KR20210084515A - 광자 집적 회로를 위한 마이크로-거울 광학 벤치를 갖는 장착해제 가능한 연부 커플러 - Google Patents

광자 집적 회로를 위한 마이크로-거울 광학 벤치를 갖는 장착해제 가능한 연부 커플러 Download PDF

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KR20210084515A
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양 첸
로버트 라이언 밸런스
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쿠도콴타 플로리다, 인크.
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Abstract

연부 커플러는 거울 어레이를 갖춘 광학 벤치를 갖는다. 각각의 거울은 입사 광을 굽히고, 반사시키고, 및/또는 재성형한다. 연부 커플러는, 광을 PIC 칩의 연부로 지향시키는 PIC 칩 내의 광학 요소에 광학적으로 커플링된다. 연부 커플러는 광 섬유 어레이와 PIC 칩 사이에서 장착해제 가능하고 피동적으로 정렬된 커플링을 제공한다. 연부 커플러는 거울 어레이와 PIC 칩의 광학 요소 사이에서 어떠한 광학 요소도 가지지 않는, 자유 공간 연부 커플러일 수 있거나, 길이방향 축이 제1 광 경로를 따르는 광 섬유의 섹션을 각각 수용하고 연부 커플러의 연부에서 실질적으로 종료되거나 이를 넘어서 연장되는 홈을 포함할 수 있다. 광 섬유 어레이는, 연부 커플러의 거울 어레이와 광학적으로 정렬되게 광 섬유의 단부를 종료시키고 지지하는 광 섬유 연결기를 포함할 수 있다.

Description

광자 집적 회로를 위한 마이크로-거울 광학 벤치를 갖는 장착해제 가능한 연부 커플러
우선권 주장
본원은 (a) 2018년 10월 23일자로 출원된 미국 가특허출원 제62/749,616호; 및 (b) 2018년 10월 23일자로 출원된 미국 가특허출원 제62/749,618호의 우선권을 주장한다. 이러한 출원들은 그 전체가 본원에서 기술된 것과 같이 참조로 전부 포함된다. 후술되는 모든 공보는 그 전체가 본원에서 기술된 것과 같이 참조로 전부 포함된다.
본 발명은 광을 광자 집적 회로(PIC)의 내외로 커플링시키는 것, 그리고 보다 특히 PIC 디바이스에 대한 광 섬유의 광학 연결에 관한 것이다.
광자 집적 회로(PIC) 또는 집적 광학 회로는 동작의 기초로서, 전류와 대조적으로, 광을 이용하는 신흥 기술의 일부이다. PIC 디바이스는 다수(적어도 2개)의 광자 기능을 통합하고, 그에 따라 전자 집적 회로와 유사하다. 이들 둘의 주요 차이점은, 광자 집적 회로가 전형적으로 가시광선 스펙트럼 또는 근적외선 850 nm 내지 1650 nm 내의 광학 파장에 부과된 정보 신호를 위한 기능을 제공한다는 점이다.
PIC은 원격통신, 계측, 및 신호-프로세싱 분야의 다양한 적용예를 위해서 사용된다. (광자 칩 패키지의 형태의) PIC 디바이스는 전형적으로 광학 도파관을 이용하여, 도파관, 광학 스위치, 커플러, 라우터, 스플리터, 멀티플렉서/디멀티플렉서, 변조기, 증폭기, 파장 변환기, 광-대-전기(O/E) 및 전기-대-광(E/O) 신호 변환기(예를 들어, 포토 다이오드, 레이저) 등과 같은, 다양한 온-칩 요소를 구현 및/또는 상호 연결한다. PIC 디바이스 내의 도파관은 일반적으로, 도파관의 코어와 클래딩(cladding) 사이의 굴절률 대비로 인해 광을 안내하는 온-칩 중실형 광 도체(solid light conductor)이다.
PIC 디바이스는, 종종 광학 신호 통신의 조직화된 네트워크의 형태로, 다른 PIC 디바이스에 대한 광학 연결부를 갖는 것이 종종 필요하다. 연결 거리는 칩-대-칩 통신의 경우에 몇 밀리미터로부터 긴-범위 적용예의 경우에 수킬로미터까지의 범위를 가질 수 있다. 저-손실 광 섬유로 인해서 광이 긴 거리에 걸쳐 매우 큰 데이터율(25 Gbps 초과)로 광 섬유 내에서 유동할 수 있기 때문에, 광 섬유는 효과적인 연결 방법을 제공할 수 있다. 적절한 동작을 위해서, PIC 디바이스는 외부 광 섬유와 하나 이상의 온-칩 도파관 사이에서 광을 효율적으로 커플링시킬 필요가 있다. PIC 디바이스에서 회로 동작의 기초로서 광을 이용하는 것의 장점은, 고속 신호 전송을 위한 에너지 비용이 전자 칩의 에너지 비용보다 상당히 저렴하다는 것이다. 따라서, 이러한 장점을 유지하는, 광 섬유와 같은, PIC 디바이스와 다른 광학 디바이스 사이의 효율적인 커플링은 중요한 PIC의 양태이다.
대부분의 PIC 디바이스는, 광 섬유와 PIC 사이에서 엄격한 정렬 공차, 전형적으로 1 마이크로미터 미만의 공차를 요구하는 단일-모드 광학 연결을 필요로 한다. 온-칩 단일-모드 도파관을 외부 광 섬유에 그리고 그로부터 효율적으로 광학 커플링시키는 것이 어려운데, 이는 단일-모드 도파관과 광 섬유 내의 광-안내 코어 사이의 크기의 불일치 때문이다. 예를 들어, 전형적인 실리카 광 섬유의 치수는 PIC 상의 전형적인 도파관보다 약 40배 더 크다. 이러한 크기 불일치로 인해서, 단일 모드 도파관 및 광 섬유가 직접적으로 커플링될 때, 도파관 및 광 섬유의 각각의 모드가 효과적으로 커플링되지 못할 수 있고, 수용될 수 없는 삽입 손실(예를 들어, 20 dB 초과)을 초래할 수 있다.
엄격한 정렬 공차를 달성하기 위한 현재 기술 수준의 시도에서 중합체 연결기 구성요소를 이용하지만, 중합체는 몇몇 기본적인 단점을 갖는다. 첫 번째로, 이들은 탄성적으로 유연하고, 그에 따라 외부 인가 하중 하에서 쉽게 변형된다. 두 번째로, 이들은 치수적으로 안정적이지 못하고, 특히 컴퓨팅 및 네트워킹 하드웨어에서 나타나는 온도와 같은 높은 온도에 노출될 때, 크기 및 형상이 변화될 수 있다. 세 번째로, 중합체의 열팽창 계수(CTE)는, PIC 디바이스에서 일반적으로 이용되는 재료의 CTE보다 훨씬 크다. 그에 따라, 온도 사이클은 광 섬유와 PIC 디바이스 상의 광학 요소 사이에서 오정렬을 유발한다. 일부 경우에, 중합체는, PIC 디바이스를 인쇄 회로 기판에 납땜하는 동안 이용되는 프로세싱 온도를 견딜 수 없다.
광 섬유를 PIC 디바이스(또는 PIC 칩 패키지)에 커플링시키기 위한 하나의 접근방식은 광 섬유 어레이를 PIC 칩의 연부에 부착하는 것이다. 이제까지, 광 섬유 어레이는 능동적 정렬 접근방식을 이용하여 PIC 칩 상의 광학 요소에 대해서 정렬되고, 광 섬유 어레이의 위치 및 배향은, 광 섬유와 PIC 사이에서 전달되는 광의 양이 최대화될 때까지, 기계류에 의해서 조정된다. 연결이 일단 이루어지면, 그러한 연결은 영구적이고, 연결 무결성(integrity)의 파괴가 없이 그리고 광 섬유를 PIC 칩에 다시 장착할 수 있다는 임의의 희망을 가지고 장착해제될 수 없고, 분리될 수 없고, 또는 떼어질 수 없을 것이다. 다시 말해서, 광 섬유는 PIC 디바이스에 제거 가능하게 부착될 수 없고, 섬유 연결 및 분리는 파괴적일 것이고 불가역적일 것이다(즉, 재연결될 수 없을 것이다).
효과적인 커플링을 실시할 수 있도록 섬유 어레이 내의 광 섬유 및 온-칩 광학 요소의 모드 크기들을 서로 근접되게 하는 메커니즘, 및 저비용으로 공차, 제조성, 사용 용이성, 기능 및 신뢰성을 개선하는, 광 섬유의 입력/출력을 PIC 디바이스에 광학적으로 커플링시키기 위한 개선된 접근방식이 요구되고 있다.
본 발명은, 광 섬유 어레이와 광자 집적 회로(PIC) 디바이스(예를 들어, PIC 칩 패키지) 사이에서 장착해제 가능한/분리 가능한 그리고 재연결 가능한 연부 커플러를 제공하는 것에 의해서 종래 기술의 단점을 극복한다. 연부 커플러는, PIC 내의 인터페이싱 광학 요소(예를 들어, 도파관)와 광학적으로 정렬되어, PIC의 연부에 부착된다. 본 발명의 연부 커플러는 거울 어레이를 갖는 마이크로-거울 광학 벤치(MOB), 및 광학 정렬된 섬유 어레이의 장착해제 가능한 재연결을 허용하도록 구성되고 구조화된 기부를 포함한다.
일 양태에서, 본 발명은 마이크로-거울 광학 벤치를 포함하는 연부 커플러를 제공하고, 연부 커플러는 (예를 들어, 규소, 유리, 또는 Kovar, Invar, 알루미늄, 스테인리스 강과 같은 가단성 금속으로 제조된) 벤치 또는 기부, 기부 상에 형성된 거울의 제1 어레이로서, 각각의 거울은, 광을 상단 표면에 실질적으로 평행한 평면 내에서 제1 (수평) 방향을 따른 제1 광 경로와 평면 외측의 제2 (수직) 방향을 따른 제2 광 경로 사이에서 전환(turn)하는 구조화된 반사 표면 프로파일을 포함하는, 거울의 제1 어레이, 및 외부 광 섬유 어레이의 광 섬유 연결기에 장착해제 가능하게 커플링되는 기부 상의 피동적 정렬 구조물을 포함한다. 각각의 거울은 입사 광을 굽히고, 반사시키고, 및/또는 재성형한다. 연부 커플러가 PIC 칩의 연부에 부착되어, 광 섬유 어레이와 PIC 칩 사이에서 장착해제 가능한 커플링을 제공한다. 더 구체적으로, 장착해제 가능한 커플링은 광 섬유 어레이의 광 섬유 연결기와 연부 커플러 사이의 분리 가능하고 재연결 가능한 연결이고, 연부 커플러는, 연부 커플러에 대한 광학적으로 정렬된 재연결을 위해서, 광 섬유 연결기가 제거될 수 있도록 그리고 부착될 수 있도록 구성되고 구조화된다.
일 실시예에서, 광자 장치는 지지부(예를 들어, 인터포저(interposer) 또는 집적 회로(IC), 예를 들어 CMOS 칩); 지지부의 상단 표면에 부착된 PIC 칩을 포함하고, PIC 칩은 광을 PIC 칩의 연부로 라우팅하여 PIC 칩의 외부에 대한 광학 인터페이스를 제공하는 광학 요소(예를 들어, 도파관)를 포함하고, 연부 커플러는 PIC 칩에 대해서 정렬되어 지지부 상에서 지지되고, 거울의 제1 어레이는 PIC 칩의 광학 요소와 광학적으로 정렬되며, 연부 커플러의 제1 광 경로는 거울의 제1 어레이 내의 거울과 PIC 칩 내의 상응 광학 요소 사이에 위치된다.
일 실시예에서, 각각의 거울은 PIC 칩의 상응 광학 요소에 대면되는 노출된 반사 자유 측면을 갖는 기부의 노출된 자유 표면(즉, 공기에 노출된 표면, 또는 광학 벤치의 기부의 본체 내부가 아닌 표면)이고, 노출된 반사 자유 측면은, 광이 PIC 칩 내의 상응 광학 요소로 그리고 그로부터 지향되는, 구조화된 반사 표면 프로파일을 포함한다. 구조화된 반사 표면 프로파일은 이하의 기하형태적 프로파일: (a) 타원형, (b) 축-외 포물선형 또는 (c) 다른 자유-형태의 형상 중 하나를 포함할 수 있다. 거울은, 가단성 금속 재료를 스탬핑하는 것에 의해서 기부 상에 형성될 수 있다.
일 실시예에서, 연부 커플러는, 거울의 제1 어레이와 PIC 칩의 연부에 위치되는 광학 요소 사이에서 어떠한 광학 요소(예를 들어, 광 섬유)도 가지지 않는, 자유 공간 연부 커플러이다. 다른 실시예에서, 연부 커플러 기부는 길이방향 축이 제1 광 경로를 따르는 광 섬유의 섹션을 각각 수용하는 홈의 어레이를 포함하고, 그 단부 중 하나는 제1 광 경로를 따라서 상응 거울과 광학적으로 정렬되고 대향 단부는 PIC 칩 내의 상응 광학 요소와 광학적으로 정렬되며, 기부 내의 홈은 PIC 칩의 연부에 대면되는 연부 커플러의 기부의 연부에서 종료된다. 일 실시예에서, 광 섬유의 섹션은 실질적으로 연부 커플러의 기부의 연부에서 종료되거나, 연부 커플러의 기부의 연부로부터 약간 돌출하거나 그로부터 약간 후퇴된다. 다른 실시예에서, 광 섬유의 섹션은 연부 커플러의 기부의 연부를 넘어서 연장되는 연장 섹션을 포함하고, 연장 섹션은 PIC 칩의 연부에서 홈 내에 수용되고, 연장 섹션의 연장 단부는 PIC 칩 내의 상응 광학 요소와 광학적으로 정렬된다.
추가적인 실시예에서, 각각의 홈은, 제1 광 경로를 따라 각각의 홈 내에 수용된 광 섬유의 섹션의 제2 단부와 광학적으로 정렬되게 GRIN 렌즈(gradient index lens)를 더 수용하고, GRIN 렌즈는 PIC 칩 내의 상응 광학 요소로부터의 광을 광 섬유의 섹션의 제2 단부로 수렴시키거나, 광 섬유의 섹션의 제2 단부로부터의 광을 PIC 칩 내의 상응 광학 요소로 발산시킨다.
홈을 갖는 연부 커플러의 실시예에서, 홈 및 거울의 제1 어레이는, 반사 표면 및 광 섬유 정렬 홈을 일체로 그리고 동시에 형성하기 위해서, 가단성 금속 재료의 하나의 단일체 블록(예를 들어, 스톡 금속 재료 또는 금속 블랭크)을 스탬핑하는 것에 의해서, 기부 상에 일체로 형성될 수 있다.
광 섬유 어레이는 연부 커플러의 거울의 제1 어레이와 광학적으로 정렬되게 광 섬유의 단부들을 종료시키고 지지하는 광 섬유 연결기를 포함하고, 광 섬유 연결기는 제2 광 경로를 따라서 제2 방향으로 광을 입력/출력하고, 광 섬유 연결기가 연부 커플러에 커플링되면, 광 섬유 어레이와 PIC 칩의 광학 요소 사이의 광은, 연부 커플러 내의 거울의 제1 어레이를 통해서, 제1 광 경로 및 제2 광 경로에 의해서 형성된 광 경로를 따른다. 거울의 구조화된 반사 표면 프로파일은, 광 섬유 연결기 내의 광 섬유의 모드 필드를 매칭시키기 위해서 PIC 칩으로부터의 광을 재성형하도록 구성된다.
일 실시예에서, 광 섬유 연결기는 제2 (수직) 광 경로를 따라 제2 방향으로 광을 입력/출력하도록 광 섬유를 지지하는 구조물을 포함하고, 광 섬유 연결기가 연부 커플러에 커플링되면, 광 섬유 어레이와 PIC 칩의 광학 요소 사이의 광은, 연부 커플러 내의 거울의 제1 어레이를 통해서, 제1 광 경로 및 제2 광 경로에 의해서 형성된 광 경로를 따른다. 광 섬유 연결기는, 광 섬유를 PIC 칩의 상단 표면에 대해 직각, 수직 방향으로 유지하는, 광 섬유 페룰 연결기의 형태일 수 있다. 다른 실시예에서, 광 섬유 연결기는 거울의 제2 어레이를 포함하는 광학 벤치를 포함할 수 있고, 거울의 제2 어레이 내의 각각의 거울은, 광을 제1 (수평) 방향에 평행한 제3 (수평) 방향을 따른 제3 광 경로와 제2 (수직) 방향을 따른 제2 광 경로 사이에서 전환하고 그에 의해서 광을 제2 광 경로를 따른 제2 (수직) 방향으로 입력/출력하는 구조화된 반사 표면 프로파일을 포함한다. 이러한 실시예에서, 광 섬유 연결기가 연부 커플러에 커플링되면, 광 섬유 어레이와 PIC 칩의 광학 요소 사이의 광은, 연부 커플러 내의 거울의 제1 어레이 및 광 섬유 연결기 내의 거울의 제2 어레이를 통해서, 제1 광 경로, 제2 광 경로, 및 제3 광 경로에 의해서 형성된 광 경로를 따른다.
광 섬유 연결기는 연부 커플러 상의 피동적 정렬 구조물에 대해서 상보적인 피동적 정렬 구조물을 포함하고, 광 섬유 연결기는, 광 섬유 어레이를 연부 커플러를 통해서 PIC 칩의 광학 요소와 광학적으로 커플링시키기 위해서, 광 섬유 연결기 및 연부 커플러 상의 상보적인 피동적 정렬 구조물들을 기초로 하는 피동적 정렬에 의해 연부 커플러에 장착해제 가능하게 커플링된다. 일 실시예에서, 연부 커플러 상의 피동적 정렬 구조물은, 운동역학적 커플링, 준-운동역학적 커플링, 또는 탄성 평균 커플링(elastic averaging coupling)을 제공하기 위한 정렬 핀, 정렬 핀 홀 및 표면 특징부 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 광 섬유 연결기 상의 상보적인 피동적 정렬 구조물은, 연부 커플러의 상응하는 피동적 정렬 구조물에 상보적인, 운동역학적 커플링, 준-운동역학적 커플링, 또는 탄성 평균 커플링을 제공하기 위한 정렬 핀 홀, 정렬 핀 및 표면 특징부 중 적어도 하나를 포함한다.
PIC 칩의 지지부는, 인쇄 회로 기판(PCB) 상에서 지지될 수 있는 인터포저 또는 집적 회로일 수 있다. 거울의 제1 어레이는, 연부 커플러와 PIC 칩의 광학 요소 사이의 광을 기초로 하는 능동적 정렬에 의해서, 또는 유리 커버 및 PIC 칩의 연부 부근의 상단 표면 상에 제공된 기준부들(fiducials)을 기초로 하는 PIC 칩의 연부에 대한 연부 커플러의 피동적 정렬에 의해서, PIC 칩의 광학 요소와 광학적으로 정렬되어 배치될 수 있고, 연부 커플러는 기준부들을 광학적으로 정렬시키는 것에 의해서 PIC 칩에 피동적으로 정렬된다.
본 발명의 특성 및 장점뿐만 아니라 그 바람직한 사용 모드의 보다 완전한 이해를 위해서, 첨부 도면과 함께 기술된 이하의 구체적인 설명을 참조할 것이다. 이하의 도면에서, 유사한 참조 문자 및/또는 번호는 도면 전체를 통해서 비슷하거나 유사한 부분을 나타낸다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 연부 커플러를 도시하고; 도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른, PIC에 대한 연부 커플러의 부착에 관한 개략도이고; 도 1c는 본 발명의 일 실시예에 따른, PIC의 연부 커플러에 대한 광 섬유 어레이의 장착해제 가능한 커플링을 도시하며; 도 1d는 본 발명의 일 실시예에 따른, PIC에 대한 연부 커플러의 부착에 관한 개략도이다.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 광 섬유 어레이를 도시하고; 도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른, 광 섬유 어레이의 광학 연결기를 도시한다.
도 3a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연부 커플러를 도시하고; 도 3b는 본 발명의 다른 실시예에 따른, PIC 칩의 연부에 대한 연부 커플러의 배치에 관한 개략적 단면도이고; 도 3c는 본 발명의 다른 실시예에 따른, PIC의 연부 커플러에 대한 광 섬유 어레이의 장착해제 가능한 커플링을 도시하며; 도 3d는 본 발명의 다른 실시예에 따른, PIC에 대한 연부 커플러의 부착에 관한 개략도이다.
도 4a는 본 발명의 추가적인 실시예에 따른 연부 커플러를 도시하고; 도 4b 및 도 4c는 본 발명의 추가적인 실시예에 따른, PIC에 대한 연부 커플러의 부착에 관한 개략도이고; 도 4d는 본 발명의 추가적인 실시예에 따른, PIC의 연부 커플러에 대한 광 섬유 어레이의 장착해제 가능한 커플링을 도시하며; 도 4e는 본 발명의 추가적인 실시예에 따른, PIC 칩의 연부에 대한 연부 커플러의 배치에 관한 개략적 단면도이다.
도 5a는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 연부 커플러를 도시하고; 도 5b는 본 발명의 다른 실시예에 따른, PIC의 연부 커플러에 대한 광 섬유 어레이의 장착해제 가능한 커플링을 도시한다.
도 6a는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 연부 커플러를 도시하고; 도 6b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른, PIC의 연부 커플러에 대한 광 섬유 어레이의 장착해제 가능한 커플링을 도시한다.
도 7a는 본 발명의 실시예에 따른, GRIN 렌즈(gradient-index lens)를 갖는 연부 커플러를 도시하고; 도 7b는 광 섬유의 단부에 광을 포커스하는 GRIN 렌즈를 개략적으로 도시한다.
본 발명은 도면을 참조한 여러 실시예를 참조하여 이하에서 설명된다. 본 발명이 이러한 발명의 목적을 달성하기 위한 최적의 모드와 관련하여 설명되지만, 관련 기술 분야의 통상의 기술자는, 본 발명의 사상 및 범위로부터 벗어나지 않고도, 이러한 교시 내용을 고려하여 변형을 달성할 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
본 발명은, 광 섬유 어레이와 광자 집적 회로(PIC) 디바이스(예를 들어, PIC 칩 패키지) 사이에서 장착해제 가능한/분리 가능한 그리고 재연결 가능한 연부 커플러를 제공하는 것에 의해서 종래 기술의 단점을 극복한다. 연부 커플러는, PIC 칩 내의 인터페이싱 광학 요소(예를 들어, 도파관)와 광학적으로 정렬되어, PIC 칩의 연부에 부착된다. 본 발명의 연부 커플러는 거울 어레이를 가지는 마이크로-거울 광학 벤치(MOB), 및 광학 정렬된 섬유 어레이의 장착해제 가능한 재연결을 허용하도록 구성되고 구조화된 기부를 포함한다.
도 1a 내지 도 1d는 본 발명의 일 실시예에 따른, 연부 커플러, 연부 커플러의 PIC 칩에 대한 커플링, 및 광 섬유 어레이에 대한 장착해제 가능한 커플링을 도시한다.
도 1a 내지 도 1d를 참조하면, 연부 커플러(E)는 마이크로-거울 광학 벤치(MOB)를 포함하고, 마이크로-거울 광학 벤치는 (예를 들어, 규소, 유리, 가단성 금속, 예를 들어 Kovar, Invar, 알루미늄, 스테인리스 강으로 제조된) 벤치 또는 기부(B), 및 기부 상에 형성된 거울(M)의 제1 어레이를 포함한다. 투명한 유리, 석영, 또는 사파이어 판(G)이 벤치(B)의 노출 표면을 덮는다. 일 실시예에서, 연부 커플러(E)는 거울 표면(M)과 유리 판(G) 사이에서 인덱스-매칭 에폭시로 충진될 수 있다. 각각의 거울(M)은, 광을, 상단 표면에 실질적으로 평행한 평면 내의 제1 (수평) 방향을 따르는 제1 광 경로(L1)와, 평면 외측의 제2 (수직) 방향을 따른 제2 광 경로(L2) 사이에서 (예를 들어, 90도만큼) 전환하는 구조화된 반사 표면 프로파일, 및 (도 2a, 도 2b와 관련하여 더 구체적으로 설명되는) 외부 광 섬유 어레이(FA)의 광 섬유 연결기에 대한 장착해제 가능한 커플링을 위한 기부(B) 상의 피동적 정렬 구조물(A)을 포함한다.
도 1d는 광 경로(L1)를 따라 PIC 칩(P)의 광학 요소(W)와 광학적으로 정렬된 거울(M)의 개략적 단면도이다. 조립체는 기부(B)의 연부와 PIC 칩(P)의 대면 연부 사이에서 의도적인 간극을 가지고 만들어질 수 있다. 이러한 경우에, 간극은, 광 섬유의 코어 및 PIC 칩(P) 상의 도파관의 굴절률과 유사한 광학 굴절률을 갖는 재료로 충진될 수 있다. 예시적인 재료는, 상업적으로 입수할 수 있는 EMI/UM 에폭시 모델 3553과 같은 인덱스-매칭 에폭시이다. 대안적으로, 조립체는 간극이 없이 구성될 수 있고, 그러한 경우에 빔은 도파관과 거울 사이의 공기를 통과한다.
연부 커플러(E)가 PIC 칩(P)의 연부에 광학적으로 커플링되어, 광 섬유 어레이(FA)와 PIC 칩(P) 사이에서 장착해제 가능한 커플링을 제공한다. 더 구체적으로, 장착해제 가능한 커플링은 광 섬유 어레이(FA)의 광 섬유 연결기(C)와 연부 커플러(C) 사이의 분리 가능하고 재연결 가능한 연결이고, 연부 커플러(E)는, 연부 커플러(E)에 대한 광학적으로 정렬된 재연결을 위해서, 광 섬유 연결기(C)가 제거될 수 있도록 그리고 제거 가능하게 부착될 수 있도록 구성되고 구조화된다.
도 1b는, 지지부(S)(예를 들어, 인터포저 또는 CMOS 칩과 같은 집적 회로(IC))를 포함하는 광자 장치(PA)를 도시한다. PIC 칩(P)은 지지부(S)의 상단 표면에 부착되고, PIC 칩(P)은, 광을 PIC 칩(P)의 연부로 라우팅하여 PIC 칩(P)의 외부에 대한 광학 인터페이스를 제공하는 내부 광학 요소(W)(예를 들어, 도 1b에서 점선으로 개략적으로 도시된; 도파관)를 포함한다. 연부 커플러(E)는 (후술되는 바와 같이 능동적으로 또는 피동적으로) PIC 칩(P)에 대한 정렬을 달성한 후에 지지부 상에서 (예를 들어, 납땜, 에폭시, 또는 레이저 용접에 의해서) 고정되고, 거울(M)의 제1 어레이는 PIC 칩의 광학 요소(W)와 광학적으로 정렬되며, 연부 커플러(E)의 제1 광 경로(L1)는 거울의 제1 어레이 내의 거울(M)과 PIC 칩(P) 내의 상응 광학 요소(W) 사이에 위치된다.
거울(M)의 제1 어레이는, 연부 커플러(E)와 PIC 칩(P)의 광학 요소(W) 사이에서 전달되는 광을 기초로 하는 능동적 정렬(미도시)에 의해서, PIC 칩(P)의 광학 요소(W)와 광학적으로 정렬되어 배치될 수 있다. 도 1a 및 도 1b에 도시된 실시예에서, 연부 커플러(E) 내의 거울(M)과 PIC 칩 내의 광학 요소(W)의 광학적 정렬은, 연부 커플러(E)의 기부(B)의 연부를 넘어서는 유리 커버(G)의 연장 섹션 및 PIC 칩(P)의 연부 부근의 상단 표면 상에 제공된 기준부들(X)을 기초로 하는 PIC 칩(P)의 연부에 대한 연부 커플러(E)의 피동적인 정렬에 의해서 달성된다. 연부 커플러(E)는, 유리/석영/사파이어 커버(G) 및 PIC 칩(P)의 상단 표면 상의 기준부들(X)을 광학적으로 정렬시키는 것에 의해서, PIC 칩(P)에 대해서 피동적으로 정렬된다.
일 실시예에서, 각각의 거울(M)은 PIC 칩(P)의 상응 광학 요소(W)에 대면되는 노출된 반사 자유 측면을 갖는 기부(B)의 노출된 자유 표면(즉, 공기에 노출된 표면, 또는 광학 벤치의 기부의 본체 내부가 아닌 표면)이고, 노출된 반사 자유 측면은, 광이 PIC 칩(P) 내의 상응 광학 요소(W)로 그리고 그로부터 지향되는, 구조화된 반사 표면 프로파일을 포함한다. 각각의 거울(M)은 입사 광을 굽히고, 반사시키고, 및/또는 재성형한다. 구조화된 반사 표면 프로파일의 기하형태 및 형상(예를 들어, 곡률)에 따라, 거울(M)은 입사 광 빔을 시준, 확대 또는 포커스할 수 있다. 예를 들어, 구조화된 반사 표면 프로파일은 이하의 기하형태적 형상/프로파일: (a) 타원형, (b) 축-외 포물선형 또는 (c) 다른 자유-형태의 광학 표면 중 하나를 포함할 수 있다. 예를 들어, 광학 파워(optical power)를 제공하기 위한 거울 표면은 이하 중 임의의 것의 표면 기하형태적 곡률 기능을 개별적으로 또는 중첩되게 가질 수 있다: 타원형 또는 쌍곡선 원추형 포커스, 다양한 수의 짝수 또는 홀수 비구면 항을 갖는 토로이달(toroidal) 비구면 표면, 다양한 수의 짝수 또는 오프 항을 갖는 X-Y 비구면 곡선, 다양한 오더(order)에 대한 Zernike 다항식, 이러한 함수에 포함된 다양한 더 단순한 표면의 계열. 표면은 또한 임의의 평면 또는 벡터를 따라 대칭성을 가지지 않는 자유-형태 표면일 수 있다.
본원에서 설명된 모든 실시예에서, 구조화된 반사 표면은 복합 반사 표면을 구조화하기 위해서 편평하도록, 오목하도록 또는 볼록하도록, 또는 이들의 조합이 되도록 구성될 수 있다. 일 실시예에서, 구조화된 반사 표면은 (폴리싱된 마감과 유사한 마감을 가지는) 매끄러운 거울 표면을 갖는다. 그 대신, 이는, 반사적인 텍스처링된(textured) 표면일 수 있다. 구조화된 반사 표면은 균일한 표면 특성, 또는 표면에 걸쳐 평활도 및/또는 텍스처의 정도가 달라지는 것과 같은 변동되는 표면 특성, 또는 구조화된 반사 표면을 구성하는 매끄럽고 텍스처링된 표면의 여러 영역의 조합을 가질 수 있다. 구조화된 반사 표면은 이하의 동등한 광학 요소 중 적어도 하나에 상응하는 표면 프로파일 및/또는 광학 특성을 가질 수 있다: 거울, 포커싱 렌즈, 발산 렌즈, 회절 격자, 또는 이들의 조합. 구조 반사 표면은, 상이한 동등한 광학 요소에 상응하는 하나 초과의 영역(예를 들어, 발산되는 환형 영역에 의해서 둘러싸인, 포커스되는 중앙 영역)을 형성하는 복합 프로파일을 가질 수 있다. 일 실시예에서, 구조화된 반사 표면은, 표면을 통해서 광을 전달하지 않는 불투명한 재료 상에 형성된다.
거울(M)은, 가단성 금속 재료를 스탬핑하는 것에 의해서 기부(B) 상에 형성될 수 있다. 임의의 300 또는 400 계열 스테인리스 강, Kovar의 임의의 조성물, 임의의 석출 또는 용해 강화 금속(solution hardened metal), 그리고 Ag, Al, Au, Cu의 임의의 합금을 포함하는, 공구 강 또는 텅스텐 탄화물 공구로 스탬핑될 수 있는 다양한 가단성 금속이 거울의 본체를 구성할 수 있다. 1310 nm 초과의 긴 파장에서, 알루미늄은 매우 반사적이고(98% 초과) 스탬핑에 의해서 경제적으로 성형된다. 거울을 포함하는 금속의 부분의 반사 표면은 전술한 금속 중 임의의 금속, 또는 스퍼터링, 증발, 또는 도금 프로세스에 의해서 도포된 고반사 금속의 임의의 코팅일 수 있다.
본 발명의 양수인에게 공통 양도된, 미국 특허 제7,343,770호는 작은 공차의 부품을 제조하기 위한 신규한 정밀 스탬핑 시스템을 개시한다. 그러한 창의적인 스탬핑 시스템을 실시하여 (이하에서 설명되는 구조물뿐만 아니라, 전술한 광학 벤치(B)를 위한 구조물을 포함하는) 본원에서 개시된 연부 커플러의 구조물을 생산할 수 있다. 이러한 스탬핑 프로세스는, 다른 형성된 표면 특징부와 정확하게 정렬된 희망 기하형태를 갖는 반사 표면을 포함하는, 엄격한(즉, 작은) 공차의 최종적인 표면 특징부를 형성하기 위해서, 가단성 벌크 금속 재료(예를 들어, 금속 블랭크 또는 스톡)를 스탬핑하는 것을 포함한다. 본 발명의 양수인에게 공통 양도된, 미국 특허출원 공개 제US2016/0016218A1는 상이한 금속 재료들로 이루어진 주요 부분 및 보조 부분을 갖는 기부를 포함하는 복합 구조물을 더 개시한다. 기부 및 보조 부분은 스탬핑에 의해서 성형된다. 보조 부분이 스탬핑됨에 따라, 보조 부분은 기부와 서로 맞물리고, 동시에, 구조화된 반사 표면, 광 섬유 정렬 특징부 등과 같은, 보조 부분 상의 희망하는 구조화된 특징부를 형성한다. 이러한 접근방식으로, 비교적 덜 중요한 구조화된 특징부는 비교적 큰 공차를 유지하기 위한 적은 노력으로 기부의 벌크 상에서 성형될 수 있는 한편, 보조 부분 상의 비교적 더 중요한 구조화된 특징부는, 비교적 더 작은 공차로 치수, 기하형태, 및/또는 마무리를 규정하기 위한 추가적인 사항을 고려하여, 더 정밀하게 성형된다. 보조 부분은 상이한 구조화된 특징부들을 스탬핑하기 위한 상이한 성질들과 연관된 2개의 상이한 금속 재료들로 이루어진 추가적인 복합 구조물을 포함할 수 있다. 이러한 스탬핑 접근방식은 미국 특허 제7,343,770호의 이전의 스탬핑 프로세스를 개선하고, 여기에서 스탬핑되는 벌크 재료는 균질한 재료(예를 들어, Kovar, 알루미늄, 등과 같은 금속의 스트립)이다. 스탬핑 프로세스는 하나의 균질한 재료로부터 구조적 특징부를 생산한다. 그에 따라, 상이한 특징부들은 하나 이상의 특징부에 대해서 최적화되지 않을 수 있는 재료의 성질을 공유할 수 있다. 예를 들어, 정렬 특징부를 스탬핑하기에 적합한 성질을 가지는 재료는, 광학 신호 손실을 감소시키기 위한 최적의 광 반사 효율을 가지는 반사 표면 특징부를 스탬핑하기에 적합한 성질을 가지지 않을 수 있다. 개시된 복합 구조물은 본원에서 개시된 바와 같은 연부 커플러(예를 들어, 도 3a, 도 4a, 도 5a, 및 도 6a) 및 광학 벤치를 갖는 광 섬유 연결기(예를 들어, 도 2b)를 생산하기 위해서 채택될 수 있다.
도 2a 및 도 2b를 참조하면, 광 섬유 어레이(FA)는 연부 커플러(E)의 거울(M)의 제1 어레이와 광학적으로 정렬되게 광 섬유(OF)의 어레이/번들의 단부를 종료시키고 지지하는 광 섬유 연결기(C)를 포함하고, 광 섬유 연결기(C)는 광을 제2 광 경로(L2)를 따라서 제2 방향으로 입력/출력한다. 광 섬유 연결기(C)가 연부 커플러(E)에 커플링되면, 광 섬유 어레이(FA)와 PIC 칩(P)의 광학 요소(W) 사이의 광은, 연부 커플러(E)의 거울(M)의 제1 어레이를 통해서, 적어도 제1 광 경로(L1) 및 제2 광 경로(L2)를 포함하는 광 경로를 따른다. 투명한 유리, 석영, 또는 사파이어 판(GG)이 벤치(BB) 상의 노출된 거울 표면(MM)을 덮는다. 일 실시예에서, 연결기(C)는 거울 표면(MM)과 유리 판(GG) 사이에서 인덱스-매칭 에폭시로 충진될 수 있다. 섬유 어레이(FA)의 타 단부에서, 연결기(CC)(예를 들어, MT 페룰 연결기와 같은 페룰 연결기)가 제공된다. 섬유 어레이(FA)는 섬유-광학 점퍼 케이블로서 기능한다.
또한, 도 2b의 실시예에서, 광 섬유 연결기(C)는, 거울(MM)의 제2 어레이 및 광 섬유(OF)의 단부 섹션을 유지하기 위한 홈(V)을 포함하는 기부(BB)를 갖는 광학 벤치를 포함하고, 거울의 제2 어레이 내의 각각의 거울(MM)은, 광을 제1 (수평) 방향의 제1 광 경로(L1)에 평행한 제3 (수평) 방향을 따른 제3 광 경로(L3)와 제2 (수직) 방향을 따른 제2 광 경로(L2) 사이에서 전환하고 그에 의해서 광을 제2 광 경로(L2)를 따른 제2 (수직) 방향으로 입력/출력하는 구조화된 반사 표면 프로파일을 포함한다. 이러한 실시예에서, 도 1c에 도시된 바와 같이 광 섬유 연결기(C)가 연부 커플러(E)에 커플링되면, 광 섬유 어레이(FA)와 PIC 칩(P)의 광학 요소(W) 사이의 광은, 연부 커플러(E) 내의 거울(M)의 제1 어레이 및 광 섬유 연결기(C) 내의 거울의 거울(MM)의 제2 어레이를 통해서, 제1 광 경로(L1), 제2 광 경로(L2), 및 제3 광 경로(L3)의 조합에 의해서 일반적으로 형성되는 광 경로를 따른다.
연결기(C)의 기부(BB) 상의 표면 특징부(거울(MM) 및 홈(V))는, 이하에서 설명되는 도 3a의 연부 커플러(E1) 내의 기부(B1)의 표면 특징부의 형성과 관련하여 설명되는 것과 유사한 방식으로, 스탬핑에 의해서 형성될 수 있다.
거울(M) 및/또는 거울(MM)의 구조화된 반사 표면 프로파일은, PIC 칩(P)으로부터의 광 빔을 재성형하여, 광 섬유 연결기(C) 내의 광 섬유의 모드 필드와 더 밀접하게 매칭되는 모드 필드를 생성하도록 구성될 수 있다. 또한, 연부 커플러(E) 내의 거울(M)은 PIC 칩(P) 내의 광학 요소(W)로부터의 광 빔을 확대 또는 시준하기 위해서 그리고 연결기(C) 내의 거울(MM)로 출력하기 위해서 반사 표면 프로파일로 구성될 수 있고, 연결기(C) 내의 거울(MM)은 연부 커플러 내의 거울(M)로부터의 광 빔을 포커스하여 연결기(C) 내의 광학 벤치의 기부(BB) 상의 홈(V) 내에서 유지되는 광 섬유(OF)의 선단부/단부 면의 코어 상으로 포커스하기 위해서 반사 표면 프로파일로 구성될 수 있다. 이러한 확대된 빔 커플링 구성은, 확대된-빔 광 섬유 연결기(C) 내에서 유지되는 광 섬유와 거울(M) 사이의 광학 정렬 공차 요건을 경감할 수 있다.
대안적으로, 도 2b에 도시된 광학 벤치를 갖춘 연결기를 갖는 광 섬유 어레이(FA) 대신, 도 6a 및 도 6b에 도시된 바와 같이, 광학 벤치를 갖지 않는 페룰 연결기(FC)(미도시; 예를 들어, MTP 및 MPO 섬유-광학 연결기 내에서 이용되는 것과 같은 MT 페룰)를 갖는 광 섬유 어레이(FA2)를 이용하여, 연부 커플러(E)에 커플링하기 위한 노출된 드러난(bare) 단부 면을 갖는 광 섬유를 유지한다. 이러한 실시예에서, 거울(M)의 구조화된 반사 표면 프로파일은 PIC 칩(P)으로부터의 광 빔을 재성형하도록, 그에 따라 PIC 칩(P)으로부터의 광 빔을 광 섬유 페룰 연결기(FC) 내에서 유지되는 광 섬유의 노출된 선단부/단부 면의 코어에 직접적으로 포커스하도록 구성될 수 있다. 도 6a 및 도 6b에 도시된 실시예에서, 도 2b에서와 같은 광 섬유 어레이(FA) 내의 광 섬유 연결기(C) 대신, 광 섬유 연결기(FC)는 제2 (수직) 광 경로(L2)를 따라 제2 방향으로 광을 입력/출력하도록 광 섬유를 지지하는 구조물을 포함하고, 광 섬유 연결기(FC)가 연부 커플러(E)에 장착해제 가능하게 커플링되면, 광 섬유 어레이(FA)와 PIC 칩(P)의 광학 요소(W) 사이의 광은, 연부 커플러(E) 내의 거울(M)의 제1 어레이를 통해서, 제1 광 경로(L1) 및 제2 광 경로(L2)만에 의해서 형성된 광 경로를 따른다.
광 섬유 연결기(FC)는, 광 섬유를 PIC 칩(P)의 상단 표면에 대해 직각, 수직방향으로 유지하는, 광 섬유 페룰 연결기(예를 들어, MT 페룰)의 형태일 수 있다. 이러한 실시예에서, 페룰 연결기(FC) 내의 광 섬유(OF)의 선단부는 연부 커플러(E)의 유리 판(G)과 물리적으로 접촉될 수 있다.
페룰 연결기(FC)가 광학 벤치를 갖지 않는 확대된-빔 유형인 경우에, 거울(M)의 구조화된 반사 표면 프로파일은 PIC 칩(P)으로부터의 광 빔을 재성형하도록, 그에 따라 광 빔을 확대하여 확대된-빔 광 섬유 연결기(FC) 내에서 유지되는 광 섬유와 거울(M) 사이의 광학 정렬 공차 요건을 경감하도록 구성될 수 있다. 이러한 실시예에서, 페룰 연결기(FC) 내의 광 섬유(OF)의 선단부는 연부 커플러(E)의 유리 판(G)과 물리적으로 접촉될 필요는 없으나, 접촉될 수는 있다. 이러한 실시예에서, 연부 커플러(E)의 기부(B)는, 정렬 핀(A) 대신, 정렬 홀(AA)을 구비하고, 그에 따라 페룰 연결기(FC) 상의 상보적인 정렬 핀(A)을 수용한다.
희망하는 빔 형상/기하형태를 획득하기 위해서, 연부 커플러 내의 거울(M) 및/또는 광 섬유 연결기(C) 내의 거울(MM)의 반사 표면 프로파일의 다양한 설계 또는 변경이 이루어질 수 있다.
도 1b 및 도 2b에서, 광 섬유 연결기(C)는 연부 커플러(E) 상의 피동적 정렬 구조물(A)에 대해서 상보적인 피동적 정렬 구조물(AA)을 포함하고, 광 섬유 연결기(C)는, 광 섬유 연결기(C) 및 연부 커플러(E) 상의 상보적인 피동적 정렬 구조물들(A 및 AA)을 기초로 하는 피동적 정렬에 의해서, 연부 커플러에 장착해제 가능하게 커플링되고, 그에 따라, 도 1c에 도시된 바와 같이, 광 섬유 어레이(FA)를 연부 커플러(E)를 통해서 PIC 칩(P)의 광학 요소(W)와 광학적으로 커플링시킨다. 일 실시예에서, 연부 커플러(E) 상의 피동적 정렬 구조물(A)은, 운동역학적 커플링, 준-운동역학적 커플링, 또는 탄성 평균 커플링을 제공하기 위한 정렬 핀, 정렬 핀 홀 및 표면 특징부(미도시) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 광 섬유 연결기 상의 상보적인 피동적 정렬 구조물(AA)은, 연부 커플러의 상응하는 피동적 정렬 구조물에 상보적인, 운동역학적 커플링, 준-운동역학적 커플링, 또는 탄성 평균 커플링을 제공하기 위한 상보적인 정렬 핀 홀, 정렬 핀 및 표면 특징부(미도시) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 본 발명의 양수인에게 공통 양도된, 미국 특허공개 제US2016/0161686A1호는 운동역학적 커플링, 준-운동역학적 커플링, 또는 탄성 평균 커플링의 예를 포함하는 장착해제 가능한 광학 연결기 구조물을 개시한다.
도 1a 내지 도 1c의 실시예에서, 연부 커플러(E)는, 거울(M)의 제1 어레이와 PIC 칩(P)의 연부에 위치되는 광학 요소(W) 사이에서 어떠한 광학 요소(예를 들어, 광 섬유 섹션)도 가지지 않는, 자유 공간 연부 커플러이다.
도 3a 내지 도 3d에 도시된 다른 실시예에서, 연부 커플러(E1) 내의 광학 벤치의 기부(B1)는, 거울(M1)의 어레이 및 홈(V1)의 어레이를 갖는 기부(B1)를 포함하고, 각각의 홈은 (짧은 섬유 스터브(stub) 형태의) 광 섬유(F)의 섹션을, 그 길이방향 축이 제1 광 경로(L1)를 따르도록, 수용한다. 섬유 스터브(F)의 일 단부는 제1 광 경로(L1)를 따라서 상응 거울(M1)과 대면되고 그와 광학적으로 정렬되고, 타 단부는 PIC 칩 내의 상응 광학 요소(W)와 대면되고 그와 광학적으로 정렬되며, 기부(B1) 내의 홈(V1)은 PIC 칩(P)의 연부에 대면되는 연부 커플러(E1)의 기부(B1)의 연부에서 종료된다. 일 실시예에서, 광 섬유(F)의 섹션은 실질적으로 연부 커플러(E1)의 기부(B1)의 연부에서 종료되고, 광 섬유(F)의 단부 면은 연부 커플러(E)의 기부(B1)의 연부로부터 약간 돌출하거나 그로부터 약간 후퇴될 수 있다. 유리, 석영, 또는 사파이어 판(G1)이 연부 커플러(E1)의 기부(B1) 상의 노출된 거울(M1)을 덮는다(그리고, 후술되는 바와 같이, 피동적인 기준부 정렬을 위해서 기부(B1)의 연부로부터 연장된다). 일 실시예에서, 연부 커플러(E1)는 거울 표면(M1)과 유리 판(G) 사이에서 인덱스-매칭 에폭시로 충진될 수 있다.
도 3d는 PIC 칩(P)의 광학 요소(W) 및 섬유 스터브(F)를 포함하는 홈의 개략적 단면도이다. 섬유 스터브(F)는 기부(B1)의 연부에서 폴리싱되고(및/또는 유리 커버에 의해서 덮이고, 미도시), 그에 따라 PIC 칩(P) 내의 광학 요소(W)에 대해서 섬유 어레이와 같이 작용한다. 조립체는 기부(B1)의 연부와 PIC 칩(P)의 대면 연부 사이에서 의도적인 간극을 가지고 만들어질 수 있다. 이러한 경우에, 간극은, 광 섬유의 코어 및 PIC 칩(P) 상의 도파관의 굴절률과 유사한 광학 굴절률을 갖는 재료로 충진될 수 있다. 예시적인 재료는, 상업적으로 입수할 수 있는 EMI/UM 에폭시 모델 3553과 같은 인덱스-매칭 에폭시이다. 대안적으로, 조립체는 간극이 없이 구성될 수 있고, 그러한 경우에 빔은 도파관과 거울 사이의 공기를 통과한다.
이러한 실시예에서, 각각의 섬유 스터브(F)는 각각의 광학 요소(W)와 거울(M1) 사이에서 광학 필터로서의 역할을 한다. 거울(M1)에 대한 광학 요소(W)로부터 광 빔의 모드 필드가 매칭되지 않을 수 있다. 각각의 섬유 스터브(F)는 거울(M1)을 위한 광 빔의 모드 필드를 교정 및/또는 컨디셔닝하는 것에 의해서 재성형하고, 그에 의해서 광 빔을 거울(M1)에서 알려진 조건으로 표준화한다. 따라서, 거울(M1)은 그러한 알려진 조건을 기초로 설계될 수 있고, 그에 따라 PIC 칩(P) 내의 광학 요소(W)로부터의 직접적인 광 빔을 기초로 하는 비-표준 조건과 직면하게 되는 문제를 회피할 수 있다.
비교하자면, 도 1a 내지 도 1d의 이전의 실시예는, 거울(M)의 프로파일을 PIC 칩(P) 내의 인터페이싱 광학 요소(W)에 매칭하기 위해서, PIC 칩(P)의 모드 필드 및 다른 광학 특성을 알아야 할 필요가 있다.
추가적인 실시예에서, 섬유 스터브는, PIC 칩(P)으로부터 거울(M1)까지 광 빔의 편광을 제한하기 위해서, 편광-유지 광 섬유일 수 있다.
도 3a의 실시예에서, 섬유 스터브(F)의 각각은 2 mm의 길이를 가질 수 있고, 동일 방향을 따른 기부의 전체적인 길이는 약 3 내지 4 mm이다.
이러한 실시예에서, 개방 홈(V1)은 (클래딩이 노출된, 보호 버퍼 및 자켓 층을 가지지 않는) 광 섬유 스터브(F)의 드러난 섹션을 보유하고, 구조화된 반사 표면을 갖는 거울(M1)은 일반적으로 기부(B1)의 더 큰 평면에 대해서 각도를 이루어 경사진 평면을 가지고, 그러한 경사진 평면은 도 1a의 이전의 실시예와 관련하여 설명된 바와 같은 구조화된 반사 표면 프로파일을 갖는다. 개방 홈(V1)은 제1 광 경로(L1)를 따라서 거울(M1)에 대해서 정렬되게 섬유 스터브(F)의 단부 섹션을 수용하도록 크기설정되고 그러한 단부 섹션을 정확하게 배치하도록 위치된다. 상응 거울(M1)에 대면되는 각각의 섬유 스터브(F)의 단부 면은 상응 거울(M)에 대해서 미리-규정된 거리에서 유지된다.
실시예에서, 기부(B1) 상의 표면 특징부(거울/구조화된 반사 표면(M1) 및 광 섬유 정렬 홈(V1))는 스톡 재료(예를 들어, 금속 블랭크 또는 스트립)의 정밀 스탬핑에 의해서 일체로/동시에 형성될 수 있고, 이는, 공차, 제조성, 사용 용이성, 기능 및 신뢰성을 개선하면서, 연결기 구성요소가 대량 또는 소량으로 경제적으로 생산될 수 있게 한다. 거울(M1), 및 홈(V1)을 동일한 하나의 최종 스탬핑 작업에서 동시에 형성하는 것에 의해서, 동일 작업 단편/부품 상에서 정렬될 필요가 있는 모든 특징부들의 치수적 관계가 최종 스탬핑 단계에서 유지될 수 있다. 광학 벤치의 기부(B1) 상의 모든 특징부를 형성하기 위해서 한 번의 펀치의 행정을 이용하는 펀칭 작업 대신, 다수의 행정을 실시하여 기부(B1) 상에서 특정 특징부를 점진적으로 미리-형성할 수 있다는 것을 생각할 수 있으며, 최종 행정은, 설계 광 경로(L1)를 따른 각각의 구성요소/구조물의 적절한 정렬을 보장하기 위해서 요구되는(또는 보장하는데 있어서 중요한 역할을 하는), 거울(M1), 및 섬유 정렬 홈(V1)을 포함하는, 광학 벤치의 기부(B1) 상의 다양한 구조화된 특징부의 최종 치수, 기하형태 및/또는 마감을 동시에 형성한다.
본 발명의 양수인인, nanoPrecision Products, Inc.는, 광학 데이터 전송과 관련하여 이용되는 광학 벤치(optical bench)를 갖는 다양한 독접적인 광학 커플링/연결 디바이스를 개발하였다. 본 발명은 보다 구체적으로, 이전의 광학 커플링 디바이스에서 실시되는 스탬핑된 거울을 포함하는 광학 벤치를 스탬핑하는 유사한 개념을 채택하면서, PIC를 위한 장착해제 가능한/재연결 가능한 연부 커플러에 관한 것이다.
예를 들어, 본 발명의 양수인에게 공통 양도된 US2013/0322818A1은, 광학 데이터 신호를 라우팅하기 위한 스탬핑된 구조화된 표면을 갖는 광학 커플링 디바이스, 특히 광학 신호를 라우팅하기 위한 광학 커플링 디바이스를 개시하며, 그러한 디바이스는 기부; 기부에 형성된 구조화된 표면으로서, 입사 광을 재성형 및/또는 반사시키는 표면 프로파일을 갖는, 구조화된 표면; 및 기부 상에 형성되는 정렬 구조물로서, 기부 상의 광학 구성요소를 구조화된 표면과 광학적으로 정렬되게 배치하는 것을 돕기 위한, 그리고 그에 따라 광이 구조화된 표면과 광학 구성요소 사이의 형성된 경로를 따라서 전달될 수 있게 하기 위한 표면 특징부로 구성되는, 정렬 구조물을 포함하고, 구조화된 표면 및 정렬 구조물은 기부의 가단성 재료를 스탬핑하는 것에 의해서 기부 상에서 일체로 형성된다. 또한, 복합 구조물을 스탬핑하는 것과 관련하여 전술한 다른 개시 내용에서 설명된 프로세스가, 연부 커플러(E1)의 기부(B1) 상에 표면 특징부(거울(M1) 및 홈(V1))를 형성하기 위해서 채택될 수 있다.
연부 커플러(E1)는 능동적 정렬에 의해서 PIC 칩(P)의 연부에 대해서 광학적으로 정렬된다. 연부 커플러(E1)는, 희망하는 광학적 정렬을 달성할 때, 납땜 또는 에폭시에 의해서 지지부(S) 상의 제 위치에서 고정된다. 대안적으로, 도 1a 내지 도 1d의 이전의 실시예와 관련하여 전술한 바와 같이, PIC 칩(P)의 상단부 상에 제공된 기준부의 상보적인 패턴과 광학적으로 정렬되는 기준부의 패턴을 갖는 연장된 유리 판을 이용하여, 피동적 정렬이 달성될 수 있다.
이전의 실시예에서와 같이, 외부 광 섬유 어레이(FA)(도 3c 참조)의 연결기(C)에 대한 장착해제 가능한 커플링을 위해서, 유사한 피동적 정렬 구조물(A)이 연부 커플러(E1) 상에 제공될 수 있다.
도 5a 및 도 5b에 도시된 실시예에서, 도 3c에서와 같은 광 섬유 어레이(FA) 내의 광 섬유 연결기(C) 대신, 광 섬유 연결기(FC1)는 제2 (수직) 광 경로(L2)를 따라 제2 방향으로 광을 입력/출력하도록 광 섬유를 지지하는 구조물을 포함하고, 광 섬유 연결기(FC1)가 연부 커플러(E1)에 장착해제 가능하게 커플링되면, 광 섬유 어레이(FA1)와 PIC 칩(P)의 광학 요소(W) 사이의 광은, 연부 커플러(E1) 내의 거울(M1)의 제1 어레이를 통해서, 제1 광 경로(L1) 및 제2 광 경로(L2)만에 의해서 형성된 광 경로를 따른다. 광 섬유 연결기(FC1)는, 광 섬유를 PIC 칩(P)의 상단 표면에 대해 직각, 수직 방향으로 유지하는, 광 섬유 페룰 연결기(예를 들어, MT 페룰)의 형태일 수 있다. 이러한 실시예에서, 페룰 연결기(FC1) 내의 광 섬유(OF)의 선단부는 연부 커플러(E1)의 유리 판(G)과 물리적으로 접촉될 수 있다. 도시된 실시예에서, 연부 커플러(E1)의 기부(B1)는, 정렬 핀(A) 대신, 정렬 홀(AA)을 구비하고, 그에 따라 페룰 연결기(FC1) 상의 상보적인 정렬 핀(A)을 수용한다.
페룰 연결기(FC1)가 광학 벤치를 가지지 않는 확대된-빔 유형인 경우에, 거울(M1)의 구조화된 반사 표면 프로파일은 PIC 칩(P)으로부터의 광 빔을 재성형하도록, 그에 따라 광 빔을 확대하여 확대된-빔 광 섬유 연결기(FC1) 내에서 유지되는 광 섬유와 거울(M1) 사이의 광학 정렬 공차 요건을 경감하도록 구성될 수 있다. 이러한 실시예에서, 페룰 연결기(FC1) 내의 광 섬유(OF)의 선단부는 연부 커플러(E1)의 유리 판(G)과 물리적으로 접촉될 필요는 없으나, 접촉될 수는 있다.
도 4a 내지 도 4e는 도 3a 내지 도 3d의 실시예의 변형예를 도시한다. 이러한 실시예에서, 연부 커플러(E2)의 광학 벤치의 기부(B1)는 선행 실시예의 기부(B1)와 구조가 유사하다. 이러한 실시예의 차이는, 광 섬유(F1)(섬유 스터브)의 각각의 섹션이 기부(B1)의 연부를 넘어서 연장되는 연장 섹션(XF)을 포함한다는 것이고, 연장 섹션(XF)은 PIC 칩(P1)의 연부에 제공된 정렬 홈(PV) 내에 수용된다. 홈(PV)은 PIC 칩(P) 내의 광학 요소(W)에 광학적으로 정렬된다. 따라서, 각각의 연장 섹션(XF)의 연장된 단부는 PIC 칩(P1) 내의 상응 광학 요소(W)와 광학적으로 정렬된다. 정렬 홈(PV)이 섬유 스터브(F1)의 연장 섹션(XF)과 피동적으로 정렬되면, PIC 칩(C)에 대한 연부 어댑터(E2)의 별도의 정렬이 필요하지 않을 수 있다. 이러한 실시예에서, 유지부 판(H)이 제공되어, 연장 섹션(XF)을 PIC 칩(P)의 연부에 제공된 홈(PV) 내에서 클램핑한다.
도 4e는 PIC 칩(P1)의 광학 요소(W)와 정렬된 섬유 스터브(F1)를 포함하는 홈의 개략적 단면도이다. 섬유 스터브(F1)는, PIC 칩(P1)의 광학 요소(W)에 대해서 섬유 어레이와 유사하게 작용하도록 단부에서 폴리싱된다.
이전의 실시예에서와 같이, 외부 광 섬유 어레이(FA)의 연결기(C)에 대한 장착해제 가능한 커플링을 위해서, 유사한 피동적 정렬 구조물(A)이 연부 커플러(E2) 상에 제공될 수 있다.
도 7a 및 도 7b는 도 3a 내지 도 3d의 실시예의 다른 변형예를 도시한다. 이러한 추가적인 실시예에서, 연부 커플러(E3)의 광학 벤치의 기부(B1)는 선행 실시예의 기부(B1)와 구조가 유사하다. 이러한 실시예의 차이는, 각각의 홈(V1)이, 제1 광 경로(L1)를 따라서 광 섬유(F2)(섬유 스터브)의 섹션의 일 단부와 광학적으로 정렬되게 GRIN(gradient index) 렌즈(GR)를 수용한다는 것이다. 당업계에 잘 알려진 바와 같이, GRIN 렌즈는 재료의 굴절률의 구배에 의해서 광학 효과를 생성한다. 점진적 굴절률 변동을 이용하여, 편평한 표면을 갖는 렌즈, 또는 통상적인 구면 렌즈에서 통상적인 수차를 가지지 않는 렌즈를 생성할 수 있다. GRIN 렌즈는 구면형, 축방향, 또는 반경방향의 굴절 구배를 가질 수 있다. 이러한 실시예에서, GRIN 렌즈(GR)는 광을 PIC 칩(P) 내의 상응 광학 요소(W)로부터 섬유 스터브(F2)의 단부의 코어로 수렴하거나, 광을 섬유 스터브(F2)의 단부로부터 PIC 칩(P) 내의 상응 광학 요소(W)로 발산한다. GRIN 렌즈(GR)는 렌즈 재료의 굴절률의 점진적인 변동에 의해서 포커스를 달성한다. GRIN 렌즈(GR)는 이격부재(SP)(공기 또는 물리적)에 의해서 섬유 스터브(F2)로부터 분리될 수 있다. 이러한 실시예에서, 거울(M1)은, 직선형 섬유 스터브(F 및 F1) 대신 섬유 스터브(F2) 및 GRIN 렌즈(GR)의 조합을 고려하여, 연부 커플러(E 및 E2)의 이전의 실시예에 비해서, 유사하거나 상이한 기하형태/형상을 가질 수 있다.
전술한 모든 실시예에서 제1 광 경로(L1), 제2 광 경로(L2) 및 제3 광 경로(L3)는 양-방향적이다.
홈 및 거울을 갖는 연부 커플러(E1, E2 및 E3)의 실시예에서, 홈 및 거울 어레이는, 전술한 프로세스를 이용하여, 반사 표면 및 광 섬유 정렬 홈을 일체로 그리고 동시에 형성하기 위해서, 가단성 금속 재료의 하나의 단일체 블록(예를 들어, 스톡 금속 재료 또는 금속 블랭크)을 스탬핑하는 것에 의해서, 연부 커플러의 기부 상에 일체로 형성될 수 있다.
PIC 칩의 지지부는, 인쇄 회로 기판(PCB) 상에서 지지될 수 있는 인터포저 또는 집적 회로일 수 있다.
바람직한 실시예를 참조하여 본 발명을 특히 도시하고 설명하였지만, 관련 기술 분야의 통상의 기술자는, 본 발명의 사상, 범위, 및 교시 내용으로부터 벗어나지 않고도, 형태 및 상세 부분의 여러 가지 변화가 이루어질 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 개시된 발명은 단지 예시적인 것으로 간주될 것이고, 첨부된 청구항에서 구체화된 것과 같은 것으로만 범위가 제한된다.

Claims (20)

  1. 광자 장치이며:
    지지부;
    상기 지지부의 상단 표면에 부착된 광자 집적 회로(PIC) 칩으로서, 상기 PIC 칩은 상기 PIC 칩의 외부에 대한 광학 인터페이스를 제공하기 위해 광을 상기 PIC 칩의 연부로 라우팅하는 광학 요소를 포함하는, PIC 칩;
    마이크로-거울 광학 벤치를 포함하는 연부 커플러를 포함하고, 상기 연부 커플러는:
    기부;
    상기 기부 상에 형성된 거울의 제1 어레이로서, 각각의 거울은, 광을, 상기 상단 표면에 실질적으로 평행한 평면 내의 제1 방향을 따르는 제1 광 경로와, 상기 평면 외측의 제2 방향을 따른 제2 광 경로 사이에서 전환하는 구조화된 반사 표면 프로파일을 포함하는, 거울의 제1 어레이; 및
    외부 광 섬유 어레이의 광 섬유 연결기에 장착해제 가능하게 커플링되는 상기 기부 상의 피동적 정렬 구조물을 포함하고,
    상기 연부 커플러는 상기 거울의 제1 어레이가 상기 PIC 칩의 광학 요소와 광학적으로 정렬된 상태로 상기 광자 칩에 대해 정렬되어 상기 지지부 상에 지지되고, 상기 제1 광 경로는 상기 거울의 제1 어레이 내의 거울과 상기 PIC 칩 내의 상응 광학 요소 사이에 위치되는, 광자 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    각각의 거울은 상기 PIC 칩의 상응 광학 요소에 대면되는 노출된 반사 자유 측면을 갖는 상기 기부의 노출된 자유 표면이고, 상기 노출된 반사 자유 측면은, 광이 상기 PIC 칩 내의 상응 광학 요소로 그리고 그로부터 지향되는, 구조화된 반사 표면 프로파일을 포함하는, 광자 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 구조화된 반사 표면 프로파일은 다음의 프로파일: (a) 타원형, (b) 축-외 포물선형, 또는 (c) 다른 자유-형태의 광학 표면 중 하나를 포함하는, 광자 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기부는 금속 재료로 제조되고, 상기 거울의 제1 어레이는 가단성 금속 재료를 스탬핑하는 것에 의해서 상기 기부 상에 일체로 형성되는, 광자 장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기부는 길이방향 축이 상기 제1 광 경로를 따르는 광 섬유의 섹션을 각각 수용하는 홈의 어레이를 포함하고, 그 제1 단부는 상기 제1 광 경로를 따라서 상응 거울과 광학적으로 정렬되고 제2 단부는 상기 PIC 칩 내의 상응 광학 요소와 광학적으로 정렬되며, 상기 기부 내의 홈은 상기 PIC 칩의 연부에 대면되는 연부 커플러의 기부의 연부에서 종료되는, 광자 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 광 섬유의 섹션은 상기 연부 커플러의 기부의 연부를 넘어서 연장되는 연장 섹션을 포함하고, 상기 연장 섹션은 상기 PIC 칩의 연부에서 홈 내에 수용되고, 상기 연장 섹션의 연장 단부는 상기 PIC 칩 내의 상응 광학 요소와 광학적으로 정렬된 제2 단부에 상응하는, 광자 장치.
  7. 제5항 또는 제6항에 있어서,
    각각의 홈은, 상기 제1 광 경로를 따라 각각의 홈 내에 수용된 상기 광 섬유의 섹션과 광학적으로 정렬되게 GRIN 렌즈(gradient index lens)를 더 수용하고, 상기 GRIN 렌즈는 상기 PIC 칩 내의 상응 광학 요소로부터의 광을 상기 광 섬유의 섹션의 제2 단부로 수렴시키거나, 상기 광 섬유의 섹션의 제2 단부로부터의 광을 상기 PIC 칩 내의 상응 광학 요소로 발산시키는, 광자 장치.
  8. 제5항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기부는 금속으로 제조되고, 상기 홈 및 상기 거울의 제1 어레이는 가단성 금속 재료를 스탬핑하는 것에 의해서 상기 기부 상에 일체로 형성되는, 광자 장치.
  9. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연부 커플러는, 상기 거울의 제1 어레이와 상기 PIC 칩의 연부에 위치되는 광학 요소 사이에서 어떠한 광학 요소도 가지지 않는, 자유 공간 연부 커플러인, 광자 장치.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광 섬유 어레이를 더 포함하고, 상기 광 섬유 어레이는 상기 연부 커플러의 거울의 제1 어레이와 광학적으로 정렬되게 상기 광 섬유의 단부들을 종료시키고 지지하는 광 섬유 연결기를 포함하고, 상기 광 섬유 연결기는 상기 제2 광 경로를 따라서 제2 방향으로 광을 입력/출력하고, 상기 광 섬유 연결기가 상기 연부 커플러에 커플링되면, 상기 광 섬유 어레이와 상기 PIC 칩의 광학 요소 사이의 광은, 상기 연부 커플러 내의 거울의 제1 어레이를 통해서, 상기 제1 광 경로 및 상기 제2 광 경로에 의해서 형성된 광 경로를 따르고, 상기 거울의 구조화된 반사 표면 프로파일은, 상기 광 섬유 연결기 내의 광 섬유의 모드 필드를 매칭시키기 위해서 상기 PIC 칩으로부터의 광을 재성형하도록 구성되는, 광자 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 광 섬유 연결기는 상기 제2 광 경로를 따라 제2 방향으로 광을 입력/출력하도록 상기 광 섬유를 지지하는 구조물을 포함하고, 상기 광 섬유 연결기가 상기 연부 커플러에 커플링되면, 상기 광 섬유 어레이와 상기 PIC 칩의 광학 요소 사이의 광은, 상기 연부 커플러 내의 거울의 제1 어레이를 통해서, 상기 제1 광 경로 및 상기 제2 광 경로에 의해서 형성된 광 경로를 따르는, 광자 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 광 섬유 연결기는 거울의 제2 어레이를 포함하는 광학 벤치를 더 포함하고, 상기 거울의 제2 어레이 내의 각각의 거울은, 광을, 상기 제1 방향에 평행한 제3 방향을 따른 제3 광 경로와 상기 제2 방향을 따른 제2 광 경로 사이에서 전환하고 그에 의해서 광을 상기 제2 광 경로를 따른 제2 방향으로 입력/출력하는 구조화된 반사 표면 프로파일을 포함하고, 상기 광 섬유 연결기가 상기 연부 커플러에 커플링되면, 상기 광 섬유 어레이와 상기 PIC 칩의 광학 요소 사이의 광은, 상기 연부 커플러 내의 거울의 제1 어레이 및 상기 광 섬유 연결기 내의 거울의 제2 어레이를 통해서, 상기 제1 광 경로, 상기 제2 광 경로, 및 상기 제3 광 경로에 의해서 형성된 광 경로를 따르는, 광자 장치.
  13. 제10항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광 섬유 연결기는 상기 연부 커플러 상의 피동적 정렬 구조물에 대해서 상보적인 피동적 정렬 구조물을 포함하고, 상기 광 섬유 연결기는, 상기 광 섬유 어레이를 상기 연부 커플러를 통해서 상기 PIC 칩의 광학 요소와 광학적으로 커플링시키기 위해, 상기 광 섬유 연결기 및 상기 연부 커플러 상의 상보적인 피동적 정렬 구조물들을 기초로 하는 피동적 정렬에 의해 상기 연부 커플러에 장착해제 가능하게 커플링되는, 광자 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 연부 커플러 상의 피동적 정렬 구조물은, 운동역학적 커플링, 준-운동역학적 커플링, 또는 탄성 평균 커플링을 제공하기 위한 정렬 핀, 정렬 핀 홀 및 표면 특징부 중 적어도 하나를 포함하는, 광자 장치.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 광 섬유 연결기 상의 피동적 정렬 구조물은, 상기 연부 커플러의 상응하는 피동적 정렬 구조물에 상보적인, 운동역학적 커플링, 준-운동역학적 커플링, 및 탄성 평균 커플링을 제공하기 위한 정렬 핀 홀, 정렬 핀 및 표면 특징부 중 적어도 하나를 포함하는, 광자 장치.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 지지부를 지지하는 인쇄 회로 기판(PCB)을 더 포함하는, 광자 장치.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 지지부는 인터포저 및 집적 회로 중 하나인, 광자 장치.
  18. 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 거울의 제1 어레이는, 상기 연부 커플러와 상기 PIC 칩의 광학 요소 사이의 광을 기초로 하는 능동적 정렬에 의해서, 상기 PIC 칩의 광학 요소와 광학적으로 정렬되어 배치되는, 광자 장치.
  19. 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 거울의 제1 어레이는, 상기 PIC 칩의 연부에 대한 상기 연부 커플러의 피동적인 정렬에 의해서, 상기 PIC 칩의 광학 요소와 광학적으로 정렬되어 배치되는, 광자 장치.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 연부 커플러는 상기 거울의 제1 어레이 위에서 유리 커버를 더 포함하고, 기준부들이 상기 유리 커버 및 상기 PIC 칩의 연부 부근의 상단 표면 상에 제공되고, 상기 연부 커플러는 상기 기준부들을 광학적으로 정렬시키는 것에 의해서 상기 PIC 칩에 피동적으로 정렬되는, 광자 장치.
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