KR100823057B1 - 미소 광학 장치 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
미소 광학 장치와 그 제조 방법이 개시되며, 여기서, 개시되는 미소 광학 장치 및 그 제조 방법은 수동 정렬 특징들을 포함한다.
미소 광학 장치, 글라스 프리폼, 광학 소자
Description
본 발명은 미소 광학 장치 및 그 제조방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게, 본 발명은 수동 정렬 특징들을 갖는 미소 광학 장치 및 그 제조방법에 관한 것이다.
매일 점점 더 많은 응용분야에서 퍼포먼스를 향상시키거나, 크기나 비용을 줄이기 위해 미소 광학 장치를 사용한다. 미소 광학 장치의 대량 배치(volume deployment)에 대한 요구는 계속 커지고 있다.
상업적 미소 광학 장치의 한가지 단점은 필요한 높은 정밀도를 갖기 위해서는 능동 정렬이 필요하기 때문에 제조 비용이 많이 든다는 것이다. 다른 단점은 필요한 정렬 허용차를 갖도록 미소 광학 장치의 구성요소들을 조립하는데 시간이 많이 소요되며, 따라서, 스루풋(처리량)이 낮아진다는 것이다. 미소 광학 장치들을 조립하는 동안 정렬과 조정을 위해 상당한 시간과 노력이 필요하다. 이로 인해 필요한 정렬 기준들을 유지하면서, 적당한 기술 수준을 갖는 오퍼레이터에 의해 미소 광학 장치를 대량 생산하는 것은 어렵다. 이러한 요인들은 미소 광학 장치들의 가 격 효율을 제한한다.
아직까지는 이러한 장치들의 채택과 사용을 늘이기 위해서는, 미소 광학 장치들의 효율적인 생산 능력이 중요하다. 미소 광학 장치의 비용을 줄이는 것이 특히 중요한데, 이런 비용의 많은 부분(최대 75%)은 패키징 비용에서 기인할 것이다.
미소 광학 장치를 패키징하는 한가지 방법이 Trott의 미국 특허 제 5,771,323호에 개시되어 있다. Trott은, 기판; 상기 기판 내에 정밀 형성되며, 경사진 벽을 갖는 캐비티(상기 캐비티는 실질적으로 피라밋형 임); 광축이 상기 캐버티의 대각선과 정렬된 광축을 가지며, 상기 기판 상에서 상기 캐비티로부터 미리 설정된 거리에 설치된 포토닉스 장치; 및 광선의 방해 없이 상기 포토닉스 장치와의 미리 설정된 관계에서 상기 캐버티의 측벽들에 의해 제한되는 구형 렌즈를 포함하는 광학 서브마운트(submount) 및 그 제조 방법을 개시하고 있다.
Trott은 캐버티에 렌즈를 안착시키는 것에 이어서 상기 피라밋형 캐버티(pyramidal cavity)에 상기 구형 렌즈를 접착하는 것도 개시하고 있다. 렌즈를 안착한 후, 접착제를 가함으로써, Trott은 접착제가 기판 상에서 구형 렌즈들의 수동 정렬을 용이하게 하는데 요구되는 구형 렌즈들과 피라밋형 캐버티 사이의 물리적 접촉을 방해하지 않도록 보장한다. Trott에 의해 개시된 접착제들은 아교와 에폭시를 포함한다.
비록 아교와 에폭시를 이용하여 충분히 긴 기간 동안 공간상의 안정성을 갖고 기판상에 광학 소자들을 수동 정렬하는 것이 가능할지라도, 이러한 접착 물질들은 적용상의 많은 문제점을 나타낼 수 있다는 것에 주의해야 한다. 즉, 에폭시 접 착제들은 기판의 연속적인 공정에서 이동하거나 변형될 수 있다. 또한, 에폭시 접착제는 생산품의 일반적인 작동 중에 경험하는 온도 편위(excursion)나 다른 환경적인 요소들에 의하여 이동하거나 변형될 수 있다. 예를 들면, 기판에 솔더 접속을 할 때, 경화된 접착제의 온도는 320℃ 내지 350℃까지 상승할 수 있다. 이는 확보된 광학 장치들의 위치 이동을 초래할 수 있으며, 장치의 퍼포먼스를 저하시킬 수 있다. 게다가 아교와 에폭시 접착제들은 경화 과정 전후에 가스를 방출하는 경향이 있다. 이러한 방출 가스들은 장치의 퍼포먼스를 저하시킬 수 있다.
본 발명은 여기에 설명된 바와 같은 비용이 효율적인 미소 광학 장치의 구조 및 이러한 구조를 갖는 미소 광학 장치의 제조방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
본 발명의 바람직한 일 양태에 있어서, 제1 광학 소자, 제 2 광학 소자, 상기 제 1 광학 소자와 상기 제 2 광학 소자를 수동 정렬하기 위해 설계된 적어도 하나의 정밀 형성 형상부(precison formed feature)를 갖는 기판, 상기 제 1 광학 소자와 상기 기판 사이에 적어도 부분적으로 배치된 적어도 하나의 글라스 프리폼(glass preform)을 포함하되; 상기 제 1 광학 소자는 상기 제 2 광학 소자와 광학적 정렬 관계에 있으며, 상기 적어도 하나의 상기 글라스 프리폼은 상기 제 1 광학 소자와 상기 제 2 광학 소자를 광학적으로 연결하는 광학 경로 내에 실질적으로 배치되지 않는 것을 특징으로 하는 미소 광학 장치가 제공된다.
본 발명의 다른 양태에 있어서, 광학 소자를 제공하는 단계; 글라스 프리폼을 제공하는 단계; 기판에 대해 광학 소자를 수동 배치하도록 설계된 정밀 형성 형상부를 갖는 기판을 제공하는 단계; 선택적으로, 상기 글라스 프리폼의 온도를 상승시키는 단계 및 상기 글라스 프리폼을 이용하여 상기 기판에 상기 광학 소자를 접착하는 단계를 포함하되; 상기 광학 소자는 상기 기판과 미리 정해진 관계에 따라 수동 배치되며, 상기 광학 소자는 광섬유가 아닌 것을 특징으로 하는 미소 광학 장치의 제조방법이 제공된다.
본 발명의 다른 양태에 있어서, 제 1 광학 소자를 제공하는 단계; 제 2 광학 소자를 제공하는 단계; 글라스 프리폼을 제공하는 단계, 상기 제 1 광학 소자및 상기 제 2 광학 소자를 수동 정렬하기 위해 설계된 적어도 하나의 정밀 형성 형상부를 기판을 제공하는 단계; 상기 글라스 프리폼의 온도를 상승시키는 단계; 및 상기 기판에 상기 제 1 광학 소자와 상기 제 2 광학 소자를 접착하는 단계를 포함하되, 적어도 상기 제 1 광학 소자는 상기 글라스 프리폼을 사용하여 상기 기판에 접착되는 것을 특징으로 하는 미소 광학 장치의 제조방법이 제공된다.
여기에 정의된 모든 범위들은 포괄적이며 조합 가능하다.
여기와 첨부된 청구항들에서 사용된 "능동 정렬"이란 용어는 조정이 필요한지 여부에 대한 피드백 지시에 따라 구성 요소들을 정렬하는 것을 의미한다.
또한, 여기와 첨부된 청구항들에서 사용된 "광학 경로 내에 실질적으로 배치되지 않은" 이란 용어는 글라스 프리폼이 광학 소자들 사이의 광학 경로의 단면적의 100%보다 작게 차지하거나; 또는, 상기 광학 소자들 사이의 광학 경로의 단면적의 75%보다 작게 차지하거나; 또는, 광학 소자들 사이의 광학 경로의 단면적의 50% 보다 작게 차지하거나; 또는, 광학 소자들 사이의 광학 경로의 단면적의 40%보다 작게 차지하거나; 또는, 광학 소자들 사이의 광학 경로의 단면적의 30%보다 작게 차지하거나; 또는, 광학 소자들 사이의 광학 경로의 단면적의 25%보다 작게 차지하거나; 또는, 광학 소자들 사이의 광학 경로의 단면적의 10%보다 작게 차지하거나; 또는, 광학 소자들 사이의 광학 경로의 단면적의 5%보다 작게 차지하거나; 또는, 글라스 프리폼이 광학 경로 상에 완전히 존재하지 않는 것을 의미한다.
일부 실시예들에 있어서, 본 발명의 미소 광학 장치는 광학 플랫폼(optical platform), 도파관 플랫폼, 광학 서브어셈블리(optical subassembly), 실리콘 광학 벤치(silicon optical bench), 광전자 플랫폼(optoelectoronic platform), 트랜지스터-아우트라인 캔 광전자 서브어셈블리(transistor-outline(TO) can optoelecronic subassembly) 중에서 선택될 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 본 발명의 미소 광학 장치는 능동 포토닉스 장치이다. 본 실시예의 다른 양태들에 있어서, 상기 미소 광학 장치는 송신기, 수신기, 변조기, 감쇠기, 스위치, 증폭기 펌프 및 반도체 광학 증폭기 중에서 선택된 능동 포토닉스 장치일 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 본 발명의 미소 광학 장치는 수동 포토닉스 장치이다. 본 실시예의 다른 양태들에 있어서, 상기 미소 광학 장치는 파장 분할 멀티플렉서(wavelength division multiplexer), 파장 분할 디멀티플렉서(wavelength division demultiplexer), 필터, 편광자(polarizer), 아이솔레이터(isolator), 커 플러, 파워 스플리터(splitter), 도파관 및 파이버 브래그 격자(fiber bragg grating) 중에서 선택된 수동 포토닉스 장치일 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 본 발명의 미소 광학 장치는 반도체 레이저, 반도체 광 검출기, 증폭기, 가변 파장 레이저(tunable laser), 에탈론(etalon), 가변 에탈론(tunable etalon), 변조기, 보상기, 필터 및 스위치 중에서 선택된 포토닉스 장치이다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 미소 광학 장치는 CCD, 이미징 시스템, 실리콘 포토닉 집적회로, 광학 스캐너, 엔도스코픽(endoscopic) 프로브 또는 시스템, 광학 데이터 저장 서브어셈블리 및 생물학적, 화학적 또는 의료적 응용을 위한 광학 프로브일 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 본 발명의 미소 광학 장치는 모엠스(microoptoelectromechanical system, MOEMS) 장치일 수 있다. 본 실시예들의 다른 양태에 있어서, 상기 미소 광학 장치는 MOEMS 액추에이터 또는 광학 스위치일 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 본 발명의 미소 광학 장치는 포토닉 집적회로, 능동 이득 매체(active gain medium), SOI 도파관, 레이저, 광검출기 또는 이와 유사한 장치 같이 혼성 집적된 능동 또는 수동 광도파관(hybridly integrated active or passive optical waveguide)과 하나 이상의 광학 렌즈들을 수동 정렬하는 기판을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 기판은 광학 플랫폼 또는 광학 벤치일 수 있 다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 기판은 하나 이상의 집적 광도파관들 또는 광결정들의 영역을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 기판은 칩일 수 있다. 일부 양태에 있어서, 상기 기판은 집적 칩일 수 있다. 일부 양태에 있어서, 상기 기판은 집적 광학 칩일 수 있다.
본 발명에 사용하기 적합한 기판들은 다양한 물질들로부터 생산될 수 있는데, 예를 들면, 폴리머, 세라믹, 금속, 절연체 피막을 갖는 금속, 글라스 충진 플라스틱 또는 이들의 조합물이거나; 또는, 세라믹, 금속, 절연체 피막을 갖는 금속, 글라스 충진 플라스틱, 액정 고분자(liquid crystalline polymers, LCPs)일 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 본 발명의 기판은 반도체, 예를 들면 GaAs, InP, Si-Ge, 실리콘 또는 이들을 도핑하거나 혼합한 형태로부터 생산될 수 있다. 이 실시예의 다른 양태들에서, 상기 기판은 결정성 실리콘에서 생산된다. 이 실시예의 다른 양태들에서, 상기 기판은 미세 성형(micro-molded) 세라믹 또는 미세 가공(micro-machined) 세라믹에서 생산될 수 있다.
일부 실시예에 있어서, 본 발명의 기판은 금속 또는 세라믹이 입혀진 메탈로부터 생산될 수 있다.
일부 실시예에 있어서, 본 발명의 기판은 글라스로부터 생산된다. 이 실시예의 다른 양태들에서, 상기 기판은 투명 글라스로부터 생산될 수 있다.
본 발명의 기판은, 예를 들어, 주조; 0.1㎛ 내지 25㎛의 공차, 또는 0.1㎛ 내지 5㎛의 공차를 갖는 미세 가공; 화학적 에칭; 예를 들어 리소그래피 기술을 이용한 광학적 에칭 및/또는 공지된 기술에 의한 스탬프(stamp) 방법에 의해 형성될 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 본 발명의 상기 기판은 단결정(monocrystalline) 실리콘에서 생산될 수 있다. 상기 기판을 만들기 위해 단결정 실리콘을 사용하는 것은 반도체 부품(pieceparts)을 성형하고, 그 위에 금속을 증착시키기 위하여 이미 잘 알려져 있는 많은 기술들을 이용할 수 있게 한다. 또한, 그런 기술들을 사용하여 본 발명의 장치를 생산하기 위해 이용될 수 있는 여러 가지 상업적 장치들이 있다.
본 발명의 기판상에 또는 그 안에 생성된 정밀 형성 형상부는 기판상에 또는 그 안에 안착되는 광학 소자와 기판 사이에 고도의 정렬 정밀도를 제공한다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 정밀 형성 형상부는 기판상에 또는 그 안에 안착되는 2 이상의 광학 소자들 사이에, 고도의 정렬 정밀도와 광 커플링 효율을 제공한다. 상기 정밀 형성 형상부의 주어진 정밀도 내에서, 광학 소자(들)는 능동 정렬의 필요없이 상기 기판상에서 정확한 3차원 위치에 안착될 수 있다. 이로 인해, 상기 기판(및 각각의 특정 실시예들에서)에 대한 광학 소자들의 상당한 정확성과 정밀도를 갖는 수동 정렬이 가능하다. 또한 일괄 공정 기술을 통한 미소 광학 장치들의 대량 생산이 가능하게 되고, 따라서 제조 비용이 현저하게 줄어든다. 따라서, 여기에 제공된 기술들에 의해 당해 기술에 숙련된 자는 본 발명이 대량 생산 기술들에 일관 된 방법인 상대적으로 미숙련된 작동자들에 의해 허용차에 극히 근접한 미소 광학 장치의 조립을 가능하게 한다는 것을 인지할 것이다.
본 발명에 사용하기 적합한 정밀 형성 형상부는, 예를 들어, 캐버티, 피트, 비어, 스루홀, 그루브, 채널, 트렌치, 레지(ledge), 메사(mesa), 페디스털(pedestal), 컵(cup) 및 이들의 조합을 포함한다.
일부 실시예들에 있어서, 본 발명의 기판은 정밀 형성 형상부를 드러내며, 여기서 상기 정밀 형성 형상부는 캐버티이다. 이 실시예의 다른 양태들에 있어서, 상기 기판은 정밀 형성 형상부를 드러낼 수 있으며, 여기서 상기 정밀 형성 형상부는 4변형의 피라밋형 캐버티, 절두된(truncated) 4변형의 피라밋형 캐버티, 원뿔형 캐버티, 절두된 원뿔형 캐버티 및 원통형 캐버티에서 선택된 캐버티이다. 이 실시예의 다른 양태들에서, 상기 기판은 정밀 형성 형상부를 드러낼 수 있는데, 여기서, 상기 정밀 형성 형상부는 절두된 4변형의 피라밋형 캐버티이다.
일부 실시예에 있어서, 본 발명의 상기 기판은 정밀 형성 형상부를 드러낸다. 여기서, 상기 정밀 형성 형상부는 캐버티이다. 이 실시예의 일부 양태들에서, 상기 기판은 정밀 형성 형상부를 드러낼 수 있으며, 여기서 상기 정밀 형성 형상부는 4변형의 피라밋형 캐버티의 적어도 일부, 절두된 4변형의 피라밋형 캐버티의 적어도 일부, 원뿔형 캐버티의 적어도 일부, 절두된 원뿔형 캐버티의 적어도 일부 및 원통형 캐버티의 적어도 일부에서 선택된 캐버티이다. 이 실시예의 일부 양태들에서, 정밀 형성 형상부의 일부는 기판의 일부를 절단(dicing off)하여 형성된다. 이 실시예의 다른 양태들에서, 상기 기판은 정밀 형성 형상부를 드러내며, 여기서 상 기 정밀 형성 형상부는 적어도 2개의 경사진 측벽들을 갖는 절두된 4변형의 피라밋형 캐버티의 적어도 일부이다. 이 실시예의 일부 양태들에서, 상기 정밀 형성 형상부는 적어도 2개 이상의 경사진 측벽을 드러내거나; 또는 상기 정밀 형성 형상부는 적어도 3개 이상의 비스듬한 측벽을 드러내는 절두된 4변형의 피라밋형 캐버티의 일부일 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 본 발명의 기판은 정밀 형성 형상부를 드러내며, 여기서, 상기 정밀 형성 형상부는 적어도 하나의 홈, 적어도 하나의 채널, 또는 적어도 하나의 홈과 적어도 하나의 채널의 조합에서 선택될 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 본 발명의 기판은 기판의 결정학적인 평면들을 따라 현저하게 위치된 피라밋형 캐버티의 측벽들을 갖도록, 미리 정해진 영역을 마스킹하여 이방성 에칭하는 것에 의해 형성된 경사진 측벽들을 갖는 피라밋형 캐버티인 정밀 형성 캐버티를 갖는 결정체(crystalline) 실리콘으로 구성된다.
본 발명의 일부 실시예에 있어서, 상기 글라스 프리폼을 준비하기 위해 사용되는 글라스 조성물은 500℃보다 낮은 온도의 녹는점(melting point); 또는, 480℃보다 낮거나; 또는, 450℃보다 낮거나; 또는, 425℃보다 낮거나; 또는, 400℃보다 낮거나; 또는, 375℃보다 낮거나; 또는, 350℃보다 낮거나; 또는, 325℃보다 낮거나; 또는, 300℃보다 낮거나; 또는, 250℃보다 낮거나; 또는, 200℃보다 낮거나; 또는, 150℃보다 낮거나; 또는, 120℃와 400℃ 사이의 녹는점을 나타낼 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 글라스 프리폼을 준비하기 위해 사용되는 글라스 조성물은 100℃ 내지 350℃의 연화점(softening point); 또는, 150 ℃ 내지 300℃; 또는 200℃ 내지 250℃ 사이의 연화점을 나타낼 수 있다. 본 발명의 다른 실시예들에서, 상기 글라스 프리폼을 준비하기 위해 사용되는 글라스 조성은 85℃에서 320℃ 사이의 유리전이온도(glass transition temperature); 또는, 150℃ 내지 300℃; 또는, 175℃ 내지 275℃; 또는, 200℃ 내지 250℃의 유리전이온도를 나타낼 수 있다.
유리하게, 상기 글라스 프리폼은 상기 광학 소자와 상기 기판 사이에 상대적으로 강한 접착을 제공한다.
당해 기술 분야에 숙련된 자는 주어진 장치의 용도에 따라, 필요한 범위 내에 있는 열 팽창계수, 점도, 접착 특성들 및 녹는점을 제공하는 상기 글라스 프리폼을 준비하는데 사용하기 위해 어떤 글라스 조성을 선택해야 할지 알 것이다. 주어진 글라스 프리폼의 연화점과 녹는점을 선택하는 것은 주어진 기판상에 비교적 상호 근접하게 형성되는 연속되는 일련의 접착을 가능하게 하는데, 이는 이전의 접착(들)이 연화되는 온도보다 그 다음의 접착의 녹는점이 충분히 낮을 것을 조건으로 한다. 상호 근접된 연속적인 일련의 접착의 형성은 국부 가열이 상기 접착들을 형성시키는 상기 글라스 프리폼을 녹이는데 사용될 때에 더 향상된다. 일부 실시예들에 따르면, 상기 글라스 프리폼의 국부 가열은 상기 기판 위에 형성돼 있는 이전의 접착들에 더 적은 열적 스트레스를 줄 것이다. 그 결과, 결합들은 연속적인 충격과 진동에 견디는 능력이 향상될 것이다.
일부 실시예들에 따르면, 본 발명의 상기 글라스 프리폼은 하나 이상의 망상조직 형성제(network formers); 선택적으로, 하나 이상의 망상조직 변형체(network modifiers); 선택적으로, 하나 이상의 불용성 미립자 충전재(insoluble particulate fillers); 및 선택적으로 하나 이상의 부 열팽창 변형체(negative thermal expansion modifiers)로 구성된다.
일부 실시예들에 따르면, 상기 글라스 프리폼은 망상조직 형성제들의 혼합물을 포함할 수 있다. 본 발명에 사용하기 적합한 망상조직 형성제들의 혼합물은, 예를 들어, 이성분계 및 삼성분계 글라스를 포함한다. 본 발명에 사용하기 적합한 이성분계 및 삼성분계 글라스는, 예를 들어, PbO/Bi2O3/B2O3; PbO/ZnO/B2O3; PbO/V2O5; TeO2/V2O5/(AgO2/P2O5); SnO/P2O5 및 AgO/P2O5 를 포함한다.
본 발명에 사용하기 적합한 망상조직 변형체들은 하나 이상의 상기 망상조직 형성제들 내에서 가용적이거나 부분적으로 가용적일 수 있다. 망상조직 변형체들은 상기 글라스 프리폼의 여러 특성들, 예를 들면, 접착력 및/또는 유동성과 같은 특성을 바꾸는 기능을 할 수 있다. 본 발명에 사용하기 적합한 망상조직 변형체들은, 예를 들면, WO3, 플루오르, 은 산화물, Bi2O3, PbO, ZnO, SnO, B2O3, MoO3, Li2O, BaO, TeO2, Ta2O5, Na2O, P2O5, Fe2O3, CuO, Cs2O, Sb2O3, As2O3 및 CdO를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 본 발명의 상기 글라스 프리폼은 0 내지 10 wt%의 망상조직 변형체들; 또는, 0.1에서 10 wt%의 망상조직 변형체들을 포함할 수 있다.
본 발명에 사용하기 적합한 불용성 미립자 충전재들은, 예를 들어, 제 5족 금속 산화물들(P, As, Sb, V, Nb, Ta)로부터 만든 세라믹들, 내화 규산염들(silicates) 및 내화 티탄산염들(titanates)을 포함한다. 일부 실시예들에 따르면, 상기 하나 이상의 불용성 미립자 충전재들은 베타-유크립타이트(beta-eucryptite), 지르코늄(zirconium), 규산염, 근청석(cordierite), 리티아 휘석(spodumene), 납 티탄염산으로부터 선택될 수 있다. 불용성 미립자 충전재들은 상기 글라스 프리폼의 여러 특성들, 예를 들면, 열팽창 및 열수축 특성을 변화시키는 기능을 할 것이며, 이는 상기 글라스 프리폼을 사용하여 형성된 접합부(solder joint)에서의 균열 전파의 가능성을 최소화하는 작용을 할 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 본 발명의 상기 글라스 프리폼은 0 내지 50 wt%의 불용성 충전재들; 또는 0.5 내지 50 wt%의 불용성 충전재들로 구성될 것이다.
본 발명에 사용하기 적합한 부 열팽창 변형체들은, 예를 들어, 지르코늄 텅스텐산염들, 지르코늄 인산염들, 및 NEX-1 (O-Hara 회사로부터 입수 가능)을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 본 발명의 상기 글라스 프리폼들은 이종의(heterogeneous) 계들이다. 즉, 일부 실시예들에 있어서, (접착 전 및 접착 후의) 상기 글라스 프리폼들은 (ⅰ) 하나 이상의 적어도 부분 불용성의 망상조직 변형체들, 및/또는 (ⅱ) 하나 이상의 불용성 미립자 충전재들, 및/또는 (ⅲ) 하나 이상의 부 열팽창 변형체들의 마이크로 도메인(micro-domain)들; 내부에 배치된, (b) 하나 이상의 망상조직 형성제를 나타낸다.
본 발명의 일부 실시예들에 따르면, 상기 글라스 프리폼은 용융 프릿 글라스(fused frit glass)와 글라스 비드(bead)로부터 선택될 수 있다. 이 실시예의 일부 양태들에서, 상기 글라스 프리폼은 무바인더, 용융 프릿 글라스 및 무바인 더 글라스 비드로부터 선택될 수 있다. 이 실시예의 일부 양태들에서, 상기 글라스 프리폼은 무바인더 글라스 비드이다. 본 발명에 사용하기 적합한 무바인더 글라스 비드는, 예를 들어, 미국 특허 제 3,493,403 호 및 제 4,192,576 호에서 개시된 바와 같은 기술에서 알려진 공정을 사용하여 글라스 조성들로부터 획득될 수 있다.
본 발명에 사용하기 적합한 글라스 프리폼들은, 예를 들어, 다면체(polyhedron), 타원체, 원환체(torus), 구르사트 표면(Goursat's surface), 레몬(lemon) 및 무정형(amorphous)을 포함하는 다양한 형태를 나타낼 수 있다. 이 실시예의 일부 양태에서, 상기 글라스 프리폼은 타원체, 원환체 및 무정형의 형태에서 선택된 형태를 나타낼 수 있다. 이 실시예의 일부 양태들에서, 상기 글라스 프리폼은 타원체 및 무정형의 형태에서 선택된 형태를 나타낼 수 있다. 이 실시예의 일부 양태에서, 상기 글라스 프리폼은 타원체의 형태를 나타낼 수 있다. 이 실시예의 다른 양태에서, 상기 글라스 프리폼은 구형을 나타낼 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 따르면, 상기 글라스 프리폼은 고체일 것이다. 본 발명의 일부 실시예들에 따르면, 상기 글라스 프리폼은 공극(voids)을 포함할 수 있다. 이 실시예의 일부 양태들에서, 상기 글라스 프리폼들은 상기 글라스 프리폼이 포함된 글라스 조성물에 의해 밀봉된 가스를 포함하는 중공 상태(hollow)일 수 있다. 이 실시예의 일부 양태들에서, 상기 글라스 프리폼은 개방 또는 밀폐된 셀 폼(cell foam)의 형태 안에 있을 수 있다.
본 출원의 교시에 따른다면, 당해 기술에 숙련된 자는 본 발명의 수동 정렬 특성들(features)과 저촉되지 않으면서 기판에 대한 광학 소자들의 접착을 촉진시 키기 위해 상기 정밀 형성 형상부 및 상기 광학 소자와 협응하는 상기 글라스 프리폼의 형태와 크기(양)를 선택하는 법을 알 수 있을 것이다. 즉, 상기 글라스 프리폼은, 접착 후, 글라스 프리폼이 기판상의 상기 광학 소자의 위치를 정확히 지정하기 위해 작동하는 지점들에서 상기 광학 소자와 상기 기판 사이의 물리적 접촉을 방해하지 않는 형상 및 크기일 수 있다. 이상적으로는, 접착 후에, 상기 글라스 프리폼 물질은 이러한 접촉 지점들에 남아있지 않아야 한다. 그럼에도, 당해 기술에 숙련된 자라면 일부 미소 광학 장치들에서, 장치의 수동 정렬 특성들을 심각하게 저하시키지 않으면서도 하나 이상의 접촉 지점들에서 광학 소자와 상기 기판 사이에 미소 량의 글라스 접착 물질이 개재될 수 있음을 인지할 것이다.
본 발명의 일부 실시예들에서, 상기 기판에 광학 소자를 접착시키기 위해 다중의 글라스 프리폼들이 사용될 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에서, 상기 기판에 광학 소자를 접착시키기 위해 단일의 글라스 프리폼이 사용될 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에서, 미소 광학 장치는 캡 및 상기 기판 내의 적어도 하나의 홈을 더 포함할 수 있으며, 여기서, 상기 적어도 하나의 홈은 상기 캡을 리시브(receive)하도록 되어 있다. 이 실시예의 다른 양태들에서, 상기 캡은 적어도 하나의 광학 소자를 수용하는 외부의 영향을 받지 않는 밀봉된 공간(hermetically sealed space)을 형성하도록 상기 기판에 결합되되, 여기서, 상기 적어도 하나의 광학 소자는 기판에 수동 정렬되며, 상기 적어도 하나의 광학 소자는 적어도 하나의 글라스 프리폼에 의해 기판에 접착된다.
본 발명의 일부 실시예들에서, 상기 글라스 프리폼은 가스 배출(off-gas)의 최소 경향을 나타낸다. 이 실시예의 일부 양태들에서, 상기 글라스 프리폼은 본질적으로 가스 배출의 경향을 갖지 않는다. 이 실시예의 일부 양태들에서, 상기 글라스 프리폼은 가스 배출의 경향을 전혀 갖지 않는다. 본 발명의 상기 글라스 프리폼들의 이런 특징은 적어도 일부 실시예들에 있어서는 특히 중요하다. 예를 들면, 일부 실시예들에서, 상기 정밀 형성 형상부의 설계와, 그 안에 또는 그 위에 안착되는 상기 광학 소자의 형태는 가스 배출 경향의 결여를 중요한 장점으로 만든다. 예를 들어, 상기 정밀 형성 형상부가 원형의 상단(top edge)을 갖는 원뿔 또는 원통의 형태를 포함하며, 상기 광학 소자가 구형 렌즈인 일 실시예에서, 상기 글라스 프리폼을 포함하는 상기 기판과 상기 광학 소자 사이에 형성된 공간으로부터 빠질 수 있는 가스 배출의 방법은 없을 것이다. 일부 실시예들에 있어서, 밀폐(hermetic sealing) 조건들은 가스 배출의 결여를 장점으로 만든다. 예를 들면, 특정 능동 MEMS 장치에서, 장치의 구성요소가 사용 중에 진동한다. 구성요소의 진동 주파수는 상기 진동하는 구성요소를 둘러싸는 장치 내의 기압(atmosphere)에 의존한다. 접착 물질로부터의 가스 배출은 구성요소의 진동 주파수를 변화시키는 장치 내의 기압을 변화시킴으로써 잠재적으로 장치의 고장을 유발할 수도 있을 것이다.
일부 실시예들에 있어서, 본 발명의 미소광학 장치는, 제 1 광학 요소; 제 2 광학 요소; 상기 제 1 광학 요소와 상기 제 2 광학 요소를 수동적으로 정렬하도록 설계된 적어도 하나의 정밀 형성 형상부를 갖는 기판(상기 정밀 형성 형상부는 적어도 2개의 경사진 측벽들을 갖거나, 또는 적어도 3개의 측벽들을 갖거나, 또는 적 어도 4개의 측벽들을 갖는 절두된 4변형의 피라미드 캐버티의 적어도 일부임); 상기 제1 광학 소자와 상기 기판 사이에 적어도 부분적으로 배치된 적어도 하나의 글라스 프리폼을 포함하되, 상기 제1 광학 소자는 볼 렌즈이며; 상기 볼 렌즈는 상기 정밀 형성 형상부의 적어도 2개의 경사진 측벽들과 직접 접촉 상태에 있거나, 또는, 상기 볼 렌즈는 상기 정밀 형성 형상부의 적어도 3개의 경사진 측벽들과 직접 접촉 상태에 있거나, 또는, 상기 볼 렌즈는 상기 정밀 형성 형상부의 적어도 4개의 경사진 측벽들과 직접 접촉 상태에 있으며; 상기 볼 렌즈는 상기 제 2 광학 소자와 광학 정렬 상태에 있으며, 상기 적어도 하나의 글라스 프리폼은 상기 제 1 광학 소자와 상기 제 2 광학 소자를 광학적으로 연결시키는 광학 경로 내에 실질적으로 배치되지 않는다.
일부 실시예들에 따르면, 본 발명의 미소 광학 장치는, 제 1 광학 소자; 제 2 광학 소자; 상기 제 1 광학 요소와 상기 제 2 광학 요소를 수동적으로 정렬하도록 설계된 적어도 하나의 정밀 형성 형상부를 갖는 기판(상기 정밀 형성 형상부는 절두된 원뿔 캐버티의 적어도 일부 또는 원통 캐버티의 적어도 일부이며, 상기 정밀 형성 형상부는 원형 상단 또는 표면의 적어도 일부를 가짐); 상기 제 1 광학 소자와 상기 기판 사이에 적어도 부분적으로 배치된 적어도 하나의 글라스 프리폼을 포함하되, 상기 제 1 광학 소자는 볼 렌즈이며, 상기 볼 렌즈는 원형 상단 또는 표면의 적어도 일부 상에 있는 적어도 2개의 다른 점들과 직접 접촉되어 있으며, 상기 볼 렌즈는 상기 제 2 광학 소자와 광학 정렬 상태에 있으며, 상기 적어도 하나의 글라스 프리폼은 상기 제 1 광학 소자와 상기 제 2 광학 소자를 광학적으로 연 결하는 광학 경로 내에 실질적으로 배치되어 있지 않는다.
본 발명에 사용하기 적합한 광학 소자들은, 예를 들면, 전기광학(opto electrical) 소자들, 기계 광학(opto mechanical) 소자들 및 광 소자들(optics)을 포함한다.
본 발명에 사용하기 적합한 전기광학 소자들 및 기계 광학 소자들은 예를 들면, 레이저(예를 들어, 다이오드 레이저 및 가변 파장 레이저), 발광 다이오드, 포토다이오드, 광검출기, 증폭기, 가변 에탈론, 변조기, 보상기, 필터, 스위치, 파장 분할 멀티플렉서, 파장 분할 디멀티플렉서, 아이솔레이터, 파워 스플리터, 도파관, 광 브래그 그레이팅 및 편광자를 포함한다.
본 발명에 사용하기 적합한 광 소자는, 예를 들면, 광학 렌즈, 필터, 에탈론, 커플러, 프리즘, 파장 분할 멀티플렉서, 파장 분할 디멀티플렉서 및 광섬유를 포함한다. 본 발명에 사용하기 적합한 광학 렌즈는, 예를 들면, 원통형 렌즈, GRIN 렌즈, 비구면(aspheric) 렌즈 및 볼 렌즈를 포함한다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 하나 이상의 광학 소자들은 볼 렌즈를 포함한다. 본 발명에 사용하기 적합한 볼 렌즈는 타원체 또는 타원체의 어떤 일부의 형태일 수 있다. 일부 실시예에 있어서, 상기 볼 렌즈는, 예를 들면, 회전타원체(spheroid) 및 구에서 선택된 타원체 형태를 나타낼 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 볼 렌즈는, 예를 들면, 편구면(oblate spheroid) 및 장구면(prolate spheroid)에서 선택된 타원체 형태를 나타낼 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 볼 렌즈는 애너모픽(anamorphic) 렌즈일 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 본 발명에 사용하기 적합한 볼 렌즈는, 예를 들면, 25㎛ 내지 5mm의 평균 직경; 또는, 100㎛ 내지 2mm의 평균 직경; 또는, 100㎛ 내지 1mm의 평균 직경; 또는, 100㎛ 내지 800㎛의 평균 직경; 또는, 100㎛ 내지 500㎛의 평균 직경; 또는, 100㎛ 내지 400㎛의 평균 직경; 또는, 400㎛보다 작은 평균 직경; 또는, 300㎛보다 작은 평균 직경; 또는, 250㎛보다 작은 평균 직경; 또는, 225㎛보다 작은 평균 직경; 또는 200㎛보다 작은 평균 직경을 나타낼 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 미소 광학 장치는 볼 렌즈를 포함하며 상기 기판은 정밀 형성 형성부를 드러내는데, 여기서 상기 정밀 형성 형상부는 적어도 2개의 경사진 측벽들을 갖는 절두된 4변형 피라미드 캐버티의 일부이고, 상기 볼 렌즈는 적어도 2개의 경사진 측벽들과 직접 접촉 상태에 있다.
일부 실시예들에 있어서, 본 발명의 미소 광학 장치는 다중의 광학 소자들을 포함한다. 이 실시예의 일부 양태들에서, 본 발명의 미소 광학 장치는 제 1 광학 소자와 제 2 광학 소자를 포함한다. 제 1 광학 소자와 제 2 광학 소자는 같거나 다를 수 있다. 이 실시예의 일부 양태들에서, 본 발명의 미소 광학 장치는 제 1 광학 소자와 제 2 광학 소자를 포함하되, 상기 제 1 광학 소자는 광섬유가 아니다. 이 실시예의 일부 양태들에서, 상기 제 1 광학 소자와 상기 제 2 광학 소자는 상기 제 1 광학 소자와 상기 제 2 광학 소자를 광학적으로 연결하는 광학 경로에 광학 정렬된다. 이 실시예의 일부 양태들에서, 상기 적어도 하나의 글라스 프리폼은 광학 경로 내에 실질적으로 배치되지 않는다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 미소 광학 장치는 광학 소자를 포함할 수 있는데, 여기서, 상기 광학 소자는 광섬유이다. 이 실시예의 일부 양태들에서, 상기 적어도 하나의 정밀 형성 형상부는 광섬유를 수용하기 위해 선택될 수 있다. 예를 들면, 상기 적어도 하나의 정밀 형성 형상부는, 예를 들어, 홈, 채널, 슬롯(slot), 트렌치(trench)에서 선택될 수 있다. 이 실시예의 일부 양태들에서, 상기 적어도 하나의 정밀 형성 형상부는, 예를 들어, v자형 홈("v"-groove) 또는 u자형("u"-groove) 홈에서 선택될 수 있다.
상기 글라스 프리폼의 온도를 상승시키는 작용에서, 상기 광학 소자와 상기 기판 사이에 필요한 접착의 주변부에 국한되는 열원이 상기 글라스 프리폼의 온도를 상승시키도록 제공될 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 글라스 프리폼의 온도를 상기 글라스 프리폼의 유리전이온도 이상으로 상승시킬 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 글라스 프리폼의 온도를 상기 글라스 프리폼의 연화점 온도 이상으로 상승시킬 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 글라스 프리폼의 온도를 상기 글라스 프리폼이 녹아서 유동하는 점까지 상승시킬 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 글라스 프리폼의 온도는 레이저 히터의 사용에 의해 상승할 수 있다. 이 실시예의 일부 양태들에서, 레이저 가열 효과는 레이저 복사의 흡수를 향상시키는 물질들을 글라스 프리폼에 혼합함으로써, 향상될 수 있다. 예를 들면, 카본 블랙(carbon black), 흑연(graphite), 블랙 금속 산화물들은 CO2, Nd/YAG 및 반도체 레이저 가열원들의 홉수를 증가시킬 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 글라스 프리폼의 온도는 상기 광학 소자와 상 기 기판 사이에 필요한 접착의 주변부에 위치한 유도 가열기(induction heater)의 사용에 의해 상승할 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 글라스 프리폼은 120℃ 내지 480℃의 범위의 온도까지 가열될 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 글라스 프리폼은 200℃의 온도를 초과하도록 가열될 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 글라스 프리폼은 400℃보다 낮은 온도로 가열될 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 글라스 프리폼은 375℃보다 낮은 온도로 가열될 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 글라스 프리폼은 350℃보다 낮은 온도로 가열될 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 글라스 프리폼은 320℃보다 낮은 온도로 가열될 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 글라스 프리폼은 300℃보다 낮은 온도로 가열될 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 글라스 프리폼은 상기 광학 소자가 상기 정밀 형성 형상부 위에 또는 내에 위치하기 전에 상기 정밀 형성 형상부 위에 또는 내에 위치한다. 이 실시예의 일부 양태들에서, 상기 광학 소자가 상기 정밀 형성 형상부 위에 또는 내에 위치하기 전 및/또는 후에 상기 글라스 프리폼의 온도를 상승시킬 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 제 1 광학 소자를 제공하는 단계; 제 2 광학 소자를 제공하는 단계(제 1 광학 소자와 제 2 광학 소자는 같거나 다름)(예를 들면, 2개의 광학 소자 모두 볼 렌즈이거나; 하나의 광학 소자는 볼 렌즈이고, 다른 광학 소자는 레이저인 것; 등); 글라스 프리폼을 제공하는 단계; 상기 제1 광학 소자와 상기 제2 광학 소자를 수동 정렬하도록 설계된 적어도 하나의 정밀 형성 형 상부를 갖는 기판을 제공하는 단계; 상기 글라스 프리폼의 온도를 상승시키는 단계; 및 상기 제1 광학 소자와 상기 제2 광학 소자를 상기 기판에 접착하는 단계(적어도 상기 제1 광학 소자는 상기 글라스 프리폼을 사용하여 상기 기판에 접착됨)를 포함하는 미소 광학 장치의 제조방법이 제공된다.
본 발명에 의하면, 비용이 효율적인 미소 광학 장치의 구조 및 이러한 구조를 갖는 미소 광학 장치의 제조방법을 얻을 수 있다.
Claims (10)
- 미소 광학 장치의 제조 방법에 있어서,광학 소자를 제공하는 단계;글라스 프리폼을 제공하는 단계;기판에 대해 상기 광학 소자를 수동적으로 위치시키도록 설계된 정밀 형성 형상부를 갖는 기판을 제공하는 단계; 및상기 글라스 프리폼을 사용하여 상기 기판에 상기 광학 소자를 접착하는 단계를 포함하되,상기 광학 소자는 상기 기판과 미리 정해진 관계에 따라 수동 배치되며, 상기 광학 소자는 광섬유가 아닌 미소 광학 장치의 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 광학 소자는 상기 기판에 결합될 때, 2 이상의 지점에서 상기 정밀 형성 형상부와 접촉하는 미소 광학 장치의 제조방법.
- 제 1 항의 방법을 사용하여 제조된 미소 광학 장치.
- 제 3 항에 있어서, 상기 미소 광학 장치는 광학 플랫폼(optical platform), 도파관 플랫폼(waveguiding platform), 광학 서브어셈블리(optical subassembly), 실리콘 광학 벤치(silicon optical bench), 광전자 플랫폼(optoelectronic platform), 트랜지스터 아우트라인 캔 광전자 서브어셈블리(transistor-outline(TO) can subassembly), 모엠스(microoptoelectromechanical system, MOEMS) 장치 및 포토닉스 장치(photonics device) 중에서 선택되는 미소 광학 장치.
- 미소 광학 장치의 제조 방법에 있어서,제1 광학 소자를 제공하는 단계;제2 광학 소자를 제공하는 단계;글라스 프리폼을 제공하는 단계;상기 제 1 광학 소자와 상기 제 2 광학 소자를 수동 정렬하도록 설계된 적어도 하나의 정밀 형성 형상부를 갖는 기판을 제공하는 단계;상기 글라스 프리폼의 온도를 상승시키는 단계; 및상기 제 1 광학 소자 및 상기 제 2 광학 소자를 상기 기판에 접착시키는 단계를 포함하되, 적어도 상기 제 1 광학 소자는 상기 글라스 프리폼을 사용하여 상기 기판에 접착되는 미소 광학 장치의 제조 방법.
- 제 5 항에 있어서, 상기 제 1 광학 소자는 상기 기판에 접착될 때, 2 이상의 지점에서 상기 정밀 형성 형상부와 접촉하는 미소 광학 장치의 제조 방법.
- 제 5 항의 방법을 사용하여 제작된 미소 광학 장치.
- 제 7 항에 있어서, 상기 미소 광학 장치는 광학 플랫폼, 도파관 플랫폼, 광학 서브어셈블리, 실리콘 광학 벤치, 광전자 플랫폼, 트랜지스터 아우트라인 캔 광전자 서브어셈블리, 모엠스 장치 및 포토닉스 장치 중에서 선택되는 미소 광학 장치.
- 제 1 광학 소자;제 2 광학 소자;상기 제 1 광학 소자와 상기 제 2 광학 소자를 수동 정렬하도록 설계된 적어도 하나의 정밀 형성 형상부를 갖는 기판;상기 제 1 광학 소자와 상기 기판 사이에 적어도 부분적으로 배치되는 적어도 하나의 글라스 프리폼을 포함하되,상기 제 1 광학 소자는 상기 제 2 광학 소자와 광학 정렬 상태이고, 상기 적어도 하나의 글라스 프리폼은 상기 제 1 광학 소자와 상기 제 2 광학 소자를 광학적으로 연결시키는 광학 경로 내에 실질적으로 배치되지 않는 미소 광학 장치.
- 제 9 항에 있어서, 상기 정밀 형성 형상부는 적어도 2개의 경사진 측벽들을 갖는 절두된 4변형의 피라밋형 캐버티의 적어도 일부분이되, 상기 광학 소자는 볼 렌즈이며, 상기 볼 렌즈는 상기 경사진 측벽들 중 적어도 2개와 접촉 상태에 있는 미소 광학 장치.
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