KR20040062073A - 미세 렌즈 배열을 이용한 광섬유-결합기 - Google Patents

Abstract

본 발명의 미세 렌즈 배열을 이용한 광섬유-결합기는 고출력 레이저 다이오드(11)에서 발생되는 레이저 빔을 작은 개구율을 가진 출력단 광섬유(24)로 결합시키기 위한 광섬유-결합기(14)를 구비함에 있어서, 그 광섬유 결합기(14)가 실리콘 기판(21)의 상면에 다중모드 광섬유(22)와 2차원렌즈(23)를 설치하여 구성되고, 반도체 일관공정에 의해 실리콘 기판(21) 상에 설치되어 지도록 함과 아울러 2차원렌즈(23)가 후막의 감광막으로 이루어지도록 함으로써, 정밀한 결합기를 간단하고 용이하게 제작할 수 있으며, 제작 후에 수정이 필요한 경우에도 용이하게 수정할 수 있다.

Description

미세 렌즈 배열을 이용한 광섬유-결합기{OPTICAL FIBER-COUPLING SYSTEM USING MICRO LENS ARRAY}

본 발명은 레이저 다이오드(laser diode)에서 발산되는 빔을 광섬유번들(optical bundle)에 입사하도록 하는 미세 광학 구조물에 관한 것으로, 보다 상세하게는 고출력 레이저 다이오드 어레이에 작은 개구율을 가진 광섬유 번들을 광학적으로 결합(coupling)하기 위하여 레이저 다이오드에서 발산되는 빔을 시준(collimating)하기 위해 필요한 미세 렌즈 어레이(micro lens array)를 반도체 일관 공정을 이용하여 간단하게 제작한 미세 렌즈 배열을 이용한 광섬유-결합기에 관한 것이다.

최근 고출력 반도체 레이저는 고출력 레이저 광에 대한 수요가 증가되고, 새로운 응용 분야가 확대되면서 많은 연구가 활발하게 진행되고 있다. 그 응용분야로는 광 기록 매체인 CD-RW 와 DVD-RAM, 대화면용 프로젝터 등과 같은 레이저를 이용한 디스플레이, 레이저 무선 통신, 레이저를 이용한 물질가공(용접, 절단, 반도체 관련 미세 가공 등), 의료용, 군사용 및 광 증폭기(amplifier), 펌핑 광원 등으로 응용성이 확대되고 있다.

레이저에 의한 고체 레이저의 펌핑 광원, 물질가공, 의료용 레이저로서의 경우 수 W급 이상의 높은 광출력이 필요하다. 특히, 고체 레이저의 여기는 고출력 레이저 다이오드를 어레이 형태로 만드는 방법이 있는데, 이러한 레이저 다이오드의 배열의 효용성을 높이기 위하여 레이저 다이오드 배열 빔을 광섬유에 결합시켜 이를 번들로 묶어 레이저 다이오드로부터 출사되는 빔으로 높은 광출력을 얻을 수 있다. 이는 응용에 따라 적절한 개구율과 코어 직경을 가진 광섬유 어레이와 다이오드 어레이 빔을 시준하는 역할을 하는 미세렌즈 배열을 결합한 광섬유-결합기(fiber-coupling system)로 사용되고 있다.

2차원 미세 렌즈를 포함한 종래의 광섬유 결합기는 다중모드 고출력 다이오드 레이저의 빔형태를 위해 설계된 소자이다. 이 레이저 광원의 발산을 줄이고 광섬유에 결합하기 위해 종래의 광섬유 결합기는 3차원 형상의 복잡한 렌즈구조와 높은 성능을 가진 광학계를 요구한다.

레이저 다이오드에서 발산되는 각은 레이저 다이오드의 구조에 따라 결정되는데, 고출력 레이저 다이오드의 경우 일반적으로 세로 약32-44°, 가로8-12°범위에 있다. 그 이유는 반도체 레이저 발진영역의 횡단면의 크기는 수μm로 매우 작기 때문에 전체적인 횡모드의 분포는 타원형이 된다. 이러한 발산각의 비대칭성 때문에 광 섬유 증폭기의 펌핑 효율을 높이기 위해서는 레이저 빔의 발산각을 줄이는 것이 바람직하다. 이 경우 소정의 렌즈를 활용한 광학계로 발산각을 줄이고 광섬유에 결합이 가능하다.

도 1은 종래 광섬유 결합기를 보인 개략도로서, 이에 도시된 바와 같이, a)에서와 같은 렌즈의 역할은 다이오드로부터 발산각이 큰 수직 빔 형태를 시준하는 렌즈의 역할을 하고, b)에서와 같은 렌즈의 역할은 광섬유 도파로 스폿속으로 다이오드의 측면방향에서 빔형태를 영사하며, 이를 이용하여 종래 광섬유 결합기는 레이저의 빔 형태를 변환한다.

결국, a)에서의 렌즈는 높은 개구수를 가지고 발산각이 큰 축에서 시준하며, b)에서의 렌즈는 다이오드의 발산각의 작은축의 확장된 광원을 영사한다.

광섬유-결합기의 빔 성형기능은 거의 원형 스폿을 형성하며 레이저 모드를 여기시키는데 사용될 수 있다. 이 구조물의 효율은 광학계뿐만 아니라 다이오드 레이저와 광섬유에도 의존한다.

광섬유-결합기로 최대성능을 갖게 하기 위해서는 레이저의 발산각은 가능한 작고 광섬유의 개구와 코어 크기는 커야 하지만, 필요한 광학계에 따라서 치수에 따라 정확한 정렬이 필요하다. 작은 각으로 광섬유에 들어가는 빛은 코어 클래딩 접촉면에서 전반사되며 일부는 흡수가 일어나므로 출력을 감소시키는 원인이 될 수 있다. 따라서 결합기는 최대의 결합효율을 이루도록 광학계의 설계가 필요하며 더불어 광섬유를 포함하여 광원은 최적화가 되도록 고려해야 한다. 시준역할을 하는 렌즈들은 다이오드 빔의 발산각을 감소시키고 여기를 위한 에너지 밀도를 증가시킨다.

고출력 레이저 다이오드 어레이의 경우 보통 개구율이 0.16-0.39 값을 갖는 것이 많이 사용되고, 코어 크기는 100-600μm 영역의 값을 갖는 것이 많이 사용된다. 특히 작은 개구율(N,A:numerical aperture) 값을 가진 화이버 레이저 다이오드는 의료용, 고체 레이저 펌핑에 있어 중요하게 사용되고 있는데, 이와 같은 미세렌즈는 주로 유리재질로 된 렌즈를 몰드제작과 함께 사출방법을 이용하여 제작되어 진다. 그리고, 그와 같이 제작된 렌즈들은 수직방향의 빔을 시준하기 위해 2개의 렌즈를 붙여서 사용하기도 하고, 다른 방법으로는 실린더 형상을 갖는 렌즈를 결합기에 적용하기도 한다.

그러나, 상기와 같은 종래의 광섬유-결합기는 별도로 제작된 미세렌즈를 레이저 다이오드와 정렬하여 접착하고, 그와 같은 미세렌즈들에 의해 시준된 빔을 광섬유에 집속하기 위해 다시 몇 개의 렌즈들 설치하여 광섬유로 집속하거나, 일정한간격으로 배치된 광섬유 다발로 각각 집속하여 높은 출력의 빔을 얻도록 하고 있는데, 그와 같은 종래 광섬유-결합기에 사용되는 렌즈는 몰드를 이용한 사출형태로 제작되기 때문에 제조비용이 많이 소요되고, 수정이 어려우며, 정밀하게 조립하는 것이 어려운 문제점이 있었다.

상기와 같은 문제점을 감안하여 안출한 본 발명의 목적은 반도체 일관공정을 이용하여 저비용으로 간단하게 제작하고, 용이하게 수정을 할 수 있도록 하는데 적합한 미세 렌즈 배열을 이용한 광섬유-결합기를 제공함에 있다.

도 1은 종래 광섬유 결합기를 보인 개략도.

도 2는 본 발명에 미세 렌즈 배열을 이용한 광섬유-결합기를 보인 사시도.

도 3은 도 2의 평면도.

도 4는 도 2의 종단면도.

도 5는 도 2의 A-A' 절취단면도.

도 6은 본 발명의 제조순서를 보인 종단면도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

11 : 레이저 다이오드 14 : 광섬유 결합기

21 : 실리콘 기판 22 : 다중모드 광섬유

23 : 2차원 렌즈 24 : 광섬유

31,32 : 안착홈

상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여

레이저 다이오드에서 발광되는 빔이 광섬유-결합기에 의해 출력단의 광섬유에 결합되는 미세 광학계에 있어서,

상기 광섬유-결합기는 상기 레이저 다이오드와 광섬유 사이에 설치되는 실리콘 기판과,

상기 기판의 상면 일단부에 설치되며 레이저 다이오드에서 발산되는 빔중 수직방향으로 빔을 시준하는 다중모드 광섬유와,

상기 다중모드 광섬유를 통과하는 빔 중 수평방향의 빔을 시준할 수 있도록 반도체 일관공정에 의해 다중모드 광섬유의 후위에 형성되는 후막 감광제로된 2차원 렌즈를 구비하여 구성되는 것을 특징으로 하는 미세 렌즈 배열을 이용한 광섬유-결합기가 제공된다.

이하, 상기와 같이 구성되는 본 발명 미세 렌즈 배열을 이용한 광섬유-결합기를 첨부된 도면의 실시예를 참고하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명에 미세 렌즈 배열을 이용한 광섬유-결합기를 보인 사시도이고, 도 3은 도 2의 평면도이며, 도 4는 도 2의 종단면도이다.

이에 도시된 바와 같이, 본 발명은 레이저 빔을 발광하기 위한 여러개의 레이저 다이오드(11)가 배열되어 레이저 다이오드 어레이(12)가 배치되어 있고, 타측에는 출력단의 광섬유 어레이(13)가 배치되어 있으며, 상기 레이저 다이오드 어레이(12)와 광섬유 어레이(13)의 사이에는 광섬유-결합기(14)가 배치되어 있다.

상기 광섬유-결합기(14)은 판체상으로된 실리콘 기판(21)의 상면 전단부에는 레이저 다이오드(11)에서 발광되는 수직 빔을 스폿 형태로 집속하기 위한 실린더형의 다중모드 광섬유(22)가 세로방향으로 배치되어 있고, 그 다중모드 광섬유(22)의 후위에는 수평방향으로 빔을 시준할 수 있도록 후막감광제 물질로된 여러개의 2차원렌즈(23)들이 형성되어 있으며, 그 이차원렌즈(23)들의 후위에는 각각 광섬유(24)들이 배치되어 있다.

상기 다중모드 광섬유(22)는 기판(21)을 상면에 접합되어 레이저 다이오드(11)에서 가로와 세로의 발산각도가 달라서 생기는 타원형 발산 빔 중 수직 빔을 스폿 형태로 집속하는 역할을 하게 된다. 이와 같은 다중모드 광섬유(22)는 미세한 굴절율 차이를 보이는 클래딩과 코어로 되어 있지만 빔이 측면에서 입사되므로 무시해도 된다.

그리고, 상기 2차원렌즈(23)는 기판(21)의 상면에 반도체공정으로 형성되는SU-8 등의 후막감광제로서 광학적, 화학적 특성이 우수한 에폭시 종류의 수지로 되어 있으며, 렌즈곡률설계를 통하여 집속되는 레이저 빔을 원하는 각도로 조절할 수 있도록 되어 있다. 또한, 수백 μm의 높은 두께의 고종횡비 구조물을 수직에 가깝게 패터닝하여 제작할 수 있다. 특히 후막감광제를 렌즈로 이용하기 위해서는 표면조도가 최소 빔 파장의 1/10 이하로 평탄한 것이 바람직하며, SU-8은 사진공정후 측면 표면조도가 수나노미터 정도로 매우 작은 특성을 갖고 있다.

따라서, 광섬유(24) 직경에 맞추어 백μm 내외의 두께로 형성할 수 있으며, 이와 같이 형성되는 2차원렌즈(23)는 다중모드 광섬유(22)와 함께 빔의 수직, 수평 발산각을 줄여주어, 출력단의 광섬유(24)에 결합이 가능하다.

상기와 같이 레이저 다이오드(11)와 다중모드 광섬유(22), 2차원렌즈(23) 들의 치수 정밀도 및 정렬이 매우 중요하며, 설계에 의한 허용공차 내의 유효 구경을 갖도록 하는 것이 바람직하다. 허용공차는 레이저 다이오드(11)와 다중모드 광섬유(22) 사이의 간격, 다중모드 광섬유(22)와 2차원렌즈(23)들 사이의 정렬등이 매우 중요한 요소이며, 그 다중모드 광섬유(22)와 2차원렌즈(23)에 의해 시준된 빔은 정렬되어 있는 출력단 광섬유(24)로 집속된다. 이때 광섬유(24)는 개구율을 갖게 할 경우에 유효거리가 길어져 후위의 광섬유 번들(25)을 통과하는 고출력 빔의 사용을 효율적으로 할 수 있다. 따라서, 시준된 빔의 크기와 작은 개구율을 갖는 출력단 광섬유(24)의 정확한 정렬을 위해 부품들간의 거리 및 2차원렌즈(23)의 곡률에 대해 적절한 설계가 필요하다. 정렬은 반도체공정에서 널리 쓰이는 실리콘 기판(21)을 이용하여 사진묘화공정과 이방성 실리콘 습식 식각공정을 통하여 용이하게 제조할 수 있다. 이와 같이 제조된 출력단 광섬유(24)를 통과한 빔은 광섬유 번들(25)에 의해 하나로 합쳐져 고체 레이저의 고출력 펌핑원 등으로 사용이 가능하게 된다.

도 5는 도 2의 A-A' 절취단면도로서, 본 실시예에서의 광섬유 번들(25)은 광섬유(24) 4개가 번들 형태로 구성된 것을 예로들어 설명하였으나, 이는 대칭성을 가지면서 벌집형태로 광섬유(24)를 7개, 19개, 37개 등으로 개수를 증가시키는 것이 가능하며, 그와같이 광섬유(24)가 증가되면 그에 대응되는 만큼의 레이저 다이오드(11)와 2차원렌즈(23)의 수도 동일하게 증가되어야 하는데, 이와 같이 출력포트가 증가되어도 본 발명에서는 반도체 일관공정에 의해 정밀한 렌즈들을 용이하게 구성할 수 있다.

또한, 도 2, 도 3, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 실리콘 기판(21)의 상면 일단부에 배치되는 다중모드 광섬유(22)는 일정깊이로 형성된 "V"형의 안착홈(31)에 안착된 상태로 접착되어 있고, 상기 기판(21)의 상면에 설치되는 광섬유(24)도 일정깊이로 형성된 "V"형 안착홈(32)에 안착된 상태로 접착되어 있으며, 이와 같이 형성되는 안착홈(31)(32)들은 (100) 실리콘 기판(21)에 습식식각공정으로 형성되어 진다.

도 6은 본 발명의 제조순서를 보인 종단면도로서, 이를 참고로 본 발명의 제조방법을 설명하면, 세정을 한 (100)방향의 실리콘 웨이퍼 기판(21)의 상면에 사진묘화공정을 통하여 마스크 패터닝을 하고, KOH등의 화학용액을 이용하여 이방성습식식각공정을 하여 a)와 같이 일정깊이의 안착홈(31)(32)을 형성한다.

그런후, 기판(21)의 상면에 SU-8 감광제를 코팅하고, 사진묘화공정을 통하여 b)와 같이 설계되어진 곡률을 갖는 2차원렌즈(23)를 형성한다.

그런후, 상기와 같이 형성된 안착홈(31)(32)에 c)와 같이 다중모드 광섬유(22)와 출력단의 광섬유(24)를 UV 접착제나 열경화성 접착제를 이용하여 정렬접합시킨다. 이때 광섬유(24)는 빔이 집속이될 면이 연마(polishing)되어 있는 것이 바람직하다.

그런후, 마지막으로 투과성 효율증대를 위하여 d)와 같이 상기 다중모드 광섬유(22), 2차원렌즈(23), 광섬유(24)에 MgF₂ 등의 반사방지막(33)을 스퍼터링(sputtering)방법 등을 통하여 얇게 코팅하는 것에 의해 완성된다.

상기와 같은 각각의 부품들에 있어서 가장 중요한 점은 정확한 정렬과 광학설계 및 제조이며, 레이저 다이오드(11)와의 정확한 정렬도 중요하다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명의 미세 렌즈 배열을 이용한 광섬유-결합기는 고출력 레이저 다이오드에서 발생되는 레이저 빔을 작은 개구율을 가진 출력단 광섬유 번들로 결합할 때 반도체 일관공정에 의해 기판의 상면에 설치된 다중모드 광섬유와 2차원렌즈에 의해 결합이 이루어지도록 함으로써, 종래와 같이 여러개의 렌즈를 설치하여 광섬유-결합기를 제작하는 경우보다 정밀한 결합기를 간단하고 용이하게 제작할 수 있다.

또한, 이와 같이 제작된 광섬유-결합기는 레이저를 이용한 디스플레이, 광통신, 레이저를 이용한 물질가공기기, 의료기기, 광증폭기, 펌핑광원 등 고출력 레이저가 필요한 기기의 광결합기로 응용이 가능하다

Claims (3)

1. 레이저 다이오드에서 발광되는 빔이 광섬유-결합기에 의해 출력단의 광섬유에 결합되는 미세 광학계에 있어서,

   상기 광섬유-결합기는 상기 레이저 다이오드와 광섬유 사이에 설치되는 실리콘 기판과,

   상기 기판의 상면 일단부에 설치되며 레이저 다이오드에서 발산되는 빔중 수직방향의 빔을 시준하는 다중모드 광섬유와,

   상기 다중모드 광섬유를 통과하는 빔 중 수평방향의 빔을 시준할 수 있도록 반도체 일관공정에 의해 다중모드 광섬유의 후위에 형성되는 후막 감광제로된 2차원 렌즈를 구비하여 구성되는 것을 특징으로 하는 미세 렌즈 배열을 이용한 광섬유-결합기.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 다중모드 광섬유와 출력단의 광섬유는 기판의 상면에 일정깊이로 형성된 안착홈에 안착되어 접합되는 것을 특징으로 하는 미세 렌즈 배열을 이용한 광섬유-결합기.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 후막 감광제는 폴리머 감광제인 SU-8인 것을 특징으로 하는 미세 렌즈배열을 이용한 광섬유-결합기.