KR101097624B1 - 마이크로 광학 시스템 - Google Patents

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매튜 크리스티안 닐센
삼히타 다스굽타
로버트 존 필킨스
글렌 알란 포맨
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제너럴 일렉트릭 캄파니
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Abstract

본 발명은 전기 및 광학 상호 접속, 열적 및 기계적 조립체 및 전자, 광전자, 수동 및 능동 소자를 위한 플랫폼 기술로서 신규한 광학 시스템을 제공한다. 이 플랫폼은 마이크로파 전기, 광학 안내 및 비유도 파(unguided wave), 전력 또는 바이어스 전기 접촉 또는 가요성 회로, 리지드 또는 비가요성 실시예에서의 신규한 칩에 의한 인터페이스에 의한 칩간 상호 접속 및 광결합을 제공한다.

Description

마이크로 광학 시스템{INTEGRATED MICRO OPTICAL BENCH WITH FLEXIBLE DIELECTRIC SUBTRATE}
본 발명은 광집적 회로에 관한 것으로서, 특히 광전자 조립체를 지지하는 집적 마이크로 광학대(optical bench)에 관한 것이다.
서버 백플레인(server backplane), 의료 광학 센서 어레이 및 범용 통신 시스템과 같은 응용분야에서 광학 시스템을 생성하기 위해 다수의 분리형(discrete) 및 집적형(integrated) 광학 및 전자 부품을 통합하는 방안이 요구된다. 이들 시스템은 신호를 생성하여 제어하는데 필요한 다수의 부품 및 보다 많은 수의 상호접속부를 요구하는 전기 및 광학 신호 및 그러한 제품에 소요되는 신호 무결성을 생성한다.
통상의 광학 및 전자 조립체는 물리적으로 독립적인 별개의 패키지를 사용하기 때문에 상당한 비용, 재료, 크기 및 무게를 시스템에 추가시킨다. 이들 독립적인 패키지는 주위 또는 서로 간의 상호작용을 방지하는 밀봉 금속 및 세라믹 외피를 포함한다. 부품들 사이의 상호접속 및 커넥터는 신뢰성 문제를 추가한다. 별 도의 히트 싱크가 열 차단을 할 수 있지만 크로스토크 및 EMI를 일으키는 긴 물리적 경로를 생성한다. 광학 상호접속은 물리적 거리 및 커넥터로 인한 손실을 감당하기 위해 정렬 및 렌즈를 요구하며, 물리적 거리 및 커넥터로 인한 손실을 감당하기 위해 추가 증폭이 요구된다. 실리콘 광학대(SOB)라고 하는 실리콘 상에 생성된 복합 하이브리드(complex hybrid)가 이 문제를 해결하기 위해 시도하지만, 재료 유형, 매칭 특성, 두께 및 마이크로파에 대한 유전체 호환성 및 광학 요건에 있어 한계가 있다. 통상, 그러한 SOB는 수천 개의 접속을 집적하는데 사용되기보다는 오히려 접속 전선(pigtail)에 사용된다.
따라서, 종래기술에서 집적 마이크로 광학대 상으로 고유 특성을 집적시킴으로써 전력 문제 없이 광전자 소자 내의 전기 및 광학 상호 접속부 모두에서 높은 신호 품질을 획득하기 위한 요구가 이어지고 있다.
광전자 조립체를 지지하는 집적된 마이크로 광학대와 같은 마이크로 광학 시스템은 리지드 기판(rigid substrate)과 리지드 기판으로부터 간격을 두고 배치된 서멀 기판(thermal substrate)을 포함한다. 광학 신호를 생성하는 광전자 집적 회로가 리지드 기판 상에 배치된다. 적어도 광 신호의 일부를 모니터링하는 전력 모니터링 유닛이 리지드 기판 상에 배치되어 광전자 집적 회로와 신호 통신한다. 광학 기판의 온도를 모니터링하는 서미스터가 리지드 기판 상에 배치된다. 광전자 회로를 구동하는 전자 구동기가 서멀 기판(thermal substrate) 상에 배치되고 제어 유닛이 또한 이 서멀 기판 상에 배치된다. 제어 유닛은 전력 모니터링 유닛과 서미스터와 신호 통신하며 구동기를 제어한다. 적어도 하나의 폴리머 기판이 전자 구동기, 제어 유닛, 전력 모니터링 유닛, 광전자 회로 및 서미스터를 덮도록 배치된다. 복수의 패터닝된 금속화층이 적어도 하나의 폴리머 기판 상에 배치되어 전자 구동기, 제어 유닛, 전력 모니터링 유닛, 광전자 회로 및 서미스터를 전기적으로 상호 접속한다.
이 신규한 마이크로 광학대는 전하 결합 소자(CCD; charge coupled device) 센서 어레이 또는 빔포밍(beamforming) 애플리케이션을 위한 광학 안테나와 같은 많은 광전자 기반의 시스템에 적용될 수 있다. 고속 디지털, 혼합 신호, 아날로그, 최적의 반도체로 이루어진 제어 및 광전자 회로를 한 곳에 모아 집적하는 능력은 함께 집적된 광학 및 도전체, 도파관 및 본 발명의 비유도파(unguided wave) 상호접속에 의해 해결된다. 캡처각으로서 렌즈를 회피하고, 각도 오정렬을 감소시키고, 불완전한 결합에 의한 외부 손실을 감소시키는 초근접 집적(ultra-close proximity integration)에 의해 광 감쇠가 감소한다.
신규한 마이크로 광학대는 전기 및 광학 상호접속, 열적, 기계적 조립체를 위한 플랫폼 기술로서 설명하며, 전자, 광전자, 수동 및 능동 소자의 집적이 제공된다. 이 플랫폼은 마이크로파, 전기, 광학 안내 및 비유도 파(unguided wave), 전력 또는 바이어스 전기 접촉 또는 가요성 회로, 리지드 또는 비가요성 실시예에서의 신규한 칩에 의한 인터페이스에 의해 칩간 상호 접속 및 광결합을 제공한다. 이 프로세스는 광학적으로 부합적인 웨이퍼 캐리어(compliant wafe carrier)를 형성하고, 비실장형(unmounted) 또는 탈착형 베어 컴포넌트(submounted bare component)를 이용하는 전기 접촉부 및 광학 인터페이스에 상호접속하기 위한 조립 및 처리 방법을 제공한다.
고유 절연 전자 재료 유전체를 사용하여 광의 동일 평면의 인접하거나 또는 직접 결합된 모드 전파를 획득하기 위해 증착, 집적, 조립 또는 빌트업을 이용하여 자유 공간에 의한 근접 결합, 매칭 인덱스 결합 재료 또는 순수 광학 또는 광전자 부품 레벨에서 광 방출 또는 수신 지점에서 제공된 안내 수단(파이버, 도파관)이 제공된다.
도전성 상호 접속을 요구하는 함께 결합된 전기 제어, 피드백, 증폭 또는 구동 및 바이어스 회로는 광학 재료 매체를 이용하는 집적된 동일 평면의 마이크로파 또는 바이어스 트랙 또는 전기 도전체에 대한 유전체와 같은 절연체로서 제공된다. 균일한 열 인터페이스, 관리 및 격리 메커니즘은 인접 부품들이 유전성 절연, 열전기 냉각 분리 및 마이크로파이프 순환의 분리에 의해 완벽한 차단 상태에서 독립적으로 동작하도록 한다. 본 발명은 높은 충실도를 얻기 위해 원치 않는 전자기 간섭(EMI) 신호의 페러데이 차단 및 통상의 회로 구조의 스테이지 사이의 광학 상호 접속의 통합을 예시한다.
본 발명은 특히 단일 플랫폼 내에 이종의 구조를 이용하여 높은 신뢰도를 요구하는 고유한 특징을 통합함으로써 전력 문제 없이 전기 및 광학 상호 접속 모두에 있어 높은 신호 품질을 달성하는 것을 다룬다. 저전력에서 원하는 비트 에러율(BER)을 달성하면, 상보형 금속 산화물 반도체(CMOS)로 보다 높은 감도 및 보다 양호한 집적을 가능하게 될 것이다.
도 1은 광전자 회로를 지지하는 집적 마이크로 광학대의 3차원 도면.
도 2는 송신기로서 도 1의 집적 마이크로 광학대의 각 구성요소의 3차원 도면.
도 3은 도 1의 집적 마이크로 광학대의 평면도.
도 4는 도 1의 집적 마이크로 광학대의 단면도.
도 5는 도 1의 집적 마이크로 광학대의 단면도.
도 6은 도 1의 집적 마이크로 광학대의 부분 단면도.
도 7은 도 1의 집적 마이크로 광학대의 단면도.
도 8은 레이저의 출구 개구에 환형 광검출기를 구비하는 수직 공동 표면 발광 레이저를 도시한 도면.
도 9는 도파관에 광을 결합하는 환형 광검출기(여기서는 광검출기가 도파관으로부터 광을 수신함)를 구비하는 수직 공동 표면 발광 레이저의 일부를 도시한 도면.
도 10은 수직 공동 표면 발광 레이저의 단면도.
도 11은 도 9의 수직 공동 표면 발광 레이저의 단면도.
도 12는 플립 칩 구성의 볼 그리드 어레이 및 광학 복 그리드 어레이를 포함하는 도 1의 집적 마이크로 광학대의 일부를 도시한 도면.
도 13은 플립 칩 구성의 볼 그리드 어레이를 포함하는 도 1의 광학대의 일부를 도시한 도면.
도 14는 코너 큐브 반사기(corner cube reflector)로서 광학 볼 그리드 어레이를 도시한 도면.
도 15(a)는 평면 미러로서 광학 볼 그리드 어레이를 도시한 도면.
도 15(b)는 곡면 미러로서 광학 볼 그리드 어레이를 도시한 도면.
도 16은 광학 신호를 변조하는 집적 광전자 회로의 개략도.
도 17은 플렉서블 유전체 기판 내의 홀을 통해 본 단면도.
도 18은 광 검출기 어레이 및 인접한 광학 도파관을 구비한 수직 공동 표면 발광 레이저의 단면도.
도 19는 플립칩 구성의 광 검출기 어레이 및 인접한 광학 도파관을 구비한 수직 공동 표면 발광 레이저의 단면도.
도 1, 2, 3을 참조하면, 광전자 조립체 또는 회로를 지지하는 집적 마이크로 광학대와 같은 마이크로 광학 시스템이 일반적으로 100으로 표시되어 있다. 집적 마이크로 광학대(100)는 예를 들어 알루미나 세라믹 또는 실리콘 기판을 포함하는 리지드 기판(128)을 포함한다. 서멀 기판(130)은 리지드 기판(128)으로부터 공간을 두고 배치된다. 리지드 기판 및 서멀 기판(128, 130)은 188에서 대략 25 마이크론 떨어져 있다. 참조 번호(188)로 표시된 공간은 빈 공간으로 남을 수도 있고 또는 가요성이며 열적으로 비도전성인 충진재 재료로 채워질 수도 있다. 광전자 집적 회로(OEIC)(108)는 리지드 기판(128) 상에 위치하며 출력 광학 신호(124)를 제공하는 지속파(continuous wave) 또는 펄스 레이저(pulsed laser)(114)를 포함할 수도 있다. 지속파(CW) 또는 펄스 레이저(114)는 예를 들어 분산 피드백(DFB; distributed feedback) 레이저, 파브리-페로(Fabry-Perot))(FP) 레이저, 수직 공동 표면 발광(VCSEL) 레이저와 같은 표면 발광 레이저, 에지 발광 레이저 또는 기타 적절한 레이저 다이오드를 포함한다. 이러한 레이저는 정면, 후면, 측면, 상부 및 비스듬한 패싯(facet) 발광을 포함하는 것으로 예상된다. OEIC(108)는 또한 레이저(114)의 출력 광학 신호(124)를 변조하는 전자 흡수 변조기(EAM)(118)를 포함할 수도 있다. 전력 모니터링 유닛(106)(예를 들면, PIN 광다이오드, 애벌랜치 광다이오드(APD))은 리지드 기판(128) 상에 위치한다. 전력 모니터링 유닛(106)은 116에서 광전자 집적 회로와 신호 통신하여 레이저(114)의 후면 패싯으로부터 조사된 출력 광학 신호(116)의 일부분의 세기를 측정하여 광전자 회로(108)의 출력 성능을 모니터링한다. 서미스터(140)는 리지드 기판(128) 상에 배치되어 그 온도를 모니터링한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 광전자 집적 회로(OEIC)(108)는 출력으로서 펄스 또는 지속파 광학 신호(124)를 제공하는데, 이 신호는 광섬유(184)(도 5 참조)와 같은 도파관 또는 기타 광학 디바이스로 전송될 수도 있다. 또한, 도 3에서, 전자 구동기(102)는 출력으로서 세 개의 구동 신호(122, 126, 252)를 제공한다. 구동 신호(122)는 레이저(114)가 지속파 광학 출력 신호(124)를 생성하도록 하는 DC 바 이어스 신호이다. 또는 구동 신호(122)(주입 전류)는 OEIC(108)가 발광 다이오드(LED) 상태와 레이저 다이오드(LD) 상태 사이에서 변조하게 하는 직접 변조 신호일 수 있다. 구동 신호(126)는 전자 흡수 변조기(EAM)(118)를 구동시키는 전기 신호이다. 구동 신호(252)는 전자-광학 변조기(후술함) 내에서 광학 신호를 변조하는 RF 변조 신호이다.
도 1, 2, 3을 계속해서 살펴보면, 모노리식 집적 회로(MMIC)와 같은 전자 구동기(102)를 포함하는 마이크로칩(180)이 서멀 기판(130) 상에 배치되어 있다. 전자 구동기(102)는 구동 신호(122, 126, 252)를 광전자 회로(108)에 제공한다. 제어 유닛(104)은 서멀 기판(130) 상에 위치하여 194에서 전력 모니터링 유닛(106)과 신호 통신하고 192에서 서미스터(140)와 신호 통신하며, 이에 따라 전자 구동기(102)를 제어한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 복수의 패터닝된 금속화층 또는 트레이스(136)가 전자 구동기(102) 및 광전자 집적 회로를 상호접속한다. 패터닝된 금속화층(136)은 또한 전력 모니터링 제어 유닛(106), 서미스터(140), 제어 유닛(104) 및 기타 마이크로 광학 시스템(100)의 구성요소를 상호접속한다. 또한, 도 1(및 도 4, 5, 6, 7 참조)에 도시된 바와 같이, 전자 구동기(102), 제어기(104), 전력 모니터링 유닛(106), 광전자 집적 회로(108), 서미스터(140), 리지드 및 서멀 기판(128, 130) 및 금속화층의 조립체를 위에서부터 덮어서 그 내부에 매립하도록 또는 이 조립체의 아래로부터 덮도록(예를 들면, 아래쪽을 묶도록) 제 1 가요성 폴리머 기판(132)이 배치된다. 또한 도 1(및 도 4, 5, 6, 7 참조)에 도시된 바와 같이, 제 2 가요성 폴리머 기판(186)이 제공될 수도 있다.
가요성 폴리머 기판(132, 186) 및 전자-광학 변조기(146, 148) 내의 적절한 유기 재료의 예로는 폴리(아크릴레이트), 폴리(메틸 메타크릴레이트)(PMMA)와 같은 폴리(알킬메타크릴레이트), 폴리(테트라플루오로에틸렌)(PTFE), 실리콘 및 전술한 유기 재료 중 적어도 하나를 포함하는 혼합물이 있으며, 여기서 알킬 그룹은 하나 내지 약 12 개의 탄소 원자를 포함한다. 가요성 폴리머 기판(132, 186)은 또한 KAPTON과 같은 폴리이미드 폴리머와 같은 폴리머를 포함할 수도 있다. 리지드 기판(128) 및 서멀 기판(130)이 가요성의 열적으로 비도전성 충진재 재료에 의해 서로 치환되거나 또는 결합되는 별개의 구성요소라는 사실과 유전체 폴리머 기판(132, 186)의 가요성 성질을 결합하면, 집적 마이크로 광학대(100)는 리지드 및 서멀 기판(128, 130)과 그 위에 위치한 구성요소 사이에 완벽한 휨(flexure)을 이룰 수 있다. 이것은 도 4에 도시되어 있다.
집적 마이크로 광학대(100)의 설명으로부터 가장 잘 이해할 수 있듯이, 리지드 기판(128)은 광전자 집적 회로(108) 내에 최적의 정확한 정렬을 위한 리지드 플랫폼을 제공한다. 서멀 기판(130)은 제어 유닛(104) 및 전자 구동기(102)에 의해 생성된 열을 집적 마이크로 광학대(100)로부터 방산하는 열 교환기와 비슷한 성질의 플랫폼을 제공한다. 이 목적을 위해, 두 개의 물리적으로 인접한 기판(128, 130) 사이의 경계부(188)에 의해 전자 구동기(102) 및 안정된 광전자 기기에 의해 생성된 높은 열 에너지 사이의 열 차단이 이루어진다. 전자 구동기(102) 및 OEIC(108)는 이들 반대의 열 경로의 방향을 바꾸는 마이크로파이프와 같은 도체에 의해 가능해진 별개의 열 경로를 갖는다.
도 4를 참조하면, 집적 마이크로 광학대(100)는 가요성 유전체 기판(132, 186) 중 한 기판 상에 위치하거나 그 내부에 매립된 도파관(146, 148)과 같은 폴리머 광전자 소자 및 광학 집적 회로로부터 광학 신호를 수신한다. 폴리머 광 전자 도파관(146, 148)은 예를 들어 도 16에 보다 상세히 설명하는 마흐-첸더 간섭계(MZI; Mach-Zehnder interferometer)와 유사하다. 여기서 접지 전극(198)은 MZI(146)의 하나의 브랜치(212)를 따라서 위치하고, 신호 전극(142)은 접지 전극(198) 반대쪽에 브랜치(212)를 따라서 위치한다. 도 16에서, MZI(146)는 OEIC(108)로부터 광학 신호(124)를 수신하는 입력 채널(208)을 포함한다. 빔 스플리터(214)는 광학 신호(124)를 두 개의 빔(254, 256)으로 분할하고, 이들을 제 1 브랜치(210) 및 제 2 브랜치(212)를 각각 따르도록 전송한다. 도 16의 실시예에서, 전극(142, 198)은 MZI(146)의 브랜치 중 하나에 대해 서로 반대쪽에 위치한다. 또는, 복수의 접지 전극(198)이 제 1 브랜치(210) 및 제 2 브랜치(212)를 따라서 별도로 위치하고, 전극(142)은 제 1 브랜치(210) 및 제 2 브랜치(212) 사이에서 이들 브랜치를 따라서 위치할 수도 있다.
도 3, 4, 5 및 7을 참조하면, 집적 마이크로 광학대(100)는 출력 광학 신호(124)를 편광시키는 적어도 하나의 편광기(134), 출력 광학 신호(124)를 시준하는 시준기(150) 및 프리즘 또는 미러와 같은 빔 반사기(144)를 포함하는 광학 시스템(176)을 더 포함한다. 광학 시스템(176)은 광전자 집적 회로(108)로부터 광학 신호(124)를 수신하고 그에 따라 광학 신호(124)를 조절하거나 형상화하여 전자-광학 도파관(146, 148)으로 전송하도록 동작한다. 광학 시스템(176)은 정확한 반사각을 제공하는 모드 변환과 같은 정정 기능을 제공하여 출력 광학 신호(124)를 MZI(146, 148) 또는 도파관(184)에 결합시킨다. 도 5 및 6에 도시된 바와 같이, 집적 마이크로 광학대(100)는 또한 광학 신호(124)가 OEIC(108)(또는 광학 시스템(176))으로부터 광섬유(184)와 같은 도파관(184)에 결합되는 경우에 인덱스 매칭 폴리머 또는 유리(152)를 포함할 수도 있다. 또는, 그러한 인덱스 매칭 재료를 이용하는 대신에 OEIC(108)(또는 광학 시스템(176))과 도파관(184) 사이에 자유 공간 광학 경로가 있을 수도 있다.
도 8 내지 14, 18 및 19에서, OEIC(108)는 수직 공동 표면 발광 레이저(VCSEL)(110)와 같은 표면 발광 레이저를 포함한다. 환형 광 검출기(154)가 VCSEL(110)의 출구 개구(168) 주위에 배치된다. 도 9에서, VCSEL(110)은 출력으로서 광섬유와 같은 도파관(184)으로 전송되는 광학 신호(112)를 제공한다. 테스트 상태에서, 예를 들면 광 검출기(154)는 반사된 반환 테스트 신호(158)를 도파관(184)으로부터 수신하여 VCSEL(110)의 동작을 모니터링한다. 또는 신호(158)는 도파관(184)로부터 직접 수신된 신호일 수도 있다. 어느 경우든 마이크로 광학 시스템(100)은 양방향 방식(예를 들면, 송신 및 수신)으로 작동하도록 동작한다. 도 9에서, 제 1 및 제 2 가요성 유전체 기판(132, 186)은 비아 홀(156, 178)을 포함한다. 비아 홀(178)은 금속화층(136)에 접속된 금속화층(170)을 포함한다. 도 17에 도시된 바와 같이, 마이크로 광학 시스템은 복수의 비아 홀(156, 178)을 포함한다. 제 1 비아 홀(156)은 제 1 가요성 유전체 기판(132) 내에 있고, 제 2 비아 홀(178)은 축(402)을 따라서 제 1 비아 홀(156)과 정렬된 제 2 가요성 유전체 기판(186) 내에 있다. 제 1 및 제 2 비아 홀(156, 178)은 축(402)에 대해 측정된 각 θ로 한정되는 원뿔형이다. θ의 통상적인 값은 약 25도 내지 35도 이다. 제 1 비아 홀(156)은 그 표면 상에 금속화 밴드(또는 층)(408)를 포함한다. 금속화 밴드(408)는 제 1 비아 홀(156)의 표면(410) 상에 복수의 금속화 밴드를 포함한다. 복수의 금속화 밴드(408, 410)는 복수의 금속화 밴드(408, 410) 사이에 위치한 금속화되지 않은 밴드(406)를 포함하며, 따라서 금속화 밴드 및 금속화되지 않은 밴드(406, 408, 410) 세트를 교대로 형성하는데, 여기서 VCSEL(110)로부터 발산된 광(112)이 제 1 유전체 기판(132)으로 누설되는 것이 차단되고, 도파관 또는 다른 디바이스로부터 발산된 광(174, 196)은 금속화되지 않은 밴드(406)를 통과할 수도 있다. 금속화는 도전성 재료의 박막 패턴을 유전체 기판(132, 186) 또는 그 표면에 증착하여 마이크로 광학 시스템의 전자 부품의 상호 접속을 제공하는 것이다. 비아 홀(156) 내의 금속화 밴드(408, 410)는 전기적 기능을 갖지 않는다는 점에 유의하라.
도 12, 13, 19에서, 집적 마이크로 광학대(100)는 리지드 기판(128) 및 제 1 및 제 2 가요성 유전체 폴리머 기판(132, 186) 사이에 직접 전기 및 기계적 접속을 형성하는 플립칩 구성 내에 볼 그리드 어레이(BGA)(172)를 더 포함한다. 플립 칩 구성에서, OEIC(108)는 한쪽에 범프 접촉부 형태의 종단부 또는 비즈 유형의 패드를 포함하여, 리드선을 요구된 회로 상호접속기에 접속시킴으로써 OEIC(108)를 플립 또는 페이스 다운 실장을 할 수 있게 한다.
또한, 집적 마이크로 광학대(100)는 VCSEL(110)의 출력 광학 신호(112)와 같은 광학 신호를 마이크로 광학대(100) 내의 다른 디바이스 또는 광섬유(184)와 같 은 외부 디바이스에 결합하는 광학 볼 그리드 어레이(OBGA)(164)를 더 포함한다. 광학 볼 그리드 어레이(OBGA)는 표면 실장 기술(SMT)을 이용하여 광전자 디바이스들 사이에서 광전자 입력/출력(I/O)을 결합하는 구조이다. 도 12, 13, 19에서, OBGA(164)는 예를 들어 자유 공간, 도파관(예를 들면, 폴리머 또는 실리콘 상의 실리카) 또는 광선(또는 신호)을 운반하거나, 전송하거나 안내하기에 적합한 광학 매체를 포함할 수도 있는 캡슐화 부피를 포함한다. OBGA(164)는 VCSEL(110)로부터 마이크로 광학대(100) 내의 다른 광학 또는 전자 디바이스로 출력 광학 신호(112)를 결합시키거나, 반사하거나 또는 전송한다. OBGA(164)는 프로그램 가능한 편향 표면(예를 들면, 전자 제어 하의 변형가능한 미러)과 같은 전력 내부 마이크로 전기기계 구조(MEMS)에 대해 전기 바이어스 핀 또는 상부/하부 실장을 갖는 구 또는 타원 형상일 수도 있다. OBGA(164)는 오염물 및/또는 주위의 영향으로부터 보호되는 상호 접속부를 형성하는데 이것은 또한 마이크로 광학대(100)의 광학 소자 및 광전자 소자가 적절하게 정렬할 수 있도록 부합된다. OBGA(164) 구조는 평면 미러(도 15(a)의 322) 또는 포물선 미러(도 15(b)의 324) 또는 그 내부에 개구(316)를 구비한 의도적으로 오정렬된 마이크로머신 코너 큐브 역반사체(CCR)(도 14의 306)와 같은 반사 표면에 충돌하는 광선의 일부를 포함할 수도 있다.
OBGA(164)의 변형가능한 CCR 실시예(도 14)는 오목한 코너 큐브(306)를 형성하는 세 개의 서로 수직인 반사 표면 또는 미러(310, 312, 314)를 이용하여 OBGA(164)로 입사하는 광(112)이 적어도 부분적으로 반사되도록 한다. 개구(316)는 광의 제 1 부분(320)이 통과하도록 최적화되며, 광의 제 2 부분(318)은 정전기 액츄에이트터에 의해 CCR(306)을 의도적으로 변형시키거나 경사지게 함으로써 반사된다. CCR(306)의 제 1 패싯(310)은 수평으로부터 약 60도 내지 75도의 각을 이루며, 제 2 패싯(312)은 약 45도의 각을 이룬다. 다른 각들은 OBGA(164) 외부에 표면을 결합시킴으로써 요구되는 바와 같이 반사를 제공한다. 개구(316)는 고 효율 및 고 에너지 통과 효과를 갖는 비례 에너지 반사기를 위해 반사가 최적으로 선택되도록 허용한다. 광전자 소자의 패싯으로부터 발산되거나 또는 면 상에 충돌하는 광자는 OBGA(164)에 의해 안내되거나 전송되어 매우 정확한 광학 정렬을 따라서 크로스토크를 낮게 하고 신호 감쇄를 낮게 할 수 있다.
도 14에서, OBGA는 일반적으로 300으로 표시되어 있다. OBGA(300)는 인덱스 매칭된 겔, 접착제 또는 에폭시(308)로 둘러싸인 조정가능한(예를 들면, 경사질 수 있는) CCR(306)을 포함한다. CCR(306)은 서로 수직인 패싯(310, 312) 세트를 포함한다. 하나의 패싯은 개구(316)를 포함한다. CCR(306)은 VCSEL(110)로부터 발산되는 광(112)을 수신한다. 광 출력의 제 1 부분(320)은 개구(316)를 통과하고, 제 2 부분(318)은 패싯(310, 312)에 의해 광검출기(154)로 반사된다. CCR(306)을 베타각으로 경사지게 함으로써, 광의 제 1 부분(320)은 개구(316)를 통과할 수 있고, 광 신호의 나머지 부분(318)은 검출기(154)로 반사될 수 있다. OBGA는 별개의 또는 결합된 VCSEL/PIN 디바이스(154)와 함께 광학 신호를 모니터링하거나 변조를 검출하기 위한 것이며, 이들 디바이스는 그렇지 않으면 단일 디바이스 내에 결합되거나 인접한다.
변형가능한 열가소성 또는 기타 변형가능한 열적 효과 또는 변형가능한 미러 표면이 CCR(306)을 포함할 수도 있다. 전형적인 볼 그리드 어레이(BGA)의 크기는 단순히 리소그래피를 추가로 개선한 경우에 허용되는 마이크로 소형화를 나타내는 칩 규모 및 웨이퍼 규모의 실시예를 형성하는 마이크로 수준일 수도 있다. MEMS 구조에서의 변형 가능성 또는 다른 재료는 표면 프로파일의 변화를 유도하고 재료의 활성 바이어스 또는 열적 활성화를 포함한다. 여기서는, 의도적으로 하나 이상의 CCR 표면(310, 312, 314)을 오정렬함으로써, 100%의 이용가능한 신호의 세기를 모니터링할 필요없이 광학 출력 신호(112)의 비의 모니터링 함수를 제공할 수 있다. OBGA(164)의 정적(1회 설정) 및 동적 조정에 의해 주위 환경 또는 마이크로 광학대(100)에 의해 유도된 스트레스를 그 수명에 걸쳐 광학 조정을 할 수 있다.
따라서, 전술한 설명에 기초하여, 신규한 마이크로 광학대를 개시하였다. 그 구성요소는 기계적인 광학 축을 정렬하고 최소 재료 분산으로 모드 커플링함으로서 높은 결합비 및 저손실에 최적인 신규한 플랫폼 상에 위치하는 레이저 다이오드 기반의 송신기 및 광다이오드 수신기를 포함하는 광학 통신 트랜시버 기능을 포함한다. 제공된 매체 내에서의 모드 분산 커플링 및 모드 필드 직경을 일치시킴으로써 모드 잡음이 억제된다. 조정된 같은 장소에 배치된 유전체 및 전파 매체(광학 코어 또는 도전체)에 의해 광학 또는 전기 접속으로부터 디바이스에 도달하는 전자기파가 일치되어 모드 선택 손실 효과를 감소시킨다. 개구수(numerical aperture)와 같은 디바이스 및 구조로부터 손실 용량에 영향을 주는 접근 파라미터(proximity parameter)는 또한 코어 또는 검출기 개구를 초과하기 전에 인접 접속 내에 광의 각 확산(angular spread)을 캡처하는 것에 의해 처리된다. 높은 전기 구동기 열 에너지와 안정한 광전자 기기 사이의 열 차단은 이들 대향 서멀 프론트의 방향을 변화시키는 마이크로 파이프와 같은 전도(conduction)에 의해 가능해진 별도의 열 경로를 갖는 두 개의 물리적으로 인접한 기판 사이의 최소화된 경계에 의해 제공된다. 고품질 전기 경로 매칭은 제어된 임피던스 경로의 오버레이에 의해 이루어진다. 낮은 커넥터 저하는 동일 평면의 직접 금속화 및 디바이스와의 이러한 상호 접속부를 캡슐화하거나, 방사하거나, 조명하거나 브리징하는 폴리머, 공기 또는 기타 유전체 시스템에 의한 최소화된 광학 반환 손실에 의해 제공된다. 디바이스 또는 결합 표면에 대해 직교하거나 수직하거나 또는 오드 각(odd angle)의 디바이스 또는 구조물로부터의 광 방사는 최소 또는 제로 크기의 그러한 상호접속에 의한 손실로 결합된다.
제 1, 제 2 등의 참조 부호, 또는 전방 또는 후방, 좌측 또는 우측, 상부 또는 하부, 상위 또는 하위, 수평 또는 수직, 또는 다른 객체, 양 또는 변수에 대한 한 객체, 양 또는 변수의 상대적인 위치를 나타내는 임의의 다른 상태는 특별한 언급이 없는 한, 설명의 편의를 위한 것이지 본 발명을 제한하거나 또는 그 구성요소를 어느 한 위치, 공간, 시간적 방향으로 제한하는 것은 아니다. 첨부한 도면의 구성요소의 모든 크기는 본 발명의 범주로부터 벗어나지 않고 설계 및 실시예에 따라 변할 수 있다.
이상 여러 실시예를 참조하여 본 발명을 설명하였지만, 당업자들은 본 발명의 범주로부터 벗어나지 않고 다양한 변경이 이루어질 수 있으며 구성요소를 등가 요소로 대체할 수 있음을 알 수 있을 것이다. 또한, 본 발명의 범주를 벗어나지 않고 많은 변형들이 본 발명의 사상에 따라 특정한 상황 또는 재료에 맞게 채택될 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명은 본 발명을 수행하기 위한 최선의 방법으로서 제시한 특정한 실시예에 한정되지 않고, 본 발명은 첨부한 청구범위 내에 포함되는 모든 실시예를 포함한다는 점에 유의하라.

Claims (28)

  1. 마이크로 광학 시스템에 있어서,
    리지드(rigid) 기판(128)과,
    상기 리지드 기판(128)으로부터 이격되어 있는 서멀(thermal) 기판(130)과,
    상기 리지드 기판(128) 상에 배치된 광전자 집적 회로(108)와,
    상기 서멀 기판(130) 상에 배치되어 상기 광전자 집적 회로(108)를 구동하는 전자 구동기(102)와,
    상기 전자 구동기(102), 상기 광전자 집적 회로(108), 상기 서멀 기판(130) 및 상기 리지드 기판(128)을 오버레이하여 그 내부에 포함되도록 배치된 가요성 유전체 기판(132)을 포함하되,
    상기 광전자 집적 회로(108)는 광학 출력 신호(124)를 생성하는 레이저(114)를 포함하는
    마이크로 광학 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 가요성 유전체 기판(132)은 복수의 비아 홀(156, 170)을 포함하는
    마이크로 광학 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 가요성 유전체 기판(132) 상에 배치되어 상기 복수의 비아 홀(182)을 통해 상기 전자 구동기(102)와 상기 광전자 집적 회로(108)를 전기적으로 상호접속하는 복수의 패터닝된 금속화층을 더 포함하는
    마이크로 광학 시스템.
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 광학 출력 신호(124)를 변조하는 전자 흡수(electroabsorptive) 변조기(118)를 더 포함하는
    마이크로 광학 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 광학 출력 신호의 일부를 수신하여 상기 광학 출력 신호(124)를 모니터링하는 전력 모니터링 유닛(106)을 더 포함하는
    마이크로 광학 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 서멀 기판(130) 상에 위치하며 상기 전력 모니터링 유닛(106)과 신호 통신하여 상기 구동기(102)를 제어하는 제어 유닛(104)을 더 포함하는
    마이크로 광학 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 전자 구동기(102)는 마이크로파 모노리식(monolithic) 집적 회로를 포함하는
    마이크로 광학 시스템.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 가요성 유전체 기판(132)과 상기 리지드 기판(128) 사이에 배치된 광학 볼 그리드(164) 어레이를 더 포함하는
    마이크로 광학 시스템.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 광학 볼 그리드 어레이는
    상기 광학 출력 신호(124)를 수신하는 인덱스 매칭 재료(index matching material)와,
    상기 광학 출력 신호(124)를 재배향하는(redirecting), 상기 인덱스 매칭 재료 내에 캡슐화된 반사 표면을 포함하는
    마이크로 광학 시스템.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 반사 표면은 평면 미러를 포함하는
    마이크로 광학 시스템.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 반사 표면은 곡면 미러를 포함하는
    마이크로 광학 시스템.
  13. 제 9 항에 있어서,
    상기 광학 볼 그리드 어레이는
    상기 광학 출력 신호(124)를 수신하는 인덱스 매칭 재료와,
    상기 광학 출력 신호(124)를 안내하는(guiding), 상기 인덱스 매칭 재료 내에 캡슐화된 도파관을 포함하는
    마이크로 광학 시스템.
  14. 제 9 항에 있어서,
    상기 광학 볼 그리드 어레이는
    상기 광학 출력 신호(124)를 수신하는 인덱스 매칭 재료와,
    상기 광학 출력 신호(124)를 회절시키는, 상기 인덱스 매칭 재료 내에 캡슐화된 회절 광학 소자(174)를 포함하는
    마이크로 광학 시스템.
  15. 제 10 항에 있어서,
    상기 반사 표면은 코너 큐브 반사기(corner cube reflector)(306)를 포함하는
    마이크로 광학 시스템.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 코너 큐브 반사기는
    복수의 서로 수직인(perpendicular) 반사 표면(310, 312, 314)과,
    상기 복수의 서로 수직인 반사 표면(310, 312, 314) 중 하나의 반사 표면에 배치되어 상기 광학 출력 신호(124)를 수신하는 개구(316)를 포함하되,
    상기 광학 출력 신호의 제 1 부분(318)은 상기 개구로부터 반사되고 상기 광학 출력 신호의 제 2 부분(320)은 상기 개구를 통과하여 진행하는
    마이크로 광학 시스템.
  17. 제 1 항에 있어서,
    상기 가요성 유전체 기판(132) 상에 위치하거나 또는 그 내부에 포함되어, 상기 광전자 집적 회로(108)로부터 상기 광학 출력 신호(124)를 수신하는 전자-광학 도파관(146, 148)과,
    상기 전자-광학 도파관(146, 148)을 따라 배치된 접지 전극(198)과,
    상기 전자-광학 도파관(146, 148)을 따라 상기 접지 전극(198)과 대향하도록 배치되며, 상기 전자 구동기(102)로부터 변조 신호(252)를 수신하여 상기 전자-광학 도파관(146, 148)에서 상기 광학 출력 신호(124)를 변조하는 신호 전극(142)을 더 포함하는
    마이크로 광학 시스템.
  18. 제 1 항에 있어서,
    편광기, 시준기 또는 빔 반사기를 포함하는 광학 시스템(176)을 더 포함하되,
    상기 광학 시스템(176)은 상기 광전자 집적 회로(108)로부터 상기 광학 출력 신호를 수신하여 전자-광학 도파관(146, 148)으로 상기 광학 출력 신호를 보내도록 동작하는
    마이크로 광학 시스템.
  19. 제 1 항에 있어서,
    상기 광학 기판(128)의 온도를 모니터링하는, 상기 리지드 기판(128) 상에 배치된 서미스터(thermistor)(140)를 더 포함하는
    마이크로 광학 시스템.
  20. 제 1 항에 있어서,
    상기 가요성 유전체 기판(132)은 폴리아미드 폴리머를 포함하는
    마이크로 광학 시스템.
  21. 제 1 항에 있어서,
    상기 가요성 유전체 기판(132)은 폴리(아크릴레이트), 폴리(알킬메타크릴레이트), 폴리(테트라플루오로에틸렌)(PTFE), 실리콘 또는 그 혼합물을 포함하되, 상기 알킬 그룹은 1 내지 12 개의 탄소 원자를 포함하는
    마이크로 광학 시스템.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 폴리(알킬메타크릴레이트)는 폴리(메틸메타크릴레이트)를 포함하는
    마이크로 광학 시스템.
  23. 제 1 항에 있어서,
    상기 가요성 유전체 기판(132)은 복수의 가요성 유전체 기판(132, 186)을 포 함하는
    마이크로 광학 시스템.
  24. 제 23 항에 있어서,
    상기 복수의 비아 홀은
    제 1 가요성 유전체 기판(132) 내의 제 1 비아 홀(156)과,
    축을 따라서 상기 제 1 비아 홀(156)과 정렬되는, 제 2 가요성 유전체 기판(186) 내의 제 2 비아 홀(170)을 포함하는
    마이크로 광학 시스템.
  25. 제 24 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 비아 홀(156, 170)은 상기 축에 대해 측정된 각 θ를 이루는 원뿔대(truncated cone)의 성질인
    마이크로 광학 시스템.
  26. 제 23 항에 있어서,
    상기 제 1 비아 홀(156)은 상기 제 1 비아 홀(156)의 표면 상에 금속화 밴드 (metalized band)를 포함하는
    마이크로 광학 시스템.
  27. 제 26 항에 있어서,
    상기 금속화 밴드는 상기 제 1 비아 홀(156)의 표면 상의 복수의 금속화 밴드를 포함하는
    마이크로 광학 시스템.
  28. 제 27 항에 있어서,
    상기 복수의 금속화 밴드는 상기 복수의 금속화 밴드들 사이에 배치된 금속화되지 않은 밴드를 포함하는
    마이크로 광학 시스템.
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