In this paper, we proposed $1\times8$ optical power splitter packaging technique using a new low-cost passive alignment method for aligning the optical fiber with the PLC chip. Our new passive alignment method is to insert and align directly the single mode optical fiber with a corresponding waveguide of the PLC chip with the engraved U-grooves, which on the PLC chip are directly formed by ultrafast laser micromachine. This new passive alignment technique does not also require optical fiber array blocks with the PLC chip compared with the active method. In this way, it is very easy to put and make the alignment of single mode optical fibers with the PLC chip and the tolerance of the PLC devices to mechanical and environmental factors can be improved. The size of the machined U-groove is controlled within $\pm1\mum$ by ultrafast laser micromachine.
The insertion loss and the return loss of the $1\times8$ optical splitter module fabiricatied by above our new technique is less than 11.0dB and more than 55dB, respectively. These results show that the passive alignment packaging technique in PLC optical splitter is excellent and provides a cost-effective packaging. In this study, however, we didn't establish the good temperature stability for $1\times8$ optical splitter modules, which was the maximum change loss of 2dB as the temperature fluctuation. The stability of the insertion loss and the reflection loss depending on temperature change is of greatest importance for establishing the reliability of the $1\times8$ optical splitter modules. For future study, we need to establish the good temperature stability.
본 연구에서 개발한 광섬유 블록을 사용하지 않은 수동정렬 방법은 광도파로를 Vision System으로 보면서 컴퓨터로 화소(Pixel)를 분석하고 광도파로의 중심을 계산하여 이 중심을 기준으로 레이저 어블레이션 특성을 이용하여 실리카(SiO2) 및 실리콘(Si) 혹은 Quartz 재질의 광도파로 소자내에 정밀한 채널(U-groove)을 만들어 광섬유가 자동정렬 되도록 하는 방법이다. 극초단파 레이저를 이용하여 $126\mum\plusmn87\mum\plusmn2mm$ 크기로 $\plusmn1\mum$ 이내의 가공정밀도를 갖는 U-groove가 형성된 평면 광도파로를 이용하여 광섬유를 정렬한 후, UV 경화 접착제를 사용하여 패키징을 하였다.
극초단파 레이저를 사용하여 평면광도파로내에 U-groove($126\mum\plusmn87\mum\plusmn2mm$)를 가공하였을 경우, 엑시머 레이저보다 열 영향부와 가공부 주위의 잔재물의 분포가 현저히 감소되었으며, 가공 정밀도와 측면과 바닥의 조도가 향상되어 $\plusmn1\mum$ 이내의 가공정밀도를 확보할 수 있었다. 이렇게 정밀하게 가공되어진 평면광도파로를 수동정렬방법을 이용하여 광섬유와 정렬하였을 경우, $1\times8$ 광커플러에 있어서 8채널 모두에서 11dB이내의 삽입손실 특성과 55dB이상의 반사 손실 특성이 균일하게 얻어졌다. 이러한 우수한 광특성은 레이저 빔과 동축으로 백색 광원을 집속 렌즈를 이용하여 광도파로 소자에 집광시켜 광도파로 형상의 화소(Pixel)들로 구분하여 광도파로 중심을 결정하고 이 중심으로부터 레이저 빔을 주사하여 광도파로 소자에 U-groove를 형성하기 때문에 S/W 상에서 광도파로 중심을 결정할 경우 발생하는 오차를 최소화하고, U-groove의 가공 품질 개선, 채널별 가공 치수 재현성 확보, 가공 프로그램의 개선 등의 노력으로 인하여 높은 가공 정밀도 및 높은 정밀 정렬도를 확보할 수 있었기 때문이다. 온도 사이클 시험을 수행하여 광 특성 성능을 평가한 결과, 최대 2dB이내의 손실변화가 측정되었다. 이러한 결과는 광스플리터 모듈 패키징 시 열팽창계수 차이에 의한 영향이 민감함을 나타낸다. 또한 온도변화에 따른 광특성의 불안정은 장기간 신뢰성에 크게 영향을 주므로 PLC 칩 및 광섬유와의 열팽창 계수가 적고 높은 유리전이온도를 갖으며 습도에 강한 에폭시를 선정하여 Telcordia 규격에 준한 장기간의 신뢰성을 확보할 필요가 있다. 향후 이에 대한 연구를 지속적으로 진행할 것이다. 그리고 본 연구에서 개발된 기술은 광스플리터 뿐만 아니라 AWG소자, 광스위치 및 기타 광도파로형 광부품까지 응용이 가능하다.
