KR101409307B1 - Ｍｅｍｓ 기반 펠리클 빔스플리터 - Google Patents

Abstract

원하는 전력 탭 비율을 갖는 비편광 펠리클 빔스플리터를 형성하는 방법이 개시된다. 이 방법은 기판 상에 베이스 굴절률을 갖는 베이스 층을 형성하고, 베이스 층 위에 비교적 높은 굴절률 및 낮은 굴절률을 각각 갖는 복수의 교대 층을 배열하는 동작을 포함한다. 높은 굴절률 및 낮은 굴절률의 층들 각각의 두께는 광빔의 편광을 실질적으로 제거하도록 선택된다. 본 방법은 기판의 선택된 영역을 제거하여, 베이스 층 및 복수의 교대 층을 포함하는 광학 통로를 형성하는 동작을 더 포함하며, 광학 통로는 광빔 내의 선택된 양의 광을 투과하고 반사하도록 구성된다.

Description

ＭＥＭＳ 기반 펠리클 빔스플리터{MEMS-BASED PELLICLE BEAMSPLITTER}

회로 보드 상의 컴퓨터 칩 속도가 점점 더 빠른 속도로 증가함에 따라, 칩들 사이의 통신에서 통신 병목이 더 큰 문제가 되고 있다. 가능한 한 가지 해결 방법은 광섬유를 사용하여 고속 컴퓨터 칩들을 상호 접속하는 것이다. 그러나, 대다수의 회로 보드들은 많은 층을 포함하며, 종종 그들의 제조에 있어서 마이크로미터 미만의 허용 한계를 요구한다. 광섬유들을 물리적으로 배치하고, 광섬유들을 칩들에 접속하는 것은 너무 부정확하고 시간이 많이 걸려서, 회로 보드 제조 프로세스들에서 널리 채용되지 못한다.

회로 보드들 주변에서 그리고 회로 보드들 사이에서 광학 신호들을 라우팅하는 것은 상당한 추가 복잡성을 더할 수 있다. 따라서, 광대역 데이터 전송의 필요에도 불구하고, 칩들 사이의 시장성 있는 광학 상호접속들은 파악하기 어려운 것으로 입증되었다.

본 발명의 특징들 및 이익들은, 본 발명의 특징들을 예시적으로 함께 도시하는 첨부 도면들과 관련하여 취해질 때, 이어지는 상세한 설명으로부터 명백할 것이다. 이러한 도면들은 본 발명의 실시예들을 도시할 뿐, 그의 범위를 한정하는 것으로 간주되지 않아야 하며, 본 발명의 컴포넌트들은 일반적으로 설명되고 본 도면들에 도시되는 바와 같이 다양한 상이한 구성으로 배열되고 설계될 수 있다는 것을 쉽게 알 것이다. 그럼에도, 본 발명은 첨부 도면들을 이용하여 더 구체적이고 상세하게 기술되고 설명될 것이다. 도면들에서:
도 1은 일반적인 광학 도파관 응용들에서의 전통적인 빔스플리터의 동작을 나타내는 도면.
도 2는 제조 프로세스의 중간 단계 후의 본 발명의 일 실시예에 따른 MEMS 기반 펠리클 빔스플리터의 도면.
도 3은 A-A 라인을 따라 취해진 도 2의 실시예의 부분도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 MEMS 기반 펠리클 빔스플리터의 도면.
도 5는 단일 광학 상호접속을 갖는 광학 도파관에서 사용되는 도 4의 실시예의 응용의 도면.
도 6은 다수의 광학 상호접속을 갖는 광학 도파관에서 사용되는 도 4의 실시예의 응용의 도면.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 MEMS 기반 펠리클 빔스플리터의 비편광 능력을 나타내는 그래프.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 MEMS 기반 펠리클 빔스플리터의 비편광 능력을 나타내는 그래프.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 MEMS 기반 펠리클 빔스플리터를 제조하기 위한 방법을 나타내는 흐름도.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 MEMS 기반 펠리클 빔스플리터의 도면.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 MEMS 기반 펠리클 빔스플리터의 도면.
도 12는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 MEMS 기반 펠리클 빔스플리터의 도면.

본 발명의 실시예들에 대한 아래의 상세한 설명은, 그의 일부를 형성하고, 본 발명이 실시될 수 있는 실시예들을 예시적으로 도시하는 첨부 도면들을 참조한다. 이러한 실시예들은 이 분야의 기술자들이 본 발명을 실시하는 것을 가능하게 하기 위해 충분히 상세히 설명되지만, 다른 실시예들도 구현될 수 있으며, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고서, 본 발명에 대한 다양한 변경이 이루어질 수 있다는 것을 이해해야 한다. 따라서, 본 발명의 실시예들의 아래의 더 상세한 설명은 청구되는 바의 본 발명의 범위를 제한하려고 의도하는 것이 아니라, 단지 설명의 목적으로, 즉 본 발명의 특징들 및 특성들을 설명하기 위해, 본 발명의 동작의 최상 모드를 설명하기 위해 그리고 이 분야의 기술자가 본 발명을 실시하는 것을 충분히 가능하게 하기 위해 제공된다. 따라서, 본 발명의 범위는 첨부된 청구항들에 의해서만 정의되어야 한다.

본 발명의 아래의 상세한 설명 및 실시예들은 본 발명의 요소들 및 특징들이 그 전반에서 번호들로 지시되는 첨부 도면들을 참조하여 가장 잘 이해될 것이다.

회로 보드 상의 컴퓨터 칩들 사이에 광학 상호접속들을 형성하기 위한 한 가지 방법은 회로 보드 상에 형성되는 광학 도파관들을 이용하는 것이다. 광학 도파관들은 리소그라피 또는 유사한 프로세스들을 이용하여 회로 보드 상에 도파관들을 형성하는 능력으로 인해 전자 장치들의 상호접속에 대해 유리 계열의 광섬유들보다 우수할 수 있다. 이러한 상호접속 시스템들에서 사용되는 도파관들은 통상적으로 폴리머 및/또는 유전체와 같은 실질적으로 광학적으로 투명한 재료들을 이용하여 회로 보드 상에 형성된다. 리소그라피 또는 유사한 제조 프로세스들을 이용하여 제조되는 광학 도파관들은 회로 보드 상에 실장되지 않는 다른 타입의 기판들 상에 형성될 수도 있다. 예를 들어, 광학 도파관들은 하나 이상의 광학 도파관들을 갖는 리본 케이블을 형성하기 위해 플렉시블 기판 상에 형성될 수 있다.

이러한 방식으로 광학 도파관들을 형성하는 것은 최신의 다층 회로 보드들 상에서 사용하는 데 필요한 물리적 허용 한계를 갖도록 구성되는 상호접속들을 제공할 수 있다. 그러나, 온-보드 도파관들을 형성하기 위해 칩 및 회로 보드 제조에 사용될 수 있는 폴리머들, 유전체들 및 기타 재료들은 통상적으로 유리 계열의 광섬유들보다 훨씬 더 손실이 많다. 실제로, 온-보드 도파관들에서의 손실량은 광학 도파관 상호접속들의 수용을 제한하는 인자들 중 하나였다. 도파관들을 형성하는 데 사용되는 폴리머들은 센티미터당 0.1dB의 손실을 가질 수 있다. 대조적으로, 유리 광섬유에서의 손실은 킬로미터당 약 0.1dB이다. 따라서, 솔리드 코어 폴리머 도파관들은 유리 계열의 광섬유들에서의 손실보다 큰 차수의 손실들을 가질 수 있다.

게다가, 솔리드 코어 도파관들은 일반적으로 이들이 운반하도록 설계된 광의 파장에 대략 비례하는 치수들을 갖도록 제조된다. 예컨대, 1000nm의 광을 운반하도록 구성되는 단일 모드 도파관은 0.5㎛(500nm) 내지 8㎛의 그의 최대 치수를 가질 수 있는 반면, 다중 모드 도파관들은 코어 영역에 대해 20-60㎛ 정도의 약간 더 큰 치수를 가질 수 있다. 그럼에도, 회로 보드 상에 형성된 임의의 광학 도파관들을 접속하는 것은 그들의 매우 작은 크기로 인해 비용이 많이 들고 어려울 수 있으며, 이는 역사적으로 대다수의 일반 응용들에서 그들의 사용을 감소시켰다.

낮은 손실을 보이는 다른 타입의 광학 도파관은 공동 코어(hollow core) 금속 도파관이다. 이것은 에어 코어 및 그 주위의 벽들 상에 고반사성 코팅들을 갖는 도파관이다. 통상적으로, 이것은 50 내지 1000□m 정도의 치수들을 갖는 원형, 직사각형 또는 타원형 단면을 가질 수 있다. 이러한 도파관들은 <0.05dB/cm 정도의 낮은 손실을 갖는다. 저손실 모드들을 유발하기 위해 시준 렌즈가 사용되어야 한다. 이러한 저손실 모드들은 도파관 벽들에 대해 거의 스치는 입사각으로 이동하는 광선들을 갖는다. 이러한 모드들의 전파 손실은 광선들이 도파관의 길이를 따라 이동할 때 경험하는 바운드들 또는 반사들의 수에 의존한다.

공동 코어 금속 도파관들을 이용하는 유도된 광빔들의 분할 및 탭핑(tapping)은 달성하기 어려울 수 있다. 예를 들어, 기존의 빔스플리터 기술과 작은 도파관들을 통합하는 것의 한 가지 문제가 도 1에 도시되어 있다. 도파관(2) 및 광학 탭(4)의 매우 작은 치수들로 인해, 도파관 내의 광학 통로의 직경은 빔스플리터(6)의 두께(8)와 동일한 정도의 크기일 수 있다. 이러한 측면 변위(16) 또는 빔 워크 오프(walk-off)는, 동일 광학 도파관을 따라 순차적으로 다수의 광학 탭을 추가하고, 다수의 도터 카드에 광학적으로 접속되는 회로 보드 실장 광학 백플레인에서 발견될 수 있는 바와 같이, 모든 빔스플리터가 동일 방향으로 광빔을 재지향시키도록 배향되는 경우에 심해질 수 있다. 각각의 광학 탭은 빔이 원하는 전송 영역 밖에 있을 때까지 추가 변위를 더할 수 있으며, 이는 도파관의 측부들과의 결합으로 인해 상당한 손실을 유발할 수 있다.

전통적인 빔스플리터 기술에 고유한 또 하나의 문제는 입력 빔의 상이한 편광에 대해 상이한 분할비(반사율 및 투과율)를 갖는 빔스플리터들의 본질적인 경향이다. 이것은 면내 P 성분 및 직교 S 성분에 대한 프레넬 반사 계수들이 입사각에 대해 상이한 의존성을 갖는다는 사실에 기인한다. 따라서, VCSEL과 같은 저가의 비편광 다중 모드 레이저들의 사용은 편광 유도 강도 잡음이 변조 중인 레이저의 편광 상태에 의존하게 할 수 있다. 이를 보상하기 위하여, 비편광 다중 모드 레이저의 전력 출력이 배가되어야 하거나, 적절히 정렬된, 편광된 가간섭성 광빔을 생성하는 단일 모드 레이저가 사용되어야 한다. 어느 대안이든 다수의 광학 도파관 및 많은 레이저 광원을 사용할 수 있는 광학 시스템의 전체 비용을 상당히 추가한다.

더욱이, 광학 도파관(2)을 따라 다수의 광학 탭(4)을 사용할 때, 광학 장치의 입사 에너지와 투과 에너지 사이의 비율로도 알려진 빔스플리터(6)의 전력 탭 비율을 제어하는 것이 유리할 수 있다. 예컨대, 도파관을 따르는 각각의 광학 탭이 동일한 전력 탭 비율을 갖는 경우, 반사 광빔들은 광빔이 광학 백플레인을 따라 이동함에 따라 점점 더 작은 강도를 갖게 되는데, 이는 후속 탭에 입사하는 광빔의 전체 강도가 이전 광학 상호접속에 의해 비례적으로 감소되기 때문이다. 다수의 상호접속 위치를 갖는 광학 백플레인들에 관하여, 반사 광빔들의 강도를 균형화하도록 다양한 탭 위치들의 전력 탭 비율들을 선택하는 것이 유용할 수 있다.

전술한 결함들의 결과로서, 다른 도파관들 및 광학 장치들과 상호접속하는 것이 더 간단하고, 광학 도파관에서의 손실량을 크게 줄일 수 있는 저가의 광학 상호접속이 필요하다는 것이 인식되었다. 광학 도파관의 중심으로부터 최소 측면 변위를 생성하고, 광빔에 대해 실질적 비편광 경로를 제공하는, 동일 통로를 따르는 다수의 광학 탭을 가능하게 하도록 구성되는 빔스플리터들을 사용함으로써 손실이 최소화될 수 있다는 것도 밝혀졌다. 광학 상호접속을 형성하는 방법은 광학 장치의 전력 탭 비율의 정확한 제어를 제공할 수 있다는 것도 인식되었다.

본 발명은 광학 도파관을 따르는 둘 이상의 광학 탭을 허가하는 MEMS 기반("마이크로 전기 기계") 펠리클 빔스플리터를 제조하기 위한 방법 및 시스템을 설명한다. 본 방법은, 비편광이고, 광학 도파관을 따르는 각각의 탭 위치에 대해 선택되는 특정 전력 탭 비율을 갖도록 구성될 수 있는 저가의, 제조가 용이한 펠리클 빔스플리터를 제공한다. 더구나, 본 발명의 펠리클 빔스플리터는 비편광이므로, 더 비싼 단일 모드 레이저가 아니라, 저가의 다중 모드 레이저가 광학 시스템을 구동하는 데 사용될 수 있다. 펠리클 빔스플리터는 전통적인 시스템들에 비해 빔 워크 오프를 크게 줄이므로, 결과적인 광학 시스템은 훨씬 더 손실이 적으며, 결과적으로 레이저 전력 요구들을 줄임으로써 비용을 더 줄인다.

도 2를 참조하면, 제조 프로세스의 여러 단계를 완료한 후의 본 발명의 일 실시예(20)가 도시되어 있다. 제조 프로세스의 이 시점에서, 기판(22) 위에 베이스 층(32)이 형성되었으며, 이어서 베이스 층 위에 빔스플리터 코팅(34)이 형성되었다. 기판은 알 수 있듯이 실리콘 또는 폴리머와 같은 하나 이상의 재료를 포함할 수 있다. 베이스 층(32)은 베이스 굴절률로서 더 정의될 수 있는 굴절률을 갖는 광 투과 재료로 형성된다. 베이스 층은 완성된 빔스플리터의 광학 통로에 구조적 지지 및 원하는 광학 특성들 양자를 제공할 수 있는 임의의 두께를 갖도록 형성될 수 있다. 일 실시예에서, 베이스 층의 두께는 약 250nm, 즉 0.25㎛일 수 있다. 그러나, 베이스 층 재료의 굴절률이 공지되거나, 베이스 층의 두께가 정밀하게 제어될 수 있는 한, 베이스 층은 250nm보다 실질적으로 크거나 작은 두께로 형성될 수 있다. 베이스 층이 위에 형성되는 기판(22)은 약 200㎛의 두께를 가질 수 있지만, 펠리클 멤브레인에 대한 적절한 구조적 지지를 제공하고, 빔스플리터가 광학 도파관 내에 결합되는 것을 허가하는 한, 200㎛보다 실질적으로 크거나 작은 두께를 갖도록 형성될 수도 있다.

베이스 층(32) 위에 형성된 빔스플리터 코팅(34)은 도 2의 실시예로부터의 단면 A-A의 클로즈업인 도 3에 더 상세히 도시되어 있다. 빔스플리터 코팅은 낮은 굴절률(36) 및 높은 굴절률(38)을 갖는 복수의 교대 층을 포함할 수 있다. 낮은 굴절률의 층들은 1.3<n<1.8의 굴절률 범위를 가질 수 있으며, 높은 굴절률의 층들은 1.8<n<3의 굴절률 범위를 가질 수 있다.

그러나, 교대 층들의 스택으로부터 형성된 이전의 광학 멤브레인들과 달리, 본 발명의 교대 층들의 두께는 균일하지 않으며, 더구나 선택된 광의 파장의 1/4과 동등한 두께를 가질 필요도 없다. 이와 달리, 낮은 굴절률 및 높은 굴절률의 재료들의 교대 층들은 광의 파장의 분수와 동일하거나 동일하지 않을 수 있는 두께를 가질 수 있으며, 각각의 교대 층은 임의의 인접 층의 두께와 실질적으로 다른 두께를 가질 수 있다.

실험 및 최적화의 프로세스를 통해, 낮은 굴절률 및 높은 굴절률의 재료들의 교대 층들은 선택된 순서로, 그리고 베이스 층과 함께 취해질 때, 비편광이고, 지정된 반사율을 갖는 광학 통로를 형성하도록 결합되는 특정 두께들을 갖도록 형성된다. 11% 및 42%의 지정된 반사율을 각각 갖는 2개의 광학 통로의 일례가 표 1에 표시된다. 이러한 선택 프로세스는 상당한 변화를 허가한다. 예를 들어, 빔스플리터 코팅 내의 교대 층들의 수가 예를 들어 1층에서 20층 이상까지 크게 변할 수 있다. 게다가, 높은 굴절률 및 낮은 굴절률의 층들의 배열에 대해 규정된 순서가 존재하지 않는데, 이는 어느 재료든지 베이스 층(32) 옆에 배치될 수 있기 때문이다. 어느 재료든지 빔스플리터 코팅을 형성하는 스택의 상부에 형성되는 최종 층일 수 있다. 더욱이, 교대 층들의 총 수는 홀수 또는 짝수일 수 있다.

위의 예에서는, 2개의 재료, 즉 SiO₂ 및 TiO₂가 사용되었다. 대안으로서, 개별 층들 각각에 대한 두께 허용 한계를 개선하고, 또한 펠리클의 총 두께를 줄이기 위해 3개 이상의 재료가 사용될 수 있다.

높은 굴절률의 층들(38)은 1.8보다 큰 굴절률과 같은 비교적 높은 굴절률을 갖는 재료로 형성될 수 있다. 높은 굴절률의 층들은 티타늄 산화물, 알루미늄 산화물, 탄탈륨 산화물, 아연 셀레나이드 등과 같은 재료들로부터 선택될 수 있다.

낮은 굴절률의 층들(36)은 1.8 이하의 굴절률과 같은 비교적 낮은 굴절률을 갖는 재료로 형성될 수 있으며, 실리콘 이산화물, 실리콘 일산화물, 하프늄 산화물, 마그네슘 불화물 등과 같은 재료들로부터 선택될 수 있다.

알 수 있듯이, 베이스 층(32)은 높은 굴절률 또는 낮은 굴절률을 갖는 재료로 형성될 수 있으며, 빔스플리터 코팅의 교대 층들과 결합하여, 원하는 광학 특성들을 갖는 광학 통로를 형성한다. 예컨대, 베이스 층은 실리콘 질화물 또는 실리콘 이산화물과 같은 유전체 재료 또는 심지어 실질적으로 투명한 폴리머를 포함할 수 있다.

베이스 층(32) 및 높은 그리고 낮은 굴절률을 갖는 복수의 교대 층 또는 빔스플리터 코팅(34)은 리소그라피 또는 유사한 제조 프로세스를 이용하여 기판(22) 위에 형성될 수 있다. 베이스 층 및 빔스플리터 코팅은 수평 장력의 상태로 형성될 수 있으며, 따라서 펠리클 멤브레인의 중심을 주변을 향해 당기는 순수 프리로드 힘이 적층 구조 내에 주어진다. 펠리클 멤브레인을 장력 상태로 프리로딩하는 것은 유리할 수 있다. 수평 장력의 상태는 멤브레인을 광학적으로 편평한 형상으로부터 굽히거나 접을 수 있는 임의의 외부 인가 압축 또는 전단력에 직접 대항하도록 작용할 수 있다. 장력 프리로드는 또한 개별 층들 내의 굴곡을 방지하도록 작용할 수 있다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 MEMS 기반 펠리클 빔스플리터(20)를 나타낸다. 실리콘 기판(22)의 중심부를 전통적인 리소그라피 또는 유사한 프로세스들을 이용하여 에칭으로 제거하여, 베이스 층(32)의 바닥 표면(33)을 노출시키는 공동(26)을 형성한다. 중심부를 에칭하여 베이스 층을 노출시키는 것은 펠리클 빔스플리터가 베이스 층(32) 위에 적층된 빔스플리터 코팅(34)을 포함하는 펠리클 멤브레인(30)을 갖고, 둘레 주위에서 기판 프레임(24)에 의해 지지되게 한다. 장치 하부의 공동(26)은 빔스플리터의 중심 영역을 통과하는 광학 통로(28)를 제공한다.

빔스플리터 코팅(34) 아래의 베이스 층(32)은 원하는 굴절률을 갖도록 선택되며, 장치의 광학 통로(28)의 일부를 형성하는 것은 물론, 구조적인 지지를 제공하도록 구성된다. 베이스 층 및 빔스플리터 코팅의 조합은 상당한 이익을 제공한다. 약 250nm(0.250㎛)의 두께에 대해, 베이스 층은 충분히 얇아서, 빔스플리터 코팅의 일부로서 설계되어, 전통적인 빔스플리터들의 공통적인 문제인 '고스팅'을 줄이기 위해 베이스 층의 바닥 표면(33)에 반사 방지("AR") 코팅을 형성할 필요를 없앤다. AR 코팅의 부재는 제조 프로세스의 단계를 줄이고 광빔이 어느 하나의 방향으로 펠리클 멤브레인(30)을 통과하게 한다는 점에서 이롭다. 따라서, 도 4는 광이 정면(상부)에서 배면(하부)으로 광학 통로(28)를 통과하는 것으로 도시하지만, 본 발명의 구조는 광이 역방향으로도, 즉 배면(하부)에서 정면(상부)으로도 이동하게 한다.

펠리클 멤브레인(30) 및 지지 기판 프레임(24)을 형성하는 개별 층들의 두께들은 크게 변할 수 있으며, 일 실시예에서 기판 프레임(24)은 약 약 200㎛의 실리콘 기판(22)의 최초 두께를 유지할 수 있고, 펠리클 멤브레인(30)의 두께는 빔스플리터 코팅(34) 내의 유전체 층들의 수 및 두께에 따라 약 300nm(0.3㎛)에서 약 5000nm(5.0㎛)까지 변할 수 있으며, 통상적으로 약 2000nm(2.0㎛)의 값을 가질 수 있다.

단일 광학 상호접속을 갖는 광학 도파관 내의 펠리클 빔스플리터의 실시예(20)의 응용(40)이 도 5에 도시되어 있다. 레이저 또는 LED와 같은 광빔 소스(50)가 광학 도파관(60)의 한 단부에 위치한다. 이 광원은 펠리클 빔스플리터(20)와 접촉할 때까지 도파관의 내부를 따라 이동하는 광빔(52)을 생성하며, 이 시점에서 광의 소정 부분은 반사 광빔(54)으로서 광학 상호접속(70) 내로 반사되고, 광의 일부는 투과 광빔(56)으로서 빔스플리터를 통과한다. 입사 광 에너지에 대한 반사 광 에너지의 비율은 빔스플리터의 반사율로서 알려지며, 입사 광 에너지에 대한 투과 광 에너지의 비율은 빔스플리터의 투과율로서 알려져 있다. 투과율은 전력 탭 비율로도 알려져 있다.

본 발명의 하나의 이익은 높은 굴절률 및 낮은 굴절률의 반사 재료들의 교대 층들과 그 자신의 굴절률 값을 갖는 베이스 층의 적절한 선택 및 조합을 통해 펠리클 빔스플리터의 전력 탭 비율이 1% 내에서 정밀하게 제어될 수 있다는 것이다. 이러한 본 발명의 양태는 도 7 및 8에 제공된 그래프들에 의해 도시되며, 여기서 펠리클 빔스플리터의 반사율은 각각 11% 및 42%로 설정된다. 더욱이, 적절한 선택에 의해, 비편광 펠리클 빔스플리터는 광빔의 전력의 1% 내지 99% 중 어딘가를 반사하기 위해 광학 통로를 따라 충분한 교대 층들을 갖도록 구성될 수 있다.

도 7 및 8에는, 펠리클 빔스플리터(20)로부터의 어떠한 반사 광빔(54)도 투과 광빔(56)도 입사 빔의 편광 상태에 실질적으로 의존하지 않는 본 발명의 양태가 또한 도시되어 있다. 도 7에서, 예를 들어, 11%의 반사율을 갖는 본 발명의 일 실시예는 830nm 내지 870nm의 파장 대역을 가로질러 1%보다 작은 P 성분과 S 성분 사이의 반사 값들의 차이를 생성한다. 도 8에 유사하게 도시된 바와 같이, 42%의 전체 반사율을 갖는 본 발명의 일 실시예도 830nm 내지 870nm의 파장 대역을 가로질러 1%보다 작은 P 성분과 S 성분 사이의 반사 값들의 차이를 생성한다. 편광되지 않은 광을 반사하고 투과하는 능력은, 입사 광빔(52)에 포함된 모든 에너지가 광학 상호접속을 따르는 반사 또는 또한 도파관을 따르는 투과에 이용될 수 있으므로, 광학 도파관 시스템에 유리하다. 이것은 전력 요구들의 대응하는 감소와 더불어 광원(50)으로부터의 출력의 더 완전하고 효율적인 이용을 가능하게 한다. 이것은 또한 편광 광원의 요구를 완화한다.

도 6은 다수의 광학 상호접속(70)을 자는 광학 도파관(60) 내의 MEMS 기반 펠리클 빔스플리터의 실시예(20)의 응용(40)의 도면이다. 광학 도파관 내에 배치된 각각의 펠리클 빔스플리터(20)는 유사한 전력 탭 비율을 갖도록 형성될 수 있으며, 이 경우에 반사 광빔(54)은 점점 더 적은 에너지를 갖고, 상호접속은 광원(50)으로부터 더 멀리 위치할 것이다. 또는, 대안으로서, 각각의 펠리클 빔스플리터는 각각의 반사 광빔(54)에서 원하는 양의 광학 에너지가 각각의 광학 상호접속(70)으로 지향되는 것을 가능하게 하도록 선택되는 소정의 전력 탭 비율을 갖도록 형성될 수 있다. 이러한 능력은 광학 백플레인을 따라 소정 거리에 배치된 특정 도터 카드에 원하는 양의 광학 에너지를 할당하는 것과 같이 광학 시스템의 설계에서의 더 많은 유연성을 가능하게 하는 확실한 이익을 제공한다.

또한, 도 6에는, 본 발명의 펠리클 빔스플리터(20)에 의해 유발되는 제한된 양의 광빔의 측면 변위 또는 "워크 오프"가 도시되어 있다. 각각의 펠리클 빔스플리터의 매우 얇은 2㎛ 멤브레인은 광빔이 광학 도파관을 따라 이동할 때 광빔의 무시할만한 변위를 생성한다. 다수의 광학 상호접속을 통과한 후에도, 각각의 투과된 광빔(56)은 최초의 입사 광빔(52)과 실질적으로 정렬된 상태로 유지한다. 전통적인 빔스플리터들에서 발생하는 바와 같이, 도파관의 벽 또는 측면 경계에 더 가까운 반사 광빔의 제한된 측면 재배치가 존재하므로, 반사 손실이 최소화되고, 이는 광원(50)에 대한 전력 요구의 추가 감소로 이어진다.

도 9의 흐름도에 도시된 바와 같이, 다른 실시예는 광빔을 따라 다수의 광학 상호접속을 제공하기 위해 원하는 전력 탭 비율을 갖는 비편광 펠리클 빔스플리터를 형성하기 위한 방법(80)을 제공한다. 이 방법은 기판 상에 베이스 굴절률을 갖는 베이스 층을 형성하는 동작(82)을 포함한다. 베이스 층은 실리콘 질화물 또는 실리콘 이산화물과 같은 유전체 재료를 포함할 수 있으며, 약 250nm의 두께를 가질 수 있다. 마일라(Mylar)와 같은 폴리머 베이스 재료도 사용될 수 있다.

방법(80)은 베이스 층 위에 높은 굴절률 및 낮은 굴절률을 각각 갖는 복수의 교대 층을 형성하는 동작(84)을 더 포함하며, 따라서 높은 굴절률 및 낮은 굴절률의 층들 각각의 두께는 광빔의 편광 민감성을 실질적으로 제거하도록 선택된다. 더구나, 높은 굴절률 및 낮은 굴절률의 층들 각각의 두께는 임의의 바로 인접하는 층의 두께와 다를 수 있다.

낮은 굴절률의 층들은 1.3보다 크고 1.8 이하인 굴절률을 가질 수 있다. 가능한 후보들은 실리콘 이산화물, 실리콘 일산화물, 하프늄 산화물 및 마그네슘 불화물일 수 있다. 높은 굴절률의 층들은 1.8 내지 3.0 범위의 굴절률을 가질 수 있다. 예를 들어, 가능한 재료들은 티타늄 이산화물, 알루미늄 산화물, 탄탈륨 산화물, 및 아연 셀레나이드 등일 수 있다.

마지막으로, 방법(80)은 또한 베이스 층 및 복수의 교대 층을 포함하는 광학 통로를 갖는 펠리클 빔스플리터를 형성하기 위해 기판의 선택된 영역을 제거하는 단계(86)를 포함하며, 따라서 광학 통로는 입사 광빔 내의 선택된 양의 광을 투과하고 반사하도록 구성된다.

본 발명의 다른 실시예(100)에서는, 도 10a-b에 도시된 바와 같이, 펠리클 멤브레인(110) 내에 하나 이상의 관통 구멍(124) 또는 개구가 형성될 수 있다. 절단선 B-B로부터 볼 때의 도 10a의 빔스플리터의 부분도인 도 10b는 관통 구멍들이 빔스플리터 코팅(114)의 정면(120)에서 베이스 층(112)의 배면(122)으로의 연속적인 개구를 제공할 수 있음을 보여주는데, 이는 멤브레인(110)의 정면(또는 배면)에 충돌하는 입사 광(128)의 일부가 물리적 표면과 접촉하지 않고 관통 구멍들을 직접 통과하는 것을 가능하게 한다. 더구나, 빔스플리터 코팅(114)을 형성하는 높은 굴절률 및 낮은 굴절률의 복수의 층은 빔스플리터 코팅과 접촉하는 실질적으로 모든 광이 반사되는 충분한 반사율을 갖도록 형성될 수 있다. 따라서, 본 실시예(100)의 펠리클 멤브레인(110)은 하나 이상의 관통 구멍(124)을 통과하지 않은 실질적으로 모든 광을 반사한다. 대안으로, 다층 코팅 대신에, 은과 같은 단일 금속층이 고반사율 코팅으로서 사용될 수 있다. 이것은 펠리클 빔스플리터들의 제조 복잡성을 더 감소시키는 이익을 갖는다.

관통 구멍들(124)을 통과하는 광빔 부분은 자유 공간을 이동하므로, 빔 워크 오프 또는 편광은 작은 개구들 내의 발산에 영향을 미치지 않는다. 더구나, 관통 구멍들의 크기 및 수를 제어함으로써 반사율 대 투과율이 정밀하게 제어될 수 있다. 그리고, 도 10a에 도시된 바와 같이, 관통 구멍들은 직사각형 또는 타원 형상을 가질 수 있고, 구멍의 장축은 입사 광빔과 정렬될 수 있으며, 따라서 펠리클 빔스플리터가 도파관 내에 비스듬히 배치될 때, 직사각 구멍들은 광원의 관점에서 볼 때 원의 형상을 갖는다. 이것은 광원의 관점에서 볼 때 하나 이상의 관통 구멍에 원형 외관을 제공하므로 더 유리하고, 펠리클 빔스플리터의 반사율과 투과율을 계산하는 데 사용되는 방정식들을 간략화하며, 또한 투과 광빔의 형상 및 위치의 보다 양호한 제어를 가능하게 한다.

관통 구멍들을 갖는 도 10a-10c에 도시된 실시예의 대안으로서, 빔스플리터 코팅(140) 및 베이스 층(142)을 통해 형성된 단일 개구(134)를 갖는 펠리클 빔스플리터(130)가 도 11a-11c에 도시된 바와 같이 배치된다. 개구는 광원의 관점에서 볼 때 도파관 내에 비스듬히 배치될 경우에 원의 형상을 갖는 타원형 프로파일을 갖도록 형성될 수 있다. 투과되는 광(138)의 양은 도파관의 내부 총 단면적에 대한 개구의 원형 외관 면적의 비율과 거의 동일할 것이다. 이러한 방식으로, 도파관 모드에 대한 동요가 최소화될 수 있다.

도 12a-b에 도시된 바와 같은 다른 실시예(150)에서는, 빔스플리터 코팅(164) 내에 슬롯(172)을 형성하여, 코팅이 광학 통로에 영향을 미칠 수 있는 방식으로 굽거나 접히거나 변형되게 하는 코팅 내의 임의의 잔류 스트레스들을 제거할 수 있다. 슬롯은 베이스 층(162)에 도달할 때까지 펠리클 멤브레인(160)의 상면으로부터 빔스플리터 코팅을 통해 모든 방향으로 연장할 수 있지만, 베이스 층을 통해 연장하지는 않는다. 더구나, 슬롯은 도시된 바와 같이 펠리클 멤브레인의 중심 영역을 완전히 둘러쌀 수 있거나, 멤브레인의 외측 부분 주위에 중도까지만 연장할 수 있거나, 멤브레인의 중심 영역 주위에 필요에 따라 위치하는 다수의 분리되고 불연속적인 슬롯들로 분할될 수 있다. 더욱이, 슬롯은 정사각형, 직사각형 또는 원형과 같은 임의의 형상을 가질 수 있으며, 또한 임의의 리소그라피 또는 유사한 제조 기술을 이용하여 형성될 수 있다.

위의 상세한 설명은 본 발명을 특정 실시예들과 관련하여 설명한다. 그러나, 첨부된 청구항들에 기재된 바와 같은 본 발명의 범위로부터 벗어나지 않고서, 다양한 수정 및 변경이 이루어질 수 있다는 것을 알 것이다. 상세한 설명 및 첨부 도면들은 한정적이 아니라 단지 예시적인 것으로 간주되어야 하며, 존재할 경우에 그러한 모든 수정들 및 변경들은 본 명세서에 설명되고 기재된 바와 같은 본 발명의 범위 내에 포함되는 것을 의도한다.

보다 구체적으로, 본 발명의 실시예들이 본 명세서에 설명되었지만, 본 발명은 이러한 실시예들로 한정되는 것이 아니라, 위의 상세한 설명에 기초하여 이 분야의 기술자들에 의해 이해되는 바와 같은 수정들, 생략들, (예를 들어, 다양한 실시예들에 걸치는 양태들의) 조합들, 개량들 및/또는 변경들을 갖는 임의의 그리고 모든 실시예들을 포함한다. 청구항들 내의 한정들은 청구항들에서 사용된 언어에 기초하여 넓게 해석되어야 하며, 위의 상세한 설명에서 또는 본 출원의 계류 중에 설명되는 예들로 한정되지 않으며, 그러한 예들은 비포괄적인 것으로 해석되어야 한다. 예를 들어, 본 명세서에서, "바람직하게"라는 용어는 비포괄적이며, "바람직하게만, 그에 한정되지 않는"을 의미하는 것을 의도한다. 임의의 방법 또는 프로세스 청구항들에 기재된 임의의 단계들은 임의의 순서로 실행될 수 있으며, 청구항들에 제공된 순서로 한정되지 않는다.

Claims (25)

1. 광빔을 따라 다수의 탭을 제공하기 위해 원하는 전력 탭 비율을 갖는 비편광 펠리클 빔스플리터(non-polarizing pellicle beamsplitter)를 형성하는 방법으로서,
   기판 상에 베이스 굴절률을 갖는 베이스 층을 형성하는 단계;
   상기 베이스 층 위에 고굴절률 및 저굴절률을 각각 갖는 복수의 교대 층을 형성하는 단계-상기 고굴절률의 층들 및 저굴절률의 층들 각각의 두께는 상기 광빔에 대한 편광 민감성을 실질적으로 제거하도록 선택됨-; 및
   상기 기판의 선택된 영역을 제거하여, 상기 베이스 층 및 상기 복수의 교대 층을 포함하는 광학 통로를 형성하는 단계-상기 광학 통로는 상기 광빔 내의 선택된 양의 광을 투과하고 반사하도록 구성됨-
   를 포함하는 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 고굴절률의 층들 및 저굴절률의 층들 각각의 두께는 인접 층의 두께와 실질적으로 다른 방법.
3. 제1항에 있어서, 1.8보다 크고 3.0보다 작은 굴절률을 갖는 상기 고굴절률의 층들에 대한 재료를 선택하는 단계를 더 포함하는 방법.
4. 제1항에 있어서, 1.3보다 크고 1.8 이하인 굴절률을 갖는 상기 저굴절률의 층들에 대한 재료를 선택하는 단계를 더 포함하는 방법.
5. 제1항에 있어서, 상기 광학 통로 내에 미리 결정된 크기를 갖는 적어도 하나의 관통 구멍을 형성하여, 상기 광빔의 일부가 실질적으로 방해되지 않고 상기 적어도 하나의 관통 구멍을 통해 투과되게 하는 단계를 더 포함하는 방법.
6. 광빔을 따라 다수의 탭을 제공하기 위해 원하는 전력 탭 비율을 갖는 비편광 펠리클 빔스플리터로서,
   실리콘 기판에 물리적으로 결합되는 베이스 굴절률을 갖는 베이스 층-상기 실리콘 기판은 상기 베이스 층의 바닥 표면을 노출시키기 위해 실질적으로 제거되는 중심 부분을 둘러싸는 외측 프레임 부분을 더 포함함-; 및
   상기 베이스 층 상에 배치되는 빔스플리터 코팅-상기 빔스플리터 코팅은 고굴절률 및 저굴절률을 각각 갖는 복수의 교대 층을 더 포함하고, 상기 교대 층들 각각의 두께는 상기 광빔에 대한 편광 민감성을 실질적으로 제거하도록 선택됨-
   을 포함하고,
   상기 중심 부분 위의 상기 베이스 층 및 상기 빔스플리터 코팅은 함께 광학 통로를 포함하고, 상기 광학 통로는 상기 광빔 내의 선택된 양의 광을 투과하고 반사하도록 구성되는 비편광 펠리클 빔스플리터.
7. 제6항에 있어서, 상기 교대 층들 각각의 두께는 인접 층의 두께와 실질적으로 다른 비편광 펠리클 빔스플리터.
8. 제6항에 있어서, 1.8보다 크고 3.0보다 작은 굴절률을 갖는 상기 고굴절률의 층들에 대한 재료를 선택하는 것을 더 포함하는 비편광 펠리클 빔스플리터.
9. 제6항에 있어서, 1.3보다 크고 1.8 이하인 굴절률을 갖는 상기 저굴절률의 층들에 대한 재료를 선택하는 것을 더 포함하는 비편광 펠리클 빔스플리터.
10. 제6항에 있어서, 상기 광학 통로 내에 형성된 적어도 하나의 관통 구멍을 더 포함하여, 상기 광빔의 일부가 실질적으로 방해되지 않고 상기 적어도 하나의 관통 구멍을 통해 투과되게 하는 비편광 펠리클 빔스플리터.
11. 삭제
12. 삭제
13. 삭제
14. 삭제
15. 삭제
16. 삭제
17. 삭제
18. 삭제
19. 삭제
20. 삭제
21. 삭제
22. 삭제
23. 삭제
24. 삭제
25. 삭제

Images