광 산업은 생산 규모가 빠르게 확대되고 있으며, 가까운 미래에는 생산 규모가 세 배로 증가할 것으로 예상됩니다. Multichannel silicon photonic (SiPh) 장비의 경제적이고 확장 가능한 제조, 정교해지는 소형 카메라 조립, 수천 마일에 걸친 고속 데이터 전송 등의 도전에 직면하면서, 정렬은 효과성, 성능, 실용성 면에서 필수적입니다. 광 기술이 소비자 및 현장 응용 분야에 점점 더 밀접해짐에 따라 웨어러블 장비는 더욱 보편화될 것입니다. LIDAR 및 ADAS 카메라는 자율주행 차량의 가장 중요한 요구 사항이며, 양자 광학, 광학 컴퓨팅 등 다양한 분야에서도 많은 응용이 예상됩니다. 모든 시장에서 광 부품의 수요를 충족하기 위해서는 광 테스트 및 조립 공정의 지능형 자동화가 필요합니다. 생산에서 가장 시간이 많이 소요되는 단계는 광학, 섬유 배열, 도파관 또는 기타 광 부품의 정렬입니다. 새로운 자동화 솔루션은 수율, 시장 진입 시간, 비용 절감 및 신속한 생산량 확대 측면에서 가장 큰 이점을 제공할 것입니다.
광 정렬의 중요한 과정은 1980년대 초반에 개발된 일반적인 포지셔너와 기본적인 자동화 기술에 의존했으며, 오늘날에도 생산성 향상의 대안이 부족하여 여전히 사용되고 있습니다. 그 결과, 업계는 번거롭고 비용이 많이 들며 재현성이 낮은 결합 방식과 지속적으로 낮은 수율, 생산성 및 확장성 문제에 직면해왔습니다. 그러나 이제는 여러 채널과 자유도의 자동화 및 동시 최적화를 위한 지능형 내장 정렬 알고리즘이 탑재된 최신 메커니즘이 복잡한 정렬을 신속하게 수행할 수 있습니다. 과거에는 몇 분이 걸리던 작업이 이제는 단일 명령으로 1초 만에 완료될 수 있습니다. 수동 프로세스에서 오늘날의 정교한 기술로 발전한 정렬 방법의 변화를 살펴보겠습니다.
광 정렬의 역사: 기존의 도구와 한계
최초의 생산용 정렬 자동화 도구는 1980년대 후반 개인용 컴퓨터가 등장한 직후에 나왔습니다. 이 접근 방식은 PC의 소프트웨어에 내장된 정렬 기능을 수행하며, 점진적으로 단계별로 실행되었습니다. 당시의 처리 능력과 통신 버스, 느린 모션 컨트롤러와 스테이지, 알고리즘의 한계로 병목 현상이 발생했습니다. 그러나 수동 방식에 비해 생산 경제성이 몇 배 향상되었기 때문에 오늘날에도 널리 사용되고 있습니다.
하지만 이제 멀티코어 프로세서와 PC의 큰 메모리와 스토리지로 인해 더 정교한 알고리즘이 가능해져 새로운 SiPh 응용 프로그램의 수요 급증에 대응할 수 있게 되었습니다. 이제는 머신러닝 기능까지 통합할 수 있습니다.
광섬유 정렬
광섬유 정렬 또는 포토닉스 정렬에서 최대 성능을 달성하기 위해서는, 부품과 공차가 매우 작아야 하며 때로는 수십 나노미터 수준의 정밀도가 요구됩니다. 이를 충족하려면, 서브마이크로미터에서 나노미터 분해능을 갖는 메커니즘이 필요합니다. 일반적인 SiPh 제조 공정에서는 웨이퍼 테스트에서부터 다양한 장치 조립 및 테스트 단계에 이르기까지 이러한 정렬이 수십 번 필요합니다.
수동 정렬 vs 능동 정렬: 광 정렬의 미래는?
수동 정렬은 하위 구성 요소 제작 과정에서 정밀하게 구현된 사전 정의된 기능에 의존하여 하위 구성 요소를 레고처럼 조립할 수 있는 반면, 능동형 정렬은 고정밀 모션과 실시간 피드백을 사용하여 사실상 모든 결합을 최적화합니다. 수동형과 능동형 정렬 간의 선택은 정밀 요구 사항, 제작 능력, 시스템 복잡성 및 비용 고려 사항과 같은 요인에 따라 달라집니다.
수동 정렬(Passive Alignment)이란?
수동 정렬은 기계적 고정 장치 또는 미리 정해진 정렬 기능을 사용하여 시스템 내에서 광학 구성 요소를 정렬하는 프로세스를 말합니다. 이 프로세스는 정확한 정렬을 달성하기 위해 정렬 기능의 고유한 기계적 정밀도에 크게 의존합니다. 수동 정렬은 간단하고 비용 효율적일 수 있으며, 대부분의 최신 실리콘 광 구성 요소에 필요한 것보다 허용 오차가 덜 중요한 경우 충분히 잘 작동할 수 있습니다. 그러나 일반적으로 오늘날의 고성능 광학 장치는 높은 정밀도가 필요하므로 비용이 증가하고 제조 프로세스를 신뢰할 수 없으며 수율이 낮아집니다.
수동 및 기존 능동 정렬 방식의 높은 단위 비용으로 인해 수동 정렬 솔루션을 찾는 작업은 30년 이상 이어져 왔지만, 나노 스케일의 제조 정밀도와 재현성이 요구됨에 따라 수동 정렬의 실용성은 제한되었습니다. 예를 들어, V-grooves 어레이는 이론적으로 필요한 정밀도로 제작할 수 있지만, 실제로는 달성하기 어렵습니다. 어레이 채널 수, 형식, 밀도에 대한 시장 동향도 걸림돌입니다. >> Teramount’s Photonic Plug와 같은 특정 문제에 대한 독창적인 솔루션은 어려운 사례에 대해 훌륭한 답을 제시합니다. 그러나 일반적인 경우, 오늘날의 장치에 적합한 유연하고 확장 가능한 능동 정렬이 가능해지면서 수동 정렬 접근 방식을 구현해야 하는 필요성이 줄어들고 있습니다. 능동 정렬은 추가적인 광학 요소, 모드 확장 또는 기타 도구에 의존하지 않는다는 이점이 있습니다.
최신 수동 정렬 기술에서도 광섬유 코어의 중심 정렬과 같은 장비의 공차는 여전히 어려운 문제입니다. 또한 >> wafer probing 및 부분 조립 테스트와 같이 높은 정밀도가 요구되지만 일시적인 정렬이 필요한 테스트 프로세스에 수동 정렬을 사용하는 것은 불가능합니다. 이러한 이유로 능동 정렬의 필요성이 지속되고 있습니다.
정밀한 부품 정렬은 최종 제품의 적절한 기능을 보장하고 공정 수율을 높이며 경쟁력 있는 품질 지표를 달성하기 위해 대부분의 산업 테스트 및 조립 과정에서 필수적입니다. 예를 들어, Elon Musk가 테슬라 제조팀에 제시한 패널 간격 일관성을 위한 "10micron" 도전 과제를 떠올려볼 수 있습니다. 정밀 정렬의 필요성은 특히 광학 모듈, 요소 및 장비의 경우 더욱 중요합니다. 장비들은 정격 성능과 생산 수율을 달성하기 위해 정확하게 정렬되어야 합니다. 실리콘 포토닉스 웨이퍼 프로빙과 같은 고급 애플리케이션에서는 능동 정렬 외에는 대안이 없습니다.
제조 공정에서는 여러 채널, 요소, 상호 작용 입출력이 여러 자유도에 걸쳐 여러 번 정렬 및 최적화되어야 합니다. 결국, 오늘날보다 1,000배 더 높은 생산량을 처리하고 짧아지는 혁신 주기에 적응해야 하는 상황에서는 고속 정밀 정렬의 성공적인 구현이 필수적입니다. 능동 정렬은 효율적인 자동화를 위한 솔루션으로, 상당한 비용 절감을 제공합니다.
능동 정렬(Active Alignment)이란?
능동 정렬은 구동 장비와 광 파워 미터로부터 피드백을 받아 광 파워 및 결합 효율에 대한 정확한 데이터를 제공하는 방식입니다. 자동화된 능동 정렬에서는 작업자의 손과 눈이 디지털 컨트롤러와 정렬 알고리즘으로 대체되어, 주어진 임계값 또는 최대 광 파워가 달성될 때까지 위치 조정 메커니즘을 자동으로 제어합니다. 여전히 많은 솔루션은 1987년 스타일로 알고리즘을 PC에 구현하고 있습니다. 이에 비해 능동 정렬 구현은 최대 속도와 신뢰성을 위해 컨트롤러에 완전히 통합되어 있습니다.
자동화 능동 정렬 달성
새로운 포토닉스 분야의 공통점은 통신 및 데이터 센터 분야에 비해 대량의 제품을 필요로 한다는 점입니다. 업계는 몇 년 안에 생산 규모를 1,000배로 확대해야 할 것으로 추정됩니다. 수작업으로는 이러한 규모로 확장할 수 없으며, 고속 자동화가 필수적입니다. 정렬 자동화는 30년 이상 사용되어 왔지만, 장치가 작아지고 복잡해짐에 따라 정렬 시간은 기하급수적으로 증가했습니다. 예를 들어, 다중 렌즈 어셈블리를 정렬하는 것은 두 개의 요소만 있는 어셈블리를 정렬하는 것보다 훨씬 더 까다롭습니다. 또한, 1997년에 주로 사용되던 레이저 다이오드를 피그테일링하는 작업에 비해, 32채널의 실리콘 포토닉 칩을 부착하는 데는 훨씬 더 많은 시간이 소요됩니다.
이상적으로는, 다중 요소 및 자유도에 걸쳐 여러 정렬 작업을 한 번에 빠르게 수행할 수 있어야 합니다. 이러한 단일 단계 프로세스는 기존의 정렬 기술이 다중 채널 상황에서 필요로 했던 여러 번의 길고 반복적인 루프를 대체하여, 정렬 시간을 두 자릿수로 단축시킵니다.
현대의 자동화된 능동 정렬 시스템은 수동보다 훨씬 빠르고, 반복성도 높습니다. 초기 투자 비용이 더 들지만, 대량 생산에서 유연성과 속도, 그리고 막대한 비용 절감을 제공합니다. 최신 시스템은 다채널과 자유도에서 결합 성능을 동시에 최적화할 수 있어, 하나의 칩에 여러 회로가 있는 실리콘 광 응용에 필수적입니다. 이 접근 방식은 >> testing and assembly 속도를 높이며, 전문 인력과 기준 허용치에 대한 의존을 줄여줍니다.
실리콘 광자 구조는 일반적인 0.02dB 커플링 반복성 사양을 달성하기 위해 20~50나노미터 사이의 정렬 정확도가 필요하며, 이를 위해선 훨씬 더 높은 분해능을 가진 새로운 모션 기술이 요구됩니다. 이러한 시스템은 정렬 프로세스를 적극적으로 제어함으로써 하위 구성 요소, 고정 장치 및 배치 허용 오차를 보상하여 수동 정렬 및 이전 방식의 능동 정렬에 비해 더 높은 정밀도와 반복성을 달성합니다. 최적의 성능을 보장하는 것과 함께 자동화된 능동 정렬은 처리량을 증가시키고 비용을 절감합니다.
스마트 광섬유 정렬을 위한 최신 메커니즘 및 알고리즘
초기의 자동화 정렬 메커니즘에는 특수 목적의 장비 또는 고가의 스테이지가 필요했지만, 기술 발전으로 인해 다축 피에조 나노 포지셔닝 스테이지와 헥사포드의 조합을 기반으로 한 새로운 솔루션이 SiPh 테스트 및 조립 솔루션으로 떠올랐습니다. 최근에는 컨트롤러의 발전을 통해 비용 효율적인 산업용 스테이지 스택이 가능해져 처리량이 높은 다채널 병렬 정렬을 수행하여 PCB와 같은 대형 기판에도 적용할 수 있는 유연한 아키텍처를 형성했습니다. 첫 번째 광을 찾는 것은 웨이퍼 프로빙 및 장치 패키징을 포함한 모든 산업용 광 정렬 응용 분야에서 시간이 많이 걸리는 절차였습니다. 하지만, PI의 혁신적인 알고리즘이 첫 번째 광 탐지 시간을 대폭 감소시킵니다:
