KR20030078856A - 수동정렬 방법을 이용한 광도파로칩과 광섬유와의 접속방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에서는 광도파로소자를 제조하는 공정에 있어서 반드시 필요한 광도파로칩에 광섬유를 정렬하고 부착하는 공정을 기존의 능동형 정렬 방법을 사용하지 않고, 정렬핀을 이용하여 광도파로칩과 광섬유를 수동적인 정렬 방법으로 접속한다. 본 발명의 방법을 적용하여 단일 광도파로칩 및 다수의 병렬로 구성된 다수의 광도파로칩에도 한번의 수동 정렬 방법으로 접속을 이룰 수 있다. 이러한 단순하고 비용이 적게 드는 수동형 정렬 방법을 통하여 공정에 필요한 시간 및 공정 비용을 단축하고자 한다.

Description

수동정렬 방법을 이용한 광도파로칩과 광섬유와의 접속방법 {Passive Alignment Method of Optical Fibers to Optical Waveguide Chips}

광통신 시스템에 필요로 하는 광도파로형 소자의 종류로는 입력된 광신호를 다수의 출력단으로 분배하는 광스플리터, 광신호의 변조 역할을 하는 광변조기, 광신호를 원하는 출력단으로 보내주는 광스윗치와 파장 다중화기 등이 있다. 상기의 광도파로 소자의 제작에 있어서 광도파로칩과 광섬유와의 접속은 반드시 필요한 공정으로서 소자 제작에 있어서의 전체 비용중 50%에서 90% 이상을 차지할 만큼 시간과 비용이 필요한 공정이다.

광도파로칩의 입력단 및 출력단에 광섬유를 부착할 때 기존의 방법은 능동형 광렬 방법을 사용한다. 능동형 광정렬 방법이란 입력단에 부착될 광섬유에 광신호를 입력시키고 광도파로칩과 정밀한 스테이지를 이용하여 정렬한 후 광도파로칩의 출력단에 광섬유 어레이를 정밀한 스테이지를 사용하여 정렬한 후 광출력 값을 감시하면서 최대의 광출력 값이 나타날 때 접착제 등을 사용하여 광도파로칩과 광섬유를 접속, 고정시키는 과정을 의미한다. 이러한 능동형 정렬 방법은 광도파로칩과 광섬유를 정렬할 때 통신 파장대의 레이저 광원, 정렬 스테이지, 광검출기 등의 정밀하고 고가의 장비가 필요하며, 정렬 과정에 많은 시간이 필요하다. 이러한 이유로 시간과 비용이 많이 필요한 공정이라 할 수 있다.

본 발명에서는 수동형 정렬 방법으로 광도파로칩과 광섬유를 정렬하고 부착하는 방법으로 상기의 능동형 정렬 방법의 단점을 개선하고자 한다. 도 1은 본 발명에서 구현하고자 하는 내용을 나타내는 대표도이다.

도 2는 기존의 방법을 도시한 것이다. 도 2에 나타난 그림과 같이 기존의 방법에서는 광도파로칩의 입력단 및 출력단에 부착될 광섬유 어레이를 정밀한 스테이지에 고정시킨 후 입력단에 부착될 광섬유 어레이에 광신호를 입력시키고, 광도파로칩과 정렬한 후 광도파로칩의 출력단에 부착되는 광섬유 어레이에서 나오는 광출력 값을 감시하면서 최대의 광출력값이 나타날 때 접착제 등을 사용하여 광도파로칩과 광섬유를 접속, 고정시킨다. 기존의 방법은 도 2에서 알 수 있는 바와 같이 광도파로칩의 입력단 및 출력단에 광섬유 어레이를 부착하기 위해서는 X, Y, Z 및 각각의 축을 중심으로 변화하는 각도 등 총 12개의 자유도를 조정해야 한다. 이러한 자유도를 조정하기 위해서는 고가의 장비가 필요하며 그에 따른 공정 시간의 증가가 유발하는 공정 비용이 상승되는 단점이 있다.

본 발명에서는 광도파로칩에 광섬유 어레이를 정렬하고 부착하는 공정을 기존의 능동 정렬 방법 대신에 수동 정렬 방법을 적용하여 공정시간 및 공정 비용을 감소시키고자 한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 일실시 예에 따라 정렬핀을 이용하여 1XN 광스플리터 기능을 하는 광도파로칩의 입력단 및 출력단에 광섬유 어레이가 수동적으로 정렬되는 방법을 도시한 것이다.

도 2는 기존의 능동 정렬 방법을 이용하여 광도파로칩의 입력단 및 출력단에 광섬유 어레이를 부착하는 구성을 도시한 것이다.

도 3은 정렬핀을 이용한 수동 정렬 방법을 적용하기 위해 광도파로칩에 V자형 홈을 구성하기 위해서 정렬키 및 정렬자(Alignment Ruler)의 위치를 표시해 놓은 것이다.

도 4는 광도파로칩에 정렬핀을 삽입하기 위한 정렬 구조물인 V자형 홈을 다이싱 쏘우 장비를 이용하여 광도파로칩에 형성한 단면을 나타내고 있다.

도 5는 정렬핀을 이용하여 1XN 광스플리터 기능을 하는 광도파로칩의 입력단 및 출력단에 광섬유 어레이가 수동적으로 정렬되었을 때의 광도파로칩과 광섬유 어레이에 삽입된 상태의 단면을 도시하고 있다.

도 6은 광섬유 어레이에 접착제 방지턱(Adhesive Stop Groove)가 형성된 단면을 나타내고 있다.

도 7은 본 발명의 수동 정렬 방법을 이용하여 동일기판에 형성된 다수의 독립적인 광도파로칩에 다수의 독립적인 광섬유 어레이를 부착하는 내용을 도시하고 있다.

도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

1 : 입력단 광섬유 어레이

2 : 입력단 광섬유 어레이에 실장된 광섬유

3 : 광도파로칩

4 : 출력단 광섬유 어레이

5 : 출력단 광섬유 어레이에 실장된 광섬유

6 : 정렬핀

7 : 광도파로

8 : 정렬키 및 정렬자

9 : 광도파로의 상부를 덮고 있는 클래딩층

10 : 광도파로칩에 형성된 정렬 구조물

11 : 광도파로칩에 사용된 보호용 덮개 유리

12 : 광도파로 기판

13 : 광섬유 어레이용 덮개 유리

14 : 광섬유 어레이 형성을 위한 기판

15 : V자형 홈

16 : 접착제 방지턱

17 : 접착제

18 : 병렬로 배열된 다수의 독립적인 광도파로칩

19 : 병렬로 배열된 다수의 독립적인 광섬유 어레이

도 1은 본 발명의 대표도이다. 기존의 능동형 정렬 방법과 달리 광도파로칩(3)과 입력단 및 출력단 광섬유 어레이(1,4)는 도 1에서 예시된 바와 같이 동일한 위치에 형성된 정렬 구조물(10,15)에 삽입된 두 개의 또는 그 이상의 정렬핀(6)에 의해서 수동적으로 정렬이 된다. 기존의 능동형 정렬 방법에 사용되는 고가의 광원이나 광검출기 및 광도파로칩(3)과 광섬유어레이(1,4)를 정밀하게 정렬해 주는 고가의 스테이지 등이 필요하지 않고, 광도파로칩(3)과 광섬유 어레이에 동일한 위치에 형성된 정렬 구조물인 V자형 홈(10,15)에 정렬핀(6)이 삽입이 되어, 삽입된 정렬핀(6)에 의해서 광도파로칩(3)과 입력단 및 출력단의 광섬유 어레이(1,4)가 정렬이 된다. 이후 정렬된 상태에서 접착제 등을 이용하여 광도파로칩(3)과 입력단 및 출력단 광섬유 어레이(1,4)가 고정이 된다. 도 2에서 알 수 있는 바와 같이 기존의 능동형 정렬 방법의 경우 작업자가 조절해야 하는 자유도는 총 12개나 된다. 하지만 본 발명의 방법인 도 1에서 알 수 있는 바와 같이 단지 입력단 및 출력단의 Z축만이 자유도가 있으므로 정렬을 쉽게 할 수 있는 장점이 있다.

광도파로칩에(3)는 다이싱 쏘우 등의 장비를 이용하여 정렬핀(6)을 삽입할 수 있는 정렬 구조물(10)을 V자형 홈 형태로 형성한다. 도 3은 광도파로칩(3)에 다이싱 쏘우를 이용하여 정렬핀(6)을 삽입할 수 있는 정렬 구조물(10)을 형성하기 위해서 기판(12) 위에 정렬키 및 정렬자(8)를 구성한 것이다. 정교하고 일정한 간격으로 구성된 정렬키 및 정렬자(8)는 다이싱 쏘우 방법으로 정렬 구조물(10)을 구성하였을 때 정렬 구조물(10)의 넓이를 1um이내로 정확하게 알 수 있게 도움을 준다.

정렬키 및 정렬자(8)는 광도파로칩(3)의 코아층(7)을 형성할 때 코아층(7)과 동시에 구성한 후 광도파로칩(3)의 상부 클래딩(9)을 덮는다. 제작된 광도파로(7)와 동일한 공정 과정에서 형성되는 정렬키 및 정렬자(8)를 통해서 정렬 구조물(10)인 V자형 홈의 폭(W)을 정확히 알 수 있다. 이후 정렬키 및 정렬자(8)를 기준으로 하여, 일정한 각도를 지닌 블레이드를 사용하여 도 4와 같이 정렬핀(6)을 위한 정렬 구조물(10)을 만든다. 도 4에서 알 수 있는 바와 같이 형성된 정렬 구조물의 주위에 있는 정렬키 및 정렬자(8)는 형성된 정렬 구조물(10)의 넓이(W)를 정확히 알아 낼 수 있다. 정렬 구조물(10)의 깊이 및 넓이는 정렬 구조물(10)에 정렬핀(6)이 삽입이 되었을 때, 삽입된 정렬핀(6)의 중심과 광도파로칩(3)내의 광도파로(7)들의 중심과 일직선이 이룰 수 있게 조절한다.

도 5는 광섬유 어레이(4)의 단면을 나타내고 있다. 현재 반도체 공정 및 광도파로 소자를 제작하는데 사용되는 실리콘이나 쿼츠 등을 주재료로 제작되는 웨이퍼 형태의 기판(14)에 광섬유(2,5)와 정렬핀(6)이 실장될 수 있도록 V자형 홈(15)을 제작한다. V자형 홈(15)을 제작하는 방법은 실리콘 기판(14)의 경우, 실리콘 결정성을 이용한 이방성 습식 식각 방법을 적용하여 제작할 수 있으며, 쿼츠 등의 결정성이 없는 기판의 경우에는 정밀한 위치 조정이 가능한 다이싱 쏘우 등의 장비를 사용하여 다이싱 쏘우에 일정한 각도를 가진 블레이드를 사용하여 기계적으로 형성하거나 정밀 기구물에 의한 몰딩 방법에 의하여 제작될 수도 있으며, 각각의 제작 원리는 이등방성 식각, 그레이 레벨 드라이 에칭, 또는 다이싱 쏘의 블레이드의 각도 및 두께에 의하여 형성된다.

일정한 간격으로 형성된 V자형 홈(15)의 가운데 부분에 광섬유(1,5)가 고정이 되며, 광섬유(1,5)의 길이 방향과 동일한 방향으로 소정의 간격으로 위치한 정렬핀(6)이 삽입될 정렬 구조물(15)과 접착제가 정렬 구조물(15)로 흘러 내림을 방지하는 접착제 방지턱(16)이 형성된 것을 선호한다. 양 끝에 위치한 V자형 홈(15)은 광도파로칩(3)과 광섬유 어레이(1,4)가 정렬핀(6)으로 접속이 될 때 정렬핀(6)이 삽입되는 곳이다. 중심부의 V자형 홈(15)에는 광섬유(2,5)가 실장되고 접착제가 투입되어 상부에 덮개판으로 누르면서 접착제를 경화시켜서 수동 정렬용 광섬유 어레이(1, 4)를 제작한다. 광섬유(2, 5)가 실장되는 V자형 홈(15)과 정렬 핀(6)을 위한 V자형 홈(15) 사이에는 접착제 방지턱(16)이 형성되어 있다. 광섬유(2,5)를 실장후 고정시키기 위한 접착제가 정렬핀(6)이 삽입되는 정렬 구조물(15)에 넘치지 않게 하기 위한 방법이다.

정렬핀(6)이 광섬유 어레이(1,4)에 삽입이 될 때, 광섬유 어레이(1,4)에 실장된 광섬유(2,5)와 동일한 크기를 가지므로 V자 홈(15)의 상부 넓이가 동일하게 형성이 되면 광섬유 어레이(1,4)에 실장된 광섬유(2,5)들의 중심 위치와 정렬핀(6)의 중심위치가 일직선 상에 위치하게 된다. 정렬된 광도파로(7)들의 중심 위치와 대응하는 광섬유 어레이(1,4)에 실장된 광섬유(2,5)의 중심 위치가 정밀하게 일치해야 하며, 시장에서 요구되는 정렬 오차는 광도파로(7)와 광섬유(2,5)의 중심 위치 변위가 1um 이내 이어야 한다. 정렬핀(6)의 중심과 광섬유 어레이(1,4)에 실장되어 있는 광섬유(2,5)의 중심간의 간격은 반도체 공정을 이용한 정밀한 사진 식각 공정 및 정밀한 습식 식각으로 V자형 홈(15)이 형성되므로 접속되는 광도파로칩(3)내의 광도파로(7)의 간격과 정밀하게 간격이 일치되도록 조절할 수 있다.

광도파로칩(3)과 입출력단 광섬유 어레이(1,4)는, 광도파로칩(3)과 광섬유 어레이(1,4))의 광섬유(2,5)들과 결합이 되도록 상기 광섬유들의 간격과 동일한 간격으로 형성된 입출력 광도파로(7)와 함께 상기 광섬유 어레이(1,4)에 형성된 정렬구조물(15)의 위치에 동일하게 대응하는 정렬 구조물(10)을 갖는 평면 광도파로칩(3) 및 상기 광섬유 어레이(1,4)의 정렬 구조물(15)과 상기 광도파로칩(3)의 정렬구조물(10)이 정렬구조물(10)의 규격에 적합한 원형의 정렬핀(6)에 의하여 푸쉬풀 (Push Pull) 방식으로 정렬된다.

사용되는 정렬핀(6)의 단면은 원형이며 비원율은 10%이내고 정렬핀(6)의 지름은 광섬유 어레이(1,4)에 실장되는 광섬유(2,5)와 동일한 지름을 지니거나 또는 정렬핀(6)의 직경이 광도파로칩(3)의 제작 기판 또는 광섬유 어레이(1,4)의 제작 기판(14) 중 얇은 기판 두께의 50% 이내인 것을 본 발명의 방법에 적용할 수 있다. 정렬핀(6)의 단면의 지름은 전부분에 걸쳐서 동일하며 다만 정렬핀(6)의 양쪽 끝단의 단면 지름이 다른 나머지 부분의 지름보다 작거나 같게 하여서 정렬핀(6)이 정렬 구조물(10,15)에 삽입이 될 때 쉽게 삽입할 수 있도록 한다. 본 발명에서는 정렬핀(6)의 지름이 125um인 것을 사용하였으며 일반적인 광섬유와 동일한 외경을 지닌다.

도 6은 본 발명의 방법에 따라서 광도파로칩(3)과 광섬유 어레이(1,4)가 정렬핀(6)을 이용하여 접속되는 과정을 도시하고 있으며, 정렬핀(6)이 광도파로칩(3)과 광섬유 어레이(1,4)에 삽입된 단면을 나타내고 있다. 정렬핀(6)에 의해서 정렬된 후 광도파로칩(3)과 광섬유 어레이(1,4)와의 고정은 접착제 또는 용접 방법을 이용하여 영구 고정을 하거나 스프링 등을 이용하여 푸쉬풀 식의 고정이 가능한 경우 또는 외부 기계적인 결합물을 이용하여 고정이 된다.

본 발명의 방법은 단순히 단일 광도파로칩(3)에 광섬유를 정렬하는 것 이외에 다수의 병렬로 이루어진 광도파로칩(18)에 다수의 광섬유를 정렬하고 접속하는데 적용될 수 있다. 도 7은 동일한 기판위에 병렬로 배열된 다수의 독립적인 광도파로칩(18)에 다수의 독립적인 광섬유 어레이(19)가 정렬핀(6)을 이용하여 정렬되는 상태를 나타내고 있다. 도 7에 예시된 바와 같이 동일한 기판위에 병렬로 배열된 다수의 독립적인 광도파로칩(18)에 다수의 독립적인 광섬유 어레이(19)를 부착하는 공정을 하나의 개별적인 광도파로칩과 광섬유를 부착하는 공정과 동일하게 한번에 수행하고, 정렬 공정에서 본 발명의 방법인 정렬핀(6)을 이용하여 수동적으로 정렬함으로써 정렬 공정을 수행할 때의 시간 및 비용을 단축할 수 있다.

본 발명에서는 광도파로 소자를 제조함에 있어서 기존의 능동형 정렬 방법을 사용하지 않고, 정렬핀을 이용하여 광도파로칩과 광섬유를 수동적으로 정렬하고 접속한다. 또한 본 발명의 방법은 병렬로 배열된 다수의 독립적인 광도파로칩에 병렬로 배열된 다수의 독립적인 광섬유 어레이를 부착을 할 때에도 단일 광도파로칩과 동일한 한번의 공정을 통해서 접속을 시행할 수 있다. 이러한 단순하고 비용이 적게 드는 수동형 정렬 방법을 통하여 공정에 필요한 시간 및 공정 비용을 단축할 수 있다.

Claims (8)

1. 광도파로칩(Optical Waveguide Chip)과 광섬유를 정렬하는 수동정렬 (passive Alignment)을 위한 구조에 있어서, 소정의 간격으로 광섬유들이 고정되고 광섬유의 길이 방향과 동일한 방향으로 소정의 간격으로 위치한 정렬 구조물과 접착제가 정렬 구조물로 흘러 내림을 방지하는 접착제 방지턱(에폭시 스톱 그루브)을 구비한 광섬유 어레이, 상기 광섬유 어레이의 광섬유들과 결합이 되도록 상기 광섬유들의 간격과 동일한 간격으로 형성된 입출력 광도파로와 함께 상기 광섬유 어레이에 형성된 정렬 구조물의 위치에 동일하게 대응하는 정렬 구조물을 갖는 평면 광도파로칩 및 상기 광섬유 어레이의 정렬 구조물과 상기 광도파로칩의 정렬구조물이 정렬구조물의 규격에 적합한 원형의 정렬핀에 의하여 푸쉬풀 (Push-Pull) 방식으로 정렬되는 구조
2. 제 1항에 있어서 상기 광도파로 칩의 정렬핀이 들어가는 정렬 구조물은 다이싱 등 기계적 가공 방법에 의하여 제작되며, 상기 광섬유 어레이의 정렬핀이 들어가는 정렬 구조물은 리쏘그라피 등의 반도체 가공에 의한 식각 방법, 다이싱 쏘우 등을 사용하는 기계적 가공방법 및 정밀 기구물에 의한 몰딩 방법에 의하여 제작되며 각각의 제작 원리는 이등방성 식각, 그레이 레벨 드라이 에칭, 또는 다이싱 쏘의 블레이드의 각도 및 두께에 의하여 형성됨을 특징으로 하는 공정 방법
3. 제 1항에 있어서 광도파로칩에 형성된 정렬 구조물의 제작 방법으로는, 반도체 사진 식각 공정을 통하여 광도파로를 형성하는 공정(식각 또는 이온교환)과 동시에 공정상에서 제작하는 것을 선호하며, 광도파로와 동시에 제작된 정렬키 및 정렬자를 사용하여 정확한 정렬 구조물의 폭(W)을 형성할 수 있도록 한 후 다이싱 쏘우를 사용한 가공 등 기계적인 가공 방법을 사용하는 것을 특징으로 하는 공정 방법
4. 제 1항에 있어서 상기 광도파로칩의 정렬 구조물과 상기 광섬유 어레이의 정렬 구조물에 정렬핀이 삽입되어 정렬되었을 경우 광도파로들의 중심 위치와 대응하는 광섬유들의 코아들의 중심 위치가 정확하게 일치하는 것을 특징으로 하며, 대응하는 정렬도는 광도파로와 광섬유의 중심 위치 변위가 1um 이내임을 특징으로 하는 것
5. 제 1항에 있어서 상기 광도파로칩과 광섬유 어레이에 제작된 정렬 구조물은 최소 각 2개 이상의 정렬 구조물을 포함하는 경우
6. 상기 1항에 사용되는 정렬핀의 단면은 원형이며 비원율은 10%이내고 정렬핀의 지름은 광섬유 어레이에 실장되는 광섬유와 동일한 지름을 지니거나 또는 정렬핀의 직경이 광도파로칩의 제작 기판 또는 광섬유 어레이의 제작 기판 중 얇은 기판 두께의 50% 이내임을 특징으로 하는 것
7. 제 6항에서 정렬핀의 단면의 지름은 전부분에 걸쳐서 동일하며 다만 정렬핀의 양쪽 끝단의 단면 지름이 다른 나머지 부분의 지름보다 작거나 같음을 특징으로 하는 것
8. 제 1항에 있어서 광도파로칩과 광섬유 어레이와의 고정은 접착제 또는 용접을 이용하여 영구 고정을 하거나 스프링 등을 이용하여 푸쉬풀 식의 고정이 가능한 경우 또는 외부 기계적인 결합물을 이용하는 것을 특징으로 하는 것