KR100211039B1 - 광스위치-광섬유 광결합 장치 - Google Patents

Abstract

광스위치 장치를 광섬유와 수동적으로 결합시키는 실리콘 기판을 이용한 광결합 장치에 관한 것이다. 일반적으로 광결합장치는 광소자 간의 미크론 정도의 매우 정교한 기계적인 정렬 작업과 레이저 용접과 같은 순간적이고 견고한 접착 방식을 필요로 하는 것이 특징이다. 이러한 종래의 광결합 장치는 각각의 광소자들이 매우 복잡한 기계적인 구조물로 먼저 패키징 되고 다시 이들을 별도의 케이스에 상호 정렬하여 부착시키는 방식으로 패키징되기 때문에 부품 수가 많고 정렬 작업이 복잡하여 그 제조코스트가 매우 고가로 되는 단점을 갖고 있다. 한편으로 반도체장치제조에 사용되는 반도체공정기술을 실리콘 기판의 기계적인 가공에 이용하면 기계적인 가공으로는 얻을 수 없는 미크론 이하의 매우 정밀한 기계적 구조물의 제작이 가능하고 이를 각종 광소자 및 부품의 조립을 위한 기판으로 사용하고자 하는 것이 실리콘 광학 벤치(silicon optical bench) 기술이다. 본 발명은 반도체제조공정으로 가공된 실리콘 기판을 이용하여 광스위치 장치와 광섬유를 수동적으로 광결합 시킬 수 있는 광결합장치에 관한 것으로서, 상기 목적을 달성하기 위하여 실리콘 기판에 광스위치 장치의 플립칩 본딩을 위한 솔더 범프와 광섬유의 정렬 및 고정을 위한 브이홈을 형성시키고, 상기 솔더 범프 위에 광스위치 장치를 플립칩 본딩시킴으로써 광스위치 장치를 기판에 고정시키며, 동시에 광스위치 장치가 상기 브이홈과 자동 정렬되게 하며, 또한 광스위치 장치에 전기적이 연결이 가능한 전기적인 접촉을 형성시키며, 상기 브이홈 내에 광섬유를 정렬하여 고정시킴으로써 광스위치 장치와 광섬유 간에 광결합이 자동적으로 이루어지도록 함으로써 부품 수의 감소와 조립 공정의 단순화를 달성하여 광결합 장치의 크기를 소형화하고 제조코스트를 저렴하게 하고자 한 것이다.

Description

광스위치-광섬유 광결합 장치

본 발명은 광스위치 장치와 광섬유를 정렬하여 광결합시키는 광결합 장치에 관한 것이다. 특히, 본 발명의 광스위치 장치는 광교환 시스템의 구현을 위해 필요한 가장 기본적인 광부품으로서 보통 짝수 개의 채널로 구성되고 입력과 출력측에 각각 채널 수 만큼의 광섬유가 연결되어 특정 채널로 입력된 광신호를 광스위치 장치의 제어를 통하여 출력측의 특정한 채널로 입력 신호를 스위칭 시키는 역할을 광결합 장치에 관한 것이다.

일반적으로, 광스위치 장치의 구현에 있어 가장 중요한 문제는 광스위치 장치와 광섬유 간에 효율적인 광결합을 이룩하며 동시에 장치의 소형화와 제조코스트의 절감을 달성하는 것이다.

현재 개발되고 있는 반도체를 이용한 광스위치 장치의 광도파로의 크기는 1 내지 2 미크론 정도인데 반해 광섬유의 광도파로의 크기는 약 10 미크론 정도로서 두 장치간에 모드 사이즈의 많은 불일치가 존재한다. 이러한 모드 사이즈의 불일치는 광결합 효율을 저하시키는 근본적인 원인이 된다. 이를 극복하기 위한 종래의 기술에서는 광섬유 끝이 뾰족하게 가공된 테이퍼드 광섬유(tapered fiber)를 사용하여 광결합 효율을 높이거나 혹은 광섬유와 광스위치 장치 사이에 렌즈를 사용하여 광결합 효율을 높이는 방식을 사용하고 있다. 그러나 이러한 종래의 기술에서는 광스위치 소자와 광섬유 끝과의 간격이 10에서 20미크론의 거리에서 매우 정밀히 정렬되어야 하며 또한 광스위치 장치와 광섬유 상호간의 수평적인 정렬은 이보다 훨씬 민감하여 1 내지 2 미크론의 오차에 의해서도 반 이상의 광결합 효율을 잃어버릴 수 있게 된다. 따라서 이러한 종래의 기술은 광결합 장치를 조립하는데 많은 시간과 경비가 소모되어 결국 광시스템이 기존의 전자장치로 구현되는 시스템에 비해 경제적인 이점을 갖지 못하는 가장 큰 이유가 되고 있다. 이러한 조립 공정의 어려움과 제조코스트의 상승은 스위치 소자의 채널 수가 증가하여 광섬유 쌍의 수가 늘어나면 훨씬 더 심각하게 된다.

본 발명은 광스위치-광섬유 광결합 장치의 크기를 소형화 하고, 광스위치 장치와 광섬유 사이에 수동 정렬 방식의 광결합이 가능하게 함으로써 광결합 장치의 조립을 간단히 하며, 특히 채널 수가 두 개 이상으로 증가할 경우에도 조립이 용이하게 될수 있는 광결합 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 광스위치 장치와 광섬유의 광결합에 사용되는 부품 수를 감소 시켜 비용을 절감 시킬수 있는 광 결합장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 본 발명의 광스위치-광섬유 광결합 장치의 조감도,

도 2a는 본 발명에 따른 광스위치-광섬유 광결합 장치의 단면도,

도 2b는 도 2a의 일부를 확대하여 나타낸 단면도,

도 3은 본 발명에 따른 실리콘 기판의 구성을 나타낸 평면도,

도 4는 본 발명의 실리콘 기판 위에 광스위치 장치, 광섬유 어레이 및 광섬유 뚜껑을 부착하는 방법을 도시한 조감도,

도 5는 본 발명의 다른 실시 예로서 광섬유용 브이홈의 구조를 나타낸 조감도 이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

1,23, 57: 실리콘 기판 2,45: 광섬유 어레이

3,42: 광스위치 장치 4,40:광섬유 뚜껑

5,25: 와이어 본딩 패드 6,29, 44: 브이홈

7,28, 46: 받침대 8,22,24,32,48,49: 솔더 범프

9,11: 실리콘 기판의 표면 10: 광스위치 장치의 표면

12: 확대 부위 21: 광스위치 장치 부착 위치

26, 31: 금속 패드 27, 47: 기판 정렬마크

41: 소자 정렬마크 43: 광스위치 장치의 광도파로

51: 광섬유 뚜껑의 브이홈 52: 소자 금속패드

53: 소자 접촉 금속패드 56: 폭이 넓은 브이홈

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 광스위치-광섬유 광결합 장치는 광섬유의 정렬을 위한 브이홈과 광스위치 장치의 정렬 및 고정을 위한 정렬 마크 및 솔더 범프 그리고 광스위치 장치의 높이 조절을 위한 받침대를 상호 정렬되게 반도체제조공정으로 실리콘 기판 위에 형성 시킨 다음에 상기 실리콘 기판 위에 광섬유 어레이와 광스위치 장치를 수동적인 정렬 방식으로 광결합 시킨다. 따라서, 본 발명의 광결합 장치는 적어도 하나의 V홈이 형성된 기판; 상기 V홈에 안착되어 상기 기판 상에 고정되는 광섬유 어레이; 및 상기 기판 상에 형성되되 상기 광섬유 어레이와 광결합되면서 금속패드와 전기적으로 연결되는 광 스위치를 포함한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예를 상세히 설명한다.

먼저, 도 1은 본 발명의 광스위치-광섬유 광결합 장치의 조감도로서 도면부호 1은 실리콘 기판, 2는 광섬유 어레이, 3은 광스위치 장치, 4는 광섬유 뚜껑, 5는 와이어 본딩 패드를 각각 나타낸다.

본 발명의 광스위치-광섬유 광결합 장치는 브이(V)홈을 가진 실리콘 기판(1)과 상기 기판(1) 상의 홈에 정렬된 광섬유 어레이(2)와 광섬유 어레이(2)를 고정시키는 광섬유 뚜껑(4)과 광스위치 장치(3)와 외부와의 전기적인 연결을 위한 와이어 본딩 패드(5)로 구성되어 있다.

이를 구체적으로 도 2a 및 도 2b, 도 3 내지 도 5를 통하여 상세히 살펴본다.

도 2a는 본 발명에 따른 광스위치-광섬유 광결합 장치의 단면도이고, 도 2b는 도 2a의 일부를 확대하여 나타낸 단면도이, 도 3은 본 발명에 따른 실리콘 기판의 구성을 나타낸 평면도 이고, 도 4는 본 발명의 실리콘 기판위에 광스위치 장치, 광섬유 어레이 및 광섬유 뚜껑을 부착하는 방법을 도시한 조감도 이고, 도 5도는 본 발명의 다른 실시예로서 광섬유용 브이홈의 구조를 나타낸 조감도를 각각 나타낸다.

본 발명의 광스위치-광섬유 광결합 장치는 실리콘 기판(1)과 상기 기판의 브이홈(6)에 정렬된 광섬유 어레이(2)와 광섬유 어레이(2)를 고정시키는 광섬유 뚜껑(4)과 상기 기판(1) 상의 솔더 범프(8) 및 받침대(7) 위에 부착된 광스위치 장치(3)와 광스위치 장치(3)에 전기적인 연결을 위한 와이어 본딩 패드(5)로 구성되어 있다. 상기 실리콘 기판(1)은 광스위치 장치와 광섬유를 정렬하여 고정시키는 광학적 벤치(optical bench) 이고, 상기 브이홈(6)은 광섬유 어레이(2)를 실리콘 기판(1)의 하부에 매립 시켜서 광섬유 어레이(2)를 수평 및 수직 방향(x, z 방향 및 y 방향(기판의 표면에 수직인 방향)) 으로 정렬시키고 또한 광섬유 어레이(2)를 기판(1)에 고정시키는 작용을 한다.

먼저 상기 광스위치 장치(3)를 상기 브이홈(6)에 부착된 광섬유 어레이(2)와 정렬되게 부착시키는 방법을 도 1 내지 도 4를 참조하여 설명하면, 광스위치 장치(3)는 플립칩 본딩(flip-chip bonding)되는 것을 특징으로 하는데 플립칩 본딩법은 반도체 장치의 앞면(광스위치 장치의 경우 광도파로가 형성되어진 표면)이 기판 표면을 향하도록 하여 부착시키는 방법으로서 기판과 반도체 장치의 표면 혹은 어느 한 쪽 표면에 융점이 낮은 솔더 물질로된 솔더 범프를 형성시키고 그 위에 반도체 장치를 얹은 다음에 가열하여서 용융된 솔더 물질과 금속과의 부착력에 의해 반도체 장치와 기판을 접합시키는 기술이다. 본 발명에서는 도 2a 및 도 2b에서와 같이 실리콘 기판(1)의 표면에 솔더 범프(8)를 형성시키고 그 위에 광스위치 장치(3)를 접합시킨다. 이때 실리콘 기판(1) 표면(9)으로부터 광스위치 장치(3)의 높이를 조절하기 위하여 받침대(7)를 사용하는데, 받침대는 솔더 물질 보다 융점이 높은 금 등의 물질을 도금하거나 증착하여 만들어 지며 그 높이는 상기 브이홈(6)에 부착된 광섬유 코아(혹은 광도파로)의 높이와 받침대(7)에 부착된 광스위치 장치(3)의 광도파로의 높이가 서로 같아지도록 만들어 진다.

다음에 브이홈(6)에 의한 광섬유의 정렬 원리에 대해 상세히 설명하면, 상기 브이홈(6)은 실리콘 단결정의 비등방성 식각에 의해 형성되는 것을 특징으로 한다. 비등방성 식각은 단결정의 결정 방향에 따른 식각율의 차이가 매우 큰 식각으로서 본 발명에서는 실리콘 {100} 면의 식각률이 {111} 결정면의 식각률 보다 수 십배 이상 큰 비등방성 식각을 이용하는 경우로서 (100) 실리콘 웨이퍼 표면에 110 결정 방향과 나란하게 배치된 직사각형 패턴을 비등방성 식각하면 최종적으로 브이홈 형태의 식각 패턴이 얻어진다. 이와 같이 형성되는 브이홈은 그 폭과 깊이가 1 미크론 보다 적은 오차로서 정확히 제어 가능한 것이 매우 큰 이점으로서 본 발명에서 광섬유 어레이를 광스위치 장치에 자동적으로 정렬되게 할 수 있는 기본 원리가 된다. 따라서 본 발명에서는 브이홈 식각 패턴의 위치와 폭을 플립칩 본딩된 광스위치 장치의 위치 및 폭과 연계하여 사전에 설계하고 반도체제조공정의 포토리소그래피 기술을 사용하여 실리콘 웨이퍼의 110 결정 방향과 나란하게 브이홈 식각 패턴을 형성시킨 다음에 이를 KOH 등 비등방성 식각용액으로 에칭하여 브이홈을 형성시키고 그 위에 광섬유를 매립하여 부착시키는 방식으로 광섬유의 수평적인 위치 (x 및 z 방향) 및 광섬유 코아의 높이(y 방향)가 사전에 계획된 위치에 있게 된다.

다음에 도 3 및 도 4를 참조하여 본 발명에 따른 실리콘 기판(23)은 브이홈(29), 솔더범프(22,24 및32), 기판 정렬마크(27), 받침대(28), 금속패드(26 및 31), 와이어 본딩패드(25) 등으로 구성되며 이하 그림을 참조하여 보다 상세히 설명하면, 상기 브이홈(29)은 광스위치 장치의 부착 위치(21) 양쪽에 채널 수 만큼 형성된다. 브이홈(29) 중심간의 간격은 광스위치 장치의 광도파로(43)의 간격과 같게 만들어 진다. 또한 상기 브이홈(29)의 종단은 경사진 측면을 갖기 대문에 광섬유의 끝이 브이홈(29)의 끝까지 도달할 수 없다. 따라서 상기 광스위치 장치(42)는 브이홈와 일부 겹치게 위치 시킨다.

솔더 범프(22,24,32)들은 광스위치 장치(42) 및 광섬유 뚜껑(40)을 플립칩 본딩 하여 상기 실리콘 기판(23)에 부착하는데 사용한다. 이들 중에서 두 받침대(28) 사이에 있는 솔더 범프(32) 등은 광스위치 장치(42)와 기판(23)과의 전기적인 연결을 위한 것이다. 다시 말하면, 솔더 범프(32)는 광스위치 장치(42)의 표면에 형성된 금속패드(53)들과 접합되어 기계적 및 전기적으로 연결되고 다시 금속패드(31)을 통하여 솔더 범프(24)에 연결되고 이로부터 또 다시 광스위치 장치의 부착위치(21) 외곽에 위치한 와이어 본딩용 패드(25)와 연결되어 광스위치 장치(42)로부터 전기적인 연결을 형성한다. 이어서 상기 실리콘 기판(23)은 받침대(28) 와 기판 정렬마크(27)를 가져서 광스위치 장치(42)를 상기 실리콘 기판(23)에 정렬하여 부착하는 것을 가능하게 한다. 먼저 상기 기판 정렬마크(27)는 광스위치 장치(42)를 실리콘 기판(23)에 플립칩 본딩할 때 광스위치 앞면의 광도파로(43)와 실리콘 기판(23) 상의 브이홈(29)을 상호 정렬하기 위한 것으로서 이를 위해 기판과 대응되는 소자 정렬마크(41)가 광스위치 장치의 표면에 있게 된다. 다음에 받침대(28)는 앞에서 설명한 바와 같이 기판 표면에 부착된 광스위치 장치의 광도파로(43)의 높이와 브이홈에 부착된 광섬유(2)의 코아의 높이를 맞추는데 사용된다. 상기 브이홈(29) 주변에 위치한 솔더 범프(22) 들은 광섬유(45)를 브이홈에 부착한 뒤 광섬유 뚜껑(40)을 플립칩 본딩법으로 부착하기 위한 것이다. 광섬유(45)는 뚜껑 없이 바로 에폭시 등의 적용에 의하여 부착시킬 수도 있다. 그러나 이 경우에 에폭시의 굳힘 과정에서 광섬유의 위치 변화 등이 발생할 수 있기 때문에 이를 방지하기 위하여 광섬유 뚜껑(40)을 사용하는 것이 바람직하다. 또한 광섬유 뚜껑(40)은 플립칩 본딩에 의하지 않고 에폭시 등으로 부착하여도 무방하다. 이 경우에 광섬유 뚜껑(40)의 플립칩 본딩을 위한 솔더 범프(22)는 필요치 않다.

이어서 이와 같이 구성된 실리콘 기판(23)에 광스위치 장치(42)와 광섬유 어레이(45)를 조립하는 방법을 설명하면, 광스위치 장치(42)는 플립칩 본딩 장비를 이용하여 실리콘 기판(50)위에 접합되는데 이를 위해 먼저 상기 기판(50)에 형성된 기판 정렬마크(47)와 역시 광스위치 장치(42)의 표면에 형성된 소자정렬마크(41)를 서로 정렬시킨 상태에서 광스위치 장치(42)를 솔더 범프(48) 위에 놓고 적절한 압력으로 광스위치 장치(42)를 상기 받침대(46)에 밀착시킨 상태에서 기판을 가열함으로써 광스위치 장치(42)의 소자금속패드(52) 및 소자접촉금속패드(53)를 기판(50) 상의 솔더 범프(48)와 접합시킨다.

다음으로, 광스위치 장치(42)가 부착된 기판위에 광섬유 어레이(45)를 브이홈(44)과 정렬하여 고정시키게 되는데 광스위치 장치에는 항상 두 가닥 이상의 광섬유 어레이가 사용되므로 광섬유는 미리 어레이로 만들어 사용하는 것도 무방하다. 이때 광섬유 간의 간격은 광섬유의 외경과 같게 하는 것이 가장 용이하므로 상기 브이홈(44)의 간격 역시 이와 같이 하는 것이 바람직하다. 본 발명의 특징은 광섬유 어레이(45)를 브이홈(44)에 정렬하는 것이 매우 간편하다. 즉 광스위치 장치(42)의 한 쪽에 광섬유 어레이(45)를 브이홈(44)과 적당히 정렬한 다음에 광섬유 끝이 광스위치 장치(3, 42)의 한 쪽 측벽과 맞닿거나 적절한 간격을 가지게 맞춘 다음에 광섬유 고정용 뚜껑(40)의 브이홈(51)이 광섬유 어레이 위에 오도록 맞추고 누르면 광섬유 어레이(45)는 자동적으로 브이홈(44) 내에 밀착되어져서 브이홈(44)에 정렬되게 된다. 같은 방식으로 광스위치 장치의 다른 쪽에도 광섬유 어레이(45)를 부착시키고 광섬유 뚜껑(40)을 쒸운 다음에 광섬유 뚜껑(40)을 고정시키게 되는데 광섬유 뚜껑(40)을 플립칩 본딩하고자 할 경우에는 기판을 가열하여 본딩할 수 있고, 이와는 달리 에폭시로 본딩하고자 할 경우에는 광섬유 뚜껑(40)을 놓기 전에 기판상의 뚜껑이 놓여질 자리에 적당량의 에폭시를 적용한 다음에 에폭시의 종류에 따라 적절히 가열하여 접착시킨다.

다음에 도 5는 본 발명에서 사용할 수 있는 다른 형태의 광섬유 정렬용 브이홈으로서 브이홈에 부착된 광섬유의 절단을 방지하고 스트레스를 완화시켜주는 작용을 할 목적으로 실리콘 기판(57) 끝단에 폭이 넓은 브이홈(56)을 사용하는 것이 특징이다.

따라서, 본 발명은 광스위치 장치를 실리콘 기판위에 플립칩 본딩하고 광섬유 어레이를 브이홈에 정렬시키는 방식으로 광스위치 장치와 광섬유 어레이를 자동적으로 광결합 시킬 수 있을 뿐만 아니라 광결합 장치의 제조에 필요한 부품 수가 적고 조립 과정이 간편하여 광스위치-광섬유 광결합 장치의 크기를 소형으로 할 수 있고 또한 제조코스트를 저감할 수 있는 것이다.

전술한 바와 같이 본 발명의 광스위치-광섬유 광결합 장치에 의하면 광스위치-광섬유 광결합 장치의 부피를 대폭적으로 감소시킬 수 있고, 조립 공정을 간단히 할 수 있으며 또한 부품 수의 감소를 가져올 수 있기 때문에 광스위치-광섬유 광결합 장치의 가격을 대폭적으로 절감시키는데 매우 뛰어난 효과가 있다.

Claims (9)

1. 적어도 하나의 V홈이 형성된 기판; 상기 V홈에 안착되어 상기 기판 상에 고정되는 광섬유 어레이; 및 상기 기판 상에 형성되되 상기 광섬유 어레이와 광결합되면서 금속패드와 전기적으로 연결되는 광 스위치를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로하는 광결합 장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 기판은 실리콘 웨이퍼로 이루어지는 지는 것을 특징으로 하는 광결합 장치.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 광결합 장치는 광섬유와 광스위치를 장치를 광결합시키는 것을 특징으로 하는 광결합 장치.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 광결합 장치는 상기 기판에 안착되어 있는 광섬유를 고정하고 보호하기 위하여 부착되는 뚜껑을 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 광결합 장치.
5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 기판은 광스위치 장치의 정확한 위치에 본딩할 수 있는 정렬용 마크(27)를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 광결합 장치.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 광결함 장치는 본딩된 상기 광스위치의 높이를 조절하기 위한 받침대를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 광결합 장치.
7. 제 2 항에 있어서, 상기 실리콘 기판(1)의 결정 방향이 (100)인 것을 특징으로 하는 광스위치-광섬유 광결합 장치
8. 제 1 항에 있어서, 상기 V홈의 간격을 직접 접합된 두 광섬유 코아의 간격과 같게 하는 것을 특징으로하는 광스위치-광섬유 광결합 장치.
9. 제 1 항에 있어서, 상기 광결합 장치는 상기 기판 끝단에 형성되 상기 V홈과 연장되 선상에서 상기 V홈의 폭에 비해 더 넓은 폭을 가지는 홈을 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로하는광결합장치.