KR20190095543A - 가변 광 필터 및 그에 기반한 파장­선택 센서 - Google Patents

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카렌 데니스 헨드릭스
찰스 에이. 헐스
리차드 에이. 브레들리
제프리 제임스 쿠나
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비아비 솔루션즈 아이엔씨.
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Abstract

대역 통과 필터 및 차단 필터를 포함하는 가변 광 필터가 개시되어 있다. 상기 대역 통과 필터는 제1 층 및 제2 층이 번갈아 쌓인 적층을 포함하며, 상기 차단 필터는 제3 층 및 제4 층이 번갈아 쌓인 적층을 포함한다. 제1, 제2 및 제4 재료들 각각은, 상기 제1 재료의 굴절률이 상기 제2 재료의 굴절률보다 작고, 상기 제2 재료의 굴절률이 상기 제4 재료의 굴절률보다 작으며, 그리고 상기 제2 재료의 흡수 계수가 상기 제4 재료의 흡수 계수보다 작도록 서로 다른 재료들을 포함한다. 상기 재료들이 상기 차단 필터에서는 고 굴절률 차를 보장하고 상기 대역 통과 필터에서는 낮은 광학 손실을 보장하도록 선택될 수 있다. 상기 제1 내지 제4 층들은 광 검출기들의 어레이 상에 직접 침착될 수 있다.

Description

가변 광 필터 및 그에 기반한 파장­선택 센서{A variable optical filter and a wavelength­selective sensor based thereon}
본 발명은 광 필터들에 관한 것으로 특히 공간적으로 변화하는 스펙트럼 특성을 지니는 광 필터들에 관한 것이다.
공간적으로 변화가능한 필터는 상기 필터를 가로질러 횡 방향으로 변화하는 전송 파장을 지닌다. 콤팩트한 광 스펙트럼 분석기는 공간적으로 변화가능한 광 필터에 광검출기 어레이를 부착함으로써 구성될 수 있다. 상기 필터를 가로질러 횡 방향으로 거리에 선형적으로 변화하는 전송 파장을 지니는 필터는 선형적으로 변화가능한 필터(linearly variable filter; LVF)로 불린다. 거리에 따른 전송 파장의 선형 변화는 간편하지만, 반드시 필요하지 않다. LVF 및 일정 피치의 광검출기 어레이를 사용하여 획득되는 광학 스펙트럼들은 일정한 파장 스텝을 지닌다.
Pellicori와 그의 동료 명의의 미국 특허 4,957,371에는 고 굴절률 재료의 제1 복수 개의 층들 및 저 굴절률 재료의 제2 복수 개의 층들을 지니는 LVF를 포함하는 웨지-필터 스펙트럼 분석기가 개시되어 있으며, 개별적인 고 굴절률 및 저 굴절률 층들은 박막인 선형적으로 변화가능한 광 간섭 필터를 형성하도록, 서로 오버랩되어 있고 실질적으로 선형적으로 테이퍼져 있는 두께를 지닌다. 광검출기 어레이는 상기 LVF에 부착되어 있음으로써, 전체 구성이 매우 콤팩트하게 된다.
Anthon 명의의 미국 특허 6,057,925에는 박막 간섭 LVF 및 굴절률 분포형 렌즈들의 어레이 또는 마이크로렌즈들의 어레이를 통해 상기 LVF에 연결된 광검출기 어레이를 휴대용 색도계(色度計; colorimeter)와 같은 컬러 감지 기기에서 사용하기 위한 용도로 포함하는 콤팩트한 스펙트럼 분석 기기가 개시되어 있다. 박막 간섭 LVF-기반 스펙트럼 분석기의 경량이며 견고한 구성은 상기 휴대용 색도계가 현장 조건들에서 물품들의 컬러 특징을 묘사하는 것을 허용한다.
Weigl과 그의 동료 명의의 미국 특허 6,091,502에는 공간적 분해능을 통해 유동 세포(flow cell)들에서의 형광 및 흡수 스펙트럼 측정들을 수행하기 위한 콤팩트한 LVF-기반 스펙트럼 분석기가 개시되어 있다. 상기 필터의 전송 변화가 유동 방향으로 생기도록 광 경로에 상기 LVF를 배치함으로써, 생물학적 세포들의 유동에 있어서의 단백질들의 염료 마커들의 농도를 스펙트럼 분석학적으로 결정하는 것이 가능하다.
도 1a를 참조하면, Pellicori, Anthon, 및 Weigl 기기들에서 사용된 것들과 유사한 전형적인 선행기술의 콤팩트한 광 스펙트럼 분석기(10)는 광검출기 어레이(104)에 광학적으로 연결된 LVF(102)를 포함한다. 전송 파장(λT)은 상기 LVF(102)를 가로지르는 방향(106)으로 변화한다. 동작시, 광(108)은 상기 LVT(102) 상에 미친다. 상기 LVF(102)는 상기 광검출기 어레이(104)와 나란한 방향(106)으로 변화하는 상기 전송 파장(λT)에 맞춘 단지 좁은 파장 대역만을 통과시킨다. 그 결과, 상기 광검출기 어레이(104)의 각각의 광검출기(105)는 서로 다른 광(108)의 파장 대역에 응답한다. 상기 광검출기 어레이(104)의 각각의 광검출기(105)의 광전류들을 측정함으로써, 상기 광(108)의 광 스펙트럼이 획득될 수 있다.
상기 LVF(102)는 기판(110)에 의해 지지되는 박막 적층(112)을 포함한다. 도 1b를 참조하면, 상기 박막 적층(112)은 2가지 영역, 다시 말하면 λT보다 짧고 λT보다 긴 파장을 차단하는 차단 영역(121), 및 λT를 중심으로 한 단지 좁은 통과 대역만을 전송하기 위한 대역 통과 영역(122)을 포함한다. 상기 2개의 영역(121, 122) 각각은 고 굴절률 및 저 굴절률을 각각 지니는 번갈아 존재하는 고 굴절률 층들(131) 및 저 굴절률 층들(132)을 포함한다. 상기 고 굴절률 층들(131)/저-굴절률 층들(132)의 재료들은 상기 영역들(121, 122)을 가로질러 동일하고, 단지 두께들만이 필요한 광학적 성능을 이루도록 변화된다. 상기 차단 영역(121)은 λT와는 다른 파장들을 차단하기 위한 1/4-파장 적층들을 포함하고, 상기 대역 통과 영역(122)은 λT를 중심으로 한 좁은 통과 대역을 전송하기 위한 1/2-파장 적층들을 포함한다. 재료 쌍의 재료 조합들은 금속 산화물들 또는 불화물들을 포함할 수 있다.
상기 LVF(102)의 한가지 결함은 상기 LVF(102)의 광학적 성능 및 박막 적층(112)의 전체 두께 간의 고유한 상반관계(tradeoff)이다. λT와는 다른 파장들의 양호한 차단을 보장하기 위해, 상기 차단 영역(121)은 여러 층을 포함하여야 한다. 저-손실 산화물들의 경우에, 층들의 개수는 일백 개에 이르는 층들일 수 있다. λT에 맞춘 좁은 통과 대역을 보장하기 위해, 상기 통과 대역 영역(122)은 또한 여러 층을 포함해야 하고 그리고/또는 두꺼운 중심층을 포함해야 한다. 상기 박막 적층(112)의 두께를 크게 함으로써 상기 박막 적층(112)에서 내부 응력들이 증가하게 되고, 이는 상기 기판(110)으로부터 상기 박막 적층(112)이 깨어지고 그리고/또는 박리되게 한다. 규소와 같은 고 굴절률 재료는 전체 층 개수를 줄이는데 사용될 수 있다. 그러나, 고 굴절률 재료들은 상기 LVF(102)의 광학적 손실을 증가시키는 것이 전형적이다.
본 발명의 목적은 가변 광 필터의 광학적 성능 및 두께 간의 상반관계(tradeoff)를 완화하는 것이다.
본 발명자들은 가변 광 필터의 차단 및 대역 통과 영역들에서의 재료들에 대한 주요한 광학적 요건들이 다음과 같은 방식으로 서로 다르다는 점을 알게 되었다. 차단 영역에서는, 고 굴절률 차가 주요한 요건이다. 상기 고 굴절률 차는 층들의 개수를 줄이고 차단 효율을 증가시킬 수 있게 한다. 상기 대역 통과 영역에서는, 낮은 손실이 상기 고 굴절률 차보다 더 중요한데, 그 이유는 이러한 영역에서 광이 다중 반사에 직면하게 되어, 상기 차단 층에서보다 몇 배나 더 상기 대역 통과 영역의 층들을 횡단하게 된다. 그러므로, 고 굴절률 차를 제공하지만 차단 블록에서의 비교적 손실이 적은 재료의 조합들의 제공과 함께, 손실이 적지만 굴절률이 비교적 낮은 재료의 조합들의 제공으로, 얇고, 스트레스가 낮은 가변 광 필터가 낮은 광학적 손실, 협대역 전송 피크, 및 강력한 대역외 저지를 동시에 지니게 된다.
본 발명에 의하면, 파장 범위 내에서 횡 방향으로 변화가능한 전송 파장을 지니는 광 필터가 제공되며,
상기 광 필터는,
제1 재료 및 제2 재료를 각각 포함하는 제1 층 및 제2 층이 번갈아 쌓인 적층을 포함하며, 상기 횡 방향으로 변화가능한 파장을 제공하기 위해 횡 방향으로 변화하는 두께들을 지니는, 대역 통과 필터;
제3 재료 및 제4 재료를 각각 포함하는 제3 층 및 제4 층이 번갈아 쌓인 적층을 포함하며, 상기 횡 방향으로 변화가능한 전송 파장보다 크거나 작은 파장 범위 내의 파장들을 차단하기 위해 제1 유전체 층 및 제2 유전체 층의 횡 방향으로 변화하는 두께들로 조정되는 횡 방향으로 변화하는 두께들을 지니는, 차단 필터;
를 포함하고,
상기 제1, 제2 및 제4 재료들 각각은, 상기 제1 재료의 굴절률이 상기 제2 재료의 굴절률보다 작고, 상기 제2 재료의 굴절률이 상기 제4 재료의 굴절률보다 작으며, 그리고 상기 제2 재료의 흡수 계수가 상기 제4 재료의 흡수 계수보다 작도록 서로 다른 재료들을 포함한다.
유리한 점으로는, 상기 대역 통과 필터가 상기 제4 재료를 포함하며 상기 대역 통과 필터 내에서 정재 광파(standing optical wave)가 국부적으로 최소를 이루는 부위에 배치되어 있는 적어도 하나의 제5 층을 부가적으로 포함함으로써, 상기 대역 통과 필터의 차단 파장 영역이 넓어지게 되고 상기 대역 통과 필터의 두께가 줄어들게 된다.
한 실시 예에서는, 상기 전송 파장이 상기 광 필터의 길이 치수를 따라 단조롭게 변화가능하다. 바람직한 실시 예에서는, 상기 전송 파장이 상기 길이 치수에 따라 대수 함수적으로 변화가능하다. 상기 제1 및 제3 재료들은 동일한 재료를 포함할 수 있다. 상기 광 필터는 3개, 4개, 또는 더 다른 재료들을 포함할 수 있다.
본 발명에 의하면, 위에 설명한 바와 같은 광 필터, 및 상기 광 필터에 연결되어 있는 광검출기들의 어레이를 포함하는 파장-선택 센서가 부가적으로 제공된다. 상기 광검출기들은 상기 길이 치수를 따라 일정한 간격을 두고 떨어져 있다. 그 결과, 상기 어레이의 서로 다른 광검출기들이 상기 어레이의 반대편인 측의 광 필터 상에 미치는 서로 다른 광 파장들에 응답하게 된다.
바람직하게는, 상기 광검출기들의 어레이가 상기 광 필터용의 기판을 포함한다. 상기 광검출기들의 어레이가 제공되고, 상기 제1 내지 제5 층들은 상기 어레이에 의해 각각 지지되는 대역 통과 및 차단 필터들을 형성하도록 상기 어레이 상에 직접 침착된다. 상기 광검출기들 상에 상기 광 필터를 직접 침착시키는 이점들 중에는 광이 개별 벌크 기판을 통해 전파할 필요가 없기 때문에 스펙트럼 분해능이 증가하게 되고, 인접한 광검출기들 간의 광 누설이 줄어들게 되며, 그리고 신뢰도가 향상되는 이점들이 있다. 상기 광 필터는 또한 개별적으로 제조될 수 있고 상기 어레이에 직접 부착될 수 있는데 예컨대 광학 에폭시로 본딩될 수 있다.
본 발명의 다른 한 실시 예에 의하면, 파장-선택 센서가 부가적으로 제공되는데, 여기서 상기 광검출기들의 어레이는 대향하는 제1 및 제2 표면들을 지니는 장치 칩을 포함한다. 상기 어레이의 광검출기들은 상기 장치 칩의 제1 표면 내에 배치되며, 상기 광 필터는 상기 제1 표면의 상기 광검출기들 상에 배치된다. 그러한 파장-선택 센서는,
(A)
(i) 대향하는 제1 및 제2 표면들을 지니는 장치 웨이퍼를 제공하고,
(ii) 상기 제1 표면을 향해 대면하는 상기 어레이의 광검출기들을 상기 장치 웨이퍼의 제2 표면 내에 형성하며,
(iii) 상기 어레이의 광검출기들을 노출하도록 상기 장치 웨이퍼의 제1 표면을 폴리시 처리함으로써,
상기 장치 칩을 제조하는 단계; 및
(B) 상기 광 필터의 대역 통과 필터 및 차단 필터를 형성하도록 스텝 (iii)에서 폴리시 처리된 장치 웨이퍼의 제1 표면상에 제1 내지 제5 층들을 침착시키는 단계;에 의해 제조될 수 있다.
본 발명의 다른 한 실시 예에 의하면, 파장-선택 센서를 제조하는 방법이 부가적으로 제공되어 있으며, 상기 파장-선택 센서의 제조 방법은,
(a) 광검출기들의 어레이를 제공하는 단계;
(b) 상기 광검출기들의 어레이 상에,
제1 재료 및 제2 재료를 각각 포함하는 제1 층 및 제2 층이 번갈아 쌓인 적층을 포함하며, 상기 횡 방향으로 변화가능한 파장을 제공하기 위해 횡 방향으로 변화하는 두께들을 지니는, 대역 통과 필터;
제3 재료 및 제4 재료를 각각 포함하는 제3 층 및 제4 층이 번갈아 쌓인 적층을 포함하며, 상기 횡 방향으로 변화가능한 전송 파장보다 크거나 작은 파장 범위 내의 파장들을 차단하기 위해 제1 유전체 층 및 제2 유전체 층의 횡 방향으로 변화하는 두께들로 조정되는 횡 방향으로 변화하는 두께들을 지니는, 차단 필터;
를 침착시키는 단계;
를 포함하며,
상기 제1, 제2 및 제4 재료들 각각은, 상기 제1 재료의 굴절률이 상기 제2 재료의 굴절률보다 작고, 상기 제2 재료의 굴절률이 상기 제4 재료의 굴절률보다 작으며, 그리고 상기 제2 재료의 흡수 계수가 상기 제4 재료의 흡수 계수보다 작도록 서로 다른 재료들을 포함한다.
한 실시 예에서는, 단계 (a)가,
(i) 대향하는 제1 및 제2 표면들을 지니는 장치 웨이퍼를 제공하고,
(ii) 상기 제1 표면과 대면하는 광검출기들의 어레이를 상기 장치 웨이퍼의 제2 표면 내에 형성하며,
(iii) 상기 어레이의 광검출기들을 노출하도록 상기 장치 웨이퍼의 제1 표면을 폴리시 처리하는 것을 포함하며,
상기 단계 (b)에서는, 상기 대역 통과 및 차단 필터들이 스텝 (iii)에서 폴리시 처리되는 장치 웨이퍼의 제1 표면 내에 침착된다.
지금부터 대표적인 실시 예들이 첨부도면들과 연관지어 설명될 것이다.
도 1a는 박막 LVF에 기반하는 선행 기술의 광 스펙트럼 분석기의 3-차원 뷰를 보여주는 도면이다.
도 1b는 도 1a의 LVF의 박막 구조를 확대하여 보여주는 단면도이다.
도 2는 기판상의 본 발명의 가변 광 필터를 보여주는 단면도이다.
도 3a - 도 3c는 전송 파장 변화 방향을 따른 서로 다른 위치들에서의 도 2의 가변 광 필터의 차단 및 대역 통과 필터부들의 전송 스펙트럼을 보여주는 도면들이다.
도 4a는 대역 통과 필터부 및 차단 필터부를 보여주는, 도 2의 라인들 A-A를 따라 절취한 도 2의 필터를 개략적으로 보여주는 단면도이다.
도 4b는 도 4a의 대역 통과 필터부를 확대하여 보여주는 단면도이다.
도 5a 및 도 5b는 평행 광을 지니는 조명(도 5a) 및 발산 또는 수렴 광을 지니는 조명(도 5b)에서 서로 다른 재료로 만들어진 대역 통과 필터부의 전송 스펙트럼들을 보여주는 도면들이다.
도 6은 서로 다른 재료들로 만들어진 차단 필터의 전송 스펙트럼들을 보여주는 도면이다.
도 7a 및 도 7b는 동일한 비율로 작성된, 손실이 적은 산화물들만(도 7a)을 포함하고 본 발명에 따른 재료들의 조합(도 7b)을 포함하는 가변 광 필터의 공간 굴절률 선도들을 보여주는 도면들이다.
도 7c는 도 7b의 공간 굴절률 선도를 확대하여 보여주는 도면이다.
도 7d는 도 7a 및 도 7b의 가변 광 필터들의 대역 통과 필터부의 전송 스펙트럼들을 보여주는 도면이다.
도 8a - 도 8d는 도 2 또는 도 7b의 가변 광 필터를 포함하는 본 발명의 파장 선택 센서들의 여러 실시 예를 보여주는 측단면도들이다.
도 9a 및 도 9b는 백-폴리시 처리된 광검출기 어레이(도 9a) 및 플립-칩이 탑재된 멀티플렉서 회로(도 9b)를 지니는 파장-선택 센서들의 실시 예들을 보여주는 측단면도들이다.
도 10a - 도 10c는 서로 다른 제조 단계들에서 도 9a의 파장-선택 센서들을 포함하는 웨이퍼를 보여주는 측단면도들이다.
본 교시내용들이 여러 실시태양 및 예와 연관지어 설명되겠지만, 본 개시내용들이 그러한 실시태양들 및 예들에 국한되는 것으로 의도한 것은 아니다. 오히려, 본 교시내용들은 당업자라면 알 수 있겠지만 여러 변형 예, 수정 예 및 등가 예를 포함한다.
도 2 및 도 3a, 도 3b, 및 도 3c를 참조하면, 광 필터(200)(도 2)는 λ1과 λ2 사이의 파장 범위에 내재하는 횡 방향으로 변화가능한 전송 파장(λT)의 좁은 통과 대역(310)(도 3a - 도 3c)을 지닌다. 상기 전송 파장(λT)은 도 2에 도시된 방향 x에서 가변적이다. 상기 광 필터(200)는 투명 기판(202) 상에 배치될 수 있다. 가변 광 필터(200)는 상기 기판(202) 상에 배치된, 대역 통과 필터(204) 및 차단 필터들(206a, 206b)을 포함한다. 상기 대역 통과 필터(204)는 제1 재료 및 제2 재료를 각각 포함하는 제1 층(211) 및 제2 층(212)이 번갈아 쌓인 적층을 포함한다. 상기 제1 층(211) 및 상기 제2 층(212)은 통과 대역(310)의 횡 방향으로 변화가능한 전송 파장(λT)을 제공하기 위해 상기 방향 x(도 2)에서 횡 방향으로 변화하는 두께를 지닌다. 상기 전송 파(λT)는 상기 제1 층(211) 및 상기 제2 층(212)의 국부두께들에 근사한 비율로 변화한다. 예를 들면, 상기 전송 파장(λT)은 좌표 x1에서의 파장 범위(λ1, λ2) 중 가장 짧은 파장(λ1)에 근접하며(도 2 및 도 3a); 좌표 x2에서의 파장 범위(λ1, λ2) 중 중간에 있고(도 2 및 도 3b); 그리고 좌표 x3에서의 파장 범위(λ1, λ2) 중 가장 긴 파장(λ2)에 근접한다(도 2 및 도 3c).
상기 차단 필터들(206a, 206b) 각각은 제3 재료 및 제4 재료를 각각 포함하는 제3 층(213) 및 제4 층(214)이 번갈아 쌓인 적층을 포함한다. 상기 제3 층(213) 및 제4 층(214)은 상기 횡 방향으로 변화가능한 전송 파장(λT)보다 짧거나 긴 상기 파장 범위(λ1, λ2) 내의 파장들을 차단하기 위해, 상기 제1 층(211) 및 상기 제2 층(212)의 횡 방향으로 변화하는 두께들로 조정되는 횡 방향으로 변화하는 두께들을 지닌다. 특히, 상부 차단 필터(206A)는 λT보다 짧은 파장(도 3a, 도 3b, 및 도 3c에 각각 도시된 좌측 대역들(301A, 302A, 303A))을 차단하기 위한 것이며, 하부 차단 필터(206B)는 λT보다 긴 파장(도 3a, 도 3b, 및 도 3c에 각각 도시된 우측 대역들(301B, 302B, 303B))을 차단하기 위한 것이다.
본 발명에 의하면, 상기 제1 층(211), 상기 제2 층(212) 및 상기 제4 층(214)의 제1 재료, 제2 재료 및 제3 재료 모두는 각각 서로 다른 재료들을 포함한다. 전형적으로는, 상기 제1 재료 및 상기 제2 재료는 유전체 재료들을 포함하며, 상기 제3 재료 및 제4 재료는 유전체 또는 반도체 재료들을 포함한다. 상기 제1 재료의 굴절률은 상기 제2 재료의 굴절률보다 작다. 상기 제2 재료의 굴절률은 상기 제4 재료의 굴절률보다 작다. 상기 제2 재료의 흡수 계수는 상기 제4 재료의 흡수 재료보다 작다. 다시 말하면, 상기 제4 재료는, 비록 4개 모두의 재료들 중 가장 높은 굴절률을 지니지만, 어느 정도의 흡수력을 또한 지닐 수도 있다. 예를 들면, 규소와 같은 반도체 재료는 상기 제4 재료용으로 사용될 수 있다. 상기 제1 재료 및 제3 재료는 굴절률이 낮은 동일한 재료, 예컨대 이산화 규소를 포함할 수 있지만, 반드시 굴절률이 낮은 동일한 재료, 예컨대 이산화 규소를 포함할 필요가 없다. 상기 제 2 재료는 예를 들면 오산화 탄탈과 같은 굴절률이 높은 산화물을 포함할 수 있다. 지침으로서, 상기 제1 재료 및 상기 제3 재료의 굴절률은 1.35 내지 1.6일 수 있으며, 상기 제2 재료의 굴절률은 1.8 내지 2.5일 수 있고, 그리고 상기 제4 재료의 굴절률은 2.6 내지 4.5일 수 있다.
상기 대역 통과 필터(204)의 제1 층(211) 및 제2 층(212)에 대해, 그리고 상기 차단 필터들(206A, 206B)의 제4 층(214)에 대해 서로 다른 재료들을 사용하는 것은 이하에서 구체적으로 설명되겠지만, 상기 대역 통과 필터(204) 및 상기 차단 필터(206A, 206B)의 광학적 매개변수들의 독립적인 최적화를 허용한다. 물론, 상기 차단 필터들(206A, 206B)은 또한 일렬로 배치되어 단일 차단 필터가 형성되게 할 수 있고, 상기 대역 통과 필터(204)는 상기 기판(202)에 의해 지지되는 단일 차단 필터에 의해 지지된다. 더군다나, 도 2에 도시된 층들(211-214)의 두께들은 상기 광 필터(200)의 비-선형적으로 횡 방향으로 변화가능한 전송 파장(λT)을 제공하도록 상기 방향 x에서 좌측으로부터 우측으로 향함에 있어서 비-선형적으로 증가할 수 있다. 한 실시 예에서는, 상기 전송 파장(λT)은 길이 방향 x를 따라 대수 함수적으로 변화가능하다. 상기 전송 파장(λT)의 대수 함수적 변화로 인해, 일정한 피치로 이루어진 광검출기 어레이가 상기 x-방향을 따라 배치될 경우에 상기 방향 x를 따른 분해능이 일정하게 된다. 상기 분해능은 Ｒ＝λT/Δλ로서 정의되며, 여기서 Δλ는 전송 대역폭이다.
도 4a를 참조하면, 도 2의 가변 광 필터(200)의 단면도 A-A는 상기 대역 통과 필터(204)의 전송 파장(λT)보다 각각 짧고 긴 파장들을 차단하기 위해, 상기 제1 차단 필터(206A) 및 상기 제2 차단 필터(206B) 사이의 광 경로(420)에 배치된 대역 통과 필터(204)를 보여준다. 각각의 차단 필터(206A, 206B)는 3개의 부분(431A, 432A, 433A; 431B, 432B, 433B)을 각각 포함한다. 상기 대역 통과 필터(204) 및 상기 차단 필터 부분들(431A-433A; 431B-433B)의 두께는 도 2에서 가장 잘 볼 수 있는 바와 같이, 도 4a의 평면에 대해 수직인 방향 x에서 조정된 방식으로 변화한다.
상기 차단 필터 부분들(431A-433A; 431B-433B)의 차단 대역들(도시되지 않음)은 넓은 파장 범위를 커버(cover)하도록 캐스케이드(cascade) 방식으로 이루어진다. 전형적으로는, 상기 차단 파장 범위가 상기 가변 광 필터(200)의 사용가능한 파장 범위(λ1, λ2)를 나타낸다. 긴 파장 구간(λ2)에서는, 상기 제2 차단 필터(206B)의 상기 부분들(431B-433B)의 차단으로 λT와 λ2 사이가 연장되어야 하고, 짧은 파장 구간(λ1)에서는, 상기 제1 차단 필터(206A)의 상기 부분들(431A-433A)의 차단으로 λ1과 λ2 사이가 연장되어야 한다. 상기 차단 필터들(206A, 206B)에 의해 제공되는 대역외 파장 차단은 상기 광 필터(200)의 광학 주파수 범위가 한 옥타브 높은 경우에 특히 중요한데, 그 이유는 에탈론-타입 광 필터들이 광학 주파수의 옥타브들에 의해 분리되는 다수의 전송 피크를 지니기 때문이다.
도 4b를 참조하면, 상기 대역 통과 필터(204)는 상기 파장(λT)의 1/4-파장 반사기 적층들(432) 사이에 끼워 넣어진 원하는 중심 파장의 다수의 1/2-파장인 유전체 스페이서 층(450)을 포함한다. 상기 대역 통과 필터(204)의 대역폭은 상기 1/4-파장 적층들(432)의 반사율을 증가시킴으로써 그리고/또는 상기 스페이서 층(450)의 두께, 또는 1/2-파장들의 개수를 증가시킴으로써 좁혀진다. 어느 경우든 간에, 상기 전송 대역폭은 상기 스페이서 층(450)을 가로지른 광(440)의 이동 개수를 증가시킴으로써 줄어들게 된다. 그러므로, 상기 1/4-파장 반사기 적층들(432)의 인접 층들, 및 스페이서 층(450)의 재료가 적은 광 손실을 지니는 것이 중요하다.
도 4a를 다시 참조하고 도 4b를 부가적으로 참조하면, 가변 광 필터(200)(도 4a)는 입사각의 범위, 또는 광추면(cone of light)을 포함하는 광과 함께 사용되는 것이 전형적이다. 입사각을 통한 전송 파장의 시프트 효과를 줄이기 위해, 상기 스페이서 층(450) 재료(도 4b)의 굴절률이 가능한 한 높은 것이 바람직하다. 이를 위해, 오산화 탄탈(Ta2O5), 오산화 나이오븀(Nb2O5), 오산화 탄탈 및 오산화 나이오븀의 합금, 또는 이산화 티탄(TiO2)과 같은 고 굴절률 산화물이 사용될 수 있다. 금속 산화물들은 일반적으로 매우 적은 광학적 손실을 지니며, 오산화 탄탈, 오산화 나이오븀, 및 이산화 티탄은 900㎚ 내지 1700㎚인 관심대상의 파장 범위에서 2.0보다 높은 굴절률을 지닌다. 상기 반사기 적층들(432) 용으로 사용된 적합한 저 굴절률 재료는 위의 파장 범위에서 약 1.5 굴절률을 지니는 이산화 규소(SiO2)이다. 여기서 유념할 점은 상기 대역 통과 필터(204) 및/또는 상기 차단 필터들(431A, 431B; 432A, 432B; 433A, 433B)이 서로 다른 고 굴절률 재료들, 및 서로 다른 저 굴절률 재료들을 포함할 수 있다는 점이다. 예를 들면, 상기 대역 통과 필터(204)는 이산화 규소(SiO2) 및 오산화 탄탈(Ta2O5)의 조합을 포함할 수 있으며, 상기 차단 필터들(431A, 431B; 432A, 432B; 433A, 433B)은 불화 마그네슘(MgF2) 및 규소(Si)의 조합을 포함할 수 있다. 상기 광 필터(200)의 타깃 스펙트럼 성능에 의존하여 4가지 이상의 타입들이 사용될 수 있다.
상기 차단 필터 부분들(431A-433A; 431B-431B)의 대역폭 및 광 차단 정도는 상기 차단 필터 부분들(431A-433A; 431B-431B)의 고 굴절률 층 및 저 굴절률 층의 이른바 굴절률 차(index contrast), 또는 굴절률들의 비에 의해 설정된다. 상기 굴절률 차를 증가시킴으로써, 상기 차단 필터 부분들(431A-433A; 431B-433B)의 전체 두께는 상당히 감소하게 될 수 있는데, 그 이유는 적은 층들이 원하는 차단 레벨을 이루는데 필요하고, 상기 차단 필터 부분들(431A-433A; 431B-433B)이 넓은 대역폭을 지니게 됨으로써, 적은 적층들이 원하는 대역폭을 커버(cover) 하는데 필요하기 때문이다. 상기 광 경로(420)(도 4a)를 따라 전파하는 광(440)(도 4b)은 상기 대역 통과 필터(204)에서 여러 번 상기 차단 필터 부분들(431A-433A; 431B-433B)을 통과하지 않게 함으로써 광범위한 재료들이 사용될 수 있으며, 특히 규소(Si)가 사용되는 것이 바람직하다. 규소는 3.0 이상의 굴절률을 지니고, 고 굴절률 재료로서 사용될 수 있지만, 이는 900㎚ 내지 1700㎚ 파장 범위에서 일부 광 흡수율을 지닌다. 이는 또한 물론 저 굴절률을 지니는 이산화 규소와 양립가능함으로써, 상기 차단 필터 부분들(431A-433A; 431B-433B)에서 추구되는 고 굴절률 차를 제공한다.
서로 다른 재료 시스템들의 광학적 손실 및 파장 선택에 대한 위의 결론들이 다층 적층들을 성장시키고 다층 적층들의 전송 특성들을 측정함으로써 실험적으로 확인되었다. 도 5a 및 도 5b를 참조하면, 서로 다른 재료 조합들을 사용하여 제조된 대역 통과 필터(204)의 평행 광(collimated light)(도 5a) 또는 비평형 또는 "추면(cone)" 광(도 5b)에서의 광 전송 스펙트럼들이 제시되어 있다. 도 5a 및 도 5b에는, "H/L"은 오산화 탄탈 및 이산화 규소의 고 굴절률/저 굴절률 재료 조합을 나타내고, "S/L"은 규소 및 이산화 규소의 재료 조합을 나타낸다. 따라서, "L cav"는 "캐비티(cavity)", 또는 저 굴절률 재료, 다시 말하면 이산화 규소로 만들어진 스페이서 층(450)을 나타낸다. "H cav"는 오산화 탄탈로 만들어진 스페이서 층(450)을 나타낸다. "S cav"는 규소로 만들어진 스페이서 층(450)을 나타낸다.
도 5a를 특히 참조하면, 스펙트럼들(501, 502)은 이산화 규소 및 오산화 탄탈 스페이서 층(450)을 각각 통한 오산화 탄탈 및 이산화 규소의 재료 조합에 상응한다. 여기서 볼 수 있는 점은 평행 광에서, 상기 스펙트럼들(501, 502)이 실제로는 서로 구분되지 않으며 (100%에 근접하는) 매우 높은 최대 전송을 보여준다는 점이다. 스펙트럼들(503, 504)은 이산화 규소 및 규소 스페이서 층을 각각 통한 규소 및 이산화 규소의 재료 조합에 상응한다. 상기 이산화 규소 스페이서 층(450)에 상응하는 스펙트럼(503)은 상기 규소 스페이서 층(450)에 상응하는 스펙트럼(504)(38%)보다 높은 최대 전송(대략 67%)을 보여준다. 이는 위에서 주지한 바와 같이 규소가 이산화 규소 또는 오산화 탄탈보다 훨씬 높은 광 흡수율을 지니기 때문이며, 광(440)(도 4b)이 여러 번 상기 스페이서 층(450)을 통과하므로, 광 흡수율의 차는 매우 현저하게 된다(이러한 예에서 38%, 또는 67% 대 100%).
도 5b를 지금부터 참조하면, 모든 스펙트럼들(501-504)은 추면 광 조명에 기인하여 광학적 손실이 증가하게 됨을 보여준다. 제1의 2개의 스펙트럼(501, 502)과는 달리, 오산화 탄탈 스페이서 층(450)에 상응하는 제2 스펙트럼(502)은 41%(100%로부터 대략 59%로의 최대 전송)의 전송 강하를 보여주는, 이산화 규소 스페이서 층(450)에 상응하는 제1 스펙트럼(501)보다 대략 32%(100%로부터 대략 68%로의 최대 전송)의 낮은 전송 강하를 보여준다. 위에서 설명한 바와 같이, 상기 스페이서 층(450) 재료의 굴절률이 높으면, 대역 통과 광 필터(204)의 각 감도(angular sensitivity)가 작아진다. 규소/이산화 규소 재료 조합들에 상응하는 다른 2개의 광학 스펙트럼(503, 504)에서 유사한 경향이 관측된다. 상기 규소 스페이서 층(450)에 상응하는 스펙트럼(504)의 경우에, 광 전송은 단지 대략 3%(38%로부터 35%로) 만큼 강하하고, 상기 이산화 규소 스페이서 층(450)에 상응하는 스펙트럼(503)의 경우에, 광 전송은 대략 17%(67%로부터 50% 전송) 만큼 강하한다. 따라서, 저 손실, 고 굴절률 재료는 상기 대역폭 광 필터(204)의 스페이서 층(450)에 대해 선택되어야 한다.
도 4a를 부가적으로 참조하고 도 6을 지금부터 참조하면, 오산화 탄탈/이산화 규소 및 규소/이산화 규소 조합들로부터 각각 만들어지는 낮은 차단 필터(206B)의 전송 스펙트럼들(601, 602)이 제시되어 있다. 상기 제1 스펙트럼(601)의 대역폭(611)은 단지 275㎚이고, 이는 664㎚인 제2 스펙트럼(602)의 대역폭(612)보다 훨씬 좁다. 따라서, 고 굴절률 차 재료 조합들은 차단 필터들(206A, 206B)에 대해 선택되어야 한다. 여기서 유념할 점은 상기 제2 스펙트럼(602)의 넓은 대역폭이 규소/이산화 규소 적층에 대해 단지 1.7 마이크로미터인 것으로 오산화 탄탈/이산화 규소 적층의 4.9 마이크로미터 두께에 비하여 훨씬 얇은 필터에서 이루어지게 된다는 점이다.
3-재료 시스템(가장 낮은 굴절률로부터 가장 높은 굴절률로 향함에 있어서: 이산화 규소, 오산화 탄탈, 및 규소)에 의해 제공되는 가변 필터 두께 감소가 지금부터 예시될 것이다. 도 7a 및 도 7b를 참조하면, 공간 굴절률 선도들(700A, 700B)은 적층 깊이 좌표 d의 함수로서 굴절률 n에 의존하는 것들이다. 도 7a 및 도 7b에서는, 상기 공간 굴절률 선도들(700A, 700B)이 본 발명에 의해 이루어질 수 있는 총 두께 감소를 예시하도록 동일한 비율로 작성되어 있다. 도 7a의 굴절률 선도(700A)는 이산화 규소/오산화 탄탈 2-재료 시스템을 사용하여 구현된 가변 광 필터에 상응한다. 이산화 규소 층들은 하부 '블랙 바(black bar)'들(701)로 나타나 있으며, 오산화 탄탈 층들은 상부 '그레이 바(gray bar)'들(702)로 나타나 있다. 상기 굴절률 선도(700A)는 제1 차단부(726A), 대역 통과부(724), 및 제2 차단부(726B)를 포함한다. 상기 대역 통과부(724)는 대역 통과 필터 캐비티(스페이서) 층들(702A)로서의 기능을 하는 2개의 두꺼운 오산화 탄탈 층을 포함한다. 그러므로, 상기 대역 통과부(724)는 2-캐비티 대역폭 필터이다. 각각의 스페이서 층(702A)은 각각의 측면 상에 반사기 적층을 지니며, 상기 반사기 적층들은 상기 스페이서들에 대하여 어느 정도 대칭이다. 상기 2개의 스페이서(702A) 사이에 있는 반사기 적층들은 하나의 반사기 적층(724C) 내로 결합하게 된다. 2-재료 가변 광 필터의 두께에 상응하는 도 7a의 굴절률 선도(700A)의 총 길이는 40 마이크로미터만큼 크다.
도 7b의 굴절률 선도(700B)는 이산화 규소/오산화 탄탈/규소인 3-재료 시스템을 사용하여 구현되는 가변 광 필터에 상응한다. 도 7b의 확대도인 도 7c를 참조하면, 이산화 규소 층들은 최하부 블랙 바들(701)로 나타나 있으며, 오산화 탄탈 층들은 그보다 높은 그레이 바들(702)로 나타나 있고, 그리고 규소 층들은 최상부 블랙 바들(703)로 나타나 있다.
굴절률 선도(700B)는 제1 차단부(746A), 대역 통과부(744), 및 제2 차단부(746B)를 포함한다. 도 2를 잠시 참조하면, 상기 제1 차단부(746A)는 상기 제1 차단 필터(206A)에 상응하고, 상기 대역 통과부(744)는 상기 대역 통과 필터(204)에 상응하며, 그리고 제2 차단부(746B)는 도 2의 광학 가변 필터(200)의 제2 차단필터(206B)에 상응한다. 상기 제1 차단부(746A) 및 상기 제2 차단부(746B)는 번갈아 존재하는 이산화 규소 층들(701) 및 규소 층들(703)을 포함한다. 상기 대역 통과부(744)는 이산화 규소 층들(701), 오산화 탄탈 층들(702) 및 규소 층들(73)을 포함한다. 도 7b 및 도 7c의 광 필터(700B)의 대역 통과부(744) 및 도 2의 광 필터(200)의 대역 통과 필터(204) 간의 한가지 차이점은 상기 광 필터(700B)의 대역 통과부(744)가 이하에서 설명되겠지만 2개가 아니라 3개의 서로 다른 재료를 사용하여 도 7a의 광 필터(700A)의 2-캐비티 대역 통과부(724)와 마찬가지로 2-캐비티 대역 통과 필터이라는 점이다.
상기 대역 통과부(744)는 제1 캐비티(744A) 및 제2 캐비티(744B)를 포함하며, 상기 제1 캐비티(744A) 및 제2 캐비티(744B) 각각은 2개의 1/4-파장 반사기부 사이에 오산화 탄탈 스페이서(702A)를 포함한다. 각각의 반사기부 내로는 규소 층(751)이 도입된다. 상기 반사기부들이 상기 스페이서 층(702A)에 대해 다소 대칭이므로, 이는 도시된 바와 같이 상기 대역 통과부(744)에 4개의 규소 층(751)을 추가한다. 상기 대역 통과부(744)의 1/4-파장 반사기부들 내로 H 층들(702) 대신에 적어도 하나, 바람직하게는 7개의 선택적 고 굴절률 규소층을 도입하는 것은 오산화 탄탈 대 이산화 규소(H/L)에 비해 규소 대 이산화 규소(S/L)의 굴절률 비가 높기 때문에 동일한 반사율이 적은 층들로 이루어지게 되는 것을 허용한다. 4개의 추가 규소층(751)을 포함함으로 인한 광 전송 손실은, 광 파장(optical fild)의 국부 최소에 상응하는 부위(들), 다시 말하면 대역 통과부(744) 내측에 있는 전송 파장(λT)의 정재 광파(standing optical wave)의 골(valley)에 추가 규소층들(751)을 배치함으로써 감소하게 될 수 있다. 도 2의 가변 광 필터(200)의 3-재료 변형 예의 두께에 상응하는 도 7b의 굴절률 선도(700B)의 총 길이는 단지 10 마이크로미터이며, 이는 도 7a에서보다 4배 짧다.
상기 추가 규소층들(751)의 한 부가적인 이점은 규소/이산화 규소 조합의 높은 굴절률 비가 상기 대역 통과 필터부(744)의 차단 영역을 넓혀 주고 하부 차단부(746A) 및 상부 차단부(746B)의 필요한 차단 파장 대역들을 줄이는 것이다. 도 7d를 참조하면, 저지 대역(stopband) 성능을 좀더 양호하게 보여주기 위해, 전송 비율이 0% 내지 1% 전송이다. 점선(781)은 2가지 재료(오산화 탄탈 및 이산화 규소)로 구현되는 도 7a의 가변 광 필터(700A)의 대역 통과 필터부(724)의 전송 선도이다. 실선(782)은 도 7c에 도시된 바와 같이 구현되는 대역 통과 필터부(744)의 전송 선도이다. 여기서 볼 수 있는 점은 선택적 규소층들(751)의 사용이 상기 대역 통과 스펙트럼(782)의 날개부들(782A, 782B)의 차단 대역 및 차단 강도를 상당히 확장시켜 준다는 점이다. 이 모두는 도 7b 및 도 7c의 가변 광 필터(700B)의 대역 통과 필터부(744)의 작은 전체 두께로 이루어지게 된다.
도 2를 다시 참조하면, 상기 필터(200)의 결과적인 두께는 사용된 재료들, 및 타깃의 광학적 사양들에 의존한다. 예를 들면, 상기 대역 통과 광 필터(204)의 제1 층(211)은 이산화 규소를 포함할 수 있으며, 상기 제2 층(212)은 오산화 탄탈 또는 오산화 나이오븀을 포함할 수 있고, 상기 차단 광 필터(206)의 제3 층은 또한 (상기 제1 층(211)과 동일한) 이산화 규소를 포함할 수 있으며, 상기 차단 광 필터(206)의 제4 층(214)은 규소를 포함할 수 있다. 결과적인 3-재료 시스템은 가변 광 필터(200)의 두께를 줄여 주게 한다. 900㎚ 내지 1700㎚의 근 적외선 파장 범위에 대해, 상기 대역 통과 필터(204)는 20개를 넘지 않는 층들을 포함할 수 있고, 상기 차단 필터들(206A, 206B)은 60개를 넘지 않는 층들을 포함할 수 있다. 상기 필터(200)의 총 두께는 1300㎚의 전송 파장에 상응하는 위치에서 20 마이크로미터를 넘지 않는 것이 바람직하고, 10 마이크로미터를 넘지 않는 것이 더 바람직하다. 층들의 개수 및 두께는 가변 광 필터(700B)의 대역 통과 폭, 필요한 차단 레벨, 및 파장 커버리지와 같은 여러 인자에 의해 만들어지게 된다.
도 2를 부가적으로 참조하고 도 8a를 지금부터 참조하면, 본 발명의 파장-선택 센서(800A)는 도 2의 가변 광 필터(200) 또는 도 7b 및 도 7c의 가변 광 필터(700B), 및 상기 가변 광 필터(200)에 연결되어 있고 층 두께가 단조롭게 증가하는 x 방향을 따라 광검출기들(812)이 일정한 간격을 두고 떨어져 있는 광검출기 어레이(802A)를 포함한다. 상기 전송 파장(λT)이 상기 x 방향을 따라 변하므로, 상기 광검출기 어레이(802A)의 서로 다른 광검출기들(812)은 상기 광검출기 어레이(802A)의 반대편인 측(820)의 광 필터(200)에 미치는 서로 다른 광(840)의 파장들에 응답한다. 상기 광검출기들(812)의 개수는 여러 분리된 파장 대역들을 검출하기 위한 단지 2 또는 3개만의 광검출기에서부터 구체적인 광 스펙트럼 측정들을 수행하기 위한 수백 개 이상의 광검출기에 이르기까지 가변적이다. 후자의 경우에, 상기 파장-선택 센서(800A)는 본질적으로 발광 스펙트럼 분석기(optical emission spectrometer)로서의 기능을 수행한다.
스펙트럼 분석기의 실시 예에서는, 광검출기들(812)의 개수가 수십 개, 수백 개, 또는 그보다 많은 개수의 광검출기들로 이루어질 때, 상기 전송 파장(λT)은 상기 가변 광 필터(200)의 길이 치수 x를 따라 대수 함수적으로 변화하게 될 수 있다. 상기 전송 파장(λT)의 대수 함수적 변화가 상기 광검출기 어레이(802A)의 광검출기들(812)의 균일 간격과 결부될 때, 상기 광 스펙트럼 분석기(800)에 의해 수집되는 스펙트럼 지점들의 분해능 Ｒ＝λT/Δλ는 일정한 값이고, 이는 예컨대 공간 애플리케이션에 대해 바람직할 수 있다.
상기 광검출기 어레이(802)는 상기 광 필터(200)용의 기판을 포함할 수 있다. 다시 말하면, 상기 광검출기 어레이(802)는 상기 광 필터(200)를 지지하는 기판으로서의 기능을 수행할 수 있다. 상기 광 필터(200) 및 상기 광검출기 어레이(802) 간의 갭(gap; 814)은 선택적인 접착제 층으로 충전될 수 있다. 변형적으로는, 도시되지 않은 기계적 인케이싱(mechanical encasing)이 상기 광검출기 어레이(802) 상에 상기 광 필터(200)를 지지하는데 사용될 수 있다. 후자의 실시 예에서는, 상기 갭(814)이 진공, 공기, 가스 등등을 포함할 수 있다. 더군다나, 상기 광검출기 어레이(802)는 상기 광 필터(200)의 제1층(211) 내지 제4 층(214)의 침착(deposition) 동안 기판으로서 사용될 수 있다. 이러한 실시 예에서는, 상기 갭(814)이 상기 제1 층(211) 내지 제4 층(214)의 침착의 좀더 나은 균일성을 위해 평탄화 층을 포함할 수 있지만, 반드시 상기 제1 층(211) 내지 제4 층(214)의 침착의 좀더 나은 균일성을 위해 평탄화 층을 포함하지 않아도 된다. 상기 평탄화 층이 상기 갭(814)을 충전할 때, 상기 어레이(802)의 서로 다른 광검출기들(812)이 서로 다른 높이들을 지닐 수 있다. 예를 들어, 도 8b를 참조하면, 파장-선택 센서(800B)의 어레이(802B)의 광검출기들(812A, 812B, 812C)은 서로 다른 높이를 지니며, 상기 갭(814)을 충전하는 평탄화 층은 상기 광 필터(200)가 균일한 표면(815) 상에 침착되게 한다.
도 8c를 참조하면, 본 발명의 파장-선택 센서(800C)는 도 8a 및 도 8b의 파장-선택 센서들(800A)과 각각 유사하다. 도 8c의 파장-선택 센서(800C)에서는, 광검출기 어레이(802C)의 광검출기들(812)이 횡 방향으로 이격된 갭들(813)에 의해 분리되며, 상기 어레이(802C)의 개별 광검출기들(812)의 전기적 및/또는 광학적 분리를 위한 불투명 분리 재료(817)가 상기 갭들(813) 내에 배치되어 있다. 불투명 분리 재료에는 블랙 또는 절연 에폭시, 예컨대, 미국, 매사추세츠 소재의 에폭시 테크놀러지(Epoxy Technology)에 의해 제조된 353NDB 에폭시가 포함될 수 있다.
도 8d를 참조하면, 본 발명의 파장-선택 센서(800D)는 도 8c의 파장-선택 센서들(800C)과 유사하다. 도 8d의 파장-선택 센서(800D)에서는, 광 필터(200)의 부분들이 제거, 예컨대 에칭되어 슬롯들(816)을 형성하게 되며 각각의 슬롯은 광검출기 어레이(802D)의 픽셀들 간의 갭들(813) 중 하나의 상응하는 갭 상에 직접 배치되고, 개별 광검출기들(812) 간의 광학적 누화 감소 및 더 나은 광학적 분리를 위해 선택적인 불투명 분리 재료(817)가 상기 슬롯들(812) 내에 배치된다.
도 9a를 참조하면, 본 발명의 파장-선택 센서(900A)는 도 8a의 파장-선택 센서(800A)의 변형 예이다. 도 9a의 파장-선택 센서(900A)는 도 2의 광 필터(200) 및 광검출기들(912A)의 어레이(902A)를 포함한다. 상기 어레이(902A)는 상기 광 필터(200)용의 기판인 것이 효율적이다. 상기 광 필터(200)는 상기 어레이(902A) 상에 직접 배치됨으로써, 별도의 두꺼운 기판, 예컨대, 상기 광 필터(200)를 지지하기 위한 적어도 0.8㎜ 두께를 지니는 별도의 유리 기판의 필요성을 제거할 수 있게 된다. 상기 어레이(902A)는 대향하는 제1 표면(921) 및 제2 표면(922)을 지니는 장치 칩(920)을 포함한다. 상기 어레이(902A)의 광검출기들(912A)은 상기 장치 칩(920)의 제1 표면(921) 내에 배치되어 있다. 상기 광 필터(200)는 상기 제1 표면(921)의 상기 광검출기들(912A) 상에 배치되어 있다. 본드 패드들(929A)은 상기 장치 칩(920)을 통해, 예컨대 도 9a에 도시된 바와 같이, 상기 광 필터(200)의 반대편인 측들 상에 배치되어 있다. 이하에서 볼 수 있는 바와 같이, 상기 장치 칩(920)의 선택적 폴리시 처리 동안 상기 장치 칩(920)을 강화시키기 위한 캐리어 칩(930)이 상기 장치 칩(920)의 제2 표면(922)에 본딩될 수 있다.
도 9b를 지금부터 참조하면, 본 발명의 파장-선택 센서(900B)는 도 8a의 파장-선택 센서(800A) 및 도 9a의 파장-선택 센서(900A)의 변형 예이다. 도 9b의 파장-선택 센서(900B)는 도 2의 광 필터(200) 및 광검출기들(912B)의 어레이(902B)를 포함한다. 상기 어레이(902B)는 대향하는 제1 표면(941) 및 제2 표면(942B)을 지니는 어레이 기판(940)을 포함한다. 상기 어레이(902B)의 광검출기들(912B)은 상기 제1 표면(941) 내에 배치되어 있으며, 상기 광 필터(200)는 상기 어레이 기판(940)의 제2 표면(942) 상에 배치되어 있다. 이러한 실시 예에서는, 상기 광(840)이 상기 어레이 기판(940)을 통해 전파함으로써 상기 어레이(902B)의 광검출기들(912B)에 이르게 된다.
바람직한 실시 예에서는, 상기 파장-선택 센서(900B)가 또한 상기 어레이(902B)의 광검출기들(912B)의 광전 신호들을 판독하기 위한 멀티플렉서 회로(955)를 포함하는 멀티플렉서 칩(950)을 포함한다. 상기 멀티플렉서 칩(929B)은 상기 어레이 기판(940)의 제1 표면(941)에 본딩된 플립-칩이다. 상기 멀티플렉서 칩(950) 및 상기 어레이(902B)의 광검출기들(912B) 간의 전기 접점들을 확립하기 위한 본드 패드들(929B)이 상기 멀티플렉서 칩(950) 및 상기 어레이 기판(940) 사이에 연장되어 있을 수 있다.
도 7b의 가변 광 필터(700B)는 상기 가변 광 필터(200) 대신에, 도 8 내지 도 8d 및 도 9a, 도 9b 각각의 파장-선택 센서들(800A 내지 800D, 900A, 900B)에서 사용될 수 있다. 상기 필터들(200, 700B)은 3-재료 시스템에서뿐만 아니라 4개 이상의 재료들을 포함하는 재료 시스템에서도 구현될 수 있다. 상기 제1 재료는 이산화 규소를 포함할 수 있으며, 상기 제2 재료는 오산화 탄탈을 포함할 수도 있고, 그리고 제3 재료는 규소를 포함할 수 있다. 적합한 재료들의 선택을 통해, 가변 광 필터(200)가 20 마이크로미터를 넘지 않고, 10 마이크로미터 이하인 것이 바람직한 두께를 지님으로써, 상기 가변 광 필터(200)에서의 기계적 응력(mechanical stress)들을 대폭 줄일 수 있고 제조 수율들을 증가시킬 수 있다.
바람직하게는, 상기 가변 광 필터들(200 또는 700B)이 도 8a 내지 도 8d; 도 9a, 및 도 9b 상에 각각 직접 배치된다. 이러한 실시 예들에서는, 상기 광검출기 어레이들(802A 내지 802D; 902A, 902B)이 제공된 광검출기 어레이들(802A 내지 802D; 902A, 902B) 상에 상기 대역 통과 필터(204) 및 차단 필터들(206A, 206B)을 형성하도록 상기 제1 층(211) 및 상기 제2 층(212)을 번갈아 침착하고 상기 제3 층(213) 및 상기 제4 층(214)을 번갈아 침착하는 동안 상기 가변 광 필터들(200 또는 700B)용의 기판들인 것이 효율적이다. 도 8A 내지 도 8D; 도 9A, 및 도 9B의 광검출기 어레이들(802A 내지 802D; 902A, 902B) 상에 상기 광 필터들(200 또는 700B)을 직접 배치함으로써 전체 구조가 좀더 콤팩트하게 되고 상응하는 파장-선택 센서들(800A 내지 800D, 도 900A, 900B)의 스펙트럼 분해능이 향상되는데, 그 이유는 광이 상기 광검출기들(812, 812A, 812B, 812C, 912A, 912B)에 이르기까지 짧은 거리를 이동하고, 상기 선택적인 벌크 기판(202)(도 2)을 포함하는 상기 광 필터(200)의 실시 예에 비하여 적게 발산하기 때문이다.
도 9a를 부가적으로 참조하고 도 10a, 도 10b, 및 도 10c를 참조하면, 상기 파장-선택 센서(900A)(도 9a)의 제조 방법이 예시되어 있다. 대향하는 제1 표면(1021) 및 제2 표면(1022)을 지니는 장치 웨이퍼(1020)(도 10a)가 제공되어 있다. 그리고나서, 상기 광검출기들(912A) 및 상기 선택적인 본드 패드들(929A)은 상기 제2 표면(1022) 내에 형성되고 그럼으로써 상기 광검출기들(912A)이 상기 장치 웨이퍼(1020) 내부의 제1 표면(1021)과 대면하게 된다(도 10a). 그리고나서, 상기 장치 웨이퍼(1020)는 선택적인 캐리어 웨어퍼(1030)에 본딩되고, 상기 제1 표면(1021)은 상기 본드 패드들(929A)뿐만 아니라 상기 어레이(902)의 광검출기들(912A)을 노출(도 10b)하도록 폴리시 처리되어 제거된다(도 10b). 상기 캐리어 웨이퍼(1030)는 폴리시 처리를 용이하게 하기 위해 기계적 강도를 제공하도록 본딩된다. 그리고나서, 상기 광 필터(200)는 한 층씩 상기 본드 패드들(929A) 사이의 제1 표면(1021) 상에 침착된다(도 10c).
본 발명의 하나 이상의 실시 예들의 위의 내용은 예시 및 설명을 목적으로 제시되었다. 이는 개시된 정확한 형태로 본 발명을 망라하는 것이거나 개시된 정확한 형태로 본 발명을 한정하려고 의도한 것이 아니다. 위의 교시에 비추어볼 때 여러 수정 및 변경이 가능하다. 본 발명의 범위가 이러한 세부적인 설명으로 한정되는 것으로 의도된 것이 아니고 오히려 본원 명세서에 첨부된 특허청구범위에 의해 제한되는 것으로 의도된 것이다.

Claims (20)

  1. 광 필터로서,
    제1 필터; 및
    제2 필터;
    를 포함하며,
    상기 제1 필터는,
    제1 굴절률을 지니는 제1 재료를 포함하는 제1 복수 개의 층들; 및
    상기 제1 복수 개의 층들과 번갈아 배치되는 제2 복수 개의 층들;
    을 포함하고,
    상기 제2 복수 개의 층들은 제2 굴절률을 지니는 제2 재료를 포함하며,
    상기 제1 굴절률은 상기 제2 굴절률보다 작고,
    상기 제2 필터는 제3 재료를 포함하는, 광 필터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 필터 또는 상기 제2 필터 중 적어도 하나는 광검출기 어레이 상에 직접 침착되는, 광 필터.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 필터는 기판상에 배치되는, 광 필터.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 복수 개의 층들 중 적어도 하나의 층은 상기 제2 복수 개의 층들 중 적어도 하나의 층 및 기판 사이에 있는, 광 필터.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제2 복수 개의 층들 중 적어도 하나의 층은 가장 외부의 층인, 광 필터.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1필터는 횡 방향으로 변화 가능한 두께를 지니는, 광 필터.
  7. 제1항에 있어서, 상기 제1 굴절률은 1.35 내지 1.6인, 광 필터.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 재료는 이산화 규소를 포함하는, 광 필터.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1 재료 및 상기 제2 재료는 유전체 재료들을 포함하는, 광 필터.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제2 필터는 횡 방향으로 변화 가능한 두께를 지니는, 광 필터.
  11. 광 필터로서,
    대역 통과 필터; 및
    차단 필터;
    를 포함하며,
    상기 차단 필터는,
    굴절률이 2.5 내지 4.5인 복수 개의 고 굴절률 재료 층들; 및
    상기 복수 개의 고 굴절률 재료 층들과 번갈아 배치되는 복수 개의 저 굴절률 재료 층들;
    을 포함하는, 광 필터.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 차단 필터는 횡 방향으로 변화 가능한 두께를 지니는, 광 필터.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 복수 개의 저 굴절률 재료 층들은은 이산화 규소를 포함하는, 광 필터.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 대역 통과 필터는 제1 재료를 포함하고,
    상기 복수 개의 저 굴절률 재료 층들은 상기 제1 재료를 포함하는, 광 필터.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 복수 개의 고 굴절률 물질 층들은 제2 재료를 포함하고, 상기 제2 재료는 상기 제1 재료의 흡수 계수보다 큰 흡수 계수를 지니는, 광 필터.
  16. 제11항에 있어서,
    상기 대역 통과 필터는 굴절률이 1.35 내지 1.6인 재료를 포함하는, 광 필터.
  17. 제11항에 있어서, 상기 차단 필터는 광 검출기 어레이 상에 직접 침착되는, 광 필터.
  18. 제11항에 있어서, 상기 차단 필터는 기판상에 배치되는, 광 필터.
  19. 제11항에 있어서,
    상기 복수 개의 고 굴절율 재료 층들 중 적어도 하나의 층은 상기 복수 개의 저 굴절률 재료 층들 중 적어도 하나의 층과 기판 사이에 있는, 광 필터.
  20. 제11항에 있어서,
    상기 복수 개의 고 굴절율 재료 층들 중 적어도 하나의 층은 가장 외부의 층인, 광 필터.
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