KR100446086B1 - 도파관을소자에결합하는방법및장치 - Google Patents
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Abstract
통신 목적으로 의도된 광 소자들은, 광칩과 같은 소자가 설치될 때 광학적으로, 기계적으로, 전기적으로, 열적으로 동시에 결합되어야 하기 때문에, 매우 정확히 제조되어 실장되어야 한다. 표면-방출 또는 표면-검출 소자를 이용하는 경우, 직각의 기하학적인 형상을 얻기 위해, 또한, 감소된 광 진행 경로 및 광섬유의 정확한 고정을 얻기 위해, 45도로 기울어진 반사면(12)은 광-전도 코어(16)와 광칩의 활성면(10) 사이에 배치되고, 상기 광-전도 코어는, 광섬유(9)를 절단하며 상기 광섬유를 V-홈에 끼워 맞추어 평탄 커버 수단(20)에 의해 상기 홈안에 광섬유를 정확히 고정시킴으로써, 반사면에 보다 근접하게 위치된다. 상술한 해결법은 일반적으로 기하학적인 형상의 성질에 관한 것이지만, 공간, 신호 전송 성능 및 제조 비용의 필요 조건에 관해 이전의 공지 기술과 비교하여 소위 마이크로-구조로 광 소자를 배치하는데 상당한 장점을 제공할 수 있다.
Description
전기통신용으로 의도된 광 소자는 가격이 비싸다. 광 소자의 제조 비용 중 상당 부분은 광칩, 발광 또는 광-검출 소자, 및 광섬유, 즉 도파관 사이에 확립된 결합과 관련된다고 할 수 있다. "소자 정합(alignment)"의 기준에 관한 기계적 요구가 매우 많이 있고, 이에 관한 필요한 정밀도는 1/1000 mm 정도이다. 진보된 실장 방법, 및 특수 합금으로 제조된 소자를 갖는 고정밀도의 기구는 이러한 요구 조건을 충족시키는데 요구되며, 이는 비용에 반영된다.
제조 공정은 작은 실리콘 플레이트를 마이크로미케니컬 기판 캐리어(micromechanical substrate carriers)로 이용함으로써 간소화될 수 있다. 실리콘은 정합 목적에 이용될 수 있는 마이크로미케니컬 구조를 제조할 수 있는 유일한 가능성을 제공하는 많은 장점을 갖는다. 캐리어는 병렬로 처리될 수 있고, 그에 의해 많은 "캐리어 칩(carrier chip)"이 하나의 실리콘 플레이트로부터 얻을 수 있게 되는데, 이는 제조 비용을 낮출 수 있다. 또한, 실리콘은 매우 효과적인 전기적 및 열적 특성을 갖는데, 이는 광칩의 기능적 실장을 달성하는데 필요하다. 마지막으로, 전극 패턴 형성 및 전기적 결합 기술과 같은 실리콘 공정에 관한 경험이 풍부하다.
상기 광칩-도파관 정합 문제를 해결하기 위한 적절한 기하학적 형상에 관해 많은 개념과 제안이 있어 왔다. 이러한 많은 개념과 제안은 광섬유를 원하는 자리에 위치시키기 위해 소위 V-홈을 실리콘에 이용하는 것이다. 이방성 에칭 방법은 V-홈의 매우 우수한 치수 제어를 제공하는데, V-형상의 벽에 대한 각은 실리콘의 결정면에 의해 형성된다. [100] 실리콘에 대하여, 여기서 [100]은 실리콘 플레이트의 법선 벡터에 관한 결정 방위를 나타내는데, 벽의 각, 즉 arcsine도를 갖는 적절한 V-홈을 얻는 것이 가능하다. 또한, 이 각은 홈의 단부에서 구해진다. 홈의 단부를 금속화함으로써, V-홈에 위치된 광섬유로부터의 광은 광-검출기로 반사될 수 있다. 반대로, 발광 소자로부터의 광은 광섬유로 유도될 수 있다.
광칩이 광학적으로, 전기적으로, 기계적으로, 열적으로 동시에 접속되기 때문에, 광칩의 실장은 그 자체가 기술이다. 정합은 몇가지 상이한 방법으로 달성될 수 있다. 가장 일반적인 방법은 납땜에 의한 자기 정합, 기계적인 배압면 또는 접합면에 의한 수동 정합, 또는 픽 앤드 플레이스 방법이다.
제 1 방법은 금속 땜납에 나타난 표면 장력을 이용한다. 광칩 및 캐리어 모두에 잘 형성된 인접한 땜납-가용성 표면에 의해, 용융된 땜납의 표면 장력은 광칩을 캐리어상의 원하는 위치로 이끌 수 있다. 온도가 떨어짐에 따라, 땜납이 응고되어 광칩을 정확한 위치에 부착시킨다.
제 2 방법은 캐리어상의 마이크로미케니컬 배압면 또는 접합면에 의해 광칩을 원하는 위치에 위치시키는 것에 기초된다. 이들 면은 캐리어상에 침적된 이산화규소로부터 제조될 수 있고, 그 후 광칩이 고정되는 코너를 형성하도록 패턴화될 수 있다. 도파관에 관한 코너의 위치와, 도파관 외부의 기하학적 형상에 관한 광칩의 활성면을 양호하게 제어함으로써, 우수한 정합이 달성될 수 있다.
이러한 후자의 방법은 캐리어 및 광칩상에 정합 마크들을 이용한다. 이들 정합 마크는 소자가 공통 좌표계에서 매우 정확하게 방위를 맞출 수 있게 한다. 결과적으로, 소자를 조립하기 위해, 소자가 소정의 방식으로 공통 좌표계에서 이동되게할 수 있는 고급의 기계적 공정이 요구된다. 3가지 방법 모두는 마이크로미터 범위의 실장 정밀도를 필요로 한다. 이들 방법에 중요하지 않은 세부사항은, 그 존재가 다음에 설명될 개념의 적절성에 대한 전체 조건일지라도, 본원에서 논의되지 않을 것이다.
본 발명은 도파관을 광-발생 또는 광-검출 소자에 결합하는 방법 및 장치, 예컨대 광섬유를 광칩에 결합하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
도 1A는 공지 기술에 따른 V-형 홈을 갖는 광섬유 실리콘 캐리어를 위로부터 도시한다.
도 1B는 공지 기술에 따른 광섬유 캐리어 및 홈에 위치된 광칩을 위로부터 도시한다.
도 1C는 공지 기술에 따른 광-전도 코어를 갖고 V-홈에 위치되는 광섬유의 단면도이다.
도 1D는 도 1B에 따른 광섬유를 광칩에 접속하는 것에 관한 측면도이다.
도 2A는 본 발명에 따른 커버 수단, 홈, 및 활성면을 갖는 광칩을 구비한 광섬유 접속용 실리콘 캐리어의 측면도이다.
도 2B는 본 발명에 따른 커버 수단 및 홈 사이의 D-섬유의 단면도이다.
도 2C는 본 발명에 따른 광섬유 실리콘 캐리어를 위로부터 도시하고, 커버수단, 홈 및 광칩을 도시한다.
표면-방출 또는 표면-검출 소자를 이용하는 경우, 직각(right-angled)의 기하학적 형상을 얻기 위해, 및 감소된 광 진행 경로 및 정확한 광섬유의 고정을 얻기 위해, 45도의 각도로 기울어진 반사면은 광-전도 코어 및 광칩의 활성면 사이에 배치되어 있다. 광-전도 코어는 광섬유를 경사지게 절단(bevelling)함으로써 반사면에 더 근접해 있고, 이와 함께 광섬유의 정확한 고정을 위해 V-홈 및 평탄 커버 사이에 고정된다. 상술한 해결법은 본질적으로 기하학적 형상의 성질의 문제에 관한 것이지만, 소위 광 마이크로-구조화(micro- structuring) 기술의 광 소자의 배치와 유사하게, 공간, 신호 전송 성능 및 제조 비용에 관한 이전의 공지 기술과 비교해서 상당한 장점을 제공한다.
도 1A 내지 도 1D는 이전의 공지 기술에 따른 광칩의 결합을 도시한다. 실리콘일 수 있는 캐리어 재료(2)에는 V-홈(3)이 설치되어 있다(도 1A 참조). 홈에 광섬유(4)가 위치되어 있고, 광칩(1)은 상기 광섬유의 자유단에 걸쳐 위치되어 있다(도 1B 참조). 단면에서 볼 때, V-홈(3)에 위치된 광섬유(4)의 일부는 상기 홈 및 캐리어 재료 외부에 위치된다(도 1C 참조).
도 1D에 도시된 바와 같이, 광의 방향은 상기 캐리어 재료상의 미러(5)의 반사에 연이어 대략 110도에 걸쳐 변화된다. 따라서, 이러한 사실은 칩/검출기(1)의 정확한 위치를 달성하기 위해 고려되어야 한다. 다른 한편으로, 이것은 발광 소자에 대해 충분하지 않다. 이것은 예컨대 섬유의 개구수(허용 각도)가 지나치게 기울어져 입사하는 광의 각도가 단일 모드 섬유에 결합되는 것을 허용하지 않기 때문이다. 따라서, 45도 미러에 기초된 직각의 기하학적 형상이 바람직한 것이다. 이것은 "통상의" [100] 실리콘 대신에 "비스듬히 절단된(obliquely sawn)" [100] 실리콘 블록을 이용함으로써 달성될 수 있다. 실제로, 소위 이러한 웨이퍼는 실리콘 블록을 비스듬하게, 특히 9.7도의 각도로 절단함으로써 얻어진다. 이것이 정확하게 행해지는 경우, 초기에 54.7도로 기울어진 미러는 이제는 45도(54.7-9.7)로 기울어질 것이다. 결합 효율에 나쁜 영향을 미칠 수 있고 도 1D로부터 명백한 다른 특징은 광 파장이 광-전도 코어(6) 및 활성 검출면 사이에서 비교적 길다는 것이다. 이것은 부분적으로 상기 광섬유의 하단부(8)가 미러의 벽에 접촉하여 광이 먼저 미러에 도달되게 하기 때문이고, 부분적으로 상기 검출기에 도달하기 위해 광이 이 때 하나의 광섬유 반지름에 대응하는 길이의 경로를 따라 통과해야만 하기 때문이다.
광섬유(9) 및 광칩(11)상의 활성면(10) 사이의 거리는 상기 거리의 제 1 부분을 감소시킴으로써, 즉 "수직"벽(14)을 갖는 캐리어 재료(13)상의 미러(12)를 절단함으로써 감소될 수 있다(도 2A 참조). 이것은 절단(sawing) 공정에 의해 용이하게 달성된다. 미러(12)의 하단부는 마이크로-일렉트로닉(microelectronic) 칩을 분리시키는데 이용되는 기술과 동일한 기술에 의해 완전하게 절단되는데, 수직벽(14)은 홈의 하부(15)에서 시작하여 광섬유(9)상의 섬유 코어(16) 바로 아래에서 끝날 수 있다. 상기 섬유 코어 및 상기 미러상의 반사점(17) 사이의 거리는 약 10 마이크로미터로 제한될 수 있다. 또한, 수직벽(14)은 광섬유 접합면으로 기능할 수 있어서 섬유의 실장을 용이하게 한다.
상기 거리의 제 2 부분은 섬유의 외부 직경이 기준보다 더 작은, 즉 직경이 125 마이크로미터보다 더 작은 섬유를 이용함으로써 감소될 수 있다. 상기 섬유의 처리가 여전히 가능해야 하기 때문에, 외부 직경 또는 치수는 60-80 마이크로미터보다 더 작으면 안된다. 따라서, 코어(16) 및 활성면(10) 사이의 합계 파장은 약 70-90 마이크로미터보다 약간 더 길다.
상기 거리를 더욱 감소시킬 목적으로, 섬유(9)는 소위 D-섬유의 방식으로 절단되어 있다(도 2B 참조). 원칙적으로, 상기 D-섬유는 D-형 단면을 가지고 있지만, 통상적인 단일 모드 섬유이고, 코어(16)가 최초 원형 섬유의 평탄 측부(18)에 근접해 있다. 이러한 특정 섬유 형상은 최초 섬유 재료를 구성하는 프리폼(preform), 즉 "유리봉(glass rod)"을 코어로부터 적절한 거리에서 길이 방향을 따라 절단함으로써 얻어진다. 상기 섬유는 섬유를 설치할 때 프리폼의 크기를 유지한다. 이것은 상기 평탄 측부와 상기 코어 중심 사이의 거리가 매우 짧은, 즉 10 마이크로미터 이하인 거리가 되도록 섬유를 제조할 수 있게 한다. 상기 D-섬유의 평탄 측부(18)를 위로 향하게 하여 D-섬유를 V-형 홈안에 설치함으로써, 섬유에서 광칩까지의 합계 파장은 20 마이크로미터 이하로 유지될 수 있다.
도 1A 내지 도 1D로부터 명백하지 않은 것은 광섬유가 홈의 벽과 접합을 유지하면서 광섬유를 V-홈에 위치시키는데 겪는 어려움이다. 광섬유는 가장 일반적으로 V-홈에 접착된다. 그러나, 접착제는 광섬유를 들어 올려 적정 위치에서 벗어나게 하는 경향이 있어, 원하는 설치 정확도에 악영향을 미친다. 따라서, 접착 공정 동안에 광섬유를 적정 위치에 유지시키기 위한 보조 수단을 이용하는 것이 바람직하다. 이러한 하나의 보조 수단은 실리콘 캐리어(13)와 같은 캐리어 재료의 상부에 고착된 커버 수단 또는 리드(lid)(20)의 형태를 가질 수 있으므로, V-홈(19) 및 커버 수단(20)은 삼각 모세관(21)을 갖는 공간을 함께 형성하는데, 여기에 광섬유가 정확히 고정되어 접착 공정 동안에 위치를 변경할 수 없다(도 2B 참조). 도 2C는 커버 수단(19)에 의해 적정 위치에 고정되고 광칩(11)에 결합되는 광섬유(9)를 위로부터 도시한다.
커버 수단(20)은 양극 본딩(anodic bonding)에 의해 용이하게 설치될 수 있다. 양극 본딩은 실리콘 또는 투명 유리로 구성될 수 있는 기판 캐리어 및 커버 수단을 함께 위치시키며, 상기 조립체를 가열하여 전위를 인가함으로써 달성된다. 이동 이온은 접합부(joint)를 가로질러 높은 전계 강도를 생성하는데, 상기 정전기력은 원자 스케일(scale)로 내구성있는 본딩을 생성하는데 기여한다. 상기 접합부의 강도는 강한 접착 접합부와 비교된다. 본명은 소위 웨이퍼 레벨로 달성되는 것이 바람직하며, 그 후 각각의 캐리어는 웨이퍼로부터 절단될 수 있다. 상기 캐리어/커버 조립체는 적절한 광칩 실장면을 제공하도록 상기 커버의 특정 부분이 절단될 수 있게 구성된다. 삼각 모세관(21) 및 D-섬유(9)의 결합은 특히 적절하다. 왜냐하면, 상기 D-섬유가 정확하게 위치될 때 V-홈 모세관에 고정될 뿐이므로, 상기 D-섬유가평탄 측부 위에 부착되는 것을 보장하기 어렵기 때문이다.
상술한 해결법은 정확히 고정되며, 짧은 광 파장을 갖고, 실리콘 캐리어상에 실장된 발광 또는 광-검출 광칩을 실장하는데 특히 적합한 광학적 마이크로-구조를 제공한다.
Claims (7)
- 도파관을 발광 또는 광-검출 소자에 결합하는 방법, 예컨대 광섬유를 짧은 진행 경로의 광칩에 결합하는 방법에 있어서,상기 도파관 및 상기 소자 사이에 반사면을 배치하는 단계, 및상기 도파관이 상기 소자에 결합될 때, 도파관의 코어 및 소자의 활성면 사이의 최대 거리가 90 마이크로미터이도록 D-섬유를 제공하기 위해 상기 도파관을 절단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 도파관을 발광 또는 광-검출 소자에 결합하는 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 D-섬유를 제공하기 위해 상기 도파관을 절단하는 단계는 V-홈의 적정 위치에 상기 도파관을 고정시키도록, 커버 수단에 의해 상기 절단된 도파관이 상기 V-홈에 지지되게 하는 것을 특징으로 하는 도파관을 발광 또는 광-검출 소자에 결합하는 방법.
- 도파판을 발광 또는 광-검출 소자에 결합하는 장치, 예컨대 광섬유를 광칩에 결합하는 장치에 있어서,반사면(12)은 상기 도파관(9)의 앞 및 상기 소자(11)의 아래에 45도의 기울기로 배치되고;상기 도파관이 상기 소자에 결합될 때, 상기 도파관의 코어(16) 및 상기 소자의 활성면(10) 사이의 최대 거리가 90 마이크로미터이도록 D-섬유를 제공하기 위해 상기 도파관(9)이 절단되는 것을 특징으로 하는 도파관을 발광 또는 광-검출 소자에 결합하는 장치.
- 제 3 항에 있어서,상기 절단된 도파관(9)을 커버 수단(20) 및 캐리어 기판(13)의 V-홈(19) 사이에 고정시키는 커버 수단(20)을 포함하는 것을 특징으로 하는 도파관을 발광 또는 광-검출 소자에 결합하는 장치.
- 제 3 항에 있어서,상기 V-홈(19) 및 상기 반사면(12) 사이에 배치된 홈 하부(15)를 구비한 홈을 포함하는 것을 특징으로 하는 도파관을 발광 또는 광-검출 소자에 결합하는 장치.
- 제 5 항에 있어서,상기 반사면(12)은 상기 도파관 코어(16) 아래의 벽면(14) 시작 부분에서 끝나는 것을 특징으로 하는 도파관을 발광 또는 광-검출 소자에 결합하는 장치.
- 제 6 항에 있어서,상기 반사면(12) 아래 및 이 반사면에 인접한 상기 벽면(14)은 상기 홈의 일부분, 및 상기 도파관(9)을 설치할 때 도파관 접합 수단을 형성하는 것을 특징으로 하는 도파관을 발광 또는 광-검출 소자에 결합하는 장치.
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