KR101015634B1 - 지향성 에너지 프로세싱 구성요소를 포함하는 장치, 지향성 에너지 프로세싱 구성요소의 정렬 방법 및 광학적 어셈블리 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 적절한 정렬이 제공되도록 구성요소, 서브-어셈블리 및/또는 어셈블리를 물리적으로 이동시키는 데에 액츄에이터가 사용되는 자가정렬 구성요소, 서브-어셈블리 및/또는 어셈블리에 대한 방법, 장치 및 시스템을 제공한다. 정렬 효율은 출력 신호의 정성 측정(예컨대, 비트 오류율, 광 세기 등)과 관련하여 결정될 수 있다.

Description

지향성 에너지 프로세싱 구성요소를 포함하는 장치, 지향성 에너지 프로세싱 구성요소의 정렬 방법 및 광학적 어셈블리{OPTICAL BEAM STEERING USING A POLYMER ACTUATOR}
본 발명은 일반적으로 정렬이 중요한(alignment-critical) 구성요소의 어셈블리, 서브-어셈블리 및 어셈블리들에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 광학적 시스템과 같은 지향성 에너지 시스템에서의 이러한 구성요소, 서브-어셈블리 및 어셈블리의 자가정렬에 관한 것이다.
최근에, 레이저 다이오드 및 단일 모드 섬유와 같은 모듈 내의 마이크로-규모의 광학적 소자 사이에서 높은 정확도의 정렬이 요구됨에 따라 광통신 패키지의 생산과 관련된 비용이 과도하게 큰 비중을 차지하게 되었다. 높은 정도의 위치 정확도가 반드시 획득되어야 함에 따라, 이러한 패키지를 생산하는 데에 비교적 속도가 느린 노동집약적 기술이 종종 사용된다. 이렇게 느리고 비용이 높은 접근법은 낮은 비용의 원격통신 장치를 생산하는 데에 있어서 주요 장애물이다. 이러한 접근법의 대안이 제안 및/또는 구현되어왔다.
하나의 다른 접근법은 미국 매사추세츠 소재의 Axsun Corporation of Billerica에 의해 제공되었으며, 이것은 각각의 구성요소에 대해 특성화된 변형가능 마이크로전자기계적 시스템(MEMS) 서브마운트(submount)를 사용한다. 이러한 서브마운트는 픽 앤 플레이스 머신(pick and place machine)을 사용하여 기판 상에 배치되고 자신의 위치에 본딩된다. 후속하여, 원하는 위치 또는 정렬이 획득되도록 알려진 방식으로 서브마운트을 변형하기 위해 서브마운트에 힘을 가하는 전문적인 로봇팔을 사용하여 서브마운트의 매우 정밀한 포지셔닝이 획득된다. 이러한 기술은 큰 초기 투자비용, 긴 조립 및 셋업 시간과 같은 문제를 겪는다. 또한, 특성화된 장치를 설계하는 데에 전형적으로 사용되는 작은 부피의 광범위한 구성요소는 이러한 접근법의 비용효율적인 사용을 제한한다. 또한, 이러한 기술은 커스터마이징된 서브마운트에 대해 특화된 알려진 튜닝 곡선에 크게 의존하며, 이는 이러한 기술을 다른 디바이스에 적용하는 데에 있어서 유연적이지 않도록 한다.
몇몇 연구는 광섬유의 서브-마이크론 위치 제어를 위한 MEMS 열기계적 액츄에이터의 사용을 조사한다(예로서 R.R.A. Syms, H. Zou, D Uttamchandani, J. Stagg, J. MicroMech. Microeng. 14 1633(2004) 미국 특허 제5,553,182호 Active Fiber Optic MEMS Aligner Boeing을 참조하라). 이 연구에 기술된 방법은 광 소스 또는 다른 섬유를 사용하여 커플링 효율을 개선하도록 섬유 단부의 위치의 작은 조정은 가능하게 한다. 또한, Lin 외 다수는(L. Y. Lin, J.L. Shen, S.S. Lee, M.C. Wu, IEEE Photon. Tech. Lett. 9, 345(1997)) 자유 공간 빔 스티어링(steering)을 위해 XYZ 단계에서 MEMS 정전기적 액츄에이터의 사용을 발표하였다.
전술된 광학적 패키지 제조에 대한 처음 두 개의 접근법의 주요 단점은, 하나의 접근법은 비용이 높으며, 두 접근법 모두 노동집약적 및/또는 자본집약적이라는 것이다. 또한, 이들 기술 모두 구성요소의 위치를 변화시키는 데에 외부 조정을 사용하기 때문에 그들의 다이버시티 내에서 제한된다.
MEMS 디바이스는 또한 그와 관련된 뚜렷한 단점을 갖는다. 섬유 포지셔닝 디바이스는 오직 한 방향에서, 약 20㎛의 매우 작은 거리로만 단일 섬유를 이동시킬 수 있다. Lin 외 다수에 의해 제안된 방법은 높은 비용, 복잡도 및 신뢰도 문제를 겪는다. 마지막으로, 정전기적 액츄에이션을 사용하여 동작하는 MEMS 기반의 디바이스는 고전압 필요성을 가지며 전형적으로 오직 작은 변위만이 가능하다. 열기계적 응답에 기초하여 동작하는 MEMS 디바이스는 전형적으로 ㎛ 변위당 약 0.3watt의 상당한 에너지량을 소산한다.
종래 기술의 다양한 결함은 적어도 두 개의 지향성 에너지 프로세싱 구성요소 사이의 에너지 커플링 효율을 최적화하도록 적어도 두 개의 지향성 에너지 프로세싱 구성요소를 정렬하는 본 발명에 의해 해결되며, 이 방법은 제어가능한 액츄에이터를 사용하여 지향성 에너지 구성요소 중 적어도 하나의 위치를 이동시키는 것을 포함하고, 액츄에이터는 결정된 에너지 커플링 레벨에 응답하여 제어된다.
도 1은 본 발명을 이해하는 데에 유용한 지향성 에너지 어셈블리(100)의 하이-레벨 블록도를 도시한 도면,
도 2-4는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 조정가능한 구성요소 서브-마운트의 개략적인 도면,
도 5는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 조정가능한 구성요소 서브-마운트의 개략적인 도면,
도 6는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 조정가능한 구성요소 서브-마운트의 개략적인 도면,
도 7은 벌룬 렌즈(balloon lens)의 개략적인 도면.
본 발명의 내용은 첨부된 도면을 참조로 하여 아래의 상세한 설명으로부터 쉽게 이해될 것이다.
이해를 돕기 위해, 도면에서 공통적인 동일한 소자에 대해서 가능한 한 동일한 참조 번호가 지정되었다.
본 발명은 광학적 소자가 어셈블리 또는 장치의 부분 내에 장착된 후 광학적 소자가 그들 자신을 원하는 방식으로 광학적 정렬하도록 이동되기 위한 액츄에이터 디바이스와 광학적 구성요소의 집적화의 맥락에서 주로 기술될 것이다. 그러나, 본 발명으로부터 정보를 얻을 수 있는 당업자는 본 발명이 자동 포스트-마운팅 정렬이 요구되는 임의의 구성요소 또는 서브-어셈블리에 대해서도 적용가능함을 이해할 것이다. 예컨대, 광에너지, 마이크로파 에너지 및 그외의 지향성 에너지 또는 신호가 포스트-마운팅 정렬이 요구될 수 있는 구성요소와 관련된다.
본 발명의 맥락에서, 하나 이상의 광학적 구성요소는 광학적 구성요소와 관련된 광 경로 또는 정렬에 적용되는 액츄에이터와 함께 패키징된다. 이러한 방식으로, 위치 재조정 및 빔 방향 변화 능력은 패키지 내의 개별적인 구성요소 내에 고유적으로 설계된다. 이것은 초기 패키지 어셈블리를 위한 표면 장착 기술과 같은 고속 제조 프로세스의 사용을 허용한다. 집적 액츄에이팅된 광학적 소자를 사용하여, 패키지 내의 개별적인 구성요소는 요구되는 높은 정밀도로 스스로 재정렬할 수 있다. 이것을 획득하기 위해, 본 발명의 주 바디를 형성하는 몇몇 조정가능한 광학적 소자가 요구된다. 이러한 조정가능한 구성요소의 수집은 본 명세서에서 기술되었으며 이것은 자유 공간 내의 광선을 스티어링(steer)할 수 있고 소스 및 수신자의 위치를 조정할 수 있다. 예컨대, 구성요소에는 (1) 섬유, 소스 또는 렌즈와 같은 소자의 배향 및 실정성인 위치를 조정할 수 있는 활성 서브-마운트, (2) 프리즘 각을 동적으로 변화시킴으로써 빔을 스티어링할 수 할 수 있는 조정가능한 프리즘, (3) 빔 방향을 변화시킬 수 있고 추가적으로 자신의 초점 길이를 조정할 수 있는 액츄에이터의 어레이에 기초한 변형가능한 미러, (4) 이온 전자활성 폴리머로 전하를 주입함으로써 조정할 수 있는 조정가능한 렌즈 등이 있다.
도 1은 본 발명을 이해하는 데에 유용한 지향성 에너지(directed energy) 어셈블리(100)의 고-레벨 다이어그램을 도시한다. 특히, 도 1의 어셈블리(100)는 에너지 입력 신호 IN을 프로세싱을 위해 다이렉팅하여 지향성 에너지 출력 신호 OUT를 생성한다(도 1에 OUT이라는 용어가 누락되었다). 광학적 에너지의 맥락에서 기술되는 것과 달리, 본 발명은 임의의 지향성 에너지와 관련된 구성요소 정렬 문제를 해결한다.
지향성 에너지 어셈블리(100)는 입력 프로세서(110), 네 개의 에너지 디버터(diverters)(예로서, 미러)(121-124) 및 에너지 스플리터(예로서, 광학적 스플리터)(131), 제 1 구성요소(141) 및 제 2 구성요소(142)를 포함한다. 지향성 에너지 어셈블리(100)는 출력 검출기(160) 및 신호 프로세서(170)와 협력한다.
제 1 구성요소(141) 및 제 2 구성요소(142)는 입력 및/또는 출력 에너지의 정렬이 요구되는 임의의 지향성 에너지 또는 광학적 구성요소를 포함할 수 있다. 도시되지는 않았지만, 각각의 구성요소(141, 142)는 각각의 액츄에이터와 결합하여 수신되는 또는 전송되는 에너지에 대한 구성요소의 위치가 변화될 수 있도록 형성된다. 집적 구성요소/액츄에이터 위상의 다양한 실시예는 나머지 도면들과 관련하여 아래에서 보다 자세하게 기술될 것이다.
지향성 에너지 또는 광학적 입력 신호 IN는 입력 프로세서(110)에 의해 수신되어 추가의 프로세싱을 위해 세 개의 신호로 변환되며, 이들은 광학적 파장 신호 λ1, λ2 및 λ3이다. 광학적 파장 신호 λ1 및 λ3은 각각 제 1 미러(121) 및 제 2 미러(122)를 통해 다른 프로세싱 소자 또는 구성요소(도시되지 않음)로 커플링된다. 광학적 파장 신호 λ2는 스플리터(131)를 통해 광학적 구성요소(141)로 커플링된다. 스플리터(131)로부터의 광학적 파장 신호 λ2의 분리 부분은 제 3 미러(123)를 통해 구성요소(142)로 커플링된다.
구성요소(141)는 구성요소(142)로 커플링되는 출력 광학 신호 λx를 제공한다. 구성요소(142)는 지향성 에너지 어셈블리(100)로부터 후속하는 출력을 위해 제 4 미러(124)로 커플링되는 출력 광학 신호 λxx를 제공한다.
구성요소(141)는 하나 이상의 액츄에이터(도시되지 않음)를 통해 자신의 수신된 광학 신호 λ2에 정렬된다. 구성요소(142)는 하나 이상의 액츄에이터(도시되지 않음)를 통해 자신의 수신된 광학 신호 λx 및 λ2에 정렬된다. 구성요소(141, 142)는 입력 신호, 출력 신호 또는 입력 신호 및 출력 신호의 임의의 조합 또는 구성요소 자신을 다른 입력 또는 출력 신호에 대해 정렬시키는 액츄에이터를 포함할 수 있다.
구성요소(141, 142)와 결합된 액츄에이터는 지향성 에너지 어셈블리(100)로부터 수신된 액츄에이터 제어 신호 AC를 책임진다. 액츄에이터 제어 신호 AC는 지향성 에너지 어셈블리(100) 상의 구성요소와 결합된 하나 이상의 액츄에이터에 영향을 미치도록 적용되는 전기적, 광학적, 열적 또는 그외의 다른 제어 신호를 포함할 수 있다. 열적 액츄에이터의 경우, 가열 또는 냉각 소자가 이러한 액츄에이터에 결합될 수 있으며, 이러한 가열 또는 냉각 소자는 액츄에이터 제어 신호 AC에 의해 제어된다.
도 1의 지향성 에너지 에너지 어셈블리(100)는 예시적으로 광학적 어셈블리 또는 서브-어셈블리, 마이크로파 또는 밀리마이크로파 어셈블리 또는 서브-어셈블리 등을 포함한다. 기술된 바와 같은 도시된 어셈블리는 액츄에이터와 집적된 구성요소(141, 142)를 포함하여 바람직한 빔 방향성이 획득될 수 있도록 한다. 도시되지 않았지만, 지향성 에너지 어셈블리 자신은 예로서 최대 전력 이동을 획득하도록 입력 및 출력 신호에 대해 어셈블리-레벨 정렬을 각각 제공하는 하나 이상의 입력 신호 액츄에이터 및/또는 하나 이상의 출력 신호 액츄에이터와 결합될 수 있다.
선택적으로, 지향성 에너지 어셈블리(100)에 의해 생성된 출력 신호는 출력 검출기(160) 및 신호 프로세서(170)에 의해 프로세싱된다. 출력 검출기는 전력 레벨, 비트 오류율(BER) 등과 같이 출력과 관련된 정성 파라미터(qualitative parameter)를 결정하도록 지향성 에너지 어셈블리 출력을 모니터링한다. 출력 검출기(160)는 광검출기, 포워드 오류 정정 (FEC:forward error correction) 프로세서 등을 포함할 수 있다.
(이 실시예에서) 신호 프로세서(170)는 액츄에이터 제어 신호 AC를 생성한다. 신호 프로세서는 디지털 신호 프로세서(DSP) 또는 그외의 컴퓨팅 메커니즘을 포함할 수 있다. 신호 프로세서(170)는 결정된 정성 파라미터에 응답하여 액츄에이터 제어 신호 AC를 받아들인다. 이러한 방식으로, 피드백 루프가 제공되며, 이때 지향성 에너지 어셈블리(100) 내의 하나 이상의 액츄에이터는 지향성 에너지 어셈블리 출력 신호의 정성 파라미터를 향상시키기 위한 방식으로 적용된다. 본정성으로, 액티브 제어 루프는 광학 신호를 모니터링하고 패키지 내의 액츄에이터에서의 조정을 발생시켜, BER과 같은 신호와 관련된 전송 또는 다른 파라미터의 측면에서 광학 신호를 최적화한다.
일반적으로, 하나 이상의 액츄에이터는 지향성 에너지 프로세싱 구성요소에 근접하게 위치되어 구성요소의 바람직한 정렬을 가능하게 하도록 적용되는 힘(force)을 지향성 에너지 프로세싱 구성요소에 제공한다. 만약 구성요소의 바람직한 정렬이 예컨대 문턱 레벨보다 높은 정성 파라미터(예컨대, 문턱 비트 오류율보다 낮은 비트 오류율 및 광학적 세기 문턱 레벨보다 높은 광학적 세기 등)를 갖는 출력 신호를 제공하는 정렬이라면, 신호 프로세서는 검출된 정성 파라미터에 응답하여 하나 이상의 액츄에이터를 조정함으로써 상기 액츄에이터 조정이 검출된 정성 파라미터를 개선하도록 한다(예컨대, 비트 오류율의 감소 또는 광학적 세기의 증가).
다른 실시예는, SMT(표면 장착 기술: surface mount technology)를 사용하여 초기에 조립되며 동작에 필요한 인력 또는 외부의 기계적 조정의 개입 없이 스스로 튜닝하는 자가정렬 패키지이다. 이러한 패키지는 또한 기계적 충격과 같은 외부적인 영향으로 인한 광학 신호의 누락이 존재할 때 스스로 재조정할 수 있고, 개별적인 구성요소에 결함이 있는 경우 스스로 재구성할 수도 있다. 이러한 실시예에서, 출력 검출기(160) 및 신호 프로세서(170)와 관련하여 기술된 기능성은 지향성 에너지 어셈블리 자체 내에 포함될 수 있다. 따라서, 구성요소, 어셈블리 및 그의 유사물의 계층 구조(hierachy)와 관련하여 아래에서 기술된 바와 같이, 광학적 시스템과 같은 지향성 에너지 시스템 내의 각각의 구성요소, 서브-어셈블리 또는 어셈블리는 지향성 에너지 제품의 조립, 테스트 및 배치 속도가 극적으로 향상되는 동시에 원하는 정성 파라미터를 증가시킬 수 있도록 자가정렬 프로세싱 기능을 포함할 수 있다.
도 2-4는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 조정가능한 구성요소 서브-마운트(sub-mounts)의 개략적인 도면을 도시한다. 이들 도면 각각은 광학적 구성요소와 같은 구성요소가 서브-마운트 내에 포함된 하나 이상의 액츄에이터를 사용하여 특 정한 방향으로 물리적으로 유도되는 구성요소 서브-마운트를 도시한다. 따라서, 어셈블리 내의 광학적 구성요소의 단순화된 정렬은 광학적 구성요소를 갖는 서브-마운트 내에 포함된 하나 이상의 액츄에이터를 제어함으로써 구현된다.
도 2는 섬유 포지셔너(fiber positioner)를 포함하는 조정가능한 구성요소 서브-마운트를 도시한다. 특히, 광섬유가 도 2a에서와 같이 수평 배치되거나(x-축) 또는 도 2b에서와 같이 수직 배치된(y-축) 두 개의 액츄에이터 사이에 물리적으로 장착된다. 도 2a의 구성에서, 액츄에이터는 x-축을 따라 광섬유의 위치를 변화시키도록 사용된다. 유사하게, 도 2b의 구성에서, 액츄에이터는 y-축을 따라 광섬유의 위치를 변화시키도록 사용된다. 다른 실시예에서, x-축 및 y-축 액츄에이터 모두 사용되어 두 방향의 섬유 포지셔닝이 액츄에이터의 제어를 통해 제공된다.
도 3은 예컨대 레이저 다이오드용 레이저 소스 서브-마운트를 포함하는 조정가능한 구성요소 서브-마운트를 도시한다. 특히, 레이저 소스는 물리적으로 두 개의 액츄에이터 위에 장착되며, 레이저 소스의 근단부(proximal end)는 제 1 액츄에이터 위에 있고 레이저 소스의 원단부(distal end)는 제 2 액츄에이터 위에 있다. 레이저 소스는 액츄에이터 바로 위에 장착되거나 또는 액츄에이터 위에 놓여진 플랫폼 또는 기판 영역 위에 장착될 수 있다. 도 3a는 정지 또는 유휴 상태의 레이저 소스 서브-마운트를 도시한다(즉, 액츄에이터는 실정성으로 수평의 빔이 제공되도록 레이저 소스를 지지한다). 도 3b는 액츄에이터가 레이저 소스의 전송 단부를 레이저 소스의 비-전송 단부 위로 들어올리도록 사용되어 수평보다 높은 빔이 제공되는, 레이저 소스 서브-마운트를 도시한다. 액츄에이터는 액츄에이터에 의해 발생하는 레이저 소스에 대한 부분적인 상대적 편향에 따라서 수평보다 높거나 낮은 각도를 갖는 출력 빔을 제공하는 데에 사용될 수 있다. 복수의 액츄에이터는 선택적으로 결합되어 피치(pitch) 및 롤(roll)과 같은 두 개 이상의 축에 대한 운동이 획득되도록 한다.
도 4는 두 개의 광섬유 사이의 광을 커플링하도록 적용되는 렌즈에 대한, 렌즈 서브-마운트를 포함하는 조정가능한 구성요소 서브-마운트를 도시한다. 도 4에 도시된 바와 같이, 렌즈는 액츄에이터로부터의 압력에 응답하여 제 1 섬유로부터 수신된 광이 제 2 섬유에 인접하는 다른 포인트를 향해 진행될 수 있도록 이동되거나 또는 자신의 광학적 특성을 적용하는 실정성으로 구형인 물체를 포함한다. 실정성으로 구형인 물체로 도시되었지만, 본 발명이 액츄에이터의 유도에 응답하여 적용될 수 있는 임의의 렌즈 구조(예컨대, 구형, 타원형, 프리즘 등)의 맥락 내에서 유용함을 이해할 것이다. 따라서, 도 4에 도시된 "볼 렌즈"는 광섬유 사이의 커플링 효율을 증가시키는 데에 사용될 수 있는 복수의 광학적 구성요소 중 단지 하나일 뿐이다. 볼 렌즈는 도 7과 관련하여 아래에서 보다 자세하게 기술될 것이다.
도 5는 본 발명의 제 2 실시예 중 하나에 따른 조정가능한 구성요소 서브-마운트의 개략적인 도면을 도시한다. 도 5에 도시된 바와 같이, 조정가능한 구성요소 서브-마운트는 예컨대 레이저 다이오드를 위한 레이저 소스 서브-마운트를 포함한다. 특히, 레이저 소스 및 조정가능한 프리즘은 플랫폼을 통해 동작가능하게 위치되어 소스에 의해 제공된 광이 프리즘을 통과하도록 한다.
조정가능한 프리즘은 PW1 및 PW2로 표시되고 그 사이에 TLMM으로 표시된 투 과성의 낮은 모듈러스 재료(transparent low modulus material)와 적어도 하나의 액츄에이터(A)가 배치된 두 개의 투과성 프리즘 벽(예컨대, 유리, 플라스틱 등)을 포함한다. 도 5의 실시예에서, A1 및 A2로 표시된 두 개의 액츄에이터는 상부(A1) 및 하부(A2)에서 투과성 프리즘 벽 사이에 위치되는 것으로 도시되었다. 이때 예컨대 이러한 광의 입사각이 하나 또는 두 개의 프리즘 벽에 따라 변화하는 것과 같이, 소스에 의해 생성된 광 경로가 변화에 의해 제어될 수 있도록 하나 이상의 액츄에이터가 일반적으로 공통 평면의 투과성 프리즘 벽에 섭동을 일으키도록 동작할 수 있는 것이 필요한 전부이다.
도 5a는 정지 또는 유휴 상태의 조정가능한 프리즘을 도시한다(즉, 액츄에이터는 실정성으로 수평의 빔이 제공되도록 레이저 소스를 지지한다). 이러한 상태에서, 소스에 의해 생성된 광은 제 1 프리즘 벽, TLMM 및 제 2 프리즘 벽을 실정성으로 일직선으로 통과한다.
도 5b는 프리즘 벽 사이의 거리가 액츄에이터(A1)에 근접하는 벽 부분으로부터 액츄에이터(A2)에 근접하는 벽 부분으로 가면서 점진적으로 증가하도록 액츄에이터(A2)가 팽창된 활성 상태에서의 조정가능한 프리즘을 도시한다. 투과성의 낮은 모듈러스 재료는 프리즘을 통과하는 광이 오직 프리즘 벽 재료와 TLMM 재료만을 통과하도록 바람직하게 두 개의 프리즘 벽 사이에서 이용 가능한 공간에 적용된다. 도 5는 제 2 프리즘 벽(PW2)이 액츄에이터에 의해 변위된 것으로 도시되었지만, 프리즘 벽들 중 어떠한 하나 또는 둘 모두가 이렇게 변위될 수 있음을 인지해야 한다. 이러한 변위는 액츄에이터 중 하나 또는 둘 모두를 사용하여 발생할 수 있다. 또한, 추가적인 액츄에이터는 도 5에 도시된 조정가능한 프리즘 내에 선택적으로 포함된다. 예컨대, 추가적인 액츄에이터는 임의의 방향에서 서로에 대한 벽의 상대적인 위치를 조정하도록 프리즘 벽 내에 배치될 수 있다. 즉, 도시된 도 5의 "상부" 및 "하부" 액츄에이터에 추가로 또는 그 대신, "좌측" 및/또는 "우측" 액츄에이터가 본 발명에 따른 다양한 구성에서 선택적으로 제공된다.
전술된 본 발명의 다양한 실시예는 정렬 및 정렬을 획득하도록 동작하는 하나 이상의 액츄에이터로부터 이득을 얻는 구성요소를 포함하는 어셈블리 또는 장치를 포함한다. 액츄에이터는 임의의 몇몇 기술들을 사용하여 구현될 수 있다. 예컨대, 열적 액츄에이터는 열에 응답하여 예측가능한 방식으로 팽창 또는 수축하는 열기계적 폴리머를 사용하여 구현될 수 있다. 전기적 액츄에이터는 전압 또는 전류에 응답하여 예측가능한 방식으로 팽창 및 수축하는 전자활성 폴리머, 압전세라믹 등을 사용하여 구현될 수 있다. 그외의 액츄에이터는 MEMS 디바이스, 전자기적 액츄에이터 등을 포함한다. 전형적으로, 광학적 재정렬 또는 그외의 효과를 획득하는 데에 필요한 기계적 조정량은 약 수십 ㎛으로 비교적 작다. 그러나, 이러한 수십 ㎛은 본 발명의 가르침에 따라 적용되는 구성요소를 사용하는 광학적 어셈블리의 전력 이동, 효율 및 전반적인 동작의 측면에서 커다란 차이를 만들 수 있다.
MEMS 유형의 디바이스는 전형적으로 10-100V를 필요로 하고 10-20㎛의 전위가 제공된다. 보다 구체적으로, 정전기적 액츄에이터는 수 ㎛의 변위를 가질 때 최상으로 동작한다. 콤브 드라이브(comb drive) 액츄에이터는 100㎛에 이르는 이동을 갖고 제조될 수 있지만, 이때 전압이 높아지고 횡방향 안정성은 열화된다. 콤브를 지지하는 스프링 또한 매우 크고 매우 약하다. 반면에, 폴리머 액츄에이터는 2V보다 작은 전압으로도 40㎛의 변위가 가능하다. 광학적, 열적 또는 전기적 힘으로 인해 팽창/수축하는 폴리머를 사용하는 것은 코그(cog), 기어, 경첩, 짐벌(gimbal) 등의 이동부를 필요로 하지 않는다. 이러한 폴리머는 예컨대 200nm의 정확도로 40㎛ 범위의 움직임을 가능하게 한다.
도 6은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 조정가능한 구성요소 서브-마운트의 개략적인 도면을 도시한다. 도 6에 도시된 바와 같이, 조정가능한 구성요소 서브-마운트는 광 반사성 표면(또는, 보다 일반적으로는 에너지 반사성 표면)이 액츄에이터의 어레이를 통해 적용됨으로써 미러의 초점 길이를 변화시키는 액츄에이터 어레이 미러를 포함한다. 미러는 근접하게 배치된 액츄에이터의 어레이 상에 장착된 탄력적인 반사성 멤브레인을 사용하여 형성된다. 일 실시예에서, 액츄에이터 어레이는 단일 조각의 전자활성 폴리머 재료 상에 장착된 전극 어레이를 포함한다. 전극에 전압을 인가하면 반사성 멤브레인의 곡선을 조정하는 제어 방식으로 폴리머의 변형이 발생하며, 그에 따라 미러와 관련된 초점이 변화한다. 이러한 조정은 대칭적이며, 미러의 초점 길이의 변화를 발생시킬 수 있다. 다른 실시예에서, 단일 조각의 전자활성 폴리머는 공기 구멍 또는 일부 다른 유전체 재료와 같은 작은 구멍에 의해 분리되는 개별적인 전극들의 어레이로 대체된다.
도 7은 도 4와 관련하여 전술된 바와 같은 벌룬 렌즈(balloon lens)의 개략적인 도면을 도시한다. 특히, 벌룬 렌즈는 예로서 습식/이온 전자활성 폴리머가 탄력적인 벌룬-형태 전극 내에 밀폐된 조정가능한 전자활성 렌즈를 포함한다. 전자활 성 폴리머 내에 전하를 주입함에 따라, 재료는 주입된 전하의 상호 반발작용으로 인해 팽창 또는 수축되며, 이러한 팽창 또는 수축은 렌즈의 형태를 변화시켜 렌즈의 초점 길이를 변화시킬 것이다. 또한, 전하의 주입은 전자활성 폴리머의 굴절률을 변화시킴으로써 렌즈의 초점 길이의 변화를 야기할 것이다. 따라서, 초점 길이의 변화는 두 가지 메커니즘을 사용하여 획득되며, 즉 렌즈의 형태에서의 외형적인 개조 및/또는 렌즈를 형성하는 재료의 굴절률에서의 변화를 사용한다. 또한, 벌룬 렌즈는 그와 관련된 팽창 및 수축 특성으로 인해 액츄에이션 디바이스로서 사용될 수 있다.
도 7a는 정지 또는 유휴 상태의 벌룬 렌즈를 도시한다(즉, 형태 및/또는 렌즈의 굴절률을 개조하기 위해 주입된 전하가 존재하지 않는다). 이러한 상태에서 들어오는 광선은 렌즈 표면 상에 입사하며, 렌즈를 너머의 지점으로 수렴하는 것으로 도시되었으며, 초점과 렌즈의 외부 표면 간 거리가 초점 길이로서 표시되었다. 도 7b는 렌즈의 크기가 증가되거나 또는 "벌룬되도록(ballooned)" 전하가 주입된 활성 상태의 벌룬 렌즈를 도시한다. 이러한 상태에서, 들어오는 광선은 다른 초점으로 수렴한다. 특히, 벌룬 렌즈의 크기 및/또는 굴절률을 증가시킴으로써, 초점 길이는 도시된 바와 같이 증가된다. 이러한 방식으로, 주입되는 전하와 초점 길이 간의 관계가 광학적 신호의 초점을 사용하는 데에 바람직하게 적용될 수 있다.
도 7과 관련하여 본 명세서에 기술된 벌룬 렌즈는 예컨대 도 4와 관련하여 전술된 광섬유들 사이의 광에너지 커플링을 위한 렌즈의 내용 내에서 적용할 수 있다. 특히, 제어되는 벌룬 렌즈 내로의 전하의 주입은 렌즈에 관련된 초점 길이를 변경하는 데에 사용되어 제 1 광섬유의 출력에 의해 제공된 광의 최대량이 제 2 광섬유의 입력 위로 포커싱될 수 있도록 한다.
전술된 구조물은 보다 높은 레벨의 어셈블리 및 장치 또는 장치의 일부뿐 아니라 고감도 광학적 어셈블리 및 그외의 지향성 에너지 서브-마운트 및 서브-어셈블리에 바람직하게 적용된다. 일 실시예에서, 계층제 어셈블리 및 테스팅 계획이 제공된다. 특히, 중요한 정렬 파라미터와 관련된 각각의 구성요소는 정렬 오류를 제어가능하게 보상하도록 적용되는 하나 이상의 서브-마운트 액츄에이션 수단 각각을 포함한다. 다음 레벨에서, 다양한 서브-마운트는 보다 높은 레벨 서브-어셈블리 또는 어셈블리에 포함된다. 이러한 서브-어셈블리 또는 어셈블리 또한 자신의 고유한 정렬 오류를 제어가능하게 보상하도록 적용되는 하나 이상의 액츄에이션 수단과 결합될 수 있다. 즉, 광학적 또는 지향성 에너지 정렬이 서브-어셈블리 사이에서 필요한 한도까지 하나 이상의 서브-어셈블리 내의 액츄에이션 수단을 포함하는 것은 서브-어셈블리 사이의 제어가능한 지향성 에너지의 정렬을 가능하게 한다. 마지막으로, 복수의 구성요소 및/또는 복수의 서브-어셈블리는 네트워크 소자, 컴퓨팅 소자, 광학적 또는 지향성 에너지 전송 소자 등을 생성하도록 결합될 수 있고 이것은 적절한 동작을 보장하도록 신속하게 구성 및 테스팅될 수 있다. 집적 액츄에이션 수단과 컴퓨터-제어된 다양한 계층적 소자의 테스팅은 광학적 또는 지향성 에너지 디바이스를 구현하는 데에 사용되는 특정 계층의 각 레벨에서 구성요소, 서브-어셈블리 등과 관련된 비용을 크게 감소시킨다.
본 발명의 전술된 실시예에 추가로, 다양한 다른 실시예들이 발명자에 의해 고안되었다.
일 실시예에서, 본 발명은 중요한 정렬을 필요로 하는 구성요소가 집적 액츄에이터(액츄에이팅된 서브-마운트 또는 마이크로포지셔너로서)를 구비하는 광학적 패키지를 제공하는 데에 사용되며 이것은 서로에 대한 구성요소의 초기 위치의 임의의 오프셋을 보상하도록 제어될 수 있고 따라서 패키지를 통과하는 광학적 신호를 최적화한다.
다른 실시예에서, 본 발명은 초기 정렬 오프셋을 보상하는 액츄에이터를 사용하는 빔을 이끌 수 있는 빔 조종 디바이스를 포함하는 광학적 패키지를 제공하는 데에 사용된다. 예를 들어 위치 및 형태와 같은 자신의 특성이 조정되어 패키지를 통과하는 광학적 신호를 최적화할 수 있는 프리즘, 렌즈 또는 미러가 그 예이다.
다양한 실시예에서, 정렬 오프셋이 SMT(표면 장착 기술)와 같은 고속 제조 프로세스를 사용하는 배치로부터 발생되고 표준 CMOS 기술과 호환가능한 전력/전압에서 동작할 수 있는 애플리케이션에서 사용하기에 적절하도록 충분한 범위 및 동작 특성을 갖는 액츄에이터가 제공된다. 또한, 다양한 실시예는 예컨대 폴리머 액츄에이터의 사용과 같이 높은 정도의 프로세싱을 필요로 하고 광학적 패키지 내로 쉽게 집적될 수 있는 액츄에이터를 사용한다(이러한 접근법을 적용함으로써 비용 절감을 벌충할 것이다). 폴리머 액츄에이터는 압전기 액츄에이터에 비교하여 큰 변형을 가질 수 있고, MEMS에 사용되는 정전기적 액츄에이터에 비교하여 낮은 전력 소비/전압 및 낮은 프로세싱 필요성을 가질 수 있다.
본 발명의 전술된 실시예들은 방법, 컴퓨터 판독가능 매체 및 컴퓨터 프로그 램 프로세스의 맥락에서 구현될 수 있다. 일반적으로, 본 발명에 따른 방법은 다양한 제어 프로그램, 다른 프로그램 및 데이터를 저장하는 메모리 및 프로세서를 구비하는 컴퓨팅 디바이스를 사용하여 구현될 수 있다. 메모리는 또한 프로그램을 지원하는 운영 시스템을 저장할 수 있다. 프로세서는 전력 서플라이, 클록 회로, 캐시 메모리 등과 메모리 내에 저장된 소프트웨어 루틴의 실행을 돕는 회로와 같은 종래의 지원 회로와 결합한다. 그러한 것으로서, 소프트웨어 프로세스로서 본 명세서에서 언급된 일부 단계는 예컨대 다양한 단계를 수행하기 위한 프로세서와 결합하는 회로와 같은 하드웨어 내에 구현될 수도 있다. 입/출력(I/O) 회로는 디바이스와 통신하는 다양한 기능 소자 사이에서 인터페이스를 형성한다.
컴퓨팅 디바이스는 예컨대 본 발명에 따른 다양한 제어 기능을 수행하도록 프로그램된 일반적인 목적의 컴퓨터로서 구상되며, 본 발명은 예컨대 ASIC(application specific integrated circuit) 또는 FPGA(field programmable gate array)와 같은 하드웨어 내에 구현될 수 있다. 그러한 것으로서, 본 명세서에 기술된 프로세스 단계는 소프트웨어, 하드웨어 또는 이들의 조합에 의해 수행되는 것과 동일한 것으로 넓게 해석되어야 한다.
본 발명은 또한 컴퓨터 프로그램 제품으로서 구현될 수도 있으며, 컴퓨터에 의해 프로세스될 때 컴퓨터 명령어는 컴퓨터의 동작을 적용하여 본 발명의 방법 및/또는 기술이 실시되거나 또는 다르게 제공되도록 한다. 본 발명의 방법을 실시하기 위한 지시어는 고정된 또는 제거가능한 매체에 저장될 수 있고, 방송 매체와 같은 신호 베어링 매체 내의 데이터 스트림을 통해 전송되고/되거나 지시어에 따라 동작하는 컴퓨팅 디바이스 내의 동작 메모리 내에 저장된다.
전술된 설명이 본 발명의 다양한 실시예에 관한 것이지만, 본 발명의 다른 실시예 및 추가의 실시예가 본 발명의 기본 범주로부터 벗어나지 않는 한 고안될 수 있다. 그러한 것으로서, 본 발명의 적절한 범주는 아래의 특허청구범위에 따라 결정된다.

Claims (12)

  1. 수신된 에너지 및 제공된 에너지 중 하나 또는 둘 모두에 대한 바람직한 정렬과 관련된 지향성 에너지 프로세싱 구성요소(a directed energy processing component)와,
    상기 지향성 에너지 프로세싱 구성요소에 근접하게 위치되어 상기 바람직한 정렬을 가능하게 하도록 가해지는 힘을 상기 지향성 에너지 프로세싱 구성요소에 제공하는 적어도 하나의 폴리머 액츄에이터(actuator)와,
    상기 제공된 에너지와 관련된 정성 파라미터(qualitative parameter)를 검출하는 검출기와,
    상기 검출된 정성 파라미터를 개선하도록 상기 액츄에이터를 조정하는 프로세서를 포함하며,
    상기 지향성 에너지 프로세싱 구성요소는 두 개의 실정성으로 투과성인 플레이트들 사이에 배치된 실정성으로 투과성인 낮은 모듈러스(low modulus) 재료를 갖는 프리즘을 포함하되, 적어도 하나의 플레이트는 상기 플레이트들을 통과하는 빔이 상기 빔 전파 방향에 대해 직교하지 않는 표면으로부터의 굴절로 인해 방향을 변경하도록 상기 적어도 하나의 폴리머 액츄에이터에 의한 움직임에 응답하여 다른 플레이트와 비-동일평면(non-coplanar) 관계를 이루도록 위치하고,
    상기 두 개의 플레이트가 서로에 대해 비-동일평면 관계로 위치할 때, 상기 실정성으로 투과성인 낮은 모듈러스 재료는 상기 프리즘을 통과하는 빔이 단지 상기 플레이트들 및 상기 실정성으로 투과성인 낮은 모듈러스 재료를 통과하도록 상기 두 개의 플레이트들 사이에서 이용 가능한 공간에 적응되는
    지향성 에너지 프로세싱 구성요소를 포함하는 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 지향성 에너지 프로세싱 구성요소 및 상기 적어도 하나의 액츄에이터를 고정하여 조정가능한 구성요소 서브-마운트(sub-mount)를 제공하는 장착 수단을 더 포함하는
    지향성 에너지 프로세싱 구성요소를 포함하는 장치.
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 지향성 에너지 프로세싱 구성요소는 근단부(a proximal end) 및 원단부(a distal end)를 갖는 광소스를 포함하며,
    적어도 하나의 액츄에이터는 정상 경로로부터 벗어난 광빔의 방향을 수정하는 방식으로 상기 광소스의 적어도 하나의 단부를 움직이도록 적응되는
    지향성 에너지 프로세싱 구성요소를 포함하는 장치.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 지향성 에너지 프로세싱 구성요소 및 상기 적어도 하나의 액츄에이터는 지향성 에너지 프로세싱 어셈블리 내에 설치할 수 있도록 적응된 공통 플랫폼 상에 형성되는
    지향성 에너지 프로세싱 구성요소를 포함하는 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 지향성 에너지 프로세싱 어셈블리는, 각각이 지향성 에너지 프로세싱 구성요소와 적어도 하나의 각각의 액츄에이터를 포함하는 복수의 플랫폼을 포함하되,
    상기 지향성 에너지 프로세싱 어셈블리는 각각의 바람직한 정렬을 제공하도록 상기 지향성 에너지 프로세싱 구성요소 각각을 조정하도록 적응되는
    지향성 에너지 프로세싱 구성요소를 포함하는 장치.
  9. 적어도 두 개의 지향성 에너지 프로세싱 구성요소 간의 에너지 커플링 효율을 최적화하도록 상기 적어도 두 개의 지향성 에너지 프로세싱 구성요소를 정렬하는 방법으로서,
    결정된 에너지 커플링 레벨에 응답하여 제어되는 액츄에이터를 이용해서 적어도 하나의 상기 지향성 에너지 프로세싱 구성요소의 위치를 병진하도록 작동하는 단계를 포함하며,
    상기 액츄에이터는 폴리머 액츄에이터이고,
    상기 지향성 에너지 프로세싱 구성요소는 두 개의 실정성으로 투과성인 플레이트들 사이에 배치된 실정성으로 투과성인 낮은 모듈러스 재료를 갖는 프리즘을 포함하되, 상기 적어도 하나의 플레이트는 상기 플레이트들을 통과하는 빔이 상기 빔 전파 방향에 대해 직교하지 않는 표면으로부터의 굴절로 인해 방향을 변경하도록 적어도 하나의 폴리머 액츄에이터에 의한 움직임에 응답하여 다른 플레이트와 비-동일평면 관계를 이루도록 위치하고,
    상기 두 개의 플레이트가 서로에 대해 비-동일평면 관계로 위치할 때, 상기 실정성으로 투과성인 낮은 모듈러스 재료는 상기 프리즘을 통과하는 빔이 단지 상기 플레이트들 및 상기 실정성으로 투과성인 낮은 모듈러스 재료를 통과하도록 상기 두 개의 플레이트들 사이에서 이용 가능한 공간에 적응되는
    지향성 에너지 프로세싱 구성요소의 정렬 방법.
  10. 광학적 어셈블리로서,
    복수의 광학적 구성요소-상기 광학적 구성요소 각각은 초기 배치 광 정렬로부터 적절한 광 정렬로 상기 광학적 구성요소를 움직이도록 적응된 적어도 하나의 액츄에이터와 관련되고, 상기 복수의 광학적 구성요소 중 적어도 하나는 수신된 에너지 및 제공된 에너지 중 하나 또는 둘 모두에 대한 바람직한 정렬과 관련된 프리즘을 포함하며, 상기 적어도 하나의 액츄에이터는 상기 프리즘에 인접하여 위치하여 상기 바람직한 정렬을 가능하게 하도록 가해지는 힘을 상기 프리즘에 제공하는 폴리머 액츄에이터를 포함함-와,
    상기 제공된 에너지와 관련된 정성 파라미터를 검출하는 검출기와,
    초기 배치 광 정렬부터 적절한 광 정렬로 상기 관련된 광학적 구성요소를 움직이도록 상기 적어도 하나의 액츄에이터에 제어 신호를 제공하는 프로세서를 포함하며,
    상기 프로세서는 상기 검출된 정성 파라미터를 개선시키는 방식으로 상기 폴리머 액츄에이터를 조정하도록 또한 구성되며,
    상기 프리즘은 두 개의 실정성으로 투과성인 플레이트들 사이에 배치된 실정성으로 투과성인 낮은 모듈러스 재료를 포함하되, 상기 적어도 하나의 플레이트는 상기 플레이트들을 통과하는 빔이 상기 빔 전파 방향에 대해 직교하지 않는 표면으로부터의 굴절로 인해 방향을 변경하도록 적어도 하나의 폴리머 액츄에이터에 의한 움직임에 응답하여 다른 플레이트와 비-동일평면 관계를 이루도록 위치하고,
    상기 두 개의 플레이트가 서로에 대해 비-동일평면 관계로 위치할 때, 상기 실정성으로 투과성인 낮은 모듈러스 재료는 상기 프리즘을 통과하는 빔이 단지 상기 플레이트들 및 상기 실정성으로 투과성인 낮은 모듈러스 재료를 통과하도록 상기 두 개의 플레이트들 사이에서 이용 가능한 공간에 적응되는
    광학적 어셈블리.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 복수의 광학적 구성요소 중 다른 하나는 광섬유를 포함하고,
    상기 광섬유와 관련된 적어도 하나의 액츄에이터는 상기 광섬유의 하나의 단부를 적어도 하나의 방향으로 움직이도록 적응되는
    광학적 어셈블리.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 복수의 광학적 구성요소 중 다른 하나는 두 개의 광섬유 사이의 광에너지를 커플링하는 렌즈를 포함하되,
    상기 렌즈는 상기 렌즈와 관련된 초점이 적응되도록 적어도 하나의 액츄에이터에 의한 움직임에 응답하여 변형 및/또는 병진되는
    광학적 어셈블리.
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