KR101181501B1

KR101181501B1 - 마이크로-머신 구조들에 밀봉으로 패키징된 광 모듈

Info

Publication number: KR101181501B1
Application number: KR1020077008342A
Authority: KR
Inventors: 마르쿠스 빈터; 랄프 호페; 아른드 킬리안
Original assignee: 타이완 세미콘덕터 매뉴팩쳐링 컴퍼니 리미티드
Priority date: 2004-09-13
Filing date: 2005-09-12
Publication date: 2012-09-11
Also published as: KR20070064339A; JP2008512713A; WO2006030315A1; US20060072883A1; TW200623353A; US7543999B2; JP4809353B2; TWI385764B

Abstract

리드 및 베이스를 포함하는 마이크로 하우징(702)에 의해 밀봉된 광전자 요소(거울 및 렌즈)를 포함하는 광 모듈이 개시된다. 상기 광 모듈은 광 도파관을 갖는 광 어셈블리로 광 빔을 정렬시키기 위한 회전가능한 홀더(701) 상에 결합될 수 있다.

광전자 요소, 렌즈, 광 도파관, 광섬유, 광 어셈블리.

Description

마이크로-머신 구조들에 밀봉으로 패키징된 광 모듈{OPTICAL MODULE HERMETICALLY PACKAGED IN MICRO-MACHINED STRUCTURES}

관련 출원

본 출원은 2004년 9월 13일 출원된 미국가특허출원 제 60/609,285호의 우선권을 주장한다. 상기 가출원의 개시내용은 본원에서 참조문헌으로서 포함된다.

본 발명은 통합된 광-전자 요소를 갖는 광 모듈과 이러한 모듈을 포함하는 광 어셈블리들에 관한 것이다. 광 모듈은 방출된 광 빔을 시준(collimating)하거나 혹은 포커싱하는 렌즈와, 그리고 방출된 광 빔을 또 하나의 광 모듈에 정렬시키는 거울을 포함할 수 있다. 광 모듈은 하나 이상의 광 요소, 광전자 요소 및 전자 요소들을 포함할 수 있다.

본 발명은 또한 광 빔을, 광 도파관(waveguide)을 포함하는 광 어셈블리에 결합하는 방법에 관한 것이다.

반도체 또는 전자 집적회로들과는 달리, 광전자 요소들의 패키징은 습기가 패키지로 들어오는 것을 방지하기 위한 밀봉성뿐만 아니라 최대 광-결합 효율성을 달성하기 위한 광 요소들의 정밀한 정렬을 요한다. 통상적인 TO(트랜지스터-외형(Transistor-Outline)) 기술은 난해한(daunting) 문제로 광전자 설계자들을 주눅들게 하는데, 이는 이것이 정확한 정렬 및 밀봉성 모두를 제공하는 가능성을 제한하기 때문이다.

본 발명의 일 양상에 따르면, 광 모듈은 광전자 요소(렌즈와 거울)를 포함하는데, 이들 모두는 마이크로 하우징에 밀봉으로 통합된다. 마이크로 하우징은 광 요소들을 캡슐화하기 위한 리드(lid)와 베이스(base)를 포함한다. 리드는 광전자 요소에 의해 방출된 광의 파장들에 투명하며, 그리고 베이스는 실리콘 또는 기타 적합한 물질들로부터 만들어질 수 있다.

일 구현에서, 렌즈는 방출된 광을 거울로 지향시키기 위해 베이스 상에 장착된다. 또 하나의 구현에서, 렌즈는 리드와 통합되거나 혹은 베이스의 내부(interior of the base)로서 형성될 수 있다. 렌즈는 볼 렌즈, 플라노-콘벡스(plano-convex) 렌즈, 실린더형 경사 렌즈, Graded Index(GRIN) 렌즈 및 기타 회절성 광 요소들(DOEs)을 포함하지만, 이들에 국한되지 않는다.

또 하나의 양상에 따르면, 광 모듈상에 장착된 광전자 요소(렌즈와 거울)를 포함하는 광 모듈을 갖는 마이크로 하우징은 컷-아웃 영역을 갖는 구형 홀더상에 장착되는데, 여기서 상기 구형 홀더는 마이크로 하우징으로 하여금 적당한 정렬을 용이하게 한다. 접착제 또는 기타 부착 수단이 마이크로 하우징을 홀더에 고착시키는데 사용될 수 있다. 구형 홀더의 중심점 및 위치지정 공차들(positioning tolerances)로 인해 발생하는 광 모듈 내의 광 오정렬을 보상하도록, 마이크로 하우징이 회전하는 점이 (에러 마진 내에서) 일치할 수 있다.

또 하나의 양상에서, 광전자 요소가 광 도파관을 포함하는 광 어셈블리에 선택적으로 결합되는 광 모듈을 제공하는 방법이 개시된다. 상기 방법은 광전자 요소와 렌즈간의 횡단선 오프셋(transversal offset)이 렌즈를 빠져나가는 광 빔의 경사(tilt)가 렌즈의 광축들상의 고정점을 중심으로 되게 하는 방식으로, 광전자 요소의 정면에 렌즈를 위치 지정하는 것을 포함한다. 상기 방법은 고정점을 중심으로 회전하는 광 어셈블리를 사용하여, 빔을 광 도파관으로 재포커싱(refocusing)하는 것을 포함할 수 있다.

일부 구현들에서, 하기 특징들 중 하나 이상이 존재할 수 있다. 볼 렌즈 또는 소정의 굴절률을 갖는 기타 적합한 광 요소를 시준하거나 포커싱하는 것이 이용될 수 있다. 렌즈들은 방출된 광을 거의 시준되었거나 포커싱된 빔으로 전환시키면서 광전자 요소 근처에 위치될 수 있는 특성을 가질 수 있다.

거울은 광 빔을 소정의 방향으로 재지향시키는 경사진 표면을 가질 수 있으며, 그리고 거울은 렌즈의 출구에서 방출된 광을 또 하나의 광 모듈 또는 광 도파관으로 재지향시키는 반사 표면으로서 작용하기 위해, 실리콘, 유리, 유전층 스택(들), 또는 금속층들과 같은 반사 물질로 코팅될 수 있다. 경사진 표면은 표준 식각, 몰딩(molding) 또는 연마 기법들을 사용함으로써 형성될 수 있다.

또 하나의 구현에서, 45°측벽을 갖는 구멍들(holes)은, 거울로서의 역할을 수행하는 결정 평면(100)에 대해 예를 들어, 9.74°의 각도로 베이스를 형성하는 웨이퍼들을 절단함으로써 베이스에서 식각될 수 있다. 유사하게, 다른 평면 각도들을 갖는 거울들이 획득될 수 있다.

다른 또 하나의 구현에서, 유리 웨이퍼는 소정의 각도로 경사진 적어도 하나의 금속화된 측벽을 갖는 구멍들을 갖도록 몰딩될 수 있으며, 이는 거울로서 동작가능하다.

관련 양상에서, 광 모듈을 내포하고 있는 마이크로 하우징을 홀딩하는 홀더는, 광섬유를 포함하는 어셈블리에 기계적으로 삽입될 수 있다. 어셈블리는 하우징 및 다른 광 요소들 중 특히, 페럴 슬리브(ferrule sleeve)에 의해 하우징 내에 위치지정되는 광섬유에 대한 접속 소켓(connector-receptacle)을 포함한다.

일부 구현들은 하기의 특징들 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 광 분리기와, 파장 고정기(wavelength locker)의 역할을 수행하는 파장 필터와, 광 빔에 대해 경사진 각도로 장착된 협대역 파장 필터와, 또는 광 빔을 다시 광전자 요소로 반사하기 위한 부분 거울이 광전자 요소를 빠져나가는 빔 경로에 삽입될 수 있다. 제 2 렌즈는 광 빔의 시준을 개선(refine)하도록 선택적으로 빔 경로에 포함될 수 있다.

다양한 구현들에서, 하기의 이점들 중 하나 이상이 존재할 수 있다. 시준 광학계들(collimating optics)의 수동적인 정렬(passive alignment) 및 광 모듈에 관한 위치지정 공차로 인해, 광 모듈을 빠져나가는 시준된 빔(collimated beam)은 소켓 축에 대해 경사를 가질 수 있다. 능동적인 광섬유 정렬 기법과 관련된 비용, 시간 소모 및 복잡도를 줄이기 위해, 홀더가 하우징 상에 결합(assembled)되는 바, 이는 상기 홀더를 조정하여 전송 동안에 발생되는 임의의 빔 오정렬을 보상하기 위함이다.

본 발명의 하나 이상의 세부사항들은 첨부 도면들 및 하기의 상세한 설명에서 제시된다. 본 발명의 기타 특징들 및 이점들은 상세한 설명 및 도면들로부터, 그리고 청구범위로부터 자명하게 될 것이다.

도 1A는 제 1 구현에 따라 마이크로 하우징에 의해 캡슐화되는 광 모듈의 어셈블리를 도시한다.

도 1B는 도 1A의 광 모듈 내에서 광 요소들의 전반적인 구성을 도시한다.

도 1C 및 1D는 2개의 가우시안 모드들 간의 결합 효율성을 보여주는 그래프들이다.

도 2는 제 2 구현에 따라 마이크로 하우징에 의해 캡슐화되는 광 모듈의 어셈블리를 도시한다.

도 3은 제 3 구현에 따라 마이크로 하우징에 의해 캡슐화되는 광 모듈의 어셈블리를 도시한다.

도 4는 제 4 구현에 따라 마이크로 하우징에 의해 캡슐화되는 광 모듈의 어셈블리를 도시한다.

도 5는 구형 홀더상에 장착된 도 1의 마이크로 하우징에 대한 상부 및 측부 평면도이다.

도 6A 내지 6C는 구형 홀더상에 장착된 광 모듈의 상부 및 측단면에 대한 평면도들을 도시한다.

도 7A 내지 7C는 빔 경로에 배치된 추가적인 광 요소와 제 2 렌즈를 포함하는 어셈블리 상에 장착된 구형 홀더의 측 단면도들을 도시한다.

도 8은 빔 경로에 배치된 추가적인 광 요소와 렌즈를 포함하는 어셈블리 상 에 장착된 구형 홀더의 측 단면도들을 도시한다.

다양한 도면들에서, 동일한 부호들은 동일한 요소들을 나타낸다.

하기의 상세한 설명에서, 본 발명의 다양한 구현들이 설명된다. 그러나, 이러한 구현들은 본 발명의 단지 일부 양상들 또는 모든 양상들로 실시될 수 있음이, 기술분야의 당업자들에게 자명할 것이다. 설명 목적을 위해, 특정 번호들, 재료들 및 구성들은 구현들에 대한 철저한 이해를 제공하도록 제시된다. 그러나, 구현들은 특정 세부사항들 없이 실시될 수 있음이, 또한 기술분야의 당업자에게 자명할 것이다. 다른 경우들에서, 공지된 특징들은 본 발명의 이해를 용이하게 하기 위해 생략되거나 단순화된다.

하기에서는, 밀봉되어 구현되는 광전자 요소들에 기반하는 비용-효율적인 송신기 광 서브어셈블리(transmitter optical subassembly)(TOSA) 모듈들이 허용가능한, 단순화된 정렬 기법 및 광 결합 기법을 설명할 것이다. 하기에서 설명될 바와 같이, 광전자 요소의 출력과 광 도파관 사이의 광 결합 효율성을 개선하기 위해, 시준 광학계들의 수동적인 정렬(passive alignment)은 밀봉 패키징 및 소켓의 능동적인 정렬 모두와 결합된다.

광전자 요소의 성능은 그 출력 빔이 광 도파관에 얼마나 잘 결합될 수 있는지에 의존한다. 이 결합 효율성은 통상적으로 정렬 기하구조에서의 약간의 변화들에서 내성이 없이 악화된다.

일반적으로, 광전자 요소의 출력과 광 도파관의 결합은, 광전자 요소의 출력과 기본 도파관 모드의 변환(transformation)을 결합시키는 것으로 단순화될 수 있다. 이는 2개의 렌즈들 간의 광축들에 수직인 평면상에 있는 소켓(receptacle) 내부의 렌즈들을 통해 수행될 수 있는데, 이 지점에서, 2개의 빔들은 실질적으로 시준되고 예를 들어, 100 미크론인 큰 허리(waist)를 갖게 된다. 이는 또한 단일-렌즈 구현에 적용되는데, 즉 작은 손실, 정렬-공차(alignment-tolerant) 결합을 달성하기 위해, 광전자 요소의 출력은 광 도파관의 변환된 기본 모드와 매칭되어야 한다. 광 빔 경로에 위치된 광 요소들의 제조-관련 기하구조 공차로 인해, 매칭가능한 모드들은 서로에 대해 경사져 있으며, 이는 열악한 결합 효율성을 발생시킨다. 이는 도 1C 및 1D에서 도시되는데, 여기서, 각각 (예를 들어, 단일-모드 광섬유에 대응하는) 4.6 미크론과 (예를 들어, 시준된 빔을 나타내는) 50 미크론의 광속 허리(beam waist)를 갖는 2개의 가우시안 모드들 간의 결합 효율성들이 도시된다. 도시된 바와 같이, 상대적인 모드 오프셋의 정도는 결합 효율성과 반비례한다. 바꾸어 말하면, 매칭가능한 모드들이 경사진 정도가 증가함에 따라, 단일-모드 광섬유와 시준된 빔 간의 결합 효율성은 열화된다. 그래프들은 모드 중복 적분(mode overlap integral)의 분석적 해들(analytical solutions)에 기초한 것인데, 이는 경사들 또는 오프셋들을 갖는 2차원 가우시안 필드 분포들을 사용하여, 임의의(복합적인) 필드들간의 코히어런트 결합(coherent coupling)을 설명하는 수학 함수이다.

대조적으로, 본원에서 개시되는 구형 소켓 정렬 기법은 광섬유와 렌즈간의 계면의 곡선형 표면을 따라 광섬유-렌즈 어셈블리의 위치를 조정함으로써, 최소 각 도 오정렬을 위해 최적 공간 필드 오버랩을 희생하게 한다.

도 1A를 참조하면 광 모듈(100)이 도시되는데, 이는 광전자 요소(101)와, 광전자 요소(101)의 출력에 배치된 렌즈(103)와, 렌즈(103)의 출구에 위치된 45°거울(105)과, 방출된 광의 전력을 모니터링하는 전력 모니터(107)와, 그리고 베이스(111) 상에 장착된 다양한 광 요소들을 전기적으로 연결하는 비아들(113)을 포함한다. 도 1A의 구현에서, 광전자 요소(101), 렌즈(103) 및 45°거울(105)은 광 요소들을 캡슐화하기 위해, 리드(115)와 베이스(111)를 갖는 마이크로 하우징에 밀봉으로 통합된다. 마이크로 하우징은 실리콘 또는 기타 적합한 물질들로부터 만들어질 수 있지만, 이에 국한되지는 않는다. 형상화된 그루브(shaped groove)(109)는, 방출된 광을 시준하거나 혹은 포커싱하는 렌즈(103)의 수동적인 정렬에 대한 기계적인 지지를 제공하기 위해, 예를 들어 표준 습식 또는 건식 식각 방법들을 사용하여 마이크로 하우징에 식각될 수 있다. 수동적인 정렬에서, 광 모듈을 또 하나의 광 어셈블리에 연결하기 위한 가이드(guide)로서 V-그루브 또는 기타 적합한 형상의 그루브들을 사용하는 접근방식이 채택될 수 있다. 설계, 제조 및 성능 기준을 충족하는 임의의 적합한 금속 구조들이 렌즈(103)의 위치를 고착시키기 위해 형상화된 그루브(109) 대신에 이용될 수 있다. 대안적으로, 렌즈(103)는 형상화된 그루브 또는 기타 기계적인 지지에 대한 필요 없이 패턴 인식 시스템을 사용하여 위치될 수 있다.

도 1B는 도 1A의 광 모듈 내부에서 광 요소들의 전반적인 구성을 도시한다. 도 1B에 도시된 바와 같이, 렌즈(103)는 광전자 요소(101) 전방에 수동으로 정렬되는데, 이는 광 수신 요소(예를 들어, 포토 다이오드) 및/또는 광 발광 요소(예를 들어, 에지(edge) 발광 레이저)를 포함할 수 있다. 일 양상에서, 광 모듈은 (소정의 굴절률을 갖는 볼 렌즈가 접착제를 사용하여 결합되는) V-그루브 및 동일평면의 마이크로-비아들을 수용하기 위해, 식각된 그루브들을 갖는 제 1 실리콘 다이를 포함한다. 시준된 빔의 렌즈(103)와 리드(115)를 통한 재지향은 제 2 마이크로-머신 실리콘 다이의 45°평면에 의해 제공될 수 있는데, 이는 약 9.74°각도에서 절단되고 제 1 다이 상에 결합된다. 그 전면이 시준된 혹은 포커싱된 빔(빔의 폭은 주로 렌즈(103)의 직경에 의해 결정된다)을 발생하는 방식으로, 광전자 요소(101)를 베이스(111) 상에 솔더링(soldering)하는 것이 유익할 수 있다.

비록 볼 렌즈가 전술한 설명에서 이용되었지만은, 가능하게는 실리콘으로 만들어진 플라노-콘벡스 렌즈, 실린더형 Graded Index (GRIN) 렌즈, 또는 회절성 광 요소는 또한 렌즈의 특성들이 방출된 광을 실질적으로 시준된 빔으로 변환시키기 위해 렌즈가, 광전자 요소 근처에 위치되게 하는 한 사용될 수 있다.

본 구현에서, 볼 렌즈(103)는 유리 또는 기타 투명 기판들로부터 만들어질 수 있으며, 반사를 최소화하기 위해 적합한 물질들로 코팅될 수 있다. 일반적으로, 볼 렌즈의 곡선형 바운더리들에 입사하는 광은 방향이 변경되며, 투과된 광의 초점 거리는 렌즈의 굴절률에 의존한다. 본 구현에서 볼 렌즈를 사용하는 일 이점은, 볼 렌즈가 수차와 관련되는 시준된 광의 모든 가능한 위상면 왜곡(phase-front distortion)을 최소화하면서, 방출된 광의 중심축을 중심으로 완벽하게 위치될 수 있다는 것이다. 이러한 렌즈를 사용하는 또 하나의 이점은, 이러한 방출된 광의 중심축에 대한 렌즈의 잘못된 위치가 이러한 중심축에 대해 시준된 광의 경사로 인한 결과로서 보상될 수 있다는 것이다. 따라서, 예를 들어, 100 미크론 범위의 폭을 갖는 시준된 빔이 광 모듈을 빠져나와 광섬유의 접속-소켓으로 진행하기 때문에, 또한 통상적인 퓨즈 실리카(fused silica) 또는 BK7 렌즈가 될 수 있는 볼 렌즈는, 시준된 빔이 후속적으로 최적의 결합 효율성으로 광섬유에 재포커싱되게 한다. 플라노-콘벡스 렌즈를 이용하는 방법들은 Nicholas Jordache 외(2005 Electronic Components and Technology Conference)에 의해 저술된 "A Highly Coupling Efficiency Optical Design Compatible With Direct Modulated and Electroabsorptive Lasers"에서 개시되는데, 본 개시물은 전체적으로 본원에서 참조문헌으로서 포함된다.

본 구현에 따르면, 거울(105)은 약 45°각도로 경사진 경사 표면을 갖는 개별 요소로서 실리콘 베이스(111) 상에 제공된다. 비록 45°거울이 예시되지만은, 볼 렌즈(103)를 빠져나오는 방출된 광을 통상적으로 90°각도로(즉, 통상적으로 렌즈에 수직으로) 또 하나의 광 모듈 또는 광 도파관으로 재지향시키기 위한 반사 표면으로서 작용하기 위해, 실리콘, 유리, 유전층 스택(들) 또는 기타 금속 층들과 같은 반사 물질로 코팅된 임의의 광 요소가 또한 사용될 수 있다. 경사 표면 또는 거울(105)은 전체적으로 표준 식각, 몰딩 또는 연마 방법들을 사용함으로써 형성될 수 있다.

대안적으로, 45°거울을 대신하여, 45°측벽을 갖는 구멍들(holes)이 베이스(111)에 식각될 수 있다. 수산화 칼륨(KOH)과 같은 식각액을 사용함으로써, 구멍 들의 측벽들의 일 측은 그 표면에 대해 45°각도를 갖도록 형성될 수 있다. 경사 측벽은 리드(115)를 통한 광 빔의 재지향을 용이하게 하도록 거울로서 역할을 수행하기 위해 금속화될 수 있다. 또 하나의 가능성은 45°각도로 경사진 적어도 하나의 금속화된 측벽을 갖는 구멍들을 갖도록 유리 웨이퍼를 몰딩하는 것이다.

마이크로 하우징 내부 및 외부에서, 광전자 요소들을 장착하기 위한 베이스의 기능을 수행하는 다이 패드들 또는 그 위에 와이어 본딩들(wire bonds)이 패턴화되는 다이 패드들이, 표준 증착 및 포토리소그래피 방법들을 사용하여 제조될 수 있다. 외부 전기 신호들을 마이크로 하우징으로 라우팅하는 전기선들이 또한 구성될 수 있다. 만일 이러한 전기 신호들이 무선-주파수(RF) 신호들인 경우에, 전기선들은 RF-신호 도파관들을 형성하도록, 예를 들어 동일 평면상의 선들(lines) 형상으로 배치될 수 있다. 일 양상에서, 다이 패드들의 각 섹션은 다른 금속 또는 합금을 사용하여 각 섹션을 형성함으로써 다양한 전기적 저항을 가질 수 있으며, 따라서, RF-신호 도파관과 광전자 요소의 연결은 저항에서 도파관의 임피던스와 매칭될 수 있다. 코일 또는 캐패시터들과 같은 추가적인 개별 전자 요소들이 전기선들의 저항 섹션 바로 위의 실리콘 베이스에 부착될 수 있다. 대안적으로, 코일들은 또한 패키지의 전기선들의 적당한 레이아웃에 의해 형성될 수 있다. 이는 바이어스 회로들로서 이러한 기능성들의 통합을 허용한다. 이러한 코일들에 관한 추가적인 세부사항들이 2003년 11월 3일 출원된 관련 미국특허출원 제 10/699,981호에서 개시되는데, 상기 개시물은 전체적으로 본원에서 참조문헌으로서 포함된다.

전기선들은 밀봉된 비아들을 통해 마이크로 하우징으로 라우팅될 수 있다. 이는 미세한 구멍들을 식각함으로써 수행될 수 있는데, 이는 피드스루(feed-through) 금속화 공정을 사용하여 밀봉된다. 다양한 기법들이 밀봉된 스루-홀(through-hole) 연결들을 형성하는데에 사용될 수 있다. 하나의 이러한 기법은 제 1 반도체 층과 제 2 반도체 층 사이에 샌드위치된 실질적으로 식각-저항 층을 포함하는 다중층 구조를 사용한다. 제 1 및 제 2 반도체 층들은 예를 들어, 실리콘 질화물, 실리콘 옥시-나이트라이드(silicon oxy-nitride) 또는 실리콘 이산화물을 포함하는 그룹으로부터 선택되는 물질을 포함할 수 있다. 스루-홀들은 양면 식각 공정(double-sided etching process)을 사용하여 형성될 수 있는데, 여기서, 제 1 및 제 2 반도체 층들은 식각-저항 층이 스루-홀들의 위치들을 정의하도록 노출될 때까지, 연속적으로 식각된다. 이후에, 스루-홀들은 식각-저항 층의 제거 부분(removing part)에 의해 형성될 수 있다. 스루-홀들은 예를 들어, 스루-홀 연결들에 대한 베이스(base)로서 전기도금 피드-스루 금속화 공정을 사용하여 밀봉될 수 있다. 피스-스루 금속화는 또한 확산 장벽을 포함할 수 있으며, 그리고 밀봉 물질은 비(non)-귀금속을 포함할 수 있지만, 이에 국한되지는 않는다. 이러한 피드-스루 금속화 기법들에 대한 추가적인 세부사항들은 관련 미국특허 제 6,818,464호에서 개시되는데, 상기 개시물은 전체적으로 본원에서 참조문헌으로서 포함된다.

대안적으로, 도 2에 도시된 바와 같이, 광 모듈(200)의 전기선들(213)은 실리콘 베이스(211)의 하부 표면상에 형성될 수 있으며, 그리고 실리콘 베이스(211)의 상부 아래로, 그리고 상부를 통해 연장된다. 본 구현에서, 전기선들(213)에 대한 구조 패턴들을 구성하는 것은 단순한데, 이는 실리콘 기판(211)의 표면이 볼 렌즈(203)를 홀딩하는 그루브(209)를 제외하고 실질적으로 평평하기 때문이다.

밀봉은 실리콘 기판(211)의 상부와 하부 사이에 유리 프릿(glass frit)을 사용함으로써 수행될 수 있다. 예를 들어, 유리 프릿 구조들은 링(ring) 형태로, 실리콘 베이스(211)의 상부의 후방측상에 또는 실리콘 베이스(211)의 하부의 전방측상에 증착될 수 있다. 일 양상에서, 밀봉 공정은 풀(paste)로서 유리 프릿을 프린트하는 것을 포함할 수 있는데, 따라서, 실리콘 베이스의 상부 및 하부들이 서로에 대해 압착되어 소정의 온도로 가열되는 때에, 유리 프릿은 금속 라인들 간에 임베딩(embedding)된 임의의 갭(gap)을 밀봉한다. 전기선들의 단부에 대한 접근은 다이싱 공정(dicing process)을 사용하여 전기선들(213)의 단부 위에 있는 실리콘 베이스(211)의 상부 섹션을 제거하거나, 또는 실리콘 베이스(211)의 상부 상에 추가적인 구멍들(여기서, 전기선들의 단부가 접촉된다)을 식각함으로써 수행될 수 있다.

도 1A를 참조하면, 광전자 요소(101), 렌즈(103), 45°거울(105) 및 임의의 다른 광전자 요소들이 실리콘 베이스(111) 상에 장착된 이후에, 전술한 바와 같이, 광 모듈(100)은 실리콘 베이스(111)의 상부 표면상에 리드(115)를 정렬시킴으로써 밀봉된다. 비록 도시되지는 않았지만은, 리드(115)는 리드의 상부 표면으로부터, 스루-홀을 통해 그리고 리드(115)의 바닥부로 전류 경로를 제공하는 피드-스루 금속화를 포함할 수 있음을 쉽게 이해할 것이다. 피드-스루 금속화는 베이스(111)의 표면상에 솔더링된 비아들(113)에 의해 베이스(111) 상에 장착된 다양한 광전자 요소들을 전기적으로 연결하는 기능을 수행한다.

도 4A의 구현에서, 광전자 요소(401)는 렌즈를 위치 지정하기 이전에 베이스에 솔더링될 수 있다. 만일 실리콘 플라노-콘벡스 렌즈가 이용되는 경우에, 도 4에 도시된 바와 같이, 일 측의 중심에서 깊이를 갖는 리세스(402)가 구현될 수 있으며, 그리고 어셈블리 순서는 유익하게 역으로 수 있는데, 즉, 렌즈(403)는 베이스(411) 상에 광전자 요소(401)를 장착하기 이전에 본딩된다. 본 구현에서 리세스를 포함함으로써, 레이저는 렌즈에 보다 가깝게 이동될 수 있다. 리세스(402)는 또한 광전자 요소(401)의 일면이 렌즈와 접촉하는 것(이는 잠재적으로 광 요소들 모두를 손상시킬 수 있음)을 방지하는 기능을 수행할 수 있다.

도 1A에 도시된 리드(115)는 베이스(111) 상에 장착된 광전자 요소들을 수용하기 위한 공동(cavity)을 포함한다. 다른 양상에서, 도 3에 도시된 바와 같이, 만일 45°거울(305)이 베이스(311) 내부의 일부로서 통합되는 경우에, 광전자 요소들은 45°거울을 포함하는 공동을 갖는 웨이퍼를 베이스(311) 상에 부착하며, 후속적으로 리드(315)로 광 모듈(300)을 밀봉함으로써, 베이스(311) 상에 장착될 수 있다. 대안적으로, 도 4에 도시된 바와 같이, 45°거울(405)은 베이스(411)의 상부 표면상에 장착된 리드(415)의 일부로서 통합될 수 있으며, 광 모듈(400)은 이후에 밀봉된다. 도 1 내지 4에서 예시된 리드(들)가 임의의 프로세싱, 제조 및 조립 단계 동안에 장착될 수 있지만, 광 모듈을 포함하는 마이크로 하우징을 완료하기 위한 최종 단계로서 베이스 상에 리드를 솔더링하며, 그 이후에 광전자 요소들은 적당하게 정렬되고 위치지정되는 것이 유익할 수 있다.

일부 구현들에서, 도 5에 도시된 바와 같이, 도 1 내지 4에 걸쳐 설명된 광 모듈은 컷-아웃 영역(501)을 갖는 구형 홀더(503) 상에 결합될 수 있는데, 이는 광 모듈을 포함하는 마이크로 하우징을 고착시켜 적당한 정렬을 용이하게 하기 위함이다. 접착제 또는 기타 부착 수단이 구형 홀더(503) 상에 마이크로 하우징을 고정시키는데 사용될 수 있다. 바람직하게, 구형 홀더(503)의 중심점 및 마이크로 하우징이 광 오정렬을 보상하기 위해 그 중심점을 중심으로 하여 회전하는 지점은 에러 마진(예를 들어, 약 20 미크론) 내에서 일치한다. 도 6A 내지 6C는 구형 홀더(503) 및 광 모듈을 포함하는 마이크로 하우징에 대한 상부 및 측 단면도를 도시한다.

도 7A 내지 7C에 도시된 바와 같이, 최종 장착 단계에서, 구형 홀더(702)는 광 섬유(705)를 포함하는 어셈블리(701)에 기계적으로 삽입될 수 있다. 어셈블리(701)는 하우징(709) 및 페럴 슬리브(707)에 의해 하우징(709) 내에 위치지정되는 광섬유(705)에 대한 접속-소켓을 포함한다. 전술한 바와 같이, 볼 렌즈 또는 Graded Index 렌즈를 포함(이에만 국한되지는 않음)하는 렌즈(703)는, 수신 광 빔을 광섬유(705)에 포커싱하기 위한 광 모듈을 포함하는 하우징(709)에서 광섬유(705)와 홀더 사이에 위치될 수 있다.

시준 광학계들의 수동적인 정렬 및 광 모듈에 관한 위치지정 공차로 인해, 광 모듈을 빠져나가는 시준된 빔은 소켓 축에 대해 경사질 수 있다. 능동적인 광섬유 정렬 기법과 관련된 비용, 시간 소모, 복잡도를 줄이기 위해, 구형 홀더(702)는 하우징(709) 상에 결합되며, 따라서, 기하학적 공차로 인해 발생되는 임의의 빔 오정렬은 구형 홀더(702)를 회전시킴으로써 보상될 수 있다. 가령, 5 ㎛의 레이저 축-대-렌즈 축 횡단 변위를 가정하면, 오정렬은 구형 홀더에 대하여, 2°각도로 하우징을 회전시킴으로써 보상될 수 있다.

광 모듈 내부에서의 시준된 레이저 빔으로의 동작은 파장 고정기들, 광 분리기들 또는 위상 변조기들과 같은 다른 광 요소들은 모듈 내의 빔 경로에 포함될 수 있는 이점을 갖는데, 이는 통상적인 TO 패키징 기술을 사용하는 때에 가능하지 않을 수 있다. 본 발명의 광 모듈은 표면 장착 기술에 잘 적응되며, 또한 열 관련 동작을 개선하기 위해 금속 열 싱크(heat sink)가 장착될 수 있다.

비록 상기 구현들에서, 오직 광전자 요소, 렌즈 및 거울만이 광전자 요소 출력의 광섬유 결합을 위해 빔 경로에 삽입되었지만은, 광 모듈과 함께 패키징되거나 혹은 광 모듈과 분리되어 패키징될 수 있는 기타 중간(intermediate) 광전자 요소들이 또한 포함될 수 있다. 가령, 도 8에 도시된 바와 같이, 광 분리기와, 광 고정기로서 역할을 수행하는 파장 필터와, 광 빔에 대해 경사 각도로 장착된 협대역 파장 필터와 또는 광 빔을 다시 광전자 요소에 반사하는 부분 거울은, 전체적인 구조가 바람직한 응용 및 설계와 일치되는 한에서 "x"로 표시된 위치에 배치될 수 있다.

일반적으로, 기술분야의 당업자들은 본 발명이 상술한 세부사항들에 국한되지 않음을 인식할 것이다. 대신에, 본 발명은 하기의 청구범위의 사상 및 범주 내에 드는 변환들 및 변화들을 포함할 수 있다. 따라서, 상세한 설명은 본 발명을 제한하기보다는 예시적인 것으로 간주된다. 다른 구현들은 청구범위의 범주 내에 들게 된다.

Claims

광전자 요소로부터 방출되는 빔을 정렬하는 방법으로서,

마이크로 하우징의 표면상에 통합된 광전자 요소, 렌즈 및 반사 표면 - 상기 렌즈 및 반사 표면은 상기 광전자 요소로부터 방출되는 상기 빔의 광축 방향으로 정렬되어 있으며 - 을, 상기 렌즈를 빠져 나오는 빔의 위상면(phase front)이 중심점(central point)을 중심으로 회전하도록, 회전시키는 단계와; 그리고

상기 중심점을 중심으로 회전하는 광 어셈블리를 사용하여, 상기 빔을 광 도파관내로 재포커싱하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 광전자 요소로부터 방출되는 빔을 정렬하는 방법.
제 1항에 있어서, 상기 광전자 요소는 에지 방출 레이저(edge emitting laser)를 포함하는 것을 특징으로 하는 광전자 요소로부터 방출되는 빔을 정렬하는 방법.
제 1항에 있어서, 상기 중심점을 중심으로 하는 회전을 제공하기 위해, 상기 렌즈로부터 나오는 상기 빔을 소정의 각도로 반사시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광전자 요소로부터 방출되는 빔을 정렬하는 방법.
제 1항에 있어서, 상기 빔의 재포커싱을 위해, 상기 광전자 요소, 상기 렌즈 및 상기 반사 표면이 상기 마이크로 하우징에 통합되는 것을 특징으로 하는 광전자 요소로부터 방출되는 빔을 정렬하는 방법.
제 4항에 있어서, 상기 빔을 재포커싱하는 단계는 상기 광 도파관을 포함하는 상기 광 어셈블리에 대하여 상기 마이크로 하우징을 회전시키는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 광전자 요소로부터 방출되는 빔을 정렬하는 방법.
제 1항에 있어서, 상기 빔을 재포커싱하는 단계는 90도 각도로 상기 빔을 반사시키는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 광전자 요소로부터 방출되는 빔을 정렬하는 방법.
광 빔을 결합하는 방법으로서,

광 빔을 방출하는 광전자 요소 전방에 배치되어 있는 렌즈를 상기 광 빔의 중심축에 수동으로 정렬(passively aligning)하는 단계와;

상기 광 빔을 시준(collimating)한 이후에, 상기 광 빔을 소정의 각도로 광 도파관에 반사시키는 단계와; 그리고

상기 렌즈, 상기 광전자 요소 및 반사기를 포함하는 마이크로 하우징을 회전시키는 단계를 포함하며,

상기 렌즈, 상기 광전자 요소 및 반사기는 상기 마이크로 하우징의 표면상에 통합됨과 아울러, 상기 광전자 요소로부터 방출되는 광 빔의 중심 축의 방향을 따라 정렬되는 것을 특징으로 하는 광 빔을 결합하는 방법.
제 7항에 있어서, 상기 렌즈는 시준 렌즈, 플라노-콘벡스 렌즈 및 실린더형 Gradient Index(GRIN) 렌즈 중 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 빔을 결합하는 방법.
제 7항에 있어서, 상기 광 빔의 위상면의 왜곡을 최소화하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광 빔을 결합하는 방법.
제 7항에 있어서, 상기 중심축을 중심으로 회전하는 회전가능 광 어셈블리를 사용하여 상기 광 도파관을 회전시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광 빔을 결합하는 방법.
광 어셈블리로서,

광 빔을 방출하는 광전자 요소와;

상기 광 빔을 수신하고 시준하기 위해, 상기 광전자 요소 앞에 수동으로 배치되어 있는 렌즈와; 그리고

상기 시준된 광 빔을 광 도파관으로 재지향시키는 거울을 포함하며,

여기서, 상기 렌즈를 빠져나오는 상기 시준된 광 빔의 위상면은 중심점을 중심으로 회전하며,

상기 광전자 요소와, 상기 렌즈와, 반사기가 상기 광전자 요소로부터 방출되는 빔의 광축의 방향으로 배치됨과 아울러 마이크로 하우징의 표면에 통합된 것을 특징으로 하는 광 어셈블리.
제 11항에 있어서, 동작 중에, 상기 시준된 광 빔은 상기 중심점을 중심으로 회전하는 회전가능 광 어셈블리상에 장착된 상기 광 도파관에 재포커싱되는 것을 특징으로 하는 광 어셈블리.
제 11항에 있어서, 상기 광전자 요소, 상기 렌즈 및 상기 거울은 베이스의 공동(cavity) 내에 배치되는 것을 특징으로 하는 광 어셈블리.
제 13항에 있어서, 상기 광전자 요소를 밀폐된 영역 내에 밀봉시키기 위해, 상기 베이스에 부착되어 있는 리드를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광 어셈블리.
제 11항에 있어서, 상기 광전자 요소, 상기 렌즈 및 상기 거울은 리드 및 베이스를 포함하는 마이크로 하우징 내에 밀봉으로 통합되는 것을 특징으로 하는 광 어셈블리.
제 11항에 있어서, 상기 표면은 45도 각도로 경사져 있는 것을 특징으로 하는 광 어셈블리.
제 15항에 있어서, 상기 거울은 45도 각도의 측벽이 상기 베이스의 일부로서 통합된 금속화된 그루브(groove)를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 어셈블리.
제 11항에 있어서, 상기 광전자 요소와 상기 렌즈 사이에 배치되어 있는 리세스(recess)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광 어셈블리.
제 11항에 있어서, 밀폐된 영역 내에 상기 광전자 요소와, 상기 렌즈 및 상기 거울을 밀봉시키기 위해, 베이스에 부착되어 있는 리드를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광 어셈블리.
제 12항에 있어서, 상기 광 어셈블리는 회전가능한 홀더 상에 장착되는 것을 특징으로 하는 광 어셈블리.
제 20항에 있어서, 상기 광 어셈블리와 상기 광 도파관 사이의 광 정렬은 상기 회전가능한 홀더의 회전에 기초하여 조절가능한 것을 특징으로 하는 광 어셈블리.
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