KR20010013509A - 정밀한 광섬유 어레이 커넥터 및 그 제조 방법 - Google Patents

정밀한 광섬유 어레이 커넥터 및 그 제조 방법 Download PDF

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조나단 셔먼
어팬 캠라이벌
어니스트 제이. 리치
시어도어 씨. 리치
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파이버가이드 인더스트리즈, 인코포레이티드
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Abstract

본 발명은 마스크 개구의 직경의 허용오차가 다수의 섬유(10)들의 전체적인 배치시에 인자가 아닌 광 섬유 어레이 커넥터에 관한 것이다. 어레이는 후방 및 전방 표면(26,24) 및 이 표면들을 통해 이어지는 다수의 개구들을 가진 마스크 요소를 포함한다. 다수의 광 섬유들은 개구를 통해 연장되며 마스크 후방 표면(26)과 가장 인접한 마스크 개구부와 맞물리는 실질적으로 절두된 원뿔형 측면을 가지는 섬유 단부를 포함한다. 방법은 섬유(10)를 제조하여 이들의 말단부(14)에 원뿔형 표면을 형성하는 단계, 각각 섬유 클래딩 또는 제 2 층 이하의 직경을 가지는 기초 마스크에 개구를 제조하는 단계, 원뿔형 표면이 마스크 개구 벽(22)과 맞물릴 때까지 원통형 섬유 단부를 삽입시키는 단계, 접착물질을 마스크 전방 표면(24) 및 노출된 팁에 도포하는 단계, 노출된 팁을 연삭 및 연마하는 단계, 및 물질 표면을 접착하여 원뿔을 절두하고 섬유 코어 직경을 노출시키는 단계를 포함한다.

Description

정밀한 광섬유 어레이 커넥터 및 그 제조 방법{PRECISION OPTICAL FIBER ARRAY CONNECTOR AND METHOD}
섬유 광학은 캐리어가 다량의 데이터 처리를 이룰 수 있도록 하는 통신 혁명의 추진력이 되어 왔다. 충분히 가능한 기술을 달성하기 위해, 섬유 광학은 집적 전자공학의 모든 양상에 도입될 것이며, 이것은 고속의 반도체 집적 회로를 가지고 광 섬유의 큰 대역폭을 충분히 사용하는 것을 가능하게 할 것이다.
이것 때문에, 광 섬유의 어레이는 정밀하고 신뢰적으로 칩상의 반도체 레이저 및 검출기 어레이에 결합될 필요가 있다. 이미, 다양한 단체들이 전세계적으로고속 광전자 VLSI 스위칭 및 광학 크로스바 스위치를 위한 2 차원 섬유광학 어레이의 가능성을 증명했다. 실예로, 본문에 참고로 인용되는, 앤서니 엘. 렌타인(Anthony L. Lentine)등의 1996년 4월자 IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, Vol.2, No.1., pp77에 기재된 Flip-Chip Bonding of MQW Modulators and Detector to Silicon CMOS 및 제오프 엠. 프라우들리(Geoff M. Proudley), 헨리 화이트(Henry White)의 1994년 2월자 Optical Engineering Vol.33, No.2., pp 627-635에 기재된 Fabrication of Two-Dimensional Fiber Optic Arrays for an Optical Crossbar Switch를 기초로 한 ＞4000의 광 I/O를 가지는 고속 광 전자 VLSI 스위칭 칩을 참고할 수 있다.
상기 간행물의 요지는 약 +/-5 마이크로미터의 섬유 어레이 위치 정밀도를 달성하는 것이다. 그러나, 반도체 기술을 사용하는 전하 결합 소자(CCD), 광검출기 및 레이저 같은 광전자 소자로 달성될 수 있는 정밀도가 거의 일차수 크기(0.5 마이크로미터)이거나 또는 이들 기술이 함께 작용하도록 매우 우수한 어레이 정밀도를 얻기 위해 신규한 스위칭 어레이 디자인 및 제조 기술에 대한 큰 필요성을 보다 나타낸다.
파이버가이드 인더스트리즈는 +/-5 마이크로미터 보다 우수한 위치 정밀도(중심-대-중심 간격 에러)를 가지는 10 x 10 어레이를 이미 생산해 왔다. 사용된 공정은 어레이의 조립체에 사용된 0.010″두께 폴리이미드 웨이퍼로 규격화된 엑시머 레이저에 의해 제공된 위치 정밀도를 사용한다.
상기 공정에도 불구하고, ±2 마이크로미터를 초과하지 않는 중심-대-중심 간격 오차를 가지는 고정밀 섬유 어레이에 대한 필요성이 존재한다.
본 발명의 원리에 따른 고 정밀 섬유 어레이는 통상적인 엑시머 레이저 기술을 사용하여 섬유 중심 간격이 ±2 마이크로미터 명세를 초과하지 않도록 하며 아마도 미래의 레이저 기술로 보다 우수한 결과를 얻을 것이다. 이런 고정밀성은 단일 모드 및 다중 모드 섬유들에 대해 얻어질 수 있다.
이런 새로운 정밀성이 각 개개의 섬유의 최소 직경 이하인 마스크의 구멍 직경을 분할하므로서 본 발명의 실시예에 따라 얻어질 수 있다. 섬유 단부는 원뿔 표면이 마스크의 반대 측면으로부터 돌출되는 가능하게는 다양한 팁(tip) 길이를 가지는 개구의 벽과 우수한 접촉을 할 때까지 개개의 구멍으로 삽입되는 원뿔형 팁으로 가공된다. 실예로, 이하에 기술되는 것처럼, 섬유 단부가 연삭(ground)되고 연마(polished)된 이후에 전체 코어 단면이 노출될 수 있도록 섬유 원뿔이 마스크 개구를 통해 충분히 연장되도록 각각의 원뿔이 형태지어진다. 이런 독특한 배치 및 방법은 ±2마이크로미터의 구멍 직경 변동을 섬유 간격을 비정밀하게 하는 요소 또는 문제점처럼 제거시킨다. 노출된 팁 및 구멍은 이후 에폭시 또는 다른 적절한 접착물질을 수용하여 팁 및 마스크를 견고하게 고정한다. 완성된 조립체는 이후 연삭되고 연마되며 통상적인 방법으로 테스트된다.
하나의 바람직한 실시예에 있어, 상기 기초 마스크와 상호 작용하는 가이드 마스크(guide mask)는 섬유 단부가 조립동안 기초 마스크의 개구와 정열되도록 작용한다.
또한 마스크/섬유 홀더는 조립이 용이하도록 최종 커넥터의 부분이 될 수 있다.
본 발명은 섬유 광학 어레이에 관한 것이며, 보다 상세하게는 고 정밀 섬유 광학 어레이 및 이것을 제조하기 위한 방법에 관한 것이다.
다른 그리고 부가적인 장점 및 혜택들은 첨부된 도면의 관찰로 얻어지는 이하 실시예의 상세한 설명으로 명백해질 것이다.
도 1은 본 발명의 원리에 따른 방법의 한 실시예에 대한 두드러진 단계들의 리스트이다.
도 2는 도 1의 방법에 따라 제조된 섬유 단부의 부분 단면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 기초 섬유 마스크 또는 웨이퍼의 부분 단면도이다.
도 4는 도 3의 기초 마스크 개구에 삽입된 도 2의 섬유팁의 부분 단면도이다.
도 5는 접착물질이 도포된 이후의 도 4와 동일한 섬유팁의 부분 단면도이다.
도 6은 전방 표면이 연삭되고 연마된 이후의 도 5와 동일한 섬유팁의 부분 단면도이다.
도 7은 본 발명에 따른 변형 실시예를 도시하는 도 5와 동일한 섬유팁의 부분 단면도이다.
도 8은 본 발명에 따른 더 다른 변형 실시예를 도시하는 도 5와 동일한 섬유팁의 부분 단면도이다.
도 9는 본 발명에 따른 섬유 홀더 및 섬유-웨이퍼 서브-조립체의 부분 사시도이다.
도 10은 도 9에 포함된 부분들 및 반도체칩 홀더를 포함하는 본 발명에 따른 커넥터의 분해도이다.
도1 내지 도4를 참고로 하여, 본 발명의 원리에 따른 방법은 소정의 길이로 다수의 섬유들을 절단하므로서 광섬유(10)를 제조하는 것을 포함한다. 각각의 섬유는 중심 코어(11), 제 2 또는 클래딩 층(cladding layer)(13), 및 보호 버퍼, 피복제 또는 재킷(jacket)(12)을 포함한다. 각 섬유들의 일 단부는 외부 재킷(12)(실예로, 플라스틱, 아크릴, 나일론 등)이 스트립되어 소정 길이 T를 노출시키도록 가공된다. 표준 고온 황산 스트립(standard hot sulfuric acid strip) 기술이 대부분의 재킷들을 스트립시키는데 사용될 수 있다. 이후, 노출된 섬유팁은 원뿔형 팁(14)을 형성하도록 형태지어진다. 하나의 실예로, 섬유 직경(FD; fiber diameter)을 가지는 벗겨진 섬유팁은 플로오르화 수소산에 약 10 분동안 잠겨진 이후 행궈지고 건조된다.
기초 마스크(20)는 본 발명의 원리에 따라 폴리이미드, 세라믹 또는 금속을 포함하는 어떤 적절한 물질로도 제조될 수 있다. 섬유 개구들은 바람직하게 소정 간격을 가지는 어떤 적절한 소정의 패턴으로 후방(섬유 삽입부) 측면으로부터 레이저 절단된다. 하나의 실예적인 패턴, 즉 10 X 10 어레이가 도9에 도시된다.
도 4에 보다 잘 도시된 것처럼, 각각의 기초 마스크 개구가 레이저 절단되기 때문에, 개구를 형성하는 벽(22)이 전방 표면 방향으로 중심 개구축으로부터 외부로 플레어(flared)된다. 따라서, X,Y평면의 ±1 내지 ±1.3미크론 범위내에서 정밀하게 위치될수 있는 기초 마스크 개구 직경(PMD; primary mask opening diameter)은 후방 표면(26)에서 ±2미크론 범위내까지 정밀하게 제조될 수 있다. 이하 도시된 것처럼, PMD의 정밀한 정밀도, 플레어링 벽(22)의 특성 및 기초 마스크(20)의 전방 표면(24)에서의 각 개구의 직경은 본 발명에 따라 모두 크게 영향을 미치지 않는다. 이것은 PMD가 섬유직경 FD이하로 선택되어야만 하는 요건에서 초래된다. 또한, 전체 코어 직경이 이하에 기술된 연마 이후에 노출되도록 PMD는 충분한 양의 섬유팁(14)이 전방 마스크 표면(24)을 빠져나갈 수 있도록 매우 충분해야 한다.
어레이를 조립하기 위해, 팁 원뿔형 표면(14)이 개구의 벽(22)과 맞물릴 때까지 각각의 제조된 섬유(10)가 후방 표면으로부터 각각의 마스크 개구들에 삽입된다. 도 4를 참고할 수 있다. 이런 맞물림이 섬유의 전방향 삽입을 차단한다.
다수의 삽입된 섬유(10)들이 ±2 미크론 허용오차 범위내의 마스크 개구 PMD의 다양한 치수들 때문에 적어도 부분적으로 전방 마스크 표면(24)을 지나 노출된 이들의 원뿔형 팁(14)들의 다수의 부분들을 가질 수 있는 것이 이해될 것이다. 그럼에도 불구하고, 전방 마스크 표면(24)을 넘는 이런 연장된 노출부가 이하 기술된 것처럼 연마 평면을 지나 연장된다면 크게 영향을 미치지 않는다.
모든 섬유들이 기술된 것처럼 완전히 삽입된 이후에, 에폭시 필름(28) 같은 접착물질이 도시된 것처럼 전방 마스크 표면(26)을 커버링하고 마스크 개구내의 공간을 채우는 깊이 B 까지 도포된다. 에폭시의 한 실예는 에폭시 테크날리지스, 인코포레이티드 소유의 상표 제품, 에포-텍(Epo-tec) 301이다. 필요하다면, 에포-텍 302-3과 같은 에폭시의 부가층(미도시)이 보다 우수한 연삭 표면을 제공하도록 필름 에폭시 층(26) 상에 놓여질 수 있다.
이후, 섬유 팁(14) 및 에폭시 층(28)은 연삭되고 연마되어 에폭시를 제거시키며 원뿔형 팁(14)을 절두시키므로서 전체 코어 단면(30)을 노출시키고 다른 노출된 섬유 코어(30)들의 평면에 실질적으로 평행하고 실질적으로 그 내에 정위(oriented)되도록 한다. 일반적으로, 표준 연삭(grinding) 및 연마 공정이 이것을 성취하기 위해 사용될 수 있다.
이하는 본 발명에 따른 방법 및 어레이의 한 실시예를 기술한다.
섬유 모드 - 단일
섬유 물질 - 유리
섬유 재킷 - 아크릴레이트
섬유 길이 - 19인치
FD - 125 ±0.6미크론
코어 직경 - 8 내지 9 미크론
T - 0.25 인치
J - 1.0 내지 2.25 인치
기초 마스크 물질 - 폴리이미드
마스크 두께(MT) - 250미크론
패턴 - 10 X 10
PMD - 122 ±2 미크론
B - 팁 노출부 이하
에폭시 물질 - 에포-텍 301
본 발명의 다른 실시예에 따라, 가이드 마스크(32)가 기초 마스크(20)의 개구를 통해 섬유 팁(14)을 안내하도록 구비될 수 있다. 가이드 마스크(32)는 기초 마스크(20)와 동일하거나 또는 다른 물질로 제조될 수 있으며 FD보다 약간 큰 가이드 마스크 개구 직경(GMD)을 가지는 개구 벽(34)이 구비된다. 벽(24)은 레이저 절단될 수 있으며, 그 후방 표면(36)및 벽(34)과 섬유 팁(14) 사이의 공간이 도시되지 않은 접착물질로 충전되는 경우, 기본적으로 팁(14)을 기초 개구 벽(22)과 적절히 배열하게 안내하며 섬유(10)에 대해 보다 큰 변형 방지(strain relief) 및 종 방향 안정성을 제공하기 위해 작용할 수 있다. 초기에, 가이드 마스크(32)는 에폭시가 표면(36)에 도포되어 이후 전체 조립체가 함께 결합될 때까지 기초 마스크(20) 상에서 부유하게 된다.
가이드 마스크(32)가 스페이서(spacer) 요소(38)에 의해 기초 마스크(20)로부터 종방향으로 이격되는 부가적인 실시예가 도8에 도시된다. 요소(38)는 금속, 합금, 경화 플라스틱 또는 다른 적절한 물질로 제조될 수 있다. 게다가, 이것은 스페이서 기능만을 이행하고 바람직하게 가이드 기능은 이행하지 않기 때문에 각각의 섬유 팁(10) 또는 어떤 섬유 팁(10)에 대해서도 별개의 개구를 한정할 필요가 없다. 필요하다면, 도 9를 참고로, 스페이서(38)는 어레이의 최외각 섬유의 외주 외측에 위치될 수 있다.
도 9 및 도 10을 참고하면, 섬유 어레이 홀더(40) 및 이 섬유 어레이 홀더(40)의 암 카운터파트(female counterpart)(46)에 나사가공되는 고정구(44)를 가진 반도체 디바이스 홀더(42)를 포함하는 커넥터의 한 실시예의 부분이 도시된다. 홀더(40)는 상기와 같이 섬유(10)의 섬유 팁(14)을 고정하는 키 웨이퍼 서브-조립체(50)를 매치시키는 키 리세스(keyed recess)(48)를 포함한다. 섬유(10)는 핸들의 후방 단부에 인접한(개략적으로 도시된) 표준 섬유 변형 방지 디바이스(54)를 포함하는 중공 핸들(52)을 통해 연장된다. 에폭시 또는 다른 적절한 물질이 리세스(48) 및 정밀한 키 방향으로 삽입된 서브-조립체(50)의 내부 및/또는 바닥 벽에 제공된다. 일단 조립체(50)가 홀더(40)에 고정되면, 노출된 섬유(10)의 팁(14) 및 에폭시(28)의 전방 표면은 연삭 되고 연마될 수 있는데, 이런 작동을 위한 고정물로 홀더(40)를 사용한다. 일단 전방 표면이 요구처럼 제조되면, 홀더(42)는 홀더(40)에 정밀하게 끼워 맞춰지며 고정구(44)로 고정된다. 이런 식으로, 도 6을 참고로, 홀더(42)내의 관련 기판 상의 미세한 반도체 디바이스는 각 개개의 면하는 섬유 코어 표면(30)과 정밀하게 일렬로 병렬 배열될 수 있다.
변형적으로, 다른 잘 공지된 기계 수단이 부품들을 기계적으로 고정하기 이전에 섬유 어레이를 검출기 같은 집적 광전자 소자의 어레이 또는 다른 섬유 어레이와 정위 시키고 나란히 배열하도록 유사한 방식으로 도입될 수 있다.
본문의 도면들은 반드시 축척으로 도시될 필요는 없으며, 상기 "원뿔" 또는 "원뿔형"은 정확하게 "원뿔" 또는 "원뿔형"일 필요는 없고 각뿔 또는 각뿔형 또는 혼성 각뿔형-콘형 형태일 수 있는 것이 이해될 것이다. 용어 원뿔 및 원뿔형은 이런 형태들을 잘 포함하기 위해 의도된다. 또한, 다른 변형 및 개선들은 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 본문에 기술된 실시예들로 제조될 수 있다.

Claims (20)

  1. 광 섬유 어레이 커넥터에 있어서,
    전방 표면과 후방 표면 및 상기 전방 및 후방 표면을 통해 이어지는 마스크 개구를 한정하는 다수의 마스크 벽을 가지는 기초 마스크 요소와
    코어, 상기 코어 상부로 연장되는 제 2 섬유 층 및 상기 제 2 층의 일부 상부로 연장되는 재킷을 각각 포함하는 적어도 두 개의 광섬유를 포함하며,
    상기 각각의 광 섬유들은 상기 제 2 층 및 코어가 재킷을 지나 연장되며 상기 제 2 층의 말단부가 실질적으로 절두된 원뿔형 측면을 가지는 하나의 단부를 가지고, 상기 실질적으로 절두된 원뿔형 측면은 상기 벽 개구들 중 하나를 통해 연장되어 상기 각각의 마스크 벽의 일부와 맞물리는 커넥터.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 절두된 원뿔형 측면의 가장 작은 치수는 상기 코어의 직경과 동일하거나 또는 그 이상인 커넥터.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 코어의 최 단부 및 절두된 원뿔형 측면은 전방 마스크 표면의 전방으로 연장되며 상기 최 단부가 상기 전방 마스크 표면과 일반적으로 평행인 평면까지 연마되는 커넥터.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 절두된 원뿔형 측면은 상기 각각의 마스크 벽으로부터 이격된 적어도 하나의 전방부를 가지며 접착물질은 상기 절두된 원뿔형 측면 및 상기 각각의 마스크 벽을 함께 접착시키기 위해 상기 공간에 위치되는 커넥터.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 접착물질은 상기 전방 마스크 표면상에 위치되며 연삭된 전방 표면을 가지는 커넥터.
  6. 제 1 항에 있어서, 후방 가이드 표면 및 전방 가이드 표면을 가지며, 마스크 개구의 각각의 후방부를 통해 각각의 다수의 섬유 단부를 안내하기 위한 가이드 개구를 가지는 섬유 가이드 마스크를 더 포함하는 커넥터.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 전방 가이드 표면은 상기 후방 표면과 접촉하는 커넥터.
  8. 제 6 항에 있어서, 상기 전방 가이드 표면은 상기 후방 표면으로부터 이격되는 커넥터.
  9. 광 섬유 어레이를 제조하는 방법에 있어서,
    소정의 길이로 광섬유를 절단하여 적어도 두 개의 광 섬유를 제조하고, 각 섬유의 한 팁의 코어 및 제 2 층을 원뿔형 형태로 형성하는 단계,
    웨이퍼의 전방과 후방 표면 사이로 이어지는 다수의 이격된 섬유 개구들을 형성하는데, 상기 개구들 중 적어도 두 개구가 상기 섬유 제 2 층의 가장 큰 직경 이하의 가로 방향을 지니게 하므로서 마스크 웨이퍼를 제조하는 단계,
    팁의 원뿔형 측 벽이 마스크 개구 벽과 맞물리고 팁의 전방 단부가 마스크의 전방 표면을 지나 연장되도록 각각의 개구들에 각각의 섬유 팁을 삽입시키는 단계, 및
    마스크 웨이퍼에 두 섬유를 고정시키는 단계
    를 포함하는 방법.
  10. 제 9 항에 있어서, 각 두 섬유들의 코어의 적어도 거의 전체 직경이 노출될 때까지 팁의 최 단부를 제거하는 단계를 더 포함하는 방법.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 제거 단계는 마스크 웨이퍼의 전방 표면과 일반적으로 평행한 방향으로 원뿔의 팁을 연삭하고 연마하는 단계 중 어느 한 단계를 포함하는 방법.
  12. 제 9 항에 있어서, 상기 고정하는 단계는 상기 마스크 웨이퍼의 전방 표면에 접착물질을 도포하는 단계를 포함하며 두 섬유들의 팁이 전방 표면을 지나 연장되는 방법.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 고정하는 단계는 마스크 개구의 벽과 그 내부에 위치된 섬유 팁 사이에 접착물질을 도포하는 단계를 더 포함하는 방법.
  14. 제 12 항에 있어서, 상기 제거 단계는 접착물질의 전방 표면부의 일부를 연삭하는 단계를 포함하는 방법.
  15. 제 9 항에 있어서, 상기 삽입하는 단계는 상기 섬유를 가이드 마스크의 사용으로 각각의 개구에 안내하는 단계를 포함하는 방법.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 가이드 마스크는 상응하는 마스크와 각각 나란히 정열된 다수의 가이드 개구를 가지며 각각의 가이드 개구가 상기 원뿔형 측 벽의 가장 큰 직경 이상인 직경을 가지는 방법.
  17. 제 16 항에 있어서, 상기 가이드 마스크는 상기 마스크와 접촉하는 방법.
  18. 제 16 항에 있어서, 상기 가이드 마스크는 상기 마스크로부터 이격되는 방법.
  19. 제 9 항의 방법으로 제조되는 광 섬유 어레이.
  20. 광 섬유 어레이 커넥터에 있어서,
    전방 표면과 후방 표면 및 상기 전방 및 후방 표면을 통해 이어지는 적어도 두 개의 마스크 개구를 한정하는 적어도 두 개의 마스크 벽을 가지는 기초 마스크 요소와,
    적어도 두 개의 광 섬유 및 상기 각각의 섬유 일부 상부로 연장되는 재킷을 포함하며,
    상기 각각의 광 섬유들은 재킷을 지나 연장되는 한 단부를 지니며 상기 단부의 말단부가 실질적으로 절두된 원뿔형 측면을 가지는 하나의 단부를 가지며, 상기 실질적으로 절두된 원뿔형 측면은 상기 마스크 개구들 중 하나를 통해 연장되어 상기 각각의 마스크 벽의 일부와 맞물리는 커넥터.
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