KR102380723B1 - 수직 광 결합 구조체를 제조하는 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 제1 광학 또는 광전자 부품들(2)과 제2 광학 또는 광전자 부품들(3) 간의 수직 광 결합 구조체들(1)을 제조하는 방법에 관한 것이다. 상기 수직 광 결합 구조체들은, (i) 제2 광학 또는 광전자 부품들을 포함하는 기판(25) 상에 주층을 부착시키고, (ii) 주층을 리소그래피 및/또는 물리-화학적 에칭함으로써, 만들어진다. 각각의 수직 광 결합 구조체는 기판에 위치된 제2 광학 부품과 마주해서 접촉할 수 있게 위치되도록 만들어진다. 상기 단일의 주층은, 공기의 굴절률보다 큰 굴절률을 갖는 재료로 이루어지며 전체적으로 절두 원뿔형인 결합부들(12)을 포함한다. 상기 결합부 각각은 제1 광학 또는 광전자 부품의 발광면 또는 수광면(21)과 접촉하도록 한 제1 횡 방향 단부 표면(121)과, 제2 광학 또는 광전자 부품의 발광면 또는 수광면(31)과 접촉하는 제2 횡 방향 단부 표면(122)을 구비한다.
Description
본 발명은 광학 부품들 또는 광전자 부품들 사이의 광 결합 구조체 분야에 관한 것이다. 본 발명은 광섬유들의 매트릭스를, 수직 조명을 갖는 작은 크기의 고속 광 검출기들의 매트릭스에, 또는 표면을 통한 수직 공동 발광기, 즉 수직 공동 표면 발광 레이저(Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers) 혹은 VCSEL을 갖는 작은 크기의 고속 레이저 다이오드들의 매트릭스에, 집단적으로 또는 피동적으로 연결시키는 것에 특히 적용된다.
광방출 광섬유 다발과 다른 수광 광섬유 다발 또는 하나 이상의 광학 또는 광전자 부품 사이에서 광 신호를 능동 또는 수동으로 전송하도록 한 결합 장치, 예컨대 커넥터, 발광 다이오드 또는 레이저 다이오드 등이 공지되어 있다.
광 오정렬, 재반사, 또는 그 밖의 광학-기하학적 효과들로 인한 광섬유의 입력부 또는 출력부에서의 신호 손실을 최소화하기 위해서는, 결합 장치는 광섬유들의 축선의 정확한 정렬을 제공해야 하며, 광섬유의 코어와 외부 매질 사이의 굴절률의 불연속성을 피해야 한다. 광섬유와 VCSEL(수직 공진 표면 발광 레이저)의 결합에는, 일반적으로 단일 모드 섬유에 있어서는 최대로 미크론에 근접하게, 다중 모드 섬유에 있어서는 최대로 수 미크론에 근접하게, 정렬시키는 것이 필요하다. 또한, 결합 장치의 부피는, 명백한 실용적인 이유 때문에, 그리고 광전자 장치의 증가하는 소형화 추세에 부합될 수 있도록 하기 위해, 가능한 한 많이 감소되어야 한다.
섬유와 레이저 발광기(laser emitter)를 두 개의 지향 기구(orientation mechanism)를 사용하여 정렬시키기 위한 공지의 실효성 있는 기술이 있다. 레이저 방출기는 광섬유에 능동적으로 지향되는 빔 - 광섬유도 능동적으로 지향됨 - 을 생성한다. 두 지향 기구는 최대 출력을 얻기 위해 레이저와 광섬유를 정렬시키는 기능을 갖는다. 정렬이 이루어지면, 섬유는 용접 또는 접합에 의해 레이저 방출기에 부착된다. 이러한 능동 정렬 기술은 조립품을 얻는 데에 고 비용을 초래한다.
또한, 예를 들어 볼 렌즈들을 구비하는 종래의 결합 시스템은 세 부분, 즉 발광 부품, 수광 부품, 및 렌즈 자체에 있어서의 정렬 문제를 제기한다. 그래서 이는 6 자유도를 갖는 정렬이 된다.
피동식 정렬 기술도 제안되어 있다. 예를 들어 티. 오우치(T. Ouchi)의 "두꺼운 포토레지스트에 패턴화된 안내 정공들을 이용한 VCSEL와 플라스틱 광섬유의 직접 결합(Direct Coupling of VCSELs to Plastic Optical Fibers Using Guide Holes Patterned in a Thick Photoresist)"이라는 제하의 문헌은 배면을 통해 발광하는 VCSEL과 광섬유를 결합시키는 공정으로서, VCSEL의 기판에 안내 정공을 형성하는 것으로 구성된 공정을 설명하고 있다. 안내 정공들은 장치들을 지지하는 기판에 천공되고, 그 정공들 안으로 광섬유들이 미끄러져 들어간다. 안내 정공들은 광섬유의 안내를 개선하기 위해 테이퍼질 수 있다.
그러나 이 기술은 광섬유를 안내하지만, 소위 "맞대기 결합(butt-coupling)"이라고 하는 직접 접촉에 의한 광 결합만을 제공한다. 그 기술은 또한 광 빔을 집속시키지 않으며, 광섬유보다 작은 크기의 광 검출기에, 작은 크기이거나 혹은 광섬유로부터 발산되는 VCSEL 또는 하나의 광섬유를 갖는 VCSEL - 이들의 코어는 단일 모드 광섬유와 같이 축소된 치수로 되어 있음 - 을 결합시키거나 혹은 하나의 광섬유를 결합시키는 것을 효율적으로 할 수 없게 한다.
서로 부착된 기계 부품들로 구성된 광 결합 구조에 대한 문헌들[GB1409793, EP1722258, US20080123198, WO2011/002508A2]이 있다. 이러한 문헌들은 큰 치수, 즉 대체로 50㎛보다 큰 치수의 레이저들, 또는 광 검출기들의 피동식 결합을 제안한다. 여기에는, 문헌들[GB1409793, EP1722258, US20080123198]의 경우에 있어서 하나의 섬유와 단일 방출기 또는 수광기 장치와의 결합을 만들어내는 것이나, 심지어는 특허[WO2011/002508A2]에 있어서 하나의 섬유와 정량화된 제한된 수(1, 2, 4, 통상적으로 16보다 작음)의 일군의 광 방출기 또는 수광기 장치들과의 결합을 만들어내는 것이 포함된다.
상기 언급된 문서들 중 그 어느 것도 광학 장치들, 광원들 또는 검출기들의 매트릭스 N에 광섬유들의 매트릭스 N을 결합시키기 위한 구조가 만들어질 수 있게 하는 총괄적 해결책을 제시하지 않는다.
따라서, 집단적으로 제조될 수 있고, 쉽게 적응시킬 수 있고, 두께가 작고, 능동 정렬을 필요로 함이 없이 광 빔을 집속시킬 수 있으며 결합도를 향상시킬 수 있는, 간단한 결합 장치에 대한 필요성이 존재한다.
본 발명의 한 가지 목적은 두 개의 광학 또는 광전자 부품들의 결합, 예컨대 VCSEL 레이저와 광섬유의 결합이 간단하고 저렴하게, 즉 집단적이고 피동식으로 이루어질 수 있게 하는 것이다. 이 목적은 두 개의 광학 또는 광전자 부품들 사이의 수직 광 결합 구조에 기인하는 본 발명의 맥락에서 달성되는데, 이 결합 구조의 특징은, 결합 구조가, 일반적으로 공기인 주변 매질의 굴절률보다 큰 굴절률을 갖는 재료로 이루어지며 전체적으로 절두 원뿔형인 형상을 갖는 결합부를 포함하고, 상기 결합부가 제1 광학 또는 광전자 부품의 발광면 또는 수광면과 접촉하도록 한 제1 횡 방향 표면과, 제2 광학 또는 광전자 부품의 발광면 또는 수광면과 접촉하도록 한 제2 횡 방향 표면을 구비한다는 것이다.
본 발명은 광섬유들, 특히 단일 모드 또는 다중 모드 광섬유들을 결합시킬 수 있게 한다. 단일 모드 광섬유들의 결합으로 얻어지는 낮은 출력을 감안하면, 본 발명은 이러한 유형의 광섬유에 특히 적합하고 유리하다.
본 발명은 다음의 특징들을 단독으로 취하거나 혹은 그 특징들의 기술적으로 가능한 임의의 조합을 취함으로써 유리하게 달성된다.
- 결합부의 재료가 1.2 내지 4.2의 굴절률을 가진다;
- 결합부의 재료가 두 광학 또는 광전자 부품들의 발광면 또는 수광면의 굴절률 사이의 굴절률을 갖는다;
- 결합부의 재료가 폴리머이다;
- 결합부의 재료가 감광성 수지이다;
- 결합부의 재료가 SU-8, 벤조시클로부텐, 파릴렌, 폴리에틸 메타크릴레이트, 또는 실리콘으로 구성된다;
- 상기 수직 광 결합 구조체가, 결합부를 광학 부품의 발광면 또는 수광면과 관련하여 결합 위치에 유지시킬 수 있도록 하기 위해, 광학 부품들 중 하나를 수용하는 기판 상에 지지시키기에 적합한 지지부를 추가로 포함한다;
- 상기 지지부가 기판 상에 지지시키기에 적합한 프레임과, 결합부를 상기 프레임에 연결시키며 상기 결합부로부터 반경 방향으로 연장되는 서스펜션 암들을 포함한다;
- 상기 서스펜션 암들은 꼭지점이 결합부의 절두 면 측으로 향하는 삼각형 단면을 가진다;
- 상기 지지부는 광섬유의 한 단부를 수용하기에 적합한 원통형 하우징을 중심부에 갖는 섬유 유지 구조체를 추가로 포함한다;
- 상기 수직 광 결합 구조체가 상기 섬유 유지 구조체와 상기 지지부 사이의 분리 층을 추가로 포함한다;
- 상기 결합부가 원형 또는 직사각형 단면을 갖는 절두 원뿔형이다;
- 결합부와 그의 지지부가, 결합시킬 광학 또는 광전자 부품들의 매트릭스를 수용하는 기판 상에 단일의 집합적 제조 단계에서, 하나의 매트릭스로서 제조된다.
본 발명은 광학 부품들 중 하나를 수용하는 기판을 예를 들어 리소그래피, 포토리소그래피 및/또는 물리-화학적 에칭을 함으로써 제조되는, 전술한 바와 같은 수직 광 결합 구조체를 제조하는 방법에 관한 것이다. 따라서, 이 방법은 집단적이고 피동적인 결합을 만들어낸다.
즉, 본 발명은 제1 광학 또는 광전자 부품들과 제2 광학 또는 광전자 부품들 간의 수직 광 결합 구조체들을 제조하는 방법으로서, 매트릭스라고 칭하는 모놀리식 집단적 결합 장치(monolithic collective coupling device)를 제조할 수 있게 하는 수직 광 결합 구조체 제조 방법에 관한 것으로,
상기 수직 결합 구조체들은,
- 단계 (i)에서 제2 광학 또는 광전자 부품들을 포함하는 기판 상에 주층을 부착(deposition) 또는 전사시키고,
- 단계 (ii)에서 상기 주층에 리소그래피 및/또는 물리-화학적 에칭을 함으로써, 제조되고,
각각의 수직 광 결합 구조체는 기판에 위치된 제2 광학 부품과 마주해서 접촉할 수 있게 위치되도록 제조되고,
상기 모놀리식 주층은, 공기의 굴절률보다 큰 굴절률을 갖는 재료로 이루어지며 전체적으로 절두 원뿔형인 결합부들을 포함하고;
상기 결합부 각각은 제1 광학 또는 광전자 부품의 발광면 또는 수광면과 접촉하도록 한 제1 횡 방향 단부 표면과, 제2 광학 또는 광전자 부품의 발광면 또는 수광면과 접촉하는 제2 횡 방향 단부 표면을 구비한다.
용어 "주층"은 기판 상에 전사되어 에칭되는, 수지와 같은 변형될 수 있는 층, 또는 실리콘 웨이퍼와 같은 고체 층을 의미하는 것으로 이해된다.
이러한 주층은 전체 기판 위에 부착되고, 임의의 종류의 어떤 주형 내에도 수용되지 않는다.
용어 "부착(deposition)"은 기판에 전성 층을 부착시키는 것과 기판 상에 예를 들어 실리콘으로 이루어지는 실리콘 웨이퍼를 설치하는 것과 동등한 전사와 동일하게 관련된다.
주층의 리소그래피 및/또는 물리-화학적 에칭 단계는 포토리소그래피에 의해 행해진다.
주층의 리소그래피 및/또는 물리-화학적 에칭 단계는 기판 상에 지지시키기에 적합한 현수된 프레임이 구비된 지지부와, 결합부를 상기 프레임에 연결시키는 서스펜션 암들을, 각각의 수직 광 결합 구조체를 위해서 제조할 수 있게 한다.
상기 주층에 제2 층(B)이 부착되며, 이 제2 층은 제1 광학 또는 광전자 부품을 원통형 하우징 안에 수용할 수 있도록 한 유지 구조체를 리소그래피 및/또는 물리-화학적 에칭에 의해 제작하는 것을 가능하게 한다.
주층은 감광성 수지 또는 비감광성 수지이다.
주층은 실리콘으로 제조된다.
임프린트 포토리소그래피 및/또는 나노 임프린트 포토리소그래피 기술이 수직 결합 구조체를 만드는 데 사용된다.
주층은 반응성 이온 에칭 및/또는 심도 반응성 이온 에칭 기술에 의해 가공된다.
기판은 다양한 제2 광학 또는 광전자 부품들이 기판의 상면과 동일한 높이로 하우징들 안에 배열될 수 있도록 상기 하우징들에 중공으로 형성되고, 상기 제2 광학 또는 광전자 부품들(3)은 금속 트랙들에 의해 서로 연결된다.
제1 및 제2 광학 또는 광전자 부품들은 20㎛ 미만의 크기를 갖는다.
또한, 본 발명은 두 개의 광학 또는 광전자 부품들 간의 수직 광 결합을 위한 구조체에도 관한 것으로, 이 구조체는 위에서 정의된 방법으로 제조된다.
또한, 본 발명은,
- 발광면 또는 수광면을 갖는 제1 광학 또는 광전자 부품;
- 발광면 또는 수광면을 갖는 제2 광학 또는 광전자 부품; 및
- 청구항 11 내지 청구항 17 중 어느 한 청구항에 정의된 것이며, 공기의 굴절률보다 큰 굴절률을 가지며 소정의 높이를 갖는 재료로 이루어지고 전체적으로 절두 원뿔형인 형상으로 되어 있는 결합부를 포함하는 수직 결합 구조체를 포함하고,
상기 결합부는, 제1 광학 또는 광전자 부품의 발광면 또는 수광면과 접촉하도록 구성되며 제1 직경을 갖는 제1 횡 방향 표면과, 제2 광학 또는 광전자 부품의 발광면 또는 수광면과 접촉하도록 구성되며 제2 직경을 갖는 제2 횡 방향 표면을 구비하는, 조립체에도 관한 것으로,
이 조립체의 특징은, 제1 광학 또는 광전자 부품과 제1 횡 방향 표면 간의 위치 결정과 제2 광학 또는 광전자 부품과 제2 횡 방향 표면 간의 위치 결정에 있어서의 변동이 허용될 수 있도록 하면서 제1 광학 또는 광전자 부품의 출력 광 필드의 횡 방향 분포와 제2 광학 또는 광전자 부품의 발광면 또는 수광면과의 중첩이 최대화될 수 있도록, 제1 및 제2 횡 방향 표면의 크기가 최적화되는 것과;
소정의 제2 직경 및 소정의 파장의 광 빔에 있어서, 제1 직경에 대한 높이의 비는, 두 개의 광학 또는 광전자 부품들 사이의 최대 결합 위치와 관련한 두 개의 광학 또는 광전자 부품들 사이의 적어도 대략 5마이크로미터의 오정렬 변동에 대해서, 제 1 광학 또는 광전자 부품과 제2 광학 또는 광전자 부품 사이에 적어도 60%의 광 결합이 제공될 수 있도록, 결정된다는 것이다.
또한, 본 발명은 다수의 결합 구조체를 포함하는 매트릭스에 관한 것이다.
또한, 본 발명은, 다수의 결합 구조체를 갖는 매트릭스, 기판에 위치된 제2 광학 부품들의 매트릭스, 및/또는 제1 광학 부품들을 수용하도록 수성된 유치 구조체들의 매트릭스를 포함하며, 이 매트릭스들이 서로를 지지하도록 구성된, 조립체에 관한 것이다.
본 발명의 다른 목적들, 특징들, 및 장점들은 예시적이고 비한정적인 것으로 제공된, 첨부된 도면을 참조하는 아래의 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다.
도 1은 본 발명의 가능한 실시예에 따른 결합 구조체를 나타내는 도면이다.
도 2는 섬유에 결합된 결합 구조체의 단면도이다.
도 3은 광학 부품 또는 광전자 부품에 결합된 결합 구조체의 단면도이다.
도 4는 광섬유를 광학 부품 또는 광전자 부품에 결합시키는 결합 구조체의 단면도이다.
도 5는 광학 부품 또는 광전자 부품에 결합된 본 발명의 가능한 실시예에 따른 다수의 결합 구조체를 나타내는 도면이다.
도 6은 광섬유를 안내하는 하우징을 구비하는 본 발명의 가능한 실시예에 따른 결합 구조체를 나타내는 도면이다.
도 7은 광섬유 코어가 절두 원뿔형 결합부의 상부의 폭보다 작은 폭을 갖는 광섬유(이 경우의 광섬유는 광선 방출기로서 사용된다)에 결합된 도 6의 결합 구조체를 나타내는 도면이다.
도 8은 테이퍼진 유지 구조체를 구비하는 본 발명의 다른 실시예에 따른 결합 구조체를 나타내는 도면이다.
도 9는 광섬유 코어가 절두 원뿔형 결합부의 상부의 폭보다 작은 폭을 갖는 광섬유(이 경우의 광섬유는 광선 방출기로서 사용된다)에 결합된 도 8의 결합 구조체를 나타내는 도면이다.
도 10a 및 도 10b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 결합 구조체를 나타내는 도면이다.
도 11a는 본 발명의 일 실시예에 따른 결합 구조체를 제조하는 리소그래피 방법을 예시하는 도면이다.
도 11b는 본 발명의 일 실시예에 따른, 섬유 유지 구조체 및 서스펜션 암들을 구비하는 결합 구조체를 제조하는 리소그래피 방법을 예시하는 도면이다.
도 12는 활성 검출면이 10㎛의 변을 갖는 정사각형이며, 첫째로(좌측 부분) 25㎛의 긴 직경, 25㎛의 높이, 및 10㎛의 짧은 직경을 갖는 원형 결합 구조체와, 둘째로(오른쪽 부분) 25㎛의 긴 직경, 25㎛의 높이, 및 10㎛의 기부를 갖는 정사각형 결합 구조체를 갖는 광 검출기와 다중 모드 섬유 간의 결합 정도에 대한 정렬 공차의 곡선을 나타내는 것이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 결합 구조체 상에서의 광전자 부품의 전기 접점들의 위치 결정을 예시하는 도면이다.
도 14는 9㎛의 코어 직경을 갖는 단일 모드 광섬유와 5㎛의 수광소자 간의 결합 사례를 예시하는 것이다.
도 15는 도 14의 조건들과 동일한 조건이지만 결합부의 상부 기부 부분의 크기가 20㎛인 사례를 예시하는 것이다.
다음의 도 16 및 도 17은 10㎛의 직경을 갖는 수광소자와 호환성이 있는 것으로서 10㎛의 직경을 갖는 부분의 경우에서 얻어진 결과를 나타내는 것이다.
다음의 도 18은 9㎛의 코어 직경을 가지며 1,550nm의 파장을 갖는 단일 모드 광섬유를 결합시키기 위해 SU8 수지를 사용하여 얻은 예비 실험의 결과를 나타낸다.
도 2는 섬유에 결합된 결합 구조체의 단면도이다.
도 3은 광학 부품 또는 광전자 부품에 결합된 결합 구조체의 단면도이다.
도 4는 광섬유를 광학 부품 또는 광전자 부품에 결합시키는 결합 구조체의 단면도이다.
도 5는 광학 부품 또는 광전자 부품에 결합된 본 발명의 가능한 실시예에 따른 다수의 결합 구조체를 나타내는 도면이다.
도 6은 광섬유를 안내하는 하우징을 구비하는 본 발명의 가능한 실시예에 따른 결합 구조체를 나타내는 도면이다.
도 7은 광섬유 코어가 절두 원뿔형 결합부의 상부의 폭보다 작은 폭을 갖는 광섬유(이 경우의 광섬유는 광선 방출기로서 사용된다)에 결합된 도 6의 결합 구조체를 나타내는 도면이다.
도 8은 테이퍼진 유지 구조체를 구비하는 본 발명의 다른 실시예에 따른 결합 구조체를 나타내는 도면이다.
도 9는 광섬유 코어가 절두 원뿔형 결합부의 상부의 폭보다 작은 폭을 갖는 광섬유(이 경우의 광섬유는 광선 방출기로서 사용된다)에 결합된 도 8의 결합 구조체를 나타내는 도면이다.
도 10a 및 도 10b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 결합 구조체를 나타내는 도면이다.
도 11a는 본 발명의 일 실시예에 따른 결합 구조체를 제조하는 리소그래피 방법을 예시하는 도면이다.
도 11b는 본 발명의 일 실시예에 따른, 섬유 유지 구조체 및 서스펜션 암들을 구비하는 결합 구조체를 제조하는 리소그래피 방법을 예시하는 도면이다.
도 12는 활성 검출면이 10㎛의 변을 갖는 정사각형이며, 첫째로(좌측 부분) 25㎛의 긴 직경, 25㎛의 높이, 및 10㎛의 짧은 직경을 갖는 원형 결합 구조체와, 둘째로(오른쪽 부분) 25㎛의 긴 직경, 25㎛의 높이, 및 10㎛의 기부를 갖는 정사각형 결합 구조체를 갖는 광 검출기와 다중 모드 섬유 간의 결합 정도에 대한 정렬 공차의 곡선을 나타내는 것이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 결합 구조체 상에서의 광전자 부품의 전기 접점들의 위치 결정을 예시하는 도면이다.
도 14는 9㎛의 코어 직경을 갖는 단일 모드 광섬유와 5㎛의 수광소자 간의 결합 사례를 예시하는 것이다.
도 15는 도 14의 조건들과 동일한 조건이지만 결합부의 상부 기부 부분의 크기가 20㎛인 사례를 예시하는 것이다.
다음의 도 16 및 도 17은 10㎛의 직경을 갖는 수광소자와 호환성이 있는 것으로서 10㎛의 직경을 갖는 부분의 경우에서 얻어진 결과를 나타내는 것이다.
다음의 도 18은 9㎛의 코어 직경을 가지며 1,550nm의 파장을 갖는 단일 모드 광섬유를 결합시키기 위해 SU8 수지를 사용하여 얻은 예비 실험의 결과를 나타낸다.
도 1은 상이한 치수를 가질 수 있는 발광면 또는 수광면을 갖는 두 개의 광학 또는 광전자 부품들 간의 기본적인 수직 결합 구조체를 나타내고 있는 것으로, 이 수직 광 결합 구조체는 본 발명에 따른 방법에 의해 도 5 및 도 13에 묘사된 바와 같은 하나의 매트릭스가 되게 N회 제조된다.
도 2에서, 제1 광학 또는 광전자 부품은 광섬유이고, 제2 광학 또는 광전자 부품은 VCSEL이다.
용어 "수직" 광 결합은 섬유 유지 구조체의 평면이기도 한, 결합 구조체가 제조되는 기판의 평면에 대한 수직을 의미하는 것으로 이해된다.
계단형 굴절률 광섬유(step-index optical fiber)는 굴절률 N2 < N1인 동심 외피(22)에 의해 둘러싸이는 일정한 굴절률 N1의 투명 원통형 코어(23)로 구성된다. 예를 들어, 코어(23)는 실리카로 제조되어 굴절률 N1 = 1.456이고 코어 직경이 9㎛이며, 외피(22)는 실리카로 제조되어 굴절률 N2 = 1.410이고 직경이 125㎛이다. 단일 모드 광섬유의 코어(23)는 일반적으로 9㎛의 직경을 갖는 반면, VCSEL은 직경이 약 8㎛ 내지 12㎛인 발광면을 갖는다. 본 발명은 일반적으로 1㎛ 내지 10 ㎛인 작은 크기의 레이저 또는 광 검출기에 결합시키기에 특히 유리하다.
결합 구조체(1)는 일반적으로 공기인 주변 매질의 굴절률보다 큰 굴절률을 갖는 재료로 채워지는 체적을 한정하는, 전체적으로 절두 원뿔형인 결합부(12)를 포함한다.
결합부(12)는 그의 회전 축선에 수직인 평면에 의해 절두된 원뿔이다.
용어 "절두 원뿔"은 각뿔대, 절두 피라미드, 또는 크기가 다른 두 개의 평행 평면들을 연결하는 수렴 형상으로 잘못되게 확장될 수 있다.
도 2를 참조하면, 큰 표면의 회전 축선에 수직인 면인 원뿔(121)의 기부는 제2 광학 또는 광전자 부품(2)의 발광면 또는 수광면(21)과 접촉하도록 구성된다.
도 3을 참조하면, 작은 표면의 회전 축선에 수직인 면인 절두 면(122)은 제1 광학 또는 광전자 부품(3)의 발광면 또는 수광면(31)과 접촉하도록 구성된다.
원뿔(121)의 기부의 면적은 상기 제1 부품(2)의 발광면 또는 수광면(21)의 면적보다 대체적으로 작다. 동일한 방식으로, 원뿔의 절두 면(122)은 상기 제2 부품(3)의 발광면 또는 수광면(31)의 면적보다 작거나 같은 면적을 갖는다. 또한, 원뿔(121)의 기부는 상기 제1 부품(2)의 발광면 또는 수광면(21)에 의해 완전히 덮이도록 하기에 적당하다. 동일한 방식으로, 원뿔(122)의 절두 면은 상기 제2 부품(3)의 발광면 또는 수광면(31)에 의해 덮이도록 하기에 적당하다.
도 2, 도 3 및 도 4를 참조하면, 광섬유(2)와 VCSEL(3) 간의 결합이 이루어지는 동안, VCSEL의 발광면(31)은 절두 면(122)에 접하고, 반면에 광섬유(2)의 코어(23)는 원뿔의 기부(121)에 접하며, 광섬유의 외피(22)는 지지 구조체(15) 상에 지지된다. 원뿔의 기부(121)는 광섬유의 코어(23)의 단면보다 작은 크기의 단면을 갖는다. VCSEL의 경우, 원뿔의 절두 면(122)은 VCSEL의 발광면보다 크거나 같은 표면적을 갖는다.
광 검출기의 경우, 절두 면(122)은 광 검출기의 면적 이하이어야 하며, 원뿔의 상부 기부(121)는 도 7 및 도 9에 도시된 바와 같이 광선을 방출하는 광섬유 코어(23)보다 크거나 같다.
결합부(12)의 굴절률은 주변 매질의 굴절률보다 커야 한다. 예를 들어 주변의 매질이 공기인 시나리오에서, 결합부(12)의 굴절률은 1보다 커야 한다. 바람직하게는, 광섬유를 받아들이는 원뿔 내에서의 각도를 더 잘 유지할 수 있게 하기 위해서는 결합부(12)의 굴절률은 커야 한다. 따라서, 결합부(12)의 굴절률은 1보다 커야 하고, 바람직하게는 2보다 커야 하며, 더욱 바람직하게는 3보다 커야 한다.
또한, 반사 손실을 최소화하기 위해서는, 결합부(12)의 굴절률과 발광면 또는 수광면(21, 31)을 형성하는 재료의 굴절률 간의 격차는 작아야 한다. 따라서, 결합부(12)의 굴절률은 두 개의 광학 또는 광전자 부품들(2, 3)의 발광면 또는 수광면(21, 31)을 형성하는 재료의 굴절률들 사이에 포함되되 최대 20%까지 근접하고, 바람직하게는 최대 10%까지 근접한다. 광섬유(2)와 VCSEL(3)가 결합되고, 광섬유 코어의 굴절률이 일반적으로 1.5 정도이고, VCSEL의 발광면의 재료의 굴절률이 3.5 정도인 경우, 결합부(12)의 굴절률은 이에 따라서 1.20 내지 4.20이고, 바람직하게는 1.35 내지 3.85이다. 예를 들어, 결합부(12)는 감광성 수지로 제조되는 것이 바람직하다.
상기 부품들(2, 3)이 원형인 발광면 또는 수광면을 갖는 경우, 결합부(12)는 원형 단면을 갖는 절두 원뿔형인 것이 유리하다. 광학 부품들 중 하나가 직사각형인 발광면 또는 수광면을 갖는 경우, 상기 결합부(12)는 직사각형 단면을 가질 수 있다. 또한, 방출된 광이 편광 선호 축(favored axis)을 갖는 경우, 결합부(12)는 상기 편광 선호 축을 유지할 수 있도록 배향된 장방형 또는 타원형 단면을 갖는 것이 유리하다.
용어 "전체적으로 절두 원뿔형"은 꼭지점이라고 하는 고정 점과 둘러싸인 평면 곡선을 그리는 가변 점을 지나면서 모선에 의해 한정되는 체적인 원뿔의 일부분의 형상으로서, 원뿔의 기부에 평행한 평면과 원뿔의 기부 사이에 포함된 원뿔의 일부분의 형상을 갖는 구조를 의미하는 것으로 이해된다. 상기 모선은 직선 또는 5% 미만의 곡률을 갖는 곡선이다.
이 용어는 원형, 직사각형, 정사각형 또는 타원형 단면을 갖는 절두 원뿔형을 명료하게 포함한다. 전체적 절두 원뿔형은 부분적으로 중공일 수 있지만, 중실체인 것이 바람직하다.
접촉부들(121, 122)의 크기는 제1 부품의 출력 광 필드의 횡 방향 분포와 제2 부품의 수광면과의 중첩이 최대화되도록 최적화된다.
원뿔의 각도 θ와 높이 H는 광방출 부품의 출력부에서의 빔의 발산을 내포하도록 해서 광방출 부품과 수광 부품 사이의 허용 각도와 모드의 적응성이 최대화될 수 있도록 결정된다.
전자기 시뮬레이션은 원뿔 부분의 치수와 윤곽을 광방출 부품에 의해 방출되는 모드와 수광 부품의 형상의 함수로서 최적화시키는 것을 가능하게 해야 한다. 이러한 최적화는 당해 기술분야에서 숙련된 자들에게 잘 알려진 RSoft 소프트웨어 프로그램과 같은 소프트웨어 프로그램을 사용하여 수행될 수 있다.
부품(3)이 10㎛의 변을 갖는 정사각형 부분을 갖는 고속 광 검출기이고, 부품(2)이 850nm의 파장을 갖는 광 빔을 방출하며 50㎛의 코어 직경을 가지는 다중 모드 광섬유인 경우, 결합 구조체(1)는 정사각형 부분, 10㎛의 변을 갖는 절두 면(122), 25㎛보다 큰 높이(H), 및 1.17 x H + 3.7㎛ 내지 50㎛의 변을 갖는 기부(121)를 구비한 SU-8 감광성 폴리머로 제조되는 것이 유리하다. 이러한 구성에서, 결합 구조체(1)는 광섬유의 정렬에 대한 제한을 완화하면서 수광소자로의 광섬유의 결합 계수를 유리하게 증가시킬 수 있게 한다.
부품(3)이 10㎛의 변을 갖는 정사각형 부분을 갖는 고속 광 검출기이고, 부품(2)이 850nm의 파장을 갖는 광 빔을 방출하며 9㎛의 코어 직경을 가지는 단일 모드 광섬유인 경우, 결합 구조체(1)는 정사각형 부분, 10㎛의 변을 갖는 절두 면(122), 가변 높이(H), 및 15㎛의 변을 갖는 기부(121)를 구비한 SU-8 감광성 폴리머로 제조되는 것이 유리하다. 이러한 구성에서, 결합 구조체(1)는 직접 접촉에 의한 결합 해결책과 비교할 때 광섬유의 정렬에 대한 제한을 유리하게 완화시킬 수 있고 또한 적절하다면 계면에서의 반사를 유리하게 감소시킬 수 있다.
부품(3)이 850nm의 파장을 갖는 광 빔을 방출하며 광 구경이 D, 통상적으로 8㎛인 고속 VCSEL이고, 부품(2)이 50㎛의 코어 직경을 가지는 다중 모드 광섬유인 경우, 결합 구조체(1)는, 원형 부분, 7 내지 9㎛의 직경을 갖는 절두 면(122), 30㎛까지 근접하는 가변 높이(H)를 구비하며, 8㎛인 D의 값에 대해 4㎛에서 12㎛ 사이로 구성된 기부(121)의 치수를 결정할 수 있게 하는 원뿔형 부분의 수직선과 모선 사이의 각도가 -5°에서 + 5° 사이인 SU-8 감광성 폴리머로 제조되는 것이 유리하다. 이러한 구성에서, 결합 구조체(1)는 광섬유의 정렬에 대한 제한을 역시 완화하면서, 광섬유의 입력부에서의 빔의 발산을 줄임으로써 다중 섬유로의 VCSEL의 결합 계수를 유리하게 증가시킬 수 있게 한다. 이 결합 구조체는 또한 일반적으로 광 구경이 수 마이크로미터인 작은 크기의 VCSEL들을 위한 결합도를 높게 유지할 수 있게 한다.
부품(3)이 850nm의 파장을 갖는 광 빔을 방출하며 광 구경이 D, 통상적으로는 8㎛인 고속 VCSEL이고, 부품(2)이 9㎛의 코어 직경을 가지는 단일 모드 광섬유인 경우, 결합 구조체(1)는, 원형 부분, 7 내지 9㎛의 직경을 갖는 절두 면(122), 30㎛ 내지 50㎛의 높이(H), 및 직경이 4㎛ 내지 9㎛인 기부(121)를 갖는 SU-8 감광성 폴리머로 제조되는 것이 유리하다. 이러한 구성에서, 결합 구조체(1)는 종래의 해결책과 비교할 때 광섬유의 정렬에 대한 제한을 역시 완화하면서, 광섬유의 입력부에서의 광 빔의 발산을 줄임으로써 광섬유로의 결합 계수를 높게 유지할 수 있게 하여 유리하다.
결합 구조체(1)는 결합부(12)를 광학 부품(3)의 발광면 또는 수광면과 관련하여 결합 위치에 유지시킬 수 있도록 하기 위해, 광학 부품들(3) 중 하나를 수용하는 기판(35) 상에 지지시키도록 구성된 지지부(15)를 추가로 포함한다. 상기 지지부(15)는 기판(35) 상에 지지시키기에 적합한 프레임(151)과, 결합부(12)를 상기 프레임(151)에 연결시키며 상기 결합부(12)로부터 반경 방향으로 연장되는 서스펜션 암들(152)을 추가로 포함한다. 결합 구조체(1)는 결합부(12)의 주위에 동일한 각도로 배치된 세 개 또는 네 개의 서스펜션 암(152)을 포함하는 것이 유리하다. 도 5를 참조하면, 여러 개의 광학 또는 광전자 부품들이 하나의 동일한 기판(35) 상에 배치되는 경우, 집단적 결합이 이루어질 수 있도록 여러 개의 결합 구조체들(12)이 나란히 배치될 수 있다. 지지부(15)가 있음으로써 결합 구조체(1)의 견고성이 강화되며 결합 구조체의 늘어짐이 방지된다.
광섬유(2)와 VCSEL(3) 간의 결합이 있는 경우, 프레임(151)은 직사각형 외곽과 원형 내곽을 갖는 단면(절두 원뿔의 축선에 수직)을 구비한다. 서스펜션 아암들(152)은, 결합부(12)와 서스펜션 암들(152) 사이의 계면에서의 발광 손실을 제한할 수 있도록, 삼각형의 한 꼭지점이 결합부(12)의 절두 면 측을 향하고 있는 삼각형 단면(암의 길이 방향에 수직인 단면)인 것이 유리하다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 제1 광학 또는 광전자 부품(2)이 광섬유이고 제2 광학 또는 광전자 부품(3)이 VCSEL인 경우, 결합 구조체(1)는 그 결합 구조체(1) 상에서의 정렬 시에 광섬유(2)의 위치를 고정하고 조정할 수 있도록 광섬유(2)의 한 단부를 수용하기에 적합한 원통형 하우징(17)을 중심부에 구비하는 섬유 유지 구조체(18)에 의해 완전해진다. 결합 구조체(1) 주변의 일반적으로 공기인 외부 매질의 성질을 밀봉시키고 제어하는 것이 보장될 수 있도록 선택적 분리 층(9)이 섬유 유지 구조체(18)와 지지부(15) 사이에 삽입된다.
상기 선택적 분리 층(9)은 일반적 실리콘, 산화 실리콘, 질화 실리콘, 유리, 파릴렌, 또는 예컨대 SU8, BCB, PMMA 유형의 폴리머 또는 수지로 만들어진다.
섬유 유지 구조체(18)는 일반적으로 실리콘 또는 폴리머로 만들어진다.
결합부(12)와 광학 부품들(2, 3)의 위치 결정은 압력 하에서, 또는 압력 없이 수행될 수 있다. 유리하게는, 상기 결합 구조체(1)는 압력을 가함으로써 광학 부품에 대해서 제 위치에 유지될 수 있게 하는 접착성을 갖는 재료(예컨대, SU8, BCB)로 제조된다.
결합 구조체(1)는 큰 직경의 발광면을 갖는 광학 또는 광전자 부품에 의해 방출되어 작은 직경의 수광면을 갖는 광학 또는 광전자 부품을 향하는 광 빔을 제한할 수 있게 한다. 제안된 구조체는, 특히, 일반적으로 수 마이크로미터인 작은 크기의 고속 광 검출기를, 일반적으로 코어 직경이 50㎛인 다중 모드 광섬유에 결합시킴에 있어서, 지금까지 제안된 공정에 의해 얻어진 것보다 더 큰 효율로 결합시킬 수 있게 하고, 또한 광 검출기의 기판의 리소그래피에 의해 직접적으로 만들어질 수 있는 간단한 결합 구조를 가지며, 이는 광섬유와의 요구되는 정렬 정확도에 대한 제약의 완화뿐만 아니라 집단적 결합도 기대할 수 있게 한다.
결합 구조체(1)는 또한 작은 직경의 발광면을 갖는 광학 또는 광전자 부품에 의해 방출되어 큰 직경의 수광면을 갖는 광학 또는 광전자 부품을 향하는 광 빔을 제한할 수 있게 한다. 제안된 구조체는, 특히, VCSEL을 단일 모드 또는 다중 모드 광섬유에 결합시킴에 있어서, 지금까지 제안된 공정에 의해 얻어진 것보다 더 큰 효율로 결합시킬 수 있게 하고, 또한 VCSEL의 기판의 리소그래피에 의해 직접적으로 만들어질 수 있는 간단한 결합 구조를 가지며, 이는 필수적인 광섬유와의 정렬 정확도에 대한 제약의 완화뿐만 아니라 집단적 결합도 기대할 수 있게 한다.
수직 결합 구조체(1)는 섬유 유지 구조체(18)에 의해 유리하게 완전해진다. 이 섬유 유지 구조체(18)는 추가 부품으로서, 또는 소재(1)의 본체 안에 만들어질 수 있다.
여러 결합 장치들을 포함하는 매트릭스의 제조 단계들은 선택된 재료에 따라 달라진다. 두 가지 경우, 즉 재료가 감광성 수지인 경우와, 재료가 마이크로전자 기술에 의해 가공되어야 하는 경우(실리콘, 비감광성 수지)가 가능하다.
재료가 감광성 수지(SU8, BCB 등)인 경우, 상기 방법에는 중합된 패턴의 가장자리들을 조정하기 위해 자외선(UV)에 노광시키고 현상하는 시간을 제어하는 단계가 구성된다. 경사부가 얻어질 수 있고, 그의 경사는 노출 부족/과잉 및 현상 부족/과잉의 조건들에 의해 최적화될 수 있다. 임프린트 리소그래피(또는 IL) 및 나노임프린트 리소그래피(NIL) 기술이 대안적으로 사용될 수 있다.
재료가 마이크로전자 기술에 의해 가공되어야 하는 경우(실리콘, 비감광성 수지)에는, 반응성 이온 에칭(RIE) 방법 및 심도 반응성 이온 에칭(DRIE) 방법이 에칭 가장자리들을 제어하는 데 유리하게 사용된다. 실리콘 상의 DRIE 기술은, 특히, 양 또는 음의 각도의 직선형 경사진 형상, 또는 만곡 형상 상에서의 가장자리들의 정확한 제어를 할 수 있다.
수지 형태의 재료에 대해서는, 임프린트 리소그래피(또는 IL) 및 나노임프린트 리소그래피(NIL) 기술이 대안적으로 사용될 수 있다.
포토리소그래피 제조 방법은 예를 들면 도 11을 참조해서 위에서 설명한 바와 같이 행해진다.
VCSEL의 기판은 제1 조사에서 마스크를 사용하여 조사된 감광성 수지로 덮이고, 이에 따라 노광된 부분이 중합된다. 소부 처리 후, 중합 부분은 현상제에 대해 불용성이 되고, 반면에 감광성 수지의 노광되지 않은 부분은 용해 가능하게 남아 있게 된다. 용해 가능한 감광성 수지 부분이 용해된 후에는 제1 조사에 노출된 감광성 수지 부분만 남겨진다.
수직 광 결합 구조체(1)는 또한 여러 개의 부분들로 제조될 수 있고, 이들은 압착 또는 접합(감광성 재료의 경우에는 폴리머 접합)에 의해 조립된다. 수직 광 결합 구조체(1)는 대안적으로 하나의 단일체(monolith)로서 제조된다. 상기 모놀리식 제조는 포토리소그래피와 RIE 기술의 조합이나, DRIE 단독으로(실리콘인 경우), 또는 포토리소그래피와 NIL 기술의 조합에 의해 수행될 수 있다.
도 13을 참조하면, 수직 결합 구조체(1)는 결합시킬 광전자 부품의 전기 접점들(32)에 마스크를 씌우지 않는다. 그 전기 접점들의 전극들은 전기 접점들의 분리에 의해서나, 또는 지지부(15)의 크기를 적절하게 함으로써, 지지부(15) 외부에 위치된다.
결합시킬 광전자 부품의 전기 접점들(32)은 보통의 다양한 기술을 이용하여, 특히 플립-칩 기술, 열 압착 기술, 와이어 본딩 기술, 또는 포토리소그래피 봉입 및 접촉 기술을 이용하여, 취해질 수 있다.
플립 칩 기술과 열 압착 기술은 광섬유를 관통시킬 수 있게 한 개구를 갖도록 한 상호 연결부들을 만들기 위해서 전사 기판이 필요하다. 이 기판은, 원통형 하우징이 안에 만들어지며, 사이에 개재되는 기판일 수 있으며, 자체에 전기 접속부들을 갖고 있는, 기판과 공통적일 수 있다. 따라서 이 접근법은 3차원 배선 방법에 적합하다.
치수의 관점에서, 고정 구조(anchoring structure)가 광섬유의 전체를 지지하는 경우, 그의 치수는 반경이 62.5㎛ 정도이다. VCSEL로부터 그의 전기 접점들까지의 거리는 일반적으로 상기 치수보다 더 크다. 그러나 포토리소그래피 봉입 및 접촉 기술을 이용하여서 광전자 부품의 접점들이 광섬유의 하우징 아래에 위치할 수 있게 할 수 있다. 이 선택 안은 VCSEL과 광 검출기의 생산 밀도를 더 크게 할 것이다.
광섬유의 위치 결정은 기계식으로 피동적으로 이루어진다. 그 다음에 섬유 유지 구조체(18)를 최적화하는 것이 권장된다. 광섬유는 기계식 전달 공정(픽 앤 플레이스로 알려진 공정), 또는 자동 혹은 수동 공정에 의해 가져오게 된다. 이 작업을 수행하는 장치는 1㎛에 가장 가까운 정렬 정밀도를 가질 수 있고, 이는 문제없이 충분한 것이다. 도 8 및 도 9를 참조하면, 유지 구조체(18)는 테이퍼 형상의 상부를 구비하는 것이 유리한데, 이 테이퍼 형상의 상부는 광섬유가 그의 하우징 안으로 미끄러져 들어가는 것을 유리하게 촉진시켜서 위치 결정 기구에 대한 제한을 줄이며, 수동 위치 결정도 이루어질 수 있게 한다. 이러한 의미에서, 행해져야 할 정렬은 없다. 이것은 구조체 자체에 의해서 자동으로 완전히 피동적으로 행해진다.
도 12를 참조하면, 광 검출기 상에서의 결합 구조체(1)의 포토리소그래피에 의한 정렬을 고려할 때, 정밀도는 일반적으로 +/- 1㎛가 될 것이고, 이는 최대 비율을 외견상 완전히 따르게 한다. 그러나 광섬유의 정렬은 다르게(슬릿 안으로의 안내) 얻어진다. 코어 직경이 50㎛인 다중 모드 광섬유와 변들이 10㎛인 활성 표면을 갖는 광 검출기 간의 결합에 있어서, 광섬유의 정렬은 기본 모드에서의 70%보다 큰 결합 및 모든 경우에서의 40%보다 큰 결합을 위해 +/- 10㎛까지 허용될 수 있다는 것이 밝혀졌다. 구형 렌즈를 사용하는 다른 종래의 기술들은 변들이 10㎛인 광 검출기 치수에 걸쳐 40%의 최대 결합도를, 광섬유의 형태상의 분포가 감소된 상태에서 발휘할 수 있었다(모드 혼합기 또는 결합기 없이, 5 개의 횡 방향 모드를 갖는 레이저, 길이가 30cm인 섬유 사용). 따라서 제안된 기술은 결합도와 관련한 상당한 질적 우위에 기여하며, 그와 동시에 피동식 집단적 해결책에도 기여한다.
도 10a를 참조하면, 두 개의 결합 구조체들이 연합될 수 있다. 제2 결합 구조체(1)의 원뿔(121)의 기부와 제2 결합 구조체(1)의 원뿔(121)의 기부가 서로 가압되고, 제1 광학 또는 광전자 부품의 발광면 또는 수광면(31)은 제1 결합 구조체(1)의 절두 면(122)에 대해 가압되는 반면에, 제2 광학 또는 광전자 부품의 발광면 또는 수광면(31)은 제2 결합 구조체(1)의 절두 면(122)에 가압된다.
이러한 연합은, 도 10b에 나타낸 바와 같이, 자신의 유지 하우징(18) 안에 있는 광섬유와, 두 개의 광학 또는 광전자 부품들 중 하나로서의 계면 멤브레인(9)과 함께 유리하게 행해질 수 있다.
본 발명은 또한 제1 광학 또는 광전자 부품들(2)과 이 제1 광학 또는 광전자 부품들(2)의 크기와는 다른 크기를 갖는 제2 광학 또는 광전자 부품들(3) 간의 수직 광 결합 구조체들(1)을 제조하는 방법에도 관한 것으로, 이 방법은 소위 매트릭스 모놀리식 집단적 결합 장치를 만들 수 있게 한다.
상기 수직 결합 구조체들(1)은,
- 단계 (i)에서 제2 광학 또는 광전자 부품들을 포함하는 기판(35) 상에 주층(A)을 부착시키고,
- 단계 (ii)에서 상기 주층에 리소그래피 및/또는 물리-화학적 에칭을 함으로써, 제조된다.
상기 용어 "주층"(A)은 기판 상에 전사되어 에칭되는, 수지와 같은 변형될 수 있는 층, 또는 실리콘 웨이퍼와 같은 고체 층을 의미하는 것으로 이해된다.
이러한 주층(A)은 전체 기판 위에 부착되고, 임의의 종류의 어떤 주형 내에도 수용되지 않는다.
용어 "부착(deposition)"은 기판에 전성 층을 부착시키는 것과 기판 상에 예를 들어 실리콘으로 이루어지는 실리콘 웨이퍼를 설치하는 것과 동등한 전사와 동일하게 관련된다.
광 결합 구조체들은 리소그래피 기술을 이용하여서 전체 기판에 걸쳐 집단적으로 상기 주층의 체적 내에, 바람직하게는 동시에, 만들어진다. 결합 구조체의 패턴은 마스크에 의해 생기며, 기판을 덮는 주층 상에서의 리소그래피에 의해 재생되고, 따라서 생성되는 결합 구조체 각각에 의해 공유되는 정밀도는 집단적 동작에 의해 보장된다. 특히, 포토리소그래피 기술이 마스크 층을 주층 위로 전사시키는 데 사용될 수 있고, 이 기술은 마스크 패턴을 주층 상에 물리-화학적 에칭에 의해서 지속적으로 전사할 수 있게 하며, 이 때, 결합 구조체(1)의 가장자리들의 각도 제어는 에칭 제어 변수들에 의해 수행된다.
주층이 감광성인 경우, 주층 상에서의 직접적인 포토리소그래피 기술도 사용될 수 있고, 이 때, 결합 구조체(1)의 가장자리들의 각도 제어는 노광 과잉/부족 및 현상 과잉/부족의 조건들을 조정함으로써 수행된다.
패턴은 또한 스탬프에 미리 만들어질 수도 있고, 아마도 상기 두 가지 기술들 중 하나의 기술에 의해 만들어져서, 결합 구조체를 형성하기 위해 스탬핑함으로써 주층에 가해진다. 이것은 나노 임프린트 리소그래피(NIL)라고도 알려진 마이크로 규모 또는 나노미터 규모의 스탬핑 기술이다. 이 기술들 각각은 결합 구조체(1)를 전체 웨이퍼 위에 마이크로 규모 또는 나노미터 규모의 정밀도로 집단적으로 생산하는 것을 보장한다.
각각의 수직 광 결합 구조체(1)는 기판(35)에 위치된 제2 광학 부품(31)과 마주해서 접촉할 수 있게 위치되도록 제조된다.
상기 모놀리식 주층은, 상기 단계 (ii) 후에, 공기의 굴절률보다 큰 굴절률을 갖는 재료로 이루어지며 전체적으로 절두 원뿔형인 결합부들(12)을 포함한다.
상기 결합부들(12) 각각은 제1 광학 또는 광전자 부품(2)의 발광면 또는 수광면(21)과 접촉하도록 한 제1 횡 방향 단부 표면(121)과, 제2 광학 또는 광전자 부품(3)의 발광면 또는 수광면(31)과 접촉하는 제2 횡 방향 단부 표면(122)을 구비한다.
즉, 단계 (i)에서의 주층(A)의 부착과 단계 (ii)에서의 주층(A)의 모양 형성에 의해, 이 방법은 광학 부품들 상에 직접 만들어지는 결합 구조체들을 얻을 수 있게 하고, 그와 동시에 결합 구조체들 서로에 대한 치수 결정을 아주 정확하게 하며, 이러한 것이 작은 치수의 광학 부품들에 대해서도 이루어질 수 있게 한다.
유리하기로는, 상기 제1 부품들은 광섬유이고, 상기 제2 부품들은 광학 장치, 광원, 또는 검출기이다.
일 실시예에서, 상기 모놀리식 주층은 광섬유(2)의 한 단부를 수용하기에 적합한 원통형 하우징(17)을 중심부에 갖는 섬유 유지 구조체(18)를 포함한다.
암의 (암을 통한 광 손실을 방지하기 위한) 최소 개수와 치수는 수직선에 대한 절두 원뿔 결합부의 각도 θ에 현저하게 의존한다.
일 실시예에서, 암이 없어도 기판 상에 자중에 의해 놓이게 되는 치수(특히 수직선에 대한 작은 각도)로 인하여, 절두 원뿔 결합부에 암이 없게 구성할 수 있다.
따라서, 본 발명은 소정의 기판에 배치된 제2 광학 또는 광전자 부품들(이 제2 부품들은 기판과의 매트릭스를 형성한다)에 적어도 결합되는 결합 구조체들(서로 연결되어 있으며, 매트릭스라고 알려진 단일의 동일한 요소 또는 단일체의 일부)의 매트릭스를 직접적으로 제조할 수 있게 한다.
그 다음, 유지 구조체들과 이 유지 구조체들 내측에 내장된 제1 광학 또는 광전자 부품들의 매트릭스가 전사될 수 있다.
또는 대안으로서, 결합 구조체들의 매트릭스가 여러 개의 서브매트릭스(sub-matrix)로 절단될 수 있고, 유지 구조체들 및 선택적으로 내측에 내장된 제1 광학 또는 광전자 부품들을 갖는 하나의 매트릭스가 전사된다.
그러나 다른 실시예들을 구상할 수 있다.
일 실시예에서, 결합 구조체들은 임시 기판 상에 제조될 수 있고, 절단 전에 집단적으로 떼어내서 분리되거나, 절단 후에 개별적으로 떼어내서 분리될 수 있다.
일 실시예에서, 결합 구조체(1)는 매트릭스 각 결합 구조체(1)를 잘라낸 후에 분리될 수 있고, 상기 결합 장치 제조에 후속한 단계에서, 상기 장치에 의해 광 결합이 이루어지는 두 개의 광학 또는 광전자 부품들 사이에 개별적으로 기계식으로 위치된다.
다른 실시예에서, 결합 구조체들의 매트릭스는 상기 결합 장치 제조에 후속한 단계에서, 상기 장치에 의해 광 결합이 이루어지는 제1 및 제2 광학 또는 광전자 부품들의 두 개의 매트릭스들 사이에 집단적으로 기계식으로 적응된다.
본 발명은 또한 요구되는 결합 구조의 형상들을 제조하는 것도 가능하게 한다.
제안된 제조 방법은 원뿔의 경사부들의 치수를 필요한 크기로 하는 것을 가능하게 하고, 요구되는 원뿔의 직선형 또는 만곡형 경사부들 또는 그 밖의 다른 종방향 형상들(수직 높이에 따른 형상들)을 만드는 것을 가능하게 한다.
하나의 매트릭스가, 도 5 및 도 13에 도시된 바와 같이, 암의 개수가 다른 결합 구조체들 및 상이한 원뿔 형상들을 구비하는 것도 가능하다.
접촉부들(121, 122)의 크기는 제1 부품의 출력 광 필드의 횡 방향 분포와 제2 부품의 수광면과의 중첩이 최대화되도록, 아울러 광섬유와 접촉부(121) 사이의 위치 결정 및 광학 또는 광전자 부품(2)과 접촉부(122) 사이의 위치 결정에 있어서의 변동도 허용될 수 있도록, 최적화된다.
원뿔의 각도 θ와 높이 H는 광방출 부품의 출력부에서의 빔의 발산을 내포하도록 해서 광방출 부품과 수광 부품 사이의 허용 각도와 모드의 적응성이 최대화될 수 있도록 결정된다.
즉, 소정의 제2 직경 및 소정의 파장에 있어서, 제1 직경에 대한 높이의 비는, 최대 결합 값으로부터 (대략) 적어도 5마이크로미터인, 두 개의 광학 또는 광전자 부품들 사이의 오정렬 변동에 대해서, 두 개의 광학 또는 광전자 부품들 사이에 적어도 60%의 광 결합이 보장될 수 있도록 결정된다. 즉, 적어도 60%와 동등한 결합을 위한 총 오정렬은 적어도 10마이크로미터이다.
다음의 도 14는 코어 직경이 9㎛인 단일 모드 광섬유가 직경(DW 상당)이 5㎛이고 1550nm의 파장을 갖는 수광부(31)에 결합되는 경우를 예시하는 것으로, 원뿔(121) 기부의 직경(TWF에 상당)의 함수로서 예상되는 결합도를 종축으로 나타내고, 원뿔의 높이(TH에 상당)의 함수로서 예상되는 결합도를 횡축으로 나타내고 있다.
사용된 재료는 SU-8 감광성 폴리머 수지이다. 절두 면(122)의 직경(TWD에 상당)은 5㎛의 직경에 고정된다. 이는 20㎛의 최소 원뿔 높이를 위해 최소 12㎛의 치수가 필요하다는 것을 나타낸다.
광섬유의 오정렬에 대한 더 양호한 공차를 보장해서 피동 결합이 더 용이하게 보장될 수 있도록 하기 위해 부분(121)의 치수를 증가시키는 것이 유익하다. 그러면, 원뿔 높이는 이 곡선 비례하여 증가되어야 한다. 이렇게 해서 준수할 최대 각도를 확인할 수 있다.
오정렬은 제1 광학 또는 광전자 부품(23)과 제2 광학 또는 광전자 부품(31) 사이의 수평 거리로 정의될 수 있다.
다음의 도 15는 같은 조건에서, 부분(121)의 치수가 20㎛이고, 결합부(12)의 높이가 25㎛인 경우에, 광섬유의 위치가 결합부(12)의 축 중심에 대해서 떨어진 공차를 예시하고 있다.
결합 구조체(1)의 존재 하에서는, 결합 구조체가 없는 경우에 결합도가 40% 미만인 것과는 대조되게, 95%를 초과한 결합도가 예상되며, 광섬유의 오정렬 공차는 곡선의 중간 높이에서 +/- 5㎛를 초과하고, 이는 광섬유를 결합 구조체와 서로 마주보게 단순히 기계식으로 위치시키기만 해도 피동적 정렬 특성이 보장될 수 있게 한다. 원뿔의 각도 및 높이에 대해서 이전 도면에 제시된 치수 제한을 관찰함으로써, 부분(121)의 치수를 증가시킬 수 있다.
다음의 도 16 및 도 17은 10㎛의 직경을 갖는 원형 수광소자와 호환성이 있는 것으로서 10㎛의 직경을 갖는 부분(122)의 경우에서 얻어진 결과를 나타내는 것이다.
다음의 도 18은 9㎛의 코어 직경을 가지며 1,550nm의 파장을 갖는 단일 모드 광섬유를 결합시키기 위해 SU8 수지를 사용하여 얻은 예비 실험의 결과를 나타낸다. 도 18은 직경이 10㎛인 원형 단면을 갖는 다이어프램으로 표시된 수광소자와 광섬유 간의 결합의 모의실험(S) 및 측정(M)의 결과를, 결합 구조체의 중심축에 대한 광섬유의 정렬의 함수로서 나타내고 있다.
결합 구조체(1)는 이전의 곡선에 따라 42㎛의 높이, 직경이 11㎛인 원형 부분(122), 및 직경이 20㎛인 원형 부분(121)을 구비하지만 암은 없는 것으로 선택되었다. 모의실험 결과는 곡선 twf20th42twd11(S)로 표시된다. 거의 95%인 결합도의 피크 값이 얻어진다.
측정 결과는 곡선 twf20th42twd11(M)으로 표시된다.
여러 가지 실험적 이유 때문에 광섬유와 결합 구조체(1)는 수직 방향으로 대략 10㎛의 공기 간극에 의해 분리된다. 이 간극은 어느 정도의 효율 손실을 초래할 뿐만 아니라 광섬유와 공기의 계면 및 공기와 결합 구조체의 계면에서 반사를 초래한다. 이 손실은 접촉 시 점차 작아지고, 측정(M)과 모의실험(S) 간의 차이를 설명한다. 거의 80%인 최대 결합도는 공기 간극이 10㎛인 경우에 증명된다.
측정 지점은 광섬유를 광 결합 구조체(1)와 직접 접촉하게 놓음으로써 만들어지고, 광섬유의 그 위치에서 결합도가 최대화된다. 이 측정은 실험적으로 거의 90%에 달하는 결합도를 갖는 격리된 검은색 십자 표시로 식별된다.
이 결과는 모의실험 결과와 일치하고, 결합 구조체(1)에 의해 광 결합이 향상됨을 실증하고 있다. 곡선 twf20th42twd11(CAL)은 측정된 직접 접촉하는 최적의 결합 지점에서 측정된 곡선 twf20th42twd11(M)이 정상화될 수 있도록 계수를 적용하여 산출된다.
따라서, 이것은 직접 접촉하는 상태 하에서 광섬유가 광 검출기에 결합되는 비율의 최종 실험 곡선이 될 수 있는 것의 최악의 추정을 나타낸다. 중간 높이에서, 그 곡선은 +/- 8㎛보다 적어도 큰 오정렬에 대한 공차를 실험적으로 증명하고 있다. 이론은 측정 조건들이 일정한 접촉을 보장받고 있는 상황에서 매핑을 허용한 경우에는 공차가 더 커질 수 있다는 것을 예측한다.
따라서 결합 구조체(1)의 이점이 증명된다. 결합 구조체는 검출기에 대한 광섬유의 오정렬 공차를 중간 높이에서 +/- 7㎛를 넘게 확장시킬 수 있게 하며, 다른 한편으로는, 결합도를 향상시킬 수 있게 한다.
도 18은 또한 동일한 다이어프램을 결합 구조체 없이 동일한 광섬유에 결합시킨 것의 모의실험(S)과 측정(M)을 비교해서 나타내고 있는데, 이는 결합 구조체의 정량적 공헌을 평가하기 위한 기준을 형성한다. 이전과 동일한 측정 제한을 위해서, 수직 방향에서 광섬유와 다이어프램 사이에 10㎛의 공기 간극을 만들었다. 모의실험은 이 점을 감안한다. 측정과 모의실험 사이의 동등성은 모의실험 도구들을 유효하게 한다. 이들의 결과는 또한, 결합 구조체(1)를, 큰 정렬 정밀도(실험적으로 중간 높이에서 +/- 5㎛의 공차)가 필요하며 최대 결합도가 낮은(여기서는 대략 60%) 직접적인 접촉 해결책(맞대기 결합)과 비교했을 때에, 그 존재의 이점이 있다는 것을 확인해주고 있다.
이 결합 구조체(1)는 작은 코어 크기 또는 활성 표면을 갖는 두 장치들 사이에서, 예를 들어 10㎛의 광학 창을 가진 VCSEL와 코어 직경이 50㎛ 또는 9㎛인 실리카 광섬유 사이에서, 50%보다 큰 효율을 얻을 수 있게 한다.
수동 처리의 급격한 감소(스위치 켜진 레이저와의 광섬유의 활성 위치 결정)로 인해, 비용을, 이 비용은 광전자 부품의 전체 제조비용에 포함되게 됨, 폴리머 리소그래피를 단독으로 할 때의 비용까지로 낮출 수 있게 된다. 현재 레이저 유닛은 최종 장치의 비용의 80%를 비용으로 차지하는 반면에, 여기의 본 발명은 이 비용을 적어도 2로(2의 인수로) 나눌 수 있게 한다.
성능의 관점에서, 8㎛의 구경을 갖는 VCSEL과 코어 직경이 50㎛인 다중 모드 광섬유 사이에서는 정렬 공차가 +/- 10㎛인 조건에서 60% 내지 80%의 결합도가 얻어진다.
Claims (21)
- 제1 광학 또는 광전자 부품들(2)과 제2 광학 또는 광전자 부품들(3) 간의 수직 광 결합 구조체들(1)로, 각각의 수직 광 결합 구조체가 기판(35)에 배열된 각각의 제2 광학 또는 광전자 부품(3)에 결합되는 수직 광 결합 구조체들(1)을 제조하는 방법으로서, 상기 수직 광 결합 구조체들(1)을 포함하는 모놀리식 집단적 결합 장치(monolithic collective coupling device)의 제조하기 위한 수직 광 결합 구조체 제조 방법에 있어서,
모놀리식 집단적 결합 장치가,
- 단계 (i)에서 제2 광학 또는 광전자 부품들(3)을 포함하는 기판(35) 상에 주층(A)을 부착시키고,
- 단계 (ii)에서 상기 주층(A)에 리소그래피 및/또는 물리-화학적 에칭을 하여 상기 수직 광 결합 구조체들(1)을 동시에 제조함으로써, 제조되고;
각각의 수직 광 결합 구조체(1)는 기판(35)에 위치된 제2 광학 부품(3)과 마주해서 접촉할 수 있게 위치되고;
상기 주층(A)은, 상기 단계 (ii)를 수행한 후에 공기의 굴절률보다 큰 굴절률을 갖는 재료로 이루어지며 전체적으로 절두 원뿔형인 결합부들(12)을 포함하고; 상기 결합부(12) 각각은 제1 광학 또는 광전자 부품(2)의 발광면 또는 수광면(21)과 접촉하도록 한 제1 횡 방향 단부 표면(121)과, 제2 광학 또는 광전자 부품(3)의 발광면 또는 수광면(31)과 접촉하는 제2 횡 방향 단부 표면(122)을 구비하는, 수직 광 결합 구조체 제조 방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 단계 (ii)가 포토리소그래피에 의해 행해지는 것을 특징으로 하는 수직 광 결합 구조체 제조 방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 단계 (ⅱ)는, 각 수직 광 결합 구조체(1)를 위해, 기판(35) 상에 지지시키기에 적합한 현수된 프레임(151)을 구비한 지지부(15)와, 상기 프레임(151)의 결합부(12)를 연결하는 서스펜션 암들(152)을 얻을 수 있게 하는 것을 특징으로 하는 수직 광 결합 구조체 제조 방법. - 청구항 1에 있어서,
단계 (iii)에서 상기 주층(A) 상에 제2 층(B)이 부착되고, 상기 제2 층(B)은, 원통형 하우징(17) 내에 제1 광학 또는 광전자 부품(2)이 수용될 수 있도록 한 유지 구조체(18)가 단계 (vi)에서 리소그래피 및/또는 물리-화학적 에칭에 의해 제조될 수 있게 하는 것을 특징으로 하는 수직 광 결합 구조체 제조 방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 주층은 감광성 수지 또는 비감광성 수지인 것을 특징으로 하는 수직 광 결합 구조체 제조 방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 주층은 실리콘으로 제조된 것을 특징으로 하는 수직 광 결합 구조체 제조 방법. - 청구항 4에 있어서,
임프린트 리소그래피 및/또는 나노 임프린트 리소그래피 기술이 수직 결합 구조체(1)를 제조하는 데 사용되는 것을 특징으로 하는 수직 광 결합 구조체 제조 방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 주층은 반응성 이온 에칭 및/또는 심도 반응성 이온 에칭 기술에 의해 가공되는 것을 특징으로 하는 수직 광 결합 구조체 제조 방법. - 청구항 1에 있어서,
기판은 다양한 제2 광학 또는 광전자 부품들(3)이 기판의 상면과 동일한 높이로 하우징들 안에 배열될 수 있도록 상기 하우징들에 중공으로 형성되고, 상기 제2 광학 또는 광전자 부품들(3)은 금속 트랙들에 의해 서로 연결되는 것을 특징으로 하는 수직 광 결합 구조체 제조 방법. - 청구항 1에 있어서,
제1 및 제2 광학 또는 광전자 부품들(2, 3)은 20㎛ 미만의 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 수직 광 결합 구조체 제조 방법. - 모놀리식 집단적 결합 장치로서,
- 발광면 또는 수광면(21)을 각각 갖는 제1 광학 또는 광전자 부품들(2);
- 발광면 또는 수광면(31)을 각각 가지며 기판(35)에 위치되는 제2 광학 또는 광전자 부품들(3); 및
- 리소그래피 및/또는 물리-화학적 에칭을 함으로써 청구항 1에 따른 방법에 의해 생산되는 수직 광 결합 구조체들(1)로, 각각이 공기의 굴절률보다 큰 굴절률을 가지며 소정의 높이(H)를 갖는 재료로 이루어지고 전체적으로 절두 원뿔형인 형상으로 되어 있는 결합부(12)를 포함하는 수직 광 결합 구조체들(1)을 포함하고,
상기 각각의 결합부(12)는, 제1 광학 또는 광전자 부품(2)의 발광면 또는 수광면(21)과 접촉하도록 구성되며 제1 직경(d1)을 갖는 제1 횡 방향 표면(121)과, 제2 직경(d2)을 갖는 제2 횡 방향 표면(122)을 구비하고,
각각의 수직 광 결합 구조체(1)에 대해, 제1 광학 또는 광전자 부품(2)과 제1 횡 방향 표면(121) 간의 위치 결정과 제2 광학 또는 광전자 부품(3)과 제2 횡 방향 표면(122) 간의 위치 결정에 있어서의 변동이 허용될 수 있도록 하면서 제1 광학 또는 광전자 부품(2)의 출력 광 필드의 횡 방향 분포와 제2 광학 또는 광전자 부품(3)의 발광면 또는 수광면(31)과의 중첩이 이루어질 수 있도록, 제1 및 제2 횡 방향 표면(121, 122)의 크기가 선택되는 모놀리식 집단적 결합 장치에 있어서,
상기 결합부(12)의 제2 횡 방향 표면(122)이 제2 광학 또는 광전자 부품(3)의 발광면 또는 수광면(31)과 접촉하고,
소정의 제2 직경(d2) 및 소정의 파장의 광 빔에 있어서, 제1 직경에 대한 높이(H)의 비가, 두 개의 광학 또는 광전자 부품들(2, 3) 사이의 최대 결합 위치와 관련한 두 개의 광학 또는 광전자 부품들(2, 3) 사이의 적어도 5마이크로미터의 오정렬 변동에 대해서, 제1 광학 또는 광전자 부품(2)과 제2 광학 또는 광전자 부품(3) 사이에 적어도 60%의 광 결합이 제공될 수 있도록, 결정되고,
수직 광 결합 구조체(1)가 결합부들(12)과 일체인 지지부들(15)을 포함하며, 지지부들 각각은, 기판(35) 상에 지지시키기에 적합한 현수된 프레임(151)과, 결합부(12)를 기판(35)에 위치된 제2 광학 또는 광전자 부품(3)의 발광면 또는 수광면과 관련하여 결합 위치에 유지시킬 수 있도록 하기 위한 서스펜션 암들(152)로, 결합부(12)를 프레임(151)에 연결시키며 결합부(12)로부터 반경 방향으로 연장되는 서스펜션 암들(152)을 포함하는 것을 특징으로 하는 모놀리식 집단적 결합 장치. - 청구항 11에 있어서,
제2 광학 또는 광전자 부품(3)이 20㎛ 미만의 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 모놀리식 집단적 결합 장치. - 청구항 11에 있어서,
상기 서스펜션 암들(152)이 삼각형의 한 꼭지점이 결합부(12)의 절두 면 측으로 향하고 있는 삼각형 단면을 가지는 것을 특징으로 하는 모놀리식 집단적 결합 장치. - 청구항 11에 있어서,
제2 광학 또는 광전자 부품들(3)은 광 검출기이고 제1 광학 또는 광전자 부품들(2)은 단일 모드 광섬유이며, 각각의 결합 구조체가 단일 모드 광섬유의 코어(23)의 표면보다 크거나 같은 제1 횡 방향 표면(121) 및 제2 광학 또는 광전자 부품(3)의 표면보다 작거나 같은 제2 횡 방향 표면(122)을 포함하는 것을 특징으로 하는 모놀리식 집단적 결합 장치. - 청구항 11에 있어서,
제2 광학 또는 광전자 부품들(3)은 광 검출기이고 제1 광학 또는 광전자 부품들(2)은 다중 모드 광섬유이며, 각각의 결합 구조체가 다중 모드 광섬유의 코어(23)의 표면보다 크거나 같은 제1 횡 방향 표면(121) 및 제2 광학 또는 광전자 부품(3)의 표면보다 작거나 같은 제2 횡 방향 표면(122)을 포함하는 것을 특징으로 하는 모놀리식 집단적 결합 장치. - 청구항 11에 있어서,
제2 광학 또는 광전자 부품들(3)은 VCSEL이고 제1 광학 또는 광전자 부품들(2)은 다중 모드 광섬유이며, 각각의 결합 구조체가 다중 모드 광섬유의 코어(23)의 표면보다 작거나 같은 제1 횡 방향 표면(121)을 포함하는 것을 특징으로 하는 모놀리식 집단적 결합 장치. - 청구항 11에 있어서,
제2 광학 또는 광전자 부품들(3)은 VCSEL이고 제1 광학 또는 광전자 부품들(2)은 단일 모드 광섬유이며, 각각의 결합 구조체가 단일 모드 광섬유의 코어(23)의 표면보다 작거나 같은 제1 횡 방향 표면(121)을 포함하는 것을 특징으로 하는 모놀리식 집단적 결합 장치. - 청구항 11에 있어서,
제2 광학 또는 광전자 부품들(3)은 광섬유이고 제1 광학 또는 광전자 부품들(2)은 단일 모드 광섬유인 것을 특징으로 하는 모놀리식 집단적 결합 장치. - 청구항 11에 있어서,
제2 광학 또는 광전자 부품들(3)은 각각 VCSEL 및 광 검출기이고 제1 광학 또는 광전자 부품들(2)은 각각 광 검출기 및 VCSEL인 것을 특징으로 하는 모놀리식 집단적 결합 장치. - 청구항 11에 있어서,
제1 광학 부품들(2)을 수용하도록 한 유지 구조체(18)를 포함하는 것을 특징으로 하는 모놀리식 집단적 결합 장치. - 삭제
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