KR20170117557A - 포토닉 ic 특성화 및 패키징을 위한 멀티-포트 광 프로브 - Google Patents
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Abstract
PIC(photonic integrated circuit) 칩들에 대한 개선된 패시브 광 결합이 제공된다. 하나 또는 그 초과의 플렉시블 광 도파관 부재들(112, 114, 116)을 갖는 인터포저 유닛(108)이 채용된다. 플렉시블 광 도파관 부재들은 자신들의 팁들을 통해 PIC 칩(118)에 결합된다. PIC 칩은 PIC 칩의 온-칩 광 도파관들에 대한 플렉시블 광 도파관 부재들의 측방, 수직 및 종방향 패시브 정렬을 가능하게 하기 위한 정렬 피쳐들을 포함한다.
Description
본 발명은 포토닉 집적 회로 칩에 대한 광 결합(optical coupling)에 관한 것이다.
PIC(photonic integrated circuit) 칩에 광섬유들을 결합하는 것은, 특히 한 번에 다수의 섬유 연결들의 경우 어려운 작업이다. 이는, PIC 도파관들 내부의 광 필드(optical field)의 크기가 1미크론 정도이기 때문인데, 이는 최적의 결합을 달성하기 위해 섬유 연결을 3차원에서 서브-미크론 정밀도로 포지셔닝해야할 필요가 있음을 의미한다. 하나 또는 두 개의 섬유들을 단일의 PIC 출력/입력 도파관에 부착하기 위해, 표준 방법들이 존재하는데, 이 방법들은 바람직하지 않게 비용이 많이 든다. 그러나, 다수의 섬유들을 PIC 칩에 부착하는데 있어서 우수하고, 신뢰가능하며 저렴한 솔루션들은 존재하지 않는다.
다수의 섬유-칩 결합들은, PIC 칩의 출력들에 정확하게 정렬된 후 고정되고 고정 이후에 가능한 한 미세하게-조정된 렌즈형(lensed) 섬유 어레이를 사용함으로써 지금까지 수행되어 왔다. 이는 어렵고 비용이 많이 들며, 섬유 어레이들이 제조되는 정밀도는 미크론 정도인데, 서브-미크론 정밀도에 도달하는 것은 개별 섬유들의 주의 깊은 선택을 요구한다. 다른 방법은 빔 확장(beam expansion)을 위해 렌즈-어레이를 사용한다. 제 2 렌즈-어레이의 주의 깊은 정렬이 필요하다. 이 두 방법들은, “액티브 정렬(active alignment)”을 요구하는데, 여기서 광(light)은 PIC 칩 상에서 생성 또는 검출되며, 광섬유 어레이들에 대해 결합된 광출력을 최대화함으로써 광 결합이 최적화된다. 패시브 정렬(passive alignment)은 더 간단한 프로세스인데, 여기서 부품들은 이들을 조명하고 광 신호(optical signal)들을 최적화하지 않고 정렬된다.
패시브 정렬을 사용하여 PIC 칩에 고성능의 광 결합을 제공하는 것이 기술 분야의 진보일 것이다.
이러한 작업은, 다수의 섬유들(또는 다른 광 컴포넌트(optical component)들)을 서브-미크론 종방향(longitudinal), 측방(lateral) 및 수직(vertical) 정렬 허용오차들로 칩에 광학적으로 결합할 수 있고, 그리고 최첨단 산업 장비를 통해 수동적으로 달성될 수 있는 수 미크론들의 초기 패시브 정렬만을 요구하는, 이러한 문제에 대한 솔루션을 제공한다. 이는 전체적으로 자동화된 어셈블리를 허용한다. 이에 더해, 이러한 접근방식은 광 신호들의 온-웨이퍼 프로빙을 제공하는데 사용될 수 있고, 이에 의해 광 신호들의 웨이퍼-레벨 테스팅을 가능하게 한다. (다이싱(dicing) 또는 클리빙(cleaving) 이전의) 조기 제조 단계에서의 PIC 칩들의 광 테스팅(optical testing)은 매우 바람직한 특징인데, 격자 결합기(grating coupler)가 사용될 수 있는 멤브레인 타입 도파관들을 제외하고는, 현재 이용가능하지 않다.
이러한 작업의 주요 원리는, 일 측에서는 하나 또는 그 초과의 표준 광섬유들(또는 다른 광 컴포넌트들)에, 그리고 다른 측에서는 PIC 칩에 쉽게 연결하는 인터포저(interposer)를 사용하는 것이다. 인터포저로부터 광섬유들로의 연결은, 광 필드(optical field)들의 크기가 매칭되는 확립된 기술이다. PIC 칩으로의 연결은, 통상적으로 각각이 광 필드 필드를 가이딩하기 위한 도파관을 포함하는, 리소그래피에 의해 정의된 다수의 길고 얇은 플렉시블 광 도파관 부재들(본원에서는 종종, “핑거들(fingers)”로 지칭됨)에 의해 제공된다. 이러한 핑거들은, 도파 특성들뿐만 아니라 이들에게 요구되는 플렉시빌리티를 제공하기 위한 기계적 특성들 모두를 갖는 인터포저 재료로 제조된다. 동일한 재료에서, 광-가이딩(light-guiding) 도파관들은 광섬유 어레이로 라우팅될 수 있다. 인터포저에서, 핑거들과 섬유들 사이에서, 확장된 도파관들이 상당히 완화된 허용오차로 광섬유 어레이에 부착하는 방식으로 광 필드가 확장될 수 있다. 이러한 방식에서, 이러한 구조는 섬유 어레이와 PIC 칩 사이의 크기 어댑터(size adapter)로서 작용할 수 있다.
통상적으로, 도파관들은 기판 상에 성장되거나 증착되는 광-가이딩 재료의 상위 수 미크론들(top few microns)로 형성된다. 이 기판은 종종 실리콘이다. 핑거들 아래에 있는 기판을 제거함으로써, 이들 핑거들은 500미크론 내지 1.5mm의 전형적인 길이들 및 약 10×10 미크론들의 단면을 갖는 자유-행잉 캔틸레버 구조가 된다. 핑거들 아래에 있는 기판을 완전하게 제거함으로써, 핑거들은 인터포저 구조의 최상부(top) 및 최하부(bottom) 둘 다로부터 보이게 되며, 이는 정렬을 돕고 핑거들이 이동하는 공간을 제공한다.
핑거들을 PIC 칩 상에 포지셔닝하고 도파관들을 정렬시키기 위해, PIC 칩 상의 랜딩 영역은 인터포저와 PIC 칩 사이의 광 연결 연결을 생성하기 위해 정확한 포지션으로 핑거들의 기계적인 안내(mechanical guidance)를 제공한다. 핑거들을 포지션에 영구적으로 부착함으로써(affixing) 인터포저를 통한 영구적인 섬유-칩 결합이 제공될 수 있다. 대안적으로, 인터포저는, 광 프로브 헤드(optical probe head)로서 작용할 수 있고, 웨이퍼로부터 분리된 칩들을 클리빙하기 전에 일시적인 광 연결들을 통해 온-웨이퍼 광 특징화를 수행하는데 사용될 수 있다.
플렉시블 핑거들의 최상부에 금속층을 부가하고 그리고 랜딩 영역 상에 또는 그에 인접하게 금속층을 부가함으로써, 이들 구조들은 광 테스팅 및 전기 테스팅을 동시에 수행하기 위한 성능을 제공할 수 있다. 이는, 광 신호 및 전기 신호 둘 다를 독립적으로 가이딩하는 동일한 핑거를 통해서 행해질 수 있거나, 또는 전기적 연결들을 위해 전용되는 분리된 세트의 핑거들에서 행해질 수 있다.
이러한 인터포저 접근방식은 상당한 이점들을 제공한다.
1) 이는 PIC 칩과 하나 또는 그 초과의 다른 광 컴포넌트들 사이에 정확한 패시브 정렬을 허용한다. PIC 칩에서, PIC 칩 상의 도파관들에 대한 플렉시블 핑거들의 기계적 정렬을 가능하게 하는 랜딩 영역이 정의된다. PIC 도파관들, 랜딩 영역 및 플렉시블 핑거들의 치수들은, 광 모드(optical mode)들의 정렬이 기계적 맞물림에 의해 제공되도록, 선택될 수 있다. 요구되는 제조 허용오차는 충분히 현재의 성능들 내에 있다.
2) 이는 최종 정렬 정확도에 다양한 오류 소스들을 부가하는 허용오차 체인을 단축시킨다. 정렬 피쳐들에 대한 핑거들의 직접 랜딩이 존재하기 때문에, 이는 인터포저와 PIC 칩 사이에 가능한 가장 짧은 허용오차 체인을 제공한다.
3) PIC에 고밀도 광 연결을 제공한다. 핑거들이 작을 수 있기 때문에, 피치도 또한 작을 수 있다(예컨대, 25미크론 정도). 이는, 127 또는 250 미크론의 통상적인 피치를 갖는 표준 광섬유 어레이보다 5배 내지 10배 더 조밀하다. 인터포저는 이 피치 미스매칭을 브릿징할 수 있다. 예컨대, 25 미크론 피치에 64개의 핑거들을 갖는 연결은 너비가 단지 1.6mm이다.
4) 전통적인 방법들에 따른 문제점은, 멀티포트 광 결합과 PIC 칩의 열 팽창의 차이에 있으며, 이는 온도-의존성 정렬 또는 재료들에 있어서의 응력으로 이어진다. 핑거들이 플렉시블하기 때문에, 핑거들은 열 팽창 미스매칭을 겪지 않을 것이다.
5) 핑거들의 플렉시빌리티로 인해, 반드시 핑거들 모두를 사용할 필요는 없다. 예컨대, 표준 64 핑거 인터포저를 가질 수 있고, 오직 10개의 핑거들만을 사용하여 온-칩 도파관들에 정확하게 연결할 수 있다. 다른 핑거들은 플로팅한 채로 남겨질 수 있는데, 이는 핑거들의 플렉시빌리티로 인해 어떠한 문제점들도 또는 기계적 손상도 일으키지 않을 수 있다.
6) 대부분의 PIC 칩들에서 이동하는 광은 평면 내에서 유지되며 샘플들의 에지로부터 결합될 것이다. 전통적으로, 회로들의 성능을 특징화하기 위해, PIC 칩들은 먼저 웨이퍼로부터 클리빙되거나 또는 다이싱되어야만 하고, 그후 테스팅을 위해 광섬유에 결합된 광 입력/출력을 가져야만 한다. 그러나, 현재의 접근방식을 통해, 광은 웨이퍼를 개별 칩들로 클리빙할 필요 없이 웨이퍼 내 PIC 칩에/또는 그로부터 결합될 수 있다. 대신에, 에칭에 의해 도파관 단부면들이 형성된다. 이하에 더욱 상세하게 설명되는 바와 같이, 이렇게 에칭된 단부면들은 반사를 감소시키도록 각을 이룰 수 있다(angled).
7) 저손실 재료의 인터포저를 갖는 것은, 예컨대, 편광 변형(polarization modification), 광 분리(optical isolation), 파장 멀티플렉싱, 파장 디멀티플렉싱, 파장-선택 라우팅, 파장-선택 스위칭, 간섭측정(interferometry), 스위칭, 하나 또는 그 초과의 링 공진기들을 이용한 공진 제공, 광 지연들의 제공, 분할(splitting) 및 조합(combining) 등과 같은, 인터포저에 대한 추가적인(광학적인) 기능들의 이점을 당업자로 하여금 취하도록 허용한다.
8) 광 및 전기 테스팅 성능들을 동시에 제공할 수 있다.
이 방법은 반드시 평면-내 아웃커플링(in-plane outcoupling)으로 제한되는 것은 아니다. 유사한 방법이 평면-외 격자 결합기들에 연결하는데 사용될 수 있는데, 이 경우, 섬유 어레이들과 비교하여, 감소된 피치에 주요 이점이 있다.
평면-내 온-웨이퍼 광 프로빙 프로빙의 경우, 종래의 기술과 함께 이용가능한 실제 솔루션들이 존재하지 않는다. 평면-내 온-웨이퍼 프로빙의 경우, 이 작업의 PIC 도파관들 및 랜딩 영역들은, 칩들이 웨이퍼로부터 클리빙/다이싱되면, 최종 정렬에 사용될 도파관들이 온-웨이퍼 프로빙에 사용되는 도파관들과 동일한 방식으로 설계될 수 있다.
도 1a-1c는 본 발명의 실시예들의 몇몇 최상부 도면들을 도시한다.
도 2a-2b는 예시적인 포토닉 집적 회로 정렬 피쳐들의 상세화된 도면들을 도시한다.
도 3a-3b는 예시적인 포토닉 집적 회로 정렬 피치들의 추가적으로 상세화된 도면들을 도시한다.
도 3c는 광 결합 이외에 플렉시블 광 도파관 부재에 의해 형성되는 전기적 연결을 도시한다.
도 3d는 플렉시블 광 도파관 부재들과는 독립적으로 형성되는 전기적 연결을 갖는 본 발명의 일 실시예의 평면도를 도시한다.
도 4는 인터포저 유닛에서의 모드 크기 제어의 일 예를 도시한다.
도 5a-5c는 본 발명의 실시예들에서 광 반사들을 감소시키기 위한 몇몇 방법들을 도시한다.
도 6은 제조된 플렉시블 광 도파관 부재들의 이미지이다.
도 7은 포토닉 집적 회로 칩 상의 제조된 정렬 피쳐들의 이미지이다.
도 8a는 포토닉 집적 회로 칩의 정렬 피쳐에 배치된 인터포저 유닛의 핑거들의 이미지이다.
도 8b는 PIC 칩의 온-칩 도파관들과의 광 정렬을 제공하기 위해 포토닉 집적 회로 칩의 정렬 피쳐들과 완전하게 맞물린 인터포저 유닛의 핑거들의 이미지이다.
도 9a는 PIC 칩에 인터포저 유닛의 핑거들을 부착시키기 위한 글루(glue)의 사용을 도시하는 이미지이다.
도 9b는 PIC 칩에 인터포저 유닛의 핑거들을 고정시키기 위한 예시적인 본딩 개념을 도시한다.
도 9c는 PIC 칩에 인터포저 유닛의 핑거들을 고정시키기 위한 플립-칩 본딩 개념을 도시한다.
도 9d는 PIC 칩에 인터포저 유닛의 핑거들을 고정시키기 위한 대안적인 플립-칩 본딩 개념을 도시한다.
도 2a-2b는 예시적인 포토닉 집적 회로 정렬 피쳐들의 상세화된 도면들을 도시한다.
도 3a-3b는 예시적인 포토닉 집적 회로 정렬 피치들의 추가적으로 상세화된 도면들을 도시한다.
도 3c는 광 결합 이외에 플렉시블 광 도파관 부재에 의해 형성되는 전기적 연결을 도시한다.
도 3d는 플렉시블 광 도파관 부재들과는 독립적으로 형성되는 전기적 연결을 갖는 본 발명의 일 실시예의 평면도를 도시한다.
도 4는 인터포저 유닛에서의 모드 크기 제어의 일 예를 도시한다.
도 5a-5c는 본 발명의 실시예들에서 광 반사들을 감소시키기 위한 몇몇 방법들을 도시한다.
도 6은 제조된 플렉시블 광 도파관 부재들의 이미지이다.
도 7은 포토닉 집적 회로 칩 상의 제조된 정렬 피쳐들의 이미지이다.
도 8a는 포토닉 집적 회로 칩의 정렬 피쳐에 배치된 인터포저 유닛의 핑거들의 이미지이다.
도 8b는 PIC 칩의 온-칩 도파관들과의 광 정렬을 제공하기 위해 포토닉 집적 회로 칩의 정렬 피쳐들과 완전하게 맞물린 인터포저 유닛의 핑거들의 이미지이다.
도 9a는 PIC 칩에 인터포저 유닛의 핑거들을 부착시키기 위한 글루(glue)의 사용을 도시하는 이미지이다.
도 9b는 PIC 칩에 인터포저 유닛의 핑거들을 고정시키기 위한 예시적인 본딩 개념을 도시한다.
도 9c는 PIC 칩에 인터포저 유닛의 핑거들을 고정시키기 위한 플립-칩 본딩 개념을 도시한다.
도 9d는 PIC 칩에 인터포저 유닛의 핑거들을 고정시키기 위한 대안적인 플립-칩 본딩 개념을 도시한다.
도 1a는 본 발명의 예시적인 실시예의 평면도이다. 이 예에서, 몇몇 광섬유들(102, 104 및 106)은 인터포저 유닛(108)을 통해 포토닉 집적 회로 칩(118)에 광학적으로 결합된다. 인터포저 유닛(108)은 하나 또는 그 초과의 플렉시블 광 도파관 부재들을 포함하며, 이 부재들은 여기서 112, 114, 및 116으로 참조된다. 플렉시블 광 도파관 부재들 각각은 광 도파관을 포함한다. 이러한 도파관들은 여기에서 두꺼운 검정색 선들로 도시되어 있으며 110로 참조된다. 도시된 바와 같이, 플렉시블 광 도파관 부재들은, 플렉시블 광 도파관 부재들의 팁(tip)들을 통해 PIC 칩(118)의 온-칩 광 도파관들(120)과 인터포저(108) 사이를 광학적으로 결합하도록 구성된다.
도 1a의 예에서, 인터포저 유닛은 섬유들(102, 104 및 106)의 어레이의 피치(즉, 섬유-대-섬유 간격)를 온-칩 광 도파관들(120)의 피치에 매칭시키는 기능을 제공한다. 본 발명의 실시는, PIC 칩에 광 결합을 제공하는 것 이외에 다른 기능들(존재한다면)이 인터포저 유닛에서 구현되는지에 결정적으로 의존하지 않는다. 도 1b는 인터포저 유닛(108)의 일반적인 기능 블록(122)의 포함을 도시한다. 인터포저 유닛(108)에 의해 제공될 수 있는 기능들은: 편광 변형, 광 분리, 파장 멀티플렉싱, 파장 디멀티플렉싱, 파장-선택 라우팅, 파장-선택 스위칭, 스위칭, 간섭측정, 하나 또는 그 초과의 링 공진기들을 통해 공진을 제공하는 것, 광 지연들을 제공하는 것, 분할 및 조합을 포함한다(그러나, 이에 제한되지 않는다).
도 1a 및 도 1b의 예들은 PIC 칩의 에지 또는 그 근처에서의 광 결합을 도시한다. 그러나, 이는 본 발명을 실행하기 위해 반드시 필요한 것은 아니다. 이하에 더욱 상세하게 관찰되는 바와 같이, PIC 칩의 에지로의 액세스가 반드시 필요한 것은 아니다. 본 발명의 원리들에 따른 광 결합은 (예컨대, 제조된 포토닉 집적 회로들의 웨이퍼를 개별적인 PIC 칩들로 다이싱하기 전에, 테스팅시에) 중간-칩에서 그리고 보다 의미있게는 중간-웨이퍼에서 형성될 수 있다. 도 1c는 이러한 가능성을 개략적으로 나타낸다.
일 예시적인 설계에서, 인터포저 유닛은 5x5mm의 크기를 가졌고 32개의 광 입력들/출력들(I/O)을 가졌다. 섬유 측에서, 127μm의 피치를 갖는 32 섬유 어레이 유닛이 부착될 수 있다. 칩의 다른 측에서, 피치는 InP 또는 Si PIC 칩들의 고밀도 광 I/O와 호환가능한 50μm였다. 본 발명의 실시는 PIC 칩들에 사용되는 재료들에 크게 의존하지 않는다. 적절한 재료들은 InP, Si, GaAs, 산화물들, 및 질화물들을 포함한다(그러나, 이에 제한되지 않는다). PIC 칩 측에 25μm 피치를 갖는 인터포저 유닛 설계들이 또한 이루어졌다. 다른 셀 설계들은 4 내지 128 범위의 상이한 수의 광 입력들/출력들로 이루어졌다. 이 특정 설계에서 핑거들은 750μm의 길이를 가졌지만, 500 내지 1500μm 범위의 길이를 갖는 핑거들을 갖는 인터포저 유닛들이 설계되고 제조되었다.
PIC 칩의 온-칩 광 도파관들에 대한 인터포저 유닛의 플렉시블 광 도파관 부재들의 패시브 정렬을 가능하게 하기 위해, PIC 칩은 PIC 칩의 온-칩 광 도파관들에 대한 플렉시블 광 도파관 부재들의 팁들의 패시브 측방, 수직 및 종방향 정렬을 가능하게 하기 위한 정렬 피쳐들을 포함한다. 이러한 정렬 피쳐들은 종종 이 설명에서 랜딩 구역들로 지칭된다.
도 2a-2b는 이러한 정렬 피쳐들의 예들을 도시한다. 도 2a는, 그 옆의 영역(204)을 에칭함으로써 도파관(206)이 형성되는 PIC 칩(202)의 부분을 도시한다. 도파관은 측방 테이퍼(도시된 바와 같이)를 갖고 스토퍼 섹션(210)을 갖는 트렌치(208) 옆에 배치된다. 도파관(206) 대신에, 다른 온-칩 구조들이 결합 영역의 면에 광을 가이딩하기 위해 사용될 수 있다. 도 2b는, 광 도파관(214)을 그 내부에 갖는 플렉시블 광 도파관 부재(212)가 이러한 피쳐들과 기계적으로 맞물릴 때 이들 피쳐들이 어떻게 작동하는지를 도시한다. 도시된 바와 같이, 트렌치(208)의 측방 테이퍼의 효과는, 온-칩 광 도파관(206)의 단부면에 플렉시블 광 도파관 부재(212)의 팁의 측방 정렬을 제공하는 것이다. 스토퍼 섹션(210)의 효과는, 온-칩 광 도파관(204/206)의 단부면에 대해 플렉시블 광 도파관 부재(212)의 팁의 종방향 포지셔닝을 제공하는 것이다. 도시된 바와 같이, 여기서의 효과는 온-칩 도파관(204/206)과 플렉시블 광 도파관 부재(212) 사이에 정밀하게 제어된 분리(216)를 제공하는 것이다. 일부 경우들에서, 분리(216)는 자유 공간 분리이다. 대안적으로, 인덱스 매칭 물질이 이 영역에 배치될 수 있다.
이러한 정렬 피쳐들 및 온-칩 도파관 단부면이 에칭에 의해 형성될 수 있다. 도파관 단부면의 전면에, 광이 자유 공간에서 이동하기 위해 개구(216)가 형성된다. 이러한 개구의 폭은, 온-칩 도파관의 광 출력의 회절에 의해 또는 핑거의 회절에 의해 결정될 수 있다. 플렉시블 광 도파관 부재(212)보다 더 좁은 이러한 개구는, 광 결합을 최적화하기 위해 그리고 온-칩 도파관 단부면과의 콘택에 대한 보호를 제공하기 위해 z-거리 제어로서 작용한다. 일부 경우들에서, 온-칩 도파관 단부면들은 인터포저 유닛의 플렉시블 광 도파관 부재들의 팁들과의 직접 콘택을 허용하기에 충분히 기계적으로 견고할 수 있다. 이러한 경우들에서, 스토퍼 섹션(210)이 생략될 수 있다. 여기서, 온-칩 광 도파관들의 단부면들에 대한 플렉시블 광 도파관 부재들의 팁들의 종방향 포지셔닝은 도파관 단부면들에 대한 팁들의 물리적 콘택에 의해 제공될 것이다.
도 3a의 측면도에서 관찰될 수 있는 바와 같이, 피쳐들이 또한 수직 정렬을 제공하기 위해 PIC 칩 상에 존재한다. 여기서, 304는 PIC 칩의 온-칩 광 도파관이고 층들(302 및 306) 사이에 수직으로 삽입되며(sandwiched), 광 도파관(310)을 포함하는 플렉시블 광 도파관 부재(308)는 도시된 바와 같이 도파관(304) 및 도파관(310)이 수직으로 정렬되도록 배치된다. 도 2a-2b의 트렌치(208)의 깊이는 이러한 수직 정렬을 제공하기 위해 제어될 수 있다. 이 프로세스는 매우 정확하고 50nm(예컨대, ±25nm) 이내로 제어될 수 있다. 도 3b는 도 3a의 예와 유사한 예를 도시한다. 여기서, 광 프로빙이 사실상 웨이퍼 상의 어떠한 포지션에서든 행해질 수 있다는 것이 명백하다.
이전의 예들은 PIC 칩으로의 광 결합을 제공하기 위한 인터포저 유닛의 사용에 관한 것이다. 이러한 인터포저 유닛들은 또한 광 결합 이외에도 전기적 연결들을 제공하는데 사용될 수 있다. 도 3c의 예는, 금속(312)이 위에 설명된 바와 같이 광 결합을 제공하는 것 이외에도 PIC 칩(302)의 콘택 패드(314)와의 접촉을 행하기 위해 플렉시블 광 도파관 부재(308) 상에 배치되는 것을 제외하고는, 도 3a의 예와 유사하다. 여기서, 인터포저 유닛은 PIC 칩에 대한 전기적 접촉을 행하기 위한 전기적 콘택들을 포함하고, 이러한 콘택들은 플렉시블 광 도파관 부재들 중 하나 또는 그 초과 상에 배치된다. 금속들(312 및 314)의 두께가 중요한 경우들에서, PIC 칩의 광 도파관과 플렉시블 광 도파관 부재들 사이의 적절한 수직 정렬을 확보하기 위해 이러한 두께들이 고려될 필요가 있을 것이다.
도 3d의 예는, 인터포저 유닛(108)의 전기적 콘택(322)이 플렉시블 부재(320)를 통해 PIC 칩(118)의 콘택 패드(324)에 연결되는 것을 제외하고는 도 1b의 예와 유사하다. 하나 초과의 이러한 전기적 콘택이 형성될 수 있다. 여기서, 이러한 전기적 콘택들은 플렉시블 광 도파관 부재들과는 별개이다.
인터포저 유닛이 전기적 콘택들을 포함하는 경우들에서, 인터포저 유닛은 도 1a에 도시된 바와 같이 광 피치 매칭과 유사하게 PIC 칩의 온-칩 전기적 콘택들의 피치에 오프-칩 전기적 연결들의 피치를 매칭시키도록 구성될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 인터포저 유닛들은 광 모드 크기를 변경하기 위한 피쳐를 포함할 수 있다. 도 4는 일 예를 도시한다. 여기서, 도파관 코어(406)는 클래딩(404 및 408)에 의해 둘러싸여 있다. 402는 기판(예컨대, 실리콘)이다. 도면 좌측에서 우측으로 진행하면, 모드측은 코어(406)의 두께를 증가시킴으로써 영역(410)에서 감소된다. 이는, 인터포저 유닛에 광 기능을 제공하고, 그리고 디바이스의 후속 영역(즉, 도면에서 더 우측)의 기판(402)에 대한 손실들을 감소시키는데 도움이 된다. 영역(412)에서, 모드 크기는 인터포저 유닛의 플렉시블 광 도파관 부재(414)의 모드 크기를 PIC 칩의 온-칩 광 도파관들의 모드 크기에 매칭시키기 위해 증가된다. 이러한 모드 매칭 피쳐들에 대한 다른 사용은, PIC 칩의 온-칩 광 도파관들의 제 1 모드 크기와, 플렉시블 광 도파관 부재들에 광학적으로 결합된 하나 또는 그 초과의 광섬유들의 제 2 모드 크기 간의 모드 매칭을 제공하는 것이다. 이는, 도 1a의 예와 같은 섬유 어레이 실시예들에 사용될 수 있다.
바람직한 실시예들에서, 후방 반사(back reflection)들은 다양한 방식들로 감소된다. 도 5a는, 로우 인덱스 영역(502)에 의해 둘러싸인 하이 인덱스 영역(504)에 의해 형성된 PIC 칩 도파관의 단부면(506)이 온-칩 광 도파관의 내부 후방-반사(파선 화살표)를 감소시키기 위해 온-칩 광 도파관(502/504)의 광축(optical axis)에 대하여 각을 이루는 제 1 예를 도시한다. 여기서, 트렌치(508)는 PIC 칩의 정렬 피쳐이며, 510은 정렬 피쳐에 맞물림된 플렉시블 광 도파관 부재이고, 512는 부재(510) 내 광 도파관이며, 514는 플렉시블 광 도파관 부재(510)의 단부면이다.
도 5b는, 또한 단부면(514)이 플렉시블 광 도파관 부재(점선 화살표)의 내부 후방-반사를 감소시키기 위해 플렉시블 광 도파관 부재(510)의 광축에 대하여 각을 이루는 제 2 예를 도시한다. 도 5b의 예에서, 이 두 단부면들은 내부 반사들을 감소시키기 위해 각을 이룬다.
이러한 구성은 또한 하나의 도파관의 단부면으로부터 다른 도파관 내부로의 외부 반사들을 감소시키는 기능을 한다. 더욱 구체적으로, 도 5c의 파선 및 점선 화살표들에 의해 도시된 바와 같이, 플렉시블 광 도파관 부재의 단부면(514)으로부터 반사된 광은 PIC의 온-칩 광 도파관의 단부면(506)으로부터 멀리 지향되고, 온-칩 광 도파관의 단부면(506)으로부터 반사된 광은 플렉시블 광 도파관 부재의 단부면(514)으로부터 멀리 지향된다.
이러한 단부면 경사(tilt)들은, 2개의 도파관들 간의 송신이 도 5b에 또한 도시된 바와 같이 적절하게 정렬되도록 구성될 수 있다. 반사-방지 코팅들(어수선함(clutter)을 감소시키기 위해 도면들에 도시되지 않음)이, 바람직하지 않은 후방-반사들을 추가로 감소시키기 위해 PIC 칩의 온-칩 도파관들의 단부면들 및/또는 플렉시블 광 도파관 부재들의 단부면들 상에 포함될 수 있다. 또한, 위에 설명된 접근방식들에 대안적으로 또는 이들과 조합하여 단부면들은 수직으로 경사져서 반사들을 감소시킬 수 있다.
도 6은 인터포저 유닛의 0.75mm 길이의 플렉시블 광 도파관 부재들의 SEM(scanning electron microscope) 이미지이다.
도 7은 포토닉 집적 회로 칩의 정렬 피쳐들의 이미지이다.
도 8a는 포토닉 집적 회로 칩의 정렬 피쳐에 배치된 인터포저 유닛의 핑거들의 이미지이다.
도 8b는 PIC 칩의 온-칩 도파관들과의 광 정렬을 제공하기 위해 포토닉 집적 회로 칩의 정렬 피쳐들과 완전하게 맞물린 인터포저 유닛의 핑거들의 이미지이다.
본 발명의 실시는, 인터포저 유닛의 플렉시블 광 도파관 부재들이 PIC 칩에 부착되는지의 여부 또는 그 방법에 결정적으로 의존하지 않는다. 테스팅을 위해, 플렉시블 광 도파관 부재들의 팁들과 PIC 칩 사이의 광 연결들은 PIC 칩을 테스팅하는데 사용되는 일시적인 연결들이다. 이는, PIC 칩이 여전히, 다른 PIC 칩들을 포함하는 웨이퍼의 일부일 때의 제조 시점에 행해질 수 있음에 주목한다. PIC 칩들의 이러한 웨이퍼-스케일 테스팅을 가능하게 하는 것은 본 접근방식의 주요 이점이다.
인터포저 유닛과 PIC 칩 사이의 영구적인 연결들이 바람직한 경우들에서, 몇몇 대안들이 사용될 수 있다. 영구적인 연결들은 인덱스 매칭 글루, 글루 또는 솔더와 같은 접착제로 이루어질 수 있다. 인덱스 매칭 접착제는, 접착제가 PIC 칩과 인터포저 유닛 사이의 광 경로에 있는 경우들에서 바람직하다. 접착제가 이 광 경로에 배치되지 않으면, 이를테면, 규칙적인 접착제 및 솔더와 같은 다른 재료들이 사용될 수 있다.
영구적인 연결들을 형성하기 위한 또 다른 접근방식은, 플렉시블 광 도파관 부재들이 압축 상태에 있고 자신들의 탄성 복원력들로 인해 적소에(in position) 고정된 채로 유지되도록, PIC 칩 및 인터포저 유닛을 배치하는 것이다. 이는, 도 9b의 캐리어 본딩 접근방식과 관련하여 또는 도 9c-9d의 플립 칩 본딩 접근방식들과 관련하여 사용될 수 있다.
도 9a는 PIC 칩에 인터포저 유닛의 핑거들을 부착시키기 위한 글루의 사용을 나타내는 이미지이다. 여기서의 아이디어는, 랜딩 존의 내부 또는 외부의 도파관 면들로부터 멀리 글루의 작은 방울들을 생성하는 것이고, 광 플렉시블 빔들이 정렬되면, 글루는 경화되어 인터포저 유닛의 핑거들을 PIC 칩에 고정시킨다.
도 9b는 캐리어(902) 상에 배치된 PIC 칩(904)을 도시한다. 인터포저 유닛은 기판(906), 및 도파관(912)을 포함하는 플렉시블 광 도파관 부재(910)를 포함한다. 여기서 908은 FAU(fiber array unit)이다. 이것은 측면도이기 때문에, 플렉시블 광 도파관 부재들 중 단일의 플렉시블 광 도파관 부재만이 도시된다. 여기서, PIC 칩(904)은 접착제, 이를테면, 솔더, 글루 또는 에폭시에 의해 캐리어(902)에 부착된다. 유사하게, 인터포저 유닛은 접착제, 이를테면, 솔더, 글루 또는 에폭시에 의해 캐리어(902)에 부착된다. 도면에 도시된 바와 같이, 캐리어는 플렉시블 광 도파관 부재들이 압축상태에 있도록 구성된다. 따라서, 플렉시블 광 도파관 부재들의 팁들과 정렬 피쳐들 사이에 접착 본드가 없음에도 불구하고, 그러한 팁들은 적소에 유지될 것이고, PIC 칩(904)의 정렬 피쳐들과 기계적으로 맞물릴 것이다.
도 9c는 PIC 칩에 인터포저 유닛의 핑거들을 고정시키기 위한 플립-칩 본딩 개념을 도시한다. 이 예에서, 902는 캐리어이고, 904는 플립-칩 본딩(914)을 통해 캐리어(902)에 본딩된 포토닉 집적 회로 칩이고, 906은 인터포저 유닛을 위한 기판이고, 910은 도파관(912)을 포함하는 플렉시블 광 도파관 부재이고, 908은 섬유 어레이 유닛이다. 이것은 측면도이기 때문에, 플렉시블 광 도파관 부재들 중 단일의 플렉시블 광 도파관 부재만이 도시된다. 플렉시블 도파관 부재(910)와 PIC 칩(904) 사이의 광 결합은 위에 설명된 원리들에 따른다.
도 9d는 제 2 예시적인 플립 칩 본딩 접근방식을 도시한다. 이 예는, 인터포저 유닛이 플립-칩 본딩(916)을 통해 캐리어(902)에 본딩되는 것을 제외하고는, 도 9c의 예와 유사하다. 이들 2개의 예들 사이의 다른 차이는, 감소된 두께 클래딩이 도 9c의 예에서는 플렉시블 광 도파관 부재들의 최상부에 있고 그리고 도 9d의 예에서는 플렉시블 광 도파관 부재들의 최하부에 있다는 점이다.
위에서 설명된 개념들과 관련된 실험들이 수행되었다. 위에 설명된 것과 같이 수동적으로 형성된 광 연결들에 대한 반복성 테스트들이 반복적인 시도들로 이루어지며 어떠한 측정도 폐기되지 않는다. 측정된 반복성은 결합 마다 0.5dB 미만이었다. 사용되었던 특정 핑거-도파관 조합의 경우, 이는 ±50nm 수직 포지션 정확도 및 적어도 ±200nm 수평 포지션 정확도에 해당한다.
Claims (18)
- PIC(photonic integrated circuit) 칩에 광학적으로 결합하기 위한 장치로서,
PIC 칩;
상기 PIC 칩에 광학적으로 결합하도록 구성된 인터포저 유닛(interposer unit)을 포함하고,
상기 인터포저 유닛은 하나 또는 그 초과의 플렉시블 광 도파관 부재들을 포함하고;
상기 플렉시블 광 도파관 부재들은, 상기 플렉시블 광 도파관 부재들의 팁(tip)들을 통해 상기 PIC 칩과 상기 인터포저 유닛 사이를 광학적으로 결합하도록 구성되고; 그리고
상기 PIC 칩은 상기 PIC 칩의 온-칩 광 도파관들에 대한 상기 플렉시블 광 도파관 부재들의 상기 팁들의 패시브 측방, 수직 및 종방향 정렬을 가능하게 하기 위해 정렬 피쳐들을 포함하는,
PIC 칩에 광학적으로 결합하기 위한 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 인터포저 유닛은 하나 또는 그 초과의 광섬유들의 어레이의 피치를 상기 PIC 칩의 온-칩 광 도파관들의 피치들에 매칭하도록 구성되는,
PIC 칩에 광학적으로 결합하기 위한 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 인터포저 유닛은: 편광 변형(polarization modification), 광 분리(optical isolation), 파장 멀티플렉싱, 파장 디멀티플렉싱, 파장-선택 라우팅, 파장-선택 스위칭, 스위칭, 간섭측정(interferometry), 하나 또는 그 초과의 링 공진기들을 이용한 공진 제공, 광 지연들의 제공, 분할 및 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 또는 그 초과의 기능들을 제공하도록 구성되는,
PIC 칩에 광학적으로 결합하기 위한 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 플렉시블 광 도파관 부재들의 단부면들은, 상기 플렉시블 광 도파관 부재들에서의 후방-반사(back-reflection)를 감소시키기 위해 상기 플렉시블 광 도파관 부재들의 광축들에 대하여 각을 이루는(angled),
PIC 칩에 광학적으로 결합하기 위한 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 플렉시블 광 도파관 부재들의 단부면들은, 상기 플렉시블 광 도파관 부재들에서의 후방-반사를 감소시키기 위한 반사-방지 코팅들을 포함하는,
PIC 칩에 광학적으로 결합하기 위한 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 PIC 칩의 상기 온-칩 광 도파관들의 단부면들은, 상기 PIC 칩의 상기 온-칩 광 도파관들에서의 후방-반사를 감소시키기 위해 상기 PIC 칩의 상기 온-칩 광 도파관들의 광축들에 대하여 각을 이루는,
PIC 칩에 광학적으로 결합하기 위한 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 PIC 칩의 상기 온-칩 광 도파관들의 단부면들은, 상기 PIC 칩의 상기 온-칩 광 도파관들에서의 후방-반사를 감소시키기 위한 반사-방지 코팅들을 포함하는,
PIC 칩에 광학적으로 결합하기 위한 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 플렉시블 광 도파관 부재들의 단부면들 및 상기 PIC 칩의 상기 온-칩 광 도파관들의 단부면들은, 서로에 대하여:
상기 플렉시블 광 도파관 부재들의 상기 단부면들로부터 반사된 광(light)이 상기 PIC 칩의 상기 온-칩 광 도파관들의 상기 단부면들로부터 멀리 지향되도록; 그리고
상기 PIC 칩의 상기 온-칩 광 도파관들의 단부면들로부터 반사된 광이 상기 플렉시블 광 도파관 부재들의 상기 단부면들로부터 멀리 지향되도록
각을 이루는,
PIC 칩에 광학적으로 결합하기 위한 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 인터포저 유닛은 상기 PIC 칩에 대한 전기적 접촉을 행하기 위한 전기적 콘택들을 더 포함하는,
PIC 칩에 광학적으로 결합하기 위한 장치. - 제 9 항에 있어서,
상기 전기적 콘택들 중 하나 또는 그 초과는, 상기 플렉시블 광 도파관 부재들 중 하나 또는 그 초과 상에 배치되는,
PIC 칩에 광학적으로 결합하기 위한 장치. - 제 9 항에 있어서,
상기 전기적 콘택들 중 하나 또는 그 초과는, 상기 플렉시블 광 도파관 부재들과 구별되는,
PIC 칩에 광학적으로 결합하기 위한 장치. - 제 9 항에 있어서,
상기 인터포저 유닛은 오프-칩 전기적 콘택들의 피치를 상기 PIC 칩의 온-칩 전기적 콘택들의 피치에 매칭하도록 구성되는,
PIC 칩에 광학적으로 결합하기 위한 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 인터포저 유닛은, 상기 PIC 칩의 상기 온-칩 광 도파관들의 제 1 모드 크기와 상기 플렉시블 광 도파관 부재들에 광학적으로 결합된 하나 또는 그 초과의 광섬유들의 제 2 모드 크기 간의 모드 매칭을 위한 피쳐들을 포함하는,
PIC 칩에 광학적으로 결합하기 위한 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 플렉시블 광 도파관 부재들의 팁들과 상기 PIC 칩 사이의 광 연결(optical connection)들은 상기 PIC 칩을 테스팅하는데 사용되는 일시적인 연결들인,
PIC 칩에 광학적으로 결합하기 위한 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 플렉시블 광 도파관 부재들의 팁들과 상기 PIC 칩 사이의 광 연결들은 영구적인 연결들인,
PIC 칩에 광학적으로 결합하기 위한 장치. - 제 15 항에 있어서,
상기 영구적인 연결들은, 인덱스 매칭 글루(index matching glue), 글루, 및 솔더로 이루어진 그룹으로부터 선택된 접착제로 형성되는,
PIC 칩에 광학적으로 결합하기 위한 장치. - 제 15 항에 있어서,
상기 영구적인 연결들은, 상기 플렉시블 광 도파관 부재들이 압축 상태에 있고 자신들의 탄성 복원력들로 인해 적소에(in position) 고정된 채로 유지되도록, 상기 PIC 칩 및 상기 인터포저 유닛을 배치함으로써 형성되는,
PIC 칩에 광학적으로 결합하기 위한 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 정렬 피쳐들은 트렌치를 포함하며;
상기 트렌치는:
상기 PIC 칩의 상기 온-칩 광 도파관들의 단부면들에 대한 상기 플렉시블 광 도파관 부재들의 팁들의 측방 정렬을 제공하도록 구성된 측방 테이퍼; 및
상기 PIC 칩의 상기 온-칩 광 도파관들의 단부면들에 대한 상기 플렉시블 광 도파관 부재들의 팁들의 수직 정렬을 제공하도록 선택된 깊이; 및
상기 PIC 칩의 상기 온-칩 광 도파관들의 단부면들에 대하여 상기 플렉시블 광 도파관 부재들의 팁들의 종방향 포지셔닝을 제공하기 위한 스토퍼 섹션(stopper section)을 갖는,
PIC 칩에 광학적으로 결합하기 위한 장치.
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