KR100508336B1 - 반사 거울이 집적화된 광도파로의 제작방법 및 이를이용한 광연결구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 반사거울이 직접된 광도파로의 제작 및 이를 이용한 2 차원 광연결 구조에 관한 것이다. 즉, 본 발명은 어레이 형태의 광원과 구동 회로로 구성된 광송신부, 광검출기와 구동회로로 구성된 광수신부 그리고 그 사이에 반사거울이 집적된 광도파로를 이용하여 반도체 칩의 전기적 신호를 광송/수신 할 수 있는 광연결 구조를 구현한다. 따라서, 상기 광연결 구조는 제작된 광도파로의 단일층 및 다층 형태의 광도파로 어레이를 이용하여 1차원 또는 2차원 어레이 형태의 광원과 광검출기 사이에 광송수신이 가능하게 한다. 또한, 2차원 어레이 광원과 광검출기를 연결하는데 있어서 광을 거울면에 직접 접속하지 않고 광도파로에 접속하기 때문에 광원과 거울의 높이에 따른 거울 결합 손실 차이를 없앨 수 있고 이로 인해 광결합 효율을 균일하게 높일 수 있다.

Description

반사 거울이 집적화된 광도파로의 제작방법 및 이를 이용한 광연결 구조{Fabrication of optical waveguides with reflection mirrors and optical interconnects method using the fabricated optical waveguides}

본 발명은 광연결을 위한 반사 거울이 달린 광도파로의 제작 및 이를 이용한 광연결 방법에 관한 것으로, 1차원 또는 2차원 어레이 형태의 광원 및 광검출기를 광도파로를 이용하여 광연결하는 구조에 관한 것이다.

기존의 광연결 방법은 광원과 광검출기 사이에 렌즈와 같은 미세 광학 소자를 이용한 자유공간 연결 혹은 광섬유를 이용한 방법이 있다. 또한, 고분자 광도파로의 끝부분에 45도 형태의 미세 거울을 만들어 사용하는 방법이 사용되었다.

자유공간을 이용한 광연결은 2차원 어레이 형태가 가능하지만 정렬이 어렵고 부피가 큰 단점이 있다. 또한, 광섬유는 끝면에 거울을 형성하거나 거울 없이 바로 표면발광레이져와 광검출기를 연결하는데 사용하지만 섬유를 구부리거나 길이가 짧은 광섬유를 취급하는 것이 힘들기 때문에 수 cm의 짧은 거리에는 적용하기 어렵다.

광도파로의 끝부분에 45도 형태의 미세 거울을 만들어 사용하는 방법은 단일 층일 때는 그 거울과 광원 사이의 결합효율이 높지만 다층 구조에서는 광원과 거울의 거리가 멀어져서 렌즈와 같은 별도의 광소자 없이는 결합효율이 매우 낮은 문제가 있다.

본 발명의 목적은 칩과 칩 사이의 전기적 신호를 광신호로 변환한 후 광신호를 전송하는데 있어서 반사 거울이 달린 광도파로를 이용한 광연결 구조를 제공함에 있다.

상기의 목적을 달성하기 위해 반사 효율을 극대화하기 위한 광도파로의 상부 완충층의 식각 및 광도파로 어레이의 구조와 반사 거울의 형태를 제안한다.

또한, 제안된 광도파로 어레이를 단일층 또는 적층된 다층구조로 광원 광검출기 사이를 연결하는 구도를 포함한다.

그리고, 광원으로부터 나온 광신호가 광도파로의 입력단에 입사되고 반사 거울을 거쳐 방향을 전환하여 진행한 후 또 다른 반사 거울을 통해 방향을 전환하여 진행하다가 광도파로의 출력단에서 검출기로 진행하는 구조를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 광도파로 제작 방법은 평면기판(100) 위에 하부 완충층(101)과 코아층(102)을 차례로 적층하는 단계; 상기 코아층(102)에 도파로 패턴(103) 및 광신호를 반사할 수 있는 반사 거울의 패턴(104)을 제작하는 단계; 및 상기 코아층에 도파로 패턴(103)을 형성 후 상부 완충층(105)을 적층하고 반사 거울이 위치하는 곳에 반사 거울이 공기와 만날 수 있도록 패턴을 형성하는 단계를 포함한다.

본 발명에서 평면 기판(100)은 석영(quartz), 유리, 실리콘, 플라스틱 중 어느 하나를 사용하여 형성된다.

본 발명에서 코아층의 도파로 패턴(103)과 미세거울 패턴(104)은 이온 반응 식각, 노광 공정에 의한 습식 식각 그리고 러버 몰딩, 핫 엠보싱(hot embossing), 사출 성형을 이용한 몰딩법 중 어느 하나를 사용하여 형성된다.

본 발명에서 코아층의 도파로 물질은 노광공정이 가능한 에폭시 계열. 아크릴 계열, 이미드 계열, 올레핀 계열, 실록산 계열 이외의 광고분자 물질, 그리고 반응 식각 공정과 몰딩 공정이 가능한 아크릴계, 폴리카보네이트계, 이미드계, 올레핀계 중 어느 하나를 사용한다.

본 발명에서 반사 거울이 위치하는 곳에 반사 거울이 공기와 만날 수 있도록 패턴(104)을 형성하는 단계는 필요에 따라 반사 거울은 전반사를 이용하거나 Au, Al, Ag 등과 같은 금속 박막을 코팅하여 반사효율을 높일 수 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서 미세 거울면의 평면상 패턴은 직선, (m분의 45)도의 각도로 m 번 꺾인 형태, 곡선 중 어느 하나를 사용하여 형성된다.

본 발명에서 거울면은 광도파로의 기판면과 소정의 각도를 가질 수 있음을 특징으로 한다.

본 발명에서 광도파로 패턴은 어레이 형태로 제작이 가능한 것을 특징으로 한다.

본 발명에서 상기 제작된 광도파로는 적어도 하나 이상 적층하는 단계를 더 포함한다.

본 발명에서 광도파로는 소정의 두께를 갖는 기판 또는 필름을 적층된 광도파로 사이에 삽입할 수 있고, 열, 빛, 접착제, 접착 필름 중 어느 하나를 사용하여 적층된다.

본 발명에서 광도파로 어레이를 이용한 칩간 광연결 구조는 내부에 광도파로(150, 160)를 포함하는 PCB회로(205)와 광신호를 구동하는 구동칩(202)과 상기 광도파로 일측상단에 적층되어 상기 구동칩에 의하여 광신호를 출사하는 표면 방출 레이져 어레이(201)와 상기 광도파로 타측상단에 적층되어 상기 표면방출 레이져 어레이에 의해 출사된 광신호를 수신하는 광검출기 어레이(203)와 상기 수신된 빛을 전기적 신호로 변경하는 광수신 회로칩(204)이 플립칩 본딩에 의해 적층되어 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서 광도파로 어레이를 이용한 칩간 광연결 다른 구조는 광원을 구동시키는 광원소자(202)와 상기 광원소자에 의해서 광신호를 출사하는 표면 방출 레이져 어레이(201)와 광신호를 수신하는 광검출기 어레이(203)와 상기 수신된 빛을 전기적 신호로 변경하는 광수신 회로칩(204)을 포함하는 PCB회로(205)와 상기 표면방출 레이져 어레이와 상기 광검출 어레이 위에 적층되어 광신호를 증폭시키는 마이크로 렌즈(208)와 일측은 상기 표면방출 레이져 어레이에 타측은 검출 어레이 위에 적층되어 광신호를 연결하는 광도파관(150,160)을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서 광도파로 어레이를 이용한 칩간 광연결 또 다른 구조는 상기 전기 배선된 PCB회로 대신 전기 배선된 몰딩(207)으로 제작된 틀을 사용하여 정렬오차를 최소화 하는 것을 특징으로 한다.

이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명하고자 한다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 미세 거울이 달린 광도파로와 그 구조를 도시한 것이다. 상기 광도파로는 하부 완충층, 코아층, 도파로 패턴, 광신호를 반사할 수 있는 거울면, 상부 완충층을 포함한다.

상기 도 1a 내지 1e는 광학 거울을 갖는 광도파로소자의 제작에 대한 공정도를 나타낸다. 먼저, 도 1a에 도시한 바와 같이, 도파로 제작을 위한 평면기판(100) 상부에 하부 완충층(101) 및 코아층(102)을 차례로 적층한다. 코아층을 건식 식각 또는 습식 식각하여 도파로 패턴(103)과 광신호를 반사할 수 있는 거울면(104)을 만든다.

도 1b는 45도로 꺾인 형태(104)의 거울면 형태를 나타내고 도 1c는 (m분의 45)도의 각도로 m 번 꺾인 형태에서 m이 2인 형태(108)의 거울면 패턴을 나타낸다. 상기 거울면의 평면상 패턴은 직선, (m분의 45)도의 각도로 m 번 꺾인 형태, 곡선 중 일부 또는 전부를 가질 수 있다. 또한, 상기 거울면은 광도파로의 기판과 수직 혹은 임의의 각도를 가질 수 있으며 도 1d에서 도시한 것처럼 도파로 패턴을 형성한 후 상부 완충층(105)을 적층한다. 도 1e에 나타난 것과 같이 도파로 패턴은 어레이로 제작될 수 있다.

도 2a와 도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 상부 완충층을 패턴한 광도파로의 구조 및 패턴의 형태를 도시한 도면이다.

도 2a를 참조하면, 상기 거울면의 반사 효율을 높이기 위해 거울면이 공기와 접촉할 수 있도록 패턴(106)을 형성한다. 상부 완충층에 형성된 패턴의 모양은 고정되어 있는 것은 아니며, 상기 거울면이 공기와 첩촉이 가능하다면 삼각형, 사각형, 그 이상의 다각형, 원, 타원형의 일부 또는 전부를 가질 수 있다.

코아층의 도파로 패턴(103)과 미세거울 패턴(104)은 이온 반응 식각 및 노광 공정에 의한 습식 식각을 이용하여 제작될 수 있다. 에폭시 계열과 아크릴 계열 같은 자외선경화 또는 열경화 물질을 이용하여 대량 생산할 수 있는 러버 몰딩, 핫 엠보싱(hot embossing) 및 사출 성형을 사용하여 제작될 수 있다.

러버 몰딩을 기판에 코팅되어 있는 자외선경화 물질 위에 놓고 압력을 가하면서 자외선을 조사하며 도파로가 들어갈 홈을 형성하거나 자외선 경화 물질을 러버 몰드에 채우고 자외선을 조사한 후 평면 기판 위에 전사시키는 방법으로 이용할 수 있다.

핫 엠보싱 방법은 열가소성 물질을 유리전이온도보다 높게 한 후 미세 거울이 달린 도파로 패턴이 있는 금속 몰드로 압력을 가하여 도파로 패턴을 형성할 수 있다. 사출 성형의 경우에는 금속 몰드 속에 열가소성 고분자 물질을 주입하여 도파로에 미세 거울이 달려있는 형태대로 만들어 낼 수 있다.

본 발명에서 코아층의 도파로 물질은 노광공정이 가능한 자외선 경화물질인 에폭시 계열, 아크릴 계열, 이미드 계열, 올레핀 계열, 실록산 계열 이외의 광고분자 물질을 사용하여 쉬운 제작이 가능하며, 반응 식각 공정과 몰딩 공정이 가능한 열경화 물질인 아크릴계, 폴리카보네이트계, 이미드계, 올레핀계열을 사용하여 대량 생산 할 수 있다.

상부 완충층의 패턴이 형성된 후 필요에 따라 반사 거울은 전반사를 이용하거나 Au, Al, Ag 등과 같은 금속 박막을 코팅하여 반사효율을 높일 수 있다.

도 2b에 도시된 바와 같이 도파로는 어레이 형태로 제작할 수 있다. 도파로의 크기와 도파로간의 간격은 정해져 있는 것은 아니며 임의로 조절이 가능하다.

도 3은 광도파로의 상부 완충층의 패턴의 위치를 나타낸 도면이다.

도 3a와 3b는 제작된 광도파로 어레이의 윗면을 도시하고 광도파로의 상부 완충층의 패턴 위치를 나타낸다. 완충층의 패턴(106, 107)은 도파로 어레이의 반사 거울을 모두 포함할 수 있고 각각의 반사 거울 위에 각각 위치할 수 있다.

도 3c와 도 3d에 도시된 바와 같이 제작된 도파로 및 도파로 어레이는 같은 크기로 적층될 수 있다. 적층하는 방법에는 열과 빛 그리고 접착 필름과 접착제를 이용할 수 있다.

도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 제작된 광도파로 어레이를 이용한 반도체 칩간 광연결 구조를 도시한 것이다.

상기 도 4를 참조하면, 광연결을 위한 다칩 모듈(200)은 광원 어레이(201) 및 광원 소자를 구동하는 칩(202)과 포토다이오드 어레이(203)와 광수신기 회로칩(204)이 전기적 회로 기판 (205)위에 솔더 범프(206)를 이용하여 플립 칩 본딩을 할 수 있도록 되어 있다.

광원 어레이에서 나온 광신호는 전기적 회로 기판에 삽입된 광도파로 어레이(150) 또는 적층된 광도파로 어레이(160)를 통해 포토다이오드 어레이에서 수광한다.

즉, 상기와 같이 형성되어 구동칩(202)에 의해 표면 방출 레이저 어레이(201)에서 빛 신호가 PCB회로(205)에 삽입된 적층 광도파로(160)를 통해 광검출기 어레이(203)로 수신되고 수신된 빛은 광수신 회로칩에 의해 전기적 신호로 변환된다.

도 5는 칩간 광연결을 위한 다른 실시 예에 따른 광연결 구조의 단면도를 도시한 것이다.

광연결을 위한 다칩 모듈(200)은 광원 어레이(201) 및 광원 소자를 구동하는 칩(202)과 포토다이오드 어레이(203)와 광수신기 회로칩(204)이 전기적 회로 기판 (205)위에 본딩하여 정렬하고 그 위에 마이크로 렌즈 어레이(208)와 광도파로 어레이를 실장하여 광연결을 구현할 수 있도록 되어 있다.

상기와 같이 형성된 구조에서 구동칩(202)에 의해 표면 방출 레이저 어레이(201)에서 빛 신호가 PCB회로에 실장된 마이크로 렌즈를 통하거나 마이크로 렌즈 없이 미세거울이 달린 광도파로를 통해 광검출기 어레이(203)로 직접 수신되거나 마이크로 렌즈 어레이(208)를 통해 수신된다. 수신된 빛은 광수신 회로칩(204)에 의해 전기적 신호로 변환된다.

도 6a와 도 6b는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 광도파로를 이용한 반도체 칩간 광연결 구조의 수직방향 단면도를 도시한 것이다.

제작된 광도파로(150, 160)와 광원 어레이(201) 그리고 포토다이오드 어레이(203)의 효율적인 광결합을 위해서 광원 어레이, 광원을 구동하는 칩(202), 포토다이오드 어레이(203) 그리고 광수신기 회로칩(204)의 정확한 위치를 위해 각각의 칩들이 들어갈 수 있는 홈이 있는 틀을 만들고 전기적 신호 및 전력을 공급하기 위해 와이어 본딩을 한다.

틀(207)에 칩들을 실장한 후 제작된 광도파로(150, 160)를 칩 위에 고정 시켜 정렬오차를 최소로 한다. 칩들과 광도파로가 들어가는 틀(207)은 전기적 회로 배선이 되어 있어서 전기적 회로 기판 위에 실장 할 수 있다.

상기와 같이 형성된 구조는 기존의 전기적 PCB 기판을 그대로 사용하며 그 위에 광연결을 위한 부분을 실장함으로 제조 효율을 높일 수 있다. PCB 기판과 틀에 있는 전기적 배선을 연결하여 PCB의 전기적 신호가 구동칩(202)을 구동하여 표면 방출 레이저 어레이(201)에서 빛 신호가 나오게 되고 이 빛 신호는 미세거울이 달린 광도파로를 통해 광검출기 어레이(203)로 직접 수신된다. 수신된 빛은 광수신 회로칩(204)에 의해 전기적 신호로 변환된 후 전기적 배선으로 연결되어 있는 PCB에 전달된다.

본 발명은 광도파로 어레이에 미세 거울이 달려 있어 빛의 방향을 수직으로 바꾸어 줄 수 있으며 광원에서 광도파로까지의 위치에 따라 광손실의 증가를 보이는 기존의 미세 거울이 달린 광도파로와 달리 위치에 따른 광손실이 균일하다. 또한, 반도체 칩 사이의 신호를 광신호로 전송하기 때문에 고속 전송이 가능하고 미세 거울이 달린 광도파로 어레이를 이용하기 때문에 2차원 어레이 형태의 광원과 포토다이오드를 사용하여 집적도를 높일 수 있으며 플립칩 본딩 기술을 이용하여 정렬 오차를 줄임으로 효율적인 광결합을 이룰 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

도 1a에서 도 1e는 본 발명의 일 실시예에 따른 미세 거울이 달린 광도파로와 그 구조를 도시한 도면이다.

도 2a와 도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 상부 완충층을 패턴한 광도파로의 구조 및 패턴의 형태를 도시한 도면이다.

도 3a와 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 광도파로 어레이에서 상부 완충층의 패턴 위치를 도시한 도면이다.

도 3c와 도 3d는 본 발명의 일 실시예에 따른 광도파로 어레이의 적층된 구조를 도시한 도면이다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 광도파로 어레이를 이용한 반도체 칩간 광연결 구조를 도시한 도면이다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 칩간 광연결을 위한 다른 실시 예로 광연결 구조의 단면도를 도시한 도면이다.

도 6a와 도 6b는 본 발명의 일 실시예에 따른 칩간 광연결을 위한 다른 실시 예로 광도파로를 이용한 반도체 칩간 광연결 구조의 수직방향 단면도를 도시한 도면이다.

{도면의 주요부분에 대한 부호의 설명}

100 : 평면기판 101 : 하부 완충층

102 : 코아층 103 : 도파로 패턴

104 : 거울면 105 : 상부 완충층

106 : 반사거울을 모두 포함하는 완충층의 패턴

107 : 개개의 반사거울을 포함하는 완충층의 패턴

150 : 광도파로 어레이 160 : 적층된 광도파로 어레이

200 : 다칩모듈 201 : 광원 어레이

202 : 광원을 구동하는 칩 203 : 포토다이오드 어레이

204 : 광수신기 회로칩 205 : 전기적 회로 기판

206 : 솔더 범프 207 : 전기 배선된 몰딩(207)으로 제작된 틀

208 : 마이크로 렌즈 어레이

Claims (13)

1. 광도파를 제작하는 방법에 있어서,

   평면기판(100) 위에 하부 완충층(101)과 코아층(102)을 차례로 적층하는 단계;

   상기 코아층(102)에 도파로 패턴(103) 및 광신호를 반사할 수 있는 반사 거울의 패턴(104)을 제작하는 단계;

   상기 코아층에 도파로 패턴(103)을 형성 후 상부 완충층(105)을 적층하고 반사 거울이 위치하는 곳에 반사 거울이 공기와 만날 수 있도록 패턴(106)을 형성하는 단계; 및

   상기 제작된 광도파로를 적어도 하나 이상 적층하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 광도파로 제작 방법.
2. 제 1항에 있어서, 평면 기판은 석영(quartz), 유리, 실리콘, 플라스틱 중 어느 하나를 사용하여 형성된 것을 특징으로 하는 광도파로 제작 방법.
3. 제 1항에 있어서, 코아층의 도파로 패턴(103)과 미세거울 패턴(104)은 이온 반응 식각, 노광 공정에 의한 습식 식각 그리고 러버 몰딩, 핫 엠보싱(hot embossing), 사출 성형을 이용한 몰딩법 중 어느 하나를 사용하여 형성된 것을 특징으로 하는 광도파로 제작 방법.
4. 제 1항에 있어서, 코아층의 도파로 물질은 노광공정이 가능한 에폭시 계열. 아크릴 계열, 이미드 계열, 올레핀 계열, 실록산 계열 이외의 광고분자 물질, 그리고 반응 식각 공정과 몰딩 공정이 가능한 아크릴계, 폴리카보네이트계, 이미드계, 올레핀계 중 어느 하나를 사용하여 형성된 것을 특징으로 하는 광도파관 제작 방법.
5. 제 1항에 있어서, 반사 거울이 공기와 만날 수 있도록 패턴을 형성하는 단계는 필요에 따라 반사 거울은 전반사를 이용하거나 Au, Al, Ag 등과 같은 금속 박막을 코팅하여 반사효율을 높일 수 있는 것을 특징으로 하는 광도파로 제작 방법.
6. 제 1항에 있어서, 미세 거울면의 평면상 패턴(104)은 직선, (m분의 45)도의 각도로 m 번 꺾인 형태, 곡선 중 어느 하나를 사용하여 형성됨을 특징으로 하는 광도파로 제작 방법.
7. 제 1항에 있어서, 거울면은 광도파로의 기판면과 소정의 각도를 가질 수 있음을 특징으로 하는 광도파로 제작 방법.
8. 제 1항에 있어서, 광도파로 패턴은 어레이 형태로 제작이 가능한 것을 특징으로 하는 광도파로 제작 방법.
9. 삭제
10. 제 1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 광도파로는 소정의 두께를 갖는 기판 또는 필름을 적층된 광도파로 사이에 삽입할 수 있고, 열, 빛, 접착제, 접착 필름 중 어느 하나를 사용하여 적층할 수 있는 것을 특징으로 하는 광도파로 제작 방법.
11. 광도파로 어레이를 이용한 칩간 광연결 구조에 있어서,

    내부에 광도파로(150, 160)를 포함하는 PCB회로(205)와;

    광신호를 구동하는 구동칩(202)과;

    상기 광도파로 일측상단에 적층되어 상기 구동칩에 의하여 광신호를 출사하는 표면 방출 레이저 어레이(201)와;

    상기 광도파로 타측상단에 적층되어 상기 표면방출 레이저 어레이에 의해 출사된 광신호를 수신하는 광검출기 어레이(203)와;

    상기 수신된 빛을 전기적 신호로 변경하는 광수신 회로칩(204)이 플립칩 본딩에 의해 적층되어 있는 것을 특징으로 하는 광연결 구조.
12. 광도파로 어레이를 이용한 칩간 광연결 구조에 있어서,

    광원을 구동시키는 광원소자(202)와;

    상기 광원소자에 의해서 광신호를 출사하는 표면 방출 레이저 어레이(201)와;

    광신호를 수신하는 광검출기 어레이(203)와;

    상기 수신된 빛을 전기적 신호로 변경하는 광수신 회로칩(204)을 포함하는 PCB회로(205)와;

    상기 표면방출 레이저 어레이와 상기 광검출 어레이 위에 적층되어 광신호를 증폭시키는 마이크로 렌즈(208)와;

    일측은 상기 표면방출 레이저 어레이에 타측은 검출 어레이 위에 적층되어 광신호를 연결하는 광도파관(150,160)을 포함하는 것을 특징으로 하는 광연결 구조.
13. 제 12항에 있어서, 전기 배선된 PCB회로 대신 전기 배선된 몰딩(207)으로 제작된 틀을 사용하여 정렬오차를 최소화 하는 것을 특징으로 하는 광연결 구조.