KR101274887B1

KR101274887B1 - 광학 어셈블리 및 물품용 마이크로렌즈 형성 방법

Info

Publication number: KR101274887B1
Application number: KR1020107024263A
Authority: KR
Inventors: 리차드 알. 그리지보우스키; 스테판 엘. 로그노브; 알렉산더 엠. 스트렐초프
Original assignee: 코닝 인코포레이티드
Priority date: 2008-03-28
Filing date: 2009-01-15
Publication date: 2013-06-14
Also published as: TW200942405A; CN102015268B; WO2009120253A1; KR20110002058A; JP5722762B2; JP2014089468A; TWI378860B; JP5997688B2; US7505650B1; EP2271482A1; JP2011515716A; CN102015268A

Abstract

마이크로렌즈(30)는 동작파장 범위 내의 제1흡수부 및 상기 동작파장 범위 외의 제2흡수부를 갖는 기판(18) 상에 형성되며, 상기 제2흡수부는 상기 제1흡수부보다 크다. 하나 또는 그 이상의 도파관은 동작파장 범위 외의 파장을 갖는 처리 광 빔(20)에 결합되고, 상기 처리 광 빔은 기판 표면 상에 마이크로렌즈를 형성하기 위해 기판을 로컬적으로 가열하여 팽창하도록 도파관을 통해 기판으로 지향된다. 처리 광 빔은 기판의 가열을 중지하여 마이크로렌즈를 고정하도록 종료된다.

Description

광학 어셈블리 및 물품용 마이크로렌즈 형성 방법{METHOD FOR FORMING MICROLENSES FOR OPTICAL ASSEMBLIES AND ARTICLE}

본 출원은 참조에 의해 반영된 2008년 3월 28일 출원된 미국 특허출원 제12/079,804호에 대한 우선권의 이점을 청구한다.

본 발명은 통상 광통신 및 광전자에 관한 것으로, 특히 광학 어셈블리에 사용된 마이크로렌즈의 형성에 관한 것이다.

광통신 및 광전자의 분야에서, 어느 한 광섬유로부터의 광을 또 다른 광학요소에 결합하기 위한 목적으로 마이크로렌즈를 사용하는 것은 공지되어 있다. 예컨대, 광섬유 어레이를 다른 광섬유 어레이에 결합, 다이오드 어레이를 광섬유 어레이에 결합 등. 통상 마이크로렌즈는 투명한 평면 기판(통상 유리 또는 수지) 상에 볼록영역 또는 오목영역으로서 형성되며, 보통 약 1mm 이하의 직경을 갖는다. 몇몇 애플리케이션에 있어서, 복수의 마이크로렌즈가 1차원 또는 2차원 마이크로렌즈 어레이를 형성하기 위해 기판 상에 배열된다.

기판 내에 렌즈 몰딩 또는 스탬핑, 기판 에칭, 기판에 렌즈 접착 등과 같은 마이크로렌즈 및 마이크로렌즈 어레이를 생성하기 위한 다양한 방법이 공지되어 있다. 기판은 예컨대 특정 애플리케이션의 필요한 광학적, 기계적 및 화학적 특성을 충족시키기 위해 선택된 특정 기판 재료의 수지 또는 유리일 것이다. 의도된 애플리케이션에 따라, 마이크로렌즈가 개구수(NA), 곡률, 직경 등과 같은 넓은 범위의 파라메터 내로 형성될 수 있다.

마이크로렌즈 및 마이크로렌즈 어레이의 사용에 있어서의 한가지 어려운 점은 광섬유, 다이오드 등과 최적 결합을 위해 렌즈를 정렬하여 정확하게 위치시키는 것이다. 또 다른 어려운 점은 최상의 가능한 결합 효율을 얻기 위해 통상 비구면 렌즈가 필요하다는 것이다. 그러나, 비구면 렌즈를 만드는 것은 종종 고비용의 공정이다. 마이크로렌즈를 형성하고 이 마이크로렌즈를 광섬유, 다이오드 등과 정확하게 정렬하는 비용 효율적인 방법이 유리할 것이다.

본 발명은 광학 어셈블리에 사용된 마이크로렌즈의 형성 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 한 형태는 기판 상에 하나의 마이크로렌즈를 형성하는 방법이다. 일 실시예에 있어서, 상기 방법은 동작파장 범위 내의 제1흡수부, 및 상기 제1흡수부보다 크고, 상기 동작파장 범위 외의 제2흡수부를 구비함과 더불어 표면을 갖는 기판을 제공하는 단계; 하나의 도파관을 상기 동작파장 범위 외의 파장을 갖는 처리 광 빔에 결합하는 단계; 기판 표면 상에 하나의 마이크로렌즈를 형성하기 위해 상기 기판을 로컬적으로 가열하여 상기 기판의 로컬 팽창을 야기하도록 상기 도파관을 통해 상기 기판으로 상기 처리 광 빔을 지향시키는 단계; 및 마이크로렌즈를 고정시키기 위해 상기 기판의 가열을 중지하도록 상기 처리 광 빔을 종료하는 단계를 포함한다.

본 발명의 다른 형태는 렌즈 어레이를 형성하는 방법이다. 일 실시예에 있어서, 상기 방법은 동작파장 범위 내의 제1흡수부, 및 상기 제1흡수부보다 크고, 상기 동작파장 범위 외의 제2흡수부를 구비함과 더불어 표면을 갖는 기판을 제공하는 단계; 다수의 도파관을 상기 동작파장 범위 외의 파장을 갖는 처리 광 빔에 결합하는 단계; 및 기판 표면 상에 다수의 마이크로렌즈를 형성하기 위해 상기 기판을 로컬적으로 가열하여 팽창하도록 상기 다수의 도파관을 통해 상기 기판으로 상기 처리 광 빔을 지향시키는 단계를 포함하고, 상기 다수의 도파관의 각각은 상기 다수의 마이크로렌즈의 대응하는 하나를 형성한다.

본 발명의 또 다른 형태는 마이크로렌즈와 도파관을 정렬하기 위한 방법이다. 일 실시예에 있어서, 상기 방법은 기판에 인접하여 도파관의 제1단부를 위치시키는 단계; 도파관의 제2단부를 처리 광 빔에 결합하는 단계; 및 도파관의 제1단부에 인접한 기판을 로컬적으로 조사하기 위해 도파관을 통해 처리 광 빔을 지향시키는 단계를 포함하고, 상기 기판은 도파관의 제1단부와 정렬 및 인접한 기판 표면 상에 마이크로렌즈를 형성하기 위해 기판의 로컬 가열 및 팽창을 야기하기에 충분한 처리 광 빔의 파장에서 흡수하게 된다.

본 발명의 또 다른 형태는 광학 어셈블리이다. 일 실시예에 있어서, 광학 어셈블리는 제1광학요소; 및 대응하는 적어도 한 위치에서의 기판의 로컬 가열로 인한 기판의 팽창에 의해 그 위에 형성된 적어도 하나의 마이크로렌즈를 갖춘 기판을 포함하고, 상기 제1광학요소는 적어도 하나의 마이크로렌즈에 자기(self)-정렬된다.

추가의 특징들이 이하에 설명되며, 부분적으로는 그러한 설명으로부터 당업자에게 자명하고 청구항 및 첨부 도면을 수반한 상세한 설명을 포함하는 여기에 기술된 실시예들을 실시함으로써 알 수 있을 것이다.

상술한 일반적인 설명 및 이하의 상세한 설명 모두가 본 발명에 따른 실시예들을 제공하고, 청구된 바와 같은 본 발명의 성질 및 특성을 이해하기 위한 개관 또는 뼈대를 제공하기 위한 것이라는 것을 알 수 있을 것이다. 수반되는 도면들은 본 발명을 좀더 잘 이해할 수 있도록 하기 위해 제공되고, 본 명세서에 통합되어 본 발명의 일부를 구성한다. 그러한 도면들은 본 발명의 원리 및 동작을 설명하기 위해 설명과 함께 본 발명에 따른 여러 실시예들을 기술한다.

상기와 같이 이루어진 본 발명은 광학 어셈블리에 사용된 마이크로렌즈의 형성 방법을 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 일 실시예의 마이크로렌즈를 형성하기 위한 예시의 시스템의 개략도이다.
도 2는 하나의 도파관을 통해 지향된 처리 광 빔으로 형성된 단일의 마이크로렌즈의 개략도이다.
도 3은 다수의 도파관을 통해 지향된 처리 광 빔으로 형성된 마이크로렌즈 어레이의 개략도이다.
도 4는 하나의 도파관을 통해 지향된 처리 광 빔 및 동작 광 빔으로 형성된 단일의 마이크로렌즈의 개략도이다.
도 5는 다수의 도파관을 통해 지향된 처리 광 빔 및 동작 광 빔으로 형성된 마이크로렌즈 어레이의 개략도이다.
도 6a 및 6b는 본 발명에 따라 형성된 유사-구면 형태의 마이크로렌즈를 나타내는 그래프이다.
도 7은 본 발명에 따라 형성된 기판 및 마이크로렌즈에서의 굴절률의 변화를 나타낸다.
도 8은 본 발명에 따른 마이크로렌즈 또는 마이크로렌즈 어레이를 형성하는 방법을 기술하는 순서도이다.
도 9는 본 발명에 따라 형성된 마이크로렌즈를 이용하는 광학 어셈블리의 개략도이다.

이제 본 발명에 따른 실시예에 대한 상세한 설명으로 참조가 이루어지고, 그 예시들이 수반되는 도면들로 도시된다. 도면에 걸쳐 동일한 참조부호들이 동일한 부분에 인용되어 사용될 것이다.

설명의 목적을 위해, 용어 "상부", "하부", "우측", "좌측", "후방", "전방", "수직", "수평", 및 그 파생어들이 도면을 통해 알 수 있는 바와 같이 기술된 실시예들에 인용된다. 그러나, 이는 반대로 표현적으로 특정된 곳을 제외하고는 그 실시예들이 다양한 대안의 방향 및 단계 연속성을 추측할 수 있게 한다는 것으로 이해될 것이다. 이는 또한 첨부된 도면에 도시되고 이하의 명세서에 기술된 특정 장치 및 공정이 부가된 청구항들에 정의된 발명의 개념의 실시라는 것을 알 수 있을 것이다. 따라서, 여기에 개시된 실시예와 관련된 특정 치수 및 다른 물리적 특성들은 청구항에서 표현적으로 달리 나타내지 않는 한 한정되지 않는다.

여기에 사용된 바와 같이, 용어 "마이크로렌즈"는 기판 표면에 형성되고, 기판 재료와 거의 동일한 재료로 일체 형성되며, 약 1 mm 이하의 직경을 갖는 전자기 방사선을 재지향(예컨대, 포커싱, 집광, 분기, 시준(collimating) 등)하는데 적절한 광학구조를 포함하는 것으로 폭 넓게 이해해야 한다.

여기에 사용된 바와 같은 용어 "광학요소"는 광섬유, 도파관, 렌즈, 마이크로렌즈, 그레이팅(grating), 빔 분할기 등과 같은 소정 타입의 광학요소를 의미하는 것으로 폭 넓게 이해해야 한다. 마찬가지로, 여기에 사용된 바와 같은 용어 "광학 어셈블리"는 단독 또는 전기, 전기-광학, 전기-기계 또는 기계적 요소와 같은 다른 타입의 요소들과 조합하는 광학요소를 포함하는 시스템 또는 구조를 포함한다.

용어 "광"은 자외선, 근-자외선, 가시광선, 근-적외선 및 적외선 파장을 포함하지만 이들로 한정하지 않는 소정 타입의 전자기 방사선을 의미하는 것으로 폭 넓게 이해되어야 한다. 구문 표현 "광-흡수 기판"은 자외선, 근-자외선, 가시광선, 근-적외선 및/또는 적외선 파장을 포함하지만 이들로 한정하지 않는 흡수 파장 또는 파장 범위에서 전자기 방사선을 흡수하는 기판을 의미하는 것으로 이해되어야 하며, 하나 또는 그 이상의 흡수 파장에서 기판에 의한 전자기 방사선의 로컬 흡수는 기판을 로컬적으로 가열한다. 광-흡수 기판은 파장 스펙트럼에 걸쳐 높고 낮은 흡수 대역을 가질 것이다.

도 1에 따르면, 본 발명에 따른 마이크로렌즈를 형성하기 위한 예시의 제조 시스템(10)이 개략적으로 도시되어 있다. 제조 시스템(10)은 적절한 도파관(14)의 일단부에 결합된 처리 광원(12)을 포함하며, 도파관(14)의 타단부는 기판(18)의 표면(16)으로 광원(12)에 의해 생성된 처리 광 빔(20)을 지향시키도록 구성되어 위치된다. 표면(16)은 적어도 하나의 마이크로렌즈(18)가 형성되는 표면이며, 기판(18)은 파장-선택 흡수 특성을 갖는 광-흡수 재료를 포함한다. 광원(12)에 의해 생성된 처리 광 빔(20)은, 적절한 파장이 발생될 때, 기판(18)에 의해 흡수되어 기판(18)의 로컬 가열을 야기한다. 본 예에서는 기판(18)의 표면(16) 상에 처리 광 빔(20)에 의해 형성된 빔 스폿(22)으로 규정된 바와 같은 기판(18)의 로컬 영역에 처리 광 빔(20)을 지향시키는 것을 포함한다. 예시의 실시예에 있어서, 처리 광 빔(20)은 도파관(14)을 빠져나가면서 분기된다.

기판(18)에 의한 처리 광 빔(20)으로부터의 광 흡수는 기판(18)을 로컬적으로 가열하여 처리 광 빔(20)의 강도에 비례하여 기판(18)의 조사된 부분의 온도를 상승시킨다. 처리 광 빔(20)이 기판(18)에 의해 로컬적으로 흡수됨에 따라, 그러한 온도 변화가 기판을 용융시켜 기판(18) 밀도의 감소를 야기하는 한정된 팽창 존(24; 도 2)이 형성된다. 팽창 존(24)이 이 팽창 존(24)을 둘러싸는 기판(18)의 고체 영역에 의해 속박되므로, 팽창 존(24) 내의 용융 재료가 표면(16) 쪽으로 유동되도록 푸쉬(push)되어, 표면(16) 상에 "마이크로범프(microbump)"가 형성된다. 상기 마이크로범프는 광에 대한 굴절렌즈로서 기능한다. 마이크로렌즈(30)는 급속 냉각에 의해 고정된다. 예시의 실시예에서, 이것은 처리 광 빔(20)에 의한 기판(18)의 조사를 종료함으로써 달성된다.

유리 기판 상에 마이크로범프의 형성과 관련된 방법 및 장치의 상세한 설명은 전체적으로 여기에 참조에 의해 반영된 "GLASS-BASED MICROPOSITION SYSTEMS AND METHODS"로 명칭된 2007년 8월 30일 공개된 미국 특허공개 US2007/0201797호에 제공된다.

일 실시예에 있어서, 도 1에 도시된 바와 같이, 기판(18)이 X-Y 스테이지와 같은 위치결정 메카니즘(40)에 탑재되어, 기판(18)의 표면(16)이 도파관(14) 및 처리 광 빔(20)에 대한 원하는 위치에 위치될 수 있다. 원할 경우, 위치결정 메카니즘(40)은 또한 빔 스폿(22)의 크기 및 그에 따른 마이크로렌즈(30)의 직경을 콘트롤하기 위한 Z-축 스테이지를 포함할 것이다. 위치결정 메카니즘(40) 및 선택적으로 또한 처리 광원(12)을 동작시키기 위한 적절한 콘트롤러(44)가 제공된다.

이제 도 3에 따르면, 다수의 마이크로렌즈(30)가 1차원 또는 2차원 어레이로서 제조될 때, 다수의 도파관 14-1 내지 14-n(집합적으로 도파관 14)이 도 1에 도시된 바와 같이 하나 또는 그 이상의 처리 광원(12)에 결합될 수 있다. 다음에, 처리 광 빔(20)이 상술한 방식으로 기판(18)의 표면(16) 상에 다수의 마이크로렌즈 30-1 내지 30-n(집합적으로 마이크로렌즈 30)을 형성하기 위해 기판(18)을 로컬적으로 가열하여 팽창하도록 다수의 도파관(14)을 기판(18)으로 지향시킨다. 일 실시예에 있어서, 다수의 도파관(14-1 내지 14-n)의 각각은 다수의 마이크로렌즈(30-1 내지 30-n)의 대응하는 하나를 형성한다.

상술한 바와 같이 형성된 마이크로렌즈(30)는 광학 시스템 또는 어셈블리에서의 광학요소로서 통상 사용되며, 그러한 광학요소 또는 어셈블리는 동작파장에서, 또는 동작파장 범위 내에서 동작되고, 그 파장 범위에서 기판(18)의 재료(및 그에 따른 마이크로렌즈(30))가 거의 투명하다. 여기에 사용된 바와 같이, "거의 투명"은 기판(18)이 동작파장에서, 또는 그러한 동작파장 범위 내에서 흡수하는 것을 의미하며, 상기 동작파장에서 기판에 의한 전자기 방사선의 충분히 낮은 로컬 흡수는 마이크로렌즈(30)의 광학 특성을 충분히 변경하도록 기판(18)을 로컬적으로 가열하지 못할 것이다. 즉, 처리 파장은 동작파장 범위 밖에 있다.

이제 도 4에 따르면, 마이크로렌즈(30)를 형성하기 위한 일 실시예에 있어서, 도파관(14)이 처리 광원(12) 및 동작 광원(50) 모두에 연결되어, 상기 도파관(14)은 처리 광 빔(20) 및 동작 광 빔(52; 즉, 동작파장의 광 빔) 모두를 기판(18)으로 지향시킨다. 한 실시에서, 처리 광 빔(20) 및 동작 광 빔(52)이 연속으로 도파관(14)을 통해 지향된다. 다른 실시에서, 처리 광 빔(20) 및 동작 광 빔(52)이 동시에 도파관(14)을 통해 지향된다. 처리 광원(12) 및 동작 광원(50)에 도파관(14)을 동시에 결합하는 것은 마이크로렌즈(30)가 형성됨에 따라 마이크로렌즈(30)를 통해 동작 광 빔(52)의 전송을 모니터링할 수 있게 한다. 동작 광 빔(52)의 전송 모니터링은, 예컨대 다른 도파관(64)에 의해 마이크로렌즈(30)와 결합된 광검출기(60) 등의 사용에 의해 달성될 것이다. 일 실시예에 있어서, 처리 광원(12)의 동작은 마이크로렌즈(30)를 통한 동작 광 빔(52)의 전송에 따라 콘트롤러(62)에 의해 콘트롤된다. 이러한 방식에 있어서, 한 실시에서, 처리 광원(12) 및 연관된 처리 광 빔(20)은 마이크로렌즈(30)를 통한 동작 광 빔(52)의 전송이 마이크로렌즈(30)가 원하는 형태에 도달한 것을 나타낼 경우 종료될 것이다. 다른 실시에서, 처리 광 빔(20)은 원하는 형태(예컨대, 비구면 형태)를 갖는 마이크로렌즈(30)를 제공하기 위해 기판(18) 내에 에너지 플럭스(energy flux)를 변경하도록 마이크로렌즈(30)를 형성하는 동안 콘트롤될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 광검출기(60)는 제1처리 광 빔 파워(예컨대, 5W)에서 마이크로렌즈(30)를 형성한 후, 보다 낮은 처리 광 빔 파워(예컨대, 50mW)에서 마이크로렌즈(30) 성능을 모니터링하는 것과 같이 마이크로렌즈(30)를 통한 처리 광 빔(20)의 전송을 모니터한다.

이제 도 5에 따르면, 일 실시예에 있어서, 다수의 마이크로렌즈(30)가 기판(18) 상에 형성될 경우, 하나 또는 그 이상의 다수의 도파관(14)이 처리 광원(12) 및 동작 광원(50) 모두에 결합되어, 각각의 도파관(14)은 처리 광 빔(20) 및 동작 광 빔(52; 즉, 동작파장의 광 빔) 모두를 기판(18) 상의 대응하는 위치로 지향시킨다. 한 실시에서, 처리 광 빔(20) 및 동작 광 빔(52)은 각 개별의 하나의 도파관(14)을 통해 연속으로 지향된다. 다른 실시에서, 처리 광 빔(20) 및 동작 광 빔(52)은 각 개별의 하나의 도파관(14)을 통해 동시에 지향된다. 처리 광원(12) 및 동작 광원(50)에 도파관(14)을 동시에 결합하는 것은 마이크로렌즈가 형성됨에 따라 마이크로렌즈(30)를 통해 동작 광 빔의 전송을 모니터링할 수 있게 한다. 동작 광 빔의 전송 모니터링은, 예컨대 다른 도파관(64)에 의해 마이크로렌즈(30)와 결합된 광검출기(60) 등의 사용에 의해 달성될 것이다. 일 실시예에 있어서, 각 개별 하나의 마이크로렌즈(30)를 형성하는 동안 처리 광원(12)의 동작은 각 개별 마이크로렌즈(30)를 통한 동작 광 빔(52)의 전송에 따라 콘트롤러(62)에 의해 콘트롤된다. 이러한 방식에 있어서, 한 실시에서, 처리 광원(12)은 마이크로렌즈(30)를 통한 동작 광 빔(52)의 전송이 마이크로렌즈(30)가 원하는 형태에 도달한 것을 나타낼 경우 종료될 것이다. 다른 실시에서, 처리 광 빔(20)은 원하는 형태(예컨대, 비구면 형태)를 갖는 마이크로렌즈(30)를 제공하기 위해 기판(18) 내에 에너지 플럭스를 변경하도록 각 개별 하나의 마이크로렌즈(30)를 형성하는 동안 콘트롤될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 다수의 마이크로렌즈(30)는 하나 이상의 마이크로렌즈 형태를 포함한다.

마이크로렌즈 형성에 영향을 주는 파라메터 및 결과의 마이크로렌즈 특성(물리적 특성 및 광학적 특성 모두)은 근본적으로 처리 광 빔(20)의 파장과 파워 강도 및 방사선 노출 기간과 함께 기판(18)의 성질(예컨대, 열적-기계적 특성, 처리 광 빔(20)의 파장에서 기판(18)의 흡수 등), 개구수(NA), 및 표면(16) 상의 빔 스폿(22)의 크기에 달려 있다. 다양한 크기, 형태 및 광학 특성을 갖는 마이크로렌즈는 하나 또는 그 이상의 요소를 단독으로 또는 조합하여 변경함으로써 형성될 수 있다. 예컨대, 상당한 범위의 마이크로렌즈 직경, 초점 거리, 곡률, 및 높이가 달성될 수 있다. 본 발명에 따른 실시예에 있어서, 마이크로렌즈 직경은 약 10㎛ 이하에서 약 1000㎛(1mm)까지 변경되고, 초점 거리는 무한대에서 약 20μ 이하까지 변경되고, 곡률은 약 10㎛에서 약 1mm까지 변경되며, 높이는 약 10㎛에서 약 500㎛ 이상까지 변경된다. 마이크로렌즈(30)의 곡률은 그 높이 및 직경과 관련된다. 노출 시간이 보다 긴 경우, 마이크로렌즈(30)의 높이 및 개구수(NA)는 감소한다. 따라서, 마이크로렌즈의 폭 범위는 노출 시간, 처리 광원(12)의 파워, 및/또는 처리 광 빔(20)의 직경을 변경함으로써 얻어질 수 있다.

초기 형성에 있어서, 그 형성 공정이 미세방울 형성과 관련되므로 마이크로렌즈(30)의 형태는 보통 구면에 가까워진다. 도 6a 및 6b는 곡률 반경을 도 6a에서 R=46㎛ 그리고 도 6b에서 R=694㎛를 갖는 마이크로렌즈에 있어서, 그 마이크로렌즈의 원주에 걸친 피팅 라인 스캔(fitting line scans)의 결과를 나타낸다. 실선은 실제 프로파일이고 점선은 원형 피팅 커브이다. 도 6a 및 6b는 여기에 기술한 방법을 이용하여 형성된 마이크로렌즈의 근-완전 구면 형태(near-perfect spherical shape)를 나타낸다.

표면(16)의 형태 변경 외에, 또한 도 7에 나타낸 바와 같이 마이크로렌즈(30) 내에 스트레스가 발생된다. 이러한 스트레스는 마이크로렌즈(30)를 형성하는 기판(18)의 일부분(예컨대, 팽창 존(24) 내의 재료)의 굴절률에 영향을 미쳐 렌즈 수차(aberration)를 야기할 것이다. 그러나, 마하젠더(Mach-Zehnder) 마이크로스코프 측정에서는 이러한 스트레스에 의해 발생된 굴절률의 변화가 단지 벌크 재료 굴절률치의 약 0.1%정도로, 마이크로렌즈의 광학 특성에 무시할 정도로 영향을 미치고 있다는 것을 보여주고 있다.

몇몇 실시예에 있어서, 마이크로렌즈 특성은, 예컨대 처리 광 빔(20)의 강도, 빔 스폿(22)의 크기 및/또는 형태, 및/또는 마이크로렌즈(30) 형성에 따른 조사 기간을 조절함으로써, 단일의 마이크로렌즈(30)의 형성 공정 동안 콘트롤 또는 변경될 것이다. 또한, 마이크로렌즈 파라메터는 처리 광 빔(20)에 의한 기판의 추가 또는 2차 노출에 의해 변경될 수 있다. 예컨대, 비교적 큰 직경의 마이크로렌즈를 먼저 제조한 후, 그러한 보다 큰 초기에 형성된 마이크로렌즈 상에 하나 또는 그 이상의 보다 작은 직경의 마이크로렌즈를 형성한 함으로써 복합 마이크로렌즈 프로파일이 형성될 수 있다.

일 실시예에 있어서, 처리 광원(12) 및 동작 광원(50)은 각각 적어도 하나의 레이저, 레이저 다이오드, 또는 다른 타입의 전자기 방사원을 포함한다. 다른 실시예에 있어서, 처리 광원(12) 및 동작 광원(50)은 각각 적어도 하나의 자외선(UV) 파장(UVA, UVB 및 UVC 파장 포함), 가시광선 파장, 근-적외선(NIR) 파장 및 적외선(IR) 파장을 제공한다. 예시의 실시예에 있어서, 자외선 파장은 약 400nm 이하이고, 가시광선 파장은 약 400nm에서 약 750nm까지의 범위이고, NIR 파장은 약 750nm에서 약 1100nm까지의 범위이며, IR 파장은 약 1100nm에서 약 1680nm까지 범위의 파장을 포함한다. 일 실시예에 있어서, 처리 광원(12)은 예컨대 10.6㎛에 방사선을 방출하는 CO₂ 레이저와 같은 IR 파장을 갖는 처리 광 빔(20)을 제공한다. 다른 실시예에 있어서, 처리 광원(12)은 근-적외선(예컨대, 810nm) 파장을 제공한다.

일 실시예에 있어서, 도파관(14)은 광섬유를 포함한다. 일 실시예에 있어서, 도파관(14)은 단일-모드(SM) 광섬유를 포함한다. 다른 실시예에 있어서, 도파관(14)은 다중-모드(MM) 광섬유를 포함한다. 일 실시예에 있어서, 도파관(14)은 약 125㎛의 직경을 갖는 광섬유를 포함한다. 일 실시예에 있어서, 도파관(14)은 약 4㎛에서 약 80㎛ 범위의 코어 크기를 갖는 광섬유를 포함한다. 하나의 예시의 광섬유는 업계에서 "SMF-28"로 명칭된 코닝 인코포레이티드의 광섬유이다.

일 실시예에 있어서, 기판(18)을 구성하는 광-흡수 재료는 유리이다. 다른 실시예에 있어서, 기판(18)을 구성하는 광-흡수 재료는 폴리머(예컨대, 폴리메틸메타크릴레이트("PMMA"))이다. 일 실시예에 있어서, 기판(18)은 약 30에서 약 120까지 범위의 열팽창계수(CTE)를 갖는다. 일 실시예에 있어서, 기판(18)은 약 900℃ 이하의 어닐링점(annealing point)을 갖는다. 일 실시예에 있어서, 기판(18)은 약 500℃에서 약 800℃까지 범위의 어닐링점을 갖는다. 일 실시예에 있어서, 처리 광 빔 파장의 기판(18)에 의한 흡수는 30% 이상이고, 특히 약 30%에서 약 80%까지 범위에 있다. 일 실시예에 있어서, 기판(18)은 약 800nm에서 약 1100nm까지 범위의 처리 파장에서 약 50%에서 약 80%까지 범위의 흡수를 갖는다. 일 실시예에 있어서, 기판(18)은 약 1dB/mm 이상의 처리 파장에서 흡수를 갖는다. 일 실시예에 있어서, 기판(18)을 사용하여 형성된 마이크로렌즈(30)는 동작파장에서 반사 손실 외에 약 0.1dB 이하의 손실을 갖는다.

일 실시예에 있어서, 기판(18)은 선택된 파장을 흡수하기 위한 파장-선택 도펀트(dopant)를 포함한다. 예컨대, 일 실시예에 있어서, 기판(18)은 예컨대 그 기판이 주어진 위치에서 빠르게 가열될 경우 기판의 밀도를 극적으로 로컬 감소시켜 결국 그 기판의 로컬 팽창을 야기하는 금속 도펀트, 즉 Cu, Fe, Co 및/또는 V와 같은 IR-흡수종(absorbing species)을 포함한다. 예시의 실시예에 있어서, 기판의 흡수 재료의 농도를 조절함으로써 팽창 존(24)의 깊이가 변경되거나 선택될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 기판(18)은 업계에서 "3996" 및 "4602"로 명칭된 미국 뉴욕의 코닝 인코포레이티드로부터 이용가능한 적외선("IR") 광-흡수 유리이다.

본 발명에 따른 마이크로렌즈 또는 마이크로렌즈 어레이 형성 방법의 일 실시예가 도 8에 참조번호 70으로 표기되어 있다. 상기 방법은 동작파장 범위 내의 제1흡수 및 동작파장 범위 외의 제2흡수를 갖는 유리기판을 제공함으로써 정의된 제1단계(72)를 포함하며, 상기 제2흡수는 상기 제1흡수보다 크다. 제2단계(74)는 하나 또는 그 이상의 도파관을 동작파장 범위 외의 파장을 갖는 처리 광 빔에 결합함으로써 정의된다. 제3단계(76)는 기판 표면 상에 하나 또는 그 이상의 마이크로렌즈를 형성하기 위해 기판을 로컬적으로 가열하여 기판의 로컬 팽창을 야기하도록 도파관을 통해 기판으로 처리 광 빔을 지향시킴으로써 정의된다. 제4단계(78)는 마이크로렌즈를 고정하기 위해 기판의 가열을 중지하도록 처리 광 빔을 종료함으로써 정의된다.

이제 도 9에 따르면, 일 실시예에 있어서, 상술한 바와 같이 하나 또는 그 이상의 마이크로렌즈(30)가 형성된 후, 그 위에 마이크로렌즈(30)를 갖는 기판이 광학 어셈블리(80)의 광학요소로서 사용되며, 광학 어셈블리(80)는 동작파장에서, 또는 동작파장 범위 내에서 동작되고, 그 파장 범위에서 기판(18)의 재료(및 그에 따른 마이크로렌즈(30))가 거의 투명하다. 예컨대, 마이크로렌즈(30) 또는 마이크로렌즈(30) 어레이는 마이크로렌즈를 형성하기 위해 사용된 처리 파장과 다른 동작파장을 갖는 광을 포커스 또는 시준하도록 다른 광학요소 또는 광전자요소(예컨대, 레이저 다이오드, 광검출기, 광섬유 커플러 등)와 원하는대로 통합될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 광학요소(82)는 추가의 입력 및/또는 출력(84)을 가질 것이다.

하나의 예시의 실시예에 있어서, 마이크로렌즈(30) 어레이는 다이오드 어레이로부터 파워를 축적하기 위해 다이오드 어레이(예컨대, 레이저 다이오드 바)와 결합될 수 있다. 특히, 레이저 다이오드 바 구조는 통상 직선을 따라 배열된 다수의 비교적 넓은 스트라이프(stripe)로 광을 방출한다. 예컨대, 통상의 레이저 다이오드 어레이는 20개 이상의 방출 세그먼트를 갖는 약 1.0cm의 전체 폭을 가지며, 각각의 방출 세그먼트는 단면적으로 약 1㎛×4㎛이다. 따라서, 레이저 다이오드 어레이로부터의 출력 빔은 바람직하지 않은 비대칭 발산이다. 마이크로렌즈(30) 어레이는 비대칭을 정정하여 다이오드 어레이 출력을 포커스하도록 형성될 수 있다.

일 실시예에 있어서, 하나 또는 그 이상의 다수의 도파관(14)은 또한 마이크로렌즈(30)와 함께 광학 어셈블리(80)의 요소이며, 마이크로렌즈(30) 형성 이후 도파관(14)은 동작파장에서 광을 제공하는 동작 광원(50)에 결합된다. 즉, 동일한 도파관(14)이 처리 광원(12)으로부터의 처리 광 빔(20) 및 동작 광원(50)으로부터의 동작 광 빔(52) 모두를 기판(18)으로 지향시키기 위해 사용된다. 처리 광 빔(20) 및 동작 광 빔(52) 모두를 기판(18)으로 지향시키기 위한 도파관(14)의 사용은 각각의 도파관(14)을 대응하는 마이크로렌즈(30)와 정확히 자기-정렬시킨다. 일 실시예에 있어서, 도파관(14) 및 기판(18)은 마이크로렌즈(30) 형성 전에 함께 고정된다.

여기에 기술된 방법은 도파관과 대응하는 마이크로렌즈의 정확한 정렬을 단순화시킨다. 이는 큰 렌즈 어레이가 제조될 경우 특히 효과적이다. 또한, 여기에 기술된 방법은 도파관이 소정의 원하는 방식으로 라우트(route)되므로 빔 전송로가 제한되지 않기 때문에 제조에 도움을 주는 자유-공간 빔 전송에 의존하지 않는다.

여기에 제공된 설명으로부터, 원하는 방법 및 공정을 이용하여 소정 마이크로렌즈의 원하는 배열이 달성될 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다. 예컨대, 일 실시예에 있어서, 양면 마이크로렌즈를 형성하기 위해 마이크로렌즈가 기판(18) 양측에 형성될 수 있다. 더욱이, 이러한 설명으로부터, 그렇게 형성된 마이크로렌즈가 동일한 또는 다른 처리 광원 파라메터를 이용하는 추가의 처리에 의해, 비구면 형태를 형성하기 위한 마이크로렌즈의 마이크로-몰딩 등에 의해 더 처리될 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다. 마이크로렌즈 형성이 냉각비율에 영향을 주기 위해 선택된 대기 또는 진공에서 그리고/또는 용융된 기판 재료의 다른 파라메터에서 이루어질 수 있다는 것을 이러한 개시로부터 더 잘 알 수 있을 것이다.

예

본 발명의 특징은 이하의 예에 의해 더 잘 이해될 수 있고, 보다 명확해질 수 있다.

예1

1120nm의 파장(IPG 광으로부터 이용가능한)에서 동작하는 10와트 라만(watt Raman), Yb 광섬유 레이저가 약 200cm의 길이를 갖는 SMF-28 광섬유(코닝 인코포레이티드로부터 이용가능한)를 통해 CYR 유리(또한 코닝 인코포레이티드로부터 이용가능한)의 기판 상으로 지향된다. 처리 레이저의 1120nm 파장에서, 그 기판은 약 50~80%의 흡수를 갖는다. 광섬유의 출력단은 기판 표면으로부터 약 1.0의 위치에 위치된다. 3초의 노출시간을 이용할 경우, 도 6a에 도시된 프로파일을 갖는 마이크로렌즈가 형성된다.

예2

1120nm의 파장(IPG 광으로부터 이용가능한)에서 동작하는 10와트 라만, Yb 광섬유 레이저가 약 200cm의 길이를 갖는 SMF-28 광섬유(코닝 인코포레이티드로부터 이용가능한)를 통해 CYR 유리(또한 코닝 인코포레이티드로부터 이용가능한)의 기판 상으로 지향된다. 처리 레이저의 1120nm 파장에서, 그 기판은 약 50~80%의 흡수를 갖는다. 광섬유의 출력단은 기판 표면으로부터 약 1.5의 위치에 위치된다. 3초의 노출시간을 이용할 경우, 도 6b에 도시된 프로파일을 갖는 마이크로렌즈가 형성된다.

본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양한 변형 및 변경이 이루어질 수 있다는 것은 당업자들에게는 자명하다. 따라서, 본 발명은 부가된 청구항들 및 동등물의 범위 내에서 제공된 본 발명의 변형 및 변경을 커버하도록 의도된다.

10 : 제조 시스템, 12 : 처리 광원,
14 : 도파관, 16 : 표면,
18 : 기판, 20 : 처리 광 빔.

Claims

마이크로렌즈를 형성하기 위한 방법에 있어서,
동작파장 범위 내의 제1흡수부, 및 상기 제1흡수부보다 크고, 상기 동작파장 범위 외의 제2흡수부를 구비함과 더불어 표면을 갖는 기판을 제공하는 단계;
하나의 도파관을 상기 동작파장 범위 외의 파장을 갖는 처리 광 빔에 결합하는 단계;
기판 표면 상에 하나의 마이크로렌즈를 형성하기 위해 상기 기판을 로컬적으로 가열하여 상기 기판의 로컬 팽창을 야기하도록 상기 도파관을 통해 상기 기판으로 상기 처리 광 빔을 지향시키는 단계; 및
마이크로렌즈를 고정시키기 위해 상기 기판의 가열을 중지하도록 상기 처리 광 빔을 종료하는 단계를 포함하고,
상기 처리 광 빔은, 이 처리 광 빔이 기판에 도달할 경우, 분기되는 것을 특징으로 하는 마이크로렌즈 형성 방법.
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
렌즈 어레이를 형성하는 방법에 있어서,
동작파장 범위 내의 제1흡수부, 및 상기 제1흡수부보다 크고, 상기 동작파장 범위 외의 제2흡수부를 구비함과 더불어 표면을 갖는 기판을 제공하는 단계;
다수의 도파관을 상기 동작파장 범위 외의 파장을 갖는 처리 광 빔에 결합하는 단계;
기판 표면 상에 다수의 마이크로렌즈를 형성하기 위해 상기 기판을 로컬적으로 가열하여 팽창하도록 상기 다수의 도파관을 통해 상기 기판으로 상기 처리 광 빔을 지향시키는 단계;
상기 다수의 도파관을 상기 동작파장 범위 내의 파장을 갖는 동작 광 빔과 결합하는 단계; 및
상기 다수의 도파관을 통해 상기 동작 광 빔을 대응하는 마이크로렌즈로 지향시키는 단계를 포함하고,
상기 다수의 도파관 중 각각의 도파관은 상기 다수의 마이크로렌즈 중 대응하는 하나의 마이크로렌즈를 형성하고,
상기 다수의 도파관 중 각각의 도파관에 대하여, 상기 다수의 도파관을 통해 상기 처리 광 빔을 지향시키는 단계와 상기 다수의 도파관을 통해 상기 동작 광 빔을 지향시키는 단계는 동시에 실행되는 것을 특징으로 하는 렌즈 어레이 형성 방법.
삭제
삭제
삭제
삭제
마이크로렌즈와 도파관을 정렬하기 위한 방법에 있어서,
유리 기판에 인접하여 상기 도파관의 제1단부를 위치시키는 단계;
상기 도파관의 제2단부를 처리 광 빔와 결합하는 단계; 및
상기 도파관의 상기 제1단부에 인접한 기판을 로컬적으로 조사하기 위해 도파관을 통해 처리 광 빔을 지향시키는 단계를 포함하고,
상기 기판은 상기 도파관의 제1단부와 정렬되고 상기 제1단부에 인접한 기판 표면 상에 마이크로렌즈를 형성하기 위해 상기 기판의 로컬 가열 및 팽창을 야기하기에 충분한 처리 광 빔의 파장에서 흡수하게 되고,
상기 처리 광 빔은, 이 처리 광 빔이 기판에 도달할 경우, 분기되는 것을 특징으로 하는 마이크로렌즈와 도파관의 정렬 방법.
삭제
삭제
삭제
도파관;
처리 광원;
동작 광원; 및
대응하는 적어도 한 위치에서의 기판의 로컬 가열로 인한 기판의 팽창에 의해 상기 기판 위에 형성된 적어도 하나의 마이크로렌즈를 갖춘 기판을 포함하고,
상기 도파관은 적어도 하나의 마이크로렌즈에 자기-정렬되고, 상기 도파관은 상기 처리 광원과 상기 동작 광원 모두와 연결되는 것을 특징으로 하는 광학 어셈블리.