KR100539545B1 - 미세 광학 결합기 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 대량으로 용이하게 제조할 수 있는 레이저 다이오드 어레이와 출력 단 광섬유 간의 결합 광학계(coupling optics) 및 상기 결합 광학계가 적용된 디스플레이 장치 응용 등을 위한 레이저 광원을 제공하기 위한 것으로서, 절단면에서 레이저 빔을 출사하는(edge emitting) 레이저 다이오드 어레이와, 상기 레이저 다이오드 어레이로부터 출사되는 레이저 빔의 상하 발산 각도를 줄여 1차 집속 또는 시준하는 원통형 미세 렌즈와, 상기 원통형 미세 렌즈를 거쳐 상하 방향으로 1차 집속 또는 시준 된(focused or collimated) 각각의 레이저 빔의 좌우 발산 각도를 줄여 2차 집속 또는 시준하는 2차원 디스크형 미세 렌즈 어레이와, 상기 2차원 디스크형 미세 렌즈 어레이를 거쳐 상하 및 좌우 방향으로 집속 또는 시준 된 레이저 빔들을 하나의 출력 단 광섬유에 집속하는 2차원 미세 집속 렌즈를 포함하여 구성되는데 있다.

Description

미세 광학 결합기 및 그 제조방법{micro optical coupler and production method for the same}
본 발명은 고출력 레이저 다이오드 어레이의 출력을 MEMS(Micro Electro Mechanical System) 기술로 제작된 미세 렌즈를 이용하여 하나의 광섬유에 광학적으로 결합하기 위한 미세 광학 결합기 및 그 제조방법에 관한 것이다.
최근 고출력 반도체 레이저는 고출력 레이저 광에 대한 수요가 증가되고, 새로운 응용 분야가 확대되면서 많은 연구가 활발히 진행되고 있다. 그 응용 분야로는 광 기록 매체인 CD-RW와 DVD-RAM, 대화면용 프로젝터(projector) 등과 같은 레이저를 이용한 디스플레이, 레이저 무선 통신, 레이저를 이용한 물질 가공(용접, 절단, 반도체 관련 미세 가공 등), 의료용, 군사용 및 광 증폭기(amplifier), 펌핑(pumping) 광원 등으로 응용성이 확대되고 있다.
레이저에 의한 고체 레이저의 펌핑 광원, 물질 가공, 의료용 레이저로서의 경우 수 와트(W)급 이상의 높은 광 출력이 필요하다. 특히 고체 레이저의 여기는 고출력 다이오드 레이저를 위한 큰 응용 분야이다.
이러한 광 출력을 얻기 위해서 고출력 레이저 다이오드를 어레이(array)형태로 만들어 이용하는 방법이 있는데, 이러한 레이저 다이오드 배열의 효용성을 높이기 위하여 레이저 다이오드 배열에서 방사되는 여러 개의 레이저 빔을 각각의 레이저 다이오드에 대응하는 개수의 광섬유에 결합시키고 이들 광섬유 배열을 다발(bundle)로 묶어 이를 펌핑을 위한 광원으로 이용함으로써 레이저 다이오드 어레이로부터 출사되는 빔으로 높은 광 출력을 얻을 수 있다.
이는 응용에 따라 적정한 개구율(numerical aperture: NA)과 코어(core) 직경을 가진 광섬유 어레이와 다이오드 어레이 빔을 시준(collimating)하는 역할을 하는 굴절 광학 렌즈를 결합한 광섬유 결합기로 사용되고 있다.
상기 굴절 광학 렌즈를 포함한 기존의 광섬유 결합기는 다중 모드 고출력 다이오드 레이저의 빔 형태를 위해 설계된 소자이다. 이 레이저 광원의 발산을 줄이고 광섬유에 결합하기 위해 기존의 광섬유 결합기는 복잡한 3차원 형상의 렌즈구조와 고성능의 광학계를 요구한다.
레이저 다이오드에서 발산되는 각(spread angle)은 레이저 다이오드의 구조에 따라 결정되는데, 고출력 레이저 다이오드의 경우 일반적으로 발산되는 각은 세로(수직 방향)로 약 32~44, 가로(수평 방향)로 8~12 범위에 있다. 그 이유는 반도체 레이저 발진 영역의 횡단면의 크기는 수 마이크로미터(㎛)로 매우 작기 때문에 출력 광은 회절(diffraction) 효과에 의하여 큰 각도로 발산하여 나온다.
이때, 출력 광은 가로와 세로의 발산 각도가 다르기 때문에 전체적인 횡 모드의 분포는 타원형이 된다.
이러한 발산 각의 비대칭성 때문에 출력 단 광섬유에 입사되는 레이저 빔의 손실을 줄이기 위해서는 레이저 빔의 발산 각을 줄이는 것이 바람직하다. 이 경우 각각의 발산 방향에 대응하여 집속 성능을 제공하는 소정의 렌즈를 활용한 광학계로 발산 각을 줄여 출력 단 광섬유에 높은 효율을 유지한 광학적인 결합이 가능하다.
이렇게 출사 광원인 레이저 다이오드와 출력 단 광섬유와의 광학적인 연결에서 수평과 수직 방향에서 상이한 발산 각을 가지기 때문에 두개의 렌즈 면이 필요하다.
도 1a, 1b는 종래의 3차원 형상의 렌즈를 이용한 결합 광학계로서, 일반적인 레이저 다이오드의 수직과 수평 방향의 발산각 차이에 따른 각각의 렌즈로부터 출력 단 광섬유까지의 빔 경로를 나타내고 있다.
도 1a에서 렌즈(30)의 역할은 다이오드(20)로부터 발산 각이 큰 레이저 빔을 수직 방향으로 시준(collimating)하는 렌즈 역할을 하며, 도 1b에서 2차원 렌즈(40)는 출력 단 광섬유(60)의 코어 또는 도파로(core 또는 waveguide) 속으로 레이저 다이오드의 측면방향에서 빔 형태를 집속한다.
이를 이용하여 광섬유 결합기는 레이저 다이오드로부터 방사되는 빔 형태를 변환한다. 결국 렌즈(30)는 높은 개구율을 가지고 발산 각이 큰 축에서 시준하며, 2차원 렌즈(40)는 다이오드의 발산 각이 작은 축에 대해 확장된 광원을 영사한다.
광섬유 결합기의 빔 성형 기능은 거의 원형 스폿(spot)을 출력 단 광섬유의 인입 부에 형성하게 되며, 레이저 모드를 여기 시키는데 사용될 수 있다. 이 구조물의 효율은 광학계 뿐만 아니라 다이오드 레이저와 광섬유에도 의존한다.
광섬유 결합기로 최대의 성능을 갖게 하기 위해서 레이저의 발산 각은 가능한 한 작고 광섬유의 개구(aperture)와 코어 크기는 커야 하지만, 필요한 광학계에 따라서 치수에 따라 정확한 정렬이 필요하다. 작은 각으로 광섬유에 들어가는 빛은 코어-클래딩 경계 면(core-cladding interface)에서 전반사(total internal reflection) 되며, 일부는 흡수가 일어나므로 출력을 감소시키는 원인이 될 수 있다.
따라서 광섬유 결합 광학계는 최대의 결합 효율을 이루도록 광학계 설계가 필요하며, 더불어 광섬유를 포함하여 광원은 최적화가 되도록 고려되어야 한다. 시준 역할을 하는 렌즈들은 레이저 다이오드에서 방사되는 레이저 빔 발산 각을 감소시키고 시준된 빔의 지름이 작아질수록 고체 레이저 매질에서 레이저 펌핑(pumping)이 용이하며, 이는 광학적 소자의 수를 감소시키고 펌핑을 위한 에너지 밀도를 증가시킨다.
고출력 레이저 다이오드 어레이에 광학적으로 연결되어 이용되는 광섬유의 경우 보통 개구율 값은 0.16 ~ 0.39 값을 갖는 것이 많이 사용되고, 코어 크기는 100 ~ 600um 영역의 값을 갖는 것이 많이 사용된다. 특히 작은 개구율 값을 가진 광섬유 연결 레이저 다이오드는 의료용, 고체 레이저 펌핑에 있어 중요하게 사용되고 있는데, 이러한 용도에 이용되는 결합 광학계의 렌즈는 주로 유리 재질로 된 렌즈를 금형(mold) 제작과 함께 사출(replication) 방법으로 제작하여 상품화되고 있다.
두 방향의 빔을 시준 또는 집속하기 위해 두 개의 렌즈를 붙여서 사용하기도 하며, 다른 방법으로 실린더 형상(cylindrical)을 갖는 렌즈를 결합기에 적용하기도 한다. 이러한 방법들은 고가의 렌즈를 레이저 다이오드와 정렬하여 접착하고, 상기 렌즈를 통해 나온 시준 된 빔은 몇 개의 렌즈를 거쳐 광섬유로 집속하거나 또는 일정한 간격으로 위치한 광섬유 배열로 각각 집속하여 높은 출력의 빔을 얻게 된다.
상기 두 방법 모두 복잡한 3차원 형상을 갖는 고가의 렌즈 또는 일련의 렌즈 배열을 이용해야 하는데, 상기 3차원 형상의 렌즈는 정밀 가공된 고가의 금형을 이용한 사출 형태로 제작하므로 대량 생산에 유리하지만, 금형 제작이 어렵고 고가이며, 상기 렌즈의 최소 크기는 금형의 렌즈 곡면 가공을 위한 공구의 최소 크기에 의해 제한되므로 상기 기술에 의해 결합 광학계를 초소형화 하기에는 상당한 제약이 따른다.
따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 대량으로 용이하게 제조할 수 있는 레이저 다이오드 어레이와 출력 단 광섬유 간의 결합 광학계(coupling optics) 및 상기 결합 광학계가 적용된 디스플레이 장치 응용 등을 위한 레이저 광원을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 광학 결합기를 초소형화 하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 레이저 빔을 광섬유에 집속하기 위한 미세 광학계를 제작할 수 있는 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 초소형 미세 결합 광학계를 이용한 디스플레이 장치의 레이저 광원을 제공하는데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 미세 광학 결합기의 특징은 절단면에서 레이저 빔을 출사하는(edge emitting) 레이저 다이오드 어레이와, 상기 레이저 다이오드 어레이로부터 출사되는 레이저 빔의 상하 발산 각도를 줄여 1차 집속 또는 시준하는 원통형 미세 렌즈와, 상기 원통형 미세 렌즈를 거쳐 상하 방향으로 1차 집속 또는 시준 된(focused or collimated) 각각의 레이저 빔의 좌우 발산 각도를 줄여 2차 집속 또는 시준하는 2차원 디스크형 미세 렌즈 어레이와, 상기 2차원 디스크형 미세 렌즈 어레이를 거쳐 상하 및 좌우 방향으로 집속 또는 시준 된 레이저 빔들을 하나의 출력 단 광섬유에 집속하는 2차원 미세 집속 렌즈를 포함하여 구성되는데 있다.
픽-앤드-플레이스(pick-and-place) 방식으로 상기 원통형 미세 렌즈 및 출력단 광섬유를 각각 수동 정렬되어 조립되도록 상부 면에 V자 형태 또는 트렌치(trench) 형태인 광섬유 조립 정렬 홈이 형성된 기판을 더 포함하여 구성되는데 다른 특징이 있다.
상기 원통형 미세 렌즈는 광섬유로 구성되는 것이 바람직하다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 미세 광학 결합기 제조방법의 특징은 기판 상부 면에 사진 묘화 공정(photolithography)을 통해 원통형 미세 렌즈 정렬/조립 홈(groove)과 출력 단 광섬유 정렬/조립 홈(groove)용 식각 마스크를 패터닝하는 단계와, 상기 원통형 미세 렌즈 정렬/조립 홈과 출력 단 광섬유 정렬/조립 홈 사이의 기판 상부 면에 후막 감광제를 소정의 두께로 도포(coating)하고 사진 묘화 공정을 이용하여 2차원 디스크형 미세 렌즈 어레이와 2차원 미세 집속 렌즈를 서로 마주보도록 형성하는 단계와, 상기 원통형 미세 렌즈 정렬/조립 홈(groove)과 출력 단 광섬유 정렬/조립 홈(groove)용 식각 마스크에 자외선 경화 수지 접착제 또는 경화성 접착제를 이용하여 픽-앤드-플레이스(pick-and-place) 방식으로 원통형 미세 렌즈와 출력 단 광섬유를 정렬 접합하는 단계와, 상기 원통형 미세 렌즈와 마주보도록 기판 상부면에 절단면에서 레이저 빔을 출사하는 레이저 다이오드 어레이를 정렬 접합하는 단계를 포함하여 이루어지는데 있다.
이때, 상기 2차원 디스크형 미세 렌즈 어레이와 2차원 미세 집속 렌즈를 서로 마주보도록 형성한 후, 전면에 스퍼터링(sputtering) 공정이나 승화(evaporation) 공정 등의 박막 증착(thin film deposition) 방법으로 반사 방지 막(anti-reflection coating)을 형성하는 단계를 더 포함하여 이루어지는데 다른 특징이 있다.
그리고 상기 레이저 다이오드 어레이가 장착되는 영역의 기판에 높은 열전도도(thermal conductivity)를 갖는 구리 등의 중간층을 삽입하여 동작 중 레이저 다이오드에서 발생하는 열을 신속히 방열하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 2차원 디스크형 미세 렌즈 어레이 및 2차원 미세 집속 렌즈는 각각 입출력 광 경로(optical path)에 대응하여 다수 개 형성되고, 제작 시 한 번의 사진 묘화 공정으로 형성되는 것이 바람직하다.
본 발명의 특징에 따른 작용은 반도체 일관 제조 공정(batch fabrication process) 및 마이크로머시닝(micromachining) 기술을 이용하여 수평 방향의 발산 각 저감을 위해서 이차원 렌즈를 감광성 폴리머(photosensitive polymer)로 구현하고, 수직 방향의 발산 각 저감을 위해서는 실린더 형 렌즈로 광섬유를 이용하여 동일한 기판(substrate) 상에 구현하는 결합 광학계의 구조로 기존의 방법에 비해 제조 원가 절감에 큰 효과를 얻을 수 있고, 초소형화 및 슬림화가 용이하며, 이차원 렌즈의 경우 비구면 형태로도 용이하게 제작이 가능하고, 각 구성 광학 부품의 집적화 및 수동 정렬(passive alignment)을 통해 광학적 효율에 대한 손실을 크게 줄일 수 있다.
본 발명의 다른 목적, 특성 및 잇점들은 첨부한 도면을 참조한 실시예들의 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.
본 발명에 따른 미세 광학 결합기 및 그 제조방법의 바람직한 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 2 는 본 발명에 따른 원통형 미세 렌즈 및 2차원 미세 렌즈를 이용한 미세 광학 결합기의 사시도이고, 도 3a, 3b는 본 발명에 따른 원통형 미세 렌즈 및 2차원 미세 렌즈를 이용한 미세 광학 결합기의 평면도 및 단면도를 나타낸 도면이다.
도 2, 도 3a, 3b를 참조하여 설명하면, 미세 광학 결합기는 레이저 빔을 출력하는 레이저 다이오드 어레이(20)와, 상기 레이저 다이오드 어레이(20)에서 출력되는 레이저 빔을 집속 또는 시준하기 위한 일련의 미세 렌즈들(30)(40)(50)과, 상기 미세 렌즈들을 통해 집속 또는 시준된 빔을 펌핑하여 높은 출력 빔을 출력하는 출력 단 광섬유(60)와, 상기 광학 구성 요소가 집적화되어 형성되는 광학 벤치(optical bench) 형태의 실리콘 기판(10)으로 구성된다.
이때, 원통형 미세 렌즈(30)와 출력 단 광섬유(60)는 실리콘 기판(10)에 형성되어 있는 단면이 V자 형태 또는 트렌치(trench) 형태인 광섬유 조립 정렬 홈(groove)(11)(12)에 각각 픽-앤드-플레이스(pick-and-place) 방식 등으로 수동 정렬(passive alignment) 되어 조립된다.
그리고 상기 2차원 디스크형 미세 렌즈 어레이(40)와 수평 방향으로 굴절 면을 갖는 2차원 미세 집속 렌즈(50)는 SU-8 등과 같은 광학적 특성이 우수한 후막 폴리머 감광제를 미리 형성된 광섬유 정렬 조립 홈(11)(12) 미세 구조물과 사진 묘화 공정으로 정렬하여 제작한다.
또한, 상기 레이저 다이오드 어레이(20)에서 방사된 각각의 레이저 빔은 상하, 좌우 방향으로 소정의 각도로 발산하는데 이를 시준 또는 집속시키기 위해서 원통형 미세 렌즈(30)와 2차원 디스크형 미세 렌즈 어레이(40)를 이용한다.
이때, 상기 원통형 미세 렌즈(30)는 상하 방향의 레이저 빔을 시준 또는 집속시키는 역할을 하며, 상기 2차원 디스크형 미세 렌즈 어레이(40)는 좌우 방향으로 발산되는 각각의 레이저 빔을 시준 또는 집속시키는 역할을 한다.
상하 방향으로 집속되는 레이저 빔의 각도는 원통형 미세 렌즈(30)의 직경을 달리하여 조절할 수 있으며, 좌우 방향으로 집속되는 레이저 빔의 각도는 2차원 디스크형 미세 렌즈 어레이(40)의 개별 렌즈 면의 곡률을 제어함으로써 조절할 수 있다.
또한, 2차원적으로 비구면 렌즈의 제작이 용이하여 광 손실을 줄일 수 있으며, 이렇게 각각의 2차원 디스크형 미세 렌즈 어레이(40)에서 나오는 레이저 빔들은 광로를 따라 배치된 2차원 미세 집속 렌즈(50)에 의해서 빔 프로파일(beam profile)이 원형의 스폿(spot) 형태로 출력 단 광섬유(60)에 집속되며, 집속되는 레이저 빔의 각도 또는 개구율은 2차원 미세 집속 렌즈(50)의 곡률 반경을 변경함으로써 용이하게 조절할 수 있다.
도 3a에서 상기 2차원 디스크형 미세 렌즈 어레이(40)와 상기 2차원 미세 집속 렌즈(50)는 후막 감광제를 이용하여 수백 마이크로미터(μ) 두께의 고 종횡비(high aspect-ratio) 구조물을 수직 벽면을 갖도록 제작할 수 있다.
상기 후막 감광제는 광학적, 열적, 화학적 특성이 우수하고 표면 조도(surface roughness)가 광원의 최소 파장의 1/10 이하로 평탄한 것이 바람직하다.
특히, SU-8 등과 같은 후막 감광제는 수백 마이크로미터 두께의 구조물의 제작이 반도체 일관 제조 공정 기술의 하나인 사진 묘화 공정을 적용하여 용이하고, 렌즈 면으로 이용되는 측벽(sidewall)의 표면 조도가 수 나노미터(nm)이므로 2차원 미세 렌즈로 사용될 수 있다. 상기 SU-8의 경우 열적 내구성이 우수하여 30와트(watt) 정도의 높은 입사 레이저에서도 견디는 특징을 갖고 있다.
또한, 도 3b에서 원통형 미세 렌즈(30)는 실리콘 등의 웨이퍼(wafer) 형태의 기판(substrate)(10)에 형성된 원통형 미세 렌즈 정렬/조립 홈(groove)(11)에 수동 정렬(passive alignment) 방식으로 조립되며, 출력 단 광섬유(60)는 실리콘 등의 기판(10)에 형성된 출력단 광섬유 정렬/조립 홈(groove)(12)에 수동 정렬 방식으로 조립되어 구성된다.
상기 정렬/조립 홈(groove)(11)(12)은 마이크로머시닝 기술의 하나인 실리콘 V-홈(groove) 습식 이방성 식각(wet chemical anisotropic etching) 방법으로 형성하거나, 소정의 깊이만큼 기판에 트렌치(trench)를 반응성 이온 식각 등의 플라즈마 건식 식각(dry etching) 방법으로 형성할 수 있다.
그리고, 상기 홈의 깊이 및 너비는 원통형 렌즈(30) 및 출력 단 광섬유(60)의 직경에 따라 상기 광학 요소의 광 축(optical axis)이 레이저 빔의 광 축과 일치하도록 설계/제작하여야 한다.
이와 같이 구성된 본 발명에 따른 미세 광학 결합기의 제조 공정을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 4a 내지 4d는 본 발명에 의한 미세 광학 결합기 구조물의 제작 공정도이다.
도 4a와 같이, 결정 방향(crystal orientation)을 갖는 실리콘 웨이퍼(wafer)로 구성된 기판(10)을 소정의 세정(cleaning) 공정을 거친 후 사진 묘화 공정(photolithography)을 통해 원통형 미세 렌즈 정렬/조립 홈(groove)(11)과 출력 단 광섬유 정렬/조립 홈(groove)(12)용 식각 마스크(etch mask)를 패터닝(patterning)한다.
이때, 상기 정렬/조립 홈(11)(12)은 V자 형태 또는 트렌치(trench) 형태로 소정 간격을 두고 서로 교차되는 방향으로 형성되게 된다. 그리고 상기 V자 형태의 정렬/조립 홈은 KOH등의 화학 식각 용액으로 이방성 습식 식각(anisotropic wet etching)을 하여 형성하고, 상기 트렌치 형태의 정렬/조립 홈은 실리콘 깊은 반응성 이온 식각(silicon deep reactive ion etching: silicon deep RIE) 등의 건식 식각 방법을 이용하여 트렌치(trench) 형상으로 미세 가공한다.
그리고 원통형 미세 렌즈 정렬/조립 홈(11)과 출력 단 광섬유 정렬/조립 홈 (12)의 깊이는 원통형 미세 렌즈(30), 출력 단 광섬유(60)의 직경과 레이저 다이오드 어레이(20)에서 발산되는 레이저 빔의 광 축(optical axis)이 일치하도록 설계되어야 한다.
이어 도 4b와 같이, 2차원 디스크형 미세 렌즈 어레이(40)와 2차원 미세 집속 렌즈(50)는 SU-8등과 같은 후막 감광제를 실리콘 기판(10) 상에 소정의 두께로 도포(coating)하고 사진 묘화 공정을 이용하여 제작한다.
이때, 상기 2차원 디스크형 미세 렌즈 어레이(40)와 2차원 미세 집속 렌즈(50)는 필요시에 수평 방향의 비구면(aspheric) 형상이 적용되어 제작될 수 있으며, 입출력 광 경로(optical path)에 대응하여 다수 개 형성이 가능하다. 또한, 제작 시 한번의 사진 묘화 공정으로 제조되며, 렌즈 상호간의 정렬은 상기 사진 묘화 공정에 의해 자동으로 이루어지게 된다.
마지막으로 도 4d와 같이, 원통형 미세 렌즈(30)와 출력 단 광섬유(60)는 각각 원통형 미세 렌즈 정렬/조립 홈(11)과 출력 단 광섬유 정렬/조립 홈(12)에 자외선 경화 수지 접착제나 열 경화성 접착제 등을 이용하여 정렬 접합한다. 그리고 레이저 다이오드 어레이(20)를 실리콘 기판(10)에 실리콘 벌크 마이크로머시닝 공정 및 솔더 접합(solder bonding) 기술 등을 이용하여 정렬 접합하여 미세 광학 결합기의 제작을 완료한다.
이때, 상기 원통형 미세 렌즈(30)는 광섬유로 구성되어, 상기 원통형 미세 렌즈(30)에 입사된 빛이 감쇠하지 않고 2차원 디스크형 미세렌즈 어레이(40)까지 용이하게 전파되게 하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 레이저 다이오드 어레이(20)가 장착되는 영역의 기판에 높은 열전도도(thermal conductivity)를 갖는 구리 등의 중간층을 삽입하여, 동작 중 레이저 다이오드(20)에서의 발생하는 열을 신속히 방열할 수 있는 기능을 더 부가하여 구성된다.
이와 같은 제조 방법은 레이저 다이오드 어레이(20)에서 나오는 빔들을 하나의 출력 단 광섬유(60)로 집속하는 결합 광학계(coupling optics)를 반도체 일관 제조 공정 및 마이크로머시닝 기술을 활용하여 집적화하여 제작하는 방법을 제공하여 기존의 방법에 비해 조립할 광 부품의 수를 줄여 제조비용을 절감할 수 있다.
또한, 렌즈간의 정렬 정밀도를 향상시키는 장점이 있으며, 특히 전체 광학계의 초소형화에 적합하다.
도 2내지 도 3a, 3b에서는 설명의 편의를 위하여 레이저 다이오드 어레이(20)가 4개로 예시되어 있으나, 광학 설계가 허용하는 한 배열의 개수를 증가시킬 수 있다.
상기 레이저 다이오드 어레이(20)의 개수를 증가시키는 만큼 미세 렌즈의 개수와 길이가 증가하지만 출력 단 광섬유(60)는 하나이므로 결합 광학계의 조립 난이도는 증가하지 않으며, 이는 기존 기술에서 레이저 어레이의 개수에 대응하여 출력 단 광섬유의 개수가 증가하는 방식에 비해 현저히 조립이 용이하며, 제조 원가를 절감할 수 있고, 초소형화에 적합하다.
이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술 사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다.
따라서, 본 발명의 기술적 범위는 실시예에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의하여 정해져야 한다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 미세 광학 결합기 및 그 제조방법은 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 기존의 방법에 비해 제조 원가 절감에 큰 효과를 얻을 수 있고, 초소형화 및 슬림화가 용이한 효과가 있다.
둘째, 이차원 렌즈의 경우 비구면 형태로도 용이하게 제작이 가능하고, 각 구성 광학 부품의 집적화 및 수동 정렬(passive alignment)을 통해 광학적 효율에 대한 손실을 크게 줄일 수 있다.
셋째, 본 발명에 의한 미세 광학 결합기는 고출력을 요하는 레이저 장치인 디스플레이 장치의 레이저 광원으로 이용할 수 있으며, 특히 수 와트(watt)급 이상의 광 출력이 필요한 고체 레이저의 여기(pumping)용 광원, 물질 가공, 의료용 레이저 장치 등에 응용될 수 있다.
넷째, 본 발명에 의한 미세 광학 결합기는 기존의 광학 결합기와는 달리 다수의 레이저 다이오드 어레이에서 발산하는 빔을 하나의 광섬유로 집속하여 출력하는 광학계를 제공하여 부품의 수를 획기적으로 감소시킬 뿐 아니라, 렌즈 각각의 정렬 오차를 줄여 레이저 출력의 효율을 극대화 할 수 있다.
다섯째, 본 발명에서 제시하는 제작 방법은 반도체 일관 제조 공정 및 마이크로머시닝 기술로 제조가 이루어지므로, 기존의 사출 방식의 렌즈 제작 및 광학계의 정밀 정렬 및 조립 방법에 비해 대량생산이 가능하여 제조 비용을 현저히 감소시킬 뿐 아니라 소자간의 균일성을 증대시킬 수 있다.
도 1a, 1b는 종래의 3차원 형상의 렌즈를 이용한 결합 광학계를 나타낸 도면
도 2 는 본 발명에 따른 원통형 미세 렌즈 및 2차원 미세 렌즈를 이용한 미세 광학 결합기의 사시도
도 3a, 3b는 본 발명에 따른 원통형 미세 렌즈 및 2차원 미세 렌즈를 이용한 미세 광학 결합기의 평면도 및 단면도
도 4a 내지 4d는 본 발명에 의한 미세 광학 결합기 구조물의 제작 공정도
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10 : 실리콘 기판 11 : 원통형 미세 렌즈 정렬/조립 홈
12 : 출력 단 광섬유 정렬/조립 홈 20 : 레이저 다이오드 어레이
30 : 원통형 미세 렌즈
40 : 2차원 디스크형 미세 렌즈 어레이
50 : 2차원 미세 집속 렌즈 60 : 출력 단 광섬유
70 : 반사 방지막

Claims (15)

  1. 절단면에서 레이저 빔을 출사하는(edge emitting) 레이저 다이오드 어레이와,
    상기 레이저 다이오드 어레이로부터 출사되는 레이저 빔의 상하 발산 각도를 줄여 1차 집속 또는 시준하는 원통형 미세 렌즈와,
    상기 원통형 미세 렌즈를 거쳐 상하 방향으로 1차 집속 또는 시준 된(focused or collimated) 각각의 레이저 빔의 좌우 발산 각도를 줄여 2차 집속 또는 시준하는 2차원 디스크형 미세 렌즈 어레이와,
    상기 2차원 디스크형 미세 렌즈 어레이를 거쳐 상하 및 좌우 방향으로 집속 또는 시준 된 레이저 빔들을 하나의 출력 단 광섬유에 집속하는 2차원 미세 집속 렌즈를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 미세 광학 결합기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    픽-앤드-플레이스(pick-and-place) 방식으로 상기 원통형 미세 렌즈 및 출력단 광섬유를 각각 수동 정렬되어 조립되도록 상부 면에 V자 형태 또는 트렌치(trench) 형태인 광섬유 조립 정렬 홈이 형성된 기판을 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 미세 광학 결합기.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 원통형 미세 렌즈는 광섬유로 구성되는 것을 특징으로 하는 미세 광학 결합기.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 2차원 디스크형 미세 렌즈 어레이와 상기 2차원 미세 집속 렌즈는 후막 폴리머 감광제로 구성되는 것을 특징으로 하는 미세 광학 결합기.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 후막 폴리머 감광제는 SU-8인 것을 특징으로 하는 미세 광학 결합기.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 2차원 디스크형 미세 렌즈 어레이는 수평 방향의 비구면(aspheric) 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 미세 광학 결합기.
  7. 기판 상부 면에 사진 묘화 공정(photolithography)을 통해 원통형 미세 렌즈 정렬/조립 홈(groove)과 출력 단 광섬유 정렬/조립 홈(groove)용 식각 마스크를 패터닝하는 단계와,
    상기 원통형 미세 렌즈 정렬/조립 홈과 출력 단 광섬유 정렬/조립 홈 사이의 기판 상부 면에 후막 감광제를 소정의 두께로 도포(coating)하고 사진 묘화 공정을 이용하여 2차원 디스크형 미세 렌즈 어레이와 2차원 미세 집속 렌즈를 서로 마주보도록 형성하는 단계와,
    상기 원통형 미세 렌즈 정렬/조립 홈(groove)과 출력 단 광섬유 정렬/조립 홈(groove)용 식각 마스크에 자외선 경화 수지 접착제 또는 경화성 접착제를 이용하여 픽-앤드-플레이스(pick-and-place) 방식으로 원통형 미세 렌즈와 출력 단 광섬유를 정렬 접합하는 단계와,
    상기 원통형 미세 렌즈와 마주보도록 기판 상부면에 절단면에서 레이저 빔을 출사하는 레이저 다이오드 어레이를 정렬 접합하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 미세 광학 결합기 제조방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 2차원 디스크형 미세 렌즈 어레이와 2차원 미세 집속 렌즈를 서로 마주보도록 형성한 후, 전면에 스퍼터링(sputtering) 공정이나 승화(evaporation) 공정 등의 박막 증착(thin film deposition) 방법으로 반사 방지 막(anti-reflection coating)을 형성하는 단계를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 미세 광학 결합기 제조방법.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 정렬/조립 홈(groove)은 V자 형태 또는 트렌치(trench) 형태로 소정 간격을 두고 서로 교차되는 방향으로 형성하는 것을 특징으로 하는 미세 광학 결합기 제조방법.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 식각 마스크의 패터닝은 KOH등의 화학 식각 용액으로 이방성 습식 식각(anisotropic wet etching)을 하거나, 반응성 이온 식각(RIE) 기술을 이용하여 패터닝하는 것을 특징으로 하는 미세 광학 결합기 제조방법.
  11. 제 7 항에 있어서,
    상기 원통형 미세 렌즈 정렬/조립 홈과 출력 단 광섬유 정렬/조립 홈의 깊이는 형성될 원통형 미세 렌즈, 출력 단 광섬유의 직경과 레이저 다이오드 어레이에서 발산되는 레이저 빔의 광 축(optical axis)이 일치하도록 형성하는 것을 특징으로 하는 미세 광학 결합기 제조방법.
  12. 제 7 항에 있어서,
    상기 정렬/조립 홈은 기판에 습식 식각을 통해 V자 모양의 홈(groove)을 형성하거나, 또는 실리콘 깊은 반응성 이온 식각(silicon deep reactive ion etching: silicon deep RIE) 등의 건식 식각 방법을 통해 가공된 트렌치(trench) 형태의 홈을 형성하는 것을 특징으로 하는 미세 광학 결합기 제조방법.
  13. 제 7 항에 있어서,
    상기 레이저 다이오드 어레이는 실리콘 벌크 마이크로머시닝 공정 및 솔더 접합(solder bonding) 기술을 이용하여 상기 기판 상부면에 정렬/조립하는 것을 특징으로 하는 미세 광학 결합기 제조방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 레이저 다이오드 어레이가 장착되는 영역의 기판에 높은 열전도도(thermal conductivity)를 갖는 구리 등의 중간층을 삽입하여 동작 중 레이저 다이오드에서 발생하는 열을 신속히 방열하는 것을 특징으로 하는 미세 광학 결합기 제조방법.
  15. 제 7 항에 있어서,
    상기 2차원 디스크형 미세 렌즈 어레이 및 2차원 미세 집속 렌즈는 각각 입출력 광 경로(optical path)에 대응하여 다수 개 형성되고, 제작 시 한 번의 사진 묘화 공정으로 형성되는 것을 특징으로 하는 미세 광학 결합기 제조방법.
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