KR20020046697A - 광섬유 정렬소자 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 광섬유 정렬소자 및 그 제조방법에 관한 것으로, 종래에는 광 데이터 인터페이스의 핵심 부품인 광 스위치의 경우에 입력측 또는 출력측 광 섬유의 선단부를 기계적으로 구동시킴으로써, 광 축을 정렬시켜 스위칭 기능을 수행하도록 함에 따라 스위치의 크기를 소형화하기 어렵고, 소모 전력이 많으며, 가격이 비싼 단점이 있다. 따라서, 본 발명은 배면이 경사 식각된 기판과; 상기 기판의 상부에 형성된 렌즈지지판을 통해 지지되어 상기 기판의 식각된 영역으로 돌출된 반구형 마이크로 렌즈와; 상기 마이크로 렌즈 상에 코어와 클래딩을 포함하는 광섬유가 정렬될 수 있도록 렌즈지지판의 상부에 형성된 광섬유 가이드와; 상기 광섬유와 렌즈지지판을 고정시키는 접합 솔더로 구성되는 광섬유 정렬소자를 초소형 광전자기계 시스템의 반도체 일괄 공정 및 마이크로머시닝 공정을 적용하여 집적화된 마이크로 렌즈 어레이를 형성함에 따라 광 손실을 줄임과 아울러 광 효율을 높일 수 있으며, 광섬유의 조립을 단순화함과 아울러 정밀도를 향상시킬 수 있고, 시스템을 소형화 및 경량화할 수 있는 효과가 있으며, 또한 시준렌즈를 적용할 경우에 광 손실을 최소화함과 아울러 광 효율을 최대화할 수 있는 효과가 있다.

Description

광섬유 정렬소자 및 그 제조방법{ALIGNMENT DEVICE OF OPTICAL FIBER AND FABRICATING METHOD THEREOF}

본 발명은 광섬유 정렬소자 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히 광 통신망(optical communication network)용 송수신 인터페이스 모듈에 장착되는 크로스-커넥트 스위칭 시스템(cross-connect switching system)에서 초소형 광전자기계 시스템(micro opto-electro-mechanical system)의 반도체 일괄 공정 및 마이크로머시닝(micromachining) 공정을 통해 광 스위치로 적용되는 구동 미러(mirror) 어레이에 입출력 광 섬유 다발(optical fiber bundle)의 선단부를 정밀하게 정렬시기에 적당하록 한 광섬유 정렬소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.

최근의 고속 대용량 정보통신 기술은 다량의 정보를 실시간(real time)으로 송수신할 수 있는 광 섬유 통신을 통해 비약적으로 발전하고 있다.

특히, 동화상, 음성신호 및 문자신호등을 포함하는 멀티미티어 정보의 고속 전송, 쌍방향의 대화형(interactive) 통신환경 및 가입자 수의 폭발적 증가 등으로 인해 구리선을 이용한 통신망이 한계를 드러냄에 따라 높은 반송 주파수(carrier frequency)의 고속, 무왜곡 전송이 가능한 광 신호 형태의 통신망이 대안으로 대두되고 있다.

한편, 상기 구리선을 이용하여 전기적 신호를 송수신하는 기존의 통신망은 논리회로, 증폭기 및 스위치등의 집적회로를 통해 가입자 데이터 인터페이스를 저렴하게 구성할 수 있었다.

반면에, 광을 정보전달 신호로 이용하는 광 통신망의 경우에는 가입자와 중계기 또는 통신 사업자를 연결해주는 인터페이스가 광 스위치, 포토 다이오드 및 레이저 다이오드 등으로 구성된 광 커넥터 모듈로 구성되어야 한다.

현재, 상품화되어 있는 광 통신망용 데이터 인터페이스는 전송 선인 광 섬유와 가입자를 연결시키기 위해서 광 섬유 커넥터, 광 스위치 및 레이저 다이오드를 포함하는 광 송신기 등으로 구성되어 있으며, 정밀 가공 및 각 부품의 조립에 의존한 제조로 인해 가격이 비싼 단점이 있다.

특히, 광 데이터 인터페이스의 핵심 부품인 광 스위치의 경우에 입력측 또는 출력측 광 섬유의 선단부를 기계적으로 구동시킴으로써, 광 축을 정렬시켜 스위칭 기능을 수행하도록 함에 따라 스위치의 크기를 소형화하기 어렵고, 소모 전력이 많으며, 응답속도가 느리고, 가격이 비싼 단점이 있다.

본 발명은 상기한 바와같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 창안한 것으로, 본 발명의 목적은 광 통신망용 송수신 인터페이스 모듈에 장착되는 크로스-커넥트 스위칭 시스템에서 초소형 광전자기계 시스템의 반도체 일괄 공정 및 마이크로머시닝 공정을 통해 광 스위치로 적용되는 구동 미러 어레이에 입출력 광 섬유 다발의 선단부를 정밀하게 정렬시킬 수 있는 광섬유 정렬소자 및 그 제조방법을 제공하는데 있다.

도1a 및 도1b는 본 발명에 의한 광섬유 정렬소자의 단면도 및 부분 단면사시도.

도2는 도1a에 있어서, 시준렌즈를 부가한 구성을 보인 예시도.

도3a 및 도3b는 도1a의 광섬유 정렬소자를 2차원 배열시켜 입출력 광 크로스 커넥트 시스템을 구현한 예시도.

도4a 내지 도4j는 본 발명의 일 실시예에 따른 광섬유 정렬소자의 제조방법을 보인 수순단면도.

***도면의 주요부분에 대한 부호의 설명***

1:기판2:렌즈지지판

3:마이크로 렌즈4:코어

5:클래딩6:광섬유 가이드

7:접합 솔더8:시준렌즈

10:광섬유

먼저, 상기한 바와같은 본 발명의 목적을 달성하기 위한 광섬유 정렬소자는배면이 경사 식각된 기판과; 상기 기판의 상부에 형성된 렌즈지지판을 통해 지지되어 상기 기판의 식각된 영역으로 돌출된 반구형 마이크로 렌즈와; 상기 마이크로 렌즈 상에 코어(core)와 클래딩(cladding)을 포함하는 광섬유가 정렬될 수 있도록 렌즈지지판의 상부에 형성된 광섬유 가이드와; 상기 광섬유와 렌즈지지판을 고정시키는 접합 솔더를 구비하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기한 바와같은 본 발명의 목적을 달성하기 위한 광섬유 정렬소자의 제조방법은 기판의 상부에 렌즈지지판을 형성함과 아울러 기판의 배면에 식각방지막을 형성하는 공정과; 상기 렌즈지지판의 상부에 식각마스크 박막을 형성한 다음 렌즈지지판이 일부 노출되도록 식각 홀을 형성하는 공정과; 상기 식각 홀을 통해 노출된 렌즈지지판을 포함한 그 하부의 기판 일부가 반구형 홈형태를 갖도록 등방성 식각을 실시한 다음 상기 식각마스크 박막을 제거하는 공정과; 상기 결과물의 상부전면에 마이크로 렌즈 형성물질을 형성한 다음 상기 렌즈지지판이 노출될때까지 평탄화하여 마이크로 렌즈를 제작하는 공정과; 상기 렌즈지지판의 상부에 상기 마이크로 렌즈의 외경을 따라 접합 솔더를 형성하는 공정과; 상기 결과물의 상부에 상기 접합 솔더의 외경을 따라 광섬유 가이드를 형성하는 공정과; 상기 기판 배면의 식각방지막을 패터닝하여 상기 마이크로 렌즈가 형성된 기판의 배면을 선택적으로 노출시킨 다음 상기 렌즈지지판이 노출될때까지 기판의 배면을 식각하는 공정과; 상기 식각방지막을 제거한 다음 상기 광섬유 가이드 내에 광섬유를 조립하는 공정을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기한 바와같은 본 발명에 의한 광섬유 정렬소자 및 그 제조방법을 첨부한도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

먼저, 도1a 및 도1b는 본 발명에 의한 광섬유 정렬소자를 보인 단면도 및 부분 단면사시도로서, 이에 도시한 바와같이 배면이 경사 식각된 기판(1)과; 상기 기판(1)의 상부에 형성된 렌즈지지판(2)을 통해 지지되어 상기 기판(1)의 식각된 영역으로 돌출된 반구형 마이크로 렌즈(3)와; 상기 마이크로 렌즈(3) 상에 코어(4)와 클래딩(5)을 포함하는 광섬유(10)가 정렬될 수 있도록 렌즈지지판(2)의 상부에 형성된 광섬유 가이드(6)와; 상기 광섬유(10)와 렌즈지지판(2)을 고정시키는 접합 솔더(7)로 구성된다.

상기한 바와같은 본 발명에 의한 광섬유 정렬소자는 상기 원형의 단면을 갖는 광섬유(10) 클래딩(5)의 외경과 일치하도록 형성된 광섬유 가이드(6)에 의해 광섬유(10)와 마이크로 렌즈(3)의 광 정렬이 이루어지며, 광섬유 가이드(6) 내에 광섬유(10)를 삽입한 다음 압축이나 가열등을 통해 접합 솔더(7)와 접합시키게 된다. 이때, 광섬유(10)와의 조립을 용이하게 하기 위하여 광섬유 가이드(6) 내경의 상부에 테이퍼(taper)를 추가하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 광섬유(10)의 코어(4)에서 방출되는 레이저 광은 상기 마이크로 렌즈(3)를 통해 시준된(collimated) 레이저 광으로 변환되어 자유공간의 광 크로스 커넥트 스위칭 시스템에 적합하도록 빔 스폿(beam spot)을 조절할 수 있게 되며, 특히 상기 접합 솔더(7)의 높이를 조절함으로써, 원하는 반경의 레이저 광을 얻을 수 있게 된다.

한편, 도2는 상기한 바와같이 구성되는 본 발명에 의한 광섬유 정렬소자의마이크로 렌즈(3)로부터 방출되는 레이저 광의 평행광 특성을 개선시키거나 또는 외부로부터 마이크로 렌즈(3)를 통해 인입되는 레이저 광이 광섬유(10)의 코어(4) 부분에 보다 집속될 수 있도록 상기 기판(1)의 식각된 배면 상에 걸쳐지는 시준렌즈(8)를 부가한 구성을 보인 예시도이다.

상기한 바와같이 시준렌즈(8)를 부가하기 위해서는 상기 기판(1) 배면의 식각된 영역이 시준렌즈(8)의 크기에 맞도록 미리 고려하여야 하며, 이와같이 시준렌즈(8)를 부가함에 따라 상기 도1a 및 도1b의 본 발명에 의한 광섬유 정렬소자에 비해 광 손실을 최소화함과 아울러 광 효율을 최대화할 수 있게 된다.

한편, 도3a 및 도3b는 상기 도1의 본 발명에 의한 광섬유 정렬소자를 2차원 배열시켜 입출력 광 크로스 커넥트 시스템을 구현한 예시도로서, 도3a는 2n 개의 입출력 광섬유 정렬소자 어레이(21), 45°서브마운트(22)의 경사면에 형성된 단일 구동 마이크로미러 어레이(23) 및 반사거울(24)을 이용한 광 크로스 커넥트 시스템을 보인 것이고, 도3b는 n 개의 입력 광섬유 정렬소자 어레이(31), n 개의 출력 광섬유 정렬소자 어레이(32) 및 서로 마주보는 45°서브마운트(33,34)의 경사면에 각기 형성된 구동 마이크로미러 어레이(35,36)를 이용한 광 크로스 커넥트 시스템을 보인 것이다.

상기한 바와같은 본 발명에 의한 광섬유 정렬소자의 제조방법을 첨부한 도4a 내지 도4k에 도시한 수순단면도를 일 실시예로 하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

먼저, 도4a에 도시한 바와같이 기판(41)의 상부에 렌즈지지판(42)을 형성함과 아울러 기판(41)의 배면에 식각방지막(43)을 형성한다. 이때, 렌즈지지판(42)은후속공정인 기판(41)의 배면 식각을 적용할때에 식각이 렌즈지지판(42)에서 자동으로 정지될 수 있도록 실리콘산화막, 실리콘질화막, 고농도 불순물 도핑막 또는 피-엔(P-N) 접합막 등을 선택적으로 적용할 수 있으며, 일예로 KOH, EDP 또는 TMAH 등의 실리콘 이방성 식각용액을 통해 기판(41)의 배면 식각을 실시하여 상기 렌즈지지판(42)에서 자동 식각정지를 원할 경우에는 10²⁰cm^-3이상의 고농도로 붕소를 확산이나 주입하여 고농도 불순물 도핑막을 형성할 수 있고, 다른예로 KOH, EDP 또는 TMAH 등의 실리콘 이방성 식각용액을 통해 기판(41)의 배면 식각을 실시하여 상기 렌즈지지판(42)에서 전기 화학적 식각정지(electrochemical etch stop)를 원할 경우에는 기판(41)에 도핑된 불순물과 반대 타입의 불순물을 첨가하여 피-엔 접합막을 형성할 수 있다. 한편, 상기 렌즈지지판(42)은 확산의 경우에는 시간 및 온도 조절을 통해 형성두께를 제어할 수 있으며, 이온주입의 경우에는 이온가속 전압, 어닐링(annealing) 온도 및 시간을 통해 형성두께를 제어할 수 있다.

그리고, 도4b에 도시한 바와같이 상기 렌즈지지판(42)의 상부에 식각마스크 박막(44)을 형성한 다음 렌즈지지판(42)이 일부 노출되도록 식각 홀(45)을 형성한다. 이때, 식각 홀(45)은 사진묘화(photolithography)의 선택적 식각 방법 또는 리프트-오프(lift-off) 방법을 통해 원하는 영역에 선택적으로 형성할 수 있다.

그리고, 도4c에 도시한 바와같이 상기 식각 홀(45)을 통해 노출된 렌즈지지판(42)을 포함한 그 하부의 기판(41) 일부가 반구형 홈형태를 갖도록 등방성 식각을 실시한다. 이때, 등방성 식각은 기판(41)의 종류에 따라 다양한 물질이 적용될수 있으며, 예를 들어 실리콘(silicon)을 기판(41)으로 적용한 경우에는 질산, 불산 및 초산 등의 혼합용액을 통해 식각하거나, 승화된 증기상태의 XeF₂또는 BrF₃식각기체를 통해 식각하거나, 또는 SF₆기체를 이용한 플라즈마(plasma) 상태의 반응성 이온 식각(reactive ion etching : RIE) 등의 다양한 방법을 적용할 수 있고, 이와같은 식각방법에 따라 상기 렌즈지지판(42) 및 식각마스크 박막(44)을 적절한 물질로 선택하여야 한다.

그리고, 도4d에 도시한 바와같이 상기 식각마스크 박막(44)을 제거한 다음 상부전면에 마이크로 렌즈 형성물질(46)을 도포, 증착 또는 에피택시(epitaxy) 방법을 통해 형성하여 상기 반구형 홈을 채운다. 이때, 마이크로 렌즈 형성물질(46)은 시스템의 요구성능에 맞는 굴절률을 갖는 물질을 선택한다.

그리고, 도4e에 도시한 바와같이 상기 마이크로 렌즈 형성물질(46)을 상기 렌즈지지판(42)이 노출될때까지 평탄화하여 반구형 마이크로 렌즈(47)를 제작한다. 이때, 마이크로 렌즈 형성물질(46)의 평탄화는 래핑 및 폴리싱 등의 기계적 연마 방법이나 화학-기계적 연마(chemical-mechanical polishing : CMP) 방법이 적용될 수 있으며, 반구형 마이크로 렌즈(47)의 두께를 적절히 조절할 수 있다.

그리고, 도4f에 도시한 바와같이 상기 렌즈지지판(42)의 상부에 상기 반구형 마이크로 렌즈(47)의 외경을 따라 접합 솔더(48)를 형성한다. 이때, 접합 솔더(48)는 사진묘화의 선택적 식각 방법 또는 리프트-오프 방법을 통해 마이크로 렌즈(47)의 외경을 따라 선택적으로 형성할 수 있으며, 특히 이후에 조립되는 광섬유(52)의코어(50)에서 방출되는 레이저 광의 퍼짐 각(spreading angle)을 고려하여 접합 솔더(48)의 두께를 조절하면, 광 손실을 최소화할 수 있게 된다.

그리고, 도4g에 도시한 바와같이 상기 결과물의 상부에 상기 접합 솔더(48)의 외경을 따라 광섬유 가이드(49)를 형성한다. 이때, 광섬유 가이드(49)는 이후에 조립되는 광섬유(52)가 정렬되어 고정될 수 있는 충분한 두께로 형성하여야 하며, 이를 위하여 고형상비(high aspect ratio)를 구현할 수 있는 구조층을 적용하는 것이 바람직하다. 따라서, 고형상비를 갖는 후막 광 감응성 폴리머(photo-sensitive ploymer)를 직접 광섬유 가이드(49)로 이용하는 방법이나, 고형상비를 갖는 후막 감광막(photoresist)을 도금 틀(mold)로 이용하여 도금으로 광섬유 가이드(49)를 형성하는 방법이나, 또는 별도의 기판 상에 광섬유 가이드(49)를 제작한 다음 정렬 접합하는 방법등을 적용할 수 있다.

한편, 도면상에 도시되지는 않았지만, 상기 광섬유 가이드(49)는 후속공정을 통해 광섬유(52)를 용이하게 조립하기 위하여 내경의 상부가 넓어지도록 경사지게 형성하는 것이 바람직하다.

그리고, 도4h에 도시한 바와같이 상기 기판(41) 배면의 식각방지막(43)을 상기 마이크로 렌즈(47)가 형성된 영역과 양면 정렬(double side alignment)을 통해 패터닝하여 상기 마이크로 렌즈(47)가 형성된 기판(41)의 배면을 노출시킨다.

그리고, 도4i에 도시한 바와같이 상기 노출된 기판(41)의 배면을 KOH, EDP, TMAH, 또는 히드라진(hydrazine) 등의 이방성 실리콘 식각용액을 적용하거나, 또는 플라즈마 건식식각을 적용하여 식각한다. 이때, 상기 렌즈지지판(42)에서 자동으로식각정지 현상이 발생함에 따라 미세 구조물 제작에 대한 마진을 확보할 수 있다.

그리고, 도4j에 도시한 바와같이 상기 패터닝된 식각방지막(43)을 제거한 다음 상기 광섬유 가이드(49) 내에 코어(50)와 클래딩(51)을 포함하는 광섬유(52)를 조립한다.

상기한 바와같은 본 발명에 의한 광섬유 정렬소자 및 그 제조방법은 초소형 광전자기계 시스템의 반도체 일괄 공정 및 마이크로머시닝 공정을 적용하여 집적화된 마이크로 렌즈 어레이를 형성함에 따라 광 손실을 줄임과 아울러 광 효율을 높일 수 있으며, 광섬유의 조립을 단순화함과 아울러 정밀도를 향상시킬 수 있고, 시스템을 소형화 및 경량화할 수 있는 효과가 있으며, 또한 시준렌즈를 적용할 경우에 광 손실을 최소화함과 아울러 광 효율을 최대화할 수 있는 효과가 있다.

Claims (9)

1. 배면이 경사 식각된 기판과; 상기 기판의 상부에 형성된 렌즈지지판을 통해 지지되어 상기 기판의 식각된 영역으로 돌출된 반구형 마이크로 렌즈와; 상기 마이크로 렌즈 상에 코어와 클래딩을 포함하는 광섬유가 정렬될 수 있도록 렌즈지지판의 상부에 형성된 광섬유 가이드와; 상기 광섬유와 렌즈지지판을 고정시키는 접합 솔더를 구비하여 구성되는 것을 특징으로 하는 광섬유 정렬소자.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 광섬유 가이드 내경의 상부에 테이퍼가 추가된 것을 특징으로 하는 광섬유 정렬소자.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 기판의 식각된 배면 상에 걸쳐지는 시준렌즈가 부가된 것을 특징으로 하는 광섬유 정렬소자.
4. 기판의 상부에 렌즈지지판을 형성함과 아울러 기판의 배면에 식각방지막을 형성하는 공정과; 상기 렌즈지지판의 상부에 식각마스크 박막을 형성한 다음 렌즈지지판이 일부 노출되도록 식각 홀을 형성하는 공정과; 상기 식각 홀을 통해 노출된 렌즈지지판을 포함한 그 하부의 기판 일부가 반구형 홈형태를 갖도록 등방성 식각을 실시한 다음 상기 식각마스크 박막을 제거하는 공정과; 상기 결과물의 상부전면에 마이크로 렌즈 형성물질을 형성한 다음 상기 렌즈지지판이 노출될때까지 평탄화하여 마이크로 렌즈를 제작하는 공정과; 상기 렌즈지지판의 상부에 상기 반구형 마이크로 렌즈의 외경을 따라 접합 솔더를 형성하는 공정과; 상기 결과물의 상부에 상기 접합 솔더의 외경을 따라 광섬유 가이드를 형성하는 공정과; 상기 기판 배면의 식각방지막을 패터닝하여 상기 마이크로 렌즈가 형성된 기판의 배면을 선택적으로 노출시킨 다음 상기 렌즈지지판이 노출될때까지 기판의 배면을 식각하는 공정과; 상기 식각방지막을 제거한 다음 상기 광섬유 가이드 내에 광섬유를 조립하는 공정을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 광섬유 정렬소자의 제조방법.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 접합 솔더는 상기 광섬유의 코어에서 방출되는 레이저 광의 퍼짐 각을 고려하여 광의 집속성능이 최대가 될수 있는 두께로 형성하는 것을 특징으로 하는 광섬유 정렬소자의 제조방법.
6. 제 4 항에 있어서, 상기 광섬유 가이드는 고형상비를 갖는 후막 광 감응성 폴리머를 직접 적용하여 형성한 것을 특징으로 하는 광섬유 정렬소자의 제조방법.
7. 제 4 항에 있어서, 상기 광섬유 가이드는 고형상비를 갖는 후막 감광막을 도금 틀로 이용하여 도금으로 형성한 것을 특징으로 하는 광섬유 정렬소자의 제조방법.
8. 제 4 항에 있어서, 상기 광섬유 가이드는 별도의 기판 상에 광섬유 가이드를제작한 다음 정렬 접합하여 형성한 것을 특징으로 하는 광섬유 정렬소자의 제조방법.
9. 제 4 항에 있어서, 상기 광섬유 가이드는 내경의 상부가 넓어지도록 경사지게 형성한 것을 특징으로 하는 광섬유 정렬소자의 제조방법.