1 하부 평판(400)의 출력측 단면으로 구성됨) 상에 균일하게 도포된다.
상기 제2 광섬유 블럭(320)은 네 개의 출력측 V-홈(미도시)이 그 상부에 형성된 실리콘 재질의 제2 하부 평판(330)과, 상기 제2 하부 평판(330)과 접착된 실리카 재질의 제2 상부 평판(340)과, 무기산화물 재질의 제2 입력측 접착 보조층(325)으로 구성된다. 이 때, 상기 각 출력측 V-홈에는 상기 각 출력측 광섬유(310)가 안착되며, 상기 출력측 광섬유들(310)이 고정될 수 있도록 상기 제2 상부 평판(340)과 제2 하부 평판(330)은 접착제를 이용하여 접착된다. 상기 제2 광섬유 블럭(320)의 입력측 단면은 상기 각 출력측 광섬유(310)와 대응하는 상기 코어층(370)의 각 출력단이 정렬된 상태에서 대향하는 상기 평면 도파로 소자(350)의 입력측 단면과 광학용 접착제(420)를 이용하여 접착된다. 또한, 상기 제2 입력측 접착 보조층(325)은 상기 제2 광섬유 블럭(320)의 입력측 단면(상기 제2 상부 평판(340)의 입력측 단면과 상기 제2 하부 평판(330)의 입력측 단면으로 구성됨) 상에 균일하게 도포된다.
다음으로, 도 3 및 도 4를 참조하여 상기 평면 도파로 소자 모듈의 기능에 대하여 기술하면 하기하는 바와 같다. 제2 광섬유 블록(320)에 대한 설명은 제1 광섬유 블록(390)에 대한 설명과 유사하므로 생략하기로 한다.
제1 입력측 접착 보조층(354)의 표면과 이에 대향하는 제2 출력측 접착 보조층(395)의 표면이 광학용 접착제(420)에 의해 접착되어 있으며, 상기 광학용 접착제(420)는 선택에 따라 자외선 경화성 접착제, 열 경화성 접착제 등을 사용할 수 있다. 상기 자외선 경화성 접착제는 액체 상태로 단면들, 즉 상기 제1 입력측 접착 보조층(354)의 표면과 이에 대향하는 제2 출력측 접착 보조층(395)의 표면에 도포된 후에 자외선을 조사하여 경화시키며, 상기 열 경화성 접착제는 액체 상태로 단면들, 즉 평면 도파로 소자(350)의 제1 입력측 접착 보조층(354)의 표면과 이에 대향하는 제2 출력측 접착 보조층(395)의 표면에 도포된 후에 가열하여 경화시킨다.
상기 제1 하부 평판(400) 또는 반도체 기판(360)의 화학적 구조는 하기 <화학식 1>로 나타낼 수 있다.
상기 광학용 접착제(420)의 화학적 구조는 하기 <화학식 2>로 나타낼 수 있다.
이미 상술한 바와 같이, 상기 <화학식 1>과 같은 화학적 구조를 가지는 상기 제1 하부 평판(400) 또는 반도체 기판(360)은 상기 <화학식 2>와 같은 화학적 구조를 가지는 상기 광학용 접착제(420)와 강한 화학 결합을 이루지 못한다.
한편, 상기 제1 입력측 접착 보조층(354) 또는 제2 출력측 접착 보조층(395)의 재질을 SiO2로 설정한 경우에 상기 제1 입력측 접착 보조층(354) 또는 제2 출력측 접착 보조층(395)의 화학적 구조는 하기 <화학식 3>으로 나타낼 수 있다.
이미 상술한 바와 같이, 상기 <화학식 3>과 같은 화학적 구조를 가지는 상기 제1 입력측 접착 보조층(354) 또는 제2 출력측 접착 보조층(395)은 상기 <화학식2>와 같은 화학적 구조를 가지는 상기 광학용 접착제(420)와 강한 화학 결합을 이룬다.
상기 평면 도파로 소자 모듈은 광학용 접착제(420)가 반도체 기판(360), 제1 하부 평판(400) 또는 제2 하부 평판(330)과 직접적으로 접촉하는 것을 차단하고, 상기 광학용 접착제(420)와의 결합력을 높이기 위하여 상기 반도체 기판(360), 제1 하부 평판(400) 또는 제2 하부 평판(330)의 해당 단면들에 SiO2, TiO2등과 같은 무기산화물 재질의 접착 보조층들(395, 354, 358 및 325)을 형성한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 평면 도파로 소자 모듈은 무기 산화물 재질의 접착 보조층을 이용함으로써 평면 도파로 소자와 광섬유 블럭의 접착력을 향상시키고, 상기 평면 도파로 소자 모듈의 신뢰도를 향상시킨다는 이점이 있다.

Claims (2)

  1. 각각 광섬유 실장을 위한 하나 이상의 홈이 표면에 형성된 반도체 재질의 하부 평판과, 상기 광섬유의 고정을 위해 상기 하부 평판과 접착되는 유리 재질의 상부 평판을 구비하는 하나 이상의 광섬유 블럭과; 반도체 기판과, 상기 반도체 기판 상에 적층되며 광경로를 형성하는 코어층 및 상기 코어층을 둘러싸는 클래드층을 구비하는 평면 도파로 소자를 포함하여 구성되는 평면 도파로 소자 모듈에 있어서,
    상기 각 광섬유 블럭과 평면 도파로 소자의 서로 대향하는 단면들은 각각 무기산화물 재질의 접착 보조층으로 코팅되어 있으며, 상기 서로 대향하는 단면들은 광학용 접착제를 이용하여 서로 접착됨을 특징으로 하는 평면 도파로 소자 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 무기산화물은 SiO2또는 TiO2임을 특징으로 하는 평면 도파로 소자 모듈.
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