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KR20040062073A - Optical fiber-coupling system using micro lens array - Google Patents

Optical fiber-coupling system using micro lens array Download PDF

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Publication number
KR20040062073A
KR20040062073A KR1020020088392A KR20020088392A KR20040062073A KR 20040062073 A KR20040062073 A KR 20040062073A KR 1020020088392 A KR1020020088392 A KR 1020020088392A KR 20020088392 A KR20020088392 A KR 20020088392A KR 20040062073 A KR20040062073 A KR 20040062073A
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KR
South Korea
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optical fiber
coupler
laser diode
laser
fiber
Prior art date
Application number
KR1020020088392A
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Korean (ko)
Inventor
이영주
권혁
Original Assignee
엘지전자 주식회사
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Publication date
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Priority to US10/745,680 priority patent/US7123791B2/en
Priority to CNA2003101103717A priority patent/CN1514264A/en
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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.The optical fiber combiner using the microlens array of the present invention comprises an optical fiber combiner 14 for coupling the laser beam generated from the high power laser diode 11 to the output end optical fiber 24 having a small aperture ratio. The combiner 14 is formed by providing a multimode optical fiber 22 and a two-dimensional lens 23 on the upper surface of the silicon substrate 21, and is provided on the silicon substrate 21 by a semiconductor integrated process. By allowing the two-dimensional lens 23 to be made of a thick film photosensitive film, a precise coupler can be manufactured simply and easily, and can be easily modified even when a correction is required after production.

Description

미세 렌즈 배열을 이용한 광섬유-결합기{OPTICAL FIBER-COUPLING SYSTEM USING MICRO LENS ARRAY}Optical fiber coupler using microlens array {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.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to a microscopic optical structure that allows a beam emitted from a laser diode to be incident on an optical bundle. More specifically, the optical bundle of an optical fiber bundle having a small aperture ratio is optically coupled to a high power laser diode array. The present invention relates to a fiber-coupler using a microlens array that is simply fabricated using a semiconductor integrated process to produce a microlens array necessary for collimating a beam emitted from a laser diode for coupling.

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.Recently, a lot of research is being actively conducted on high power semiconductor lasers as demand for high power laser light increases and new application fields are expanded. Applications include laser-based displays such as CD-RW and DVD-RAM, large-screen projectors, laser radio communications, material processing using lasers (welding, cutting, semiconductor-related fine processing, etc.), medical, Applicability is expanding to military and optical amplifiers, pumping light sources, and the like.

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.In the case of a pumping light source, a material processing, or a medical laser of a solid laser by a laser, a high light output of several W grade or more is required. In particular, the excitation of a solid laser is a method of making a high power laser diode into an array form. In order to increase the effectiveness of the array of laser diodes, a laser diode array beam is coupled to an optical fiber and bundled into a fiber to emit high light from the laser diode. You can get the output. It is used as a fiber-coupling system combining a microlens array that serves to collimate a diode array beam with an optical fiber array with an appropriate aperture ratio and core diameter, depending on the application.

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.Conventional fiber couplers, including two-dimensional microlenses, are devices designed for the beam form of multimode high power diode lasers. In order to reduce the divergence of the laser light source and couple to the optical fiber, the conventional optical fiber combiner requires a complicated lens structure of three-dimensional shape and a high performance optical system.

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.The angle emitted by the laser diode is determined by the structure of the laser diode. In the case of a high power laser diode, the angle is generally in the range of about 32-44 ° in length and 8-12 ° in width. The reason is that the size of the cross section of the semiconductor laser oscillation region is very small (a few micrometers), so that the overall transverse mode distribution is elliptical. Because of this asymmetry of the divergence angle, it is desirable to reduce the divergence angle of the laser beam in order to increase the pumping efficiency of the optical fiber amplifier. In this case, it is possible to reduce the divergence angle and combine the optical fiber with an optical system utilizing a predetermined lens.

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.1 is a schematic view showing a conventional optical fiber coupler, as shown here, the role of the lens as in a) serves as a lens for collimating a vertical beam shape with a large divergence angle from the diode, and as in b) Its role is to project the beam shape in the lateral direction of the diode into the optical fiber waveguide spot, by which the conventional fiber coupler converts the beam shape of the laser.

결국, a)에서의 렌즈는 높은 개구수를 가지고 발산각이 큰 축에서 시준하며, b)에서의 렌즈는 다이오드의 발산각의 작은축의 확장된 광원을 영사한다.As a result, the lens in a) has a high numerical aperture and collimates on the axis with a large divergence angle, and the lens in b) projects an extended light source along the small axis of the diode's divergence angle.

광섬유-결합기의 빔 성형기능은 거의 원형 스폿을 형성하며 레이저 모드를 여기시키는데 사용될 수 있다. 이 구조물의 효율은 광학계뿐만 아니라 다이오드 레이저와 광섬유에도 의존한다.The beam shaping function of the fiber-coupler forms an almost circular spot and can be used to excite the laser mode. The efficiency of this structure depends not only on the optics but also on diode lasers and optical fibers.

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.To achieve maximum performance with a fiber-coupler, the divergence angle of the laser should be as small as possible and the aperture and core size of the optical fiber should be as large as possible, but accurate alignment is required according to the dimensions of the optical system required. Light entering the optical fiber at a small angle is totally reflected at the core cladding contact surface and some of it is absorbed, which can cause a decrease in output. Therefore, the combiner needs to design the optical system to achieve the maximum coupling efficiency, and the light source including the optical fiber should be considered to be optimized. Collimating lenses reduce the divergence angle of the diode beam and increase the energy density for excitation.

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.In the case of a high power laser diode array, an aperture ratio of 0.16-0.39 is commonly used, and a core size of 100-600 μm is often used. In particular, fiber laser diodes with a small numerical aperture (N, A) value are important for medical and solid-state laser pumping. Such microlenses use injection molding methods for lenses made of glass. It is manufactured. In addition, the lenses manufactured as described above may be used by attaching two lenses to collimate the beam in the vertical direction. Alternatively, a lens having a cylindrical shape may be applied to the combiner.

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.However, the conventional optical fiber-coupler as described above is attached to a plurality of lenses in order to focus the beam collimated by the microlenses separately aligned with the laser diode, and to collimate the beam collimated by such microlenses into the optical fiber. Or a bundle of optical fibers arranged at regular intervals to obtain high output beams. However, the lenses used in such conventional optical fiber couplers are manufactured by injection molding using a mold, which is expensive. It was difficult to modify, difficult to assemble, and there was a problem that it was difficult to assemble precisely.

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.SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention devised in view of the above problems is to provide a fiber-coupler using a microlens array suitable for simple fabrication and easy modification at low cost using a semiconductor integrated process.

도 1은 종래 광섬유 결합기를 보인 개략도.1 is a schematic view showing a conventional optical fiber coupler.

도 2는 본 발명에 미세 렌즈 배열을 이용한 광섬유-결합기를 보인 사시도.Figure 2 is a perspective view showing an optical fiber coupler using a fine lens array in the present invention.

도 3은 도 2의 평면도.3 is a plan view of FIG.

도 4는 도 2의 종단면도.4 is a longitudinal cross-sectional view of FIG.

도 5는 도 2의 A-A' 절취단면도.5 is a cross-sectional view taken along the line A-A 'of FIG.

도 6은 본 발명의 제조순서를 보인 종단면도.Figure 6 is a longitudinal sectional view showing a manufacturing procedure of the present invention.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings

11 : 레이저 다이오드 14 : 광섬유 결합기11 laser diode 14 fiber optic coupler

21 : 실리콘 기판 22 : 다중모드 광섬유21 silicon substrate 22 multimode optical fiber

23 : 2차원 렌즈 24 : 광섬유23: two-dimensional lens 24: optical fiber

31,32 : 안착홈31,32: settling groove

상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여In order to achieve the object of the present invention as described above

레이저 다이오드에서 발광되는 빔이 광섬유-결합기에 의해 출력단의 광섬유에 결합되는 미세 광학계에 있어서,In a fine optical system in which a beam emitted from a laser diode is coupled to an optical fiber at an output end by an optical fiber coupler,

상기 광섬유-결합기는 상기 레이저 다이오드와 광섬유 사이에 설치되는 실리콘 기판과,The optical fiber-coupler is a silicon substrate installed between the laser diode and the optical fiber,

상기 기판의 상면 일단부에 설치되며 레이저 다이오드에서 발산되는 빔중 수직방향으로 빔을 시준하는 다중모드 광섬유와,A multimode optical fiber installed at one end of an upper surface of the substrate and collimating the beam in a vertical direction among beams emitted from a laser diode;

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.A microlens array comprising a two-dimensional lens made of a thick film photosensitive agent formed on the rear side of the multimode optical fiber by a semiconductor integrated process to collimate the horizontal beam among the beams passing through the multimode optical fiber. There is provided an optical fiber coupler.

이하, 상기와 같이 구성되는 본 발명 미세 렌즈 배열을 이용한 광섬유-결합기를 첨부된 도면의 실시예를 참고하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, with reference to the embodiment of the accompanying drawings, the optical fiber-coupler using the present invention fine lens array is configured as described in more detail as follows.

도 2는 본 발명에 미세 렌즈 배열을 이용한 광섬유-결합기를 보인 사시도이고, 도 3은 도 2의 평면도이며, 도 4는 도 2의 종단면도이다.2 is a perspective view showing an optical fiber coupler using a microlens array according to the present invention, FIG. 3 is a plan view of FIG. 2, and FIG. 4 is a longitudinal sectional view of FIG. 2.

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.As shown in the drawing, in the present invention, a plurality of laser diodes 11 for emitting a laser beam are arranged so that a laser diode array 12 is arranged, and an optical fiber array 13 at an output end is arranged on the other side. An optical fiber coupler 14 is disposed between the laser diode array 12 and the optical fiber array 13.

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.The optical fiber-coupler 14 has a cylindrical multimode optical fiber 22 for focusing the vertical beam emitted from the laser diode 11 in the form of a spot at the front end of the upper surface of the silicon substrate 21 in the shape of a plate. And two-dimensional lenses 23 made of a thick film photosensitive material are formed on the rear of the multi-mode optical fiber 22 so as to collimate the beam in the horizontal direction. In the rear, optical fibers 24 are disposed, respectively.

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.The multi-mode optical fiber 22 is bonded to the upper surface of the substrate 21 serves to focus the vertical beam in the form of spots of the elliptical diverging beams generated by the diverging angle of the horizontal and vertical in the laser diode 11. Such a multi-mode optical fiber 22 is composed of a cladding and a core showing a slight difference in refractive index, but can be ignored because the beam is incident from the side.

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.In addition, the two-dimensional lens 23 is a thick film photosensitive agent such as SU-8 formed on the upper surface of the substrate 21 by a semiconductor process, and is made of epoxy resin having excellent optical and chemical properties. The laser beam can be adjusted to a desired angle. In addition, high aspect ratio structures of several hundred μm can be fabricated by patterning them close to vertical. In particular, in order to use a thick film photoresist as a lens, it is preferable that the surface roughness is flat to 1/10 or less of the minimum beam wavelength, and SU-8 has a characteristic that the surface roughness of the side surface after the photographing process is very small, such as several nanometers.

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.Accordingly, the thickness of the optical fiber 24 can be formed in a thickness of about 100 μm, and the two-dimensional lens 23 formed as described above reduces the vertical and horizontal divergence angle of the beam together with the multi-mode optical fiber 22. It is possible to couple to the optical fiber 24 of the output terminal.

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.As described above, the dimensional accuracy and alignment of the laser diode 11, the multimode optical fiber 22, and the two-dimensional lens 23 are very important, and it is desirable to have an effective aperture within a tolerance by design. Tolerance is a very important factor such as the distance between the laser diode 11 and the multimode optical fiber 22, the alignment between the multimode optical fiber 22 and the two-dimensional lens 23, the multimode optical fiber 22 And the beam collimated by the two-dimensional lens 23 is focused onto the aligned output end optical fiber 24. At this time, when the optical fiber 24 has an aperture ratio, the effective distance is long, so that the use of the high power beam passing through the rear optical fiber bundle 25 can be efficiently performed. Therefore, proper design is needed for the distance between the components and the curvature of the two-dimensional lens 23 for accurate alignment of the output end optical fiber 24 with the size of the collimated beam and the small aperture ratio. Alignment can be easily manufactured by using a photolithography process and anisotropic silicon wet etching process using the silicon substrate 21 widely used in the semiconductor process. The beam passing through the output stage optical fiber 24 manufactured as described above is combined into one by the optical fiber bundle 25 to be used as a high power pumping source of a solid state laser.

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.FIG. 5 is a cross-sectional view taken along the line AA ′ of FIG. 2, but the optical fiber bundle 25 in the present embodiment has been described with four optical fibers 24 configured in a bundle form, but the optical fiber 24 has a symmetry and has a honeycomb shape. It is possible to increase the number to 7, 19, 37, etc., and as the optical fiber 24 is increased, the number of laser diodes 11 and the two-dimensional lens 23 corresponding to the same is increased. Although the output port is increased in this way, the precise lenses can be easily configured by the semiconductor integrated process in the present invention.

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.2, 3, and 4, the multi-mode optical fiber 22 disposed at one end of the upper surface of the silicon substrate 21 has a "V" type seating groove 31 formed at a predetermined depth. It is bonded in the state seated on, the optical fiber 24 installed on the upper surface of the substrate 21 is also bonded in a state seated in the "V" type mounting groove 32 formed in a predetermined depth, and thus formed The mounting grooves 31 and 32 are formed in the (100) silicon substrate 21 by a wet etching process.

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.FIG. 6 is a longitudinal sectional view showing a manufacturing procedure of the present invention. Referring to the manufacturing method of the present invention with reference to this, mask patterning is performed on the upper surface of the (100) -oriented silicon wafer substrate 21 through a photo drawing process. Then, an anisotropic wet etching process is performed using a chemical solution such as KOH to form seating grooves 31 and 32 having a predetermined depth as in a).

그런후, 기판(21)의 상면에 SU-8 감광제를 코팅하고, 사진묘화공정을 통하여 b)와 같이 설계되어진 곡률을 갖는 2차원렌즈(23)를 형성한다.Then, the SU-8 photosensitive agent is coated on the upper surface of the substrate 21, and a two-dimensional lens 23 having a curvature designed as shown in b) is formed through a photographic drawing process.

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.Thereafter, the multimode optical fiber 22 and the optical fiber 24 at the output end are aligned and bonded to the seating grooves 31 and 32 formed as described above using a UV adhesive or a thermosetting adhesive. At this time, it is preferable that the surface of the optical fiber 24 is polished (polishing).

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.Finally, MgF is applied to the multimode optical fiber 22, the two-dimensional lens 23, and the optical fiber 24, as in d), to increase the transmission efficiency.2 It is completed by thinly coating the anti-reflection film 33 such as through a sputtering method or the like.

상기와 같은 각각의 부품들에 있어서 가장 중요한 점은 정확한 정렬과 광학설계 및 제조이며, 레이저 다이오드(11)와의 정확한 정렬도 중요하다.The most important point in each of the above components is accurate alignment and optical design and manufacture, and the precise alignment with the laser diode 11 is also important.

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.As described in detail above, the optical fiber-coupler using the microlens array of the present invention is a multiplexer installed on the upper surface of the substrate by a semiconductor integrated process when combining the laser beam generated from a high-power laser diode into an output optical fiber bundle having a small aperture ratio By making the coupling by the mode optical fiber and the two-dimensional lens, it is possible to easily and precisely produce a more precise coupler than when manufacturing a fiber-coupler by installing a plurality of lenses as in the prior art.

또한, 이와 같이 제작된 광섬유-결합기는 레이저를 이용한 디스플레이, 광통신, 레이저를 이용한 물질가공기기, 의료기기, 광증폭기, 펌핑광원 등 고출력 레이저가 필요한 기기의 광결합기로 응용이 가능하다In addition, the optical fiber coupler manufactured as described above may be applied as an optical coupler of a device that requires a high power laser such as a display using a laser, an optical communication, a material processing device using a laser, a medical device, an optical amplifier, a pumping light source, and the like.

Claims (3)

레이저 다이오드에서 발광되는 빔이 광섬유-결합기에 의해 출력단의 광섬유에 결합되는 미세 광학계에 있어서,In a fine optical system in which a beam emitted from a laser diode is coupled to an optical fiber at an output end by an optical fiber coupler, 상기 광섬유-결합기는 상기 레이저 다이오드와 광섬유 사이에 설치되는 실리콘 기판과,The optical fiber-coupler is a silicon substrate installed between the laser diode and the optical fiber, 상기 기판의 상면 일단부에 설치되며 레이저 다이오드에서 발산되는 빔중 수직방향의 빔을 시준하는 다중모드 광섬유와,A multimode optical fiber installed at one end of an upper surface of the substrate and collimating a vertical beam among beams emitted from a laser diode; 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.A microlens array comprising a two-dimensional lens made of a thick film photosensitive agent formed on the rear side of the multimode optical fiber by a semiconductor integrated process to collimate the horizontal beam among the beams passing through the multimode optical fiber. Fiber-coupler using the. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 다중모드 광섬유와 출력단의 광섬유는 기판의 상면에 일정깊이로 형성된 안착홈에 안착되어 접합되는 것을 특징으로 하는 미세 렌즈 배열을 이용한 광섬유-결합기.The multi-mode optical fiber and the optical fiber of the output terminal is a fiber-coupler using a microlens array, characterized in that seated in the mounting groove formed in a predetermined depth on the upper surface of the substrate and bonded. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 후막 감광제는 폴리머 감광제인 SU-8인 것을 특징으로 하는 미세 렌즈배열을 이용한 광섬유-결합기.The thick film photosensitive agent is a optical photo-coupler using a microlens array, characterized in that the polymer photosensitive agent SU-8.
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