KR20160071810A - 편광유지 광섬유 어레이 블록 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 기술은 편광유지 광섬유 어레이가 삽입되는 광섬유 어레이 블록을 개시한다. 본 기술의 일 실시예에 따른 편광유지 광섬유 어레이 블록은 편광유지 광섬유들이 삽입될 수 있도록 식각된 적어도 하나의 그루브를 포함하되, 상기 그루브는 단면이 마름모(Rhombus) 형태를 가질 수 있다.

Description

편광유지 광섬유 어레이 블록 및 그 제조 방법{POLARIZATION MAINTAIN FIBER ARRAY BLOCK AND MANUFACTURING METHOD OF THE SAME}
본 발명은 편광유지 광섬유 어레이 블록에 관한 것으로, 보다 상세하게는 광섬유 어레이 블록에 삽입된 광섬유가 편광축 정렬을 위해 회전할 때 덮개(Lid) 없이도 흔들리거나 틀어지지 않으면서 회전할 수 있도록 해주는 광섬유 어레이 블록 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
편광유지 광섬유(PMF; Polarization Maintaining Fiber)는 광섬유의 코어(Core)를 진행하는 광의 편광 성분에 따라 유효 굴절률이 다른, 즉 복굴절(Birefringence)을 가지는 광섬유이다. 이러한 복굴절에 의하여 입사광은 편광 성분에 따라 서로 다른 전파 특성을 가지게 되어 두 편광 간의 에너지 교환이 억제된다. 따라서, 입사광이 광섬유를 진행하더라도 처음의 편광 상태를 그대로 유지하게 된다.
복굴절은 광섬유 코어의 기하학적인 변형에 의한 기하학적 복굴절(Geometrical Birefringence) 및 코어에 인가된 비대칭적인 응력에 의한 응력 유도 복굴절(Stress-induced Birefringence)이 있는데, 응력에 의한 복굴절의 크기가 기하학적인 복굴절에 비하여 편광 유지 광섬유로서는 더 적합하다.
도 1은 다양한 종류의 편광유지 광섬유의 단면 모습을 보여주는 도면이다.
비대칭적인 응력에 의한 광통신용 편광 유지 광섬유는 광섬유 단면에서의 응력의 분포 모양에 따라 도 1에서와 같이 판다(PANDA), 보우 타이(Bow tie), 타원형(Elliptical Jacket) 편광 유지 광섬유 등으로 나눌 수 있다.
편광유지 광섬유는 일반 광섬유와 같이 블록에 1개 또는 복수개의 광섬유가 배열된 형태로 제작되어 광 디바이스나 광 부품에 사용되며, 이와 같이 편광유지 광섬유들이 배열된 블록을 편광유지 광섬유 어레이(PMFA; Polarization Maintaining Fiber Array)라고 한다.
이러한 편광유지 광섬유 어레이의 성능은 광섬유의 편광축(Fast축, Slow축)을 잘 정렬시키는 것이 중요하다.
도 2는 종래의 편광유지 광섬유 어레이의 단면 모습을 보여주는 도면이다.
종래의 편광유지 광섬유 어레이 블록은 V-그루브(groove) 또는 U-그루브 구조를 가지며, 그 V-그루부 또는 U-그루브 내에 편광유지 광섬유(PMF)가 삽입된다. 그런데, 이러한 V-그루부(또는 U-그루브) 구조에서는 삽입된 광섬유의 편광축을 정렬시키기 위해 광섬유를 회전시킬 때 그루브가 광섬유를 제대로 지지해주지 못하기 때문에 광섬유가 움직이거나 틀어지지는 문제가 있다.
그러한 문제를 해결하기 위해 종래에는 광섬유 위에 유리 소재의 덮개(Lid)를 사용하여 광섬유를 압착한 상태에서 광섬유를 회전시켜 정렬한다.
그런데 이처럼 덮개로 광섬유를 압착하는 경우, 광섬유에 스트레스가 가해져 편광 특성에 문제가 발생할 수 있으며 광섬유를 정밀하게 회전시키는데 어려움이 발생한다.
본 발명은 편광유지 광섬유 어레이 블록의 구조를 개선하여 편광축 정렬을 위해 광섬유를 회전시킬 때 덮개(Lid) 없이도 광섬유가 흔들리거나 틀어지지 않도록 해주는 광섬유 어레이 블록을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 편광유지 광섬유 어레이 블록은 편광유지 광섬유들이 삽입될 수 있도록 식각된 적어도 하나의 그루브를 포함하되, 상기 그루브는 단면이 마름모(Rhombus) 형태를 가질 수 있다.
본 발명은 광섬유 어레이 블록에 삽입된 광섬유가 편광축 정렬을 위해 회전시킬 때 덮개(Lid) 없이도 광섬유가 흔들리거나 틀어지지 않도록 해줌으로써 편광 특성을 유지하면서 보다 용이하게 편광축 정렬을 수행할 수 있도록 해준다.
또한, 본 발명은 덮개를 사용하지 않음으로써 덮개가 광섬유를 누름으로써 발생되는 편광 변화와 낮은 편광 소광률을 제거할 수 있으며, 덮개를 사용하는 경우보다 소량의 에폭시를 사용하여 광섬유를 고정시킬 수 있어 신뢰성 높은 광섬유 어레이를 제작할 수 있다.
도 1은 종래의 다양한 종류의 편광유지 광섬유의 단면 모습을 보여주는 도면.
도 2는 종래의 편광유지 광섬유 어레이의 단면 모습을 보여주는 도면.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 편광유지 광섬유 어레이 블록의 구조를 나타내는 사시도.
도 4는 도 3에서 A-A'에 따른 단면 모습을 보여주는 단면도.
도 5는 광섬유 어레이 블록에 삽입된 편광유지 광섬유(122)와 광섬유 자켓(124)이 회전하는 모습을 보여주는 도면.
도 6a 내지 도 6f는 도 3의 광섬유 어레이 블록을 제조하는 과정을 설명하기 위한 공정 단면도들.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 편광유지 광섬유 어레이 블록의 구조를 나타내는 사시도이며, 도 4는 도 3에서 A-A' 및 B-B'에 따른 단면 모습을 보여주는 단면도이다.
광섬유 어레이 블록(110)은 복수 개의 편광유지 광섬유들이 일정 간격 이격되게 나란히 삽입될 수 있도록 라인 타입으로 평행하게 식각된 복수개의 그루브들(Grooves)(112)을 포함할 수 있다.
각 그루브(112)는 좁은 식각폭(제 1 식각폭)을 가지는 제 1 그루브(112a) 및 제 1 식각폭보다 넓은 식각폭(제 2 식각폭)을 가지며 제 1 그루브(112a)와 연결되게 형성된 제 2 그루브(112b)를 포함할 수 있다. 이때, 제 1 그루브(112a)는 자켓(jacket)이 스트립된 광섬유(광섬유 클래드(clad))가 삽입되는 영역이며, 제 2 그루브(112b)는 자켓이 스트립되지 않은 광섬유 케이블이 삽입되는 영역이다.
특히, 본 실시예에서는 광섬유 어레이 블록(110)에 형성된 그루브들(112a, 112b)의 단면 모양이 V자 형태 또는 U자 형태로 형성되지 않고, 그루브(112a, 112b)의 상부의 식각폭이 중간 부분의 식각폭 보다 작은 형태로 형성된다. 예컨대, 도 4에서와 같이 그루브들(112a, 112b)은 단면 모양이 마름모(Rhombus) 형태로 형성될 수 있다.
이처럼, 그루브들(112a, 112b)의 단면 모양이 마름모 형태를 가짐으로써 별도의 덮개(Lid) 없이 광섬유 어레이 블록(110) 만으로 광섬유를 안정되게 지지(holding) 해줄 수 있다.
도 5는 광섬유 어레이 블록에 삽입된 편광유지 광섬유(122)와 광섬유 자켓(124)이 회전하는 모습을 보여주는 도면으로, 그루브들(112a, 112b)의 단면 모양이 마름모 형태를 가짐으로써 광섬유 어레이 블록(110)은 덮개(Lid) 없이도 편광축 정렬을 위해 광섬유(122, 124)가 회전될 때 광섬유가 흔들리거나 틀어지지 않으면서 회전될 수 있도록 해준다.
광섬유 어레이 블록(110)에 광섬유(clad)(122)를 삽입시, 광섬유(122)를 자켓(124)이 삽입되는 부분에서부터 밀어서 삽입시킨다. 이때 광섬유의 삽입을 원활하게 하기 위하여 UV 경화용 에폭시(Epoxy)를 그루브(112a, 112b)에 조금 도포한 후 광섬유를 삽입시킬 수 있다.
이러한 UV 경화용 에폭시는 광섬유가 광섬유 어레이 블록(110)에 삽입되고 삽입된 광섬유들에 대한 정렬이 완료된 후 경화되어 광섬유(122, 124)가 광섬유 어레이 블록(110)에 밀착되어 고정되도록 해준다.
광섬유 어레이 블록(110)의 마름모 구조는 그 마름모 구조의 중심과 광섬유 어레이 블록(110)에 삽입된 광섬유의 중심축이 일치하는 구조로서, 광섬유(122, 124)의 중심은 광섬유 어레이 블록(110)에 형성된 마름모에서 마주보는 꼭지점들을 연결하는 수평방향의 직선과 수직방향의 직선이 교차하는 지점과 일치하게 된다. 그리고 광섬유(122, 124)는 마름모의 4면과 닿아 있는 구조로 되어 있어 광섬유(122, 124)의 편광축 정렬을 위해 광섬유(122, 124)를 회전시킬 때 광섬유(122, 124)가 흔들리지 않고 정렬되도록 할 수 있다.
도 6a 내지 도 6e는 도 3의 광섬유 어레이 블록을 제조하는 과정을 설명하기 위한 공정 단면도들이다.
먼저 도 6a을 참조하면, 반도체(실리콘) 기판(200) 상부에 하드마스크층(202)을 형성한다. 이때, 하드마스크층(202)은 실리콘 질화막(SiN)을 포함할 수 있다.
다음에 도 6b를 참조하면, 하드마스크층(202) 상부에 감광막(Photo Resist layer)(204)을 형성한다. 예컨대, 하드마스크층(202) 상에 감광액을 도포한 후 100℃ 이상의 온도에서 이를 베이킹(baking)하여 감광막(204)을 형성한다.
다음에 도 6c를 참조하면, 제 1 그루브(112a) 영역에 대한 그루브 패턴이 형성된 마스크(레티클)를 이용하여 감광막(204)에 대한 노광(Lithography) 공정을 수행함으로써 하드마스크층(202) 상에 제 1 그루브들(112a)이 형성될 영역을 정의하는 감광막 패턴(206)을 형성한다.
이때, 마스크의 선폭은 마름모 형태의 그루브(112a)를 형성하기 위한 에칭(etching) 깊이에 따라 결정될 수 있으며, 에칭 깊이는 삽입될 광섬유의 직경에 따라 결정될 수 있다. 예컨대, 마스크의 선폭은 80 ㎛ 또는 125 ㎛의 광섬유(clad)가 삽입될 수 있는 크기로 계산되어 결정될 수 있다.
다음에 도 6d를 참조하면, 감광막 패턴(206)을 식각 마스크로 하드마스크층(202)을 식각하여 실리콘 기판(200)을 노출시키는 하드마스트 패턴(208)을 형성한다. 이때, 하드마스크층(202)의 제거는 ICP 장비를 사용한 건식 식각 공정을 통해 이루어질 수 있다.
다음에 도 6e를 참조하면, 감광막 패턴(206)과 하드마스크 패턴(208)을 식각 마스크로 실리콘 기판(200)을 깊이 방향으로 식각하여 실리콘 기판(200)에 일정 깊이의 리세스(recess)(210)를 형성한다.
이때, 리세스(210)는 광섬유(clad)가 삽입되는 깊이만큼의 깊이를 가지며, RIE 장비를 사용한 건식 식각 공정을 통해 형성될 수 있다.
다음에 도 6f를 참조하면, 감광막 패턴(206)을 제거한 후 하드마스크 패턴(208)을 식각 마스크로 리세스(210)에 대해 비등방성 습식식각을 수행하여 마름모 형태의 단면을 갖는 제 1 그루브(212)를 형성한다.
즉, 균일한 폭으로 식각된 리세스(210)를 마름모 구조로 형성하기 위해 실리콘 결정 방향에 의한 에칭 각도로 비등방성 특성을 이용한 습식 식각을 수행한다.
이때, 습식 식각은 90℃ 이하의 온도조건에서 25% ∼ 50% 정도 농도의 수산화칼륨(KOH) 수용액에 실리콘 기판을 침수시킴으로써 이루어질 수 있다.
다음에, 하드마스크 패턴(208)을 제거한다. 예컨대, 불산(HF)을 수용액을 이용하여 실리콘 질화막(SiN)으로 이루어진 하드마스크 패턴(208)을 제거한다.
다음에, 제 2 그루브(112b) 영역에 대해서도 상술한 도 6b 내지 6f의 과정을 반복 수행함으로써 제 2 그루브들(112b)을 형성한다. 이때, 도 6e에서와 같이 실리콘 기판(200)을 식각하여 리세스를 형성시, 그 리세스는 자켓이 스트립되지 않은 광섬유 케이블이 삽입되는 깊이만큼의 깊이로 식각된다.
이때, 마스크(레티클)의 선폭은 마름모 형태의 그루브(112b)를 형성하기 위한 에칭(etching) 깊이에 따라 결정될 수 있으며, 에칭 깊이는 삽입될 광섬유의 직경에 따라 결정될 수 있다. 예컨대, 마스크의 선폭은 165 ㎛ 또는 250 ㎛의 광섬유 케이블(jacket)이 삽입될 수 있는 크기로 계산되어 결정될 수 있다.
상술한 과정들을 거쳐 마름모 형태의 그루브(112a, 112b)가 형성된 실리콘 기판을 다이싱(dicing) 머신을 이용하여 도 3과 같은 블록 단위로 절단하여 분리시킨다. 이때, 광섬유에 입사되는 광의 반사 손실을 최소화하기 위해 블록을 상하 또는 좌우 방향으로 8∼10도 정도의 각도로 비스듬하게 다이싱하여 블록을 분리시킨다.
상술한 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적을 위한 것으로, 당업자라면 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상과 범위를 통해 다양한 수정, 변경, 대체 및 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정 변경 등은 이하의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.
110 : 광섬유 어레이 블록
112a : 제 1 그루브
112b : 제 2 그루브
120 : 광섬유 클래드
124 : 자켓이 스트립되지 않은 광섬유 케이블

Claims (12)

  1. 편광유지 광섬유들이 삽입될 수 있도록 식각된 적어도 하나의 그루브를 포함하되, 상기 그루브는 단면이 마름모(Rhombus) 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 편광유지 광섬유 어레이 블록.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 그루브는
    제 1 식각폭을 갖는 제 1 그루브; 및
    상기 제 1 식각폭보다 넓은 제 2 식각폭을 가지며 상기 제 1 그루브와 연결된 제 2 그루브를 포함하는 것을 특징으로 하는 편광유지 광섬유 어레이 블록.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 제 1 그루브는
    자켓이 스트립된 광섬유 클래드가 삽입되는 것을 특징으로 하는 편광유지 광섬유 어레이 블록.
  4. 제 2항 또는 제 3항에 있어서, 상기 제 2 그루브는
    자켓이 스트립되지 않은 광섬유 케이블이 삽입되는 것을 특징으로 하는 편광유지 광섬유 어레이 블록.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 마름모는
    그 중심이 상기 그루브에 삽입된 광섬유의 중심축과 일치하는 것을 특징으로 하는 편광유지 광섬유 어레이 블록.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 마름모는
    각 면이 상기 그루브에 삽입된 광섬유와 접하는 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 편광유지 광섬유 어레이 블록.
  7. 반도체 기판 상에 제 1 그루브 영역을 정의하는 마스크 패턴을 형성하는 단계;
    상기 마스크 패턴을 식각 마스크로 상기 반도체 기판을 제 1 깊이만큼 식각하여 제 1 리세스를 형성하는 단계; 및
    상기 리세스를 식각하여 마름모 형태의 제 1 그루브를 형성하는 단계를 포함하는 편광유지 광섬유 어레이 블록 제조 방법.
  8. 제 7항에 있어서, 상기 제 1 리세스를 형성하는 단계는
    광섬유 클래드(clad)가 삽입되는 깊이만큼 반도체 기판이 식각되는 것을 특징으로 하는 편광유지 광섬유 어레이 블록 제조 방법.
  9. 제 7항에 있어서, 상기 제 1 그루브를 형성하는 단계는
    상기 제 1 리세스에 대해 비등방성 습식 식각을 수행하는 것을 특징으로 하는 편광유지 광섬유 어레이 블록 제조 방법.
  10. 제 7항에 있어서,
    상기 반도체 기판 상에 제 2 그루브 영역을 정의하는 마스크 패턴을 형성하는 단계;
    상기 마스크 패턴을 식각 마스크로 상기 반도체 기판을 제 2 깊이만큼 식각하여 제 2 리세스를 형성하는 단계; 및
    상기 제 2 리세스를 식각하여 마름모 형태의 제 2 그루브를 형성하는 단계를 더 포함하는 편광유지 광섬유 어레이 블록 제조 방법.
  11. 제 7항에 있어서, 상기 제 2 리세스를 형성하는 단계는
    자켓이 스트립되지 않은 광섬유 케이블이 삽입되는 깊이만큼 반도체 기판이 식각되는 것을 특징으로 하는 편광유지 광섬유 어레이 블록 제조 방법.
  12. 제 7항에 있어서, 상기 제 2 그루브를 형성하는 단계는
    상기 제 2 리세스에 대해 비등방성 습식 식각을 수행하는 것을 특징으로 하는 편광유지 광섬유 어레이 블록 제조 방법.
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