KR100450821B1 - Ｍｅｍｓ를 이용한 광학 소자의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

MEMS를 이용한 광학 소자의 제조 방법이 개시되어 있다.
이 개시된 제조 방법은, 기판상에 움직이는 구조물과 광부품을 광신호를 전달하는 on 상태로 광학 정렬하여 배치하는 단계; 상기 움직이는 구조물의 주변에 기판의 하부면 근처까지 파쇄홀을 형성하는 단계; 상기 기판에 상기 움직이는 구조물을 구동하기 위한 액츄에이터를 결합하는 단계; 상기 파쇄홀을 절단하여 상기 움직이는 구조물을 이동가능하게 하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 구성에 의해, 움직이는 구조물의 on 상태에서 기구적 및 전기적 조립이 함께 이루어지므로 on 상태의 광학적 정렬 상태를 그대로 유지할 수 있으며, 제조 공정을 단순화할 수 있다.

Description

ＭＥＭＳ를 이용한 광학 소자의 제조방법{Method of optical device using MEMS}
본 발명은 MEMS를 이용한 광학 소자의 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 움직이는 구조물과 액츄에이터가 함께 on 상태로 조립 및 제작이 완성되도록 함으로써 정확한 광학 정렬이 가능하게 된 MEMS를 이용한 광부품의 제조 방법에 관한 것이다.
근래에는 광통신의 발달로 광신호를 적절한 선로로 절환하기 위한 광스위치의 연구 개발이 활발히 진행되고 있다. 종래 광신호를 받아서 이를 전기신호로 변환한 다음, 상기 전기신호를 다시 광신호로 변환하여 선택된 다른 선로로 인가하는 O-E-O 방식에서 점차 광신호를 전기신호의 변환없이 바로 광신호로 절환할 수 있는 O-O 방식의 연구가 진행되고 있다.
광스위치에는 도파로를 설계하고 열 또는 전압을 가하여 도파로의 굴절률을 변화시킴으로써 광경로를 변화시키는 TO(thermo-optic), EO(electro-optic) 방식의 스위치가 있고, 기타 기계식 및 액정 등을 이용한 방법도 있다. 이 중 MEMS(Micro Electromechanical System)를 이용하여 마이크로미러를 만들고 이를 이용하여 광신호를 절환하는 방식이 다른 방식에 비해 소형으로 할 수 있으며, 인접한 부품들과의 간섭이 적고 광손실이 적은 편이어서 선호되고 있다.
MEMS를 이용한 방식 중에는 마이크로미러를 한 방향으로 on-off시켜 이차원적으로 스위칭하는 방법과 두 방향으로 구동시키면서 광신호를 원하는 위치에 정확하게 전달되도록 하는 삼차원적인 방법이 있다. 그런데, 스위칭 경로가 많지 않은 경우, 예를 들어 16×16 이하인 경우에는 대부분 이차원 스위칭 방법을 사용한다.여기서, 광스위치의 가격을 결정하는 요소로는 광스위치의 크기, 제작공정의 수 및 조립의 용이성 등이 있다.
종래의 광스위치 중에서 마이크로미러를 직각으로 구동하여 on-off 스위칭하는 것이 있다. 도 1을 참조하면, 기판(115) 위에 복수개의 마이크로미러 액추에이터(110)가 2차원의 메트릭스 형태로 배열되고, 입력부의 광파이버(143)에서 나온 빛은 마이크로 렌즈(145)를 거쳐 평행광으로 변환된다. 이 평행광은 수직으로 직립해 있는 마이크로 미러(131a)(131b)(131c)(131d)를 향해 입사되어 반사된 다음 출력부쪽의 마이크로 렌즈(146)를 통과해 출력측 광파이버(148)로 전송된다. 즉, 광스위치는 상기 기판(115)에 대해 수직으로 직립된 마이크로미러(131a)(131b)(131c)(131d)에 의해 입사되는 광신호를 반사시키고 수평 상태로 되어 있는 마이크로미러(132)에 의해서는 입사되는 광신호를 통과시킴으로써 광경로를 선택할 수 있도록 되어 있다.
상기와 같은 구조에서는 상기 마이크로 미러들을 정전인력으로 구동시킨다. 미설명 부호 105는 그 내부에 전극(미도시)이 마련되는 트렌치를, 118은 마이크로 미러의 회동축을, 120은 마이크로 미러를 회동가능하게 지지하는 지지 포스터를 각각 나타낸다.
이러한 광스위치를 제조하는데 있어서, 상기 액츄에이터(110)를 제조한 다음 그 위에 상기 마이크로 미러(131a)(131b)(131c)(131d)(132)를 형성한다. 그리고, 상기 입력부의 광파이버(143)와 마이크로렌즈(145) 및 출력부의 광파이버(148)와 마이크로렌즈(146)를 상기 마이크로미러와 액츄에이터와는 별도로 제작한 다음 조립하는 단계를 거친다.
이와 같이, 액츄에이터와 마이크로 미러와 같은 움직이는 구조물이 각각 형성되고, 광파이버 또는 마이크로렌즈와 같은 광부품이 별도로 제작됨에 따라 광학 정렬이 정확하게 이루어지기가 어렵다. 또한, 상기와 같이 마이크로미러를 수직으로 세워 광경로를 전환하는 경우에 마이크로미러를 정확하게 수직으로 제어하기 어렵다. 또한, 광학적 성능을 테스트하기 위해서는 광스위치를 조립한 완제품 상태에서 마이크로미러를 구동시켜 테스트를 해야 하므로 불량품에 대한 보정의 기회가 없어 불량률이 높은 단점이 있다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 움직이는 구조물, 액츄에이터 및 광부품등을 함께 on 상태로 광학 정렬 및 조립한 후에 움직이는 구조물을 구동가능하도록 함으로써 정확하고 용이하게 광학 정렬이 이루어지고, 기구 및 전기적 조립이 동시에 진행되도록 하여 제조 공정을 단순화한 MEMS를 이용한 광학 소자의 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
도 1은 종래의 광스위치 구조를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 MEMS를 이용한 광학 소자의 일예인 1×4 광스위치를 나타낸 도면이다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명에 따른 MEMS를 이용한 광학 소자의 제조 공정을 나타낸 사시도이다.
도 4a는 도 3a의 A-A선 단면도이고, 도 4b는 도 3b의 B-B선 단면도이고, 도 4c는 도 4a 및 도 4b에 이어지는 본 발명에 따른 MEMS를 이용한 광학 소자의 제조 공정을 나타낸 단면도이다.
<도면 중 주요 부분에 대한 부호의 설명>
20,25...광파아버 22,27...렌즈
30...기판, 31,32,33,34...그루브
35,36,37,38...마이크로 미러 40..파쇄홀
42...액츄에이터
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 MEMS를 이용한 광학 소자의 제조 방법은,
기판상에 움직이는 구조물과 광부품을 광신호를 전달하는 on 상태로 광학 정렬하여 배치하는 단계; 상기 움직이는 구조물의 주변에 기판의 하부면 근처까지 파쇄홀을 형성하는 단계; 상기 기판에 상기 움직이는 구조물을 구동하기 위한 액츄에이터를 결합하는 단계; 상기 파쇄홀을 절단하여 상기 움직이는 구조물을 이동가능하게 하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 움직이는 구조물과 광부품의 광학 정렬은 상기 움직이는 구조물이 고정된 상태에서 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 움직이는 구조물은 다수개의 마이크로 미러이고, 상기 광부품은 상기 마이크로 미러에 광신호를 전송하기 위한 광파이버 또는 렌즈인 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 MEMS를 이용한 광학 소자의 제조 방법에 대해 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 2는 MEMS를 이용한 광학 소자의 일예를 도시한 것으로, 기판(10) 위에 다수개의 마이크로 미러(15a)(15b)(15c)(15d)가 움직임 가능하게 배열되어 있고, 광신호가 상기 마이크로 미러(10)를 향해 입사되도록 하는 입력부쪽의 제1광파이버(20)와 제1렌즈(22) 그리고 상기 마이크로 미러(15a)(15b)(15c)(15d)에서 반사된 광신호를 소정 방향으로 출사시키는 출력부쪽의 제2광파이버(25)와 제2렌즈(27)가 구비된다.
상기와 같이 구성된 광학 소자는 예를 들어, 1×4 광스위치로 사용될 수 있으며, 이밖에도 마이크로 미러의 배열을 다양하게 변화시킬 수 있다.
상기 다수개의 마이크로 미러는 예를 들어 제1 내지 제4 마이크로 미러(15a)(15b)(15c)(15d)로 구성될 수 있으며, 상하 방향으로 이동가능하게 이들 마이크로 미러 주변에 관통홀(28)이 각각 형성되어 있다. 따라서, 이 관통홀(28)에 의해 상기 제1 내지 제4 마이크로 미러(15a)(15b)(15c)(15d)를 각각 이동가능하게 지지하는 제1 내지 제4 블록(17a)(17b)(17c)(17d)이 형성된다. 이 블록들 하부에는 상기 마이크로 미러를 이동시키기 위한 액츄에이터(미도시)가 구비될 수 있다.
상기와 같이 구성된 광학 소자의 작용을 설명하면 다음과 같다.
상기 입력부(INPUT)쪽에서 입력된 광신호가 상기 제1광파이버(20) 및 제1렌즈(22)를 경유하여 상기 제1 내지 제4 마이크로 미러(15a)(15b)(15c)(15d) 중 어느 하나에 입사된다. 상기 제1 내지 제4 마이크로 미러(15a)(15b)(15c)(15d)는 상하로 이동 가능하게 되어 있어, 예를 들어 상기 제1 마이크로 미러(15a)가 상기 기판(10) 아래쪽으로 이동되면 광신호는 상기 제1 마이크로 미러(15a) 상부를 통과하게 된다. 이어서, 상기 광신호는 그 다음의 상기 제2 마이크로 미러(15b)에 입사되어 반사된 다음 출력부쪽의 제2렌즈(27)와 제2광파이버(25)를 경유하여 출사된다.
상기와 같은 방법으로 상기 제1 내지 제4 마이크로 미러(15a)(15b)(15c)(15d)들 중 몇 개가 기판 하부쪽으로 이동됨으로써 광경로를 변경할 수 있다.
다음은 상기와 같이 움직이는 구조물, 즉 MEMS를 이용한 광학 소자를 제조하는 방법에 대해 설명하기로 한다.
도 3a 및 도 4a를 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 MEMS를 이용한 광학 소자의 제조 방법은, 기판(30)상에 광부품을 배치할 적어도 하나의 그루브를 형성하고, 상기 적어도 하나의 그루브의 배열에 맞추어 다수개의 마이크로 미러를 형성한다. 상기 광부품은 예를 들어 앞서 설명한 제1 및 제2 광파이버(20)(25)나 제1 및 제2 렌즈(22)(27)와 같은 부품들이 될 수 있다. 여기서, 상기 적어도 하나의 그루브는 상기 제1 및 제2 광파이버(20)(25)를 배치할 제1 및 제2 그루브(31)(32)와 제1 및 제2 렌즈(22)(27)를 배치할 제3 및 제4 그루브(33)(34)로 구성될 수 있다.
또한, 상기 다수개의 마이크로 미러는 상기 제1 내지 제4 그루브(31)(32)(33)(34)에 배치될 광부품들의 광축을 따라 그 반사면이 위치되도록 정확하게 설계될 수 있다. 여기서는 상기 다수개의 마이크로 미러가 제1 내지 제4 마이크로 미러(35)(36)(37)(38)로 구성되는 경우를 도시하였다. 상기 렌즈(22)(27) 및 광파이버(20)(25)와 같은 광부품과 상기 마이크로 미러가 동일 기판(30)상에 함께 배치되고 움직이는 구조물이 유동 가능한 상태가 아닌 고정된 상태에서 배열되기 때문에 광학 정렬을 용이하게 할 수 있다.
다음, 도 3b도 도 4b에 도시된 바와 같이 상기 다수개의 마이크로 미러(35)(36)(37)(38) 주변에 각각 파쇄홀(40)을 형성한다. 이때, 상기 파쇄홀(40)은 상기 기판(30)을 완전히 관통하지 않고 기판(30)의 하부면 근처까지 형성된다. 바람직하게는, 상기 파쇄홀(40)은 가능한 한 최대한으로 상기 기판(30)의 하부면까지 형성되는 것이 좋다. 왜냐 하면, 이 파쇄홀(40)은 최종적으로 상기 마이크로 미러들을 자유롭게 움직임 가능하도록 하기 위해 절단되어야 하기 때문이다.
이와 같이 파쇄홀(40)을 형성한 다음, 도 4c에 도시된 바와 같이 상기 기판(30)에 상기 마이크로 미러(35)(36)(37)(38)들을 구동시키기 위한 액츄에이터(42)를 결합시킨다. 예를 들어, 상기 액츄에이터(42)는 상기 마이크로미러(35)(36)(37)(38)들 각각에 대응되는 위치에 부착한다. 이때, 상기 기판(30) 하부면에 상기 액츄에이터(42)를 본딩하여 부착시킬 수 있다. 도면 부호 43은 본딩에 의해 부착된 것을 과장되게 도시한 것이다.
본 발명에서는 이와 같이 마이크로 미러와 같은 움직이는 구조물과 광부품이 동일 기판에 배열되어 광학 정렬이 이루어지고, 이 상태에서 액츄에이터의 조립이 완료된다는 것이 특징이다. 즉, 상기 파쇄홀(40)이 상기 기판(30)을 완전히 관통하지 않도록 형성되므로 광학적으로 바람직하게 정렬이 된 상태를 유지하면서 상기 액츄에이터의 조립이 함께 이루어진다. 이로써, 움직이는 구조물이 on 상태로 기구적 및 전기적 조립이 동시에 진행 및 완료되므로 적어도 움직이는 구조물의 on 상태의 광학적 정렬은 처음에 설계했던 대로 보장될 수 있다. 여기서, 기구적 조립은 움직이는 구조물의 조립을, 전기적 조립은 움직이는 구조물을 구동시키기 위한 액츄에이터의 조립을 의미한다.
상기와 같이 움직이는 구조물의 on 상태에서 액츄에이터(42)를 조립한 다음, 도 4d에 도시된 바와 같이 상기 파쇄홀(40)에 기계적 또는 전기적 힘을 가하여 기판 아래까지 관통되도록 절단함으로써 상기 제1 내지 제 4 마이크로 미러(35)(36)(37)(38)를 상하방향으로 이동가능하도록 분리한다. 상기 파쇄홀(40)을 형성시 파쇄홀의 하단부가 기판(30)의 거의 하부면까지 이르도록 함으로써 적은 힘으로도 용이하게 상기 파쇄홀(40)을 절단할 수 있다.
상기 파쇄홀(40)을 절단함으로써 상기 마이크로 미러(35)(36)(37)(38)들이 각각 독립적으로 이동 가능하게 된다. 상기 액츄에이터(42)에 의해 상기 마이크로미러들을 선택적으로 상하방향으로 이동시킴으로써 앞서 설명한 바와 같이 광경로를 변환할 수 있다. 상기 액츄에이터(42)에 의해 상기 마이크로 미러가 하방으로 이동하였다가 원상태로 복귀될 때에는 마이크로 미러가 처음 조립 상태로 그대로 복귀되므로 on 상태에서의 광학 정렬 상태가 언제나 유지될 수 있다. 여기서, 상기 마이크로 미러가 상하 방향으로 이동 가능한 경우를 예시하였지만, 그 이동 방향은 상하방향에만 한정되지 않으며 예를 들어 수평방향으로 이동 가능한 경우도 포함될 수 있다.
한편, 도 4c 및 도 4d에서 도면 부호 20과 22는 상기 제1 및 제3 그루브(31)(33)에 각각 배치된 광파이버와 렌즈를 각각 나타낸다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 MEMS를 이용한 광학 소자의 제조 방법에 의하면, 움직이는 구조물의 on 상태에서 기구적 및 전기적 조립이 함께 이루어지므로 on 상태의 광학적 정렬 상태를 그대로 유지할 수 있다. on 상태에서의 광학 정렬이 중요한 것은 움직이는 구조물의 off 상태에서의 광학 정렬이 광학 소자의 성능에 크게 영향을 미치지 않는 반면, on 상태에서의 광학 정렬이 광학 소자의 성능을 좌우하기 때문이다. 따라서, 움직이는 구조물의 on 상태에서 기구적 및 전기적 조립을 함께 완료함으로써 광학 소자의 성능을 향상시킬 수 있으며, 제조 공정을 단순화할 수 있다.
또한, 움직이는 구조물이 고정된 상태에서 광학 정렬이 이루어지므로 광학 정렬을 정확하고 용이하게 할 수 있는 이점이 있다.

Claims (5)

  1. 기판상에 마이크로 미러와 광부품을 광신호를 전달하기 위한 on 상태로 광학 정렬하여 배치하는 단계;
    상기 마이크로 미러의 주변에 있는 기판에 파쇄홀을 형성하는 단계;
    상기 기판에 상기 마이크로 미러를 상하 방향 또는 수평 방향으로 구동하기 위한 액츄에이터를 결합하는 단계;
    상기 파쇄홀을 절단하여 상기 마이크로 미러를 이동가능하게 하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 MEMS를 이용한 광학 소자 제조 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 움직이는 구조물과 광부품의 광학 정렬은 상기 움직이는 구조물이 고정된 상태에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 MEMS를 이용한 광학 소자 제조 방법.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 광부품은 상기 마이크로 미러에 광신호를 전송하기 위한 광파이버 또는 렌즈인 것을 특징으로 하는 MEMS를 이용한 광학 소자 제조 방법.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 기판상에 광부품을 배치할 적어도 하나의 그루브를 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 MEMS를 이용한 광학 소자 제조 방법.
  5. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 액츄에이터를 기판에 결합할 때, 상기 기판의 하부면에 본딩하여 결합하는 것을 특징으로 하는 MEMS를 이용한 광학 소자 제조 방법.
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