KR20150024431A

KR20150024431A - 회절 광학 소자를 구비한 광학 조립체

Info

Publication number: KR20150024431A
Application number: KR20157002151A
Authority: KR
Inventors: 테리 패트릭 보웬
Original assignee: 타이코 일렉트로닉스 코포레이션
Priority date: 2012-07-26
Filing date: 2013-07-15
Publication date: 2015-03-06
Also published as: WO2014018289A1; EP2877887A1; EP2877887B1; CN104603657A; US9201200B2; US20140029894A1; JP2015522854A

Abstract

본 발명의 광학 조립체는, (a) 상부 평면(101A)과 결정성 평면 각을 갖는 결정성 기판(101); (b) 상부 평면 내에 형성되고 기판의 에지(315)로부터 단자 단부(103)로 연장되는 측벽들(104)을 갖는 적어도 하나의 홈(102)으로서, 홈(102)은 단자(103)에서 제1 패시트(105)를 갖고, 제1 패시트(105)는 상부 평면에 대하여 제1 각을 갖고, 제1 패시트(105)는 반사형인, 홈; (c) 광축, 및 제1 패시트에 광학적으로 결합된 단부면을 갖는 광 도관(110); (d) 도파관(131); 및 (e) 제1 패시트 위에 배치되고, 제1 패시트에 의해 반사되는 경우 도파관과 광 도관 사이의 광을 결합하도록 구성된 회절 광학 소자(DOE; 140)를 포함한다.

Description

회절 광학 소자를 구비한 광학 조립체{OPTICAL ASSEMBLY WITH DIFFRACTIVE OPTICAL ELEMENT}

본 발명은, 일반적으로, 광학 인터페이스에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 광 도관과 도파관 사이의 광을 결합하도록 회절 광학 소자와 결합된 광 휘어짐을 이용하는 광학 조립체에 관한 것이다.

높은 신뢰성과 광 송신 시스템에서 이용 가능한 넓은 대역폭 때문에 광섬유를 (음성, 인터넷, 및 IP 비디오 데이터를 포함한) 디지털 데이터의 송신용 매체로서 점점 더 많이 사용하고 있다. 이러한 시스템에 대한 핵심은 광 신호를 송신 및/또는 수신하기 위한 광학 부조립체(optical subassemblies)이다.

공통적인 광학 부조립체는, 광전자 디바이스(opto electric device) 또는 포토닉스 집적 회로(IC) 등의 광학 부품과 통합된 인터포저(interposer)를 포함한다. 본 명세서에서 사용하는 바와 같이, 인터포저는, 광학 부품, 광전자 부품, 및 전기 부품을 위한 기판으로서 기능하며, 광학 부품/광전자 부품/전기 부품을 광학적으로 및/또는 전기적으로 상호 접속하기 위한 상호 접속부를 제공한다. 통상적인 인터포저는, 예를 들어, 섬유들을 정밀하게 유지하기 위한 하나 이상의 홈이 내부에 형성된 실리콘을 포함하는 기판을 포함할 수 있다. 종래의 홈은, 광섬유의 길이를 따라 광섬유를 유지하는 두 개의 측벽을 포함하도록 기판을 습식 에칭함으로써, "V" 형상으로 형성된다. 실리콘 등의 결정성 물질을 습식 에칭함으로써, 그 물질의 결정성 평면을 따라 예측가능하고 매우 정확한 에칭이 발생한다. 예를 들어, 실리콘은 54.7°에서 결정성 평면을 갖고, 따라서, 습식 에칭된 홈의 측벽들과 단부 패시트(facet)는 기준면으로부터 정확하게 54.7°로 형성된다.

종래의 인터포저 V-홈의 단부 패시트는, V-홈 내에서 유지되고 있는 광섬유와 광학 부품/광전자 부품 사이의 광을 반사하는 미러로서 사용될 수 있도록 금속화될 수 있다. 예를 들어, 인터포저 상에 플립-칩 장착된 광전자 광원은, 원뿔 형상의 광 빔을 V-홈의 단부 패시트 미러 상에 방출한다. V-홈의 단부 패시트 미러는 V-홈 내에 유지되어 있는 광섬유의 단부를 통해 광을 반사한다.

전술한 바와 같이, 습식 에칭된 V-홈의 단부 패시트의 표면은 기준면으로부터 정확하게 54.7°의 각도로 되어 있다. 이처럼, 광은, 기준면으로부터 또한 V-홈 내에 유지되어 있는 광섬유의 길이 방향 축으로부터 약 -19.4°에서 광섬유를 통해 홈의 단부 패시트 미러로부터 반사된다. 따라서, 광이 광섬유의 단부를 통해 출사하도록 V-홈의 단부 패시트 미러를 이용하는 현재의 디바이스들에서는, 광의 상당 부분이 광섬유의 축으로부터 떨어져 반사되어, 신호 송신 성능이 최적으로 되지 못하게 된다.

출원인은, 광학 부품과 광섬유 도관 간의 광학적 결합을 개선할 필요가 있음을 인식하였다. 구체적으로, 출원인은 대용량이면서 경제적인 제조 기술을 사용하여 제조될 수 있는 인터포저의 필요성을 알게 되었다. 본 발명은 특히 이러한 필요성을 충족한다.

이하에서는, 본 발명의 일부 양태들을 기본적으로 이해하도록 본 발명의 간략한 개요를 제시한다. 본 발명은, 회절 광학 소자(diffractive optical element(DOE))를 사용하여 인터포저의 패시트에 의해 반사될 때 광 도관과 도파관 사이의 광을 결합함으로써 고도로 제조 가능한 광학 조립체를 제공한다. DOE 결합기는 고도로 구성가능하며, 광을 서로 다른 광학 매체 상으로 재성형 및 포커싱할 수 있다. 여기서, 비수직 각도(non-perpendicular angles)에서 광이 휘어짐으로 인해 발생하듯이 직사각형이나 타원형 스폿 형상을 갖는 광을 재성형하고 포커싱하는 DOE의 기능이 특히 중요하다. 비수직 각도에서 반사되는 광을 포커싱하고 결합하는 기능은, 광 전파 축에 대하여 반드시 45도 각도로 될 필요가 없는 반사 패시트를 갖는 인터포저가 형성될 수 있게 하므로, 유익하다. 이에 따라, 기판 내에 45도 각도를 기계 가공함으로써 광 휘어짐 패시트를 인터포저에 형성하기보다는, 습식 에칭에 의해 기판의 결정성 평면 각을 따라 광 휘어짐 패시트를 형성할 수 있다. 습식 에칭은, 인터포저의 대용량이며, 경제적이고, 매우 정밀한 제조를 용이하게 한다.

이에 따라, 본 발명의 일 양태는 DOE 결합기를 포함하는 광학 조립체이다. 일 실시예에서, 광학 조립체는, (a) 상부 평면(top planar surface)과 결정성 평면 각을 갖는 결정성 기판; (b) 상부 평면 내에 형성되고 기판의 에지로부터 단자 단부로 연장되는 측벽들을 갖는 적어도 하나의 홈으로서, 이 홈은 단자에서 제1 패시트를 갖고, 제1 패시트는 상부 평면에 대하여 제1 각을 갖고, 제1 패시트는 반사형인, 홈; (c) 광축, 및 제1 패시트에 광학적으로 결합된 단부면(end face)을 갖는 광 도관; (d) 도파관; 및 (e) 제1 패시트 위에 배치되고, 제1 패시트에 의해 반사되는 경우 도파관과 광 도관 사이의 광을 결합하도록 구성된 회절 광학 소자(DOE)를 포함한다.

본 발명의 다른 일 양태는, 전술한 광학 조립체에서 사용하기 위한 광학 부품이다. 일 실시예에서, 광학 부품은, (a) 회절 광학 소자(DOE); 및 (b) DOE에 광학적으로 결합된 단열 전이 부분(adiabatic transition portion)을 갖는 적어도 하나의 광 도파관을 포함하고, DOE는, 인터포저의 미러 패시트를 통해 확장된 도파관을 섬유 모드 크기와 개구수 특징에 일치하는 광 도관 단부면 상으로 촬상하도록 구성된다.

본 발명의 또 다른 일 양태는 전술한 광학 부품과 결합하여 사용하기 위한 인터포저이다. 일 실시예에서, 인터포저는, (a) 상부 평면과 결정성 평면 각을 갖는 결정성 기판; (b) 상부 평면에 형성되고 기판의 에지로부터 단자 단부로 연장되는 측벽들을 갖는 적어도 하나의 홈으로서, 이 홈은 단자 단부에서 제1 패시트를 갖고, 제1 패시트는 상부 평면에 대한 제1 각도를 갖고, 제1 패시트는 반사형이고, 홈은, 광축 및 제1 패시트에 광학적으로 결합된 단부면을 갖는 광 도관을 수용하도록 구성된 것인, 홈; 및 (c) DOE가 제1 패시트 위로 정확하게 광학 부품 상에 위치하게끔 광학 부품 상의 결합 패드 구성에 정확하게 일치하도록 구성된 결합 패드를 포함한다.

이제, 본 발명을 첨부 도면을 참조하여 예를 들어 설명한다.

도 1은 본 발명의 부조립체 내의 인터포저의 확대 단면도.
도 2는 도 1에 도시한 인터포저의 정면도.
도 3은 도 1에 도시한 인터포저를 사용하는 부조립체의 단면도.
도 4는 도 1에 도시한 인터포저의 기판의 상부 평면 상의 필러 구성의 일 실시예를 도시하는 도.
도 5는 도 1에 도시한 인터포저의 광학 부품의 하부면 상의 필러 구성의 일 실시예를 도시하는 도.

도 1과 도 2를 참조해 보면, 본 발명의 부조립체(100)의 일 실시예가 도시되어 있다. 부조립체(100)는 인터포저(150)를 포함하고, 인터포저는, 상부 평면(101a)과 결정성 평면 각 α를 갖는 결정성 기판(101)을 포함한다. 적어도 하나의 홈(102)이 상부 평면(101a) 내에 형성된다. 홈(102)은, 기판의 에지(315)(도 3 참조)로부터 단자 단부(103)로 연장되는 측벽들(104)을 갖는다. 홈은 단자 단부(103)에서 제1 패시트(105)를 갖는다. 제1 패시트(105)는 상부 평면에 대하여 제1 각도를 갖는다. 제1 패시트(105)는 반사형이며, 일 실시예에서, 미러면으로 되도록 반사형 코팅(105a)을 갖는다. 홈(102) 내에 배치된 것은, 광축(111) 및 제1 패시트(105)에 광학적으로 결합된 단부면(112)을 갖는 광 도관(110)이다. 또한, 부조립체는, 기판(101) 위에 배치된 도파관(131)을 포함한다. 회절 광학 소자(DOE)는, 제1 패시트(105) 위에 배치되며, 제1 패시트에 의해 반사되는 경우 도파관과 광 도관 사이의 광을 결합하도록 구성된다. 이러한 소자들의 각각과 선택된 대체 실시예들을 더욱 상세히 후술한다.

인터포저의 주요 기능은, 섬유, 광학 부품(들) 및 연관된 전기 회로를 지지하고, 정렬하고, 고정하기 위한 기판 또는 백본을 제공하는 것이다. 이를 위해, 인터포저는, 홈들을 형성하도록 에칭되거나 기계 가공될 수 있으며 솔더 리플로우 애플리케이션에서 통상적인 온도로 가열되도록 적합한 열적으로 안정적인 강성 물질을 포함해야 한다.

제조성이 용이해지도록, 일 실시예에서, 기판은 결정성 평면 각을 갖는 결정성 물질을 포함한다. 이러한 물질은, 결정성 평면 각도를 따라 습식 에칭되는 것으로 알려져 있어서, 예측가능하며 매우 정밀한 홈이 발생한다. 또한, 습식 에칭은 웨이퍼 스케일로 수행될 수 있어서, 하나의 동시 동작으로 기판에 모든 홈과 패시트를 형성할 수 있다. 일 실시예에서는, 이러한 동작으로 개별적인 인터포저들의 측면들이 형성된다. 적절한 결정성 물질의 일례는 실리콘이다.

일 실시예에서, 홈의 평행한 측벽들(104)은 광 도관을 제 위치에서 유지한다. 여기서는 단일 섬유 애플리케이션들을 도시고 설명하고 있지만, 본 발명은 단일 섬유 애플리케이션으로 한정되지 않으며 섬유들의 어레이, 리본 섬유, 및 평면형 도파관에 적용될 수도 있다는 점을 이해하기 바란다. 또한, 일 실시예에서, 기판에서는 다수의 홈을 형성한다. 반드시 그러하지는 않지만, 본 실시예에서, 홈들은 바람직하게 평행하다. 다른 이점들 중에서, 평행한 홈들은 (후술하는) 공통 제1 패시트를 용이하게 한다.

측벽들은, 통상적인 V-홈의 벽들일 수 있고, 또는, 측벽들이 U-홈에 가까워지도록 상부 평면에 대하여 수직일 수 있다. 습식 또는 건식 에칭 혹은 기계 가공을 이용하여 홈을 형성할 수 있지만, 습식 에칭이, 전술한 바와 같이 제조성을 용이하게 하므로 (반드시 그러한 것은 아니지만) 일반적으로 바람직하다.

본 발명의 중요한 양태는 단자 단부(103)에서의 제1 패시트(105)이다. 일 실시예에서, 제1 패시트(105)는 습식 에칭의 결과로 기판의 결정성 평면에 의해 결정되는 각도 α로 되어 있다. 예를 들어, 실리콘 기판에는, 통상적인 습식 에칭에 의해, 전술하였으며 도 1에 도시한 바와 같이 54.7°의 벽 경사를 갖는 V-홈이 형성된다. 저 비용, 대용량 제조성과는 별도로, 습식 에칭은, 건식 에칭 기술을 이용하는 경우보다 더욱 빠른 속도의 에칭과 단부 패시트 각도의 더욱 양호한 정밀도를 제공한다. 습식 에칭은, 습식 에칭시 기판의 결정성 평면이 단부 패시트 각도를 좌우하기 때문에, 장비 셋업과 공정에 연관된 단부 패시트 각도에 대한 제조 허용 오차를 피한다.

일 실시예에서는, 이산적인 제1 패시트를 홈마다 에칭한다. 대안으로, 다른 일 실시예에서, 공통 제1 패시트는, 단자 단부(103)에서 다수의 홈(102)에 걸쳐 교차 홈(cross groove)을 에칭함으로써 형성된다. 하나의 단계로 홈들(102)에 걸쳐 공통 교차 홈을 에칭하여 제1 패시트(105)를 형성함으로써, 규모의 경제를 실현하며 서로 다른 제1 패시트들 간의 연속성을 보장한다. 그러나, 공통 제1 패시트를 갖는 인터포저는, 이산적인 제1 패시트들을 갖는 기판에 광학적 분리도가 있는 것과는 달리 홈들 간에 광학적 분리도를 갖지 않는다.

일 실시예에서, 측벽들은 단차(도시하지 않음)를 형성하도록 제1 패시트보다 깊게 에칭된다. 다시 말하면, 제1 패시트는, 제1 패시트의 하측 에지가 광축 아래에 있지만 홈의 하부보다는 위에 있도록 에칭된다. 본 실시예는, 광 도관의 단부면을 그 단차에 당접하게 함으로써, 홈 내의 광 도관의 수동적 축 방향 정렬을 용이하게 한다.

일 실시예에서, 제1 패시트의 적어도 일부는 제1 패시트가 더욱 반사성을 갖도록 처리된다. 일 실시예에서, 표면 처리는, 당업계에 알려져 있듯이, 표면을 금속 또는 기타 반사성 물질로 코팅하여 제1 패시트를 미러로 만드는 것을 포함한다. 적절한 반사성 물질로는, 예를 들어, 금, 은, 알루미늄, 및 절연체가 있다. 이 물질은, 증착, 스퍼터링, 및 기상 증착을 포함한 알려져 있는 기술들을 이용하여 패시트 상에 성막될 수 있다.

인터포저의 주요 정렬 관계의 전부는 아니더라도 대부분은 웨이퍼 스케일로 규정될 수 있으며, 흔히 몇 개의 또는 하나의 포토리소그래피 단계로 규정될 수 있다. 구체적으로, 광학 부품들의 수동 정렬을 제공하고 전기적으로 연결하기 위한 접촉 패드들/필러들 및 광섬유들을 유지하기 위한 홈들의 위치를 단일 마스킹 단계로 형성할 수 있다. 또한, 일 실시예에서, 다양한 부품들 중 광학 부품/전기 부품/상호 접속부를 단일 마스킹 단계로 형성할 수 있다. 예를 들어, 광학 부품을 위한 패드들/필러들과 전기 구동 회로를 위한 패드들을 상호 접속하기 위한 다양한 트레이스들, 및 구동 회로와 스루 기판 비아들(Through Substrate Vias) 간의 트레이스들을 단일 마스킹 단계로 형성할 수 있다. 일 실시예에서는, 심지어 인터포저들의 에지들이 동일한 마스킹 단계로 형성된다. 다시 말하면, 인터포저의 각 로케이터 에지는 웨이퍼에 에칭된 다이싱 홈의 절반이다. 웨이퍼는, 기판의 결정성 평면 각에 의해 규정되는 로케이터 에지들을 형성하도록 간단히 각 다이싱 홈의 평평한 하부에서 나누어진다. 이러한 식으로, 인터포저의 에지부터 홈(102) 등의 주요 특징부까지의 거리를 종종 단일 단계로 정확하게 제어할 수 있고, 이에 따라 허용 오차 누적을 제거할 수 있고 인터포저와의 조립 제조성을 간략화할 수 있다.

광 도관(110)은 광을 송신하기 위한 알려져 있는 임의의 매체일 수 있다. 도 1의 실시예에서, 광 도관(110)은 광섬유(110a)이다. 광섬유(110a)는 단일 모드, 멀티 모드, 또는 편광 유지 단일 모드 섬유일 수 있다. 광섬유는, 긴 섬유일 수 있고, 또는 더욱 긴 길이의 섬유를 스플라이싱하거나 이러한 더욱 긴 길이의 섬유에 접속하기 위한 피그테일(pigtail)일 수 있다. 섬유가 피그테일이면, 직경이 더욱 작은 섬유를 사용하는 것이 유익할 수 있다. 예를 들어, 시판되고 있는 80 마이크로미터 직경의 섬유를 사용할 수 있다. 직경이 더욱 작은 섬유를 사용함으로써, 더욱 좁은 홈들을 제공하고 기판 표면을 덜 에칭하여, 더욱 많은 기판 상부면(top surface)을 다른 용도에 이용하도록 남겨둘 수 있다. 또한, 더욱 좁은 홈은 제1 패시트를 경유한 광섬유의 정면과 DOE 사이의 더욱 짧은 광학 경로로 변환된다. 그 경로가 짧아질수록, 빔의 덜 확장하게 되고 따라서 요구되는 DOE의 크기가 감소된다. 따라서, 직경이 더욱 작은 섬유는 많은 주요 이점들을 갖는다.

광섬유(110a)가 도 1의 실시예에 도시되어 있지만, 임의의 광 도관을 사용할 수 있다는 점을 이해해야 한다. 적절한 광 도관은, 예를 들어, 이산적 섬유, 리본 섬유, 및 평면형 도파관을 포함한다. 이러한 평면형 도파관을 사용하는 것은, 예를 들어, (본 명세서에 참고로 원용되는) 미국 특허출원번호 제13/017,668호에 개시되어 있다.

단부면(112)은 다양한 방식으로 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 1에 도시한 실시예에서, 단부면(112)은 광축(111)에 대하여 법선으로 된다. 이러한 구성은, 널리 알려져 있는 기계적 기술과 레이저 클리빙(cleave) 기술을 사용하여 직각 클리빙이 쉽게 수행되므로 제조성을 용이하게 한다. 또한, 일 실시예에서, 법선 단부면(112)은, 단부면을 기판 내에 에칭된 단차에(전술한 바와 같은) 또는 제2 기판 상의 정지부에(후술하는 바와 같은) 당접하게 함으로써, 홈(102) 내의 광 도관(110)의 축 방향 정렬을 용이하게 한다. 대안으로, 단부면(112)은, 제1 패시트(105)와 물리적으로 접촉하도록 제1 각도 α로 클리빙될 수 있고, 이에 따라 공기 갭을 제거할 수 있다. 이러한 구성은 더욱 복잡한 클리빙을 필요로 하며 섬유가 조절을 위해 회전되는 것을 방지하지만, 단부면과 제1 패시트 간의 물리적 접촉은 프레넬 손실을 감소시킨다(광축(111)에 대하여 법선인 단부면에서 그러하듯이 공기 갭이 존재하면, 인덱스 일치 겔을 사용하여 프레넬 손실을 감소시킬 수도 있다). 다른 일 실시예에서, 일부 응용 분야에서 추가 광학 성능 및/또는 수동 정렬을 위해 광섬유(110)의 단부면(112)을 더욱 프로파일링하는 것이 바람직할 수 있다. 예를 들어, 측면 패시트를 제1 일치 패시트의 양측 상의 섬유 단부면에 추가하여 광학적 결합을 향상시킬 수 있다(예를 들어, 미국 특허출원번호 제12/510,954호 참조). 또한, 빔(170) 및 DOE(140)과의 간섭을 피하도록 경사진 상측 면으로 단부면(112)을 성형하는 것이 바람직할 수 있다.

섬유(110a)는 알려져 있는 다양한 방식으로 홈에 고정될 수 있다. 예를 들어, 섬유는, 제 위치에 금속화 및 솔더링될 수 있고 또는 제 위치에 접착될 수 있다. 일 실시예에서, UV 경화되고 광학적으로 투명한 접착제는 홈 내에 섬유를 고정하는 데 사용된다. 일 실시예에서, 광섬유(110a)는, 다른 섬유의 스플라이싱 또는 그 다른 섬유와의 접속을 용이하게 하는 자유 원단(도시하지 않음)을 갖는 피그테일이다. 예를 들어, 광섬유(110a)는 광섬유 회로의 섬유에 접속될 수 있고, 또는 광섬유(110a)는 바로 광섬유 회로로부터의 섬유일 수 있다.

본 발명의 중요한 양태는, 계산된 광 분포를 제공하도록 간섭과 회절에 의해 작동하는 얇은 위상 소자인 회절 광학 소자(DOE)이다(DOE는 때때로 격자, 홀로그래픽 광학 소자, 및 부파장 회절 격자(sub-wavelength diffraction gratings)라고도 한다). 구체적으로, DOE(140)는, 제1 패시트에 의해 반사되는 경우 도파관과 광 도관 사이의 광을 결합하도록 구성되며, 이렇게 결합을 행하는 경우, 광 도관의 모드 크기와 개구수 특징을, 예를 들어, 도파관 상의 단열 테이퍼 도파관 전이 부분을 사용함으로써 발생하는 임의의 모드 크기 변환을 포함하는 도파관의 모드 크기와 특징에 일치시킨다. 광 빔은 광 도관의 단부면으로부터 DOE의 표면으로 확장하기 때문에 그리고 일 실시예에서 광 빔이 45도가 아닌 제1 패시트로부터 반사됨으로써 연장되기 때문에, DOE는 이 빔을 포커싱하고 재성형하여 도파관을 따라 전파시키도록 구성되어야 한다. 구체적으로, 제1 패시트가 실리콘의 결정성 평면을 따라 에칭되는 실시예에서, 제1 각도는 45도 아니지만, 실리콘의 결정성 평면 각은 54.7도이다. 따라서, 제1 패시트에 의해 반사되는 광은 비수직 법선 제2 각도 β에서 기판의 평면에 충돌하고, 실리콘 기판의 경우, 이 제2 각도는 54.7도의 결정성 평면 각으로부터의 반사를 보완하도록 (평면(101a)의 법선에 대하여) 약 19.4도이다. 비수직 각도로 인해, DOE 상에 직사각형 또는 타원형의 스폿 형상이 발생하며, 이는 도파관 상으로 출사되도록 DOE에 의해 재성형 및 포커싱되어야 한다. 적절하게 구성된 DOE는, 도파관 상으로 제1 면에 의해 반사되는 경우 섬유 도관으로부터 방출되는 광을 성형하고 포커싱할 뿐만 아니라, 도파관으로부터 제1 면과 광 도관 상으로 방출되는 광을 재성형하고 포커싱하는 것의 역으로도 기능한다. 이러한 성형과 포커싱은, DOE에서 아크, 리지, 필러 등을 사용하여 전술한 바와 같이 간섭과 회절을 통해 달성될 수 있다. 전술한 바와 같이 광을 성형하고 포커싱하여 비수직 제2 각도를 수용하도록 DOE를 구성하는 것과는 별도로, DOE는 광 도관과의 서로 다른 계면들을 위해 구성되어야 한다. 예를 들어, 일 실시예에서는, 공기 통과를 위해 구성되어야 하며, 다른 실시예에서는, 인덱스 일치 겔을 위해 구성되어야 한다.

DOE는 적어도 빔(170)의 스폿 크기에 해당하는 면적을 가져야 한다. 이러한 점에서, 전술한 바와 같이, 빔이 비수직 각도로 DOE에 입사하기 때문에 스폿 크기가 빔의 단면적보다 크다는 점에 주목하기 바란다. 통상적인 렌즈와는 달리, DOE는, 임의의 위치에서 DOE 상의 잘못된 광의 입사각을 계산할 수 있고 알려져 있는 각도에 기초하여 광을 성형하고 포커싱하기 위한 필요한 구조를 통합할 수 있기 때문에 둘레를 따른 그 잘못된 광을 캐치하도록 예상되는 스폿 크기보다 넓게 될 수 있다. 이에 따라, 일반적으로 비교적 넓은 DOE 표면적이 바람직하다. 예를 들어, 광학 부품(530)의 하부도인 도 5에 도시한 바와 같이, DOE(540)는 약 35 마이크로미터의 폭을 갖는다.

이러한 DOE 제조는, 알려져 있으며, 예를 들어, FREDERIK VAN LAERE 등의 Compact Focusing Grating Couplers for Silicon-on-Insulator Integrated Circuits, IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, VOL. 19, NO. 23, (Dec.l, 2007); TINGDI LiAO 등의 High-Efficiency Focusing Waveguide Grating Coupler with Parallelogramic Groove Profiles, JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY, VOL. 15, NO. 7 (July 1997); LUKAS CHROSTOWSKI의 Optical Gratings: Nano-engineered Lenses, NATURE PHOTONICS, VOL 4 (July 2010); DAVID FATTAL 등의 Flat Dielectric Grating Reflectors with Focusing Abilities, NATURE PHOTONICS, VOL 4 (July 2010); G.J. SWANSON의 Binary Optics Technology: The Theory and Design of Multi-level diffractive optical elements; LINCOLN LABORATORY, MASSACHUSETTS INSTITUTE OF TECHNOLOGY, Technical Report 854 (14 August 1989); 및 미국 특허번호 제5,657,407호에 개시되어 있으며, 이들 문헌 모두는 본 명세서에 참고로 원용된다. 적절한 DOE는, 예를 들어, 2차원 고 지수 콘트라스트 포커싱 DOE를 포함한다. 본 개시 내용을 고려하는 통상의 기술자는 과도한 실험 없이 적절한 DOE를 제조할 수 있다.

DOE(540)는, 단열 테이퍼 도파관 전이 등의 알려져 있는 기술들을 이용하여 도파관(531)과 인터페이싱된다. 도 1에 도시한 바와 같이, 광학 부품(130) 상의 도파관(131)은 본질적으로 인터포저의 평면(101a)에 평행하지만, 다른 구성도 가능하다. 적절한 도파관은, 예를 들어, 실리콘 온 인슐레이터(SOI) 와이어, 립 도파관, 또는 심지어 광섬유를 포함한다. DOE는 전술한 바와 같이 적어도 광 빔(170)의 스폿 크기만큼 넓은 표면적을 갖고 도파관은 더욱 좁아지는(예를 들어, 0.5 마이크로미터) 경향이 있기 때문에, 도파관(531)의 본 실시예는 도 5에 도시한 바와 같은 단열 전이 부분(532)을 포함한다. 일반적으로, 전이에 있어서 전파 손실을 최소화하도록 도파관(513)의 폭까지 점진적으로 테이퍼링되는 것이 바람직하다.

도 1의 실시예에서, 도파관(131)은 광학 부품(130)과의 통합형이다. 그러나, 도파관은 광학 부품으로부터 이산적일 수 있으며 독립적일 수 있다는 점을 이해하기 바란다. 대안으로, 도파관과 DOE는 제2 기판(도시하지 않음) 상에 배치될 수 있다. 제2 기판은, 예를 들어, 실리콘, PCB, 플렉스 물질, 유리, 및 폴리아미드일 수 있다. 이러한 실시예에서, 광학 부품과 관련하여 후술하는 바와 같이 인터포저와의 정렬 및 열적/전기적 상호 접속을 위한 패드/필러는 제2 기판과 함께 사용될 수 있다. 이러한 점에서, 완전하게 통합된 광학 부품 없이 본 발명을 실시할 수 있다는 점에 주목하기 바란다.

광학 부품(130)은, 섬유에 광학적으로 결합될 수 있는 임의의 알려져 있거나 또는 차후 개발되는 특정 응용 포토닉 부품일 수 있다. 광학 부품은, 예를 들어, (a) 광을 소싱(source)하고, 검출하고, 및/또는 제어하는 전기 디바이스인 광전자 디바이스(OED)(예를 들어, 광학 신호를 송신/수신하고, 신호를 처리하고 응답 신호를 송신하기 위한 CMOS 포토닉스 프로세서 등의 포토닉스 프로세서, 전자 광학 메모리, 전자 광학 램(EO-RAM) 또는 전자 광학 디램(EO-DRAM), 광학 메모리를 관리하기 위한 전자 광학 로직 칩(EO-로직 칩), 수직 캐비티 표면 발광 레이저(VCSEL) 등의 레이저, 이중 채널, 평면 매립형 헤테로구조(DC-PBH), 매립 크레센트(BC); 분산형 피드백(DFB), 분산형 브래그 반사기(DBR), 표면 발광 LED(SLED), 에지 발광 LED(ELED), 수퍼 루미센트 다이오드(SLD) 등의 발광 다이오드(LED); P 인트린식 N (PIN) 및 애벌런시 포토다이오드(APD) 등의 포토다이오드; (b) 광학 에너지를 다른 형태로 변환하지 않으며 상태를 변경하지 않는 는 수동 부품(예를 들어, 섬유, 렌즈, 애드/드롭 필터, 어레이형 도파관 격자(AWG), GRIN 렌즈, 스플리터/결합기, 평면형 도파관, 또는 감쇄기); 또는 (c) 광학 에너지를 다른 형태로 변환하지는 않지만 제어 신호에 응답하여 상태를 변경하는 하이브리드 디바이스(예를 들어, 스위치, 라우터, 변조기, 감쇄기, 및 조절가능 필터)일 수 있다. 또한, 광학 부품이 단일의 이산 디바이스일 수 있고 또는 디바이스들의 어레이로서 조립 또는 통합될 수 있다는 점을 이해하기 바란다.

일 실시예에서, 광학 부품(130)과 기판(101)은, 광 도관(110)을 수용하는 밀접한 허용 오차를 갖는 채널(190)을 형성하도록 협동한다. 더욱 구체적으로, 광학 부품(530)에 접속된 인터포저(350)를 구비하는 광학 부조립체(300)를 도시하는 도 3을 참조한다. 광학 부품은 홈(502) 위에 정확하게 위치하여, 광 도관이 홈 내에 삽입되는 경우 광 도관(310) 위로 소정의 공차를 제공한다. 소정의 공차의 크기에 따라, 광 도관의 광축(111)의 각도 오정렬이 소정 범위 내에서 유지되는 것을 보장하도록 최소 홈 길이를 결정할 수 있다. 예를 들어, 출원인은, 광축 오정렬이 0.5도 미만임을 보장하기 위해서는 2 마이크로미터의 공차가 약 230 마이크로미터 길이의 홈을 필요로 한다고 결정하였다. 공차를 작게 하려면 더욱 짧은 홈 길이가 필요하지만, 공차가 작아짐에 따라, 광 도관(310)을 채널(390) 내에 삽입하는 어려움이 커진다. 통상의 기술자는, 본 개시 내용을 고려하여, 최적화된 공차에 기초하여 최소 홈 길이를 결정할 수 있다.

홈 위의 광학 부품의 정확한 위치설정은 다양한 방식으로 달성될 수 있다. 도 1의 실시예에서, 홈과 광학 부품 간의 간격은, 광학 부품과 기판에 각각 성막되는 필러들(170, 171)에 의해 제어된다. 구체적으로, 도 4와 도 5를 참조해 보면, 광학 부품(530)의 하부면과 기판(101)의 평면(101a)의 레이아웃이 도시되어 있다(도 5에 도시한 표면을 부조립체(100) 내의 위치에 대한 하부면이라 칭한다는 점을 이해하기 바란다. 그러나, 통상의 기술자는, 주지되어 있는 바와 같이 이 표면이 기판 상에 "플립-칩"된 실제로 칩의 상부면일 수 있다는 점을 인식할 것이다). 각 레이아웃은, 광학 부품들을 지지하고 광학 부품을 기판에 전기적으로 접속하기 위한 그리고 광학 부품의 냉각에 일조하도록 광학 부품과 기판 간의 열적 전도를 용이하게 하기 위한 필러들을 도시한다. 예를 들어, 도 4를 참조해 보면, 기판(401)의 평면(401a)은, 복수의 홈(402)이 내부에 에칭된 것으로 도시되어 있다. 또한, 각 홈(402)의 단자 단부들(403)에 형성된 제1 패시트들(405)이 도시되어 있다. 필러들(471)은, 본 실시예에서, 구리 필러들은 평면적(401a) 위에 형성된다. 필러들(471)은 도 5에 도시한 바와 같이 광학 부품(530)의 하부측 상에 대응하는 필러들(570)을 갖는다.

필러들은, 기판 위로 광학 부품을 정확하게 위치시킬 뿐만 아니라 광학 부품을 기판과 정확하게 정렬시키도록 기능한다. 즉, 리플로우 동작 동안 상보적 필러들(471, 570) 간에 솔더를 사용하여 광학 부품을 기판과 수동적으로 정렬시킬 수 있다. 이를 위해, 광학 부품은, 알려져 있는 피크 앤 플레이스(pick and place) 기술을 이용하여 필러들(471, 570)이 대략 정렬되도록 기판 상에 배치된다. 기판과 광학 부품 간의 정렬은, 필러에 대한 솔더의 표면 장력으로 인해 필러들이 정렬되고 이에 따라 광학 부품을 기판의 홈들에 대하여 정밀하게 위치시키도록 조립체를 리플로우 처리할 때 달성된다. 이러한 메커니즘은, 본 명세서에 참고로 원용되는 미국 특허번호 제7,511,258호에 개시된 바와 유사하다. 대안으로, 솔더 리플로우 대신에, 열적 압축 결합을 이용하여 상보적 필러들을 직접 결합할 수 있다.

광학 부품을 기판에 대하여 위치시키도록 광학 부품 상의 필러들(570)에 더하여, 필러들(560)(도 1의 필러들(160))을 기계적 정지부로서 사용하여 DOE(540)의 위치에 대하여 섬유 단부면을 축 방향으로 위치시킬 수 있다. 둥근 지지 필러들(570)과는 달리, 본 실시예의 필러들(560)은, 광 도관 단부면(112)이 당접하는 직선 에지와 표면을 제공하도록 직사각형이다. 더욱 구체적으로, 다시 도 1과 도 2를 참조해 보면, 필러들(160)은, 단부면(112)이 경사진 제1 패시트(105)로 향함에 따라 광 도관(110)이 상측으로 향하는 것을 방지한다. 일 실시예에서, 필러들(570, 560)은 제조성이 용이해지도록 동일한 높이로 되어 있다. 광 도관이 제1 패시트 상에서 위로 오르는 것을 방지하도록 필러들을 사용하는 것 대신에, 채널을 사용하여 광 도관이 이동하는 정도를 제어할 수 있다. 더욱 구체적으로, 일 실시예에서, 광 도관의 단부면은 전술한 바와 같이 제1 면과 일치하도록 경사질 수 있다. 이러한 구성은, 단부면이 홈 내로 가압됨에 따라 단부면을 상측으로 이동시키도록 제1 패시트와 정면 간의 캐밍 액션(camming action)을 용이하게 한다. 광학 부품의 위치에 의해 광 도관 위의 공차가 정밀하게 제어된다면 그리고 광 도관이 광학 부품의 하부와 당접하는 경우 제1 면과 일치하도록 단부면이 클리빙될 수 있다면, 광학 부품의 하부에 당접하고 그 단부면이 제1 패시트와 물리적으로 접촉할 때까지 섬유를 순방향으로 가압함으로써 광 도관의 정밀한 위치설정을 달성할 수 있다. 다른 정렬 방안들은 본 개시 내용을 고려하는 통상의 기술자에게 알려져 있다.

또 다른 일 실시예에서, 솔더 패드 대신에 또는 솔더 패드에 더하여, 인터포저 상의 다른 기준점들(fiducials)을 이용하여 수동 정렬을 용이하게 한다. 기준점들은, 광학 부품의 수동 정렬을 제공하는 임의의 구조 또는 마킹일 수 있다. 다양한 기준점을 사용할 수 있다. 예를 들어, 기준점은, 인터포저 상에 정확하게 위치되도록 광학 부품의 에지가 접촉할 수 있는 정합면(register surface)을 제공하는, 평면으로부터 돌출되는 물리적 구조일 수 있다. 대안으로, 기준점은, 예를 들어, Suss MicroTec 기계(예를 들어, 미국 특허번호 제7,511,258호 참조) 등의 시판되고 있는 초정밀 다이 결합 기계를 이용하여 인터포저 상의 광학 부품의 가시적 정렬을 가능하게 하는 마킹일 수 있다. 또한, 기준점들과 접촉 패드들의 조합을 이용할 수 있다. 예를 들어, 패드들은, 인터포저의 상승된 기준점들과 접촉하도록 광학 부품을 당기는 데 사용될 수 있다. 다른 정렬 기술들은, 본 개시 내용을 고려하는 통상의 기술자에게 명백할 것이다.

알려져 있는 다른 특징부들을 본 발명의 부조립체 내에 통합할 수 있다는 점을 이해할 것이다. 예를 들어, 일 실시예에서, 기판은, 도 1에 도시한 바와 같이 스루 기판 비아(TSV)와 열적 비아(180)를 포함한다. 마찬가지로, 기판(101)의 하부는, 인쇄 회로 기판 또는 플렉서블 회로와 인터페이싱을 통해 당해 기술에 알려져 있는 바와 같이, 전기적 접속을 용이하게 하기 위한 패드들을 포함할 수 있다.

본 명세서의 설명에 기초하여, 본 발명의 일 실시예는, V-홈 단부 패시트의 결정성 표면을 따라 형성된 반사형 미러면을 갖는 인터포저이다. 인터포저 기판은, DOE를 갖는 표면 실장된 포토닉스 IC 칩을 반사형 미러면에 대하여 정렬하기 위한 수단을 제공한다. DOE는, 인터포저의 V-홈 내에 유지되고 있는 광 섬유 도관에 대한 효율적인 결합을 제공하는 반사형 미러면에 광을 송신하고 반사형 미러면으로부터 광을 수신하도록 구성된다. 일 실시예에서, 인터포저는, (a) 상부 평면과 결정성 평면 각을 갖는 결정성 기판; (b) 상부 평면에 형성되고 기판의 에지로부터 단자 단부로 연장되는 적어도 하나의 홈으로서, 이 홈은 단자 단부에서 측벽들과 제1 패시트를 갖고, 제1 패시트는 상부 평면에 대하여 제1 각도를 갖고, 제1 각도는 기판의 결정성 평면 각에서 정밀하게 존재하고, 제1 패시트는 반사형으로 되어 있는, 홈; (c) 상부 평면 상에 형성되고 제1 패시트에 대하여 정밀한 위치에 구성된 인터포저 결합 패드; (d) 인터포저 결합 패드를 상부측 재분산층 접촉 패드에 결합하도록 상부 평면 상에 형성된 재분산층 전기적 상호 접속부; (e) 상부측 재분산층 접촉 패드를 배면측 접촉 패드에 전기적으로 상호 접속하기 위한, 선택 사항인 스루 기판 비아; 및 (f) 스루 기판 비아를 인터포저의 배면측 상의 다른 위치에 있는 배면측 접촉 패드에 결합하도록 기판의 하부 평면 상에 형성된, 선택 사항인, 배면측 재분산층 전기적 상호 접속부를 포함한다.

본 발명의 일 실시예는, 단열 전이부에 의해 칩과의 광학적 상호 접속을 위한 도파관 DOE 결합기에 효율적으로 결합되는 적어도 하나의 광 도파관을 갖는 포토닉스 IC 칩이다. 도파관 DOE 결합기는, 인터포저 미러 패시트를 통해 확장된 도파관을, 섬유 모드 크기와 개구수 특징이 일치하는 섬유 도관 단부면 상으로 촬상하도록 설계된다. 또한, 칩은, 인터포저 상의 결합 패드 구성과 정확하게 일치하도록 구성된 결합 패드를 구비한다. 결합 패드는, 인터포저 특징부들에 대한 포토닉스 IC 특징부들의 기계적 조립과 위치설정을 제공하고, 포토닉스 IC와 인터포저 간의 전기적 및 열적 상호 접속을 제공한다. 포토닉스 IC 칩들 상의 특정 패드들은 기계적 섬유 정지부를 제공하도록 광섬유 도관과 상호작용한다. 기계적 섬유 정지 로케이터 패드(mechanical fiber stop locator pad)의 위치는 도파관 DOE 결합기의 위치에 대하여 포토닉스 IC 칩 상에 정확하게 위치할 수 있다.

다른 일 실시예에서, 본 발명은, 선택 사항으로, 광섬유 도관 및 전기적 pc 패드 또는 플렉스 회로와 조합하여 전술한 바와 같이 포토닉스 IC와 조립된 전술한 인터포저를 포함하는 조립체이다. 포토닉스 IC는, 포토닉스 IC 도파관 DOE 결합기에 대하여 인터포저 패시트 미러의 정확한 위치를 구성하도록 일치하는 결합 패드를 사용하여 인터포저의 상부면 상에 장착된다. 포토닉스 IC의 하부면은, 결합 패드에 의해 결정되는 바와 같은 정확한 높이에서 인터포저의 상부면으로부터 이격된다. 인터포저 V-홈의 결합 높이와 형상은 광섬유 도관의 삽입을 위해 제공된 공차의 양을 결정한다. 포토닉스 IC 상의 기계적 섬유 정지 로케이터 패드는, 삽입 동안 섬유 단부가 인터포저 패시트 미러의 표면 위로 상승하는 것을 방지하도록 설계된다. 섬유 단부면-대-미러-대 도파관 DOE 결합기(fiber end face-to-mirror-to waveguide DOE coupler)의 정렬 형상은 인터포저-포토닉스 IC 부조립체에 의해 결정된다. 섬유 도관의 각도 제어는 삽입 공차와 삽입 거리에 의해 결정된다. 포토닉스 IC의 에지부터 결합 위치까지의 거리는, 섬유 도관의 각도 정렬을 제어하고 도파관부터 포토닉스 ID 상의 도파관 DOE 결합기 형상부까지의 단열 전이를 위한 길이를 제공하는 데 충분하다. 일 실시예에서, 부조립체는, (a) 상부 평면과 결정성 평면 각을 갖는 결정성 기판; (b) 상부 평면 내에 형성되고 기판의 에지로부터 단자 단부로 연장되는 적어도 하나의 홈으로서, 이 홈은 단자 단부에서 제1 패시트와 측벽들을 갖고, 제1 패시트는 상부 평면에 대하여 제1 각을 갖고, 제1 각은 정확하게 결정성 평면 각으로 되며, 제1 패시트는 반사형인, 홈; (c) 포토닉스 IC의 하부면과 기계적 정지 특징부들 및 기판 홈과 협동하는, 제1 패시트에 광학적으로 결합된 단부면과 광축을 갖는 광섬유 도관; (d) 제1 패시트 위에 배치되고, 각도들의 제2 그룹에서 제1 패시트에 대하여 광을 송신/수신하도록 구성된 도파관 DOE 결합기로서, 각도들의 제2 그룹은 기판 상부 평면에 대하여 비수직인, 결합기; (e) 단열 전이에 의해 도파관 DOE 결합기에 광학적으로 결합된 적어도 하나의 도파관을 구비하는 포토닉스 IC 부품; 및 (f) 인터포저의 상부면 또는 하부면 상에서 인터포저에 전기적으로 접속된 전기적 플렉스 회로 또는 인쇄 회로 기판을 포함한다.

Claims

광학 조립체로서,
상부 평면((top planar surface; 101A)과 결정성 평면 각을 갖는 결정성 기판(101);
상기 상부 평면 내에 형성되고 상기 기판의 에지(315)로부터 단자 단부(103)로 연장되는 측벽들(104)을 갖는 적어도 하나의 홈(102)으로서, 상기 홈(102)은 상기 단자 (103)에서 제1 패시트(facet; 105)를 갖고, 상기 제1 패시트(105)는 상기 상부 평면에 대하여 제1 각을 갖고, 상기 제1 패시트(105)는 반사형인, 상기 홈;
광축 및 상기 제1 패시트(105)에 광학적으로 결합된 단부면(end face)을 갖는 광 도관(110);
도파관(131); 및
상기 제1 패시트(105) 위에 배치되고, 상기 제1 패시트(105)에 의해 반사되는 경우 상기 도파관과 상기 광 도관 사이의 광을 결합하도록 구성된 회절 광학 소자(diffractive optical element(DOE); 140)를 포함하는, 광학 조립체.
제1항에 있어서, 상기 제1 패시트(105)는,
상기 기판(101)을 습식 에칭함으로써 제조되는, 광학 조립체.
제2항에 있어서,
상기 제1 각이 상기 결정성 평면 각인, 광학 조립체.
제3항에 있어서,
상기 기판은 실리콘이고, 상기 제1 각은 약 54.7°인, 광학 조립체.
제3항에 있어서,
상기 DOE(140)와 상기 제1 패시트(105) 간의 광 빔은 공칭 제2 각(normal second angle)으로 존재하며, 상기 제2 각은 상기 평면 신호에 대하여 비수직인(non-perpendicular), 광학 조립체.
제1항에 있어서, 상기 도파관(131)은,
광학 부품(130) 내에 통합된, 광학 조립체.
제6항에 있어서, 상기 광학 부품(130)은,
포토닉스 집적 회로인, 광학 조립체.
제1항에 있어서, 상기 광 도관(110)은,
광섬유인, 광학 조립체.
제8항에 있어서, 상기 단부면은,
상기 광축에 대하여 법선인, 광학 조립체.
제9항에 있어서,
상기 도파관(531)에 광학적으로 결합된 광학 부품(530)을 더 포함하고,
상기 광학 부품은,
상기 홈(502) 내에 상기 광섬유를 축 방향으로 위치시키기 위한 적어도 하나의 정지부를 포함하는, 광학 조립체.
제10항에 있어서, 상기 정지부는,
상기 광섬유가 상측으로 이동하는 것을 방지하도록 상기 제1 패시트(105) 위에 배치된 적어도 하나의 필러(pillar)를 포함하는, 광학 조립체.
제1항에 있어서,
상기 도파관에 광학적으로 결합된 광학 부품을 더 포함하고,
상기 기판과 상기 광학 부품은,
상기 홈 내의 상기 광 도관을 위한 적절한 공차(clearance)를 보장하도록 소정의 높이의 상보적 필러들을 포함하는, 광학 조립체.
제12항에 있어서,
상기 공차는 약 2 마이크로미터이고, 상기 홈은, 상기 평면에 대한 상기 광축의 각도 오정렬(angular misalignment)을 0.5도 이하로 제한하도록 충분히 긴, 광학 조립체.
제11항에 있어서, 상기 필러들은,
구리 필러들인, 광학 조립체.