KR100643466B1 - 실리콘 광학 벤치 및 이를 포함한 레이저 디스플레이광원 - Google Patents

실리콘 광학 벤치 및 이를 포함한 레이저 디스플레이광원 Download PDF

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Abstract

본 발명은 레이저 디스플레이 광원용 실리콘 광학 벤치(Silicon Optical Bench: SiOB) 및 이를 포함한 레이저 디스플레이 광원에 관한 것으로, 특히 상부의 일부 영역이 식각되어 캐비티(cavity)가 형성된 것으로, 빛을 통과시키기 위한 관통구멍이 상기 캐비티의 바닥면 중앙에 형성된 실리콘 구조물과; 상기 캐비티의 대향하는 양쪽 측면에 경사지도록 형성된 반사면과; 상기 반사면으로 빛을 출사시키도록 상기 캐비티의 바닥면에 위치한 적색 및 청색 레이저 다이오드와; 상기 적색 및 청색 레이저 다이오드와 반사면 사이에 구비되어 상기 적색 및 청색 레이저 다이오드로부터 출사되는 상하 방향의 레이저 빛을 집속시키는 원통형 렌즈로 이루어진 레이저 디스플레이 광원용 실리콘 광학 벤치에 의하는 경우, 외부 변조기에 의한 광원 제어를 사용하지 않고도 레이저 디스플레이 광원을 제조할 수 있기 때문에 보다 더 소형화된 제품을 간단하게 구현할 수 있는 효과가 있다.
실리콘 광학 벤치, 레이저 광원, 실리콘 구조물

Description

실리콘 광학 벤치 및 이를 포함한 레이저 디스플레이 광원{Silicon Optical Bench and Light Source of Laser Display Having The same}
도 1은 종래 기술에 따라 빛을 모아주는 광학계가 포함된 레이저 디스플레이 광원을 나타내는 모식도이고,
도 2는 종래 기술에 따른 빛을 모아주는 광학계의 단면도이고,
도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 실리콘 광학 벤치의 실리콘 구조물을 제조하는 순서를 나타내는 공정도이고,
도 3e는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 실리콘 광학 벤치의 실리콘 구조물을 나타내는 사시도이고,
도 4a 내지 도 4b는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 실리콘 광학 벤치를 나타내는 사시도이고,
도 5는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 실리콘 광학 벤치에 광섬유가 포함된 구조를 나타내는 레이저 디스플레이 광원의 단면도이고,
도 6은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 실리콘 광학 벤치가 포함된 구조의 레이저 디스플레이 광원을 나타내는 사시도이다.
**도면의 주요부분에 대한 기호의 설명**
1: 습식 식각용 마스크 2: 실리콘 기판
3: 캐비티(cavity) 4: 건식 식각용 마스크
5: 관통 구멍 6: 조립 정렬 홈
7: 실리콘 광학 벤치(SiOB) 8: 적색 레이저 다이오드
9: 청색 레이저 다이오드 10: 반사면
11: 원통형 렌즈 12: 반구 형태의 포커스렌즈
13: 광섬유 14: 시준 렌즈
15: 광 변조 모듈(modulator) 16: 집속 렌즈
17: 녹색 레이저 발광 소자 패키지
본 발명은 레이저 다이오드(LD)를 이용한 광 발광 소자에 관한 것으로, 특히
레이저 디스플레이 광원용 실리콘 광학 벤치(Silicon Optical Bench: SiOB) 및 이를 포함한 레이저 디스플레이 광원에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 직접 변조 방식을 이용하는 적색 및 청색 레이저가 원통 형태의 렌즈 및 반사면과 함께 정렬되어 배치된 구조의 실리콘 구조물 및 녹색 레이저를 방출하는 외부 변조기가 상기 실리콘 구조물 하부에 포함되는 형태의 레이저 디스플레이 광원이다.
최근 전자 및 통신 산업의 폭발적인 발전에 의하여 기록 매체, 디스플레이, 유/무선 통신 등 다양한 분야에서 새로운 연구가 진행되고 있다. 그 중에서 고출력 반도체 레이저는 고출력 레이저 광에 대한 수요가 증가되고, 새로운 응용 분야가 확대되면서 많은 연구가 활발히 진행되고 있다. 이러한 상황 속에서 보다 선명한 색감을 원하는 욕구를 충족시키기 위해 레이저를 이용한 디스플레이가 주목을 받고 있다.
레이저 광원을 이용하는 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.
현재, 레이저를 이용한 디스플레이 광원 개발은 크게 대형 화면을 위한 고출력 광원 과 소형 기기에 적합한 형태의 광원으로 나누어진다. 두 가지 모두 빛의 삼원색인 적색, 청색, 녹색의 레이저를 이용하여, 이것으로부터 방출되는 빛을 결집시켜 색상을 구현하는 것이다. 고체 레이저에 의한 펌핑 광원, 물질 가공, 의료용 레이저의 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 있다. 그리고, 이러한 어레이 배열의 효용성을 높이기 위해서 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 이용하기도 한다. 그럼으로써 레이저 다이오드 어레이로부터 출사되는 빔으로 높은 광 출력을 얻을 수 있는 것이다.
이러한 방법은 응용에 따라 적정한 개구율(numerical aperture: NA) 및 코어(core) 직경을 가진 광섬유 어레이와 다이오드 어레이 빔을 시준(collimating)하는 역할을 하는 굴절 광학 렌즈를 결합한 광섬유 결합기로도 사용되고 있다. 상기 굴절 광학 렌즈를 포함한 기존의 광섬유 결합기는 다중 모드 고출력 다이오드 레이저의 빔 형태를 위해 설계된 소자이다. 그러나, 이러한 레이저 광원의 발산을 줄이고 광섬유와 광학 렌즈를 결합시키기 위해서, 종래의 광섬유 결합기는 복잡한 3차원 형상의 렌즈구조와 고성능의 광학계를 필요로 한다.
또한, 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 나오기 때문 이다.
이렇게 비대칭적으로 발산되는 출력 광 때문에, 출력단 광섬유에 입사되는 레이저 빔의 손실을 줄이기 위해서는 레이저 빔의 발산 각을 줄이는 것이 유리하다. 이렇게 출사 광원인 레이저 다이오드와 출력 단 광섬유의 광학적인 연결에서 상이한 발산 각을 줄이고, 각각의 레이저 다이오드에서 방출되는 빛을 결집시키기 위해서는 빛을 모아주는 광학계가 필요하다. 도 1은 종래 기술에 따라 빛을 모아주는 광학계가 포함된 레이저 디스플레이 광원을 나타내는 모식도이다.
도시된 바와 같이, 종래기술에 따라 빛을 모아주는 광학계가 포함된 레이저 디스플레이 광원은 적색(101), 녹색(102) 및 청색(103)의 레이저 발광소자와 각각의 다이오들 제어하는 변조기(104) 그리고 빛을 모아주는 광학계(105)와 시스템 제어기(106), 영상을 구현하는 주사 시스템(scan system, 107)과 스크린(108)으로 구성되어있다.
여기서는 각각의 레이저 발광소자(101, 102, 103)와 변조기(104) 그리고 빛을 모아주는 광학계(105)까지 포함하는 광원 부분(100)에 대하여 상세하게 살펴본다. 일반적으로 소형 광원의 경우 가장 크게 문제가 되고 있는 사항은 각각의 소자를 효과적으로 조립하여 크기를 얼마나 줄이는가에 있다. 현재까지는 크기를 줄이기 위해서 외부 변조기(104)에 의한 광원 제어를 사용하지 않고 투캔(TO can)에 조립되 어 있는 레이저 다이오드를 직접 전기적으로 제어하는 방식을 이용하고 있지만, TO can 패키지의 부피를 줄이는 데는 한계가 있다. 그러므로, TO can 패키지 이용하지 않으면서도, 레이저 광원의 부피를 줄일 수 있는 레이저 광원 구조가 절실히 요구되고 있는 실정이다.
또한, 보다 작은 공간에 다양한 광 소자들을 집적하여 소정의 기능을 수행하는 광 모듈을 구성하기 위해서, 도 2에 나타난 바와 같이 3가지 빛을 모으기 위한 광학계로 이색 광속 분할기(dichroic beam-splitter)를 이용하기도 한다. 이러한 이색 광속 분할기를 통해 각각의 파장에 대해 투과와 반사를 선택적으로 하여 색상을 구현하는 것이다. 도 2에서는 종래 기술에 따라 빛을 모아주는 광학계의 단면도를 나타내었다. 여기서, 적색 반사층(205)은 적색 파장의 빛을 반사시키는 것이고, 적색 투과/녹색 반사층(206)은 적색 파장의 빛을 투과시킴과 동시에 녹색 파장의 빛은 반사시키며, 적색·녹색 투과/청색 반사층(207)은 적색과 녹색 파장의 빛을 투과시킴과 동시에 청색 파장의 빛은 반사시키는 것이다.
이러한 이색 광속 분할기를 이용하는 광학계의 경우, 적색(201), 녹색(202), 청색(203)의 파장이 각각 광속 분할기로 입사되면, 상기 각각의 파장은 적색 반사층(205), 적색 투과/녹색 반사층(206), 적색·녹색 투과/청색 반사층(207)을 통과하여 최종적으로 3가지 색이 조합된 빛(204)을 얻게 되는 것이다.
그러나, 이러한 광학계는 일반적으로 각각의 적색(201), 녹색(202), 청색(203) 발광소자로부터 발생되는 파장이 빛을 수직으로 바로 얻어야 하기 때문에, 광학계가 적색(201), 녹색(202), 청색(203) 레이저 크기 전체에 걸쳐 있어야 하고 부피가 크다는 문제점이 있다. 또한, 빛을 모아주는 광학계를 별도의 제조공정으로 외부에서 미리 제작하여 모듈에 장착해야 하기 때문에, 이를 발광 소자 및 변조기와 정렬하여 위치시키기 어렵고, 공정이 복잡해져 비용이 높아지게 되는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 대량으로 용이하게 제조할 수 있는 실리콘 구조물, 레이저 다이오드와 출력 단 광섬유 간의 결합 광학계 및 상기 실리콘 구조물과 결합 광학계가 포함되어 이루어진 레이저 디스플레이 광원을 제공하는데 목적이 있다.
본 발명은 빛의 삼원색인 청색, 적색 그리고 녹색의 레이저를 이용하여 색상을 구현하는 레이저 광원 구조 및 그 제조 방법을 개선하여 소형화를 이루고자 하는 것이다. 더욱 상세하게는 직접 변조 방식을 이용하는 적색 및 청색 레이저가 원통 형태의 렌즈 및 반사면과 함께 정렬되어 배치된 구조의 실리콘 구조물 및 녹색 레이저를 방출하는 외부 변조기가 상기 실리콘 구조물 하부에 포함되는 레이저 디스플레이 광원을 제공하기 위함이다.
이러한 본 발명에 의하여, 미세 가공된 실리콘 구조물과 광섬유를 이용하여 보다 소형화된 제품을 제작하고, 간단한 광학 부품을 사용하여 제조원가도 절감시키고자 한다. 또한, 본 발명은 레이저 다이오드와 렌즈 및 반사면의 정렬을 용이하게 함으로써, 여러 레이저 다이오드를 이용하여 고출력을 얻고자 하는 분야에서 제조 공정을 단순화시키는 것을 목적으로 한다. 나아가, 이와 같은 실리콘 광학 구조물을 이용하여 레이저 디스플레이 광원 소자의 패키지 크기를 줄이는 것이 목적이다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 실리콘 광학 벤치(SiOB) 및 이를 포함한 레이저 디스플레이 광원에 관한 것으로, 특히 상부의 일부 영역이 식각되어 캐비티(cavity)가 형성된 것으로, 빛을 통과시키기 위한 관통구멍이 상기 캐비티의 바닥면 중앙에 형성된 실리콘 구조물과; 상기 캐비티의 대향하는 양쪽 측면에 경사지도록 형성된 반사면과; 상기 반사면으로 빛을 출사시키도록 상기 캐비티의 바닥면에 위치한 적색 및 청색 레이저 다이오드와; 상기 적색 및 청색 레이저 다이오드와 반사면 사이에 구비되어 상기 적색 및 청색 레이저 다이오드로부터 출사되는 상하 방향의 레이저 빛을 집속시키는 원통형 렌즈로 이루어진 레이저 디스플레이 광원용 실리콘 광학 벤치이다.
여기서, 상기 캐비티가 형성된 일부 영역은 실리콘 구조물의 상부 영역 중 테두리 부분을 제외한 테두리 내부 영역인 것이 바람직하고, 상기 캐비티는 사다리꼴 모양 이거나 직사각형 모양의 단면형상인 것이 더욱 바람직하다.
그리고, 본 발명은 적색 및 청색 레이저 다이오드로부터 방출되는 빛의 발산 각도를 조절하기 위하여 실리콘 구조물의 캐비티 양쪽 측면에 반사면이 구비되는 것을 특징으로 하는바, 상기 반사면은 상기 실리콘 구조물의 상부에 대해서 54.74°± 1°의 경사각을 갖는 것이 가능하다. 또한, 이런 의미에서 상기 적색 및 청색 레이저 다이오드는 각각 상기 대향하는 반사면으로 빛을 출사하도록 레이저 광을 출사하는 절단면 발진부가 상기 반사면 쪽에 각각 위치하는 형태가 바람직한 실리콘 광학 벤치이다.
이러한 본 발명에 따른 상기 실리콘 구조물에는 상기 원통형 렌즈가 수동 정렬되어 조립되도록 상기 캐비티의 바닥면에 V자 형태 또는 트렌치 형태인 조립 정렬 홈이 있을 수 있고, 상기 캐비티의 바닥면 중앙에 위치하여 녹색 파장의 빛을 통과시키기 위한 상기 관통구멍은 적색 및 청색 레이저 다이오드 사이에 위치하여 상기 적색 및 청색 레이저 다이오드와 일렬로 배열되는 형태가 가능하다. 나아가, 상기 관통구멍 하부에는 녹색 파장의 빛을 집속하기 위한 반구 형태의 포커스렌즈(focus lens)가 상기 실리콘 구조물 하부에 더 포함되는 형태의 레이저 디스플레이 광원용 실리콘 광학 벤치일 수 있다.
본 발명의 다른 목적을 달성하기 위한 바람직한 하나의 실시형태는 상술한 바와 같 은 실리콘 광학 벤치(SiOB), 즉 상부의 일부 영역이 식각되어 캐비티(cavity)가 형성된 것으로, 빛을 통과시키기 위한 관통구멍이 상기 캐비티의 바닥면 중앙에 형성된 실리콘 구조물과; 상기 캐비티의 대향하는 양쪽 측면에 경사지도록 형성된 반사면과; 상기 반사면으로 빛을 출사시키도록 상기 캐비티의 바닥면에 위치한 적색 및 청색 레이저 다이오드와; 상기 적색 및 청색 레이저 다이오드와 반사면 사이에 구비되어 상기 적색 및 청색 레이저 다이오드로부터 출사되는 상하 방향의 레이저 빛을 집속시키는 원통형 렌즈로 이루어진 레이저 디스플레이 광원용 실리콘 광학 벤치(SiOB)와; 상기 실리콘 구조물에 형성된 관통구멍으로 녹색 파장의 빛을 발산시키는 녹색 레이저 발광 소자 패키지;를 포함하는 레이저 디스플레이 광원이다. 여기서, 상기 녹색 레이저 발광 소자 패키지는 이차 매질이 포함되어 있는 투캔(TO can) 형태일 수 있고, 여기에는 상기 녹색 레이저 발광 소자 패키지로부터 발산되는 녹색 파장의 빛을 변조하기 위한 광 변조 모듈(modulator)을 더 포함되는 형태도 가능하다.
바람직하게는, 본 발명에 따른 상기 실리콘 광학 벤치의 상기 반사면으로부터 반사되는 적색 및 청색 파장의 빛과 상기 관통구멍으로부터 방출되는 녹색 파장의 빛을 하나로 결합시키는 광섬유(optical fiber)를 더 포함하는 것일 수 있고, 이러한 광섬유는 상기한 실리콘 광학 벤치 위에 위치하는 구조가 더욱 바람직하다.
이러한 광섬유와 더불어, 상기 광섬유에서 방출되는 빛을 주사 시스템(scan system)으로 전달하기 전에 평행 광으로 만들어 주는 시준 렌즈(collimation lens)가 더 포함되는 형태도 가능한 레이저 디스플레이 광원일 수 있다.
이하에서는 본 발명의 바람직한 하나의 실시형태를 첨부된 도면을 참고로 하여 구체적으로 설명한다. 본 발명은 하기의 실시예에 의하여 보다 더 잘 이해될 수 있으며, 하기의 실시예는 본 발명의 예시 목적을 위한 것이고, 첨부된 특허청구범위에 의하여 한정되는 보호범위를 제한하고자 하는 것은 아니다.
본 발명은 색상 구현을 위한 소형의 레이저 광원 구조 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 특히 빛의 삼원색인 청색, 적색 그리고, 녹색의 레이저 다이오드를 이용하여 색상을 구현하는 소형 광원에 관한 것이다. 본 발명의 특징에 따르면, 직접 변조 방식을 이용하는 적색 및 청색 레이저가 원통 형태의 렌즈 및 반사면과 함께 정렬되어 배치된 구조의 실리콘 구조물 및 녹색 레이저를 방출하는 외부 변조기가 상기 실리콘 구조물 하부에 포함되는 레이저 디스플레이 광원을 이용하여 3가지 빛을 광섬유로 집속시켜 색상을 구현한다.
이러한 본 발명의 가장 중요한 특징은 직접 변조 방식을 이용하는 적색 및 청색 레이저 다이오드와 간접 변조 방식의 녹색 레이저 다이오드로부터 방출되는 빛을 관통시킬 수 있는 구멍이 구비된 실리콘 광학 벤치이고, 이러한 실리콘 광학 벤치는 특히 상부의 일부 영역이 식각되어 캐비티(cavity)가 형성된 것으로, 빛을 통과시 키기 위한 관통구멍이 상기 캐비티의 바닥면 중앙에 형성된 실리콘 구조물과; 상기 캐비티의 대향하는 양쪽 측면에 경사지도록 형성된 반사면과; 상기 반사면으로 빛을 출사시키도록 상기 캐비티의 바닥면에 위치한 적색 및 청색 레이저 다이오드와; 상기 적색 및 청색 레이저 다이오드와 반사면 사이에 구비되어 상기 적색 및 청색 레이저 다이오드로부터 출사되는 상하 방향의 레이저 빛을 집속시키는 원통형 렌즈로 이루어진 것이 특징이다.
그러므로, 이와 같은 실리콘 광학 벤치를 제조하기 위해서는 레이저 다이오드 및 렌즈가 조립될 수 있는 실리콘 구조물이 필요하고, 본 발명에 따른 상기 실리콘 구조물은 상부의 일부 영역이 식각되어 캐비티(cavity)가 형성된 것으로, 빛을 통과시키기 위한 관통구멍이 상기 캐비티의 바닥면 중앙에 형성된 실리콘 구조물이 바람직하다. 도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 실리콘 광학 벤치의 실리콘 구조물을 제조하는 순서를 나타내는 공정도이고, 여기서 식별번호 1은 습식 식각용 마스크, 2는 실리콘 기판, 3은 캐비티(cavity), 4는 건식 식각용 마스크, 5는 관통 구멍, 6은 조립 정렬 홈 그리고 7은 실리콘 광학 벤치(SiOB)를 나타낸다.
먼저, 도 3a에 나타난 바와 같이 [100] 방위를 갖는 실리콘 기판(2)에 습식 식각용 마스크(1)를 증착시킨다(도 3a). 상기 습식 식각용 마스크(1)는 실리콘 기판(2)에 캐비티(3)를 형성하기 위한 것으로, 이를 이용하여 사진 식각(photo etching) 공정 을 수행한다. 이를 위한 상기 습식 식각용 마스크(1)는 상기 실리콘 기판(2)의 상부 영역 중 테두리 부분을 제외한 가운데 영역에 패턴을 형성시킬 수 있도록 제작된 것이다. 사진 식각 공정은 일반적인 절차에 따라 노광, 현상 에칭 과정을 거쳐서 수행한다. 이러한 과정을 거쳐서 제조된 실리콘 구조물은 상부의 일부 영역가 식각되어 가운데 부분에 캐비티(3)가 형성된 구조를 가지고 있다(도 3b).
다음으로, 캐비티(3)가 형성된 구조물에서 습식 식각용 마스크(1)를 제거하고, 이러한 실리콘 구조물의 상부 및 하부 영역을 덮도록 건식 식각용 마스크(4)를 증착시킨다. 그리고, 상기 건식 식각용 마스크(4)를 이용하여 상기 캐비티(3)의 바닥면 양쪽, 바람직하게는 상기 캐비티(3)의 측면과 접하는 바닥면 양쪽 실리콘 구조물에 V자 형태 또는 트렌치(trench) 형태의 조립 정렬 홈(6)을 형성한다(도 3c). 또한, 상기 실리콘 구조물의 하부 영역 가운데 영역에는 빛이 관통할 수 있는 크기의 관통 구멍(5)을 형성한다(도 3c). 이것은 상기 건식 식각용 마스크(4)를 이용하여 일반적인 Deep RIE(reactive ion etch) 공정에 의해 수행될 수 있다.
이와 같이, 조립 정렬 홈(6)과 관통 구멍(5)이 형성되면, 마스크로 사용되었던 층을 제거하여, 도 3d에서와 같은 실리콘 구조물을 얻을 수 있다. 이렇게 얻어진 실리콘 구조물에서 상기 캐비티(3)의 단면 모양은 도 3b에서 수행한 사진 식각 공정에 따라 형성되며, 도 3d에 나타난 바와 같이 사다리꼴 모양이거나 직사각형 모양인 것이 바람직하다.
도 3e는 상술한 제조공정에 따라 형성되어 완성된 실리콘 구조물로써, 본 발명에 따른 실리콘 광학 벤치의 실리콘 구조물을 나타내는 사시도이다. 도시된 바와 같이, 상기 실리콘 구조물의 상부 일부 영역은 식각되어 캐비티(3)가 형성되어 있고, 상기 캐비티(3)의 바닥면 가운데에는 빛이 관통할 수 있는 크기의 관통 구멍(5)이 형성되어 있으며, 상기 캐비티의 바닥면 양쪽에는 V자 형태 또는 트렌치(trench) 형태의 조립 정렬 홈(6)이 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 조립 정렬 홈(6)은 원통형의 렌즈를 조립하기 위한 것으로, 캐비티(3)의 바닥면 양쪽, 즉 상기 캐비티(3)의 측면과 접하는 부위의 바닥면에 형성되는 것이 바람직하고, 상기 원통형의 렌즈를 지지하기 위한 것으로 상기 조립 정렬 홈(6)의 수평한 방향에 위치하는 실리콘 구조물 측면에는 직사각형 모양 또는 얇은 간극 모양의 간격이 형성되는 형태가 더욱 바람직하다.
본 발명은 상기와 같은 제조과정에 따라 상부의 일부 영역이 식각되어 캐비티(cavity)가 형성된 것으로, 빛을 통과시키기 위한 관통구멍이 상기 캐비티의 바닥면 중앙에 형성된 실리콘 구조물을 이용한다. 이러한 실리콘 구조물에 적색 및 청색 레이저 다이오드를 설치하고, 상기 캐비티의 측면에 반사면을 구비시키며, 원통형 렌즈를 구비시켜 본 발명에 따른 실리콘 광학 벤치를 제작한다. 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 실리콘 광학 벤치를 나타내는 사시도인 도 4a 내지 도 4b를 참조하여 본 발명의 특징을 설명한다. 여기서, 식별번호 8은 적색 레이저 다이오드, 9는 적색 레이저 다이오드, 10은 반사면, 11은 원통형 렌즈 그리고 12는 반구 형태의 초점렌즈를 나타낸다.
도 4a에 나타난 바와 같이, 상부의 일부 영역이 식각되어 캐비티(cavity)가 형성된 것으로, 빛을 통과시키기 위한 관통구멍이 상기 캐비티의 바닥면 중앙에 형성된 실리콘 구조물에 있어서, 먼저 상기 캐비티의 대향하는 양쪽 측면에 경사지도록 반사면(10)을 형성한다. 이러한, 반사면(10)은 레이저 다이오드의 측면으로부터 방출되는 빛을 반사면(10)에서 반사시켜 광섬유로 집결시키기 위함이다. 그러므로, 적색 및 청색 레이저 다이오드로부터 방출되는 레이저 광이 반사면에서 정확하게 반사되어 상기 레이저 다이오드 사이 위쪽에 위치한 광섬유로 완전히 결합되도록, 상기 반사면은 경사각을 가지면서 기울어지게 형성되어야 한다.
이러한, 반사면(10)의 경사각은 실리콘 기판에 형성된 캐비티의 각 구조에 따라 결정되는 것이고, 상술한 실리콘 구조물 준비과정에서 캐비티 단면의 측면 모양이 사다리꼴 모양인 경우 세로 변의 각도가 기울어져, 여기에 형성되는 반사면(10)은 자연스럽게 경사지도록 형성될 수 있다. 그러므로, 상기 캐비티 단면의 측면 모양이 직사각형인 경우에는 실리콘 구조물의 캐비티 측면이 경사지도록 실리콘 기판을 식각하는 것도 가능하다.
반사면(10)의 경사각은 실리콘 기판 결정면의 식각 속도 차이에 의해서 결정되는 바, 일반적인 실리콘 기판의 경우 이방성 식각 특성을 나타내는 용액(Ethylenediamine Pyrocatechol Water:EDP, Tetramethyl Ammonium Hydroxide:TMAH, 및 Potassium Hydroxide:KOH)을 이용하여 원하는 형태와 크기의 3차원 미소 구조물을 형성할 수 있다. KOH 용액을 사용한 비등방성 식각에 의하면 약 54.74°, 오차를 고려하면 54.74°±°1의 경사면을 갖게 된다. 이 경우, 반사면(10)에서 반사된 광이 광 축간의 각도 불일치(9.74°)로 인해서 광섬유에 완전히 결합 될 수 없는 경우라면, 이러한 광 축간의 각도 불일치를 해결하기 위해 실리콘 기판의 결정면을 9.74° 만큼 기울여 절단한 실리콘 기판을 사용하여 반사면(10)의 각도를 45°로 맞춰주는 방법을 생각할 수도 있다.
다음으로, 상기 반사면으로 빛을 방출시키도록 상기 캐비티의 바닥면에 적색 및 청색 레이저 다이오드(8, 9)를 위치시킨다. 현재 적색 및 청색 레이저 다이오드(8, 9)는 파장 구현이 가능하지만 녹색의 경우 이차 매질에 의한 파장 변화로 구현이 가능하다. 따라서, 적색과 청색은 직접 광 변조(direct modulation)가 가능하고 녹색의 경우 외부 변조기에 의한 변조를 하여야 한다. 그래서, 본 발명에서 녹색의 레이저는 이차 매질이 함께 패키지 되어 있는 TO can 형태의 레이저와 외부 광 변조 모듈을 적용하였고, 위와 같은 이유로 적색 및 청색 파장을 갖는 레이저 다이오드(8, 9)는 TO can 패키지 없이 상술한 실리콘 구조물 위에 접합시킨 것을 특징으로 한다.
본 발명은 적색 및 청색 레이저 다이오드의 측면 발진부로부터 방출되는 빛이 반사면에서 반사되어 광섬유로 집결되는 것을 특징으로 하는바, 상기 적색 및 청색 레이저 다이오드는 각각 상기 대향하는 양쪽 반사면으로 빛을 출사하도록, 레이저 빔을 출사하는 절단면 발진부가 상기 반사면 앞에 각각 위치하는 형태가 바람직하다. 즉, 각각의 적색 및 청색 레이저 다이오드(8, 9)는 실리콘 구조물의 경사진 반사면 쪽에 레이저 발진부가 위치하고 서로 반대 방향을 보도록 하는 것이다.
그리고, 이러한 본 발명에는 상기 적색 및 청색 레이저 다이오드(8, 9)와 반사면(10) 사이에서 상기 레이저 다이오드(8, 9)로부터 출사되는 상하 방향의 레이저 빛을 집속하기 위한 원통형 렌즈(11)가 구비된다. 이러한 원통형 렌즈(11)는 상기 레이저 다이오드(8, 9)에서 방사된 상하 방향의 레이저 빛을 시준 또는 집속시키는 역할을 하며, 상하 방향으로 집속되는 레이저 빔의 각도는 원통형 렌즈(11)의 직경을 달리하여 조절할 수 있다. 본 발명에서는 특별히, 레이저 다이오드에서 방출되는 빛을 집속하기 위한 렌즈를 정렬함에 있어서, 크기를 줄이고 정렬을 용이하게 하도록 하기 위하여 봉(Rod) 형태의 원통형 렌즈(11)를 제작하게 된 것이다.
이러한, 원통형 렌즈(11)는 실리콘 등의 웨이퍼(wafer) 형태의 기판(substrate)(2)에 형성된 원통형 렌즈 조립 정렬 홈(groove)(6)에 수동 정렬(passive alignment) 방식으로 조립되어 구성될 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 상기 실리콘 구조물(7)에 는 상기 원통형 렌즈(11)가 수동 정렬되어 조립되도록 상기 캐비티(3)의 바닥면에 V자 형태 또는 트렌치 형태인 조립 정렬 홈(6)이 있을 수 있다.
상기 조립 정렬 홈(6)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(11)의 직경에 따라 상기 광학 요소의 광 축(optical axis)이 레이저 빔의 광 축과 일치하도록 설계/제작하여야 한다.
또한, 본 발명에서 직접 광 변조가 가능한 적색 및 청색 레이저 다이오드는 상술한 실리콘 구조물 위에 접합되고, 이차 매질에 의한 파장 변화를 수행해야 하는 녹색 파장의 빛은 외부 변조기에 의해 변조되어 본 발명에 따른 실리콘 광학 벤치를 통과하는 것이 특징이므로, 본 발명에 따른 실리콘 구조물에는 상기 녹색 파장의 빛을 통과시키기 위한 관통 구멍(5)이 구비되어야 한다.
이러한 관통 구멍(5)은 외부 변조기에 의해 변조되어 들어온 녹색 파장의 빛을 통과시킴으로써, 상기 적색 및 청색 레이저 다이오드(8, 9)로부터 출사되어 반사된 적색 및 청색 파장의 빛과 상기 관통 구멍(5)을 통과한 녹색 파장의 빛을 광섬유에서 하나로 집속시키기 위한 것이다. 그러므로, 본 발명에 따른 관통 구멍(5)은 적 색 및 청색 레이저 다이오드(8, 9) 사이에 위치하여 상기 적색 및 청색 레이저 다이오드(8, 9)와 일렬로 배열되는 형태가 바람직하다. 그럼으로써, 녹색 파장의 빛을 적색 및 청색 파장의 빛과 평행하게 일치시켜 광섬유에서 하나로 모으기가 용이한 것이다.
나아가, 도 4b에 나타난 바와 같이 본 발명은 상기 관통구멍(5) 하부에서 녹색 파장의 빛을 집속하기 위한 반구 형태의 포커스렌즈(12)가 상기 실리콘 구조물(7) 하부에 더 포함되는 형태의 레이저 디스플레이 광원을 위한 실리콘 광학 벤치일 수 있다. 본 발명에 있어서, 상기한 관통 구멍(5)으로 녹색의 레이저 빛이 지나가게 되는데, 빛을 집속하기 위한 반 구 형태의 포커스렌즈(12)가 실리콘 구조물(7)의 반대편에 정렬하여, 녹색 파장의 빛을 집속시켜 관통시키는 것이다.
상기와 같은 구성요소로 이루어진 본 발명을 이용하는 동작을 살펴보면 도 5에 나타난 바와 같다. 도 5는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 실리콘 광학 벤치에 광섬유가 포함된 구조를 나타내는 레이저 디스플레이 광원의 단면도이다. 먼저, 적색 및 청색 레이저 다이오드(8, 9)에서 출사되는 적색 및 청색 파장의 빛은 원통형 렌즈(11)를 거쳐 상하 방향의 레이저 광이 집속되고, 이렇게 집속된 적색 및 청색 파장의 빛은 반사면(10)에서 반사되어 광섬유(13)로 모아지게 된다. 외부의 변조기로 부터 변조되어 관통 구멍(5)을 통하여 들어온 녹색 파장의 빛은 관통 구멍(5)을 지나 평행하게 방출된다. 평행하게 방출된 녹색 파장의 빛도 상기한 적 색 및 청색 파장의 빛과 함께 광섬유(13)로 집속되고, 이와 같은 현상 때문에 광섬유(13)의 높이를 조절하여 적당한 위치에서 3가지 파장의 빛을 광섬유(13)를 이용하여 간단하게 결합할 수 있는 것이다. 즉, 광섬유(13)의 성질을 이용하여 기존의 광 결합 광학계를 단순화하고 크기를 현저히 줄일 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 목적을 달성하기 위한 다른 하나의 실시형태는 상술한 여러가지 형태의 실리콘 광학 벤치(SiOB)를 포함하는 레이저 디스플레이 광원이다. 도 6에서는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 실리콘 광학 벤치가 포함된 구조의 레이저 디스플레이 광원을 나타내는 사시도이다.
도시된 바와 같이, 3가지 빛을 결합하는 광섬유(13)와 평행광으로 방출하기 위한 시준 렌즈(14)로 이루어진 평행 광을 방출하는 부분(18), 실리콘 광학 벤치(7)로 이루어져 적색과 청색 빛을 구현하는 실리콘 광 부분(19) 그리고, 녹색을 구현하기 위해 이차 매질을 포함한 TO can 형태의 녹색 레이저 발광 소자 패키지(17), 집속 렌즈(16), 광 변조 모듈(15)로 구성되는 녹색 레이저 부분(20)으로 크게 구성되어 있다.
먼저, 상술한 실리콘 광학 벤치(7)와 함께 상기 실리콘 광학 벤치(7)의 관통 구멍으로 녹색 파장의 빛을 방출시키는 녹색 레이저 발광 소자 패키지(17)가 포함될 수 있다. 본 발명에 있어서 녹색 파장의 빛은 외부에서 변조되어 본 발명에 따른 실 리콘 광학 벤치(7)를 통과하는 것이 특징이므로, 본 발명에 따른 레이저 디스플레이 광원에서는 이를 위해 녹색 파장의 빛을 발산할 수 있는 녹색 레이저 발광 소자 패키지(17)가 구비되는 것이다. 이러한, 녹색 레이저 발광 소자 패키지(17)는 녹색 파장의 빛을 방출시킬 수 있는 것이면, 특별히 제한되지 않지만, 이차 매질이 포함되어 있는 TO can 형태의 레이저 패키지가 바람직하다.
더불어, 이러한 녹색 레이저 발광 소자 패키지(17)에는 녹색으로 발산되는 빛을 집속시키기 위한 집속 렌즈(16)가 상기 녹색 레이저 발광 소자 패키지(17) 상단에 구비되는 형태도 가능하다.
또한, 이러한 녹색 레이저 발광 소자 패키지(17)는 이차 매질에 의해 파장 구현이 가능하기 때문에, 외부 변조기에 의한 변조가 수행되어야 하는바, 상기 녹색 레이저 발광 소자 패키지로부터 발산되는 녹색 파장의 빛을 변조하기 위한 광 변조 모듈(15)이 더 포함되는 형태도 가능하다.
이와 같이, 본 발명에 따른 레이저 디스플레이 광원에 있어서 상기 적색 및 청색을 구현하는 실리콘 광학 벤치(7)에는 녹색 파장의 빛을 구현하는 패키지 부분이 상기 실리콘 광학 벤치 하단부에 결합될 수 있고, 이러한 녹색 레이저 부분은 이차 매질을 포함한 TO can 형태의 녹색 레이저 발광 소자 패키지(17)와 집속 렌즈(16) 및 광 변조 모듈(15)로 구성되는 것이다.
다음으로, 상기 적색 및 청색을 구현하는 실리콘 광학 벤치(7) 상단부에는 광섬유(13)와 시준 렌즈(14)로 이루어진 평행 광을 방출하는 부분(18)이 구비되는 형태가 바람직하다. 여기서, 광섬유(13)는 상기한 실리콘 광학 벤치(7)의 적색 및 청색 레이저 다이오드(8, 9)로부터 방출된 적색 및 청색 파장의 빛과 관통 구멍(5)을 지나온 녹색 파장의 빛을 하나로 집속시켜 방사되는 빔의 형태를 변환하기 위한 것이고, 시준 렌즈(14)는 상기 광섬유에서 방출된 빛을 평행광으로 변형시키기 위한 것이다.
광섬유(13)의 광 성형 기능은 거의 원형 스폿(spot)을 출력단 광섬유(13)의 인입 부에 형성하게 되며, 레이저 모드를 여기 시키는데 사용될 수 있다. 그러므로, 본 발명에 따른 레이저 디스플레이 광원의 효율은 광학계 뿐만 아니라 레이저 다이오드 및 광섬유(13)에도 의존한다. 광섬유 결합기로 최대의 성능을 갖게 하기 위해서 레이저의 발산 각은 가능한 한 작고 광섬유의 개구(aperture)와 코어 크기는 큰 것이 바람직하며, 필요한 광학계의 치수에 따라 정확하게 정렬하는 것이 가능하다. 따라서, 본 발명에 따른 상기 광섬유(13)가 최대의 결합 효율을 이루도록 광학계 설계가 필요하며, 더불어 광섬유를 포함하여 광원은 최적화가 되도록 고려해야 할 것이다.
그리고, 이러한 광섬유(13)에서 방출되는 빛은 상술한 바와 같이 광섬유(13)가 갖 는 개구율에 따라 특정 방사각을 갖고 퍼져나가기 때문에, 주사 시스템(scan system)으로 전달하기 전에 이러한 빛을 평행 광으로 만들어 주는 렌즈가 광원 끝 단에 위치하는 것이 바람직하다. 그래서, 본 발명에 따른 레이저 디스플레이 광원에는 광섬유(13) 앞에 상기 광섬유(13)에서 방출된 빛을 평행광으로 변형시키기 위한 시준 렌즈(14)가 구비될 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명은 상부의 일부 영역이 식각되어 캐비티(cavity)가 형성된 것으로, 빛을 통과시키기 위한 관통구멍이 상기 캐비티의 바닥면 중앙에 형성된 실리콘 구조물과; 상기 캐비티의 대향하는 양쪽 측면에 경사지도록 형성된 반사면과; 상기 반사면으로 빛을 출사시키도록 상기 캐비티의 바닥면에 위치한 적색 및 청색 레이저 다이오드와; 상기 적색 및 청색 레이저 다이오드와 반사면 사이에 구비되어 상기 적색 및 청색 레이저 다이오드로부터 출사되는 상하 방향의 레이저 빛을 집속시키는 원통형 렌즈로 이루어진 레이저 디스플레이 광원용 실리콘 광학 벤치 및 이를 포함한 레이저 디스플레이 광원을 제공할 수 있다.
이와 같은 본 발명에 따라, 직접 변조 방식을 이용하는 적색 및 청색 레이저가 원통 형태의 렌즈 및 반사면과 함께 정렬되어 배치된 구조의 실리콘 구조물을 이용하는 경우, 간단한 광학 부품을 사용하므로 대량으로 용이하게 실리콘 광학 벤치를 제조할 수 있고, 이렇게 미세 가공된 실리콘 구조물과 광 섬유를 이용하여 보다 소 형화된 제품을 제조할 수 있는 효과가 있다.
또한, 상기 실리콘 구조물 하부에는 녹색 레이저를 방출하는 TO can 형태의 레이저 광원 패키지와 외부 변조기가 포함되도록 하여, 패키지 크기가 작은 레이저 디스플레이 광원을 단순화된 제조 공정으로 용이하게 제작할 수 있는 효과가 있다.

Claims (13)

  1. 상부의 일부 영역이 식각되어 캐비티(cavity)가 형성된 것으로, 빛을 통과시키기 위한 관통구멍이 상기 캐비티의 바닥면 중앙에 형성된 실리콘 구조물과;
    상기 캐비티의 대향하는 양쪽 측면에 경사지도록 형성된 반사면과;
    상기 반사면으로 빛을 출사시키도록 상기 캐비티의 바닥면에 위치한 적색 및 청색 레이저 다이오드와;
    상기 적색 및 청색 레이저 다이오드와 반사면 사이에 구비되어 상기 적색 및 청색 레이저 다이오드로부터 출사되는 상하 방향의 레이저 빛을 집속시키는 원통형 렌즈로 이루어진 레이저 디스플레이 광원용 실리콘 광학 벤치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 캐비티가 형성된 일부 영역은 실리콘 구조물의 상부 영역 중 테두리 부분을 제외한 테두리 내부 영역인 것을 특징으로 하는 레이저 디스플레이 광원용 실리콘 광학 벤치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 캐비티는 사다리꼴 모양이거나 직사각형 모양의 단면형상인 것을 특징으로 하는 레이저 디스플레이 광원용 실리콘 광학 벤치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 반사면은 실리콘 구조물의 상부에 대해서 54.74°± 1°의 경사각을 갖는 것을 특징으로 하는 레이저 디스플레이 광원용 실리콘 광학 벤치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 적색 및 청색 레이저 다이오드는 각각 상기 대향하는 반사면으로 빛을 출사하도록 레이저 광을 출사하는 절단면 발진부가 반사면 쪽에 위치하는 것을 특징으로 하는 레이저 디스플레이 광원용 실리콘 광학 벤치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 실리콘 구조물은 상기 원통형 렌즈가 수동 정렬되어 조립되도록 상기 캐비티의 바닥면 양쪽에 V자 형태 또는 트렌치(trench) 형태인 조립 정렬 홈을 가진 것을 특징으로 하는 레이저 디스플레이 광원용 실리콘 광학 벤치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 관통구멍은 적색 및 청색 레이저 다이오드 사이에 위치하여 상기 적색 및 청색 레이저 다이오드와 일렬로 배열되는 것을 특징으로 하는 레이저 디스플레이 광원용 실리콘 광학 벤치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 관통구멍 하부에서 녹색 파장의 빛을 집속하기 위한 반구 형태의 포커스렌즈(focus lens)가 상기 실리콘 구조물 하부에 더 포함된 것을 특징으로 하는 레이저 디스플레이 광원용 실리콘 광학 벤치.
  9. 상부의 일부 영역이 식각되어 캐비티(cavity)가 형성된 것으로, 빛을 통과시키기 위한 관통구멍이 상기 캐비티의 바닥면 중앙에 형성된 실리콘 구조물과;
    상기 캐비티의 대향하는 양쪽 측면에 경사지도록 형성된 반사면과;
    상기 반사면으로 빛을 출사시키도록 상기 캐비티의 바닥면에 위치한 적색 및 청색 레이저 다이오드와;
    상기 적색 및 청색 레이저 다이오드와 반사면 사이에 구비되어 상기 적색 및 청색 레이저 다이오드로부터 출사되는 상하 방향의 레이저 빛을 집속시키는 원통형 렌즈로 이루어진 레이저 디스플레이 광원용 실리콘 광학 벤치(SiOB)와;
    상기 실리콘 구조물에 형성된 관통구멍으로 녹색 파장의 빛을 발산시키는 녹색 레이저 발광 소자 패키지;를 포함하는 레이저 디스플레이 광원.
  10. 제9항에 있어서, 상기 녹색 레이저 발광 소자 패키지는 이차 매질이 포함되 어 있는 투캔(TO can) 형태로 이루어진 것을 특징으로 하는 레이저 디스플레이 광원.
  11. 제9항에 있어서, 상기 녹색 레이저 발광 소자 패키지로부터 발산되는 녹색 파장의 빛을 변조하기 위한 광 변조 모듈(modulator)이 더 포함된 것을 특징으로 하는 레이저 디스플레이 광원.
  12. 제9항에 있어서, 상기 반사면으로부터 반사되는 적색 및 청색 파장의 빛과 상기 관통구멍으로부터 방출되는 녹색 파장의 빛을 하나로 결합시키는 광섬유(optical fiber)가 더 포함된 것을 특징으로 하는 레이저 디스플레이 광원.
  13. 제12항에 있어서, 상기 광섬유에서 방출되는 빛을 주사 시스템(scan system)으로 전달하기 전에 평행 광으로 만들어 주는 시준 렌즈(collimation lens)가 더 포함된 것을 특징으로 하는 레이저 디스플레이 광원.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2018194723A (ja) * 2017-05-19 2018-12-06 矢崎総業株式会社 光コネクタ
CN113078253A (zh) * 2021-04-01 2021-07-06 淄博职业学院 一种艺术展览照明装置

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