KR200447546Y1 - 산화막구조를 갖는 평판광도파로 소자용 실리콘 광섬유 어레이 - Google Patents

산화막구조를 갖는 평판광도파로 소자용 실리콘 광섬유 어레이 Download PDF

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Abstract

본 고안은 실리콘 광섬유 어레이에 형성된 브이홈의 길이방향과 연결되는 모든 면에 대칭적 산화막 구조를 구성하여 광도파로칩과 광범위한 온도구간에서 스트레스완화 및 효과적으로 균형유지의 기능을 발휘하도록 하여 장기적인 열변형 신뢰성을 크게 향상시킨 산화막구조를 갖는 평판광도파로 소자용 실리콘 광섬유 어레이에 관한 것이다.
본 고안은 입출력되는 광신호를 전송하기 위한 광섬유가 일측에 장착되고, 상기 광섬유의 코어를 평판광도파로회로(PLC)에 형성된 광도파로칩과 연결하기 위한 평판광도파로 소자용 광섬유 어레이에 있어서, 상기 광섬유의 코어(30)를 안착시키기 위한 브이홈(60)이 형성된 실리콘기판(10)과, 상기 코어(30)를 상기 브이홈(60)에 고정하기 위한 커버기판(40)과, 상기 커버기판(40)과 실리콘기판(10)을 접착하기 위한 점착에폭시(50)를 포함하며, 상기 실리콘기판(10)은, 상기 광도파로칩(80)과 접속되는 경우 열충격에 따른 스트레스의 완화 및 구조적 팽창을 균일하게 유지하도록 상기 브이홈(60)에 대한 수직한 단면에서 대칭적인 구조를 갖도록 상기 실리콘기판(10)의 상부 외측면, 하부 외측면, 좌측 외측면, 우측 외측면에서 적어도 2개면 이상에 상기 광도파로칩(80)과 동일한 재질의 산화막(20)이 형성되는 것을 특징으로 한다.
광섬유, 광도파로, 브이홈, 어레이, 에폭시, 실리콘

Description

산화막구조를 갖는 평판광도파로 소자용 실리콘 광섬유 어레이{OXIDE FIBER ARRAY UNIT FOR PLANAR LIGHTWAVE CIRCUIT DEVICE}
본 고안은 평판광도파로 소자용 실리콘 광섬유 어레이에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 평판광도파로 소자용 실리콘 광섬유 어레이에 형성된 브이홈의 길이방향과 연결되는 모든 외측면에 대칭적 산화막 구조를 구성하여 평판광도파로회로와 광범위한 온도구간에서 스트레스완화 및 효과적으로 균형유지의 기능을 발휘하도록 하여 장기적인 열변형 신뢰성을 크게 향상시킨 산화막구조를 갖는 평판광도파로 소자용 실리콘 광섬유 어레이에 관한 것이다.
실리콘 웨이퍼 등의 평면 기판위에 실리카나 폴리머 등의 재료를 사용하여 광도파로 회로를 구성하여 광소자를 제조하는 평면 평판광도파로 기술(Planar Lightwave Circuit, Technology: PLC)은 광소자 기술의 궁극적인 목표인 소형화, 집적화, 및 저가화를 실현하는 핵심기술이다. 최근 PLC소자는 WDM 광소자, 광분할기 및 광결합기, 광스위치, 가변광감쇄기 등의 광소자에 활발히 응용되고 있다.
PLC 기술은 유전체 물질의 박막을 증착하고 패턴을 형성하여 벌크 시스템(bulk system)에서 구현했던 모든 빛의 조절능력을 평판형 웨이퍼에 도파로를 통 하여 구현한 기술이다.
한편, PLC 기술이 요구되는 배경에는 여러 가지가 있지만 무엇보다 요구되는 정보량을 수용할 수 있는 통신기술의 발전과 이를 뒷받침할 수 있는 요소 및 부품 기술의 발달이다. 집적화한 형태의 광학 소자는 기존의 광학계 또는 광섬유소자들로 복잡하게 구성된 광신호의 전송, 필터, 스위칭, 광계측 등의 복합적 기능의 광학계를 패키지화 한 칩 형태의 모듈로 제공함으로서 여러 용도에 공통적으로 사용할 수 있게 해준다. 또한, 집적광소자의 광학계가 기계적 진동이나 정렬 등에 무관하여 광소자의 사용에 신뢰성을 부여하며, 소자의 제작에 반도체 공정 등을 이용함으로 저가격 및 양산화를 가능하게 하여준다.
한편, 상기와 같은 평판광도파로 기술로 제조된 광도파로 소자는 도 6에 도시된 바와 같이, 그 특유의 물리적 특성으로 인해 광도파로와 광섬유의 접속에 고도의 기계적 및 물리적 기술을 요구하고 있다. 즉, 광소자 패키징(Optical Device Packaging)에서 광도파로와 광섬유를 접속하면 손실이 발생하는데, 손실을 발생시키는 요인으로는 광섬유가 접착되는 광섬유 어레이용 블럭("광섬유 어레이"라고도 함)에 형성된 브이홈(V-Groove)의 평편도, 광섬유가 브이홈에 접착된 단면상태 및 각도, 광도파로와 광섬유가 접착된 실리콘 웨이퍼의 정렬상태 등이 있다.
또한, 코어의 직경이 8 정도인 광섬유가 허용범위 이내인 0.1dB 정도의 손실을 갖기 위해서는 광도파로와 광섬유의 접속 후에 0.5 이내의 직경오차를 가져야만 한다.
한편, 상기 실리콘기판은 광섬유를 정밀하게 정렬하기 위한 브이홈의 형성이 가능함과 동시에 경제성이 있다. 이러한, 실리콘기판에 브이홈을 형성하여 평판광도파로 소자용 광섬유 어레이를 제조하는 종래의 일반적인 방법은, 세척된 실리콘기판의 상면에 식각용액에 잘 견디는 마스크층을 형성한 다음, 상기 마스크층 위에 감광막을 도포한다. 그 후 노광마스크를 이용하여 자외선(Ultraviolet)을 감광막에 조사하고, 감광막을 현상하여 포토레지스트 패턴(Photoresist Pattern)을 형성한다. 그 다음 브이홈 식각용 마스크 패턴을 마스크층에 형성하고, 이방성 식각법으로 실리콘기판에 브이홈을 만든 후, 실리콘기판 상면의 마스크층을 제거하고, 브이홈이 형성된 실리콘기판을 칩 단위로 절단하여 원하는 브이홈을 가지는 평판광도파로 소자용 광섬유 어레이를 제조하여 세정한다.
이러한 평판광도파로 소자용 광섬유 어레이는 실리콘기판(10)에 형성된 브이홈(60)에 리본파이버(35)의 일단을 안착시킨 후 점착에폭시(50)를 주입한 후 커버기판(40)으로 본딩하여 광도파로칩(80)과 광섬유를 접속하여 사용한다.
그러나, 상기와 같은 종래의 방법으로 제조된 평판광도파로 소자용 광섬유 어레이는 실리콘기판(10)의 절단공정 시 발생하는 이물질에 의하여 브이홈(60) 부위가 오염되는데, 브이홈(60)을 세정하여도 이러한 오염은 잘 제거되지 않는다. 또한, 별도의 클리닝 공정을 통하여 브이홈 부위의 오염을 제거하려고 하여도 잘 제거되지 않기 때문에 광도파로와 광섬유의 정렬오차인 0.5㎛ 이내로 광섬유를 정밀하게 실장하기가 어렵게 되고, 따라서 광섬유 어레이의 본딩강도 및 열적안정성 등 생산수율이 저하되는 문제점이 있다.
본 고안은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 고안의 목적은 광도파로칩과 광범위한 온도구간에서 스트레스완화와 균형유지의 기능을 수행할 수 있도록 하여 열변형에 대한 장기의 신뢰성을 갖는 산화막구조를 갖는 평판광도파로 소자용 실리콘 광섬유 어레이를 제공하는 것이다. 다시 말해, 평판광도파로 소자용 실리콘 광섬유 어레이에 형성된 브이홈의 길이방향과 연결되는 모든 외측면에 대칭적 산화막 구조를 형성하여 스트레스완화와 균형유지를 하여 결국 장기간 열충격에 따른 삽입손실을 최소화하고자 하는 것이다.
본 고안은 입출력되는 광신호를 전송하기 위한 광섬유가 일측에 장착되고, 상기 광섬유의 코어를 평판광도파로회로(PLC)에 형성된 광도파로칩과 연결하기 위한 평판광도파로 소자용 광섬유 어레이에 있어서, 상기 광섬유의 코어(30)를 안착시키기 위한 브이홈(60)이 형성된 실리콘기판(10)과, 상기 코어(30)를 상기 브이홈(60)에 고정하기 위한 커버기판(40)과, 상기 커버기판(40)과 실리콘기판(10)을 접착하기 위한 점착에폭시(50)를 포함하며, 상기 실리콘기판(10)은, 상기 광도파로칩(80)과 접속되는 경우 열충격에 따른 스트레스의 완화 및 구조적 팽창을 균일하게 유지하도록 상기 브이홈(60)에 대한 수직한 단면에서 대칭적인 구조를 갖도록 상기 실리콘기판(10)의 상부 외측면, 하부 외측면, 좌측 외측면, 우측 외측면에서 적어도 2개면 이상에 상기 광도파로칩(80)과 동일한 재질의 산화막(20)이 형성되는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 브이홈(60)은 다수개 형성되고, 상기 산화막은, 두께가 0.1 ~ 10㎛이고, 상기 코어(30)와 동일한 실리콘(SiO2)으로 형성되는 것이 바람직하다.
상술한 바와 같이 본 고안에 따르면, 평판광도파로 소자용 실리콘 광섬유 어레이에 형성된 브이홈의 길이방향과 평형되는 모든 외측면에 산화막을 형성시켜, 광섬유를 안착시키는 공정에서 실리콘기판과의 마찰력 감소와 광섬유의 절단, 손상 등의 스트레스를 완화하게 되고, 주변의 열충격에 따른 열변형의 균형을 구조적으로 유지하여 주는 효과가 있다. 즉, 광섬유의 코어를 받쳐주는 브이홈이 형성되는 실리콘기판의 외측 전체를 광도파로의 재질을 동일하게 하여 재질 간의 물리적 특성에 의한 변형에 자유로운 장점과, 기존의 에폭시 본딩(Epoxy Bonding)이나 글래스 솔더링(Glass Soldering) 보다 본딩강도 및 온도 안정성에서 향상된 신뢰성을 제공하여 제품의 경쟁력을 크게 향상시키게 된다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 고안에 의한 산화막구조를 갖는 평판광도파로 소자용 실리콘 광섬유 어레이를 상세히 설명한다.
도 1은 본 고안의 일실시 예에 의한 산화막구조를 갖는 평판광도파로 소자용 실리콘 광섬유 어레이와 평판광도파로회로의 개략적인 결합구성도이고, 도 2는 본 고안의 일실시 예에 의한 산화막구조를 갖는 평판광도파로 소자용 실리콘 광섬유 어레이이며, 도 3은 본 고안의 일실시 예에 의한 산화막구조를 갖는 평판광도파로 소자용 실리콘 광섬유 어레이의 분해사시도이고, 도 4a는 본 고안의 일실시 예에 의한 산화막구조를 갖는 평판광도파로 소자용 실리콘 광섬유 어레이의 단면구성도이며, 도 4b는 본 고안의 다른 실시 예에 의한 산화막구조를 갖는 평판광도파로 소자용 실리콘 광섬유 어레이의 단면구성도이고, 도 5는 고온/고습에 대한 실험의 측정그래프이다.
상기 도면의 구성 요소들에 인용부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있으며, 본 고안의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.
본 고안의 바람직한 실시 예에 의한 산화막구조를 갖는 평판광도파로 소자용 실리콘 광섬유 어레이는 상기 도 1 내지 도 4b에 도시된 바와 같이, 브이홈(60)이 형성된 실리콘기판(10)과, 상기 실리콘기판(10)의 외측면에 증착되어 형성된 산화막(20)과, 상기 산화막(20)이 형성된 브이홈(60)에 안착되는 코어(30)와, 상기 코어(30)를 상기 브이홈(60)에 고정하기 위한 커버기판(40)과, 상기 커버기판(40)과 실리콘기판(10)을 접착하기 위한 점착에폭시(50)를 포함하여 구성된다.
상기와 같이 구성되는 평판광도파로 소자용 실리콘 광섬유 어레이의 일실시 예는 도 1에 도시된 바와 같이 광도파로(32)가 형성된 광도파로칩(80)과 각각 접합되어 연결된다. 이때 상기 광도파로칩(80)은 평판광도파로회로 기술(PLC)로 제작되며, 일측에는 광신호가 입력되도록 입력단 광섬유 어레이(90)와 결합되고, 타측에는 여러 개로 분리된 파장의 광신호가 출력되도록 출력단 광섬유 어레이(70)가 각각 광도파로칩(80)과 결합되어 구성된다.
이때, 도 1과 같이 광도파로칩(80)의 광도파로(32)와 광섬유 어레이의 코어(30)가 인접되게 결합되어 광신호를 전송하게 된다. 상기 도 1은 또한, 광도파로칩(80) 측으로 바라 본 광도파로(32) 및 광섬유측으로 바라 본 광섬유 어레이(70) 의 확대도를 도시하였다. 또한, 상술한 바와 같이 이때 광손실은 0.1dB 이내여야 한다. 즉, 코어의 직경이 8㎛ 정도인 광섬유가 허용범위 이내인 0.1dB 정도의 손실을 갖기 위해서는 광도파로와 광섬유의 접속 후에 0.5㎛ 이내의 직경오차를 가져야만 한다.
그러나, 물리적으로 상기 광도파로(32)와 코어(30)를 0.5㎛ 이내의 직경오차를 갖도록 접속한다고 하더라도 주변의 온도조건에 따른 실리콘기판(10)과 코어(30) 및 광도파로칩(80)의 상이한 열팽창에 의해 직경오차가 커지고, 결국 온도조건에 따라 허용범위를 벗어난 광손실이 발생하게 된다.
본 고안에서는 SiO2의 열팽창계수는 5.5(x10-7/℃)이며, Si 광섬유 어레이 단면에서 발생가능한 Si의 열팽창 계수는 3.9(x10-6/℃)이므로 상이한 열팽창의 특성을 보완하기 위해 Si용 광섬유 어레이의 단면을 SiO2의 열팽창계수를 가진 재료로 도 4a 및 도 4b와 같이, 상하 또는 상하좌우에 산화막을 형성하여 평판광도파로 소자용 칩과 광섬유 어레이의 열팽창차이를 최소화 시키므로 평판광도파로 소자 신뢰성의 성능을 향상함에 있다.
다시 말해, 본 고안은 상기와 같이 실리콘기판(10)과 코어(30) 및 광도파로칩(80) 간의 상이한 열팽창에 따른 광손실을 최소화하기 위한 구조를 갖는다. 즉, 상기 산화막(20)은 상기 도 4a에 도시된 바와 같이 상기 브이홈(60)에 대한 수직한 단면이 대칭적인 구조를 형성하여 상기 광도파로칩(80)과 연결되는 경우에도 광범위한 온도구간에서 스트레스의 완화 및 구조적 팽창을 균일하게 유지되도록 한다. 즉, 실리콘기판(10)의 상부 외측면과 하부 외측면 그리고 좌측 외측면과 우측 외측면에 각각 산화막(20)을 대칭적으로 형성하여 구성된다. 또한, 상기 산화막(20)은 상기 실리콘기판(10)의 상부 외측면, 하부 외측면, 좌측 외측면, 우측 외측면에서 적어도 2개면 이상에 형성될 수 있다. 그리고, 상기 산화막(20)은 상기 코어(30)와 동일한 실리콘(SiO2) 등의 재질로 구성된다.
또한, 상기 도 4b와 같이 실리콘기판(10)의 상부 외측면과 하부 외측면에만 구성할 수도 있다.
한편 상기 산화막(20)은, 0.1 ~ 10㎛ 의 두께를 갖는 것이 바람직하며, 건식산화방식(Dry Oxidation), 습식산화방식(Wet Oxidation), 불꽃가수분해방식(Flame Hydrolysis), 화학기상방식(Chemical Vapor) 중 공지된 어느 하나의 방식을 적용하여 제조할 수 있다.
상기 브이홈(60)의 깊이는 공지된 바와 같이 식각 용액에 노출되는 개구부의 폭(opening width)에 의하여 결정되는 것으로 광섬유의 외경이 결정되면 광섬유를 지지하는데 적절한 브이홈의 폭을 갖으면 된다.
상기 산화막(20)이 형성된 후에는 코어(30)를 브이홈(60)에 축방향으로 밀어 넣어 정렬시키고, 점착에폭시(50)를 사용하여 코어(30)와 커버기판(40)을 실리콘 기판(10)에 접합시킨다.
마지막으로, 잉여 광섬유를 절단하고 그 단면을 연마하면 평판광도파로 소자용 광섬유 어레이의 제조가 완료된다. 이러한 평판광도파로 소자용 광섬유 어레이는 광커넥터, 레이저 칩 마운트 등의 광소자에 적용할 수 있다. 한편, 본 고안은 상술한 바와 같이 리본파이버(35)를 예로서 설명하였으나 단일 광섬유에도 용이하게 적용할 수 있을 것이다.
상기 도 5는 고온/고습에 대한 실험의 측정그래프로 실리콘 광섬유 어레이별 평판광도파로 소자의 신뢰성을 85℃, 100%에서 고온/고습 실험(Damp Heat TEST)한 결과로, y축은 삽입손실변화(dB)를 나타내고, x축은 실험시간을 나타낸다.
즉, 종래와 같이 도 6의 구조를 가진 실리콘기판(10)에 형성된 브이홈(60)에 코어(30)를 그냥 장착한 경우에는 평판광도파로 소자의 고온/고습 실험에서 648시간에 약 0.15dB의 삽입손실의 변화특성을 보이고 있으나, 본 고안과 같이 상기 브이홈(60)이 형성된 상부 외측면과, 이와 대응되는 하부 외측면에 산화막을 형성한 경우에는 1648시간에 약 0.04dB로 삽입손실의 특성이 향상됨을 알 수 있었다.
결과적으로, 종래의 실리콘기판(10)에 형성된 브이홈에 코어를 안착시킨 광섬유 어레이 보다 본 고안에 의한 실리콘 광섬유 어레이는 약 4배로 삽입손실이 향상된 것을 확인할 수 있었다.
따라서, 상기 광도파로와 연결되는 상기 실리콘기판(10)의 상부 외측면과 하부 외측면 그리고 좌측 외측면과 우측 외측면에 각각 산화막(20)이 대칭적으로 형성되어, 열충격에 따른 스트레스의 완화 및 구조적 팽창을 균일하게 유지하는 기능 을 수행하여 열충격에 따른 삽입손실을 효과적으로 상쇄시켜 주는 것을 알 수 있다.
앞에서 설명된 본 고안의 일실시 예는 본 고안의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 고안의 보호범위는 청구범위에 기재된 사항에 의하여만 제한되고, 본 고안의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 고안의 기술적 사상을 다양한 형태로 개량 변경하는 것이 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한 본 고안의 보호범위에 속하게 될 것이다.
도 1은 본 고안의 일실시 예에 의한 산화막구조를 갖는 평판광도파로 소자용 실리콘 광섬유 어레이와 평판광도파로회로의 개략적인 결합구성도,
도 2는 본 고안의 일실시 예에 의한 산화막구조를 갖는 평판광도파로 소자용 실리콘 광섬유 어레이,
도 3은 본 고안의 일실시 예에 의한 산화막구조를 갖는 평판광도파로 소자용 실리콘 광섬유 어레이의 분해사시도,
도 4a는 본 고안의 일실시 예에 의한 산화막구조를 갖는 평판광도파로 소자용 실리콘 광섬유 어레이의 단면구성도,
도 4b는 본 고안의 다른 실시 예에 의한 산화막구조를 갖는 평판광도파로 소자용 실리콘 광섬유 어레이의 단면구성도,
도 5는 고온 고습에 대한 실험의 측정그래프,
도 6은 기존의 실리콘 광섬유어레이의 구조.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
10: 실리콘기판 20: 산화막(SiO2)
30: 코어 32: 광도파로
35: 리본파이버 40: 커버기판
50: 점착에폭시 60: 브이홈(V-Groove)
70: 출력단 광섬유 어레이 80: 광도파로칩
90: 입력단 광섬유 어레이

Claims (2)

  1. 입출력되는 광신호를 전송하기 위한 광섬유가 일측에 장착되고, 상기 광섬유의 코어를 평판광도파로회로(PLC)에 형성된 광도파로칩과 연결하기 위한 평판광도파로 소자용 광섬유 어레이에 있어서,
    상기 광섬유의 코어(30)를 안착시키기 위한 브이홈(60)이 형성된 실리콘기판(10)과, 상기 코어(30)를 상기 브이홈(60)에 고정하기 위한 커버기판(40)과, 상기 커버기판(40)과 실리콘기판(10)을 접착하기 위한 점착에폭시(50)를 포함하며,
    상기 실리콘기판(10)은, 상기 광도파로칩(80)과 접속되는 경우 열충격에 따른 스트레스의 완화 및 구조적 팽창을 균일하게 유지하도록 상기 브이홈(60)에 대한 수직한 단면에서 대칭적인 구조를 갖도록 상기 실리콘기판(10)의 상부 외측면, 하부 외측면, 좌측 외측면, 우측 외측면에서 적어도 2개면 이상에 상기 광도파로칩(80)과 동일한 재질의 산화막(20)이 형성되는 것을 특징으로 하는 산화막구조를 갖는 평판광도파로 소자용 실리콘 광섬유 어레이.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 브이홈(60)은 다수개 형성되고,
    상기 산화막은, 두께가 0.1 ~ 10㎛이고, 상기 코어(30)와 동일한 실리 콘(SiO2)으로 형성되는 것을 특징으로 하는 산화막구조를 갖는 평판광도파로 소자용 실리콘 광섬유 어레이.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US20030002807A1 (en) * 2001-06-29 2003-01-02 John Trezza Oxidized light guiding component and manufacturing technique
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