KR20040042672A - 수동 정렬 소자를 이용한 광도파로 소자의 패키지 모듈 및그의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 수동 정렬 소자를 이용한 광도파로 소자의 패키지 모듈 및 그의 제조 방법에 관한 것으로, 광도파로 소자와 다수의 광섬유를 정렬하여 부착시키는 피그테일링(Pigtailing) 공정시 수동정렬이 가능한 기술을 제공하며, 광도파로 소자 패키징시 수동정렬 방식에 의한 패키징 공정이 가능하기 때문에 레이저광을 입력시키면서 출력되는 광의 세기를 모니터링 하면서 정렬할 필요가 없이 기계적인 조립만으로도 정렬이 완료되기 때문에 고속 패키징이 가능하여 대량생산을 할 수 있는 효과가 있다.

Description

수동 정렬 소자를 이용한 광도파로 소자의 패키지 모듈 및 그의 제조 방법{Package module of optical waveguide device by using passive alignment device and method of manufacturing the same}

본 발명은 수동 정렬 소자를 이용한 광도파로 소자의 패키지 모듈 및 그의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 광도파로 소자와 광섬유를 수동정렬 방식으로 패키징함으로써, 종래와 같이 레이저광을 입력시키면서 출력되는 광의 세기를 모니터링 하면서 정렬할 필요가 없이, 기계적인 조립만으로도 정렬이 완료되기 때문에, 고속 패키징이 가능하여 대량생산 및 제조단가를 줄일 수 있는 수동 정렬 소자를 이용한 광도파로 소자의 패키지 모듈 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 광소자의 패키징 공정이 매우 어려우며 고비용이 소요되는 이유는 제조된 광소자에 광섬유를 정렬하고 고정시키는 광섬유 실장 공정이 매우 어렵기 때문이다.

도 1은 일반적인 광도파로 소자의 패키징 공정 개념도로써, 광도파로 소자(10)는 입력 광섬유 어레이(21)와 출력 광섬유 어레이(22)를 광학적으로 정렬시켜, 접착시킴으로써 패키징된다.

그런데, 입출력 광섬유 어레이를 광도파로 소자에 정확히 정렬시키기 위해서는 도 2a에 도시된 바와 같이, 광축 방향(X), 광축에 대한 수평직교 방향(Y)과 수직직교 방향(Z)의 직교방향성 변수들과, 도 2b에 도시된 바와 같이, 광축(1)에 대하여, X,Y,Z 회전방향(Θ_x, Θ_y, Θ_z)의 변수들에 대한 정렬이 이루어져야 한다.

즉, 광섬유 정렬공정에는 입력측에 6개, 출력측에 6개, 총 12개의 정렬 변수가 존재한다.

광섬유와 광도파로 소자의 정렬 공정은 이처럼 많은 변수가 존재함으로 인해 상당한 시간과 비용이 소요되는 매우 어려운 공정이다.

이하에서 종래 기술에 따른 광소자 패키징 공정 및 소자를 소개한다.

첫 번째로, 다축 정렬 스테이지를 이용한 정렬 방법(통상, 능동 정렬(Active alignment)방법)은 6축 이상의 자유도를 가진 정밀 정렬 스테이지를 입력측과 출력측에 위치시키고, 각각의 스테이지(Stage)에 광섬유 어레이를 장착한다.

그리고, 두 스테이지의 중간에 도파로 소자 칩을 위치시킨 후, 이들을 수작업(Manual)으로 정렬하거나 자동정렬 알고리즘을 구현시킨 자동 정렬 장치(Automatic alignment machine)를 이용하여 정렬한다.

이 방법은 입력단에 레이저를 입사시키고 출력되는 광의 세기를 모니터링하면서 정렬공정을 진행한다는 점에서 능동 정렬(Active alignment) 방법이다.

이 방법은 광도파로 소자와 광섬유 어레이를 정렬시키기 위해서 입력측과 출력측에 각각 6개의 정렬변수가 있어 이들을 모두 만족시키는데 상당한 시간이 소요된다.

그리고, 정렬하는데 시간을 줄이기 위해 자동 정렬 장치(Automatic alignment machine)를 사용하였지만, 이 장치는 상당히 고가이며, 이 장치에 샘플을 장착하는 시간 및 자동 정렬 시간이 상당히 긴 편이다.

두 번째로, 미국 특허(US5046809, US5239601, US5357593, US5579424)에 개시된 광도파로 소자 칩에 광섬유 정렬 홈을 동시에 형성시키는 방법은 동일한 기판 상에 광도파로와 광섬유 정렬 홈을 동시에 형성시켜 광섬유를 실장시키는 방법으로써, 광도파로와 광섬유의 중심이 일치되는 수동정렬이 가능한 방법이다.

이 방법은 수동정렬이 가능하지만, 실리콘 기판 위에 도파로를 형성시키고, 그 도파로 끝단을 일괄적으로 식각해 낸 후, 노출된 기판의 상에 V-홈을 형성시키기 위한 사진식각공정 및 실리콘 벌크(Bulk) 식각공정을 수행하는데 상당한 어려움이 따른다.

또 하나의 단점으로 건식식각에 의해 노출된 도파로 단면의 질, 특히 표면 조도가 뛰어나지 못하며, 단면의 조도는 건식식각에 의한 벽면 조도에 의존할 수밖에 없으므로, 건식식각에 의한 벽면의 조도는 아무리 좋더라도 수십 nm의 값이며 보통은 수백 nm의 값을 가진다.

세 번째로, 기존의 6축 정렬 방식에서 정렬 변수를 줄일 수 있는 미국 특허US4639074호에 개시된 구조는 광도파로가 형성된 기판의 표면을 정렬을 위한 면으로 이용함으로 인해 입력측과 출력측에 각각 1개의 정렬변수만이 존재하는 구조이다.

이 구조는 기존의 6축 정렬 변수를 1축(x축) 하나로 줄였다는 점에서 효과적인 정렬 소자라 할 수 있으나, 기판의 표면이 평면으로 유지되는 도파로 소자에는 적용이 가능하지만 표면에 두꺼운 막을 형성시킨 후, 이를 식각하여 제작하는 실리카 광도파로 소자에 적용하기는 어려운 구조이다.

즉, 실리카 광도파로 소자의 경우 제조 공정상 기판의 상부가 매우 울퉁불퉁한 면을 가지기 때문에 정렬을 위한 기준면으로 사용하기에는 부적절하다.

또한, 이 소자의 정렬방식은 입력측에 레이저광을 입사시키고, 출력되는 광의 세기를 모니터링하면서 정렬 공정을 수행함으로 능동 정렬 방식이다.

네 번째로, 미국 특허 US5737138호에 개시된 수동정렬용 광섬유 정렬소자 제조 방법은 광도파로 소자를 위한 삽입부와 광섬유 정렬 홈이 형성되어 있어 수동정렬이 가능하도록 고안된 방법이다.

이 방법에서는 일정한 높이와 폭을 가진 광도파로 소자를 홈에 삽입하고 광섬유 정렬 홈에 광섬유를 삽입하면, 광도파로와 광섬유간의 정렬이 이루어진다.

그리고, 수동정렬이 이루어지기 위해서 광도파로 소자 제작시 기판의 두께 및 폭을 정밀하게 1㎛ 이내로 일정하게 유지시켜야 하고, 소자내에서 도파로의 위치가 항상 정해진 위치에 있어야 도파로를 정렬소자에 삽입하였을 때, 도파로의 위치가 정렬소자의 광섬유 정렬홈에 일치된다.

그러나, 보통 광도파로 소자 공정은 하나의 기판에 다수의 광도파로 소자가 형성되고, 이를 개별적으로 분리하기 위해 다이싱 쏘(Dicing Saw)공정을 이용하여 다수의 광도파로 소자가 형성된 기판을 절단해야 한다.

이 경우, 도파로의 위치를 정해진 위치에 항상 있도록, 가공하기는 상당히어려운 문제가 있다.

이상 전술된 종래 기술은 입력측과 출력측에 각각 6개의 정렬변수를 모두 만족시키는 어렵고, 수동정렬 방법에서는 실리콘 기판을 이용함으로 V홈 형성의 어려움과 표면 조도가 저하되는 등의 문제점이 발생한다.

이에 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 수동정렬 방식에 의한 패키징 공정을 수행함으로, 레이저광을 입력시키면서 출력되는 광의 세기를 모니터링 하면서 정렬할 필요가 없고, 기계적인 조립만으로 광도파로와 광섬유간의 정렬이 이루어지기 때문에 고속 패키징이 가능한 수동 정렬 소자를 이용한 광도파로 소자의 패키지 모듈 및 그의 제조 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 바람직한 양태(樣態)는, 복수의 광도파로들이 일정한 간격으로 이격되어 내장된 실리카막이 기판의 상부에 형성된 광도파로 소자와;

상면과 하면을 갖는 본체와, 상기 본체 상면의 가장자리로부터 이격된 내측에 홈으로 형성되며, 광도파로 소자의 실리카막이 안착되는 소자수취홈과, 상기 소자수취홈과 연통되고, 상기 본체 상면에 형성되며, 광섬유를 안착시킬 수 있는 복수개의 V홈들로 이루어진 광섬유 수동정렬소자와;

상기 광섬유 수동정렬소자의 복수개의 V홈들에 각각 안착되어, 상기 광도파로와 광학적으로 정렬된 복수의 광섬유들로 구성된 수동 정렬 소자를 이용한 광도파로 소자의 패키지 모듈이 제공된다.

상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 바람직한 다른 양태(樣態)는, 상면의 가장자리로부터 이격된 내측에 형성된 소자수취홈과, 상기 소자수취홈과 연통되도록 상면에 형성된 복수개의 V홈들을 구비한 광섬유 수동정렬소자를 제조하는 제 1 단계와;

상기 광섬유 수동정렬소자의 소자수취홈에 복수개의 광도파로가 내장된 광도파로 소자의 실리카막을 안착시키고 접착시키는 제 2 단계와;

상기 복수의 V홈들에 각각 대응시켜 광섬유들을 안착시키고, 상기 광섬유들을 각각의 광도파로와 광학적으로 정렬시키고, 광섬유를 V홈에 본딩하는 제 3 단계로 이루어진 수동 정렬 소자를 이용한 광도파로 소자의 패키지 모듈의 제조 방법이 제공된다.

도 1은 일반적인 광도파로 소자의 패키징 공정 개념도이다.

도 2a와 2b는 일반적인 광도파로 소자와 광섬유 어레이를 정렬하기 위한 변수들을 도시한 상태도이다.

도 3a와 3e는 본 발명에 따른 광섬유 수동정렬소자의 제조 공정도이다.

도 4는 본 발명에 따른 광섬유 수동정렬소자의 사시도이다.

도 5는 본 발명에 따른 광도파로 소자의 사시도이다.

도 6a 내지 6c는 본 발명에 따른 광섬유 수동정렬소자를 이용하여 광도파로 소자의 패키지 모듈을 형성하는 공정도이다.

도 7은 수동정렬소자의 V홈에 광섬유가 삽입되는 상태를 도시한 사시도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10,200 : 수동정렬소자 21 : 입력 광섬유 어레이

22 : 출력 광섬유 어레이 100 : 실리콘 기판

110 : 실리콘 질화막 111 : 금속층

121,122,123,124,351,352,353,354 : 정렬마크

221 : 본체 222 : 소자수취홈

223 : V홈 300 : 광도파로 소자

310 : 베이스 기판 320 : 실리카막

330 : 광도파로 500 : 적외선 카메라

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하면 다음과 같다.

도 3a와 3e는 본 발명에 따른 광섬유 수동정렬소자의 제조 공정도로써, 실리콘 기판(100)의 상부에 실리콘 질화막(110)을 형성하고(도 3a), 상기 실리콘 질화막(110)의 상부에 금속층(111)을 형성한다.

여기서, 상기 금속층(111)은 Ti, Au와 NiCr 중 선택된 금속으로 형성한다.

그 후, 상기 금속층(111)에 사진식각공정을 수행하여 수동정렬소자와 광도파로 소자를 원활하게 정렬시키기 위한 복수의 정렬마크(121,122,123,124)를 형성한다.(도 3c)

연이어, 상기 금속층(111)과 상기 실리콘 질화막(110)의 일부영역을 실리콘 기판(100)이 노출되도록 사진식각공정으로 제거하여 소자수취홈을 형성할 영역(130)과 복수의 V홈을 형성할 영역(151a,151b,152a,152b, 153a,153b,154a,154b)을 정의한다.(도 3d)

그 다음, 상기 소자수취홈을 형성할 영역(130)과 복수의 V홈을 형성할 영역(151a,151b,152a,152b,153a,153b,154a,154b)을 식각하여 상기 실리콘 기판(100) 가장자리로부터 이격된 내측에 소자수취홈(222)을 형성하고, 상기 소자수취홈(222)과 연통하는 복수의 V홈(223)들을 형성한다.(도 3e)

이 때, 상기 소자수취홈을 형성할 영역(130)과 복수의 V홈을 형성할 영역(151a,151b,152a,152b,153a,153b,154a,154b)을 식각하는 것은 KOH 용액으로 식각하는 것이 바람직하다.

도 4는 본 발명에 따른 광섬유 수동정렬소자의 사시도로써, 광섬유 수동정렬소자(200)는 상면과 하면을 갖는 본체(221)와; 상기 본체(221)의 상면의 가장자리로부터 이격된 내측에 홈으로 형성되며, 광도파로 소자의 실리카막을 안착시킬 수 있는 소자수취홈(222)과; 상기 소자수취홈(222)과 연통되고, 상기 본체(221) 상면에 형성되며, 광섬유를 안착시킬 수 있는 복수개의 V홈(223)들로 구성된다.

여기에, 광도파로 소자와의 정렬을 위한 정렬마크(121,122,123,124)가 상기 본체(221)의 상면에 형성되어 있다.

도 5는 본 발명에 따른 광도파로 소자의 사시도로써, 광도파로 소자(300)는베이스 기판(310)과, 상기 베이스 기판(310)의 상부에 형성된 실리카막(320)과, 상기 실리카막(320)의 일측에서 타측으로 연장되어 내장된 복수의 광도파로(330)로 구성된다.

그리고, 상기 베이스 기판(310)의 표면에는 복수의 정렬마크(351,352,353,354)가 형성되어 있다.

도 6a 내지 6c는 본 발명에 따른 광섬유 수동정렬소자를 이용하여 광도파로 소자의 패키지 모듈을 형성하는 공정도로써, 먼저, 도 6a에서 실리콘 기판(100) 상면의 가장자리로부터 이격된 내측에 형성된 소자수취홈(222)과, 상기 소자수취홈(222)에 연통하는 복수의 V홈(223)들을 구비하는 광섬유 수동정렬소자의 소자수취홈(222)에 광도파로가 내장되어 있는 광도파로 소자의 실리카막을 삽입시킨다.(도 6a)

여기서, 상기 광도파로 소자(300)를 수동정렬소자(200)의 소자수취홈(222)에 안착시킬 때, 적외선 카메라(500)로 상기 수동정렬소자(200)에 형성된 정렬마크(121,122,123,124)와 광도파로 소자(300)에 형성된 정렬마크(351,352,353,354)를 일치시켜 정렬시키면, 상기 광도파로 소자(300)를 수동정렬소자(200)에 원활히 정렬시킬 수 있게 된다.

이와 같이, 상기 정렬마크는 상기 광도파로 소자와 수동정렬소자의 정확한 정렬을 위하여 상기 수동정렬소자와 광도파로 소자에 형성되며, 상기 적외선 카메라는 광도파로 소자에 의해 가려진 수동정렬소자와 광도파로 정렬마크의 위치를 촬영하면서 상기 광도파로 소자와 수동정렬소자를 정렬하기 위하여 필요한 것이다.

여기서, 상기 광도파로 소자와 수동정렬소자는 접착되어 고정되는데, 접착하는 방법은 UV(Ultraviolet Rays) 경화 레진(Curing resin) 또는 열 에폭시(Thermal epoxy)로 접착하거나, 범프(Bump)를 이용하여 본딩하는 방법 등, 그 이외의 등가의 방법을 이용할 수 있다.

상기 광도파로 소자를 수동정렬소자의 소자수취홈에 삽입시켜 정렬시키고, 접착시키면, 도 6b에 도시된 바와 같이 된다.

그 후, 상기 수동정렬소자(200)의 복수의 V홈(223)들의 각각에 해당하는 광섬유들을 삽입시키고, 상기 각각의 광섬유(400)들을 상기 광도파로 소자에 형성된 광도파로들과 정렬시킨 다음, 에폭시를 이용하여 고정시킨다.(도 6c)

이 때, 도 7에 도시된 바와 같이, 광섬유의 중심과 광도파로의 중심은 일치되도록 상기 V홈에 광섬유가 삽입되어 정렬된다.

그리고, 전술된 수동정렬소자는 사출 성형하여 대량 생산할 수 있다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명은 광학소자(Optical devices)의 패키징 공정중 다수의 광섬유를 광 집적회로(Optical Integrated Circuit)에 정렬하여 부착시키는 피그테일링(Pigtailing) 공정시 수동정렬이 가능하여 기계적인 조립만으로도 정렬이 완료되기 때문에, 기존의 레이저광을 입력시키면서 출력되는 광의 세기를 모니터링 하면서 정렬(Active alignment 방식)할 필요가 없으므로 고속 패키징이 가능하고, 대량생산할 수 있는 효과가 있다.

또한, 고정밀도가 요구되는 광섬유 수동정렬소자를 사출성형으로 대량 생산할 수 있으므로 제품의 단가를 낮출 수 있는 효과가 있다.

본 발명은 구체적인 예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.

Claims (6)

1. 복수의 광도파로들이 일정한 간격으로 이격되어 내장된 실리카막이 기판의 상부에 형성된 광도파로 소자와;

   상면과 하면을 갖는 본체와, 상기 본체 상면의 가장자리로부터 이격된 내측에 홈으로 형성되며, 광도파로 소자의 실리카막이 안착되는 소자수취홈과, 상기 소자수취홈과 연통되고, 상기 본체 상면에 형성되며, 광섬유를 안착시킬 수 있는 복수개의 V홈들로 이루어진 광섬유 수동정렬소자와;

   상기 광섬유 수동정렬소자의 복수개의 V홈들에 각각 안착되어, 상기 광도파로와 광학적으로 정렬된 복수의 광섬유들로 구성된 수동 정렬 소자를 이용한 광도파로 소자의 패키지 모듈.
2. 상면의 가장자리로부터 이격된 내측에 형성된 소자수취홈과, 상기 소자수취홈과 연통되도록 상면에 형성된 복수개의 V홈들을 구비한 광섬유 수동정렬소자를 제조하는 제 1 단계와;

   상기 광섬유 수동정렬소자의 소자수취홈에 복수개의 광도파로가 내장된 광도파로 소자의 실리카막을 안착시키고 접착시키는 제 2 단계와;

   상기 복수의 V홈들에 각각 대응시켜 광섬유들을 안착시키고, 상기 광섬유들을 각각의 광도파로와 광학적으로 정렬시키고, 광섬유를 V홈에 본딩하는 제 3 단계로 구성된 수동 정렬 소자를 이용한 광도파로 소자의 패키지 모듈의 제조방법.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 제 1 단계의 광섬유 수동정렬소자를 제조하는 것은,

   실리콘 기판의 상부에 실리콘 질화막을 형성하고, 상기 실리콘 질화막의 상부에 금속층을 형성하는 단계와;

   상기 금속층에 사진식각공정을 수행하여 수동정렬소자와 광도파로 소자를 원활하게 정렬시키기 위한 복수의 정렬마크를 형성하는 단계와;

   상기 금속층과 상기 실리콘 질화막의 일부영역을 실리콘 기판이 노출되도록 사진식각공정으로 제거하여 소자수취홈을 형성할 영역과 복수의 V홈을 형성할 영역을 정의하는 단계와;

   상기 소자수취홈을 형성할 영역과 복수의 V홈을 형성할 영역을 식각하여 상기 실리콘 기판 가장자리로부터 이격된 내측에 소자수취홈을 형성하고, 상기 소자수취홈과 연통하는 복수의 V홈들을 형성하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 수동 정렬 소자를 이용한 광도파로 소자의 패키지 모듈의 제조방법.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 제 2 단계에서 광도파로 소자에는 상기 수동정렬소자에 형성된 정렬마크와 대응되는 복수개의 정렬마크가 더 형성되어 있으며,

   상기 수동정렬소자의 정렬마크와 광도파로 소자의 정렬마크를 일치시켜 상기 광섬유 수동정렬소자의 소자수취홈에 광도파로 소자의 실리카막을 안착시키는 것을특징으로 하는 수동 정렬 소자를 이용한 광도파로 소자의 패키지 모듈의 제조방법.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 수동정렬소자의 정렬마크와 광도파로 소자의 정렬마크를 일치시켜 안착시키는 것은,

   적외선 카메라를 이용하는 것을 특징으로 하는 수동 정렬 소자를 이용한 광도파로 소자의 패키지 모듈의 제조방법.
6. 제 2 항에 있어서,

   상기 광도파로 소자는,

   베이스 기판과,

   상기 베이스 기판의 상부에 형성된 실리카막과,

   상기 실리카막의 일측에서 타측으로 연장되어 각각 실리카막에 내장된 복수개의 광도파로들로 이루어진 것을 특징으로 하는 수동 정렬 소자를 이용한 광도파로 소자의 패키지 모듈의 제조방법.