KR100262028B1 - 광 도파 경로 어레이들 간의 광 도파 경로 상호 접속 방법 및 그 제품 - Google Patents

Abstract

외부에 위치하는 커넥터 패드를 사용하여 광 도파 경로의 어레이들을 서로 접속하는 방법이 기재되어 있다. 일 실시예에서, 접속될 어레이들을 광학적으로 정렬한 다음, 어레이에 커넥터 패드를 본딩한다. 다른 실시예에서, 어레이에 대한 직사각형의 봉합물(enclosure)을 형성하도록 4개의 커넥터 패드를 본딩하며, 상기 봉합물의 대향 단부(opposite ends)에 상기 광 도파 경로 어레이들을 삽입하며, 상기 어레이들의 광 도파 경로들을 광학적으로 정렬하며, 상기 봉합물과 상기 어레이들 사이의 모든 공간을 차폐한다. 커넥터 패드들이 어레이들 및 서로에 접속된다. 바람직한 실시예에 있어서, 커넥터 패드들은 통상 얇은 실리콘 웨이퍼이고, 어레이들은 금속화되며, 그 후, 서로 납땜된다. 광 전송로의 어레이를 접속시키는데 커넥터 패드를 사용함에 따라 튼튼하고 안정적인 접속이 달성된다. 이 기술은 신속, 간단, 저렴하여, 현재의 정렬 공정과 양립할 수 있다. 어레이들과 패드를 서로 고정하기 위해 땜납을 사용하므로써, 접속을 원상태로 되돌릴 수 있고, 그 후, 재차 접속을 행할 수 있다. 모든 접속이 광 경로의 외부에서 행해지므로, 시간이 경과함에 따른 광 접속의 특성 저하는 존재하지 않는다.

Description

광 도파 경로 어레이들 간의 광 도파 경로 상호 접속 방법 및 그 제품

제1도는 본 발명이 관련되어 있는 종래 기술의 집적 광학 회로를 도시한 도면.

제2도는 종래 기술의 광섬유의 피그테일(pigtail)을 도시한 도면.

제3도는 본 발명에 따른 접속용 광 어레이의 확대도.

제4도는 제3도에 도시한 어레이의 최종 접속을 도시한 도면.

제5도는 단일 커넥터 패드를 이용하여 본 발명의 제2실시예를 설명하기 위한 도면.

제6도는 제7도의 실시예의 단면도.

제7도는 차폐형 커넥터를 형성하기 위한 커넥터 패드의 사용법을 도시한 도면.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

30 : 집적 광학 장치 31 : 광섬유 피그테일 어레이

32, 33 : 커넥터 패드 34 : 도파관의 어레이

본 발명은 집적 광학 회로(integrated optical circuits(IOCs))과 광섬유(optical fibers)를 구비하는 광 전송로의 어레이들을 상호접속시키기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.

집적 광학 회로의 설계 및 제조 기술이 발전함에 따라 전술한 광학 회로 및 광섬유들은 광 전송 시스템(optical transmission systems) 내에서 사용되기에 매우 유망한 것으로 되고 있다. 그러나, 광섬유 통신 시스템 내에 집적 광학 회로들이 합체되는 경우, 이러한 회로들을 유리 섬유(glass fibers)에 결합시키는 실용적이고도 상용가능한 실행 시스템이 발명되어야 한다는 것을 알게 되었다. 현재, 실리콘 기판 상에 증착되는 도핑된 실리카를 사용하여 이루어진 집적 광학 장치의 유리 코어 도파관(glass core waveguides)은 통상, UV나 열경화 에폭시 등의 본딩 물질에 의해 입력 및 출력 광섬유의 어레이들에 단부 접속(butt-couple)된다. 광학 장치의 도파관을 인접하는 광섬유에 결합시키는데 사용되는 물질은, 단부 접속되는 곳에 존재할 수도 있는 갭(gaps)을 충진시키는 필수적인 기능도 행할 수 있다. 「"Fiber Attachment for Guided Wave Devices" by E. J. Murphy, Journal of Lightwave Technology, Vol. 6, No. 6, June 1988」에는 도파관 장치와 광섬유의 부착 상태에 대한 연구 내용이 기재되어 있다. 이 논문에는, 광섬유 대 도파관의 낮은 삽입 손실(low fiber-to-waveguide insertion losses)을 달성하기 위한 현재의 방법이 논의되어 있고, 광섬유들을 정렬하고 영구히 부착시키는 기술이 설명되어 있다. 이 논문의 저자는 또한, 적절한 본딩 물질의 사용과 응용 방법이 섬유대 도파관 결합의 안정성 및 신뢰성을 결정하기 때문에 중요하다는 것을 기재하고 있다. 저자는 또, 광섬유 정렬(fiber alignment)에 손상을 끼치는 일없이 에폭시들이 급속이 경화될수 있기 때문에, 에폭시들이 널리 사용되고는 있지만, 그들을 신뢰할 수는 없다고 기술하고 있다. 에폭시들은, 그들이 주위의 극단적인 온도, 압력 및 습도의 환경에 있을때 안정성에 문제가 있게 된다. 따라서, 해저 케이블에서와 같이, 본딩 물질이 파괴되거나 그 특성이 저하하여 수선에 고가의 비용이 지불되는 경우에 있어서는, 이러한 물질을 사용하는 것이 허용될 수 없다.

1993년 5월 4일 발행된 본 출원인의 미국 특허 제5,208,885에는, 섬유-도파관이 보다 신뢰성 있게 단부 접속되어 있는 것이 기재되어 있는데, 여기서는 광섬유를 도파관에 융합(fuse)시키는데 유리가 사용되고 있다. 도파관이 안전하게 가열될 수 있는 온도보다 낮은 온도에서 용융되는 유리 물질이 광섬유 또는 도파관에 공급된다. 그 후, 유리 물질이 가열되고, 용융된 유리에 의해 광섬유와 도파관이 접속된다. 보다 최근에, 본 출원인이 1993년 8월 12일에 출원한 미국 특허 출원 제 08/105,788에는, 추가의 용융된 유리를 사용하는 일없이, 광섬유와 광 도파관을 직접 융합시키는 방법이 기술되어 있다.

광섬유와 도파관을 단부 접속시키는 전술한 2가지의 방법은 에폭시를 사용하는 것보다 훨씬 우수하기는 하지만, 결론적으로 얻어지는 결합(joints)에는, 취급시에 튼튼하고 환경에 대한 안정성이 유지되도록 하기 위해 추가적인 보강재 및 보호재가 필요하다. 명백하게도, 안정성이 있고 튼튼한 접속 구조를 달성할 수 있는 도파관 구조체의 접속 방법이 보다 바람직할 것이다.

따라서, 본 발명의 주된 목적은, 광 도파 경로의 어레이들 사이에서의 튼튼하고 안정성이 있는 상호접속체 제조 방법을 제공하는 데 있다.

본 발명에 의하면, 서로 함께 결합되는 광 어레이들을 확실하게 고정(secure)시키기 위해 하나 이상의 커넥터 패드(connector pads)가 사용된다. 본 발명의 일실시예에 있어서는, 하나 이상의 외부에 위치한 커넥터 패드를 이용하여 광 도파 경로의 어레이를 접속하는 방법이 개시되고 있다. 일 실시예에서, 접속될 어레이들을 광학적으로 정렬한 다음, 어레이에 커넥터 패드를 본딩한다. 다른 실시예에서, 어레이에 대한 직사각형의 봉합물(enclosure)을 형성하도록 4개의 커넥터 패드를 본딩하며, 상기 봉합물의 대향 단부(opposite ends)에 상기 광 도파경로 어레이들을 삽입하며, 상기 어레이들의 광 도파 경로들을 광학적으로 정렬하며, 상기 봉합물과 상기 어레이들 사이의 모든 공간을 차폐한다.

상술한 방식으로 커넥터 패드를 사용하는 것에 의해, 2개의 광 어레이를 서로 확실하게 고정시키는데 관계하는 모든 것은 광 도파 경로의 외부에 위치한다. 따라서, 특성을 저하시키거나 광학 상호접속체의 품질에 악영향을 끼치는 일은 없게 된다.

커넥터 패드들은 적절한 에폭시를 사용함으로써 어레이들 및 서로에 대해 고정될 수 있다. 바람직한 실시예에 있어서, 커넥터 패드들은 어레이들 및 서로에 대해 납땜된다.

이하, 더욱 상세히 설명하는 바와 같이, 다양한 배치의 커넥터 패드들이 사용될 수 있다. 커넥터 패드의 정밀 구성은 광 어레이의 물리적 어레이 및 광 회로의 필요에 따라 좌우될 것이다.

이하, 도면을 참조하면, 제1도에는 본 발명이 관계되는 종류의 집적 광학장치의 전체적인 구성이 도시되어 있다. 통상, 이러한 장치는, 「"Silica Waveguides On Silicon And Their Application to Integrated Optical Components,"by M. Kawachi, published in Optical and Quantum Electronics, 22, 1990, 391-416」에 기술되어 있는 바와 같이, 표준 실시카/실리콘(SiO₂/Si) 기술을 사용하여 실리콘 기판 상에 실리카가 도핑된 도파관을 증착시킴으로써 제조된다. 이들 장치는, 통신 및 신호 처리 네트워크에서 사용하기 위한 각종 유용한 광 회로를 형성하도록 구성될 수 있다. 따라서, 제1도에서는 상호작용 영역(10)을 상세하게 나타내지 않았다.

광 신호들은 1개 이상의 단일 모드 도파관(single-mode waveguides)(11-1,11-2...11n 및 12-1,12-2,...12-m)에 의해 영역(10)에 대해 입출력된다. 그러나, 도파관 어레이(11,12)에 있어서의 입출력을 위해, 광섬유 피그테일(pigtails)이 장치에 효과적으로 부착된다. 이 피그테일들은 제2도에 도시한 바와 같이, 한 쌍의 V-홈 칩(V-groove chips)(21,22) 사이에서 유지되는 짧은 길이의 광섬유(20)이다. 광섬유들은 인접하고 있는 도파관(11-1,11-2,... 및 12-1,12-2,.....) 사이의 공간과 동일한 간격으로 이격되어 있는데, 이들은 통상 250 마이크로미터이다.

본 발명에 의하면, 피그테일 어레이와 도파관 어레이를 고정하기 위해 커넥터 패드들이 제3도에 도시한 바와 같이 사용된다. 후자는, 집적 광학 장치(30), 광섬유 피그테일 어레이(31), 2개의 커넥터 패드(32,33)를 포함하는, 본 발명에 따른 접속을 위해 마련되는 광 어레이의 확대도이다. 광섬유 피그테일 어레이(31)의 광섬유와 장치(30)의 도파관(34) 어레이를 고정하기 위해, 커넥터 패드들 중의 하나의 패드(32)는 어레이(31)의 상부면에 고정되고, 다른 커넥터 패드(33)는 장치(30)의 상부면에 고정된다. 다음에, 2개의 어레이(31,34)가 능동적으로 정렬되고, 2개의 패드(32,33)가 서로 결합된다. 제4도에는 결론적으로 얻어지는 구조가 도시되어 있다. 제3도에서 사용한 것과 동일한 참조 번호를 제4도에서도 사용하고 있는데, 제4도에서는, 장치(30) 및 섬유어레이(31)에 제각기 고정되고 또한 서로 고정되어 있는 커넥터 패드(32,33)에 의해, 광섬유 피그테일(31)에 단부 접속된 집적 광학 장치(30)가 도시되어 있다. 후자의 접속은 음영을 넣어 표시한 영역(35,36)에 의해 표시된다. 주지한 바와 같이, 광 도파 경로의 외부 전체에 대해 기계적인 결합이 이루어진다. 그 결과, 각 구성 소자를 고정하는데 사용되는 물질은 어느 것도 광 경로에 지장을 주지 않는다. 따라서, 에폭시들의 전송 특성이 시간이 경과함에 따라 저하할 수도 있기는 하지만, 절박한 경우에는, 커넥터 패드들(32,33)을 장치(30)에, 광섬유 어레이(31)에, 또한 서로에 고정하기 위해 에폭시가 사용될 수 있다. 그러나, 일부 에폭시들은 고온에서 공급되어야 한다. 이것은, 정렬 프로세스시에 전체 온도의 상승을 필요로 한다. 또한, 접속한 것을 원래의 상태로 되돌리는 능력이 중요하게 되는 응용예가 있을 수도 있다. 따라서, 본 발명의 바람직한 실시예에서는, 국부적인 가열만을 필요로 하는 땜납을 사용하여 다양한 접속을 행하고 있다. 이러한 방법으로 이루어진 커넥터들은, 튼튼하고 안정적인 접속을 이루어서 용이하게 원상태로 되돌릴수 있거나 재부착될 수 있다. 또한, 표준 정렬 장치 및 기술을 사용하여 실온에서 광 정렬을 실행할 수 있다.

광섬유와 회로의 도파 경로 사이의 반사를 저감하기 위해, 필요에 따라서 굴절율 정합 겔(index matching gel)이 사용될 수 있다.

제5도는 2개의 광 어레이를 단부 접속시키기 위해 1개의 커넥터 패드를 사용하는 본 발명의 제2실시예를 도시한 것이다. 이 구성에 있어서는, 단일 접속용 커넥터 패드(50)가 광섬유 어레이를 IOC(52)의 한쪽 단부에 결합시킨다. 유사하게, 제2접속용 커넥터 패드(53)가 제2광섬유 어레이(54)를 IOC(52)의 다른쪽 단부에 결합시킨다.

제6도는 각 접속의 단면을 도시한 것이다. 제5도에서 사용한 것과 동일한 참조 번호를 사용하여, 접속용 패드(50)가 2개의 인접하는 어레이(51,52)의 인터페이스(55) 상에 연장되어 각 어레이의 인접하는 면(56,57)에 결합된다.

통상, 실리콘을 주성분으로 하는 어레이의 열팽창(thermal expansion)과 정합하기 위해, 커넥터 패드는 유익하게 실리콘으로 이루어진다. 광섬유 어레이에 패드가 납땜되는 경우에는, 패드 및 어레이 칩들이 땜납을 받아들이기 위해 제일 먼저 금속화된다. 이것은 표준 스퍼터링 기술을 사용하여 실행될 수 있다. 이러한 특정 구성에 있어서, 패드(50)의 기저면 부분과 광 어레이들의 상부면(56,57)의 대응하는 부분은 금속화된다. 그 후, 패드와 어레이들 사이에 땜납(58)이 위치한다. 그 후, 광 정렬 내에 유지된 어레이들에 의해, 열이 땜납에 국부적으로 인가된다. 땜납은 페이스트(paste)로서 편리하게 공급된다. 본 출원인이 사용한 특정의 땜납은 42%의 주석과 58%의 비스무쓰(bismuth)를 함유하고 있다. 그러나, 이 특정한 땜납 합금은 중요치 않으며, 다른 합금들이 용이하게 사용될 수 있다.

실리콘 표면의 금속화는, 아교(glue)층으로 작용하는 500-1500Å의 티타늄, 장벽층으로서 작용하는 1500-3000Å의 백금 및 상기 장벽층의 산화를 방지하기 위해 작용하는 500-2000Å의 금이 배치되는 것을 포함하고 있다. 여기서도, 치수와 물질은 중요치 않다. 당업자가 소망하는 금속화를 달성하기 위해 다른 치수나 물질을 선택할 수도 있다. 커넥터 패드의 두께는 대략 25mils이었다. 열은 열기를 발열하는 램프(hot-air torch)에 의해 국부적으로 가해졌다.

인터페이스(55)에서 굴절율 정합 겔을 이용하는 것에 의해, 단부 접속된 부분을 거치는 개선된 전송이 달성될 수 있다. 제7도에 도시한 바와 같이, 방수접속(watertight을 이루기 위해, 커넥터 패드가 사용될 수도 있다. 이 실시예에서는, 2개의 광 어레이(71,72)가 위치하는 직사각형의 봉합물(enclosure)(70)을 형성하기 위해 패드(1,2,3 및 4)가 함께 접속된다. 광 정렬 후에, 봉합물(70)과 어레이(71,72) 사이의 공간은 밀봉 접속을 형성하기 위해 밀봉된다. 바람직한 실시예에서는, 봉합물 및 인접하는 표면의 안 쪽 에지가 금속화되고, 밀봉 땜납 부분이 형성된다.

요약하면, 광 전송로의 어레이들을 기계적으로 접속하기 위해 커넥터 패드를 사용하면, 튼튼하고 안정적인 접속을 달성하게 된다. 이 기술은 신속, 간단, 저렴하여, 현재의 정렬 순서와 양립할 수 있다. 어레이들에 패드를 서로 고정하기 위해 땜납을 사용하는 것에 의해, 접속이 원상태로 되돌릴 수 있고, 그 후, 재차 접속이 이루어질 수 있다. 광경로에 대해 모든 접속이 외부에서 행해지므로, 시간이 경과함에 따른 광 접속의 특성 저하는 없다. 결국, 제3도에 도시한 바와 같이, 어레이 아래에 패드들을 연장시키는 것에 의해 부착용 플랫폼(mounting platform)이 편리하게 제공된다.

Claims (8)

1. 커넥터 패드를 사용하여 제1광 도파 경로 어레이의 각각의 도파 경로와 제2광 도파 경로 어레이의 각각의 도파 경로를 단부 접속(butt-joining)시키는 방법에 있어서, 상기 제1광 도파 경로 어레이의 단부를 제2광 도파 경로 어레이의 단부에 인접하게 위치시켜 상기 각각의 어레이의 광 도파 경로들을 광학적으로 정렬하는 단계와, 단일 커넥터 패드를 상기 제1광 도파 경로 어레이 상의 소정의 위치에서부터 단부 접속면의 반대측 방향의 상기 제2광 도파 경로 어레이 상의 위치에까지 연장되도록 위치시키는 단계와, 상기 단일 커넥터 패드를 상기 2개의 광 도파 경로 어레이에 본딩하는 단계를 포함하는 광 도파 경로 어레이들 간의 광 도파 경로 단부 접속 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 본딩은 납땜에 의해 실행되는 광 도파 경로 어레이들 간의 광 도파 경로 단부 접속 방법.
3. 커넥터 패드를 사용하여 광 도파 경로의 어레이 쌍을 서로 접속시키는 방법에 있어서, 4개의 커넥터 패드를 본딩하여 상기 광 도파 경로 어레이들을 수용하기에 충분한 직사각형의 봉합물(enclosure)을 형성하는 단계와, 상기 봉합물의 대향 단부(opposite ends)에 상기 광 도파 경로 어레이들을 삽입하는 단계와, 상기 어레이들의 광 도파 경로들을 광학적으로 정렬하는 단계와, 상기 봉합물과 상기 어레이들 사이의 모든 공간을 차폐하는(sealing) 단계를 포함하는 광 도파 경로 어레이 쌍의 상호 접속 방법.
4. 제3항에 있어서, 상기 봉합물과 상기 광 도파 경로 어레이들 사이의 상기 공간은 땜납으로 차폐되는 광 도파 경로 어레이 쌍의 상호 접속 방법.
5. 제3항에 있어서, 상기 차폐 단계는 밀봉된 차폐부(hermetic seal)를 형성하는 광 도파 경로 어레이 쌍의 상호 접속 방법.
6. 제1항에 있어서, 상기 커넥터 패드는 실리콘으로 이루어지는 광 도파 경로 어레이들 간의 광도파 경로 상호 접속 방법.
7. 제1항의 방법에 따라 형성된 제품.
8. 제3항의 방법에 따라 형성된 제품.