KR100532183B1 - 광 프로브 및 이를 이용한 평면 광소자의 특성 측정장치 - Google Patents

Abstract

웨이퍼 위에 제작된 평면광도파로 소자에 광섬유를 이용하여 광신호를 입출력하는 광 프로브 및 이를 이용한 평면 광소자의 특성 측정장치에 대해 개시한다. 본 발명의 가장 큰 특징은, 손실없이 광신호의 진행 방향을 90도로 꺾을 수 있는 광 프로브를 평면 광소자의 표면 위에 놓고 광신호를 입력하거나 출력한다. 따라서, 본 발명에 의하면, 웨이퍼 상에서 제작된 평면광도파로 소자를 단일소자로 가공하기 전에 소자의 광특성을 측정할 수 있어 가공비용을 절감할 수 있고, 광 프로브와 웨이퍼와의 한번의 정렬로 웨이퍼 위의 모든 평면광도파로 소자의 광특성을 측정할 수 있어 정렬시간의 감소를 통해 측정비용을 절감할 수 있다.

Description

광 프로브 및 이를 이용한 평면 광소자의 특성 측정장치 {Optical probe and apparatus for measuring characteristic of planar optical device using the same}

본 발명은 광 프로브(optical probe) 및 이를 이용한 평면 광소자의 특성 측정장치에 관한 것으로서, 특히 평면 광소자의 패키징(packaging) 공정 전에 그 특성을 측정할 수 있게 함으로써 패키징 비용의 절감에 기여하는 광 프로브 및 이를 이용한 평면 광소자의 특성 측정장치에 관한 것이다.

도 1의 (a) 내지 (c)는 종래기술에 따른 평면광도파로 소자의 제작과정을 나타내는 도면이다. 1x2 결합기와 같은 평면광도파로 소자를 제작하기 위해서는, 반도체 소자 제조공정을 이용하여 다수의 동일한 단위 평면광도파로 소자(110)들을 실리콘 웨이퍼(100) 위에 형성한다. 이를 도 1의 (a)에 도시하였다. 그 다음, 도 1의 (b)에 도시한 바와 같이, 단위 평면광도파로 소자(110)별로 절단하고, 그 절단면에 대해 광학적 폴리싱(polishing)을 가하여 입출력 광신호의 손실을 줄인다. 이어서, 도 1의 (c)와 같이 입출력단에 커넥터를 갖는 광섬유 어레이들(120, 120')을 정밀하게 정렬하여 입출력단에서의 결합손실을 최소화시킨 다음, 에폭시 등의 접착제를 이용하여 이 광섬유 어레이(120, 120')들을 평면광도파로 소자에 단단히 접착하는 패키징하는 공정을 수행한다.

이러한 종래기술에서는 패키징 공정 후, 평면광도파로 소자의 광특성을 측정하는 단계를 거쳐, 소자의 합격/불합격을 결정한다. 그런데, 이 방법에 의하면, 광섬유어레이(120, 120')와 평면광도파로 소자(110)를 1∼2㎛ 오차 내로 정밀하게 정렬해야 하는 고가의 장비 및 기술자가 반드시 필요하고, 패키징을 위한 고가의 소모품(예컨대, 광섬유 어레이 및 접착용 에폭시)과 시간이 소요된다. 이와 같은 이유로 단위 평면광도파로 소자의 불량 여부는 반도체 공정에 의한 평면광도파로 소자의 형성 후에 패키징 공정이 반드시 수행되어야만 확인된다는 문제점이 발생한다. 즉, 평면광도파로 소자의 원가에서 상당한 비중을 차지하는 패키징 공정을 불량인 단위 평면광도파로 소자에 적용한 뒤에야 비로소 불량여부를 확인할 수밖에 없기 때문에 추가적인 비용과 시간이 더 요구된다. 따라서 평면광도파로 소자를 대량 생산하기 위해서는, DRAM과 같은 반도체 소자의 제조 공정에 적용되는 방법과 같이, 웨이퍼 상에서 평면광도파로 소자를 선별하는 공정을 개발 적용하는 것이 반드시 필요하다. 하지만 종래의 기술과 같이 광섬유 어레이를 이용하여 단위 평면광소자의 광특성을 측정하는 방법을 이용한다면, 웨이퍼 위에 놓인 평면광소자를 반드시 절단해야 하는 단점이 있다.

또한 광섬유 어레이의 개구수(Numerical Aperture)가 낮기 때문에, 도 2에 도시한 바와 같이, 정밀 얼라인 장비(미도시)를 사용하여 광섬유 어레이의 코아(122)와 평면광도파로 소자의 광도파로(112)의 코아(114)를 수 ㎛ 이내의 정밀도로 정렬해야 한다.

따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 웨이퍼 상에서 제조되고 있는 단위 평면 광소자의 광특성을 측정하는 경우에도 평면 광소자를 완전히 절단하거나 패키징을 하지 않고도 측정을 가능하게 하는 광 프로브 및 이를 이용한 평면 광소자의 특성 측정장치를 제공하는 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 평면 광소자에 대해 엄밀한 정렬을 행하지 않아도 그 광특성을 측정할 수 있게 하는 광 프로브 및 이를 이용한 평면 광소자의 특성 측정장치를 제공하는 것이다.

상기 기술적 과제들을 달성하기 위한 본 발명의 광 프로브는: 광신호의 입력 또는 출력이 이루어지는 일단부와; 상기 광신호의 광축을 대략 90도로 굴절시키기 위한 반사면으로 이루어진 타단부를 구비하는 광섬유로 이루어진 것을 특징으로 한다.

상기 광 프로브에 있어서, 상기 광섬유의 코어를 통과한 광이 전반사되는 임계각 이상으로 입사되도록, 상기 타단부를 상기 광섬유의 축에 대해 경사지게 절단할 수도 있다.

또는, 상기 타단부의 반사면을 우수한 반사특성을 가지는 금속 코팅으로 만들어도 좋다.

더욱이, 상기 광 프로브를 구성하는 광섬유로서 다중모드 광섬유로 선택하는 것이 바람직하다.

상기 기술적 과제들을 달성하기 위한 본 발명의 평면 광소자의 특성 측정장치는: 광원과; 상기 광원에서 나온 광신호를 자신의 일단부로 입력받은 후, 자신의 타단부의 반사면에서 이 광신호의 광축을 대략 90도로 굴절시켜 측정대상인 평면 광소자의 입력단에 입사시키기 위한 상기의 입력광용 광 프로브와; 상기 평면 광소자의 출력단에서 나온 광신호를 자신의 측면을 통해 입력받은 후, 자신의 타단부의 반사면에서 이 광신호의 광축을 대략 90도로 굴절시켜 자신의 일단부로 출력시키기 위한 상기의 출력광용 광 프로브와; 상기 출력광용 광 프로브에서 나온 광신호를 감지하기 위한 감지장치를 구비하는 것을 특징으로 한다.

상기 평면 광소자의 특성 측정장치에서, 상기 입력광용 광 프로브 및 출력광용 광 프로브를 각각 정렬시키기 위한 정렬기구를 더 구비하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 입력광용 광 프로브 및 출력광용 광 프로브의 타단부 부근에 상기 입력광용 광 프로브 및 출력광용 광 프로브와 각각 나란하게 별도의 광섬유를 더 덧붙여서 상기 별도의 광섬유가 실린더형 렌즈의 역할을 하게 하는 것이 더욱 바람직하다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 설명한다. 아래의 도면들에서 동일 참조번호는 동일 구성요소를 나타내며, 이에 대한 중복적인 설명은 생략한다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 입력광용 광 프로브(300)의 개략도이다. 입력광용 광 프로브(300)는 광신호를 평면 광도파로 등의 특성측정 대상소자(미도시)에 입력하기 위한 것으로서, 광섬유(310)는 홀더(Holder)(320)에 의해 고정되며, 광섬유(310)의 일단부를 통해서 입력광이 들어오며, 광섬유(310)의 타단부는 광신호가 진행하는 방향에 대해 대략 45도로 기울어진 경사면으로 이루어진 반사면(312)을 갖도록 절단되어 있다. 광섬유(310)의 타단부에 경사면을 형성하는 이유는 광섬유(310)의 코어(314)를 통해 진행하는 광신호가 광섬유와 공기의 경계면에서 발생하는 전반사 현상에 의해 손실없이 출력광의 형태로 특성측정 대상소자 쪽으로 입사되도록 하기 위해서이다. 더 상세하게 설명하자면, 유효굴절률이 1.468인 광섬유와 굴절률이 1.0인 공기의 경계면에서 전반사 현상을 일으키는 전반사 임계각도가 대략 43도이므로 이 각도보다 큰 각도로 광신호가 경사면에 입사되도록 경사면의 각도를 설정하면 그 경사면은 고반사율을 갖는 거울의 역할을 한다. 그런데, 결합손실을 줄이기 위해 광섬유와 평면 광도파로 등의 특성측정 대상소자 사이에 굴절률 정합 오일(Index Matching Oil)을 사용하는 경우, 전반사 임계각이 45도 보다 커져 전반사 현상을 사라지는 문제가 발생할 수도 있다. 따라서, 반사율이 높은 금속박막을 경사면에 코팅함으로써 90% 이상의 반사율을 갖는 반사면을 형성하여도 좋다. 이와 같은 구조를 가진 입력광용 광 프로브(300)에서는 광섬유(310)를 통해 진행된 광신호가 타단부에 이르면, 반사에 의해 손실이 거의 없이 90도로 꺾인 후에 광섬유(310)를 벗어나 특성측정 대상소자의 입력단 쪽의 공기 중으로 진행한다. 도 3에서 설명되지 않은 참조번호 316은 광섬유의 클래드를 나타낸다.

일반적으로 광섬유를 이용하여 평면광도파로에 광신호의 입력할 경우, 평면광도파로의 모드 크기에 비해 광신호의 모드 크기가 클수록 결합손실은 증가하고, 대신에 x, y축에 대한 결합손실의 의존성은 줄어든다. 따라서 낮은 결합 손실을 위해서는 도 2와 같이 광섬유를 수직절단하여 평면광도파로와 바짝 붙여 서로의 모드 크기를 비슷하게 만들고, 정밀 정렬장비를 이용하여 x, y 축 방향으로 중심을 마이크로 미터 이하의 정밀도로 정렬한다.

도 5는 도 3에 도시된 입력광용 광 프로브에서 광섬유(310)의 끝단과 평면광도파로 사이의 간격에 따른 모드 크기를 비교하여 나타낸 도면이다. 도 5를 참조하면, 광섬유를 벗어난 광신호는 평행광이 아니므로, 공기 중을 진행하는 거리(D)가 길어질수록 광신호의 모드 크기는 점점 커진다. 따라서 거리 D의 증가에 따라 결합손실은 증가하고 x축, y축에 대한 결합손실의 의존성은 감소한다. 본 발명의 광 프로브는 평면광도파로 등의 소자의 기본적인 광특성을 신속하게 측정하여 불량 여부를 결정하는 목적으로 사용되므로, 다소의 결합손실을 갖더라도, 광섬유에서 벗어난 광신호의 모드 크기를 증가시켜 x, y축을 정렬 정밀도를 낮추도록 할 수도 있다.

도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 입력광용 광 프로브를 부분적으로 도시한 도면이다. 도 4를 참조하면, 광신호를 평면광도파로 등의 측정대상 소자(미도시)에 안정되게 입력하기 위해서, 입력광용 광 프로브의 광섬유(310)에 나란하게 동일한 구성의 광섬유(330)를 덧붙인다. 이렇게 하면, 이 광섬유(330)는 x축 방향으로 2개의 구형 계면(Spherical Interface)을 갖는 실린더형 렌즈(Cylindrical Lens)의 역할을 할 수 있다. 따라서, 광섬유를 벗어난 광신호는 x축 방향으로 일정한 크기가 계속 유지되는 평행광을 이루며, 거리에 관계 없이 x축 방향으로 요구되는 정렬의 정밀도가 낮은 상태에서 유지된다. 따라서 평면광도파로 등의 측정대상 소자의 입력단과 광섬유의 결합시, 결합손실의 증가 없이 x축과 z축에 대한 정렬시 요구되는 정밀도가 수십 마이크로 미터 정도로 낮아진다.

도 6은 도 3에 도시된 입력광용 광 프로브의 광섬유(310)에 나란하게 덧붙인 동일한 구성의 광섬유(330)의 끝단과 평면광도파로 사이의 간격에 따른 모드 크기를 비교하여 나타낸 도면이다. 도 5에 도시된 바와는 달리 도 6에서는 광신호가 공기 중을 진행하는 거리(D)가 길어져도 광신호의 모드 크기가 크게 변하지 않는데, 그 이유는 이 광섬유들(310, 330)이 구형 계면(Spherical Interface)을 갖는 실린더형 렌즈의 역할을 수행하여 신호광을 평행광 형태로 만들기 때문이다. 도 6에서 설명되지 않은 참조번호 334는 덧붙인 광섬유(330)의 코아이다.

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 출력광용 광 프로브(350)의 개략도이다. 출력광용 광 프로브(350)는 평면 광도파로 등의 특성측정 대상소자(미도시)의 출력단에서 나온 신호광을 광신호를 감지장치로 전달하기 위한 것으로서, 복수의 광섬유(360)들이 홀더(370)에 의해 고정되어 있다. 이와 같이 광섬유가 다수인 것은 평면광도파로의 출력단수가 다수인 경우, 한꺼번에 광신호를 받기 위함이다. 또한, 각각의 광섬유(360)는 자신의 일단부를 통해 신호광을 출력하며, 도 3에서 상세히 설명한 바와 동일하게 경사진 반사면(362)을 자신의 타단부에 갖는다. 따라서, 평면광도파로 등의 측정대상 소자를 통해 진행된 광신호가 출력되어 광섬유의 타단부에 있는 반사면(362)에 이르면, 손실이 거의 없이 90도로 광로가 꺾인 후 광섬유(360)의 코아(364)를 통해 진행한다. 설명되지 않은 참조번호 366은 광섬유(360)의 클래드이다.

일반적으로 광섬유를 이용한 평면광도파로에서 출력된 광신호의 결합시, 평면광도파로에서 출력된 모드 크기에 비해 광섬유의 모드 크기가 클수록 결합손실은 감소하고, x, y축에 대한 결합손실의 의존성 역시 줄어든다. 따라서 낮은 결합 손실 및 정렬도를 위해서는, 광섬유(360)로서 단일모드 광섬유(코아 직경: 10㎛ 정도)를 사용하기보다는, 코아 크기가 큰 다중모드 광섬유(코아 직경: 62.5㎛ 정도)를 사용하는 것이 유리하다.

도 8은 평면광도파로의 출력단의 개구수와 다중모드 광섬유를 채용한 출력광용 광 프로브의 개구수를 비교한 도면이다.

다중모드 광섬유의 개구수는 평면광도파로의 출력단의 개구수보다 높은 값을 가지므로 평면광도파로를 벗어난 광신호는 대부분 다중모드 광섬유(360)에 입력된다. 특히, 평면광도파로 소자에서 출력된 광신호가 공기 중을 진행할수록, 모드 크기가 점점 커지는 현상은 공기와 광섬유(360)의 클래드(366)에 의해 형성된 구형 계면(Spherical Interface)이 실린더형 렌즈(Cylindrical Lens)의 역할을 수행함으로써 해결된다. 즉, 광신호가 광섬유(360)의 클래드(366)를 거치면서 모드의 크기가 점점 감소한다. 따라서 출력광용 광 프로브에서는 광섬유와 평면광도파로의 중심의 x, y, z축에 대한 의존성이 매우 낮다.

도 9 내지 도 11에 평면광도파로 소자와 광 프로브의 결합손실을 측정한 결과를 나타냈다. 즉, 도 9는 출력단에서 광 프로브의 X-축 변화에 대한 결합손실을, 도 10은 출력단에서 광 프로브의 Y-축 변화에 대한 결합손실을, 도 11은 출력단에서 광 프로브의 Z-축 변화에 대한 결합손실을 각각 나타낸 것이다. 이 도면들에서 알 수 있듯이, x, y축으로 약 30㎛ 이내에서 결합손실의 변화가 거의 없고, z축의 경우 150㎛ 내에서도 비슷한 결합손실을 보였다.

도 12는 본 발명의 실시예에 따른 평면 광소자의 특성 측정장치의 개략적 구성을 나타낸 도면이다. 본 발명의 측정장치를 적용하기 위해서는, 평면광도파로 등의 소자의 입력/출력단이 부분적으로 노출될 필요가 있는데, 그 이유는 광소자와 프로브의 광섬유 사이에서 광신호를 결합하기 위해 이러한 노출이 불가피하기 때문이다. 한편, 본 발명의 평면 광소자의 특성 측정장치는, 광원(미도시)과, 도 3에 도시된 입력광용 광 프로브(300)와, 도 7에 도시된 출력광용 광 프로브(350)와, 상기 광 프로브들(300, 350)을 정렬시키기 위한 정렬기구(미도시)와, 광신호 감지장치(미도시)로 이루어진다. 도시의 편의를 위해, 도 12에서 평면광도파로 소자의 입력/출력단을 노출하기 위해서 완전히 단위 평면광도파로 소자(110)를 절단하였지만, 광 프로브들(300, 350)을 구성하는 광섬유의 경사면이 삽입될 수 있는 정도만 노출되어도 무방하다. 또한 정렬기구는 광 프로브들(300, 350)의 홀더 부분을 이용하여 이들을 고정시킨 상태로 x, y, z 축으로 이동시켜 평면광도파로(110)의 입력/출력단과 광 프로브들(300, 350)을 각각 정렬시킨다.

본 발명의 실시예에 따른 평면 광소자의 특성 측정장치를 이용하여 웨이퍼 위에 놓여 있는 평면광도파로 소자의 광특성을 측정하는 방법을 도 13과 14에 각각 나타냈다. 도 13을 참조하면, 웨이퍼(100) 위의 평면광도파로 소자(110)는 다이싱(dicing) 장비를 이용하여, 그 입/출력단에 광 프로브들(300, 350)의 경사면이 삽입될 수 있을 정도의 홈(Trench)이 파져 있다. 따라서 평면광도파로 소자는 웨이퍼 위에 놓여져 있지만, 본 발명의 특성 측정장치를 위해 각각의 입출력단이 노출된 상태가 된다. 또한 정렬기구(미도시)는 광 프로브들(300, 350)을 각각 잡고, 도 13의 홈(Trench)으로 구별된 각각의 평면광도파로 소자의 입력/출력단 양쪽에 이들을 정렬할 수 있도록 x, y, z 방향으로 움직인다.

도 14는 도 13의 C-C' 선에 따른 단면도이다. 도 14를 참조하면, 웨이퍼(100) 위의 평면광도파로(110)는 다이싱 장비로 반쯤 절개하게 함으로써 형성된 홈(Trench)에 의해 각각의 입출력단이 노출되어 있지만, 웨이퍼(100)를 통해 다른 평면광도파로 소자와 여전히 붙어 있다. 정렬기구(미도시)를 이용하여 광 프로브들(300, 350)을 웨이퍼(100) 위로 자유롭게 움직여, 홈으로 구별된 평면광도파로 소자의 입력/출력단 양쪽에 광 프로브들(300, 350)을 정렬한 다음, 광신호를 입력/출력시켜 광특성을 측정한다. 이를 위해 도시되지는 않았지만, 광 프로브들(300, 350)을 고정하고 웨이퍼(100) 위를 정밀하게 움직일 수 있는 마이크로 미터가 장착된 정렬기구가 이용된다. 또한 웨이퍼(100) 위의 목표로 하는 평면광도파로 소자(110)를 인식하고, 광 프로브들(300, 350)을 원하는 평면광도파로 소자의 입출력단에 정렬하기 위해 정렬패턴을 사용할 수도 있다.

이어서, 레이저 다이오드 등의 광원(미도시)에서 만들어진 광신호를 입력광용 광 프로브(300)를 통해 평면광도파로 소자(110)에 입력하고, 평면광도파로 소자(110)를 통과하여 출력된 광신호를 다시 출력광용 광 프로브(300)로 받아 포토 다이오드를 통해 전기신호로 바꿔 평면광도파로 소자(110)의 특성을 분석한다.

본 발명은 상기 실시예에만 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 많은 변형이 가능함은 명백하다.

상술한 바와 같은 본 발명에 의하면, 패키징 공정 전에 웨이퍼 위에 놓인 평면 광소자의 특성을 신속하게 측정하고 불량여부를 결정하여 패키징 비용을 절감할 수 있다.

도 1의 (a) 내지 (c)는 종래기술에 따른 평면광도파로 소자의 제작과정을 나타내는 도면;

도 2는 종래기술을 이용한 평면광도파로 소자와 광섬유의 결합을 설명하기 위한 도면;

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 입력광용 광 프로브의 개략도;

도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 입력광용 광 프로브를 부분적으로 도시한 도면;

도 5는 도 3에 도시된 입력광용 광 프로브에서 광섬유의 끝단과 평면광도파로 사이의 간격에 대한 서로의 모드 크기를 비교하여 나타낸 도면;

도 6은 도 3에 도시된 입력광용 광 프로브의 광섬유에 나란하게 덧붙인 동일한 구성의 광섬유의 끝단과 평면광도파로 사이의 간격에 따른 모드 크기를 비교하여 나타낸 도면;

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 출력광용 광 프로브의 개략도;

도 8은 평면광도파로의 출력단의 개구수와 다중모드 광섬유를 채용한 출력광용 광 프로브의 개구수를 비교한 도면;

도 9는 출력단에서 광 프로브의 X-축 변화에 대한 결합손실을 나타낸 도면;

도 10은 출력단에서 광 프로브의 Y-축 변화에 대한 결합손실을 나타낸 도면;

도 11은 출력단에서 광 프로브의 Z-축 변화에 대한 결합손실을 나타낸 도면;

도 12는 본 발명의 실시예에 따른 평면 광소자의 특성 측정장치의 개략적 구성을 나타낸 도면; 및

도 13 및 도 14는 본 발명의 실시예에 따른 평면 광소자의 특성 측정장치를 이용하여 웨이퍼 위에 놓여 있는 평면광도파로 소자의 광특성을 측정하는 방법을 나타낸 도면들이다.

Claims (7)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 광원과;

   상기 광원에서 나온 광신호를 자신의 일단부로 입력받은 후, 자신의 타단부의 반사면에서 이 광신호의 광축을 대략 90도로 굴절시켜 측정대상인 평면 광소자의 입력단에 입사시키기 위한 입력광용 광 프로브와;

   상기 평면 광소자의 출력단에서 나온 광신호를 자신의 측면을 통해 입력받은 후, 자신의 타단부의 반사면에서 이 광신호의 광축을 대략 90도로 굴절시켜 자신의 일단부로 출력시키기 위한 출력광용 광 프로브와;

   상기 출력광용 광 프로브에서 나온 광신호를 감지하기 위한 감지장치; 를 구비하는 평면 광소자의 특성 측정장치.
6. 제5항에 있어서, 상기 입력광용 광 프로브 및 출력광용 광 프로브를 각각 정렬시키기 위한 정렬기구를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 평면 광소자의 특성 측정장치.
7. 제5항에 있어서, 상기 입력광용 광 프로브 및 출력광용 광 프로브의 타단부 부근에 상기 입력광용 광 프로브 및 출력광용 광 프로브와 각각 나란하게 별도의 광섬유가 더 덧붙여져 상기 별도의 광섬유가 실린더형 렌즈의 역할을 하는 것을 특징으로 하는 평면 광소자의 특성 측정장치.