KR20150117876A - 광 정렬 일체형 구조의 폴리머 광소자 및 그의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 폴리머를 소재로 제작된 광수동소자의 광 정렬을 위해 광수동소자 및 파이버 어레이 구조의 일체형 금형을 이용하는 광 정렬 일체형 구조의 폴리머 광소자 및 그의 제조 방법에 관한 것으로, 광 파이버 고정을 위한 광 파이버 정렬장치 및 광수동소자가 동일 기판에 일체형으로 구성되고, 상기 광 파이버 정렬장치는 광 파이버 정렬을 위하여 기판의 광수동소자 입출력단에 형성되는 U-홈를 포함하고, 광수동소자는 광수동소자 입력단과 출력단 사이에 일정 깊이의 홈 형태를 갖고 형성되는 광 도파로와, 상기 광 도파로내에 채워지는 코어 물질층를 포함하고,U-홈을 제외하고 코어 물질층을 덮는 클래드 쉬트층; 및 상기 U 홈에 위치하여 코어 물질층과 수동 정렬되어 중심축이 일치되도록 연결되는 광 파이버 및 광 파이버 연결 영역상에 형성되는 에폭시 본딩층;을 포함하는 것이다.

Description

광 정렬 일체형 구조의 폴리머 광소자 및 그의 제조 방법{Optical alignment one body type polymer optical device and Method for manufacturing the same}

본 발명은 폴리머 광소자에 관한 것으로, 구체적으로 폴리머를 소재로 제작된 광수동소자의 광 정렬을 위해 광수동소자 및 파이버 어레이 구조의 일체형 금형을 이용하는 광 정렬 일체형 구조의 폴리머 광소자 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.

기존의 실리카 기반의 광수동소자는 실리카나 실리콘을 이용하여 광소자 및 광섬유 정렬장치를 제작하여 다채널의 광채널을 결합하였다.

광섬유 정렬 장치 및 광수동소자의 정렬 규격은 국제 규격에 의해 Full pitch (250㎛) 와 Half pitch (125㎛)로 규정되어 있다.

정렬 장치와 소자간의 채널 간격을 규격에 따라 제작하고 접속효율을 높이기 위해 단면을 8° 폴리싱하여 결합하고 접착용 소재를 사용하여 결합한다.

광수동소자의 정렬에서 가장 중요한 기술은 접속손실을 최소화하는 기술이며 소자 제작에 있어서 공차를 최대한 줄여서 약 0.5㎛ 내로 조절해 주어야 결합손실을 줄일 수 있으며 광소자의 절단 및 폴리싱 가공 기술은 표면 거칠기에 의한 산란 손실을 줄여줄 수 있다.

기존의 실리카 기반 광소자의 패키지 손실은 결합손실에서 약 0.5dB 이내로 조절되어야 하며, 일반적으로 0.3dB 이내로 제작되고 있다.

종래 기술의 광수동소자 패키지 방법에 사용되는 광섬유 정렬 장치는 광섬유들을 정밀하게 정렬시키기 위해 실리카나 실리콘을 기계가공 또는 KOH(Potassium h0ydroxide) 습식식각 방법으로 정밀하게 V-홈(V-groove)를 만든 뒤 광섬유를 홈 사이에 넣어서 정렬시켰다.

도 1은 종래의 광섬유 정렬 장치의 모식도이다.

도 1에서 도시된 바와 같이 광섬유는 V-홈의 간격이 규격에 의해 250㎛ 또는 127㎛의 간격으로 중심축이 고정되게 매립되며, 위치를 고정하기 위해 접합물질을 도포한 후 덮개를 덥고 단면을 가공하는 순서로 제작되어 진다.

일반적으로 Half pitch로 정의되는 127㎛의 경우 V-홈의 간격이 좁기 때문에 광섬유의 고정이 용이하지 않고 이탈 또는 어긋남 현상이 종종 발생한다.

도 2은 기존의 광섬유 정렬 및 결합을 위한 광섬유 정렬 장치와 광수동소자간의 결합 모식도이다.

단면을 8° 기울기로 연마하여 삽입손실을 감소시켰으며, 최종 결합를 하기 위해서는 접합된 상태에서 광수동소자와 정렬장치의 보호를 위해 후차적으로 하우징을 씌워야 한다.

기존의 광섬유 정렬 장치는 기계적 가공과 습식식각 공정으로 제작된 광섬유 블록과 수동광소자의 광 정렬 공정이 필요하기 때문에 생산성 및 비용 증가가 발생한다.

또한, 폴리머 광수동소자의 경우 소재의 차이로 인해 발생하는 다양한 변수를 감안하여 새로운 구조의 광 정렬 및 결합 방법이 필요하다.

폴리머를 소재로 사용한 광수동소자는 현재 임프린트 공정기술 등을 이용하여 개발되고 있지만, 연속형 공정 및 광 정렬 방법에 있어서 기존의 방법을 사용하기 어렵다.

특히, 소재의 차이에 의해 발생하는 접합력과 폴리머의 소재 특성상 경화후 수축에 의한 Pitch error를 고려해야 한다.

또한, 생산성을 고려하여 연속형 공정을 위해서는 동일한 기판상에서 광정렬이 이루어 질수 있는 구조로 설계되어야 하며, 광섬유 블록과 수동광소자가 단순한 광섬유 실장으로 정렬이 되는 구조가 되어야 한다.

대한민국 공개특허 제10-2012-0083167호 대한민국 공개특허 제10-2005-0039380호

본 발명은 이와 같은 종래 기술의 폴리머 광수동소자의 구조 및 광 정렬 방법의 문제를 해결하기 위한 것으로, 폴리머를 소재로 제작된 광수동소자의 광 정렬을 위해 광수동소자 및 파이버 어레이 구조의 일체형 금형을 이용하는 광 정렬 일체형 구조의 폴리머 광소자 및 그의 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명은 개별 공정이 필요치 않으며, 연속적으로 성형이 가능하고, 동일 기판상에서 광 정렬이 가능한 구조 및 성형 공정이 가능하도록 한 광 정렬 일체형 구조의 폴리머 광소자 및 그의 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명은 정렬후 접합 및 하우징 패키지 구조가 아닌 단순 정렬 및 접합이 가능한 구조를 제시하고, 단일 공정이 아닌 연속형 성형 공정이 가능한 구조 및 방법을 갖는 광 정렬 일체형 구조의 폴리머 광소자 및 그의 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명은 폴리머 광수동소자의 광 정렬을 위한 새로운 방법으로 기존의 광섬유 정렬 어레이를 발전시켜 공정이 간편하고 제조단가가 저렴한 일체형 구조를 이용하여 입출력단이 하나의 구조에 구현되어 있는 광섬유 정렬 장치를 통해 광수동소자를 결합하는 광 정렬 일체형 구조의 폴리머 광소자 및 그의 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 광 정렬 일체형 구조의 폴리머 광소자는 광 파이버 고정을 위한 광 파이버 정렬장치 및 광수동소자가 동일 기판에 일체형으로 구성되고, 상기 광 파이버 정렬장치는 광 파이버 정렬을 위하여 기판의 광수동소자 입출력단에 형성되는 U-홈를 포함하고,광수동소자는 광수동소자 입력단과 출력단 사이에 일정 깊이의 홈 형태를 갖고 형성되는 광 도파로와, 상기 광 도파로내에 채워지는 코어 물질층를 포함하고,U-홈을 제외하고 코어 물질층을 덮는 클래드 쉬트층; 및 상기 U 홈에 위치하여 코어 물질층과 수동 정렬되어 중심축이 일치되도록 연결되는 광 파이버 및 광 파이버 연결 영역상에 형성되는 에폭시 본딩층;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

다른 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 광 정렬 일체형 구조의 폴리머 광소자의 제조 방법은 광 파이버 정렬장치 및 광수동소자가 동일 기판에 일체형으로 구성되도록 광 파이버 정렬 패턴 및 광 도파로 패턴을 형성하여 스탬프를 형성하는 단계;스탬프를 이용한 롤투롤 공정으로 동일 기판에 광 파이버 블록과 광 도파로가 일체형으로 패터닝되도록 글래드층을 형성하는 단계;광 도파로내에 코어 물질층을 채우고 클래드 쉬트를 덮고 스크라이빙 공정을 진행하는 단계;광 파이버 블록에 파이버를 삽입하여 코어 물질층과 중심축이 일치되도록 연결하고, 연결 부분에 에폭시 몰딩층을 형성하고 패키지 공정을 진행하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이와 같은 본 발명에 따른 광 정렬 일체형 구조의 폴리머 광소자 및 그의 제조 방법은 다음과 같은 효과를 갖는다.

첫째, 이전의 식각방법에 비해 공정이 단순하고 소재의 단가가 저렴하기 때문에 제조단가를 낮출 수 있다.

둘째, 폴리머 광수동소자의 광섬유와의 결합을 위해 정렬 장치를 일체형으로 제작함으로써 결합력을 높이고 내구도를 향상시킬 수 있다.

셋째, 구조적 정렬에 의해 광섬유를 광수동소자까지 수동 정렬할 수 있기 때문에 정렬시간이 단축되어 공정 수율을 높일 수 있다.

넷째, 가공방법 및 재료의 수축 의한 치수 정밀도를 높일 수 있으며, 재료간의 열팽창에 의한 결합 부분의 결함에 의한 손실이 발생되지 않는다.

다섯째, 폴리머 광수동소자외 기존의 실리카 기반의 광소자에 적용 가능한 구조로 다양한 부분에 파이버 와 광학소자의 광연결 방법으로 활용 가능하다.

도 1은 종래 기술의 광섬유 정렬 장치의 모식도
도 2는 종래 기술의 광섬유 정렬 장치와 광수동소자간의 결합 구조도
도 3은 본 발명에 따른 폴리머 광섬유 정렬 장치 및 광수동소자의 일체형 구조도
도 4는 본 발명에 따른 정렬 장치 및 수동광소자의 높이 방향의 정렬을 위한 구조도
도 5는 본 발명에 따른 광섬유 정렬 장치의 임프린트 금형 제작 개략도
도 6은 본 발명에 따른 광섬유 정렬 장치와 평면 광수동소자간의 광연결을 위한 공정 개략도

이하, 본 발명에 따른 광 정렬 일체형 구조의 폴리머 광소자 및 그의 제조 방법의 바람직한 실시 예에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 따른 광 정렬 일체형 구조의 폴리머 광소자 및 그의 제조 방법의 특징 및 이점들은 이하에서의 각 실시 예에 대한 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.

도 3은 본 발명에 따른 폴리머 광섬유 정렬 장치 및 광수동소자의 일체형 구조도이고, 도 4는 본 발명에 따른 정렬 장치 및 수동광소자의 높이 방향의 정렬을 위한 구조도이다.

본 발명은 폴리머를 소재로 제작된 광수동소자의 광 정렬을 위해 광수동소자 및 파이버 어레이 구조의 일체형 금형을 이용하는 것으로, 개별 공정이 필요치 않으며, 연속적으로 성형이 가능하고, 동일 기판상에서 광 정렬이 가능한 구조 및 성형 공정이 가능하도록 한 것이다.

본 발명에 따른 광 정렬 일체형 구조의 폴리머 광소자의 가장 큰 특징은 파이버 고정을 위한 파이버 정렬장치 및 광수동소자가 일체형 구조로 되어 있다는 점이다.

따라서 정렬 오차를 원천적으로 제어를 할 수 있으며, 파이버 정렬장치와 광수동소자 간의 재료 및 가공 방법에 따른 치수 정밀도를 향상 시킬 수 있다.

또한, 재료 간의 열팽창에 의한 접합부의 파손을 제어 할수 있어 신뢰성 및 안정성이 우수하다. 기능에 따라 광수동소자의 크기가 다르지만 특수한 경우 외에는 크기별로 제작할 수 있다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 폴리머 평면 광수동소자의 패키지 방법에 필요한 광섬유 정렬 장치의 구조를 나타낸 구성도이다.

본 발명에 따른 광 정렬 일체형 구조의 폴리머 광소자는 파이버 정렬장치 및 수동광소자의 정렬을 위하여 깊이방향 및 선폭방향은 모두 동일한 중심축의 형태로 제작한다.

도 3의 구조에서 파이버 정렬 장치 및 수동광소자의 구조는 밀폐형태로 되어 있다. 이러한 이유는 수동광소자의 구조에 코어 충진시 용이성을 높이기 위해서 이며, 코어 충진시 수동광소자의 구조에 영향을 최소화하기 위해서다.

도 4는 파이버 정렬 장치 및 수동광소자의 높이 방향의 정렬을 위한 구조의 모식도이다. 이때, 광섬유를 U-홈에 실장하여 정렬하기 때문에 광섬유의 코어와 수동광소자의 코어를 정렬 하기 위하여 모식도와 같은 구조를 가진다.

구체적으로, 본 발명에 따른 광 정렬 일체형 구조의 폴리머 광소자의 구조는 도 3에서와 같이, 광 파이버 고정을 위한 광 파이버 정렬장치 및 광수동소자가 동일 기판에 일체형으로 구성되고, 상기 광 파이버 정렬장치는 광 파이버 정렬을 위하여 기판의 광수동소자 입출력단에 형성되는 U-홈를 포함하고,광수동소자는 광수동소자 입력단과 출력단 사이에 일정 깊이의 홈 형태를 갖고 형성되는 광 도파로와, 상기 광 도파로내에 채워지는 코어 물질층를 포함하고,U-홈을 제외하고 코어 물질층을 덮는 클래드 쉬트층; 및 상기 U 홈에 위치하여 코어 물질층과 수동 정렬되어 중심축이 일치되도록 연결되는 광 파이버 및 광 파이버 연결 영역상에 형성되는 에폭시 본딩층;을 포함하는 것이다.

이와 같이 본 발명에 따른 광 정렬 일체형 구조의 폴리머 광소자는 파이버 정렬장치 패턴 및 수동광소자 패턴 형태의 일체형 구조로 구성된다.

광섬유 정렬 장치는 기본적으로 임프린트 공정에 의해 수동광소자와 한번에 제작이 되며, 깊이방향의 공차는 0.5㎛ 이내로 조절되어야 한다.

도 4는 광섬유를 실장할 수 있는 U-홈 구조를 포함하는 광수동소자를 나타낸 것으로, 광수동소자는 U-홈을 가로방향/세로방향으로 125㎛의 정사각형 구조를 가지며, 광섬유를 상부클래드면에서 하부클래드면으로 실장할 수 있도록 상부클래드쪽은 열린상태로 제작한다.

때문에 깊이방향으로는 광수동소자의 크기에 따라 그 깊이가 달라질 수 있다.

광수동소자와 정렬장치의 U-홈은 결합시 일치하도록 제작되어야 하면 U-홈의 하부 끝단에 정렬시 코어의 중심축과 광섬유의 코어의 중심축이 일치하도록 제작되어야 한다.

그리고 수동 광소자와 파이버간의 높이 정렬을 위해 도 4와 같이 파이버 정렬장치 87.5um, 수동광소자 50um의 치수를 갖고, 파이버 정렬장치 및 수동광소자의 중심축은 항상 일정한 형태를 가지고 있어 정렬장치가 필요 없이 수동 정렬이 가능하다.

또한, 도 5는 파이 정렬 장치와 수동광소자의 일체형 구조의 금형 제작 방법 및 연속형 임프린트 공정 방법을 나타낸다.

공정 진행은 도 5에서와 같이, 기판상에 포토레지스트를 도포하고, 광도파로 마스크를 사용하여 광도파로 영역을 정의하는 노광 공정을 진행한다.

그리고 다시 포토레지스트를 도포하고 광 파이버 블록 마스크를 사용하여 광 파이버 영역을 정의하는 노광을 하고, 현상 공정을 진행하여 광 파이버 고정을 위한 광 파이버 정렬장치 및 광수동소자가 동일 기판에 일체형으로 구성되도록 광 파이버 정렬 패턴 및 광 도파로 패턴을 형성한다.

이어, 전면에 UV 몰딩을 하고 일렉트로포밍(Electroforming) 공정을 진행하여 Ni 스탬프를 형성한다.

그리고 도 6에서와 같이, Ni 스탬프를 이용한 롤투롤 공정으로 동일 기판에 광 파이버 블록과 광 도파로가 일체형으로 패터닝되도록 글래드층을 형성한다.

이어, 광 도파로내에 코어 물질층을 채우고 클래드 쉬트를 덮고 스크라이빙 공정을 진행한다.

그리고 광 파이버 블록에 파이버를 삽입하여 코어 물질층과 중심축이 일치되도록 연결하고, 연결 부분에 에폭시 몰딩층을 형성하고 패키지 공정을 진행한다.

도 6에서와 같이 파이버 정렬장치와 수동광소자간의 패턴이 밀폐되어 수동광소자의 코어 충진시 용이하며, 코어충진후 부분 커팅 방법을 이용한다.

부분 커팅 방법으로 파이버와 코어간이 개방되며, 공기에 의한 광손실을 줄이기 위해 커팅 부분은 파이버 및 코어의 굴절율과 동일한 물질을 충진시킨다.

이 방법은 기존의 방법과 달리 광수동소자와 같은 폴리머를 사용함에 있어서 광연결 및 정렬장치로써 결합력을 높일 수 있다.

도 6의 구조에서 파이버 실장 및 수동광소자의 코어 충진후 파이버 코어와 수동광소자의 코어를 개방하기 위한 부분 커팅 모식도 구조이다.

부분 커팅시 파이버 단면 및 수공광소자의 단면은 커팅날에 의해 연마가 되어 표면 조도에 의한 손실감소를 해결할 수 있다.

또한 수동광소자의 코어 충진시 발생될 수 있는 코어 끝단부의 기포에 의한 코어부 결함을 제거할 수 있다.

도 6에서와 같이, 광파정렬 구조에 의한 광파이버 실장 및 광학소자의 코어 충진후 광축연결을 위한 부분 즉, 밀폐된 부분을 부분 커팅에 의해 개방함으로 광축이 개방이 된다.

그리고 커팅에 의해 광파이버 및 코어의 단면이 연마가 되어 광손실의 영향을 줄일 수 있다. 추가적으로, 정렬장치와 광소자의 결합부분 사이에는 광섬유 코어와 광수동소자의 코어간 광전송을 원활히 하기 위해 사이에 index matching oil을 도파하여 준다.

이와 같은 본 발명에 따른 광 정렬 일체형 구조의 폴리머 광소자 및 그의 제조 방법은 다음과 같은 특징을 갖는다.

입출력단이 따로 제작된 기존의 정렬 장치는 정렬시 3-축에 대해 모두 정렬을 하여야 하지만 본 발명을 통해 얻어진 광섬유 정렬 장치는 정렬장치와 광수동소자에 구현된 U-홈구조에 의해 고정되어 있기 때문에 광섬유를 실장시 자동으로 정렬되기 때문에 기타의 정렬이 필요하지 않다.

또한, 광섬유 정렬 장치의 U-홈은 후공정을 통해 식각하지 않고 임프린트 공정 만으로 모든 구조를 한번에 구현한다.

본 발명을 통해 얻어진 광섬유 정렬 장치는 홈의 깊이와 길이에 맞게 광수동소자가 제작되어야 하며, 광수동소자의 다양성에 따라 최적화 길이가 다르기 때문에 광수동소자의 종류별로 다양한 크기로 제작될 수 있다.

본 발명을 통해 얻어진 광섬유 정렬 장치는 기존의 방법에 비해 정렬이 용이하고 제작이 간편하여 제조단가의 현저한 감소를 예측할 수 있다.

이상에서의 설명에서와 같이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 본 발명이 구현되어 있음을 이해할 수 있을 것이다.

그러므로 명시된 실시 예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 하고, 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구 범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (2)

1. 광 파이버 고정을 위한 광 파이버 정렬장치 및 광수동소자가 동일 기판에 일체형으로 구성되고,
   상기 광 파이버 정렬장치는 광 파이버 정렬을 위하여 기판의 광수동소자 입출력단에 형성되는 U-홈를 포함하고,
   광수동소자는 광수동소자 입력단과 출력단 사이에 일정 깊이의 홈 형태를 갖고 형성되는 광 도파로와, 상기 광 도파로내에 채워지는 코어 물질층를 포함하고,
   U-홈을 제외하고 코어 물질층을 덮는 클래드 쉬트층; 및 상기 U 홈에 위치하여 코어 물질층과 수동 정렬되어 중심축이 일치되도록 연결되는 광 파이버 및 광 파이버 연결 영역상에 형성되는 에폭시 본딩층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 광 정렬 일체형 구조의 폴리머 광소자.
2. 광 파이버 정렬장치 및 광수동소자가 동일 기판에 일체형으로 구성되도록 광 파이버 정렬 패턴 및 광 도파로 패턴을 형성하여 스탬프를 형성하는 단계;
   스탬프를 이용한 롤투롤 공정으로 동일 기판에 광 파이버 블록과 광 도파로가 일체형으로 패터닝되도록 글래드층을 형성하는 단계;
   광 도파로내에 코어 물질층을 채우고 클래드 쉬트를 덮고 스크라이빙 공정을 진행하는 단계;
   광 파이버 블록에 파이버를 삽입하여 코어 물질층과 중심축이 일치되도록 연결하고, 연결 부분에 에폭시 몰딩층을 형성하고 패키지 공정을 진행하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 정렬 일체형 구조의 폴리머 광소자의 제조 방법.
   

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