PI코리아, 액티브 광 얼라인먼트 성능을 향상시키는 법

포토닉스 시장이 확장되는 이유
 

2020년 코로나19 팬데믹이 최고조에 달했을 때 데이터 소비량은 20% 이상 증가했으며 데이터의 효율적인 처리 및 전달의 중요성이 대두되었다. 또한 양자 컴퓨팅, 고속 케이블, LiDAR, 소형 위성 등 포토닉스 산업이 확장되고 다양해지면서 데이터에 대한 수요가 커지고 있다.

웨이퍼의 초기 프로빙부터 최종 조립 및 패키징에 이르기 까지 모든 제조 단계는 반복적인 얼라인먼트가 필요하다. 하지만 전체 비용의 최대 80%를 차지하는 만큼 생산 규모 확대에 걸림돌이 된다. 이제는 정밀한 액티브 얼라인먼트를 통해 제조 작업 흐름 전반에 걸쳐 비용을 대폭 절감할 수 있다. 이기사에서는 생산량을 1000배 이상 늘릴 수 있는 얼라인먼트 자동화의 최신 기술 및 발전에 대해 설명한다.

<그림1> 오늘날의 포토닉 장비를 테스트하고 패키징하는 것은 여러 DOF에 걸쳐 큰 과제가 된다. 광섬유 어레이와 같은 다채널 장비의 얼라인먼트는 최신 병렬 알고리즘이 개발되기 전까지 느리고 반복적인 프로세스였다.

패시브 얼라인먼트 vs 액티브 얼라인먼트

패시브 얼라인먼트는 광섬유를 칩이나 기타 부품에 얼라인하는 등 높은 정밀도가 필요한 애플리케이션에서 허용 오차가 타이트해 제조 공정의 신뢰성이 저하된다. 설계가 더욱 기술 화됨에 따라 허용 오차를 충족하는 기계 및 프로세스 가격은 상승하고 불량품 수가 증가하여 추가 비용이 발생한다. 이에 비해 액티브 얼라인먼트는 로봇을 사용하여 장치를 자동으로 얼라인함으로써 성능 최대화, 비용 절감, 유연성, 빠른 속도를 얻을 수 있다.

<그림2> 광 부품의 전력 분포는 여러 피크를 보여준다. 최신 알고리즘과 정밀 메커니즘은 정확한 피크를 빠르게 찾는다.

이전 방식은 순차적이고 반복적으로 각 축을 재조정하여 최적화해 시간과 비용이 많이 들고 효율성이 떨어졌다. 이제는 FMPA(Fast Multichannel Photonics Alignment) 솔루 션이 고급 알고리즘과 빠른 메커니즘의 조합으로 처리량을 증가시킨다. 단 몇 초 만에 수행할 수 있는 간단한 명령 세트를 사용하여 한 번에 모든 조정을 수행하고 최적화가 병렬로 이루어지므로 얼라인먼트 시간을 1000배 단축해 비용을 절감할 수 있다.

액티브 얼라인먼트의 다양한 프로세스
 

Area Scans은 가장 높은 커플링 피크의 대략적인 위치를 파악하기 위해 사용된다. 첫 번째 광을 감지하고 커플링을 특성 화하며 Gradient Search를 통한 후속 최적화를 위해 커플링의 메인 모드를 로컬화한다. Gradient Search는 커플링을 변조하기 위해 장치 간에 작은 원형 디더 모션을 수행한다. 성능 지수의 변화를 통해 커플링의 구간 기울기를 실시간으로 파악할 수 있다. 컨트롤러는 자동으로 변조를 관찰하고 변조가 0으로 떨어질 때 까지(완전 최적화) 얼라인한다.

<그림3>First light을 감지하기 위한 사인파 Area Scan

<그림4> 헥사포드/피에조 방식을 사용한 나선형 스캔. 크고 작은 스캔을 동시에 실행한다.

<그림5> 관찰된 커플링 파워 또는 기타 매개변수를 변조하는 원형 디더를 통한 기울기 그래픽. 디더링에 대한 변조 위상은 최대 방향을 나타내는 반면 진폭은 최적화되면 0으로 떨어진다. 관찰된 기울기는 위의 방정식으로 표현될 수 있으며 얼라인 에러의 척도이다.

<그림6> Digital gradient search 그래픽. Area scan을 통해 메인 모드가 식별 되면 알고리즘은 빠르게 피크에 도달. 메인 피크는 애플리케이션에 필요한 모든 DOF에서 자동으로 미세 조정. 이 모든 것은 한 번의 명령으로 동시에 수행된다.

다양한 요구사항에 대한 메커니즘

• 광 파워 미터: 넓은 동적 범위와 대역폭을 갖춘 고감도 파워 미터로 SiPh 컴포넌트의 최적 얼라인먼트를 지원한다.

<그림7> 고속 광 얼라인에는 높은 대역폭을 갖춘 광 파워 미터가 필요하다.

<그림8> 미니 갠트리 시스템
 

• 대형 애플리케이션을 위한 갠트리 플랫폼: 넓은 영역에 걸친 나노 스케일 프로세싱에는 고정밀, 고처리량 솔루션이 필요하 다. 갠트리 시스템은 컴팩트한 폼팩터에서 처리량과 반복도를 향상시킨다. 아이언리스 리니어 모터는 포토닉스 애플리 케이션에 필요한 동적인 모션을 구현한다. 다이렉트 드라이브 모터는 각 갠트리 축에 나노미터 분해능의 리니어 인코더 2개가 있어 큰 듀티 사이클에서도 반복 가능한 포지셔닝을 제공한다. 에어 베어링 스테이지는 섬세한 광 회로를 손상시킬 수 있는 오염이 발생하지 않아 많은 이점을 제공한다.

• 헥사포드 메커니즘: 헥사포드는 6개의 액추에이터를 기반으로 6자유도를 제공하므로 PIC 테스트 및 패키징 애플리케이 션에 적합하다. 3축 피에조 플렉셔 스캐너와 결합하면 나노 스케일 분해능과 얼라인 프로세스가 가속화되어 높은 스캐 닝 주파수로 생산성이 향상된다. 피벗 포인트도 자유롭게 설정할 수 있어 파이버 팁 또는 빔 웨이스트 주위로 회전이 필요할 때 유용하다.

<그림9> 헥사포드 시스템

• 모듈식 얼라인먼트 시스템: 개별 스테이지의 조합으로 구성된 모듈식 얼라인먼트 시스템은 기계식 또는 에어 베어링을 선택할 수 있다. 에어 베어링은 유지 관리가 필요 없는 정밀 하고 동적인 모션을 제공한다. 또한 마찰로 인한 마모가 없어 파티클이 발생하지 않는다. 기계식 베어링 스테이지는 깨끗한 에어 공급이 필요하지 않는 비용 효율적인 솔루션이다.

높은 강성과 정밀도로 인해 일반적으로 크로스 롤러 베어링이 선호된다. 7mm XYZ 이동 범위를 제공하는 소형 보이스 코일 드라이브 시스템부터 250mm 이상의 대형 스테이지 까지 다양한 구성이 가능하다. 일반적으로 3상 모터 등 다이렉트 드라이브 모터와 보이스 코일을 사용해 최고의 성능과긴 수명을 제공한다.

<그림10> 에어 베어링 시스템

<그림11> 일반적으로 센서 앞에 있는 렌즈 시스템의 위치는 이미지의 선명도에 대한 정보를 제공하는 프레임별 MTF와 같은 계산을 사용하여 최적화되며, 값이 높을수록 더 나은 얼라인을 의미한다.

추가 얼라인먼트 애플리케이션

SiPh 및 광섬유 외에도 정밀 얼라인먼트는 포토닉스 관련 컴포넌트를 사용하는 다른 애플리케이션에서 수율과 처리량을 높일 수 있다. 예를 들어 레이저 제조에서는 빔의 특성을 최적 화하기 위해 벌크 광학, 캐비티 및 회절 소자를 얼라인해야 하는데, 자동화를 통해 제조 시간을 크게 줄이고 생산성을 높일수 있다. 마찬가지로 고속 얼라인먼트는 스마트폰과 차량용 카메라 등에 사용되는 고해상도 카메라에 대한 증가하는 수요를 충족시킨다.

FMPA는 이러한 정밀도와 속도를 구현하고 마이크로 로봇에 나노 스케일의 자율성을 제공하며 여러 광소자의 위치를 최적화하는 새로운 기술이다.

자료제공: PI코리아(www.pikorea.co.kr)