KR100621833B1 - 광연결 장치 및 그 제작 방법 - Google Patents
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- G02B2006/12166—Manufacturing methods
- G02B2006/12176—Etching
Abstract
본 발명은 광신호의 분배, 취합 및 전달을 목적으로 하는 광모듈의 광신호 연결 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 기존 기술과 비교하여 보다 효과적으로 광신호를 연결하고, 각 구성품 간의 정렬(alignment)을 용이하게 하며, 또한 광연결 장치의 크기를 작게 만들 수 있는 방법을 제시하는 것을 목적으로 한다.
이를 위하여 광연결 장치는 광신호의 생성을 위한 광원과; 경사 단면을 가진 광도파로와; 경사단면에 코팅된 금속막과; 광신호의 생성을 위한 광원과; 경사 단면을 가진 광도파로와; 경사단면에 코팅된 금속막과; 광도파로의 측면에 놓인 자기정렬형 (self-aligned) 마이크로 렌즈와; 광송수신을 위한 광소자로 구성되며, 자기정렬형 마이크로 렌즈는 광도파로를 통한 노광(exposure) 및 리플로우(reflow) 공정 또는 추가적인 식각으로 제작된다.
이와 같은 구조를 갖는 광연결 장치나 또는 광통신 모듈 등에서 요구하는 광경로의 방향을 효과적으로 변경시킬 수 있으며, 렌즈가 자기정렬 방법으로 제작되므로 별도 정렬에 의한 제작 오차 및 비용 상승이 없고, 또한, 장치의 크기도 작아진다는 장점이 있다.
광연결, 마이크로 렌즈, 오목거울, 광도파로, 리플로우, 자기정렬, 광모듈
Description
도 1은 본 발명의 실시예로서 광소자의 표면으로 광연결이 이루어지는 광연결 장치의 개략도
도 2는 본 발명의 실시예로서 광소자의 측면으로 광연결이 이루어지는 광연결 장치의 개략도
도 3은 본 발명의 실시예로서 광도파로의 경사단면에 금속거울이 있는 광연결 장치의 개략도
도 4는 본 발명의 실시예로서 광도파로의 경사단면에 자기정렬형 오목거울이 있는 광연결 장치의 개략도
도 5는 본 발명의 도 3에 보인 광연결 장치에 있어서 광도파로의 경사단면에 금속거울이 있고 광도파로의 측면에 자기정렬형 마이크로 렌즈가 있는 광연결 장치의 제작 방법
도 6은 본 발명의 도 3에 보인 광연결 장치의 제작 방법에 있어서 자기정렬형 마이크로 렌즈를 제작하는 다른 방법의 예시도
도 7은 본 발명의 도 4에 보인 광연결 장치에 있어서 광도파로의 경사단면에 자기정렬형 오목거울이 있는 광연결 장치의 제작 방법
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
11 : 신호 광원 12 : 광신호
13 : 반사경로 21 : 광도파로 (optical waveguide)
22 : 코아 23 : 클래딩
24 : 광도파로 측면 31 : 경사단면
32 : 경사각 35 : 금속거울
41 : 자기정렬형 마이크로 렌즈 45 : 도파로 렌즈
51 : 자기정렬형 오목거울 61 : 광소자
65 : 광벤치(optical bench) 66 : 광벤치 경사거울
68 : 노광 광원 69 : 노광용 빔
71 : 감광막 72 : 노광부위
도 2는 본 발명의 실시예로서 광소자의 측면으로 광연결이 이루어지는 광연결 장치의 개략도
도 3은 본 발명의 실시예로서 광도파로의 경사단면에 금속거울이 있는 광연결 장치의 개략도
도 4는 본 발명의 실시예로서 광도파로의 경사단면에 자기정렬형 오목거울이 있는 광연결 장치의 개략도
도 5는 본 발명의 도 3에 보인 광연결 장치에 있어서 광도파로의 경사단면에 금속거울이 있고 광도파로의 측면에 자기정렬형 마이크로 렌즈가 있는 광연결 장치의 제작 방법
도 6은 본 발명의 도 3에 보인 광연결 장치의 제작 방법에 있어서 자기정렬형 마이크로 렌즈를 제작하는 다른 방법의 예시도
도 7은 본 발명의 도 4에 보인 광연결 장치에 있어서 광도파로의 경사단면에 자기정렬형 오목거울이 있는 광연결 장치의 제작 방법
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
11 : 신호 광원 12 : 광신호
13 : 반사경로 21 : 광도파로 (optical waveguide)
22 : 코아 23 : 클래딩
24 : 광도파로 측면 31 : 경사단면
32 : 경사각 35 : 금속거울
41 : 자기정렬형 마이크로 렌즈 45 : 도파로 렌즈
51 : 자기정렬형 오목거울 61 : 광소자
65 : 광벤치(optical bench) 66 : 광벤치 경사거울
68 : 노광 광원 69 : 노광용 빔
71 : 감광막 72 : 노광부위
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본 발명은 광신호의 분배, 조합 및 전달을 목적으로 하는 광모듈에서 광신호를 연결(coupling 또는 interconnection)하는 구조 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
본 발명은 이와 같은 광연결 장치에서 광경로를 많이 변경시키면서 원하는 위치에서 필요한 빔직경을 효과적으로 얻을 수 있는 방법을 고안하며, 동시에 광신호의 연결에 대한 기존 기술과 비교하여 손실을 최소화하고, 각 구성품 간의 정렬(alignment)을 용이하게 하여 제작 비용을 절감하며, 또한 장치의 크기를 작게 만들어 광소자의 어레이(array) 밀도를 증가시킬 수 있는 방법 제시를 목적으로 한다.
광연결 장치에 대한 기존의 연구로서, 마이크로 렌즈를 자기정렬 방법으로 시도한 예는 Applied Optics, vol.13, pp.89-94 (1974)에서 찾아볼 수 있다. 여기서는 광화이버(optical fiber)의 수직 단면에 음성(negative) 감광성 재료를 코팅한 후, 광화이버에 노광용 빛을 입력하여 렌즈가 있어야 하는 부분을 감광시켰다. 이어서 감광성 재료를 현상액과 작용시키면 노광된 부분만 남게 되며, 남은 부분을 고온으로 올리면, 감광성 재료의 리플로우(reflow)가 일어나면서 표면 에너지가 최소화되는 방향으로 형상이 결정된다. 일반적으로 표면 에너지의 감소를 위해서는 표면적이 최소화되어야 하며, 이는 곧 감광성 재료가 구면화되어 최종적으로 자기정렬된 렌즈 형상을 갖는다는 것을 의미한다. 이와 같은 방법으로 원하는 위치에 감광막으로 렌즈를 제작함으로써 스스로 정렬되는 자기정렬형 마이크로 렌즈 제작의 가능성을 소개하였지만, 렌즈가 광화이버의 수직 단면에 제작되는 방법만을 제시하고 있다.
최근, IEEE Photonics Technology Letters, vol.13, no.10, pp.1088-1090 (Oct. 2001)의 발표 내용에서는 렌즈가 자기정렬되어 제작되는 다른 방법을 소개하고 있다. 먼저, 유리기판에 소수성(hydrophobic) 재료를 코팅한 후, 그 위에 양성(positive) 감광성 재료를 다시 코팅한다. 이어서 광화이버를 유리기판의 뒷면에 수직으로 붙이고, 광화이버를 통하여 감광막을 노광시킨 후 현상과정을 거치면, 광화이버의 중앙부위에만 감광막이 없어진다. 남은 감광막을 식각 마스크로 하여 소수성 재료를 산소 플라스마로 처리하면 중앙부위의 소수성 재료만 식각되어 친수성(hydrophilic) 특성을 갖는 부분이 노출된다. 노출된 부분을 액체상태의 렌즈 재료에 넣었다가 일정한 속도로 꺼내면 친수성인 부분에만 렌즈 재료가 균일하게 코팅된다. 최종적으로, 자외선 경화과정에서 렌즈 재료의 온도가 올라가면서 리플로우(reflow) 현상이 발생하여 광화이버의 중심에 자기정렬형 렌즈가 만들어진다. 이 방법 역시 자기정렬되는 렌즈 제작 방법을 개발하였지만, 기존 방법과 마찬가지로 광화이버의 수직 단면에만 렌즈가 제작되는 한계를 보이고 있다.
한편, US 5,879,571 (Mar. 9, 1999) 특허에서는 광도파로의 단면에 마이크로 렌즈를 매우 정밀하게 제작할 수 있는 방법을 보여주고 있다. 이 역시 광도파로를 통하여 노광공정을 수행하고 있으며 나머지 공정은 일반적인 반도체 리쏘그래피(lithography) 기술을 사용하고 있다. 이 기술은 여러개 의 렌즈를 동시에 만드는 공정에 사용할 수 있다는 장점을 가지지만, 광도파로의 수직 단면에만 렌즈를 만들 수 있다는 문제는 해결하지 못하고 있다.
US 6,538,823 B2 (Mar. 25, 2003)에서는 광도파로를 45도로 경사지게 가공하여 경사면의 내부에서 빛이 전반사(Total Internal Reflection)되도록 한 후에 이를 다시 렌즈로 집속함으로써 효과적으로 빛을 수광할 수 있는 구조를 보여 준다. 또한 렌즈가 액체로 되어 있는 렌즈에 전압을 가하여 렌즈의 직경을 가변시킬 수 있어 초점거리의 가변이 요구되는 분야에서는 큰 강점을 가질 수 있다. 그러나 이 방법 역시, 광경로를 90도로 변경하기는 하였으나 렌즈가 자기정렬되어 제작되지 않는다는 문제점을 가지고 있다.
이와 같이 기존 기술의 일부는 마이크로 렌즈가 자기정렬 방법으로 제작하기는 하나 모두 광화이버의 단면에 제작되고 있으며, 또한 광경로의 변환을 위한 반사면이 있는 경우에는 렌즈의 제작 방법이 추가적인 정렬을 요구하기 때문에 성능 저하와 함께 제작비용의 상승이 예측된다.
본 발명은 이와 같은 광연결 장치에서 광경로를 많이 변경시키면서 원하는 위치에서 필요한 빔직경을 효과적으로 얻을 수 있는 방법을 고안하며, 동시에 광신호의 연결에 대한 기존 기술과 비교하여 손실을 최소화하고, 각 구성품 간의 정렬(alignment)을 용이하게 하여 제작 비용을 절감하며, 또한 장치의 크기를 작게 만들어 광소자의 어레이(array) 밀도를 증가시킬 수 있는 방법 제시를 목적으로 한다.
광연결 장치에 대한 기존의 연구로서, 마이크로 렌즈를 자기정렬 방법으로 시도한 예는 Applied Optics, vol.13, pp.89-94 (1974)에서 찾아볼 수 있다. 여기서는 광화이버(optical fiber)의 수직 단면에 음성(negative) 감광성 재료를 코팅한 후, 광화이버에 노광용 빛을 입력하여 렌즈가 있어야 하는 부분을 감광시켰다. 이어서 감광성 재료를 현상액과 작용시키면 노광된 부분만 남게 되며, 남은 부분을 고온으로 올리면, 감광성 재료의 리플로우(reflow)가 일어나면서 표면 에너지가 최소화되는 방향으로 형상이 결정된다. 일반적으로 표면 에너지의 감소를 위해서는 표면적이 최소화되어야 하며, 이는 곧 감광성 재료가 구면화되어 최종적으로 자기정렬된 렌즈 형상을 갖는다는 것을 의미한다. 이와 같은 방법으로 원하는 위치에 감광막으로 렌즈를 제작함으로써 스스로 정렬되는 자기정렬형 마이크로 렌즈 제작의 가능성을 소개하였지만, 렌즈가 광화이버의 수직 단면에 제작되는 방법만을 제시하고 있다.
최근, IEEE Photonics Technology Letters, vol.13, no.10, pp.1088-1090 (Oct. 2001)의 발표 내용에서는 렌즈가 자기정렬되어 제작되는 다른 방법을 소개하고 있다. 먼저, 유리기판에 소수성(hydrophobic) 재료를 코팅한 후, 그 위에 양성(positive) 감광성 재료를 다시 코팅한다. 이어서 광화이버를 유리기판의 뒷면에 수직으로 붙이고, 광화이버를 통하여 감광막을 노광시킨 후 현상과정을 거치면, 광화이버의 중앙부위에만 감광막이 없어진다. 남은 감광막을 식각 마스크로 하여 소수성 재료를 산소 플라스마로 처리하면 중앙부위의 소수성 재료만 식각되어 친수성(hydrophilic) 특성을 갖는 부분이 노출된다. 노출된 부분을 액체상태의 렌즈 재료에 넣었다가 일정한 속도로 꺼내면 친수성인 부분에만 렌즈 재료가 균일하게 코팅된다. 최종적으로, 자외선 경화과정에서 렌즈 재료의 온도가 올라가면서 리플로우(reflow) 현상이 발생하여 광화이버의 중심에 자기정렬형 렌즈가 만들어진다. 이 방법 역시 자기정렬되는 렌즈 제작 방법을 개발하였지만, 기존 방법과 마찬가지로 광화이버의 수직 단면에만 렌즈가 제작되는 한계를 보이고 있다.
한편, US 5,879,571 (Mar. 9, 1999) 특허에서는 광도파로의 단면에 마이크로 렌즈를 매우 정밀하게 제작할 수 있는 방법을 보여주고 있다. 이 역시 광도파로를 통하여 노광공정을 수행하고 있으며 나머지 공정은 일반적인 반도체 리쏘그래피(lithography) 기술을 사용하고 있다. 이 기술은 여러개 의 렌즈를 동시에 만드는 공정에 사용할 수 있다는 장점을 가지지만, 광도파로의 수직 단면에만 렌즈를 만들 수 있다는 문제는 해결하지 못하고 있다.
US 6,538,823 B2 (Mar. 25, 2003)에서는 광도파로를 45도로 경사지게 가공하여 경사면의 내부에서 빛이 전반사(Total Internal Reflection)되도록 한 후에 이를 다시 렌즈로 집속함으로써 효과적으로 빛을 수광할 수 있는 구조를 보여 준다. 또한 렌즈가 액체로 되어 있는 렌즈에 전압을 가하여 렌즈의 직경을 가변시킬 수 있어 초점거리의 가변이 요구되는 분야에서는 큰 강점을 가질 수 있다. 그러나 이 방법 역시, 광경로를 90도로 변경하기는 하였으나 렌즈가 자기정렬되어 제작되지 않는다는 문제점을 가지고 있다.
이와 같이 기존 기술의 일부는 마이크로 렌즈가 자기정렬 방법으로 제작하기는 하나 모두 광화이버의 단면에 제작되고 있으며, 또한 광경로의 변환을 위한 반사면이 있는 경우에는 렌즈의 제작 방법이 추가적인 정렬을 요구하기 때문에 성능 저하와 함께 제작비용의 상승이 예측된다.
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본 발명은 광신호의 분배, 조합 및 전달을 목적으로 하는 광모듈에서 광신호의 연결 구조 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 기본 기능은 광경로를 변경시키면서 원하는 위치에서 필요한 빔직경을 효과적으로 얻을 수 있는 방법을 강구하고자 한다. 동시에 광신호의 연결에 대한 기존 기술과 비교하여 광전달 효율을 극대화시키고, 각 구성품 간의 정렬을 용이하게 하여 제작 비용을 절감하며, 또한 장치의 크기를 작게 만들어 광소자의 어레이 (array) 밀도를 증가시킬 수 있는 방법 제시를 목적으로 한다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 광연결 장치는 광신호의 생성을 위한 광원과; 경사 단면을 가진 광도파로와; 경사단면에 코팅된 금속막과; 광신호의 생성을 위한 광원과; 경사 단면을 가진 광도파로와; 경사단면에 코팅된 금속막과; 광도파로의 측면에 놓인 마이크로 렌즈와; 광송수신을 위한 광소자로 구성되며, 마이크로 렌즈는 광도파로를 통한 노광 및 리플로루 공정으로 제작된다. 여기서 광모듈의 기능에 따라서 광도파로와 렌즈의 양단에 광필터 구조 등을 부가시킴으로써 다른 광소자를 구현할 수 있다.
여기서 광도파로는 유리 또는 플라스틱으로 제작된 직경 0.12 mm 근처의 화이버이거나 또는 평판형 광회로 (PLC: Planar Lightwave Circuit)를 의미한다. 보통의 광도파로는 굴절율 1.45 근처의 코아(core)와 이보다 약간 작은 굴절율을 갖는 클래딩(cladding)으로 구성되어 있다. 이와 같은 굴절율의 차이는 내부 전반사 현상을 발생시키며, 광도파로로 입사된 빛은 코아의 광축을 따라 매우 작은 광손실 및 분산을 유지하면서 진행이 가능해진다.
이와 같은 광도파로의 큰 장점에도 불구하고, 광경로를 작은 영역에서 변경하기 위해서는 광도파로의 굽힘을 급격하게 만들어 주어야 하나, 이럴 경우 광도파로의 손실이 매우 커지거나, 또는 광화이버가 과도한 기계적 응력때문에 끊어질 수 있다는 문제점이 있다.
이러한 광경로 변경의 단점을 보완하기 위하여 광도파로는 잘 가공된 별도의 거울면과 같이 사용되는 경우가 많으며, 거울은 평면, 오목 및 볼록의 형태를 가지면서 원하는 광경로에 맞추어 각도를 만들어 주면 된다. 그러나 추가적인 부품 제작 및 정밀한 정렬(alignment) 과정에서 광연결 장치의 가격이 지나치게 상승하거나 또는 장치의 크기가 너무 커지지 않도록 주의해야 한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 대해 도면을 참고로 하여 자세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 실시예로서, 경사단면(31)을 가진 광도파로(21)의 측면에 자기정렬형 마이크로 렌즈(41)가 직접 연결되어 있고, 그 아래에 광소자의 표면으로 광연결이 이루어지는 광연결 장치의 개략도를 보여준다.
광연결 장치의 보다 세부적인 구성은 신호발생을 위한 신호 광원(11), 광신호(12)의 전달을 위한 광도파로(21), 광경로 변경을 위한 경사단면, 빔직경을 조절하기 위한 자기정렬형 마이크로 렌즈(41) 그리고 광송수신을 위한 광소자(61)로 이루어진다. 빛은 광원(11)에서 나와 광도파로(21)의 입력단으로 입사되어 반대쪽 끝단의 경사단면(31)으로 진행한다. 끝단에 도착한 빛은 경사단면(31)의 경사각(32)에 맞는 반사경로(13)에 따라 반사된다. 여기서 경사단면(31)에 금속이 코팅되어 있지 않아도 경사각(32)이 특정각 (광도파로의 굴절율이 1.46일 때 47도 근처) 이하일 때에는 전반사 현상이 일어나 이론적으로는 거의 손실이 발생하지 않는다.
이후, 더 이상 광도파로(21)를 지나지 않기 때문에 반사되어 퍼진 빛은 자기정렬형 마이크로 렌즈(41)에서 굴절되어 집속된 후 최종적으로 광소자(61)에 도착한다. 여기서 광소자(61)의 예를 들면, 광감지기(photo detector)를 포함한 여러가지 광수신소자를 의미한다. 또한 광경로가 반대인 경우에도 동일한 광연결이 가능하며, 이때의 광소자(61)는 레이저 다이오드(laser diode)를 포함한 발광소자이거나 또는 광경로상에 존재하는 다른 광기능 소자 또는 임의의 대상물을 의미할 수 있다. 도 1은 표면을 사용하는 광소자의 예를 보인 것으로서, 자기정렬형 마이크로 렌즈(41)를 통과한 빛이 광벤치(65)위에 있는 광소자에 직접 입사되며, 광소자에서 빛이 나오는 경우에도 방향이 반대인 광경로가 그대로 적용된다는 것을 알 수 있다.
도 2는 도 1의 변형예로서, 광소자(61)의 측면으로 광연결이 이루어지는 광연결 장치의 개략도를 보여준다. 이를 위해서는 자기정렬형 마이크로 렌즈(41)와 광소자(61) 사이에 광벤치 경사거울(66)이 필요하며, 경사단면(31)의 경사각이 예각일 경우, 광소자의 측면에 효과적으로 광연결 장치를 구현할 수 있으며, 경사거울(66)을 가진 광벤치(65)는 실리콘 결정의 결정성 식각을 이용하여 제작할 수 있다. 예를 들어 실리콘의 (111) 결정면을 따라 제작된 광벤치 경사거울(66)의 각도는 54.7 도이며, 여기에 맞는 경사단면(31)의 경사각(32)은 35.3도이다. 여기서 광벤치(65)의 경사거울(66)은 실리콘의 (111) 결정면을 그대로 이용하거나 또는 반사율 개선을 위하여 알루미늄이나 금등의 금속을 코팅할 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예로서 광도파로의 경사단면(21)에 금속거울(35)이 추가된 광연결 장치의 개략도를 보여준다.
도 1에 대한 설명에서 경사단면(31)의 경사각(32)이 특정각 이하일 때에는 전반사 현상이 일어나 이론적으로는 거의 손실이 발생하지 않는다고 하였으나, 실제로는 경사단면(31)의 거칠기와 광도파로(21)의 내부에서 진행하는 빛의 각도에 따라 전반사 조건을 만족하지 않을 수 있으므로 경사단면(31)위에 금속거울(35)을 입히는 것이 바람직하다. 이와 같이 추가적인 금속 코팅 공정이 필요하기는 하지만, 금속거울(35) 이 존재하는 경우에는, 경사단면(31)의 경사각(32)은 0도와 90도 사이의 어느 값을 가질 수 있으며, 반사 손실 개선 등을 고려한 많은 경우에 35도와 55도 사이의 값을 갖는 것이 유용하다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예로서 광도파로(21)의 측면에 감광막으로 제작된 자기정렬형 마이크로 렌즈(41)가 없는 대신에 광도파로(21)의 경사단면(31)에 자기정렬형 오목거울(51)이 있는 광연결 장치의 개략도를 보여 준다.
자기정렬형 오목거울(51)은 경사단면(31)에 형성된 렌즈형태의 구조와 이 위에 반사도가 좋은 알루미늄 또는 금으로 만들어진 금속박막으로 구성된다. 따라서 전체적인 기능은 도 2의 자기정렬형 마이크로 렌즈(41)를 포함한 것을 특징으로 하는 광연결 장치와 유사하나, 렌즈 구조의 외곽에서 안쪽으로 반사됨으로써 빛의 빔직경을 변경시킬 수 있다는 것을 알 수 있다.
도 5는 본 발명의 도 3에 보인 광연결 장치의 제작 방법을 보인 것으로서, 주요 공정 순서인 도 5a, 도 5b, 도 5c, 도 5d, 도 5e 및 도 5f에 따라 제작되는 광연결 장치의 단면구조의 변화를 보여준다.
먼저 도 5a는, 코아(22)와 클래딩(23)으로 구성된 광도파로(21)를 보인 것으로서, 광경로의 변경을 위하여 한쪽 끝이 경사단면(31)으로 가공된 형태를 보여 준다.
도 5b는 경사단면(31)의 거칠기와 광도파로(21)의 내부에서 진행하는 빛의 각도에 따라 발생할 수 있는 반사도의 열화를 방지하기 위하여 금속거울(35)을 씌운 경사단면(31)을 보여준다.
도 5c는 감광막으로 자기정렬형 마이크로 렌즈(41)를 제작하기 위하여 원재료인 음성 감광막(71)을 광경로가 지나는 광도파로(21) 측면(24)에 코팅한 것으로, 요구되는 렌즈의 높이가 나올 수 있도록 5-30um 정도의 범위에서 충분히 두꺼워야 한다.
도 5d는 광도파로(21)를 이용하여 감광막(71)에 대한 노광공정을 수행하는 과정을 보인 것으로서, 외부에서 노광 광원 (68)으로부터 노광용 빔(69)을 광도파로(21)의 한쪽 끝에 입력시키면, 광연결 장치로서 사용될 때와 동일한 광경로를 따라 노광용 빛이 진행하는 것을 알 수 있다. 이 과정에서 별도의 광마스크(photo mask)를 사용하지 않고도, 렌즈가 만들어지는 노광부위(72)가 자기정렬(self-align)되어 정확하게 노광될 수 있다. 이 특성은 렌즈에 대한 정렬공정을 불필요하게 만들기 때문에 제작 비용이 낮아진다는 장점을 가진다. 여기서 필요에 따라 감광막에 대한 베이킹(baking) 공정을 노광전후에 추가할 수 있다.
도 5e는 현상액을 이용하여 감광막(71)의 노광부위(72)만을 남기는 공정을 나타낸다. 이와 같은 과정을 통하여 남게 되는 감광막(71)은 원기둥 형태를 가지며, 그 직경 및 높이는 요구되는 렌즈의 크기에 따라 결정된다.
도 5f는 원기둥 형태의 감광막(71)이 고온에서 리플로우가 일어나면서 표면에너지가 가장 작은 구형으로 변화된 형상을 보여 준다. 리프로우 현상은, 감광막(71)의 종류에 따라 다르지만, 보통 120도 이상의 온도에서 비교적 짧은 시간 안에 일어난다. 감광막의 리플로우에 의한 렌즈는 열전도, 열대류 및 레이저 조사 방법을 사용하여 효과적으로 제작할 수 있다.
도 6은 본 발명의 도 5에 보인 광연결 장치의 제작 방법에 있어서 마이크로 렌즈를 제작하는 다른 실시예를 보여 준다.
일반적으로 감광막(71)은 폴리머로서 습기에 영향을 받으며, 내화학성도 부족한 것으로 알려져 있다. 따라서 이미 감광막으로 만들어진 자기정렬형 마이크로 렌즈(41)를 식각마스크로 하여 유리재질의 광도파로(21)를 식각할 경우, 감광막 마이크로 렌즈(41)의 형상을 광도파로(21)에 그대로 제작할 수 있다. 도 5는 감광막과 광도파로에 대하여 동일한 식각속도를 갖는 식각공정을 이용하여 광도파로 렌즈(45)의 형상이 제작된 상태를 보여 준다. 이와 같이 유리 재질에 직접 광도파로 렌즈(45)를 제작함으로써 렌즈의 수명을 연장시킬 수 있다.
도 5,6에 보인 광연결 장치의 제작 방법의 일부는 도 1,2,4에 보인 광연결 장치의 제작 방법에도 사용할 수 있다.
이상과 같이 기술된 광연결 장치의 구조 및 그 제조 방법에 있어서 그 재료 및 가공 방법은 감광막(71)과 광도파로의 유리재질에 국한되지 않으며, 감광막을 사용하지 않고도 다른 수지(resin) 또는 화합물로 이용하여 렌즈를 직접 제작하거나 또는 평판형 광회로에 여러개의 렌즈를 동시에 제작할 수 있다.
비록 본 발명이 상기 언급된 바람직한 실시예와 관련하여 설명되었지만, 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 가능하다. 따라서 첨부된 특허청구의 범위는 본 발명의 요지에서 속하는 이러한 수정이나 변형을 포함한다.
여기서 광도파로는 유리 또는 플라스틱으로 제작된 직경 0.12 mm 근처의 화이버이거나 또는 평판형 광회로 (PLC: Planar Lightwave Circuit)를 의미한다. 보통의 광도파로는 굴절율 1.45 근처의 코아(core)와 이보다 약간 작은 굴절율을 갖는 클래딩(cladding)으로 구성되어 있다. 이와 같은 굴절율의 차이는 내부 전반사 현상을 발생시키며, 광도파로로 입사된 빛은 코아의 광축을 따라 매우 작은 광손실 및 분산을 유지하면서 진행이 가능해진다.
이와 같은 광도파로의 큰 장점에도 불구하고, 광경로를 작은 영역에서 변경하기 위해서는 광도파로의 굽힘을 급격하게 만들어 주어야 하나, 이럴 경우 광도파로의 손실이 매우 커지거나, 또는 광화이버가 과도한 기계적 응력때문에 끊어질 수 있다는 문제점이 있다.
이러한 광경로 변경의 단점을 보완하기 위하여 광도파로는 잘 가공된 별도의 거울면과 같이 사용되는 경우가 많으며, 거울은 평면, 오목 및 볼록의 형태를 가지면서 원하는 광경로에 맞추어 각도를 만들어 주면 된다. 그러나 추가적인 부품 제작 및 정밀한 정렬(alignment) 과정에서 광연결 장치의 가격이 지나치게 상승하거나 또는 장치의 크기가 너무 커지지 않도록 주의해야 한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 대해 도면을 참고로 하여 자세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 실시예로서, 경사단면(31)을 가진 광도파로(21)의 측면에 자기정렬형 마이크로 렌즈(41)가 직접 연결되어 있고, 그 아래에 광소자의 표면으로 광연결이 이루어지는 광연결 장치의 개략도를 보여준다.
광연결 장치의 보다 세부적인 구성은 신호발생을 위한 신호 광원(11), 광신호(12)의 전달을 위한 광도파로(21), 광경로 변경을 위한 경사단면, 빔직경을 조절하기 위한 자기정렬형 마이크로 렌즈(41) 그리고 광송수신을 위한 광소자(61)로 이루어진다. 빛은 광원(11)에서 나와 광도파로(21)의 입력단으로 입사되어 반대쪽 끝단의 경사단면(31)으로 진행한다. 끝단에 도착한 빛은 경사단면(31)의 경사각(32)에 맞는 반사경로(13)에 따라 반사된다. 여기서 경사단면(31)에 금속이 코팅되어 있지 않아도 경사각(32)이 특정각 (광도파로의 굴절율이 1.46일 때 47도 근처) 이하일 때에는 전반사 현상이 일어나 이론적으로는 거의 손실이 발생하지 않는다.
이후, 더 이상 광도파로(21)를 지나지 않기 때문에 반사되어 퍼진 빛은 자기정렬형 마이크로 렌즈(41)에서 굴절되어 집속된 후 최종적으로 광소자(61)에 도착한다. 여기서 광소자(61)의 예를 들면, 광감지기(photo detector)를 포함한 여러가지 광수신소자를 의미한다. 또한 광경로가 반대인 경우에도 동일한 광연결이 가능하며, 이때의 광소자(61)는 레이저 다이오드(laser diode)를 포함한 발광소자이거나 또는 광경로상에 존재하는 다른 광기능 소자 또는 임의의 대상물을 의미할 수 있다. 도 1은 표면을 사용하는 광소자의 예를 보인 것으로서, 자기정렬형 마이크로 렌즈(41)를 통과한 빛이 광벤치(65)위에 있는 광소자에 직접 입사되며, 광소자에서 빛이 나오는 경우에도 방향이 반대인 광경로가 그대로 적용된다는 것을 알 수 있다.
도 2는 도 1의 변형예로서, 광소자(61)의 측면으로 광연결이 이루어지는 광연결 장치의 개략도를 보여준다. 이를 위해서는 자기정렬형 마이크로 렌즈(41)와 광소자(61) 사이에 광벤치 경사거울(66)이 필요하며, 경사단면(31)의 경사각이 예각일 경우, 광소자의 측면에 효과적으로 광연결 장치를 구현할 수 있으며, 경사거울(66)을 가진 광벤치(65)는 실리콘 결정의 결정성 식각을 이용하여 제작할 수 있다. 예를 들어 실리콘의 (111) 결정면을 따라 제작된 광벤치 경사거울(66)의 각도는 54.7 도이며, 여기에 맞는 경사단면(31)의 경사각(32)은 35.3도이다. 여기서 광벤치(65)의 경사거울(66)은 실리콘의 (111) 결정면을 그대로 이용하거나 또는 반사율 개선을 위하여 알루미늄이나 금등의 금속을 코팅할 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예로서 광도파로의 경사단면(21)에 금속거울(35)이 추가된 광연결 장치의 개략도를 보여준다.
도 1에 대한 설명에서 경사단면(31)의 경사각(32)이 특정각 이하일 때에는 전반사 현상이 일어나 이론적으로는 거의 손실이 발생하지 않는다고 하였으나, 실제로는 경사단면(31)의 거칠기와 광도파로(21)의 내부에서 진행하는 빛의 각도에 따라 전반사 조건을 만족하지 않을 수 있으므로 경사단면(31)위에 금속거울(35)을 입히는 것이 바람직하다. 이와 같이 추가적인 금속 코팅 공정이 필요하기는 하지만, 금속거울(35) 이 존재하는 경우에는, 경사단면(31)의 경사각(32)은 0도와 90도 사이의 어느 값을 가질 수 있으며, 반사 손실 개선 등을 고려한 많은 경우에 35도와 55도 사이의 값을 갖는 것이 유용하다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예로서 광도파로(21)의 측면에 감광막으로 제작된 자기정렬형 마이크로 렌즈(41)가 없는 대신에 광도파로(21)의 경사단면(31)에 자기정렬형 오목거울(51)이 있는 광연결 장치의 개략도를 보여 준다.
자기정렬형 오목거울(51)은 경사단면(31)에 형성된 렌즈형태의 구조와 이 위에 반사도가 좋은 알루미늄 또는 금으로 만들어진 금속박막으로 구성된다. 따라서 전체적인 기능은 도 2의 자기정렬형 마이크로 렌즈(41)를 포함한 것을 특징으로 하는 광연결 장치와 유사하나, 렌즈 구조의 외곽에서 안쪽으로 반사됨으로써 빛의 빔직경을 변경시킬 수 있다는 것을 알 수 있다.
도 5는 본 발명의 도 3에 보인 광연결 장치의 제작 방법을 보인 것으로서, 주요 공정 순서인 도 5a, 도 5b, 도 5c, 도 5d, 도 5e 및 도 5f에 따라 제작되는 광연결 장치의 단면구조의 변화를 보여준다.
먼저 도 5a는, 코아(22)와 클래딩(23)으로 구성된 광도파로(21)를 보인 것으로서, 광경로의 변경을 위하여 한쪽 끝이 경사단면(31)으로 가공된 형태를 보여 준다.
도 5b는 경사단면(31)의 거칠기와 광도파로(21)의 내부에서 진행하는 빛의 각도에 따라 발생할 수 있는 반사도의 열화를 방지하기 위하여 금속거울(35)을 씌운 경사단면(31)을 보여준다.
도 5c는 감광막으로 자기정렬형 마이크로 렌즈(41)를 제작하기 위하여 원재료인 음성 감광막(71)을 광경로가 지나는 광도파로(21) 측면(24)에 코팅한 것으로, 요구되는 렌즈의 높이가 나올 수 있도록 5-30um 정도의 범위에서 충분히 두꺼워야 한다.
도 5d는 광도파로(21)를 이용하여 감광막(71)에 대한 노광공정을 수행하는 과정을 보인 것으로서, 외부에서 노광 광원 (68)으로부터 노광용 빔(69)을 광도파로(21)의 한쪽 끝에 입력시키면, 광연결 장치로서 사용될 때와 동일한 광경로를 따라 노광용 빛이 진행하는 것을 알 수 있다. 이 과정에서 별도의 광마스크(photo mask)를 사용하지 않고도, 렌즈가 만들어지는 노광부위(72)가 자기정렬(self-align)되어 정확하게 노광될 수 있다. 이 특성은 렌즈에 대한 정렬공정을 불필요하게 만들기 때문에 제작 비용이 낮아진다는 장점을 가진다. 여기서 필요에 따라 감광막에 대한 베이킹(baking) 공정을 노광전후에 추가할 수 있다.
도 5e는 현상액을 이용하여 감광막(71)의 노광부위(72)만을 남기는 공정을 나타낸다. 이와 같은 과정을 통하여 남게 되는 감광막(71)은 원기둥 형태를 가지며, 그 직경 및 높이는 요구되는 렌즈의 크기에 따라 결정된다.
도 5f는 원기둥 형태의 감광막(71)이 고온에서 리플로우가 일어나면서 표면에너지가 가장 작은 구형으로 변화된 형상을 보여 준다. 리프로우 현상은, 감광막(71)의 종류에 따라 다르지만, 보통 120도 이상의 온도에서 비교적 짧은 시간 안에 일어난다. 감광막의 리플로우에 의한 렌즈는 열전도, 열대류 및 레이저 조사 방법을 사용하여 효과적으로 제작할 수 있다.
도 6은 본 발명의 도 5에 보인 광연결 장치의 제작 방법에 있어서 마이크로 렌즈를 제작하는 다른 실시예를 보여 준다.
일반적으로 감광막(71)은 폴리머로서 습기에 영향을 받으며, 내화학성도 부족한 것으로 알려져 있다. 따라서 이미 감광막으로 만들어진 자기정렬형 마이크로 렌즈(41)를 식각마스크로 하여 유리재질의 광도파로(21)를 식각할 경우, 감광막 마이크로 렌즈(41)의 형상을 광도파로(21)에 그대로 제작할 수 있다. 도 5는 감광막과 광도파로에 대하여 동일한 식각속도를 갖는 식각공정을 이용하여 광도파로 렌즈(45)의 형상이 제작된 상태를 보여 준다. 이와 같이 유리 재질에 직접 광도파로 렌즈(45)를 제작함으로써 렌즈의 수명을 연장시킬 수 있다.
도 5,6에 보인 광연결 장치의 제작 방법의 일부는 도 1,2,4에 보인 광연결 장치의 제작 방법에도 사용할 수 있다.
이상과 같이 기술된 광연결 장치의 구조 및 그 제조 방법에 있어서 그 재료 및 가공 방법은 감광막(71)과 광도파로의 유리재질에 국한되지 않으며, 감광막을 사용하지 않고도 다른 수지(resin) 또는 화합물로 이용하여 렌즈를 직접 제작하거나 또는 평판형 광회로에 여러개의 렌즈를 동시에 제작할 수 있다.
비록 본 발명이 상기 언급된 바람직한 실시예와 관련하여 설명되었지만, 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 가능하다. 따라서 첨부된 특허청구의 범위는 본 발명의 요지에서 속하는 이러한 수정이나 변형을 포함한다.
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전술한 기술 내용으로부터 자명하듯이, 본 발명의 광연결 장치 및 그 제조 방법을 이용하면, 광도파로에 입사된 빛이 경사단면에서 반사된 후 자기 정렬형 마이크로 렌즈에 의하여 집속 또는 평행빔 등으로 빔의 특성을 조절할 수 있다. 또한 광경로의 방향을 효과적으로 변경시키고 광전달 효율을 극대화시킬 수 있으며, 렌즈가 자기정렬 방법으로 제작되므로 별도 정렬에 의한 제작 오차 및 비용 상승이 없으며, 장치의 크기도 작아진다는 장점이 있다.
Claims (11)
- 광신호의 분배, 조합 또는 전달을 위한 광연결장치에 있어서,광신호의 생성을 위한 광원과;광전달을 위한 광도파로와;광도파로의 한쪽 끝에 만들어진 경사 단면과;광도파로의 측면에 놓인 감광막 자기정렬형 마이크로 렌즈와;광소자로 이루어진 것을 특징으로 하는 광연결 장치
- 제 1항에 있어서,경사거울을 가진 광벤치가 추가된 것을 특징으로 하는 광연결 장치
- 제 2항에 있어서,경사단면의 경사각이 35.3도 근처인 것을 특징으로 하는 광연결 장치
- 광신호의 분배, 조합 또는 전달을 위한 광연결 장치에 있어서,광신호의 생성을 위한 광원과;광전달을 위한 광도파로와;광도파로의 한쪽 끝에 만들어진 경사 단면과;광도파로의 경사단면에 코팅된 금속막과;광도파로의 측면에 놓인 자기정렬형 마이크로 렌즈로 이루어진 것을 특징으로 하는 광연결 장치
- -> 삭제
- -> 삭제
- 광신호의 분배, 조합 또는 전달을 위한 광연결 장치의 제조방법에 있어서,광도파로의 한쪽 끝을 경사면으로 가공하는 공정;가공된 경사면에 금속막을 코팅하는 공정;광도파로의 경사면 반대쪽 측면에 감광막을 코팅하는 공정;광도파로를 통하여 노광광을 보냄으로써 코팅된 감광막을 노광하는 공정;노광된 감광막을 현상하는 공정; 및현상된 감광막을 리플로우하여 자기정렬형 마이크로 렌즈를 형성하는 공정;을 포함하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 광연결 장치의 제조방법
- 제 7항에 있어서,감광막의 자기정렬형 마이크로 렌즈를 식각 마스크로 하여 렌즈의 형상을 광도파로에 전사하는 단계가 추가된 것을 특징으로 하는 광연결 장치의 제조 방법
- -> 삭제
- 광신호의 분배, 조합 또는 전달을 위한 광연결 장치에 있어서,광신호의 생성을 위한 광원과;경사 단면을 가진 광도파로와;경사단면에 형성된 자기정렬형 마이크로 렌즈 구조와,;마이크로 렌즈위에 금속을 코팅하여 만든 자기정렬형 오목거울을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 광연결 장치
- 광신호의 분배, 조합 또는 전달을 위한 광연결 장치의 제조방법에 있어서,광도파로의 한쪽 끝을 경사면으로 가공하는 공정;가공된 경사면에의 감광막을 코팅하는 공정;광도파로를 통하여 노광광을 보냄으로써 코팅된 감광막을 노광하는 공정;노광된 감광막을 현상하는 공정;현상된 감광막을 리플로우하여 자기정렬형 마이크로 렌즈를 형성하는 공정; 및렌즈 구조의 바깥쪽에 금속막을 코팅하는 공정의 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 광연결 장치의 제조방법
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